JPS61138187A - ソ−ナ−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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はンーナー装置に関し、特にＱｕａｄｒａｔｕｒ
ｅサンプリングによる移相整相と遅延回路付Ｃ’ｒ　Ｄ
による遅延整相とを利用してシリアル位相シフトビーム
ホーマー形式による三次元高速走査を高分解能で実施す
るンーナー装置に関する。

〔従来の技術〕

高分解能を得るため、使用する音波の波長に比して極め
て長い開口長を有するノ・イドロホンを利用して方位分
解能を向上させ、また衡めて短い送信パルスによって距
離分解能を向上させつつ運用されるソーナー装置は沈座
物、埋設物探査その他の各種高分解能ンーナーで利用さ
れている。このような高度の方位、距離分解能が要求さ
れるソーナー装置にあって、受信信号に対してＱｕａｄ
ｒａｔｕｒｅサンプリングを実施してこれを実数部と、
この実数部とは９０度位相の異る虚数部とに分けたＱｕ
ａ−ｄｒａｔｕｒｅ　？ングリングデータに変換して振
幅情報はアナログ量のままでこれをディジタル的に表現
したうえ、整相処理はハイドロホンエレメント相互間の
配置条件等にもとづく重み係数回路を備えたＣＴＤを利
用して実施することによりアナログデータ処理とディジ
タルデータ処理のそれぞれの特徴を利用して高分解、高
速走査のソーナー装置を構成するものが所要ハードウェ
アと処理時間を大幅に低減するものとして近時多用され
つつあり、またその処理技術も高分解、高速走査ンーナ
、−装置を実現する有力な基本技術として定着しつつら
ることもよく知られつつある。

この処理技術は、Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングに
よって得られたｎ個のサンプルデータの実数部（Ｘｎ　
）と虚数部データ（ｊＸｎ　）とをアナログメモリとし
てのＣＴＤの内蔵コンデンサにストアしつつクロックパ
ルスによって読出したあと、ハイドロホンエレメントの
水平面における幾何学的配置条件等にもとづく重み付け
を付与して加算したＸとｊＹとし、その絶対値Ｖデη−
ｙｚを求めるという方法で形成した受信ビームをノ・イ
ドロホンの水平面にわたってエレメント１個ずつシフト
しながら走査するもので、この利用形態からシリアル位
相７フトビームホーマ一方式の名によってもよく知られ
、たとえばＡ　５ｅｒｉａｌ　ｐｈａｓｅ　５ｈｉｆｔ
　ｂｅａｍ−ｆｏｒｍｅｅ　ｕｓｉｎｇ　ｃｈａｒｇｅ
　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｄｅｖｉｃｅｓ、　Ｊ、Ｊ。

Ｂｒａｄｙ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｃｏｕｓｔｉ
ｃａｌ　　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＡｍｅｒｉｃａ、　　
６８　（２Ｌ　Ａｕｇ、　１９８０その他に詳述されて
いる。

この方式では水平面の各ハイドロホンエレメントから入
力した狭帯域信号を互いに直交するＱｕａ−ｄｒａｔｕ
ｒｅ成分、すなわちｓｉｎ成分Ｘ１（ｔ）とｃｏｓ成分
Ｙｉ（ｔ）とに分けたあとノ・イドロホンエンメントの
配置にもとづく到達時間差による影響をキャンセルする
ための位相シフトを行ない次の（１）　、　（２）式で
示されるＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプル対ＸｎおよびＹ
ｎを得る。

Ｘｎ＝　ｃｏｓθｉＸｉ　−ｓｉｎθＨＹｉ−−−−−
・（１）ＹＨ＝　ｃｏｓθｉＹｉ　＋　ｓｉｎθｉＸｉ
　　　　　　−−（２）（１）および（２）式でθｉは
所望の位相シフト角である。

指向性受信ビームを形成するためには位相シフト後の各
エレメントによる受信信号がコヒーレントに加算される
ように整相することが必要であり、さらにこの指向性受
信ビームのビーム幅を尖鋭にしサイドロープを抑圧する
ためには実施すべきシェディング（ｓｈａｄｉｎｇ　）
に対応した重み係数ＷｉをＱｕａｄｒａｔｕｒｅ信号に
乗算して整相することが必要である。エレメントがｎ個
のときはこの整相によって加算される実数部信号Ｘ（ｔ
）と虚数部信号Ｙ（１）はそれぞれ次の（３）および（
４）式で示される。

Ｘ（ｔ）＝　Ｅ　（ＷｉｃｏｓＪＸｉ（ｔ）−Ｗｉ地θ
１Ｙｉ（ｔ））　　・・・・−・（３）１＝１ Ｙ（ｔ）＝Σ　（Ｗｉｅｎｓθｉ　Ｙｉ　（ｔ）＋Ｗｉ
　ｍθ１Ｘｉ（ｔ））　　　・・・・・・（４）従って
これら実数部信号Ｘ（ｔ）と虚数部信号Ｙ　（ｔ）の合
成信号の振幅２　（１）は次の（５）式で示される０Ｚ
　（ｔ）　＝　ＣＸ”（ｔ）＋　Ｙ２（ｔ）　）　　　
　　　−＝−（５）このような指向性受信ビームをさら
に効率的にハイドロホンアレイの水平面にわたって次次
に形成し走査するに適した手法として次に述べるものが
ＰｉｔｔならびにＧｒａｃｅによって提唱され公知の技
術として利用されている。

この手法は連続的なＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリング
を時間領域における相異る２群の時系列サンプルＸおよ
びＹで構成するものであり、これはサンプリングのタイ
ミングシフト操作によって容易に実施しうる。すなわち
、まず第１の時系列サンプルＸはｆ０／ｍのサンプリン
グレートでサンプリングする。ここにｆｏは受信した狭
帯域信号５（ｔ）の中心周波数であり、ｍはナイキスト
レートを勘案し、帯域幅をＢとするとｆｏ　／Ｂの値に
最も近い正の整数値を選んで決定する。

