JP7434809B2 - Sonar devices, methods, and programs - Google Patents
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Description
本発明は、ソーナー装置、方法、及びプログラムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a sonar device, method, and program.
ソーナーの関連技術として、例えば特許文献1には、送信アレイと受信アレイを直交させて配置した送波器と受波器を使用するクロスファンビーム方式の水中画像ソーナーが開示されている。特許文献2には、送信部群と、該送信機群と直交配置された受信部群を備え、時間PWにわたって周波数がF1からF2まで変化する送信音を送信し、受信部群から受信した信号により目標を特定して表示出力するソーナーシステムが開示されている。このソーナーシステムでは、時間PWにわたって送信音の周波数をF1からF2まで変化させると共に送波ビーム方向を+θ度から-θ度まで変化させる構成とされている。
As a technology related to sonar, for example, Patent Document 1 discloses a cross fan beam type underwater imaging sonar that uses a transmitter and a receiver in which a transmitting array and a receiving array are arranged orthogonally.
また、非特許文献1には、円筒型の振動子が上下方向に積み重ねられて直線状となるように形成された送信アレイと、水平方向に長いラインアレイによって形成された受信アレイとを備えたクロスファンビーム方式のソーナーが開示されている。非特許文献1では、探知送信波形に連続波を用いることで、時間の途切れがなく連続的に空間情報を得ることができる。 Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses a transmitting array in which cylindrical transducers are vertically stacked to form a linear shape, and a receiving array formed by a horizontally long line array. A cross fan beam sonar is disclosed. In Non-Patent Document 1, by using a continuous wave as a detection transmission waveform, spatial information can be obtained continuously without any interruption in time.
水中での無人機の利用が拡大しており、海底調査等の様々な分野における利用がなされてきた。この無人機の運用の中で固定型ステーションや母艦とのドッキングを行う際に水中の3次元空間情報を時間的な途切れがなく連続的に取得することが望まれる。 The use of unmanned aerial vehicles underwater is expanding, and they have been used in various fields such as seabed surveys. During the operation of this unmanned aircraft, it is desirable to continuously obtain underwater three-dimensional spatial information without any temporal interruption when docking with a fixed station or a mother ship.
上記した特許文献1、2等の関連技術の手法では、時間的に連続性のある情報を得ることができない。非特許文献1の手法では、取得可能な空間情報は2次元に限られる。
With the methods of related technologies such as those disclosed in
したがって、本発明の目的は、音響アレイのチャネル数を削減して3次元の空間情報を時間の途切れがなく連続的に取得可能なソーナー装置、方法、及びプログラムを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a sonar device, method, and program that can reduce the number of channels of an acoustic array and continuously acquire three-dimensional spatial information without any interruption in time.
本発明の一形態によれば、ソーナー装置は、複数の送波素子からなるラインアレイで構成された送信アレイと、長辺方向が前記送信アレイと直交し、短辺方向に2チャネル、または2チャネル以上の少数チャネル(たかだか4チャネル程度)の受信素子からなるラインアレイで構成された受信アレイと、前記送信アレイから連続波送信信号を送信する送信部と、前記受信アレイで受信した受信信号を処理する受信処理部と、を備えている。前記受信処理部は、前記受信アレイ内において、短辺方向に生成された少なくとも第1、第2のサブアレイについて、それぞれ前記受信アレイの前記長辺方向に複数の受信ファンビームを生成し、複数の指向性合成信号を生成する指向性合成処理部と、前記複数の指向性合成信号に基づき、前記受信アレイの前記長辺方向の目標方位を求める第1の方位検出部と、前記受信アレイの前記第1、第2のサブアレイ間の位相差に基づき、前記受信アレイの前記短辺方向の目標方位を検出する第2の方位検出部と、を備え、前記受信アレイの前記長辺方向と前記短辺方向の目標方位と目標距離とに基づき、3次元空間情報を取得する。 According to one aspect of the present invention, a sonar device includes a transmitting array configured of a line array including a plurality of transmitting elements, a long side direction perpendicular to the transmitting array, and a short side direction having two channels or two channels. a receiving array constituted by a line array consisting of receiving elements of a small number of channels or more (about 4 channels at most); a transmitting section that transmits continuous wave transmission signals from the transmitting array; and a reception processing unit for processing. The reception processing unit generates a plurality of reception fan beams in the long side direction of the reception array for at least first and second subarrays generated in the short side direction in the reception array, and generates a plurality of reception fan beams in the long side direction of the reception array. a directional synthesis processing unit that generates a directional synthesis signal; a first azimuth detection unit that determines a target azimuth in the long side direction of the reception array based on the plurality of directional synthesis signals; a second azimuth detection unit that detects a target azimuth in the short side direction of the receiving array based on a phase difference between the first and second subarrays; Three-dimensional spatial information is acquired based on the target orientation and target distance in the side direction.
