JP2525061B2

JP2525061B2 - 探知情報表示装置

Info

Publication number: JP2525061B2
Application number: JP2036753A
Authority: JP
Inventors: 豊喜笹倉
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1990-02-17
Filing date: 1990-02-17
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2011-08-14
Also published as: JPH02290581A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

この発明は、広範囲の方向から到来する信号を受信し
て到来信号源に対する距離あるいは方向に関する情報を
検出する装置に関し、特に検出分解能を向上させた探知
情報表示装置に関する。

【従来の技術】

例えば水中探知装置において、広範囲の方向から到来
する信号源の距離あるいは方向を検出するものとして
は、米国特許3846745号公報に開示されている。この水中探知装置は、円周上を等間隔に配した超音波
振動子（以下単に振動子という）と、受波信号を補間す
るための補間器と、各振動子の受波信号を選択的に前記
補間器に導くための切換器と、前記補間器の出力信号を
遅延することによりビームを形成する複数の遅延素子か
らなるビーム形成器と、ビーム形成器よりの出力信号を
表示するための表示器とで構成されており、振動子のグ
ループが切換器にて順次選択され、その選択された受波
信号が補間器にて補間された後にビーム形成器に送出さ
れることにより、前記円周において順次中心角方向に向
かう受波ビームが形成される。ところが、上記の従来装
置では、予め設定される振動子グループを順次選択する
ために上記切換器に多くのスイッチを必要とし、それ
故、振動子とスイッチとの接続が複雑となり、又、スイ
ッチ切り換えに伴うスイッチングノイズも生じた。そこで、これらの問題点を解消すべく、本願出願人
は、特公昭63−7350号及び特公平１−48516号公報にて
それぞれ『探知情報表示装置』を開示している。前者の
『探知情報表示装置』は、受波手段として、振動子を円
弧上または円周上に配したものであり、後者のものは、
振動子を直線上に等間隔に配したものであるが、共に上
記スイッチの構成簡略化及びスイッチングノイズの低減
を図ったものである。ところで、上記の従来装置及びこれらの『探知情報表
示装置』にあっては、例えば送波信号としてパルス幅Ｔ
の間に周波数がf₁からf₂まで変化するリニアFM信号を用
いるか、あるいは、一定周波の到来信号を時間Ｔの間に
周波数が少なくともf₁からf₂に偏移させるようにして受
波しており、これにより得た周波数偏移する信号を確実
に検出できるように、受信回路において、周波数がf₁か
らf₂に偏移する信号を時間軸でパルス圧縮する特性を持
つマッチドフィルターを備え、このマッチドフィルター
により、パルス幅Ｔ′のパルス状の信号を得ている。従ってこの種の装置における検出分解能は、（１）式
で決まるパルス幅Ｔ′で与えられることになる。

【発明が解決しようとする課題】

上記分解能Ｔ′を上げるには、（１）式からわかるよ
うに、リニアFM信号の周波数変化量（f₂-f₁）を大きく
すればよいが、そのためには、広帯域の振動子が必要と
なり、又、占有帯域幅が広がることにより、受信増幅系
に広帯域特性が要求される。しかし、振動子は、一般に
狭帯域特性を有し、周波数の変化量の大きい信号を送受
波できないために振動子の帯域以上の分解能は得ること
はできない。又、前記受信増幅系を広帯域に設計するこ
と自体は困難なことではないが、広帯域化することによ
ってノイズを受け易くなり、S/N比が劣化する。このよ
うに従来の装置では、高分解能の検出精度を得るのが困
難であった。この発明は、上述した問題点をなくすためになされた
ものであり、受波ビームの走査を簡単な回路構成で実現
でき、かつ、検出分解能の向上を図った探知情報表示装
置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

