JP2010145249A - Ultrasonic measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波計測装置に係り、簡単な装置構成により、海底等の広域状況を連続把握することを可能とする計測装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic measurement apparatus, and more particularly to a measurement apparatus that enables continuous recognition of a wide-area situation such as the seabed with a simple apparatus configuration.
従来から、船体下方に多数の扇形状の超音波ビームを送波し、送波した超音波ビームの反射波の反射信号と、船体の移動量のデータとを処理することにより海底形状を連続的に把握する装置が知られている。 Conventionally, a large number of fan-shaped ultrasonic beams are transmitted below the hull, and the reflected shape of the reflected wave of the transmitted ultrasonic beam and the data on the amount of movement of the hull are processed to provide a continuous seabed shape. A device for grasping the above is known.
また、特許文献1に記載されているように、周波数により送波方位が異なる送波器を用いて、三次元空間を直接計測することを可能とする計測装置も知られている。
Further, as described in
従来の計測装置は、図14(a)に示すように、Y−Z面内には細く、一方、図14(b)に示すように、X−Y面内には、扇形状の細いビーム120を形成して船体2より送波し、このビーム120による反射信号により海底130のX方向の一直線上の海底形状の情報を計測している。ここで、図14(a)および(b)に示すように、船体に固定した直角座標系をX−Y−Zとし、船首方向をZ軸、船側方向をX軸、船底方向をY軸方向とする。
The conventional measuring apparatus is thin in the YZ plane as shown in FIG. 14 (a), while the fan-shaped thin beam is in the XY plane as shown in FIG. 14 (b). 120 is formed and transmitted from the
このように船体2に取り付けられた従来の計測装置は、図15(a)から(c)に示すように、船体2の航行時間tと共に、海底130の状況を知ることができるようになっている。ここで、海底130の高低は、図15(c)に示すように、色相又は等高線その他の手段により表示され、視認することができるようになっている。
As shown in FIGS. 15A to 15C, the conventional measuring apparatus attached to the
次に、従来の計測装置100の構成を説明する。
Next, the configuration of the
図16に示すように、従来の計測装置100は、方位方向Xに周波数の異なる超音波120を送波する送波器110と、該超音波120を一次元方向にのみに収束し、扇形超音波ビーム121を対象物131に照射する送波用の円筒型音響レンズ111と、該対象物131からの反射波122をZ軸方向に分割された受波検出面142に物体像として結像する受波音響レンズ141とを備えている。
As shown in FIG. 16, a
また、受波検出面142は、図17に示すように、方位方向Xに細長く形成された受波素子143をZ方向に配列されることで、Z軸方向に分割された受波検出面142を形成している。
In addition, as shown in FIG. 17, the wave
このように従来の計測装置100は、対象物131に照射する扇形超音波ビーム121の周波数が方位方向Xの位置により異なることから、図17に示すように、受波検出面142上の物体像における方位方向Xの位置は、各受波素子143の出力における信号周波数成分強度により知ることが出来るようになっている。一方、Z方向の位置は、信号が現れる受波素子143の位置として知ることができる。従って、これら二つの位置情報により対象物131の二次元形状を知ることができる。
As described above, in the conventional
また、対象物131までの距離は、超音波ビーム121の伝搬速度と送波時間から受波時間までの往復時間から知ることができる。このように、従来の計測装置100は、対象物131の二次元形状に加え、三次元空間内における対象物131の全体形状を知ることができるようになっている。
Further, the distance to the
しかしながら、上述した従来の計測装置100の構成によると、方位方向Xに扇形に多数送波される細い超音波ビーム121の放射方向は、船体2の三次元位置及びロール,ピッチ,ヨウの6条件により変動することから、その計測位置の精度が低下し、より精度の高い計測結果を得るためには、これら6条件を全て把握し、その把握した条件により計測結果を補正する必要があり、装置が大規模になってしまうといった問題があった。
However, according to the configuration of the
また、従来の計測装置100は、計測装置の正面(Z−X平面)の観測視野内の対象物131の形状を計測する場合についてのみ適用可能であり、広範囲の連続計測には適用することができないといった問題もあった。
The
さらに、従来の計測装置100は、超音波の伝搬速度が1500m/s程度であることから、仮に水深を75mとすると、送波した超音波が対象物131に反射して往復するのに0.1秒を必要とする。このため、海底形状を10cmの精度で計測するためには、船体2の最高運航速度が10cm/0.1s=1m/s(2ノット)に制限され、作業効率が極度に低下するといった問題もあった。
Furthermore, the
そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、船体の三次元位置及びロール,ピッチ,ヨウの6条件を把握することなく、高速運航下においても、海底形状を連続計測することができる超音波計測装置を提供することを主たる課題とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to continuously maintain the shape of the seabed even under high-speed operation without grasping the three-dimensional position of the hull and the six conditions of roll, pitch, and yaw. It is a main subject to provide an ultrasonic measurement apparatus capable of measuring.
