JP5469996B2

JP5469996B2 - 超音波送波装置及びドップラー速度計

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Publication number: JP5469996B2
Application number: JP2009241649A
Authority: JP
Inventors: 敏志川浪
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP2011089802A

Description

本発明は、広帯域の超音波信号を所定の指向性を有して複数方向へ送波する超音波送波装置、及び潮流計や船速計、ドップラーソナー等のドップラー速度計に関する。

従来、潮流計、船速計、ドップラーソナー及び多方向魚群探知機等は、自船に対して複数方位を探知するため、各探知方位に狭指向性のビームを形成する超音波送受波器を用いている。かかる超音波送受波器は、探知方位の数に対応した個数の平板振動子が各探知方位に向けて配列され、あるいは複数の振動子を円筒形状や半球形状に配列したフェーズドアレイ型として構成されている。しかしながら、平板振動子を用いた超音波送受波器では、送受波器自体が大きくなるとともに、ビーム方向を可変することができない。また、フェーズドアレイ型の超音波送受波器では、送受波器自体は小型になる一方、振動子毎に送受波回路を必要とするため、送受信回路が複雑になると共に回路規模が大きくなり、コスト高を招来する。かかる問題を解決する目的で、振動子を特定の直線方向に配列し、各振動子を駆動する信号を制御することで複数方位にビームを形成する超音波送受波器が提案された（例えば、特許文献１参照。）。しかし、特許文献１に記載された超音波送受波器では、水平方向の６方向の探知を行うのに、送信時の２チャンネルと受信時の１２チャンネルの合計１４チャンネル分の配線パターンが必要となり、このため、送受信回路基板のパターンが複雑になり、平板状アレイ自体は小さくても送受信回路の回路規模が大きくなってしまい、装置を小型化する場合に問題となる。また、１２チャンネル分の信号を処理して６方向を探知するため、信号処理が複雑になってしまう。そこで、本出願人は、さらに少ないチャンネル構成で、複数方向の送信ビームを形成し、簡素な構造で小型の超音波送受波器を提案した（特許文献２）。

特開２０００−１４７０９５号公報特開２００６−１７６２９号公報

特許文献２の超音波送受波器は、９チャンネルを用いて６方向の探知を可能とするものである。この超音波送受波器は、正三角形の各頂点に、すなわち水平面上で１２０°毎の３方向に対して所定のピッチで配列された多数の振動子を有する正三角形格子構造を有し、ピッチ方向に０，２π／３，４π／３の位相差を順次有して超音波の送信を行うことで、水中の所定の俯角方向に所定指向性の超音波ビームを送信するものである。この超音波送受波器では、使用周波数、振動子のピッチ寸法から俯角が決定される。

ところで、送信信号として、特許文献２のような単一周波数ではなく、広帯域の周波数を使用する方式では、例えば送信パルス期間内で位相を切り換えつつ送信信号を複数回生成するようにすれば、広帯域化が可能である。この場合、基準チャンネルと遅延チャンネルとの位相状態を検討すると、基準チャンネルとしての角度０の信号の位相が変更された時点から、次の遅延信号である２π／３の信号の位相変更時点までは、本来の２π／３の位相差が維持されていないことになる。同様に、４π／３の信号についても、その間、位相差が維持されない。このように、時間方向の一部期間において所定の位相差、すなわち指向性を確保することができないため、その間、真下方向に不要なサイドローブが生じる。このサイドローブは、真下方向の海底からの反射信号のレベルが高いため、本超音波送受波器を水中探知用、特に潮流計や船速計に適用する場合、誤差要素となり好ましくない。また、位相差分を遅延時間で調整する態様に代えて、本来の０，２π／３，４π／３の位相差を維持しながら、同時に位相変更を実行する態様も考えられるが、この場合、変更前後の位相位置によっては、変更前後の信号に急峻なレベル変化が生じる結果、位相変更の切換処理が実質上不可となる場合もあり、やはり好ましくない。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、複数の振動子が正三角形格子状に配列された超音波送波器に、ピッチ方向にπ位相差を有する広帯域の送波信号を入力することで、サイドローブを抑圧した超音波ビームを送波する超音波送波装置及びドップラー速度計を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、正三角形格子の各交点であって、周囲６方向のそれぞれに所定ピッチを有して配列された９チャンネルに分けられた複数の振動子を有し、前記正三角形の各頂点に３チャンネル分の振動子を対応付けることで第１〜第３のグループが形成されており、前記第１〜第３のグループの各グループを構成する複数の振動子は、（２／３）πの角をなす３方向に沿って配列されており、前記第１〜第３のグループは、前記配列方向に直交する方向に沿って順に配置されている超音波送波器と、前記第１〜第３のグループのうちの第１、第２のグループの複数の振動子に対して互いにπラジアンの位相差を有する第１、第２の送信信号を出力する送信ビーム形成手段とを備え、前記送信ビーム形成手段は、前記第１、第２の送信信号を時間方向に複数に区分し、各区分内で位相変更を行っていることを特徴とする超音波送波装置である。

