JP2010071967A

JP2010071967A - 超音波送受波装置

Info

Publication number: JP2010071967A
Application number: JP2008269155A
Authority: JP
Inventors: Kageyoshi Katakura; 景義片倉; Sayuri Matsumoto; さゆり松本
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】超音波信号の掃引照射による三次元計測装置において、方位と距離の空間分解能を、同時に改善可能とする。
【解決手段】一次元配列振動子を、多数の部分口径に分割し、該部分口径ごとに駆動信号を印加して超音波信号を送信し、該送信信号が、目的物体により反射された信号を受信する構成において、部分口径の電極形状、駆動信号波形、駆動信号強度分布を新規に選定する事により、方位と距離の分解能を同時に改善可能とする。
【選択図】図１８

Description

本発明は、空間分解能の高い超音波送受波装置に関する。

空間の三次元情報を、超音波により映像化する構成は、種々知られている。それらにおいて、最も有効な方法の一例として、分極軸を反転した配列送受波器（特許文献１参照）に周波数の異なる信号を印加することにより、三次元空間に超音波信号を掃引照射し、対象物からの反射信号を受信する事により三次元空間の情報を収集する構成（特許文献２参照）がある。

しかし、この方式によると、方位分解能の向上は、距離分解能の低下を伴い、両者を同時に改善し、高度の三次元空間分解能を実現する事は困難である。

そこで、この問題点を改善する方法として、該配列送波器の口径を観察距離に応じて変更（特許文献３参照）し、印加信号長を、開口幅に応じて選択する構成（特許文献４参照）も知られている。

しかし、この構成は近距離における性能向上を目的としたものであり、口径分割の影響により、遠方においてはむしろ方位分解能が低下する欠点を有する。

また、配列方向に対して傾斜させた配列素子を使用して不要応答を抑圧する構成（特許文献５参照）も知られているが、この方式は正面方向へのビームにのみ適用可能であり、方位を偏向する構成には使用できない。

以上のような状況から、水中土木工事への応用などに要求される、最大の口径を使用する遠方観察時において、方位及び距離の分解能を同時に高度化し、高度の三次元空間分解能を実現する事は非常に困難である。
特開昭４７−２６１６０号公報特公昭５１−４４７７３号公報特公昭５４−１８９３２号公報特開平５−２８５１３２号公報実開昭５４−１１５９２９号公報

解決しようとする問題点は、超音波信号の掃引照射による三次元計測装置において、方位と距離の空間分解能を、同時に改善する簡便な手段が提供されない点にある。

本発明は、超音波信号による計測装置において、一次元配列振動子を多数の部分口径に分割し、該部分口径ごとに駆動信号を印加して超音波信号を送信し、該送信信号が、目的物体により反射された信号を受信する構成において、部分口径の分割数、電極形状、駆動信号波形、駆動信号強度分布等を最適に設定する事により、方位と距離の分解能を同時に改善可能とすることを最も主要な特徴とする。

本発明は、一次元配列振動子を複数の部分口径に分割し、部分口径の電極形状、駆動信号波形、駆動信号強度分布を選定する事により、短い駆動信号により不要応答の少ない指向特性を実現可能とし、方位と距離の分解能を同時に改善可能とする利点を有す。

超音波信号による計測装置において、方位と距離の高い分解能を同時に可能とする目的は、分極を交互に反転させて配列した、圧電振動子の一次元配列による超音波送受波器を使用する構成により、最も簡便な装置として実現される。

図１は、本発明装置における送受信構成の１実施例であり、特許文献１に示された、構成に類似したものである。ここで、送波器１が方位ごとに周波数の異なる超音波を送出する。該超音波は、送波用の円筒型音響レンズ２により一次元方向にのみ収束され、扇形超音波ビーム６となり、対象領域３を掃引照射する。領域中に存在する対象物８からの反射信号７は、受波音響レンズ４により、垂直方向に分割された受波検出面５上に結像され物体像２７となる。

図１の構成においては、対象物３を照射する信号の周波数が水平方向位置により異なる事から、受波検出面５上の物体像２７における水平方向位置は、図２に示すように、各素子出力２８中の信号周波数成分強度２９により知られる。一方、垂直方向位置は、分割受波素子９上における、信号の出現位置として知られることから、これら二つの情報により物体の二次元形状が知られる。

