合成開口探査装置および水中航走体
【課題】沈底物と埋設物とを同時に、かつ、効率的に探査すること。
【解決手段】水中航走体に搭載されるとともに、第１の周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る高周波合成開口ソナー２と、水中航走体に搭載されるとともに、第１の周波数よりも低い第２周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る低周波合成開口ソナー３とを備え、高周波合成開口ソナー２と低周波合成開口ソナー３とを略同期送信させるとともに、高周波合成開口ソナー２のフェーズセンタおよび低周波合成開口ソナー３のフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるように、高周波合成開口ソナー２と低周波合成開口ソナー３のチャネル数、物理開口長、及び送信周期並びに水中航走体の速度が調整されている合成開口探査装置１を提供する。
【解決手段】水中航走体に搭載されるとともに、第１の周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る高周波合成開口ソナー２と、水中航走体に搭載されるとともに、第１の周波数よりも低い第２周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る低周波合成開口ソナー３とを備え、高周波合成開口ソナー２と低周波合成開口ソナー３とを略同期送信させるとともに、高周波合成開口ソナー２のフェーズセンタおよび低周波合成開口ソナー３のフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるように、高周波合成開口ソナー２と低周波合成開口ソナー３のチャネル数、物理開口長、及び送信周期並びに水中航走体の速度が調整されている合成開口探査装置１を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成開口探査装置および水中航走体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に海や湖などの水中での探査には音響を利用したソナーが用いられている。特に最近では、探査対象をモニタ画像に再生して視覚化する合成開口探査装置（合成開口ソナー）が提案され、水中探査にこの装置の適用が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−９９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記合成開口探査装置は、海底の沈底物や海底地形などの探査に幅広く用いられている。このような合成開口探査装置においては、一般的に、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の高周波帯域が用いられている。
ところで、近年では、沈底物と埋没（埋設）物を同時に効率的に探査したいとの要望がある。しかしながら、沈底物を探査するのに適した音波の周波数帯域で埋設物までも探査しようとすると、その大部分が海底などで反射されてしまい、海底下に埋没した物体を探知できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、沈底物と埋設物とを同時に、かつ、効率的に探査することのできる合成開口探査装置および水中航走体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、水中航走体に搭載されるとともに、第１の周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る第１ソナーと、前記水中航走体に搭載されるとともに、前記第１の周波数よりも１桁程度低い第２周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る第２ソナーとを備え、前記第１ソナーと前記第２ソナーとを略同期送信させるとともに、前記第１ソナーのフェーズセンタおよび前記第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるように、前記第１ソナーと前記第２ソナーのチャネル数、物理開口長、及び送信周期並びに前記水中航走体の速度が調整されている合成開口探査装置を提供する。
【０００７】
本発明によれば、周波数の異なるソナーを２つ備えているので、沈底物と埋設物など性質の異なるターゲット探査を同時に実施することができる。
また、これらの音波ビームの送信タイミングを同期させることで、第１ソナーと第２ソナーの相互の誘導ノイズなどによる影響を回避することができ、鮮明な画像を得ることが可能となる。
更に、第１ソナー及び第２ソナーにおけるフェーズセンタの間隔がピング間において等間隔となるように、各種パラメータを設定するので、画像処理を行うときの移動方向における位置の微修正が不要となり、画像信号処理の負担を軽減することができ、また、送受信部位置の誤差による画像処理の劣化も抑制することができる。
【０００８】
上記合成開口探査装置において、前記第１ソナーにおけるチャネルをオーバーラップさせることにより前記水中航走体の位置補正を行うとともに、前記第２ソナーにおけるオーバーラップチャネル数をゼロにすることとしてもよい。
【０００９】
第１ソナーと第２ソナーとは同一の水中航走体に搭載されているため、いずれか一方のソナーにより位置補正を行えば足りる。そこで、第１ソナーのチャネルのみをオーバーラッピングさせて水中航走体の位置補正に充当し、第２ソナーにおいてはオーバーラッピングさせるチャネルをゼロとすることで、チャネル数を最低限必要な数だけに絞ることができる。これにより、装置の小型化、省スペース化、軽量化を図ることが可能となる。
【００１０】
上記合成開口探査装置において、前記第１ソナーにおけるチャネルのオーバーラップによる前記水中航走体における位置補正の精度が所定の精度未満の場合に、前記第１ソナーのフェーズセンタおよび前記第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるとの条件を満たすように、前記水中航走体の速度を低下させることとしてもよい。
【００１１】
このように、位置補正の精度が所定の精度未満であることにより速度を低下させる場合においても、第１ソナーのフェーズセンタおよび第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるとの条件を満たすように、水中航走体の速度を低下させるので、画像処理を行うときの移動方向における位置の微修正を不要とすることができる。これにより、画像信号処理の負担を軽減することができ、また、送受信部位置の誤差による画像処理の劣化も抑制することができるとの効果を維持することができる。
【００１２】
上記合成開口探査装置において、前記第２ソナーは、ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信し、該ビーム主極の方向が同じ受信信号同士を用いて画像をそれぞれ作成することとしてもよい。
【００１３】
これにより、第２ソナーにおいて、複数の主極方向に音波ビームを振ることにより、円筒形状などの指向性を有するターゲットであっても効率的に探査することが可能となる。
【００１４】
