(57)【要約】【課題】  海中で温度が高い海水層が存在してもエネルギー損失が最小となる条件で音波の放射を行えるようにする。【解決手段】  海水の深度に応じた海水温を計測する温度検出部と、温度検出部で検出された海水温に基づき音速を算出する温度音速変換部と、温度音速変換部で算出された温度を深度と対応させて音速分布として記憶する音速分布記憶部と、音速分布記憶部から音速分布を取得して、音波が周りより温度の高い温度層に入射する際に当該温度層と平行に入射するための放射角を臨界音線角として算出する臨界音線角算出部と、を備える。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を放射する際の放射角を算出する送信角算出装置であって、
海水の深度に応じた海水温を計測する温度検出部と、
前記温度検出部で検出された前記海水温に基づき音速を算出する温度音速変換部と、
前記温度音速変換部で算出された温度を深度と対応させて音速分布として記憶する音速分布記憶部と、
前記音速分布記憶部から前記音速分布を取得して、音波が周りより温度の高い温度層に入射する際に当該温度層と平行に入射するための放射角を臨界音線角として算出する臨界音線角算出部と、
を備えることを特徴とする送信角算出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の送信角算出装置であって、
前記臨界音線角算出部は、前記音速分布から海中での前記温度層の有無を、深度に対する音速の勾配の符号から判断し、前記温度層が存在しない場合には音波が海面に平行に入射するための放射角を前記臨界音線角として算出し、前記温度層が存在する場合には音波が当該温度層の海底側の面に対して平行に入射するための放射角を前記臨界音線角として算出することを特徴とする送信角算出装置。
【請求項３】
音波を放射してその反射音から目標を探知するソーナー装置であって、
請求項１又は２に記載の送信角算出装置と、
前記送信角算出装置から前記臨界音線角の情報を取得し、該情報に基づき放射される音波の指向性を指定する情報を作成して出力する送信制御部と、
前記送信制御部からの指向性を規定する前記情報に基づき、当該指向性が示す方向に音波を放射する送信部と、
を備えることを特徴とするソーナー装置。
【請求項４】
音波を放射する際の放射角を算出する送信角算出方法であって、
温度検出部により海水の深度に応じた海水温を計測し、
温度音速変換部により前記温度検出部で検出された前記海水温に基づき音速を算出し、
音速分布記憶部により前記温度音速変換部で算出された温度を深度と対応させて音速分布として記憶し、
臨界音線角算出部により前記音速分布記憶部から前記音速分布を取得して、音波が周りより温度の高い温度層に入射する際に当該温度層と平行に入射するための放射角を臨界音線角として算出する、
ことを特徴とする送信角算出方法。
【請求項５】
請求項４に記載の送信角算出方法であって、
前記臨界音線角算出部は、前記音速分布から海中での前記温度層の有無を、深度に対する音速の勾配の符号から判断し、前記温度層が存在しない場合には音波が海面に平行に入射するための放射角を前記臨界音線角として算出し、前記温度層が存在する場合には音波が当該温度層の海底側の面に対して平行に入射するための放射角を前記臨界音線角として算出することを特徴とする送信角算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信角算出装置、送信角算出方法、及び、ソーナー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
音波を利用して目標を探知するための装置としてソーナー装置が広く利用されている。そして、このソーナー装置には、自身で音波を放射し、その反射音から目標を探知するアクティブソーナー装置と、目標が発する音波を受信して当該目標を探知するパッシブソーナー装置がある。
【０００３】
アクティブソーナー装置では、上述したように自身から探知音である音波を放射する構成であるため、当該アクティブソーナーの探知能力を最大限に引き出すための工夫が必要となる。
【０００４】
例えば、特開平７−２０２３０号公報においては、音波が水中で屈折することを考慮して、正確にビーム俯角を算出するようにしたソーナーの俯角制御装置が提案されている。即ち、ソーナー，水温測定器，航法装置からの各情報と入力部で入力された信号余剰レベル算出条件と、データ登録部から入力された垂直ビーム領域や信号余剰算出パラメータ等から、音の屈折を考慮しつつ垂直ビーム領域の算出を行う最適ビーム俯角算出部を設けている。この最適なビーム俯角は音波が屈折することを考慮したときの音波の放射角である。
【０００５】
また、特開昭６２−３４０８６号公報においては、水温測定用温度センサと、水温から音波の屈折率を算出して超音波屈折情報として出力する超音波屈折計算用計算機と、ソーナー・トランスデューサか放射される超音波発射角を超音波屈折情報に基づき設定する信号処理装置とを備える船舶用前方監視ソーナーが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２０２３０号公報
