JP4061115B2 - Ultrasonic probe - Google Patents

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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的または三次元的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、検出の精度と分解能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。最も簡易な魚群探知機では、反射波の到来方向、すなわち、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われている。
【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、あるいは、単一の超音波トランスジューサの向きを変化させるという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、このため、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的または三次元的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トランスジューサで受信し、各トランスジューサの形状と配置で定まる方位関数と、各トランスジューサの受信信号の位相差とから反射波の到来方向、したがって、この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。
【0005】
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、反射物体の多次元的な位置が検知される。
【0006】
上記位相差による方位計測の原理を図7により説明する。同一の送信信号によって2個の超音波トランスジューサ(送受信素子)TD1とTD2を同時に駆動し、一定の広がり角度をもった探査領域に超音波ビームを照射する。図中の魚体Qで発生した反射信号は、超音波トランスジューサTD1,TD2に受信され、これら受信信号は独立に増幅され、受信信号a1 2 となる。各受信信号は、包絡線振幅をA(t)、角周波数をωとすると、
a 1 =A(t)cos( ωt+φ1 )
=A(t) {exp[ j (ωt+φ1 )] +exp[ -j ( ωt+φ1 )]}・・・(1)
a 2 =A(t)cos( ωt+φ2 ) =
=A(t) {exp[ j (ωt+φ2 )] +exp[ -j ( ωt+φ2 )]}・・・(2)
である。
【0007】
ここで、図7に示すように、反射体の方位をθ、超音波トランスジューサの間隔をμ、超音波の波数をk(=2π/ λ, λ: 波長)とすると、受信信号の位相差 φ1 - φ2 (=Δφ) について、
Δφ= φ1 - φ2 = k ε≒k μsin θ≒ kμθ ・・・(3)
という関係が成立する。また、図7におけるtdが反射物体までの距離に対応する送受信信号間の超音波信号の伝搬所要時間であり、反射物体までの距離をL、超音波の水中伝搬速度をcとすると、td=2L/cである。
【0008】
上記位相差方式の超音波探査装置の構成を図8に示す。制御部CNTからの起動指令により、送信部TXが送信電気信号を発生し、2個の超音波トランスジューサTD1とTD2を同時に駆動する。D1とD2は、送受信の分離を行うための、逆接続ダイオードである。魚体Qからの反射信号は、トランスジューサTD1,TD2によりそれぞれ受信され、独立に増幅され、信号a1 2 となる。
【0009】
信号変換部SCはこの受信信号a1 2 を複素位相信号c1 ,c2 に変換する。信号変換部SCにおいては、受信信号a1 、a2 と、CNTからの参照信号dとの乗算を行い、信号b1 、b2 を得る。ここで各信号はいずれも複素信号であり、それぞれ、
d = exp[ -j ωt]
1 = A(t){ exp ( jφ1 ) +exp [ -j ( 2ωt + φ1 )]}
2 = A(t){ exp ( jφ2 ) +exp [ -j ( 2ωt + φ2 )]}
である。
【0010】
この信号b1 、b2 から、低域濾波器により2ω成分を除去した信号がc1 、c2 であり、これらが複素位相信号
1 = A(t) exp( jφ1 )
2 = A(t) exp( jφ2 )
である。
【0011】
位相差算定部ARGにより、この信号c1 、c2 の複素共役積を計算し、その偏角gを計算する。従ってARGの出力gは、
g=Arg[c1 2 * ]=φ1 - φ2 = Δφ
となる。ここでArg[ ]は複素数の偏角を計算する演算子である。
【0012】
このように、信号間の位相差Δφが求まり、従って魚体の存在する方位θは、
θ≒Δφ/ (kμ)
と求まる。この方位角θと、超音波の送信から反射信号が到達するまでの超音波の伝播時間tdとから、反射物体の二次元位置を決定する。
【0013】
振幅算定部AMPにおいては、複素位相信号c1 、c2 を加算器により加算し、信号hとする。この信号hは
h= c1 + c2 = A(t) [ exp(jφ1 )+ exp ( jφ2 )]
である。さらに、この信号hの複素絶対値を求め、これを振幅信号sとする。従ってこの信号sは、
s=lh l=A (t)l exp ( jφ1 ) + exp (jφ2 ) l
=2A(t)cos{( φ1 - φ2 )/2 }
である。
【0014】
ここで、両送受波素子を単純に並列接続した、大口径受信による通常の狭ビーム受信信号uを考えると、これは受信信号a1 とa2 の和により与えられ、
u=a1 +a2
= A(t) cos( ωt+φ1 ) + A(t) cos( ωt+φ2 )
= 2 A(t) cos{ ( 2ωt+φ1 + φ2 )/2 }cos {( φ1 - φ2 )/2 }
である。このsとu との関係は、振幅信号sが、両送受波素子を並列接続した大口径受信による受信信号uの包絡線 2A(t) cos{( φ1 - φ2 )/2 }を与えることを示している。
【0015】
従って、sを表示部DISPに表示する信号強度情報として使用する事により、大口径による高い感度と鋭い指向性が利用可能となる。以上により得られた、反射信号強度sを、計測された反射体の二次元位置に、表示することにより水中の状況が描出される。
【0016】
この原理を使用し、図7の超音波トランスジューサTD1,TD2を鉛直下方に向けた構成が知られている。この構成における、二次元面内魚体位置の表示例を、図9により説明する。この画面において、(a)が通常の魚探映像であり、a1ーa3が単体魚のエコー、a4が海底、tが時間を示す。一方、(b)が船体下部x−y面内の海中状況を示す本発明によるセクタ断面図である。ここで、b1が断面内に存在する単体魚の映像であり、方位角がθから、距離が超音波の伝播時間から、映像の輝度、色彩、濃淡などの属性が受信信号の振幅sからそれぞれ与えられる。このセクタ断面図上のb1に示される映像は、通常の魚探映像表示においてa1に表示された魚体に対応する。また、セクタ断面図上のb4が海底の概略の形状である。また、画面(c)が、カーソルにより選択された、特定の深度y1におけるx−t断面の映像である。
【0017】
ここで、c1とc3はこの選択された断面上に存在する魚体の映像であり、a1とa3の魚体に対応する。一方、a2は深度y1の面外にあるため画面(c)には表示されていない。このような画面(a),(b),(c)を同一画面上に並列表示することにより、魚体の存在位置が三次元的に把握される。以上により、装置の基本構成が実現される。
【0018】
さらに、この原理を使用し、図10に示す超音波トランスジューサTD1〜TD4を、図11に示すように鉛直下方に向けた構成も知られている。この構成における、装置構成は図12の通りであり、4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4を設置される。M1〜M4は乗算部であり、LPF1〜LPF4は低域濾波器である。トランスジューサTD1〜TD2の受信信号間の位相差によりz−y平面内の方位が求まり、トランスジューサTD3〜TD4の受信信号間の位相差にからx−y平面内の方位が求まり、これによって、三次元空間内の方位角が決定される。
【0019】
この構成に基づく三次元空間内の魚体位置を表示する画面の一例は図13に示すようなものである。この表示画面において、(a)がy−z平面への投影映像を表示する画面であり、a1ーa2が単体魚のエコー、a3が海底を示す。一方、(b)がx−y平面への投影映像を表示する画面である。ここで、b1ーb2が単体魚の映像であり、方位がθ、距離が音波伝播時間td、表示の強度が信号sにより与えられる。この(b)上のb1に示される映像は、a)表示においてa1に表示された魚体に対応する。また、(b)図上のb3が海底の概略の形状である。また、画面(c)が、カーソルにより選択された、特定の深度y1におけるx−z断面の映像である。
【0020】
ここで、c1はこの選択された断面上に存在する魚体の映像であり、a1とb1の魚体に対応する。一方a2は深度y1の面外にあるため画面(c)には表示されていない。このような画面(a),(b),(c)を同一画面上に並列表示することにより、従来からも、鉛直下方における魚体の存在位置が三次元的に把握される。
【0021】
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的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。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の超音波探査装置では、遊漁船などの船舶の真下の領域を探査対象としている。このため、船舶が前進しながら探査によって魚群などを発見した場合、急な停船や後退、漁の開始の準備などの作業が慌ただしくなると問題がある。また、岩礁などが多い海域では前方の障害物を発見して座礁を防ぐことができないという問題もある。
【0023】
【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、送信素子が船舶の前方斜め下方に超音波ビームを放射し、複数の受信素子が船舶の前方で生じた反射波を受信可能に設置されることにより、少数の素子用いて前方の水中の反射物体の立体表示を実現可能とするように構成されている。
【0024】
