JP3994004B2 - 超音波探査装置 - Google Patents

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、反射波の視認性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８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。ここで、ｘーｙ断面、ｔーｙ断面は、指定された最大深度位置から順に最大深度位置まで、深度が増加する方向に描画処理されている。また、ｔーｙ断面は一定深度のみの表示である。
【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、従来の装置とは異なる多次元表示が行われるため、操作者による把握を容易にするにはどのような画面を表示したらよいかが問題となる。また、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、見落としが生じ易くなり、潜在的に大きな探知能力を十分に発揮できなくなるという問題がある。
【０００９】
さらに、先行技術の超音波探査装置では、１回の送受信で限られた量の反射物体の表示用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、取得可能な表示用データの空間的な密度が減少し、確度や精度が低下するという問題がある。また、ｔーｘ断面は一定深度の表示のみである。ここで、この断面に全ての深度の表示をすると、強い海底反射信号のため途中の魚体による反射信号が視認できないという問題がある。
【００１０】
従って、本発明の一つの目的は、潜在的に大きな探知能力を有する多次元表示に適した把握が容易な画面表示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の探査に適した画面表示を提供することにある。本発明の更に他の目的は、構成が簡易・安価であるという利点を保ったまま、反射強度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た受信部と、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を表示用データとして画面表示する表示処理部とを備えて船舶に搭載される。
【００１２】
そして、上記表示処理部は、指定された最小距離の位置と最大距離の位置の間に存在する反射物体を対象とする平面図または俯瞰図から成る表示画面を作成する手段を備えることにより、あたかも肉眼で水中を覗きこんだかのような把握の容易な画面情報を操作者に提供することがができる。この結果、潜在的に大きな探知能力を有する多次元表示に適した画面表示が提供される。
【００１３】
本発明のさらに具体的な構成によれば、表示処理部は、上記指定された最大距離から最小距離までの範囲にわたって距離が減少する順に表示用データを処理してゆくことにより、先行の画像を単純に後発の画像で置き換えてゆくという簡易な描画処理によって、本願発明に特徴的な平面図を描画することができるように構成されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記作成された平面図は、舷側方向と深度方向を直交二軸とする断面図と、進行方向と深度方向を直交二軸とする断面図と共に表示される。
【００１５】
本発明の他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を過去の複数のものについて累加することにより手段を備えることにより、表示データの確度と精度を高めるように構成されている。
【００１６】
本発明の更に他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を、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うことにより雑音の影響を軽減し、表示データの確度と精度を一層高めるように構成されている。
【００１７】
【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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、基本構成と同様に、

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。
【００２６】
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。
【００２７】
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および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深度の順に配列して記憶する。
【００２８】
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従って、同期信号・アドレス発生部Ｄ４から供給される同期信号・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だして行われる。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出アドレスに基づいて読出され、図１の表示装置ＤＩＳに供給される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。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。
【００３１】
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。
【００３２】