この発明は、水中の広範囲方向に所定の搬送周波数を
有する探知パルス信号を発射する送波手段と、円周上にほぼ等間隔に配置され、到来信号を受信する
複数の超音波振動子と、前記複数の超音波振動子から所定速度にて順次選択
し、選択した超音波振動子よりの各エコー信号を取り出
すことで、被探知物体からのエコー信号の搬周波数を少
なくともf₁からf₂まで偏移させて受波する受波手段と、この受波手段よりの周波数偏移する出力信号の内、周
波数がf₁からf₂に偏移する信号をパルス圧縮する特性を
持つマッチドフィルターと、このマッチドフィルターの出力信号に基づいて広範囲
方向の水中状況を表示する表示器とを具備する探知情報
表示装置において、前記受波手段の出力信号の周波数をｎ倍に逓倍する周
波数逓倍手段を、前記受波手段とマッチドフィルターと
の間に設け、周波数がnf₁からnf₂まで変化する受信パル
ス信号を前記マッチドフィルターが時間軸で圧縮するこ
とにより、周波数逓倍手段を用いなかった時に比べてパ
ルス圧縮を1/n倍に尖鋭化させたことを特徴とする。

【作用】

第２図において、半減角70°の指向特性を有する振動
子１が、モータ２の駆動により、軸３を中心として一定
の速度で円周上を矢印方向に回転しており、円周平面延
長上の一点（図中上方）に一定周波数の信号を発する信
号源４が位置するものとする。この場合、振動子１は、
図中の直上点Ｑ（この点を振動子１の回転位置角０°と
する）を通過するまでは信号源４に近付き、Ｑ点を通過
した後は信号源４から遠ざかるため、Ｑ点を通過する前
後で振動子１で受波される信号の周波数が高／低に変化
するドップラー効果が生じ、受波信号の周波数がほぼ直
線的に偏移するので、このような等速円運動をなす振動
子１は、上記の受波手段Ａとして機能する。周期Ｔ内で周波数が直線的にkT量変化する受波信号は
次式で表される。ここでｋ＝２πW/Tで、Ｗは、時間Ｔの間にドップラ
ー効果により生じた受波信号の周波数変化範囲（f₂-
f₁）であり、ω_０は中心周波数f₀に対する角周波数であ
る。受波手段Ａよりの周波数偏移した受波信号は、第１図
で示されるように、周波数逓倍手段Ｂに入力されるが、
その動作説明の前に、この受波信号をマッチドフィルタ
ーＣに直接に入力したときの作用について述べる。受波手段Ａより得られる、周波数が直線的に変化する
受波信号に対しては、マッチドフィルターＣは、受波信
号の周波数−時間特性と逆の周波数−時間特性を有する
パルス圧縮回路が適用され、その場合のインパルス応答
は次式で示される。従ってマッチドフィルターＣの出力信号は次式で表さ
れる。（３）式は、マッチドフィルターＣの出力信号の振幅が
ｒ＝０（振動子１の回転位置角０°）の時に最大とな
り、かつ、入力信号のパルス幅Ｔが1/W（＝Ｔ′）に圧
縮されたことを示す。このように出力信号の振幅が最大
となったときの振動子１の回転位置から、入力信号の到
来方向を検出でき、即ち、指向性を有する受波ビームが
形成されたことになる。尚、受波信号の周波数が直線的
に変化しない場合は、その周波数特性に応じ、最適な特
性を有するマッチドフィルターを用いてパルス圧縮を行
えばよい。以上の説明でわかるように、周波数がドップラー効果
により偏移する受波信号を、パルス圧縮回路であるマッ
チドフィルターＣに通すことにより、特定の向きに指向
特性を有する受波ビームが形成される。このときの検出
分解能は、上述したように、出力信号のパルス幅Ｔ′で
与えられる。しかるに、前記受波手段Ａよりの、周波数がf₁からf₂
に変化する受波入力信号を、周波数逓倍手段Ｂにてその
周波数をｎ倍に逓倍させたとき、周波数がnf₁からnf₂に
変化する信号が、マッチドフィルターＣに入力されるこ
とになり、このときの周波数変化は、nf₁-nf₂＝ｎ（f₁-
f₂）＝nWとなり、元の信号のｎ倍になる。その場合、マ
ッチドフィルターＣで圧縮されたパルス幅Ｔ″は、Ｔ″
＝1/nW＝Ｔ′/n となり、周波数逓倍手段Ｂを用いなかったときのパルス
幅Ｔ′と比較して、パルス幅が1/n倍に尖鋭化され、分
解能がｎ倍向上したことになる。このマッチドフィルタ
ーＣで得られた出力信号は、制御手段Ｅの制御により、
到来方向に関連づけて表示手段Ｄに表示される。尚、ここでは説明を解りやすくするために、受波ビー
ムを全周囲方向に走査させる手段として、第２図のごと
く、振動子１を機械的に周回運動させたが、本実施例で
は、本発明の第１目的を達成すべく、多数の振動子に対
して比較的簡単なスイッチ切り替えを行うことによっ
て、受波ビームを全周囲方向に走査できる回路を採用し
ている。

