JPS61246687A

JPS61246687A - 速度測定装置

Info

Publication number: JPS61246687A
Application number: JP8784485A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Gondo; 雅彦権藤
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1985-04-24
Filing date: 1985-04-24
Publication date: 1986-11-01
Also published as: JPH0325753B2

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）本発明は音波のドツプラ効果を利用して船舶の速度を測
定する装置に関する。

（従来の技術）従来からドッグラソーナあるいはドツプラログ等の名称
で知られている船舶用速度測定装置は、船底より斜め下
方向に発射された音波と海底あるいは水中浮遊物によっ
て散乱反射され再び受信された受信信号との間に、船速
に対応したドツプラ偏位が生じることによって船速を測
定するものでるる。このような船舶用速度測定装置は、
船舶の傾きや動揺にともなう測定誤差を軽減する目的で
音波ビームを例えば前方向と後方向という具合に対称に
配置し、それぞれの音波ビームのドツプラ偏移の差によ
シ前記誤差を軽減するＪＡＮＵ　Ｓ方式が用いられてい
る。

また、従来技術の他の例としては、特開昭５８−３９９
７０号公報に記載されたところから仰られるような、７
エーズドアレイ型送受波器を用いて小型化を図った船舶
用速度測定装置もめる。

（発明が解決しようとする問題点）従来技術の前者すなわちＪＡＮＵＳ方式は、前方向用と
後方向用に別個の送受波器を必要とするため大型化は避
けられない。

また、後者の従来技術の特開昭５８−３９９７０号公報
に記載のものは、前方向ビーム信号成分と後方向ビーム
信号成分を分離するため位相制御による複雑なビーム合
成回路が必要となる。

（問題点を解決するための手段）本発明はこれらの問題点を解決するため、フェーズドア
レイ型送受波器によって相対方向例えば前方向と後方向
に音波信号の発射および受信を行ない、その前方向ビー
ム信号成分と後方向ビーム信号成分を分離することなく
ドツプラシフトを検出し船舶の速度を測定するもので。

送受波器装置の小型化と回路構成の簡素化を図ることを
目的としたものである。

（実施例）以下図面により本発明の実施例につき説明する。

第１図はフェーズドアレイ型送受波器の原理図であって
ｅ　１１〜１ｎは振動素子ｙｄｌ　は振動素子間隔、θ
０はビーム合成方向を示す。第１図に示すように、直線
上に間隔ｄ＋　　でｎ個の振動素子を配置するフェーズ
ドアレイ型送受波器において各振動素子の励振振幅を等
しくシ、相隣る振動素子の励振位相差をδとするとこの
送受波器の指向特性Ｅ（θ）は次の（１）式で表わされ
る。

πｄｓＩｎ（ゴーθ−４ここでλは音波の波長である。このＥ（のはπｄ＋　　
　＆ゴ噛θ・７＝ｍπ（ｍ＝ｏ、±１．±２．・）・・・・
　（２）のときに極大値をとる。ここでｍ＝ｏがメイン
ロープであり、　ｍ＝±１．±２．・・・に対応するの
がグレーティングローブである。（２）式において２ｍ
＝０として暑＝・８・！・１・Ｌ＝ｆｎθ。・・・・・・・・・・
・・・・　（３）λ と置くと、θ０　方向にメインロープが形成される。ま
た（２）式よりｄ、〉λ／２の条件ではグレーティング
ローブを発生することがわかる。送波時または受信時の
ビーム形成方諺はこのグレーティングローブを利用し２
つのビームを形成するもので（２）式において、振動素
子間隔ｄ、＝λ、励振位相差δ＝πとするとθ＝±３０
°の方向にメインロープとグレーティングローブが現れ
、２方向量時に音波を放射または受波することが可能と
なる。

第２図は、第１図で説明したフェーズドアレイ型送受波
器にもう一つの第２振動素子列２１〜２ｎ　ｆ加えた送
受波器を説明するための図でるり、その送受波器は船底
３に装備されている。

第２振動素子列２１〜２ｎは第１振動素子列ｈ〜１ｎの
それぞれの中間に位置するように、第１振動素子１．〜
１ｎに対してｄ２＝λ／２の距離で等間隔に配置されて
いる。そして第１振動素子１ｘ−Ｉｎは励振位相差をπ
とするために２図中のｌ＋ｌ、Ｉ＋の符号で示すように
分極方向を交互に反転させグ相としてまとめられている
。また、同様に第２振動素子２重〜２ｎは前者と同様な
分極を行ないπ／２相としてまとめられている。

送波時にｒｉｐ相あるいはπ／２相に角周波数優なる電
気信号を送ることによシ、前述した原理に基づきθＧ＝
±３００　　の方向に音波が発射される。

また、ダ相とπ／２相に同相の電気信号で各振動素子列
ｈ〜Ｉｎ、２＋〜２ｎ　ｆ同時に励振した場合において
も２等価的な振動素子間隔がλ９等価励振位相差がπと
なシ、９６相あるいはπ／２相を単独に励振した場合と
同様に００＝±３０°　の方向に音波を発射することが
できる。

