JP3106334B2 - 水中聴音機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水中聴音機に関し、特に
集束帯波又は多重経路波が支配的な海域で、海中音源か
らの音波を受音して、その存在の検出や方位の測定等を
行うのに適した水中聴音機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に海中（又は水中）の目標音源か
ら、海中にある受波器に到達する音波は、海面と平行な
面（以下水平面という）から到来する直接波と海面及び
海底に反射又は散乱して伝搬する多くの多重経路波とが
混合されたものである。図６は音波が海中を伝搬して受
波器に伝わる状態を示した説明図である。図において、
１は海面、２は海底、３は音波を伝搬するための媒体と
なる海中、４は検出目標、５はブイ等から海中３に降ろ
された受波器である。同図のように、検出目標４からの
音波を１０Ｋｍ程度離れて受波すると、検出目標４から
放射される音波は海面１及び海底２への入射角が小さい
ため、多くの多重経路波の加算効果によって多重経路波
のレベルの方が直接波のレベルより大きくなるものであ
る。

【０００３】また、船舶航走路上の海域や沿岸海域等の
ような航走路雑音（以下トラフィック性雑音という）の
高い海域では、海中雑音における音響周波数の低周波領
域（例えば１０〜５００Ｈｚ）の大部分がトラフイック
性雑音となって、例えば図７に示す方向性を持つもので
ある。このため、特公昭５７−１９３９０号公報には、
奇数個の無指向性受波器を垂直直線上で且つ中心の受波
器に対して、他の両側の受波器が対称となるように配列
すると共に、中心の受波器の出力と他の出力とを逆相と
し、また水平面方向に最大感度軸を持つ２個のダイポー
ル型指向性受波器を互の最大感度軸が９０度ずれるよう
に配置して、この２個のダイポール型指向性受波器の出
力と、奇数個の無指向性受波器の出力とによって、図８
に示すように８の字型指向性を得て、海中雑音レベルと
目標音レベルの信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を高めることが
説明されている。つまり、水平面で零感度となる８の字
型指向性により、トラフイック性海中雑音を抑制し、海
面及び海底からの多重経路波を受信してＳ／Ｎ比を高め
るものである。

【０００４】しかし、一般に深海域における音波伝搬で
は音源と受波器との間の距離が中間（１０マイル〜２０
マイル）までは、多重経路波が支配的であるが、３０マ
イル〜４０マイル程度の遠距離では集束帯（コンバーゼ
ンス・ゾーン）波が支配的であるため、この集束帯波を
聴音するのが有効である。そして、この集束帯波は、受
波器に対して海面１よりわずか下方（約−１０度）と上
方（約＋１０度）の角度範囲から到達することが知られ
ている。

【０００５】このため、特公平４−４１３１２号公報で
は、海中に、奇数個の無指向性受波器を海面に対して垂
直な直線上でかつ中心の受波器に対して他の両側の受波
器が対称となるように配列し、また無指向性受波器の配
列の中心位置の近傍に、２個のダイポール型指向性受波
器を各々の最大感度軸が海面と平行な方向でかつ互いに
９０度ずれるように配置すると共に、図８に示すように
無指向性受波器の各出力を海面と平行な面上で零感度と
なる８の字型指向性を造る第１のビームフォーマ及び図
９に示す海面と平行な方向よりわずかに下方又は上方に
ビームを向けたブロードサイド型指向性を造る第２のビ
ームフォーマを備えることによって、集束帯波を聴音す
るようにしてＳ／Ｎ比を高くしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような特公平４
−４１３１２号公報の従来の水中聴音機は、多重経路波
が支配的な海域では、トラフイック性雑音を受音しない
ようにして多重経路波の音波を受音するために、海面及
び海底方向に対して最大感度軸を有する８の字型指向性
にしている。しかし、この８の字型指向性は、多重経路
波をＳ／Ｎ比よく受音しようとしても、検出目標からの
音波が入射して来ない上下方向に最大感度をもっている
ため、Ｓ／Ｎ比が充分に改善されないという問題点があ
った。また、特公平４−４１３１２号公報は集束帯波が
支配的な海域では、これを高いＳ／Ｎで受音するため、
海面と平行な方向よりわずかに下方又は上方にビームを
向けたブロードサイド型指向性を造ることで、集束帯波
を高いＳ／Ｎ比で受音するようにしていた。

