(57)【要約】【課題】省スペース化を図り、遠距離及び近距離の両方の目標の探索に対応可能としたソーナー装置の提供。【解決手段】ソーナー装置は、複数段縦積みされ、且つ、縦積み段方向と直交する断面において音響面の反対側が中空部を画定するように配設された、複数の低周波送受波器からなる中空立体形状の送受波器アレイを備え、前記中空立体形状の送受波器アレイには、前記低周波送受波器を欠いており縦方向に延在された領域が１つ又は複数設けられ、前記縦方向に延在された前記領域に、複数段縦積みされ、ラインアレイを構成する複数の高周波送波器からなる第１の送波器アレイを１つ又は複数備え、さらに、前記１つ又は複数の第１の送波器アレイの一端側に、前記第１の送波器アレイの長手方向と直交し前記中空立体形状の周方向に沿って配設された複数の高周波受波器からなる第１の受波器アレイを備える。【選択図】図２
2020153825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数段縦積みされ、且つ、縦積み段方向と直交する断面において音響面の反対側が中空部を画定するように配設された、複数の低周波送受波器からなる中空立体形状の送受波器アレイを備え、
前記中空立体形状の送受波器アレイには、前記低周波送受波器を欠いており縦方向に延在された領域が１つ又は複数設けられ、
前記縦方向に延在された前記領域に、複数段縦積みされ、ラインアレイを構成する複数の高周波送波器からなる第１の送波器アレイを１つ又は複数備え、
さらに、
前記１つ又は複数の第１の送波器アレイの一端側に、前記第１の送波器アレイの長手方向と直交し前記中空立体形状の周方向に沿って配設された複数の高周波受波器からなる第１の受波器アレイを備えた、ことを特徴とするソーナー装置。
【請求項２】
前記縦積み段方向と直交する断面の前記中空部が円形とされ、
前記送受波器アレイは円筒形状をなす、ことを特徴とする請求項１に記載のソーナー装置。
【請求項３】
前記縦積み段方向と直交する断面の前記中空部が、馬蹄形、半円、円弧、楕円、又は、これらのいずれかと直線の組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のソーナー装置。
【請求項４】
前記領域の一端は、前記中空立体形状の縦方向の一端とされ、
前記領域の他端は、前記中空立体形状の縦方向の他端とされ、
前記第１の送波器アレイは、前記中空立体形状の縦方向の一端から他端に亘って延設されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のソーナー装置。
【請求項５】
前記第１の受波器アレイの前記複数の高周波受波器は所定の仰角又は伏角で配設されている、ことを特徴とする請求項４に記載のソーナー装置。
【請求項６】
前記１つ又は複数の第１の送波器アレイの前記一端と反対側の他端側に、前記第１の送波器アレイの長手方向の向きと直交し、前記中空立体形状の周方向に沿って配設された複数の高周波受波器からなる第２の受波器アレイを備えた、ことを特徴とする請求項４又は５に記載のソーナー装置。
【請求項７】
前記第２の受波器アレイの前記複数の高周波受波器は所定の仰角又は伏角で配設されている、ことを特徴とする請求項６に記載のソーナー装置。
【請求項８】
前記領域の一端は、前記中空立体形状の縦方向の一端とされ、
前記領域の他端は、前記中空立体形状の縦方向の他端に達せず、
前記領域に前記第１の送波器アレイが配設され、
前記領域の他端から前記中空立体形状の縦方向の前記他端の間の領域には、１つ又は複数段の前記低周波送受波器が配設されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のソーナー装置。
【請求項９】
前記送受波器アレイの前記低周波送受波器より音波を送信したのち目標からの反射音を受信して水中の目標を検出する手段と、
前記高周波送波器から送信ビームの垂直方位を変化させながら音波を送信する手段と、  前記高周波受波器にて受信する手段と、
前記水中の目標の３次元情報を取得する手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のソーナー装置。
【請求項１０】
複数の低周波送受波器を中空立体形状に配設して送受波器アレイを構成し、
前記中空立体形状の送受波器アレイは、前記低周波送受波器を欠いており縦方向に延在された領域を１つ又は複数有し、
前記縦方向に延在された１つ又は複数の前記領域に、複数の高周波送波器を配設した第１の送波器アレイを１つ又は複数設け、
