JP2785865B2 - 平面配列型受波装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小型の聴音浮標から海
中に吊下して用いられるアーム展開方式の平面配列型受
波装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の受波装置は、海中で複数個の受
波器を水平な平面上に配列し、水平面上０°〜３６０°
の全周方向にビームを形成し、ビーム出力におけるＳＮ
比を向上させて、目標信号の検出と方位の測定を行う。
小型の聴音浮標では、海中構造体の直径が高々数１０セ
ンチメートル以下であるのに対し、受波器の水平配列面
の直径は数メートル以上に及ぶので、通常、中心の海中
構造体から複数本のアームを水平に展開し、各アーム上
に受波器を配置する構造としている。

【０００３】特に、受波装置から離れた位置の海中に音
源を設置し、目標からの反響音を受信するバイスタティ
ック型用法の場合、海底・海面等から反射・散乱して到
来する残響を受波装置がどの程度まで抑圧できるかが目
標信号の検出能力を左右する。受波装置は、配列された
複数個の受波器出力電圧を整相処理して水平面上の全周
３６０°方向をカバーする複数個の待ち受けビームを形
成し、整相方向以外の角度から到来する残響を抑圧する
作動を行う。しかしながら、形成されるビームパターン
には所望の主極以外に副極も生じるので、副極の生じる
角度方向の残響の抑圧度は劣化する。

【０００４】具体的に述べれば、ある整相角度における
受信ビームパターンの最大副極レベルが他の整相角度の
最大副極レベルよりも大きい場合、当該角度の受信残響
レベルが他の受信角度より大きくなるので、反響音あり
と見なす誤りが生じ易くなる。従って、最も大きな副極
を生じる整相角度のビームパターンに対して、その最大
副極を抑圧する受波器の配列方法が追求されることとな
る。

【０００５】図１１は従来の平面配列型受波装置の構造
例を示す平面図である。図において、１１〜１５は中心
点Ｏから放射状に展開する５本のアームで、各アーム１
１〜１５は同一の長さを有しており、均等な角度間隔、
即ち、７２°間隔で水平に展開している。１１ａ〜１１
ｇはアーム１１上の受波器、１２ａ〜１２ｇはアーム１
２上の受波器であり、以下同様にして各アーム１１〜１
５上にそれぞれ７個ずつ受波器を配置して、合計３５個
の受波器で構成し、これら各アーム１１〜１５上の受波
器配置は同一とする。

【０００６】最内側の５個の受波器１１ａ〜１５ａは、
最も小さい正５角形となるが、これらの受波器間隔、即
ち１１ａ−１２ａ間、１２ａ−１３ａ間、……、１５ａ
−１１ａ間は、対象音響周波数の最高周波数の海中波長
の２分の１に設定する。第２番目以降の受波器は、アー
ム上の受波器間隔、例えばアーム１１上では１１ａ−１
１ｂ間、１１ｂ−１１ｃ間、……、１１ｆ−１１ｇ間を
対象音響周波数の最高周波数の海中波長の２分の１に設
定し、他のアーム１２〜１５も同様とする。

【０００７】図１２〜１５は、図１１に示した従来の平
面配列型受波装置の水平方向ビームパターンの計算結果
の一例である。グラフの横軸はアーム１１を０°とした
時計廻りの水平角度を表し、縦軸は、主極のレベルで基
準化したビーム出力レベルをデシベル（ｄＢ）で表して
いる。図１２は整相角度＝０°の場合、図１３は整相角
度＝６°の場合、図１４は整相角度＝１２°の場合、図
１５は整相角度＝１８°の場合のビームパターンであ
り、図１２、図１３の（Ａ）、図１４の（Ａ）および図
１５の（Ａ）では横軸は０°〜１８０°の範囲、図１３
の（Ｂ）、図１４の（Ｂ）および図１５の（Ｂ）では横
軸は１８０°〜３６０°の範囲にある。

