JP2772647B2 - Ultrasound imaging device - Google Patents

Ultrasound imaging device

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JP2772647B2
JP2772647B2 JP26717688A JP26717688A JP2772647B2 JP 2772647 B2 JP2772647 B2 JP 2772647B2 JP 26717688 A JP26717688 A JP 26717688A JP 26717688 A JP26717688 A JP 26717688A JP 2772647 B2 JP2772647 B2 JP 2772647B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波によって離れた処にある物体を探知
し、可視映像として表示させることのできる映像装置に
関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image apparatus capable of detecting an object located at a distant place by ultrasonic waves and displaying the object as a visible image.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

水中の物体を探知する手段として、可視光線を使用す
る水中テレビジョン、音波を使用するソナー,魚群探知
器などが従来から実用されている。そのうち水中テレビ
ジョンは、形状、色などを正確に捕えることが可能であ
るという優れた性質があるが、通常の透明度の海水中で
はせいぜい5〜10m程度までの短距離が探知可能距離で
あり、しかも水が濁ると全く役に立たなくなるという問
題がある。またソナー,魚群探知器は100m程度以上の遠
距離を探知することが可能であるが、反面、映像の解像
度が悪く、物体の形状を正確に捕えることができないと
いう問題がある。
As means for detecting an underwater object, an underwater television using visible light, a sonar using a sound wave, a fish finder, and the like have been conventionally used. Among them, the underwater television has the excellent property that it is possible to accurately capture the shape, color, etc., but in normal transparency seawater, the short distance up to about 5 to 10 m is the detectable distance, Moreover, there is a problem that if the water becomes turbid, it becomes useless at all. Sonar and fish finder can detect a long distance of about 100m or more. However, on the other hand, there is a problem that the resolution of the image is poor and the shape of the object cannot be accurately captured.

その点、超音波を使用した3次元ホログラフィック映
像ソナーは、5ないし10mから数100m程度までの距離を
物体に対して、高い解像度で物体の形状を検出すること
ができるという特徴があり、従来から開発が進められて
いる。
On the other hand, 3D holographic image sonar using ultrasonic waves has the feature that it can detect the shape of an object with high resolution at a distance of 5 to 10 m to several 100 m. Is under development.

ところで従来の送・受波アレイは、目標方向に対して
横並びに線状に配置した複数の指向性送波子とによって
構成する1次元アレイと、これと同様に複数の受波子か
ら構成された1次元アレイとを直交させたクロスアレイ
が使用されていた。
A conventional transmitting / receiving array is a one-dimensional array composed of a plurality of directional transmitters arranged side by side and linearly with respect to a target direction, and a one-dimensional array composed of a plurality of receivers similarly. A cross array in which a dimensional array and a cross were orthogonal was used.

そして前記送波子は、1個づつ、または数個づつのグ
ループごとに、位相をずらした超音波を対象物体に向け
て目標点(焦点)に収歛するように送波し、位相の異な
るそれぞれの超音波エコーを前記受波子が受波すること
によって、映像信号を得ることができる。そして目標領
域内の各目標点を走査することによって立体的映像の映
像信号を得ることができる。
The transmitter transmits the ultrasonic waves with the phases shifted one by one or several groups so as to converge at the target point (focal point) toward the target object, and transmits the ultrasonic waves with different phases. A video signal can be obtained by receiving the ultrasonic echo of the above by the receiver. Then, by scanning each target point in the target area, a video signal of a stereoscopic video can be obtained.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

ところで、前記受波信号から各走査方向に向けて送波
した時刻から受波までの時間、即ち遅れ時間を求め、こ
のデータから反射点の方位、距離及び反射強度を知るこ
とができる。これらの計算を行うため使用されている電
子回路は複雑になり、しかも送波した音波のエコーが受
波されるまでの間は、次の送波を行うことができないの
で、一画面、特に3次元の映像を得るための一連の測定
に時間が掛るという問題がある。前記した従来方式によ
る一例を示すと、送波子を48素子、受波子を64素子使用
したクロスリニア・アレイ(アレイ寸法:φ400mm)に
よる電子フォーカス方式の場合の送波周波数:300kHzで
は、視距離約100m、像再生計算時間3秒(但しデータ収
集に要する計測時間を除く)であった。
By the way, the time from the time of transmission in each scanning direction to the reception of the wave from the received signal, that is, the delay time is obtained, and the azimuth, distance and reflection intensity of the reflection point can be known from this data. The electronic circuit used for performing these calculations becomes complicated, and the next transmission cannot be performed until the echo of the transmitted sound wave is received. There is a problem in that a series of measurements for obtaining a two-dimensional image takes time. An example of the conventional method described above is as follows. At a transmission frequency of 300 kHz in a case of an electronic focusing method using a cross linear array (array size: φ400 mm) using 48 transducers and 64 transducers, the visual distance is about 100 m and the image reconstruction calculation time was 3 seconds (excluding the measurement time required for data collection).

