JP2009250734A - 水中画像撮像装置および埋没物体識別用水中画像撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】受波用圧電素子上の各点に到来する異なる周波数の超音波のうち、該受波用圧電素子上の各点の位置によって関連付けられる目的の周波数成分をそれぞれ透過させるフィルターを設ける。または送信方法として周波数掃引方式を適用し、送信方位が入力電気信号の周波数に依存して変化するようにすることで、遅延回路などのビーム掃引機構を削減する。
【選択図】図9
Description
また、簡便な回路でビーム送信方向を制御することができ、装置の小型軽量化に寄与することができる埋没物に対するパラメトリック超音波式水中画像撮像装置を提供することを目的とする。
さらに、音響画像のノイズやゴーストを軽減し、より明瞭な物体像を得ることができる埋没物に対するパラメトリック超音波式水中画像撮像装置を提供することを目的とする。
または、各受波用圧電素子に対して直列に、受波用圧電素子のキャパシタンス成分と共振するようなインダクタンスを接続し、かつ該共振周波数を、その受波用圧電素子上の焦点位置に収束する目的超音波の周波数にそれぞれあわせるようにした。
または、各受波用圧電素子の出力したアナログ電気信号をデジタル信号に変換したあと、該デジタル信号中に含まれる複数の周波数成分のうち、その受波用圧電素子上の焦点位置に収束する目的超音波の周波数成分を透過させるデジタル信号処理を行うようにした。
または、周波数掃引方式を適用し、送波用の圧電素子に一次波に対応する二周波数f1、f2を含む信号を入力することで、これらのパラメトリック効果による二次波を発生させ、二次波の送信方位は周波数f1とf2の値を変更することで制御するようにした。
または、周波数掃引方式を適用し、各受波用圧電素子に対して直列に、受波用圧電素子のキャパシタンス成分と共振するようなインダクタンスを接続し、かつ該各共振周波数を、その受波用圧電素子上の焦点位置に収束する目的超音波の周波数にあわせるようにした。
または、周波数掃引方式を適用した上で、各受波用圧電素子の出力したアナログ電気信号をデジタル信号に変換したあと、該デジタル信号中に含まれる複数の周波数成分のうち、その受波用圧電素子上の焦点位置に収束する目的超音波の周波数成分を透過させるデジタル信号処理を行うようにした。
水中画像撮像装置である水中音響カメラを含む水中画像撮像システムは、図1に示すように、水中音響カメラ101を船102などから水中に吊下し、水中の対象物体103を撮像する。船102などは水面上に静止しているか、あるいは測定に影響の出ない程度の速度で航行している。水中音響カメラ101は、水中音響カメラ101から見て水平方向(アジマス方向)にθ傾けた方向に、送波器104から送信波105を放射する。この送信波105の周波数は数百k〜数MHz程度である。送信波105はアジマス方向には狭いビーム幅であり、高い指向性を持つ。その一方で、カメラ101から見て垂直方向(レンジ方向)にはビームが広がっており、送信波105は扇形のビームとして水中を伝搬する。送信波105の一部は対象物体103の表面において反射され、反射波106が生じる。水中音響カメラは、この反射波106を、水中音響カメラ101の音響レンズ107により、図示しない受波面上の一点に収束させ、電気信号に変換することで対象物体の画像を得る。
図2は周波数掃引方式の水中音響カメラの送波器の構造を模式的に示す図である。
まず、周波数掃引方式について説明する。送信時に、アジマス方向の任意の方向θにビームを傾け、かつ高指向性を得る方法として、一般的には、送波器中に並ぶ各圧電素子に入力する電気信号に対し、送信方位および焦点距離に依存した遅延時間をそれぞれ与える方法がよく採用される。これに対して、入力信号の周波数を変えるだけで送信方位が変化し、したがって信号の遅延回路を要さず、かつ高い指向性が得られる方式を、周波数掃引方式と呼ぶ。以下、図2において簡単に説明する。
送波器301は図2で示した圧電素子配列201を二本並べて構成される。左右の圧電素子配列302、303の音響放射面は撮像方向304に対して20〜30°ほど斜めに傾けられており、それぞれの配列の両端から発生する送信波305a、305b、305c、305d、305e、305f、305g、および305hのうち、内側の端からの送信波305c、305d、305e、および305fだけが視野範囲306へ向かい、対象物体307の撮像に寄与する。その他の送信波305a、305b、305gおよび305hは、視野範囲306から離れた方向へ向かい、撮像には寄与しない。図中、右側の圧電素子配列303は視野範囲306内の中央から左側を照射し、左側の圧電素子配列302は視野範囲306内の中央から右側を照射する。そして対象物体307へ向かった送信波のうち、高い周波数の超音波305d、305eは視野内の中央付近を照射し、低い周波数の送信波305c、305fは外側を照射することになる。したがって視野中心付近の方が送信ビーム幅が狭く、空間分解能が高い。
