(57)【要約】  音響システムの音響方法及び装置は、共通の送／受信制御信号に従って送信ソナーアレイの送信音響素子に送信することができ、受信ソナーアレイの受信音響素子から受信することができる送受信モジュールを使用する。
2009510401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソナーシステムであって、
共通の送／受信制御信号に従って送信ソナーアレイの送信音響素子に送信するように適応されており、受信ソナーアレイの受信音響素子から受信するように適応された送受信モジュールであって、前記共通の送／受信制御信号が送信制御信号及び受信制御信号を含む、送受信モジュールと、
前記送受信モジュールに結合される遠隔通信インタフェースと、
前記遠隔通信インタフェースに結合される第１の端部及び前記共通の送／受信制御信号を受信するように適応された第２の端部を有する遠隔通信媒体と、
を備えるソナーシステム。
【請求項２】
前記送信ソナーアレイ及び前記受信ソナーアレイは同じソナーアレイである、請求項１に記載のソナーシステム。
【請求項３】
前記送信音響素子及び前記受信音響素子は同じ音響素子である、請求項１に記載のソナーシステム。
【請求項４】
前記遠隔通信インタフェースは光ファイバ遠隔通信インタフェースを含み、前記遠隔通信媒体は光ファイバ遠隔通信媒体を含む、請求項１に記載のソナーシステム。
【請求項５】
前記遠隔通信インタフェースは無線遠隔通信インタフェースを含み、前記遠隔通信媒体は無線遠隔通信媒体を含む、請求項１に記載のソナーシステム。
【請求項６】
前記送受信モジュールは、
前記送信ソナーアレイの前記送信音響素子に結合するように適応された送信機と、
前記受信ソナーアレイの前記受信音響素子に結合するように適応された受信機と、
前記送信機、前記受信機、及び前記遠隔通信インタフェースに結合され、前記共通の送／受信制御信号を前記遠隔通信インタフェースから受信するように適応された入／出力プロセッサであって、前記送信機はさらに、前記共通の送／受信制御信号に従って前記送信制御信号を受信するように適応され、前記受信機はさらに、前記共通の送／受信制御信号に従って前記受信制御信号を受信するように適応され、該受信機はさらに、該入／出力プロセッサを介して前記受信音響素子によって受信される音響信号の時間サンプルを送信するように適応されている、入／出力プロセッサと、
を備える、請求項１に記載のソナーシステム。
【請求項７】
前記送信機及び前記受信機は共通の回路基板アセンブリに配置される、請求項６に記載のソナーシステム。
【請求項８】
前記共通の回路基板アセンブリは複数の送信機及び複数の受信機を含み、該複数の送信機及び該複数の受信機は、前記送信ソナーアレイの複数の送信音響素子及び前記受信ソナーアレイの複数の受信音響素子に結合するように適応されている、請求項７に記載のソナーシステム。
【請求項９】
前記送信機は、
入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで送信波形の特性を受信し、該特性を記憶し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記出力ノードで前記特性を提供するように適応された波形メモリと、
前記波形メモリに結合され、入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで前記送信波形の前記特性を受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記入力ノードで受信した前記特徴に従って前記出力ノードで前記送信波形を生成するように適応された波形合成器と、
を備える、請求項６に記載のソナーシステム。
【請求項１０】
前記送信機は、
前記波形合成器に結合され、入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで送信波形を受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記出力ノードで前記送信波形の時間を遅延させたものを生成するように適応された遅延プロセッサと、
前記遅延プロセッサに結合され、入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで前記送信波形の時間を遅延させたものを受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記出力ノードで前記送信波形の振幅をスケーリングしたものを生成するように適応された振幅スケーリングプロセッサと、
前記共通の送／受信制御信号に応答して前記送信波形のタイミングに影響するように適応されたタイミングリファレンスと、
を含む、請求項６に記載のソナーシステム。
【請求項１１】
前記受信機は、
入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードでデータを受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記データを選択されたデータフォーマットに変換し、前記出力ノードで前記選択されたデータフォーマットを有する前記データを提供するように適応されたデータフォーマットプロセッサと、
前記データフォーマットプロセッサに結合され、入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで前記選択されたフォーマットを有する前記データを受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記データを選択されたタイムスロットで提供するように適応されたタイムスロット割り当てプロセッサと、
前記共通の送／受信制御信号に応答して前記受信機の特徴を同期させるように適応されたタイミングリファレンスと、
を備える、請求項６に記載のソナーシステム。
【請求項１２】
前記受信機の前記特性は、前記受信機の利得又は前記データの前記選択されたタイムスロットのうちの少なくとも一方である、請求項１１に記載のソナーシステム。
【請求項１３】
前記遠隔通信媒体の前記第２の端部に結合される第２の遠隔通信インタフェースと、
前記第２の遠隔通信インタフェースに結合され、前記受信機によって送信される前記音響信号の前記時間サンプルを受信するように適応されているプロセッサであって、前記時間サンプルに従って多次元空間において前記受信ソナーアレイに関連する受信ビームをステアリングするように適応されたビーム形成器を含むプロセッサと、
をさらに備える、請求項６に記載のソナーシステム。
【請求項１４】
前記遠隔通信媒体の前記第２の端部に結合される第２の遠隔通信インタフェースと、
前記第２の遠隔通信インタフェースに結合され、前記共通の送／受信制御信号を生成するように適応されたプロセッサと、
をさらに備える、請求項６に記載のソナーシステム。
【請求項１５】
前記送受信モジュールは、前記受信機の利得に関連する受信較正値又は前記送信機からの出力信号の大きさに関連する送信較正値のうちの少なくとも一方を保持するように適応された較正メモリをさらに備える、請求項６に記載のソナーシステム。
【請求項１６】
ソナー送受信モジュールであって、
送信ソナーアレイの送信音響素子に結合するように適応された送信機と、
受信ソナーアレイの受信音響素子に結合するように適応された受信機と、
前記送信機及び前記受信機に結合され、送信制御信号及び受信制御信号を含む共通の送／受信制御信号を受信するように適応された入／出力プロセッサであって、前記送信機はさらに、前記共通の送／受信制御信号に従って前記送信制御信号を受信するように適応され、前記受信機はさらに、前記共通の送／受信制御信号に従って前記受信制御信号を受信するように適応され、該受信機は、該入／出力プロセッサを介して前記受信音響素子によって受信される音響信号の時間サンプルを送信するようにさらに適応されている、入／出力プロセッサと、
を備えるソナー送受信モジュール。
【請求項１７】
前記送信ソナーアレイ及び前記受信ソナーアレイは同じソナーアレイである、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項１８】
前記送信音響素子及び前記受信音響素子は同じ音響素子である、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項１９】
前記共通の送信／制御信号は送信波形の特性を含む、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２０】
前記送信波形の前記特性は該送信波形の変調特性を含む、請求項１９に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２１】
前記送信機及び前記受信機は共通の回路基板アセンブリに配置される、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２２】
前記共通の回路基板アセンブリは複数の送信機及び複数の受信機を含み、該複数の送信機及び該複数の受信機は、前記送信ソナーアレイの複数の送信音響素子及び前記受信ソナーアレイの複数の受信音響素子に結合するように適応されている、請求項２１に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２３】
