JP4771575B2

JP4771575B2 - Underwater detector

Info

Publication number: JP4771575B2
Application number: JP2000165606A
Authority: JP
Inventors: 博司飯野; 靖西森; 健一渡辺
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JP2001343450A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中を広域に探知するための水中探知装置に関し、特に、回転体からなる本体の表面に多数の振動子が所定の方位を向いて周方向に配列された超音波送受波器を用いて水中を探知する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は、このような水中探知装置を用いて、魚群や潮流などの水中情報を探知する原理を示している。図において、Ａは船舶Ｓに搭載された水中探知装置、Tは水中探知装置Ａに備えられた超音波送受波器、Ｂｓは超音波送受波器Tから発射される送信ビーム、Ｂｒは送信ビームＢｓが水中で反射して帰来するエコービームを受信する受信ビーム、Ｚは水面である。送信ビームＢｓは水中の全方位へ向けて一斉に発射され、傘形のビームを形成する。一方、受信ビームＢｒは、超音波送受波器Ｔが円周方向に電気的もしくは機械的に走査されて形成される所定の指向性をもったビームである。そして、受信ビームＢｒによって受信されたエコー信号を解析することによって、魚群や潮流などに関する水中情報を求める。
【０００３】
図１６は、上記水中探知装置Ａに備えられた超音波送受波器Ｔの概略図である。５０は円筒形をした本体であって、この本体５０の表面には、多数の振動子５１が所定の方位を向いて円周方向に配列されている。各振動子５１に送信信号が印加されると、各振動子５１が振動して超音波送受波器Ｔから送信ビームが水中に発射されるとともに、水中で反射して帰来するビームが振動子５１で受信され、エコー信号が検出される。ここで、振動子５１に加わる送信信号は正弦波信号であり、同一円周上にある全ての振動子５１に対して、同一振幅で同一位相の送信信号が与えられる。したがって、超音波送受波器Ｔからは、どの方向にも同じ信号レベルの送信ビームＢｓが発射され、これによって無指向な音場が形成される。
【０００４】
超音波送受波器Ｔから水平方向ｘへ送信される超音波の指向特性は、ｘ方向のメインビーム５２と、ｘ方向に対して鉛直方向に生じるサイドローブ５３，５４とに分かれる。メインビーム５２は、本来の水中探知用ビームであって、その発射方向は、振動子５１に加わる送信信号を位相制御しなければ図の実線のように水平方向ｘとなるが、振動子５１に加わる送信信号を鉛直方向に位相制御することにより、図の破線のように任意の角度γ（ティルト角）に設定することができる。すなわち、図１７に示すように、超音波送受波器Ｔからの送信ビーム５０１の波面５０２が角度γの方向ｘ’に対して直角となるように、振動子５１に加わる送信信号の位相を鉛直方向に少しずつずらせて位相制御する。
【０００５】
一方、サイドローブ５３，５４は水中探知には不要な信号であり、このうち上側のサイドローブ５３については悪影響は少ないが、下側のサイドローブ５４は有害な信号として問題となる。すなわち、サイドローブ５４は水底方向に向かって生じるため、水中の反射体（特に水底）からの反射エコーがメインビーム５２に与える影響を大きくし、これが原因となってメインビーム５２による本来のエコー信号が正しく検出できなくなるおそれがある。
【０００６】
特に、図１６のように円周上に振動子が配列された超音波送受波器Ｔでは、同一円周上にある各振動子５１から水底までの距離が等しいことから、従来のようにそれらの振動子５１に加わる送信信号が同位相であると、水底方向については各振動子５１から発射された超音波が重なって強め合うために、高レベルのサイドローブ５４が発生する。この結果、サイドローブ５４による水底からの反射エコーが増大して、メインビーム５２によるエコー信号を、サイドローブ５４によるエコー信号と区別することができなくなり、魚群等の正確な水中情報が得られなくなる。したがって、何らかの手段により、水底方向に生じるサイドローブ５４をできるだけ少なくする必要がある。
【０００７】
この対策として、図１８に示すような遮音構造の超音波送受波器Ｔが従来から採用されている。図において５０は送受波器の本体、５１は振動子で、これらは図１６に示したものと同じである。５５は本体５０を覆うウレタンゴム等からなる筐体、５６は筐体５５の下面に設けられた遮音用のスポンジであって、たとえばクロロプレンゴムをスポンジ状にしたものからなる。５７はスポンジ５６を外側から覆うように設けられたスポンジカバーであって、スポンジ５６はこのスポンジカバー５７と筐体５５の下面との間に挟着される。５８はスポンジカバー５７を筐体５５に取り付けるための固定部材、５９は振動子５１と電気的に接続されているケーブルである。
【０００８】
このような構造によれば、図１６で示した水底方向へのサイドローブ５４は、遮音材であるスポンジ５６によって吸収されるため、サイドローブ５４による水中からの反射エコーが減少して、メインビーム５２によるエコー信号を正確に抽出することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８の構造によると遮音材としてのスポンジ５６やスポンジカバー５７が必要となり、部品数が増えてコストが高くなるとともに、組立工数も増え、形状も大型化するという欠点がある。また、超音波送受波器Ｔには、図１９で示すように、球状の本体６０の表面に形成した多数の孔６１に振動子（図示省略）を収納した球形の送受波器があるが、このものでは本体６０の底部にも孔６１が存在するため、上述したスポンジ５６を設けることができないという問題がある。
【００１０】
