JP3959271B2

JP3959271B2 - 超音波探査装置

Info

Publication number: JP3959271B2
Application number: JP2001396282A
Authority: JP
Inventors: 奈緒美松木; 景義片倉; 和弘森口; 隆哉松瀬; 日出樹遠藤; 弘幸横堀; 健司宮嶋
Original assignee: 株式会社光電製作所
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003194936A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、魚体などの反射物体の二次元または三次元位置を検知可能な超音波探査装置に関するものであり、特に、簡易・安価な構成を保ったまま、検出の確度と精度の向上を図った超音波探査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の簡易な魚群探知機は、船底などに取り付けた超音波トランスジューサから水中に超音波を放射し、魚体など水中の反射物体で生じた反射波を受信し、送信から受信までに要した時間、すなわち超音波の往復の伝搬所要時間から反射物体までの距離を検出している。この簡易な魚群探知機では、反射物体の方位を検出できないため、反射物体が全て船舶の真下にあるかのように取り扱っている。
【０００３】
反射物体までの距離だけでなくその方位も検出するには、多数の超音波トランスジューサを配列しておき配列順に順次動作させるという電子走査を行うか、単一の超音波トランスジューサの向きを変化させる機械走査を行うことが必要になる。上記電子走査の構成では多数の超音波トランスジューサが必要になり、装置が複雑・高価になる。また、上記機械走査の構成では機械的な走査機構が必要になるので、やはり装置が複雑・高価になる。
【０００４】
本出願人の先願（特開平２００１−９９９３１号公報）には、少数の超音波トランスジューサを用いて海中の魚体などの反射物体の二次元または三次元位置を検知できるようにした超音波探査装置が開示されている。この超音波探査装置は、送信された超音波の反射波を複数の受信素子で受信し、各受信素子の形状と配置で定まる方位関数と、各受信素子の受信信号の位相差とから反射波を発生させた物体の方位を検出する方位検出部を備えている。また、この装置は、超音波を送信してから反射波を受信するまでの所要時間と受信した反射波の振幅とから反射物体までの距離と反射強度とを検出する距離検出部と、上記各検出部で検出済みの方位と距離とを組合せて二次元または三次元表示する表示部とを備えている。このように、従来の反射物体までの距離と大きさとに加えて、反射物体の方位を検出することにより、反射物体の多次元位置が検知される。
【０００５】
上記先行技術の超音波探査装置では、例えば、図７に示すように、ｘ軸方向（船舶の舷側）に矩形状の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２が距離Ｌだけ離して船底などに配置される。各超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２から同時に同一の送信信号が同時に放射される。一方のトランスジューサＴＤ１の中心からＲ離れた方位角θｘの方向に反射物体Ｗが存在するものとする。他方のトランスジューサＴＤ２と反射物体Ｗとの距離をＲ＋δＲとすれば、δＲ＝Ｌ sinθｘで与えられる。反射物体Ｗで発生した超音波の伝搬速度をｃとする。一方の超音波トランスジューサＴＤ１が反射波を受信してから他方の超音波トランスジューサＴＤ２が反射波を受信するまでの時間差δｔとすれば、δｔ＝δＲ／ｃ＝Ｌ sinθｘ／ｃを得る。
【０００６】
