JP6977547B2 - ソーナー装置および物体検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、ソーナー装置および物体検知方法に関する。

水中を走る航走体は、通常は前方探索を実施する。特に前方遠距離の探索を行うためには、探知距離に有利となるよう、伝搬損失の小さい低周波ソーナーが用いられる。一方で、目的の物体が近付いてきた場合には、航走体横方向の検知もする必要がある。このような横方向の検知は、横方向に指向性を持つビームを形成することで行うことができる。このような近接探知では、探知距離が短くても良く、また分解能や指向性利得を高くした方が有利であるため、一般的に、前方探索ソーナーに比して高い周波数の音波が用いられることが多い。

上記の前方遠距離と横方向近距離の両方の物体検知を効率よく行う技術が、例えば特許文献１に開示されている。この技術では、ソーナーの送受波器を構成する振動子アレイを、近距離用センサ群と遠距離用センサ群の両方を用いて構成している。

特開２００９−２６４９６５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、１種類のセンサ群を設ける場合よりも、装置が大型化するという問題点があった。これは、２種類のセンサ群を別々に設けているため、それぞれのセンサ群に、専用のスペースが必要なためである。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、装置を大型化することなく、前方の物体検知と横方向の物体検知の両方を可能とするソーナー装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、ソーナー装置は、広帯域振動子アレイと、低周波ビーム送受波制御手段と、高周波円環状ビーム送受波制御手段と、物体検知手段とを有している。広帯域振動子アレイは、低周波振動と高周波振動とを発生させる広帯域振動子を複数配列したものである。低周波ビーム送受波制御手段は、広帯域振動子アレイが低周波狭角ビームを送受波するように広帯域振動子アレイを制御する。高周波円環状ビーム送受波制御手段は、広帯域振動子アレイが、中空円錐状の高周波円環状ビームを送受波するように、広帯域振動子アレイを制御する。物体検知手段は、広帯域振動子アレイが受波した音響信号を解析して物体を検知する。

本発明の効果は、装置を大型化することなく、前方の物体検知と横方向の物体検知の両方を可能とするソーナー装置を提供できることである。

第１の実施形態のソーナー装置を示すブロック図である。 第２の実施形態のソーナー装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態のソーナー装置で用いる複合型振動子の一例を示す斜視図である。 第２の実施形態の広帯域振動子アレイの一例を示す平面図である。 第２の実施形態の前方探索時のビーム形状を示す模式図である。 第２の実施形態で複数周波数を使用する時のタイミングチャートである。 第２の実施形態の横方向探索時の広帯域振動子駆動方法の一例を示す平面図である。 第２の実施形態の横方向探索時のビーム形状を示す模式図である。 第２の実施形態の横方向探索時の指向性の一例を示すグラフである。 第３の実施形態の横方向探索時の広帯域振動子駆動方法の一例を示す平面図である。 第３の実施形態の横方向探索時の広帯域振動子駆動方法の別の一例を示す平面図である。 第３の実施形態の横方向探索時の指向性の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のソーナー装置を示すブロック図である。ソーナー装置は、広帯域振動子アレイ１と、低周波ビーム送受波制御手段２と、高周波円環状ビーム送受波制御手段３と、物体検知手段４とを有している。

広帯域振動子アレイ１は、低周波振動と、この低周波振動よりも周波数の高い高周波振動とを発生させることが可能な広帯域振動子を複数配列したものである。

低周波ビーム送受波制御手段２は、広帯域振動子アレイ１が低周波ビームを送受波するように広帯域振動子アレイ１を制御する。

高周波円環状ビーム送受波制御手段３は、広帯域振動子アレイ１が高周波円環状ビームを送受波するように広帯域振動子アレイ１を制御する。ここで円環状ビームとは、広帯域振動子アレイ１を頂点とする中空円錐状のビームである。

物体検知手段４は、広帯域振動子アレイ１が受波した音響信号を解析して物体を検知する。

上記の構成によれば、１種類の広帯域振動子をアレイ状に配列した広帯域振動子アレイを用いて、前方探索に適した低周波ビームと、近接探知に適した高周波円環状ビームの両方を送受波することが可能である。このため、装置を大型化することなく、前方遠距離の物体検知と横方向近距離の物体検知の両方を行うことができる。

