(57)【要約】【課題】送信波の送波方向を安定化できる水中探知装置を、低コストで提供する。【解決手段】船舶に固定された状態においてそれぞれが船舶の前後方向に対して斜め方向に延びるとともに船舶の左右方向に沿って配列される複数の送波素子Ａを有する送波器１０と、複数の受波素子Ｂを有する受波器５と、船舶の姿勢情報を取得する姿勢情報取得部１４と、姿勢情報に基づいて複数の送波素子Ａを駆動し送波器１０から送波される送信波を、水面を基準とした所定方向へ送波させる送信回路１８と、受波器が受波した送信波の反射波に基づいて各受波素子Ｂからの受信信号を取得する受信回路４と、受信信号に基づいて画像を生成する画像生成部２１と、を備えた水中探知装置１を構成する。【選択図】図１
2018013368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶に固定された状態において、それぞれが前記船舶の前後方向に対して斜め方向に延びるとともに前記船舶の左右方向に沿って配列される複数の送波素子、を有する送波器と、
複数の受波素子を有する受波器と、
前記船舶の姿勢情報を取得する姿勢情報取得部と、
前記姿勢情報に基づいて前記複数の送波素子を駆動し、前記送波器から送波される送信波を、水面を基準とした所定方向へ送波させる送信回路と、
前記受波器が受波した前記送信波の反射波に基づいて、各前記受波素子からの受信信号を取得する受信回路と、
前記受信信号に基づいて画像を生成する画像生成部と、
を備えていることを特徴とする、水中探知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水中探知装置において、
前記送信回路は、各前記送波素子を送信信号で駆動して各前記送信信号の位相及び振幅の少なくとも一方を制御することにより、前記送信波を前記所定方向へ送波させることを特徴とする、水中探知装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水中探知装置において、
前記姿勢情報は、前記船舶のロール情報を含み、
前記送信回路は、前記ロール情報に基づいて、各前記送信信号の振幅を制御することを特徴とする、水中探知装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の水中探知装置において、
前記姿勢情報は、前記船舶のピッチ情報を含み、
前記送信回路は、前記ピッチ情報に基づいて、各前記送信信号の位相を制御することを特徴とする、水中探知装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の水中探知装置において、
前記姿勢情報は、前記船舶のヨー情報を含み、
前記送信回路は、前記ヨー情報に基づいて、各前記送信信号の位相を制御することを特徴とする、水中探知装置。
【請求項６】
請求項５に記載の水中探知装置において、
前記送信回路は、前記船舶が横滑りしながら移動しているとき、各前記送信信号の位相を制御して前記送信波のチルト角を制御することを特徴とする、水中探知装置。
【請求項７】
請求項６に記載の水中探知装置において、
前記送信回路は、前記送信波が送波される方向に応じて前記チルト角を制御することを特徴とする、水中探知装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水中探知装置において、
前記複数の送波素子は、曲面に沿って配置されていることを特徴とする、水中探知装置。
【請求項９】
請求項８に記載の水中探知装置において、
前記曲面は、円柱の側面における少なくとも一部を含み、前記送波器が前記船舶に固定された状態において下方へ膨出する曲面であり、
前記円柱の中心軸は、前記送波器が前記船舶に固定された状態において、前記船舶の前後方向に沿って延びていることを特徴とする、水中探知装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水中探知装置において、
前記送波器は、前記複数の送波素子の送波面を覆う音響レンズを更に備えていることを特徴とする、水中探知装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の水中探知装置において、
前記複数の受波素子は、平面に沿って、前記船舶の左右方向に配列されていることを特徴とする、水中探知装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の水中探知装置において、
前記送波器は、前記送信波として、互いの周波数が異なる第１送信波及び第２送信波を異なるタイミングで送波し、
前記送信回路は、前記第１送信波及び前記第２送信波を、前記水面を基準とした前記所定方向へ送波させ、
前記受信回路は、前記第１送信波の反射波に基づく前記受信信号としての第１受信信号、及び前記第２送信波の反射波に基づく前記受信信号としての第２受信信号を取得し、
前記画像生成部は、前記第１受信信号及び前記第２受信信号に基づいて前記画像を生成することを特徴とする、水中探知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中探知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られている水中探知装置として、例えば特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示される探知装置が挙げられる。
【０００３】
特許文献１には、クロスファンビーム方式（ミルズクロス方式とも呼ぶ）を採用した測深装置（水中探知装置）が開示されている。この水中探知装置は、特許文献１の図３を参照して、当該水中探知装置が搭載される船の前後方向に沿って配置された素子を有する送波器アレイ１５（送波器）と、船の左右方向に沿って配置された素子を有する受波器アレイ２１とを有している。この水中探知装置では、送波ビームＡ１と受波ビームＡ２とが交差する測深エリアＡ３の深度を測定することができる。
【０００４】
特許文献２には、棒状超音波振動子エレメントが、円周状に、該円周方向に傾斜させて配置された周状超音波振動子が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、超音波振動子エレメントが一方向に配列された１次元アレイ構造を用いた超音波振動子アレイ、及びそのアレイを用いた超音波診断装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１９８８８８号公報
