JPS61272669A - 到来波信号検出装置 - 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】 （ａ＋技術分野 この発明は、到来波信号を受信し、複数の波動電気変換
器からなる波動電気変換器列を用いた到来波信号検出装
置に関する。

（ｂ１発明の）既要 この発明は、波動電気変換器列（直線アレイ）を用いて
、この波動電気変換器列の出力を順次切り換えるスイッ
チ列によって逐次サンプリングして得られる信号の周波
数成分を抽出することによって、到来波信号の入射角に
対する信号強度を求めるものの改良に関する。

（ｃｌ従来技術 〈発明の前提となる技術〉 一般に波動電気変換器列（直線アレイ）はソナーやレー
ダーに用いられているが、その原理は次の通りである。

第２図に示すように波長λ、の波がθの方向から到来し
た時、直線アレイ上に波長２丁／　Ｓ　ｉ　ｎθの空間
周波数が形成される。（Ｘ方向に直線アレイが配置され
ている。） 直線アレイ」二の各位置における到来波信号の強度（音
圧）は角度θに応じた位相差が生じるため、この位相差
によって直線アレイ上の音圧の空間的分布状態が定まる
。これが空間周波数である。

このように到来波信号の入射角と空間周波数との関係は
一時的に定まるために、空間周波数を測定することによ
って到来波の方向を知ることができる。しかしθが正で
あっても負であっても形成される空間周波数は同一であ
るため、直線アレイ」二の音圧の瞬時値を用いて周波数
分析をしても、−θと＋θの区別をすることができない
。

この問題を解消するため従来、逐次サンプリング方式が
提案されている。例えば特公昭５４−２９１１４やＥｌ
、ＥＣＴＲ０ＮｉＣ３ＬＥＴＴＥＲ３２５ｔｈ　　Ｆｅ
ｂｒｕａｒｙ　　１９７１、Ｖｏｌ、７　　Ｎｏ、４　
１）ｐ、１００　１０１　　（Ｓ、０、　　ＨＡ　ＲＲ
ＯＬ　Ｄ　）に示されている。

この方式は、間隔ｄで並べられた振動子の出力をｆＳの
サンプリング周波数で逐次サンプリングしていくもので
、結果として得られる周波数ｆＲは次のように表すこと
ができる。

ｆ＊　＝ｆｒ　　（１’　　（ｆＳｄ／ｃ＋　）Ｓｉｎ
θ）ここでＣＩ　：音速 ｆ、二人耐波の周波数 この式から走査範囲をｉθｍａｘに設定し、（ｆｓ　ｄ
／Ｃ，）Ｓ　ｉ　ｎθ。Ｘ−１となるように各定数を選
択すれば、→−ｏｌｌｌａｋの方向から入射波が到来し
た時、ｆＲ＝Ｏ１−θ、ａつの方向から到来した時はｆ
Ｒ−２ｆＴとなる。

このようにすれば−θと＋θの方向が周波数の差によっ
て区別することができる。

〈従来技術とその欠点〉 従来前述のような逐次サンプリング方式による場合に、
サンプリングした信号の周波数成分の抽出方法は、帯域
フィルタ群等を用いる方式或いは計算機によりフーリエ
変換することによるものであり、いずれにせよ実数サン
プリングするものであった。従ってＮ個の振動子から（
Ｎ／２）本のビーム（信号入射角に対する信号強度の数
）しか得られなかった。

一方、レーダ等において受信信号を複素検波することが
行われているが、第６図に示すように互いに直交するキ
ャリア周波数（Ｃｏｓωｃｔ、　　Ｓｉｎωｃ　　ｔ）
と乗算し、適当なフィルタを用いて■、Ｑ信号を得てい
る。この方式ではキャリア周波数発生器やフィルタが必
要となり、回路が複雑であった。

（ｄｉ発明の目的 この発明の目的は、到来波信号を受信する波動電気変換
器列を用いて、その波動電気変換器列の出力を逐次サン
プリングすることによって得られる信号の周波数成分を
抽出する際、キャリア周波数発生器やフィルタを用いる
ことなく、複素検波を行って、振動子の数に相当するビ
ームを形成することを可能とした到来波信号検出装置を
提供することにある。

（ｅ１発明の構成および効果 この発明は波動変換器列に対応するスイッチ列の出力を
、スイッチ列の切り換え毎にその切り換え間隔内で、第
１のタイミングおよび第１のタイミングに対して到来波
信号の１／４波長ずれた第２のタイミングによって゛す
°ンプリングするザンプリング手段と、前記第１のタイ
ミングでサンプリングしたデータを実数部データとして
記１．ａする第１のメモリと、前記第２のタイミングで
サンプリングしたデータを虚数部データとして記憶する
第２のメモリとを備え、この第１．第２のメモリの内容
から周波数分析をして周波数スペクトル特性データを求
めることによって、信号入射角に対する信号強度を求め
ることを特徴とする。

逐次サンプリング方式において、得られる周波数ｆＲの
直交成分は、到来した波の周波数ｆＴの１／４波長く９
０度位相差）に対応する時間差でサンプリングすること
によって得られる。このことは次のように説明すること
ができる。

