(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面上に超音波振動素子を配置した水中探索用超音波送受波器において、
前記振動素子が、水中探索を行おうとする範囲で、前記球面に内接する正多面体の頂点位置に配置されるとともに、前記正多面体の各辺を前記球面上に大円の一部となるように投影して得られる球面上の稜線に囲まれる球表面の同一形状の曲面を、該曲面上で大円の一部となる円弧にて分割を繰り返したときの稜線の交点位置に配置されている
ことを特徴とする水中探索用超音波送受波器。
【請求項２】
球面上に相互に実質的に等間隔と見なせる間隔で振動素子を多数配置させた球面アレイと、
送信時には、前記振動素子を並列接続する並列接続手段と、
受信時には、前記振動素子を複数の同心円環状に接続する同心円環状接続手段と、
複数の同心円環状に接続された振動素子の受信出力信号に対して振幅シェーディングと位相遅延をかけて合成し、前記球面アレイの中心と前記同心円環の球面状の中心とを結ぶ線を指向性主軸とする細いビームを形成するビームフォーミング手段と、
前記複数の同心円環を前記球面アレイ上で同心円状またはスパイラル状に連続して切り換えるスキャニング手段と、
前記ビームフォーミング手段の出力を記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶された出力を表示する表示器と
を備え、
前記振動素子が、水中探索を行おうとする範囲で、前記球面に内接する正多面体の頂点位置に配置されるとともに、前記正多面体の各辺を前記球面上に大円の一部となるように投影して得られる球面上の稜線に囲まれる球表面の同一形状の曲面を、該曲面上で大円の一部となる円弧にて分割を繰り返したときの稜線の交点位置に配置されていることを特徴とする水中探索装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、海中の魚群を捕捉し映像として表示する魚群探知機等に適用して好適な水中探索用超音波送受波器および水中探索装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置の従来技術として、サーチライトソナーやスキャニングソナーが実用化されている。
【０００３】
サーチライトソナーは、送受信がともに同一の細いビームパターンで行われるソナーシステムであり、船底のドーム内に配置されて超音波を送受する送受波器をサーチライトのように方位角、俯角をともにリモコン操作して機械的に任意の方向に向ける機構を有し、１回の送信で所望の１つの方向を探索することができる。
【０００４】
スキャニングソナーとしては、セクタスキャニングソナーや半周型スキャニングソナーおよび全周型スキャニングソナーがある。
【０００５】
セクタスキャニングソナーは、超音波振動素子を直線状に多素子配列して送受波器を構成したものであり、半周型スキャニングソナーは、超音波振動素子を円弧状に多素子配列して送受波器を構成したものであり、これらのスキャニングソナーにおいても、送受波器を方位角、俯角方向にリモコン操作により向ける機構を有する。このセクタスキャニングソナーによれば、ある範囲、例えば平面内の９０°の範囲を１回の超音波の送信で探索することができる。
【０００６】
全周型スキャニングソナーは、円筒表面の円周方向と軸方向に分割配列された多数の振動素子により送受波器が構成されている。この全周型スキャニングソナーによれば、円筒軸方向に対する水平方向の全周３６０°にわたって１回の超音波の送信により探索することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サーチライトソナーは、ある１つの方向を探索するのに、送受波器から超音波パルスを送波した後、所定の探索距離の反射エコーが帰来するまでの間、送受波器をその方向に指向させておく必要がある。このため、広範囲を探索する場合には探索範囲に応じた測定時間を要し、周囲の探索状況が時々刻々変化する例えば動きの早い魚群の探索には自ずと限界がある。
【０００８】
これに対して、セクタスキャニングソナーや半周型スキャニングソナーによれば、サーチライトソナーに比較して探索時間が数分の１あるいは１０分の１程度に格段に短縮されるが、依然として、水面下全方向といった広範囲の探索を行う場合には数十秒の時間を要するという問題がある。
【０００９】
一方、全周型スキャニングソナーにおいて、受信ビームは、円筒軸方向に対する水平方向の全周（３６０°）を１〜２ｍｓで探索することができるが、円筒状多素子配列という配列形状の制約から円筒軸直下方向の音響特性が極端に劣化し、その方向の探索が事実上不可能になるという問題がある。
【００１０】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、水面下の全方向を短時間で探索することを可能とする水中探索用超音波送受波器および水中探索装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、この発明は、探索方向として水面下の所望の方向に切り変えて短時間で探索すること、あるいは水平方向全周３６０°を短時間で探索することを可能とする水中探索用超音波送受波器および水中探索装置を提供することを目的とする。
【００１２】
