(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円弧状に配列された複数の超音波振動子を、受波ビーム形成方向における位置に応じて複数のブロックに分割し、
各超音波振動子が受信した信号の各々を、所定のスキャン周期で繰り返しサンプリングし、
各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを選択するとともに、所定のサンプリング面上の連続したサンプリングデータとなるように移相させ、
選択、移相されたサンプリングデータに基づいて受波ビームを形成する受波ビーム形成方法。
【請求項２】
前記複数の超音波振動子が受信する信号は、前記円弧状に配列された複数の超音波振動子の受波ビーム形成方向に沿った同一のパルス信号を最初に受信する超音波振動子と最後に受信する超音波振動子との間隔からなる長さよりも短いパルス幅のパルス信号である請求項１に記載の受波ビーム形成方法。
【請求項３】
円周状に配列された複数の超音波振動子から一部円弧状の超音波振動子を選択して、請求項１に記載の円弧状に配列された複数の超音波振動子とし、前記一部円弧状の超音波振動子の選択を順次切り換えることにより受波ビーム形成方向を回転させる受波ビーム形成方法。
【請求項４】
線状に配列された複数の超音波振動子を複数のブロックに分割し、
各超音波振動子が受信した信号の各々を、所定のスキャン周期で繰り返しサンプリングし、
各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを選択するとともに、所定のサンプリング面上の連続したサンプリングデータとなるように移相させ、
選択、移相されたサンプリングデータに基づいて所定方向に受波ビームを形成する受波ビーム形成方法。
【請求項５】
前記複数の超音波振動子が受信する信号は、前記線状に配列された複数の超音波振動子の前記所定方向から見た奥行きよりも短いパルス幅のパルス信号である請求項４に記載の受波ビーム形成方法。
【請求項６】
前記受波ビーム形成方向の前記線状に配列された複数の超音波振動子に対する角度に応じて各ブロック毎のスキャン周期の選択を変更する請求項４または請求項５に記載の受波ビーム形成方法。
【請求項７】
円弧状に配列された複数の超音波振動子を有する受信トランスデューサの各超音波振動子が受信したエコー信号を、該超音波振動子の数よりも少ない系統に多重化するマルチプレクサと、
各系統において各超音波振動子のエコー信号の各々を、所定のスキャン周期で繰り返しサンプリングして複素サンプリングデータを出力するＡＤ変換器と、
前記複数の超音波振動子を受波ビーム形成方向における位置に応じて複数のブロックに分割し、各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを選択するとともに、所定のサンプリング面上の連続したサンプリングデータとなるように各複素サンプリングデータを移相させ、選択、移相された各複素サンプリングデータを用いて前記受波ビーム形成方向の受波ビームを形成する信号処理部と、
を備えた受波ビーム形成装置。
【請求項８】
前記受信トランスデューサは、円周状に配列された複数の超音波振動子からなり、
前記信号処理部は、一部円弧状の超音波振動子を選択して前記円弧状に配列された複数の超音波振動子とし、前記一部円弧状の超音波振動子の選択を順次切り換えることにより受波ビーム形成方向を回転させる請求項７記載の受波ビーム形成装置。
【請求項９】
線状に配列された複数の超音波振動子が受信した信号を所定のスキャン周期でサンプリングしたサンプリングデータを入力し、該サンプリングデータを複数スキャン周期分記憶する記憶手段と、
前記複数の超音波振動子を複数のブロックに分割し、各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを前記記憶手段から読み出すとともに、所定のサンプリング面上の連続したサンプリングデータとなるように各サンプリングデータを移相させ、読み出して移相させた各サンプリングデータを用いて所定方向に受波ビームを形成するビーム形成手段と、
を備えた受波ビーム形成装置。
【請求項１０】
前記受波ビーム形成方向の前記線状に配列された複数の超音波振動子に対する角度に応じて各ブロック毎のスキャン周期の選択を変更する請求項９に記載の受波ビーム形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ソナーや超音波診断装置などにおいて、短パルスの受信波から受波ビームを形成する受波ビーム形成方法、受波ビーム形成装置およびマッチドフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波振動子であるエレメントを複数配列した受信アレイを用いて受波ビームを形成する装置としては、各エレメント毎に遅延回路を接続した時間領域ビームフォーマや各エレメント毎に位相シフト回路を接続した周波数領域ビームフォーマが実用化されている。これらの装置を使用すれば、短パルスの受信波に対しても受波ビームを形成することができるが、大規模な回路が必要になるため、比較的周波数が低い軍用など一部の装置以外には使用されていない。
【０００３】
一方、一般的に使用されるソナー装置などでは、全てのエレメントに個別に遅延回路などを接続することは装置の規模やコストなどの問題から不可能であるため、各エレメントが受信した信号を所定の周期ごとに順次サンプリングし、このサンプリングデータを用いてビームを形成するようにしている。したがって、各エレメントの受信信号を継続的に監視することができないため、受信アレイ全体（少なくとも受波ビーム形成に用いられる全てのエレメント）に一様に受信波がかかるほどパルス幅が長いものであることを前提として受波ビームを形成している。この方式の例として、アナログの移相器方式、複素ＤＦＴによる方式、マッチドフィルタ方式などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように受信アレイ全体に一様に受信波がかかることを前提とした装置では、受信波のパルス幅が短くなり、受波ビームの形成に必要なエレメントに同時に受信波が入力されないとビーム形成の性能は著しく低下する。
【０００５】
一方、たとえば海底探査ソナーにおいて高精度に海底検出するためには、送信パルス幅を短くして受信波（反射エコー）のパルス幅を短くする必要がある。また、海底探査ソナー以外の一般のソナーや超音波診断装置においても同様に、高分解能を得るために短パルス化やＦＭ変調によるパルス圧縮が行われるようになり、上記従来の受波ビーム形成方式では性能の低下が問題になる。
【０００６】
図１９、図２０を参照して一般的な受信アレイに短パルス波が到来したときの状態を説明する。
図１９は一部切欠の円筒形受信アレイを示している。この受信アレイは、たとえば半径：１２５ｍｍで１．５°おきに１６０個のエレメントを配置したものであり、アレイ範囲は１．５×１５９＝２３８．５°になる。この受信アレイの受信波を処理する受信回路は、約９０°の範囲の６０個のエレメントを用いて１ビームを形成し、１．５°ごとに１０１個のビームを形成して、１５０°の範囲にビームをスキャンすることができる。
【０００７】
ここで、受信波が３２０ｋＨｚであるとすると、アレイの一番前面（ビーム方向に一番近いアレイ）とアレイの一番後方では約７．５波長の距離がある。受信波が短パルス波であり６周期分のパルス幅しかない場合には、図１９に示すようにその方向のビーム形成に必要な９０°範囲のアレイに同時に受信波がかかることはなく、全アレイを使用した受波ビームの形成ができない。
【０００８】
また、図２０は、直線状にエレメントを配列したリニアアレイの例を示している。このリニアアレイは、０．５波長ごとに８０素子のエレメントを配置したものである。アレイのほぼ正面から受信波が到来した場合には、それの受信波が６周期程度の短パルスであっても受信波は同時に全アレイにかかる。しかし、この短パルスの受信波が−６０°の角度から到来した場合には、リニアアレイのごく一部にしか同時に受信波がかからず、ビーム形成の性能すなわちビーム幅、感度などが著しく低下する。
【０００９】
この発明は、上記課題に鑑み、短パルスの受信波やパルスの立ち上がり時や立ち下がり時に発生する一様でない受信波に対しても鋭いビームを感度よく形成することができる受波ビーム形成方法、受波ビーム形成装置およびマッチドフィルタを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、円弧状に配列された複数の超音波振動子を、受波ビーム形成方向における位置に応じて複数のブロックに分割し、
