(57)【要約】【課題】２Ｄおよび３Ｄ画像に使用される複数の角度的に発散する音響ビームを送信および／または受信する周波数ステアリング型音響アレイ[30、60、120等]を提供する。【解決手段】アレイへの入力パルスは一般に非線形の、周波数変調によるパルスである。周波数で操作される音響アレイは、一次元の線形および二次元平面、曲線の形態で提供され、シングルまたはマルチアレイとして動作させることができ、周期的または非周期性のトランスジューサ素子の面空間を使用することができ、３Ｄ容積測定データを生成するために機械的に走査することができる。複数の画像視界は、位相シフトアレイトランスジューサ素子の極性を切り換えることによって、異なる方向で生成することができる。Ｘ構成に配置されたマルチ周波数ステアリング型アレイ[150、152、164、166]は、広く連続した視野を提供し、Ｔ構成に配置されたマルチ周波数ステアリング型アレイ[170、172、220]は、直交した視野を提供する。また、機械的ビームステアリングモード、電子的時間遅延および位相シフトビーム形成モードおよび位相比較角度推定モードを結合した周波数ステアリングモードで音響アレイを動作させるための方法およびシステムが提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力音響信号の周波数によってステアリング可能な角度的に拡散する複数の音響ビームを生成可能な多数の音響トランスジューサ素子を含む音響アレイであって、ｍ=１／２、ｍ=１／４、ｍ=１／８、ｍ=１／１６およびｍ=１／ｎのグループから選ばれた次数で動作可能なことを特徴とする周波数ステアリング型の音響アレイ。
【請求項２】
前記周波数ステアリング型音響アレイはマルチ次数であり、m=１／２、m=１／４、m=１／８、m=１／１６およびm=１／ｎのグループから選ばれた少なくとも２つの次数の組み合わせで動作可能なことを特徴とする、請求項１のステアリング型音響アレイ。
【請求項３】
非周期的間隔および／または移相を有する複数の音響トランスジューサ素子であって視野を有する音響ビームを送信および／または受信可能の音響トランスジューサ素子から成る音響アレイは、周波数帯域の選択によって調整可能である。
【請求項４】
周波数ステアリングを受けるビームを少なくとも２つの異なる方向の視界で送信および／または受信可能の音響アレイであって、該アレイは複数の音響トランスジューサ素子を含み、該素子のそれぞれは隣り合う素子に関して位相がシフトしており、また前記素子のそれぞれは、アクティブな周波数ステアリング視界を選択するために、前記素子の少なくとも一部の極性、位相シフトまたは相互接続が切換可能なコントローラに電気的に接続されている、請求項１ないし３のいずれか一つの音響アレイ。
【請求項５】
前記アレイの面に直角な面に関して対称な少なくとも２つの視界の、周波数ステアリングを受ける音響ビームを送信および／または受信可能な、請求項４の音響アレイ。
【請求項６】
前記音響アレイがｍ＝１／４のアレイ次数を有し、交互配列のアレイ素子が、該素子の極性、位相シフトまたは相互接続を切り換えることが可能なコントローラに電気的に接続されている、請求項５の音響アレイ。
【請求項７】
さらに、線形の軸線に沿って前記周波数ステアリング型音響アレイを走査可能な機械的なステアリング機構を含む、請求項１ないし６のいずれか一つの音響アレイ。
【請求項８】
前記アレイは、平らなまたは湾曲した輪郭を有する一次元の線形アレイ、全体的に平らな輪郭を有する二次元の平面アレイおよび湾曲した輪郭を有する二次元の曲線アレイのグループから選ばれた構成を有する、請求項１ないし６のいずれか一つの音響アレイ。
【請求項９】
同一面で前記周波数ステアリング型アレイに角度的に配置された第２の音響アレイに組み合わされており、該アレイの組合せが、単一平面上で異なる視界の音響パルスを送信および／または受信可能である請求項１ないし６のいずれか一つの音響のアレイ。
【請求項１０】
前記音響アレイは相互に角度的に配置されており、これにより連続した視界を生成するために送信および／または受信の視界が隣接または重複している、請求項９の音響アレイの組合せ。
【請求項１１】
前記第２の音響アレイが周波数ステアリング型アレイである、請求項９または１０の音響アレイの組合せ。
【請求項１２】
前記周波数ステアリング型アレイの平面にほぼ直交した平面上で該アレイに角度的に配置された第２の音響アレイに組み合わせられ、該アレイの組み合わせは、互いにほぼ直交する２つの平面上で異なる視界の音響パルスを送信および／または受信可能である、請求項１ないし６のいずれか一つの周波数ステアリング型の音響アレイ
【請求項１３】
前記第２の音響アレイが周波数ステアリング型アレイである、請求項１２の音響アレイの組み合わせ。
【請求項１４】
前記周波数ステアリング型の音響アレイがマルチ次数であり、ｍ＝１／２、ｍ＝１／４、ｍ＝１／１６およびｍ＝１／ｎのグループから選ばれた少なくとも２つの次数で動作可能な、請求項９ないし１３のいずれか一つの音響アレイの組合せ。
【請求項１５】
さらに、線形の軸線に沿って前記音響アレイの組み合わせを走査可能な機械的なステアリング機構を含む、請求項９ないし１３のいずれか一つの音響アレイの組み合わせ。
【請求項１６】
周波数でステアリング可能の前記音響アレイは、平らなまたは湾曲した輪郭を有する一次元の線形アレイ、全体的に平らな輪郭を有する二次元の平面アレイおよび湾曲した輪郭を有する二次元の曲線アレイのグループから選ばれた構成を有する、請求項９ないし１３のいずれか一つの音響アレイの組合せ。
【請求項１７】
送信モードで前記アレイに音響入力を提供する音響パルス発生器に電気的に接続されまた受信モードで音響受信機と電気的に接続される請求項１ないし１６のいずれか一つの周波数ステアリング型アレイまたはその組み合わせと、受信した音響信号から角度および距離の情報を生成しかつ前記角度および距離の情報を表す像を生み出すために、時間周波数信号解析を使用する信号処理装置と、画像を表示するための画像表示装置とを含む音響画像システム。
【請求項１８】
前記音響パルス発生器は、ＦＭパルス、スケール掃引されたウエーブレットパルス列、マルチウエーブレットパルス、マルチ周波数パルス、擬似ランダムの、前記アレイのスケーリングされた開口関数にマッチする付加あるいは重複したサブパルス系列のグループから選択された広帯域音響パルスを発生させる、請求項１７の音響画像システム。
【請求項１９】
前記音響パルス発生器は、可変の掃引速度を有する広帯域、非線形の周波数変調パルスを発生させる、請求項１７の音響画像システム。
【請求項２０】
前記音響パルス発生器は、定数TBf値の角度毎にサブパルスを含む出力パルスを発生させる、請求項１７の音響画像システム。
【請求項２１】
前記信号処理装置は、受信した音響信号から角度および距離の情報を生成するために、受信信号の短い窓部分へのフーリエ変換(STFT)を連続的に適用する、請求項１７の音響画像システム。
【請求項２２】
前記信号処理装置により受信された音響信号はデジタル化され、受信された音響信号から角度および距離の情報を生成するために、前記信号処理装置は離散型短時間フーリエ変換(DSTFT)を使用する、請求項１７の音響画像システム。
【請求項２３】
前記信号処理装置により受信された音響信号はデジタル化され、受信された音響信号から角度および距離の情報を生成するために、前記信号処理装置はデジタル有限インパルス応答(ＦＩＲ)フィルタバンクを作動させる、請求項１７の音響画像システム。
【請求項２４】
前記音響パルス発生器は、音響送信パルスにマッチしたフィルタバンクおよび周波数ステアリング型アレイ開口関数を含む、請求項１７の音響画像システム。
【請求項２５】
少なくとも一つの音響アレイは第１の方向へ周波数ステアリングモードで動作可能であり、また前記第１の方向と異なる第２の方向へ他の非周波数ステアリングモードで動作可能である、請求項２５の音響画像システム。
【請求項２６】
前記第２の方向は前記第１の方向に直交する、請求項２５の音響画像システム。
【請求項２７】
前記非周波数ステアリングモードは、位相シフトモード、時間シフトモード、音響レンズビーム成形モードおよび位相比較モードからなるグループから選択される、請求項２５の音響画像システム。
【請求項２８】
前記非周波数ステアリングモードは時間遅延ビーム成形モードであり、前記第２の方向は第１の方向に直角な、請求項２５の音響画像システム。
【請求項２９】
少なくとも一つの前記音響アレイが曲線アレイである、請求項２５の音響画像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２Ｄおよび３Ｄのソナーと超音波装置との画像システムに特に有益な周波数ステアリング型音響アレイを実施する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
優先権主張出願の言及
この出願は、２００３年７月１１日に出願された米国仮特許出願第60/485,981号および２００４年３月１日に出願された米国仮特許出願第60/549,111号の優先権を主張するものである。これらの特許出願は、参考によってここに取り入れられる。
【０００３】
音響トランスジューサのアレイで生じるビームを成形し、ステアリングするための伝統的な方法は、位相が調整されたあるいは時間遅延された音響パルスを含み、アレイの各連が別個のハードウェアチャンネルとしてサンプリングされることを必要とする。このアプローチは、効果的で高解像度の画像システムを作り出すが、それはまた各ハードウェアチャンネルのためにかなりの電子技術の支援を必要とし、そのシステムが必要とする費用、サイズ、重量および電源条件を高めている。
【０００４】
レーダコミュニティは、周波数走査レーダ技術を用いたビームの位置合わせを行うために、周波数を使う。この技術は、周波数が前記アレイのメインビームのステアリング角を決めるように、適正な位相シフトを与える遅延線をアンテナアレイに使用する。周波数ステアリングを受けるビーム成形システムには、また、ソナーシステムに移相電子機器と、マルチチャネル音響アレイとが用いられている。周波数領域の中に角度的な画像処理情報の地図を作るために、これらのシステムは、特有なアレイ構造と広帯域のパルスとを使う。そのようなシステムのためのビーム成形器は、時間周波数(例えばスペクトル写真、ウィグナー)または時間スケール(例えばウエーブレット)分解データ処理技術に基づいて設計することができる。この方法は、1つのハードウェアチャンネルを使って、複数の独立ビームを同時に形成することを可能にする。
【０００５】
