JP2016090453A - 探知装置及び水中探知装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】３次元的な拡がりを有する空間に含まれる物標を短時間で探知可能な探知装置を、低コストで提供する。【解決手段】ＣＴＦＭ方式を用いる探知装置１であって、周波数掃引された送信波を送波し３次元状の送信ビームを形成する送波部２と、送信波の反射波を受信波として受波する受波素子３１ａ，３１ｂと、受波素子３１ａ，３１ｂを動かして受波素子３１ａ，３１ｂによって形成される受信ビームを送信ビームの３次元範囲内で走査させる駆動機構４と、送波部２から送波された送信波と受波素子３１ａ，３１ｂで受波された受信波とに基づいて生成されるビート信号に基づき３次元範囲内の物標に関する情報を生成する物標情報生成部とを備えた探知装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、３次元的な拡がりを有する空間に含まれる物標を探知するための探知装置及び水中探知装置に関する。
従来から知られている探知装置として、例えば特許文献１、及び非特許文献１に開示される探知装置が挙げられる。
特許文献１には、段落００６９及び図１９等に開示されるように、互いに反対方向にソナー信号を送信するように配置された２本のソナー素子を１８０度回転させることにより（又は、１本のソナー素子を３６０度回転させることにより）、水平面内における３６０度の範囲を探知可能なソナー（探知装置）が開示されている。
また、非特許文献１には、扇状に広がるビーム（いわゆるファンビーム）を形成可能な送信素子と、比較的細いビーム（いわゆるペンシルビーム）を形成可能な受信素子とを備えたソナー（探知装置）が開示されている。この探知装置では、送信素子と受信素子とがモータによって回転されることにより、広範囲に亘って物標を探知することができる。
また、全方位に亘って送波された送信波のエコーを、２次元状に配列されたアレイでビームフォーミングを行うことにより、所定範囲内の物標探知を比較的短時間で行うことが可能なスキャニングソナーも、一般的に知られている。
米国特許出願公開第２０１３／２１５７１９号明細書
サンウエストテクノロジズ(SUNWEST TECHNOLOGIES)、「ＣＴＦＭソナーＳＳ３３０」、［online］、［平成２６年８月２９日検索］、インターネット〈http://www.sunwest-tech.com/SS300%20Broch%20-%20REV%20G.pdf〉
しかし、上述した特許文献１に開示される探知装置は、いわゆるパルスエコー方式の探知装置であるため、物標の探知に比較的時間がかかる。具体的には、所定の方位に送波されたパルス状の送信波が受波されるまでの時間が方位毎に累積していくため、所定範囲を探知する際に比較的時間がかかってしまう。
また、上述した非特許文献１に開示される探知装置では、ファンビームが拡がる２次元状の範囲内に含まれる物標については探知できるものの、３次元的な拡がりを有する空間内に含まれる物標については探知することができない。
一方、上述したスキャニングソナーでは、２次元状に配列されたアレイを形成するために多数の素子が必要となり、その分コストがかかってしまう。
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、３次元的な拡がりを有する空間に含まれる物標を短時間で探知可能な探知装置を、低コストで提供することである。
（１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る探知装置は、ＣＴＦＭ方式を用いる探知装置であって、周波数掃引された送信波を送波し、３次元状の送信ビームを形成する送波部と、前記送信波の反射波を受信波として受波する受波素子と、前記受波素子を動かして、該受波素子によって形成される受信ビームを前記送信ビームの３次元範囲内で走査させる駆動機構と、前記送波部から送波された前記送信波と、前記受波素子で受波された前記受信波とに基づいて生成されるビート信号に基づき、前記３次元範囲内の物標に関する情報を生成する物標情報生成部とを備えている。
（２）好ましくは、前記受波素子は、２次元状の前記受信ビームを形成し、前記駆動機構は、２次元状の前記受信ビームが拡がる方向に交わる方向に向かって前記受波素子を動かす。
（３）更に好ましくは、前記駆動機構は、２次元状の前記受信ビームが拡がる前記方向に垂直な方向に向かって前記受波素子を動かす。
（４）好ましくは、前記受波素子は、扇状の前記受信ビームを形成する。
（５）更に好ましくは、前記受波素子において前記受信波が受波される部分である受波面は、長方形状に形成されている。