各超音波振動子が受信した信号の各々を、所定のスキャン周期で繰り返しサンプリングし、
各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを選択するとともに、所定のサンプリング面上の連続したサンプリングデータとなるように移相させ、
選択、移相されたサンプリングデータに基づいて受波ビームを形成することを特徴とする。
【００１１】
ここで、スキャン周期とは、前記円弧状に配列された（または後述の直線状に配列された）複数の超音波振動子が受信した信号を各１回とおりサンプリングする周期である。
【００１２】
この発明は、請求項１の発明において、前記複数の超音波振動子が受信する信号は、前記円弧状に配列された複数の超音波振動子の受波ビーム形成方向に沿った同一のパルス信号を最初に受信する超音波振動子と最後に受信する超音波振動子との間隔からなる長さよりも短いパルス幅のパルス信号であることを特徴とする。
【００１４】
この発明は、円周状に配列された複数の超音波振動子から一部円弧状の超音波振動子を選択して、請求項１に記載の円弧状に配列された複数の超音波振動子とし、前記一部円弧状の超音波振動子の選択を順次切り換えることにより受波ビーム形成方向を回転させることを特徴とする。
【００１５】
この発明は、線状に配列された複数の超音波振動子を複数のブロックに分割し、
各超音波振動子が受信した信号の各々を、所定のスキャン周期で繰り返しサンプリングし、
各ブロック毎に別のスキャン周期のサンプリングデータを選択するとともに、所定のサンプリング面上の連続したサンプリングデータとなるように移相させ、
選択、移相されたサンプリングデータに基づいて所定方向に受波ビームを形成することを特徴とする。
【００１６】
この発明は、請求項４の発明において、前記複数の超音波振動子が受信する信号は、前記線状に配列された複数の超音波振動子の前記所定方向から見た奥行きよりも短いパルス幅のパルス信号であることを特徴とする。
【００１８】
この発明は、請求項４，５の発明において、前記受波ビーム形成方向の前記線状に配列された複数の超音波振動子に対する角度に応じて各ブロック毎のスキャン周期の選択を変更することを特徴とする。
【００２０】
この発明は、円弧状に配列された複数の超音波振動子を有する受信トランスデューサの各超音波振動子が受信したエコー信号を、該超音波振動子の数よりも少ない系統に多重化するマルチプレクサと、
各系統において各超音波振動子のエコー信号の各々を、所定のスキャン周期で繰り返しサンプリングして複素サンプリングデータを出力するＡＤ変換器と、
前記複数の超音波振動子を受波ビーム形成方向における位置に応じて複数のブロックに分割し、各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを選択するとともに、所定のサンプリング面上の連続したサンプリングデータとなるように各複素サンプリングデータを移相させ、選択、移相された各複素サンプリングデータを用いて前記受波ビーム形成方向の受波ビームを形成する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする。
【００２１】
この発明は、請求項７の発明において、前記受信トランスデューサは、円周状に配列された複数の超音波振動子からなり、
前記信号処理部は、一部円弧状の超音波振動子を選択して前記円弧状に配列された複数の超音波振動子とし、前記一部円弧状の超音波振動子の選択を順次切り換えることにより受波ビーム形成方向を回転させることを特徴とする。
【００２６】
この発明は、線状に配列された複数の超音波振動子が受信した信号を所定のスキャン周期でサンプリングしたサンプリングデータを入力し、該サンプリングデータを複数スキャン周期分記憶する記憶手段と、
前記複数の超音波振動子を複数のブロックに分割し、各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを前記記憶手段から読み出すとともに、所定のサンプリング面上の連続したサンプリングデータとなるように各サンプリングデータを移相させ、読み出して移相させた各サンプリングデータを用いて所定方向に受波ビームを形成するビーム形成手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００２７】
この発明は、請求項９の発明において、前記受波ビーム形成方向の前記直線に対する角度に応じて各ブロック毎のスキャン周期の選択を変更することを特徴とする。
【００３１】
≪≪原理の説明≫≫
この発明の原理を図１〜図５を参照して説明する。
【００３２】
図１は円筒形の受信アレイを用いた受信回路に本願発明を適用する場合を示す図である。この受信アレイは、上記従来技術で示したものと同様の半径１２５ｍｍで１．５°おきの１６０個のエレメント（超音波振動子）で構成された円筒形の受信アレイの一部である。受信回路は、約９０°の範囲の６０エレメントを使用して１つの受波ビームを形成する。したがって、受信回路は、エレメント０〜エレメント５９を用いたビーム０から、エレメント１００〜エレメント１５９を用いたビーム１００までの１０１個のビームを順次形成する。図１にはビーム０を形成するエレメント０〜エレメント５９を示している。ビームは右回りに形成され、ビーム０が最初に形成される。ビーム方向を０°すると、ビーム０の場合、±０．７５°の位置に先端のエレメント２９，３０があり、＋４４．２５°の位置にエレメント０、−４４．２５°の位置にエレメント５９がある。
【００３３】
受信波の周波数を３２０ｋＨｚ、水中の音速を１５００ｍ／ｓとすると、一番前のエレメント２９，３０と一番後のエレメント０，５９とは受波ビーム形成方向において約７．５波長分の距離があり、ビーム方向から到来する受信波が一番後のエレメント０，５９に達したとき、その受信波は７．５波長の距離の伝搬時間（７．５周期）前に一番前のエレメント２９，３０を通過している。所定のスキャン周期たとえば４波長毎にサンプリングされたサンプリングデータでビームを形成する場合には、前後７．５波長の範囲に配置されているエレメントを前後に２等分し２グループに分けて受波ビームを形成する。すなわち、ビーム方向に対して後ろの方のグループ１（エレメント０〜エレメント８、エレメント５１〜エレメント５９）と前の方のグループ２（エレメント９〜エレメント５０）に分け、グループ１の今回のスキャン周期におけるサンプリングデータとグループ２の前回のスキャン周期におけるサンプリングデータを用いて受波ビームを形成することにより、６波長程度の短いパルス信号でも受信波が全アレイにかかるようにして受波ビームを形成することができ、短いパルスにおけるビーム形成の指向性、感度等を改善することができる。
【００３４】
なお、図１はサンプリングをエレメント０からエレメント１５９に向けて順次行う、いわゆる斜めサンプリングの場合を示しており、この斜めサンプリングのタイミングに最適化したグループ分けは、エレメント番号が大きくなるほどサンプリングタイミングが遅れるため、グループ１（エレメント０〜エレメント９、エレメント５３〜エレメント５９）、グループ２（エレメント１０〜エレメント５２）となる。
【００３５】
また、図１ではエレメントを前後に２グループ（２ブロック）に分割したが、分割数は２に限定されるものではなく、任意の正の整数ｎに分割することが可能であり、その場合にはそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを選択すればよい。
【００３６】
図２はリニアアレイを用いた受波ビームの形成に本願発明を適用する場合を示す図である。このリニアアレイは、上記従来技術で説明したものと同様、０．５波長ごとに８０のエレメントを直線状に配列したものである。同図は、左側の素子から１０素子ずつ階段状にＩ，Ｑサンプリングを行う処理を４波長のスキャン周期で１５周期（Ｎ−７〜Ｎ＋７）繰り返した場合のサンプリングタイミングのチャートを示している。同図において−６０°から到来する受信波を例示しているが、この受信波に対して、全エレメントにわたって同じスキャン周期のサンプリングデータを用いて受波ビームを形成するのでなく、１０素子ずつスキャン周期をずらし、図中太線で示すサンプリングデータを用いてビームフォームすることにより、受信波が同時にかかっている幅をＡからＢに大きく広げることができ、ビーム形成の性能を改善できる。