前記１つ又は複数の第１の送波器アレイの一端側に、前記第１の送波器アレイの長手方向の向きと直交し中空部外縁に沿って配設された複数の高周波受波器からなる第１の受波器アレイを有するソーナーを用い、
前記送受波器アレイの前記低周波送受波器より音波を送信したのち目標からの反射音を受信して水中の前記目標を検出し、
前記高周波送波器から送信ビームの垂直方位を変化させながら音波を送信し、  
前記高周波受波器にて前記送信した音波のエコーを受信し、前記水中の目標の３次元情報を取得する、ことを特徴とするソーナーによる目標探知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーナー装置とこれを用いた目標探知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶に搭載するソーナーには、海中に存在する目標の遠距離での捜索、または小型目標を近距離で精度良く捜索することが求められており、それぞれに特化した装置が開発されてきた。
【０００３】
特許文献１や非特許文献１には、円筒型ソーナーが開示されている。
【０００４】
また、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の関連技術として、例えば特許文献２には、送信器群と、該送信器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。
【０００５】
さらに、特許文献３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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２３２８４８号公報
【特許文献２】特開平１０−１３２９３０号公報
【特許文献３】特開２０１５−２２２２２６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ANTI SUBMARINE WARFARE  UMS 4110 Low Frequency Active and Passive Bow Mounted Sonar (BMS) for Medium to Large Platforms, 、[検索：2019年03月04日]  インターネット（URL：http://www.thales7seas.com/html_2014/products/424/thales_UMS_4110.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、小型船舶等に搭載可能であり、遠近両方の目標の捜索が可能なソーナー装置が必要とされている。遠距離および近距離目標の捜索を行うためには、いずれかの目的に特化したソーナー装置が必要となる。例えば、遠距離探知性能を重視する場合には、低周波ソーナー、近距離探知性能を重視する場合には、高周波ソーナー等が使い分けて用いられる。この場合、遠近両方の目標を捜索するためには、複数のソーナー装置を搭載する必要がある。しかし、スペースの点で遠近両方の目標を捜索するための複数のソーナー装置の搭載ができない小型船舶等もある。この場合、遠距離または近距離目標への対応のいずれかを選択することが必要とされる。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みて創案されたものであって、その目的は、省スペース化を図り、遠距離及び近距離の両方の目標の探索に対応可能としたソーナー装置及び方法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、ソーナー装置は、複数段縦積みされ、且つ、縦積み段方向と直交する断面において音響面の反対側が中空部を画定するように配設された、複数の低周波送受波器からなる中空立体形状の送受波器アレイを備えている。ソーナー装置において、前記中空立体形状の送受波器アレイには、前記低周波送受波器を欠いており縦方向に延在された領域が１つ又は複数設けられ、前記縦方向に延在された前記領域に、複数段縦積みされ、ラインアレイを構成する複数の高周波送波器からなる第１の送波器アレイを１つ又は複数備えている。さらに、ソーナー装置は、前記１つ又は複数の第１の送波器アレイの一端側に、前記第１の送波器アレイの長手方向と直交し前記中空立体形状の周方向に沿って配設された複数の高周波受波器からなる第１の受波器アレイを備えている。
