JP4810810B2 - ソーナー方法及び水中画像ソーナー - Google Patents

Description

本発明は、水中画像ソーナーに関し、特に送波音が目標に当って発生する反射音を周波数分別することにより、ターゲットの正面画像を得る水中画像ソーナーに関する。

従来のこの種の水中画像ソーナーは、送波音を水中に発信するＮ個の直線状に配列された送波器に対して、水中の目標から反射した反射音を受波するＭ個の受波器が、送波器の配列とは十字形となるように直交配列されている。

また、この従来技術の動作は、所定の時間にわたって送信音の周波数を所定の範囲で直線的に変化させると共に、同じ所定の時間にわたって送信ビーム方向を所要の範囲で直線的に垂直方向に変化させることとしている。すなわち、横広の扇を広げた音響ビーム（ファンビーム）を上から下へ送出方向を変えながら音響信号を送波して、ターゲットからの反射音を、水平方向に角度をシフトした多数の縦広のファンビームで受波する。垂直方向は周波数の違いから分割し、水平方向は受信ビームの角度で分割することにより高精度の画像を作り出している。（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、鮮明な画像を得るために、受信ビームの本数を増加することが必要とされ、従って受信信号の処理が増加し、よってＣＰＵ（ＤＳＰ）処理時間が増大することとなる。また、消費電力が増大するという問題もある。

特開平１０−１３２９３０号公報

上述した従来の水中画像ソーナーは、鮮明な画像を得るために、受信ビームの本数を増加する必要があることから、受信信号の処理が増加し、処理時間が増大するという欠点がある。

本発明の目的は、このような従来の欠点を除去するため、周波数帯の異なる直交配列の送波器で送波し、各周波数帯別に受波した周波数をマトリックス状にデマッピングして受信ビーム方向とすることにより、受信ビーム数を減らし、データ処理量を削減して高速な処理が可能な水中画像ソーナーを提供することにある。

本発明のソーナー方法は、直線状に直交配列された複数の送波器を有し、各配列に異なる周波数帯を割り当て、送信ビーム方向の切り替えと同期してマトリックス状にマッピングした周波数にて音響信号を送波し、ターゲットから反射した前記音響信号を各周波数帯に対応する受波器で受波し、受波した周波数の組み合わせを各周波数帯に基づいて直交座標にデマッピングして受信ビーム方向を認識することを特徴としている。

また、本発明のソーナー方法は、直線状に直交配列された複数の送波器を有し、各配列に異なる周波数帯を割り当て、送信ビーム方向の切り替えと同期してマトリックス状にマッピングした周波数にて音響信号を送波し、ターゲットから反射した前記音響信号を各周波数帯に対応する受波器で受波し、受波した周波数の組み合わせを各周波数帯に基づいて直交座標にデマッピングし、前記受波した周波数を各周波数帯間でそれぞれ乗算し、乗算した結果の周波数成分の大きさに基づいて重み付けし、デマッピングによる受信ビーム方向と重み付け結果とより前記ターゲットの画像を得ることを特徴としている。

また、前記複数の送波器は、水平／垂直方向の各１列から成るクロスファンビーム方式とすることを特徴としている。

また、前記受波器は、各周波数帯に対応する２つの無指向性受波器で構成されることを特徴としている。

また、前記重み付けは、前記周波数成分の大きさに基づいた、単一色の濃淡または多色組み合わせであることを特徴としている。

また、本発明の水中画像ソーナーは、水中に送波音を放射する複数の送波手段と、前記複数の送波手段から放射される前記送波音の送信ビーム方向を走査すると共に、該走査に同期して該送波音の周波数を漸次連続的に制御する制御手段と、前記送波音がターゲットにより反射されて得られた反射音を受波して電気信号に変換する２つの受波手段と、前記２つの受波手段から出力されたそれぞれの信号を乗算する乗算手段と、前記乗算手段から出力された周波数を分別し、各分別された周波数成分毎にレベルを検出する周波数分別手段と、各分別された周波数と検出されたレベルとから画像データを生成する目標検出処理手段と、前記画像データを表示する表示手段と、を有することを特徴としている。

