合成開口ソーナー
【課題】送受波器の動揺を補正し、合成開口処理への影響を軽減した合成開口ソーナーを提供する。
【解決手段】基準位置情報２０により、１台の送波器と１台の受波器からなる単一配列の基準位置間の伝搬距離を計算する理想単一配列伝搬距離計算器２３０と、１台の送波器と複数台の受波器からなる配列と基準位置間の伝搬距離を計算するＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０と、理想単一配列伝搬距離計算器２３０とＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０の出力の伝搬距離差から補正量を計算する補正量計算器２２０と、補正量に基づき受信信号に補正を施す動揺補正器２１０と、合成開口処理部３００と表示制御部４００を組み合わせ、動揺検出処理部５００からくる動揺情報に基づきＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０の出力に反映させて動揺補正を行う。
【解決手段】基準位置情報２０により、１台の送波器と１台の受波器からなる単一配列の基準位置間の伝搬距離を計算する理想単一配列伝搬距離計算器２３０と、１台の送波器と複数台の受波器からなる配列と基準位置間の伝搬距離を計算するＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０と、理想単一配列伝搬距離計算器２３０とＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０の出力の伝搬距離差から補正量を計算する補正量計算器２２０と、補正量に基づき受信信号に補正を施す動揺補正器２１０と、合成開口処理部３００と表示制御部４００を組み合わせ、動揺検出処理部５００からくる動揺情報に基づきＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０の出力に反映させて動揺補正を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１台の送波器と移動方向に配列した複数台の受波器とを含む合成開口ソーナーに係り、特に航走体の動揺を補正する合成開口ソーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
合成開口ソーナーは、合成開口レーダで開発された技術を応用したソーナーである。レーダの分解能を向上させるためには受波器の開口長を大きくする必要がある。すなわち、合成開口レーダは、航空機や人工衛星等に搭載し、軌道上を移動しながら、送信したレーダ波を受波器で連続的に受信することにより、小さい開口長の受波器の受信信号を合成する。この結果、等価的に開口長を大きくして分解能を向上させている。合成開口ソーナーは、同様の原理により、水上または水中の航走体に搭載し、ソーナーの分解能を向上させる。
【０００３】
合成開口処理は、非特許文献１および非特許文献２に示すように高速フーリエ変換と複素乗算を用いたＣＳ（Chirp Scaling）アルゴリズム等が知られている。特に非特許文献２は、時間軸信号に動揺補正関数を乗算することにより動揺補正を行う方法を示している。
【０００４】
合成開口ソーナーにおいては、レーダ波の空中伝播速度の３００,０００ｋｍ／ｓと比較して音響波の水中伝搬速度の１,５００ｍ／ｓが非常に遅いため、送信開始からエコー波が返ってきて次の送信を開始するまでのパルス繰返し周期を長く取る必要がある。一方で、これでは航走体のサンプル間の移動距離が極端に短くなり、合成開口長が取れない。さらに、航走体速度が遅すぎるため一定速度に保てない不都合を生じる。
【０００５】
すなわち、このパルス繰返し周期の逆数がパルス繰返し周波数ＰＲＦで、航走体速度νと受波開口幅Ｄとの間で次の（式１）を満たす必要がある。
【０００６】
【数１】
この問題は、１回の送信に対して１台の受波器で受信する単一受波器の場合、非特許文献３に示すように１回の送信に対して移動方向に配列した複数台の受波器で同時に受信するＤＰＣＡ（Displaced Phase-Center Antenna）方式により解決することができる。
【０００７】
ＤＰＣＡとは、送波器から目標までと目標から受波器までの伝搬距離の和が、送波器と受波器の中間に位置する仮想的な送受波器から目標までの往復伝搬距離にほぼ等しいとの原理に基づく。この仮想的な送受波器をＤＰＣＡと呼び、ＤＰＣＡから信号が送受波されるとみなして、合成開口処理を行う方式である。
【０００８】
単一受波器で受信する場合、移動方向のアジマスサンプリング周波数（以降アジマスサンプリング周波数ｆasと称す）はパルス繰り返し周波数ＰＲＦとなる。ＤＰＣＡ方式の場合は、複数受波器の間隔をアジマスサンプリング間隔に合わせて配列することにより、アジマスサンプリング周波数ｆasをパルス繰り返し周波数ＰＲＦよりも高くできる。このとき、受波器数Ｅとの間で（式２）の関係がある。
【０００９】
【数２】
ここで、ｄは受波開口長ではなく受波器間隔である。パルス繰り返し周波数ＰＲＦは、（式２）に基づき航走体速度νの実測値により時々刻々補正される。以降ＤＰＣＡ方式の合成開口ソーナーをＤＰＣＡ合成開口ソーナーと称することにする。
【００１０】
図１を参照して、従来の動揺補正処理を説明する。ここで、図１は合成開口ソーナーのブロック図である。図１において、合成開口ソーナー６００は、送受信処理部１００、動揺補正処理部２００、合成開口処理部３００、表示処理部４００、動揺検出処理部５００で構成される。送受信部１００は、受波器１１０、送波器１２０、受信器１３０、送信器１４０、ＰＲＦ制御器１５０で構成される。
【００１１】
送信器１４０は、外部設定に基づき送信信号を生成し、ＰＲＦ制御器１５０からの送信トリガー信号を周期として送信信号を出力し、送波器１２０に送り出す。送波器１２０は、送信信号を電気音響変換し、水中に送波する。ＰＲＦ制御器１５０は、速度信号１０を元に実速度νに基づき制御する（式３）のＰＲＦ値、
【００１２】
【数３】
を計算し、送信器１４０に送信トリガー信号として出力する。受波器１１０は、受波エコーを音響電気変換する。受信器１３０は、受波器１１０からの受信信号を、増幅、濾波、アナログ／ディジタル変換の後、ベースバンドに周波数変換する。
【００１３】
動揺補正処理部２００は、動揺補正器２１０、補正量計算器２２０で構成される。補正量計算器２２０は、動揺検出部５００からくる動揺情報を元に補正量τに基づく位相補正量Δφを（式４）により計算し、動揺補正器２１０に補正信号として出力する。
【００１４】
【数４】
動揺補正器２１０は、補正量計算器２２０からの補正量に基づき受信信号に（式５）を複素乗算して、位相回転により動揺量を補正する。
【００１５】
【数５】
合成開口処理部３００は、合成開口処理を行う部分である。合成開口処理部３００は、レンジ方向とアジマス方向の２次元時間信号を入力し、レンジ方向とアジマス方向の２次元座標信号を表示制御部４００に出力する。ここで、アジマス方向は航走体の航走方向、レンジ方向は水平面内でアジマス方向に垂直方向である。なお、合成開口処理部３００は、ＣＳアルゴリズム等が非特許文献１および非特許文献２に記載がある。
【００１６】
表示制御部４００は、処理結果の表示のためのフォーマッティング、レベル調整、マンマシンインターフェイスである。表示制御部４００は、当業者が知るところである。動揺検出処理部５００は、例えば高精度の慣性誘導装置で、仏国ＩＸＳＥＡ社から市販されている。また、受信信号から音響的に動揺を検出する方式が例えば非特許文献５に示されており、ともに公知である。
【００１７】
上述した背景技術は、以下の問題点がある。第１の問題は、動揺補正が１台の送波器と複数台の受波器からなるＤＰＣＡ配列に適合していないことである。第２の問題は、受波器の移動距離は航走体の速度の外に伝搬時間により変化する。しかし、この伝搬時間による誤差を補正できないことである。第３の問題は、合成開口処理が１台の送波器と１台の受波器からなる単一配列を前提としているため、特許文献２にみられるようなＤＰＣＡ配列での誤差を補正できないことである。
本発明の目的は、動揺補正と共に上述の誤差を同時に補正する合成開口ソーナーを提供するにある。
【００１８】
【特許文献１】特開平１０−１４２３３３号公報
【特許文献２】米国特許第４２４４０３６号明細書
【非特許文献１】R. K. Raney, H. Runge, I. G. Cumming, R. Bamler, and F. H. Wong, ”Precision of SAR processing using chirp scaling”, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 32, pp. 786-799, July 1994.