さらに、この発明は、探索範囲の遠距離、中距離または近距離に応じて容易に動作を最適化することを可能とする水中探索用超音波送受波器および水中探索装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この項では、理解の容易化のために、図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容が、その符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
【００１８】
この発明の水中探索用超音波送受波器は、球面上に配置される超音波振動素子を、水中探索を行おうとする範囲で、前記球面に内接する正多面体の頂点位置に配置するとともに、前記正多面体の各辺を前記球面上に大円の一部となるように投影して得られる球面上の稜線に囲まれる球表面の同一形状の曲面を、該曲面上で大円の一部となる円弧にて分割を繰り返したときの稜線の交点位置に配置する。
【００１９】
このようにすれば、超音波振動素子を球面上に機械的に均一かつ緻密に配置することができる。
【００２１】
この発明の水中探索装置は、球面上に相互に実質的に等間隔と見なせる間隔で振動素子が多数配置された球面アレイを、送信時には、並列接続手段２２により前記振動素子を並列接続して送信し、受信時には、同心円環状接続手段２６により前記振動素子を複数の同心円環（＃Ｒ１、＃Ｒ２、…、＃ＲＮ）状に接続して受信し、ビームフォーミング手段２８により複数の同心円環状に接続された振動素子の受信出力信号Ｑ１〜ＱＮに対して振幅シェーディングと位相遅延をかけて合成し、前記球面アレイの中心と前記同心円環の球面状の中心とを結ぶ線を指向性主軸ＭＡとする細いビームを形成し、スキャニング手段（２６、１６）により前記複数の同心円環を前記球面アレイ上で同心円状またはスパイラル状に連続して切り換えて、前記ビームフォーミング手段の出力を記憶手段３２により記憶し、該記憶手段に記憶された出力を表示器３６に表示する。そして、球面上に配置される超音波振動素子は、水中探索を行おうとする範囲で、前記球面に内接する正多面体の頂点位置に配置するとともに、前記正多面体の各辺を前記球面上に大円の一部となるように投影して得られる球面上の稜線に囲まれる球表面の同一形状の曲面を、該曲面上で大円の一部となる円弧にて分割を繰り返したときの稜線の交点位置に配置されている。
【００２２】
本発明によれば、１回の送信により、例えば、水平方向３６０°の表示器上での探索ばかりでなく、水面下全方向の表示器上での探索をも高速に行うことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、この発明の一実施の形態の水中探索装置１０の電気回路的構成を示している。
【００３０】
この図１例の水中探索装置１０は、この実施の形態の水中探索用超音波送受波器としての球面アレイ送受波器１２を有している。球面アレイ送受波器１２は、球面４０上に超音波振動素子（以下、単に振動素子ともいう。）１４が相互に略等間隔で多数配置された構成とされ、船底等に配置される。
【００３１】
この球面アレイ送受波器１２は、ＣＰＵ（スキャニング手段、探索範囲設定手段、周波数可変手段）１６からの制御信号に基づき駆動信号発生回路１８、送信回路２０および送受切換回路（並列接続手段）２２を介して励振される。すなわち、ＣＰＵ１６からの制御信号を受け取った駆動信号発生回路１８は、探索距離の設定に応じて送信時の球面アレイ送受波器１２の後述する各円環状の振動素子１４を励振する各駆動信号を発生する。これらの駆動信号は送信回路２０により電力増幅され、送受切換回路２２を介して球面アレイ送受波器１２を構成する各振動素子１４を励振する。
【００３２】
これにより、球面アレイ送受波器１２を構成する各振動素子１２から、水中の全方向あるいは所望の方向に超音波ビームが発射される。
【００３３】
全方向あるいは所望の方向に発射された超音波ビームが、図示しないターゲットにより反射され、反射エコーとして球面アレイ送受波器１２に帰来する。そして、反射エコーは、球面アレイ送受波器１２を構成する各振動素子１４により形成される受信ビームに基づき、電気信号としての受信信号（反射エコー信号または反射エコーともいう。）に変換され、送受切換回路２２を介してプリアンプ２４に供給され、該プリアンプ２４にて所定のレベルに増幅されてスイッチング部（スキャニング手段、同心円環状接続手段）２６に供給される。
【００３４】
スイッチング部２６は、ＣＰＵ１６の制御下に、受信ビームを合成する振動素子１４を高速に選択し、ビーム合成回路（ビームフォーミング手段）２８に受信信号を送る。
【００３５】
ビーム合成回路２８は、後述するように、受信ビームを合成する円形開口において同心円環に分割された各出力を所定の整相処理とシェーディング処理を行って加算し、受信ビームを合成し、ＴＶＧ（Time Variing Gain ）回路３０へ送る。
【００３６】
ＴＶＧ回路３０は、周知のように、ターゲットまでの距離に係わらず受信信号レベルが一定となるように、距離に応じて利得を可変して受信信号を増幅した後、その出力信号を内蔵の検波器で検波し、さらに内蔵のＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号である受信信号に変換する。
【００３７】
ＣＰＵ１６は、このデジタル信号を、受信ビームのスキャニング方位（ｘｙｚの３次元方位）と距離情報に対応させて記憶手段であるメモリ３２に記憶させる。
【００３８】
さらに、ＣＰＵ１６は、スキャニング方位と距離情報から受信信号の３次元座標を算出し、その算出した座標値とともに、メモリ３２に記憶してあるデジタル信号をインタフェース部３４を介してカラーＣＲＴ等の表示器３６に転送する。
【００３９】