また、前記送波手段は、直線状に直交配列された複数の送波器より構成され、水平方向と垂直方向で異なる周波数帯が割り当てられたことを特徴としている。

また、前記送波手段は、送信ビーム方向の切り替えと同期してマトリックス状にマッピングした周波数にて音響信号を送波することを特徴としている。

また、前記受波手段は、各周波数帯に対応する２つの無指向性受波器で構成されることを特徴としている。

また、前記画像データは、周波数成分毎に検出されたレベルに基づいた、単一色の濃淡または多色組み合わせより得られることを特徴としている。

本発明のソーナー方法及び水中画像ソーナーによれば、周波数帯の異なる直交配列の送波器で送波し、各周波数帯別に受波した周波数をマトリックス状にデマッピングして受信ビーム方向とすることにより、受信ビーム数を減らし、データ処理量を削減することができる効果がある。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の水中画像ソーナーの一つの実施の形態を示すブロック図である。図１（ａ）は送信部を、図１（ｂ）は受信部をそれぞれ示している。

図１に示す本実施の形態の水中画像ソーナーは、その送信部が送信制御部１、ビームシフト２、電力増幅部３および送波器４を含んで構成されている。また、受信部が受波器５、前置増幅部６、帯域制限部７、Ａ／Ｄ変換部８、乗算器９、帯域制限器１０、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）１１および目標検出部１２を含んで構成されている。

次に、本発明を実施するための最良の形態の動作について図面を参照して説明する。まず、送信部について説明する。

送信制御部１は、異なる周波数帯（Ｆ帯域、ｆ帯域）の周波数変調信号１０１（励振信号）を生成してビームシフト２に出力するとともに、ビームシフト２に対して位相シフト量を制御する位相制御信号１０２を出力する。この位相シフト量は、送信ビーム方向が切り替えられる都度、送信周波数の可変ステップと合わせて所要の送信ビーム方向が得られるように設定される。

ビームシフト２は、送信制御部１から励振信号１０１と位相制御信号１０２とを入力し、送波素子の配列数に相当する各移相器（Ｘ方向ｘ１〜ｘｉ、Ｙ方向ｙ１〜ｙｊ）に対して、送信ビーム方向を定めるための位相制御を行い、位相制御された信号２０１のそれぞれを電力増幅部３に送出する。

電力増幅部３は、位相制御された信号２０１のそれぞれを所定のレベルまで増幅し、送波器４を構成する送波素子のそれぞれに送信波形３０１を送出する。

送波器４は、Ｘ（水平）方向およびＹ（垂直）方向に配列された送波素子（Ｘ方向ｘ１〜ｘｉ、Ｙ方向ｙ１〜ｙｊ）を備え、送信波形３０１をそれぞれ音響信号に変換して、Ｘ方向配列およびＹ方向配列の各送波素子に供給する。各配列素子は、Ｘ方向およびＹ方向に送信ビーム方向がそれぞれ制御されることにより、２次元空間において所定の走査手順に基づく送信ビーム方向で送信音（音響信号）４０１を水中に放射する。すなわち、これら複数の送波器は、水平／垂直方向の各１列から成るクロスファンビーム方式として構成されている。

次に、受信系について説明する。受波器５は、送波された音響信号４０１がターゲットから反射し、帰ってきた反響音をＦ帯域用、ｆ帯域用各々の受信用の受波素子５１、５２で受信し、それぞれ電気信号５０１に変換する。

前置増幅部６は、電気信号５０１のそれぞれを所定のレベルまで増幅した波形６０１を出力する。

帯域制限部７は、入力された波形６０１を、Ｆ帯域用またはｆ帯域用のフィルタ７１、７２によりそれぞれの信号帯域を抽出してＡ／Ｄ変換部８に送出する。

Ａ／Ｄ変換部８は、アナログ信号７０１をデジタル信号８０１に変換する。

乗算器９は、Ｆ帯域とｆ帯域との各周波数信号を乗算した信号９０１を出力する。

帯域制限器１０は、乗算器９から出力された信号９０１に含まれる、高域の｜Ｆ＋ｆ｜帯域および低域の｜Ｆ−ｆ｜帯域から、例えばハイパスフィルタを用いて高域の信号１００１のみを取り出す。ここで、｜Ｆ−ｆ｜は、Ｆ−ｆの絶対値を示し、仮にＦ〈ｆの関係の場合には、低域のｆ−Ｆ帯域となる。

