JP4392248B2 - トランスデューサのビーム形成アレイ - Google Patents

Description

本発明は、複数のトランスデューサ要素の平面状または２次元アレイに関する。より具体的には、本発明は、共通中心の周りの円対称配置でのトランスデューサの第１の複数の同様のサブアレイを備え、第１の複数の各サブアレイ内のトランスデューサが、累進的な距離の数列を形成する共通中心からの個々の距離を有するアレイに関する。

このようなトランスデューサのアレイは、所望の方向にアレイの感度を焦点合せするためのフェイズドアレイとして使用される。好ましくは、アレイは、広域の周波数レンジで使用可能であるべきである。フェイズドアレイが、たとえば、信号源を位置決めするため、または１つまたは複数の点状の信号源または分散配置された信号源の２次元の画像を作成するため、または特定の信号源からの信号を選択し、他の信号源からの信号を排除するまたは減衰させるための受信アレイとして使用可能である。フェイズドアレイはまた、たとえば投影されるビームによる目標照射のための送信アレイとしても使用可能である。このようなアレイによって操作する、すなわち受信または送信することができる信号は、アレイの寸法および／またはアレイ内の個々のトランスデューサ間の距離に匹敵する波長を有する波エネルギー信号である。

このような波エネルギーの例は、可聴周波数レンジ内の音響エネルギー、または可聴周波数レンジ外の超低周波または超音波である。音響エネルギーの場合、受信するトランスデューサはマイクロフォンと呼ばれ、送信するトランスデューサは、スピーカトランスデューサと呼ばれる。別の波エネルギーの例は、たとえば、ＲＦランドスケープをマッピングするため、または固定式または移動中の信号源または目標に焦点を合わせるための適切なアンテナによって受信または放射することができる無線周波数（ＲＦ）エネルギーなどの電磁エネルギーである。

トランスデューサ要素、すなわちセンサまたはエミッタの個数がアレイ内で与えられると、トランスデューサ要素の非冗長性の分散配置を得ることと同時に、広域の使用可能周波数レンジ、良好なサイドローブの抑制および円対称性に近いものを得ることが、アレイを設計時の目標となることが多い。円対称性は回転対称性とも呼ばれ、３６０度の１／ｎ（ｎは整数）、の回転によりアレイがそれ自体をカバーするまたは同一の位置になることを意味している。非冗長性は、２つのトランスデューサ要素間で間隔ベクトルが繰り返されないことを意味している。非冗長性のアレイは、所定の数の要素で、最大数の明確な遅延がサンプリングされる利点を有する。このようにして、非冗長性のアレイは、アレイの空間サンプリング特性に対して最適に近いアレイデザインを提供する。

アレイのビームパターンでの最大サイドローブレベルは、望ましくない信号およびノイズを拒絶し、特定の伝播信号に焦点を合わせるその能力の尺度である。したがって、アレイに対する良好なサイドローブ抑制を達成することが重要である。

信号源マップ解像度または投射されるビームは、円対称性でない場合方位角依存性である傾向があるため、アレイの円対称性が望ましい。
従来技術のアレイは、ランダムアレイおよび対数螺旋アレイなどの不規則アレイを含んで、上述の要求を満たすことを追求して設計されてきた。

ＵＳ ５ ８３８ ２８４は、いくつかの巻を有する単一の対数螺旋上に配置されたトランスデューサのアレイを開示している。
ＵＳ ６ ２０５ ２２４は、円対称の平面状アレイを開示している。そのトランスデューサ要素は、複数の同一な対数螺旋上で、螺旋が指定された直径の同心円と交差する位置に配置されている。

注意深く設計されたとき、このようなアレイは、要求を満たすことにかなり成功する。しかし、それらの複雑な幾何形状のため、製造することおよび操作することの両方が困難である。また、遠い場での高解像度の必要性には、比較的大きな寸法のアレイで対処することしかできない。したがって、数メートルの直径を有するアレイがしばしば必要である。したがって、室外での使用と相まって、アレイストラクチャは、使用場所で容易な組立ておよび分解が可能であること、および容易な輸送が可能であることが実用的に重要である。
ＵＳ ５ ８３８ ２８４ ＵＳ ６ ２０５ ２２４

非冗長性、円対称性または良好に制御されたサイドローブ抑制を損なうことなく、容易な製造および操作を可能にする、単純な幾何形状を有する平面状のアレイを提供することが、本発明の目的である。

本発明によると、この目的は、直線上に各サブアレイ内のトランスデューサを配置することによって達成される。直線は、製造するのが可能な限り簡単な幾何形状である。このような直線状のサブアレイが、おそらく脱着自在であるロッドまたはアームとして製造されるとき、規定された直線状の幾何形状からのずれは、目視検査によって容易に検知することができる。起こり得るアームへの損傷は、容易に検知することができ、損傷されたアームは、交換または修理することができる。同一であるすべてのサブアレイは、製造および操作をさらに単純化する。