（６）好ましくは、前記送波部は、錐状の前記送信ビームを形成し、前記受信ビームは、前記駆動機構によって動かされることにより、前記送信ビームの範囲内に含まれる錐状の範囲を走査する。
（７）更に好ましくは、前記送波部において前記送信波が送波される部分である送波面は、円形状に形成されている。
（８）好ましくは、前記駆動機構は、前記受波素子を回転させる。
（９）更に好ましくは、前記受波素子の回転軸と前記受信ビームのビーム軸とによって形成される角度は、鋭角又は鈍角である。
（１０）好ましくは、前記駆動機構は、前記受波素子を往復動させる。
（１１）好ましくは、前記探知装置は、複数の前記受波素子を更に備え、各前記受波素子において前記受信波が受波される部分である受波面は、互いに異なる方向に向かって配置されている。
（１２）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る水中探知装置は、上述したいずれかの探知装置としての水中探知装置である。
本発明によれば、３次元的な拡がりを有する空間に含まれる物標を短時間で探知可能な探知装置を、低コストで提供できる。
本発明の実施形態に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す送波部から送波される超音波の、時間と周波数との関係を示すグラフである。 図１に示す２つの超音波振動子を模式的に示す図であって、各超音波振動子によって形成される受信ビームの形状とともに示す図であり、（Ａ）は下方から視た図、（Ｂ）は側方から視た図、である。 図１に示す水中探知装置によって物標が探知される過程を模式的に示す図であって、水中探知装置が搭載された自船とともに示す図である。 図１に示す信号処理部の構成を示すブロック図である。 図５に示す第１乗算部によって生成されたビート信号の一例を示すグラフである。 対象区間ビート信号の生成について説明するための図であり、（Ａ）は、ローパスフィルタから出力されたビート信号の波形（すなわち、対象区間ビート信号を抽出する前の波形）であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示すビート信号から抽出された対象区間ビート信号の波形である。 変形例に係る水中探知装置によって形成される送信ビーム及び受信ビームを、当該水中探知装置が搭載される自船とともに示す模式図であって、（Ａ）は側方から視た図、（Ｂ）は上方から視た図である。 変形例に係る水中探知装置によって形成される送信ビーム及び受信ビームを、当該水中探知装置が搭載される自船とともに示す模式図であって、上方から視た図である。 変形例に係る水中探知装置によって形成される送信ビーム及び受信ビームを、当該水中探知装置が搭載される自船とともに示す模式図であって、上方から視た図である。
以下、本発明に係る水中探知装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。本発明の実施形態に係る水中探知装置１は、いわゆるＣＴＦＭ(Continuous Transmission Frequency Modulated)方式の探知装置であって、例えば、自船（漁船などの船舶）の船底に装備され、主に魚及び魚群等の物標の探知に用いられる。他にも、岩礁のような海底の起伏、人工漁礁のような構造物の探知などに用いられる。また、この水中探知装置１によれば、３次元的な空間に存在する物標を探知することができる。
［全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係る水中探知装置１の構成を示すブロック図である。水中探知装置１は、図１に示すように、送波部２と、受波部３と、モータ４（駆動機構）と、送受信装置５と、信号処理部１０と、表示部８とを備えている。
送波部２は、送信波としての超音波を水中に送波するためのものであって、超音波が送波される送波面２ａが海中に露出して鉛直下方へ向かうように、船底に対して固定される。本実施形態では、送波面２ａが円形状に形成されている。これにより、本実施形態の送波部２は、比較的広範囲に亘る３次元状の送信ビームＶＢ（いわゆるボリュームビーム）を送波することができる。この送信ビームＶＢの形状は、例えば一例として、送波部２を頂点として下方へ延びる錐状（本実施形態では、円錐状）であって、その頂角は１２０度程度である。
また、送波部２からは、周波数が掃引された超音波が送波される。より具体的には、送波部２からは、周波数が時間経過に応じて徐々に変化するチャープ波が、一定の周期毎に、連続的に送波される。図２は、送波部２から送波される超音波の、時間と周波数との関係を示すグラフである。図２におけるＸｍａｘは掃引時間を示し、Δｆｍａｘは掃引帯域幅を示している。