【０００７】しかし、ビームの最大感度軸を海面と平行
な方向よりわずかに下方又は上方に向けたブロードサイ
ド型指向性を造っても、図７に示すような指向性を示す
トラフィック性雑音の入射角と集中帯波の入射角は、ほ
ぼ同一角度となるので、トラフィック性雑音の影響を防
ぐことは困難であるという問題点があった。つまり、わ
ざわざトラフイック性雑音を受音しないようにするた
め、水平面方向より、最大感度が下方に１０度になるよ
うにしているにもかかわらずトラフイック性雑音を受音
することになるという問題点があった。即ち、従来の水
中聴音機は、集束帯波が支配的は海域又は多重経路波が
支配的な海域に応じて、高いＳ／Ｎ比で受音することが
できないという問題点があった。本発明は以上の問題点
を解決するためになされたもので、集束帯波又は多重経
路波が支配的な海域に応じて、容易に高いＳ／Ｎ比で受
音することができることができる水中聴音機を得ること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる水中聴音
機は、海中に、奇数個の無指向性受波器群を垂直方向
に、且つ中心の受波器に対して他の両側の受波器が対称
となる様に配列し、無指向性受波器群の配列の中心位置
の近傍に、２個のダイポール型指向性受波器を各々最大
感度軸が水平面方向に対して、互いに９０度ずれるよう
に配置し、無指向性受波器群の各出力に基づいて、検出
目標音が海底反射して到来する角度に最大感度軸を有す
る第１のブロードサイド型指向性又は水平面方向に最大
感度軸を有する第２のブロードサイド型指向性を択一的
に造るビームフォーマの出力と、２個のダイポール型指
向性受波器の出力とによって、検出目標の方位を測定す
るものである。

【０００９】

【作用】本発明においては、選択されることによって、
ビームフォーマが海底反射して到来する角度に最大感度
軸を有する第１のブロードサイド型指向性又は水平面方
向に最大感度軸を有する第２のブロードサイド型指向性
を造り、このビームフォーマの出力と奇数個の無指向性
受波器群の中心位置の近傍に配置された２個のダイポー
ル型指向性受波器の出力に基づいて、検出目標の方位を
測定する。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す概略構成図で
ある。図において、１〜３は上記と同様なものである。
６〜１２は無指向性受波器、１３及び１４はダイポール
型指向性受波器、１５〜２１は移相器（ＰＳＣ）、３０
は切換器であり、接点２２〜接点２８を備え、制御端子
２９に入力する切換信号に基づいて各接点を切換える。
この切換器３０はアナログスイッチ等を用いている。３
１、３２及び３５は加算器、３３は低域フィルタ（以下
ＬＰＦという）、３４は高域パスフィルタ（以下ＨＬＰ
という）、３６は加算器３５の出力端子、３７はダイポ
ール型指向性受波器１３の出力端子、３８はダイポール
型指向性受波器１４の出力端子である。このような回路
を水中聴音機は備えている。

【００１１】無指向性受波器６〜１２は海中３内にて海
面１に対して垂直な直線上に無指向性受波器６を中心と
して、その両側に距離ｄ１をおいて、無指向性受波器７
及び無指向性受波器８が配置され、距離ｄ２をおいて、
無指向性受波器９及び無指向性受波器１０が配置され、
距離ｄ３をおいて、無指向性受波器１１及び無指向性受
波器１２が配置されている。また、ダイポール型指向性
受波器１３及びダイポール型指向性受波器１４は無指向
性受波器６〜１２の中心位置の近傍に、その最大感度軸
が共に水平面方向となり、かつ互いに９０度ずれるよう
に配置されている。移相器１５〜２１、切換器３０、加
算器３１、加算器３２、低域フィルタ（ＬＰＦ）３３、
高域フィルタ（ＨＰＦ）３４、加算器３５はビームフォ
ーマを構成するものである。

【００１２】そして、このような構成において、移相器
１５〜移相器２１はそれぞれ無指向性受波器６〜無指向
性受波器１２の各出力に、距離ｄ１、ｄ２、ｄ３に応じ
て図２に示すような時間の進み又は遅れ量を付加し水平
面方向より下方に約４０度に位相を揃えた信号を出力を
得る。切換器３０は制御端子２９に入力する切換信号に
よって、各接点２２〜２８が切換わり、例えば制御信号
がＬレベルのとき、各接点２２〜２８が移相器１５〜移
相器２１を選択し、それぞれその移相器の信号を出力
し、また制御信号がＨレベルにされたときは、各接点２
２〜２８が無指向性受波器６〜無指向性受波器１２を選
択し、それぞれその無指向性受波器の出力信号を出力す
る。

【００１３】加算器３１は切換器３０の接点２７、接点
２５、接点２２、接点２６、接点２８の信号を入力して
加算し、制御信号によって切換器３０が移相器１５〜移
相器２１を選択していた場合は、距離ｄ２及び距離ｄ３
による、より低周波における下図に説明する水平面方向
より下方約４０度に最大感度軸を有する第１のブローサ
イド型指向性を得る。図３は水平面方向より下方約４０
度に最大感度軸を有する第１のブローサイド型指向性の
説明図である。同図に示すように、本指向性は最大感度
軸を水平面方向より下方約４０度に設けて、海底２から
反射されて到来する音波を受音するため、トラフイック
性雑音を受音しないで、高いＳ／Ｎ比で海底２からの反
射波を受音するものである。