また、物体３までの距離は、超音波の往復時間で知られる事から、これらの情報により、三次元空間内における計測対象の形状が完全に把握される。

方位ごとに周波数の異なる超音波を送出する送波器１の最も簡便な構成法は、特許文献２に示される。この構成は、図３に示すように圧電素子１０の分極軸１１を交互に反転して配列し、その両面に、グランド電極１２とホット電極１３からなる、共通電極を形成した配列送受波器である。この共通電極１２，１３間に駆動信号１５を印加すると、その信号周波数に応じて異なる方向θ（θは超音波の放射あるいは入射面、即ち振動子アレー面の法線方向と超音波の放射あるいは入射方向とのなす角度）に超音波ビーム１４を放射、あるいはその方向からの超音波を受波できるものである。

ここで、電極１２，１３間にバースト波駆動信号を印加すると、図４の円弧に示す波面が形成され（実線と破線で位相が１８０度異なることを示す）、同時刻の隣接した波面の位相が反転しているため、法線方向では放射音波が相殺され、超音波ビームの入放射は、超音波の放射面の法線方向に対し傾斜した方向１４に行われる。

図４において、周波数が高い場合には波長が短い事から、図４ａ）に示すように正面近傍方向へ、一方、周波数が低い場合には波長が長い事から、図４ｂ）に示すように、より傾斜した方向へ波面が形成されることになるが、この入放射角度θは、振動子ピッチｄと駆動信号波長λ（周波数：ｆ）として、数１により与えられる。

また、この時の遠距離音場指向特性Ｒ（θ）は、素子数をｎとして、数２により与えられる。

本構成は、これらの関係を利用して超音波ビームを走査するものであり、１本の信号線で周波数掃引することにより超音波ビームをセクタ走査できる。

ここで、図４の動作原理から、口径全体による高い空間分解能を実現するためには、全素子からの信号が寄与する必要があり、図５に示すように素子総数程度（位相反転のため半分）の波数（図５では５周期）を有する駆動信号１５が必要となり、目的方向へ送出される超音波信号長が長くなる。従って、距離方向の分解能は悪化する事となる。

そこで、特許文献３に示された、図６に示す構成例においては、送受波器を分割（図６は２分割）し、部分口径３１，３２とし、時間差Ｔ（＝ｎＴ_０／２）を有する短い駆動信号２０，２１により送波を行うことにより、超音波ビーム１４の方向に短い超音波信号を送波し、高い距離分解能を実現する。ここで、部分口径内の素子数をｎ、信号周期をＴ_０とする。

図６に示す公知例構成においては、部分口径を受波器として兼用しているが、図１の構成のように、送波器と受波器とをそれぞれ専用に配置し、対象反射体からの反射信号７を別の受波素子９により受信し、受信信号２８を得る構成も可能である。

ここで、図６の公知例基本構成によると、方位分解能が悪化する問題点を見出した。さらに、この悪化原因が、送波される波面が分割され、図６の太い一点鎖線により示す、不要傾斜波面１６，１７が発生し、この波面の伝搬により不要ビーム１８，１９が形成されることに在ることを見出した。

図５，６の構成による特性を比較するために、これらの構成につき、指向特性を数値計算した。指向特性の理論値は、注目方向への送受波器インパルス応答と、送信信号及び信号処理特性を全て畳み込むことにより与えられ、数値計算の結果を図７に示す。

図７ａ）が、図５の単一配列による基本構成の指向特性（素子総数１２８、信号長６４周期）であり、横軸が方位番号（１００が目的方位）、縦軸が照射強度のｄＢ表示である。

図７ｂ）が、図６の２分割配列による公知例構成の指向特性（素子総数１２８、部分口径素子数６４、信号長３２周期）であり、信号は短くなったが、不要波面１６，１７による、強力な不要応答が主ビーム両側に隣接して出現し、方位分解能が低下している。

ここで、この不要応答は、図６の発生要因から、部分口径の数を大きくし、部分口径３１，３２を構成する素子数を小さくすることにより、主ビーム１４と不要ビーム１８，１９との角度差が増加し、主ビームから離れる事を見出した。

そこで、本発明は、図８に示す、部分口径内の素子数をｎ、配列送受波器内の部分口径数をｍとし、総素子数ｍｎを同一としたまま、ｎを小さくすることにより、不要応答を目的とする主ビームから隔離する構成とする。ここでも、時間差Ｔ（＝ｎＴ_０／２）を与えている。

図８の多分割配列において、部分口径数を４個とする構成による指向特性（素子総数１２８、部分口径数４、部分口径内素子数３２、信号長３２周期）を図９ａ）に示す。この図９ａ）に見られるように、部分口径数を４個とすると、期待通り、主ビームと隣接する不要応答とが完全に分離し、主ビームの解像度が回復する。

