JPH0117548B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、送信パルスに対する物体からの反
射信号を受信してその物体の位置等を探知する物
体探知装置において、指向性受波ビームのサイド
ローブによる影響を受けることなく高精度探知を
行える物体探知方法および装置に関する。 広範囲物体探知装置として、超音波の反射を利
用したスキヤニングソーナーやサーチライトソー
ナー、また電波の反射を利用したレーダーなどが
知られている。スキヤニングソーナーやサーチラ
イトソーナーは超音波受波装置を用いた広範囲水
中探知用装置であり、その超音波受波装置は、単
一または複数の超音波振動子を送受波面が共通の
曲面または平面上に位置するよう配列し前記超音
波振動子の選択的使用または相互間の位相差設定
により、また単一の振動子のときにはその指向設
定により一定方向の受信ビームを形成するよう構
成されている。スキヤニングソーナーは広範囲方
向を一定角度毎に複数区間に分割して各区間から
受信する反射信号を高速で時系列的に取り出して
画像表示する装置であり、またサーチライトソー
ナーは単一の振動子の向きを機械的に切り換えて
広範囲の方向の探知を行う装置である。またレー
ダーは周知のように物体からの反射電波によつて
物体の探知を行うものであつて、その反射電波を
受波する受波装置を有している。 第１図は上述の超音波受波装置の一定の振動子
ユニツトによつて形成された、0゜方向の受信ビー
ムの指向特性を示す図である。 同図においてａは主ビーム、ｂ，ｄはサイドロ
ーブと称される。図の半径方向は感度の大きさを
示している。理想ビームはＣのように単一ローブ
からなるが、一般に指向性受信ビームは単一の振
動子であれ、複数の振動子による指向合成による
ものであれ、主ローブと複数個のサイドローブと
により形成されている。 また、スキヤニングソーナーやサーチライトソ
ーナーにおいては、それらの探知性能は上述の超
音波送受波装置の指向特性に大きく影響されるこ
とが知られている。良好な探知性能を得るために
は、すなわち指向特性を改善するためには主ビー
ムａを尖鋭にするとともにサイドローブｂ，ｄを
小さくしなければならない。もし、指向特性が悪
ければ、すなわち主ビームａに対するサイドロー
ブｂ，ｄの比が大きいほど、スキヤニングソーナ
ーなどの表示面上に被探知物の像を高い忠実度で
もつて再現することが不可能になるとともに、虚
像が表示される度合が大きくなる。たとえば、第
１図において、0゜方向の反射信号を受信する時、
サイドローブのある−32゜付近に物体Ａがあれば、
その物体Ａからの反射信号により0゜方向にその物
体Ａがあたかも存在するかのように表示画面上に
表示されてしまう。また、レーダーにおいてもサ
イドローブによる虚像が現われる。このように、
従来の物体探知装置では、表示画面上にサイドロ
ーブによる虚像が現われ実像と紛らわしくなり物
体探知性能が悪化するという問題が生じていた。 この発明の目的は、上述の問題点を解消し、指
向性受信ビームのサイドローブによる虚像の影響
を受けることなく高精度に、かつ広範囲に物体探
知を行える物体探知方法および装置を提供するこ
とにある。 この発明に係る物体探知方法は、前記目的を達
成するために、送信パルスに対する受信ビームが
各方位に対応したベクトル成分を含むことに着目
し、その受信ビームから各方位に対応する受信ビ
ーム成分を求め、それらの受信ビーム成分を各方
位ごとに全方位にわたり合成してみかけ上の理想
受信ビームを形成し、その理想受信ビームによつ
て物体を探知することを特徴としている。 また、この発明に係る物体探知装置は、前記目
的を達成するために、受信器と、送信パルスに対
する一定の方位毎の前記受信器の受信信号を全方
位にわたり一時記憶するレジスタ部と、前記レジ
