JP2894934B2 - 超音波受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複数の振動子を千鳥に配
置し、良好な指向ビームを得ようとする超音波受信装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３（ａ）は従来の送受波器を示す正面
図、図３（ｂ）は図３（ａ）の送受波器と送受波器に入
射してくる音波との関係（Ｙ方向）を示す送受波器の側
面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の送受波器と送受波器に
入射してくる音波との関係（Ｘ方向）を示す送受波器の
側面図、図４は図３（ａ）の送受波器を用いた従来の超
音波受信装置を示すブロック図である。なお、図４にお
いて、送受波器は平面図として示されている。送受波器
はＸ方向に距離ｄのピッチで平行に配置された長さＬの
複数の振動子から形成されているが、振動子は、ひとつ
おきに中心位置がＹ方向に距離ｐだけ一定にずらされて
いる。中心位置が図３（ａ）において、Ｙ方向の上方に
位置する振動子Ａ₀，Ａ₁，〜，Ａ_nをＡ群の振動子と称
し、距離ｐだけ下方に位置する振動子Ｂ₀，Ｂ₁，〜，Ｂ
_nをＢ群の振動子と称することにする。

【０００３】発射した超音波のエコーである音波を受け
たＡ，Ｂ群の振動子の出力信号は増幅器Ｍ_a0，Ｍ_b0，Ｍ
_a1，Ｍ_b1，〜，Ｍ_an，Ｍ_bnに入力され増幅される。増幅
器Ｍ _a0，Ｍ_b0，Ｍ_a1，Ｍ_b1，〜，Ｍ_an，Ｍ_bnにより増幅
された信号は、シェーディング抵抗Ｒ_a0，Ｒ_b0，Ｒ_a1，
Ｒ_b1，〜，Ｒ_an，Ｒ_bnを介してそれぞれ加算器ＡＤに入
力され加算される。この際、Ａ，Ｂ群に分けられた振動
子からの出力信号は、Ａ，Ｂ群の振動子の出力信号の位
相差が１８０゜ずれた時、サイドローブをキャンセルす
るように動作する。

【０００４】加算器ＡＤの加算によって形成される指向
性関数はシェーディング無しの場合、Ｘ方向について
Ａ，Ｂ群の各指向性は下記の式（１）で示され、Ａ，Ｂ
群の振動子により合成されるＸ方向の指向性関数は下記
の式（１）’で示される。

【０００５】 Ｒ（Ｘ）＝ｓｉｎ（ｎｘ）／ｎｓｉｎｘ ・・・・ （１） ただし、ｎ＝Ａ，Ｂ群の各振動子の総個数 ｘ＝（２πｄ／λ）ｓｉｎφ φ＝音波入射角度 Ｒ（Ｘ）_H＝Ｒ（Ｘ）・ｃｏｓ｛（πｄ／λ）ｓｉｎφ｝・・・（１）’ 同様にＹ方向については、まず、１個の振動子の指向性
関数Ｒ（Ｙ）_Lは下記の式（２）で表わされる。

【０００６】 Ｒ（Ｙ）_L＝ｓｉｎ（ｙ）／ｙ ・・・・ （２） ただし、ｙ＝（πＬ／λ）ｓｉｎθ θ＝音波入射角度 Ｌ＝振動子の長さ Ａ，Ｂ群の振動子により合成されるＹ方向の指向性関数
Ｒ（Ｙ）₀は下記の式（３）で表わされる。

【０００７】 Ｒ（Ｙ）₀＝Ｒ（Ｙ）_L・ｃｏｓ｛（πｐ／λ）・ｓｉｎθ｝・・・（３） 式（１）’および式（３）よりサイドローブが抑制され
るのは、Ｘ方向、Ｙ方向とも下記の式（４）が成立する
ときのみである（ただし、ｍは整数）。

【０００８】 （πｄ／λ）・ｓｉｎφ＝（πｐ／λ）・ｓｉｎθ ＝｛（２ｍ−１）／２｝・π ・・・ （４） したがって、このように形成される指向性ビームにおけ
るサイドビームの抑制は、ｄおよびｐにより与えられた
任意の方向のサイドビームのよくせいと、シェーディン
グ抵抗Ｒ_a0，Ｒ_b0，Ｒ_a1，Ｒ_b1，〜，Ｒ_an，Ｒ_bnの値を
変え、各振動子の受信信号の振幅を制御し、絶対値整流
器ＤＴで整流することにより実行していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、加算
方法では、サイドビームの抑制個所を増やすためには、
ｄおよびｐの値を大きくする必要があり、振動子が大型
となる。また、シェーディング抵抗Ｒ_a0，Ｒ_b0，Ｒ_a1，
Ｒ_b1，〜，Ｒ_an，Ｒ_bnの値を変えて指向性ビームにおけ
るサイドビームを抑制する方法では、メインローブが広
くなり分解能が低下する。分解能を低下させないでシェ
ーディング抵抗によりサイドローブを抑制するのには、
振動子を大型にしなければならないという問題がある。