本考案は、以上の問題に着目して成されたものであ
り、立体画像処理が可能であり、視界が広く、且つ視距
離を従来より延長することができ、しかも測定時間(送
信−受信の時間)を短縮でき、また像再生時間を短縮し
て高速処理も可能とし、しかも送・受波アレイ及び信号
処理装置をより小型とした超音波映像装置を提供するこ
とを目的としている。
The present invention has been made by focusing on the above problems, and enables stereoscopic image processing, a wide field of view, a longer viewing distance than before, and a measurement time (transmission-reception time). It is an object of the present invention to provide an ultrasonic imaging apparatus which can shorten the time required for image reproduction, shorten the image reproduction time and enable high-speed processing, and further reduce the size of the transmitting / receiving array and the signal processing device.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

以上の目的を達成するための本発明の超音波映像装置
の構成は、複数、且つ無指向性の超音波送波子及び受波
子のそれぞれを、送波方向及び受波方向に対し交差する
面上に2次元的に分散配置した送・受波アレイを設け、
ウオルシュ関数からなる直交関数式のパラメータを各送
波子ごとに変更して得た直交関数群に対応させて、互い
に直交するパルス波群を発生させる直交関数発生手段
と、前記の各送波子ごとに変調用パルス波によって送波
用搬送波を位相変調させる変調手段と、該変調手段から
与えられる超音波パルス送波信号を前記送波子から同時
に送波し、送波パルス信号の物体からの反射波を前記複
数の受波子によって同時に受波し、該受波信号を得たの
ち、同様に前記送波・受波を繰り返す超音波信号の送・
受波手段と、各受波子ごとに受波した信号を各送波子の
送波信号を用いて相関検波し、各受波子ごとの信号に分
離し、この分離した信号について、各受波子の受波時間
遅れと信号強度とから反射位置とその位置の反射強度と
を求め、前記全受波信号から反射される音場の空間分布
を求める演算手段と、該演算手段によって得た前記音場
強度の空間分布を画像表示装置に表示させる画像処理手
段を備えたたものである。
In order to achieve the above object, the configuration of the ultrasonic imaging apparatus according to the present invention includes a plurality of omnidirectional ultrasonic transmitters and receivers, each on a plane intersecting the transmitting direction and the receiving direction. , Two-dimensionally arranged transmitting and receiving arrays are provided,
Orthogonal function generating means for generating a group of mutually orthogonal pulse waves, corresponding to the orthogonal function group obtained by changing the parameters of the orthogonal function formula consisting of Walsh functions for each transmitter, A modulating means for phase-modulating a transmitting carrier by a modulating pulse wave, and simultaneously transmitting an ultrasonic pulse transmitting signal provided from the modulating means from the transmitter, and a reflected wave of the transmitting pulse signal from an object. After receiving the received signals simultaneously by the plurality of receivers and obtaining the received signals, the transmission and reception of the ultrasonic signal which repeats the transmission and reception in the same manner.
The receiving means and the signal received for each receiver are subjected to correlation detection using the transmission signal of each transmitter, separated into signals for each receiver, and the separated signals are received by each receiver. Calculating means for determining a reflection position and a reflection intensity at the position from the wave time delay and the signal intensity, and calculating a spatial distribution of a sound field reflected from the total received signal; and the sound field intensity obtained by the calculation means Is provided with an image processing means for displaying the spatial distribution of the image on the image display device.

前記送波子及び受波子を2次元的に分散配置する形に
は特に限定はない。好ましい形としては、各送・受波子
をそれぞれ円形状に等間隔で配置し、且つ送波アレイと
受波アレイとはほぼ同心円状に配置し、該送・受波子の
配置面のほぼ直角方向を探知方向に一致させるように
し、また送波子アレイと受波子アレイとは、同一平面と
すると演算処理上有利である。
The form in which the transmitter and the receiver are two-dimensionally dispersed is not particularly limited. In a preferred form, the transmitting and receiving elements are arranged at equal intervals in a circular shape, and the transmitting array and the receiving array are disposed substantially concentrically, in a direction substantially perpendicular to the arrangement surface of the transmitting and receiving elements. Is made to coincide with the detection direction, and the transmitter array and the receiver array are on the same plane, which is advantageous in arithmetic processing.

本発明の送波子及び受波子は、いずれも無指向性のも
のを使用するので、対象領域に対し、従来のように超音
波ビームを走査する必要がない。なお前記無指向性送波
は、いずれの方向に対しても振幅・位相特性が一定と見
なせるように送波し、視野外では適当な減衰特性を持つ
ことが、不要信号によるノイズ発生を防止する上で望ま
しい。
Since the transmitter and the receiver of the present invention both use omnidirectional elements, there is no need to scan the target area with an ultrasonic beam as in the related art. The omni-directional transmission is transmitted so that the amplitude and phase characteristics can be regarded as constant in any direction, and having appropriate attenuation characteristics outside the field of view prevents noise from being generated by unnecessary signals. Desirable above.