本発明の超音波探査装置によれば、複数の受信素子が船舶の舷側方向(x軸方向)と深度方向(y軸方向)のそれぞれの第1,第2の位置に配列され、このような2種類の軸と2種類の位置のどちらを配列されるかに応じて選択される4種類の対を形成する4個の受信素子から成ることにより、超音波送受波器の使用効率と感度とを向上させるように構成されている。
【0025】
本発明の超音波探査装置によれば、上記方位検出部は、x軸方向の第1の位置に配列された1対の受信素子の出力を加算する第1の加算回路、前記x軸方向の第2の位置に配列された1対の受信素子の出力を加算する第2の加算回路、前記y軸方向の第1の位置に配列された1対の受信素子の出力を加算する第3の加算回路、前記y軸方向の第2の位置に配列された1対の受信素子の出力を加算する第4の加算回路と、第1,第2の加算回路の出力の位相差から反射物体の水平面内の方位角を算定する方位角算定部と、第3,第4の加算回路の出力の位相差から反射物体の鉛直面内の俯角を算定する俯角算定部とを備えることにより、前方の反射物体の方位角と俯角とを同時に検出可能とするように構成されている。
【0026】
さらに、本発明の超音波探査装置によれば、受信信号の振幅に応じた属性の像を、反射物体までの距離および方位角から定まる位置に反射物体の像としてx−z平面上に表示する第1の画面表示手段と、同じく反射物体までの距離および俯角から定まる位置に反射物体の像としてy−z平面上に表示する第2の画面表示手段とを備えることにより、検出した前方の反射物体の方位角と俯角とを直観的に容易に把握可能な状態でユーザに伝達するように構成されている。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、第1の画面表示手段が所定のz座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるxーt表示画面上に表示する第3の画面表示手段と、第2の画面表示手段が所定のz座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるyーt表示画面上に表示する第4の画面表示手段とを備えることにより、検出した前方の反射物体の方位角と俯角とを過去のデータも含めて直観的に容易に把握可能な状態でユーザに伝達するように構成されている。
【0029】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記4個の受信素子の出力を加算することによって受信信号の振幅を検出する手段を備えることにより、大きな受信感度のもとで反射信号の振幅を表示でき、検出の確度と信頼性の向上を図ることでできる。
【0030】
【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機能ブロック図であり、CNTは制御部、TXは送信部、D1〜D4は逆接続ダイオード、TD1〜TD4は送受共用の超音波トランスジューサ、A1〜A4は信号加算器、M1〜M4は乗算部、LPF1〜LPF4は低域通過濾波器、ARG1,ARG2は位相差算定部、AMP2は振幅算定部、DISPは表示部である。
【0031】
図2は、図1中の4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4の配置を示す底面図である。4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4のそれぞれは、(a)に示すように、いずれも船舶の舷側方向(x軸方向)と深度方向(y軸方向)とに分離されている。4個のトランスジューサTD1〜TD4のそれぞれは、x軸方向とy軸方向に分離されている限り、図2の(a)に示すような矩形状ではなく、同図の(b)と(c)とに示すような三角形状や、円弧形状であってもよい。
【0032】
4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4のそれぞれは、図3に設置対照の船舶の正面図(a)と、側面図(b)のそれぞれに示すように、放射する超音波ビームが船舶の前方斜め下方に向けて伝搬するように、船底に対して垂直面内で傾けた状態で設置されている。
【0033】
再び、図1を参照すると、制御部CNTの制御のもとに送信部TXから送信信号が出力される。この送信信号は逆接続ダイオードD1〜D4を通して4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4に供給され、それぞれから超音波信号が送信される。各超音波トランスジューサから送信された超音波信号は、相互干渉により狭い超音波ビームとなり、船舶の前方斜め下方に向けて放射される。ビームの中心は斜め下方を向くが、必要な場合、ビームの広がりを利用することによって、ビームが海面近くにも到達するように探索範囲を設定することもできる。放射された超音波ビームは魚体など水中の反射物体によって反射され、送信時と逆向きに伝搬して4個の送受共用の超音波トランスジューサTD1〜TD4のそれぞれに受信される。
【0034】
超音波トランスジューサTD1〜TD4の受信信号v1 〜v4 は、信号加算器A1〜A4により加算され4個の合成受信信号a11〜a22となる。これらは
11=v1 +v2
12=v3 +v4
21=v1 +v3
22=v2 +v4
である。
【0035】
中心が共通の座標値x 2 を有する1対の超音波トランスジューサTD1とTD2の受信信号の合成値a11と、同じく中心が共通の座標値x 1 を有する1対の超音波トランスジューサTD3とTD4の受信信号の合成値a12は、包絡線振幅をA(t)、角周波数をωとすると、
a 11= A(t)cos(ωt+φ11)
= A(t){exp[ j( ωt+φ11 ]+exp[ -j( ωt+φ11)]}
a 12= A(t)cos(ωt+φ12)
= A(t){exp[ j( ωt+φ12) ]+exp[ -j(ωt+φ12)]}
である。
【0036】
ここで、合成受信信号の位相角φ11,φ12には、図7の場合と同様に、伝搬距離差をε1 、反射物体の水平面内の方位角をθ1 、1対の超音波トランスジューサの水平面内の間隔をμ1 (=x2 −x1 )、超音波信号の波数をk(=2π/ λ, λ: 波長) とすると、合成受信信号の水平面内の位相差Δφ1 (=φ11−φ12) は
Δφ1 = φ11−φ12 = kε1 ≒ kμ1 sin θ1 ≒ kμ1 θ1
となる。
【0037】
乗算部M1、M2において、受信信号a11、a12と、制御部CNTから供給される参照信号dとのアナログ乗算を行い、アナログ乗算信号b11、b12を発生させる。ここで各信号はいずれも複素信号であり、
d= exp (-jωt)
11= A(t){exp (jφ11) + exp[-j(2ωt+φ11)]}
12= A(t){exp (jφ12) + exp[-j(2ωt+φ12)]}
である。
【0038】
これらの信号b11、b12から、低域濾波器により 2ω成分を除去した信号が複素位相信号c11、c12である。すなわち、
c 11 = A(t) exp( jφ11)
c 12 = A(t) exp( jφ12)
である。
【0039】
位相差算定部ARG1 において、各複素位相信号c1112の複素共役積を計算し、その偏角g1 を計算する。ARG1の出力g1
1 =Arg [ c 11 c 12 * ]=φ11−φ12= Δφ1
となる。このように、複素位相信号間の位相差Δφ1 が求まり、従って魚体など反射物体のの水平面内の方位角θ1 は、
θ1 ≒Δφ1 /(k μ1 )
と算定される。
【0040】
以上述べたと同様にして、図1の位相差算定部ARG2において、合成受信信号の位相差Δφ2 が算定される。すなわち、中心が共通の座標値y1 を有する1対の超音波トランスジューサTD1とTD3の受信信号の合成値a21と、中心が共通の座標値y2 を有する1対の超音波トランスジューサTD2とTD4の受信信号の合成値a22は、包絡線振幅をA(t)、角周波数をωとすると、
a 21= A(t)cos(ωt+φ21)
= A(t){exp[ j( ωt+φ21 )]+exp[ -j(ωt+φ21)]}
a 22= A(t)cos(ωt+φ22)
= A(t){exp[ j( ωt+φ22) ]+exp[ -j(ωt+φ22)]}
である。
【0041】
ここで、合成受信信号の位相角φ21,φ22には、図7の場合と同様に、伝搬距離差をε2 、反射物体の水平面内の方位角をθ2 、1対の超音波トランスジューサのy軸方向の間隔をμ2 (=y2 −y1 )、超音波信号の波数をk(=2π/ λ, λ: 波長) とすると、合成受信信号の水平面内の位相差Δφ2 (=φ21−φ22) は
Δφ2 = φ21−φ22 = kε2 ≒ kμ2 sin θ2 ≒ kμ2 θ2
となる。
【0042】
乗算部M3、M4において、受信信号a21、a22と、制御部CNTから供給される参照信号dとのアナログ乗算を行い、アナログ乗算信号b21、b22を発生させる。ここで各信号はいずれも複素信号であり、
d= exp (-jωt)
21= A(t){exp (jφ21) + exp[-j(2ωt+φ21)]}
22= A(t){exp (jφ22) + exp[-j(2ωt+φ22)]}
である。
【0043】
これらの信号b21、b22から、低域濾波器により 2ω成分を除去した信号が複素位相信号c21、c22である。すなわち、
c 21 = A(t) exp( jφ21)
c 22 = A(t) exp( jφ22)
である。
【0044】
位相差算定部ARG2において、各複素位相信号c2122の複素共役積を計算し、その偏角g2 を計算する。ARG2の出力g2
2 =Arg [ c 21 c 22 * ]=φ21- φ22= Δφ2
となる。このように、複素位相信号間の位相差Δφ2 ( =φ21−φ22) が求まり、従って魚体など反射物体の鉛直面内の俯角θ2 は、
θ2 ≒Δφ2 /(k μ2 )
と算定される。
【0045】
上述のようにして算定した反射物体の方位角θ1 θ2 と、超音波送信から反射信号が戻ってきて受信信号が出現するまでの超音波の伝播所要時間tdとから、反射体の三次元位置が決定される。
【0046】
ここで、4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4をすべて並列接続した、大口径の受信による合成受信信号wを想定する。この合成受信信号は受信信号v1 からv4 までの算術和により与えられ
w=v1 + v2 + v3 + v4
=a11 +a12
= A(t) cos(ωt+φ11) + A(t) cos( ωt+φ12)
= 2A(t){cos(ωt+φ11) + cos(ωt+φ12) }