上記時間差δｔが超音波受信信号の半周期よりも小さくなるように超音波信号の周波数を設定しておくことにより、上記受信時点の時間差をそれぞれの超音波トランスジューサの受信信号の位相差から検出できる。送信信号としては、数十kHz 乃至数百kHz の超音波帯域の正弦波の搬送波が数十サイクルにわたって持続するバースト状の波形などが使用される。反射物体の多次元表示は、例えば船舶の場合、舷側方向をｘ軸、深度方向をｙ軸、船舶の進行方向をｚ軸（時間軸ｔ）とすると、ｘーｙ断面、ｔーｙ断面、一定深度のｔーｘ断面などによって表示される。
【０００７】
上記先行技術の超音波探査装置によれば、最小限２個の超音波トランスジューサを用いて舷側方向などのある角度範囲にわたって反射物体の二次元あるいは三次元的な位置を検出することができる。この結果、多数の超音波トランスジューサを舷側方向に配置したり、１個の超音波トランスジューサを機械的に走査したりすることなく、簡易かつ安価な構成のもとで反射物体の多次元的な位置が検出可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記先行技術の超音波探査装置では、ある角度範囲を電子的あるいは機械的に走査するという従来の構成に比べて、構成が簡易・安価になるという利点を有する。その反面、先行技術の超音波探査装置は、一回の送受信で得られる反射波が一つの方位データと反射強度のみであるため、従来の魚群探知機と同様にリアルタイム（実時間）の表示だけでは、特に、ｘ−ｙ断面において反射波の視認性がわるく、見落としが生じ易くなるという問題がある。
【０００９】
さらに、この先行技術の超音波探査装置では、外部操作によって指定した断面の位置が物体の位置からわずかでもずれていると物体が全く表示されなくなるなど、反射物体を断面図上に表示するという新規な構成を採用したことに伴う新たな問題点が生じる。
【００１０】
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、多次元表示方法に適した画面表示方法を提供することにある。本発明の他の目的は，距離と方位角と反射強度とを測定するという物体探査方法に適した画面表示方法を提供することにある。本発明の更に他の目的は、構成が容易・安価である利点を保ったまま、反射波の視認性を向上させた超音波探査装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明の超音波探査装置は、超音波信号を送信する送信部と、この送信された超音波信号の反射物体による反射波を受信し受信信号を出力する複数の受信素子を備え、所定のサンプリング周期で時間的に離散化されたディジタル受信信号を出力する受信部と、これら複数の受信素子の配置と各受信素子から出力される受信信号の位相差とから反射物体の方位を検出する方位検出部と、受信信号の出現時点および振幅から反射物体の距離および反射強度を検出する距離・反射強度検出部と、検出された方位、距離および反射強度を含む離散化された表示用データに基づき画面表示データを作成し、移動体の真横方向、垂直方向、移動方向を同順に直交三軸ｘ，ｙ，ｚ（または時間軸ｔ）とする直交座標を設定した場合に、画面表示データを各軸の一つに直交する（ｘ−ｙ），（ｘ−ｔ），（ｙ−ｔ）断面図中に反射物体の像として表示する表示処理部とを備え、移動体に搭載される。
【００１２】
そして、表示処理部は、過去の前記表示用データを記憶する表示用データ記憶回路と、画面の表示条件を設定する条件設定手段と、表示条件に従って画面表示データを作成する画面表示データ作成手段と、表示用データ記憶回路に記憶されている表示用データを変更された表示条件に従って遡及して処理し直すことにより遡及的に変更された画面表示データを作成する遡及処理手段とを備えることにより、表示の条件が遡及的に変更された画面を表示するように構成されている。
【００１３】
また、表示処理部は、前記（ｙ−ｔ）断面の中に、 2 枚の平面ｙ＝ｙ 1 ，ｙ 2 、又は、ｔ＝ t 1 ， t 2 ( ただし、ｙ 1 ，ｙ 2 ， t 1 ， t 2 はいずれも任意の定数 ) で囲まれる領域を設定する手段と、この設定された領域内に含まれる前記表示用データを合成して、（ｘ−ｙ）断面図、又は、（ｘ−ｔ）断面図上に表示し、又は、この設定された領域内に含まれる前記表示用データについて画面の表示条件を変更する手段を備えている。