表示器３６では、このデジタル信号を内蔵のＤ／Ａ変換器によりアナログの映像信号に変換し、表示器３６上にターゲットに関する受信ビームに対応する３次元映像を表示する。
【００４０】
この発明の一実施の形態に係る水中探索装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その要部の詳細な構成およびその動作を説明する。
【００４１】
まず、球面アレイ送受波器１２について、その球面４０上に実質的に等間隔と見なせる間隔で振動素子１４を配置させる技術について説明する。
【００４２】
図２は、中心Ｏを有する球面４０と、その球面４０に内接する正多面体の例としての正２０面体４２を示している。なお、図２においては、便宜上、船体の方向（真上方向ともいう。）の軸をＺ軸、水中鉛直直下方向（真下方向ともいう。）の軸をＺ′軸としている。
【００４３】
振動素子１４は、基本的には、正２０面体４２を構成する各正三角形の頂点位置に、各振動素子１４の振動面の法線ベクトルが球の半径方向の外側に向かう方向と一致するように配置する。なお、実際上、振動素子１４は、図１に模式的に示すように、球面アレイ送受波器１２から見て船底方向であるＺ方向には配置する必要がなく、水中探索を行おうとする範囲で、球面４０に内接する正多面体の少なくとも頂点位置に配置すればよい。
【００４４】
図３は、図２に示す正２０面体４２を構成する１つの正三角形ＡＢＣにおいて、各辺ＡＢ，ＢＣ，ＣＡを球の大円（球面４０を、その中心Ｏを通る平面で切ったとき、切り口に現れる円）の一部となるように、球面４０に投影した図を示している。
【００４５】
このようにして作図された球面４０上の曲面三角形ＡＢＣにおいて、投影された弧（稜線であり、曲線であることに注意）ＡＢ，ＢＣ，ＣＡの中点に点Ａ′，Ｂ′，Ｃ′を採る。そして、さらに、球面４０上の正２０面体４２を構成する各三角形に対応する全ての曲面三角形の弧の各中点Ａ′，Ｂ′，Ｃ′に振動素子１４を配置する。
【００４６】
次に、新たに作図された正三角形Ａ′Ｂ′Ｃ′の各辺（直線）Ａ′Ｂ′，Ｂ′Ｃ′，Ｃ′Ａ′が同様に球の大円の一部となるように球面４０上に投影し、弧Ａ′Ｂ′，Ｂ′Ｃ′，Ｃ′Ａ′を作図する。
【００４７】
このようにして作成された球面４０上の４個の曲面三角形Ａ′ＢＢ′，Ｂ′ＣＣ′，Ｃ′ＡＡ′，Ａ′Ｂ′Ｃ′について、各々の辺の中点を採り、それらの中点を振動素子１４の新たな配置位置とする。
【００４８】
そして、以上のような分割過程を正２０面体４２の各面（各正三角形）について同時に行うことによって振動素子１４を球面４０上に相互に略等間隔（実質的に等間隔と見なされる間隔位置）に配置することができる。
【００４９】
このように振動素子１４を配置していけば、配置された超音波振動素子１４について、隣り合う振動素子１４間の間隔（距離）をｄとし、該間隔ｄのばらつきの平均値をｄｍとしたとき、振動素子１４は、各間隔ｄが次の（１）式を満足するように容易に配列することができる。
【００５０】
０．９ｄｍ＜ｄ＜１．１ｄｍ              …（１）
図４は、振動素子１４が略等間隔に配置された球面アレイ送受波器１２（図１に示したものと同一のものである。）を示している。
【００５１】
上述した、球面４０上に実質的に等間隔と見なせる間隔で振動素子１４を配置させる技術によれば、球面４０の全周にわたって略等間隔に振動素子１４を配置することが可能であるが、上述したように、船底等に取り付けられる球面アレイ送受波器１２としては、水中探索を行おうとする範囲、この実施の形態では、水面下の半球面方向（真下方向と水平方向）、換言すれば、水面下全方向に探索範囲を限定しているため、Ｚ軸方向側の上面部の振動素子１４は、取り付けないようにしてコストを削減している。
【００５２】
以上のように、球面アレイ送受波器１２は、振動素子１４が、水中探索を行おうとする範囲で、球面４０に内接する正２０面体４２の頂点位置に配置されるとともに、前記正２０面体４２を構成する正三角形の各辺を、球面４０上に大円の一部となるように投影して得られる球面上の稜線で囲まれる球表面（球面）の同一形状の曲面を、該曲面上に大円の一部となる円弧にて分割を繰り返したときの稜線の交点位置に配置されるようにしている。
【００５３】
この場合、球面４０に内接する正多面体は、正２０面体４２に限らず、正４面体、正６面体、正８面体または正１２面体とすることができるが、前記頂点位置と前記交点位置に配置される振動素子１４の隣り合う配置間隔の均一性の観点からは、より多面体、すなわち正２０面体４２から出発して交点を作図した方がより等間隔性を得られる点で有利である。
【００５４】
以上の説明が、球面４０上に実質的に等間隔と見なせる間隔で振動素子１４を配置させる技術の説明である。
【００５５】
次に、受信時におけるビーム（受信ビーム）の合成技術の例について説明する。
【００５６】
受信ビームは、球面アレイ送受波器１２の探索範囲である水面下全方向中、任意の方向に指向させることができる。
【００５７】
図５は、振動素子１４が球面アレイ送受波器１２上に配置される位置である、球面４０上のある交点Ｏ′を中心とした円形開口４８内に含まれる振動素子１４からなる振動素子群１１４により形成される受信ビーム４６の形状を模式的に示している。
【００５８】
図６は、円形開口４８内に含まれる振動素子１４が、受信時には、中心である交点Ｏ′から、それぞれ、Ｎ個の同心円環＃Ｒ１、＃Ｒ２、…、＃ＲＮ内毎の振動素子群１１４Ｒ１、１１４Ｒ２、…、１１４ＲＮに分割される様子を示している。ここで、同心円環＃Ｒ１、＃Ｒ２、…、＃ＲＮの各幅は、超音波の伝搬波長をλとするとき、λ／２（半波長）に選択されている。幅をλ／２に選択した理由は、幅をλ／２の近傍とすることにより、受信ビーム４６で発生するサイドローブを抑制することができるからである。
