超音波送受波器および水中探知装置
【課題】円筒部と半球部とからなる送受波器において、振動子の配列を工夫することにより、垂直方向のグレーティングローブを抑制するとともに、指向性偏差を最小限とする。
【解決手段】円筒部１Ａでは、１つの振動子に隣接する６個の振動子が正６角形８の各頂点に位置するように振動子１０ａを配置し、また、正６角形８の対向する一組の辺９が鉛直方向を向くように配置する。半球部１Ｂでは、半球部１Ｂの球面に内接する正１２面体を構成する正５角形を球面上に投影して得られる図形を球面５角形５としたとき、球面５角形５の構成要素をなす球面３角形６の頂点と、球面３角形６の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ振動子１０ｂを配置する。
【解決手段】円筒部１Ａでは、１つの振動子に隣接する６個の振動子が正６角形８の各頂点に位置するように振動子１０ａを配置し、また、正６角形８の対向する一組の辺９が鉛直方向を向くように配置する。半球部１Ｂでは、半球部１Ｂの球面に内接する正１２面体を構成する正５角形を球面上に投影して得られる図形を球面５角形５としたとき、球面５角形５の構成要素をなす球面３角形６の頂点と、球面３角形６の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ振動子１０ｂを配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中の魚群等を探知するために用いられる超音波送受波器および水中探知装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
魚群等の水中情報を広域にわたって探知する超音波機器として、従来からスキャニングソナーが用いられている。スキャニングソナーは、水中の所定方向に超音波ビームを送信すると共に水中の標的で反射したエコーを受信する超音波送受波器（以下、単に「送受波器」という。）を備えている。この送受波器には、図１０〜図１２に示したような各種のものがある。
【０００３】
図１０は、全周スキャン型のスキャニングソナーに用いられる円筒形の送受波器５０を示している。送受波器５０は、円筒の側面に周方向および軸方向に分割して配置された多数の超音波振動子５１を有している。これらの超音波振動子５１から所定のティルト角で傘型の超音波ビームを水平全方位（３６０°）に一斉に送信した後、探知領域を全周スキャンしてエコーを受信する。この送受波器５０の場合、ティルト角を電子的に制御することにより、広範囲の探知を行うことができるが、超音波振動子５１が送受波器５０の側面のみに設けられるため、船の真下方向の探知ができないという欠点がある。
【０００４】
図１１は、半周スキャン型のスキャニングソナーに用いられる半円筒形の送受波器６０を示している。送受波器６０は、一部が切り欠かれた半円筒の側面に周方向に分割して配置された多数の縦長の超音波振動子６１を有している。これらの超音波振動子６１から扇型の超音波ビームを半周（１８０°）の領域に一斉に送信した後、探知領域を半周スキャンしてエコーを受信する。６２はベアリング機構であって、図示しないモータの駆動によりａ方向へ回転することで、送受波器６０を水平方向へ動かし超音波ビームのベアリング角を制御する。６３はティルト機構であって、図示しないモータの駆動によりｂ方向へ回転することで、送受波器６０を垂直方向へ動かし超音波ビームのティルト角を制御する。この送受波器６０の場合、ベアリング角とティルト角を機械的に制御することにより、船の真下方向を含めた広範囲の探知を行うことができるが、超音波振動子６１が垂直方向に分割されていないため、スキャン面と直交する方向のウエイト（重み付け）制御によるビーム幅やサブレベルの調整ができないという欠点がある。
【０００５】
図１０の全周スキャン用の送受波器５０と、図１１の半周スキャン用の送受波器６０の両方を船体に装備すれば、上述した問題を解決することが可能であるが、２台の送受波器を装備することはコストおよび設置スペースの点で問題があり、特に小型の船舶では設置が困難である。そこで、最近では、全周スキャンと半周スキャンの両機能を備えた球形の送受波器が開発され、これを用いたスキャニングソナーが実用化されている。球形の送受波器については、たとえば後掲の特許文献１、特許文献２に記載されている。
【０００６】
図１２は、上述した球形の送受波器７０を示している。送受波器７０は、球体の表面に分割して配置された多数の超音波振動子７１を有しており、これらの振動子７１から所定方向へ超音波ビームを送信した後、探知領域をスキャンしてエコーを受信する。この送受波器７０の場合、球体の側部と底部に超音波振動子７１が設けられるため、１台の送受波器で船の真下方向を含む広範囲の探知を行えるとともにウエイト制御も可能となる。しかしながら、円筒形の送受波器（図１０）のように振動子が垂直方向に一直線状に配列されておらず、球体の上部および下部へ行くほど振動子７１のビーム放射面の向きが水平方向から離れるため、水平ビームの強度が弱くなって水平方向の探知距離が大きくとれないとともに、垂直方向の分解能も劣るという欠点がある。
【０００７】
そこで、これらの問題点を解決するための手段として、送受波器を円筒部と半球部とから構成することが考えられる。特許文献１には、上部が円筒部で下部が半球部である送受波器について言及されている（段落番号００４０参照）。このような送受波器を用いれば、図１０に示した円筒形の送受波器５０と、図１２に示した球形の送受波器７０のそれぞれの長所を生かして、水平方向の探知距離と垂直方向の分解能とを犠牲にすることなく、１台の送受波器で船の真下方向を含めた広範囲の探知を行うことができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３４３４５０号公報（段落番号００１５〜００１７、図１）
【特許文献２】特開２０００−１６２３０８号公報（段落番号００２９〜００５３、図１〜図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したような円筒部と半球部とからなる送受波器を製作する場合、円筒部と半球部のそれぞれにおける振動子の配列を工夫する必要がある。たとえば、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制するには、超音波振動子の垂直方向のピッチを最小にする必要があり、また、超音波ビームの指向性偏差を最小限に抑えるためには、円筒部と半球部における振動子の配列に連続性を持たせることが必要となる。特許文献１は、このような振動子の配列に関しては何ら言及していない。一方、特許文献２には、球面に内接する正多面体の頂点に振動子を配置するとともに、この頂点に配置した各振動子に対して、さらに、実質的に等間隔とみなされる間隔位置に振動子を配置することにより、探知範囲で振動子を均一・緻密に配置して、水面下全方向を緻密かつ高速に探知することが記載されているが、本文献の送受波器は球形であって、円筒部での振動子配置や、円筒部と半球部の振動子配列の連続性については全く言及されていない。このため、円筒部と半球部において振動子をどのように配列すればグレーティングローブや指向性偏差を最小にできるかが問題となる。
【００１０】
本発明は、円筒部と半球部とからなる送受波器の振動子配列を工夫することにより、垂直方向のグレーティングローブを抑制した送受波器を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、円筒部と半球部における振動子の配列に連続性を持たせることで、指向性偏差を最小限とした送受波器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る送受波器は、上部に円筒部、下部に円筒部と連続する半球部を有し、円筒部および半球部のそれぞれに超音波振動子が設けられた超音波送受波器であって、円筒部の超音波振動子を、１つの超音波振動子に隣接する６個の超音波振動子が正６角形の各頂点にそれぞれ位置するように、また、正６角形の対向する一組の辺が円筒部の軸方向と平行となるように配置したものである。
【００１２】
円筒部の超音波振動子をこのように配置すると、振動子の垂直方向のピッチを最も小さくすることができるため、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制することができる。なお、円筒部の表面は曲面であって厳密には正６角形を配置することができないから、上記でいう正６角形とは、円筒を展開した場合の平面における正６角形を意味する。
【００１３】
また、本発明の送受波器においては、半球部の球面に内接する正多面体を構成する正多角形を球面上に投影して得られる図形を球面多角形としたとき、半球部の超音波振動子を、球面多角形の構成要素をなす球面３角形の頂点と、球面３角形の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ配置する。
