JPH05273333A

JPH05273333A - 高速度マルチビーム側方探査ソナー装置

Info

Publication number: JPH05273333A
Application number: JP5031270A
Authority: JP
Inventors: George A Gilmour; アーサーギルモアジョージ; Bruce C Mitchell; キャメロンミッチェルブルース
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 1993-10-22
Also published as: FR2688894A1; FR2688894B1; US5177710A

Abstract

(57)【要約】【目的】少数の素子よりなる高速度マルチビーム側方
探査ソナー装置を提供する。【構成】音響エネルギー送信手段と、反射波を受信し
て受波領域を形成する、所定間隔の複数のハイドロフォ
ンよりなるハイドロフォン・アレーとよりなり、送信手
段は、ハイドロフォン素子の間隔を最大限にして最小距
離における高速度マルチビーム側方探査ソナー装置の性
能を最大にするためそれぞれ異なる周波数で作動して受
波領域を複数の受波ストリップに分割する複数の送信ト
ランスデューサを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の周波数を用いて
受波領域（ensonification region)を分割することによ
り素子の間隔を増加させ、またそれぞれ異なる周波数で
作動する複数の短い送波器(projector) を用いて送波器
の充填時間劣化(fill time degradation) を最少限に抑
えた、少数の素子よりなる高速度マルチビーム側方探査
ソナー装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ソナーは、音波を物標で反射させ、その
反射波を処理することによって水中の物標を探知する技
術である。このような探知の目的で周波数範囲が１乃至
６０Ｋｈｚの装置が多数開発されている。

【０００３】高周波ソナーは音波によって像を形成する
が、これは側方探査及び前方探査型に分類することがで
きる。側方探査型ソナーでは、水上の船が曳航する水中
のキャリアが例えば海底のような物標領域上方の或る特
定の高度で航行する。このキャリア上の側方探査ソナー
装置はその船の側方へ音響パルスを繰り返し送信するよ
うに作動されるが、この２つのパルスを右舷パルス及び
左舷パルスと呼ぶ。これらのパルスは海底にあたってス
トリップ状の受波領域をそれぞれ掃引する。

【０００４】キャリア航行時、ストリップ状受波領域か
らの音響反射波が側方探査ソナー装置により受信される
と、この装置は受波ストリップを調べるため１または２
以上の受信ビームを形成する。受信音響エネルギーは処
理された後適当なディスプレイ装置上に表示される。パ
ルスが送信されそれに続いて反射波が受信されるたびに
ディスプレイ上に走査線が形成され、これによりテレビ
ジョン受像管の従来型陰極線ビームの走査と同様な態様
で海底の様子が描かれる。この際ディスプレイ上の表示
は陽光部と陰影部とよりなるパターンであり、対象物の
輪郭がその識別が可能なように表示される。

【０００５】しかしながら、高速度マルチビーム側方探
査ソナー装置には近接性能に悪影響を与える以下の２つ
の問題がある。

【０００６】（１）受信格子サイドローブ(grating sid
elobes) が送信ビームにオーバーラップする、（２）送
波器の充填時間劣化が著しいことである。

【０００７】これらの問題は共に本発明の装置及び方法
により解消される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はソナー
装置を改良することにある。

【０００９】本発明の別の目的は高速度マルチビーム側
方探査ソナー装置の改良にある。

【００１０】本発明のさらに別の目的は複数の周波数を
用いて受波領域を分割することにより素子の間隔を増加
させた高速度マルチビーム側方探査ソナー装置を提供す
ることにある。

【００１１】本発明のさらに別の目的は、それぞれ異な
る周波数で作動する複数の短い送波器を用いて送波器の
充填時間劣化を最少限に抑えた高速度マルチビーム側方
探査ソナー装置を提供することにある。

