JP6587564B2

JP6587564B2 - 音響測定装置、音響測定方法、マルチビーム音響測定装置及び開口合成ソナー

Info

Publication number: JP6587564B2
Application number: JP2016050441A
Authority: JP
Inventors: 笹倉　豊喜; 豊喜笹倉; 行雄松尾
Original assignee: Aquafusion Inc
Current assignee: Aquafusion Inc
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2017166880A

Description

本発明は、超音波を使用して深度、対象までの距離等を測定する音響測定装置、音響測定方法、マルチビーム音響測定装置及び開口合成ソナーに関する。

音響測定装置の一つとして音響測深装置が知られている。海洋での音響測深技術は古くから行われており、図１に示すように超音波振動子から超音波パルスを発射し、その音波が対象（海底）から反射してくるエコーをとらえて、水中の音波の伝搬速度（約１５００ｍ／ｓ）を用いてその深度を計測するものである。この原理を用いた音響測深装置は５０年以上も前から製品化されており、今日でもこの原理を用いて海底の深度測量が行われている。このエコーロケーションと呼ばれる技術はこれまで変わることなく、言い換えれば発展することなく使用され続けてきた。

原理は、超音波パルス（例えば１ｍｓパルス幅）を発射し、５００ｍの海底だと往復距離１０００ｍを音波の水中速度Ｖｕを１５００ｍ／ｓとすれば、１０００／Ｖｕ＝１０００／１５００＝０．６６７秒かかって帰ってくるので、そのエコーを受信した後、再び超音波パルスを発射し、同時に船が進んだ分異なった場所の海底深度を計測するわけである。このように船の航行に伴って順次海底の深度を計測し、それを記録紙や画像として液晶画面に表示するのが音響測深装置と呼ばれるものである（例えば特許文献１参照）。

これまでの音響測深装置は、超音波の水中での音速を考慮し、受信エコーより前に次の送信をしないように発信間隔をコントロールして、測深を行ってきた。図２に示すように、１つのビームだけを備えた測深装置をシングルビーム測深装置といい、近年登場した扇型に複数のビームが拡がるものをマルチビーム測深装置という（例えば特許文献２参照）。マルチビーム測深装置は一度に広い範囲の深度を計測できる。

深度をＤ、送信パルスの送信間隔をＴとし、（２Ｄ／１５００）＜Ｔの場合では、図３Ａに示すように、送信パルスと受信エコーの時間差が（２Ｄ／１５００）に対応したものとなり、この時間差から深度を測定できる。しかしながら、（２Ｄ／１５００）≧Ｔの場合では、図３Ｂに示すように、次の送信パルスの送出後に受信エコーが到来するので、受信エコーがどちらの送信パルスに対応したものかが分からなくなり、時間差ＦＤに基づいて誤った深度を計測することになる。したがって、従来では（２Ｄ／１５００）＜Ｔの条件が必要であった。

送信周期を短くできないことは、測深の水平方向分解能を小さくできないことになる。図４を参照して船の進行方向（水平方向）の計測の分解能について説明する。船速Ｖ（ｍ／ｓ）で深度Ｄ（ｍ）の測深を行う場合の水平方向の分解能ΔＨ（ｍ）は次式で表される。
ΔＨ＝ＶＴ＞２ＤＶ／１５００

例えば船が１０kt（時速１０×１．８５２km）で航行し、送信の周期が１秒の場合、約５ｍ毎にしか測深データは得られない。深度１，０００ｍの海底を計測するには、送信周期Ｔを（１，０００×２）／１，５００＝１．３３秒以上にしないと計測できないが、船が１０ktで航行すれば１．３３秒後には６．７ｍ進んでいるので、計測の分解能ΔＨは６．６７ｍということになる。マルチビーム測深装置は一度に広い範囲の深度を計測できるが、船の進行方向の計測の分解能はシングルビームと同様である。

特開２００１−０８３２４７号公報特開２００６−２２０４３６号公報

従来の音響測深装置では、計測の分解能を高くするためには船の速度を低下させる以外に方法がなかった。したがって、従来の音響測深装置は、測深の分解能を高くする場合に測深に要する時間が長くなる問題があった。

