JPS6329280A - ソナ−の指向性受波ビ−ム形成装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、主として全周型スキャニングソナーにおいて
同一の走査期間内に複数本の受波ビートを形成して該受
波ビームにより走査を行なう装置に関オろ。

〈従来の技術〉 ソナーは、受波ビームを探査空間内で走査オろことによ
り、空間情報をサンプリングしている。

受波ビームの走査の方式としては、多数の受波ビームを
順次切り換えろ方式と、１本の受波ビームを高速で回転
させる方式とかある。スキャニンクソナーは、−１−記
両方式のうち、受波ビー１１を回転させろ方式により空
間情報を得ている。

ところで、全周型スキャニングソナーは、第５１蜀に示
すように、円筒表面の円周方向と軸方向とに多数の超音
波振動子２１群か分割配列された送受波器２２を備えて
いる。そして、この振動子２１群の全部に送信パルスが
加えられて、その超音波振動が全周方向へ円板状のビー
ムとして広がって行く。

送信の直後から、個々の超音波振動子２１の受波信号は
別々に増幅されて表示器側に伝送されるのであるが、こ
の受信時には、円筒方向に相隣り合う振動子２１の受波
信号の間で位相補正を行なって幅の狭い鋭い１本の受波
ビームＢを形成している。

そして、この受波ビームＢを円周方向に沿って回転させ
ている。

４−なわち、第６図に図示ずように、円筒状に配列され
た超音波振動子２１．のうち、ある時刻で開１１角Ｏに
含まれる所定数の超音波振動子２１゜について整合ライ
ンＡを設定し、中央寄りの振動子２１はど受波信号の位
相を遅らせ、両側の振動子２１はと位相の遅れを少なく
するよう位相制御を行なうと、受波ビーム１３は整合ラ
インＡと直交した方向に向く。このような位相制御の対
象となる振動子２１群を石川りもしくは左周りの方向に
順次ずら４」ていけば、受波ビームＢの指向方向が、た
とえば第６図に点線で示すＢｏへと変化して、受波ヒー
ノ、＋１が円筒の周りを回転することになる。

第７図は、従来の指向性受波ビーム形成装置の回路構成
を示している。この装置は、１本の指向性受波ビームを
形成４−ろもので、図において２１１゜２］２．−２Ｉ
ｎは超音波振動子、２３．．２Ｌ、−２３ｎは各振動子
２１．〜２Ｉｎに設けられた前置増幅器、２４．．２４
２゜２４ｎは位相制御のための混合器であり、各混合器
２４．〜２４ｎには、各振動子２１１〜２Ｉｎの受波信
号とこれに対応４−ろ局部信号が加えられる。これらの
混合器２４１〜２４ｎは具体的には平衡型変調器であっ
て、その上側帯波が使用される。２５は各混合器２４１
〜２４ｎにそれぞれ局部信号を供給する局部信号発生回
路であり、所要のデータを格納したＲＯＭ２６を中心に
構成されている。２７はタイミング発生回路で、これか
ら出力されるタイミングパルスに応答して前記ＲＯＭ２
６のデータが順次読み出され、局部信号発生回路２５に
おいて各振動子２１．〜２Ｉｎに対応する局部信号が生
成されろ。２８は混合器２４１〜２４ｎの出力を加算す
る加算器、２９は加算器２８の出力から所定の周波数帯
域の信号を抽出ずろ帯域通過フィルタ、３０は増幅器、
３１は検波器、３２はＡ／　ｌ）　：１ノバータ、３３
は画像メモリ、３４は表示制御回路、３５はＣＲＴのよ
うな表示器である。

１−記の構成の装置において、１本の受波ビーム１３を
形成上る場合、各超音波振動子２＋、〜２Ｉｎの受波信
号、および局部信号のそれぞれの関係式は、次のように
示すことができる。

