JP6757083B2 - 音響測深装置及びマルチビーム音響測深装置 - Google Patents
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Description
ΔH=VT>2DV/1500
疑似雑音系列信号を生成する疑似雑音系列発生回路及び疑似雑音系列信号によって搬送波信号を変調して送信信号を形成する変調回路を有する送信信号形成部と、
送信信号を周期的に超音波として移動体の下方に位置する測定対象に向けて送出する送信部と、
送信部から送出された超音波が測定対象で反射されることによるエコーを受信する受信部と、
エコーを疑似雑音系列信号によって相関処理を行うことによって、送信信号と対応するエコーを判別する相関器と、
送信信号とエコーの時間差に対応する深度生データに対して動揺補正を行うことによって動揺成分を抑圧する動揺補正部と、
送信信号と同期して動揺成分が抑圧された相関器の出力信号を検波した信号を表示する表示装置とを備え、
表示装置は、画面上の上側のほぼ水平方向に延びる発信線を表示し、相関器の出力信号を検波した信号を色を付けて表示すると共に、隣接する送信タイミングにそれぞれ対応する検波信号を順次並べるように表示し、
送信信号の周期は、水中の音波の速度をVuとし、深度をDとする場合に、(2D/Vu)以下とされ、且つ動揺成分の周期に比べてサンプリング定理を満足するものとなされた音響測深装置である。
また、本発明は、動揺する水面上を移動する移動体に設置され、水中の測定対象を探知するマルチビーム音響測深装置において、
疑似雑音系列信号を生成する疑似雑音系列発生回路及び疑似雑音系列信号によって搬送波信号を変調して送信信号を形成する変調回路を有する送信信号形成部と、
送信信号を周期的に超音波として移動体の下方に位置する測定対象に向けて送出する送信部と、
送信部から送出された超音波が測定対象で反射されることによるエコーを受信する受信部と、
エコーを疑似雑音系列信号によって相関処理を行うことによって、送信信号と対応するエコーを判別する相関器と、
送信信号とエコーの時間差に対応する深度生データに対して動揺補正を行うことによって動揺成分を抑圧する動揺補正部と、
送信信号と同期して動揺成分が抑圧された相関器の出力信号を検波した信号を表示する表示装置とを備え、
表示装置は、画面上の上側のほぼ水平方向に延びる発信線を表示し、相関器の出力信号を検波した信号を色を付けて表示すると共に、隣接する送信タイミングにそれぞれ対応する検波信号を順次並べるように表示し、
送信信号の周期は、水中の音波の速度をVuとし、深度をDとする場合に、(2D/Vu)以下とされ、且つ動揺成分の周期に比べてサンプリング定理を満足するものとなされ、
送信部によって扇状に多数の超音波ビームを送出する
マルチビーム音響測深装置である。
本発明の説明は、以下の順序にしたがってなされる。
<1.改良された音響測深装置>
<2.開口合成>
<3.マルチビーム音響測深機>
<4.一実施の形態>
<5.他の実施の形態>
<6.応用例>
<7.変形例>
波に対して動揺補正を行う場合、海上で船を静止させ、波により船が上下動することによる水深の変化を検出することによって、動揺成分を検出することができる。そして、測深の測定結果から検出した動揺成分をキャンセルすることによって動揺補正を行うことができる。このように、動揺成分の検出は、音響測深によってできるので、以下の説明では、最初に短い送信周期でもって深度を測定することを可能とする改良された音響測深装置について説明し、その後に動揺補正について説明する。
zとされる。
れば、出力が"1"となる。各排他的論理和回路の4064ビットの出力が加算される。加
算は、"1" の個数がNであれば、Nの値の振幅の信号を出力するものである。否定論理をとることによって、2つの入力が一致するほど大きな値の出力が得られる。演算回路EXA1〜EX127の加算出力は図9に示すものとなる。大きな振幅の出力が送信パルスのゴールドコードと一致する受信エコー信号を示している。
ΔH=VT
Pd=(1/fc)×N×M
Pd=1/200000×4×127=0.00254=2.54msec
次に開口合成について説明する。開口合成とは、1つの送受波器を動かすことによって長い開口の送受波器と等価となる指向性を形成し分解能を上げる手法で
