JPH0479583B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 技術分野 この発明は、広範囲方向に超音波パルスを送受
信して水中の広範囲方向を探知する水中探知装置
に関し、特に、分割能を低下させることなく、よ
り広範囲を探知できるようにした水中探知装置に
関する。

(b) 従来技術とその欠点 水中の広範囲方向を探知する場合、一般には、
広範囲方向に超音波パルスを同時に送信して、各
方向から帰来する反射波を各方向毎に別個に抽出
する。各方向の反射波の抽出は、各方向から帰来
する反射波を複数個の超音波振動子で受信して、
得られた各振動子の受信信号を位相合成すること
により、特定の方向に受信感度を有する指向性受
信ビームを形成する。そして、この指向性受信ビ
ームによつて探知範囲を走査して、各方向毎に帰
来する反射波を受信する。

このようにして超音波振動子群の受信信号を位
相合成するとき、特定方向に最も強い受信感度が
形成されるが、不要方向にも極めて弱いながら受
信感度が形成される。この不要方向の受信感度は
通常副極ビームと呼ばれている。

従来の広範囲水中探知装置において副極ビーム
の指向方向から帰来する反射波の強度が比較的強
い場合、表示影像に種々の弊害を生じさせる。

たとえば、直下の海底を含む広範囲方向に超音
波パルスを送信してその反射波を受信する場合、
直下の海底方向から極めて強い反射波が帰来す
る。したがつて、上記位相合成によつて形成され
る受信ビームが、直下方向ではなく斜め方向を指
向しているときでも、直下の海底方向からの反射
波が上記副極ビームによつて受信される。この結
果、表示映像上には副ビームによる受信信号が虚
像として表示される。第５図において、Ｂは真の
海底線の表示映像を示し、B′は副極ビームによ
る海底の虚像を示す。

このような副極ビームによる弊害を除去する方
法として超音波パルスを送信する探知範囲を複数
の小区間に分割して、各小区間毎に異なる周波数
の超音波パルスを送受信する方法を、同出願人は
すでに出願しているが、たとえば第６図に示すよ
うに超音波振動子群からなる超音波振動子ユニツ
トによる走査範囲をθとし、その範囲をθ₁〜θ₄の
小区間に分割し、それぞれf₀₁〜f₀₄まで異なつた
超音波パルスを用いて送受信を行う。この方法に
よれば、たとえば探知範囲角θ₁を走査している途
中においてθ₂から反射波が帰来しても超音波の周
波数が異なるためf₀₁の超音波のみ抽出すること
ができ、影響を受けない。

このような水中探知装置は超音波振動子群たと
えばリニアアレイ型のものを用いることによつて
分解能を容易に高めることができる。しかし、リ
ニアアレイ型の探知範囲角は約120度が限界であ
り、それ以上の広範囲に亘つて探知することがで
きない。そこで、超音波振動子群からなる超音波
振動子ユニツトを複数個設け、探知範囲を分担す
るように用いることによつて全体として広範囲を
探知することができるが、ただ単に複数組設けた
だけでは幾つかの弊害が生じる。第７図Ａに示す
ように超音波振動子ユニツトを２つ設け、それぞ
れ周波数f₀₁→f₀₂→f₀₃→f₀₄の順に走査を行う場
合、f₀₄の超音波パルスが送信されるタイミング
はf₀₁よりわずかながら遅れる。このため、超音
波振動子ユニツトZ₁₁によるf₀₄の反射波と超音波
振動子ユニツトZ₁₂のf₀₁の区間における反射波の
受信タイミングに相当なずれを生じる。したがつ
てこのようにして得られる海底像およびエコーが
不連続となる問題がある。一方、第７図Ｂに示す
ように走査の順次を左右対称にすることによつて
海底像およびエコーに連続性を持たせることがで
きるが、図に示した例の場合、超音波振動子ユニ
ツトZ₁₁がf₀₄の区間を走査しているとき、Z₁₂によ
るf₀₄の区間の反射波を副極ビームが受信するこ
とになり、この部分において虚像が生じるおそれ
がある。

(c) 発明の目的 この発明の目的は、副極ビームによる虚像を除
去するとともに海底像やエコー等に段差のない像
を得ることを可能とし、しかも分解能を低下させ
ることなく、広範囲の水中を探知できるようにし
た広範囲水中探知装置を提供することにある。

