(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラットフォームに複数設置されている受信素子から入力された複数の受信データを、受信したデータ毎に複数のフェイズドアレイ処理装置に分散するフェイズドアレイ振分装置と、
前記複数の受信データに対するフェイズドアレイ処理を並列に行なう複数のフェイズドアレイ処理装置と、
前記複数のフェイズドアレイ処理装置から出力されたフェイズドアレイ処理結果を、受信データの受信順に合成開口処理装置へ送るデータシェーピングバッファ装置と、
前記データシェーピングバッファ装置から前記受信データの受信順に出力されて送られた複数のフェイズドアレイ処理結果を用いて合成開口処理を行なう合成開口処理装置と、
を有することを特徴とするフェイズドアレイ合成開口ソナーシステム。
【請求項２】
前記プラットフォームの速度情報、角度情報および高度情報を基に、前記プラットフォームの動揺補正フィルタ処理を行なう動揺データ算出装置
を有することを特徴とする請求項１に記載のフェイズドアレイ合成開口ソナーシステム。
【請求項３】
前記フェイズドアレイ振分装置、各フェイズドアレイ処理装置、前記受信データシェーピングバッファ装置および前記合成開口処理装置の各装置を、ＰＣ（Personal Computer）にて実現する
ことを特徴とする請求項１に記載のフェイズドアレイ合成開口ソナーシステム。
【請求項４】
各ＰＣ（Personal Computer）を、前記フェイズドアレイ振分装置の機能を有するマスタＰＣ、各フェイズドアレイ処理装置の機能を有する複数のフェイズドアレイＰＣ、前記受信データシェーピングバッファ装置の機能を有する受信データシェーピングＰＣおよび前記合成開口処理装置の機能を有する合成開口ＰＣとしたとき、
前記マスタＰＣと、各フェイズドアレイＰＣと、前記受信データシェーピングＰＣと、を有するネットワークと、前記受信データシェーピングＰＣと、前記合成開口ＰＣと、を有するネットワークを分離する
ことを特徴とする請求項１に記載のフェイズドアレイ合成開口ソナーシステム。
【請求項５】
前記プラットフォームは、潜水艇または海底探査機である
ことを特徴とする請求項１に記載のフェイズドアレイ合成開口ソナーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の合成開口ソナーの処理では、例えばソナーに搭載された１ＣＨ（Channel）の送信・受信素子を用いて、１回の発信パルス（１ピング）によって得られる海底からの反射音波データの記録を、海底探査機などのプラットフォームを移動させながら繰り返す。そして記録した複数の反射音波データを合成する合成開口処理を行なうことで、所定の合成開口ソナー画像を得る。
【０００３】
図８〜図１０を参照して、従来の合成開口ソナーを説明する。図８と図９において、同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
まず、図８に示すように、プラットフォーム１２には１ＣＨ（１個）の受信素子３１が設置されている。図示しない発信素子から発信される音波は、図８に示すようにプラットフォーム１２の進行方向であるアジマス方向に広がりつつ、時間方向（ソナーの進行方向）であるレンジ方向に進む。ここで、図８の範囲７０１が１回の発信パルス（１ピング）で得られるデータ範囲である。
【０００４】
合成開口ソナーでは、図９に示すようにプラットフォーム１２が移動しながら音波を何度も発信し、反射音波を合成することによりソナー情報を得る。ここで、ソナー情報とは、ピングデータの集合である。また、ピングデータとは、音波を１回送波したときの受信データである。
図９において、丸８０１は１ピングで探査可能な範囲を示すものだが、音波はレンジ方向へ進むにつれアジマス方向へ広がるため、プラットフォーム１２に近くなるほど得られる探査範囲８０１が狭くなり、遠くなるほど探査範囲８０１が広くなる。
したがって、図９のように４ピングを合成することにより合成開口ソナーを得ようとすると、プラットフォームに近いところでは探査範囲８０１に抜けが生じてしまい、遠いところでは探査範囲８０１に重複が生じることとなる。ここで、Ｎｍａｘは、一回の合成開口処理に用いる最大ピング数（これ以上、合成開口処理を行なっても効果が薄くなるピング数）である。
【０００５】
図１０は、従来の合成開口ソナーのシステム構成例を示す図である。
合成開口ソナーシステム２００は、ソナーの発信・受信および受信データの処理を行なう音響データ受発信装置２１０と、音響データ受発信装置から得られたデータを取得して、蓄積するデータ取得・蓄積装置２２０と、合成開口処理を行なう合成開口処理装置２３０と、を有する。
音響データ受発信装置２１０は、バンドパスフィルタとしてのＨＰＦ／ＬＰＦ（High Pass Filter/Low Pass Filter）２１２、可変利得増幅回路（ＶＧＡＭＰ２１３：Variable Gain Amplifier）、ＨＰＦ／ＬＰＦ２１４、プログラマブル利得増幅回路（ＰＧＡＭＰ２１５：Programmanle Gain Amplifier）、ＡＤＣ（Analog Digital Comverter)２１６を有しており、受信素子３１から得られた受信データは、この各部２１２〜２１６を介して信号処理され、データ取得・蓄積装置２２０へ送られる。
データ取得・蓄積装置２２０へ送られる受信データは、受信素子３１の移動位置毎のデータが送られる。
【０００６】
データ取得・蓄積装置２２０は、入力された受信データに対してオーバサンプリングを行なうオーバサンプリング部２２２を有しており、オーバサンプリングされた受信データは、受信素子３１がピングを受信した時間および位置情報とともに、記憶装置２２３に格納される。
