(57)【要約】【課題】容積検出アレイラインのポジショニングを判断するための方法および装置を提供する。【解決手段】ソナーアレイの場合、超音波周波数が使用される。セラミックトランスデューサ、およびハイドロフォンなどのセンサを備える送信機サブシステムがアレイのライン上に配置され、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）方式の擬似乱数を用いて各送信機を識別する。検出器素子によって判断されたトランスデューサとセンサとの間のトランジットタイムは、様々な形式のうち任意の形式で船舶搭載受信機に送信され、これによってアレイライン位置を判断することができる。【選択図】図５
2004109131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　受信機に接続された容積型アレイ内のアレイラインの相対位置を判断する方法であって、
　特定の擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスを生成し、
　前記特定のＰＲＮシーケンスを、特定の送信機サブシステムと、前記容積型アレイの少なくとも１つの受信ラインとに送信し、
　前記特定の送信機サブシステムから送信され、前記容積型アレイおよび受信機の分析帯域外の周波数を有する搬送波を前記特定のＰＲＮシーケンスで変調して、前記特定のＰＲＮシーケンスを送信し、
　前記特定のＰＲＮシーケンスを、前記容積型アレイの受信ライン上における少なくとも２つのセンサにて識別し、前記ＰＲＮシーケンスに関する前記特定の送信機サブシステムから前記センサへのトランジットタイムを判断し、
　前記トランジットタイムを位置判断のために前記受信機に伝達するステップからなる方法。
【請求項２】
　請求項１記載の方法において、
　前記容積型アレイは符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）方式に従って動作するので、前記特定のＰＲＮシーケンスは、容積型アレイ内の少なくとも２つの送信機サブシステムによって送信される少なくとも２つのＰＲＮシーケンスの一方であることを特徴とする方法。
【請求項３】
　請求項１記載の方法において、
　前記伝達ステップは、前記トランジットタイムを表すデジタル語を前記受信機に送信することによって実施されることを特徴とする方法。
【請求項４】
　請求項１記載の方法において、
　前記伝達ステップは、前記トランジットタイムを表すアナログ信号を前記受信機に送信することによって実施されることを特徴とする方法。
【請求項５】
　請求項２記載の方法において、
　前記伝達ステップは、前記トランジットタイムを表すデジタル語を前記受信機に送信することによって実施されることを特徴とする方法。
【請求項６】
　請求項２記載の方法において、
　前記伝達ステップは、前記トランジットタイムを表すアナログ信号を前記受信機に送信することによって実施されることを特徴とする方法。
【請求項７】
　受信機に接続された容積検出アレイ内のアレイラインの相対位置を判断するための装置であって、
　特定の擬似乱数（ＰＲＮ）を生成する手段と、
　前記特定のＰＲＮシーケンスを、特定の送信機サブシステムと、前記容積型アレイの少なくとも１つの受信ラインとに送信する手段と、
　前記特定の送信機サブシステムから送信され、前記容積型アレイおよび前記受信機の分析帯域外の周波数を有する搬送波を前記特定のＰＲＮシーケンスで変調して、前記特定のＰＲＮシーケンスを送信する手段と、
　前記特定のＰＲＮシーケンスを、前記容積型アレイの受信ライン上における少なくとも２つのセンサにて識別し、前記ＰＲＮシーケンスに関する前記送信機から前記センサへのトランジットタイムを判断する手段と、
　前記トランジットタイムを位置判断のために前記受信機に伝達する手段とを備える装置。
【請求項８】
　受信機に接続された容積検出アレイ内における、各々が複数のセンサを有する少なくとも１つのアレイラインの相対的な位置を判断するためのシステムであって、
　少なくとも１つの擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスを生成するための同期ブロックと、
　前記容積型アレイ内に配置され、各々が前記同期ブロックに接続されて前記容積型アレイの分析帯域外の周波数を有する搬送波を、特定のＰＲＮシーケンスで変調し送信するように動作可能である少なくとも１つの送信機サブシステムと、
　少なくとも１つのアレイラインに配置された少なくとも１つの検出器であって、前記複数のセンサに接続され、前記特定のＰＲＮシーケンスを識別して該特定のＰＲＮシーケンスに対する前記送信機サブシステムからセンサまでのトランジットタイムを判断し、前記トランジットタイムを位置判断のために受信機に伝達するように動作可能である少なくとも１つの検出器と、
　前記トランジットタイムに基づいてアレイラインの相対位置を判断する受信機内の表示ブロックとを備えるシステム。
【請求項９】
　請求項８記載のシステムにおいて、
　各検出器は、前記トランジットタイムをアナログ信号として前記受信機に提供するよう動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