送波器401の圧電素子アレイの一端から、対象物体402に向けて発せられる送信波403のアジマス方位θは、周波数掃引方式に基づき、送信波403の周波数に依存して定まり、送波器の正面方向404に近づくほど周波数が高い。また送信波403はアジマス方向に狭く、レンジ方向に広がった扇形となって水中を伝搬する。扇形ビームが対象402の表面に到達したとき、物体の表面の細かな凹凸などで乱反射されると、超音波はその位置から図示しない球面波として反射される。405は物体からの反射波を測定する受信系である。次に受信系405の働きについて説明する。
受波系405は音響レンズ501と受波器502を含む。音響レンズ501は平面波を一点に収束させるように設計されており、図では一枚のレンズとして描いているが、実際には収差の解消や焦点位置調整のために2、3枚の音響レンズを組み合わせて構成されることがある。また音響レンズ501はアクリル樹脂やポリメチルペンテンなどの材料で作製される。受波器502はレンジ方向についてチャンネル分割された圧電素子503の一次元配列になっている。一方、アジマス方向については受波器はチャンネル分割されておらず、個々の圧電素子503はアジマス方向に細長いものになっている。
物体からの反射波504が音響レンズ501の近傍に到達したとき、物体と水中音響カメラとの距離は十分に離れているため、反射波504は平面波として考えることができる。このため該反射波504は音響レンズ501により受波器502表面上の一点505に収束され、対応する圧電素子により電気信号に変換される。
図6は、レンジ方向の空間分解能を得る方法について説明する図である。
図6では、装置正面から到来した反射波601(実線)と例えば装置下方(レンジ方位φ)から到来した反射波602(点線)について、受波の過程を受波系の横側から(アジマス方向から)見た場合を示している。受波器603は、レンジ方向にチャンネル1、2、・・・、Nの圧電素子に分割されており、焦点の位置(像面湾曲)に合わせて湾曲して配置されている。604は一つの圧電素子である。605は音響レンズであり、図では一枚の両凹レンズで代表させている。なお、反射波601、602の周波数はそれぞれ任意である。
装置正面から入射した反射波601は、音響レンズ605によって受波器の中央で焦点606を結び、対応する圧電素子(チャンネルi)で電気信号607に変換される。なお電気信号の横軸は時刻(送信波の出力開始を原点とする)、縦軸は電圧である。一方、装置下方から入射した反射波は受波器の上部やや前方で焦点608を結び、同様に対応する圧電素子(チャンネルj)で電気信号609に変換される。このように、レンジ方向については信号を受信したチャンネルを区別することによって、反射波の方向を知ることができる。
図7は、装置正面から到来した反射波701(実線)と、例えば装置右方(アジマス方位θ)から到来した反射波702(点線)について、受波の過程を受波系の上側から(レンジ方向から)見たものである。受波器は、アジマス方向にはチャンネルとして分割されておらず、図7にはある任意の圧電素子703一つのみを示す。704は音響レンズであり、図6と同様に両凹レンズとする(音軸に対して軸対称である)。また、正面から到来した反射波701の周波数をfb、装置右方から到来した反射波702の周波数をfa(fb>fa)とする。周波数掃引方式では、反射波701、702の周波数fb、faはそれぞれの超音波のアジマス送信方位に関連づけられる。
反射波701および702は双方とも同一の圧電素子703によって電気信号705に変換されるので、該電気信号705は、二つの反射波701、702の両周波数成分を含む。そこでこれをフーリエ変換したスペクトル706にて反射波701、702の各周波数に対応するピーク707、708を検出し、該周波数とアジマス送信方向を対応づけることで反射波の方向を知ることができる。
以上により、レンジ方向およびアジマス方向における反射波の方位、すなわち物体の方位を解析し、水中物体の像を得る。
そこで、海底の堆積層中に埋没した物体を超音波により撮像する用途においては、媒質中でのパラメトリック効果により生成した二次波を利用する。パラメトリック効果とは、異なった二つの周波数f1、f2の強い超音波(一次波)を、互いが空間内で重なるように送信すると、二波の相互作用により、二次波(f1とf2の和の周波数f1+f2と、差の周波数|f1-f2|の波)が励起される現象である。二次波のビーム幅(主極の幅)は一次波のそれに準じるほか、副極の発生レベルも小さくなるため、良好な指向性を得ることができる。
