JP3959278B2 - 超音波探査装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、水中の魚体などの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、検出角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播所要時間から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、物体の方位を検出できないため、物体がすべて船舶の真下にあるかのように取り扱っている。
【０００３】
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受信素子で受信し、各受信素子の形状と配置で決まる方位関数と、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物体までの距離と反射強度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わ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。このように従来の物体までの距離と大きさに加えて、物体の方位を検出することにより、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６に示すように、ｘ軸方向（船舶の舷側）に矩形上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から同時に同一の信号が放射される。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と物体Ｗとの距離をＲ＋δＲとすれば、δＲ＝Ｌｓｉｎθｘで与えられる。物体Ｗで発生した超音波の伝搬速度をｃとする。一方のトランスジューサＴＤ１が反射波を受信してから他方のトランスジューサＴＤ２が反射波を受信するまでの時間差δｔ＝δＲ／ｃ＝Ｌｓｉｎθｘ／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たって持続するバースト状の波形などが使用される。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−ｙ断面、ｔ−ｙ断面、一定深度のｔ−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、超音波信号を送信し、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回だけ行なうことにより、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、構成が簡易・安価になるという利点を有する。また、水中の様子を種々の断面によって表示することも可能になる。
【０００９】
その反面、先行技術の装置では、１回の送受信で限られた量の物体の位置と反射強度とを含む表示用データを取得しているため、次のような問題がある。すなわち、探査対象の空間が広がるにつれて、取得可能な表示用データの空間的な密度が減少し、描画に必要な十分なデータが得られなくなる。特に、ｘ−ｙ断面中に連続的な線で表示されなければならない水底の線が描画対象データの不足のため不連続となり、この種の超音波探査装置に慣れ親しんできたユーザに違和感を与えかねないという問題がある。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
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た受信部と、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表示用データとして前記物体を画面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る。
【００１１】
そして、表示処理部は、表示用データから作成される水底線の候補となる複数の画像を所定の倍率、または、最隣接の画像どうしが重なりあう大きさとなる倍率で拡大する処理と、この拡大によって重なり合った大きな画像からその輪郭線を抽出する処理と、この抽出された輪郭線から最浅線を抽出する処理とを行うことによって、水底線を描画する補完描画手段を備えている。
そして、表示処理部は、表示用データに対して補完処理を行うことにより断面中に水底線を描画する補完描画手段を備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、補完描画手段は、反射強度が所定値以上で、所定の水平成分を有し、かつ所定の長さにわたって配列されている画像を、前記水底線の候補として選択する。
【００１３】
【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，遅延回路ＤＬＹ、複素合成回路ＣＭＰＸ１，ＣＭＰＸ２、位相差検出回路ＡＲＧ、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。
【００１４】
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。この超音波送信信号は、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。
【００１５】
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ｓｐi ，ｓｐq 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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
