JP2886330B2 - 信号方位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ソーナー等における信号方位測定装置に関
し、特にエンドファイヤを越えるビーム出力の形成に関
するものである。

［従来の技術］ 従来、このような分野の技術としては、ロバート ジ
ェイ ユーリック（Robert J.Urick）「プリンシプルズ
オブ アンダーウォーター サウンド（Principles o
f Underwater Sound）」（1980）、マグロウ・ヒル ブ
ック カンパニー（McGraw−Hill Book Company）
（米）pp.54〜58に記載されるものがあった。以下、そ
の構成を図を用いて説明する。

第５図は、従来の信号方位測定装置の概略構成図であ
る。

図において、（１）は受波器であり、複数の受波素子
（1₁）〜（1_k）を有し、その受波素子（1₁）〜（1_k）を
直線上に配列（以下直線受波器配列という）し、信号源
から発生する音波を、その聴音軸の特性（以下ビームと
いう）により受波し、X₁（ｔ）〜X_k（ｔ）の電気信号に
変換して出力するものである。

（２）はビームフォーマであり、受波器出力X₁（ｔ）
〜X_k（ｔ）の信号を入力し、整相して複数ｍのビーム出
力B₁（ｔ）〜B_m（ｔ）を出力するものである。

（３）はビーム補間器であり、ビームフォーマ（２）
からのビーム出力B₁（ｔ）〜B_m（ｔ）をそれぞれ入力す
る入力端子を有し、入力するビーム出力B₁（ｔ）〜B
_m（ｔ）を補間し、さらに細かい方位のビームを生成し
て複数ｎ（ｎ＞ｍ）の補間ビーム出力C₁（ｔ）〜C
_n（ｔ）を出力するものである。

（４）はピーク方位検出回路であり、ビーム補間器
（３）から入力する補間ビーム出力C₁（ｔ）〜C_n（ｔ）
の中からピーク値を検出し、信号方位ｊとして出力端子
（５）に出力するものである。

（6₁₁）〜（6_k1）は遅延補償回路であり、ビームフォ
ーマ（２）に備えられ、受波器出力X₁（ｔ）〜X_k（ｔ）
をそれぞれτ₁₁〜τ_k1の遅延補償して出力するものであ
る。

（6₁₂）〜（6_k2）は遅延補償回路であり、ビームフォ
ーマ（２）に備えられ、受波器出力X₁（ｔ）〜X_k（ｔ）
をそれぞれτ₁₂〜τ_k2の遅延補償して出力するものであ
る。

（6_1m）〜（6_km）は遅延補償回路であり、ビームフォ
ーマ（２）を備えられ、受波器出力X₁（ｔ）〜X_k（ｔ）
をそれぞれ入力し、τ_1m〜τ_kmの遅延補償して出力する
ものである。

この、遅延補償は例えばビーム方位θとし、遅延補償
する受波素子をｈとすると、その遅延補償τ_{h θ}は、一
般的に τ_{h θ}＝｛（ｈ−１）d/音速｝×sinθ である。

ここで、ビーム出力本数ｍ＝65である場合、ビーム方
位は θ＝sin^-1（33−ｊ）/32 となるから、その遅延補償は τ_hj＝｛（ｈ−１）d/音速｝×（33−ｊ）/32 ［ｈ＝1,2,…,k、ｊ＝1,2,…,65］となる。

