(57)【要約】【課題】ソナーがソナー自体の送信器から受信する信号と、意図された目標からのエコーとを、一定の線形性要件および排除要件に従い効果的に弁別する方法を提供する。【解決手段】音響的エコー信号よりも６０ｄＢ以上高く存在する直接的音響信号を弁別し得るソナー・システムおよび使用方法。【選択図】図１ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響信号を連続的に送信し得る送信器と、
単一もしくは複数の物体から反射された上記音響信号の音響的エコーと、上記送信器からの直接的音響信号とを受信し得る受信器とを備え、
上記受信器は、上記送信器が送信を行う間に、上記直接的音響信号と、上記物体から受信した上記音響的エコーとを弁別可能であり、
上記弁別は、上記直接的音響信号が上記音響的エコー信号より６０ｄＢ以上高く存在するときに行われ得る、
水中の単一もしくは複数の物体を検出するアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２】
前記送信器は前記音響信号を連続的に送信する、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３】
前記送信器は≦１２ＫＨｚである音響信号を送信する、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項４】
前記送信器は≦１０ＫＨｚである音響信号を送信する、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項５】
前記送信器は≦５ＫＨｚである音響信号を送信する、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項６】
前記送信器は全方向性の音響信号を送信する、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項７】
前記送信器は前記受信器の方向において減少したエネルギ・レベルを有する信号を送信する、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項８】
前記エネルギは約３ｄＢ〜約６０ｄＢだけ減少される、請求項７記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項９】
前記エネルギは約５ｄＢ〜約２５ｄＢだけ減少される、請求項７記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１０】
前記エネルギは約２５ｄＢ〜約５５ｄＢだけ減少される、請求項７記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１１】
前記送信器は周波数変調信号を送信している、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１２】
前記送信器は掃引周波数変調信号を送信している、請求項１１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１３】
前記送信器は線形掃引周波数変調信号を送信している、請求項１１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１４】
前記送信器は掃引周波数変調信号を送信しており、送信される掃引物は各掃引物の開始時および終了時における周波数の不連続性を回避するために振幅が勾配付けられる、請求項１１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１５】
前記周波数変調信号は周波数の不連続性を回避するために振幅が勾配付けられる、請求項１１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１６】
前記送信器は、周波数シフト・キーである周波数変調信号を送信している、請求項１１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１７】
前記送信器は、周波数シフト・キーである周波数変調信号を送信している、請求項１４記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１８】
前記送信器は双曲線的に掃引された周波数変調信号を送信している、請求項１１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項１９】
前記周波数変調信号は周波数の不連続性を回避するために振幅が勾配付けられる、請求項１８記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２０】
前記送信器は単一の周波数連続波を送信している、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２１】
前記連続波信号はその開始時および終了時における不連続性を回避するために振幅が勾配付けられる、請求項２０記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２２】
前記受信器は単一のハイドロフォンである、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２３】
前記受信器はハイドロフォンの配列である、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２４】
前記受信器は、ベクトル・センサ、または、ベクトル・センサの配列を備えて成る、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２５】
前記受信器は約８０ｄＢより大きなダイナミック・レンジを有する、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２６】
前記弁別機能は時間的周波数フィルタリングにより達成される、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２７】
前記弁別機能は前記直接信号を減衰する空間的フィルタリングにより達成される、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２８】
前記物体は動作中である、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項２９】
前記物体は静止的である、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３０】
当該システムは、前記受信器から９．ｌ４ｋｍ（１０キロヤード）より大きな有効距離にて前記物体を検出し得る、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３１】
当該システムは、前記受信器から４．５７ｋｍ（５キロヤード）より大きな有効距離にて前記物体を検出し得る、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３２】
当該システムは、前記物体が前記送信器または前記受信器のいずれかと同一深度に在ることを検出し得る、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３３】
当該システムは、前記物体が前記送信器または前記受信器のいずれかの深度と異なる深度に在ることを検出し得る、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３４】