したがって、本発明の目的は、送信周期の制約をなくすことができ、短い送信周期を実現して分解能を高くすることができる音響測定装置、音響測定方法、マルチビーム音響測定装置及び開口合成ソナーを提供することにある。

本発明は、船などの移動体に設置され、水中の測定対象を探知する音響測定装置において、
送信トリガーパルスと同期し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送信タイミングの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、
送信信号を超音波として移動体の下方の底に向けて順次送出する送信部と、
送信部から送出された超音波で測定対象での反射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し、送信信号及びエコーの時間差に基づいて測定対象までの距離を測定する相関器と、
送信信号と同期してエコーを表示する表示装置と
を備え、
表示装置は、送信トリガパルスのタイミングを画面上の上側の発信線として表示し、送信トリガパルスに対する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、隣接する送信トリガパルス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、測定対象までの距離をＤとする場合に、（２Ｄ／Ｖｕ）以下とされた
音響測定装置である。
また、本発明は、船などの移動体に設置された音響測定装置によって水中の測定対象を探知する音響測定方法において、
疑似雑音系列発生回路によって送信トリガーパルスと同期して疑似雑音系列信号を生成し、送信タイミングの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し、
送信部によって送信信号を超音波として移動体の下方の底に向けて順次送出し、
送信部から送出された超音波のエコーを受信部によって受信し、
エコーを相関器によって相関処理することによって、送信信号と対応するエコーを判別し、送信信号及びエコーの時間差に基づいて測定対象までの距離を測定し、
送信信号と同期してエコーを表示装置によって表示し、
表示装置は、送信トリガパルスのタイミングを画面上の上側の発信線として表示し、送信トリガパルスに対する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、隣接する送信トリガパルス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、測定対象までの距離をＤとする場合に、（２Ｄ／Ｖｕ）以下とされた
音響測定方法である。

また、本発明は、船などの移動体に設置され、水中の測定対象を探知するマルチビーム音響測定装置において、
送信トリガーパルスと同期し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送信タイミングの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、
送信信号を超音波として移動体の下方の底に向けて順次送出する送信部と、
送信部から送出された超音波で測定対象での反射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し、送信信号及びエコーの時間差に基づいて測定対象までの距離を測定する相関器と、
送信信号と同期してエコーを表示する表示装置と
を備え、
表示装置は、送信トリガパルスのタイミングを画面上の上側の発信線として表示し、送信トリガパルスに対する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、隣接する送信トリガパルス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、測定対象までの距離をＤとする場合に、（２Ｄ／Ｖｕ）以下とされ、
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定装置である。
さらに、本発明は、船などの移動体に設置され、水中の測定対象を探知する開口合成ソナーにおいて、
送信トリガーパルスと同期し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送信タイミングの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、
送信信号を超音波として移動体の下方の底に向けて順次送出する送信部と、
送信部から送出された超音波で測定対象での反射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し、送信信号及びエコーの時間差に基づいて測定対象までの距離を測定する相関器と、
送信信号と同期してエコーを表示する表示装置と
を備え、
表示装置は、送信トリガパルスのタイミングを画面上の上側の発信線として表示し、送信トリガパルスに対する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、隣接する送信トリガパルス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、測定対象までの深度をＤとする場合に、（２Ｄ／Ｖｕ）以下とされ、
１組の送波器及び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するようにした
開口合成ソナーである。

本発明によれば、送信周期を短くすることができるので、水平方向の分解能を高くすることができる。また、本発明では、送信周期が短いので、前後の受信エコー信号に相関がある。したがって、前後の受信エコー信号を加算するなどしてＳＮ比を向上できるので、低い送信出力でも受信エコー信号を加算処理することが可能になり、装置の小型化や省電力設計が可能になる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であっても良い。