【００１１】
本発明の一形態によれば、複数の低周波送受波器を中空立体形状に配設して送受波器アレイを構成し、前記中空立体形状の送受波器アレイは、前記低周波送受波器を欠いており縦方向に延在された領域を１つ又は複数有し、前記縦方向に延在された１つ又は複数の前記領域に、複数の高周波送波器を配設した第１の送波器アレイを１つ又は複数設け、前記１つ又は複数の第１の送波器アレイの一端側に、前記第１の送波器アレイの長手方向の向きと直交し中空部外縁に沿って配設された複数の高周波受波器からなる第１の受波器アレイを有するソーナーを用い、
前記送受波器アレイの前記低周波送受波器より音波を送信したのち目標からの反射音を受信して水中の前記目標を検出し、
前記高周波送波器から送信ビームの垂直方位を変化させながら音波を送信し、  
前記高周波受波器にて前記送信した音波のエコーを受信し、前記水中の目標の３次元情報を取得するソーナーによる目標探知方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、省スペース化を図り、遠距離及び近距離の両方の目標の探索に対応可能としたソーナー装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の例示的な実施形態のソーナー装置の構成を説明する図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の第１の例示的な実施形態の送受波器アレイ装置の模式的な斜視図、側断面、横断面である。
【図３】本発明の例示的な実施形態を説明する図である。
【図４】（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５】（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６】本発明の例示的な実施形態の高周波受信部を説明する図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第２の例示的な実施形態の送受波器アレイ装置の模式的な斜視図、側断面図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第３の例示的な実施形態の送受波器アレイ装置の模式的な斜視図、側断面図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第４の例示的な実施形態の送受波器アレイ装置の模式的な斜視図、横断面図である。
【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】
【００１４】
本発明の例示的な実施形態について説明する。本発明の一形態によれば、ソーナー装置は、遠距離目標の捜索に適した円筒型ソーナーの中に、近距離目標の高精度捜索に適したクロスファンビーム方式のソーナーを埋め込む方式の送受波器アレイ装置（図１、図２（Ａ）の２０）を備えている。本発明の一形態によれば、送受波器アレイ装置（図２（Ａ）、図７（Ａ）、図８（Ａ）、図９の２０）は、複数段縦積みされ、且つ、縦積み段方向と直交する断面において音響面の反対側が中空部（図２（Ｃ）の２５）を画定するように配設された、複数の低周波送受波器（２１）からなる中空立体形状の送受波器アレイを備えている。複数の低周波送受波器（２１）は、音響面の反対側が、該中空部（図２（Ｃ）の２５）の１部又は全部に沿って配設される。
【００１５】
本発明の一形態によれば、送受波器アレイ装置（図２（Ａ）、図７（Ａ）、図８（Ａ）、図９の２０）は、中空立体形状の送受波器アレイには、低周波送受波器（２１）を欠き（図２（Ｃ）の２４）、縦方向に延在された領域が１つ又は複数設けられており、前記縦方向に延在された前記領域に、複数段縦積みされ、ラインアレイを構成する複数の高周波送波器からなる第１の送波器アレイ（高周波送波器アレイ）（図２（Ａ）、図７（Ａ）、図８（Ａ）、図９の２０１）を１つ又は複数備えている。
【００１６】
本発明の一形態によれば、送受波器アレイ装置（図２（Ａ）、図７（Ａ）、図８（Ａ）、図９の２０）は、さらに、前記１つ又は複数の第１の送波器アレイ（２０１）の一端側に、前記第１の送波器アレイ（２０１）と直交し前記中空立体形状の周方向に沿って配設された複数の高周波受波器（２３）からなる第１の受波器アレイ（高周波受波器アレイ）（図２（Ａ）、図７（Ａ）、図９の２０２、図８（Ａ）の２０２Ａ）を備えている。
【００１７】