【特許文献２】特開平１１−６４４９２号公報
【特許文献３】特開平１０−６２３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した特許文献１には、送波器が有する各素子から送波される送信波の位相を調整することにより、船舶がピッチ方向に動揺したときにその動揺を補正可能であることが記載されている。しかしながら、船舶がその他の方向、例えばロール方向又はヨー方向に動揺したときの送信波の補正については何ら記載がない。すなわち、特許文献１に記載されている水中探知装置では、船舶の動揺方向によっては、送信波の送波方向を正確に補正することができない。
【０００８】
この点につき、例えば送波素子が２次元状に配列された送波器を用いれば、船舶の動揺方向によらず送信波の送波方向を補正することが可能となる。しかしながら、送波素子を２次元状に配置しなければならないため、多数の送波素子が必要となってしまう。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、送信波の送波方向を安定化できる水中探知装置を、低コストで提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る水中探知装置は、船舶に固定された状態において、それぞれが前記船舶の前後方向に対して斜め方向に延びるとともに前記船舶の左右方向に沿って配列される複数の送波素子、を有する送波器と、複数の受波素子を有する受波器と、前記船舶の姿勢情報を取得する姿勢情報取得部と、前記姿勢情報に基づいて前記複数の送波素子を駆動し、前記送波器から送波される送信波を、水面を基準とした所定方向へ送波させる送信回路と、前記受波器が受波した前記送信波の反射波に基づいて、各前記受波素子からの受信信号を取得する受信回路と、前記受信信号に基づいて画像を生成する画像生成部と、を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、送信波の送波方向を安定化できる水中探知装置を、低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るソナーの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係るソナーの送波器の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】図２に示す送波器が有する複数の送波素子の展開図である。
【図４】図２に示す送波器が船舶の船底に固定されている状態の一例を模式的に示す図であって、図４（Ａ）は船舶を側方から視た図、図４（Ｂ）は船舶を後方から視た図である。
【図５】送波器によって海中に形成可能な音場の領域の模式図である。
【図６】受波器の構成を模式的に示す図であって、受波器を受波面側から視た図である。
【図７】船舶に取り付けられた状態の送波器を模式的に示す図であって、図７（Ａ）は送波器１０を前方から視た図、図７（Ｂ）は送波器を下方から視た図である。
【図８】図７に示す送波器の各送波素子が音場を形成可能な領域である各素子毎音場領域を示す図である。
【図９】送信波のチルト方向が０度となるように位相制御が行われたときの送信波の強度分布のシミュレーション結果である。
【図１０】船舶に取り付けられた状態の送波器を右側から視た模式図である。
【図１１】送信波のチルト方向が＋１０度となるように位相制御が行われたときの送信波の強度分布のシミュレーション結果である。
【図１２】送信波のチルト方向が＋２０度となるように位相制御が行われたときの送信波の強度分布のシミュレーション結果である。
【図１３】船舶に取り付けられた状態の送波器を左側から視た模式図である。
【図１４】移動中の船舶を後方から視た模式図であって、ロール補正について説明するための図であり、（Ａ）はロール方向に動揺する前の船舶及び送信ビームを示す図、（Ｂ）はロール方向に動揺した状態の船舶及び送信ビームを示す図、（Ｃ）はロール補正が行われた後の送信ビームを船舶とともに示す図、である。
【図１５】移動中の船舶を側方から視た模式図であって、ピッチ補正について説明するための図であり、（Ａ）はピッチ方向に動揺する前の船舶及び送信ビームを示す図、（Ｂ）はピッチ方向に動揺した状態の船舶及び送信ビームを示す図、（Ｃ）はピッチ補正が行われた後の送信ビームを船舶とともに示す図、である。
【図１６】移動中の船舶を上方から視た模式図であって、ヨー補正について説明するための図であり、（Ａ）はヨー方向に動揺する前の船舶及び送信ビームを示す図、（Ｂ）はヨー方向に動揺した状態の船舶及び送信ビームを示す図、（Ｃ）はヨー補正が行われた後の送信ビームを船舶とともに示す図、である。
【図１７】送信波のチルト方向をアジマス方向に応じて変化させたときの送信波の強度分布のシミュレーション結果である。
【図１８】横滑りしながら移動している船舶を上方から視た模式図である。
【図１９】変形例に係るソナーが有する送波器の平面図である。
【図２０】図１９のＸＸ−ＸＸ線における断面図であって、図１９に示す送波器が海中に露出している状態における各素子毎送信波の送波方向を矢印で模式的に示す図である。
【図２１】変形例に係るソナーの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る水中探知装置としてのソナー１の実施形態について図面を参照しつつ説明する。本発明の実施形態に係るソナー１は、いわゆるクロスファンビーム方式のソナーであって、船舶の船底に装備され、例えば自船下方の所定領域内の海底の起伏を測定するために用いられる。
【００１４】
［全体構成］
図１は、本実施形態に係るソナー１の構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態に係るソナー１の送波器１０の構成を模式的に示す斜視図である。また、図３は、図２に示す送波器１０が有する複数の送波素子Ａの展開図である。また、図４は、図２に示す送波器１０及び受波器５が船舶Ｓの船底に固定されている状態の一例を模式的に示す図であって、図４（Ａ）は船舶Ｓを側方から視た図、図４（Ｂ）は船舶Ｓを後方から視た図である。