周波数ステアリング型の音響システムは、空間で別個のビームを形成するために、プリズムまたは回折格子に入射する光線の分散に似た角度的なスペクトル分散を使う。光学の分野では、回折格子は、ファセット間の与えられた間隔dに応じた離散的な特有な角度の組を利用するように設計され、その角度に沿って各ファセットから回折した波が他のファセットから回折した波に同調し、それによりコヒーレント結合する。古典的な透過型格子方程式は、次の通りである。
【０００６】
【数１】
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ここで、ｍは、次数すなわちファセット間の波長λの数である。
【０００７】
変数ｍおよびｄによって定義される所定の格子構造のために、式（１）は、角度と周波数との間の関数を提供する。ブレーズ回折格子では、個々のファセットは、開先角度χでアレイの全体的な平面から離れるように回転させられている。θすなわち格子面に垂直な面とビームとの間の角度が、ｍ＝ -２、-１、０、１および２毎に、波長に対してプロットされている場合、周波数ステアリング型システムに関する回折格子のいくつかの重要な態様が言及されている。第一に、０次は周波数に依存せず、これはすべての周波数で真実である。０次数のビームは、周波数の関数としてステアリングされないので、位相シフトまたは時間遅延によってステアリングできるビームが従来のシステムで用いられている。この周波数に依存しない０次数のビームは、一般に、周波数ステアリング型システムでは有益でなく、したがって、それが紛らわしい応答を生じないように、抑制されなければならない。
【０００８】
正および負の一次のビームは、λ／ｄ＝１で、「エンドファイア」オリエンテーション(アレイ法線に直角)と一般に称される可視領域(−９０度から９０度)に入る。周波数が増大すると、λ／ｄ＝０．５で、両一次ビームが１オクターブ高い周波数の両２次ビームに結合される。−９０度から９０度の間のすべての角で、１次および２次のビームは、1オクターブのスペクトルバンド幅で分離される。1オクターブを超えるスペクトルバンド幅が使われるならば、２次ビームは紛らわしさを作り出すかもしれない。
【０００９】
古典的な透過回折格子の式は、基本周波数ステアリング型音響ビーム形成の式である。簡単な周波数ステアリング型ビーム形成と処理システムが図１に概略的に示されている。図は、パルス発生器によって引き起こされ、周波数ｆ０…ｆｎのレンジを有する音響ビームから構成されるブロードバンド音響パルス１２の流れを左から右へ示す。広帯域パルス１２の出力電気信号は、プロジェクター電子機器１４と周波数ステアリング型アレイ１６とから構成されている音響ビーム成形器に入力される。前記音響アレイは、式（１）によって与えられた角度間隔(θ)および周波数ｆの間の既知の非線形の関係を有する周波数が拡散した音場１８を生み出すように、設計される。このように、多くの音響周波数を含むブロードバンド信号は、周波数ステアリング型アレイに送られて、周波数に依存した異なる角度を有する一組の音響ビームとして現れる。
【００１０】
ブレーズアレイ１６からの周波数拡散音響場１８は周囲の環境および／または目標２０と相互作用し、後方散乱する周波数分散音場２２は、周波数型アレイとして形成された受信アレイ２４および受信電子機器２６に入射し、広帯域信号２８に再結合される。したがって、反射した信号は、それらが送信されたと同じ角度で前記周波数ステアリング型アレイにより受信され、また再結合されて、単一の広帯域受信信号を形成する。次に、アナログおよびデジタル処理技術が、広帯域信号に適用され、周波数を分離し、超音波医療システムのそれと同様な画像を作り出して表示する。
【００１１】
周波数ステアリング音響場のためのあるシステムは、アレイの全体的な面から角度的に配置された音響素子の活性面を有する「ブレーズアレイ」を使用する。米国特許５，９２３，６１７号は、隣り合う音響素子が互いずらせて配置され、段階アレイに形成された段状の多数の音響素子を含むブレーズアレイを使用したソナーシステムを示す。前記‘６１７特許に記載されたブレーズアレイは、ファセット間に単一波長を有する第１次数（ｍ＝１）のアレイである。前記特許公報では、より高次数およびマルチ次数のモードが設計できると認識されている。
【００１２】
前記ブレーズアレイおよび時間−周波数ビーム成形の最も簡単な実施は、単一チャンネルの２Ｄ画像ソナーシステムである。単一チャンネルのブレーズアレイとスペクトログラムをベースとしたビーム成形器とを使って収集されたデータは、アル、エル、トンプソン他の「ブレーズアレイを用いた結果の二次元および三次元画像」、IEEE  オーシャンズ、２００１年会報、第二巻、第９８５−９８８頁に示されている。この出版物は、また、従来のアレイ構造と、３Ｄの立体画像を作り出すためのビーム成形技術とを結合して実施するブレーズアレイを記載する。1つの３Ｄ構成は、水平な合成開口を作り出すために、垂直に方向付けられて水平に流れるように伸びるブレーズアレイを使用した。３Ｄブレーズ合成開口ソナーデータのセットから与えられる幾つかの描写が提供されている。２Ｄおよび３Ｄの両システムは、1つのハードウェアチャンネルで実施された。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５，９２３，６１７号公報
【非特許文献１】アル、エル、トンプソン他著、IEEE  オーシャンズ、２００１年会報、第二巻、ｐ985-988
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の方法およびシステムは、周波数によってステアリングされる角度的に発散した複数のビームを生成する音響画像システムを提供すべく、周波数ステアリング型音響アレイと時間周波数信号解析とを使用する。これらの周波数ステアリング型システムは、周波数ステアリング型アレイが個々の周波数チャンネルにビーム信号を効果的に多重化するので、1つのハードウェアチャンネルを用いる２Ｄ画像を発生させるためのデータ処理技術で実現することができる。周波数ステアリング型アレイ技術を従来のアレイ構造およびビーム成形技術と共に使用することにより、３Ｄ音響画像システムは、従来の２Ｄシステムのために必要とされていると同数のハードウェアチャンネルを使って、実施することができる。これらのシステムは、特別な空間情報を伝えるために、数が減少したハードウェアチャンネルの帯域幅が増大するので、同じデータ転送速度で動作する。周波数ステアリング型アレイ画像システムは、高いフレームレートで高解像度イメージを提供し、かつ画像シーンの低い安定性を要求するので、一回の通信で全イメージをこのように集めることができる。
【００１５】
ソナーシステムの実施で２Ｄおよび／または３Ｄ画像を生じる周波数ステアリング型アレイを用いることは、多くの利点を提供する。第一に、周波数ステアリング型アレイが1つの広帯域の信号を使って多重ビームを発生させるので、画像を作るために必要とされるアナログ電子機器の量は、従来の画像ソナーのそれに比較してかなり低減する。必要とされる電子機器を減らすことによって、画像ソナーは、従来の画像ソナーよりもかなり小さく、より安価に、またより低い電力しか要求しない。画像ソナーに周波数ステアリング型アレイを使うことの他の利点は、それらが、浅い水域でさえ高い品質の像を作り出すことができることにある。従来の小型のソナーは、しばしば比較的に広いビームで、狭い周波数帯域を使用して送受信する。これらの広いビーム信号は、浅い水の中で、多くの面で反射される傾向があり、一般的にマルチパス干渉と称されるものを作り出す。これらのマルチパス信号は、(同じ目標から)いろんな方向へ戻り、入り乱れ、結果として紛らわしいソナー像を生じる。周波数ステアリングを受ける画像システムは、送信および受信の両モードで多くの細いビームを発生させることができるので、このシステムはマルチパス信号による影響を受け難く、浅海環境において従来のソナー装置より、より良好に機能する。
【００１６】
本発明の画像法および画像システムは、シングル次数アレイで、ｍ＝１／２、ｍ＝１／４、ｍ＝１／８またはｍ＝１／ｎの次数を有する周波数ステアリング型音響アレイへの入力信号として、好ましくは広帯域音響パルスを利用し、またはマルチ次数アレイで、これらの1つ以上の組合せを利用する。広帯域パルスは、ＦＭパルス、スケール掃引のウエブレットパルス列、マルチウエブレット、マルチ周波数パルス、擬似ランダムの、アレイのスケーリングされた開口関数にマッチするサブパルスが付加されあるいは重複した系列、または他のタイプの広帯域音響パルスである。広帯域音響パルスは、発生した周波数ステアリングを受けるビームのそれぞれに好ましくはほぼ等しい量のエネルギーを付与する。
【００１７】
周波数ステアリング型音響アレイは、種々の物質から構成されており、種々の構成で提供される。適した音響トランスジューサは、チタンジルコン酸鉛(ＰＺＴ)、などの従来の圧電材料、フッ化ビニリデン樹脂(ＰＶＤＦ)およびその他の材料で構成することができ、また、微少電気機械システム(ＭＥＭＳ)技術および方法を含む種々の従来技術を用いて構成することができる。音響トランスジューサレイは単一層で提供され、あるいは複数の音響トランスジューサ層は、多数の積層を形成するために、これを積み重ねることができる。周波数ステアリング技術が角分解能を提供するためにシステムの帯域幅の一部を使用するので、帯域幅機能を与えるトランスジューサ技術は、より広い視界を提供する。音響トランスジューサレイを構成する適正な材料および方法は、当業者によく知られている。
【００１８】
基本的に、平らなまたは湾曲した構成の単一の素子行または素子列を有する一次元の「線形」アレイとして、音響アレイを提供することができる。また、素子の複数の行および列が円形、長円形、正方形、長方形あるいは他の多角形の構成などの種々の形状を有する全体に平らな配置の二次元の「平面」アレイを用いることができる。また、本発明の前記した方法およびシステムに、素子が円筒形、部分的な円筒形、円錐形、部分的な円錐形あるいは他の湾曲した構成などに配列された複数の行および／または列を有する二次元の曲線アレイが使用される。
【００１９】
音響トランスジューサレイは、電子機器構成に電気的に接続され、該電子機器構成は、複数の素子のための共通接続と、送信および／または受信制御システムおよび電子機器との接続を提供する。前記電子機器構成は、音響トランスジューサ素子と一体的あるいはこれとは個別ではあるが該アレイ素子に電気で接続されるように、提供される。この構成は、アレイシェーディング、一定または可変の移相あるいは時間遅延、電子機器チャンネルと前記素子セットとの間での相互接続の切り換え、信号増幅または他の機能を提供するために、アナログまたはデジタル方式で、またアナログまたはデジタルコンポーネントと関連して実施される。「周波数ステアリング型」あるいは「周波数ステアリング可能」のアレイに言及する場合、音響トランスジューサ素子アレイと、組み合わせで入力音響パルスを周波数ステアリング可能な関連電子機器との両方を一般的に意味する。