本発明の一形態によれば、複数段縦積みされる低周波送受波器（２１）の縦積み段方向と直交する断面の中空部は、円形、又は、ほぼ円形とされる（図２（Ｃ）の２５）。この場合、送受波器アレイは、例えば円筒形状とされる。本発明の一形態において、縦積み段方向と直交する断面の前記中空部（図２（Ｃ）の２５）は、円形に制限されるものでなく、馬蹄形、半円、円弧、楕円（又はその一部）、又は、これらのいずれかと直線の組み合わせを含むものであってもよい。また、中空部（図２（Ｃ）の２５）は、低周波送受波器（２１）の縦積み段方向に沿って、面積や形状が同一でなくてもよい。
【００１８】
本発明の一形態によれば、低周波送受波器（２１）を欠き縦方向に延在された前記領域の一端は、前記中空立体形状の縦方向の一端とされ、前記領域の他端は、前記中空立体形状の縦方向の他端とされ、前記第１の送波器アレイ（２０１）は、前記中空立体形状（例えば円筒）の縦方向の一端から他端に亘って延設されている（図２（Ａ））。
【００１９】
本発明の一形態によれば、前記第１の受波器アレイの前記複数の高周波受波器（２３）は、所定の仰角又は伏角で配設してもよい（図７（Ｂ））。
【００２０】
本発明の別の形態によれば、前記１つ又は複数の第１の送波器アレイ（２０１）の前記一端と反対側の他端側に、前記第１の送波器アレイ（２０１）の長手方向の向きと直交し中空部外縁に沿って配設された複数の高周波受波器（図８（Ａ）の２３Ｂ）からなる第２の受波器アレイ（図８の２０２Ｂ）を備えている。前記第２の受波器アレイ（２０２）の前記複数の高周波受波器（２３Ｂ）は、所定の仰角又は伏角で配設してもよい（図８（Ｂ））。
【００２１】
本発明の別の形態によれば、低周波送受波器（２１）を欠き縦方向に延在された前記領域の一端は、前記中空立体形状の縦方向の一端とされ、前記領域の他端は、前記中空立体形状の縦方向の他端に達せず、前記領域に、前記第１の送波器アレイ（２０１）が配設され、前記間隙の他端から前記中空立体形状の縦方向の前記他端の間の領域には、１又は複数段の前記低周波送受波器（２１）が配設されている（図９）。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の実施形態のソーナー装置１の構成を例示する図である。なお、図１の構成は、以下に説明される第２乃至第４の実施形態についても適用される。図１を参照すると、ソーナー装置１の送受波器アレイ装置２０は、音響エネルギーと電気エネルギーの相互変換を行う複数の低周波送受波器２１と、電気エネルギーを音響エネルギーに変換する複数の高周波送波器２２と、音響エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の高周波受波器２３と、を備えている。  
【００２３】
送受信装置１０は、低周波送受信部１１と、高周波送信部１２と、高周波受信部１３と、ソーナー制御装置１４を備えている。低周波送受信部１１は、低周波送受波器２１に対する送信信号の生成および受信処理を行う。高周波送信部１２は高周波送波器２２に対する送信信号の生成を行う。高周波受信部１３は高周波受波器２３に対する受信処理を行う。ソーナー制御装置１４は、送信タイミングの生成等のソーナー装置１の全体制御処理を行う。
【００２４】
図２（Ａ）は、送受波器アレイ装置２０の概略を模式的に例示した斜視図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の断面Ａ（側断面）を例示する図であり、図２（Ｃ）は図２（Ａ）の断面Ｂ（段方向に垂直な面）を例示する図である。図２（Ａ）に示すように、複数の低周波送受波器２１は、図の縦方向にＮ段、周回方向に、Ｍ個（隣接するｍ個づつＬグループ）、中空円柱（円筒）形状に配置されている。特に制限されないが、図２の例では、Ｎは６、Ｍは３０、ｍは５、Ｌは６（隣接する５個ずつ６グループ）とされている。
【００２５】
高周波送波器２２と高周波受波器２３は、低周波送受波器２１と比較してサイズが小さく、低周波送受波器２１よりも密に配置されている。
【００２６】
図２（Ｂ）に示すように、断面Ａにおいて、低周波送受波器２１の列の下端部側に、高周波受波器２３が配設される。特に制限されないが、図２（Ｂ）の例では、低周波送受波器２１と高周波受波器２３は、円筒の径方向外側を音響面（振動面）にして面一で配設される。高周波受波器２３は、円筒下端部に周方向に沿って一列に円環状に配置される（図２（Ａ））。
【００２７】
