(57)【要約】【課題】広い範囲にわたって方位角を正確に検出することが可能な方位検出装置を提供する。【解決手段】周波数ｆ１の音波に対する素子１、２間での位相差を検出する位相差検出器８と、周波数ｆ２の音波に対する素子１、２間での位相差を検出する位相差検出器９と、位相差検出器８で検出された位相差φｆ１と、位相差検出器９で検出された位相差φｆ２との差Δφ＝φｆ１−φｆ２を演算する演算器１０と、演算器１０で得られた位相差の差Δφに基づいて方位角θを検出する方位検出部１１とから構成し、位相差の差Δφから方位角θが一義的に定まるようにした。【選択図】    図４
2004184341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
到来する音波を複数の素子で受信し、異なる素子で受信された音波の信号の位相差を検出し、当該位相差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出装置において、
周波数ｆ１の音波に対する素子間での位相差を検出する第１の位相差検出手段と、
周波数ｆ２の音波に対する素子間での位相差を検出する第２の位相差検出手段と、
前記第１の位相差検出手段で検出された位相差と、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差との差を演算する演算手段と、
前記演算手段で演算された位相差の差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出手段と、
を備えたことを特徴とする方位検出装置。
【請求項２】
到来する音波を複数の素子で受信し、異なる素子で受信された音波の信号の位相差を検出し、当該位相差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出装置において、
素子間隔がＬ１である１対の素子間での位相差を検出する第１の位相差検出手段と、
素子間隔がＬ２である１対の素子間での位相差を検出する第２の位相差検出手段と、
前記第１の位相差検出手段で検出された位相差と、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差との差を演算する演算手段と、
前記演算手段で演算された位相差の差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出手段と、
を備えたことを特徴とする方位検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方位検出装置において、
複数の素子を、それぞれの受波面が互いに異なる方向を向くように傾けて配置し、前記方位検出手段は、各素子で受信される信号のレベルを比較することにより、音波が左右いずれの側から到来したかを判別し、当該判別結果と前記位相差の差とに基づいて音波が到来する方位を検出することを特徴とする方位検出装置。
【請求項４】
請求項２に記載の方位検出装置において、
各素子に入射する音波の周波数としてｆ１、ｆ２の２周波を用い、第１の位相差検出手段は、周波数ｆ１の音波に対する位相差を検出し、第２の位相差検出手段は、周波数ｆ２の音波に対する位相差を検出することを特徴とする方位検出装置。
【請求項５】
到来する音波を複数の素子で受信し、異なる素子で受信された音波の信号の位相差を検出し、当該位相差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出装置において、
周波数ｆ１の音波に対する素子間での位相差を検出する第１の位相差検出手段と、
周波数ｆ２の音波に対する素子間での位相差を検出する第２の位相差検出手段と、
前記第１の位相差検出手段で検出された位相差と、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差との差を演算する演算手段と、
前記演算手段で演算された位相差の差から得られる位相バイアスと、前記第１または第２の位相差検出手段で検出された位相差から得られる方位角とに基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出手段と、
を備えたことを特徴とする方位検出装置。
【請求項６】
到来する音波を複数の素子で受信し、異なる素子で受信された音波の信号の位相差を検出し、当該位相差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出装置において、
素子間隔がＬ１である１対の素子間での位相差を検出する第１の位相差検出手段と、
素子間隔がＬ２である１対の素子間での位相差を検出する第２の位相差検出手段と、
前記第１の位相差検出手段で検出された位相差と、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差との差を演算する演算手段と、
前記演算手段で演算された位相差の差から得られる位相バイアスと、前記第１または第２の位相差検出手段で検出された位相差から得られる方位角とに基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出手段と、
を備えたことを特徴とする方位検出装置。
【請求項７】
到来する音波を複数の素子で受信し、異なる素子で受信された音波の信号の位相差を検出し、当該位相差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出装置において、
周波数ｆ１の音波に対する素子間での位相差を検出する第１の位相差検出手段と、
周波数ｆ２の音波に対する素子間での位相差を検出する第２の位相差検出手段と、
前記第１の位相差検出手段で検出された位相差と、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差との差を演算する演算手段と、
前記演算手段で演算された位相差の差を所定の閾値で弁別して、所定範囲内にある位相差の差のみを抽出する弁別手段と、
前記弁別手段で抽出された位相差の差に基づいて、音波が到来する方位を検出する方位検出手段と、
を備えたことを特徴とする方位検出装置。
【請求項８】
到来する音波を複数の素子で受信し、異なる素子で受信された音波の信号の位相差を検出し、当該位相差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出装置において、
素子間隔がＬ１である１対の素子間での位相差を検出する第１の位相差検出手段と、
素子間隔がＬ２である１対の素子間での位相差を検出する第２の位相差検出手段と、
前記第１の位相差検出手段で検出された位相差と、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差との差を演算する演算手段と、
前記演算手段で演算された位相差の差を所定の閾値で弁別して、所定範囲内にある位相差の差のみを抽出する弁別手段と、
