JP3006917B2 - 高分解能計測方法および装置 - Google Patents
高分解能計測方法および装置Info
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- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
- G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S15/8902—Side-looking sonar
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- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/87—Combinations of sonar systems
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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- Acoustics & Sound (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高分解能の計測を可能
にする開口合成の技術を適用した計測方法および装置に
関する。
にする開口合成の技術を適用した計測方法および装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に波動を用いた探査において分解能
を上げるためには、センサー長を長くすることが必要に
なり、センサー長をＬ、波長をλとしたとき、分解能θ
(°)は、θ＝５０.６λ／Ｌの関係になる事が知られて
いる。
を上げるためには、センサー長を長くすることが必要に
なり、センサー長をＬ、波長をλとしたとき、分解能θ
(°)は、θ＝５０.６λ／Ｌの関係になる事が知られて
いる。
【０００３】ところで、高分解能が得られるサイドスキ
ャンソナーやＭＮＢＥＳにおいて深海を探査する場合に
は、水中伝搬での減衰を少なくするために周波数を低く
しなければならないのと、船底への据え付け等で寸法制
限されるためにセンサー(送受波器)をそれ程大きくでき
ず、従って分解能θは高くても２°が実用上の限界とな
る。分解能２°といえばこの種の装置では十分に高分解
能であるがこの分解能を以てしても水深６０００ｍの海
底での左右方向の距離分解能は、海底までの直線距離が
例えば７０００ｍとなる斜め下方向を探査するとき、 ７０００×ｓｉｎ(２°)＝２４４ｍ となり、探査物体までの距離に比例して分解能が低下す
る。海底面での分解能を上げるにはビームが広がらない
ようにセンサーを海底近くまで沈める計測法も考えられ
るが、この場合、曳航体やケーブル等のコストが高くな
る上、所望の水中位置で連続的に測定を行うこと等に多
くの困難を伴う。
ャンソナーやＭＮＢＥＳにおいて深海を探査する場合に
は、水中伝搬での減衰を少なくするために周波数を低く
しなければならないのと、船底への据え付け等で寸法制
限されるためにセンサー(送受波器)をそれ程大きくでき
ず、従って分解能θは高くても２°が実用上の限界とな
る。分解能２°といえばこの種の装置では十分に高分解
能であるがこの分解能を以てしても水深６０００ｍの海
底での左右方向の距離分解能は、海底までの直線距離が
例えば７０００ｍとなる斜め下方向を探査するとき、 ７０００×ｓｉｎ(２°)＝２４４ｍ となり、探査物体までの距離に比例して分解能が低下す
る。海底面での分解能を上げるにはビームが広がらない
ようにセンサーを海底近くまで沈める計測法も考えられ
るが、この場合、曳航体やケーブル等のコストが高くな
る上、所望の水中位置で連続的に測定を行うこと等に多
くの困難を伴う。
【０００４】ここで高分解能を得るためにサイドルッキ
ングレーダ(側方監視レーダ)に採用している開口合成の
技術が“電波映像の科学”(松尾優著 全国出版刊)や
“波動と映像”(佐藤拓宋他著 森北出版刊)に紹介され
ているのでこれらを引用して簡単に述べる。
ングレーダ(側方監視レーダ)に採用している開口合成の
技術が“電波映像の科学”(松尾優著 全国出版刊)や
“波動と映像”(佐藤拓宋他著 森北出版刊)に紹介され
ているのでこれらを引用して簡単に述べる。
【０００５】通常のレーダ(実開口レーダ)では、図１に
示すように航空機Ｙには小型のアンテナしか搭載できな
いので、ブロードなビーム角βしか得られず、地表に照
射された楕円領域Ｑが地表での分解能となり低い。しか
し、このレーダに開口合成の技術を適用することによ
り、方位分解能(ｘ方向)を領域Ａで示されるように飛躍
的に向上する。又、距離分解能(ｚ方向)も別の手段(パ
ルス圧縮)で領域Ｂのごとく高めることができ、それら
の交差領域Ｃで示される極めて鋭い分解能を得ることが
できる。
示すように航空機Ｙには小型のアンテナしか搭載できな
いので、ブロードなビーム角βしか得られず、地表に照
射された楕円領域Ｑが地表での分解能となり低い。しか
し、このレーダに開口合成の技術を適用することによ
り、方位分解能(ｘ方向)を領域Ａで示されるように飛躍
的に向上する。又、距離分解能(ｚ方向)も別の手段(パ
ルス圧縮)で領域Ｂのごとく高めることができ、それら
の交差領域Ｃで示される極めて鋭い分解能を得ることが
できる。
【０００６】図２に示すように斜下側方に波長λの電波
をビーム角βで放射し、そのエコーの受信強度を記録し
ておく。地上Ｔｇにあるターゲットに対しては、飛行経
路ａ、ｂ、ｃ、…に至る間、レーダビームによって照射
され、それらのエコーを記録し、これを後で指向合成
(位相を揃えて合成)することにより、実質的にａｅの大
きさを持つアンテナで目標を捕えたことと等価となる。
をビーム角βで放射し、そのエコーの受信強度を記録し
ておく。地上Ｔｇにあるターゲットに対しては、飛行経
路ａ、ｂ、ｃ、…に至る間、レーダビームによって照射
