JP2013096963A - Underwater video acquisition device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems that miniaturization of a device is indispensable in order to load an underwater video acquisition device using ultrasonic waves on an independent type unmanned diving unit, and reduction of power consumption for extension of operation time, increase of frame rate for observation of a mobile object, and increase of resolution for observation of a small reflector become barriers to practical application.SOLUTION: Incoming waves are broken down in the vertical and horizontal directions only with an acoustic lens by providing an underwater video acquisition device with a spherical acoustic lens, or an acoustic lens which shows an equivalent effect as that of the spherical acoustic lens. An incoming direction of reflected waves is known to allow imaging by detecting ultrasonic waves after passing through the acoustic lens. In addition, the small acoustic lens with high resolution and wide viewing angle is provided. The underwater video acquisition device with low power consumption and high frame rate is further provided.

Description

本発明は、船舶や船舶曳航体、自律型無人潜水機等の移動体に搭載して、水中で超音波を対象に照射し、その反射を受信する音響レンズを具備した水中映像取得装置(ソーナー)に関するものである。   The present invention relates to an underwater image acquisition device (sona) equipped with a moving body such as a ship, a ship towing body, an autonomous unmanned submersible, and an acoustic lens that irradiates ultrasonic waves in water and receives the reflection. ).

水中において、一般的に超音波は可視光、電磁波よりも減衰が少なく、透明度の低い水中でも伝搬する。そこで、水中における対象物の位置、寸法、および形状を認識する手法として、音響的手法による画像化技術(ソーナー)が検討されている。例えばこのような映像取得装置には、船舶や船舶に曳航される曳航体に設置し、映像取得装置の位置を移動させながら送波器から送信した超音波の反射を受波器で受信することにより2次元データを取得し、さらに時系列に処理することで3次元映像を取得する3次元イメージングソーナーがある。   In water, ultrasonic waves are generally less attenuated than visible light and electromagnetic waves, and propagate in water with low transparency. Therefore, as a technique for recognizing the position, size, and shape of an object in water, an imaging technique (a sonar) using an acoustic technique has been studied. For example, in such a video acquisition device, it is installed on a ship or a towed body towed by a ship, and the reflection of the ultrasonic wave transmitted from the transmitter is received by the receiver while moving the position of the video acquisition device. There is a three-dimensional imaging sonar that acquires two-dimensional data and further acquires a three-dimensional image by processing in time series.

特許文献1においては、送波器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波ビームのステアリングを可能とする周波数掃引方式を採用した水中映像取得装置が開示されている。   Patent Document 1 discloses an underwater image acquisition apparatus that employs a frequency sweep method that enables steering of a transmitted beam by changing the frequency of an electrical signal input to the transmitter.

特許文献1に記載の水中映像取得装置は、目標からの反射を集束させる音響レンズを受波器の前に具備している。周波数掃引方式では、極性を交互に反転させ配列した送波器用電気音響変換素子に、送信電気回路1chで異なる周波数の送信電気信号を入力するだけで、送波ビームのステアリングが可能である。周波数掃引方式は、送信方向によって周波数が異なるため、受波器1チャンネルで受波した受信信号をフーリエ変換するだけで方位方向に分離できる方式である。   The underwater image acquisition device described in Patent Literature 1 includes an acoustic lens that focuses reflection from a target in front of a receiver. In the frequency sweep method, the transmission beam can be steered only by inputting transmission electric signals having different frequencies in the transmission electric circuit 1ch to the electroacoustic transducers for transmitters arranged with the polarities reversed alternately. The frequency sweep method is a method in which the frequency varies depending on the transmission direction, and therefore, the received signal received by the receiver channel 1 can be separated in the azimuth direction only by Fourier transform.

特許文献2においては、水の濁度や照度に左右されない水中作業、水中セキュリティための監視等の濁水中や夜間においても水中視認をすることができる映像取得装置が開示されている。特許文献2に記載の映像取得装置では、受波器として1次元トランスデューサアレイを用いており、この全面に音響レンズを有している。この音響レンズにより物体からの反射波を鉛直方向に分解し、方向に対応する受波素子で受信することにより、対象物の鉛直方向の位置情報を得ることができるようになっている。すわなち、周波数掃引方式で超音波の水平方向の分解を、音響レンズで超音波の鉛直方向の分解を、受信信号を時系列に処理することにより超音波の奥行き方向の分解を行い、3次元画像を取得している。   Patent Document 2 discloses a video acquisition device that can perform underwater visual inspection even in muddy water or at night, such as underwater work that is not affected by the turbidity and illuminance of water, monitoring for underwater security, and the like. In the video acquisition device described in Patent Document 2, a one-dimensional transducer array is used as a wave receiver, and an acoustic lens is provided on the entire surface. The acoustic lens decomposes the reflected wave from the object in the vertical direction, and receives the position information in the vertical direction of the object by receiving it with a wave receiving element corresponding to the direction. In other words, the ultrasonic wave is decomposed in the horizontal direction by the frequency sweep method, the ultrasonic wave is decomposed in the vertical direction by the acoustic lens, and the ultrasonic wave is decomposed in the depth direction by processing the received signal in time series. A dimensional image is acquired.

周波数掃引方式では、物体からの反射波が帰ってくる方向と送信周波数とが一意に関連付けられるようにする必要があるが、実際には、装置の周囲環境からランダムに入射する音波や、受波面上の他のチャンネル上から反射した異なる周波数の超音波が装置内残響として存在するため、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る。特許文献3においては、周波数送信方式を採用した水中画像撮像装置において、音響画像のノイズやゴーストを低減させる技術が開示されている。   In the frequency sweep method, the direction in which the reflected wave from the object returns needs to be uniquely associated with the transmission frequency. Since ultrasonic waves of different frequencies reflected from the other channels above exist as reverberation in the apparatus, a ghost appears in the captured image, particularly in the vertical direction. Patent Document 3 discloses a technique for reducing noise and ghost of an acoustic image in an underwater image capturing apparatus that employs a frequency transmission method.

レンズを用いた到来方向分離は一次元に限らない。到来波を垂直・水平問わず到来方向毎に分離できるレンズとして、マイクロ波アンテナ分野においてはルーネベルグレンズが知られている。非特許文献1に記載されているルーネベルグレンズは形状が球形で、屈折率がレンズの中心で最大であり、レンズの中心から外側にいくにつれて屈折率が連続的に小さくなるように設計されたものである。レンズの半径をR、レンズ中心からの距離をrとすると、屈折率分布nが、n=(2−(r/R)1/2に従うとき、このレンズに入射した平面波は、入射と反対側の球表面上に焦点を形成する。 Direction-of-arrival separation using a lens is not limited to one dimension. A Luneberg lens is known in the microwave antenna field as a lens that can separate an incoming wave for each direction of arrival, regardless of whether it is vertical or horizontal. The Luneberg lens described in Non-Patent Document 1 has a spherical shape, the refractive index is maximum at the center of the lens, and the refractive index is designed to continuously decrease from the center of the lens to the outside. Is. When the radius of the lens is R and the distance from the lens center is r, when the refractive index distribution n follows n = (2- (r / R) 2 ) 1/2 , the plane wave incident on this lens is A focal point is formed on the opposite sphere surface.

特開昭47−026160JP 47-026160 特開2009−204471JP2009-204471A 特開2009−250734JP 2009-250734 A

The Mathematical Theory of Optics、Univ. California Press、1964The Mathematical Theory of Optics, Univ. California Press, 1964

船舶等に備えつけられる従来のイメージングソーナーの観察対象はメートルオーダの静止物体であることが多い。この用途では、装置規模は船舶に搭載できる大きさであればよいし、消費電力は船舶とは別に準備すればよい。また、観察対象は静止しているので高フレームレートも要求されない。   An observation object of a conventional imaging sonar provided on a ship or the like is often a metric order stationary object. In this application, the size of the apparatus may be a size that can be mounted on a ship, and the power consumption may be prepared separately from the ship. Further, since the observation target is stationary, a high frame rate is not required.

