(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の各構成を具備することを特徴とするスキャニングソナー。
（イ）複数の超音波振動子エレメントを、平面的には、その送受波面を半径方向外方に向けて、円周状又は円弧状に配列したリング状であり、配列円の中心軸方向には各振動子エレメントが縦列に整列するように配列構成された送受波器
（ロ）送受波器の全縦列について、受波ビームに俯角を持たせるため、各振動子エレメントの受波信号の位相をシフトさせる俯角位相制御手段
（ハ）前記俯角位相制御手段で位相制御された各振動子エレメントの受波信号を各縦列毎に合成して出力する縦列合成手段
（ニ）前記送受波器の、リングの配列円の中心から指定した方位を中心とする予め定めた方位範囲の全振動子エレメントの受波信号を抽出する抽出手段
（ホ）前記抽出手段で抽出された方位範囲のリング両端の振動子エレメントを結ぶ直線と該方位範囲内の各振動子エレメントから該直線に対し直角を成すように引いた線に沿って各振動子エレメントの受波音が伝搬したならば前記直線上で同相となるように各振動子エレメントの受波信号の位相をシフトするとともに、振動子の縦列方向においては、複数段重ねられたリングの真中又はそれより上方位置を中心とし、縦列中心と送受波器の中心軸を含む平面内において想定された縦円弧に沿って各振動子エレメントが配列されたときの受波信号の位相と同じになるように各振動子エレメントの受波信号の位相をシフトする水平／垂直円位相制御手段
（ヘ）前記水平／垂直円位相制御手段で位相制御された各振動子エレメントの受波信号を各リング毎に合成して出力するリング合成手段
（ト）前記縦列合成手段の出力と前記リング合成手段の出力とを切り替え選択して出力する選択手段
（チ）前記選択手段からの出力が前記縦列合成手段からの出力であるときは、全縦列信号のうちから予め定められた数の連続する縦列信号を一定周期で順次１列ずつ予め定められた方向へシフトさせながら取り出し、前記選択手段からの出力が前記リング合成手段からの出力であるときは、全リング信号のうちから予め定められた数の連続するリング信号を一定周期で順次１リングずつ予め定められた方向へシフトさせながら取り出すクロスバー回路
（リ）予め定められた数の連続する縦列信号又はリング信号の各信号が一定周期でステップ的に切り替わるクロスバー回路の出力を滑らかに切り替わるように補間するインタポレータ
（ヌ）インタポレータからの出力が縦列信号であるときは、送受波器において、入力縦列信号の数だけの連続する縦列の両端の縦列同士を結ぶ直線に対して各縦列から直角を成すように引いた線に沿って各縦列の受波音が伝搬したならば前記直線上で同相となるように各縦列信号の位相をシフトさせて合成する水平走査ビーム成形回路
（ル）インタポレータの出力がリング信号であるときは、前記（ホ）の水平／垂直円位相制御手段で想定された縦円弧上で、前記（チ）のクロスバー回路で予め定められた数の連続するリングの両端のリングと縦円弧との交叉点同士を結ぶ直線に対して、各リングと前記縦円弧とが交叉している位置から直角を成すように引いた線に沿って各リング信号が伝搬したならば前記直線上で同相となるように、各リング信号の位相をシフトさせて合成する垂直走査ビーム成形回路
【請求項２】
請求項１の構成中、（チ）のクロスバー回路および（リ）のインタポレータを、縦列信号用とリング信号用として別々に設けたことを特徴とするスキャニングソナー。
【請求項３】
請求項１の構成中、（ホ）の水平／垂直円位相制御手段で想定される縦円弧の半径を（イ）の送受波器のリング半径と同じにし、且つ（チ）のクロスバー回路における縦列信号に関する予め定められた数と、リング信号に関する予め定められた数とを同じにすることにより、（ヌ）の水平走査ビーム成形回路と（ル）の垂直走査ビーム成形回路に代えて、水平走査、垂直走査共用の走査ビーム成形回路としたことを特徴とするスキャニングソナー。
【請求項４】
送受波器の受波信号取り出し結線を、振動子エレメントの配列が等価的に千鳥配列になるようにしたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載のスキャニングソナー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用したスキャニングソナーのスキャニング技術の分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスキャニングソナーの構成を図３に示す。