され、それらのエコーを記録し、これを後で指向合成
(位相を揃えて合成)することにより、実質的にａｅの大
きさを持つアンテナで目標を捕えたことと等価となる。
【０００７】単にｃ点にあるレーダからビーム角βで目
標Ｔｇを捕えるとしたとき、距離Ｒでビームは、前述し
たようにβＲ＝Ｌに広がり、これが地上での方位分解能
となるが、開口合成のアンテナでは、そのビーム角β'
は、β'＝λ/ａｅ＝λ／Ｌとなり、従って地上での分解
能β'Ｒ＝(λ/ａｅ)・Ｒ≒Ｄとなり、アンテナの寸法Ｄ
と同じ分解能が得られ、しかもこの分解能はレーダとタ
ーゲットとの距離に無関係である。
標Ｔｇを捕えるとしたとき、距離Ｒでビームは、前述し
たようにβＲ＝Ｌに広がり、これが地上での方位分解能
となるが、開口合成のアンテナでは、そのビーム角β'
は、β'＝λ/ａｅ＝λ／Ｌとなり、従って地上での分解
能β'Ｒ＝(λ/ａｅ)・Ｒ≒Ｄとなり、アンテナの寸法Ｄ
と同じ分解能が得られ、しかもこの分解能はレーダとタ
ーゲットとの距離に無関係である。
【０００８】距離分解能の向上に対しては、従来のパル
ス圧縮レーダ(チャープレーダ)に用いられているパルス
圧縮技術を用いる。即ち、距離分解能を上げるには、幅
の狭いパルスを作成すればよく、そのために線形周波数
変調パルスを用い、送信パルス幅Ｔ内で直線的に周波数
変調(ＦＭ、偏移Δｆ)したものを送信し、受信機では、
直線状の周波数対遅延時間特性を持つ整合フィルタを通
すことにより、包絡線波形を持つ出力(狭いパルス)が得
られる。周波数偏移Δｆとパルス幅Ｔとの積、つまりパ
ルス圧縮比がある大きい程、狭パルスが得られる。
ス圧縮レーダ(チャープレーダ)に用いられているパルス
圧縮技術を用いる。即ち、距離分解能を上げるには、幅
の狭いパルスを作成すればよく、そのために線形周波数
変調パルスを用い、送信パルス幅Ｔ内で直線的に周波数
変調(ＦＭ、偏移Δｆ)したものを送信し、受信機では、
直線状の周波数対遅延時間特性を持つ整合フィルタを通
すことにより、包絡線波形を持つ出力(狭いパルス)が得
られる。周波数偏移Δｆとパルス幅Ｔとの積、つまりパ
ルス圧縮比がある大きい程、狭パルスが得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従ってこの開口合成の
技術を水中探知装置に応用することにより分解能を向上
できることが容易に想像されるが、以下に説明するよう
に水中での超音波の伝搬速度が電波に比べてはるかに遅
いことが主な原因となり未だ実現されていない。本発明
は上述の課題を解決するためになされたものであり、レ
ーダで用いられている開口合成の技術を適用する際に生
じた障害を解決することにより、水中探知装置において
高分解能の計測を可能にする計測方法およびその装置を
提供することを目的とする。
技術を水中探知装置に応用することにより分解能を向上
できることが容易に想像されるが、以下に説明するよう
に水中での超音波の伝搬速度が電波に比べてはるかに遅
いことが主な原因となり未だ実現されていない。本発明
は上述の課題を解決するためになされたものであり、レ
ーダで用いられている開口合成の技術を適用する際に生
じた障害を解決することにより、水中探知装置において
高分解能の計測を可能にする計測方法およびその装置を
提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】第１発明の高分解能計測
方法は、送波器により探査物体に対して超音波ビームを
送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器にて複
数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を揃えて
合成する、開口合成の技術を用いる方法であって、探査
物体までの超音波の往復に要する時間の間に、受波器を
送波器長Ｌ以下の長さ移動させるようにし、このときに
受波し位相合成した信号と、前記送波信号とを掛け合わ
せることにより、前記位相合成された信号おけるメイン
ロブの両側に生じるグレーティングロブを除去すること
を特徴とする。第２発明では、受波器を送波器長Ｌの間
隔で複数個ｎ設け、探査物体までの超音波の往復に要す
る時間の間に、受波器をＬ×ｎ以下の長さ移動させるよ
うにしたものであり、船の移動速度を速めることができ
る。第３発明では、探査物体までの超音波の往復に要す
る時間の間に、送波器よりｍ回送波すると共に、受波器
をＬ(送波器長)×ｍ以下の長さ移動させるようにしたも
のである。第４発明は、第２発明と第３発明とを組み合
わせたものであり、船の移動速度を相乗的に速めること
ができる。
方法は、送波器により探査物体に対して超音波ビームを
送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器にて複
数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を揃えて
合成する、開口合成の技術を用いる方法であって、探査
物体までの超音波の往復に要する時間の間に、受波器を
送波器長Ｌ以下の長さ移動させるようにし、このときに
受波し位相合成した信号と、前記送波信号とを掛け合わ
せることにより、前記位相合成された信号おけるメイン
ロブの両側に生じるグレーティングロブを除去すること
を特徴とする。第２発明では、受波器を送波器長Ｌの間
隔で複数個ｎ設け、探査物体までの超音波の往復に要す
る時間の間に、受波器をＬ×ｎ以下の長さ移動させるよ
うにしたものであり、船の移動速度を速めることができ
る。第３発明では、探査物体までの超音波の往復に要す
る時間の間に、送波器よりｍ回送波すると共に、受波器
をＬ(送波器長)×ｍ以下の長さ移動させるようにしたも
のである。第４発明は、第２発明と第３発明とを組み合
わせたものであり、船の移動速度を相乗的に速めること
ができる。
【００１１】