【０００８】本計算例は周波数＝最高周波数の場合であ
る。０°〜１８°の範囲外、即ち、２４°〜３５４°の
範囲の整相角度の場合のビームパターンは、図１１に示
した配列の対称性から０°〜１８°のビームパターンの
繰り返しとなるので省略している。本図より、最大の副
極は、図１３の（Ａ）の整相角度＝６°の場合であり、
水平角度＝２６°の主極の右側の第１副極レベルは、約
−９ｄＢであることが判る。更に、各整相角度における
最大副極は、主極の右側の第１副極であり、その大きさ
は整相角度＝６°の場合が最大であり、次に整相角度＝
１２°、その次に整相角度＝０°となり、最小は整相角
度＝１８°の場合であり、約−１２ｄＢの低い副極レベ
ルであることが判る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた様に、図１
１に示した従来の平面配列型受波装置はアーム数が少な
く経済的となるメリットがあるが、そのビームパターン
の最大副極レベルが特定の整相角度において大きくなる
欠点があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、中心点から等
分な角度で水平に展開する５本のアームと、各アーム上
に同一間隔で配置された複数の受波器と、各アーム間に
連結されて直線状に張られた５本の連結手段と、各連結
手段の中央位置に配置された５個の受波器とを備え、各
連結手段を各アーム上の同じ位置に連結すると共に、ア
ーム上の受波器間隔を対象とする最高周波数の海中波長
の２分の１より若干小さい間隔に設定したことを特徴と
している。

【００１１】

【作用】上記の如き受波器配列により、最大の副極レベ
ルを発生する角度において、５本のアーム上に配置され
た総ての受波器出力電圧の加算値の位相角に対して、５
本の連結手段上に配置された５個の受波器出力電圧の加
算値の位相角が、ほぼ逆相関係となるので、最大の副極
レベルを抑圧する。

【００１２】このことにより、総ての整相角度に渡って
一様な低い副極レベルとなる。

【００１３】

【実施例】以下に本発明の実施例を図を用いて説明す
る。図１は、本発明の平面配列型受波装置の構造例を示
す平面図である。図において、１〜５は中心点Ｏから放
射状に展開する５本のアームで、各アーム１〜５は同一
の長さを有しており、均等な角度間隔、即ち７２°間隔
で水平に展開している。

【００１４】１ａ〜１ｇはアーム１上の７個の受波器、
２ａ〜２ｇはアーム２上の７個の受波器、３ａ〜３ｇは
アーム３上の７個の受波器、４ａ〜４ｇはアーム４上の
７個の受波器、５ａ〜５ｇはアーム５上の７個の受波器
であり、各アーム１〜５上にはそれぞれ７個の受波器を
配置し、これら各アーム１〜５上の受波器配置は同一で
ある。

【００１５】最内側の５個の受波器１ａ〜５ａは最も小
さい正５角形となるが、これらの受波器間隔、即ち、１
ａ−２ａ間、２ａ−３ａ間、３ａ−４ａ間、４ａ−５ａ
間、５ａ−１ａ間は、対象音響周波数の最高周波数の海
中波長の２分の１より若干だけ（例えば約１０％）小さ
い間隔に設定する。第２番目以降の受波器は、アーム上
の受波器間隔、例えば、アーム１上では１ａ−１ｂ間、
１ｂ−１ｃ間、１ｃ−１ｄ間、１ｄ−１ｅ間、１ｅ−１
ｆ間、１ｆ−１ｇ間を対象音響周波数の最高周波数の海
中波長の２分の１より若干だけ（例えば約１０％）小さ
い間隔に設定する。他のアーム２〜５上でも同じ間隔に
設定する。

【００１６】上述の説明により、本発明の図１のアーム
１〜５とアーム上の合計３５個の受波器配置は、受波器
間隔が若干だけ（約１０％）小さい点を除けば、図１１
に示した従来構造と同一である。図１において、６〜１
０は、アーム間を連結する５本の連結手段であり、これ
らの連結手段６〜１０は、例えば、フレキシブルな紐や
被覆電線により成っている。