なお、受信素子３１がソナーを受信した時間・位置情報２２１は、音響データ受発信装置２１０が有している初期値設定情報２１１から経過した時間・位置を基に音響データ受発信装置２１０によって算出される。
【０００７】
合成開口処理装置２３０は、データ取得・蓄積装置２２０の記憶装置２２３からデータを読み込むデータ読込処理部２３２、読み込んだデータに対し合成開口処理を行なう合成開口処理部２３３、合成開口処理結果をストレージ２３５に格納したり、表示装置２３６にソナー画像として表示させたりする結果保存・表示処理部２３４を有している。また、合成開口処理装置２３０は、各部の初期設定を行なう初期設定処理部２３１も有している。
【０００８】
図８〜図１０に示す合成開口ソナーでは、図９に示すようにプラットフォーム１２から近いところでは探査範囲８０１に抜けが生じてしまい、遠いところでは探査範囲８０１の重複が生じてしまう。
そこで、特許文献１では、複数回取得したピングデータでフェイズドアレイ処理を実行した後に合成開口する処理を行なう合成開口ソナーが開示されている。ここで、特許文献１におけるビームステアリングがフェイズドアレイ処理に相当する。以下、このような処理をフェイズドアレイ合成開口処理と称することとする。なお、ここでフェイズドアレイ処理とは、多数の小さな受信素子のそれぞれで受信する音波の位相を制御することで、これらの受信素子で受信した音波を合成し、音波の指向性を変化させて観測する処理である。
なお、物体に対する距離はピング送信から受信までの時間ｔから参集できるので既知のものとして扱う。
【０００９】
図１１は、従来のフェイズドアレイ合成開口ソナーの概略を示す図である。
図１１に示すように、プラットフォーム１２の近くに位置する対象物１００１に対しては各移動地点で発信・受信したピングによって海底の状況を検知するフェイズドアレイ処理を行ない（符号１００３）、プラットフォーム１２から遠くに位置する対象物１００２に対しては合成開口処理を行なうものである。これにより、全領域において均等な分解能（均等な探査範囲）を得ることができる。Ｎｍａｘは、図８と同様の値である。なお、符号１００３で示す矢印は、１回のピングで反射した音波を異なる受信素子３１で受信していることを示すものである。
【００１０】
次に、図１１におけるフェイズドアレイ合成開口処理の概要を記述する。なお、この処理の詳細は、図１２において後記する。
フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、まず時間領域において記録波形（受信ソナーの波形）と任意波形（送信ソナーの波形）とのレンジ圧縮を実行する。次に、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、フェイズドアレイ処理を行なう目標観測ライン、つまり描画対象となる海底列（描画対象列）を決定し、近距離においてはフェイズドアレイ処理を適用することでデータの欠落をなくし、遠距離においては合成開口処理を実行し、分解能の低下を防ぐ。実際には、図１２で後記するように、フェイズドアレイ処理と合成開口処理との両方を同じデータに適用することで、近くの対象物に対しては合成開口処理の効果が薄れ、遠くの対象物に対しては、受信ソナーの角度（位相差）が微小になるためフェイズドアレイの効果が薄れることとなる。なお、処理に用いるデータは受信アレイの素子単独のビーム照射範囲により決定する。そして、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、ソナー本体の動揺（速度、角度）情報を考慮しつつ各移動位置での受信素子３１における受信信号の遅延時間を計算し、受信データのコヒーレント加算をすることで、ある海底一点の画像を得る。この処理を海底全域で繰り返し、ソナー画像を得る。
【００１１】
なお圧縮後のデータは送信波帯域幅と同じ周波数のサンプリングレートとなるようにし、続くアジマス圧縮時に非特許文献１に記載の１．５次元合成開口アルゴリズムが適用できるようにする。データの一次保存量は合成開口ピング数最大値Ｎｍａｘで決定する。
【００１２】
図示しない慣性航法装置などから取得したプラットフォーム１２の速度情報（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）、角度情報（θ，ω，φ）、加速度情報（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）、高度情報ｈにはノイズなどの動揺補正に不要な情報が含まれている。ここで、速度情報・角度情報・加速度・高度情報は、図１０の時間・位置情報２２１に相当する情報である。それらを除くために、特許文献２に記載の技術や、非特許文献２に記載の技術を用いて不要な周波数帯域の情報を除去する。データの一時保存量は、例えば合成開口ピング数最大値Ｎｍａｘ×送波間隔Ｔｐ×３秒間のデータとするが、動揺補正後の一時保存量はＮｍａｘ×Ｔｐとなる。ここで、３秒間とは、ソナーを受信する時間である。フェイズドアレイ合成開口ソナーでは、通常のソナーと同様に、横（ソナー垂直方向）一列（描画対象列）分の画像データを生成する。フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムにおいて、従来のソナーと異なるのは、ソナーが真横を探索するのではなく、海底上をグリッド化し、それに沿った任意の描画対象列を探査し、画像を生成する点である。
【００１３】
図１２は、図１１におけるフェイズドアレイ合成開口処理の手順を示すフローチャートである。
まず、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、合成開口処理に先立って動揺補正フィルタ処理と、レンジ圧縮処理を行なっておく。