【００１５】
図１を参照して、本実施形態に係るソナー１は、送信部３及び受信部４（受信回路）を有する送受信装置２と、送波器１０と、受波器５と、動揺センサ６と、信号処理部７と、表示器８とを備えている。
【００１６】
送信部３は、例えばアナログ回路によって構成されている。送信部３は、信号処理部７の送信制御部１５によって生成される信号であって、送波器１０が有する各送波素子Ａから送波される素子毎送信波の基となる送信信号、を増幅し、増幅後の送信信号を送波器１０に出力する。なお、送信部３及び送信制御部１５によって、送信回路１８が構成される。
【００１７】
［送波器の構成］
送波器１０は、送信部３から出力された送信信号に基づいて送信波を送波する。送波器１０は、それぞれが超音波振動子で構成された複数の送波素子Ａを有している。各送波素子Ａからは、所定の周波数帯の送信波が、時間間隔を空けて、所定のタイミング毎に送波される。
【００１８】
各送波素子Ａは、図２を参照して、細長い送波面１１を有している。送信波は、当該送波面１１から送波される。各送波素子Ａは、図２に示すように、送波器１０が有する円柱状の筐体である円柱筐体１２の外周面１３（送波素子固定面）に沿うように設けられている。具体的には、各送波素子Ａには、可撓性を有するコンポジット材料等が用いられていて、各送波素子Ａの長手方向が円柱筐体１２の中心軸ＣＬに対して斜め方向に傾くように円柱筐体１２の外周面１３に巻き付けられた状態で、円柱筐体１２の外周面１３に対して固定される。
【００１９】
送波器１０の製造方法は、例えば一例として、以下の通りである。具体的には、送波器１０の製造方法は、それぞれが可撓性を有する送波面１１を有する複数の送波素子Ａを準備し、円柱の側面の少なくとも一部を送波素子固定面（外周面１３）として有する筐体（円柱筐体１２）の該送波素子固定面に、前記複数の送波素子Ａをそれぞれの長手方向が前記筐体の中心軸ＣＬに対して斜め方向となるように前記送波素子固定面の周方向に沿って配列し、前記複数の送波素子Ａを前記送波素子固定面に密着させて固定する、製造方法である。
【００２０】
このような製造方法を用いれば、以下のようにして送波器を形成する必要がなくなる。具体的には、例えば送波素子にセラミック材料を用いて、該セラミック材料を円柱筐体１２の外周面１３に沿うような複雑な３次元状に形成して焼結させる必要がなくなる。すなわち、この製造方法によれば、比較的容易に送波器１０を製造できる。
【００２１】
送波器１０は、図３に示すように配列された複数の送波素子Ａが円柱筐体１２に対して巻き付けられたような構成を有している。図３の軸ｙに対する各送波素子Ａの角度は、例えば一例として２５度である。しかし、これに限らず、軸ｙに対する各送波素子Ａの角度は、それ以外の角度であってもよい。軸ｙは、送波器１０が船舶Ｓに固定された状態における船舶Ｓの前後方向に対応している。
【００２２】
なお、本実施形態では、送波器１０が、３０個の送波素子Ａを有している例を示しているが、これに限らず、それ以外の個数であってもよい。また、以下では、各送波素子を区別せずに説明するときには、該送波素子を示す符号としてＡを用いるが、各送波素子を区別して説明するときには、各送波素子を示す符号として、Ａ１，Ａ２，…，Ａ３０を用いる。送波素子Ａ１は、送波器１０が船舶Ｓに固定された状態において最も右舷側に配置される送波素子であって、送波素子Ａ３０は、送波器１０が船舶Ｓに固定された状態において最も左舷側に配置される送波素子である。
【００２３】
円柱筐体１２の外周面１３は、図２を参照して、該円柱筐体１２の中心軸ＣＬを含む平面で切断した場合における一方側の外周面である上側外周面１３ａと、他方側の外周面である下側外周面１３ｂとで構成される。本実施形態では、各送波素子Ａは、下側外周面１３ｂに設けられている。なお、複数の送波素子Ａのうち上側外周面１３ａ側に配置された送波素子Ａについては、その一部が上側外周面１３ａにも跨るように配置されてもよい。なお、上側外周面１３ａ及び下側外周面１３ｂは、以下のように定義されてもよい。具体的には、中心軸ＣＬと平行な直線を含む平面で外周面１３を切断した場合における一方側の外周面を上側外周面１３ａとし、他方側の外周面を下側外周面１３ｂとしてもよい。
【００２４】
送波器１０は、図４を参照して、船舶Ｓの船底に固定されている。具体的には、送波器１０は、図２及び図４を参照して、円柱筐体１２の中心軸ＣＬが船舶Ｓの前後方向と一致し、且つ送波器１０における円柱筐体１２の下側外周面１３ｂ側、すなわち送波器１０における送波素子Ａが設けられている側の部分が下側（海底側）となるように、船底に対して固定される。これにより、送波器１０からの送信波を、海中へ向けて送波することができる。なお、以下では、各送波素子Ａから送波される送信波を素子毎送信波と称する場合もある。
【００２５】
［送波器によって形成される音場について］
図５は、送波器１０によって海中に形成可能な音場の領域（以下、音場形成可能領域Ｚと称する）の模式図である。図５では、音場形成可能領域Ｚを、略平行四辺形状の太線枠で図示している。送波器１０によれば、音場形成可能領域Ｚの範囲内において、送信波を送波することができる。図５における上下方向はチルト方向θ（図４（Ａ）参照）に対応し、図５における左右方向はアジマス方向φ（図４（Ｂ）参照）に対応している。
【００２６】
音場形成可能領域Ｚは、各素子毎送信波によって形成可能な音場の領域（以下、素子毎音場領域Ｚ１〜Ｚ３０と称する）で構成される領域である。各素子毎音場領域Ｚ１〜Ｚ３０は、図５に示すように、斜め方向に傾く細長い楕円状となる。なお、図５では、図面が煩雑になるのを避けるため、領域Ｚ３〜Ｚ２９の図示を省略している。図５では、素子毎音場領域Ｚ１を、ドットハッチングが付された領域で示している。素子毎音場領域Ｚ２は、該領域Ｚ２の左側に隣接する領域Ｚ１よりもやや右側（アジマス方向φの値が小さくなる方向）へずれて形成される。同様に、素子毎音場領域Ｚ３〜Ｚ３０についても、それぞれの左側に隣接する素子毎音場領域Ｚ２〜Ｚ２９よりもやや右側へずれて形成される。
【００２７】