【００２０】
周波数ステアリング型アレイは、送信および／または受信モードで実施することができ、本発明の画像システムは、周波数ステアリング型アレイのみを利用することができる。「送受信両用のビームパターンの利点」は、音響信号が同一の配列されたアレイで送受信されるとき、実現できる。この状況では、より優れた解像度を提供するためにビーム幅は減らされて、干渉レベルを低減するためにサイドローブは減らされる。その他、本発明の画像システムは、周波数ステアリング型アレイを他の非周波数ステアリング型音響アレイまたはトランスジューサとの組合せに組み入れることができる。一実施例では、周波数ステアリング型アレイは、従来のアレイと同一面で方向付けられ、より好ましくは、周波数ステアリング型アレイは従来のアレイに直交して適用される。一つの典型的な実施例では、短垂直の周波数ステアリング型アレイは垂直次元でビームを掃引し、また長く薄い従来の音響アレイは受信器として使われる。このシステムは、３Ｄの画像処理能力を提供し、サイドスキャンソナーへの応用に適する。
【００２１】
本発明の周波数ステアリング型アレイは、一次元の線形アレイ、二次元の平面アレー、二次元の円筒形曲線アレイ、二次元の円錐形曲線アレイおよび二次元の円錐形の曲線アレイの積み重ねアレイを含み、該アレイは「シェーディング付き」または「シェーディングなし」アレイとして稼動する。「シェーディング付き」アレイでは、該アレイの中心から外側の素子へ向けて信号振幅が縮小するように、適用される。シェーディングには、アレイのビームパターンのサイドローブレベルを減少させる効果がある。本発明の周波数ステアリング型アレイは、等しい振幅信号がアレイ素子に適用されるシェーディングなしのモードで稼動しても良い。シェーディングは、アナログまたはデジタルのコンポーネントで、また空間的に個々の素子のサイズを変えることによって適用することができる。
【００２２】
前記したように、式（１）は前記アレイの次数を与える。これは、前記アレイの間隔dで連続する２つの素子間のコヒーレント波長の数または分数(fraction)である。図２Ａないし２Ｄは、周期的なアレイのアレイ次数の概念を示し、図３Ａないし３Ｄは、近接する素子間が等しい間隔または移相（phasing）を有し、異なる次数の「周期的」アレイを使用して作られた水平ビームのパターンを示す。図２Ａには、１波長の次数についての素子間隔ｄを用いたｍ＝１デザインを有するブレーズアレイの二つの素子が、それぞれ前記アレイの全体的な平面からブレーズ角度で回転して、示されている。前記アレイの各素子によって生じる個々のビームパターンは、図３Ａに示されているように、−４５°のミラーイメージローブと、０°のブロードサイドローブとが前記素子の前記回転によって抑制されるように十分に狭い。図２Ｂは、交互の極性への移相（phasing）と素子回転との両方を使用して、１／２波長の次数についての素子間隔ｄを用いたｍ＝１／２ブレーズのアレイ構造を示す。図３Ｂに示すように、交互の極性への移相は、0°でのブロードサイドローブを抑制し、前記素子の回転は−４５°でのミラーイメージローブを抑制する。このｍ＝１／２アレイ構造は、一般に、1つのハードウェアチャンネルを使って、電子機器によって実施することができる。
【００２３】
図２Ｃは、１／４波長の次数の素子間隔ｄを使ったｍ＝１／４アレイ構造を示し、素子の移相（phasing）を使用するが、素子の回転（element rotation）を使用しない。移相は単独で紛らわしいミラーイメージとブロードサイドローブとを抑制する。このアレイによって生じる水平ビームパターンが図３Ｃに示されている。このデザインは、少なくとも２つのハードウェアチャンネルのための電子機器を必要とすることを犠牲にして、改善された抑制を提供する。図２Ｄは、１／８波長の次数の素子間隔ｄを使用する１／８アレイ構造を示す。図３Ｄに示すように、ｍ＝１／８デザインは、素子の回転なしで紛らわしいローブを良好に抑制するが、またメインローブの位置を０°により近い位置へシフトさせる。このメインローブのシフトは、同じ周波数帯域を使用することで、より広い角度視界を作るために、２つの次数を結合することによる利点を利用することができる。次数ｍ＝１／４、ｍ＝１／８、より一般的には、本発明の方法およびシステムで使用されるm＝１／ｎを有する周期的な周波数ステアリング型アレイは、隣接したアレイ素子間の、任意に選択可能ではあるが、固定された位相シフトを用いて動作する。
【００２４】
４５°のブレーズ角を有するシェーディングのない次数ｍ＝１／２の周波数ステアリング型アレイ構造のための水平のビームパターンが、図４に示されている。この周波数ステアリング型アレイのためのビームパターンは、３００ｋＨｚ（実線）、３９０ｋＨｚ（長破線）および４８０ｋＨｚ（短破線）の３つの周波数について、示されている。ｍ＝１／２デザインは、偶数番のアレイで、先に述べたように、アレイを横切る正および負の相のバランスが０次ビームを無効にするので、特に有用な手法である。また、周波数ステアリング型システムのために周波数帯域を選ぶとき、アレイのビームパターンに一を越える個数のローブを生じさせない周波数帯域を選択することが重要である。これは、複数の影響を与えるローブからの複数の紛らわしい応答が生成するからである。
【００２５】
音響放出パターンにおけるメインピーク(ビーム)は、回折格子すなわちアレイの分解能によって決まる有限幅を有する。式によって与えられる角度θ分だけアレイ法線の周りにステアリングされる線形のシェーディングなしのＮ素子アレイについてのメインの最大パワーの半値レベル(メインの最大から-3dB)における角度幅θ0は、次のとおりである。
【００２６】
【数２】
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【００２７】
式（２）は、アレイの分解能が次数ｍに依存せず、もっぱら開口長さＮｄに対する波長λの比率およびビーム角度に基づくことを示す。量Ｎｄcosθは、角度θで到着する波面が出会う有効な開口として扱うことができる。分解能は、したがって有効開口にかかる波長の数の逆数として表現することができる。入射角が増大すると、有効口径は減少し、分解能は低下する。周波数ステアリング型アレイでステアリング角または周波数を変更することは、ビーム幅を変え、それゆえ、分解能を変更することになる。図４に示された水平ビームパターンは、メインビームが４５°から２７°に周波数ステアリングを受けるに伴い、ｍ＝１／２アレイでは、ビーム幅が減少することを示す。実際に、ビームがこの範囲にわたって掃引されると、ビーム幅は、ほぼ２倍に変わる。この分解能の変化は、周波数ステアリング型システムを導入するときに考慮しなければいけない。
【００２８】
一実施例では、本発明の周波数ステアリング型アレイは、異なる方向で２以上の結像視界を作り出す。適切な送信信号、電子機器およびデータ処理ルーチンを選択することにより、２以上の結像領域を同時に、あるいは1つの視界だけが必要とされているときに1度に1つずつ起動することができる。例えば、ｍ＝１／４次数のアレイでは、０°および９０°の両アレイ素子を共に、また１８０°および２７０°の両アレイ素子を共に電気的に接続し、それらを１８０°の移相、すなわち＋／−の極性で駆動することにより、送信モードにおいて２つの視界をアレイ法線について対称的な方向に同時に生成できる。この実施例では、アレイは同数の＋位相と−位相とを有し、アレイに垂直なビームはキャンセルされる。これに代えて、一度に一つの視界についての送信モードでの動作を可能とすべく、９０°および２７０°の両素子の極性が−９０°および−２７０°に反転できる（すなわち９０°および２７０°の素子を交換する）ように、４つのアレイ素子(０°、９０°、１８０°および２７０°)のそれぞれを共に繋げることができる。受信アレイは、同様に、受信した視界毎に、交互に、または同時に選べるように構成することができる。
【００２９】
周波数ステアリング型アレイを使って生成された単一または複数の結像視界は、より大きな連続的あるいは連続的でない視界を作成するために、1つ以上の追加のアレイからの視界と結合することができる。２つの周波数ステアリング型アレイは、該両アレイが、連続的な、より大きな視界を提供するために、互いに同一面で固定角に配置される「Ｘ構成」に配置することができる。これに代えて、２つの周波数ステアリング型アレイを、該両アレイが結合された垂直および水平の画像処理情報を提供するために、互いに固定角に位置合わせされたアレイ面を有するように、ほぼ直角な平面上に配置される「T構成」に配置することができる。
【００３０】
音響トランスジューサ素子の間隔は、隣り合うアレイ素子間の距離および／または位相シフトが実質的に一定の場合、「周期的」であると称される。本発明の方法およびシステムは、また、隣り合うアレイ素子間の距離および／または位相シフトが一定でない非周期的な音響アレイを使用することができる。例えば、整合フィルタバンクを、これが非周期的周波数ステアリング型アレイのために適切な空間フィルタリングを提供するように、設計し、使用することができる。アレイは、空間「周波数変調」パターン（例えば、アレイに沿った連続的に異なる間隔）、空間「周波数ホッピング」パターン（例えば、アレイの異なる部分に沿った異なる間隔）、または任意のすなわち擬似ランダムの間隔をおく構成で、非周期的に間隔をおいて配置することができる。そのようなアレイは、アレイのブロードサイド軸に関して対称な異なる角度から到来する信号間の紛らわしさを有利に解決することができ、以下に詳細に説明する。
【００３１】
時間周波数信号の解析が、像を生み出すために周波数ステアリング型アレイ信号の分析に使用される。パルスが送信され、目標で反射され、受信された後、ビーム信号は広帯域信号から分解される。周波数ステアリング型画像システムは、距離（range）情報が時間領域にマップされ、送信または受信角と信号の周波数領域との間の明白なマッピングを作成するように、理想的に設計される。受信モードでの目標は、受信信号から角度および距離情報を最大限に取り出すように、信号処理することである。
【００３２】
周波数ステアリングが可能の音響アレイは、従来のメカニカルなビームステアリングモード、従来の電子時間遅延および位相シフトビーム成形モード、および位相比較角度推定モードなどの他のビームステアリングモードすなわちビーム形成モードと結合した周波数ステアリング型モードで動作させることができる。２Ｄおよび３Ｄの音響画像システムは、画質を向上させかつ３Ｄ画像システムを作るための結合技術を用いて、実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
発明の詳細な説明