一方、自律型無人潜水機などにイメージングソーナーを搭載し、多目的用途に用いるためには、いくつか課題がある。これらには、イメージングソーナーの小型化、低消費電力化、高分解能化、高フレームレート化、広視野角化が挙げられる。   On the other hand, there are some problems in using an imaging sonar in an autonomous unmanned submersible for multi-purpose use. These include downsizing of imaging sonar, low power consumption, high resolution, high frame rate, and wide viewing angle.

一般的に自立型無人潜水器は船舶等よりも小型なため、それに搭載するイメージングソーナーも小型化しなければならない。
また、イメージングソーナー自体の消費電力が高ければ、自律型無人潜水機の運用時間が制限されるため、低消費電力であることは重要である。
さらに、多目的用途に用いるためには観察対象は限定できないため、静止物体だけでなく移動物体も観察するためには高フレームレートが必須である。観察対象も同様、従来よりも小さい反射体を観察できるようになるためには、高分解能化を達成しなければならない。
In general, since a self-supporting unmanned submersible is smaller than a ship or the like, an imaging sonar mounted thereon must also be miniaturized.
In addition, if the power consumption of the imaging sonar itself is high, the operation time of the autonomous unmanned submersible is limited, so it is important that the power consumption is low.
Furthermore, since the observation target cannot be limited for use in multipurpose applications, a high frame rate is essential for observing not only stationary objects but also moving objects. Similarly, in order to be able to observe a reflector smaller than the conventional object, it is necessary to achieve high resolution.

これらの課題は、観察領域を従来装置より限定して小さくすれば、達成されうる。しかしながら、効率良く、かつ取りこぼしなく観察するためには、むしろ観察領域は広げなければならない。   These problems can be achieved by limiting the observation area to be smaller than that of the conventional apparatus. However, in order to observe efficiently and without missing, rather, the observation area must be expanded.

以上により本発明においては、自立型無人潜水器に搭載可能なほど小型で、低消費電力、高分解能、高フレームレート、広視野角なイメージングソーナーを提供する。   As described above, the present invention provides an imaging sonar that is small enough to be mounted on a self-supporting unmanned submersible, low power consumption, high resolution, high frame rate, and wide viewing angle.

上記の目的を達成するため、本発明の水中映像取得装置は、水中の対象物に向けて超音波を送信する送波部と、前記対象物からの超音波の反射波が入射する入射面と、前記入射した反射波が集束する受信面とを有し、前記音波入射面及び前記音波受信面は同一の中心軸で、それぞれ曲率が一定であり、少なくとも2層以上の、音速の異なる媒質から構成された音響レンズと、前記音響レンズを通った反射波を受信する受信器と、前記受信器が受信した反射波を信号処理する信号処理部と、前記信号処理部が信号を処理した信号処理結果に基づいた音響映像を表示する表示手段とを有する。   In order to achieve the above object, an underwater image acquisition device according to the present invention includes a wave transmission unit that transmits ultrasonic waves toward an underwater object, and an incident surface on which an ultrasonic wave reflected from the object is incident. A receiving surface on which the incident reflected wave is converged, and the sound wave incident surface and the sound wave receiving surface have the same central axis, each having a constant curvature, and at least two layers or more from different sound speed media A configured acoustic lens, a receiver that receives a reflected wave that has passed through the acoustic lens, a signal processing unit that performs signal processing on the reflected wave that is received by the receiver, and a signal process that is processed by the signal processing unit Display means for displaying an audio image based on the result.

本発明によれば、球状の音響レンズ、あるいは球状の音響レンズと同等な効果を発揮する音響レンズを設けることで、音響レンズのみで到来波の垂直および水平方向に分解することが可能となる。つまり、音響レンズ通過後の超音波を検出することにより、反射波の到来方向を知ることが可能となる。   According to the present invention, by providing a spherical acoustic lens or an acoustic lens that exhibits an effect equivalent to that of a spherical acoustic lens, it is possible to decompose the incoming wave in the vertical and horizontal directions using only the acoustic lens. That is, it is possible to know the arrival direction of the reflected wave by detecting the ultrasonic wave after passing through the acoustic lens.

また、複数枚構成の複合レンズよりも小型で高分解能、広視野角な音響レンズを提供することができる。   Further, it is possible to provide an acoustic lens that is smaller, has a higher resolution, and has a wider viewing angle than a compound lens having a plurality of lenses.

さらに、低消費電力かつ、高フレームレートなイメージングソーナーを提供することができる。   Furthermore, an imaging sonar with low power consumption and high frame rate can be provided.

本発明の実施例である水中映像取得装置の基本ブロック図The basic block diagram of the underwater image acquisition device which is an embodiment of the present invention 本発明の送波器の最適な実施例の一つOne of the most suitable embodiments of the transmitter of the present invention 本発明の音響レンズの基本設計概念を説明する図The figure explaining the basic design concept of the acoustic lens of this invention 均質層ルーネベルグレンズを説明する図Diagram explaining the homogeneous layer Luneberg lens 本発明の検出部の最適な実施例の一つOne of the most suitable embodiments of the detection unit of the present invention 本発明の音響レンズの効果を説明する図The figure explaining the effect of the acoustic lens of this invention 本発明の音響レンズの効果を説明する図The figure explaining the effect of the acoustic lens of this invention 本発明の音響レンズの効果を説明する図The figure explaining the effect of the acoustic lens of this invention 本発明の音響レンズの効果を説明する図The figure explaining the effect of the acoustic lens of this invention 本発明の音響レンズの効果を説明する図The figure explaining the effect of the acoustic lens of this invention

以下、本発明を実施するための形態について、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すべてが、発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present 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. Absent.

図1は本発明の最適な実施例の一つであり、本発明で実現するイメージングソーナー内部のブロック図を説明するものである。   FIG. 1 is one of the most preferred embodiments of the present invention, and illustrates a block diagram inside an imaging sonar implemented by the present invention.

ソーナーには外部に超音波を送信する送信器100と、送信された音波の対象物からの反射を受信する受信器102と、反射音波を受信器102に集束させる音響レンズ101と、受信した反射波によるアナログ信号を増幅する増幅器(AMP)103と、アナログ信号からデジタル信号へ変換するA/D変換器(ADC)104と、デジタル信号を保存するメモリ部105と、デジタル信号から対象物のアジマス方位解析、レンジ方位解析、送波・受波時間差による装置−対象物間の距離解析などを行い画像生成する演算処理部106と、装置と使用者とのインターフェースを提供する操作盤107と、設定された送波信号の諸元通りに超音波信号を発生させる波形発生器108と、波形発生器108からの信号を増幅する増幅器109(AMP)と、演算処理の結果生成した画像を表示する画像表示部110を具備する。 送信器100・受信器102としてはPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)などの圧電体に整合層およびバッキング材を付与した超音波トランスデューサを、送波器・受波器として具備する形態が一般的である。   The sonar includes a transmitter 100 that transmits ultrasonic waves to the outside, a receiver 102 that receives reflections of the transmitted sound waves from an object, an acoustic lens 101 that focuses the reflected sound waves on the receivers 102, and received reflections. An amplifier (AMP) 103 that amplifies an analog signal by waves, an A / D converter (ADC) 104 that converts an analog signal to a digital signal, a memory unit 105 that stores the digital signal, and an azimuth of an object from the digital signal Arithmetic processing unit 106 for generating an image by performing azimuth analysis, range azimuth analysis, distance analysis between the device and the object based on a transmission / reception time difference, an operation panel 107 for providing an interface between the device and the user, and setting A waveform generator 108 for generating an ultrasonic signal according to the specifications of the transmitted signal, and an amplifier 109 (amplifying the signal from the waveform generator 108) And MP), comprising an image display unit 110 for displaying an image generated as a result of the arithmetic processing. As the transmitter 100 and the receiver 102, an ultrasonic transducer in which a matching layer and a backing material are provided on a piezoelectric body such as PZT (lead zirconate titanate) is generally provided as a transmitter / receiver. is there.