そこで本発明は、遮音材を不要にして小型かつ安価に製作できるとともに、球形のような特殊な形状をした送受波器にも適用が可能な水中探知装置を提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る水中探知装置は、回転体からなる本体の表面に多数の振動子が周方向に配列され、各振動子に加わる送信信号の位相が回転体の周方向に変化するように位相制御を行なうものである。ここで回転体とは、平面図形がこれと同一平面上にある一つの直線を軸として回転した結果生ずる立体をいう。また、周方向とは回転体の回転方向を意味する。たとえば、球は円がその直径を軸として回転することにより生じる回転体である。本発明の回転体には、球や円筒体のほか、円錐、回転楕円体などが含まれる。
【００１２】
このような位相制御を行なうことで、各振動子から送波される超音波の位相は、周方向に少しずつずれたものとなり、全周についてみると相互に打ち消しあう位相関係にあるものが存在することになる。したがって、この相殺により水底方向に発生するサイドローブを抑制することができ、全方位に向けて同位相で送信する場合に比べて、サイドローブによる水中からの反射エコーが減少する。その結果、この反射エコーがメインビームに与える影響を小さくして、メインビームによるエコー信号を正確に抽出することができるため、従来のように遮音材を設ける必要がなくなる。また、遮音材が不要になることから、球形のような特殊形状の送受波器にも適用が可能となる。
【００１３】
位相制御の方法としては、各振動子に加わる送信信号の位相が回転体の周方向に一周で３６０°×η（ηは自然数）リニアに変化するように位相制御を行い、各振動子に対して、その方位角に応じた制御位相角をもった送信信号を個別に与える。たとえば、η＝１とし、１６個の振動子を円周方向に等間隔で配列した場合は、送信信号の位相は円周方向に２２．５°ずつ変化し、一周で３６０°変化する。そして、対向する１対の振動子に加わる送信信号の位相差は１８０°となる。したがって、この場合には、各振動子から送波される超音波の位相は、それぞれ対向する振動子から送波される超音波の位相に対して逆相となるため、水底方向についてはそれらが全周にわたって打ち消しあうことでサイドローブが著しく減少する。その結果、サイドローブによる水底からの反射エコーの影響を極力小さくすることができ、水中情報をより正確に探知することができる。
【００１４】
送信信号の位相を変化させるには種々の方法があるが、たとえば信号発生器で生成された信号を各振動子の方位角に対応して所定の位相角だけ移相する複数の移相回路を設け、それぞれの移相回路からの出力を送信信号として振動子に供給することが考えられる。また、移相回路に代えて、信号発生器で生成された信号を各振動子の方位角に対応して所定の時間だけ遅延させる複数の遅延回路を用いてもよい。さらに、信号発生器と複数の移相回路あるいは遅延回路を設ける代わりに、各振動子の方位角に対応した所定の位相角あるいは所定の遅延時間を持った信号を独立して生成する複数の信号発生器を設けてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき、図を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明が適用される超音波送受波器の一例を示し、図１９に示したものと同じ球形の送受波器である。図において、１は超音波送受波器、２は球からなる本体、５は本体２から外部に引き出されたケーブルであって、本体２の表面には多数の孔３が形成されている。これらの孔３には、図１（ｂ）に示すような超音波振動子４がそれぞれ収納されている。そして、孔３に収納された超音波振動子４は所定の方位を向いて周方向に配列されている。
【００１６】
６は超音波送受波器１から水平方向ｘへ送波された水中探知用のメインビーム、７は水底方向へ生じるサイドローブ、８は水底方向と反対方向へ生じるサイドローブである。これらは図１６に示したメインビーム５２およびサイドローブ５３，５４と同様のものであり、メインビームの発射方向は、振動子４に加わる送信信号の位相を図１７と同じ原理によって鉛直方向に制御することにより、図１６の場合と同様に任意のティルト角γに設定することができる。
【００１７】
図１６の円筒状の超音波送受波器Ｔは、傘形のビームを形成して水中の広い範囲を探知できる一方で、船の真下には探知ビームを送波できないので、船下の魚群を探知することができないが、図１のような球状の超音波送受波器１では、底部にも振動子が存在するので、傘形のビームを形成できることはもちろん、船の真下方向へ扇形の探知ビームを送波して船下の魚群を探知することもできる。
【００１８】
振動子４は図１（ｂ）のように、電極を兼ねるヘッドマス４１およびテールマス４２と、これらによって挟着された圧電素子４３と、リード線４４，４５とを備えた公知のランジュバン振動子からなる。ヘッドマス４１はアルミニウム等から形成されており、本体２の孔３から外部に臨むように配置されて、超音波を所定の方位へ送波するとともに、水中からのエコーを受波する。圧電素子４３はたとえば圧電セラミックからなり、リード線４４，４５を介して送信信号電圧を印加することによって振動し、この振動がヘッドマス４１に伝達されて超音波が送波される。また、水中で反射したエコーを受波するときには、ヘッドマス４１の振動が圧電素子４３に伝達されて電圧に変換され、リード線４４，４５から電気信号として取り出される。なお、上記のような振動子４に代えて、フェライトにコイルを巻回した構造の磁歪素子を用いてもよい。
【００１９】
図２は、上記のような球形の超音波送受波器１を用いて位相制御を行なう場合の原理図である。図２において、Ｋ（１），Ｋ（２），…Ｋ（Ｎ）は、図１（ａ）を上から見た場合の円周上に配列された振動子４を示しており、各振動子４は所定の方位を向いてΔθの角度ピッチでＮ個配列されている。本例ではＮ＝１６であり、したがってΔθ＝３６０°÷１６＝２２．５°となっている。そして、各振動子４に対しては、その方位角φに応じて、図３に示すような制御位相角βをもった送信信号が個別に与えられる。