【００１４】
【発明の好適な実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記変更された表示条件は、上記設定した 2 枚の平面ｙ＝ｙ 1 ，ｙ 2 で囲まれる領域内の表示用データの反射強度を一律に増加させるものであるように構成されている。
【００１５】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。この超音波探査装置は、制御部ＣＮＴ、送信部ＴＸ、単行回路ＩＳ１，ＩＳ２、超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２、増幅回路ＡＭＰ１，ＡＭＰ２、サンプリング回路ＳＰＬ１，ＳＰＬ２，複素合成回路ＣＭＰＸ１，ＣＭＰＸ２、位相差検出回路ＡＲＧ、遅延回路ＤＬＹ，加算回路ＡＤＤ、絶対値回路ＡＢＳ、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰ、表示装置ＤＩＳを備えている。
【００１６】
制御部ＣＮＴの制御のもとに送信部ＴＸで超音波の送信信号が発生される。この送信信号は、前述した従来装置の場合と同様に、数十kHz 乃至数百kHz の超音波帯域の正弦波の搬送波が数十サイクルにわたって持続するバースト状の波形を有する。この超音波送信送信は、信号を一方向にだけ伝達する単行回路ＩＳ１，ＩＳ２を通過して２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに供給され、それぞれから同時に外部の海中などに放射される。海中に放射されて海中の魚体などで生じた反射波は、送受共用の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに受信され、増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２で増幅される。
【００１７】
増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２で増幅された受信反射波は、サンプリング回路ＳＰＬ１，ＳＰＬ２において、第１，第２のサンプリング信号ｓｐ_i，ｓｐ_qによってサンプリングされ、ディジタル信号に変換される。第１のサンプリング回路ＳＰＬ１から出力されるディジタル受信信号ｐ₁，ｑ₁は後段の複素信号合成回路ＣＭＰＸ１においてディジタル複素信号ｒ₁＝ｐ₁＋ｊｑ₁に変換され、位相差検出回路ＡＲＧと加算回路ＡＤＤとに供給される。同様に、第２のサンプリング回路ＳＰＬ２から出力されるディジタル受信信号ｐ₂，ｑ₂は後段の複素信号合成回路ＣＭＰＸ２においてディジタル複素信号ｒ₂＝ｐ₂＋ｊｑ₂に変換され、位相差検出回路ＡＲＧと加算回路ＡＤＤとに供給される。
【００１８】
位相差検出回路ＡＲＧでは、ディジタル複素信号ｒ₁とｒ₂との複素共役積ｒ₁・ｒ₂ ^*から受信反射信号ａ₁，ａ₂の偏角ｇが算定され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。ディジタル加算回路ＡＤＤでは、ディジタル複素信号ｒ₁とｒ₂が加算され、この加算値ｈの絶対値ｓが絶対値回路ＡＢＳで算定され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値ｓとその出現時点と、偏角ｇとから二次元の表示データを作成し、表示部ＤＩＳに供給し、表示させる。
【００１９】
受信信号ａ₁，ａ₂の包絡線振幅をA(t)、搬送波の角周波数をω、位相をそれぞれφ₁，φ₂とおくと、
ａ₁＝A(t) cos (ωｔ＋φ₁）
ａ₂＝A(t) cos (ωｔ＋φ₂）
となる。
【００２０】
受信信号ａ₁を、標本化回路ＳＰＬ₁において、標本化信号ｓｐ_iと、遅延回路ＤＬＹによりｓｐ_iよりもτだけ遅延させた標本化信号ｓｐ_qとによって標本化する。時刻ｔに出現する標本化信号ｓｐ_iによる標本化受信信号ｐ₁(t) と、時刻ｔ＝ｔ＋τに出現する標本化信号による標本化受信信号ｑ₁(t) は、