この発明によれば、連続する３列のうちの所定の２列である第１、第２の列の振動子群れに対してπラジアンの位相差を有する送信信号である第１、第２の送信信号が印加される。第１、第２の送信信号は、送信期間内において複数に区分されており、各区分内で位相変更、一般的には所定の初期位相で当該複数回だけ生成される。これにより、第１、第２の送信信号は、広帯域信号とされる。第１、第２の送信信号が互いにπラジアンの位相差を有するため、複数回送信しても、第１、第２の送信信号間には位相差の変化は生じないため、サイドローブが発生することはない。このように、複数の振動子が正三角形格子状に配列された超音波送波器に、ピッチ方向にπ位相差を有する広帯域の送波信号を入力することで、サイドローブの抑圧された超音波ビームが送波される。
この構成によれば、９チャンネル分の振動子のうち、正三角形の各頂点に３チャンネル分の振動子を配列すれば、６方向への送信ビームの形成が可能となる。

請求項２は、請求項１記載の超音波送波装置において、前記送信ビーム形成手段は、位相変調方式（ＰＳＫ方式；Phase Shift Keying）により前記第１、第２の送信信号を生成するものであることを特徴とする。この構成によれば、広帯域の送信信号が生成されると共に、受信信号を用いてのドップラー量の算出処理が容易となる。

請求項３は、請求項１または請求項２に記載の超音波送波装置において、前記送信ビーム形成手段は、中心周波数の波長λ０に対して±ｄλの範囲の成分を含む第１、第２の送信信号を出力するものであり、前記超音波送波器は、前記ピッチが、少なくとも２（λ０−ｄλ）／３以下の寸法であることを特徴とする。この構成によれば、送信ビームの±π／２外へサイドローブが移動するため、探知範囲であるティルト内からメインローブ以外のサイドローブが排除でき、探知精度が向上する。

請求項４は、請求項１〜３のいずれかに記載の超音波送波装置と、水中の少なくとも３方位からの反射信号に基づき各方位に対するドップラー成分を広帯域のスペクトルのいくつかの周波数を用いて計測するドップラー計測手段とを備えたドップラー速度計である。この発明によれば、広帯域の送信信号を用いて精度のドップラー成分を少なくとも３方位について算出することが可能となる。なお、計測されたドップラー成分に基づいて測定対象の速度が算出される。

本発明によれば、複数の振動子が正三角形格子状に配列された超音波送波器に、ピッチ方向にπの位相差を有する広帯域の送波信号を入力することで、サイドローブを抑圧した超音波ビームを送波することができる。

本発明に係る超音波送波装置が適用されるドップラー速度計の概略構成を示すブロック図で、（ａ）は全体を示すブロック図、（ｂ）はトランス周辺の配線を示す回路図である。図２（ａ）は、送波面を示す平面図で、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるA−A線断面図である。図２（ａ）に示す各振動子の位置関係を示す図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は部分拡大平面図である。図２（ａ）に示す各振動子の配線を説明する配線図である。超音波送受波器１の第１〜第３グループの構成パターンを示す構成図である。図６（ａ）は、位相制御を示すブロック図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す位相制御を行った場合の水平方向に射影した送信ビームの進行方向を示す図である。超音波送受波器から送信される超音波の位相制御を説明するための側面から見た概略図である。シミュレーションの結果を示す特性図である。送信信号の波形の一例を示す図である。送信波形のパワースペクトルの包絡線形状の一例を示す図である。受信波形のパワースペクトルの包絡線形状の一例を示す図である。演算結果である相互相関出力を示す図である。

