(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に超音波パルスを送信し複数の受波素子を用いて所定形状の受信ビームで反射エコーを受信する超音波水中探知装置において、
反射エコーを受信する時間の経過に伴って受信ビームの俯角θF および指向角（広がり角）θB の両方を連動させて変化させることを特徴とし、
水底水深をＨ、水中の音速をｖ、超音波パルスを送信してからの経過時間をｔとした場合、 
ｓｉｎ｛θF ＋（θB ／２）｝＝Ｈ／Ｌ2 ・・・式（１）
を用いて受信ビームが水底に到達するまでの距離（水底到達距離）Ｌ2 を算出する手段、
２Ｌ1 ＝ｖ×ｔ・・・式（２）
を用いて時刻ｔにおける受信ビームの探知距離（反射エコーの到達距離）Ｌ1を算出する手段、
水底からの反射エコーが受信される（Ｌ1 ＝Ｌ2 となる）直前に、上記受信ビームの俯角θF および指向角θB の両方を連動させて減少させ、水底からの反射エコーを受信しない範囲で探知距離Ｌ1に応じて順次段階的に指向角θB が小さくなる受信ビームを形成して行く手段、
を備えたことを特徴とする超音波水中探知装置 。
【請求項２】
上記俯角θF および指向角θB の両方を連動させて変化させる動作は、上記複数の受波素子からの信号の位相制御および振幅制御で行うこととし、反射エコーを受信する時間の経過に伴ってこれらの制御量を段階的に切り換えて行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波水中探知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水中に超音波を送信して反射エコーを受信し水中を探知する超音波水中探知装置、特に広範囲角且つ遠距離までの探知が可能な超音波水中探知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来のこの種の超音波水中探知装置の構成の一例を示す図であり、図において、１ａ〜１ｅは受波素子、２ａ〜２ｅは増幅器、３ａ〜３ｅは位相制御回路、４は俯角制御回路、５は位相制御用ＲＯＭ、６は合成回路、７はフィルタ回路、８は増幅器、９は表示装置である。
なお超音波水中探知装置としては、図４に示す回路の他に送信系の回路が必要であるが、本発明とは直接関係はないので図４では省略してある。
【０００３】
次に動作について説明する。送信系の回路から水中へ送信された超音波パルスの反射エコーは探知距離Ｌ１  に比例する時間的遅れを伴って受波素子１ａ〜１ｅで受信され、電気信号に変換されて増幅器２で増幅され、位相制御回路３を介して合成回路６で合成された受信信号となり、フィルタ回路７、増幅器８を介して表示装置９に探知映像が表示される。
また、俯角θＦ  を設定する場合には、俯角制御回路４に所望する俯角を設定することで、位相制御用のＲＯＭ５からその俯角の位相制御量が数値として読み出されて各位相制御回路３ａ〜３ｅへ送られ、各信号の位相τを、受波素子間隔をｄとした場合、τａ＝０、τｂ＝ｄ・ｓｉｎθ、τｃ＝２ｄ・ｓｉｎθ・・・というように規則正しく遅延させて俯角θＦ  の設定が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の超音波水中探知装置では、受信ビームの俯角θＦ  は制御できても指向角（広がり角）θＢ  が制御できないために、遠距離までの探知を行おうとすると指向角を狭くする必要があるため、その探知範囲が狭くなってしまうという問題点があった。
図５は魚群探知用ソナーとして使用する場合を示す図であるが、海面および海底（水面および水底も含む総称とする）からの反射エコーの影響を受けないようにするためには、探知距離（反射エコーの到達距離）Ｌ１  が遠距離になるに従って受信ビームの指向角θＢ  を小さしてやる必要がある。従って探知距離Ｌ１  が遠距離になると、魚群Ａは探知できるが、同じ水深で近距離にいる魚群Ｂは探知できなくなり、また海底近くにいる魚群Ｃも探知できなくなる。