【００２０】
すなわち、振動子Ｋ（１）は方位角がφ＝２２．５°であるから、β＝２２．５°の制御位相角をもった送信信号が与えられる。振動子Ｋ（２）は方位角がφ＝４５°であるから、β＝４５°の制御位相角をもった送信信号が与えられる。同様にして、一般に振動子Ｋ（ｎ）については、方位角がφ＝ｎ・Δθとなるから、β＝ｎ・Δθの制御位相角をもった送信信号が与えられる。そして、振動子Ｋ（Ｎ）は方位角がφ＝３６０°であるから、β＝３６０°（つまり０°）の制御位相角をもった送信信号が与えられる。このようにして、送信信号の位相が振動子４の配列方向に沿って２２．５°ずつ変化し、一周で３６０°変化するようなリニアな位相制御が行なわれる。
【００２１】
以上のような位相制御を行なうと、各振動子４に加わる送信信号の位相がΔθずつずれているため、従来のように同一円周上にある全ての振動子４を同位相で駆動する場合に比べて、水底方向のサイドローブが減少する。すなわち、図２において、たとえば振動子Ｋ（１）と、これに対向する振動子Ｋ（９）とを考えた場合、振動子Ｋ（１）の送信信号の位相角はβ＝Δθ、振動子Ｋ（９）の送信信号の位相角はβ＝（１８０°＋Δθ）であるから、両者の位相差は１８０°となって逆相の関係にある。同様に、振動子Ｋ（２）と、これに対向する振動子Ｋ（１０）とを考えた場合、振動子Ｋ（２）の送信信号の位相角はβ＝２Δθ、振動子Ｋ（１０）の送信信号の位相角はβ＝（１８０°＋２Δθ）であるから、両者の位相差は１８０°となって、やはり逆相の関係にある。こうして、円周上に配列された全ての振動子４についてみた場合、対向する振動子の送信信号の位相が逆相となるため、水底方向では各振動子４からの超音波が打ち消しあい、この相殺効果によって水底方向へ生じるサイドローブ７を低減することができる。したがって、サイドローブ７による水底からの反射エコーが減少し、この反射エコーがメインビームに与える影響を極力小さくできる。
【００２２】
図４は、位相制御された送信信号の波形図を示している。送信信号は正弦波であって、各振動子Ｋ（１），Ｋ（２），…Ｋ（ｎ）に与えられる信号の位相はΔθずつずれており、上述したように対向する振動子Ｋ（１）およびＫ（９）の位相差は１８０°となって、逆相の関係にあることがわかる。
【００２３】
図５は、図４のような送信信号を生成するための駆動回路９の一例を示すブロック図である。図において、１０は正弦波信号を発生する信号発生器、１１は信号発生器１０で生成された正弦波信号を各振動子４の方位角に対応して所定の位相角だけ移相する複数の移相回路、１２は各移相回路１１から出力される送信信号を増幅して各振動子４に供給するパワーアンプである。
【００２４】
移相回路１１はΔθずつ位相角がずれた信号を発生するようになっており、移相回路Ｐ（１）からの出力はパワーアンプ１２で増幅されて、図４（ａ）の送信信号として振動子Ｋ（１）に与えられる。同様に、移相回路Ｐ（２）からの出力はパワーアンプ１２で増幅されて、図４（ｂ）の送信信号として振動子Ｋ（２）に与えられ、移相回路Ｐ（３）からの出力はパワーアンプ１２で増幅されて、図４（ｃ）の送信信号として振動子Ｋ（３）に与えられる。
【００２５】
信号発生器１０で生成される正弦波信号を
Ｓ＝ａ（ｔ）ｓｉｎ（２πｆｔ）
で表したとき、振動子Ｋ（ｎ）に対応する移相回路Ｐ（ｎ）から出力される送信信号は、次式で表すことができる。
Ｓ（ｎ，ｔ）＝ａ（ｔ）ｓｉｎ（２πｆｔ＋ｎ・Δθ）
｜ｔ｜≦Ｔ／２
ここで、ｆは送信信号の周波数、Ｔは送信信号の時間幅、ａ（ｔ）は送信信号のエンベロープである。
【００２６】
図６は、駆動回路９の他の例を示すブロック図である。図６では各振動子４の方位角に対応した所定の位相角Δθ，２Δθ，…ｎΔθを持った信号を独立して生成する複数の信号発生器１３を設け、各信号発生器１３からの出力をパワーアンプ１２を介して、送信信号として振動子４に供給するようにしている。
【００２７】
図７は、以上のような周方向の位相制御を行なった場合の送信指向特性と、周方向の位相制御を行わない場合の送信指向特性とを比較して示したもので、横軸は水平方向を０°とした場合の鉛直方向の傾斜角度（図１（ａ）のγ）を表し、縦軸は送信信号のレベル（ｄＢ）を表している。ここでは、γ＝３０°として超音波を送波した場合について比較している。図中、Ｍはメインビームを、ＳＬはサイドローブをそれぞれ示している。送信信号に対して周方向の位相制御を行わない場合は、図７（ａ）のように＋９０°方向（水底方向）に−１８ｄＢ程度の強いサイドローブＳＬ₉₀が発生しているが、周方向の位相制御を行なった場合には、＋９０°方向のサイドローブは−３０ｄＢ以下のレベルまで減少し、図７（ｂ）には表れなくなっている。なお、−９０°側のサイドローブも減少しているが、これは水底と反対方向のサイドローブであるから、本発明においてはあまり意味がない。
【００２８】
ところで、水中を広域に探知するためには、図１６でも述べたように、どの方向にも同じレベルの超音波を発射して無指向な音場を形成する必要があるが、本発明のように周方向の位相制御を行なった場合でも、この要求を満たすことができる。以下、これを図８により説明する。図８は円周上に無数の点音源（振動子）が配列された連続モデルを表している。
【００２９】
図８において、方位角φの点Ｑ１における振動子の制御位相角βはβ＝φ、点Ｑ１から角度α離れた点Ｑ２における振動子の制御位相角βは、β＝φ＋αである。また、点Ｑ１から十分遠方の点で超音波を受信した場合の、点Ｑ１から発射された超音波の伝播距離と、点Ｑ２から発射された超音波の伝播距離との差は、図よりｒ（１−ｃｏｓα）であるから、これより両者の位相差を求めると、
−ｋ・ｒ（１−ｃｏｓα）
となる。ここで、ｋは波数であって、ｋ＝２π／λ（λは波長）で定義される。
【００３０】
したがって、点音源の指向特性を±π／２の範囲で考えた場合、一般に方位角φの点における指向性関数Ｄ（φ）は、次のように表すことができる。
【式１】