前記送信機は、
入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで送信波形の特性を受信し、該特性を記憶し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記出力ノードで前記特性を提供するように適応された波形メモリと、
前記波形メモリに結合され、入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで前記送信波形の前記特徴を受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記入力ノードで受信した前記特徴に従って前記出力ノードで前記送信波形を生成するように適応された波形合成器と、
を備える、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２４】
前記送信機は、
前記波形合成器に結合され、入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで送信波形を受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記出力ノードで前記送信波形の時間を遅延させたものを生成するように適応された遅延プロセッサと、
前記遅延プロセッサに結合され、入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで前記送信波形の時間を遅延させたものを受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記出力ノードで前記送信波形の振幅をスケーリングしたものを生成するように適応された振幅スケーリングプロセッサと、
前記共通の送／受信制御信号に応答して前記送信波形のタイミングに影響するように適応されたタイミングリファレンスと、
を備える、請求項６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２５】
前記受信機は、
入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードでデータを受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記データを選択されたデータフォーマットに変換し、前記出力ノードで前記選択されたデータフォーマットを有する前記データを提供するように適応されたデータフォーマットプロセッサと、
前記データフォーマットプロセッサに結合され、入力ノード及び出力ノードを有し、前記入力ノードで前記選択されたフォーマットを有する前記データを受信し、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記データを選択されたタイムスロットで提供するように適応されたタイムスロット割り当てプロセッサと、
前記共通の送／受信制御信号に応答して前記受信機の特徴を同期させるように適応されたタイミングリファレンスと、
を備える、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２６】
前記受信機の前記特性は、前記受信機の利得又は前記データの前記選択されたタイムスロットのうちの少なくとも一方である、請求項２５に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２７】
前記送信機は、変圧器又は前記アレイ素子に同調するように適応されたインダクタのうちの少なくとも一方を含む、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２８】
前記送信機は、相互のクロストークを低減するような相対位置及び相対配向に配置される少なくとも２つの変圧器を含む、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項２９】
前記受信機は、前記共通の送／受信制御信号に応答してデジタルテスト信号を生成するように適応されたテスト標的データ発生器を含む、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項３０】
前記受信機は、前記共通の送／受信制御信号に応答してアナログテスト信号を生成するように適応されたテスト信号発生器を含む、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項３１】
前記送受信モジュールは、前記受信機の利得に関連する受信較正値又は前記送信機からの出力信号の大きさに関連する送信較正値のうちの少なくとも一方を保持するように適応された較正メモリをさらに備える、請求項１６に記載のソナー送受信モジュール。
【請求項３２】
ソナーシステムにおいて送受信する方法であって、
送信制御信号及び受信制御信号を含む共通の送／受信制御信号を受信し、
前記共通の送／受信制御信号に従って送信波形を生成し、
前記送信波形を送信ソナーアレイの送信音響素子に送信し、
前記共通の送／受信制御信号に従って受信ソナーアレイの受信音響素子から受信波形を受信し、
前記受信波形をデジタル受信信号に変換し、及び
前記デジタル受信信号を送信する、
ことを含む方法。
【請求項３３】
前記送信ソナーアレイ及び前記受信ソナーアレイは同じソナーアレイである、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記送信音響素子及び前記受信音響素子は同じ音響素子である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記共通の送／受信制御信号は送信波形の特性を含み、前記送信波形の生成は、
前記送信波形の前記特性を記憶すること、及び
前記送信波形の前記記憶された特性を呼び出すこと、
を含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記送信波形の生成は、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記送信波形の送信を時間遅延させることを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
前記送信波形の生成は、前記共通の送／受信制御信号に応答して前記送信波形の振幅をスケーリングすることを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
前記送信波形の生成は、
送信較正値を生成すること、及び
前記送信較正値に従って前記送信波形の振幅をスケーリングすること、
を含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３９】
前記受信波形の受信は、
受信較正値を生成すること、及び
前記受信較正値に従って前記受信波形の利得を調整すること、
を含む、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には音響システム、方法、及び関連機器に関し、特に、共通の送／受信制御信号に従ってソナーアレイの音響素子への送信及び音響素子からの受信の両方を行うように適応されている送受信（トランシーバ）モジュールを有するソナーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ソナーアレイを使用して音響を送受信するソナーシステムが、当該技術分野において既知である。ソナーアレイは、予め選択されるパターン、例えば、円筒形、平面形、球形、及び／又は線形に構成される1つ又は複数の音響素子を含むことができる。
【０００３】
ソナーシステムは、送信機能及び受信機能の両方を有する。送信機能は送信ビーム形成を含むが、これに限定されない。受信機能は、受信ビーム形成、目標（標的）検出、標的位置特定、標的追跡、標的表示、及び標的の位置特定及び追跡に基づいて標的に武器を向けることができる射撃制御ソリューション処理を含むが、これらに限定されない。
【０００４】
上述したように構成されるソナーアレイでは、送信される音響に関連する送信ビームを形成することができ、受信される音響に関連する受信ビームを形成することもできる送信ビーム及び受信ビームの形成技法が既知である。一般に、送信ビーム及び受信ビームの形状は同一である必要はない。また、送信ビーム及び受信ビームは、同じソナーアレイであっても、異なる送信音響周波数及び受信音響周波数で同じ形状を有する必要はない。
【０００５】
線形アレイの音響素子を使用して形成される送信ビーム及び受信ビームは、線形アレイの軸を中心にして対称であるため、ビーム形成によって、１次元のみに制約されるビーム（例えば、トロイダル形ビーム）を生成できることが分かっている。平面構成の音響素子（例えば、リング構成）又は三次元構成の音響素子（例えば、円筒形構成）を使用して形成される送信ビーム及び受信ビームが、二次元の形状（例えば、スポットライト形ビーム）を有することも分かっている。
【０００６】