動揺補正フィルタ処理において、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、システムにおける慣性航法装置からプラットフォーム１２の速度（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）、角度（θ，ω，φ）、加速度情報（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）、高度ｈの各情報を取得する速度・角度・加速度・高度取得処理を行ない（Ｓ５０１）、取得した速度・角度・加速度・高度情報を記憶装置に格納する。さらに、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは特許文献２もしくは非特許文献２に記載の技術を用いて動揺補正フィルタ処理を行ない（Ｓ５０２）、処理結果を記憶装置に格納しておく。
【００１４】
また、レンジ圧縮処理において、フェイズドアレイ合成開口ソナーは、合成開口処理の実行に必要なピングの最大数である合成開口ピング数最大値Ｎｍａｘを、例えば記憶装置から取得する（Ｓ６０１）
そして、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、受信データのレンジ圧縮処理を行なう（Ｓ６０２）。レンジ圧縮処理は、非特許文献１に記載の技術を用いるため、説明を省略する。
次に、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、レンジ圧縮処理を行なった１ピング分の受信データを記憶装置へ格納する１ピング分データ一次保存処理を行なう（Ｓ６０３）。
次に、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、合成開口ピング数最大値Ｎｍａｘ分すべてのピングについて、ステップＳ６０２，Ｓ６０３の処理を行なったか否かを判定する（Ｓ６０４）。
ステップＳ６０４の結果、合成開口ピング数最大値Ｎｍａｘ分のピングについて、ステップＳ６０２，Ｓ６０３の処理を行なっていない場合（Ｓ６０４→Ｎｏ）、フェイズドアレイ合成開口システムは、ステップＳ６０２へ処理を戻す。
ステップＳ６０４の結果、合成開口ピング数最大値Ｎｍａｘ分のピングについて、ステップＳ６０２〜６０３の処理を行なっている場合（Ｓ６０４→Ｙｅｓ）、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、レンジ圧縮処理を終了する。
なお、レンジ圧縮処理は、合成開口処理が行なわれるたびに、合成開口処理に使用する受信データに対して行なわれる処理である。
【００１５】
次に、合成開口処理について説明する。
フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、描画対象列上における位置Ｒ（描画対象点）を目標に設定し、受信素子のビーム受信角度範囲（＝送信機ビーム受信角度範囲）から何ピング分のデータを処理に用いるのかを決定する目標範囲決定処理を行なう（Ｓ７０１）。つまり、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、描画対象列を描画するために必要なピング数を決定する。
フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、速度・角度・加速度・高度情報および動揺補正フィルタ処理結果を記憶装置から取得し、プラットフォーム１２の相対位置・姿勢角を算出する相対位置・姿勢角算出処理を行なう（Ｓ７０２）。ここで、「高度」とは、海底からプラットフォーム１２までの距離である。
【００１６】
次に、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、ソナーを受信したときの受信素子位置を算出する受信素子位置算出処理を行なう（Ｓ７０３）。ここで、ステップＳ７０２で算出されるプラットフォーム１２の相対位置・姿勢角およびステップＳ７０３で算出される受信素子位置は、図１０の時間・位置情報２２１に相当する情報である。
そして、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、ステップＳ７０３で算出した受信素子位置における音波伝搬遅延Ｔｄｉを算出する音波伝播遅延算出処理を行なう（Ｓ７０４）。音波伝播遅延Ｔｄｉは、ソナー送信装置から描画対象となっている海底の一点（描画対象点）への距離をＡとし、当該描画対象点から受信素子３１への距離をＢとしたとき、以下の式（１）で示される値である。
【００１７】
Ｔｄｉ＝（Ａ＋Ｂ）／音速  ・・・  （１）
【００１８】
なお、プラットフォーム１２の姿勢により、ＡとＢの値が一致するとは限らない。
【００１９】
フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、レンジ圧縮した１ピング分データを記憶装置から取得すると、このデータから位相情報を取得し、さらに受信素子位置と、音波伝播遅延Ｔｄｉを使用し、コヒーレント加算処理を行なう（Ｓ７０５）ことで、ピングデータ（音波を１回送波したときの受信データ）の集合であるソナー情報を取得する。レンジ圧縮前の波形データは強度情報のみを有している。これに対し、レンジ圧縮後の波形データは強度に加え、発信ソナー（チャープ波）の位相情報を有する波形データ、すなわち複素数となる。なお、ステップＳ７０５の処理は、非特許文献１におけるアジマス圧縮である。また、音波伝播遅延Ｔｄｉとなる時刻にサンプリングがされる事はまれであり、基本的に一致しないため、ステップＳ７０５では、Ｔｄｉとなる時刻前後の２サンプルを使用し、補間を行なって描画対象点の画像を生成する。