（7₁）は遅延補償回路（6₁₁）〜（6_k1）からの出力を
入力して加算する加算器である。

（7₂）は遅延補償回路（6₁₂）〜（6_k2）からの信号を
入力して加算する加算器である。

（7_m）は遅延補償回路（6_1m）〜（6_km）からの信号を
入力して加算する加算器である。

（8₁）は加算器（7₁）の出力を自乗積分し、ビーム出
力B₁（ｔ）を出力する自乗積分器である。

（8₂）は加算器（7₂）の出力を自乗積分し、ビーム出
力B₂（ｔ）を出力する自乗積分器である。

（8_m）は加算器（7_m）の出力を自乗積分し、ビーム出
力B_m（ｔ）を出力する自乗積分器である。

第６図は受波器の構成を説明する図である。図におい
て、（1₁）〜（1_k）は上記と同様な受波素子であり、ｄ
の間隔で等間隔に受波素子が配置される。

第７図は方位に対するビーム出力を説明する図であ
る。

図において、B₁（ｔ）〜B_m（ｔ）は上記説明のビーム
出力であり、その方向からの信号強度を示すものであ
る。

第８図は方位に対する補間ビーム出力を説明する図で
ある。

同図は、補間器（３）が入力するビーム出力B₁（ｔ）
〜B_m（ｔ）を補間し、更に分割した方位のビームを求め
た補間ビーム出力C₁（ｔ）〜C_n（ｔ）を示すものであ
る。

上記のように構成された信号方位測定装置について以
下に動作を説明する。

音源からの音波を複数個の受波器（1₁）〜（1_k）がを
受波すると、その音波を信号X₁（ｔ）〜X_k（ｔ）として
ビームフォーマ（２）に出力する。

すると、ビームフォーマ（２）の遅延回路（6₁₁）〜
（6_km）はそれぞれの遅延補償に基づく遅延をして、加
算器（7₁）〜（7_m）に出力する。

加算器（7₁）〜（7_m）は遅延回路（6₁₁）〜（6_km）か
らの信号をそれぞれ加算して、自乗積分回路（8₁）〜
（8_m）に出力する。

そして、自乗積分回路（8₁）〜（8_m）は自乗積分して
第７図に示すビーム出力B₁（ｔ）〜B_m（ｔ）を出力する
と、補間器（３）は第８図に示すようにビームフォーマ
（２）からのビーム出力B₁（ｔ）〜B_m（ｔ）を補間し、
さらに細かい方位のビームを生成して複数ｎ（ｎ＞ｍ）
の補間ビーム出力C₁（ｔ）〜C_n（ｔ）をピーク方位検出
回路（４）に送出する。

この場合は、補間ビーム出力数ｎをｎ＝2m−１で得て
いる。すなわち、補間ビーム出力C₁（ｔ）〜C_n（ｔ）
は、ビームフォーマ（２）からのビーム出力B₁（ｔ）〜
B_m（ｔ）（＝C₁（ｔ），C₃（ｔ），…，C_n（ｔ））と、
そのビーム出力の中間方位のビーム（＝C₂（ｔ），C
₄（ｔ），…，C_n-1（ｔ））から得られる。ｎを大きく
するほど信号源の方位をより細かく知ることができるこ
とは説明するまでもない。

この補間ビーム出力を得るためには複数のビーム出力
に重みを乗じ加え合わせる方法が用いられる。

例えば、B₂（ｔ），B₃（ｔ）の間の補間出力ビームC₄
（ｔ）を求めるには、両側の２ビームずつ、すなわちB₁
（ｔ）、B₂（ｔ）、及びB₃（ｔ）、B₄（ｔ）を使い、 C₄（ｔ）＝Wa×B₁（ｔ）＋Wb×B₂（ｔ） ＋Wc×B₃（ｔ）＋Wd×B₄（ｔ） （Wa、Wb、Wc、Wdは重みづけの係数）により求める。

しかし、C₂（ｔ）を求めようとすると、 C₂（ｔ）＝Wa×B₀（ｔ）＋Wb×B₁（ｔ） ＋Wc×B₂（ｔ）＋Wd×B₃（ｔ） となり、ビームフォーマで生成していない、B₀（ｔ）が
必要となる。

この場合例えば必要なB₀（ｔ）の方位が110°である
とき、直線受波器配列の指向性は軸対象であるので、そ
の110°のビームは70°（B₂（ｔ）の方位）のビームと
同じであるという性質を考慮してB₀（ｔ）の代わりにB₂
（ｔ）を使うのである。

