JP3772411B2 - 球面アレイからの送波制御方法、並びに球面アレイ送波器 - Google Patents
球面アレイからの送波制御方法、並びに球面アレイ送波器 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソーナーや超音波診断装置等から送波が行われる際での送波制御方法に係わり、特に球面アレイ送波器から、任意の送波ビーム幅を以て、しかも所望の送波中心方向を以て送波が行われるようにした球面アレイからの送波制御方法、更には、その球面アレイ送波器自体の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばソーナー装置に送波器として球面アレイ送波器が具備されている場合に、そのソーナー装置から送出されるの送波信号に対し所望の指向性を付与するに際しては、整相処理が基本的に利用されているのが実情である。ここにいう球面アレイ送波器とは、図９に示すように、球半径がＲとされた球面上に多数所定に配列されている送波素子群１０１のうちから、水平開口角θM および垂直開口角φN の範囲内に含まれている水平方向Ｍ個、垂直方向Ｎ個の送波素子群１０２が整相対象として任意に選択可とされた送波器として定義される。また、整相処理とは、図１０に示すように、そのように選択された送波素子群１０２からの送波状態が、Ｍ×Ｎ個の送波素子からなる平面アレイ送波器２０１からの送波状態と恰も等価（音波の伝幡行程差が存在しない状態）となるべく、送波素子群１０２内に含まれている送波素子各々に対し、その位置に応じた整相量τmnを遅延量として付与するための処理として定義される。より具体的に説明すれば、送波素子群１０２内に含まれている送波素子各々への送信信号に対しては、送波素子がその中央部に位置している程に大きな遅延量が、また、外周端部側に位置している程に小さな遅延量が与えられることによって、平面アレイ送波器２０１からの送波状態と等価な送波状態が実現されているものである。
【０００３】
ところで、送波素子群１０２に対し整相処理が行われる際での送波ビーム幅は以下の数式１として近似され得る。
【０００４】
【数１】
【０００５】
送波ビーム幅ＢW は送信信号（送波信号）波長λに比例している一方、送波開口長Ｌに反比例していることが知られているわけである。ここで、水平開口長、垂直開口長はそれぞれ２Ｒsin(θM /2)、２Ｒsin(φN /2)として算出され得ることから、送波ビーム幅ＢW は送波開口角θM ，φN に依存するものであることが判る。
【０００６】
一方、整相処理が行われない場合、球面アレイ送波器からの送波ビーム幅は送信信号波長λおよび送波開口角θM ，φN に比例することが知られている。結局、整相処理が行われるか否かに拘らず、球面アレイ送波器からの送波ビーム幅は送波開口角に依存しているものである。
【０００７】
送波ビーム幅が以上のような状況にあるのに対し、球面アレイ送波器から送出される送波信号レベルは送波面積、即ち、球半径および送波開口長に比例したものとなっている。
【０００８】
なお、この種送波技術に関するものとしては、特開昭６４−１５６８２号公報や特開平４−３２６０８２号公報が挙げられる。前者公報による場合、送受波器としての音響アレー素子配列は、その構成要素としての送受波素子各々が送波素子と受波素子とに特殊パターン配列として分割されることによって、素子数の減少が図られつつも、必要とされる分解能が維持されたものとなっている。また、後者公報による場合には、個々の配列素子からの受波信号を複数本束ねて、複数群に分割する際に、１つの素子の受波信号を任意の１個以上の群に属させることによって、結果として、複数ビーム同時形成が行われるに際し、大きなサイドローブの発生が抑制されたものとなっている。
【０００９】
【発明の解決しようとする課題】
以上のような事情から、これまで、球面アレイ送波器から送波が行われるに際しては、送信信号波長・球半径Ｒ・送波開口角は送波ビーム幅と送波信号レベルとの妥協点として設定される必要があったものである。その際、送信信号波長・球半径等にはその値に一般に物理的制約があり、これがために、送波ビーム幅、送波信号レベル両者を任意に設定することは困難となっているのが実情である。また、そのような不具合に加え、球面アレイ送波器においては、図１１に示すように、整相対象範囲３０１，３０２各々に応じて送波中心方向３０３，３０４が整相範囲中心方向として一義的に定められており、したがって、送波中心方向は整相対象範囲の選択的切替えにより一義的に設定可能であるにしても、送波中心方向をステップ状にしか選択し得ないものとなっている。換言すれば、ある整相対象範囲が固定的に選択された状態では、その整相対象範囲に応じた送波中心方向を中心として、その近傍にある大きさの立体角の範囲内で方向が任意にずれた送波中心方向を設定し得なかったものである。更に、これまでにあっては、送波指向性を改善するには、各送波素子出力に重み付けを行うシェーディングが用いられていたが、このシェーディングにより送波信号レベルの損失が生じていたのが実情である。これは、送波に際しシェーディングを用いた場合、重み付けに応じて送波素子各々の出力を小さく押える必要があり、したがって、ハミングシェーディングのように、内側に位置している送波素子に大きな重み付けを行い、送波素子が外側に位置している程にその送波素子に小さな重み付けが行われるようなシェーディングでは、最も外側に位置している送波素子各々が送波に寄与することは、殆ど期待され得ないというものである。
【００１０】
本発明の第１の目的は、球面アレイ送波器における基本パラメータとしての送信信号波長・球半径・送波開口角が固定的に設定された状態で、整相対象範囲内に含まれている送波素子各々への遅延量が所望に制御されることによって、所望の送波ビーム幅および送波中心方向としての送波指向性を以て、球面アレイ送波器から合成球面音波の送波が行われ得る球面アレイからの送波制御方法、更には、そのような送波制御が可とされた球面アレイ送受波器を供するにある。