本発明に係る超音波計測装置は、方位方向に周波数の異なる超音波を送波する送波器と、前記送波器から送波された超音波の対象物からの反射波を受波する受波器と、前記対象物からの反射波の情報を三次元計測結果として処理する処理手段とを備える超音波計測装置において、前記三次元計測結果を順次連結させる連結手段を含むことを特徴とする。 An ultrasonic measurement apparatus according to the present invention includes a transmitter that transmits ultrasonic waves having different frequencies in the azimuth direction, and a receiver that receives a reflected wave from an object of the ultrasonic waves transmitted from the transmitter. An ultrasonic measurement apparatus comprising: a waver; and a processing unit that processes information on a reflected wave from the object as a three-dimensional measurement result, and includes a connecting unit that sequentially connects the three-dimensional measurement results. .
また、本発明に係る超音波計測装置において、前記連結手段は、前記三次元計測結果の特徴点を決定する決定手段を含むことことができる。 In the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention, the connection unit may include a determination unit that determines a feature point of the three-dimensional measurement result.
また、本発明に係る超音波計測装置において、前記送波器は、分極を反転して配列すると好適である。 In the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention, it is preferable that the transmitter is arranged with polarization reversed.
また、本発明に係る超音波計測装置において、前記連結手段は、複数回の連結結果を、GPSから得られる位置情報により補正する位置情報補正手段を含むと好適である。 In the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention, it is preferable that the connection unit includes a position information correction unit that corrects a connection result of a plurality of times using position information obtained from GPS.
また、本発明に係る超音波計測装置において、前記連結手段は、複数回の連結結果を、ロール角を検出する検出手段から得られるロール角情報により補正するロール角補正手段を含むと好適である。 In the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention, it is preferable that the connecting unit includes a roll angle correcting unit that corrects a result of the plurality of times of connection using roll angle information obtained from a detecting unit that detects the roll angle. .
本発明に係る超音波計測装置は、三次元計測結果を順次連結させる連結手段を含んでいるので、船体の三次元位置及びロール,ピッチ,ヨウの6条件を把握することなく、高速運航下においても海底形状の連続計測を行うことができる。 Since the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention includes connection means for sequentially connecting the three-dimensional measurement results, the high-speed operation is possible without grasping the three-dimensional position of the hull and the six conditions of roll, pitch, and yaw. Can also continuously measure the seafloor shape.
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments do not limit the invention according to each claim, and all combinations of features described in the embodiments are not necessarily essential to the solution means of the invention. .
