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JP7533973B2 - Imaging sonar device, method and program - Google Patents
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Description

本発明は、画像ソナー装置と方法並びにプログラムに関する。 The present invention relates to an imaging sonar device, method, and program.

画像ソナーは、送波音を水中に発信する複数の送波器(音響素子)を直線状に配列したラインアレイ構成の送波アレイに対して、水中の目標から反射した反射音を受波する複数の受波器を直線状に配列したラインアレイ構成の受波アレイが、送波アレイと十字形となるように直交配置された構成とされる(例えば特許文献1、2等参照)。 The imaging sonar is configured so that a line array-configured transmitting array is made up of multiple transmitters (acoustic elements) that transmit sound underwater and are arranged in a straight line, and a line array-configured receiving array is made up of multiple receivers that receive sound reflected from underwater targets and are arranged orthogonally to the transmitting array to form a cross (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

横広の扇を広げた音響ビーム(ファンビーム)を例えば上から下へ送出方向を変えながら音響信号を送波して、ターゲットからの反射音を、水平方向に角度をシフトした多数の縦広のファンビームで受波する。垂直方向は、例えば周波数の違いから分割し、水平方向は受波ビームの角度で分割することにより高精度の画像を取得可能としている。クロスファンビーム方式の画像ソナーについては特許文献1、2等が参照される。なお、クロスファンビーム方式により、2次元/3次元画像を生成するソナーをクロスファンビーム方式による画像ソナーという。 An acoustic signal is sent out while changing the direction of an acoustic beam (fan beam) that spreads out like a wide fan from top to bottom, for example, and the reflected sound from the target is received by many wide fan beams that are shifted in angle in the horizontal direction. The vertical direction is divided, for example, based on differences in frequency, and the horizontal direction is divided by the angle of the receiving beam, making it possible to obtain highly accurate images. For information on cross-fan beam type imaging sonar, see Patent Documents 1 and 2, etc. Note that sonar that generates two-dimensional/three-dimensional images using the cross-fan beam method is called cross-fan beam type imaging sonar.

水中航走体の前部にクロスファンビーム方式の画像ソナーを備えた関連技術について説明する。クロスファンビーム方式の画像ソナーでは、図1に模式的に例示したように、電気信号を音響信号に変換する複数の音響素子(送波器)を一列(縦方向:Y方向)に配列した送波アレイ3と、音響信号を電気信号に変換する複数の音響素子(受波器)を一列(横方向:X方向)に配列した受波アレイ4を備え、縦方向の送波ビーム指向性と横方向の受波ビーム指向性のクロスする画素の信号の指向性を得られる。このため、少ない演算量で画像ソナーの画素情報を得られるメリットがある。なお、図1は、Z軸方向からXY平面を見た模式的平面図であり、十字形状の送波アレイ3と受波アレイ4を囲繞する円は、水中航走体の長手方向(進行方向)に直交する断面(前部の断面)の円形の外縁又は外縁と同心円の内側領域を模式的に表しているとしてもよい。 The following describes related technology that has a cross-fan beam imaging sonar at the front of an underwater vehicle. As shown in FIG. 1, the cross-fan beam imaging sonar has a transmitting array 3 in which a number of acoustic elements (transmitters) that convert electrical signals into acoustic signals are arranged in a row (vertical direction: Y direction), and a receiving array 4 in which a number of acoustic elements (receivers) that convert acoustic signals into electrical signals are arranged in a row (horizontal direction: X direction), and the directivity of the pixel signal where the vertical transmitting beam directivity and the horizontal receiving beam directivity cross is obtained. This has the advantage that the pixel information of the imaging sonar can be obtained with a small amount of calculation. Note that FIG. 1 is a schematic plan view of the XY plane seen from the Z-axis direction, and the circle surrounding the cross-shaped transmitting array 3 and receiving array 4 may be a schematic representation of the circular outer edge or the inner area of a circle concentric with the outer edge of the cross section (cross section of the front) perpendicular to the longitudinal direction (travel direction) of the underwater vehicle.

図2は、クロスファンビーム方式の送波ビームを示す。クロスファンビーム方式による画像ソナーは、図2に示すように、水中航走体1において、送波アレイ3(図1)から垂直方向(Y方向)に指向性がある送波ビーム5を、垂直方向のm画素分、複数送信する。送波アレイ3からのm本の送波ビーム5はそれぞれ方向θ1~θmに変移するように位相シフトされ、それぞれのビームで音波の周波数を変えて送信される(例えば方向θ1のビームは周波数F1、方向θmのビームは周波数Fmで送信)。 Figure 2 shows a transmission beam of the cross fan beam system. As shown in Figure 2, an image sonar using the cross fan beam system transmits multiple transmission beams 5 with directionality in the vertical direction (Y direction) from the transmission array 3 (Figure 1) in an underwater vehicle 1, for m pixels in the vertical direction. Each of the m transmission beams 5 from the transmission array 3 is phase shifted to move in directions θ1 to θm, and each beam is transmitted with a different frequency of sound waves (for example, the beam in direction θ1 is transmitted at frequency F1, and the beam in direction θm is transmitted at frequency Fm).

図3は、クロスファンビーム方式の受波ビームを示す。水中航走体1において、送波アレイ3に直交して配設された受波アレイ4(図1)にて、送波アレイ3から送信された音波の反射音を受信し、水平方向(X方向)に指向性がある受波ビーム6を複数生成する。図3では、受波ビーム6は、水平方向(X方向)に角度φ1~φnのn本としている。 Figure 3 shows a receiving beam using the cross fan beam method. In the underwater vehicle 1, the receiving array 4 (Figure 1) is arranged perpendicular to the transmitting array 3, and receives the reflected sound of the sound waves transmitted from the transmitting array 3, generating multiple receiving beams 6 with directionality in the horizontal direction (X direction). In Figure 3, there are n receiving beams 6 at angles φ1 to φn in the horizontal direction (X direction).

図4は、クロスファンビーム方式により得られる2次元画像の例を示す。垂直方向(θ1~θm)のm本の送波ビーム5(図2)と、水平方向(φ1~φn)のn本の受波ビーム6(図3)のクロスした部分の反射波のみを捉えることができる。これにより、ソナーの高分解能化を実現し、水中物体の2次元の形状と寸法を検出することができる。 Figure 4 shows an example of a two-dimensional image obtained using the cross fan beam method. It is possible to capture only the reflected waves from the crossing point between m transmitting beams 5 (Figure 2) in the vertical direction (θ1 to θm) and n receiving beams 6 (Figure 3) in the horizontal direction (φ1 to φn). This allows for high sonar resolution and makes it possible to detect the two-dimensional shape and dimensions of underwater objects.

さらに、受波ビームによる水平方向の指向性合成処理(受信信号に対して整相処理を行い指向性ビームを形成する)を短い周期で行うことにより、2次元画像データを、距離方向の画像データとして、3次元化することにより、水中物体の3次元の形状と寸法を検出することができる。 Furthermore, by performing horizontal directional synthesis processing (performing phasing processing on the received signal to form a directional beam) using the receiving beam at short intervals, the two-dimensional image data is converted into three-dimensional image data in the distance direction, making it possible to detect the three-dimensional shape and dimensions of underwater objects.

しかし、クロスファンビーム方式の画像ソナーは、直線状のアレイを使用することから、水中航走体1の姿勢の影響を受けやすい。 However, because cross-fan beam imaging sonar uses a linear array, it is easily affected by the attitude of the underwater vehicle 1.

クロスファンビーム方式の画像ソナーを、姿勢が安定しない水中航走体1(船舶と比べて小型)に装備した場合、精度の高い画像を得ることが難しい。特に、水中航走体1が水中を高速で航走する際に生じる姿勢の変化の影響を受けやすい。水中航走体1は、一般的に前後方向に細長く、ほとんどの場合に断面は円形形状とされ、船の航行時の揺れ(ローリング)を抑えるフィンスタビライザーやビルジキールのような動揺抑制機構を持たない。このため、水中航走体1が高速で航走した場合に、特にロール角の姿勢を安定させることが難しい場合がある。 When a cross-fan beam imaging sonar is installed on an underwater vehicle 1 (which is smaller than a ship) whose attitude is unstable, it is difficult to obtain highly accurate images. In particular, it is easily affected by changes in attitude that occur when the underwater vehicle 1 travels through the water at high speed. The underwater vehicle 1 is generally elongated in the fore-and-aft direction, and in most cases has a circular cross section, and does not have a motion suppression mechanism such as a fin stabilizer or bilge keel that suppresses the rolling of the ship while it is sailing. For this reason, when the underwater vehicle 1 travels at high speed, it can be difficult to stabilize the attitude, especially the roll angle.