【特許文献２】特開昭６２−３４０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特開平７−２０２３０号公報及び特開昭６２−３４０８６号公報にかかる構成では、海中で温度が高い海水層が存在するような場合には、アクティブソーナー装置の能力を最大限に利用した目標探知を行うことが困難であった。これは各公報においては当該海水層で音波が反射、拡散される際のエネルギー損失を考慮した放射角条件を設定していないためである。
【０００８】
そこで、本発明の主目的は、海中で温度が高い海水層が存在してもエネルギー損失が最小となる条件で音波の放射を行えるようにした送信角算出装置、送信角算出方法、及び、ソーナー装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、音波を放射する際の放射角を算出する送信角算出装置にかかる発明は、海水の深度に応じた海水温を計測する温度検出部と、温度検出部で検出された海水温に基づき音速を算出する温度音速変換部と、温度音速変換部で算出された温度を深度と対応させて音速分布として記憶する音速分布記憶部と、音速分布記憶部から音速分布を取得して、音波が周りより温度の高い温度層に入射する際に当該温度層と平行に入射するための放射角を臨界音線角として算出する臨界音線角算出部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、音波を放射してその反射音から目標を探知するソーナー装置にかかる発明は、上記記載の送信角算出装置と、送信角算出装置から臨界音線角の情報を取得し、該情報に基づき放射される音波の指向性を指定する情報を作成して出力する送信制御部と、送信制御部からの指向性を規定する情報に基づき、当該指向性が示す方向に音波を放射する送信部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、音波を放射する際の放射角を算出する送信角算出方法にかかる発明は、温度検出部により海水の深度に応じた海水温を計測し、温度音速変換部により温度検出部で検出された海水温に基づき音速を算出し、音速分布記憶部により温度音速変換部で算出された温度を深度と対応させて音速分布として記憶し、臨界音線角算出部により音速分布記憶部から音速分布を取得して、音波が周りより温度の高い温度層に入射する際に当該温度層と平行に入射するための放射角を臨界音線角として算出する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、音波が周りより温度の高い温度層に入射する際に当該温度層と平行に入射するための放射角を臨界音線角として算出し、この臨界音線角で音波を放射できるようにしたので、ソーナー装置は探知能力を最大限に発揮できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】海中に温度層が存在しない場合の音速分布を示す図である。
【図２】海中に温度層が存在する場合の音速分布を示す図である。
【図３】音速と臨界音線角との関係を説明する図である。
【図４】放射角に対する音波の搬送路を例示した図である。
【図５】アクティブソーナー装置のブロック図である。
【図６】アクティブソーナー装置における音波放射手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態の説明に先立ち、発明の原理を説明する。一般に、海水温は、深さ方向に分布を持つ。このため、海中を伝搬する音波は、スネルの法則に従い温度や深度に影響を受けて屈折する。これは音速Ｖが、式１に示すように、
Ｖ＝ｆ（Ｔ，Ｓ，Ｚ）      …（１）
温度Ｔ、深度Ｚ、塩分濃度Ｓの影響を受けるためである。
【００１５】
図１は海中に温度層が存在しない場合を示し、図２は温度層が存在する場合を示している。なお、ここで言う温度層とは、当該層を挟む領域の温度より高い温度の層を言う。以下、このような温度層をＬＤ層と記載する。
【００１６】
ＬＤ層が存在しない場合の層界面は海面となり、音速は深度に比例して遅くなる。一方、ＬＤ層が存在する場合の層界面はＬＤ層を挟む上下の境界面となり、音速は海面からＬＤ層に近づくに従い大きくなり、ＬＤ層を超えると深度に比例して遅くなる。本実施形態においては、このＬＤ層より深い場所の音波の放射を考える。
【００１７】
このような温度分布を持つ海中で音波を放射して目標を探知する場合、音波の伝搬路は大きく曲げられると共にＬＤ層や海底面で反射されてエネルギー損失を起こす。この結果、音波が遠くの目標まで届かず、当該遠方の目標を探知することができない。以下、音波の伝搬路を音線と記載し、音線が最も遠くまで達する経路を最大到達経路と記載する。
【００１８】
音波がＬＤ層で反射したり、当該ＬＤ層を貫通したりすると、音波は反射や貫通によりエネルギー損失する。従って、このエネルギー損失が最も少ない条件（最大到達条件）のとき、音波は最大到達経路を伝搬することになる。この最大到達条件は、音波が層界面に入射する際の角度（入射角）が「０°」であること、即ち、音線が層界面に平行に入射することである。
【００１９】