受信信号ａ1 を、標本化回路ＳＰＬ1 において、標本化信号ｓｐi と、遅延回路ＤＬＹにより標本化信号ｓｐi よりもτだけ遅延させた標本化信号ｓｐq とによって標本化する。時刻ｔに出現する標本化信号ｓｐi 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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
図２は、図１のディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰの一部の構成を示す機能ブロック図である。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、画面表示データ生成部Ｄ２、画面メモリＤ３、同期信号読出アドレス発生部Ｄ４、画面表示条件設定部Ｄ５を備えている。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とを、その出現時点とから図４に示すように、表示用データをその送信が行なわれた時点毎に、送信時点からの所定時間毎にサンプリングされることにより決まる深度の順に配列して記憶する。
【００２４】
画面表示データ生成部Ｄ２は、表示用データ記憶回路Ｄ１に記憶された表示用データから画面表示データを生成する。この画面表示データの生成は、画面表示条件設定部Ｄ５から設定される画面表示条件にしたがって、同期信号読出アドレス発生部Ｄ４から供給される同期信号読出アドレスに基づいて、表示用データ記憶回路Ｄ１から表示用データを読み出して行なわれる。この生成された画面表示データは、画面メモリＤ３に書き込まれ、同期信号読出アドレス発生部Ｄ４から供給される同期信号と読み出しアドレスに基づいて読み出され、図１の表示装置ＤＩＳに供給される。
【００２５】
画面表示条件設定部Ｄ５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が入力される。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、水底線の表示条件などである。画面表示データ生成部Ｄ２は、画面表示条件設定部Ｄ５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。
【００２６】
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−ｙ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物体である。例示した３種類の断面は一つの画面上に一緒に表示されてもよいし、指令に応じて一つずつあるいは二つずつ選択的に表示される構成であってもよい。
【００２７】
図３の表示画面では、船舶がｚ軸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。
【００２８】
図４は、表示用データ記憶回路Ｄ１に、表示用データを保持する方法の一例を示す概念図である。表示用データ記憶回路Ｄ１を構成する仮想的な二次元データメモリの一方のメモリアドレスは、送信時点から所定時間毎にサンプリングされることにより決まる反射物体までの距離Ｒである。この仮想的な二次元データメモリの他方のメモリアドレスは、超音波信号の送受信回数である。この超音波の送受信は通常一定周期で行なわれるので、メモリアドレスの送受信回数は、時刻や時間と等価である。
【００２９】
送信回数アドレスへのデータの書き込みは、最新の送受信によって取得された最新の表示用データが、最も先行する送受信によって取得された最古の表示用データを保持する送受信アドレスの領域に上書きされるという具合に、一定の送受信回数アドレス範囲内で循環的に行なわれる。各送受信回数アドレスの各深度アドレス領域に、表示用データの反射強度ｓと偏角ｇが記憶される。
【００３０】
図２の画面表示データ生成部Ｄ２は、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、画面表示条件設定部Ｄ５から指定されている表示条件に従って、表示画面を作成し、画面メモリＤ３に書き込む。この表示データの書き込みは、同期信号読出アドレス発生部Ｄ４から供給される同期信号によって示されるブランキング期間に行われる。この画面メモリＤ３からの表示データの読み出しは、上記ブランキング期間におけるデータの書き込みの終了後に開始される。
【００３１】
図５は、図２の表示処理部ＤＳＰの画面表示データ生成部Ｄ２によるｘ−ｙ断面に水底線を補完しながら描画する補完描画処理を説明するための概念図である。
【００３２】
まず、左上のｘ−ｙ断面ａ）に例示するように、物体の表示用データに対応した４個の画像ａ１、ａ２、ａ３、ａ４が内蔵のワークメモリ内に描画される。この例では、各画像の大きさは表示用データに含まれる反射強度の大きさとは無関係に、超音波送受信による物体の検出に際しての空間的な分解能で定まる一定値に設定される。また各画像に付される着色も各表示用データに含まれる反射強度の大きさとは無関係に、適宜な色彩に固定される。４個の画像は、前述した本発明に固有の性質、すなわち、取得される表示用データの空間密度の低さのため、相互に離間して表示されている。この不連続という点で、連続しているはずの水底線とは異なっている。
【００３３】
画面表示データ生成部Ｄ２は、水底線の補完描画処理を開始すると、まず、水底線の候補となる画像群の探索を開始する。この候補となる画像群は、各画像の特徴や、配列の特徴などに基づいて探索される。そのような画像の特徴としては、従来から知られているように、表示用データに含まれる反射強度が大きいことなどである。また、各画像の配列に関する特徴としては、魚体などの他の画像よりも深度が深いことや、複数個の画像がある程度の水平成分を有して、かつある程度の長さにわたって配列されていることなどである。この例では、左上のｘ−ｙ断面ａ）に例示する離間して配列される４個の画像とその配列の特徴から、これが水底線の候補画像群として抽出される。
【００３４】