【作用】上述した開口合成の技術は、センサーを移動さ
せながら超音波を発射して海底からのエコーを受波し、
センサーの見掛けの開口長を大きくするものである。海
底までの距離が例えば７０００ｍの場合には超音波の往
復時間は約９.３秒となる。従って超音波の送信周期は
余裕をみて１０秒とすれば、船が１０秒間に移動する長
さ毎に送受波器が並ぶことになる。船の移動速度を５ノ
ットとしたとき、見掛け上の送受波器の間隔は２５ｍと
なる。このときの超音波周波数を仮に１２ｋＨｚとすれ
ば波長は１２.５ｃｍとなるので、図３に示すように２
００λ毎に送受波器が等価的に並ぶことになる。
せながら超音波を発射して海底からのエコーを受波し、
センサーの見掛けの開口長を大きくするものである。海
底までの距離が例えば７０００ｍの場合には超音波の往
復時間は約９.３秒となる。従って超音波の送信周期は
余裕をみて１０秒とすれば、船が１０秒間に移動する長
さ毎に送受波器が並ぶことになる。船の移動速度を５ノ
ットとしたとき、見掛け上の送受波器の間隔は２５ｍと
なる。このときの超音波周波数を仮に１２ｋＨｚとすれ
ば波長は１２.５ｃｍとなるので、図３に示すように２
００λ毎に送受波器が等価的に並ぶことになる。
【００１２】送受波器の間隔をｎ1(λ)としたとき、こ
れらの送受波器で受波された同一のエコーよりの各信号
を、位相を揃えて合成(位相合成と呼ぶ)したとき、図４
に示したように、主ビーム(メインロブ)４１に非常に接
近した角度から連続的に側帯波４２が生じる。この側帯
波はメインロブと感度差がなくほぼ同レベルになってお
り、このような側帯波をグレーティングロブという。こ
のグレーティングロブの発生角度α(°)は、α＝ｓｉｎ
-1(１/ｎ1)で与えられ、送受波器間隔が２００λのとき
のグレーティングロブの発生角度αは０.２９°とな
る。
れらの送受波器で受波された同一のエコーよりの各信号
を、位相を揃えて合成(位相合成と呼ぶ)したとき、図４
に示したように、主ビーム(メインロブ)４１に非常に接
近した角度から連続的に側帯波４２が生じる。この側帯
波はメインロブと感度差がなくほぼ同レベルになってお
り、このような側帯波をグレーティングロブという。こ
のグレーティングロブの発生角度α(°)は、α＝ｓｉｎ
-1(１/ｎ1)で与えられ、送受波器間隔が２００λのとき
のグレーティングロブの発生角度αは０.２９°とな
る。
【００１３】図５は、グレーティングロブの発生がなく
メインロブのみを有する位相合成された受波波形を示し
ており、図８は探査物体を示している。図５の理想的な
指向特性を有する場合には、図８の通りに計測される
が、図６に示すようにメインロブの左右に一対のグレー
ティングロブがあった場合には、図９に示すように二つ
のゴーストが生じる。尚、図７のように指向特性が良く
ない(ブロードな)メインロブの場合には図８の探査物体
は図１０のように計測され識別不能である。
メインロブのみを有する位相合成された受波波形を示し
ており、図８は探査物体を示している。図５の理想的な
指向特性を有する場合には、図８の通りに計測される
が、図６に示すようにメインロブの左右に一対のグレー
ティングロブがあった場合には、図９に示すように二つ
のゴーストが生じる。尚、図７のように指向特性が良く
ない(ブロードな)メインロブの場合には図８の探査物体
は図１０のように計測され識別不能である。
【００１４】かかるグレーティングロブの発生を無くす
には、等価的な送受波器の間隔を０.５λ(＝６.２５ｃ
ｍ)程度にすることである。しかしながら１０秒間の移
動速度を６.２５ｃｍとするのは実質的に静止状態であ
り海上での測定は不可能といえる。仮に可能だとして
も、このような低速では広い海域を測定するのに時間が
かかり過ぎる。
には、等価的な送受波器の間隔を０.５λ(＝６.２５ｃ
ｍ)程度にすることである。しかしながら１０秒間の移
動速度を６.２５ｃｍとするのは実質的に静止状態であ
り海上での測定は不可能といえる。仮に可能だとして
も、このような低速では広い海域を測定するのに時間が
かかり過ぎる。
【００１５】そこで、グレーティングロブが生じてもそ
れを排除できる方策について以下に検討してみる。 １）送波指向性を狭くしてグレーティングロブの近接許
容角を小さくする。開口合成を用いたシステムでは、分
解能は、送波器長と同等になるので送波器長が短ければ
分解能もよくなる。しかし、送波器長が短ければ固有の
指向性が広くなり、近接許容角を小さくすることはでき
ない。そこで分解能を多少犠牲にすることになるが、送
波器長をある程度長くし送信指向特性を狭くすることに
より、グレーティングロブの近接許容角を小さくするこ
とが有力な手段の一つになる。具体的には送波器長は３
ないし４ｍとなる。
れを排除できる方策について以下に検討してみる。 １）送波指向性を狭くしてグレーティングロブの近接許
容角を小さくする。開口合成を用いたシステムでは、分
解能は、送波器長と同等になるので送波器長が短ければ
分解能もよくなる。しかし、送波器長が短ければ固有の
指向性が広くなり、近接許容角を小さくすることはでき
ない。そこで分解能を多少犠牲にすることになるが、送
波器長をある程度長くし送信指向特性を狭くすることに
より、グレーティングロブの近接許容角を小さくするこ
とが有力な手段の一つになる。具体的には送波器長は３
ないし４ｍとなる。
【００１６】超音波周波数を１２ｋＨｚ(波長１２.５ｃ
ｍ)、送波器長Ｌを３.２ｍ(２５.６λ)としたとき、送
波ビームの広がり角β(°)は、β＝ｓｉｎ-1(λ／Ｌ)よ
り、β＝２.２４°となる。この場合の送波ビームを図
１１に示す。一方、開口合成された受波信号におけるグ
レーティンクロブの発生角度αが図１２で示すように
２.２４°以上であれば、図１２におけるグレーティン
クロブと図１１の送波ビームのメインロブとが重なるこ
とはない。この角度をグレーティンクロブの近接許容角
という。図１１と送波ビームと図１２の受波ビームとを