【００５９】
各同心円環＃Ｒ１、＃Ｒ２、…、＃ＲＮに含まれる振動素子１４からの各受信信号は、スイッチング部２６を構成するスイッチにより、後述するように、振動素子１４が相互に接続されるようにして、合成される。
【００６０】
図７は、ある交点Ｏ′において、受信ビーム４６を形成する際の整相処理とシェーディング処理の説明に供される線図である。相互に接続された各同心円環＃Ｒ１、＃Ｒ２、…、＃ＲＮに含まれる振動素子１４の受信出力信号は、図７中の矢印群で模式的に示すように、球面の曲率を原因とする位相誤差を補正するための整相処理（受信出力信号を交点Ｏ′の接平面である整相面５０上の信号とすること。）が必要とされ、また、受信ビームの主軸指向方向（指向性主軸）ＭＡにおける指向性サイドローブを低減するためのシェーディング分布５２に基づくシェーディング処理が必要とされる。
【００６１】
図８は、球面アレイ送受波器１２において、球面４０の半径を８λ、所望の受信ビーム４６を合成するための円形開口４８（図５参照）の半径を４λ、振動素子１４の半径を０．２５λとした場合の正２０面体４２から形成された各交点上への振動素子１４の水平方向の配置例を示している。なお、図８において、Ｘ軸，Ｙ軸は、それぞれ、波長λ毎の目盛を付けている。
【００６２】
図９は、シェーディング分布５２としてハミング分布とした場合の、図８配置例の受信ビームパターン（図６の受信ビーム４６の一例としてのパターン）５４のシミュレーション波形を示している。受信ビーム指向方向ＭＡで指向性を０ｄＢに規格化している。この受信ビームパターン５４によれば、指向方向幅（受信ビーム幅）が約６°（−３ｄＢ全幅）ときわめて急峻であり、また、サイドロープが−３０ｄＢ程度以下ときわめて小さい値になっており、探索のためにきわめて優れた受信ビームパターン５４となっていることが分かる。
【００６３】
次に、送信時における送信ビームの形成方法の例について説明する。
【００６４】
送信ビームは、探索距離に応じて送信ビームパターンを切り換えるように構成している。
【００６５】
図１０は、球面アレイ送受波器１２を垂直軸Ｚ−Ｚ′に対して輪切りした円環＃１、＃２、…、＃Ｍの模式図を示している。
【００６６】
各円環＃１、＃２、…、＃Ｍ内の振動素子群１１４＃１、１１４＃３、…、１１４＃Ｍは、送信時に送信信号が合成されるように、相互に接続される。
【００６７】
図１１は、探索距離が遠距離である場合の各円環＃１、＃２、…内の振動素子群１１４＃１、１１４＃３、…、１１４＃ｍ（ｍ＜Ｍ）を励振するための振幅と位相の最適設定状態を示している。すなわち、整相面５９で位相が一致するように各円環＃１、＃２、…内の振動素子群１１４＃１、１１４＃３、…、１１４＃ｍ（ｍ＜Ｍ）毎に所定の遅延をかけ、かつ整相方向ＭＢにおいて、送信ビームのサイドロープが小さくなるように、例えば、ハミング分布のようなシェーディング分布６１に基づくシェーディング処理を行う。
【００６８】
図１２、図１３、図１４は、それぞれ、図１１の遠距離探索時に対応する励振円環群６０（図中、ハッチングで示した部分）とその送波指向性パターン（送信指向性パターン、送波ビーム）６６の例、中距離探索時に対応する励振円環群６２（図中、ハッチングで示した部分）とその送波指向性パターン（送信指向性パターン、送波ビーム）６８の例、近距離探索時に対応する励振円環群６４（図中、ハッチングで示した部分）とその送波指向性パターン（送信指向性パターン、送波ビーム）７０の例を示している。
【００６９】
図１２から分かるように、遠距離探索時には、球面アレイ送受波器１２の中央部分の励振円環群６０を用いて水平方向にサイドローブの小さい鋭い送波ビーム６６を形成し、水平方向の送波音圧レベルの増大を図っている。
【００７０】
また、図１３から分かるように、中距離探索時においては、ターゲットが少し接近していることを考慮して、励振円環群６２を、遠距離探索時に比較して少し下側にずらしている。このように少し下側にずらした励振円環群６２を用いることにより、垂直面指向性を水平方向に対して角度θ°だけティルトし、かつ送波ビーム６８のビーム幅を若干広げた形状とすることができる。
【００７１】
さらに、図１４から分かるように、近距離探索時においては、球面アレイ送受波器１２を構成する全ての振動素子１４を同位相・同振幅で励振する励振円環群６４とすることで、水面下全方向を探索可能な略無指向性の送波指向性パターン７０とすることができる。
【００７２】
そして、送信後、直ちに受信状態となり、図５を参照して説明した受信ビーム（受波ビームともいう。）４６は、上記遠距離、中距離および近距離の探索距離の切り替えに応じて、探索範囲内を均一にカバーするように垂直軸Ｚ−Ｚ′を中心として円心状またはスパイラル状に高速に走査（スキャニング）される。
【００７３】
図１５は、送受切換回路２２の詳細な構成と、この送受切換回路２２に接続される球面アレイ送受波器１２と送信回路２０とプリアンプ２４との詳細な接続関係を示している。
【００７４】
送信回路２０は、図１０に示した送信時に分割される円環＃１、＃２、…、＃Ｍの個数と同数の送信回路２０＃１〜２０＃Ｍから構成されている。送受切換回路２２は、送受切換回路２２＃１〜２２＃Ｍから構成される。
【００７５】
送信回路２０＃１の出力は、送受切換回路２２＃１を構成する互いに逆方向に接続された（それぞれのアノードが、それぞれ他方のカソードに接続された）ダイオードＤを介して、円環＃１に含まれる振動素子群１１４＃１を構成する複数の各振動素子１４＃１の正極に接続されている。