各トランスデューササブアレイ内のトランスデューサによって画定された直線は、共通中心からある距離だけ横方向に偏移させることができる。これによって、アレイのサイズが増加し、空間的解像度を改善する。奇数のサブアレイを有することによって、および直線に沿ってトランスデューサを適切に配置することによって、アレイの非冗長性を確実にすることができる。

サブアレイが２次元アレイを形成するために選択的に組立ておよび選択的に分解することができる別個のユニットであるアレイは、いくつかの利点を有する。低い周波数で良好な指向性を有するために、アレイの全直径または外直径は、かなり大きく、通常２ｍあるいはそれ以上でなければならない。このように大きなアレイを安全に使用場所へまたは使用場所から輸送することは、困難であり、アレイが輸送または操作中に損傷されるリスクは相当なものである。本発明は、２次元アレイを形成するために選択的に組立ておよび選択的に分解することができる別個のユニットとして、サブアレイを提供することによってこの問題を解決する。分解された直線状のサブアレイはそのとき、たとえば適切な箱の中で隣り合わせに供給、輸送および保管されることができ、これは、組立てられたアレイよりもかなり小さな空間を占有し、サブアレイを損傷から保護する。

好ましくは、各サブアレイ内のトランスデューサが、それぞれ別個のユニット上の共通のプラグと接続され、これらすべてのトランスデューサが単一のケーブルによってデータ取得ハードウェアと接続されることを可能にする。このことは、配線の複雑性をかなり低減させる。

この種のアレイは、特定の周波数レンジで使用するように設計されており、良く定義され、注意深く設計されたサイドローブ抑制を有する。

平面状アレイは、原点または共通中心の周りで一様に離隔された、奇数の同一の直線状サブアレイまたはアーム上に配置された感知または送信トランスデューサ要素を有する。アームは、すべてのアームが同じ形状を有するという意味で同一であり、トランスデューサの位置はすべてのアーム上で同じである。また、いずれのアームも、アレイ全体をアレイの原点の周りに回転させることによって他のいずれのアームからも得ることできる。このことは、円対称性または回転対称性と呼ばれ、全体ストラクチャが、その中心の周りに３６０度を通じて回転するとき、整数倍現れることを意味している。

円対称のアレイは、奇数のアームによって、および要素間の間隔ベクトルがアーム上で繰り返されることはないように要素の位置を選択することによって、非冗長性にされる。アレイの直径は、低い動作周波数での所望の空間解像度によって決定され、サブアレイの実際の横方向偏移および要素の位置は、指定された上側周波数以下のすべてのアレイパターンサイドローブが最小化されるまで、これらのパラメータを調整する、数値最適化ルーチンを使用して決定される。

このようなアレイはいずれも、特定の周波数レンジで使用可能であり、その周波数レンジの外ではすべて、アレイは使用し難くなる、またはおそらく使用可能ではない。使用可能周波数レンジの外で測定が望まれる場合、その周波数レンジで使用するように設計された別のアレイを使用しなければならないことになる。本発明は、より広域の周波数レンジをカバーする複合アレイを提供する。
本発明のアレイは、アレイのトランスデューサを動作させるための適切な電子回路を備えるフェイズドアレイとして使用可能である。

本発明を、好ましいトランスデューサとして使用されるマイクロフォンで説明する。
図１は、平面状、すなわち二次元のマイクロフォン１０のアレイを示しており、各マイクロフォン１０の理想の位置が円で記されている。マイクロフォンは、好ましくは、一様な物理的および音響的特性を有し、マイクロフォン１０はサブアレイ１１内に配置されている。図示した実施形態では、各サブアレイ内に６個のマイクロフォン１０を備える７個のサブアレイ１１がある。各サブアレイ１１内では、マイクロフォン１０は、直線１２上に配置されている。サブアレイ１１は、共通中心Ｃの周りの回転または円対称性が得られるように、共通中心Ｃの周りに一様に分散配置されている。円対称性は、ストラクチャが中心Ｃの周りに３６０度を通って回転するとき、整数倍繰り返し現れることを意味する。７個のサブアレイを備える図示した実施形態では、ストラクチャは、３６０／７度の角度またはその整数倍を通る回転によって、繰り返し現れる。直線１２は、中心Ｃから距離ｄだけ横方向に偏移しており、それによって、サブアレイの直線のいずれも中心Ｃを通過しない。

個々のサブアレイの直線１２の沿ったマイクロフォン１０の分散配置および中心Ｃからの横方向の偏移距離ｄは、主にサイドローブを抑制するためだけでなく、マイクロフォンの非冗長性を得るために選択され、このことは、マイクロフォンのいかなるペアの間の間隔ベクトルも、別のペアで繰り返されないことを意味している。