　請求項８記載のシステムにおいて、
　各検出器は、前記トランジットタイムをデジタル語として前記受信機に提供するよう動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
　特定の擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスに関する、特定の送信機サブシステムから容積型アレイのアレイラインに沿って配置されたセンサへのトランジットタイムを判断するための検出器であって、
　ＰＲＮシーケンスを含み、前記容積型アレイの分析帯域外の周波数を有する搬送波を復調する復調器と、
　同期パルスと前記特定のＰＲＮシーケンスの受信との間の時間間隔をカウントするカウンタと、
　前記同期パルスに基づいて前記特定のＰＲＮシーケンスを識別するための、前記カウンタに接続され、前記特定のＰＲＮシーケンスを識別した際にカウンタをラッチするように動作可能であるシーケンス検出ブロックと、
　前記復調器とシーケンス検出ブロックの間に配置された、前記ＰＲＮシーケンスをシーケンス検出ブロックに転送するためのシフタと、
　前記カウンタに接続され、前記トランジットタイムを位置判断のために受信機に出力するアキュムレータと、を備えた検出器。
【請求項１２】
　請求項１１記載の検出器において、
　前記容積型アレイは符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）方式に従って動作するので、前記特定のＰＲＮシーケンスは、前記容積型アレイ内の少なくとも２つの送信機サブシステムによって送信される少なくとも２つのＰＲＮシーケンスの一方であることを特徴とした検出器。
【請求項１３】
　特定の擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスに関する、特定の送信機サブシステムから容積型アレイのアレイラインに沿って配置されたセンサへのトランジットタイムを判断するための装置であって、
　ＰＲＮシーケンスを含み、前記容積型アレイの分析帯域外の周波数を有する搬送波を復調する手段と、
　同期パルスと、前記特定のＰＲＮシーケンスの受信との間の時間間隔をカウントする手段と、
　前記同期パルスに基づいて前記特定のＰＲＮシーケンスを識別するための手段であって、前記カウント手段に接続され該カウント手段を制御するように動作可能である手段と、
　前記トランジットタイムを位置判断のために受信機に出力する手段と、を備えた装置。
【請求項１４】
　請求項１３記載の装置において、
　前記容積型アレイは符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）方式に従って動作するので、前記特定のＰＲＮシーケンスは、前記容積型アレイ内の少なくとも２つの送信機サブシステムによって送信される少なくとも２つのＰＲＮシーケンスの一方であることを特徴とした装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
　物体を、例えばソナーによって遠隔探査する技術が長年にわたって開発されてきた。当初は、単一の音響センサが潜水艦または水面を進む船によって曳航されるか、あるいはこれらに取り付けられていた。この音響センサは一般にハイドロフォンとして知られているが、単に物体の存在、そして恐らくはその距離を船の操作員に知らせるだけである。この簡単なシステムは、ある配列に並べられた複数のセンサを備えたソナーシステムを考案することによって改良された。当初、これらのセンサは曳索に沿って並べられていた。センサの数を増やすことにより、ソナーシステムに有効な利得が飛躍的に増えた。さらに、複数のセンサを備えることにより、対象物の方向の大まかな判断が可能になる。しかしながら、単一ラインの音響センサでは、対象物の位置に関する垂直方向または“左右方向”の曖昧さは解消できない。さらに、全体の実現可能な利得は、曳索の強度、および曳航の抗力および音波面のコヒーレンスを予測する能力に関する考察によって制限される。
【０００２】
　上記の課題は、“容積型アレイ”と呼ばれるものを製造することによって解決された。図１は、そのようなアレイを図示している。図１で、船１０１は曳航ケーブル１０２を曳いている。そしてこの曳航ケーブルには、多ライン３次元アレイの音響センサ１０３が取り付けられている。これら多ラインのセンサからの信号が合成される場合、見かけ上の利得はセンサの総数に対応する。さらに、アレイが３次元であるという性質により、単一ラインアレイの場合よりも正確に被探査物体の位置を判断するためにビームフォーミングや信号処理を用いることが可能になる。
【０００３】
　容積型アレイが物体の位置を検知する能力は、該アレイの素子の相対的な位置に関する知識によって決まる。アレイのラインは剛性の材料から作られるか、あるいはぴんと張っておくことができ、これらの素子の相対的な位置を想定することができるであろう。しかしながら、柔軟な自由浮遊型アレイのラインは、剛性アレイより低コストでつくることができる。このような柔軟なアレイは抗力も小さく、損傷も受けにくい。このアレイの素子は、ある特定の様式で配置する必要はない。それよりもむしろ、これらの素子の相対的な位置を知ることのみが必要である。従って、一定の間隔をあけられたアレイの様々なセンサの位置を判断するための種々の電子手段が開発されてきた。