【００７６】
また、各振動素子１４＃１の正極は、送受切換回路２２＃１を構成するコンデンサＣとインダクタンスＬの直列共振回路を通じて接地されている。この場合、コンデンサＣとインダクタンスＬとの中点と、接地との間に、送受切換回路２２＃１を構成する互いに逆方向に接続されたダイオードＤが配されている。
【００７７】
さらに、各振動素子１４＃１の負極側は、送受切換回路２２＃１を構成する互いに逆方向に接続されたダイオードＤを介して接地されるとともに、対応する各プリアンプ２４＃１の入力側に接続されている。
【００７８】
他の送信回路２０＃２〜送信回路２０＃Ｍに係わる構成も、上述の送信回路２０＃１の構成と同様であるが、各送信回路２０＃１、送信回路２０＃２、…、送信回路２０＃Ｍにより駆動される振動素子群１１４＃１、１１４＃２、…、１１４＃Ｍに含まれる振動素子１４＃１、振動素子１４＃２、…、振動素子１４＃Ｍの個数は、図１０からも明らかなように、Ｚ−Ｚ′軸方向の中央部が最大の数となり、その中央部からＺ軸およびＺ′軸に向かう毎に徐々に少ない数となる。
【００７９】
プリアンプ２４＃１、プリアンプ２４＃２、…、プリアンプ２４＃Ｍの各個数は、それぞれ、対応する円環＃１、＃２、…、＃Ｍにそれぞれ含まれる振動素子１４＃１、１４＃２、…、１４＃Ｍの個数に等しい数となる。
【００８０】
送信回路２０＃１〜２０＃Ｍの入力端子＃１〜＃Ｍには、図示していないＭ個の駆動信号発生回路１８（１８＃１〜１８＃Ｍ：図１参照）から、それぞれ、駆動信号Ｐ１〜ＰＭが供給される。
【００８１】
それら駆動信号発生回路１８＃１〜１８＃Ｍには、ＣＰＵ１６からそれぞれ、駆動信号発生用制御信号と、例えば、１０ＭＨｚの基準クロック信号が供給される。
【００８２】
図１６は、送信回路２０＃１に供給される送信回路駆動信号Ｐ１の波形例を示している。各駆動信号発生回路１８＃１〜１８＃Ｍは、それぞれカウンタ（計数回路）を内蔵しており、ＣＰＵ１６から供給される上記１０ＭＨｚの基準クロック信号を分周し、超音波送信キャリア周波数ｆ０（＝１／ｔ０）、パルス幅Ｔｗ、パルス繰り返し周期Ｔ０のトーンバースト波送信パルスである送信回路駆動信号Ｐ１を発生する。この場合、ＣＰＵ１６は、駆動信号発生用制御信号により、各駆動信号発生回路１８＃１〜１８＃Ｍに内蔵されるカウンタをプリセットさせることで、各送信パルスＰ１〜ＰＭの位相（立ち上がりタイミングＴｓ）の設定を行うとともに、パルス幅Ｔｗの期間のみカウンタを動作させる制御を行う。
【００８３】
なお、各送信回路２０＃１〜２０＃Ｍの出力側には、それぞれ、図１７に示すような出力トランス７２が配され、この出力トランス７２の２次コイル７２ｂ側のタップ７２ｃをリレー７４で切り換えることにより、図１１、図１２に示した遠距離探索時における円環＃１〜＃Ｍのシェーディング分布６１に対応するシェーディング処理を行うことができる。実際上、出力トランス７２の２次コイル７２ｂ側には、図１８に示す正弦波のトーンバースト信号Ｓ（Ｓ１〜ＳＭ）が発生され、送受切換回路２２＃１〜２２＃Ｍを通じて球面アレイ送受波器１２を構成する各振動素子１４＃１〜１４＃Ｍに供給される。
【００８４】
各送信回路２０＃１〜２０＃Ｍに入力される駆動信号Ｐ１〜ＰＭとしては、図１３に示す中距離探索時および図１４に示す近距離探索時には、図１８の波形図中の駆動信号Ｐ１（図１６に示した波形と同じ波形）と同一（振幅が等しく同相で同一タイミング）の駆動信号が、駆動信号Ｐ２〜ＰＭとしても、各送信回路２０＃２〜２０＃Ｍに供給される。
【００８５】
これに対して、図１１および図１２を参照して説明した遠距離探索時には、整相面５９で同相となるように、駆動信号Ｐ１〜ＰＭに、例えば、図１８の駆動信号Ｐ２に示すような、位相ΔＰが与えられて送信回路２０＃１〜２０＃Ｍに供給される。
【００８６】
このような送信回路２０＃１〜２０＃Ｍの入力信号としての駆動信号Ｐ１〜ＰＭに対して、それぞれ同相の正弦波のトーンバースト信号Ｓ（Ｓ１〜ＳＭ）（図１８中には、駆動信号Ｐ１と同相のトーンバースト信号Ｓ１のみを描いている。）が、それぞれ、球面アレイ送受波器１２を構成する振動素子群１１４＃１（１４＃１）、１１４＃２（１４＃２）、…、１１４＃Ｍ（１４＃Ｍ）に、送信回路２０  ＃１〜２０＃Ｍの出力信号として供給される。
【００８７】
なお、図１８に示すトーンバースト信号Ｓ（Ｓ１〜ＳＭ）の振幅Ｖａは、送信回路２０を構成する出力トランス７２（図１７参照）のシェーディングに依存するが、通常、Ｖａ＝１００Ｖｐ−ｐ〜１０００Ｖｐ−ｐである。
【００８８】
図１９は、送信時における送受切換回路２２（図１９では、代表として送受切換回路２２＃１のみを詳しく描いている。）の等価回路を示している。この送信時等価回路の動作を送受切換回路２２＃１を例として、図１５の回路と対照しながら説明する。なお、残りの送受切換回路２２＃２〜２２＃Ｍも同じ動作である。
【００８９】
ここで、図１５中の送受切換回路２２中の直列共振回路を構成するコンデンサＣとインダクタンスＬの共振周波数ｆｒは、超音波送信キャリア周波数ｆ０と同一の周波数（ｆｒ＝ｆ０）に設定されている。
【００９０】
この場合、送信時には、図１８に示した、電圧振幅Ｖａ＝１００Ｖｐ−ｐ〜１０００Ｖｐ−ｐのトーンバースト信号Ｓ１が送受切換回路２２＃１に供給されるので、互いに逆方向に接続されたダイオードＤ（送信回路２０＃１と振動素子１４＃１の正極との間のダイオードＤと、振動素子１４＃１の負極と接地との間のダイオードＤ）は、図１９に点線の引き出し線で示すように、全て短絡状態となる。
【００９１】