視野角は、アレイを構成する個々の素子の指向角によ
って定まる。一般に無指向性送波素子を用いれば、最大
180°の視野までカバーすることができる。本発明の一
つの特徴は、前記のとおり広い視野を少ない送・受波子
数で得ることができることである。
The viewing angle is determined by the directional angles of the individual elements that make up the array. Generally, if an omnidirectional transmitting element is used,
It can cover up to 180 ° field of view. One feature of the present invention is that a wide field of view can be obtained with a small number of transmitting / receiving elements as described above.

前記直交関数による変調は受波した反射波がどの送波
子から発進させた波であるかが識別できるようにするた
めである。そして変調は、基本波の位相を変調させるも
のであり、通常、超音波を複数波数、例えば2〜10周期
程度の波数ごとに区分し、その波数ごとの位相を0°ま
たは180°ずらすように変調する。そしてこの変調パタ
ーンに特徴を持たせることによって、各送波子ごとの送
波に特徴を持たせることができる。
The modulation by the orthogonal function is performed so that it is possible to identify from which transmitter the received reflected wave is a wave started. The modulation modulates the phase of the fundamental wave.Usually, the ultrasonic wave is divided into a plurality of wave numbers, for example, every 2 to 10 periods, and the phase of each wave number is shifted by 0 ° or 180 °. Modulate. By giving characteristics to this modulation pattern, it is possible to give characteristics to the transmission of each transmitter.

前記のように位相を変調させるには、ウオルシュ(wa
lsh)関数からなる2進数直交関数を用い位相反転器に
よって変調させることができる。前記直交関数は、wals
h関数のパラメータを変えて得ることができる。
To modulate the phase as described above, Walsh (wa
lsh) It can be modulated by a phase inverter using a binary orthogonal function consisting of a function. The orthogonal function is wals
It can be obtained by changing the parameters of the h function.

各受波子には、いずれも各送波子から同時送波した反
射波が重畳されて受信される。これをコンピュータ処理
によって各送波子からの信号を用いて相関検波すること
で分離できる。検波出力は、各送波子ごとに受信される
までの時間の情報を含み、これから物体までの距離と方
向とを知ることができる。また各受波子が受波する時間
差も反射波の伝播方向の情報を含んでいる。これによっ
て探知領域を映像化することができる。
Each of the receivers receives a superimposed reflected wave simultaneously transmitted from each transmitter. This can be separated by correlation detection using a signal from each transmitter by computer processing. The detection output includes information on the time until reception for each transmitter, and the distance and direction to the object can be known from this. Further, the time difference between the signals received by the respective receivers also includes information on the propagation direction of the reflected wave. Thus, the detection area can be visualized.

したがって、複数の送波子から同時に送信された送波
信号が、異なる反射点で反射された波であっても、その
変調内容を分離・識別可能であれば異なる反射点として
識別することができる。本発明の場合、300kHzの搬送波
を用い、この搬送波の2周期が1クロックの時間幅であ
るWalsh関数を変調に用い、更にアレイの径の寸法を100
0mmとしたとき、パーソナルコンピュータを用いて、水
中で約50m遠方の地点で、距離方向で約5mm、角度方向で
約80mm離れた物体の識別を可能とすることができる。
Therefore, even if the transmission signals transmitted simultaneously from a plurality of transmitters are waves reflected at different reflection points, they can be identified as different reflection points as long as their modulation contents can be separated and identified. In the case of the present invention, a carrier wave of 300 kHz is used, a Walsh function in which two periods of the carrier wave is a time width of one clock is used for modulation, and the diameter of the array is further reduced by 100 mm.
When the distance is 0 mm, it is possible to use a personal computer to identify an object at a distance of about 50 m in water and about 5 mm in the distance direction and about 80 mm in the angle direction.

〔作用〕[Action]

前記無指向性送波子及び受波子を用いたので探知対象
に焦点を結ばせたり、探知領域内を超音波ビームで走査
したりする必要がなく、高速走査、即ち高速で情報収集
することを可能にする。
Since the omni-directional transmitter and receiver are used, it is not necessary to focus on the detection target or scan the detection area with an ultrasonic beam, and high-speed scanning, that is, information can be collected at high speed. To

前記複数の受波子は、探知領域内のデータを同時に取
得することができ、しかもいずれの送波子から発進した
信号であるかを、直交関数による特徴付けによって識別
を可能としたので、複数の送波子から同時に送波した信
号により、異なる位置から同時的に受波する反射波も識
別可能であるので、探知領域内の各反射点位置を一回の
送波により探知することが可能である。
The plurality of receivers can simultaneously acquire data in the detection area, and furthermore, it is possible to identify from which transmitter the signal originated by characterization using an orthogonal function. Since the reflected waves simultaneously received from different positions can be identified by the signals transmitted simultaneously from the wave elements, it is possible to detect each reflection point position in the detection area by one transmission.

したがって、超音波ビームによって測定点に焦点を結
ばせたり、探知領域を走査させるなどの煩雑な操作を不
用になり、装置の単純化が可能である。
Therefore, complicated operations such as focusing the measurement point by the ultrasonic beam and scanning the detection area are not required, and the apparatus can be simplified.