上式より、指向性関数Ｄ（φ）の絶対値がφに依存しないことから、指向特性は無指向となることがわかる。
【００３１】
図９は、以上のような連続モデルで周方向の位相制御を行なって、超音波を送信した場合の波面（すなわち等位相面）を示しており、波面１６はらせん状となることがわかる。
【００３２】
以上においては、送信信号に対する周方向の位相制御につき説明したが、振動子４の鉛直配列方向に対しては、傾斜角度γに対応して各振動子４に加わる送信信号の位相を少しずつずらせるような位相制御が行なわれる。その原理は図１７と同様であり、送信ビームの波面がγの方向に対して直角となるように、送信信号の位相を鉛直方向に制御する。したがって、鉛直方向に位相制御されたそれぞれの送信信号に対して、さらに周方向の位相制御が行なわれることになる。
【００３３】
図１０は、水中探知装置の電気的構成を示したブロック図であり、たとえばスキャニングソナーとして構成した例である。図において、１は図１で示した球状の超音波送受波器、２１は送受波器１に送信信号を与える送信部、２２は送受波器１からエコー信号を受信する受信部、２３は送受波器１の動作を送信側と受信側とに切り換える送受切換部である。送信部２１には、図５または図６で示した駆動回路９が設けられる。２４は送受信制御や表示制御などを行なう制御部、２５は受信部２２が受信したエコー信号を解析して演算を行なう演算処理部であって、制御部２４および演算処理部２５は、たとえばマイクロコンピュータから構成される。２６は設定や操作を行なうための操作部、２７は演算処理部２５で演算されたデータを表示する表示部である。
【００３４】
上記構成からなるスキャニングソナーにおいて、制御部２４から送信部２１に送信指令が与えられると、送信部２１に備えられた駆動回路９（図５または図６）から、前述した位相制御された送信信号が出力され、送信側に切り換えられた送受切換部２３を介して、送受波器１から超音波が送信される。この超音波は水中の魚群や水底において反射し、そのエコー信号が送受波器１で受信される。このエコー信号は、受信側に切り換えられた送受切換部２３を介して受信部２２で受信され、演算処理部２５に与えられる。演算処理部２５では、エコー信号を解析して魚群等を検出するとともに水深値などを演算する。それらの結果は液晶ディスプレイ等からなる表示部２７に表示される。
【００３５】
本発明は、上述し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、図５においては、位相制御を行なう手段として複数の移相回路１１を備えた駆動回路９を例に挙げたが、移相回路に代えて遅延回路を用いることも可能である。図１１は、この場合の駆動回路９の一例を示すブロック図であり、図５と同一部分には同一符号を付してある。１０は正弦波信号を発生する信号発生器、１４は信号発生器１０で生成された正弦波信号を各振動子４の方位角に対応して所定の時間だけ遅延させる複数の遅延回路、１２は各遅延回路１４から出力される送信信号を増幅して各振動子４に供給するパワーアンプである。図１３は、図１１の駆動回路９によって位相制御された送信信号の波形図を示している。なお、図１１および図１３において、Ｄはオフセットディレイであって、図１３の場合（Ｎ＝１８）はＤ＝１８τとなる。
【００３６】
遅延回路１４はτずつ時間がずれた信号を発生するようになっており、遅延回路D（１）からの出力はパワーアンプ１２で増幅されて、図１３（ａ）の送信信号として振動子Ｋ（１）に与えられる。同様に、遅延回路D（２）からの出力はパワーアンプ１２で増幅されて、図１３（ｂ）の送信信号として振動子Ｋ（２）に与えられ、遅延回路D（１０）からの出力はパワーアンプ１２で増幅されて、図１３（ｃ）の送信信号として振動子Ｋ（１０）に与えられる。対向する振動子Ｋ（１）およびＫ（１０）の位相差は１８０°となって、逆相の関係にあることがわかる。
【００３７】
図１２は、駆動回路９の他の例を示すブロック図である。図１２では各振動子４の方位角に対応した所定の遅延時間τ，２τ，…ｎτを持った信号を独立して生成する複数の信号発生器１５を設け、各信号発生器１５からの出力をパワーアンプ１２を介して、送信信号として振動子４に供給するようにしている。
【００３８】
なお、本発明における位相制御の手段としては、以上のような移相回路や遅延回路などを用いたもののほかにも、マイクロコンピュータを用いてソフトウエア処理によって位相制御を行なう方法を採用することができる。
【００３９】
また、以上の実施形態では、送信信号の位相を周方向に一周で３６０°リニアに変化するように制御しているが、一周で３６０°×ηリニアに変化するように制御してもよい。ここで、ηは自然数（１，２，３，…）である。たとえばη＝３の場合は、一例として図１４に示すように、方位角１２０°につき位相が３６０°リニアに変化するような位相制御となる。なお、ηの値が振動子の数と同じであると、振動子間の位相差が３６０°で同相となり、打ち消しが行なわれなくなるので、ηの値は振動子の数と同じにならないように設定される。また、図２では各振動子４が同一円周上に等ピッチ（Δθ）で規則正しく並んで配列されているが、本発明では振動子４は必ずしも同一の円周上に並んでいる必要はなく、また、振動子４の配列間隔も一定である必要はない。
【００４０】
また、以上の実施形態では、超音波送受波器１として球状のものを例に挙げたが、本発明の送受波器は、回転体からなる本体の表面に多数の振動子が所定の方位を向いて周方向に配列されたものであればよく、図１６のような円筒状の送受波器にも適用することができる。この場合は、図１８に示したスポンジ５６やスポンジカバー５７を設ける必要がなくなり、構造が簡略化される。また、球や円筒以外の、たとえば円錐や回転楕円体などからなる送受波器、あるいは上部が円筒状で下部が半球状であるような送受波器にも、本発明は適用が可能である。
【００４１】
さらに、上記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、本発明はスキャニングソナーに限らず、潮流計などにも適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、各振動子に加わる送信信号の位相が周方向に変化するように位相制御を行なうことにより、水底方向のサイドローブが減少するので、水底からの反射エコーがメインビームに与える影響を小さくして、信頼性の高い水中探知装置を実現することができる。また、遮音材が不要であるため、部品を削減して安価に製作できるとともに、特殊形状をした送受波器の場合でも適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した球形の超音波送受波器と振動子の概略図である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３】位相制御を説明する図である。
【図４】振動子に与えられる送信信号の波形図である。
【図５】駆動回路のブロック図である。
【図６】駆動回路の他の例を示すブロック図である。
【図７】送信指向特性を示す図である。
【図８】位相制御を行なった場合の無指向性を説明する図である。
【図９】波面を示す図である。
【図１０】水中探知装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図１１】駆動回路の他の例を示すブロック図である。
【図１２】駆動回路の他の例を示すブロック図である。
【図１３】振動子に与えられる送信信号の波形図である。
【図１４】位相制御の他の例を示す図である。
【図１５】水中探知の原理を示す図である。
【図１６】円筒形の超音波送受波器の概略図である。
【図１７】鉛直方向の位相制御を説明する図である。
【図１８】遮音材を設けた従来の超音波送受波器の断面図である。
【図１９】球形の超音波送受波器の概略図である。
【符号の説明】
１超音波送受波器
２本体
３孔
４振動子
６メインビーム
７，８サイドローブ
９駆動回路
１０信号発生器
１１移相回路
１３信号発生器
１４遅延回路
１５信号発生器
φ 方位角[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an underwater detection device for detecting a wide range of underwater, in particular, an ultrasonic transducer in which a large number of transducers are arranged in a circumferential direction facing a predetermined direction on the surface of a main body made of a rotating body. The present invention relates to an apparatus for detecting underwater.
[0002]
[Prior art]
FIG. 15 shows the principle of detecting underwater information such as a school of fish and tidal currents using such an underwater detection device. In the figure, A is an underwater detection device mounted on the ship S, T is an ultrasonic transducer equipped in the underwater detection device A, Bs is a transmission beam emitted from the ultrasonic transducer T, and Br is a transmission beam. A reception beam for receiving an echo beam which is reflected by Bs reflected in water and Z is a water surface. The transmission beam Bs is emitted all at once in all directions in the water to form an umbrella-shaped beam. On the other hand, the reception beam Br is a beam having a predetermined directivity formed by scanning the ultrasonic transducer T electrically or mechanically in the circumferential direction. And the underwater information regarding a school of fish, a tidal current, etc. is calculated | required by analyzing the echo signal received by receiving beam Br.
[0003]
FIG. 16 is a schematic diagram of an ultrasonic transducer T provided in the underwater detection apparatus A. Reference numeral 50 denotes a cylindrical main body. On the surface of the main body 50, a large number of vibrators 51 are arranged in a circumferential direction facing a predetermined direction. When a transmission signal is applied to each transducer 51, each transducer 51 vibrates and a transmission beam is emitted from the ultrasonic transducer T into the water. And an echo signal is detected. Here, the transmission signal applied to the transducer 51 is a sine wave signal, and transmission signals having the same amplitude and the same phase are given to all the transducers 51 on the same circumference. Therefore, the ultrasonic transducer T emits a transmission beam Bs having the same signal level in any direction, thereby forming an omnidirectional sound field.
[0004]
The directivity characteristic of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer T in the horizontal direction x is divided into a main beam 52 in the x direction and