【０００４】
　容積型アレイにおける音響センサの位置を判断するための公知の方法には、一つまたはそれ以上の欠点がある。ある場合では、位置検知のためにアレイ素子に送信される信号は、アレイの分析帯域内のものである。位置決めのために分析帯域を使用すると、同様のアレイを曳航している他の船が検知パルスを受信しうるので、アレイを曳航している船が隠れたままでいる可能性がなくなってしまう。さらに、ポジショニングを判断できる粒度は、信号を検知するために用いられる波長によって決まる。音波は波長が長く、従ってセンサ位置を判断する精度が制限される。公知の方法の別の問題点は、パルスを検知するために多数の送信機を供給するのが困難であるということである。理想的には、設けられる送信機が多ければ多いほど高い精度が得られる。しかしながら、どの信号がどの送信機から来たものかをセンサあるいは受信機が判断できることが必要である。異なる周波数を用いる場合、各送信機は若干異なるデザインを有するものでなければならず、従ってアレイのコストが高くなる。さらに、検知パルスを受信すべきアレイのセンサおよび／または受信機を、より複雑なものにする必要がある。非常に高い精度を実現でき、かつ使用時に他の船に探知されないままでいられる容積型アレイポジショニングシステムが必要である。理想的には、このシステムは、同一デザインの多数の送信機およびセンサから作られるべきであろう。
【特許文献１】米国特許第４，５５５，７７９号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６２２，６５７号明細書
【特許文献３】米国特許第４，７０９，３５６号明細書
【特許文献４】米国特許第４，８４５，６８６号明細書
【特許文献５】米国特許第４，９１０，７１８号明細書
【特許文献６】米国特許第５，０２７，３３３号明細書
【特許文献７】米国特許第５，０５８，０８２号明細書
【特許文献８】米国特許第５，１４２，５０６号明細書
【特許文献９】米国特許第５，２４１，５１８号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，４１０，５１９号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，４９７，３５６号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，６５０，９８１号明細書
【特許文献１３】米国特許第５，６５２，５９３号明細書
【特許文献１４】米国特許第５，６５９，５２０号明細書
【特許文献１５】米国特許第５，６６８，７７５号明細書
【特許文献１６】米国特許第５，８７７，９９９号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
　本発明は、容積型センサアレイの様々なラインの正確な位置についての非常に高精度な判定を可能にする、容積型センサアレイのための測定システムを提供するものである。本発明によるシステムは、上記アレイの分析帯域よりかなり外で動作するので、変換処理が容易になる。ソナーアレイの場合、超音波周波数が用いられるが、これには他の船舶のソナーシステムの対象にならないという利点だけでなく、海水中をあまり伝わらないという利点もある。さらに、本発明で使用される送信機はすべて同一の超音波周波数で動作するので、多数の同じ送信機を容易に使用することができ、各送信機が固有のデザインを持つ必要があるシステムに比べてコストが低くなる。さらに本発明では、使用可能で、なおかつ各受信機による各送信機の一意的な識別を考慮した送信機の数が、アレイのサイズや重量、抗力などの機械的考察によってのみ限定されるように、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）方式の擬似乱数を用いる。
【０００６】
　本発明によれば、このアレイは少なくとも１つの、好ましくは複数の送信機サブシステム、および複数のセンサを備えるものである。このアレイはさらに、アレイラインのポジショニング判断システムに関連する検出器も備えている。ソナーアレイの場合、センサは通常、ハイドロフォンである。ある実施例において、船舶搭載受信機は、このシステム内の全てのアレイラインに共通したグローバル同期信号を生成する。この同期信号は、通常、音響チャネルサンプリングの同期において使用されるものと同じである。特定の送信機サブシステムで用いられる特定のＰＲＮシーケンスは、アレイの容積システムの各アレイラインに含まれる素子から局所的に生成される。このシーケンスは、同期パルスとして受信ラインに送信されるので、受信ラインの検出器はこのシーケンスを得て、グローバル同期タイミング基準に対するタイミング差を求めることができる。特定の送信機はそれぞれ、特定の送信機サブシステムに対するトランスデューサから送信される搬送波を復調することによって、その特定のＰＲＮシーケンスを送信する。