=a21 +a22
= A(t) cos(ωt+φ21) + A(t)cos(ωt+φ22)
= 2A(t){cos(ωt+φ21)+cos(ωt+φ22) }
= 2A(t)cos {(2ωt+φ11+ φ12)/2 }cos {( φ11−φ12)/2 }
= 2A(t)cos {(2ωt+φ21+ φ22)/2 }cos {( φ21−φ22)/2 }
である。
【0047】
この関係は、すべての時刻tに対して成り立つことから、ωt =0について
cos φ11 + cosφ12 = cosφ21 + cosφ22
また、ωt = -π/2において、
sin φ11 + sinφ12 = sinφ21 + sinφ22
である。
【0048】
図1の振幅算定部AMP2では、複素位相信号c11、c12、c21、c22のすべてを加算し、これを加算信号hhとする。ここで、複素位相信号c11とc12の加算値をh1 とし、複素位相信号c21とc22の加算値をh2 とすると、
h 1 = c 11 + c 12
= A(t)[ exp ( jφ11) + exp (jφ12) ]
= A(t) ( cos φ11 + cosφ12 + j sinφ11 + j sinφ12 )
h 2 = c 21 + c 22
= A(t)[ exp ( jφ21) + exp ( jφ22) ]
= A(t) ( cos φ21 + cosφ22 + j sinφ21 + j sinφ22 )
=h 1
hh= h1 +h 2 = 2 h1 = 2A(t)[ exp( jφ11) + exp( jφ12) ]
である。
【0049】
本実施例では、加算信号hhの複素絶対値を求め、これを振幅信号ssとすれば、ss =|hh|= 2A(t) |exp( jφ11) + exp (jφ12) |
= 4A(t) cos{( φ11- φ12)/2 }
である。
【0050】
このように、振幅信号ssが、すべての送受波器を並列接続した大口径受信による受信信号wの包絡線 A(t) cos {( φ1 - φ2 )/2 }を与える。この振幅信号ssを表示部DISPに信号強度情報として表示することにより、大口径受信に基づく高感度と鋭い指向性が実現される。特に、本発明のような三次元計測においても、従来例の1個の超音波トランスジューサによる1/4の口径の受信信号とは異なり、合成受信信号a11, a12など2個の超音波トランスジューサによる半分の口径の受信信号について方位角の計算を行うこととなり、方位角の計算精度が向上する。以上により得られた、反射信号強度ssを、計測された反射物体の二次元位置に、表示することにより水中の状況が描出される。
【0051】
図1の表示部DISPに表示される表示画面の一例を図4に示す。水平面内の方位角θ1 と、音波伝播時間tdに対応する反射物体までの距離と、信号強度ssの三つの情報に基づいてx−z映像が形成され、表示される。この表示画面は、伝播時間が等しいy軸(深度)方向の各位置に存在するすべての反射物体からの反射波の強度の総和となっている。また、これに隣接して、y−z映像が表示される。このy−z映像は、鉛直面内の俯角θ2 と、反射物体までの距離及び反射信号の強度ssの三つの情報に基づいて作成される。この表示は、伝播時間が同一のx方向の各位置に存在するすべての反射物体からの反射波の強度の総和に等しい。
【0052】
図1の表示部DISPに表示される表示画面の他の一例を図5に示す。水平面内の方位角θ1 と、音波伝播時間tdに対応する反射物体までの距離、及び信号強度ssの三つの情報に基づきx−z 映像が形成され、表示される。また、このx−z 映像に隣接し、y−z映像が表示される。このy−z映像は、鉛直面内の俯角θ2 と、反射物体までの距離及び信号強度ssの三つの情報に基づいて作成される。信号強度ssによって、表示される映像の色彩、輝度、濃淡などの属性が変化せしめられる。ここまでは、図4の表示画面と同じである。この表示画面の例では、さらに、前方の特定位置SPについて過去に作成された映像が、時間tの関数として、x−t映像やy−t映像として同時に表示される。この表示においては、最新の映像を常に端部に表示され、過去の映像がスクロールされて左方向に送られる。
【0053】
図1の表示部DISPに表示される表示画面のさらに他の一例を図6に示す。水平面内の方位角θ1 と、音波伝播時間tdに対応する反射物体までの距離および信号強度ssの三つの情報に基づいて中央部にx−z 映像が形成され表示される。また、この表示画面の左右両側に隣接し、y−z映像1、y−z映像2が表示される。これらのy−z映像1とy−z映像2は、鉛直面内の俯角θ2 、反射物体までの距離および信号強度ssの三つの情報に基づいて作成される。x−z 映像内の左右の中心よりも左側の反射物体に対応する映像をy−z映像1として左側に表示され、左右の中心よりも右側の反射物体に対応する映像がy−z映像2として右側に表示される。
【0054】
以上、超音波送波器が受波器を兼ねる構成を例示した。しかしながら、受波器と別個の送波器を設置する構成とすることもできる。
【0055】
【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、送信素子が船舶の前方斜め下方に超音波ビームを放射し、複数の受信素子が船舶の前方で生じた反射波を受信可能に設置される構成であるから、少数の素子を用いて前方の水中の反射物体を立体表示できるという効果が奏される。
【0056】
本発明によれば、複数の受信素子が船舶の舷側(x軸)方向と深度(y軸)方向のそれぞれの第1,第2の位置に配列され、このような2種類の軸と2種類の位置のどちらを配列されるかに応じて選択される4種類の対を形成する4個の受信素子から構成されるので、超音波送受波器の使用効率と感度とが向上するという利点がある。
【0057】
本発明によれば、x軸,y軸方向の第1,第2の位置に配列された4種類の受信素子対の出力を加算する第1〜第4の加算回路と、第1,第2の加算回路の出力の位相差から反射物体の水平面内の方位角を算定する方位角算定部と、第3,第4の加算回路の出力の位相差から反射物体の鉛直面内の俯角を算定する俯角算定部とを備える構成であるから、前方の水中の反射物体の方位角と俯角とを同時に検出できるという効果が奏される。
【0058】
本発明によれば、受信信号の振幅に応じた輝度や色彩や濃淡などの属性の像を、反射物体までの距離および方位角から定まる位置に反射物体の像としてx−z平面上に表示する第1の画面表示手段と、同じく反射物体までの距離および俯角から定まる位置に反射物体の像としてy−z平面上に表示する第2の画面表示手段とを備える構成であるから、検出した前方の反射物体の方位角と俯角とを直観的に容易に把握可能な状態でユーザに伝達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、第1の画面表示手段が所定のz座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるxーt表示画面上に表示する第3の画面表示手段と、第2の画面表示手段が所定のz座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるyーt表示画面上に表示する第4の画面表示手段とを備える構成であるから、検出した前方の反射物体の方位角と俯角とを過去のデータも含めて直観的に容易に把握可能な状態でユーザに伝達できるという効果が奏される。
【0060】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記4個の受信素子の出力を加算することによって受信信号の振幅を検出する手段を備える構成であるから、大きな受信感度のもとで反射信号の振幅を表示でき、検出の確度と信頼性の向上を図ることでできるという効果が奏される。
【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機能ブロック図である。
【図2】上記実施例の超音波探査装置における超音波送受波器の配置を例示する底面図である。
【図3】上記実施例の超音波探査装置における超音波送受波器の船底への取付けの状態を示す正面図と側面図である。
【図4】上記実施例の超音波探査装置における表示画面の一例を示す概念図である。
【図5】上記実施例の超音波探査装置における表示画面の他の一例を示す概念図である。
【図6】上記実施例の超音波探査装置における表示画面のさらに他の一例を示す概念図である。
【図7】超音波受信信号の位相差から反射物体の方位角を検出する超音波探査装置の原理を説明するための概念図である。
【図8】従来の位相差方式の超音波探査装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図9】従来の位相差方式の超音波探査装置における三次元表示画面の一例を示す概念図である。
【図10】従来の位相差方式の超音波探査装置における送受波器の配置の一例を示す底面図である。
【図11】従来の位相差方式の超音波探査装置における送受波器の船底への取付け状態を示す正面図と側面図である。
【図12】従来例の位相差方式の超音波探査装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図13】従来の位相差方式の超音波探査装置における三次元表示画面の一例を示す概念図である。
【符号の説明】
TD1-TD4 超音波受波素子(送受共用の超音波トランスジューサ)
CNT 制御部
TX 送信部
D1-D4 逆接続ダイオード
SC 信号変換部
AMP,AMP2 振幅算定部
ARG,ARG1,ARG2 位相差算定部
DISP 表示部
Q 魚体
LPF1-LPF4 低域濾波器
M1-M4 乗算部
A1-A4 信号加算器
SP 特定位置
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to an ultrasonic exploration apparatus capable of detecting a two-dimensional or three-dimensional position of a reflective object such as a fish body, and in particular, improves detection accuracy and resolution while maintaining a simple and inexpensive configuration. The present invention relates to an ultrasonic exploration apparatus.
