JP2016090452A - 探知装置及び水中探知装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストで、物標の３次元的な位置を比較的短時間で探知可能な探知装置を提供する。【解決手段】ＣＴＦＭ方式を用いる探知装置であって、周波数掃引された送信波を送波する送波部２と、それぞれが送信波の反射波を受信波として受波する複数の受波素子３ａ、を有する受波部３と、受波部３を動かす駆動機構４と、送波部２から送波された送信波と、複数の受波素子３ａのそれぞれで受波された受信波とに基づき、各受波素子３ａに対応するビート信号を生成する受信処理部と、前記受信処理部によって生成された各前記ビート信号に基づいてビームフォーミングを行うビームフォーミング処理部と、を備えた探知装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、物標の３次元的な位置を探知するための探知装置及び水中探知装置に関する。
従来から知られている探知装置として、例えば特許文献１、非特許文献１、及び非特許文献２に開示される探知装置が挙げられる。
特許文献１には、段落００６９及び図１９等に開示されるように、互いに反対方向にソナー信号を送信するように配置された２本のソナー素子を１８０度回転させることにより（又は、１本のソナー素子を３６０度回転させることにより）、水平面内における３６０度の範囲を探知可能なソナー（探知装置）が開示されている。
また、非特許文献１には、円筒型の振動子が上下方向に積み重ねられて直線状となるように形成された送信アレイと、水平方向に長いラインアレイによって形成された受信アレイと、を備えた、いわゆるクロスファン方式のソーナー（探知装置）が開示されている。
また、非特許文献２には、扇状に広がるビーム（いわゆるファンビーム）を形成可能な送信素子と、比較的細いビーム（いわゆるペンシルビーム）を形成可能な受信素子とを備えたソナー（探知装置）が開示されている。この探知装置では、送信素子と受信素子とがモータによって回転されることにより、広範囲に亘って物標を探知することができる。
また、全方位に亘って送波された送信波のエコーを、２次元状に配列されたアレイでビームフォーミングを行うことにより、所定範囲内の物標探知を比較的短時間で行うことが可能なスキャニングソナーも、一般的に知られている。
米国特許出願公開第２０１３／２１５７１９号明細書
江村真史、外４名、"ＣＴＦＭソナーを用いた音響イメージング"、日本音響学会講演論文集、論文Ｎｏ．３−５−６、２０１２年３月 サンウエストテクノロジズ(SUNWEST TECHNOLOGIES)、「ＣＴＦＭソナーＳＳ３３０」、［online］、［平成２６年８月２９日検索］、インターネット〈http://www.sunwest-tech.com/SS300%20Broch%20-%20REV%20G.pdf〉
しかし、上述した特許文献１に開示される探知装置は、いわゆるパルスエコー方式の探知装置であるため、物標の探知に比較的時間がかかる。具体的には、所定の方位に送波されたパルス状の送信波が受波されるまでの時間が方位毎に累積していくため、所定範囲を探知する際に比較的時間がかかってしまう。
また、上述した非特許文献１に開示される探知装置では、２次元画像を生成することはできるものの、３次元画像を生成することはできない。
また、上述した非特許文献２に開示される探知装置では、非特許文献１の探知装置の場合と同様、２次元画像を生成することはできるものの、３次元画像を生成することはできない。しかも、２次元画像を生成するためにペンシルビームを形成する受信素子を広範囲に亘って移動させる必要があるため、所定範囲を探知する際に比較的時間がかかってしまう。
一方、上述したスキャニングソナーでは、２次元状に配列されたアレイを形成するために多数の素子が必要となり、その分コストがかかってしまう。
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、低コストで、物標の３次元的な位置を比較的短時間で探知可能な探知装置を提供することである。