掛け合わせれば、図１３に示すようにすべてのグレーテ
ィンクロブが除去され、メインロブのみ取り出される。
従って、グレーティンクロブの発生角度αが２.２４°
以上となるように、言い換えれば、１０秒間の船の移動
速度が３.２ｍ(０.６４ノット)以下であれば開口合成が
可能となる。
ｍ)、送波器長Ｌを３.２ｍ(２５.６λ)としたとき、送
波ビームの広がり角β(°)は、β＝ｓｉｎ-1(λ／Ｌ)よ
り、β＝２.２４°となる。この場合の送波ビームを図
１１に示す。一方、開口合成された受波信号におけるグ
レーティンクロブの発生角度αが図１２で示すように
２.２４°以上であれば、図１２におけるグレーティン
クロブと図１１の送波ビームのメインロブとが重なるこ
とはない。この角度をグレーティンクロブの近接許容角
という。図１１と送波ビームと図１２の受波ビームとを
掛け合わせれば、図１３に示すようにすべてのグレーテ
ィンクロブが除去され、メインロブのみ取り出される。
従って、グレーティンクロブの発生角度αが２.２４°
以上となるように、言い換えれば、１０秒間の船の移動
速度が３.２ｍ(０.６４ノット)以下であれば開口合成が
可能となる。
【００１７】２）多重受信により受波信号の密度を高め
る。理想的には図１４に示すように一組の受波器Ｓが１
０秒間で３.２ｍ移動する毎にターゲットＴよりのエコ
ーを受波すればよいが、所定のピッチで複数組の受波器
を備えて多重受信することにより、船の移動速度を更に
現実的な値に高めることができる。上記の１）の手法に
より送受波器の配列ピッチを３.２ｍにできるので、予
め３.２ｍおきに複数個Ｕの受波器を設けておくと、船
の移動速度を３.２×Ｕに高めることができる。例えば
図１５に示すように、３.２ｍ隔てて２組の受波器Ｓ1、
Ｓ2を設け、ある時点で図示した位置の受波器Ｓ1、Ｓ2
にて受波し、１０秒後にそれぞれ６.４ｍ移動した受波
器Ｓ1'、Ｓ2'にて再びターゲットＴよりのエコーを受波
すれば、３.２ｍのピッチで並ぶ受波器で受波すること
と等価になる。この場合、受波器Ｓ1、Ｓ2の移動速度、
即ち船の移動速度は２倍の１.２８ノットになる。３.２
ｍ間隔で３個の受波器を備えれば、船の移動速度は３倍
になる。
る。理想的には図１４に示すように一組の受波器Ｓが１
０秒間で３.２ｍ移動する毎にターゲットＴよりのエコ
ーを受波すればよいが、所定のピッチで複数組の受波器
を備えて多重受信することにより、船の移動速度を更に
現実的な値に高めることができる。上記の１）の手法に
より送受波器の配列ピッチを３.２ｍにできるので、予
め３.２ｍおきに複数個Ｕの受波器を設けておくと、船
の移動速度を３.２×Ｕに高めることができる。例えば
図１５に示すように、３.２ｍ隔てて２組の受波器Ｓ1、
Ｓ2を設け、ある時点で図示した位置の受波器Ｓ1、Ｓ2
にて受波し、１０秒後にそれぞれ６.４ｍ移動した受波
器Ｓ1'、Ｓ2'にて再びターゲットＴよりのエコーを受波
すれば、３.２ｍのピッチで並ぶ受波器で受波すること
と等価になる。この場合、受波器Ｓ1、Ｓ2の移動速度、
即ち船の移動速度は２倍の１.２８ノットになる。３.２
ｍ間隔で３個の受波器を備えれば、船の移動速度は３倍
になる。
【００１８】３）多重送信により受波信号の密度を高め
る。通常の音響機器は、送受波器より超音波を発射し海
底からのエコーを受波するまで次の超音波を発射しない
方式がとられる。本発明では、次々に超音波を発射し海
底からのエコーを受信する多重送信により、受波信号の
密度を高める方式が考えられる。この技術は衛星搭載の
観測機器での開口合成に用いられているものである。こ
れを実現するためには、各送信に対して海底からのエコ
ーを独立して識別することが必要であり、そのために
は、海底からのエコーの継続時間を短くして前後の送信
エコーとオーバラップしないようにする必要がある。
る。通常の音響機器は、送受波器より超音波を発射し海
底からのエコーを受波するまで次の超音波を発射しない
方式がとられる。本発明では、次々に超音波を発射し海
底からのエコーを受信する多重送信により、受波信号の
密度を高める方式が考えられる。この技術は衛星搭載の
観測機器での開口合成に用いられているものである。こ
れを実現するためには、各送信に対して海底からのエコ
ーを独立して識別することが必要であり、そのために
は、海底からのエコーの継続時間を短くして前後の送信
エコーとオーバラップしないようにする必要がある。
【００１９】図１６は、上下方向の指向角がφ1の送信
ビームで海底ＡないしＢを探査する様子を示しており、
このときの探査結果を図１７に示している。一方、図１
８のごとく、指向角がφ2(＜φ1)の送信ビームで海底
Ａ'ないしＢ'を探査したときの像を図１９に示してい
る。図１６と図１８を比較してわかるように、送信ビー
ムの指向角が鋭い程海底における探査幅(刈り幅)が短く
なり、又、図１７と図１９を比較してわかるように、刈
り幅が短いと送信パルスＰの送信間隔を短くできる。図
１８の指向角φ2では、図２０で示したように、送信パ
ルスＰの間隔ｔは、刈り幅Ａ'Ｂ'程度とすることができ
る。図２１は、送信パルスＰとエコーＲとの対応を示し
ており、パルスＰｉに対するエコーはＲｉである。
ビームで海底ＡないしＢを探査する様子を示しており、
このときの探査結果を図１７に示している。一方、図１
８のごとく、指向角がφ2(＜φ1)の送信ビームで海底
Ａ'ないしＢ'を探査したときの像を図１９に示してい
る。図１６と図１８を比較してわかるように、送信ビー
ムの指向角が鋭い程海底における探査幅(刈り幅)が短く
なり、又、図１７と図１９を比較してわかるように、刈
り幅が短いと送信パルスＰの送信間隔を短くできる。図
１８の指向角φ2では、図２０で示したように、送信パ
ルスＰの間隔ｔは、刈り幅Ａ'Ｂ'程度とすることができ
る。図２１は、送信パルスＰとエコーＲとの対応を示し
ており、パルスＰｉに対するエコーはＲｉである。
【００２０】このようにして１０秒間にＶ回送信できた