さらに、水中航走体1の前部に、クロスファンビーム方式の画像ソナーとして、直交配置されたラインアレイ構成の送波アレイ3及び受波アレイ4を装備した場合、水中航走体1の前部に、他のソナー用のアレイを装備することは難しい。図1の例では、水中航走体1の前部にクロスファンビーム方式の画像ソナーの送波アレイ3及び受波アレイ4を装備した例を示しているが、送波アレイ3及び受波アレイ4が直線状であり、直交しているので、他のソナー用のアレイを装備する隙間が少なくなる傾向にある。 Furthermore, if the front of the underwater vehicle 1 is equipped with a transmitting array 3 and a receiving array 4 in an orthogonal line array configuration as a cross-fan beam type imaging sonar, it is difficult to equip the front of the underwater vehicle 1 with an array for another sonar. The example in Figure 1 shows an example in which the front of the underwater vehicle 1 is equipped with a transmitting array 3 and a receiving array 4 of a cross-fan beam type imaging sonar, but because the transmitting array 3 and the receiving array 4 are linear and orthogonal, there tends to be less space for equipping an array for another sonar.

特開2004-12237号公報JP 2004-12237 A 特開2006-64524号公報JP 2006-64524 A

以下では、水中航走体1が水中を高速で航走する際に生じる姿勢の変化の影響を受けやすく、水中物体の形状と寸法が不正確になる可能性があるという課題について説明する。 Below, we will explain the problem that the underwater vehicle 1 is easily affected by changes in attitude that occur when it travels through the water at high speed, which may result in inaccurate measurements of the shape and dimensions of the underwater object.

図5(A)乃至(C)は、クロスファンビーム方式の画像ソナーがロール角+10[deg](度)の姿勢の場合に、送波ビーム5を送信した場合を説明する図である。図5(A)に示すように、送波アレイ3が時計周りにロール角+10[deg]傾いている。図5(B)は、水中航走体1のローリング時に送信される送波ビーム5と水中物体2の関係を説明する図である。図5(C)は、水中航走体1のローリング時に得られた画像(表示装置に表示された画像)を模式的に示している。本来水平である水中物体2が、図6に示すとおり、ロール角に相当する+10[deg]ほど傾いて検出されることが予想される。 Figures 5 (A) to (C) are diagrams illustrating the case where a cross-fan beam type imaging sonar transmits a transmission beam 5 when the image sonar is in a position with a roll angle of +10 degrees. As shown in Figure 5 (A), the transmission array 3 is tilted clockwise at a roll angle of +10 degrees. Figure 5 (B) is a diagram illustrating the relationship between the transmission beam 5 transmitted when the underwater vehicle 1 is rolling and the underwater object 2. Figure 5 (C) is a schematic diagram showing an image (image displayed on a display device) obtained when the underwater vehicle 1 is rolling. The underwater object 2, which is originally horizontal, is expected to be detected tilted at about +10 degrees, which corresponds to the roll angle, as shown in Figure 6.

図7(A)乃至(C)は、クロスファンビーム方式の画像ソナーがロール角-10[deg]の姿勢の場合に、送波ビーム5を送信した場合を説明する図である。図7(A)に示すように、送波アレイ3が時計周りにロール角-10[deg]傾いている。図7(B)は、水中航走体1のローリング時に送信される受波ビーム6と水中物体2の関係を説明する図である。図7(C)は、水中航走体1のローリング時に得られた画像(表示装置に表示された画像)を模式的に示している。本来水平である水中物体2が、図8に示すとおり、ロール角に相当する-10[deg]ほど傾いて検出されることが予想される。 Figures 7 (A) to (C) are diagrams illustrating the case where a cross-fan beam type imaging sonar transmits a transmission beam 5 when the imaging sonar is in a position with a roll angle of -10[deg]. As shown in Figure 7 (A), the transmission array 3 is tilted clockwise at a roll angle of -10[deg]. Figure 7 (B) is a diagram illustrating the relationship between the receiving beam 6 transmitted when the underwater vehicle 1 is rolling and the underwater object 2. Figure 7 (C) is a schematic diagram illustrating an image (image displayed on a display device) obtained when the underwater vehicle 1 is rolling. The underwater object 2, which is originally horizontal, is expected to be detected tilted at about -10[deg], which corresponds to the roll angle, as shown in Figure 8.

図5及び図6に示すように、送波ビーム5がロール角+10[deg]傾いた場合、且つ、図7及び図8に示すように、受波ビーム6がロール角-10[deg]傾いた場合に検出される水中物体2の形状は、図9に示すようなものとなる。 When the transmitting beam 5 is tilted at a roll angle of +10[deg] as shown in Figures 5 and 6, and when the receiving beam 6 is tilted at a roll angle of -10[deg] as shown in Figures 7 and 8, the shape of the underwater object 2 detected will be as shown in Figure 9.

送波ビーム5及び受波ビーム6の傾きの結果、クロスファンビーム方式の画像ソナーにより得られる水中物体2の2次元の概略形状と概略寸法は、図10に示すようなものとなる。図10は、クロスファンビーム方式の画像ソナーにおいて、水中航走体のロール角が画像ソナーにより得られる2次元画像に影響を与えた結果の例を示す。本来、図3に示す水中物体2が、図10に示すとおり、不規則な形状(例えばサツマイモの形状)に見えてしまうことになる。 As a result of the inclination of the transmitting beam 5 and receiving beam 6, the approximate two-dimensional shape and dimensions of the underwater object 2 obtained by the cross-fan beam imaging sonar are as shown in Figure 10. Figure 10 shows an example of the effect that the roll angle of the underwater vehicle has on the two-dimensional image obtained by the imaging sonar in the cross-fan beam imaging sonar. The underwater object 2 shown in Figure 3 will end up appearing to have an irregular shape (for example, the shape of a sweet potato) as shown in Figure 10.

クロスファンビーム方式の画像ソナーの用途の一例として、水中物体の形状及び寸法を検出して、水中物体が本物であるか偽物(デコイ:decoy)であるかを判別する類別用ソナーがあるが、図10に示したような画像から類比判別を正しく行うことは困難である。 One example of the use of cross-fan beam imaging sonar is a classification sonar that detects the shape and dimensions of underwater objects and determines whether the underwater object is real or a fake (decoy). However, it is difficult to correctly perform classification from an image such as that shown in Figure 10.

なお、クロスファンビーム方式の画像ソナーについて、水中航走体1のロール角が変化した場合について、図5乃至図10のようなシミュレーションを行ったが、実際の水中航走体1は、航走中に、ヨー角及びピッチ角が変化する場合もあり、図10の画像よりもさらに、検出される水中物体の形状と寸法が不正確になる可能性がある。 Note that for the cross-fan beam imaging sonar, simulations such as those shown in Figures 5 to 10 were performed when the roll angle of the underwater vehicle 1 changed. However, in an actual underwater vehicle 1, the yaw angle and pitch angle may change while the vehicle is sailing, and the shape and dimensions of the detected underwater object may be even more inaccurate than in the image shown in Figure 10.

上記の通り、水中航走体1が水中を高速で航走する際に生じる姿勢の変化の影響を受けやすく、水中物体の形状と寸法が不正確になる可能性がある。 As mentioned above, the underwater vehicle 1 is easily affected by changes in attitude that occur when it travels through the water at high speed, which may result in inaccurate measurements of the shape and dimensions of the underwater object.

さらに、水中航走体1では、通常、クロスファンビーム方式の画像ソナー以外に、他の水中航走体を発見する捜索用ソナーも併用する。このため、水中航走体1の前部に捜索用ソナーのアレイを配置するスペースを確保する必要がある。 Furthermore, in the underwater vehicle 1, in addition to the cross-fan beam imaging sonar, a search sonar is also normally used to detect other underwater vehicles. For this reason, it is necessary to secure space in the front of the underwater vehicle 1 to place the search sonar array.

しかし、水中航走体1の前部に、図1に示したようなクロスファンビーム方式ソナー用の送波アレイ3と受波アレイ4を装備した場合、捜索用ソナーのアレイを装備することが難しい。 However, if the underwater vehicle 1 is equipped with a transmitting array 3 and a receiving array 4 for a cross-fan beam sonar as shown in Figure 1 at the front, it is difficult to equip it with a search sonar array.

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたものであって、水中航走体の姿勢の変化の影響を抑制可能とし、水中航走体の前部に捜索用ソナーのアレイを配置するスペースを確保可能とした画像ソナー装置、方法、プログラムを提供することを目的とする。 The present invention was devised in consideration of the above problems, and aims to provide an imaging sonar device, method, and program that can suppress the effects of changes in the attitude of the underwater vehicle and ensure space for placing a search sonar array at the front of the underwater vehicle.

本発明によれば、水中航走体の前部に前記水中航走体の長手方向に直交する面に2次元配置される送受波アレイを備えた画像ソナー装置であって、前記送受波アレイは、複数の送波器と複数の受波器とが中空円環状に配置された構成とされ、前記複数の送波器と前記複数の受波器の各音響面はいずれも前記中空円環の一面側に位置している。さらに、ソナー装置は、前記水中航走体の姿勢を検出する姿勢センサと、前記姿勢センサの検出結果に基づき、前記送受波アレイの傾きによる指向性合成処理の補正計算を行う指向性合成手段を備えている。 According to the present invention, an imaging sonar device is provided with a wave transmitting/receiving array arranged two-dimensionally in a plane perpendicular to the longitudinal direction of an underwater vehicle at the front of the underwater vehicle, the wave transmitting/receiving array being configured with a plurality of transmitters and a plurality of receivers arranged in a hollow ring shape, with the acoustic surfaces of the plurality of transmitters and the plurality of receivers all located on one side of the hollow ring. The sonar device further includes an attitude sensor that detects the attitude of the underwater vehicle, and a directivity synthesis means that performs correction calculations for the directivity synthesis process due to the inclination of the wave transmitting/receiving array based on the detection results of the attitude sensor.