【００１７】連結手段６はアーム１の受波器１ｅ点とア
ーム２の受波器２ｅ点、連結手段７はアーム２の受波器
２ｅ点とアーム３の受波器３ｅ点、連結手段８はアーム
３の受波器３ｅ点とアーム４の受波器４ｅ点、連結手段
９はアーム４の受波器４ｅ点とアーム５の受波器５ｅ
点、連結手段１０はアーム５の受波器５ｅ点とアーム１
の受波器１ｅ点に連結され、直線状に張られている。

【００１８】６ａ〜１０ａは、５個の受波器であり、受
波器６ａは連結手段６上の中央点に、受波器７ａは連結
手段７上の中央点に、受波器８ａは連結手段８上の中央
点に、受波器９ａは連結手段９上の中央点に、受波器１
０ａは連結手段１０上の中央点に配置されている。即
ち、連結手段６〜１０は、受波器６ａ〜１０ａをアーム
間に配置するために設けたものである。

【００１９】なお、この連結手段６〜１０として被覆電
線を用いた場合には、受波器６ａ〜１０ａの出力信号を
伝送する機能を兼ねることができる。この様に、本実施
例の受波装置は、中心点Ｏから放射状に展開する５本の
アーム上に配置した３５個の受波器と、アーム間を連結
して直線状に張られた５本の連結手段上に配置した５個
の受波器との合計４０個の受波器が受信する音響信号を
整相処理し、水平面上の全周３６０°をカバーする複数
個の待ち受けビームを形成して目標の航走音と目標から
の反響音を検出する。

【００２０】図２〜図５は図１に示した本発明の平面配
列型受波装置の水平方向ビームパターンの計算結果の一
例である。グラフの横軸は、図１のアーム１を０°とし
た時計廻りの水平角度を表し、縦軸は主極のレベルで基
準化したビーム出力レベルをデシベル（ｄＢ）で表して
いる。

【００２１】図２は整相角度＝０°の場合、図３は整相
角度＝６°の場合、図４は整相角度＝１２°の場合、図
５は整相角度＝１８°の場合のビームパターンであり、
図２、図３の（Ａ）、図４の（Ａ）、図５の（Ａ）では
横軸は０°〜１８０°の範囲、図３の（Ｂ）、図４の
（Ｂ）、図５の（Ｂ）では横軸は１８０°〜３６０°の
範囲にある。

【００２２】本計算例は、受波器間隔を最高周波数の２
分の１波長より１０％だけ小さい間隔とし、計算周波数
は最高周波数の場合である。０°〜１８°の範囲外、即
ち、２４°〜３５４°の範囲の整相角度の場合のビーム
パターンは、図１に示した配列の対称性から０°〜１８
°のビームパターンの繰り返しとなるので省略した。上
記により、図２〜図５の表現方法は、従来型の図１２〜
図１５で用いた表現方法と同一である。

【００２３】本図より、最大の副極は、図３の（Ａ）の
整相角度＝６°の場合であり、水平角度＝２８°の主極
の右側の第１副極レベルは、約−１２ｄＢであり、図１
３のレベルより約３ｄＢ低下したことが判る。他の整相
角度の最大副極レベルも−１２〜−１３ｄＢであり、図
１２〜図１５の従来型と較べて、整相角度に関わらず一
様な低い副極レベルが達成できた。

【００２４】次に、図１の如く受波器を配置すると最大
副極レベルを抑圧できる理由を説明する。最初に、図１
では受波器間隔を対象音響周波数の最高周波数の海中波
長の２分の１より若干だけ（約１０％）小さい間隔に設
定したが、その理由は、丁度、２分の１の値に設定する
と受波器６ａ〜１０ａの影響による位相廻りが意外な副
極を生じさせるので、これを避けるために若干だけ小さ
い間隔に定めたものである。即ち、２分の１波長の間隔
は、最も効率の良い空間サンプル点ではあるが、受波器
６ａ〜１０ａは、受波器数は少ないものの、その配置が
２分の１波長より遙に大きな間隔なので、その位相廻り
の影響を抑えるために若干だけ（約１０％）小さい間隔
に設定した。

