JP4829487B2

JP4829487B2 - 前方探知ソナー及び水中画像表示装置

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Publication number: JP4829487B2
Application number: JP2004233447A
Authority: JP
Inventors: 康雄川端; 時彦濱田; 英俊戒田
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: US7369459B2; JP2006052987A; GB2417081B; GB0516161D0; US20070291589A1; GB2417081A

Description

本発明は超音波の送波とその反響を利用して船舶前方のエコーを映像表示する前方探知ソナー、特に、水上航行船舶の航行の支障となる前方の浅瀬や水中障害物の方位と距離を測定して映像表示する前方探知ソナーに関する。

水上航行船舶の航行の支障となる前方の浅瀬、暗礁、浮遊物、水中障害物、海底等の方位と距離を測定して映像表示する前方探知ソナーは、図２７に示すように、取りつけられる。すなわち、船舶の底部に前方探知ソナーが取りつけられ、海面から９０度下方までの扇形の範囲を探知範囲として、この範囲内の上記障害物等が探知される。

この前方探知ソナーには、従来から以下に示すものがある。

（１）複数の素子を垂直方向に並べたリニアアレイで超音波送受波器を構成し、各素子の送信信号と受信信号の各々の位相差を制御して超音波送受波ビームを水面から海底までの９０度の範囲に順次向けることでエコー方位を判別する。エコーの距離はエコー帰来時間で測定する（例えば、特許文献１参照）。図２８は、超音波送受波器と超音波送受波ビームを示す。

（２）複数の素子を垂直方向に並べたリニアアレイで超音波送受波器を構成し、スプリットビーム法によりエコー方位を判別する。エコーの距離はエコー帰来時間で測定する（例えば、特許文献２参照）。

上記特許文献２の方法では、図２９に示すように、1 個の素子による1 回の送信で断面９０度範囲に超音波を発射し、2 個の素子をペアとして受波し、各素子の受信エコー間の位相差からエコーの方位を見いだす。距離はエコーの帰来時間で測る。

なお、スプリットビーム法とは、ターゲットに向けた２つの受波ビームにより得られたエコーの位相差に基づいて該ターゲットのエコーの方位を求める方法である。図３０において、２個の素子Ｒ、Ｌで方位θからのエコーを受信すると、その間の位相差φはターゲットの方位に応じて変化するので、位相差φから方位を知ることができる。音波波長λ、素子間隔ｄとすると位相差φは、

これより、方位θは、それぞれの素子の指向角内で

で求まる。この関係を図示すると図３１のようにほぼ直線となり、方位の精度は波長λと素子間隔d が固定値なので位相差φの測定精度で決まる。
US Patent 5,675 ,552 US Patent 5,530,680

しかしながら、上記の各先行技術では次に示す欠点があった。

（Ａ）上記（１）の欠点
（イ）探索に時間が掛かる。

1 方位毎に送受信を行うため、前方断面の９０度範囲の映像を得るのに長い時間を要する。例えば3 度ステップで送受信を行うと、９０度では３０回の送受信回数が必要となる。

（ロ）方位精度が劣る。

この方式は送受波ビームで照射された指向角範囲のエコーを表示する。このため方位精度はビームの指向角で決まる。特に距離が長くなるに連れて図３２のように海底の表示される幅が拡がり、海底の識別できる距離が制限される。これを改善するには指向角を狭くすればよいが、このためには一般にリニアアレイの素子数を増やしてアレイ長を大きくしなければならず、コストアップと寸法が大きくなることによる装備上の問題が生じる。

（Ｂ）上記（２）の欠点
（イ）探知距離が短い
１素子で９０度範囲の送波を行うため送波音圧が低く、叉受信も1 個の素子のみで行うので感度が悪く探知距離が短い。

（ロ）探知に抜けが生じる
特許文献２に示すスプリットビーム法では、等距離で方位が異なる２個以上のターゲットから同時にエコーが帰来した場合（例えば、後述の図９に示すように、等距離で方位が異なるＡ，Ｂ点のエコーについては同時に帰来する）、それらの識別ができず探知抜けが生じるという問題がある。

