(57)【要約】  水中物体を検知するための工程と装置は、船舶の船首に対してしっかりと垂直かつ正面向きに搭載され、一連の超音波パルス列が送信され、その各々のパルスはそのパルス列内の先行するパルスの周波数とビーム鉛直角とは異なった周波数とビーム鉛直角を有しており、その周波数はビーム鉛直角によって特徴づけられており、ビーム鉛直角は異なった送信素子間での時間遅延を用いて制御されている、細長い配列の超音波送信素子と、船舶の前方にある物体から反射された任意の超音波を受信する正面向きの受信素子を有し、前記船舶の船首に対してしっかりと水平に搭載された超音波受信素子の細長い配列と、異なった受信素子出力間の時間遅延を用いて水平に操舵されている受信素子からの出力と、出力ビームの各水平位置に関して、出力ビームの水平位置がビーム形成器で加算されるときに関連する時間遅延を有する受信素子からの出力を包含する。【選択図】図１
2010510512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）  送信素子の配列が船舶の船首にしっかりと垂直かつ正面向きに搭載され、使用に際しては、送信素子は超音波パルスを船舶の進行方向にビームで送信し、かつ船舶の前方の物体から反射された任意の超音波を受信するように正面に向いた受信素子を有する受信素子の配列が前記船舶の船首にしっかりと水平に搭載された超音波送信素子の細長い配列と超音波受信素子の細長い配列を含む水中ソナーシステムを有する船舶を提供する工程と、
（ｂ）  列の先行パルスの周波数と鉛直ビーム角とは異なった周波数と鉛直ビーム角を有する各パルスを有し、その周波数が鉛直ビーム角と異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延を用いて制御される鉛直ビーム角とによって特徴づけられる超音波素子から超音波パルス列を送信する工程と、
（ｃ）  船舶の前方の物体から反射された任意の超音波を受信素子で受信すること、異なった受信素子出力間の時間遅延を用いて受信素子からの出力のビームを水平に操舵すること、そして出力のビームの各水平位置を算出するために出力ビームの水平位置に関連する時間遅延を持つ受信素子からの出力をビーム形成器内で加算する工程と、そして
（ｄ）  受信素子からの加算出力から船舶の前方にある物体の３次元座標を決定する工程と、
を含む水中物体を検知する方法。
【請求項２】
パルス列の中のパルスの周波数と鉛直ビーム角がパルス列の中で進行的に変化する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
パルス列の中のパルスの周波数が６０ｋＨｚと９０ｋＨｚ、または２００ｋＨｚと３００ｋＨｚの間でパルス列の中で進行する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
鉛直ビーム角が＋４５°から−４５°の範囲内の鉛直ビーム間でパルス列の中で進行的に変化する請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
鉛直ビーム角が＋１０°から−１０°の範囲内の鉛直ビーム間でパルス列の中で進行的に変化する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
受信素子からの出力ビームが＋４５°から−４５°の範囲内の角度間で水平に操舵される請求項１乃至５いずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
（ｉ）  送信素子配列が船舶の船首にしっかりと垂直かつ正面向きに搭載され、使用に際して、送信素子が超音波パルスの列を送信し、各パルスが船舶の進行方法のビームの中にあり、列の中の先行するパルスの周波数と鉛直ビーム角とは異なる周波数と鉛直ビーム角をもつパルスを有し、その周波数が鉛直ビーム角と異なった送信素子によって送信される超音波の間の時間遅延を用いて制御される鉛直ビーム角によって特徴づけられるように適応し、そして
（ｉｉ）  船舶の前方にある物体から反射される任意の超音波を受信するように正面を向いた受信素子を有する受信素子配列が前記船舶の船首にしっかりと水平に搭載され、使用に際して、受信素子からの出力ビームが異なった受信素子出力の間の時間遅延を用いて操舵され、かつ出力ビームの各水平位置を決めるために出力ビームの水平位置と関連する位相シフトを有する受信素子の出力がビーム形成器の中で加算されるように適応すること、