【実施例】

第３図は、この発明の装置の一実施例を示す制御ブロ
ック図である。受波回路10は、全方向よりの到来信号を検出すべく、
円周上に等間隔に設けられた振動子T₁ないしT₄₀と、各
振動子Ｔよりの出力ラインにそれぞれ直列に設けられる
スイッチSW₁ないしSW₄₀と、これらのスイッチSWを共通
ラインL₁を介してオン／オフ制御する、第４図図示の制
御信号Ｐ（P₁,P₂…）を出力するスイッチ選択器11と、
奇数番号の付された各スイッチSW₁,SW₃…の２次側に接
続された共通ラインL₂よりの信号を受ける掛算器12と、
偶数番号の付された各スイッチSW₂,SW₄…の２次側に接
続された共通ラインL₃よりの信号を受ける掛算器13と、
これらの掛算器12,13に対して補間用信号として第４図
に示すような三角波X,Yを送出する信号発生器14と、掛
算器12,13よりの出力信号を加算する加算器15とで構成
される。受波回路10よりの信号を受ける周波数逓倍回路20は、
PLL回路21及びｎ分周器22より構成されるPLLからなり、
入力信号の周波数ｆを逓倍し、周波数（nf）の信号を出
力する。次に、周波数逓倍回路20よりの信号をパルス圧縮させ
るマッチドフィルター30について説明する。アナログデ
ィレイライン31は、遅延時間が等間隔に順次増大するｎ
本の出力端子を有し、クロックパルスが印加される毎
に、図中左端の入力部より取り込んだ信号を順次右方向
に移送させ、対応する出力端子から出力するアナログ遅
延素子であり、例えばレティコン社製のデバイスTAD−3
2を用いて構成できる。その記憶（取り込み）容量は、
中心角90°に相当する円周上の振動子Ｔ、つまり、40個
×90°/360°＝10個分の振動子Ｔよりの受波信号を蓄積
できる容量となっている。前記の各出力端子は、それぞ
れウエイト付けのための抵抗r₁,r₂,r₃…r_nを介して演算
増幅器32又は33の−入力部に接続されて、演算増幅器3
2,33の他方の＋入力部は接地される。抵抗R₁及びR₂は、
演算増幅器32,33の帰還抵抗である。これらの演算増幅
器32,33の出力部は、それぞれ抵抗R₅,R₆を介して演算増
幅器34の−入力部，＋入力部に接続される。又、この演
算増幅器34において、−入力部と出力部との間には抵抗
R₃が接続され、＋入力部は抵抗R₄にて接地される。演算増幅器32の入力部には、アナログディレイライン
31に対する入力信号の正極部分をサンプリングして取り
出されたものが供給されるようになっており、アナログ
ディレイライン31の各出力端子に現れる出力信号の電圧
値を、V₁,V₂,V₃…Vnとすると、演算増幅器32の出力電圧
Eaは次式で与えられる。一方、演算増幅器33の入力部には、アナログディレイ
ライン31に供給される負極部分をサンプリングして得ら
れた信号が供給され、この演算増幅器33の出力電圧Ebは
次式で与えられる。従って演算増幅器34の出力電圧Ecは次式のごとくな
る。抵抗r₁ないしr_nの各々の値は、一つ信号源から到来す
る一定周波数の信号を周波数偏移させた受波回路10の出
力信号がアナログディレイライン31の右端まで到達した
ときに各出力端子に現れる出力信号を加算した場合に、
他の方向から到来する信号と比較してその振幅差が最大
となるように、定められる。より、具体的には、一つの
パルス信号を順次アナログディレイライン31内を振動子
Ｔの切換速度と同じ速度で移送させたとき、演算増幅器
34の出力部に、アナログディレイライン31内に蓄積され
る周波数偏移された信号波形と相似な波形を有する信号
が得られるように各抵抗ｒの値が定められる。このよう
な構成とすることにより、後述するように、受波信号に