搬送波は、容積型アレイの音響分析帯域外の周波数を有している。アレイライン上の検出器は、ライン上のセンサにおいて特定のＰＲＮシーケンスを識別し、このシーケンスに関する特定の送信機からセンサへのトランジットタイムを求める。少なくとも２つのセンサが必要とされる。各センサはそれ自身の検出器を持つことができる、あるいは検出器が複合センサとして働くシステムを設計することができるであろう。そして、クロック周期単位のトランジットタイムは、ポジショニング判断のために船舶搭載の受信機に伝達される。１ライン当たり少なくとも２つのセンサが用いられるので、関係のある受信ラインに対する距離と角度の両方が求められる。さらに、各送信機サブシステムはその送信に関連する特定の擬似乱数シーケンスを有しているので、アレイ内の各送信機は、任意の検出器によって一意的に識別することができる。多くの送信機を備えたアレイを容易に作ることができ、全ての送信機を同一とすることができる。実際、各ラインが送信機サブシステムと、複数の検出器と、複数のセンサとを有するアレイを作ることができる。送信機は符号で識別されるので、このシステムは、様々なタイプのデータ通信に対して使用されるのと同様の符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）方式に基づいて動作する。
【０００７】
　トランジットタイムは、様々な形式のうちいずれかで船舶搭載受信機に送信することができる。ある実施例において、２つのセンサに対するトランジットタイムは、基準送信機から検出器の対へのトランジットタイムを表す一対の１６ビット語として符号化される。位相は、測定されて公知の位相に基づいて簡単な三角関係を適用することによって、船舶搭載受信機にて抽出される。別の実施例では、トランジットタイムはアナログレベルに変換され、船舶搭載受信機に送信される。いずれの場合でも、船舶搭載受信機内にある、あるいはこれと密接に関連する同期ブロックは、全ての送信機に対して全てのＰＲＮシーケンスに対するタイミング基準を生成する。シーケンスは連続して送信可能で、様々なアレイラインの正確なポジショニングの常時認識が容易になり、ＣＤＭＡ技術において利用可能な固有の処理利得を十分に活用できる。
【０００８】
　本発明の一実施例による送信機サブシステムは、送信機と全方位セラミックトランスデューサからなるものである。この送信機は、２値位相偏移変調（ＢＰＳＫ）を用いて搬送波を変調する。トランジットタイムを判定し船舶搭載受信機に転送するために用いられる検出器は、位相同期ループ（ＰＬＬ）を用いて搬送波を復調する。搬送波は、アレイの分析帯域外の周波数を有している。復調器は、搬送波からシーケンスを回復し、このシーケンスを復調器に接続されているシフタに送信し、擬似乱数シーケンスをシーケンス検出ブロックに同期出力する。検出器内のシーケンス検出ブロックは、復調器から受信したシーケンスを同期パルスの間に受信したシーケンスと比較することによって、特定の送信機からの特定のＰＲＮシーケンスを識別する。グローバル同期パルスが受信された時に動作し始めたカウンタは、シーケンス検出ブロックによってシーケンスが検出された時にラッチされる。最後に、各センサに対するトランジットタイムのカウント値を保持しているカウンタに、アキュムレータが接続されている。アキュムレータは、トランジットタイムを適切な形式にして船舶搭載受信機に伝達する。同期ブロック、送信機サブシステム、および検出器は、必要なセンサおよびトランスデューサと共に、本発明の方法を実行する手段を形成するよう、すべて一体となって動作する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
　本発明の位置決めシステムは、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）方式を使用することが可能で、本システム内で使用される検出器のクロック周期に対応する精度を提供するものである。このクロックは、本位置決めシステムアレイのハードウエア内に含まれる利用可能な高速システムクロックであってもよいし、単独型クロックであってもよい。この位置決めシステムで使用される信号は、容積型アレイシステム全体にわたって同期されている擬似乱数（ＰＲＮ）で位相変調された高周波数全方位セラミックトランスデューサによって送信される。送信されたこの信号は、ほぼ２０〜３０ｋＨｚの中心周波数およびその周囲の帯域幅で、上述したクロック速度に対応する分解能で水中に送出される。セラミックトランスデューサからの信号は、受信信号の特定のタイミングが、受信した検出器を基準とした送信部の位置に比例するように受信され追跡される。
【００１０】