を特徴とする超音波送信素子の細長い配列と超音波受信素子の細長い配列を含む水中ソナーシステムを有する船舶。
【請求項８】
３２個と１２８個の間の送信素子の細長い配列と３２個と１２８個の間の受信素子の細長い配列を有する請求項７に記載の船舶。
【請求項９】
６４個の送信素子の細長い配列と６４個の受信素子の細長い配列を有する請求項８に記載の船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はソナーシステム、特に水中の物体を検知するための工程と、水中ソナーシステムを有する船舶に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
ソナーシステムは水中物体の検知用として知られている。
【０００３】
国際公開第０３／００１２３１号パンフレットによれば、大きな商船や遊覧船で使用される３次元画像を作ることのできるソナーシステムの代表格は平面ビームのアクティブ・ソナー音を生成し、それに直角な平面受信ビームを用いてエコーを受信している。この事はシステムにとって応答反射時間と結合すると３次元情報の構築をすることができる特殊な球面角ピクセルを選択することができることを物語っている。このシステムは下方に超音波を発すると言われ、海底地図作成に使用されている。このシステムは、送出信号のビーム形成をするために送信パワーを安定化しなければならないために、高価であると言われている。国際公開第０３／００１２３１号パンフレットの主題であるこのシステムは船舶の前または側面に対する大量の水を描画するためにミルズ・クロス干渉法を使用している。記述されているミルズ・クロス技術は例えばＬ型配列の水中聴音器の各脚部に８チャンネルを使用しており、これは６４受信水中聴音器の全配列の分解能を与えると言われている。国際公開第０３／００１２３１号パンフレットに於いて、ネットワークのような通信システムは画像データを処理するために使用されている。
【０００４】
刊行された米国特許出願公開第２００５／００９９８８７号明細書は航行用に基準固定枠を有する３次元前方監視ソナーに係るものである。この文献によれば、前方監視ソナーに於いて、送信変換器は信号を船舶の前方の水中に送出する、そして位相配列の受信センサーは信号を到着の方位角と鉛直角、及び到着時間を決定するコンピュータに供給する。このソナーは傾き及び回転センサーと共に装備される、そしてＧＰＳや羅針盤と結合されると船舶の前方の３次元画像を地球に相対的な基準の固定枠で生成することができる。このシステムは音響反射信号を収集する変換器配列で示すことができる。もし全ての受信変換器または幾つかのものが送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチによって全ての送信配列または一部として使用されるならば２次元配列になる。
【０００５】
刊行された米国特許出願公開第２００３／０２１４８８０号明細書は周波数形成技術によって多重送信と受信、またはその何れかの音響ビームを形成するためのソナー配列に係るものである。この文献（要約）によれば、周波数分割ビーム形成において、一定の位相シフトだけ最も近い素子に対して進んだり、遅れたりする信号によって一様に並んだ線配列の各素子を駆動（受信）することによってビーム操舵方向は周波数の関数となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第０３／００１２３１号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００９９８８７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０２１４８８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水中物体を検知するためのシステムには未だ課題が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのために、本発明によれば水中物体を検知するための工程が提供される。これは以下の事柄を含むものである。即ち、
（ａ）  超音波送信素子の細長い配列と超音波受信素子の細長い配列を含む水中ソナーシステムを有する船舶を提供すること。そこでは送信素子の配列がしっかりと垂直に、かつ船舶の船首に正面を向けて搭載され、使用に当たっては送信素子は船舶の航行方向に超音波パルスをビーム状に送信し、そして受信素子の配列は船舶の前方の物体から反射される任意の超音波を受信するために正面に向けられた受信素子を有する前記船舶の船首にしっかり水平に搭載される。