受波部３は、複数の（本実施形態では、２つの）超音波振動子３１ａ，３１ｂ（受波素子）を有している。各超音波振動子３１ａ，３１ｂでは、超音波が受波される受波面３２ａ，３２ｂが海中に露出している。各超音波振動子３１ａ，３１ｂは、送波部２から送波された超音波の反射波を、受信波として受波し、電気信号（受信信号）に変換する。なお、図１では、超音波振動子３１ａ，３１ｂのうち、受波面３２ａ，３２ｂ以外の部分の図示を省略している。
図３は、図１に示す２つの超音波振動子３１ａ，３１ｂを模式的に示す図であって、各超音波振動子３１ａ，３１ｂによって形成される受信ビームＦＢａ，ＦＢｂの形状とともに示す図であり、（Ａ）は下方から視た図、（Ｂ）は側方から視た図、である。各受波面３２ａ，３２ｂは、平面視で（下方から視て）長方形状に形成されている。これにより、超音波振動子３１ａ，３１ｂでは、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、各受波面３２ａ，３２ｂの長手方向に垂直な面に沿って延びるファンビーム状の受信ビームＦＢａ，ＦＢｂが形成される。受信ビームＦＢａ，ＦＢｂの形状は、例えば一例として、厚みが６度程度と比較的薄い形状を有している。
各受波面３２ａ，３２ｂは、それぞれが下方に向かうように配置されている。具体的には、各受波面３２ａ，３２ｂは、各面３２ａ，３２ｂに垂直な方向が、鉛直下方に対して傾く方向であって互いに離反する方向ｄａ，ｄｂとなるように配置される。これにより、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂのビーム軸の方向が、互いに離反する方向ｄａ，ｄｂとなる。また、各受波面３２ａ，３２ｂは、図３（Ａ）に示すように、上下方向から視て、各受波面３２ａ，３２ｂの短辺が延びる方向に沿って並べられている。これにより、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂは、同一面に沿って形成される。また、上述のように、各受波面３２ａ，３２ｂを互いに離反する方向に向かうように配置することにより、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂ同士が重なる部分を小さくできるため、各超音波振動子３１ａ，３１ｂで探知可能なエリアが重複する範囲を無くし、又は小さくできる。なお、受信ビームのビーム軸とは、受信ビーム内に含まれる軸であって受信感度が最も高い方向に延びる軸である。
モータ４は、受波部３を動かすためのものである。具体的には、モータ４は、２つの受波面３２ａ，３２ｂの中央部分を中心として鉛直方向に延びる中心軸を回転中心として、該受波部３を回転させる。すなわち、受波部３の回転軸と、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂのビーム軸の方向とによって形成される角度は、直角になっていない。本実施形態では、この角度は、鋭角となっている。受波部３は、鉛直方向に垂直な水平面に沿って回転する。モータ４は、受波部３を、所定の時間間隔毎に、所定角度ずつ回転させる。
図４は、水中探知装置１によって物標が探知される過程を模式的に示す図であって、水中探知装置１が搭載された自船Ｓとともに示す図である。本実施形態では、モータ４によって受波部３が回転させられることにより、各超音波振動子３１ａ，３１ｂで生成される受信ビームＦＢａ，ＦＢｂが、送波部２で形成された送信ビームＶＢの範囲内で回転する。これにより、本実施形態に係る水中探知装置１によれば、自船下方における３次元空間（図３の破線によって囲まれる空間）内の物標を探知することができる。
送受信装置５は、送信部６と、受信部７とを備えている。
送信部６は、信号処理部１０で生成された周波数掃引された送信信号を増幅し、増幅後の高電圧送信信号を送波部２に印加する。
受信部７は、受波部３が出力する電気信号（受信信号）を増幅し、増幅した受信信号をＡ／Ｄ変換する。その後、受信部７は、デジタル信号に変換された受信信号を、信号処理部１０に対して出力する。より具体的には、受信部７は、２つの受信回路（図示省略）を有し、各受信回路が、対応する超音波振動子３１ａ，３１ｂによって受波された受信波を電気音響変換して得られた各受信信号に対して上述した所定の処理を行い、各受信信号を信号処理部１０に出力する。
信号処理部１０は、送信信号（電気信号）を生成し、送信部６に入力する。また、信号処理部１０は、受信部７から出力される受信信号を処理し、物標の映像信号を生成する処理を行う。信号処理部１０の構成については、詳しくは後述する。