上記合成開口探査装置において、前記第２ソナーは、複数の送信素子が配列された送信アレイおよび複数の受信素子が配列された受信アレイを有し、前記送信アレイは、一方向に対して約９０度幅の音波ビームを送信し、前記受信アレイのビーム主極を複数の方向に指向させることで、前記ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信することとしてもよい。
【００１５】
このように送信アレイについては一方向に対してのみ音波ビームを送信し、受信アレイのビーム主極を複数の方向に指向させるので、送信アレイの位相シフトを不要とすることができ、送信アレイの構成を簡略化することができる。
【００１６】
上記合成開口探査装置において、前記第２ソナーは、複数の受信素子が配列された受信アレイを有し、前記受信アレイを構成する受信素子の組み合わせを変更することにより、複数のビーム主極に対応する受信アレイを形成することとしてもよい。
【００１７】
このような構成によれば、移動方向の空間サンプリングを一層密にすることができ、画像画質を向上させることができる。
【００１８】
本発明は、上記いずれかに記載の合成開口探査装置を搭載した水中航走体を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、沈底物と埋設物とを同時に、かつ、効率的に探査することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る合成開口探査装置の概略構成を示した図である。
【図２】音波ビームの送信タイミングについて説明するための図である。
【図３】合成開口探査装置が水中航走体に搭載されている状態を示した模式図である。
【図４】水中航走体に搭載されている合成開口探査装置から音波ビームが送信されている状態を示した模式図であり、（ａ）は水中航走体を図３のｚ軸方向、すなわち、上方から見た図、（ｂ）は水中航走体を図３のｘ軸方向、すなわち移動方向から見た図、（ｃ）は水中航走体を図３のｙ軸方向、すなわち側面から見た図である。
【図５】高周波合成開口ソナーの第１送信部及び第１受信部並びに低周波合成開口ソナーの第２送信部及び第２受信部の配置例を示した図である。
【図６】フェーズセンタを等間隔にするための送受信部の設計について説明するための図である。
【図７】フェーズセンタを等間隔にするための送受信部の設計について説明するための図である。
【図８】オーバーラッピングを考慮した送受信部の設計について説明するための図である。
【図９】オーバーラッピングを考慮した送受信部の設計について説明するための図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体について説明するための図である。
【図１１】高周波合成開口ソナーの一般的な航走手法について説明するための図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係る合成開口探査装置および水中航走体について、図面を参照して説明する。
図１は、合成開口探査装置１の概略構成を示した図である。図１に示すように、合成開口探査装置１は、第１の周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る高周波合成開口ソナー（第１ソナー）２と、第１の周波数よりも低い第２周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る低周波合成開口ソナー（第２ソナー）３と、高周波合成開口ソナーおよび低周波合成開口ソナーの送受信タイミングを制御する制御部４を備えている。
【００２２】
高周波合成開口ソナー２は、例えば、沈底物探査用のソナーであり、高周波の音波ビームを送出する第１送信部ＨＦ＿Ｔｘと、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘから送出された音波ビームが探査対象において反射して戻ってきた音波を受信する第１受信部ＨＦ＿Ｒｘと、第１受信部ＨＦ＿Ｒｘにより受信された音波信号に基づいて画像を作成する第１画像処理部６を備えている。
【００２３】
低周波合成開口ソナー３は、例えば、埋設物探査用のソナーであり、高周波の音波ビームを送出する第１送信部ＨＦ＿Ｔｘよりも低周波の音波ビームを出力する第２送信部ＬＦ＿Ｔｘと、第２送信部ＬＦ＿Ｔｘから送出された音波ビームが探査対象において反射して戻ってきた音波を受信する第２受信部ＬＦ＿Ｒｘと、第２受信部ＬＦ＿Ｒｘにより受信された音波信号に基づいて画像を作成する第２画像処理部７を備えている。
例えば、上記高周波合成開口ソナー２により送受信される音波ビームは、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度のいずれかの周波数の音波ビームであり、低周波合成開口ソナー３により送受信される音波ビームは、１０ｋＨｚから５０ｋＨｚ程度のいずれかの周波数の音波ビームである。
【００２４】
制御部３は、上記第１送信部ＨＦ＿Ｔｘ、第２送信部ＬＦ＿Ｔｘ、第１受信部ＨＦ＿Ｒｘ、第２受信部ＬＦ＿Ｒｘを同期制御する。このように、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘ、第２送信部ＬＦ＿Ｔｘ、第１受信部ＨＦ＿Ｒｘ、第２受信部ＬＦ＿Ｒｘが同期制御されることにより、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘから音波ビームが送出されるタイミングと第２送信部ＬＦ＿Ｔｘから音波ビームが送出されるタイミングとを一致させることができる。これにより、例えば、音波ビーム送信時における誘導ノイズや音響ノイズが他方の受信系に混入するおそれを回避することができる。なお、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘから音波ビームが送出されるタイミングと第２送信部ＬＦ＿Ｔｘから音波ビームが送出されるタイミングとは完全に一致していなくても良い。
【００２５】
例えば、図２に示すように、送信周期Ｔに比べて十分短い時間ずらすこととしてもよい。例えば、本実施形態に係る合成開口探査装置１は、沈底物と埋設物とを探査するものである。従って、音波が海底等に到達する前の領域、すなわち、水中航走体付近の領域においては探査に当たってそれほど重要ではないため、この領域にノイズが含まれていても探査精度上問題は生じない。従って、図２に示すように、探査精度上問題のない領域に相当する時間分、音響ビームの送信タイミングをずらすこととしても良い。また、例えば、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘおよび第２送信部ＬＦ＿Ｔｘを同期して作動させる場合には、２つの送信器分の作動電流が装置内に流れることとなるが、図２に示すように、タイミングをずらすことで、作動電流を分散でき、装置内に使用されている電源機器の容量を小さく設定することが可能となる。
【００２６】
図３に示すように、合成開口探査装置１は、水中航走体１０の両側面にそれぞれ搭載され、図４に示すように、斜め下方に向けて音波ビームを送出し、その戻り波を受信する。
図５は、高周波合成開口ソナー２の第１送信部ＨＦ＿Ｔｘ及び第１受信部ＨＦ＿Ｒｘ並びに低周波合成開口ソナー３の第２送信部ＬＦ＿Ｔｘ及び第２受信部ＬＦ＿Ｒｘの配置例を示した図である。図５に示すように、第１受信部ＨＦ＿Ｒｘと第２受信部ＬＦ＿Ｒｘが上下方向に並べて設置されており、これらの上方に第１受信部ＨＦ＿Ｒｘが、これらの下方に第２送信部ＬＦ＿Ｔｘが配置されている。なお、この配置は一例であり、必ずしもこの配置に限定されない。
【００２７】