【００２５】次に、受波器６ａ〜１０ａがない時、即
ち、図１１の従来型受波装置で整相角度＝６°、水平角
度＝２６°の場合に大きな副極が発生する原因を説明
し、その後に受波器６ａ〜１０ａが、この副極を抑圧す
る理由を説明する。尚、図１と図１１間の受波器間隔の
若干（約１０％）の差異は微小量であり、後述の説明に
は影響が少ないので、煩雑さを避けるために、図１１の
場合（ビームパターンは図１２〜図１５）を用いて説明
する。

【００２６】中心点Ｏから均等な７２°間隔で水平に展
開する５本のアーム上に受波器を配置した本構造を約１
８°方向から眺めると、アーム１とアーム４は直線状に
近い形となる。この結果、図１３の（Ａ）で示した周波
数＝最高周波数、整相角度＝６°、水平角度＝２６°の
最大の副極レベル点では、アーム１とアーム４上の各受
波器出力電圧の中心点Ｏに対する位相角の推移は、いず
れも小さな位相遅れ量となり、全体としても約−１５°
〜−１５０°の範囲に偏って分布することとなる。一
方、アーム２，３，５は約１８°方向に対して直角に近
い形で配置されているので、アーム２，３，５上の各受
波器出力電圧の中心点Ｏに対する位相角の推移は、いず
れも大きな位相進みまたは遅れ量となり、全体としては
０°〜３６０°に渡って一様に分布することとなる。

【００２７】図６は最大の副極レベル点での複素ベクト
ル説明図であり、上記の条件において、受波器出力電圧
の加算値を中心点Ｏにおける位相角を０°として、複素
平面上に表したものである。グラフの横軸は実数（Ｒ
ｅ）軸、縦軸は虚数（Ｉｍ）軸を表し、実数のプラス軸
は０°となり、虚数のプラス軸は＋９０°、虚数のマイ
ナス軸は−９０°、実数のマイナス軸は±１８０°方向
となり、グラフの上半分は位相進み、下半分は位相遅れ
を表す。

【００２８】アーム１〜アーム５は、それぞれのアーム
上の受波器出力電圧の加算値を表し、アーム１〜５は５
本のアーム上の受波器出力電圧の加算値を表す。受波器
６ａ〜１０ａは、受波器６ａ〜１０ａの出力電圧の加算
値を表している。前述のアーム１とアーム４上の受波器
出力電圧の位相角の偏りによって、アーム１とアーム４
の加算値は、位相角が約−７０°〜−８０°方向の大き
な値となる。一方アーム２，３，５上の受波器出力電圧
の位相角は、０°〜±１８０°間にほぼ一様に分布する
ので、これらの加算値（図６では、アーム２、アーム
３、アーム５）は小さな値となる。これら５本のアーム
上の受波器出力電圧の加算値（図６では破線で表したア
ーム１〜５）は、以上のアーム１〜アーム５のベクトル
合成となり、位相角が約−７０°方向の大きな値となっ
て前記の最大の副極レベルを発生させている。

【００２９】次に、アーム間の連結手段６〜１０上に配
置された受波器６ａ〜１０ａの出力電圧の中心点Ｏに対
する位相角を、前記の最大の副極レベル点で調べると、
受波器６ａ，８ａの位相角は約＋７０°〜＋８０°の位
相進みとなり、受波器９ａ，１０ａの位相角は約２００
°の位相遅れ、即ち約＋１６０°の位相進みとなる。こ
れにより、受波器７ａを除いた４個の受波器６ａ，８
ａ，９ａ，１０ａの出力電圧の位相角は、約＋７０°〜
＋１６０°の範囲に偏って分布することとなる。このた
め、受波器６ａ〜１０ａの出力電圧の加算値（図６で
は、破線で表した受波器６ａ〜１０ａ）は、位相角が約
＋１４０°の中程度の値となる。図６のベクトル図から
明らかな様に、この受波器６ａ〜１０ａの加算値は、前
記のアーム１〜５の加算値とほぼ逆相関係にあるので、
アーム１〜５の加算値を低減させる働きを行う。これに
より、図１３の（Ａ）で発生した約−９ｄＢの第１副極
レベルを、図３の（Ａ）に示したように約−１２ｄＢま
で抑圧する。