図1は、本実施形態に係る超音波計測装置の構成を説明する概略図であり、図2は、本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器の構成を説明する概略図であり、図3は、本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器から送波される超音波の方向を説明するための図であり、図4は、本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器に印加される駆動信号と送波される超音波との関係を説明するための図であり、図5は、本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器の別形態を説明するための図であり、図6は、本実施形態に係る超音波計測装置の一回の計測方法を説明するための図であり、図7は、船体の運航と計測結果との関係を説明するための図であり、図8は、船体の運航に伴って計測した計測結果を連結する連結手段を説明するための図であり、図9は、連結手段によって連結された計測結果を示す図であり、図10(a)は、連結された計測結果がY軸方向に誤差を有することを説明するための図であり、図10(b)は、連結された計測結果を位置情報補正手段により補正した結果を説明するための図であり、図11(a)は、連結された計測結果がX軸方向に誤差を有することを説明するための図であり、図11(b)は、連結された計測結果を位置情報補正手段により補正した結果を説明するための図であり、図12は、連結された計測結果が傾斜した誤差を有することを説明するための図であり、図13は、本実施形態に係る超音波計測装置の連結手段における連結の方法を説明するための図である。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the configuration of the ultrasonic measurement device according to the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of the transmitter configuring the ultrasonic measurement device according to the present embodiment. FIG. 3 is a diagram for explaining the direction of the ultrasonic wave transmitted from the transmitter constituting the ultrasonic measurement apparatus according to the present embodiment, and FIG. 4 is an ultrasonic wave according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between a drive signal applied to a transmitter constituting a measurement device and ultrasonic waves to be transmitted, and FIG. 5 is a diagram illustrating a transmission device constituting the ultrasonic measurement device according to the present embodiment. FIG. 6 is a diagram for explaining a single measurement method of the ultrasonic measurement device according to the present embodiment, and FIG. It is a figure for demonstrating the relationship with a measurement result, and FIG. 8 connects the measurement result measured with operation of a hull. FIG. 9 is a diagram for explaining the connecting means, FIG. 9 is a diagram showing the measurement result connected by the connecting means, and FIG. 10A shows that the connected measurement result has an error in the Y-axis direction. FIG. 10B is a diagram for explaining the result of correcting the coupled measurement result by the position information correcting means, and FIG. 11A is the coupled measurement result. FIG. 11B is a diagram for explaining that the result has an error in the X-axis direction, and FIG. 11B is a diagram for explaining the result of correcting the connected measurement result by the position information correcting unit. 12 is a diagram for explaining that the coupled measurement results have an inclined error, and FIG. 13 is a diagram for explaining a coupling method in the coupling means of the ultrasonic measurement device according to the present embodiment. It is.
図1に示すように、本実施形態に係る超音波計測装置1は、方位方向Xに周波数の異なる超音波を送波する送波器10と、該超音波を一次元方向にのみに収束し、扇形超音波ビーム21を対象物30に照射する送波用の円筒型音響レンズ11と、該対象物30からの反射波22をZ軸方向に分割された受波検出面42に物体像として結像する受波音響レンズ41と、該結像された物体像を画像として処理する処理手段50と、該処理手段50により画像処理された複数の計測結果を連結する連結手段51とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