【００１２】本発明の上述及び他の目的及び利点は、音
響エネルギーを送信する送信手段と、前記送信手段によ
り送信された音響エネルギーの反射波を受信して受波領
域を形成する、所定間隔の複数のハイドロフォンよりな
るハイドロフォン・アレーとよりなり、前記送信手段
は、前記複数のハイドロフォンの間隔を最大限にして最
小距離における高速度マルチビーム側方探査ソナー装置
の性能を最大にするためそれぞれ異なる周波数で作動し
て前記受波領域を複数の受波ストリップに分割する複数
の送信トランスデューサを含むことを特徴とする高速度
マルチビーム側方探査ソナー装置により実現される。

【００１３】以下、添付図面を参照して本発明を実施例
につき詳細に説明する。

【００１４】

【実施例】本発明の好ましい実施例を説明する前にその
背景説明を図１及び２を参照して行う。

【００１５】上述したように、ソナーは水中の物標を探
知するため音波をその物標で反射させその物標からの反
射信号を処理する。かかる探知の目的のため周波数範囲
が１乃至６０Ｋｈｚの装置が多数開発されている。高周
波ソナーは音波によって像を形成する。高分解能のソナ
ーは側方探査型と前方探査型の２つに分類することが可
能である。側方探査型ソナーを図１に示す。水上の船１
０により曳航される水中のキャリア８は海底１２のよう
な物標領域上方の或る特定の高度で航行する。このキャ
リア８上の側方探査ソナー装置は音響パルスをキャリア
の側方に繰り返し送信するように作動するが、この音響
パルスには右舷パルス１４と左舷パルス１５とがある。
これらのパルスは１６及び１７で示すように海底１２に
あたって最小距離（Ｒｍｉｎ）から最大距離（Ｒｍａ
ｘ）へのそれぞれの受波領域１８，１９を掃引する。

【００１６】キャリア航行時、受波ストリップ１６，１
７からの反射音響信号は側方探査ソナー装置で受信され
るが、この装置は受波ストリップを調べるための１また
は２以上の受信ビームを形成可能である。領域１８，１
９は現在音波を受けている複数のストリップを表わし、
領域１８´，１９´は前に音波を受けたストリップの累
積である。この累積ストリップから情報が得られる。

【００１７】受信音響エネルギーが処理されると適当な
ディスプレイ装置上に表示される。各パルスの送信及び
それに続く受信に対応してディスプレイ上に走査線が形
成され、テレビジョン受像管の従来の陰極線ビームの走
査と同様な態様で海底の様子が描かれる。その際表示は
陽光部と陰影部とよりなるパターンであり、対象物の輪
郭がその識別が可能なように描かれる。

【００１８】図２は従来型高速度マルチビーム側方探査
ソナー装置である。最小距離において、アレーに沿って
離隔したハイドロフォン素子３０の個々の群は、隣接す
る一組のビーム３２とアレーに鉛直な第１の格子サイド
ローブ３４を形成するために用いられる。距離が増加す
るにつれて、各ビームのトラックに沿う分解能を維持す
るために各群にさらに別の素子が付加される。図２に示
すように、最小距離Ｒ _０ではビーム１乃至Ｎにつき３つ
の素子が用いられる。距離がＲ_０より大きくなると、そ
れぞれのビームを形成するため４，５及び６個の素子が
用いられる。また図２に示すように、各素子は一般的に
２以上のビームを形成するため同時に用いられる。例え
ば、第２番目の素子はビーム１を形成に用いる第２番目
の素子であるが、それはまたビーム２の形成に用いる第
１番目の素子である。

【００１９】高速度で作動するマルチビーム側方探査ソ
ナーには近接性能に悪い影響を与える２つの問題があ
る。それは、１）受信格子サイドローブが送信ビームとオーバーラッ
プすること、また２）送波器充填時間劣化が過大なことである。この受信
格子サイドローブの問題を最初に検討する。

【００２０】図３は中心間の距離が１５波長であるハイ
ドロフォン素子４０のセットを示す。第１の格子サイド
ローブ４２はビーム・ステアリング方向である主ビーム
４４から１／１５ラジアン（３．８度）の角度４３で形
成される。（ギャップフィラーを有する）かかる高速度
マルチビーム側方探査ソナーの最小距離は約５７００波
長であろう。第１格子サイドローブ４２の中心は最小距
離において主ビーム４４から３８０波長離れている。格
子サイドローブの問題を回避するためには、形成すべき
複数の受信ビームのセットが必要とする波長を１９０波
長以下にする必要がある。