本発明の一形態によれば、複数の送波素子からなるラインアレイで構成された送信アレイと、複数の送波素子からなり、長辺方向が前記送信アレイと直交するラインアレイで構成された受信アレイと、を備え、前記送信アレイから連続波送信信号を送信し、前記受信アレイで受信した受信信号を処理するソーナーによる目標探索方法であって、
前記受信アレイは、短辺方向に2チャネル、または2チャネル以上の少数チャネル(たかだか4チャネル程度)の受波素子を有し、
前記受信信号の処理は、
前記受信アレイ内において、短辺方向に生成された少なくとも第1、第2のサブアレイについて、それぞれ前記受信アレイの前記長辺方向に複数の受信ファンビームを生成し、複数の指向性合成信号を生成し、
前記複数の指向性合成信号に基づき、前記受信アレイの前記長辺方向の目標方位を求め、
前記受信アレイの前記第1、第2のサブアレイ間の位相差に基づき、前記受信アレイの前記短辺方向の目標方位を検出し、
前記受信アレイの前記長辺方向と前記短辺方向の目標方位と、目標距離とに基づき、3次元空間情報を取得する、目標探索方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, a transmitting array is configured of a line array including a plurality of transmitting elements, and a line array is configured of a line array including a plurality of transmitting elements, the long side direction of which is orthogonal to the transmitting array. A receiving array, a method for searching for a target using a sonar, the method comprising: transmitting a continuous wave transmission signal from the transmitting array; and processing the received signal received by the receiving array.
The receiving array has receiving elements of two channels or a small number of channels (about four channels at most) in the short side direction,
The processing of the received signal includes:
Within the receiving array, a plurality of receiving fan beams are generated in the long side direction of the receiving array for at least first and second subarrays generated in the short side direction, respectively, and a plurality of directional composite signals are generated. death,
determining a target orientation in the long side direction of the receiving array based on the plurality of directional composite signals;
detecting a target orientation in the short side direction of the receiving array based on a phase difference between the first and second subarrays of the receiving array;
A target search method is provided, which acquires three-dimensional spatial information based on the target orientation in the long side direction and the short side direction of the receiving array, and a target distance.
本発明の一形態によれば、複数の送波素子からなるラインアレイで構成された送信アレイと、長辺方向が前記送信アレイと直交し、短辺方向に2チャネル、または、2チャネル以上の少数チャネル(たかだか4チャネル程度)の受波素子からなるラインアレイで構成された受信アレイと、を備え、前記送信アレイから連続波送信信号を送信し、前記受信アレイで受信した受信信号を処理するソーナーを構成するコンピュータに、
前記受信信号の処理として、
前記受信アレイ内において、短辺方向に生成された少なくとも第1、第2のサブアレイについて、それぞれ前記受信アレイの前記長辺方向に複数の受信ファンビームを生成し、複数の指向性合成信号を生成する処理と、
前記複数の指向性合成信号に基づき、前記受信アレイの前記長辺方向の目標方位を求める処理と、
前記受信アレイの前記第1、第2のサブアレイ間の位相差に基づき、前記受信アレイの前記短辺方向の目標方位を検出する処理と、
前記受信アレイの前記長辺方向と前記短辺方向の目標方位と、目標距離とに基づき、3次元空間情報を取得する処理を実行させる、プログラムが提供される。
According to one aspect of the present invention, a transmitting array configured with a line array including a plurality of transmitting elements, a long side direction perpendicular to the transmitting array, and two or more channels in a short side direction. a receiving array configured with a line array consisting of receiving elements of a small number of channels (about 4 channels at most), transmitting a continuous wave transmission signal from the transmitting array, and processing the received signal received by the receiving array. To the computer that makes up the sonar,
As the processing of the received signal,
Within the receiving array, a plurality of receiving fan beams are generated in the long side direction of the receiving array for at least first and second subarrays generated in the short side direction, respectively, and a plurality of directional composite signals are generated. processing and
a process of determining a target orientation in the long side direction of the receiving array based on the plurality of directional composite signals;
a process of detecting a target orientation in the short side direction of the receiving array based on a phase difference between the first and second subarrays of the receiving array;
A program is provided that executes a process of acquiring three-dimensional spatial information based on the target orientation in the long side direction and the short side direction of the receiving array, and the target distance.
本発明の一形態によれば、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み出し可能なプログラム記録媒体(例えばRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、又は、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM))等の半導体ストレージ、HDD(Hard Disk Drive)、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)等の非一時的記録媒体(non-transitory medium)が提供される。 According to one embodiment of the present invention, a computer-readable program recording medium (for example, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), or EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM)) storing the above program is provided. Non-transitory media such as semiconductor storage, HDD (Hard Disk Drive), CD (Compact Disc), and DVD (Digital Versatile Disc) are provided.
