JPH03108684A - 水中探知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａｌ産業上の利用分野 この発明は、水中の広範囲方向に超音波パルスを送波し
て各方向から帰来する反射波を、それぞれの帰来方向毎
に検出して水中物体を探知する装置に関し、特に海底反
射波の到来方位を高精度に検出する装置に関する。

申）従来の技術 水中探知装置において、指向性ビームを形成する場合、
一般には複数個の振動子を直線上に配列した超音波振動
子アレイの各振動子の受波信号を位相制御した後、それ
ぞれの受波信号を合成することにより、特定の一方向か
ら入射する超音波パルスに対してのみ感度をもたせる、
すなわち受波ビームを形成している。

前記位相制御は受波信号を位相相当時間だけ遅延させる
ことにより行われる。したがって、遅延時間は超音波信
号の水中波長によって決定される。超音波信号の水中波
長は周波数が一定の場合、超音波の水中音速によって変
化し、水中音速は水温によって変化する。したがって、
実際の水温が予め定めた設計上の温度と異なる場合、水
中に形成される受波ビームは設計上（計算上）の指向方
向とは若干異なる方向に形成される。

このような問題を解消するため、実際の水温と設計上の
水温すわなち、実際の音速と設計上の音速との違いを考
慮して、受波信号の到来方位を補正するようにした水中
探知装置に関する発明を、本出願人は特開昭６２−２７
７５７８号にて出願している。

（Ｃ１発明が解決しようとする課題 しかしながら、設計音速の実際の音速との違いによる受
波ビームの指向方向のずれ、すなわち音線屈折は受波器
表面においてのみ生じるとは限らない。一般に、水中の
温度はその深度方向にある分布を示し、また音速は水温
以外に圧力や塩分濃度によっても変化し、これらは深度
方向にある分布を示す。各深度における音速変化の典型
例を第１−０図に示す。０〜１０００ｍの水深では深く
なるほど圧力が増大するが、水温低下の影響が大きいた
め、深くなる程音速が低下する。約１０００ｍよりさら
に大深度では温度が略一定であるため、深くなるほど圧
力の増大により音速が増大する。このように一般に比較
的深い海域の海底探査を行う場合には、水面から海底ま
での温度変化が大きくなり、受波器周囲の表面温度を水
温情報として用い、受波器表面における音線屈折を補正
したとしても、途中における音線屈折による影響が残る
。

大深度の海底探査を行う場合の設計上の（計算上の）受
波ビームと実際の受波ビームの例を第１１図に示す。第
１１図においてθａは計算上の受波ビームの指向角度、
θｂは等価的な受波ビームの指向角度であり、破線は実
際の音線を表している。このような場合、ｂ点からの反
射波が角度θａ力方向ら到来したものとみなされるため
ａ点にｂ点の物体（海底）があるものとみなされてしま
う。このように指向方向の誤差は、探知した物体（海底
）の水平方向および垂直方向の距離誤差として表れ、こ
のような距離誤差を有する海底信号を用いて海底地形図
を作成した場合、実際の地形図とは異なる歪を存する地
形図が作成されてしまう。

受波器から探知物体までの正確な音線を求めるには、通
常スネルの法則を用い、微小水深毎の音線の屈折状況を
連続して計算し、全音波の伝播経路を求めればよい。し
かし、この計算を正式に行えば多量の計算を必要とする
ため、多方向の探知１回の送受波毎に行うような場合に
はリアルタイムで処理できないため、通常は一旦全ての
データを取り込んだ後、後処理として行わなければなら
ない。

また、通常受波器は船底に装備されるため、第５図に示
すように船のローリングによって、受波ビームの実際の
指向方向が変動する。従って従来より鉛直ジャイロ等を
用いてローリング角度を検出し、実際の指向方向を求め
ることによって補正を行っているが、受波器表面の音速
と設計音速との違いによる受波器表面での音線屈折が存
在するため、ローリング角補正自体に誤差が生じるとい
う問題があった。