前記弁別手段で抽出された位相差の差に基づいて、音波が到来する方位を検出する方位検出手段と、
を備えたことを特徴とする方位検出装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の方位検出装置において、
前記弁別手段の閾値を制御する制御部を設け、当該制御部で閾値を可変制御することを特徴とする方位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば計量魚群探知機などにおいて音波の到来方向を検出するために用いられる方位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中の資源量を調査するために、従来から音響手法を利用した計量魚群探知機が用いられている。この計量魚群探知機は、送受波器から送波された超音波の音圧レベルと、魚で反射して帰来するエコーの音圧レベルとの比、すなわち反射強度ＴＳ（Ｔａｒｇｅｔ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）が魚の体長の２乗に比例することを利用して、魚の量を求めるものであるが、そのためには、反射強度ＴＳの値を正確に測定する必要がある。
【０００３】
しかしながら、送受波器の受信感度は音波の到来方向によって異なり、メインローブ方向（音軸方向）に対する感度が最大であって、この方向からずれるに従って受信感度は低下する。このため、任意の方向から到来するエコーから求めた反射強度は正確な反射強度ではなく、反射強度を表す数式中には送受波器の指向性による項が含まれているので、反射強度を到来方向に応じて補正する必要がある。そこで、この到来方向を測定するために、計量魚群探知機においては、スプリットビーム方式の方位検出装置が設けられる。
【０００４】
図１８は、スプリットビームを用いた音波到来方向の測定原理を説明する図である。Ｂｍは水中で反射した音波のビーム、θは音波の到来方向を表す方位角であって、図のようにビームＢｍがａ点とｂ点に方位角θで入射する場合、ａ，ｂ間の距離をＬとし、ａ，ｂ間の音波の位相差をφとすると、方位角θと位相差φとの間には次式が成立する。
【数１】
2004184341.tif 000003
ここで、ｋは波数であって、ｋ＝２π／λ（λ：音波の波長）である。
式（１）より、ａ，ｂ間の距離Ｌが分かっておれば、位相差φを測定することによって、音波の到来する方位角θを検出することができる。このようなスプリットビーム方式による方位検出装置については、たとえば下記の特許文献１〜３に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−８２１５５号公報
【特許文献２】
特開平８−２６２１２９号公報
【特許文献３】
特開平８−２３３９３５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなスプリットビーム方式を用いた方位検出装置においては、図１９に示したように、方位角θがある程度以上大きくなると、位相差φが２π（３６０°）の周期で巡回するため、ある位相差φｏの値に対して、方位角θには複数個の解θ１、θ２、θ３…が存在することになる。このため、測定した位相差φｏからθの値を一義的に導き出すことができず、メインローブによる音波の到来方向と、サイドローブによる音波の到来方向とを区別することができなくなって、方位検出の信頼性が著しく低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであって、その目的とするところは、広い範囲にわたって方位角を正確に検出することが可能な方位検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方位検出装置には、２周波を用いて方位角を検出する第１の方式と、３個以上の素子を用いて方位角を検出する第２の方式とがある。
【０００９】
第１の方式による方位検出装置は、周波数ｆ１の音波に対する素子間での位相差を検出する第１の位相差検出手段と、周波数ｆ２の音波に対する素子間での位相差を検出する第２の位相差検出手段と、第１の位相差検出手段で検出された位相差と、第２の位相差検出手段で検出された位相差との差を演算する演算手段と、演算手段で演算された位相差の差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出手段とを備える。
【００１０】
第２の方式による方位検出装置は、素子間隔がＬ１である１対の素子間での位相差を検出する第１の位相差検出手段と、素子間隔がＬ２である１対の素子間での位相差を検出する第２の位相差検出手段と、第１の位相差検出手段で検出された位相差と、第２の位相差検出手段で検出された位相差との差を演算する演算手段と、演算手段で演算された位相差の差に基づいて音波が到来する方位を検出する方位検出手段とを備える。
【００１１】
第１の方式の方位検出装置によると、２つの異なる周波数ｆ１、ｆ２に対する各素子での位相差を検出するとともに、これらの位相差の差を算出し、この差に基づいて方位角を求める。位相差の差の変化率（傾き）は、位相差の変化率（傾き）に比べて小さいため、方位角の検出範囲を広くしても位相が２π周期で巡回することがなく、ある位相差の差に対して方位角が一義的に決まる。その結果、方位角を広範囲にわたって正確に検出することができ、メインローブによる音波の到来方向と、サイドローブによる音波の到来方向とを明確に区別することが可能となる。
【００１２】
また、第２の方式の方位検出装置によると、距離が異なる１対の素子間での位相差を検出するとともに、これらの位相差の差を算出し、この差に基づいて方位角を求める。この場合も、第１の方式と同様に、位相差の差の変化率（傾き）は、位相差の変化率（傾き）に比べて小さいため、方位角の検出範囲を広くしても位相が２π周期で巡回することがなく、ある位相差の差に対して方位角が一義的に決まる。その結果、方位角を広範囲にわたって正確に検出することができ、メインローブによる音波の到来方向と、サイドローブによる音波の到来方向とを明確に区別することが可能となる。また、この第２の方式においては、用いる周波数は１種類でよいので、第１の方式に比べて回路構成が簡単となる。
【００１３】
上記第１および第２のいずれの方式による方位検出装置においても、複数の素子をそれぞれの受波面が互いに異なる方向を向くように傾けて配置し、各素子で受信される信号のレベルを比較することにより、音波が左右いずれの側から到来したかを判別し、当該判別結果と位相差の差とに基づいて音波が到来する方位を検出するように構成することができる。
【００１４】
