JP4798826B2 - 円筒形トランスデューサのビーム角制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、魚群探知機等に用いられる円筒形トランスデューサの送受波ビームの制御方法および制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
魚群探知機等のソナー装置はローリング・ピッチングで揺動する船舶に装備されて使用されるものであり、超音波を送受波するトランスデューサも、この船舶と一緒に揺動する。魚群探知機は、トランスデューサから超音波パルスを送信し、これが魚群などの物標で反射した反射エコーを受信して映像化する装置である。したがって、トランスデューサが、ローリング・ピッチングで揺動すると、この揺動に同期して映像も揺動して方位や深度が定まらなくなり、揺動がひどい場合にはエコーの映像を得ることができなくなる場合もある。
【０００３】
そこで、ローリングやピッチングがあっても、その影響を受けず安定した魚群の捕捉を可能にするため、揺動をキャンセルして常に同じ方向にビームを形成できるビームスタビライズ制御が、以前より望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このビームスタビライズ制御は、未だに実用化されていない。それは、円筒形トランスデューサにおいて、従来のようにビーム角をティルトするのみの場合には、段数毎にキャリア位相を制御するのみでよいが、揺動に対応してビームをスタビライズするためには、各段の各エレメントを個別にキャリア位相制御する必要があり、このための位相制御回路が超音波振動子エレメントと同数必要となるからである。たとえば、２０段、３０素子の円筒形トランスデューサの場合、６００個の位相制御回路が必要となる。 このようにビームスタビライズは、ハードの複雑化と巨大化を伴うことから、必要性が望まれていたにもかかわらず実現がされていない。
【０００５】
また、送信パルスはローリング・ピッチングの周期からすると一瞬であるが、反射エコーの受信は、たとえば３０００ｍレンジでは約４秒となり、その間にローリング・ピッチングの角度も変化するため、反射エコー受信中にスタビライズを取り直す必要がある。しかし、反射エコーの受信中にティルト角を変化させるとそこで反射エコーの位相が不連続になりビームが形成できなかった。
【０００６】
この発明は、簡易な構成で揺動によるビームの揺動を補償してスタビライズすることのできる円筒形トランスデューサのビーム角制御方法および制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、複数の超音波振動子アレイを円周状に配列した円筒形トランスデューサが形成する送波ビームおよび受波ビームを制御する方法であって、
前記複数の超音波振動子アレイを複数のグループに分割し、グループ毎に、そのグループに属する超音波振動子アレイのビーム角を制御し、
受信期間中には、前記円筒形トランスデューサの傾き角度に応じて、受波ビーム方向を同じ点を中心に回転させる受波ビームのビーム角の制御を複数回行う。
【０００８】
円筒形トランスデューサが、全周方向にαのティルト角でビームを形成しているとする。この円筒形トランスデューサが揺動してβ傾くと傾いた方向についてはビーム角がα＋βとなり、傾きと反対の方向についてはビーム角がα−βとなり、全方位均一なティルト角で探査が行われない。そこで、傾いた方向についてはティルト角をα−βに制御し、反対方向についてはティルト角をα＋βに制御する。これにより、傾きβがどのようになっても全周方向にαのビーム角で探査を行うことができる。ここで、一般的な円筒形トランスデューサは２０〜３０のアレイを円周状に配置したものである。また、別の言い方をすると２０〜３０の超音波振動子エレメントを円周状に配置したものを複数段積み重ねたものである。この全てのアレイのティルト角を個別に制御する、すなわち、全てのエレメントのキャリア位相を個別に制御することは、ハード構成が非常に複雑になるため、この発明では、円周状に配置されているアレイを複数のグループに分割し、グループ毎にティルト角の制御を行うようにした。これにより、必要とされる精度に対して最小限度の構成でビームをスタビライズすることができる。
なお、この発明において円筒形とは円錐台形など上面から底面までの半径が一定でないものも含む概念である。
【０００９】
また、前記円筒形トランスデューサの傾き角度を検出し、この傾き角度をキャンセルするように各グループの超音波振動子アレイのビーム角を制御する、ようにしてもよい。