したがって一次波の周波数f1とf2を、目標とする空間分解能を得るのに十分な程度に高くしておき、かつf1とf2の差△f = |f1-f2|が堆積層中の伝搬に適した値になるように設定すれば、差周波数△f =|f1-f2|の二次波は高い指向性を持ちながら堆積層中を伝搬することができ、埋没物からの反射を観測することができる。一方、周波数f1、f2、および和周波数f1+f2の波は堆積層中で速やかに減衰する。
図8は、図7と同様に、装置右方(アジマス方位θ)から到来した反射波801(点線)を受波する過程について、受波系の上側から(レンジ方向から)見たものである。反射波801は、音響レンズ802により、圧電素子803上の一点804で収束する。周波数掃引方式では、このように音響レンズにより受波面上の一点で焦点を結ぶ超音波は、その焦点位置に対応するアジマス方位θ、すなわち超音波の周波数faと一意に関連付けられる。したがって理想的には、圧電素子803上の焦点804では、その点の位置に対応する周波数faの超音波801しか検出されないはずである。
しかしながら実際のところ、装置の周囲環境からランダムに入射する音波805や、受波面上の他のチャンネル上の点から反射した異なる周波数の超音波806が装置内残響として点804においても観測されるため、撮像した像の特に上下方向にゴーストが現れる原因となっていた。
この図は、図7、図8と同様に受波過程を装置の上側から見たものである。
図9において、反射波901(実線、周波数fb)は装置の正面から入射し、図示しない音響レンズによって受波用圧電素子903上の点904で収束する。反射波902(点線、周波数fa、fa < fb)は装置右側から斜めに入射し、受波用圧電素子903上の点905で収束する。
受波用圧電素子903は、例えば図9のように連続して、あるいは段階的に厚みが変化しており、各点における厚みに対応して共振条件(共振フィルターの厚みが半波長の整数倍に等しい)を満たす周波数が存在する。即ち、例えば図9において、正面から入射した反射波901(周波数fb)の超音波が収束する点904においては、周波数fbの圧電素子903中での半波長λb/2に相当する厚さに圧電素子903を設定しておけば、周波数fbが共振周波数となり、効率よく電気信号に変換することができる。一方、他周波数の超音波の多くは共振条件を満たさないために減衰する。同様に装置右方から斜めに入射した反射波902(周波数fa)に対しても、焦点905における圧電素子903の厚みが周波数faの超音波と共振するように設定されており、周波数faの波のみ効率よく電気信号に変換される。変換された電気信号は出力線906によって取り出される。
図11において、各圧電素子1101の電気端から圧電素子側のインピーダンスを測定したとき、そのリアクタンス成分は容量性であり、それぞれCi (i = 1、2、・・・、M)とおく。今、圧電素子1101の寸法が同じであるので、各キャパシタンスCiの値はほぼ等しい。一方、各圧電素子1101から電気信号が出力される信号出力線1102は、それぞれに直列なインダクタンスLi (i = 1、2、・・・、M)1103を介して、共通信号線1104に接続される(圧電素子からのグランド線は図示していない)。インダクタンスの値にはそれぞれ任意の値を選定できる。
そこで、例えば圧電素子aの位置に収束することが既知である目的超音波1105の周波数faに対し、よく知られた共振条件fa= 1 / {2π√(La Ca)} を満たすようにインダクタンスLaの値を設定すれば、該目的超音波の成分のみを効率よく電気信号に変換し、電気回路に取り出せることになる。該共振条件を満たさない不要超音波は減衰し、取り除かれる。
図12においては、受波用圧電素子はアジマス方向についてM個に分割されている。各圧電素子1201からの信号出力線1202は、図11のように共通線に纏められてはおらず、個別に増幅器1203、A/D変換器(ADC)1204、デジタルバンドパスフィルター(BPF)1205に接続されている。デジタルBPF1205は、入力デジタル信号に含まれる各周波数成分のうち、指定した周波数帯域のみ等価させるデジタル信号処理装置である。該透過周波数は任意に設定可能である。
そこで例えば、圧電素子aの位置に収束することが既知である目的超音波1206の周波数(faとする)成分のみが透過するよう、圧電素子aに接続されたデジタルBPF aを設定すれば、該目的の超音波のみをデジタル信号中に取り出せ、その他の不要超音波を取り除くことができる。