本発明によれば、音響アレイのチャネル数を削減して3次元の空間情報を時間の途切れがなく連続的に取得可能なソーナーを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a sonar that can continuously acquire three-dimensional spatial information without interruption in time by reducing the number of channels of an acoustic array.
本発明の実施形態について説明する。本発明の一形態において、ソーナー装置を構成する受信アレイは、短辺が2チャネル、又は2チャネル以上の少数のチャネル(例えば、2チャネル乃至4チャネル程度)で構成された矩形型のアレイからなる。送信アレイは、受信アレイと直交する向きに延在されたラインアレイからなる。受信アレイは、送信アレイから送信される周波数変調された連続波送信信号に対する目標からの反射波を受信する。受信信号に対する信号処理において、受信アレイ102の長辺方向に複数の受信ファンビームを生成して、受信アレイ102の長辺方向での目標の方位(例えば左右)を取得する。また、該信号処理において、例えば短辺の2段の受波素子の位相差から受信アレイ102の短辺方向での目標の方位(例えば上下)を取得し、さらに、連続波送信信号のレプリカ信号と受信信号から目標の距離を求める。そして、これらの情報(左右、上下の方位と距離)から、3次元空間情報を取得する。本発明によれば、短辺が2チャネル又は2チャネル以上の少数チャネルからなるラインアレイで構成された受信アレイと、該受信アレイと直交する送信アレイからなる音響アレイ(少ないチャネル数)を用いたソーナー装置にて、3次元の空間情報を、時間の途切れがなく連続的に取得することができる。
Embodiments of the present invention will be described. In one form of the present invention, the receiving array constituting the sonar device is a rectangular array with a short side configured with two channels or a small number of channels (for example, about 2 to 4 channels) with two or more channels. . The transmitting array consists of a line array extending in a direction orthogonal to the receiving array. The receiving array receives reflected waves from the target in response to frequency modulated continuous wave transmission signals transmitted from the transmitting array. In signal processing of the received signal, a plurality of reception fan beams are generated in the long side direction of the
図1は、本発明の一実施形態に係るソーナー装置10の構成の一例を模式的に示す図である。送信アレイ101は、送信信号(電気信号)の電気-音響変換を行う音響素子(「送波素子」ともいう)の配列(アレイ)である。受信アレイ102は、受信信号(音響信号)の音響-電気変換を行う音響素子(「受波素子」ともいう)の配列である。送信部103は、送信アレイ101の各チャネル(送波素子)から送信される送信信号(電気信号)の生成を行う。受信部104は、受信アレイ102の各チャネル(受波素子)の受信信号に対してアナログ-デジタル変換を行う。受信処理部105は、受信部104でデジタル化された受信信号に対して信号処理を行う。送受信制御部106は、送信部103および受信処理部105に対して処理パラメータやタイミング等の制御を行う。操作・表示部107は、ソーナー装置10の動作の開始や、受信処理部105で算出された目標方位(左右、上下)と、目標との距離情報と、に基づき、3次元画像を生成し表示装置(不図示)に出力する。操作・表示部107と、送受信制御部106とは有線又は無線で通信接続する構成としてもよい。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the configuration of a
図2は、図1の送信アレイ101と受信アレイ102の一例を模式的に示す図である。送信アレイ101は、複数の音響素子(送波素子)が一次元配列されたラインアレイである。受信アレイ102は、長辺が送信アレイ101の長手方向と直交し、短辺が2チャネル(上下2段の受波素子)で構成されるラインアレイである。なお、送信アレイ101は、その長手方向が、図面のZ軸に沿って配設される。Z軸は例えば上下に対応させることができる。受信アレイ102は、上下2段の受波素子の組が複数組、図面のY軸に沿って配設されている。Y軸は左右に対応させることができる。図2において、送信アレイ101の送波素子の送波面と受信アレイ102の受波素子の受波面は、図面のX軸の正の向きを向いたベクトルをそれぞれの法線ベクトルとしている。なお、受信アレイ102は、短辺が、2チャネル以上、たかだか4チャネルの少数チャネル(2段乃至4段の受波素子)で構成してもよい。
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the transmitting
図3は、送信アレイ101から送信される送信波形の時間-周波数信号情報の一例を示す図である。送信部103は、周波数を線形に変化させながら連続的に時間の途切れなく送信を行う。
FIG. 3 is a diagram showing an example of time-frequency signal information of a transmission waveform transmitted from the
図3(A)には、連続波送信波形で一般的なCTFM(Continuous Transmission Frequency Modulated)波形の周波数の時間推移を示している(縦軸:周波数、横軸:時間)。開始周波数f1から終了周波数f2までの周波数掃引を1周期T(T:チャープ周期)毎に繰り返す(連続波チャープ波形)。fw (= f2 - f1)は周波数掃引幅(帯域幅)である。チャープ波形のスロープSは、S = fw/Tで与えられる。図3(B)は、連続波送信波形(チャープ波形)の2周期分を例示している。 FIG. 3A shows a time course of the frequency of a CTFM (Continuous Transmission Frequency Modulated) waveform, which is a common continuous wave transmission waveform (vertical axis: frequency, horizontal axis: time). A frequency sweep from the start frequency f 1 to the end frequency f 2 is repeated every cycle T (T: chirp period) (continuous chirp waveform). f w (= f 2 - f 1 ) is the frequency sweep width (bandwidth). The slope S of the chirp waveform is given by S = f w /T. FIG. 3B illustrates two periods of a continuous wave transmission waveform (chirp waveform).