（１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る探知装置は、ＣＴＦＭ方式を用いる探知装置であって、周波数掃引された送信波を送波する送波部と、それぞれが前記送信波の反射波を受信波として受波する複数の受波素子、を有する受波部と、前記受波部を動かす駆動機構と、前記送波部から送波された前記送信波と、前記複数の受波素子のそれぞれで受波された前記受信波とに基づき、各前記受波素子に対応するビート信号を生成する受信処理部と、前記受信処理部によって生成された各前記ビート信号に基づいてビームフォーミングを行うビームフォーミング処理部と、を備えている。
（２）好ましくは、前記送波部によって形成される送信ビームは３次元状である。
（３）好ましくは、前記受信処理部は、前記送信波の基となる送信信号と前記受信波に基づく受信信号とを混合して前記ビート信号を生成する。
（４）好ましくは、前記複数の受波素子は、直線状に配列されている。
（５）好ましくは、前記駆動機構は、前記受波部を回転させる。
（６）更に好ましくは、前記駆動機構は、前記受波部において前記受信波が受波される部分である受波面に対して垂直な方向を回転中心として、前記受波部を回転させる。
（７）好ましくは、前記駆動機構は、前記受波部を往復動させる。
（８）好ましくは、前記複数の受波素子は、直線状に配列され、前記駆動機構は、前記受波部において前記受信波が受波される部分である受波面に沿う方向であって、且つ前記複数の受波素子の配列方向に垂直な方向に、前記受波部を動かす。
（９）好ましくは、前記ビームフォーミング処理部は、適応ビームフォーミングを行う。
（１０）好ましくは、前記送波部は、錐状の送信ビームを形成する。
（１１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る水中探知装置は、上述したいずれかの探知装置としての水中探知装置である。
本発明によれば、低コストで、物標の３次元的な位置を比較的短時間で探知可能な探知装置を提供できる。
本発明の実施形態に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す送波部から送波される超音波の、時間と周波数との関係を示すグラフである。 図１に示す水中探知装置によって物標が探知される過程を模式的に示す図であって、水中探知装置が搭載された自船とともに示す図である。 図１に示す信号処理部の構成を示すブロック図である。 図４に示す第１乗算部によって生成されたビート信号の一例を示すグラフである。 対象区間ビート信号の生成について説明するための図であり、（Ａ）は、ローパスフィルタから出力されたビート信号の波形（すなわち、対象区間ビート信号を抽出する前の波形）であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示すビート信号から抽出された対象区間ビート信号の波形である。 表示部に表示される映像の一例を示す図である。 変形例に係る水中探知装置によって形成される送信ビーム及び受信ビームを、当該水中探知装置が搭載される自船とともに示す模式図であって、（Ａ）は側方から視た図、（Ｂ）は上方から視た図である。 変形例に係る水中探知装置によって形成される送信ビーム及び受信ビームを、当該水中探知装置が搭載される自船とともに示す模式図であって、上方から視た図である。
以下、本発明に係る水中探知装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。本発明の実施形態に係る水中探知装置１は、いわゆるＣＴＦＭ(Continuous Transmission Frequency Modulated)方式の探知装置であって、例えば、自船（漁船などの船舶）の船底に装備され、主に魚及び魚群等の物標の探知に用いられる。他にも、岩礁のような海底の起伏、人工漁礁のような構造物の探知などに用いられる。また、この水中探知装置１によれば、物標の３次元的な位置及び形状を把握することができる。
［全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係る水中探知装置１の構成を示すブロック図である。水中探知装置１は、図１に示すように、送波部２と、受波部３と、モータ４（駆動機構）と、送受信装置５と、信号処理部１０と、表示部８とを備えている。
送波部２は、送信波としての超音波を水中に送波するためのものであって、超音波が送波される送波面（図示省略）が海中に露出して鉛直下方へ向かうように、船底に対して固定される。本実施形態では、送波部２は、比較的広範囲に亘る３次元状の送信ビーム（いわゆるボリュームビームＶＢ）を送波可能に構成されている。このボリュームビームＶＢの形状は、例えば一例として、送波部２を頂点として下方へ延びる錐状（本実施形態では、円錐状）であって、その頂角は１２０度程度である。
