JP5697863B2

JP5697863B2 - Doppler speedometer

Info

Publication number: JP5697863B2
Application number: JP2009241638A
Authority: JP
Inventors: 敏志川浪; 和也沖本; 裕士石川
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP2011089800A

Description

本発明は、船舶等の移動体から水中に送信された超音波の反射信号に含まれるドップラーシフト量から該移動体の速度を計測するドップラー速度計に関する。 The present invention relates to a Doppler velocimeter that measures the speed of a moving body from a Doppler shift amount included in an ultrasonic reflection signal transmitted from a moving body such as a ship into water.

従来、漁撈援助や海洋調査等を目的として船速や潮流速度の計測を行うドップラー速度計が船に装備されている。潮流計は、船底に３個の送受波器が互いに２π／３ずつ異なった方位で、かつ一定の俯角方向に向けて設置されている。そして、各送受波器から超音波が送信され、海中の無数の散乱体で反射されたエコー信号が対応する送受波器で受信され、受信信号に含まれるドップラーシフト量からその深度の潮流に対する船の速度（対水船速）が求められる。また、海底からの反射波（対地エコー）に生じたドップラーシフト量から海底に対する船の速度（対地船速）が求められ、さらに対地船速と対水船速との差から潮流の速度が求められる。 Conventionally, ships are equipped with Doppler velocimeters that measure ship speed and tidal current speed for fishing assistance and oceanographic surveys. In the tidal meter, three transducers are installed on the bottom of the ship in directions different from each other by 2π / 3 and in a certain depression direction. Then, ultrasonic waves are transmitted from each transducer, echo signals reflected by innumerable scatterers in the sea are received by the corresponding transducers, and the ship corresponding to the tidal current at that depth is determined from the Doppler shift amount included in the received signals. Speed (vs. water speed) is required. In addition, the ship speed relative to the seabed (ground speed) is obtained from the amount of Doppler shift generated in the reflected wave (ground echo) from the seabed, and the tidal current speed is obtained from the difference between the ground speed and the water speed. It is done.

特許文献１には、３方位、かつ一定の俯角方向に向けて船底に設置された送受波器を用いて潮流を計測する計測器が記載されている。特許文献１では、広帯域の送信信号をそれぞれの方向に送信し、かつ受信し、送信信号と受信信号とをフーリエ変換してパワースペクトルを生成し、受信信号側を送信信号に対して１０Ｈｚずつ移相して両信号の積和処理、すなわち相関処理を施してドップラーシフト量を算出するようにしている。 Patent Document 1 describes a measuring instrument that measures power flow using a transducer installed on a ship bottom in three directions and in a certain depression angle direction. In Patent Document 1, a wideband transmission signal is transmitted and received in each direction, a power spectrum is generated by Fourier transforming the transmission signal and the reception signal, and the reception signal side is shifted by 10 Hz with respect to the transmission signal. At the same time, a product-sum process of both signals, that is, a correlation process is performed to calculate the Doppler shift amount.

特開２００７−２９２６６８号公報JP 2007-292668 A

しかしながら、特許文献１では、同一方向に広帯域の送信信号が送信されるため、受信信号に各周波数に対するドップラー成分が混在し、しかも、一般的な（公知の）ドップラーシフト量算出式からも明らかなように、周波数が高い側ほど、ドップラーシフト量も比例して大きく生じてしまう。さらに、ドップラーシフト量が大きい場合に、この誤差の影響が大きくなる。このように、ドップラーシフト量が広帯域の超音波送信信号の周波数に依存することになる。また、送信パルス幅や受信ゲート幅を広くした場合、受信信号内の各周波数のスペクトル幅が狭くなるため、前述の相関処理の精度が低下する可能性がある。 However, in Patent Document 1, since a broadband transmission signal is transmitted in the same direction, a Doppler component for each frequency is mixed in the received signal, and it is clear from a general (known) Doppler shift amount calculation formula. Thus, the higher the frequency, the larger the amount of Doppler shift. Further, when the Doppler shift amount is large, the influence of this error becomes large. Thus, the Doppler shift amount depends on the frequency of the broadband ultrasonic transmission signal. In addition, when the transmission pulse width and the reception gate width are widened, the spectrum width of each frequency in the reception signal is narrowed, so that the accuracy of the correlation processing described above may be lowered.

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、所定ピッチで配列された振動子に所定の位相差を有する送信信号を印加することで広帯域の送信信号の周波数に依存しないドップラーシフト量を受信する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。 The present invention has been made in view of the above, and receives a Doppler shift amount independent of the frequency of a wideband transmission signal by applying a transmission signal having a predetermined phase difference to transducers arranged at a predetermined pitch. The purpose is to provide a Doppler speedometer.

請求項１記載の発明は、移動体から水中に送信された超音波の反射信号に含まれるドップラーシフト量から該移動体の速度を計測するドップラー速度計において、平面上の所定の複数方位に所定のピッチを有してそれぞれアレイ状に配列され、超音波を送信する複数の振動子を備えた、前記移動体に装備される超音波送受波器と、前記所定の複数の方位にそれぞれ配列された各列の振動子間に所定の位相差を有するように前記複数の振動子に対して広帯域の送信信号をそれぞれ出力することで、前記所定の複数の方位に向けて周波数毎に異なる複数の俯角を有するように前記複数の送信ビームを形成する送信手段と、前記所定の複数の方位であって前記所定のピッチと超音波の周波数とから定まる前記複数の俯角の方向に送信された広帯域の送信信号の受信信号からそれぞれのドップラーシフト量を検出するドップラーシフト量検出手段と、前記所定の複数の方位のドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出する速度算出手段とを備えたことを特徴とするものである。 The invention according to claim 1 is a Doppler velocimeter that measures the speed of a moving body from a Doppler shift amount included in an ultrasonic reflected signal transmitted from the moving body into water. Ultrasonic transducers mounted on the moving body, each having a plurality of transducers that transmit ultrasonic waves, and arranged in the predetermined plurality of directions. By outputting a wideband transmission signal to each of the plurality of vibrators so as to have a predetermined phase difference between the vibrators in each column, a plurality of different frequencies for each of the predetermined directions are provided. transmitting means for forming a plurality of transmission beams to have a depression angle, and the broadband transmission in the direction of the plurality of depression angle determined from the frequency of said predetermined plurality of said predetermined pitch and ultrasound an orientation A Doppler shift amount detecting means for detecting each Doppler shift amount from the received signal of the transmission signal; and a speed calculating means for calculating the speed of the moving body from the information of the Doppler shift amounts of the predetermined plurality of directions and the predetermined pitch; It is characterized by comprising.