となる。ここで、τを、
ωτ＝π／２
とすると、

となる。
【００２１】
複素合成器ＣＭＰＸ１において、ｐ₁(t) を実部とし、ｑ₁(t) を虚部とする複素数ｒ₁が合成される。すなわち、この複素数ｒ₁は、

である。ｒ₁は受信信号ａ₁の位相角( ωｔ＋φ₁) を偏角とする複素数となっている。
【００２２】
同様に、

となる。ｒ₂は受信信号ａ₂の位相角( ωｔ＋φ₂) を偏角とする複素数となっている。
【００２３】
従って、位相角計算部ＡＲＧにより、この複素数ｒ₁とｒ₂の複素共役積を計算し、その偏角ｇを計算すると、ＡＲＧの出力ｇは、

となる。このように、受信信号ａ₁，ａ₂間の位相差Δφが求まると、トランスジューサからみた魚体の方位角θｘが判明する。
【００２４】
加算回路ＡＤＤによる加算結果は、

となる。絶対値算定部ＡＢＳで算定されるｈの絶対値をｓとすれば、

となる。
【００２５】
図２は、図１のディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰの機能の一部構成を示すブロック図である。このディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、表示用データ記憶回路Ｄ１と、画面表示条件設定部Ｄ２と、画面表示データ生成部Ｄ３などから構成されている。表示用データ記憶回路Ｄ１は、図１の位相差検出回路ＡＲＧから供給される偏角ｇと、同じく図１の絶対値回路ＡＢＳから供給される加算された受信信号の振幅の絶対値ｓを、その出現時点から、図６に示すように表示用データをその送受信が行われた時点ごとに送信時点からの所定時間ごとにサンプリングされることにより決まる距離の順に配列して記憶する。
【００２６】
画面表示データ生成部Ｄ３は、前段の表示用データ記憶回路Ｄ１から供給される表示用データを、画面表示条件設定部Ｄ２から設定される画面表示条件に従って画面表示データを生成する。この生成された画面表示データは、図１の表示装置ＤＩＳに供給される。
【００２７】
画面表示条件設定部Ｄ２からは図示しない操作パネル上に設置されたツマミなどの操作によって表示条件に入力される。この表示条件は、切断面の切断位置や切断範囲、表示の着色と強度との関係などである。画面表示データ生成部Ｄ３は、画面表示条件設定部Ｄ２から設定される表示条件の変更に伴い、表示用データ記憶回路Ｄ１に保持中の表示用データを読み出して表示条件に従った画面表示データを生成する。
【００２８】
図３は、図１の超音波探査装置を船舶に搭載したときの角度を含む物体位置の三次元表示画面の一例である。直交三軸として船舶の舷側方向にｘ軸、深度方向にｙ軸、船舶の進行方向にｚ軸または時間軸ｔがそれぞれ設定される。左上の表示画面ａ）は船舶のｔ−ｙ断面、右上の表示画面ｂ）はｘ−ｙ断面、左下の表示画面ｃ）は、ａ）のｔ−ｙ断面を任意の深度ｙ１で水平に切断して示すｔ−ｘ断面である。各断面中のａ１，ｂ１，ｃ１は、現時点で検出された同一の反射物体である。
【００２９】
図３の表示画面では、船舶がｚ軸方向（時間軸ｔ方向）に進行しているため、ｚ軸方向への走査が船舶自体の移動に基づいて行われる。このため、方位角の検出は舷側方向のｘ軸方向についてだけ行われ、ｚ軸方向の方位角の検出は行われない。しかしながら、船舶が停止している場合など、必要に応じてｚ軸方向についての方位角の検出を行うこともできる。この場合、他の１対の超音波トランスジューサをｚ軸方向に離間して配置し、各超音波トランスジューサによる受信信号の位相差を検出すればよい。
【００３０】
図４は、図示しない操作パネルよりｔ−ｙ断面ａ）に画面表示条件を設定した場合の表示画面の一例である。ｘ−ｙ断面ｂ）は、上記ｔ−ｙ断面に表示される反射物体のうち時刻ｔ１とｔ２の間に存在するものだけを選択的に表示する場合を例示している。同様に、ｔ−ｘ断面ｃ）は、上記ｔ−ｙ断面に表示される反射物体のうち深度ｙ１とｙ２の間に存在するものだけを選択的に表示する場合を例示している。
【００３１】
このように、時刻や深度に関してある範囲を指定して表示させることにより、時刻や深度などの切断位置が多少ずれても目的とする反射物体を所望の断面内に確実に表示させることが可能になり、探査が容易・確実になる。また、深度範囲を指定することによって不要な海底線を除去し、この状態で海中の反射物体のみを表示させることが可能になり、切断面による表示がいっそう有効になる。画面表示ための時刻範囲と深度範囲を同時に指定することにより、任意の時刻範囲でかつ深度範囲に存在する反射物体を選択してｘ−ｙ断面やｔ−ｘ断面に表示させることもできる。
【００３２】
この種の水中用超音波探査装置では、物体の反射強度に応じた着色を付している。通常、反射強度が大きいほど赤色に近づくという具合に、強度に応じて自動的な着色が行われる。通常、海底からの反射強度が最大となるため、海底線が赤色で画面表示される。図５の場合のように深度範囲を指定して海底線を消去したのち、画面表示される海中の反射物体を赤色で表示するように、表示条件を変更することができる。この着色の変更は、指定した深度範囲に存在する表示用データの反射強度を一律に増加させることによって容易に実現できる。このような機能を利用することにより、プランクトンの塊など通常は反射強度が微弱なため赤色では表示されない反射体を赤色で目立つように表示させることもできる。