【非特許文献２】A. Moreira, J. Mittermayer, and R. Scheiber “Extended chirp Scaling Algorithm for Air- and Spaceborne SAR Data Processing in Stripmap and ScanSAR Imaging Modes”, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 34. pp. 1123-1136, Sept. 1996.
【非特許文献３】E. J. Kelly and G. N. Tsandouls, “A Displaced Phase Center Antenna Concept for Space Based Radar Applications”, IEEE Eascon, pp. 225-230, Sept. 1983.
【非特許文献４】A. Bellettini, and M. A. Pinto, “Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase- Center Antenna”, IEEE J. Oceanic Eng., vol. 27, pp. 780-789, Oct. 2002.
【非特許文献５】R. Heremans, M. Acheroy, Y. Dupont, “Motion Compensation on Synthetic Aperture Sonar Images”, IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 152-155, Oct. 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
合成開口ソーナーは、航走体に搭載され、航走中に３軸方向の回転および移動による動揺を受ける。動揺は、伝搬距離を微妙に変化させるため位相回転を生じ、合成開口処理に重大な影響を及ぼす。本発明が解決すべき課題は、外部センサが検出した動揺データにより、合成開口ソーナーの動揺補正を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
ＤＰＣＡ方式の送受波器配列であるＤＰＣＡ配列の他に、動揺補正の基準として、動揺を受けない１組の送受波器からなる理想単一配列と、当該ＤＰＣＡ配列と同一の送受波器配列を持つＤＰＣＡ配列を組み合わせ、ＤＰＣＡ配列に外部センサが検出した動揺データに基づく動揺を模擬的に加えて、理想単一配列とＤＰＣＡ配列の基準点からの伝搬距離の差を動揺補正量として受信信号を補正する。
【００２１】
すなわち、
動揺補正後のＤＰＣＡ配列と任意目標点との伝搬距離
＝動揺補正前のＤＰＣＡ配列と任意目標点との伝搬距離
−（動揺を加えた仮想ＤＰＣＡ配列と基準点との伝搬距離 …（補正式）
−動揺を加えない理想単一配列と基準点との伝搬距離）
として（ ）内の動揺補正量により補正する。
【００２２】
上述した課題は、１台の送波器と移動方向に配列した複数台の受波器からなる送受信処理部と、動揺検出処理部と、この動揺検出処理部の出力を用いて送受信処理部からの受信信号に動揺補正を加える動揺補正処理部と、合成開口処理部と、表示制御処理部とからなり、動揺補正処理部は、基準位置情報に基づいて、１台の送波器と１台の受波器からなる理想単一配列と基準位置との間の理想伝搬距離を計算する第１の伝搬距離計算器と、基準位置情報に基づいて、１台の仮想送波器と移動方向に配列した複数台の仮想受波器からなる配列と基準位置との間の仮想伝搬距離を計算する第２の伝搬距離計算器と、仮想伝搬距離と理想伝搬距離との伝搬距離差から補正量を計算する補正量計算器と、この補正量に基づき受信信号に補正を施す動揺補正器とからなる合成開口ソーナーにより、達成できる。
【発明の効果】
【００２３】
合成開口ソーナーの動揺補正に、動揺を受けるＤＰＣＡ配列と動揺を受けない理想単一配列の伝搬距離差に基づいて受信信号を補正しているため、サイドローブを増やすことなく精度の高い動揺補正ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下本発明の実施の形態について、実施例を用い図面および数式を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
【実施例１】
【００２５】
まず、図２を参照して、合成開口ソーナーの構成を説明する。ここで、図２は合成開口ソーナーのブロック図である。図２において、合成開口ソーナー７００は、送受信処理部１００、動揺補正処理部２００Ａ、合成開口処理部３００、表示処理部４００、動揺検出処理部５００で構成される。また、送受信処理部１００は、受波器１１０、送波器１２０、受信器１３０、送信器１４０、ＰＲＦ制御器１５０で構成される。さらに、動揺補正処理部２００Ａは、動揺補正器２１０、補正量計算器２２０Ａ、理想単一配列伝搬距離計算器２３０、仮想ＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０で構成される。
【００２６】
送信器１４０は、外部設定に基づき送信信号を生成し、ＰＲＦ制御器１５０からの送信トリガー信号を周期として送信信号を出力し、送波器１２０に送り出す。送波器１２０は、送信信号を電気音響変換し、水中に送波する。ＰＲＦ制御器１５０は、速度信号１０を元に実速度νに基づき制御する（式３）のＰＲＦ値を計算し、送信器１４０に送信トリガー信号として出力する。受波器１１０は、受波エコーを音響電気変換する。受信器１３０は、受波器１１０からの受信信号を、増幅、濾波、アナログ／ディジタル変換の後、ベースバンドに周波数変換する。
【００２７】
基準位置情報２０は、合成開口処理の基準位置情報で、通常は合成開口処理の中心に基準位置があると仮定して、基準位置情報を与える。
理想単一配列伝搬距離計算器２３０は、基準位置情報２０から理想単一配列の伝搬距離を計算する。ここで理想単一配列とは、１台の送波器と１台の受波器からなる配列とする。仮想ＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０は、基準位置情報２０からＤＰＣＡ配列の伝搬距離を計算する。ここでＤＰＣＡ配列とは、図３または図４に示す送波器と受波器の配列である。理想単一配列距離とＤＰＣＡ配列伝搬距離とは、アジマスサンプリング時間のみの関数である。
【００２８】
補正量計算部２２０Ａは、理想単一配列伝搬距離計算器２３０と仮想ＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０との出力である伝播距離差をとり、これを補正量として位相差に変換し、動揺補正器２１０に送る。動揺補正器２１０は、受信器１３０からくる受信信号に補正量を複素乗算し、位相回転により動揺補正を行う。合成開口処理部３００は、合成開口処理を行う部分である。合成開口処理部３００は、レンジ方向とアジマス方向の２次元時間信号を入力し、レンジ方向とアジマス方向の２次元座標信号を表示制御部４００に出力する。表示制御部４００は、処理結果の表示のためのフォーマッティング、レベル調整、マンマシンインターフェイスである。動揺検出処理部５００は、高精度の慣性誘導装置である。動揺検出処理部５００の出力は、３軸の回転角であるローリング角、ピッチング角、ヨーイング角と３軸の変位量であるサージング量、スウェイング量、ヒービング量であり、実時間で時間関数として出力される。航走体の航走方向をｘ軸、垂直方向をｚ軸、ｙ軸を右手系で定義としたとき、ローリング角はｘ軸回りの回転量、ピッチング角はｙ軸回りの回転量、ヨーイング角はｚ軸回りの回転量である。同様に、サージング量はｘ軸方向の移動量、スウェイング量はｙ軸方向の移動量、ヒービング量はｚ軸方向の移動量である。