これによると、音波が左右いずれの側から到来したかの情報をあらかじめ得ることができるため、方位角の検出範囲をたとえば−９０°〜＋９０°の範囲から、０°〜＋９０°の範囲に絞ることができる。この結果、位相差の差の変化率（傾き）を大きくすることができ、これによって、位相差の差の変動に対する方位角の変動が小さくなるので、ノイズ等の外部要因が測定結果に与える影響を減少させることができる。
【００１５】
また、第２の方式の方位検出装置においては、各素子に入射する音波の周波数としてｆ１、ｆ２の２周波を用い、第１の位相差検出手段が周波数ｆ１の音波に対する位相差を検出し、第２の位相差検出手段が周波数ｆ２の音波に対する位相差を検出するように構成することができる。
【００１６】
これによると、２周波を用いることで素子間の距離を１周波の場合よりも大きく取れるため、素子間のクロスカップリングが高い場合でも、素子間の距離を長く確保してクロスカップリングの影響を低減することができる。
【００１７】
また、第１および第２のいずれの方式による方位検出装置においても、本発明の方式に基づいて、演算手段で演算された位相差の差から位相バイアスを求める一方、従来のスプリットビーム方式に基づいて、第１または第２の位相差検出手段で検出された位相差から方位角を求め、これらの位相バイアスと方位角とに基づいて音波が到来する方位を検出するように構成してもよい。ここで、「位相バイアス」とは、演算手段で演算された位相差の差から得られる方位角に対して、当該方位角を従来のスプリットビーム方式に従って位相差から求めるとした場合に、位相差が２π周期でｎ回巡回したときの位相差２ｎπに対応する方位角の値をいう。
【００１８】
このように、本発明の方式と従来の方式とを組み合わせ、本発明の方式を用いて得られる方位角から位相バイアスを求め、この位相バイアスと、従来の方式を用いて得られる方位角とに基づいて音波の到来する方位を検出することで、２π周期の位相巡回を生じることなく、広い範囲にわたって方位角の検出が可能となり、しかも、従来のスプリットビーム方式と同じ精度で方位角を検出することができる。
【００１９】
また、第１および第２のいずれの方式による方位検出装置においても、演算手段で演算された位相差の差を所定の閾値で弁別して、所定範囲内にある位相差の差のみを抽出する弁別手段を設け、弁別手段で抽出された位相差の差に基づいて、音波が到来する方位を検出するように構成してもよい。
【００２０】
このように、位相差の差に閾値を設けることで、所定範囲の角度から到来する信号のみを選択し、それ以外の角度から到来する信号を除去することができる。
【００２１】
また、上記弁別手段の閾値を制御する制御部を設け、当該制御部で閾値を可変制御するようにしてもよい。
【００２２】
これによると、多数のチャンネルを備えた素子アレイを用いることなく、閾値の変化に応じて音波のビーム幅を変化させたり、ビームを任意の方向にステアリングさせたりすることが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の方式による方位検出装置の原理を説明する図である。図において、Ｂｍは水中のターゲットで反射して帰来する音波のビーム、θは音波の到来方向を表す方位角である。素子１および素子２は、送受波器を構成する超音波振動子からなり、距離Ｌを隔てて配列されている。ビームＢｍが方位角θで素子１、２に入射すると、素子１および素子２のそれぞれで受信された信号には、前述の式（１）で示したように、次式で与えられる位相差φが発生する。
φ＝ｋＬｓｉｎθ
ここで、ｋは波数であって、ｋ＝２π／λ（λ：音波の波長）である。
【００２４】
さて、本発明の第１の方式では、音波の周波数として２種類の異なる周波数ｆ１、ｆ２を用いて各素子での位相差を求める。周波数ｆ１（波長λ１）の音波に対する素子１，２間での位相差φｆ１は、次式で表わすことができる。
φｆ１＝ｋ１Ｌｓｉｎθ＝（２π／λ１）Ｌｓｉｎθ＝（２πｆ１／ｖ）Ｌｓｉｎθ
ここで、ｖは音速である。
また、周波数ｆ２（波長λ２）の音波に対する素子１，２間での位相差φｆ２は、次式で表わすことができる。
φｆ２＝ｋ２Ｌｓｉｎθ＝（２π／λ２）Ｌｓｉｎθ＝（２πｆ２／ｖ）Ｌｓｉｎθこれらの位相差の差Δφを計算すると、
【数２】
2004184341.tif 000004
ここで、λｆ１−ｆ２はｆ１とｆ２の差の周波数に対応する波長であり、ｋｆ１−ｆ２ ＝２π／λｆ１−ｆ２である。
【００２５】
式（２）より、図１の−９０°〜＋９０°の範囲から到来する音波の方位角θを検出するための条件として、次の条件が導出される。
【数３】
2004184341.tif 000005
したがって、素子１、２間の距離Ｌ、周波数ｆ１、ｆ２を式（３）を満足するように設定すれば、従来のスプリット方式でみられたような位相の巡回を生じることなく、音波が到来する方位角θを−９０°〜＋９０°の範囲で検出することができる。また、方位角θは式（２）から次式で求めることができる。
【数４】
2004184341.tif 000006
【００２６】
図２は、式（２）に基づく位相差の差Δφと方位角θとの関係を表したグラフの例である。また、図３は、式（１）に基づく従来のスプリットビーム方式における位相差φと方位角θとの関係を表したグラフの例である。式（１）と式（２）とを比較すればわかるように、式（１）では位相差φに基づいて方位角θが求まるのに対し、式（２）では位相差φではなく位相差の差Δφに基づいて方位角θが求まり、式（１）のλが式（２）ではλｆ１−ｆ２に置き換わっている。そして、λが１つの周波数ｆに対応する波長であるのに対し、λｆ１−ｆ２は２つの周波数ｆ１、ｆ２の差に対応する波長であるから、ｆ＝ｆ１として比較すれば、λｆ１−ｆ２＞λ、すなわちｋｆ１−ｆ２ ＜ｋとなり、図３の場合はθに対するφの傾きが急峻であるのに対し、図２の場合はθに対するφの傾きは緩慢となる。この結果、図３では方位角θを広範囲に検出しようとすると、位相差φが２π周期で何回も巡回するために、方位角θが一義的に定まらなくなるが、図２の場合は、−９０°〜＋９０°の範囲において、あるΔφの値に対するθの解は１つだけ存在し、方位角θを一義的に定めることができる。
【００２７】
次に、上述した原理に従って方位角を検出する装置の具体例について説明する。図４は、本発明の第１の方式による方位検出装置のブロック図を示している。図において、１および２は、送受波器を構成する超音波振動子からなる素子であって、図１のように距離Ｌを隔てて配列されている。４および６は、周波数ｆ１の信号を通過させるフィルタ、５および７は、周波数ｆ２の信号を通過させるフィルタ、８はフィルタ４を通過した周波数ｆ１の信号と、フィルタ６を通過した周波数ｆ１の信号との位相差φｆ１を検出する位相差検出器、９はフィルタ５を通過した周波数ｆ２の信号と、フィルタ７を通過した周波数ｆ２の信号との位相差φｆ２を検出する位相差検出器である。位相差検出器８は本発明における第１の位相差検出手段を構成し、位相差検出器９は本発明における第２の位相差検出手段を構成する。１０は位相差検出器８で検出された位相差φｆ１と、位相差検出器９で検出された位相差φｆ２との差Δφ＝φｆ１−φｆ２を演算する演算器であって、本発明における演算手段を構成する。１１は、演算器１０で演算された位相差の差Δφに基づいて音波が到来する方位角θを検出する方位角検出部であって、本発明における方位検出手段を構成する。