表示部８は、信号処理部１０から出力された映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。本実施形態では、表示部８は、自船下方における海中の状態をＰＰＩ表示する。これにより、ユーザは、当該表示画面を見て、自船下方における海中の状態（単体魚及び魚群、海底の起伏、人工漁礁のような構造物の有無及び位置）を推測することができる。
［信号処理部の構成］
図５は、信号処理部１０の構成を示すブロック図である。信号処理部１０は、図５に示すように、送信信号生成部１０ａと、送受信処理部１１と、探知映像生成部１８（物標情報生成部）と、を有している。
送信信号生成部１０ａは、送波部２から送波される送信波の基となる送信信号（電気信号）を生成する。送信信号生成部１０ａで生成された送信信号は、送信部６及び送受信処理部１１へ送信される。
送受信処理部１１は、２つの送受信処理回路１１ａ，１１ｂを有している。各送受信処理回路１１ａ，１１ｂには、送信信号生成部１０ａで生成された送信信号、及び対応する受信回路で生成された受信信号（各超音波振動子３１ａ，３１ｂによって得られた受信信号）が入力される。具体的には、送受信処理回路１１ａには、超音波振動子３１ａによって得られた受信信号が入力される一方、送受信処理回路１１ｂには、超音波振動子３１ｂによって得られた受信信号が入力される。
各送受信処理回路１１ａ，１１ｂは、第１乗算部１２と、ローパスフィルタ１３と、対象区間信号抽出部１４と、窓関数記憶部１５と、第２乗算部１６と、周波数解析部１７と、を有している。なお、各送受信処理回路１１ａ，１１ｂで行われる処理は、互いに異なる超音波振動子３１ａ，３１ｂによって受信された受信波から得られる受信信号が入力される点を除いて、同じである。
第１乗算部１２は、送信信号生成部１０ａで生成された送信信号と、超音波振動子３１ａ，３１ｂによって受波された超音波から得られた受信信号とに基づいて、ビート信号を生成する。より具体的には、第１乗算部１２は、上述した送信信号と受信信号とを混合（ミキシング、乗算）することにより、ビート信号を生成する。図６は、第１乗算部１２によって生成されたビート信号の一例を示すグラフである。
ローパスフィルタ１３は、第１乗算部１２で生成されたビート信号から不要な信号成分（高周波成分）を取り除く。
対象区間信号抽出部１４は、ローパスフィルタ１３によって不要な信号成分が除去されたビート信号のうち、後工程での処理対象となる区間の信号を抽出する。具体的には、対象区間信号抽出部１４は、処理対象となる区間を受信ゲート区間として設定し、当該受信ゲート区間内におけるビート信号を対象区間ビート信号として生成する。図７は、対象区間ビート信号の生成について説明するための図であり、（Ａ）はローパスフィルタから出力されたビート信号の波形（すなわち、対象区間ビート信号を抽出する前の波形）、（Ｂ）は（Ａ）に示すビート信号から抽出された対象区間ビート信号の波形、である。
窓関数記憶部１５は、所定の窓関数を記憶する。そして、第２乗算部１６は、窓関数記憶部１５に記憶される所定の窓関数を、対象区間ビート信号に掛ける処理を行う。
周波数解析部１７は、第２乗算部１６からの出力結果（窓関数が掛けられた対象区間ビート信号）を解析し、各周波数における振幅及び位相を示すデータ（振幅スペクトル及び位相スペクトル、以降、これらをまとめて複素スペクトルと称する場合もある）を生成する。解析手段として、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などが挙げられる。なお、上述のように対象区間ビート信号に窓関数が掛けられることにより、周波数解析部１７によって生成された複素スペクトルのサイドローブを低減することができる。
そして、送受信処理部１１では、各送受信処理回路１１ａ，１１ｂによって、各超音波振動子３１ａ，３１ｂに対応する複素スペクトルが生成される。各周波数解析部１７によって生成された当該複素スペクトルは、探知映像生成部１８に出力される。
探知映像生成部１８は、各送受信処理回路１１ａ，１１ｂで生成された複素スペクトルの横軸を、周波数から距離（自船からの距離）へ変換し、エコーデータ（自船からの各距離におけるエコーの複素振幅データ）を生成する。周波数から距離への変換係数は、送信信号の掃引帯域幅、送信信号の掃引時間、水中の音速に基づき、予め算出される。