また、送波部２からは、周波数が掃引された超音波が送波される。より具体的には、送波部２からは、周波数が時間経過に応じて徐々に変化するチャープ波が、一定の周期毎に、連続的に送波される。図２は、送波部２から送波される超音波の、時間と周波数との関係を示すグラフである。図２におけるＸｍａｘは掃引時間を示し、Δｆｍａｘは掃引帯域幅を示している。
受波部３は、複数の超音波振動子３ａ（受波素子）を有している。各超音波振動子３ａでは、超音波が受波される受波面（図示省略）が海中に露出している。各超音波振動子３ａは、送波部２から送波された超音波の反射波を、受信波として受波し、電気信号（受信信号）に変換する。これらの超音波振動子３ａは、直線状に配列されている。すなわち、受波部３は、リニアアレイである。受波部３は、超音波振動子３ａの配列方向が水平面（鉛直方向に垂直な面）に沿うように、且つ受波面が鉛直下方に向かうように、配置されている。
モータ４は、受波部３を動かすためのものである。具体的には、モータ４は、リニアアレイ状の受波部３の長手方向中央部分を中心として鉛直方向に延びる中心軸を回転中心として、該受波部３を回転させる。これにより、受波部３は、鉛直方向に垂直な水平面に沿って回転する。モータ４は、受波部３を、所定の時間間隔毎に、所定角度ずつ回転させる。
図３は、水中探知装置１によって物標が探知される過程を模式的に示す図であって、水中探知装置１が搭載された自船Ｓとともに示す図である。本実施形態の受波部３は、以下で詳しく説明する送受信装置５及び信号処理部１０とともにビームフォーミングを行うことにより、受波部３のリニアアレイが利得を持つ扇型の範囲（例えば一例として、鉛直下方を０度として、θが−６０度から＋６０度の範囲）であるファンエリアＦＡ内を、電子的に走査する細いビームＮＢ（図１参照）で探知可能なように構成されている。このファンエリアＦＡは、例えば厚みが６度程度と比較的薄く、図３に示すように、自船Ｓを中心として下方へ面状に広がるように形成される。より具体的には、ファンエリアＦＡは、超音波振動子３ａの配列方向及び鉛直方向の双方を含む面に沿って、下方へ２次元状に広がるように形成される。そして、上述のように、受波部３は、モータ４によって水平面に沿って回転させられるため、これに伴ってファンエリアＦＡも同じ方向（図３のφ方向）に回転する。これにより、本実施形態に係る水中探知装置１によれば、自船下方における３次元空間（図３の破線によって囲まれる空間）内の物標を探知し、当該空間内における物標の３次元的な位置を推定することができる。
送受信装置５は、送信部６と、受信部７とを備えている。
送信部６は、信号処理部１０で生成された周波数掃引された送信信号を増幅し、増幅後の高電圧送信信号を送波部２に印加する。
受信部７は、受波部３が出力する電気信号（受信信号）を増幅し、増幅した受信信号をＡ／Ｄ変換する。その後、受信部７は、デジタル信号に変換された受信信号を、信号処理部１０に対して出力する。より具体的には、受信部７は、複数の受信回路（図示省略）を有し、各受信回路が、対応する超音波振動子３ａによって受波された受信波を電気音響変換して得られた各受信信号に対して上述した所定の処理を行い、各受信信号を信号処理部１０に出力する。
信号処理部１０は、送信信号（電気信号）を生成し、送信部６に入力する。また、信号処理部１０は、受信部７から出力される受信信号を処理し、物標の映像信号を生成する処理を行う。信号処理部１０の構成については、詳しくは後述する。
表示部８は、信号処理部１０から出力された映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。本実施形態では、表示部８は、自船下方における海中の状態を、３次元的に表示する。これにより、ユーザは、当該表示画面を見て、自船下方における海中の状態（単体魚及び魚群、海底の起伏、人工漁礁のような構造物の有無及び位置）を推測することができる。
［信号処理部の構成］
図４は、信号処理部１０の構成を示すブロック図である。信号処理部１０は、図４に示すように、送信信号生成部１０ａと、送受信処理部１１と、ファンエリア内探知データ生成部１８と、３次元エコーデータ処理部１９と、を有している。