本発明によれば、水中航走体の前部に前記水中航走体の長手方向に直交する面に2次元配置される送受波アレイを用いた画像ソナー方法であって、前記送受波アレイを、複数の送波器と複数の受波器を中空円環状に配置して構成し、前記複数の送波器と前記複数の受波器の各音響面はいずれも前記中空円環の一面側に位置し、前記水中航走体の姿勢の検出結果に基づき、前記送受波アレイの傾きによる指向性合成処理の補正計算を行う。 According to the present invention, an imaging sonar method uses a two-dimensionally arranged wave transmitting/receiving array at the front of an underwater vehicle on a plane perpendicular to the longitudinal direction of the underwater vehicle, the wave transmitting/receiving array is configured by arranging multiple transmitters and multiple receivers in a hollow ring shape, and each acoustic surface of the multiple transmitters and multiple receivers is located on one side of the hollow ring, and correction calculations are performed for directional synthesis processing due to the tilt of the wave transmitting/receiving array based on the detection result of the attitude of the underwater vehicle.

本発明によれば、水中航走体の前部に前記水中航走体の長手方向に直交する面に2次元配置される送受波アレイを備え、前記送受波アレイは、複数の送波器と複数の受波器とが中空円環状に配置された構成とされ、前記複数の送波器と前記複数の受波器の各音響面はいずれも前記中空円環の一面側に位置してなる画像ソナー装置を構成するコンピュータに、
前記水中航走体の姿勢の検出結果に基づき、前記送受波アレイの傾きによる指向性合成処理の補正計算を行う処理を実行させるプログラムが提供される。さらに、本発明によれば、上記プログラムを記憶したコンピュータ可読型記録媒体(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))が提供される。
According to the present invention, an image sonar device is provided at a front portion of an underwater vehicle, the image sonar device being configured with a wave transmitting/receiving array that is two-dimensionally arranged on a plane perpendicular to the longitudinal direction of the underwater vehicle, the wave transmitting/receiving array being configured with a plurality of wave transmitters and a plurality of wave receivers that are arranged in a hollow ring shape, and each acoustic surface of the plurality of wave transmitters and the plurality of wave receivers is located on one side of the hollow ring.
A program is provided for executing a process of performing a correction calculation for a directivity synthesis process due to the inclination of the wave transmitting/receiving array based on the detection result of the attitude of the underwater vehicle. Furthermore, according to the present invention, a computer-readable recording medium (for example, a semiconductor storage such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), or an EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM), a HDD (Hard Disk Drive), a CD (Compact Disc), or a DVD (Digital Versatile Disc)) storing the above program is provided.

本発明によれば、水中航走体の姿勢の変化の影響を抑制可能とし、水中航走体の前部に捜索用ソナーのアレイを配置するスペースを確保可能としている。 The present invention makes it possible to suppress the effects of changes in the attitude of the underwater vehicle, and to secure space for placing a search sonar array at the front of the underwater vehicle.

関連技術のクロスファンビーム方式の送受波アレイを模式的に説明する図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a cross-fan beam type wave transmitting/receiving array according to a related art. 関連技術の送波ビームを模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a transmission beam according to a related art technique. 関連技術の受波ビームを模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a receiving beam according to a related art technique. 関連技術のクロスファンビーム方式により得られる2次元画像の例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a two-dimensional image obtained by a cross fan beam method according to the related art. (A)乃至(C)は、関連技術のクロスファンビーム方式の送波ビームが水中航走体のロール角の影響を受ける状態の例を説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating an example of a state in which a transmission beam of a cross fan beam type of related art is affected by the roll angle of an underwater vehicle. 関連技術のクロスファンビーム方式の送波ビームが水中航走体のロール角の影響を受け、送波ビームが回転した状態の例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a state in which a transmission beam of a cross fan beam system according to related art is affected by the roll angle of an underwater vehicle and rotates. (A)乃至(C)は、関連技術のクロスファンビーム方式の受波ビームが水中航走体のロール角の影響を受ける状態の例を模式的に説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating examples of states in which a receiving beam of a cross-fan beam system of related art is affected by the roll angle of an underwater vehicle. 関連技術のクロスファンビーム方式の受波ビームが水中航走体のロール角の影響を受け、受波ビームが回転した状態の例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a state in which a receiving beam of a cross fan beam type of related art is affected by the roll angle of an underwater vehicle and rotates. 関連技術のクロスファンビーム方式の送波ビーム及び受波ビームが水中航走体のロール角の影響を受け、送波ビーム及び受波ビームが回転した状態の例を模式的に示す図である。1 is a schematic diagram showing an example of a state in which the transmitting beam and the receiving beam of a cross fan beam system of related art are affected by the roll angle of an underwater vehicle, causing the transmitting beam and the receiving beam to rotate. 関連技術のクロスファンビーム方式の画像ソナーにおいて、水中航走体のロール角が画像ソナーにより得られる2次元画像に影響を与えた結果の例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the effect of the roll angle of an underwater vehicle on a two-dimensional image obtained by an imaging sonar of a cross fan beam type according to related art; (A)は実施形態のリング状の送受波アレイ、(B)は水中航走体の姿勢に関するロール角、ピッチ角及びヨー角を模式的に示す図である。1A is a diagram showing a ring-shaped wave transmitting/receiving array according to an embodiment, and FIG. 1B is a diagram showing a roll angle, a pitch angle, and a yaw angle related to the attitude of an underwater vehicle. (A)、(B)は画像ソナー用のリング状の送受波アレイの振動子の配置例を示す図である。1A and 1B are diagrams showing examples of the arrangement of transducers in a ring-shaped wave transmitting and receiving array for an imaging sonar. (A)は送受波アレイ、(B)は画像ソナー装置による送波ビームを模式的に示す図である。1A is a schematic diagram showing a transmitting and receiving array, and FIG. 1B is a schematic diagram showing a transmitting beam by an imaging sonar device. (A)は送受波アレイ、(B)は画像ソナー装置による受波ビームを模式的に示す図である。1A is a schematic diagram showing a transmitting and receiving array, and FIG. 1B is a schematic diagram showing a receiving beam by an imaging sonar device. (A)、(B)は、送波振動子、(C)は画像ソナー装置の送波系を模式的に示す図である。1A and 1B are schematic diagrams showing a transmitting transducer, and FIG. 1C is a schematic diagram showing a transmitting system of an imaging sonar device. (A)、(B)は、受波振動子、(C)は画像ソナー装置の受波系を模式的に示す図である。1A and 1B are schematic diagrams showing a receiving transducer, and FIG. 1C is a schematic diagram showing a receiving system of an imaging sonar device. 実施形態の画像ソナー装置におけるロール角の補正を説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating correction of a roll angle in the image sonar device of the embodiment. 実施形態の画像ソナー装置におけるピッチ角の補正を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating pitch angle correction in the image sonar device of the embodiment. 実施形態の画像ソナー装置におけるヨー角の補正を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating yaw angle correction in the image sonar device of the embodiment. 実施形態の画像ソナー装置における水中航走体の姿勢による受波ビームの指向性の補正を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating correction of the directivity of a receiving beam depending on the attitude of an underwater vehicle in the image sonar device of the embodiment. 実施形態の画像ソナー装置における画像ソナーの受波指向性の補正を説明する図である。4A to 4C are diagrams illustrating correction of the wave receiving directivity of the image sonar in the image sonar device of the embodiment. 実施形態の画像ソナー装置を構成するコンピュータを模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a computer constituting the image sonar device according to the embodiment.

本実施形態について説明する。図11(A)は、本実施形態の送受波アレイの模式平面図である。画像ソナー用の送受波アレイ7は、水中航走体1の前部において、該水中航走体1の長手方向(Z軸方向)に直交する面(X-Y平面)に2次元配置される、画像ソナー用の送受波アレイ7は、複数の送波振動子(送波器)14と複数の受波振動子(受波器)15とが中空円環(ring)形状に配置されている。 This embodiment will be described. Figure 11 (A) is a schematic plan view of the wave transmission and reception array of this embodiment. The wave transmission and reception array 7 for the imaging sonar is arranged two-dimensionally on a plane (X-Y plane) perpendicular to the longitudinal direction (Z-axis direction) of the underwater vehicle 1 at the front of the underwater vehicle 1. The wave transmission and reception array 7 for the imaging sonar has multiple wave transmitting transducers (transmitters) 14 and multiple wave receiving transducers (receivers) 15 arranged in a hollow ring shape.