図2に示すように、本実施形態に係る超音波計測装置1を構成する送波器10は、圧電素子15の分極軸15a,15bを交互に反転して配列されており、そのY軸方向の両端面に夫々、グランド電極12とホット電極13とからなる共通電極を形成した配列送波器として形成されている。このグランド電極12及びホット電極13間に駆動信号14を印加すると、その信号周波数に応じて異なる方向に超音波ビーム21aを送波することができるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
次に、図3を参照して、超音波ビーム21aの送波される方向について説明する。
Next, the direction in which the
図3(a)に示すように、グランド電極12及びホット電極13間に駆動信号14を印加すると、配列された各圧電素子15から、図3(a)に示すように円弧に示す駆動信号14の周波数に応じた波長λの波面が形成されて送波される。ここで、図3乃至図5においては、実線と破線とで位相が180度異なる波形が送波されている状態を示している。図3(a)から明らかなように、同時刻の隣り合った波面の位相が反転しているため、波面の法線方向では、送波された波面が相殺され、超音波ビーム21aの放射方向は、圧電素子15の配列方向と直交する方向から放射角θ傾斜した方向に送波される。
When a
ここで、印加される駆動信号14の周波数が高い場合には、波長が短いことから、図6(a)に示すように、正面方向近傍方向へ超音波ビーム21aが放射される一方、駆動信号14の周波数が低い場合には波長λ´が大きくなることから、図6(b)に示すように、放射角がより傾斜した方向へ波面が形成される。ここで、放射角θは、圧電素子15のピッチd,駆動信号14の周波数fおよび駆動信号14の波長λから数1により与えられる。
Here, when the frequency of the applied
また、このときの遠距離音場指向特性R(θ)は、数2により与えられる。
Further, the long-distance sound field directivity characteristic R (θ) at this time is given by
本実施形態に係る超音波計測装置1の送波器10は、これらの関係を利用して超音波ビーム21aを方位方向Xに走査するものであり、図4に示すように、単一の信号線により駆動信号14を印加することで周波数掃引を行うことにより、超音波ビーム21aを扇形に走査することができる。なお、図4においては、超音波ビーム21aの放射方向のみを示し、各圧電素子15から放射された円弧の波面は省略して図示した。
The
また、送波器10の送波面全体の空間分解能を実現するためには、全圧電素子からの波面が寄与する必要があり、図4に示すように圧電素子の総数程度(位相が反転するため半分)の波数(図4では5周期)を有する駆動信号14が必要となる。
Further, in order to realize the spatial resolution of the entire transmission surface of the
さらに、送波器10を部分口径13a,13bとして分割して形成し、時間差Tを有する短い駆動信号14a,14bを該部分口径13a,13bに夫々印加することで、超音波ビーム21a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とができるように形成しても構わない。
Further, the
このように、方位方向に周波数が異なる送波を行うと、方位Xを反射波の周波数により知ることができることから、例えば、時間と共に周波数が変化する波形又は、広帯域雑音を送波することにより、全三次元空間の計測が一回の超音波伝搬時間により可能となる。 In this way, if transmission with different frequencies in the azimuth direction is performed, the azimuth X can be known from the frequency of the reflected wave. For example, by transmitting a waveform whose frequency changes with time or broadband noise, All three-dimensional space can be measured by one ultrasonic propagation time.
次に、図6及び図7を参照して、本実施形態に係る超音波計測装置1の計測方法について説明する。
Next, with reference to FIG.6 and FIG.7, the measuring method of the
図6(a)および(b)に示すように、本実施形態に係る超音波計測装置1は、船体2に設置され、船体2の船底から海底の対象物30に向けて超音波ビーム21を送波し、その反射波を受波することで、図6(c)に示すような計測結果を得ることができる。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
ここで、図6(b)に示すように船底からの視野角αを30度程度とすると、図6(c)における計測結果の一辺の長さは、水深の半分となる。例えば、水深100mにおいては、一辺50mの海底状況が凹凸の程度を含め三次元的に描出された一回の計測結果として得ることができる。ここで、一回の計測結果は、計測する所要時間が短いことから、船体2の動揺等による幾何学的な歪の影響を受けることなく、正確な海底の三次元形状を示すことができる。
Here, when the viewing angle α from the ship bottom is about 30 degrees as shown in FIG. 6B, the length of one side of the measurement result in FIG. 6C is half of the water depth. For example, at a water depth of 100 m, it is possible to obtain a one-time measurement result in which the seabed condition of a side of 50 m is depicted three-dimensionally including the degree of unevenness. Here, since the time required for measurement is short, the measurement result of one time can show an accurate three-dimensional shape of the seabed without being affected by geometric distortion caused by fluctuation of the
