JPH04285883A - 水中探知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中の魚群等の三次元
分布の探知を行うことができる水中探知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】広範囲方向の水中情報を得るための水中
探知装置、たとえばスキャンニングソナーでは、多数の
振動子を積層して１つの振動子ブロックとし、この振動
子ブロックを円環状に配列してなる全周旋回型の送受波
器を有しており、これらの各振動子を同時に励振駆動し
て水中の全周方向に超音波ビームを発射する一方、その
反射波を尖鋭な指向性を有する受信ビームを旋回走査し
て水中探知を行う。

【０００３】この場合、図１０に示すように、受信ビー
ムＢｒを水平面から所定角度だけ傾けて走査するために
ティルト角θが設定されている。このティルト角θは、
従来装置では、１回の超音波の送受信中は固定されたま
まであって、途中で変更されることはない。したがって
、受信ビームＢｒを１周させた場合の探知範囲は、送受
波器を頂点とした円錐面に対応した範囲となる。そのた
め、魚群ａ０が存在する場合の探知情報は、図１１に示
すように、受信ビームＢｒが走査される円錐面で切断し
た切り口ａ１となる。これは広い方位角の範囲で信号強
度が一定の幅広の指向特性をもった超音波ビームを送信
する場合においても同じである。

【０００４】このような平面的な限られた範囲の探知情
報ａ１では、魚群ａ０の三次元的な分布を十分に把握す
ることができない。

【０００５】また、受信ビームＢｒが走査される円錐面
から外れた位置にある魚群ｂ０は、探知することができ
ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の不都合を改善す
るために、従来技術では、複数回にわたって超音波の送
受信を行い、各々１回の超音波の送受信が終了するたび
に、ティルト角θを少しずつ変化させることにより、三
次元の探知情報を得るようにした装置も提案されている
。

【０００７】しかし、従来装置において三次元的な探知
情報を得るためには、超音波の送受信を何回も繰り返す
必要があり、情報採取のために長時間を要する。たとえ
ば、ティルト角を０°〜４０°の範囲で５°きざみで変
化させる場合には、９回の超音波の送受信の時間が必要
となる。

【０００８】すると、図１０に示すように、水中を早い
速度で移動する魚ｃ０などは、超音波の送受信を繰り返
す間に、探知範囲から遥かに離れ去ってしまい、これら
の魚群の移動を捕捉することができない。

【０００９】これに対して、送信、受信のいずれにおい
ても超音波ビームが幅広の指向特性をもつようにすれば
、図１０の各魚ａ０〜ｃ０を捕捉することができる。

【００１０】しかしながら、送信、受信のいずれにおい
ても幅広の指向特性のために、ある距離以上では魚群か
らのエコーよりも強度の大きい海底エコーも同時に受信
され、その結果、海底エコーに魚群エコーがマスクされ
てしまい、魚群を捕捉することができなくなる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決するためになされたものであって、幅広の指向特
性をもつ超音波ビームを送信し、その反射波を受信する
際に、幅狭の指向特性をもつ受信ビームのティルト角と
旋回走査とを交互に切り換えることにより、短時間の内
に水中の三次元の探知情報が得られるようにするもので
ある。さらに、三次元探知の探知領域を制御することに
より、不要な海底エコーの影響を除こうとするものであ
る。

【００１２】そのため、本発明は、広範囲方向に超音波
探知信号を発射し、多数の振動子を円筒面上に縦方向お
よび横方向にそれぞれ振動子間隔がほぼ等間隔になるよ
うに配列固定し、順次選択される縦方向に配置される複
数の振動子および横方向に配置される所定数の振動子が
捕捉するエコー信号に基づいて水平方向の異なる方向に
順次受波ビームを形成して広範囲方向を探知する水中探
知装置において、次の構成を採る。

【００１３】すなわち、本発明では、垂直方向に幅が広
く、水平方向に全探知範囲をカバーするような送波ビー
ムを形成する送信手段と、垂直方向および水平方向にお
いてそれぞれ幅の狭い受波ビームを形成する受波ビーム
形成手段と、ある一つの超音波探知信号を発射するごと
に、前記送波ビーム内において前記受波ビームを水平方
向および垂直方向に振らせる受波ビーム指向方向制御手
段とを備えている。