【００３７】
そこで、図３に示すように、単一のスキャン周期で得られるサンプリングデータ列▲３▼に対してマッチドフィルタを適用するだけでなく、アレイを複数エリア（同図では８エリア）に分割し、各エリアごとに異なるスキャン周期のサンプリングデータを用いることにより、▲１▼、▲２▼、▲４▼、▲５▼のように様々な方向に向いたサンプリングデータ列を生成することができる。ビーム方向によって適当なサンプリングデータ列を選択することにより、受信波が短パルスであってもビーム形成の性能を改善できる。リニアアレイであっても、１００°前後の範囲でビーム形成されるため、各ビームの角度（ビーム番号）に合わせて各エリアのスキャン周期の組み合わせ（サンプリングデータ列）を決定することにより、全てのビームについてビーム形成の性能を改善することが可能である。
【００３８】
具体的に、−５９．２５°（ビーム０）〜＋５９．２５°（ビーム７９）の範囲で１．５°ごとに８０個のビームを形成する場合を考える。
図３において、サンプリングデータ列▲１▼の方向は−５６．３°、サンプリングデータ列▲２▼の方向は−３５．０°、サンプリングデータ列▲３▼の方向は＋５．７°、サンプリングデータ列▲４▼の方向は＋４１．２°、サンプリングデータ列▲５▼の方向は＋５９．５°になっている。サンプリングデータ列▲１▼とサンプリングデータ列▲２▼の中間値−４５．６４°よりマイナスのビーム番号は、サンプリングデータ列▲１▼のデータを使用してビーム形成するようにする。以下同様に、隣り合うサンプリングデータ列の角度の中間でビームを分けると、ビーム番号と適用するサンプリングデータ列の関係は、以下のようになる。
【００３９】
ビーム  ０（-59.25°）〜ビーム  ９（-45.75°）：サンプリングデータ列▲１▼
ビーム１０（-44.25°）〜ビーム２９（-15.75°）：サンプリングデータ列▲２▼
ビーム３０（-14.25°）〜ビーム５５（+23.25°）：サンプリングデータ列▲３▼
ビーム５６（+24.75°）〜ビーム７３（+50.25°）：サンプリングデータ列▲４▼
ビーム７４（+51.75°）〜ビーム７９（+59.75°）：サンプリングデータ列▲５▼
となる。
【００４０】
図４は、さらに、各スキャン周期と次のスキャン周期との間に補間によって新たなサンプリングデータを生成した場合のタイミングチャートを示す図である。上記複数のスキャン周期のデータを用いたサンプリングデータ列の生成方式をさらに改善するためには、４波長で繰り返した斜め階段状のサンプリングをより速いスキャン周期で、たとえば２波長で繰り返すようにすればよいが、装置の多重化処理の都合などで４波長よりも短くできない場合がある。このような場合には、同図に示すように、実際のスキャン周期は、そのままとして各スキャン周期間の補間を行って４波長の中間のサンプリングデータを生成し、サンプリングデータ列の方向を増やしたり、その方向を最適化すればよい。なお、図３のサンプリングデータ列▲１▼〜サンプリングデータ列▲５▼の方向は、種々の角度のサンプリングデータ列を生成可能であることを示すための例示であり、ビーム方向の範囲に応じて適宜最適なものを選択すればよい。
【００４１】
また、ここでは各スキャン周期のサンプリングデータを斜め階段状のサンプリングデータの場合について説明したが、斜め連続のサンプリングデータや全エレメントを同時にサンプリングした平行サンプリングデータの場合でも同様にこの発明を適用可能である。
【００４２】
次に、図５を参照してリニアアレイを用いた受信回路において、複素ＤＦＴを用いた受波ビームの形成を改善する方法について説明する。従来は、スキャン周期Ｎのサンプリングデータ列のみを用いて複素ＤＦＴを行い、受波ビームを形成していたが、この方式では、６波長程度の短い受信波が−６０°から到来した場合、同図の範囲Ａのアレイしか同時に信号が入力されずビーム形成の性能は低下する。
【００４３】
一方、サンプリングデータは、位相と振幅の両方の情報を持っており、信号の帯域幅が広くない（広くても中心周波数に対して±２０％程度の）ソナー信号などの場合、サンプリングデータの補間計算等によって各サンプリングデータを前後にシフトすることが可能で、複数のスキャン周期のサンプリングデータを適宜選択して任意の角度のサンプリング面のサンプリングデータ列を生成することができる。図５に示すように−４５°のサンプリング面のサンプリングデータ列を生成すれば、−６０°から到来した６波長の受信波は同図の範囲Ｂで同時に信号が受信されていることになり、受波ビームの形成をこのサンプリングデータ列で行えばスキャン周期Ｎのみのサンプリングデータ列を用いた場合よりもビーム形成の精度が改善される。
【００４４】
【発明の実施の形態】
図６はこの発明の実施形態である海底探査ソナーのブロック図、図７は同海底探査ソナーのトランスデューサの設置形態を示す図、および、同トランスデューサが形成する送波ビーム、受波ビームを示す図である。
【００４５】
まず、図７において、送信トランスデューサ１１、受信トランスデューサ１２２はともに、複数の超音波振動子エレメントを１列に配列した超音波振動子アレイからなっている。送信トランスデューサ１１は、振動子の配列方向が船首，船尾方向になるように船底に設置され、受信トランスデューサ１２は、振動子の配列方向が船側方向になるように船底に設置される。
【００４６】
船底には、上記送信トランスデューサ１１、受信トランスデューサ１２からなるトランスデューサ部１のほかに、送信トランスデューサ１１に超音波のバースト信号を印加するとともに、反射エコーを受信してデジタルサンプリングデータに変換する送受信部２が設けられる。そして、船室には、演算処理部３が設けられる。演算処理部は、送受信部２から伝送入力されたサンプリングデータに基づいて受波ビームの形成および海底検出等を行う。
【００４７】
送受信部２の送信回路２６は、送信トランスデューサ１１の各エレメントに対してパルス信号を印加する。送信トランスデューサ１１の各エレメントは、このパルス信号によって駆動され、超音波信号を海中に送出する。送信回路２６は、３２０ｋＨｚの信号を発振する発振器を内蔵しており、送波ビームが図７（Ｂ）に示すように船体の真下に扇形に形成されるように各エレメント毎にタイミングを制御してパルス信号を印加する。このようにして形成される送波ビームは、前後１．５°、左右１７０°程度の扇形である。このソナー装置では距離検出精度を向上するためめ各エレメントに入力されるパルス信号のパルス幅は、３２０ｋＨｚで６波程度である。このように真下にビームが形成されるため、船が動いていても殆どドップラ効果の影響がなく、海底からの反射エコーは送信時と同じ３２０ｋＨｚのバースト波となる。
【００４８】
受信トランスデューサ１２は、図８に示すように１６０個のエレメントを円周上に配置した円筒形状になっている。この受信トランスデューサ１２に接続されている送受信部２および演算処理部３は、各エレメントが受信した反射エコーをサンプリングし、マッチドフィルタでリファレンスと比較することによって、図７（Ｂ）に示すような前後２０°、左右１．５°程度の受波ビームを形成する。この受波ビームを高速に右から左にスキャンさせ、このスキャンを１回のパルス送信に対して何度も繰り返して行うことにより海底探査を行う。図８において、受信トランスデューサ１２は、半径１２５ｍｍの円筒形状であり、１．５°間隔で１６０個の超音波振動子エレメントが配列されているため、中心角２３８．５°で円筒の一部が切り欠かれた形状になっている。
【００４９】
受信トランスデューサ１２の各エレメントが受信した信号は送受信部２に入力される。送受信部２では、各エレメントが受信した信号を別々のプリアンプ１３で増幅するとともに、フィルタ１４でろ波し、ＴＶＧアンプ１５で増幅する。フィルタ１４は、送信トランスデューサ１１から送信された超音波ビームの周波数（３２０ｋＨｚ）付近の周波数以外を除去するバンドパスフィルタである。上述したように反射エコー信号はほぼ３２０ｋＨｚの狭帯域の信号であり、このバンドパスフィルタにより、帯域外の超音波機器の信号や帯域外シーノイズ等のノイズが除去される。
【００５０】