【００１４】
半球部の超音波振動子をこのように配置すると、半球部の球面上に超音波振動子をほぼ等間隔で配列することができるとともに、円筒部から半球部にかけて超音波振動子を連続性を持たせて配列することができる。このため、円筒部と半球部との境界付近で振動子の配列が不連続となることによる指向性偏差を最小限に抑えることが可能となる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態においては、半球部の球面に内接する正多面体は正１２面体であり、また、球面多角形は、正１２面体の１つの面が鉛直下方に向くように配置した状態で、当該正１２面体を構成する正５角形を球面上に投影して得られる球面５角形である。正多面体として正１２面体を用いることで、円筒部と半球部の振動子配列の連続性を保ちつつ、円筒部における振動子の垂直方向のピッチを最小とする設計を容易に行うことができる。
【００１６】
次に、本発明に係る水中探知装置は、複数の超音波振動子を有し、これらの超音波振動子から水中の所定方位に超音波ビームを送信するとともに、水中の標的で反射したエコーを超音波振動子で受信する超音波送受波器と、超音波振動子を駆動して超音波ビームを送信させるための送信信号を出力する送信制御手段と、超音波振動子が受信したエコーに基づく受信信号を処理して水中情報を得る受信制御手段と、この受信制御手段で得られた水中情報を表示する表示手段とを備えた水中探知装置であって、超音波送受波器が上述した振動子配列を有する送受波器から構成される。超音波送受波器は、水中の全方位に傘型の超音波ビームを送信して全周スキャンを行い、また、水中の半周領域に扇型の超音波ビームを送信して、半周スキャンを行う。
【００１７】
この水中探知装置は、円筒部と半球部とからなる送受波器を用いているため、円筒形送受波器と球形送受波器のそれぞれの長所を生かして、水平方向の探知距離と垂直方向の分解能とを犠牲にすることなく、１台の送受波器で船の真下方向を含めた広範囲の探知を行うことができる。また、円筒部の超音波振動子を前記のように配列することにより、振動子の垂直方向のピッチを最小にして、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制することができる。さらに、半球部の超音波振動子を前記のように配列することにより、円筒部と半球部の振動子の配列に連続性を持たせ、指向性偏差を最小限に抑えることができる。
【００１８】
本発明の水中探知装置においては、超音波送受波器の円筒部において、振動子の水平方向のピッチが垂直方向のピッチに比べて大きくなることから、水平スキャン時に水平方向に発生するグレーティングローブが問題となるが、これに対しては、例えば、方位別に異なる周波数の信号を用いて送受信を行う方式を採用することで、水平方向のグレーティングローブの影響を低減することができる。この場合、水中探知装置の送信制御手段は、方位別に異なる周波数帯域の超音波ビームを送信するように超音波振動子を駆動し、受信制御手段は、方位別に周波数を選択して所定方位の受信信号を得る。
【００１９】
また、本発明の水中探知装置においては、全周スキャンを行う場合と半周スキャンを行う場合とで信号周波数を異ならせ、１回の送受信で全周スキャンと半周スキャンとを同時に行うようにしてもよい。この場合、水中探知装置の送信制御手段は、互いに異なる周波数ｆ１，ｆ２の送信信号を生成し、全周スキャンを行う場合は、周波数ｆ１の送信信号により超音波振動子を駆動し、半周スキャンを行う場合は、周波数ｆ２の送信信号により超音波振動子を駆動する。また、受信制御手段は、上記異なる周波数ｆ１，ｆ２に対応した周波数成分を受信信号として抽出する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、水平方向の探知距離と垂直方向の分解能とを犠牲にすることなく、１台の送受波器で船の真下方向を含めた広範囲の探知を行えるとともに、コスト削減と省スペース化によって小型船にも搭載することが可能となる。また、円筒部の振動子配列を工夫したことで振動子の垂直方向のピッチを最小にして、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制することができる。さらに、半球部の振動子配列を工夫したことで円筒部と半球部の振動子の配列に連続性を持たせ、指向性偏差を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明に係る送受波器の実施形態を示す正面外観図である。送受波器１は、上部の円筒部１Ａと、この円筒部１Ａに連続する下部の半球部１Ｂとから構成されている。Ｋは信号を送受するためのケーブルである。円筒部１Ａは、後述する配列方法に従って配列された多数の超音波振動子１０ａを有しており、半球部１Ｂも、後述する配列方法に従って配列された多数の超音波振動子１０ｂを有している。各超音波振動子１０ａ，１０ｂは、円形の超音波放射面を有する振動子から構成されている。
【００２２】
図２は、円筒部１Ａにおける超音波振動子１０ａの配列方法を説明する図である。図２を円筒部１Ａを展開した平面と考えた場合、各超音波振動子１０ａは、１つの振動子に隣接する６個の振動子が正６角形８の各頂点にそれぞれ位置するように配置されている。そして、正６角形８の対向する一組の辺９，９は、円筒部１Ａの軸方向Ｙと平行となるように、すなわち鉛直方向を向くように配置されている。αは振動子１０ａの垂直方向（Ｙ方向）のピッチ、βは振動子１０ａの水平方向（Ｘ方向）のピッチである。αとβとは、α＜βの関係にある。これらのピッチα，βは、メインローブに対して９０°の方向に生じるグレーティングローブを抑えるために、いずれも超音波の波長より短い寸法に設定される。以上のような配列アルゴリズムに従って超音波振動子１０ａを円筒部１Ａに配列すると、振動子１０ａの垂直方向のピッチαが最小となり、また、円筒部１Ａの表面に振動子１０ａをほぼ等間隔に敷き詰めて配列することができる。
【００２３】
図３〜図５は、半球部１Ｂにおける超音波振動子１０ｂの配列方法を説明する図である。図３において、２は半球部１Ｂを２つ合わせた場合の球面、３はこの球面２に内接する正１２面体、４は正１２面体３の各面を構成する正５角形である。なお、この図３は、正１２面体３の１つの面が鉛直下方（紙面に対して直交方向）に向くように配置した状態で正１２面体３を真上からみた図である。５は正１２面体３を構成する正５角形４を球面２上に投影して得られる球面５角形を表している。半球部１Ｂにおいては、この球面５角形５を用いて超音波振動子１０ｂを配列する。以下、この配列アルゴリズムについて説明する。
【００２４】
図４（ａ）に示すように、球面５角形５の頂点をＡ〜Ｅ、重心をＦとしたとき、球面５角形５は、これの構成要素をなす５つの球面３角形６（△ＦＡＢ、△ＦＢＣ、△ＦＣＤ、△ＦＤＥ、△ＦＥＡ）に分割することができる。これらの球面３角形は、正確には球面２等辺３角形である。球面５角形５や球面３角形６は、正１２面体３を球面２に投影して得られる図形であるから、それらの面は平面ではなく曲面となっていることは言うまでもない。振動子の配列にあたっては、まず、図４（ａ）に示した球面５角形５の頂点Ａ〜Ｅと重心Ｆにそれぞれ振動子を配置する。次に、図４（ｂ）に示すように、球面３角形６（ここでは△ＦＣＤを例示）の各辺（円弧）を４等分した点Ｇ〜Ｉ、Ｊ〜Ｌ、Ｍ〜Ｏにそれぞれ振動子を配置する。なお、ここでの４等分は一例であって、分割数は任意に選定できる。さらに、これらの等分割点を線分（円弧）で結ぶと、３個の小さな球面３角形ｚができるので、図４（ｃ）に示すように、これらの球面３角形ｚの重心位置Ｐ，Ｑ，Ｒにそれぞれ振動子を配置する。他の球面３角形６についても、図４（ａ），（ｂ）と同じ手順に従って振動子を配置する。この結果、図５に示すような超音波振動子１０ｂの配列が得られ、半球部１Ｂの表面に振動子１０ｂをほぼ等間隔に配列することができる。
【００２５】
このように、正多面体の各面をなす正多角形を球面上に投影して得られる球面多角形を用い、この球面多角形の頂点および重心と、球面多角形の構成要素である球面３角形の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ素子を配置する方法を、「窓重心法」という。窓重心法の詳細については、Magnus J. Wenninger：Spherical Models, DOVER PUBLICATIONS, INC., Mineola, New York (November 1999), pp79-124に記載されている。
【００２６】