【００３３】
上述した、表示範囲や着色などの表示条件の変更に伴う表示画面の変更は、表示用データを表示用データ記憶回路Ｄ１に保持させておくことによって可能になる。２個の受信信号の位相差から反射物体の方位角を検出する構成では、表示用データが距離、方位角、反射強度から成るコードデータなどで構成される小容量のデータであるため、表示用データ記憶回路Ｄ１を比較的小容量の経済的な記憶装置で実現できる。
【００３４】
図５は、指定されたある時刻の範囲に存在する３個のｘ−ｙ断面ａ），ｂ），ｃ）を合成することによって一つの表示用合成画面、ｘ−ｙ断面ｄ）を作成する例を説明する概念図である。合成画面中の物体ｄ１は、単独の画面ａ），ｂ），ｃ）中の物体ａ１，ｂ１，ｃ１について、同一位置（ｘ，ｙ）に出現する部分のなかから反射振幅が最大のものを選択しながら重畳することにより作成される。各図の下部に破線で示した海底線については、単独の画面ａ），ｂ），ｃ）中の海底線のうち重なり合う部分については最小の深度のものを選択しながら合成することにより合成画面ｄ）が作成される。
【００３５】
本発明の超音波探査装置では、超音波信号を送信し、反射物体で生じた反射信号を２個の超音波トランスジューサで受信するという超音波信号の送受信動作を１回だけ行うことにより、ある角度範囲にわたる広い空間から多次元の位置データが取得される。この結果、ある角度範囲を電子的あるいは機械的に走査するという従来の構成に比べて、簡易・安価になるという利点もある。その反面、１回の送受信で限られた量の反射物体の位置データを取得しているため、探査対象の空間が広くなるにつれて、１回の送受信で取得可能な位置データの空間密度が低下し、確度や精度の低下を招くおそれがある。
【００３６】
上述した欠点を補うため、本発明の一つの好適な実施例として、上述のように複数回の送受信によって取得される位置・強度データの合成が行われる。
【００３７】
以上、船舶が移動しながら反射物体の舷側方向の方位角を検出していく場合を例示した。しかしながら、船舶が停止した状態で前後についても反射物体の方位角を検出する場合にも本発明を適用できる。
【００３８】
また、魚群探知機への応用を例にとって本発明の超音波探査装置を説明した。しかしながら、本発明は魚群探知機への応用に限定されず、空中に超音波を送信する適宜な種類の超音波探査装置についても適用できる。
【００３９】
さらに、超音波信号の送受信の周期Ｔや搬送波の周波数を固定する場合を例示した。しかしながら、これらについては、船速や探査対象の反射物体の大きさや種類、あるいは海底の変化の様子に応じて、自動的にあるいは操作者の指令に基づき変化させる構成とすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の超音波探査装置によれば、表示処理部が表示用データを保存し、この保存中の表示用データを変更された表示条件に従って遡及して処理し直すことにより遡及的に変更された画面表示データを作成する手段を備える構成であるから、表示の条件が遡及的に変更された画面が表示可能となり、潜在的に大きな探知能力を有する多次元表示方法に適した画面表示方法が提供される。
【００４１】
本発明の好適な実施の形態によれば、表示処理部が、断面の中にこれに直交する軸に沿って一定の幅を有する領域に含まれる反射物体を合成して表示する手段を備える構成であるから、断面位置を厳密に指定しなくとも断面中で過去のデータを探査することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰの構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図１の超音波探査装置による多次元的な表示画面の例を示す概念図である。
【図４】ｔ−ｙ断面ａ）中で指定された時間幅と深度幅内に存在する物体を表示するｘ−ｙ断面ｂ）およびｔ−ｙ断面ｃ）を例示する概念図である。
【図５】指定されたある時間範囲に存在する３個のｘ−ｙ断面ａ），ｂ），ｃ）を合成することによって一つの表示用合成画面、ｘ−ｙ断面ｄ）を作成する例を説明する概念図である。
【図６】図１のディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）で検出された反射物体の位置データの一例を示す概念図である。
【図７】２個の受信信号の位相差に基づく反射物体の方位角の検出の原理を説明するための概念図である。
【符号の説明】
CNT コントローラ
TX 送信回路
TD1,TD2 超音波トランスジューサ
SPL1,SPL2 サンプリング回路
CPMX1,CMPX2 複素合成回路
ARG 位相差検出回路
ADD 加算回路
ABS 絶対値回路
DSP ディジタル・シグナル・プロセッサ
DIS 表示装置