本発明の目的は、比較的少数の素子で構成した振動子アレイで、同時帰来での探知抜けを生じないように広範囲の探知を行うことの出来る前方探知ソナーを提供することにある。

本発明は、複数の振動子素子を線状に並べて構成した振動子アレイと、
前記振動子アレイを第１の副アレイと第２の副アレイに分割し、前記第１の副アレイで第１の受波ビームを形成し前記第２の副アレイで第２の受波ビームを形成するとともに、これらの受波ビームを予め定めた範囲に形成するビーム形成手段と、
前記受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、さらに該エコーの帰来時間に基づいて該エコーまでの距離を求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する位置測定手段と、を備える。

本発明は、前記２つの受波ビームを予め定めた範囲に形成する。例えば、２つの受波ビームを予め定めた範囲内で回転させてその範囲内でエコーを取得する。そして、該エコーについて、２つの受波ビームを用いて上述のスプリットビーム法により方位を求める。また、受波ビームを方位毎に多数形成しておいて、２つの受波ビームを用いてスプリットビーム法によりエコーの方位を求めることもできる。

前記受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、さらに該エコーの帰来時間に基づいて該エコーまでの距離を求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する。

また、前記受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームの指向方位の略中央の方位として求め、該エコーまでの距離を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定することもできる。

必要に応じて、この位置が２次元画面上にプロットされる。

従来の装置が探知のために単一素子の固定された指向性ビームを用いているのに対して、本発明では、広範囲を一度に探知することができる。また、本発明は、各受波ビームの幅を狭くできるため、等距離で方位が異なる２個以上のターゲットから同時にエコーが帰来して探知抜けが生じる割合が比較的少なくなる利点がある。

以上の構成において、本発明では、さらに、前記第１の受波ビームと前記第２の受波ビームとを加算してメインビームを形成し、前記メインビームによるエコーについて、メインビーム毎に距離方向のエコーの信号強度重心又は信号強度極大値を求め、該メインビームの方位と前記信号強度重心又は信号強度極大値とから該エコーの位置を測定し、この位置を前記位置測定手段で測定したエコーの位置に合成する合成手段を設けることにより、探知抜けが生じた場合でも、その部分を振幅情報で補間することができる。

前記合成手段は、メインビーム毎に距離方向のエコーの信号強度の分散値を求め、この分散値が所定のしきい値以下のときにのみ該メインビームに対する距離方向のエコーの信号強度重心又は信号強度極大値を前記合成の対象とするのが望ましい。エコー方位が斜めとなる平坦な遠方の海底等では、距離が遠ざかるにしたがってエコー信号強度（振幅）が緩慢に下がるようになる。このため、信号強度重心又は信号強度極大値が真のエコー位置とずれてしまい（実際には前方にずれる）、そのまま合成すると偽像が表示される。そこで、本発明のように、上記分散値を評価し、この値が所定のしきい値以下のときにのみ、すなわち、エコー信号強度（振幅）が緩慢に低下しないエコーのときにのみ、信号強度重心又は信号強度極大値を前記合成の対象とする。

前記合成手段は、上記の構成に代えて、前記メインビームによるエコーについて、距離毎に方位方向のエコーの信号強度重心又は信号強度極大値を求め、該距離と前記信号強度重心又は信号強度極大値とから該エコーの位置を測定し、この位置を前記位置測定手段で測定したエコーの位置に合成するようにしても良い。

また、上記合成手段に代えて、前記位相差に基づいて求めるエコーの方位の幅を広げるように構成することもできる。

本発明によれば、広範囲を一度に探知することができるとともに、同時帰来での探知抜けを少なくすることが出来る。。

図１は、本発明の実施形態である前方探知ソナーの構成図、図２は振動子を示す図である。

振動子は、ハウジング１に振動子アレイ２を固定することで構成される。振動子アレイ２は独立した複数の振動子素子を垂直方向に線状（リニア）に並べて構成され、船首方向に向けて海底方向に適当な角度Ψ（一般に30度から45度）をなすように固定される。振動子素子の側面と背面はコルクなどの音響遮蔽材３で覆う。ハウジング１は防水と保持の役目をする。但し、振動子正面の超音波が入出力する面は音響的に影響の少ないウレタン等の樹脂で覆う。

前方探知ソナーは、振動子１０、送波ビーム形成部１１、受信部１２、画面表示部１３で構成される。

受信部１２は、振動子アレイ２を第１の副アレイＡ（上方の４つの振動子素子）と第２の副アレイ（下方の４つの振動子素子）に分割し、第１の副アレイＡで第１の受波ビームを形成する第１のビーム形成部１２ａと、第２の副アレイＢで第２の受波ビームを形成する第２のビーム形成部１２ｂとを備えている。