【００２８】
以下、図４の装置の動作を説明する。なお、図４では受信回路のみを図示しており、送信回路は省略してある。素子１、２からは、周波数がｆ１とｆ２の音波が水中に発射される。この場合、最初にたとえば周波数ｆ１の音波を発射し、その後に周波数ｆ２の音波を発射してもよいし、２つの周波数ｆ１、ｆ２の成分を含んだ音波を１回だけ発射してもよい。水中へ発射された音波はターゲットで反射し、その反射波（エコー）が素子１、２で受信される。
【００２９】
素子１で受信された信号はフィルタ４、５に入力され、フィルタ４において周波数ｆ１の信号が取り出され、フィルタ５において周波数ｆ２の信号が取り出される。フィルタ４で取り出された周波数ｆ１の信号は位相差検出器８へ入力され、フィルタ５で取り出された周波数ｆ２の信号は位相差検出器９へ入力される。一方、素子２で受信された信号はフィルタ６、７に入力され、フィルタ６において周波数ｆ１の信号が取り出され、フィルタ７において周波数ｆ２の信号が取り出される。フィルタ６で取り出された周波数ｆ１の信号は位相差検出器８へ入力され、フィルタ７で取り出された周波数ｆ２の信号は位相差検出器９へ入力される。
【００３０】
位相差検出器８では、素子１からの周波数ｆ１の信号と、素子２からの周波数ｆ１の信号との位相差φｆ１を検出する。また、位相差検出器９では、素子１からの周波数ｆ２の信号と、素子２からの周波数ｆ２の信号との位相差φｆ２を検出する。これらの位相差検出器８、９の出力は演算器１０へ与えられ、演算器１０では、位相差φｆ１と位相差φｆ２との差Δφ＝φｆ１−φｆ２を演算する。この演算結果は方位角検出部１１へ与えられ、方位角検出部１１では上記位相差の差Δφに基づき、式（４）に従って方位角θを計算し、音波が到来する方位を検出する。
【００３１】
このようにして、本発明の第１の方式による装置では、２つの異なる周波数ｆ１、ｆ２に対する各素子での位相差φｆ１、φｆ２を検出するとともに、これらの位相差の差Δφを算出し、この差Δφに基づいて方位角θを求めているので、Δφとθとの関係が図２のようになって、あるΔφの値に対して方位角θが一義的に決まる。その結果、方位角θを広い範囲にわたって正確に検出することができ、メインローブによる音波の到来方向と、サイドローブによる音波の到来方向とを明確に区別することが可能となって、方位検出の信頼性を向上させることができる。
【００３２】
図５は、第１の方式における他の実施形態を説明する原理図である。本実施形態では、図５（ａ）のように、素子１と素子２をそれぞれの受波面（音波ビームＢｍの入射面）が互いに異なる方向を向くように傾けて配置している。図５（ｂ）は、このときの素子１、２の指向性を表している。これからわかるように、素子１は左側から到来する音波に対して感度が大きく、素子２は右側から到来する音波に対して感度が大きくなっている。したがって、素子１が受信した信号のレベルと、素子２が受信した信号のレベルとを比較して、素子１の信号レベルが素子２の信号レベルよりも高ければ、そのときの音波は左側（−９０°〜０°）から到来したものであり、素子２の信号レベルが素子１の信号レベルよりも高ければ、そのときの音波は右側（０°〜＋９０°）から到来したものであることを判別することができる。
【００３３】
このような判別を位相測定の前に行い、音波が左右いずれの側から到来したかの情報をあらかじめ得ることで、方位角θの検出範囲を図２のような−９０°〜＋９０°の範囲から、図６のような０°〜＋９０°の範囲に絞ることができる。すなわち、図２は素子１、２を傾けずに互いの受波面を平行に配置した場合であり、音波の到来方向による素子１、２間の感度差がないため、位相差の差Δφのみに基づいて−９０°〜＋９０°の範囲で方位角θを求めることになる。これに対して、素子１、２を傾けて配置し、各素子での受信信号レベルを比較することで、音波がたとえば右側から到来したことの情報をあらかじめ得ておけば、図６のように０°〜＋９０°の範囲で方位角θを算出すればよいことになる。ここで、図２の０°〜＋９０°の範囲におけるグラフの傾きと、図６の０°〜＋９０°の範囲におけるグラフの傾きとを比較すれば明らかなように、図６の傾きのほうが図２の傾きよりも大きくなっている。傾きが大きいということは、Δφの変動に対するθの変動が小さいということであるから、図５のような構成にすることで、ノイズ等の外部要因が測定結果に与える影響を減少させることができる。
【００３４】
図７は、本発明の第２の方式による方位検出装置の原理を説明する図である。図において、Ｂｍは水中のターゲットで反射して帰来する音波のビーム、θは音波の到来方向を表す方位角である。素子１、素子２、素子３は、送受波器を構成する超音波振動子からなり、素子１と素子２とは距離Ｌ１を隔てて配列されており、素子２と素子３とは距離Ｌ２を隔てて配列されている。ビームＢｍが方位角θで素子１〜３に入射すると、素子１および素子２のそれぞれで受信された信号には、次式で与えられる位相差φ１が発生する。
φ１＝ｋＬ１ｓｉｎθ
ここで、ｋは波数であって、ｋ＝２π／λ（λ：音波の波長）である。
同様に、素子２および素子３のそれぞれで受信された信号には、次式で与えられる位相差φ２が発生する。
φ２＝ｋＬ２ｓｉｎθ
これらの位相差の差Δφを計算すると、
【数５】
2004184341.tif 000007
【００３５】
式（５）より、図７の−９０°〜＋９０°の範囲から到来する音波の方位角θを検出するための条件として、次の条件が導出される。
【数６】
2004184341.tif 000008
したがって、素子間距離Ｌ１、Ｌ２、および波長λを式（６）を満足するように設定すれば、従来のスプリット方式でみられたような位相の巡回を生じることなく、音波が到来する方位角θを−９０°〜＋９０°の範囲で検出することができる。また、方位角θは式（５）から次式で求めることができる。
【数７】
2004184341.tif 000009
【００３６】
図８は、式（５）に基づく位相差の差Δφと方位角θとの関係を表したグラフの例である。式（１）と式（５）とを比較すればわかるように、式（１）では位相差φに基づいて方位角θが求まるのに対し、式（５）では位相差φではなく位相差の差Δφに基づいて方位角θが求まり、式（１）のＬが式（５）ではＬ１−Ｌ２に置き換わっている。そして、Ｌ＝Ｌ１として比較すれば、Ｌ１−Ｌ２＜Ｌであるから、図３におけるφの傾きに比べて、図８におけるφの傾きは緩慢となる。この結果、図３では方位角θを広範囲に検出しようとすると、位相差φが２π周期で何回も巡回するために、方位角θが一義的に定まらなくなるが、図８の場合は、−９０°〜＋９０°の範囲において、あるΔφの値に対するθの解は１つだけ存在し、方位角θを一義的に定めることができる。また、図５で説明したような素子を傾けて配置する構成を採用することで、図９に示したように、方位角θの検出範囲を０°〜＋９０°の範囲にして、グラフの傾きを大きくし、ノイズ等の外部要因が測定結果に与える影響を減少させることができる。