　図２は、本発明の基本的な動作原理のうちいくつかを示す。図２は、分かりやすくするために簡略化されている。図２は、３本のアレイラインの容積型ソナーアレイを示している。ラインＬ１およびラインＬ３は、ハイドロフォン２０２を備えている。ラインＬ２は、セラミックトランスデューサ２０１を備えている。トランスデューサ２０１は送信機に接続されていて、送信機とトランスデューサとが送信機サブシステムを形成している。送信機は、ほぼ２０〜３０ｋＨｚの共振周波数に同調されていて、連続的な波動が送信される。この連続波は、直接シーケンス２値位相偏移変調（ＢＰＳＫ）により最大長シーケンスを用いて、０位相偏移またはpi位相偏移にて変調される。ＰＲＮシーケンス長は、音取得システムの一部としてアレイに与えられた２つの同期パルスと全く等しいものである。各同期ごとに、ハイドロフォン２０２に接続された検出器によって受け容れられる送信シーケンス内の確定的なポイントに達する。受信システムは、対象となる帯域内の入力信号をモニタする。受信した信号は、検出器素子が追跡できるであろうデジタルビットストリームに復調される。中央ライン上の送信トランスデューサが、搭載されている受信システムから受信したグローバル同期パルスによって全ての他のアレイラインと関連づけられ同期されているおかげで、確定的な状況が存在する。従って、各受信ラインは、同期パルスから、対象となる信号を出力しているラインから送信されたシーケンスの最初のビットまでに何クロック周期が経過したかを正確に求めることができるであろう。図２において、ラインＬ２からラインＬ１の距離は、時刻ｔ０を基準とした時間間隔ｔ１に比例する。同様に、Ｌ２からＬ３の距離は、時刻ｔ０を基準とした時間間隔ｔ２に比例する。図２のシステムは、アレイラインにおける任意の点の位置のみが問題になると想定している。
【００１１】
　図３は、本発明の実施例による位置判断システムの、さらに正確な具体例を図示している。図３は、図２に示したものと同様のセラミックトランスデューサ３０１を備えている。図３はさらに、同様の３本のアレイラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３を備えている。しかしながら、各受信ラインは、本発明の検出器に接続された２つのハイドロフォンを具備している。ハイドロフォン３０２は、全て同じである。この場合、トランジットタイムt1は、受信ラインＬ１上にある一つのハイドロフォンの距離を示し、トランジットタイムt1’は受信ラインＬ１上にあるもう一つのハイドロフォンの距離を示している。同様に、トランジットタイムｔ2は、ラインＬ３上にある一つのハイドロフォンの距離を示し、トランジットタイムt2’はラインＬ３上にあるもう一つのハイドロフォンの距離を示している。各アレイライン上に、信号を受信して本発明の検出器に供給するために１つ以上のハイドロフォンを使用することで、送信機サブシステムを基準とした受信アレイラインの距離と角度の両方を判断可能となる。後で議論するように、ある受信アレイラインの複数のハイドロフォンに関する様々なトランジットタイムは、特定の時間として、または２つ以上のハイドロフォン間の位相差を用いて１つのトランジットタイムとして符号化することができる。
【００１２】
　図４は、本発明のある実施例による全体的な方法を図示するものである。ステップ４０１では、通常は船舶に搭載された受信装置内のシステム同期ブロックによってＰＲＮシーケンスが生成される。ステップ４０２では、ＰＲＮシーケンスを含む同期パルスが、送信機サブシステムを含むアレイライン、およびその特定の送信機サブシステムからのトランジットタイムを判定する必要がある受信ラインを通って送信される。送信バイナリシーケンスは、ソナー分析に関するアレイの同期期間内にちょうど収まるようにタイミング合わせされる。この特性により、受信した信号からフライト時間の正確な値を抽出できるようになる。ステップ４０３では、搬送波を変調することによってＰＲＮシーケンスが送信される。ステップ４０４において、各検出器は、適切なＰＲＮシーケンスがそのハイドロフォンセンサにて検出されるかどうか、そしていつ検出されるかを判断する。トランジットタイムは、各受信ハイドロフォンにて受信される同期パルスに対してカウンタによって記録される。すなわち各ハイドロフォンの搬送波が、独立した入力として追跡される。実際上、トランジットタイムは大きさおよび位相の差として判断される。この情報は、ラインの距離および角度を求めるために使用される。ステップ４０５では、トランジットタイムが算出される。最後に、ステップ４０６では、トランジットタイムが、曳航している船に搭載された受信システムに伝達される。この動作方法は、アレイ内の多数の送信機サブシステムに対して独立してかつ連続的に実施できることに留意すべきである。多数のトランスデューサおよびセンサは、特定のシステム内のアレイ全体にわたって配置することができる。実際、同一のラインが、あるシーケンスを送信し別のシーケンスを受信することができる。異なるシーケンスが一意であるおかげで、ネットワークを、送信機と受信機とを有する全てのラインが特有のシーケンスを備えたその他全てのラインに送信されうる所に、組み込むことができる。このようなシステムにより、アレイ全体にわたって、あるラインの位置を他の任意のラインに対して非常に高精度で調和させることができる。
【００１３】
