JP2024057746A - 超音波送信制御装置、超音波送信装置および水中探知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い分解能で駆動信号の位相制御を行なうことが可能な超音波送信制御装置、超音波送信装置および水中探知装置を提供する。【解決手段】信号波と三角波とを比較して駆動信号を生成するコンパレータ３５と、コンパレータ３５に入力される信号波の振幅および位相を制御する振幅制御部３８および位相制御部３９とを備える駆動信号生成部ＤＧ１～ＤＧｎをＦＰＧＡ３２１に搭載し、振幅制御部３８および位相制御部３９は、ＦＰＧＡ３２１の動作クロック毎に信号波の振幅制御および位相制御を行なう。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波送信制御装置と、超音波送信制御装置の制御により超音波を送信する超音波送信装置と、超音波送信装置を備えた水中探知装置と、に関する。

船舶に搭載されるスキャニングソナーなどの水中探知装置は、送受波器に組み込まれた複数の振動子により、水中に超音波を送信し、物標によって反射した反射波を受信する。水中探知装置は、受信した反射波に基づいて魚群などの水中の情報に関する画像を生成し、表示装置にその画像を表示する。このような水中探知装置では、船舶が動揺した場合でも所定の俯角に対して超音波を送信するために、超音波の指向性（送信方向）を制御している。

図５は、従来の水中探知装置にて用いられている超音波送信装置１０を示している。超音波送信装置１０は、超音波送信制御装置１０１と、複数の送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎと、送受波器１０２とを備えている。送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎは、超音波送信制御装置１０１と、送受波器１０２の各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎとの間に接続されている。

超音波送信制御装置１０１は、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）用ＩＣ１０１ａと、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１０１ｂとを備えている。ＤＤＳ用ＩＣ１０１ａは、所定の振幅および周波数を有する矩形のキャリア波を生成してＦＰＧＡ１０１ｂに入力する。ＦＰＧＡ１０１ｂは、ＤＤＳ用ＩＣ１０１ａから入力されたキャリア波を超音波の送信チャンネル毎に分岐させて駆動信号を生成し、各送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎに入力する。送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎは、ＦＰＧＡ１０１ｂから入力された駆動信号に基づいてアナログの送波信号を生成し、振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎに入力する。各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎは、送波信号に基づいて駆動することにより超音波を発生する。図中、送受波器１０２の右側には、各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎから送信される超音波の波形と、そのエンベロープとを示している。

また、ＦＰＧＡ１０１ｂは、船舶の揺動を検出する傾き検出部（図示せず）の検出結果に基づいて、各送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎに入力される駆動信号の位相が遅延するように位相制御を行ない、超音波の送信方向を調整する。

このような従来の超音波送信装置１０では、一定のパルス幅の駆動信号に基づいて生成された送波信号により振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎを駆動しているため、各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎから送信される超音波のエンベロープは矩形状になる。超音波のエンベロープが矩形状になると、送信される超音波には、予め設定された所望の周波数の他に、高い振幅レベルの不要波成分が含まれてしまうため、自船または近くの他船の物標探知に各種の悪影響を与えてしまう。このような不要波成分を除去するために、パルス幅変調（ＰＷＭ；Pulse Width Modulation）された駆動信号を用いて、超音波のエンベロープを制御するようにした超音波送信装置が発明されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４－３５４２２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の超音波送信装置は、上述した従来の超音波送信装置１０と同様に、矩形波を出力するＤＤＳと、駆動信号の出力タイミングなどを制御するＦＰＧＡなどを用いているが、アナログ回路の比率が高いため、高い分解能で駆動信号の位相制御を行なうことはできなかった。