【００３７】
次に、上述した原理に従って方位角を検出する装置の具体例について説明する。図１０は、本発明の第２の方式による方位検出装置のブロック図を示している。図において、１ないし３は、送受波器を構成する超音波振動子からなる素子であって、図７のように素子１と素子２とは距離Ｌ１を隔てて配列されており、素子２と素子３とは距離Ｌ２を隔てて配列されている。１８は素子１で受信された信号と、素子２で受信された信号との位相差φ１を検出する位相差検出器、１９は素子１で受信された信号と、素子３で受信された信号との位相差φ２を検出する位相差検出器である。位相差検出器１８は本発明における第１の位相差検出手段を構成し、位相差検出器１９は本発明における第２の位相差検出手段を構成する。２０は位相差検出器１８で検出された位相差φ１と、位相差検出器１９で検出された位相差φ２との差Δφ＝φ１−φ２を演算する演算器であって、本発明における演算手段を構成する。２１は、演算器２０で演算された位相差の差Δφに基づいて音波が到来する方位角θを検出する方位角検出部であって、本発明における方位検出手段を構成する。
【００３８】
以下、図１０の装置の動作を説明する。なお、図１０では受信回路のみを図示しており、送信回路は省略してある。素子１〜３からは、周波数ｆ（波長λ）の音波が水中に発射される。水中へ発射された音波はターゲットで反射し、その反射波（エコー）が素子１〜３で受信される。
【００３９】
素子１で受信された信号は、位相差検出器１８と位相差検出器１９へ入力され、素子２で受信された信号は、位相差検出器１８へ入力され、素子３で受信された信号は、位相差検出器１９へ入力される。位相差検出器１８では、素子１からの信号と、素子２からの信号との位相差φ１を検出する。また、位相差検出器１９では、素子１からの信号と、素子３からの信号との位相差φ２を検出する。これらの位相差検出器１８、１９の出力は演算器２０へ与えられ、演算器２０では、位相差φ１と位相差φ２との差Δφ＝φ１−φ２を演算する。この演算結果は方位角検出部２１へ与えられ、方位角検出部２１では上記位相差の差Δφに基づき、式（７）に従って方位角θを計算し、音波が到来する方位を検出する。
【００４０】
このようにして、本発明の第２の方式による装置では、距離が異なる１対の素子間での位相差φ１、φ２を検出するとともに、これらの位相差の差Δφを算出し、この差Δφに基づいて方位角θを求めているので、Δφとθとの関係が図８または図９のようになって、あるΔφの値に対して方位角θが一義的に決まる。その結果、方位角θを広い範囲にわたって正確に検出することができ、メインローブによる音波の到来方向と、サイドローブによる音波の到来方向とを明確に区別することが可能となって、方位検出の信頼性を向上させることができる。また、この第２の方式においては、用いる周波数は１種類でよいので、第１の方式におけるフィルタ４〜７（図４）が不要となって、回路構成が簡単となる。
【００４１】
上述した実施形態では、第２の方式に１周波を用いる場合について説明したが、第２の方式に２周波を用いることも可能である。この場合は、各素子１〜３に入射する音波の周波数としてｆ１、ｆ２の２周波を用い、位相差検出器１８で周波数ｆ１の音波に対する位相差を検出し、位相差検出器１９で周波数ｆ２の音波に対する位相差を検出するように構成すればよい。この場合、図７の−９０°〜＋９０°の範囲から到来する音波の方位角θを検出するための条件は、次のようになる。
【数８】
2004184341.tif 000010
ここで、λｆ１−ｆ２はｆ１とｆ２の差の周波数に対応する波長である。
【００４２】
式（８）と式（６）とを比較すると、λｆ１−ｆ２＞λであるから、上記のように２周波を用いることによって、素子間距離Ｌ１、Ｌ２の差（図７における素子１と素子３間の距離）を１周波の場合よりも大きく取れることがわかる。たとえば、素子間のクロスカップリングが高い場合には、素子間の距離を長く確保することが要求されるが、このような場合に２周波を用いると有効である。
【００４３】
図１１は、本発明の他の実施形態を説明するためのグラフである。この実施形態においては、本発明による第１または第２の方式と、従来のスプリットビーム方式とを組み合わせて方位角を算出する。本発明の第１または第２の方式によれば、すでに述べたように、位相差の差Δφから方位角θを求めるため、位相差φから方位角θを求める従来の方式に比べて、方位角の検出範囲を広くしても２π周期の位相巡回がなく、位相差の差Δφから方位角θを一義的に求めることができる。しかしながら、図１１に示されるように、Δφの傾きはφの傾きより小さいため、検出精度の点で従来の方式に劣るという問題がある。これを図１２で説明すると、φとΔφの値が同じδだけ変動したときのθの変動分をそれぞれθａ、θｂとしたとき、傾きの小さいΔφに対する変動分θｂは、傾きの大きいφに対する変動分θａよりも大きくなり、このことは、Δφの場合はφの場合に比べてばらつきが大きく方位角θの検出精度が劣ることを意味している。
【００４４】
そこで、この問題を克服するために、本発明では以下のような手順で方位角θを求める。すなわち、図１１において、まず、前述した第１または第２の方式に従って位相差の差を算出し、算出された値Δφβから方位角θβを求める。そして、この方位角θβに対して、当該方位角を従来のスプリットビーム方式に従って位相差から求めるとした場合に、位相差が２π周期で何回巡回したかを求める。この位相巡回回数をｎとしたとき、図１１の場合はｎ＝３となる。ここで、位相差が２π周期でｎ回巡回したときの位相差２ｎπに対応する方位角θｎを「位相バイアス」と定義すると、図１１のＰ点のθ値が位相バイアスθｎとなる。
【００４５】
次に、従来のスプリットビーム方式に従って位相差を算出し、算出された位相差φαから方位角θαを求める。この場合、方位角θαの値はＰ点を原点として算出される。したがって、位相バイアスθｎにθαを加算することにより、方位角θ＝θｎ＋θαが算出される。ここで、θ＝θｎ＋θαとθβとは本来一致するはずであるが、図１２で説明したように、位相差の差Δφβから求めたθβは位相差φαから求めたθαに比べてばらつきが大きいため、両者の間にはずれが生じる。そこで、θβを無視しθ＝θｎ＋θαを採用することで、方位角の検出精度を高めることができる。
【００４６】
このように、本発明の方式を用いて得られる方位角θβから位相バイアスθｎを求め、この位相バイアスθｎと、従来の方式を用いて得られる方位角θαとに基づいて方位角θを演算することで、２π周期の位相巡回を生じることなく、広い範囲にわたって方位角の検出が可能となり、しかも、従来のスプリットビーム方式と同じ精度で方位角を検出することができる。