ここで、ステップＳ７０３〜Ｓ７０５までがフェイズドアレイ処理に相当する処理である。
【００２０】
次に、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、合成開口ピング数最大値Ｎｍａｘ分すべてのピングについて処理を行なったか否かを判定する（Ｓ７０６）。
ステップＳ７０６の結果、Ｎｍａｘ分すべてのピングについて処理を行なっていない場合（Ｓ７０６→Ｎｏ）、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、ステップＳ７０２へ処理を戻す。
ステップＳ７０６の結果、Ｎｍａｘ分すべてのピングについて処理を行なっている場合（Ｓ７０６→Ｙｅｓ）、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、ステップＳ７０５で取得したソナー情報を基に描画対象点を描画する海底一点描画処理を行なう（Ｓ７０７）。
【００２１】
次に、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、レンジ範囲すべてについてステップＳ７０１〜Ｓ７０７の処理を行なったが否かを判定する（Ｓ７０８）。
ステップＳ７０８の結果、レンジ範囲すべてについて処理を行なっていない場合（Ｓ７０８→Ｎｏ）、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、ステップＳ７０１へ処理を戻す。
ステップＳ７０８の結果、レンジ範囲すべてについて処理を行なっている場合（Ｓ７０８→Ｙｅｓ）、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、すべての描画対象列について、ステップＳ７０１〜Ｓ７０８の処理を行なったか否かを判定する（Ｓ７０９）。
ステップＳ７０９の結果、処理を行なっていない場合（Ｓ７０９→Ｎｏ）、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは、ステップＳ７０１へ処理を戻し、次の描画対象列について処理を行なう。
ステップＳ７０９の結果、処理を行なっている場合（Ｓ７０９→Ｙｅｓ）、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステムは処理を終了する。
【００２２】
合成開口処理は多数のデータを使用するため高分解能である。加えて、従来の位置・姿勢情報を用いないソナーは横軸に送信音波番号を、縦軸に時刻をとって受信信号を表示するシステムであるのに対し、合成開口ソナーは横軸に進行方向位置を、縦軸にレンジ距離をとった相対座標系における信号を表示するシステムである。そのため、海底面からの反射信号をソナー本体の動揺補正処理により歪みの少ない自然な形で画像を見ることができる。また、フェイズドアレイ合成開口ソナーでは、合成開口処理の効果に加えて、フェイズドアレイ処理によりソナーの送信間隔とは無関係に海底面をグリッド化できるため、均一な分解能で海底画像を取得できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００１−１１６８４２号公報
【特許文献２】特許第４０６２３１１号明細書
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】T. Sawa, T. Aoki, H. Yoshida, T. Hyakudome, S. Ishibashi, S. Matsubara, S. Wright,"Modified synthetic aperture algorithm for sonar systems",International Journal of Adaptive Control and Signal Processing,Volume 24, Issue 2, February 2010, pp.142-148,Singapore.,Singapore.
【非特許文献２】Takao Sawa, Tomoo Kamakura, Taro Aoki, and Jyunichiro Tahara,"Motion compensation of synthetic aperture sonar with acceleration sensors",Japanese journal of applied physics,VOl. 46, No. 7B, (2007),pp.4977-4981,Japan.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
従来のフェイズドアレイ合成開口ソナーではリアルタイム処理の実現が困難であり、ソナーからの取得データを記憶装置に一旦蓄積した後、バッチ処理で処理を行なっていた。これは、受信ソナー処理の処理負荷が極めて膨大であり、リアルタイムでソナー画像を得るためには非常に高性能な計算機を必要とすることにある。
処理の軽減を図るため、これまで合成開口処理内では処理負荷の大きい割り算を極力実行しない演算式としたり、三角関数はテイラー展開（二項定理）を用いて近似したりするなどの方法が行なわれているが問題解決には至っていない。
【００２６】
この原因は大きく２つある。ひとつは１ピングあたりのデータ処理量が膨大、かつピングの送信間隔が短いことであり、もうひとつはピングデータに対しソナー本体の動揺補正やフェイズドアレイ処理・合成開口処理をしなければならない点である。
前者については、受信データの間引き処理を行なったり、合成開口長を短くしたり、観測レンジ範囲を狭めて分解能を落したりするなどの方法により処理データの負荷軽減を図ることが行なわれている。また、後者については、動揺補正処理の適用間隔を間引くなどの方法が行なわれている。