side lobes

53 and 54 generated in the vertical direction with respect to the x direction. The main beam 52 is an original underwater detection beam, and its launch direction is the horizontal direction x as indicated by the solid line in the figure unless the phase of the transmission signal applied to the vibrator 51 is controlled. By controlling the phase of the added transmission signal in the vertical direction, it is possible to set an arbitrary angle γ (tilt angle) as indicated by a broken line in the figure. That is, as shown in FIG. 17, the phase of the transmission signal applied to the transducer 51 is vertically adjusted so that the wavefront 502 of the transmission beam 501 from the ultrasonic transducer T is perpendicular to the direction x ′ of the angle γ. Shift the phase little by little to control the phase.
[0005]
On the other hand, the

side lobes

53 and 54 are signals unnecessary for underwater detection. Among these, the upper side lobe 53 has little adverse effect, but the lower side lobe 54 poses a problem as a harmful signal. That is, since the side lobe 54 is generated toward the bottom of the water, the influence of the reflected echo from the underwater reflector (particularly the bottom of the water) on the main beam 52 is increased, and this causes an original echo signal from the main beam 52. May not be detected correctly.
[0006]
In particular, in the ultrasonic transducer T in which transducers are arranged on the circumference as shown in FIG. 16, the distances from the transducers 51 on the same circumference to the bottom of the water are the same. When the transmission signals applied to the transducers 51 have the same phase, the ultrasonic waves emitted from the transducers 51 overlap and strengthen each other in the water bottom direction, so that a high level side lobe 54 is generated. As a result, the echo reflected from the bottom of the water by the side lobe 54 increases, and the echo signal by the main beam 52 cannot be distinguished from the echo signal by the side lobe 54, and accurate underwater information such as fish school cannot be obtained. . Therefore, it is necessary to reduce the side lobes 54 generated in the water bottom direction as much as possible by some means.
[0007]
As a countermeasure against this, an ultrasonic transducer T having a sound insulation structure as shown in FIG. 18 has been conventionally employed. In the figure, 50 is the main body of the transducer, 51 is the vibrator, and these are the same as those shown in FIG. 55 is a casing made of urethane rubber or the like that covers the

main body

50, and 56 is a sound insulating sponge provided on the lower surface of the casing 55, which is made of, for example, a sponge made of chloroprene rubber. A sponge cover 57 is provided so as to cover the sponge 56 from the outside. The sponge 56 is sandwiched between the sponge cover 57 and the lower surface of the housing 55. 58 is a fixing member for attaching the sponge cover 57 to the

housing

55, and 59 is a cable electrically connected to the vibrator 51.
[0008]
According to such a structure, the side lobe 54 toward the bottom of the water shown in FIG. 16 is absorbed by the sponge 56 that is a sound insulating material, so that reflection echoes from the water by the side lobe 54 are reduced, and the main beam is reduced. The echo signal by 52 can be extracted accurately.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the structure shown in FIG. 18 requires the sponge 56 and the sponge cover 57 as sound insulation materials, which increases the number of parts and costs, increases the number of assembly steps, and increases the size. Further, as shown in FIG. 19, the ultrasonic transducer T includes a spherical transducer in which vibrators (not shown) are accommodated in a large number of holes 61 formed on the surface of the spherical main body 60. In this case, since the hole 61 exists also in the bottom part of the main body 60, there is a problem that the above-described sponge 56 cannot be provided.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide an underwater detection device that can be manufactured in a small and inexpensive manner without using a sound insulating material and that can be applied to a transducer having a special shape such as a spherical shape.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the underwater detection device according to the present invention has a large number of transducers arranged in the circumferential direction on the surface of a main body made of a rotator, and the phase of a transmission signal applied to each transducer is the circumference of the rotator. Phase control is performed so as to change in the direction. Here, the rotating body refers to a solid formed as a result of rotating a plane figure around a straight line on the same plane. The circumferential direction means the direction of rotation of the rotating body. For example, a sphere is a rotating body that is generated by rotating a circle around its diameter. The rotating body of the present invention includes a sphere, a cylindrical body, a cone, a spheroid, and the like.
[0012]
By performing such phase control, the phase of the ultrasonic wave transmitted from each transducer is slightly shifted in the circumferential direction, and there are those that are in a phase relationship that cancel each other when viewed over the entire circumference. Will do. Therefore, the side lobe generated in the water bottom direction can be suppressed by this cancellation, and reflected echoes from the water due to the side lobe are reduced as compared with the case of transmitting in the same phase toward all directions. As a result, the influence of the reflected echo on the main beam can be reduced and the echo signal from the main beam can be accurately extracted, so that it is not necessary to provide a sound insulating material as in the prior art. In addition, since a sound insulating material is not required, the present invention can be applied to a transducer having a special shape such as a spherical shape.
[0013]
As a phase control method, the phase control is performed so that the phase of the transmission signal applied to each vibrator changes linearly by 360 ° × η (η is a natural number) in the circumferential direction of the rotating body. For each transducer, a transmission signal having a control phase angle corresponding to the azimuth angle is individually given. . For example, when η = 1 and 16 vibrators are arranged at equal intervals in the circumferential direction, the phase of the transmission signal changes by 22.5 ° in the circumferential direction and changes by 360 ° in one round. Then, the phase difference between the transmission signals applied to the pair of opposed transducers is 180 °. Therefore, in this case, the phases of the ultrasonic waves transmitted from the respective transducers are opposite to the phases of the ultrasonic waves transmitted from the opposing transducers. By canceling out the entire circumference, side lobes are significantly reduced. As a result, the influence of the reflected echo from the bottom of the water caused by the side lobes can be minimized, and the underwater information can be detected more accurately.
[0014]
There are various methods for changing the phase of the transmission signal. For example, a plurality of phase shift circuits that phase-shift the signal generated by the signal generator by a predetermined phase angle corresponding to the azimuth angle of each transducer. It is conceivable that the output from each phase shift circuit is supplied to the vibrator as a transmission signal. Further, instead of the phase shift circuit, a plurality of delay circuits that delay the signal generated by the signal generator for a predetermined time corresponding to the azimuth angle of each transducer may be used. Furthermore, instead of providing a signal generator and a plurality of phase shift circuits or delay circuits, a plurality of signals that independently generate signals having a predetermined phase angle or a predetermined delay time corresponding to the azimuth angle of each transducer. A generator may be provided.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A shows an example of an ultrasonic transducer to which the present invention is applied, which is the same spherical transducer as that shown in FIG. In the figure, 1 is an ultrasonic transducer, 2 is a main body made of a sphere, 5 is a cable drawn out from the main body 2, and a large number of holes 3 are formed on the surface of the main body 2. Ultrasonic vibrators 4 as shown in FIG. 1B are accommodated in these holes 3, respectively. And the ultrasonic transducer | vibrator 4 accommodated in the hole 3 is arranged in the circumferential direction facing a predetermined direction.
[0016]
6 is a main beam for underwater detection transmitted from the ultrasonic transducer 1 in the horizontal direction x, 7 is a side lobe generated in the bottom direction, and 8 is a side lobe generated in a direction opposite to the bottom direction. These are the same as the main beam 52 and the

