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技術 アクティブソーナーによる水中探知方法及びアクティブソーナー装置

出願人 日本電気株式会社
発明者 佐野正一
出願日 1997年11月13日 (23年1ヶ月経過) 出願番号 1997-327179
公開日 1999年5月28日 (21年7ヶ月経過) 公開番号 1999-142506
状態 特許登録済
技術分野 音波、超音波を用いた位置、速度等の測定
主要キーワード 下部垂直 上部垂直 目標期間 減衰利得 スプリットビーム 探知方向 探知目標 水中探知
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この項目の情報は公開日時点(1999年5月28日)のものです。
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図面 (7)

課題

送信残響内の目標エコーの認識を容易にするとともに、エコー波形を変形させないように残響抑圧処理を行う。

解決手段

海中に音波を送信し反射波を受信する送受波器3からの信号の整相を行う垂直整相回路5a〜5cにより、メインビームと2つのスプリットビームを形成する。メインビームによる受信信号6aを残響抑圧回路8を介して送信残響の抑圧を行って出力9とする。2つのスプリットビームによる受信信号6a、6bからスプリットビーム相関回路7において相関値演算しその結果から目標エコー及び海面、海底からの反響を判定し、前記残響抑圧回路8の制御を行う。残響抑圧回路8では送信反響内に存在する目標エコーの抑圧処理を行わないように動作する。

概要

背景

従来、ソーナー装置においては、パルス状の音波を送信した直後の近距離からの反射波、特に海面及び海底等から反射される残響により受信残響レベルの増加が生じる。このような受信残響レベルの増加により、アンプ等の受信回路における飽和サチュレーション)動作を引き起こし、特に、近距離の水中目標探知に悪影響を及ぼす。このような残響に対する対策として、予想される残響の時間的な変化に応じて受信信号のレベル補正を行うようにした残響抑圧処理が行われている。

図5は、従来のこのような残響抑圧処理方式を示す図である。

送信回路1より出力される送信信号は、送受切換器を介して送受波器3に入力され音波として海中に送信される。音波の送信後海中から反射された音波は送受波器3で受波され送受切換器を介して受信信号4として信号の処理回路に出力される。

受信信号4は、垂直方向ビームを形成するための整相処理を行う垂直整相回路5aを介して垂直整相出力6aとして出力される。垂直整相出力6aは、送信のタイミングに同期して増幅利得制御乃至減衰利得制御を行う残響抑圧回路(Time Variable Gain Control;TVGともいう)8において、残響の抑圧が行われ残響抑圧出力9として後段信号処理回路等に出力される。ここで残響抑圧回路8は、音波の送波毎に得られる残響データ等をもとに生成した図6(a)に示すような残響抑圧利得の制御を行い、垂直整相出力6aの信号レベルを送信後の時間経過に従って変化させる。

従来の方式によれば送信残響が支配的な近距離内に探知目標が存在する場合は、反射エコーは不必要に減衰され、図6(b)で示すように目標エコーも同時に抑圧を受ける。更に、図6(c)に示すように目標からのエコーはその波形が変形する原因ともなる。

概要

送信残響内の目標エコーの認識を容易にするとともに、エコー波形を変形させないように残響抑圧処理を行う。

海中に音波を送信し反射波を受信する送受波器3からの信号の整相を行う垂直整相回路5a〜5cにより、メインビームと2つのスプリットビームを形成する。メインビームによる受信信号6aを残響抑圧回路8を介して送信残響の抑圧を行って出力9とする。2つのスプリットビームによる受信信号6a、6bからスプリットビーム相関回路7において相関値演算しその結果から目標エコー及び海面、海底からの反響を判定し、前記残響抑圧回路8の制御を行う。残響抑圧回路8では送信反響内に存在する目標エコーの抑圧処理を行わないように動作する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

送受波器を用いたアクティブソーナーによる水中探知方法において、送受波器で受信される信号の垂直整相を行い、探知方向メインビームと2つのスプリットビームを形成し、スプリットビームで受信される信号の相関演算により目標からの反射エコーと目標以外の残響信号とを判別して、メインビームで受信される残響信号の抑圧処理を行うことを特徴とするアクティブソーナーによる水中探知方法。