そこで本発明は、高い分解能で駆動信号の位相制御を行なうことが可能な超音波送信制御装置、超音波送信装置および水中探知装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数の振動子のそれぞれに、ＰＷＭ波からなる駆動信号に基づいて生成された送波信号を入力し、前記複数の振動子から超音波を送信させる超音波送信制御装置であって、信号波を生成する第１のＤＤＳと、キャリア波を生成する第２のＤＤＳと、前記信号波と前記キャリア波とを比較して前記駆動信号を生成するコンパレータと、前記コンパレータに入力される前記信号波の位相を制御する位相制御部と、前記コンパレータに入力される前記信号波の振幅を制御する振幅制御部と、を備え、前記複数の振動子のそれぞれに対応して設けられた複数の駆動信号生成部と、を備え、前記第１のＤＤＳ、前記第２のＤＤＳおよび前記複数の駆動信号生成部は、ＦＰＧＡに搭載されており、前記位相制御部および前記振幅制御部は、前記ＦＰＧＡの動作クロック毎に前記信号波の位相制御および振幅制御を行なう、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波送信制御装置において、前記信号波は、周波数ｆ（ｔ）が以下の数式（１）および数式（２）にしたがって変調する指数チャープ信号である、ことを特徴とする。
ｆ（ｔ）＝（ｆ０－１）＋Ｋ^t・・・・・・（１）
Ｋ＝（Ｂ＋Ｃ）^(1/tau)・・・・・・・・（２）
（ｆｏ：開始周波数、Ｋ：周波数の増加率、Ｂ：チャープ帯域幅、Ｃ：１以下の定数、ｔａｕ：チャープ時間）

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の超音波送信制御装置と、前記超音波送信制御装置から入力された駆動信号に基づいて送波信号を生成する複数の送波信号生成部と、前記送波信号生成部から入力された前記送波信号に基づいて超音波を送信する複数の振動子と、を備えることを特徴とする超音波送信装置である。

請求項４に記載の発明は、船舶に搭載される水中探知装置であって、請求項３に記載の超音波送信装置と、前記超音波送信装置の複数の振動子が超音波を受信することにより発生した受信信号を処理して物標の映像信号を生成し、モニタに表示する信号処理部と、前記船舶の傾きを検出する傾き検出部と、を備え、前記超音波送信装置の位相制御部は、前記傾き検出部により検出された前記船舶の傾き量および傾き方向に応じて前記信号波の位相を制御する、ことを特徴とする。

請求項１、３および４に記載の発明によれば、ＦＰＧＡにより構成されるデジタル回路上でＰＷＭ波からなる駆動信号を生成するととともに、ＦＰＧＡの動作クロック毎に駆動信号の基となる信号波の位相を制御するので、高い分解能で駆動信号の位相制御を行なうことが可能である。また、ＦＰＧＡにより構成されるデジタル回路上で駆動信号の基となる信号波の振幅を制御することにより窓関数を掛けることができるので、振動子から送信される超音波のエンベロープを任意に制御して不要波成分を除去することが可能である。さらに、アナログ回路の比率が少なくなり、必要なアナログ回路の構成もシンプルになるので、低コスト化を図ることが可能である。

請求項２、３および４に記載の発明によれば、信号波に指数チャープ信号を用いてパルス圧縮を行なうとともに、指数チャープ信号のチャープ帯域幅Ｂに１以下の定数Ｃを加えることにより、定数Ｃを加えない従来の一般的な指数チャープよりも低周波の期間を長くすることができるので、より遠くまで超音波を伝搬して物標を検出することが可能である。

請求項４に記載の発明によれば、傾き検出部により検出された船舶の傾き量および傾き方向に応じて信号波の位相をＦＰＧＡの動作クロック毎に制御することができるので、船舶の傾きに応じて超音波の送信方向を迅速に、かつ、高い分解能で調整することが可能である。

この発明の実施の形態に係る水中探知装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す超音波送信部の概略構成を示すブロック図である。 指数チャープ信号からなる信号波の周波数の遷移を示すグラフである。 指数チャープ信号からなる受信信号のパルス圧縮処理後の電力波形を示すグラフである。 従来の超音波送信装置の概略構成を示すグラフである。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１～図４は、この発明の実施の形態を示し、図１は、この実施の形態に係る水中探知装置１の概略構成を示すブロック図である。水中探知装置１は、例えば、船舶に搭載されている魚群探知装置であり、送受波器２と、本体部３と、モニタ４と、操作部５と、傾き検出部６と、を備えている。

送受波器２は、複数個の振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎを備えており、水中に配置されている。振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎは、電気信号（送波信号） により駆動されて超音波を水中へ送信するとともに、物標によって反射した反射波を受信して電気信号（受信信号）に変換する。

本体部３は、送受波器２に接続された送受切替部３１と、送受切替部３１と接続された送信制御部３２および受信部３３と、受信部３３に接続された信号処理部３４と、を備えている。送受切替部３１は、超音波の送信時には、送信制御部３２によって生成された送波信号が、送信制御部３２から送受波器２に送られる接続に切り替える。また、送受切替部３１は、反射波の受信時には、送受波器２によって超音波から変換された受信信号が、送受波器２から受信部３３に送られる接続に切り替える。

