JPH0316629B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は水中に超音波を送受波して水中探知
を行う装置に関し、特に水中の３次元方向に超音
波ビームを送受波することに関する。

（従来技術） 水中探知装置は水中に超音波パルスを送受波し
て水中探知を行うが、最近、水中を２次元的に探
知する水中探知装置が多用される傾向にある。

水中を２次元的に探知する場合、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
する反射波を各方向毎に時系列化して表示する。
この装置の場合、探知物の２次元的な大きさは判
別できるが３次元的な大きさ、すなわち、探知物
の量的な判別は出来ない。

（発明が解決しようとする問題点） 水中探知を３次元的に行うために、水中の３次
元方向に超音波ビームを送受波する送受波装置を
実現する。

（問題点を解決するための手段） Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の各々に複数個の超音波送
受波器を配列して一対の超音波送受波器を構成
し、片方の超音波送受波器を送波器として使用
し、他方の送受波器を受波器として使用する。そ
して、送波ビームを周波数を異ならせて複数方向
に送波して共通の受波ビームで受波する。受波ビ
ーム信号を周波数分離してどの送波ビームによる
受波信号であるかを検出する。

（作 用） 送波ビームを周波数を異ならせて複数方向に送
波することにより、送波方向と直交する２次元平
面内からの反射波を同時に検出する。これによつ
て、３次元方向からの反射波を検出する。

（実施例） 第１図において、１及び２は超音波送受波器を
示し、それぞれＮ個の超音波振動子が配列されて
構成されている。そして、調音波送受波器１の超
音波振動子T₁₁乃至T_1NはXY平面上におけるＸ軸
方向に配列され、一方、超音波送受波器２の超音
波振動子T₂₁乃至T_2NはＹ軸方向に配列されてい
る。

超音波送受波器１並びに２構成する超音波振動
子の各々は送受切換器３を経て送信回路４あるい
は受信回路５のいずれかに接続される。

送受切換器３は切換制御回路１１よつて送受波
器１並びに２を送信回路４あるいは送信回路５の
いずれかに切換えて接続する。例えば、送受波器
１の送信回路４に接続するとき、他の送受波器２
は受信回路５に接続される。逆に、送受波器２を
送信回路４に接続するとき、他の送受波器１は受
信回路５に接続される。送信回路４並びに受信回
路５は共にＮチヤンネルの回路で構成されてい
る。従つて、今仮に、送受波器１が送信回路４に
接続されているものとすると、送受波器１の各々
の超音波振動子T₁₁乃至T_1Nは送信回路４の各チ
ヤンネル出力によつて各々別個に励振される。他
方、送受波器２は受信回路５へ接続されるから、
送受波器２の超音波振動子T₂₁乃至T_2Nの各受波
信号が各チヤンネルの受信回路によつて検出され
る。

送信回路４は送信信号生成回路６によつて生成
された送信信号を方向指定回路７で指定された方
向へ送信する。

他方、受信回路５は上記受信信号をビーム形成
回路８へ送出して指向性受波ビームを形成する。
ビーム形成回路８によつて検出された反射体から
の受波信号は演算処理回路９へ送出されて、反射
体の３次元方向の大きさが演算される。その演算
結果は表示装置１０へ送出されて表示される。

第２図は送信回路４の具体例を示す。

同図において、４０１，４０２，４０３は読出
し専用メモリを示し、各々の読出し専用メモリ４
０１，４０２，４０３は、記憶データのＮビツト
の出力で送出する。そして、読み出された記憶出
力はラツチ回路４０４，４０５，４０６の各々に
記憶出力が読み出される毎にラツチされる。

読み出し専用メモリ４０１は、アドレスバス４
０７のアドレスデータとカウンター４０８のカウ
ントデータによつて記憶番地が指定される。アド
レスバス４０７のアドレスデータは第１図の方向
指定回路７によつて与えられ、カウンター４０８
には送信信号生成回路６から送出される送信用ク
ロツクパルスが導かれる。この送信用クロツクパ
ルスは超音波送波器１から送出する送波パルスの
パルス巾に相当する時間だけ持続する。