当該システムは海底の下方に在る物体を検出し得る、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３５】
当該システムは前記受信器に関して任意の方位における物体を検出し得る、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３６】
前記音響信号は多重周波数の音響トーンから成る、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３７】
前記送信器および前記受信器は１２個以下の音響波長だけ離間される、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３８】
前記音響信号間の前記弁別は、方位領域、有効距離領域および／または周波数領域を含む、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項３９】
前記受信器は、前記送信信号が該受信器の探索領域における検出スレッショルド値を上昇させない様に、前記方位領域および周波数領域のいずれか又は両方において上記送信信号を排除する排除要件を満足する、請求項１記載のアクティブ・ソナー・システム。
【請求項４０】
音響信号を送信する段階と、
上記音響信号の上記送信の間に、単一もしくは複数の物体から反射された上記音響信号の音響的エコーを受信すると共に、上記音響信号を直接的に受信する段階と、
上記直接的音響信号が上記音響的エコー信号より６０ｄＢ以上高く存在するときに上記音響的エコー信号と上記直接的音響信号とを弁別する様式で、上記音響的エコー信号および上記直接的信号を処理する段階とを備えて成る、
ソナー信号を検出する方法。
【請求項４１】
前記送信段階は単一の周波数連続波を放射することにより達成される、請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記送信段階は全方向性の音響信号を放射することにより達成される、請求項４０記載の方法。
【請求項４３】
前記受信段階は一個以上のハイドロフォンを用いることで達成される、請求項４０記載の方法。
【請求項４４】
前記受信段階は、ベクトル・センサ、または、ベクトル・センサの配列を用いることで達成される、請求項４０記載の方法。
【請求項４５】
前記弁別段階は時間的周波数フィルタリングを実施することで達成される、請求項４０記載の方法。
【請求項４６】
前記弁別段階は空間的周波数フィルタリングを実施することで達成される、請求項４０記載の方法。
【請求項４７】
波形を生成する段階と、
波形の成形を実施する段階と、
上記波形を音響的に送信する段階と、
上記音響的波形と、反射された上記音響的波形のエコーとを直接的に受信する段階と、
上記受信された夫々の音響的波形に対して時間的周波数排除を実施する段階と、
選択的に、上記受信された音響的波形を空間的にフィルタリングする段階を実施する段階と、
選択的に、上記検出された反射エコーを追跡する段階とを備えて成る、
ソナー信号を検出する方法。
【請求項４８】
前記波形を送信する前記段階は、単一の周波数連続波を放射することで達成される、請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
前記成形段階は、振幅の勾配付けを実施することで達成される、請求項４７記載の方法。
【請求項５０】
前記波形成形段階は信号の不連続性を回避するために実施される、請求項４７記載の方法。
【請求項５１】
前記波形成形段階は信号の開始時および終了時における該信号の不連続性を回避するために実施される、請求項４７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願はＵ．Ｓ．Ｃ．第１１９条（ｅ）に基づき、２００３年９月２９日に出願された米国仮出願第６０／５０６，５０７号の特典を主張する。
本発明は概略的に、ソナーに関する。特に本発明は、音響信号を同時に受信かつ送信し得るアクティブ・ソナー・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ソナー（音波航法探知）は、水中での音響伝搬を用い、索行を行うか、水中または水上の物体を検出する技術である。業界公知の如く、２つの形式のソナーが在る：パッシブおよびアクティブである。パッシブ・ソナーは、探索されつつある物体から発せられる音響を傾聴することで物体目標を検出するものである。アクティブ・ソナーは、音響のパルスを生成してから、目標物体からのパルスの反射を傾聴する。上記目標までの距離を決定するために、パルスの発射から受信までの経過時間が測定される。また方向的方位を検出するために、ビーム形成と称されるプロセスにおいて相互に対する相対到達時間を測定するために幾つかのハイドロフォンが用いられる。
【特許文献１】米国特許第５，１５０，３３５号
【特許文献２】米国特許第４，９６１，１７４号
【特許文献３】米国特許第６，１２８，２４９号
【非特許文献１】ニュージャージー州、エングルウッド・クリフス（Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ  Ｃｌｉｆｆｓ）のプレンティスホール（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ）社により１９８４年に発行されたバーディック、ダブル・エス（Ｂｕｒｄｉｃ，  Ｗ．  Ｓ．）による“水中音響システム分析（（Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）”
【非特許文献２】ニュージャージー州、エングルウッド・クリフスのプレンティスホール社により１９８５年に発行されたウィドロウ・ビー（Ｗｉｄｒｏｗ，  Ｂ．）およびスターン・エス（Ｓｔｅａｒｎｓ，  Ｓ．）の“適応的信号処理（Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）”
【非特許文献３】ニューヨークのマックグローヒル（ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ）社により１９６２年に発行されたスコイニック・エム・アイ（Ｓｋｏｌｎｉｋ，  Ｍ．  Ｉ．）の“レーダ・システムへの招待（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｒａｄａｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）”
【非特許文献４】ニューヨークのマックグローヒル社により１９７５年に発行されたアール・ジェイ・ウリック（Ｒ．  Ｊ．  Ｕｒｉｃｋ）の“水中音の原理（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ  Ｓｏｕｎｄ）”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
干渉する音響（すなわちノイズまたは残響）の存在下で所望の音響すなわち‘信号’を検出するというシステムの機能は概略的に、‘認識弁別度（ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）’（ＲＤ）と称される。ＲＤは、誤認警報の特定確率を超えずに、（通常は５０％に選択される）一定の特定の確率を以てシステムが信号を検出し得る信号／干渉比として定義される。ＲＤは通常は、デシベル（ｄＢ）で表現される。ＲＤが低いほど、システムは良好に機能する。
【０００４】