既知のビーム形成技法は、時間遅延ビーム形成及び位相シフトビーム形成を含む。時間遅延ビーム形成では、送信ビーム形成機能の場合、相対時間遅延が送信信号に適用され、送信信号が、音響送信に使用されるソナーアレイの選択された音響素子に送信される。受信ビーム形成機能の場合、相対時間遅延が受信信号に適用され、受信信号は、音響受信に使用されるソナーアレイの選択された音響素子によって生成され、それから共に加算される。送信機能及び受信機能に使用される相対時間遅延は、同じである必要はない。また、音響の送信に選択される音響素子は、音響の受信に選択される音響素子と同じである必要はない。また、音響の送信に選択されるソナーアレイは、音響の受信に選択されるソナーアレイと同じソナーアレイ内にある必要はない。
【０００７】
相対時間遅延は、送信ビーム又は受信ビームのステアリングを制御する。したがって、相対時間遅延を選択することによって、送信ビーム又は受信ビーム、例えば上述したスポットライト形ビームを、そのスポットライト形を概して保持しながら、二次元でステアリングすることができる。
【０００８】
ソナーシステムの送信機能は、所望の送信ビーム外で生成されるサウンドレベル（すなわち、送信ビームパターンサイドローブレベル）、送信ビームを所望の方向に向けることができる精度、及び送信ビームの所望の出力パワーを含むがこれらに限定されない、種々の性能特性を特徴とする。ソナーシステムの受信機能も、受信ノイズフロア、所望の受信ビーム外で受信されるサウンドレベル（すなわち、受信ビームパターンサイドローブレベル）、受信ビームを所望の方向に向けることができる精度、標的検出能力、標的位置特定精度、及び標的追跡精度を含むがこれらに限定されない、種々の性能特性を特徴とする。
【０００９】
軍事用途の従来の船舶ソナーシステムは、一般に、複数の機器ラックを含み、その一群が上述した送信機能（送信ビーム形成を含む）を提供し、別の群が上述した受信機能（受信ビーム形成を含む）を提供する。従来のソナーシステムでは、送信機能及び受信機能は種々の理由によって物理的に別個に保持されている。送信機能と受信機とを分ける１つの理由は、送信機能が受信機能にクロストークを発生させ、受信機能の性能低下（すなわち、受信ノイズフロアの悪化）に繋がる恐れがあるという見解である。別の理由はパワーであり、送信機能によっては、受信機能よりも高いパワーを必要とするものがあるため、送信機能及び受信機能が物理的に分けられた場合のほうがパワー配分が容易であると理解されている。また、従来のソナーシステムの制御構造及び制御信号は送信機能と受信機能とで異なり、それによって、送信機能と受信機能とを分ける傾向が生じる。さらに、従来のソナーシステムの送信機能と受信機能の工学専門分野及び電子回路を設計する関係者は異なる傾向がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のソナーシステムの送信機能と受信機能との上述した物理的な分離によって、ケーブル及びキャビネットが多数になる。特に、別個の制御ケーブルが送信機能と受信機能に使用される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、ソナーシステムは、送信制御信号及び受信制御信号を含む共通の送／受信制御信号に従って送信ソナーアレイの送信音響素子に送信し、受信ソナーアレイの受信音響素子から受信するように適応されているトランシーバ（送受信）モジュールを備える。ソナーシステムはまた、当該送受信モジュールに結合されるテレメトリ（遠隔通信）インタフェースと、遠隔通信インタフェースに結合される第１の端部及び共通の送／受信制御信号を受信するように適応されている第２の端部を有する遠隔通信媒体とを備える。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、ソナー送受信モジュールは、送信ソナーアレイの送信音響素子に結合するように適応されている送信機と、受信ソナーアレイの受信音響素子に結合するように適応されている受信機とを備える。ソナー送受信モジュールはまた、送信機及び受信機に結合され、送信制御信号及び受信制御信号を含む共通の送／受信制御信号を遠隔通信インタフェースから受信するように適応されている入／出力プロセッサを備える。送信機はさらに、共通の送／受信制御信号に従って送信制御信号を受信するように適応されている。受信機はさらに、共通の送／受信制御信号に従って受信制御信号を受信するように適応されている。受信機はさらに、入／出力プロセッサを介して音響素子によって受信される音響信号の時間サンプルを送信するように適応されている。
【００１３】
本発明のさらに別の態様によれば、ソナーシステムで送受信する方法は、送信制御信号及び受信制御信号を含む共通の送／受信制御信号を受信すること、共通の送／受信制御信号に従って送信波形を生成すること、当該送信波形を送信ソナーアレイの送信音響素子に送信すること、及び、共通の送／受信制御信号に従って受信ソナーアレイの受信音響素子から受信波形を受信することを含む。方法は、受信波形をデジタル受信信号に変換すること、及び当該デジタル受信信号を送信することも含む。
【００１４】
本発明の上記態様のいくつかの実施の形態では、送信ソナーアレイ及び受信ソナーアレイは同じソナーアレイである。本発明の上記態様のいくつかの実施の形態では、送信音響素子及び受信音響素子は同じ音響素子である。
【００１５】
本発明の上記特徴及び本発明自体は、図面を参照する以下の詳細な説明からより十分に理解することができるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明について説明する前に、いくつかの予備的概念及び用語について説明する。本明細書において使用する場合、「テレメトリ（遠隔通信）媒体」という用語は、情報を通信することができる媒体を説明するために使用される。例えば、通信媒体はワイヤ、光ファイバ、複数のワイヤ、複数の光ファイバ、及び／又は自由空間とすることができる。特に、本明細書において使用する場合、「光ファイバ遠隔通信媒体」という用語は、１本の光ファイバケーブルに組み合わせても組み合わせなくてもよいが、１つの通信インタフェースを備える１つ又は複数の光ファイバを説明するために使用される。また、特に、本明細書において使用する場合、「無線遠隔通信媒体」という用語は、気体、例えば空気を含むことができ、又は気体を含まず、例えば宇宙空間を含むことができる自由空間を説明するために使用される。
【００１７】
本明細書において使用する場合、「遠隔通信インタフェース」という用語は、遠隔通信媒体を通じて情報を通信するように適応されている電子回路を説明するために使用される。特に、本明細書において使用する場合、「光ファイバ遠隔通信インタフェース」という用語は、光ファイバ遠隔通信媒体を通じて情報を通信するように適応されている電子回路を説明するために使用される。また、特に、本明細書において使用する場合、「無線遠隔通信インタフェース」という用語は、無線遠隔通信媒体を通じて情報を通信するように適応されている電子回路を説明するために使用される。
【００１８】
本明細書において使用する場合、「音響素子」という用語は、一般にポイント音響送信機又はポイント音響受信機を表すソナーアレイの一部を説明するために使用される。しかし、音響素子が物理的な広がりを有することができ、対称である必要もないことが理解されよう。音響素子は、圧電素子、例えば圧電セラミック素子若しくは圧電ポリマー素子、磁気制限（magnetorestrictive）素子、又は音響の生成及び／若しくは受信に使用することができる任意の物理的な素子を含むことができるが、これらに限定されない。
【００１９】
本明細書において使用する場合、「送信信号」という用語は、概して、アナログ送信波形を説明し、またアナログ送信波形を表すデジタル時間サンプリング信号を説明するために使用され、これは最終的に、送信音響信号として音響素子によって水中又は他の音響媒体内に送信される。したがって、送信信号はデジタル表現、例えば、時間に沿った一連の電気デジタル値、電気アナログ波形、又は対応する送信音響信号とすることができる。
【００２０】
同様に、本明細書において使用する場合、「受信信号」という用語は、概して、アナログ受信波形を説明し、またアナログ受信波形を表すデジタル時間サンプリング信号を説明するために使用され、これはまず、水中又は他の音響媒体から受信音響信号として受信される。したがって、受信信号はデジタル表現、例えば、時間に沿った一連の電気デジタル値、電気アナログ波形、又は対応する受信音響信号であってよい。
【００２１】
本明細書において使用する場合、「ピング」という用語は、送信信号又は受信信号の一形態を指すために使用される。ピングは、有限の持続時間を有する連続波（ＣＷ）信号、周波数変調（ＦＭ）信号、開始周波数と終了周波数との間で周波数が掃引するチャープ信号、振幅変調（ＡＭ）信号、周波数偏移変調（ＦＳＫ）信号（又は周波数ホッピング音響信号）、及びランダム信号を含むことができるが、これらに限定されない。
【００２２】