また、前記受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、さらに該エコーの帰来時間に基づいて該エコーの距離を求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する位置測定部１２ｃを備えている。

受信部１２は、さらに、振幅測定部１２ｄ、方位−振幅合成部１２ｆを備えている。

振幅測定部１２ｄは、図３に示すように、第１のビーム形成部１２ａで形成された第１の受波ビームＢＥＡＭ１と、第２のビーム形成部１２ｂで形成された第２の受波ビームＢＥＡＭ２とを加算回路１２０で加算し、全振動子素子から形成される細いメインビームＢＥＡＭ３を形成する。このメインビームＢＥＡＭ３は、従来のスキャニングソナーのビームと同じものである。前記メインビームＢＥＡＭ３は、感度調整回路１２１において適切な感度調整が行われ、振幅検出回路１２２において、信号強度を示す振幅として検出される。

方位−振幅合成部１２ｆは、位置測定部１２ｃで得られたエコーの位置に、対応の（振幅測定部１２ｄで得られる同じ位置の）振幅値を当てはめる。

画面表示部１３は、方位−振幅合成部１２ｆで得られた振幅情報を含む振幅−方位のデータを画面表示用のＸ−Ｙ座標に変換し、振幅情報は色情報に置き換えてモニター上に表示する。

送波ビーム形成部１１は、各振動子素子に位相差と振幅を与えて所望の送波指向特性の送波ビームを形成する。送波ビームは振動子素子全部を使って形成し、通常、水面から直下海底までの範囲をカバーするよう９０度以上の送波指向角に設定される。もちろん、位相を制御することで特定の方向幅を持つ送波ビームを形成することも可能である。例えば、前方向の狭い範囲を指向する送波ビームを形成することも可能である。この場合は、送波レベルが向上し、探知距離を伸ばすことができる。図４は送波ビームを示している。図４（Ａ）は、水面から直下海底までの範囲をカバーするよう９０度以上の送波指向角に設定された例を示し、図４（Ｂ）は、送波指向角が狭く設定された場合を示している。

図５は、第１のビーム形成部１２ａと第２のビーム形成部１２ｂとによる２つの受波ビーム形成法について示している。２つの受波ビームは、図３０に示すスプリットビーム法によるターゲットの方位測定に用いられる。

図５（Ａ）は、振動子アレイ２を２組に分割し、上側の４つの振動子素子で副アレイＡを構成し、下側の４つの振動子素子で副アレイＢを構成した例を示している。この例では、アレイ間隔は、副アレイＡの中心と副アレイＢの中心間で表される。

一方、図５（Ｂ）は、振動子アレイ２を２組に分割し、上から７つまでの振動子素子で副アレイＡを構成し、下から７つまでの振動子素子で副アレイＢを構成した例を示している。この例では、各副アレイを構成する振動子素子が重複する。アレイ間隔は、副アレイＡの中心と副アレイＢの中心間で表される。

上記図５（Ａ）では、副アレイを構成する素子数が最少でビームの指向角が広いが、アレイ間隔は最大で方位に対する位相の変化が大きく正確な方位測定ができる。図５（Ｂ）では、副アレイを構成する素子数が最多でビームの指向角が狭いが、アレイ間隔は最小で方位に対する位相の変化が小さく方位測定精度は劣る。そこで、本実施形態では、図５（Ａ）の構成を採用し、正確な方位測定ができるようにしている。なお、別の実施態様として、図５（Ａ）と図５（Ｂ）の中間の構成を採用することも可能である。

次に、前記位置測定部１２ｃの動作について詳細に説明する。

位置測定部１２ｃは、受波ビームで得られた広範囲内のエコーの方位を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、さらに該エコーの帰来時間に基づいて該エコーの距離を求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する。方位の求め方は、スプリットビーム法である。

図６は、このスプリットビーム法により方位を求める原理を示している。

すなわち、ビーム方位に連れて図６に示したようにスプリッビーム位相差θが変化する。位相差θがゼロとなるステアリング方位ψがエコーの到来方向となる。実際には各種の誤差を勘案して、ゼロに近い予め決められた位相範囲±Δφ（例えば±5 度）内のエコーに対してスプリットビーム法で方位Δψを求める。ステアリング角ψにスプリット方位Δψを加えたψ＋Δψがエコー方位となる。