‘確認’すなわち処理する時間が長いほどＲＤが低いことは示されている（分析に関しては、非特許文献１を参照されたい）。パッシブ・ソナー・システムは常に傾聴または‘受信’モードに在ると共に概略的には継続的に放出されている目標の固有特徴成分を探索することから、斯かるシステムは処理時間に多くの時間を費やすことで、達成されるＲＤが非常に低くなり得る。対照的に、習用のアクティブ・ソナー・システムは典型的には短パルス形式の送信を使用することから、該システムの受信処理時間は僅か数秒または数分の一秒に限られる。結果としてアクティブ・ソナーのＲＤは概略的にパッシブ・システムよりも１０〜３０ｄＢだけ高くなり；これは、線形表現における１〜３桁に等しい。
【０００５】
習用のアクティブ・ソナーは典型的に、多くの理由により、比較的に短い持続時間のパルス形式送信に限られる。ひとつの理由は、一定の環境においては送信時間が長くなるほど不都合な残響が蓄積するからであり；このことは特に、浅水域環境において制限された帯域幅を有するシステムに当てはまる。更に基本的な理由は、殆どのアクティブ・ソナー・システムは送信している間は受信し得ないことである。その理由は多くの場合、斯かるシステムが送信および受信の両方に対して（‘トランスデューサ’と称される）同一デバイスを使用しており、且つ、トランスデューサは両方を同時には行い得ないからである。斯かるシステムは必然的に‘モノスタティック’であり、該システムの送信および受信が一箇所で行われることを意味する。（逆が必ずしも真ではないことを銘記されたい；一定のモノスタティック・システムは、送信および受信に対して同じ箇所に配置され乍らも別体的であるデバイスを使用する。）但し最も概略的に、送信している間に受信できない理由は、探索されつつあるエコーのレベルよりも必然的にアクティブ・ソナーの送信レベルが相当に高いことから、音響的送信レベルが、使用中の受信器に過負荷を掛けまたは該受信器を少なくとも実効的に‘妨害’するからである。このことは、一定距離だけ離間されて配置された別体的なデバイスにより送信および受信が夫々行われるという殆どの所謂るバイスタティックまたはマルチスタティック・システムにさえも当てはまる。
【０００６】
故に、実質的に連続的である到来データのストリームを許容すると共に高度に指向性の送信器または高周波に限られないソナー・システム、特に、検出を逃れようとする潜水艦などの目標を検出する専用のソナー・システムを提供することが望ましい。
【０００７】
先行技術すなわちホフマンによる特許文献１は、連続的に送信を行うソナーのために割り込み式周波数変調を用いてドップラおよび有効距離（ｒａｎｇｅ）のアンビギティを解決すべく使用され得る波形生成／処理技術を記述している。しかしホフマンは線形性判断基準および排除判断基準に取り組んでいないことから、送信している間にエコーを検出するために実際的に必要とされる要素を教示していない。
【０００８】
他方、テール等は特許文献２において、送信器および受信器からの音響的分離に対する必要性に取り組むと共に、この手法においては処理による排除ではなく強力な音響層を必要とする物理的な垂直離間によりそれを行うことから、（更に深い水中用途などの）比較的に少ない特定環境に限られると共に潜水艦などの知的に操作される物体によれば回避され得る。またサリバンによる特許文献３は、干渉を回避するために周波数が十分に離間された一連のトーンを使用して連続的に送信を行う方法を論じている。ホフマンと同様にサリバンは線形性判断基準および排除判断基準に取り組んでおらず、サリバンにより使用された一連のトーンでは、実際的な有効距離分解能および残響排除が許容されない。
【０００９】
要約すると上記先行技術は、ソナーがソナー自体の送信器から受信する信号と、意図された目標からのエコーとを、一定の線形性要件および排除要件に従い効果的に弁別する方法を示していない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、送信している間に連続的に受信を行い得るアクティブ・ソナー・システムを包含する。更に、独自の線形性要件および排除要件の組み合わせに従い、上記ソナー・システムを操作する方法が提供される。上記システムの受信器は、該システムが送信を行う間でさえも、該受信器がそれ自体の送信器から受信する信号と、企図された単一もしくは複数の目標から該受信器が受信する反射信号またはエコーとを（方位、有効距離および／または周波数に関して）弁別し得る。上記ソナーは、残響およびノイズにおける優れた差分的利得と、迅速な目標検出とを実現する。
【００１１】
一実施例は、水中の単一もしくは複数の物体を検出するアクティブ・ソナー・システムを包含する。上記システムは、音響信号を連続的に送信し得る送信器と、単一もしくは複数の物体から反射された上記音響信号の音響的エコーと、上記送信器からの直接的音響信号とを受信し得る受信器とを備える。上記受信器は、上記送信器が送信を行う間に、上記直接的音響信号と、上記物体から受信した上記音響的エコーとを弁別可能である。上記弁別は、上記直接的音響信号が上記音響的エコー信号より６０ｄＢ以上高く存在するときに行われ得る。
【００１２】
別実施例は、ソナー信号を検出する方法を提供する。該方法は、音響信号を送信する段階を包含する。上記音響信号の上記送信の間に、受信器は、単一もしくは複数の物体から反射された上記音響信号の音響的エコーを受信すると共に、上記音響信号を直接的に受信する。上記直接的音響信号が上記音響的エコー信号より６０ｄＢ以上高く存在するときに上記音響的エコー信号と上記直接的音響信号とを弁別する様式で、上記音響的エコー信号および上記直接的信号は処理される。
【００１３】
更なる別実施例は、波形を生成する段階と、信号不連続性を回避するために波形の成形を実施する段階と、上記波形を音響的に送信する段階と、上記音響的波形と、反射された上記音響的波形のエコーとを直接的に受信する段階と、上記受信された夫々の音響的波形に対して時間的周波数排除を実施する段階と、選択的に、上記受信された音響的波形を空間的にフィルタリングする段階を実施する段階と、選択的に、上記検出された反射エコーを追跡する段階とを備えて成る、ソナー信号を検出する方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ソナーがソナー自体の送信器から受信する信号と、意図された目標からのエコーとを、一定の線形性要件および排除要件に従い効果的に弁別する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、送信を行う間に連続的に受信し得るアクティブ“送信間受信（ＲＷＴ）”ソナー・システムを包含すると共に、本発明に係る線形性要件および排除要件に従い上記ソナー・システムを操作する方法を提供する。該システムの受信器は、該システムが送信を行う間でさえも、それ自体の送信器から該受信器が受信する信号と、単一もしくは複数の企図目標から該受信器が受信する反射信号すなわちエコーとの間で（方位、有効距離および／または周波数の）弁別を行う。これは、以下において更に詳細に説明される如く、大きなダイナミック・レンジ（受信器の出力レベルが該受信器の入力のレベルに線形に比例したままであるという、最大入力レベルに対する最小入力レベルの比率）を有する受信器を上記システムに取入れることで達成される。
【００１６】