図１は、本発明に係る超音波送波装置が適用されるドップラー速度計の概略構成を示すブロック図で、（ａ）は全体を示すブロック図、（ｂ）はトランス周辺の配線を示す回路図である。ドップラー速度計は、超音波信号の送受信を行う超音波送受波器１と、超音波送受波器１の送受信動作を切り替える送受波切替器２と、超音波送受波器１を構成する複数の振動子に入力する送信信号を生成する送信駆動信号生成回路３１と、送信信号を増幅する送信アンプ３２と、絶縁用のトランス３３とを備える。また、ドップラー速度計は、受信アンプ４と、超音波送受波器１の各振動子に対して受波ビームを形成する受波ビーム形成回路５と、受信信号のドップラー成分から測定対象の速度を算出するドップラー処理部６と、算出結果を表示するＬＥＤやプラズマディスプレイ等からなる表示部７とを備えると共に、各部に対して必要な指示信号や駆動信号等の制御信号を出力する制御部８とを備えている。

超音波送受波器１は、例えば水平面に平行な面を送波面とする複数の超音波振動子が所定チャンネル数、例えば９チャンネルに割り当てられてアレイ状に配列されている。超音波送受波器１は、例えば船底に装備され、送波面は水中に向けて露出されている。

ここで、超音波送受波器１の詳細構造について、図２、図３、図４を用いて説明する。図２（ａ）は、送波面を示す平面図で、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるA−A線断面図である。図３は、図２（ａ）に示す各振動子の位置関係を示す図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は部分拡大平面図である。図４は、図２（ａ）に示す各振動子の配線を説明する配線図である。なお、図３（ａ）、図４ではチャンネル番号を省略しているが、振動子の配置は、図２に示す配置と同一である。

超音波送受波器１は、船首−船尾方向に直交する辺を一辺とした正三角形の各頂点に振動子１００が配置された正三角形格子構造を有する。振動子１００の船首−船尾方向における配列ピッチ（振動子列間の間隔）をｄとすると、正三角形の一辺の長さ、すなわち振動子１００の中心間距離は（２／３^1/2）ｄである。なお、ピッチｄは、送信信号の波長λと、鉛直下方向と探知方向とのなす角であるティルト角θとにより予め設定されている。詳細は後述する。

超音波送受波器１は、図２（ｂ）に示すように、強誘電体等からなる圧電効果を有する基板１０１と、この基板１０１の両面の対向する位置に形成された電極１０２とで形成される。すなわち、各振動子１００は、圧電基板１０１の両面の対向する位置に電極１０２を形成することで形成される。圧電基板１０１は、両面の電極１０２間に所定電圧が印加されると基板特有の周波数で振動する。すなわち、圧電基板１０１の電極１０２で挟まれた部分が圧電振動子として機能する。

振動子１００は、本実施形態では、９チャンネルに分けられており、各チャンネルの振動子１００ａ〜１００ｃ、１１０ｅ〜１００ｇ、１００ｈ〜１００ｊは、図２、図３に示す位置関係を有して配置されている。なお、図２（ａ）、図３（ｂ）では各チャンネルの代表する振動子にのみ記号を付し、他の振動子については、属するチャンネル番号のみを示した。

図３（ｂ）に示すように、第１、第２、第３チャンネル振動子１００ａ〜１００ｃの中心をそれぞれ頂点として一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形が形成されており、第２、第３チャンネル振動子１００ｂ，１００ｃを結ぶ辺が船首−船尾方向に対して直角で、この辺に対して船首側に第１チャンネル振動子１００ａが配置されている。第４チャンネル振動子１００ｅは、第３チャンネル振動子１００ｃを挟んで第２チャンネル振動子１００ｂの反対の位置に配置されており、第５チャンネル振動子１００ｆは、第３チャンネル振動子１００ｃを挟んで第１チャンネル振動子１００ａの反対の位置に配置されている。第６チャンネル振動子１００ｇは、第４チャンネル振動子１００ｅと第５チャンネル振動子１００ｆとともに一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形を構成する位置に配置されており、言い換えれば、第６チャンネル振動子１００ｇは、第４、第５チャンネル振動子１００ｅ，１００ｆを結ぶ線を線対称の基準として第３チャンネル振動子１００ｃと対称の位置に配置されている。第７チャンネル振動子１００ｈは、第６チャンネル振動子１００ｇを挟んで第５チャンネル振動子１００ｆの反対の位置に配置されており、第８チャンネル振動子１００ｉは、第６チャンネル振動子１００ｇを挟んで第４チャンネル振動子１００ｅの反対の位置に配置されている。第９チャンネル振動子１００ｊは、第７チャンネル振動子１００ｈと第８チャンネル振動子１００ｉと共に、一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形を構成する位置に配置されており、言い換えれば、第９チャンネル振動子１００ｊは、第７、第８チャンネル振動子１００ｈ，１００ｉを結ぶ線を線対称の基準として第６チャンネル振動子１００ｇと対称の位置に配置されている。また、第９チャンネル振動子１００ｊは、第８チャンネル振動子１００ｉの反対の位置にある第１チャンネル振動子１００ａとで一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形を形成する位置に第２チャンネル振動子１００ｂが配置されると共に、第２チャンネル振動子１００ｂとで一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形を形成する位置に第４チャンネル振動子１００ｅが配置されている。そして、超音波送受波器１は、かかる９つのチャンネルの振動子の配列パターンが縦横に所定数だけ繰り返して形成されている。