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ごと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とである。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の周期で行われるので、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。
【００３３】
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回数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の範囲内で循環的に行われる。各送受信回数アドレスの各距離アドレスの記憶領域に、表示用データの反射強度ｓと偏角ｇが記憶される。
【００３４】
図２の画面表示データ生成部Ｄ２は、表示用記憶回路Ｄ１に保持中の表示用データを読出し、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に書込む。この表示データの書込みは、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出しは、上記ブランキング期間におけるデータの書込みの終了後に開始される。
【００３５】
図５は、表示画面として平面図を描く場合の一例を説明するための概念図である。まず、直交三軸（ｘ，ｙ，ｚ／ｔ）の設定の仕方は前述した図３の場合と同一である。すなわち、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ｔ−ｙ断面ａ）と、右上のｘ−ｙ断面ｂ）は図３の場合と同一である。図３と異なる点は、左下の表示画面ｃ）が図３では指定された深度ｙ１で水平に切断して示すｔ−ｘ断面であるのに対して、図５では海面と海底の間に存在する反射物体を対象とする平面図を作成し表示している点である。なお、表示画面中の反射物体ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ｂ１，ｂ４，ｃ１，ｃ２，ｃ３・・・のうち同一の数字の添字が付されたものは、各表示画面中に異なるアルファベットが付されて出現する同一の反射物体であることを示しているす。
【００３６】
図５ｃ）の平面図は、画面表示データ生成部Ｄ２が、図４に例示したような構成の表示用データを、操作者が画面表示条件設定部Ｄ５から設定した最大深度（図４の距離アドレスｍ）から最小深度の海面までの範囲にわたって、深度が減少する順に、描画処理してゆくことによって作成される。この画面表示データ生成部Ｄ２による描画処理は、表示用データの反射強度ｓに対応して異なる色彩や濃淡の属性の画像を描画することによって行われる。
【００３７】
図５ｃ）の平面図では、まず、最大深度（図４の距離アドレスｍ）のデータが描画される。順次最大深度から上方に向かって描画してゆくと、海底が描画され、さらに、海底から少し上方の海中に浮遊している魚体とおぼしき反射物体ｃ１とｃ３が描画される。この反射物体ｃ１とｃ３の描画は、それぞれの二次元位置に先行して描画された海底の画像をこれら反射物体ｃ１とｃ３の画像でそれぞれ置き換えることによって行われる。最後に、さらに小さな深度の海中に浮遊する魚体とおぼしき反射物体ｃ２が描画される。この反射物体ｃ２の描画も、先行して描画された海底の画像をこの反射物体ｃ２の画像で置き換えることによって行われる。この動作を送受信アドレスの０からｎまで行うことにより、平面図が描画される。一度の描画処理によって描かれる反射物体の画像の大きさは、超音波の送受信によって検出可能な分解能の大きさに相当する一定の寸法に設定することもできるし、信号の反射強度の増加に応じて増加する寸法に設定することもできる。
【００３８】
このように、本発明に特徴的な平面図の描画に際しては、深度の大きな箇所から順次に深度の小さな箇所へと反射物体の描画が行われる。仮に、この描画の順次を逆にして、深度の小さい箇所から深度の大きな箇所へと描画を行うものとすれば、大きな問題が生じる。すなわち、そのような描画の方法では、描画の最終段階において表示画面全域に海底が出現するため、先行して描画された海中の反射物体が、最後に描画される海底で置き換えられてしまう。このように、描画の順序を深度の大きい箇所から深度の小さな箇所へと選択することにより、先行の描画画像を後続の描画画像で置き換えるという単純な描画方法によって本願発明に固有の平面図を表示することができる。
【００３９】
図６は、この実施例の超音波探査装置で採用される他の表示画面を例示する概念図である。本図において、ｔ−ｙ断面ａ）とｘ−ｙ断面ｂ）については、説明済みの図５のｔ−ｙ断面図ａ）とｘ−ｙ断面ｂ）とほぼ同じである。図５の表示画面と異なる点は、平面図ｃ）に描画される反射物体の画像に対する属性の付与方法である。すなわち、図５では信号強度に応じた色や濃淡が反射物体の画像に与えられたのに対して、図６では、深度に応じた色や濃淡の属性が反射物体の画像に与えられる。
【００４０】
図６の表示画面では、反射物体の色や濃淡などの属性が深度に応じて与えられているので、画像の属性からその反射物体の深度を直截的に把握できるという利点がある。また、海底の画像も深度に応じた異なる属性が与えられるので、海底の凹凸についてもこの平面図によって容易に認識できるという利点がある。この例では、反射強度は、一回で描画する画像の寸法を決定する用途などに利用することができる。
【００４１】
図５や図６に例示した平面図は、海底から海面までの深度の範囲にわたって透明な海水中に存在する反射物体を、画面中央の十分高い位置から見下ろしたと仮定した場合の景観に相当する。最浅部のトランスジューサの残響による画像の乱れを防止するために、平面図に表示する深度の範囲の最小値を海面下の適宜な深度に設定してもよい。また、海底の一部又は全部を表示画面から消去するために、深度の範囲の最大値を海底よりも浅い適宜な深度に設定することもできる。
【００４２】