つまり、C₂（ｔ）は、 C₂（ｔ）＝Wa×B₂（ｔ）＋Wb×B₁（ｔ） ＋Wc×B₂（ｔ）＋Wd×B₃（ｔ） で求めていた。

第９図に、上記の信号方位測定方法の測定結果を示
す。

信号源を80°に配置し、0.5波長、間隔36ミリ、受波
器の直線受波器配列でビーム出力数ｍ＝65とし、ビーム
の方位を、 sin^-1（（33−ｊ）/32） ［ｊ＝1,2,…,65］ としている。

従って、補間ビーム出力のピーク方位は、79.25°で
あり、0.75°の誤差が生じていた。

なお、ビーム出力数ｍを大きくし、補間ビーム出力数
ｎと等しくすれば、ビーム出力を利用しても補間ビーム
出力と同等の細かさで信号源の方位を知ることができる
が、ビーム出力を得るための処理量は補間に比べて多い
ので、ビーム出力数をサンプリング定理をみたす程度に
おさえ補間によりビーム数を必要な量まで増やすのが一
般的である。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の信号方位測定方法では、信号源の方がエンドフ
ァイヤ（90°あるいは−90°）に近づき、補間ビーム出
力を求めるためのビール出力が足りなくなったとき、代
わりの方位のビーム出力（信号強度）を使い、その信号
強度から方位を測定するために、測定精度が劣化してい
た。

本発明は係る問題点を解決するためになされたもの
で、エンドファイヤ側のビーム出力が不足しないよう
に、受波素子からの信号をそれぞれ方位毎に整相する遅
延補償回路群の他に、あらたにエンドファイヤ以上の方
位のビームを作成する遅延補償回路群を有して、エンド
ファイヤ以上の方位のビームを出力し、方位の測定精度
を向上できる信号方位測定装置を得ることを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る信号方位測定装置は、音源からの音波を
受波する受波素子を複数直線配列し、その受波信号を一
方のエンドファイヤから他方のエンドファイヤの範囲で
出力する受波器と、受波器の出力を入力し、その範囲内
で受波素子の数に対応して分割された方位についての各
ビーム出力を形成する第１のビームフォーマ群と、受波
器の出力を入力し、その範囲の外側の方位についての各
ビーム出力を形成する第２のビームフォーマ群と、第１
のビームフォーマ群及び第２のビームフォーマ群からの
ビーム出力及び外側のビーム出力を補間して補間ビーム
出力として出力するビーム補間器と、ビーム補間器から
の補間ビーム出力から最もピークとなる補間ビーム出力
をピーク方位とし、そのピーク方位を音源の方位として
検出するピーク方位検出回路とを備えたものである。

［作用］ 本発明においては、受波素子を直線配列した受信器が
音源からの音波を受信すると、受波信号を出力する。

そして、第１のビームフォーマ群がその受波素子の数
に対応して分割された方位についての各ビーム出力を形
成すると、第２のビームフォーマ群が外側の方位につい
ての各ビーム出力を形成する。

すると、ビーム補間器が入力するビーム出力を補間し
て補間ビーム出力として出力し、ピーク検出回路が補間
ビーム出力から最もピークとなる補間ビーム出力をピー
ク方位として検出する。

［実施例］ 第１図は本発明の信号方位測定装置の概略構成図であ
る。

図において、受波器（１）、ビーム補間器（３）、ピ
ーク方位検出回路（４）は上記従来例と同様であり、説
明を省略する。

（９）は本発明のビームフォーマであるが、遅延回路
（6₁₁）〜（6_km），加算器（7₁）〜（7_m）、及び自乗積
分回路（8₁）〜（8_m）は従来のビームフォーマに備えら
れていた構成と同様である。