図１ａは、当該水上艦船１０により牽引されるハイドロフォン２３などの音響センサまたは受信器の配列を担持する水中クラフト２０と組み合わされて水上艦船１０上で採用された実施例のソナー・システムを示している。上記クラフトを牽引するケーブル２５は、配列２３からの電子信号を水上艦船１０上のデータ処理設備／ディスプレイ３０に対して供給する導電ワイヤなどの電子的送信手段も含む。アクティブ・モードにおいて、喫水線４５の下方のアクティブ送信器４０は音響信号５０を送信する。該信号は目標６０から音響的エコー７０として反射され、受信器２０により検出される。受信器２０は、一個以上のハイドロフォン２３から成り得る。同時に、送信器４０により送信された音響信号は、該送信器からの直接信号８０として受信器２０により直接的に受信される。上記信号は、艦船用電子機器３０にて処理される。
【００１７】
艦船用電子機器３０は、図１ｂに更に詳細に示される。同図の上記電子機器に関連して、喫水線の下方のアクティブ送信器４０、目標６０および受信器２０も示される。本発明の一実施例においては、送信器４０に対して直接的に、または選択的に送信ビーム形成器１１０を介して波形８０を送信するために、励起信号が生成される。送信された信号１０５が受信器２０へと戻った後で該信号は、処理１３０される前に直接的にヘテロダイン・フィルタ１２０を通過するか又は選択的に受信ビーム形成器１１０を通過してから該フィルタを通過し、以下において更に説明される如く高速データ追跡１４０に委ねられる。結果は、ディスプレイ１５０上に表示される。
【００１８】
図１ａおよび図１ｂに示された実施例のひとつの見地において、送信器４０は音響信号を連続的に送信する。該信号は全方向性であると共に、両方の図面における６０などの物体と、自身の受信器２０とに到達する。上記音響信号は、１２ＫＨｚ以下、または≦１０ＫＨｚあるいは≦５ＫＨｚとさえされ得る。本発明のひとつの見地において上記音響信号は、減少したレベルのエネルギを以て、受信器２０の方向８０に進行する。このエネルギ・レベルは、約３ｄＢ〜約６０ｄＢだけ、または、約５ｄＢ〜約２５ｄＢだけ、または、約２５ｄＢ〜５５ｄＢだけ減少され得る。更に送信器４０は、周波数変調信号、掃引周波数変調信号または線形掃引周波数変調信号を送信し得る。当業界において十分に理解される如く、上記変調信号は周波数の不連続性を回避するために振幅が勾配付けられている。上記送信器および受信器は、１２個以下の音響波長だけ離間され得る。
【００１９】
受信器２０は、それ自体の送信器４０からの信号８０を直接的に受信すると共に、物体６０から反射されたエコー信号７０も受信する。上記受信器は、１個のベクトル・センサまたはベクトル・センサの配列を備え得る。上記受信器は、約８０ｄＢより大きいダイナミック・レンジを有すると共に、上記送信器が送信を行う間における直接的音響信号と、上記物体から受信した音響的エコー信号とを弁別し得る。上記物体は、静止的または動作中であり得る。本発明のひとつの見地において上記弁別は、直接的音響信号が音響的エコー信号よりも６０ｄＢ以上だけ高く存在するときに行われ得る。上記弁別機能は、以下に更に記述される如く、直接信号を減衰する時間的周波数フィルタリングおよび空間的フィルタリングにより達成される。
【００２０】
図２ａに示された上記システムの実施例は、受信器２０から４．５７ｋｍ（５キロヤード）および９．１４ｋｍ（１０キロヤード）より長い有効距離における物体６０を検出し得る。上記システムは、上記送信器または受信器と同一の深度における物体を検出し得る。別の見地において上記システムは、上記送信器または受信器のいずれかの深度とは異なる深度における物体を検出し得ると共に、海底の下側の物体も検出し得る。更に上記システムは、上記受信器に関する任意の方位における物体を検出し得る。
【００２１】
ひとつの見地において、上記システムが送信を行う間においてさえも該システムの受信器２０が、自身の送信器４０から受信する直接信号８０と、企図された目標６０から受信するエコー７０とを（方位、有効距離および／または周波数に関して）弁別し得るためには、２つの条件が満足されねばならない：ひとつの側面においては、上記受信器にて受信される音響的レベルが、容認可能な海洋ノイズ・レベルにより決定される該受信器の最小検出可能信号と該受信器のダイナミック・レンジとの和を超えてはならず（または少なくとも、相当に超えてはならず）、すなわち、受信されたレベルが上記受信器に過負荷を掛けてはならない。この側面は、本発明の‘線形性”要件（またはレベル調整（ｌｅｖｅｌｉｎｇ））と称される。第２に上記受信器は、送信された信号が該受信器の探索領域における検出スレッショルド値を上昇させない様に、方位領域および周波数領域のいずれかまたは両方において該送信信号を十分に排除し得ねばならない。すなわち上記システムは、目標からのエコーを獲得せんとする方向および周波数形態において該システム自身を‘妨害’してはならない。この他方の側面は‘排除’要件と称され得ると共に、概略的には、適切なサイドローブ制御を達成するビーム／フィルタ・シェーディング（ｂｅａｍ／ｆｉｌｔｅｒ  ｓｈａｄｉｎｇ）と、送信器から直接的に受信されたレベルを更に弁別する適応的ノッチ式フィルタリング（ａｄａｐｔｉｖｅ／ｎｏｔｃｈｅｄ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）との組み合わせにより達成され得る。
【００２２】
斯かる実施例の線形性要件は図２ａに示されており、その場合に本発明の種々の部材に関する簡略化のために図１ａおよび図１ｂの付番方式が追随され、ダッシュが付された番号は幾つかの図を通して同様の部材を指している。トランスデューサ・アレイ９０’の一個以上の要素は、目標（図１ｂにおける６０）の方向において発信源音響レベルＬＳ（ＬＳ）にて波形を送信する。ビーム形成器１００’は、受信器の方向においてＬＳレベルに等しいＮｕｌｌｌｏｓｓを与えるナルステアリング（ｎｕｌｌ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ）のために、受信器（図１ｂにおける２０）の方向に送信を行う。バッフル損失（受信器の方向において“バッフルに到達するレベル”から“バッフルを離脱するレベル”を減じた差）の故に必ずしも好適でないこともあるが、音響的バッフル１０５’も使用され得る。図２ａに示された如く上記音響信号は、水中分離間隔４５’を通り進行することで送信損失（ＴＬ）を蒙る。一個以上のハイドロフォンから成る受信器アレイ２０’の線形性要件は、以下の式により与えられる上記システムの種々のパラメータ間の関係を確立することにより形成される：
ＬＳ−｛ＴＮ＋ＴＬ｝≦ＮＬ＋ＤＲ    （式Ｉ）
式中、
ＬＳは、目標の方向における発信源レベル、
ＤＲは、上記システムのダイナミック・レンジ、
ＴＮは、上記受信器の方向における送信空間ナル、
ＴＬは、送信器から受信要素に対する送信の損失、
ＮＬは、受信器のノイズ・レベルである。
【００２３】
例示的で典型的なシステムとして、高ダイナミック・レンジの牽引アレイにより動作されるアレイに機能的に匹敵するという略々２２５ｄＢの発信源レベルを提供すべく設計された略々２０個の要素（ハイドロフォン）の２ＫＨｚ（２０００ヘルツ）の送信器アレイを考察する。ＬＳ＝２２５ｄＢ、ＤＲ＝１２０ｄＢ、ＴＮ＝２５ｄＢ、ＴＬ＝４０ｄＢ、ＮＬ＝５０ｄＢとすると、上記の線形性関係によれば、
１６０ｄＢ≦１７０ｄＢ
が示される。故に、上記線形性要件は満足される。当業者であれば、上記で使用された損失項の内の幾つかは控えめであることを認識していよう。たとえば、殆どのバイスタティックまたはマルチスタティック構成は、此処で使用される４０ｄＢの値に対して５０ｄＢ〜８０ｄＢの送信損失を包含することから、ナルステアリングの送信またはバッフルの必要性が否定される。同様に、周波数が低くなるにつれ、海洋ノイズが、故に最小検出可能信号レベルが増大し、再び、ナルステアリング送信および／またはバッフルの必要性が減少される。
【００２４】