複数の送波振動子14と複数の受波振動子15の各音響面(音響振動子が音響信号を送信/受信する側の面)は、中空円環(ring)の円の一面側に向いて配置されている(該円環の面と同じ向き(平行))。すなわち、複数の送波振動子14と複数の受波振動子15は、2つの同心円によって囲まれた領域内において、同一円周上に配置され、該水中航走体1の前方に信号を送波し、前方からの信号を受波する。図11(B)は水中航走体の姿勢に関するロール角、ピッチ角及びヨー角を模式的に示す図である。図11(B)において、8、9、10、11、12、13は、水中航走体1のロール角、ロール軸、水中航走体1のピッチ角、ピッチ軸、ヨー角、ヨー軸をそれぞれ表している。なお、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸を図11(A)に対応させると、Z軸、X軸、Y軸となる。 The acoustic surfaces (surfaces of the acoustic transducers that transmit/receive acoustic signals) of the multiple transmitting transducers 14 and the multiple receiving transducers 15 are arranged facing one side of the hollow ring (same direction (parallel) as the surface of the ring). In other words, the multiple transmitting transducers 14 and the multiple receiving transducers 15 are arranged on the same circumference within an area surrounded by two concentric circles, and transmit signals to the front of the underwater vehicle 1 and receive signals from the front. Figure 11(B) is a diagram showing the roll angle, pitch angle, and yaw angle related to the attitude of the underwater vehicle. In Figure 11(B), 8, 9, 10, 11, 12, and 13 respectively represent the roll angle and roll axis of the underwater vehicle 1, and the pitch angle, pitch axis, yaw angle, and yaw axis of the underwater vehicle 1. Note that when the roll axis, pitch axis, and yaw axis are compared to Figure 11(A), they become the Z axis, X axis, and Y axis.

実施形態によれば、複数の送波振動子14と複数の受波振動子15を同一のリングに配設した構成とすることで、水中航走体1のロール角8が変化した場合の補正を容易にする。 According to the embodiment, multiple wave-transmitting transducers 14 and multiple wave-receiving transducers 15 are arranged on the same ring, which makes it easier to correct changes in the roll angle 8 of the underwater vehicle 1.

実施形態によれば、水中航走体1の前部に、中空円環構造の画像ソナー用の送受波アレイ7を装備することにより、中空円環構造の送受波アレイ7の中空部71に、例えば、捜索用ソナーのアレイを配置するスペースである捜索用アレイ装備可能エリアが確保される。 According to the embodiment, by equipping the front of the underwater vehicle 1 with a hollow ring-structured wave transmission/reception array 7 for an imaging sonar, an area in which a search array can be installed, which is a space for arranging a search sonar array, for example, is secured in the hollow portion 71 of the hollow ring-structured wave transmission/reception array 7.

図12(A)は、送受波アレイ7の構成の一例を示す模式平面図である。図12(A)に示すように、送受波アレイ7において、同一円周上に、60度間隔で第1乃至第6の送波振動子14-1~14-6が配設されている。さらに、相隣る2つの送波振動子14の間に5個の受波振動子15が隣接して配設されている。すなわち、第1の受波振動子15-1から第30の受波振動子15-30まで30個の受波振動子が5個毎隣接して配設されており、送波振動子14と受波振動子15が併せて36個、等間隔(10[deg])に配設されている。ただし、送波振動子14、受波振動子15の個数は、上記に制限されるものでないことは勿論である。 Figure 12 (A) is a schematic plan view showing an example of the configuration of the wave transmission and reception array 7. As shown in Figure 12 (A), in the wave transmission and reception array 7, the first to sixth wave transmission transducers 14-1 to 14-6 are arranged at 60 degree intervals on the same circumference. Furthermore, five wave receiving transducers 15 are arranged adjacent to each other between two adjacent wave transmission transducers 14. That is, 30 wave receiving transducers from the first wave receiving transducer 15-1 to the 30th wave receiving transducer 15-30 are arranged adjacent to each other in groups of five, and a total of 36 wave transmission transducers 14 and wave receiving transducers 15 are arranged at equal intervals (10 [deg]). However, it goes without saying that the number of wave transmission transducers 14 and wave receiving transducers 15 is not limited to the above.

図12(B)は、図12(A)の送受波アレイ7の筐体をX軸方向から見た側端面図である。送波振動子14、受波振動子15の音響面は円環構造の円の一面側(図の左側の開放端側)とされる。送波振動子14、受波振動子15の音響面と反対側の面で固定され、送波振動子14、受波振動子15の電源ラインや信号配線等が不図示の基板等に接続される構成としてもよい。 Figure 12 (B) is a side end view of the housing of the wave transmitting and receiving array 7 in Figure 12 (A) as viewed from the X-axis direction. The acoustic surfaces of the transmitting transducer 14 and the receiving transducer 15 are on one side of the circle of the ring structure (the open end side on the left side of the figure). The transmitting transducer 14 and the receiving transducer 15 are fixed on the side opposite the acoustic surface, and the power lines and signal wiring of the transmitting transducer 14 and the receiving transducer 15 may be connected to a substrate (not shown) or the like.

図13(A)は、送受波アレイ7の送波振動子14の配置を示す図である。図13(B)は送波ビーム5を説明する図である。第1乃至第6の送波振動子14-1~14-6から、同時に音響信号を送波することで、図13(B)に模式的に示すような、送波ビーム5(円錐型(傘を広げた形状)のビーム)となる。 Figure 13 (A) is a diagram showing the arrangement of the transmitting transducers 14 of the transmitting/receiving array 7. Figure 13 (B) is a diagram explaining the transmitting beam 5. By simultaneously transmitting acoustic signals from the first to sixth transmitting transducers 14-1 to 14-6, a transmitting beam 5 (a cone-shaped (unfolded umbrella-shaped) beam) as shown diagrammatically in Figure 13 (B) is formed.

送受波アレイ7からの送波ビーム5は、図13(B)に模式的に示すように、前方(Z軸方向)に、例えば45[deg]の1つの幅の広い指向性のビームとし、水中航走体1のロール角8の変化の影響を排除する。 As shown in FIG. 13(B), the transmission beam 5 from the transmission/reception array 7 is a single, wide directional beam, for example 45 degrees, forward (Z-axis direction), eliminating the effects of changes in the roll angle 8 of the underwater vehicle 1.

図14(A)は、送受波アレイ7の受波振動子15の配置を示す図である。図14(B)は受波振動子15で受信した信号から形成される受波ビーム6を説明する図である。
ターゲットである水中物体2からの反射音を、例えば水平方向及び垂直方向に角度をシフトした多数の幅の狭い指向性のビームで受波する。
Fig. 14A is a diagram showing the arrangement of the receiving transducers 15 of the transmitting and receiving array 7. Fig. 14B is a diagram explaining the receiving beam 6 formed from the signal received by the receiving transducer 15.
Sound reflected from a target underwater object 2 is received by a number of narrow directional beams, for example, shifted at angles in the horizontal and vertical directions.

画像ソナーの受波ビームについて、画像ソナーの画素分の3次元指向性ビームを生成し、水中航走体1の姿勢であるロール角、ヨー角、ピッチ角の変化を補正する処理を行う。 For the imaging sonar receiving beam, a three-dimensional directional beam is generated for each pixel of the imaging sonar, and processing is performed to correct changes in the roll angle, yaw angle, and pitch angle, which are the attitude of the underwater vehicle 1.

実施形態によれば、水中航走体の前部に装備される送受波アレイは、クロスファンビーム方式の課題である水中航走体の姿勢変化による影響について、その補正を容易化する構成のリング(円環)構造のアレイを採用し、水中航走体1の姿勢が変化した場合でも、前方に位置する水中物体の正確な寸法及び形状の探査を可能とする。 According to an embodiment, the transmitting and receiving array mounted on the front of the underwater vehicle employs a ring-structured array that facilitates correction of the effects of changes in the attitude of the underwater vehicle, which is a challenge with the cross-fan beam method, and enables accurate exploration of the dimensions and shape of underwater objects located ahead, even if the attitude of the underwater vehicle 1 changes.

次に画像ソナー装置の構成と動作について説明する。 Next, we will explain the configuration and operation of the imaging sonar device.

(送波ビーム水中音波を送波)
図15(C)は、画像ソナー装置の構成を模式的に示す図である。図15(A)、(B)は、送受波アレイ7における第1、第6の送波振動子(送波器)14-1、14-6を示す図である。図15において、第2乃至第5の送波振動子(送波器)14-2~14-5は図面作成の都合で不図示とされている。図15(C)において、第2乃至第5の送波振動子(送波器)14-2~14-5に対応する回路群は図面作成の都合で省略されている。
(Transmits underwater sound waves using a transmission beam)
Fig. 15(C) is a diagram showing a schematic configuration of an image sonar device. Fig. 15(A) and (B) are diagrams showing the first and sixth wave transmitting transducers (wave transmitters) 14-1 and 14-6 in the wave transmitting and receiving array 7. In Fig. 15, the second to fifth wave transmitting transducers (wave transmitters) 14-2 to 14-5 are not shown for convenience of drawing. In Fig. 15(C), the circuit group corresponding to the second to fifth wave transmitting transducers (wave transmitters) 14-2 to 14-5 are omitted for convenience of drawing.

