(57)【要約】【課題】無人機等に搭載可能とする小型で且つ高空間分解能のソーナー装置の提供。【解決手段】少なくとも第１及び第２の送信用ラインアレイは受信用ラインアレイの長さ相当互いに離間して受信用ラインアレイの一端側と他端側に配置されており、送信装置は、前記第１、第２の送信用ラインアレイからそれぞれ周波数を可変させて送信信号を送信する期間に、各送信用ラインアレイの法線ベクトルと各送信用ラインアレイの長手方向垂直軸が張る面内で前記法線ベクトルに対して第１の角度から第２の角度に方位を変化させて送信し、受信装置は、前記受信用ラインアレイからの受信信号に対して、前記送信信号の一部と前記受信信号との相互相関結果に基づき、特定の垂直方位に送信された送信信号からの反射音である受信信号を選択的に分離して抽出する信号分離部と、前記信号分離部で抽出された複数の受信信号に対して開口合成処理を施し水平方向の受信ビームを生成する開口合成処理部を備える。【選択図】図１
2020106392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイとして、少なくとも第１、第２の送信用ラインアレイを備え、さらに、
少なくとも前記第１、第２の送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイと、
少なくとも前記第１、第２の送信用ラインアレイから送信信号を送信する送信装置と、
前記受信用ラインアレイからの受信信号を受信する受信装置と、
を備え、
前記第１及び第２の送信用ラインアレイは、前記受信用ラインアレイの長さ相当互いに離間して、前記受信用ラインアレイの一端側と他端側に配置され、
前記送信装置は、
前記第１、第２の送信用ラインアレイからそれぞれ周波数を可変させて送信信号を送信する期間に、各送信用ラインアレイの法線ベクトルと各送信用ラインアレイの長手方向垂直軸が張る面内で前記法線ベクトルに対して第１の角度から第２の角度に方位を変化させて送信する手段を備え、
前記受信装置は、
前記受信用ラインアレイからの受信信号に対して、前記送信信号の一部と前記受信信号との相互相関結果に基づき、特定の垂直方位に送信された送信信号からの反射音である受信信号を選択的に分離して抽出する信号分離部と、
前記信号分離部で抽出された複数の受信信号に対して開口合成処理を施し水平方向の受信ビームを生成する開口合成処理部と、
を備えた、ことを特徴とするソーナー装置。
【請求項２】
前記送信装置は、前記送信信号を、前記期間において、線形周波数変調、位相符号化、周波数符号化（ホッピング）、ＳＦＭ（Ｓｔｅｐｐｅｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）波形のいずれかを用いて生成した前記送信信号を送信することを特徴とする請求項１記載のソーナー装置。
【請求項３】
前記開口合成処理部の出力信号に基づき目標を特定して表示装置に３次元表示出力する手段を備えた、ことを特徴とする請求項１又は２記載のソーナー装置。
【請求項４】
前記送信用ラインアレイおよび前記受信用ラインアレイを平面上、又は、円筒状に配置した請求項１乃至３のいずれか１項に記載のソーナー装置。
【請求項５】
複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイとして、少なくとも第１、第２の送信用ラインアレイを有し、少なくとも前記第１、第２の送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイを有するソーナー装置の目標特定方法であって、
前記第１及び第２の送信用ラインアレイを、前記受信用ラインアレイの長さ相当互いに離間して、前記受信用ラインアレイの一端側と他端側に配置し、
前記第１、第２の送信用ラインアレイからそれぞれ周波数を可変させて送信信号を送信する期間に、各送信用ラインアレイの法線ベクトルと各送信用ラインアレイの長手方向垂直軸が張る面内で前記法線ベクトルに対して第１の角度から第２の角度に方位を変化させて送信し、
前記受信用ラインアレイからの受信信号に対して、前記送信信号の一部と前記受信信号との相互相関結果に基づき、特定の垂直方位に送信された送信信号からの反射音である受信信号を選択的に分離して抽出し、
前記抽出された複数の受信信号に対して開口合成処理を施し水平方向の受信ビームを生成する、ことを特徴とするソーナー装置の目標特定方法。
【請求項６】
前記送信信号を、前記期間において、線形周波数変調、位相符号化、周波数符号化（ホッピング）、ＳＦＭ（Ｓｔｅｐｐｅｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）波形のいずれかを用いて生成した前記送信信号を送信する、ことを特徴とする請求項５記載のソーナー装置の目標特定方法。