本発明の周波数ステアリング型音響アレイシステムおよび方法は、ブレーズおよび／または位相シフトのトランスジューサであって単一の次数またはマルチ次数の構成を備えしかも受信および／または送信モードで動作可能のトランスジューサの周期的または非周期的な間隔あるいは移相（phasing）を有する１つ以上の周波数ステアリング型アレイへの入力信号として広帯域の音響パルスを利用する。所望の視界を提供するために、複数の周波数ステアリング型音響アレイシステムをＸまたはＴ構成に配置することができ、選択されたアレイ構成は、２Ｄおよび３Ｄ画像を作り出すために処理される種々の２Ｄおよび３Ｄデータのセットを作るため、線形および／または回転する機械的な走査モードで使うことができる。
【００３４】
送信モードで動作する周波数ステアリング型音響アレイへの入力パルスは、好ましくは、ＦＭパルスなどの広帯域のパルス、スケール掃引されたウエーブレットパルス列、マルチウエーブレットのまたはマルチ周波数のパルス、または他の広帯域のパルスである。入力パルスは、好ましくは、各周波数ステアリング型ビームに等しいエネルギーを提供する。周波数を通してのパルスの適切な掃引は、アレイの口径を十分に利用し、狭帯域ビーム信号の品質を維持し、サイドローブの干渉を低減するのに重要である。
【００３５】
また、周波数ステアリング型アレイの出力パルスについての分解能の検討がある。位相速度ｃを有する媒体中での従来の（０次）ビーム成形手法を用いて、伝幡すなわち「レンジ」方向におけるの最小解像度が次式によって与えられる。
【００３６】
【数３】
2007535195.tif 000005
【００３７】
しかし、周波数ステアリング型画像処理のために、古典的な分解能および回折格子理論へのいくつかの修正が必要である。
【００３８】
パルス幅および帯域幅の有効パラメータを計算する異なる方法がある。パルス全体の半値パワーが、一般に従来の音響アレイシステム設計で使われる。しかし、周波数ステアリング型アレイシステムの場合、レンジ分解能を計算するために式（３）を使うなら、この量を使うことによる基本的な問題がある。周波数ステアリング型アレイは、角度依存のスペクトルフィルタとみなすことができる。換言すれば、それは、入射角に依存する特性を有する細長いスペクトルフィルタとして機能する。したがって、所定の入射角に向けられたビームについて、そのアレイフィルタは広帯域の送信されたあるいは受信されたどのようなパルスからも特定の帯域すなわち「サブパルス」を濾過する。長い周波数変調（ＦＭ）の入力パルスを使用することによって、周波数ステアリング型アレイによって発生するサブパルスは、異なる角度に放射されあるいは異なる角度で受信され、ビームの特定のバンドすなわちサブパルスだけが、そのビームのためにレンジ分解能に寄与する。したがって、パルス全体の半分のパワー量は、単光束方式の帯域幅と、そのビームで達成することができる分解能とを不正確に評価する。
【００３９】
所定の入射角に対して、周波数ステアリング型アレイは、サブパルスを取り除く。サブパルスの特定の帯域だけがレンジ分解能の評価のために使われる。ビーム幅が十分に小さいと初めに仮定することにより、周波数ステアリング型アレイのある角度θでの最大帯域幅を概算することができ、そのような角度と周波数との式（１）の関係はビームのスパンにわたって十分に線形である。この仮定は、狭いビーム(例えば画像処理)への適用では許容できる近似である。ビーム指向角度θは、ビームθ- およびθ+の半値のパワーポイント間での中間位置に位置決められる。この中間点の仮定が式（１）および（２）で結合されるとき、角度θのビームによってスパンされる帯域幅Ｂｆは、次のとおりである。
【００４０】
【数４】
2007535195.tif 000006
【００４１】
周波数ステアリング型アレイについての角度依存の距離（レンジ）分解能を計算するために、有効な帯域幅として式（４）は式（３）に、次のとおり代用することができる。
【００４２】
【数５】
2007535195.tif 000007
【００４３】
また、有効な帯域幅および送信パルスの所定のＨｚ／secでの掃引速度αを用いて、有効パルス幅を決定することができる。パルス変調が時間内で非線形であり、掃引速度が角度の関数になるならば、各角度での有効なパルス幅は以下の通りである。
【００４４】
【数６】
2007535195.tif 000008
【００４５】
また、角度θでの有効なスペクトル分解能は次の通りである。
【００４６】
【数７】
2007535195.tif 000009
【００４７】
それゆえ、所定の周波数ステアリング型アレイおよび送信パルス結合について、θに位置するビームの時間−帯域幅積は、次のとおりである。
【００４８】
【数８】
2007535195.tif 000010
【００４９】
時間−帯域幅積、それゆえビームの分解能は、パルスの掃引速度に強く依存する。
【００５０】
周波数ステアリング型アレイ画像システムのビームを「標準化する」一手法は、各角度での「サブパルス」が一定のＴＢｆ積を有するように、出力パルスを設計することである。そのとき、各サブパルスは、同一エネルギーを持つ。一定のサブパルスエネルギーを有するパルスは、パルスが一定のTBfを維持すべく発生されるように、式（８）を用いて掃引速度を求めることにより、発生させることができる。周波数の増大に伴い、帯域幅は増大し、パルス幅は相応的に減少する。したがって、好適な実施例では、入力信号の掃引速度は一定でなく、入力パルスは非線形な周波数変調パルスである。一定値ＴＢf=1を維持しているパルスは、理論上、式（２）によって決定まるような最大の回折限界アジマス分解能を得るように、また整合フィルタを用いる式（５）によって決まる最大の限界帯域幅レンジ分解能を得るように、処理され得る。
【００５１】
前記したように、交互の極性への移相および素子回転の両方を用いる次数ｍ＝１／２の周波数ステアリング型ブレーズアレイが多くの２Ｄ画像の応用に有益である。送信および受信の両モードで動作するｍ＝１／２の周波数ステアリング型音響アレイについての２つの典型的な電子機器構成が図５Ａおよび５Ｂに示されている。両構成では、アレイ３０は、相互に次数１／２波長における距離ｄの間隔で配置された隣接する複数の素子３２で構成されている。ブレーズ角すなわちアレイ平面方位に関する素子面の角度は、両アレイ例で４５°である。素子３２は送信および／または受信用の電子機器３４に電気的に接続されており、該電子機器は前記アレイ素子と一体にあるいはこれから物理的に分離して設けることができる。
【００５２】
図５Ａの実施例では、送信および／または受信電子機器３４は送受信器（ＴＲ）スイッチ３８に電気的に接続されており、該スイッチは送信システム４０および受信システム５０に電気的に接続されている。送信システム４０は、広帯域の音響パルスを発生させるために、パルス発生器と電力増幅器４２とを含む。受信システム５０は受信電子部品５２を含み、該電子部品には、デジタル信号処理システム５４と画像表示システム５６とに動作可能に接続された前置増幅器、アナログフィルタおよびＡ／Ｄコンバータを組み込むことができる。これは、アレイ素子の移相を提供しないが、1つのビーム方位で周波数ステアリング型ビームを作りおよび／または受けることが可能な簡素化されたシステムである。
【００５３】
図５Ｂの実施例では、送信器および／または受信電子機器３４は２つのＴＲスイッチ３６、３８に電気的に接続されており、該各スイッチは送信システム４０と受信システム５０とに電気的に接続されている。送信システム４０はパルス発生器と、広帯域の音響パルスを発生させるための電力増幅器４２と、送信信号の位相をシフトするための１８０゜移相器とを含む。受信システム５０は、デジタル信号処理システム５４と画像表示システム５６とに接続された例えば前置増幅器、アナログフィルタおよびA／Dコンバータを含む受信電子部品５２に加えて、また、受信信号のための移相器および微分（differential）アナログ加算器として動作する180゜加算器５８を含む。このシステムは、送信および受信の両モードにおけるアレイ素子の移相を提供し、共通モード干渉信号に利用することができる。
【００５４】
周波数ステアリング型アレイは多くの次数ｍ＝１／ｎに拡張することができ、ここでｎは任意の正または負の数である。次数ｍ＝１／４を有する特に有益な一つのアレイデザインが先に説明された。このデザインは、それが極性の対称性(すなわち陰極ファセットと同数の陽極ファセット)を有しているので、魅力的である(それは０次数ローブを抑制する)。９０゜移相（phase shifting）が紛らわしい対称的なローブを抑制するので、ｍ＝１／４アレイにおける素子回転は不要である。さらに、９０゜移相が紛らわし対称的なローブの抑圧をコントロールするので、垂線の両側の抑制する対称的なローブ間で９０゜移相（phasing）の極性を切り換えることができる。対称的なローブの一方が抑圧されるとき、他方はメインビームになり、視界は対称的に一方の側から他の側へ切り換えられる。したがって、９０゜移相（phase shifting）の極性が切り換えられる場合には、ｍ＝１／４アレイは２つの視界を作ることができる。１８０゜位相（phase）は、差動増幅器およびバランスのとれた変圧器などの簡単な装置を用いる電子機器、４つのデジタル的に独立した駆動および受信ライン、または位相シフトのデジタル的およびアナログ的結合により作ることができる。
【００５５】
ｍ＝１／４の周波数ステアリング型音響アレイのための２つの典型的な電子機器構成が図６Ａおよび６Ｂに示されている。両構成では、アレイ６０は、相互に次数１／４波長における距離ｄの間隔で配置された隣接する複数の素子６２で構成されている。アレイ素子６２は、送信および／または受信用の電子機器６４に電気的に接続されており、該電子機器は送信および／または受信制御システムと交信可能である。前記アレイはブレーズではないが、隣り合う前記トランスジューサ素子に９０°の位相差を適用することにより、周波数ステアリングが達成される。図６Ａおよび６Ｂに示された両電子構成では、最終目的は、先ず適切に位相がシフトされた信号を作り、送信し、次に位相がずれた（out-of-phase）帰還信号を受信し、結合することである。両ケースとも、送信および受信に同じアレイを用いるが、ＴＲスイッチは、低電圧受信電子機器から高電圧送信信号を分離するために使用される。
【００５６】
図６Ａ音響アレイシステムでは、送信システム７０は、０°、９０°、１８０°および２７０°の位相シフトされた信号を作る。これらの整相信号（phased-signals）を生成する一方法は、４つのチャンネルの任意のパルス発生器/パワーアンプのサブシステムを使用することである。必要な整相信号を生成する他の方法は、０°および９０°の信号（degree signals）を生成するために先ず２つのチャンネルの任意のパルス発生器/パワーアンプのサブシステム７２を使い、次にこれら最初の２つの信号から１８０°および２７０°の位相シフトされた信号を作るために、適切な変成器を使うことである。例えば、図６Ａの実施例では、９０°移相器７４と、２つの１８０°移相器７６、７８とが、ＴＲスイッチ６６を経て近くのトランスジューサ素子６２に制御可能に供給される０°、９０°、１８０°および２７０°の位相シフトされた信号を作るために、結合に使用される。