ある。図21に示すように長さdの送受波器を移動させながら送受信を繰り返し、長さLの送受波器と等価となる水平方向の分解能を得る手法のことで、開口合成ソナーとして利用されている。簡単な説明をすれば、図22に示すように送受波器の長さdによる指向角に比べ、開口合成後の送受波器の長さLの指向角はその比d/Lだけ鋭くなるので分解能
が向上するというものである。
従来の音響測深装置等は、水中での音波の速度に制約を受けていたが、改良された音響測定装置ではこの制約が解消される。水中での音波の速度の制約とは、従来の音響測深装置等は送信信号を送出してから海底などのエコー信号を受信してから次の送信信号を送出していたことをいう。
従来の音響測深装置等で開口合成処理を行う場合、かかる制約から送信周期を早くできないので、開口内での受信データを増やすためには船速を遅くする方法しか取り得なかった。改良された音響測定装置の技術を採用すれば、従来の音響測深装置等に比べて数倍から数十倍の送信周期で送信信号を送出できるので、開口合成を行う場合、従来の技術に比べ圧倒的に有利である。
改良された音響測定装置の他の例としてマルチビーム音響測深機について述べる。図29に示すように、マルチビーム音響測深機は、船の進行方向に狭く、左右方向に広いファンビームと言われる指向性を持ち一つの送信機から送信信号が送信される。送信ビームとクロスするように、船の前後方向には広く、左右方向には狭いビームを複数有するので、マルチビーム音響測深機と称されるのである。図30は改良された音響測定装置の他の例のマルチビーム音響測深機の構成を示している。
からの出力信号がゴールドコード毎の出力をビームフォーミング回路11に入力し、ビームフォーミングを行い、複数の受波ビームを形成する。
本発明による動揺補正装置の一実施の形態について説明する。図5及び図6を参照して説明したように、海底(海底面を意味する)を超音波によって計測する場合、基準海面に対して波の動揺を受けて計測する深度は真の海底よりも深くなったり浅くなったりする。図31は、波による船の動揺の周期が1Hzで、上下動が+/−1mを想定した場合の実際の海底に対して計測によって得られる海底計測値を示したものである。音響測深機による海底の計測値は動揺の影響を受けて変化する。船が波で持ち上げられたときには計測値は実際の海底の深度(破線で示す)よりも深く出るし、船が沈んだときは浅く出る。図31の例では真の海底(破線)に対して計測による深度データ(実線)が動揺の影響を受けていることがわかる。動揺補正を行った結果を図32に示す。図32に示すように、波による動揺成分を取り除いた結果、真の海底をほぼ検出することができる。海底が比較的平坦な場合、波による動揺は深度の変化としてとらえることができる。上述した音響測深装置は、送信信号の周期を短いものとできるので、波による動揺成分を検出することが可能である。鉛直方向の変化(深度の変化)以外にも揺れの成分が存在するが、検出され動揺成分には、揺れの成分も含まれているので、揺れの成分を別に扱う必要がない。このような点から本発明においては、送信信号の周期は、水中の音波の速度をVuとし、深度をDとする場合に、(2D/Vu)以下とされ、且つ動揺成分の周期に比べてサンプリング定理を満足するものとなされる。
ステップST2:フーリエ変換データをフィルタリングする。すなわち、図34において破線で示すように、0.5Hz以上の成分を除く処理を行い、1Hz付近の小さな山の成分を除去する。
ステップST3:フィルタリング後のデータを逆フーリエ変換する。この結果、図32において実線で示すように、真の海底の起伏に近い海底のデータが得られる。実際の応用時には、あらかじめ波の成分を予測又は測定し、その周波数成分を除去することによって真の海底深度を求めることができる。
成のデジタルフィルタを使用して もよい。図36において、単位遅延素子Zの直列接続
に対して入力データが供給され、直列接続の段間からそれぞれ取り出された複数のサンプルに対して乗算器M1 〜Mn によって係数a0 〜an をそれぞれ乗算する。乗算器M1 〜Mn の出力が加算器ADによって加算されることによって出力データyn が得られる。係数a0 〜an によって所望の周波数特性のデジタルフィルタを構成することができる。
本発明の他の実施の形態は、動揺成分を海面に静止して浮かんでいる船(浮標でもよい)によって検出して検出した動揺成分によって準リアルタイムに動揺補正を行うものである。図39に示すように、深度観測の調査船31が所定のコースと速度で航行する場合、調査船とほぼ同一の波の影響を受ける海域に、動揺成分を検出するための船32を静止して浮かべるようにする。船32によって検出された動揺成分が無線で調査船31に対して送信される。調査船31において、船32から受信した動揺成分によって動揺補正がなされる。