この発明の目的は、探知物体から受波器までの音線屈折
分も含めてリアルタイムで補正できるようにして、超音
波パルスの送受波と同時に音線屈折による図形歪のない
探知情報を得られるようにした水中探知装置を提供する
ことにある。

また、この発明の他の目的は、船のローリング等による
受波器の傾斜による受波ビームの指向角補正を正確に行
い、その影響を無くした水中探知装置を提供することに
ある。

（ｄ）課題を解決するための手段 この発明の請求項１に係る水中探知装置は、送波された
超音波パルスの反射波を受ける超音波振動子アレイから
なる受波器と、この超音波振動子アレイの各振動子の受
波信号を合成して一方向に指向する受波ビームを形成す
るとともに指向方向を順次変化させる受波ビーム指向方
向制御手段を備え、水中の扇状領域を探知する装置にお
いて、探知深度範囲における平均音速を与える手段と平
均音速に対する設計音速の比による探知物体から受波器
までの音線屈折分たけ受波ビームの指向方向を補正する
音線屈折補正手段とを設けたことを特徴とする。

また、この発明の請求項２に係る水中探知装置は、送波
された超音波パルスの反射波を受ける超音波振動子アレ
イからなる受波器と、この超音波振動子アレイの各振動
子の受波信号を合成して一方向に指向する受波ビームを
形成するとともに指向方向を順次変化させる受波ビーム
指向方向制御手段を備え、水中の扇状領域を探知する装
置において、 受波器表面の音速を与える手段と、 探知深度範囲における平均音速を与える手段と上記扇状
領域の面内方向における受波器の傾斜角を検出する受波
器傾斜角検出手段と、受波器表面の音速に対する設計音
速の比による音線屈折分たけ受波器表面における受波ビ
ームの指向角を補正する表面屈折角補正手段と、上記受
波器表面における受波ビームの指向角に対し、受波器の
傾斜周分の補正を行う傾斜角補正手段と、 平均音速に対する表面音速の比による探知物体から受波
器までの音線屈折分を補正する平均屈折角補正手段とを
設けたことを特徴とする。

（８１作用 この発明の請求項１に係る水中探知装置の構成を第１図
に示す。

第１図において、■は送波された超音波パルスの反射波
を受ける超音波振動子アレイからなる受波器である。受
波ビーム指向方向制御手段２は超音波振動子アレイの各
振動子の受波信号を合成して一方向に指向する受波ビー
ムを形成するとともに、指向方向を順次変化させる。４
は探知深度範囲における平均音速を与える手段であり、
例えば、投込式の水温計を用い、深度方向の温度分布を
計測し、探知深度範囲における平均温度における水中音
速を求めこれを音線屈折補正手段４へ与える。音線屈折
補正手段４は平均音速に対する設計音速の比による探知
物体から受波器までの音線屈折分だけ受波ビームの指向
方向を補正する。これらの各音速と音線屈折との関係を
第３図（Ａ）に示す。第３図（Ａ）において００は設計
上の受波ビームの指向角度、θ２は平均音速による受波
ビームの等測的指向角度であり、上記音線屈折補正手段
４は等測的指向角度θ２をθ２−５ｉｎ　−’　（（Ｃ
ａ／Ｃｄ）ｓｉｎθ０） として求めることができる。例えば上記演算を予めＲＯ
Ｍなどにテーブルとして書き込んでおき、受波ビーム指
向方向制御手段２の現在の（設計上の）指向角度θ０の
値に応じて実際の指向角度θ２をその都度水めるように
し、θ２が必要な単位角度になる毎に受波信号をサンプ
リングすれば、θ２について等間隔に水中探知情報を得
ることができる。

第１図に示した受波ビーム指向方向制御手段２の指向角
度の時間変化と等測的指向角度との関係を第４図に示す
。第４図において実線で示すように設計上の入射角θ０
は時間経過に比例して−４５度から＋４５度の範囲を一
定周期で繰り返す。