【００５７】
受信システム８０が０°、９０°、１８０°および２７０°の位相シフト帰還信号を受け取り、それらを結合して単一の受信信号を形成する。ＴＲスイッチ６６を通してこれらの信号を結合する一つの方法は、すべての４つのチャンネルを増幅し、デジタル化し、次にそれらをデジタル的に結合することである。これらの信号を結合する他の方法は、１８０°の位相シフトされた信号同士を結合するために変成器を使うことであり、次に、その結果として生じる９０°の位相シフトされた信号同士を結合するために、アナログ回路を使うことである。図６Ａの実施例では、受信された信号は、例えば前置増幅器、アナログフィルタ、Ａ／Ｄトランスジューサ器、デジタル信号処理システム８４および画像表示システム８６から成る受信電子機器構成８２での処理に先立って、１８０°加算器８８と９０°加算器９０とで処理される。
【００５８】
図６Ｂの音響のアレイシステムでは、１８０°の移相器は、前記送信および受信電子機器サブシステムから取り去られ、ＴＲスイッチのアレイ側に置かれる。このシステムでは、各アレイ素子６２は１８０°加算器６８を経てＴＲスイッチ６６に接続されている。送信システム７０は、ＴＲスイッチ６６と１８０°加算器６８との結合で、パルス発生器/電力増幅器のサブシステム７２と９０°移相器７４とを使用して０°、９０°、１８０°および２７０°の位相シフトされた信号を作る。受信システム８０は、１８０°加算器６８およびＴＲスイッチ６６を経て音響信号を受信し、受信電子機器構成８２、デジタル信号処理システムおよび画像表示システム８６での処理に先立って、それらを９０°加算器９０で処理する。
【００５９】
図６Ｂに示された電子機器構成は、送信および受信の１８０°の移相動作を結合することにより、システムに必要とされる全体の電子機器を低減させる。このシステムは、図６Ａに示されたシステムに比べて、信号対雑音比を低減させてしまうかもしれない。前記アレイで１８０°移相を得る一つの方法は、１８０°および０°の両素子、９０°および２７０°の両素子（degree elememts）を、それらの組の素子間で極性を逆にするために反対極性の電極が接続されるように、それぞれ接続することである。１８０°移相（phasing）を得る他の方法は、変成器を使うことである。
【００６０】
別の次数の音響アレイ構造のための電子機器構成（例えば、ｍ＝１／８、ｍ＝１／１６、ｍ＝１／ｎ）は、特に説明されないが、ここに示された記載とよく知られた電子機器設計原理に基づいて、当業者にとっては明白であろう。
【００６１】
先に説明したアレイは、周期的、すなわち隣合う素子間で一定の間隔および／または移相(phase shifting)を有する。しかしながら、周期的な素子間隔(またはサンプリングされた空間の正弦曲線)は、周波数ステアリング型アレイの機能に必須でない。これは、適切な空間フィルタリングを提供するための信号処理の間に、非周期的のスケーリングされた開口機能と整合フィルタバンクを使用できるからである。非周期の周波数ステアリング型アレイを実施することができる方法を理解するために、最初に角度および距離（レンジ）情報を抽出するために用いられる処理を考察する必要がある。受信された音響パルスは、角度および下方レンジ方向の情報を抽出し、有益な画像を生成するために、時間と周波数領域で分解される。パルスが送信され、目標から反射され、受信された後、ビーム信号は広帯域の信号から分析される。受信信号の時間および周波数の両領域を分析するプロセスは、ここでは「時間-周波数(ＴＦ)ビーム成形」と称される。以下で説明するように、ＴＦビーム成形を実施する最も簡単な方法の一つは、ＳＴＦＴ分析手法を使って、狭周波数帯デジタルタイムシグナルを分析することである。
【００６２】
従来のフーリエ解析では、信号は、複雑で連続的な正弦曲線の基底関数と比較される。これらの連続的な基底関数が早く収束しないので、信号の従来のフーリエ変換は、信号全体のスペクトル内容についてのみの情報を提供する。例えば、その始めに高周波エネルギーを有しその終わりに低周波エネルギーを有する信号のフーリエ変換は、その信号が高周波および低周波を含むことを示すのみである。フーリエ変換は、これらの周波数成分が信号中のどこに生じているかを示さない。しかしながら、信号の短い窓部分へのフーリエ変換の順次の適用は、時間内に信号のスペクトル内容を探りあてるために使用することができる。この信号解析技術は、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）と称され、信号ｓ（ｔ）は、次のように、数学的に記述できる。
【００６３】
【数９】
2007535195.tif 000011
【００６４】
ここで、関数γ（ｔ）は窓関数と称されており、一般に、良好な時間分解能を得るために、短い時間の持続時間を持つように選択される。窓関数の選択は、またＳＴＦＴのスペクトル解析への重要な影響を持っている。実際、時間および周波数の両分解能は、結合され、時間周波数不確定性の原理によって決定される。時間周波数不確定性原理は、信号のエネルギーを時間および周波数の両領域で同時に決定できる精度には根本的な限界があることを述べる。
【００６５】
パルス化されたエネルギー画像システムのために時間および周波数の両領域で決定される信号エネルギーの固有の限界は、次式によって表現される。
【００６６】
【数１０】
2007535195.tif 000012
【００６７】
ここで、ＴおよびＢは、伝送パルスのそれぞれパルス幅および帯域幅である。したがって、所定のパルス幅および帯域幅を有するパルスのために、時間および周波数の両結果を共に恣意的に小さくすることができるわけではない。概して言えば、時間分解能が向上すれば、スペクトル分解能は低下し、また、逆も同様である。時間周波数分解能を周波数ステアリング型アレイの物理的な回折および距離分解能に組み合わせようとするとき、これは重要な事柄である。
【００６８】
デジタル化された受信信号を処理するために、以下の特性を有する離散的な短時間フーリエ変換ＤＳＴＦＴを適用することができる。
【００６９】
【数１１】
2007535195.tif 000013
【００７０】
離散的ＳＴＦＴは、窓関数γ（ｎ）により決まる帯域幅および次のような中心周波数ｆを有する狭帯域デジタル有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタｈｆ（ｎ）バンクを用いて、適用することができる。
【００７１】
【数１２】
2007535195.tif 000014
ここで、
【００７２】
【数１３】
2007535195.tif 000015
【００７３】
周波数ステアリング型アレイ信号へのＦＩＲフィルタバンクの適用は、その中心周波数が一般に式（１）によって与えられるステアリング方向と、式（２）（ＴＢｆは１以上であると仮定する）で与えられる回折限界のビーム幅とに相互に関連する一組の時間領域の「ビーム」信号を発生させる。
【００７４】
ＦＩＲフィルタバンクは信号エネルギーを狭い帯域に分離するが、チャープ伝送パルスが使用される場合、ＤＳＴＦＴフィルタはビームのサブパルスにマッチしない。チャープ伝送パルスが用いられている場合、ＳＴＦＴの「フィルタ」が窓付き正弦曲線である限り、周波数ステアリング型アレイのサブパルスは、チャープ（すなわちチャープレット）の狭周波数帯部分である。サブパルスは、周波数ステアリング型アレイの送信パルスおよび／または受信パルス上の空間フィルタリング特性の結果である。
【００７５】
この点を説明するために、位相速度ｃ０で進み、入射角度θで到着する信号ｓ(t)を導く平面の波先を考察する。この波先は、進行方向に沿ってスペースｓ(ｒ-ｔｃ０)で信号を作る。この波先がx軸と整列する線形開口ａ(x)に衝突すると、波先の信号はsin（θ）だけ縮尺された有効開口機能によって物理的に巻き込まれる（convolved)。
【００７６】
【数１４】
2007535195.tif 000016
ここで、
【００７７】
【数１５】
2007535195.tif 000017
【００７８】
この畳み込みは、信号へのＦＩＲフィルタの適用に似ている。しかしながら、各角は、入射終端で観察されたオリジナルの開口機能のスケーリングされたバージョンに対応する（θ＝±π／２）。周波数ステアリング型アレイは、角度スケールの、別の角度で到着する信号に適用されるウエーブレットフィルタバンクとして作動する。したがって、最適なビーム成形器は、送信パルスと周波数ステアリング型アレイの開口機能とがマッチしたフィルタバンクである。この最適なビーム成形器は、周波数ステアリングアレイの開口ｃｔｒ＝ｃ０sin（θ）に沿った軌跡速度によってスケールされた開口機能に基づいてウエーブレットフィルタバンクを作ることにより生成され、その結果は次のとおりである。
【００７９】
【数１６】
2007535195.tif 000018
【００８０】
この開口フィルタバンクは、次式を使って1つのビームごとに1つのマッチしたサブパルスフィルタバンクを生成するために、長さＴの送信パルスｓxmt(ｔ)に適用される。
【００８１】
【数１７】
2007535195.tif 000019
【００８２】
もし、周波数ステアリング型アレイが送信または受信にのみ使用されるのであれば、開口フィルタバンクは、伝送パルスに1度適用されるのみである。周波数ステアリング型アレイが送信および受信の両方に使われるならば、２度適用される。式（２）および式（３）によってそれぞれ与えられる完全な固有の回折限界および帯域幅限界の両解像度は、このタイプのビーム成形器を使うときに達成できる。
【００８３】
この分析は、周期的な間隔（またはサンプリングされた空間の正弦曲線）が周波数ステアリング型アレイの機能に重大ではないという重要な一般化に結びつく。これは、非周期の開口およびマッチしたフィルタバンクｈｍ（τ，θ）が適切な空間フィルタリングを提供するように、これらをデザインできるからである。本発明の周波数ステアリング型アレイは、したがって、隣り合うアレイ素子間または隣り合うアレイ素子群間で、非周期の間隔を持つことができる。アレイは、例えば、空間「周波数変調」のパターン（例えばアレイに沿って連続的に減少する間隔）または空間「周波数ホッピング」のパターン（例えばアレイの異なる切断面に沿った異なる間隔）に非周期的に間隔をおいて配置し、または任意あるいは疑似ランダムの間隔で設けることができる。
【００８４】
