JPH0664134B2 - 水中音響測位装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は水中音響測位装置に関し、特に海中雑音と温度
変化ならびに回路構成精度等の影響による測位精度の劣
化の改善を図った水中音響測位装置に関する。

［従来の技術］ ２個の受波器による受信信号相互間の位相差にもとづい
て到来音波の方位を知り水中目標の方位を計測する水中
音響測位装置はよく知られている。

第３図は２個の受波器を利用する水中音響測位の原理図
である。

いま、音波が方位角γで入射したとすると△Ｒ_１Ｒ_２Ｄ
に関して次の（１）式が成立する。ここでＲ_１およびＲ
_２は２個の受波器の音響中心、ＤはＲ_１に入射する音波
に対しＲ_２から下らした垂線との交点である。

（１）式においてλは音波の波長であり、φは間隔ｄで
配置された受波器Ｒ_１,R_２の出力位相差である。つまり
φは音波の行程差αに対応する位相差である。

（１）式から容易に次の（２）式が得られる。

方位角γは位相差φを知れば容易に求まる。さらにこの
位相差は前述した行程差αを進行する音波の時間差にも
対応し、従って２つの受波器の出力の時間差からも方位
角γが求められる。

さて、このような原理にもとづいて運用される水中音響
測位装置としても種種の型式のものが利用されている。

これら種種の従来の水中音響測位装置のうち、測位精度
を改善し、しかも回路構成を簡素化しうるものとして
「特開昭60−33072」の「水中音響測位装置」が開示さ
れている。

上述した水中音響測位装置の内容を要約すると次の通り
である。

すなわち、２個の受波器の受信信号のうち一方の受信信
号は固定遅延回路で固定遅延量を付与し、また他方の受
信信号は遅延量が可変の可変遅延回路を通して出力し、
この２つの遅延回路の出力の位相差を検出する。この位
相差は２つの受信信号の位相差を示すものであり、電圧
に変換されたあと積分回路を利用して積分され電圧制御
型発振器（以後VCOと略称する）の制御電圧とされる。
かくして位相差に対応する周波数を得ると、この周波数
を前記可変遅延回路にフィードバックしてそのクロック
として利用して遅延量を変化せしめ、２つの遅延回路の
出力の遅延時間を同一とするように制御する。このよう
にしてフィードバックループによって常に２つの遅延回
路の出力位相差を零とするように制御することによって
フィードバック閉ループの安定化、従ってＳ／Ｎ（信号
／雑音）比の改善を図り、閉ループ安定時における積分
回路の出力に対するVCO出力を電圧変換し、位相差に対
応するこの出力電圧にもとづいて位相差を算出する。こ
うして、フィードバック制御による簡単な回路を利用し
て位相差を求め（２）式等から水中目標の方位を決定し
ている。なお、上述した例を含み従来の水中音響測位装
置に関する詳細内容は前述した「特開昭60−33072」に
も詳述されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 前述した従来の水中音響測位装置は、それ以前の水中音
響測位装置の持つ基本的問題点を改善するものとして提
供されたものであるが、しかし次のような問題点を含ん
でいる。

すなわち、２つの受波器の受信信号には当然のことなが
ら雑音が含まれている。しかも、よく知られる如く、水
中音響における雑音はレベル変動の激しい場合が極めて
多い。こうした背景条件から、２つの受信信号に含まれ
る雑音成分は互いに著しく異る場合が多く、このような
相異る雑音を含む２つの受信信号を対象とする位相比較
にもとづいて算出される測位精度は、Ｓ／Ｎの低下と相
俟って劣化することが避けられないという欠点がある。

また、方位角算出に利用する信号はVCOの出力周波数に
依存し、従ってVCO自体の温度特性による測位精度の劣
化も避けられないほか通常アナログ的に構成されるVCO
には回路構成精度にも自ら限界があり、従ってその動作
精度にも限界があるという問題があり、かかる温度，精
度上の問題を排除しようとして動作直線性あるいは動作
精度に対する要求を高めることは回路自体の複雑化を招
くという新たな問題を惹起する。