本実施形態に係るソナー１では、各送波素子Ａから送波される素子毎送信波の位相が適宜、制御されることにより、音場形成可能領域Ｚに含まれる所望の範囲内については、各素子毎送信波が互いに強め合って送信波の強度が強くなる。一方、それ以外の範囲については、各素子毎送信波が互いに打ち消し合って送信波の強度が弱くなる。本実施形態では、各素子毎送信波の位相が適宜、制御されることにより、送波器からの送信波が送波されるチルト方向θが制御される。これにより、所望のチルト方向θへファン状の送信ビームを形成でき、該チルト方向θへ送信波を送波できる。素子毎送信波の位相の制御は、詳しくは後述する送信制御部１５で行われる。
【００２８】
また、ソナー１では、各素子毎送信波の位相及び振幅が適宜、制御されることにより、いわゆる動揺補正が行われる。動揺補正とは、船舶がピッチ方向、ロール方向、或いはヨー方向に動揺して送信波の送波方向が所定方向からずれたときに、そのずれた送信波を元の所定方向に戻す補正である。この動揺補正も、後述する送信制御部１５で行われる。
【００２９】
［受波器の構成］
図６は、受波器５の構成を模式的に示す図であって、受波器５を受波面側から視た図である。受波器５は、送波器１０から送波された送信波の反射波を受信波として受波する。受波器５は、複数の受波素子Ｂを有している。複数の受波素子Ｂは、図６に示すように、細長い受波面Ｂ１を有している。受波器５では、複数の受波素子Ｂが、受波素子Ｂの短手方向に沿って、平面状に配列されている。また、受波器５では、該受波器５が船舶Ｓの底部に固定された状態において、受波素子Ｂの長手方向が船舶Ｓの前後方向に沿い、且つ受波素子Ｂの配列方向が船舶Ｓの左右方向に沿って配列されている。このように受波器５を構成することにより、送波器１０によって形成されるファン状の送信ビームと略直交する受信ビームを形成することができる。受波器５は、例えば一例として、図示しないハウジング或いは筐体によって送波器１０と一体化された状態で、船舶Ｓの底部に固定されている。しかし、これに限らず、送波器１０と受波器５とが別体に設けられ、それぞれが船舶Ｓの底部に固定されていてもよい。
【００３０】
受信部４は、例えばアナログ回路によって構成されている。受信部４は、受波器５の各受波素子Ｂが受波した受信波の増幅及びＡ／Ｄ変換を行って、各受信波を、デジタル信号としての受信信号に変換する。受信部４は、各受波素子Ｂが受波した各受信波に対して上述のような処理を行うことにより、各受波素子Ｂに対応した受信信号を生成する。
【００３１】
動揺センサ６は、ソナー１が搭載される船舶Ｓに対して固定されている。動揺センサ６は、船舶Ｓが水面に対して動揺したときの該船舶Ｓの姿勢情報、具体的には、船舶のピッチ角、ロール角、及びヨー角を検出するためのものである。動揺センサ６で取得された動揺データ、具体的には、ピッチ角、ロール角、及びヨー角は、信号処理部７に通知される。
【００３２】
信号処理部７は、図１を参照して、姿勢情報取得部１４と、送信制御部１５と、受信信号処理部２０と、画像生成部２１とを有している。信号処理部７は、ハードウェア・プロセッサ９（例えば、ＣＰＵ、ＦＰＧＡ等）及び不揮発性メモリ等のデバイスで構成される。例えば、ＣＰＵが不揮発性メモリからプログラムを読み出して実行することにより、信号処理部７を、姿勢情報取得部１４、送信制御部１５、受信信号処理部２０、及び画像生成部２１として機能させることができる。
【００３３】
姿勢情報取得部１４は、動揺センサ６によって検出された船舶Ｓのピッチ角、ロール角、及びヨー角を取得する。姿勢情報取得部１４で取得されたこれらの姿勢情報は、送信制御部１５に出力される。
【００３４】
送信制御部１５は、各送波素子Ａから送波される送信波の基となる送信信号を生成し、その送信信号を送信部３へ出力する。送信制御部１５は、送信信号生成部１６と、各送波素子Ａに対応して設けられた送信信号制御部１７とを有している。送信信号生成部１６は、所定の周波数を有する送信信号を生成する。
【００３５】
送信信号制御部１７は、各送波素子Ａに対応して設けられている。送信信号制御部１７は、各送信信号に対して、位相制御及び振幅制御の２つの制御を行う。位相制御では、各送信信号の位相が制御される。振幅制御では、各送信信号の振幅が制御される。なお、ここでは、送信信号制御部１７が、上述した２つの制御を行う例を挙げて説明したが、これに限らず、送信信号制御部１７は、これら２つの制御のうち少なくとも１つの制御を行えればよい。また、送信信号制御部１７は、振幅制御の代わりに、開口制御を行ってもよい。開口制御では、送信波が送波される送波素子Ａが選択される。
【００３６】
送信信号制御部１７は、各送波素子Ａに対応する各送信信号の位相を制御することにより、送波器からの送信波が送波される方向を制御する。具体的には、送信信号制御部１７は、ユーザが操作機器（図示省略）を介して入力したチルト角方向に向かって送信波が送波されるように、各送信信号に対して適宜移相処理を行う。これにより、送波器からの送信波を所定方向へ送波することができる。具体的には、送信信号制御部１７は、各送信信号の互いに対する遅延量を適宜、調整して、各送信信号に対する移相処理を行う。これにより、送信制御部１５からは、移相処理が行われた送信信号が、送信部３へ出力される。
【００３７】
図７は、船舶Ｓに取り付けられた状態の送波器１０を模式的に示す図であって、図７（Ａ）は送波器１０を前方から視た図、図７（Ｂ）は送波器を下方から視た図である。また、図８は、図７に示す送波器１０の各送波素子が音場を形成可能な領域である各素子毎音場領域を示す図である。
【００３８】
なお、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）では、説明の便宜上、及び図面が煩雑になるのを避けるため、図２に示す送波器と比べて送波素子Ａの数を少なくした送波器を図示している。また、以下では、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）を参照して、各送波素子Ａのうち、左側３つの送波素子を左側素子ＡＬ１，ＡＬ２，ＡＬ３と称し、中央部分３つの送波素子を中央素子ＡＣ１，ＡＣ２，ＡＣ３と称し、右側３つの送波素子を右側素子ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３と称する。各送波素子に対応して示されているドットは、各送波素子ＡＬ１，ＡＬ２，ＡＬ３，ＡＣ１，ＡＣ２，ＡＣ３，ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３の中心点ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３，ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３，ＰＲ１，ＰＲ２，ＰＲ３である。