【０００９】
（ｂ）  送信素子から、各パルスが列の先行パルスの周波数とビーム鉛直角とは異なる周波数とビーム鉛直角を有しているパルスを持つ超音波パルス列を送信すること。その周波数はそのビーム鉛直角と、異なった送信素子によって送信される超音波間での時間遅延を使用することによって制御されているビーム鉛直角とによって特徴づけられている。
【００１０】
（ｃ）  受信素子で、船舶の前方の物体から反射される任意の超音波を受信すること。異なった受信素子出力間での時間遅延を使用することによって受信素子からの出力のビームを水平に操舵すること。そして、出力ビームの各水平位置に関して、出力ビームの水平位置に関係するそれらの時間遅延を持っている受信素子からの出力をビーム形成器で加算すること。そして、
【００１１】
（ｄ）  受信素子からの加算された出力から船舶の前方の任意の物体の３次元座標を決定すること。
【００１２】
また、本発明によれば超音波送信素子の細長い配列と超音波受信素子の細長い配列を含む水中ソナーシステムを有する船舶が提供される。これは以下のように特徴づけられる。
【００１３】
（ｉ）  送信素子の配列が船舶の船首にしっかり縦に、かつ正面を向くように搭載される。そして使用に際して、送信素子が超音波パルス列を送信するのに適合しており、各パルスは船舶の航行方向にビーム状になっており、その超音波パルス列は列の先行パルスの周波数とビーム鉛直角とは異なっている周波数とビーム鉛直角を有する各パルスを有しており、その周波数はビーム鉛直角と異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延を使用することによって制御されているビーム鉛直角によって特徴づけられている。そして、
【００１４】
（ｉｉ）  受信素子の配列は船舶の前方の物体から反射される任意の超音波を受信するように前向きに向けられた受信素子を有する前記船舶の船首にしっかりと水平に搭載されており、そして使用に際して受信素子からの出力のビームが異なった受信素子出力の間での時間遅延を用いることによって水平に操舵され、そして出力ビームの各水平位置に関して、出力ビームの水平位置と関係する時間遅延を持っている受信素子からの出力はビーム形成器で加算される。
【００１５】
本発明は以上に確認した課題を以下のように解決する。即ち、
●    しっかりと縦に搭載した超音波送信素子の細長い配列を提供すること、そして超音波パルス列を送信する素子を有すること。列の中の先行パルスの周波数とビーム鉛直角とは異なった周波数とビーム鉛直角を有する各パルスを持ち、その周波数はビーム鉛直角と、異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延によって制御されているビーム鉛直角とによって特徴づけられること。そして、
【００１６】
●    しっかりと水平に搭載される超音波受信素子の細長い配列を提供すること。受信素子の出力が異なった受信素子出力の間の時間遅延を用いることによって水平に操舵されること。そして出力ビームの各水平位置に関して、出力ビームの水平位置と関係する時間遅延を有する受信素子からの出力はビーム形成器で加算される。
【００１７】
出力が乗算されるか又は相関を取られる変換器の２つの直交線によって構成されるミルズ・クロス配列は、プロダクト定理によって、或るビームパターンを持つが、これは同一の全ての次元の平面長方形素子配列のそれと同じである。このようなミルズ・クロスシステムは低感度で、低い配列利得を有するので、結果として信号対雑音比が高く、長距離は重要ではないような所でのみ有益である。本発明は船舶の前方の垂直水柱にある物体を識別するために超音波パルスに多重周波数を使用している。それ故に、送信パルスの周波数は検出した物体の垂直座標を与える。検出した物体の水平座標は異なった受信素子間の時間遅延を使用することによって受信素子からの出力ビームを操舵することによって与えられる。出力ビームの各水平位置に関して、出力ビームの水平位置に関係するそれらの時間遅延を有する受信素子からの出力がビーム形成器で加算される。この加算はミルズ・クロスシステムよりも高い利得を与え、長距離検出にとっても更に適切である。
【００１８】