[0002]
[Prior art]
The conventional simple fish finder radiates ultrasonic waves into the water from an ultrasonic transducer attached to the bottom of the ship, etc., receives the reflected waves generated by reflective objects in the water such as fish, and the time required from transmission to reception, That is, the distance from the time required for the round-trip propagation of the ultrasonic wave to the reflecting object is detected. Since the simplest fish finder cannot detect the arrival direction of the reflected wave, that is, the direction of the reflecting object, it treats all the reflecting objects as if they were directly under the ship.
[0003]
In order to detect not only the distance to the reflecting object but also its orientation, electronic scanning can be performed by arranging multiple ultrasonic transducers and operating them sequentially in the arrangement order, or changing the direction of a single ultrasonic transducer It is necessary to perform a mechanical scan of The above-described electronic scanning configuration requires a large number of ultrasonic transducers, which makes the apparatus complex and expensive. Further, the mechanical scanning configuration requires a mechanical scanning mechanism, so that the apparatus becomes complicated and expensive.
[0004]
In the prior application of the present applicant (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-99931), an ultrasonic wave that can detect the two-dimensional or three-dimensional position of a reflective object such as a fish in the sea using a small number of ultrasonic transducers. An exploration device is disclosed. This ultrasonic exploration device receives the reflected wave of the transmitted ultrasonic wave with multiple transducers, and the direction of arrival of the reflected wave from the azimuth function determined by the shape and arrangement of each transducer and the phase difference of the received signal of each transducer Therefore, an azimuth detector that detects the azimuth of the object that has generated the reflected wave is provided.
[0005]
In addition, the apparatus includes a distance detection unit that detects a distance from the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave and an amplitude of the received reflected wave and a reflection object, and a reflection intensity. And a display unit that displays two-dimensionally or three-dimensionally the azimuth and distance detected by the detection unit. Thus, in addition to the distance and size to the conventional reflective object, the multidimensional position of the reflective object is detected by detecting the orientation of the reflective object.
[0006]
The principle of azimuth measurement based on the phase difference will be described with reference to FIG. Two ultrasonic transducers (transmission / reception elements) TD1 and TD2 are simultaneously driven by the same transmission signal to irradiate the search region having a certain spread angle with the ultrasonic beam. The reflected signal generated in the fish body Q in the figure is received by the ultrasonic transducers TD1 and TD2, and these received signals are amplified independently and the received signal a1a2It becomes. Each received signal has an envelope amplitude of A (t) and an angular frequency of ω,
a1= A (t) cos (ωt + φ1)
= A (t) {exp [j (ωt + φ1)] + exp [-j (ωt + φ1)]} ... (1)
a2= A (t) cos (ωt + φ2) =
= A (t) {exp [j (ωt + φ2)] + exp [-j (ωt + φ2)]} ... (2)
It is.
[0007]
Here, as shown in FIG. 7, assuming that the orientation of the reflector is θ, the interval between the ultrasonic transducers is μ, and the wave number of the ultrasonic wave is k (= 2π / λ, λ: wavelength), the phase difference of the received signal φ12For (= Δφ)
Δφ = φ12= k ε ≒ k μsin θ ≒ kμθ (3)
The relationship is established. In addition, td in FIG. 7 is the time required for propagation of the ultrasonic signal between the transmission and reception signals corresponding to the distance to the reflection object, where L is the distance to the reflection object and c is the underwater propagation speed of the ultrasonic wave, td = 2 L / c.
[0008]
FIG. 8 shows the configuration of the phase difference type ultrasonic survey apparatus. In response to an activation command from the control unit CNT, the transmission unit TX generates a transmission electric signal and drives the two ultrasonic transducers TD1 and TD2 simultaneously. D1 and D2 are reverse connection diodes for separating transmission and reception. The reflected signal from the fish body Q is received by the transducers TD1 and TD2, respectively, amplified independently, and the signal a1a2It becomes.