【００２９】
図３および図４を参照して、送波器、受波器とＤＰＣＡの配列を説明する。ここで、図３は受波器数が奇数の送波器、受波器とＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。図４は受波器数が偶数の送波器、受波器とＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。図３および図４において、送波器１２０の位置を○、受波器１１０の位置を●、ＤＰＣＡの位置を◎で示す。また、送波器１２０と受波器１１０を囲む箱は、送受波器アレイ１６０である。図３および図４において、横軸（ｘ軸）は航走体の航走方向、縦軸（ｔ軸）下方向は時間である。
【００３０】
図３において、送受波器アレイ１６０が送波器１２０が１台、受波器１１０が７台（Ｅ＝７）の場合を考える。図３上部の送波器１２０のｘ軸の座標を０とする。受波器間隔をｄとすると受波器１２０の位置は、−３ｄ、−２ｄ、−ｄ、０、ｄ、２ｄ、３ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置は、−１.５ｄ、−ｄ、−０.５ｄ、０、０.５ｄ、ｄ、１.５ｄとなる。また、ＤＰＣＡを連続させるために送波器１２０の送波タイミングは、Ｅ・ｄ／２（３.５ｄ）移動ごとである。
【００３１】
図４において、送受波器アレイ１６０が送波器１２０が１台、受波器１１０が６台（Ｅ＝６）の場合を考える。図４上部の送波器１２０のｘ軸の座標を０とする。受波器間隔をｄとすると受波器１２０の位置は、−２.５ｄ、−１.５ｄ、−０.５ｄ、０.５ｄ、１.５ｄ、２.５ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置は、−１.２５ｄ、−０.７５ｄ、−０.２５ｄ、０.２５ｄ、０.７５ｄ、１.２５ｄとなる。また、ＤＰＣＡを連続させるために送波器１２０の送波タイミングは、Ｅ・ｄ／２（３ｄ）移動ごとである。
【００３２】
動揺補正は、３軸の動揺パラメータの中で合成開口ソーナーの特性に大きな影響を与えるスウェイングとヨーイングを説明する。他の動揺パラメータも、同様の原理で修正できる。すなわち動揺パラメータは、次の４つとする。
（１）スウェイング最大振幅Ｅsway
（２）スウェイング周期Ｔsway
（３）ヨーイング最大角ｆyau
（４）ヨーイング周期Ｔyau
航走体の移動方向であるアジマス方向をｘ軸、移動方向と直交する方向であるレンジ方向をｙ軸、高度方向をｚ軸とする。まず、動揺する航走体の時刻ｔaにおける座標は、航走体の対地速度をｖ、海底からの高度をｈとして、（式６）（式７）（式８）で与えられる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
【数７】
【００３５】
【数８】
また、動揺する送波器の座標は、航走体の座標と同じであるので、（式９）（式１０）（式１１）で与えられる。
【００３６】
【数９】
【００３７】
【数１０】
【００３８】
【数１１】
一方、受波器はＥ台で構成されており、ｉ番目受波器の航走体中心からの相対距離をＬix, Ｌiy, Ｌiz（但しｉは０以上（Ｅ−１）以下の整数）として、エコー受信時のＤＰＣＡ配列のｉ番目受波器の座標は、伝搬時間Δｔaの間に航走体が移動している分を考慮し、（式１２）（式１３）（式１４）で与えられる。
【００３９】
【数１２】
【００４０】
【数１３】
【００４１】
【数１４】
基準点の座標は、例えば合成開口処理の中心に選ぶと、航走体と基準点間の直距離Ｒ０、海底からの高度ｈのとき、（式１５）（式１６）（式１７）で与えられる。
【００４２】
【数１５】
【００４３】
【数１６】
【００４４】
【数１７】
これから、ＤＰＣＡ配列の送波器と基準点間の伝搬距離は、（式１８）で与えられる。また基準点とＤＰＣＡ配列のｉ番目受波器間の伝搬距離は、（式１９）で与えられる。従って、基準点とＤＰＣＡ配列のｉ番目受波器間のＤＰＣＡ伝搬距離は、（式２０）で与えられる。ここで、伝播時間は、（式２１）で与えられる。または、伝播時間は、（式２２）から、近似的に計算する。すなわち、ＰＤＣＡ配列伝搬距離計算器２４０は、（式２０を計算して、補正量計算器２２０Ａに出力する。
【００４５】
【数１８】
【００４６】
【数１９】
【００４７】
【数２０】
【００４８】
【数２１】
【００４９】
【数２２】
次に、基準点と理想単一配列の伝搬距離を求める。基準点と理想単一配列の伝搬距離は、理想単一配列の送受波器の座標をＰsinglex(ｔa), Ｐsingley(ｔa), Ｐsinglez(ｔa)として、（式２３）で与えられる。すなわち、理想単一配列伝搬距離計算器２３０は、（式２３）を計算して、補正量計算器２２０Ａに出力する。
【００５０】
【数２３】
ここで、伝播時間による誤差も同時に補正するため、理想単一配列には伝播時間Δｔaを含めない。これより動揺補正時の伝搬距離補正量は、（式２４）により、与えられる。
【００５１】
【数２４】
以上に基づき、動揺補正のための補正を、時刻ｔaにおけるｉ番目受波器出力の各々について（式２５）の位相回転を施すことにより行う。ここでは、距離の次元である（式２４）に２π／λを乗算し、２往復なのでさらに２倍している。
【００５２】
【数２５】
ここで、航走体の時刻ｔaは、航走体のアジマスサンプリングｆasの逆数を周期とする離散値（式２６）に置き換える。
【００５３】
【数２６】
すなわち、（式２４）の伝搬距離補正量は、（式２７）で表わされる。さらに、（式２５）の位相回転は、（式２８）で与えられる。補正量計算器２２０Ａは、（式２８）を計算して、動揺補正器２１０に出力する。動揺補正器２１０は、受信器１３０からくる受信信号に補正量を複素乗算し、位相回転により動揺補正を行う。
【００５４】
【数２７】
【００５５】
【数２８】
（式２８）は、受波器の位置を示す番号ｉと航走体の位置を示す番号ｋに依存する。
【００５６】
次に、ＤＰＣＡ合成開口ソーナーのＤＰＣＡ配列を図３および図４を参照して説明する。ここで、図３は、送波器は複数受波器の中心に位置し、受波器の位置は受波器数が奇数と偶数で異なる。
【００５７】
ＤＰＣＡ配列では、図３および図４に示すとおり受波器間隔が実受波器間隔の１／２になり、アジマスサンプリング周波数ｆasに基づくアジマスサンプリング間隔が、受波器間隔ｄの１／２に一致する必要がある。
【００５８】
受波器数Ｅが奇数の場合と偶数の場合を考慮して、一般に、送波器位置は、（式２９）のとおりである。また、受波器位置は、（式３０）である。
【００５９】
【数２９】
【００６０】
【数３０】
航走体速度がｖ＝ｄ・ｆas／２に一致する場合は、送波器と受波器の位置は（式２９）（式３０）の通りになる。しかし、航走体速度がこれから外れる場合は、送波器の位置は受波器間隔ｄ＝２ｖ／ｆasに置き換え、受波器の位置は送波器からの相対位置から計算する。すなわち、送波器位置は、（式３１）、受波器位置は、（式３２）で与えられる。