本発明において、ビーム角は送信／受信超音波の周波数を制御することよりはむしろ異なった素子間の時間遅延を用いることによって制御される。この結果、ビーム鉛直角は送信される超音波パルスの周波数を制御することよりもむしろ異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延を用いて制御される。受信素子からの出力は周波数ビーム形成を用いて操舵するよりも異なった受信機出力間の時間遅延を用いて水平に操舵される。時間遅延は周波数とは独立に制御できるので、周波数ビーム形成技術に対する本発明の有利な点はビーム角とビーム周波数が各々独立に制御できるということである。
【００１９】
本発明において“鉛直角”は船舶の長手方向軸を含むしっかりした垂直面内の船舶の長手方向軸に対する角度を意味している。これ故に、正の鉛直角は上方むきであり、負の鉛直角は下方向きである。
【００２０】
本発明において“水平角”は船舶の長手方向軸を含むしっかりした水平面内の船舶の長手方向軸に関する角度を意味している。これ故に、正の水平角は船舶の正面、長手方向軸に関して右、あるいは右舷方向である。
【００２１】
送信素子の細長い配列は船舶の船首に垂直に搭載されることが好ましいのであるが、＋３０°（上向き）と−３０°（下向き）の間、好ましくは＋１０°（上向き）と−１０°（下向き）の間の小さな角度で搭載されることもある。垂直配列の鉛直角は傾斜計、好ましくは配列に対して内部の傾斜計を用いて監視される。垂直配列の鉛直角の補正は送信素子からの超音波パルスの時間遅延の調整と船舶の前方の任意の物体の３次元座標を受信素子によって受信される超音波から決定するときの時間遅延の調整、または何れかの調整によって行うことができる。そのような補正は船舶の運動と配列の構造的位置、または何れかに対応して行われる。船舶運動のための補正は運動参照ユニット（ＭＲＵ）を用いて行われる。ＭＲＵは船舶の回転、縦ぶれとうねりまたは何れかについての情報を与えることができる。
【００２２】
送信素子は、超音波パルス列の各パルスは船舶の航行方向にビーム状になっていて、その列の先行パルスの周波数とビーム鉛直角とは異なる周波数とビーム鉛直角を有する各パルスを持ち、その周波数はビーム鉛直角と異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延を用いることによって制御されるビーム鉛直角によって特徴づけられる超音波パルス列を、送信する。
【００２３】
各々が垂直座標情報を与えるためにエコーが復号化される所定の周波数と角度を有しているので、パルスの数は垂直平面内で送信されるビーム数を決定する。
【００２４】
超音波パルス列は各送信素子のための遅延ネットワークによって制御することができる。好ましくは超音波パルス列は連続した配列である。
【００２５】
各超音波パルスは５００マイクロ秒から４ミリ秒の期間を持つことがある。適切な期間は２ミリ秒である。それ故に、超音波パルスの連続した配列の期間は送信素子からのパルス期間の和である。それ故に、例えば各々が２ミリ秒のパルス期間を持つ３２パルスの連続した配列にとっては、配列は６４ミリ秒の期間を持つ。
【００２６】
超音波パルス列は間隔をおいて繰り返されることがある。それ故に、配列は２００ミリ秒から２秒の範囲の頻度で繰り返されることがあり、１秒から２秒であれば適切である。
【００２７】
送信された各超音波パルスは先行するパルスとは異なった周波数と鉛直ビーム角を有している。それ故に、周波数は鉛直ビーム角によって特徴づけられている。好ましくは、配列の中のパルスの周波数と鉛直ビーム角は配列の中で進行的に変化することである。配列の中のパルスの周波数と鉛直ビーム角は配列の中で不規則に変化することがある。
【００２８】
送信された各超音波パルスは先行パルスとは異なった周波数を有している。パルスの周波数は配列の中で進行的に変化することがある。パルスの周波数は配列の中で不規則に変化することがあり、これは雑音の大きい環境の中で有利になる場合がある。
【００２９】
送信素子からの超音波パルスの周波数は５０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲で、好ましくは５０ｋＨｚから３００ｋＨｚの範囲で変化することがある。長距離に応用する場合には周波数は６０ｋＨｚから９０ｋＨｚの範囲にあることが好ましい。短距離に応用する場合には周波数は２００ｋＨｚから３００ｋＨｚの範囲にあることが好ましい。パルスの周波数は配列の中で６０ｋＨｚから９０ｋＨｚ、または２００ｋＨｚから３００ｋＨｚの間で進行する。これ故に、連続した配列を持つ超音波パルスの例では、配列の最初のパルスは６０ｋＨｚの周波数を持っており、後続のパルスは配列の最後の９０ｋＨｚまで増加的に高い周波数を持つことになる。連続した配列を持つ超音波パルスの他の例では、配列の最初のパルスは２００ｋＨｚの周波数を持っており、後続のパルスは配列の最後の３００ｋＨｚまで増加的に高い周波数を持つことになる。