ビーム方位が連続でなく、ある決められたステップ角ψs （指向角以内）で離散的に形成される場合は、隣接するビーム間のエコー方位を捉えるために、位相範囲±Δφはステップ角を加えて±（Δφ+ ψs/2 ）とする。水面を基準にした実際のエコー方位は振動子取付角Ψを加えたΨ+ （ψ＋Δψ）となる。

図７に位相差と方位の関係を示す。

同図（Ａ）は通常のセクタースキャニングソナーと同様に、全振動子素子から得られる細いメインビームＢＥＡＭ３について検出される振幅を示している。位相差測定のためには、振幅に閾値を設定し、閾値以上の信号に対しての位相差を求める。

同図（Ｂ）は受波ビーム（スプリットビーム）をステアリング（回転）したときの各ビームで検出されるエコーの位相差φの変化を示している。ステアリング角ψがエコー波面に正対すると各ビームで検出されるエコーの位相差φがゼロになる。この内、位相差が０±Δφの範囲となるステアリング方位ψ±Δψの間の位相差からスプリットビーム法でエコー方位を計算（測定）する。

同図（Ｃ）は、同図（Ｂ）のように計算して得られた方位を示す。破線は従来法のように同図（Ａ）だけで得られる（振幅だけで得られる）方位を示している。同図から、分解能は、スプリットビーム法による方位測定の方が高いことが明らかである。なお、同図（Ｃ）では、方位に加えて振幅情報（信号強度。縦軸方向）も示している。振幅情報は、メインビームＢＥＡＭ３で得られる同図（Ａ）のエコーから取得する。

上記のようにして海面から９０度の範囲で得られる各エコーの方位を一度に求める。

図８は、同じ海底に対し振幅情報だけを用いて表示をした映像例（図８（Ａ））とスプリットビーム法を用いて表示をした映像例（図８（Ｂ））を示す。

図９は、スプリットビーム法を採用した従来の探知技術（同図（Ａ））と本実施形態での探知技術（同図（Ｂ））を説明する図である。従来の探知技術は、受波ビームが固定で広角であるため、等距離で方位の異なるＡ，Ｂのエコーが同時に帰来する。このため、これらを識別することができず、探知抜けが発生する。これに対し、本実施形態は、複数の狭角の受波ビームを回転して広範囲をカバーしているため、各々の方位を識別可能である。このため、同時受信されるエコーが少なくなり、その分、探知抜けが軽減される。

上記図７においては、横軸を方位として、ステアリング方位ψ±Δψの間の位相差からスプリットビーム法でエコー方位を計算（測定）しているが、横軸を距離として、同じようにして、ステアリング方位ψ±Δψの間の位相差からスプリットビーム法でエコーまでの距離を計算（測定）することも可能である。このときの方位は、各受波ビームの指向方位の略中央の方位として求めることができる。メインビームＢＥＡＭ３を方位としてもよい。

また、以上の説明では、受波ビーム（スプリットビーム）をステアリング（回転）させている（ビーム回転方式）が、方位毎に受波ビームを多数形成しておいてエコーを待ち受け（待ち受け方式）、検出されたエコーに対し２つの受波ビームを用いてスプリットビーム法によりエコーの方位を求めることもできる。ビーム回転方式では、受信信号を得る方位が各瞬間に一方位なのでビーム形成以降の処理が一方位ずつとなり処理が軽くなる長所がある反面、距離分解能がビーム回転周期で制限される短所がある。一方、待ち受け方式では、距離分解能を高くできる長所がある反面、複数ビームを同時処理するため処理が重くなる短所がある。

図１０は、本発明の第２の実施形態である前方探知ソナーの構成図を示す。

構成において、図１に示す実施形態と相違する点は、合成部１２ｅを設けたことである。この合成部１２ｅは、メインビームＢＥＡＭ３によるエコーについて、方位毎（メインビーム毎に）に距離方向のエコーの信号強度重心とエコー強度の分散値を求め、予め決められた分散値以下の部分の重心から該エコーの位置を測定し、この位置を前記位置測定部１２ｃで測定したエコーの位置に合成する。

受波ビームを回転して広範囲内のエコーを取得するように構成することで、図９（Ｂ）に示すように探知抜けを減少できるが、それでも、図１１のように探知抜けを生じることがある。図１１（Ａ）は、受波ビームが岸壁や直下の海底に直角入射したときの様子を示している。図の受波ビーム中の黒線はパルス幅を示す。斜め入射の部分ではパルス幅内での反射点は常に一点でなるので同時帰来は生じないが、直角に入射すればパルス幅の範囲内で同時間に帰来する部分が生じる。同時帰来の幅はビーム幅が広いほど広くなる（同図（Ｂ）。そのため、ビーム幅が広い、小型・安価な装置を実現する上での障害となる。