【００６１】
【数３１】
【００６２】
【数３２】
本実施例は、以上述べてきたとおり、理想単一配列およびＤＰＣＡ配列とを組み合わせ、ＤＰＣＡ配列に外部動揺データに基づく動揺を加えて、理想単一配列と基準点およびＤＰＣＡ配列と基準点との伝搬距離差により、受信信号に補正を施すことにより、合成開口ソーナーの動揺補正を行うものである。
【００６３】
図５を参照して、本実施例による動揺補正前後のビームパターンを説明する。ここで、図５はアジマス距離に対する受信レベルを説明する図である。図５において、横軸はアジマス距離（ｍ）、縦軸は受信レベル（ｄＢ）である。また、図５（ａ）は航走体に動揺が無い場合、図５（ｂ）は１／８λに相当するヨーイングとスウェイングの動揺を受けた場合、図５（ｃ）は１／８λに相当するヨーイングとスウェイングの動揺を受け、かつ動揺補正後である。図５（ｂ）と図５（ｃ）との対比から、動揺補正の効果は明らかである。
【００６４】
上述した実施例に拠れば、合成開口ソーナーの動揺補正に、動揺を受けるＤＰＣＡ配列と動揺を受けない理想単一配列の伝搬距離差に基づいて受信信号を補正しているため、合成開口処理の限界と言われている１／８λの動揺量よりも大きい動揺に対しても、サイドローブを増やすことなく精度の高い動揺補正できる。
【００６５】
また、伝搬距離により、受波器位置が航走体速度できまる移動距離よりも僅かにずれる誤差は、ＤＰＣＡ配列位置にはこの伝搬距離を含め、理想単一配列位置にはこの伝搬距離含めないことにより補正され、動揺のない場合においても、さらに精度の高い合成開口処理ができる。
【００６６】
さらに、ＤＰＣＡ配列が単一配列になるように補正するため、単一配列を前提とする合成開口処理においても、理想的な合成開口処理の状態になり、ＤＰＣＡ固有の誤差が補正され、動揺のない場合においても、さらに精度の高い合成開口処理ができる。
【実施例２】
【００６７】
図６および図７を参照して、送波器、受波器とＤＰＣＡの配列を説明する。ここで、図６は受波器が奇数の送受波アレイとＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。図７は受波器が偶数の送受波アレイとＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。図６および図７において、送波器１２０の位置を○、受波器１１０の位置を●、ＤＰＣＡの位置を◎で示す。また、送波器１２０と受波器１１０を囲む箱は、送受波器アレイ１６０である。図６および図７において、横軸（ｘ軸）は航走体の航走方向、縦軸（ｔ軸）下方向は時間である。
【００６８】
図６において、送受波器アレイ１６０が送波器１２０が１台、受波器１１０が７台（Ｅ＝７）、ＤＰＣＡのオーバラップ数（Ｌ）が３の場合を考える。図６上部の送波器１２０のｘ軸の座標を０とする。受波器間隔をｄとすると受波器１２０の位置は、図３と同様、−３ｄ、−２ｄ、−ｄ、０、ｄ、２ｄ、３ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置も、図３と同様、−１.５ｄ、−ｄ、−０.５ｄ、０、０.５ｄ、ｄ、１.５ｄとなる。一方、ＤＰＣＡをオーバラップさせるために送波器１２０の送波タイミングは、（Ｅ−Ｌ）・ｄ／２（２ｄ）移動ごとである。
【００６９】
図７において、送受波器アレイ１６０が送波器１２０が１台、受波器１１０が６台（Ｅ＝６））、ＤＰＣＡのオーバラップ数（Ｌ）が３の場合を考える。図７上部の送波器１２０のｘ軸の座標を０とする。受波器間隔をｄとすると受波器１２０の位置は、図４と同様、−２.５ｄ、−１.５ｄ、−０.５ｄ、０.５ｄ、１.５ｄ、２.５ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置も、図４と同様に、−１.２５ｄ、−０.７５ｄ、−０.２５ｄ、０.２５ｄ、０.７５ｄ、１.２５ｄとなる。一方、ＤＰＣＡをオーバラップさせるために送波器１２０の送波タイミングは、（Ｅ−Ｌ）・ｄ／２（１.５ｄ）移動ごとである。
【００７０】
ＤＰＣＡを用いた動揺補正は、ＤＰＣＡをオーバラップさせ、同じ受波位置での情報を重畳統計処理して位置を補正する方法が特許文献２および非特許文献４に示されている。オーバラップは送波器間隔を０．５ｄ×オーバラップ数Ｌだけ縮めることにより可能であり、送波器位置は（式２９）（式３１）の受波器数Ｅを、（式３３）に置き換えることによりで計算できる。なお、受波器位置は変わらない。
【００７１】
【数３３】
すなわち、オーバラップ数Ｌの送波器位置は、（式３４）、受波器位置は、（式３５）で与えられる。
【００７２】
【数３４】
【００７３】
【数３５】
オーバラップ構成においても、動揺補正が適用できることは以上の議論から自明である。また、オーバラップ部は、雑音と動揺が無ければ同じ値を取るはずであるので、逆に動揺量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】背景技術の合成開口ソーナーのブロック図である。
【図２】合成開口ソーナーのブロック図である。
【図３】受波器が奇数の送受波アレイとＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。
【図４】受波器が偶数の送受波アレイとＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。
【図５】アジマス距離に対する受信レベルを説明する図である。
【図６】受波器数が７個でＤＰＣＡオーバラップ数が３個となるＤＰＣＡ配列例
【図７】受波器数が６個でＤＰＣＡオーバラップ数が３個となるＤＰＣＡ配列例
【符号の説明】
【００７５】
１０…速度信号、２０…基準位置情報、１００…送受信処理部、１１０…受波器、１２０…送波器、１３０…受信器、１４０…送信器、１５０…ＰＲＦ制御器、１６０…送受波器アレイ、２００…動揺補正処理部、２１０…動揺補正器、２２０…補正量計算器、２３０…理想単一配列伝搬距離計算器、２４０…仮想ＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器、３００…合成開口処理部、４００…表示制御部、５００…動揺検出処理部、６００…合成開口ソーナー、７００…合成開口ソーナー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１台の送波器と移動方向に配列した複数台の受波器とを含む合成開口ソーナーに係り、特に航走体の動揺を補正する合成開口ソーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
合成開口ソーナーは、合成開口レーダで開発された技術を応用したソーナーである。レーダの分解能を向上させるためには受波器の開口長を大きくする必要がある。すなわち、合成開口レーダは、航空機や人工衛星等に搭載し、軌道上を移動しながら、送信したレーダ波を受波器で連続的に受信することにより、小さい開口長の受波器の受信信号を合成する。この結果、等価的に開口長を大きくして分解能を向上させている。合成開口ソーナーは、同様の原理により、水上または水中の航走体に搭載し、ソーナーの分解能を向上させる。