【請求項７】
前記開口合成処理結果の出力信号に基づき目標を特定して表示装置に３次元表示出力する、ことを特徴とする請求項５又は６記載のソーナー装置の目標特定方法。
【請求項８】
複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイとして、少なくとも第１、第２の送信用ラインアレイを有し、
少なくとも前記第１、第２の送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイを有し、
前記第１及び第２の送信用ラインアレイを、前記受信用ラインアレイの長さ相当互いに離間して、前記受信用ラインアレイの一端側と他端側に配置したソーナー装置を構成するコンピュータに、
前記第１、第２の送信用ラインアレイからそれぞれ周波数を可変させて送信信号を送信する期間に、各送信用ラインアレイの法線ベクトルと各送信用ラインアレイの長手方向垂直軸が張る面内で前記法線ベクトルに対して第１の角度から第２の角度に方位を変化させて送信する処理と、
前記受信用ラインアレイからの受信信号に対して、前記送信信号の一部と前記受信信号との相互相関結果に基づき、特定の垂直方位に送信された送信信号からの反射音である受信信号を選択的に分離して抽出する処理と、
前記抽出された複数の受信信号に対して開口合成処理を施し水平方向の受信ビームを生成する処理と、
を実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーナー装置、方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ソーナーシステムの関連技術として、送信アレイと受信アレイを直交させて配置した送波器と受波器を使用するクロスファンビーム方式の水中画像ソーナーが各種提案されている。例えば特許文献１には、送信器群と、該送信機群と直交配置された受信器群とを備え、時間ＰＷにわたって周波数がＦ１からＦ２まで変化する送信音を送信し、受信器群から受信した信号により、目標を特定して表示出力するソーナーシステムが開示されている。特許文献１では、時間ＰＷにわたって送信音の周波数をＦ１からＦ２まで変化させると共に、送波ビーム方向を＋θ度から−θ度まで変化させる構成とされている。
【０００３】
また特許文献２には、複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイと、前記送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイと、前記送信用ラインアレイから正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を、目標に向けて送信信号として送信する第１の手段と、前記受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定して表示出力する第２の手段を備えたソーナー装置が開示されている。前記送信用ラインアレイは並置された第１、第２の送信用ラインアレイを備えている。第１の手段は、前記各送信用ラインアレイの平面の法線ベクトルと前記送信用ラインアレイの平面内の長手方向垂直軸が張る面に関して、前記法線ベクトルに対して時計回りの第１の角度と、反時計回りの第２の角度について、前記第１、第２の送信用ラインアレイからの送信信号の周波数に変化する期間に第１及び第２の角度の一方の角度から他方の角度に送信ビームの垂直方位を変化させる構成とされる。
【０００４】
さらに、特許文献３には、周波数が上昇する周波数上昇変調波と周波数が下降する周波数下降変調波とを、同時又は順次に送信し、これら周波数上昇変調波による反射波と周波数下降変調波の反射波とに基づき、検出対象の距離、ドップラーシフト等により目標を特定する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１３２９３０号公報
【特許文献２】特開２０１５−２２２２２６号公報
【特許文献３】特開平０３−１６２８３７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】菅野真行、その他、“仮想アレイアンテナを用いたレーダーの研究開発”、日本無線技報  No. 64 2013、[検索：２０１８年１１月０９日]  インターネット（URL：https://www.jrc.co.jp/jp/about/activities/technical_information/report64/pdf/JRCreview64_07.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水中の詳細な３次元情報を取得することで水中の小物体等を捜索するソーナーの関連技術において、ソーナー装置は大型である。