【００３９】
［送信波のチルト制御について］
（Ａ）チルト方向θが０度の場合
チルト方向θが０度の方向にファン状の送信波を送波する場合、送信制御部１５は、各送波素子Ａから送波される素子毎送信波が互いに同じ位相となるように、各送波素子Ａに対応して生成された各送信信号の位相を制御する。そうすると、各アジマス方向φへ向かって高強度の送信波が送波される。
【００４０】
このことを、図７（Ａ）を用いて説明する。まず、中央素子ＡＣ１〜ＡＣ３について考えると、鉛直方向（言い換えると、アジマス方向φが０度の方向）における各素子ＡＣ１〜ＡＣ３の距離差は、ほとんどない。よって、各中央素子ＡＣ１〜ＡＣ３から送波される素子毎送信波は、アジマス方向φが０度の方向においては互いに強め合うため、アジマス方向φが０度の方向へ高強度の送信波を送波できる。ここで説明した中央素子ＡＣ１〜ＡＣ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ１付近の領域である。
【００４１】
次に、右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３について考えると、右斜め下方向（図７（Ａ）に示す例の場合、＋φ１方向）における各素子ＡＲ１〜ＡＲ３の距離差は、ほとんどない。よって、各右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３から送波される素子毎送信波は、アジマス方向φが＋φ１度の方向においては互いに強め合うため、アジマス方向＋φ１へ高強度の送信波を送波できる。ここで説明した右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ２付近の領域である。
【００４２】
次に、左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３について考えると、左斜め下方向（図７（Ａ）に示す例の場合、−φ１方向）における各素子ＡＬ１〜ＡＬ３の距離差は、ほとんどない。よって、各左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３から送波される素子毎送信波は、アジマス方向φが−φ１度の方向においては互いに強め合うため、アジマス方向−φ１へ高強度の送信波を送波できる。ここで説明した左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ３付近の領域である。
【００４３】
そして、全ての送波素子Ａについて、ここで説明したような位相制御を行うと、０度のチルト方向の各アジマス方向φへ高強度の送信波が送波される。図９は、送信波のチルト方向が０度となるように位相制御が行われたときの送信波の強度分布のシミュレーション結果である。図９、及び以下で詳しく説明する図１１、図１２、及び図１７では、送信波の強度とドットハッチングの濃さとが対応している。具体的には、送信波の強度が強い領域が濃いドットハッチングで示され、送信波の強度が中くらいの領域が中くらいの濃さのドットハンチングで示され、送信波の強度が弱い領域が薄いドットハッチングで示されている。図９に示すように、ソナー１によれば、アジマス方向の比較的広い範囲において、０度のチルト方向（鉛直下方向）へシャープな送信波を送波できることが確認できた。
【００４４】
（Ｂ）チルト方向θが＋θ１方向の場合、
チルト方向θが＋θ１方向となる方向に送信波を送波する場合、送信制御部１５は、各送波素子Ａから送波される素子毎送信波の位相差が以下で説明するような位相差となるように、各送波素子Ａに対応して生成された各送信信号の位相を制御する。そうすると、チルト方向が＋θ１となるファンビームを各アジマス方向φへ向かって高強度で送波できる。
【００４５】
このことを、図１０を用いて説明する。図１０は、船舶Ｓに取り付けられた状態の送波器１０を右側から視た模式図である。例えば右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３について考えると、送信波のチルト方向を＋θ１とするためには、右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３からの素子毎送信波のその方向＋θ１における光路差に起因する位相差がほとんどなくなるように、各右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３からの素子毎送信波に対して移相処理を行えばよい。これにより、右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３からチルト方向＋θ１へ高強度の送信波を送波できる。ここで説明した右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ４付近の領域である。
【００４６】
また、中央素子ＡＣ１〜ＡＣ３及び左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３についても、同様の移相処理を行うことにより、各素子ＡＣ１〜ＡＣ３，ＡＬ１〜ＡＬ３からチルト方向＋θ１へ高強度の送信波を送波できる。ここで説明した中央素子ＡＣ１〜ＡＣ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ５付近の領域である。また、ここで説明した左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ６付近の領域である。
【００４７】
そして、全ての送波素子Ａについて、ここで説明したような位相制御を行うと、＋θ１のチルト方向の各アジマス方向φへ高強度の送信波が送波される。図１１は、送信波のチルト方向が＋１０度となるように位相制御が行われたときの送信波の強度分布のシミュレーション結果である。また、図１２は、送信波のチルト方向が＋２０度となるように位相制御が行われたときの送信波の強度分布のシミュレーション結果である。図１１及び図１２に示すように、ソナー１によれば、アジマス方向の比較的広い範囲において、＋１０度及び＋２０度のチルト方向へシャープな送信波を送波できることが確認できた。なお、図１１及び図１２によれば、アジマス方向における一部の角度範囲については送信波の強度が弱くなっているが、少なくともφ＜５０°の範囲においては十分な強度が得られており、実使用的には問題ないレベルであると考えられる。