図13は本願発明の一実施例における送波用圧電素子配列の構造例を示したものである。
図13において、 送波用圧電素子配列1301の構造は図2で説明したものと同じであり、圧電素子1302を分極方向(矢印1303)を互いに入れ替えながら一列に並べたものである。簡単のため、電極や電源は図示していない。パラメトリック効果を得るため、各圧電素子に対して、一次波に対応する二つの周波数f1およびf2の成分を持つ信号を合成して入力する。これにより、周波数f1の成分に対応する一次波1304がアジマス方位θ1に送信され、周波数f2に対応する一次波1305がアジマス方位θ2に同時に送信される。両者の波が重なった方向に対して、パラメトリック効果による二次波1306が発生する。
そこで、図13で説明する実施例に対して、図11、図12で説明した実施例を適用する構成が考えられる。それぞれについて以下に説明する。
102 船など
103 対象物体
104 送波器
105 送信波
106 反射波
107 音響レンズ
201 圧電素子
202 圧電素子の分極方向
203 電極
204 共通電極
205 電源
206 周波数faの送信波
207 周波数fbの送信波
301 送波器
302 左側の送波用圧電素子配列
303 右側の送波用圧電素子配列
304 撮像方向
305a〜305h 送信波
306 視野範囲
307 対象物体
401 送波器
402 対象物体
403 送信波
404 撮像方向
405 受信系
501 音響レンズ
502 受波器
503 受波用圧電素子
504 反射波
505 焦点
601 装置正面から入射した反射波
602 装置下方(レンジ方位φ)から入射した反射波
603 受波器
604 受波用圧電素子
605 音響レンズ
606 装置正面から入射した反射波の焦点
607 チャンネルiからの電気信号
608 装置下方(レンジ方位φ)から入射した反射波の焦点
609 チャンネルjからの電気信号
701 装置正面から入射した反射波
702 装置右方(アジマス方位θ)から入射した反射波
703 受波用圧電素子
704 音響レンズ
705 受波用圧電素子で変換された電気信号
706 電気信号をフーリエ変換したスペクトル
707 周波数faの反射波に対応するピーク
708 周波数fbの反射波に対応するピーク
801 アジマス方位θから入射した反射波
802 音響レンズ
803 受波用圧電素子
804 焦点
805 装置周囲環境から到来するノイズ
806 他チャンネルの受波圧電素子から反射した波
901 装置正面から入射する周波数fbの波
902 斜めから入射する周波数faの波
903 受波用圧電素子
904 正面から入射する波の焦点
905 斜めから入射する波の焦点
906 信号出力線
1001 分割した圧電素子
1002 信号線
1003 共通信号線
1101 分割した圧電素子
1102 信号線
1103 インダクタンス
1104 共通信号線
1105 目的超音波
1201 受波用圧電素子
1202 信号線
1203 増幅器
1204 A/D変換器
1205 デジタルバンドパスフィルター
1206 目的超音波
1301 送波用圧電素子配列
1302 送波用圧電素子
1303 分極方向
1304 周波数f1に対応する送信一次波
1305 周波数f2に対応する送信一次波
1306 周波数f1とf2の送信波のパラメトリック効果による二次波
1401 送信波制御装置
1402 波形発生器
1403 スイッチ
1404、1405 増幅器
1406、1407 送波用圧電素子配列
1408 受波器
1409 受信波用増幅器
1410 A/D変換器
1411 計算機
1412 メモリ
1413 演算処理装置
1414 表示装置
1415 操作盤
1501 デジタルバンドパスフィルター
Claims (7)
- 送波用圧電素子に入力する電気信号の周波数を変更することによって送信波の方位を制御することのできる周波数掃引方式を適用した水中画像撮像装置において、
前記送信波の反射波を受信する受波用圧電素子上の各点に到来する異なる周波数の超音波のうち、該受波用圧電素子上の各点の位置によって関連付けられる目的の周波数成分のみをそれぞれ透過させるフィルターを設け、該受波用圧電素子上の各点において、各目的の周波数成分を電気信号に変換することを特徴とした水中画像撮像装置。 - 送波用圧電素子に入力する電気信号の周波数を変更することによって送信波の方位を制御することのできる周波数掃引方式を適用した水中画像撮像装置において、
