JP5098131B2 - マルチビームソーナーおよびその信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明はアクティブソーナーに関し、特に、目標をビームの主極およびビームの副極で捕捉するマルチビームソーナーに関する。

アクティブソーナーを使用して海中から海面や海底を測定した場合、状況によっては、送波された音が、海面及び海底からそれぞれ海面残響及び海底残響などの残響となって帰来する。これらの残響を受波した場合に目標からのエコーと残響との区別がつきにくくなるいわゆる信号レベル対残響レベル比が悪くなり、目標の検出率が低下する問題がある。

また、近年、鋭く細いビームを使用して広範囲にわたる測定をする場合に、複数本のビームを同時もしくは微小な時間差をつけて順次送波するマルチビームソーナーが出現している。マルチビームソーナーでは、複数本のビームを同時に送波する場合、短時間で広い範囲の探索が可能となる。

マルチビームソーナーのビームには、実際の測定に使用される主極（メインローブ）と、目標検出処理の妨げとなる副極(サイドローブ)が形成される。それぞれのビームにおいて、副極は主極とは異なる方向に出来る意図しないビームであるため、虚像が発生して正確に目標を捕らえるという本来の目的の処理を阻害する要因となる。副極は、本来の処理の妨げとなるためにあまり使用されないばかりか回避する努力がされている。主極と副極との指向方向を調整することによって、副極が受信信号に与える影響を回避する水中探知装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−２４２５８３号公報（特許請求の範囲、第１図）

本発明は、ビームの副極も目標を捕らえ、この受波データを利用して目標の検出率を向上させることを課題とする。

本発明によるマルチビームソーナーは、相異なる周波数の送信信号を生成する発振器と、前記相異なる送信信号を用いてマルチビームを指向性合成する送波指向性合成器と、前記送波指向性合成器からの前記送信信号を音響に変換して送波するとともに前記マルチビームが目標から反射するエコーを受波して受信信号を出力する送受波器と、前記送信信号と前記受信信号とを切替える切替器と、前記受信信号を入力して受波ビームを指向性合成する受波指向性合成器と、前記受波指向性合成器が出力する受信信号を前記相異なる周波数に分離し、分離された相異なる受信信号の相関をとって相関値を出力する受信処理器とを含み、前記マルチビームのうちの１本のビームの主極が前記目標を指向し、前記マルチビームの残りのビームの副極が前記目標を指向することを特徴とする。

本発明によるマルチビームソーナーは、前記相異なる周波数の送信信号が、前記送受波器から順次に送波されることを特徴とする。

本発明によるマルチビームソーナーは、前記相異なる周波数の送信信号が、前記送受波器から同時に送波されることを特徴とする。

本発明によるマルチビームソーナーは、相異なる周波数の送信信号を生成する発振器と、前記相異なる周波数の送信信号を用いてマルチビームを指向性合成する送波指向性合成器と、前記送波指向性合成器からの前記送信信号を音響に変換して送波する送波器と、前記マルチビームが目標から反射するエコーを受波して受信信号を出力する受波器と、前記受信信号を入力して受波ビームを指向性合成する受波指向性合成器と、前記受波指向性合成器が出力する前記受信信号を前記相異なる周波数に分離し、分離された相異なる受信信号の相関をとって相関値を出力する受信処理器とを含み、前記マルチビームのうちの１本のビームの主極が前記目標を指向し、前記マルチビームの残りのビームの副極が前記目標を指向することを特徴とする。

本発明によるマルチビームソーナーは、前記相異なる周波数の送信信号が、前記送波器から順次に送波されることを特徴とする。

本発明によるマルチビームソーナーは、前記相異なる周波数の送信信号が、前記送波器から同時に送波されることを特徴とする。

本発明によるマルチビームソーナーの信号処理方法は、マルチビームソーナーの信号処理方法であって、相異なる周波数の送信信号を用いてマルチビームを指向性合成し、前記マルチビームのうちの１本のビーム主極を目標に向けて送波し、前記マルチビームのうちの残りのビームの副極を前記目標に向けて送波し、前記目標からの受波データの相関処理を行うことを特徴とする。