【００２７】
しかしながら、合成開口ソナーの目的は、高精細な海底上の画像を取得することである。従って、受信データを間引くことは画像データの分解能低下を招いてしまう。
【００２８】
また、従来のフェイズドアレイ合成開口ソナーでは、描画対象点のデータが確定するまでに時間を要するという問題がある。これは、海底の地点Ｘをカバーする受信データは、ソナー本体の合成開口処理開始端で取得可能となるピング（Ｐｉｎｇ１）から、合成開口処理終了端で取得可能となるピング（ＰｉｎｇＮ）までのピングデータが確定（Ｎｍａｘで規定）するまで、フェイズドアレイ合成開口処理ができなかったことにある。
【００２９】
一方、より精度の高い海底画像を得るために、精度の高いソナー画像も必要とされている。
【００３０】
このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、ソナー画像の精度を上げつつ、処理速度を落とさないことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
前記課題を解決するため、本発明は、プラットフォームに複数設置されている受信素子から入力された複数の受信データを、受信したデータ毎に複数のフェイズドアレイ処理装置に分散するフェイズドアレイ振分装置と、前記複数の受信データに対するフェイズドアレイ処理を並列に行なう複数のフェイズドアレイ処理装置と、前記複数のフェイズドアレイ処理装置から出力されたフェイズドアレイ処理結果を、受信データの受信順に合成開口処理装置へ送るデータシェーピングバッファ装置と、前記データシェーピングバッファ装置から前記受信データの受信順に出力されて送られた複数のフェイズドアレイ処理結果を用いて合成開口処理を行なう合成開口処理装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ソナー画像の精度を上げつつ、処理速度を落とさないことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口ソナーシステムの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口ソナーシステムの概略を示す図である。
【図３】本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】本実施形態におけるフェイズドアレイ合成開口ソナーの詳細な処理手順を示すフローチャートである。
【図５】描画対象点の説明を行なうための図である。
【図６】本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口ソナーシステムをＰＣで構成した例を示す図である。
【図７】図６に示す各ＰＣをネットワーク接続した場合の接続例を示す図である。
【図８】ソナーの概略を示す図である。
【図９】従来の合成開口ソナーの概略を示す図である。
【図１０】従来の合成開口ソナーシステムの構成例を示す図である。
【図１１】従来のフェイズドアレイ合成開口ソナーの概略を示す図である。
【図１２】従来のフェイズドアレイ合成開口処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３５】
《システム構成》
図１は、本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口ソナーシステムの構成例を示す図である。
フェイズドアレイ合成開口ソナーシステム１は、ソナー送信装置２、ソナー受信アレイ３、動揺データ算出装置４、受信データサンプリング装置５、レンジ圧縮装置６、記憶装置７、フェイズドアレイ振分装置８、複数のフェイズドアレイ処理装置９、データシェーピングバッファ装置１０、合成開口処理装置１１を有している。
【００３６】
ソナー送信装置２は、ソナー（音波）を送信する装置であり、プラットフォーム１２（図２）に対して１台設置されている。
ソナー受信アレイ３は、複数のソナー受信素子３１（図２）がソナーの１／２波長間隔で配列されている。ソナー受信アレイ３は、何列でもよいが、１列または２列が好ましい。しかし、これに限らず、格子状に受信素子３１が配列されているなどしてもよい。
動揺データ算出装置４は、プラットフォーム１２の速度、角度、高度などからプラットフォーム１２の動揺補正を行なう装置である。
受信データサンプリング装置５は、各受信素子３１から送られた受信データのサンプリングを行なう装置である。
レンジ圧縮装置６は、受信データサンプリング装置５から送られたデータに対し、レンジ圧縮処理を行なう装置である。
記憶装置７は、プラットフォーム１２の速度、角度、高度の各情報や、動揺補正の結果や、レンジ圧縮された受信データを格納する記憶装置７である。
【００３７】
フェイズドアレイ振分装置８は、各受信データを負荷や、優先度などを基に、処理受付可能なフェイズドアレイ処理装置９を選択し、選択したフェイズドアレイ処理装置９にフェイズドアレイ処理を開始させる装置である。このようにすることで、複数のフェイズドアレイ処理装置９に性能差があったとしても、処理負荷を分散させることができる。
データシェーピングバッファ装置１０は、各フェイズドアレイ処理装置９から出力された結果をピングの受信順に合成開口処理装置１１へ出力する。このようにすることで、フェイズドアレイ処理装置９間の性能差（処理速度差）を吸収し、フェイズドアレイ処理結果の順序性を保持した状態とすることができる。
合成開口処理装置１１は、データシェーピングバッファ装置１０から出力されたフェイズドアレイ処理結果を用いて合成開口処理を行なう装置である。
【００３８】
《概要》