このように形成された振動子１００ａ〜１００ｃ，１００ｅ〜１００ｇ，１００ｈ〜１００ｊは、図４に示す配線パターンで配線されている。船首−船尾方向に直角な方向に並ぶ第１チャンネル振動子１００ａは、それぞれ配線パターンＬ１２，Ｌ１３，Ｌ１４，Ｌ１５で並列接続されており、各配線パターンＬ１２〜Ｌ１５は、ポートＰ１に接続されている。同様に、第２チャンネル振動子１００ｂは、それぞれ配線パターンＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５でポートＰ２に並列接続され、第３チャンネル振動子１００ｃは、それぞれ配線パターンＬ３１，Ｌ３２，Ｌ３３，Ｌ３４，Ｌ３５でポートＰ３に並列接続されている。また、第４チャンネル振動子１００ｅは、それぞれ配線パターンＬ４１，Ｌ４２，Ｌ４３，Ｌ４４，Ｌ４５でポートＰ４に並列接続され、第５チャンネル振動子１００ｆは、それぞれ配線パターンＬ５１，Ｌ５２，Ｌ５３，Ｌ５４，Ｌ５５でポートＰ５に並列接続され、第６チャンネル振動子１００ｇは、それぞれ配線パターンＬ６１，Ｌ６２，Ｌ６３，Ｌ６４，Ｌ６５でポートＰ６に並列接続されている。さらに、第７チャンネル振動子１００ｈは、それぞれ配線パターンＬ７１，Ｌ７２，Ｌ７３，Ｌ７４，Ｌ７５でポートＰ７に並列接続され、第８チャンネル振動子１００ｉは、それぞれ配線パターンＬ８１，Ｌ８２，Ｌ８３，Ｌ８４でポートＰ８に並列接続され、第９チャンネル振動子１００ｊは、それぞれ配線パターンＬ９１，Ｌ９２，Ｌ９３，Ｌ９４でポートＰ９に並列接続されている。ポートＰ１〜Ｐ９は、送受波切替器２とのバスラインの各ラインにそれぞれ接続されている。なお、各振動子１００ａ〜１００ｃ，１００ｅ〜１００ｇ，１００ｈ〜１００ｊの他方の端子は、例えば、それぞれチャンネル毎に、あるいはコモンで接地されている。この結果、全ての振動子が第１チャンネル〜第９チャネルに分けて接続される。なお、前述の配線パターンとしては、圧電基板１０１の対向する両面に電極１０２を形成する構造の場合には圧電基板１０１の一方面に配線パターン電極を形成することにより実現され、単体の振動素子を用いる場合には絶縁基板表面に形成した配線パターン電極や導体線による振動素子の端子を接続することにより実現される。

超音波送受波器１は、本実施形態においては、９つのチャンネルの振動子１００が３つのグループに分けられている。具体的には、第１チャンネル振動子１００ａ〜第３チャンネル振動子１００ｃが第１グループとされ、第４チャンネル振動子１００ｅ〜第６チャンネル振動子１００ｇが第２グループとされ、第７チャンネル振動子１００ｈ〜第９チャンネル振動子１００ｊが第３グループとされる。

図５は、超音波送受波器１の第１〜第３グループの配列パターンを示す平面図である。図５に示すように、第１グループ振動子１１０ａ、第２グループ振動子１１０ｂ及び第３グループ振動子１１０ｃは、互いの中心間距離が２ｄで、正三角形格子状に配列した位置関係を有する。また、超音波送受波器１は、船首−船尾方向と平行な方向、及び船首−船尾方向に対して±π／６の方向に対して、各グループの振動子がピッチｄで配列されている。詳細には、船首−船尾方向に平行な方向に、第１グループ振動子１１０ａ、第２グループ振動子１１０ｂ、第３グループ振動子１１０ｃの順番でピッチｄを有して配列され、船首−船尾方向に対して±π／６の方向に、第１グループ振動子１１０ａ、第３グループ振動子１１０ｃ、第２グループ振動子１１０ｂの順番でピッチｄを有して配列されている。