送受波器１は図４に示すように、複数の超音波振動子エレメントを、平面的にはその送受波面を半径方向外方に向けて円周状（円弧状の場合もある）に配列したリング状であり、円配列の中心軸方向（図の上下方向）には各振動子エレメントが縦列に整列するように配列した構造（円筒状配列）となっている。
図４のものは一般的な例として円周方向にＭ列、中心軸方向にＮ段であることを示している。従って振動子エレメントの数はＭ×Ｎ個ということになる。
この振動子エレメントのそれぞれへ送信器２から超音波周波数のパルス信号が一定周期で送られる。このとき、送受波器からの超音波が指定した俯角方向で全方位に向けて送波されるように送信制御器３で制御される。
【０００３】
パルス状の超音波が１回送波されると直後から受波動作が開始される。受波は、送波した俯角方向に向けた鋭いペンシル状の受波ビームを形成し、これを全方位に渡って高速で旋回走査させることにより水中反射物から反射して戻って来た超音波を受波する。この受波ビームの形成、旋回が俯角位相制御器４以下で行われる。
【０００４】
俯角位相制御器４では、送受波器１の各縦列毎に、その縦列を形成している各振動子エレメントの受波信号に対し、例えば上の振動子エレメントから順次下の振動子エレメントになるにつれて等差級数的に増加する位相遅延を与える。この等差位相量は、俯角制御器５で俯角を指定することによって定まる。
【０００５】
こうして位相制御された受波信号は縦列合成器７で各列毎に合成される。この合成により、各縦列の受波ビームは指定された俯角方向へ向くことになる。縦列毎の合成であるから縦列合成器７の出力は、送受波器１の縦列の数だけ存在する。図４の例で言うならば全周でＭ列あるからＭ個の出力ということになる。このＭ個の出力は次のクロスバー回路１１へ送られる。
【０００６】
クロスバー回路１１では全周分Ｍ個から、予め定めた方位角度範囲（例えば１２０度）の連続する縦列の数（例えばＭを３６とすれば１２）の信号を一定周期で定められた旋回方向へ１列ずつステップ的にシフトさせながら取り出す。縦列に１〜３６の番号が付せられているとすれば１〜１２、２〜１３、３〜１４、……というように取り出す。即ち取り出し範囲が方位旋回していることになる。
【０００７】
このようにクロスバー回路１１で取り出された縦列受波信号はインタポレータ１２へ送られる。ここでは、クロスバー回路１１での取り出し範囲のステップ的な変化を滑らかな変化に変えることにより受波ビームの旋回がステップ的ではなく滑らかになるようにしている。
インタポレータ１２で旋回を滑らかにされた複数（前述の例で言えば１２）の縦列信号は水平走査ビーム成形回路１３へ送られる。
【０００８】
ここでは、入力された数の連続する各縦列信号に対し、送受波器において、その数だけの連続する縦列の両端の縦列同士を弦で張るように結んだ直線（弦直線）に対し、間にある各縦列から直角になるように引いた線に沿って各縦列の受波音が伝搬したならば前記直線上で同相となるように各縦列信号の位相をシフトさせる。
【０００９】
このような位相制御を行うことにより、前記弦直線に直角な方位方向に鋭い受波ビームが形成されることになる。そして、クロスバー回路によって、受波信号を取り出す範囲が旋回することにより受波ビームも旋回することになり、水平走査が行われることになる。
【００１０】
今、送受波器の縦列が全周３６で、クロスバー回路１１によって取り出される縦列信号が１２の場合、即ち、取り出し方位範囲が１２０度の場合の例で説明すると図５のようになる。
方位範囲１２０度に入る縦列の数は１２となる。この縦列の両端の縦列を弦直線Ｃ−Ｃ′で結び、この弦直線Ｃ−Ｃ′に対して直角になるように各縦列から弦直線Ｃ−Ｃ′まで線を引きその距離に相当する位相量φ１、φ２、φ３、……、φ１０だけ、１２の縦列信号の２番目から１１番目の信号に対して、位相遅延を与える。１番目と１２番目の縦列は弦直線Ｃ−Ｃ′に対して距離はゼロであるから位相量はゼロであり、従って位相遅延は与えない。この後１番目から１２番目までの縦列信号を合成する。
【００１１】
以上のような位相制御をすることにより、矢印Ａの方向から到来した超音波に対する各縦列の受波信号は同相となり、これを合成した出力は最大となるので受波ビームが矢印Ａに対する方向に形成されていることになる。そして、クロスバー回路１１の動作により１２０度で１２個の縦列信号を取り出す範囲は順次旋回していくので受波ビームが旋回することとなる。
【００１２】
この受波ビームは、各縦列信号が予め俯角位相制御器４で俯角を付与されているので、俯角を有する状態で旋回することになる。