本発明の第２の目的はまた、球面アレイ送波器における基本パラメータとしての送信信号波長・球半径・送波開口角が固定的に設定された状態で、整相対象範囲内に含まれている送波素子各々への遅延量が所望に制御されることによって、所望の送波ビーム幅および送波中心方向としての送波指向性を以て、しかも送波信号レベルの損失少なくして、球面アレイ送波器からの送波が行われ得る球面アレイからの送波制御方法、更には、そのような送波制御が可とされた球面アレイ送受波器を供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、基本的には、球半径がＲとされた実球面上に多数配列されている送波素子群のうちから、整相対象として任意に一部選択された、水平開口角θM および垂直開口角φN の範囲内に含まれている水平方向Ｍ個、垂直方向Ｎ個の送波素子群から、送波ビーム幅、送波中心方向各々が所望に設定された状態として合成球面音波の送波が行われるに際して、水平／垂直開口長が同一として、外部から仮想球半径Ｒ′（≠Ｒ）と整相範囲中心方向に対する送波中心方向の相対水平／垂直方向ずれ角度とが任意に設定される度に、実球面上での整相対象送波素子各々の位置座標が予め知れているものとして、整相対象送波素子各々から整相範囲中心方向に延ばされた延長線の仮想球面との交点位置が該整相対象送波素子に対応する仮想送波素子の位置座標として求められた後、実球面上での整相対象送波素子各々に対応する遅延量が、該整相対象送波素子から、整相範囲中心方向に延ばされた延長線上での、整相範囲中心方向と直交し、かつ実球中心を含む整相基準面までの直線距離と、該整相対象送波素子に対応する仮想送波素子から、上記ずれ方向／角度に応じて傾斜された状態の整相基準面に直交すべく延ばされた延長線上での該整相基準面までの直線距離との差にもとづき求められた上、整相対象送波素子各々への送信信号は、該整相対象送波素子対応に求められている遅延量分だけ遅延されつつ、該整相対象送波素子対応に予め計算記憶されているシェーディング係数により重み付けされた状態として、該整相対象送波素子から音波として送波されることで達成される。
【００１２】
また、球面アレイ送波器自体の構成としては、外部から任意に設定される仮想球半径Ｒ′（≠Ｒ）と整相範囲中心方向に対する送波中心方向の相対水平／垂直方向ずれ角度とにもとづき、予め知れている実球面上での整相対象送波素子各々の位置座標が参照されつつ、実球面上での整相対象送波素子各々に対応する遅延量を計算する遅延量計算回路と、該遅延量計算回路からの遅延量にもとづき、整相対象送波素子各々への送信信号波形を遅延制御された状態として生成する波形生成器と、該波形生成器からの送信信号波形を整相対象送波素子対応に記憶する遅延波形記憶器と、整相対象送波素子対応にシェーディング係数が予め計算記憶されているシェーディング係数テーブルと、送信同期信号に同期して上記遅延波形記憶器から一斉に読み出される送信信号波形に対し、上記シェーディング係数テーブルからのシェーディング係数により整相対象送波素子対応に重み付けを行う乗算器と、該乗算器からの、重み付け後の送信信号波形を整相対象送波素子対応にアナログ変換するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器からのアナログ化送信信号波形を整相対象送波素子対応に電力増幅した上、該整相対象送波素子に印加する電力増幅器とを少なくとも含むべく構成されることで達成される。
【００１３】
更に、整相対象送波素子各々から送波が行われるに際して、整相対象送波素子群の外周囲に仮想送波素子が恰も付加され、それら仮想送波素子各々に対するシェーディング係数が併せて計算されるものとして、整相対象送波素子対応にシェーディング係数が予め計算記憶されている場合は、送波信号レベルの損失少なくして、球面アレイ送波器からの送波が行われ得るものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１から図８により説明する。
先ず本発明を具体的に説明するに先立って、その理論的背景について説明すれば、図２は球面アレイ送波器における整相対象送波素子群と外部から任意に設定される仮想球面との関係を示したものである。図示のように、球面アレイ送波器４０１の実球面（球半径(既知)＝Ｒ）上における整相対象送波素子４０８各々への送信信号が適当に遅延制御された状態で、それら整相対象送波素子４０８各々に印加される場合は、仮想球面４０７の形成、したがって、仮想球半径（＝Ｒ′≠Ｒ）４０５・送波器開口角４０６を様々に変化させることが可能となり、所望の送波ビーム幅の球面音波が合成され得るというものである。これは、球面アレイ送波器４０１、即ち、球半径４０２および送波開口角４０３で規定される実球面上に整相対象送波素子４０８群が配列されているものとして、その際での整相範囲送波開口長４０４と等しくなるべく、仮想球半径４０５および仮想送波開口角４０６を持つ仮想球面４０７を想定した上、整相対象送波素子４０８群がその仮想球面４０７上の仮想送波素子４０９群と等価な送波状態を形成するよう、整相対象送波素子４０８各々に対する遅延量４１０が予め算出された上、それら整相対象送波素子４０８各々への送信信号がその遅延量４１分遅延された状態で、整相対象送波素子４０８各々に印加されることによって、仮想球面４０７から送出された球面音波を形成し得ることによるものである。
【００１５】
なお、送波水平開口角（既知）４０３、送波垂直開口角（既知）４０３がそれぞれθM /2、φN /2である場合に、仮想球半径（＝Ｒ′）４０５と送波水平開口角（＝θ′M /2）４０６および送波垂直開口角（＝φ′N /2）４０６は、以下の関係式を以て関係付けらる。
【００１６】
【数２】
【００１７】
即ち、仮想球半径４０５、または送波水平開口角４０６および送波垂直開口角４０６の何れか一方が外部から任意に設定されることで、仮想球面４０７はそれに応じて一義的に設定され得るものである。