図１２は、同時帰来の信号の様子を示す。２つの信号が重畳すると位相差が乱れてゼロ付近が得られるのは一方だけで、もう一方は抜けてしまう。

図１３は、従来のビーム形成法による振幅表示例と、スプリットビーム法を採用した上記実施形態による表示例を示している。いずれも真下は表示していないが、前方約２５ｍに防波堤がある。同図（Ａ）の従来のビーム形成法では抜けが生じていないが、上記実施形態では防波堤の一部と真下付近の海底が抜けている。

第２の実施形態では、上記のような抜けを合成部１２ｅを設けることにより防止する。

合成部１２ｅは、図３のメインビームＢＥＡＭ３によるエコーについて、メインビーム毎に距離方向のエコーの信号強度重心を求め、該メインビームの方位と前記重心とから該エコーの位置を測定し、この位置を前記位置測定部１２ｃで測定したエコーの位置に合成する機能を持っている。

上記重心は次のようにして求める。

まず図１４のメインビームＢＥＡＭ３の各ビームについて、エコーをＡ方位に沿って並べて極大値を求める。この極大値点を挟んだ前後の距離で、極大値より決められた適当な振幅値までの範囲の信号を抽出して、その距離範囲（或いは極大値の点を挟んだ前後の決められた適当な距離範囲）で振幅の重心位置を求める（図１４（Ｂ））。この重心位置が海底または岸壁などの位置に相当する。

重心位置μ1 は、距離方向の軸をr 、エコーレベルをL(r)、対象とする距離範囲をそれぞれr1、r2と定義し、次式を用いて求める。この演算を各方位（ＢＥＡＭ３の各メインビーム）について行う。

このようにして求めた重心位置μ1 と、そのときの受波ビームとから当該重心に対応するエコーの位置を測定する。そして、このエコー位置を、位置測定部１２ｃでスプリットビーム法とエコー帰来時間から求めたエコー位置に合成する。

ここで、上記のように、ＢＥＡＭ３の各メインビームすべてに対してエコーの重心を求めても良いが、メインビームの角度によっては重心位置が正しくない場合が生じる。例えば、平坦な遠方の海底では、距離が遠ざかるにしたがってエコー信号強度（振幅）が緩慢に下がるようになる。このため、重心位置が真のエコー位置とずれてしまう（実際には前方にずれる）。図１５はこの様子を示している。同図（Ａ）は、平坦な遠方の海底のエコー（振幅）映像を示し、同図（Ｃ）は、Ｂ方位について距離方向の振幅を示している。同図（Ｃ）より、平坦な遠方の海底においては、距離が遠ざかるにしたがってエコー信号強度（振幅）が緩慢に下がる様子がわかる。同図（Ｂ）は、上記のようにして求めた重心位置を示している。このため、他の受波ビームと同様のしきい値を用いて重心を求めると、重心位置が真の海底位置からずれてしまう。

そこで、合成部１２ｅでは、メインビーム毎に距離方向のエコー信号強度（振幅）の分散値を求め、この分散値が所定のしきい値以下のときにのみ該受波ビームに対する距離方向のエコーの信号強度重心を前記合成の対象としている。

すなわち、距離方向の振幅の分散値を求め、その結果、図１５のＢ方位のように分散値が決められた閾値を越える部分があるときは、その部分は斜入射部分であって正確に海底重心を捉えていないので合成（補間）の対象としないようにする。一方、探知抜けの生じる海底や岸壁などの正面映像は、一般に図１４のＡ方位のように距離方向に鋭く表示されて分散が小さくなる部分となるので、これを合成（補間）の対象とする。

図１６は、上記Ａ方位とＢ方位の振幅と分散値を示している。

分散値μ2 は、先に求めた重心μ1 、距離方向の軸をr 、エコーレベルをL(r)、エコー抽出開始、終了距離をそれぞれr1、r2とし、次式を用いて求める。

合成部１２ｅで合成し、さらに、方位・振幅合成部１２ｆにおいて、合成部１２ｅで得られた位置に、対応の（振幅測定部１２ｄで得られる同じ位置の）振幅値を当てはめる。

このようにして得られた映像例を図１７に示す。図１７は、探知抜けのある岸壁と直下海底の画像に対して合成（補間）処理をした画像例である。また、図１８は、探知抜けは無いものの、分散処理によって合成（補間）による偽像を出さないようにした画像例である。