【００１４】具体的には、多数の振動子を積層して１つ
の振動子ブロックとし、この振動子ブロックを円環状に
配列してなる全周旋回型の送受波器を有する一方、前記
各振動子ブロックに個別的に対応して、この振動子ブロ
ックに含まれる各振動子で得られる各々の受信信号の位
相を揃える垂直位相合成回路が設けられ、かつ、各垂直
位相合成回路で位相合成された受信信号の水平方向の位
相を揃えて受信ビームを形成する水平位相合成回路を備
え、さらに、各振動子ブロックを構成する各振動子の配
列方向に沿って、ｓｉｎｘ／ｘ（ただし、ｘ＝（π・ｓ
ｉｎθＢＷ／２λ）・ｄ・Ｎ、λは搬送周波数信号の波
長、θＢＷは指向特性のビーム幅、ｄは振動子の配列ピ
ッチ、Ｎは振動子の位置）で定まる振幅分布をもつよう
に重み付けされた超音波送信用の駆動信号を出力する送
信部と、駆動信号の発生タイミングを決めるトリガ信号
に応答して起動されるとともに、受信ビームの１旋回走
査が終了するたびに出力される旋回走査終了信号をカウ
ントする距離カウンタと、この距離カウンタから出力さ
れるカウント値に基づいて、受信ビームの探知地点まで
の距離に応じて予め設定されたティルト角の設定データ
を順次出力するティルト角設定データ発生部と、このテ
ィルト角設定データ発生部からのティルト角設定データ
に基づいて前記垂直位相合成回路に対して受信信号の位
相を揃えるための位相補正信号を出力する位相補正信号
発生部と、前記トリガ信号の出力周期内に、受信ビーム
を旋回走査するとともに、この旋回走査が終了するたび
に前記旋回走査終了信号を出力する制御部とを含んでい
る。

【００１５】

【作用】上記構成において、超音波の送信に際して、各
振動子ブロックの各振動子の配列方向に沿ってｓｉｎｘ
／ｘで定まる振幅分布をもつように重み付けされた超音
波送信用の駆動信号が送信部から出力される。この駆動
信号により各振動子が励振されて発射される超音波は、
垂直方向に対しては広い方位角の範囲で信号強度が一定
となるような幅広の指向特性をもち、かつ、水平方向に
対しては全探知範囲をカバーするようなビームとなる。

【００１６】一方、この超音波エコーは、各振動子ブロ
ックごとに受信されて、各振動子ブロックの振動子から
受信信号が出力され、これが各垂直位相合成回路で位相
合成され、さらに、各垂直位相合成回路の所定の出力が
水平位相合成回路に入力されて水平位相合成されること
により受信ビームが形成される。

【００１７】制御部は、この受信ビームの１旋回走査が
終了するたびに旋回走査終了信号を出力するので、この
旋回走査終了信号が距離カウンタでカウントされる。こ
の距離カウンタのカウント値に応じて、ティルト角設定
データ発生部からは、受信ビームの探知地点までの距離
に応じて予め設定されたティルト角の設定データが順次
出力される。したがって、受信ビームが１旋回走査され
るたびにティルト角の設定が変更されることになる。

【００１８】そして、このティルト角の設定データに基
づいて移相補正信号発生部は、垂直位相合成回路に対し
て受信信号の位相を揃えるための位相補正信号を出力す
る。

【００１９】これにより、一回の超音波の送受信の間に
受信ビームのティルト角の変更と旋回走査とが時分割で
交互に切り換えて行なわれて三次元の探知情報が得られ
ることになる。

【００２０】

【実施例】図１は、本発明の実施例に係る水中探知装置
の構成を示すブロック図である。

【００２１】同図において、符号１は水中探知装置の全
体を示し、２は振動子で、これらの各振動子２が多段に
積層されて１つの振動子ブロック４ａ〜４ｎとなり、各
振動子ブロック４ａ〜４ｎが円環状に配列されて一つの
全周旋回型の送受波器３が構成されている。

【００２２】６ａ〜６ｎは各々の振動子ブロック４ａ〜
４ｎに含まれる振動子で得られる受信信号の位相を揃え
る垂直位相合成回路であって、各振動子ブロック４ａ〜
４ｎに個別的に対応して設けられている。各々の垂直位
相合成回路６ａ〜６ｎは、全て同一の構成であって、た
とえば一つの垂直位相合成回路６ａに着目すると、図２
に示すように、各振動子ブロック４ａを構成する各振動
子２に個別に接続された前段増幅器８と、各前段増幅器
８から出力される受信信号に後述の移相補正信号発生部
３０からの移相補正信号を混合して受信信号を移相する
移相器１０と、これらの移相器１０で移相された各受信
信号を加算する加算器１２とからなる。

【００２３】１４は水平方向の位相合成を行う対象とな
る１群（本例ではｍ個）の受信信号を選択するために切
り換え走査される切換回路、１６は切換回路１４で選択
された１群（ｍ個）の受信信号の水平方向の位相を揃え
て受信ビームを形成するための水平位相合成回路である
。

