JPS61173182A - 広範囲角水中探知装置に用いる指向性ビ−ム形成方法 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は水中に超音波パルスを送受波して水中探知を
行なう装置に関し、特に、水中の広範囲方向を任意に切
換えて探知する装置に関する。

（従来の技術） 超音波を送受波して水中の広範囲角を探知する場合、広
範囲方向の特定方向に超音波を送波し５あるいは、特定
方向からの超音波を受波する必要がある。

超音波信号を特定方向に送波したり、受波したすする場
合は、一般には、複数個の超音波振動子の合成指向特性
が利用される。

例えば、複数個の超音波振動子を平面上に配列して、各
振動子の送波信号あるいは受波信号に適当な位相関係を
与えると、位相関係に応じた指向特性が形成される。こ
の指向特性は、上記位相関係によって決定される特定の
方向に最も強い送受波感度を有する主極ビームと他の方
向に極めて低い送受波感度を有する副極ビームとで形成
される。このような指向特性の送受波ビームを用いて水
中探知を行なう場合、水中の各方向から帰来する反射波
が同一レベルで到来する場合は主極ビームと副極ビーム
の固有のレベル差によって主極ビームの指向方向から到
来する反射波のみを検出することができる。ところが、
不１方向から到来する音波のレベルが極めて大きい場合
、例えば、第２図において、主極ビーンＭの指向方位θ
♂）ら到来する超音波が極めて強力な場合、主極ビーム
Ｍによる受波出力と副極ビームＳ２による受波出力とが
ほぼ同様なレベルで出力される。そのため、受波信号が
所望方向θ。の超音波信号であるのか、あるいは、不要
方向θ、の超音波信号であるのか判別することができな
い、この現象は海底方向からの超音波信号を受波する場
合に著しく現われる６例えば、第３図において、海底の
広範囲角α方向に超音波パルスを送波して、各方向から
帰来する反射波を受波する場合、直下の海底方向からは
比較的レベルの大きい反射波が帰来する。従って、θ方
向に指向する主極ビームＭでθ方向の反射波を受波する
場合、直下の海底方向からの反射波が副極ビームＳ１、
Ｓ２によって受波される結果、θ方向の反射波と直下の
海底方向の反射波とを識別することができない。

上記の直下の海底反射波のような不要波を除去するため
には主極ビームのレベル差をできるだけ大きくすること
が望ましい。すなわち、副極ビームを抑圧することが９
ましい。

副極ビームを抑圧する手段は公知である０例えば、「コ
ロナ社発行、菊池喜充著、磁歪振動子と超音波　Ｐ２９
１Ｊから明らかなように、複数個の超音波振動子の配列
形態、各振動子の送受波信号の振巾あるいは位相を調整
することにより可能である。ここで、副極ビームの抑圧
は、副極ビームが生じる全方位に渡って抑圧することも
考えられるが、実用上は、必ずしも全方位に渡って抑圧
する必要はない０例えば、上記のように、直下の海底方
向から強力な不要波が到来する場合は、直下の海底方向
に送受波感度特性を有する副極ビームを抑圧すればよい
、特定方向の副極ビームのみを抑圧する場合は、配列し
た超音波振動子の各々の送受波信号の位相を調整するこ
とにより抑圧することができる。

第４図は主極ビームの指向方向をＢθ°方向に設定し、
かつ、　９０”方向に対する副極ビームの送受波感度を
抑圧した特性例を示す。

第４図の指向特性は１．６４個の超音波振動子を０゜６
７人間隔（入は超音波の波長）で配列して、各振動子の
合成指向方向、すなわち、主極ビームの指向方向が８０
°方向を指向するように各振動子の励振信号の位相を規
制した後、各振動子の励振信号の位相を、さらに（表−
１）に示す量だけそれぞれ移相することにより形成され
る。

（表−１） （表−１）においてＮｏは振動子配列番号を示し。

φは励振信号の移相量を示す、移相量はｒＲＡＤ　Ｊの
中位で示され、「−ノ符号は遅相量を示す。

従って、配列振動子の移相量を（表−１）のように設定
すると、第４図から明らかなように、６０゜方向に主極
ビームが形成される一方、９０°方向の副極ビームが著
しく抑圧されていることがわかる。第４図の特性におけ
る方位目盛は振動子配列平面を基準にしたものである。

従って、副極ビームが抑圧される８０°方向は振動子配
列の正面方向に相当するから、この特性の送受波器を用
いることにより上記における直下の海底方向からの不要
反射波を除去することができる。