前記送信波の反射波を受信する受波用圧電素子の厚さを連続的あるいは段階的に変化させることにより、該受波用圧電素子の各位置における共振周波数を変更し、該受波用圧電素子上の各点における共振周波数を、予め前期各点ごとに定めておいた目的の収束超音波の周波数に合致するように設定し、該目的の収束超音波を電気信号に変換しすることを特徴とした水中画像撮像装置。 - 送波用圧電素子に入力する電気信号の周波数を変更することによって送信波の方位を制御することのできる周波数掃引方式を適用した水中画像撮像装置において、
前記送信波の反射波を受信する受波器を構成する各受波用圧電素子に対し直列にインダクタンスを接続し、該インダクタンスの値を変えることで、該受波用圧電素子それぞれの共振周波数を変更し、かつ該受波用圧電素子上のそれぞれにおける共振周波数が、該受波用圧電素子に到来する目的の収束超音波の周波数に合致するように設定し、該目的の収束超音波を電気信号に変換することを特徴とした水中画像撮像装置。 - 送波用圧電素子に入力する電気信号の周波数を変更することによって送信波の方位を制御することのできる周波数掃引方式を適用した水中画像撮像装置において、
前記送信波の反射波を受信する受波器を構成する各受波用圧電素子から出力されるアナログ信号波形をそれぞれデジタル信号波形に変換する手段と、該各デジタル信号波形に含まれる周波数成分のうち、特定の周波数帯域を透過させるデジタル信号処理手段と、該透過周波数をそれぞれ任意に設定する手段と有し、かつ該受波用圧電素子それぞれに設定された透過周波数が、該受波用圧電素子に到来する目的の収束超音波の周波数に合致するように設定し、該目的の収束超音波をデジタル信号としてすことを特徴とした水中画像撮像装置。 - 二つの異なる周波数の超音波を水中に同時に送信し、それらのパラメトリック効果によって発生する二次波を用いて水中の堆積層中の埋没物体を撮像するパラメトリック式埋没物体識別用水中画像撮像装置において、
送信方法に周波数掃引方式を採用し、送信用圧電素子に二つの異なる周波数成分f1、f2を含む電気信号を入力することで、その差周波数△f=|f1-f2|のパラメトリック二次波を発生させ、かつ該パラメトリック二次波の送信方位を該入力周波数成分f1、f2の値変更によりで制御すること特徴としたパラメトリック式埋没物体識別用水中画像撮像装置。 - 二つの異なる周波数の超音波を水中に同時に送信し、それらのパラメトリック効果によって発生する二次波を用いて水中の堆積層中の埋没物体を撮像するパラメトリック式埋没物体識別用水中画像撮像装置において、
送信方法に周波数掃引方式を採用し、送信用圧電素子に二つの異なる周波数成分f1、f2を含む電気信号を入力することで、その差周波数△f=|f1-f2|のパラメトリック二次波を発生させ、かつ該パラメトリック二次波の送信方位を該入力周波数成分f1、f2の値変更で制御し、
前記送信波の反射波を受信する受波器を構成する各受波用圧電素子に対し直列にインダクタンスを接続し、該インダクタンスの値を変えることで、該受波用圧電素子それぞれの共振周波数を変更し、かつ該受波用圧電素子上のそれぞれにおける共振周波数を、該受波用圧電素子に到来する目的の収束超音波の周波数に合致するように設定し、該目的の収束超音波を電気信号に変換しすることを特徴としたパラメトリック超音波式埋没物用水中画像撮像装置。 - 二つの異なる周波数の超音波を水中に同時に送信し、それらのパラメトリック効果によって発生する二次波を用いて水中の堆積層中の埋没物体を撮像するパラメトリック式埋没物体識別用水中画像撮像装置において、
送信方法に周波数掃引方式を採用し、送信用圧電素子に二つの異なる周波数成分f1、f2を含む電気信号を入力することで、その差周波数△f=|f1-f2|のパラメトリック二次波を発生させ、かつ該パラメトリック二次波の送信方位を該入力周波数成分f1、f2の値変更のみで制御し、
前記送信波の反射波を受信する受波器を構成する各受波用圧電素子から出力されるアナログ信号波形をそれぞれデジタル信号波形に変換する手段と、該各デジタル信号波形に含まれる周波数成分のうち、特定の周波数帯域を透過させるデジタル信号処理手段と、該透過周波数をそれぞれ任意に設定する手段と有し、該受波用圧電素子それぞれに設定された透過周波数がを該受波用圧電素子に到来する目的の収束超音波の周波数に合致するように設定し、該目的の収束超音波をデジタル信号として取り出すことを特徴としたパラメトリック超音波式埋没物用水中画像撮像装置。
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- 2008-04-04 JP JP2008097711A patent/JP5241295B2/ja active Active
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