送信駆動信号生成回路３１は、制御部８から入力された制御信号に従い、振動子が所望周波数の送信信号を送信するための送信用駆動信号を発生し、グループ毎に出力する送信駆動信号の位相制御を行う。本実施形態では、後述するように、互いに逆位相（位相差π）の送信用駆動信号を用いることから、送信駆動信号生成回路３１からは1種類の送信用駆動信号が出力される。具体的には、図６（ａ）に示すように、所定の２つのグループを互いに逆位相にする位相制御を行う。所定の２つのグループは、ここでは、第１グループ振動子１１０ａと第３グループ振動子１１０ｃである。なお、上記方法に代えて、送信駆動信号生成回路３１が逆位相の送信用駆動信号をそれぞれ生成する態様としてもよい。かかる態様は、例えば特開２００４−３５４２２４号公報に記載されている。

図６（ａ）は、位相制御を示すブロック図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す位相制御を行った場合の水平方向に射影した送信ビームの進行方向を示す図である。図６（ａ）に示すように、基準の送信駆動信号と、π（rad：ラジアン）だけ位相の異なる送信用駆動信号とが、第１グループ振動子１１０ａ、第２グループ振動子１１０ｂ及び第３グループ振動子１１０ｃのいずれか２つのグループ振動子、本実施形態では、ポートＰ１を介して第１グループ振動子１１０ａに基準の送信用駆動信号が入力され、ポートＰ３を介して第３グループ振動子１１０ｃに位相差π（rad）の送信用駆動信号が入力される。

図１（ｂ）において、第１グループ振動子１１０ａの両端には、トランス３３の２次コイルの一端側に接続されたコモン配線３３０と他端側に接続された配線３３１とが接続されている。第３グループ振動子１１０ｃの両端には、配線３３１に接続された配線３３２を用いて、第１グループ振動子１１０ａとは逆極性となるように、配線３３２とコモン配線３３０とが接続されている。このように、トランス３３の２次側で互いに逆極性となるように配線を行うことで、送信アンプ３２からの送信用駆動信号が互いに位相差π（rad）を有する信号として、第１グループ振動子１１０ａと第３グループ振動子１１０ｃとに印加される。

位相差π（rad）を有する送信用駆動信号が第１グループ振動子１１０ａ、第３グループ振動子１１０ｃに入力されると、超音波信号は、図６（ｂ）に示すように、船首方向、船尾方向、船首方向から左舷、右舷方向に±π／３（rad）回転した方向、及び船首方向から左舷、右舷方向に±π２／３（rad）回転した方向の計６方向に対して、所定のティルト角θを有して送信される。すなわち、６つの送信ビームＴｘＢｅａｍ１〜ＴｘＢｅａｍ３、ＴｘＢｅａｍ１’〜ＴｘＢｅａｍ３’が設定される。

図７は、超音波送受波器から送信される超音波の位相制御を説明するための側面から見た概略図である。なお、説明の便宜上、上下逆となっている。送波面１Ａは、超音波送受波器１の送波面を示し、送波面１Ａの任意の一断面において、一方側からピッチｄを有して第１グループ振動子１１０ａ、第２グループ振動子１１０ｂ、第３グループ振動子１１０ｃが、この順で配列されている。

今、ビームＴｘＢｅａｍ１，ＴｘＢｅａｍ１’の指向性は、ティルト角θとするとき、

で表される。ここに、ｋｄ＝（４／３）π・λ’／λ、但し、λ：波長[m]、ｆ：周波数[Hz]、ｃ：音速[m/s]とする。さらに、アレイピッチｄを、本来、周波数ｆから決まるピッチｄに代えて、（２／３）λ’とすると、（数１）は、

となる。Ｄ（λ’、θ）は、λ’とθとを変数として指向性を表している。ここで、（数２）の指向性特性、特に極大となるときのティルト角θとの関係を検討する。簡単のため、λ＝λ’と置くと、（数２）の指数項の部分は、ｓｉｎθ＝０でゼロ、ｓｉｎθ＝３／４で極大となる。それ以外の項（分数部分）は、ｓｉｎθ＝０，±１／２，±１で極大となる。従って、Ｄ（λ’、θ）は、θ＝±３０[deg]で、指向性が極大となることが判る。