本発明の目的は上述した欠点を除去し、方位角算出に利
用する信号をVCO出力とするのに代えて可変遅延回路入
出力間の位相差情報を利用することにより、低Ｓ／Ｎ状
態にあっての受信信号相互間の雑音成分の相違にもとづ
く測位精度の劣化、ならびに構成回路の温度特性，動作
精度にもとづく測位精度劣化の影響を根本的に排除しう
る簡素な構成の水中音響測位装置を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の水中音響測位装置は、同一特性を有し互いに平
行かつ同一列線上に配置される２個の受波器と、これら
２個の受波器の内の一方の受波器が出力する信号に対し
て一定の遅延量を付与する固定遅延手段と、前記２個の
受波器の内の他方の受波器が出力する信号に対し遅延制
御信号に応じて前記一定の遅延量を中心に変化する遅延
量を付与する可変遅延手段と、前記固定遅延手段および
前記可変遅延手段が出力する信号をそれぞれ受けて両信
号の位相差を零とするように前記遅延制御信号を生成す
る遅延制御手段と、前記可変遅延手段の入力端および出
力端の信号をそれぞれ受けて両信号の位相差を検出し水
中目標の方位を算出する方位算出手段とを備える。

［実施例］ 次に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。第
１図に示す実施例の構成は、第１の受波器１−1,第２の
受波器１−2,可変遅延器2,固定遅延器3,位相差検出器4,
積分器5,VCO6および方位算出器７を備えて構成される。

第１の受波器１−１と第２の受波器１−２は同一特性を
有し互いに平行かつ同一列線上に配置され、第１の受波
器１−１は受波入力を受けるとこれを電気信号に変換し
受信信号として可変遅延器２に供給する。一方、第２の
受波器１−２による受信信号は固定遅延器３に供給され
る。

固定遅延器３は入力した受信信号に固定遅延量τ_０を付
与する。また、可変遅延器２は入力した受信信号に対
し、後述する遅延時間制御信号601の制御のもとに２つ
の受信信号の位相差を打消すような可変遅延量を付与す
る。この可変遅延量は、２つの受信信号の位相差に対応
する遅延量を仮りにτとし、かつ第１の受波器１−１に
よる受信信号の位相の方が進んでいるとすると、この第
１の受波器１−１の受信信号を（−τ＋τ_０）だけ遅延
させ、従ってこれら２つの遅延器の出力がいずれもｒ_０
の遅延量を付与されるように制御される。このような可
変遅延量の制御を行なうのに必要な遅延時間制御信号
は、後述するように２つの受信信号の位相差を利用する
ことによって得られる。なお、上記２つの遅延器は、シ
フトレジスタ、あるいはCCD（Charge Coupled Device）
の如き電荷転送素子を利用するアナログディレイライン
いずれを利用しても差支えないが本実施例ではシフトレ
ジスタを利用している。

可変遅延器２と固定遅延器３の出力は位相差検出器４に
供給される。

位相差検出回路４は可変遅延器２と固定遅延器３の出力
の位相差を検出したうえこれを対応するレベルの電圧値
に変換して出力する。この場合、第１の受波器１−１お
よび第２の受波器１−２の２つの受信信号が同位相、す
なわち水中目標を２つの受波器の正面方向に捕捉したと
きは、位相差検出器４の２入力はいずれも同位相の状態
となり、従って位相差は零である。この結果積分器５の
出力も零となる。また２つの受信信号間に位相差がある
とき、すなわち水中目標がある入射角を持って捕捉され
たときは、位相差検出器４の２入力はこの位相差を検出
したうえこれを電圧値に変換して積分器５に供給する。

積分器５はこうして入力する電圧値表現の位相差を積分
しつつVCO6に供給する。

VCO6は積分器５から供給される積分出力電圧によって制
御され所定の周波数の信号を発生する。VCO6の発生周波
数は積分器５の出力が零のとき、あらかじめ設定する
_０でありこの_０を中心とし最大値maxから最小値m
inの範囲に亙って直線性を持って変化するように設定さ
れている。ここにmaxおよびminは、受波入力の右お
よび左方の最大運用入射角に対応する周波数である。

VCO6の出力は遅延時間制御信号601として可変遅延器２
に供給される。

シフトレジスタを利用する可変遅延器３は、遅延時間制
御信号601の周波数をクロックとして利用し、その遅延
量をmaxからminの周波数に対応して変化せしめる。
この結果、可変遅延器２の遅延量は に設定される。ここにτはmaxからminの範囲の周波
数に対応て変化する可変値であり、τ_０は前述した如く
固定遅延器３の固定遅延量、さらにτの複号は第１の受
波器１−１の出力が第２の受波器１−２の出力が第２の
受波器１−２の出力に対し進み位相か、遅れ位相かによ
って決定される。

このような可変遅延制御を介して可変遅延器２と固定遅
延器３の遅延量は常にτ_０に収れんするように制御さ
れ、位相検出器４の出力は零となりフィードバック閉ル
ープは安定状態を保持し、積分器５の出力はこの状態で
その累加状態を停止して一定値を保持し、従来はこの状
態でのVCOの出力値を利用し、これを電圧変換し方位算
出を行なっているがこれには前述した如き問題点が存在
する。