４−なわし、ω、を受波信号の角周波数、Ｃ２を局部信
号の角周波数、ｌ）　ｈを位相定数、Ｐを超音波振動子
２１．〜２ｉｎ間のピッチ、Ｋを超音波振動子の番号、
ωＳを走査角周波数、Ｃ１を開口角の２分の１の角度と
すると、Ｋ番目の超音波振動子の受波信号の電圧■１は
、 Ｖ　＋　＝　ｃｏｓ（ω＋ｔ＋　Ｐ　ｈ　ｃｏｓＫ　Ｐ
　）　　　　・（１）となり、局部信号の電圧ｖ２は、 ■２− Ｃ０８（（Ｌｌ　２ｔ＋　Ｐ　ｈ　（ｃｏｓθ＋　−５
ｉｎ（Ｋ　Ｐ　＋　（１）　ｓｔ）　）　）・（２） となる。

そして、前記（２）式の■２の値が局部信号発生回路２
５のＲＯＭ２Ｂに格納されるデータであり、■２≧０な
らは、■２−１として、また■２〈０ならば■２−０と
して格納される。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、１本の受波ビームを回転させて走査４−る場
合、その走査速度及び分解能には限界かある。この受波
ビームによる空間情報のサンプリングについても、ナイ
キストサンプリング定理が適用されるのであって、これ
を満たさない高速走査および高分解能は実現できない。

すなわち、受波ビームの幅を０２（度）、受波ビームが
一周するに要する回転時間をＴｓ（秒）、ビーム信号搬
送波をｆ（ｌ（ｚ）とすると、ビーム幅θ２内に入ろ搬
送波の数Ｎは、 Ｎ−（（θ２／　３６０）Ｘ　Ｔ　ｓ）／　（１／ｆ）
　　　・−（３）となる。

今、ビーム幅θ２−６°、Ｔｓ＝６００μ秒、ｆ＝　１
１２ｋｌ−１ｚとすると、Ｎは約１１となって、Ｎ＜２
となり、ナイキストサンプリンク定理を満たさない。

ここで、仮に、同一走査期間中に複数本、例えば４本の
受波ビームが形成されろとりろと、−周分の空間情報を
得るには受波ビームを１／４周分、９０度回転させれば
よい。上記の例に沿って言えは、１走査期間である６０
０μ秒の間に、受波ビーノ・を９０度回転させればよい
。他の条件が同じであるとすると、ビーム幅θ２内に入
る搬送波の数Ｎ′は約４５となり、 Ｎ′〉２ となり、ナイキストサクプリング定理を満たす。

本発明は、上記の事実に着目し、構成回路を慢雑化４゛
ることなく、同一走査期間中に複数本の受波ビームを形
成しうる装置を提供することを目的とずろ。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記の目的を達成するために、各超音波振動
子の受波信号に対して、形成すべき所定本数の受波ビー
ムに対応する超音波振動子群毎に７１いに異なる周波数
帯域に属する所要の局部信号を発生ずる局部信号発生回
路と、各超音波振動子の受波信号に前記局部信号を混合
して各受波ビーノ・に対応する超音波振動子群毎に受波
信号の位相制御を行なう混合器と、これら混合器の出力
を加算する加算器と、前記加算器の出力から各受波ビー
ムに対応する周波数帯域の信号をそれぞれ抽出する所定
複数の帯域通過フィルタとをＩ＋ＨＩえてソナーの指向
性ビーノ、形成装置を構成した。

く作用〉 上記の構成によれは、各超音波振動子の受波信号は、対
応する混合器に人力４−るが、各混合器においては、受
波ビーノ−１に対応する超音波振動子群毎に互いに異な
る周波数帯域の局部信号により受波信号の位相制御か行
なわれる。各超音波振動子群毎に位相制御された信号は
、加算器で加詐されて周波数多重化されたのち、所定複
数の帯域通過フィルタに与えられる。各帯域通過フィル
タは、各超音波振動子群に対応する通過帯域を有してお
り、そのため、各帯域通過フィルタは、加算器出力から
、対応する超音波振動子群の信号を抽出する。これによ
って、各受波ビームに対応４〜る画像信号が得られろ。