【０００８】
例えば、水中で遠隔操作できる小型無人探査機（水中ドローン）等、無人機等へ搭載可能な小型のソーナー装置が必要とされている。ソーナーの空間分解能は音響アレイの寸法により制限されている。このため、小型のソーナー装置で高い空間分解能を得ることは困難である。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みて創案されたものであって、その目的は、例えば無人機等に搭載可能とする小型で且つ高空間分解能のソーナー装置、方法、及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態によれば、複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイとして、少なくとも第１、第２の送信用ラインアレイを備え、少なくとも前記第１、第２の送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイと、少なくとも前記第１、第２の送信用ラインアレイから送信信号を送信する送信装置と、前記受信用ラインアレイからの受信信号を受信する受信装置と、を備え、前記第１及び第２の送信用ラインアレイは、前記受信用ラインアレイの長さ相当互いに離間して、前記受信用ラインアレイの一端側と他端側に配置され、前記送信装置は、前記第１、第２の送信用ラインアレイからそれぞれ周波数を可変させて送信信号を送信する期間に、各送信用ラインアレイの法線ベクトルと各送信用ラインアレイの長手方向垂直軸が張る面内で前記法線ベクトルに対して第１の角度から第２の角度に方位を変化させて送信する手段を備え、前記受信装置は、前記受信用ラインアレイからの受信信号に対して、前記送信信号の一部と前記受信信号との相互相関結果に基づき、特定の垂直方位に送信された送信信号からの反射音である受信信号を選択的に分離して抽出する信号分離部と、前記信号分離部で抽出された複数の受信信号に対して開口合成処理を施し水平方向の受信ビームを生成する開口合成処理部と、を備えたソーナー装置が提供される。
【００１１】
本発明の一形態によれば、複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイとして、少なくとも第１、第２の送信用ラインアレイと、少なくとも前記第１、第２の送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイを有するソーナー装置の目標特定方法であって、
前記第１及び第２の送信用ラインアレイを、前記受信用ラインアレイの長さ相当互いに離間して、前記受信用ラインアレイの一端側と他端側に配置し、
前記第１、第２の送信用ラインアレイからそれぞれ周波数を可変させて送信信号を送信する期間に、各送信用ラインアレイの法線ベクトルと各送信用ラインアレイの長手方向垂直軸が張る面内で前記法線ベクトルに対して第１の角度から第２の角度に方位を変化させて送信し、
前記受信用ラインアレイからの受信信号に対して、前記送信信号の一部と前記受信信号との相互相関結果に基づき、特定の垂直方位に送信された送信信号からの反射音である受信信号を選択的に分離して抽出し、
前記抽出された複数の受信信号に対して開口合成処理を施し水平方向の受信ビームを生成する、ソーナー装置の目標特定方法が提供される。
【００１２】
本発明の一形態によれば、複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイとして、少なくとも第１、第２の送信用ラインアレイと、少なくとも前記第１、第２の送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイを有し、
前記第１及び第２の送信用ラインアレイを、前記受信用ラインアレイの長さ相当互いに離間して、前記受信用ラインアレイの一端側と他端側に配置したソーナー装置を構成するコンピュータに、
前記第１、第２の送信用ラインアレイからそれぞれ周波数を可変させて送信信号を送信する期間に、各送信用ラインアレイの法線ベクトルと各送信用ラインアレイの長手方向垂直軸が張る面内で前記法線ベクトルに対して第１の角度から第２の角度に方位を変化させて送信する処理と、
前記受信用ラインアレイからの受信信号に対して、前記送信信号の一部と前記受信信号との相互相関結果に基づき、特定の垂直方位に送信された送信信号からの反射音である受信信号を選択的に分離して抽出する処理と、