【０００３】
合成開口処理は、非特許文献１および非特許文献２に示すように高速フーリエ変換と複素乗算を用いたＣＳ（Chirp Scaling）アルゴリズム等が知られている。特に非特許文献２は、時間軸信号に動揺補正関数を乗算することにより動揺補正を行う方法を示している。
【０００４】
合成開口ソーナーにおいては、レーダ波の空中伝播速度の３００,０００ｋｍ／ｓと比較して音響波の水中伝搬速度の１,５００ｍ／ｓが非常に遅いため、送信開始からエコー波が返ってきて次の送信を開始するまでのパルス繰返し周期を長く取る必要がある。一方で、これでは航走体のサンプル間の移動距離が極端に短くなり、合成開口長が取れない。さらに、航走体速度が遅すぎるため一定速度に保てない不都合を生じる。
【０００５】
すなわち、このパルス繰返し周期の逆数がパルス繰返し周波数ＰＲＦで、航走体速度νと受波開口幅Ｄとの間で次の（式１）を満たす必要がある。
【０００６】
【数１】
この問題は、１回の送信に対して１台の受波器で受信する単一受波器の場合、非特許文献３に示すように１回の送信に対して移動方向に配列した複数台の受波器で同時に受信するＤＰＣＡ（Displaced Phase-Center Antenna）方式により解決することができる。
【０００７】
ＤＰＣＡとは、送波器から目標までと目標から受波器までの伝搬距離の和が、送波器と受波器の中間に位置する仮想的な送受波器から目標までの往復伝搬距離にほぼ等しいとの原理に基づく。この仮想的な送受波器をＤＰＣＡと呼び、ＤＰＣＡから信号が送受波されるとみなして、合成開口処理を行う方式である。
【０００８】
単一受波器で受信する場合、移動方向のアジマスサンプリング周波数（以降アジマスサンプリング周波数ｆasと称す）はパルス繰り返し周波数ＰＲＦとなる。ＤＰＣＡ方式の場合は、複数受波器の間隔をアジマスサンプリング間隔に合わせて配列することにより、アジマスサンプリング周波数ｆasをパルス繰り返し周波数ＰＲＦよりも高くできる。このとき、受波器数Ｅとの間で（式２）の関係がある。
【０００９】
【数２】
ここで、ｄは受波開口長ではなく受波器間隔である。パルス繰り返し周波数ＰＲＦは、（式２）に基づき航走体速度νの実測値により時々刻々補正される。以降ＤＰＣＡ方式の合成開口ソーナーをＤＰＣＡ合成開口ソーナーと称することにする。
【００１０】
図１を参照して、従来の動揺補正処理を説明する。ここで、図１は合成開口ソーナーのブロック図である。図１において、合成開口ソーナー６００は、送受信処理部１００、動揺補正処理部２００、合成開口処理部３００、表示処理部４００、動揺検出処理部５００で構成される。送受信部１００は、受波器１１０、送波器１２０、受信器１３０、送信器１４０、ＰＲＦ制御器１５０で構成される。
【００１１】
送信器１４０は、外部設定に基づき送信信号を生成し、ＰＲＦ制御器１５０からの送信トリガー信号を周期として送信信号を出力し、送波器１２０に送り出す。送波器１２０は、送信信号を電気音響変換し、水中に送波する。ＰＲＦ制御器１５０は、速度信号１０を元に実速度νに基づき制御する（式３）のＰＲＦ値、
【００１２】
【数３】
を計算し、送信器１４０に送信トリガー信号として出力する。受波器１１０は、受波エコーを音響電気変換する。受信器１３０は、受波器１１０からの受信信号を、増幅、濾波、アナログ／ディジタル変換の後、ベースバンドに周波数変換する。
【００１３】
動揺補正処理部２００は、動揺補正器２１０、補正量計算器２２０で構成される。補正量計算器２２０は、動揺検出部５００からくる動揺情報を元に補正量τに基づく位相補正量Δφを（式４）により計算し、動揺補正器２１０に補正信号として出力する。
【００１４】
【数４】
動揺補正器２１０は、補正量計算器２２０からの補正量に基づき受信信号に（式５）を複素乗算して、位相回転により動揺量を補正する。
【００１５】
【数５】
合成開口処理部３００は、合成開口処理を行う部分である。合成開口処理部３００は、レンジ方向とアジマス方向の２次元時間信号を入力し、レンジ方向とアジマス方向の２次元座標信号を表示制御部４００に出力する。ここで、アジマス方向は航走体の航走方向、レンジ方向は水平面内でアジマス方向に垂直方向である。なお、合成開口処理部３００は、ＣＳアルゴリズム等が非特許文献１および非特許文献２に記載がある。
【００１６】
表示制御部４００は、処理結果の表示のためのフォーマッティング、レベル調整、マンマシンインターフェイスである。表示制御部４００は、当業者が知るところである。動揺検出処理部５００は、例えば高精度の慣性誘導装置で、仏国ＩＸＳＥＡ社から市販されている。また、受信信号から音響的に動揺を検出する方式が例えば非特許文献５に示されており、ともに公知である。
【００１７】
上述した背景技術は、以下の問題点がある。第１の問題は、動揺補正が１台の送波器と複数台の受波器からなるＤＰＣＡ配列に適合していないことである。第２の問題は、受波器の移動距離は航走体の速度の外に伝搬時間により変化する。しかし、この伝搬時間による誤差を補正できないことである。第３の問題は、合成開口処理が１台の送波器と１台の受波器からなる単一配列を前提としているため、特許文献２にみられるようなＤＰＣＡ配列での誤差を補正できないことである。
本発明の目的は、動揺補正と共に上述の誤差を同時に補正する合成開口ソーナーを提供するにある。
【００１８】
【特許文献１】特開平１０−１４２３３３号公報
【特許文献２】米国特許第４２４４０３６号明細書
【非特許文献１】R. K. Raney, H. Runge, I. G. Cumming, R. Bamler, and F. H. Wong, ”Precision of SAR processing using chirp scaling”, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 32, pp. 786-799, July 1994.
【非特許文献２】A. Moreira, J. Mittermayer, and R. Scheiber “Extended chirp Scaling Algorithm for Air- and Spaceborne SAR Data Processing in Stripmap and ScanSAR Imaging Modes”, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 34. pp. 1123-1136, Sept. 1996.
【非特許文献３】E. J. Kelly and G. N. Tsandouls, “A Displaced Phase Center Antenna Concept for Space Based Radar Applications”, IEEE Eascon, pp. 225-230, Sept. 1983.
【非特許文献４】A. Bellettini, and M. A. Pinto, “Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase- Center Antenna”, IEEE J. Oceanic Eng., vol. 27, pp. 780-789, Oct. 2002.