ＴＶＧアンプ１５は、時間可変ゲインアンプであり、送信トランスデューサ１１がバースト波を発射したのち時間が経過するとともにゲインを上昇させてゆくアンプである。これはバースト波を発射してから時間が経過するとともに遠くで反射し、伝搬距離が長く信号レベルの小さい反射エコーを受信する必要があるため、これに対応してゲインを高くしてゆくものである。ＴＶＧアンプ１５の後段にはこのＴＶＧアンプ１５のノイズを除去するための簡略なフィルタ１６が介挿入されている。こののち、マルチプレクサ１７により、１６０エレメントの信号が１０系統に時分割多重化される。第ｋ（＝０〜９）マルチプレクサには、１０ｎ（＝０〜１５）＋ｋの信号が入力される。すなわち、第０マルチプレクサにはエレメント０，１０，２０，…１４０，１５０の信号が入力され、第１マルチプレクサにはエレメント１，１１，２１，…，１４１，１５１の信号が入力され、…、第９マルチプレクサにはエレメント９，１９，２９，…１４９，１５９の信号が入力される。第０〜第９マルチプレクサは、同期して全て同じタイミングに入力信号の選択ｎを順次切り換えてゆく。
【００５１】
１０系統に多重化された反射エコー信号は、再度ＴＶＧアンプ１８で増幅される。一般的なＴＶＧアンプはゲイン制御範囲が４０ｄＢ程度であり、広い範囲の海底探査を行おうとすれば４０ｄＢ以上のＴＶＧ範囲を必要とするため、このようにＴＶＧアンプを２段にしている。
【００５２】
ＴＶＧアンプ１８で増幅された信号は、ＡＤ変換器１９によってサンプリングされデジタルサンプリングデータに変換される。ＡＤ変換器１９のサンプリングタイミングおよびマルチプレクサ１７の切換タイミングは、前記送信回路の発振器が発振する信号に基づいて作成される。すなわち、送信パルス（反射エコー信号）の周波数と、マルチプレクサ切換タイミングおよびサンプリングタイミングとは完全に同期している。
【００５３】
図９は、ＡＤ変換器１９のサンプリングタイミングを説明する図である。
【００５４】
後段の演算処理部では、反射エコー信号を複素データとして処理するため、サンプリングにおいて複素データ化しておくことが望ましい。しかし、実数値信号にｃｏｓ信号、ｓｉｎ信号をミキシングして実部Ｉ、虚部Ｑの信号に分離し、別々にサンプリングすることは、回路構成が複雑化するとともに、位相ずれなどによる測定誤差を招く原因になる。
【００５５】
そこで、この装置では、受信した反射エコー信号の周波数が安定しており、サンプリングクロックがこれに完全に同期していることを利用し、９０°の位相差で２回サンプリングすることによって一方を実部（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ）のデータとし、他方を虚部（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）のデータとして用いることにより、複素サンプリングデータを生成するようにしている。さらに、この装置では、反射エコー信号を９０°の位相差で４回（０°、９０°、１８０°、２７０°）サンプリングし、０°サンプリングデータと１８０°サンプリングデータを組み合わせ、且つ、９０°サンプリングデータと２７０°サンプリングデータを組み合わせることによって反射エコー信号のＤＣバイアス成分を除去するようにしている。
【００５６】
また、上記のように１６０エレメントの信号を時分割で１０系統に多重化しているため、各系統は、１６のエレメントを担当することになる。各系統では、反射エコーの周波数３２０ｋＨｚの１波長（１λ）の時間に４エレメントの信号をサンプリングし、４波長で１６エレメントの信号をサンプリングするようにしている。
【００５７】
図９を参照してサンプリングタイミングについて詳細に説明する。ＡＤ変換器ＡＤ０にはマルチプレクサ１６を介してエレメント１０ｎ＋０，（ｎ＝０，１，…，１５：以下同じ）の信号が選択的に入力される。また、ＡＤ変換器ＡＤ１にはマルチプレクサ１６を介してエレメント１０ｎ＋１の信号が選択的に入力される。同様にＡＤ変換器ＡＤｋ，（ｋ＝０，１，…，９：以下同じ）には、エレメント１０ｎ＋ｋの信号が選択的に入力される。各ＡＤ変換器は１／１６λ（０．１９５６２５μ秒）毎に入力信号をサンプリングする。したがって１λの間に１６回サンプリングが行われる。
【００５８】
最初の１波長の間、各ＡＤ変換器ＡＤｋは、エレメントｋ、エレメント１０＋ｋ、エレメント２０＋ｋ、エレメント３０＋ｋを１サンプリング毎に切り換えて４回ずつサンプリングする。これにより、各エレメントの信号は、１／１６λ×４＝１／４λ、すなわち９０°の間隔で４回サンプリングされることになるため、各エレメント毎に（相対的に）０°、９０°、１８０°、２７０°の４つのデータを得ることができる。
【００５９】
次の１波長の間、各ＡＤ変換器ＡＤｋは、エレメント４０＋ｋ、エレメント５０＋ｋ、エレメント６０＋ｋ、エレメント７０＋ｋを１サンプリング毎に切り換えて４回ずつサンプリングする。さらに次の１波長の間、各ＡＤ変換器ＡＤｋは、エレメント８０＋ｋ、エレメント９０＋ｋ、エレメント１００＋ｋ、エレメント１１０＋ｋを１サンプリング毎に切り換えて４回ずつサンプリングする。さらに次の１波長の間、各ＡＤ変換器ＡＤｋは、エレメント１２０＋ｋ、エレメント１３０＋ｋ、エレメント１４０＋ｋ、エレメント１５０＋ｋを１サンプリング毎に切り換えて４回ずつサンプリングする。このようにして、４波長の間に、全てのエレメントについて４つ（０°、９０°、１８０°、２７０°）のデータを得ることができる。この４波長の間の処理が１スキャン周期の処理である。
【００６０】
なお、各ＡＤ変換器ＡＤｋ，（ｋ＝０〜９）のサンプリングタイミングは、完全に同期しており、サンプリング終了後のマルチプレクサ１６の切り換えも同時である。ＡＤ変換器ＡＤｋとして２０ＭＨｚ程度の高速ＡＤ変換器を使用すれば、サンプリング直前の入力だけがサンプリングデータに影響するため、入力信号のサンプリングを行った直後に、マルチプレクサの切り換え、後段のＴＶＧアンプの応答を実行することにより、次のサンプリングタイミング（０．１９５６２５μ秒後）までには、マルチプレクサの選択信号の作動とＡＤ変換器の出力データの変化で発生した雑音は十分に減衰しているため、次のサンプリングに悪影響を及ぼさない。また、上記のように１０系統のマルチプレクサ、ＡＤ変換器の切り換えを同期して行っているため、ある系統の切換ノイズが他の系統に侵入して悪影響を及ぼすこともない。
【００６１】
このようにマルチプレクサによる切り換えで多重化をした場合のノイズを防止するためこのソナー装置では斜め階段状のサンプリングタイミングを採用している。
【００６２】
各エレメントのサンプリングデータは平均処理回路２０に入力される。平均処理回路２０は、各エレメント毎に、０°サンプリングデータと１８０°サンプリングデータ、および、９０°サンプリングデータと２７０°サンプリングデータの対で平均処理を行う。送信周波数（反射エコー周波数）と同じクロックでタイミングを設定されたサンプリングデータであるため、０°サンプリングデータと１８０°サンプリングデータ、および、９０°サンプリングデータと２７０°サンプリングデータは、それぞれ殆ど同じ振幅レベルで極性が異なる値になっているはずである。したがって、（０°サンプリングデータ−１８０°サンプリングデータ）／２の平均処理を行うことにより、ＤＣオフセット成分をキャンセルした０°サンプリングデータ（実部データＲ）を算出することができる。なお、ＤＣオフセット成分は、正負非対称でのＡＣ結合やＡＤ変換器のオフセット誤差によって発生するものである。また、９０°サンプリングデータと２７０°サンプリングデータについても、（９０°サンプリングデータ−２７０°サンプリングデータ）／２の平均処理を行うことにより、ＤＣオフセット成分をキャンセルした９０°サンプリングデータ（虚部データＩ）を算出することができる。これら実部データＲと虚部データＩを複素サンプリングデータとして出力する。
【００６３】
図１０は平均処理回路２０が出力するサンプリングデータのタイミングを示す図である。平均処理回路２０が出力するサンプリングデータは、同図折線ａに示すような斜め階段状のサンプリング時刻のものである。すなわち、０°、９０°、１８０°、２７０°の４回サンプリングしているが、１８０°サンプリングデータ、２７０°サンプリングデータはＤＣオフセット成分を除去するために用いられ、９０°サンプリングデータは虚部データとして用いられるため、結局は０°サンプリングデータのタイミングの複素サンプリングデータとして演算処理部３に入力される。
【００６４】