【０００５】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、広範囲角且つ遠距離までの探知が可能な超音波水中探知装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる超音波水中探知装置は、反射エコーを受信する時間の経過に伴って受信ビームの俯角θＦ  および指向角θＢ  の両方を連動させて変化させることを特徴とする。
【０００７】
また、水底水深をＨ、水中の音速をｖ、超音波パルスを送信してからの経過時間をｔとした場合、
ｓｉｎ｛θＦ  ＋（θＢ  ／２）｝＝Ｈ／Ｌ２  ・・・式（１）
を用いて受信ビームが水底に到達するまでの距離（水底到達距離）Ｌ２  を算出する手段、
２Ｌ１  ＝ｖ×ｔ・・・式（２）
を用いて時刻ｔにおける受信ビームの探知距離（反射エコーの到達距離）Ｌ１  を算出する手段、
水底からの反射エコーが受信される（Ｌ１  ＝Ｌ２  となる）直前に、上記受信ビームの俯角θＦ  および指向角θＢ  の両方を連動させて減少させ、水底からの反射エコーを受信しない範囲で探知距離Ｌ１  に応じて順次段階的に指向角θＢ  が小さくなる受信ビームを形成して行く手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
さらに、俯角θＦ  および指向角θＢ  の両方を連動させて変化させる動作は、上記複数の受波素子からの信号の位相制御および振幅制御で行うこととし、反射エコーを受信する時間の経過に伴ってこれらの制御量を段階的に切り換えて行うことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は本実施形態の動作を説明するための図である。水中から受信する反射エコーは、その時間ｔの経過と共に近距離からのものから遠距離からのものへと推移する。すなわち時間ｔの経過と共にその探知距離Ｌ１  （反射エコーの到達距離）が長くなる。
従って広範囲角且つ遠距離までの探知を可能にするためには、図１に示すように時間の経過と共に、受信ビームをＢＭ１〜ＢＭ４のように変形させて行けば海面および海底からの反射エコーの影響を受けることなく広範囲角且つ遠距離までの探知が可能となり、魚群Ａ，Ｂ，Ｃの全てを探知できることになる。
【００１０】
そして、時間の経過と共に受信ビームをＢＭ１〜ＢＭ４のように変形させるためには、受信ビームの探知距離Ｌ１  が、水底に達する水底到達距離Ｌ２  となる直前に、俯角θＦ  および受信ビームの指向角（広がり角）θＢ  の両方を連動させて変化させ、一段階小さい俯角θＦ  および指向角θＢ  にしてやれば良い。
これを数段回繰り返すことで、図１のＢＭ１〜ＢＭ４へと変化させることができ、海面および海底からの反射エコーの影響を受けることなく、広範囲角且つ遠距離までの探知が可能となる。
本発明は、反射コーを受信する時間の経過に伴って受信ビームの俯角θＦ  および受信ビームの指向角（広がり角）θＢ  の両方を連動させて変化させることを第１の特徴とする。
【００１１】
また、図２から明らかなように、受信ビームの探知距離Ｌ１  が水底に達するまでの距離、すなわち水底到達距離Ｌ２  は、俯角をθＦ  、受信ビームの指向角（広がり角）の半角をθＢ  ／２、水底までの水深をＨとした場合、
ｓｉｎ｛θＦ  ＋（θＢ  ／２）｝＝（Ｈ／Ｌ２  ）・・・式（１）で表すことができる。
従ってｓｉｎ｛θＦ  ＋（θＢ  ／２）｝＜（Ｈ／Ｌ２  ）の間であれば、水底からの反射エコーを拾うことはない。
一方、受信ビームの探知距離Ｌ１  は、超音波を送信してから反射エコーを受信するまでの時間ｔと、水中における音速ｖとにより、
２Ｌ１  ＝ｖ×ｔ  ・・・式（２）として表すことができる。
【００１２】
従ってこの式（２）で推定される探知距離Ｌ１  が、式（１）の関係が成立する直前に、すなわちＬ１  ＝Ｌ２  となる直前に、俯角θＦ  および受信ビームの指向角（広がり角）θＢ  を一段階小さくしてやる（例えば、１°づつ小さくしてやる）動作を繰り返すことで、図１に示す動作を行わせることができる。
なお、水底水深Ｈの測定は、例えば垂直下に超音波パルスを送信し、その反射エコーを受信する時間で測定する、あるいは測深機を用いて測定する、さらにはメジャーを用いてマニアルで測定する等、何れの方法を用いても良い。
また、受信ビームの指向角（広がり角）θＢ  の制御は、後述するように各受波素子１ａ〜１ｅで受信したそれぞれの信号の振幅を制御することで行うことができる。