図２（Ｃ）に示すように、断面Ｂ（低周波送受波器２１の縦積み方向と直交する断面）において、複数の低周波送受波器２１のそれぞれの音響面の反対側が、円形の中空部（中空領域）２５を確定している。すなわち、複数の低周波送受波器（２１）は、音響面の反対側が、該中空部２５に沿って１部又は全部に沿って配設される。断面Ｂにおいて、複数の高周波送波器２２は、それぞれの音響面と反対側が、円形の中空部２５の周方向に所定の間隔で配設される。図２（Ｃ）の例では、断面Ｂにおいて、６０度の間隔をあけて、低周波送受波器２１が配設されていない領域（間隙）２４を有し（３６０度で６個）、この領域（間隙）２４に、高周波送波器２２が、例えば１個配設されている。すなわち、断面Ｂにおいて、複数の高周波送波器２２は、円形の中空部２５の周方向に６０度毎の間隔で、全方位に均等に配置されている。
【００２８】
図２（Ａ）を参照すると、円筒形状の送受波器アレイには、低周波送受波器２１を欠き（図２（Ｃ）の２４）、縦方向に延在された領域が、円筒（中空立体形状）の周方向に沿って６個設けられている。縦方向に延在された各領域には、複数段縦積みされ、ラインアレイを構成する複数の高周波送波器２２からなる高周波送波器アレイ２０１が配設されている。高周波送波器アレイ２０１は、円筒（中空立体）の周方向に沿って６個設けられている。複数の高周波受波器２３からなる高周波受波器アレイ２０２は、高周波送波器アレイ置２０１と直交し円筒（中空立体）の周方向に沿って例えば円環状に配設されている。
【００２９】
なお、図２（Ｃ）では、領域（間隙）２４の幅は、１個分の低周波送受波器２１を欠いた幅とされているが、図２（Ｃ）において、領域（間隙）２４の幅は、低周波送受波器２１の１個分に制限されるものでないことは勿論である。また、領域（間隙）２４の幅（大きさ）によっては、領域（間隙）２４に配置される高周波送波器２２の数は１つに制限されるものでない。なお、中空部２５は、断面Ｂ（低周波送受波器２１の縦積み方向と直交する断面）において、低周波送受波器２１の配置形態を定義しており、この中空部２５には、他の部材（配線ケーブル等）が配設（挿入）されてもよいことは勿論である。
【００３０】
高周波送波器２２は、低周波送受波器２１と比較してサイズが小さく、縦方向に沿って、低周波送受波器２１よりも密に配置されている。また、高周波受波器２３は、低周波送受波器２１と比較してサイズが小さく、周回方向に沿って低周波送受波器２１よりも密に配置されている。なお、低周波、高周波の区分は、魚群探知機等の用途によっても相違するが、低周波の１５ｋＨｚ（kiloHertz）から高周波の２００ｋＨｚを対象とした場合、５０〜１００ｋＨｚ以下を低周波としてもよい。なお、２００Ｈｚ〜５ｋＨｚを低周波、１５〜１０ｋＨｚを高周波とするものもある。周波数が低くなればなるほど遠距離伝播に優れるが、残響などのノイズが大きくなり、指向性が鈍いために方位精度も落ち、また送受波器も大きくなる。  
【００３１】
図３は、図２（Ａ）の高周波送波器２２の高周波送波器アレイ２０１と、高周波受波器２３の高周波受波器アレイ２０２の配置を模式的に例示した図である、図３を参照すると、一列に配置された複数の高周波送波器２２からなる高周波送波器アレイ２０１−１と、一列に配置された複数の高周波送波器２２からなる高周波送波器アレイ２０１−２が垂直方向（縦方向）に並行に配置されている。高周波送波器アレイ２０１−１、２０１−２は図２（Ａ）の２本の隣接する高周波送波器アレイ２０１に対応する。複数の高周波受波器２３からなる高周波受波器アレイ２０２は、高周波送波器アレイ２０１−１、２０１−２に対して例えばアレイの軸が９０度に交差するように水平（横方向）に配置されている。なお、高周波送波器アレイ２０１−１と２０１−２の間の領域には、複数の低周波送受波器２１が配設されているが、図３では省略されている。
【００３２】
図４は、図３に例示したクロスファンビーム方式の高周波ソーナーにおけるビーム形状の概要を模式的に示す図である。図４（Ａ）において、参照符号２０１は、図２（Ｃ）において高周波送波器２２を縦一列に配置した高周波送波器アレイ２０１に対応している。１０１、１０２は、高周波送波器アレイ２０１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４（Ａ）に示すように、高周波送波器アレイ（ラインアレイ）２０１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、高周波送波器アレイ（ラインアレイ）２０１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。