次に、第２の時系列サンプルＹは第１の時系列サンプル
Ｘのサンプリングレートと同じで、ただそのタイミング
を１／４ｆ０　だけシフトしてサップリングされる。こ
うして得られる時系列サンプルは、１／４ｆｏ　”　７
　トが９０度の位相シフトに対応するが故に狭帯域信号
Ｓ　（ｔ）の連続Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ成分Ｘｉ　（ｔ
）とＹｉ（ｔ）の変換サンプルと等価であり、またこの
場合ベースバンド成分はこれら連続Ｑｕａｄｒ−ａｔｕ
ｒｅサンプルのエンベローフ’成分のスペクトルに等し
いものとして得られる。

前述したサンプリングレートｆ。７ｍは各Ｑｕａｄｒ−
ａ　ｔｕｒｅ信号の最高周波数ｆ。／２を確保するナイ
キストレートを満足するものであり、かくして中ｒ９周
波数凡の搬送波をＱｕａｄｒａｔｕｒｅ成分にサンプリ
ングすることによってｆ。十Ｂ／２の高周波を十Ｂ／２
のベースバンド領域に変換して処理することができる。

このような２次元サンプリング処理における実数部デー
タＸと虚数部データＹ、ならびにビームのエンベロープ
２はそれぞれ次の（７）　、　（８）ならびに（９）式
で示される。

Ｚ＝（Ｘ”十Ｙ”）　　　　　　　　　　・・・・・・
（９）このようにして形成されるＱｕａｄｒａｔｕｒｅ
　サンプル型の位相シフトビームホーマーをハイドロホ
ンアレイのエレメントｎ個を利用して形成し、かつエレ
メントを１個ずつ７７トせしめつつ受波面を走査するシ
リアル位相シフトビームホーミングを行なうことによっ
て、高分解能を得るために使用音波波長に比して極めて
長い開口長を有するノ・イドロホンアレイならびに極め
て短いパルス幅を有する送信パルスを要求されるンーナ
ー装置に対してもかなりの大きさのノ・イドロホンアレ
イならびに短パルスまでのものを基本的に安定した高速
整相走査が行なえるようになっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した、ＣＴＤを利用したシリアル立相シフトビーム
ホーマ一方式を利用する従来のソーナー装置には、しか
しながら次の如き欠点がある０すなわち、ＣＴＤを利用
した従来のこの種の高速走査ソーナーは上述した説明か
らも明らかな如く、水平面の整相は各エレメントの受信
信号相互間の位相をシフトして同一位相状態とする移相
整相のみである。ソーナー装置の運用目的に応じて方位
および距離分解能を高めるためにハイドロホンアレイの
開口長を使用音波の波長に比して極度に長大化し、この
条件と相俟って距離分解能をできるだけ向上すべく送信
パルス幅もできるかぎり短くしたいような必要が発生し
たようなときには到底移相整相だけでは処理できず、こ
れに加えて時間遅延分もカバーする遅延整相が必要とな
るがこれが適用できず、さらに垂直面のビーム走査は基
本的に考慮していないため垂直面の整相走査を実施する
必要がある場合にはこの方式を垂直面のエレメント数等
に対応して多重化する等の必要性が発生し極めて複雑な
構成となり実用上殆んど適用できないという欠点がある
。本発明の目的も上述した欠点を除去し可及的に送信パ
ルス幅を短くしまたハイドロホンの開口長を長くしたい
条件においても、また垂直面の走査も容易に実施しうる
簡素な構成の三次元走査のノーナー装置を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の装置は、７〜イドロホンアレイの各エレメント
を介して入力した受信信号のＱｕａｄｒａｔｕｒｅサン
プリングを実施して得た実数部ならびに虚数部からなる
Ｑ、ｕａｄｒａｔｕｒｅデータをＣＴ’　Ｄ　（Ｃｈａ
ｒｇｅＴｒａｎｓｆｅｒ　Ｄｅｖｉｃｅ、電荷転送素子
）の出力タッフを介して取出しつつ前記各エレメント間
の相対位置に対応した重みつけ係数を乗算したうえ加算
し整相する位相整相によって形成した受信ビームを前記
ハイドロボンアレイ受波面にわたってエレメントを１個
ずつシフトしながら次次に形成しつつ受信信号を処理す
るシリアル位相シフトビームホー　？　−（５ｅｒｉａ
ｌ　ｐｈａｓｅ　５ｈｉｆｔ　ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ　
）方式のノー・ナー装置において、前記Ｑｕａｄｒａｔ
ｕｒｅサンプリングに裏って得られる各エレメントごと
のＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングデータに対しエレ
メント相互間の相対位置に対応する遅延量のうちの位相
回転成分を同一位相状態に移相し整相する位相整相と出
力タップに遅延回路を付与したＣＴＤを介して遅延量の
うちの時間遅延成分を同一時間状態に整相する遅延整相
との組合せによって前記ノ・イドロホンの水平面にわた
って整相しつつ走査を実施する水平整相走査手段と、前
記ノ・イドロホンアレイの垂直面の各エレメントによる
受信信号を水平走査ステップ単位でＱｕａｄｒａｔｕｒ
ｅサンプリングしかつこのサンプリングは同一周期でタ
イミングのみを各エレメントごとにシフトせしめて加算
することによって垂直面における整相を実施したうえ垂
直面のエレメント配列にもとづくビーム幅と垂直面内で
必要とするビーム走査範囲にもとづく数の上下それぞれ
一対ずつの垂直面ビーム群によって形成される垂直面ス
ズリットビームを介して出力することにより垂直面走査
を実施しこの垂直面スプリットビームごとの出力を前記
水平整相走査手段に供給しつつ前記・・イドロホン受波
面の三次元走査を行なわしめ前記水平整相走査手段の出
力を介してソーナー目標の三次元位置情報を取得せしめ
る垂直整相走査手段とを備えて構成される０ 〔実施例〕 次に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明によるソーナー装置の一実施例の構成を
示すブロック図であり、ハイドロホンアレイ１．垂直整
相部２．水平整相部３９乗算回路４゜５および６１位相
検出回路７．８および９．検波回路１０．１１お工び１
２．切替器１４．１５等を備えて構成され、さらに水平
整相部３は同じ６個の水平整相回路３１，３２，３３，
３４．３５および３６を備えて構成される。