スタ部に記憶された各受信信号を、前記受信器の
指向特性に基づき各方位毎に定まる重みをつけて
加算する演算部とを有し、前記演算部の演算結果
から物体を探知し、前記物体探知方法に基づく物
体探知を行うよう構成されている。 この発明はスキヤニングソーナーやサーチライ
トソーナーやレーダーに適用できる。なお、この
発明は水中にて使用される探知装置をはじめ陸上
において使用される装置にも実施可能である。 この発明に係る物体探知方法および装置は次に
述べる物体探知原理に基づいている。 第２図は、送信パルスの発生源、たとえばスキ
ヤニングソーナーの超音波振動子の送受信方位を
示す図である。図のように、全周を10゜毎に36等
分し、各区分に１から36の方位番号を付ける。こ
の方位番号をｍで表し、ｍ＝１は基準方位とす
る。また振動子は各方位毎に取付けられており、
ｎ番目の振動子をZnと表すとZmの振動子は方位
ｍの中心に取り付けられたものであり、Z₁の振動
子は基準方位に取り付けられた振動子である。 振動子Znによる方位ｍの指向特性をa_o,nで表
す。すなわち、a_o,nは方位ｎの振動子Z_oによつて
方位_nにあらわれる主ローブの端またはサイドロ
ーブの指向利得を示す。ここでa_o,nは一つの区分
内の感度を平均したときの値である。たとえば、
第３図では平均の感度が−6dBであるから指向利
得は約0.5となる。 また振動子Z₁による受信ビームを第１図と同じ
であるとすると、主ローブは基準方向となるか
ら、各指向利得は次の表１のように求められる。
なお、理想ビームの場合、サイドローブがないか
らa_ooのみ１であり、他のｎ≠ｍの指向利得は０
である。

【表】 さて、方位ｍに受波される反射信号の平均音圧
をP_nとすると、振動子Z_oの受波器の増幅器検波
出力電圧V_oはαを比例定数として下式で表せる。 Vn＝α（a_o,1・P₁＋a_o,2・P₂＋……＋a_o,36・P₃₆）
……(1) なお(1)式はa_o,n、Pmが測定値であるときなり
たつが、上述のように平均値を用いても実用上さ
しつかえない。 この(1)式は36個の各振動子に対応した増幅器出
力電圧に対してなりたつから、下式が得られる。 他方各振動子の受波器がサイドローブのない理
想受信ビームを受信する場合、そのときの振動子
Znに対応した増幅器出力電圧Vnsは下式 Vns＝αPn ……(3) で表わされる。 式(2)と(3)から下式が求まる。 この(4)式はV_1s…，V_36sおよびa_o、_nが既知であ
るからV_1s，…，V_36sを未知数とする連立１次方
程式である。したがつてこの(4)式を解くことによ
つてV₁，…，V₃₆を求めることができる。 そこですべての振動子および受波器の増幅器の
出力特性が等しいとすると、 a_1,1＝a_2,2＝……＝a_36,36＝a₁ a_1,2＝a_2,3＝……＝a_36,1＝a₂ a_1,3＝a_2,4＝……＝a_36,2＝a₃ … … … … a_1,36＝a_2,1＝……＝a_36,35＝a₃₆ がなりたつから、(4)式の解は下式のようになる。 この(5)式のB₁，…，B₃₆は(4)式のa_1,1，a_1,2，…
…a_36,36からなる行列の逆変換から求まる値であ
る。この(5)式が示すように、あらかじめ変換係数
B₁，…，B₃₆を求め、その係数を重みとして測定
値V₁，…，V₃₆に付加して加算することによつて
各方位毎のみかけ上の理想受信ビームに対する増
幅器の出力電圧V_1s，…，V_36sが得られる。また、
この出力電圧を画像表示装置に導入すれば、みか
け上の理想受信ビームによる表示、すなわちサイ
ドローブによる虚像などは全く含まない表示を得
ることができる。 なお前記原理の説明において振動子のビームと
して受信ビームのみを考えているので、(5)式がな
りたつためには振動子Z₁，…，Z₃₆が全方位に同
時に等しく送信される必要がある。 また、これに対してサーチライトソーナーのよ