操作盤107は、例えばマウス、キーボードなどから構成される。使用者は、操作盤107を介して送波信号の諸元や、解析条件、画像表示条件などを設定する。   The operation panel 107 is composed of, for example, a mouse and a keyboard. The user sets specifications of the transmission signal, analysis conditions, image display conditions, and the like via the operation panel 107.

ソーナーでの一般的な信号処理として演算処理部では、A/D変換後の信号に対して、上述の他には例えば速度補正、斜距離補正、動揺補正、包絡線検波などの処理が行われる。処理の順は任意であり、また、スキャンコンバータやバンドパスフィルタなど他の信号処理があってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。すわなち、演算処理部は、最終的に信号処理された受信信号を時系列で切り出し、輝度で表された音響画像、音響映像を生成するという目的を達していればいかなる処理を内部で行っていても構わない。   As a general signal processing in the sonar, the arithmetic processing unit performs processing such as speed correction, oblique distance correction, fluctuation correction, envelope detection, etc., in addition to the above, on the signal after A / D conversion. . The order of processing is arbitrary, and there may be other signal processing such as a scan converter and a band pass filter, or a combination thereof. In other words, the arithmetic processing unit performs any processing internally as long as the purpose of generating the sound image and sound image represented by luminance is achieved by cutting out the finally processed received signal in time series. It does not matter.

以下、本発明における音響レンズ101の特徴を述べるとともに、本レンズを用いた場合の効果について説明する。   The characteristics of the acoustic lens 101 according to the present invention will be described below, and the effects when this lens is used will be described.

本発明における音響レンズ101の最も基本的な特徴は、回路等の信号処理を用いることなく音響レンズのみで2次元整相が可能であるということである。2次元ビームフォーミング可能な球状の一つとして、球状がある。球状音響レンズは2次元受波素子アレイと組み合わせることにより、以下のようにして音波を鉛直方向および水平方向に分割できる。まず、対象物からの反射波を球状音響レンズで集束し、レンズ形状に沿って2次元に配置した受波素子アレイで受信する。このとき、音響レンズの通過前後で、反射音波の到来方向と受波素子を1対1に対応付ける。各素子で受信した反射音波は、この対応付けを参照して、2次元映像を構成できる。また、反射音波の到達遅れ時間をソーナー観察領域の奥行きとして表現することで、鉛直、水平、奥行きの3次元映像を取得できる。   The most basic feature of the acoustic lens 101 in the present invention is that two-dimensional phasing is possible only with the acoustic lens without using signal processing such as a circuit. One of the two-dimensional beam forming spheres is a sphere. By combining the spherical acoustic lens with the two-dimensional receiving element array, the sound wave can be divided in the vertical direction and the horizontal direction as follows. First, a reflected wave from an object is focused by a spherical acoustic lens and received by a receiving element array arranged two-dimensionally along the lens shape. At this time, before and after passing through the acoustic lens, the direction of arrival of the reflected sound wave and the receiving element are associated one-to-one. The reflected sound wave received by each element can constitute a two-dimensional image with reference to this correspondence. In addition, by expressing the arrival delay time of the reflected sound wave as the depth of the sonar observation area, a three-dimensional image of vertical, horizontal, and depth can be acquired.

ビームフォーミングを行うために周波数掃引方式を用いたイメージングソーナーでは、この方式に伴う特殊な送波回路や受信信号の周波数解析のための回路が必要であり、また、フェーズドアレイ方式を用いたイメージングソーナーでは、多くの遅延回路が必要である。本発明における音響レンズ101は、レンズのみで2次元整相が可能であり、周波数掃引方式やフェーズドアレイ方式に必須な回路は必要ないため、消費電力を抑えることができる。   An imaging sonar that uses a frequency sweep method to perform beam forming requires a special transmission circuit and a circuit for frequency analysis of the received signal, and an imaging sonar that uses a phased array method. Then, many delay circuits are necessary. The acoustic lens 101 according to the present invention can perform two-dimensional phasing with only the lens, and does not require a circuit essential for the frequency sweep method or the phased array method, so that power consumption can be suppressed.

また、本発明における音響レンズを用いることにより、送受波器の構成を簡単にし、消費電力を低減することも可能である。   In addition, by using the acoustic lens according to the present invention, the configuration of the transducer can be simplified and the power consumption can be reduced.

周波数掃引方式では、送波ビームを周波数でステアリングするため、使用周波数帯域分の送信信号が必要となる。このため、送波器も受波器も使用周波数帯域をカバーすべく広帯域な特性が要求される。使用周波数帯域を送信する広帯域信号として、広帯域雑音を送波する場合、複数の周波数信号を重畳するため、送信パワーが大きくなり、送波器の許容入力パワーを超え、電子回路の規模が大きくなる。また、使用周波数帯域を送信する広帯域信号として、リニアFMを送波する場合、周波数を単調かつ連続的に増加あるいは減少させるため、送信方位が連続的に変化し、十分な送信エネルギーを確保できず、取得した音響映像が不明瞭なものとなる。さらに、周波数掃引方式を用いた送波器では、送波アレイが傾斜しているため、送信エネルギーを十分確保するためには、ある程度のパルス幅が必要になるが、パルス幅が長くなるほど距離分解能が悪くなる。   In the frequency sweep method, since the transmission beam is steered by frequency, transmission signals for the used frequency band are required. For this reason, both the transmitter and the receiver are required to have a wide band characteristic to cover the used frequency band. When transmitting broadband noise as a broadband signal that transmits the frequency band to be used, since multiple frequency signals are superimposed, the transmission power increases, exceeds the allowable input power of the transmitter, and the scale of the electronic circuit increases. . In addition, when transmitting a linear FM as a wideband signal for transmitting the used frequency band, the frequency is monotonously and continuously increased or decreased, so that the transmission direction continuously changes and sufficient transmission energy cannot be secured. The acquired sound image becomes unclear. Furthermore, in the transmitter using the frequency sweep method, since the transmission array is inclined, a certain pulse width is required to secure sufficient transmission energy, but the distance resolution increases as the pulse width increases. Becomes worse.

一方本方式では、周波数掃引方式のような制限はない。送受波器は狭帯域な特性でも構わない。本発明における送波器は、図2に示すように無指向性の送波器200であっても構わず、また、パルス幅の短いパルス波201でもチャープ波でも構わないため、簡単な構成かつ低省電力で送受波器を構成できる。   On the other hand, in this method, there is no restriction like the frequency sweep method. The transducer may have narrow band characteristics. The transmitter in the present invention may be an omnidirectional transmitter 200 as shown in FIG. 2, and may be a pulse wave 201 or a chirp wave with a short pulse width. A transducer can be configured with low power consumption.

また、本発明における音響レンズは、球面、非球面レンズの組み合わせで作られる複数枚構成の複合音響レンズよりも小型化できる効果もある。   In addition, the acoustic lens according to the present invention has an effect that it can be made smaller than a composite acoustic lens having a plurality of lenses made by combining spherical and aspherical lenses.

本発明が小型化できる効果を持つ説明の詳細を以下にする。一般的に、レンズの大きさと到来方向分解には相関関係があるため、小型化にも限界がある。レンズを小さくするにつれて、回折による焦点の広がりが大きくなる。つまり、レンズを小さくし過ぎると、反射音波の到来方向と受波素子を1対1に対応付けることができなくなり、到来方向分解能の劣化、すなわち画像表示における分解能の劣化を招く。   Details of the description that has the effect that the present invention can be miniaturized will be described below. In general, since there is a correlation between lens size and direction-of-arrival decomposition, there is a limit to miniaturization. As the lens is made smaller, the spread of the focal point due to diffraction increases. That is, if the lens is made too small, the arrival direction of the reflected sound wave and the receiving element cannot be associated one-to-one, resulting in degradation of the arrival direction resolution, that is, degradation of the resolution in image display.