この発明によれば、超音波送受波器は、平面上の所定の複数方位に所定のピッチを有してそれぞれアレイ状に配列された複数の振動子を備える。振動子は超音波を送信する。超音波送受波器は、船体等の移動体に装備されるものである。送信手段によって、前記所定の複数の方位にそれぞれ配列された各列の振動子間に所定の位相差を有する広帯域の送信信号がそれぞれ出力される。平面上に所定ピッチで配列された複数の振動子から広帯域の超音波送信信号を所定の位相差で送信すると、水中からの反射波に含まれるドップラーシフト量は送信周波数に依存しない。そして、ドップラーシフト量検出手段によって、前記所定の複数の方位であって前記所定のピッチと超音波の周波数とから定まる俯角方向に送信された送信信号の受信信号からそれぞれのドップラーシフト量が検出される。さらに、速度算出手段によって、前記各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度が算出される。従って、所定ピッチで配列された振動子に所定の位相差を有する送信信号を印加することで広帯域の送信信号の周波数に依存しないドップラーシフト量を検出することができ、その結果、船体の速度を精度良く計測することが可能となる。 According to the present invention, the ultrasonic transducer includes a plurality of transducers each having a predetermined pitch in a plurality of predetermined directions on a plane and arranged in an array. The vibrator transmits ultrasonic waves. The ultrasonic transducer is installed in a moving body such as a hull. The transmission means outputs a broadband transmission signal having a predetermined phase difference between the transducers in each column arranged in the predetermined plurality of directions. When a broadband ultrasonic transmission signal is transmitted with a predetermined phase difference from a plurality of transducers arranged at a predetermined pitch on a plane, the Doppler shift amount included in the reflected wave from the water does not depend on the transmission frequency. Then, the Doppler shift amount detecting means detects each Doppler shift amount from the reception signal of the transmission signal transmitted in the depression direction determined from the predetermined pitch and the ultrasonic frequency in the predetermined plurality of directions. The Furthermore, the speed calculation means calculates the speed of the moving body from the information on each Doppler shift amount and the predetermined pitch. Therefore, by applying a transmission signal having a predetermined phase difference to the vibrators arranged at a predetermined pitch, it is possible to detect a Doppler shift amount that does not depend on the frequency of the broadband transmission signal. It becomes possible to measure with high accuracy.

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のドップラー速度計において、前記超音波送受波器は、正三角形格子形状の各交点であって２π／３毎の第１〜第３の方位を前記所定の複数の方位とし、各方位に所定ピッチを有してアレイ状に配列された複数の振動子を備えたものであり、前記送信手段は、前記第１〜第３の方位にそれぞれ配列された各列の振動子間に所定の位相差を有する広帯域の送信信号を出力し、前記ドップラーシフト量検出手段は、前記第１〜第３の方位に対応する各ドップラーシフト量を検出し、前記速度算出手段は、前記第１〜第３の方位に対応する各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出することを特徴とする。この構成によれば、水平面上の２π／３毎の３方向からのドップラーシフト量を検出することで、船体の速度を精度良く計測することが可能となる。 A second aspect of the present invention is the Doppler velocimeter according to the first aspect, wherein the ultrasonic transmitter / receiver has first to third azimuths every 2π / 3 at each intersection of equilateral triangular lattice shapes. A plurality of transducers arranged in an array having a predetermined pitch in each direction and having a predetermined plurality of directions, and the transmission means are arranged in the first to third directions, respectively. A wideband transmission signal having a predetermined phase difference between the transducers in each column, the Doppler shift amount detection means detects each Doppler shift amount corresponding to the first to third orientations, The speed calculation means calculates the speed of the moving body from information on each Doppler shift amount corresponding to the first to third directions and the predetermined pitch. According to this configuration, it is possible to accurately measure the speed of the hull by detecting Doppler shift amounts from three directions every 2π / 3 on the horizontal plane.

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のドップラー速度計において、前記速度算出手段は、前記各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出する演算式を予め記憶する記憶部を有し、前記演算式を用いて前記速度を算出するものであることを特徴とする。この構成によれば、検出された各ドップラーシフト量が演算式に代入され、演算が実行されて船体速度が求まる。 According to a third aspect of the present invention, in the Doppler velocimeter according to the first or second aspect, the speed calculation unit has an arithmetic expression for calculating the speed of the moving body from the information of each Doppler shift amount and the predetermined pitch. It has a memory | storage part memorize | stored beforehand, and calculates the said speed using the said computing equation, It is characterized by the above-mentioned. According to this configuration, each detected Doppler shift amount is substituted into the calculation formula, and the calculation is executed to obtain the hull speed.

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のドップラー速度計において、前記速度算出手段は、前記移動体の速度であって、水平面上の速度を算出するものであることを特徴とする。この構成によれば、周波数依存性のない状態で、すなわち深度方向を除く船体速度を求めることが可能となる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the Doppler velocimeter according to any one of the first to third aspects, the speed calculating means calculates the speed on the horizontal plane, which is the speed of the moving body. It is characterized by. According to this configuration, it is possible to obtain the hull speed excluding the frequency direction, that is, excluding the depth direction.

本発明によれば、所定ピッチで配列された振動子に所定の位相差を有する送信信号を印加することで広帯域の送信信号の周波数に依存しないドップラーシフト量を検出することができ、その結果、船体の速度を精度良く計測することができる。 According to the present invention, it is possible to detect the Doppler shift amount independent of the frequency of the broadband transmission signal by applying a transmission signal having a predetermined phase difference to the transducers arranged at a predetermined pitch, and as a result, The speed of the hull can be accurately measured.

本発明に係るドップラー速度計の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the Doppler velocimeter concerning this invention. （ａ）は、送波面を示す平面図で、（ｂ）は、（ａ）におけるA−A線断面図である。(A) is a top view which shows a transmission surface, (b) is the sectional view on the AA line in (a). 図２（ａ）に示す各振動子の位置関係を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分拡大平面図である。FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a positional relationship between the vibrators illustrated in FIG. 2A, in which FIG. 2A is a plan view and FIG. 図２（ａ）に示す各振動子の配線を説明する配線図である。It is a wiring diagram explaining the wiring of each vibrator shown in FIG. 超音波送受波器１の第１〜第３グループ振動子の構成パターンを示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration pattern of first to third group transducers of an ultrasonic transducer 1. （ａ）は、超音波送受波器１の第１〜第３グループ振動子への遅延制御（位相制御に相当）を示すブロック図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す遅延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。(A) is a block diagram showing delay control (corresponding to phase control) to the first to third group transducers of the ultrasonic transducer 1 and (b) is a delay control shown in (a). It is a figure which shows the advancing direction of the transmission beam projected in the horizontal direction at the time of performing. 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。It is the schematic seen from the side surface for demonstrating the phase control of the ultrasonic wave transmitted from an ultrasonic transducer. 船体を基準にしたｘｙｚ直交座標系とビーム方向単位ベクトル（Ｂｅａｍ１，２，３の斜交座標系）との関係を示す図で、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は平面図である。It is a figure which shows the relationship between the xyz orthogonal coordinate system on the basis of a hull, and a beam direction unit vector (Beam coordinate system of Beam1,2,3), (a) is a whole perspective view, (b) is a top view. . 広帯域の周波数の超音波と送信方向との関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the relationship between the ultrasonic wave of a broadband frequency, and a transmission direction. 送信信号の波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the waveform of a transmission signal. 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。It is a figure which shows an example of the envelope shape of the power spectrum of a transmission waveform. 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。It is a figure which shows an example of the envelope shape of the power spectrum of a received waveform. 演算結果である相互相関出力を示す図である。It is a figure which shows the cross correlation output which is a calculation result. （ａ）は、位相制御を示すブロック図であり、（ｂ）は、（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。(A) is a block diagram which shows phase control, (b) is a figure which shows the advancing direction of the transmission beam projected in the horizontal direction at the time of performing the phase control shown to (a).