うに単一の振動子を用いて機械的に方位を切り換
える場合には送信ビームを考慮する必要があるの
で、その時には送信ビームと受信ビームとは同じ
形状であることから(1)式は下式のようになる。 V_o＝α（a² _o,1・P₁＋a² _o,2・P₂＋……＋a² _o,36・P₃₆）
……(6) よつて、この場合(5)式は次のようになる。 ここで、C₁，C₂，…，C₃₆は(4)式のa_1,1，…
a_36,36からなる行列に対応する、a² _1,1，a² _1,2，…，
a² _36,36からなる行列の逆変換から求まる値である。 以下、この発明を適用した実施例を図面を参照
して説明する。 この実施例に係るスキヤニングソーナーの構成
を示すブロツク図を第４図に示す。36個の超音波
振動子（以下振動子という。）Z₁…，Z₃₆は前記第
２図のように10゜間隔で円形に配列されている。
各振動子は単一または複数個の振動子からなる。
周知のように超音波指向特性を改善するために複
数個の振動子からなる振動子ユニツトが通常用い
られるが、この実施例では簡単のために振動子
Z₁，…Z₃₆はそれぞれ単一振動子から構成された
ものとする。これらの振動子は水中物体の探知の
ために船底などに配設される。 振動子Z₁，…，Z₃₆はそれぞれ送信器２の駆動
により水中の各方向に向けて超音波パルスを送出
するとともに、物体からの反射信号を受信する送
受波器を構成する。すなわち、送信は後述のＲ軸
カウンタ９の送信トリガパルスt₃で送信器２を駆
動し、送信器２であらかじめ定められたパルス幅
と電力の送信パルスでZ₁からZ₃₆の全振動子から
同時に水中に超音波パルスを発射することにより
行われる。また、この発射された超音波パルスは
水中物体で反射され、各振動子に受波される。受
信された反射（受信）信号は増幅器１で増幅され
る。この36個の増幅器１の出力、すなわち前述の
V₁，…，V₃₆はそれぞれ切換スイツチ３に接続さ
れる。 切換スイツチ３は１から36の方位の反射信号を
時系列化するものであり、デコーダおよびスイツ
チドライブ４の出力に基づいて各反射信号を１か
ら順番に36まで高速で切り換えて時系列信号とし
てレジスタ部６に送り出す。 レジスタ部６は受信された反射信号を全方位に
わたり一時記憶するものであり、36個のアナログ
遅延回路D₁，…，D₃₆からなる。切換スイツチ３
から時系列的に入力された信号は順次アナログ遅
延回路に記憶される。すなわち最新の信号は１段
目のアナログ遅延回路D₁に記憶され、また、最
も古い信号は36段目のアナログ遅延回路D₃₆に記
憶される。各アナログ遅延回路は入力アナログ信
号を後述のθ₂軸カウンタ１１から画面を10度走査
する毎に出力される出力パルスの立下りで取り込
み、次のパルスの立上りまでその信号を保持す
る。このアナログ遅延回路には、BBD（バケツト
ブリゲード素子）やCCD（電荷結合素子）などの
アナログデイレイ、またLC回路や超音波遅延回
路等で構成される。さらにＡ／Ｄ変換器とシフト
レジスタを用いて入力アナログ信号をデジタル信
号に変換して記憶してもよい。 アナログ遅延回路D₁，…，D₃₆のそれぞれの出
力は演算部７に接続される。演算部７は前記(5)式
に基づきV_os（ｎ＝１、…、36）を求めるために、
増幅器１の出力V₁，…，V₃₆に変換系数B₁，…，
B₃₆の重みを付けて加算し、(5)式の演算を実行す
るものである。演算部７の一構成例を第５図に示
す。変換係数B₁，…，B₃₆は前述したように振動
子の指向利得a_1,1，…，a_36,36から各方位毎に定ま
る値である。なお、(5)式を導いた時同様に、すべ
ての振動子の指向特性および増幅器１の各出力特
性は同じであるとする。あらかじめ算出した変換
係数B₁，…，B₃₆のうち負である係数の絶対値を
入力抵抗R₁，…，R_i-1により設定し、また正であ