side lobes

53 and 54 shown in FIG. 16, and the emission direction of the main beam is controlled in the vertical direction by the same principle as in FIG. By doing so, it is possible to set an arbitrary tilt angle γ as in the case of FIG.
[0017]
The cylindrical ultrasonic transducer T shown in FIG. 16 can form an umbrella-shaped beam to detect a wide range in the water, but cannot transmit a detection beam directly under the ship. Although it cannot be detected, the spherical ultrasonic transducer 1 as shown in FIG. 1 has a vibrator at the bottom, so that an umbrella-shaped beam can be formed. You can also send a beam to detect the school of fish under the ship.
[0018]
As shown in FIG. 1B, the vibrator 4 includes a known Langevin vibrator including a head mass 41 and a tail mass 42 that also serve as electrodes, a piezoelectric element 43 sandwiched therebetween, and lead

wires

44 and 45. . The head mass 41 is made of aluminum or the like, and is disposed so as to face the outside from the hole 3 of the main body 2. The head mass 41 transmits ultrasonic waves in a predetermined direction and receives echoes from underwater. The piezoelectric element 43 is made of, for example, piezoelectric ceramic, and vibrates when a transmission signal voltage is applied via the

lead wires

44 and 45. This vibration is transmitted to the head mass 41 and ultrasonic waves are transmitted. Further, when receiving an echo reflected in water, the vibration of the head mass 41 is transmitted to the piezoelectric element 43 and converted into a voltage, which is taken out from the

lead wires

44 and 45 as an electrical signal. Instead of the vibrator 4 as described above, a magnetostrictive element having a structure in which a coil is wound around a ferrite may be used.
[0019]
FIG. 2 is a principle diagram when the phase control is performed using the spherical ultrasonic transducer 1 as described above. 2, K (1), K (2),... K (N) indicate the vibrators 4 arranged on the circumference when FIG. N pieces of children 4 are arranged at an angle pitch of Δθ in a predetermined direction. In this example, N = 16, and therefore Δθ = 360 ° ÷ 16 = 22.5 °. Each transducer 4 is individually given a transmission signal having a control phase angle β as shown in FIG. 3 according to the azimuth angle φ.
[0020]
That is, since the azimuth angle of the vibrator K (1) is φ = 22.5 °, a transmission signal having a control phase angle of β = 22.5 ° is given. Since the azimuth angle of the vibrator K (2) is φ = 45 °, a transmission signal having a control phase angle of β = 45 ° is given. Similarly, since the azimuth angle is generally φ = n · Δθ for the vibrator K (n), a transmission signal having a control phase angle of β = n · Δθ is given. Since the vibrator K (N) has an azimuth angle of φ = 360 °, a transmission signal having a control phase angle of β = 360 ° (that is, 0 °) is given. In this way, linear phase control is performed such that the phase of the transmission signal changes by 22.5 ° along the arrangement direction of the transducers 4 and changes by 360 ° in one round.
[0021]
When the phase control as described above is performed, the phase of the transmission signal applied to each transducer 4 is shifted by Δθ, and thus all the transducers 4 on the same circumference are driven with the same phase as in the prior art. Compared with, side lobes in the bottom direction are reduced. That is, in FIG. 2, for example, when considering the vibrator K (1) and the vibrator K (9) opposed thereto, the phase angle of the transmission signal of the vibrator K (1) is β = Δθ, and the vibrator Since the phase angle of the transmission signal of K (9) is β = (180 ° + Δθ), the phase difference between them is 180 °, which is in a reverse phase relationship. Similarly, when considering the vibrator K (2) and the vibrator K (10) facing the vibrator K (2), the phase angle of the transmission signal of the vibrator K (2) is β = 2Δθ, and the vibrator K (10). Since the phase angle of the transmission signal is β = (180 ° + 2Δθ), the phase difference between the two is 180 °, which is also in a reverse phase relationship. Thus, when all the transducers 4 arranged on the circumference are viewed, the phase of the transmission signal of the opposing transducers is reversed, so that the ultrasonic waves from the transducers 4 cancel each other in the water bottom direction. The side lobes 7 generated in the water bottom direction due to the canceling effect can be reduced. Therefore, the reflection echo from the water bottom by the side lobe 7 is reduced, and the influence of the reflection echo on the main beam can be minimized.
[0022]
FIG. 4 shows a waveform diagram of a phase-controlled transmission signal. The transmission signal is a sine wave, and the phase of the signal applied to each transducer K (1), K (2),... K (n) is shifted by Δθ. It can be seen that the phase difference between 1) and K (9) is 180 °, which is in a reverse phase relationship.
[0023]
FIG. 5 is a block diagram showing an example of the drive circuit 9 for generating the transmission signal as shown in FIG. In the figure, 10 is a signal generator for generating a sine wave signal, and 11 is a plurality of phases for shifting the sine wave signal generated by the signal generator 10 by a predetermined phase angle corresponding to the azimuth angle of each transducer 4. A phase shift circuit 12 is a power amplifier that amplifies the transmission signal output from each phase shift circuit 11 and supplies the amplified signal to each transducer 4.
[0024]
The phase shift circuit 11 generates a signal whose phase angle is shifted by Δθ, and the output from the phase shift circuit P (1) is amplified by the power amplifier 12 as the transmission signal of FIG. It is given to the vibrator K (1). Similarly, the output from the phase shift circuit P (2) is amplified by the power amplifier 12 and given to the vibrator K (2) as the transmission signal in FIG. 4B, and the output from the phase shift circuit P (3). The output is amplified by the power amplifier 12 and given to the vibrator K (3) as the transmission signal in FIG. 4 (c).
[0025]
A sine wave signal generated by the signal generator 10
S = a (t) sin (2πft)
The transmission signal output from the phase shift circuit P (n) corresponding to the vibrator K (n) can be expressed by the following equation.
S (n, t) = a (t) sin (2πft + n · Δθ)
| T | ≦ T / 2
Here, f is the frequency of the transmission signal, T is the time width of the transmission signal, and a (t) is the envelope of the transmission signal.
[0026]
FIG. 6 is a block diagram illustrating another example of the drive circuit 9. In FIG. 6, a plurality of signal generators 13 for independently generating signals having predetermined phase angles Δθ, 2Δθ,... NΔθ corresponding to the azimuth angles of the vibrators 4 are provided, and outputs from the signal generators 13 are provided. Is supplied to the vibrator 4 as a transmission signal via the power amplifier 12.
[0027]
FIG. 7 shows a comparison between the transmission directivity characteristics when the circumferential phase control is performed as described above and the transmission directivity characteristics when the circumferential phase control is not performed. The inclination angle in the vertical direction (γ in FIG. 1A) when the direction is 0 ° is represented, and the vertical axis represents the level (dB) of the transmission signal. Here, a comparison is made for the case where ultrasonic waves are transmitted with γ = 30 °. In the figure, M indicates a main beam and SL indicates a side lobe. When the circumferential phase control is not performed on the transmission signal, a strong side lobe SL of about −18 dB in the + 90 ° direction (bottom direction) as shown in FIG. ₉₀ However, when the phase control in the circumferential direction is performed, the side lobe in the + 90 ° direction is reduced to a level of −30 dB or less and does not appear in FIG. In addition, although the side lobe on the −90 ° side is also decreased, this is a side lobe in the direction opposite to the bottom of the water, so it is not meaningful in the present invention.
[0028]
By the way, in order to detect underwater in a wide area, as described in FIG. 16, it is necessary to emit ultrasonic waves of the same level in any direction to form an omnidirectional sound field. Even when the circumferential phase control is performed, this requirement can be satisfied. This will be described below with reference to FIG. FIG. 8 shows a continuous model in which an infinite number of point sound sources (vibrators) are arranged on the circumference.
[0029]
In FIG. 8, the control phase angle β of the vibrator at the point Q1 at the azimuth angle φ is β = φ, and the control phase angle β of the vibrator at the point Q2 away from the point Q1 by the angle α is β = φ + α. In addition, the difference between the propagation distance of the ultrasonic wave emitted from the point Q1 and the propagation distance of the ultrasonic wave emitted from the point Q2 when the ultrasonic wave is received at a point sufficiently distant from the point Q1 is r in FIG. Since (1-cos α), when the phase difference between the two is obtained from this,
−k · r (1-cos α)
It becomes. Here, k is a wave number and is defined by k = 2π / λ (λ is a wavelength).
[0030]
Therefore, when the directivity characteristics of the point sound source are considered in a range of ± π / 2, generally, the directivity function D (φ) at the point of the azimuth angle φ can be expressed as follows.
[Formula 1]