請求項2

前記送受波器には上部送受波器と下部送受波器とを用い、上部送受波器及び下部送受波器の各出力によりメインビームを、上部送受波器及び下部送受波器のそれぞれの出力により垂直方向のスプリットビームを形成することを特徴とする請求項1記載のアクティブソーナーによる水中探知方法。

請求項3

送受波器と、前記送受波器の出力を整相し探知方向のメインビームと2つのスプリットビームを形成する垂直整相回路と、前記垂直整相回路の2つのスプリットビームによる出力の相関値演算して目標からの反射エコーと残響信号とを判定するスプリットビーム相関回路と、スプリットビーム相関回路の出力により前記垂直整相回路のメインビームの出力の残響抑圧する残響抑圧回路とを有することを特徴とするアクティブソーナー装置

請求項4

送受波器と、前記送受波器の出力を整相し探知方向のメインビームを形成する垂直整相回路と、前記送受波器の出力を整相しメインビームの上方及び下方に形成した2つのスプリットビームを形成する上部垂直整相回路及び下部垂直整相回路と、前記上部垂直整相回路及び下部垂直整相回路の各出力の相関値を演算して目標の反射エコーと残響信号とを判定するスプリットビーム相関回路と、スプリットビーム相関回路の出力により垂直整相回路の出力の残響を抑圧する残響抑圧回路とを有することを特徴とするアクティブソーナー装置。

請求項5

前記スプリットビーム相関回路は、上部垂直整相回路及び下部垂直整相回路の各出力の相関値を演算する相関演算回路と、前記相関値から目標の反射エコーと残響信号とを判定する到来方位判定回路と、前記到来方位判定回路の出力により垂直整相回路の出力の残響を抑圧する残響抑圧制御信号を出力することを特徴とする請求項4記載のアクティブソーナー装置。

請求項6

送受波器は、垂直方向の2つのスプリットビームを形成する上部送受波器及び下部送受波器を有することを特徴とする請求項4又は5記載のアクティブソーナー装置。

技術分野

0001

本発明は、水中の目標物探知するアクティブソーナー装置に関し、特に音波の送信直後に受信される水中からの残響信号抑圧処理に関するものである。

背景技術

0002

従来、ソーナー装置においては、パルス状の音波を送信した直後の近距離からの反射波、特に海面及び海底等から反射される残響により受信残響レベルの増加が生じる。このような受信残響レベルの増加により、アンプ等の受信回路における飽和サチュレーション)動作を引き起こし、特に、近距離の水中目標の探知に悪影響を及ぼす。このような残響に対する対策として、予想される残響の時間的な変化に応じて受信信号のレベル補正を行うようにした残響抑圧処理が行われている。

0003

図5は、従来のこのような残響抑圧処理方式を示す図である。

0004

送信回路1より出力される送信信号は、送受切換器を介して送受波器3に入力され音波として海中に送信される。音波の送信後海中から反射された音波は送受波器3で受波され送受切換器を介して受信信号4として信号の処理回路に出力される。

0005

受信信号4は、垂直方向ビームを形成するための整相処理を行う垂直整相回路5aを介して垂直整相出力6aとして出力される。垂直整相出力6aは、送信のタイミングに同期して増幅利得制御乃至減衰利得制御を行う残響抑圧回路(Time Variable Gain Control;TVGともいう)8において、残響の抑圧が行われ残響抑圧出力9として後段信号処理回路等に出力される。ここで残響抑圧回路8は、音波の送波毎に得られる残響データ等をもとに生成した図6(a)に示すような残響抑圧利得の制御を行い、垂直整相出力6aの信号レベルを送信後の時間経過に従って変化させる。

0006

従来の方式によれば送信残響が支配的な近距離内に探知目標が存在する場合は、反射エコーは不必要に減衰され、図6(b)で示すように目標エコーも同時に抑圧を受ける。更に、図6(c)に示すように目標からのエコーはその波形が変形する原因ともなる。

発明が解決しようとする課題

0007

従来のアクティブソーナー装置においては、超音波の送信直後の残響信号による近距離の目標からのエコーの信号対雑音比が悪化し目標エコーを検出することが困難である。

0008

また、このような残響抑圧処理を行うものは、信号に対しても不必要な抑圧処理が行われるので目標からの反射エコーの波形が維持できず、信号波形に基づく目標の形状の推定処理等を行う場合に残響抑圧処理が悪影響を与える点で問題があった。