次に、ｘ−ｙ断面ｂ）に例示するように、抽出された候補画像群を構成する各画像の寸法が拡大せしめられる。この拡大の倍率として、予め設定されている所定の値、あるいは、最隣接の画像どうしが重なり合う大きさとなる値のいずれかに設定される。この結果、拡大された４個の画像ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４が重なり合った大きな画像が作成される。
【００３５】
続いて、ｘ−ｙ断面ｃ）に例示するように、大きな画像について輪郭線ｃ１の抽出が行われる。この輪郭線ｃ１の抽出は、画像処理に関する公知の適宜な手法によって行うことができる。最後に、ｘ−ｙ断面ｄ）に例示するように、抽出された輪郭線の上半分のみを最浅線として残し、下半分を消去することにより曲線ｄ１が作成される。画面表示データ生成部Ｄ２は、このようにして作成した曲線ｄ１の長さを、予め設定されている所定値と比較する。曲線ｄ１が所定値以上であれば、これが水底線と見做され、ｘ−ｙ断面中に描画すべき水底線として画面メモリＤ３中に書き込まれる。描画された水底線の下方の部分には、地中であることを表示するための土色などの一様な色彩が付される。一方、曲線ｄ１が所定値未満であれば、水底線でないと見做され、廃棄される。
【００３６】
上記補完処理対象の水底線の画像が図５のｘ−ｙ断面ｅ）に示すようなものとする。この場合、上述したような候補画像群を抽出できないことが起こり得る。次に、かろうじて候補画像群が抽出できて補完描画を行ったものの、曲線ｄ１の長さが所定値に満たないなどの理由で、水底線がうまく描画できないことも起こり得る。このように水底線がうまく描画できない場合には、深度が最小の画像ｅ１を通る水平線Ｌが描画され、この水平線が水底線と見做される。
【００３７】
以上、水底線の補完描画処理を、画面表示データ生成部Ｄ２内のワークメモリ上で行う構成を例示したが、装置全体のメモリ容量の節減などを目的として、この水底線の補完描画処理を、画面メモリＤ３上で行う構成とすることもできる。
【００３８】
本発明の超音波探査装置では、超音波信号を送信し、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、所定角度範囲の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、所定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・安価という利点がある。その反面、１回の送受信で限られた量の物体の位置データを取得しているため、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、角度や精度の低下を招くおそれがある。しかし、水底線については、上述のような補完描画処理で対処できる。
【００３９】
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行く場合を例示した。しかしながら、船舶が停止した状態で前後についても物体の方位角を検出する場合にも本発明を適用できる。
【００４０】
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してその反射波を受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。
【００４１】
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、あるいは水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。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の水中用超音波探査装置は、表示用データから作成される水底線の候補となる複数の画像を拡大して隣接データどうしを重なりあわせ、この重なりをった大きな画像から輪郭線を抽出し、最浅線を抽出するという補完処理を行うことにより、断面中に水底線を描画する補完描画処理手段を備える構成であるから、本発明に固有の少ないデータ量のもとでも、ユーザが従来から慣れ親しんだ連続的な水底線が描画できるという効果が奏せられる。
【００４３】
本発明の好適な実施の形態によれば、補完描画手段は、反射強度が所定値以上で、所定の水平成分を有し、かつ所定の長さにわたって配列されている画像を、前記水底線の候補として選択する。
【００４４】
さらに、水底線より深い部分を同一色で描画することにより、水底とその他の部分との判別が容易となる。
【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の構成の一例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一例を示す概念図である。
【図４】図２の表示用データ記憶回路Ｄ１に、表示用データを保持する方法の一例を示す概念図である。
【図５】上記実施例における海底線の補完描画処理の内容を説明するためのｘ−ｙ断面である。
【図６】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
DLY 遅延回路
D1 表示用データ記憶回路
D2 画像表示データ生成部
D5 画面表示条件設定部
【発明が属する技術分野】
本発明は、水中の魚体などの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、検出角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播所要時間から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、物体の方位を検出できないため、物体がすべて船舶の真下にあるかのように取り扱っている。
【０００３】