円筒形トランスデューサは、船底に固定されているため、船舶の揺動に合わせて揺動する。そこで、この揺動を検出するセンサなどを設けて、揺動を検出し、これをキャンセルするようにビーム角を制御することにより、安定した送信および受信ビーム形成が可能になる。
【００１０】
送信ビームの揺動補正は、船舶の揺動周期（１秒以上）からすると、送信パルス幅は非常に短く、送信中（長くても１００ｍｓｅｃのパルス幅）の揺動変化は無しとして送信直前に検出された揺動角で送信ビーム揺動補正を行うだけで十分である。送信パルス中の揺動に応じた複数個の揺動補正は必要とされない。
一方、受信は送信と異なり、探知距離により受信期間が決まり、受信期間中の揺動変化に応じた揺動補正が必要とされる。しかし、単純に受信中に揺動補正に必要なティルト制御を行うと、その時点で受信信号が不連続となり、正常なビーム形成が行われない、あるいはノイズとなるなどの不具合が生じる。
【００１１】
この発明では、受波ビームのビーム角の制御を、受信期間中に複数回行う。この際、ビーム角制御に必要な受波面制御を、同じ点（例えば、受波面重心）を中心とした回転となるように制御する。こうすることにより、制御の前後においても受信信号は、あたかも受波面重心で連続して受信した信号となり、位相不連続も生じない。
【００１２】
魚群探知機などのアクティブソナーの場合、反射エコーの受信期間は、船舶の揺動角度の変化速度に比べて長い。そこで、この揺動角度の変化に追従するようにビーム角を複数回制御する。しかし、ビーム角を変化させるごとにその受波面回転の中心が異なると信号の等位相面がビーム方向に対して前後し、位相が不連続になる。この発明では、どのような角度にビーム角を変化させても回転の中心を同じにした。これにより、受信期間中に複数回ビーム角を制御しても連続して安定した受波ビームの形成が可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施形態である魚群探知機に使用されるトランスデューサの構成図、図２は、同魚群探知機の送受信部のブロック図である。
図１において、トランスデューサ１は、４８０個の超音波振動子エレメント１０を円筒形に組み合わせたものである。すなわち、２４個の超音波振動子エレメントを円周状に配列し、これを２０段重ね合わせて構成したものである。言いかたを変えると、２０エレメントの超音波振動子アレイを２４本円周状に配置したものである。各超音波振動子エレメント１０は、図２に示すようにトラップ４を介して送信部および受信部に接続されている。各段の超音波振動子エレメントは、後述の送受信部において、ステーブ番号１〜６、７〜１２、１３〜１８、１９〜２４の４グループに分割して処理される。
【００１４】
送信部、受信部は、超音波振動子アレイ、すなわち、トランスデューサ１の縦の列に並んだ超音波振動子エレメント（各段の同じステーブ番号の超音波振動子エレメント）の信号を組み合わせることによって、上下方向に狭い送波ビーム、受波ビームを形成する。上下の超音波振動子エレメントを整相処理することにより、垂直方向にビームを形成することができ、同図（Ｂ）に示すように上の段ほど位相をすすめることにより、ビーム方向を下に向けることができる。送信時には全周の（各ステーブ番号の）超音波振動子アレイにこの信号を印加することにより、全周方向に上下方向に薄い円盤状の超音波パルスを送信する。また、受信時には、受信した反射エコーを各超音波振動子アレイ毎に図１（Ｂ）のように合成することにより、ビームを上下方向に絞り込み、後段のマッチドフィルタで水平方向（方位方向）にビームを絞り込んで受波ビームを形成する。
【００１５】
図２において、トランスデューサ１は、トラップ４を介して送信部および受信部に接続されている。送信部は送信用キャリア発生部２、パワーアンプ３からなっている。受信部は、プリアンプ５、移相回路６および受信用キャリア発生部７からなっている。トラップ４は、送信信号から受信回路を保護し、かつ受信時の受信信号が送信回路側に回り込まないようにアイトソレートする回路である。トランスデューサ１は送信用キャリア発生部２が発生し、パワーアンプ３で増幅された超音波パルス信号を送波し、そのエコー信号を受信する。トランスデューサ１が受信したエコー信号は、プリアンプ５で増幅されたのち移相回路６に入力される。移相回路６には、受信用キャリア発生部７から各エレメントに対応するローカルキャリア信号が供給され、各エレメントから入力されたエコー信号は、このキャリア信号とミキシングされることによって移相される。このローカルキャリア信号はグループ毎に制御されている。移相された信号は、後段のＢＰＦ（非図示）を介してマッチドフィルタ（非図示）に供給される。このマッチドフィルタで受波ビームが形成される。
【００１６】