なお、図３〜図５では、正１２面体を基礎として振動子を配列する手順を示したが、図４（ａ）からわかるように、正１２面体の各面に対応する球面５角形５は、５つの球面３角形６に分割できるから、この球面３角形６に着目すると、５×１２＝６０個の２等辺３角形から構成される６０面体を基礎として、各球面３角形６につき図４（ｂ），（ｃ）の手順を踏んでいるのと同じ結果となる。すなわち、６０面体を基礎とした場合は、球面３角形６の頂点と、球面３角形６の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形ｚの重心とにそれぞれ振動子が配置されることになる。このことから、正１２面体に代えて２０個の正３角形から構成される正２０面体を基礎とし、図４（ｂ），（ｃ）の手順で振動子を配列することも可能である。但し、正２０面体の場合、円筒部１Ａの振動子配列との連続性を持たせるためには、正２０面体の頂点を鉛直方向に向ける必要があり、これによって円筒部１Ａにおける振動子の垂直ピッチが水平ピッチより大きくなる（正１２面体の場合と逆の関係となる）。したがって、垂直ピッチを最小にするという点からは、正１２面体を基礎とするのが好ましい。
【００２７】
図６は、上述した配列アルゴリズムにより得られた円筒部１Ａおよび半球部１Ｂの振動子配列を示した図である。円筒部１Ａの振動子１０ａは、前述のように１つの振動子に隣接する６個の振動子が正６角形８の各頂点にそれぞれ位置するように配置され、かつ、正６角形８の対向する一組の辺９，９が鉛直方向を向くように配置されている。この結果、垂直方向のピッチαが最小となるので、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制することができる。一方、半球部１Ｂの振動子１０ｂは、前述のように球面３角形６の頂点と、球面３角形６の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ配置されている。なお、図６において、Ａの位置は円筒部１Ａ側の正６角形の中心であって、厳密には半球部１Ｂ側の球面５角形５の頂点位置と完全には一致しないが、前記配列アルゴリズムによれば、両者の位置をほぼ一致させることができる。円筒部１Ａと半球部１Ｂの振動子１０ａ，１０ｂを以上のように配列すると、図６から分かるように、円筒部１Ａから半球部１Ｂにかけて、超音波振動子１０ａ，１０ｂの配列を連続的なものとすることができ、円筒部１Ａと半球部１Ｂとの境界Ｗ付近での素子密度のばらつきが少なくなる。このため、円筒部１Ａと半球部１Ｂに跨るような開口で超音波ビームを送受信した場合でも、振動子配列の不連続に基因する指向性偏差（信号レベルの変動）を最小限に抑えて、良好な指向特性を得ることができる。
【００２８】
以上のような超音波送受波器１を用いて超音波ビームを送信する場合、全チャンネルについて独立して送信信号を制御できるＰＤＭ（Pulse Duration Modulation）またはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式を用いて、全周スキャン用の傘型ビーム、および半周スキャン用の扇型ビームを形成する。また、エコー受信時には、ビームの方位別に所定の開口内の超音波振動子１０に対して、チャンネルごとに独立してウエイト制御および位相制御を行い、マルチビーム形成処理を行う。
【００２９】
ところで、図１のような円筒部１Ａと半球部１Ｂとからなる送受波器１の場合、送受波器１の下部にも超音波振動子１０ｂが存在する。このため、全周スキャン・半周スキャンのいずれの場合にも、ティルト角によっては、真下方向のサイドローブ信号のレベルが上昇し、海底からのエコーが表示画面上で偽像として現れやすいという問題がある。これに対しては、送信・受信ともにビーム面と直交する海底方向の開口長を短くしたり、あるいは、ウエイトを調整することにより、真下方向のサイドローブ信号のレベルを低減することができる。図７は、円筒部１Ａの全域と半球部１Ｂの一部を使って傘型ビームを送信する場合に、ウエイト関数としてガウス関数を用いて重み付けを行う場合の例を示している。
【００３０】
また、半周スキャンの場合は、略１８０°のスキャン範囲で無指向性のビーム送信を行うが、ビーム面の開口範囲で図８（ａ）に示した台形のウエイト関数による重み付けを行うことにより、図８（ｂ）に示すような滑らかな指向特性が得られ、矩形のウエイト関数を用いた場合に比べて、スキャン範囲の端部（−９０°および＋９０°）付近における指向性偏差を低減することができる。
【００３１】
図９は、上述した送受波器１を用いたスキャニングソナーＳのブロック回路図を示している。図９において、１０は前述の超音波振動子（１０ａまたは１０ｂ）であって、１つの振動子１０ごとに１つの送受信チャンネル１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…）が設けられている。各送受信チャンネルの構成は同じなので、以下では送受信チャンネル１００ａについて説明する。送受信チャンネル１００ａにおいて、１１は送信と受信の動作を切り替える送受切替回路、１２は超音波振動子１０に送信信号を与える送信アンプ、１３は送信アンプ１２を駆動するドライバ回路、１４は振動子１０が受信した信号を増幅するプリアンプ、１５はプリアンプ１４の出力信号のうち所定周波数帯域の信号のみを通過させる帯域フィルタ、１６は帯域フィルタ１５を通過した信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１７は後段の回路との間で信号の授受を行うためのインターフェースである。
【００３２】
ドライバ回路１３は、インターフェース２０，１７を介して、後述する送信ビーム形成部２６から与えられた２値化駆動コードを、送信アンプ１２のＦＥＴを駆動するためのドライブ信号にデコードする。送信アンプ１２は、フルブリッジ型のＰＤＭ（Pulse Duration Modulation）送信アンプからなり、パルス幅変調された送信信号を出力する。この信号により、送受切替回路１１を介して振動子１０が駆動される。送受切替回路１１は、送信期間に送信アンプ１２の出力信号を振動子１０へ導き、受信期間に振動子１０が出力した信号を受信信号としてプリアンプ１４へ導く。プリアンプ１４はこの受信信号を増幅し、帯域フィルタ１５で所定周波数帯域以外のノイズ成分が除去された受信信号は、Ａ／Ｄ変換器１６において所定のサンプリング周期でサンプリングされ、デジタルデータに変換される。
【００３３】
２６はプログラマブル送信ビーム形成部（以下、「送信ビーム形成部」という。）であって、送信信号生成部２１、波形メモリ２４および送信ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２５から構成される。送信信号生成部２１は、たとえばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）からなり、タイミング信号発生回路２２と係数テーブル２３とを備えている。タイミング信号発生回路２２は、送信信号の生成タイミングの基準となる信号を発生する。送信ＤＳＰ２５は、送信信号を生成するためのデジタル信号処理回路であり、パルス幅変調波形を生成するための２値化された基準駆動コードを、各方位に対して所定種類のウェイトについて計算し、波形メモリ２４へ書き込む。また、送信ＤＳＰ２５は、送信周期ごとに、送信ビーム形成のための各チャンネルの遅延量、ウェイト値および方位角を計算し、係数テーブル２３に書き込む。送信信号生成回路２１は、各チャンネルの方位角に対応する基準駆動コードに基づき、各チャンネルのウェイト値と遅延量に応じた駆動コードを生成する。
【００３４】
２７はバッファメモリであって、インターフェース２０を介して各チャンネル１００からの受信データを一時的に記憶するメモリである。２８はプログラマブル受信ビーム形成部（以下、「受信ビーム形成部」という。）であり、受信ＤＳＰ２９、係数テーブル３０および受信ビーム形成演算部３１から構成される。受信ビーム形成演算部３１は、ＦＰＧＡからなる。受信ＤＳＰ２９は、各受信ビームごとに各振動子１０から出力された受信信号の位相およびウエイトを計算し、これらを係数テーブル３０へ書き込む。受信ビーム形成演算部３１は、各振動子１０からの受信信号に対して係数テーブル３０に書き込まれた位相とウエイトの計算を行い、各信号を合成することにより合成受信信号を得る。この合成受信信号をビーム毎の時系列データとして求め、これをバッファメモリ３２へ書き込む。
【００３５】
３３はプログラマブルフィルタであり、フィルタＤＳＰ３４、係数テーブル３５およびフィルタ演算部３６から構成される。このプログラマブルフィルタ３３は、ビーム毎に所定の帯域制限とパルス圧縮とを行う機能を備えている。フィルタＤＳＰ３４は、ビーム毎に所定の帯域フィルタ特性を得るためのフィルタ係数を計算し、これを係数テーブル３５へ書き込む。フィルタ演算部３６は、係数テーブル３５の係数を基にしてＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタとしての演算を行い、帯域処理済受信信号を求める。このフィルタ演算部３６は、ＦＰＧＡからなる。