したがって、送信時には、各振動素子１４＃１が並列的に接続されることになる、この場合、コンデンサＣの容量を、超音波送信キャリア周波数ｆ０でのインピーダンス｛１／２πｆ０×Ｃ｝が、並列接続されている各振動素子１４＃１の合成インピーダンスと比較して５倍以上の大きさに選択しておくことにより、コンデンサＣは、ほぼ開放状態と考えることができる。このとき、各振動素子１４＃１から超音波が水中に発射される。
【００９２】
図２０は、受信時における送受切換回路２２（図２０では、代表例として送受切換回路２２＃１のみを描いている。）の等価回路を示している。この受信時等価回路の動作を送受切換回路２２＃１を例として、図１５の回路と対照しながら説明する。なお、受信時において、残りの送受切換回路２２＃２〜２２＃Ｍも送受切換回路２２＃１と同じ動作である。
【００９３】
受信時において、各振動素子１４＃１の正負電極間に誘起する受信電圧は、数μＶ〜数十μＶと微小なオーダーであるため、各ダイオードＤは、開放状態となる。また、コンデンサＣとインダクタンスＬとによる直列共振回路は、短絡状態（インピーダンスがゼロ値）となる。したがって、各振動素子１４＃１の正極は、接地状態となり、各振動素子１４＃１の負極に発生する受信電圧が、それぞれ独立にプリアンプ２４＃１を介し、出力端子＃１を通じてスイッチング部２６＃１に供給されることとなる。
【００９４】
図２１は、受信時におけるスイッチング部２６とビーム合成回路２８の詳細な接続回路構成を示している。
【００９５】
スイッチング部２６を構成するアナログスイッチ２６＃１〜２６＃Ｍに、球面アレイ送受波器１２を構成する全ての振動素子１４（１４＃１〜１４＃Ｍ）で受信された受信信号が供給される。なお、全ての振動素子１４には、異なる識別番号が付与されている。
【００９６】
アナログスイッチ２６＃１〜２６＃Ｍは、ＣＰＵ１６からのスイッチ制御信号により、入出力の任意の端子が接続されるように構成されている。
【００９７】
この場合、上述したように、アナログスイッチ２６＃１〜２６＃Ｍの入力側には、球面アレイ送受波器１２を構成する全ての振動素子１４（１４＃１〜１４＃Ｍ）で受信された受信信号が供給され、アナログスイッチ２６＃１〜２６＃Ｍの出力側には、図６に示した受信に係わる同心円環＃Ｒ１〜＃ＲＮ個分の端子が接続され、アナログスイッチ２６＃１〜２６＃Ｍまでの出力が、各同心円環＃Ｒ１〜＃ＲＮ毎に相互に接続され、受信出力信号Ｑ１〜ＱＮとされて混合回路であるミキサ回路８０＃１〜８０＃Ｎにそれぞれ供給される。
【００９８】
ここで、図５に例を示したように受信ビーム４６は、上述した遠距離探索、中距離探索、近距離探索の探索距離の切り換えに応じて、探索範囲内を均一にカバーするようにＺ−Ｚ′軸を中心として、同心円状またはスパイラル状に高速にスキャニングする。例えば、超音波送信キャリア周波数ｆ０＝２８ｋＨｚで、図１２に示すような遠距離探索送信時には、図５に示すように、水平方向３６０°にわたり受信ビーム４６がスキャニングすればよい。
【００９９】
上述したように、球面アレイ送受波器１２を構成する全ての振動素子１４には、シリーズ番号（異なる識別番号）が付されており、また、受信ビーム４６を特定の方向に指向させるために用いる円形開口４８の振動素子群１１４を構成する振動素子１４のシリーズ番号が、ＣＰＵ１６内にテーブルとして記憶されているので、ＣＰＵ１６からの切換制御信号により各アナログスイッチ２６＃１〜２６＃Ｍ中の該当するスイッチが瞬時に切り換えられて所望の振動素子１４の受信信号が選択されビーム合成回路２８に取り込まれる。
【０１００】
図９に示した受信ビームパターン５４では、受信ビーム幅が６°（−３ｄＢ全幅）であるため、水平面内を６°ステップ毎、全６０ステップにて全周をカバーすることができる。
【０１０１】
図２２は、遠距離探索送信時における受信ビームの切換タイミングを示している。
【０１０２】
送信パルス幅ＴｗをＴｗ＝１５ｍｓ、１つの受信ビームＢＭ１〜ＢＭ６０を合成するための所要時間Ｔｂを、超音波送信周波数（超音波送信キャリア周波数）ｆ０＝２８ｋＨｚの周期３５．７μｓの２倍としてＴｂ＝７１μｓとする。このようにすれば、パルス繰り返し周期Ｔ０内に、約２回の水平面内受信ビームのスキャニングが可能となる。
【０１０３】
なお、中距離探索送信時あるいは近距離探索送信時には、受信ビーム幅を広げ、受信ビームの切換ステップを粗くすることにより、その探索範囲をパルス繰り返し周期Ｔ０内でくまなくスキャンニングすることができる。切換ステップを粗くしたくない場合には、ビーム合成回路２８を複数系統設ければよい。
【０１０４】
図７に示したように、球面４０の曲率を原因とする受信時における位相誤差を補正するための整相処理が、図２１に示すミキサ回路８０＃１〜８０＃Ｎと、ＣＰＵ１６により、後述する局部発振信号ＬＯの移相量（位相シフト量）をそれぞれ可変可能な移相回路８２＃１〜８２＃Ｎと、ＣＰＵ１６から基準発振信号（基準クロック）を受け、該基準クロックを分周することにより所定周波数（局部発振周波数）ｆＬを有する局部発振信号ＬＯを発生するカウンタを含んで構成される局部発振器８４とで行われる。
【０１０５】
移相回路８２＃１〜８２＃Ｎは、図７に示す整相面５０に各同心円環＃Ｒ１、＃Ｒ２、…、＃ＲＮに含まれる振動素子１４の受信出力信号を整相させるために、局部発振信号ＬＯに与える移相変移（位相シフト）を発生させる回路である。そのため、移相回路８２＃１〜８２＃Ｎは、例えば、ＣＲ（コンデンサと抵抗器）積分回路を用いて局部発振信号ＬＯに所定の遅延を与えるように構成することができる。
【０１０６】