この複素サンプリングデータは、光ファイバ等で結合された高速リンクにより船室の演算処理部３に伝送される。なお、送受信部２のＡＤ変換器１９以後はデジタル処理であるため、サンプリングデータの伝送タイミングがこの同図の階段状折線ａのタイミングに正確に一致している必要はなく、以下の演算処理がリアルタイムに実行できるように送受信部２から演算処理部３に入力されればよい。すなわち、階段状のサンプリングデータのうち、たとえばエレメント０のデータ〜エレメント９のデータは同タイミングのものであるが、送受信部２から演算処理３への伝送はシリアルに行われ、演算処理部３の処理においてこれらのデータが同タイミングのものとして処理される。
【００６５】
図８に示すように、受信トランスデューサ１２は、１．５°間隔で１６０個のエレメントを有する中心角２３８．５°の円筒形状になっているが、受波ビームの形成には、ビーム方向を中心とする約９０°の範囲の６０エレメントが使用される。エレメント０〜エレメント５９で受波ビームを形成する場合、ビーム方向は、エレメント２９，エレメント３０間の方向であり、この方向を０°とすると、エレメント０は、４４．２５°の方向になり、エレメント５９は、−４４．２５°の方向になる。
【００６６】
演算処理部３は、連続する６０エレメントで受波ビームを形成し、これを右から左にスキャンする。すなわち、エレメント０〜エレメント５９で形成する受波ビーム（ビーム０）からエレメント１００〜エレメント１５９で形成する受波ビーム（ビーム１００）までの１０１の受波ビームを連続して形成する。
【００６７】
ここで、上記のように受信トランスデューサ１２は、半径が１２５ｍｍであるため、ビーム方向に対して一番前のエレメント２９，３０と、一番後ろのエレメント０，５９とは約７．５波長分の距離がある。すなわち、
１２５×（１−√１／２）／（１５００／３２０）≒７．５
である。
【００６８】
上述したように、この海底探査ソナーでは、送信トランスデューサ１１から送信するバースト波のパルス幅を６波長程度に短かくし探査精度の向上を図っている。このため、反射エコーのパルス幅も短くなり、反射エコーが受波ビーム形成用の６０のエレメントに同時に掛からない。そこで、演算処理部３では、２スキャン周期分（前回と今回）のサンプリングデータを用いることで全てのエレメントで反射エコーを受信して受波ビームを形成できるようにしている。すなわち、スキャン周期は４波長ごとであり、前回のサンプリングから今回のサンプリングまでの間に反射エコーは４波長の距離を進んでいるため、反射エコーの長さが６波長であっても、６λ＋４λの範囲に反射エコーがかかることになり、７．５波長の距離をカバーすることができる。
【００６９】
このため、後ろの方のグループ１（エレメント０〜エレメント９、エレメント５３〜エレメント５９）と前の方のグループ２（エレメント１０〜エレメント５２）に分け、反射エコーが遅く到達するグループ１については今回のスキャン周期にサンプリングしたデータを用い、反射エコーが速く到達するグループ２については今回のスキャン周期から４波長前の時間帯にサンプリングされた前回のスキャン周期のサンプリングデータを用いてビーム形成を行う。
【００７０】
なお、上記グループ１、グループ２はサンプリングデータを斜め階段状サンプリングの場合のグループ分けであり、同タイミングのデータをサンプリングした場合には、グループ１がエレメント０〜エレメント８およびエレメント５１〜エレメント５９、グループ２がエレメント９〜エレメント５０となる。
【００７１】
図１１は、演算処理部３のビーム形成部２２の構成を示す図である。ビーム形成部２２は６０点の複素マッチドフィルタによって受波ビームの形成を行う回路である。このビーム形成部は、従来のマッチドフィルタである６０段のシフトレジスタ５１，６１に加えて１０７段のシフトレジスタ５２，６２、４３段のシフトレジスタ５３，６３を備えている。シフトレジスタ５１，５２，５３およびシフトレジスタ６１，６２，６３は、それぞれ別々に縦列接続されている。
【００７２】
前段の受信部から０°サンプリングデータすなわち複素サンプリングデータの実部データが入力され、この０°サンプリングデータは、シフトレジスタ５１の入力端子に入力される。また、前段の受信部から９０°サンプリングデータすなわち複素サンプリングデータの虚部データが入力され、この９０°サンプリングデータは、シフトレジスタ６１の入力端子に入力される。６０段のシフトレジスタ５１，６１の後端に今回のサンプリングサイクルのエレメント５９のサンプリングデータが入力されたとき、ビーム番号０のビームが形成される。次に、１シフトし、後端にエレメント６０のサンプリングデータが入力されたときビーム番号１のビームが形成される。このように、ビーム番号を＋１するときに、サンプリングデータのみ１シフトし、乗算器の係数（ＣRn、ＣInで表示）は固定でよい。
【００７３】
ＣRn、ＣInは複素マッチドフィルタの係数で、窓処理の重み付け、サンプリングタイミング差、素子位置と音速の関係を補正する係数である。マッチドフィルタは全体として、各素子の受信信号のベクトルを合わせるように加算することでビームを形成する。ここで、６０段のシフトレジスタ５１，６１は、エレメント０〜エレメント９、エレメント５３〜エレメント５９のサンプリングデータの出力タップを有し、４３段のシフトレジスタ５３，６３では、エレメント１０〜エレメント５２のサンプリングデータの出力タップを有している。
【００７４】
０°サンプリングデータすなわち複素サンプリングデータの実部データは、６０段のシフトレジスタ５１、１０７段のシフトレジスタ５２、４３段のシフトレジスタ５３に順次入力される。また、９０°サンプリングデータは、６０段のシフトレジスタ６１、１０７段のシフトレジスタ６２、４３段のシフトレジスタ６３に順次入力される。
【００７５】
同図において、ＲNn、ＲOnは０°サンプリングデータ（実部データ）を示し、ＲNnは今回のスキャン周期でサンプリング入力されたデータ、ＲOnは前回のスキャン周期でサンプリング入力されたデータを示す。また、ＩNn、ＩOnは９０°サンプリングデータ（虚部データ）であり、ＩNnは今回のスキャン周期でサンプリング入力されたデータ、ＩOnは前回のスキャン周期でサンプリング入力されたデータを示す。そして、ＣRn、ＣInは、複素マッチドフィルタのリファレンス係数を示し、ＣRnはリファレンスの実部係数、ＣInはリファレンスの虚部係数を示す。添字の数字はビーム中のエレメント番号である。なお、同図において、乗算されるリファレンス係数ＣRn、ＣInおよびサンプリングデータＲNn，ＲOn，ＩNn，ＩOnには、ともに０〜５９の番号が付されており、このうちリファレンス係数ＣRn、ＣInは０〜５９の番号で示される固定された値であるが、サンプリングデータＲNn，ＲOn，ＩNn，ＩOnには、シフトレジスタに順次入力されるエレメント０〜１５９のデータが、順次割り当てられる。このとき、ｎ＝２９，３０に割り当てられたエレメントの方向をビーム方向として受波ビームが形成される。
【００７６】
図示のようにマッチドフィルタは、ＲＲ、ＩＲ、ＲＩ、ＩＩの４系列からなっている。ＲＲは、ＲNn，ＲOn（実部データ）、とＣRn（実部係数）との相関度を算出するフィルタであり、６０個の乗算器５５がリファレンス係数ＣRnと、そのタイミング（ビーム方向）で対応する０°サンプリングデータとの乗算を行い、加算器５６がその乗算結果を加算する。また、Ｉ・Ｉは、ＩNn，ＩOn（虚部データ）、とＣIn（虚部係数）との相関度を算出するフィルタであり、６０個の乗算器５７がリファレンス係数ＣInと、そのタイミング（ビーム方向）で対応する９０°サンプリングデータとの乗算を行い、加算器５８がその乗算結果を加算する。加算器５５の加算結果すなわちＲＲ系統のフィルタ出力（ＲＲ）およびＩＩ系統のフィルタ出力（ＩＩ）は減算器７１に入力され（ＲＲ）−（ＩＩ）の演算が行われ、複素サンプリングデータの実部と複素リファレンス係数の実部との位相の相関値が算出される。すなわち、
【００７７】
【数１】
0004516644.tif 000002
【００７８】
の演算が実行され、実部データと実部係数の相関が算出される。
【００７９】
一方、ＩＲは、ＩNn，ＩOn（虚部データ）、とＣRn（実部係数）との相関度を算出するフィルタであり、６０個の乗算器６５がリファレンス係数ＣRnと、そのタイミング（ビーム方向）で対応する９０°サンプリングデータとの乗算を行い、加算器６６がその乗算結果を加算する。また、Ｒ・Ｉは、ＲNn，ＲOn（実部データ）、とＣIn（虚部データ）との相関度を算出するフィルタであり、６０個の乗算器６７がリファレンス係数ＣInと、そのタイミング（ビーム方向）で対応する０°サンプリングデータとの乗算を行い、加算器６８がその乗算結果を加算する。加算器６５の加算結果すなわちＩＲ系統のフィルタ出力（ＩＲ）およびＲＩ系統のフィルタ出力（ＲＩ）は加算器７２に入力され（ＩＲ）＋（ＲＩ）の演算が行われ、複素サンプリングデータの実部と複素リファレンス係数の実部との位相の相関値が算出される。すなわち、上記〔数１〕の演算が実行される。