【００３６】
４０はエンベロープ検出部であって、各受信ビームの帯域処理済受信信号のエンベロープ（包絡線）を検出する。具体的には、時間波形の実数成分の２乗と虚数成分の２乗との和の平方根を求めることにより、エンベロープが検出される。
【００３７】
４１はイメージ処理部であって、各受信ビームの各距離における受信信号強度をイメージ情報化して表示部４２へ出力する。これにより表示部４２に探知領域における魚群等の水中情報の映像が表示される。
【００３８】
３７は操作部であって、この操作部３７に設けられたキーを操作してビームのティルト角等の入力を行う。操作部３７からの出力は、インターフェース３８を介して制御部であるホストＣＰＵ３９へ送られ、ホストＣＰＵ３９は操作部３７における入力内容に基づいて上述した各部の制御を行う。
【００３９】
なお、図９には図示されていないが、スキャニングソナーＳが搭載される船舶には、船体のローリングやピッチングを検出する検出装置が装備されており、送信ＤＳＰ２５は、当該検出装置の出力に基づいて、船舶の動揺にかかわらず常に所定方位に送信ビームを形成するように、係数テーブル２３に書き込むべき係数を計算する。また、同様に受信ＤＳＰ２９も、上記検出装置の出力に基づいて、船舶の動揺にかかわらず常に所定方位に受信ビームを形成するように、係数テーブル３０に書き込むべき係数を計算する。
【００４０】
ところで、上記のスキャニングソナーＳにおいては、前述したように、超音波送受波器１の円筒部１Ａにおいて、振動子１０ａの水平方向のピッチβが垂直方向のピッチαに比べて大きくなることから、水平スキャン時に水平方向に発生するグレーティングローブが問題となる。この問題に対しては、方位別に異なる周波数の信号を用いて送受信を行う方位別周波数送受信法が有効な手段となる。方位別周波数送受信法については、特開２００３−３３７１７１号公報に記載されている。この方式を採用した場合は、送信ビーム形成部２６、ドライバ回路１３、送信アンプ１２などからなる送信制御手段によって、方位別に異なる周波数帯域の送信信号が生成され、この送信信号により送受波器１の各超音波振動子１０が駆動されて、各方位ごとに周波数の異なる超音波ビームが送信される。また、エコーの受信時には、受信ビーム形成部２８、プログラマブルフィルタ３３などからなる受信制御手段が、方位別に周波数を選択して所定方位の受信信号を得る。このように、方位別に異なる周波数で送受信を行い、受信すべき方位に応じた周波数の信号を選択的に受信することにより、他の方位からの信号の影響を受けにくくして、水平方向のグレーティングローブを２０ｄＢ程度低減することができる。
【００４１】
本発明は、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、スキャニングソナーＳにおいて全周スキャンを行う場合と半周スキャンを行う場合とで、信号周波数を異ならせてもよい。このようにすれば、それぞれのスキャンに用いる信号が相互干渉しなくなるため、１回の送受信で全周スキャンと半周スキャンとを同時に行うことができる。このため、広範囲の探知を短時間で効率良く行うことが可能となる。この場合、送信制御手段を構成する送信ビーム形成部２６は、互いに異なる周波数ｆ１，ｆ２の送信信号を生成し、ドライバ回路１３および送信アンプ１２は、全周スキャン時は周波数ｆ１の送信信号により超音波振動子１０を駆動し、半周スキャン時は周波数ｆ２の送信信号により超音波振動子１０を駆動する。また、受信制御手段を構成するプログラマブルフィルタ３３は、上記の周波数ｆ１，ｆ２に対応した周波数成分を受信信号として抽出する。以上のような、同時並行スキャンの技術については、特開２００３−２０２３７０号公報に記載されている。
【００４２】
以上述べた実施形態においては、水中探知装置としてスキャニングソナーを例に挙げたが、本発明の超音波送受波器はスキャニングソナーに限らず、魚群探知機、測深機、潮流計などの水中探知装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る送受波器の実施形態を示す正面外観図である。
【図２】送受波器の円筒部における振動子の配列方法を説明する図である。
【図３】球面に内接する正１２面体を示す図である。
【図４】送受波器の半球部における振動子の配列方法を説明する図である。
【図５】送受波器の半球部における振動子の配列状態を示す図である。
【図６】円筒部および半球部の振動子配列を示した図である。
【図７】サイドローブレベルの低減方法を説明する図である。
【図８】半周スキャンの場合のウエイト関数と指向特性を示す図である。
【図９】本発明に係る送受波器を用いたスキャニングソナーのブロック回路図である。
【図１０】従来の円筒形の送受波器を示す外観図である。
【図１１】従来の半円筒形の送受波器を示す外観図である。
【図１２】従来の球形の送受波器を示す外観図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 超音波送受波器
１Ａ 円筒部
１Ｂ 半球部
２ 球面
３ 正１２面体
４ 正５角形
５ 球面５角形
６ 球面３角形
８ 正６角形
１０，１０ａ，１０ｂ 超音波振動子
１１ 送受切替回路
１２ 送信アンプ
１３ ドライバ回路
１４ プリアンプ
１５ 帯域フィルタ
１６ Ａ／Ｄ変換器
２６ 送信ビーム形成部
２８ 受信ビーム形成部
３３ プログラマブルフィルタ
３９ ホストＣＰＵ
４０ エンベロープ検出部
４１ イメージ処理部
４２ 表示部
Ｓ スキャニングソナー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中の魚群等を探知するために用いられる超音波送受波器および水中探知装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
魚群等の水中情報を広域にわたって探知する超音波機器として、従来からスキャニングソナーが用いられている。スキャニングソナーは、水中の所定方向に超音波ビームを送信すると共に水中の標的で反射したエコーを受信する超音波送受波器（以下、単に「送受波器」という。）を備えている。この送受波器には、図１０〜図１２に示したような各種のものがある。
【０００３】
図１０は、全周スキャン型のスキャニングソナーに用いられる円筒形の送受波器５０を示している。送受波器５０は、円筒の側面に周方向および軸方向に分割して配置された多数の超音波振動子５１を有している。これらの超音波振動子５１から所定のティルト角で傘型の超音波ビームを水平全方位（３６０°）に一斉に送信した後、探知領域を全周スキャンしてエコーを受信する。この送受波器５０の場合、ティルト角を電子的に制御することにより、広範囲の探知を行うことができるが、超音波振動子５１が送受波器５０の側面のみに設けられるため、船の真下方向の探知ができないという欠点がある。
【０００４】
図１１は、半周スキャン型のスキャニングソナーに用いられる半円筒形の送受波器６０を示している。送受波器６０は、一部が切り欠かれた半円筒の側面に周方向に分割して配置された多数の縦長の超音波振動子６１を有している。これらの超音波振動子６１から扇型の超音波ビームを半周（１８０°）の領域に一斉に送信した後、探知領域を半周スキャンしてエコーを受信する。６２はベアリング機構であって、図示しないモータの駆動によりａ方向へ回転することで、送受波器６０を水平方向へ動かし超音波ビームのベアリング角を制御する。６３はティルト機構であって、図示しないモータの駆動によりｂ方向へ回転することで、送受波器６０を垂直方向へ動かし超音波ビームのティルト角を制御する。この送受波器６０の場合、ベアリング角とティルト角を機械的に制御することにより、船の真下方向を含めた広範囲の探知を行うことができるが、超音波振動子６１が垂直方向に分割されていないため、スキャン面と直交する方向のウエイト（重み付け）制御によるビーム幅やサブレベルの調整ができないという欠点がある。
【０００５】
図１０の全周スキャン用の送受波器５０と、図１１の半周スキャン用の送受波器６０の両方を船体に装備すれば、上述した問題を解決することが可能であるが、２台の送受波器を装備することはコストおよび設置スペースの点で問題があり、特に小型の船舶では設置が困難である。そこで、最近では、全周スキャンと半周スキャンの両機能を備えた球形の送受波器が開発され、これを用いたスキャニングソナーが実用化されている。球形の送受波器については、たとえば後掲の特許文献１、特許文献２に記載されている。
【０００６】