【００１３】
図３は、装置構成の一実施例を示すブロック図であり、図において、図４と同一符号は同一または相当する部分を示し、１０ａ〜１０ｅはそれぞれ振幅制御回路、２０はパルスカウンタ、２１，２２はそれぞれ演算回路、２３は比較回路、２４は俯角制御回路、２５は重み付け制御回路、２６〜２９はそれぞれＲＯＭ、３０，３１はそれぞれラッチ回路である。
【００１４】
次に図３に示す装置の動作について説明する。送信トリガがパルスカウンタ２０に入力されると、このパルスカウンタ２０が送信からの経過時間ｔを演算回路２１へ出力し、演算回路２１がその時間ｔにおける受信ビームの探知距離Ｌ１  を、上述の式（２）を用いて、
Ｌ１  ＝７５０ｍ／ｓ×ｔ  により算出し、この距離情報Ｌ１  を比較回路２３へ送る。
【００１５】
一方、外部から与えられた水底水深情報Ｈｍおよびそのときの俯角
θＦ  と指向角θＢ  とにより、演算回路２２は受信ビームの水底到達距離Ｌ２  を、上述の式（１）を用いて、
Ｌ２  ＝Ｈ／ｓｉｎ｛θＦ  ＋（θＢ  ／２）｝により算出し、この距離情報Ｌ２  を比較回路２３へ送る。
比較回路２３では、Ｌ１  とＬ２  とを比較し、受信ビームの探知距離Ｌ１  が水底到達距離Ｌ２  に達する直前に、ＲＯＭ２８から読み出されている俯角情報を、一段階小さい俯角とした（θＦ  ＝θＦ  −１）俯角情報に切り換える。
切り換えられた俯角情報は俯角制御回路２４および重み付け制御回路２５へ送られ、これらの回路２４，２５は切り換えられた俯角情報に基づきＲＯＭ２６およびＲＯＭ２７から、それぞれ新たな位相制御信号および振幅制御信号を読み出し、それぞれラッチ回路３０および３１へ送出する。
そして、これらの信号は俯角θＦ  の切り換えに合わせてラッチされてそれぞれ位相制御回路３ａ〜３ｅおよび振幅制御回路１０ａ〜１０ｅへ制御信号として入力される。
【００１６】
本実施形態における超音波水中探知装置は以上のような動作を連続して行うことにより、受波素子１ａ〜１ｅから入力された信号は、増幅器２ａ〜２ｅで増幅された後、反射エコーを受信する時間ｔの経過に伴って、位相制御回路３ａ〜３ｅで俯角θＦ  を、振幅制御回路１０ａ〜１０ｅで指向角θＢ  を連動させて変化させ、図１に示すような受信ビームＢＭ１〜ＢＭ４を連続的に形成し、海面および海底からの反射エコーの影響を受けることなく、広範囲角且つ遠距離までの探知を行うことができるようになる。
【００１７】
なお上述の実施例では、受信ビームの形状を変形させる段数を４段階として説明しているが、この段数が４段階に限定されるものではないのは言うまでもなく、また俯角θＦ  および指向角θＢ  の段階的な制御量は、探知目的等によって決定されるものである。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の超音波水中探知装置は以上説明したように、反射エコーを受信する時間の経過に伴って受信ビームの俯角および指向角の両方を連動させて同時に段階的に所定条件で減少させることとしたので、広範囲且つ遠距離までの探知が可能な装置が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動作を説明するための図である。
【図２】本発明の動作を説明するための図である。
【図３】本発明の装置構成の一実施形態を示す図である。
【図４】従来の装置の構成の一例を示す図である。
【図５】従来の装置の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｅ  受波素子
３ａ〜３ｅ  位相制御回路
１０ａ〜１０ｅ  振幅制御回路
２０  パルスカウンタ
２１，２２  それぞれ演算回路
２３  比較回路
２４  俯角制御回路
２５  重み付け制御回路
２６〜２９  それぞれＲＯＭ
３０，３１  それぞれラッチ回路
【図１】
0003583838.tif 000002
【図２】
0003583838.tif 000003
【図３】
0003583838.tif 000004
【図４】
0003583838.tif 000005
【図５】
0003583838.tif 000006