送信制御部３２は、モニタ４および操作部５において設定された条件に基づいて送波信号を生成し、送受切替部３１を介して送受波器２へ出力する。なお、送受波器２および送信制御部３２は、後述する超音波送信部（超音波送信装置）７を構成している。

受信部３３は、送受波器２から出力された受信信号をアナログ回路で増幅し、Ａ／Ｄ変換してデジタルの受信データを生成し、受信データにパルス圧縮処理を施して信号処理部３４に出力する。信号処理部３４は、受信部３３から出力された受信データを処理し、物標の映像信号を生成する。なお、受信部３３では、受信信号をパルス圧縮処理してから増幅し、その後にＡ／Ｄ変換してデジタルの受信データを生成してもよい。

モニタ４は、信号処理部３４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。ユーザは、当該表示画面を見て、自船周囲における海中の状態（魚群や海底の状態など）を確認することができる。また、モニタ４には、水中探知装置１の設定画面が表示される。ユーザは、この設定画面を確認しながら操作部５の入力キーなどを操作し、超音波の送信周波数などの各種設定を行なうことができる。

傾き検出部６は、例えば、ジャイロセンサなどであり、水平面に対する船舶の傾き量と、傾き方向とを検出し、その検出値を送信制御部３２へ出力する。

図２は、上記の超音波送信部７の概略構成を示すブロック図である。上述したように、超音波送信部７は、送受波器２および送信制御部３２によって構成されている。すなわち、図２に示す超音波送信部７は、送受切替部３１により、送受波器２と送信制御部３２とが接続されて構成されている。

超音波送信部７を構成する送信制御部３２は、本発明の超音波送信制御装置に相当するＦＰＧＡ３２１と、複数の送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎと、を備えている。複数の送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎは、ＦＰＧＡ３２１と、送受波器２の各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎとの間に接続されている。

ＦＰＧＡ３２１は、信号波ＤＤＳ（第１のＤＤＳ）３２１１と、三角波ＤＤＳ（第２のＤＤＳ）３２１２と、複数の駆動信号生成部ＤＧ１、ＤＧ２～ＤＧｎと、を備えている。各駆動信号生成部ＤＧ１、ＤＧ２～ＤＧｎと、これに対応する各送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎおよび各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎにより、複数の超音波の送信チャンネルが構成される。

三角波ＤＤＳ３２１２は、所定の振幅および周波数を有する三角波（キャリア波）を生成する。なお、キャリア波としては、三角波の他に、鋸歯波などを用いてもよい。

信号波ＤＤＳ３２１１は、所定の振幅および周波数を有する信号波を生成する。信号波ＤＤＳ３２１１により生成される信号波は、図３に示すように、周波数が指数関数的に増加する指数チャープ信号である。より具体的には、信号波は、周波数ｆ（ｔ）が以下の数式（１）および数式（２）にしたがって変調する。なお、下記数式のｆ０は開始周波数、Ｋは周波数の増加率、Ｂはチャープ帯域幅、Ｃは１以下の定数、ｔａｕはチャープ時間を示している。また、チャープ信号を求める一般的な数式は、「ｆ（ｔ）＝ｆ０＋Ｋ^t」であるが、ｔ＝０のときにｋ^t＝１となり、最初の周波数がｆ０＋１Ｈｚとなるため、下記数式（１）では、「ｆ０－１」としている。
ｆ（ｔ）＝（ｆ０－１）＋Ｋ^t・・・・・・（１）
Ｋ＝（Ｂ＋Ｃ）^(1/tau)・・・・・・・・（２）

上記の数式（２）では、周波数の増加率Ｋを求める際に、チャープ帯域幅Ｂに対して定数Ｃを加算することで、図３に示す線形チャープ（図中２点鎖線）および一般的な指数チャープ（図中破線）よりも低周波の期間を長くしている。周知のとおり、水中における超音波の伝搬は、周波数が低いほど減衰が小さくなるため、指向性が広く、かつ、送信距離が長くなる。そのため、信号波を上記の指数チャープ信号にすることにより、より遠くまで超音波を送信して物標を検出することが可能となる。なお、定数Ｃは、所望の送信距離に応じて１以下の任意の数値を選択することが可能であり、定数Ｃを大きくするほど、超音波の送信距離を長くすることができる。