上記（表−■）に示す各振動子励振信号の移相量は、例
えば、ラグランジェの傾斜法を用いて計算することがで
きる。すなわち、第４図の特性図の場合、まず、８４４
ｇの振動子を配列して６０”方向に主権ビームが形成さ
れるように、各振動子の励振信号に与える位相配列を算
出する。この位相配列の算出は周知である０、・、例え
ば、８１図に示すように２１乃至Ｚ６４の超音波振動子
を間隔ｄ毎に配列してθ方向に受波指向性を形成する場
合、各振動子の受波信号の位相をその配列順に づつ移相させればよい、そして、６０°方向に主極ビー
ムが生じるように位相配列を与えた後、各振動子励振信
号の位相を種々調整したとき、９０°方向に対する副極
ビームが最も抑圧されるような位相配列を収束計算する
。この収束計算に公知のラグランジェの傾斜法を用いる
と効果的である。

（発明が解決しようとする問題点） この発明は、第４図で説明した指向特性を実際の水中探
知にどのようにして実現するかを解決するものである。

すなわち、水中探知装置は水中の任意方向を探知する必
要がある。ところが、（表−１）の位相配列は第４図の
指向特性も形成するためにのみ有効であるから、主極ビ
ームの指向方向を第４図と異なる方向に設定して、かつ
、直下の海底方向から帰来する反射波に対する受波感度
を抑圧するためには、各振動子の位相配列を（表−１）
とは異なる位相配列に設定しなければならない、従って
、探知方向を変化させる毎に、各振動子信号の移相量を
切換える必要があり、例えば、　１２０°の範囲を５°
毎に探知方向を切換える場合、２４回の切換えを行なう
ことになる。この移相量の切換えを一般的に用いられて
いる位相制御、例えば、遅延回路を用いて行なう場合、
位相制御の切換回路が非常に複雑になることが予想され
る。

この発明は、第４図の指向特性を形成するための位相配
列を容易に実現することができ、かつ、その指向特性を
任意方向に変化させるための位相配列をも容易に実現し
得る方法を提供する。

（問題点を解決するための手段、作用）問題点を解決す
るための手段として、出願人が先に提供した特願昭５７
−１２１４３９号の装置が用いられる。この装置は、第
１図を用いて後述するように、記憶回路に書込まれた記
憶データを読出して多相の矩形波列を生成して、各矩形
波列の位相関係を所望の位相関係に設定することにより
、受波ビームの指向方向を任意方向に設定するものであ
る。各矩形波列の位相関係は記憶回路の記憶データによ
って決定されるから、記憶データの書込みを変化させる
ことにより、位相関係を任意に設定することができる。

この発明は、例えば第４図のような指向特性を形成する
場合に、（表−１）のような位相配列を有する矩形波列
を、記憶回路の記憶データを読出して生成することによ
り、所望方向に最大の送受波感度を有し、かつ、不要方
向に対する送受波感度が極力抑圧された指向特性を形成
する。

（実　施　例） まず第１図の動作について説明すると、Ｚｌ乃至Ｚ６４
は超音波受波器を示し、一定間隔ｄ毎に直線状に配列さ
れている。超音波受波器Ｚｌ乃至Ｚ６４の各受波信号は
プリアンプＰ１乃至Ｐ８４を経て混合回路Ｍｌ乃至Ｍ６
４においてラッチ回路５１乃至５６４から出力される矩
形波列の各々と混合される。

混合回路鴫乃至Ｍ６４の混合出力は加算回路Σにおいて
加算された後、加算信号のうちから特定の周波成分がフ
ィルター回路Ｆによって抽出される。フィルター回路Ｆ
の抽出出力は増巾器６において増巾された後、表示器７
に導かれる０表示器７は例えばブラウン管表示器が用い
られる。表示器７は走査回路８が掃引回路９の出力に基
づいて画素走査が行われる。

１０は送信器を示し、一定時間毎に超音波送波器１１か
ら超音波パルスを送波させる。超音波送波器１１は広範
囲方向に超音波パルスを送波して、各方向から帰来する
反射波が、超音波送受波器Ｚｌ乃至Ｚ６Ｊｔこよって帰
来方向が識別されて抽出される。

送信器１０は超音波パルスを送波させると同時に、カウ
ンター３の計数値をリセットする。カウンター３は分周
回路２の出力するパルス列を計数して、計数値に対応す
る記憶回路４の記憶番地の記憶データを読み出す、又、
分周回路２はクロックパルス源１のパルス列を分周して
送出する。

記憶回路４は、各記憶番地が指定される毎に６４桁の２
進数値を出力し、各桁出力がラッチ回路５１乃至５６４
の各々にラッチされる。ラッチ回路５、乃至５６４の各
々は各桁の数値出力に対応して、高レベルあるいは低レ
ベル出力を送出して、高レベル出力と低レベル出力のく
り返しによって矩形波出力が送出される。なお、ラッチ
回路５　乃至５６４は、ラッチパルス生成回路５の出力
するラッチパルスによってラッチ動作を行ない、ラッチ
パルス生成回路５は、クロックパルス源１のパルス列と
分周回路２の分周出力とに基づいてラッチパルスを生成
する。ラッチパルスはカウンター３の計数動作に同期し
て生成され、記憶回路４から読出された記憶出力を次の
記憶出力が読出されるまでの間保持する。