以上のように、合成部１２ｅによって、受波ビーム毎に距離方向のエコー信号強度（振幅）の分散値を求め、この分散値が所定のしきい値以下のときにのみ該受波ビームに対する距離方向のエコーの信号強度重心を前記合成の対象としていることにより、探知抜けがなく、しかも偽像のない探知画像を表示することができる。

上記の説明では、エコー信号強度の重心を求めていたが、演算負担を軽くするために、重心を求めるのに代えて簡易的にエコー信号強度の極大値を求めるようにしても良い。図１４に示すように、重心は通常は極大値に近い位置にあるため、極大値であっても探知抜けを防ぐことが可能である。また、分散値を求める場合は、この分散値が所定のしきい値以下のときにのみ該受波ビームに対する距離方向のエコーの極大値を前記合成の対象とする。

本発明の第３の実施形態について説明する。

この実施形態では、合成部１２ｅにおいて、メインビームＢＥＡＭ３（図３参照）によるエコーについて、距離毎に方位方向のエコーの信号強度重心を求め、該距離と前記重心とから該エコーの位置を測定し、この位置を前記位置測定手段で測定したエコーの位置に合成する。図１９は、このようにして、方位方向のエコーの信号強度重心を求めるときの方法を示す。

まず、図１９（Ａ）の振幅画像において、エコーを方位方向θに沿って並べて極大値を求める。この極大値点を挟んだ前後の距離で、極大値より決められた適当な振幅値までの範囲の信号を抽出して、その距離範囲（或いは極大値の点を挟んだ前後の決められた適当な距離範囲）で振幅の重心位置を求める（図１９（Ｂ））。この重心位置が海底または岸壁などの位置に相当する。方位・振幅合成部１２ｆの機能については、上記の実施形態と同様である。

本発明の第４の実施形態について説明する。

この実施形態では、合成部１２ｅを設けずに、位置測定部１２ｃにおいて、位相差に基づいて求めるエコーの方位の幅を広げるように制御する。

図２０は、位置測定部１２ｃの制御内容を示している。

すなわち、スプリットビーム法では、図６、図７に示すように、スプリットビームによるエコーの位相差が０±Δφの範囲となるステアリング方位ψ±Δψの間をエコーの存在する方位として表示していた。このため位相差±Δφを越えるものは表示しないので探知抜けが生じる。位相差範囲を広く取れば探知抜けは少なくなるが、海底精度が低下する。

しかし、対称に±Δφと設定していた位相差範囲を、例えば海底の下側に限って広く取って非対称にすれば、必要とされる海底上側の探知精度は落とさずに、海底下側の表示を広げて、その分だけ探知抜けを減らすことができる。

このように、位置測定部１２ｃにおいて、海底の下側やその他探知抜けが生じやすい部分に対する受波ビームについては、対称に±Δφと設定していた位相差範囲を広くする制御を行うことにより、すなわち、位相差に基づいて求めるエコーの方位の幅を広げるように制御することにより、探知抜けを少なくし、且つ、探知精度の低下を防ぐことができる。

この方法は合成部１２ｅを設ける上記実施形態に比べて構成及び処理が簡単になる利点があり、また、全ての探知抜けを無くすことはできないものの実用上十分な効果が得られる。例えば岸壁などの場合、海面近くの垂直入射する部分は振幅が大きくて探知抜けが起きにくいが、その下方の斜め入射のために振幅が低くなった部分で探知抜けを生じる傾向にある。この部分に対して、本実施形態のように処理することで（非対称位相範囲）探知抜けを防ぐことができる。図２１は、本実施形態による映像例である。位相差範囲を−１０〜＋１２０°の範囲で制御することで、全体に深い方向に（真下付近は後方に）太くなって探知抜けの部分が埋められていることがわかる。浅い方向には変化がないので、水上航行船舶での利用には支障はない。

図２２は、本発明の第５の実施形態を示す。この実施形態では、振動子の取付位置を変えて、水平面の探索ができるようにしたものである。前方の暗礁や浮遊物などを探索する場合に有用となる。さらに、垂直方向と水平方向の2 組の振動子を取りつければ、垂直・水平の２面を同時に探索することもできる。