図４は、上記の指数チャープ信号からなる信号波に基づいて送信された超音波の受信信号を、受信部３３によってパルス圧縮処理した電力波形を示している。この電力波形によれば、従来の線形チャープよりもビーム幅は広くなるが、サイドローブの発生を低減することができる。なお、信号波の中心周波数を２２．５ｋＨｚとした場合における受信信号のパルス圧縮処理した電力波形を示しているが、中心周波数を例えば、１７．５ｋＨｚ、２０．０ｋＨｚにした場合でも同様の傾向の電力波形を得ることができる。

次に、ＦＰＧＡ３２１の駆動信号生成部ＤＧ１、ＤＧ２～ＤＧｎについて説明する。なお駆動信号生成部ＤＧ１、ＤＧ２～ＤＧｎは、同じ構成を備えているため、以下では、駆動信号生成部ＤＧ１について説明し、駆動信号生成部ＤＧ２～ＤＧｎについての詳しい説明は省略する。

駆動信号生成部ＤＧ１は、コンパレータ３５と、乗算器３６、３７と、振幅制御部３８と、位相制御部３９と、を備えている。コンパレータ３５は、信号波ＤＤＳ３２１１から出力された信号波と、三角波ＤＤＳ３２１２から出力された三角波とを比較することにより、ＰＷＭ波からなる駆動信号を生成する。すなわち、駆動信号生成部ＤＧ１は、いわゆる三角波比較方式によってＰＷＭ波からなる駆動信号を生成する。

なお、三角波は、ＦＰＧＡ３２１に設けられた周波数逓倍回路（図示せず）により、周波数がＮ倍（例えば、１２倍）されてから、コンパレータ３５に入力される。三角波比較方式では、三角波の周波数を高くすることにより、ＰＷＭ波のパルス幅がより狭くなるように制御することができるので、振動子ＴＤ１などから送信される超音波のエンベロープをより細かく制御することが可能となる。なお、三角波の逓倍数は、アナログ回路である送波信号生成部ＴＧ１の応答速度に応じて任意の値に設定することができ、逓倍数を大きくするほど、ＰＷＭ波のパルス幅を狭くすることができる。

振幅制御部３８は、乗算器３６を介して信号波の振幅を制御する。すなわち、振幅制御部３８は、信号波の振幅を制御して駆動信号のパルス幅を制御することにより、窓関数を掛けて超音波のエンベロープを任意に制御して不要波成分を除去する。

位相制御部３９は、乗算器３６を介して信号波の位相を制御する。より具体的には、位相制御部３９は、傾き検出部６から出力された検出値に応じて、信号波の位相に遅延が生じるように、コンパレータ３５への入力タイミングである時間オフセットを制御する。これにより、駆動信号生成部ＤＧ１、ＤＧ２～ＤＧｎから出力される各駆動信号には、船舶の揺動に応じた遅延が発生するので、船舶が揺動した場合でも超音波の指向性を制御して、常に一定方向へ超音波を送信することができる。

なお、振幅制御部３８および位相制御部３９は、ＦＰＧＡ３２１の動作クロック毎に信号波の振幅制御および位相制御を行なう。これにより、高い分解能で駆動信号の振幅制御および位相制御を行なうことが可能である。

送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎは、詳しくは図示しないが、例えば、出力段にローパスフィルタが接続されたプッシュプル型のスイッチング回路によって構成されている。送波信号生成部ＴＧ１、ＴＧ２～ＴＧｎは、各駆動信号生成部ＤＧ１、ＤＧ２～ＤＧｎから出力されたＰＷＭ波からなる駆動信号に基づいて送波信号を生成し、各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎへ出力する。各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎは、送波信号に基づいて駆動することにより超音波を発生する。

図中、送受波器２の右側には、各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎから送信される超音波の波形と、そのエンベロープとを示している。これらの超音波波形から分かるように、各振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎから送信される超音波には、船舶の揺動に応じた遅延が発生している。また、三角波の逓倍数と、信号波の振幅とを任意に制御することにより、エンベロープの立ち上がりと立ち下がりとに傾斜が生じるように制御され、不要波成分が除去される。

