JP3994003B2

JP3994003B2 - 超音波探査装置

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Publication number: JP3994003B2
Application number: JP2001396278A
Authority: JP
Inventors: 和弘森口; 景義片倉; 隆哉松瀬; 日出樹遠藤; 奈緒美松木; 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: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003194935A

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１０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、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、構成が簡易・安価になるという利点を有する。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、取得可能な位置データの空間的な密度が減少し、確度や精度が低下する。このため、画面の表示が操作者にとって視認しにくくなるという問題がある。
【０００９】
従って、本発明の一つの目的は、構成が簡易・安価であるという利点を保ったまま、確度と精度を向上させた超音波探査装置を提供することにある。
【００１０】
【課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に基づき表示用データを作成し、前記反射物体を画面表示する表示処理部とを備えている。そして、前記表示処理部は、前記表示用データのうち方位および反射強度を過去の複数のものについて、反射強度を長さとし、方位を角度とするベクトルの合成により累加して画面表示する手段を備えることにより、構成が簡易・安価であるという利点を保ったまま、検出の確度や精度を向上させるように構成されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、表示処理部は、表示用データの累加に際し、過去のものに１より小さな重み付けの係数を乗算することにより、雑音の影響を軽減し高精度の検出を実現するように構成されている。
【００１２】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、表示用データの累加は、深度方向に記憶領域が分割されたラインメモリに蓄積されるように構成されている。
【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。
【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ｓｐ_iと、遅延回路ＤＬＹにより標本化信号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。
【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θ_x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、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。
【００２４】
図２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。
【００２５】
図３は、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表示用データを記録する記録回路の一例を示す概念図である。Ａ，Ｂ，Ｃ・・・は検出された受信信号の振幅値すなわち反射物体の反射強度（ａ，ｂ，ｃ・・・）と、方位角（θａ、θｂ，θｃ・・・）とを含む表示用データであり、各表示用データに付加された添字の１，２，３・・・は送受信が行われた時刻ｔ₀，ｔ₀＋Ｔ，ｔ₀＋２Ｔ・・・に対応するライン番号である。各時刻の表示用データは、深度（ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰで、超音波信号の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）ｙ₁，ｙ₂・・・ｙ_i，ｙ_j，ｙ_k・・・の順に配列されている。
【００２６】
図４は本発明の一実施例を説明する図である。図３の表示用データについて、深度ｙ_i，ｙ_j，ｙ_k・・・と、表示方位角α，β，γ・・・とが同一のものどうしを時間軸にそって累加した累加表示用データを示している。なお表示方位角α，β，γ・・・は図２ｂ）表示を行うための方位角分解能に対応して、量子化されている。このため、方位角θａ，θｂ，θｃ・・・は、上記表示方位角α，β，γ・・・のうちもっとも近い値とされる。一例として、深度ｙ_iの方位角αの位置に検出された表示用データＡ₂の振幅値ａ₂にＡ₅の振幅値ａ₅が累加されている。実際にはこの例では振幅値の平均値が作成される。深度と方位角が同一である対を持たない単一の表示用データＢ₃，Ｃ₁，Ｄ₃・・・については、そのまま単独で保持される。この図４の累加処理を受けた表示用データが画面表示される。
【００２７】
図５は、海底線の表示を例に累加表示の意義を説明する表示画面の一例を、ｘ−ｙ断面によって示す図である。位置データの検出時点ｔ＝ｔ₀，ｔ₀＋Ｔ，ｔ₀＋２Ｔ・・・の検出データを累加することなくそのまま画面表示するものとすれば、各時点について上下２段にわたって図示するようなものとなる。これら累加されない各画面では、表示画面の下方に右上がりに表示されている海底線が連続せず、離散的な線分や塊を形成している。これに対して、累加表示と記載した最後の表示画面では、各時刻の位置データを累加したものが表示される結果、下方の右上がりの海底線が連続した太い線分として明瞭に表示されている。
【００２８】
魚群探知機では、海底線の表示は魚群の探索に際して重要になる。このため、位置データを時間的に累加することにより連続的で明瞭な海底線を表示するこの超音波探査装置は大きな利点を有する。この超音波探査装置を設置した船舶が時間とともにｚ軸方向に移動しているため、ｘ−ｙ断面に出現する海底線は時間と共に変化する。従って、累加表示される海底線は、船舶の移動方向への平均値ということになり、移動方向への変化が大きいほど太い海底線が得られる。
【００２９】
図６は、本発明の他の実施例を説明する図である。この表示用データの累加回路は、シフト機能を備えたラインメモリＬＭと、ベクトル加算回路ＡＤと、係数器Ｋとから構成されている。また、ラインメモリＬＭの各記憶領域は、図３の記憶回路の深度ｙ₁，ｙ₂・・・ｙ_i，ｙ_j，ｙ_k・・・・に応じて分割されている。図３の各表示用データが、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰで読み出され、振幅値（反射強度）を長さとし、方位角を角度とするベクトル値に変換される。この変換された表示用データが対応する深度の記憶領域に記憶されている直前までの累加値と累加される。
【００３０】