[0009]
The signal converter SC receives the received signal a1a2Is the complex phase signal c1, C2Convert to In the signal converter SC, the received signal a1, A2And the reference signal d from the CNT are multiplied by the signal b1, B2Get. Here, each signal is a complex signal,
d = exp [-j ωt]
b1= A (t) {exp (jφ1) + Exp [-j (2ωt + φ1)]}
b2= A (t) {exp (jφ2) + Exp [-j (2ωt + φ2)]}
It is.
[0010]
This signal b1, B2From which the signal obtained by removing the 2ω component by the low-pass filter is c1, C2These are complex phase signals
c1= A (t) exp (jφ1)
c2= A (t) exp (jφ2)
It is.
[0011]
This signal c is obtained by the phase difference calculation unit ARG.1, C2Is calculated, and the argument g is calculated. Therefore, the output g of ARG is
g = Arg [c1c2 *] = φ12= Δφ
It becomes. Here, Arg [] is an operator for calculating the argument of the complex number.
[0012]
Thus, the phase difference Δφ between the signals is obtained, and thus the direction θ in which the fish exists is
θ ≒ Δφ / (kμ)
It is obtained. The two-dimensional position of the reflecting object is determined from this azimuth angle θ and the ultrasonic wave propagation time td from when the ultrasonic wave is transmitted until the reflected signal arrives.
[0013]
In the amplitude calculation unit AMP, the complex phase signal c1, C2Are added by an adder to obtain a signal h. This signal h is
h = c1 + c2= A (t) [exp (jφ1) + Exp (jφ2)]
It is. Further, a complex absolute value of the signal h is obtained and set as an amplitude signal s. Therefore, this signal s is
s = lh l = A (t) l exp (jφ1) + exp (jφ2) l
= 2A (t) cos {(φ12) / 2}
It is.
[0014]
Here, when considering a normal narrow beam received signal u by large aperture reception in which both transmitting and receiving elements are simply connected in parallel, the received signal a1And a2Given by the sum of
u = a1+ A2
= A (t) cos (ωt + φ1) + A (t) cos (ωt + φ2)
= 2 A (t) cos {(2ωt + φ1+ φ2) / 2} cos {(φ12) / 2}
It is. The relationship between s and u is that the amplitude signal s is an envelope 2A (t) cos {(φ of the received signal u by large aperture reception in which both transducer elements are connected in parallel.12) / 2}.
[0015]
Therefore, by using s as signal intensity information displayed on the display unit DISP, high sensitivity and sharp directivity due to a large aperture can be used. By displaying the reflected signal intensity s obtained as described above at the two-dimensional position of the measured reflector, the underwater situation is rendered.
[0016]
Using this principle, a configuration in which the ultrasonic transducers TD1 and TD2 in FIG. 7 are directed vertically downward is known. A display example of the two-dimensional in-plane fish position in this configuration will be described with reference to FIG. In this screen, (a) is a normal fish search video, a1 to a3 are echoes of a single fish, a4 is the seabed, and t is time. On the other hand, (b) is a sector sectional view according to the present invention showing the underwater situation in the hull lower xy plane. Here, b1 is an image of a single fish existing in the cross section, the azimuth angle is given from θ, the distance is given from the propagation time of the ultrasonic wave, and the attributes such as the luminance, color, and shade of the video are given from the amplitude s of the received signal. It is done. The image shown in b1 on the sector sectional view corresponds to the fish displayed in a1 in the normal fish search image display. Further, b4 on the sector sectional view is a schematic shape of the seabed. Further, the screen (c) is an image of the xt cross section at the specific depth y1 selected by the cursor.
[0017]
Here, c1 and c3 are images of the fish existing on the selected cross section, and correspond to the fish of a1 and a3. On the other hand, since a2 is out of the plane of depth y1, it is not displayed on the screen (c). By displaying such screens (a), (b), and (c) in parallel on the same screen, the existence position of the fish body can be grasped three-dimensionally. As described above, the basic configuration of the apparatus is realized.
[0018]
Furthermore, using this principle, a configuration is also known in which the ultrasonic transducers TD1 to TD4 shown in FIG. 10 are directed vertically downward as shown in FIG. The apparatus configuration in this configuration is as shown in FIG. 12, and four ultrasonic transducers TD1 to TD4 are installed. M1 to M4 are multipliers, and LPF1 to LPF4 are low-pass filters. The azimuth in the yz plane is determined by the phase difference between the received signals of the transducers TD1 to TD2, and the azimuth in the xy plane is determined from the phase difference between the received signals of the transducers TD3 to TD4. An azimuth angle in space is determined.
[0019]
An example of a screen for displaying the position of the fish body in the three-dimensional space based on this configuration is as shown in FIG. In this display screen, (a) is a screen for displaying a projected image on the yz plane, a1 to a2 are echoes of a single fish, and a3 is a seabed. On the other hand, (b) is a screen that displays a projected image on the xy plane. Here, b1-b2 are images of a single fish, the azimuth is θ, the distance is the sound wave propagation time td, and the display intensity is given by the signal s. The video shown at b1 in (b) corresponds to the fish displayed at a1 in a) display. In addition, (b) b3 in the figure is the schematic shape of the seabed. Further, the screen (c) is an image of the xz cross section at a specific depth y1 selected by the cursor.
[0020]
Here, c1 is an image of the fish existing on the selected cross section, and corresponds to the fish of a1 and b1. On the other hand, since a2 is out of the plane of depth y1, it is not displayed on the screen (c). By displaying such screens (a), (b), and (c) in parallel on the same screen, the existing position of the fish body vertically below can be grasped three-dimensionally.
[0021]
According to the prior art ultrasonic exploration apparatus, it is possible to detect the two-dimensional or three-dimensional position of the reflecting object over a certain angular range such as the heel side direction using a minimum of two ultrasonic transducers. As a result, the multi-dimensional position of the reflecting object can be obtained in a simple and inexpensive configuration without arranging a large number of ultrasonic transducers in the lateral direction or mechanically scanning a single ultrasonic transducer. Can be detected.
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional ultrasonic exploration apparatus, an area directly under a ship such as a fishing boat is targeted for exploration. For this reason, when a ship finds a school of fish while exploring, there is a problem if operations such as sudden stopping and retreating and preparation for starting fishing become busy. In addition, there is a problem that in a sea area where there are many reefs, obstacles ahead cannot be found to prevent grounding.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  In the ultrasonic exploration apparatus of the present invention that solves the above-mentioned problems of the prior art, the transmitting element radiates an ultrasonic beam obliquely downward and forward of the ship, and the plurality of receiving elements can receive reflected waves generated in front of the ship. By installing, a small number of elementsTheIt is configured to be able to realize a stereoscopic display of a reflective object in front of the water.
[0024]
  Of the present inventionUltrasonic probeAccording to the above, a plurality of receiving elements are arranged at the first and second positions in the ship's side direction (x-axis direction) and the depth direction (y-axis direction), respectively. It is configured to improve the usage efficiency and sensitivity of the ultrasonic transducer by comprising four receiving elements forming four types of pairs selected according to which of the positions of the ultrasonic transducers are arranged. ing.
[0025]
  Of the present inventionUltrasonic probeAccording toThe above direction detectorA first adder circuit for adding the outputs of the pair of receiving elements arranged at the first position in the x-axis direction, and the outputs of the pair of receiving elements arranged at the second position in the x-axis direction. A second addition circuit for adding, a third addition circuit for adding the outputs of the pair of receiving elements arranged at the first position in the y-axis direction, and an arrangement at the second position in the y-axis direction A fourth adding circuit for adding the outputs of the pair of receiving elements, an azimuth calculating unit for calculating an azimuth in the horizontal plane of the reflecting object from the phase difference between the outputs of the first and second adding circuits, and a third , And a depression angle calculating unit for calculating the depression angle in the vertical plane of the reflecting object from the phase difference of the output of the fourth adder circuit so that the azimuth angle and depression angle of the front reflecting object can be detected simultaneously. It is configured.