ここで、図6(c)に示された計測結果は、海底形状として正しいものであるが、船体2からの相対的な位置関係を示す船体座標系(x−y−z)によるものであり、日本測地系のような地表に固定した座標系とは対応しない。以後、これら日本測地系(準拠楕円体座標系)のような、地表面に固定された直角座標系をX−Y−Zとして表す。
Here, the measurement result shown in FIG. 6C is correct as the sea bottom shape, but is based on the hull coordinate system (xyz) indicating the relative positional relationship from the
図6に示されたように、図7のa,b,cの各位置において実行すると、船体2が正確に等速直線運動を行っていれば、各位置において、計測結果60a,60b,60cとして得ることができる。これらの計測結果60a,60b,60cは、船体座標系における正しい海底状況である。
As shown in FIG. 6, when executed at each of the positions a, b and c in FIG. 7, if the
次に、図8及び図9を参照して本実施形態に係る超音波計測装置1の連結手段51の処理方法について説明する。
Next, the processing method of the connection means 51 of the
図7に示された計測結果60a,60b,60cは、上述したように、船体座標系における正しい海底状況を表したものであるが、船体2の航行は、等速直線運動と異なり、種々の要因により変動する。ここで、一般的に、合同な二個の三次元構造物は、直線状になり三点が一致すると、全体として重なることから、図7における計測結果60a,60b,60cは、図8に示す計測結果60aにおける特徴点70a,70b,70cと、計測結果60bにおける特徴点70a´,70b´,70c´とを重ね、同様に、計測結果60bにおける特徴点70d,70e,70fと、計測結果60cにおける特徴点70d´,70e´,70f´とを重ねることにより船体2の位置を知ることなく、地表面に固定された直角座標系X−Y−Z上に連結することができる。
As described above, the
ここで、計測結果60aの特徴点70a,70b,70cは、連結手段51の備える決定手段より三点が一直線上に並ばないように選定されて決定される。また、計測結果60bの特徴点70a´,70b´,70c´は、計測結果60aの特徴点と合同となるように決定される。
Here, the
連結手段51により連結された計測結果61は、図9に示すように表示して得られ、正しい広域な海底形状として連結される。このように、本実施形態に係る超音波計測装置1は、船体位置の情報を必要としないことから、船体2が動揺した場合においても、動揺等に影響されることなく、地表面に固定された直角座標系X−Y−Z上に正しい海底形状として連結表示された計測結果を得ることができる。
The measurement result 61 connected by the connecting
次に、連結手段51により連結された計測結果61の補正方法について、図10乃至図12を参照して説明する。
Next, a method for correcting the measurement result 61 connected by the connecting
図9に示されたように、計測結果61を連結して表示すると、船体2の位置情報は、時系列的に推定される。ここで、装置誤差等により、計測結果61がバイアス誤差を有する場合には、全計測結果60a,60b,60cが傾斜して連結され、推定される船体2の地表面に固定された直角座標上におけるY座標の位置が図10(a)に示すように徐々に浅く表示されることになる。
As shown in FIG. 9, when the measurement result 61 is connected and displayed, the position information of the
そこで、複数回の連結処理毎に、GPSの信号等により船体2のY座標方向の位置を確認し、位置情報処理手段によってピッチ角方向の平均誤差を補正している。このように船体2の位置のY座標が位置情報処理手段によって補正され、図10(b)に示すように、水平となり、地表面座標上における海底深度の正確な連続計測を行うことが可能となっている。
Therefore, the position of the
また、同様に、水平面内位置(Z−X平面)において、連結処理に誤差が累積した場合には、図11(a)に示すように、推定される船体2のZ−X座標の位置が、実際の水平面位置と異なることとなる。そこで、GPS等によるより信頼性の高い情報により位置情報補正手段によりZ−X座標を平均的に修正することにより、図11(b)に示すようなより正確な地表面座標上における地形図を完成させることができる。
Similarly, when errors are accumulated in the connection process at the position in the horizontal plane (ZX plane), the estimated position of the ZX coordinate of the
さらにまた、図12に示すように、船体2がローリングしている状況において計測を開始すると、全計測結果60a,60b,60cが傾斜してしまうこととなる。ロール角については、上述したような複数回の計測結果における累積誤差による補正方法が利用できないため、船体2のロール角βを計測する検出手段を船体2に装備し、水平の確認を行っている。そして、この検出手段により得られたロール角情報に基づいて、ロール角補正手段により計測結果を補正し、地表面座標上における正確な連続計測を行うことが可能となっている。
Furthermore, as shown in FIG. 12, when measurement is started in a situation where the