図８は、シミュレーションの結果を示す特性図である。シミュレーション条件は、以下のような一例を示す。すなわち、（数２）において、フラットアレイ直径６０[mm]（図６（ｂ）に示す超音波送受波器１の直径）、アレイピッチ２．７０２７[mm]、水中音速１，５００[m/s]、中心周波数３２０[KHz]とする。なお、λ’／λ＝３７０／３２０、第１グループ振動子１１０ａの位相制御量０[deg]、第３グループ振動子１１０ｃの位相制御量１８０[deg]とする。

また、（数２）において、実際に使用される超音波の波長λの他に、アレイピッチを規定するための値λ’を、（λ’／λ）という形で導入している。これは、波長λのみで（数１）の指向性を計算すると、θが±９０[deg]辺りに極値が（サイドローブとして）表れ、この極値がノイズ発生源となる。そこで、かかるθ＝±９０[deg]辺りの極値を取り除くために、例えば、（数２）のように、ｓｉｎの中に（λ’／λ）を係数として盛り込むことで、θ方向（図８の横軸）に特性を伸縮するようにしたものである。

後述するように、使用する超音波周波数は中心周波数３２０[KHz]でその前後±４０[KHz]、すなわち、２８０[KHz]〜３６０[KHz]の広帯域信号となる。そこで、値λ’を使用波長λとの比率において、広帯域内で波長が最小となる３６０[KHz]より外側となる３７０[KHz]を用いて拡張（θ方向への拡張）したものである。これによって、θ＝±９０[deg]辺りに存在したサイドローブは、±９０[deg]外へ移動させられ、−９０[deg]≦θ≦９０[deg]の範囲では、前述したθ＝±３０[deg]辺りでの極大値が対応する。すなわち、指向性特性のθ方向への拡張に伴って、すなわち、λ’／λ＝３７０／３２０を代入して、（数２の）の極大値をとるθを計算し直すと、
ｓｉｎ^−１{(３７０／３２０)・１／２}・１８０／π＝±３４．８７５[deg]
となる。

図８には、船首方向を０度とする方位において、船首から左舷か右舷の一方側周りに０度、３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度の６方向において、ティルト方向の指向性特性をシミュレーションし、重ねて表示している。図において、０度、６０度、１２０度の指向性特性は、±３４．８７５[deg]辺りで、極大値を示している。それ以外の方位における指向性特性では多数の極値は見られるが、レベル的に他と識別可能な極大値はない。

アレイピッチｄ（＝（２／３）λ’）は、λ’として、３７０[KHz]のときの波長を採用した場合、（２／３）×１５００[m]／３７０[KHz]＝２．７０２７[mm]となり、上記の値ｄが算出される。

続いて、送信駆動信号生成回路３１の動作について説明する。前述したように、超音波送受波器１から送信される超音波信号は、所定波長範囲を有する広帯域の信号である。広帯域の信号とは、上記の例に従えば、中心周波数３２０[KHz]で、その前後±４０[KHz]、すなわち、２８０[KHz]〜３６０[KHz]である。

図９は、送信信号の波形の一例を示し、図１０は、送信波形のパワースペクトルの包絡線形状の一例を示す図である。所定の広帯域の送信信号は種々の方式で生成可能があるが、本実施形態では、図９に示す、二相位相偏移変調方式（ＢＰＳＫ方式；Binary Phase Shift Keying）で符号化された広帯域信号を複数連ねた送信信号を用いる。この方式は、本出願人に係る特許出願（特開２００７−２９２６６８号公報）に記載されている通りであり、以下、簡単に説明する。送信駆動信号生成回路３１は、潮流計測を行う毎にこの送信信号を超音波送受波器１から送信する。送信信号は、所定数の、例えば４個の同一のエレメントからなる。各エレメントは所定の符号化がなされた所定数、例えば７個のサブパルスからなる。図９において、Ｔａは送信信号の時間幅、Ｔｂはエレメントの時間幅、Ｔｃはサブパルスの時間幅である。時間幅Ｔａは、例えば０．５ｍｓ程度であり、サブパルスの周波数（キャリア周波数）は、ここでは前記したように３２０ｋＨｚである。このように、符号パターン（例えば、＋１，＋１，＋１，−１，＋１，−１，−１）を使用することで、図１０に示す送信波形のパワースペクトルの包絡線形状、すなわち所定の広帯域範囲を設定することが可能となる。なお、符号パターンの＋１，−１は、サブパルスの初期位相の種類を示す。