【００３３】
図１の高周波送信部１２は、高周波送波器アレイ２０１から送信する送信信号を生成し、生成した送信信号に対して送信チャンネルごとに位相制御部（不図示）で位相制御を行う。すなわち高周波送波器アレイ２０１の複数の高周波送波器２２のそれぞれに対応して位相制御を行う。そして、送信チャンネルごとの送信信号を増幅器（不図示）で増幅し各高周波送波器アレイ２０１の各高周波送波器２２に供給する。高周波送波器アレイ２０１の複数の高周波送波器２２に対応して複数の送信用アンプ（不図示）を備えている。この結果、図３の高周波送波器アレイ２０１−１、２０１−２から、それぞれ、図４（Ａ）に示す送信ファンビームが出力される。
【００３４】
図４（Ｂ）において、参照符号２０２は、図２（Ａ）の高周波受波器２３を円環状に配設した高周波受波器アレイ２０２を表している（なお、図４（Ｂ）では、簡単のため高周波受波器アレイ２０２は環状（弧状）ではなく、直線のアレイで表している）。参照符号１０３は、高周波受波器アレイ２０２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４（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生成される。
【００３５】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、高周波送信部１２が生成する送信信号を模式的に示す図である。高周波送信部１２は、周波数掃引および垂直方位掃引された信号を送信する。図５（Ａ）、（Ｂ）において、５０、５１は、高周波送波器アレイ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。複数の高周波送波器アレイからの送信は同時に行うようにしてもよい。図５（Ａ）、図５（Ｂ）において時間軸（横軸）は互いに同一である。図５（Ａ）において、ｆｓ、ｆｅはそれぞれ周波数である。図５（Ａ）、（Ｂ）において、ｔｓ、ｔｅは時間である。図５（Ｂ）において、θＬ、θＨは送信方位であり、それぞれ、図４（Ａ）のθＬ、θＨに対応している。
【００３６】
図５（Ａ）を参照すると、送信信号の周波数５０は、時間ｔｓからｔｅに変化するにつれて、掃引開始周波数ｆｓから掃引終了周波数ｆｅ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５（Ｂ）を参照すると、送信方位５１は、θＬからθＨまでリニアに変化する位相制御が行われる。
【００３７】
なお、図５（Ａ）の例では、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い。また、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てもよい。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。
【００３８】
再び図１を参照すると、低周波送受信部１１は一般的な遠距離目標捜索用のソーナーの送受信処理方式に準じ円筒アレイを用いて全方位の捜索を行う。
【００３９】
高周波受信部１３では、図４（Ｂ）に例示したように、水平方向に複数のビームを生成し、クロスファン方式の３次元ソーナーの受信処理を行う。高周波受信部１３では、水平面において異なる方向（図２（Ａ）では、６つの方向）に向けて取り付けた高周波送波器アレイ２０１（ラインアレイ）からの送信信号による反射音に対して受信処理を行うことで、全方位の３次元情報を取得することができる。
【００４０】
図６は、図１の高周波受信部１３の構成の一例を説明する図である。高周波受信部１３では、信号分離部１３１が、高周波送波器２２が送信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）と、高周波受波器２３で受信した受信データとの間の相互相関を計算する（レプリカ相関処理）。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１３１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。
【００４１】