従来の送信部では、トランスデューサ１の各超音波振動子に印加する超音波パルスを段毎に位相制御するのみであったため、円筒形のトランスデューサの中心軸に対して回転対称の送波ビームしか形成することができなかった。また、従来の受信部では、トランスデューサ１の各超音波振動子から入力されたエコー信号を段毎に位相制御するのみであったため、円筒形のトランスデューサの中心軸に対して回転対称の受波ビームしか形成することができなかった。
【００１７】
この魚群探知機では、各段の超音波振動子を図１に示したように、複数グループにグループ分けし、同じ段であっても各グループ毎に異なる位相制御をすることにより、円筒形のトランスデューサ１の中心軸に回転対称でないビームを形成することができる。
【００１８】
そのための送信用キャリア発生部２，受信用キャリア発生部３を図３を参照して説明する。このキャリア発生部は、ティルト角、船舶のローリング角、ピッチング角に応じてグループ毎に補正後のティルト角を決定し、そのティルト角のビームを形成するために位相制御された各超音波振動子エレメントに対するキャリア信号を発生する回路部である。ここで送信用キャリア発生部２が発生したキャリア信号はパワーアンプ３で増幅されたのち各超音波振動子エレメント１０に超音波パルス信号として供給され、受信用キャリア発生部７が発生したキャリア信号は、ローカルキャリア信号として移相回路６に供給され、各超音波振動子エレメント１０から入力されたエコー信号に乗算（ミキシング）される。
【００１９】
この送受信部を制御するＣＰＵ２０には、揺動センサ２１が接続されている。揺動センサ２１は、この魚群探知機が設置される船舶のローリング角度およびピッチング角度を検出するセンサである。このＣＰＵ２０は、キャリア発生部の５つのラッチ回路（フリップフロップ）３１〜３５に対して、ローリング角、ピッチング角、ティルト角、および、超音波振動子のグループ番号ｇ（＝１〜４）、段番号ｍ（＝１〜２０）を入力する。ラッチ回路３１〜３５がラッチしたこれらのデータは、位相出力部３０に供給される。位相出力部３０は、これらローリング角、ピッチング角、ティルト角、グループ番号、段番号に基づいて、対応する超音波振動子エレメントのグループに対するキャリア位相データを出力する。このキャリア位相データは０〜２πの角度を０〜１２７の値で表現した値である。ＣＰＵ２０は、（段番号ｍ，グループ番号ｇ）＝（１，１）〜（２０，４）を順次切り換え入力する。これにより、位相出力部３０は、設定されたローリング角，ピッチング角で揺動している船舶のトランスデューサで、水平な（垂直軸に回転対称な）所定のビーム角のビームを形成するためのキャリア位相データを各段の各グループ毎に出力する。
【００２０】
また、デコーダ３６は、ラッチ回路３４，３５にラッチされた段番号ｍおよびグループ番号ｇに対応するキャリア発生回路４１に対してラッチパルスを出力する。キャリア発生回路４１は、カウンタ４２およびラッチ回路（フリップフロップ）４３からなっている。ラッチ回路４３は、デコーダ３６からラッチパルスが入力されたとき、そのとき位相出力部３０から出力されていたキャリア位相データをラッチする。カウンタ４２は、キャリア周波数の１２８倍の周波数を有するクロック信号をカウントするカウンタであり、ロードパルスが入力されたときカウントをスタートする。このカウントスタート時に、ラッチ回路４３にラッチされているキャリア位相データ（０〜１２７の値）がプリセットされる。したがって、カウンタ４２は、プリセットされた値からカウントを開始し、１２８でオーバーフローして０からカウントを再開する。これにより、このキャリア位相データ分だけ位相シフトされたキャリア信号となる。ロードパルスは、全てのキャリア発生回路４１に対してキャリア位相データがセットされたのち、全キャリア発生回路４１に対して同時に入力される。キャリア発生回路４１は、２０段×４グループの８０個設けられており、全エレメント毎に設けた場合の４８０個の１／６になっている。
【００２１】
なお、位相出力部３０は、各段番号，グループ番号，ティルト角，ローリング角，ピッチング角に対応したキャリア位相データを記憶したＲＯＭ、または、これに各値に対応するキャリア位相データを演算出力するデジタル回路で構成すればよい。
【００２２】
図２において、パワーアンプ３は、（グループ数）×（段数）、この例では４グループ×２０段で８０個設けられており、各超音波振動子エレメントが属する段，グループ（ｍｇ）に対応するキャリア信号が入力される。
【００２３】
また、図２において、プリアンプ５および移相回路（ミキサ）６は２４０個の各超音波振動子毎に２４０個設けられており、各移相回路６には、各超音波振動子エレメントが属する段，グループ（ｍ，ｇ）に対応するキャリア信号が入力される。
【００２４】