例えば、時刻ｔｏのとき設計上の指向方向はθ０である
が、等測的指向角θ２は若干異なる値をとる。時間経過
にともなうθ２の変化は例えば同図において破線で示す
ように非直線性を示す。

この発明の請求項２に係る水中探知装置の構成を第２図
に示す。第２図において５は受波器表面の音速を与える
手段であり、例えば海面の温度を計測し、その水温にお
ける水中音速を表面屈折角補正手段７へ与える。６は探
知すべき扇状領域の面内方向における受波器の傾斜角を
検出する手段である。表面屈折角補正手段７は受波器に
帰来する超音波パルスの音速に対する設計音速の比によ
る音綿屈折分たけ受波器表面における受波ビームの指向
角を補正し、θ１′を求める。傾斜角補正手段８は受波
器表面における受波ビームの指向角θ１′に対し、受波
器の傾斜角０１分の補正を行いθ１を求める。平均屈折
角補正手段９は平均音速Ｃａに対する表面音速Ｃｓの比
による探知物体から受波器までの音線屈折分を補正し、
実際の指向角度θ２を求める。

上記各音速と指向角との関係を第３図（Ｂ）に示す。第
３図（Ｂ）においてθ０は設計上の受波ビームの指向角
、θ１は受波器表面での実際の指向角、θ２は等測的な
指向角である。このような関係であるため、上記表面屈
折角補正手段７はθ１　’　＝ｓｉｎ　−’　（（Ｃｓ
／Ｃｄ）　ｓｉｎ　８　ｏｌの関係から補正を行う。ま
た、傾斜角補正手段８は受波器表面での音線の方向０１
′に対し、第５図に示したように受波器の傾斜角０１分
を打ち消すようにθ「を減算または加算を行うことによ
り、受波器の傾斜がない場合の受波器表面での音線の方
向θ１を求める。平均屈折角補正手段９はθ２　＝ｓｉ
ｎ　”’　（（Ｃａ／Ｃ５）ｓｉｎ　θ１）の関係から
等測的指向角θ２を求める。

（ｆｌ実施例 この発明の実施例である水中探知装置に備えられる超音
波の送波器と受波器の装備例およびこれらによるクロス
ファンビームによる探知状況を第６図および第７図に示
す。第６図に示した送波器と受波器はいずれも超音波振
動子アレイからなり、受波器は第７図に示すように自船
左右方向に所定角度（例えば１２０度）幅で扇状の送波
ビームを送波する。受波器は自船の前後方向に広がる扇
状受波ビームを形成し、２つの扇状ビームがクロスして
いる部分（第７図中斜線部分）のエコーが受信される。

受波ビームを左右方向にスキャンコンタすることによっ
て送波ビームの全角度（１２０度）範囲の海底地形を輪
郭（海底コンタ）を得る。また、自船の船速情報と針路
情報とにより推測航法演算を行い、海底コンタの検出位
置く自船の緯度経度）を求め、測深と測位を同時に行う
ことによって海底地形の三次元情報を得る。

水中探知装置全体の制御部のブロック図を第８図に示す
。第８図において、制御回路３１は超音波の送受波制御
を行う回路であり、送信制御回路３２は制御部Ｂ３１か
ら与えられるトリガ信号および送波ビームの指向方向を
制御する信号に従ってドライバ回路３３へ送信パルスを
与える。ドライバ回路３３は出力パルスを全てのチャン
ネルについて別々に出力アンプ３４に与える。出力アン
プ３４は送波器３５を駆動して所定指向方向へ前記扇状
送波ビームを出力する。プリアンプ３７は受波器３６の
各振動子の出力を増幅し、ビームフォーマ３８はプリア
ンプ３７の出力信号に対して位相制御などを行って指向
する受波ビームの受波信号を作成する。指向方向補正回
路１２は制御回路３１からの信号によりローリング補正
を行うとともに、等測的指向角が等角度となるタイミン
グで各指向方向の受波信号を求める。インターフェイス
回路１３は受波信号を映像信号として出力する。コンタ
検出回路１４は受波信号の映像信号から反射強度の積分
中心を海底深度データとして求める。