図１は、本発明に係るドップラー速度計の概略構成を示すブロック図である。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駆動信号を生成する送信駆動信号生成回路３１と、送信駆動信号を増幅する送信アンプ３２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、受信信号に含まれるドップラーシフト量の算出、及びそれに基づいて測定対象、例えば船舶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。 FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a Doppler velocimeter according to the present invention. The Doppler velocimeter includes an ultrasonic transducer 1 that transmits and receives an ultrasonic signal, a transmission / reception switch 2 that switches transmission / reception operations of the ultrasonic transducer 1, and a plurality of vibrations that constitute the ultrasonic transducer 1. A transmission drive signal generation circuit 31 that generates a transmission drive signal to be input to the child and a transmission amplifier 32 that amplifies the transmission drive signal are provided. The Doppler velocimeter includes a reception amplifier 4, a reception beam forming circuit 5 that forms a reception beam for each transducer of the ultrasonic transducer 1, and calculation of a Doppler shift amount included in the reception signal. And a Doppler processing unit 6 for calculating the speed of a measurement object, for example, a ship, and a display unit 7 composed of an LED or a plasma display for displaying the calculation result, and necessary instruction signals and driving for each unit. And a control unit 8 that outputs a control signal such as a signal.

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。 In the ultrasonic transducer 1, for example, a plurality of ultrasonic transducers having a plane parallel to the horizontal plane as a transmission surface are allocated to a predetermined number of channels, for example, 9 channels, and arranged in an array. The ultrasonic transducer 1 is mounted on, for example, the ship bottom, and the wave transmission surface is exposed toward the water.

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。 Here, the detailed structure of the ultrasonic transducer 1 will be described with reference to FIG. 2, FIG. 3, and FIG. Fig.2 (a) is a top view which shows a transmission surface, FIG.2 (b) is the sectional view on the AA line in Fig.2 (a). 3A and 3B are diagrams showing the positional relationship between the vibrators shown in FIG. 2A. FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a partially enlarged plan view. FIG. 4 is a wiring diagram for explaining the wiring of each vibrator shown in FIG. Although channel numbers are omitted in FIGS. 3A and 4, the arrangement of the vibrators is the same as that shown in FIG.

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、送信信号に含まれる所定周波数成分の波長λと、水平面と探知方向とのなす角である俯角θとにより予め設定されている。詳細は後述する。 The ultrasonic transducer 1 has an equilateral triangular lattice structure in which a transducer 100 is arranged at each vertex of an equilateral triangle having one side perpendicular to the bow-stern direction. If the arrangement pitch of the transducers 100 in the bow-stern direction (interval between transducer rows) is d, the length of one side of the equilateral triangle, that is, the distance between the centers of the transducers 100 is (2/3 ^1/2 ) d. It is. Note that the pitch d is preset by the wavelength λ of the predetermined frequency component included in the transmission signal and the depression angle θ that is an angle formed by the horizontal plane and the detection direction. Details will be described later.

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。 As shown in FIG. 2B, the ultrasonic transducer 1 is formed of a substrate 101 made of a ferroelectric material or the like and having a piezoelectric effect, and electrodes 102 formed on opposite sides of the substrate 101. Is done. In other words, each vibrator 100 is formed by forming the electrodes 102 at opposite positions on both surfaces of the piezoelectric substrate 101. The piezoelectric substrate 101 vibrates at a frequency peculiar to the substrate when a predetermined voltage is applied between the electrodes 102 on both sides. That is, the portion sandwiched between the electrodes 102 of the piezoelectric substrate 101 functions as a piezoelectric vibrator.

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。 In this embodiment, the vibrator 100 is divided into nine channels, and the vibrators 100a to 100c, 110e to 100g, and 100h to 100j of each channel are arranged with the positional relationship shown in FIGS. Has been. In FIGS. 2A and 3B, symbols are given only to the transducers representing each channel, and only the channel numbers to which other transducers belong are shown.

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。 As shown in FIG. 3B, equilateral triangles having a side length of (2/3 ^1/2 ) d with the centers of the first, second, and third channel vibrators 100a to 100c as vertices are formed. The side connecting the second and third channel vibrators 100b and 100c is perpendicular to the bow-stern direction, and the first channel vibrator 100a is disposed on the bow side with respect to this side. The fourth channel vibrator 100e is disposed at a position opposite to the second channel vibrator 100b with the third channel vibrator 100c interposed therebetween, and the fifth channel vibrator 100f has the third channel vibrator 100c interposed therebetween. It is disposed at a position opposite to the first channel vibrator 100a. The sixth channel vibrator 100g is arranged at a position that forms an equilateral triangle having a side length of (2/3 ^1/2 ) d together with the fourth channel vibrator 100e and the fifth channel vibrator 100f, in other words. For example, the sixth channel vibrator 100g is disposed at a position symmetrical to the third channel vibrator 100c with the line connecting the fourth and fifth channel vibrators 100e and 100f as a line symmetry reference. The seventh channel vibrator 100h is disposed at a position opposite to the fifth channel vibrator 100f with the sixth channel vibrator 100g interposed therebetween, and the eighth channel vibrator 100i has the sixth channel vibrator 100g interposed therebetween. It is disposed at a position opposite to the fourth channel vibrator 100e. The ninth channel vibrator 100j, together with the seventh channel vibrator 100h and the eighth channel vibrator 100i, is arranged at a position constituting an equilateral triangle having a side length of (2/3 ^1/2 ) d. In other words, the ninth channel transducer 100j is disposed at a position symmetrical to the sixth channel transducer 100g with the line connecting the seventh and eighth channel transducers 100h and 100i as a line symmetry reference. The ninth channel transducer 100j forms an equilateral triangle having a side length of (2/3 ^1/2 ) d with the first channel transducer 100a at the opposite position of the eighth channel transducer 100i. The second channel vibrator 100b is disposed at a position, and the fourth channel vibrator 100e is formed at a position where an equilateral triangle having a side length of (2/3 ^1/2 ) d is formed with the second channel vibrator 100b. Is arranged. The ultrasonic transducer 1 is formed by repeating a predetermined number of such nine-channel transducer array patterns vertically and horizontally.