音響測深の原理を示す略線図である。シングルビーム測深とマルチビーム測深を説明するための略線図である。従来の音響測深装置の説明に用いる波形図である。従来の音響測深装置の水平方向分解能の説明に用いる略線図である。本発明の一実施の形態の構成を示すブロック図である。本発明の一実施の形態における相関器の説明に用いるブロック図である。相関器の出力の説明に用いる波形図である。受信信号を表示する場合を説明する略線図である。送信信号の変調方法の一例を示す波形図である。本発明の一実施の形態の説明に用いる波形図である。本発明の一実施の形態の水平方向分解能の説明に用いる略線図である。本発明の一実施の形態の説明に用いる波形図である。本発明の一実施の形態の水平方向分解能の説明に用いる略線図である。従来の音響測深装置のシミュレーションの結果を説明に用いる略線図である。本発明による音響測深装置のシミュレーションの結果を説明に用いる略線図である。従来の音響測深装置による表示画像と本発明の音響測深装置による表示画像を比較して示す略線図である。本発明による音響測深装置の送信信号の一例の波形図である。本発明による音響測深装置において二つのゴールドコード信号が重なった場合の説明に用いる波形図である。開口合成サイドスキャンソナーの原理を説明するための略線図である。開口合成の指向特性を説明するための略線図である。開口合成の原理を説明するための略線図である。点ターゲットの一例を示す略線図である。点ターゲットの一例の画像を示す略線図である。本発明における点ターゲットの一例の開口合成前の画像と開口合成後の画像を示す略線図である。従来における点ターゲットの一例の開口合成前の画像と開口合成後の画像を示す略線図である。本発明における２点ターゲットの一例の開口合成前の画像と開口合成後の画像を示す略線図である。マルチビーム音響測深機の説明に用いる略線図である。本発明をマルチビーム音響測深機に適用した他の実施の形態の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
本発明の説明は、以下の順序にしたがってなされる。
＜１．一実施の形態＞
＜２．他の実施の形態＞
＜３．変形例＞

＜１．一実施の形態＞
図５は、本発明による音響測深装置の一実施の形態の電気的構成を示す。一定周期のパルス信号の送信トリガパルスを発生する送信トリガ発生器１か設けられており、送信トリガパルスがＰＮ系列発生器としてのゴールドコード発生器２及び表示又は記録装置１０に供給される。表示及び／又は記録装置１０は、液晶等の表示装置及び／又は半導体メモリ等の記録装置と表示又は記録のための演算装置とを含んでいる。

ゴールドコード発生器２は、送信トリガパルスと同期してゴールドコードを発生する。ゴールドコード以外のＭ系列等のＰＮ(Pseudorandom Noise)系列を使用しても良い。ゴールドコードがパルス変調器３に供給され、ゴールドコードが例えばＢＰＳＫ(Binary Phase Shift Keying)によってデジタル変調される。搬送波の周波数は数十ｋＨｚ〜数百ｋＨ
ｚとされる。

パルス変調器３の出力信号が送信アンプ４に供給され、送信アンプ４において増幅等の処理がなされる。送信アンプ４の出力信号が送波器５に供給される。送波器５から水中超音波が送出される。発射された水中超音波のエコーが受波器６によって受波される。送波器５及び受波器６としては一体型の構成を使用してもよい。

受波器６からの受波データが受信アンプ７に供給され、増幅等の処理を受けて後、相関器８に供給される。相関器８の出力が検波回路９に供給される。相関器８によって送信パルスに対応する受信エコーが取り出される。検波回路９は表示のための演算（例えばＡ／Ｄ変換）を行う。検波回路９の出力が表示及び／又は記録装置８に供給され、送信パルスに対してエコーが受信されるまでの時間がそれぞれ表示及び／又は記録される。

図６は、相関検出の処理を示している。受信エコー信号が４０６４ステップのシフトレジスタＳＲに直列に入力される。なお、シフトレジスタＳＲに対して前後の複数の受信エコー信号を加算するなどしてＳＮ比を向上させることが好ましい。加算処理によってノイズが低減でき、低い送信出力とすることが可能になり、装置の小型化や省電力設計が可能になる。シフトレジスタＳＲを動作させるシフトクロックが（２０×８＝１，６００ｋＨｚ＝１．６ＭＨｚ）とされている。この周波数は一例であって搬送波周波数（２０ｋＨｚ）の２倍以上の周波数のシフトクロックを使用できる。受信エコー信号がシフトレジスタＳＲに供給されることによって搬送波信号の８倍の周波数でもってサンプリングされる。