〈実施例〉 以下、本発明を全周型スキャニングソナーに実施した例
を図面に基づいて説明する。本発明のスキャニングソナ
ーの指向性受波ビーム形成装置は、第１図に示すように
、円筒の軸方向及び円周方向に分割配列された多数の超
音波振動子１．・からなる送受波器２を有し、この点は
従来のものと同構成であるが、同一走査期間中に互いに
指向方向が異なる複数（この実施例では４本）の受波ビ
ーム１３　＋〜Ｂ４を形成する点が従来の装置と異なっ
ている。

第２図は−に記の指向性ビーム形成装置の回路構成を示
すブロック図である。同図中、！　１．　ｌ　２．・・
１ｎ・は超音波振動子、３、．３２．・・・３ｎは各超
音波振動子１、〜Ｉｎ毎に設けられた前置増幅器、４゜
。

４２、・・４ｎは混合器、５は各混合器４．〜４ｎにそ
れぞれ所要の局部信号を供給する局部信号発生回路であ
り、この局部信号発生回路５はＲＯＭ６を中心に構成さ
れている。７は局部信号発生回路５にタイミンクパルス
を供給するタイミング発生回路であり、このタイミング
発生回路７からのタイＬ− ミンクパルスに応答して前記１’ｊ　ＯＭ　Ｂ内のデー
タが順次読み出されて各超音波振動子１１〜１ｎに対応
する局部信号を生成上る。この局部信号は、受波ビーム
１３、〜Ｂ　４のそれぞれに対応−４゛る超音波振動子
群毎に互いに異なる周波数帯域を有するが、この局部信
号およびｌ’（ＯＭ　６に格納されろデータについては
、後に詳述する。

８は全混合器４．〜４ｎの出力を加算する加算器で、こ
の）Ｊ１１算器８の出力は増幅器９で増幅された後、４
個の帯域通過フィルタ１０□〜１０４に与えられる。各
帯域通過フィルタ１０．〜１０４は形成すべき受波ビー
ム１１、〜１３４にそれぞれに対応しており、互いに異
なる周波数帯域の信号を抽出する。

各帯域通過フィルタ１０１〜１０．の後段には、それぞ
れ検波器１１．〜１１いＡ／Ｄコンバータ１２、−１２
４、画像メモリ１３１〜１３４が設（上られている。１
４はメモリ制御回路であって、タイミングパルスに応答
していずれかの画像メモリ１３１〜＋３．を選択する。

１５はＣ１１’ｒのような表示器、Ｉ６は表示制御回路
である。

さて、前記の局部信号発生回路５において、ＲＯＭ　ｔ
５に格納されるデータは、いずれかの１本の受波ビー１
１についてみれば、従来装置のＲＯＭに格納されるデー
タと同じである。すなわち、前記（２）式に示したよう
に、ω２を局部信号の角周波数、１〕１１を位相定数、
Ｐを超音波振動子間のピッチ、Ｋを振動子番号、ωＳを
走査角周波数、θ１を開１］角の２分の１の角度とする
と、Ｋ番目の超音波振動子１ｋに対応する混合器４ｋに
供給される局部信号の電圧■２は、 Ｖ　２＝ ＣＯＳ（（ＩＪ　ｚｔ＋　Ｐ　ｈ　（ｃｏｓθ＋　−５
ｉｎ（Ｋ　Ｐ　＋　（ＩＪ　ｓｔ）　）　）・・・（２
） であり、この（２）式の■２の値がＲＯＭ６に、■２≧
０ならば、■２−１として、また■、〈０ならば■２−
０として格納される。