例示の周波数ホッピングアレイ構造が図７に概略的に示されている。このアレイ構成では、n素子９２の最初の組は素子間を定数の間隔d1にして配列されており、n素子９４の２番目の組は素子の間を定数の間隔d2にして配列されており、n素子９６の３番目の組は素子の間を定数の間隔d3、等・・にして配列されている。この周波数ホッピングアレイの構成は、アレイ開口機能のスケールされたバージョンが送信されあるいは受信された信号で効果的に畳み込まれる（convolved）ので、アレイのブロードサイド軸について対称の異なる角度から到着する信号の間の不明瞭さを解決できる利点を提供する。非対称的なアレイの開口機能は、入射パルスがブロードサイド軸についての対称的な２つの角度の間で時間反転するようである。このスケールされた開口機能がその等しくスケールされて時間反転された開口機能に無相関となるまで、アレイの対称的なミラーイメージ「ローブ」を抑制することができる。空間周波数サイドローブの減少を提供する一実施例は、送信パルス設計で用いられるよく知られた「バーカー符号付け」と類似の空間の周波数ホッピングアレイ設計である。
【００８５】
本発明の他の非周期的間隔の周波数ステアリング型アレイ構造は、２組の素子の群間で任意の位相シフトθを使う。この構成では、隣接した素子の位相は０°、θ°、１８０°、θ＋１８０°等となるように、アレイ素子は交互に配列される。適切な移相(０°、θ°、１８０°、θ＋１８０°)が、信号にコヒーレントに加えられるように適用されるならば、マッチしたフィルタパルスまたはＳＴＦＴ信号処理のいずれか一方を使って、このアレイ構造は良好な画像処理結果を作り出す。
【００８６】
また、本発明のシステムおよび方法で、マルチ次数の周波数ステアリング型アレイを使用することができ、これを同一の周波数ステアリング型アレイに結合することができる。単一アレイの分解能を改善し、その視界を増大させる一つの組合せは、ｍ＝１／４およびｍ＝１／８の次数アレイ構造の組合せである。一実施例では、同一アレイが、各次数のために提供された相互に異なる配線で、両次数を作り出すために使われる。この構造は、1つのアレイを使った視界を、これと同じ帯域幅入力信号を使って増大させる。ｍ＝１／８モードのメインビームは、同じ周波数帯が異なる角度範囲上を掃引することにより、ｍ＝１／４モードのメインビームを補足する。ｍ＝１／８モードは、ｍ＝１／４モードの角度幅視界の半値を生じるが、ｍ＝１／４モードの２倍の分解能をもつ。なぜなら、ｍ＝１／８の部分は、１／２角度空間に拡がる同数の解像度セルを含んでいるからである。ｍ＝１／４と、ｍ＝１／８モードとは、各周波数で２つの独立ビームを発生させ、該ビームは、1つのより広い視界を作るために、１オクターブ上のバンドで、結合できる。追加のアレイ次数を結合することができ、適切な配線によって、多数のアレイ次数を単一の周波数ステアリング型アレイに具現化することができる。
【００８７】
そのような多重次数のアレイは、各次数モードでの動作のために提供された異なる素子配線を備える単一の素子アレイを用いることができる。図８Ａ〜８Ｃは、典型的な多重次数のアレイ素子構成を示す。図８Ａは、個々のアレイ素子内で交互に配置されたサブエレメントが使用されていることを示す。この実施例では、アレイ素子１００は、多数のサブエレメント１０１〜１０６（６個が示されている）に分割されており、第１の組のインタリーブされるサブエレメント１０１、１０３、１０５が相互に結線されかつ次数が「Ｂ」のアレイのｎ番目に結合され、また第２の組のインタリーブされるエレメント１０２、１０４、１０５が相互に結線されかつ次数が「Ａ」のアレイのｎ番目に結合されるように、交互に接続されている。図８Ｂは各アレイ素子１００が分割される例を示し、該各アレイ素子は、次数「Ａ」のアレイを供給する第１の素子部分１０８および次数「Ｂ」のアレイを供給する第２の素子部分１１０を有する。図８Ｃは、さらに他の実施例を示し、該実施例では、各アレイ素子１００が2つの異なる次数アレイ間で切り換え可能である。この実施例では、スイッチ１１２が作動する場合、素子１００は次数「Ａ」アレイとして結線され、スイッチ１１４が作動する場合、素子１００は次数「Ｂ」アレイとして結線される。アレイ次数間のアレイ機能および切り替えは、プログラムされすなわちプログラム可能であり、またはオペレータによって選択可能である。
【００８８】
単一または複数のアレイを利用したソナー装置および方法のような２Ｄおよび３Ｄ画像システムに、周波数ステアリング型アレイ構造を実現し得る種々の方法がある。最も簡単な構造は、1つの視界を生成するためにｍ＝１／２またはｍ＝１／４次数のアレイを使うことであろう。この実施は、例えば、航海上の危険物を検出するために、船の前、船の前で海底および水柱を見るために使われるかもしれない。この実施の様々な特徴を示す概略図が図９Ａ〜９Ｄに示されており、該図は単一の周波数ステアリング型アレイが水面下の障害探知ソナー(ＯＤＳ)システムで如何に使われているかを示す。一つのアレイの視界１２２が前方に向けられた状態で、周波数ステアリング型アレイ１２０を鉛直方向へ配置することにより、前記システムは画像システムの直前の鉛直のスライス面積の二次元画像を作り出し、前記システムの前方に潜在する障害についての情報をオペレータに提供する。船に設置されたこのＯＤＳシステムの画像処理視界は、図９Ａに概略的に示されている。図９Ａは、ソナーの視界１２２が、船１２４の前の海底と障害との像を提供するために船１２４に設置されたセンサプラットホームに関してどのように方向付けられているかを示す。図９Cと９Dは、アレイ１２０と視界１２２との側面図および前面図をそれぞれ示す。このシングル次数の周波数ステアリング型のアレイは、２５°の視界を提供し、浅海環境における使用に適する。
【００８９】
図１０は、周波数ステアリング型アレイを使用するソナー画像システムの一実施例の簡素化された概略的なダイヤグラムを示す。コンピュータまたは専用表示機器などのプロセッサまたは表示装置のいずれか一方の装置１３０が、デジタル通信線経由で要求信号をソナーコントローラ１３２に送るとき、このシステムのための処理フローは始まる。要求信号を受け取った後、ソナーコントローラ１３２は、低電圧パルスをパワーアンプ１３４に送り、該アンプでそれらが高電圧のアナログパルスに変換される。この高電圧パルスは、該高電圧パルスから前記低電圧パルスを分離するＴＲスイッチ１３６を経て周波数ステアリング型音響アレイ１３８に伝わる。周波数ステアリング型音響アレイ１３８は、順次、高電圧電気信号を水中に発せられる音響信号に変換する。この時点で前記システムの受信側が作動する。周波数ステアリング型音響アレイ１３８は、先ず、帰還した如何なる音響信号をも低電圧電気信号に変換する。これらの低電圧電気信号は、TRスイッチ１３６を経て受信電子機器１４０に進み、ここで前記信号は増幅され、濾過され、デジタル化される。デジタル化されると、帰還信号はソナーコントローラ１３２に読み込まれ、それらはソナー画像へのビーム成形を受ける。ソナーコントローラは、次にデジタル通信線を通してこれらの画像をプロセッサまたは専用の表示装置１３０に送り、該表示装置で、それらは表示され、あるいはよりその後の吟味のために蓄えられる。周波数ステアリング型音響アレイおよびアレイ組合せの様々なタイプを使用する本発明の画像システムは、類似のシステム構成を使って、実施することができる。
【００９０】
図１１Ａ〜Ｄに示された他のソナーシステムの実施例では、周波数ステアリング型音響アレイ１４２は、２以上の線対称視界を作り出すために構成される。図１１Ａ〜１１Ｄに示された実施例では、２つの視界１４４、１４６は、前向きおよび下向きのそれぞれの画像を提供し、これは航行および衝突回避用途に有利である。このシステムは、図９ＡのODS像と、アレイの下の底の瞬時のスライス画像を示す下方監視ソナー(ＤＬＳ)像との両方を提供する。図１１Ａの３D描写は如何にしてソナー視界１４４、１４６が船１４８に搭載されたセンサプラットホームに関して方向付けられているかを示す。図１１Ｃおよび１１Dは前記アレイとその視界とのそれぞれ側面図および正面図を示す。本実施例では、単一の周波数ステアリング型音響アレイを使って異なる方位での２つの２５°視界を提供する。 
【００９１】
複数の周波数ステアリング型アレイを、また本発明の方法およびシステムで使用することができる。一実施例では、２以上の周波数ステアリング型アレイが、広い視界を提供するために、各アレイの出力が結合された視界に寄与するように「Ｘ構成」に適応されている。Ｘ構成では、複数のアレイが、周波数ステアリング平面を構成するアレイ面が一定の角度回転で、同じステアリング面に向けられる。それぞれのアレイ面の間で、一定の方位回転角度は、好ましくは約１０°と６０°との間、さらに好ましくは約１５°と４５°との間にあり、アレイの次数、または次数の組合せおよび使われた帯域幅に依存する。例えば、シングル次数ｍ＝１／４周期の２つのアレイが使われるとき、大きな帯域幅(1オクターブより大きい)信号を使い、また両アレイの両視界を利用することによって、1つの広い連続的な視界を生成することができる。これに代えて、広く、連続的な視界を作り出すために、より小さな帯域幅の３つのアレイを用いることができた。
【００９２】
図 １２Ａ〜１２Ｄは、Ｘ構成に設けられた複数の周波数ステアリング型アレイの機能と配置とを概略的に示す。２つのｍ＝１／２またはｍ＝１／４アレイについての配置構造、オリエンテーションおよび視界が示されているが、他のアレイ次数およびアレイ次数の組合せをＸ構成に実施された複数の音響のアレイの組み合わせに用いることができる。図１２Ｂは、相互に４０゜の角度で配置されるアレイ面を備える水平なX構成に配置された２つの周波数ステアリング型音響アレイ１５０、１５２がセンサプラットホームの前方の対象と海底の地物との高解像度の画像を提供するために、どのように前方監視ソナー（FLS）システムで使用できるかを示す。図１２Ａに示された３Ｄ描写は、ソナーの結合視界がアレイの配置された舟と海底面１６０とに関連して、どのように向けられるかを示す。図 １２Ｃおよび１２Ｄは、前記アレイとそれらの視界との上面図および側面図をそれぞれ示す。アレイの適正な角度配置によって、連続した広い視界を提供するために、図示のとおり、個々の視界を整列させることができる。この実施例では、２つの個々の２５゜視界が、連続した５０゜視界を作り出すために結合されている。
【００９３】
Ｘ構成アレイはそれらの中間点の近くの交差が示されているが、これは必要でなく、前記アレイはそれらの長さに沿った如何なる点でも互いに交差することができる。すなわち、アレイの交差点が中間点からいくらかの直線距離だけずれても、同じ結果を生じる。Ｘ構成は、高周波ビームが全体の視界の中心の近傍に置かれるとき、特に２つのアレイシステムで効果的である。
【００９４】