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受信素子で受信し、各受信素子の形状と配置で決まる方位関数と、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物体までの距離と反射強度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わ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。このように従来の物体までの距離と大きさに加えて、物体の方位を検出することにより、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６に示すように、ｘ軸方向（船舶の舷側）に矩形上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から同時に同一の信号が放射される。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と物体Ｗとの距離をＲ＋δＲとすれば、δＲ＝Ｌｓｉｎθｘで与えられる。物体Ｗで発生した超音波の伝搬速度をｃとする。一方のトランスジューサＴＤ１が反射波を受信してから他方のトランスジューサＴＤ２が反射波を受信するまでの時間差δｔ＝δＲ／ｃ＝Ｌｓｉｎθｘ／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たって持続するバースト状の波形などが使用される。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−ｙ断面、ｔ−ｙ断面、一定深度のｔ−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、超音波信号を送信し、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回だけ行なうことにより、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、構成が簡易・安価になるという利点を有する。また、水中の様子を種々の断面によって表示することも可能になる。
【０００９】
その反面、先行技術の装置では、１回の送受信で限られた量の物体の位置と反射強度とを含む表示用データを取得しているため、次のような問題がある。すなわち、探査対象の空間が広がるにつれて、取得可能な表示用データの空間的な密度が減少し、描画に必要な十分なデータが得られなくなる。特に、ｘ−ｙ断面中に連続的な線で表示されなければならない水底の線が描画対象データの不足のため不連続となり、この種の超音波探査装置に慣れ親しんできたユーザに違和感を与えかねないという問題がある。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
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た受信部と、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表示用データとして前記物体を画面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る。
【００１１】
そして、表示処理部は、表示用データから作成される水底線の候補となる複数の画像を所定の倍率、または、最隣接の画像どうしが重なりあう大きさとなる倍率で拡大する処理と、この拡大によって重なり合った大きな画像からその輪郭線を抽出する処理と、この抽出された輪郭線から最浅線を抽出する処理とを行うことによって、水底線を描画する補完描画手段を備えている。
そして、表示処理部は、表示用データに対して補完処理を行うことにより断面中に水底線を描画する補完描画手段を備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、補完描画手段は、反射強度が所定値以上で、所定の水平成分を有し、かつ所定の長さにわたって配列されている画像を、前記水底線の候補として選択する。
【００１３】
【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，遅延回路ＤＬＹ、複素合成回路ＣＭＰＸ１，ＣＭＰＸ２、位相差検出回路ＡＲＧ、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。
【００１４】
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。この超音波送信信号は、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。
【００１５】
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ｓｐi ，ｓｐq 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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
受信信号ａ1 を、標本化回路ＳＰＬ1 において、標本化信号ｓｐi と、遅延回路ＤＬＹにより標本化信号ｓｐi よりもτだけ遅延させた標本化信号ｓｐq とによって標本化する。時刻ｔに出現する標本化信号ｓｐi 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、
ωτ＝π／２
とすると、
【００１９】
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、
【００２０】
同様に、
【００２１】
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、
【００２２】
加算回路ＡＤＤによる加算結果は、
【００２３】