　図５は、本発明の一実施例による動作を図示するシステムブロック図である。船舶搭載の受信機５０１は、システム同期ブロック５０６、およびデジタル多重分離／タイミングディスプレイ５０７を備えている。システム同期ブロック５０６は、本発明の動作に必要なＰＲＮシーケンスを生成する。ＰＲＮシーケンスを含む同期パルスは、所定のシーケンスに対して固有の送信機サブシステムに関連した特定の処理に含まれる全てのアレイラインに対して送信される。ラインアレイ２（５０４）は、ＢＰＳＫ送信機５１０を備えている。ラインアレイ２（５０４）は、さらに全方位トランスデューサ５１１も備えている。ＢＰＳＫ送信機およびセラミックトランスデューサが、あるアレイラインに対する送信機サブシステムを形成している。トランスデューサは、ＰＲＮシーケンスで変調された搬送波の形態の超音波照射音響エネルギーを発する。この変調搬送波Ｓnは、特定の数式によって表すことができる。
　Sn = Acos(ωt+φm)
　ただし、Ａはトランジットパワー、
　　　　　ωｔは選択された周波数、
　　　　　φmはＰＲＮ変調とする。
特定のシーケンスを持つ搬送波は、ラインアレイ１（５０３）およびラインアレイ３（５０５）のハイドロフォン５０８によって受信される。これらの受信アレイラインはそれぞれ、組み合わされた位相検出器／復調器５０９を備えている。これらのハードウエアブロックは位相検出と変調の両方を行うが、そのようなハードウエアブロックは、本明細書中の多くの箇所では単に“検出器”と呼ばれるであろう。１ライン当たり少なくとも２つのハイドロフォンセンサが必要であるが、さらに多くのハイドロフォンを用いることもできる。図５に示すように、トランジットタイムは、船舶搭載受信機内のデジタル多重分離・タイミングディスプレイ、簡単に言うとディスプレイブロック５０７に伝達され、位置が算出され恐らくは表示されるであろう。トランジットタイムを適切な形に変換するためには、付加的な回路５０２が必要とされるかもしれない。図５の例は、各センサに１つの検出器が対応付けられていることを示している。この構成は、いくつかの配線をなくして、アレイの１ライン上の各場所におけるハイドロフォンセンサと検出器を一体化された装置とすることができるので有利であろう。しかしながら、検出器が２つまたはそれ以上のセンサからの信号を処理するようなアレイを設計することもできるであろう。
【００１４】
　ここで議論される実施例における数列は、いわゆる“ダイレクトシーケンス”、あるいはデジタルコードシーケンスによる搬送波の変調である。このコードシーケンス変調の実施は、特定の搬送波（正弦連続波）の位相が２値の“１”を示す“ゼロ位相シフト”および２値の“０”を示す“π位相シフト”として変調器から送られる２値位相偏移変調（ＢＰＳＫ）を使用している。使用される特定のシーケンスタイプは、自動相関処理を簡単にするために特に選択された、いわゆる“最大シーケンス”である。これらのシーケンスの拡散性と関連付けられたスペクトラムは、このスペクトラムの中心周波数が搬送波周波数に等しく、かつゼロとゼロの間隔が基本シーケンスクロック速度の２倍に等しい(sinＸ)/Ｘ形式である。
【００１５】
　シーケンス長およびクロック速度の選択は、シーケンス長が、位置決めシステムによって支持されている音響アレイの１サンプリングフレーム周期に等しくなることを保証するように行われる。この選択によって、付加的な同期回路では多くのフレーム周期が許容可能であろうが、測定の曖昧さは取り除かれる。フレーム周期が選択されると、シーケンス長の選択は利用可能なシステムクロックに基づくであろう。ある実施例では、搬送波周波数選択およびフレーム周期を犠牲にして最大許容可能シーケンス長を提供することが望ましいであろう。選択されたシーケンスの長さおよび速度によって、正しい位置を判断できる分解能が決まるであろう。
【００１６】
　アレイ素子の相対位置を判定する実際の処理は、参照信号（図３のトランスデューサ３０１から発信される）が隣接したラインアレイ上の少なくとも２つの一意的な、または空間的に離れたセンサに到着する時刻の測定、および一組の公知の固定形状制約に基づいた演算により遂行される。形状の制約は、Ｌ３の素子間の固定された距離として、さらにＬ２は常にＬ３の左にあり、トランスデューサ（送信機）３０１は常にハイドロフォン３０２から１シーケンスの伝播未満だけ離れているものとして定められていることが図３から分かるであろう。t2およびt2’の長さを“時間と音速”の関数として算出し、それから簡単な三角関係偏移を行うことによって、ラインＬ２を横切る垂直方向のアークに対するラインＬ３の位置を判断することができる。Ｌ２、Ｌ３間およびＬ１、Ｌ３間で同様の測定を行うことによって、曳航されているラインの相対位置に対応した正しい形状の正確な画像を作ることができる。高精度深さセンサ、または垂直方向に変位された付加的なラインアレイの使用は、曳航された形状の断面によって表される体積内のアレイ位置に関する更に正確な画像を作るのに役立つ。
【００１７】
　回路５０２の正確な形状は、船舶搭載の受信システムにとって受け容れ可能なデータ速度および形状によって変わるであろう。このアレイを既存のシステムに適応させることも可能である。全てデジタル方式の実施例では、時間遅延および位相は、各周期、各検出器ごとに１６ビットのデジタル語に変換される。この場合、回路５０２は多重装置からなる。“トランジットタイム”という語が使用されている場合、この語は、１つのセンサに対する１トランジットタイム、または２つのセンサを考慮したトランジットタイムおよび位相、または同一ライン上の複数のセンサに対するトランジットタイムの集合を意味することができることに注意すべきである。あるいは、比較器または同様の回路を用いて遅延および／または位相シフトをアナログ電圧レベルに変換することができる。遅延に比例する周波数変調信号を用いるために、あるシステムを設計することもできる。このような後者の例のいずれにおいても、厳密なデジタル・アナログ変換は行われていないが、遅延をアナログ信号に変換したと言うことができる。