さらに、表示範囲の深度に存在する反射物体を平面図で表示する代わりに、船舶の現在位置の海面や上空など指定した適宜な箇所から見おろした俯瞰図で表示する構成とすることもできる。このように、指定した所定の深度範囲に存在する反射物体を平面図や俯瞰図で表示することにより、あたかも、肉眼で海中を覗き込んだかのような三次元表示画面が得られる。この結果、認識が容易になり利便性が大幅に向上する。
【００４３】
図７は、上述した画面表示データ生成部Ｄ２の描画処理を、詳細に説明するためのフローチャートである。この例では、表示用データ記憶回路Ｄ１には図４に例示したように表示用データが保持される。まず、画面表示データ生成部Ｄ２は、記憶回路から表示用データを読出すための読出しカウンタの送受信回数アドレスを初期値０に設定し（ステップＳ１）、続いて、深度アドレスは初期値ｍに設定する（ステップＳ２）。
【００４４】
次に、画面表示データ生成部Ｄ２は、表示用データを読出し（ステップＳ３）、画面表示条件として設定されている表示選択フラグを検査し（ステップＳ４）、この検査内容に従って、強度Ｓに対応する色又は濃淡の画像を画面メモリＤ３の表示位置に書き込み（ステップＳ５）、あるいは、深度に対応する色又は濃淡の画像を表示位置に描画する（ステップＳ６）。続いて、画面表示データ生成部Ｄ２は、深度アドレスが０になったか否かを判定し（ステップＳ７）、否であれば深度アドレスを１だけ減少させ（ステップＳ８）、ステップＳ３に戻って上述の描画処理を反復する。
【００４５】
画面表示データ生成部Ｄ２は、深度アドレスが０になったことをステップＳ７で判定すると、送受信回数アドレスが最大値のＮになった否かの判定を行い（ステップＳ９）、否であれば送受信回数アドレスを１だけ増加させ（ステップＳ１０）、ステップＳ２に戻って上述した描画処理を反復する。画面表示データ生成部Ｄ２は、送受信回数アドレスが最大値のＮになったことをステップＳ９で判定すると、１画面の作成処理を終了する。
【００４６】
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、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・安価で処理や保存対象のデータ量も少なくなるという利点がある。その反面、１回の送受信で限られた量の反射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、確度や精度の低下を招くおそれがある。
【００４７】
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、複数回の送受信によって取得される表示用データの合成が行われる。すなわち、超音波の１回の送受信によって取得される表示用データを複数回にわたって重ね合わされて作成される１個の合成表示用データが、画面表示のために処理され、表示用データとして保存される。以下、これを図９乃至図１３を参照して説明する。
【００４８】
図９は、図４の表示用データについて、距離Ｒ _i ，Ｒ _j ，Ｒ _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３ｂ）の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、図４に保持されている表示用データから計算される方位角は、上記表示方位角α，β，γ・・・のうち最も近い値とされる。一例として、距離Ｒ _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。距離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９の累加処理を受けた表示用データが画面表示される。
【００４９】
図１０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の各記憶領域は深度に応じて分割されており、それぞれの領域には表示用データの直前までの累加値が保持される。この各領域に保持される表示用データの累加値は、それぞれに含まれる受信信号の振幅値（反射強度）を長さとし、方位角を角度とするベクトルで表現されている。
【００５０】
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に記憶された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、同一深度の位置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表示用データとなって再び、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出し、該当の送受信回数アドレスに書き込む。
【００５１】
図１１は、図１０の表示用データ累加回路による表示用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。任意の深度と方位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ｋａ₁ exp (jβ）に、同一の深度について得られた最新の表示用データａ₂ exp (jα) がベクトル的に加算され、新たな累加表示用データ〔ｋａ₁ exp (jβ) ＋ａ₂ exp (jα) 〕／２が得られる。
【００５２】
図１２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。
【００５３】
図１３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位置データをｄ₁ exp (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ｄ₂ exp (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位置データとして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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