【００４８】
（Ｃ）チルト方向θが−θ１方向の場合、
チルト方向θが−θ１方向となる方向に送信波を送波する場合、送信制御部１５は、各送波素子Ａから送波される素子毎送信波の位相差が以下で説明するような位相差となるように、各送波素子Ａに対応して生成された各送信信号の位相を制御する。そうすると、チルト方向が−θ１となるファンビームを各アジマス方向φへ向かって高強度で送波できる。
【００４９】
このことを、図１３を用いて説明する。図１３は、船舶Ｓに取り付けられた状態の送波器１０を左側から視た模式図である。例えば左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３について考えると、送信波のチルト方向を−θ１とするためには、左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３からの素子毎送信波のその方向−θ１における光路差に起因する位相差がほとんどなくなるように、各左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３からの素子毎送信波に対して移相処理を行えばよい。これにより、左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３からチルト方向−θ１へ高強度の送信波を送波できる。ここで説明した左側素子ＡＬ１〜ＡＬ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ７付近の領域である。
【００５０】
また、中央素子ＡＣ１〜ＡＣ３及び右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３についても、同様の移相処理を行うことにより、各素子ＡＣ１〜ＡＣ３，ＡＲ１〜ＡＲ３からチルト方向−θ１へ高強度の送信波を送波できる。ここで説明した中央素子ＡＣ１〜ＡＣ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ８付近の領域である。また、ここで説明した右側素子ＡＲ１〜ＡＲ３によって形成される音場領域は、図８の点Ｐ９付近の領域である。
【００５１】
そして、全ての送波素子Ａについて、ここで説明したような位相制御を行うと、−θ１のチルト方向の各アジマス方向φへ高強度の送信波が送波される。
【００５２】
［動揺補正について］
送信制御部１５は、船舶Ｓが動揺したときに送波器からの送信波の向きが前記所定方向からずれた場合であっても、各送信信号に対して適宜移相処理を行うことにより、送信波の向きを所定方向へ戻す。このように、送信制御部１５が、船舶Ｓの動揺によって所定方向とは異なる方向へ送波される送信波を元の方向へ補正することにより、送信波を所定方向へ向かって送波し続けることができる。
【００５３】
［ロール補正］
図１４は、移動中の船舶Ｓを後方から視た模式図であって、ロール補正について説明するための図であり、（Ａ）はロール方向に動揺する前の船舶Ｓ及び送信ビームを示す図、（Ｂ）はロール方向に動揺した状態の船舶Ｓ及び送信ビームを示す図、（Ｃ）はロール補正が行われた後の送信ビームを船舶Ｓとともに示す図、である。図１４、及び以下で詳しく説明する図１５及び図１６では、送信ビームが形成される範囲をドットハッチングで示している。
【００５４】
本実施形態では、ロール補正は、以下のようにして行われる。具体的には、船舶Ｓがロール方向に動揺して送信ビームの中心軸Ｌが鉛直下方向からずれた場合（図１４（Ｂ）参照）、送信制御部１５は、その送信ビームの中心軸Ｌが元に戻るように（すなわち、鉛直下方向を向くように）、各送信信号の振幅制御を行う。具体的には、送信制御部１５は、例えば一例として、ロール方向への動揺によって鉛直下方を向いた送波素子Ａの振幅を大きくし、それ以外の送波素子Ａについては、前記ロール方向への動揺によって鉛直下方を向いた送波素子Ａから離れるにつれて振幅が小さくなるように、ウェイトを付けた振幅制御を行う。これにより、ロール方向における動揺補正を行うことができるとともに、ビーム波形におけるサイドローブを抑圧できる。
【００５５】
［ピッチ補正］
図１５は、移動中の船舶Ｓを側方から視た模式図であって、ピッチ補正について説明するための図であり、（Ａ）はピッチ方向に動揺する前の船舶Ｓ及び送信ビームを示す図、（Ｂ）はピッチ方向に動揺した状態の船舶Ｓ及び送信ビームを示す図、（Ｃ）はピッチ補正が行われた後の送信ビームを船舶Ｓとともに示す図、である。
【００５６】
本実施形態では、ピッチ補正は、以下のようにして行われる。具体的には、船舶Ｓがピッチ方向に動揺して送信ビームの中心軸Ｌが鉛直下方向からずれた場合（図１５（Ｂ）参照）、送信制御部１５は、その送信ビームの中心軸Ｌが元に戻るように（すなわち、鉛直下方向を向くように）、各送信信号の位相を制御する。
【００５７】
具体的には、ピッチ方向における動揺補正は、上述したチルト方向の制御と同じ原理で行われる。具体的には、例えば一例として、ピッチ方向０度の方向へ送信波を送波しているときに、船舶Ｓの船首が持ち上がるように１０度傾いた場合には、船舶Ｓを基準としたチルト方向が−１０度の方向へ送信波が送波されるように各素子毎送信波の位相を制御することにより、ピッチ補正を行うことができる。
【００５８】
［ヨー補正］
図１６は、移動中の船舶Ｓを上方から視た模式図であって、ヨー補正について説明するための図であり、（Ａ）はヨー方向に動揺する前の船舶Ｓ及び送信ビームを示す図、（Ｂ）はヨー方向に動揺した状態の船舶Ｓ及び送信ビームを示す図、（Ｃ）はヨー補正が行われた後の送信ビームを船舶Ｓとともに示す図、である。
【００５９】
本実施形態では、ヨー補正は、以下のようにして行われる。具体的には、船舶Ｓがヨー方向に動揺して送信ビームが上方視で斜め方向に傾いた場合（図１６（Ｂ）参照）、送信制御部１５は、その傾きが元に戻るように（図１６（Ｃ）参照）、各送信信号の位相を制御する。
【００６０】