前記抽出された複数の受信信号に対して開口合成処理を施し水平方向の受信ビームを生成する処理と、を実行させるプログラムが提供される。
【００１３】
本発明の一形態によれば、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み出し可能なプログラム記録媒体（例えばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、又は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable ROM））等の半導体ストレージ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の非一時的記録媒体（non-transitory medium）が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、例えば無人機等に搭載可能とする小型で且つ高空間分解能のソーナー装置を実現可能としている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の例示的な実施形態を説明する図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の例示的な実施形態を説明する図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態の送信装置を説明する図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態の送信装置を説明する図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態の受信装置を説明する図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態のレプリカ信号を説明する図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の例示的な実施形態における開口合成処理を説明する図である（非特許文献１の図２に基づく）。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の例示的な実施形態の円筒型アレイを説明する図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）は比較例と本発明の例示的な実施形態を説明する図である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態としてコンピュータに実装したソーナー装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の例示的な実施形態１について以下に説明する。図１は、本発明の例示的な実施形態の構成を説明するため図である。図１には、例示的な実施形態のソーナー装置の音響アレイ１０におけるラインアレイの配置が模式的に例示されている。図１を参照すると、一列に配置された複数の送波素子からなる第１の送信用ラインアレイ１１Ａと、一列に配置された複数の送波素子からなる第２の送信用ラインアレイ１１Ｂが垂直方向（縦方向）に並行に配置されている。一列に配置された複数の受波素子からなる受信用ラインアレイ１２は、第１、第２の送信用ラインアレイ１１Ａ、１１Ｂに対してアレイの軸が９０度に交差するように水平（横方向）に配置されている。第１の送信用ラインアレイ１１Ａと第２の送信用ラインアレイ１１Ｂは、受信用ラインアレイ１２の両端部に配置されている。第１の送信用ラインアレイ１１Ａと第２の送信用ラインアレイ１１Ｂの間隔は、好ましくは、受信用ラインアレイ１２の長さと同程度とされる。なお、送信用ラインアレイの送波素子の個数Ｎと受信用ラインアレイの受波素子の個数Ｍは同一値であってもよいし、異なる値であってもよい。
【００１７】
図２は、図１に示した音響アレイ１０におけるビーム形状の概要を模式的に示す図である。図２（Ａ）において、参照符号１１（１２）は、図１の第１、第２の送信用ラインアレイ１１Ａ、１１Ｂの各送信用ラインアレイに対応している。参照符号１０１、１０２は、送信用ラインアレイ１１から送信される水平方向に広い指向性を持ち、垂直方向に狭い指向性を待つ送信ファンビームを示している。図２（Ａ）に示すように、送信用ラインアレイ１１（１２）の正面方向の軸１０６（送信用ラインアレイの法線ベクトル）と、送信用ラインアレイ１１（１２）の垂直軸１０４が張る面に関して、軸１０６に対して時計回りに角度θＬとなるビームを参照符号１０１で示しており、反時計回りにθＨとなるビームを参照符号１０２で示している。送信時には、例えば、破線矢印で示すように、ビーム１０１からビーム１０２へ徐々に送信方位が変化していく。