ここで、高周波合成開口ソナー２の送受信部の物理開口長およびチャネル数、低周波合成開口ソナー３の送受信部の物理開口長およびチャネル数、並びに両合成開口ソナーの音波ビームの送信周期、水中航走体１０の速度の関係は、以下の関係式（１）を満たすように設定されていることが好ましい。
【００２８】
Ｄ＊（Ｍ−Ｎ）＝ｄ（ｍ−ｎ）＝ΔＸ＝２＊Ｖ＊Ｔ （１）
【００２９】
ここで、Ｄは低周波合成開口ソナー３の物理開口長、Ｍは低周波合成開口ソナー３のチャネル数、Ｎは低周波合成開口ソナー３のオーバーラップチャネル数、ｄは高周波合成開口ソナー２の物理開口長、ｍは高周波合成開口ソナー２のチャネル数、ｎは高周波合成開口ソナー２のオーバーラップチャネル数、Ｖは水中航走体の速度、Ｔは音波ビームの送信周期（繰り返し周期）である。ここで、チャネル数は、受信部の数に相当する。
【００３０】
今、水中航走体１０が動揺せずにｘ軸方向に完全な等速直線運動していると仮定し、この状態において、第２送信部ＬＦ＿Ｔｘから繰り返し周期Ｔで送出された音波ビームが探査対象において反射して戻ってきた音波ビームを受信する場合、受信される信号は図７のように表わすことができる。ここで、図７に表わされている黒点１〜５は、フェーズセンタである。フェーズセンタとは、送信部から送出された音波ビームが探査対象において反射して戻ってきた音波を受信部にて受信した場合に、実際にその位置で音波ビームが送信されたものとして取り扱うことのできる疑似的な音波ビーム送受信位置を示したものである。このフェーズセンタは、受信部に対応してそれぞれ設定される。図６及び図７では、受信部が５個ある場合を例示しているので、フェーズセンタも５つ存在している。フェーズセンタ間の距離は、Ｄ／２とされる。
【００３１】
ここで、後続の画像処理部における画像作成の処理を考えると、フェーズセンタは等間隔に並んでいることが好ましい。すなわち、図６及び図７に示すように、ピング間においても、常にフェーズセンタが等間隔に並んでいることが好ましい。フェーズセンタを等間隔とすることで、画像処理を行うときの移動方向における位置の微修正が不要となるので、信号処理の負担が軽減されるからである。
そして、高周波合成開口ソナー２および低周波合成開口ソナー３において、フェーズセンタがそれぞれ等間隔に並ぶためには、以下の（２）式を満たす必要がある。
【００３２】
Δｘ＝Ｄ／２×（Ｍ−Ｎ）＝ｄ／２×（ｍ−ｎ）＝Ｖ×Ｔ （２）
【００３３】
上記（２）式において、Δｘは１ピング間の水中航走体の移動距離である。上記（２）式から上述した（１）式が導出される。
つまり、上記（１）式を満たすように、各パラメータが決定されることで、図６及び図７に示すようにフェーズセンタをピング間か否かを問わず、常に等間隔で並べることが可能となる。なお、図６及び図７では、チャネルをオーバーラップさせていないが、図８、図９に示すように、チャネルをオーバーラップさせてもよい。
【００３４】
オーバーラップチャネルを作ることで、水中航走体１０の動揺推定を行うことができる。なお、図８、図９に示した例では、オーバーラップ率４０％としている。このように、５つの受信部を備えている場合にオーバーラップ率を４０％とすると、１ピングについて２つの受信チャネル（フェーズセンタ）が動揺推定に使用され、３つの受信チャネル（フェーズセンタ）が探査に使用されることとなる。
【００３５】
上記（１）式を満たすための低周波合成開口ソナー３及び高周波合成開口ソナー２の設計については、以下の例が挙げられる。
【００３６】
低周波合成開口ソナー：Ｄ＝２４０ｍｍ、Ｍ＝５、Ｎ＝１、ＬＬ＝Ｄ×Ｍ＝１２００ｍｍ
高周波合成開口ソナー：ｄ＝４０ｍｍ、ｍ＝３２、ｎ＝８、ＬＨ＝ｄ×ｍ＝１２８０ｍｍ
【００３７】
また、上記設計例では、低周波合成開口ソナー３および高周波合成開口ソナー２の双方においてオーバーラップチャネルを設け、動揺推定に用いているが、この動揺推定のオーバーラップチャネルが少ないほど、探査用に使用される受信部（チャネル）が増加するために探査の効率は高いが、動揺推定の精度は低下する。また、低周波合成開口ソナー３と高周波合成開口ソナー２は同一の水中航走体１０に搭載されていることから、いずれか一方による動揺推定が実施されれば、他方の合成開口ソナーによる動揺推定は不要となる。
【００３８】
そこで、チャネル数の多い高周波合成開口ソナー２におけるオーバーラップチャネルのみを使用して動揺推定を行い、チャネル数が少ない低周波合成開口ソナー３については動揺推定に使用するチャネルをゼロとする、すなわち、オーバーラップさせるチャネル数をゼロとする。オーバーラップ数をゼロとすることで、不要なチャネルを削除してチャネル数を必要最低限にすることができ、省スペース化やコスト低減を図ることが可能となる。
【００３９】
この場合には、上記（１）式において、Ｎ＝０とすればよい。これにより、上記（１）式から以下の（３）式が導出される。
【００４０】
Ｍ＝ｄ（ｍ−ｎ）／Ｄ （３）
【００４１】
つまり、上記例の場合であれば、Ｍ＝４とすることができ、チャネル数を１つ低減させることが可能となる。
【００４２】
また、上述したように高周波合成開口ソナー２によって動揺推定を行うが、十分な動揺推定精度が得られない場合には、速度Ｖを落としてオーバーラップしているチャネル数を更に上げる必要がある。このとき、高周波合成開口ソナー３および低周波合成開口ソナー２の双方において、フェーズセンタが等ピッチで並ぶような速度Ｖに決定する。つまり、速度を落とす場合にも上記（１）式を満たすように速度調整することで、フェーズセンタの間隔を常にＤ／２に設定することができ、画像生成における処理負担の軽減を図ることができる。
【００４３】
十分な動揺推定精度が得られているか否かについては、例えば、オーバーラップしているチャネルの受信信号の相関値をリアルタイムで計算し、この相関値が予め設定した閾値未満であるか否かにより行われる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体によれば、周波数の異なる合成開口ソナーを２つ備えているので、沈底物と埋設物などの同時探査を可能とすることができる。
また、これらの音波ビームの送信タイミングを同期させることで、誘導ノイズなどによる影響を回避することができ、鮮明な画像を得ることが可能となる。
更に、高周波合成開口ソナー２及び低周波合成開口ソナー３におけるフェーズセンタの間隔がピング間において等間隔となるように、各種パラメータを設定するので、画像処理を行うときの移動方向における位置の微修正が不要となり、画像信号処理の負担を軽減することができ、また、送受信部位置の誤差による画像処理の劣化も抑制することができる。
また、高周波合成開口ソナー２のチャネルのみをオーバーラッピングさせて水中航走体の動揺推定に充当し、低周波合成開口ソナー３においてはオーバーラッピングさせるチャネルをゼロとすることで、チャネル数を最低限必要な数だけに絞ることができ、装置の小型化、省スペース化、軽量化を図ることが可能となる。
【００４５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体について説明する。
合成開口ソナーによってターゲットを探査する場合、指向性のないターゲットであれば、合成開口探査装置の通常の分解能が得られるが、ターゲットの反射特性に指向性がある場合には、送受信部が移動方向に移動しながら送受信を繰り返し行ったとしても、有効なエコーが得られるピングが限られることとなる。
【００４６】
例えば、合成開口ソナーの音波ビーム幅（ビームの角度範囲）が狭い場合には、ターゲットがビーム幅に入る確率が低くなり、ターゲットを見つけにくくなるとともに、ターゲットを見つけやすい位置であるターゲットの正面に送受信部がきた場合であっても、ターゲットの反射のアスペクト特性のために有意なエコーを得ることができず、結果、見落としてしまう可能性がある。