対して受波ビームが形成されるようになる。 40は、マッチドフィルター30の出力である演算増幅器
34の出力信号を増幅する増幅器であり、50は、増幅器40
の出力信号を受けて信号源よりの受波信号をその到来方
向に関連づけて表示する表示器である。60は、このシス
テムを集中的に制御するための制御器であり、前記スイ
ッチ選択器11,信号発生器14及びアナログディレイライ
ン31にクロックパルス等の所定の制御信号を供給すると
ともに、表示器50に対する偏向波を作る偏向波発生器70
に所定の制御信号を供給する。次に上記構成の装置の動作を説明する。スイッチ選択器11より出力される制御信号Ｐ（P₁）に
より、最初に、オンとなったスイッチSW₁を介して振動
子T₁よりの受波信号と、信号発生器14より出力される三
角波Ｘとが掛算器12にて掛算される。そして、前記制御
信号P₁の出力期より半周期ずれて出力される制御信号P₂
によりオンとなったスイッチSW₂を介して振動子T₂より
の受波信号と、信号発生器14より出力される三角波Ｙと
が掛算器13にて掛算され、これらの掛算器12,13の各々
の結果は加算器15にて加算される。以下同様に、スイッ
チSWの順次切換により、奇数番号の付された振動子T₃,T
₅,T₇,T₉から所定のタイミングで順に供給される信号と
三角波Ｘとが掛算器12にて掛算され、同時に、偶数番号
の付された振動子T₄,T₆,T₈,T₁₀から順に供給される信号
と三角波Ｙとが掛算器13にて…掛け算される。このよう
にして、（T₁,T₂）、（T₂,T₃）、（T₃,T₄）…の組み合
わせで、補間信号を用いて順に合成される結果、加算器
15より出力される信号は、第２図のごとく、１個の振動
子１を等速円運動させた場合に得られる振動子よりの受
波信号と同様な信号になることが実験にて確認されてい
る。即ち、上記のような受波回路10を用い、一つの信号
源から到来する一定周波数の信号を受信した場合、１個
の振動子を等速円運動させた場合と同様にドップラー効
果が生じ、到来信号の周波数を偏移させることができる
ので、上記の受波手段Ａと等価となる。このような構成
の受波回路10を用いれば、振動子Ｔ及びスイッチSW間の
接続構成が簡略化され、スイッチングノイズも低減され
る。受波回路10の加算器15より次々に出力される、周波数
の偏移した受波信号は、周波数逓倍回路29にて、その周
波数がｎ倍に逓倍された後、マッチドフィルター30に供
給される。周波数がドップラー効果により偏移する受波信号が、
パルス圧縮回路であるマッチドフィルター30に供給され
ると、既述したように受波ビームが形成されるが、その
受波ビームの形成動作について更に詳しく説明する。アナログディレイライン31における記憶素子に、取り
付け位置角が−45°から＋45°の振動子Ｔ、例えばT₁〜
T₁₀よりの受波信号が格納されたとき、上述したアナロ
グディレイライン31に対して付加されたウエイト抵抗r₁
〜r_nの作用により、取り付け位置角０°方向、つまり、
振動子T₄,T₅の法線方向にある信号源に対する、演算増
幅器34の出力電圧Ecが最大となり、このとき、同一振幅
の別の信号源が他の方向、例えば取り付け位置角＋30°
方向に存在しても、この信号源による出力電圧Ec′は、
先の信号源による出力電圧Ecに比べて著しく小さくな
る。即ち、この場合、取り付け位置角０°方向にビーム
幅の狭い受波ビームが形成されたのと等価となる。次
に、振動子T₂〜T₁₁よりの受波信号が取り込まれたとき
は、中央の振動子T₅,T₆に対する法線方向に受波ビーム
が形成され、このように、スイッチSWの走査により、順
次ずらすようにして10個の振動子Ｔよりの受波信号を取
り込むことにより、受波ビームが順に異なる方向に形成