【００１８】
また、図３に示すように、整相範囲中心方向５０３からある方向に角度５０５分だけずれた状態として、送波中心方向５０４が所望に設定される必要がある場合には、整相範囲中心方向５０３に対するその送波中心方向５０４の相対水平／垂直方向ずれ角度が外部から設定された上、整相基準面５０１がその送波中心方向５０４と直交すべく傾斜され、これを新たな整相基準面５０２として、整相対象送波素子各々について、距離△ｙmn，Δｙ′mn間の差が音波伝幡上での遅延量τmnとして算出された上、送信信号がその遅延量τmnだけ遅延された状態で該当送波素子に印加されることによって、所望とする送波中心方向５０４に合成球面音波を送波し得るものである。
【００１９】
更に、図４に示すように、整相対象送波素子各々から送波が行われるに際して、整相対象送波素子群６０１の外周囲に仮想送波素子群６０２が恰も付加されているものとして、それら仮想送波素子群６０２に対するシェーディング係数が併せて計算されるものとして、整相対象送波素子対応にシェーディング係数が予め計算記憶されている場合は、整相対象送波素子各々に対するシェーディング係数は全体的に大として計算記憶される結果として、送波信号のレベル損失少なくして送波が行われ得るものである。
【００２０】
さて、本発明を具体的に説明すれば、図１は本発明による球面アレイ送波器の一例での概要構成を示したものである。既述の図９に示した場合と同様に、水平方向Ｍ個、垂直方向Ｎ個の送波素子（群）７０６を整相送波素子群として、その構成と動作を簡単ながら説明すれば以下のようである。
即ち、座標メモリ７０８上には、少なくとも送波素子群７０６を構成している送波素子各々の３次元位置座標が予め記憶されているものとして、送波制御上、必要とされるパラメータ（後述）は送波制御信号７１０として外部から任意に設定されるが、遅延量計算回路７０７では、座標メモリ７０８からの、送波素子各々の３次元位置座標７１１が参照されつつ、その送波制御信号７１０にもとづきそれら送波素子各々に対応する遅延量７１２が計算されるとともに、シェーディング上、必要とされる(m,n)制御信号７１３がシェーディング係数テーブル７１０に対し発生されるものとなっている。波形生成器７０１ではまた、遅延量計算回路７０７からの遅延量７１２にもとづき送波素子各々への送信信号波形７１４が遅延制御された状態として生成された上、送波素子対応遅延波形記憶器７０２に記憶されているものである。したがって、送波素子対応遅延波形記憶器７０２に送信信号波形７１４が記憶されている状態で、送信同期信号発生回路７２１から送信同期信号７２２が発生されれば、その送信同期信号７２２に同期して遅延波形記憶器７０２からは送信信号波形７１５が一斉に読み出されるが、これら送信信号波形７１５に対しては重み付けが行われるべく、送波素子対応乗算器７０３では、シェーディング係数テーブル７１０からのシェーディング係数７１６との間で乗算が行われているものである。乗算器７０３各々からの、重み付け後の送信信号波形７１７は、その後、送波素子対応Ｄ／Ａ変換器７０４によりアナログ化送信信号波形７１８に変換された後、送波素子対応電力増幅器７０５を介し電力増幅後送信信号波形７１９として得られた上、対応送波素子に印加されることによって、電力増幅後送信信号波形７１９は対応送波素子７０６での電気―音響変換機能により音波７２０として外部に送出される結果として、所望の送波中心方向に向けて合成球面音波を送波し得るものである。
【００２１】
以上のように、遅延量計算回路７０７は本発明に直接係るものとされているが、その一例での構成を図５に示す。これによる場合、制御部８０５からは、シェーディング上、必要とされる(m,n)制御信号７１３がシェーディング係数テーブル７１０に対し発生されている他、仮想球半径計算部８０１では、送波制御信号７１０として設定されているパラメータより、例えば球半径４０２や送波開口角４０３、仮想送波開口角４０６が抽出された上、既述の数式２により仮想球半径４０５が計算されたものとなっている。仮想送波素子位置座標計算部８０２ではまた、パラメータより抽出された球半径４０２、送波開口角４０３および仮想送波開口角４０６と、仮想球半径計算部８０１からの仮想球半径４０５と、座標メモリ７０８からの、送波素子各々の３次元位置座標７１１とにもとづき、仮想球面４０７上での仮想送波素子各々の位置座標８０３が以下の数式により計算されるものとなっている。
【００２２】
【数３】
【００２３】
更に、遅延量計算部８０４では、位置座標８０３および３次元位置座標７１１の他、パラメータより抽出された相対水平／垂直方向ずれ角度tb，φtbにもとづき、所望の仮想球面波となるべく、送波素子対応に遅延量７１２が以下の数式により所定に計算された上、波形生成器７０１に送出されているものである。
【００２４】
【数４】
【００２５】
ところで、以上の遅延量計算回路７０７と同様、シェーディング係数テーブル７１０もまた、本発明に直接係るものとされているが、その一例での構成を図６に示す。これによる場合、シェーディング係数記憶部９０１からは、(m,n)制御信号７１３より送波素子対応にシェーディング係数７１６が外部に読出し可とされているが、その読出しに先立って、シェーディング係数記憶部９０１には、シェーディング係数計算部９０２により計算されたシェーディング係数が事前記憶されるものとなっている。そのシェーディング係数計算部９０２では、例えば窓関数がハミング窓である場合、以下の数式によりシェーディング係数ｗmnが計算されているものである。
【００２６】
【数５】
【００２７】
そのシェーディング係数計算の際に、整相対象送波素子群の外周囲に仮想送波素子６０２が付加されているものとして、整相対象送波素子対応にシェーディング係数が計算記憶されるとすれば、仮想送波素子群６０２が想定されたことによって、例えばハミング窓のように、中央が大となる窓関数を用いた場合、仮想送波素子群６０２内側に存在している整相対象送波素子群に対するシェーディング係数は、仮想送波素子群６０２が想定されていない場合に比し全体的に大として計算され得る結果、送波信号レベルの損失は低減化され得るものである。