球面、非球面レンズの組み合わせで作られる複数枚構成の複合音響レンズを用いてイメージングソーナーを構成する場合、球状音響レンズとは違い各到来方向からの集束特性や収差特性が同程度になるように設計しなければならない。どの到来方向からきても集束特性や収差特性を同程度にするためには、複合レンズの枚数を増加させ、各レンズ素子によって生じる収差を相互にキャンセルさせる方法が必要である。しかし、音響レンズの構成枚数が多くなるほどレンズの総厚が増加するため、レンズを通過する音響エネルギーが減衰し像強度が低下するという副作用が生じる。像強度の低下が著しくない程度、例えば2〜3枚の音響レンズを組み合わせて複合音響レンズを構成する場合、ある到来方向からの集束特性、収差特性と別の到来方向からのそれを、同時に複数方向に対して最適化するのは難しい。このため、各到来方向からの集束特性が同程度になるようするためにある程度焦点径を均して設計せざるを得ないため、到来方向分解能を向上させるためにレンズが大きくなる傾向がある。   When configuring an imaging sonar using a composite acoustic lens composed of multiple spherical and aspherical lenses, the focusing and aberration characteristics from each direction of arrival are the same as in spherical acoustic lenses. Must design. In order to make the focusing characteristics and aberration characteristics the same regardless of the arrival direction, it is necessary to increase the number of compound lenses and cancel the aberrations caused by the lens elements. However, since the total thickness of the lens increases as the number of acoustic lenses increases, there is a side effect that the acoustic energy passing through the lens is attenuated and the image intensity is reduced. When a composite acoustic lens is constructed by combining two or three acoustic lenses, for example, when there is no significant decrease in image intensity, a plurality of convergence characteristics, aberration characteristics, and aberration characteristics from one arrival direction are simultaneously selected. It is difficult to optimize for direction. For this reason, in order to make the focusing characteristics from each direction of arrival the same, it is necessary to design the focal diameters to some extent, so that the lens tends to be large in order to improve the direction-of-arrival resolution.

一方本発明の球状レンズでは、球の中心を通る断面に対して最適設計を行えば全ての到来方向に対して適用できるため、複合レンズよりも焦点を小さくできる。ゆえに、複合レンズよりも小型化できる。   On the other hand, the spherical lens of the present invention can be applied to all directions of arrival if the optimum design is performed on the cross section passing through the center of the sphere, and therefore the focal point can be made smaller than that of the compound lens. Therefore, it can be made smaller than the compound lens.

以上、本発明における音響レンズの基本的な形状とその効果について説明を行ったが、以下、具体的な音響レンズの形状例、構成例、設計方法とその実施例について中心に説明を行う。   The basic shape and the effect of the acoustic lens in the present invention have been described above. Hereinafter, specific examples of the acoustic lens shape, configuration examples, design methods, and embodiments thereof will be mainly described.

まず、球状レンズの基本設計概念を述べる。   First, the basic design concept of the spherical lens will be described.

音波の屈折はスネルの法則に従う。ある媒質Aの音速をc、媒質B の音速をc、 A からB への入射角と屈折角をそれぞれθ 、θとすると,スネルの法則は〔数1〕で表すことができる。 Sound refraction follows Snell's law. Snell's law can be expressed as [Equation 1] where the sound velocity of a medium A is c A , the sound velocity of a medium B is c B , and the incident and refraction angles from A to B are θ A and θ A , respectively. .

一般的な非球面音響レンズでは、レンズ材料としてアクリルなど単一の材料が用いられるため、音波を屈折させるには〔数1〕において入射角を変える必要がある。これはレンズの形状を変化させることに対応する。設計においては、レンズ面内に入射する音線に対して音路長一定の原理やアッベの正弦条件が満たされるようにレンズの形状を決定している。   In a general aspherical acoustic lens, since a single material such as acrylic is used as a lens material, it is necessary to change the incident angle in [Equation 1] in order to refract a sound wave. This corresponds to changing the shape of the lens. In the design, the lens shape is determined so that the principle of constant sound path length and Abbe's sine condition are satisfied with respect to the sound ray incident on the lens surface.

一方、本発明の一つである球状レンズでは、既に“球”とレンズ形状が定まっているので、音波を屈折させるには〔数1〕において音速を変える必要がある。音速を変えるためには異なる音速を持つ複数の材料を用いて球状レンズを層構造にし、レンズ内に音速分布を作る必要がある。材料は有限、すなわち音速値は有限であるため、音速値変化のみで設計を考えると設計自由度は高くないが、層の厚みを変えると層に入射する音波の入射角も変わるので、音速値変化と層厚み変化の双方で設計を考えれば良い。   On the other hand, in the spherical lens which is one of the present invention, since the lens shape is already determined as “sphere”, the sound speed needs to be changed in [Equation 1] in order to refract the sound wave. In order to change the sound speed, it is necessary to make a spherical lens into a layer structure using a plurality of materials having different sound speeds, and to create a sound speed distribution in the lens. Since the material is finite, that is, the sound velocity value is finite, the design freedom is not high considering the design only by changing the sound velocity value, but if the layer thickness is changed, the incident angle of the sound wave incident on the layer also changes, so the sound velocity value Design should be considered both in terms of changes and layer thickness changes.

図3は、例として3層構造における球状レンズの構成と基本設計概念図を示したものである。例では、音響レンズ300は異なる音速を持つ3種の媒質から構成されており、それらの音速は音響レンズ300の周囲媒質の音速とも異なる。図3において音響レンズ300の下にあるグラフは、音響レンズ300の音速分布を示しており、縦軸は媒質の音速301、横軸はレンズ中心からの距離302を表す。   FIG. 3 shows a configuration of a spherical lens having a three-layer structure and a basic design conceptual diagram as an example. In the example, the acoustic lens 300 is composed of three types of media having different sound speeds, and these sound speeds are different from the sound speed of the surrounding medium of the acoustic lens 300. The graph below the acoustic lens 300 in FIG. 3 shows the sound velocity distribution of the acoustic lens 300, the vertical axis represents the sound velocity 301 of the medium, and the horizontal axis represents the distance 302 from the lens center.

ある方向から到来した平面波303は、音響レンズ300とその周囲媒質との界面で屈折現象が起こる。図3における音響レンズ300内の矢印は、音波伝搬経路304の一つを表す。音速の違いによる屈折では、音速が遅くなる境界面では、入射角より屈折角が小さくなる方向に屈折し、音速が速くなる境界面では、入射角より屈折角が大きくなる方向に屈折する。   The plane wave 303 coming from a certain direction undergoes a refraction phenomenon at the interface between the acoustic lens 300 and the surrounding medium. An arrow in the acoustic lens 300 in FIG. 3 represents one of the sound wave propagation paths 304. In refraction due to the difference in sound speed, the refraction is refracted in the direction where the refraction angle is smaller than the incident angle at the boundary surface where the sound speed is slow, and the refraction is refracted in the direction where the refraction angle is larger than the incident angle.

媒質間境界で屈折を繰り返しながら集束する音波を、レンズ形状に沿って2次元に配置した受波素子アレイ305で受信する。ある方向から到来した平面波303を、音響レンズ300によって到来方向307の延長線上にある受波素子306一つだけに集束させるように設計すれば、その平面波300の到来方向307を知ることができる。このように、各音波到来方向と各受波素子が1対1対応するように音速分布を設計できれば、音響レンズ300通過前後で2次元ビームフォーミングが可能となる。   A sound wave that is focused while being refracted repeatedly at the boundary between the media is received by the wave receiving element array 305 that is two-dimensionally arranged along the lens shape. If the plane wave 303 arriving from a certain direction is designed to be focused on only one receiving element 306 on the extension line of the arrival direction 307 by the acoustic lens 300, the arrival direction 307 of the plane wave 300 can be known. Thus, if the sound velocity distribution can be designed so that each sound wave arrival direction and each receiving element have a one-to-one correspondence, two-dimensional beam forming can be performed before and after passing through the acoustic lens 300.

以上、球状レンズの基本設計概念を述べた。次に、球状レンズの具体的な音速分布について述べる。   The basic design concept of the spherical lens has been described above. Next, a specific sound speed distribution of the spherical lens will be described.