ヨー方向における動揺補正は、以下のようにして行われる。例えば図１６（Ｂ）を参照して、アジマス方向φが比較的大きい方向へ送波される素子毎送信波の送波地点Ｐａは、ヨー方向への動揺によって、本来その素子毎送信波が送波されるべき地点Ｐｂから大きくずれる。よって、送信制御部１５は、本来その素子毎送信波が送波されるべき地点Ｐｂへ素子毎送信波が送波されるように送信信号の位相を制御して、その大きなずれ量を補正する。
【００６１】
一方、図１６（Ｂ）を参照して、アジマス方向φが比較的小さい方向へ送波される素子毎送信波の送波地点Ｐｃは、ヨー方向への動揺によって、本来その素子毎送信波が送波されるべき地点Ｐｄから、ややずれる。よって、送信制御部１５は、本来その素子毎送信波が送波されるべき地点Ｐｄへ素子毎送信波が送波されるように送信信号の位相を制御して、その小さなずれ量を補正する。すなわち、送信制御部１５は、アジマス方向φによらずチルト方向θが一定になるように各送信信号の位相を制御するのではなく、アジマス方向φに応じてチルト方向θが変化するように、各送信信号の位相を制御する。
【００６２】
図１７は、送信波のチルト方向をアジマス方向に応じて変化させたときの送信波の強度分布のシミュレーション結果である。図１７に示すように、ソナー１によれば、送信波のチルト方向をアジマス方向に応じて変化させても、チルト方向において比較的シャープな送信波を送波できることが確認できた。
【００６３】
受信信号処理部２０は、各受波素子Ｂから得られた受信信号にビーム形成処理（具体的には、整相加算）を行うことにより、各アジマス方向に指向性を有する多数の受信ビームを生成する。そして、受信信号処理部２０は、各アジマス方向に形成された受信ビームによって得られた受信信号に基づき、各アジマス方向の測深を行う。ソナー１では、船舶Ｓが移動しながら上述のような測深が行われることにより、自船下方の２次元領域内における各地点の測深を行うことができる。
【００６４】
画像生成部２１は、上述のようにして測深が行われた自船下方の２次元領域内の各地点の測深データに基づいて、海底の地形図を生成する。海底の地形図は、海底を斜め上方向から視た俯瞰図であってもよく、或いは、海底を上方から視た図であって深度を色調に対応させて示した図（例えば、浅い位置を赤色で示し、深い位置を青色で示し、中間位置を橙、黄色、緑等で示した図）であってもよい。
【００６５】
表示器８には、画像生成部２１で生成された海底地形図が表示される。
【００６６】
［効果］
以上のように、本実施形態に係るソナー１では、送波器１０を以下のような構成とした。具体的には、それぞれが船舶Ｓの前後方向に対して斜め方向に延びるとともに船舶Ｓの左右方向に沿って配列される複数の送波素子Ａ、を有する送波器１０を構成した。このように送波器１０を構成することで、船舶Ｓがロール方向、ピッチ方向、及びヨー方向のいずれに沿って動揺した場合であっても、送信波の送波方向を元の方向へ戻すことができる。すなわち、ソナー１によれば、船の動揺方向によらず、送信波が送波される方向を安定化できる。更に、ソナー１では、送波素子Ａが一次元状に配置されている。すなわち、ソナー１によれば、送波素子を２次元状に配置する必要がないため、少数の送波素子Ａを用いて、送信波の送波方向を安定化できるソナー１を提供できる。
【００６７】
従って、ソナー１によれば、送信波の送波方向を安定化できる水中探知装置を、低コストで提供できる。
【００６８】
また、ソナー１では、送信制御部１５によって、各送波素子に対応して生成される各送信信号の位相を制御することにより、送信波が送波される方向を容易に変えることができる。
【００６９】
また、ソナー１では、姿勢情報取得部１４で取得された船舶Ｓのピッチ角、ロール角、及びヨー角に基づき、各送信信号の位相及び振幅が適宜、制御される。これにより、船舶の動揺方向によらず、送波器からの送信波を安定的に所定方向へ送波することができる。
【００７０】
また、ソナー１によれば、送信波のアジマス方向φに応じてチルト方向θを制御することができる。これにより、船舶Ｓがヨー方向に動揺した場合であっても、送波器からの送信波を元の方向へ補正することができる。
【００７１】
また、ソナー１では、複数の送波素子Ａが、曲面状に（具体的には、円柱筐体１２の外周面に沿って）配置されている。これにより、送信波を、アジマス方向へ広げて送波することが可能となる。
【００７２】
また、ソナー１では、複数の送波素子Ａが、円柱の側面における少なくとも一部を含み、送波器１０が船舶Ｓに固定された状態において下方へ膨出する曲面（具体的には、円柱筐体１２の外周面に沿って）配置されている。これにより、各素子毎送信波を、各アジマス方向へ送波することができる。
【００７３】
また、ソナー１では、複数の受波素子Ｂが船舶Ｓの左右方向に沿って配列されている。これにより、送波器１０で形成される送信ビームと交差する受信ビームを形成することができるため、クロスファンビーム方式のソナーに適した受波器を提供できる。
【００７４】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００７５】
（１）上述した実施形態では、船舶Ｓが動揺しているときにその動揺を補正するソナー１を例に挙げて説明したが、これに限らない。具体的には、上述した動揺補正に加えて、船舶が横滑りしながら航行しているときの送信波の送波方向が所定方向に向くように、各素子毎送信波の位相を制御してもよい。
【００７６】
図１８は、横滑りしながら移動している船舶Ｓを上方から視た模式図である。船舶Ｓの横滑り時における各素子毎送信波の位相制御は、以下のようにして行われる。具体的には、ファン状の送信波（図１８におけるドットハッチングが付されている領域）が、船舶Ｓの前後方向ではなく、船舶Ｓの進行方向ｄに対して垂直になるように、各素子毎送信波の位相が制御される。具体的な位相の制御については、上記実施形態においてヨー方向への動揺が発生したときの制御と同じであるため、その説明を省略する。また、船舶Ｓが横滑りしながら移動する際には、ロール方向への動揺、ピッチ方向への動揺、及びヨー方向への動揺が複合的に起こり得るが、それらの動揺補正については、上記実施形態における場合と同様に行われるため、その説明についても省略する。
【００７７】
以上のように、本変形例によれば、船舶Ｓの横滑り時でも送信波の送波方向を安定化できる。
【００７８】
（２）図１９は、変形例に係るソナーが有する送波器１０ａの平面図である。また、図２０は、図１９のＸＸ−ＸＸ線における断面図であって、図１９に示す送波器１０ａが海中に露出している状態における各素子毎送信波の送波方向を矢印で模式的に示す図である。