上記の例においては、十分に斯かる例示的なシステムのダイナミック・レンジ内である１６０ｄＢの受信レベルもまた、上記システムの最小検出可能ノイズ・レベルより高いことも銘記されたい。上記システムは線形のままであることから、今や、夫々が空間および周波数に基づく“ノッチ・フィルタリング”技術の組み合わせを提供することで、送信信号が受信を阻害することが更に排除される。
【００２５】
上記にて定義された線形性要件に加え、本発明の実施例の別の見地は、直接信号（図１ｂにおける８０）の排除に対する要件を確立する。
【００２６】
当業者であれば、任意の連続的送信手法において受信器に対する強力な送信は、問題となる目標エコーの受信を遮断するという悪影響を有することを認識していよう。別体的な送信器および受信器を採用する方法においては、バイスタティックの状況展開が本来的に存在しており、送信されたエネルギは多重経路到達の故に固定時間遅延または多重時間遅延にて出現する。周波数変調連続波（ＦＭ−ＣＷ）送信によれば、戻りの時間遅延は受信波形の周波数シフトに対応する。直接的に受信された送信エネルギは所望の受信レベルに対して強力であり、且つ、周波数の側波帯漏洩が主なノイズ源となる。この問題は典型的には、非常に低い側波帯応答を有する周波数フィルタリングを用いて対処され得る。この線形の周波数フィルタリングは選択的に、受信器において非線形の適応的な周波数相殺により増強されても良い。もし受信器のセンサがハイドロフォンの配列を包含するなら、発信源の方向から到達する信号を抑制するために受信ビーム形成もまた用いられ得る。この受信ビーム形成は、習用の線形手法または適応的手法のいずれかを使用し得る。もし上記発信源が十分な方向性を有するなら、受信器の方向において発信源の送信ビームのナルを導くことも可能であり得る。受信器における送信信号の排除は空間領域または周波数領域の技術を用いて実施され得る。センサ・システムに依存し、空間的排除および周波数排除のいずれか又は両方が適用され得る。
【００２７】
別実施例において本発明の直接信号排除要件は、空間的（方位）成分および周波数（有効距離）成分を包含する。故に、
ＲＳを、空間的サイドローブ排除分とし、
ＮＤＩを、ノイズに対する受信器の方向性とし、
ＲＳＲを、信号に対する受信器の空間的排除分とし、
ＲＦＲを、受信器の周波数排除分とすれば、
干渉レベル（Ｉ）要件に関する排除要件は以下の式で表される：
Ｉ＝ＬＳ−ＴＮ−ＲＳ−ＴＬ−ＲＳＲ−ＲＦＲ＜ＮＬ−ＮＤＩ  （式ＩＩ）
図２ａにおいては、空間および／または周波数に依存する処理１１０’、１３０’が示され、ディスプレイ１５０’上における目標の検出の表示が追随する。
【００２８】
習用のビーム形成技術は空間的排除を行い、その場合に排除のレベルは典型的には利用可能なハイドロフォンの個数とそれらの間隔とにより決定されることを銘記されたい。習用の手法の他に、付加的な直接信号排除を行うために、既知の信号を相殺すべく使用される適応的技術すなわち“妨信防止”方法が適用され得る。
【００２９】
本発明は、空間および周波数ノッチ・フィルタリング設計方法が上記排除要件を容易に凌駕し得るという最新式の高性能デジタル電子機器を容易に活用し得ることも銘記されたい。周波数を有効距離へと変換することで、空間的なビーム形成および周波数フィルタリングを、習用のアクティブ・パルス式ソナーにより提供される有効距離および方位情報へと変化させるために、ヘテロダイン式ＦＭ手法が使用され得る（たとえば非特許文献２を参照されたい）。
【００３０】
図１ｂの要素１２０に続き、且つ、図２ａにおける要素１１０’の一部として、図２ｂにはヘテロダイン式ＦＭ手法の実施例が示される。図２ｂにおいて、ハイドロフォン１１０”またはハイドロフォンアレイから受信された信号であってビーム・データを獲得するために空間的にフィルタリングされている信号は、固定周波数信号を生成するために受信信号の周波数シフトの否定を有するローカル信号によりヘテロダイン処理１２０”される。送信された周波数シフトの否定を有する任意のローカル信号が使用され得る。好都合なローカル基準は、送信された信号９０”である。実際の送信信号によるヘテロダイン処理によれば和周波数および差周波数の両方が生成され、ヘテロダイン・ブロックからの所望の差周波数は、追随する周波数フィルタリングにより選択される。送信レプリカの共役物９５”を用いた合成（分析的）信号によれば、ヘテロダイン段階からは差周波数のみが得られる。低い側波帯による周波数フィルタリングは、低側波帯に対して選択された勾配付けを提供するシェーディング・ウィンドウによるフーリエ変換１２５”を用いることで達成される。多くの低側波帯ウィンドウが利用可能であり、たとえば任意の所望の理論的サイドローブ・レベルによりチェビシェフまたはテーラーまたはカイザー−ベッセル・ウィンドウが生成され得る。以下においては、単一のハイドロフォンに基づく湖試験において捕捉されたデータによる線形ＦＭ送信掃引に対する（図２ｂの要素１３０”により処理された）上記の処理連鎖の出力が図２ｃに示される。周波数フィルタリングのみにより、８０ｄＢより大きい側波帯排除分１６０が達成されることを銘記されたい。残響および直接信号に対応するデータは夫々、参照番号１７０および１８０により示される。
【００３１】
直接信号排除要件の分析は、線形性要件を決定するために上記で式Ｉにおいて使用されたのと同一の分析に対して式ＩＩを適用することで提供される。先の分析の値、すなわちＬＳ＝２２５ｄＢ、ＴＮ＝５０ｄＢ、ＴＬ＝４０ｄＢ、ＮＬ＝５０ｄＢ、ＮＤＩ＝２５ｄＢ、ＲＳ＝３５ｄＢを用いると共に、ＲＳＲ＝１０ｄＢおよびＲＦＲ＝７０ｄＢである様に空間的フィルタリングおよび周波数フィルタリングの両方を適用すると、式ＩＩは、
Ｉ＝２０ｄＢ≦２５ｄＢ
を与えることから、直接信号が上記受信器のノイズ・レベルより５ｄＢ低くされれば上記排除要件は満足される。
【００３２】
本発明の応用例の別の分析においては、中間周波数においてバイスタティックおよびマルチスタティック動作が提供される。本発明のひとつの見地においては、ソノブイなどの船外発信源および固定発信源を用いたスタンドアロンのソナー処理機能が開示される。上記の分析との主な差は、単一要素のソノブイの使用により受信器における空間的排除は最小限とされるが、ダイポールまたはカーディオイド・モードにおいて直交チャネルを処理することにより方向性が得られることである。同様に、受信器に向けたレベルを減少するための方向性送信は、該受信器が現場で動作するという事実の故に困難である。故にこの分析に対しては、発信源と受信器との間の更なる間隔の故にＬＳ＝２００、ＴＮ＝０ｄＢ、ＮＬ＝４０ｄＢ、ＮＤＩ＝５ｄＢ、ＲＳ＝２０ｄＢ、ＴＬ＝５５とし、適応的空間処理に対してＲＳＲ＝１０ｄＢとし、且つ、合理的に純粋な周波数送信および周波数フィルタリングがＲＳＲ＝８５ｄＢを達成し得るとするならば、式ＩＩからの干渉レベルは、
Ｉ＝３０ｄＢ＜３５ｄＢ
となる。故に、直接信号は受信器のノイズ・レベルよりも結果的に５ｄＢ低いものであり、この要件は再び達成可能である。
【００３３】
上述された周波数領域排除技術を用いて湖において行われた実験においては、送信ビーム形成または受信アレイの方向性なしでさえも、送信している間にエコーが受信され得ることが示された。上記実験は、約１５メートルだけ離間された低周波数（１ＫＨｚ）の音響的発信源から“ナル化”送信ではなく最大値を受信する様に載置された単一の非方向性ハイドロフォンからのデータを分析する段階を包含した。図２ｃおよび図２ｄは、８５０〜１１５０Ｈｚから垂直に積層された連続する１０回の１５秒の掃引送信に対する受信ヘテロダイン出力レベルを示している。図２ｃは、ローカル・ノイズ・レベルより高い欠陥を示すべく正規化されている。湖の湖岸線縁部は、２キロメートルおよび３．５キロメートルにおいて明確に認識され得る。図２ｄは、絶対的な受信器レベルを示すと共に、周囲ノイズの最小検出可能レベルが達成可能であり且つ各送信の間に略々６．５ｋｍにて生ずることを表している。