シフトレジスタＳＲに対して並列に演算回路ＥＸＡ１〜ＥＸ１２７が設けられている。演算回路ＥＸＡ１〜ＥＸ１２７のそれぞれは、排他的論理和回路と加算回路（４０６４回路）とから構成されている。演算回路ＥＸＡ１〜ＥＸ１２７のそれぞれの排他的論理和回路に対して共通にシフトレジスタＳＲの４０６４ビットが供給される。

一方、演算回路ＥＸＡ１〜ＥＸ１２７のそれぞれの排他的論理和回路に対してゴールドコードのコードＧ１のレプリカ（レプリカは４０６４ビット）、コードＧ２のレプリカ、・・・、コードＧ１２７のレプリカがそれぞれ供給される。排他的論理和回路は、２つの入力のビットが同じ値であれば、出力が"0"となり、２つの入力のビットが異なる値であ
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７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。

図８は、表示及び／又は記録装置１０において表示を行う場合を説明するものである。表示及び／又は記録装置１０に対しては送信トリガパルスが供給されており、送信トリガパルスのタイミングが画面の上側の発信線（０ｍ）として表示される。送信トリガパルスに対する検波回路９からの検波信号を例えば色を付けて表示する。送信トリガパルスは数Hzから数十Hzの速い繰り返し信号であるので、相関器８からの送信トリガパルスのそれぞれに対応した検波信号を順次並べるように表示することによって、従来の音響測深装置と比較して数倍から数十倍の速さで測深画像が現れることになる。

図９は、パルス変調の一例を説明するものである。例えば２００ｋＨｚの搬送波の４周期（４波）毎にゴールドコードのビットの"0"及び"1"と対応して位相を０及びπに切り替える。搬送波の周波数は一例であり、他の周波数であってもよく、ＢＰＳＫ以外のＱＰＳＫ等の変調方式を使用してもよい。さらに、位相変調に限らず、振幅変調を使用してもよい。

相関器８においてデジタル信号処理で相関検出がなされる。１ビットが４周期で構成されており、各周期が８サンプルでデジタル化される。したがって、ゴールドコードのコードが１２７ビットの場合、一つの受信エコー信号は、（１２７×４×８＝４０６４ビット）となる。

上述した本発明の一実施の形態では、送信信号及び受信エコー信号（海底エコー）を識別することができる。図１０に示すように、送信信号Ａと送信信号Ｂとが異なるゴールドコードとされている。送信信号Ａと対応する受信エコー信号が送信信号Ｂの後に受信されてその受信エコー信号が送信Ａに対応するものであることを識別できる。したがって、従来のような送信周期Ｔに関する制限（（２Ｄ／１５００）＜Ｔ）をなくすことができる。

本発明の一実施の形態では水平方向の分解能が次式に示すものとなる。
ΔＨ＝ＶＴ

例えば船が１０kt（時速１０×１．８５２km）で航行し、送信の周期が０．１秒の場合、ΔＨ＝０．５ｍとなり、測深深度とは無関係に水平方向の分解能（計測間隔）を決めることができる。図１１に示すように、深度にかかわらず、送信周期Ｔと船速Ｖのみから水平方向の分解能ΔＨが決められる。さらに、６種類の送信信号を識別することができる場合を図１２及び図１３に模式的に示す。このように、送信周期Ｔを短いものとでき、深度とは関係なく測深が可能となり、高い水平の計測分解能を得ることができる。

なお、送信信号の識別は周波数などによっても行うことができるが、周波数弁別方式では使用する周波数範囲を広くすると、水中の伝搬損失が周波数によって異なるので、探知距離に周波数差が出るなど好ましくない。本発明では１つの周波数によって送信信号を識別するので、かかる問題が生じない。すなわち、送信信号を識別できるので、送信周期は従来のように海底のエコーが帰ってきてから次の送信信号を発射するという制約がなくなり、短い送信周期で測深が可能なり、水平方向の分解能を飛躍的に向上させることができる。