ところで、上記（２）式における局部信号の瞬間角周波
数ωは、（２）式の位相項を微分すればよいから、 ω　＝ ｄａω２ｔ＋　Ｐｈ　（ｃｏｓθ、　−５ｉｎ（ＫＰ−
＋　ωｓｔ）　）　）／旧−ω２ｌ−Ｐｈ・ωｓ　−ｃ
ｏｓ（ＫＰ十ωｓｔ）　　−（４）となる。そして瞬間
角周波数ωを２πで割れば、瞬間周波数ｆが得られる。

ｆ−ω／２π −（ω２／２π）−１（Ｐｈ　・ωｓ　−ｃｏｓ（ＫＩ
）［ω５ｔ））／２πそこで、局部信号の周波数帯域Ｒ
ｗは、Ｂｗ＝　（ωｔ／２ｒｒ　）±（Ｐｈ・ωｓ）／
　２　ｒｒ　　−（６）であり、ｆｓをビームの走査周
波数、λを波長、Ｒを超音波振動子全体の１へ径とする
と、Ｂｗ＝　（（ＩＪ　２／２ｒｒ　）±２πＲ−ｆｓ
／λ　　（７）となり、中心周波数はω２／２πである
。

ある受波ビームについて、対応する局部信号は、上記の
ような周波数帯域をもつから、他の受波ビーｌ＼につい
ては、周波数帯域が互いに重ならないように、それぞれ
の局部信号の中間周波数（ω、／２π）を設定すればよ
い。また、各帯域通過フィルタ１０、〜１０４の通過帯
域も、局部信号の周波数帯域に対応して設定すればよい
。以１−の設定によって、各受波ビームＢ１〜Ｂ４に対
応した画像データが各別に得られる。

第３図は、局部信号発生回路５の回路構成を示すブロッ
ク図である。局部信号発生回路５は、タイミング発生回
路７のタイミングパルスをカウントするカウンタ１７と
、カウンタ１７の出力がアドレス指定信号として与えら
れるＲＯＭ６と、ＲＯＭ６から読み出されたデータをラ
ッチするラッチ回路１８．．１８２．・１８ｎとを含ん
でいる。ラッチ回路１８．〜１８ｎからの信号が局部信
号として各混合器４１〜４ｎに供給される。

−に記の構成において、タイミング発生回路７から局部
信号発生回路５にタイミングパルスが供給されると、局
部信号発生回路５においては、ＲＯＭＧ内のデータが順
次読み出されて、これによって各振動子１１〜Ｉｎに対
応する局部信号が生成される。これらの局部信号は、対
応する混合器４゜〜４ｎにそれぞれ供給される。

ここで、局部信号は、４本の受波ビームＢ１〜Ｂ４のそ
れぞれに対応する４個の超音波振動子群毎に互いに異な
る周波数帯域を有する。各超音波振動子群毎に、混合器
４、〜４ｎで入力信号である受波信号が局部信号と混合
されて、位相制御されろ。したがって、送受波器２には
、第４図に示４〜ように、４個の超音波振動子群に対応
して４本の受波ビームＢ、〜Ｂ４が形成されることにな
る。

なお、各受波ビームＢ１〜Ｂ４に対応する超音波振動子
群の受波信号の間では、開口角０の中心に位置するか両
側に位置するかに応じてシェーディング（ウェート付け
）を行なう必要があるが、このシェーディングは帯域通
過フィルタ１０１〜１０４で自動的に行なわれる。すな
わち、開［１角θの中心に位置する超音波振動子１には
、周波数帯域の中心周波数の局部信号が対応し、開口角
θの中心から外れた超音波振動子１には、その偏位歯に
応じて中心周波数からずれた周波数の局部信号が対応し
ているから、各超音波振動子ｌの信号は、帯域通過フィ
ルタ１０１〜１０４においてその減衰カーブにより中心
周波数から外れた分たけ減衰させられ、これによって、
シェーディングか行なわれる。ンエーディングの別の方
法としては、局部信号として使用されるＲＯＭ６のデジ
タル波形のデユーティを変えるようにしてもよい。