送信波形データ出力部25は、送波する波形データ(デジタル波形データ)を生成し出力する。第1乃至第6の送波振動子14-1~14-6から送信される送波ビーム5は、画像ソナー装置の検出範囲をカバーする幅が広いビームである。送波信号として、例えば送信パルスのキャリア信号の周波数が一定であるパルス連続波(Pulsed Continuous Wave: PCW)による単一周波数送信が用いられる。第1乃至第6の送波振動子14-1~14-6からそれぞれ送波される音響信号波形は同一であり、送波振動子毎に変化はない。 The transmission waveform data output unit 25 generates and outputs the waveform data (digital waveform data) to be transmitted. The transmission beams 5 transmitted from the first to sixth transmission transducers 14-1 to 14-6 are wide beams that cover the detection range of the imaging sonar device. As the transmission signal, for example, a single-frequency transmission by a Pulsed Continuous Wave (PCW) in which the carrier signal of the transmission pulse has a constant frequency is used. The acoustic signal waveforms transmitted from the first to sixth transmission transducers 14-1 to 14-6 are the same, and do not change for each transmission transducer.

水中航走体1の姿勢が安定している状態で、送信波形データ出力部25は、送信波形データを、第1乃至第6の送波振動子14-1~14-6に対応する第1乃至第6のDA変換器(Digital to Analog Convertor: DAC)24-1~24-6へ出力する。 When the attitude of the underwater vehicle 1 is stable, the transmission waveform data output unit 25 outputs the transmission waveform data to the first through sixth digital to analog converters (DACs) 24-1 through 24-6 corresponding to the first through sixth wave transmitting transducers 14-1 through 14-6.

第1乃至第6のDA変換器24-1~24-6は、入力した送信波形データを送波ビームのアナログ信号に変換し、第1乃至第6の帯域通過フィルタ(Band Pass Filter:
BPF)23-1~23-6へそれぞれ出力する。
The first through sixth DA converters 24-1 through 24-6 convert the input transmission waveform data into analog signals of a transmission beam, and the analog signals are passed through the first through sixth band pass filters (BPFs).
The outputs are then sent to the BPFs 23-1 to 23-6.

第1乃至第6の帯域通過フィルタ(BPF)23-1~23-6は、入力したアナログ信号から送波しない高周波成分及び低周波成分を除去し、第1乃至第6のパワーアンプ22-1~23-6へそれぞれ出力する。 The first through sixth band pass filters (BPFs) 23-1 through 23-6 remove high-frequency and low-frequency components that are not to be transmitted from the input analog signal, and output the signals to the first through sixth power amplifiers 22-1 through 23-6, respectively.

第1乃至第6のパワーアンプ(電力増幅器)22-1~22-6は、入力したアナログ信号を電力増幅し、第1乃至第6の送波振動子14-1~14-6へそれぞれ出力する。 The first through sixth power amplifiers 22-1 through 22-6 power amplify the input analog signals and output them to the first through sixth wave transmitting transducers 14-1 through 14-6, respectively.

第1乃至第6の送波振動子14-1~14-6は、図13(B)に示すように、画像ソナー装置の検出範囲をカバーする単一の送波ビーム5の水中音波を、1回だけ送波する。 As shown in FIG. 13B, the first to sixth transmitting transducers 14-1 to 14-6 transmit underwater sound waves of a single transmitting beam 5 that covers the detection range of the imaging sonar device only once.

(受波ビーム水中音波を受波)
図16(C)は、画像ソナー装置の受波系の構成を模式的に示す図である。図16(A)、(B)は、送受波アレイ7における第1、第30の受波振動子(受波器)15-1、15-30を示す図である。図16(A)、(B)において、第1乃至第6の送波振動子14-1~14-6は図面作成の都合で不図示とされる。図16(C)において、第2乃至第29の受波振動子(受波器)15-2~15-29と対応する回路群は図面作成の都合で省略されている。
(Receives underwater sound waves using a receiving beam)
Fig. 16C is a diagram showing a schematic configuration of a wave receiving system of an image sonar device. Figs. 16A and 16B are diagrams showing the first and 30th wave receiving transducers (receivers) 15-1 and 15-30 in the wave transmitting and receiving array 7. In Figs. 16A and 16B, the first to sixth wave transmitting transducers 14-1 to 14-6 are not shown for convenience of drawing. In Fig. 16C, the second to 29th wave receiving transducers (receivers) 15-2 to 15-29 and corresponding circuit groups are omitted for convenience of drawing.

送波ビーム5の送波後、画像ソナー装置の受信系は受波処理を開始する。第1乃至第30の受波振動子15-1~15-30は、音響信号(音圧)を電気信号(電圧)に変換し、それぞれ第1乃至第30のプリアンプ(前置増幅器)26-1~26-30へ出力する。 After transmitting the transmission beam 5, the receiving system of the imaging sonar device starts the receiving process. The first through thirtieth receiving transducers 15-1 through 15-30 convert the acoustic signal (sound pressure) into an electrical signal (voltage) and output it to the first through thirtieth preamplifiers 26-1 through 26-30, respectively.

第1乃至第30のプリアンプ26-1~26-30は、入力した微弱な電気信号(電圧)を増幅し、第1乃至第30の帯域通過フィルタ(BPF)27-1~27-30へそれぞれ出力する。 The first through thirtieth preamplifiers 26-1 through 26-30 amplify the input weak electrical signals (voltages) and output them to the first through thirtieth bandpass filters (BPFs) 27-1 through 27-30, respectively.

第1乃至第30の帯域通過フィルタ(BPF)27-1~27-30は、入力したアナログ信号から、受波信号として扱わない高周波成分及び低周波成分を除去し、第1乃至第30のAD変換器(Analog to Digital Convertor: ADC)28-1~28-30へ出力する。 The first through thirtieth band pass filters (BPFs) 27-1 through 27-30 remove high-frequency and low-frequency components that are not treated as received signals from the input analog signal, and output the signal to the first through thirtieth analog-to-digital converters (ADCs) 28-1 through 28-30.

第1乃至第30のAD変換器28-1~28-30は、入力したアナログ信号をデジタル形式の波形データへ変換し、第1乃至第30のFFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)29-1~20-30へそれぞれ出力する。 The first through 30th AD converters 28-1 through 28-30 convert the input analog signals into digital waveform data and output them to the first through 30th FFTs (Fast Fourier Transforms) 29-1 through 29-30, respectively.

第1乃至第30のFFT29-1~20-30は、入力した波形データを周波数成分毎のレベルデータ(周波数成分の実部と虚部の2乗和の平方根:振幅スペクトルあるいは信号強度ともいう)に変換し、指向性合成処理部31へ出力する。 The first to 30th FFTs 29-1 to 20-30 convert the input waveform data into level data for each frequency component (the square root of the sum of the squares of the real and imaginary parts of the frequency components: also called the amplitude spectrum or signal intensity) and output it to the directivity synthesis processing unit 31.

姿勢センサ30は、例えばジャイロスコープからなり、水中航走体1の姿勢を検出し、検出した姿勢データとして、ロール角8、ピッチ角10及びヨー角12のデータを一定周期で指向性合成処理部31へ出力する。 The attitude sensor 30 is, for example, a gyroscope, and detects the attitude of the underwater vehicle 1 and outputs the detected attitude data, including the roll angle 8, pitch angle 10, and yaw angle 12, to the directivity synthesis processing unit 31 at regular intervals.

指向性合成処理部31は、第1乃至第30のFFT29-1~29-30から入力した各受波振動子毎の周波数成分毎のレベルデータについて、送信波形データ出力部25にて生成した送波ビームの周波数に相当するレベルデータに対し、姿勢センサ30から入力した水中航走体1のロール角、ピッチ角及びロール角による送受波アレイ7の傾きの影響を補正すると同時に、画像ソナーとして、例えば図21に示すような、画素の方向の指向性を合成する処理を行い、画素毎のレベルデータの値を算出する。 The directivity synthesis processing unit 31 corrects the influence of the roll angle, pitch angle, and tilt of the wave transmitting/receiving array 7 due to the roll angle of the underwater vehicle 1 input from the attitude sensor 30 for the level data for each frequency component of each wave receiving transducer input from the first to 30th FFTs 29-1 to 29-30, which corresponds to the frequency of the wave transmitting beam generated by the transmission waveform data output unit 25, and at the same time, performs processing to synthesize the directivity of the pixel direction as shown in Figure 21 as an image sonar, for example, and calculates the value of the level data for each pixel.

(姿勢補正処理)
指向性合成処理部31では、水中航走体1の姿勢を示すロール角、ピッチ角及びヨー角のデータから、送受波アレイ7の傾きによる指向性合成処理の補正計算を行う。はじめに、ロール角による受波振動子15の変位を計算する。
(Posture correction process)
The directivity synthesis processing unit 31 performs correction calculations for directivity synthesis processing due to the inclination of the wave transmitting and receiving array 7 from data on the roll angle, pitch angle, and yaw angle that indicate the attitude of the underwater vehicle 1. First, the displacement of the wave receiving transducer 15 due to the roll angle is calculated.