図４に、このプリアンプ５群および移相回路６群の一部を示す。各超音波振動子エレメントが受信したエコー信号は、プリアンプ５で増幅されたのち移相回路６に入力される。移相回路６には、各グループ毎に異なる位相のキャリア信号φｍ１〜φｍ４が入力される。このようにグループ毎に位相を変えることにより、船舶（トランスデューサ１）の傾きを補償して垂直軸に回転対称な受波ビームを形成することができるとともに、キャリア発生回路およびミキサの結線などを簡略化することができる。
【００２５】
図５は、上記船舶のローリング・ピッチングによる揺動角度βに応じてティルト角をどのように制御するかを説明する図である。下向きにαのティルト角で送波ビーム，受波ビームを形成する場合、船舶（トランスデューサ１）が水平であれば同図（Ａ）のように全周同じティルト角αでビームを形成すればよい。しかし、船舶（トランスデューサ１）がβだけ揺動している場合には、その揺動方向のアレイのティルト角（アレイのビーム方向）をα−βに制御し、揺動方向の反対側のアレイのティルト角をα＋βに制御する。その間のアレイについてはその配列順にα−βからα＋βの間の角度に制御する。このアレイのティルト角制御は、各アレイの属するグループ毎に行う。
【００２６】
ティルト角の制御は、各段の超音波振動子エレメントに供給するキャリア信号の位相を変化させることによって行うが、どの角度にティルト角を制御する場合でも図６（Ａ）に示すように、超音波振動子受波面重心を中心として受波面を回転するように行う。ここで、受波面重心とは、整相合成により、アレイ上の複数の信号があたかもアレイの一点で受信されたかのような受信信号位相となる場合の一点をさす。通常、アレイ信号の合成には、アレイセンタを中心として対称な重みが加えられるが、このときには重心はアレイのセンタとなる。重みが非対称のときには、その重みの加重平均された位置が重心となる。同図（Ａ）の場合にはアレイの重心を中心として回転するように各段の超音波振動子エレメントに供給するキャリア信号の位相を制御しているが、回転の中心はこの重心に限定されるものではない。もし、同図（Ｂ）のように重心とは異なる点を中心として、受波面を回転させた場合、受信信号には、φoff の位相不連続が生じ、正しい受波ビームを形成することができなかったり、ノイズ発生の原因となったりする。
【００２７】
また、超音波パルスの送信は一瞬であるが、反射エコーの受信は最大約４秒間継続し、この間に船舶（トランスデューサ１）の揺動の角度は変化し、これに合わせて各アレイの受波面（ティルト角）も回転させる必要がある。このとき、変化前後の受波面が受波面重心を中心に回転させた場合には受信した反射エコーの位相の連続性が保たれるが、同図（Ｂ）のように異なる点を中心に受波面を回転させると受信した反射エコーに位相飛びが生じる。
【００２８】
したがって、位相発生部３０は、各アレイの送波・受波ビームをどのようなティルト角に制御する場合でも、その回転の中心が同じ点（重心）になるように制御する。
【００２９】
図７，図８は、同魚群探知機のタイミングチャートを示す図である。図７において、探査動作に先立って、送信用キャリア発生部２および受信用キャリア発生部７において、同様に、各キャリア発生回路４１のラッチ回路４３（図３参照）にキャリア位相データθ（ｍ，ｇ）をセットする。この位相データは、図８に示すようにθ（１，１）からθ（２０，４）まで順次行われ、これが終了した段階で図７に示すように、送振ロードパルスおよび受信ロードパルスを発生し、各キャリア発生回路４１に所定位相のキャリア信号を発生させる。各キャリア発生回路４１が発生するキャリア信号は、図８に示すように同じ周波数でそれぞれ位相が異なったものになる。送信用キャリア発生部２の各キャリア発生回路４１が行うキャリア発生動作はＫＰ信号が“Ｈ”になっている間（約１秒程度）継続する。また、この上記ロードパルスの発生と同時に受信ゲートがオンするとともに、受信ロードパルスの発生に応じて受信用キャリア発生回路７がミキサ６に供給するローカルキャリア信号を発生する。
【００３０】
この受信動作中に船舶の揺動に応じてキャリア位相データのセット・ロードが複数回実行され、受信動作中の揺動角度の変化に対応できるようにする。
【００３１】
なお、この実施形態では、揺動センサを設け、この揺動センサの検出値に基づいて、船舶（トランスデューサ）の揺動にかかわらず、ビーム方向が常に垂直軸に対して回転対称になるように制御したが、ビーム方向の制御はこれに限定されない。
【００３２】
すなわち、トランスデューサの揺動角度をキャンセルして、ビーム方向が常に水平（垂直軸に回転対称）になるような制御ではなく、積極的にビームを傾けて全周にわたって種々の角度に傾いたビームを形成するようにしてもよい。