【００１０】本発明は上記問題点に鑑み、シェーディン
グ抵抗の調整や振動子の大型化に依存することなくサイ
ドローブを抑制できる超音波受信装置を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波受信装置
は、振動子を所定ピッチで平行に複数個配置し、配置し
た複数の振動子をひとつおきに中心位置を所定距離だけ
一定方向にずらし、もとの位置に配置されている第１の
振動子群と、もとの位置から所定距離だけ一定方向にず
らされた第２の振動子群とからなる送受波器と、第１の
振動子群の各振動子から出力される信号を増幅し、増幅
した信号を加算し第１の指向ビーム信号を形成する第１
のビーム信号形成回路と、第２の振動子群の各振動子か
ら出力される信号を増幅し、増幅した信号を加算し第２
の指向ビーム信号を形成する第２のビーム信号形成回路
と、第１の指向ビーム信号と第２の指向ビーム信号との
乗算を行ない乗算ビーム信号として出力する乗算器と、
乗算ビーム信号の不要な極性側の部分を除去する半波整
流回路と、半波整流回路の出力を整流し絶対値を求める
絶対値整流回路とを有する。

【００１２】また、前記第１のビーム信号形成回路は、
第１の振動子群の各振動子から出力される信号をそれぞ
れ増幅する複数の増幅器と、各増幅器のの出力をそれぞ
れシェーディング抵抗を介して入力し加算する第１の加
算器とから形成され、前記第２のビーム信号形成回路
は、第２の振動子群の各振動子から出力される信号をそ
れぞれ増幅する複数の増幅器と、各増幅器のの出力をそ
れぞれシェーディング抵抗を介して入力し加算する第２
の加算器とから形成されるのが好ましい。

【００１３】

【作用】第１の振動子群が受信する音波と第２の振動子
群が受信する音波との間には位相差が生じる。第１，第
２の振動子群からの信号を振動子群毎に加算し、加算後
の結果を乗算する。乗算結果に対し、不要な極性側の部
分を半波整流回路により除去し、絶対値整流回路により
半波整流回路の出力を整流し絶対値を求める。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の超音波受信装置の一実施例
を示すブロック図、図２は図１の実施例の乗算器の出力
について説明するための波形図である。なお、本実施例
では図３で示される送受波器を用いることとする。な
お、図１においては、送受波器の部分が図３の送受波器
を上方からみた平面図として表している。

【００１５】送受波器は距離ｄのピッチで平行に配置さ
れた複数の振動子Ａ₀，Ａ₁，〜，Ａ _n；Ｂ₀，Ｂ₁，〜，
Ｂ_nから形成されており、ひとつおきに中心位置が距離
ｐだけ一定方向にずらされている。中心位置が図３
（ａ）において、上方に位置する振動子Ａ₀，Ａ₁，〜，
Ａ_nをＡ群の振動子と称し、距離ｐだけ下方に位置する
振動子Ｂ₀，Ｂ₁，〜，Ｂ_nをＢ群の振動子と称すること
にする。

【００１６】発射した超音波のエコーである音波を受け
たＡ，Ｂ群の振動子の出力信号は増幅器Ｍ_a0，Ｍ_a1，
〜，Ｍ_an；Ｍ_b0，Ｍ_b1，〜，Ｍ_bnに入力され増幅され、
シェーディング抵抗Ｒ_a0，Ｒ_a1，〜，Ｒ_an；Ｒ_b0，
Ｒ_b1，〜，Ｒ_bnを介してそれぞれ加算器ＡＤ１，ＡＤ２
に入力され加算される。加算器ＡＤ１，ＡＤ２において
は従来と同様な加算によるビーム合成が行なわれている
ので、シェーディングがない場合、加算器ＡＤ１，ＡＤ
２の出力であるＡ，Ｂ群の振動子によるＸ方向の指向性
関数Ｒ（Ｘ）₀は下記の式（５）で表わされる。

【００１７】 Ｒ（Ｘ）₀＝ｓｉｎ（ｎｘ_A）／ｎｓｉｎｘ_A ・・・ （５） ただし、ｎ＝振動子の個数 ｘ_A＝（２πｄ／λ）ｓｉｎφ φ＝音波入射角度 図３（ｃ）から明かのように、φ方向から音波がきた場
合のＡ，Ｂ群の振動子の受信する音波Ｔ_a，Ｔ_bの位相差
βは下記の式（６）で表わされる。

【００１８】 β＝（２πｄ／λ）ｓｉｎφ ・・・ （６） したがって、Ａ，Ｂ群の振動子のＸ方向に関する指向性
関数Ｒ（ｘ）_A，Ｒ（Ｘ）_Bはそれぞれ下記の式（７），
（８）で表わされる。

【００１９】 Ｒ（Ｘ）_A＝Ｒ（Ｘ）₀・ｃｏｓωｔ ・・・・・・ （７） Ｒ（Ｘ）_B＝Ｒ（Ｘ）₀・ｃｏｓ（ωｔ＋β）・・・ （８） そこで両者が乗算回路を経由した後の指向性Ｒ（Ｘ）_M
は下記の式（９）で表わされる。