上記において、読出し専用メモリ４０１、ラツ
チ回路４０４、アドレスバス４０７、カウンター
４０８は、出額人が先に特開昭59−27653号公報
で提供した多相周波信号の生成装置を構成する。
すなわち、カウンター４０８に送信用クロツクパ
ルス列が印加され、カウンター４０８がくり返し
カウント動作を行うとき、カウトデータによつて
設定される記憶データが読み出されてＮビツトの
記憶出力で送出され、その記憶出力がラツチ回路
４０４にラツチされることにより、ラツチ回路か
らＮ相の周波信号が送出される。このＮ相の周波
信号の位相関係は、特開昭59−27653号公報で説
明したように、読出し専用メモリ４０１に書込む
記憶データに応じて設定される。さらに、読出し
専用メモリ４０１は、アドレスバス４０７のアド
レスデータが変化すると、読出し番地が少なくと
もカウンター４０８の計数容量以上変化して、変
化位置を基準にしてカウンター４０８のカウント
データに対応した記憶番地の記憶データが読出さ
れる。従つて、アドレスバス４０７のアドレスデ
ータを変化させることにより、Ｎ相の周波信号の
位相関係を変化させることができる。

ラツチ回路４０４から送出されるＮ相の周波信
号は第１乃至第Ｎの加算回路４１３₁乃至４１３_N
へ各相毎に別個に導かれた後、電力増巾器４１４
_１乃至４１４_Nの各々で電力増巾されて超音波振動
子T₁₁乃至T_1Nの各々を励振する。

従つて、超音波振動子T₁₁乃至T_1NはＮ相の周
波信号で励振されて水中に超音波パルスを送波
し、その超音波パルスの指向方向は超音波振動子
T₁₁乃至_1Nの励振信号の位相関係によつて決定さ
れる。従つて、読出し専用メモリ４０１から記憶
データが読出されて生成されＮ相の周波信号の位
相関係を適宜設定することにより、水中に送波す
る超音波パルスの指向方向を任意に設定すること
ができる。

読出し専用メモリ４０２並びに４０３は読出し
専用メモリ４０１と同様にしてＮ相の周波信号を
生成する。すなわち、読出し専用メモリ４０２は
カウンター４１０に送信パルス列が印加されてい
る間Ｎ相の周波信号をラツチ回路４０５から送出
し、そのＮ相周波信号の位相関係はアドレスバス
４０９のアドレスデータによつて変化させられ
る。又、読出し専用メモリ４０３はカウンタ４１
２に送信パルス列が印加されている間ラツチ回路
４０６からＮ相の周波信号を送出し、その位相関
係はアドレスバス４１１のアドレスデータによつ
て変化させられる。

上記において、カウンタ４０８，４１０，４１
２には送信信号生成回路６（第１図）から送信用
クロツクパルス列が導かれ、アドレスバス４０
７，４０９，４１１には方向指定回路７から方向
指定データがアドレスデータとして導かれる。送
信用クロツクパルスは、カウンタ４０８，４１
０，４１２へ同時に導かれ、カウンタ４０８には
くり返し周波f₁のパルス列が導かれ、カウンタ４
１０，４１２へはくり返し周波数f₂、f₃のパルス
列が導かれる。従つて、ラツチ回路４０４からは
周波数f₁の多相周波信号が送出され、ラツチ回路
４０５，４０６からは周波数f₂、f₃の多相周波信
号が送出される。

ラツチ回路４０４，４０５，４０６の多相信号
のうち、同一チヤンネルの周波信号が加算回路４
１３₁乃至４１３_Nで加算される。例えば、加算回
路４１３₁はラツチ回路４０４，４０５，４０６
の第１チヤンネルの周波信号を加算する。従つ
て、加算回路４１３₁乃至４１３_Nの各々は３周波
f₁、f₂、f₃の信号を送出し、この３周波信号f₁、
f₂、f₃が電力増巾されて超音波送受波器T₁乃至T_N
を励振する。ここでは、３周波f₁、f₂、f₃を各々
の超音波振動子の共振特性内で少しづつ異なるよ
うに設定しておくと、超音波振動子T₁乃至T_Nの
各々は３周波の超音波信号を送信する。そして、
周波数f₁の超音波信号はその合成指向方向が記憶
回路４０１の記憶データによつて決定され、周波
数f₂、f₃の超音波信号は、記憶回路４０２，４０
３の記憶データによつてその合成指向方向が決定
される。従つて、超音波振動子T₁乃至T_Nからは
第３図に示すように、θ₁方向に周波数f₁の送波ビ
ームB₁が形成され、θ₂、θ₃の各方向に周波数f₂、
f₃の送波ビームB₂、B₃がそれぞれ形成される。
この送波ビームB₁、B₂、B₃はＸ軸方向に無指向
性で、Ｙ軸方向に指向性を有する。そして、それ
ぞれの指向方向θ₁、θ₂、θ₃は、特開昭59−27653
号公報と同様にして、読出し専用メモリ４０１，
４０２，４０３の記憶データの読出し範囲をアド
レスバス４０７，４０９，４１１のそれぞれのア
ドレスデータによつて変化させることにより、任
意の方向に設定することができる。