【００２８】
最後に、本発明に係る送波指向性についての計算機シミュレーション例を図７，図８にそれぞれ示す。本例では、球面アレイ送波器の球半径ＲはＲ＝０．５ｍ、送信信号波長λはλ＝２．３８ｃｍ、整相送波素子範囲は水平方向がＭ＝５４列、垂直方向がＮ＝５４行、窓関数はハミング窓とされ、また、仮想送波素子は、既述の仮想送波素子群６０２のように、整相対象送波素子群の最外周位置に位置している送波素子各々の外側に１素子づつ隣接する状態で配置された場合が想定されたものとなっている。
【００２９】
さて、図７には、送波ビーム幅が４０°、５０°、６０°となるべく、遅延量計算回路７０７で遅延量が計算された場合での送波指向性をそれぞれ実線表示、破線表示、点線表示として示す。これより、送波ビーム幅が遅延量計算回路７０７により制御可であることが判る。また、図８には、整相範囲中心方向に対し送波中心方向が０°、２０°、−２０°となるべく、遅延量計算回路７０７で遅延量が計算された場合での送波指向性をそれぞれ実線表示、破線表示、点線表示として示す。これより、送波中心方向が遅延量計算回路７０７により制御可であることが判る。
【００３０】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１，２による場合には、球面アレイ送波器における基本パラメータとしての送信信号波長・球半径・送波開口角が固定的に設定された状態で、整相対象範囲内に含まれている送波素子各々への遅延量が所望に制御されることによって、所望の送波ビーム幅および送波中心方向としての送波指向性を以て、球面アレイ送波器から合成球面音波の送波が行われ得る球面アレイからの送波制御方法、更には、そのような送波制御が可とされた球面アレイ送受波器が、また、請求項３，４による場合は、球面アレイ送波器における基本パラメータとしての送信信号波長・球半径・送波開口角が固定的に設定された状態で、整相対象範囲内に含まれている送波素子各々への遅延量が所望に制御されることによって、所望の送波ビーム幅および送波中心方向としての送波指向性を以て、しかも送波信号レベルの損失少なくして、球面アレイ送波器からの送波が行われ得る球面アレイからの送波制御方法、更には、そのような送波制御が可とされた球面アレイ送受波器がそれぞれ得られたものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による球面アレイ送波器の一例での概要構成を示す図
【図２】図２は、球面アレイ送波器における整相対象送波素子群と外部から任意に設定される仮想球面との関係を示す図
【図３】図３は、送波中心方向を所望に制御するための方法を示す図
【図４】図４は、整相対象送波素子群の外周囲に仮想送波素子群を付加することによって、送波信号レベルの損失を低減化する方法を説明するための図
【図５】図５は、本発明による球面アレイ送波器の１構成要素としての遅延量計算回路の一例での構成を示す図
【図６】図６は、本発明による球面アレイ送波器の１構成要素としてのシェーディング係数テーブルの一例での構成を示す図
【図７】図７は、本発明に係る送波指向性についての計算機シミュレーション例を示す図（その１）
【図８】図８は、同じく本発明に係る送波指向性についての計算機シミュレーション例を示す図（その２）
【図９】図９は、球面アレイ送波器一般の構成を説明するための図
【図１０】図１０は、球面アレイ送波器から送波が行われる際での整相処理を説明するための図
【図１１】図１１は、球面アレイ送波器上に整相対象範囲が設定される度に、整相範囲中心方向が一義的に定まることを説明するための図
【符号の説明】
７０１…波形生成器、７０２…遅延波形記憶器、７０３…乗算器、７０４…Ｄ／Ａ変換器、７０５…電力増幅器、７０６…送波素子（群）、７０７…遅延量計算回路、７０８…座標メモリ、７１０…シェーディング係数テーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソーナーや超音波診断装置等から送波が行われる際での送波制御方法に係わり、特に球面アレイ送波器から、任意の送波ビーム幅を以て、しかも所望の送波中心方向を以て送波が行われるようにした球面アレイからの送波制御方法、更には、その球面アレイ送波器自体の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばソーナー装置に送波器として球面アレイ送波器が具備されている場合に、そのソーナー装置から送出されるの送波信号に対し所望の指向性を付与するに際しては、整相処理が基本的に利用されているのが実情である。ここにいう球面アレイ送波器とは、図９に示すように、球半径がＲとされた球面上に多数所定に配列されている送波素子群１０１のうちから、水平開口角θM および垂直開口角φN の範囲内に含まれている水平方向Ｍ個、垂直方向Ｎ個の送波素子群１０２が整相対象として任意に選択可とされた送波器として定義される。また、整相処理とは、図１０に示すように、そのように選択された送波素子群１０２からの送波状態が、Ｍ×Ｎ個の送波素子からなる平面アレイ送波器２０１からの送波状態と恰も等価（音波の伝幡行程差が存在しない状態）となるべく、送波素子群１０２内に含まれている送波素子各々に対し、その位置に応じた整相量τmnを遅延量として付与するための処理として定義される。より具体的に説明すれば、送波素子群１０２内に含まれている送波素子各々への送信信号に対しては、送波素子がその中央部に位置している程に大きな遅延量が、また、外周端部側に位置している程に小さな遅延量が与えられることによって、平面アレイ送波器２０１からの送波状態と等価な送波状態が実現されているものである。
【０００３】