また受波信号から、同一反射点からの反射信号を選別
し、反射波を再生する演算処理を行い、その反射波を逆
進させる演算処理を、アナログ電子回路によらず、コン
ピュータを用いて行うことにより、それぞれの反射点の
位置を求めることが可能であるので、ハード的処理の範
囲を減少させることができる。しかもマイクロコンピュ
ータ規模の演算装置によって処理が可能であるので、同
一装置によってもソフトウエアの開発によって高速化を
進めることが可能である。
Also, from the received signal, a reflection signal from the same reflection point is selected, an operation for reproducing the reflected wave is performed, and an operation for reversing the reflected wave is performed using a computer without using an analog electronic circuit. As a result, the position of each reflection point can be obtained, so that the range of hardware processing can be reduced. Moreover, since the processing can be performed by a microcomputer-scale arithmetic device, it is possible to increase the speed by developing software even with the same device.

〔実施例〕〔Example〕

以下添付の図面を対照して一実施例により本発明を具
体的に説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

第1図は本実施例に使用した無指向性送・受波アレイ
の正面図である。即ち、本実施例では無指向性送波子1m
(m=1〜16)として16個使用し、基板2上に、且つ該
基板2の前方方向に送波するように等間隔で円形に配置
して送波アレイ10とした。また受波子4n(n=1〜8)
として8個使用し、基板2上の送波アレイ10の外側同心
円状に、且つ基板2の前方方向からの音波を受けるよう
に等間隔で配置し受波アレイ40として、本実施例の送・
受波アレイ5を得た。本実施例に使用した送・受波アレ
イの外周直径は、送波アレイが約12cm、受波アレイが約
18cmと小型のものとした。
FIG. 1 is a front view of an omnidirectional transmitting / receiving array used in this embodiment. That is, in this embodiment, the omnidirectional transmitter 1m
(M = 1~16) 16 pieces used as, on the substrate 2, and the transducer array 1 0 and at regular intervals so as to transmit in the forward direction of the substrate 2 and arranged in a circle. Also, the receiver 4 n (n = 1 to 8)
As was eight used, the outer concentric transducer array 1 0 on the substrate 2, and the receiving array element 4 0 arranged at regular intervals to receive sound waves from the front direction of the substrate 2, the present embodiment Sending
The receiving array 5 was obtained. The outer diameter of the transmitting / receiving array used in this embodiment is about 12 cm for the transmitting array and about 12 cm for the receiving array.
The size was as small as 18 cm.

第2図に示すブロック図は、本実施例の超音波映像装
置に使用したシステムの概要説明図である。即ち本実施
例の超音波映像装置は、送・受波を制御するマイクロコ
ンピュータ6と、タイミング・ジェネレータ8及び受波
信号のトランシエント・メモリ10とはデータバス11で接
続されており、送波アレイ10から送波する超音波信号
は、タイミング・ジェネレータ8によって制御されるド
ライバー12から与えられる。
The block diagram shown in FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of a system used for the ultrasonic imaging apparatus of the present embodiment. That is, in the ultrasonic imaging apparatus of this embodiment, the microcomputer 6 for controlling transmission and reception, the timing generator 8 and the transient memory 10 for the reception signal are connected by the data bus 11, ultrasonic signals to transmit from the array 1 0 is given from the driver 12 controlled by the timing generator 8.

なお、ドライバー12には図示しないパワーFETを用い
たスイッチ回路を含む送波アンプ及び変調回路などが含
まれている。
The driver 12 includes a transmission amplifier and a modulation circuit including a switch circuit using a power FET (not shown).

そしてwalsh関数を使用し各送波子1m(m=1〜16)
特有の変調を受けた図示しない送波信号パルスは同様に
図示しない物体に当り、反射波が受波アレイ40に達する
と、この受波信号は、図示しないA/D変換器を備えたマ
ルチプレクサ14によって各受波子4n(n=1〜8)ごと
に順序付けられた一連の信号としてトランシエント・メ
モリ10に一旦記憶され、マイクロコンピュータ6及びタ
イミング・ジエネレータ8の指令に従ってマイクロコン
ピュータ6にデータが取り込まれる。
Then, using the walsh function, each transmitter 1 m (m = 1 to 16)
Transmitting signal pulses (not shown) receives a unique modulation strikes the object (not shown) in the same manner, when the reflected wave reaches the receiving array element 4 0, the received signal, the multiplexer having a A / D converter (not shown) 14 temporarily stores in the transient memory 10 as a series of signals ordered for each of the receivers 4 n (n = 1 to 8), and the data is transmitted to the microcomputer 6 according to the instructions of the microcomputer 6 and the timing generator 8. It is captured.