【００３０】
概して、周波数の範囲は公称周波数中心（“ｆｃ”）に中心が置かれる。適切には超音波パルスの周波数はｆｃの８０％から１２０％の範囲内に入っている。好ましくは、パルスの周波数は配列の中でｆｃの８０％から１２０％まで進行する。低い周波数を持つ長距離の応用では、ｆｃは例えば７５ｋＨｚの場合にはｆｃの８０％から１２０％、即ち６０ｋＨｚから９０ｋＨｚの範囲内でパルス周波数を持つことになる。高い周波数を持つ短距離の応用では、ｆｃは例えば２５０ｋＨｚの場合にはｆｃの８０％から１２０％、即ち２００ｋＨｚから３００ｋＨｚの範囲内でパルス周波数を持つことになる。
【００３１】
送信された各超音波パルスは先行パルスとは異なった周波数と鉛直ビーム角を有する。その結果、周波数は鉛直ビーム角を特徴としている。鉛直ビーム角は異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延を用いることによって制御される。好ましくは、時間遅延が送信素子配列の一端から送信素子配列の他端まで進行的であることである。別の場合には、時間遅延は送信素子配列の一端から送信素子配列の他端まで不規則の場合がある。
【００３２】
時間遅延は周波数とは独立に制御されるので、本発明の利点は送信超音波の鉛直ビーム角と周波数がお互いを独立に制御できることである。
【００３３】
そのパルス列において、パルスの鉛直ビーム角は＋４５°から−４５°の範囲に、好ましくは＋１０°から−１０°の範囲にある。好ましくは、パルスの鉛直ビーム角は＋４５°から−４５°の範囲の鉛直角の間で、好ましくは＋１０°から−１０°の範囲の鉛直角の間で、パルス列の中で進行的に変化することである。更にもっと好ましくは、パルスの鉛直ビーム角が＋４５°から−４５°の間で、もっと好ましくは＋１０°から−１０°の間で、パルス列の中で進行的に変化することである。それ故に、列の初めにはパルスは＋４５°の鉛直ビーム角を持っており、後続パルスは列の終わりのパルスでの−４５°のビーム角まで次第に下方を示す鉛直ビーム角を持つことがある。好ましくは、列の初めにはパルスは＋１０°の鉛直ビーム角を持っており、後続パルスは列の終わりのパルスでの−１０°のビーム角まで次第に下方を示す鉛直ビーム角を持つことがある。
【００３４】
好ましくは、パルス列の間で、超音波パルスの周波数は６０ｋＨｚから９０ｋＨｚまで列のなかで進行し、超音波パルスのビーム角が＋１０°から−１０°まで列の中で進行することである。
【００３５】
送信素子の配列は１メートルで２１０ｄＢ  ｒｅｌｕＰａを超える音響出力を持つことができる。
【００３６】
送信素子は船舶が閉じ込められた空間にいるときに音響出力を低減できるように出力レベル制御を持つことがある。
【００３７】
送信素子の細長い配列には送信素子はいくらでもある。相応しくは、送信素子の細長い配列は３２と１２８の間の送信素子を有している。相応しくは、送信素子の細長い配列は２進数の数の送信素子を有しており、例えば３２、６４、１２８素子である。好ましい送信素子の細長い配列は６４送信素子を有している。
【００３８】
送信素子はプログラム可能な波形の範囲を有する超音波パルスを送信するように操作される。送信素子は超音波パルスの列の間で変化させることができる波形の範囲を持つ超音波パルスを送信するように操作される。これは合焦と適応ビーム操舵、またはそれらの何れかを可能にするものである。
【００３９】
送信素子配列の長さは、垂直平面内で０．５°から２°、例えば１°のビーム幅を持つ超音波パルスのビームを与える様にするものである。各送信素子は３０°から１２０°、例えば９０°の水平面内のビーム幅を持つビームで超音波パルスを送信することができる。
【００４０】
受信素子の細長い配列には受信素子はいくらでもある。相応しくは、受信素子の細長い配列は３２と１２８の間の受信素子を有している。相応しくは、受信素子の細長い配列は２進数の数の受信素子を有しており、例えば３２、６４、１２８素子である。好ましい受信素子配列は６４の受信素子を有している。