種々のビーム形成技法が既知であり、音響送信ビーム又は音響受信ビームは、ソナーアレイ内の複数の音響素子を使用して形成及び／又はステアリングすることができる。時間遅延ビーム形成の場合、ビームステアリング角は、ソナーアレイの音響素子に送信されるか、又は音響素子から受信される信号に適用される相対時間遅延によって決まる。一般に、ビーム幅は、主に音響素子の数及び物理的な広がり並びにソナーアレイの音響素子に送信されるか、又は音響素子から受信される信号に適用される相対振幅スケーリングによって決まる。ソナーアレイによって生成される送信ビーム又は受信ビームのサイドローブレベルが、ソナーアレイの音響素子に送信されるか、又は音響素子から受信される相対振幅スケーリングによって影響を受け得ることも理解されよう。従来の振幅スケーリング（シェーディング又は重み付けとも呼ばれる）は、均一、ハミング、ハニング、及びチェビシェフの各振幅スケーリングを含み、これらはそれぞれ特定のビーム幅及びサイドローブ特性を有する。
【００２３】
以下において検討するシステム、装置、及び方法は船舶ソナーシステムに関連して説明されるが、本発明のシステム、装置、及び方法は船舶ソナーシステムに限定されず、任意のソナーシステムにも適用され、さらには空中音響システムを含む任意の音響システムにも適用されることが理解されよう。
【００２４】
図１を参照すると、例示的なソナーシステム１０は、受信プロセッサ１２、送信プロセッサ３４、モード選択プロセッサ３６、及びピング中姿勢予測プロセッサ３８を含む船舶プロセッサ１１を備える。送信プロセッサ３４は、ソナーシステム１０の送信機能を制御するように適応されている送信制御プロセッサ４０を含むことができる。送信制御プロセッサ４０は、送信機セットアッププロセッサ４２、送信波形発生器４４、送信ビーム形成パラメータプロセッサ４６、及び送信変調プロセッサ４８を含むことができる。送信制御プロセッサ４０の機能についてはより十分に以下に説明する。しかし、ここでは、送信制御プロセッサ４０がモード選択プロセッサ３６及びピング中姿勢修正プロセッサ３８から情報を受け取ると共に、送信制御信号５０を通信するように適応されていると言うだけで十分である。送信制御信号５０は、送信セットアッププロセッサ４２、送信波形発生器４４、送信ビーム形成プロセッサ４６、及び送信変調プロセッサ４８の出力の組み合わせを含む。送信制御信号５０は、以下の考察から明らかになるように、ソナーシステム１０が所望の特性を有する音響を水中に送信するのを可能にするのに十分な情報を含むことができる。
【００２５】
ソナーシステム１０は、上述した送信制御５０を受信し、光ファイバ遠隔通信媒体５４（例えば、光ファイバケーブル）を介して送信制御信号５０をいわゆる「共通の送／受信制御信号」５４ａ内で送信して、１つ又は複数の送受信モジュール（図示せず、例えば図３参照）を有する送受信モジュールラック５６に送信するように適応されている光ファイバ遠隔通信インタフェース５２も備えることができる。共通の送／受信制御信号５４ａについて以下により十分に説明する。
【００２６】
送受信モジュールラック５６は、送信信号５９ａ〜５９Ｍを、ケーブル５８ａ〜５８Ｍを介して１つ又は複数の音響素子、例えば音響素子６２ａ、６３ａをそれぞれ有する１つ又は複数のソナーアレイ６２、６３に提供する。いくつかの構成では、送信信号５９ａ〜５９Ｍはそれぞれ、たった１つのそれぞれの音響素子に結合される。しかし、他の構成では、ケーブルの１本又は複数本が２つ以上のそれぞれの音響素子に結合される。さらに別の構成では、ケーブル５８ａ〜５８Ｍのうちの２本以上のケーブルが１つの音響素子に結合され、並列構成を提供する。さらに別の構成では、スイッチマトリックス（図示せず）が、ケーブル５８ａ〜５８Ｍから選択可能な音響素子への結合を指示することができる。
【００２７】
ケーブル５８ａ〜５８Ｍは各送信信号５９ａ〜５９Ｍ及び各受信信号６０ａ〜６０Ｍの両方を含むものとして示されるが、他の実施形態では、送信信号５９ａ〜５９Ｍ及び受信信号６０ａ〜６０Ｍは別個のケーブルで通信される。
【００２８】
いくつかの実施形態では、送信信号５９ａ〜５９Ｍのうちの１つ又は複数は、ダミーロードマトリックス６４に選択的に結合することもできる。ダミーロードマトリックス６４は、１つ又は複数の音響素子を表すが、音響を送信しない電子素子を含むことができる。ダミーロードマトリックスは、ソナーシステム１０をテストするために、ソナーアレイ６２、６３のうちの一方に代えて送受信モジュールラックに結合することができる。
【００２９】
受信プロセッサ１２は、ソナーシステム１０の受信機能を制御するように適応されている受信制御プロセッサ１４を含むことができる。受信制御プロセッサ１４は、受信機セットアッププロセッサ１６、受信ビーム形成パラメータプロセッサ１８、及びテスト信号／標的制御プロセッサ２０を含むことができる。受信制御プロセッサ１４の機能については以下により十分に説明する。しかし、ここでは、受信制御プロセッサ１４が、受信プロセッサ１２の他の部分に通信される第１の受信制御信号３２を生成し、光ファイバ遠隔通信インタフェース５２に通信される第２の受信制御信号６６を生成するように適応されていると言うだけで十分である。第１の受信制御信号３２及び第２の受信制御信号６６は、受信機セットアッププロセッサ１６、受信ビーム形成プロセッサ１８、及びテスト信号／標的制御プロセッサ２０からの出力の組み合わせを含む。第１の受信制御信号３２及び第２の受信制御信号６６は、以下の考察から明らかになるように、ソナーシステム１０がソナーアレイ（例えば、６２、６３）から音響を受信して処理するのを可能にするのに十分なデータを含むことができる。
【００３０】
受信プロセッサ１２は、ソナーアレイ（例えば、６２、６３）の音響素子に関連する受信信号を処理することができる。このために、受信信号６０ａ〜６０Ｍは、ソナーアレイ（例えば、６２、６３）からケーブル５８ａ〜５８Ｍを介して送受信モジュールラック５６に通信される。受信信号６０ａ〜６０Ｍは、受信信号５４ｂとして光ファイバ遠隔通信媒体５４を介して光ファイバ遠隔通信インタフェース５２に通信される。受信信号６０ａ〜６０Ｍのうちのいくつか又はすべては、受信信号６８ａ〜６８Ｍとして受信プロセッサ１２に通信される。受信信号６８ａ〜６８Ｎの数は、受信信号６０ａ〜６０Ｍの数と同じであることも異なることもできる。
【００３１】
受信プロセッサ１２は、復調器２２ａ〜２２Ｎ及びフィルタ２４ａ〜２４Ｎを含むことができ、これらは受信信号６８ａ〜６８Ｎに関連する復調された受信信号及びソナーアレイ（例えば、６２及び／又は６３）の選択された音響素子を多次元ビーム形成器２６（例えば、三次元（３Ｄ）ビーム形成器）に提供することができる。多次元ビーム形成器２６は、１つ又は複数のビーム形成された受信信号２６ａをレコーダ２８及び信号プロセッサ３０に提供することができる。信号プロセッサ３０は、処理された信号３０ａを表示プロセッサ３１に提供することができ、表示プロセッサ３１はグラフィカルユーザインタフェース３３を操作することができる。
【００３２】
動作中、送信機セットアッププロセッサ４２は、種々のセットアップ値、例えば、送受信モジュールラック５６に含まれる送信機がクラスＤ（Ｄ級）モードで動作するか、又はクラスＳ（Ｓ級）で動作するかを決定する値、及び送信音響パワーを決定する値を生成することができる。他のこのような送信機セットアップ値を図３に関連して以下に説明する。
【００３３】
送信波形発生器４４は、送信波形に関連する複数の送信波形値を生成することができる。例えば、送信波形値は、送信波形のサンプルに対応するデジタル値であることができる。別の例として、送信波形値は、チャープ送信波形に関連する最低周波数、最高周波数、及び掃引速度を表すデジタル値であることができる。さらに別の例として、送信波形値は、正弦波パルス送信波形の周波数及び持続時間を表すデジタル値であることができる。さらに別の例として、送信波形値は、広帯域送信波形に関連することができ、最低帯域周波数及び最高帯域周波数を表すことができる。
【００３４】
特定の一実施形態では、送信波形発生器４４からの出力信号は、送信波形を表す時間に沿った一連のデジタルサンプルである。特定の一実施形態では、時間サンプルは１００ｋＨｚレートで提供され、各時間サンプルは１６ビットを含む。しかし、ソナーシステム１０は１サンプル当たりの任意の特定のビット数又は任意の特定のサンプルレートにも限定されない。
【００３５】
送信ビーム形成パラメータプロセッサ４６は、送信ビームパターンに関連する複数の送信ビーム形成値を生成することができる。例えば、送信ビーム形成値は、送信に使用されるソナーアレイ内の選択された１組の音響素子、選択された送信音響素子に通信される送信波形に適用される相対時間遅延、及び選択された音響素子に通信される送信波形に適用される相対振幅（スケーリング）のうちの１つ又は複数に対応するデジタル値を含むことができる。
【００３６】
送信変調プロセッサ４８は、送信される音響信号に関連する送信変調値を生成することができる。例えば、送信変調値は、送信波形発生器４４によって決定される波形に適用される振幅変調の周波数及び変調割合を表す振幅変調値を含むことができる。
【００３７】
送信制御プロセッサ４０によって生成される送信制御信号５０内の上述した値のうちのいくつかは、モード選択プロセッサ３６及び／又はピング中姿勢予測プロセッサ３８によって影響を受け得ることが理解されよう。例えば、ユーザ制御可能であるモード選択プロセッサ３６は、アレイ６２をソナーシステム１０の送信機能に使用し、アレイ６３を受信機能に使用すると決定することができる。モード選択プロセッサ３６は、例えば、ソナーシステム１０を動作させる方位角範囲を決定することもできる。このために、モード選択プロセッサ３６はそれに従って送信制御プロセッサ４０に影響を及ぼすことができ、例えば、時間遅延制限を送信ビーム形成パラメータプロセッサ４６に提供し、これは生成される送信ビームのステアリング角度を制限する傾向を有する。モード選択プロセッサ３６は、ソナーアレイ６２、６３のうちのいずれが送信機能に使用され、いずれの音響素子が選択されたソナーアレイ内で選択されるかに影響を及ぼすこともできる。