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。 The vibrators 100a to 100c, 100e to 100g, and 100h to 100j formed in this way are wired in the wiring pattern shown in FIG. The first channel vibrators 100a arranged in a direction perpendicular to the bow-stern direction are connected in parallel by wiring patterns L12, L13, L14, and L15, and the wiring patterns L12 to L15 are connected to the port P1. . Similarly, the second channel vibrator 100b is connected in parallel to the port P2 through wiring patterns L21, L22, L23, L24, and L25, respectively, and the third channel vibrator 100c is connected to the wiring patterns L31, L32, L33, L34, and L35 is connected in parallel to port P3. The fourth channel vibrator 100e is connected in parallel to the port P4 through wiring patterns L41, L42, L43, L44, and L45, and the fifth channel vibrator 100f is connected to the wiring patterns L51, L52, L53, L54, and L55, respectively. Are connected in parallel to the port P5, and the sixth channel vibrator 100g is connected in parallel to the port P6 through wiring patterns L61, L62, L63, L64, and L65, respectively. Further, the seventh channel vibrator 100h is connected in parallel to the port P7 by wiring patterns L71, L72, L73, L74, and L75, respectively, and the eighth channel vibrator 100i is a port by wiring patterns L81, L82, L83, and L84, respectively. The ninth channel vibrator 100j is connected in parallel to P8 and connected in parallel to the port P9 through wiring patterns L91, L92, L93, and L94, respectively. The ports P <b> 1 to P <b> 9 are connected to each line of the bus line with the transmission / reception switch 2. The other terminals of the vibrators 100a to 100c, 100e to 100g, and 100h to 100j are grounded, for example, for each channel or common. As a result, all the vibrators are connected to the first channel to the ninth channel. The wiring pattern described above is realized by forming a wiring pattern electrode on one surface of the piezoelectric substrate 101 in the case where the electrodes 102 are formed on both opposing surfaces of the piezoelectric substrate 101. When used, it is realized by connecting the terminals of the vibration elements by wiring pattern electrodes or conductor wires formed on the surface of the insulating substrate.

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。 In this embodiment, the ultrasonic transducer 1 has nine channels of transducers 100 divided into three groups. Specifically, the first channel vibrator 100a to the third channel vibrator 100c are set as the first group, the fourth channel vibrator 100e to the sixth channel vibrator 100g are set as the second group, and the seventh channel vibrator is set. 100h to the ninth channel vibrator 100j are in the third group.

図５は、超音波送受波器１の第１〜第３グループ振動子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。 FIG. 5 is a plan view showing an arrangement pattern of the first to third group transducers of the ultrasonic transducer 1. As shown in FIG. 5, the first group transducer 110a, the second group transducer 110b, and the third group transducer 110c have a positional relationship in which the center-to-center distance is 2d and arranged in an equilateral triangular lattice. In the ultrasonic transducer 1, the transducers of each group are arranged at a pitch d in a direction parallel to the bow-stern direction and in a direction of ± π / 6 with respect to the bow-stern direction. . Specifically, the first group transducer 110a, the second group transducer 110b, and the third group transducer 110c are arranged with a pitch d in the order parallel to the bow-stern direction, and the bow-stern direction. Are arranged in the order of ± π / 6 with a pitch d in the order of the first group transducer 110a, the third group transducer 110c, and the second group transducer 110b.

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駆動信号を生成し、グループ毎に出力する送信駆動信号の位相制御を行う。図６（ａ）は、超音波送受波器１の第１〜第３グループ振動子への遅延制御（位相制御に相当）を示すブロック図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す遅延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。 The transmission drive signal generation circuit 31 generates a transmission drive signal for the transducer to transmit a transmission signal having a desired frequency according to the control signal input from the control unit 8, and controls the phase of the transmission drive signal output for each group. I do. FIG. 6A is a block diagram showing delay control (corresponding to phase control) to the first to third group transducers of the ultrasonic transducer 1, and FIG. 6B is a delay shown in FIG. It is a figure which shows the advancing direction of the transmission beam projected in the horizontal direction at the time of performing control.

送信信号に含まれる所定周波数成分の波長をλとすると、図６（ａ）に示すように、基準の送信駆動信号と、２λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号と、λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号とが、３系統のバスラインによりそれぞれ送受波切替器２に出力される。２λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号は、第１グループ振動子１１０ａを構成する第１〜第３チャンネルの振動子（１００ａ〜１００ｃ）にそれぞれバスラインおよびポートＰ１〜Ｐ３を介して出力される。λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号は、第２グループ振動子１１０ｂを構成する第４〜第６チャンネルの振動子（１００ｅ〜１００ｇ）にそれぞれバスラインおよびポートＰ４〜Ｐ６を介して出力される。そして、基準の送信駆動信号は、第３グループ振動子１１０ｃを構成する第７〜第９チャンネルの振動子（１００ｈ〜１００ｊ）にそれぞれバスラインおよびポートＰ７〜Ｐ９を介して出力される。なお、２λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号を基準にすると、λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号は所定周波数で２π／３[rad]だけ位相進み（進相）の送信駆動信号、基準の送信駆動信号は所定周波数で４π／３[rad]だけ進相の送信駆動信号と見なすことができる。 If the wavelength of the predetermined frequency component included in the transmission signal is λ, as shown in FIG. 6A, the reference transmission drive signal, the transmission drive signal delayed by 2λ / 3 [m], and λ / 3 [ The transmission drive signal delayed by m] is output to the transmission / reception switch 2 via the three bus lines. The transmission drive signal delayed by 2λ / 3 [m] is output to the first to third channel vibrators (100a to 100c) constituting the first group vibrator 110a via the bus line and ports P1 to P3, respectively. Is done. The transmission drive signal delayed by λ / 3 [m] is output to the fourth to sixth channel vibrators (100e to 100g) constituting the second group vibrator 110b via the bus line and ports P4 to P6, respectively. Is done. The reference transmission drive signal is output to the seventh to ninth channel vibrators (100h to 100j) constituting the third group vibrator 110c via the bus line and ports P7 to P9, respectively. If the transmission drive signal delayed by 2λ / 3 [m] is used as a reference, the transmission drive signal delayed by λ / 3 [m] is transmitted with a phase advance (advanced phase) by 2π / 3 [rad] at a predetermined frequency. The drive signal and the reference transmission drive signal can be regarded as a transmission drive signal advanced by 4π / 3 [rad] at a predetermined frequency.