図１２は、上述した球形の送受波器７０を示している。送受波器７０は、球体の表面に分割して配置された多数の超音波振動子７１を有しており、これらの振動子７１から所定方向へ超音波ビームを送信した後、探知領域をスキャンしてエコーを受信する。この送受波器７０の場合、球体の側部と底部に超音波振動子７１が設けられるため、１台の送受波器で船の真下方向を含む広範囲の探知を行えるとともにウエイト制御も可能となる。しかしながら、円筒形の送受波器（図１０）のように振動子が垂直方向に一直線状に配列されておらず、球体の上部および下部へ行くほど振動子７１のビーム放射面の向きが水平方向から離れるため、水平ビームの強度が弱くなって水平方向の探知距離が大きくとれないとともに、垂直方向の分解能も劣るという欠点がある。
【０００７】
そこで、これらの問題点を解決するための手段として、送受波器を円筒部と半球部とから構成することが考えられる。特許文献１には、上部が円筒部で下部が半球部である送受波器について言及されている（段落番号００４０参照）。このような送受波器を用いれば、図１０に示した円筒形の送受波器５０と、図１２に示した球形の送受波器７０のそれぞれの長所を生かして、水平方向の探知距離と垂直方向の分解能とを犠牲にすることなく、１台の送受波器で船の真下方向を含めた広範囲の探知を行うことができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３４３４５０号公報（段落番号００１５〜００１７、図１）
【特許文献２】特開２０００−１６２３０８号公報（段落番号００２９〜００５３、図１〜図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したような円筒部と半球部とからなる送受波器を製作する場合、円筒部と半球部のそれぞれにおける振動子の配列を工夫する必要がある。たとえば、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制するには、超音波振動子の垂直方向のピッチを最小にする必要があり、また、超音波ビームの指向性偏差を最小限に抑えるためには、円筒部と半球部における振動子の配列に連続性を持たせることが必要となる。特許文献１は、このような振動子の配列に関しては何ら言及していない。一方、特許文献２には、球面に内接する正多面体の頂点に振動子を配置するとともに、この頂点に配置した各振動子に対して、さらに、実質的に等間隔とみなされる間隔位置に振動子を配置することにより、探知範囲で振動子を均一・緻密に配置して、水面下全方向を緻密かつ高速に探知することが記載されているが、本文献の送受波器は球形であって、円筒部での振動子配置や、円筒部と半球部の振動子配列の連続性については全く言及されていない。このため、円筒部と半球部において振動子をどのように配列すればグレーティングローブや指向性偏差を最小にできるかが問題となる。
【００１０】
本発明は、円筒部と半球部とからなる送受波器の振動子配列を工夫することにより、垂直方向のグレーティングローブを抑制した送受波器を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、円筒部と半球部における振動子の配列に連続性を持たせることで、指向性偏差を最小限とした送受波器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る送受波器は、上部に円筒部、下部に円筒部と連続する半球部を有し、円筒部および半球部のそれぞれに超音波振動子が設けられた超音波送受波器であって、円筒部の超音波振動子を、１つの超音波振動子に隣接する６個の超音波振動子が正６角形の各頂点にそれぞれ位置するように、また、正６角形の対向する一組の辺が円筒部の軸方向と平行となるように配置したものである。
【００１２】
円筒部の超音波振動子をこのように配置すると、振動子の垂直方向のピッチを最も小さくすることができるため、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制することができる。なお、円筒部の表面は曲面であって厳密には正６角形を配置することができないから、上記でいう正６角形とは、円筒を展開した場合の平面における正６角形を意味する。
【００１３】
また、本発明の送受波器においては、半球部の球面に内接する正多面体を構成する正多角形を球面上に投影して得られる図形を球面多角形としたとき、半球部の超音波振動子を、球面多角形の構成要素をなす球面３角形の頂点と、球面３角形の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ配置する。
【００１４】
半球部の超音波振動子をこのように配置すると、半球部の球面上に超音波振動子をほぼ等間隔で配列することができるとともに、円筒部から半球部にかけて超音波振動子を連続性を持たせて配列することができる。このため、円筒部と半球部との境界付近で振動子の配列が不連続となることによる指向性偏差を最小限に抑えることが可能となる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態においては、半球部の球面に内接する正多面体は正１２面体であり、また、球面多角形は、正１２面体の１つの面が鉛直下方に向くように配置した状態で、当該正１２面体を構成する正５角形を球面上に投影して得られる球面５角形である。正多面体として正１２面体を用いることで、円筒部と半球部の振動子配列の連続性を保ちつつ、円筒部における振動子の垂直方向のピッチを最小とする設計を容易に行うことができる。
【００１６】
次に、本発明に係る水中探知装置は、複数の超音波振動子を有し、これらの超音波振動子から水中の所定方位に超音波ビームを送信するとともに、水中の標的で反射したエコーを超音波振動子で受信する超音波送受波器と、超音波振動子を駆動して超音波ビームを送信させるための送信信号を出力する送信制御手段と、超音波振動子が受信したエコーに基づく受信信号を処理して水中情報を得る受信制御手段と、この受信制御手段で得られた水中情報を表示する表示手段とを備えた水中探知装置であって、超音波送受波器が上述した振動子配列を有する送受波器から構成される。超音波送受波器は、水中の全方位に傘型の超音波ビームを送信して全周スキャンを行い、また、水中の半周領域に扇型の超音波ビームを送信して、半周スキャンを行う。
【００１７】
この水中探知装置は、円筒部と半球部とからなる送受波器を用いているため、円筒形送受波器と球形送受波器のそれぞれの長所を生かして、水平方向の探知距離と垂直方向の分解能とを犠牲にすることなく、１台の送受波器で船の真下方向を含めた広範囲の探知を行うことができる。また、円筒部の超音波振動子を前記のように配列することにより、振動子の垂直方向のピッチを最小にして、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制することができる。さらに、半球部の超音波振動子を前記のように配列することにより、円筒部と半球部の振動子の配列に連続性を持たせ、指向性偏差を最小限に抑えることができる。
【００１８】
本発明の水中探知装置においては、超音波送受波器の円筒部において、振動子の水平方向のピッチが垂直方向のピッチに比べて大きくなることから、水平スキャン時に水平方向に発生するグレーティングローブが問題となるが、これに対しては、例えば、方位別に異なる周波数の信号を用いて送受信を行う方式を採用することで、水平方向のグレーティングローブの影響を低減することができる。この場合、水中探知装置の送信制御手段は、方位別に異なる周波数帯域の超音波ビームを送信するように超音波振動子を駆動し、受信制御手段は、方位別に周波数を選択して所定方位の受信信号を得る。
【００１９】
また、本発明の水中探知装置においては、全周スキャンを行う場合と半周スキャンを行う場合とで信号周波数を異ならせ、１回の送受信で全周スキャンと半周スキャンとを同時に行うようにしてもよい。この場合、水中探知装置の送信制御手段は、互いに異なる周波数ｆ１，ｆ２の送信信号を生成し、全周スキャンを行う場合は、周波数ｆ１の送信信号により超音波振動子を駆動し、半周スキャンを行う場合は、周波数ｆ２の送信信号により超音波振動子を駆動する。また、受信制御手段は、上記異なる周波数ｆ１，ｆ２に対応した周波数成分を受信信号として抽出する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、水平方向の探知距離と垂直方向の分解能とを犠牲にすることなく、１台の送受波器で船の真下方向を含めた広範囲の探知を行えるとともに、コスト削減と省スペース化によって小型船にも搭載することが可能となる。また、円筒部の振動子配列を工夫したことで振動子の垂直方向のピッチを最小にして、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制することができる。さらに、半球部の振動子配列を工夫したことで円筒部と半球部の振動子の配列に連続性を持たせ、指向性偏差を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明に係る送受波器の実施形態を示す正面外観図である。送受波器１は、上部の円筒部１Ａと、この円筒部１Ａに連続する下部の半球部１Ｂとから構成されている。Ｋは信号を送受するためのケーブルである。円筒部１Ａは、後述する配列方法に従って配列された多数の超音波振動子１０ａを有しており、半球部１Ｂも、後述する配列方法に従って配列された多数の超音波振動子１０ｂを有している。各超音波振動子１０ａ，１０ｂは、円形の超音波放射面を有する振動子から構成されている。