る係数の値を入力抵抗R_i，…，R₃₆で設定する。
入力抵抗R₁，…，R₃₆の入力側にアナログ遅延回
路D₁，…，D₃₆の各出力が接続され、また、入力
抵抗R₁，…，R_i-1の出力は演算増幅器OP１の
入力端子に接続し、他方入力抵抗R_i，…，R₃₆の
出力は演算増幅器OP４の入力端子に接続する。
演算増幅器OP１およびOP４の帰還抵抗をＲとす
ると、たとえば変換係数B₂が負のとき20段目の
アナログ遅延回路D₂₀の出力は抵抗値Ｒ／｜B₂｜
をもつ入力抵抗を介して演算増幅器OP１に接続
される。演算増幅器OP１の出力は演算増幅器OP
２からなる反転増幅器に入力されて反転され、演
算増幅器OP４の出力とともに演算増幅器OP３の
入力端子に導入される。演算増幅器OP３の出
力からレジスタ部６の出力V₁，…，V₃₆に変換係
数B₁，…，B₃₆を(5)式に従い乗算して加算した値
V_1s，…，V_36sが得られる。 演算部７における係数乗算は、19段目から36段
目のアナログ遅延回路D₁₉，…，D₃₆の出力に係
数B₁，…，B₁₈をそれぞれかけ、また、１段目か
ら18段目のアナログ遅延回路D₁，…，D₁₈の出力
に係数B₁₉，…，B₃₆をそれぞれかけることによ
つて行われる。たとえば、アナログ遅延回路D₁₉
の出力電圧がV₂₀とすると、演算部７が出力する
電圧はV_20sになる。このように演算部７は、36進
カウンタであつて画面の一走査（360度掃引する）
毎にＲ軸カウンタ９に１パルスを出力するθ₁軸カ
ウンタ１０の計数値t₁に数値18を加算した方位の
反射信号を出力するよう構成されている。これ
は、切換スイツチ３を切り換え全方位を一周した
ときの受信データから(5)式のV_osを求めると、一
周するときの遅延時間により同一方位において受
信信号の感度が異なることになるから、さらに半
周分切り換えたときの受信データからV_osを求め
る方がより好ましいからである。 また、演算部７の出力は表示用増幅器８を経て
表示器２１の輝度端子に導かれる。表示器２１に
は、残光性のある円形ブラウン管などを用い、そ
の表示はスパイラル走査により行われ走査線数を
200本とする。 クロツクパルス発生器１４は比較的高周波のク
ロツクパルスを発生するクロツクパルス発生回路
であり、その出力は分周器１３に接続されてい
る。分周器１３は探知範囲設定器１２で設定され
た探知距離（X〔_n〕）にしたがつてクロツクパル
スを分周する。水中の音速を1500m／sec、後述
のＲ軸カウンタ９、θ₁軸カウンタ１０およびθ₂軸
カウンタをそれぞれ200、36、10進カウンタとす
ると、分周器１３の出力パルスの周波数ｆ〔Hz〕
は下式で表される。 ｆ＝750／Ｘ×200×36×10＝5.4×10⁷／Ｘ ROM１７は表示器２１の表示に必要な正弦波
を発生するためのものであり、θ₁軸カウンタ１０
およびθ₂軸カウンタ１１の計数値に応じてデジタ
ル信号を出力する。ROM１７には、θ₁軸カウン
タ１０の計数値t₁に数値18を加算する加算器２２
の出力と、θ₂軸カウンタ１１の計数値t₂が導入さ
れる。ROM１７の出力はＤ／Ａ変換器２３を介
して乗算器１６に導入される。Ｄ／Ａ変換器２３
の出力電圧をV〓とすると、V〓は下式で表される。 V〓＝sin｛（t₁＋18）×10＋t₂｝ ……(8) 加算器２２は上述のように、θ₁軸カウンタ１０
の計数値がt₁のとき表示器２１に表示される受信
信号の方位がt₁＋18（ただし、t₁＋18が36を超え
る時にはt₁−18）になるように、表示方位をθ₁軸
カウンタ１０の計数値より数値18を加えた方位に
し、半周すすめるためのものである。 θ₂軸カウンタ１１は10進カウンタであり、１か
ら10まで分周器１３の出力パルスを計数し、10に
なると次のパルスで１に戻るとともに、θ₁軸カウ
ンタ１０およびレジスタ部６にパルスを送出す