このような送信駆動信号が各振動子に印加されると、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から送信される超音波信号は、図６（ｂ）に示すように、船首方向、この船首方向から右舷方向に２π／３[rad]だけ回転した右舷後方、及び船首方向から左舷方向に２π／３[rad]だけ回転した左舷後方の三方向であって、かつ等位相面に直交する方向である、水平方向に対して所定の俯角θの方向に進む。このため、これらの方向を進行方向とする３つの送信ビームＴｘＢｅａｍ１〜ＴｘＢｅａｍ３が形成される。なお、俯角θは周波数とピッチｄとで決まる。 When such a transmission drive signal is applied to each transducer, the ultrasonic signals transmitted from the first group transducer 110a, the second group transducer 110b, and the third group transducer 110c are shown in FIG. As shown in Fig. 3, there are three directions: bow direction, starboard rear side rotated by 2π / 3 [rad] from the bow direction to starboard direction, and port side rearward rotated by 2π / 3 [rad] from the bow direction to port side. In addition, the process proceeds in a direction of a predetermined depression angle θ with respect to the horizontal direction, which is a direction orthogonal to the equiphase surface. Therefore, three transmission beams TxBeam1 to TxBeam3 having these directions as traveling directions are formed. The depression angle θ is determined by the frequency and the pitch d.

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、図７は、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のフラットな面である。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。 FIG. 7 is a schematic view seen from the side for explaining the phase control of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer. Note that FIG. 7 is upside down for convenience of explanation. The wave transmission surface 1 </ b> A is a flat surface of the ultrasonic transducer 1. In an arbitrary cross section of the transmission surface 1A, the first group transducer 110a, the second group transducer 110b, and the third group transducer 110c are arranged in this order with a pitch d from one side.

今、ピッチｄを有する第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃに対して、順次２π／３[rad]ずつ移相した波長λの送信駆動信号を印加して超音波を送信するようにすると、このときのビームＴｘＢｅａｍ１の俯角（送波面１Ａからの傾斜角）θは、
ｄ・ｃｏｓθ＝λ／３＝ｃ／３ｆ０・・・（１）
（但し、ｃ＝ｆ０・λ）
と表される。 When an ultrasonic wave is transmitted by applying a transmission drive signal having a wavelength λ sequentially shifted by 2π / 3 [rad] to the first to third group transducers 110a to 110c having the pitch d. The depression angle (inclination angle from the transmission surface 1A) θ of the beam TxBeam1 at this time is
d · cos θ = λ / 3 = c / 3f0 (1)
(However, c = f0 · λ)
It is expressed.

続いて、図８を用いて船速とドップラーシフト量との関係について説明する。図８は、船体を基準にしたｘｙｚ直交座標系とビーム方向単位ベクトル（Ｂｅａｍ１，２，３の斜交座標系）との関係を示す図で、図８（ａ）は全体斜視図、図８（ｂ）は平面図である。図８において、ｙ軸は船首−船尾方向、ｘ軸は左舷−右舷方向、ｚ軸は上下方向である。また、Ｂｅａｍ１，２，３は、平面視では図８（ｂ）に示すようにｙ軸（右舷方向を基準方位としたときの方位角φ１）をＢｅａｍ１として、左舷後方２π／３（右舷方向を基準方位としたときの方位角φ３）にＢｅａｍ３が、右舷後方２π／３（右舷方向を基準方位としたときの方位角φ２）にＢｅａｍ２が設定され、かつ、それぞれ所定の俯角が設定されている。また、船体ＳＨの移動速度ベクトルをＶ（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）とする。 Next, the relationship between the boat speed and the Doppler shift amount will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the xyz orthogonal coordinate system based on the hull and the beam direction unit vector (the oblique coordinate system of Beams 1, 2, and 3). FIG. 8 (a) is an overall perspective view. (B) is a plan view. In FIG. 8, the y-axis is the bow-stern direction, the x-axis is the port-starboard direction, and the z-axis is the up-down direction. In addition, Beams 1, 2, and 3 in the plan view, as shown in FIG. 8 (b), the y-axis (azimuth angle φ1 when the starboard direction is a reference orientation) is Beam1, and the rear side 2π / 3 (the starboard direction is the starboard direction). Beam3 is set to the azimuth angle φ3 when the reference azimuth is set, Beam2 is set to the starboard rear 2π / 3 (the azimuth angle φ2 when the starboard direction is the reference azimuth), and a predetermined depression angle is set respectively. . Further, the moving speed vector of the hull SH is assumed to be V (Vx, Vy, Vz).

そして、超音波（ｆ０［Ｈｚ］）が送信された方向と船体ＳＨの移動速度ベクトルＶとなす角をΨとし、船体ＳＨの移動速度ｖ[m/s]、船体から送信され水中からの反射波に含まれるドップラーシフト量ｆｄ[Hz]、水中音速ｃ[m/s]とすると、ドップラーシフト量ｆｄは、
ｆｄ＝２ｖｃｏｓΨ・ｆ０／ｃ・・・（２）
と表される。 The angle between the direction in which the ultrasonic wave (f0 [Hz]) is transmitted and the moving speed vector V of the hull SH is Ψ, and the moving speed v [m / s] of the hull SH is transmitted from the hull and reflected from underwater. Assuming that the Doppler shift amount fd [Hz] and the underwater sound velocity c [m / s] included in the wave, the Doppler shift amount fd is
fd = 2v cos Ψ · f0 / c (2)
It is expressed.

今、Ｂｅａｍ２に着目すると、Ｂｅａｍ２の俯角をθとしたとき、Ｂｅａｍ２の単位ベクトルは、（ｃｏｓθｃｏｓφ２，ｃｏｓθｓｉｎφ２，−ｓｉｎθ）
となる。ここで、ｃｏｓΨは、内積の公式より、 Now, focusing on Beam2, when the angle of depression of Beam2 is θ, the unit vector of Beam2 is (cosθcosφ2, cosθsinφ2, -sinθ)
It becomes. Where cos Ψ is the inner product formula:

であるので、（式２）に代入すると、Ｂｅａｍ２により観測されるドップラーシフト量は、 Therefore, when substituting into (Equation 2), the Doppler shift amount observed by Beam2 is

となる。 It becomes.

そして、Ｂｅａｍ１，３において観測される各ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ３も同様の関係が成立するため、これらを行列表現を導入して表すと、船体の速度とドップラーシフト量との関係は、 Since the same relationship is established for each of the Doppler shift amounts fd1 and fd3 observed in Beams 1 and 3, when these are expressed by introducing a matrix expression, the relationship between the speed of the hull and the Doppler shift amount is

として表される。ここで簡単のため、各ビーム方向単位ベクトルのｘｙ平面（水平面）とのなす角である俯角を一律にθとし、さらに、φ１＝９０[deg]、φ２＝３３０[deg]、φ３＝２１０[deg]とする。このとき、（式５）は以下のようになる。 Represented as: Here, for simplification, a depression angle that is an angle between each beam direction unit vector and the xy plane (horizontal plane) is uniformly set to θ, and φ1 = 90 [deg], φ2 = 330 [deg], φ3 = 210 [ deg]. At this time, (Expression 5) is as follows.