[0026]
  further,Of the present inventionUltrasonic probeAccording to the first screen display means for displaying an image having an attribute according to the amplitude of the received signal on the xz plane as an image of the reflecting object at a position determined from the distance to the reflecting object and the azimuth angle. By providing a second screen display means for displaying on the yz plane as an image of the reflection object at a position determined from the distance to the reflection object and the depression angle, the azimuth angle and depression angle of the detected front reflection object can be intuitively viewed. It is configured to transmit to the user in a state that can be easily grasped.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The present inventionGoodAccording to a suitable embodiment, the third screen displays the image of the reflective object displayed by the first screen display means at the predetermined z coordinate position on the xt display screen that is scrolled over time. A display unit; and a fourth screen display unit that displays an image of a reflective object displayed at a predetermined z coordinate position by the second screen display unit on a yt display screen that is scrolled over time. Thus, the detected azimuth angle and depression angle of the front reflecting object including the past data are transmitted to the user in a state that can be easily grasped intuitively.
[0029]
  The present inventionOtherAccording to the preferred embodiment of the present invention, the means for detecting the amplitude of the received signal by adding the outputs of the four receiving elements is provided, so that the amplitude of the reflected signal can be displayed under a large receiving sensitivity. It is possible to improve detection accuracy and reliability.
[0030]
【Example】
FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of an ultrasonic exploration apparatus according to an embodiment of the present invention. CNT is a control unit, TX is a transmission unit, D1 to D4 are reverse connection diodes, and TD1 to TD4 are transmission / reception super Sonic transducers, A1 to A4 are signal adders, M1 to M4 are multipliers, LPF1 to LPF4 are low-pass filters, ARG1 and ARG2 are phase difference calculators, AMP2 is an amplitude calculator, and DISP is a display unit.
[0031]
FIG. 2 is a bottom view showing the arrangement of the four ultrasonic transducers TD1 to TD4 in FIG. As shown in (a), each of the four ultrasonic transducers TD1 to TD4 is separated into the ship's side direction (x-axis direction) and the depth direction (y-axis direction). As long as each of the four transducers TD1 to TD4 is separated in the x-axis direction and the y-axis direction, each of the four transducers TD1 to TD4 is not rectangular as shown in FIG. It may be a triangular shape as shown in FIG.
[0032]
Each of the four ultrasonic transducers TD1 to TD4 has a radiated ultrasonic beam obliquely forward of the ship as shown in a front view (a) and a side view (b) of the installation control ship in FIG. It is installed in a state tilted in a vertical plane with respect to the ship bottom so as to propagate downward.
[0033]
Referring to FIG. 1 again, a transmission signal is output from the transmission unit TX under the control of the control unit CNT. This transmission signal is supplied to the four ultrasonic transducers TD1 to TD4 through the reverse connection diodes D1 to D4, and an ultrasonic signal is transmitted from each of them. Ultrasonic signals transmitted from the respective ultrasonic transducers become narrow ultrasonic beams due to mutual interference, and are emitted toward the front obliquely downward of the ship. The center of the beam is directed obliquely downward, but if necessary, the search range can be set so that the beam reaches near the sea surface by using the spread of the beam. The emitted ultrasonic beam is reflected by an underwater reflecting object such as a fish, propagates in the direction opposite to that at the time of transmission, and is received by each of the four ultrasonic transducers TD1 to TD4.
[0034]
Received signal v of ultrasonic transducers TD1-TD41~ VFourAre added by the signal adders A1 to A4, and four combined received signals a11~ Atwenty twoIt becomes. They are
a11= V1+ V2
a12= VThree+ VFour
atwenty one= V1+ VThree
atwenty two= V2+ VFour
It is.
[0035]
  Coordinate value x with common center 2 A combined value a of received signals of a pair of ultrasonic transducers TD1 and TD2 having11And the coordinate value x with the same center 1 A combined value a of received signals of a pair of ultrasonic transducers TD3 and TD4 having12If the envelope amplitude is A (t) and the angular frequency is ω,
    a11= A (t) cos (ωt + φ11)
        = A (t) {exp [j (ωt + φ11 ] + exp [-j (ωt + φ11)]}
    a12= A (t) cos (ωt + φ12)
        = A (t) {exp [j (ωt + φ12)] + exp [-j (ωt + φ12)]}
  It is.
[0036]
Here, the phase angle φ of the combined received signal11, Φ12As in the case of FIG.1, The azimuth angle of the reflecting object in the horizontal plane is θ1The distance in the horizontal plane of a pair of ultrasonic transducers is μ1(= X2-X1), If the wave number of the ultrasonic signal is k (= 2π / λ, λ: wavelength), the phase difference Δφ in the horizontal plane of the combined received signal1(= φ11−φ12)
Δφ1= φ11−φ12 = kε1≒ kμ1sin θ1≒ kμ1θ1
It becomes.
[0037]
In the multipliers M1 and M2, the received signal a11, A12And the reference signal d supplied from the control unit CNT are subjected to analog multiplication, and the analog multiplication signal b11, B12Is generated. Here, each signal is a complex signal,
d = exp (-jωt)
b11= A (t) {exp (jφ11) + exp [-j (2ωt + φ11)]}
b12= A (t) {exp (jφ12) + exp [-j (2ωt + φ12)]}
It is.
[0038]
These signals b11, B12The signal from which the 2ω component is removed by the low-pass filter is the complex phase signal c11, C12It is. That is,
c11 = A (t) exp (jφ11)
c12 = A (t) exp (jφ12)
It is.
[0039]
In the phase difference calculation unit ARG1, each complex phase signal c11  c12And compute the complex conjugate product of1Calculate Output of ARG1g1Is
g1= Arg [c11 c12 *] = φ11−φ12 =Δφ1
It becomes. Thus, the phase difference Δφ between complex phase signals1Therefore, the azimuth angle θ in the horizontal plane of a reflective object such as a fish1Is
θ1≒ Δφ1/ (k μ1)
Is calculated.
[0040]
In the same manner as described above, in the phase difference calculation unit ARG2 of FIG.2Is calculated. That is, the coordinate value y with the common center1A combined value a of received signals of a pair of ultrasonic transducers TD1 and TD3 havingtwenty oneAnd coordinate value y with the same center2A combined value a of received signals of a pair of ultrasonic transducers TD2 and TD4 havingtwenty twoIf the envelope amplitude is A (t) and the angular frequency is ω,
atwenty one= A (t) cos (ωt + φtwenty one)
= A (t) {exp [j (ωt + φtwenty one )] + exp [-j (ωt + φtwenty one)]}
atwenty two= A (t) cos (ωt + φtwenty two)
= A (t) {exp [j (ωt + φtwenty two)] + exp [-j (ωt + φtwenty two)]}
It is.
[0041]
Here, the phase angle φ of the combined received signaltwenty one, Φtwenty twoAs in the case of FIG.2, The azimuth angle of the reflecting object in the horizontal plane is θ2The distance between the pair of ultrasonic transducers in the y-axis direction is μ2(= Y2-Y1), If the wave number of the ultrasonic signal is k (= 2π / λ, λ: wavelength), the phase difference Δφ in the horizontal plane of the combined received signal2(= φtwenty one−φtwenty two)
Δφ2= φtwenty one−φtwenty two = kε2≒ kμ2sin θ2≒ kμ2θ2
It becomes.
[0042]
In the multipliers M3 and M4, the received signal atwenty one, Atwenty twoAnd the reference signal d supplied from the control unit CNT are subjected to analog multiplication, and the analog multiplication signal btwenty one, Btwenty twoIs generated. Here, each signal is a complex signal,
d = exp (-jωt)
btwenty one= A (t) {exp (jφtwenty one) + exp [-j (2ωt + φtwenty one)]}
btwenty two= A (t) {exp (jφtwenty two) + exp [-j (2ωt + φtwenty two)]}
It is.