そして、探知映像生成部１８は、モータ４によって徐々に変化する回転角度位置（図４におけるφ＝φ１，φ２，…）のそれぞれに対応する受信信号に基づいて、各角度位置におけるエコーデータを生成し、これらを合成して、３次元状（本実施形態の場合、円錐状）の探知エリア内におけるエコーデータを生成する。ここで、モータ４の回転速度は、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂの厚み方向の角度分を回転する時間が送受信処理部１１における受信ゲート区間の時間より長くなるように設定する必要がある。探知時間をできるだけ短縮したい場合、両時間が一致するようにモータ４の回転速度を設定すればよい。
［シミュレーション結果］
以下では、本実施形態に係る水中探知装置１で物標を探知するのに必要な探知時間と、既知の水中探知装置（パルスエコー法に基づく機械走査型の水中探知装置）で物標を探知するのに必要な探知時間とを、シミュレーションにより比較する。自船を中心として水平方向の全周を探知するための受波部の旋回ステップ数を同じとすると、一方位でのエコー受信に必要な時間を比較することで、全周探知時間の比較を行うことができる。よって、以下では、一方位でのエコー受信に必要な時間を比較することで、本実施形態に係る水中探知装置１において必要な探知時間と、既知の水中探知装置において必要な探知時間とを比較する。シミュレーションを行う際の条件として、探知レンジを２５ｍ、レンジ分解能を０．１９ｍ、ＣＴＦＭ掃引帯域幅を１５ｋＨｚ、とした。
上述のような条件によりシミュレーションを行った結果、一方位でのエコー受信に必要な時間は、既知の水中探知装置では３３ｍｓであった。なお、この数値は、探知レンジ内の超音波の伝搬時間に基づいて算出している。具体的には、超音波の伝搬距離（探知レンジの２倍、上述したシミュレーション条件の場合、５０ｍ）を、水中における超音波の速度（１５００ｍ／ｓ）で除算した値である。
一方、本実施形態に係る水中探知装置１を用いた場合における、一方位でのエコー受信に必要な時間は、９ｍｓであった。なお、この数値は、上述のシミュレーション条件に基づいて算出している。具体的には、探知レンジを２５ｍ、レンジ分解能を０．１９ｍとしたとき、レンジ分解能を比率で表現すると１／１１３となるため、ＣＴＦＭ掃引帯域幅（１５ｋＨｚ）に１／１１３を乗算した値である０．１１ｋＨｚが周波数分解能として必要となる。この周波数分解能を達成するために必要な時間は、０．１１ｋＨｚの逆数をとって９ｍｓと算出される。
以上のように、本実施形態に係る水中探知装置１の場合、従来からの手法であるパルスエコー法と比べて、３．６倍程度の高速化を実現できることが確認された。
［効果］
以上のように、本実施形態に係る水中探知装置１では、受波部３を位置的に動かすことにより、３次元状の送信ビームＶＢの範囲内に含まれる３次元状の範囲を探知している。これにより、水中探知装置１によれば、３次元空間を探知することができる。更に、従来から知られているスキャニングソナーのように、受波素子を２次元状又は３次元状に配列する必要がなくなり、必要な受波素子の数量を減らすことができるため、装置を簡素化できる。
また、水中探知装置１では、いわゆるＣＴＦＭ方式を採用して物標の探知を行っているため、パルスエコー方式を採用する場合と比べると、所定範囲を探知する際に必要となる時間を短縮することができる。より具体的には、水中探知装置１では、ＣＴＦＭ方式の採用により超音波パルスが探知レンジを往復伝搬するのに要する時間より短い時間で、一方位における超音波の受信を行うことができる。これにより、比較的短時間で一方位におけるエコー強度を求めることができ、結果として所定範囲を探知する際に必要となる時間を短縮することができる。
また、水中探知装置１では、送信ビームＶＢを３次元状に形成しているため、物標を探知する領域に対して一度に超音波を送波することができる。こうすると、探知領域全体に送信ビームを行き渡らせるために送波部２を動かす必要がなくなるため、装置を簡素化することができる。
従って、水中探知装置１によれば、３次元的な拡がりを有する空間に含まれる物標を短時間で探知可能な探知装置を、低コストで提供できる。
また、水中探知装置１では、２次元状の受信ビームＦＢａ，ＦＢｂが該受信ビームの拡がる方向に交わる方向に向かって動かされるため、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂによって３次元空間を走査することができる。しかも、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂの形状を２次元状にすることで、例えばペンシル状の受信ビームを送信ビーム内で走査させる場合と比べ、短時間で物標を探知することができる。
また、水中探知装置１では、２次元状の受信ビームＦＢａ，ＦＢｂが該受信ビームの拡がる方向に垂直な方向に向かって動かされるため、水中探知装置１を中心とした３次元的な拡がりを有する比較的広い範囲を探知することができる。