【００１４】また、加算器３１は制御信号によって切換
器３０が無指向性受波器６〜無指向性受波器１２を選択
していた場合は、距離ｄ２及び距離ｄ３による、より低
周波における下図に説明する水平面方向に最大感度軸を
有する指向性（第２のブロードサイド型指向性）を得
る。図４は水平面方向に最大感度軸を有する指向性の説
明図である。同図に示すように、本指向性は最大感度軸
を水平面方向にしているため、トラフイック性雑音と、
集束帯波を同時に受音することになる。これは、トラフ
ィック性雑音を避けるために、水平面方向より下方に、
１０度の最大感度軸を有する指向性としていたが、トラ
フィック性雑音の到来角度の方が集束帯波の到来角度よ
り大きいため、トラフイック雑音の影響を無くすことは
困難であり、逆に水平面方向に最大感度軸を設けて全て
の集束帯波を受音した方がＳ／Ｎ比が高くなるためであ
る。つまり、集束帯波用として用いるのである。

【００１５】加算器３２は切換器３０の接点２５、接点
２３、接点２２、接点２４、接点２６の信号を入力して
加算し、制御信号によって切換器３０が移相器１５〜移
相器２１を選択していた場合は、距離ｄ１及び距離ｄ２
による、より高周波における図３の水平面方向より下方
約４０度に最大感度軸を有する指向性（第１のブロード
サイド型指向性）を得る。また、加算器３２は制御信号
によって切換器３０が無指向性受波器６〜無指向性受波
器１２を選択していた場合は、距離ｄ１及び距離ｄ２に
よる、より高周波における図４の水平面方向に最大感度
軸を有する指向性（第２のブロードサイド型指向性）を
得る。

【００１６】そして、加算器３１の出力は低域フィルタ
３３を介して加算器３５に出力され、また加算器３２の
出力は高域フィルタ３４を介して加算器３５に出力さ
れ、加算器３５によって合成され、前記同様の図３に示
すような第１のブロード型指向性に対応する出力を、低
周波から高周波に渡って、出力端子３６に得る。又は、
前記同様の図４に示すような第２のブロードサイド型指
向性に対応する出力を、低周波から高周波に渡って、出
力端子３６に得る。このように、移相器１５〜２１、切
換器３０、加算器３１、加算器３２、低域フィルタ３
３、高域フィルタ３４、加算器３５から構成されている
ビームフォーマは制御端子２９に入力する制御信号によ
って、その指向性を図３の如く水平面より約４０度下方
（以下第１種の方向という）に最大感度軸を造ったとき
も、図４の如く水平面方向（以下第２種の方向という）
に最大感度軸を造ったときも、いずれも水平面上では無
指向性のビームパターンを造ることとなる。

【００１７】しかも、低域フィルタ３３と高域フィルタ
３４を通常のバターワース型フィルタで構成し、無指向
性受波器の間隔で受けもつ周波数領域を分離すると共
に、その遮断周波数と遮断特性を同一とすることによっ
て、低周波から高周波に周波数が変化しても、その加算
器３５の出力端子３６における出力信号の位相変化が零
となるようにしている。そして、出力端子３６に得られ
る第１のブロードサイド型指向性の出力又は第２のブロ
ードサイド型指向性の出力と、前記の最大感度軸が共に
水平面方向を向き、且つ互いに９０度ずれたダイポール
型指向性受波器の出力端子３７，３８に得られる両方の
出力は、例えば特公昭５３−２２０３８号公報に詳細に
説明されている伝送方式で伝送され、特公昭５５−２８
５１４号公報に詳細に説明されている測定方法で目標の
方位を検出するために使用することができる。なお、前
記実施例では位相を揃えて加算する受波器の個数が５個
の場合を示しているが、前記受波器の個数を増して、位
相を揃えて加算すれば図３及び図４に示す指向性のビー
ム幅を狭くすることができ、Ｓ／Ｎ比をより向上させる
ことができる。また、前記受波器の個数を増して、より
外側に受波器を設けて、例えば低周波、中間周波、高周
波の如く周波数帯域を増して移相器、加算器とフィルタ
ーの組合せを設ければ、更に広帯域化でき、より広い周
波数帯域の目標音に対して図３及び図４の指向性を保持
することができる。

【００１８】なお、図５は水平面より約４０度下方（第
１種の方向）に最大感度軸を向ける目的を説明する図で
ある。即ち、本発明の第１種の方向は、図５に示す如
く、唯一回の海底反射波を対象として水平面より約４０
度下方にビームの主軸を向ける。これにより、海中雑音
の影響を全く受けることなく、自らのビーム幅によって
Ｓ／Ｎ比を向上させて海底反射波を受音することができ
る。但し、この場合、例えば、水深４ｋｍの海域では図
５の受波器群５の狙う目標迄の距離は約８ｋｍとなり、
受波器群５から半径８ｋｍのリング状領域が探知領域と
なり、このリングの幅は、図３のビーム幅によって決め
られる。