ところで、送波素子群１０２に対し整相処理が行われる際での送波ビーム幅は以下の数式１として近似され得る。
【０００４】
【数１】
送波ビーム幅ＢW は送信信号（送波信号）波長λに比例している一方、送波開口長Ｌに反比例していることが知られているわけである。ここで、水平開口長、垂直開口長はそれぞれ２Ｒsin(θM /2)、２Ｒsin(φN /2)として算出され得ることから、送波ビーム幅ＢW は送波開口角θM ，φN に依存するものであることが判る。
【０００６】
一方、整相処理が行われない場合、球面アレイ送波器からの送波ビーム幅は送信信号波長λおよび送波開口角θM ，φN に比例することが知られている。結局、整相処理が行われるか否かに拘らず、球面アレイ送波器からの送波ビーム幅は送波開口角に依存しているものである。
【０００７】
送波ビーム幅が以上のような状況にあるのに対し、球面アレイ送波器から送出される送波信号レベルは送波面積、即ち、球半径および送波開口長に比例したものとなっている。
【０００８】
なお、この種送波技術に関するものとしては、特開昭６４−１５６８２号公報や特開平４−３２６０８２号公報が挙げられる。前者公報による場合、送受波器としての音響アレー素子配列は、その構成要素としての送受波素子各々が送波素子と受波素子とに特殊パターン配列として分割されることによって、素子数の減少が図られつつも、必要とされる分解能が維持されたものとなっている。また、後者公報による場合には、個々の配列素子からの受波信号を複数本束ねて、複数群に分割する際に、１つの素子の受波信号を任意の１個以上の群に属させることによって、結果として、複数ビーム同時形成が行われるに際し、大きなサイドローブの発生が抑制されたものとなっている。
【０００９】
【発明の解決しようとする課題】
以上のような事情から、これまで、球面アレイ送波器から送波が行われるに際しては、送信信号波長・球半径Ｒ・送波開口角は送波ビーム幅と送波信号レベルとの妥協点として設定される必要があったものである。その際、送信信号波長・球半径等にはその値に一般に物理的制約があり、これがために、送波ビーム幅、送波信号レベル両者を任意に設定することは困難となっているのが実情である。また、そのような不具合に加え、球面アレイ送波器においては、図１１に示すように、整相対象範囲３０１，３０２各々に応じて送波中心方向３０３，３０４が整相範囲中心方向として一義的に定められており、したがって、送波中心方向は整相対象範囲の選択的切替えにより一義的に設定可能であるにしても、送波中心方向をステップ状にしか選択し得ないものとなっている。換言すれば、ある整相対象範囲が固定的に選択された状態では、その整相対象範囲に応じた送波中心方向を中心として、その近傍にある大きさの立体角の範囲内で方向が任意にずれた送波中心方向を設定し得なかったものである。更に、これまでにあっては、送波指向性を改善するには、各送波素子出力に重み付けを行うシェーディングが用いられていたが、このシェーディングにより送波信号レベルの損失が生じていたのが実情である。これは、送波に際しシェーディングを用いた場合、重み付けに応じて送波素子各々の出力を小さく押える必要があり、したがって、ハミングシェーディングのように、内側に位置している送波素子に大きな重み付けを行い、送波素子が外側に位置している程にその送波素子に小さな重み付けが行われるようなシェーディングでは、最も外側に位置している送波素子各々が送波に寄与することは、殆ど期待され得ないというものである。
【００１０】
本発明の第１の目的は、球面アレイ送波器における基本パラメータとしての送信信号波長・球半径・送波開口角が固定的に設定された状態で、整相対象範囲内に含まれている送波素子各々への遅延量が所望に制御されることによって、所望の送波ビーム幅および送波中心方向としての送波指向性を以て、球面アレイ送波器から合成球面音波の送波が行われ得る球面アレイからの送波制御方法、更には、そのような送波制御が可とされた球面アレイ送受波器を供するにある。
本発明の第２の目的はまた、球面アレイ送波器における基本パラメータとしての送信信号波長・球半径・送波開口角が固定的に設定された状態で、整相対象範囲内に含まれている送波素子各々への遅延量が所望に制御されることによって、所望の送波ビーム幅および送波中心方向としての送波指向性を以て、しかも送波信号レベルの損失少なくして、球面アレイ送波器からの送波が行われ得る球面アレイからの送波制御方法、更には、そのような送波制御が可とされた球面アレイ送受波器を供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、基本的には、球半径がＲとされた実球面上に多数配列されている送波素子群のうちから、整相対象として任意に一部選択された、水平開口角θM および垂直開口角φN の範囲内に含まれている水平方向Ｍ個、垂直方向Ｎ個の送波素子群から、送波ビーム幅、送波中心方向各々が所望に設定された状態として合成球面音波の送波が行われるに際して、水平／垂直開口長が同一として、外部から仮想球半径Ｒ′（≠Ｒ）と整相範囲中心方向に対する送波中心方向の相対水平／垂直方向ずれ角度とが任意に設定される度に、実球面上での整相対象送波素子各々の位置座標が予め知れているものとして、整相対象送波素子各々から整相範囲中心方向に延ばされた延長線の仮想球面との交点位置が該整相対象送波素子に対応する仮想送波素子の位置座標として求められた後、実球面上での整相対象送波素子各々に対応する遅延量が、該整相対象送波素子から、整相範囲中心方向に延ばされた延長線上での、整相範囲中心方向と直交し、かつ実球中心を含む整相基準面までの直線距離と、該整相対象送波素子に対応する仮想送波素子から、上記ずれ方向／角度に応じて傾斜された状態の整相基準面に直交すべく延ばされた延長線上での該整相基準面までの直線距離との差にもとづき求められた上、整相対象送波素子各々への送信信号は、該整相対象送波素子対応に求められている遅延量分だけ遅延されつつ、該整相対象送波素子対応に予め計算記憶されているシェーディング係数により重み付けされた状態として、該整相対象送波素子から音波として送波されることで達成される。