(d) 発明の構成および効果 この発明の広範囲水中探知装置は、電子的に一
方向に走査され、一定方向に指向性を有する超音
波を送信する複数個の超音波振動子が配列されて
構成される超音波振動子群からなる超音波振動子
ユニツトを備え、そのユニツトによる走査範囲を
複数の小区間に分割するとともに、各小区間での
超音波振動子の励振周波数を異ならせた水中探知
装置において、 広範囲の探知範囲を複数の角度範囲に区分し、
各角度範囲をそれぞれの走査範囲とする複数の超
音波振動子ユニツトを配置し、 前記走査範囲の境界で隣接する前記小区間の
各々に対する超音波送信タイミングを同一とし、
且つ、受信指向角が前記隣接する小区間にあると
きの超音波振動子ユニツトの励振周波数を前記隣
接する小区間で異ならせる超音波振動子ユニツト
制御手段を設けたことを特徴とする。

以下のように構成することによつて、各超音波
振動子ユニツトが走査する走査範囲の境界で隣接
する小区間の回転像およびエコーが連続性を失わ
ず、またその隣接する小区間が異なつた周波数の
超音波パルスによつて探知されるため、互いに干
渉することなく、海底像およびエコーに虚像が生
じない。

この発明に係る広範囲水中探知装置の作用例を
第１図に示す。図より明らかなように、この例で
は、広範囲の探知範囲を、超音波振動子ユニツト
Z₁₁の走査範囲θ₁₁と超音波振動子ユニツトZ₁₂の
走査範囲θ₁₂とに区分し、この二つの走査範囲θ₁₁
とθ₁₂の境界で隣接する２つの小区間をf₀₄とf₀₁の
異なる周波数に割り当てる。したがつて干渉の問
題は生じない。また超音波振動子ユニツトZ₁₁は
f₀₁→f₀₂→f₀₃→f₀₄の順に走査するのに対して、超
音波振動子ユニツトZ₁₂はf₀₄→f₀₃→f₀₂→f₀₁の順に
走査する。したがつて、隣接する小区間間での海
底像およびエコーの時間差は極わずかであるため
像のずれはほとんど生じない。

なお、第１図の例では二つの超音波振動子ユニ
ツトを用いて、探知範囲を二つの角度範囲に区分
したが、二つ以上の超音波振動子ユニツトを用い
て、探知範囲をそれぞれの走査範囲で区分した場
合も同様である。

(e) 実施例 ＜探知範囲の分割＞ この発明の実施例では、第１図に示したよう
に、広範囲の探知範囲を、二つの超音波振動子ユ
ニツトZ₁₁とZ₁₂による走査範囲θ₁₁とθ₁₂に区分し、
各区分をそれぞれθ₁，θ₂、θ₃，θ₄の四つの小区分
に分割する。＜全体のブロツク図＞ 第２図はこのような２つの超音波振動子ユニツ
トを用いた水中探知装置のブロツク図である。
Z₁₁およびZ₁₂は上述の通り、それぞれ超音波振動
子を直線上に配列してユニツト化した超音波振動
子ユニツトである。送受信回路（）と送受信回
路（）はそれぞれ超音波振動子ユニツトZ₁₁と
Z₁₂を駆動して超音波パルスを送信し、またZ₁₁と
Z₁₂が受信した信号を受信する。超音波振動子ユ
ニツトZ₁₂と送受信回路（）の端子T₁〜T₈との
接続はZ₁₁の場合と対称関係にある。このため、
第１図においてZ₁₁は探知範囲をS₀→S₁の方向に
走査するのに対して、Z₁₂はS₂→S₁の方向に走査
することになる。１３はキーイングパルス生成回
路であり、送受信回路（）、（）に対してトリ
ガ信号を与える。両送受信回路はこの信号に基づ
いて超音波パルスを第１図に示したように所定の
順に送信する。送受信回路（）、（）の出力信
号は加算され、増幅器１６によつて増幅され、表
示装置１４にその出力信号が与えれる。掃引回路
１５はキーイングパルスに同期して表示装置１４
の掃引を行う。なお、表示装置１４はいわゆるラ
スタスキヤン方式の表示管を用い、表示すべき内
容を記憶するメモリを備え、さらに送受信回路
（）、（）から出力された信号を極座標系から
直交座標系に座標変換して表示用メモリに書き込
む機能を備えている。

＜送受信回路＞ 第３図は第２図に示した送受信回路（）、
（）の具体的な回路図である。T₁〜T₈は超音波
振動子ユニツトZ₁₁を接続する端子であり、振動
子ユニツトは８個の振動子より構成されている。