このような旋回受波ビームで受波された受波信号は表示器１５へ送られ螺旋走査で表示されることになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のスキャニングソナーは水平方向（方位方向）の受波ビーム走査は行っているが垂直方向（俯角方向）の受波ビーム走査を行うことができない。従って、垂直方向の探索を行うには、送信パルス毎に俯角を変えて通常の水平走査を繰り返すしか方法がなかった。
【００１４】
このため、垂直方向を広範囲に探索するには、何回もの送信を繰り返す必要があるため、特に深度方向に動きの速い魚群を捕らえるのが困難であるという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、従来のような送受波器を用いたスキャニングソナーで、水平方向の走査と垂直方向の走査ができるスキャニングソナーを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために以下の構成を有する。
本発明の第１の構成は、下記の各構成を具備することを特徴とするスキャニングソナーである。
（イ）複数の超音波振動子エレメントを、平面的には、その送受波面を半径方向外方に向けて、円周状又は円弧状に配列したリング状であり、配列円の中心軸方向には各振動子エレメントが縦列に整列するように配列構成された送受波器
（ロ）送受波器の全縦列について、受波ビームに俯角を持たせるため、各振動子エレメントの受波信号の位相をシフトさせる俯角位相制御手段
（ハ）前記俯角位相制御手段で位相制御された各振動子エレメントの受波信号を各縦列毎に合成して出力する縦列合成手段
（ニ）前記送受波器の、リングの配列円の中心から指定した方位を中心とする予め定めた方位範囲の全振動子エレメントの受波信号を抽出する抽出手段
（ホ）前記抽出手段で抽出された方位範囲のリング両端の振動子エレメントを結ぶ直線と該方位範囲内の各振動子エレメントから該直線に対し直角を成すように引いた線に沿って各振動子エレメントの受波音が伝搬したならば前記直線上で同相となるように各振動子エレメントの受波信号の位相をシフトするとともに、振動子の縦列方向においては、複数段重ねられたリングの真中又はそれより上方位置を中心とし、縦列中心と送受波器の中心軸を含む平面内において想定された縦円弧に沿って各振動子エレメントが配列されたときの受波信号の位相と同じになるように各振動子エレメントの受波信号の位相をシフトする水平／垂直円位相制御手段
（ヘ）前記水平／垂直円位相制御手段で位相制御された各振動子エレメントの受波信号を各リング毎に合成して出力するリング合成手段
（ト）前記縦列合成手段の出力と前記リング合成手段の出力とを切り替え選択して出力する選択手段
（チ）前記選択手段からの出力が前記縦列合成手段からの出力であるときは、全縦列信号のうちから予め定められた数の連続する縦列信号を一定周期で順次１列ずつ予め定められた方向へシフトさせながら取り出し、前記選択手段からの出力が前記リング合成手段からの出力であるときは、全リング信号のうちから予め定められた数の連続するリング信号を一定周期で順次１リングずつ予め定められた方向へシフトさせながら取り出すクロスバー回路
（リ）予め定められた数の連続する縦列信号又はリング信号の各信号が一定周期でステップ的に切り替わるクロスバー回路の出力を滑らかに切り替わるように補間するインタポレータ
（ヌ）インタポレータからの出力が縦列信号であるときは、送受波器において、入力縦列信号の数だけの連続する縦列の両端の縦列同士を結ぶ直線に対して各縦列から直角を成すように引いた線に沿って各縦列の受波音が伝搬したならば前記直線上で同相となるように各縦列信号の位相をシフトさせて合成する水平走査ビーム成形回路
（ル）インタポレータの出力がリング信号であるときは、前記（ホ）の水平／垂直円位相制御手段で想定された縦円弧上で、前記（チ）のクロスバー回路で予め定められた数の連続するリングの両端のリングと縦円弧との交叉点同士を結ぶ直線に対して、各リングと前記縦円弧とが交叉している位置から直角を成すように引いた線に沿って各リング信号が伝搬したならば前記直線上で同相となるように、各リング信号の位相をシフトさせて合成する垂直走査ビーム成形回路
【００１７】
本発明の第２の構成は、前記第１の構成中、（チ）のクロスバー回路および（リ）のインタポレータを、縦列信号用とリング信号用として別々に設けたことを特徴とするスキャニングソナーである。
【００１８】