課題を解決するための手段

0009

本発明のアクティブソーナーによる水中探知方法は、送受波器で受信される信号の垂直整相を行い、探知方向メインビームと2つのスプリットビームを形成し、スプリットビームで受信される信号の相関により目標からの反射エコーと目標以外の残響信号とを判別して、メインビームで受信される残響信号の抑圧処理を行うことを特徴とする。

0010

また、前記前記送受波器には上部送受波器と下部送受波器とを用い、上部送受波器及び下部送受波器の出力によりメインビームを、上部送受波器及び下部送器のそれぞれの出力により垂直方向のスプリットビームを形成することを特徴とする。

0011

本発明のアクティブソーナー装置は、送受波器と、前記送受波器の出力を整相し探知方向のメインビームを形成する垂直整相回路と、前記送受波器の出力を整相しメインビームの上方及び下方に形成した2つのスプリットビームを形成する上部垂直整相回路及び下部垂直整相回路と、前記上部垂直整相回路及び下部垂直整相回路の各出力の相関値演算して目標期間を検出するスプリットビーム相関回路と、スプリットビーム相関回路の出力により垂直整相回路の出力の残響を抑圧する残響抑圧回路とを有する。

0012

また、前記スプリットビーム相関回路は、上部垂直整相回路及び下部垂直整相回路の各出力の相関値を演算する相関演算回路と、前記相関値から目標からの残響の到来方向を判定する到来方位判定回路と、前記到来方位判定回路の出力により垂直整相回路の出力の残響を抑圧する残響抑圧制御信号を出力する。また、送受波器は、垂直方向の2つのスプリットビームを形成する上部送受波器及び下部送受波器を有する。

発明を実施するための最良の形態

0013

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

0014

図1は、本実施の態様のアクティブソーナー装置を示すブロック図である。本実施の形態は、上部送受波器と下部送受波器とからなる送受波器3と、整相回路として垂直整相回路5a、上部整相回路5b及び下部整相回路5cとを有し、上部垂直整相回路5b及び下部垂直整相回路5cの出力に対する相関演算回路7a、到来方位判定回路7cからなるスプリットビーム相関回路7及び残響抑圧回路8を備える。

0015

本実施の形態の動作を説明する。図1において、送信回路1より出力された送信信号2は、送受換回路を介して送受波器3に与えられ海中に音波として送波される。海中に送波された音波は海面、海底及び目標等により反射され送受波器3から送受切換回路を介して前記反射波による受信信号4が受信される。受信信号4は垂直整相回路5a、上部垂直整相回路5b及び下部垂直整相回路5cに入力されそれぞれにおける整相処理が行われる。

0016

垂直整相回路5aでは、上部垂直送受波器と下部垂直送受波器の両方からの信号の位相を制御して合成処理を行い送受波器から目標探知方向に向けた受波ビームである主(メイン)ビームを形成する。メインビームは目標からの反射エコーを検出するビームとして利用される。

0017

また、上部垂直整相回路5bでは、上部送受波器からの信号の位相を制御して合成処理を行い目標探知方向の上部ビームを形成する。同様に下部垂直整相回路5cでは、下部送受波器からの信号の位相を制御して合成処理を行い目標探知方向の下部ビームを形成する。上部垂直整相回路及び下部垂直整相回路5b、5cにより形成された上部ビーム及び下部ビームは音波の受波方向を検出するスプリットビームとして利用される。

0018

上部垂直整相回路5bからの上部ビーム信号出力6bと下部垂直整相回路5cからの下部ビーム信号出力6cとは、スプリットビーム相関回路7に入力され、相関演算回路7aにおいて相関演算が行われる。相関演算により得られる相関値は到来方位信号7bとして到来方位判定回路7cに入力される。到来方位判定回路7cでは、反射波の到来方向がメインビームの方向を中心とする範囲内に入っているか否かを比較し、水平方向から到来する残響を含んだ目標からの反射エコーと、上下方向からと到来する残響信号とを方向で判別し、前記反射波に対しメインビームの有効範囲内のものであれば抑圧せず、同範囲外のものであれば抑圧するための抑圧制御信号7dを出力する。