以上で説明したように、本実施の形態に係る水中探知装置１によれば、ＦＰＧＡ３２１により構成されるデジタル回路上でＰＷＭ波からなる駆動信号を生成するととともに、ＦＰＧＡ３２１の動作クロック毎に駆動信号の基となる信号波の位相を制御するので、高い分解能で駆動信号の位相制御を行なうことが可能である。また、ＦＰＧＡ３２１により構成されるデジタル回路上で駆動信号の基となる信号波の振幅を制御することにより窓関数を掛けることができるので、振動子ＴＤ１、ＴＤ２～ＴＤｎから送信される超音波のエンベロープを任意に制御して不要波成分を除去することが可能である。さらに、アナログ回路の比率が少なくなり、必要なアナログ回路の構成もシンプルになるので、低コスト化を図ることが可能である。

また、本実施の形態に係る水中探知装置１によれば、信号波に指数チャープ信号を用いてパルス圧縮を行なうとともに、指数チャープ信号のチャープ帯域幅Ｂに１以下の定数Ｃを加えることにより、定数Ｃを加えない従来の一般的な指数チャープよりも低周波の期間を長くすることができるので、より遠くまで超音波を伝搬して物標を検出することが可能である。

さらに、本実施の形態に係る水中探知装置１によれば、傾き検出部６により検出された船舶の傾き量および傾き方向に応じて、信号波の位相をＦＰＧＡ３２１の動作クロック毎に制御することができるので、船舶の傾きに応じて超音波の送信方向を迅速に、かつ、高い分解能で調整することが可能である。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。

１ 水中探知装置
２ 送受波器
３ 本体部
３１ 送受切替部
３２ 送信制御部
３２１ ＦＰＧＡ（超音波送信制御装置）
３２１１ 信号波ＤＤＳ
３２１２ 三角波ＤＤＳ
３３ 受信部
３４ 信号処理部
３５ コンパレータ
３６、３７ 乗算器
３８ 振幅制御部
３９ 位相制御部
４ モニタ
５ 操作部
６ 傾き検出部
７ 超音波送信部（超音波送信装置）
ＤＧ１～ＤＧｎ 駆動信号生成部
ＴＧ１～ＴＧｎ 送波信号生成部
ＴＤ１～ＴＤｎ 振動子

Claims (4)

1. 複数の振動子のそれぞれに、ＰＷＭ波からなる駆動信号に基づいて生成された送波信号を入力し、前記複数の振動子から超音波を送信させる超音波送信制御装置であって、
   信号波を生成する第１のＤＤＳと、
   キャリア波を生成する第２のＤＤＳと、
   前記信号波と前記キャリア波とを比較して前記駆動信号を生成するコンパレータと、前記コンパレータに入力される前記信号波の位相を制御する位相制御部と、前記コンパレータに入力される前記信号波の振幅を制御する振幅制御部と、を備え、前記複数の振動子のそれぞれに対応して設けられた複数の駆動信号生成部と、
   を備え、
   前記第１のＤＤＳ、前記第２のＤＤＳおよび前記複数の駆動信号生成部は、ＦＰＧＡに搭載されており、
   前記位相制御部および前記振幅制御部は、前記ＦＰＧＡの動作クロック毎に前記信号波の位相制御および振幅制御を行なう、
   ことを特徴とする超音波送信制御装置。
2. 前記信号波は、周波数ｆ（ｔ）が以下の数式（１）および数式（２）にしたがって変調する指数チャープ信号である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波送信制御装置。
   ｆ（ｔ）＝（ｆ０－１）＋Ｋ^t・・・・・・（１）
   Ｋ＝（Ｂ＋Ｃ）^(1/tau)・・・・・・・・（２）
   （ｆｏ：開始周波数、Ｋ：周波数の増加率、Ｂ：チャープ帯域幅、Ｃ：１以下の定数、ｔａｕ：チャープ時間）
3. 請求項１または２に記載の超音波送信制御装置と、
   前記超音波送信制御装置から入力された駆動信号に基づいて送波信号を生成する複数の送波信号生成部と、
   前記送波信号生成部から入力された前記送波信号に基づいて超音波を送信する複数の振動子と、
   を備えることを特徴とする超音波送信装置。
4. 船舶に搭載される水中探知装置であって、
   請求項３に記載の超音波送信装置と、
   前記超音波送信装置の複数の振動子が超音波を受信することにより発生した受信信号を処理して物標の映像信号を生成し、モニタに表示する信号処理部と、
   前記船舶の傾きを検出する傾き検出部と、
   を備え、
   前記超音波送信装置の位相制御部は、前記傾き検出部により検出された前記船舶の傾き量および傾き方向に応じて前記信号波の位相を制御する、
   ことを特徴とする水中探知装置。