第２図は第１図の実施例における受信信号位相差と遅延
時間制御信号の周波数との関係を示す動作特性図であ
る。

第１および第２の受波器１−１および１−２の配列正面
方向から音波が到来すると位相差検出器４の出力、従っ
て積分器５の出力は０となり、この時の遅延時間制御信
号601の周波数は_０に設定される。また、音波の到来
方向が測位方位範囲の右限界であり第１の受波器１−１
の受信信号の方が進み位相で位相差がφmaxであるとき
の周波数はmaxであり、さらに測位方位範囲の左限界
方向から音波が到来し第１の受波器１−１の方が遅れ位
相で位相差がφminであるときは周波数がminに設定さ
れることを示している。

ふたたび第１図に戻って実施例の説明を続行する。

可変遅延器２の出力は前述した如く、固定遅延器３の出
力と同位相になるように制御される。従って可変遅延器
２の入出力間の位相差は第１の受波器１−１と第２の受
波器１−２による受信信号の位相差に対応する。

方位算出器７は可変遅延器２の入出力信号を入力しつつ
両者間の位相差を検出し、これを対応する電圧に変換し
たうえこの電圧を利用して（２）式等にもとづく演算を
実施し方位角を算出する。

このような方位算出器７は、例えば、固定遅延回路、可
変遅延回路、位相差検出回路、積分回路およびVCOを使
用して従来例と同様に構成すればよい。

ところで、可変遅延器２の入力端および出力端の両信号
には同一の雑音成分が含まれているので、両信号の位相
差を検出する際に雑音の影響を排除できる。従って、２
つの受波器の信号に含まれる雑音の相異性に基づく測位
精度の劣化を根本的に排除でき、また、回路構成の温度
特性、動作精度等に基づく測位精度劣化の問題もほぼ排
除することが可能となる。

なお、本実施ではVCO6の出力する、受波器出力の位相差
に対応した周波数情報を利用して遅延時間制御信号とし
ているが、この代りに受波器出力の位相差に対応する電
圧情報を利用する形式としても容易に実施しうる。

この場合はたとえば積分器５の出力を遅延時間制御信号
501とする。さらに可変遅延器２も電圧制御型の遅延回
路に変更することにより容易に実施することができる。
このような遅延回路は、たとえば次のようにしても実施
することができる。すなわちMOS FETのゲートに遅延時
間制御信号501を与えドレインソース間抵抗を変化せし
める。この抵抗変化はゲートに印加する電圧のレベルに
依存するものであり、従って位相差に対応して変化せし
めることとなる。このようなMOS FETを時定数回路の抵
抗エレメントとして設定する時定数を遅延量として利用
する形式で可変遅延時間の制御が可能となる。なおこの
場合、VCO6は勿論不要となる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、２個の受波器の出
力の位相差にもとづき水中目標の方位を測位する水中音
響測位装置において、方位角算出に利用する信号をVCO
の出力に代えて可変遅延器入出力間の位相差情報を利用
することにより、低Ｓ／Ｎにおける受信信号相互間の雑
音成分の相異にもとづく測位精度の劣化、ならびに構成
回路の温度特性、動作精度にもとづく測位精度劣化の影
響を根本的に排除しうる水中音響測位装置が実現できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は第１
図の実施例における位相差と遅延時間制御信号の周波数
との関係を示す動作特性図、第３図は２個の受波器を利
用する水中音響測位の原理図である。 １−1,1−２……受波器、２……可変遅延器、３……固
定遅延器、４……位相差検出器、５……積分器、６……
VCO,7……方位算出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一特性を有し互いに平行かつ同一列線上
   に配置される２個の受波器と、これら２個の受波器の内
   の一方の受波器の出力信号に対して一定の遅延量を付与
   する固定遅延手段と、前記２個の受波器の内の他方の受
   波器の出力信号に対し遅延制御信号に応じて前記一定の
   遅延量を中心に変化する遅延量を付与する可変遅延手段
   と、前記固定遅延手段および前記可変遅延手段が出力す
   る信号をそれぞれ受けて両信号の位相差を零とするよう
   に前記遅延制御信号を生成する遅延制御手段と、前記可
   変遅延手段の入力端および出力端の信号をそれぞれ受け
   て両信号の位相差を検出し水中目標の方位を算出する方
   位算出手段とを備えることを特徴とする水中音響測位装
   置。