ハイドロホンアレイは本実施にあっては垂直面が４段い
わゆる４スタツク構成の円筒配列型のものを利用してい
るがこれは円筒配列型以外のラインアレイその他如何な
る形状のものであっても差支えなく、またスタッフが何
段であっても差支えない。

このハイドロホンアレイ１の出力は先ず方位単位を構成
する水平面の１ステツプいわゆるステープ単位ごとに垂
直整相部２によって垂直面における整相を受け、垂直面
のエレメント配列にもとづくビーム幅と垂直面内で必要
とするビーム走査範囲にもとづく数の上下それぞれ一対
ずつの垂直面ビーム群によって形成される垂直面スプリ
ットビーム２本実施例にあっては３組のスプリットビー
ム出力、すなわち上スプリットビーム出力Ｓｌ。

水平スプリットビーム出力Ｓ２および下スプリットビー
ム出力Ｓ３として水平整相部３の水平整相回路３１〜３
６にそれぞれ供給される。

第２図は垂直整相部２の部分の構成を詳細に示すブロッ
ク図であり、ハイドロホンアレイ１の１部を併記して示
す。

第２図に併記して示すハイドロホンアレイ１の１部は４
スタツク構成の円筒配列型ノ・イドロホンアレイ１ステ
ーブ分４個のハイドロホンｌ０ＩＡ〜ｌ０ＩＤ、ならび
にこれらノ・イドロホンのそれぞれに対応する前置増幅
器１０２Ａ〜１０２ＤおよびＢＰ　Ｆ　（Ｂａｎｄ　Ｐ
ａ５ｓ　Ｆｉｌｔｅｒ　）　１０３Ａ　〜１０３Ｄであ
り、ノ・イドロホン１０１Ａは最上層スタッフエレメン
トとしてまたノ・イドロホン１０１Ｄは最下層スタッフ
エレメントとして構成される。

ハイドロホンアレイ１はこのような４スタッフ構成のス
テーブを複数個円筒型に配列したものでちゃ前置増幅器
とＢＰＦとは受信ビームを形成すべき全ステーブに含ま
れるハイドロホンに対応して内蔵される。

さて垂直整相部２は同一機能のＱｕａｄｒａｔｕｒｅ　
サンプリング回路２０１〜２１２．それぞれがこのＱｕ
ａｄｒａｔｕｒｅサンプリング回路のクロックタイム周
期もしくはその整数倍の遅延回路２１３〜２１８ならび
に２１９〜２２１．加算回路２２２〜２２７等を備えて
構成される。

この垂直整相部２はハイドロホンアレイ１の各ステープ
ごとにスタッフ素子としての垂直面ハイドロホンによる
受信信号を整相し、かつこの整相をスズリットビームに
対応して実施することによって垂直面の走査を行なった
うえこれらスズリットビームごとの垂直面整相走査出力
を水平整相部３の内蔵各水平整相回路に供給するのがそ
の基本的動作であり、動作の詳細は次のとおりである。

１ステ一プ分の垂直面配列ハイドロホン、第２図の場合
はハイドロホン１０１Ａ〜１０１Ｄの受波出力はそれぞ
れ前置増幅器１０２Ａ〜１０２Ｄで増幅したあと使用周
波数帯域を通過帯域とするＢＰＦ１０３Ａ〜１０４Ｄを
介してベースバンド信号のみ抽出され、ＢＰＦ１０３Ａ
の出力は第１のＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリング回路
群２０１〜２０３に、ＢＰＦ１０３Ｂの出力は第２のＱ
ｕａｄｒａ　ｔｕｒｅサンプリング回路群２０４〜２０
６に、ＢＰＦ１０３Ｃの出力は第３のＱｕａｄｒａｔｕ
ｒｅ　？　７プリング回路群２０７〜２０９に、またＢ
ＰＦ１０３Ｄの出力は第４のＱｕａｄｒａｔｕｒｅサン
プリング回路群２１０〜２１回路上２１０〜２１２る。

上述した第１〜第４の各Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅサン・プ
リング回路群の各Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　サンプリング
回路はソレソれクロックパルスＣ１〜Ｃ４のいずれかに
よって入力をＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングする。

第３図はＱｕａｄｒａｔｕｒｅ　ｆンプリングにおける
クロックパルスの基本的タイムシーケンス図である。

第３図に示す１１１〜Ｉｎは前述した第１の時系列サン
プルとしてサンプリングレートｆ。７ｍでサンプリング
された実数部サンプルであり、またＱｌ〜Ｑｎはこの第
１の時系列サンプルと同一の周期でタイミングだけかで
＝　１　／　４’ｆｏシフトした状態でサンプリングさ
れた第２の時系列サンプルとしての虚数サンプルである
。Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングは時間軸を上にお
いてＩＩ、Ｑｌのベアから予め設定する７７（ｎ個のペ
アＩｎ、Ｑｎｔｅのサンプリングを完了し再びＩｌ、Ｑ
ｌのサンプルを抽出するまでを１サンプル周期として連
続して継続される。