本発明によるマルチビームソーナーの信号処理方法は、前記相異なる周波数の送信信号が、前記相異なる周波数ごとに順次に送波されることを特徴とする。

本発明によるマルチビームソーナーの信号処理方法は、前記相異なる周波数の送信信号が、前記相異なる周波数ごとに同時に送波されることを特徴とする。

第１の効果は、複数本の送波ビームにおけるそれぞれの第１副極、第２副極などを含む副極を利用することによって、送波エネルギーを有効に利用できることである。

第２の効果は、送波した相異なる周波数ごとの複数本の送波ビームの反射音を利用することによって信号レベル対残響レベル比が改善され、目標の検出率が向上することである。

上記した海面残響や海底残響は、目標を検出する際の検出処理を阻害する要因となる雑音である。これらの残響は、送波したときの状態及び微小な時間差などにより変わってくるランダムで確率的に存在する反射音である。目標を主極で捕らえている送波ビームの受波データと目標を副極で捕らえている送波ビームの受波データとの相関処理を実施する。これにより、それぞれのビームに異なるパターンの受波データとして検出される残響と、同じパターンの受波データとして検出される目標エコーとが区別できるようになる。なお、このパターンには、複数本の送波ビームを形成する各周波数における時間−音圧に関する位相変化を示すパターンが含まれる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態のマルチビームソーナー（順次送波／送受波器共用）のブロック図であり、図２は、本発明のマルチビームソーナーの海面向け送波ビームである。

図１を参照すると、本発明によるマルチビームソーナーは、発振器１と、送波指向性合成器２と、切替器３と、送受波器４と、受波指向性合成器５と、受信処理器６とを含んで構成される。

発振器１は、相異なる任意の値の周波数（ｆ１〜ｆ５）を有する送信信号を発振し、この送信信号を増幅して出力する。ここで、周波数ｆ１〜ｆ５の大小関係は、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４＜ｆ５とする。最初に、周波数ｆ１の送信信号が出力され、次に、周波数ｆ２の送信信号が出力され、次に、周波数ｆ３の送信信号が出力される。引き続いて、周波数ｆ４の送信信号が出力され、次に、周波数ｆ５の送信信号が出力される。周波数ｆ５を有す送信信号が出力されると、最初にもどり、周波数ｆ１の送信信号が出力される。このような送信が順次繰返される。以上記載した周波数ｆ１→ｆ５の送信順序は、ｆ５→ｆ１でもよく、限定されるものではない。また、周波数ｆ１とｆ２、周波数ｆ２とｆ３、周波数ｆ３とｆ４、周波数ｆ４とｆ５のそれぞれの周波数間隔は、任意の値に設定可能である。

送波指向性合成器２は、図２に示す指向性を合成するように送信信号を合成する。送受波器４の指向性は周波数特性を有しており、主極および副極の方位は周波数によって変動する。そのため、周波数ｆ１〜ｆ５の比を適切に選択して図２に示す５本（複数本）の送波ビームを合成させる。

図２を参照すると、本発明の第１の実施例として海面に対する垂直方向に指向性を持った周波数の異なる５本の送波ビームを同時（順次でも適用可）に送波するマルチビームソーナーが、海面付近の目標７を測定する図が示されている。送波ビームＣ′、Ｂ′、Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ主極Ｃ′、Ｂ′、Ａ、Ｂ、Ｃを方位Ｃ′、Ｂ′、Ａ、Ｂ、Ｃへ指向させている。一方、送波ビームによる反射音を受波するため本実施例のマルチビームソーナーは、海面に対して水平方向に指向性を持った５本の受波ビーム（図示していない）を有する。

次に、図２を参照して、周波数ｆ１〜ｆ５と送波ビームＣ′、Ｂ′、Ａ、Ｂ、Ｃとの関係について説明する。周波数ｆ１の送信信号で送波ビームＣ′が合成され、周波数ｆ２の送信信号でビームＢ′が合成され、周波数ｆ３の送信信号で送波ビームＡが合成される。さらに、周波数ｆ４の送信信号で送波ビームＢが合成され、周波数ｆ５の送信信号で送波ビームＣが合成される。つまり、周波数ｆ１〜ｆ５を用いて５本の送波ビームを指向性合成している。受波した音がどの方向に送波した送波ビームなのかを識別する必要があり、ここでは相異なる周波数で行う構成になっている。