図17に示すように、送受波アレイ7の真上方向(Y軸)から角度A[deg]の位置に配置された受波振動子15-kの中心の3次元位置座標を(X0,Y0,Z0)とし、受波振動子15-kの中心と送受波アレイ7の中心(0,0,0)の離隔距離をR0、ロール角をaRとする。 As shown in Figure 17, the three-dimensional position coordinates of the center of the receiving transducer 15-k, which is positioned at an angle A [deg] from directly above (Y axis) the transmitting and receiving array 7, are (X0, Y0, Z0), the separation distance between the center of the receiving transducer 15-k and the center (0,0,0) of the transmitting and receiving array 7 is R0, and the roll angle is aR.

(X0,Y0,Z0)=(R0sin(aR), R0cos(aR), 0)
…(1)
(X0,Y0,Z0)=(R0sin(aR), R0cos(aR), 0)
…(1)

ロール角aRの傾きにより、受波振動子15-kの位置は(X0,Y0,Z0)から(X1,Y1,Z1)に変化する。すなわち、Z軸の周りに反時計方向に角度ψ回転させる回転行列RZ(ψ)は、次式(2)で与えられる。 Due to the inclination of the roll angle aR, the position of the receiving transducer 15-k changes from (X0, Y0, Z0) to (X1, Y1, Z1). In other words, the rotation matrix R Z (ψ) that rotates the transducer counterclockwise around the Z axis by an angle ψ is given by the following equation (2).


Figure 0007533973000001
…(2)
Figure 0007533973000001
…(2)

したがって、

Figure 0007533973000002
…(3) therefore,

Figure 0007533973000002
…(3)

X1=R0*{cos(aR)sin(A)+ sin(aR) cos(A)}=R0*sin(A+aR)
Y1=R0*{-sin(aR)sin(A)+ cos(aR) cos(A)}=R0*cos(A+aR)
Z1=0
…(4)
X1=R0*{cos(aR)sin(A)+ sin(aR) cos(A)}=R0*sin(A+aR)
Y1=R0*{-sin(aR)sin(A)+ cos(aR) cos(A)}=R0*cos(A+aR)
Z1=0
…(4)

次に、指向性合成処理部31は、図17の受波振動子15―kについてピッチ角による変位を計算する。図18に示す任意の受波振動子15-k(3次元位置座標:(X1,Y1,Z1))について、ピッチ角をaPとする。受波振動子15-kの位置(X1,Y1,Z1)は、以下に示すように、(X2,Y2,Z2)に変化する。 Next, the directivity synthesis processing unit 31 calculates the displacement due to the pitch angle for the receiving transducer 15-k in FIG. 17. For any receiving transducer 15-k (three-dimensional position coordinates: (X1, Y1, Z1)) shown in FIG. 18, the pitch angle is aP. The position (X1, Y1, Z1) of the receiving transducer 15-k changes to (X2, Y2, Z2) as shown below.

X軸の周りに反時計方向に角度φ回転させる回転行列RX(φ)は、次式(5)で与えられる。 The rotation matrix R X (φ) for rotating an image counterclockwise around the X axis by an angle φ is given by the following equation (5).


Figure 0007533973000003
…(5)
Figure 0007533973000003
…(5)

したがって、

Figure 0007533973000004
…(6) therefore,
Figure 0007533973000004
…(6)

X2 = X1
Y2 = cos(aP)*Y1
Z2 = sin(aP)*Y1
…(7)
X2 = X1
Y2 = cos(aP)*Y1
Z2 = sin(aP)*Y1
…(7)

指向性合成処理部31では、さらに、図18の受波振動子15-kについてヨー角による変位を計算する。図19に示す任意の受波振動子15-k(3次元位置座標:(X2,Y2,Z2))について、ヨー角をaYとすると、受波振動子15-kの位置は、以下に示すように、(X3,Y3,Z3)に変化する。 The directivity synthesis processing unit 31 further calculates the displacement due to the yaw angle for the receiving transducer 15-k in FIG. 18. For an arbitrary receiving transducer 15-k (three-dimensional position coordinates: (X2, Y2, Z2)) shown in FIG. 19, if the yaw angle is aY, the position of the receiving transducer 15-k changes to (X3, Y3, Z3) as shown below.

すなわち、Y軸の周りに反時計方向に角度θ回転させる回転行列RY(θ)は次式(8)で与えられる。 That is, the rotation matrix R Y (θ) for rotating an angle θ counterclockwise around the Y axis is given by the following equation (8).


Figure 0007533973000005
…(8)
Figure 0007533973000005
…(8)

したがって、

Figure 0007533973000006
…(9) therefore,
Figure 0007533973000006
…(9)

X3=cos(aY)*X2
Y3=Y2
Z3=sin(aY)*X2
…(10)
X3 = cos(aY)*X2
Y3 = Y2
Z3 = sin(aY)*X2
…(10)

次に、指向性合成処理部31は、ロール角aR、ピッチ角aP及びヨー角aYにより変位した受波振動子15-Nの変位量Dを計算する。上記したように、受波振動子15-kは元の位置(X0,Y0,Z0)(図17)から(X3,Y3,Z3)に変位している。図20(A)に示すように、元の位置(X0,Y0,Z0)と変位後の位置(X3,Y3,Z3)をXY平面に射影した位置はそれぞれ(X0,Y0)、(X3,Y3)であり、変位の距離R3は次式(11)で与えられる。 Next, the directivity synthesis processing unit 31 calculates the displacement D of the receiving transducer 15-N displaced by the roll angle aR, pitch angle aP, and yaw angle aY. As described above, the receiving transducer 15-k has displaced from its original position (X0, Y0, Z0) (Figure 17) to (X3, Y3, Z3). As shown in Figure 20 (A), the original position (X0, Y0, Z0) and the displaced position (X3, Y3, Z3) are projected onto the XY plane as (X0, Y0) and (X3, Y3), respectively, and the displacement distance R3 is given by the following equation (11).

Figure 0007533973000007
…(11)
Figure 0007533973000007
…(11)

XY平面における元の位置の原点からの距離R0は次式(12)で与えられる。

Figure 0007533973000008
…(12) The distance R0 from the origin of the original position on the XY plane is given by the following equation (12).
Figure 0007533973000008
…(12)

変位後の位置と元の位置をZ軸へ射影した位置の差:Z3-Z0と、XY平面上での変位後の距離R3と元の位置の原点からの距離R0の差:R3-R0から、変位後の位置と元の位置の距離D(変位量)は次式(13)で与えられる。 The difference between the position after displacement and the original position projected onto the Z axis (Z3-Z0) and the difference between the distance R3 after displacement on the XY plane and the distance R0 from the origin of the original position (R3-R0) give the distance D (amount of displacement) between the position after displacement and the original position, given by the following equation (13).

Figure 0007533973000009
…(13)
Figure 0007533973000009
…(13)

次に、指向性合成処理部31は、距離Dを水中音波が進む間に、水中音波の位相が変化する角度を計算する。水中音速は、秒速約1500[m/秒]、送波ビーム水中音波の周波数をC [Hz]とすると、送波ビーム水中音波の波長λは、 Next, the directivity synthesis processing unit 31 calculates the angle at which the phase of the underwater sound wave changes while the underwater sound wave travels the distance D. If the speed of sound in water is approximately 1500 m/s and the frequency of the underwater sound wave of the transmission beam is C Hz, then the wavelength λ of the underwater sound wave of the transmission beam is:

Figure 0007533973000010

…(14)
である。
Figure 0007533973000010

…(14)
It is.

送波ビーム水中音波が水中物体2にて反響した受波ビーム水中音波の周波数は、水中物体2の移動によるドップラー効果があるものの、ほぼ同じ周波数と考えられる。 The frequency of the receiving underwater sound beam, which is the underwater sound wave of the transmitting underwater sound beam reflected by the underwater object 2, is considered to be approximately the same frequency, although there is a Doppler effect due to the movement of the underwater object 2.

受波振動子15-Nの変位量D[m]を進む間に受波ビームの水中音波は、次式(15)で与えられる角度E[deg]の位相が変化する。 As the receiving transducer 15-N travels through a displacement D [m], the underwater sound waves of the receiving beam change phase by an angle E [deg] given by the following equation (15).

Figure 0007533973000011

…(15)
Figure 0007533973000011

…(15)

したがって、任意の受波振動子15-N(N=1~30)が水中航走体1のロール角、ピッチ角及びヨー角により姿勢が変化した現象を打ち消すためには、受波振動子15-Nの受波信号に対し、位相整相の係数として、距離Dを水中音波が進む間に音波の位相が変化する角度の三角関数(複素数で実数の場合はCOS、虚数の場合は-SIN)を乗算する。 Therefore, in order to cancel the phenomenon in which any receiving transducer 15-N (N=1 to 30) changes its attitude due to the roll angle, pitch angle, and yaw angle of the underwater vehicle 1, the receiving signal of the receiving transducer 15-N is multiplied by a trigonometric function (complex number, COS for real numbers, -SIN for imaginary numbers) of the angle at which the phase of the underwater sound wave changes as it travels the distance D, as a phase phasing coefficient.