次に、図13を参照して、各計測結果60a,60b,60cを連結する方法について説明する。図13においては、特徴点70a,70b,70cと、特徴点70a´,70b´,70c´とを重ねる場合について説明する。
Next, a method for connecting the
図13に示すように、まず、計測結果60aの任意の一点(本実施形態においては、特徴点70a)とそれに対応する計測結果60bの特徴点(本実施形態においては、特徴点70a´)とをベクトル70a70a´だけ平行移動し、三角形70a70b70cを三角形70a´70b170c1とする。その後、頂点70b1を70b´と一致させるために、頂点70a´を中心として座標軸を角度φ1だけ回転し、三角形70a´70b170c1を三角形70a´70b´70c2とする。そして、頂点70c2を70c´と一致させるために、線分70a´70b´を中心として座標軸を角度φ2だけ回転し、三角形70a´70b´70c2を三角形70a´70b´70c´とすることにより、計測結果60aと計測結果60bとを重ね合わせている。この3種の座標変換により、原点も同時に移動し、新しい船体2の位置を示すこととなる。
As shown in FIG. 13, first, an arbitrary point of the
このように構成された超音波計測装置1は、船体の三次元位置及びロール,ピッチ,ヨウの6条件を把握することなく、高速運航下においても海底形状の連続計測を行うことができる。
The
1 超音波計測装置、 2 船体、 10 送波器、 11 送波用音響レンズ、 12 グランド電極、 13 ホット電極、 14 駆動信号、 15 圧電素子、 15a,15b 分極軸、 21 超音波ビーム、 22 反射波、 30 対象物、 41 受波音響レンズ、 42 受波検出面、 50 処理手段、 51 連結手段、 70a,70b,70c,70d,70e,70f,70a´,70b´,70c´,70d´,70e´,70f´ 特徴点、 θ 放射角、 d 圧電素子ピッチ、 f 駆動周波数、 λ 波長、 T 信号時間差、 α 視野角、 β ロール角
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記送波器から送波された超音波の対象物からの反射波を受波する受波器と、
前記対象物からの反射波の情報を三次元計測結果として処理する処理手段とを備える超音波計測装置において、
前記三次元計測結果を順次連結させる連結手段を含むことを特徴とする超音波計測装置。 A transmitter for transmitting ultrasonic waves having different frequencies in the azimuth direction;
A receiver for receiving a reflected wave from an object of ultrasonic waves transmitted from the transmitter;
In an ultrasonic measurement apparatus comprising processing means for processing reflected wave information from the object as a three-dimensional measurement result,
An ultrasonic measurement apparatus comprising a connecting means for sequentially connecting the three-dimensional measurement results.
前記連結手段は、前記三次元計測結果の特徴点を決定する決定手段を含むことを特徴とする超音波計測装置。 The ultrasonic measurement device according to claim 1,
The ultrasonic measurement apparatus, wherein the connection unit includes a determination unit that determines a feature point of the three-dimensional measurement result.
前記送波器は、分極を反転して配列したことを特徴とする超音波計測装置。 In the ultrasonic measuring device according to claim 1 or 2,
The ultrasonic measuring apparatus, wherein the transmitter is arranged with polarization reversed.
前記連結手段は、複数回の連結結果を、GPSから得られる位置情報により補正する位置情報補正手段を含むことを特徴とする超音波計測装置。 In the ultrasonic measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The ultrasonic measurement apparatus, wherein the connection unit includes a position information correction unit that corrects a connection result of a plurality of times based on position information obtained from GPS.
前記連結手段は、複数回の連結結果を、ロール角を検出する検出手段から得られるロール角情報により補正するロール角補正手段を含むことを特徴とする超音波計測装置。 In the ultrasonic measuring device according to any one of claims 1 to 4,
The ultrasonic measuring apparatus according to claim 1, wherein the connecting unit includes a roll angle correcting unit that corrects a result of connecting a plurality of times based on roll angle information obtained from a detecting unit that detects a roll angle.
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