第４図は、第１図における受信回路５、ビーム
形成回路８の具体例を示す。

第４図において、超音波振動子T₂₁乃至T_2Nの
受信信号はそれぞれの前置増巾器５０１₁乃至５
０１_Nを経てフイルターF₁₁乃至F_1N、F₂₁乃至F_2N、
F₃₁乃至F_3Nの対応するものに導かれる。例えば、
超音波振動子T₂₁の受波信号は前置増巾器５０１₁
からフイルターF₁₁、F₂₁、F₃₁へ導かれ、超音波
振動子T₂₂の受波信号は前置増巾器５０２₂からフ
イルターF₁₂、F₂₂、F₃₂の各々へ導かれ、又、超
音波振動子T_2Nの受波信号はフイルターF_1N、
F_2N、F_3Nの各々へ導かれる。

フイルターF₁₁乃至F_1Nは超音波振動子T₂₁乃至
T_2Nの受波信号のうちから周波数f₁の信号成分を
抽出する。又、フイルターF₂₁乃至F_2N、F₃₁乃至
F_3Nの各々は周波数f₂、f₃の信号成分をそれぞれ
抽出する。各フイルターの抽出信号のうち、フイ
ルターF₁₁乃至F_1Nの抽出信号はビーム形成回路５
０２₁へ導かれ、フイルターF₂₁乃至F_2N、F₃₁乃至
F_3Nの各出力はビーム形成回路５０２₂，５０３₃
へそれぞれ送出される。

ビーム形成回路５０２₁，５０２₂，５０２₃の
各々は、いずれも、超音波振動子T₂₁乃至T_2Nの
受波信号を位相合成して、第３図に示す指向性受
波ビームB₀を形成する。指向性受波ビームB₀は、
図に示すように、送波ビーム、B₁、B₂、B₃、に
直交して形成され、そして、その指向方向がＸ軸
方向に走査される。指向方向の走査は、出願人が
先に提供した特開昭57−121439号の装置をビーム
形成回路５０２₁，５０２₂，５０２₃に用いるこ
とにより容易に行うことができる。

ビーム形成回路５０２₁，５０２₂，５０２₃の
各々は指向性受波ビームB₀の指向方向をＸ軸方
向に走査して、それぞれの周波信号f₁、f₂、f₃を
送出する。この場合、ビーム形成回路５０２₁，
５０２₂，５０２₃の各々は周波数f₁、f₂、f₃の指
向性受波ビームを各々が別個に形成する。そし
て、それぞれの指向性受波ビームは同時に同一方
向を指向する必要はなく、各々が別個の方向を指
向してもよいが、説明の便宜上同一方向を指向し
ているものとする。

ビーム形成回路５０２₁は、周波数f₁の受波ビ
ーム出力を送出するから、第３図における指向性
送信ビームB₁によつて形成されるθ₁方向の２次
元平面内の探知信号が送出される。そして、探知
物体までの距離は探知パルスを送信してから受波
信号が受波されるまでの時間によつて知ることが
でき、探知物体の方位は、指向性受波ビームB₀
の走査方位によつて知ることができる。

同様にして、ビーム形成回路５０２₂は周波数
f₂の受波ビーム信号を送出するから、第３図に示
すθ₂方向の送信ビームB₂によつて形成される２
次元平面内に探知物体による反射波が送出され
る。又、ビーム形成回路５０２₃は周波数f₃の受
波ビーム信号を送出するから、第３図に示すθ₃方
向の送信ビームB₃によつて形成される２次元平
面内の探知物体による反射波が送出される。

ビーム形成回路５０２₁，５０２₂，５０２₃か
ら送出されるそれぞれの受波信号データは、各々
の受波信号の距離データ、方位データと共に第１
図の演算処理回路９は受波信号データ、及びその
距離、方位データに基づいて、表示装置１０に受
波信号を表示させるための演算処理を行う。