【００４７】
一方、合成開口ソナーの音波ビーム幅を広げた場合には、ターゲットを見落とす確率は下がるが、広い範囲のノイズも拾ってしまうことから信号対残響比（ＳＮ比）が悪くなる。従って、闇雲に音波ビーム幅を広げることはできない。ここで、合成開口処理により、通常であれば、残響レベルは抑圧できるが、十分な抑圧効果を得るためには、ビーム幅に比例して合成開口長を長くする必要がある。しかしながら、必要な合成開口長が長くなると、水中航走体の位置を精度よく特性するのが難しくなり、他の問題が生ずることとなる。
【００４８】
通常、沈底物を探査する高周波合成開口ソナーでは、図１１に示すように、１回目の探査においては一方向に走査し、２回目の探査においては１回目の探査における走査方向と垂直に交わる方向に走査する９０度交差の２航走でターゲット探査を行うことが多い。これは、例えば、ターゲットの反射特性に指向性がある場合であっても高周波合成開口ソナー２では、ターゲットの影に隠れる海底部分から反射波の強度がその周囲の海底部分からの反射波の強度に比べて明確に低下するため、たとえターゲットエコーの強度が十分でなくてもシャドウと呼ばれる影によってターゲットの存在を特定でき、２方向にわたって探査すれば相当な精度を持ってターゲットを見つけることができるからである。これに対して、低周波合成開口ソナー３では、埋没ターゲットの影と対比する周囲部分からの反射波の強度自体も弱く、明確なシャドウが形成されないため、ターゲットエコー強度によってターゲットの存在を特定する必要がある。
【００４９】
そこで、本実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体においては、低周波合成開口ソナー３において、ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信し、ビーム主極の方向が同じ受信信号同士を用いて画像をそれぞれ作成することとした。
例えば、図１０に示すように、３０度のビーム幅の音波ビームをビーム主極が３０度、０度、−３０度となるように振り、ビーム主極が３０度、０度、−３０度のときの受信信号同士でそれぞれ画像を作成する。これにより、ビーム主極が３０度の時の画像、０度のときの画像、および−３０度のときの画像が作成される。
なお、上記例に限られず、９０度以下の一定のビーム幅を持つ音波ビームを複数の主極に振り、そのときに得られた受信信号を用いて主極毎に画像を作成すればよい。
【００５０】
このように、高周波合成開口ソナー２と共通の水中航走体１０に搭載されている低周波合成開口ソナー３においても、高周波合成開口ソナー２と同様に９０度交差の２航走でターゲットを探査できるようにすることで、探索効率を落とすことなく、全体の探査効率を維持することができる。
したがって、上述したように、低周波合成開口ソナー３においては、音波ビームの主極を３つの角度にわたって振ることで、１回の航走で、実際には３つの方向に走査を行ったのと同様の効果を得ることができる。これにより、航走回数を高周波合成開口ソナー２に合わせることができ、効率的にターゲットの探査を行うことができる。
【００５１】
以上説明してきたように、本実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体によれば、低周波合成開口ソナー３において、複数の主極方向に音波ビームを振ることにより、指向性を有するターゲットであっても効率的に探査することが可能となる。また、通常行われている高周波合成開口ソナー２の走査方法に合わせて探査を行うことができ、高周波合成開口ソナー２による探査効率を維持することができる。
【００５２】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体について説明する。本実施形態では、低周波合成開口ソナー３の受信部を複数の受信素子が配列された受信アレイとして構成し、受信素子の組み合わせを変更することにより、疑似的にフェーズセンタをより一層密にするものである。例えば、図１２に示すように、素子１から４、２から５、３から６、５から８、７から１０、９から１２でそれぞれ受信された信号を１つのデータのまとまりとしてビームを合成して画像を作成する。これにより、演算量は増えるものの、移動方向の空間サンプリングを密にすることができ、画像作成処理で移動方向にサンプリングが粗いときに発生しやすいグレーティングロブの発生を抑制することができ、画像の画質を向上させることが可能となる。なお、受信素子の配置間隔は、λ／２以下とする。ここで、λは音波の波長である。
【００５３】
以上説明したように本実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体によれば、移動方向の空間サンプリングを一層密にすることができ、画像画質を向上させることができる。
また、上述した第２実施形態にいおいても本実施形態のように、低周波合成開口ソナー３の送信部及び受信部を複数の素子からなるアレイによって構成し、それぞれの組み合わせを変えて音波ビームを送信するとともに、音波ビームを受信することとすれば、送波アレイの位相シフトを不要にでき、送信部の構成を簡略化することが可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 合成開口探査装置
２ 高周波合成開口ソナー
３ 低周波合成開口ソナー
４ 制御部
６ 第１画像処理部
７ 第２画像処理部
１０ 水中航走体
ＨＦ＿Ｔｘ 第１送信部
ＨＦ＿Ｒｘ 第１受信部
ＬＦ＿Ｔｘ 第２送信部
ＬＦ＿Ｒｘ 第２受信部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成開口探査装置および水中航走体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に海や湖などの水中での探査には音響を利用したソナーが用いられている。特に最近では、探査対象をモニタ画像に再生して視覚化する合成開口探査装置（合成開口ソナー）が提案され、水中探査にこの装置の適用が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−９９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記合成開口探査装置は、海底の沈底物や海底地形などの探査に幅広く用いられている。このような合成開口探査装置においては、一般的に、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度の高周波帯域が用いられている。
ところで、近年では、沈底物と埋没（埋設）物を同時に効率的に探査したいとの要望がある。しかしながら、沈底物を探査するのに適した音波の周波数帯域で埋設物までも探査しようとすると、その大部分が海底などで反射されてしまい、海底下に埋没した物体を探知できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、沈底物と埋設物とを同時に、かつ、効率的に探査することのできる合成開口探査装置および水中航走体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、水中航走体に搭載されるとともに、第１の周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る第１ソナーと、前記水中航走体に搭載されるとともに、前記第１の周波数よりも１桁程度低い第２周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る第２ソナーとを備え、前記第１ソナーと前記第２ソナーとを略同期送信させるとともに、前記第１ソナーのフェーズセンタおよび前記第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるように、前記第１ソナーと前記第２ソナーのチャネル数、物理開口長、及び送信周期並びに前記水中航走体の速度が調整されている合成開口探査装置を提供する。