図3(C)は、連続波送信信号のレプリカ信号の一部(2周期)と受信波形(目標からの反射波)を例示している(縦軸:周波数、横軸:時間)。送信波形と受信波形の周波数の差fB(ビート周波数)から、目標(反射点)との距離Rは、R = c*T*fB/(2fW)(ただし、cは音速、Tはチャープ周期、fWは周波数掃引幅)で求まる。なお、連続波送信波形は、CTFMに制限されるものでなく、GSFM(Generalized Sinusoidal Frequency-Modulated)波形や周波数ホッピング等のCTFM以外の連続波形であってもよい。 FIG. 3C illustrates a part (two cycles) of a replica signal of a continuous wave transmission signal and a received waveform (reflected wave from a target) (vertical axis: frequency, horizontal axis: time). From the frequency difference f B (beat frequency) between the transmitted and received waveforms, the distance R to the target (reflection point) is R = c*T*f B /(2f W ) (where c is the speed of sound and T is The chirp period, f W is the frequency sweep width). Note that the continuous wave transmission waveform is not limited to CTFM, and may be a continuous waveform other than CTFM such as a GSFM (Generalized Sinusoidal Frequency-Modulated) waveform or frequency hopping.
図4は、送信アレイ101から送信される送信ファンビーム401を模式的に示す図である。図4に示すように、送信ファンビーム401は、Y軸方向(左右方向)に広く、z軸方向(上下方向)は左右方向より狭い扇状の形状の音響ビームからなる。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a
図5は、図1の受信処理部105の処理の一例を示す図である。復調処理部1051は、CTFM波形を用いる連続波送信の際に一般的に利用される送信波形を源信とする復調(直交復調)処理を行う。復調処理部1051は、送信波形のレプリカ信号と受信信号を乗算(複素乗算)するミキサ(不図示)を備え、ミキサからレプリカ信号と受信信号の周波数の差(ビート周波数)に相当する信号を出力するようにしてもよい。受信アレイ102のチャネル毎の位相情報を保持したまま、周波数変調された連続波送信信号と受信信号の周波数差の情報を得ることができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of processing by the
指向性合成処理部1052は、上下(垂直:Z軸)方向に広い指向性を持ち、左右(水平:Y軸)方向に狭い指向性を持つ複数の受信ファンビームを生成する。例えばビームの到来方位(図2のX-Y平面でのX軸に対する方位)をγ、受信アレイ102における受波素子の間隔(等間隔)をdRすると、m番目の受波素子と1番目の受波素子間の受信波(反射波)の距離差rm は、rm = (m-1)*dR*sin(γ)となる。受波素子での受信信号の位相を、この距離差で補正した信号を加算することで、γ方向の受信ファンビームs(γ)が生成される(加算型指向性合成)。指向性合成処理部1052は、選択したチャネルとビームの正面方位から、指向性合性信号を生成する。なお、指向性合性信号は、送信ファンビームと受信ファンビームがクロスする部分に鋭い指向性を有する合成ビーム(クロスビーム)に対応している。
The directivity
第1の方位検出部(左右)1053は、指向性合成処理部1052で生成された複数の指向性合成信号(ビーム)から、左右方向の目標方位を検出する。すなわち、方位検出部(左右)1053は、指向性合成信号(ビーム)の出力レベルから左右方向の目標(反射点)の方位を検出する。
The first orientation detection unit (left and right) 1053 detects the target orientation in the left and right direction from the plurality of directional composite signals (beams) generated by the directional
位相検出部1054は、受信アレイ102において、指定したビーム間の位相差を検出する。位相検出部1054は、受信アレイ102の上下2段のチャネル(受波素子)のうち指定したビーム間の位相差を検出する。
The
第2の方位検出部(上下)1055は、指定したビーム間の位相差から、上下方向(垂直方向:Z軸方向)の到来方位を算出する。 The second azimuth detection unit (up and down) 1055 calculates the arrival azimuth in the up and down direction (vertical direction: Z-axis direction) from the phase difference between the specified beams.