第２図において、θの方向から到来した波が直線アレイ
上に形成する等位相点の速度ＶはＶ　”’　ＣＨ／　Ｓ
　ｉ　ｎθ である。サンプリング速度Ｃｓ　として同図に示す方向
にサンプリングを行う場合、サンプリング点に対する等
位相点の見掛は上の速度ＣＲはＣＲ＝Ｃ１／Ｓｔｎθ−
Ｃ８ となる。ここでサンプリング点に対する見掛け」二の波
長をλ□とすると、 λＲ−λ、／Ｓｉｎθ であるからザンプリングデータの周波数ｆＲは次のよう
にして求められる。

ｃ、、−ｆＲ・λｕ＝ｃ＋／Ｓｉｎθ−Ｃ３ｆｎ　＝ｆ
ｒ　　（１（ｆｓ　ｄ／ｃ、）Ｓｉｎθ）ここでλ□は
到来した波の波長λ７の直線アレイ上への投影であるか
らλ１１の１／４波長ずれるタイミングは、λ０の１／
４波長ずれたタイミングと等しいことになる。

したがって、第１のタイミングでサンプリングしたデー
タを実数部データとすれば、その第１のタイミンクから
λ１の１／４波長ずれたタイミンクすなわち１／　（４
ｒＴ）の時間後サンプリングしたデータを虚数部データ
として得ることができる。このようにサンプリングを行
うタイミングの制御によって複素検波を行うことができ
る。

このようにして得たサンプングデータは高速プーリエ変
換（ＦＦＴ）によって周波数スペクトルデータが求めら
れる。ＦＦＴを用いた分析では、入力データをＮ組の実
数部データと虚数部データとすることによって、Ｎ組の
スペクトルデータを求めることができる。すなわち振動
子の数に相当するスペクトルデータを求めることができ
るわけであり、従来のように実数値だけを基に周波数分
析を行う場合に比べて分解能が２倍となる。また同一の
分解能とすればその分探知範囲を広げることができる。

従来のように実数データのみを使ってＦＦＴを行う場合
、虚数部の入力データは０として人力することになるた
め、同一の分解能を得るためには或いは探知範囲を広く
するためには振動子の数を多くする必要があるが、その
ためにＦＦＴに要する時間も長く係る。すなわちＦＦＴ
の演算時間はデータの組をＮとすれば、（Ｎ／　２）　
　ｌ　ｏ　ｇｚ　Ｎの乗算回数で定まる。

（ｆ）実施例 第１図はこの発明の実施例であり、凪音波の到来波信号
検出装置のブロック図である。

図において直線アレイはＮ個の振動子（波動電気変換器
）を直線上に配置した振動子列である。

スイッチ列はこの直線アレイの各振動子の出力を選択的
に・す・ンブルボールド回路へ供給するためのものであ
り、アナログスイッチの集合体である。

サンプルホールド回路は前記スイッチ列の出力をサンプ
リングし、その電圧を保持する回路である。Ａ／、Ｄは
Ａ／Ｄコンバータであり、サンプルホールド回路の出力
電圧をデジタルデータに変換すＣＧはタイミング信号発
生回路であり、サンプリング周波数ｆ、の周波数でタイ
ミング信号を発生し、前記スイッチ列はこのタイミング
信号に基づいて振動子の出力を順次隣の振動子へ切り換
える。ＤＬＩは第１の遅延回路であり、タイミング信号
発生回路ＣＧから出力された信号Ｓ。のタイミングから
スイッチ列の出力が安定するまでの時間Ｔ経過後、タイ
ミング信号ｓ１を出力させるためのものである。Ｄ　Ｌ
　２は第２の遅延回路であり、前記Ｓ１のタイミングか
ら入射波の周波数ｆ７の１７４波長の時間遅れて信号ｓ
２を出力するものである。ＯＲはオアゲートであり、前
記タイミング信号ｓ１およびｓ２の合成パルスを前記サ
ンプルボールド回路およびＡ／Ｄコンバータに出力する
。したがって前記スイッチ列は所定のくｉ番目の）振動
子を選択した直後にタイミング信号Ｓ１のタイミングで
サンプルホールドおよびＡ／Ｄ変換を行い、その後タイ
ミング信号ｓ２のタイミングで同し振動子の出力信号を
ザンプルホールドしＡ／Ｄ変換する。

第３図は」二記各信号のクイ百ングチャートを表すもの
である。図より明らかなようにタイミング信号Ｓ、はタ
イミング信号Ｓ。からＴ時間遅れた後発生し、またタイ
ミングＳ２はＳｌから１／４ｆＴの時間経過後発生する
。タイミング信号泊でサンプリングされたデータは実数
部データ、タイミング信号Ｓ２でサンプリングされたデ
ータは虚数部データである。これらのデータは第１図に
示した実数部メモリと虚数部メモリにそれぞれ記憶され
る。第１図においてアドレスカウンタは実数部メモリと
虚数部メモリの記憶すべきアドレスをカウントするもの
であり、タイミング信号Ｓ。