【００２２】
図２は、円筒部１Ａにおける超音波振動子１０ａの配列方法を説明する図である。図２を円筒部１Ａを展開した平面と考えた場合、各超音波振動子１０ａは、１つの振動子に隣接する６個の振動子が正６角形８の各頂点にそれぞれ位置するように配置されている。そして、正６角形８の対向する一組の辺９，９は、円筒部１Ａの軸方向Ｙと平行となるように、すなわち鉛直方向を向くように配置されている。αは振動子１０ａの垂直方向（Ｙ方向）のピッチ、βは振動子１０ａの水平方向（Ｘ方向）のピッチである。αとβとは、α＜βの関係にある。これらのピッチα，βは、メインローブに対して９０°の方向に生じるグレーティングローブを抑えるために、いずれも超音波の波長より短い寸法に設定される。以上のような配列アルゴリズムに従って超音波振動子１０ａを円筒部１Ａに配列すると、振動子１０ａの垂直方向のピッチαが最小となり、また、円筒部１Ａの表面に振動子１０ａをほぼ等間隔に敷き詰めて配列することができる。
【００２３】
図３〜図５は、半球部１Ｂにおける超音波振動子１０ｂの配列方法を説明する図である。図３において、２は半球部１Ｂを２つ合わせた場合の球面、３はこの球面２に内接する正１２面体、４は正１２面体３の各面を構成する正５角形である。なお、この図３は、正１２面体３の１つの面が鉛直下方（紙面に対して直交方向）に向くように配置した状態で正１２面体３を真上からみた図である。５は正１２面体３を構成する正５角形４を球面２上に投影して得られる球面５角形を表している。半球部１Ｂにおいては、この球面５角形５を用いて超音波振動子１０ｂを配列する。以下、この配列アルゴリズムについて説明する。
【００２４】
図４（ａ）に示すように、球面５角形５の頂点をＡ〜Ｅ、重心をＦとしたとき、球面５角形５は、これの構成要素をなす５つの球面３角形６（△ＦＡＢ、△ＦＢＣ、△ＦＣＤ、△ＦＤＥ、△ＦＥＡ）に分割することができる。これらの球面３角形は、正確には球面２等辺３角形である。球面５角形５や球面３角形６は、正１２面体３を球面２に投影して得られる図形であるから、それらの面は平面ではなく曲面となっていることは言うまでもない。振動子の配列にあたっては、まず、図４（ａ）に示した球面５角形５の頂点Ａ〜Ｅと重心Ｆにそれぞれ振動子を配置する。次に、図４（ｂ）に示すように、球面３角形６（ここでは△ＦＣＤを例示）の各辺（円弧）を４等分した点Ｇ〜Ｉ、Ｊ〜Ｌ、Ｍ〜Ｏにそれぞれ振動子を配置する。なお、ここでの４等分は一例であって、分割数は任意に選定できる。さらに、これらの等分割点を線分（円弧）で結ぶと、３個の小さな球面３角形ｚができるので、図４（ｃ）に示すように、これらの球面３角形ｚの重心位置Ｐ，Ｑ，Ｒにそれぞれ振動子を配置する。他の球面３角形６についても、図４（ａ），（ｂ）と同じ手順に従って振動子を配置する。この結果、図５に示すような超音波振動子１０ｂの配列が得られ、半球部１Ｂの表面に振動子１０ｂをほぼ等間隔に配列することができる。
【００２５】
このように、正多面体の各面をなす正多角形を球面上に投影して得られる球面多角形を用い、この球面多角形の頂点および重心と、球面多角形の構成要素である球面３角形の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ素子を配置する方法を、「窓重心法」という。窓重心法の詳細については、Magnus J. Wenninger：Spherical Models, DOVER PUBLICATIONS, INC., Mineola, New York (November 1999), pp79-124に記載されている。
【００２６】
なお、図３〜図５では、正１２面体を基礎として振動子を配列する手順を示したが、図４（ａ）からわかるように、正１２面体の各面に対応する球面５角形５は、５つの球面３角形６に分割できるから、この球面３角形６に着目すると、５×１２＝６０個の２等辺３角形から構成される６０面体を基礎として、各球面３角形６につき図４（ｂ），（ｃ）の手順を踏んでいるのと同じ結果となる。すなわち、６０面体を基礎とした場合は、球面３角形６の頂点と、球面３角形６の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形ｚの重心とにそれぞれ振動子が配置されることになる。このことから、正１２面体に代えて２０個の正３角形から構成される正２０面体を基礎とし、図４（ｂ），（ｃ）の手順で振動子を配列することも可能である。但し、正２０面体の場合、円筒部１Ａの振動子配列との連続性を持たせるためには、正２０面体の頂点を鉛直方向に向ける必要があり、これによって円筒部１Ａにおける振動子の垂直ピッチが水平ピッチより大きくなる（正１２面体の場合と逆の関係となる）。したがって、垂直ピッチを最小にするという点からは、正１２面体を基礎とするのが好ましい。
【００２７】
図６は、上述した配列アルゴリズムにより得られた円筒部１Ａおよび半球部１Ｂの振動子配列を示した図である。円筒部１Ａの振動子１０ａは、前述のように１つの振動子に隣接する６個の振動子が正６角形８の各頂点にそれぞれ位置するように配置され、かつ、正６角形８の対向する一組の辺９，９が鉛直方向を向くように配置されている。この結果、垂直方向のピッチαが最小となるので、水平スキャン時に垂直方向に発生するグレーティングローブを抑制することができる。一方、半球部１Ｂの振動子１０ｂは、前述のように球面３角形６の頂点と、球面３角形６の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ配置されている。なお、図６において、Ａの位置は円筒部１Ａ側の正６角形の中心であって、厳密には半球部１Ｂ側の球面５角形５の頂点位置と完全には一致しないが、前記配列アルゴリズムによれば、両者の位置をほぼ一致させることができる。円筒部１Ａと半球部１Ｂの振動子１０ａ，１０ｂを以上のように配列すると、図６から分かるように、円筒部１Ａから半球部１Ｂにかけて、超音波振動子１０ａ，１０ｂの配列を連続的なものとすることができ、円筒部１Ａと半球部１Ｂとの境界Ｗ付近での素子密度のばらつきが少なくなる。このため、円筒部１Ａと半球部１Ｂに跨るような開口で超音波ビームを送受信した場合でも、振動子配列の不連続に基因する指向性偏差（信号レベルの変動）を最小限に抑えて、良好な指向特性を得ることができる。
【００２８】
以上のような超音波送受波器１を用いて超音波ビームを送信する場合、全チャンネルについて独立して送信信号を制御できるＰＤＭ（Pulse Duration Modulation）またはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式を用いて、全周スキャン用の傘型ビーム、および半周スキャン用の扇型ビームを形成する。また、エコー受信時には、ビームの方位別に所定の開口内の超音波振動子１０に対して、チャンネルごとに独立してウエイト制御および位相制御を行い、マルチビーム形成処理を行う。
【００２９】
ところで、図１のような円筒部１Ａと半球部１Ｂとからなる送受波器１の場合、送受波器１の下部にも超音波振動子１０ｂが存在する。このため、全周スキャン・半周スキャンのいずれの場合にも、ティルト角によっては、真下方向のサイドローブ信号のレベルが上昇し、海底からのエコーが表示画面上で偽像として現れやすいという問題がある。これに対しては、送信・受信ともにビーム面と直交する海底方向の開口長を短くしたり、あるいは、ウエイトを調整することにより、真下方向のサイドローブ信号のレベルを低減することができる。図７は、円筒部１Ａの全域と半球部１Ｂの一部を使って傘型ビームを送信する場合に、ウエイト関数としてガウス関数を用いて重み付けを行う場合の例を示している。
【００３０】
また、半周スキャンの場合は、略１８０°のスキャン範囲で無指向性のビーム送信を行うが、ビーム面の開口範囲で図８（ａ）に示した台形のウエイト関数による重み付けを行うことにより、図８（ｂ）に示すような滑らかな指向特性が得られ、矩形のウエイト関数を用いた場合に比べて、スキャン範囲の端部（−９０°および＋９０°）付近における指向性偏差を低減することができる。