る。θ₂軸カウンタ１１が１から10まで計数する間
に36個の振動子のうち一つから受信信号が取り込
まれ表示される。 θ₁軸カウンタ１０は36進カウンタであり、１か
ら36までθ₂軸カウンタ１１の出力パルスを計数
し、36になると次のパルスで１になるとともにＲ
軸カウンタ９にパルスを出力する。θ₁軸カウンタ
１０が１から36まで計数する間に、(8)式中の（t₁
＋18）×10＋t₂は１から360まで変化し、１周分す
なわち全振動子の受信信号が１回取り込まれると
ともに、表示器２１上で１走査が行われる。ま
た、θ₁軸カウンタ１０の計数値t₁はデコーダおよ
びドライブ回路４に出力される。 Ｒ軸カウンタ９は200進カウンタであり、１か
ら200までθ₁軸カウンタ１０の出力パルスを計数
し、200になると次のパルスで１になるとともに
送信器２に送信トリガパルスt₃を出力する。Ｒ軸
カウンタ９が１から200まで計数する間に表示器
２１で200本の走査が行われ、１画面分の受信信
号が表示される。Ｒ軸カウンタ９の計数値ｒは
Ｄ／Ａ変換器１５によりアナログ値r′に変換され
アナログ乗算器１６に導入される。乗算器１６は
このアナログ値r′にＤ／Ａ変換器２３の出力V〓を
乗算し、その値V_d（＝r′×V〓）を出力する。乗算
器１６の出力V_dは時間に比例して振幅が増大す
る正弦波であつて、Ｙ軸偏向アンプ２０および
90゜移送器１８に導入される。Ｙ軸偏向アンプ２
０の出力はＹ軸偏向コイル２５に接続し、電子ビ
ームの走査を行うようＹ軸偏向コイル２５に電流
が供給される。 出力V_dは90゜移送器１８で90゜進相または遅相さ
れＸ軸偏向アンプ１９に導入され、電子ビームの
走査を行うようＸ軸偏向アンプ１９に電流が供給
される。 以上の構成において、演算部７の動作を示すタ
イムチヤートを第６図に示す。θ₁軸カウンタ１０
はθ₂軸カウンタ１１の出力パルスの立上りでカウ
ントアツプし、その計数値をデコーダおよびスイ
ツチドライブ４へ出力する。デコーダおよびスイ
ツチドライブ４は、その計数値に応じて閉成すべ
き切換スイツチ３の切換接点を指示し、切換スイ
ツチ３はその指示に対応した切換接点をオンす
る。たとえば、図示しているように、計数値t₁が
２であるとき切換スイツチ３の振動子Z₂に対応す
る切換接点がオンになり、アナログ遅延回路D₁
に振動子Z₂の出力に接続した増幅器出力電圧V₂
（ｒ）が記憶される。このときアナログ遅延回路
D₂には振動子Z₁の出力に対応した増幅器出力電
圧V₁（ｒ）が記憶され、さらにアナログ遅延回路
D₃からD₃₆には前回の受信信号による出力電圧
V_36(r-1)、V_35(r-1)、……、V_3(r-1)が記憶されてい
る。図においてｒはＲ軸カウンタ９のある計数値
を示し、V_o（ｒ）は新しくサンプリングした出力
電圧、V_o（ｒ−１）は前回にサンプリングした出
力電圧を表す。そこでアナログ遅延回路D₁₉には
V_20(r-1)が記憶されているからこのときに、演算
部７が出力する電圧はV_20sとなる。 このように、演算部７の出力電圧は(5)式に基づ
くV_osであるから、表示器２１の画面上にはみか
け上ではあるが理想受信ビームのみの映像が現わ
れる。また、その表示は非常に信頼性の高い画像
データによるものであるから、物体探知を高精度
に実施できる。 以上の実施例において、36個の振動子の指向特
性はすべて等しいとしたので、演算部７の変換係
数設定用入力抵抗R₁，……，R₃₆は固定されてい
るが、指向特性が異なる場合には加算器２２の出
力値により入力抵抗値を切り換えることにより
個々の特性に応じた変換係数の設定を行うよう構
成すればよい。 この発明はレーダーおよびサーチライトソーナ
ーなどにも前記実施例に係るスキヤニングソーナ
ーと同様の構成によつて適用することができる。
この場合、受信した反射信号を一時デジタルメモ
リに記憶させる必要がある。そして走査方法とし