【００２１】さらに、送信パターンは瞬時的に減衰可能
でないため受信ビームが必要とする波長は３８０波長よ
りも小さい、例えば３４０波長である必要がある。した
がって、最大曳航速度は１回の送信につき３４０波長、
即ち約１２．５ノットに制限される。曳航速度を増加さ
せる唯一の従来型方法は素子の間隔を減少することであ
る。例えば、上述した１５波長のアレーでなくて７．５
波長の素子のアレーは主ビーム。ステアリング方向から
１／７．５ラジアンのところに格子ローブを有するた
め、約２５ノットの曳航速度が可能であろう。しかしな
がら、素子の間隔を減少させるには等価長のアレーを形
成するために必要な数より多くの素子を用いる必要があ
る。また、素子の数を増加するにはより多くのチャンネ
ルからのデータを処理する別の電子装置が必要となる。
本発明の装置は、上述したように素子の間隔の減少或い
は別の電子装置の付加を伴なわずに２５ノットの曳航速
度を可能にする。

【００２２】送波器の充填時間については、送波器トラ
ンスデューサが長すぎると、特に最小距離での距離分解
能が劣化する。上述の場合、５７００波長の最小距離に
おいて幅が３４０波長のストリップに音波を当てるのが
目的であるため、典型的な距離分解能セル(range resol
ution cell) は２８波長であり、長さ５６波長のパルス
を必要とする。送波器トランスデューサの充填時間の関
係を図４に示す。１０％の劣化なら許容できると仮定す
ると、過大な充填時間劣化を回避するには、送波器トラ
ンスデューサ５０の一端５２から受波領域５４の隅まで
の距離は送波器トランスデューサ５０のもう一方の端部
５６から同じ隅５４までの距離より５．６（１０％）波
長以上長いものであることはできない。この場合の最大
送波器トランスデューサ長は１８８波長であり、これは
短すぎて幅３４０波長の良好な近視野の矩形送信パター
ンを得ることができない。

【００２３】本発明によると、複数の周波数を送信する
複数の短い送波器を用いて受波領域を分割することによ
り最小距離における高速度マルチビーム側方探査ソナー
の性能を最大にして上述した従来装置の問題を回避す
る。

【００２４】本発明の装置は、図５に示すようにストリ
ップ６２，６３，６４において所望の矩形パターンで音
波を当てるため周波数が異なる複数の送信トランスデュ
ーサ５９，６０，６１を備えた送信手段５８を用いる。
複数の送信トランスデューサ５９，６０，６１により周
波数が異なるにもかかわらず全ビームを形成させるため
単一のハイドロフォン・アレーを用いる。さらに、上述
した充填時間の問題を回避するため個々の送信トランス
デューサの長さを制限する。音波を受けるストリップ幅
に等しくなければならない送波器の全長Ｌはほぼ以下の
通りである。

【００２５】Ｌ＝（２×Ｒ×ＦＴ）^１／２上式においてＲは問題の最小距離、ＦＴは許容可能な最
大充填時間劣化である。上述した例のようにＲが５７０
０波長、またＦＴが５．６波長に等しい場合、送波器の
全長Ｌは２５３波長である。したがって、最大曳航速度
は１つの周波数に対して１つの送信パルス(ping)に対し
て２５３波長である。これは１つの周波数システムでは
約９．３ノット、２つの周波数システムでは１８．６ノ
ット、また３つの周波数システムでは２７．９ノットに
換算される。３つの周波数を用いる場合、これらの周波
数間の保護周波数帯は送信パルスの帯域幅にほぼ等しく
なければならない。送信パルスの帯域幅はソナー周波数
の約２％であるのが普通である。３つの周波数に２つの
保護周波数帯を加えるとソナー周波数の約１０％が必要
であるが、これは十分にトランスデューサのＱ内であ
る。