図6は、指向性合成処理部1052におけるサブアレイの構成(チャネル)を例示する図である。2段構成の受信アレイ102を上下方向に分離し、個別のサブアレイ1(601)とサブアレイ2(602)を構成する。
FIG. 6 is a diagram illustrating a subarray configuration (channel) in the directional
図7は、指向性合成処理部1052で生成される受信ファンビームを模式的に例示する図である。図7に示すように、指向性合成処理部1052は、図6のサブアレイ1とサブアレイ2のそれぞれに対して、左右方向(Y軸方向)について複数の方位がビーム中心となるように、受信ファンビームを生成する。
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a reception fan beam generated by the directional
図8は、図6のサブアレイ1、2で生成したビームのうち、左右方向(Y軸方向)に同じ方位をビーム中心としたビーム同士の受信信号の位相差を模式的に説明する図である。上下2段の受波素子(間隔=dZ)での位相差から、受信アレイ102の短辺方向での受信波の到来方位を検出する。Y-Z平面の法線であるX軸についてZ方向の到来方位をθとすると、図の位相差は、dZ*sin(θ)で与えられる。
FIG. 8 is a diagram schematically explaining the phase difference of received signals between beams whose beam centers are in the same direction in the left-right direction (Y-axis direction) among the beams generated by
本実施形態によるソーナー装置10では、送信波形として連続波を用いるが、動作モードによっては、同一のソーナー装置10において、パルス波形を用いた送受信を行うことも可能である。この場合、送信アレイ101から送信ビームのビーム中心方位と送信周波数を変化させながら送信し、受信アレイ102にて、複数の方位に対し、受信ファンビームを生成して受信処理を行う一般的なパルス送信方式の3次元クロスファンソーナーの形態をとることができる。この場合も、図6に示す上下段のサブアレイを生成することで、上下方向の方位精度の向上や虚探知(目標でないものを目標と認識すること)の抑制の効果が得られる。なお、送信信号が連続波でなく、パルス波形の場合、音響パルスを送信してから当該音響パルスが目標で反射して戻ってくるまでの時間をτとすると、目標までの距離Rは、R = c*τ/2(cは音速)で求まる。
Although the
本実施形態によれば、連続波送信信号による受信信号に対して、左右方向に生成したビームによる方位検出処理と、上下方向に配置したサブアレイの位相差による方位検出処理と距離検出処理により、3次元の空間情報を時間的な途切れなく取得する。 According to the present embodiment, a received signal from a continuous wave transmission signal is detected by three steps: azimuth detection processing using beams generated in the horizontal direction, azimuth detection processing and distance detection processing based on the phase difference of sub-arrays arranged in the vertical direction. Acquire dimensional spatial information without temporal interruption.
<変形例1>
図9は、サブアレイを受信アレイ102の長辺方向についても生成する場合の受信アレイのサブアレイの生成の一例を説明する図である。受信アレイ102において、該受信アレイ102内にサブアレイ1乃至サブアレイ4が生成される(ハッチングを施した受波素子が該当サブアレイとして選択されている)。なお、受信アレイ102の長辺方向についてサブアレイに含まれる受波素子の組み合わせが異なる複数のサブアレイを含む。サブアレイ1、2では、図面右端の受波素子が非選択とされ、サブアレイ3、4では、図面左端の受波素子が非選択とされている。この変形例1では、図5の第1の方位検出部1053は、受信アレイ102の長辺方向の方位を受信アレイ102の長辺方向のサブアレイのビーム毎の位相情報から検出する。
<Modification 1>
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of generation of subarrays of the reception array when subarrays are also generated in the long side direction of the
前記実施形態では、受信アレイ102が短辺方向に2つのサブアレイ1、2(図6)を備え、各サブアレイの左右方向(Y軸方向)について、第1の方位検出部1053では、複数の指向性合成信号(ビーム)に基づき、目標の方位情報を得ている。一方、この変形例1では、第1の方位検出部1053は、受信アレイ102の長辺方向のサブアレイ(サブアレイ1、3、サブアレイ2、4)に関して、指向性合成処理部1052で生成された指向性合成信号(ビーム)毎に位相情報による長辺方向(左右方向:Y軸方向)の方位の検出を併せて実施する構成としている。このため、変形例1によれば、長辺方向(左右方向:Y軸方向)の方位の検出精度を向上させることができる。
In the embodiment, the
<変形例2>
図10は、垂直方向(Z軸方向)の視野角を拡大する場合の送信ビームの垂直ビームパターンを模式的に示す図である。図10の例では、送信ビームが上向きの送信ファンビームU 1001、正面を向いた送信ファンビームC 1002、下向きの送信ファンビームD 1003の3つのビームを送信する。ビームを送信アレイ101の送波面の法線方向から角度δ傾ける場合、送波素子間の間隔をdT、波長をλとすると、送信アレイ101のk番目の送波素子の送信信号は1番目の送波素子の送信信号に対して、(k-1)*dT*sin(δ)/λの位相調整を行うようにしてもよい。
<
FIG. 10 is a diagram schematically showing a vertical beam pattern of a transmission beam when the viewing angle in the vertical direction (Z-axis direction) is expanded. In the example of FIG. 10, three transmission beams are transmitted: an upward transmission
<変形例3>
図11は、図10のそれぞれの送信ビームについての送信波形の時間-周波数信号を説明する図である。前記実施形態では、送信を1つのビームのみで行っていたが、本実施形態では、送信アレイ101から、複数の送信ファンビーム(図10の3つの送信ビームU、C、D)を、上下方向の方位を変えながら、それぞれを異なる周波数帯域で送信する。送信ビーム(ファンビーム)U、C、Dについて、それぞれの連続チャープ波形の周波数帯域(掃引周波数幅)が互いに異なっている。なお、送信ビーム(ファンビーム)U、C、Dの周波数帯域の割り当ては図11に限定されるものでないことは勿論である。
<Modification 3>
FIG. 11 is a diagram illustrating time-frequency signals of transmission waveforms for each transmission beam in FIG. 10. In the embodiment described above, transmission was performed using only one beam, but in this embodiment, a plurality of transmission fan beams (three transmission beams U, C, and D in FIG. 10) are transmitted from the
この変形例3によれば、図4を参照して説明した前記実施形態と比較して、上下方向に広い範囲をセンサの覆域を得ることができる。 According to this modification 3, compared to the embodiment described with reference to FIG. 4, it is possible to obtain a wider coverage area of the sensor in the vertical direction.