原則として、トランスデューサ１０は、要素間の間隔ベクトルが繰り返されないように、いかなる非冗長性の、不規則な方式でも分散させることができる。原則として、いかなる数のサブアレイも使用することができる。しかし、不規則な要素間間隔を有する奇数のサブアレイが、冗長性を避けるために好ましい。

図２は、図１のものと同様のアレイ内で使用するためのサブアレイ内でのマイクロフォン１０の代替となる配置を概略的に示している。ここで、マイクロフォンは、互いに交差する、したがってある角度を形成している２つの平行でない直線１２ａおよび１２ｂを画定する２つのサブグループで配置されている。図１の直線状サブアレイ１１と同様に、トランスデューサのサブグループが直線性から逸脱しているかどうかを目視検査によって判定するのは簡単なことである。

図３は、直線状のサブアレイ１１ａでのマイクロフォンの実用的な配置を備える本発明によるアレイを示している。図８は、剛性の矩形のロッド１５上に堅固に装着された（等間隔であるが）６個のマイクロフォン１０を備える１つのサブアレイ１１ａを示している。図３のアレイは、図１のアレイと相まって上記で説明された原理に従って配置された１５個のこのようなサブアレイ１１ａから構成されている。図３のアレイでは、１５個のサブアレイ１１ａが、剛性の内側リング１３ａおよび剛性の外側リング１４ａと堅固に接続され、それによって剛性のアレイが形成されている。

図４は、図３のアレイと同じ原理に従って製造された、本発明による別のアレイを示している。図４のアレイは、各サブアレイ内に４個のマイクロフォンを備える７個のサブアレイ１１ｂを有する。図３と同様に、各サブアレイ内のマイクロフォンは、剛性の、矩形のロッド上に堅固に装着され、このような各ロッドは、剛性の内側リング１３ｂおよび剛性の外側リング１４ｂに堅固に固定され、それによって剛性のアレイが形成されている。

図３および４のアレイは、異なる全体寸法、特に内直径および外直径、異なる数のサブアレイおよび異なる数のサブアレイ内のマイクロフォンを有する。それによって、これらは、異なる周波数レンジでの使用のために最適化されている。

図５は、図３および４のアレイが結合され、同心状に配置された複合アレイを示している。図４の小さいほうのアレイの外直径は、図３の大きいほうのアレイの内直径に適合するように選択することができる。または、２つのアレイの間に重なりまたは間隔があってもよい。図５の複合アレイは、各アレイの有効周波数レンジの組合せである周波数レンジで使用可能であることになる。２つのアレイおよびそれらの個々のマイクロフォンの分散配置を適切に設計することによって、単独で使用されたときの個々のアレイに対するサイドローブ抑制の改善など、別の、積極的な相互作用を得ることができる。

好ましいマイクロフォンの分散配置およびサブアレイの横方向偏移は、アレイの意図された使用に対する最高周波数以下でのアレイの空間的感度パターンのすべてのサイドローブを最小化するために各マイクロフォンの位置を調整するために、ミニマックス最小化アルゴリズムなどの数値的な最適化ルーチンを適用することによって得ることができる。

図６は、図３のアレイの最大動作周波数ｆ_ｍａｘの関数としての最大サイドローブレベル（ＭＳＬ）を示している。３ｋＨｚ以下の周波数では、サイドローブレベルは、メインローブに対して−１４ｄＢ以下に保持され、３ｋＨｚを超える周波数では、最大サイドロープレベルは、−１０．５ｄＢ以下に保持されることがわかる。所定の数のマイクロフォンに対して、最大サイドローブレベルは、最適化の結果に依存するが、達成可能な結果もまた、使用されるマイクロフォンの数によって制限されることになる。

図８はまた、接続プラグ１６が剛性ロッド１５に固定されることを示している。ロッド１５は、実際はチューブであり、剛性ロッド１５上の６個のマイクロフォン１０のそれぞれが、ロッド１５の内部の電線を通じて接続プラグ１６と接続されている。プラグ１７の付いたケーブル１８がプラグ１６と接続されることができ、それによって、サブアレイ内のすべてのマイクロフォンが、１つのケーブル１８を通じて共通の測定システムと接続されることができる。

図３、４および５のアレイでは、サブアレイ１１ａおよび１１ｂが、内側リングおよび外側リング１３ａ、１４ａおよび１３ｂ、１４ｂに組み付けられている。このことは、マイクロフォン位置の要求される精度および安定性を確実にし、再現可能であり、使用者による組立てと分解の繰り返しを可能にする、いかなる適切な方式でも行うことができる。適切な手段は、ねじおよびクランプを含む。