まず、本発明における音響レンズの特徴を明確にするため、対比としてルーネベルグレンズについて説明する。到来波を垂直・水平問わず到来方向毎に分離できるレンズとして、マイクロ波アンテナ分野においてはルーネベルグレンズが知られている。ルーネベルグレンズは形状が球形で、屈折率がレンズの中心で最大であり、レンズの中心から外側にいくにつれて屈折率が連続的に小さくなるように設計されたものである。レンズの半径をR、レンズ中心からの距離をrとすると、屈折率分布n〔数2〕で表される。   First, in order to clarify the characteristics of the acoustic lens in the present invention, a Luneberg lens will be described as a comparison. A Luneberg lens is known in the microwave antenna field as a lens that can separate an incoming wave for each direction of arrival, regardless of whether it is vertical or horizontal. The Luneberg lens has a spherical shape, the refractive index is maximum at the center of the lens, and is designed so that the refractive index continuously decreases from the center of the lens toward the outside. If the radius of the lens is R, and the distance from the center of the lens is r, the refractive index distribution is represented by n [Equation 2].

屈折率分布が〔数2〕に従うとき、このレンズに入射した平面波は、入射と反対側の球表面上に焦点を形成する。 When the refractive index distribution follows [Equation 2], the plane wave incident on this lens forms a focal point on the spherical surface opposite to the incident.

このようなルーネベルグレンズを、音響イメージング用レンズとして作製することは容易ではない。まず屈折率が連続的に変化するレンズを製作するのは困難であるため、屈折率が階段状に変化する複数個の均質層レンズを重ね合わせて近似することが行われる。しかしながら、〔数2〕の屈折率分布に対応する音速を持つ媒質が複数個存在し、かつそれらの媒質の音響インピーダンスの差が小さく、かつ各媒質による吸収減衰が小さい、という条件を満たさなければならない。また、〔数2〕の屈折率分布を100個に分割した均質層ルーネベルグレンズ400に対して、〔数1〕を用いて音波伝搬をシミュレーションした結果を図4に示す。集束領域402を見ると、均質層ルーネベルグレンズ400に入射した平面波401が、入射した側と反対側の表面で集まっている様子がわかるが、同時に完全に集束しきれていない様子もわかる。焦点径が小さいほど到来方向分解能、すなわち画像表示の分解能が良くなるが、図4のような100分割均質層ルーネベルグレンズ400では焦点径が大きく、イメージング用の分解性能を満たさない。   It is not easy to make such a Luneberg lens as a lens for acoustic imaging. First, since it is difficult to manufacture a lens whose refractive index changes continuously, a plurality of homogeneous layer lenses whose refractive index changes stepwise are overlapped and approximated. However, unless the condition that there are a plurality of media having sound speeds corresponding to the refractive index distribution of [Equation 2], the difference in acoustic impedance of these media is small, and the absorption attenuation by each medium is small is not satisfied. Don't be. FIG. 4 shows the result of simulation of sound wave propagation using [Equation 1] for the homogeneous layer Luneberg lens 400 obtained by dividing the refractive index distribution of [Equation 2] into 100. Looking at the focusing region 402, it can be seen that the plane wave 401 incident on the homogeneous layer Luneberg lens 400 is gathered on the surface opposite to the incident side, but at the same time it is not completely focused. The smaller the focal diameter, the better the direction-of-arrival resolution, that is, the resolution of image display. However, the 100-segment homogeneous Luneberg lens 400 as shown in FIG. 4 has a large focal diameter and does not satisfy the resolution performance for imaging.

本発明における音響レンズは、ルーネベルグレンズとは球状の形状である点では同じであるが、、屈折率分布は〔数2〕には従わない。   The acoustic lens in the present invention is the same as the Luneberg lens in that it has a spherical shape, but the refractive index distribution does not follow [Equation 2].

図5は本発明における音響レンズの最適な実施例の一つを示す図である。図5に示す球状音響レンズは2層構造であるが、2層以上でも構わない。ルーネベルグレンズの中心の屈折率はレンズ周囲媒質に対して1/√2倍であるので、本発明における音響レンズの中心媒質500の音速は、レンズ周囲媒質の音速に対して1/√2倍より遅いことが望ましい。例えば、レンズ周囲媒質が水で、音速が1500m/秒の場合、中心媒質500の速度は1060m/秒以下であることが望ましい。中間媒質501の音速は、レンズ周囲媒質よりも遅く、中心媒質500よりも速い音速であればよく、レンズに入射する平面波が焦点を形成するように中間媒質501の厚みを決定すればよい。   FIG. 5 is a view showing one of the most preferred embodiments of the acoustic lens in the present invention. The spherical acoustic lens shown in FIG. 5 has a two-layer structure, but it may have two or more layers. Since the refractive index at the center of the Luneberg lens is 1 / √2 times that of the lens surrounding medium, the sound velocity of the acoustic lens central medium 500 in the present invention is 1 / √2 times that of the lens surrounding medium. It is desirable to be slower. For example, when the lens surrounding medium is water and the sound speed is 1500 m / sec, the speed of the central medium 500 is desirably 1060 m / sec or less. The sound speed of the intermediate medium 501 may be lower than that of the lens surrounding medium and higher than that of the central medium 500, and the thickness of the intermediate medium 501 may be determined so that a plane wave incident on the lens forms a focal point.

図5(a)のような2層構造の球状音響レンズの場合、レンズに入射する平面波の伝搬経路は3つに分類することができる。中心媒質500を通らない伝搬経路502、中心媒質500を通り焦点を形成する伝搬経路503、および中心媒質500を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路504である。このうち、中心媒質500を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路504は、音波進行方向に対して中心媒質500の端近くであればあるほど大きく屈折するため、受信面に到達したときには大きくばらつく。中心媒質500を通り焦点を形成する伝搬経路503は、音波進行方向に対して中心媒質500の正面付近で屈折現象が起こるため、各々の屈折の差が小さく、受信面のほぼ同じ場所に集まる。このため、中心媒質500を通り焦点を形成する伝搬経路503に対して、中心媒質500を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路504の受信面での音圧は、無視して良いほど小さい。しかし、中心媒質500を通らない伝搬経路502は、受信面において中心媒質500を通り焦点を形成する伝搬経路503とは異なる焦点を形成し、偽像の要因となる。   In the case of a spherical acoustic lens having a two-layer structure as shown in FIG. 5A, the propagation path of a plane wave incident on the lens can be classified into three. A propagation path 502 that does not pass through the central medium 500, a propagation path 503 that forms a focal point through the central medium 500, and a propagation path 504 that passes through the central medium 500 but does not contribute to the formation of the focal point. Among these, the propagation path 504 that passes through the central medium 500 but does not contribute to the formation of the focal point is more refracted closer to the end of the central medium 500 with respect to the sound wave traveling direction, and therefore greatly varies when reaching the receiving surface. . In the propagation path 503 that forms a focal point through the central medium 500, a refraction phenomenon occurs near the front of the central medium 500 with respect to the sound wave traveling direction, so that the difference in refraction between them is small and gathers at substantially the same place on the receiving surface. For this reason, the sound pressure at the receiving surface of the propagation path 504 that passes through the central medium 500 but does not contribute to the formation of the focal point is so small that it can be ignored compared to the propagation path 503 that forms the focal point through the central medium 500. However, the propagation path 502 that does not pass through the central medium 500 forms a focal point different from the propagation path 503 that forms the focal point through the central medium 500 on the reception surface, and causes a false image.

そこで図5(b)のように、レンズ入射面の一部に音波反射体または吸収体505を配置することによって、平面波の入射方向の延長線上に集束しない音波を除外することができる。除外される音波は、中心媒質500を通らない伝搬経路502、および中心媒質500を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路504の一部であっても全部であってもよい。このとき、中心媒質500を通り焦点を形成する伝搬経路503上に音波反射体または吸収体505が存在しなければ、どの方向から音波が到来しても伝搬経路の対称性は失われないため、図5(c)に示すような両矢印の角度範囲が、本レンズを用いたイメージングソーナーの視野角506となる。   Therefore, as shown in FIG. 5B, by disposing the sound wave reflector or absorber 505 on a part of the lens incident surface, it is possible to exclude sound waves that are not focused on the extension line in the plane wave incident direction. The excluded sound wave may be a part or all of the propagation path 502 that does not pass through the central medium 500 and the propagation path 504 that passes through the central medium 500 but does not contribute to the formation of a focal point. At this time, if there is no sound wave reflector or absorber 505 on the propagation path 503 that forms a focal point through the central medium 500, the symmetry of the propagation path is not lost no matter which direction the sound wave arrives. The angle range of the double arrow as shown in FIG. 5C is the viewing angle 506 of the imaging sonar using this lens.