【００８０】
減算器７１および加算器７２の演算結果は、振幅検出部７３に入力される。振幅検出部７３は、この演算結果に基づいて受波ビームの振幅を求める。この振幅は、（Ｉ2 ＋Ｑ2 ）1/2 で求めることができ、ハード処理する場合は、テーブルや近似処理する回路などを用いればよい。取出回路７４は、図８に示すように受信トランスデューサの全周に素子がないために必要になる回路で、シフトレジスタのクロックの５９〜１５９の１０１ビームを取り出す。この１０１ビームは、上記したようにエレメント２９−３０間方向のビーム０からエレメント１２９−１３０間方向のビーム１００までの１０１個のビームである。
【００８１】
なお、入力の０°サンプリングデータと９０°サンプリングデータが円周に沿った同タイミングのデータの場合、マッチドフィルタは、６０段のシフトレジスタ５１，６１の前３０段と後３０段で対称となり、シフトレジスタを中央で折り返すようにして加算後に乗算するようにすれば乗算器の数を１／２にできる。これは４３段シフトレジスタにも適用することができ、この場合、同時サンプリングであるため、ｎ＝９〜５０の４２段シフトレジスタとなる。
【００８２】
図１２は、図８に示す一部切欠の円筒形トランスデューサを用いたビーム形成部の他の実施形態を示す図である。図１１のマッチドフィルタをハード回路で実現すると、サンプリングデータと係数との乗算部分が一番大きく、乗算器の時分割使用が必要である。図１１のビーム形成部では実際に受波ビームを形成できない時間範囲（ｎ＝０〜５９の範囲にデータの不連続点（エレメント１５９−エレメント０）が存在する時間範囲）であってもフィルタ演算を行い、取出回路７４でこのデータを捨てていたが、図１２のビーム形成部では、図１１のビーム形成部に並列ロードシフトレジスタを追加することにより、上記無駄な演算をなくし、必要な乗算および加算の回数を減らすことで、回路規模を軽減を可能にしている。図１１のビーム形成部では、ＲＲ，ＩＲ，ＲＩ，ＩＩの４つの複素マッチドフィルタの２４０個の乗算を、１秒間にスキャン周期（３２０ｋＨｚ／４）×データシフト回数（１６０）＝１２８０００００回実行する必要があったが、図１２のビーム形成部ではフィルタ演算の回数が実際にビームを形成する１０１回でよいため、１秒当たりの演算回数を（３２０ｋＨｚ／４）×１０１＝８０８００００回に軽減することができる。
【００８３】
図１２のビーム形成部において、図１１に示したビーム形成部に追加した構成部は、並列ロード１６０段シフトレジスタ８１，８４、並列ロード１０１段シフトレジスタ８２，８５である。図１２の１６０段シフトレジスタ８０，８３は、図１１の、６０段シフトレジスタ５１，６１と１０７段シフトレジスタ５２，６２をそれぞれ連結したものと等価である。
【００８４】
受信回路から入力される０°サンプリングデータ、９０°サンプリングデータは、それぞれ１６０段シフトレジスタ８０、１６０段シフトレジスタ８３に入力され、ＲN0，ＩN0が１６０段の一番奥に転送され、ＲN0〜ＲN159、ＩN0〜ＩN159の１６０個のデータが揃った時点（４波長ごとに発生）で、このデータ列が並列ロード１６０段シフトレジスタ８１および並列ロード１６０段シフトレジスタ８４に並列ロードされる。
【００８５】
並列ロード１０１段シフトレジスタ８２、並列ロード１０１段シフトレジスタ８５は、それぞれ並列ロード１６０段シフトレジスタ８１、並列ロード１６０段シフトレジスタ８４に接続されている。１６０段シフトレジスタ８０，８３から並列ロード１６０段シフトレジスタ８１，８４にデータがロードされるタイミングと同じタイミングに、並列ロード１６０段シフトレジスタ８１，８４から並列ロード１０１段シフトレジスタ８２，８５に（１スキャン周期前の）データがロードされる。なお、この構成では、０°サンプリングデータ、９０°サンプリングデータが入力されはじめたのち、これが２周するまで（８波長分）ビーム形成できないが、極近距離であるため全く問題ない。
【００８６】
並列ロード後、ビーム形成および並列ロードシフトレジスタのシフトを１０１回ずつ行う。この処理は次の並列ロードのタイミングまでに終わっていればよい。このようにして、無駄なビーム形成演算をなくすことで、１つの乗算器で時分割できる乗算の数を増やすことができ、全体規模の縮小ができる。
【００８７】
図１１、図１２のビーム形成部ともに各マッチドフィルタの係数Ｃを固定としたが、受波ビームの形成中に係数Ｃを連続に変更し、ビームのフォーカスを変更できるようにしてもよい（ダイナミックフォーカス）。ダイナミックフォーカスにすれば、特に近距離のビーム形成の性能を改善することができる。
【００８８】
図１３〜図１６は、上記ビーム形成部の他の実施形態およびその動作を示す図である。この実施形態のビーム形成部は、図１２のビーム形成部のシフトレジスタの多くをＲＡＭに置き換えたものである。図１３はその構成図である。
この実施形態では、１つの処理回路が並列処理できるデータ数が１６であることから、ビームを形成する６０個のサンプリングデータを１４、１６、１６、１４に４分割して処理する。このうち中央の１６サンプリングデータ＋１６サンプリングデータは早くビームが到達するため古いスキャン周期のデータを用い、左右周辺の１４サンプリングデータ＋１４サンプリングデータは遅くビームが到達するため新しいスキャン周期のデータを用いる。
【００８９】
中央の１６＋１６サンプリングデータ用に１６段シフトレジスタ９１、９２および並列ロード１６段シフトレジスタ９５、９６が設けられ、これらに対応するフィルタ係数を記憶した係数レジスタ１０５、１０６、マッチドフィルタの演算を実行する演算部１０１、１０２が設けられている。また、周辺の１４＋１４サンプリングデータ用に１４段シフトレジスタ９０、９３および並列ロード１４段シフトレジスタ９４、９７が設けられ、これらに対応するフィルタ係数を記憶した係数レジスタ１０４、１０７、マッチドフィルタの演算を実行する演算部１００、１０３が設けられている。そして、演算部１００〜１０３の演算結果を加算する加算部１０８が設けられている。
【００９０】
なお、この図では、各サンプリングデータについて１系統しか示していないが、各構成部は、サンプリングデータの実部、虚部に合わせてそれぞれ２系統あり、演算部１００〜１０３は、データの実部×係数の実部、データの実部×係数の虚部、データの虚部×係数の実部、データの虚部×係数の虚部の４回の演算をする。
【００９１】
各シフトレジスタおよび並列ロードシフトレジスタには移相器２１、ＲＡＭ−１、ＲＡＭ−２からサンプリングデータが供給される。なお、ＲＡＭ−０は、移相器２１から入力される最新のサンプリングデータをバッファするＲＡＭであり、エレメント１４〜エレメント１５９の１４６個のデータを記憶する領域を有するものである。なお、ＲＡＭ−１、ＲＡＭ−２も同様にエレメント１４〜エレメント１５９の１４６個のデータを記憶する領域を有している。エレメント０〜エレメント１３のデータはシフトレジスタに直接ロードされるため、ＲＡＭは不要である。詳細は後述する。
【００９２】
図１４、図１５を参照して、このビーム形成部の動作を説明する。移相器２１は、階段状のサンプリングデータを斜め連続サンプリングデータに移相する。１スキャン分のデータすなわちエレメント０のデータからエレメント１５９のデータは、ページデータとして順次ＲＡＭ０および１４段シフトレジスタ９０および１４段シフトレジスタ９３に入力される。
【００９３】
１４段シフトレジスタ９０には新しいスキャンのエレメント１３〜エレメント０のサンプリングデータが入力される。１４段シフトレジスタ９３には新しいスキャンのエレメント１５９〜エレメント１４６のサンプリングデータが入力される。また、１６段シフトレジスタ９１には古いスキャンのエレメント１４〜エレメント２９のサンプリングデータが入力される。１６段シフトレジスタ９２には古いスキャンのエレメント３０〜エレメント４５のサンプリングデータが入力される。ここで、図１４、図１５において、古いスキャンのデータを０−ｎ（ｎ＝０〜１５９）と記述し、新しいスキャンのデータを１−ｎ（ｎ＝０〜１５９）と記述する。