<変形例4>
図12は、ラインアレイを円環状に配置している。音響アレイは、送信アレイ101と、送信アレイ101と直交するように配置された受信アレイ102で構成され、各ラインアレイは、円環の一部を構成している。このように音響アレイは、ソーナー装置を搭載する航走体に適した形状をとることができる。
<
In FIG. 12, the line array is arranged in an annular shape. The acoustic array is composed of a transmitting
図13は、上記したソーナー装置10をコンピュータ300で構成した例を説明する図である。コンピュータ300は、プロセッサ301、メモリ302、表示装置303、通信インタフェース304を備えている。メモリ302は、プロセッサ301で実行させるプログラムを記憶している。プロセッサ301は、受信処理部105の処理や送受信制御部106における制御等を行う。通信インタフェース304は送信部103、受信部104との通信を行う。メモリ302は、例えばRAM、ROM、又は、EEPROM等の半導体ストレージやHDDであってもよい。なお、プロセッサ301は、操作・表示部107における処理(3次元空間情報を画像化して表示装置303へ表示出力等)を行うようにしてもよい。
FIG. 13 is a diagram illustrating an example in which the
上記した実施形態のソーナー装置10は、水中における物体検出を目的としており、特に近距離での目標の検出における利用において効果が高い。ただし、近距離に制限されるものでなく、遠距離での目標検出についても利用可能である。また、上記実施形態は、水中音響での適用例を説明しているが、同様のセンサ装置と信号処理方法を空中で音響を利用した場合にも適用可能である。また、音波でなく電磁波を利用した場合についても適用可能である。
The
なお、上記の特許文献1、2、非特許文献1の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
In addition, each disclosure of the above-mentioned
10 ソーナー装置
101 送信アレイ
102 受信アレイ
103 送信部
104 受信部
105 受信処理部
106 送受信制御部
107 操作・表示部
300 コンピュータ
301 プロセッサ
302 メモリ
303 表示装置
304 通信インタフェース
401 送信ファンビーム
701 受信ファンビーム
601、901 サブアレイ1
602、902 サブアレイ2
903 サブアレイ3
904 サブアレイ4
1001 送信ファンビームU
1002 送信ファンビームC
1003 送信ファンビームD
1021 サブアレイ1
1022 サブアレイ2
1051 復調処理部
1052 指向性合成処理部
1053 第1の方位検出部(左右)
1054 位相検出部
1055 第2の方位検出部(上下)
10
602, 902
903 Subarray 3
904
1001 Transmission fan beam U
1002 Transmission fan beam C
1003 Transmission fan beam D
1021 Subarray 1
1022
1051
1054
Claims (8)
長辺方向が前記送信アレイの長手方向と直交し、短辺方向に上下複数段の受信素子の組からなり、前記短辺方向の複数段の受信素子の組を前記長辺方向に複数組配置した複数段の列からなるラインアレイで構成された受信アレイと、
前記送信アレイから連続波送信信号を送信する送信部と、
前記受信アレイで受信した受信信号を処理する受信処理部と、
を備え、
前記受信アレイの前記短辺方向の前記上下複数段は、上下2乃至4段のいずれかからなり、
前記受信処理部は、
前記受信アレイの前記ラインアレイの前記複数段の列のうち少なくとも2つの段の列からなる少なくとも第1、第2のサブアレイについて、それぞれ前記受信アレイの前記長辺方向に複数の受信ビームを指向性合成により生成する指向性合成処理部と、
前記複数の受信ビームの出力レベルに基づき、前記受信アレイの前記長辺方向の目標方位を求める第1の方位検出部と、
前記受信アレイの前記第1、第2のサブアレイ間の位相差に基づき、前記受信アレイの前記短辺方向の目標方位を検出する第2の方位検出部と、
を備え、
前記少なくとも第1、第2のサブアレイは、前記長手方向に少なくとも1つの受信素子分ずらした状態で配置されており、
前記第1の方位検出部は、前記少なくとも第1、第2のサブアレイについて前記指向性合成処理部で生成された前記受信ビーム毎に位相情報による前記長辺方向の目標方位の検出を併せて行い、
前記受信アレイの前記長辺方向と前記短辺方向の目標方位と目標距離とに基づき、3次元空間情報を取得する、ことを特徴とするソーナー装置。 A transmitting array composed of a line array consisting of a plurality of transmitting elements,
The long side direction is perpendicular to the longitudinal direction of the transmitting array, and the plurality of sets of receiving elements are arranged in the short side direction in multiple stages of upper and lower sides, and the plurality of sets of receiving elements in the plural stages in the short side direction are arranged in the long side direction. a receiving array consisting of a line array consisting of multiple rows of rows;
a transmitting unit that transmits a continuous wave transmission signal from the transmitting array;
a reception processing unit that processes the reception signal received by the reception array;
Equipped with
The plurality of upper and lower stages in the short side direction of the receiving array consists of either 2 to 4 upper and lower stages,
The reception processing unit includes:
directivity of a plurality of reception beams in the long side direction of the reception array for at least first and second sub-arrays each consisting of at least two rows of the plurality of rows of the line array of the reception array; a directional synthesis processing unit that generates by synthesis;
a first azimuth detection unit that determines a target azimuth in the long side direction of the reception array based on output levels of the plurality of reception beams;
a second orientation detection unit that detects a target orientation in the short side direction of the reception array based on a phase difference between the first and second subarrays of the reception array;
Equipped with