【００２６】周波数ごとの受波ストリップの幅を２５３
波長と仮定すると、最大素子間隔を予想することが可能
である。２つの格子サイドローブは最小距離５７００波
長では２５３波長の幅に広がるものでなければならな
い。格子サイドローブ間の距離として３００波長を選ん
だ場合、送波器のパターンを減衰させるには素子間の距
離は１９波長である。７６０波長のアレーはもし素子の
間隔を等しくすると４０個の素子を必要とし、最大距離
４００００波長に対してほぼ５３波長の分解能を持つで
あろう。素子間隔が大きいアレーに適用可能な原理を用
いると、中心の数個の素子に限りそれらの間隔を１９波
長にする必要がある。格子角を小さくしても依然として
受波領域を避ける場合外側の素子は長い距離についての
み用いられるためその間隔をさらに大きくすることが可
能である。

【００２７】本発明の別の実施例では、設計高度として
４４８０波長が望ましく、秒速１４９３．５ｍの音速を
用いる。上述したアプローチによると、受信格子サイド
ローブはこの高度では最小距離において送信パターンか
ら外れ、送波器充填時間が最少限に抑えられる。最小距
離は４５度のクレージング角で選択される。即ち、最小
距離は高度に２の平方根を掛けた値に等しく、６３３３
波長となる。

【００２８】図６はエンドビームに対する格子サイドロ
ーブの位置を示すものであり、最悪のケースである。図
６において最小距離は６３３３波長であり、受信アレー
の長さは受波領域の幅にほぼ等しい。格子サイドローブ
を約１５ｄＢだけ減少させるには、格子サイドローブを
送信パターンの約５０波長外側におく必要がある。すべ
ての受信ビームが１つの送信周波数で占められる状態で
は、格子サイドローブの角度は少なくとも０．０９８ラ
ジアンに等しいΘ_１であり、これは素子間隔を１／Θ_１
（１０．２波長に等しい）以下にする必要がある。この
ためアレーには各側に６１個の素子が必要となる。受信
ビームの半分が１つの周波数で占められており、残りの
半分が別の周波数で占められている場合、格子サイドロ
ーブの角度は０．０５３ラジアンに等しい角度Θ_２に減
少し、素子間隔は１８．８５波長よりも小さくなる。こ
のためアレーの各側に３３個の素子が必要となる。この
場合、前方ビーム（第１の半分）に用いる周波数は後方
ビーム（もう一方の半分）の周波数とは異なる。

【００２９】主サイドローブが前方周波数領域にある場
合、格子サイドローブは後方周波数領域にあり（あるい
はその逆）フィルタリングにより除去可能である。この
１つのステップをさらに進めると、受信パターンは３つ
の周波数に分けられる。この場合、Θ_３は０．０３７ラ
ジアンに等しく、素子間隔は２７．２４波長よりも小さ
く、アレーの各側に２３個の素子が必要となる。３つの
周波数を用いると、電子装置のチャンネル数が減少する
だけでなくビーム間隔に等しい素子間隔を用いることが
できるため、ビーム形成手段が単純化される。

【００３０】この実施例では、１個の素子によりビーム
幅内に入るビームを形成することができる。また２７．
２４波長全体に圧電材料が充填されている場合素子のビ
ーム幅は約０．０３７ラジアンであり、これは公称最小
距離６３３３波長では２３１波長である。６３３３波長
において達成可能な最小ビーム幅は約０．００４ラジア
ンであり、これはほぼ９個の素子を用いる場合中央ビー
ムでは２６．１２波長に等しい。２つのエンドビームの
中心は端から２番目の素子にあり、そのため２つのエン
ドビームにつき約６個の素子を用いることができるに過
ぎず、公称最小距離におけるビーム幅は３８波長とな
る。次の対のビームではビーム幅は３３波長に改善さ
れ、その次の対では２８．４波長である。中央ビームに
近づくにつれて、これらの対のビーム幅はビームごとに
９個の素子を用いるまで減少する。