なお前記マルチプレクサ14に使用したA/D変換器の変
換用タイミングパルスは、送信波の発生に使用している
基準クロックに同期している。また前記マルチプレクサ
14に代えて並列に配置したA/D変換器を使用することも
できる。また前記タイミング・ジェネレータ8は、搬送
波、変調波ともに2値論理信号なので、交互にオン・オ
フできるスイッチで構成し、駆動信号には矩形波を使用
した。全体として2値信号であるので回路は極めて簡単
な構成とすることかできた。
The conversion timing pulse of the A / D converter used in the multiplexer 14 is synchronized with a reference clock used for generating a transmission wave. The multiplexer
A / D converters arranged in parallel can be used instead of 14. Since the timing generator 8 is a binary logic signal for both the carrier wave and the modulation wave, the timing generator 8 is constituted by a switch that can be turned on and off alternately, and a rectangular wave is used as the drive signal. Since the signal was a binary signal as a whole, the circuit could have a very simple configuration.

前記マイクロコンピュータ6は本発明の前記演算手段
を構成し、またタイミング・ジェネレータ8、トランシ
エント・メモリ10、ドライバー12及びマルチプレクサ14
によって本発明の前記送・受波手段を構成している。
The microcomputer 6 constitutes the arithmetic means of the present invention, and includes a timing generator 8, a transient memory 10, a driver 12, and a multiplexer 14.
This constitutes the transmitting / receiving means of the present invention.

前記walsh関数によって超音波搬送波の変調について
第3図及び第4図によって説明する。第3図は前記ドラ
イバー12に内蔵されたwalsh関数による変調回路概要図
であり、搬送波発振器16から出力された50kHzの超音波
は、各送波子1mごとに設けた位相変調回路18mに与えら
れ、ここで各送波子1mごとのwalsh関数発生器20から各
送波子1mごとに予め定めた変調用波によって位相変調さ
れたたのち、出力回路22m(m=1〜16)から送波子1m
に出力する。
The modulation of the ultrasonic carrier by the above-mentioned walsh function will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic diagram of a modulation circuit based on a walsh function incorporated in the driver 12. The 50 kHz ultrasonic wave output from the carrier oscillator 16 is applied to a phase modulation circuit 18 m provided for each transmitter 1 m. It is here After phase-modulated by the modulation wave predetermined for each Sohako 1 m from the walsh function generator 20 for each Sohako 1 m, from the output circuit 22 m (m = 1~16) Transmitter 1 m
Output to

第4図は、前記位相変調回路18mに入力される搬送波
及び変調用の信号波と、変調された送波波形とを例示的
に示した図である。即ち本例示では、サインカーブ波形
の搬送波の8波を1出力単位とするパルス波を、例えば
a〜cで示す位相が180°変化して形成されるwalsh関数
波形により位相変調すると、図の右端に示す送波パルス
波形が得られる。なお前記変調は、送信系と受信系とで
同期が取れている必要があるので、Walsh関数発生用ク
ロック信号には、搬送波を分周した信号を使用した。前
記によって変調した変調波を16種類発生させ各送波子1m
から同時に送波される。
Figure 4 is the a carrier and the signal wave for modulation, which is input to the phase modulation circuit 18 m, a diagram exemplarily shows a modulated transmit waveform. That is, in this example, when a pulse wave having a sine curve waveform of eight carrier waves as one output unit is phase-modulated by a walsh function waveform formed by changing the phase indicated by a to c by 180 °, for example, The transmission pulse waveform shown in FIG. Since the modulation needs to be synchronized between the transmission system and the reception system, a signal obtained by dividing a carrier wave was used as a clock signal for generating a Walsh function. Generate 16 types of modulated waves modulated by the above, each transmitter 1 m
Are transmitted at the same time.

以上説明したように16個の送波子1mから送波され、8
個の受波子4nからマイクロコンピュータ6に取り込まれ
たデータは、各受波子4nごとに時系列データとして入力
された反射信号は、各送信波形を用いて相関検波され
る。そして、同じ送波子1mから発信し、各受波子4nで受
信された波形の受波時刻、強度の情報を含む相関データ
を記憶する。これを1回の送波に対する総ての受波信号
に対して行う。
As described above, the signals are transmitted from the 16 transmitters 1 m and 8
Data taken from pieces of受波Ko 4 n to the microcomputer 6, the reflected signal input as time-series data for each受波Ko 4 n is correlation detection with each transmission waveform. Then, correlation data including information on the reception time and intensity of the waveform transmitted from the same transmitter 1 m and received by each receiver 4 n is stored. This is performed for all received signals for one transmission.

前記データ処理して得た各受波子4nごとのデータを、
同一walsh関数のパラメータによって同一送波子1mから
送波したデータごとに整理することができる。このよう
にして、各送波子1mから送波し、同一対象物体によって
反射された受波信号を組分けすることができる。
The data for each receiver 4 n obtained by the data processing,
The data transmitted from the same transmitter 1 m can be arranged by the parameters of the same walsh function. In this way, the received signals transmitted from each transmitter 1 m and reflected by the same target object can be grouped.