受波時には、前記音波が海底もしくは水中浮遊物等で散
乱反射され、船舶とそれら反射物との相対速度に応じた
ドツプラ偏移を受けて再び受信される。これは次の関係
式で示される。

ここで　ωｄ：ドップラ偏位角周波数 ω　：送信角周波数Ｖ：相対速度Ｃ：音速このとき、第２図において船舶が２方向に速度Ｖで移動
しているとすると、前方向ビームとして発射された音波
は正のドツプラ偏位を受け。

逆に後方向ビームとして発射された音波は負のドツプラ
偏位を受ける。その結果、前方向よりａＱＩ＋（ω＋ω
ｄ）　ｔ　なる音波が到来し、後方向よシｂｃｏｓ（ω
−ωｄ）　ｔ　なる音波が到来する。

そして、これら前方向と後方向から到来する音波は、音
源が十分遠距離にあり平面波とみなせるから、第１振動
素子列１．〜１ｎをまとめたダ相には送波時の逆の動作
により２つの方向の信号が同時に加算されたかたちで現
われることとなる。従って！相には。

疑相：　ａ　ｃｏｓ（＃＋＊ｄ）　ｔ＋ｂ　ｃａｓ（ａ
＋　・ａｄ）　ｔ・・（５）の信号が現われる。一方、
第２振動素子列２１〜・２ｎ　をまとめたπ／２相では
、第１振動素子列１１〜Ｉｎと第２振動素子列２１〜２
ｎの空間配置の違いにより次のような位相変化が生じる
。第２図において、前方向ビーム成分ａ邸（ω十ωｄ）
　ｔ　は第１振動素子列１１〜１ｎに対して、第２振動
素子列２１〜２ｎに到達するまでのｄｘｓｆｎθ。だけ
余分な伝播路を必要とし、また、後方向ビーム成分す。

（＃−ωｄ）　ｔは第１振動素子列１１〜１ｎに対して
。

ｄｘｇｋθ０　の伝播路差だけ早く第２振動素子列２１
〜２ｎに到達することになる。その結果、それらの伝播
路差によって生ずる位相の変化量は。

となる。ここで（３）式を用いて々＝π、　ｄ　＋＝２
　ｄ　意　　とした。

以上をまとめてＶ相を基準としたπ／２相の出力は２位
相の遅れ進みを考慮に入れた結果。

＋−）＝ａ　ｇｋｎ　（＊＋ｍｄ）　ｔ−ｂ　＊　（＃−５ｄ
）　ｔ−（ηとなる。

第３図は前記送受波器を用いて船舶の速匿を測定する装
置の処理過程を示す本発明の実施例である。１＋−１ｎ
は第１振動素子列、２１〜２ｎは第２２振動素子列、３
は船底、４は送受波器、５は信号発生器、６は送信機、
　７ｍ　および７ｂは送受切換器＋８ｍ　および８ｂは
増幅器、　９ａ　および９ｂ　は周波数ミキサー、１０
ａおよび１０ｂはローパスフィルタ、１１は高速フーリ
エ変換器。

１２は速度演算器そして１３は表示器である。

送波時における動作は、信号発生器５で発生された角周
波数ωをもとに送信機６により送信パルスとし、送受切
換器７ａ　および７ｂ　　を通り送受波器４を駆動して
やれば、前述したように。

前後±３０°の方向に２つの音波ビームを発生する。

次に受信時における動作については、第１振動素子列Ｉ
Ｉ〜Ｉｎ’ｉ（まとめた〆相に（５）式で示される。受
信信号が現われ、他方、第２振動素子列２１〜２ｎをま
とめたπ／２相には（９式で示される受信信号が現われ
る。これら２つの信号は送受切換器７ａおよび７ｂ　を
通シ、増幅器８ａ　および８ｂで適当な大きさに増幅さ
れ２周波数ミキサー９ａおよび９ｂ　に導かれる。そし
て信号発生器５で発生する角周波数ωと周波数混合され
、それらの出力をローパスフィルタ１０ａおよびＪｏｂ
に通すことにより、送信角周波数ωと受信角周波数優＋
＃ｄおよびω−ωｄの差分であるドツプラ偏位成分＋ω
ｄおよび−ωｄと抽出する。ここでｙ相に対応する信号
’ｔ　’ＲＥＡＬ“、π／２相に対応する信号を°ＩＭ
ＡＧ’と定義すると、ローパスフィルタ１０ａおよび１
０ｂの出力は２周波数変換された結果次のようになる。