【００１８】
図２（Ｂ）において、参照符号１２は図１の受信用ラインアレイ１２を表している。参照符号１０３は、受信用ラインアレイ１２で生成される垂直方向に広い指向性を持ち、水平方向に狭い指向性を待つ受信ファンビームである。図２（Ｂ）に模式的に示すように、受信ファンビーム１０３として、受信信号に対する信号処理において、水平方向に複数のビームが同時に生成される。
【００１９】
図３は、ソーナー装置（システム）の送信装置２０の構成の一例を例示する図である。図３を参照すると、送信装置２０は、送信制御部２０１を備え、第１の送信用ラインアレイ１１Ａに対して、送信信号生成部２０２Ａ、位相制御部２０３Ａ、送信用増幅部２０４Ａを備え、第２の送信用ラインアレイ１１Ｂに対して、送信信号生成部２０２Ｂ、位相制御部２０３Ｂ、送信用増幅部２０４Ｂを備えている。
【００２０】
送信制御部２０１は、送信信号生成部２０２Ａ、２０２Ｂ、位相制御部２０３Ａ、２０３Ｂの制御を行う。送信信号生成部２０２Ａ、２０２Ｂは、それぞれ、第１、第２の送信用ラインアレイ１１Ａ、１１Ｂから送信する送信信号を生成する。送信信号の線形周波数変調（Linear Frequency Modulation）等は送信信号生成部２０２Ａ、２０２Ｂで行われる。
【００２１】
位相制御部２０３Ａ、２０３Ｂは、送信信号生成部２０２Ａ、２０２Ｂがそれぞれ生成した信号に対して送信チャンネルごとに位相制御を行う。すなわち位相制御部２０３Ａは、第１の送信用ラインアレイ１１Ａの複数の送波素子のそれぞれに対応して位相制御を行う。位相制御部２０３Ｂは、第２の送信用ラインアレイ１１Ｂの複数の送波素子のそれぞれに対応して位相制御を行う。
【００２２】
送信用増幅部２０４Ａ、２０４Ｂは、それぞれ、位相制御部２０３Ａ、２０３Ｂからの送信チャンネルごとの送信信号を増幅し第１、第２の送信用ラインアレイ１１Ａ、１１Ｂの対応する各送波素子に供給する。すなわち送信用増幅部２０４Ａは、第１の送信用ラインアレイ１１Ａの複数の送波素子に対応して複数の送信用アンプ（不図示）を備えている。送信用増幅部２０４Ｂは、第２の送信用ラインアレイ１１Ｂの複数の送波素子に対応して複数の送信用アンプを備えている。第１、第２の送信用ラインアレイ１１Ａ、１１Ｂから、それぞれ、図２（Ａ）に示す送信ファンビームが出力される。
【００２３】
図４は、例示的な実施形態における送信信号の周波数の時間変化（図４（Ａ）：横軸：時間、縦軸：周波数）と、送信方位の時間変化（図４（Ｂ）：横軸：時間、縦軸：送信方位）を表した図である。図４（Ａ）、（Ｂ）において、１１１は、第１の送信用ラインアレイ１１Ａから送波される送信ビームの周波数と送信方位を表しており、１１２は、第２の送信用ラインアレイ１１Ｂから送波される送信ビームの周波数と送信方位を表している。この例では、第１、第２の送信用ラインアレイ１１Ａ、１１Ｂからの送信は同時に行われる。図４（Ａ）、（Ｂ）において時間軸（横軸）は互いに同一である。図４（Ａ）において、ｆ１ｓ、ｆ１ｅ、ｆ２ｓ、ｆ２ｅはそれぞれ周波数である。図４（Ａ）、（Ｂ）において、ｔｓ、ｔｅは時間である。図４（Ｂ）において、θＬ、θＨは送信方位であり、それぞれ、図２のθＬ、θＨに対応している。
【００２４】
図４（Ａ）を参照すると、１１１は、時間ｔｓからｔｅに変化するにつれて、周波数がｆ１ｓからｆ１ｅまで連続的（線形）に上昇する周波数変調が施されている（アップチャープ）。また、図４（Ｂ）を参照すると、１１１の送信方位は、θＬからθＨまでリニアに変化する位相制御が行われる（図２（Ａ）の破線矢印に対応）。図４（Ａ）を参照すると、１１２は、時間ｔｓからｔｅに変化するにつれて、周波数がｆ２ｓからｆ２ｅまで連続的（線形）に上昇する周波数変調が施されている。図４（Ｂ）を参照すると、１１２の送信方位は、θＬからθＨまでリニアに変化する位相制御が行われる。１１１と１１２の送信方位の変化は同一である。
【００２５】
なお、図４（Ａ）の例では、１１１、１１２の周波数変調の変化率（時間変化率）の極性はともに正値とされているが、本発明はかかる制御に制限されるものでなく、例えば１１１、１１２の周波数変調の変化率（時間変化率）の極性をそれぞれ負値、正値、あるいは、正値、負値としてもよい。周波数が上昇する周波数上昇変調波（アップチャープ波形）と周波数が下降する周波数下降変調波（ダウンチャープ波形）とを、同時又は順次に送信し、周波数上昇変調波による反射波と周波数下降変調波の反射波とに基づき、検出対象の距離、ドップラーシフト等により目標を特定するようにしてもよい。なお、送信信号は、連続した周波数で変化させるチャープ変調に制限されるものでなく、飛び飛びの周波数を使う周波数ホッピング（Frequency Hopping：FH）等を用いてもよいし、Baker符号等の位相符号化を用いてもよい。