【非特許文献５】R. Heremans, M. Acheroy, Y. Dupont, “Motion Compensation on Synthetic Aperture Sonar Images”, IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 152-155, Oct. 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
合成開口ソーナーは、航走体に搭載され、航走中に３軸方向の回転および移動による動揺を受ける。動揺は、伝搬距離を微妙に変化させるため位相回転を生じ、合成開口処理に重大な影響を及ぼす。本発明が解決すべき課題は、外部センサが検出した動揺データにより、合成開口ソーナーの動揺補正を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
ＤＰＣＡ方式の送受波器配列であるＤＰＣＡ配列の他に、動揺補正の基準として、動揺を受けない１組の送受波器からなる理想単一配列と、当該ＤＰＣＡ配列と同一の送受波器配列を持つＤＰＣＡ配列を組み合わせ、ＤＰＣＡ配列に外部センサが検出した動揺データに基づく動揺を模擬的に加えて、理想単一配列とＤＰＣＡ配列の基準点からの伝搬距離の差を動揺補正量として受信信号を補正する。
【００２１】
すなわち、
動揺補正後のＤＰＣＡ配列と任意目標点との伝搬距離
＝動揺補正前のＤＰＣＡ配列と任意目標点との伝搬距離
−（動揺を加えた仮想ＤＰＣＡ配列と基準点との伝搬距離 …（補正式）
−動揺を加えない理想単一配列と基準点との伝搬距離）
として（ ）内の動揺補正量により補正する。
【００２２】
上述した課題は、１台の送波器と移動方向に配列した複数台の受波器からなる送受信処理部と、動揺検出処理部と、この動揺検出処理部の出力を用いて送受信処理部からの受信信号に動揺補正を加える動揺補正処理部と、合成開口処理部と、表示制御処理部とからなり、動揺補正処理部は、基準位置情報に基づいて、１台の送波器と１台の受波器からなる理想単一配列と基準位置との間の理想伝搬距離を計算する第１の伝搬距離計算器と、基準位置情報に基づいて、１台の仮想送波器と移動方向に配列した複数台の仮想受波器からなる配列と基準位置との間の仮想伝搬距離を計算する第２の伝搬距離計算器と、仮想伝搬距離と理想伝搬距離との伝搬距離差から補正量を計算する補正量計算器と、この補正量に基づき受信信号に補正を施す動揺補正器とからなる合成開口ソーナーにより、達成できる。
【発明の効果】
【００２３】
合成開口ソーナーの動揺補正に、動揺を受けるＤＰＣＡ配列と動揺を受けない理想単一配列の伝搬距離差に基づいて受信信号を補正しているため、サイドローブを増やすことなく精度の高い動揺補正ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下本発明の実施の形態について、実施例を用い図面および数式を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
【実施例１】
【００２５】
まず、図２を参照して、合成開口ソーナーの構成を説明する。ここで、図２は合成開口ソーナーのブロック図である。図２において、合成開口ソーナー７００は、送受信処理部１００、動揺補正処理部２００Ａ、合成開口処理部３００、表示処理部４００、動揺検出処理部５００で構成される。また、送受信処理部１００は、受波器１１０、送波器１２０、受信器１３０、送信器１４０、ＰＲＦ制御器１５０で構成される。さらに、動揺補正処理部２００Ａは、動揺補正器２１０、補正量計算器２２０Ａ、理想単一配列伝搬距離計算器２３０、仮想ＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０で構成される。
【００２６】
送信器１４０は、外部設定に基づき送信信号を生成し、ＰＲＦ制御器１５０からの送信トリガー信号を周期として送信信号を出力し、送波器１２０に送り出す。送波器１２０は、送信信号を電気音響変換し、水中に送波する。ＰＲＦ制御器１５０は、速度信号１０を元に実速度νに基づき制御する（式３）のＰＲＦ値を計算し、送信器１４０に送信トリガー信号として出力する。受波器１１０は、受波エコーを音響電気変換する。受信器１３０は、受波器１１０からの受信信号を、増幅、濾波、アナログ／ディジタル変換の後、ベースバンドに周波数変換する。
【００２７】
基準位置情報２０は、合成開口処理の基準位置情報で、通常は合成開口処理の中心に基準位置があると仮定して、基準位置情報を与える。
理想単一配列伝搬距離計算器２３０は、基準位置情報２０から理想単一配列の伝搬距離を計算する。ここで理想単一配列とは、１台の送波器と１台の受波器からなる配列とする。仮想ＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０は、基準位置情報２０からＤＰＣＡ配列の伝搬距離を計算する。ここでＤＰＣＡ配列とは、図３または図４に示す送波器と受波器の配列である。理想単一配列距離とＤＰＣＡ配列伝搬距離とは、アジマスサンプリング時間のみの関数である。
【００２８】
補正量計算部２２０Ａは、理想単一配列伝搬距離計算器２３０と仮想ＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器２４０との出力である伝播距離差をとり、これを補正量として位相差に変換し、動揺補正器２１０に送る。動揺補正器２１０は、受信器１３０からくる受信信号に補正量を複素乗算し、位相回転により動揺補正を行う。合成開口処理部３００は、合成開口処理を行う部分である。合成開口処理部３００は、レンジ方向とアジマス方向の２次元時間信号を入力し、レンジ方向とアジマス方向の２次元座標信号を表示制御部４００に出力する。表示制御部４００は、処理結果の表示のためのフォーマッティング、レベル調整、マンマシンインターフェイスである。動揺検出処理部５００は、高精度の慣性誘導装置である。動揺検出処理部５００の出力は、３軸の回転角であるローリング角、ピッチング角、ヨーイング角と３軸の変位量であるサージング量、スウェイング量、ヒービング量であり、実時間で時間関数として出力される。航走体の航走方向をｘ軸、垂直方向をｚ軸、ｙ軸を右手系で定義としたとき、ローリング角はｘ軸回りの回転量、ピッチング角はｙ軸回りの回転量、ヨーイング角はｚ軸回りの回転量である。同様に、サージング量はｘ軸方向の移動量、スウェイング量はｙ軸方向の移動量、ヒービング量はｚ軸方向の移動量である。
【００２９】
図３および図４を参照して、送波器、受波器とＤＰＣＡの配列を説明する。ここで、図３は受波器数が奇数の送波器、受波器とＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。図４は受波器数が偶数の送波器、受波器とＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。図３および図４において、送波器１２０の位置を○、受波器１１０の位置を●、ＤＰＣＡの位置を◎で示す。また、送波器１２０と受波器１１０を囲む箱は、送受波器アレイ１６０である。図３および図４において、横軸（ｘ軸）は航走体の航走方向、縦軸（ｔ軸）下方向は時間である。
【００３０】
図３において、送受波器アレイ１６０が送波器１２０が１台、受波器１１０が７台（Ｅ＝７）の場合を考える。図３上部の送波器１２０のｘ軸の座標を０とする。受波器間隔をｄとすると受波器１２０の位置は、−３ｄ、−２ｄ、−ｄ、０、ｄ、２ｄ、３ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置は、−１.５ｄ、−ｄ、−０.５ｄ、０、０.５ｄ、ｄ、１.５ｄとなる。また、ＤＰＣＡを連続させるために送波器１２０の送波タイミングは、Ｅ・ｄ／２（３.５ｄ）移動ごとである。