【０００７】
本発明によれば、周波数の異なるソナーを２つ備えているので、沈底物と埋設物など性質の異なるターゲット探査を同時に実施することができる。
また、これらの音波ビームの送信タイミングを同期させることで、第１ソナーと第２ソナーの相互の誘導ノイズなどによる影響を回避することができ、鮮明な画像を得ることが可能となる。
更に、第１ソナー及び第２ソナーにおけるフェーズセンタの間隔がピング間において等間隔となるように、各種パラメータを設定するので、画像処理を行うときの移動方向における位置の微修正が不要となり、画像信号処理の負担を軽減することができ、また、送受信部位置の誤差による画像処理の劣化も抑制することができる。
【０００８】
上記合成開口探査装置において、前記第１ソナーにおけるチャネルをオーバーラップさせることにより前記水中航走体の位置補正を行うとともに、前記第２ソナーにおけるオーバーラップチャネル数をゼロにすることとしてもよい。
【０００９】
第１ソナーと第２ソナーとは同一の水中航走体に搭載されているため、いずれか一方のソナーにより位置補正を行えば足りる。そこで、第１ソナーのチャネルのみをオーバーラッピングさせて水中航走体の位置補正に充当し、第２ソナーにおいてはオーバーラッピングさせるチャネルをゼロとすることで、チャネル数を最低限必要な数だけに絞ることができる。これにより、装置の小型化、省スペース化、軽量化を図ることが可能となる。
【００１０】
上記合成開口探査装置において、前記第１ソナーにおけるチャネルのオーバーラップによる前記水中航走体における位置補正の精度が所定の精度未満の場合に、前記第１ソナーのフェーズセンタおよび前記第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるとの条件を満たすように、前記水中航走体の速度を低下させることとしてもよい。
【００１１】
このように、位置補正の精度が所定の精度未満であることにより速度を低下させる場合においても、第１ソナーのフェーズセンタおよび第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるとの条件を満たすように、水中航走体の速度を低下させるので、画像処理を行うときの移動方向における位置の微修正を不要とすることができる。これにより、画像信号処理の負担を軽減することができ、また、送受信部位置の誤差による画像処理の劣化も抑制することができるとの効果を維持することができる。
【００１２】
上記合成開口探査装置において、前記第２ソナーは、ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信し、該ビーム主極の方向が同じ受信信号同士を用いて画像をそれぞれ作成することとしてもよい。
【００１３】
これにより、第２ソナーにおいて、複数の主極方向に音波ビームを振ることにより、円筒形状などの指向性を有するターゲットであっても効率的に探査することが可能となる。
【００１４】
上記合成開口探査装置において、前記第２ソナーは、複数の送信素子が配列された送信アレイおよび複数の受信素子が配列された受信アレイを有し、前記送信アレイは、一方向に対して約９０度幅の音波ビームを送信し、前記受信アレイのビーム主極を複数の方向に指向させることで、前記ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信することとしてもよい。
【００１５】
このように送信アレイについては一方向に対してのみ音波ビームを送信し、受信アレイのビーム主極を複数の方向に指向させるので、送信アレイの位相シフトを不要とすることができ、送信アレイの構成を簡略化することができる。
【００１６】
上記合成開口探査装置において、前記第２ソナーは、複数の受信素子が配列された受信アレイを有し、前記受信アレイを構成する受信素子の組み合わせを変更することにより、複数のビーム主極に対応する受信アレイを形成することとしてもよい。
【００１７】
このような構成によれば、移動方向の空間サンプリングを一層密にすることができ、画像画質を向上させることができる。
【００１８】
本発明は、上記いずれかに記載の合成開口探査装置を搭載した水中航走体を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、沈底物と埋設物とを同時に、かつ、効率的に探査することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る合成開口探査装置の概略構成を示した図である。
【図２】音波ビームの送信タイミングについて説明するための図である。
【図３】合成開口探査装置が水中航走体に搭載されている状態を示した模式図である。
【図４】水中航走体に搭載されている合成開口探査装置から音波ビームが送信されている状態を示した模式図であり、（ａ）は水中航走体を図３のｚ軸方向、すなわち、上方から見た図、（ｂ）は水中航走体を図３のｘ軸方向、すなわち移動方向から見た図、（ｃ）は水中航走体を図３のｙ軸方向、すなわち側面から見た図である。
【図５】高周波合成開口ソナーの第１送信部及び第１受信部並びに低周波合成開口ソナーの第２送信部及び第２受信部の配置例を示した図である。
【図６】フェーズセンタを等間隔にするための送受信部の設計について説明するための図である。
【図７】フェーズセンタを等間隔にするための送受信部の設計について説明するための図である。
【図８】オーバーラッピングを考慮した送受信部の設計について説明するための図である。
【図９】オーバーラッピングを考慮した送受信部の設計について説明するための図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体について説明するための図である。
【図１１】高周波合成開口ソナーの一般的な航走手法について説明するための図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係る合成開口探査装置および水中航走体について、図面を参照して説明する。
図１は、合成開口探査装置１の概略構成を示した図である。図１に示すように、合成開口探査装置１は、第１の周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る高周波合成開口ソナー（第１ソナー）２と、第１の周波数よりも低い第２周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る低周波合成開口ソナー（第２ソナー）３と、高周波合成開口ソナーおよび低周波合成開口ソナーの送受信タイミングを制御する制御部４を備えている。
【００２２】
高周波合成開口ソナー２は、例えば、沈底物探査用のソナーであり、高周波の音波ビームを送出する第１送信部ＨＦ＿Ｔｘと、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘから送出された音波ビームが探査対象において反射して戻ってきた音波を受信する第１受信部ＨＦ＿Ｒｘと、第１受信部ＨＦ＿Ｒｘにより受信された音波信号に基づいて画像を作成する第１画像処理部６を備えている。