図１４、図１５及び図１６を参照してシミュレーションの結果と実測の例とを説明する。図１４は、従来の音響測深装置で得られる送信信号と受信エコー信号（海底エコー）である。送信周期は０．１sec で海底のエコーが０．０７sec のあたりに現れている。送信信号はエコーが受信されてから次の送信を行い、送信を行ってから受信するまでの時間を計測することにより深度を知ることができる。この場合、水中音速を１５００／sec とすれば、（０．０７×１，５００／２＝５２．５ｍ）の深度を得ることができる。

一方、本発明による音響測深装置は、送信周期は深度に関わりなく決めることができ、図１５の例では送信周期が０．０５sec である。送信信号の間に海底の受信エコー信号が得られるが、送信信号には識別可能なコード番号Ａ，Ｂ，Ｃ，・・・が付加されているので相関器を通過後には受信信号を識別できる。この例よりももっと短い送信周期でも識別可能となる。また、送信信号と受信信号が重なっても識別可能である。

実際の受信エコー信号について従来方式の音響測深装置の画像と本発明による音響測深装置の画像を比較してみる。図１６Ａ及び図１６Ｂは、従来の音響測深装置の画像である。図１６は、従来方式の音響測深機の画像と本発明による音響測深機の画像とを比較したものである。図１６Ａは、従来方式の画像で横軸が３０秒の画像で、図１６Ｂは、横軸が３秒の画像である。この例では１秒間に４回の送信を行った画像で、横軸はかなり粗い画像となる。

これに対して図１６Ｃは、本発明の方式を適用し送信周期を０．０５sec とし、１秒間に２０回の送信を行ったときの画像である。図１６Ｄは、図１６Ｃの一部を拡大したものである。図１６Ｂと比較してかなり細かい横軸方向の分解能があることがわかる。送信周期を１秒間に５０回にしたときの実際の送信信号は図１７のようになる。２００ｋＨｚの信号を５次１２７ビットのゴールドコードで４波を１ビットとして位相変調し、２０ｍｓ毎に異なるゴールドコードで変調したパルス信号を並べて送信を行う。

１つのパルス幅Ｐｄは、搬送波の周波数をｆｃ、１ビットに使用する波の数をＮサイクル、ゴールドコードの長さをＭビットとすると、次の式で表すものとなる。
Ｐｄ＝（１／ｆｃ）×Ｎ×Ｍ

搬送波周波数ｆｃ＝２００ｋＨｚ、１ビットに使用する波の数Ｎ＝４、ゴールドコードの長さＭ＝１２７の場合にはパルス幅Ｐｄは次に示すものとなる。
Ｐｄ＝１／２０００００×４×１２７＝０．００２５４＝２．５４ｍsec

さらに送信周期を短くして、２つの送信パルスが重なるように送信しても、相関処理後は分離できる。図１８は、２つのゴールドコード信号（ＧＣ１及びＧＣ２）を重ねて送信又は受信しても、それら２つのゴールドコード信号を分離して検出できることを示すものである。

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１９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２０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。

図２１に示す座標系で、Ｐ（ｘ，ｙ）の位置からの反射信号の合成信号Ｓ（ｘ，ｙ）は次式で表すことができる。

ここでＡｎは指向性関数、ｔn はターゲットＰまでの往復に要する時間で、水中音速をｃとすると、次式で表すことができる。

開口合成で分解能が向上することを計算機シミュレーションを用いて説明する。図２２のような位置に点ターゲットがあったとすると、従来方式の音響測深装置又はソナーでは、このターゲットのエコーは図２３で示すように円弧状の画像になる。図２４Ａはわかりやすいように一部分を拡大した画像となっているが、この画像は既に本発明による方式を採用しており、１秒間に２０回の送信、すなわちこの画像の上では１００回分のエコーのシミュレーション画像である。

この画像から開口合成の手法を用いて処理すれば、図２４Ｂに示すような画像になる。図２４Ｃは図２４Ｂの一部を拡大して示している。図２４Ｂ及び図２４Ｃから分かるように、点ターゲットが０．１ｍ程度の分解能で探知できていることがわかる。開口合成の条件として、送信周期を０．０５sec （２０回／秒）、送受波器の移動速度を２ｍ／sec 、開口長を１０ｍとした。

同様に従来方式で開口合成手法を採用した場合の画像が図２５Ａのように、送信周期が１秒間に１回の場合、移動速度を２ｍ／sec 、開口長を１０ｍとしたとき、５回の送信しかできないので受信エコーも５回分しかない。したがって開口合成を行っても図２５Ｂに示すような低分解能の画像しか得られない。