【００３４】
別実施例のひとつの見地においては、直接的に受信された送信信号から目標信号が周波数フィルタリングにより分離され得る様に、送信信号のスペクトル・エネルギは受信周波数帯域に入り込むことが許容されない。送信周波数の急激な変化により通常は送信エネルギが広範な周波数帯域に亙り拡開するという送信セグメントの開始時および終了時を勾配付けするために、ウィンドウが用いられる。各セグメントの開始振幅および終了振幅をゼロから最大振幅まで円滑に勾配付けすることにより、周波数拡開が制御され得る。図３ａにおいては４個の送信セグメントに対する典型的な勾配付けが示され、その場合に勾配付けはチェビシェフ・ウィンドウの積分から算出される。図中の各イメージは、信号のスペクトル図と典型的な最終処理表示とに対する勾配付けの効果を示している。図３ａは、勾配付け有り２１０および無し２００での信号の振幅を示している。図３ｂおよび図３ｃは夫々、信号の勾配付け無し及び有りでの経時的なスペクトルを示している。勾配付けによれば、信号の不連続性により引起こされる周波数の干渉２２０が減少されることが示される。図３ｂ及び図３ｃの両方において、スペクトル・スケールは垂直縮尺２３０上に示される。図４ａおよび図４ｂは、信号干渉を最小限とすべく再び適切な勾配付け無し及び有りでの例示的な検出表示に対する効果を示している。両図とも、ヘテロダイン表示を示している。
【００３５】
図１ｂに示されたソナー・システムの高速データ追跡要素１４０の見地は、従来では達成され得ない情報速度検出利得を提供する。検出、位置確認および追跡は、運動学的成分および特性成分の両方を包含し得る目標の現在状態を評価すべく経時的に該目標から獲得される音響的測定値の処理を伴う。運動学的成分は位置、速度および加速度から成り得る一方、特性成分の分析は、分類に対して有用な放射信号強度、スペクトル特性および目標強調特性である。ソナーによる測定値は、目標の状態または目標の属性に関連してノイズにより劣化した観測値である。パッシブおよびアクティブ・ソナー用途の両方においては数種類の干渉源の故に、関心目標から由来するのではない測定値がセンサから受信される。適時な一群の測定値を用いても容認可能な誤認警報速度が実現されることは稀であり、故に、検出前の追跡技術が必要である。観測間の時間が減少されると、目標箇所の不確実性は大きく減少されると共に、検出性能は劇的に改善される。
【００３６】
図１ａに示された受信プラットフォーム２０に対して５．５５ｋｍ／ｈ（３ノット）で移動する目標６０に対して図５に示された結果は、図１ｂに示されたステップ１３０および１４０において達成され得るアクティブ・ソナーによる検出および位置確認を例証している。以下に示される結果を達成する上で斯かるシステムは、目標との遭遇の有無に関する確実で迅速な判断を提供する一方、ピン音毎に空間的に相関して現れる残響後方散乱の故に多数である誤認警報の排除も試行する。観測間の時間を減少すると、確実な追跡確認が大きく改善される。目標の動作の不確実性の故に、複数回の観測を組み合わせるには、追跡更新および追跡判断プロセスで使用されるために各観測時における正しい測定値を空間的に位置決定すべく追跡フィルタリングおよび追跡ゲーティングが必要とされる。エコー箇所の不確実性は、観測間における時間に比例して大きくなる。
【００３７】
従来のパルス式システムは、確実な判断を行うために１２〜２０回のピン音（有効距離に依存して２〜５分）を必要とする。理解される様に、本発明の各実施例は略々連続的な情報更新を提供し、測定間の時間はパルス式システムよりも１桁少なくなり、すなわち同一の固定期間においてパルス式システムよりも目標を１０倍多く認識する。この情報速度利得、および、ピン音からピン音までのエコー箇所の不確実性が減少するという利点（追跡ゲート）は、検出スレッショルド値における１２ｄＢの減少に繋がり得る。
【００３８】
同一の送信帯域に亙り動作する従来のパルス式ソナーと比較して連続的送信を用いた検出性能利得は、獲得される目標情報の大きな速度に依るものである。上述の図５には、上記受信プラットフォームに対して５．５５ｋｍ／ｈ（３ノット）で移動する９．１４ｋｍ（１０キロヤード）における１０ｄＢの遭遇物に対して改善された検出時間が示される。習用のパルス式システムの性能を示す曲線２５０と比較し、曲線２４０は本発明の連続的な即ち“送信間受信”システムの性能を表しており、各々が１０ｄＢで作動している。時間の関数としてプロットされた検出の確率ＰＤは、連続送信手法２４０に対しては検出のレベルＰＤ＝０．５が２４５における２０秒にて達成されるが、パルス式システム２５０は検出するのに２５５における３００秒（５分間）を要することを示している。更に、等しい検出レベルを達成するために、パルス式システムは＞２５ｄＢのＳＮＲを必要とするが、これは、上記連続送信手法により必要とされるよりも１５ｄＢだけ大きい。
【００３９】
当業者であれば、本発明のアクティブな“送信間受信（ＲＷＴ）”方法は習用のソナーと比較して相当の性能改善を提供することは明らかであり；目標を１５倍早く検出するという利点と共に、残響における７ｄＢおよびノイズにおける２０ｄＢという認識に関する差分的利得が達成される。以下における（図５の例に対する）分析において示される如く、１ＫＨｚの周波数スペクトルに亙る連続的送信によれば、浅水域のノイズに限られた状態における潜水遭遇物に対して２０ｄＢを超える音響的検出の改善と共に１．８５ｋｍ／ｈ（１ノット）未満で移動する目標に対して迅速な動作弁別が行われる。以下に示された分析は、本発明のソナー・システムが如何に習用のアクティブ・ソナーを実質的に凌駕し得るかに関する詳細な数量分析が提供される。習用のパルス式アクティブ送信方法と異なり、本明細書中における本発明の方法は、別体的なアクティブ広帯域発信源と、目標をパッシブな音響的発信源として出現させる如き様式でアクティブな目標反射を処理すべく設計された受信器とを必要とする。
【００４０】
連続的送信に対する一実施例は、目標を定常的に音響化すると同時に、時間の関数として連続的に周波数を変化させることで残響エネルギを減少する。この連続的送信方式の見地によれば、目標は、定常的に放射を行うノイズ的でパッシブな音響的発信源の様に見える。別の見地は、広範囲な周波数スペクトルに亙り受信された目標の散乱強度の一貫性と、周波数の関数としての残響からの後方散乱の不整合性とを利用する。この効果的に大きな帯域幅の手法の更に別の見地は、信号処理に関する計算の容易さと、種々のレベルの時間および周波数の多様さを達成する融通性と、浅水域の残響における検出利得と、高ドップラ目標および低速で移動する潜水脅威物の両方に関する動作弁別に対する任意のレベルでの目標ドップラの迅速な評価とを提供し、その全てが、習用のアクティブ・パルス送信式ソナー・システムとの比較において相当に優れた性能を極めている。
【００４１】
本発明の送信／受信方法の実施例の見地は、広範な周波数帯域に亙り送信エネルギを広げることで獲得される残響抑制と、経時的に受信される持続的な情報を利用することにより獲得される短い検出時間との複合効果を提供する。後者によれば、異なる周波数帯域に亙り、戻りエネルギの平均化が許容される。この手法の平均化利得は、習用のパルス式アクティブ・システムにおいては実現することが困難である。更に上記広帯域手法は有効距離における高分解能を提供し、且つ、受信の連続的性質の故に、有効距離速度（ドップラ）が迅速に評価されて高忠実度の目標動作弁別が行われる。例示目的でこの分析は単一のプラットフォーム動作を使用するが、本発明の方法は、パッシブな狭帯域検出機能を処理する任意の受信器プラットフォームを備えた複数のプラットフォームによるマルチスタティック動作に適している。