とすると、船の移動速度は０.６４・Ｖノットとなる。
上記の２）および３）の技術を組み合わせることがで
き、Ｕ組の送受波器を備え、１０秒間にＶ回多重送信す
れば、船の移動速度は、０.６４・Ｕ・Ｖノットとな
り、実現容易な速度にできる。
とすると、船の移動速度は０.６４・Ｖノットとなる。
上記の２）および３）の技術を組み合わせることがで
き、Ｕ組の送受波器を備え、１０秒間にＶ回多重送信す
れば、船の移動速度は、０.６４・Ｕ・Ｖノットとな
り、実現容易な速度にできる。
【００２１】
【実施例】図２２は、本発明の水中探知装置の一実施例
を示す制御ブロック図である。１は、例えば３.２ｍお
きに受波器１Ａ、送受波器１Ｂ、および受波器１Ｃを配
列してなるセンサーであり、送受波器１Ｂの送波器長は
３.２ｍである。受波器を３組設けたので、船の移動速
度は、上述の条件に従えば０.６４×３ノットとなる。
尚、これらの３個の送受波器は、船の航行方向となるの
で船底等への据え付けは容易である。２は、センサー１
に対して送受を切り換えるための回路である。３は、セ
ンサー１よりの３系統の受波信号をそれぞれ増幅する受
信増幅器である。４は、受信増幅器３よりの出力信号を
アナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器である。
５および７はＣＰＵ６に対するインターフェイスであ
る。ＣＰＵ６は、インターフェイス５を介して入力され
る３系統の受信信号を開口合成のための演算を行う。そ
の詳細については後で述べる。８は、インターフェイス
７を介して入力されるＣＰＵ６よりの出力信号に基づき
探査結果を表示する記録器であり、９は、前記の探査結
果をデータとして記録するデータ収録装置である。１０
は、ＣＰＵ６での開口合成に必要なセンサー１の位置、
方位および水深等のデータが入力される外部データ入力
部である。１１は、送信タイミングや送信信号のパルス
幅を決める送信制御部であり、１２は、送信信号を出力
する送信増幅器であり、送受切換器２を介してセンサー
１の送受波器に印加される。
を示す制御ブロック図である。１は、例えば３.２ｍお
きに受波器１Ａ、送受波器１Ｂ、および受波器１Ｃを配
列してなるセンサーであり、送受波器１Ｂの送波器長は
３.２ｍである。受波器を３組設けたので、船の移動速
度は、上述の条件に従えば０.６４×３ノットとなる。
尚、これらの３個の送受波器は、船の航行方向となるの
で船底等への据え付けは容易である。２は、センサー１
に対して送受を切り換えるための回路である。３は、セ
ンサー１よりの３系統の受波信号をそれぞれ増幅する受
信増幅器である。４は、受信増幅器３よりの出力信号を
アナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器である。
５および７はＣＰＵ６に対するインターフェイスであ
る。ＣＰＵ６は、インターフェイス５を介して入力され
る３系統の受信信号を開口合成のための演算を行う。そ
の詳細については後で述べる。８は、インターフェイス
７を介して入力されるＣＰＵ６よりの出力信号に基づき
探査結果を表示する記録器であり、９は、前記の探査結
果をデータとして記録するデータ収録装置である。１０
は、ＣＰＵ６での開口合成に必要なセンサー１の位置、
方位および水深等のデータが入力される外部データ入力
部である。１１は、送信タイミングや送信信号のパルス
幅を決める送信制御部であり、１２は、送信信号を出力
する送信増幅器であり、送受切換器２を介してセンサー
１の送受波器に印加される。
【００２２】ＣＰＵ６で行われる開口合成の演算を図２
３のフローチャートに従って説明する。尚、開口合成そ
のものの技術は公知なので詳細は専門書に譲ることに
し、ここではあらましについて述べることとする。ここ
で行われる開口合成の機能には、リアルタイムモード
と、ポストプロセッシングモードとがある。リアルタイ
ムモードでは、船の移動に遅れることなく(遅れても一
定時間内で)開口合成をし記録器８へ出力する。このモ
ードでは厳密な位相補償等の演算はできないので近似演
算となる。
３のフローチャートに従って説明する。尚、開口合成そ
のものの技術は公知なので詳細は専門書に譲ることに
し、ここではあらましについて述べることとする。ここ
で行われる開口合成の機能には、リアルタイムモード
と、ポストプロセッシングモードとがある。リアルタイ
ムモードでは、船の移動に遅れることなく(遅れても一
定時間内で)開口合成をし記録器８へ出力する。このモ
ードでは厳密な位相補償等の演算はできないので近似演
算となる。
【００２３】一方、ポストプロセッシングモードでは、
正確な演算を期すために、演算量が膨大となりリアルタ
イムでは処理できないために、測定した生データは一
旦、データ収録装置９へ収録しておき、後でそれを再生
してＣＰＵ６で演算させる。さて、ステップＳ１では、
ｍ＝開口合成距離／ビーム合成と、ｎ＝開口合成距離／
受波素子のピッチの計算が行われる。本実施例ではビー
ム合成ピッチおよび受波素子のピッチは３.２ｍであ
る。ステップＳ２では、送信地点および多重送信地点の
反射エコーの切り出しがなされる。ステップＳ３では船
の移動距離が開口合成の中心差より大きくなったかの判
定がなされ、大きくなったときには、ステップＳ４−１
にて開口合成の中心予想地Ｏ1点が決定される。
正確な演算を期すために、演算量が膨大となりリアルタ
イムでは処理できないために、測定した生データは一
旦、データ収録装置９へ収録しておき、後でそれを再生
してＣＰＵ６で演算させる。さて、ステップＳ１では、
ｍ＝開口合成距離／ビーム合成と、ｎ＝開口合成距離／
受波素子のピッチの計算が行われる。本実施例ではビー
ム合成ピッチおよび受波素子のピッチは３.２ｍであ
る。ステップＳ２では、送信地点および多重送信地点の
反射エコーの切り出しがなされる。ステップＳ３では船
の移動距離が開口合成の中心差より大きくなったかの判
定がなされ、大きくなったときには、ステップＳ４−１