送信信号生成部１０ａは、送波部２から送波される送信波の基となる送信信号（電気信号）を生成する。送信信号生成部１０ａで生成された送信信号は、送信部６及び送受信処理部１１へ送信される。
送受信処理部１１は、複数の送受信処理回路１１ａを有している。各送受信処理回路１１ａには、送信信号生成部１０ａで生成された送信信号、及び対応する受信回路で生成された受信信号（各超音波振動子３ａによって得られた受信信号）が入力される。各送受信処理回路１１ａは、各受信信号に対して信号処理を行う。
各送受信処理回路１１ａは、第１乗算部１２と、ローパスフィルタ１３と、対象区間信号抽出部１４と、窓関数記憶部１５と、第２乗算部１６と、周波数解析部１７と、を有している。なお、各送受信処理回路１１ａで行われる処理は、互いに異なる超音波振動子３ａによって受信された受信波から得られる受信信号が入力される点を除いて、同じである。
第１乗算部１２は、送信信号生成部１０ａで生成された送信信号と、超音波振動子３ａによって受波された超音波から得られた受信信号とに基づいて、ビート信号を生成する。より具体的には、第１乗算部１２は、上述した送信信号と受信信号とを混合（ミキシング、乗算）することにより、ビート信号を生成する。図５は、第１乗算部１２によって生成されたビート信号の一例を示すグラフである。
ローパスフィルタ１３は、第１乗算部１２で生成されたビート信号から不要な信号成分（高周波成分）を取り除く。
対象区間信号抽出部１４は、ローパスフィルタ１３によって不要な信号成分が除去されたビート信号のうち、後工程での処理対象となる区間の信号を抽出する。具体的には、対象区間信号抽出部１４は、処理対象となる区間を受信ゲート区間として設定し、当該受信ゲート区間内におけるビート信号を対象区間ビート信号として生成する。図６は、対象区間ビート信号の生成について説明するための図であり、（Ａ）はローパスフィルタから出力されたビート信号の波形（すなわち、対象区間ビート信号を抽出する前の波形）、（Ｂ）は（Ａ）に示すビート信号から抽出された対象区間ビート信号の波形、である。
窓関数記憶部１５は、所定の窓関数を記憶する。そして、第２乗算部１６は、窓関数記憶部１５に記憶される所定の窓関数を、対象区間ビート信号に掛ける処理を行う。
周波数解析部１７は、第２乗算部１６からの出力結果（窓関数が掛けられた対象区間ビート信号）を解析し、各周波数における振幅及び位相を示すデータ（振幅スペクトル及び位相スペクトル、以降、これらをまとめて複素スペクトルと称する場合もある）を生成する。解析手段として、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などが挙げられる。なお、上述のように対象区間ビート信号に窓関数が掛けられることにより、周波数解析部１７によって生成された複素スペクトルのサイドローブを低減することができる。
そして、送受信処理部１１では、各送受信処理回路１１ａによって、各超音波振動子３ａに対応する複素スペクトルが生成される。各周波数解析部１７によって生成された当該複素スペクトルは、ファンエリア内探知データ生成部１８に出力される。
ファンエリア内探知データ生成部１８は、各送受信処理回路１１ａで生成された複素スペクトルの横軸を、周波数から距離（自船からの距離）へ変換し、エコーデータ（自船からの各距離におけるエコーの複素振幅データ）を生成する。周波数から距離への変換係数は、送信信号の掃引帯域幅、送信信号の掃引時間、水中の音速に基づき、予め算出される。
更に、ファンエリア内探知データ生成部１８は、上述した各エコーデータに基づいてビームフォーミング処理を行う。すなわち、ファンエリア内探知データ生成部１８は、上述した各エコーデータに基づいてビームフォーミング処理を行うビームフォーミング処理部として設けられている。ビームフォーミング手法の一例として、整相加算する場合を説明する。各エコーデータに所定の位相回転を施したうえで加算することにより、所定の角度θ（図３参照）を向いた受信ビームＮＢを形成することができる。各エコーデータに施す位相回転量を変化させ受信ビームＮＢの指向方向を所定の範囲内で変化させることにより（すなわち、電子的に走査することにより）、各角度θにおけるエコー強度を得ることができる。ファンエリア内探知データ生成部１８は、各距離ｒにおいて、各角度θにおけるエコー強度を得ることにより、距離ｒ及び角度θによって特定される領域の各位置におけるエコー強度を算出することができる。なお、以下では、当該エコー強度を、ファンエリア内エコー強度、を称する場合もある。