From the above equation, it can be seen that the directivity is non-directional because the absolute value of the directivity function D (φ) does not depend on φ.
[0031]
FIG. 9 shows a wavefront (that is, an equiphase surface) when the ultrasonic wave is transmitted by performing circumferential phase control using the continuous model as described above, and it can be seen that the wavefront 16 has a spiral shape.
[0032]
In the above, the circumferential phase control with respect to the transmission signal has been described. However, with respect to the vertical arrangement direction of the transducers 4, the phase of the transmission signal applied to each transducer 4 is slightly shifted corresponding to the inclination angle γ. Such phase control is performed. The principle is the same as in FIG. 17, and the phase of the transmission signal is controlled in the vertical direction so that the wavefront of the transmission beam is perpendicular to the direction of γ. Therefore, further circumferential phase control is performed for each transmission signal whose phase is controlled in the vertical direction.
[0033]
FIG. 10 is a block diagram showing an electrical configuration of the underwater detection device, and is an example configured as a scanning sonar, for example. In the figure, 1 is the spherical ultrasonic wave transmitter / receiver shown in FIG. 1, 21 is a transmission unit that provides a transmission signal to the

transducer

1, 22 is a reception unit that receives an echo signal from the

transducer

1, and 23 is a transmission / reception unit. A transmission / reception switching unit that switches the operation of the waver 1 between a transmission side and a reception side. The transmitter 21 is provided with the drive circuit 9 shown in FIG. 5 or FIG. Reference numeral 24 denotes a control unit that performs transmission / reception control, display control, and the like. Reference numeral 25 denotes an arithmetic processing unit that performs an operation by analyzing an echo signal received by the receiving unit 22. The control unit 24 and the arithmetic processing unit 25 are, for example, a microcomputer. Consists of Reference numeral 26 denotes an operation unit for performing settings and operations, and 27 denotes a display unit for displaying data calculated by the arithmetic processing unit 25.
[0034]
In the scanning sonar having the above configuration, when a transmission command is given from the control unit 24 to the transmission unit 21, the above-described phase-controlled transmission signal is transmitted from the drive circuit 9 (FIG. 5 or 6) provided in the transmission unit 21. Is output, and the ultrasonic wave is transmitted from the transducer 1 through the transmission / reception switching unit 23 switched to the transmission side. The ultrasonic waves are reflected by the underwater fish school and the bottom of the water, and the echo signal is received by the transducer 1. This echo signal is received by the receiving unit 22 via the transmission / reception switching unit 23 switched to the receiving side, and is given to the arithmetic processing unit 25. The arithmetic processing unit 25 analyzes the echo signal to detect a school of fish and the like and calculates a water depth value and the like. Those results are displayed on the display unit 27 including a liquid crystal display or the like.
[0035]
The present invention can employ various embodiments other than those described above. For example, in FIG. 5, the drive circuit 9 including the plurality of phase shift circuits 11 is exemplified as a means for performing phase control, but a delay circuit may be used instead of the phase shift circuit. FIG. 11 is a block diagram showing an example of the drive circuit 9 in this case, and the same parts as those in FIG. 10 is a signal generator for generating a sine wave signal, 14 is a plurality of delay circuits for delaying the sine wave signal generated by the signal generator 10 for a predetermined time corresponding to the azimuth angle of each transducer 4, 12 This is a power amplifier that amplifies the transmission signal output from each delay circuit 14 and supplies the amplified signal to each transducer 4. FIG. 13 shows a waveform diagram of a transmission signal whose phase is controlled by the drive circuit 9 of FIG. 11 and 13, D is an offset delay, and in the case of FIG. 13 (N = 18), D = 18τ.
[0036]
The delay circuit 14 generates a signal whose time is shifted by τ. The output from the delay circuit D (1) is amplified by the power amplifier 12, and the oscillator K is used as the transmission signal in FIG. Given in (1). Similarly, the output from the delay circuit D (2) is amplified by the power amplifier 12 and given to the vibrator K (2) as the transmission signal in FIG. 13B, and the output from the delay circuit D (10) is Amplified by the power amplifier 12 and applied to the vibrator K (10) as the transmission signal of FIG. It can be seen that the phase difference between the opposing vibrators K (1) and K (10) is 180 °, which is in a reverse phase relationship.
[0037]
FIG. 12 is a block diagram illustrating another example of the drive circuit 9. In FIG. 12, a plurality of signal generators 15 for independently generating signals having predetermined delay times τ, 2τ,... Nτ corresponding to the azimuth angles of the respective vibrators 4 are provided, and outputs from the signal generators 15 are provided. Is supplied to the vibrator 4 as a transmission signal via the power amplifier 12.
[0038]
As a means for phase control in the present invention, a method of performing phase control by software processing using a microcomputer other than those using the above-described phase shift circuit or delay circuit may be adopted. it can.
[0039]
Further, in the above embodiment, the phase of the transmission signal is controlled so as to change 360 ° linearly in one turn in the circumferential direction, but may be controlled so as to change 360 ° × η linear in one turn. Here, η is a natural number (1, 2, 3,...). For example, when η = 3, as shown in FIG. 14 as an example, the phase control is such that the phase changes linearly at 360 ° for an azimuth angle of 120 °. If the value of η is the same as the number of vibrators, the phase difference between the vibrators is in-phase at 360 °, and cancellation is not performed. Therefore, the value of η is not the same as the number of vibrators. Is set. In FIG. 2, the vibrators 4 are regularly arranged on the same circumference at an equal pitch (Δθ). However, in the present invention, the vibrators 4 do not necessarily have to be arranged on the same circumference. Further, the arrangement interval of the vibrators 4 need not be constant.
[0040]
In the above embodiment, the ultrasonic transducer 1 is exemplified as a spherical one. However, in the transducer according to the present invention, a large number of transducers have a predetermined orientation on the surface of a main body made of a rotating body. It is only necessary to be arranged in the circumferential direction so that it can be applied to a cylindrical transducer as shown in FIG. In this case, it is not necessary to provide the sponge 56 and the sponge cover 57 shown in FIG. 18, and the structure is simplified. Further, the present invention can be applied to a transducer other than a sphere or a cylinder, for example, a transducer made of a cone or a spheroid, or a transducer having an upper portion in a cylindrical shape and a lower portion in a hemisphere.
[0041]
Furthermore, in the above-described embodiment, the scanning sonar is taken as an example of the underwater detection device, but the present invention is not limited to the scanning sonar and can be applied to a tide meter and the like.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, by performing phase control so that the phase of the transmission signal applied to each transducer changes in the circumferential direction, side lobes in the bottom direction are reduced, so that reflected echoes from the bottom are given to the main beam. It is possible to realize a highly reliable underwater detection device by reducing the influence. Further, since a sound insulating material is unnecessary, it can be manufactured at a low cost by reducing the number of parts, and it can be applied even to a transducer having a special shape.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a spherical ultrasonic transducer and vibrator to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating phase control.
FIG. 4 is a waveform diagram of a transmission signal given to a vibrator.
FIG. 5 is a block diagram of a drive circuit.
FIG. 6 is a block diagram illustrating another example of a drive circuit.
FIG. 7 is a diagram showing transmission directivity characteristics.
FIG. 8 is a diagram illustrating omnidirectionality when phase control is performed.
FIG. 9 is a diagram illustrating a wavefront.
FIG. 10 is a block diagram showing an electrical configuration of the underwater detection device.
FIG. 11 is a block diagram illustrating another example of a drive circuit.
FIG. 12 is a block diagram illustrating another example of a drive circuit.
FIG. 13 is a waveform diagram of a transmission signal given to a vibrator.
FIG. 14 is a diagram illustrating another example of phase control.
FIG. 15 is a diagram illustrating the principle of underwater detection.
FIG. 16 is a schematic view of a cylindrical ultrasonic transducer.
FIG. 17 is a diagram illustrating vertical phase control.
FIG. 18 is a cross-sectional view of a conventional ultrasonic transducer provided with a sound insulating material.
FIG. 19 is a schematic view of a spherical ultrasonic transducer.
[Explanation of symbols]
1 Ultrasonic transducer
2 body
3 holes
4 vibrator
6 Main beam
7,8 Sidelobe
9 Drive circuit
10 Signal generator
11 Phase shift circuit
13 Signal generator
14 Delay circuit
15 Signal generator
φ Azimuth