（6₁₀）〜（6_k0）はそれぞれX₁（ｔ）〜X_k（ｔ）を入
力し、それぞれτ₁₀〜τ_k0の遅延補償をする後述する遅
延回路、（7₀）は遅延回路（6₁₀）〜（6_ko）からの出力
信号を加算する加算器、（8₀）は加算器（7₀）からの出
力を自乗積分してビームフォーマ出力B₀（ｔ）を出力す
る自乗積分回路である。

（6_1m+1）〜（6_km+1）はそれぞれX₁（ｔ）〜X_k（ｔ）
を入力し、それぞれτ_1m+1〜τ_km+1の遅延補償をする後
述する遅延回路（7_m+1）は遅延回路（6_1m+1）〜
（6_km+1）からの出力信号を加算する加算器、（8_m+1）
は加算器（7_m+1）からの出力を自乗積分してビームフォ
ーマ出力B_m+1（ｔ）を出力する自乗積分回路である。

第２図はビームフォーマの出力を説明する図である。

図において、B₀（ｔ）〜B_m+1（ｔ）は第１図と同様な
ものであり、90度の方位にB₁（ｔ）、−90度の方位にB_m
（ｔ）、90度＋α度の方位に本発明で作成したビーム出
力B₀（ｔ）及び−90度＋β度の方位にB_m+1（ｔ）を作成
したことを示すものである。

上記のように構成された信号方位測定装置について以
下に動作を説明する。

受波器（１）の複数の受波素子（1₁）〜（1_k）が音源
からの音波を捕らえると、その音波をそれぞれX₁〜X
_k（ｔ）としてビームフォーマ（９）に出力する。

ビームフォーマ（９）の遅延補償回路（6₁₀）〜（6
_km+1）はX₁（ｔ）〜X_k（ｔ）の信号が入力すると、その
遅延補償に基づく遅延をさせて出力する。

この場合は、新たに備えた遅延補償回路（6₁₀）〜（6
_k0）及び（6_1m+1）〜（6_km+1）について動作を説明す
る。

遅延補償は、例えば受波素子（1h）、ビーム方位をθ
としたときの遅延補償τ_{h θ}は、一般的に、 τ_{h θ}＝（（ｈ−１）d/音速）sinθ であたえられる。本実施例では従来と同じくビーム出力
B₁（ｔ）〜B_m（ｔ）についてｍ＝65であるとき、それぞ
れのビーム方位θを、 θ＝sin^-1（（33−ｊ）/32） ［ｊ＝1,2,3,……,65］ とすると遅延補償τ_hj［ｈ＝1,2,…,k］は τ_hj＝（（ｈ−１）d/音速）×（33−ｊ）/32とな
る。

また、本実施例で新しく作成される出力B_O（ｔ）B_m+1
（ｔ）については、遅延補償をビーム出力B₁（ｔ）〜B_m
（ｔ）の延長と考え、それぞれ、 τ_ho＝（（ｈ−１））／音速 ×（33−０）/32 τ_hm+1＝｛（ｈ−１）d/音速｝ ×（33−（ｍ＋１））/32 になる。

このときのビーム出力B_O（ｔ）およびB_m+1（ｔ）のビ
ーム方位はそれぞれ、 sin^-1｛（33−０）/32｝ ＝sin^-1（33/32） sin^-1｛（33−ｍ＋１）｝/32 ＝sin^-1（−33/32） となり、物理的には存在していない方位にビームを作成
していることになる。加算器（７）はこれらの信号を加
算し、自乗積分回路（８）に出力する。