（第２の実施形態）
図２は、本実施形態のソーナー装置を示すブロック図である。ソーナー装置は、広帯域振動子アレイ１００と、送受信回路２００と、プロセッサ３００とを有している。そして、プロセッサ３００は、低周波振動制御部３１０と、高周波振動制御部３２０と、音響解析部３３０とを有している。

広帯域振動子アレイ１００は、複数の広帯域振動子１１０＿１、１１０＿２、・・・１１０＿ｎを２次元的に配列したものである。

送受信回路２００は、低周波振動制御部３１０と高周波振動制御部３２０の制御により、広帯域振動子アレイ１００を構成する広帯域振動子１０１を駆動して音響波の送波および受波を行わせる。

低周波振動制御３１０は、送受信回路２００を制御して、それぞれの広帯域振動子１０１を駆動させ、低周波振動波を送受波させる。この時、後述する方法により、広帯域振動子アレイ１００が、低周波ビームを送受波するように制御する。

高周波振動制御３２０は、送受信回路２００を制御して、それぞれの広帯域振動子１０１を駆動させ、高周波振動波を送受波させる。この時、後述する方法により、広帯域振動子アレイ１００が、高周波ビームを送受波するように制御する。

音響解析部３３０は、広帯域振動子アレイ１００が送受波し、送受信回路で電気信号に変換された音響信号を解析し、物体を検知する。

図３は、広帯域振動子アレイ１００を構成する広帯域振動子１１０の一例である複合型振動子１１０ａを示す斜視図である。複合型振動子１１０ａは、低周波振動子１１１ａと、高周波振動子１１２ａと、フロントマス１１３ａと、リアマス１１４ａと、音響整合層１１５ａとを有している。

低周波振動子１１１ａは、低周波数の音響信号の送受波を行うための低周波振動を発生または受信する。低周波振動子１１１ａは、フロントマス１１３ａとリアマス１１４ａに挾持され、低周波振動の共振系を形成する。いわゆるランジバン型振動子となっている。

高周波振動子１１２ａは、高周波数の音響信号の送受波を行う高周波振動を発生または受信する。本例では、高周波振動子１１２ａは、１つの低周波振動子１１１ａに対して複数設けられ、それぞれの高周波振動子の一端面はフロントマス１１３ａに固着され、他端には音響整合層１１５ａが配設されている。そして、それぞれの高周波振動子１１２ａは、相互に隙間をもって配列されている。なお高周波振動子には、例えば積層型圧電振動子を用いることができる。

複合型振動子１１０ａが低周波振動を発生する場合には、低周波振動子１１１ａが自発振動し、高周波振動子１１２ａは自発振動せずに音響整合層１１５ａと同じ音響インピーダンスで動作する。

複合型振動子１１０ａが高周波振動を発生する場合には、高周波振動子１１２ａが自発振動し、フロントマス１１３ａが、高周波振動子１１２ａのパッキング板となるように動作する。バッキング板は、音響インピーダンスをミスマッチングさせることで、フロントマス１１３ａからリアマス１１４ａ方向への振動伝達を抑圧する。こうして、高周波数の振動に対して低周波数用振動子１１１ａやリアマス１１４ａが高周波振動に関与しないようにしている。高周波振動子１１２ａ同士の間隔は、例えば使用する高周波音波の１／２波長程度にすることができる。

上記の複合型振動子１１０ａの具体的な構成と動作は、特許第２９７２７４１号公報に開示されている。そして、同公報に開示されている他の複合型振動子１１０ａの具体的構成のバリエーションも同様に本実施形態に適用できる。

図４は、広帯域振動子アレイ１０における広帯域振動子１１０の配列の一例を示す平面図である。ここでは、広帯域振動子１１０の平面形状が矩形で、１つの低周波振動子１１１ａに対し４つの高周波振動子１１２ａが設けられている例を示している。そして複数の複合型振動子１１０ａが全体として略円形となるような配列としている。複合型振動子１１０ａのピッチは、例えば使用する低周波音波の１／２波長程度にすることができる。