図２３は、本発明の第６の実施形態を示す。この実施形態は、受信信号をデジタル化してソフトウエアにより処理するものである。

受信部の信号処理はＣＰＵやパーソナルコンピュータを用いたソフトウエア処理でも実現できる。各振動子素子の受信信号は必要な振幅まで増幅して、マルチプレクサで順次サンプルして、ＡＤ変換によりデジタル化する。その後はソフトウエアによる演算処理でビーム形成、位相差・振幅測定を行い、その結果を表示器に表示する。

図２４は、本発明の第７の実施形態を示す。

構成において、図１と相違する点は、リニアアレイ状の振動子１０に代えて、２個の素子からなる振動子１０′を用い、これを機械的に一定の範囲をスキャンすることで受波ビームを回転させるようにした点である。２個の振動子は、各々、狭ビームを形成することができ、２つの受波ビームを使用して、位置測定部１２ｃにおいてスプリットビーム法によりエコー方位を求め、また、エコーの帰来時間に基づいて該エコーの距離を求める。又は、スプリットビーム法によりエコーまでの距離を求め、エコー方位は２つの受波ビームを加算して得られるメインビームの方位で求める。この実施形態では、２個の素子による受波ビームにより直接スプリットビーム法で方位又は距離検出を行うため、図１のビーム形成部１２ａ、１２ｂは不要であり、この部分は単に受信アンプ１２ａ′、１２ｂ′で構成される。なお、送信ビームは２個の素子のどちらか一方又は両方を用いて形成可能である。方位制御部１４は、振動子の回転位置と方位測定の方位を制御し、モータ機構１５は振動子を回転させる。その他は図１０と同様の構成である。このような構成においても、図１０の構成と同様に探知抜けを防ぐことができる。

図２５は、本発明の第８の実施形態の水中画像表示装置を示す。

この実施形態では、画面表示部１３に出力される画像データを蓄積記憶する記憶部１６を備えている。画面表示部１３には、前方探知ソナーにより現時点で得られる画像と、前記記憶部１６に記憶されている画像データとを選択的に又は同時に表示することができる。図２６は、画面表示部１３に、前方探知ソナーにより現時点で得られる画像Ｄ１と、記憶部１６に記憶されている画像データＤ２とを同時に表示した状態を示している。図示のように、画像Ｄ１は真下方向の魚群探知機（又は測深装置）の画像として利用でき、画像Ｄ２は自船後方の魚群探知機（又は測深装置）の画像として利用することができる。

なお、以上の各実施形態では、図３に示すように、２つの受波ビームを加算して形成したメインビームにより強度信号（振幅信号）を得るようにしているが、受波ビームのいずれか一方により強度信号を得るようにしても良い。強度信号を例えばカラー表示することで、その場所の海底の底質が分かる利点がある（反射強度が強いと海底が固く、弱いと柔らかい）。

本発明の実施形態である前方探知ソナーの構成図振動子を示す図振幅測定部の構成図送波ビームを示す図２つの受波ビーム形成法について示す図スプリットビーム法により方位を求める原理を示す図位相差と方位の関係を示す図同じ海底に対し振幅情報だけを用いて表示をした映像例とスプリットビーム法を用いて表示をした映像例上記実施形態の効果を説明するための図本発明の他の実施形態である前方探知ソナーの構成図スプリットビーム法による探知抜けを示す図同時帰来の信号の様子を示す図探知抜けの映像例重心位置を求める方法について示す図重心位置が真のエコー位置とずれてしまう様子を示す図岸壁と斜入射海底での分散値を示す図探知抜けのある岸壁と直下海底の画像に対して合成（補間）処理をした画像例探知抜けは無いものの、分散処理によって合成（補間）による偽像を出さないようにした画像例方位方向のエコーの信号強度重心を求めるときの方法を示す図本発明の他の実施形態における位置測定部１２ｃの制御内容を示す図本発明の他の実施形態による映像例本発明のさらに他の実施形態を示す図本発明のさらに他の実施形態を示す図本発明のさらに他の実施形態を示す図本発明のさらに他の実施形態を示す図同実施形態の表示例を示す図前方探知ソナーによる探知領域を示す図超音波送受波器と超音波送受波ビームを示す図スプリットビーム法を採用した従来の前方探知ソナーの送波ビームと受波ビームを示す図スプリットビーム方式の原理を説明するための図位相差と方位との関係を示す図超音波送受波ビームと海底の表示状態を示す図