図6は本発明における音響レンズの最適な実施例の一つを示す図である。図6に示す球状音響レンズは2層構造であるが、2層以上でも構わない。本発明における音響レンズの中心媒質600の音速は、レンズ周囲媒質の音速よりも遅く、最外殻媒質601の音速は、レンズ周囲媒質よりも速い音速が望ましい。   FIG. 6 is a view showing one of the most preferred embodiments of the acoustic lens in the present invention. The spherical acoustic lens shown in FIG. 6 has a two-layer structure, but may have two or more layers. In the present invention, the sound speed of the central medium 600 of the acoustic lens is slower than the sound speed of the lens surrounding medium, and the sound speed of the outermost shell medium 601 is preferably higher than that of the lens surrounding medium.

図6(a)のような音響レンズの最外殻媒質601の音速がレンズ周囲媒質の音速よりも速い場合、最外殻媒質601表面の凸面形状による屈折現象により音波の進行方向は拡散方向に進行するため、レンズに入射する平面波の伝搬経路は4つに分類することができる。最外殻媒質表面で全反射現象が起きる伝搬経路602、中心媒質600を通らない伝搬経路603、中心媒質600を通り焦点を形成する伝搬経路604、および中心媒質600を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路605である。このうち、中心媒質600を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路605は、音波進行方向に対して中心媒質600の端近くであればあるほど大きく屈折するため、受信面に到達したときには大きくばらつく。中心媒質600を通り焦点を形成する伝搬経路604は、音波進行方向に対して中心媒質600の正面付近で屈折現象が起こるため、各々の屈折の差が小さく、受信面のほぼ同じ場所に集まる。このため、中心媒質600を通り焦点を形成する伝搬経路604に対して、中心媒質600を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路605の受信面での音圧は、無視して良いほど小さい。   When the sound velocity of the outermost shell medium 601 of the acoustic lens as shown in FIG. 6A is faster than the sound velocity of the lens surrounding medium, the traveling direction of the sound wave becomes a diffusion direction due to the refraction phenomenon due to the convex shape of the surface of the outermost shell medium 601. Since it travels, the propagation path of the plane wave incident on the lens can be classified into four. Propagation path 602 in which the total reflection phenomenon occurs on the outermost shell medium surface, propagation path 603 that does not pass through the central medium 600, propagation path 604 that forms a focal point through the central medium 600, and passes through the central medium 600 but contributes to the formation of the focal point This is a propagation path 605 that does not. Among these, the propagation path 605 that passes through the central medium 600 but does not contribute to the formation of the focal point is more refracted as it is closer to the end of the central medium 600 with respect to the sound wave traveling direction, and therefore greatly varies when it reaches the receiving surface. . In the propagation path 604 that forms a focal point through the central medium 600, a refraction phenomenon occurs near the front of the central medium 600 with respect to the traveling direction of the sound wave. For this reason, the sound pressure at the receiving surface of the propagation path 605 that passes through the central medium 600 but does not contribute to the formation of the focal point is so small that it can be ignored compared to the propagation path 604 that forms the focal point through the central medium 600.

また、このような最外殻媒質601の音速がレンズ周囲媒質の音速よりも速い構造の音響レンズでは、図5(b)に示したような音波反射体または吸収体を設けることなく、偽像の要因となる音波伝搬経路を除外することができる。   Further, in an acoustic lens having a structure in which the sound velocity of the outermost shell medium 601 is faster than the sound velocity of the lens surrounding medium, a false image is not provided without providing a sound wave reflector or absorber as shown in FIG. Can be excluded.

また、中心媒質600を通り焦点を形成する伝搬経路604上に受波器606が存在しなければ、どの方向から音波が到来しても伝搬経路の対称性は失われないため、図6(b)に示すような両矢印の角度範囲が、本レンズを用いたイメージングソーナーの視野角607となる。   If the wave receiver 606 does not exist on the propagation path 604 that forms a focal point through the central medium 600, the symmetry of the propagation path is not lost regardless of the direction from which the sound wave arrives. The angle range of the double arrow as shown in (2) is the viewing angle 607 of the imaging sonar using this lens.

あるいは、例えば半球殻を合体させて最外殻を作製する場合、接着面608が生じるため、図6(c)に示すように中心媒質600を通り焦点を形成する伝搬経路604上にその接着面608が存在しないような角度範囲が、本レンズを用いたイメージングソーナーの視野角607となる。   Alternatively, for example, when the outermost shell is made by uniting hemispherical shells, an adhesive surface 608 is generated, so that the adhesive surface is formed on a propagation path 604 that forms a focal point through the central medium 600 as shown in FIG. The angle range where 608 does not exist is the viewing angle 607 of the imaging sonar using this lens.

図7は本発明における音響レンズの最適な実施例の一つを示す図である。図7に示す音響レンズは2層構造であるが、2層以上でも構わない。図7に示すように、同一中心軸を共有していれば、音響レンズの最外殻の媒質が音波入射面700と音波受信面701とで異なっていても構わない。この両者で媒質が異なっていても、音波伝搬経路の対称性は失われない。   FIG. 7 is a view showing one of the most preferred embodiments of the acoustic lens in the present invention. The acoustic lens shown in FIG. 7 has a two-layer structure, but it may have two or more layers. As shown in FIG. 7, the outermost shell medium of the acoustic lens may be different between the sound wave incident surface 700 and the sound wave receiving surface 701 as long as they share the same central axis. Even if the two media are different, the symmetry of the sound wave propagation path is not lost.

図6を用いて説明したように、音響レンズの最外殻の音波入射面700の音速がレンズ周囲媒質よりも音速が速ければ、最外殻の音波入射面700は拡散体として働き、偽像の要因となる音波伝搬経路を除外することができる。しかしながら、音速の速い媒質中では波長が長くなり、回折が起こりやすいため、音波受信面701での焦点の広がりが大きくなる。   As described with reference to FIG. 6, if the sound speed of the sound wave incident surface 700 of the outermost shell of the acoustic lens is higher than that of the lens surrounding medium, the sound wave incident surface 700 of the outermost shell functions as a diffuser, and a false image. Can be excluded. However, in a medium with a high sound speed, the wavelength becomes long and diffraction is likely to occur, so that the spread of the focus on the sound wave receiving surface 701 increases.

そこで、音波受信面701の媒質として、音波入射面700より音速の遅い材料を選択することにより、回折による焦点広がりを小さくすることができ、イメージングの際に空間分解能を向上させることができる。   Therefore, by selecting a material whose sound velocity is slower than that of the sound wave incident surface 700 as the medium of the sound wave receiving surface 701, it is possible to reduce the focal spread due to diffraction and improve the spatial resolution during imaging.

また、音波受信面701の媒質として、音響インピーダンスが圧電素子のそれと近い材料を選択することにより、音波受信面701と受波器との境界での反射を抑えることができ、感度を向上させることができる。   Further, by selecting a material having an acoustic impedance close to that of the piezoelectric element as the medium of the sound wave receiving surface 701, reflection at the boundary between the sound wave receiving surface 701 and the receiver can be suppressed, and sensitivity can be improved. Can do.

また、図7(b)のように音響レンズの最外殻の音波入射面700と音波受信面701の媒質で異なっており、かつ互いに半球殻でなくても音波伝搬経路の対称性は保たれるため構わない。   Further, as shown in FIG. 7B, the sound wave propagation surface 700 and the sound wave reception surface 701 of the outermost shell of the acoustic lens are different in the medium, and the symmetry of the sound wave propagation path is maintained even if they are not hemispherical shells. It does n’t matter.