【００２６】
図５は、例示的な実施形態のソーナー装置の受信装置２１の構成を説明する図である。受信装置２１において、信号分離部２１１では、送波した送信信号の標本となるレプリカ信号（送信信号の一部）ｘ（ｉ）と、受信用ラインアレイ１２の各受波素子で受信した受信データｙ（ｉ）との間の相互相関：Σ＜ｉ＞ｘ（ｉ）ｙ（ｍ−ｉ）を計算する（レプリカ相関処理）。すなわち、受信信号に対して時間ｍをずらしながら相関計算を繰り返し、相互相関値を最大とするｍを導出する。レプリカ信号と受信信号が最も類似した時刻、すなわちエコーを受信した時刻で相互相関値が最大値（ピーク）となる。信号分離部２１１では、相互相関値のピークから送信信号の垂直方位を割り出し、当該垂直方位に送信された送信信号の反射音である信号を分離抽出する。信号分離部２１１において、送信信号の一部であるレプリカ信号と受信信号の相互相関処理はマッチドフィルタで構成される。送信信号の一部であるレプリカ信号と受信信号の相互相関の計算において、時間領域での畳み込み演算を、レプリカ信号と受信信号のフーリエ変換による周波数領域でのスペクトル成分の乗算演算で計算し逆フーリエ変換することで相関を求めてもよい。
【００２７】
送信波形を例えば連続的に周波数が変化するチャープ変調等とし、レプリカ相関処理で用いるレプリカ信号を、図６に示すように、第１、第２の送信用ラインアレイ１１Ａ、１１Ｂから送信する送信信号１１１、１１２の一部１１３、１１４とし、周波数分割を行うことで送信方位に対する信号分離を行う。すなわち、送信信号１１１、１１２の一部であるレプリカ信号１１３、１１４の周波数範囲（区間）は［ｆ１ａｓ、ｆ１ａｅ］、［ｆ２ａｓ、ｆ２ａｅ］であり、この周波数範囲（区間）は、送信信号１１１、１１２の周波数範囲［ｆ１ｓ、ｆ１ｅ］、［ｆ２ｓ、ｆ２ｅ］を分割した部分区間である。部分区間のレプリカ信号と受信信号の相互相関値を最大とする遅延τに対応する送信信号の垂直方位は、図４（Ｂ）の送信方位の時間変化から特定することができる。すなわち、特定の垂直方位に送信された信号からの反射音を選択的に分離して抽出する。例えば周波数が互いに重ならない複数の部分区間（周波数分割した部分区間）に対応する複数組のレプリカ信号１１３、１１４と受信信号の相互相関結果に基づき、各送信方位に対する信号分離を行うことができる。
【００２８】
開口合成処理部２１２は、信号分離部２１１で抽出された複数の受信信号に対して開口合成処理（仮想音響アレイ指向性合成処理）を行うことで、図２（Ｂ）に示すような、水平方向の受信ビームを生成する。
【００２９】
ソーナー装置において、仮想音響アレイは、図７（Ａ）に示すように、送波素子（送信アンテナ）が数波長間隔（ｄＴ）で配置された送信用ラインアレイと、図７（Ｂ）に示すように、受波素子（受信アンテナ）が半波長間隔（ｄＲ）で並べられ、例えば送波素子の間隔と同じ配列長を持つ受信用ラインアレイで構成される。送波素子からの矢印は送信信号であり、角度θは送信方位に対応している。各送波素子からの送信信号を各受波素子で受信し、信号処理を施すことで、間隔が広い送波素子間を、受波素子で補間するようにして、図７（Ｃ）に示すような仮想音響アレイを形成する。方位方向の分解能は、使用周波数の波長に対するアンテナ開口長で定まるビーム幅に依存する。Ｍ個の受波素子からなる受信用ラインアレイと、Ｎ個の送波素子からなる送信用ラインアレイを使用することで、Ｍ×Ｎ素子が空間的に配置されている仮想音響アレイの信号を得ることができる。これにより、必要とされる数分の１の素子数で所望の指向性を実現できる。各送波素子は互いに直交性をもつ信号（直交信号）を送信する。受信用ラインアレイで受信された信号は、信号処理によってソーナー映像に変換される。なお、図７は、非特許文献１の図２を修正したものである。図７では、送波素子、受波素子は、送信、受信共通の素子を用いている。
【００３０】
ドップラー・方位算出部２１３は、開口合成処理部２１２で生成された複数の受信ファンビームに対して、第１の送信用ラインアレイ１１Ａと第２の送信用ラインアレイ１１Ｂが送信したそれぞれの送信信号によるエコーの比較を行い、目標のドップラーと実際の方位を算出する処理を行う。なお、ドップラー・方位算出部２１３については、特許文献２の記載等が参照される。
【００３１】