【００２４】１８は各振動子ブロック４ａ〜４ｎを構成
する各振動子２の配列方向に沿ってｓｉｎｘ／ｘ（ただ
し、ｘ＝（π・ｓｉｎθＢＷ／２λ）・ｄ・Ｎ、λは搬
送周波数信号の波長、θＢＷは指向特性のビーム幅、ｄ
は振動子の配列ピッチ、Ｎは振動子の位置）で定まる振
幅分布をもつように重み付けされた超音波送信用の駆動
信号を出力する送信部である。この送信部１８は、図３
に示すように、後述の制御部３２から出力される超音波
発射のタイミングを決めるトリガ信号（キーイングパル
ス）Ｔに応答して所定の搬送周波数（たとえば２００Ｋ
Ｈｚ）のパルス信号を発生する信号発生器２０と、この
信号発生器２０からのパルス信号を移相する移相器２２
と、各移相器２２の出力を増幅するゲイン調整可能な増
幅器２４とからなる。 そして、各移相器２２は、図４に示すように、各振動子
ブロック４ａ〜４ｎからの超音波の発射方向がα０／２
（α０は超音波の送信ビーム幅）となるようにその移相
量が予め設定されている。これにより、送受波器３から
放射される超音波の海面などの不要な方向では音響エネ
ルギが小さく、必要な方向では音響エネルギが大きくな
る。また、各増幅器２４の増幅度は、各振動子ブロック
４ａ〜４ｎごとに、その振動子２の配列方向に沿ってｓ
ｉｎｘ／ｘで定まる振幅分布をもつようにそれぞれ重み
付け調整されており、これによって、送受波器３からは
、一定角度範囲において指向特性が平坦な超音波が発射
されるようになっている（特開昭６１−２２３９８号公
報参照）。

【００２５】２６は前述のトリガ信号Ｔをリセット信号
として入力するとともに、受信ビームの１旋回走査が終
了するたびに制御部３２から出力される旋回走査終了信
号Ｓを入力してカウントする距離カウンタである。すな
わち、この距離カウンタ２６は、旋回走査終了信号Ｓが
加わるたびにカウントアップするが、そのカウント値Ｒ
は、受信ビームＢｒの探知地点までの距離に対応してい
る。

【００２６】また、２８は距離カウンタ２６から出力さ
れるカウント値Ｒに対応して、受信ビームの探知地点ま
での距離に応じて予め設定されたティルト角θの設定デ
ータを順次出力するティルト角設定データ発生部である
。すなわち、このティルト角設定データ発生部２８は、
たとえばＲＯＭで構成されており、図５に示すように、
距離カウンタ２６から出力されるカウント値Ｒで指定さ
れるアドレス位置にティルト角θを設定するデータが対
応付けて記憶されている。なお、この場合のティルト角
θは、カウント値Ｒが直線的に増加するのに応じて増加
と減少とを繰り返すように設定されている。

【００２７】３０はティルト角設定データ発生部２８か
ら読み出されたティルト角θの設定データに基づいて各
垂直位相合成回路６ａ〜６ｎに対して受信信号の位相を
揃えるための位相補正信号φを出力する位相補正信号発
生部である。

【００２８】３２は前述のトリガ信号ＫＰを出力すると
ともに、このトリガ信号Ｔの出力周期内に、水平位相合
成回路１６の移相量を設定した後に切換回路１４を切り
換え走査することにより、受信ビームＢｒを旋回走査し
、さらに、この旋回走査が１周されるたびに旋回走査終
了信号Ｓを出力する制御部である。

【００２９】次に上記構成の水中探知装置における超音
波の送受信動作について説明する。

【００３０】超音波の送信に際しては、制御部３２から
トリガ信号Ｔが出力され、このトリガ信号Ｔが送信部１
８と距離カウンタ２６とにそれぞれ与えられる。

【００３１】送信部１８の信号発生器２０からは、この
トリガ信号Ｔに応答して、所定の搬送周波数（たとえば
２００ＫＨｚ）のパルス信号が駆動信号として出力され
、これが各移相器２２に送出されてそれぞれ所定の移相
量が与えられ、さらに、各パルス信号が増幅器８で各々
所定の増幅度で増幅された後、全ての振動子２に加えら
れる。

【００３２】これにより、発射される超音波Ｂｔは、図
４に示すように、各振動子ブロック４ａ〜４ｎごとに、
α０／２のティルト角で、かつ超音波のビーム幅α０が
広く、そのビーム幅α０の範囲では平坦な指向特性をも
ち、かつ、水平方向に対しては全探知範囲をカバーする
ようなビームとして形成される。