ＦＦＴ１１は、帯域制限器１０から出力された高域の信号１００１より、周波数成分を分別する。

目標検出部１２は、入力されたデータ１１０１より、分別された各周波数成分のレベルに応じて重み付けし、色もしくは濃淡情報に変換する。また、各周波数成分がＦ帯域およびｆ帯域のいずれの組み合わせかに基づいて、マトリックス状に配列し画像を生成する。生成された画像は、図示しない表示器（表示手段）により表示される。

以上の構成により、送信側では、直線状に直交配列された送波器を用いて、送信ビーム方向と２つの異なる周波数帯の組周波数とをマトリックス状にマッピングして音響信号を送波する。また、受信側では、各周波数帯別に受波した周波数をマトリックス状にデマッピングして受信ビーム方向を認識する。したがって、受信側では、複数の受信ビームを生成する必要がないため、受信ビームの指向性合成などの受信処理量およびＦＦＴ処理量が減少し、ＣＰＵ（ＤＳＰ）の負荷を低減することができる。

次に、本実施の形態の動作を具体的に説明する。図２は、図１に示す送信器４および受波器５を構成する送波素子および受波素子の配列の一例を示す模式図である。図３は、送信ビームの走査方向を説明するための図である。

図２によると、送信側は、Ｘ（水平）方向の送波素子（ｘ１〜ｘ８）とＹ（垂直）方向の送波素子（ｙ１〜ｙ９）とがそれぞれ配列されている。Ｘ方向に配列された送波素子（ｘ１〜ｘ８）は、図３（ａ）に示すように、水平方向に送信ビーム方向（ψ１〜ψｎ）が変移するようにビームシフト２によって位相制御され、Ｙ方向に配列した送波素子（ｙ１〜ｙ９）は、図３（ｂ）に示すように、垂直方向に送信ビーム方向（θ１〜θｍ）が変移するように同じくビームシフト２によって位相制御される。

また、Ｘ方向に配列した送波素子（ｘ１〜ｘ８）は、水平方向の各方向（ψ１〜ψｎ）に応じて、送信周波数がｆ帯域の範囲（ｆ１〜ｆｎ）で直線的に切り換えられ、Ｙ方向に配列した送波素子（ｙ１〜ｙ９）は、垂直方向の各方向（θ１〜θｍ）に応じて、送信周波数がＦ帯域の範囲（Ｆ１〜Ｆｍ）で直線的に切り換えられる。

ここで、ｍ、ｎは、画像表示される場合のドット数（解像度）に対応し、任意に設定される。また、送信側のＸ方向およびＹ方向の送波素子数（Ｘ方向ｘ１〜ｘｉ、Ｙ方向ｙ１〜ｙｊ）を、ｘ１〜ｘ８およびｙ１〜ｙ９としたが、特に限定されることはない。また、周波数ｆ１〜ｆｎおよびＦ１〜Ｆｍは、乗算器９出力後の周波数成分が一致しないように選定される。

一方の受信側は、図２に示すように、Ｆ帯域用、ｆ帯域用各々の受波素子５１、５２が配置されている。この受波素子５１、５２は、無指向性の素子であるため、送波素子のような配列は必要なく、位置が限定されることもない。

次に、送信手順について説明する。図４は、送信手順について説明するためのタイムチャートである。図５は、ターゲットへの照射画像を示す図である。図６は、受信レベルに応じた各周波数のスペクトルを示す図である。図７は、ＦＦＴ処理結果の周波数配列を示す図である。

図４によると、送信期間Ｔ１の内の期間ｔ１において、まず、Ｙ方向に配列した送波素子（ｙ１〜ｙ９）は、周波数Ｆ１で送信ビーム方向θ１に設定される。この時、Ｘ方向に配列した送波素子（ｘ１〜ｘ８）は、周波数をｆ１からｆｎに順次切り替えるタイミングで送信ビーム方向ψ１から送信ビーム方向ψｎに順次シフトされる。

次に、期間ｔ２において、Ｙ方向に配列した送波素子（ｙ１〜ｙ９）は、周波数Ｆ２で送信ビーム方向θ２に設定される。この期間では、Ｘ方向に配列した送波素子（ｘ１〜ｘ８）が、周波数をｆｎからｆ１に、期間ｔ１とは逆方向に、順次切り替えられるタイミングで送信ビーム方向ψｎから送信ビーム方向ψ１に順次シフトされる。