入射角が「０°」となるか否かは、音波の放射角に依存する。以下、入射角が「０°」となる放射角を臨界音線角と呼ぶ。本実施形態においては、温度分布から臨界音線角を算出し、当該算出された臨界音線角により音波を放射する。
【００２０】
図３は音速と臨界音線角との関係を説明する図である。音波は水平線に対して角度φで放射され、層界面に対して入射角θで入射する。このときスネルの法則より、
ｓｉｎ（９０°）／ｓｉｎ（９０°−θ）＝Ｖ２／Ｖ１
が成り立つ。入射角θと出射角φとは、
φ＝９０°−θ
の関係が成り立つので、臨界音線角φは、
φ＝ａｒｃＣＯＳ（Ｖ１／Ｖ２）      …（２）
となる。
【００２１】
従って、この臨界音線角φより大きな角度で放射されると、音波は、層界面で反射・散乱されてエネルギー損失を起こす。図４は、放射角に対する音波の搬送路を例示した図である。図４において点線（曲線Ｃ１）は、臨界音線角φより大きな角度で音波が放射されて、層界面の位置Ｐ１で反射され、その反射音が海底の位置Ｐ２で反射されて目標に到達する場合を示している。また、実線（曲線Ｃ２）は、音波は臨界音線角φで放射されて、入射角が「０°」で位置Ｐ０の層界面に達し、反射や散乱されることなく目標に到達する場合を示している。先に述べた最大到達経路とは、曲線Ｃ２で例示する経路である。
【００２２】
図５は、このような原理に基づき構成された送信角算出装置１０を備えるアクティブソーナー装置２のブロック図である。アクティブソーナー装置２は、温度分布から放射角情報を演算して出力する送信角算出装置１０、放射角情報に従った放射角で音波を放射する送信装置２０を備えている。
【００２３】
また、送信角算出装置１０は、水温検出部１１、温度音速変換部１２、音速分布記憶部１３、臨界音線角算出部１４を備える。送信装置２０は、送信制御部２１、送信部２２を備える。以下、図６に示すアクティブソーナー装置２における音波放射手順を示すフローチャートに従い各構成を詳細に説明する。
【００２４】
ステップＳ１：  水温検出部１１は、海水温を検出する。なお、この水温検出部１１は、洋上の探索船等から海中に吊下可能に設けられて海中の温度を深度に応じて検出する。無論、探索船等が潜行できる場合には、当該探索船と共に潜行して深度に応じた温度を検出しても良い。
【００２５】
ステップＳ２：  温度音速変換部１２は、水温検出部１１で検出された温度を音速に変換する。このときの変換は、例えば下記のＭａｃｋｅｎｚｉｅの式
Ｖ＝１４４８．９６＋４．５９１Ｔ−５．３０４＊１０−２Ｔ２＋２．３７４＊１０−４＊Ｔ３
＋１．３４（Ｓ−３５）＋１．６３＊１０−２Ｚ＋１．９７５＊１０−７Ｚ２
−１．０２５＊１０−２Ｔ（Ｓ−３５）−７．１３９＊１０−１３ＴＺ３
に従って求めることができる。ここで、Ｓは塩分濃度、Ｚは深度、Ｔは水温、Ｖは音速である。
【００２６】
ステップＳ３：  音速分布記憶部１３は、温度音速変換部１２で算出された音速を深度と共に記憶する。なお、温度計測から音速分布の記憶までの手順は、音波放射に先立ち予め実行しておくことが可能である。
【００２７】
ステップＳ４：  臨界音線角算出部１４は、音速分布記憶部１３から音速分布を取得し、ＬＤ層の存在を判断する。ＬＤ層の判断は、深度に対する音速の勾配符号が逆転する場所があるか否かにより行う。即ち、図２に示すように、ＬＤ層を境に音速の勾配の符号が変わる。このような場所が音速分布から検出されると、臨界音線角算出部１４はＬＤ層が存在すると判断する。
【００２８】
ステップＳ５：  次に、臨界音線角算出部１４は音波を放射する位置の音速とＬＤ層の界面との音速を音速分布記憶部１３から取得する。そして、式２に従い臨界音線角φを算出し、これを放射角情報として送信装置２０に出力する。
【００２９】
ステップＳ６：  送信装置２０の送信制御部２１は、送信角算出装置１０からの放射角情報に基づき送信ビームシフト角を制御するための位相情報を作成し、これを制御情報として出力する。ソーナーが複数の放射源を備える場合に、各放射源からの音波の位相を調整することによりソーナーからの音波の指向性を設定できる。先の位相情報は、各放射源からの音波の位相を指定する情報である。
【００３０】
ステップＳ７：  送信部２２は、制御情報の指示する方向に指向性を持つ音波を放射する。
【００３１】
このように、音線がＬＤ層の界面で平行になるように、臨界音線角を求めて、これに従い音波を放射するので、音波を最大到達経路で伝送させることが可能になり、アクティブソーナーの探知性能を最大に引き出せるようになる。
【００３２】
また、このような臨界音線角は一意に決めることができるため、演算負荷が軽減できて、信頼性の向上及び装置のコストダウンが可能になる。
【符号の説明】
【００３３】
２  アクティブソーナー装置
１０  送信角算出装置
１１  水温検出部
１２  温度音速変換部
１３  音速分布記憶部
１４  臨界音線角算出部
２０  送信装置
２１  送信制御部
２２  送信部
【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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