【００３１】
図９は、上述した送受波器１を用いたスキャニングソナーＳのブロック回路図を示している。図９において、１０は前述の超音波振動子（１０ａまたは１０ｂ）であって、１つの振動子１０ごとに１つの送受信チャンネル１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…）が設けられている。各送受信チャンネルの構成は同じなので、以下では送受信チャンネル１００ａについて説明する。送受信チャンネル１００ａにおいて、１１は送信と受信の動作を切り替える送受切替回路、１２は超音波振動子１０に送信信号を与える送信アンプ、１３は送信アンプ１２を駆動するドライバ回路、１４は振動子１０が受信した信号を増幅するプリアンプ、１５はプリアンプ１４の出力信号のうち所定周波数帯域の信号のみを通過させる帯域フィルタ、１６は帯域フィルタ１５を通過した信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１７は後段の回路との間で信号の授受を行うためのインターフェースである。
【００３２】
ドライバ回路１３は、インターフェース２０，１７を介して、後述する送信ビーム形成部２６から与えられた２値化駆動コードを、送信アンプ１２のＦＥＴを駆動するためのドライブ信号にデコードする。送信アンプ１２は、フルブリッジ型のＰＤＭ（Pulse Duration Modulation）送信アンプからなり、パルス幅変調された送信信号を出力する。この信号により、送受切替回路１１を介して振動子１０が駆動される。送受切替回路１１は、送信期間に送信アンプ１２の出力信号を振動子１０へ導き、受信期間に振動子１０が出力した信号を受信信号としてプリアンプ１４へ導く。プリアンプ１４はこの受信信号を増幅し、帯域フィルタ１５で所定周波数帯域以外のノイズ成分が除去された受信信号は、Ａ／Ｄ変換器１６において所定のサンプリング周期でサンプリングされ、デジタルデータに変換される。
【００３３】
２６はプログラマブル送信ビーム形成部（以下、「送信ビーム形成部」という。）であって、送信信号生成部２１、波形メモリ２４および送信ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２５から構成される。送信信号生成部２１は、たとえばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）からなり、タイミング信号発生回路２２と係数テーブル２３とを備えている。タイミング信号発生回路２２は、送信信号の生成タイミングの基準となる信号を発生する。送信ＤＳＰ２５は、送信信号を生成するためのデジタル信号処理回路であり、パルス幅変調波形を生成するための２値化された基準駆動コードを、各方位に対して所定種類のウェイトについて計算し、波形メモリ２４へ書き込む。また、送信ＤＳＰ２５は、送信周期ごとに、送信ビーム形成のための各チャンネルの遅延量、ウェイト値および方位角を計算し、係数テーブル２３に書き込む。送信信号生成回路２１は、各チャンネルの方位角に対応する基準駆動コードに基づき、各チャンネルのウェイト値と遅延量に応じた駆動コードを生成する。
【００３４】
２７はバッファメモリであって、インターフェース２０を介して各チャンネル１００からの受信データを一時的に記憶するメモリである。２８はプログラマブル受信ビーム形成部（以下、「受信ビーム形成部」という。）であり、受信ＤＳＰ２９、係数テーブル３０および受信ビーム形成演算部３１から構成される。受信ビーム形成演算部３１は、ＦＰＧＡからなる。受信ＤＳＰ２９は、各受信ビームごとに各振動子１０から出力された受信信号の位相およびウエイトを計算し、これらを係数テーブル３０へ書き込む。受信ビーム形成演算部３１は、各振動子１０からの受信信号に対して係数テーブル３０に書き込まれた位相とウエイトの計算を行い、各信号を合成することにより合成受信信号を得る。この合成受信信号をビーム毎の時系列データとして求め、これをバッファメモリ３２へ書き込む。
【００３５】
３３はプログラマブルフィルタであり、フィルタＤＳＰ３４、係数テーブル３５およびフィルタ演算部３６から構成される。このプログラマブルフィルタ３３は、ビーム毎に所定の帯域制限とパルス圧縮とを行う機能を備えている。フィルタＤＳＰ３４は、ビーム毎に所定の帯域フィルタ特性を得るためのフィルタ係数を計算し、これを係数テーブル３５へ書き込む。フィルタ演算部３６は、係数テーブル３５の係数を基にしてＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタとしての演算を行い、帯域処理済受信信号を求める。このフィルタ演算部３６は、ＦＰＧＡからなる。
【００３６】
４０はエンベロープ検出部であって、各受信ビームの帯域処理済受信信号のエンベロープ（包絡線）を検出する。具体的には、時間波形の実数成分の２乗と虚数成分の２乗との和の平方根を求めることにより、エンベロープが検出される。
【００３７】
４１はイメージ処理部であって、各受信ビームの各距離における受信信号強度をイメージ情報化して表示部４２へ出力する。これにより表示部４２に探知領域における魚群等の水中情報の映像が表示される。
【００３８】
３７は操作部であって、この操作部３７に設けられたキーを操作してビームのティルト角等の入力を行う。操作部３７からの出力は、インターフェース３８を介して制御部であるホストＣＰＵ３９へ送られ、ホストＣＰＵ３９は操作部３７における入力内容に基づいて上述した各部の制御を行う。
【００３９】
なお、図９には図示されていないが、スキャニングソナーＳが搭載される船舶には、船体のローリングやピッチングを検出する検出装置が装備されており、送信ＤＳＰ２５は、当該検出装置の出力に基づいて、船舶の動揺にかかわらず常に所定方位に送信ビームを形成するように、係数テーブル２３に書き込むべき係数を計算する。また、同様に受信ＤＳＰ２９も、上記検出装置の出力に基づいて、船舶の動揺にかかわらず常に所定方位に受信ビームを形成するように、係数テーブル３０に書き込むべき係数を計算する。
【００４０】
ところで、上記のスキャニングソナーＳにおいては、前述したように、超音波送受波器１の円筒部１Ａにおいて、振動子１０ａの水平方向のピッチβが垂直方向のピッチαに比べて大きくなることから、水平スキャン時に水平方向に発生するグレーティングローブが問題となる。この問題に対しては、方位別に異なる周波数の信号を用いて送受信を行う方位別周波数送受信法が有効な手段となる。方位別周波数送受信法については、特開２００３−３３７１７１号公報に記載されている。この方式を採用した場合は、送信ビーム形成部２６、ドライバ回路１３、送信アンプ１２などからなる送信制御手段によって、方位別に異なる周波数帯域の送信信号が生成され、この送信信号により送受波器１の各超音波振動子１０が駆動されて、各方位ごとに周波数の異なる超音波ビームが送信される。また、エコーの受信時には、受信ビーム形成部２８、プログラマブルフィルタ３３などからなる受信制御手段が、方位別に周波数を選択して所定方位の受信信号を得る。このように、方位別に異なる周波数で送受信を行い、受信すべき方位に応じた周波数の信号を選択的に受信することにより、他の方位からの信号の影響を受けにくくして、水平方向のグレーティングローブを２０ｄＢ程度低減することができる。
【００４１】
本発明は、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、スキャニングソナーＳにおいて全周スキャンを行う場合と半周スキャンを行う場合とで、信号周波数を異ならせてもよい。このようにすれば、それぞれのスキャンに用いる信号が相互干渉しなくなるため、１回の送受信で全周スキャンと半周スキャンとを同時に行うことができる。このため、広範囲の探知を短時間で効率良く行うことが可能となる。この場合、送信制御手段を構成する送信ビーム形成部２６は、互いに異なる周波数ｆ１，ｆ２の送信信号を生成し、ドライバ回路１３および送信アンプ１２は、全周スキャン時は周波数ｆ１の送信信号により超音波振動子１０を駆動し、半周スキャン時は周波数ｆ２の送信信号により超音波振動子１０を駆動する。また、受信制御手段を構成するプログラマブルフィルタ３３は、上記の周波数ｆ１，ｆ２に対応した周波数成分を受信信号として抽出する。以上のような、同時並行スキャンの技術については、特開２００３−２０２３７０号公報に記載されている。
【００４２】
以上述べた実施形態においては、水中探知装置としてスキャニングソナーを例に挙げたが、本発明の超音波送受波器はスキャニングソナーに限らず、魚群探知機、測深機、潮流計などの水中探知装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る送受波器の実施形態を示す正面外観図である。
【図２】送受波器の円筒部における振動子の配列方法を説明する図である。