【００４２】
限定的なものとしてで無く１．８５ｋｍ／ｈ（１ノット）未満にて低速で移動する目標の分析に適用された実施例方法の見地によれば、低周波数（ＬＦ）にて作用する周波数変調連続波（ＦＭ−ＣＷ）原理の改変例が提供され、すなわち、送信された波形の帯域幅は、この水中音響検出の問題に対する中心周波数を超え得る。送信および受信器プロセッサは、大きな帯域幅に亙り連続的な線形周波数掃引に対して設計される。図６に示された如く（全体的に利用可能な帯域幅に対する実用的な制限の故に）上記掃引は連続的に反復され、瞬間的周波数における鋸歯パターンを効果的に生成する。図６は、低周波数変調送信２６０と戻りエコー２６０との間における時間遅延τを２７５で示しており、その場合、送信および波形態は、水平軸に沿う周波数ｆ＝ｒτと、垂直軸の時間Ｔとに関してプロットされている。
【００４３】
図６に示された受信データは、送信波形により合成ヘテロダイン処理（乗算）されると共に低域通過フィルタリングされることで、結果的なビート周波数（差周波数）が獲得される。すなわち上記ヘテロダイン処理は、時間遅延に対応するビート周波数データを生成する。最小周波数はゼロであり、且つ、最大ビート周波数は、
ｒｍａｘτｍａｘ＝Ｂ
で与えられる送信帯域幅Ｂに等しく、式中、ｒは掃引速度であり、τは時間である。戦術的ソナーは、受信したビーム・データに関するドップラ補償と、経時的な地理的変位に対する補正との両方を用いて自船の動作を除去することが必要である。各受信ビームに対する自船のドップラ補正は、フロントエンド・ヘテロダイン処理において達成される。地理的変位は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）出力レベルにおける受動的狭帯域（ＰＮＢ）予測関数における時間整列として実施される。
【００４４】
適切な合成処理により、実際の送信における鋸歯部飛躍は、ヘテロダイン処理された出力においてトランスペアレントである。その場合にドップラ・シフトが無い戻りエコーに対し、ヘテロダイン処理された出力はビート周波数ｆｂ＝ｒτを有する狭帯域音調である。パラメータｒは既知の掃引速度であり、且つ、τは目標有効距離の測定値を提供する双方向伝搬時間である。ヘテロダイン・プロセスの出力は、静止的目標２８０、接近中の目標２９０および操縦中の目標３００に対して獲得された結果を示す図７に示される。
【００４５】
送信の連続的性質によれば、アクティブ・ソナーの検出の問題は、非定常ノイズにおいて狭帯域音調を検出するという問題へと軽減される。これによれば、受動的狭帯域（ＰＮＢ）の自動検出および追跡の活用が許容される。アクティブ状況におけるノイズ・バックグラウンドの非定常的な性質は、時的に変化する残響レベルに起因する。これは、パッシブ・ソナーにおいて多くの場合に直面するという純粋な周囲ノイズに限られた状態と対照的である。但し、適切なノイズ評価および正規化技術によれば、上記バックグラウンドは均等化さ得ると共にＰＮＢ技術が直接的に適用され得る。
【００４６】
一実施例の見地は、帯域幅の利用可能性を包含する。後者は、可能である戦術的な有効距離適用範囲、ならびに、獲得可能な残響抑制の量を決定する。連続的送信に対する反復速度Ｔおよび最大掃引速度ｒは、システム帯域幅Ｂと、所望の最大の目標有効距離適用範囲とにより決定される。反復速度に対する制約はパルス式アクティブ・ソナーに対するのと同様であり、その場合、有効距離のアンビギティを回避すべく、
【００４７】
【数１】
2007507691.tif 000003
が満足されねばならない。掃引速度は上記システム帯域幅により制約され、最大掃引速度は、Ｔが最大有効距離適用範囲
【００４８】
【数２】
2007507691.tif 000004
における遅延に等しいときに生ずる。
【００４９】
上記掃引速度は、固定量の受信時間において可能である最大残響抑制を実現すべく、且つ、時間遅延（有効距離）分解能を最大化すべく、最大化され得る。有効距離分解能は、受信器における観測時間Ｔｒと、使用される掃引速度とに反比例する。故に最大有効距離適用範囲は、送信帯域幅と、掃引速度
【００５０】
【数３】
2007507691.tif 000005
とにより決定される。別の見地においてヘテロダイン出力の処理は、全ての戦術的状況展開において予想される目標の動作に対して最適な検出性能を実現すべく設計される。
【００５１】
本発明の“送信間受信（ＲＷＴ）”の実施例の見地によれば、習用のパルス式アクティブ・システムにより現在達成されるよりも、残響においては７ｄＢ低く且つノイズが限られた状態では２０ｄＢ低い検出ＳＮＲスレッショルド値が提供される。残響が限られた状態およびノイズが限られた状態において作動する習用のパルス式ソナーと比較して“ＲＷＴ”送信のこれらの性能利得は、夫々の場合に対して必要とされる認識弁別度（ＲＤ）を検証することで求められ得る。ＲＤＩは、同様の検出性能を達成するために必要な検出指数（ＤＴ）から利得分を除去することで、各方法の異なる処理利得分（ＰＧ）を考慮している：
ＮＲＤ＝ＤＴ−ＰＧ
【００５２】
検出性能は図８に示されたプロットを用いて求められ、その場合に曲線３１０は習用の１５ｄＢのパルス式システムに対するものであり、且つ、曲線３２０は３ｄＢの連続的システムに対するものである。各方法に対し、１０−８の誤認警報確率により５分後における０．９の検出確率が選択された。連続的送信に対する検出指数は、１０・ｌｏｇ（ｄｃｔ）＝３ｄＢであり且つパルス式方法に対しては１０・ｌｏｇ（ｄｐ）＝１５ｄＢである。パルス式システムに対する残響における唯一の処理利得は、パルス毎のセミコヒーレントな平均化利得および残響抑制
【００５３】
【数４】
2007507691.tif 000006
に依るものであり、式中、１０はサブパルスの個数である。上記連続送信方法に対して改変された検出スレッショルド値は、連続送信用受信器を考慮すべく調節される。此処で、検出スレッショルド値に対する唯一の調節は、４秒の処理セグメント毎における帯域幅に依るものである。
【００５４】
【数５】
2007507691.tif 000007
故に、残響における連続送信利得は、
【００５５】
【数６】
2007507691.tif 000008
である。
【００５６】
ノイズに対する検出利得は、達成可能であるインコヒーレントな平均化利得において反映される連続的送信において増大されたエネルギに依るものである。パルス式システムに対するノイズにおける認識弁別度はサブパルス毎のパルス長ＴＰを反映することから、
【００５７】
【数７】
2007507691.tif 000009
であり、式中、連続的送信に対して処理パルス長は４秒であり、且つ、全体的な４０秒に亙る積分における利得は検出スレッショルド値において捕捉されることから、
【００５８】
【数８】
2007507691.tif 000010
である。故に、連続的送信方法に対するノイズにおける検出スレッショルド値利得は、
【００５９】
【数９】
2007507691.tif 000011
である。
【００６０】
習用のパルス式アクティブ・ソナーとの比較において、増大された目標情報の速度から帰着するという連続的送信の性能に関する相当な利得の別の見地は、図９に示された如く実質的に更に正確に且つ更に迅速に獲得される目標動作の評価である。同図に見られる如く連続的送信（曲線３３０）は、（水平軸上の）２分未満で（垂直軸上の）０．９２５ｋｍ／ｈ（０．５ノット）の二乗平均（ｒｍｓ）レベルまで目標速度の精度を提供し、その場合にパルス式システム（曲線３４０）は５分の受信時間（３４５）において３．７ｋｍ／ｈ（２ノット）より大きなｒｍｓ誤差を生じている。動作評価の精度に依れば、本発明の方法を使用することで、動作の手がかりに基づく分類判断は相当に迅速に且つ更に高い精度を以て行われ得る。