【００３８】
同様に、ピング中姿勢予測プロセッサ３８も、送信制御プロセッサ４０によって生成される送信制御信号５０内の上述した値のうちのいくつかに影響を及ぼすことができる。例えば、ソナーシステム１０が搭載されている船舶がピッチ、ロール、及び／又はヒーブを受けている場合、所望の送信（及び受信）ビームステアリング角度は、ピッチ、ロール、及び／又はヒーブによる影響を受け得る。ピング中姿勢予測プロセッサ３８は、次のピング時の船舶の姿勢を予測し、送信（及び／又は受信）ビームを適正な方向にステアリングした状態を保つように、情報（例えば時間遅延値の調整）を制御プロセッサ４０（及び／又は受信制御プロセッサ１４）に送信することができる。
【００３９】
送信制御プロセッサ４０によって生成される送信制御信号５０は、光ファイバ遠隔通信インタフェース５２に通信される。同様に、第２の受信制御信号６６も光ファイバ遠隔通信インタフェース５２に通信される。光ファイバ遠隔通信リンクが、送信制御信号５０及び第２の受信制御信号６６を組み合わせて「共通の送／受信制御信号」５４ａにし、これが光ファイバ遠隔通信媒体５４を介して送受信モジュールラック５６に通信される。
【００４０】
本明細書において使用する場合、「共通の送／受信制御信号」という用語は、受信機能及び送信機能の両方の制御の形態を含むことができる制御信号を説明するために使用される。このために、共通の送／受信制御信号５４ａは、送信制御信号５０及び第２の受信制御信号６６を含むことができる。共通の送／受信制御信号５４ａは、１つ又は複数の遠隔通信媒体を介して通信される。共通の送／受信制御信号５４ａは、１つの物理パスを有する１つの遠隔通信媒体、例えば、１本の光ファイバを有する光ファイバケーブル又は１つの一次導体を有するケーブルを介して通信することができる。しかし、共通の送／受信制御信号５４ａは、複数の物理パスを有する１つの遠隔通信媒体、例えば、複数本の光ファイバを有する光ファイバケーブル又は複数の導体を有するケーブルを介して通信することもできる。共通の送／受信制御信号５４ａは、シリアルビットストリーム、パラレルビットストリーム、又はシリアルバイトストリームで構成することができる。共通の送／受信制御信号５４ａが、送信機能及び受信機能の特性を制御するためのデジタルデータ、デジタルデータに送信機能及び受信機能の特定の特性を制御するように指示するデジタルアドレス、並びにデータの区切りとして使用される他のデジタルビット及び／又はワード等で構成されることが理解されよう。送信機能及び受信機能の制御の形態は、セットアップの特性並びに送信機能及び受信機能の同期の特性も含むことができるが、これらに限定されない。
【００４１】
光ファイバ遠隔通信媒体５４は双方向遠隔通信を提供し、上述した共通の送／受信制御信号５４ａは、光ファイバ遠隔通信インタフェース５２から送受信モジュールラック５６に移動し、受信信号５４ｂは送受信モジュールラック５６から光ファイバ遠隔通信インタフェース５２に移動する。しかし、他の実施形態では、共通の送／受信制御信号５４ａは、或る遠隔通信媒体を介して提供され、受信信号５４ｂは別の遠隔通信媒体を介して提供される。
【００４２】
動作中、ケーブル５８ａ〜５８Ｍは、双方向の信号にリンクを提供する。送信信号５９ａ〜５９Ｍは、送受信モジュールラック５６から送信ソナーアレイ（例えば、６２及び／又は６３）に送信され、それによって音響が水中に送信され、受信信号６０ａ〜６０Ｍは、受信ソナーアレイ（例えば、６２及び／又は６３）から送受信モジュールラック５６に返される。送信信号及び受信信号は、ケーブル５８ａ〜５８Ｍのうちの同じケーブルで通信されることも異なるケーブルで通信されることもできる。送信ソナーアレイ及び受信ソナーアレイが同じソナーアレイであることも異なるソナーアレイであることもできることが理解されよう。同じソナーアレイの場合であっても、ソナーアレイ内の送信音響素子は、ソナーアレイ内の受信音響素子と同じであることも、又は受信音響素子と異なることもできる。いくつかの構成では、ケーブル５８ａ〜５８Ｍのうちの少なくともいくつかは単方向であり、送信信号又は受信信号のいずれかを通信する。
【００４３】
動作中、ソナーアレイ６２、６３の音響素子は、受信信号６０ａ〜６０Ｍを受信音響素子からケーブル５８ａ〜５８Ｍを通じて戻して元の送受信モジュールラック５６に提供する。受信信号６０ａ〜６０Ｍが、例えば、標的からの各エコー、ソナーアレイ６２、６３からの音響送信に関連する残響、電気ノイズ、及び海中に存在する音響背景ノイズを含む種々の信号特性を含み得ることが理解されよう。
【００４４】
送受信モジュールラック５６は、受信信号６０ａ〜６０Ｍを受信信号５４ｂとして光ファイバ遠隔通信媒体５４を介して光ファイバ遠隔通信インタフェース５２に通信する。特定の一実施形態では、送受信モジュールラック５６は２８８個の受信チャネルを提供し、各受信チャネルは、各音響素子に関連する各受信波形のサンプルを含み、各サンプルは１６ビットを有し、１００ｋＨｚのサンプルレートを有する。しかし、ソナーシステム１０は、任意の特定の受信チャネル数、１サンプル当たりの任意の特定のビット数、又は任意の特定のサンプルレートに限定されない。
【００４５】
光ファイバ遠隔通信インタフェース５２は、光ファイバ遠隔通信媒体５４上でシリアルビットストリームとして通信される受信信号５４ｂを、受信機能に使用される音響素子数に対応する複数のパラレル受信信号６８ａ〜６８Ｎに分割するように動作する。受信信号６８ａを有する１つのチャネルを他のチャネルの代表とすると、受信信号６８ａは復調器２２ａに提示される。上述したように、送信波形は種々の変調を含み得るため、音響素子は同じ変調を有する受信信号を生成する。復調器２２ａは変調を取り除くことができ、復調された信号をフィルタ２４ａに提供することができる。復調器２２ａは、直交復調して受信信号６８ａの信号振幅及び位相を提供すること、及び受信信号６８ａから自船ドップラー効果を除去することを含むが、これらに限定されない他の機能を提供することもでき、また、受信信号６８ａをベースバンドではなく中間周波数に混合することもできる。フィルタ２４ａ〜２４Ｎは、複数の復調されフィルタリングされた信号を多次元ビーム形成器２６に提供する。
【００４６】
多次元ビーム形成器２６は、１つ又は複数のビーム形成された信号２６ａを信号プロセッサ３０及びレコーダ２８に提供する。レコーダ２８は、信号プロセッサ３０による後の検索及び解析のためにビーム形成された信号２６ａを記憶することができる。信号プロセッサ３０は、ビーム形成された信号をリアルタイムで処理し、標的の検出を示す出力３０ａを提供することができる。信号プロセッサ３０からの出力信号３０ａは表示プロセッサ３１に提供することができ、表示プロセッサ３１は、標的をグラフィカルユーザインタフェース３３上に表示することができる。
【００４７】
上述したように、ソナーシステム１０の受信機能の制御は、受信制御プロセッサ１４によって提供される。このために、制御によっては、第２の受信制御信号６６によって送受信モジュールラック５６に提供されるものもあれば、第１の受信制御信号３２によって受信プロセッサ１２に提供されるものもあることが理解されよう。
【００４８】
動作中、受信機セットアッププロセッサ１６は、種々の受信機セットアップ値、例えば、送受信モジュールラック５６に含まれている受信機の電子利得を決定する値及び受信信号６０ａ〜６０Ｍに適用されるフィルタリングを決定する値を生成することができる。他の受信機セットアップ値を図３に関連して以下に説明する。受信機セットアップ値は、第２の受信制御信号６６で提供することができる。
【００４９】
受信ビーム形成パラメータプロセッサ１８は、受信ビームパターンに関連する複数の受信ビーム形成値を生成することができる。例えば、受信ビーム形成値は、受信に使用されるソナーアレイ内の選択された１組の音響素子、選択された受信音響素子に適用される相対時間遅延、及び選択された音響素子に適用される相対振幅（スケーリング）のうちの１つ又は複数に対応するデジタル値を含むことができる。受信ビーム形成値は第１の受信制御信号３２で提供することができる。
【００５０】
テスト信号／標的制御プロセッサは、図３に関連して以下に説明するように、送受信モジュールラック５６内のテスト／トレーニング標的発生器（例えば、図３の１５４）及びテスト信号発生器（例えば、図３の１５０）に関連する値を生成することができる。これらの値は、第２の受信制御信号６６で提供することができる。
【００５１】
多次元ビーム形成器２６は、受信ビーム形成パラメータプロセッサ１８によって提供される、上述した相対時間遅延及び相対振幅スケーリングを、フィルタ２４ａ〜２４Ｎによって提供される復調信号に適用することができる。このようにして、送信ビーム形成に関して上述したように、ソナーシステム１０は、受信機能に使用される受信ビーム形成パラメータに従って受信ビームを形成して所望の方向にステアリングすることができる。