【００１８】
　本発明に関する説明のここまでは、アレイラインを通る信号の伝播遅延は無視することができると想定してきた。有効なアレイは、これらの伝播遅延を無視して作ることもできるが、遅延を考慮に入れれば更に高い精度を達成することができる。当業者であれば、これは容易に行うことができる。図６は、遅延を考慮にいれる一つの方法を図示している。図６において、送信機および検出器は、トランスデューサおよびセンサよりもラインの上方（図面の上方向）に位置していると想定する。トランスデューサを参照ポイントとすると、ハイドロフォン６０１に対しては、ＰＲＮトランジットタイムを追跡しているカウンタに適切なカウント数が加算され、ハイドロフォン６０２に対しては適切なカウント数が減算されるであろう。ハイドロフォン６０１の方が本発明を実施するために用いられる回路に近く、ハイドロフォン６０２の方が遠くにある。
【００１９】
　図７は、本発明の一実施例による検出器のハードウエアを示すブロック図である。図７は、関係のあるハードウエア素子、およびアレイの受信ラインにおける位相検出および変調における信号の流れの両方を示している。図７に示す処理は、トランジットタイムおよび位相の最終的な累算以外は、各ハイドロフォンごとに独立して起こる。さらに、図７に示すハードウエアブロックは、モニタされている各ハイドフォロンごとに、必要に応じて繰り返される。分かりやすくするために、ハードウエアは、単一の通信路、すなわち単一のハイドロフォンに関してのみ示されている。繰り返されるハードウエアブロックも、図面を分かりやすくするために一回だけ図示されている。本発明による信号は、ハイドロフォン７０１によって受信され、復調器７０２に送信される。ある実施例では、復調器７０２は位相同期ループ（ＰＬＬ回路）に基づいている。ＰＬＬ回路はハイドロフォンに対する搬送波を追跡し、入力信号はヘテロダイン処理により、元の２値擬似乱数シーケンスに復調される。このシーケンスは確定的であり、従って特定の一意的なビットパターンを分離することができる。復調器７０２によって復調されたビットは、バレルシフタ７０３に入力される。これらのビットは、同期パルスで受信されたＰＲＮシーケンスと一致するＰＲＮシーケンスを検索するシーケンス検出ブロック７０４に対して同期読み出しされる。カウンタ７０５は、再トリガ可能なバイナリカウンタである。カウンタ７０５は、ＰＲＮ同期パルスによってリセットされる。リセットされると、カウンタ７０５は高周波数自走発振器７０６によってトリガされて動作し始める。示しているカウント値は、各受信したハイドロフォンだけでなく同期パルスとも相関関係があり、従って位相差および大きさが分かる。シーケンス検出ブロック７０４は、シーケンスを検出すると、カウンタ７０５をラッチする。そして、カウント値はアキュムレータ７０７に入力され、このカウント値情報は受信ラインから送信ラインの距離および角度を求めるために用いられる。アレイ内の各送信機サブシステムに対して異なるＰＲＮシーケンスを用いることにより、容積型アレイの多くのラインに対して、このハードウエアおよび方法を実施できるようになる。各送信機サブシステムはそれ固有の符号を有しているので、様々な送信機サブシステムからの信号は、それらの符号を識別することによって区別される。ゆえに、このシステムはＣＤＭＡの原理に基づいて動作する。
【００２０】
　図７に示す素子は、提案される位置決めシステムの受信機部分を表している。これらの素子は配置された個々のアレイ内にあり、２つまたはそれ以上が位置決めの曖昧さを解消するために用いられる。ハイドロフォン７０１は、一般的には球形形状の全方位素子を有しており、特定の搬送波周波数において全方向応答が可能である。スペクトラム拡散送信が参照アレイから発信されると、連続（ＣＷ）搬送波が利用可能となり、位相同期ループ（ＰＬＬ）復調器７０２は参照信号を追跡できるようになる。復調器７０２はさらにヘテロダイン処理を行って、デジタル情報（最大シーケンス）が２値のシリアル出力としてバレルシフタ７０３に送信されるように搬送波を除去する。バレルシフタの出力は、シーケンス検出ブロック７０４において参照シーケンスの画像と比較される。参照シーケンスが、取得したシーケンス画像に対して位置合わせされた後、連続タイミング出力を供給するようにロックトラックが設定される。このタイミング参照は、本質的には参照シーケンス開始の発行から経過した発振器７０６のクロック刻みの数を測定することである。この参照シーケンスは中央のラインアレイから送信され、音響取得システムから発行されたシステム同期信号とタイム・ゼロを一致させることができるようにリセットされる。これと同じシステム同期パルスは、この信号の受信と、受信したシーケンスの最初のビットの受信との時間差を定めることにより正確な時間を定めることができるように、全てのラインアレイに対して発行される。このようにして、フライト時間がカウンタ７０５において判断され、フォーマットして標準的な遠隔測定バス上に送信するためアキュムレータに送信される。