【００１２】
また、球面アレイ送波器自体の構成としては、外部から任意に設定される仮想球半径Ｒ′（≠Ｒ）と整相範囲中心方向に対する送波中心方向の相対水平／垂直方向ずれ角度とにもとづき、予め知れている実球面上での整相対象送波素子各々の位置座標が参照されつつ、実球面上での整相対象送波素子各々に対応する遅延量を計算する遅延量計算回路と、該遅延量計算回路からの遅延量にもとづき、整相対象送波素子各々への送信信号波形を遅延制御された状態として生成する波形生成器と、該波形生成器からの送信信号波形を整相対象送波素子対応に記憶する遅延波形記憶器と、整相対象送波素子対応にシェーディング係数が予め計算記憶されているシェーディング係数テーブルと、送信同期信号に同期して上記遅延波形記憶器から一斉に読み出される送信信号波形に対し、上記シェーディング係数テーブルからのシェーディング係数により整相対象送波素子対応に重み付けを行う乗算器と、該乗算器からの、重み付け後の送信信号波形を整相対象送波素子対応にアナログ変換するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器からのアナログ化送信信号波形を整相対象送波素子対応に電力増幅した上、該整相対象送波素子に印加する電力増幅器とを少なくとも含むべく構成されることで達成される。
【００１３】
更に、整相対象送波素子各々から送波が行われるに際して、整相対象送波素子群の外周囲に仮想送波素子が恰も付加され、それら仮想送波素子各々に対するシェーディング係数が併せて計算されるものとして、整相対象送波素子対応にシェーディング係数が予め計算記憶されている場合は、送波信号レベルの損失少なくして、球面アレイ送波器からの送波が行われ得るものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１から図８により説明する。
先ず本発明を具体的に説明するに先立って、その理論的背景について説明すれば、図２は球面アレイ送波器における整相対象送波素子群と外部から任意に設定される仮想球面との関係を示したものである。図示のように、球面アレイ送波器４０１の実球面（球半径(既知)＝Ｒ）上における整相対象送波素子４０８各々への送信信号が適当に遅延制御された状態で、それら整相対象送波素子４０８各々に印加される場合は、仮想球面４０７の形成、したがって、仮想球半径（＝Ｒ′≠Ｒ）４０５・送波器開口角４０６を様々に変化させることが可能となり、所望の送波ビーム幅の球面音波が合成され得るというものである。これは、球面アレイ送波器４０１、即ち、球半径４０２および送波開口角４０３で規定される実球面上に整相対象送波素子４０８群が配列されているものとして、その際での整相範囲送波開口長４０４と等しくなるべく、仮想球半径４０５および仮想送波開口角４０６を持つ仮想球面４０７を想定した上、整相対象送波素子４０８群がその仮想球面４０７上の仮想送波素子４０９群と等価な送波状態を形成するよう、整相対象送波素子４０８各々に対する遅延量４１０が予め算出された上、それら整相対象送波素子４０８各々への送信信号がその遅延量４１分遅延された状態で、整相対象送波素子４０８各々に印加されることによって、仮想球面４０７から送出された球面音波を形成し得ることによるものである。
【００１５】
なお、送波水平開口角（既知）４０３、送波垂直開口角（既知）４０３がそれぞれθM /2、φN /2である場合に、仮想球半径（＝Ｒ′）４０５と送波水平開口角（＝θ′M /2）４０６および送波垂直開口角（＝φ′N /2）４０６は、以下の関係式を以て関係付けらる。
【００１６】
【数２】
即ち、仮想球半径４０５、または送波水平開口角４０６および送波垂直開口角４０６の何れか一方が外部から任意に設定されることで、仮想球面４０７はそれに応じて一義的に設定され得るものである。
【００１８】
また、図３に示すように、整相範囲中心方向５０３からある方向に角度５０５分だけずれた状態として、送波中心方向５０４が所望に設定される必要がある場合には、整相範囲中心方向５０３に対するその送波中心方向５０４の相対水平／垂直方向ずれ角度が外部から設定された上、整相基準面５０１がその送波中心方向５０４と直交すべく傾斜され、これを新たな整相基準面５０２として、整相対象送波素子各々について、距離△ｙmn，Δｙ′mn間の差が音波伝幡上での遅延量τmnとして算出された上、送信信号がその遅延量τmnだけ遅延された状態で該当送波素子に印加されることによって、所望とする送波中心方向５０４に合成球面音波を送波し得るものである。
【００１９】
更に、図４に示すように、整相対象送波素子各々から送波が行われるに際して、整相対象送波素子群６０１の外周囲に仮想送波素子群６０２が恰も付加されているものとして、それら仮想送波素子群６０２に対するシェーディング係数が併せて計算されるものとして、整相対象送波素子対応にシェーディング係数が予め計算記憶されている場合は、整相対象送波素子各々に対するシェーディング係数は全体的に大として計算記憶される結果として、送波信号のレベル損失少なくして送波が行われ得るものである。
【００２０】
さて、本発明を具体的に説明すれば、図１は本発明による球面アレイ送波器の一例での概要構成を示したものである。既述の図９に示した場合と同様に、水平方向Ｍ個、垂直方向Ｎ個の送波素子（群）７０６を整相送波素子群として、その構成と動作を簡単ながら説明すれば以下のようである。