【００２０】 Ｒ（Ｘ）_M＝Ｒ（Ｘ）₀・ｃｏｓωｔ・Ｒ（Ｘ）₀・ｃｏｓ（ωｔ＋β） ＝（１／２）・｛Ｒ（Ｘ）₀｝²・｛ｃｏｓ（２ωｔ＋β） ＋ｃｏｓ（−β）｝・・・・・・（９） 式（９）から位相差βに依存してＤＣバイアス電位が変
化することが明らかである。このことはＹ方向について
も位相差αが下記の式（１０）で表わされることから、
Ｘ方向と同様に位相差αに依存してＤＣバイアスが変化
することが理解できよう。

【００２１】 α＝（２πｐ／λ）ｓｉｎθ ・・・ （１０） 上記の式（９）を分かり易く示したのが図２であり、音
波入射角φに応じて変化する｛Ｒ（Ｘ）₀｝²／２を中心
として｛Ｒ（Ｘ）₀｝²／２・ｃｏｓ（２ωｔ＋β）に従
って振幅が変化する指向性Ｒ（Ｘ）_Mとなる。振動子群
の正面（φ＝０）に対してはｃｏｓ（−β）＝１で波形
は矢印Ｕの方向に移動し、マイナス分がなくなる。φが
増加するに従って、波形は矢印Ｄの方向に移動し、図２
のようにマイナス分が表れることとなる。

【００２２】そこで、半波整流回路ＨＤが図２で表れる
ようなマイナス分を除去し、プラス分だけを抽出し、絶
対値整流回路ＤＴが絶対値を抽出することにより、メイ
ンローブを広げず、また分解能を低下させることなくサ
イドローブを抑制する。すなわち、従来の加算の場合に
は、Ｒ（Ｘ）_Hで示される指向性パターンを有するが、
本実施例のような乗算の場合には、Ｒ（Ｘ）_Mで示され
るように位相差が生じた場合にＤＣバイアス電位が発生
するので、負極性側をカットすることにより振幅を押
え、サイドローブの抑制ができることとなる。また、上
述した実施例においては各振動子は同一の平面を形成す
るように配置したが、円弧状あるいは円筒状に配置して
もよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、中心点を
ずらせた２組の振動子群からの信号を乗算することによ
り、シェーディング抵抗の調整や振動子の大型化に依存
することなく、メインローブが広がらず、分解能を低下
させることなくサイドローブを抑制できるという効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波受信装置の一実施例を示すブロ
ック図である。

【図２】図１の実施例の乗算器の出力について説明する
ための波形図である。

【図３】（ａ）は従来の送受波器を示す正面図である。
（ｂ）は（ａ）の送受波器と送受波器に入射してくる音
波との関係を示す送受波器の側面図である。（ｃ）は
（ａ）の送受波器と送受波器に入射してくる音波との関
係を示す送受波器の平面図である。

【図４】図３の送受波器を用いた従来の超音波受信装置
を示すブロック図である。

【符号の説明】

Ａ₀，Ａ₁，〜，Ａ_n Ａ群の振動子 Ｂ₀，Ｂ₁，〜，Ｂ_n Ｂ群の振動子 Ｍ_a0，Ｍ_a1，〜，Ｍ_an；Ｍ_b0，Ｍ_b1，〜，Ｍ_bn 増幅
器 Ｒ_a0，Ｒ_a1，〜，Ｒ_an；Ｒ_b0，Ｒ_b1，〜，Ｒ_bn シェ
ーディング抵抗 ＡＤ１，ＡＤ２ 加算器 ＭＸ 乗算器 ＨＤ 半波整流回路 ＤＴ 絶対値整流回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子を所定ピッチで平行に複数個配置
   し、配置した複数の振動子をひとつおきに中心位置を所
   定距離だけ一定方向にずらし、もとの位置に配置されて
   いる第１の振動子群と、もとの位置から所定距離だけ一
   定方向にずらされた第２の振動子群とからなる送受波器
   と、 第１の振動子群の各振動子から出力される信号を増幅
   し、増幅した信号を加算し第１の指向ビーム信号を形成
   する第１のビーム信号形成回路と、 第２の振動子群の各振動子から出力される信号を増幅
   し、増幅した信号を加算し第２の指向ビーム信号を形成
   する第２のビーム信号形成回路と、 第１の指向ビーム信号と第２の指向ビーム信号との乗算
   を行ない乗算ビーム信号として出力する乗算器と、 乗算ビーム信号の不要な極性側の部分を除去する半波整
   流回路と、 半波整流回路の出力を整流し絶対値を求める絶対値整流
   回路とを有することを特徴とする超音波受信装置。
2. 【請求項２】 前記第１のビーム信号形成回路は、第１
   の振動子群の各振動子から出力される信号をそれぞれ増
   幅する複数の増幅器と、各増幅器のの出力をそれぞれシ
   ェーディング抵抗を介して入力し加算する第１の加算器
   とから形成され、 前記第２のビーム信号形成回路は、第２の振動子群の各
   振動子から出力される信号をそれぞれ増幅する複数の増
   幅器と、各増幅器のの出力をそれぞれシェーディング抵
   抗を介して入力し加算する第２の加算器とから形成され
   る請求項１記載の超音波受信装置。