ソーナー装置が前方遠距離探索を実施する場合には、広帯域振動子アレイ１００を構成する複数の複合型振動子１１０ａの低周波振動子１１１ａを同位相で振動させる。図４の例では、低周波振動子１１１ａの位相設定を０°としている。

航走体１０００に搭載したソーナー装置１１００が上記の動作を行った時に送受波される送受波ビーム２０００の模式図を図５に示す。図５に示すように、送信ビームは中実円錐状に放射され、その断面２０００ａは略円形となる。なお、全ての高周波振動子１１２ａを同位相で動作させた時も同様のビーム形状となる。ここで、中実とは、中身が詰まっていること指している。すなわち中空の反対である。

アクティブソーナーの原理から明らかなように、複合型振動子１１０ａは、送信ビームをパルス送信してから目標物体からの反響音を受信するまでの、次のパルス送信を行うことができない。このため、一周波数で送受波を行った場合には、往復音波伝搬時間により定まるデータサンプリングレート以上のデータレートを得ることができない。しかしながら、複数の周波数の音波を用いることにより、データレートを高めることが可能である。この技術は、例えば特開平１−１７０８８５に開示されている。

図６に、３つの周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃを用いて送受波を行う場合のタイミングチャートの一例を示す。図６では、まず時刻ｔ１に周波数ｆａのパルスを送信し、主に音波の往復伝搬時間で定まる時間Ｒａ後の時刻ｔ４に反響音信号を受信する。そして、ｔ１から周期Ｔａ後の時刻ｔ７に次のパルスを送信する。

周波数ｆｂの送信パルスは、時刻ｔ１から時間Ｄ後の時刻ｔ２に送信する。そして、周波数ｆａのパルスと同様に、主に音波の往復伝搬時間で定まる時間Ｒｂ後の時刻ｔ５に反響音信号を受信する。

周波数ｆｃの送信パルスは、時刻ｔ２から時間Ｄ後の時刻ｔ３に送信する。そして、周波数ｆｂのパルスと同様に、主に音波の往復伝搬時間で定まる時間Ｒｃ後の時刻ｔ６に反響音信号を受信する。上記では、周波数ｆａの２回目のパルスを送信する時刻ｔ７より時刻ｔ６が前になるように、それぞれの周波数のパルスの送信周期を設定する。

上記のような動作とすることにより、３つの周波数の音波を用いて探索を行うことで、データレートを約３倍に高めることができる。

次に横方向の探索を行うためにビームに横方向の指向性を持たせ、円環状ビームを形成する方法について説明する。ビームの横方向の指向性は、複数の高周波振動子１１２ａの中に、同位相のものと逆位相のものとの対を作ることによって付与することができる。なお、低周波振動子１１１ａを用いて横方向の指向性を付与することも不可能ではないが、低周波振動では波長が長いため、振動子配列のピッチを１／２波長以上とするために、広帯域振動子アレイ全体が大型化するという問題がある。また、低周波ビームは、分解能や指向性利得が高周波ビームに劣るという問題もある。

図７に、高周波円環状ビームを送受波する動作の一例を示す。図７において、ドット模様の高周波振動子の位相設定を０°、斜線模様の高周波振動子の位相設定を１８０°としている。図７に示すように、位相設定０°の高周波振動子と、位相設定１８０°の高周波振動子とが、広帯域振動子アレイの中心から外側に向かって交互に並ぶような配列としている。この例では、位相設定０°の高周波振動子が形成する略円周状の配列と、位相設定１８０°の高周波振動子が形成する略円周状の配列とが、交互に並ぶ略同心円状の配列が形成されている。

航走体１０００に搭載したソーナー装置１１００が図７の動作を行った時に形成される円環状送受波ビーム２１００の形状の模式図を図８に示す。図８に示すように、指向性が広帯域振動子アレイの回りに３６０°に渡って形成され、送受波ビームはコーン（中空円錐）状になる。こうして形成された円環状送受波ビーム２１００の断面２１００ａは、円周に近い楕円周状の形状となる。