【００３１】反射信号が使用中の素子を通過する時間が
１パルス長以上である場合距離分解能もまた劣化する。
公称最小距離６３３３波長ではたった９個の素子を用い
るためこれは上述したような受信機では問題ではない。
しかしながら、長い近視野を持つ送波器を有する単一周
波数送信システムでは由々しき問題となる。その最悪の
ケースは図７に示すような最小距離の場合である。単一
周波数システムにおいて６２７波長の送信アレー６６を
用いる場合、Θ_１は５．２９度に等しく、エンドビーム
位置までの距離はアレーの一端からそしてビームの中央
位置から５４波長以上である。このため距離分解能セル
がこの値の半分、即ち２７波長だけ劣化する。しかしな
がら、上述したように、３つの周波数を用いる設計では
２０９波長の送信アレー６７、６８、６９が端部を接し
て取り付けられる。この場合、Θ_３＝１．５２°であ
り、一端からビームの中央位置までの余分の距離は４．
４波長であって距離分解能セルの劣化は２．２波長とな
る。この劣化は従来型高速度マルチビーム側方探査装置
に見られる劣化の１０分の１以下である。

【００３２】さらに、３つの２０９波長送信アレー６
７、６８、６９により送信されるエネルギーは水中の種
々の物体で反射して図８に示すようなハイドロフォン・
アレー７０の個々のハイドロフォン素子ｈ１−ｈ２３に
より受信される。これらのハイドロフォン素子の出力は
前置増幅器により増幅された後ビーム形成されて検波さ
れＣＲＴ表示となる。ハイドロフォン素子７０の出力は
１組の時変利得前置増幅器７２に結合される。この１組
の時変利得前置増幅器７２の出力は従来型の３つのビー
ム形成器８０、８１、８２へそれぞれ送られる。各ビー
ム形成器を特定の周波数に制限するためフィルタリング
を行う。かくして、ビーム形成器８０は周波数ｆ１でビ
ームＢ１を形成し、ビーム形成器８１は周波数ｆ２でビ
ームＢ２を、またビーム形成器８３は周波数ｆ３でビー
ムＢ３を形成する。これら３つのビーム形成器からのビ
ームＢ１、Ｂ２、Ｂ３はディスプレイ装置８４上での表
示のためビームフォーマッタ８３により適当な順序に並
べられる。

【００３３】もう１つの好ましい実施例において、周波
数ごとの受波領域の幅は最小距離では小さい値に保たれ
るが、距離が増加するに従って、図９に示す中央周波数
ストリップのように１つの周波数ストリップが広がる。
本発明の装置は、領域１１６、１１８、１２０において
矩形パターンで受波するために周波数の異なる複数の送
信トランスデューサ１１０、１１２、１１４を用いる。
そして再び単一のハイドロフォンを用いて、周波数の違
いに拘らずか複数の送信トランスデューサ１１０、１１
２、１１４から全てのビームを形成する。このため長い
距離では全てのビームにつき最良の周波数を用いること
ができる。

【００３４】本発明の好ましい別の実施例において、長
い距離では全ての周波数がオーバーラップし、余分の帯
域幅が小斑点(speckle) を減らすために用いられる。

【００３５】以上において本発明を説明したが、その変
形及び設計変更が種々の態様で可能なことが明らかであ
る。かかる変形及び設計変更は本発明の精神及び範囲か
ら逸脱したものと考えるべきでなく、当業者にとって自
明の全てのかかる変形及び設計変更は頭書した特許請求
の範囲内に含まれるものと考えるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は高速度マルチビーム側方探査ソナー装置
の使用態様を示す。