図8は本発明における音響レンズの最適な実施例の一つを示す図である。図8に示す音響レンズは2層構造であるが、2層以上でも構わない。図8(b)に示すように、同一中心軸を共有していれば、音響レンズの最外殻において、音波入射面800側の曲率と音波受信面801側の曲率が異なっていても構わない。この両者で曲率がことなっていても、音波伝搬経路の対称性は失われない。   FIG. 8 is a diagram showing one of the most preferred embodiments of the acoustic lens in the present invention. The acoustic lens shown in FIG. 8 has a two-layer structure, but it may have two or more layers. As shown in FIG. 8B, as long as the same central axis is shared, the curvature on the sound wave incident surface 800 side and the curvature on the sound wave reception surface 801 side may be different in the outermost shell of the acoustic lens. . Even if both have different curvatures, the symmetry of the sound wave propagation path is not lost.

図8(a)において、音響レンズの最外殻の半径をR、隣り合う受波素子802間の距離をL、音響レンズの音波入射面800から対象物803までの距離をrとすると、受波素子802の延長線上かつ音響レンズから同距離上にある2点間の距離は〔数3〕で表すことができる。   In FIG. 8A, if the radius of the outermost shell of the acoustic lens is R, the distance between adjacent wave receiving elements 802 is L, and the distance from the sound wave incident surface 800 of the acoustic lens to the object 803 is r. The distance between two points on the extension line of the wave element 802 and the same distance from the acoustic lens can be expressed by [Equation 3].

また、図8(b)において、音響レンズの音波入射面801側の最外殻の半径をR、音波受信面801側の最外殻の半径をR’(>R)、隣り合う受波素子802間の距離をL、音響レンズの音波入射面800から対象物803までの距離をrとすると、受波素子802の延長線上かつ音響レンズから同距離上にある2点間の距離は〔数4〕で表すことができる。   In FIG. 8B, the radius of the outermost shell on the sound wave incident surface 801 side of the acoustic lens is R, the radius of the outermost shell on the sound wave receiving surface 801 side is R ′ (> R), and adjacent wave receiving elements. If the distance between 802 is L and the distance from the sound wave incident surface 800 of the acoustic lens to the object 803 is r, the distance between two points on the extension line of the wave receiving element 802 and on the same distance from the acoustic lens is [several 4].

ここで、R’>Rよりθ’<θ、δ’<δとなる。つまり、最外殻の音波入射面800の半径よりも音波受信面801の半径が大きい場合、空間分解能が向上する効果がある。   Here, θ ′ <θ and δ ′ <δ from R ′> R. That is, when the radius of the sound wave receiving surface 801 is larger than the radius of the sound wave incident surface 800 of the outermost shell, there is an effect of improving the spatial resolution.

このとき、音波入射面800と音波受信面801は半球殻形であってもなくてもよい。例えば、図8(c)のように音波受信面801の一部をカットしても音波伝搬経路の対称性は保たれる。すなわち、音波伝搬経路の対称性が保たれていれば、音響レンズはどのようにカットしても構わない。   At this time, the sound wave incident surface 800 and the sound wave reception surface 801 may or may not have a hemispherical shell shape. For example, as shown in FIG. 8C, the symmetry of the sound wave propagation path is maintained even if a part of the sound wave receiving surface 801 is cut. That is, the acoustic lens may be cut in any way as long as the symmetry of the sound wave propagation path is maintained.

図9は本発明における音響レンズの最適な実施例の一つを示す図である。図9に示す音響レンズは2層構造であるが、2層以上でも構わない。図9に示すように、音響レンズの中心層媒質900は液体であることが望ましい。中心層媒質900を液体にすることにより、中心層媒質900は形状加工しなくてもよい利点が生じる。例えば図9(a)のような形状の場合、中心層媒質900が個体だと球状加工する必要がある。図9(b)、(c)も同様に、中心層媒質900が個体だと、最外殻の形状に沿った加工をする必要がある。一方、中心層媒質900が液体であれば、最外殻がどのような形状をしていようとも自動的に内部に全体に行き渡る。   FIG. 9 is a view showing one of the most preferred embodiments of the acoustic lens in the present invention. Although the acoustic lens shown in FIG. 9 has a two-layer structure, it may have two or more layers. As shown in FIG. 9, the central layer medium 900 of the acoustic lens is preferably a liquid. By making the central layer medium 900 liquid, there is an advantage that the central layer medium 900 does not have to be processed. For example, in the case of the shape as shown in FIG. 9A, if the central layer medium 900 is an individual, it is necessary to perform spherical processing. Similarly, in FIGS. 9B and 9C, if the central layer medium 900 is an individual, it is necessary to perform processing along the shape of the outermost shell. On the other hand, if the central layer medium 900 is a liquid, the innermost layer medium 900 automatically reaches the inside regardless of the shape of the outermost shell.

また、中心層媒質900が液体だと交換が容易という利点がある。音響レンズを用いたイメージングソーナーは、季節や地域、深度など環境が異なる場所で運用されることもある。環境変化に対する水温変化が大きい場合、音響レンズの集音特性変化が大きくなることが考えられる。このとき、その環境に適した音速を持つ中心層媒質900を選択することにより、環境変化に対する集音特性変化を最小限に抑えることが可能となる。例えば、シリコーンオイルは動粘性の違いにより870m/秒から1000m/秒の音速を持つので、動粘性の異なる数種のシリコーンオイルを事前に準備していれば、多くの環境に対応できる。   Further, when the central layer medium 900 is a liquid, there is an advantage that exchange is easy. An imaging sonar using an acoustic lens may be operated in a place with different environments such as season, region, and depth. When the water temperature change with respect to the environmental change is large, it is considered that the sound collection characteristic change of the acoustic lens becomes large. At this time, by selecting the center layer medium 900 having a sound speed suitable for the environment, it is possible to minimize the change in the sound collection characteristic with respect to the environmental change. For example, since silicone oil has a sound speed of 870 m / sec to 1000 m / sec due to a difference in kinematic viscosity, if several types of silicone oil having different kinematic viscosities are prepared in advance, it can cope with many environments.

また、中心層媒質900中において、焦点を形成する伝搬経路上でない場所にサーモスタットなど温度制御が可能な装置を設置することにより、液体温度を周囲環境に適した温度にコントールすることができる。   In addition, the temperature of the liquid can be controlled to a temperature suitable for the surrounding environment by installing a device such as a thermostat in the central layer medium 900 that is not on the propagation path that forms the focal point.

図10は本発明における音響レンズの最適な実施例の一つを示す図である。図10は、図6(b)において、音響レンズ1000と受波器アレイ1001と密閉媒質1005との間に液体媒質1002が満たされているような構造をしている。この例に限らず、音響レンズ1000は曲率一定面を持つ2つ以上の媒質が同一中心軸を持つような構成をしており、また、音響レンズ1000と同一中心軸を持つ曲率一定曲面1003上に受波器アレイ1002が設置されており、音響レンズ1000と受波器アレイ1002の間に液体媒質1002が満たされていれば、どうような構成でも構わない。   FIG. 10 is a view showing one of the most preferred embodiments of the acoustic lens in the present invention. FIG. 10 shows a structure in which the liquid medium 1002 is filled between the acoustic lens 1000, the wave receiver array 1001, and the sealed medium 1005 in FIG. 6B. Not limited to this example, the acoustic lens 1000 is configured such that two or more media having a constant curvature surface have the same central axis, and on the constant curvature curved surface 1003 having the same central axis as the acoustic lens 1000. As long as the receiver array 1002 is installed and the liquid medium 1002 is filled between the acoustic lens 1000 and the receiver array 1002, any configuration may be used.