【００４１】
受信素子の水平配列は送信素子配列と同じ方向内を示すように搭載されるべきである。それ故に、送信素子と受信素子の面は実質的に同じか、または平行な平面であるべきである。
【００４２】
受信素子の配列は垂直面内の配列に１０°から６０°の範囲、例えば２０°の範囲でビーム幅を与えるようにするものである。受信素子の配列は水平面内の配列に０．５°から５°の範囲、例えば２°の範囲でビーム幅を与えるようにするものである。
【００４３】
受信素子配列のビーム幅は配列内の素子数を増やすことによって狭くすることができる。例えば、これは堰堤からの反射の影響を軽減して運河のような狭い水路でも運用できるようにするものである。受信素子の配列のビーム幅は、中心周りの受信ビームからのデータのみを処理するソフトウェアを用いることによって広くできる。
【００４４】
受信素子は船舶の前方の物体から反射された超音波は何でも受信する。受信素子からの出力は、異なった受信素子出力の間の時間遅延を用いることによって１個のビームとして水平に操舵される。受信素子からの出力のビームは＋４５°から−４５°の範囲内の角度で水平に操舵することができる。好ましくは、受信素子からの出力のビームは＋４５°から−４５°の間で水平に操舵される。出力ビームの各々の水平位置に関しては、出力ビームの水平位置に関係する時間遅延をもつ受信素子出力がビーム形成器内で加算される。受信素子からの出力ビーム数は多いか、少ないか、または受信素子数と同じである。受信素子からの出力は増幅され、デジタル化され、それから広帯域の時間遅延ビーム形成器を用いて加算される。この方法で、水平データ集合は各送信パルスに対応して受信素子のために決定される。例えば、３２の超音波パルスをつくる６４送信素子の細長い配列と６４ビーム出力を作る６４受信素子の細長い配列にとって、６４水平データ集合が３２垂直データ集合の各々に対して得られる。送信素子の周波数と鉛直角は垂直成分を与え、受信機出力のビームは船舶の前方の任意の物体の３次元座標を決定するために水平成分を与える。船舶の前方の任意の物体の距離は水中の音速の知識を用いて受信素子ビームからの出力の後続サンプル間の時間を変換することによって決定することができる。サンプル数は距離を示し、サンプルの周波数は分解能を示している。
【００４５】
データ集合から、船舶の前方の任意の物体の３次元座標を決定することができる。その座標は例えば、３次元体積モデル、３次元仮想環境、または同様なもので示すことができる。座標は例えば、表示スクリーン上の２次元で、または表示スクリーン上の３次元座標の２次元表示として表示される。
【００４６】
送信素子と受信素子の配列は処理するための電子工学と電源、相応しいものとしては直流電源とを結びつけてきた。信号は配列から配列へ非常に良い雑音耐性を持つ光ファイバ・テレメトリーによって送信することができる。本発明の装置は運動参照ユニット、全地球測位衛星や船舶のジャイロから選ばれた一つ以上の船舶の航行装置と関連している。運動参照ユニットは船舶の縦ぶれ、回転とうねりなどの情報を与えることができる。全地球測位衛星装置は船舶の位置情報を与える。船舶のジャイロは船舶の向かっている方向に関する情報を与えることができる。
【００４７】
本発明は船舶が座礁を回避するのに使用することができる。本発明は船舶の前方の地形の実時間表示をすることができ、座礁の回避や水中物体との衝突の回避の助けとなる。
【００４８】
この発明は以下の例と図１，２を参照して記述される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるソナーシステムの平面図と側面図部分を図形で示したものである。
【図２】本発明で使用される送信素子と受信素子の配列を示している。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図１を参照すると、図１ａは本発明による水中ソナーシステム（２）を有する船舶（１）の側面部分を示しており、図１ｂは本発明による水中ソナーシステム（２）を有する船舶（１）の平面部分を示している。図１で示される水中ソナーシステム（２）は図１には詳しく示されていないが、図２に示されている超音波送信素子（２２）の細長い配列と超音波受信素子（２４）の細長い配列（２３）を含んでいる。
【００５１】