第２図に示すクロックＣＬＫは上述したてに相当し従っ
て実数部サンプルエｌからＩ２までの１週期はＣＬＫ／
２　となる。

第２図において、クロックＣＬＫはそのままクロックパ
ルスＣ１として、また遅延回路２１９〜２２１によって
それぞれτずつ遅延され、１τ遅延のものはクロックパ
ルスＣ２，２τ遅延のものはクロックパルスＣ３，３τ
遅延のものはクロックパルスＣ４として、指定された谷
Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリング回路のクロックパル
スとして利用される。

垂直整相部２における垂直整相の基本を要約すれば、相
隣れる上下のハイドロホンによる出力の位相差が９０度
の場合極めてその処理が簡単となることに着目しベース
バンド信号のＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングのサン
プリング周期は同じものとしタイミングシフトだけを利
用して整相を実現しようとするものである。相隣れるエ
レメントによる出力の位相差が９０度の場合に整相処理
が極めて簡単になることは、たとえば（７）　、　（８
）式で位相角θｉが９０度であるとした場合を考えても
容易に理解しうろことである。

第４図は第１図の実施例における垂直整相の基本的概念
を説明するための垂直整相説明図である。

アレイ間隔ｄで配置された１ステ一プ分の垂直面ハイド
ロホン１０１Ａ〜ｌ０ＬＤに対し入射角θで入射音波Ｓ
が到来したとする。この場合、垂直方向の相隣れるノ・
イドロホンによる出力の移相２π 量δはδ＝　−（ｄ）血θで表わされる。ここでλはλ 音波の波長である。移相量δが９０度、すなわちなるが
この場合の入射角θをθ。とするとθ。は次の（１０）
式で示される０ 刊１　　　　・・・・・（１０） θｏ＝ｔｈ　Ｌ ハイドロホンｌ０ＩＡ−１０１Ｄの出力は。

の移相量をそれぞれ移相器２００１〜２００３によって
与えられてコヒーレント状態で加算器２００４によって
加算９合成されすなわち垂直面整相されて垂直ビーム出
力となる。

この垂直面整相においては入射角θがθ。である場合に
量大感度を有する。すなわち、この特徴を利用しく１０
）式で示す＋ＯＱ度、−００度の上下角方向に複数のビ
ームを形成するようにして受波すればよく、またこれら
のビームを次次に切替えて受波すれば垂直面の走査も可
能となる。しかもこれはスプリットビーム方式で容易に
実現しうるものであり、本実施例においてもスプリット
ビーム方式による位相差検出を利用して実現している０
次に垂直面のハイドロホンが第４図の場合と同じく各ス
タッフ１個の場合を例として本実施例における垂直整相
の内容を説明する。

さて、相隣れるハイドロホンの出力の位相差が９０度で
あるということは、観点を変えてみるとベースバンド信
号をＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングデータとすると
き、サンプリングをτだけタイムシフトすることと同じ
内容であることは明らかである。第２図において、Ｑｕ
ａｄｒａｔｕｒｅ　ｔアブリング回路２０１はＢＰＦ１
０３Ａの出力を受けてこれをクロックパルスＣ１でサン
プリングする。クロックパルスＣ１はＣＬＫすなわち時
間τである。

このサンプリングによってＢＰＦｌ　０３Ａの出力であ
るアｆログ量のベースバンド信号は第３図に示すＩ　１
　、　Ｑｌ　〜Ｉｎ、　ＱｎのＩ、Ｑ丈／プル系列に変
換する。また、Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅす／ブリング回路
２０２および２０３はそれぞれクロックパルスＣ４でＢ
ＰＦ１０３Ａの出力をサンプリングする。クロックパル
スＣ４はクロックパルスＣ１１）も３τだけタイミング
がシフトしている。

次にＢＰＦ　１０３Ｂの出力を受けたＱｕａｄｒａｔｕ
ｒｅす７プリング回路２０４，２０５および２０６はそ
れぞれクロックパルスＣｚ　、Ｃ４およびＣ３でサンプ
リングする。こうしたサンプリング状態でＱｕａｄｒａ
ｔｕｒｅサンプリング回路２０１と２０４の出力にそれ
ぞれ遅延回路′２１３と２１４によって遅延時間３τと
２τを与えコヒーレントな状態としたうえ加算回路２２
２に供給しこれらを加算する。また、Ｑｕａｄｒａｔｕ
ｒｅ　ｆ　７ブリング回路２０２と２０５の出力はその
まま加算回路２２３に、さらにＱｕａｄｒａｔｕｒｅサ
ンプリング回路２０６の出力は遅延回路２１５で遅延時
間でだけ与えられたのちＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリ
ング回路２０３の出力とともに加算回路２２４に供給し
加算される。このようにして互いに−の位相差を有する
２組のＱｕａ−ｄｒａｔｕｒｅすアブリング回路の出力
と位相差をもたない１組のＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプ
リング回路の出力とが整相され３個の受波ビームを形成
する。これら３個の受波ビームのうち加算回路２２２は
十へ度、また加算回路２２４は一〇。度の、そうして加
算回路２２３は角度零の上下角の受信ビームによるＩ、
Ｑサンプル出力となる。本実施例においては整相処理が
比較的容易な零度の受信ビームも併用している。　　′ 全く同様な手段によって、第３および第４のＱｕａｄｒ
ａｔｕｒｅサンプリング回路群２０７〜２０９および２
１０〜２１２．遅延時間τの遅延回路２１６、遅延時間
２τの遅延回路２１７．遅延回路３τの遅延回路、加算
回路２２５〜２２７によってハイドロホンＩＱｉＣ，ｌ
０ＬＤの出力に対する垂直整相が行なわれ、これらは加
算回路２２５の出力としての十〇。度の、また加算回路
２２７の出力としての一〇。度の、そうして加算回路２
２６の出力としての角度零の各上下角の受信ビームによ
る工、Ｑサンプル出力を得る。ハイドロホン１０１Ａお
よび１０１Ｂの出力を利用して形成する受信ビームを上
ビーム、ハイドロホ／１０１Ｃおよびｌ０ＩＤの出力を
利用して形成する受信ビームを下ビームと呼ぶと、垂直
整相部２の出力は同じ上下角の３組の同指向特性の上下
ビーム、すなわち３組のスプリットビームによる出力と
じて得られ、しかもこのスプリットビームは垂直面ハイ
　ドロホンのハイドロホン１０１人〜１０１Ｄの出力を
クロックパルスＣ１〜Ｃ４で次次にサンプリングしたの
みで得られるものであシ、かくしてＱｕａｄｒａｔｕｒ
ｅサンプリングのタイミングをシフトする整相を行なう
のみでスプリットビームによる垂直面の高速度整相走査
が容易に実施できる。