切替器３は、送信信号と受信信号とを切替える。送波指向性合成器２からの送信信号を送受波器４へ出力し、送受波器４からの受信信号を受波指向性合成器５へ出力する。

送受波器４は、送波指向性合成器２からの送信信号を音響に変換して海中へ送波するとともにマルチビームが目標７から反射するエコーを受波して受信信号を出力する。さらに、具体的には、送受波器４から音波となって海中の目標７に送出される。海中の目標７からのエコー音は、周辺の残響とともに送受波器４で音響信号から受信信号に変換される。周波数ｆ１〜ｆ５を有す送信信号の送波は、周波数ｆ１の送信信号が送波された後に周波数ｆ２の送信信号が送波され、周波数ｆ２の送信信号の送波の後に周波数f３の送信信号が送波される。つまり、ｆ１→ｆ２→ｆ３→ｆ４→ｆ５→ｆ１→ｆ２・・・のように、時期をずらして個別に順次に送波（つまり、順次送波）される。ｆ１→ｆ３→ｆ５→ｆ２→ｆ４→ｆ１→ｆ３・・・のように入替えてもよく、限定されない。

受波指向性合成器５は、送受波器４からの受信信号を入力して、目標７を指向するような受波ビームを合成する。

受信処理器６は、フィルタ機能や相関処理機能などを含んで構成され、受信信号（受波データ）を周波数ごとに分離し、分離された相異なる受信信号の相関処理をおこなって相関値を出力する。この相関処理では、ビームＡの主極Ａによる方位Ａにおける反射信号（受信信号）と、ビームＢの第１副極による方位Ａにおける反射信号（受信信号）と、ビームＢ′の第１副極による方位Ａにおける反射信号（受信信号）とが含まれ、処理の対象となる。さらに、ビームＣの第２副極による方位Ａにおける反射信号（受信信号）と、ビームＣ′の第２副極による方位Ａにおける反射信号（受信信号）とが含まれ、処理の対象となる。これらの反射信号を処理して信号レベルを求める処理、さらに、信号レベル対残響レベルを求める処理を含めて相関処理と呼んでもよい。この相関処理自体は、広く知られている既存の技術であり、その説明を省略する。

発振器１と、送波指向性合成器２と、切替器３と、送受波器４と、受波指向性合成器５と、受信処理器６の統合制御を行うため、図示しない制御器を備えるように構成することも可能である。この制御器にはＣＰＵを含めてもよい。この統合制御には指向方向の制御を含めてもよい。

図３は、本発明のマルチビームソーナーの主極と副極の説明図である。１本の送波ビーム１００を送波すると、主極１０１とこの主極１０１に比較してレベルの低下した第１副極１０２ａ、１０２ｂが形成される。さらに、第１副極１０２ａ、１０２ｂよりもレベルの低下した第２副極１０３ａ、１０３ｂが形成される。この送波ビーム１００を５本用いた構成となっているのが本実施例で示した図２のマルチビームソーナーである。

このように構成されたマルチビームソーナーにおいては、送波ビームＡは、海面付近の目標７を主極Ａで捕らえている。さらに、送波ビームＢと送波ビームＢ′は第１副極で目標７を捕らえており、送波ビームＣと送波ビームＣ’は第２副極で目標７を捕らえている。

従って、送波ビームＡ、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′の５本のビームを５本の受波ビームで受波したそれぞれのデータの相関をとることにより、海面残響が抑圧され信号レベル対残響レベル比が向上することにより目標７の検出率が向上するという効果がもたらされる。

次に、本発明を実施するための最良の形態の動作について図１、図２を参照して説明する。

最初に、送受波器４は、垂直方向に指向性のある周波数の異なる５本の送波ビームを順次に送波する。次に、周波数の相異なる各送波ビームによる反射音を送波ビームごとに受波ビームにて受波をする。

送波ビームＡは、主極Ａで目標７を捕らえることが出来、目標７とその周囲の海面に対してもっともレベルの高い主極Ａが送波され、この反射音（目標エコー）が受波ビームにて受波される。

送波ビームＢは、主極Ｂの最大放射方向である方位Ｂの方向に向けて主極Ｂが送波されている。しかし、方位Ａの方向にある目標７と海面に向けても第１副極が送波される。こ第１副極による反射音（目標エコー）が受波ビームにて受波される。