図２は、図１のディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰの一部の構成を示す機能ブロック図である。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、画面表示データ生成部Ｄ２、画面メモリＤ３、同期信号読出アドレス発生部Ｄ４、画面表示条件設定部Ｄ５を備えている。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とを、その出現時点とから図４に示すように、表示用データをその送信が行なわれた時点毎に、送信時点からの所定時間毎にサンプリングされることにより決まる深度の順に配列して記憶する。
【００２４】
画面表示データ生成部Ｄ２は、表示用データ記憶回路Ｄ１に記憶された表示用データから画面表示データを生成する。この画面表示データの生成は、画面表示条件設定部Ｄ５から設定される画面表示条件にしたがって、同期信号読出アドレス発生部Ｄ４から供給される同期信号読出アドレスに基づいて、表示用データ記憶回路Ｄ１から表示用データを読み出して行なわれる。この生成された画面表示データは、画面メモリＤ３に書き込まれ、同期信号読出アドレス発生部Ｄ４から供給される同期信号と読み出しアドレスに基づいて読み出され、図１の表示装置ＤＩＳに供給される。
【００２５】
画面表示条件設定部Ｄ５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が入力される。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、水底線の表示条件などである。画面表示データ生成部Ｄ２は、画面表示条件設定部Ｄ５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。
【００２６】
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−ｙ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物体である。例示した３種類の断面は一つの画面上に一緒に表示されてもよいし、指令に応じて一つずつあるいは二つずつ選択的に表示される構成であってもよい。
【００２７】
図３の表示画面では、船舶がｚ軸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。
【００２８】
図４は、表示用データ記憶回路Ｄ１に、表示用データを保持する方法の一例を示す概念図である。表示用データ記憶回路Ｄ１を構成する仮想的な二次元データメモリの一方のメモリアドレスは、送信時点から所定時間毎にサンプリングされることにより決まる反射物体までの距離Ｒである。この仮想的な二次元データメモリの他方のメモリアドレスは、超音波信号の送受信回数である。この超音波の送受信は通常一定周期で行なわれるので、メモリアドレスの送受信回数は、時刻や時間と等価である。
【００２９】
送信回数アドレスへのデータの書き込みは、最新の送受信によって取得された最新の表示用データが、最も先行する送受信によって取得された最古の表示用データを保持する送受信アドレスの領域に上書きされるという具合に、一定の送受信回数アドレス範囲内で循環的に行なわれる。各送受信回数アドレスの各深度アドレス領域に、表示用データの反射強度ｓと偏角ｇが記憶される。
【００３０】
図２の画面表示データ生成部Ｄ２は、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、画面表示条件設定部Ｄ５から指定されている表示条件に従って、表示画面を作成し、画面メモリＤ３に書き込む。この表示データの書き込みは、同期信号読出アドレス発生部Ｄ４から供給される同期信号によって示されるブランキング期間に行われる。この画面メモリＤ３からの表示データの読み出しは、上記ブランキング期間におけるデータの書き込みの終了後に開始される。
【００３１】
図５は、図２の表示処理部ＤＳＰの画面表示データ生成部Ｄ２によるｘ−ｙ断面に水底線を補完しながら描画する補完描画処理を説明するための概念図である。
【００３２】
まず、左上のｘ−ｙ断面ａ）に例示するように、物体の表示用データに対応した４個の画像ａ１、ａ２、ａ３、ａ４が内蔵のワークメモリ内に描画される。この例では、各画像の大きさは表示用データに含まれる反射強度の大きさとは無関係に、超音波送受信による物体の検出に際しての空間的な分解能で定まる一定値に設定される。また各画像に付される着色も各表示用データに含まれる反射強度の大きさとは無関係に、適宜な色彩に固定される。４個の画像は、前述した本発明に固有の性質、すなわち、取得される表示用データの空間密度の低さのため、相互に離間して表示されている。この不連続という点で、連続しているはずの水底線とは異なっている。
【００３３】
画面表示データ生成部Ｄ２は、水底線の補完描画処理を開始すると、まず、水底線の候補となる画像群の探索を開始する。この候補となる画像群は、各画像の特徴や、配列の特徴などに基づいて探索される。そのような画像の特徴としては、従来から知られているように、表示用データに含まれる反射強度が大きいことなどである。また、各画像の配列に関する特徴としては、魚体などの他の画像よりも深度が深いことや、複数個の画像がある程度の水平成分を有して、かつある程度の長さにわたって配列されていることなどである。この例では、左上のｘ−ｙ断面ａ）に例示する離間して配列される４個の画像とその配列の特徴から、これが水底線の候補画像群として抽出される。
【００３４】
次に、ｘ−ｙ断面ｂ）に例示するように、抽出された候補画像群を構成する各画像の寸法が拡大せしめられる。この拡大の倍率として、予め設定されている所定の値、あるいは、最隣接の画像どうしが重なり合う大きさとなる値のいずれかに設定される。この結果、拡大された４個の画像ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４が重なり合った大きな画像が作成される。
【００３５】