上記において、混合回路鴫乃至Ｍ６４の混合出力は位相
が各混合信号の位相によって影響される。

すなわち、ラッチ回路５１乃至５６４力）ら出力される
矩形波列の位相を変化させることにより混合出力の位相
を変化させることができ、等価的に超音波受波器Ｚｌ乃
至Ｚ６４の各受波信号を移相させることができる。従っ
て、超音波受波器Ｚｌ乃至Ｚ６４による合成指向特性を
特定方向に設定するための各受波信号の移相量に対応し
て、ラッチ回路５□乃至５６４の出力する矩形波列を移
相させることにより、混合回路鴫乃至Ｍ６４の各々の混
合出力に各受波信号を等価的に所望量だけ移相させた移
相信号を得ることができる。そして、混合回路に乃至Ｍ
６４の各混合出力を加算回路Σで加算した後、フィルタ
ーＦにより特定周波信号を抽出すると、フィルターＦの
出力に特定方向の指向性受波信号を得ることができる。

ラッチ回路５１乃至５８４の出力する矩形波列の位相は
、特願昭５７−１２１４３９号で説明したように、カウ
ンター３によって各記憶番地の記憶データが読出される
に従って所定位相に変化する。各矩形波列の位相が種々
変化することにより、混合回路鴫乃至Ｍ６４混合出力も
位相が変化し、その結果、加算回路Σ、フィルターＦに
よって形成される指向性ビームの指向が種々に変化する
。

従って、記憶回路４の記憶データを適宜書込むことによ
りフィルターＦの出力する指向性受波ビームの指向特性
を任意に形成することができるから、記憶回路４に書込
む記憶データを、例えば、ラッチ回路５□乃至５８４の
出力する矩形波列の位相配列が上記（表−１）に対応す
るように書込むことにより第４図に示す指向特性を形成
することができる。上記（表−１）は主極ビームを６０
＠方向に形成する場合の位相データであるから、主極ビ
ームの指向方向を変化させる場合は、各指向方向に対応
する移相データを前記のように演算して求めた後、記憶
回路４の他の記憶番地にその移相データを書込む。そし
て主極ビームをその方向に指向させる場合は、その記憶
番地の記憶データを読出すようにすればよい。

従って、主極ビームの指向方向をあらかじめ定めた範囲
角内において、順次変化させる場合、それぞれの指向方
向に対応する移相データをそれぞれが対応する記憶番地
に書込み、記憶番地の記憶データを順に読出して矩形波
列の位相をそれぞれ移相させることにより、特定方向に
対する受波感度を抑圧して、主権ビームの指向方向を順
次変化させることができる。

なお、フィルターＦによって抽出される指向性受波ビー
ムの受波信号は表示器７に導かれて表示されるが、表示
画面上の表示位置は掃引回路９によって決定される。掃
引回路９は、送信器１０に基゛づいて、カウンター３の
計数動作に連動して、走査回路８に画素走査を行わせる
。すなわち、カウンター３の計数動作に対応して記憶回
路４の読出番地が順次変化して指向性受波ビームの指向
方向が順次変化するとき、表示器７の表示画面上の画素
走査位置が指向性受波ビームの指向方向変化に対応して
変化する。

第５図は他の実施例を示し、第１図と同一番号のものは
同一の動作を行なう。

第１図においては、カウンター３の計数値変化に対応し
て、記憶回路４の記憶番地が順次読出されるに従って受
波ビームの指向方向も変化するようになされている。そ
れに対して、第５図においては、カウンター３′は走査
方位設定器１２並びに妨害方位設定器１３によって決定
される記憶回路４′の記憶番地を基準にして一定範囲内
の記憶番地の記憶データが読出されるようになされてい
る。従って、第５図において、カウンター３′はラッチ
回路５１乃至５６Ｐら出力される矩形波列の少なくとも
一周期を生成するのに必要な記憶番地をくり返し指定し
て、その記憶データを読出す。

走査方位設定器１２は受波ビームの受波方向を決定し、
妨害方位設定器１３は受波感度の抑圧方向を決定する。

従って１例えば、走査方位設定器１２が６桁、妨害方位
設定器１３が３桁の２進数で記憶番地を指定するものと
すると、 ２６Ｘ　　２３＝５１２ であるから、（表−１）の移相データを１種類として５
１２種類の移相データが記憶回路４′に記憶される。