＜送信部＞ 送信信号生成回路２は、出願人が特願昭57−
137745号（特公昭63−043033号）で示した多相周
波信号の生成装置が用いられる。すなわち、カウ
ンタ２０１によつてROM２０３の記憶データが
読み出されるとき、ラツチ回路２０４から出力さ
れる８相の周波信号が接続端子T₁〜T₈に導かれ
る。

なお、このとき切換器３０１〜３０８は増幅器
２１６の出力が端子T₁〜T₈と接続されるように
切り換えられている。

超音波振動子ユニツトから送信される超音波信
号の合成指向特性は各振動子を励振する励振信号
の位相関係によつて決定される。そして、励振信
号すなわち矩形波列の位相関係はROM２０３の
記憶データによつて適宜設定することができる。

ROM２０３はカウンタ２０１によつて記憶デ
ータが読み出されるが、その読み出し領域が数値
設定回路２０７によつて切り換えられる。読み出
し領域の切り換えは第１図に示した探知範囲角
θ₁₁における４つの領域に切り換えられるように
設定されている。

数値設定回路２０７はカウンタ２０８の計数値
に対応してROM２０３の読み出し領域を順次切
り換え指定する。そして、第１領域が指定されて
いる間、カウンタ２０１の読み出しによつて生成
された矩形波が超音波振動子ユニツトに導かれる
とき、第１図に示した探知範囲角θ₁₁におけるθ₁
の範囲角方向に超音波信号が送信される。すなわ
ち、第１領域においては、超音波振動子ユニツト
から出力される超音波信号の合成指向特性がθ₁の
範囲角方向になるように、上記矩形波列の位相関
係が設定されている。次に第２領域に切り換えら
れると、超音波信号の送信方向が、第１図に示し
た探知角θ₁₁におけるθ₂の範囲角方向になるよう
に各矩形波列の位相関係が設定される。同様にし
て、第３領域、第４領域が設定されている。

ROM２０３の第１領域〜第４領域までの読み
出し領域の切り換えは、カウンタ２０８によつて
極めて短時間内に行なわれる。カウンタ２０８は
ゲート２０９を経て導かれるクロツクパルス源２
１０のパルス列を計数する。ゲート２０９は端子
TPを介してキーイングパルス生成回路からキー
イングパルスが入力されたとき導通して、カウン
タ２０８が桁上げパルス（第４図中ｃ）を出力す
るまでの間導通する。

第２図に示したキーイングパルス生成回路１３
は、第４図においてａに示すように、周期T_pの
パルス列を生成し、これによつて超音波パルスの
送信が開始される。

ゲートパルス生成回路２１４はゲート２０９の
導通時間T_sに第４図においてｄに示すゲートパ
ルスP₁，P₂，P₃，P₄を生成する。このゲートパ
ルスはゲート２１５から出力される矩形波列をゲ
ートパルスの発生時間だけ通過させる。

カウンタ２０８は、上記のようにして数値設定
回路２０７を制御して超音波パルスの送信方向を
制御すると同時に、各方向に送信する超音波の周
波数をも制御する。すなわち、このカウンタの出
力はデコーダ２１２に導かれて、ゲート２１１を
制御することにより行われる。分周回路２０２は
クロツクパルス源２０６のパルス列を分周して周
波数が異なる４種類の分周波をそれぞれ生成す
る。したがつて、ゲート２１１が順に導通すると
きOR回路２１３を経て周波数の異なる分周波が
カウンタ２０１に導かれる。

このことによつて第１図に示した探知範囲角
θ₁₁におけるθ₁，θ₂，θ₃，θ₄の各方向に周波数が
f₀₁，f₀₂，f₀₃，f₀₄のそれぞれ異なる超音波パルス
が送信される。

＜受信部＞ 超音波振動子ユニツトは水中に超音波パルスを
送信した後、水中からの反射波を受信して各超音
波振動子の受信信号を送受切換器３０１〜３０８
を経て移相回路４，５，６および７の各々へ共通
に送出する。各々の移相回路４，５，６および７
は同様に構成され、移相回路４について見ると、
混合回路４００、フイルタ４１０、混合回路４２
０で構成される。混合回路４００およびフイルタ
４１０は後述するように超音波振動子の受信信号
中から特定の周波数を抽出する。混合回路４２０
は抽出した周波信号を特定量ずつ移相させる。こ
の移相量は後述する移相制御回路８から出力され
る移相用周波信号によつて決定される。また、特
定の周波信号の抽出は抽出用混合信号生成回路９
から出力される混合信号に基づいて行われる。移
相制御回路８は後述するように、周波数が共通で
位相がそれぞれ異なる多相周波信号を生成する。
実施例においては８個の混合回路４２０が用いら
れているから、８相の周波信号が生成され、各相
の周波信号が混合回路４２０の各々へ導かれる。
他の移相回路５，６，７に対しても同じ多相周波
信号が導かれる。