てスパイラル走査またはラジアル（放射）走査を
用いる。スパイラル走査による場合、メモリから
表示器への読み出しは前記実施例と同じように行
えばよい。ただしメモリ出力に接続するＤ／Ａ変
換器を備える必要がある。 他方ラジアル走査を行う場合、デジタルメモリ
から表示器への読み出し時に一度に36方位の中心
から等距離のデータが読み出されるように、たと
えば第７図に例示した回路構成にする。同図にお
いて要部のみを示し、他の回路要素子を省略して
いる。各方位からの受信データを記憶しているデ
ジタルメモリM₁，……，M₃₆はそれぞれＤ／Ａ
変換器T₁，……，T₃₆および切換接点S₁，……，
S₃₆を介して演算部７０に接続される。演算部７
０は前記実施例の演算部７と同様の機能を有し、
36個の入力部からの入力データに(5)式の変換係数
を乗じて加算し同式のV_osを演算するものであ
り、その出力V_osは表示用増幅器７１を介して表
示器に導入される。読出し用Ｒ軸カウンタ７３は
クロツクパルス発生器７４からのクロツクパルス
を計数し、読出しアドレス信号を各デジタルメモ
リに出力する。読出し用θ₁軸カウンタ７２は、
Ｄ／Ａ変換器T₁，……，T₃₆の各出力を演算部７
０の入力部の何れかに接続させるために、切換接
点S₁，……，S₃₆を開閉する信号を出力する。ま
た、読出し用θ₁軸カウンタ７２の出力はＸ軸およ
びＹ軸偏向波合成回路７５に導入され、偏向コイ
ルに走査用電流が供給される。 このようなスパイラル走査またはラジアル走査
方法による構成にすれば、単一の送信源で物体探
知を行うレーダーやサーチライトソーナーなどに
もこの発明を適用でき物体探知を高精度に実施で
きる。 以上説明したように、この発明によれば、受信
ビームの各方位の成分からみかけ上の理想受信ビ
ームを形成するから、指向性受信ビームのサイド
ローブの虚像による影響を受けることなく物体探
知を高精度に、かつ広範囲に実施することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般の指向性受信ビームの指向特性を
示す図、第２図はこの発明の物体探知原理を説明
するための送受信方位の図、第３図は第２図の一
方位における指向利得を示す説明図、第４図はこ
の発明の実施例を示すブロツク図、第５図は同実
施例の演算部７を示す回路図、第６図は同演算部
７の動作を説明するためのタイムチヤート、第７
図はこの発明の他の実施例におけるラジアル走査
を説明するためのブロツク図である。 Z₁，…，Z₃₆…超音波振動子、１…増幅器、３
…切換スイツチ、４…デコーダおよびスイツチド
ライブ、６…レジスタ部、D₁，…，D₃₆…アナロ
グ遅延回路、７…演算部、９…Ｒ軸カウンタ、１
０…θ₁軸カウンタ、１１…θ₂軸カウンタ、１３…
分周器、１４…クロツクパルス発生器、１６…乗
算器、１７…ROM、１８…90゜移送器、１９…Ｘ
軸偏向アンプ、２０…Ｙ軸偏向アンプ、２１…表
示器、２２…加算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 広範囲方向を一定角度毎に複数区間に分割
   し、送信パルスに対する受信ビームから各区間の
   方位に対応する受信ビーム成分を求め、それらの
   受信ビーム成分を各区間の方位ごとに全方位にわ
   たり合成して、サイドローブのないみかけ上の理
   想受信ビームを作成し、その理想受信ビームによ
   つて物体を探知することを特徴とする物体探知方
   法。 ２ 受信器と、送信パルスに対する一定の方位毎
   の前記受信器の受信信号を全方位にわたり一時記
   憶するレジスタ部と、前記レジスタ部に記憶され
   た各受信信号を、前記受信器の指向特性に基づき
   各方位毎に定まる重みをつけて加算する演算部と
   を有し、前記演算部の演算結果から物体を探知す
   る物体探知装置。