また、水中探知装置１では、扇状の受信ビームＦＢａ，ＦＢｂを動かすことによって、自船下方における比較的広い３次元範囲を探知することができる。
また、水中探知装置１では、受波面３２ａ，３２ｂが長方形状に形成されているため、２次元状の受信ビームＦＢａ，ＦＢｂを適切に形成することができる。
また、水中探知装置１では、送波部２が錘状（本実施形態では、円錐状）の送信ビームＶＢを形成し、受波部３が当該送信ビームＶＢの範囲を走査しているため、自船下方を広範囲に亘って探知することができる。
また、水中探知装置１では、送波面２ａが円形状に形成されているため、３次元状の送信ビームＶＢを適切に形成することができる。
また、水中探知装置１では、モータ４によって受波部３が回転されるため、比較的簡易な構成で、３次元空間を探知可能な探知装置を構成することができる。
また、水中探知装置１では、受波部３の回転軸と、各超音波振動子３１ａ，３１ｂで形成される受信ビームＦＢａ，ＦＢｂのビーム軸とによって形成される角度が、０度、鋭角、或いは鈍角である。すなわち、受波部３の回転軸と受信ビームＦＢａ，ＦＢｂのビーム軸とは、垂直に交わっていない。こうすると、受信部の回転軸と受信ビームのビーム軸とが垂直である場合と比べて、３次元的に広い範囲を探知することができる。
また、水中探知装置１では、受波面３２ａ，３２ｂが互いに異なる方向ｄａ，ｄｂを向いているため、各角度位置（図４におけるφ）において探知可能な範囲を広げることができる。
また、水中探知装置１によれば、３次元的な拡がりを有する空間に含まれる物標を短時間で探知可能な水中探知装置を、低コストで提供できる。
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
（１）図８は、変形例に係る水中探知装置１ａによって形成される送信ビーム及び受信ビームを、当該水中探知装置１ａが搭載される自船Ｓとともに示す模式図であって、（Ａ）は側方から視た図、（Ｂ）は上方から視た図である。上記実施形態に係る水中探知装置１は、自船の下方を探知するように構成されているが、これに限らず、本変形例に係る水中探知装置１ａのように、自船の前方を探知するように構成されていてもよい。すなわち、本変形例に係る水中探知装置１ａは、座礁の原因となる自船前方の暗礁等を探知可能な前方探知ソナーとして設けられている。以下では、上記実施形態と異なる点について主に説明し、その他については説明を省略する。なお、本変形例に係る水中探知装置１ａは、上記実施形態に係る水中探知装置１と比べて、探知可能な範囲が大きく異なり、その構成については、図１に示すものと概ね同様である。
本変形例に係る水中探知装置１ａは、上記実施形態と同様の構成の送波部２を備えている。しかし、本変形例では、送波部２は、送波面が鉛直方向に対して自船の前方へ傾くように、自船の前側に固定されている。これにより、本変形例に係る水中探知装置１ａでは、ボリュームビーム状に形成された送信ビームＶＢが、海中における自船前方へ向かって延びるように形成される。この送信ビームＶＢの形状は、例えば一例として、上下方向については、水平方向を０度、鉛直下方を９０度とした場合において、０度から４５度の範囲をカバー可能であるとともに、左右方向については、右舷４５度から左舷４５度までの範囲をカバー可能な錐状に形成される。
また、本変形例に係る水中探知装置１ａは、上記実施形態と同様の構成の受波部３を備えており、２つの超音波振動子３１ａ，３１ｂが自船の左右方向に沿って配列されている。しかし、本変形例では、受波部３は、送波部２の場合と同様、受波面が鉛直方向に対して自船の前方へ傾くように、自船の前側に配置されている。これにより、本変形例に係る水中探知装置１ａでは、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂが海中における自船前方へ向かって延びるように形成される。例えば一例として、本変形例における受信ビームＦＢａの形状は、上下方向の厚みが６度程度と比較的薄い２次元状であって、前方を０度とした場合における右舷４５度から０度付近までの範囲に亘っている。一方、受信ビームＦＢｂの形状は、上下方向の厚みが６度程度と比較的薄い２次元状であって、前方を０度とした場合における０度付近から左舷４５度までの範囲に亘っている。
そして、本変形例の受波部３は、上下方向に往復動するように、モータ４によって上方側又は下方側へ傾けられる。これにより、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂを上下方向に往復動させることができるため、自船前方を３次元的に探知できる。