図２３は、超音波送信キャリア周波数ｆ０の受信信号Ｑに、局部発振周波数ｆＬの局部発振信号ＬＯを乗算することにより位相シフトを与えて整相処理を行うミキサ回路８０＃１〜８０＃Ｎの具体的等価回路を示している。
【０１０７】
各ミキサ回路８０＃１〜８０＃Ｎは、それぞれ、アナログスイッチ９１と中間周波の帯域通過フィルタ９２とから構成されている。
【０１０８】
例えば、超音波送信キャリア周波数ｆ０をｆ０＝２８ｋＨｚ、局部発振周波数ｆＬをｆＬ＝４８３ｋＨｚとし、アナログスイッチ９１を局部発振周波数ｆＬの周期ＴＬでスイッチングさせた後、中間周波数ｆＩＦがｆＩＦ＝４５５ｋＨｚの帯域通過フィルタ９２を通過させることにより、局部発振信号（局発信号）ＬＯにより所定の位相シフト（位相シフト量）φを受けた中間周波数ｆＩＦ＝４５５ｋＨｚの信号が得られる。
【０１０９】
すなわち、局部発振信号ＬＯの初期位相を位相シフト量φとするとき、受信信号Ｑと局部発振信号ＬＯの合成信号Ｓｄ＝Ｑ×ＬＯは、次の（２）式で与えられる。
【０１１０】
0004068736.tif 000002
（２）式において、和（ｆＬ＋ｆ０）と差（ｆＬ−ｆ０）の周波数成分の内、差（ｆＬ−ｆ０）＝４８３ｋＨｚ−２８ｋＨｚ＝４５５ｋＨｚの成分のみを帯域通過フィルタ９２により抽出することにより、その出力の整相信号Ｓｅは、次の（３）式で表されることになり、位相シフト量φの位相シフトを受けた整相信号Ｓｅが得られる。
【０１１１】
Ｓｅ＝ＡＡ′ｃｏｓ［（２πｆＬ−２πｆ０）ｔ＋φ｝］    …（３）
このようにして整相処理のなされた受信信号である整相信号Ｓｅ（Ｓｅ＃１〜Ｓｅ＃Ｎ）は、受信ビーム４６の主軸指向方向ＭＡにおける指向性サイドローブを低減するためのシェーディング分布５２に基づくシェーディング処理を行うために、減衰量が、例えば、ハミング分布に対応するように調整された減衰器８６＃１〜８６＃Ｎを介して振幅が調整され、振幅調整後の整相信号Ｓｅ＃１〜Ｓｅ＃Ｎが加算器８８により加算されることで、加算器８８の出力側で受信信号Ｓｒが形成される。
【０１１２】
受信信号Ｓｒが通過周波数ｆ＝４５５ｋＨｚの帯域通過フィルタ９０を介してＴＶＧ回路３０に供給され、該ＴＶＧ回路３０にて距離に対応して利得が可変されて増幅された後、検波され、図示していないＡ／Ｄ変換器を介してデジタル信号の受信信号とされる。
【０１１３】
このデジタル信号が、ＣＰＵ１６により、受信ビームのスキャニング方位（ｘｙｚの３次元方位）と距離情報に対応されて記憶手段であるメモリ３２に記憶される。
【０１１４】
さらに、ＣＰＵ１６は、スキャニング方位と距離情報から受信信号の３次元座標を算出し、その算出した座標値とともに、メモリ３２に記憶してあるデジタル信号をインタフェース部３４を介してカラーＣＲＴ等の表示器３６に転送する。
【０１１５】
表示器３６は、このデジタル信号を内蔵のＤ／Ａ変換器によりアナログの映像信号に変換し、表示器３６上にターゲットに関する受信ビームに対応する３次元映像を表示する。
【０１１６】
上述した実施の形態によれば、１回の送信により水面下の全方向、あるいは水面下の所望の方向を切り換えて短時間で探索すること、または水平方向全周３６０°を短時間で探索することを可能とし、探索範囲の遠距離、中距離または近距離に応じて動作を容易に最適化することができる。
【０１１７】
なお、上述の実施の形態によれば、図１６に示したように、送信パルス幅Ｔｗ内での駆動信号に係る超音波送信キャリア周波数をｆ０と一定にしているが、これに限らず、例えば、図２４に示すように、周波数ｆ１＝１／ｔ１から周波数ｆ２＝１／ｔ２まで徐々に高くなるように変化させてもよい。実際上、周波数を変化させる場合には、駆動信号発生回路１８の内蔵カウンタのプリセット値をＣＰＵ１６から供給される制御信号により駆動信号のキャリア周期毎に周期が周期ｔ１から周期ｔ２まで徐々に小さくなるように変更すればよい。
【０１１８】
例えば、超音波送信キャリア周波数ｆ０がｆ０＝２８ｋＨｚの場合には、振動素子１４の帯域が狭いことを考慮して、例えば、ｆ１＝２７ｋＨｚ、ｆ２＝２９ｋＨｚ程度とすることができる。
【０１１９】
このように、超音波送信キャリア周波数を可変することにより、魚群のように空間に一定の間隔で分布したターゲットの場合には、反射特性が超音波送信キャリア周波数（超音波伝搬波長）に依存するので、特定の魚群の探索に対してより最適な周波数が存在し、その探索がもれなく行われるようになる。
【０１２０】
また、上述の実施の形態のように振動素子１４の配列間隔が一定ではなく、０．９ｄｍ＜ｄ＜１．１ｄｍのように、あるばらつきをもっているとき、送信周波数を変化させることにより周波数ｆ１〜ｆ２の中にちょうど良い指向特性を得る周波数が存在し、結果的に探索性能を上げることができる。
【０１２１】
なお、この発明は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【０１２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、水面下全方向の高速探索が可能となり、探索能力が大幅に改善された水中探索用超音波送受波器および水中探索装置が得られる。
【０１２３】
また、遠距離探索、中距離探索、あるいは近距離探索と探索範囲に応じて動作を最適化することができる。
【０１２４】
また、球面アレイ送受波器において、振動素子を略等間隔に簡単に配置することができる。
【０１２５】
さらに、探索方向によらず均一な受信ビームパターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態の水中探索装置の電気回路的構成を示すブロック図である。
【図２】球面に内接する正２０面体の状態を示す線図である。