【００４７】
次に、上述した原理に従って方位角を検出する装置の具体例について説明する。図１３は、本発明の第１の方式と従来の方式とを組み合わせた方位検出装置のブロック図を示している。図において、１および２は、送受波器を構成する超音波振動子からなる素子であって、図１のように距離Ｌを隔てて配列されている。４および６は、周波数ｆ１の信号を通過させるフィルタ、５および７は、周波数ｆ２の信号を通過させるフィルタ、８はフィルタ４を通過した周波数ｆ１の信号と、フィルタ６を通過した周波数ｆ１の信号との位相差φｆ１を検出する位相差検出器、９はフィルタ５を通過した周波数ｆ２の信号と、フィルタ７を通過した周波数ｆ２の信号との位相差φｆ２を検出する位相差検出器である。位相差検出器８は本発明における第１の位相差検出手段を構成し、位相差検出器９は本発明における第２の位相差検出手段を構成する。１０は位相差検出器８で検出された位相差φｆ１と、位相差検出器９で検出された位相差φｆ２との差Δφ＝φｆ１−φｆ２を演算する演算器であって、本発明における演算手段を構成する。
【００４８】
３１は、演算器１０で演算された位相差の差Δφに基づいて音波が到来する方位角θを検出する方位角検出部であって、本発明における方位検出手段を構成する。方位角検出部３１において、３２は演算器１０で演算された位相差の差Δφから位相巡回回数ｎを求めて位相バイアスθｎを演算する位相バイアス演算部、３３は位相差検出器８で検出された位相差φｆ１から方位角θαを算出する方位角算出部、３４は位相バイアス演算部３２で得られた位相バイアスθｎと、方位角算出部３３で得られた方位角θαとの和を演算する演算器である。
【００４９】
以下、図１３の装置の動作を説明する。なお、図１３では受信回路のみを図示しており、送信回路は省略してある。素子１、２からは、周波数がｆ１とｆ２の音波が水中に発射される。この場合、最初にたとえば周波数ｆ１の音波を発射し、その後に周波数ｆ２の音波を発射してもよいし、２つの周波数ｆ１、ｆ２の成分を含んだ音波を１回だけ発射してもよい。水中へ発射された音波はターゲットで反射し、その反射波（エコー）が素子１、２で受信される。
【００５０】
素子１で受信された信号はフィルタ４、５に入力され、フィルタ４において周波数ｆ１の信号が取り出され、フィルタ５において周波数ｆ２の信号が取り出される。フィルタ４で取り出された周波数ｆ１の信号は位相差検出器８へ入力され、フィルタ５で取り出された周波数ｆ２の信号は位相差検出器９へ入力される。一方、素子２で受信された信号はフィルタ６、７に入力され、フィルタ６において周波数ｆ１の信号が取り出され、フィルタ７において周波数ｆ２の信号が取り出される。フィルタ６で取り出された周波数ｆ１の信号は位相差検出器８へ入力され、フィルタ７で取り出された周波数ｆ２の信号は位相差検出器９へ入力される。
【００５１】
位相差検出器８では、素子１からの周波数ｆ１の信号と、素子２からの周波数ｆ１の信号との位相差φｆ１を検出する。また、位相差検出器９では、素子１からの周波数ｆ２の信号と、素子２からの周波数ｆ２の信号との位相差φｆ２を検出する。これらの位相差検出器８、９の出力は演算器１０へ与えられ、演算器１０では、位相差φｆ１と位相差φｆ２との差Δφ＝φｆ１−φｆ２を演算する。
【００５２】
演算器１０で演算されたΔφは、位相バイアス演算部３２へ与えられる。位相バイアス演算部３２では、前述した原理に従い、Δφに基づいて位相巡回回数ｎを求め、位相差２ｎπに対応する位相バイアスθｎを演算する。一方、方位角算出部３３では、位相差検出器８で検出された位相差φｆ１から、従来のスプリットビーム方式に従って方位角θαを算出する。そして、位相バイアス演算部３２で得られた位相バイアスθｎと、方位角算出部３３で得られた方位角θαとを演算器３４で加算することにより、方位角θ＝θｎ＋θαが算出され、音波の到来方向が検出される。なお、ここでは位相差検出器８の出力を方位角算出部３３へ入力しているが、位相差検出器９の出力を方位角算出部３３へ入力して、位相差φｆ２からθαを算出するようにしてもよい。
【００５３】
図１４は、本発明の第２の方式と従来の方式とを組み合わせた方位検出装置のブロック図を示している。図において、１ないし３は、送受波器を構成する超音波振動子からなる素子であって、図７のように素子１と素子２とは距離Ｌ１を隔てて配列されており、素子２と素子３とは距離Ｌ２を隔てて配列されている。１８は素子１で受信された信号と、素子２で受信された信号との位相差φ１を検出する位相差検出器、１９は素子１で受信された信号と、素子３で受信された信号との位相差φ２を検出する位相差検出器である。位相差検出器１８は本発明における第１の位相差検出手段を構成し、位相差検出器１９は本発明における第２の位相差検出手段を構成する。２０は位相差検出器１８で検出された位相差φ１と、位相差検出器１９で検出された位相差φ２との差Δφ＝φ１−φ２を演算する演算器であって、本発明における演算手段を構成する。
【００５４】
４１は、演算器２０で演算された位相差の差Δφに基づいて音波が到来する方位角θを検出する方位角検出部であって、本発明における方位検出手段を構成する。方位角検出部４１において、４２は演算器２０で演算された位相差の差Δφから位相巡回回数ｎを求めて位相バイアスθｎを演算する位相バイアス演算部、４３は位相差検出器１８で検出された位相差φ１から方位角θαを算出する方位角算出部、４４は位相バイアス演算部４２で得られた位相バイアスθｎと、方位角算出部３３で得られた方位角θαとの和を演算する演算器である。
【００５５】
以下、図１４の装置の動作を説明する。なお、図１４では受信回路のみを図示しており、送信回路は省略してある。素子１〜３からは、周波数ｆ（波長λ）の音波が水中に発射される。水中へ発射された音波はターゲットで反射し、その反射波（エコー）が素子１〜３で受信される。
【００５６】
素子１で受信された信号は、位相差検出器１８と位相差検出器１９へ入力され、素子２で受信された信号は、位相差検出器１８へ入力され、素子３で受信された信号は、位相差検出器１９へ入力される。位相差検出器１８では、素子１からの信号と、素子２からの信号との位相差φ１を検出する。また、位相差検出器１９では、素子１からの信号と、素子３からの信号との位相差φ２を検出する。これらの位相差検出器１８、１９の出力は演算器２０へ与えられ、演算器２０では、位相差φ１と位相差φ２との差Δφ＝φ１−φ２を演算する。
【００５７】
演算器２０で演算されたΔφは、位相バイアス演算部４２へ与えられる。位相バイアス演算部４２では、前述した原理に従い、Δφに基づいて位相巡回回数ｎを求め、位相差２ｎπに対応する位相バイアスθｎを演算する。一方、方位角算出部４３では、位相差検出器１８で検出された位相差φ１から、従来のスプリットビーム方式に従って方位角θαを算出する。そして、位相バイアス演算部４２で得られた位相バイアスθｎと、方位角算出部４３で得られた方位角θαとを演算器４４で加算することにより、方位角θ＝θｎ＋θαが算出され、音波の到来方向が検出される。なお、ここでは位相差検出器１８の出力を方位角算出部４３へ入力しているが、位相差検出器１９の出力を方位角算出部４３へ入力して、位相差φ２からθαを算出するようにしてもよい。