即ち、座標メモリ７０８上には、少なくとも送波素子群７０６を構成している送波素子各々の３次元位置座標が予め記憶されているものとして、送波制御上、必要とされるパラメータ（後述）は送波制御信号７１０として外部から任意に設定されるが、遅延量計算回路７０７では、座標メモリ７０８からの、送波素子各々の３次元位置座標７１１が参照されつつ、その送波制御信号７１０にもとづきそれら送波素子各々に対応する遅延量７１２が計算されるとともに、シェーディング上、必要とされる(m,n)制御信号７１３がシェーディング係数テーブル７１０に対し発生されるものとなっている。波形生成器７０１ではまた、遅延量計算回路７０７からの遅延量７１２にもとづき送波素子各々への送信信号波形７１４が遅延制御された状態として生成された上、送波素子対応遅延波形記憶器７０２に記憶されているものである。したがって、送波素子対応遅延波形記憶器７０２に送信信号波形７１４が記憶されている状態で、送信同期信号発生回路７２１から送信同期信号７２２が発生されれば、その送信同期信号７２２に同期して遅延波形記憶器７０２からは送信信号波形７１５が一斉に読み出されるが、これら送信信号波形７１５に対しては重み付けが行われるべく、送波素子対応乗算器７０３では、シェーディング係数テーブル７１０からのシェーディング係数７１６との間で乗算が行われているものである。乗算器７０３各々からの、重み付け後の送信信号波形７１７は、その後、送波素子対応Ｄ／Ａ変換器７０４によりアナログ化送信信号波形７１８に変換された後、送波素子対応電力増幅器７０５を介し電力増幅後送信信号波形７１９として得られた上、対応送波素子に印加されることによって、電力増幅後送信信号波形７１９は対応送波素子７０６での電気―音響変換機能により音波７２０として外部に送出される結果として、所望の送波中心方向に向けて合成球面音波を送波し得るものである。
【００２１】
以上のように、遅延量計算回路７０７は本発明に直接係るものとされているが、その一例での構成を図５に示す。これによる場合、制御部８０５からは、シェーディング上、必要とされる(m,n)制御信号７１３がシェーディング係数テーブル７１０に対し発生されている他、仮想球半径計算部８０１では、送波制御信号７１０として設定されているパラメータより、例えば球半径４０２や送波開口角４０３、仮想送波開口角４０６が抽出された上、既述の数式２により仮想球半径４０５が計算されたものとなっている。仮想送波素子位置座標計算部８０２ではまた、パラメータより抽出された球半径４０２、送波開口角４０３および仮想送波開口角４０６と、仮想球半径計算部８０１からの仮想球半径４０５と、座標メモリ７０８からの、送波素子各々の３次元位置座標７１１とにもとづき、仮想球面４０７上での仮想送波素子各々の位置座標８０３が以下の数式により計算されるものとなっている。
【００２２】
【数３】
更に、遅延量計算部８０４では、位置座標８０３および３次元位置座標７１１の他、パラメータより抽出された相対水平／垂直方向ずれ角度tb，φtbにもとづき、所望の仮想球面波となるべく、送波素子対応に遅延量７１２が以下の数式により所定に計算された上、波形生成器７０１に送出されているものである。
【００２４】
【数４】
ところで、以上の遅延量計算回路７０７と同様、シェーディング係数テーブル７１０もまた、本発明に直接係るものとされているが、その一例での構成を図６に示す。これによる場合、シェーディング係数記憶部９０１からは、(m,n)制御信号７１３より送波素子対応にシェーディング係数７１６が外部に読出し可とされているが、その読出しに先立って、シェーディング係数記憶部９０１には、シェーディング係数計算部９０２により計算されたシェーディング係数が事前記憶されるものとなっている。そのシェーディング係数計算部９０２では、例えば窓関数がハミング窓である場合、以下の数式によりシェーディング係数ｗmnが計算されているものである。
【００２６】
【数５】
そのシェーディング係数計算の際に、整相対象送波素子群の外周囲に仮想送波素子６０２が付加されているものとして、整相対象送波素子対応にシェーディング係数が計算記憶されるとすれば、仮想送波素子群６０２が想定されたことによって、例えばハミング窓のように、中央が大となる窓関数を用いた場合、仮想送波素子群６０２内側に存在している整相対象送波素子群に対するシェーディング係数は、仮想送波素子群６０２が想定されていない場合に比し全体的に大として計算され得る結果、送波信号レベルの損失は低減化され得るものである。
【００２８】
最後に、本発明に係る送波指向性についての計算機シミュレーション例を図７，図８にそれぞれ示す。本例では、球面アレイ送波器の球半径ＲはＲ＝０．５ｍ、送信信号波長λはλ＝２．３８ｃｍ、整相送波素子範囲は水平方向がＭ＝５４列、垂直方向がＮ＝５４行、窓関数はハミング窓とされ、また、仮想送波素子は、既述の仮想送波素子群６０２のように、整相対象送波素子群の最外周位置に位置している送波素子各々の外側に１素子づつ隣接する状態で配置された場合が想定されたものとなっている。
【００２９】
さて、図７には、送波ビーム幅が４０°、５０°、６０°となるべく、遅延量計算回路７０７で遅延量が計算された場合での送波指向性をそれぞれ実線表示、破線表示、点線表示として示す。これより、送波ビーム幅が遅延量計算回路７０７により制御可であることが判る。また、図８には、整相範囲中心方向に対し送波中心方向が０°、２０°、−２０°となるべく、遅延量計算回路７０７で遅延量が計算された場合での送波指向性をそれぞれ実線表示、破線表示、点線表示として示す。これより、送波中心方向が遅延量計算回路７０７により制御可であることが判る。
【００３０】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１，２による場合には、球面アレイ送波器における基本パラメータとしての送信信号波長・球半径・送波開口角が固定的に設定された状態で、整相対象範囲内に含まれている送波素子各々への遅延量が所望に制御されることによって、所望の送波ビーム幅および送波中心方向としての送波指向性を以て、球面アレイ送波器から合成球面音波の送波が行われ得る球面アレイからの送波制御方法、更には、そのような送波制御が可とされた球面アレイ送受波器が、また、請求項３，４による場合は、球面アレイ送波器における基本パラメータとしての送信信号波長・球半径・送波開口角が固定的に設定された状態で、整相対象範囲内に含まれている送波素子各々への遅延量が所望に制御されることによって、所望の送波ビーム幅および送波中心方向としての送波指向性を以て、しかも送波信号レベルの損失少なくして、球面アレイ送波器からの送波が行われ得る球面アレイからの送波制御方法、更には、そのような送波制御が可とされた球面アレイ送受波器がそれぞれ得られたものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による球面アレイ送波器の一例での概要構成を示す図