以上、本変形例のように受信ビームＦＢａ，ＦＢｂを往復動させることによっても、上記実施形態に係る水中探知装置１の場合と同様、３次元的な拡がりを有する空間に含まれる物標を短時間で探知可能な探知装置を、低コストで提供できる。
また、本変形例の水中探知装置では、受波部３が往復動されるため、比較的簡易な構成で、所定方向（自船前方）に延びる探知領域を適切に探知可能な探知装置を構成することができる。なお、本変形例において、２つの超音波振動子３１ａ，３１ｂの配列方向を自船の前後方向（船首・船尾方向）とし、受信ビームＦＢａ，ＦＢｂの駆動方向を左右方向としてもよい。
（２）上述した実施形態では、送信ビームＶＢの形状が円錐状となるように送波面２ａの形状を円形状に形成したが、これに限らない。具体的には、例えば、送波ビームの形状が楕円錐状、或いは錐状となるように、送波面の形状を、所定の縦横比を有する長方形状に形成してもよい。
（３）図９は、変形例に係る水中探知装置１ｂによって形成される送信ビームＶＢ及び受信ビームＦＢを、当該水中探知装置１ｂが搭載される自船Ｓとともに示す模式図であって、上方から視た図である。本変形例に係る水中探知装置１ｂでは、受信ビームＦＢだけでなく、送信ビームＶＢもモータ４によって回転する。なお、図９では、各超音波振動子３１ａ，３１ｂによって形成される受信ビームＦＢａ，ＦＢｂを、まとめて受信ビームＦＢとして図示している。
図９に示すように、本変形例に係る水中探知装置１ｂで形成される送信ビームＶＢは、受信ビームＦＢよりも厚み方向の幅が広いボリュームビーム状（具体的には、楕円錐状）に形成される。このような形状のボリュームビームＶＢは、例えば一例として、送波面の形状を長方形状にすることで形成することができる。本変形例の場合、送波面の縦横比は、受波素子の受波面の縦横比よりも１に近い。そして、この送信ビームＶＢは、モータによって図９の矢印で示す方向に受信ビームＦＢと同じ回転速度で回転する。送信ビームＶＢの厚み方向の幅は、超音波パルスが探知レンジを往復伝搬するのに必要な時間に対する、本変形例に係る水中探知装置１ｂで設定する受信ゲート区間の時間の比、から決めることができる。例えば、この比率が１／３であれば、送信ビームＶＢの厚み方向の幅は、受信ビームＦＢが３ステップ旋回する範囲より広く設定しておけば（図９参照）、所定の回転角における反射波の帰来を待つことなく受波部を回転しても回転後の角度で反射波を受波することができる。従って、本変形例の場合でも、上記実施形態の場合と同様、３次元的な拡がりを有する空間に含まれる物標を短時間で探知可能な探知装置を、低コストで提供できる。
更に、本変形例によれば、送信ビームＶＢを形成する送波部から送波される超音波が不要な方位に送波されず、送信波が、受波部でのエコーの受波に必要とされる方位に絞って送信される。これにより、所望の方向にエネルギーを集中して送信波を送波できるため、送信波を送波するために必要な電力を低減することができる。これにより、省エネの観点において優れた探知装置を提供できる。
（４）図１０は、変形例に係る水中探知装置１ｃによって形成される送信ビームＶＢ及び受信ビームＦＢを、当該水中探知装置１ｃが搭載される自船Ｓとともに示す模式図であって、上方から視た図である。本変形例に係る水中探知装置１ｃは、図９に示す水中探知装置１ｂと比べて、２つの超音波振動子３１ａ，３１ｂのうちの一方が省略された構成となっている。すなわち、本変形例に係る水中探知装置１ｃは、受波素子を１つ、有している。
そして、本変形例に係る水中探知装置１ｃでも、図９に示す水中探知装置１ｂの場合と同様、送信ビームＶＢが、モータによって図１０の矢印で示す方向に受信ビームＦＢと同じ回転速度で回転する。このように、受波素子を１つのみ有する水中探知装置１ｃであっても、図９に係る水中探知装置１ｂの場合と同様の効果を得ることができる。
（５）上記実施形態の送受信処理部１１は、窓関数記憶部１５及び第２乗算部１６を有しているが、これに限らず、送受信処理部の構成として、窓関数記憶部及び第２乗算部が省略されていてもよい。これにより、メインローブの分解能の劣化を抑制することができる。
（６）上記実施形態の送受信処理部１１の第１乗算部１２では、送信信号生成部１０ａで生成された送信信号と、超音波振動子３１ａ，３１ｂによって受波された超音波波形に対応する受信信号とを混合（ミキシング、乗算）することによりビート信号を生成したが、これに限らず、送信信号に基づく信号と受信信号に基づく信号とを混合してもよい。例えば、送信信号に周波数オフセットを与えた信号と受信信号とを混合してビート信号を生成してもよい。こうすると、受信部７のＡ／Ｄ変換で発生しうる直流オフセットの影響を軽減したエコーデータを、送受信処理部１１の出力として得ることができる。