【００５２】
送信制御プロセッサ４０に関して上述したのと同じ様式で、受信制御プロセッサ１４は、モード選択プロセッサ３６及び／又はピング中姿勢修正プロセッサ３８によって影響を受け得る。
【００５３】
受信機能に使用される音響素子は、ソナーアレイ内の任意の配向で選択することができる。例えば、平面ソナーアレイ６２で受信機能に使用される音響素子は、水平線、垂直線、複数の水平線、複数の垂直線、又はこれらの任意の組み合わせに沿って配置することができる。したがって、受信ビームを空間内の任意の角度にステアリングすることができ、結果として多次元ビーム形成になることを理解されたい。
【００５４】
上述したように、送受信モジュールラック５６は、１つ又は複数の各ケーブル５８ａ〜５８Ｍを介して１つ又は複数の送信信号５９ａ〜５９Ｍを提供し、１つ又は複数の受信信号６０ａ〜６０Ｍを提供する。各ケーブル５８ａ〜５８Ｍはソナーアレイの音響素子に結合することができる。例えば、ケーブル５８ａは円筒形ソナーアレイ６２の素子６２ａに結合することができる。しかし、他の構成では、ケーブル５８ａ〜５８Ｍのうちのいくつかは、送信機能、受信機能、又はこれらの両方のためにソナーアレイの２つ以上の音響素子に結合することができる。
【００５５】
いくつかの構成では、ケーブル５８ａ〜５８Ｍは、送信波形を２つ以上のソナーアレイの音響素子、例えば円筒形ソナーアレイ６２及び平面ソナーアレイ６３に提供する。ソナーアレイ（例えば、６２、６３）は同時に動作することもしないこともできる。
【００５６】
特定の一実施形態では、１つのソナーアレイ内の２８８個の音響素子に結合される２８８本のケーブルがある。しかし、他の実施形態では、２８８個よりも多数又は少数の音響素子に結合される２８８本よりも多数又は少数のケーブルがあることができる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、ケーブル５８ａ〜５８Ｍのすべてが、送信機能及び受信機能の両方に使用される双方向ケーブルである。しかし、他の構成では、ケーブル５８ａ〜５８Ｍのいくつかは、送信機能のみ又は受信機能のみに使用され、したがって単方向である。
【００５８】
円筒形アレイ６２及び平面アレイ６３を示すが、他の構成では、送受信モジュールラック５６は送信信号５９ａ〜５９Ｍを２よりも多数又は少数のソナーアレイに提供することができ、又は２よりも多数又は少数のソナーアレイから受信信号６０ａ〜６０Ｍを受信することができる。また、音響エネルギーを送信し、それに従ってソナーアレイから音響エネルギーを受信するソナーシステムが上述されるが、他の構成では、ソナーシステム１０は、１つのソナーアレイ、例えば平面ソナーアレイ６３を使用してソナーエネルギーを送信し、別のソナーアレイ、例えば円筒形ソナーアレイ６２を使用して関連する受信音響を受信する。
【００５９】
円筒形アレイ６２及び平面アレイ６３を示すが、他の構成では、送受信モジュールラックは、他の種類のソナーアレイ、例えば線形アレイ、球形アレイ、又はコンフォーマルアレイに結合することができる。
【００６０】
１つの送受信モジュールラック５６を示すが、他の構成では、２つ以上の送受信モジュールラックが提供される。これらの構成では、各送受信モジュールラックは光ファイバ遠隔通信媒体５４に結合することができ、光ファイバ遠隔通信媒体５４は、上述した共通の送／受信制御信号５４ａを送受信モジュールラックに提供することができ、且つソナーアレイ６２、６３の音響素子に関連する受信信号５４ｂを提供することができる。しかし、これらの構成では、光ファイバ遠隔通信媒体５４と同様に、２つ以上の光ファイバ遠隔通信媒体を異なる送受信モジュールラックへ／からの信号の提供に使用することもできる。
【００６１】
光ファイバ遠隔通信媒体５４は１つ又は複数の光ファイバを含むことができ、光ファイバは種々の信号を種々の方向に搬送できることを理解されたい。
光ファイバ遠隔通信媒体５４を示し説明しているが、他の構成では、光ファイバ遠隔通信媒体５４は代わりに別の形態の遠隔通信媒体、例えば、有線又は無線の遠隔通信媒体であり、光ファイバ遠隔通信インタフェースはそれに従って、代わりに有線遠隔通信インタフェース又は無線遠隔通信インタフェースである。特定の一実施形態では、光ファイバ遠隔通信媒体５４は、代わりにイーサネットインターネットプロトコル（ＩＰ）通信をサポートするように適応されている有線ケーブルであり、光ファイバ遠隔通信インタフェースはイーサネットＩＰ遠隔通信インタフェースである。
【００６２】
ここで図２を参照すると、送受信モジュールラック７２は、図１の送受信モジュールラック５６と同じか又は同様にすることができる。光ファイバ遠隔通信媒体８２は、図１の光ファイバ遠隔通信媒体５４と同じか又は同様にすることができる。ケーブル８４ａ〜８４ｃは、図１のケーブル５８ａ〜５８Ｍと同じか又は同様にすることができ、ソナーアレイの音響素子に結合される。
【００６３】
送受信モジュールラック７２は、複数の送受信モジュールサブラック７４ａ〜７４ｃを含むことができる。各サブラック、例えばサブラック７４ａは、複数の４チャネル送受信モジュール７６ａ〜７６ｇ、例えば、７つの４チャネル送受信モジュールを含むことができる。各４チャネル送受信モジュール７６ａ〜７６ｇは、少なくとも４つの音響素子に結合されるようになっており、且つそれらの音響素子にそれぞれの送信信号を送信し、それらの音響素子からそれぞれの受信信号を受信するように適応されている。
【００６４】
各送受信モジュールサブラック７４ａ〜７４ｃの４チャネル送受信モジュールは、それぞれの通信リンク７８ａ〜７８ｃ上でそれぞれの光ファイバ遠隔通信インタフェース８０ａ〜８０ｃと通信することができ、各光ファイバ遠隔通信インタフェース８０ａ〜８０ｃは光ファイバ遠隔通信媒体８２に結合される。リンク８４ａ〜８４ｃは単線として示されるが、各リンク８４ａ〜８４ｃが、７つの４チャネル送受信モジュールのそれぞれに少なくとも４つ、合計で少なくとも２８のこのようなリンクを提供できることが理解されよう。
【００６５】
送受信モジュールラック７２は、低電圧電源８６及び高電圧電源８８を含むことができる。低電圧電源８６は、例えば、バックプレーン（図示せず）を通じて４チャネルモジュールに低電圧電力を供給できることを理解されたい。同様に、高電圧電源８８は、例えば、バックプレーン（図示せず）を通じて４チャネルモジュールに高電圧電力を供給することができる。いくつかの実施形態では、高電圧バックプレーン及び低電圧バックプレーンは同じバックプレーンであり、他の実施形態では、異なるバックプレーンである。低電圧電力には、一般に、各４チャネルモジュールのデジタル機能及び小信号増幅機能が関連付けられる。高電圧電力には、一般に、各４チャネルモジュールの最終送信機出力段が関連付けられる。
【００６６】
３つの送受信モジュールサブラック７４ａ〜７４ｃを示すが、他の構成では、送受信モジュールラック７２は３よりも多数又は少数の送受信モジュールサブラックを含むことができる。各送受信モジュールサブラック７４ａ〜７４ｃは、７つの４チャネル送受信モジュールを含んで示されるが、他の構成では、各送受信モジュールサブラック７４ａ〜７４ｃ又はそのうちのいくつかは、７よりも多数又は少数の４チャネル送受信モジュールを含むことができる。さらに、他の構成では、以下により十分に説明するように、４チャネルモジュール７６ａ〜７６ｇは４よりも多数又は少数のチャネルを含んでもよい。
【００６７】
ここで図３を参照すると、４チャネル送受信モジュール１００（又はより簡単に送受信モジュール）は、図２の４チャネル送受信モジュールのいずれか１つ、例えば図２の４チャネル送受信モジュール７６ａと同じか又は同様にすることができる。送受信モジュール１００は４つの送信機１０２ａ〜１０２ｄ及び４つの受信機１２４ａ〜１２４ｄを含む。
【００６８】
送信機１０２ａを他の送信機１０２ｂ〜１０２ｄの代表とすると、送信機１０２ａは、波形合成器１０４、波形メモリ１０６、遅延プロセッサ１０８、振幅スケーリングプロセッサ１１０、電力増幅器１１２、及び調整磁性要素（又は磁性体）１１４を含む。送信機は、以下により十分に説明する種々の機能の同期をとるように適応されているタイミングリファレンス１１６も含む。
【００６９】
調整磁性体１１４は、１つ若しくは複数の変圧器及び／又は１つ若しくは複数のインダクタの形態にすることができ、１つ若しくは複数のキャパシタ及び／又は１つ又は複数の抵抗を含むこともできる。いくつかの実施形態では、調整磁性体は、結合される音響素子の共振と同調するようになっており、且つ／又はインピーダンスと整合するように適応されている。ケーブル１１８ａは図１のケーブル５８ａ〜５８Ｍのうちの１本と同じか又は同様である。図１に関連して上述したように、ケーブル１１８ａは送信信号を送信音響素子に通信することができ、且つ受信信号を受信音響素子から通信することができ、送信音響素子及び受信音響素子は同じ音響素子であるか又は異なる音響素子である。しかし、図１に関連して上述した他の構成では、ケーブル１１８ａは、送信信号を送信音響素子に通信することのみ可能であり、ケーブル１２５ａは、同じソナーアレイ内又は異なるソナーアレイ内の、送信音響素子と同じか又は異なる音響素子である受信音響素子から受信信号を通信することができる。同じように、ケーブル１１８ｂ及び１１８ｃ並びにケーブル１２５ｂ及び１２５ｃも信号を他の送信音響素子及び受信音響素子に搬送することができる。