そして、ファンエリア内探知データ生成部１８は、モータ４によって徐々に変化する回転角度位置（図３におけるφ＝φ１，φ２，…）のそれぞれのときのファンエリア内エコー強度を算出する。ここで、モータ４の回転速度は、ファンエリアＦＡの厚み方向の角度分を回転する時間が送受信処理部１１における受信ゲート区間の時間より長くなるように設定する必要がある。探知時間をできるだけ短縮したい場合、両時間が一致するようにモータ４の回転速度を設定すればよい。
３次元エコーデータ処理部１９は、ファンエリア内探知データ生成部１８で生成された回転角度位置φ（φ１，φ２，…）毎のファンエリア内エコー強度を合成し、３次元エコーデータを生成する。図７は、当該３次元エコーデータに基づく映像信号によって生成された映像であって、表示部８に表示される映像の一例を示す図である。図７では、浅い位置からのエコーを濃いハッチングで示し、深い位置からのエコーを薄いハッチングで示している。なお、図７に示す映像では、エコー強度がある閾値以上のエリアについてハッチングが付されており、エコー強度とハッチングの濃さとは対応していない。
［シミュレーション結果］
以下では、本実施形態に係る水中探知装置１で所定範囲を探知する際に必要な探知時間と、既知の水中探知装置（パルスエコー法に基づく機械走査型の水中探知装置）で所定範囲を探知する際に必要な探知時間とを、シミュレーションにより比較する。シミュレーションを行う際の条件として、旋回ステップを６度（図３におけるφの１ステップでの回転角度）、旋回ステップ数を３０、探知レンジを１００ｍ、レンジ分解能を０．７５ｍ、ＣＴＦＭ掃引帯域幅を１５ｋＨｚ、とした。
なお、レンジ分解能については一般的な水中探知装置と同等のスペックとなるように、ＣＴＦＭ掃引帯域幅については一般的な水中探知装置で採用される超音波振動子で送受信可能な帯域幅に設定した。以上のような制約条件のもと、受信ゲート区間としてどの程度まで短い時間が設定可能かシミュレーションした結果、受信ゲート区間を９ｍｓと設定できることがわかった。これをふまえて、受波部の回転速度は９ｍｓ／６度と設定した。
また、パルスエコー法に基づく機械走査型の水中探知装置の条件としては、送信のビーム形状を上述したファンエリアＦＡと同じとなるようなファンビームとし、ファンビーム内の細い受信ビームの電子走査による探知、モータによる送信ビームと受信ビームの機械的な旋回を繰り返すことにより、３次元空間の探知を行うこととした。水中音速を１５００ｍ／ｓとすると、超音波パルスが１００ｍの探知レンジを往復伝搬するのに、１３３ｍｓ必要なことになる。このため、送受波器の回転速度は１３３ｍｓ／６度とした。
上述のような条件によりシミュレーションを行った結果、パルスエコー法に基づく機械走査型の水中探知装置の場合、探知時間が約４０００ｍｓであったのに対し、上記実施形態に係る水中探知装置１の場合、探知時間が２７０ｍｓとなった。すなわち、本実施形態に係る水中探知装置１の場合、従来からの手法であるパルスエコー法と比べて、探知時間を大幅に（本シミュレーション結果の場合、１０分の１以下に）短縮できることが確認された。
［効果］
以上のように、本実施形態に係る水中探知装置１では、複数の超音波振動子３ａのそれぞれで受波された受信波に基づいて生成された各ビート信号に基づいてビームフォーミングを行うことにより、ファンエリアＦＡ内のエコー強度を算出することができる。これにより、ファンエリアＦＡ内のエコー強度を求めるために受波部３を機械的に動かす必要がなくなるため、比較的短時間で当該２次元状の領域内のエコー強度を求めることができる。
また、水中探知装置１では、受波部３をモータ４によって所定角度ずつ回転させることにより、受波部３によって形成されるファンビームＦＢの位置を変化させている。これにより、角度位置φ毎に算出されるファンビーム領域内エコー強度によって、３次元空間を探知することができ、物標の３次元的な位置を推定することができる。更に、従来から知られているスキャニングソナーのように、受波素子を２次元状又は３次元状に配列する必要がなくなり、必要な受波素子の数量を減らすことができるため、装置を簡素化できる。