同図において１５は演算ユニットであり、インターフェ
イス回路１６は海底深度データを受は取る。グラフィッ
ク回路１７は複数の海底深度データから海底地形の三次
元グラフインクデータ、等深緑グラフインクデータ、縦
断面グラフィックデータおよび横断面グラフィックデー
タなどを作成してＲＧＢ信号信号ハフソファ２６ヘグラ
フイソクデータき込む。また、１８はシステムであり、
後述する平均音速による一距離補正などの後処理を行う
。映像処理回路１９は受波信号の映像信号を入力する。

インターフェイス回路２０には海底地形図などを描画す
るＸＹプロッタ２１、自船の現在位置を測位する航法装
置２２、自船のａＨｊ速など測定する音響航法装置２３
および船首方位を測定するジャイロコンパス２４などが
接続されている。ＣＲＴ２５はＲＧ　Ｂ　（３号バッフ
ァ２６から与えられる表示信号によって各種グラフイン
ク表示および受波信号の映像を表示する。鉛直ジャイロ
１１は船のローリングおよびピッチング角度を検出する
装置であり、信号変換回路１０はローリング角度とピッ
チング角度を所定形式の信号に変換して制御回路３１へ
Ｉテえる。水温センソ゛４０は海水表面の温度を計測し
、信号変換回路３９はその水温における音速データを指
向方向補正回路１２へ与える。

平均音速入力装置４１は探知範囲における平均音速を入
力する装置であり、例えば投込式の温度３１などによる
測定結果から平均音速を求め、これを手操作により入力
する。もちろん自動計測装置から自動的に与えるように
しても良い。

第８図に示した受波器３６から指向方向補正回路１２ま
での具体的構成例を第９図に示す。第９図において受波
器３６の各振動子の受波信号はそれぞれプリアンプ３７
で増幅された後、おのおのに対応して設けた混合回路５
６に導かれる。混合回路５６の各々はＲＯＭ５４から読
み出される矩形波列と各々別個にン昆合する。矩形波列
は、カウンタ５３がクロックパルス源５０のパルス列ヲ
分周する分周回路５１から出力されるクロックパルスを
計数するとき、計数値に対応するアドレスのデータが読
み出されることにより生成される。またこの矩形波列デ
ータはランチパルス生成回路５２から出力されるラッチ
パルスによってランチ回路５５にラッチされる。

混合回路５６の混合出力は加算回路５７により加算され
た後、フィルタ５８によって特定周波数成分が抽出され
る。特定方位の受波信号は増幅回路５９により増幅され
、超音波パルスの送波タイミングからの時間経過にとも
ない減衰する信号レベルが補正される。ここまでの構成
は出願人が先に出願した特公平１−１６３９２号に示し
た受波ビームの指向方向制御装置の例と同じである。

第９図において、ＲＯＭ６２は受波器表面の音速に対す
る設計音速の比による音線屈折分の補正を行うテーブル
データを記憶するＲ　ＯＭ、６３は表面屈折角補正が行
われた指向方向θ１′からローリング角θ１を減じて受
波器の傾斜分の補正を行う回路、また６４は平均音速に
対する表面音速の比による探知物体から受波器までの音
線屈折分を補正するためのテーブルデータを予め記憶す
るＲＯＭである。これらの回路により、設計上の指向角
度に対応するカウンタ５３の内容θ０に対し最終的に等
測的指向角θ２が求められる。サンプリングパルス発生
回路６５は角度θ２が一定単位角度になる毎にサンプリ
ングパルスを発生する回路であり、例えば細かいクロッ
クパルスを発生する回路とランチ回路などにより構成す
ることができる。サンプルホールド回路６０は増幅回路
５９の出力信号をサンプリングパルスによりホールドす
る。Ａ−Ｄコンバータ６１はこれをディジクルデータに
変換する。