こうして垂直整相を実施して得られる３組のスズリット
ビーム出力、すなわち十００度上および下ビームＩ、Ｑ
サンプル出力、および一θａｉＥ上および下ビームＩ、
Ｑサンプル出力、ならびに０度上および下ビームＩ、Ｑ
サンプル出力はそれぞれ水平整相部３に供給される。

上述した垂直整相は垂直面のハイドロホンが各スタッフ
あたＤｌ（ｒＩＡの場合を列として説明したが、一般的
には後述するように水平方向ではスタッフ当りＡ個のハ
イドロホンが指向性合成に利用され、これに対応して垂
直方向Ｂスタッフも各スタッフ当ＪＡ個のハイドロホン
が配置されるがこの場合でもチャネル数の増加のみで基
本的には同様にして処理できることは明らかである。

第５図は第１図の実施例における水平整相部３の各水平
整相回路の構成を詳細に示すブロック図であジ、ハイド
ロホンアレイ１および垂直整相部２を併記して示す。

ハイドロホンアレイ１はＡステーブ、Ｂスタッフすなわ
ちへＸＢ＝Ｐ個ずつを受波ビーム形成単位としてステー
プを１個ずつシフトさせなから＃１から＃Ｍ゛グループ
まで所要の水平走査範囲をカバーするまで旋回走査する
。本実施例では水平方向はＡ個のハイドロホンの受波出
力を整相しており、垂直面Ｂ個本実施例にあっては４個
のハイドロホンによる出力がＡステーブにわたって次次
にハイドロホンアレイから垂直走査部２に供給され、さ
らに全体Ｐ個がステープ１個ずつ水平方向をシ７トレな
がら＃１から＃Ｍグループまで所要の水平範囲をカバー
するまで走査している。これを受けた垂直整相部２はθ
。ビー下、０変、−〇。直上下の各ビームによるＩ、Ｑ
サンプル出力を発生し水平整相部３に供給する。

第６図は第１図の実施例における垂直ビーム群の構成を
示す垂直ビーム群構成図である。

水平方向に配列したステープをＡ個ずつ、また本実施例
では４段スタッフ、一般的には８段スタッフで合計ＡＸ
Ｂ＝Ｐ個のハイドロホンエレメントを利用しつつ旋回走
査し、□垂直ビームは上方の２スタッフ分上方ビーム、
また下方の２スタッフ分で下ビームとしての３個の垂直
ビーム、十〇。

度、０度および一００度ビームを形成している。

また水平ビーム群を併記して示しているが走査方向に対
して欠次にＡ個のハイドロホンによる狭ビームが形成さ
れることを示している。

ふたたび第５図に戻って説明する。第５図は例として十
〇９ビービーム出力が水平整相回路３１に供給される場
合を例として説明しているが、他のビームによる出力を
処理する場合も全く同様である。

ハイドロホンアレイの＃１グループの２個のハイドロホ
ンのうち＋θＧ度上ビームを形成しかつ所望の水平方向
指向性を形成するために必要な８個のハイドロホンの出
力は垂直整相部２からＩテンプル出力ＩＩＩＱ丈／プル
出力Ｑｉとしてと９出され水平整相回路３１に供給され
る。ここに里は１〜Ｒである。

水平整相回路３１は、位相整相回路３１１および遅延整
相回路３２２を備えて構成され、さらに位相整相回路３
１１は遅延回路３１１１．ｄ１移相係数乗算回路３１１
２および３１１３．ｃｍ移相係数乗算回路３１１４およ
び３１１５　、加算回路３１１６および３１１７を備え
て構成される。また遅延整相回路３１２は実数部遅延整
相回路３１２１．虚数部遅延整相回路３１２２および絶
対値演算回路３１２３を備えて構成される。

位相整相回路３１１および遅延整相回路３１２はいずれ
もＣＬＫ／２の１周期のクロックパルスで駆動され、実
数データのエサンプル出カニ１は遅延回路３１１１で時
間τの遅延を受けたのち内移相係数乗算器３１１２と邸
移相係数乗算器３１１４とに供給される。　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　・第７図は第１図の実施例
におぐる水平整相の基本原理を説明するための水平整相
原理図である。

第７図の水平整相原理図は、水平整相において必要とす
る最長遅延量が送信パルスすなわちエコーパルスの整数
倍以上となり移相整相のみでは処理できないような場合
の整相を対象としたものである。