にて開口合成の中心予想地Ｏ1点が決定される。
【００２４】ステップＳ５では最初の送信地点での外部
データ(位置データ)と、受信データ(図２１に示すＰ、
Ｒ)とを有機的に結合する。ステップＳ６では、前述し
たリアルタイム処理のモードなのかポストプロセッシン
グのモードなのかの判定がなされ、リアルタイムモード
のときはステップＳ７に進み、開口合成の中心(図２で
はＬの中央点)と対象エコーとの距離の位置から位相シ
フト量Ｃi0が演算される。このモードでは近似演算をす
る。具体的には探知距離範囲における中心距離となる箇
所(距離Ｄj)に固定的にフォーカスを結ぶようにして演
算を簡略化する。
データ(位置データ)と、受信データ(図２１に示すＰ、
Ｒ)とを有機的に結合する。ステップＳ６では、前述し
たリアルタイム処理のモードなのかポストプロセッシン
グのモードなのかの判定がなされ、リアルタイムモード
のときはステップＳ７に進み、開口合成の中心(図２で
はＬの中央点)と対象エコーとの距離の位置から位相シ
フト量Ｃi0が演算される。このモードでは近似演算をす
る。具体的には探知距離範囲における中心距離となる箇
所(距離Ｄj)に固定的にフォーカスを結ぶようにして演
算を簡略化する。
【００２５】次のステップＳ８およびステップＳ９にお
いて、前記の距離Ｄjに対して、Ｃ1(Ｄｊ)＋Ｃ2(Ｄｊ)
＋…＋Ｃn(Ｄｊ)の計算により、前記の中心距離とした
箇所よりのエコーが指向合成される。ｎは素子数であ
る。ステップＳ１０ではＣＰＵ６によりリアルタイムで
演算された合成エコーが記録器８へ送出される。ステッ
プＳ１１ては、前記のＤjをｊ＝１ないしｌに変えて以
上の演算が行われる。以上述べたステップＳ４−１以降
のフローがビーム合成数ｍの数についてそれぞれ平行し
て行われる。一方、ポストプロセッシングモードの場合
には、ステップＳ１２で開口合成の中心Ｏ1点と対象エ
コーとの距離の位置から位相シフト量Ｃiが演算され
る。その際、このモードでは、探知距離範囲全体に対し
て距離Ｄjを変えフォーカス点を移動させて(ダイナミッ
クフォーカス)演算する。上記実施例でき多重受信の場
合であったが、多重送信を併用することにより、船の移
動速度を更に高めることができる。
いて、前記の距離Ｄjに対して、Ｃ1(Ｄｊ)＋Ｃ2(Ｄｊ)
＋…＋Ｃn(Ｄｊ)の計算により、前記の中心距離とした
箇所よりのエコーが指向合成される。ｎは素子数であ
る。ステップＳ１０ではＣＰＵ６によりリアルタイムで
演算された合成エコーが記録器８へ送出される。ステッ
プＳ１１ては、前記のＤjをｊ＝１ないしｌに変えて以
上の演算が行われる。以上述べたステップＳ４−１以降
のフローがビーム合成数ｍの数についてそれぞれ平行し
て行われる。一方、ポストプロセッシングモードの場合
には、ステップＳ１２で開口合成の中心Ｏ1点と対象エ
コーとの距離の位置から位相シフト量Ｃiが演算され
る。その際、このモードでは、探知距離範囲全体に対し
て距離Ｄjを変えフォーカス点を移動させて(ダイナミッ
クフォーカス)演算する。上記実施例でき多重受信の場
合であったが、多重送信を併用することにより、船の移
動速度を更に高めることができる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、探査物
体までの超音波の往復に要する時間の間に、受波器を送
波器長Ｌ以下の長さ移動させることにより、グレーティ
ングロブの発生角が、送波ビームの広がり角以下になら
ないようにし、これにより、このときに受波し位相合成
した信号と、前記送波信号とを掛け合わせることによ
り、開口合成された信号おけるメインロブ両側の分解能
を低下させるグレーティングロブを除去するようにした
ので高分解能で計測が可能となる。
体までの超音波の往復に要する時間の間に、受波器を送
波器長Ｌ以下の長さ移動させることにより、グレーティ
ングロブの発生角が、送波ビームの広がり角以下になら
ないようにし、これにより、このときに受波し位相合成
した信号と、前記送波信号とを掛け合わせることによ
り、開口合成された信号おけるメインロブ両側の分解能
を低下させるグレーティングロブを除去するようにした
ので高分解能で計測が可能となる。
【図１】 レーダにおける開口合成の技術を説明するた
めに用いた図
めに用いた図
【図２】 レーダにおける開口合成の技術を説明するた
めに用いた図
めに用いた図
【図３】 開口合成により一つのセンサーが等価的に等
間隔に並ぶようになることを示す図
間隔に並ぶようになることを示す図
【図４】 開口合成の技術を水中探知装置に適用した場
合にメインロブ以外に派生するグレーティングロブを示
す図
合にメインロブ以外に派生するグレーティングロブを示
す図
【図５】 メインロブのみを有する指向合成された受波
波形図
波形図
【図６】 メインロブの両側に一対のグレーティングロ
ブを有する指向合成された受波波形図
ブを有する指向合成された受波波形図
【図７】 図５におけるメインロブがブロードの場合を
示す図
示す図
【図８】 探査物体の例を示した図
【図９】 図６の受波波形の場合に図８の探査物体の実
際の探査結果を示した図
際の探査結果を示した図
【図１０】 図７の受波波形の場合に図８の探査物体の
実際の探査結果を示した図
実際の探査結果を示した図
【図１１】 本発明に用いた送波ビームの指向特性を示
す図
す図
【図１２】 図１１の送波ビームの場合の指向合成され
た受波ビームを示す図
た受波ビームを示す図
【図１３】 図１１の送波ビームと図１２の受波ビーム
とを掛け合わせることにより得た信号を示す図
とを掛け合わせることにより得た信号を示す図
【図１４】 水中探知装置に適用した開口合成の技術を
説明するための図
説明するための図
【図１５】 図１４において受波器を２組設けた場合の
開口合成の技術を説明するための図
開口合成の技術を説明するための図
【図１６】 斜め下方に送波した超音波ビームの上下方
向の広がりを示した図
向の広がりを示した図