図１と２を参照すると、送信素子配列は船舶の船首（３）にしっかりと垂直かつ正面を向くように搭載され、使用に際して、送信素子は超音波パルス列を送信し、各パルスは船舶の航行方向のビーム（４）中にあり、各パルスはそのパルス列の先行パルスの周波数と鉛直ビーム角とは異なる周波数と鉛直ビーム角を持ち、その周波数は  鉛直ビーム角と異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延によって制御される鉛直ビーム角とによって特徴づけられるものである。好ましくは、周波数と鉛直ビーム角はパルス列の中で進行的に変化する。受信素子の配列は前記船舶の船首（３）にしっかりと水平に搭載され、その船舶は前方にある物体から反射される任意の超音波を受信するように正面に向けられた受信素子を有している。
【００５２】
図２を参照すると、送信素子の細長い配列（２１）は長方形のセラミック素子である圧電送信素子（２２）を含んである。配列には６４個のそのような素子がある。受信素子の細長い配列（２３）は長方形の圧電セラミック素子である受信素子（２４）を含んでいる。配列には６４個のそのような素子がある。送信素子や受信素子は圧電セラミック素子を封入したポリウレタンと共に、陽極酸化されたアルミニウム、アルミ銅、ステンレス鋼、チタンや海水への長期間浸水に適した何か他の材料などで構成することができる。
【００５３】
本発明のプロセスにおいて、使用に際して、配列（２１）の送信素子（２２）は超音波パルス列（４）を送信する。その各パルスは先行パルスの周波数と鉛直ビーム角とは異なった周波数と鉛直ビーム角を有しており、その周波数は鉛直ビーム角と異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延を使用することによって制御される鉛直ビーム角によって特徴づけられる。配列（２３）の受信素子（２４）は船舶の前方にある物体（７）から反射された任意の超音波を受信する。その出力ビームは異なった受信素子出力の間の時間遅延を用いることによって水平に操舵され、かつビーム出力の各水平位置に関して、出力はビーム形成器（８）によって加算される。そして、任意のそのような物体の３次元座標は受信素子によって受信される超音波から決定される。
【００５４】
送信素子からビーム内で送信される超音波パルスの水平面内（５）のビーム幅は９０°となる。送信素子からビーム内で送信される超音波パルスの垂直面内のビーム幅は１°になる。
【００５５】
その列の期間内で超音波パルスの周波数は６０ｋＨｚから９０ｋＨｚに進行し、超音波パルスの鉛直ビーム角（６）は＋１０°から−１０°まで進行する。
【００５６】
各超音波パルスは２ミリ秒の期間を有する。超音波パルスの列は１秒から２秒の頻度で繰り返される。
【００５７】
受信素子の配列は垂直面内で２０°、水平面内で２°のビーム幅を持つ。
【００５８】
受信素子（２４）は船舶（１）の前方の物体（７）から反射された任意の超音波を受信する。受信素子からの出力は、異なった受信素子出力の間の時間遅延を用いることによって１本のビーム（１０）として水平に操舵される。受信素子からの出力のビームは水平に＋４５°から−４５°まで操舵される。出力ビームの各水平位置に関して、出力ビームの水平位置と関係する時間遅延を持つ受信素子（２４）からの出力はビーム形成器で加算され、それは広帯域な時間遅延ビーム形成器である。この方法で、水平データ集合は送信パルスの各々に対応して受信素子のために決定される。３２個の超音波パルス列を作る６４の送信素子の細長い配列と６４個の出力ビームを作る６４の受信素子の細長い配列に関して、６４個の水平データ集合が３２個の各垂直データ集合のために得られる。送信素子の周波数と鉛直角は垂直成分を与え、受信機出力のビームは船舶（１）の前方の物体（７）の３次元座標を決定するために水平成分を与える。船舶前方の任意の物体の距離は水中の音速の知識を用いて受信素子ビームからの出力の継続するサンプル間の時間を変換することによって決定することができる。サンプル数は距離を示し、サンプルの周波数は分解能を示している。
【００５９】
座標軸は例えば、デスプレイ画面（９）上で２次元で、またはデスプレイ画面（９）上で３次元座標の２次元表示として、表示される。座標は例えば３次元体積モデルまたは３次元仮想環境、または同様な方法で表示されることがある。
【００６０】
この例で記述される装置と方法は物体（７）に座礁するのを避けるために、船舶で用いることが可能である。
【図１】
2010510512.tif 000003
【図２】