すなわち、船体ＳＨの速度Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚは、水中音速ｃと、周波数ｆ０と、俯角θと、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３とを用いて表される。ここで、（式１）から得られるｃ／ｆ０＝３ｄｃｏｓθを、（式６）に代入すると、以下の通りとなる。 That is, the speeds Vx, Vy, and Vz of the hull SH are expressed using the underwater sound speed c, the frequency f0, the depression angle θ, and the Doppler shift amounts fd1, fd2, and fd3. Here, when c / f0 = 3 dcos θ obtained from (Expression 1) is substituted into (Expression 6), the result is as follows.

（式７）において、船体ＳＨの速度Ｖｘ，Ｖｙは、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３及びピッチｄから求められる。また、船体ＳＨの速度Ｖｚは、ｓｉｎθが関与するため、周波数依存性がある。しかし、速度Ｖｚは、船体ＳＨの上下方向への速度成分であるため、基本的には無視できるものであり、乃至は極めて小さい値であって周波数依存性の影響も小さい。ドップラー処理部６は、（式７）を予め記憶しておき、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３が検出された時点で、（式７）を用いて、Ｖｘ，Ｖｙを求め、あるいはＶｘ，Ｖｙ，Ｖｚを求めるようにすればよい。 In (Expression 7), the speeds Vx, Vy of the hull SH are obtained from the Doppler shift amounts fd1, fd2, fd3 and the pitch d. Further, the speed Vz of the hull SH has frequency dependency since sin θ is involved. However, since the velocity Vz is a velocity component in the vertical direction of the hull SH, the velocity Vz is basically negligible, or is an extremely small value and has little influence on frequency dependency. The Doppler processing unit 6 stores (Equation 7) in advance, and obtains Vx, Vy using (Equation 7) when the Doppler shift amounts fd1, fd2, and fd3 are detected, or Vx, Vy. , Vz may be obtained.

ところで、本実施形態においては、送信駆動信号生成回路３１は、所定の範囲を有する広帯域の送信駆動信号を生成する。従って、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃから広帯域の送信信号が送信される。このときの広帯域の周波数と送信方向とドップラーシフト量との関係を説明する。 By the way, in this embodiment, the transmission drive signal generation circuit 31 generates a wideband transmission drive signal having a predetermined range. Accordingly, broadband transmission signals are transmitted from the first to third group transducers 110a to 110c. The relationship among the wideband frequency, transmission direction, and Doppler shift amount at this time will be described.

図９は、広帯域の周波数の超音波と送信方向との関係を説明する説明図である。周波数ｆ１，ｆ２は送信周波数の帯域範囲内の任意の２つの周波数を示している。送波面１Ａにおいて送信方向にピッチｄで配置された第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃを用いて広帯域の超音波を送信すると、周波数によって俯角が異なる。 FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the ultrasonic wave having a wideband frequency and the transmission direction. The frequencies f1 and f2 indicate any two frequencies within the transmission frequency band range. When broadband ultrasonic waves are transmitted using the first to third group transducers 110a to 110c arranged at the pitch d in the transmission direction on the transmission surface 1A, the depression angle varies depending on the frequency.

今、図９に示すように、周波数ｆ１で俯角θ１、周波数ｆ２で俯角θ２とすると、
ｆ１ｃｏｓθ１＝ｆ２ｃｏｓθ２＝ｃ／３ｄ・・・（８）
が成立する。一方、各ドップラーシフト量Δｆ１，Δｆ２は、
Δｆ１＝２ｖｃｏｓθ１・ｆ１／ｃ・・・（９）
Δｆ２＝２ｖｃｏｓθ２・ｆ２／ｃ・・・（１０）
と表される。ところで、（式９）中のｃｏｓθ１・ｆ１と（式１０）中のｃｏｓθ２・ｆ２とは、（式８）より等しい。従って、Δｆ１＝Δｆ２となる。すなわち、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃから広帯域の超音波を送信ビームＴｘＢｅａｍ１〜ＴｘＢｅａｍ３として送信する実施形態においては、ドップラーシフト量は使用周波数に依存しない。すなわち、図８において、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３は使用周波数とは無関係であって、周波数依存性がない。 Now, as shown in FIG. 9, assuming that the depression angle θ1 at the frequency f1 and the depression angle θ2 at the frequency f2,
f1 cos θ1 = f2 cos θ2 = c / 3d (8)
Is established. On the other hand, each Doppler shift amount Δf1, Δf2 is
Δf1 = 2v cos θ1 · f1 / c (9)
Δf2 = 2v cos θ2 · f2 / c (10)
It is expressed. By the way, cos θ1 · f1 in (Expression 9) and cos θ2 · f2 in (Expression 10) are equal to (Expression 8). Therefore, Δf1 = Δf2. That is, in the embodiment in which broadband ultrasonic waves are transmitted as the transmission beams TxBeam1 to TxBeam3 from the first to third group transducers 110a to 110c, the Doppler shift amount does not depend on the used frequency. That is, in FIG. 8, the Doppler shift amounts fd1, fd2, and fd3 are irrelevant to the operating frequency and do not depend on the frequency.

そうすると、（式７）に示す船速の内、少なくともｘｙ面の船速は、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３及びピッチｄから求まるから、広帯域の周波数を使用しても何ら影響はない。 Then, at least the ship speed in the xy plane among the ship speeds shown in (Expression 7) is obtained from the Doppler shift amounts fd1, fd2, fd3 and the pitch d, and therefore there is no influence even if a wideband frequency is used.

これは、送信方向に向けられた振動子を用いて、広帯域の周波数信号で送信する態様を採用した場合には、当該送信方向に対して広帯域内の全ての周波数が含まれ、その結果、各周波数に応じたドップラーシフトが生じる。従って、送信方向からの反射波中に周波数に応じたドップラーシフト成分が混在し、つまりドップラーシフト量が使用周波数に依存したものとなる。詳細には、送信周波数が高い程、ドップラーシフト量も比例的に大きく現れる。しかし、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃを用いて広帯域の周波数信号を送信する態様では、ドップラーシフト量は周波数依存性を有しない。 This is because, when a mode of transmitting with a wideband frequency signal using a vibrator directed in the transmission direction is adopted, all frequencies in the wideband are included with respect to the transmission direction. A Doppler shift corresponding to the frequency occurs. Therefore, the Doppler shift component corresponding to the frequency is mixed in the reflected wave from the transmission direction, that is, the Doppler shift amount depends on the use frequency. Specifically, the higher the transmission frequency, the larger the Doppler shift amount appears proportionally. However, in a mode in which wideband frequency signals are transmitted using the first to third group transducers 110a to 110c, the Doppler shift amount does not have frequency dependency.

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。 Next, the operation of the transmission drive signal generation circuit 31 will be described. As described above, the ultrasonic signal transmitted from the ultrasonic transducer 1 is a broadband signal having a predetermined wavelength range.