ハイドロホンアレイ１に対し矢印の方向から音波が到来
し、これを＃ｌグループから＃ＭｌグループそれぞれＲ
＋１固ずつのハイドロホンによって十〇。直上ビームの
水平方向ビームを形成しつつ水平走査するものとする。

この場合、各グループに与えるべき遅延量の総合は総合
遅延量として示す如くで、最大遅延量はエコーパルスの
整数倍程度の大きな量とする。黒い丸はいずれも中心値
を示す０ いま、この総合遅延量を移相回転分と時間遅延分とに分
けこれらをそれぞれ移相量と遅延量で示すと第６図のよ
うになる。こうして総合遅延量を２分解して第５図の位
相整相回路３１１では移相量の処理のみ行なったうえ遅
延整相回路３１２では時間遅延処理と絶対値演算による
エノベローグ（振幅〕の算出処理を行なっている。

―移相係数乗算回路３１１２は内移相係数を予めストア
しこれと入力との乗算を実施したあとこれを加算回路３
１１７に供給し、また鳴移相係数乗算回路３１１４は可
移相係数を予めストアしこれと入力との乗算を実施した
あとこれを加算回路３１１６に供給する。。

上述した鑞および（２）移相係数はそれぞれ廁θ１およ
び可θ１　（ｉ＝ｌ〜＆）である。ここに０１はハイド
ロホンの相対的位置に対応して予め決定される移相量で
あり第６図で示した移相量に対応するものである。■サ
ンプル出カニ、をτだけ遅延したあとこのような移相係
数による乗算を実施することによジ、癲移相係数乗算回
路３１１２はＩｉ由θｉを、また邸移相係数乗算回路３
１１４はｌ１ｃａｓθｉをそれぞれ出力する。

癲移相係数乗算回路３１１３およびμｓ移相係数乗算回
路３１１５もそれぞれ幽移相係数乗算回路３１１２およ
び（２）移相係数乗算回路３１１４に等しい機能を備え
全く同様にしてＱサンプル出力Ｑｉを入力しＱ４　ｍθ
ｉとＱｉｃｏｙθｉを出力する。ただしＱｉ自θは魚種
性のデータとして出力する。

加算回路３１１６は、上述した移相係数乗算後の出力の
うちｌ１ｃａｓθｉと−Ｑｉｇｔｎθｉを加算し工、＝
Ｉｉ（２）θ１−Ｑｉ画θｉを得る。ま念加算回路はＱ
。

＝Ｑｉｃａｓθｉ＋Ｉｉｍθｉを得る。これら工、お工
びＱｌはハイドロホンアレイの＃１グループによる十〇
。

上ビームを対象として実施した水平位相整相でありこの
水平位相整相を＃ｌグループから＃Ｍｌグループでハイ
ドロホンを１個ずつシフトしながら走査することによっ
て工、〜ＩＭとＱ１〜ＱＭの出力を得る。これらの内容
は前述した（１）および（２）式で示すＸｎ　、　Ｙｎ
にそれぞれ対応するものである。

位相整相回路３１１の出カニ、〜Ｉ、とＱ、〜勉とはそ
れぞれ遅延整相回路３１２の実数部遅延整相回路３１２
１と虚数部遅延整相回路３１２２とに供給され、それぞ
れ重み係数Ｗｉ（ｉ＝ｌ−Ｒ）を乗算され、Ｉｋおよび
Ｑｋ（ｋ＝ｘ〜Ｍ）のエビーム出力およびＱビーム出力
を出力する。重み係ｆ＆Ｗｉは前述した如く所望のサイ
ドロープ抑圧度に対応してろらかしめ設定される。

実数部遅延整相回路３１２１および虚数部遅延整相回路
３１２２はそれぞれＣＣＤ　（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐ
ｌ　−ｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　）の出力タップのそれぞれ
に重み係数Ｗｉに対応する重み付は用の抵抗群等を配置
してアナログメモリかつシフトレジスタ的機能を有する
ＣＯＤのタッグ出力をＣＬＫ／　２のクロツクのオン、
オフ両サイクルにわたって次次に挽出しつつ工１〜ＩＭ
　、　Ｑｌ〜ＱＭにそれぞれ重み係数Ｗｉを乗じたうえ
その出力を加算９合成してそれぞれＩビーム出カニにお
よびＱビーム出力Ｑｋ（ｋ＝１〜Ｍ）として出力する。

上述したＣＴＤはＣＣ１）に限定する必要はなく、他ｏ
ｃＴＤたとえばＢ　Ｂ　Ｄ　（Ｂｕｃｋｅｔ　Ｂｒｉｇ
ａｄｅＤｅｖｉｃｅ　）　Ｓ　ＣＦ　（５ｗ１ｔｃｈｅ
ｄ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｆ　１ｌｔｅｒ）等と置換し
ても一向に差支えない。

こうして得られるＩビーム出カニにとＱビーム出力Ｑｋ
とはそれぞれ次の（１１）　、（１２）式で示されるが
これは（３）　、　（４）式で示すＸ（ｔ）およびＹ　
（ｔ）に対応するものである。

工に：Σ（ＷｉＩｉｃｏｓθ１−ＷＨＩ　ｉ　ｍθｉ　
）　−−（１１）１！Ｉ Ｑｋ＝Σ（Ｗｉｃｏｓθｉ＋ＷｉＩｉｓｉｎθｉ　）　
　・＝　−（１２）１雪１ これらＩｋ、　Ｑｋは次に絶対値演算回路３１２３に供
給され絶対値演算（Ｉｋ＋（４）　　　を実施しその出
力を水平整相ビーム出力Ｈ１として出力し、これは１水
平走査による出力のエンベロープ情報を示す。