図２６は、２つの点ターゲットを０．２ｍ離して配置した場合の画像で、開口合成前（図２６Ａ）は２つの点ターゲットは分離できないが、開口合成後（図２６Ｂ）は２つの点ターゲットを分離できている。図２６Ｃは図２６Ｂの一部を拡大して示している。

開口合成の手法は既存の技術であるが、本発明の手法を用いて送信周期を早めることにより開口合成の手法を有効に利用できる。すなわち、従来の開口合成方法では、従来の音響測深と同様、受信エコーが戻ってきてから次の送信を行うので、最大探知距離をＲとしたときの送信周期Ｔは、上述したように（２Ｒ／１５００＜Ｔ）の関係を満たす必要がある。したがって、最大探知距離をＲ＝５００ｍとしたとき、（Ｔ＞２×５００／１５００＝０．６７sec ）にしなければならないので、通常１回／秒の送信周期となる。これに対し、本発明の手法を用いれば、送信周期は最大探知距離の制約を受けずに設定できるので、２０回／秒が可能になり、開口合成を有効に使用することができる。

上述した本発明の利点は次の通りである。
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、本発明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。本発明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。

音波の速度の制約により送信周期を短くできないので、受信信号は前の受信信号との相関がない場合が多いので複数の受信信号を加算するなどしてＳＮ比を向上させることは困難である。一方本発明では、送信周期を飛躍的に短くできるので、前後の信号に相関がある。したがって、前後の受信信号を加算するなどしてＳＮ比を向上できるので、低い送信出力でも受信信号を加算処理することが可能になり、装置の小型化や省電力設計が可能になる。

なお、魚群探知機とよく似た技術としてレーダーが知られている。レーダーは空中で使用する機器のため電波を利用している。電波の速度は３００，０００ｋｍ／sec であり、水中の音波の速度１．５ｋｍ／sec と比較して２００，０００倍ものスピードがある。このため、レーダーの探知範囲を例えば１００ｋｍとしても、１００ｋｍの電波の往復時間は０．０００６７sec ＝０．６７ｍｓとなり、送信周期は１ｍｓが可能となる。すなわち１秒間に１，０００回の送信を行っても受信エコーと重なることはない。一方、水中で１，０００ｍの海底を探知しようとすると、受信エコー信号は１，０００×２／１５００＝１．３３秒後に返ってくるので送信周期は１．５秒程度になる。レーダーと音響測深装置では、現実的な探知距離１００ｋｍと１，０００ｍに対して１．５秒／１ｍｓ＝１，５００倍もの比が有り、音波の速度がいかに音響測深装置等の水中音響機器の送信周期に制約を与えているかわかる。本発明を使用すれば、この制約は解消され、送信周期を飛躍的に早くできるので、画期的な音響測深装置等を設計できることが可能となる。

＜２．他の実施の形態＞
本発明の他の実施の形態としてマルチビーム音響測深機について述べる。図２７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２８は本発明の他の実施の形態のマルチビーム音響測深機の構成を示している。

上述した一実施の形態と同様に、送信側の構成として、送信トリガ発生器１、ゴールドコード発生器２、パルス変調器３、送信アンプ４及び送波器５が設けられている。送波器５から水中超音波が送出される。送信信号は、数Hzから数十Hzの送信周期を持つ信号である。

マルチビーム音響測深機の受信部は、シングルビーム音響測深機の受信部と異なり、複数の受波器６₁〜６_Nを有する。受波器６₁〜６_Nに対して受信アンプ７₁〜７_Nが接続され、受信アンプ７₁〜７_Nに対して相関器８₁〜８_Nが接続される。相関器８₁〜８_N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。

ビームフォーミング回路１１は、例えば米国特許第４，１５９，４６２号明細書に記載されているように、各相関器８₁〜８_Nの出力がそれぞれ供給されるアナログ遅延回路とアナログ遅延回路の遅延素子を選択することによって所定の遅延を与える遅延選択マトリクスとアナログ遅延回路の出力を加算する加算回路とを含む回路である。ビームフォーミング回路１１の出力が表示及び／又は記録装置８に供給され、送信パルスに対してエコーが受信されるまでの時間がそれぞれ表示及び／又は記録される。かかるマルチビーム音響測深機に対して本発明を適用した場合も上述した一実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