本発明は、超音波振動子アレイにより構成されるトランスデューサを用いて超音波の送受信を行なうものがある。船舶から海底に向けて扇状に送信ビームを照射し、受信ビームを通して海底を見るようになされる。この結果、送信ビーム範囲と受信ビーム範囲が重なる部分の海底が調べられる。マルチビーム法では、方位ごとにその方位にメインビームが向くような所定のビームパターンを持つ受信ビームを形成することで、方位ごとの超音波エコーの強さを推定することができる。かかるマルチビーム法における動揺補正に対してこの発明を適用できる。
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。例えば相関検出を行う場合、受信エコー信号をコードに復調してから相関を検出することも可能である。さらに、以上の説明では音響測深装置について述べたが、マルチビーム音響測深装置、サイドスキャンソナー、魚群探知機、スキャニングソナー等の音響測深技術を使用する装置に対して本発明を適用することができる。さらに、海上の波浪に限らず、淡水における音響測深装置の動揺補正に対しても本発明を適用することができる。
2 ゴールドコード発生器
3 パルス変調器
5 送波器
6 受波器
8 相関器
10 表示及び/又は記録装置
21 ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタ
SR シフトレジスタ
EXA1〜EX127 演算回路
Claims (2)
- 動揺する水面上を移動する移動体に設置され、水中の測定対象を探知する音響測深装置において、
疑似雑音系列信号を生成する疑似雑音系列発生回路及び前記疑似雑音系列信号によって搬送波信号を変調して送信信号を形成する変調回路を有する送信信号形成部と、
前記送信信号を周期的に超音波として前記移動体の下方に位置する前記測定対象に向けて送出する送信部と、
前記送信部から送出された超音波が前記測定対象で反射されることによるエコーを受信する受信部と、
前記エコーを前記疑似雑音系列信号によって相関処理を行うことによって、前記送信信号と対応する前記エコーを判別する相関器と、
前記送信信号と前記エコーの時間差に対応する深度生データに対して動揺補正を行うことによって動揺成分を抑圧する動揺補正部と、
前記送信信号と同期して前記動揺成分が抑圧された前記相関器の出力信号を検波した信号を表示する表示装置とを備え、
前記表示装置は、画面上の上側のほぼ水平方向に延びる発信線を表示し、前記相関器の出力信号を検波した信号を色を付けて表示すると共に、隣接する送信タイミングにそれぞれ対応する検波信号を順次並べるように表示し、
前記送信信号の周期は、水中の音波の速度をVuとし、深度をDとする場合に、(2D/Vu)以下とされ、且つ前記動揺成分の周期に比べてサンプリング定理を満足するものとなされた音響測深装置。 - 動揺する水面上を移動する移動体に設置され、水中の測定対象を探知するマルチビーム音響測深装置において、
疑似雑音系列信号を生成する疑似雑音系列発生回路及び前記疑似雑音系列信号によって搬送波信号を変調して送信信号を形成する変調回路を有する送信信号形成部と、
前記送信信号を周期的に超音波として前記移動体の下方に位置する前記測定対象に向けて送出する送信部と、
前記送信部から送出された超音波が前記測定対象で反射されることによるエコーを受信する受信部と、
前記エコーを前記疑似雑音系列信号によって相関処理を行うことによって、前記送信信号と対応する前記エコーを判別する相関器と、
前記送信信号と前記エコーの時間差に対応する深度生データに対して動揺補正を行うことによって動揺成分を抑圧する動揺補正部と、
前記送信信号と同期して前記動揺成分が抑圧された前記相関器の出力信号を検波した信号を表示する表示装置とを備え、
前記表示装置は、画面上の上側のほぼ水平方向に延びる発信線を表示し、前記相関器の出力信号を検波した信号を色を付けて表示すると共に、隣接する送信タイミングにそれぞれ対応する検波信号を順次並べるように表示し、
前記送信信号の周期は、水中の音波の速度をVuとし、深度をDとする場合に、(2D/Vu)以下とされ、且つ前記動揺成分の周期に比べてサンプリング定理を満足するものとなされ、
前記送信部によって扇状に多数の超音波ビームを送出する
マルチビーム音響測深装置。
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