【図２】図２は１つの従来型高速度マルチビーム側方探
査ソナー装置を示す。

【図３】図３は格子サイドローブを説明するための図で
ある。

【図４】図４は送波器の充填時間を説明するための図で
ある。

【図５】図５は本発明の好ましい実施例による高速度マ
ルチビーム側方探査ソナー装置が複数の周波数を有する
ことを示す図である。

【図６】図６は複数の周波数の関数としての格子サイド
ローブの位置を示す図である。

【図７】図７は複数の周波数の関数としての送波器充填
時間を示す図である。

【図８】図８は本発明の高速度マルチビーム側方探査ソ
ナー装置が行う処理を示す図である。

【図９】図９は本発明の別の好ましい実施例による高速
度マルチビーム側方探査ソナー装置が複数の周波数を持
つことを示す図である。

【符号の説明】

８水中のキャリア１２海底１４右舷パルス１５左舷パルス３０ハイドロフォン素子３２ビーム３４格子サイドローブ４０ハイドロフォン素子４２格子サイドローブ４４主ビーム５０送波器トランスデューサ５８送信手段５９，６０，６１送信トランスデューサ６７，６８，６９送信アレー７０ハイドロフォン・アレー７２時変利得前置増幅器８０，８１，８２ビーム形成器８３ビームフォーマッタ８４ディスプレイ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ブルースキャメロンミッチェルアメリカ合衆国メリーランド州エリコットシティオーチャードアベニュー 2610

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響エネルギーを送信する送信手段と、前記送信手段により送信された音響エネルギーの反射波
を受信して受波領域を形成する、所定間隔の複数のハイ
ドロフォンよりなるハイドロフォン・アレーとよりな
り、前記送信手段は、前記複数のハイドロフォンの間隔を最
大限にして最小距離における高速度マルチビーム側方探
査ソナー装置の性能を最大にするためそれぞれ異なる周
波数で作動して前記受波領域を複数の受波ストリップに
分割する複数の送信トランスデューサを含むことを特徴
とする高速度マルチビーム側方探査ソナー装置。
【請求項２】前記ハイドロフォン・アレーは複数の受
信ビームを形成し、その第１の格子サイドローブが高速
度マルチビーム側方探査ソナー装置の最小距離において
受波領域の外側にあることを特徴とする請求項１のソナ
ー装置。
【請求項３】複数の送信周波数の各々が保護周波数帯
で分離されていることを特徴とする請求項２のソナー装
置。
【請求項４】前記複数の送信トランスデューサの数が
３であることを特徴とする請求項３のソナー装置。
【請求項５】前記複数の送信トランスデューサの充填
時間劣化が最少限に抑えられ、そのため最小距離におけ
る高速度マルチビーム側方探査ソナー装置の距離分解能
及び音響性能が向上することを特徴とする請求項１のソ
ナー装置。
【請求項６】最小距離より大きい距離において前記複
数の送信トランスデューサの少なくとも１つの方位角の
広がりが許容されることを特徴とする請求項２または５
のソナー装置。
【請求項７】高速度マルチビーム側方探査ソナー装置
において最小距離における音響性能を最適化するように
音響信号を処理する方法であって、（ａ）複数の送信トランスデューサにより複数の周波数
で音響エネルギーを送信し、（ｂ）複数のハイドロフォンを含むハイドロフォン・ア
レーにより音響エネルギーの反射波を受信し、（ｃ）音響エネルギーの反射波を処理して前記複数の周
波数のそれぞれにつき１つの複数の受波ストリップを形
成することにより最小距離における高速度側方探査ソナ
ー装置の音響性能が最適になる受波領域を実現するステ
ップよりなることを特徴とする方法。
【請求項８】前記ステップ（ｃ）は、高速度マルチビ
ーム側方探査ソナー装置の最小距離において第１の格子
サイドローブが前記受波領域の外側にある複数の受信ビ
ームを形成するステップをさらに含むことを特徴とする
請求項７の方法。
【請求項９】前記複数の送信周波数の各々が保護周波
数帯により分離されていることを特徴とする請求項８の
方法。
【請求項１０】前記複数の送信トランスデューサの数
が３であることを特徴とする請求項９の方法。
【請求項１１】最小距離よりも大きい距離において前
記複数の送信トランスデューサの少なくとも１つの方位
角の広がりが許容されることにより、各距離において最
良の周波数の使用が可能になることを特徴とする請求項
８の方法。
【請求項１２】前記複数の送信トランスデューサの充
填時間劣化が最少限に抑えられ、このため最小距離にお
ける高速度マルチビーム側方探査ソナー装置の距離分解
能及び音響性能が向上することを特徴とする請求項７の
方法。