本発明の第３の構成は、前記第１の構成中、（ホ）の水平／垂直円位相制御手段で想定される縦円弧の半径を（イ）の送受波器のリング半径と同じにし、且つ（チ）のクロスバー回路における縦列信号に関する予め定められた数と、リング信号に関する予め定められた数とを同じにすることにより、（ヌ）の水平走査ビーム成形回路と（ル）の垂直走査ビーム成形回路に代えて、水平走査、垂直走査共用の走査ビーム成形回路としたことを特徴とするスキャニングソナーである。
【００１９】
本発明の第４の構成は、前記第１、第２又は第３の構成において、送受波器の受波信号取り出し結線を、振動子エレメントの配列が等価的に千鳥配列になるようにしたことを特徴とするスキャニングソナーである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、従来のスキャニングソナーの水平走査に加えて、垂直走査も可能とする構成を加え送受波器からの受波信号の処理を切り替えることにより垂直走査をも行えるようにしたものである。
垂直走査を行うために、図４の送受波器において、リングの配列円の中心から指定した方位を中心とする予め定めた方位範囲の全段のリングの受波信号を抽出する。そして各段のリングについて従来装置の水平走査ビーム形成と同様の手段により、前記指定した方位に受波ビームが形成されるようにする。即ち、図５に示すように予め定めた方位範囲の振動子エレメントのうち両端の振動子エレメント同士を結んだ弦直線に対して直角になるように、各振動子エレメントから引いた直線に沿って各振動子エレメントの受波信号が伝搬したならば前記弦直線上で同相となるような位相シフトを、各対応する振動子の受波信号に与える。その後これらを合成すると、指定した方位方向に受波ビームが形成されることになるが、その合成の前に更に、上下に直線状に並んでいる縦列を形成する各振動子エレメントが、図２に示すように等価的に縦円弧に沿って配列されているようにする位相制御を行う。
【００２１】
そのために、Ａ−Ａ′線に沿った縦列の各段振動子エレメントの受波信号の位相を、各振動子が円弧Ｂ−Ｂ′に沿って配列されたときの受波信号の位相と同じになるようにシフトさせる。このような位相制御を行うことにより各縦列を構成する振動子エレメントが縦方向の円弧状に配列されているのと等価になる。
【００２２】
以上のように、各振動子エレメントの受波信号に対し、受波ビームが指定した方位方向を向くようにする位相制御と、各縦列の振動子エレメントが等価的に縦方向の円弧に沿った配列になるようにする位相制御を行う。その後、各リング毎に合成を行う。そして、従来の水平走査の場合と同様に、合成されたリング信号から予め定められた数の連続するリング信号を、リングを１つずつステップ的にシフトさせながら取り出すことにより、取り出し範囲が縦方向円弧上を、定められた方向へ旋回することになる。このステップ的な旋回はこの後滑らかな旋回になるよう処理される。
【００２３】
こうして得られたリング信号に対し、従来のスキャニングソナーにおいて水平走査ビーム成形回路１３で行ったと同じ位相制御および合成を行うことにより、縦方向に受波ビームを旋回させることが可能になる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例の構成を示すブロック図である。従来のスキャニングソナーの構成ブロック図である図３との相違は、次の各構成が増えたことである。即ち、抽出手段６、方位指定器１６、水平／垂直円位相制御器８、リング合成器９、選択器１０、垂直走査ビーム成形回路１４である。
抽出手段６では、送受波器１からの受波信号のうち、垂直走査を行おうとする方位方向（水平方向）を中心とする予め定めた方位範囲の全段の振動子エレメントの受波信号を抽出する。方位指定は方位指定器１６により行われる。抽出された信号は水平／垂直円位相制御器８へ送られる。ここでは各段のリングについて垂直走査を行おうとする水平方位に各段リングの受波ビームが向くような位相制御と、送受波器１の各縦列を構成している超音波振動子エレメントが等価的に図２の円弧Ｂ−Ｂ′に沿った配列になるような位相制御を各振動子エレメントの受波信号に対して行いリング合成器９へ出力する。円弧の中心は、俯角で垂直走査を行うことを考慮して送受波器の縦方向における真中又はそれより上の方に設定されている。リング合成器９では入力された各振動子エレメントの受波信号を、リング毎に合成しリングの数だけのリング信号を選択器１０へ出力する。
【００２５】