【００１９】更に、図４に示す水平面方向（第２種の方
向）に最大感度軸を持った指向性は、受波器群５を比較
的、浅深度（例えば１００ｍ）に吊下して、遠距離から
到来する集束帯波をＳ／Ｎ比良く受音するためのもので
ある。なお、この場合図１により説明した単純な加算器
が利用できるので、小形で安価なハードウェアで容易に
実現できる利点もある。ユーザは使用海域の特性によっ
て本水中聴音機の制御端子２９を事前に制御して、移相
器又は無指向性受波器を選択し、図３又は図４の指向性
に切換えて使用する。さらに、図３における約４０度の
角度は図７のトラフイック性雑音を避ける目的では大き
な値としたいが、目標信号の海底反射損失を小さくする
目的では小さな値としたく、３０〜４５度の間を中間値
として設定したものである。さらに、上記実施例では切
換器をアナログスイッチとしたが一般的な複数の接点を
有するリレーであってもよい。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、奇数個の
無指向性受波器群を垂直方向に、且つ中心の受波器に対
して他の両側の受波器が対称となる様に配列し、前記無
指向性受波器群の配列の中心位置の近傍に、２個のダイ
ポール型指向性受波器を各々最大感度軸が水平面方向に
対して、互いに９０度ずれるように配置し、無指向性受
波器群の各出力に基づいて、検出目標音が海底反射して
到来する角度に最大感度軸を有する第１のブロードサイ
ド型指向性又は水平面方向に最大感度軸を有する第２の
ブロードサイド型指向性を択一的に造るビームフォーマ
の出力と、２個のダイポール型指向性受波器の出力とに
よって、検出目標の方位を測定するようにしたことによ
り、多重経路波が支配的な海域では、第１のブロードサ
イド型指向性で積極的に海底反射波を受音するためＳ／
Ｎ比が改善し、集束帯波が支配的な海域では、第２のブ
ロードサイド型指向性で水平方向から到来する集束帯波
を受音するためＳ／Ｎ比が改善するので、集束帯波又は
多重経路波が支配的な海域で、検出目標からの到来音波
をＳ／Ｎ比良く受音でき、目標の存在を検出でき、また
目標の方位を精度良く測定することができる効果が得ら
れている。また、本発明による水中聴音機のビームフォ
ーマは、選択されることによって第１のブロードサイド
型指向性又は第２のブロードサイド型指向性を造るよう
にしているので、構造上小型で安価なハードウェアで容
易に実現することができるという効果が得られている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略構成図である。

【図２】本発明に係るビームフォーマにおける整相のよ
うすを示す説明図である。

【図３】水平面方向より下方約４０度に最大感度軸を有
する指向性の説明図である。

【図４】水平面方向に最大感度軸を有する指向性の説明
図である。

【図５】水平面より約４０度下方に最大感度軸を向ける
目的を説明する図である。

【図６】音波が水中を伝搬して受波器に伝わる状態を示
した説明図である。

【図７】トラフイック性雑音の方向性を示す図である。

【図８】従来の８の字型指向性を示す図である。

【図９】従来の水平方向より下方約１０度にビームを向
けた指向性を示す図である。

【符号の説明】

１ 海面 ２ 海底 ３ 海中 ６〜１２ 無指向性受波器 １５〜２１ 移相器 ３０ 切換器 ３１ 加算器 ３２ 加算器 ３３ 低域フィルタ ３４ 高域フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−193374（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−119256（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−91776（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−119254（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−149875（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−113770（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−183568（ＪＰ，Ａ) Ｒ．Ｊ．ユーリック著、土屋 明 訳、西村 実 監修、「水中音響の原 理」、共立出版、昭和53年12月１日初版 発行、Ｐ．193−225、［７ 海洋におけ る背景雑音］ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，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】 海中に、奇数個の無指向性受波器群を垂
   直方向に、且つ中心の受波器に対して他の両側の受波器
   が対称となる様に配列し、前記無指向性受波器群の配列
   の中心位置の近傍に、２個のダイポール型指向性受波器
   を各々最大感度軸が水平面方向に対して、互いに９０度
   ずれるように配置し、 前記無指向性受波器群の各出力に基づいて、検出目標音
   が海底反射して到来する角度に最大感度軸を有する第１
   のブロードサイド型指向性又は水平面方向に最大感度軸
   を有する第２のブロードサイド型指向性を択一的に造る
   ビームフォーマの出力と、 前記２個のダイポール型指向性受波器の出力とによっ
   て、検出目標の方位を測定する水中聴音機。