【００３３】そして、この超音波Ｂｔの発射から次の超
音波Ｂｔが発射されるまでの間に、以下に述べる受信動
作が行われる。

【００３４】送受波器３で得られる受信信号の基本的な
処理としては、水中の近距離からの超音波エコーは、各
振動子ブロック４ａ〜４ｎごとに受信され、各振動子ブ
ロック４ａ〜４ｎを構成する各振動子２からの受信信号
が次段の各垂直位相合成回路６ａ〜６ｎで垂直方向の位
相が合成される。さらに、各垂直位相合成回路４ａ〜４
ｎの出力の内の１群（ｍ個）の受信信号が切換回路１４
で選択され、これらの受信信号が水平位相合成回路１６
に入力されて水平位相合成される。そして、制御部３２
が切換回路１４を切換走査するとともに、この切換回路
１４で選択された受信信号が水平位相合成回路１６で位
相合成されることにより、図６に示すように受信ビーム
Ｂｒが旋回走査される。

【００３５】一方、前述したように、距離カウンタ２６
は、制御部３２からのトリガ信号Ｔによってリセットさ
れる。そして、次の超音波発射のトリガ信号Ｔが出力さ
れるまでの間に、制御部３２は、受信ビームＢｒを繰り
返して旋回走査するとともに、１旋回走査が終了するた
びに旋回走査終了信号Ｓを出力する。そして、この旋回
走査終了信号Ｓが距離カウンタ２６でカウントされる。 このため、距離カウンタ２６のカウント値Ｒは、受信ビ
ームＢｒが１旋回走査されるたびに順次カウントアップ
する。そして、そのカウント値Ｒが次段のティルト角設
定データ発生部２８に対してティルト角θの設定データ
の読み出しアドレスとして加えられる。したがって、テ
ィルト角設定データ発生部２８からは、図５に示すよう
に、距離カウンタ２６のカウント値Ｒが増加するのに応
じてこれに対応するティルト角θの設定データが順次出
力される。たとえば、距離カウンタ２６のカウント値が
Ｒｉを示すときには（これは図６において受信ビームＢ
ｒの探知地点Ｐまでの距離Ｌｉに対応する）、ティルト
角としてθｉの設定データが出力される。

【００３６】そして、このティルト角θの設定データは
、移相補正信号発生部３０に加えられるので、移相補正
信号発生部３０は、各垂直位相合成回路６ａ〜６ｎに対
して受信信号の垂直方向の位相を揃えるための位相補正
信号を出力する。

【００３７】これにより、一回の超音波の送受信の間に
受信ビームＢｒのティルト角θの変更と旋回走査とが時
分割で交互に切り換えられる。この場合のティルト角θ
は、距離カウンタ２６のカウント値Ｒが増加するのに伴
って、０〜α０の範囲内（０≦θ≦α０）で増加、減少
が繰り返されるので、受信ビームＢｒの探知地点の垂直
断面上の軌跡は、図６の破線に示すようにジクザク状に
なる。

【００３８】こうして、１回の超音波の送受信の間に、
受信ビームＢｒのティルト角θが増減されるとともに、
旋回走査が繰り返されて三次元の探知情報が得られるこ
とになる。

【００３９】なお、受信ビームＢｒの探知地点が時間経
過とともに長くなると、海底エコーを受信することにな
るので、このような海底エコーを除くためには、受信ビ
ームＢｒの探知地点が海底に近付いたときに、ティルト
角θの下限を小さく抑えるようにすればよい。たとえば
、図７に示すように、受信ビームＢｒがＰ０の地点に到
達してからさらにＰ１の地点に至るまで探知する場合に
は、図８に示すように、ティルト角設定データ発生部２
８に記憶させておくティルト角を、距離カウンタ２６の
カウント値がＲ０（探知地点Ｐ０に対応）のときにはα
０とし、カウント値Ｒが増加するのにしたがって符号■
〜■に示すように最大値を次第に小さくして行き、カウ
ント値がＲ１（探知地点Ｐ１に対応）のときにα１（＝
α０−Δα）とすればよい。

【００４０】さらに、不要な海面反射の影響を除くには
、図９に示すように、受信ビームＢｒの探知地点が短距
離の場合にティルト角の上限を抑えてΔα＜θ＜α０の
範囲に制限し、受信ビームＢｒの探知地点が長くなって
海面反射の影響が無くなれば、上限の制約を解除すれば
よい。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、従来のように、複数回
にわたって超音波の送受信を行う必要はなく、一回の超
音波の送受信の間に受信ビームのティルト角の変更と旋
回走査とが時分割で交互に切り換えて行なわれるので、
三次元の探知情報が短時間の内に得られるようになる。