【００５８】
図１５は、本発明の他の実施形態を説明するためのグラフである。この実施形態においては、位相差の差Δφに閾値を設けることで、所定の方向から到来する信号のみを選択し、ビームコントロールを行なう。従来、音波のビーム幅を制御したり、ビームのステアリング（旋回）を行なうためには、多数の振動子を配列した素子アレイを用い、各チャンネルの信号に対してビーム幅制御やビームステアリングに必要な遅延量を与えるのが一般的であるが、これによると多数のチャンネルが必要となるとともに、遅延量を与えるための回路が複雑で高価なものになる。
【００５９】
そこで、本発明では図２のグラフにおいて、図１５のように位相差の差Δφに２つの閾値Ｘ１、Ｘ２を設定する。一方の閾値Ｘ１は、方位角が−９０°〜０°の範囲においてΔφを弁別するための閾値であり、他方の閾値Ｘ２は、方位角が０°〜＋９０°の範囲においてΔφを弁別するための閾値である。ここでは、一例として、閾値Ｘ１に対応する方位角θが−２０°で、閾値Ｘ２に対応する方位角θが＋２０°となるように各閾値の値が設定されている。そして、これらの閾値Ｘ１、Ｘ２でΔφを弁別して、図１５に実線で示したＸ１≦Δφ≦３６０°、０°≦Δφ≦Ｘ２の範囲にあるΔφを抽出する。この結果、検出される方位角θは、−２０°〜＋２０°の範囲に絞られる。すなわち、この範囲の角度から到来する信号のみを選択し、それ以外の角度から到来する信号を除去することができる。このことは、ビーム幅を変化させたり、ビームを任意の方向にステアリングさせたりすることが可能なことを意味している。
【００６０】
たとえば、図１５において閾値Ｘ１の値を上げ、閾値Ｘ２の値を下げれば、方位角θの検出範囲は狭くなり、反対に、閾値Ｘ１の値を下げ、閾値Ｘ２の値を上げれば、方位角θの検出範囲は広くなる。これは、ビーム幅が変化することと等価である。また、閾値Ｘ１およびＸ２を連続的に変化させれば、方位角θの検出範囲も連続的に変化する。これは、ビームがステアリングすることと等価である。こうして、閾値Ｘ１、Ｘ２によりΔφを弁別することで、多数のチャンネルを備えた素子アレイを用いることなく、２素子あるいは３素子のみで構成される送受波器によって、ビーム幅の制御やビームのステアリングを行なうことが可能となる。
【００６１】
次に、上述した原理に従って方位角を検出する装置の具体例について説明する。図１６は、本発明の第１の方式による方位検出装置においてΔφに閾値を設ける場合のブロック図を示している。図において、１および２は、送受波器を構成する超音波振動子からなる素子であって、図１のように距離Ｌを隔てて配列されている。４および６は、周波数ｆ１の信号を通過させるフィルタ、５および７は、周波数ｆ２の信号を通過させるフィルタ、８はフィルタ４を通過した周波数ｆ１の信号と、フィルタ６を通過した周波数ｆ１の信号との位相差φｆ１を検出する位相差検出器、９はフィルタ５を通過した周波数ｆ２の信号と、フィルタ７を通過した周波数ｆ２の信号との位相差φｆ２を検出する位相差検出器である。位相差検出器８は本発明における第１の位相差検出手段を構成し、位相差検出器９は本発明における第２の位相差検出手段を構成する。１０は位相差検出器８で検出された位相差φｆ１と、位相差検出器９で検出された位相差φｆ２との差Δφ＝φｆ１−φｆ２を演算する演算器であって、本発明における演算手段を構成する。
【００６２】
５１は、前述の閾値Ｘ１、Ｘ２が設定されているスレッショルド回路であって、演算器１０で演算された位相差の差Δφを閾値Ｘ１、Ｘ２で弁別して、所定範囲のΔφのみを抽出する。このスレッショルド回路５１は、本発明における弁別手段を構成する。５２は、スレッショルド回路５１で抽出されたΔφに基づいて音波が到来する方位角θを検出する方位角検出部であって、本発明における方位検出手段を構成する。５３は制御部であって、スレッショルド回路５１における閾値Ｘ１、Ｘ２の値を制御する。この閾値の制御は、自動で行なってもよいし、操作部（図示省略）を操作して手動で行なってもよい。
【００６３】
以下、図１６の装置の動作を説明する。なお、図１６では受信回路のみを図示しており、送信回路は省略してある。素子１、２からは、周波数がｆ１とｆ２の音波が水中に発射される。この場合、最初にたとえば周波数ｆ１の音波を発射し、その後に周波数ｆ２の音波を発射してもよいし、２つの周波数ｆ１、ｆ２の成分を含んだ音波を１回だけ発射してもよい。水中へ発射された音波はターゲットで反射し、その反射波（エコー）が素子１、２で受信される。
【００６４】
素子１で受信された信号はフィルタ４、５に入力され、フィルタ４において周波数ｆ１の信号が取り出され、フィルタ５において周波数ｆ２の信号が取り出される。フィルタ４で取り出された周波数ｆ１の信号は位相差検出器８へ入力され、フィルタ５で取り出された周波数ｆ２の信号は位相差検出器９へ入力される。一方、素子２で受信された信号はフィルタ６、７に入力され、フィルタ６において周波数ｆ１の信号が取り出され、フィルタ７において周波数ｆ２の信号が取り出される。フィルタ６で取り出された周波数ｆ１の信号は位相差検出器８へ入力され、フィルタ７で取り出された周波数ｆ２の信号は位相差検出器９へ入力される。
【００６５】
位相差検出器８では、素子１からの周波数ｆ１の信号と、素子２からの周波数ｆ１の信号との位相差φｆ１を検出する。また、位相差検出器９では、素子１からの周波数ｆ２の信号と、素子２からの周波数ｆ２の信号との位相差φｆ２を検出する。これらの位相差検出器８、９の出力は演算器１０へ与えられ、演算器１０では、位相差φｆ１と位相差φｆ２との差Δφ＝φｆ１−φｆ２を演算する。
【００６６】
演算器１０で演算された位相差の差Δφは、スレッショルド回路５１へ与えられる。スレッショルド回路５１では、前述した原理に従い、Δφを閾値Ｘ１、Ｘ２で弁別して、Ｘ１≦Δφ≦３６０°、０°≦Δφ≦Ｘ２の範囲にあるΔφを抽出する。方位角検出部５２では、抽出された位相差の差Δφに基づき、−２０°〜＋２０°の角度から到来する音波に対してその方位角θを式（４）に従って計算し、音波の到来する方位を検出する。また、制御部５３は、閾値Ｘ１、Ｘ２を可変制御することにより、方位角θの検出範囲を変化させ、ビーム幅の制御やビームステアリングを行なう。
【００６７】