【００２３】
低周波合成開口ソナー３は、例えば、埋設物探査用のソナーであり、高周波の音波ビームを送出する第１送信部ＨＦ＿Ｔｘよりも低周波の音波ビームを出力する第２送信部ＬＦ＿Ｔｘと、第２送信部ＬＦ＿Ｔｘから送出された音波ビームが探査対象において反射して戻ってきた音波を受信する第２受信部ＬＦ＿Ｒｘと、第２受信部ＬＦ＿Ｒｘにより受信された音波信号に基づいて画像を作成する第２画像処理部７を備えている。
例えば、上記高周波合成開口ソナー２により送受信される音波ビームは、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚ程度のいずれかの周波数の音波ビームであり、低周波合成開口ソナー３により送受信される音波ビームは、１０ｋＨｚから５０ｋＨｚ程度のいずれかの周波数の音波ビームである。
【００２４】
制御部３は、上記第１送信部ＨＦ＿Ｔｘ、第２送信部ＬＦ＿Ｔｘ、第１受信部ＨＦ＿Ｒｘ、第２受信部ＬＦ＿Ｒｘを同期制御する。このように、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘ、第２送信部ＬＦ＿Ｔｘ、第１受信部ＨＦ＿Ｒｘ、第２受信部ＬＦ＿Ｒｘが同期制御されることにより、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘから音波ビームが送出されるタイミングと第２送信部ＬＦ＿Ｔｘから音波ビームが送出されるタイミングとを一致させることができる。これにより、例えば、音波ビーム送信時における誘導ノイズや音響ノイズが他方の受信系に混入するおそれを回避することができる。なお、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘから音波ビームが送出されるタイミングと第２送信部ＬＦ＿Ｔｘから音波ビームが送出されるタイミングとは完全に一致していなくても良い。
【００２５】
例えば、図２に示すように、送信周期Ｔに比べて十分短い時間ずらすこととしてもよい。例えば、本実施形態に係る合成開口探査装置１は、沈底物と埋設物とを探査するものである。従って、音波が海底等に到達する前の領域、すなわち、水中航走体付近の領域においては探査に当たってそれほど重要ではないため、この領域にノイズが含まれていても探査精度上問題は生じない。従って、図２に示すように、探査精度上問題のない領域に相当する時間分、音響ビームの送信タイミングをずらすこととしても良い。また、例えば、第１送信部ＨＦ＿Ｔｘおよび第２送信部ＬＦ＿Ｔｘを同期して作動させる場合には、２つの送信器分の作動電流が装置内に流れることとなるが、図２に示すように、タイミングをずらすことで、作動電流を分散でき、装置内に使用されている電源機器の容量を小さく設定することが可能となる。
【００２６】
図３に示すように、合成開口探査装置１は、水中航走体１０の両側面にそれぞれ搭載され、図４に示すように、斜め下方に向けて音波ビームを送出し、その戻り波を受信する。
図５は、高周波合成開口ソナー２の第１送信部ＨＦ＿Ｔｘ及び第１受信部ＨＦ＿Ｒｘ並びに低周波合成開口ソナー３の第２送信部ＬＦ＿Ｔｘ及び第２受信部ＬＦ＿Ｒｘの配置例を示した図である。図５に示すように、第１受信部ＨＦ＿Ｒｘと第２受信部ＬＦ＿Ｒｘが上下方向に並べて設置されており、これらの上方に第１受信部ＨＦ＿Ｒｘが、これらの下方に第２送信部ＬＦ＿Ｔｘが配置されている。なお、この配置は一例であり、必ずしもこの配置に限定されない。
【００２７】
ここで、高周波合成開口ソナー２の送受信部の物理開口長およびチャネル数、低周波合成開口ソナー３の送受信部の物理開口長およびチャネル数、並びに両合成開口ソナーの音波ビームの送信周期、水中航走体１０の速度の関係は、以下の関係式（１）を満たすように設定されていることが好ましい。
【００２８】
Ｄ＊（Ｍ−Ｎ）＝ｄ（ｍ−ｎ）＝ΔＸ＝２＊Ｖ＊Ｔ （１）
【００２９】
ここで、Ｄは低周波合成開口ソナー３の物理開口長、Ｍは低周波合成開口ソナー３のチャネル数、Ｎは低周波合成開口ソナー３のオーバーラップチャネル数、ｄは高周波合成開口ソナー２の物理開口長、ｍは高周波合成開口ソナー２のチャネル数、ｎは高周波合成開口ソナー２のオーバーラップチャネル数、Ｖは水中航走体の速度、Ｔは音波ビームの送信周期（繰り返し周期）である。ここで、チャネル数は、受信部の数に相当する。
【００３０】
今、水中航走体１０が動揺せずにｘ軸方向に完全な等速直線運動していると仮定し、この状態において、第２送信部ＬＦ＿Ｔｘから繰り返し周期Ｔで送出された音波ビームが探査対象において反射して戻ってきた音波ビームを受信する場合、受信される信号は図７のように表わすことができる。ここで、図７に表わされている黒点１〜５は、フェーズセンタである。フェーズセンタとは、送信部から送出された音波ビームが探査対象において反射して戻ってきた音波を受信部にて受信した場合に、実際にその位置で音波ビームが送信されたものとして取り扱うことのできる疑似的な音波ビーム送受信位置を示したものである。このフェーズセンタは、受信部に対応してそれぞれ設定される。図６及び図７では、受信部が５個ある場合を例示しているので、フェーズセンタも５つ存在している。フェーズセンタ間の距離は、Ｄ／２とされる。
【００３１】
ここで、後続の画像処理部における画像作成の処理を考えると、フェーズセンタは等間隔に並んでいることが好ましい。すなわち、図６及び図７に示すように、ピング間においても、常にフェーズセンタが等間隔に並んでいることが好ましい。フェーズセンタを等間隔とすることで、画像処理を行うときの移動方向における位置の微修正が不要となるので、信号処理の負担が軽減されるからである。
そして、高周波合成開口ソナー２および低周波合成開口ソナー３において、フェーズセンタがそれぞれ等間隔に並ぶためには、以下の（２）式を満たす必要がある。
【００３２】
Δｘ＝Ｄ／２×（Ｍ−Ｎ）＝ｄ／２×（ｍ−ｎ）＝Ｖ×Ｔ （２）
【００３３】
上記（２）式において、Δｘは１ピング間の水中航走体の移動距離である。上記（２）式から上述した（１）式が導出される。
つまり、上記（１）式を満たすように、各パラメータが決定されることで、図６及び図７に示すようにフェーズセンタをピング間か否かを問わず、常に等間隔で並べることが可能となる。なお、図６及び図７では、チャネルをオーバーラップさせていないが、図８、図９に示すように、チャネルをオーバーラップさせてもよい。
【００３４】
オーバーラップチャネルを作ることで、水中航走体１０の動揺推定を行うことができる。なお、図８、図９に示した例では、オーバーラップ率４０％としている。このように、５つの受信部を備えている場合にオーバーラップ率を４０％とすると、１ピングについて２つの受信チャネル（フェーズセンタ）が動揺推定に使用され、３つの受信チャネル（フェーズセンタ）が探査に使用されることとなる。
【００３５】
上記（１）式を満たすための低周波合成開口ソナー３及び高周波合成開口ソナー２の設計については、以下の例が挙げられる。
【００３６】
低周波合成開口ソナー：Ｄ＝２４０ｍｍ、Ｍ＝５、Ｎ＝１、ＬＬ＝Ｄ×Ｍ＝１２００ｍｍ
高周波合成開口ソナー：ｄ＝４０ｍｍ、ｍ＝３２、ｎ＝８、ＬＨ＝ｄ×ｍ＝１２８０ｍｍ
【００３７】
また、上記設計例では、低周波合成開口ソナー３および高周波合成開口ソナー２の双方においてオーバーラップチャネルを設け、動揺推定に用いているが、この動揺推定のオーバーラップチャネルが少ないほど、探査用に使用される受信部（チャネル）が増加するために探査の効率は高いが、動揺推定の精度は低下する。また、低周波合成開口ソナー３と高周波合成開口ソナー２は同一の水中航走体１０に搭載されていることから、いずれか一方による動揺推定が実施されれば、他方の合成開口ソナーによる動揺推定は不要となる。