続いて、ｘ−ｙ断面ｃ）に例示するように、大きな画像について輪郭線ｃ１の抽出が行われる。この輪郭線ｃ１の抽出は、画像処理に関する公知の適宜な手法によって行うことができる。最後に、ｘ−ｙ断面ｄ）に例示するように、抽出された輪郭線の上半分のみを最浅線として残し、下半分を消去することにより曲線ｄ１が作成される。画面表示データ生成部Ｄ２は、このようにして作成した曲線ｄ１の長さを、予め設定されている所定値と比較する。曲線ｄ１が所定値以上であれば、これが水底線と見做され、ｘ−ｙ断面中に描画すべき水底線として画面メモリＤ３中に書き込まれる。描画された水底線の下方の部分には、地中であることを表示するための土色などの一様な色彩が付される。一方、曲線ｄ１が所定値未満であれば、水底線でないと見做され、廃棄される。
【００３６】
上記補完処理対象の水底線の画像が図５のｘ−ｙ断面ｅ）に示すようなものとする。この場合、上述したような候補画像群を抽出できないことが起こり得る。次に、かろうじて候補画像群が抽出できて補完描画を行ったものの、曲線ｄ１の長さが所定値に満たないなどの理由で、水底線がうまく描画できないことも起こり得る。このように水底線がうまく描画できない場合には、深度が最小の画像ｅ１を通る水平線Ｌが描画され、この水平線が水底線と見做される。
【００３７】
以上、水底線の補完描画処理を、画面表示データ生成部Ｄ２内のワークメモリ上で行う構成を例示したが、装置全体のメモリ容量の節減などを目的として、この水底線の補完描画処理を、画面メモリＤ３上で行う構成とすることもできる。
【００３８】
本発明の超音波探査装置では、超音波信号を送信し、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、所定角度範囲の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、所定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・安価という利点がある。その反面、１回の送受信で限られた量の物体の位置データを取得しているため、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、角度や精度の低下を招くおそれがある。しかし、水底線については、上述のような補完描画処理で対処できる。
【００３９】
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行く場合を例示した。しかしながら、船舶が停止した状態で前後についても物体の方位角を検出する場合にも本発明を適用できる。
【００４０】
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してその反射波を受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。
【００４１】
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、あるいは水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。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の水中用超音波探査装置は、表示用データから作成される水底線の候補となる複数の画像を拡大して隣接データどうしを重なりあわせ、この重なりをった大きな画像から輪郭線を抽出し、最浅線を抽出するという補完処理を行うことにより、断面中に水底線を描画する補完描画処理手段を備える構成であるから、本発明に固有の少ないデータ量のもとでも、ユーザが従来から慣れ親しんだ連続的な水底線が描画できるという効果が奏せられる。
【００４３】
本発明の好適な実施の形態によれば、補完描画手段は、反射強度が所定値以上で、所定の水平成分を有し、かつ所定の長さにわたって配列されている画像を、前記水底線の候補として選択する。
【００４４】
さらに、水底線より深い部分を同一色で描画することにより、水底とその他の部分との判別が容易となる。
【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の構成の一例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一例を示す概念図である。
【図４】図２の表示用データ記憶回路Ｄ１に、表示用データを保持する方法の一例を示す概念図である。
【図５】上記実施例における海底線の補完描画処理の内容を説明するためのｘ−ｙ断面である。
【図６】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
DLY 遅延回路
D1 表示用データ記憶回路
D2 画像表示データ生成部
D5 画面表示条件設定部
Claims (3)
- 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た受信部と、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表示用データとして前記物体を画面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において、
前記表示処理部は、前記表示用データから作成される水底線の候補となる複数の画像を所定の倍率、または、最隣接の画像どうしが重なりあう大きさとなる倍率で拡大する処理と、この拡大によって重なり合った大きな画像からその輪郭線を抽出する処理と、この抽出された輪郭線から最浅線を抽出する処理とを行うことによって、水底線を描画する補完描画手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。 - 請求項１において、
前記補完描画手段は、反射強度が所定値以上で、所定の水平成分を有し、かつ所定の長さにわたって配列されている画像を、前記水底線の候補として選択することを特徴とする超音波探査装置。 - 請求項２において、
前記補完描画手段は、前記水底線の候補となる画像が存在しない場合には、深度が最小の画像を通る水平線を前記水底線として描画することを特徴とする超音波探査装置。
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