第６図は送信ビームの指向方位形成に適用した場合の実
施例を示す、すなわち、送信ビームの指□　　面方位を
形成する場合は、ラッチ回路５１乃至５６４から出力さ
れる矩形波列を用いて超音波送波器Ｚｌ乃至Ｚ６４を励
振すればよい、従って、記憶回路４″の記憶データ読出
しによって生成される矩形波列の周波数が超音波送波器
Ｚｌ乃至Ｚ６４の共振周波数に一致し、各矩形波列の位
相配列が、第１図あるいは第５図で説明したように、所
望方向に対する送波出力が最大になり、不要方向に対す
る送波出力が抑圧されるように、記憶回路４″の記憶デ
ータを書込めばよい。

（発明の効果） 以上説明のように、この発明は、記憶回路の記憶データ
に基づいて超音波送受波器の合成指向特性を所望方向に
設定すると同時に、不要方向に対する送栄波感度を抑圧
するものである。従って。

送受波信号の位相制御を任意に行なうことが容易に可能
になるから、送受波方向の制御、送受波感度抑圧方向の
制御を容易に行なうことが可能になり、広範囲水中探知
装置において、探知方向を任意に変化させる装置に用い
て好適である。

【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図は従来の送受
波ビームの指向特性例を示し、第３ＵｇＪは水中探知の
概要を説明するための図、第４図はこの発明を実施する
送受波ビームの指向特性例を示し、第５図並びに第６図
は他の実施例を示す。 １・・・・・・クロックパルス源、２・・・１分周回路
、３・・・・・・カウンター、４・・・・・・記憶回路
、５・・・・・・ラッチパルス生成回路、５、乃至５６
イ・・・・・ラッチ回路、６・・・・・・増巾器、７・
・・・・・表示器、８・・・・・・走査回路、９・・・
・・・掃引回路、ｌＯ・・・・・・送信器、１１・・・
・・・送波器、Ｚｌ乃至Ｚ６４、・・・・・・超音波受
波器、Ｐｌ乃至Ｐ８４７・・・・・プリアンプ、鴫乃至
Ｍ６イ・・・・・混合回路、Σ・・・・・・加算回路、
Ｆ・・・・・・フィルター

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）各記憶番地の記憶データがｎ桁の２進数値で出力
   される記憶回路を用意して、該記憶回路の記憶番地を一
   定周期のクロックパルスで順に読出すことによりｎ相の
   矩形波列を生成し、さらに、該記憶回路の記憶番地の読
   出し範囲を変化させることにより該ｎ相の矩形波列の位
   相関係を変化させ、該ｎ相の矩形波列とｎ個の超音波振
   動子の受波信号との各々対応するものを混合して、該混
   合信号を互いに加算して合成した合成信号中から特定の
   周波信号を抽出して特定方向に指向性を有する超音波の
   受波を行なうことにおいて、 上記記憶回路の記憶番地のあらかじめ定めた読出し範囲
   の記憶データを読出して生成されるｎ相の矩形波は、上
   記抽出信号の指向特性が超音波信号を受波すべき特定の
   一方向に指向性を有し、かつ、あらかじめ定めた特定方
   向に対する受波感度が最も抑圧され、さらに、上記記憶
   回路の記憶番地の読出し範囲を変化する毎に上記超音波
   信号を受波すべき指向方向が変化するようにｎ相矩形波
   の位相関係が保たれるごとく各記憶番地の記憶データが
   書込まれてなる広範囲角水中探知装置に用いる指向性ビ
   ーム形成方法。
2. （２）各記憶番地の記憶データがｎ桁の２進数値で出力
   される記憶回路を用意して、該記憶回路の記憶番地の一
   定周期のクロックパルスで順に読出すことによりｎ相の
   矩形波列を生成し、さらに、該記憶回路の記憶番地の読
   出し範囲を変化させることにより該ｎ相の矩形波列の位
   相関係を変化させ、該ｎ相の矩形波列を用いてｎ個の超
   音波振動子を励振して該ｎ個の超音波振動子の合成出力
   を利用して特定方向に指向性を有する超音波の送波を行
   なうことにおいて、 上記記憶回路の記憶番地のあらかじめ定めた読出し範囲
   の記憶データを読出して生成されるｎ相の矩形波は、上
   記超音波を送波する合成指向特性が超音波信号を送波す
   べき特定の一方向に指向性を有し、かつ、あらかじめ定
   めた特定方向に対する送波出力が最も抑圧され、さらに
   、上記記憶回路の記憶番地の読出し範囲を変化する毎に
   上記超音波信号を送波すべき指向方向が変化するように
   ｎ相矩形波の位相関係が保たれるごとく各記憶番地の記
   憶データが書込まれてなる広範囲角水中探知装置に用い
   る指向性ビームの形成方法。