円対称性は、共通中心Ｃの周りで一様な角度でアームを離隔することによって達成される。奇数のアームと不規則な要素の分散配置の組合せのため、結果として得られるアレイは、その空間的なサンプリング空間で冗長性を有さない。このことが、図３のアレイアパーチャ内のどの２つのマイクロフォンの間でのすべての空間ベクトルの組を表す、図７に示すコアレイによって示されている。この構成に対しては、これらのベクトル差はどれも繰り返されない。

このアレイの一般的な設計パラメータは以下の通りである。（１）アームの数（奇数、少なくとも３本）、（２）各サブアレイ内のトランスデューサの数、（３）内半径、（４）サブアレイの長さ、（５）共通中心からの直線状サブアレイの横方向偏移、（６）サブアレイに沿った要素の分散配置。トランスデューサの分散配置および横方向偏移が、上述の最適化ルーチンの適用によって決定されるとき、これらのパラメータは、そのサイドローブ特性が、特定された周波数レンジで良好に制御される広いクラスの円対称モジュラー平面状アレイを形成する。

本発明の好ましい実施形態による複数の直線状アレイを備える円対称平面状アレイの概略図である。 図１でのような平面状アレイでの使用のための２つの直線状セグメントを備える代替となるアレイを示す図である。 内側リングと外側リングの間に配置された直線状アームを備える円対称平面状アレイを示す図である。 図３と同じ原理に従っているが、別の周波数レンジに適した別の円対称平面状アレイを示す図である。 結合された図３および図４の平面状アレイを示す図である。 図３のアレイの最大動作周波数ｆ_ｍａｘの関数としての最大サイドローブレベル（ＭＳＬ）のプロットである。 図３のアレイアパーチャ内の要素のすべてのペア間のすべての空間ベクトルの組を示すコアレイである。 ケーブルを接続するためのプラグを備える共通の直線状アーム状に装着された６個のトランスデューサを備える直線状アレイの物理的な実施形態を示す図である。

Claims (9)

1. 複数のトランスデューサ（１０）の２次元アレイであって、共通中心（Ｃ）の周りの円対称配置でのトランスデューサの第１の複数の類似のサブアレイ（１１、１１ａ、１１ｂ）を備え、第１の複数の各サブアレイ内のトランスデューサが、第１の下限および第１の上限を備える累進的な距離の数列を形成する共通中心（Ｃ）からの個々の距離を有し、
   第１の複数のサブアレイ内の各サブアレイ（１１、１１ａ、１１ｂ）が、第１の直線（１２）上に配置された少なくとも３つのトランスデューサ（１０）を備えることを特徴とする２次元アレイ。
2. 請求項１に記載の２次元アレイであって、第１の直線（１２）が、共通中心（Ｃ）から第１の距離（ｄ）だけ横方向に偏移している２次元アレイ。
3. 請求項１乃至２の何れか１項に記載の２次元アレイにおいて、サブアレイ（１１、１１ａ、１１ｂ）の数が奇数であることを特徴とする２次元アレイ。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の２次元アレイにおいて、サブアレイ（１１、１１ａ、１１ｂ）が、２次元アレイを形成するために選択的に組立てることができ、選択的に分解することができる別個のユニットであることを特徴とする２次元アレイ。
5. 請求項４に記載の２次元アレイにおいて、各サブアレイ（１１、１１ａ、１１ｂ）内のトランスデューサ（１０）が、それぞれ別個のユニット上の共通のプラグ（１６）と接続され、共通のプラグがケーブル（１７、１８）と接続可能であることを特徴とする２次元アレイ。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の２次元アレイにおいて、共通中心（Ｃ）の周りの円対称配置でのトランスデューサ（１０）の第２の複数の類似のサブアレイ（１１ｂ）を備え、第２の複数の各サブアレイ（１１ｂ）内のトランスデューサ（１０）が、第２の下限および第２の上限を備える累進的な距離の数列を形成する共通中心（Ｃ）からの個々の距離を有し、
   第２の複数のサブアレイの各サブアレイ（１１ｂ）が、第２の直線上に配置された少なくとも３つのトランスデューサ（１０）を備えることを特徴とする２次元アレイ。
7. 請求項６に記載の２次元アレイにおいて、第２の複数のサブアレイ（１１ｂ）の数が奇数であり、第２の直線が共通中心から第２の距離（ｄ）だけ偏移していることを特徴とする２次元アレイ。
8. 請求項６及び７の何れか１項に記載の２次元アレイにおいて、第２の複数のサブアレイ（１１ｂ）が、２次元アレイを形成するために選択的に組立てられ、選択的に分解することができる別個のユニットであることを特徴とする２次元アレイ。
9. 請求項８に記載の２次元アレイにおいて、第２の複数の各サブアレイ内のトランスデューサが、それぞれ別個のユニット上の共通のプラグ（１６）と接続され、共通のプラグがケーブル（１７、１８）と接続可能であることを特徴とする２次元アレイ。

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