【００７９】
上記実施形態の送波器１０では、送波素子Ａが円柱筐体１２の外周面１３に沿って密着して固定されている例を挙げて説明したが、これに限らない。本変形例に係る送波器１０ａでは、送波素子Ａが平面に沿って配列されていて、その送波面１１の表面に音響レンズ３３が取り付けられている。以下では、上記実施形態と異なる点について説明し、それ以外の点については説明を省略する。
【００８０】
本変形例の送波器１０ａは、所定の厚みを有する板状に形成された板状筐体３１と、該板状筐体３１に固定された複数の送波素子３２と、音響レンズ３３とを有し、これらが互いに組み合わせられることにより形成されている。
【００８１】
送波器１０ａでは、板状筐体３１における一方側の面に、複数の送波素子３２が固定されている。具体的には、複数の送波素子３２は、その長手方向が、送波器１０ａが船舶Ｓに固定された状態における該船舶Ｓの前後方向に対して斜め方向に沿うように、且つ該船舶Ｓの左右方向に沿って互いに間隔を空けて、板状筐体３１に固定されている。送波器１０ａは、船舶Ｓに固定された状態において、送波素子３２が固定された側の面が下方を向き且つ水平面に沿うように配置される。
【００８２】
音響レンズ３３は、各送波素子３２から送波される送信波をアジマス方向へ広げるためのものである。音響レンズ３３は、海水とは屈折率が異なる物質によって構成されている。なお、図２０では、音響レンズ３３が平凸レンズで構成されている例を図示しているが、これに限らず、音響レンズ３３を構成する物質の屈折率と海水の屈折率との関係性に応じて、他の形状（例えば一例として、平凹レンズ）となる場合もある。
【００８３】
上述した実施形態の送波器１０では、各送波素子Ａが円柱筐体１２の外周面に沿って取り付けられることにより、各素子毎送信波が対応するアジマス方向へ送波されていた。これに対し、本変形例の送波器１０ａでは、図２０を参照して、各素子毎送信波の送波方向が音響レンズ３３によって曲げられることにより、各素子毎送信波が対応するアジマス方向へ送波される。すなわち、本変形例の送波器１０ａは、上記実施形態の送波器１０と比べて、素子毎送信波をアジマス方向へ広げて送波するための構成が異なるだけであり、それ以外の点、例えば素子毎送信波の位相の制御手法等は同じである。
【００８４】
従って、本変形例に係るソナーによっても、上記実施形態に係るソナー１の場合と同様、送信波の送波方向を安定化できる水中探知装置を、低コストで提供できる。
【００８５】
また、本変形例に係るソナーによれば、送波器１０ａが、音響レンズ３３を備えた構成となっている。これにより、送波器１０ａが有する各送波素子３２から送波される素子毎送信波をアジマス方向へ広げて送波することができるため、アジマス方向へ拡がるファン状の送信ビームを形成できる。
【００８６】
（３）図２１は、変形例に係るソナー１ａの構成を示すブロック図である。上述した実施形態では、送波器１０から送波される送信波の周波数帯が同じである例を挙げて説明したが、これに限らない。具体的には、各送波素子Ａから、異なる周波数を有する送信波が異なるタイミングで送波されるように、ソナー１ａを構成してもよい。
【００８７】
本変形例の送信回路１８ａの送信制御部１５ａでは、送信信号生成部１６ａが、互いの周波数が異なる第１送信信号及び第２送信信号を繰り返し生成し、送信信号制御部１７が、各送信信号に対して、上記実施形態の送信信号制御部の場合と同様の移相処理を行う。第１送信信号及び第２送信信号は、交互に形成される。
【００８８】
送波器１０ａからは、第１送信信号に対応する第１送信波と、第２送信信号に対応する第２送信波とが交互に送波される。送波器１０ａにおいて第１送信波（又は第２送信波）が送波されてから次に第２送信波（又は第１送信波）が送波されるまでの時間間隔は、上記実施形態における送信波の送波間隔よりも短い。
【００８９】
受波器５ａでは、第１送信波の反射波である第１受信波と、第２送信波の反射波である第２受信波とが交互に受波される。受波器５ａで受波された第１受信波及び第２受信波は、それぞれ、受信部４ａによって第１受信信号及び第２受信信号に変換された後、受信信号処理部２０ａに出力される。受信信号処理部２０ａは、第１受信信号及び第２受信信号のそれぞれを区別して処理し、各受信信号に基づいて、上記実施形態の場合と同様の測深処理を行う。そして、本変形例でも、上記実施形態の場合と同様の動揺補正が行われる。
【００９０】
以上のように、本変形例によれば、上記実施形態のソナー１の場合と比べて、短い時間間隔で超音波の送受波が行われるため、単位面積あたりの測深地点を増やすことができる。すなわち、本変形例によれば、より精度の高い海底地形図を得ることができる。
【００９１】
なお、本変形例では、送波器１０ａから２種類の送信波（第１送信波及び第２送信波）が送波される例を挙げて説明したが、これに限らず、送波器１０ａから、互いの周波数が異なる３種類以上の送信波（第１送信波、第２送信波、第３送信波、…）が送波されるように、ソナーを構成してもよい。これにより、より一層精度の高い海底地形図を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、水中探知装置、特にクロスファンビーム方式の水中探知装置として広く適用することができるものである。
【符号の説明】
【００９３】
１，１ａ                    ソナー（水中探知装置）
４，４ａ                    受信部（受信回路）
５                          受波器
１０，１０ａ                送波器
１４                        姿勢情報取得部
１５，１５ａ                送信制御部
１８，１８ａ                送信回路
２１                        画像生成部
Ａ，Ａ１〜Ａ３０，３２      送波素子
Ｂ                          受波素子
【図１】
2018013368.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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