図１０は、送信信号の波形の一例を示し、図１１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１０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、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。 FIG. 10 shows an example of the waveform of the transmission signal, and FIG. 11 is a diagram showing an example of the envelope shape of the power spectrum of the transmission waveform. Although a predetermined wideband transmission signal can be generated by various methods, in this embodiment, a wideband signal encoded by the binary phase shift keying (BPSK method) shown in FIG. Is used as a transmission signal. This method is as described in a patent application (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-292668) relating to the present applicant, and will be briefly described below. The transmission drive signal generation circuit 31 transmits this transmission signal from the ultrasonic transducer 1 every time measurement is performed.

送信信号は４つの同じエレメントからなり、各エレメントは上記符号化がされた７つのサブパルスからなる。図において、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。上記の時間幅Ｔａは、例えば０．７ｍｓ程度であり、サブパルスの周波数（キャリア周波数）は、例えば２５０ｋＨｚ程度である。尚、他の符号パターン（例えば、＋１＋１＋１−１＋１−１−１）を使用すると図１１に示す送信波形のパワースペクトルの包絡線形状が変化する。 The transmission signal is composed of four identical elements, and each element is composed of seven sub-pulses that are encoded as described above. In the figure, Ta is the time width of the transmission signal, Tb is the time width of the element, and Tc is the time width of the subpulse. The time width Ta is about 0.7 ms, for example, and the frequency of the subpulse (carrier frequency) is about 250 kHz, for example. If another code pattern (for example, + 1 + 1 + 1-1 + 1-1-1) is used, the envelope shape of the power spectrum of the transmission waveform shown in FIG. 11 changes.

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。なお、６方向のうちの他の３方向は、図６の位相差を第２グループ振動子１１０ｂに対して４π／３と、第３グループ振動子１１０ｃに対して２π／３とすることで得ることができる。 A reception signal including an echo signal received by each transducer 100 is amplified by a reception amplifier 4, passes through a reception beam forming circuit 5, and is further converted to a digital signal by an A / D converter (not shown). The data is temporarily stored in a buffer memory (not shown) in the processing unit 6. The Doppler velocimeter reads an echo signal at one or a plurality of set depths in the received signal and an echo signal from the seabed from the buffer memory, and calculates and outputs each Doppler shift amount fd. The Doppler processing unit 6 obtains a Doppler shift amount from received signals from three directions (or six directions). The other three directions among the six directions are obtained by setting the phase difference of FIG. 6 to 4π / 3 for the second group transducer 110b and 2π / 3 for the third group transducer 110c. be able to.

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。潮流の速度及び向きは、対水船速（または対地船速）Ｖに基づいて求めればよい。 The display unit 7 displays the calculation result for notification. For example, arrows based on the route are displayed at predetermined intervals, the direction of the tidal current is indicated by the direction of the arrow, and the speed of the tidal current is indicated by the length of the arrow. Is shown. What is necessary is just to obtain | require the speed and direction of a tidal current based on the ship speed (or ship speed) V against water.

制御部８は、ＣＰＵ（中央演算処理部）や、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、メモリ（プログラムメモリおよびデータメモリ）などから構成され、各種の演算やドップラー速度計の各部の制御などを行う。 The control unit 8 includes a CPU (central processing unit), a DSP (digital signal processor), a memory (program memory and data memory), etc., and performs various calculations and control of each part of the Doppler velocimeter.

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１１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１０Ｈｚ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設定することで、広帯域を実現している。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。 The Doppler processing unit 6 performs discrete Fourier transform on the transmission waveform using a fast Fourier transform algorithm by DFT (Discrete Fourier Transform) to convert the transmission waveform in the time domain into an amplitude spectrum in the frequency domain. Further, the power spectrum shown in FIG. 11 is generated by squaring the amplitude spectrum. The power spectrum Pt [fi] (fi is the frequency of the power spectrum Pt [i]) is generated with a predetermined wavelength, for example, a resolution of about 10 Hz. A wide band is realized by setting one section of each spectrum as a unit of several [KHz] and setting several centroid calculation sections. Due to the nature of the discrete Fourier transform and the transmission waveform, the power spectrum Pt [fi] is distributed in the range of 2 / Tc, the center frequency f0, that is, the frequency f0 of the peak 51 is equal to the frequency of the subpulse, and the frequency of the adjacent peak The difference is 1 / Tb, and the width of each peak (zero cross width of each peak) is 2 / Ta.

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１１参照、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。 The Doppler processing unit 6 uses the center-of-gravity frequency calculation function to position each peak 51 and the like at the center of each center-of-gravity calculation section Wt [k] (k = 1 to n) (see also FIG. 11, also referred to as Wt [1: n]). The center-of-gravity calculation section Wt [k] is determined as follows. Next, using the power spectrum Pt [fi] as a weight, the center-of-gravity frequency fwt [k] (k = 1 to n) is calculated by the following equation for each center-of-gravity calculation section Wt [k].

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。 fwt [k] = Σ (Pt [fj] · fj) / ΣPt [fj]
Here, Pt [fj] is a power spectrum belonging to the centroid calculation section Wt [k].

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１２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１２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１１のピーク間の周波数差（１／Ｔｂ）に略等しい。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。 The Doppler processing unit 6 squares the amplitude spectrum by DFT to generate the power spectrum Pr [fi] (fi is the frequency of the power spectrum Pr [i]) shown in FIG. Further, it can be seen from FIG. 12 that the center frequency of the power spectrum Pr [fi], that is, the frequency of the peak 61 is shifted by Δfa from the center frequency f0 of the power spectrum Pt [fi] of the transmission waveform. This Δfa can be treated as a Doppler shift amount. The frequency difference between adjacent peaks is substantially equal to the frequency difference (1 / Tb) between the peaks in FIG. The Doppler processing unit 6 calculates and outputs a Doppler shift amount from the power spectrum Pt [fi] of the transmission waveform and the power spectrum Pr [fi] of the received signal. The Doppler processing unit 6 functions as Doppler measurement means, and performs a cross-correlation process between the power spectra Pt [fi] and Pr [fi]. That is, while shifting the power spectrum Pt [fi] by the predetermined resolution with respect to the power spectrum Pr [fi], the product-sum operation of both power spectra is performed in each shift state, and the calculation result is output.

図１３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。 FIG. 13 shows a cross-correlation output that is a calculation result. The maximum peak 71 located at the center is when the peak 51 of the power spectrum Pt [fi] coincides with the peak 61 of the power spectrum Pr [fi], and is shifted from the center frequency f0 of the transmission waveform by Δfb. . The peak 72 is obtained when the peak 51 coincides with the peak 62, and the peak 73 is obtained when the peak 51 coincides with the peak 63. The Doppler processing unit 6 detects the peak 71 having the maximum value among the cross-correlation outputs, and treats the frequency difference Δfb obtained by subtracting the center frequency f0 of the transmission waveform from the frequency of the peak 71 as the Doppler shift amount. The Doppler shift amount is not limited to the above method. For example, the Doppler shift amount fd with higher measurement accuracy may be obtained using the Doppler shift amount obtained by the product-sum operation as described above as an initial value.