送波ビームＢ′についても同じ原理で、目標７とその周囲の海面に向けて第１副極が送波される。この第１副極による反射音（目標エコー）が受波ビームにて受波される。

送波ビームＣは、最大放射方向である方位Ｃに向けて主極Ｃが送波されているが、方位Ａの方向にある目標７と海面に向けても第２副極が送波される。この第２副極による反射音が受波ビームにて受波される。

送波ビームＣ’についても同じ原理で、目標７とその周囲の海面に向けて第２副極が送波される。この第２副極による反射音が受波ビームにて受波される。

このようにして送波された５本の送波ビームＡ、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′は、送受波器４により、それぞれ主極、第１副極および第２副極が目標７に向けて送波される。送受波器４で受波した反射音（目標エコー）の中には方位Ａの方向に存在する目標７のエコーと周囲の海面残響とが含まれている。受波指向性合成器５は、送受波器４からの受信信号を入力して、目標７を指向するような受波ビームを合成する。

最後に、受信処理器６は、この５本の送波ビームによる受波データの相関処理を行う。この相関処理によって、目標エコーが明確となって目標７の検出率の向上につながる。つまり、ランダムで確率的に発生する海面残響等の残響と、同一パターンで発生する目標エコーとでデータの性質が異なるので、残響による反射音が抑圧されて信号レベル対残響レベル比が改善することになる。なお、このパターンには、複数の送波ビームを形成する各周波数における時間−音圧に関する位相変化を示すパターンが含まれる。

本実施例では、５本の送波ビームの受波データの相関をとるという工程を採用していることにより、海面残響と目標７との信号レベル対残響レベル比が向上することとなる。このことにより、海面付近に存在する目標７が明確化し、目標７の検出率が向上するという効果が得られる。

なお、上記実施例において、マルチビームソーナーの垂直方向に指向性のある５本の送波ビームは、指向性が水平方向で水平に並べて送波されるマルチビームソーナーでも良い。

また、マルチビームソーナーの送波ビームの本数は何本でも良い。例えば、本発明においては、使用周波数として、ｆ１〜ｆ５を用いた５本の送波ビームについて説明したが、使用周波数の数は５個に限定されるものではない。また、受波ビームの本数は本発明の信号処理方法に直接の関係が無いために何本でも可能である。また、相関をとるための送波ビームの第１副極および第２副極などの副極は、状況に合わせていくつあっても良い。

図４は、本発明のマルチビームソーナーの海底向け送波ビームである。図４に示すように、排除対象となる残響を海面残響から海底残響に変更しても本発明を適用することが可能である。ここでは、送波ビームが３本である。送波ビームＡは、海底付近の目標７ａを主極Ａで捕らえている。さらに、送波ビームＢと送波ビームＢ′は第１副極で目標７ａを捕らえている。

従って、送波ビームＡ、Ｂ、Ｂ′の３本のビームを３本の受波ビームで受波したそれぞれのデータの相関をとることにより、海面残響が抑圧され信号レベル対残響レベル比が向上することにより目標７ａの検出率が向上するという効果がもたらされる。

図５は、本発明の第２の実施形態のマルチビームソーナー（同時送波／送受波分離）のブロック図である。相異なる周波数ｆ１〜ｆ５の送信信号を同時に送波し、送受波器を分離したブロック図である。

このマルチビームソーナーは、発振器１ａと、送波指向性合成器２ａと、送波器４ａと、受波器４ｂと、受波指向性合成器５ａと、受信処理器６ａとを含んで構成される。図１に比較して、切替器３が削除され、送受波器４が送波器４ａと受波器４ｂとに分離されている点が相違している。その他の構成などは、図１に示す第１の実施形態と同様なので、その説明を省略する。また、相関処理、統合制御する制御器などの説明は、第１の実施形態と同様なので、その説明を省略する。

周波数ｆ１〜ｆ５の送信信号を同時に送波（同時送波）する場合には、送波時間が短縮できるという効果がある。しかし、同時送波においては、エネルギーは分割され、５本の送波ビームの場合、エネルギーは単純計算で５分の１ずつとなり、送波レベルがその分下がってソーナーの探知距離は短くなる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の好適な実施形態の一例であり、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。例えば、順次送波で送波器と受波器とを分離してもよいし、同時送波で送受波器を共用にしてもよい。