【００３８】
そこで、チャネル数の多い高周波合成開口ソナー２におけるオーバーラップチャネルのみを使用して動揺推定を行い、チャネル数が少ない低周波合成開口ソナー３については動揺推定に使用するチャネルをゼロとする、すなわち、オーバーラップさせるチャネル数をゼロとする。オーバーラップ数をゼロとすることで、不要なチャネルを削除してチャネル数を必要最低限にすることができ、省スペース化やコスト低減を図ることが可能となる。
【００３９】
この場合には、上記（１）式において、Ｎ＝０とすればよい。これにより、上記（１）式から以下の（３）式が導出される。
【００４０】
Ｍ＝ｄ（ｍ−ｎ）／Ｄ （３）
【００４１】
つまり、上記例の場合であれば、Ｍ＝４とすることができ、チャネル数を１つ低減させることが可能となる。
【００４２】
また、上述したように高周波合成開口ソナー２によって動揺推定を行うが、十分な動揺推定精度が得られない場合には、速度Ｖを落としてオーバーラップしているチャネル数を更に上げる必要がある。このとき、高周波合成開口ソナー３および低周波合成開口ソナー２の双方において、フェーズセンタが等ピッチで並ぶような速度Ｖに決定する。つまり、速度を落とす場合にも上記（１）式を満たすように速度調整することで、フェーズセンタの間隔を常にＤ／２に設定することができ、画像生成における処理負担の軽減を図ることができる。
【００４３】
十分な動揺推定精度が得られているか否かについては、例えば、オーバーラップしているチャネルの受信信号の相関値をリアルタイムで計算し、この相関値が予め設定した閾値未満であるか否かにより行われる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体によれば、周波数の異なる合成開口ソナーを２つ備えているので、沈底物と埋設物などの同時探査を可能とすることができる。
また、これらの音波ビームの送信タイミングを同期させることで、誘導ノイズなどによる影響を回避することができ、鮮明な画像を得ることが可能となる。
更に、高周波合成開口ソナー２及び低周波合成開口ソナー３におけるフェーズセンタの間隔がピング間において等間隔となるように、各種パラメータを設定するので、画像処理を行うときの移動方向における位置の微修正が不要となり、画像信号処理の負担を軽減することができ、また、送受信部位置の誤差による画像処理の劣化も抑制することができる。
また、高周波合成開口ソナー２のチャネルのみをオーバーラッピングさせて水中航走体の動揺推定に充当し、低周波合成開口ソナー３においてはオーバーラッピングさせるチャネルをゼロとすることで、チャネル数を最低限必要な数だけに絞ることができ、装置の小型化、省スペース化、軽量化を図ることが可能となる。
【００４５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体について説明する。
合成開口ソナーによってターゲットを探査する場合、指向性のないターゲットであれば、合成開口探査装置の通常の分解能が得られるが、ターゲットの反射特性に指向性がある場合には、送受信部が移動方向に移動しながら送受信を繰り返し行ったとしても、有効なエコーが得られるピングが限られることとなる。
【００４６】
例えば、合成開口ソナーの音波ビーム幅（ビームの角度範囲）が狭い場合には、ターゲットがビーム幅に入る確率が低くなり、ターゲットを見つけにくくなるとともに、ターゲットを見つけやすい位置であるターゲットの正面に送受信部がきた場合であっても、ターゲットの反射のアスペクト特性のために有意なエコーを得ることができず、結果、見落としてしまう可能性がある。
【００４７】
一方、合成開口ソナーの音波ビーム幅を広げた場合には、ターゲットを見落とす確率は下がるが、広い範囲のノイズも拾ってしまうことから信号対残響比（ＳＮ比）が悪くなる。従って、闇雲に音波ビーム幅を広げることはできない。ここで、合成開口処理により、通常であれば、残響レベルは抑圧できるが、十分な抑圧効果を得るためには、ビーム幅に比例して合成開口長を長くする必要がある。しかしながら、必要な合成開口長が長くなると、水中航走体の位置を精度よく特性するのが難しくなり、他の問題が生ずることとなる。
【００４８】
通常、沈底物を探査する高周波合成開口ソナーでは、図１１に示すように、１回目の探査においては一方向に走査し、２回目の探査においては１回目の探査における走査方向と垂直に交わる方向に走査する９０度交差の２航走でターゲット探査を行うことが多い。これは、例えば、ターゲットの反射特性に指向性がある場合であっても高周波合成開口ソナー２では、ターゲットの影に隠れる海底部分から反射波の強度がその周囲の海底部分からの反射波の強度に比べて明確に低下するため、たとえターゲットエコーの強度が十分でなくてもシャドウと呼ばれる影によってターゲットの存在を特定でき、２方向にわたって探査すれば相当な精度を持ってターゲットを見つけることができるからである。これに対して、低周波合成開口ソナー３では、埋没ターゲットの影と対比する周囲部分からの反射波の強度自体も弱く、明確なシャドウが形成されないため、ターゲットエコー強度によってターゲットの存在を特定する必要がある。
【００４９】
そこで、本実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体においては、低周波合成開口ソナー３において、ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信し、ビーム主極の方向が同じ受信信号同士を用いて画像をそれぞれ作成することとした。
例えば、図１０に示すように、３０度のビーム幅の音波ビームをビーム主極が３０度、０度、−３０度となるように振り、ビーム主極が３０度、０度、−３０度のときの受信信号同士でそれぞれ画像を作成する。これにより、ビーム主極が３０度の時の画像、０度のときの画像、および−３０度のときの画像が作成される。
なお、上記例に限られず、９０度以下の一定のビーム幅を持つ音波ビームを複数の主極に振り、そのときに得られた受信信号を用いて主極毎に画像を作成すればよい。
【００５０】
このように、高周波合成開口ソナー２と共通の水中航走体１０に搭載されている低周波合成開口ソナー３においても、高周波合成開口ソナー２と同様に９０度交差の２航走でターゲットを探査できるようにすることで、探索効率を落とすことなく、全体の探査効率を維持することができる。
したがって、上述したように、低周波合成開口ソナー３においては、音波ビームの主極を３つの角度にわたって振ることで、１回の航走で、実際には３つの方向に走査を行ったのと同様の効果を得ることができる。これにより、航走回数を高周波合成開口ソナー２に合わせることができ、効率的にターゲットの探査を行うことができる。
【００５１】
以上説明してきたように、本実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体によれば、低周波合成開口ソナー３において、複数の主極方向に音波ビームを振ることにより、指向性を有するターゲットであっても効率的に探査することが可能となる。また、通常行われている高周波合成開口ソナー２の走査方法に合わせて探査を行うことができ、高周波合成開口ソナー２による探査効率を維持することができる。