なお、各振動子１００で受信されたエコー信号を含む受信信号は、受信アンプ４で増幅され、受信ビーム形成回路５を経た後、さらに図略のＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換されて、ドップラー処理部６内の図略のバッファメモリに一時的に格納される。ドップラー速度計は、受信信号中の１または複数の設定深度におけるエコー信号および海底からのエコー信号をバッファメモリから読み出し、それぞれのドップラーシフト量ｆｄを求めて出力する。ドップラー処理部６は、３方向（あるいは６方向）からの受信信号からドップラーシフト量を求める。対水船速（または対地船速）をＶ、水中音速をｃ、超音波の周波数をｆ０、ドップラーシフト量をｆｄとすると、ｃはＶよりも十分に大きいので、対水船速（または対地船速）Ｖは、Ｖ＝ｆｄ・ｃ／（２ｆ０・ｃｏｓθ）から求め得る。また、対水船速（または対地船速）Ｖに基づいて潮流の速度及び向きが求められる。表示部７は、演算結果を報知のために表示するもので、例えば航路を基点とする矢印が所定間隔で表示され、矢印の向きで潮流の向きが示され、矢印の長さで潮流の速度が示される。

ドップラー処理部６は、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）により、送信波形に対して高速フーリエ変換アルゴリズムを用いて離散フーリエ変換を施して時間領域の送信波形を周波数領域の振幅スペクトルに変換する。さらに、振幅スペクトルを２乗して、図１０に示すパワースペクトルを生成する。このパワースペクトルＰt[fi]（fiはパワースペクトルＰt[i]の周波数）は所定波長、例えば十Ｈｚ程度の分解能で生成されている。なお、各スペクトルである１区間を数[KHz]単位とし、重心計算区間を数個と設定することで、広帯域範囲である±４０[KHz]を実現している。離散フーリエ変換および送信波形の性質上、パワースペクトルＰt[fi]は、２／Ｔｃ（図９）の範囲に分布し、中心周波数ｆ０、すなわちピーク５１の周波数ｆ０はサブパルスの周波数に等しくなり、隣り合うピークの周波数差が１／Ｔｂとなり、各ピークの幅（各ピークのゼロクロス幅）が２／Ｔａとなる。

ドップラー処理部６は、重心周波数算出機能により、各ピーク５１等が各重心計算区間Ｗt[k]（k=1〜n）（図１０参照、Ｗt[1:n]とも表す）の中央に位置するように重心計算区間Ｗt[k]を決める。次に、パワースペクトルＰt[fi]を重みとして、重心計算区間Ｗt[k]ごとに重心周波数ｆwt[k]（k=1〜n）を次式で算出する。

ｆwt[k]＝Σ（Ｐt[fj]・fj）／ΣＰt[fj]
ここで、Ｐt[fj]は重心計算区間Ｗｔ[k]に属するパワースペクトルである。

ドップラー処理部６は、ＤＦＴによって、振幅スペクトルを２乗して図１１に示すパワースペクトルＰr[fi]（fiはパワースペクトルＰr[i]の周波数）を生成する。また、図１１からパワースペクトルＰr[fi]の中心周波数、すなわちピーク６１の周波数が送信波形のパワースペクトルＰt[fi]の中心周波数ｆ０からΔｆaだけずれていることが分かる。このΔｆaをドップラーシフト量として扱うことができる。なお、隣り合うピークの周波数差は、図１０のピーク間の周波数差（１／Ｔｂ）に略等しいが、ドップラーシフトの周波数依存性により１／Ｔｂよりも僅かに大きくまたは小さくなる。ドップラー処理部６は、送信波形のパワースペクトルＰt[ｆi]と受信信号のパワースペクトルＰr[ｆi]とからドップラーシフト量を求めて出力する。ドップラー処理部６は、ドップラー計測手段として機能し、パワースペクトルＰt[ｆi]とＰr[ｆi]との相互相関処理を行う。すなわち、パワースペクトルＰr[ｆi]に対してパワースペクトルＰｔ[ｆi]を前記の所定の分解能ずつシフトさせながら、各シフト状態で両パワースペクトルの積和演算を行なって演算結果を出力する。