上記は十〇。庇上ビームと水平整相回路３１とによって
形成される水平整相ビーム出力Ｈ１に関する処理内存で
るるか、＋００度下ビーム、０度上および下ビーム、−
〇。直上および下ビームと対象として水平整相回路３２
〜３６によって形成される水平整相ビーム出力Ｈ２〜Ｈ
６についても全く同様にして処理される。

さて、水平！ｉ相ビーム出力１−１１とＨｌとはそれぞ
れ乗算回路４お工び位相検出回路７に供給される。これ
らは十〇。直上および丁ビームによって構成されるスプ
リットビームによる出力でもある。

乗算回路４は水平整相ビーム出力Ｈ１とＨｌとを乗算し
て相互相関をとったのち出力を検波回路１０に供給する
。

検波回路１０は相関積分回路等によってコヒーレンシイ
のある信号成分のみを累積して抽出するという手段でエ
コーパルスを検波しこの検波出力を最大値検出回路１３
および切替器１５に供給する０ また、位相検出回路７は水平整相ビーム出力Ｈ１とＨｌ
とを入力しその位相差を利用する公知の手段によってＨ
ｌと８２間の位相差を検出しこれを上下角情報として切
替器１４に供給する。

乗算回路５および位相検出回路８はそれぞれＯ庇上ビー
ムと下ビームによるスゲリットビーム。

すなわち水平整相ビーム出力Ｈ３とＨ４とを受け、また
乗算回路６と位相検出回路９とはそれぞれ→。

庇上ビームと下ビームによるスプリットビーム。

すなわち水平整相ビーム出力Ｈ５とＨｏとを受は前者の
場合は検波回路１１から検波出力が最大値検出回路１３
と切替器１５に供給されるとともに位相差出力が切替器
１４に供給され、また後者の場合は検波回路１２から検
波出力が最大値検出回路１３と切替器１５に供給される
とともに位相差出力が切替器１４に供給される。

最大値検出回路１３は、こうして入力し九３個の検波出
力を比較しその最大値を決定したうえこれを水平表示Ｃ
几Ｔに輝度信号１３ｏ１として送出する。

切替器１４は、３組のスプリットビームによる３個の位
相差信号を入力しこれを切替信号ＳＷのタイミングで次
次に切替えて目標の上下角信号として出力する。

切替信号ＳＷは、３個のスプリットビームに対応しそれ
ぞれ十〇。度、０度、−〇。度を中心上下角とする３つ
の垂直表示セクターを切替えるための信号であり３組の
スズリットビーム切替と同期し３個の上下角情報を次次
に切替え出力する。

切替器１５は３個の検波出力を切替信号ＳＷで切替えつ
つ輝度信号として出力する。かくして垂直表示ＣＲＴは
この輝度信号と前述した上下角信号によって垂直方向に
おけるソーナーエコーの表示情報を得て別途入力する垂
直偏向信号とともにこれらを垂直表示ＣＰＬＴに供給し
垂直表示を行な５゜ 第８図は第１図の実施例における水平および垂直走査表
示の一例を示す走査表示図である。

水平走査表示は予め設定した水平走査角範囲に検波出力
が最大値とともに表示される。第８図の場合はその最大
値をエコーと判定し自動的もしくはマニエアルでカーソ
ルによる表示を行なったもので水平走査表示は水平走査
範囲の、また、垂直走査範囲は中心表示角度方向をそれ
ぞれ十〇。度。

０度、−〇。度とする３つの表示セクターごとに次次に
切替えつつ表示され水平走査表示のンーナーエコーが垂
直走査表示によっても表示される。なお、これら水平お
よび垂直走査表示におけるラジアル方向の長さは距離レ
ンジに対応して設定されるＯ なお上述した実施例においては円筒配列型のハイドロホ
ンアレイを利用しているがこれは他の形状の７レイとし
てもよく、またＣＯＤは他のＣＴＤと置換しても同様に
実施しうろことは明らかであり、さらにスプリットビー
ムの個数もハイドロホンアレイのスタッフ数等に対応し
て任意に設定しうろことは明ら′かで、以上はいずれも
本発明の主旨を損なうことなく容易に実施しうるもので
ある。