図２は、本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口ソナーシステムの概略を示す図である。
図２に示すように、本実施形態のフェイズドアレイ合成開口ソナーシステム１は、プラットフォーム１２上に設置された複数の受信素子３１（ソナー受信アレイ３）において同時に受信したピングを用いて、フェイズドアレイ処理および合成開口処理を行なうものである。
プラットフォーム１２の近くに位置する対象物２０１に対しては各移動地点で発信・受信したピングによって海底の状況を検知するフェイズドアレイ処理を行ない（符号２０３）、プラットフォーム１２から遠くに位置する対象物２０２に対しては合成開口処理を行なうが、いずれの処理も複数の受信素子３１を用いるため、ソナー画像の精度を上げることができる。
なお、符号２０３で示す矢印は、１回のピングで反射した音波を異なる受信素子３１で受信していることを示すものである。
【００３９】
《フローチャート》
次に、図１および図２を参照しつつ、図３および図４に沿って本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口処理の流れを説明する。
図３は、本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口処理の流れを示すフローチャートである。
まず、ソナー受信アレイ３における各受信素子３１がソナーを受信する（Ｓ１０１）。
次に、受信データサンプリング装置５が、受信データに対するサンプリング処理を行なう（Ｓ１０２）。
そして、動揺データ算出装置４が、図示しない慣性航法装置から取得したプラットフォーム１２の速度、角度、高度の各情報を用いて、プラットフォーム１２の動揺ノイズを除去する動揺補正フィルタ処理を行なう（Ｓ１０３）。動揺補正フィルタ処理は図４で後記する。
【００４０】
次に、レンジ圧縮装置６が各受信データに対しレンジ圧縮処理を行なう（Ｓ１０４）。レンジ圧縮処理は、図４で後記する。
次に、レンジ圧縮装置６および動揺データ算出装置４がレンジ圧縮された受信データや、プラットフォーム１２の速度、角度、高度の各情報や、動揺補正の結果を記憶装置７へ格納するデータ保存処理を行なう（Ｓ１０５）。
さらに、フェイズドアレイ振分装置８が、処理受付可能なフェイズドアレイ処理装置９を選択し、選択したフェイズドアレイ処理装置９にフェイズドアレイ処理を開始させることによって、フェイズドアレイ処理を分散させるフェイズドアレイ振分処理を行なう（Ｓ１０６）。フェイズドアレイ振分装置８は、例えば、負荷の低いフェイズドアレイ処理装置９や、予め設定してある優先度などを基に処理受付可能なフェイズドアレイ処理装置９を選択する。優先度は、フェイズドアレイ処理装置９の性能などに基づいてユーザが設定してもよい。
【００４１】
次に、各フェイズドアレイ処理装置９は、フェイズドアレイ処理を行なう（Ｓ１０７）。フェイズドアレイ処理は、図４で後記する。
そして、データシェーピングバッファ装置１０が、フェイズドアレイ処理結果をピングの受信順に整列して、合成開口処理装置１１へ出力するデータシェーピング処理を行なう（Ｓ１０８）。データシェーピングバッファ装置１０は、例えば、各受信データに属性データとして付随している受信時刻などを基にフェイズドアレイ処理結果をピングの受信順に整列する。
さらに、合成開口処理装置１１が、データシェーピングバッファ装置１０から出力されたフェイズドアレイ処理結果に対して合成開口処理を行ない、さらに合成開口処理の結果を図示しない表示装置などに描画する合成開口・描画処理を行なう（Ｓ１０９）。合成開口処理装置１１では、データシェーピングバッファ装置１０から出力された１ピング分の画像データに対し、座標情報と時刻情報を基に合成開口処理を実施する。なお、合成開口処理は、一般的な合成開口処理と同様の処理であるため、詳細は省略する。
【００４２】
図４は、本実施形態におけるフェイズドアレイ合成開口ソナーの詳細な処理手順を示すフローチャートである。
まず、フェイズドアレイ合成開口ソナーシステム１は、合成開口処理に先立って動揺補正フィルタ処理（図３のステップＳ１０３）と、レンジ圧縮処理（図３のステップＳ１０４）を行なっておく。
動揺補正フィルタ処理において、動揺データ算出装置４は、システムにおける慣性航法装置からプラットフォーム１２の速度（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）、角度（θ，ω，φ）、加速度（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）、高度ｈの各情報を取得する速度・角度・加速度・高度取得処理を行ない（Ｓ２０１）、取得した速度・角度・加速度・高度情報を記憶装置７に格納する。さらに、動揺データ算出装置４は特許文献２もしくは非特許文献２に記載の技術を用いて動揺補正フィルタ処理を行ない（Ｓ２０２）、処理結果を記憶装置７に格納しておく。
【００４３】
そして、レンジ圧縮装置６は、１ピング分の受信データに対し、レンジ圧縮処理を行ない（Ｓ３０１）、ソナー受信アレイ３を構成するすべての受信素子３１についてサンプリング処理を行なったか否かを判定する（Ｓ３０２）。レンジ圧縮処理は、非特許文献１に記載の技術を用いるため、説明を省略する。
次に、レンジ圧縮装置６は、レンジ圧縮処理を行なった１ピング分の受信データを記憶装置７へ格納する１ピング分データ一次保存処理を行なう（Ｓ３０３）。
【００４４】
次に、フェイズドアレイ処理について説明する。
個々のフェイズドアレイ処理装置９は、描画対象列上における位置Ｒ（描画対象点）を目標に設定し、受信素子３１のビーム受信角度範囲（＝送信機ビーム受信角度範囲）から何ピング分のデータを処理に用いるのかを決定する目標範囲決定処理を行なう（Ｓ４０１）。つまり、フェイズドアレイ処理装置９は、描画対象列を描画するために必要なピング数を決定する。