【００９４】
上記のようにデータが入力されると（図１４（Ａ））、各シフトレジスタ９０〜９３から並列ロードシフトレジスタ９４〜９７にデータがロードされる（図１４（Ｂ））。並列ロードシフトレジスタ９４〜９７にデータがロードされると、このデータは演算部１００〜１０３に供給されるため、このデータに基づいてビームが形成される。同図（Ｂ）の場合にはエレメント０〜エレメント５９を用いたビーム番号０のビーム（ビーム０）が形成される。このとき、バッファであったＲＡＭ−０のデータは新しいスキャンデータを格納するＲＡＭ−１に転送され、それまでＲＡＭ−１に格納されていたデータは古いスキャンデータを格納するＲＡＭ−２に転送される。
【００９５】
こののちは、各並列ロードシフトレジスタ９４〜９７のデータが１つずつシフトされてゆき、ビーム番号１（ビーム１）〜ビーム番号１００（ビーム１００）のビームが形成される。図１５（Ａ）は、図１４（Ｂ）の状態から１つだけサンプリングデータがシフトされた状態を示している。このデータのセットでビーム１が形成される。
【００９６】
そして、順次データがシフトされてゆき、図１５（Ｂ）のように並列ロードシフトレジスタ９７に１−１５９〜１−１４６のサンプリングデータがセットされ、並列ロードシフトレジスタ９６に０−１４５〜０−１３０のサンプリングデータがセットされ、並列ロードシフトレジスタ９５に０−１２９〜０−１１４のサンプリングデータがセットされ、並列ロードシフトレジスタ９４に１−１１３〜１−１００のサンプリングデータがセットされると、これらのデータがビーム１００が形成される。
【００９７】
これ以上データをシフトしても不連続なデータセットとなり、ビーム形成ができないが、このとき、ＲＡＭ−０、１４段シフトレジスタ９０、９３には、次の新たなスキャンのデータ２−ｎ（ｎ＝０〜１５９）が入力されており、１６段シフトレジスタ９１、９２には、ＲＡＭ−１から１−４５〜１−３０、１−２９〜１−１４のデータが入力されている。すなわち、これらのデータは次のスキャンのビーム０のデータセットである。
【００９８】
これを図１４（Ａ）→（Ｂ）の手順で並列ロードすることにより、次のスキャンのビーム０を形成することができ、図１４（Ａ）→（Ｂ）→図１５（Ａ）→（Ｂ）→図１４（Ａ）の手順を繰り返してゆくことで、不連続なデータセットをスキップしてビーム形成に有効なデータセットのみを並列ロードシフトレジスタ９４〜９７にセットすることができる。
【００９９】
なお、距離に応じてビームの焦点を鋭く結ばせるダイナミックフォーカスを行うため、係数レジスタ１０４〜１０７にセットされる係数は、ビーム形成を開始してからの時間すなわちビームの距離に応じて一斉に書き換えられる。
【０１００】
また、上記説明では、理解が容易なようにＲＡＭ−０→ＲＡＭ−１→ＲＡＭ−２とデータを転送するとしているが、実際には、書込アドレス、読出アドレスを変更することで対応し、データの転送は行わない。
【０１０１】
上記実施形態では、図８に示すように一部が切りかかれた円筒形アレイについて説明しているが、全周にエレメントを備えた完全に円筒形のトランスデューサにこの発明を適用することもできる。
【０１０２】
図１７は、リニアアレイの受信データから受波ビームを形成するマッチドフィルタを備えたビーム形成部の例を示す図である。このビーム形成部は、図３で説明した原理を具体化したものである。このマッチドフィルタを、図６の海底探査ソナーにおいて受信用のトランスデューサとして直線状の超音波振動子アレイを用いた場合、同図のビーム形成部２２としてこのビーム形成部を用いればよい。
【０１０３】
なお、図３に示すようにこのビーム形成部では階段状のサンプリングデータをそのまま用いるため、図６の移相器２１は不要である。ただし、サンプリングデータを斜め等間隔サンプリングに移相して入力するなどの場合には移相器を用いればよい。
【０１０４】
図１７において、バッファＲＡＭ９０は、複数のスキャン周期に跨がるサンプリングデータ列▲１▼〜サンプリングデータ列▲５▼を作るために必要で、例えばデュアルポートＲＡＭで構成される。図３ようにサンプリングデータ列を作成する場合、スキャン周期Ｎ＋８のサンプリングデータをバッファＲＡＭに書き込み、スキャン周期Ｎ−７〜スキャン周期Ｎ＋７のデータを読み出してサンプリングデータ列▲１▼〜サンプリングデータ列▲５▼のデータを作るように動作する。したがって、バッファＲＡＭ９０の容量は、１６スキャン周期以上のサンプリングデータ（スキャン周期Ｎ−７〜スキャン周期Ｎ＋７で１５スキャン周期分、スキャン周期Ｎ＋８で１スキャン周期分）を記憶する容量が必要である。
【０１０５】
書込／読出回路９１は、バッファＲＡＭ９０のデータの書き込み、読み出し、マッチドフィルタ部９２〜９６へのデータ転送を制御する。マッチドフィルタ部９２〜９６は、それぞれサンプリングデータ列▲１▼〜サンプリングデータ列▲５▼に対応しており、対応する範囲のビーム方向（ビーム番号）のビームを形成する。なお、入力されるサンプリングデータおよびマッチドフィルタの係数はそれぞれ複素数であり、図１７のサンプリングデータ部と係数部の破線は、それぞれのデータが複素データであることを示している。また、サンプリングデータ部は処理の高速化のためダブルバッファ方式をとることが多いが、図１７では説明を簡略化するためこれを省略している。
【０１０６】
ここで、ビーム０〜ビーム９のビームを形成するサンプリングデータ列▲１▼のマッチドフィルタ部９２について説明する。係数メモリ１００には、ビーム０〜ビーム９のビームを形成するための、マッチデータ（フィルタ係数）が蓄えられている。係数選択回路１０１は、外部から入力されるビーム番号に応じ、このビーム番号に対応するフィルタ係数を係数メモリ１００から読み出して乗算器群１０２に供給する。サンプリングデータレジスタ１０３は、書込／読出回路９１から入力されたエレメント０〜エレメント７９の所定のスキャン周期のサンプリングデータを記憶する。このサンプリングデータは、図３に示すサンプリングデータ列▲１▼のサンプリングデータである。サンプリングデータレジスタ１０３はこのデータを乗算器群１０２に供給する。乗算器群１０２は、供給されたサンプリングデータとフィルタ係数とを乗算して加算器１０４に入力する。加算器１０４は、各乗算器の乗算結果を加算して実数部、虚数部毎の加算値を算出する。振幅検出回路１０５は、この加算値を用い、（Ｉ2 ＋Ｑ2 ）1/2 の演算を実行して振幅を算出する。そしてこの振幅値を遅延回路１０６で２波長遅延して指定されたビーム番号のビーム方向の受信振幅出力として出力する。
【０１０７】
上記と同様の処理を、分割されたビーム番号毎にサンプリングデータ列▲２▼〜▲５▼について行えば、ビーム０〜ビーム７９の振幅出力が得られる。また、このビーム形成部においても、マッチデータをビーム形成中に連続に変更できるようにしておけばダイナミックフォーカスが可能となる。
【０１０８】
なお、マッチドフィルタ部９２，９４，９６に２波長の遅延回路が必要な理由は、図３の例ではサンプリングデータ列▲１▼、サンプリングデータ列▲３▼、サンプリングデータ列▲５▼の方が、サンプリングデータ列▲２▼、サンプリングデータ列▲４▼よりも２波長分進むため、サンプリングデータ列▲１▼、サンプリングデータ列▲３▼、サンプリングデータ列▲５▼を２波長遅らせるためである。これは図３に示すように、サンプリングデータ列の階段数が偶数（８段）であるため、サンプリングデータ列の中心が階段の段と段の中間になり、階段の傾斜によってサンプリングデータ列の中心が２波長分ずれることがあるためである。
【０１０９】
書込／読出回路９１でサンプリングデータ列▲２▼、サンプリングデータ列▲４▼に入力するデータを１スキャン周期（４波長）進ませることができ、この場合はサンプリングデータ列▲２▼、サンプリングデータ列▲４▼の方に２波長遅延を入れる。なお、斜め階段状のサンプリングデータ列の段数を奇数とした場合には、全てのサンプリングデータ列の中心を同じスキャン周期に揃えることができるため、２波長遅延は不要になる。
【０１１０】
図１８は、リニアアレイの受信データを遅延・移相処理によってサンプル面を変更したのちＤＦＴにより受波ビームを形成する演算処理部のブロック図である。この演算処理部は、図５で説明した原理を具体化したものであり、図６の海底探査ソナーにおいて受信用のトランスデューサとして直線状の超音波振動子アレイを用い、マッチドフィルタを用いずにビームを形成する場合には、同図の演算処理部３としてこの演算処理部を用いればよい。この場合、後述の０°サンプルデータ生成回路１１３、＋４５°サンプルデータ生成回路１１４、−４５°サンプルデータ生成回路１１５が移相器２１に対応し、ＤＦＴ回路１１９，１２０，１２１がビーム形成部２２に対応する。