(画像ソナー指向性合成処理)
画像ソナー装置としては、例えば図21に示すように、左右及び上下の格子状の指向性を有する必要がある。画像ソナーの2次元の指向性について、左右方向(X軸)は水中航走体1にとってヨー角、上下方向は水中航走体1にとってピッチ角に相当する。よって、指向性合成処理部31は、前記した姿勢補正処理において、所望する画像ソナーの2次元の指向性のヨー角及びピッチ角を加算することにより、姿勢補正と、同時に画像ソナーの指向性合成処理を行うことができる。
(Image sonar directional synthesis processing)
The imaging sonar device needs to have lattice-like directivity in the left-right and up-down directions, as shown in Fig. 21 for example. With respect to the two-dimensional directivity of the imaging sonar, the left-right direction (X-axis) corresponds to the yaw angle for the underwater vehicle 1, and the up-down direction corresponds to the pitch angle for the underwater vehicle 1. Thus, in the above-mentioned attitude correction process, the directivity synthesis processor 31 can perform attitude correction and directivity synthesis process for the imaging sonar at the same time by adding the desired yaw angle and pitch angle of the two-dimensional directivity of the imaging sonar.

例えば、図21に示す画像ソナーの場合、iが-16~+16、jが-16~+16まで変化し、i及びjが角度の1[deg]単位であるケースでは、33=1089の受波ビームの指向性合成を行う必要がある。前述の(姿勢補正処理)の計算について、
ピッチ角を姿勢のピッチ角aP+j、
ヨー角を姿勢のヨー角aY+i
として、
画像ソナーの画素である(X(-i),Y(-j))~(X(+i),Y(+j))(i=-16~+16、j=-16~+16)の1089通りの受波ビームの指向性合成を計算することで、水中航走体1の姿勢の補正と同時に水中物体2の画像を得ることができる。
For example, in the case of the imaging sonar shown in Figure 21, where i varies from -16 to +16 and j varies from -16 to +16, and i and j are in units of 1 degree, it is necessary to perform directivity synthesis of 33 2 = 1089 receiving beams.
Pitch angle is the attitude pitch angle aP+j,
The yaw angle is the attitude yaw angle aY+i
As,
By calculating the directional synthesis of 1,089 receiving beams of the imaging sonar pixels (X(-i), Y(-j)) to (X(+i), Y(+j)) (i = -16 to +16, j = -16 to +16), it is possible to obtain an image of the underwater object 2 while correcting the attitude of the underwater vehicle 1.

なお、水中音波の位相の整相処理による指向性合成処理は、公知の手法が用いられることから、その説明は省略する。 Note that a known method is used for directional synthesis processing by phasing the underwater sound waves, so a description of this method is omitted.

以上説明したように、本実施形態においては、以下に記載するような効果を奏する。
水中航走体1の前部に、送受波器をリング状に配設した画像ソナー用の送受波アレイ7を備えたことにより、水中航走体1の姿勢(ロール角、ピッチ角及びヨー角)が変化した場合の補正を容易にする。
As described above, the present embodiment provides the following advantages.
By equipping the front of the underwater vehicle 1 with a transmitter-receiver array 7 for an imaging sonar, which has transmitters and receivers arranged in a ring shape, it becomes easier to correct any changes in the attitude (roll angle, pitch angle, and yaw angle) of the underwater vehicle 1.

また、実施形態によれば、水中航走体1の前部に、リング状の画像ソナー用の送受波アレイ7を備えたことにより、図10に示すように、リング状の送受波アレイの内側に捜索用ソナーのアレイを配置するスペースを確保することができる。実施形態の送受波アレイは、水中航走体1の前面に装備され、水中物体の寸法及び形状を検出する画像ソナー装置に利用できる。なお、実施形態において、水中航走体1は無人水中航走体であってもよいし、有人水中航走体にも適用可能であることは勿論である。 In addition, according to the embodiment, a ring-shaped wave transmission/reception array 7 for an imaging sonar is provided at the front of the underwater vehicle 1, so that space can be secured inside the ring-shaped wave transmission/reception array to place a search sonar array, as shown in FIG. 10. The wave transmission/reception array of the embodiment is mounted on the front of the underwater vehicle 1 and can be used as an imaging sonar device that detects the dimensions and shape of underwater objects. Note that in the embodiment, the underwater vehicle 1 may be an unmanned underwater vehicle, and it is of course applicable to manned underwater vehicles as well.

図22は、ソナー装置をコンピュータ装置100に実装した構成を説明する図である。図22を参照すると、コンピュータ装置100は、プロセッサ101と、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等の半導体メモリ等(あるいは、HDD(Hard Disk Drive)等であってもよい)のメモリ102と、表示装置103と、図15のDA変換器24-1~24-6、図16のFFT29-1~29-30に接続するインタフェース104を備えている。メモリ102に格納されたプログラムを実行することで、プロセッサ101は、少なくとも図15の送信波形データ出力部25及び図16の指向性合成処理部31の処理を実行するようにしてもよい。表示装置103は、指向性合成処理部31の処理結果に基づき、水中物体2の画像を表示する。プロセッサ101はDSP(Digital Signal Processor)であってもよい。この場合、インタフェース104は、図16のAD変換器28-1~28-30に接続しプロセッサ101(DSP)はFFT29-1~29-30を実行してもよい。 FIG. 22 is a diagram for explaining a configuration in which a sonar device is implemented in a computer device 100. Referring to FIG. 22, the computer device 100 includes a processor 101, a memory 102 such as a semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), or an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) (or a HDD (Hard Disk Drive)), a display device 103, and an interface 104 that connects to the DA converters 24-1 to 24-6 in FIG. 15 and the FFTs 29-1 to 29-30 in FIG. 16. By executing a program stored in the memory 102, the processor 101 may execute at least the processing of the transmission waveform data output unit 25 in FIG. 15 and the directivity synthesis processing unit 31 in FIG. 16. The display device 103 displays an image of the underwater object 2 based on the processing result of the directivity synthesis processing unit 31. The processor 101 may be a DSP (Digital Signal Processor). In this case, the interface 104 may be connected to the AD converters 28-1 to 28-30 in FIG. 16, and the processor 101 (DSP) may execute the FFTs 29-1 to 29-30.

なお、上記の特許文献1、2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、実施の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。 The disclosures of Patent Documents 1 and 2 are incorporated herein by reference. Modifications and adjustments of the embodiments and examples are possible within the scope of the entire disclosure of the present invention (including the scope of the claims), and further based on the basic technical ideas. Furthermore, various combinations and selections of the various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each example, each element of each drawing, etc.) are possible within the scope of the claims of the present invention. In other words, the present invention naturally includes various modifications and alterations that a person skilled in the art would be able to make in accordance with the entire disclosure, including the scope of the claims, and the technical ideas.

1 水中航走体
2 水中物体
3 送波アレイ
4 受波アレイ
5 送波ビーム
6 受波ビーム
7 送受波アレイ
8 ロール角
9 ロール軸
10 ピッチ角
11 ピッチ軸
12 ヨー角
13 ヨー軸
14、14-1~14-6 送波振動子(送波器)
15、15-1~15-30 受波振動子(受波器)
22-1~22-6 パワーアンプ
23-1~23-6 帯域通過フィルタ(BPF)
24-1~24-6 DA変換器(DAC)
25 送信波形データ出力部
26-1~26-30 プリアンプ
27-1~27-30 帯域通過フィルタ(BPF)
28-1~28-30 AD変換器(ADC)
29-1~29-30 FFT
30 姿勢センサ
31 指向性合成処理部
71 中空部(捜索用ソナーアレイ装備エリア)
100 コンピュータ装置
101 プロセッサ
102 メモリ
103 表示装置
104 インタフェース
1 Underwater vehicle 2 Underwater object 3 Transmitting array 4 Receiving array 5 Transmitting beam 6 Receiving beam 7 Transmitting and receiving array 8 Roll angle 9 Roll axis 10 Pitch angle 11 Pitch axis 12 Yaw angle 13 Yaw axis 14, 14-1 to 14-6 Transmitting transducer (transmitter)
15, 15-1 to 15-30 Receiving transducer (receiver)
22-1 to 22-6 Power amplifier 23-1 to 23-6 Band pass filter (BPF)
24-1 to 24-6 Digital to analog converter (DAC)
25 Transmission waveform data output section 26-1 to 26-30 Preamplifier 27-1 to 27-30 Band pass filter (BPF)
28-1 to 28-30 Analog-to-digital converter (ADC)
29-1 to 29-30 FFT
30 Attitude sensor 31 Directivity synthesis processing unit 71 Hollow section (search sonar array equipment area)
100 Computer device 101 Processor 102 Memory 103 Display device 104 Interface