【００２１】
　この実施例では、この装置を構成するために用いられる構成要素は、バレルシフタ、シーケンス検出ブロック、カウンタ、およびアキュムレータ用の素子として、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を備えるであろう。ＰＬＬ復調器７０２は、アナログ調整回路、および入力される参照信号搬送波を追跡する電圧制御発振器からなる一体型クロックリカバリ装置である。発振器７０６は、音響取得サブシステムと共用してもよいし、あるいはスピーディーなタイミング参照によって更に高いタイミング精度を求める独立型装置として実現することもできる。アキュムレータ７０７から発行される信号は、内部遠隔操作バスに送信できるようフォーマットされており、基本的に、受信信号のフライト時間に対応するクロック刻み数（または時間）を示す２値からなる。
【００２２】
　この情報を処理するために必要とされる船内電子機器回路は、単に、遠隔操作データストリームから多重分離された未処理の２値を取り込み、全ての位置決め素子からの一組のタイミング合わせ結果を蓄積することができる回路にすぎない。この処理素子は、単に、組み込みプロセッサ、専用マイクロプロセッサ、または既存のシステム処理要素上において利用可能な過剰容量とすることができ、これらはデータを一組の幾何学ベクトルに三角変換するようプログラムされるであろう。これらのベクトルは、アレイ形状推定および修正ビームフォーミングに関連するアルゴリズムを取り込むのに適した音響処理のデータ処理素子に送信される。
【００２３】
　上述したように位置信号を連続して処理することによって、アレイの様々なラインの非常に正確なリアルタイム位置を連続して追跡することができる。超音波連続波周波数を使用することにより、変換処理が簡単になる。これらの周波数はアレイの分析帯域外にあるだけでなく、海水中をあまり伝わらない。さらに、ここに開示したシステムは、分析帯域において何ら干渉を引き起こさず、通常は受信ソナーシステムによって処理される。ライン位置の超微細粒測定が可能であり、帯域内ベースの位置決めシステムよりもさらに細かくなる。典型的な帯域内ベースのシステムは、音響的にサンプリングされた信号の制約に基づいた精度を達成する。一般に、この精度は、ほぼ波長を１０で割ったものとなる。本発明では、精度は受信した検出器において用いられるクロック周波数によって主に決定される。このシステムは、所定領域に対する音速特性に基づいてプログラミングされることも必要であろう。この特性の精度は、本発明の位置決めシステムの精度に影響を与える。しかしながら、様々なラインのトランジットタイムおよび位相を示すために１６ビット語を用いるものとすると、時刻は65,000刻みまでの値で表すことができる。図７に描いた自走発振器がほぼ7.425MHzの周波数を有しているとすると、0.000202メートルの位置決め精度が可能である。
【００２４】
　ここでは、容積探査アレイのための正確な位置判定システムを提供する本発明の特定の実施例を説明してきた。探査および電子機器分野の当業者であれば、本発明が多数の他の実施例を有していることはすぐ分かるであろう。実際、多くの方法が可能である。上記の請求項は、本発明の範囲を上述の特定の実施例に限定することを全く意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の動作環境を示すものである。
【図２】本発明の実施例が用いられている容積型アレイの一部を示す。
【図３】本発明の実施例が用いられている容積型アレイの一部をさらに示す。
【図４】いくつかの実施例による本発明の方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明のいくつかの実施例のハードウエアを示すシステムブロック図である。
【図６】本発明の実施例が用いられている容積型アレイの一部を示す別の説明図である。
【図７】本発明のいくつかの実施例を実行するために用いられる検出器の詳細な設計を示すハードウエアブロック図である。
【符号の説明】
【００２６】
　２０１　セラミックトランスデューサ
　２０２　ハイドロフォロン
　３０１　セラミックトランスデューサ
　３０２　ハイドロフォン
　５０１　船舶搭載受信機
　５０６　システム同期ブロック
　５０７　デジタル多重分離装置／タイミングディスプレイ
　５０８　ハイドロフォン
　５０９　位相検出/復調器
　５１０　ＢＰＳＫ送信機
　５１１　全方位トランスデューサ
　６０１、６０２　ハイドロフォン
　７０１　ハイドロフォン
　７０２　ＰＬＬ復調器
　７０３　バレルシフタ
　７０４　シーケンス検出ブロック
　７０５　カウンタ
　７０６　発振器
　７０７　アキュムレータ
【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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