The at least first and second subarrays are arranged to be shifted by at least one receiving element in the longitudinal direction,
The first azimuth detection unit also detects the target azimuth in the long side direction using phase information for each of the reception beams generated by the directional synthesis processing unit for the at least first and second subarrays. ,
A sonar device characterized in that three-dimensional spatial information is acquired based on the target direction and target distance in the long side direction and the short side direction of the receiving array.
前記少なくとも第1、第2のサブアレイでは、前記受信アレイの長辺方向について、各サブアレイの少なくとも端部に含まれる受信素子の組み合わせが異なる、ことを特徴とする請求項1記載のソーナー装置。 the at least first and second subarrays include a portion of the plurality of sets of receiving elements in the long side direction of the receiving array;
The sonar device according to claim 1, wherein the at least first and second sub-arrays have different combinations of receiving elements included in at least an end portion of each sub-array in the long side direction of the receiving array. .
長辺方向が前記送信アレイの長手方向と直交し、短辺方向に上下複数段の受信素子の組からなり、前記短辺方向の複数段の受信素子の組を前記長辺方向に複数組配置した複数段の列からなるラインアレイで構成された受信アレイと、
を備え、
前記受信アレイの前記短辺方向の前記上下複数段は、上下2乃至4段のいずれかからなり、
前記送信アレイから連続波送信信号を送信し、前記受信アレイで受信した受信信号を処理するソーナーによる目標探索方法であって、
前記受信信号の処理は、
前記受信アレイの前記ラインアレイの前記複数段の列のうち少なくとも2つの段の列からなる少なくとも第1、第2のサブアレイについて、それぞれ前記受信アレイの前記長辺方向に複数の受信ビームを指向性合成により生成し、
前記複数の受信ビームの出力レベルに基づき、前記受信アレイの前記長辺方向の目標方位を求め、
前記受信アレイの前記第1、第2のサブアレイ間の位相差に基づき、前記受信アレイの前記短辺方向の目標方位を検出し、
前記少なくとも第1、第2のサブアレイは、前記長手方向に少なくとも1つの受信素子分ずらした状態で配置されており、
前記少なくとも第1、第2のサブアレイについて前記指向性合成で生成された前記受信ビーム毎に位相情報による前記長辺方向の目標方位の検出を併せて行い、
前記受信アレイの前記長辺方向と前記短辺方向の目標方位と目標距離とに基づき、3次元空間情報を取得する、ことを特徴とする目標探索方法。 A transmitting array composed of a line array consisting of a plurality of transmitting elements,
The long side direction is perpendicular to the longitudinal direction of the transmitting array, and the plurality of sets of receiving elements are arranged in the short side direction in multiple stages of upper and lower sides, and the plurality of sets of receiving elements in the plural stages in the short side direction are arranged in the long side direction. a receiving array consisting of a line array consisting of multiple rows of rows;
Equipped with
The plurality of upper and lower stages in the short side direction of the receiving array consists of either 2 to 4 upper and lower stages,
A method for searching for a target using a sonar, the method comprising transmitting a continuous wave transmission signal from the transmission array and processing the reception signal received by the reception array, the method comprising:
The processing of the received signal includes:
directivity of a plurality of reception beams in the long side direction of the reception array for at least first and second sub-arrays each consisting of at least two rows of the plurality of rows of the line array of the reception array; produced by synthesis,
Determining a target orientation in the long side direction of the receiving array based on the output levels of the plurality of receiving beams,
detecting a target orientation in the short side direction of the receiving array based on a phase difference between the first and second subarrays of the receiving array;
The at least first and second subarrays are arranged to be shifted by at least one receiving element in the longitudinal direction,
Detecting the target orientation in the long side direction based on phase information for each of the receiving beams generated by the directional synthesis for the at least first and second subarrays;
A method for searching for a target, characterized in that three-dimensional spatial information is acquired based on the target direction and target distance in the long side direction and the short side direction of the receiving array.