【００３０】尚、受波器６ａ〜１０ａの出力電圧の加算
値は、受波器６ａ〜１０ａを中心点Ｏから、より外側に
配置すると、位相角が約＋１４０°から約＋８０°方向
に移動すると共に、絶対値はより大きな値となり、従っ
て、第１副極レベルを更に低く抑えることができる。し
かしながら、第２副極点でアーム１〜５の加算値と同相
関係に陥り、第２副極レベルが最大副極となる不都合が
生じる。この様に受波器６ａ〜１０ａを支える連結手段
６〜１０とアーム１〜５の連結点である受波器１ｅ〜５
ｅの位置は、発生する第１副極レベルと第２副極レベル
の交差する最適位置として選定されたものである。

【００３１】図７〜図１０は、図１に示した本発明の平
面配列型受波装置の鉛直方向ビームパターンの計算結果
の一例である。グラフの横軸は、図１の水平面を０°と
し、中心点Ｏから眺めて上方を０°〜＋９０°、下方を
０°〜−９０°とした俯仰角度を表している。グラフの
左半分は、ビームの主軸に沿った俯仰角０°〜＋９０°
であり、右半分は主軸と反対側、即ち、整相角度プラス
１８０°方向の俯仰角＋９０°〜０°の場合のビームパ
ターンを表す。縦軸は、図２〜図５と同じく、主軸のレ
ベルで基準化したビーム出力レベルをデシベル（ｄＢ）
で表している。

【００３２】図７は水平面上の整相角度＝０°の場合、
図８は整相角度＝６°の場合、図９は整相角度＝１２°
の場合、図１０は整相角度＝１８°の場合である。整相
角度は水平面上だけなので、水平面の上方と下方のビー
ムパターンは対称となり、俯仰角０°〜−９０°の下方
のビームパターンは省略した。本計算例は、図２〜図５
と同じく、受波器間隔を最高周波数の２分の１波長より
１０％だけ小さい間隔とし、計算周波数は最高周波数の
場合である。

【００３３】本図より、最大の副極は図７の整相角度＝
０°の場合であり、俯仰角度＋５１°の主極の右側の第
一副極レベルは約−１２ｄＢであり、この値は図３の
（Ａ）の最大副極レベルと同じである。鉛直方向のビー
ムパターンについても、水平方向ビームパターンと同様
に、受波器６ａ〜１０ａが無いときは、整相角度＝０°
の場合に約−９ｄＢの第１副極が生じる。理由は前述の
水平方向の場合と同様に、アーム１〜５上の受波器出力
電圧の加算値が、位相角約−７０°の大きな値となるた
めである。受波器６ａ〜１０ａの出力電圧の加算値も前
述の水平方向の場合と同じく、アーム１〜５の加算値と
ほぼ逆相関係の中程度の値となるので、副極レベルを低
減させて、第１副極を抑圧している。

【００３４】尚、より低周波数における最大副極レベル
も上述と同様な理由により、受波器６ａ〜１０ａの作用
によって抑圧される。このように、本実施例の受波装置
により、全立体角方向で広い周波数範囲に渡って発生す
る最大副極レベルを約−１２ｄＢの低い値に抑えること
ができ、さらに、総ての整相角度に渡って、副極レベル
を一様な低い値とすることができる。

【００３５】本発明の実施例である図１では、アーム間
を連結する連結手段６〜１０は、各アーム上で受波器１
ｅ〜５ｅの位置に連結することとしてあるが、これに限
定することなく、受波器１ｅ〜５ｅの位置より、若干内
側または外側に連結しても支障ないものである。更に、
図１では各アーム１〜５上の受波器数が７個の場合を説
明したが、これに限定するものではなく、例えば各アー
ム上の受波器数を６個として最外側の受波器１ｇ〜５ｇ
を削除しても同様な受波装置が実現できる。但しその場
合には、前述と同様な理由により、受波器６ａ〜１０ａ
を配置する連結手段６〜１０は、各アーム１〜５上の受
波器１ｄ〜５ｄ点またはその近傍に連結する。