[0043]
These signals btwenty one, Btwenty twoThe signal from which the 2ω component is removed by the low-pass filter is the complex phase signal ctwenty one, Ctwenty twoIt is. That is,
ctwenty one = A (t) exp (jφtwenty one)
ctwenty two = A (t) exp (jφtwenty two)
It is.
[0044]
In the phase difference calculation unit ARG2, each complex phase signal ctwenty one  ctwenty twoAnd compute the complex conjugate product of2Calculate Output of ARG2g2Is
g2= Arg [ctwenty one ctwenty two *] = φtwenty one22 =Δφ2
It becomes. Thus, the phase difference Δφ between complex phase signals2(= Φtwenty one−φtwenty two), And therefore the depression angle θ in the vertical plane of a reflective object such as a fish2Is
θ2≒ Δφ2/ (k μ2)
Is calculated.
[0045]
Reflection azimuth angle θ calculated as described above1θ2Then, the three-dimensional position of the reflector is determined from the ultrasonic propagation required time td until the reception signal appears after the reflection signal returns from the ultrasonic transmission.
[0046]
Here, it is assumed that a composite received signal w is received by receiving a large aperture, in which all four ultrasonic transducers TD1 to TD4 are connected in parallel. This combined received signal is received signal v1To vFourGiven by the arithmetic sum of
w = v1+ v2+ vThree+ vFour
= a11 + a12
= A (t) cos (ωt + φ11) + A (t) cos (ωt + φ12)
= 2A (t) {cos (ωt + φ11) + cos (ωt + φ12}
= atwenty one + atwenty two
= A (t) cos (ωt + φtwenty one) + A (t) cos (ωt + φtwenty two)
= 2A (t) {cos (ωt + φtwenty one) + cos (ωt + φtwenty two}
= 2A (t) cos {(2ωt + φ11+ φ12) / 2} cos {(φ11−φ12) / 2}
= 2A (t) cos {(2ωt + φtwenty one+ φtwenty two) / 2} cos {(φtwenty one−φtwenty two) / 2}
It is.
[0047]
Since this relationship holds for all times t, for ωt = 0
cos φ11 + cosφ12 = cosφtwenty one + cosφtwenty two
In addition, at ωt = -π / 2,
sin φ11 + sinφ12 = sinφtwenty one + sinφtwenty two
It is.
[0048]
In the amplitude calculation unit AMP2 in FIG. 1, the complex phase signal c11, C12, Ctwenty one, Ctwenty twoAre added to obtain an addition signal hh. Where the complex phase signal c11And c12The added value of h1And complex phase signal ctwenty oneAnd ctwenty twoThe added value of h2Then,
h1= C11+ c12
= A (t) [exp (jφ11) + exp (jφ12)]
= A (t) (cos φ11 + cosφ12 + j sinφ11 + j sinφ12 )
h2= Ctwenty one+ ctwenty two
= A (t) [exp (jφtwenty one) + exp (jφtwenty two)]
= A (t) (cos φtwenty one + cosφtwenty two + j sinφtwenty one + j sinφtwenty two )
= H1
hh = h1+ H2= 2 h1= 2A (t) [exp (jφ11) + exp (jφ12)]
It is.
[0049]
In this embodiment, if the complex absolute value of the addition signal hh is obtained and this is set as the amplitude signal ss, ss = | hh | = 2A (t) | exp (jφ11) + exp (jφ12) |
= 4A (t) cos {(φ1112) / 2}
It is.
[0050]
In this way, the amplitude signal ss becomes the envelope A (t) cos {(φ of the received signal w by large aperture reception in which all the transducers are connected in parallel.12) / 2}. By displaying the amplitude signal ss as signal intensity information on the display unit DISP, high sensitivity and sharp directivity based on large aperture reception are realized. In particular, even in the three-dimensional measurement as in the present invention, the synthesized reception signal a differs from the reception signal having a caliber of 1/4 by the conventional ultrasonic transducer.11, a12For example, the azimuth angle is calculated for a received signal having a half diameter by two ultrasonic transducers, and the accuracy of azimuth angle calculation is improved. By displaying the reflected signal intensity ss obtained as described above at the two-dimensional position of the measured reflecting object, the underwater situation is rendered.
[0051]
An example of a display screen displayed on the display unit DISP in FIG. 1 is shown in FIG. Azimuth θ in the horizontal plane1Then, an xz image is formed and displayed based on the three pieces of information of the distance to the reflecting object corresponding to the sound wave propagation time td and the signal intensity ss. This display screen is the sum of the intensities of reflected waves from all the reflecting objects present at respective positions in the y-axis (depth) direction with the same propagation time. In addition, a yz video is displayed adjacent to this. This yz image shows the depression angle θ in the vertical plane.2And based on three pieces of information: the distance to the reflecting object and the intensity ss of the reflected signal. This display is equal to the sum of the intensities of the reflected waves from all the reflecting objects existing at respective positions in the x direction having the same propagation time.
[0052]
FIG. 5 shows another example of the display screen displayed on the display unit DISP in FIG. Azimuth θ in the horizontal plane1Then, an xz image is formed and displayed based on the three pieces of information of the distance to the reflecting object corresponding to the sound wave propagation time td and the signal intensity ss. In addition, a yz image is displayed adjacent to the xz image. This yz image shows the depression angle θ in the vertical plane.2And based on the three pieces of information of the distance to the reflecting object and the signal intensity ss. Depending on the signal strength ss, attributes such as color, brightness, and shade of the displayed video are changed. Up to this point, the display screen is the same as that shown in FIG. In this example of the display screen, the video created in the past with respect to the specific position SP in front is simultaneously displayed as an xt video or a yt video as a function of time t. In this display, the latest video is always displayed at the end, and the past video is scrolled and sent to the left.
[0053]
FIG. 6 shows still another example of the display screen displayed on the display unit DISP in FIG. Azimuth θ in the horizontal plane1Then, an xz image is formed and displayed at the center based on the three information of the distance to the reflecting object corresponding to the sound wave propagation time td and the signal intensity ss. In addition, a yz video 1 and a yz video 2 are displayed adjacent to the left and right sides of the display screen. These yz image 1 and yz image 2 are represented by a depression angle θ in the vertical plane.2, The distance to the reflecting object and the signal intensity ss. An image corresponding to a reflective object on the left side of the left and right center in the xz image is displayed on the left side as a yz image 1, and an image corresponding to a reflective object on the right side of the left and right center is displayed on the yz image 2. Is displayed on the right.
[0054]
As described above, the configuration in which the ultrasonic transmitter also serves as the receiver has been exemplified. However, it is also possible to adopt a configuration in which a transmitter separate from the receiver is installed.
[0055]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the ultrasonic exploration apparatus of the present invention, the transmitting element radiates an ultrasonic beam obliquely downward in front of the ship, and the plurality of receiving elements can receive reflected waves generated in front of the ship. Since it is a configuration to be installed, there is an effect that it is possible to display a three-dimensional display of an underwater reflective object using a small number of elements.
[0056]
  Main departureClearlyAccording to this, a plurality of receiving elements are arranged at the first and second positions in the ship's side (x-axis) direction and depth (y-axis) direction, respectively. Since it is composed of four receiving elements that form four types of pairs selected according to which one is arranged, there is an advantage that the use efficiency and sensitivity of the ultrasonic transducer are improved.
[0057]
  Main departureClearlyAccording to the first to fourth addition circuits for adding the outputs of the four types of receiving element pairs arranged at the first and second positions in the x-axis and y-axis directions, and the first and second addition circuits. Azimuth angle calculation unit for calculating the azimuth angle of the reflecting object in the horizontal plane from the phase difference of the output of the reflection, and depression angle calculation for calculating the depression angle in the vertical plane of the reflecting object from the phase difference of the output of the third and fourth addition circuits Therefore, there is an effect that the azimuth angle and the depression angle of the reflective object in the water in front can be detected at the same time.