３次元画像化部２１４は、ドップラー・方位算出部２１３で算出された目標情報に対して表示条件と比較する閾値処理を実行し、閾値処理の結果、表示条件を満たした画素から、表示用データを生成する画像化処理を実行して表示装置２１５に３次元表示する。
【００３２】
信号分離部２１１による受信信号の方位算出と、開口合成処理部２１２で求めた水平に配置された受信ファンビームから、エコーの垂直方位と、水平方位が算出される。さらに、送信信号の送信時点とエコーの受信時点の時間差からエコーまでの距離を算出することで、エコーの３次元的な位置を局限することができる。また、ドップラー算出の結果からエコーの速度を算出することができる。
【００３３】
本実施形態において、送信用ラインアレイは３つ以上であってもよい。
【００３４】
また、音響アレイ１０として、図１に示したように、送信用ラインアレイ１１及び受信用ラインアレイ１２を平面上に配置した平面型アレイのかわりに、円筒型アレイを用いてもよい。図８（Ａ）は、円筒型アレイの外観を模式的に示す図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）を上部から見た模式図（上面図）である。図８に示すように、円筒型の音響アレイ１０は、円筒側面の周回方向（全周）に沿って例えば最下行の位置に受信用ラインアレイ１２を備えている。また、特に制限されないが、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、円筒側面には、周回方向に等間隔（例えば９０度間隔）で、垂直に延在する第１乃至第４の送信用ラインアレイ１１Ａ−１１Ｄを備えている。なお、送信用ラインアレイ１１の数は４個に制限されるものでないことは勿論である。また、受信用ラインアレイ１２を円筒側面の周回方向に沿って複数備えた構成としてもよい。
【００３５】
本実施形態において、送信信号はチャープ変調等のＬＦＭ（Linear Frequency Modulation）に制限されるものではない。ＬＦＭによるパルス圧縮以外に、例えば、Ｂａｋｅｒ符号化等、位相符号によるパルス圧縮を行うようにしてもよい。あるいは、周波数符号化（ホッピング）、ＳＦＭ（Stepped Frequency Modulation）波形のような周波数の連続性のある信号での符号化を行うようにしてもよい。
【００３６】
図９（Ａ）は、比較例として、開口合成処理を行わない場合の３次元表示イメージ（表示装置２１５に３次元表示されたイメージの分解能）を模式的に示す図である。図９（Ｂ）は、本実施形態の開口合成処理を行った場合の３次元表示イメージ（分解能）を模式的に示す図である。図９（Ｂ）から、図９（Ａ）の比較例に対して水平分解能が特段に向上していることがわかる。
【００３７】
図１０は、上記した受信装置をコンピュータ３００で構成した例を説明する図である。コンピュータ３００は、プロセッサ３０１、メモリ３０２、表示装置３０３を備えている。メモリ３０２は、プロセッサ３０１で実行させるプログラムを記憶している。メモリ３０２は、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、又は、ＥＥＰＲＯＭ等の半導体ストレージやＨＤＤであってもよい。メモリ３０２に保持されるプログラムは、例えば、図５の信号分離部２１１、開口合成処理部２１２、ドップラー・方位算出部２１３、３次元画像化部２１４の各処理をプロセッサ３０１で実行させるためのプログラム（命令群、データ）であってもよい。
【００３８】
なお、上記の特許文献１−３、非特許文献１の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  音響アレイ
１１、１１Ａ−１１Ｄ  送信用ラインアレイ
１２  受信用ラインアレイ
２０  送信装置
２１  受信装置
１０１  送信ファンビームＬ  
１０２  送信ファンビームＨ  
１０３  受信ファンビーム
１０４  軸（垂直軸）
１０５  軸（水平軸）
１０６  軸（法線ベクトル）  
１１１、１１２  送信信号
１１３、１１４  レプリカ信号
２０１  送信制御部
２０２Ａ、２０２Ｂ  送信信号生成部
２０３Ａ、２０３Ｂ  位相制御部
２０４Ａ、２０４Ｂ  送信用増幅部
２１１  信号分離部
２１２  開口合成処理部
２１３  ドップラー・方位算出部
２１４  ３次元画像化部
２１５  表示装置
３００  コンピュータ
３０１  プロセッサ
３０２  メモリ
３０３  表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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