【００７０】
受信機１２４ａを他の受信機１２４ｂ〜１２４ｄの代表とすると、受信機１２４ａは、ソナーアレイの音響送信素子（図示せず）へのリンク１１８ａに結合される送／受信スイッチ１２６を含む。上述したように、いくつかの実施形態では、リンク１１８ａ（すなわち、ケーブル）は送信信号及び受信信号の両方を通信することができ、受信信号は送／受信スイッチ１２６によって受信され、受信機１２４ａの他の部分に渡される。他の実施形態では、受信信号はリンク１２５ａ上で通信され、受信機１２４ａの他の部分に渡される。受信機１２４ａは、時変利得（ＴＶＧ）増幅器１３０、アナログフィルタ１３２、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１３４、及びデジタルフィルタ／信号プロセッサ１３６も含む。受信機１２４ａは、以下により十分に説明する種々の機能の同期をとるように適応されているタイミングリファレンス１５８も含む。いくつかの実施形態では、送／受信スイッチ１２６は、固体中継器、例えば、サイリスタを有する固体中継器を含む。この種類の送／受信スイッチ１２６は、従来のソナーシステムの構成よりも約１５ｄＢの信号対雑音の改善を生じることができる。送／受信スイッチ１２６の一般的な機能を当業者は理解しよう。
【００７１】
デジタルフィルタ／信号プロセッサ１３６は、受信信号のデジタルフィルタリングを提供することができる。しかし、他の実施形態では、デジタルフィルタ／信号プロセッサ１３６は、他の機能を実行することができる信号プロセッサを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、デジタルフィルタ／信号プロセッサ１３６は、図１の復調器２２ａによって上述されたように提供される復調機能を提供することができる。したがって、他の実施形態では、図１の復調器２２ａ〜２２Ｎは、図１の受信プロセッサ１２内ではなく送受信モジュール１００内に設けることができる。他の実施形態では、デジタルフィルタ／信号プロセッサ１３６は、さらなる機能、例えば図１のフィルタ２４ａのフィルタングを提供することができる。さらに他の構成では、デジタルフィルタ／信号プロセッサ１３６は、（例えば、高速フーリエ変換を介して）周波数領域への変換を行うことができ、この場合、図１の三次元ビーム形成器２６で実行される上述の受信ビーム形成は、周波数領域で行うことができる。
【００７２】
受信機１２４ａは、バッファ１４２、ノイズ整形プロセッサ１４４、データフォーマットプロセッサ１４６、及びタイムスロット割り当てプロセッサ１４８を有するデータプロセッサ１４０も含む。高電圧送信信号がケーブル１１８ａ上で音響素子に印加されている場合、送／受信スイッチ１２６を使用して、ＴＶＧプリアンプ１３０をケーブル１１８ａから接続解除することができる。
【００７３】
送／受信スイッチ１２６は、送信機１０２ａが受信機１２４ａに近いことから利用可能な追加の機能を有することができる。例えば、いくつかの実施形態では、送／受信スイッチ１２６は、送受信モジュール１００が使用されるソナーシステムの送信機の較正中にケーブル１１８ａ上に出現する高電圧送信信号を（例えば、負の固定利得に設定された）ＴＶＧ増幅器１３０に結合することができる。送信機較正では、結果として受信機１２４ａで生じる信号は、ケーブル１１８ａ上の電圧を示し、所望の電圧を達成するように送信信号をそれに従って調整することができる。このために、送信機較正値を送信較正メモリ１７０に保存し、送信機１０２ａでの送信信号レベルの調整に使用することができる。
【００７４】
受信機１２４ａも、受信機較正中に較正することができ、受信較正値を受信較正メモリ１７２に保存することができる。受信機較正では、テスト信号発生器１５０がテスト信号１５２を生成することができ、送／受信スイッチ１２６を介してこのテスト信号を（例えば、固定利得に設定された）ＴＶＧ増幅器に提供することができる。その結果として受信機１２４ａで生じる信号は、受信機１２４ａの利得を示す。
【００７５】
送信機較正及び受信機較正の両方で、受信機１２４ａに出現する信号（例えば、図１の信号５４ｂ）は、例えば、図１の船舶プロセッサ１１に送信することができ、船舶プロセッサ１１は信号を処理し、上述した共通の送／受信制御信号（例えば、図１の５４ａ）を介して較正値を送受信モジュール１００に返すことができる。しかし、他の実施形態では、送信機較正及び受信機較正の両方で、受信機１２４ａに出現する信号を受信機（例えば、素子１３６）によって測定し、送受信モジュール１００が送信較正値及び受信較正値を生成することができる。
【００７６】
送受信モジュール１００は、入／出力プロセッサ１６６及び制御プロセッサ１２０も含む。
動作中、入／出力プロセッサ１６６は、通信リンク１６８を介して、図１に関連して上述した共通の送／受信制御信号を受信する。再び手短に図２を参照すると、共通の送／受信制御信号は、光ファイバ遠隔通信媒体８２を介して光ファイバ遠隔通信インタフェース８０ａ〜８０ｃに通信され、通信リンク７８ａ〜７８ｃを介して送受信モジュールラック７２内の送受信モジュールに通信される。リンク１６８（図３）は、通信リンク７８ａ〜７８ｃのうちの１つと同じか又は同様にすることができる。
【００７７】
再び図３を参照すると、入／出力プロセッサ１６６は、共通の送／受信制御信号を制御プロセッサ１２０に通信する。次に、制御プロセッサは、共通の送／受信制御信号１２２を送信機１０２ａ〜１０２ｄ及び受信機１２４ａ〜１２４ｄの要素に破線で示すように通信する。
【００７８】
共通の送／受信制御信号１２２は、送信機１０２ａ〜１０２ｄ及び受信機１２４ａ〜１２４ｄの機能を制御する値を含むことができる。例えば、共通の送／受信制御信号は、図１に関連して説明した送信波形値を含むことができ、これは波形メモリ１０６に記憶し、送信波形を生成するために波形合成器１０４に向けることができる。
【００７９】
共通の送／受信制御信号１２２は、遅延プロセッサ１０８及び振幅スケーリングプロセッサ１１０に影響を及ぼすことができる送信ビーム形成値を含む送信機セットアップ値を含むことができる。送信セットアップ値は、電力増幅器の動作モード及び出力パワーを選択するように働くことができる電力増幅値を含むことができる。送信セットアップ値は、いずれの送信機１０２ａ〜１０２ｄを送信機能に使用するかを選択するように働くことができる送信機選択値を含むことができる。送信セットアップ値は、波形合成器１０４のサンプルレートに影響を及ぼすことができる送信波形サンプルレート値も含むことができる。
【００８０】
共通の送／受信制御信号１２２は、受信機利得及び時間ＴＶＧプリアンプ１３０に影響を及ぼすことができる、時変利得セットアップ値を含む受信機セットアップ値を含むことができる。受信機制御値は、デジタルフィルタ１３６に影響を及ぼすことができるデジタルフィルタ値（例えば、タップ重み）を含むこともできる。受信機制御値は、Ａ／Ｄ変換器１３４のサンプルレート及びデータフォーマットプロセッサ１４６のサンプルレートに影響を及ぼすことができる受信機サンプルレート値も含むことができる。受信機制御値は、データフォーマットプロセッサ１４６に影響を及ぼすことができるデータフォーマット値（例えば、１サンプル当たりのビット数及び浮動小数点データ又は固定小数点データ）も含むことができる。受信機制御値は、いずれの受信機１２４ａ〜１２４ｄを受信機能に使用するかを選択するように働くことができると共にそれに従ってタイムスロット割り当てプロセッサ１４８に影響を及ぼすことができる受信機選択値も含むことができる。
【００８１】
全体として、共通の送／受信制御信号１２２は、送信波形値（波形メモリ１０６及び波形合成器１０４を制御する）、電力増幅器モード値（例えば、クラスＤモード又はクラスＳモード）（電力増幅器１１２を制御する）、トランスデューサ送信線形化値、送信ビーム形成値（例えば、相対時間遅延値、相対振幅スケーリング値、相対位相シフト値）（遅延プロセッサ１０８及び振幅スケーリングプロセッサ１１０を制御する）、同期値（タイミングリファレンス１１６を制御する）、送信フィルタ係数値（例えば、クラスＤ電力増幅器モード用）（電力増幅器１１２を制御する）、又は送信波形変調値（波形合成器１０４を制御する）のうちの少なくとも１つを含む送信制御値を含むことができる。上述したトランスデューサ送信線形化値は、例えば、周波数及び／又は出力パワーレベルに関して既知の非線形性に従って送信機１０２ａ〜１０２ｄの出力パワーレベルを調整する値を含むことができる。
【００８２】