さらに、図９ｂ）は、図８の多分割配列において、部分口径数を８個とする構成による指向特性（素子総数１２８、部分口径数８、部分口径内素子数１６、信号長３２周期）である。図９ｂ）に見られるように、部分口径素子数を小さく（１６個）すると、不要応答位置（方位番号５０，１５０）が主ビームからさらに離れ、図７ｂ）に比して強度も抑圧される。また、図９ｃ）は、図８の多分割配列において、素子総数は図９ｂ）と同一とし、部分口径数（１６個）よりも部分口径素子数を小さく（８個）する構成による指向特性（素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号長３２周期）である。この場合には、図９ｃ）に見られるように、不要応答位置（方位番号５０，１５０）が主ビームからさらに離れ、強度も図９ｂ）より大幅に抑圧される。しかし、不要応答の強度自体は、依然として基本構成である図７ａ）より増大している。

そこで、本発明の他の実施例は、さらに、特許文献５に類似する、図１０に示す、傾斜電極形状３０を採用する。この構成は、配列方向の共通電極幅２２が、部分口径の配置間隔２３よりも広くなる。このような電極形状によるｙ−ｚ平面内の指向特性は、電極面積のｙ軸上への投影量２４のフーリエ変換により与えられる事から、不要応答の抑圧が期待される。

本発明のように、分極を反転して素子配列の場合においては、特許文献５の場合と異なり、図１０に示す形状の共通電極を採用した場合においても、超音波ビームの偏向が可能となる。

ここで、図１０に示す電極形状によると、ｙ−ｚ平面内の指向特性は、改善されるが、図１１の２５に示す、ｙ−ｚ平面から傾斜した、特定の面方向への投影量は矩形となり、この面における不要応答は抑圧されない。そこで、電極形状を２６とすることにより、不要応答の出現面をさらに傾斜させ、所要観察領域外に分離することが可能となる。

図１２が、図１０の傾斜電極配列による指向特性（素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号長３２周期）計算結果である。

このように部分口径電極を傾斜させると、不要応答（方位番号５０，１５０）が、図９の状態からさらに抑圧されることが確認される。しかし、図７ａ）の基本構成指向特性までには、抑圧が依然として不十分である。

さらに、これら不要応答の発生原因が、図６の不要傾斜波面１６，１７によることから、先端と後端の波面強度に依存することを見出した。そこで、本発明の他の実施例は、さらに、図１０における部分口径駆動信号の波形を、図１３に一例として示す、菱形の包絡線を有する波形とし、周辺部分が中央部分よりも減弱した時間波形とする。

図１４が、図１３の信号波形による指向特性（素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号全長６４周期菱形包絡線）であり、このように菱形包絡線信号により駆動させると、不要応答（方位番号５０，１５０）が図１２の状態から劇的に抑圧され、図７ａ）の基本構成指向特性よりも高い解像度が達成される。

本発明の他の実施例は、これまでの発生原因と異なる、主ビーム周辺の副極大を抑圧する手法である。このように部分口径を有する配列においては、部分口径を駆動する信号強度を、一例を図１５に示す菱形となるように、一次元配列上の部分口径位置に応じ、中央の部分口径を周辺の部分口径よりも強く加重して設定することができる。この加重処理は電極幅の調節により実現することも当然可能である。

図１６が、図１５の口径方向信号加重による指向特性（素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号全長６４周期菱形包絡線）であり、このように口径方向加重信号により駆動させると、主ビーム周囲の副極大が急速に低下する。しかし、当然ながら、菱形加重の影響により、主ビーム幅が、図１４に比し２倍に広がっている。

ここで、本発明においては、距離と方位の解像度が独立である事から、主ビーム幅を狭くするため、信号長は同一のままで、配列素子数を２倍とすることが可能である。そこで、配列全長を２倍とする。

図１７が、口径幅を２倍とした、図１５の口径方向信号加重方式による指向特性（素子総数２５６、部分口径数３２、部分口径内素子数８、信号全長６４周期菱形包絡線）である。このように、本発明による多分割部分口径構成においては、口径を２倍とすると、信号長を伸ばすことなく、主ビーム幅を半分にし、距離分解能低下させることなく、方位方向の解像度を大幅に向上させる事ができる。

主ビーム幅を狭くするため、配列素子数を増加し、配列全長を長くすると、近距離音場距離（Ｄ^２／λ、Ｄ：口径、λ：波長）が急速に伸びる。ここで、近距離音場内においては、分解能が口径程度となるため、遠方における解像度は向上するが、近距離音場内の解像度が低下する。通常はこの対策のために、図１の円筒型音響レンズ２を使用し、観測対象距離近傍の方位分解能を改善する。

本発明による多分割部分口径構成においては、さらに高度な構成が可能となる。ここで本発明による他の実施例を図１８に示す。この構成においては、部分口径を駆動する信号の印加時刻を、遅延線等により構成された、遅延回路群３３により、一次元配列上の部分口径位置に応じ、凹面状に微小量変化させる。このような凹面遅延により送波波面３４に示すように、設定された曲率半径を有する曲面となる。