円環状ビームを用いた近接物体の検知には、次の３通りの方法がある。１）全部の振動子を同位相で駆動して中実円錐状の送信ビームを形成し、円環状の受信ビームで反響音を受波する。２）円環状の送信ビームを送波し、中実円錐状の受信ビームで受波する。３）円環状の送信ビームを送信し、円環状の受信ビームで反響音を受波する。上記１）、２）、３）いずれの方法を用いるかは、装置の性能や検出対象などに応じて適宜選択すれば良い。なお、当然のことながら、全部の高周波振動子を同位相として駆動して送信ビームを送波する方が、円環状ビームを送波するよりも音響パワーを大きくすることができる。以上説明したように、円環状の送受波ビームを用いることで、近接検知に有用な、横方向の物体検知が可能となる。
（実施例１）
図７の動作を行った場合の指向性の理論計算を行った。周波数は１００ｋＨｚ、高周波振動子のピッチは７．６ｍｍである。図９は、その計算結果を示すグラフである。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれが、ビームの進行方向を軸とした水平面、４５°面、垂直面についての結果である。メインローブの方向は、それぞれ、３０°、３８°、３０°であった。グラフ中の数字（ｄＢ）は、音響パワーを示しており、サイドローブの音響パワーは、メインローブの音響パワーより約２ケタ小さくなった。

以上説明したように、本実施形態によれば、１種類の振動子を平面的に配列した振動子アレイを用いて、前方に加えて、横方向の物体探索が可能になる。すなわち、装置を大型化することなく、遠方、近接両方の物体探索に対応することができる。

（第３の実施形態）
第２の実施形態の図７に示した位相設定０°の高周波振動子と、位相設定１８０°の高周波振動子の配置は、あくまで一例であり、他の配置とすることもできる。図１０は複合型振動子１１０ａが、千鳥状には配列した例を示す平面図である。この場合も、広帯域振動子アレイ１００の中心から外側に向かって、位相設定０°の高周波振動子と、位相設定１８０°の高周波振動子とが交互に並ぶようにすることで、円環状ビームを形成することができる。

図１１は、広帯域振動子アレイの別のレイアウトを示す平面図である。この例では、１つの低周波振動子に対して３×３＝９個の高周波振動子が設置された複合型振動子を用いている。そして、図面の水平方向と垂直方向に、位相設定０°の高周波振動子と、位相設定１８０°の高周波振動子とが交互に並ぶように位相を設定している。このように、簡素な動作設定としても、円環状の送受波ビームを展開することができる。位相を反転する高周波振動子の配列をシンプルにすると、送受信回路が簡単になり、使用する電子部品も少なくできるためコストが低く抑えることができる。なお、上記の例のように、逆位相の
高周波振動子が配列する方向は、直行する２方向を含む方が、円形に近い断面の円環状ビームを形成することができるが、直行していなくても楕円状の断面を持つ円環状ビームを形成することが可能である。
（実施例２）
図１１の動作を行った場合の指向性の理論計算を行った。周波数は１００ｋＨｚ、高周波振動子のピッチは７．６ｍｍである。図１２は、その計算結果を示すグラフである。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれが、ビームの進行方向を軸とした水平面、４５°面、垂直面についての結果である。メインローブの方向は、それぞれ、２１°、３１°、２１°であった。実施例１に比べて、方位ごとの指向幅やサイドローブの差が大きくなってはいるが、円環状の指向性を付与できていることが確認できた。

上述した第１乃至第３の実施形態の処理を、コンピュータに実行させるプログラムおよび該プログラムを格納した記録媒体も本発明の範囲に含む。記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ、などを用いることができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１、１００ 広帯域振動子アレイ
２ 低周波ビーム送受波制御手段
３ 高周波円環状ビーム送受波制御手段
４ 物体検知手段
１１０ 広帯域振動子
１１０ａ 複合型振動子
２００ 送受信回路
３００ プロセッサ
３１０ 低周波振動制御部
３２０ 高周波振動制御部
３３０ 音響解析部
１０００ 航走体
２０００ 送受波ビーム
２１００ 円環状送受波ビーム