＜３．変形例＞
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。

なお、上述した実施の形態における処理装置の機能は、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ等の記録媒体にプログラムとして記録することができる。したがって、この記録媒体をコンピュータで読み取ってＭＰＵ(Micro Processing Unit)、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)等で実行することにより音響測定装置の機能を実現することができる。

１送信トリガパルス発生器
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
ＳＲシフトレジスタ
ＥＸＡ１〜ＥＸ１２７演算回路

Claims

船などの移動体に設置され、水中の測定対象を探知する音響測定装置において、
送信トリガーパルスと同期し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送信タイミングの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、
前記送信信号を超音波として移動体の下方の底に向けて順次送出する送信部と、
前記送信部から送出された超音波で前記測定対象での反射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し、前記送信信号及び前記エコーの時間差に基づいて前記測定対象までの距離を測定する相関器と、
前記送信信号と同期して前記エコーを表示する表示装置と
を備え、
前記表示装置は、前記送信トリガパルスのタイミングを画面上の上側の発信線として表示し、前記送信トリガパルスに対する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、隣接する前記送信トリガパルスにそれぞれ対応する前記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、前記測定対象までの距離をＤとする場合に、（２Ｄ／Ｖｕ）以下とされた
音響測定装置。
船などの移動体に設置された音響測定装置によって水中の測定対象を探知する音響測定方法において、
疑似雑音系列発生回路によって送信トリガーパルスと同期して疑似雑音系列信号を生成し、送信タイミングの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し、
送信部によって前記送信信号を超音波として移動体の下方の底に向けて順次送出し、
前記送信部から送出された超音波のエコーを受信部によって受信し、
前記エコーを相関器によって相関処理することによって、前記送信信号と対応する前記エコーを判別し、前記送信信号及び前記エコーの時間差に基づいて前記測定対象までの距離を測定し、
前記送信信号と同期して前記エコーを表示装置によって表示し、
前記表示装置は、前記送信トリガパルスのタイミングを画面上の上側の発信線として表示し、前記送信トリガパルスに対する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、隣接する前記送信トリガパルスにそれぞれ対応する前記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、前記測定対象までの距離をＤとする場合に、（２Ｄ／Ｖｕ）以下とされた
音響測定方法。
船などの移動体に設置され、水中の測定対象を探知するマルチビーム音響測定装置において、
送信トリガーパルスと同期し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送信タイミングの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、
前記送信信号を超音波として移動体の下方の底に向けて順次送出する送信部と、
前記送信部から送出された超音波で前記測定対象での反射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し、前記送信信号及び前記エコーの時間差に基づいて前記測定対象までの距離を測定する相関器と、
前記送信信号と同期して前記エコーを表示する表示装置と
を備え、
前記表示装置は、前記送信トリガパルスのタイミングを画面上の上側の発信線として表示し、前記送信トリガパルスに対する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、隣接する前記送信トリガパルスにそれぞれ対応する前記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、前記測定対象までの距離をＤとする場合に、（２Ｄ／Ｖｕ）以下とされ、
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定装置。
船などの移動体に設置され、水中の測定対象を探知する開口合成ソナーにおいて、
送信トリガーパルスと同期し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送信タイミングの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、
前記送信信号を超音波として移動体の下方の底に向けて順次送出する送信部と、
前記送信部から送出された超音波で前記測定対象での反射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し、前記送信信号及び前記エコーの時間差に基づいて前記測定対象までの距離を測定する相関器と、
前記送信信号と同期して前記エコーを表示する表示装置と
を備え、
前記表示装置は、前記送信トリガパルスのタイミングを画面上の上側の発信線として表示し、前記送信トリガパルスに対する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、隣接する前記送信トリガパルスにそれぞれ対応する前記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、前記測定対象までの深度をＤとする場合に、（２Ｄ／Ｖｕ）以下とされ、
１組の送波器及び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するようにした
開口合成ソナー。