また、水中探知装置１では、いわゆるＣＴＦＭ方式を採用して物標の探知を行っているため、パルスエコー方式を採用する場合と比べると、所定範囲を探知する際に必要となる時間を短縮することができる。より具体的には、水中探知装置１では、ＣＴＦＭ方式の採用により超音波パルスが探知レンジを往復伝搬するのに要する時間より短い時間でファンエリアＦＡ内のエコー強度を求めることが可能となる。これにより、比較的短時間で当該２次元状の領域（ファンエリアＦＡ）内のエコー強度を求めることができ、結果として所定範囲を探知する際に必要となる時間を短縮することができる。
従って、水中探知装置１によれば、低コストで、物標の３次元的な位置を比較的短時間で探知可能な探知装置を提供することができる。
また、水中探知装置１では、送信ビームを３次元状に形成しているため、物標を探知する領域に対して一度に超音波を送波することができる。こうすると、探知領域全体に送信ビームを行き渡らせるために送波部２を動かす必要がなくなるため、装置を簡素化することができる。
また、水中探知装置１では、送信波としての超音波波形に基づく送信信号と、受信波としての超音波波形に基づく受信信号とを混合することによりビート信号を生成しているため、ビート信号を適切に生成することができる。
また、水中探知装置１では、超音波振動子３ａを直線状に配列し、受波部３をリニアアレイ状に形成しているため、超音波振動子が２次元状又は３次元状に配列されている場合と比べて、超音波振動子３ａの数量を確実に低減することができる。
また、水中探知装置１では、モータ４によって受波部３が回転されるため、比較的簡易な構成で、３次元空間を探知可能な探知装置を構成することができる。
また、水中探知装置１では、超音波振動子３ａの受波面に対して垂直な方向を回転中心として受波部３が回転されるため、当該回転中心を中心とした３次元領域を適切に探知することができる。
また、水中探知装置１では、超音波振動子３ａの受波面に沿う方向であって、超音波振動子３ａの配列方向に垂直な方向に、受波部３が動かされる。こうすると、２次元状のファンエリアＦＡと受波部３の回転方向とが垂直となるため、時間経過に伴い移動するファンエリアＦＡ同士が重なる範囲を少なくできる。これにより、比較的短時間で広範囲を探知することができる。
また、水中探知装置１では、送波部２が錘状（本実施形態では、円錐状）の送信ビームを形成することにより、自船下方を広範囲に亘って探知することができる。
また、水中探知装置１によれば、低コストで、水中の物標の３次元的な位置を比較的短時間で探知可能な水中探知装置を提供できる。
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
（１）図８は、変形例に係る水中探知装置１ａによって形成される送信ビーム及び受信ビームを、当該水中探知装置１ａが搭載される自船Ｓとともに示す模式図であって、（Ａ）は側方から視た図、（Ｂ）は上方から視た図である。上記実施形態に係る水中探知装置１は、自船の下方を探知するように構成されているが、これに限らず、本変形例に係る水中探知装置１ａのように、自船の前方を探知するように構成されていてもよい。すなわち、本変形例に係る水中探知装置１ａは、座礁の原因となる自船前方の暗礁等を探知可能な前方探知ソナーとして設けられている。以下では、上記実施形態と異なる点について主に説明し、その他については説明を省略する。なお、本変形例に係る水中探知装置１ａは、上記実施形態に係る水中探知装置１と比べて、探知可能な範囲が大きく異なり、その構成については、図１に示すものと概ね同様である。
本変形例に係る水中探知装置１ａは、上記実施形態と同様の構成の送波部２を備えている。しかし、本変形例では、送波部２は、送波面が鉛直方向に対して自船の前方へ傾くように、自船の前側に固定されている。これにより、本変形例に係る水中探知装置１ａでは、送信ビームとしてのボリュームビームＶＢが、海中における自船前方へ向かって延びるように形成される。このボリュームビームＶＢの形状は、例えば一例として、上下方向については、水平方向を０度、鉛直下方を９０度とした場合において、０度から４５度の範囲をカバー可能であるとともに、左右方向については、右舷４５度から左舷４５度までの範囲をカバー可能な錐状に形成される。