【図１７】 図１６の指向角の送波ビームで海底を探査
したときの計測図
したときの計測図
【図１８】 図１６において上下方向の広がりを狭くし
た超音波ビーム図
た超音波ビーム図
【図１９】 図１８の指向角の送波ビームで海底を探査
したときの計測図
したときの計測図
【図２０】 図１９に示した送信パルスの１周期の間に
複数回の送信したパルスを示した図
複数回の送信したパルスを示した図
【図２１】 図２０の送信パルスを用いたときの海底の
探査結果を示す図
探査結果を示す図
【図２２】 本発明の測定方法を実施するのに適した一
実施例を示す制御ブロック図
実施例を示す制御ブロック図
【図２３】 図２２におけるＣＰＵの制御動作を示した
フローチャート
フローチャート
１ センサー ２ 送受切換回路 ３ 受信増幅器 ４ Ａ／Ｄ変換器 ５ インターフェイス ６ ＣＰＵ ７ インターフェイス ８ 記録器 ９ データ収録装置 １０ 外部データ入力部 １１ 送信制御部 １２ 送信増幅器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−121353（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−121354（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−121355（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−121356（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−121357（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96
Claims (8)
- 【請求項１】 送波器により探査物体に対して超音波ビ
ームを送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器
にて複数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を
揃えて合成する、開口合成の技術を用いる高分解能の計
測方法であって、探査物体までの超音波の往復に要する
時間の間に、受波器を送波器長Ｌ以下の長さ移動させる
ようにし、このときに受波し位相合成した信号と、前記
送波信号とを掛け合わせることにより、前記位相合成さ
れた信号おけるメインロブの両側に生じるグレーティン
グロブを除去することを特徴とする高分解能計測方法。 - 【請求項２】 送波器により探査物体に対して超音波ビ
ームを送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器
にて複数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を
揃えて合成する、開口合成の技術を用いる高分解能の計
測方法であって、受波器を送波器長Ｌの間隔で複数個ｎ
設け、探査物体までの超音波の往復に要する時間の間
に、受波器をＬ×ｎ以下の長さ移動させるようにし、こ
のときに受波し位相合成した信号と、前記送波信号とを
掛け合わせることにより、前記位相合成された信号おけ
るメインロブの両側に生じるグレーティングロブを除去
することを特徴とする高分解能計測方法。 - 【請求項３】 送波器により探査物体に対して超音波ビ
ームを送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器
にて複数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を
揃えて合成する、開口合成の技術を用いる高分解能の計
測方法であって、探査物体までの超音波の往復に要する
時間の間に、送波器よりｍ回送波すると共に、受波器を
Ｌ(送波器長)×ｍ以下の長さ移動させるようにし、この
ときに受波し位相合成した信号と、前記送波信号とを掛
け合わせることにより、前記位相合成された信号おける
メインロブの両側に生じるグレーティングロブを除去す
ることを特徴とする高分解能計測方法。 - 【請求項４】 送波器により探査物体に対して超音波ビ
ームを送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器
にて複数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を
揃えて合成する、開口合成の技術を用いる高分解能の計
測方法であって、受波器を送波器長Ｌの間隔で複数個ｎ
設け、探査物体までの超音波の往復に要する時間の間
に、送波器よりｍ回送波すると共に、受波器をＬ×ｍ×
ｎ以下の長さ移動させるようにし、このときに受波し位
相合成した信号と、前記送波信号とを掛け合わせること
により、前記位相合成された信号おけるメインロブの両
側に生じるグレーティングロブを除去することを特徴と
する高分解能計測方法。 - 【請求項５】 送波器により探査物体に対して超音波ビ
ームを送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器
にて複数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を
揃えて合成する、開口合成の技術を用いる高分解能の計
測装置であって、探査物体までの超音波の往復に要する
時間の間に、受波器を送波器長Ｌ以下の長さ移動させる
ようにし、このときに受波し位相合成した信号と、前記
送波信号とを掛け合わせることにより、前記位相合成さ
れた信号おけるメインロブの両側に生じるグレーティン
グロブを除去することを特徴とする高分解能計測装置。 - 【請求項６】 送波器により探査物体に対して超音波ビ
ームを送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器