以上のようにして受波ビームの指向方向が補正された探
知情報が得られる。但し、この情報は、音速の変化によ
る距離方向の補正が行われていない。すなわち、設計音
速は例えば１５００ｍ／ｓｅｅに固定して送波タイミン
グから受波タイミングまでの時間差により距離を求めて
いるため、平均音速による距甜方向の補正を行う必要が
ある。具体的には、平均速度をＣａとしθ２方向の超音
波パルスの往復時間をＴとすればその深度りはＤ＝Ｔｃ
ｏｓ　θ２　／　２　Ｃａ の関係から求めることができる。

なお、上記実施例は請求項２に対応する例であったが、
受波器の傾斜角補正を考慮しない場合には、第９図に示
したカウンタ５３の出力θ０と平均音速とによって等測
的指向角θ２を求めるテープルデータを予め記憶するＲ
　ＯＭによって音線屈折補正を行うことができる。

また、上記実施例ではテーブルデータをＲＯＭに予め書
き込んで使用する例であったが、例えば電源投入時や平
均音速または平均水温などのデータなどが確定した時点
で関数演算などによりテーブルデータを作成し、これを
ＲＡＭに記憶してテーブルとして用いることも可能であ
る。

（ｇ）発明の効果 請求項１に係る発明によれば、探知物体から受波器まで
における音線が本来徐々に屈折するのを受波器で一度に
屈折するものと近似したため、演算処理が大幅に減少し
、リアルタイムでその補正を行うことも可能となる。

請求項２の発明によれば、受波器表面での音線の方向が
厳密に求められ、受波器に対する受波ビームの入射角に
対して受波器の傾斜角補正が行われる。すなわち受波器
表面の音速と設計音速との違いによる屈折を含んだ状態
で受波器の傾斜角補正が行われるのではないため、受波
器の傾斜角補正と音線屈折の補正をともに正確に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の請求項１の構成図、第２図は請求項
２の構成図である。第３図（Ａ）および（Ｂ）は請求項
１および請求項２に係る音線屈折の状態を説明するため
の図、第４図は受波ビーム指向方向制御手段の設計上の
指向角度と等測的指向角度の時間的変化を示す図、第５
図は受波器の傾斜による受波ビームの変化を表す図であ
る。第６図および第７図は超音波送受波器の装備例およ
び送波ビームと受波ビームの関係を示す図である。第８
図はこの発明の実施例である水中探知装置の制御部のブ
ロック図、第９図はその主要部の構成図である。第１０
図は各深度における音速の変化例を示す図である。更に
第１１図は音線屈折の例を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）送波された超音波パルスの反射波を受ける超音波
   振動子アレイからなる受波器と、この超音波振動子アレ
   イの各振動子の受波信号を合成して一方向に指向する受
   波ビームを形成するとともに指向方向を順次変化させる
   受波ビーム指向方向制御手段を備え、水中の扇状領域を
   探知する装置において、 探知深度範囲における平均音速を与える手段と平均音速
   に対する設計音速の比による探知物体から受波器までの
   音線屈折分だけ受波ビームの指向方向を補正する音線屈
   折補正手段とを設けてなる水中探知装置。
2. （２）送波された超音波パルスの反射波を受ける超音波
   振動子アレイからなる受波器と、この超音波振動子アレ
   イの各振動子の受波信号を合成して一方向に指向する受
   波ビームを形成するとともに指向方向を順次変化させる
   受波ビーム指向方向制御手段を備え、水中の扇状領域を
   探知する装置において、 受波器表面の音速を与える手段と、 探知深度範囲における平均音速を与える手段と上記扇状
   領域の面内方向における受波器の傾斜角を検出する受波
   器傾斜角検出手段と、 受波器表面の音速に対する設計音速の比による音線屈折
   分だけ受波器表面における受波ビームの指向角を補正す
   る表面屈折角補正手段と、 上記受波器表面における受波ビームの指向角に対し、受
   波器の傾斜角分の補正を行う傾斜角補正手段と、 平均音速に対する表面音速の比による探知物体から受波
   器までの音線屈折分を補正する平均屈折角補正手段とを
   設けてなる水中探知装置。