即ち、加算器の出力をb_jとすると、 とする信号を出力する。

次に、自乗積分回路（８）は、自乗積分したビーム出
力B_j（ｔ）とすると、 として出力する。

第３図はビーム補間器の出力を説明する図である。

同図は、補間器（３）は従来と同様に、所定数のビー
ム出力を用いて、所定数分割した補間ビーム出力C
₁（ｔ）〜C_n（ｔ）を得ることを示すものである。

例えば、補間ビーム出力C₂（ｔ）を得る場合は、上記
にて作成したB₀（ｔ）を用いて、 C₂（ｔ）＝Wa×B₀（ｔ）＋Wb×B₁（ｔ）＋Wc×B
₂（ｔ）＋Wd×B₃（ｔ） （但し、Wa、Wb、Wc、Wdはレステルの補間公式から得
られたおもみずけする係数である。） として、算出する。

従って、補間器（３）の出力は第３図に示すように、
B₁（ｔ）〜B_m（ｔ）を分割した補間ビーム出力C₁（ｔ）
〜C_n（ｔ）を得ることができる。

次にピーク方位検出回路（４）は入力したC₁（ｔ）〜
C_n（ｔ）の補間ビーム出力の中から真のピーク方位を検
出して出力する。

第４図はピーク方位の測定結果を説明する図である。
この場合は、信号源を80度に配置し、0.5波長、間隔ｄ
＝36ミリの直線受波器配列で、ビーム出力本数ｍ＋２＝
67とし、ビームの方位を、 sin^-1（33−ｊ）/32 ［ｊ＝0,1,2,…,65,66］ としている。このときの補間ビーム出力C₁（ｔ）〜C_n
（ｔ）の内最もピークとなる方位は、79.93度であり、
真の方位80度より、0.07度の誤差となる。従って従来の
0.75の誤差と比較して約1/10に改善されている。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、直線配列した受波器の
受波素子の数に対応して分割された方位について物理的
には存在しない方位のビーム出力を得るようにし、その
ビーム出力を用いてエンドファイヤ付近の補間ビーム出
力を求めるようにしたので、従来発生していた測定精度
の誤差を低減でき、より精度の高い音源の方位を検出で
きるという効果が得られている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の信号方位測定装置の概略構成図、第２
図はビームフォーマの出力を説明する図、第３図はビー
ム補間器の出力を説明する図、第４図はピーク方位の測
定結果の効果を説明する図、第５図は従来の信号方位測
定装置の概略構成図、第６図は受波器の構成を説明する
図、第７図は方位に対するビーム出力を説明する図、第
８図は方位に対する補間ビーム出力を説明する図、第９
図は従来の信号方位測定装置の測定結果を示す図であ
る。 図において、（1₁）〜（1_k）は受波素子、X₁（ｔ）〜X_k
（ｔ）は受波器出力、B₀（ｔ）〜B_m+1（ｔ）はビーム出
力、（３）はビーム補間器、C₁（ｔ）〜C_n（ｔ）は補間
ビーム出力、（４）はピーク方位検出回路、（6₁₀）〜
（6_km+1）は遅延補償回路、（7₁）〜（7_m+1）は加算
器、（8₀）〜（8_m+1）は自乗積分器、（９）はビームフ
ォーマである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 秀雄 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電 気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−115384（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−80576（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−15183（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−126175（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−80678（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】音源からの音波を受波する受波素子を複数
   直線配列し、その受波信号を一方のエンドファイヤから
   他方のエンドファイヤの範囲で出力する受波器と、 前記受波器の出力を入力し、前記の範囲内で受波素子の
   数に対応して分割された方位についての各ビーム出力を
   形成する第１のビームフォーマ群と、 前記受波器の出力を入力し、前記の範囲の外側の方位に
   ついての各ビーム出力を形成する第２のビームフォーマ
   群と、 前記第１のビームフォーマ群及び第２のビームフォーマ
   群からの前記範囲内のビーム出力及び外側のビーム出力
   を補間して補間ビーム出力として出力するビーム補間器
   と、 前記ビーム補間器からの補間ビーム出力から最もピーク
   となる補間ビーム出力をピーク方位とし、そのピーク方
   位を前記音源の方位として検出するピーク方位検出回路
   と を有することを特徴とする信号方位測定装置。