（７）上記実施形態では、送信信号と受信信号との混合をデジタル信号処理として実施しているが、これに限らず、アナログ信号処理として実施してもよい。この場合、第１乗算部１２は、送受信処理部１１ではなく送受信装置５に配置され、受信信号が受信部７でＡ／Ｄ変換される前に上述した混合処理を行うことになる。
（８）上記実施形態では、周波数掃引された連続波を送波部２から送信したが、これに限らず、超音波が探査レンジを往復伝播する時間よりも長い時間をパルス幅とする周波数掃引されたパルス波を送波部から送波してもよい。
（９）上記実施形態及び変形例では、探知装置として水中探知装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、探知装置として、レーダ等を挙げることもできる。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ 水中探知装置
２ 送波部
４ モータ（駆動機構）
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 超音波振動子（受波素子）
１１ 送受信処理部（受信処理部）
１８ 探知映像生成部（物標情報生成部）

Claims (12)

  1. ＣＴＦＭ方式を用いる探知装置であって、
    周波数掃引された送信波を送波し、３次元状の送信ビームを形成する送波部と、
    前記送信波の反射波を受信波として受波する受波素子と、
    前記受波素子を動かして、該受波素子によって形成される受信ビームを前記送信ビームの３次元範囲内で走査させる駆動機構と、
    前記送波部から送波された前記送信波と、前記受波素子で受波された前記受信波とに基づいて生成されるビート信号に基づき、前記３次元範囲内の物標に関する情報を生成する物標情報生成部と
    を備えていることを特徴とする、探知装置。
  2. 請求項１に記載の探知装置において、
    前記受波素子は、２次元状の前記受信ビームを形成し、
    前記駆動機構は、２次元状の前記受信ビームが拡がる方向に交わる方向に向かって前記受波素子を動かすことを特徴とする、探知装置。
  3. 請求項２に記載の探知装置において、
    前記駆動機構は、２次元状の前記受信ビームが拡がる前記方向に垂直な方向に向かって前記受波素子を動かすことを特徴とする、探知装置。
  4. 請求項２又は請求項３に記載の探知装置において、
    前記受波素子は、扇状の前記受信ビームを形成することを特徴とする、探知装置。
  5. 請求項４に記載の探知装置において、
    前記受波素子において前記受信波が受波される部分である受波面は、長方形状に形成されていることを特徴とする、探知装置。
  6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記送波部は、錐状の前記送信ビームを形成し、
    前記受信ビームは、前記駆動機構によって動かされることにより、前記送信ビームの範囲内に含まれる錐状の範囲を走査することを特徴とする、探知装置。
  7. 請求項６に記載の探知装置において、
    前記送波部において前記送信波が送波される部分である送波面は、円形状に形成されていることを特徴とする、探知装置。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記駆動機構は、前記受波素子を回転させることを特徴とする、探知装置。
  9. 請求項８に記載の探知装置において、
    前記受波素子の回転軸と前記受信ビームのビーム軸とによって形成される角度は、鋭角又は鈍角であることを特徴とする、探知装置。
  10. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の探知装置において、
    前記駆動機構は、前記受波素子を往復動させることを特徴とする、探知装置。
  11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の探知装置において、
    複数の前記受波素子を更に備え、
    各前記受波素子において前記受信波が受波される部分である受波面は、互いに異なる方向に向かって配置されていることを特徴とする、探知装置。
  12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の探知装置としての水中探知装置。
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