図１７は、本発明の第２の方式による方位検出装置においてΔφに閾値を設ける場合のブロック図を示している。図において、１ないし３は、送受波器を構成する超音波振動子からなる素子であって、図７のように素子１と素子２とは距離Ｌ１を隔てて配列されており、素子２と素子３とは距離Ｌ２を隔てて配列されている。１８は素子１で受信された信号と、素子２で受信された信号との位相差φ１を検出する位相差検出器、１９は素子１で受信された信号と、素子３で受信された信号との位相差φ２を検出する位相差検出器である。位相差検出器１８は本発明における第１の位相差検出手段を構成し、位相差検出器１９は本発明における第２の位相差検出手段を構成する。２０は位相差検出器１８で検出された位相差φ１と、位相差検出器１９で検出された位相差φ２との差Δφ＝φ１−φ２を演算する演算器であって、本発明における演算手段を構成する。
【００６８】
６１は、前述の閾値Ｘ１、Ｘ２が設定されているスレッショルド回路であって、演算器２０で演算された位相差の差Δφを閾値Ｘ１、Ｘ２で弁別して、所定範囲のΔφのみを抽出する。このスレッショルド回路６１は、本発明における弁別手段を構成する。６２は、スレッショルド回路６１で抽出されたΔφに基づいて音波が到来する方位角θを検出する方位角検出部であって、本発明における方位検出手段を構成する。６３は制御部であって、スレッショルド回路６１における閾値Ｘ１、Ｘ２の値を制御する。この閾値の制御は、自動で行なってもよいし、操作部（図示省略）を操作して手動で行なってもよい。
【００６９】
以下、図１７の装置の動作を説明する。なお、図１７では受信回路のみを図示しており、送信回路は省略してある。素子１〜３からは、周波数ｆ（波長λ）の音波が水中に発射される。水中へ発射された音波はターゲットで反射し、その反射波（エコー）が素子１〜３で受信される。
【００７０】
素子１で受信された信号は、位相差検出器１８と位相差検出器１９へ入力され、素子２で受信された信号は、位相差検出器１８へ入力され、素子３で受信された信号は、位相差検出器１９へ入力される。位相差検出器１８では、素子１からの信号と、素子２からの信号との位相差φ１を検出する。また、位相差検出器１９では、素子１からの信号と、素子３からの信号との位相差φ２を検出する。これらの位相差検出器１８、１９の出力は演算器２０へ与えられ、演算器２０では、位相差φ１と位相差φ２との差Δφ＝φ１−φ２を演算する。
【００７１】
演算器２０で演算された位相差の差Δφは、スレッショルド回路６１へ与えられる。スレッショルド回路６１では、前述した原理に従い、Δφを閾値Ｘ１、Ｘ２で弁別して、Ｘ１≦Δφ≦３６０°、０°≦Δφ≦Ｘ２の範囲にあるΔφを抽出する。方位角検出部６２では、抽出された位相差の差Δφに基づき、−２０°〜＋２０°の角度から到来する音波に対してその方位角θを式（４）に従って計算し、音波の到来する方位を検出する。また、制御部６３は、閾値Ｘ１、Ｘ２を可変制御することにより、方位角θの検出範囲を変化させ、ビーム幅の制御やビームステアリングを行なう。
【００７２】
以上述べた実施形態においては、第１の方式において２素子を用い、第２の方式において３素子を用いた例を示したが、第１の方式に３個以上の素子を用い、第２の方式に４個以上の素子を用いることも可能である。
【００７３】
また、以上の実施形態では、素子間距離や周波数が既知であるとして、方位角を求める場合について説明したが、本発明の応用例として、周波数や方位角を既知として素子間距離を求めることも可能であり、また、素子間距離や方位角を既知として周波数を求めることも可能である。
【００７４】
また、以上の実施形態では、スプリットビーム方式による方位検出装置を例に挙げたが、本発明はスプリットビーム方式以外の方式を用いた前方探知ソナーのような装置にも適用することができる。
【００７５】
さらに、以上の実施形態では、水中のターゲットで反射して帰来する音波の方位を検出する装置について述べたが、本発明はトランスポンダなどにおいて、反射を伴わずに到来する音波の方位を検出する場合にも適用が可能である。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、位相差の差を用いて方位角を検出することで方位角が一義的に定まるため、広い範囲にわたって方位角を正確に検出することが可能となり、信頼性の高い装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の方式による方位検出装置の原理を説明する図である。
【図２】第１の方式における位相差の差と方位角との関係を表したグラフの例である。
【図３】従来の方式における位相差と方位角との関係を表したグラフの例である。
【図４】本発明の第１の方式による方位検出装置のブロック図である。
【図５】第１の方式における他の実施形態を説明する原理図である。
【図６】他の実施形態における位相差の差と方位角との関係を表したグラフの例である。
【図７】本発明の第２の方式による方位検出装置の原理を説明する図である。
【図８】第２の方式における位相差の差と方位角との関係を表したグラフの例である。
【図９】第２の方式の他の実施形態における位相差の差と方位角との関係を表したグラフの例である。
【図１０】本発明の第２の方式による方位検出装置のブロック図である。
【図１１】本発明の他の実施形態を説明するためのグラフである。
【図１２】方位角の検出精度を説明するためのグラフである。
【図１３】本発明の第１の方式と従来の方式とを組み合わせた方位検出装置のブロック図である。
【図１４】本発明の第２の方式と従来の方式とを組み合わせた方位検出装置のブロック図である。
【図１５】本発明の他の実施形態を説明するためのグラフである。
【図１６】本発明の第１の方式による方位検出装置において閾値を設ける場合のブロック図である。
【図１７】本発明の第２の方式による方位検出装置において閾値を設ける場合のブロック図である。
【図１８】スプリットビームを用いた音波到来方向の測定原理を説明する図である。
【図１９】位相差が２π周期で巡回することを説明する図である。
【符号の説明】
１〜３  素子
８、９  位相差検出器
１０  演算器
１１  方位角検出部
１８、１９  位相差検出器
２０  演算器
２１  方位角検出部
３１  方位角検出部
３２  位相バイアス演算部
３３  方位角算出部
３４  演算器
４１  方位角検出部
４２  位相バイアス演算部
４３  方位角算出部
４４  演算器
５１  スレッショルド回路
５２  方位角検出部
５３  制御部
６１  スレッショルド回路
６２  方位角検出部
６３  制御部
Ｂｍ  音波のビーム
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２  素子間距離
Ｘ１、Ｘ２  閾値
θ    方位角
θｎ  位相バイアス
φ    位相差
Δφ  位相差の差
【図１】
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【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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