【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によれば、表示処理部が、指定された最小深度の位置と最大深度の間に存在する反射物体を対象とする平面図または俯瞰図から成る表示画面を作成する手段を備える構成であるから、あたかも肉眼で水中を覗き込んだかのような表示画面が得られる。この結果、操作者が表示された情報を直截的に把握することができる。すなわち、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把握が容易な表示画面が提供される。
【００５８】
本発明によれば、指定された最大深度から最小深度までの範囲にわたって深度が減少する順に位置・強度データが処理されていく構成であるから、先行の描画画像を単純に後発の描画画像で置き換えてゆくという簡易な描画処理によって、本発明の特徴的な平面図を作成し表示できるという利点がある。
【００５９】
本発明の好適な実施の形態によれば、表示処理部はリアルタイム処理前の表示用データを過去の複数のものについて累加することにより表示用データを作成する手段を備える構成であるから、表示データの確度と精度が高められるという利点がある。
【００６０】
また、本発明の他の好適な実施の形態によれば、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。
【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Ｄ２に、表示用データを記憶する方法の一例を示す概念図である。
【図５】表示画面として本発明の平面図を描く場合の一例を説明するための概念図である。
【図６】表示画面として本発明の平面図を描く場合の他の一例を説明するたその概念図である。
【図７】画面表示データ生成部Ｄ２の描画処理を詳細に説明するためのフローチャートである。
【図８】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。
【図９】表示用データについて、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表示用データである。
【図１０】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１１】表示用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１２】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１２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１３】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。
【符号の説明】
CNT コントローラ
TX 送信回路
TD1,TD2 超音波トランスデューサ
SPL1,SPL2 サンプリング回路
CMPX1,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
D1 表示用ディジタル記憶回路
D2 画面表示データ生成部
D3 画面メモリ
D4 同期信号読出アドレス発生部
D5 画面表示条件設定部

Claims (5)

1. 水中に超音波信号を送信する送信部と、船舶の舷側方向に離間して配置され、前記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舷側方向へ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舷側方向の方位を検出する方位検出部と、この検出された反射物体の舷側方向の方位ならびに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、前記検出された反射物体の舷側方向の方位、距離および反射強度から、深度、舷側方向の距離および反射強度を表示用データとして前記反射物体を画面表示する表示処理部とを備え、船舶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、指定された水中の最大深度から最小深度までの範囲にわたり、深度の大きな箇所から深度の小さな箇所へと、前記表示用データの反射強度または深度に応じた属性の画像を、先行のものを後続のもので置き換えながら順次、描画してゆくことにより、舷側方向と進行方向とを直交二軸とし前記指定された水中の最小深度の位置と水中の最大深度の位置との間に存在する前記反射物体を透視した平面図を作成し、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。
2. 請求項１において、
   前記作成された平面図は、舷側方向と深度方向を直交二軸とする断面図と、進行方向と深度方向を直交二軸とする断面図と共に表示されることを特徴とする超音波探査装置。
3. 請求項１または２のいずれかにおいて、
   前記表示用データの反射強度または深度に応じた属性は、色彩、濃淡もしくは前記画像の寸法又はこれらの組合せであることを特徴とする超音波探査装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記表示処理部は、前記表示用データを過去の複数のものについて累加する手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
5. 請求項４において、
   前記表示処理部は、前記表示用データの累加を、前記反射強度を長さとし前記方位を角度とするベクトルの合成によって行うことを特徴とする水中用超音波探査装置。

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