Claims

複数の振動子素子を線状に並べて構成した振動子アレイと、
前記振動子アレイを第１の副アレイと第２の副アレイに分割し、前記第１の副アレイで第１の受波ビームを形成し前記第２の副アレイで第２の受波ビームを形成するとともに、これらの受波ビームを予め定めた範囲に形成するビーム形成手段と、
前記受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、さらに該エコーの帰来時間に基づいて該エコーまでの距離を求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する位置測定手段と、
前記第１の受波ビームと前記第２の受波ビームとを加算してメインビームを形成し、前記メインビームによるエコーについて、方位毎に距離方向のエコーの信号強度重心又は信号強度極大値を求め、該メインビームの方位と前記信号強度重心又は信号強度極大値とから該エコーの位置を測定し、この位置を前記位置測定手段で測定したエコーの位置に合成する合成手段と、を備える、前方探知ソナー。
複数の振動子素子を線状に並べて構成した振動子アレイと、
前記振動子アレイを第１の副アレイと第２の副アレイに分割し、前記第１の副アレイで第１の受波ビームを形成し前記第２の副アレイで第２の受波ビームを形成するとともに、これらの受波ビームを予め定めた範囲に形成するビーム形成手段と、
前記受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームの指向方位の略中央の方位として求め、該エコーまでの距離を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する位置測定手段と、
前記第１の受波ビームと前記第２の受波ビームとを加算してメインビームを形成し、前記メインビームによるエコーについて、方位毎に距離方向のエコーの信号強度重心又は信号強度極大値を求め、該メインビームの方位と前記信号強度重心又は信号強度極大値とから該エコーの位置を測定し、この位置を前記位置測定手段で測定したエコーの位置に合成する合成手段と、を備える、前方探知ソナー。
前記合成手段は、メインビーム毎に距離方向のエコーの信号強度の分散値を求め、この分散値が所定のしきい値以下のときにのみ該メインビームに対する距離方向のエコーの信号強度重心又は信号強度極大値を前記合成の対象とする、請求項１または２記載の前方探知ソナー。
複数の振動子素子を線状に並べて構成した振動子アレイと、
前記振動子アレイを第１の副アレイと第２の副アレイに分割し、前記第１の副アレイで第１の受波ビームを形成し前記第２の副アレイで第２の受波ビームを形成するとともに、これらの受波ビームを予め定めた範囲に形成するビーム形成手段と、
前記受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、さらに該エコーの帰来時間に基づいて該エコーまでの距離を求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する位置測定手段と、
前記第１の受波ビームと前記第２の受波ビームとを加算してメインビームを形成し、前記メインビームによるエコーについて、距離毎に方位方向のエコーの信号強度重心又は信号強度極大値を求め、該距離と前記信号強度重心又は信号強度極大値とから該エコーの位置を測定し、この位置を前記位置測定手段で測定したエコーの位置に合成する合成手段と、を備える、前方探知ソナー。
複数の振動子素子を線状に並べて構成した振動子アレイと、
前記振動子アレイを第１の副アレイと第２の副アレイに分割し、前記第１の副アレイで第１の受波ビームを形成し前記第２の副アレイで第２の受波ビームを形成するとともに、これらの受波ビームを予め定めた範囲に形成するビーム形成手段と、
前記受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、さらに該エコーの帰来時間に基づいて該エコーの距離を求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する位置測定手段と、を備え、
前記位置測定手段は、前記位相差に基づいて求めるエコーの方位の幅を非対称に広げるようにした、前方探知ソナー。
振動子により予め定めた範囲をスキャンする振動子部と、
前記振動子部で２つの受波ビームを形成するとともに、これらの受波ビームを予め定めた範囲で回転させるビーム形成手段と、
前記２つの受波ビームで得られた前記範囲内のエコーの方位を、各受波ビームによるエコーの位相差に基づいて求め、さらに該エコーの帰来時間に基づいて該エコーの距離を求め、前記方位と前記距離とから該エコーの位置を測定する位置測定手段と、を備え、
前記位置測定手段は、前記位相差に基づいて求めるエコーの方位の幅を非対称に広げるようにした、前方探知ソナー。
請求項１〜６のいずれからの前方探知ソナーと、該ソナーにより得られた画像データを蓄積記憶する記憶部と、前記前方探知ソナーにより得られる画像と前記記憶部に記憶されている画像データとを選択的に又は同時に表示する表示部と、を備える水中画像表示装置。