時間Ｔの周期で新たな表示用データが作成されるたびに、各深度に対応した記憶領域の直前までの累加表示用データがラインメモリＬＭの内部をシフトされて出力され、係数器Ｋで係数ｋが乗算されたのち、ベクトル加算回路ＡＤの一方の入力端子に供給される。ベクトル加算回路ＡＤの他方に入力端子には、最新の表示用データが深度の順に配列されて供給される。ベクトル加算回路ＡＤでは、同一深度の表示用データについて、直前までの累加値と最新のものとがベクトル加算され、更新された最新の累加値データとなり、再び、ラインメモリＬＭ内の同一の深度に対応した記憶領域に書き込まれる。このラインメモリＬＭ内の各深度に対応するデータを読み出し、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰで振幅値と、方位角に変換し、図５の累加表示の表示用データとする。このようにすることにより、図４のような二次元配列のメモリ構成とすることなく、一次元のラインメモリ構成という簡易な構成とすることができる。
【００３１】
図７は、表示用データをベクトル加算する様子を説明するための概念図である。任意の深度の記憶領域について得られた直前までの累加表示用データに係数が乗算されたｋａ₁exp (jβ) に、同一の深度について得られた最新の表示用データａ₂exp (jα) がベクトル的に加算され、新たな累加表示用データ〔ｋａ₁exp (jβ) ＋ａ₂exp (jα) 〕／２が得られる。
【００３２】
図８に例示するように、同一の深度と方位について新たな表示用データＣ₁が得られない場合には、直前までの累加表示用データに係数ｋが乗算されたものが更新された最新の累加表示用データとなる。表示用データＣ₁が１回だけ出現した雑音のようなものであれば、累加のたびに大きさがｋ（＜１）倍ずつ減少してゆき、消滅するか無視できる値になる。この重み付けのために過去の表示用データに乗算する係数ｋの大きさは、適宜な大きさの固定とすることができる。
【００３３】
図５の例では、船舶の移動速度が増大するほど海底線の変化の速度が増大するので、累加された海底線は現在のものからずれてくる。この場合、係数ｋを減少させることにより、累加データに対する過去のデータの寄与の度合いを減少させることができる。このように、係数ｋを固定することなく、船速の増大につれて係数ｋを減少させるという具合に、船速に応じて係数ｋを動的に変化させることもできる。一般に、船速だけでなく、海底の変化の様子など動作環境や状況などの外部条件に応じて係数ｋを動的に変化させたり、操作者の指令に応じて随意に変化させる構成を採用することにより、いっそう良好な表示画面を作成することができる。
【００３４】
図９は表示用データをベクトル的に累加することの意義を説明するための概念図である。同図の（Ａ）に例示するように、直前までに得られた累加表示用データをｄ₁exp (jδ₁) とした場合において、最新の表示用データとして雑音成分ｄ₂exp (jδ₂) が出現したものとする。各表示用データをベクトル的に加算すると新たな累加表示用データとしてＺを得る。これに対して、図の（Ｂ）に示すように、両者についてベクトル的な加算を行う代わりに、長さＳ₁，Ｓ₂と、角度θ₁，θ₂のそれぞれについて代数的な加算を行い、最新の累加表示用データＺを得るものとする。（Ａ）と（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、ベクトル的な累加を行うことにより、代数的な累加を行うよりも雑音の影響を大幅に軽減できる。この例では、理解を容易にするため、方位角δ₁とδ₂の差について誇張が行われている。
【００３５】
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。
【００３６】
以上、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探査装置についても適用できる。
【００３７】
また、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。
【００３８】
【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は、過去の表示用データを複数累加して画面表示する構成であるから、超音波の１回の送受信によって取得可能な表示用データの空間密度が小さくなるというこの装置固有の問題点が有効に解決され、画面の表示が操作者にとって視認し易いものとなる。
【００３９】
また、表示処理部による表示用データの累加が反射強度を長さとし方位を角度とするベクトルの合成によって行われる構成であるから、雑音による表示画面の劣化が生じにくいという利点がある。
【００４０】
さらに、本発明では、反射強度を長さとし方位を角度とするベクトル加算を行い一次元のラインメモリに記録する構成としたことにより、簡易な構成で、メモリの使用量を減らせるという利点がある。
【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３】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４】図３の位置データについて、深度と方位角とが同一のものどうしを時間軸にそって累加した累加位置データである。
【図５】上記実施例の超音波探査装置において位置データを累加して表示する意義を説明するためのｘ−ｙ断面である。
【図６】上記実施例の超音波探査装置において位置データの累加をハードウェア的に行う位置データ累加回路の構成の一例を説明する機能ブロック図である。
【図７】図６の位置データ累加回路による位置データのベクトル加算の様子を説明するための概念図である。
【図８】上記実施例の超音波探査装置において同一の深度と方位について新たな位置データが得られない場合の図６の位置データ累加回路による処理の内容を説明するための概念図である。
【図９】上記実施例の超音波探査装置において、位置データをベクトル的に累加することの意義を説明するための概念図である。
【図１０】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
LM ラインメモリ
AD ベクトル加算器

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反射物体の方位を検出する方位検出部と、この検出された方位、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に基づき表示用データを作成し、前記反射物体を画面表示する表示処理部とを備えた超音波探査装置において、
前記表示処理部は、前記表示用データのうち方位および反射強度を過去の複数のものについて、反射強度を長さとし、方位を角度とするベクトルの合成により累加して画面表示する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、
前記表示処理部は、前記表示用データの累加に際し、過去のものに１より小さな重み付けの係数を乗算する手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
請求項２において、
前記重み付けの係数は、この超音波探査装置を搭載する船舶の航行速度その他の外部条件に応じて動的に変更されることを特徴とする超音波探査装置。