また、本変形例に係る水中探知装置１ａは、上記実施形態と同様の構成の受波部３を備えており、複数の超音波振動子３ａが自船の左右方向に沿って配列されている。しかし、本変形例では、受波部３は、送波部２の場合と同様、受波面が鉛直方向に対して自船の前方へ傾くように、自船の前側に配置されている。これにより、本変形例に係る水中探知装置１ａでは、受波部３における複数の超音波振動子３ａが利得を持つ範囲として定義されるファンエリアＦＡが、海中における自船前方へ向かって延びるように形成される。本変形例におけるファンエリアＦＡの形状は、例えば一例として、上下方向の厚みが６度程度と比較的薄い２次元状であって、前方を０度とした場合における右舷４５度から左舷４５度までの範囲に亘っている。
そして、本変形例の受波部３は、上下方向に往復動するように、モータ４によって上方側又は下方側へ傾けられる。これにより、ファンエリアＦＡを上下方向に往復動させることができるため、自船前方を３次元的に探知できる。
以上、本変形例のようにファンエリアＦＡを往復動させることによっても、上記実施形態に係る水中探知装置１の場合と同様、低コストで、物標の３次元的な位置を比較的短時間で探知可能な探知装置を提供するができる。
また、本変形例の水中探知装置では、受波部３が往復動されるため、比較的簡易な構成で、所定方向（自船前方）に延びる探知領域を適切に探知可能な探知装置を構成することができる。なお、本変形例において、複数の超音波振動子３ａの配列方向を自船の前後方向（船首・船尾方向）とし、ファンエリアＦＡの駆動方向を左右方向としてもよい。
（２）図９は、変形例に係る水中探知装置１ｂによって形成される送信ビーム及び受信ビームを、当該水中探知装置１ｂが搭載される自船Ｓとともに示す模式図であって、上方から視た図である。本変形例に係る水中探知装置１ｂでは、受信ビームだけでなく、送信ビームＴＢもモータ４によって回転する。
図９に示すように、本変形例に係る水中探知装置１ｂで形成される送信ビームＴＢは、ファンエリアＦＡよりもやや厚み方向の幅が広いボリュームビーム状に形成される。そして、この送信ビームＴＢは、モータによって図９の矢印で示す方向にファンエリアＦＡと同じ回転速度で回転する。送信ビームＴＢの厚み方向の幅は、超音波パルスが探知レンジを往復伝搬するのに必要な時間に対する、本変形例に係る水中探知装置１ｂで設定する受信ゲート区間の時間の比、から決めることができる。例えば、この比率が１／３であれば、送信ビームＴＢの厚み方向の幅は、ファンエリアＦＡが３ステップ旋回する範囲より広く設定しておけば（図９参照）、所定の回転角における反射波の帰来を待つことなく受波部を回転しても回転後の角度で反射波を受波することができる。従って、本変形例の場合でも、上記実施形態の場合と同様、低コストで、物標の３次元的な位置を比較的短時間で探知可能な探知装置を提供するができる。
更に、本変形例によれば、送信ビームＴＢを形成する送波部から送波される超音波が不要な方位に送波されず、送信波が、受波部でのエコーの受波に必要とされる方位に絞って送信される。これにより、所望の方向にエネルギーを集中して送信波を送波できるため、送信波を送波するために必要な電力を低減することができる。これにより、省エネの観点において優れた探知装置を提供できる。
（３）上記実施形態の送受信処理部１１は、窓関数記憶部１５及び第２乗算部１６を有しているが、これに限らず、送受信処理部の構成として、窓関数記憶部及び第２乗算部が省略されていてもよい。これにより、メインローブの分解能の劣化を抑制することができる。
（４）上記実施形態の送受信処理部１１の第１乗算部１２では、送信信号生成部１０ａで生成された送信信号と、超音波振動子３ａによって受波された超音波波形に対応する受信信号とを混合（ミキシング、乗算）することによりビート信号を生成したが、これに限らず、送信信号に基づく信号と受信信号に基づく信号とを混合してもよい。例えば、送信信号に周波数オフセットを与えた信号と受信信号とを混合してビート信号を生成してもよい。こうすると、受信部７のＡ／Ｄ変換で発生しうる直流オフセットの影響を軽減したエコーデータを、送受信処理部１１の出力として得ることができる。
（５）上記実施形態では、送信信号と受信信号との混合をデジタル信号処理として実施しているが、これに限らず、アナログ信号処理として実施してもよい。この場合、第１乗算部１２は、送受信処理部１１ではなく送受信装置５に配置され、受信信号が受信部７でＡ／Ｄ変換される前に上述した混合処理を行うことになる。