される。このマッチドフィルター30で得られた、特定方向より
の到来波に指向特性を有する受波ビームは、増幅器40を
経て表示器50の輝度制御端子に供給され、一方、偏向波
発生器70は、制御器60よりの制御信号に基づいて表示器
50における電子ビームを同心円状に偏向させる偏向波を
表示器50のビーム偏向制御端子へ供給することにより、
表示器50において、前記到来波がその到来方向に関連づ
けて表示される。その際、前記受波ビームが周波数逓倍
回路20にてその周波数がｎ倍に逓倍されているため、上
述したように、周波数逓倍回路20を設けていない場合と
比較して、受波信号のパルス幅が1/nに尖鋭化され、ｎ
倍に分解能でもって検出結果が表示される。第５図に示した回路30′は、上記マッチドフィルター
30の別の実施例を示している。第３図の周波数逓倍回路
20よりの出力信号は、A/D変換器50に入力され、ここで
アナログ信号からデジタル信号に変換された後、記憶器
51に供給される。この記憶器51は、前実施例と同様、中
心角90°に対する円周上の10個分の振動子Ｔよりの受波
信号を順次記憶するもので、新たに取り込んだ受波信号
は、記憶器51内で最も古い受波信号が記憶されている記
憶素子に格納される。別の記憶器52は、記憶器51の記憶
素子数と同数の記憶素子を有し、各記憶素子には所定の
ウエイト値を記憶する。記憶器51に記憶された受波信号
は、記憶された受波信号の内、例えば最も古い受波信号
順に読み出され、又、記憶器52に記憶されたウエイト信
号は、制御器53の制御により、順に読み出される。これ
らの記憶器51,52より読み出された受波信号とウエイト
信号とは、掛算器52に入力されて掛算が行われる。この
掛算器54の出力信号は、アキューミュレータ55に供給さ
れ、ここで順次加算蓄積される。前実施例のマッチドフィルター30は、アナログディレ
イライン31よりパラレル的に出力された、各振動子Ｔよ
りの受波信号に対して、直列接続した抵抗ｒにより、そ
れぞれ所定のウエイトを付し、これらのウエイト付けさ
れた受波信号を相互加算するものであり、一方、第５図
図示のマッチドフィルター30′は、記憶器51よのシリア
ル的に順次出力される各受波信号に対し、別の記憶器52
から読み出される所定のウエイト値を掛算器54にて掛算
してウエイト値を付し、このウエイトの付された受波信
号をアキュミュレータ55にて累積加算するものであり、
信号処理をパラレルで行うかシリアル行うかの違いがあ
るだけで共に同じ機能を果たすことが容易にわかる。第５図のマッチドフィルター30′を用いた実施例にお
いても振動子Ｔの個数を40個（中心角で９°毎）とした
が、より狭い間隔、例えば２°〜３°毎に配置すること
もでき、その場合には、各スイッチSWの出力信号は、掛
算器32及び33を経ることなく、A/D変換器50に直接供給
される。第６図に示した回路30″は、先掲の特公昭63−7350号
公報の『探知情報表示装置』に用いられたマッチドフィ
ルターを示している。このマッチドフィルター30″は、
振動子Ｔより供給される受波信号から周波数別に選別す
るフィルターF₁〜F₄₀と、フィルターＦよりの各受波信
号を遅延させるための遅延回路DL₁〜DL₄₀と、これらの
遅延回路DLの出力信号を相互加算する加算器60とで構成
されるものであり、このマッチドフィルター30″を本発
明のマッチドフィルターとして適用することも可能であ
る。尚、上記いずれの実施例においても、振動子Ｔは円弧
状に配してもく、又、本発明の受波手段Ａは、先掲の特
公平１−48516号公報の『情報探知装置』で開示され
た、直線上に配列された振動子を用いることもでき、あ
るいは第２図で示した等速円運動をなす振動子を適用し
てもよい。