このように、音響レンズ1000と受波器アレイ1001の間が液体媒質1002で満たされていると、音響レンズ1000を通過した平面波1004を効率良く受波器アレイ1001上の受波素子へ送ることができる。仮に、音響レンズ1000と受波器アレイ1001が接触している構成の場合だと、接触不良で両者の間に空気などが混入すると、空気層で平面波が反射され感度が劣化する可能性がある。しかし、両者の間が液体媒質1002で満たされていればこの可能性はなくなる。   As described above, when the space between the acoustic lens 1000 and the receiver array 1001 is filled with the liquid medium 1002, the plane wave 1004 that has passed through the acoustic lens 1000 is efficiently sent to the receiving elements on the receiver array 1001. Can do. If the acoustic lens 1000 and the receiver array 1001 are in contact with each other, if air or the like is mixed between the two due to poor contact, the plane wave may be reflected by the air layer and the sensitivity may deteriorate. . However, this possibility disappears if the space between the two is filled with the liquid medium 1002.

また、この液体媒質1002として、フッ素系不活性液体のような液体として非常に音速の遅い材料(約700m/秒)を選択することにより、回折による焦点の広がりを小さくすることができ、イメージングの際に空間分解能を向上させることができる。   In addition, by selecting a material with a very slow sound speed (about 700 m / sec) as the liquid medium 1002 as a liquid such as a fluorine-based inert liquid, it is possible to reduce the spread of the focal point due to diffraction. In this case, the spatial resolution can be improved.

100 送波器
101 受波器
102 音響レンズ
103 増幅器
104 A/D変換器
105 メモリ部
106 演算処理部
107 操作盤
108 波形発生器
109 増幅器
110 画像表示部
200 送波器
201 パルス波
300 音響レンズ
301 媒質の音速
302 レンズ中心からの距離
303 平面波
304 音波伝搬経路
305 受波素子アレイ
306 受波素子
307 到来方向
400 均質層ルーネベルグレンズ
401 平面波
402 焦点領域
500 中心媒質
501 中間媒質
502 中心媒質を通らない伝搬経路
503 中心媒質を通り焦点を形成する伝搬経路
504 中心媒質を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路
505 音波反射体または吸収体
506 視野角
600 中心媒質
601 最外殻媒質
602 最外殻媒質表面で全反射現象が起こる伝搬経路
603 中心媒質を通らない伝搬経路
604 中心媒質を通り焦点を形成する伝搬経路
605 中心媒質を通るが焦点の形成に寄与しない伝搬経路
606 受波器
607 視野角
608 接着面
700 音波入射面
701 音波受信面
800 音波入射面
801 音波受信面
802 受波素子
803 対象物
900 中心層媒質
1000 音響レンズ
1001 受波器アレイ
1002 液体媒質
1003 曲率一定曲面
1004 平面波
1005 密閉媒質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Transmitter 101 Receiver 102 Acoustic lens 103 Amplifier 104 A / D converter 105 Memory part 106 Operation processing part 107 Operation panel 108 Waveform generator 109 Amplifier 110 Image display part 200 Transmitter 201 Pulse wave 300 Acoustic lens 301 Sound velocity of medium 302 Distance from lens center 303 Plane wave 304 Sound wave propagation path 305 Receiver element array 306 Receiver element 307 Arrival direction 400 Homogeneous layer Luneberg lens 401 Plane wave 402 Focal region 500 Central medium 501 Intermediate medium 502 Does not pass through central medium Propagation path 503 Propagation path that forms a focal point through the central medium 504 Propagation path that passes through the central medium but does not contribute to the formation of the focal point 505 Acoustic reflector or absorber 506 Viewing angle 600 Central medium 601 Outer shell medium 602 Outer shell medium All on the surface Propagation path where reflection phenomenon occurs 603 Propagation path that does not pass through the central medium 604 Propagation path that forms the focal point through the central medium 605 Propagation path that passes through the central medium but does not contribute to formation of the focal point 606 Receiver 607 Viewing angle 608 Adhesive surface 700 Sound wave incident surface 701 Sound wave receiving surface 800 Sound wave incident surface 801 Sound wave receiving surface 802 Wave receiving element 803 Object 900 Center layer medium 1000 Acoustic lens 1001 Wave receiver array 1002 Liquid medium 1003 Curved constant curved surface 1004 Plane wave 1005 Sealed medium

Claims (10)

水中の対象物に向けて超音波を送信する送波部と、
前記対象物からの超音波の反射波が入射する入射面と、前記入射した反射波が集束する受信面とを有し、前記音波入射面及び前記音波受信面は同一の中心軸で、それぞれ曲率が一定であり、少なくとも2層以上の、音速の異なる媒質から構成された音響レンズと、
前記音響レンズを通った反射波を受信する受信器と、
前記受信器が受信した反射波を信号処理する信号処理部と、
前記信号処理部が信号を処理した信号処理結果に基づいた音響映像を表示する表示手段とを有することを特徴とする水中映像取得装置。
A transmission unit that transmits ultrasonic waves toward an underwater object;
An incident surface on which an ultrasonic reflected wave from the object is incident; and a receiving surface on which the incident reflected wave is converged; and the sound wave incident surface and the sound wave receiving surface have the same central axis and are respectively curved. Is an acoustic lens composed of a medium having different sound speeds and having at least two layers,
A receiver for receiving a reflected wave passing through the acoustic lens;
A signal processing unit that performs signal processing on the reflected wave received by the receiver;
An underwater video acquisition apparatus comprising: a display unit configured to display an audio video based on a signal processing result obtained by processing the signal by the signal processing unit.
請求項1に記載の水中映像取得装置において、前記音響レンズは、前記入射面の一部に反射体または吸収体を有することを特徴とする、水中映像取得装置。   The underwater image acquisition device according to claim 1, wherein the acoustic lens has a reflector or an absorber on a part of the incident surface. 請求項1に記載の水中映像取得装置において、前記音響レンズは、レンズ内部に拡散体を有し、入射方向の延長線上に集束しない音波を除外することを特徴とする、水中映像取得装置。   The underwater image acquisition device according to claim 1, wherein the acoustic lens has a diffuser inside the lens and excludes sound waves that are not focused on an extension line in an incident direction. 請求項1乃至3のいずれかの水中映像取得装置において、前記音響レンズは、2層以上の同心球であることを特徴とする、水中映像取得装置。   The underwater image acquisition device according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic lens is a concentric sphere having two or more layers. 請求項1乃至3のいずれかの水中映像取得装置において、前記音響レンズは、最外殻の材質が音波入射面と音波受信面とで異なり、かつ内殻の材質は球対称である2層以上の球であることを特徴とする、水中映像取得装置。   The underwater image acquisition device according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic lens has two or more layers in which the outermost shell material is different between the sound wave incident surface and the sound wave receiving surface, and the inner shell material is spherically symmetric. An underwater image acquisition device, characterized by being a sphere. 請求項1乃至3のいずれかの水中映像取得装置において、前記音響レンズは、
同一中心軸を持ち、曲率一定曲面を持つ2つ以上の媒質で構成することを特徴とする、水中映像取得装置。
The underwater video acquisition device according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic lens is
An underwater image acquisition device comprising two or more media having the same central axis and a curved surface with a constant curvature.
請求項1乃至3のいずれかの水中映像取得装置において、前記音響レンズは、
2層以上の同心円筒であることを特徴とする、水中映像取得装置。
The underwater video acquisition device according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic lens is
An underwater image acquisition device, characterized in that it is a concentric cylinder having two or more layers.
請求項1乃至7のいずれかの水中映像取得装置において、前記音響レンズは、中心層の媒質が液体であることを特徴とする、水中映像取得装置。   The underwater image acquisition device according to any one of claims 1 to 7, wherein a medium of a central layer of the acoustic lens is a liquid. 請求項8に記載の水中映像取得装置において、前記音響レンズは、液体温度を恒温に保つ機能を有する、水中音波撮像装置。   The underwater image acquisition apparatus according to claim 8, wherein the acoustic lens has a function of maintaining a liquid temperature at a constant temperature. 請求項1に記載の水中映像取得装置において、水
前記音響レンズと前記受信器の間は液体で満たされていることを特徴とする、水中映像撮像装置。
2. The underwater image acquisition device according to claim 1, wherein a space between the acoustic lens and the receiver is filled with a liquid.
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