【００３３】
また、この実施形態では、トランスデューサとして、上下の半径が同じ完全な円筒形のトランスデューサを用いたが、上下の半径が異なり予めティルト角が付けられている、いわゆる円錐台形状のトランスデューサを用いてもよい。請求項における円筒形は、この円錐台形状、および、円周状に超音波振動子エレメントを配置し、これを複数段積み重ねた全ての形状を含む概念である。
【００３４】
また、送信用キャリア発生部２、受信用キャリア発生部７、移相回路６を全てデジタル化しＤＳＰまたはＣＰＵで処理するようにすれば、必要に応じてグループ分けを任意に変更することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
この発明によれば、必要最小限の構成で、円筒形トランスデューサの揺動をキャンセルして安定したビーム形成が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態である魚群探知機のトランスデューサの構成図である。
【図２】 同魚群探知機の送受信部のブロック図である。
【図３】 同送受信部のキャリア発生回路のブロック図である。
【図４】 同送受信部の移相回路の一部構成図である。
【図５】 同魚群探知機のティルト角制御の態様を説明する図である。
【図６】 同魚群探知機のティルト角制御の態様を説明する図である。
【図７】 同魚群探知機の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図８】 同魚群探知機の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…円筒形トランスデューサ、
２…送信用キャリア発生部、
３…パワーアンプ、
４…トラップ、
５…プリアンプ、
６…移相回路、
７…受信用キャリア発生部、
２０…ＣＰＵ、
２１…揺動センサ、
３０…位相出力部、
３１〜３５…ラッチ回路、
３６…デコーダ、
４０…キャリア発生回路、
４１…（グループ毎の）キャリア発生回路、
４２…カウンタ、
４３…ラッチ回路

Claims (8)

1. 複数の超音波振動子アレイを円周状に配列した円筒形トランスデューサが形成する送波ビームおよび受波ビームを制御する方法であって、
   前記複数の超音波振動子アレイを複数のグループに分割し、グループ毎に、そのグループに属する超音波振動子アレイのビーム角を制御し、
   受信期間中には、前記円筒形トランスデューサの傾き角度に応じて、受波ビーム方向を同じ点を中心に回転させる受波ビームのビーム角の制御を複数回行う、円筒形トランスデューサのビーム角制御方法。
2. 前記超音波振動子アレイの各エレメントに供給するキャリア信号の位相を、前記グループ毎に独立して制御する請求項１に記載の円筒形トランスデューサのビーム角制御方法。
3. 前記円筒形トランスデューサの傾き角度を検出し、この傾き角度をキャンセルするように各グループの超音波振動子アレイのビーム角を制御する請求項１または請求項２に記載の円筒形トランスデューサのビーム角制御方法。
4. 受信期間中における受波ビームのビーム角の制御は、受波ビーム方向を、受波面重心を中心として回転させることにより行う、請求項１乃至３のいずれかに記載の円筒形トランスデューサのビーム角制御方法。
5. 複数の超音波振動子アレイを円周状に配列した円筒形トランスデューサが形成する送波ビームおよび受波ビームを制御する装置であって、
   前記複数の超音波振動子アレイを複数のグループに分割し、グループ毎に、そのグループに属する超音波振動子アレイのビーム角を制御する制御手段を設け、
   前記制御手段は、受信期間中に、前記円筒形トランスデューサの傾き角度に応じて、受波ビーム方向を同じ点を中心に回転させる受波ビームのビーム角の制御を複数回行う、円筒形トランスデューサのビーム角制御装置。
6. 前記制御手段は、前記超音波振動子の各エレメントに供給するキャリア信号の位相を、前記グループ毎に独立して制御する手段を含む請求項５に記載の円筒形トランスデューサのビーム角制御装置。
7. 前記円筒形トランスデューサの傾き角度を検出するセンサ手段を備え、
   前記制御手段は、センサ手段が検出した傾き角度をキャンセルするように各グループの超音波振動子アレイのビーム角を制御する請求項５または請求項６に記載の円筒形トランスデューサのビーム角制御装置。
8. 前記制御手段は、受信期間中における受波ビームのビーム角の制御として、受波ビーム方向を、受波面重心を中心として回転させる、請求項５乃至７いずれかに記載の円筒形トランスデューサのビーム角制御装置。

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