混合信号生成回路９は、移相回路４，５，６，
７の各々に対応して複数の周波信号f₁₁，f₁₂，f₁₃，
f₁₄を生成する。すなわち、移相回路４，５，６，
７における混合回路４００，５００，６００，７
００の各々は、超音波振動子の受信信号に対し
て、混合信号生成回路９から出力される信号f₁₁，
f₁₂，f₁₃，f₁₄をそれぞれ混合して、各フイルタ４
１０，５１０，６１０，７１０が各々の混合信号
中から共通の周波信号f₀を抽出できるようにす
る。ここでたとえば、移相回路４においては、探
知範囲θ₁方向の受信信号f₀₁に混合信号生成回路
９からの信号f₁₁を混合して、その混合周波信号
生成回路９からの信号f₁₁を混合して、その混合
周波信号の差周波成分あるいは和周波成分がf₀と
なるように、混合周波信号f₁₁をf₁₁±f₀₁＝f₀とな
るように設定している。同様に、f₁₂±f₀₂＝f₀、
f₁₃±f₀₃＝f₀、f₁₄±f₀₄＝f₀となるように他の混合
周波信号を設定している。

次に、移相制御回路８、移相回路４，５，６，
７、加算回路１１およびフイルタ１２による指向
性受波ビームの形成原理を説明する。

例えば移相回路４におけるフイルタ４１０の出
力信号を Si（ｔ）＝Ei sin（ωt＋Ai） …(1) また、移相制御回路８のラツチ回路８０３の出
力信号を Ui（ｔ）＝Vi sin（ωc ｔ＋Bi） …(2) とする。ここでｉは８つのフイルタ回路４１０の
序数およびラツチ回路８０３の序数である。この
ときの混合回路４２０の各出力は Ci（ｔ）＝Si（ｔ）・Ui（ｔ） ＝（１／２）EiVi｛cos［（ω−ωc）ｔ ＋（Ai−Bi）］−cos［（ω＋ω）ｔ ＋（Ai＋Bi）］｝ …(3) となる。

(3)式から明らかなように、混合信号Ci（ｔ）は
フイルタの出力信号Si（ｔ）とラツチ回路の出力
信号Ui（ｔ）との差周波と和周波の成分で構成さ
れている。マルチプレクサ１０が混合回路４２０
を選択しているとき加算回路１１は混合回路４２
０の８つの出力を加算する。フイルタ１２が、前
記混合出力の差周波成分を抽出するものとすれ
ば、フイルタ１２の出力信号は CT（ｔ）＝₈ 〓 〓ⁱ⁼¹ １／２EiVi cos｛（ω−ωc）ｔ＋（Ai−Bi）｝…(4
) となる。

(4)式においてAi＝Biのとき、混合回路４２０
の各出力が同相になり、フイルタ１２の出力が最
大となる。したがつて、このときのフイルタ１２
の出力はｉ番目の振動子の受波信号が１番目の振
動子に対して移相差Aiを生じる方向（θ）に指
向性が形成されたことを示す。すなわち、(2)式に
示したラツチ回路の出力信号の移相差BiをAiに
設定することにより、θ方向に指向性受波ビーム
を形成することができ、かつ、移相差Biを変化
させることにより、指向方向θを変化させること
ができる。

さて、第３図の移相制御回路８において、カウ
ンタ８０１は分周回路８０４から入力されるパル
ス列を計数し、ROR８０２のアドレスを選択す
る。８個のラツチ回路はラツチパルス生成回路８
０５から出力されるラツチパルスによつてROM
８０２の出力信号をラツチする。このようにカウ
ンタ８０１によつてROM８０２の記憶データが
順次読み出されて、読出データがラツチ回路８０
３にラツチされることにより、８つのラツチ回路
８０３から８相の周波信号が出力される。この周
波信号は、実際には、ROM８０２の記憶データ
が二進値出力で送出されるから８相の矩形波列で
ある。