選択器１０へは縦列合成器７からの水平走査用の縦列信号も入力されている。そして、水平走査を行おうとするときは縦列合成器７の出力を、また、垂直走査を行おうとするときはリング合成器９の出力を選択してクロスバー回路１１へ送出する。クロスバー回路１１は、縦列信号が入力されたときは従来のスキャニングソナーの説明で述べた動作をし、リング信号が入力されたときにも全リング信号のうち、最上リングのリング信号から順に、予め定められた数以内で連続するリング信号をステップ的にシフトさせながら取り出して行く。
こうすることにより、縦方向で等価的に円弧状に配列されたリングからの受波信号取り出し範囲が旋回することになる。
【００２６】
クロスバー回路１１の出力はインタポレータ１２へ送られ、クロスバー回路１１でのステップ的な旋回切り替えを滑らかな切り替えにすること従来のスキャニングソナーと同様である。選択器１０がリング信号を出力しているときのインタポレータ１２の出力は垂直走査ビーム成形回路１４へ送られる。
【００２７】
ここでは、入力された数の連続する各リング信号に対し、前記水平／垂直円位相制御器８で設定された縦円弧に沿って等価的に配列されたリング列の前記数だけ連続する両端のリングと縦円弧との交叉点同士を弦で張るように結んだ直線（弦直線）に対して、間にある各リングと前記縦円弧とが交叉している位置から直角になるように引いた線に沿って各リング信号が伝搬したならば前記弦直線上で同相となるように各リング信号の位相をシフトさせる。
【００２８】
このような位相制御を行うことにより、前記弦直線に直角な俯角方向に鋭い受波ビームが形成されることになる。そして、クロスバー回路１１によって受波信号を取り出す範囲が垂直（縦）方向に旋回することによって、受波ビームも垂直（縦）方向に旋回することになり、垂直走査が行われることになる。
【００２９】
こうして垂直走査が行われた受波信号は表示器１５へ送られ、垂直断面の映像として表示される。
図１では、クロスバー回路１１とインタポレータ１２が、縦列信号およびリング信号に対して共用となっているが、クロスバー回路１１で取り出す予め定められた信号数が異なる場合には、クロスバー回路１１およびインタポレータ１２を縦列信号用とリング信号用に別々に設けてもよい。
【００３０】
逆に、クロスバー回路１１で取り出す予め定められた信号数が縦列信号とリング信号とで同じであり、送受波器１のリング半径と、水平／垂直円位相制御器８で設定される垂直面における縦円弧の半径が同じであれば、水平走査ビーム成形回路１３と垂直走査ビーム成形回路１４の２つの回路を設ける必要がなく１つの走査ビーム成形回路で共用することができる。
【００３１】
以上は送受波器の振動子エレメント個々の受波信号を単位として処理する場合について述べて来たが、１リング中の隣接する振動子エレメント２個を並列接続し且つリング１段毎に並列接続を１エレメント分だけシフトさせる、いわゆる千鳥配列の場合にも本発明は適用できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスキャニングソナーは従来通りの受波ビームの水平走査に加えて切り替えにより俯角方向における垂直走査が可能となるので、従来の水平走査だけでは探索が困難であった深度方向での動きの速い魚群を容易に探索できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスキャニングソナーの実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】上下に直線的に配列されている振動子エレメントをその受波信号に位相制御を施すことにより等価的に縦円弧状配列にすることの説明図である。
【図３】従来のスキャニングソナーの構成を示すブロック図である。
【図４】超音波振動子エレメントがＭ列Ｎ段の円筒状に配列された送受波器の斜視図である。
【図５】円形配列の超音波振動子エレメントによる受波ビームを特定方向に形成するための説明図である。
【符号の説明】
１  送受波器
２  送信器
３  送信制御器
４  俯角位相制御器
５  俯角制御器
６  抽出手段
７  縦列合成器
８  水平／垂直円位相制御器
９  リング合成器
１０  選択器
１１  クロスバー回路
１２  インタポレータ
１３  水平走査ビーム成形回路
１４  垂直走査ビーム成形回路
１５  表示器
１６  方位指定器
【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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