Claims (8)

1. 低周波振動および高周波振動の発生が可能な広帯域振動子を２次元的に複数配列した広帯域振動子アレイと、
   前記広帯域振動子アレイが低周波ビームを送受波するように前記広帯域振動子アレイを制御する低周波ビーム送受波制御手段と、
   前記広帯域振動子アレイが高周波円環状ビームを送受波するように前記広帯域振動子アレイを制御する高周波円環状ビーム送受波制御手段と、
   前記広帯域振動子アレイが受波した音響信号に基づいて物体を検知する物体検知手段と、を有し、
   前記広帯域振動子アレイが、
   第１の位相で高周波振動する第１の広帯域振動子と、
   前記第１の位相と逆位相で高周波振動する第２の広帯域振動子と
   を有し、
   前記広帯域振動子アレイが、前記広帯域振動子アレイが２次元的に配列した面の法線に対して垂直な方向に指向性を持つ前記高周波円環状ビームを送受波するように、前記第１の広帯域振動子と前記第２の広帯域振動子とを配列している
   ことを特徴とするソーナー装置。
2. それぞれの前記広帯域振動子が、
   前記低周波振動を発生する低周波振動子と、前記高周波振動を発生する高周波振動子とを含む複合型振動子である
   ことを特徴とする請求項１に記載のソーナー装置。
3. 前記広帯域振動子アレイが、
   前記第１の広帯域振動子が連続する第１の広帯域振動子群と、前記第２の広帯域振動子が連続する第２の広帯域振動子群とが、前記広帯域振動子アレイの中心から外側に向かって交互に並ぶ配列を含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のソーナー装置。
4. 前記第１の広帯域振動子群と前記第２の広帯域振動子群とが交互に並ぶ配列が、
   前記広帯域振動子アレイのアレイ面内の少なくとも異なる２方向に形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載のソーナー装置。
5. 前記２方向が、互いに直交する
   ことを特徴とする請求項４に記載のソーナー装置。
6. 前記第１の広帯域振動子群と前記第２の広帯域振動子群とが、略同心円状に交互に配列していることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のソーナー装置。
7. 低周波振動と高周波振動とを発生させる広帯域振動子を２次元的に複数配列した広帯域振動子アレイを形成し、
   前記広帯域振動子アレイが低周波ビームを送受波するように前記広帯域振動子アレイを制御し、
   前記広帯域振動子アレイが高周波円環状ビームを送受波するように前記広帯域振動子アレイを制御し、
   前記広帯域振動子アレイが受波した音響信号に基づいて物体を検知し、
   複数の前記広帯域振動子の中から
   第１の位相で高周波振動する第１の広帯域振動子を選択し、
   前記第１の位相と逆位相で振動する第２の広帯域振動子を選択し、
   前記第１の広帯域振動子が連続する第１の広帯域振動子群と、前記第２の広帯域振動子が連続する第２の広帯域振動子群とが、前記広帯域振動子アレイの中心から外側に向かって交互に並ぶ配列を形成する
   ことを特徴とする物体検知方法。
8. 低周波振動と高周波振動とを発生させる広帯域振動子を２次元的に複数配列した広帯域振動子アレイを形成し、
   前記広帯域振動子アレイが低周波ビームを送受波するように前記広帯域振動子アレイを制御し、
   前記広帯域振動子アレイが高周波円環状ビームを送波または受波するように前記広帯域振動子アレイを制御し、
   前記広帯域振動子アレイが受波した音響信号に基づいて物体を検知し、
   複数の前記広帯域振動子の中から
   第１の位相で高周波振動する第１の広帯域振動子を選択し、
   前記第１の位相と逆位相で振動する第２の広帯域振動子を選択し、
   前記第１の広帯域振動子が連続する第１の広帯域振動子群と、前記第２の広帯域振動子が連続する第２の広帯域振動子群とが、前記広帯域振動子アレイの中心から外側に向かって交互に並ぶ配列を形成する
   ことを特徴とする物体検知方法。

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