【図３】図２に示す正２０面体を構成する１つの正三角形において、各辺を球の大円の一部となるように球面に投影した状態を示す線図である。
【図４】水中探索を行おうとする範囲で、振動素子が略等間隔に配置された球面アレイ送受波器を示す模式図である。
【図５】受信ビームの合成処理の説明に供される模式図である。
【図６】受信ビームの合成処理の説明に供される模式図である。
【図７】受信ビームの合成の際に行われる整相処理とシェーディング処理の説明に供される線図である。
【図８】整相処理後の振動素子の水平方向への配置例を示す線図である。
【図９】図８例に係る受信ビームパターンのシミュレーションを示す図である。
【図１０】球面アレイを垂直軸に対して輪切りした状態を示す模式図である。
【図１１】遠距離探索時における振幅と位相の最適設定状態の説明に供される線図である。
【図１２】遠距離探索時における送波指向性パターンの説明に供される線図である。
【図１３】中距離探索時における送波指向性パターンの説明に供される線図である。
【図１４】近距離探索時における送波指向性パターンの説明に供される線図である。
【図１５】送受切換回路の詳細な構成を含む回路図である。
【図１６】送信回路駆動信号の波形図である。
【図１７】送信回路の出力側に配置される出力トランスの構成を示す回路図である。
【図１８】近距離探索時における駆動信号の説明に供される波形図である。
【図１９】送信時における送受切換回路の等価回路を含む回路図である。
【図２０】受信時における送受切換回路の等価回路を含む回路図である。
【図２１】受信時におけるスイッチング部とビーム合成回路の詳細な接続構成を示す回路ブロック図である。
【図２２】遠距離探索時における受信ビームの切換タイミングの説明に供される線図である。
【図２３】ミキサ回路の動作説明に供される線図である。
【図２４】送信キャリア信号の周波数を徐々に高くしたトーンバースト波を示す波形図である。
【符号の説明】
１０  水中探索装置                １２  球面アレイ送受波器
１４  超音波振動素子（振動素子）
１４＃１、１４＃２、…、１４＃Ｍ  振動素子群
１６  ＣＰＵ                      １８  駆動信号発生回路
２０、２０＃１〜２０＃Ｍ  送信回路
２２、２２＃１〜２２＃Ｍ  送受切換回路
２４、２４＃１〜２４＃Ｍ  プリアンプ
２６  スイッチング部              ２８  ビーム合成回路
３０  ＴＶＧ回路                  ３２  メモリ
３４  インタフェース部            ３６  表示器
４０  球面                        ４２  正２０面体
４６  受信ビーム                  ４８  円形開口
５２  シェーディング分布          ５４  受信ビームパターン
５９  整相面
６０  遠距離探索時に対応する励振円環群
６１  シェーディング分布
６２  中距離探索時に対応する励振円環群
６４  近距離探索時に対応する励振円環群
６６  遠距離探索時に対応する送波指向性パターン（送波ビーム）
６８  中距離探索時に対応する送波指向性パターン
７０  送波指向性パターン
７２  送信回路の出力側に配される出力トランス
８０＃１〜８０＃Ｎ  ミキサ回路    ８２＃１〜８２＃Ｎ  移相回路
９０、９２  帯域通過フィルタ      ９１  アナログスイッチ
１１４、１１４＃１〜１１４＃Ｍ、１１４Ｒ〜１１４ＲＮ  振動素子群
ｆ０  超音波送信キャリア周波数    ｆＬ  局部発振周波数
ｆＩＦ  中間周波数                ＬＯ  局部発振信号
ＭＡ  主軸指向方向                ＭＢ  整相方向
Ｐ  駆動信号                      Ｑ  受信信号
Ｓ  トーンバースト信号            Ｓｅ  整相信号
＃Ｒ１、＃Ｒ２、…、＃ＲＮ  同心円環
＃１、＃２、…、＃Ｍ  円環        φ  位相シフト（位相シフト量）
λ  伝搬波長
【図１】
0004068736.tif 000003
【図２】
0004068736.tif 000004
【図３】
0004068736.tif 000005
【図４】
0004068736.tif 000006
【図５】
0004068736.tif 000007
【図６】
0004068736.tif 000008
【図７】
0004068736.tif 000009
【図８】
0004068736.tif 000010
【図９】
0004068736.tif 000011
【図１０】
0004068736.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004068736.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
0004068736.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
0004068736.tif 000019
【図１８】
0004068736.tif 000020
【図１９】
0004068736.tif 000021
【図２０】
0004068736.tif 000022
【図２１】
0004068736.tif 000023
【図２２】
0004068736.tif 000024
【図２３】
0004068736.tif 000025
【図２４】
0004068736.tif 000026