2010510512.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月19日(2008.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）  送信素子の配列が船舶の船首にしっかりと垂直かつ正面向きに搭載され、使用に際しては、送信素子は超音波パルスを船舶の進行方向にビームで送信し、かつ船舶の前方の物体から反射された任意の超音波を受信するように正面に向いた受信素子を有する受信素子の配列が前記船舶の船首にしっかりと水平に搭載された超音波送信素子の細長い配列と超音波受信素子の細長い配列を含む水中ソナーシステムを有する船舶を提供する工程と、
（ｂ）  列の先行パルスの周波数と鉛直ビーム角とは異なった周波数と鉛直ビーム角を有する各パルスを有し、その周波数が鉛直ビーム角と異なった送信素子によって送信される超音波間の時間遅延を用いて制御される鉛直ビーム角とによって特徴づけられる超音波素子から超音波パルス列を送信する工程と、
（ｃ）  船舶の前方の物体から反射された任意の超音波を受信素子で受信すること、異なった受信素子出力間の時間遅延を用いて受信素子からの出力のビームを水平に操舵すること、そして出力のビームの各水平位置を算出するために出力ビームの水平位置に関連する時間遅延を持つ受信素子からの出力をビーム形成器内で加算する工程と、そして
（ｄ）  受信素子からの加算出力から船舶の前方にある物体の３次元座標を決定する工程と、
を含む水中物体を検知する方法。
【請求項２】
パルス列の中のパルスの周波数と鉛直ビーム角がパルス列の中で進行的に変化する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
パルス列の中のパルスの周波数が６０ｋＨｚと９０ｋＨｚ、または２００ｋＨｚと３００ｋＨｚの間でパルス列の中で進行する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
鉛直ビーム角が＋４５°から−４５°の範囲内の鉛直ビーム間でパルス列の中で進行的に変化する請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
鉛直ビーム角が＋１０°から−１０°の範囲内の鉛直ビーム間でパルス列の中で進行的に変化する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
時間遅延が送信素子配列の一端から送信素子配列の他端まで進行的である請求項１乃至５いずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
時間遅延が送信素子配列の一端から送信素子配列の他端まで不規則である請求項１記載の方法。
【請求項８】
受信素子からの出力ビームが＋４５°から−４５°の範囲内の角度間で水平に操舵される請求項１乃至７いずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
（ｉ）  送信素子配列が船舶の船首にしっかりと垂直かつ正面向きに搭載され、使用に際して、送信素子が超音波パルスの列を送信し、各パルスが船舶の進行方法のビームの中にあり、列の中の先行するパルスの周波数と鉛直ビーム角とは異なる周波数と鉛直ビーム角をもつパルスを有し、その周波数が鉛直ビーム角と異なった送信素子によって送信される超音波の間の時間遅延を用いて制御される鉛直ビーム角によって特徴づけられるように適応し、そして
（ｉｉ）  船舶の前方にある物体から反射される任意の超音波を受信するように正面を向いた受信素子を有する受信素子配列が前記船舶の船首にしっかりと水平に搭載され、使用に際して、受信素子からの出力ビームが異なった受信素子出力の間の時間遅延を用いて操舵され、かつ出力ビームの各水平位置を決めるために出力ビームの水平位置と関連する時間遅延を有する受信素子の出力がビーム形成器の中で加算されるように適応すること、
を特徴とする超音波送信素子の細長い配列と超音波受信素子の細長い配列を含む水中ソナーシステムを有する船舶。
【請求項１０】
３２個と１２８個の間の送信素子の細長い配列と３２個と１２８個の間の受信素子の細長い配列を有する請求項９に記載の船舶。
【請求項１１】
６４個の送信素子の細長い配列と６４個の受信素子の細長い配列を有する請求項１０に記載の船舶。
【国際調査報告】
2010510512.tif 000005
2010510512.tif 000006
2010510512.tif 000007