【発明の効果】

以上説明したように、奇数番目の振動子と偶数番目の
振動子とを互いに半周期づらして連続的に読み出し、そ
れらの各信号に対して補間用の信号をそれぞれ乗算した
後、相互加算したものを検出信号としたので、比較的簡
単なスイッチ回路でもって全周囲方向の受波ビームを形
成できる。又、そのようにして得られた検出信号を、周
波数を逓倍した後、マッチドフィルターにてパルス圧縮
したので、このマッチドフィルターにて形成される受波
ビームのパルス幅が、周波数逓倍手段を用いなかったと
きに比べて1/n倍に尖鋭化されて、その結果、検出分解
能がｎ倍に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の探知情報表示装置のクレーム対応
図、第２図は、第１図における受波手段の一例を示す概略
図、第３図は、この発明の一実施例を示す制御ブロック図、第４図は、第３図の装置における受波回路に適用される
制御信号の波形図、第５図及び第６図は、第３図の装置におけるマッチドフ
ィルターの別の実施例を示すブロック図である。Ｔ…振動子、SW…スイッチ、10…受波回路、11…スイッ
チ選択器、12,13…掛算器、14…信号発生器、15…加算
器、20…周波数逓倍回路、21…PLL回路、22…ｎ分周
器、30…マッチドフィルター、31…アナログディレイラ
イン、32,33,34…演算増幅器、ｒ…抵抗、40…増幅器、
50…表示器、60…制御器、70…偏向波発生器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水中の広範囲方向に所定の搬送周波数を有
する探知パルス信号を発射する送波手段と、円周上にほぼ等間隔に配置され、到来信号を受信する複
数の超音波振動子と、前記複数の超音波振動子から所定速度にて順次選択し、
選択した超音波振動子よりの各エコー信号を取り出すこ
とで、被探知物体からのエコー信号の搬送周波数を少な
くともf₁からf₂まで偏移させて受波する受波手段と、この受波手段よりの周波数偏移する出力信号の内、周波
数がf₁からf₂に偏移する信号をパルス圧縮する特性を持
つマッチドフィルターと、このマッチドフィルターの出力信号に基づいて広範囲方
向の水中状況を表示する表示器とを具備する探知情報表
示装置において、前記受波手段の出力信号の周波数をｎ倍に逓倍する周波
数逓倍手段を、前記受波手段とマッチドフィルターとの
間に設け、周波数がnf₁からnf₂まで変化する受信パルス
信号を前記マッチドフィルターが時間軸で圧縮すること
により、周波数逓倍手段を用いなかった時に比べてパル
ス圧縮を1/n倍に尖鋭化させたことを特徴とする探知情
報表示装置。