Ｘ構成での複数の単一次数のアレイの結合に加えて、Ｘ構成二次元アレイの組合せで、より大きな視界を作り出すために、２以上のマルチ次数のアレイを実施することができ、この大きな視界は、単一オクターブの帯域を有する隣接するあるいは重なる視界を提供するように、調整できる。図１３Ａは、単一のマルチ次数のアレイ１６２を使って生成された視界を示す。中心線のどちら側のｍ＝１／８およびｍ＝１／４の両視界も、この設計で隣接していることが見受けられる。図１３Ｂは、これらのマルチ次数の２つのアレイ１６４が該両アレイを一定の角度回転を有するＸ構成でどのように配列されるかを示し、それは大きく、隣接するあるいはわずかに重なった視界を提供する。
【００９５】
他の有益な複数のアレイ構成は、複数の周波数ステアリング型アレイを「Ｔ構成」に使用し、該Ｔ構成では、個々のアレイと視界とが、互いに直交し、二次元の画像データを取得する。この構成では、２以上の扇状の視界が、周波数ステアリングの両軸が互いに直交するように、交差すべく方向付けられる。Ｔ構成での複数の周波数ステアリング型アレイのアレイ面は、好適な実施例では、９０゜より小さい相互の角度で配置される。
【００９６】
図１４Ａ〜Ｄは、２つのアレイが、それらの視界１７４、１７６を互いに直交させるようにＴ構成に方向付けられた1つの配置についての複数の図を概略的に示す。図１４Ａは、一つのＴ構成の２つのアレイを見下ろす平面図を示す。図１４Ｂは、視界１７４、１７６の視界を生じるＴ構成で、互いに鋭角に配置された面を有する２つの周波数ステアリング型アレイ１７０、１７２の３Ｄ描写を示す。図１４Ｃおよび１４Ｄは前記Ｔ構成の組合せの２つの側面図を示す。
【００９７】
マルチアレイＴ構成の組合せは、図１５Ａ〜１５Ｄに示されているように、直交平面のＸ構成により作成されたより広い視界を適応させることによって、Ｘ構成と連携して使うことができる。これらの図は、図１１および１２の構成が、これまで説明された障害探知、下方監視および前方監視の３種のすべてのソナー像をユーザに提供する単一の画像システムを形成するためにどのように結合されるかを示す。図１５Ｂに示すように、周波数ステアリング型アレイ１８０および１８２は、視界１８４、１８６、１８８および１９０を生産するために作動される。図１５Ａの３Ｄ描画は、アレイが置かれる舟１９２に関する複合のアレイの視界がどのようにして適合されるかを示す。図１５Ｃおよび１５Ｄは、前記アレイの側面図および平面図とそれらの視界をそれぞれ示す。
【００９８】
本発明の周波数ステアリング方法および周波数ステアリング型アレイは、また機械式ステアリング、従来の電子時間遅延と位相シフトビーム成形、および位相比較角度推定方法などの他のビームステアリングおよびビームの成形技術と連携して使用することができる。以下の表1は、周波数ステアリングを他のビームステアリング方法と結合するときに実施することができる２Ｄおよび３Ｄの音響画像システムの実施例を要約する。
【００９９】
【表１】
2007535195.tif 000020
【０１００】
図１６Ａ〜Ｆは、機械的なステアリング技術との典型的な組合せに使用された本発明の周波数ステアリング型音響アレイを概略的に示す。機械的走査の方位は、周波数走査面に直角な線形または回転方角あるいは周波数ステアリング型アレイの平面内とすることができる。周波数ステアリング型アレイは、周期的または非周期的な素子面間隔および／または移相（phasing）を有するシングル次数アレイまたはマルチ次数アレイで実施することができる。
【０１０１】
図１６Ａおよび１６Ｂは、機械的走査が周波数ステアリングを受けるビームの方向に直交している方向で行われる周波数ステアリング型アレイの実施例を示す。図１６Ａは、機械的に回転するビームステアリング機構２０２と結合された単一の周波数ステアリング型プレーナアレイ２００を示し、前記ビームステアリング機構２０２は、鉛直の周波数ステアリングを受けるビーム２０４を走査運動２０６における回転軸のまわりに機械的に走査することによって、３Ｄデータセットを収集するために使われている。図１６Ｂは、鉛直の周波数ステアリングを受けるビーム２０４を使って３Ｄデータセットを作り出すために、走査運動２０８を与える並進機械式ビームステアリング機構と結合された単一の周波数ステアリング型プレーナアレイ２００を示す。図１６Ａおよび１６Ｂに示された実施例の場合のように、機械走査が周波数ステアリングを受けるビームの方向に直交して行われる場合、 別個に伝送される複数の画像は、３Ｄ体積データセットを作るために、循環的にあるいは並ぶように(直線的に平行移動されるならば)積み重ねることによって、インコヒーレントに結合することができる。このデータセットは、目標シーンの３Ｄ像を描くために処理することができる。
【０１０２】
周波数ステアリング型平面に直交して走査された周波数ステアリング型アレイの再レジストレーション（re-registration）が波長の約２０％より少ない正確さで達成されるならば、また、アレイが回転中心からいくらかの距離Ｄrot／２だけずれるならば、アレイは直径Ｄrotの円形の合成開口で掃引する。十分な数のピング音が合成開口の「合成素子」の十分に小さな間隔（例えば最高周波数のλ／２より小さい）を提供するために集められ、また再レジストレーションが十分に正確であるならば、そのデータは、アレイによって掃引された円形の合成開口によって提供された充分なアジマス方位の分解能を再生するためにコヒーレントに処理される。このコヒーレント処理のための適切な再レジストレーションは、画像シーン(下部に取り付けられたソナーなどの)に対して静止したプラットホーム上で達成することが比較的簡単である。ここで、同様な状況が直線(または既知であるかまたは測定された任意の経路)によって達成されることができることは、注目される。
【０１０３】
図１６Ｃおよび１６Ｄは、機械式走査がアレイの周波数ステアリング平面上で実施される周波数ステアリング型アレイの実施例を示す。図１５Ｃは、Ｘ構成の２つの周波数ステアリング型音響アレイを示し、広い視界水平ビーム２１２を作り出す二重のアレイ組合せ２１０を提供する。二重のアレイ組合せ２１０は、一つの２Ｄデータセットを生じるために、回転する走査経路２１６で二重のアレイ組合せを機械的に回転させるビームステアリング機構２１４と結合することができる。図１６Ｄは、二重のアレイ組合せ２１０を提供するＸ構成で２つの周波数ステアリング型音響アレイを示し、該組合せは、１つの２Ｄデータセットを作り出すために、線形の走査経路２１８に沿って二重のアレイ組合せを移動させる機械的に並進するビームステアリング機構と結合された広い視界水平ビーム２１２を生じる。
【０１０４】
このように実施されるとき、像は、1つの解像度セルよりも正確に再レジストレーションされる複数の重なるピクセル(例えば平均レベルを使用する)を処理することによってインコヒーレントに結合することができる。これは、ピクセル(インコヒーレントに)の帯域幅を効果的に増大させることによって、オーバレイ処理が完遂されるときにビーム拡散される多重周波数の帯域幅によって生成されたピクセルの結合であるので、解像度を向上させ、またスペックルを減らす。この方法は1つの透過画像システムによって作り出された像に比べて優れた解像度と品質を有する２Ｄのモザイク像を作り出す。
【０１０５】
再レジストレーションが波長の約２０％より少ない正確さで達成できるなら、ピクセルをインコヒーレントに結合することができ、多重の周波数ステアリング型ビーム(そしてそれゆえ充分な距離分解能)に分散されたシステムの完全な帯域幅を再生することができる。したがって、約２０個のビームを横切って1オクターブの帯域幅の広がりを使うｍ＝１／４周波数ステアリング型画像システムは、２０個の独立的に回転する音によって各ピクセルの上の帯域幅の完全なオクターブを再生し、２０個の独立的な周波数ビームは、すべて問題のピクセルの上で回転する。さらに、アレイが回転の中心からいくらかの距離Ｄrot／２だけずれると、アレイはＤrot／２の半径によって円形の合成開口を掃引する。十分な数のピング音が合成開口の「合成素子」の十分に小さな間隔（例えば最高周波数のλ／２より小さい）を提供するために集められ、また再レジストレーションが十分に正確であるならば、そのデータは、前記アレイによって掃引された円形の合成開口によって提供される充分なシステム帯域幅、それ故充分なレンジ解像度および充分なアジマス方位の分解能を再生するために、コヒーレントに処理される。このコヒーレント処理のための適切な再レジストレーションは、画像シーン(下部に取り付けられたソナーなどの)に対して静止したプラットホーム上で達成することが比較的簡単である。この処理は、インコヒーレントに処理される単一の透過像のそれに比べて、さらなる優れた解像度および品質を有する２Ｄのモザイク像を作り出す。
【０１０６】
機械的なステアリング方法は、Ｔ構成の周波数ステアリング型アレイでも使用することができる。これは、３Ｄ走査構成と、２Ｄオーバレイ走査構成とを提供するために、複数の周波数ステアリング型(シングル次数またはマルチ次数の)アレイをＴ構成で結合することによって、達成することができる。これは、同時に、前記した２Ｄおよび３Ｄのマルチピング音処理のスキームの如何なる組合せをも可能にする。図１６Ｅは、交差視界２２４を作り出すために機械的に回転するビームステアリングシステム２２２に設置されたＴ構成の組合せ２２０の２つの周波数ステアリング型アレイを示す。このシステムは、２Dデータセットを生成するために使うことができ、回転する走査経路２２６で走査されるとき、このシステムは3Dデータセットを提供する。図１６Ｆは、３Dおよび２Ｄのデータセットを作り出すために、線形の走査経路２２８に沿って組合せアレイ２２０を走査することが可能な線形の機械的なビームステアリング機構と結合されたＴ構成の組合せ２２０に配置された２つの周波数ステアリング型アレイを示す。
【０１０７】
周波数ステアリング型アレイは、また、従来の電子工学的ビーム成形技術との組合せで実施することができる。この方法は、二次元の平面または曲線のアレイを組込み、該アレイには、３Ｄ容積画像（volumetric imaging）システムを作るために、周波数ステアリングに直交する次元のアレー素子が従来の時間および位相シフトまたは音響レンズビーム成形技術と共に使用される。先に述べたシングル次数およびマルチ次数の周波数ステアリング型アレイは、２つの帰還狭周波数帯の位相シフト（phase shifts）が測定されるときに２つの重なるビーム間での到来角の測定を可能とする位相比較法によって実施することができる。周波数ステアリングと位相比較(すなわち位相モノパルス)との組合せは、周波数ステアリング平面に直交してまたは周波数ステアリングと同じ面で実施することができる。
【０１０８】