【００５２】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体について説明する。本実施形態では、低周波合成開口ソナー３の受信部を複数の受信素子が配列された受信アレイとして構成し、受信素子の組み合わせを変更することにより、疑似的にフェーズセンタをより一層密にするものである。例えば、図１２に示すように、素子１から４、２から５、３から６、５から８、７から１０、９から１２でそれぞれ受信された信号を１つのデータのまとまりとしてビームを合成して画像を作成する。これにより、演算量は増えるものの、移動方向の空間サンプリングを密にすることができ、画像作成処理で移動方向にサンプリングが粗いときに発生しやすいグレーティングロブの発生を抑制することができ、画像の画質を向上させることが可能となる。なお、受信素子の配置間隔は、λ／２以下とする。ここで、λは音波の波長である。
【００５３】
以上説明したように本実施形態に係る合成開口探査装置及び水中航走体によれば、移動方向の空間サンプリングを一層密にすることができ、画像画質を向上させることができる。
また、上述した第２実施形態にいおいても本実施形態のように、低周波合成開口ソナー３の送信部及び受信部を複数の素子からなるアレイによって構成し、それぞれの組み合わせを変えて音波ビームを送信するとともに、音波ビームを受信することとすれば、送波アレイの位相シフトを不要にでき、送信部の構成を簡略化することが可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 合成開口探査装置
２ 高周波合成開口ソナー
３ 低周波合成開口ソナー
４ 制御部
６ 第１画像処理部
７ 第２画像処理部
１０ 水中航走体
ＨＦ＿Ｔｘ 第１送信部
ＨＦ＿Ｒｘ 第１受信部
ＬＦ＿Ｔｘ 第２送信部
ＬＦ＿Ｒｘ 第２受信部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中航走体に搭載されるとともに、第１の周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る第１ソナーと、
前記水中航走体に搭載されるとともに、前記第１の周波数よりも低い第２周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る第２ソナーと
を備え、
前記第１ソナーと前記第２ソナーとを略同期送信させるとともに、前記第１ソナーのフェーズセンタおよび前記第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるように、前記第１ソナーと前記第２ソナーのチャネル数、物理開口長、及び送信周期並びに前記水中航走体の速度が調整されている合成開口探査装置。
【請求項２】
前記第１ソナーにおけるチャネルをオーバーラップさせることにより前記水中航走体の位置補正を行うとともに、前記第２ソナーにおけるオーバーラップチャネル数をゼロにする請求項１に記載の合成開口探査装置。
【請求項３】
前記第１ソナーにおけるチャネルのオーバーラップによる前記水中航走体における位置補正の精度が所定の精度未満の場合に、前記第１ソナーのフェーズセンタおよび前記第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるとの条件を満たすように、前記水中航走体の速度を低下させる請求項１または請求項２に記載の合成開口探査装置。
【請求項４】
前記第２ソナーは、ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信し、該ビーム主極の方向が同じ受信信号同士を用いて画像をそれぞれ作成する請求項１から請求項３のいずれかに記載の合成開口探査装置。
【請求項５】
前記第２ソナーは、複数の送信素子が配列された送信アレイおよび複数の受信素子が配列された受信アレイを有し、
前記送信アレイは、一方向に対して約９０度幅の音波ビームを送信し、前記受信アレイのビーム主極を複数の方向に指向させることで、前記ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信する請求項４に記載の合成開口探査装置。
【請求項６】
前記第２ソナーは、複数の受信素子が配列された受信アレイを有し、
前記受信アレイを構成する受信素子の組み合わせを変更することにより、複数のビーム主極に対応する受信アレイを形成する請求項４または請求項５に記載の合成開口探査装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の合成開口探査装置を搭載した水中航走体。
【請求項１】
水中航走体に搭載されるとともに、第１の周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る第１ソナーと、
前記水中航走体に搭載されるとともに、前記第１の周波数よりも低い第２周波数の音波ビームを送受信して画像信号を得る第２ソナーと
を備え、
前記第１ソナーと前記第２ソナーとを略同期送信させるとともに、前記第１ソナーのフェーズセンタおよび前記第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるように、前記第１ソナーと前記第２ソナーのチャネル数、物理開口長、及び送信周期並びに前記水中航走体の速度が調整されている合成開口探査装置。
【請求項２】
前記第１ソナーにおけるチャネルをオーバーラップさせることにより前記水中航走体の位置補正を行うとともに、前記第２ソナーにおけるオーバーラップチャネル数をゼロにする請求項１に記載の合成開口探査装置。
【請求項３】
前記第１ソナーにおけるチャネルのオーバーラップによる前記水中航走体における位置補正の精度が所定の精度未満の場合に、前記第１ソナーのフェーズセンタおよび前記第２ソナーのフェーズセンタがそれぞれ等間隔になるとの条件を満たすように、前記水中航走体の速度を低下させる請求項１または請求項２に記載の合成開口探査装置。
【請求項４】
前記第２ソナーは、ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信し、該ビーム主極の方向が同じ受信信号同士を用いて画像をそれぞれ作成する請求項１から請求項３のいずれかに記載の合成開口探査装置。
【請求項５】
前記第２ソナーは、複数の送信素子が配列された送信アレイおよび複数の受信素子が配列された受信アレイを有し、
前記送信アレイは、一方向に対して約９０度幅の音波ビームを送信し、前記受信アレイのビーム主極を複数の方向に指向させることで、前記ビーム主極の方向がそれぞれ異なる複数の音波ビームを送受信する請求項４に記載の合成開口探査装置。
【請求項６】
前記第２ソナーは、複数の受信素子が配列された受信アレイを有し、
前記受信アレイを構成する受信素子の組み合わせを変更することにより、複数のビーム主極に対応する受信アレイを形成する請求項４または請求項５に記載の合成開口探査装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の合成開口探査装置を搭載した水中航走体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１３７３０５（Ｐ２０１２−１３７３０５Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７８６７（Ｐ２０１０−２８７８６７）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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