〔発明の効果〕

以上説明した如く本発明によれば、ＣＯＤを利用したシ
リアル位相シフトビームホーマ一方式のソーナー装置に
おいて、ハイドロホンアレイの水平面ではＱｕａｄｒａ
ｔｕｒｅ移相整相とＣＴＤによる遅延整相との組合せに
よるキメ細かな水平整相とその走査とをリアルタイムで
実現する手段と、垂直面では相隣れるハイドロホンの位
相差が９０度の場合に整相処理が極めて簡単になる特性
を利用しサンプリングシフトのみによる整相をスプリッ
トビーム方式で実現する手段とを備えて三次元走査する
ことによって、パルス幅を可及的短くまたハイドロホン
アレイ長を可及的大とすべき運用条件のもとでも高分解
能の三次元走査が極めて簡素な構成でリアルタイムで実
施できるンーナー装置が実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるソーナー装置の一実施例の構成を
示すブロック図、第２図は第１図に示す実施例における
垂直整相部２の部分の構成を詳細に示すブロック図、第
３図はＱｕａｄｒａｔｕｒｅ　サンプリングにおけるク
ロックパルスの基本的タイムシーケンス図、第４図は第
４図の実施例における垂直整相の基本的概念を説明する
ための垂直整相説明図、第５図は第１図の実施例におけ
る水平整相部３の各水平整相回路の構成を詳細に示すブ
ロック図、第６図は第１図の実施例における垂直ビーム
群の構成を示す垂直ビーム群構成図、Ｗｃ７図は第１図
の実施例における垂平整相の原理を説明するための水平
整相原理図、第８図は第４図の実施例における水平およ
び垂直走査表示の一例を示す走査表示図である。 １・・・・・・ハイドロホンアレイ、２・・・・・・垂
直整相部、３・・・・・・水平整相部、４〜６・・・・
・・乗算回路、７〜９・−・・・・位相検出回路、１０
〜１２・・・・・・検波回路、１３・−−−−−ｉ大値
検出回路、１４，１５・・・・・・切替器、３１〜３６
・・・・・・水平整相回路、１０１Ａ〜ｌ０ＩＤ・・・
・・・ハイドロホン、１０２Ａ〜１０２Ｄ・・・−・・
・前置増幅器、１０３Ａ〜１０３Ｄ・・・・・・ＢＰＦ
、２０１〜２１２−−−−−−　Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ
サンプリング回路、２１３〜２２１・・・・・・遅延回
路、２２２〜２２７・・・・・・加算回路、３１１・・
・・・・位相整相回路、３１２・・・・・・遅延整相回
路、２００１〜２００３・−・・・・移相器、２００４
・・・・・・加算器、３１１１・・・・・・遅延回路、
３１１２〜３１１３・・・・・・出移相係数乗算器、３
１１４〜３１１５・・・・・・可移相係数乗算器、３１
１６〜３１１７・・・・・・加算回路、３１２１・・・
・・・実数部遅延整相回路、３１２２・・・・・・虚数
部遅延整相回路、３１２３・・・・・・絶対値演算回路
。 ＄　　２　１ｇ ネ　４Ｕｊ！Ｊ ＄　５　図 ７回唄査来示　　　　　蚕亘走食果示 ＄　８　聞 茶　７　図 手続補正書（方式） 昭和　　年６０゛イ°１２日 １、事件の表示　　　昭和５９年特　許　願第２６０３
７７号２、発明の名称　　ンーナー装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　　　出　願　人東京都港区芝五
丁目３３番１号 （４２３）　　　日本電気株式会社 代表者　関本忠弘 ４、代理人 ５、　補正命令の日付　　昭和６０年３月２６日（発送
日）６、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 Ｌ　補正の内容 第５頁の第８〜１１行目にｌ”’　Ａ　５ｅｒｉａｌ　
ｐｈａｓｅｓｈｉｆｔ　ｂｅａｍ　−ｆｏｒｍｅｅ　ｕ
ｓｉｎｇ　ｃｈａｒｇｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｄｅｖｉ
ｃｅｓ。 Ｊ　、Ｊ　、Ｂｒａｄｙ　、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
Ａｃｏｕｓｔｉｃ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉ
ｃａ。 ６８（２）、Ａｕｇ、　１９８０　Ｊとあるのｔ−ｒ電
荷転送装置ｉｔ−用いたシリアル　フェイズ　シフト　
ビームフォー４７−」、ジェイ、ジェイ、プラディ、ジ
ャーナル　オブ　アカウスティック　ンティアティ　オ
プ　アメリカ　６８（２）、Ａｕｇ、　１９８０　（”
Ａ　５ｅｒｉａｌ　ｐｈａｓｅｓｈｉｆｔ　ｂｅａｍ−
ｆｏｒｍｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｃｈａｒｇｅ　ｔｒａｎｓ
ｆｅｒ　ｄｅｖｉｃｅｓ”。 Ｊ　、Ｊ　、Ｂｒａｄｙ　、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
Ａｃｏｗｔｉｃ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃ
ａ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ハイドロホンアレイの各エレメントを介して入力した受
   信信号のＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングを実施して
   得た実数部ならびに虚数部からなるＱｕａｄｒ−ａｔｕ
   ｒｅデータをＣＴＤ（ＣｈａｒｇｅＴｒａｎｓｆｅｒＤ
   ｅｖｉｃｅ、電荷転送素子）の出力タッフを介して取出
   しつつ前記各エレメント間の相対位置に対応した重みつ
   け係数を乗算したうえ加算し整相する位相整相によって
   形成した受信ビームを前記ハイドロホンアレイ受波面に
   わたってエレメントを１個ずつシフトしながら次次に形
   成しつつ受信信号を処理するシリアル位相シフトビーム
   ホーマー（ｓｅｒｉａｌｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔ　ｂｅ
   ａｍｆｏｒｍｅｒ）方式のソーナー装置において、前記
   Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングによって得られる各
   エレメントごとのＱｕａｄｒａｔｕｒｅサンプリングデ
   ータに対しエレメント相互間の相対位置に対応する遅延
   量のうちの位相回転成分を同一位相状態に移相し整相す
   る位相整相と出力タップに遅延回路を付与したＣＴＤを
   介して遅延量のうちの時間遅延成分を同一時間状態に整
   相する遅延整相との組合せによって前記ハイドロホンの
   水平面にわたって整相しつつ走査を実施する水平整相走
   査手段と、前記ハイドロホンアレイの垂直面の各エレメ
   ントによる受信信号を水平走査ステップ単位でＱｕａｄ
   ｒａｔｕｒｅサンプリングしかつこのサンプリングは同
   一周期でタイミングのみを各エレメントごとにシフトせ
   しめて加算することによって垂直面における整相を実施
   したうえ垂直面のエレメント配列にもとづくビーム幅と
   垂直面内で必要とするビーム走査範囲にもとづく数の上
   下それぞれ一対ずつの垂直面ビーム群によって形成され
   る垂直面スプリットビームを介して出力することにより
   垂直面走査を実施しこの垂直面スプリットビームごとの
   出力を前記水平整相走査手段に供給しつつ前記ハイドロ
   ホン受波面の三次元走査を行なわしめ前記水平整相走査
   手段の出力を介してソーナー目標の三次元位置情報を取
   得せしめる垂直整相走査手段とを備えてソーナー目標の
   三次元走査を行なうことを特徴とするソーナー装置。