Claims

超音波信号を送信する送信部と、この送信された超音波信号の反射物体による反射波を受信し受信信号を出力する複数の受信素子を備え、所定のサンプリング周期で時間的に離散化されたディジタル受信信号を出力する受信部と、前記複数の受信素子の配置と各受信素子から出力される受信信号の位相差とから前記反射物体の方位を検出する方位検出部と、前記受信信号の出現時点および振幅から前記反射物体の距離および反射強度を検出する距離・反射強度検出部と、前記検出された方位、距離および反射強度を含む離散化された表示用データに基づき画面表示データを作成し、前記移動体の真横方向、垂直方向、移動方向を同順に直交三軸ｘ，ｙ，ｚ（または時間軸ｔ）とする直交座標を設定した場合に、前記画面表示データを各軸の一つに直交する（ｘ−ｙ），（ｘ−ｔ），（ｙ−ｔ）断面図中に前記反射物体として表示する表示処理部とを備え、移動体に搭載される超音波探査装置であって、
前記表示処理部が、過去の前記表示用データを記憶する表示用データ記憶回路と、画面の表示条件を設定する条件設定手段と、前記表示条件に従って画面表示データを作成する画面表示データ作成手段と、前記表示用データ記憶回路に記憶されている表示用データを変更された表示条件に従って遡及して処理し直すことにより遡及的に変更された画面表示データを作成する遡及処理手段とを備えたことと、
前記表示処理部が、前記（ｙ−ｔ）断面の中に、 2 枚の平面ｙ＝ｙ 1 ，ｙ 2 、又は、ｔ＝ t 1 ， t 2 ( ただし、ｙ 1 ，ｙ 2 ， t 1 ， t 2 はいずれも任意の定数 ) で囲まれる領域を設定する手段と、この設定された領域内に含まれる前記表示用データを合成して、（ｘ−ｙ）断面図、又は、（ｘ−ｔ）断面図上に表示し、又は、この設定された領域内に含まれる前記表示用データについて画面の表示条件を変更する手段を備えたことと、
を特徴とする超音波探査装置。
請求項１において、
前記変更された表示条件は、前記設定した 2 枚の平面ｙ＝ｙ 1 ，ｙ 2 で囲まれる領域内の表示用データの反射強度を一律に増加させるものであることを特徴とする超音波探査装置。
請求項１又は２のいずれかにおいて、
前記表示処理部は、過去の表示用データを複数のものについて累加することにより前記画面表示データを作成する手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。