開口合成処理部１３２では、信号分離部１３１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４（Ｂ）に示すような、水平方向の受信ビームを生成する。なお、仮想音響アレイは、送波器が所定間隔（例えば数波長間隔）で配置された送波器アレイと、受波器が例えば半波長間隔で並べられ、送波器の間隔と同じ配列長を持つ受波器アレイで構成される。各送波器からの送信信号を各受波器で受信し信号処理を施すことで、間隔が広い送波器間を、受波器で補間するようにして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個の受波器からなる受波器アレイと、Ｎ個の送波器からなる送波器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。
【００４２】
ドップラー・方位算出部１３３は、開口合成処理部１３２で生成された複数の受信ファンビームに対して、例えば高周波送波器アレイ２０１（例えば図３の２０１−１、２０１−２）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１３３については、特許文献２の記載等が参照される。
【００４３】
３次元画像化部１３４は、ドップラー・方位算出部１３３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３０３に３次元表示する。
【００４４】
信号分離部１３１による受信信号の方位算出と、開口合成処理部１３２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。
【００４５】
＜第２の実施形態＞
次に本発明の例示的な第２の実施形態を説明する。図７は、第２の実施形態における送受波器アレイ装置２０を例示する図である。図７（Ａ）は、図１の送受波器アレイ装置２０の全体を模式的に例示した斜視図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の断面Ａを模式的に例示する図である。
【００４６】
第２の実施形態では、前記第１の実施形態と相違して、高周波受波器２３Ａは、その音響面が所定の伏角で（図７（Ｂ）の斜め下方に向いた状態で）、円環状に配設されている。
【００４７】
第２の実施形態によれば、高周波受波器２３Ａの音響面を図の下方に傾けることで、高周波ソーナーにおいて下方の視野角を拡大することができる。
【００４８】
＜第３の実施形態＞
次に本発明の例示的な第３の実施形態を説明する。図８は、第３の実施形態におけるにおける送受波器アレイ装置２０を例示する図である。図８（Ａ）は、図１の送受波器アレイ装置２０の全体を模式的に例示した斜視図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の断面Ａを模式的に例示する図である。
【００４９】
第３の実施形態では、第２の実施形態の送受波器アレイ装置２０が、その下端部の高周波受波器アレイ２０２Ａに加えて、上端部側に第２の高周波受波器アレイ２０２Ｂを備えている。すなわち、第２の高周波受波器アレイ２０２Ｂは、高周波送波器アレイ２０１の長手方向と直交し円筒の周方向に沿って円環状に配設された複数の高周波受波器２３Ｂからなる。
【００５０】
図８（Ｂ）に示すように、高周波受波器２３Ｂは、その音響面が所定の仰角で（図８（Ｂ）の斜め上方に向いた状態）で円環状に配設されている。高周波受波器２３Ｂの音響面を上方に傾けることで、高周波ソーナーにおいて上方の視野角を拡大することができる。
【００５１】
＜第４の実施形態＞
次に本発明の例示的な第４の実施形態を説明する。図９（Ａ）は、第４の実施形態における送受波器アレイ装置２０を模式的に例示する斜視図である。第４の実施形態において、高周波送波器２２から構成されるラインアレイ（高周波送波器アレイ）２０１の高さが、低周波送受波器２１で構成される円筒アレイの全高を占めないていない。高周波送波器アレイ２０１は下端（高周波受波器２３側）からｎ段（＜Ｎ）の低周波送受波器２１までの高さとされている。図８の例では、高周波送波器アレイ２０１は、高周波受波器２３側にから３段（＜Ｎ＝６）目の低周波送受波器２１までの高さとされる。高周波送波器アレイ２０１の上部には、４段目から６段面の低周波送受波器２１が縦積みされている。
【００５２】
図９（Ａ）の断面Ｂは、図２（Ｃ）と同一である。図９（Ａ）の断面Ｃは、図９（Ｂ）に示すように、複数の低周波送受波器２１が、中空部２５（円）の縁（円周）を画定するように配置されており、図２（Ｃ）の間隙２４は存在しない。
【００５３】