【００６１】
本明細書では本発明の理解を支援すべく、開示された方法およびデバイスに関して種々のパラメータなどの多くの詳細が示されたが、当業者であれば、これらの特定の詳細は本発明を実施する上で採用される必要がないことは明らかであろう。同時に、本明細書中で言及された方法を単一または更なる複数のハイドロフォンを有する受信器と共に使用するなどの様に、言及するには多すぎる他の類似状況において同一の方法およびデバイスが採用され得ることは明らかである。
【００６２】
当業者であれば、連続的送信の概念自体すなわち本発明の“送信間受信（ＲＷＴ）”の部分集合は多数の市販の連続的送信式周波数変調（ＣＴＦＭ）ソナー・システムにおいて使用されることも認識していよう（たとえば非特許文献２を参照されたい）。多くのパルス式ソナーは１０，０００サイクル毎秒（１０ＫＨｚ）より低い周波数にて動作し得るが、現在のソナーのＣＴＦＭモードは更に高い周波数に限られている。既存のＣＴＦＭシステムに対する動作周波数は、３０，０００サイクル毎秒（３０ＫＨｚ）超から３００，０００サイクル毎秒（３００ＫＨｚ）超までの範囲である。これらの高周波数はその目的に適した空間的分解能を提供するが、低周波数のシステムは存在しないことを銘記されたい。その理由は、既存のシステムが、送信の間におけるそれらの受信器の過負荷を回避するために高度に方向性である送信器および高い水中吸収損失の組み合わせと、送信信号と戻りエコーとの間における周波数分離を促進すべく高い周波数掃引速度とに頼るからである。これらの条件の全ては、高い動作周波数を必要とする。水中における音の吸収は動作周波数の二乗に比例して増大する（ので、動作有効距離は減少する）ことから（たとえば非特許文献３を参照されたい）、ＣＴＦＭソナーは、物体の回避もしくは検索、および、氷地図製作時における底部または頭上などの短い有効距離用途に限られる。故に当業者であれば、開示された周波数領域フィルタリング技術と組み合わされた最新式の高ダイナミック・レンジ電子機器は、現状技術の制限を克服すると共に、対潜戦闘にて使用される如き低周波数で長い有効距離を探索するソナーなどの広範囲な用途が可能とされることは明らかである。
【００６３】
本発明は特定実施例に関して詳細に示され且つ記述されたが、当業者であれば、本発明の精神および有効範囲から逸脱せずに形態および詳細において種々の変更が為され得ることを理解し得よう。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１ａ】艦船用電子機器、送信器、目標および受信器ソノブイ間の関係を示す本発明に係るソナー・システムの現場における図である。
【図１ｂ】上記艦船用電子機器の種々の構成要素と、喫水線の下方における送信器、目標および受信器に対する該構成要素の関係とを示す本発明に係る実施例の概略図である。
【図２ａ】図１ｂに示された本発明に係る艦船用電子機器を更に詳細に表現する図である。
【図２ｂ】本発明の送信間受信ソナーの艦船用電子機器の周波数フィルタリング区画の概略図である。
【図２ｃ】単一のハイドロフォンにてデータを捕捉した本発明に係る線形周波数変調による送信掃引に対する図２ｂの上記周波数フィルタリング区画の出力を示すグラフ図である。
【図２ｄ】本発明の実施例に係る湖における実験からのヘテロダイン出力を示すグラフ図であり、図２ｄにおいて湖の湖岸線縁部は２キロメートルおよび３．５キロメートルにおいて認識され得る。
【図２ｅ】本発明の実施例に係る湖における実験からのヘテロダイン出力を示すグラフ図であり、図２ｄにおいて湖の湖岸線縁部は２キロメートルおよび３．５キロメートルにおいて認識され得る。
【図３ａ】本発明に係る勾配付け有り及び無しでの信号の振幅を示すグラフ図である。
【図３ｂ】本発明に係る勾配付け有り及び無しでの（図３ａの）信号の経時的なスペクトルを示すグラフ図である。
【図３ｃ】本発明に係る勾配付け有り及び無しでの（図３ａの）信号の経時的なスペクトルを示すグラフ図である。
【図４ａ】信号干渉を最小化するための本発明に係る適切な信号勾配付け有り及び無しでの例示的検出表示の効果を示す図である。
【図４ｂ】信号干渉を最小化するための本発明に係る適切な信号勾配付け有り及び無しでの例示的検出表示の効果を示す図である。
【図５】時間の関数としての目標検出確率に関する習用のパルス式ソナーと上記送信間受信式ソナーとの間の比較と、本発明に係る検出時間の改善とを示すグラフ図である。
【図６】本発明に係る送信波形および受信波形を示すグラフ図である。
【図７】静止的目標、接近中の目標および操縦中の目標に対する本発明に係るヘテロダイン出力を示すグラフ図である。
【図８】本発明に係る検出の確率を時間の関数として示すと共に必要な検出レベルを例証するグラフ図である。
【図９】二乗平均（ｒｍｓ）速度評価誤差を時間の関数として示すと共に本発明に係る改善された検出時間を例証するグラフ図である。
【符号の説明】
【００６５】
Ｂ  送信帯域幅／システム帯域幅
ＤＲ  システムのダイナミック・レンジ
ｆｂ  ビート周波数
ＬＳ  発信源音響レベル
ＮＤＩ  ノイズに対する受信器の方向性
ＮＬ  受信器のノイズ・レベル
ＰＤ  検出の確率
ｒ  既知の掃引速度／最大掃引速度
ＲＦＲ  受信器の周波数排除分
ＲＳ  空間的サイドローブ排除分
ＲＳＲ  信号に対する受信器の空間的排除分
Ｔ  反復速度
ＴＬ  送信損失
ＴＮ  受信器の方向における送信空間ナル
Ｔｒ  観測時間
τ  双方向伝搬時間
１０  水上艦船
２０  受信器
２０’  受信器アレイ
２３  ハイドロフォン
２５  ケーブル
３０  データ処理設備／艦船用電子機器
４０  アクティブ送信器
４５  喫水線
４５’  水中分離間隔
５０  音響信号
６０  目標／物体
７０  音響的エコー／エコー信号
８０  直接信号／波形／方向
９０’  トランスデューサ・アレイ
９０”  送信信号
９５”  共役物
１００  送信ビーム形成器
１００’  ビーム形成器
１０５  信号
１０５’  音響的バッフル
１１０  受信ビーム形成器
１１０”  ハイドロフォン
１２０  ヘテロダイン・フィルタ
１２０”  ヘテロダイン処理
１２５”  フーリエ変換
１３０  信号の処理
１４０  高速データ追跡要素
１５０  ディスプレイ
１５０’  ディスプレイ
１６０  側波帯排除分
１７０  残響
１８０  直接信号
２００  勾配付け無し信号振幅
２１０  勾配付け有り信号振幅
２２０  周波数の干渉
２３０  垂直縮尺
２４０  曲線／連続送信手法
２４５  ２０秒
２５０  曲線／パルス式システム
２５５  ３００秒
２６０  低周波数変調送信
２７０  戻りエコー
２７５  時間遅延τ
２８０  静止的目標
２９０  接近中の目標
３００  操縦中の目標
３１０、３２０、３３０、３４０  曲線
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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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【国際調査報告】
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