【００４２】また、必要に応じて、ティルト角設定デー
タ発生部で設定されるティルト角の変化の状態を変更す
ることにより、海底エコーや海面反射の影響を有効に除
くことができる等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る水中探知装置の構成を示
すブロック図である。

【図２】図１の装置の垂直位相合成回路の詳細を示すブ
ロック図である。

【図３】図１の装置の送信部の詳細を示すブロック図で
ある。

【図４】超音波の送信ビームの指向特性を示す説明図で
ある。

【図５】距離カウンタのカウント値に基づいてティルト
角設定データ発生部から読み出されるティルト角の設定
データを示す説明図である。

【図６】受信ビームのティルト角の変更と旋回走査の相
互の関係を説明するための図である。

【図７】海底エコーの影響を除去するための説明図であ
る。

【図８】海底エコーの影響を除去する場合に、距離カウ
ンタのカウント値に基づいてティルト角設定データ発生
部から読み出されるティルト角の設定データを示す説明
図である。

【図９】海面反射の影響を除去するための説明図である
。

【図１０】従来の受信ビームの旋回走査により得られる
探知情報の範囲を示す説明図である。

【図１１】水中の探知情報を画像表示した場合の説明図
である。

【符号の説明】

１…水中探知装置、２…振動子、４ａ〜４ｎ…振動子ブ
ロック、６ａ〜６ｎ…垂直位相合成回路、１６…水平位
相合成回路、１８…送信部、２６…距離カウンタ、２８
…ティルト角設定データ発生部、３０…位相補正信号発
生部、３２…制御部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　広範囲方向に超音波探知信号を発射し
   、多数の振動子を円筒面上に縦方向および横方向にそれ
   ぞれ振動子間隔がほぼ等間隔になるように配列固定し、
   順次選択される縦方向に配置される複数の振動子および
   横方向に配置される所定数の振動子が捕捉するエコー信
   号に基づいて水平方向の異なる方向に順次受波ビームを
   形成して広範囲方向を探知する水中探知装置において、
   垂直方向に幅が広く、水平方向に全探知範囲をカバーす
   るような送波ビームを形成する送信手段と、垂直方向お
   よび水平方向においてそれぞれ幅の狭い受波ビームを形
   成する受波ビーム形成手段と、ある一つの超音波探知信
   号を発射するごとに、前記送波ビーム内において前記受
   波ビームを水平方向および垂直方向に振らせる受波ビー
   ム指向方向制御手段とを具備することを特徴とする水中
   探知装置。
2. 【請求項２】　　多数の振動子を積層して１つの振動子
   ブロックとし、この振動子ブロックを円環状に配列して
   なる全周旋回型の送受波器を有する一方、前記各振動子
   ブロックに個別的に対応して、この振動子ブロックに含
   まれる各振動子で得られる各々の受信信号の位相を揃え
   る垂直位相合成回路が設けられ、かつ、各垂直位相合成
   回路で位相合成された受信信号の位相を揃えて受信ビー
   ムを形成する水平位相合成回路を備えた水中探知装置に
   おいて、前記各振動子ブロックを構成する各振動子の配
   列方向に沿って、ｓｉｎｘ／ｘ（ただし、ｘ＝（π・ｓ
   ｉｎθＢＷ／２λ）・ｄ・Ｎ、λは搬送周波数信号の波
   長、θＢＷは指向特性のビーム幅、ｄは振動子の配列ピ
   ッチ、Ｎは振動子の位置）で定まる振幅分布をもつよう
   に重み付けされた超音波送信用の駆動信号を出力する送
   信部と、前記駆動信号の発生タイミングを決めるトリガ
   信号に応答して起動されるとともに、受信ビームの１旋
   回走査の終了のたびに出力される旋回走査終了信号をカ
   ウントする距離カウンタと、この距離カウンタから出力
   されるカウント値に基づいて、受信ビームの探知地点ま
   での距離に応じて予め設定されたティルト角の設定デー
   タを順次出力するティルト角設定データ発生部と、この
   ティルト角設定データ発生部からのティルト角設定デー
   タに基づいて前記垂直位相合成回路に対して受信信号の
   位相を揃えるための位相補正信号を出力する位相補正信
   号発生部と、前記トリガ信号の出力周期内に、受信ビー
   ムを旋回走査するとともに、この旋回走査が終了するた
   びに前記旋回走査終了信号を出力する制御部と、を含む
   ことを特徴とする水中探知装置。