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つのグループ振動子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの信号に基づいて、受信ビームＲｘＢｅａｍ１〜受信ビームＲｘＢｅａｍ３（あるいは必要に応じて、受信ビームＲｘＢｅａｍ１〜受信ビームＲｘＢｅａｍ３とは逆方向となる３方向）を形成する。 Next, the operation during reception will be briefly described. At the time of reception, the transmission / reception switching unit 2 outputs the reception signals received by the first channel transducer 100a to the ninth channel transducer 100j to the reception beam forming circuit 5 through individual bus lines. The reception beam forming circuit 5 receives the reception beam RxBeam1 to reception beam RxBeam3 (or the reception beam RxBeam1 to reception beam RxBeam3 as necessary) based on the signals of the three group transducers 110a, 110b, and 110c selected. 3 directions that are opposite directions).

なお、本発明は、以下の態様を採用することができる。 The present invention can adopt the following aspects.

（１）本実施形態では、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃに、０[rad]、２π／３[rad]，４π／３[rad]（あるいは０[rad]、４π／３[rad]，２π／３[rad]）の位相で送信駆動信号を出力するようにしたが、これに代えて、送信駆動信号生成回路３１によって、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃのうちのいずれかの２つのグループ振動子に互いにπ[rad]の位相差で送信駆動信号を出力するようにしてもよい。送信駆動信号については、図１０に示す送信信号を採用してもよい。図１４（ａ）は、位相制御を示すブロック図であり、図１４（ｂ）は、図１４（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１４（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駆動信号とが、所定の２種類、例えば第１グループ振動子１１０ａと第３グループ振動子１１０ｃとに入力される。 (1) In the present embodiment, 0 [rad], 2π / 3 [rad], 4π / 3 [rad] (or 0 [rad], 4π / 3 [ rad], 2π / 3 [rad]), the transmission drive signal is output, but instead of this, the transmission drive signal generation circuit 31 uses the first to third group transducers 110a to 110c. A transmission drive signal may be output to any one of the two group transducers with a phase difference of π [rad]. As the transmission drive signal, the transmission signal shown in FIG. 10 may be adopted. FIG. 14A is a block diagram illustrating phase control, and FIG. 14B is a diagram illustrating the traveling direction of the transmission beam projected in the horizontal direction when the phase control illustrated in FIG. 14A is performed. It is. As shown in FIG. 14A, a reference transmission drive signal and a transmission drive signal having phases different by π (rad: radians) are two predetermined types, for example, a first group transducer 110a and a third group vibration. Input to the child 110c.

位相差π（rad）を有する送信駆動信号が第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１４（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、所定の俯角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。 When a transmission drive signal having a phase difference π (rad) is input to the first group transducer 110a and the third group transducer 110c, the ultrasonic signals are transmitted in the bow direction, stern, as shown in FIG. For a total of six directions, a direction rotated ± π / 3 (rad) from the bow direction to the port and starboard directions, and a direction rotated ± π2 / 3 (rad) from the bow direction to the port and starboard directions It is transmitted with a depression angle θ. That is, six transmission beams TxBeam1 to TxBeam3 and TxBeam1 'to TxBeam3' are set.

（２）本実施携帯では、水平面上の２π／３[rad]毎の方向（ビーム送信方向）からのドップラーシフト量を得るようにしたが、少なくとも複数方向からのドップラーシフト量を得るようにすればよい。すなわち、平面上で複数方向に所定ピッチを有して振動子が配列され、各方向に対して位相差を利用して超音波を送信することで所定の俯角方向に位相合成された超音波を送信する態様であればよい。さらに、ｘｙｚ座標系とビーム送信方向との変換式を利用してドップラーシフト量と船体の速度との行列式を予め設定しておけばよい。 (2) In this embodiment, the Doppler shift amount from the direction (beam transmission direction) every 2π / 3 [rad] on the horizontal plane is obtained, but at least the Doppler shift amount from a plurality of directions is obtained. That's fine. That is, transducers are arranged with a predetermined pitch in a plurality of directions on a plane, and ultrasonic waves that are phase-synthesized in a predetermined depression angle direction are transmitted by using the phase difference in each direction. Any mode may be used as long as it is transmitted. Furthermore, a determinant of the Doppler shift amount and the speed of the hull may be set in advance using a conversion formula between the xyz coordinate system and the beam transmission direction.

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（送信手段）
５受波ビーム形成回路
６ドップラー処理部（ドップラーシフト量検出手段、速度算出手段）
７表示部
８制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmitter / receiver 100,100a-100c, 100e-100j Channel vibrator 110a-110c Group vibrator 2 Transmission / reception switch 31 Transmission drive signal generation circuit (transmission means)
5 Received beam forming circuit 6 Doppler processing unit (Doppler shift amount detecting means, speed calculating means)
7 Display unit 8 Control unit

Claims

In a Doppler velocimeter that measures the speed of the moving body from the Doppler shift amount included in the reflected signal of the ultrasonic wave transmitted from the moving body into the water,
Each arranged in an array with a predetermined Tokoro Teipi pitch multiple directions on a plane, including a plurality of transducers for transmitting ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer which is mounted on the movable body ,
By outputting a wideband transmission signal to each of the plurality of transducers so as to have a predetermined phase difference between the transducers in each column arranged in the predetermined plurality of directions, Transmitting means for forming the plurality of transmission beams so as to have a plurality of depression angles different for each frequency toward the azimuth;
Doppler for detecting the respective Doppler shift from the received signal of the predetermined plurality of directions at an in the plant Teipi pitch wideband transmission signals transmitted to the plurality of depression in a direction determined from the ultrasound frequency Shift amount detection means;
Speed calculating means for calculating the speed of the moving body from the information of the Doppler shift amount of the predetermined plurality of directions and the predetermined pitch ,
The ultrasonic transducer has an equilateral triangular lattice-shaped intersection, and the first to third azimuths every 2π / 3 are defined as a plurality of predetermined azimuths, and each azimuth has a predetermined pitch in an array form. With a plurality of transducers arranged in a
The transmission means outputs a broadband transmission signal having a predetermined phase difference between the transducers in each column arranged in the first to third orientations,
The Doppler shift amount detection means detects each Doppler shift amount corresponding to the first to third directions,
The velocity calculation means, a Doppler velocimeter according to the first to third feature that you calculate the velocity of the moving object from the information of the Doppler shift amount and the predetermined pitch corresponding to the azimuth.

The speed calculation means includes a storage unit that stores in advance an arithmetic expression for calculating the speed of the moving body from the information of each Doppler shift amount and the predetermined pitch, and calculates the speed using the arithmetic expression. The Doppler velocimeter according to claim 1, wherein

3. The Doppler velocimeter according to claim 1, wherein the speed calculation unit is a speed of the moving body and calculates a speed on a horizontal plane. 4.