第４の実施形態によれば、低周波送受波器２１で構成される円筒状の送受波器アレイの指向特性について、前記第１乃至第３の実施形態と比較して、サイドローブが低減されるため、センサ性能の向上が可能である。なお、送波器（送受波器）から放射される音響信号は方向によって強度が異なり、音響レベルが最大のビームをメインローブといい、その中心から角度をずらしていくと音響レベルは角度の増加にしたがって減少していきその後再び増加する特性をサイドローブ（side lobe）という。なお、第４の実施形態においても、前記第２の実施形態と同様、高周波受波器２３は、その音響面が所定の伏角で（図７（Ｂ）の斜め下方に向いた状態で）、円環状に配設するようにしてもよい。
【００５４】
前記第１から第４の実施形態では、低周波送受波器２１により構成される送受波器アレイを円筒状としているが、立体形状は、円筒形状に制限されるものでないことは勿論である。円筒の一部（中空部横断面が円ではなく円弧、半円、楕円等）、又は、横断面が馬蹄形（中空部横断面は円弧と直線等で組み合わされる）等のような中空立体形状であっても実現可能である。また、中空部横断面は、中空立体の上端部と下端部で、あるいは、低周波送受波器２１の縦積み段方向で、面積が相違する構成としてもよい。
【００５５】
図１０は、図１の送受信装置１０（ソーナー制御装置１４）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と、インタフェース３０４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（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、又は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable ROM）等の半導体メモリであってもよいし、あるいは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus)、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等のストレージデバイスであっってもよい。インタフェース３０４は信号線、制御線等を介して、プロセッサ３０１を図１の送受波器アレイ装置２０に接続するようにしてもよい。あるいは、図１のソーナー制御装置１４をコンピュータ３００で構成した場合、インタフェース３０４は、プロセッサ３０１を図１の低周波送受波器２１、高周波送波器２２、高周波受波器２３に接続するようにしてもよい。コンピュータ３００は、外部装置と無線又は有線で通信接続する通信インタフェースをさらに備えてもよい。メモリ３０２に保持されるプログラムは、例えば、図１の送受信装置１０（ソーナー制御装置１４）の機能、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。例えばプロセッサ３０１に、送受波器アレイの低周波送受波器２１より音波を送信したのち目標からの反射音を受信して水中の前記目標を検出する処理、高周波送波器２２から送信ビームの垂直方位を変化させながら音波を送信する処理、高周波受波器２３にて前記送信した音波のエコーを受信し、前記水中目標の３次元情報を取得する処理を実行させるプログラムが提供される。
【００５６】
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】
【００５７】
１  ソーナー装置
１０  送受信装置
１１  低周波送受信部
１２  高周波送信部
１３  高周波受信部
１４  ソーナー制御装置
２０  送受波器アレイ装置
２１  低周波送受波器
２２  高周波送波器
２３、２３Ａ、２３Ｂ  高周波受波器
２４  間隙（低周波送受波器を欠いた領域）
２５  中空部
５０  送信信号の周波数
５１  送信信号の方位（送信方位）
１３１  信号分離部
１３２  開口合成処理部
１３３  ドップラー・方位算出部
１３４  ３次元画像化部
２０１、２０１−１、２０１−２  高周波送波器アレイ
２０２、２０２Ａ、２０２Ｂ  高周波受波器アレイ
３００  コンピュータ
３０１  プロセッサ
３０２  メモリ
３０３  表示装置
３０４  インタフェース
【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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