【図２】図２は、球面アレイ送波器における整相対象送波素子群と外部から任意に設定される仮想球面との関係を示す図
【図３】図３は、送波中心方向を所望に制御するための方法を示す図
【図４】図４は、整相対象送波素子群の外周囲に仮想送波素子群を付加することによって、送波信号レベルの損失を低減化する方法を説明するための図
【図５】図５は、本発明による球面アレイ送波器の１構成要素としての遅延量計算回路の一例での構成を示す図
【図６】図６は、本発明による球面アレイ送波器の１構成要素としてのシェーディング係数テーブルの一例での構成を示す図
【図７】図７は、本発明に係る送波指向性についての計算機シミュレーション例を示す図（その１）
【図８】図８は、同じく本発明に係る送波指向性についての計算機シミュレーション例を示す図（その２）
【図９】図９は、球面アレイ送波器一般の構成を説明するための図
【図１０】図１０は、球面アレイ送波器から送波が行われる際での整相処理を説明するための図
【図１１】図１１は、球面アレイ送波器上に整相対象範囲が設定される度に、整相範囲中心方向が一義的に定まることを説明するための図
【符号の説明】
７０１…波形生成器、７０２…遅延波形記憶器、７０３…乗算器、７０４…Ｄ／Ａ変換器、７０５…電力増幅器、７０６…送波素子（群）、７０７…遅延量計算回路、７０８…座標メモリ、７１０…シェーディング係数テーブル
Claims (2)
- 球半径がＲとされた実球面上に多数配列されている送波素子群のうちから、整相対象として任意に一部選択された、水平開口角θM および垂直開口角φN の範囲内に含まれている水平方向Ｍ個、垂直方向Ｎ個の送波素子群から、送波ビーム幅、送波中心方向各々が所望に設定された状態として合成球面音波の送波が行われるようにした球面アレイからの送波制御方法であって、水平／垂直開口長が同一として、外部から仮想球半径Ｒ′（≠Ｒ）と整相範囲中心方向に対する送波中心方向の相対水平／垂直方向ずれ角度とが任意に設定される度に、実球面上での整相対象送波素子各々の位置座標が予め知れているものとして、整相対象送波素子各々から整相範囲中心方向に延ばされた延長線の仮想球面との交点位置が該整相対象送波素子に対応する仮想送波素子の位置座標として求められた後、実球面上での整相対象送波素子各々に対応する遅延量が、該整相対象送波素子から、整相範囲中心方向に延ばされた延長線上での、整相範囲中心方向と直交し、かつ実球中心を含む整相基準面までの直線距離と、該整相対象送波素子に対応する仮想送波素子から、上記相対水平／垂直方向ずれ角度に応じて傾斜された状態の整相基準面に直交すべく延ばされた延長線上での該整相基準面までの直線距離との差にもとづき求められた上、整相対象送波素子各々への送信信号は、該整相対象送波素子対応に求められている遅延量分だけ遅延されつつ、整相対象送波素子群の外周囲に仮想送波素子が付加されているものとして整相対象送波素子対応に予め計算記憶されているシェーディング係数により重み付けされた状態として、該整相対象送波素子から音波として送波されるようにした球面アレイからの送波制御方法。
- 球半径がＲとされた実球面上に多数配列されている送波素子群のうちから、整相対象として任意に一部選択された、水平開口角θM および垂直開口角φN の範囲内に含まれている水平方向Ｍ個、垂直方向Ｎ個の送波素子群から、送波ビーム幅、送波中心方向各々が所望に設定された状態として合成球面音波の送波が行われるべく構成された球面アレイ送波器であって、水平／垂直開口長が同一として、外部から任意に設定される仮想球半径Ｒ′（≠Ｒ）と整相範囲中心方向に対する送波中心方向の相対水平／垂直方向ずれ角度とにもとづき、予め知れている実球面上での整相対象送波素子各々の位置座標が参照されつつ、実球面上での整相対象送波素子各々に対応する遅延量を、該整相対象送波素子から、整相範囲中心方向に延ばされた延長線上での、整相範囲中心方向と直交し、かつ実球中心を含む整相基準面までの直線距離と、該整相対象送波素子に対応する仮想送波素子から、上記相対水平／垂直方向ずれ角度に応じて傾斜された状態の整相基準面に直交すべく延ばされた延長線上での該整相基準面までの直線距離との差にもとづき計算する遅延量計算回路と、該遅延量計算回路からの遅延量にもとづき、整相対象送波素子各々への送信信号波形を遅延制御された状態として生成する波形生成器と、該波形生成器からの送信信号波形を整相対象送波素子対応に記憶する遅延波形記憶器と、整相対象送波素子群の外周囲に仮想送波素子が付加されているものとして整相対象送波素子対応にシェーディング係数が予め計算記憶されているシェーディング係数テーブルと、送信同期信号に同期して上記遅延波形記憶器から一斉に読み出される送信信号波形に対し、上記シェーディング係数テーブルからのシェーディング係数により整相対象送波素子対応に重み付けを行う乗算器と、該乗算器からの、重み付け後の送信信号波形を整相対象送波素子対応にアナログ変換するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器からのアナログ化送信信号波形を整相対象送波素子対応に電力増幅した上、該整相対象送波素子に印加する電力増幅器と、を少なくとも含む構成の球面アレイ送波器。
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