【００３６】なお、図１に示す実施例において、各アー
ムはテレスコープ状に伸縮自在なものとし、かつ、中心
点Ｏの近くで折り畳めるように支持するものとして、海
中投入前には、５本のアームをそれぞれ短く縮めて中心
点Ｏの近くの円周上の支点で折り畳むと共に、各連結手
段をアーム間にコンパクトに折り畳んで収納し、海中投
入後にアームが自動的にテレスコープ状に伸長して水平
に展開し、同時にアーム間の連結手段を直線状に伸長さ
せて図１に示す状態とさせるものである。

【００３７】以上述べたアーム上の受波器の出力信号と
受波器６ａ〜１０ａの出力信号は、図示していないアー
ムに沿った被覆電線によって、中心点に置かれた図示し
ていない水密容器内に集められる。本容器内では、これ
ら総ての信号を多重化して遠隔地における整相処理のた
めに無線伝送することもできるし、これら総ての信号を
整相処理して複数個の待受けビームを形成し、ビーム出
力を多重化して伝送することもできる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明は、水平かつ放射
状に展開する５本のアーム上に受波器を配置すると共
に、アーム間に５本の連結手段を連結して、それぞれの
中央位置に受波器を配置したので、発生する最大副極レ
ベルを総ての整相角度に渡って、約−１２ｄＢという低
い値に抑えることができる効果が得られる。

【００３９】また、このように副極レベルの低い受波装
置を、５本という数少ないアーム構造で行ったので、装
置の小型化および低コスト化を実現できるという効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の平面配列型受波装置の構造例を示す平
面図

【図２】本発明の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例 (Ｉ)

【図３】本発明の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例 (II)

【図４】本発明の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例 (III)

【図５】本発明の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例 (IV)

【図６】最大の副極レベル点での複素ベクトル説明図

【図７】本発明の平面配列型受波装置の鉛直方向ビーム
パターンの計算例 (Ｉ)

【図８】本発明の平面配列型受波装置の鉛直方向ビーム
パターンの計算例 (II)

【図９】本発明の平面配列型受波装置の鉛直方向ビーム
パターンの計算例 (III)

【図１０】本発明の平面配列型受波装置の鉛直方向ビー
ムパターンの計算例 (IV)

【図１１】従来の平面配列型受波装置の構造例を示す平
面図

【図１２】従来の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例 (Ｉ)

【図１３】従来の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例 (II)

【図１４】従来の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例 (III)

【図１５】従来の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例 (IV)

【符号の説明】

１〜５ アーム ６〜１０ 連結手段 １ａ〜１ｇ 受波器 ２ａ〜２ｇ 受波器 ３ａ〜３ｇ 受波器 ４ａ〜４ｇ 受波器 ５ａ〜５ｇ 受波器 ６ａ，７ａ，８ａ，９ａ，１０ａ 受波器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−160116（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−253457（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 7/521 G01S 3/802 - 3/82 G01S 5/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心点から等分な角度で水平に展開する
   ５本のアームと、 各アーム上に同一間隔で配置された複数の受波器と、 各アーム間に連結されて直線状に張られた５本の連結手
   段と、 各連結手段の中央位置に配置された５個の受波器とを備
   え、 各連結手段を各アーム上の同じ位置に連結すると共に、
   アーム上の受波器間隔を対象とする最高周波数の海中波
   長の２分の１より若干小さい間隔に設定したことを特徴
   とする平面配列型受波装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、各アーム上の受波器
   数を７つとし、連結手段を各アームの最外側から３番目
   の受波器の位置またはその近傍に取り付けることを特徴
   とする平面配列型受波装置。