このようにして、Ｙ方向に配列した送波素子（ｙ１〜ｙ９）は、送信期間Ｔ１（ｔ１〜ｔｍ）において、送信ビーム方向θ１（周波数Ｆ１）から送信ビーム方向θｍ（周波数Ｆｍ）まで順次設定される。この間、Ｙ方向の各設定方向毎に、Ｘ方向に配列した素子は、周波数ｆ１から周波数ｆｎ、周波数ｆｎから周波数ｆ１と折り返して切り替えられるタイミングで、送信ビーム方向ψ１から送信ビーム方向ψｎ、次に送信ビーム方向ψｎから送信ビーム方向ψ１に折り返しながら順次シフトされる。

以上の動作により、図５に示すように、送信ビーム方向を２つの周波数帯、すなわち水平方向のｆ１〜ｆｎと垂直方向のＦ１〜Ｆｍとでマッピングした送信音がターゲットに対して照射される。

次に、図４に示す受信期間Ｒ１において、受信側の受波素子５１、５２は、Ｆ帯域およびｆ帯域それぞれの周波数ｆ１〜ｆｎおよびＦ１〜Ｆｍの反響音をランダムに受波する。

受波器５で受波した信号は、前置増幅部６で増幅された後、帯域制限部７で必要な帯域（Ｆ帯域またはｆ帯域）のみ取り出され、Ａ／Ｄ変換部８でデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換された信号は、乗算器９に入力され、Ｆ帯域の信号とｆ帯域の信号との乗算により、高域のＦ＋ｆ帯域および低域のＦ−ｆ帯域の周波数成分が生成される。この内、例えば帯域制限器１０で高域のみ取り出し、ＦＦＴ１１で所定の周波数を分別することにより、図６に示すように、受信レベルに応じた各周波数のスペクトルを得ることができる。この時、取り出された高域の各周波数（Ｆ＋ｆ帯域）は、図７に示すように配列される。

次に、画像が再生される様子を説明する。図８は、ＦＦＴ処理後の画像を示す図である。

図５に示すように、ターゲットに照射されたＦ帯域の送波音とｆ帯域の送波音それぞれの反射音を受波する。図５において、Ｙ軸上の周波数Ｆ４の送信音が目標に反響した時、ｆ６でも目標からの反響があれば、マトリックス上の（Ｆ４、ｆ６）の組み合わせで強い受信レベルが得られる。同様に、Ｆ５の時はｆ３〜ｆ８、Ｆ６の時はｆ３〜ｆ８で反響すれば、それぞれの組み合わせで強い受信レベルが得られる。この反響による受信レベルに基づく処理を行うことにより、図８に示すような画像を得ることができる。さらに、この受信レベルに応じた濃淡の重み付け、あるいは色彩（色分け）処理を行えば、より鮮明（高精度）なターゲットの画像を得ることができる。

以上説明したように、送信側では、直線状に直交配列された送波器を有し、２つの異なる周波数帯ｆ１〜ｆｎおよびＦ１〜Ｆｍを各配列に割り当て、送信ビーム方向と周波数とをマトリックス状にマッピングして音響信号を送波する。

また、受信側では、ｆ１〜ｆｎおよびＦ１〜Ｆｍに対応した２つの無指向性の受波素子で受波し、その２つの周波数帯域の各周波数組み合わせを情報として目標の方向を識別する。これより、受信周波数のみで目標方向（位置）を判断することができる。したがって、受信ビームを生成する必要がなく、受信処理量あるいはＦＦＴ処理量が減り、ＣＰＵ（ＤＳＰ）の負荷を低減することができる。

さらに、各周波数帯間で受波した周波数をそれぞれ乗算し、乗算した結果の周波数成分の大きさに応じた濃淡の重み付け、あるいは色彩（色分け）処理を行えば、より鮮明（高精度）なターゲットの画像を得ることができる。

以上の説明では、浮遊するターゲットを想定したが、例えば海底面を対象とするような場合は、垂直（Ｙ）方向の送信を時間軸（距離）で代用することにより、省略することができる。図９は、垂直（Ｙ）方向の送信を省略した場合の受信系を示すブロック図である。