図１２は、演算結果である相互相関出力を示す。中央に位置する最大のピーク７１は、パワースペクトルＰt[ｆi]のピーク５１がパワースペクトルＰr[ｆi]のピーク６１に一致したときのものであり、送信波形の中心周波数ｆ０からΔｆbだけずれている。また、ピーク７２はピーク５１がピーク６２に一致したときのものであり、ピーク７３はピーク５１がピーク６３に一致したときのものである。ドップラー処理部６は、相互相関出力のうち最大値をとるピーク７１を検出し、このピーク７１の周波数から送信波形の中心周波数ｆ０を減算した周波数差Δｆbをドップラーシフト量として扱う。なお、ドップラーシフト量は上記方法に限定されず、例えば上記のように積和演算して求めたドップラーシフト量を初期値として、より計測精度の高いドップラーシフト量ｆｄを求めるようにしてもよい。

次に、受信時の動作について簡単に説明する。受信時には、送受波切替器２は第１チャンネル振動子１００ａ〜第９チャンネル振動子１００ｊで受信した受信信号をそれぞれ個別のバスラインを介して、受信ビーム形成回路５に出力する。受信ビーム形成回路５は、それぞれ選択される３つのチャンネル振動子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの信号に基づいて、受信ビームＲｘＢｅａｍ１〜受信ビームＲｘＢｅａｍ３’の６方向のビームを形成する（あるいは必要に応じて、受信ビームＲｘＢｅａｍ１〜受信ビームＲｘＢｅａｍ３の３方向か、受信ビームＲｘＢｅａｍ１’〜受信ビームＲｘＢｅａｍ３’かの３方向）。すなわち、各受信ビーム方向に直角な方向に並ぶ３種類のチャンネル振動子を１ラインの組として信号を加算し、かつ当該ラインに直角な方向（すなわち各受信ビーム方向に平行な方向）に２列置きに並ぶ信号ラインを同相として、他の２ラインの信号を位相２π／３、４π／３だけ移相させて取り込むことで、１つの受信ビームが形成される。受信ビームの形成方法は、特開２００６−１７６２９号公報に記載の方法を採用することが可能である。かかる回路を各受信ビームの方向に対して構成することで、６個の受信ビームが構成できる。

なお、本実施形態では、アレイピッチｄとして、広帯域周波数の範囲２８０[KHz]〜３６０[KHz]外である、３７０[KHz]に相当する波長に対応する寸法としているが、帯域に一致する値としてもよい。すなわち、上記実施形態では、３６０[KHz]に対応するラインピッチとしてもよい。あるいは、帯域外の所定の値、例えば３８０[KHz]に対応するラインピッチとしてもよい。また、３２０[KHz]を中心周波数とする必要はなく、所定の周波数、さらには所定の範囲を広帯域範囲としてもよい。

１送受波器
１００，１００ａ〜１００ｃ，１００ｅ〜１００ｊチャンネル振動子
１１０ａ〜１１０ｃグループ振動子
２送受波切替器
３１送信駆動信号生成回路（送信ビーム形成手段）
３２送信アンプ（送信ビーム形成手段）
３３トランス（送信ビーム形成手段）
４受信アンプ
５受波ビーム形成回路
６ドップラー処理部（ドップラー計測手段）
７表示部
８制御部

Claims

正三角形格子状に、周囲６方向のそれぞれに所定ピッチを有して配列された９チャンネルに分けられた複数の振動子を有し、前記正三角形の各頂点に３チャンネル分の振動子を対応付けることで第１〜第３のグループが形成されており、前記第１〜第３のグループの各グループを構成する複数の振動子は、（２／３）πの角をなす３方向に沿って配列されており、前記第１〜第３のグループは、前記配列方向に直交する方向に沿って順に配置されている超音波送波器と、
前記第１〜第３のグループのうちの第１、第２のグループの複数の振動子に対して互いにπラジアンの位相差を有する第１、第２の送信信号を出力する送信ビーム形成手段と、を備え、
前記送信ビーム形成手段は、前記第１、第２の送信信号を時間方向に複数に区分し、各区分内で位相変更を行っていることを特徴とする超音波送波装置。
前記送信ビーム形成手段は、位相変調方式（ＰＳＫ方式；Phase Shift Keying）により前記第１、第２の送信信号を生成するものであることを特徴とする請求項１記載の超音波送波装置。
前記送信ビーム形成手段は、中心周波数の波長λ０に対して±ｄλの範囲の成分を含む第１、第２の送信信号を出力するものであり、前記超音波送波器は、前記ピッチが、少なくとも２（λ０−ｄλ）／３以下の寸法であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波送波装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の超音波送波装置と、水中の少なくとも３方位からの反射信号に基づき各方位に対するドップラー成分を広帯域のスペクトルのいくつかの周波数を用いて計測するドップラー計測手段とを備えたドップラー速度計。