本発明の第１の実施形態のマルチビームソーナー（順次送波／送受波共用）のブロック図である。 本発明マルチビームソーナーの海面向け送波ビームである。 本発明のマルチビームソーナーの主極と副極の説明図である。 本発明のマルチビームソーナーの海底向け送波ビームである。 本発明の第２の実施形態のマルチビームソーナー（同時送波／送受波分離）のブロック図である。

符号の説明

１ 発振器
２ 送波指向性合成器
３ 切替器
４ 送受波器
５ 受波指向性合成器
６ 受信処理器
７、７ａ 目標
１００ 送波ビーム
１０１ 主極
１０２ａ、１０２ｂ 第１副極
１０３ａ、１０３ｂ 第２副極

Claims (9)

1. 相異なる周波数の送信信号を生成する発振器と、
   前記相異なる送信信号を用いてマルチビームを指向性合成する送波指向性合成器と、
   前記送波指向性合成器からの前記送信信号を音響に変換して送波するとともに前記マルチビームが目標から反射するエコーを受波して受信信号を出力する送受波器と、
   前記送信信号と前記受信信号とを切替える切替器と、
   前記受信信号を入力して受波ビームを指向性合成する受波指向性合成器と、
   前記受波指向性合成器からの受信信号には、前記目標を捕らえている主極から送波された送波ビームが該目標で反射されて当該主極で受信されることにより取得された受信信号と、前記目標を捕らえている副極から送波された送波ビームが該目標で反射されて前記主極で受信されることにより取得された受信信号とが含まれ、これら受信信号の信号レベルを求める処理を行って当該受信信号の相関値を算出する受信処理器と、を備えることを特徴とするマルチビームソーナー。
   
2. 前記相異なる周波数の送信信号が、前記送受波器から順次に送波されることを特徴とする請求項１に記載のマルチビームソーナー。
3. 前記相異なる周波数の送信信号が、前記送受波器から同時に送波されることを特徴とする請求項１に記載のマルチビームソーナー。
4. 相異なる周波数の送信信号を生成する発振器と、
   前記相異なる周波数の送信信号を用いてマルチビームを指向性合成する送波指向性合成器と、
   前記送波指向性合成器からの前記送信信号を音響に変換して送波する送波器と、
   前記マルチビームが目標から反射するエコーを受波して受信信号を出力する受波器と、
   前記受信信号を入力して受波ビームを指向性合成する受波指向性合成器と、
   前記受波指向性合成器からの受信信号には、前記目標を捕らえている主極から送波された送波ビームが該目標で反射されて当該主極で受信されることにより取得された受信信号と、前記目標を捕らえている副極から送波された送波ビームが該目標で反射されて前記主極で受信されることにより取得された受信信号とが含まれ、これら受信信号の信号レベルを求める処理を行って当該受信信号の相関値を算出する受信処理器と、を備えることを特徴とするマルチビームソーナー。
5. 前記相異なる周波数の送信信号が、前記送波器から順次に送波されることを特徴とする請求項４に記載のマルチビームソーナー。
6. 前記相異なる周波数の送信信号が、前記送波器から同時に送波されることを特徴とする請求項４に記載のマルチビームソーナー。
7. マルチビームソーナーの信号処理方法であって、
   相異なる周波数の送信信号を用いてマルチビームを指向性合成し、
   前記マルチビームのうちの１本のビーム主極を目標に向けて送波し、
   前記マルチビームのうちの残りのビームの副極を前記目標に向けて送波し、
   前記目標を捕らえている主極から送波された送波ビームが該目標で反射されて当該主極で受信されることにより取得された受信信号と、前記目標を捕らえている副極から送波された送波ビームが該目標で反射されて前記主極で受信されることにより取得された受信信号との信号レベルを求める処理を行って当該受信信号の相関値を算出する、ことを特徴とするマルチビームソーナーの信号処理方法。
8. 前記相異なる周波数の送信信号が、前記相異なる周波数ごとに順次に送波されることを特徴とする請求項７に記載のマルチビームソーナーの信号処理方法。
9. 前記相異なる周波数の送信信号が、前記相異なる周波数ごとに同時に送波されることを特徴とする請求項７に記載のマルチビームソーナー。

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