のタイミングでインクリメントを行う。実数部メモリは
タイミング信号Ｓ１のタイミングによってＡ／Ｄコンバ
ータの出力をメモリに書き込み、また虚数部メモリはタ
イミング信号Ｓ２のタイミングによってＡ／Ｄコンバー
タの出力をメモリに書き込む。その後火のタイミング信
号Ｓ。が発生され、スイッチ列ばｉ＋１番目の振動子を
選択することになる。一方実数部メモリと虚数部メモリ
のアドレスカウンタがインクリメントされるため、ｉ　
千１番目の振動子の出力した信号に対して実数部データ
を実数部メモリにまた虚数部データを虚数メモリにそれ
ぞれ対応するアドレスに記１．ｅされることになる。

このようにしてＮ個の振動子について実数部データと虚
数部データをサンプリングしてメモリにそれぞれ書き込
んだ後、ＦＦＴか行われる。ＦＦＴを行うことによって
Ｎ組の周波数スペクトルデータが得られるが、各周波数
（高調波）における実数部データと虚数部データを２乗
し加算し、平方根を演算することによってパワースペク
トルを求めることができる。このようにして求めたデー
タを基に前述の関係式から到来波の入射角θにおける信
号強度を求めることができる。

／（４ｆ丁）の値は予め設定しておくことによってタイ
ミング制御することができる。

上記実施例はスイッチ列が所定の→ノ゛ンプリング時間
（１／ｆｓ　）の期間内に２度のＡ／Ｄ変換を行う必要
があり、サンプリング周波数ｆ５や入射波の周波数ｆＴ
が高くなると、高速のＡ／Ｄコンバータが必要となる。

第４図は他の実施例であり、このような場合の不都合を
解消するものである。図より明らかなようにスイッチ列
、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄコンハークをそれぞれ
二組設け、タイミング信号ｓ１にてサンプルホールド回
路１およびＡ／Ｄコンバータ１のタイミングを制御し、
一方タイミング信号Ｓ２によってリーンプルホールド回
路２およびＡ／Ｄコンバーク２のタイミングを制御する
。このようにして得られたデータをそれぞれ実数部メモ
クと虚数部メモリに記憶する。

以上のように構成することによってそれぞれのＡ／Ｄコ
ンバータはサンプリング周波数ｆ８毎に一度Ａ／Ｄ変換
を行うだけで済むことになる。

上記実施例および他の実施例は信号Ｓ、および信号Ｓ２
の二つのタイミング信号によってサンプリングを行うも
のであったが、一つのタイミング信号によってサンプリ
ングの制御を行うこともできる。第５図はその他の実施
例を示すものである同図において位相器は直線アレイの
各振動子の出力を入射波の周波数ｆ、の１／４波長の時
間（９０度の位相差）を生じさせる回路である。このよ
うに構成することによってスイッチ列１とスイッチ列２
は同じタイミング信号Ｓ。によって振動子を選択し、そ
の直後、同じタイミング信号ｓ１によってサンプルホー
ルド回路１およびサンプルボールド回路２は同時にサン
プリングを行う。各々の値をＡ／Ｄ　ＩとＡ／Ｄ２によ
ってＡ／Ｄ変換することによって実数部と虚数部のデー
タを得ることができる。

以上のようにキャリア周波数発生器やフィルタを用いる
ことなく直線アレイに対応するスイッチ列の出力をサン
プリングするそのサンプリングのタイミングを制御する
ことによって実数部データと虚数部データを得ることが
できる。

上記実施例及び他の実施例は超音波を受信するものであ
ったが、電磁波についても同様に適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到来波信号検出装置の
ブロック図、第２図は到来波信号と空間周波数との関係
を説明するための図、第３図は第１図に示した各部の信
号のタイミングチャートを示す図、第４図および第５図
はそれぞれこの発明の他の実施例である到来波信号検出
装置のブロック図、第６図は従来の複素検波方式を説明
する図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）到来波信号を受信し複数の波動電気変換器からな
   る波動電気変換器列と、この波動電気変換器列の出力を
   順次切り換えるスイッチ列と、このスイッチ列の出力を
   逐次サンプリングして得られる信号の周波数成分を抽出
   する周波数成分抽出手段を備え、前記周波数成分抽出手
   段の出力に基づいて信号入射角に対する信号の強度を求
   めるものにおいて、 前記スイッチ列の出力を、スイッチ列の切り換え毎にそ
   の切り換え間隔内で第１のタイミングおよび第１のタイ
   ミングに対して到来波信号の１／４波長ずれた第２のタ
   イミングによってサンプリングするサンプリング手段と
   、 前記第１のタイミングでサンプリングしたデータを実数
   部データとして記憶する第１のメモリと前記第２のタイ
   ミングでサンプリングしたデータを虚数部データとして
   記憶する第２のメモリとを備え、 前記周波数成分抽出手段を、前記第１、第２のメモリの
   内容を周波数分析して周波数スペクトル特性データを求
   める周波数分析手段で構成したことを特徴とする到来波
   信号検出装置。