表示装置１０は種々の任意のものを用いること
ができる。最も単純には、表示装置１０を３台の
表示器で構成して、ビーム形成回路５０２₁，５
０２₂，５０２₃のそれぞれの受波信号を各々別個
の表示器に表示させればよい。この場合、演算処
理回路９は、ビーム形成回路５０２₁，５０２₂，
５０２₃の各々から送出される受波信号の距離、
方位データに基づいて、受波信号を表示画面上の
対応する画素位置に表示させる。このような表示
方法は周知であり、受波信号を表示器の画素走査
に同期してリアルタイムで表示してもよいが、記
憶回路を用いて受波信号を記憶回路に記憶させた
後、その記憶データを表示器の画素走査に同期し
て読出して表示するごとくしてもよい。又、この
場合、表示器は１台の表示器の表示画面を３等分
して表示するようにしてもよい。又、表示装置１
０は切換制御回路１１の切換動作に連動して表示
状態が制御される。すなわち、送受波器１，２が
送信回路４と受信回路５に切換えて接続されると
き、表示器上においてもＺ軸とＹ軸が切換えられ
て表示される。

又、演算処理回路９並びに表示装置１０は現在
汎用されているグラフイツク技術を用いて探知物
体の３次元表示を行うことも可能である。すなわ
ち、表示画面上にXYZの座標軸を形成して、ビ
ーム形成回路５０２₁，５０２₂，５０２₃の各々
から送出される受波信号の距離データ、方位デー
タに基づいて、受波信号の距離、方位をXYZの
座標軸上の位置に変換して表示することができ、
このようなグラフイツク技術は周知である。

（発明の効果） 水中探知を３次元的に行なうことができるか
ら、水中の状況を適確に把握することができる。
又、第１図のＹ軸方向送受波器１、Ｘ軸方向送受
波器２を適宜切換えて送信回路４と受信回路５に
接続することにより探知物の形状の把握が容易に
なり、最適な水中探知を行なうことができる。

（発明の他の実施例） 上記実施例においては、送信ビームは周波数
f₁、f₂、f₃の３種類のビームを送信したが、さら
に多くのビームを用いても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示し、第２図はそ
の送信回路の具体例を示し、第３図はその送受信
ビームの一例を示し、第４図はその受信回路、ビ
ーム形成回路の具体例を示す。 １，２……送受波器、３……送受切換器、４…
…送信回路、５……受信回路、６……送信信号生
成回路、７……方向指定回路、８……ビーム形成
回路、９……演算処理回路、１０……表示装置、
１１……切換制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ XY平面上のＸ軸方向に複数の超音波振動子
   が配列されて構成される超音波送波器と、 上記XY平面上のＹ軸方向に複数の超音波振動
   子が配列されて構成される超音波受波器と、 上記超音波送波器の配列振動子の各々に対応す
   る多相周波信号を生成し、かつ、該多相周波信号
   によつて上記超音波送波器の配列振動子が励振さ
   れるとき、上記超音波送波器の配列振動子から送
   波される超音波の合成指向特性がＸ軸を横切る平
   面内に無指向性でXZ平面内に定める第１方向に
   指向性を有するように上記多相周波信号の各々の
   位相が設定される第１の多相周波信号の生成回路
   と、 該第１の多相周波信号と同様にして多相周波信
   号を生成し、その周波数f₂が上記配列超音波振動
   子の共振特性内で上記第１の多相周波信号f₁に比
   して異なり、かつ、該多相周波信号によつて上記
   超音波送波器の配列振動子が励振されるとき、上
   記超音波送波器の配列振動子から送波される超音
   波の合成指向特性がＸ軸を横切る平面内に無指向
   性でXZ平面内に定める第２方向に指向性を有す
   るように該多相周波信号の各々の位相が設定され
   る第２の多相周波信号生成回路と、 上記超音波受波器の各振動子の受波信号を位相
   合成してＹ軸を横切る平面内に無指向性でYZ平
   面内に指向性を有する指向性受波ビームを形成
   し、かつ、該指向性受波ビームの指向方向を高速
   度で走査する位相合成回路と、 該位相合成回路によつて得られる指向性受波ビ
   ームのうちから上記第１の多相周波信号の周波成
   分f₁を抽出する第１の信号検出回路と、 該第１の信号検出回路と同様にして、上記指向
   性受波ビームのうちから上記第２の多相周波信号
   の周波成分f₂を抽出する第２の信号検出回路とを
   具備してなる３次元水中探知装置に用いる超音波
   送受波装置。