【００３１】
図４において、送受波器アレイ１６０が送波器１２０が１台、受波器１１０が６台（Ｅ＝６）の場合を考える。図４上部の送波器１２０のｘ軸の座標を０とする。受波器間隔をｄとすると受波器１２０の位置は、−２.５ｄ、−１.５ｄ、−０.５ｄ、０.５ｄ、１.５ｄ、２.５ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置は、−１.２５ｄ、−０.７５ｄ、−０.２５ｄ、０.２５ｄ、０.７５ｄ、１.２５ｄとなる。また、ＤＰＣＡを連続させるために送波器１２０の送波タイミングは、Ｅ・ｄ／２（３ｄ）移動ごとである。
【００３２】
動揺補正は、３軸の動揺パラメータの中で合成開口ソーナーの特性に大きな影響を与えるスウェイングとヨーイングを説明する。他の動揺パラメータも、同様の原理で修正できる。すなわち動揺パラメータは、次の４つとする。
（１）スウェイング最大振幅Ｅsway
（２）スウェイング周期Ｔsway
（３）ヨーイング最大角ｆyau
（４）ヨーイング周期Ｔyau
航走体の移動方向であるアジマス方向をｘ軸、移動方向と直交する方向であるレンジ方向をｙ軸、高度方向をｚ軸とする。まず、動揺する航走体の時刻ｔaにおける座標は、航走体の対地速度をｖ、海底からの高度をｈとして、（式６）（式７）（式８）で与えられる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
【数７】
【００３５】
【数８】
また、動揺する送波器の座標は、航走体の座標と同じであるので、（式９）（式１０）（式１１）で与えられる。
【００３６】
【数９】
【００３７】
【数１０】
【００３８】
【数１１】
一方、受波器はＥ台で構成されており、ｉ番目受波器の航走体中心からの相対距離をＬix, Ｌiy, Ｌiz（但しｉは０以上（Ｅ−１）以下の整数）として、エコー受信時のＤＰＣＡ配列のｉ番目受波器の座標は、伝搬時間Δｔaの間に航走体が移動している分を考慮し、（式１２）（式１３）（式１４）で与えられる。
【００３９】
【数１２】
【００４０】
【数１３】
【００４１】
【数１４】
基準点の座標は、例えば合成開口処理の中心に選ぶと、航走体と基準点間の直距離Ｒ０、海底からの高度ｈのとき、（式１５）（式１６）（式１７）で与えられる。
【００４２】
【数１５】
【００４３】
【数１６】
【００４４】
【数１７】
これから、ＤＰＣＡ配列の送波器と基準点間の伝搬距離は、（式１８）で与えられる。また基準点とＤＰＣＡ配列のｉ番目受波器間の伝搬距離は、（式１９）で与えられる。従って、基準点とＤＰＣＡ配列のｉ番目受波器間のＤＰＣＡ伝搬距離は、（式２０）で与えられる。ここで、伝播時間は、（式２１）で与えられる。または、伝播時間は、（式２２）から、近似的に計算する。すなわち、ＰＤＣＡ配列伝搬距離計算器２４０は、（式２０を計算して、補正量計算器２２０Ａに出力する。
【００４５】
【数１８】
【００４６】
【数１９】
【００４７】
【数２０】
【００４８】
【数２１】
【００４９】
【数２２】
次に、基準点と理想単一配列の伝搬距離を求める。基準点と理想単一配列の伝搬距離は、理想単一配列の送受波器の座標をＰsinglex(ｔa), Ｐsingley(ｔa), Ｐsinglez(ｔa)として、（式２３）で与えられる。すなわち、理想単一配列伝搬距離計算器２３０は、（式２３）を計算して、補正量計算器２２０Ａに出力する。
【００５０】
【数２３】
ここで、伝播時間による誤差も同時に補正するため、理想単一配列には伝播時間Δｔaを含めない。これより動揺補正時の伝搬距離補正量は、（式２４）により、与えられる。
【００５１】
【数２４】
以上に基づき、動揺補正のための補正を、時刻ｔaにおけるｉ番目受波器出力の各々について（式２５）の位相回転を施すことにより行う。ここでは、距離の次元である（式２４）に２π／λを乗算し、２往復なのでさらに２倍している。
【００５２】
【数２５】
ここで、航走体の時刻ｔaは、航走体のアジマスサンプリングｆasの逆数を周期とする離散値（式２６）に置き換える。
【００５３】
【数２６】
すなわち、（式２４）の伝搬距離補正量は、（式２７）で表わされる。さらに、（式２５）の位相回転は、（式２８）で与えられる。補正量計算器２２０Ａは、（式２８）を計算して、動揺補正器２１０に出力する。動揺補正器２１０は、受信器１３０からくる受信信号に補正量を複素乗算し、位相回転により動揺補正を行う。
【００５４】
【数２７】
【００５５】
【数２８】
（式２８）は、受波器の位置を示す番号ｉと航走体の位置を示す番号ｋに依存する。
【００５６】
次に、ＤＰＣＡ合成開口ソーナーのＤＰＣＡ配列を図３および図４を参照して説明する。ここで、図３は、送波器は複数受波器の中心に位置し、受波器の位置は受波器数が奇数と偶数で異なる。
【００５７】
ＤＰＣＡ配列では、図３および図４に示すとおり受波器間隔が実受波器間隔の１／２になり、アジマスサンプリング周波数ｆasに基づくアジマスサンプリング間隔が、受波器間隔ｄの１／２に一致する必要がある。
【００５８】
受波器数Ｅが奇数の場合と偶数の場合を考慮して、一般に、送波器位置は、（式２９）のとおりである。また、受波器位置は、（式３０）である。
【００５９】
【数２９】
【００６０】
【数３０】
航走体速度がｖ＝ｄ・ｆas／２に一致する場合は、送波器と受波器の位置は（式２９）（式３０）の通りになる。しかし、航走体速度がこれから外れる場合は、送波器の位置は受波器間隔ｄ＝２ｖ／ｆasに置き換え、受波器の位置は送波器からの相対位置から計算する。すなわち、送波器位置は、（式３１）、受波器位置は、（式３２）で与えられる。
【００６１】
【数３１】
【００６２】
【数３２】
本実施例は、以上述べてきたとおり、理想単一配列およびＤＰＣＡ配列とを組み合わせ、ＤＰＣＡ配列に外部動揺データに基づく動揺を加えて、理想単一配列と基準点およびＤＰＣＡ配列と基準点との伝搬距離差により、受信信号に補正を施すことにより、合成開口ソーナーの動揺補正を行うものである。
【００６３】
図５を参照して、本実施例による動揺補正前後のビームパターンを説明する。ここで、図５はアジマス距離に対する受信レベルを説明する図である。図５において、横軸はアジマス距離（ｍ）、縦軸は受信レベル（ｄＢ）である。また、図５（ａ）は航走体に動揺が無い場合、図５（ｂ）は１／８λに相当するヨーイングとスウェイングの動揺を受けた場合、図５（ｃ）は１／８λに相当するヨーイングとスウェイングの動揺を受け、かつ動揺補正後である。図５（ｂ）と図５（ｃ）との対比から、動揺補正の効果は明らかである。
【００６４】
上述した実施例に拠れば、合成開口ソーナーの動揺補正に、動揺を受けるＤＰＣＡ配列と動揺を受けない理想単一配列の伝搬距離差に基づいて受信信号を補正しているため、合成開口処理の限界と言われている１／８λの動揺量よりも大きい動揺に対しても、サイドローブを増やすことなく精度の高い動揺補正できる。
【００６５】
また、伝搬距離により、受波器位置が航走体速度できまる移動距離よりも僅かにずれる誤差は、ＤＰＣＡ配列位置にはこの伝搬距離を含め、理想単一配列位置にはこの伝搬距離含めないことにより補正され、動揺のない場合においても、さらに精度の高い合成開口処理ができる。
【００６６】
さらに、ＤＰＣＡ配列が単一配列になるように補正するため、単一配列を前提とする合成開口処理においても、理想的な合成開口処理の状態になり、ＤＰＣＡ固有の誤差が補正され、動揺のない場合においても、さらに精度の高い合成開口処理ができる。