フェイズドアレイ処理装置９は、速度・角度・高度情報および動揺補正フィルタ処理結果を記憶装置７から取得し、予め定めた基点に対するプラットフォーム１２の相対位置・姿勢角を算出する相対位置・姿勢角算出処理を行なう（Ｓ４０２）。ここで、「高度」とは、海底からプラットフォーム１２までの距離である。
【００４５】
以下のステップＳ４０３〜Ｓ４０５の処理は、ソナー受信アレイ３を構成する受信素子３１毎に行なわれる処理である。
次に、フェイズドアレイ処理装置９は、処理対象となっている受信素子３１について、ソナーを受信したときの受信素子３１位置を算出する受信素子位置算出処理を行なう（Ｓ４０３）。
そして、フェイズドアレイ処理装置９は、ステップＳ４０３で算出した各受信素子位置における音波伝搬遅延Ｔｄｉを算出する音波伝播遅延算出処理を行なう（Ｓ４０４）。
音波伝播遅延Ｔｄｉは、前記した式（１）によって算出される値である。
【００４６】
フェイズドアレイ処理装置９は、レンジ圧縮後の１ピング分データを記憶装置７から取得すると、このデータから位相情報を取得し、さらに、受信素子位置と、音波伝播遅延Ｔｄｉを使用し、位相差の算出処理を行なう（Ｓ４０５）ことで、ソナー情報を取得する。レンジ圧縮前の波形データは強度情報のみを有している。これに対し、レンジ圧縮後の波形データは強度に加え、位相情報を有する複素数形式の波形データとなる。なお、ステップＳ４０５の処理は、特許文献１における区分合成開口法である。また、音波伝播遅延Ｔｄｉと、サンプリングした波形データの分解能は基本的に一致しないため、ステップＳ４０５では、２サンプル使用し、補間を行なって描画対象点の画像を生成する。
ここで、ステップＳ４０３〜Ｓ４０５までが、実質的なフェイズドアレイ処理に相当する処理である。
【００４７】
フェイズドアレイ処理装置９は、ソナー受信アレイ３のすべての受信素子について、ステップＳ４０３〜Ｓ４０５の処理を行なったか否かを判定する（Ｓ４０６）。
ステップＳ４０６の結果、ソナー受信アレイ３のすべての受信素子について処理を行なっていない場合（Ｓ４０６→Ｎｏ）、フェイズドアレイ処理装置９はステップＳ４０３へ処理を戻し、次の受信素子についてステップＳ４０３〜Ｓ４０５の処理を行なう。
【００４８】
ステップＳ４０６の結果、ソナー受信アレイ３のすべての受信素子について処理を行なっている場合（Ｓ４０６→Ｙｅｓ）、フェイズドアレイ処理装置９は、ステップＳ４０５で取得したソナー情報を記憶装置７に保存するデータ保存処理を行なう（Ｓ４０７）。
【００４９】
次に、フェイズドアレイ処理装置９は、レンジ範囲すべてについてステップＳ４０１〜Ｓ４０７の処理を行なったか否かを判定する（Ｓ４０８）。つまり、フェイズドアレイ処理装置９は、描画対象列上の点すべてについて、ステップＳ４０１〜Ｓ４０７の処理を行なったか否かを判定する。
ステップＳ４０８の結果、レンジ範囲すべてについて処理を行なっていない場合（Ｓ４０８→Ｎｏ）、つまり、描画対象点すべてについて処理を行なっていない場合、フェイズドアレイ処理装置９は、ステップＳ４０１へ処理を戻す。
【００５０】
ここで、図５を用いて描画対象点の説明を行なう。
図５に示す範囲４０１は、１回のピングにおいて探索される範囲である。フェイズドアレイ合成開口ソナーでは、図５に示すように海底上をグリッド化する。このとき、描画対象点は、１回のピングにおいて探索される範囲４０１内のグリッド状の点４０２となる。なお、図５において、「Ｌｓｔｅｐ」は、１回のピングを送波する間隔を示している。
【００５１】
ステップＳ４０８の結果、レンジ範囲すべてについて処理を行なっている場合（Ｓ４０８→Ｙｅｓ）、つまり、描画対象列上の点すべてについて処理を行なっている場合、フェイズドアレイ処理装置９は、すべての描画対象列について、ステップＳ４０１〜Ｓ４０８の処理を行なったか否かを判定する（Ｓ４０９）。１回のピングで得ることのできる海底のデータはプラットフォーム１２の直下から遠方への三角形範囲（図５の範囲４０１)
のデータである。フェイズドアレイ処理装置９は、この三角形範囲上をアジマス方向に沿った１列（図５において横方向の描画対象点４０２の列）毎にフェイズドアレイ処理を行なう。つまり、ステップＳ４０９において、フェイズドアレイ処理装置９は、三角形範囲内すべてについてステップＳ４０１〜Ｓ４０８の処理を行なったか否かを判定する。
【００５２】
ステップＳ４０９の結果、処理を行なっていない場合（Ｓ４０９→Ｎｏ）、フェイズドアレイ処理装置９は、ステップＳ４０１へ処理を戻し、次の描画対象列について処理を行なう。
ステップＳ４０９の結果、処理を行なっている場合（Ｓ４０９→Ｙｅｓ）、フェイズドアレイ処理装置９は、ステップＳ４０１〜Ｓ４０９で算出された結果をデータシェーピングバッファ装置１０へ出力し（Ｓ４１０）、処理を終了する。
これで、１ピングあたりのソナー画像を得る。
【００５３】
《別の例》
図６は、本実施形態に係るフェイズドアレイ合成開口ソナーシステムをＰＣ（Personal Computer）で構成した例を示す図である。図６において、図１および図２と同様の構成要素に対しては同一の符号を付して説明を省略する。
フェイズドアレイ合成開口ソナーシステム１ａは、潜水艇や海底探査機に搭載されるシステムである。
ソナー受信アレイ３から受信データを送られる水中ＰＣ１０１は、図１の受信データサンプリング装置５に相当するＰＣである。
マスタＰＣ１０２は、図１の動揺データ算出装置４、レンジ圧縮装置６、記憶装置７、フェイズドアレイ振分装置８に相当するＰＣ（コンピュータ）である。
なお、マスタＰＣ１０２が有する機能は、ここで記述した機能に限らず、その組み合わせは自由である。例えば、動揺データ算出装置４の機能を独立したＰＣに搭載してもよい。