次に第5図及び第6図によって、水中の物体を反射波
によって探知し、その位置を座標上に特定するプロセス
の概要を説明する。実際の送波信号は、音源である送波
子11を中心とした球面波として伝播するが、図は、特定
の送波子11から送波した信号波についてのみ記載し、図
を簡単化し理解を容易にした。また図の表す面は、平面
ではなく、物体と受波子4n(4個だけ図示)とを結ぶ円
錐面を展開した図として記載している。そして図は発進
時刻t0からの時間経過に伴い刻々と移動する波の位置を
表すようにした。
Next, referring to FIGS. 5 and 6, an outline of a process of detecting an underwater object by a reflected wave and specifying its position on coordinates will be described. Actual transmit signal is propagated as a spherical wave centered on the Sohako 1 1 is a sound source, figure describes only the signal wave transmitting from a particular Sohako 1 1, to simplify the drawing understanding Made it easier. The plane shown in the figure is not a plane, but is a developed view of a conical surface connecting the object and the receiver 4 n (only four are shown). And Figure was to represent the position of the wave that moves from moment to moment with the lapse of time from the start time t 0.

これらの図は、特定の送波子11からの送波パルス24が
水中を伝播し、物体26に当り、生じた反射パルス28が水
中を伝播して受波子アレイ40に達し、受信回路30n(第
1図)内を伝播するパルス信号32nは、前記処理手順に
従ってデータとして到達した時間差データと共にマイク
ロコンピュータ6に取り込まれ、前記データ処理され
る。
These figures are transmission pulse 24 from a particular Sohako 1 1 propagates water strikes the object 26, resulting reflected pulse 28 has reached the受波Ko array 4 0 propagates through the water, receiving circuit 30 The pulse signal 32 n propagating in n (FIG. 1) is taken into the microcomputer 6 together with the time difference data arrived as data according to the above-mentioned processing procedure, and is subjected to the data processing.

前記送波パルス信号は、第5図に示した送波パルス24
の外に他の15個の送波子1mからの送波パルスがあり、実
際は第5図より遥かに複雑なものとなる。即ち第5図に
示した受信回路30n内を伝播するパルス信号32nは、1回
の送波に対し1個のパルスだけではなく、1個の物体26
に対しても16個の反射波信号が相次いで受信回路30n
入力される。
The transmission pulse signal is the transmission pulse 24 shown in FIG.
In addition to the above, there are transmission pulses from the other 15 transmitters 1 m , which are actually much more complicated than in FIG. That is, the pulse signal 32 n propagating in the receiving circuit 30 n shown in FIG. 5 is not only one pulse for one transmission but also one object 26 n.
It is input to the receiving circuit 30 n is also one after another 16 reflected wave signal with respect.

次いでマイクロコンピュータ6によって処理されたデ
ータは、ミニコンピュータ34に与えられ、ここで受波信
号から対象物体の画像を演算する手段の概要を第6図に
よって説明する。即ち同じ物体から反射波が受波子に達
した時刻によって、該反射波が受波アレイ40を通過する
際のパルス波の3次元形状と進行方向をシミュレートす
ることは可能である。前記ミニコンピュータ34は、本発
明の前記受波信号から対象物体の画像を演算する手段を
構成している。
Next, the data processed by the microcomputer 6 is supplied to a mini-computer 34, where the outline of the means for calculating the image of the target object from the received signal will be described with reference to FIG. That the time when the reflected wave reaches受波Ko from the same object, it is possible to simulate a three-dimensional shape to the traveling direction of the pulse waveform when the reflected wave passes through the receiving array element 4 0. The minicomputer 34 constitutes means for calculating an image of a target object from the received signal of the present invention.

したがって、データ的に再現された反射波を逆進させ
ると反射された位置に収斂するので、空間内の各位置で
の反射波の強度を求めることができる。即ち各受波子ご
との受波時間遅れから、物体の反射位置とその位置の反
射波の強度とを求め、各送波子1mごとに演算することに
より、物体26による反射波による音場強度の空間分布デ
ータを高い確度で求めることができる。
Therefore, when the reflected wave reproduced as data is reversed, the reflected wave converges to the reflected position, so that the intensity of the reflected wave at each position in the space can be obtained. That is, the reflection position of the object and the intensity of the reflected wave at that position are obtained from the reception time delay of each receiver, and the calculation is performed for each transmitter 1m, so that the space of the sound field intensity due to the reflected wave by the object 26 is calculated. Distribution data can be obtained with high accuracy.

即ち、従来画像形成性能が多分に送・受波アレイの性
能に負うところが大きかったが、本実施例の装置は、同
じ送・受波アレイを使用しても、コンピュータの性能の
向上及びソフトウエアの開発を行うことにより探知性能
を向上させることが可能である。
That is, although the conventional image forming performance largely depends on the performance of the transmitting / receiving array, the apparatus of this embodiment can improve the computer performance and improve the software even if the same transmitting / receiving array is used. It is possible to improve the detection performance by developing.

前記データを、例えば遠い物体(即ち収斂する時間が
長く掛る物体)を暗く、また近い物体を明るく表示する
ことにより3次元画像として、表示装置36画面に表示す
ることができる。そして前記操作を送波ごとに行うこと
によりあたかも直接物体を目視するように表示装置36上
に表示することができる。当然、単にデータとして蓄え
たり、プリンターによって表示させることもできる。
The data can be displayed on the screen of the display device 36 as a three-dimensional image by, for example, displaying a distant object (that is, an object that takes a long time to converge) dark and a close object brightly. By performing the above operation for each transmission, the object can be displayed on the display device 36 as if the object were directly viewed. Of course, it can be simply stored as data or displayed by a printer.