（６）上記実施形態では、ファンエリア内探知データ生成部１８におけるビームフォーミング手法として整相加算を用いることにより、ファンエリアＦＡ内の各角度θでのエコー強度を算出したが、これに限らない。具体的には、Ｃａｐｏｎ法、ＭＵＳＩＣ法等の適応ビームフォーミング法を用いることにより、ファンエリアＦＡ内の各角度θでのエコー強度を算出してもよい。これにより、整相加算を用いる場合と比べて、装置のθ方向の角度分解能を向上することができる。
（７）上記実施形態では、受波部３をリニアアレイ状に形成したが、これに限らず、例えば、複数の超音波振動子３ａを円弧に沿って列状に配列することで、ファンエリアＦＡの範囲をθ方向に拡大することができ、より広範囲を探知することができる。
（８）上記実施形態では、周波数掃引された連続波を送波部２から送信したが、これに限らず、超音波が探査レンジを往復伝播する時間よりも長い時間をパルス幅とする周波数掃引されたパルス波を送波部から送波してもよい。
（９）上記実施形態及び変形例では、探知装置として水中探知装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、探知装置として、レーダ等を挙げることもできる。
１，１ａ，１ｂ 水中探知装置
２ 送波部
３ 受波部
３ａ 超音波振動子（受波素子）
４ モータ（駆動機構）
１１ 送受信処理部（受信処理部）
１８ ファンエリア内探知データ生成部（ビームフォーミング処理部）

Claims (11)

  1. ＣＴＦＭ方式を用いる探知装置であって、
    周波数掃引された送信波を送波する送波部と、
    それぞれが前記送信波の反射波を受信波として受波する複数の受波素子、を有する受波部と、
    前記受波部を動かす駆動機構と、
    前記送波部から送波された前記送信波と、前記複数の受波素子のそれぞれで受波された前記受信波とに基づき、各前記受波素子に対応するビート信号を生成する受信処理部と、
    前記受信処理部によって生成された各前記ビート信号に基づいてビームフォーミングを行うビームフォーミング処理部と、
    を備えていることを特徴とする、探知装置。
  2. 請求項１に記載の探知装置において、
    前記送波部によって形成される送信ビームは３次元状であることを特徴とする、探知装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の探知装置において、
    前記受信処理部は、前記送信波の基となる送信信号と前記受信波に基づく受信信号とを混合して前記ビート信号を生成することを特徴とする、探知装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記複数の受波素子は、直線状に配列されていることを特徴とする、探知装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記駆動機構は、前記受波部を回転させることを特徴とする、探知装置。
  6. 請求項５に記載の探知装置において、
    前記駆動機構は、前記受波部において前記受信波が受波される部分である受波面に対して垂直な方向を回転中心として、前記受波部を回転させることを特徴とする、探知装置。
  7. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記駆動機構は、前記受波部を往復動させることを特徴とする、探知装置。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記複数の受波素子は、直線状に配列され、
    前記駆動機構は、前記受波部において前記受信波が受波される部分である受波面に沿う方向であって、且つ前記複数の受波素子の配列方向に垂直な方向に、前記受波部を動かすことを特徴とする、探知装置。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記ビームフォーミング処理部は、適応ビームフォーミングを行うことを特徴とする、探知装置。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記送波部は、錐状の送信ビームを形成することを特徴とする、探知装置。
  11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の探知装置としての水中探知装置。
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