にて複数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を
揃えて合成する、開口合成の技術を用いる高分解能の計
測装置であって、受波器を送波器長Ｌの間隔で複数個ｎ
設け、探査物体までの超音波の往復に要する時間の間
に、受波器をＬ×ｎ以下の長さ移動させるようにし、こ
のときに受波し位相合成した信号と、前記送波信号とを
掛け合わせることにより、前記位相合成された信号おけ
るメインロブの両側に生じるグレーティングロブを除去
することを特徴とする高分解能計測装置。 - 【請求項７】 送波器により探査物体に対して超音波ビ
ームを送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器
にて複数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を
揃えて合成する、開口合成の技術を用いる高分解能の計
測装置であって、探査物体までの超音波の往復に要する
時間の間に、送波器よりｍ回送波すると共に、受波器を
Ｌ(送波器長)×ｍ以下の長さ移動させるようにし、この
ときに受波し位相合成した信号と、前記送波信号とを掛
け合わせることにより、前記位相合成された信号おける
メインロブの両側に生じるグレーティングロブを除去す
ることを特徴とする高分解能計測装置。 - 【請求項８】 送波器により探査物体に対して超音波ビ
ームを送波し、探査物体よりのエコーを移動する受波器
にて複数の地点で受波し、受波した複数の信号を位相を
揃えて合成する、開口合成の技術を用いる高分解能の計
測装置であって、受波器を送波器長Ｌの間隔で複数個ｎ
設け、探査物体までの超音波の往復に要する時間の間
に、送波器よりｍ回送波すると共に、受波器をＬ×ｍ×
ｎ以下の長さ移動させるようにし、このときに受波し位
相合成した信号と、前記送波信号とを掛け合わせること
により、前記位相合成された信号おけるメインロブの両
側に生じるグレーティングロブを除去することを特徴と
する高分解能計測装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3154503A JP3006917B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 高分解能計測方法および装置 |
| US08/039,298 US5412617A (en) | 1991-06-26 | 1992-06-26 | High resolution measuring method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3154503A JP3006917B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 高分解能計測方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH052072A JPH052072A (ja) | 1993-01-08 |
| JP3006917B2 true JP3006917B2 (ja) | 2000-02-07 |
Family
ID=15585670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3154503A Expired - Fee Related JP3006917B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 高分解能計測方法および装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5412617A (ja) |
| JP (1) | JP3006917B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2803658B2 (ja) * | 1996-11-06 | 1998-09-24 | 日本電気株式会社 | 合成開口ソーナーシステム |
| FR2756931B1 (fr) * | 1996-12-10 | 1999-02-19 | Thomson Marconi Sonar Sas | Sonar lateral a antenne synthetique |
| DE202014004790U1 (de) | 2014-06-07 | 2014-07-29 | Universität Leipzig | Anordnung zum Vermessen von Schallgeschwindigkeitsverteilungen und daraus abgeleiteter Größen in Räumen unter Verwendung akustischer Signale |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4088978A (en) * | 1976-09-27 | 1978-05-09 | Westinghouse Electric Corp. | Synthetic aperture side-looking sonar system |
-
1991
- 1991-06-26 JP JP3154503A patent/JP3006917B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-06-26 US US08/039,298 patent/US5412617A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5412617A (en) | 1995-05-02 |
| JPH052072A (ja) | 1993-01-08 |
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