以下に示す仕様の超音波映像装置の性能を、従来の指
向性送波子による線状送波アレイ縦横に配したクロスア
レイを使用し、探査領域を超音波ビームで走査する従来
装置と比較して以下に記載する。
Compare the performance of the ultrasonic imaging device with the following specifications with the conventional device that scans the search area with an ultrasonic beam using a cross array that is arranged vertically and horizontally using a linear transmission array with a conventional directional transmitter. It is described below.

以上から本実施例の装置は、従来の装置に比較して遥
かに高い性能を示した。特に像再生時間の短縮及び視距
離の拡大は、音響ホログラフィックソナーに極めて高い
実用性を与えることを可能にしているうことが理解され
る。
As described above, the device of the present embodiment showed much higher performance than the conventional device. In particular, it is understood that the shortening of the image reproduction time and the increase of the viewing distance make it possible to give the acoustic holographic sonar a very high practicality.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明の超音波映像装置は、複
数、且つ無指向性の超音波送波子及び受波子のそれぞれ
を、送波方向及び受波子方向に対し交差する面上に2次
元的に分散配置した送・受波アレイを設け、ウオルシュ
関数からなる直交関数式のパラメータを各送波子ごとに
変更して得た直交関数群に対応させて、互いに直交する
パルス波群を発生させる直交関数発生手段と、前記の各
送波子ごとに変調用パルス波によって送波用搬送波を位
相変調させる変調手段と、該変調手段から与えられる超
音波パルス送波信号を前記送波子から同時に送波し、送
波パルス信号の物体からの反射波を前記複数の受波子に
よって同時に受波し、該受波信号を得たのち、同様に前
記送波・受波を繰り返す超音波信号の送・受波手段と、
各受波子ごとに受波した信号を各送波子の送波信号を用
いて相関検波し、各受波子ごとの信号に分離し、この分
離した信号について、各受波子の受波時間遅れと信号強
度とから反射位置とその位置の反射強度とを求め、前記
全受波信号から反射される音場の空間分布を求める演算
手段と、該演算手段によって得た前記音場強度の空間分
布を画像表示装置に表示させる画像処理手段を備えた構
成としたので、以下の効果を得ることができる。
As described above, the ultrasonic imaging apparatus of the present invention two-dimensionally arranges a plurality of omnidirectional ultrasonic transmitters and receivers on a plane intersecting the transmission direction and the receiver direction. A quadrature function that generates a group of pulse waves that are orthogonal to each other by distributing transmitting / receiving arrays and providing orthogonal function groups obtained by changing the parameters of the orthogonal function formula consisting of Walsh functions for each transmitter. Generating means, a modulating means for phase-modulating a transmitting carrier by a modulating pulse wave for each of the transmitters, and an ultrasonic pulse transmission signal provided from the modulating means is simultaneously transmitted from the transmitter, Means for simultaneously receiving the reflected wave of the transmitted pulse signal from the object by the plurality of receivers, obtaining the received signal, and transmitting / receiving the ultrasonic signal which repeats the transmission / reception similarly. When,
The signal received for each receiver is subjected to correlation detection using the transmission signal of each transmitter, separated into signals for each receiver, and the received signal delay time and signal for each receiver are separated. Calculating a reflection position from the intensity and a reflection intensity at the position, and calculating a spatial distribution of a sound field reflected from the entire received signal; and a spatial distribution of the sound field intensity obtained by the calculation means as an image. Since the configuration including the image processing means for displaying on the display device is provided, the following effects can be obtained.

即ち、(1)本発明装置は、送波信号を目標位置に収
斂させる走査手段が不用となるので、高速でデータ収集
が可能となり、電子回路を従来より簡単、且つ送・受波
子個々の特性の微調整、取付け精度に依存する度合を小
さくすることができる。
That is, (1) the apparatus of the present invention does not require a scanning means for converging a transmission signal to a target position, so that data can be collected at a high speed, an electronic circuit is simpler than a conventional one, and characteristics of individual transmission and reception elements are different. And the degree of dependence on the mounting accuracy can be reduced.

(2)送・受波子の数をより少なくしても広い視野範囲
内を従来より鮮明な画像を得ることができる。その際に
適当な校正手段を備えたコンピュータにより、増幅器を
使用しないで特性の補正を可能とすることができる。
(2) Even if the number of transmitting / receiving elements is reduced, a clearer image can be obtained in a wide visual field range than before. At that time, the computer having an appropriate calibration means can correct the characteristics without using an amplifier.

(3)送・受波アレイを小型とすることができるので、
船,海中探査機など装置搭載対象物によって、送・受波
アレイを配置する自由度を大きくできる。
(3) Since the transmitting / receiving array can be reduced in size,
The degree of freedom in arranging the transmitting and receiving arrays can be increased depending on the equipment to be mounted, such as a ship or an underwater probe.