0019

垂直整相回路5aからの目標探知方向の受波ビームの出力であるメインビーム信号出力6aと、残響の抑圧を行う抑圧制御信号7dとは残響抑圧回路(TVG)8に入力され残響の抑圧制御が行われる。つまり、残響抑圧回路8では、スプリットビーム相関回路7からの抑圧制御信号7dに基づきメインビーム信号出力6aの抑圧処理が行われ、不要な残響による反射エコーは抑圧されるが信号は抑圧されることなく次段へ出力される。

0020

次に、図1に示すブロック図の動作原理について、図2図3及び図4を用いてより詳細に説明する。

0021

アクティブソーナー装置における音波送信後の受波信号のメインビーム信号出力6aのレベルは、図2(a)に示すような時間的に変化する特性を有している。

0022

また、送受波器3に対する目標からのエコーの到来と他の残響の到来に関しては、一般に、図2(b)に示すような関係を有している。このため、上部ビーム信号出力6bと下部ビーム信号出力6cとの相関演算を行うと、相関結果は、残響に対しては図3(a)に示すように上下方向からのものが支配的であり、水平方向(0°方向)では低いレベルの相関値となる。また、目標からのエコーに対しては図3(b)に示すように水平方向では高いレベルの相関値となる。

0023

本発明においては、この相関結果が示す目標エコー及び残響の到来方向の違いを利用して残響に対する効果的な抑圧制御を行う。つまり、図3(a)、(b)で示すスプリットビーム信号出力の相関結果から残響抑圧処理における抑圧判断を行い残響のみの抑圧制御を行う。例えば、上下方向からの残響の相関値が高いレベルにある状態では残響抑圧回路8におけるTVG制御を行い、上下方向からの残響の相関値が低いレベルにあり且つ水平方向からのエコーに対する相関値が高いレベルにある状態ではTVG制御を停止するように残響抑圧回路8を制御する。

0024

残響抑圧回路8においては、メインビーム信号出力6aのエコーを抑圧することなく残響のみを抑圧することが可能となり、変形のない目標エコーを受信信号として出力することができる。

0025

以上説明した本発明の一実施の形態においては、スプリットビームをメインビームの上下に形成する例を示したが、スプリットビームは反射エコー及び残響等の相関値を取得するためのものであるから、メインビームに対するスプリットビームの位置関係は任意に形成することができる。また、メインビーム及びスプリットビームは、送受波器を分割構成とした上部送受波器及び下部送受波器により形成する代わりに、全てのアレイ素子を使用し整相処理により各ビームを形成するように構成することができることは明らかである。

発明の効果

0026

本発明によれば、垂直整相においてメインビーム以外に上部ビーム及び下部ビームを用意し上部及び下部ビームを用いて受信した信号の到来方位を把握し残響到来方位のみ残響抑圧処理を行っているので、目標の信号対雑音比を向上させることができ、アクティブソーナーの送信後の残響における目標エコーの認識を容易にすることができる。

0027

また、メインビームの方向からの信号は抑圧処理を行っていないために受信信号の波形を変形させることがなく残響のみを抑圧することができるから、エコー波形を利用して目標の形状及び状態を推定、把握することを容易に行うことができる。

0028

図面の簡単な説明

0029

図1本発明のアクティブソーナー装置の一実施の形態を示すブロック図である。
図2本発明のアクティブソーナー装置における残響特性及び残響の発生状況を示す図である。
図3本発明における相関演算の特性を示す図である。
図4本発明による残響抑圧を行った受信信号を示す図である。
図5従来のアクティブソーナー装置の構成を示す図である。
図6従来のアクティブソーナー装置における残響抑圧の動作原理を示す図である。

--

0030

1送信回路
2送信信号
3送受波器
4受信信号
5a 垂直整相回路
5b上部垂直整相回路
5c下部垂直整相回路
6aメインビーム信号出力
6b 上部ビーム信号出力
6c 下部ビーム信号出力
7スプリットビーム相関回路
7a相関演算回路
7b到来方位信号
7c 到来方位判定回路
7d抑圧制御信号
8残響抑圧回路
9 残響抑圧出力

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