前記少なくとも第1、第2のサブアレイでは、前記受信アレイの長辺方向について、各サブアレイの少なくとも端部に含まれる受信素子の組み合わせが異なる、ことを特徴とする請求項5記載の目標探索方法。 the at least first and second subarrays include a portion of the plurality of sets of receiving elements in the long side direction of the receiving array;
6. The target search according to claim 5, wherein the at least first and second sub-arrays have different combinations of receiving elements included in at least an end portion of each sub-array in the long side direction of the receiving array. Method.
長辺方向が前記送信アレイの長手方向と直交し、短辺方向が上下複数段の受信素子の組からなり、前記短辺方向の複数段の受信素子の組を前記長辺方向に複数組配置した複数段の列からなるラインアレイで構成された受信アレイと、
前記送信アレイから連続波送信信号を送信する送信部と、
前記受信アレイで受信した受信信号をデジタル信号に変換する受信部と、
プロセッサと、プログラムを記憶したメモリと、前記送信部および前記受信部と通信する通信インタフェースを備えたコンピュータと、
を備え、
前記受信アレイの前記短辺方向の前記上下複数段は、上下2乃至4段のいずれかからなり、前記送信アレイから連続波送信信号を送信し、前記受信アレイで受信した受信信号を処理するソーナー装置の前記コンピュータのプロセッサに、
前記受信アレイの前記ラインアレイの前記複数段の列のうち少なくとも2つの段の列からなる少なくとも第1、第2のサブアレイについて、それぞれ前記受信アレイの前記長辺方向に複数の受信ビームを指向性合成により生成する処理と、
前記複数の受信ビームの出力レベルに基づき、前記受信アレイの前記長辺方向の目標方位を求める処理と、
前記受信アレイの前記第1、第2のサブアレイ間の位相差に基づき、前記受信アレイの前記短辺方向の目標方位を検出する処理と、
前記長手方向に少なくとも1つの受信素子分ずらした状態で配置されている前記少なくとも第1、第2のサブアレイについて前記指向性合成で生成された前記受信ビーム毎に位相情報による前記長辺方向の目標方位の検出を併せて行う処理と、
前記受信アレイの前記長辺方向と前記短辺方向の目標方位と目標距離とに基づき、3次元空間情報を取得する処理を実行させるプログラム。 A transmitting array composed of a line array consisting of a plurality of transmitting elements,
The long side direction is orthogonal to the longitudinal direction of the transmitting array, and the short side direction is composed of sets of receiving elements in multiple stages of upper and lower sides, and a plurality of sets of receiving elements in multiple stages in the short side direction are arranged in the long side direction. a receiving array consisting of a line array consisting of multiple rows of rows;
a transmitting unit that transmits a continuous wave transmission signal from the transmitting array;
a receiving unit that converts the received signal received by the receiving array into a digital signal;
a computer comprising a processor, a memory storing a program, and a communication interface that communicates with the transmitter and the receiver;
Equipped with
The plurality of upper and lower stages in the short side direction of the receiving array is composed of either 2 to 4 upper and lower stages, and is a sonar that transmits a continuous wave transmission signal from the transmission array and processes the reception signal received by the reception array. a processor of said computer of the apparatus;
directivity of a plurality of reception beams in the long side direction of the reception array for at least first and second sub-arrays each consisting of at least two rows of the plurality of rows of the line array of the reception array; Processing to generate by synthesis,
A process of determining a target direction of the receiving array in the long side direction based on the output level of the plurality of receiving beams;
a process of detecting a target orientation in the short side direction of the receiving array based on a phase difference between the first and second subarrays of the receiving array;
A target in the long side direction based on phase information for each of the receiving beams generated by the directional synthesis for the at least first and second subarrays arranged in a state shifted by at least one receiving element in the longitudinal direction. Processing that also detects the direction,
A program for executing processing for acquiring three-dimensional spatial information based on a target direction and a target distance in the long side direction and the short side direction of the receiving array.
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