(4)同一送・受波アレイを使用してもソフトウエア,
コンピュータ技術の発達に応じて性能向上を図ることが
できる (5)コンピュータの利用により高速処理が可能で像再
生計算時間を短くすることができる。
(4) Even if the same transmitting / receiving array is used, software,
The performance can be improved in accordance with the development of computer technology. (5) By using a computer, high-speed processing is possible and the image reproduction calculation time can be shortened.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は実施例の超音波映像装置に使用した送・受波ア
レイの正面図、第2図は実施例に使用した制御回路の概
要を説明するブロック図、第3図は実施例に使用した変
調回路の概要を説明するためのブロック図、第4図は変
調した送波信号波形の一例を示す図、第5図は実施例の
装置の送波,受波について説明する図、第6図は得られ
たデータから物体の位置,形状を求める手段の説明図で
ある。 1m……送波子、4n……受波子、5……送・受波アレイ、
6……マイクロコンピュータ、8……タイミング・ジェ
ネレータ、10……トランシエント・メモリ、12……ドラ
イバー、14……マルチプレクサ、34……ミニコンピュー
タ。
FIG. 1 is a front view of a transmitting / receiving array used in the ultrasonic imaging apparatus of the embodiment, FIG. 2 is a block diagram for explaining an outline of a control circuit used in the embodiment, and FIG. 3 is used in the embodiment. FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of a modulated transmission signal waveform, FIG. 5 is a diagram illustrating transmission and reception of the apparatus of the embodiment, and FIG. The figure is an explanatory diagram of means for obtaining the position and shape of the object from the obtained data. 1 m …… Transmitter, 4 n …… Receiver, 5 …… Transmitter / receiver array,
6 ... microcomputer, 8 ... timing generator, 10 ... transient memory, 12 ... driver, 14 ... multiplexer, 34 ... minicomputer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大熊 一正 神奈川県横浜市緑区美しケ丘5―27―7 ―201 (72)発明者 湯浅 肇 東京都稲城市矢野口1427番地 (72)発明者 石井 規夫 東京都東村山市富士見町3―2―3― 311 (56)参考文献 特開 昭63−106585(JP,A) 米国特許4119940(US,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazumasa Okuma 5-27-7-201, Midoka, Midori-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Hajime Yuasa 1427 Yanoguchi, Inagi-shi, Tokyo (72) Invention Norio Ishii 3-2-23-111 Fujimi-cho, Higashimurayama-shi, Tokyo (56) References JP-A-63-106585 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】複数、且つ無指向性の超音波送波子及び受
波子のそれぞれを、送波方向及び受波方向に対し交差す
る面上に2次元的に分散配置した送・受波アレイを設
け、ウオルシュ関数からなる直交関数式のパラメータを
各送波子ごとに変更して得た直交関数群に対応させて、
互いに直交するパルス波群を発生させる直交関数発生手
段と、前記の各送波子ごとに変調用パルス波によって送
波用搬送波を位相変調させる変調手段と、該変調手段か
ら与えられる超音波パルス送波信号を前記送波子から同
時に送波し、送波パルス信号の物体からの反射波を前記
複数の受波子によって同時に受波し、該受波信号を得た
のち、同様に前記送波・受波を繰り返す超音波信号の送
・受波手段と、各受波子ごとに受波した信号を各送波子
の送波信号を用いて相関検波し、各受波子ごとの信号に
分離し、この分離した信号について、各受波子の受波時
間遅れと信号強度とから反射位置とその位置の反射強度
とを求め、前記全受波信号から反射される音場の空間分
布を求める演算手段と、該演算手段によって得た前記音
場強度の空間分布を画像表示装置に表示させる画像処理
手段を備えた超音波映像装置。
1. A transmitting / receiving array in which a plurality of omnidirectional ultrasonic transmitters and receivers are two-dimensionally dispersedly arranged on a plane intersecting a transmitting direction and a receiving direction. Provided, corresponding to the orthogonal function group obtained by changing the parameters of the orthogonal function formula consisting of Walsh functions for each transmitter,
Orthogonal function generating means for generating a group of pulse waves orthogonal to each other, modulating means for phase modulating a transmitting carrier wave by a modulating pulse wave for each of the transmitters, and an ultrasonic pulse transmitting means provided from the modulating means. A signal is simultaneously transmitted from the transmitter, and a reflected wave of the transmitted pulse signal from the object is simultaneously received by the plurality of receivers, and the received signal is obtained. The ultrasonic wave transmitting and receiving means which repeats the above, and the signal received for each receiver is subjected to correlation detection using the transmitted signal of each transmitter, separated into signals for each receiver, and separated. Calculating means for obtaining a reflection position and a reflection intensity at the position from the reception time delay of each receiver and the signal intensity with respect to the signal, and obtaining a spatial distribution of a sound field reflected from all the reception signals; Distribution of the sound field intensity obtained by means Ultrasound imaging apparatus having an image processing means for displaying on the image display device.
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