図１７ＡないしＤは、視界２３６を作る鉛直面から傾けられた面上に配置され、３Ｄ容積データセットを生成するために、走査経路２３４に沿って掃引角２３２にわたって機械的に回転する面上に配置された二次元の円形周波数ステアリング型アレイ２３０を使用した単一視界の構造を概略的に示す。掃引角は、実施装置内にプログラムしておくことができ、あるいはユーザによってプログラム可能または選択可能とすることができる。この特定のシステムでは、周波数ステアリング型アレイは、その視界の1つが前方に向けられた状態で垂直に設置される。次に、回転モータは、所定の回転角度内で前記アレイの鉛直２Ｄ視界を走査するために使用される。回転中の複数の角度で、２Ｄ像が収集される。最終的に、個々の２Ｄ像は、走査領域の1つの３Ｄ像を成形するために、結合される。図１６Ａの３Ｄ描写は、走査経路２３４を走査される視界が前記アレイを配置した乗り物２３８に関してどのように方向付けられているかを示す。図１６Ｃおよび１６Ｄは、アレイとその走査された視界との平面図および側面図をそれぞれ示す。
【０１０９】
おそらく、従来技術と周波数ステアリング技術の最も多用途の組合せの1つは、周波数ステアリングと位相シフトあるいは時間シフト(しばしば実時間遅延ビーム成形と称される)との組合せである。図１８は、本発明の周波数ステアリング型および時間遅延ビーム成形を組み合わせた本発明のプレーナアレイ２４０の動作を概略的に示す。図示のアレイ２４０は二次元アレイであり、正方形、長方形、円形、長円形または他の適した種々の形状を与えることができる。円形状は、作られるビームパターンのサイドローブレベルが低いので、多くの応用に有利である。二次元のアレイは、垂直方向の周波数ステアリングと水平方向の時間遅延ビーム成形とを提供するために実施することができ、この実施例では、円錐形のビーム２４２の３Ｄセットで構成される３Ｄ容積視界を作る。
【０１１０】
この実施例では、従来のビーム成形方法は、周波数ステアリング型画像平面のセットを構成するそれぞれの平面上に像を作り出すために、ビームの焦点を合わせかつ水平方向に操縦するために使われる。Ｘおよび／またはＹ構成に配置されたマルチアレイは、また、３Ｄ像を生成すべく処理される３Ｄ容積データセットを作り出すために、周波数ステアリングおよび時間遅延ビーム成形の両者を種々の方向に提供するために動作される２つの平面アレイで実施することができる。周波数ステアリングと位相シフトまたは時間シフト(しばしば実時間遅延ビーム成形と称される)方法との組合せは、シングル次数およびマルチ次数の両アレイで実施することができる。
【０１１１】
図１９は、鉛直次元の周波数ステアリングと、直交した(円筒形)次元の従来のビーム成形(移相または時間遅延)方法との組合せを使って実施された部分的に円錐状の曲線アレイ２４６を示す。この実施例は、また、３Ｄ像を生成するために処理される円錐形のビーム２４８から構成されている３Ｄ容積データセットを作り出す。図１８に示されている実施例と同様に、この実施例は、周波数ステアリング型画像処理平面のセットのそれぞれ面上の像を作り出すために、焦点を合わせかつ水平にビームを操縦する従来のビーム成形方法を使う。しかしながら、円錐形の形態は、水平方向で視界の増大と均一性の向上を提供する。
【０１１２】
図２０ＡないしＤは、各単一送受信サイクル間に３Ｄ画像を提供する一つの単一送受信サイクル間に一つの３Ｄ容積視界２５２を作り出すために、円すい台構成の周波数ステアリング型と従来のビーム成形型とを有する二次元の曲線のアレイ２５０を実施する典型的なアレイ設計を概略的に示す。水平視界は、実施装置にプログラムすることができ、またはユーザによって選択可能とすることができる。湾曲した円錐形の周波数ステアリング型アレイ面は、３Ｄ視界を提供するために動作し、従来の水平なビーム成形との組合せで高解像度の３Ｄ像を提供する広い視界の３Ｄ容積データセットを提供する。図２０Ａの３Ｄ描写は、ソナー視界２５２が船舶２５４に設置されたセンサプラットホームに関してどのように方向付けられているかを示す。図２０Ｃおよび図２０Ｄは、アレイとその視界との平面図および側面図をそれぞれ示す。
【０１１３】
図２１は、二重の円錐形の曲線アレイの実施を示す。二重円錐形の曲線アレイ２６０が個々の円錐形アレイのより広い部分を相互に隣接させて配置されており、Ｘ構成に配置された二重平面アレイと類似である。この二重の曲線アレイ構成は、シングル次数のアレイ(例えばｍ＝１／４)により、またはマルチ次数アレイ(例えばｍ＝１／４およびｍ＝１／８)により、実施することができる。２Ｄ画像アレイのＸ構成と同様に、1つの大きな鉛直視界を作成するためにマルチ次数の実施では、複数の鉛直視界を結合することができる。この構造は、鉛直および水平の両次元で非常に広い視界を提供する。双円錐形の形態は、水平方向の視界を増大させまた均一性を改善し、また広い鉛直視野を提供する。
【０１１４】
さらに、ここに開示されたアレイデザインおよび実施例のすべては、送信および／または受信ビームの機械的な成形、音響レンズまたは電子工学的に位相または時間をシフトさせる技術の実施、あるいはこれらの技術の組合せによって送信または受信の目的のために音響的に焦点を合わせることができる。周波数ステアリング型アレイの使用と組み合わされたこれらの方法は、高密度収束超音波(ＨＩＦＵ)のステアリング応用のために高強度の焦点を作るのに使用することができる。ＨＩＦＵは、様々な医学および商業用応用に使うことができる。焦点合わせは、また、近接場で周波数ステアリング型アレイの画像改善のための画像処理に用いることができる。例えば、機構的に固定焦点のレンズは、周波数ステアリング型アレイの前に置かれ、周波数ステアリングの画像の近接視野を可能とすべく画像視界の中心に集束帯をおくように方向付けることができる。焦点合わせは、先に議論された周波数ステアリングと、機械的走査すなわち従来のビーム成形技術との如何なる組合せでも使用することができる。
【０１１５】
本発明の方法およびシステムの様々な実施例についての前記した記載は、単に発明とその多様な実施例の説明であることが理解されよう。本発明の方法およびシステムの様々な態様への変更は、当業者にとって明白であり、本発明の開示および特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】画像を発生させるための周波数ステアリング型音響アレイシステムとビーム成形器との概略図を示す。
【図２】図２Ａないし２Ｄは、次数を順次に減少させた４つの周波数ステアリング型アレイ構造を例示する。図２Ａはｍ＝１のアレイ構造を示し、図２Ｂはｍ＝１／２のアレイ構造を示し、図２Ｃはｍ＝１／４のアレイ構造を示し、また図２Ｄはｍ＝１／８のアレイ構造を示す。
【図３】図３Ａないし３Ｄは、図２Ａないし２Ｄで説明された周波数ステアリング型アレイ構造によって形成された水平ビームパターンをそれぞれ示す。
【図４】シェーディングなしの４５度のブレーズ角を有する次数ｍ＝１／２の周波数ステアリング型アレイによって形成され、３００ｋHz(実線)、３９０ｋHz(長い点線)および４８０ｋHz(短い点線)の周波数毎にプロットされた典型的な水平ビームパターンを示す。
【図５】図５Ａおよび５Ｂは、ｍ＝１／２の周波数ステアリング型アレイのための２つの典型的な電子機器構成を示す。
【図６】図６Ａおよび６Ｂは、ｍ＝１／４の周波数ステアリング型アレイのための２つの典型的な電子機器構成を示す。
【図７】空間的に「周波数ホップ型」の典型的な非周期的音響アレイ構成を示す。
【図８】図８Ａないし８Ｃは、マルチ次数周波数ステアリング型アレイのための典型的な素子配置を概略的に示す。
【図９】図９ＡないしＤは、 本発明の単一の周波数ステアリング型のアレイを使った典型的な単一視界のソナーの実施例を示す。
【図１０】図９Ａないし９Ｄのソナーシステムのための概略的なブロック線図を示す。
【図１１】図１１Ａないし１１Ｄは、本発明の単一の周波数ステアリング型のアレイを使って前方および下方の両方を見ることができる能力を提供する典型的な二次元視界のソナーの実施例を概略的に示す。
【図１２】図１２ないし１２Ｄは、重なった広い視界を提供すべくＸ構成に配置された２つの周波数ステアリング型アレイを組み込んだ典型的な実施例を概略的に示す。
【図１３】図１３Ａは単一のマルチ次数のアレイ（ｍ＝１／４、ｍ＝１／８）によって作り出された視界を概略的に示し、また図１３ＢはＸ構成の２つのマルチ次数アレイの結合によって生成された視界を示す。
【図１４】図１４Ａないし１４Dは、二次元の結像情報を提供する、T構成に配置された複数の周波数ステアリング型アレイの典型的な実施例を概略的に示す。
【図１５】図１５Ａないし１５Ｄは、Ｘ構成に配置された２つの周波数ステアリング型アレイを組み込んで、一方位の重複する広い視界および直交した方位の２つの視界を提供する典型的なマルチアレイの実施例を概略的に示す。
【図１６】図１６Ａないし１６Ｆは、２Ｄおよび３Ｄ結像場を作り出すために、種々の周波数ステアリング型アレイおよび周波数ステアリング型アレイ組立体と機械的なステアリング機構との結合を概略的に示す。
【図１７】図１７Ａないし１７Ｄは、３Ｄ容量データセットを生成すべく垂直軸から傾けられた平面上で整合され、回転軸の周りに走査される単一視界の二次元円形アレイを概略的に示す。
【図１８】周波ステアリング型と二次元の矩形平面アレイを使って３Ｄ画像を実現する従来の時間遅延ビーム成形型との典型的な組み合わせを示す。
【図１９】周波数ステアリング型と円錐形の曲線のアレイを使って３Ｄ画像を実現する従来のビーム成形型（位相のずれまたは時間遅延）との典型的な組み合わせを示す。
【図２０】図２０Ａないし２０Ｄは、３Ｄ容積測定データセットを生成するために、円すい台構成の周波数ステアリング型および従来のビーム成形型を有する二次元の曲線のアレイを実施する典型的なアレイ構造を概略的に示す。
【図２１】図２１は、垂直および水平の両方向で広い視界を提供するために、垂直次元の周波数ステアリング型と直交（円筒形）次元の従来の周波数ステアリング型とを組み合わせた典型的な二重円錐形の曲線のアレイ組立体を示す。
【符号の説明】
【０１１７】
１６、２４、３０、６０、１２０、１４２、１５０、１５２、１６２、１６４、１６６、１７０、１７２、１８０、１８２、２００、２１０、２４０、２４６  アレイ
３２、６２、９２、１００  アレイ素子
３６、３８  スイッチ
４０、７０  送信システム
５０、８０  受信システム
５４  信号処理システム
５６  画像処理システム
２０４、２１２、２４２、２４８  ビーム
【図１】
2007535195.tif 000021
【図２】
2007535195.tif 000022
【図３】
2007535195.tif 000023
【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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