【実施例２】
【００６７】
図６および図７を参照して、送波器、受波器とＤＰＣＡの配列を説明する。ここで、図６は受波器が奇数の送受波アレイとＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。図７は受波器が偶数の送受波アレイとＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。図６および図７において、送波器１２０の位置を○、受波器１１０の位置を●、ＤＰＣＡの位置を◎で示す。また、送波器１２０と受波器１１０を囲む箱は、送受波器アレイ１６０である。図６および図７において、横軸（ｘ軸）は航走体の航走方向、縦軸（ｔ軸）下方向は時間である。
【００６８】
図６において、送受波器アレイ１６０が送波器１２０が１台、受波器１１０が７台（Ｅ＝７）、ＤＰＣＡのオーバラップ数（Ｌ）が３の場合を考える。図６上部の送波器１２０のｘ軸の座標を０とする。受波器間隔をｄとすると受波器１２０の位置は、図３と同様、−３ｄ、−２ｄ、−ｄ、０、ｄ、２ｄ、３ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置も、図３と同様、−１.５ｄ、−ｄ、−０.５ｄ、０、０.５ｄ、ｄ、１.５ｄとなる。一方、ＤＰＣＡをオーバラップさせるために送波器１２０の送波タイミングは、（Ｅ−Ｌ）・ｄ／２（２ｄ）移動ごとである。
【００６９】
図７において、送受波器アレイ１６０が送波器１２０が１台、受波器１１０が６台（Ｅ＝６））、ＤＰＣＡのオーバラップ数（Ｌ）が３の場合を考える。図７上部の送波器１２０のｘ軸の座標を０とする。受波器間隔をｄとすると受波器１２０の位置は、図４と同様、−２.５ｄ、−１.５ｄ、−０.５ｄ、０.５ｄ、１.５ｄ、２.５ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置も、図４と同様に、−１.２５ｄ、−０.７５ｄ、−０.２５ｄ、０.２５ｄ、０.７５ｄ、１.２５ｄとなる。一方、ＤＰＣＡをオーバラップさせるために送波器１２０の送波タイミングは、（Ｅ−Ｌ）・ｄ／２（１.５ｄ）移動ごとである。
【００７０】
ＤＰＣＡを用いた動揺補正は、ＤＰＣＡをオーバラップさせ、同じ受波位置での情報を重畳統計処理して位置を補正する方法が特許文献２および非特許文献４に示されている。オーバラップは送波器間隔を０．５ｄ×オーバラップ数Ｌだけ縮めることにより可能であり、送波器位置は（式２９）（式３１）の受波器数Ｅを、（式３３）に置き換えることによりで計算できる。なお、受波器位置は変わらない。
【００７１】
【数３３】
すなわち、オーバラップ数Ｌの送波器位置は、（式３４）、受波器位置は、（式３５）で与えられる。
【００７２】
【数３４】
【００７３】
【数３５】
オーバラップ構成においても、動揺補正が適用できることは以上の議論から自明である。また、オーバラップ部は、雑音と動揺が無ければ同じ値を取るはずであるので、逆に動揺量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】背景技術の合成開口ソーナーのブロック図である。
【図２】合成開口ソーナーのブロック図である。
【図３】受波器が奇数の送受波アレイとＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。
【図４】受波器が偶数の送受波アレイとＤＰＣＡの配列を説明するブロック図である。
【図５】アジマス距離に対する受信レベルを説明する図である。
【図６】受波器数が７個でＤＰＣＡオーバラップ数が３個となるＤＰＣＡ配列例
【図７】受波器数が６個でＤＰＣＡオーバラップ数が３個となるＤＰＣＡ配列例
【符号の説明】
【００７５】
１０…速度信号、２０…基準位置情報、１００…送受信処理部、１１０…受波器、１２０…送波器、１３０…受信器、１４０…送信器、１５０…ＰＲＦ制御器、１６０…送受波器アレイ、２００…動揺補正処理部、２１０…動揺補正器、２２０…補正量計算器、２３０…理想単一配列伝搬距離計算器、２４０…仮想ＤＰＣＡ配列伝搬距離計算器、３００…合成開口処理部、４００…表示制御部、５００…動揺検出処理部、６００…合成開口ソーナー、７００…合成開口ソーナー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１台の送波器と移動方向に配列した複数台の受波器からなる送受信処理部と、動揺検出処理部と、この動揺検出処理部の出力を用いて前記送受信処理部からの受信信号に動揺補正を加える動揺補正処理部と、合成開口処理部と、表示制御処理部とからなる合成開口ソーナーにおいて、
前記動揺補正処理部は、基準位置情報に基づいて、１台の送波器と１台の受波器からなる理想単一配列と基準位置との間の理想伝搬距離を計算する第１の伝搬距離計算器と、
前記基準位置情報に基づいて、１台の仮想送波器と移動方向に配列した複数台の仮想受波器からなる配列と前記基準位置との間の仮想伝搬距離を計算する第２の伝搬距離計算器と、
前記仮想伝搬距離と前記理想伝搬距離との伝搬距離差から補正量を計算する補正量計算器と、
この補正量に基づき受信信号に補正を施す動揺補正器とからなることを特徴とする合成開口ソーナー。
【請求項２】
請求項１に記載の合成開口ソーナーであって、
前記第１の伝搬距離計算器は、前記理想伝搬距離について、前記理想受波器の伝搬中の移動距離を含めず計算し、
前記第２の伝搬距離計算器は、前記仮想伝搬距離について、前記仮想受波器の伝搬中の移動距離を含めて計算することを特徴とする合成開口ソーナー。
【請求項１】
１台の送波器と移動方向に配列した複数台の受波器からなる送受信処理部と、動揺検出処理部と、この動揺検出処理部の出力を用いて前記送受信処理部からの受信信号に動揺補正を加える動揺補正処理部と、合成開口処理部と、表示制御処理部とからなる合成開口ソーナーにおいて、
前記動揺補正処理部は、基準位置情報に基づいて、１台の送波器と１台の受波器からなる理想単一配列と基準位置との間の理想伝搬距離を計算する第１の伝搬距離計算器と、
前記基準位置情報に基づいて、１台の仮想送波器と移動方向に配列した複数台の仮想受波器からなる配列と前記基準位置との間の仮想伝搬距離を計算する第２の伝搬距離計算器と、
前記仮想伝搬距離と前記理想伝搬距離との伝搬距離差から補正量を計算する補正量計算器と、
この補正量に基づき受信信号に補正を施す動揺補正器とからなることを特徴とする合成開口ソーナー。
【請求項２】
請求項１に記載の合成開口ソーナーであって、
前記第１の伝搬距離計算器は、前記理想伝搬距離について、前記理想受波器の伝搬中の移動距離を含めず計算し、
前記第２の伝搬距離計算器は、前記仮想伝搬距離について、前記仮想受波器の伝搬中の移動距離を含めて計算することを特徴とする合成開口ソーナー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２５７３９（Ｐ２０１０−２５７３９Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８７２１７（Ｐ２００８−１８７２１７）
【出願日】平成２０年７月１８日（２００８．７．１８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１８日（２００８．７．１８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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