ROM８０２には、カウンタ８０１の計数動作
により、ラツチ回路８０３から出力される矩形波
列の位相関係が順次変化して、超音波振動子ユニ
ツトの受信指向方向が第１図に示した探知範囲角
θ₁₁内でS₀方向からS₁方向に順次走査するための
データを予め書き込んでいる。この場合、ある時
点における受信指向方向は前述したようにラツチ
回路から出力される矩形波列の位相関係により決
まり、矩形波列の位相関係はカウンタ８０１の計
数値に対応するから、カウンタ８０１の計数値か
ら受信指向方向を知ることができる。

カウンタ８０１の計数値出力はマルチプレクサ
１０に導かれて、マルチプレクサは受信指向方向
が特定角変化する毎に移相回路４，５，６，７の
出力周波信号を切り換えて加算器１１に導く。す
なわち、第１図において、受信指向方向がS₀方向
からS₁方向まで探知範囲角θ₁₁を走査するとき、
探知範囲θ₁を走査している間は移相回路４の出力
信号を加算器１１へ導く。そして、受信指向方向
が次の探知範囲θ₂を走査している間は移相回路５
の出力信号を加算器１１に導く。同様にして受信
指向方向が探知範囲θ₃，θ₄へと変化するとき、マ
ルチプレクサ１０は移相回路６，７の出力信号を
順に切り換えて加算器１１へ導く。

以上の結果、受信方向が第１図に示した探知範
囲角θ₁₁内をS₀からS₁へ変化するとき、各方向の
受信信号がフイルタ１２から順次出力される。

以上説明したように第２図の送受信回路（）
が構成される。送受信回路（）は第３図に示し
た回路とほとんど同一であるが、次の点で異な
る。第３図を用いて説明すれば、まずゲート２１
１₁〜２１１₄とデコーダ２１２との接続関係が対
称関係である。すなわち、デコーダ２１２の端子
１をゲート２１１₄に接続し、デコーダ２１２の
端子２をゲート２１１₃に接続し、デコーダ２１
２の端子３をゲート２１１₂に、またデコーダ２
１２の端子４をゲート２１１₁にそれぞれ接続す
る。このようにすることによつて超音波振動子ユ
ニツトはその周波数がf₀₄→f₀₃→f₀₂→f₀₁の順に駆
動する。（第４図においてd′は送受信回路（）
におけるゲート２１５の導通タイミングを表して
いる。）また、混合信号生成回路９の出力と移相
回路４，５，６，７との接続関係が対称関係であ
る。すなわち、混合信号生成回路９の端子１を移
相回路７の混合回路７００へ接続し、混合信号生
成回路９の端子２を移相回路６の混合回路６００
へ接続し、混合信号生成回路９の端子３を移相回
路５の混合回路５００へ接続し、さらに混合信号
生成回路９の端子４を移相回路４の混合回路４０
０へそれぞれ接続する。このことによつて受信信
号から抽出すべき周波数がf₀₄→f₀₃→f₀₂→f₀₁の順
に変化する。

以上のようにして第１図に示したように探知範
囲角θ₁₁とθ₁₂を合わせてほぼ180度の広範囲に亘
つて探知を行うことができる。なお、実施例は４
つの移相回路を用いて、その出力をマルチプレク
サによつて切り換える例であつたが、混合信号生
成回路９の出力をマルチプレクサによつて切り換
えるように構成すれば、移相回路４，５，６，７
を一つにして、各周波数に共用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である水中探知装置
の作動状態を表す図、第２図は同水中探知装置の
ブロツク図、第３図は送受信回路の回路図、第４
図はその主要部分のタイミングチヤート、第５図
は従来の水中探知装置による影像を示す図、第６
図、第７図Ａ，Ｂはそれぞれ従来の水中探知装置
による探知方法を説明する図である。 Z₁₁，Z₁₂……超音波振動子ユニツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子的に一方向に走査され、一定方向に指向
   性を有する超音波を送信する複数個の超音波振動
   子が配列されて構成される超音波振動子群からな
   る超音波振動子ユニツトを備え、そのユニツトに
   よる走査範囲を複数の小区間に分割するととも
   に、各小区間での超音波振動子の励振周波数を異
   ならせた水中探知装置において、 広範囲の探知範囲を複数の角度範囲に区分し、
   各角度範囲をそれぞれの走査範囲とする複数の超
   音波振動子ユニツトを配置し、 前記走査範囲の境界で隣接する前記小区間の
   各々に対する超音波送信タイミングを同一とし、
   且つ、受信指向角が前記隣接する小区間にあると
   きの超音波振動子ユニツトの励振周波数を前記隣
   接する小区間で異ならせる超音波振動子ユニツト
   制御手段を設けたことを特徴とする広範囲水中探
   知装置。