すべての混合器４１〜４ｎの出力は加算器８で加算され
、増幅器９で増幅されたうえ、各帯域通過フィルタ１０
．〜１０４に供給される。各帯域通過フィルタ１０．〜
１０４は、各超音波振動子群に与えられる局部信号の周
波数帯域に応じた通過帯域を有しているから、各帯域通
過フィルタ１０．〜１０４では、各受波ビームＢ、〜Ｂ
４に対応した信号がそれぞれ抽出されることになる。そ
して、各帯域通過フィルタ１０□〜１０４を通過した信
号が縦続する検波器＋１．〜１１い、Ａ　／　Ｄコンバ
ータ１２゜〜１２４を経ることにより、各受波ビームＢ
１〜Ｂ４に基づく画像データが得られる。画像データは
、対応する画像メモリ１３＋〜１３４に格納されたのち
、表示器１５に表示される。

〈発明の効果〉 以」−のように、本発明によれば、同一の走査期間内に
複数本の受波ビームが形成されて、これら複数本の受波
ビームにより、空間情報がサンプリングされる。そのた
め、従来の１本の受波ビーノ・ではできなかった高速走
査、高分解能が可能となる。

また、単位時間内に得られる情報量が増大し、走査性が
良好となるので、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。

さらに、従来の装置において１本の受波ビー１１の形成
では使用されなかったＩＩ　ＯＭの領域を使用し、この
領域に他の受波ビームのためのデータを書き込んでおく
ことによって、複数本の受波ビームのための局部信号を
生成ずろことができる。したがって、従来のＲＯＭを中
心とした局部信号発生回路を利用しうるから、それたけ
、回路構成が複雑化せずに済む。

このほか、受波ビーム間でデータの相乗、相加等の処理
を施すこと（こより、独特の応用が期待される。また、
まずティルト方向（ビームの長手方向）に走査したのち
、方位方向に走査することによって、リアルタイツ、で
３次元の空間情報を得ることができ、３次元ソナーを実
現しうる。

【図面の簡単な説明】 第１図ないし第４図は本発明の一実施例に係り、第１図
は送受波器部分の説明図、第２図は装置全体の回路構成
を示すブロック図、第３図は局部信号発生回路のブロッ
ク図、第４図は受波ビームの形成状態を示す説明図であ
る。 第５図ないし第７図は従来例に係り、第５図はその送受
波器部分の説明図、第６図は受波ビームの形成状態を示
す説明図、第７図は装置全体の回路構成を示すブロック
図である。 ■、〜１ｎ・・超音波振動子、４．〜４ｎ・・・混合器
、５　局部信号発生回路、６　・ＲＯＭ、８・・・加算
器、１０、〜１０．　　帯域通過フィルタ、Ｂ、−８４
・受波ビーム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の方向に沿って配列された多数の超音波振動
   子の受波信号を合成して２本もしくはそれ以上の本数の
   指向性受波ビームを形成し、かつ、これらの受波ビーム
   の指向方向を順次変化させるソナーの指向性受波ビーム
   形成装置であって、各超音波振動子の受波信号に対して
   、形成すべき所定本数の受波ビームに対応する超音波振
   動子群毎に互いに異なる周波数帯域に属する所要の局部
   信号を発生する局部信号発生回路と、 各超音波振動子の受波信号に前記局部信号を混合して各
   受波ビームに対応する超音波振動子群毎に受波信号の位
   相制御を行なう混合器と、 これら混合器の出力を加算する加算器と、 前記加算器の出力から各受波ビームに対応する周波数帯
   域の信号をそれぞれ抽出する所定複数の帯域通過フィル
   タとを備えたことを特徴とするソナーの指向性受波ビー
   ム形成装置。