【図３】球面に内接する正１２面体を示す図である。
【図４】送受波器の半球部における振動子の配列方法を説明する図である。
【図５】送受波器の半球部における振動子の配列状態を示す図である。
【図６】円筒部および半球部の振動子配列を示した図である。
【図７】サイドローブレベルの低減方法を説明する図である。
【図８】半周スキャンの場合のウエイト関数と指向特性を示す図である。
【図９】本発明に係る送受波器を用いたスキャニングソナーのブロック回路図である。
【図１０】従来の円筒形の送受波器を示す外観図である。
【図１１】従来の半円筒形の送受波器を示す外観図である。
【図１２】従来の球形の送受波器を示す外観図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 超音波送受波器
１Ａ 円筒部
１Ｂ 半球部
２ 球面
３ 正１２面体
４ 正５角形
５ 球面５角形
６ 球面３角形
８ 正６角形
１０，１０ａ，１０ｂ 超音波振動子
１１ 送受切替回路
１２ 送信アンプ
１３ ドライバ回路
１４ プリアンプ
１５ 帯域フィルタ
１６ Ａ／Ｄ変換器
２６ 送信ビーム形成部
２８ 受信ビーム形成部
３３ プログラマブルフィルタ
３９ ホストＣＰＵ
４０ エンベロープ検出部
４１ イメージ処理部
４２ 表示部
Ｓ スキャニングソナー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に円筒部、下部に前記円筒部と連続する半球部を有し、前記円筒部および半球部のそれぞれに超音波振動子が設けられた超音波送受波器において、
前記円筒部の超音波振動子は、１つの超音波振動子に隣接する６個の超音波振動子が正６角形の各頂点にそれぞれ位置するように配置され、かつ、前記正６角形の対向する一組の辺が、前記円筒部の軸方向と平行となるように配置されていることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波送受波器において、
前記半球部の超音波振動子は、前記半球部の球面に内接する正多面体を構成する正多角形を球面上に投影して得られる図形を球面多角形としたとき、当該球面多角形の構成要素をなす球面３角形の頂点と、球面３角形の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ配置されていることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波送受波器において、
前記正多面体は、正１２面体であり、
前記球面多角形は、前記正１２面体の１つの面が鉛直下方に向くように配置した状態で、当該正１２面体を構成する正５角形を前記球面上に投影して得られる球面５角形であることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項４】
複数の超音波振動子を有し、前記超音波振動子から水中の所定方位に超音波ビームを送信するとともに、水中の標的で反射したエコーを前記超音波振動子で受信する超音波送受波器と、
前記超音波振動子を駆動して超音波ビームを送信させるための送信信号を出力する送信制御手段と、
前記超音波振動子が受信したエコーに基づく受信信号を処理して水中情報を得る受信制御手段と、
前記受信制御手段で得られた水中情報を表示する表示手段と、
を備えた水中探知装置において、
前記超音波送受波器が請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の超音波送受波器であることを特徴とする水中探知装置。
【請求項５】
請求項４に記載の水中探知装置において、
前記超音波送受波器より水中の全方位に傘型の超音波ビームを送信して、全周スキャンを行うことを特徴とする水中探知装置。
【請求項６】
請求項４に記載の水中探知装置において、
前記超音波送受波器より水中の半周領域に扇型の超音波ビームを送信して、半周スキャンを行うことを特徴とする水中探知装置。
【請求項７】
請求項４に記載の水中探知装置において、
前記送信制御手段は、方位別に異なる周波数帯域の超音波ビームを送信するように前記超音波振動子を駆動し、
前記受信制御手段は、方位別に周波数を選択して所定方位の受信信号を得ることを特徴とする水中探知装置。
【請求項８】
請求項４または請求項７に記載の水中探知装置において、
前記送信制御手段は、互いに異なる周波数ｆ１，ｆ２の送信信号を生成し、全周スキャンを行う場合は、周波数ｆ１の送信信号により超音波振動子を駆動し、半周スキャンを行う場合は、周波数ｆ２の送信信号により超音波振動子を駆動し、
前記受信制御手段は、前記異なる周波数ｆ１，ｆ２に対応した周波数成分を受信信号として抽出することを特徴とする水中探知装置。
【請求項１】
上部に円筒部、下部に前記円筒部と連続する半球部を有し、前記円筒部および半球部のそれぞれに超音波振動子が設けられた超音波送受波器において、
前記円筒部の超音波振動子は、１つの超音波振動子に隣接する６個の超音波振動子が正６角形の各頂点にそれぞれ位置するように配置され、かつ、前記正６角形の対向する一組の辺が、前記円筒部の軸方向と平行となるように配置されていることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波送受波器において、
前記半球部の超音波振動子は、前記半球部の球面に内接する正多面体を構成する正多角形を球面上に投影して得られる図形を球面多角形としたとき、当該球面多角形の構成要素をなす球面３角形の頂点と、球面３角形の各辺を等分割した点と、これらの等分割点を結ぶ円弧により形成される小さな球面３角形の重心とにそれぞれ配置されていることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波送受波器において、
前記正多面体は、正１２面体であり、
前記球面多角形は、前記正１２面体の１つの面が鉛直下方に向くように配置した状態で、当該正１２面体を構成する正５角形を前記球面上に投影して得られる球面５角形であることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項４】
複数の超音波振動子を有し、前記超音波振動子から水中の所定方位に超音波ビームを送信するとともに、水中の標的で反射したエコーを前記超音波振動子で受信する超音波送受波器と、
前記超音波振動子を駆動して超音波ビームを送信させるための送信信号を出力する送信制御手段と、
前記超音波振動子が受信したエコーに基づく受信信号を処理して水中情報を得る受信制御手段と、
前記受信制御手段で得られた水中情報を表示する表示手段と、
を備えた水中探知装置において、
前記超音波送受波器が請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の超音波送受波器であることを特徴とする水中探知装置。
【請求項５】
請求項４に記載の水中探知装置において、
前記超音波送受波器より水中の全方位に傘型の超音波ビームを送信して、全周スキャンを行うことを特徴とする水中探知装置。
【請求項６】
請求項４に記載の水中探知装置において、
前記超音波送受波器より水中の半周領域に扇型の超音波ビームを送信して、半周スキャンを行うことを特徴とする水中探知装置。
【請求項７】
請求項４に記載の水中探知装置において、
前記送信制御手段は、方位別に異なる周波数帯域の超音波ビームを送信するように前記超音波振動子を駆動し、
前記受信制御手段は、方位別に周波数を選択して所定方位の受信信号を得ることを特徴とする水中探知装置。
【請求項８】
請求項４または請求項７に記載の水中探知装置において、
前記送信制御手段は、互いに異なる周波数ｆ１，ｆ２の送信信号を生成し、全周スキャンを行う場合は、周波数ｆ１の送信信号により超音波振動子を駆動し、半周スキャンを行う場合は、周波数ｆ２の送信信号により超音波振動子を駆動し、
前記受信制御手段は、前記異なる周波数ｆ１，ｆ２に対応した周波数成分を受信信号として抽出することを特徴とする水中探知装置。
【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２００６−２０８１０７（Ｐ２００６−２０８１０７Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８７４９（Ｐ２００５−１８７４９）
【出願日】平成１７年１月２６日（２００５．１．２６）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２６日（２００５．１．２６）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
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