図９によると、受信はｆ帯域のみとなるため、図１（ｂ）に示すＦＦＴ１１までの構成が簡略化され、更に受信系回路を削減することができる。

また、図１（ｂ）に示す本実施例では、２つの周波数帯を乗算した後、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）を使用し、乗算後の高い周波数を取り出しているが、これをＬＰＦ（ローパスフィルタ）に置き換えて、低い周波数を取り出すことでも実現可能である。

本発明の水中画像ソーナーの一つの実施の形態を示すブロック図である。 図１に示す送信器４および受波器５を構成する送波素子および受波素子の配列の一例を示す模式図である。 送信ビームの走査方向を説明するための図である。 送信手順について説明するためのタイムチャートである。 ターゲットへの照射画像を示す図である。 受信レベルに応じた各周波数のスペクトルを示す図である。 ＦＦＴ処理結果の周波数配列を示す図である。 ＦＦＴ処理後の画像を示す図である。 垂直（Ｙ）方向の送信を省略した場合の受信系を示すブロック図である。

符号の説明

１ 送信制御部
２ ビームシフト
３ 電力増幅部
４ 送波器
５ 受波器
６ 前置増幅部
７ 帯域制限部
８ Ａ／Ｄ変換部
９ 乗算器
１０ 帯域制限器
１１ ＦＦＴ
１２ 目標検出部

Claims (8)

1. 第一の周波数帯及び第二の周波数帯の周波数変調信号を生成し、
   前記第一周波数帯の同一周波数の音響信号をＸ（水平）方向に送信し、
   前記第二周波数帯の同一周波数の音響信号をＹ（垂直）方向に送信し、
   ターゲットから反射した前記音響信号を各周波数帯に対応する受波器で受波し、
   前記受波した音響信号の周波数帯と前記音響信号を送信した方向の組み合わせに基づいて受信ビーム方向を認識する、
   ことを特徴とするソーナー方法。
2. 第一の周波数帯及び第二の周波数帯の周波数変調信号を生成し、
   前記第一周波数帯の同一周波数の音響信号をＸ（水平）方向に送信し、
   前記第二周波数帯の同一周波数の音響信号をＹ（垂直）方向に送信し、
   ターゲットから反射した前記音響信号を各周波数帯に対応する前記受波器で受波し、
   受波した周波数帯と前記音響信号を送信した方向の組み合わせに基づいて、
   前記受波した周波数帯を各周波数帯間でそれぞれ乗算し、乗算した結果の周波数成分の大きさに基づいて重み付けし、前記受信ビーム方向と前記重み付け結果とより前記ターゲットの画像を得ることを特徴とするソーナー方法。
3. 前記音響信号の送信は、水平／垂直方向の各１列から成るクロスファンビーム方式とすることを特徴とする請求項１又は２記載のソーナー方法。
4. 前記受波器は、各周波数帯に対応する２つの無指向性受波器で構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のソーナー方法。
5. 前記重み付けは、前記周波数成分の大きさに基づいた、単一色の濃淡または多色組み合わせであることを特徴とする請求項２記載のソーナー方法。
6. 直線状に直交配列された複数の送波器より構成され、前記送波器に水平方向と垂直方向で異なる周波数帯と送信ビーム方向を割り当て、前記ビーム方向に前記周波数帯の送波音を放射する送波手段と、
   前記複数の送波手段から放射される前記送波音の送信ビーム方向を走査すると共に、該走査に同期して該送波音の周波数を漸次連続的に制御する制御手段と、
   前記送波音がターゲットにより反射されて得られた反射音を受波して電気信号に変換する２つの受波手段と、
   前記２つの受波手段から出力されたそれぞれの信号を乗算し、高域のＦ＋ｆ帯域および低域のＦ−ｆ帯域の周波数成分を出力する乗算手段と、
   前記乗算手段から出力された周波数成分を分別し、各分別された周波数成分毎に受信レベルを検出する周波数分別手段と、
   前記分別された周波数と検出されたレベルに基づいた、単一色の濃淡または多色組み合わせより画像データを生成する目標検出処理手段と、前記画像データを表示する表示手段と、
   を有することを特徴とする水中画像ソーナー。
7. 前記複数の送波手段は、送信ビーム方向の切り替えと同期してマトリックス状にマッピングした周波数にて音響信号を送波することを特徴とする請求項６に記載の水中画像ソーナー。
8. 前記２つの受波手段は、各周波数帯に対応する２つの無指向性受波器で構成されることを特徴とする請求項６記載の水中画像ソーナー。

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