この処理により、放射される波面は曲率半径により与えられる焦点位置に収束する。この遅延時間は、電気的に制御可能であり、自由に焦点位置を制御できる事となる。

これまでの実施例に述べた構成は、それぞれ独立な構成であり、方位を周波数に対応させた超音波信号の送受波を、共通電極により形成された複数の部分口径により実現する構成において、該部分口径に対し、請求項１から５に示す技術の複数を任意に抽出し、これらを同時に適用することも要求性能との対比により可能となる。例えば、図１３の時間加重と、図１５の空間加重のみを併用する構成なども有効である。

本発明によると、計測の高速化のために、反射信号の受信完了以前に別の周波数を送信するなど、複数の周波数を同時に利用する構成においても、送波の指向性が改善され、特定周波数の超音波が特定方向へのみ送波され、方位の誤認が発生しないため方位分解能の低下が生じない。

本発明装置における送受信構成の１実施例を示した説明図である。受波検出面上の物体像を示した説明図である。方位ごとに周波数の異なる超音波を送出する構成を示した説明図である。傾斜波面形成の原理を示した説明図である。超音波信号長が長くなる理由を示した説明図である。送受波器を分割する公知例構成とその問題点を示した説明図である。公知構成による指向特性の数値計算結果を示した説明図である。多分割部分口径の実施方法を示した説明図である。（実施例１）多分割部分口径による指向特性の数値計算結果を示した説明図である。傾斜電極の実施方法を示した説明図である。（実施例２）傾斜電極の他の構成法を示した説明図である。傾斜電極による指向特性の数値計算結果を示した説明図である。菱形送信信号波形の実施方法を示した説明図である。（実施例３）菱形送信信号による指向特性の数値計算結果を示した説明図である。菱形部分口径信号加重の実施方法を示した説明図である。（実施例４）菱形部分口径信号加重による指向特性の数値計算結果を示した説明図。菱形部分口径信号加重の大口径化による効果を示した説明図。凹面遅延の実施方法を示した説明図である。（実施例５）

符号の説明

１送波器
２送波音響レンズ
３対象領域
４受波音響レンズ
５受波検出面
６扇形超音波ビーム
７反射信号
８対象物
９分割受波素子
１０圧電素子
１１分極軸
１２グランド電極
１３ホット電極
１４超音波ビーム
１５駆動信号
１６，１７不要傾斜波面
１８，１９不要ビーム
２０，２１時間差を有する短い駆動信号
２２配列方向の共通電極幅
２３部分口径の配置間隔
２４電極面積の投影量
２５、２６傾斜特定面方向への投影量
２７物体像
２８各素子出力
２９信号周波数成分強度
３０傾斜電極形状
３１，３２部分口径
３３遅延回路群
３４凹面遅延による送波波面

Claims

方位を周波数に対応させた超音波信号の送受波を、共通電極により形成された複数の部分口径により実現する構成において、該部分口径の数を４個以上とすることを特徴とする超音波送受波装置。
方位を周波数に対応させた超音波信号の送受波を、共通電極により形成された複数の部分口径により実現する構成において、該共通電極の配列方向幅が部分口径配列間隔以上であることを特徴とする超音波送受波装置。
方位を周波数に対応させた超音波信号の送受波を、共通電極により形成された複数の部分口径により実現する構成において、該部分口径を駆動する信号が、周辺部分の振幅を中央部分の振幅よりも減弱した時間構造である事を特徴とする超音波送受波装置。
方位を周波数に対応させた超音波信号の送受波を、共通電極により形成された複数の部分口径により実現する構成において、該部分口径が分担する信号の強度が、配列上の部分口径位置に応じ、中央の部分口径を周辺の部分口径よりも強く加重して設定することを特徴とする超音波送受波装置。
方位を周波数に対応させた超音波信号の送受波を、共通電極により形成された複数の部分口径により実現する構成において、該部分口径を駆動する信号の印加時刻を、一次元配列上の部分口径位置に応じ凹面状に設定することを特徴とする超音波送受波装置。
方位を周波数に対応させた超音波信号の送受波を、共通電極により形成された複数の部分口径により実現する構成において、該部分口径に対し、請求項１から５に示す技術の複数を同時に適用することを特徴とする超音波送受波装置。
方位を周波数に対応させた超音波信号の送受波を、共通電極により形成された複数の部分口径により実現する構成において、該部分口径の数を単一の部分口径を構成する素子の数よりも多くすることを特徴とする超音波送受波装置。