全体として、共通の送／受信制御信号１２２は、受信増幅器利得制御値（例えば、利得及び時変利得（ＴＶＧ）レート並びに傾き）（ＴＶＧプリアンプ１３０を制御する）、トランスデューサ受信線形化値、受信信号サンプリング値（例えば、サンプリングレート、ビット数、出力レート）（Ａ／Ｄ変換器１３４、データフォーマットプロセッサ１４６、及びタイムスロット割り当てプロセッサ１４８を制御する）、受信デジタルフィルタ係数値（デジタルフィルタ１３６を制御する）、受信復調器値（図１の復調器２２ａ〜２２Ｎを制御する）、受信ビーム形成値（例えば、相対時間遅延値、相対振幅スケーリング値、相対位相シフト値）（図１のビーム形成器２６を制御する）、テストトーン値及びテストトーン制御値（テスト／トレーニング標的データ発生器１５４を制御する）、テスト標的値及びテスト標的制御値（テスト信号発生器１５０を制御する）、又は自己診断制御値のうちの少なくとも１つを含む受信制御値も含むことができる。しかし、図１に関連しての上記考察から、いくつかの実施形態では、受信復調器値及び受信ビーム形成値が受信プロセッサ１２（図１）のみに提供されて使用されるため、共通の送／受信制御信号１２２で提供する必要がないことを理解されよう。上述したトランスデューサ受信線形化値は、例えば、周波数及び／又は受信信号レベルに関して既知の非線形性に従って受信機１２４ａ〜１２４ｄの受信信号レベルを調整する値を含むことができる。
【００８３】
送信機、例えば送信機１０２ａは、セットアップされると、較正され、時間スケーリングされ、適切に遅延された（且つ／又は位相シフトされた）送信波形を、ソナーアレイの１つ又は複数の音響素子（例えば、図１の６２ａ及び／又は６３ａ）に生成することができ、これは、電力増幅器１１２及び調整磁性体１１４を介して変調することができる。時間スケーリング及び振幅スケーリングは、他の送信機１０２ｂ〜１０２ｄ又は別の送受信モジュール（図示せず）上の他の送信機と組み合わせて送信される場合、１つ又は複数の送信音響ビームパターンを水中に生成することができる。
【００８４】
受信機、例えば受信機１２４ａは、セットアップされると、水中から音響信号を受信し、受信信号を増幅し、フィルタリングし、受信信号のデジタル時間サンプルを生成することができ、デジタル時間サンプルを通信リンク１６４ａを介して入／出力プロセッサ１６６に提供することができる。入／出力プロセッサ１６８は、受信信号のデジタル時間サンプルを受信機１２４ａから受信プロセッサ１２（図１）に、すなわちリンク１６８を介して光ファイバ遠隔通信インタフェース（例えば、図２の８０ａ）に提供し、光ファイバケーブル（例えば、図２の８２）を介して光ファイバ遠隔通信インタフェース（図１の５２）に提供し、そしてケーブル（図１の６８ａ）を介して受信プロセッサ（例えば、図１の１２）に提供することができる。同様に、他の受信機１２４ｂ〜１２４ｄ及び／又は他の送受信モジュール（図示せず）上の他の受信機は、他の音響素子に関連する受信信号を受信プロセッサ１２に提供する。受信プロセッサ１２は、受信ビーム形成及び図１に関連して上述した他の受信機能処理を実行することができる。
【００８５】
特定の一実施形態では、送受信モジュール１００は共通の回路基板に配置される。しかし、他の構成では、送受信モジュール１００は、共通のアセンブリを共に形成する２つ以上の回路基板に分割される。
【００８６】
特定の一実施形態では、送信機１０２ａ〜１０２ｄのうちの１つ又は複数は、以下の特徴を有することができる：
・関連する電力増幅器（例えば、１１２）がクラスＤ増幅器として動作している場合には約０．５Ｈｚ〜１００ｋＨｚに広がる帯域幅、クラスＳ増幅器として動作している場合には約９０Ｈｚ〜２５０ｋＨｚに広がる帯域幅、
・最高パワー出力で少なくとも１５％、最高パワーを３ｄＢ下回るパワーで１００％の最大ピングデューティサイクル、
・少なくとも２秒の最長ピング、及び
・位相角−６０度で約６００ワットの最小パワー出力。
【００８７】
特定の一実施形態では、受信機１２４ａ〜１２４ｄのうちの１つ又は複数は以下の特徴を有することができる：
・少なくとも３２４ｋＨｚのサンプルレートで２４ビットを有する受信信号のサンプル、
・等価入力換算電気ノイズが１．２ｎＶ未満、且つバンドレベルノイズフロアが−１３５ｄＢＶ未満、
・ＳＩＮＡＤ（信号対雑音及び歪み比）が１１０ｄＢ超、
・瞬間ダイナミックレンジが少なくとも１２０ｄＢ、且つ総合ダイナミックレンジが少なくとも１４０ｄＢ、
・１Ｈｚから１００ｋＨｚまで＋／−０．０２ｄＢに平坦化された周波数応答、
・受信機１２４ａ〜１２４ｄ間の利得トラッキングが０．５ｄＢ以下、
・受信機１２４ａ〜１２４ｄ間の位相トラッキングが１０度未満、且つ
・受信機１２４ａ〜１２４ｄ間及び送信機１０２ａ〜１０２ｄと受信機１２４ａ〜１２４ｄのいずれかとの間のクロストークが−１１０ｄＢ以下。
【００８８】
４つの送信機１０２ａ〜１０２ｄ及び４つの受信機１２４ａ〜１２４ｄを有する送受信モジュール１００を示したが、他の構成では、送受信モジュールは、４よりも多数又は少数の送信機及び４よりも多数又は少数の受信機を有することができる。
【００８９】
ここで図４を参照すると、送受信モジュールサブラック２００は、図２の送受信モジュールサブラック７４ａ〜７４ｃのうちの１つと同じか又は同様にすることができ、図１の送受信モジュールラック５６内に含まれる。送受信モジュールサブラック２００は、筐体２０１、少なくとも１つのバックプレーン２０２、及び７つの４チャネル送受信モジュール２０４ａ〜２０４ｇを含む。７つの４チャネル受信機モジュール２０４ａ〜２０４ｇのそれぞれは、それぞれの組の４つの磁性要素を含む。送受信モジュール２０４ａを他の送受信モジュール２０４ｂ〜２０４ｇの代表とすると、送受信モジュール２０４ａは、少なくとも２つの磁性要素２０８ａａ、２０８ａｂを有する第１の磁性サブアセンブリ２０６ａａ、及び別の少なくとも２つの磁性要素２０８ａｃ、２０８ａｄを有する第２の磁性サブアセンブリ２０６ａｂを含む。送受信モジュールサブラック２００は、光ファイバ遠隔通信インタフェース２１０も含む。
【００９０】
１群の送受信モジュール２０４ａ〜２０４ｇは、図２の１群の送受信モジュール７６ａ〜７６ｇと同じか又は同様にすることができ、各送受信モジュールは図３の送受信モジュール１００と同じか又は同様にすることができる。光ファイバ遠隔通信インタフェース２１０は、図２の光ファイバ遠隔通信インタフェース８０ａ〜８０ｃのうちの１つと同じか又は同様にすることができる。
【００９１】
磁性要素２０８ａａ〜２０８ａｄは変圧器として示される。しかし、他の実施形態では、磁性要素２０８ａａ〜２０８ａｄはインダクタ、又はインダクタ、変圧器、抵抗、及びキャパシタの任意の組み合わせであることができる。磁性要素２０８ａａ〜２０８ａｄが、結合される音響素子の少なくとも１つの共振に同調するように選択されることが一般に理解されよう。磁性要素２０８ａａ〜２０８ａｄに出現する信号が比較的高電圧、比較的高電流、又は両方を有する傾向にあることも一般に理解されよう。
【００９２】
磁性要素２０８ａａ〜２０８ａｄに出現する信号が互いに、他の磁性要素に、又は送受信モジュール２０４ａ〜２０４ｇのうちのいずれかの他の回路にクロストークすることは望ましくない。クロストークを低減するために、サブアセンブリ２０６ａａを、サブアセンブリ２０６ａｂに対してｙ軸２１４に沿ってずらすことができる。他の構成では、磁性要素２０８ａｂを、磁性要素２０８ａａからｙ軸２１４を中心として回転した位置に配置することができ、磁性要素２０８ａｄを、磁性要素２０８ａｃからｙ軸２１４を中心として回転した位置に配置することができる。
【００９３】
バックプレーン２０２は、送受信モジュールサブラック２００が配置されるラック（例えば、図２の７２）の電源に端を発し、低電圧電力及び高電圧電力を送受信モジュール２０４ａ〜２０４ｇに分配することができる。電源は、図２の低電圧電源８６及び高電圧電源８８と同じか又は同様であることができる。
【００９４】
特定の一構成では、送受信モジュールサブラック２００及び送受信モジュール２０４ａ〜２０４ｇは、バーサモジュールヨーロッパ（ＶＭＥ）規格に従ったサイズ及び寸法を有する。
【００９５】
送受信モジュール、例えば、図３の送受信モジュール１００がラック、例えば図１の送受信モジュールラック５６内に配置される構成を示し説明したが、他の構成では、送受信モジュール１００は、ソナーアレイ、例えば図１のソナーアレイ６２、６３内に配置される。これらの実施形態では、送受信モジュールは４よりも多数又は少数の送信機及び受信機を有することができる。この構成では、図１のケーブル５８ａ〜５８Ｍをなくしてコスト及び空間を節減することができる。
【００９６】
本明細書において引用したすべての参考文献は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
本発明の好ましい実施形態を説明したが、ここで、当業者の構想を組み込んだ他の実施形態を使用することも可能なことが当業者には明らかであろう。したがって、これらの実施形態は開示される実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の精神及び範囲によってのみ制限されるべきであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】送受信モジュールラックを有する本発明によるソナーシステムのブロック図である。
【図２】複数の送受信モジュールをそれぞれ有する複数の送受信モジュールサブラックを有する、図１の送受信モジュールラックのさらなる詳細を示すブロック図である。
【図３】図２に示す送受信モジュールのさらなる詳細を示すブロック図である。
【図４】図２に示す送受信モジュールサブラックのさらなる詳細を示す分解組立ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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