【０１１１】
同図において、バッファＲＡＭ１１１、１１２は、送受信部２から入力される０°サンプリングデータと９０°サンプリングデータをバッファリングする。このサンプリングデータは、図２に示した階段状の斜めサンプリングデータ、図８に示した全エレメントの同時サンプリングデータ、連続斜めサンプリングデータなどどのような時系列データでもよい。バッファＲＡＭは、通常のＳＲＡＭ、デュアルポートＳＲＡＭなどで構成される。バッファＲＡＭ１１１、１１２は、図５に示すように、リニアアレイに対して０°、＋４５°、−４５°の傾斜のサンプリング面を形成するためＮ−５〜Ｎ＋５の１１のスキャン周期分の記憶エリアを備える。すなわち、＋４５°または−４５°の傾斜のサンプリング面を形成するためにＮ−５〜Ｎ＋４の１０のサンプリングデータ列を使用し、Ｎ＋５のエリアには入力されたサンプリングデータが書き込まれる。
【０１１２】
０°サンプリング面生成回路１１３は、バッファＲＡＭ１１１、１１２に記憶されているスキャン周期Ｎのサンプリングデータ列を読み込み、これが階段状嘗めサンプリングデータや連続斜めサンプリングデータである場合には、各サンプリングデータを移相して同時サンプリングのサンプリングデータ列に変換してバッファＲＡＭ１１７に書き込む。また、バッファＲＡＭ１１１、１１２に記憶されているサンプリングデータ列が同時サンプリングデータの場合には、これをそのまま出力してバッファＲＡＭ１１７に書き込む。
【０１１３】
−４５°サンプリング面生成回路１１５は、バッファＲＡＭ１１１、１１２に記憶されているスキャン周期Ｎ−５〜Ｎ＋４のサンプリングデータ列を読み込む。このとき、各スキャン周期のうち図５の太線に示すサンプリングデータ列のみを読み込めばよい。そして、各スキャン周期のサンプリングデータ列毎に斜めに移相し、全てを連続して図５に示すような−４５°のサンプリング面の連続サンプリングデータを生成する。すなわち、あたかもリニアアレイが−４５°の方向に向いているかのようなサンプリングデータ列を生成する。そしてこのサンプリングデータ列をバッファＲＡＭ１１８に書き込む。なお、バッファＲＡＭ１１１、１１２から入力したサンプリングデータ列が階段状の斜めサンプリングデータ、同時サンプリングデータ、連続斜めサンプリングデータのいずれであってもそのサンプリングタイミングを補正する遅延・移相の係数を用いればよい。
【０１１４】
＋４５°サンプリング面生成回路１１４は、バッファＲＡＭ１１１、１１２に記憶されているスキャン周期Ｎ−５〜Ｎ＋４のサンプリングデータ列を上記−４５°サンプリング面生成回路１１５とは逆方向に読み込み、図５に示すような＋４５°のサンプリング面の連続サンプリングデータを生成する。そしてこのサンプリングデータ列をバッファＲＡＭ１１７に書き込む。
【０１１５】
なお、上記の例では、たとえばスキャン周期Ｎからスキャン周期Ｎ＋１までの間は、スキャン周期Ｎのサンプリングデータを用いるようにしているが、中間よりもスキャン周期Ｎのタイミングによっているところはスキャン周期Ｎのデータを用い、スキャン周期Ｎ＋１のタイミングによっているところはスキャン周期Ｎ＋１のデータを用いるようにしてもよい。また、スキャン周期Ｎからスキャン周期Ｎ＋１までの間はスキャン周期Ｎのサンプリングデータとスキャン周期Ｎ＋１のサンプリングとで補間するようにしてもよい。
【０１１６】
ＤＦＴ回路１１９は、０°サンプリング面のサンプリングデータ列をＤＦＴし、０°近辺（正面方向）のビーム形成を実行する。ＤＦＴ回路１２０は、＋４５°サンプリング面のサンプリングデータ列をＤＦＴし、＋４５°近辺（斜め左方向）のビーム形成を実行する。ＤＦＴ回路１２１は、−４５°サンプリング面のサンプリングデータ列をＤＦＴし、−４５°近辺（斜め右方向）のビーム形成を実行する。これらＤＦＴ回路１１９、１２０、１２１が形成する受波ビームを組み合わせることによって全方向について受波ビームをスキャンすることができる。
【０１１７】
なお、ＤＦＴ回路１１９、１２０、１２１は分担を明確にするために分けたもので、高速ＤＳＰなどを用いて処理能力が十分であれば、分離せずに１つの処理回路で行うようにしてもよい。
【０１１８】
また、簡略化するためサンプリングデータ列の形成角度を０°、＋４５°、−４５°としたが、生成する時系列データ数とその角度はビーム幅の範囲、最小受信パルス幅に応じて最適化すればよい。
【０１１９】
【発明の効果】
この発明によれば、受信信号が短いパルス信号であっても全超音波振動子にわたって受波ビームの形成をすることができるため、ビームの指向性や感度を改善でき、ソナー装置に適用した場合には距離分解能を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】円筒形アレイの受信信号に本願発明を適用した場合の例を示す図である。
【図２】リニアアレイの受信信号に本願発明を適用した場合の例を示す図である。
【図３】リニアアレイの受信信号に本願発明を適用した場合の例を示す図である。
【図４】リニアアレイの受信信号に本願発明を適用し、補間データを生成した場合の例を示す図である。
【図５】リニアアレイの受信信号に本願発明を適用した場合の例を示す図である。
【図６】この発明の実施形態である海底探査ソナーのブロック図である。
【図７】同海底探査ソナーのトランスデューサの取り付け形態および送波ビーム，受波ビームを示す図である。
【図８】同海底探査ソナーの受信トランスデューサの構成を示す図である。
【図９】同海底探査ソナーのＡＤ変換器のサンプリングタイミングチャートを示す図である。
【図１０】同海底探査ソナーの演算処理部の移相方式を説明する図である。
【図１１】同演算処理部のビーム形成部の構成を示す図である。
【図１２】ビーム形成部の他の構成例を示す図である。
【図１３】ビーム形成部のシフトレジスタに代えてＲＡＭを用いた例を示す図である。
【図１４】同ビーム形成部の動作を説明する図である。
【図１５】同ビーム形成部の動作を説明する図である。
【図１６】前記演算処理部の移相器の構成を示す図である。
【図１７】受信トランスデューサとしてリニアアレイを用いた場合のビーム形成部の構成例を示す図である。
【図１８】受信トランスデューサとしてリニアアレイを用い、ＤＦＴ演算によってビーム形成幅を広げたビーム形成部の例を示す図である。
【図１９】円筒形アレイのビーム劣化の原因を説明する図である。
【図２０】リニアアレイのビーム劣化の原因を説明する図である。
【符号の説明】
１…トランスデューサ部
２…送受信部
３…演算処理部
１１…送信トランスデューサ
１２…受信トランスデューサ
１３…プリアンプ
１４…バンドパスフィルタ
１５…ＴＶＧアンプ
１６…バンドパスフィルタ
１７…マルチプレクサ
１８…ＴＶＧアンプ
１９…ＡＤ変換器
２０…平均化処理部
２１…移相器
２２…ビーム形成部
５１、６１…６０段シフトレジスタ
５２、６２…１０７段シフトレジスタ
５３、６３…４３段シフトレジスタ
５５、５７、６５、６７…乗算器
５６、５８、６６、６８…加算器
７１…減算器
７２…加算器
７３…振幅検出部
７４…取出回路
８０、８３…１６０段シフトレジスタ
８１、８４…並列ロード１６０段シフトレジスタ
８２、８５…並列ロード１０１段シフトレジスタ
９０…バッファＲＡＭ
９１…書込／読出回路
９２〜９６…マッチドフィルタ部
１００…係数メモリ
１０１…係数選択回路
１０２…乗算器群
１０３…サンプリングデータレジスタ
１０４…（符号付）加算器
１０５…振幅検出回路
１０６…（２波長）遅延回路
１１１、１１２…バッファＲＡＭ
１１３…０°サンプリング面生成部
１１４…＋４５°サンプリング面生成部
１１５…−４５°サンプリング面生成部
１１６、１１７、１１８…バッファＲＡＭ
１１９、１２０、１２１…信号処理部
１３０…ＦＩＦＯメモリ
１３１…乗算部
１３２…（移相係数）メモリ
１３３…減算器
１３４…加算器
【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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【図２０】
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