Claims

回転体からなる本体の表面に多数の振動子が所定の方位を向いて周方向に配列された超音波送受波器と、
前記各振動子に送信信号を与えて超音波を送信させる駆動回路とを備え、
前記駆動回路は、各振動子に加わる送信信号の位相が前記周方向に一周で３６０°×η（ηは自然数）リニアに変化するように位相制御を行ない、各振動子に対して、その方位角に応じた制御位相角をもった送信信号を個別に与えることを特徴とする水中探知装置。An ultrasonic transducer in which a large number of transducers are arranged in a circumferential direction in a predetermined direction on the surface of a main body made of a rotating body;
A drive circuit that transmits a ultrasonic wave by giving a transmission signal to each transducer,
Wherein the driving circuit, have row phase control so that the phase of the transmitted signal applied to the transducer (the eta natural number) 360 ° × η in round in the circumferential direction varies linearly for each transducer, An underwater detection apparatus characterized by individually giving a transmission signal having a control phase angle corresponding to the azimuth angle .

前記駆動回路は、信号発生器と、この信号発生器で生成された信号を各振動子の方位角に対応して所定の位相角だけ移相する複数の移相回路とを有し、各移相回路からの出力を送信信号として振動子に供給する請求項１に記載の水中探知装置。The drive circuit includes a signal generator and a plurality of phase shift circuits that phase-shift the signal generated by the signal generator by a predetermined phase angle corresponding to the azimuth angle of each transducer. The underwater detection device according to claim 1, wherein an output from the phase circuit is supplied to the vibrator as a transmission signal.

前記駆動回路は、各振動子の方位角に対応した所定の位相角を持った信号を独立して生成する複数の信号発生器を有し、各信号発生器からの出力を送信信号として振動子に供給する請求項１に記載の水中探知装置。The drive circuit has a plurality of signal generators that independently generate signals having a predetermined phase angle corresponding to the azimuth angle of each vibrator, and outputs from each signal generator as vibrators The underwater detection device according to claim 1, which is supplied to the underwater detection device.

前記駆動回路は、信号発生器と、この信号発生器で生成された信号を各振動子の方位角に対応して所定の時間だけ遅延させる複数の遅延回路とを有し、各遅延回路からの出力を送信信号として振動子に供給する請求項１に記載の水中探知装置。The drive circuit includes a signal generator and a plurality of delay circuits that delay a signal generated by the signal generator for a predetermined time corresponding to the azimuth angle of each transducer. The underwater detection device according to claim 1, wherein an output is supplied to the vibrator as a transmission signal.

前記駆動回路は、各振動子の方位角に対応した所定の遅延時間を持った信号を独立して生成する複数の信号発生器を有し、各信号発生器からの出力を送信信号として振動子に供給する請求項１に記載の水中探知装置。The drive circuit has a plurality of signal generators that independently generate signals having a predetermined delay time corresponding to the azimuth angle of each transducer, and outputs from each signal generator as transducers The underwater detection device according to claim 1, which is supplied to the underwater detection device.

送信ビームの鉛直方向の傾斜角度に対応して、各振動子に加わる送信信号の位相を鉛直方向に制御する請求項１ないし５のいずれかに記載の水中探知装置。In response to the inclination angle in the vertical direction of the transmitted beam, underwater detection system according to any one of claims 1 to 5 for controlling the phase of the transmission signal applied to the transducers in the vertical direction.