【００５４】
フェイズドアレイＰＣ１０３は、図１のフェイズドアレイ処理装置９に相当するＰＣである。
データシェーピングＰＣ１０４は、図１のデータシェーピングバッファ装置１０に相当するＰＣである。
合成開口ＰＣ１０５は、図１の合成開口処理装置１１に相当するＰＣであり、合成開口処理結果をストレージ１０６に格納する機能も有している。
各ＰＣ１０１〜１０５の機能は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などに格納されているプログラムがＲＡＭ（Random Access Memory）に展開され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実行されることによって具現化する。
【００５５】
図７は、図６に示す各ＰＣをネットワーク接続した場合の接続例を示す図である。
図７において、図６と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
図７のフェイズドアレイ合成開口ソナーシステム１ｂにおいて、マスタＰＣ１０２およびデータシェーピングＰＣ１０４は、レイヤ３スイッチなどのレイヤスイッチ６００を介して、水中ＰＣ１０１、フェイズドアレイＰＣ１０３および合成開口ＰＣ１０５と接続している。また、各ＰＣは、ギガビットイーサネット（１０００Ｔ，１０００ＴＸ：登録商標）を介して接続されている。
図７におけるネットワーク構成では、水中ＰＣ１０１→マスタＰＣ１０２のネットワーク、マスタＰＣ１０２→フェイズドアレイＰＣ１０３→データシェーピングＰＣ１０４のネットワーク、データシェーピングＰＣ１０４→合成開口ＰＣ１０５→ストレージ１０６のネットワークとが分離している。
これは、水中ＰＣ１０１からの受信データ、レンジ圧縮後の受信データ、フェイズドアレイＰＣ１０３からの出力データが大容量であるため、同じネットワークに接続することによる帯域不足を防止するためである。
【００５６】
《まとめ》
本実施形態によれば、複数の受信素子３１から取得されるデータを用いて処理を行なうため、ソナー画像の分解能を上げることができ、フェイズドアレイ処理を分散させることで処理速度を速めることができる。つまり、データを分散処理することで取得するデータ量は削減せずに、リアルタイムで、これまでと同等の分解能を有するソナー画像を得ることができる。
【００５７】
また、これまでは、描画対象点を描画するまでにピング１からピングＮまでのソナーデータの蓄積（Ｎｍａｘ分の遅延）が必要だったのに対し、本実施形態では、１ピング分の遅延で描画が可能となり、データシェーピングバッファ装置１０にデータが到着するたびに、合成開口処理を行なうため、処理速度が向上する。さらに、フェイズドアレイ処理装置９を分散することで低スペックの装置でシステムを構成できるため、費用対効果が大きく、受信素子３１の増減や測定レンジの増減などによりデータ量が変化した場合の装置のスケーラビリティが向上する。汎用計算機（ＰＣ）を使用した機器構成のみならず、ＣＰＵ性能がＰＣと比較して著しく劣る組込み機器への応用も可能である。
本実施形態のフェイズドアレイ合成開口ソナーシステム１は、潜水艇や海底探査機へ搭載することが可能である。
【００５８】
なお、図６や図７における水中ＰＣ１０１をプラットフォーム１２に搭載し、その他のＰＣ１０２〜１０５を陸上の設備に設置してもよい。そして、例えば水中ＰＣ１０１と、マスタＰＣ１０２との間の通信は、無線通信によるものとしてもよい。このようにすれば、前記した効果に加えて、プラットフォーム１２に搭載する装置を軽減することができる。同様に、図１におけるソナー送信装置２、ソナー受信アレイ３、受信データサンプリング装置５などをプラットフォーム１２に搭載し、その他の装置４〜１１を陸上の設備に設置してもよい。そして、受信データサンプリング装置５と、レンジ圧縮装置６との間の通信を無線通信としてもよい。そして、動揺データ算出装置４や、マスタＰＣ１０２も、図示しない慣性航法装置から取得したプラットフォーム１２の速度、角度、高度の各情報を無線通信で取得するようにしてもよい。
また、本実施形態は、ソナーに限らず、レーダに適用してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１，１ａ，１ｂ  フェイズドアレイ合成開口ソナーシステム
２      ソナー送信装置
３      ソナー受信アレイ
４      動揺データ算出装置
５      受信データサンプリング装置
６      レンジ圧縮装置
７      記憶装置
８      フェイズドアレイ振分装置
９      フェイズドアレイ処理装置
１０    データシェーピングバッファ装置
１１    合成開口処理装置
１２    プラットフォーム
３１    受信素子
１０１  水中ＰＣ
１０２  マスタＰＣ
１０３  フェイズドアレイＰＣ
１０４  データシェーピングＰＣ
１０５  合成開口ＰＣ
１０６  ストレージ
【図１】
0005626621.tif 000002
【図２】
0005626621.tif 000003
【図３】
0005626621.tif 000004
【図４】
0005626621.tif 000005
【図５】
0005626621.tif 000006
【図６】
0005626621.tif 000007
【図７】
0005626621.tif 000008
【図８】
0005626621.tif 000009
【図９】
0005626621.tif 000010
【図１０】
0005626621.tif 000011
【図１１】
0005626621.tif 000012
【図１２】
0005626621.tif 000013