Claims (10)

水中航走体の前部に前記水中航走体の長手方向に直交する面に2次元配置される送受波アレイを備えた画像ソナー装置であって、
前記送受波アレイは、複数の送波器と複数の受波器とが中空円環状に配置された構成とされ、
前記複数の送波器と前記複数の受波器の各音響面はいずれも中空円環の開放端側に位置してなり、
さらに、
前記水中航走体の姿勢を検出する姿勢センサと、
前記姿勢センサの検出結果に基づき、前記送受波アレイの傾きによる指向性合成処理の補正計算を行う指向性合成手段を備えた、画像ソナー装置。
An image sonar device comprising a wave transmitting/receiving array arranged two-dimensionally on a plane perpendicular to a longitudinal direction of an underwater vehicle at a front portion of the underwater vehicle,
The wave transmitting/receiving array is configured such that a plurality of wave transmitters and a plurality of wave receivers are arranged in a hollow annular shape,
each acoustic surface of the plurality of transducers and the plurality of transducers is located on an open end side of a hollow ring;
moreover,
an attitude sensor for detecting the attitude of the underwater vehicle;
an imaging sonar device comprising: a directivity synthesis means for performing a correction calculation for a directivity synthesis process caused by the inclination of the transmitting and receiving array based on the detection result of the attitude sensor;
前記送受波アレイは、同一円周上に、前記受波器を予め定められた個数毎に隣接配置し、
前記隣接配置された予め定められた個数の前記受波器群の間に、前記送波器を備えてなる、請求項1に記載の画像ソナー装置。
The wave transmitting/receiving array has the wave receivers arranged adjacent to each other on the same circumference in a predetermined number of units,
2. The imaging sonar device according to claim 1, wherein the wave transmitter is provided between the predetermined number of adjacently arranged groups of the wave receivers.
前記送受波アレイの前記複数の送波器から送波する送信波形データを生成する送信波形データ出力手段を備え、
前記指向性合成手段は、前記送受波アレイの前記複数の受波器での受波信号の周波数成分毎のデータに対して、前記送信波形データ出力手段にて生成した送波ビームの周波数に相当するデータについて、
前記姿勢センサで検出された前記水中航走体のロール角、ピッチ角及びヨー角による前記送受波アレイの前記受波器の傾きの影響を補正し、画像ソナーの画素の方向の指向性を合成する処理を行い、画素毎のレベル値を算出する、請求項1又は2に記載の画像ソナー装置。
a transmission waveform data output unit for generating transmission waveform data to be transmitted from the plurality of transducers of the transmission/reception array,
The directivity synthesis means outputs, for data for each frequency component of the received signal at the plurality of receivers of the wave transmitting/receiving array, data corresponding to the frequency of the transmitted wave beam generated by the transmitted waveform data output means,
3. The imaging sonar device according to claim 1 or 2, which corrects for the effect of tilting the receiver of the transmitting and receiving array due to the roll angle, pitch angle, and yaw angle of the underwater vehicle detected by the attitude sensor, performs processing to synthesize the directivity of the pixel directions of the imaging sonar, and calculates a level value for each pixel.
前記送信波形データ出力手段は、前記送受波アレイの前記複数の送波器から、検出範囲をカバーする同一の送波音響信号を送波する、請求項3に記載の画像ソナー装置。 The image sonar device according to claim 3, wherein the transmission waveform data output means transmits the same transmission acoustic signal covering a detection range from the multiple transmitters of the transmission/reception array. 前記指向性合成手段は、前記補正計算として、
前記中空円環状に配置された前記複数の受波器の各々に関して、
前記送受波アレイの前記受波器の中心と前記送受波アレイの中心の離隔距離と、
前記姿勢センサで検出されたロール角と、
に基づき、
前記受波器の3次元座標の位置の変位を算出し、
前記姿勢センサで検出された前記ピッチ角及び前記ヨー角についても、
前記受波器の3次元座標の位置の変位を算出する、請求項3に記載の画像ソナー装置。
The directivity synthesis means performs the correction calculation as follows:
For each of the plurality of receivers arranged in the hollow annular shape,
A separation distance between the center of the receiver of the transducer array and the center of the transducer array;
A roll angle detected by the attitude sensor;
Based on
Calculating the displacement of the three-dimensional coordinate position of the receiver;
Regarding the pitch angle and the yaw angle detected by the attitude sensor,
4. The imaging sonar device according to claim 3, wherein displacement of the three-dimensional coordinate position of said receiver is calculated.
前記指向性合成手段は、前記水中航走体の進行方向に直交する平面に関する2次元指向性について、第1の軸方向を前記姿勢センサで検出された前記水中航走体の前記ヨー角、前記第1の軸方向に直交する第2の軸方向を前記姿勢センサで検出された前記水中航走体の前記ピッチ角とし、前記ヨー角及び前記ピッチ角を加算することにより、前記水中航走体の姿勢補正と同時に、画像ソナーの指向性合成処理を行う、請求項5に記載の画像ソナー装置。 The imaging sonar device according to claim 5, wherein the directivity synthesis means performs directivity synthesis processing of the imaging sonar simultaneously with attitude correction of the underwater vehicle by adding the yaw angle and the pitch angle of the underwater vehicle, which are set as a first axis direction and a second axis direction orthogonal to the first axis direction, respectively, for two-dimensional directivity in a plane perpendicular to the traveling direction of the underwater vehicle. 水中航走体の前部に前記水中航走体の長手方向に直交する面に2次元配置される送受波アレイを用いた画像ソナー方法であって、
前記送受波アレイを、複数の送波器と複数の受波器とを中空円環状に配置した構成とし、
前記複数の送波器と前記複数の受波器の各音響面はいずれも中空円環の開放端側に位置してなり、
前記水中航走体の姿勢の検出結果に基づき、前記送受波アレイの傾きによる指向性合成処理の補正計算を行う、画像ソナー方法。
1. An image sonar method using a wave transmitting/receiving array arranged two-dimensionally on a plane perpendicular to a longitudinal direction of an underwater vehicle at a front portion of the underwater vehicle, comprising:
The wave transmitting/receiving array is configured by arranging a plurality of wave transmitters and a plurality of wave receivers in a hollow circular ring shape,
each acoustic surface of the plurality of transducers and the plurality of transducers is located on an open end side of a hollow ring;
An imaging sonar method comprising: performing a correction calculation for a directivity synthesis process caused by the inclination of the wave transmitting and receiving array based on the detection result of the attitude of the underwater vehicle.
前記送受波アレイは、同一円周上に、前記受波器を予め定められた個数毎に隣接配置し、
前記隣接配置された予め定められた個数の前記受波器群の間に、前記送波器を配置してなる、請求項7に記載の画像ソナー方法。
The wave transmitting/receiving array has the wave receivers arranged adjacent to each other on the same circumference in a predetermined number of units,
8. The imaging sonar method according to claim 7, wherein said wave transmitters are arranged between said predetermined number of said adjacently arranged wave receiver groups.
前記送受波アレイの前記複数の受波器での受波信号の周波数成分毎のデータに対して、前記複数の送波器から送波した送波ビームの周波数に相当するデータについて、
前記水中航走体のロール角、ピッチ角及びロール角による前記送受波アレイの前記受波器の傾きの影響を補正し、画像ソナーの画素の方向の指向性を合成する処理を行い、画素毎のレベル値を算出する、請求項7又は8に記載の画像ソナー方法。
For data for each frequency component of the received signal at the plurality of receivers of the transmitting/receiving array, data corresponding to the frequency of the transmitting beam transmitted from the plurality of transmitters is
9. The imaging sonar method according to claim 7 or 8, further comprising the steps of: correcting for the influence of the inclination of the receivers of the transducer array due to the roll angle, pitch angle, and roll angle of the underwater vehicle; synthesizing the directivity of the directions of the pixels of the imaging sonar; and calculating a level value for each pixel.
水中航走体の前部に前記水中航走体の長手方向に直交する面に2次元配置される送受波アレイを備え、
前記送受波アレイは、複数の送波器と複数の受波器とが中空円環状に配置された構成とされ、前記複数の送波器と前記複数の受波器の各音響面はいずれも中空円環の開放端側に位置してなる画像ソナー装置を構成するコンピュータに、
前記水中航走体の姿勢の検出結果に基づき、前記送受波アレイの傾きによる指向性合成処理の補正計算を行う処理を実行させるプログラム。
a wave transmitting/receiving array disposed two-dimensionally on a plane perpendicular to a longitudinal direction of the underwater vehicle at a front portion of the underwater vehicle;
a computer that configures an image sonar device in which the wave transmitting and receiving array is configured with a plurality of wave transmitters and a plurality of wave receivers arranged in a hollow annular shape, and each acoustic surface of the plurality of wave transmitters and the plurality of wave receivers is located on an open end side of the hollow annular shape;
A program for executing a process of performing a correction calculation for the directivity synthesis process due to the inclination of the wave transmitting and receiving array based on the detection result of the attitude of the underwater vehicle.
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