ＲＥＡＬ：　　Ａａｓ＊ｄｔ＋Ｂｃｒ１ｓ←ａｎｄす・
・曲面・曲・曲面（８）ＩＭＡＧ：　　Ａｄｎωｄｔ・
Ｂｓｆｎ←ωｄす・曲面・曲・・　（９ここで、Ａおよ
びＢは、増幅または周波数変換された後の前方同ビーム
の振幅および後方向ビームの振幅を示す。また、　（８
）　、　（９）の各成分はｃｏ！！（−リ−θ、ｔｈ←
θ）＝１−の関係にょ９次１７）ｊうに変換できる。

ＲＥＡＩ、：　　Ａμｓωｄｔ十Ｂ房ωｄｔ・曲面・曲
面・曲・・・曲　ｍＩＭＡＧ：　　Ａｄｎωｄｔ＋Ｂｓ
１ｎωｄｔ・・曲・・曲・・曲面四重　αカ今ここに、
複素数の概念を導入し、α１で表されるＲＥＡＬ信号を
実数項とじαやで表されるＩＭＡＧ信号を虚数項として
２次の複素数ｇ（ｔ）を考えると。

ｇ（を戸（ＲＥＡＬ）　＋ｊ　（ＩＭＡＧ）＝　（ＡＱ
）８６１　ｄ　ｔ＋Ｂｃｃｓ＊　ｄ　ｔ）　＋　ｊ　（
Ａｍ＊　ｄ　ｔ＋Ｂｍａ　ｄ　ｔ）＝Ａｅｊ“ｄｔ＋Ｂ
ｅｊｗｄｔ　　・・・・・・・・・　（２）のように表
わすことができる。これは第４図に示すように前方向ビ
ームのドツプラ偏移によるベクトルＡｅＪ“ｄｔと後方
向ビームのドツプラ偏位によるベクトルＢｅｊｓｄｔの
合成で与えられる。

また前方向ビームによるベクトル回転と後方向ビームに
よるベクトル回転が両者とも同じωｄとなるために、（
６）で示される合成ベクトルは。

大きさｌＡ＋Ｂｌ、角周波数ωｄで回転する単純なベク
トルとなることがわかる。

次に高速フーリエ変換器１１により、前記合成ベクトル
の回転角速度ωｄを求めるため、α１で示される実数項
’　ＲＥＡＬ　ｌおよびαやで示される虚数項−ＩＭＡ
Ｇ’の信号を基にパワースペクトルを求め、その極大値
または一次モーメント（平均周波数）による未知の入力
信号の角周波数＃ｄを検出する。そして速度演算器１２
によシ、前記高速フーリエ変換器１１で検出した角周波
数ｍａｄ　ｔ−基に９次の（４）式の変形式により。

船舶の移動速度Ｖを求め２表示器１３に出力するｄ以上の実施例説明においては、ベクトルの回転角速度＃
ｄ　ｆ求めるため高速７−リエ変換器を用いたが、単位
時間当りのベクトルの位相変化量により、ドツプラ偏移
を求めて船舶の速度を測定することも可能でるる。

また、前記実施例では音波の発射方向を前後方向とした
速度測定について述べたが、同様に左右方向についても
音波の発射を行えば同時に前後左右の速度成分を得るこ
とができる。

（発明の効果）以上説明したように、フェーズドアレイ型送受波器を用
いることにより装置の小型化が図れると同時に、相対方
向の２つのビームを分離するためのビーム合成回路を用
いることなく空間的に異なる配置をもつ２つの振動素子
列の出力をそのままベクトル処理することによシ、直接
にドツプラ偏位周波数を検出することができるため、速
度測定装置の回路構成が非常に簡素化できる利点がある
。

【図面の簡単な説明】

ＷＪ１図は、フェーズアレイ型送受波器の動作原理を説
明するための図、第２図は２本発明実施例の送受波器に
おける受波時の信号出力を説明するための図、第３図は
２本発明実施例装置を示すブロック図及び第４図はドツ
プラ偏位に対応する複素ベクトルを説明するための図で
ある。１　＋−Ｉ　ｎ・・・第１振動素子列、２１〜２ｎ・・
・第２振動素子列、３・・・船底、４・・・送受波器、
５・・・信号発生器、６・・・送信機、　７ａ、７ｂ・
・・送受切換器、８ａ。８ｂ・・・増幅器、　９ａ、９ｂ・・・周波数ミキサー
１１０＆。

Claims

【特許請求の範囲】

１波長間隔で配置された第１振動素子列の間に、第２振
動素子列を前記第１振動素子列に対して１／２波長の距
離をもつて配置した送受波器と、前記送受波器によつて
相対方向に２つの音波ビームを発射するための送信機と
、前記第１振動素子列および第２振動素子列の２つの信
号を前記送信機で発射した信号周波数により周波数変換
する回路を含み、前記周波数変換する回路によつて得ら
れた２つの信号を成分とするベクトルの回転速度により
ドップラ偏位周波数を求めることを特徴とした速度測定
装置。