[0058]
  Main departureClearlyAccording to the first aspect, an image having attributes such as luminance, color, and shade according to the amplitude of the received signal is displayed on the xz plane as an image of the reflecting object at a position determined from the distance to the reflecting object and the azimuth angle. Since the screen display means and the second screen display means for displaying on the yz plane as an image of the reflection object at a position determined from the distance to the reflection object and the depression angle, the detected reflection object in the front is provided. There is an advantage that the azimuth angle and the depression angle can be transmitted to the user in a state where it can be easily grasped intuitively.
[0059]
  The present inventionGoodAccording to a suitable embodiment, the third screen displays the image of the reflective object displayed by the first screen display means at the predetermined z coordinate position on the xt display screen that is scrolled over time. A display unit; and a fourth screen display unit that displays an image of a reflective object displayed at a predetermined z coordinate position by the second screen display unit on a yt display screen that is scrolled over time. Since it is a structure, there exists an effect that the detected azimuth angle and depression angle of the front reflective object can be transmitted to the user in a state where it can be easily grasped intuitively including past data.
[0060]
  The present inventionOtherAccording to a preferred embodiment of the present invention, since the means for detecting the amplitude of the received signal by adding the outputs of the four receiving elements is provided, the amplitude of the reflected signal can be reduced with a large receiving sensitivity. It can be displayed, and the effect of improving the accuracy and reliability of detection is achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a functional block diagram showing a configuration of an ultrasonic survey apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a bottom view illustrating an arrangement of ultrasonic transducers in the ultrasonic exploration apparatus according to the embodiment.
FIGS. 3A and 3B are a front view and a side view showing a state in which an ultrasonic transducer is attached to a ship bottom in the ultrasonic exploration apparatus according to the embodiment.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an example of a display screen in the ultrasonic survey apparatus according to the embodiment.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating another example of a display screen in the ultrasonic survey apparatus according to the embodiment.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing still another example of a display screen in the ultrasonic survey apparatus according to the embodiment.
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the principle of an ultrasonic exploration apparatus that detects the azimuth angle of a reflecting object from the phase difference of ultrasonic reception signals.
FIG. 8 is a functional block diagram showing a configuration of a conventional phase difference type ultrasonic survey apparatus;
FIG. 9 is a conceptual diagram showing an example of a three-dimensional display screen in a conventional phase difference type ultrasonic survey apparatus.
FIG. 10 is a bottom view showing an example of the arrangement of transducers in a conventional phase difference type ultrasonic survey apparatus;
FIGS. 11A and 11B are a front view and a side view showing a state in which a transducer is mounted on a ship bottom in a conventional phase difference type ultrasonic survey apparatus; FIGS.
FIG. 12 is a functional block diagram showing a configuration of a conventional phase difference type ultrasonic survey apparatus;
FIG. 13 is a conceptual diagram showing an example of a three-dimensional display screen in a conventional phase difference type ultrasonic survey apparatus.
[Explanation of symbols]
TD1-TD4 Ultrasonic wave receiving element (Ultrasonic transducer for both transmitting and receiving)
CNT control unit
TX transmitter
D1-D4 Reverse connection diode
SC signal converter
AMP, AMP2 amplitude calculator
ARG, ARG1, ARG2 Phase difference calculator
DISP display
Q Fish
LPF1-LPF4 low pass filter
M1-M4 multiplier
A1-A4 signal adder
SP specific position

Claims (3)

超音波信号を送信する送信素子を備えた送信部と、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て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た超音波探査装置において、
前記送信素子は船舶の前方斜め下方に超音波ビームを放射し、前記複数の受信素子は船舶の前方で生じた反射波を受信可能に設置されたことと、
前記複数の受信素子は、前記船舶の舷側方向(x軸方向)と深度方向(y軸方向)のそれぞれの第1,第2の位置に配列され、前記2種類の軸と前記2種類の位置のうちどちらを共通とするかに応じて選択される4種類の対を形成する4個の受信素子から構成されたことと、
前記方位検出部は、前記x軸方向の第1の位置に配列された1対の受信素子の出力を加算する第1の加算回路、前記x軸方向の第2の位置に配列された1対の受信素子の出力を加算する第2の加算回路、前記y軸方向の第1の位置に配列された1対の受信素子の出力を加算する第3の加算回路と、前記y軸方向の第2の位置に配列された1対の受信素子の出力を加算する第4の加算回路と、前記第1,第2の加算回路の出力の位相差から反射物体の水平面内の方位角を算定する方位角算定部と、前記第3,第4の加算回路の出力の位相差から反射物体の鉛直面内の俯角を算定する俯角算定部とを備えたことと、
前記受信信号の振幅に応じた色彩、輝度、濃度その他の属性の像を、反射物体までの距離および方位角から定まる位置に反射物体の像としてx−z平面上に表示する第1の画面表示手段と、反射物体までの距離および俯角から定まる位置に反射物体の像として前記x−z平面に隣接して配置されるy−z平面上に表示する第2の画面表示手段とを備えたことと
を特徴とする超音波探査装置。
A transmission unit including a transmission element that transmits an ultrasonic signal; a reception unit including a plurality of reception elements that receive a reflected wave from an object of the transmitted ultrasonic signal and output a reception signal; An azimuth detector that detects the azimuth of the object from the arrangement of the receiving elements and the phase difference of the received signals output from each receiving element, and a distance that detects the distance and reflected intensity of the object from the current output and amplitude of the received signals In an ultrasonic exploration apparatus including a reflection intensity detection unit and a display processing unit that displays the object on the screen using the detected azimuth, distance, and reflection intensity as display data,
The transmitting element radiates an ultrasonic beam obliquely below the front of the ship, and the plurality of receiving elements are installed so as to be able to receive reflected waves generated in front of the ship ;
The plurality of receiving elements are arranged at first and second positions in the ship's side direction (x-axis direction) and depth direction (y-axis direction), respectively, and the two types of axes and the two types of positions. And four receiving elements forming four types of pairs selected according to which one of them is common,
The azimuth detecting unit includes a first adder circuit for adding outputs of the pair of receiving elements arranged at the first position in the x-axis direction, and a pair arranged at the second position in the x-axis direction. A second adding circuit for adding the outputs of the receiving elements, a third adding circuit for adding the outputs of the pair of receiving elements arranged at the first position in the y-axis direction, and a second adding circuit in the y-axis direction. And calculating a azimuth angle of the reflecting object in the horizontal plane from a phase difference between the outputs of the pair of receiving elements arranged at the position 2 and the outputs of the first and second adding circuits. An azimuth angle calculation unit, and a depression angle calculation unit that calculates the depression angle in the vertical plane of the reflecting object from the phase difference between the outputs of the third and fourth addition circuits,
A first screen display that displays an image of color, brightness, density, and other attributes according to the amplitude of the received signal on the xz plane as a reflection object image at a position determined from the distance to the reflection object and the azimuth angle. And a second screen display means for displaying on the yz plane arranged adjacent to the xz plane as an image of the reflective object at a position determined from the distance to the reflecting object and the depression angle. And an ultrasonic exploration device.
請求項において、
前記第1の画面表示手段が所定のz座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるxーt表示画面上に表示する第3の画面表示手段と、前記第2の画面表示手段が所定のz座標位置に表示する反射物体の像を、前記xーt表示画面に隣接して配置され時間の経過と共にスクロールされるyーt表示画面上に表示する第4の画面表示手段と
を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 1 ,
Third screen display means for displaying an image of a reflective object displayed at a predetermined z coordinate position by the first screen display means on an x-t display screen that is scrolled over time; and the second screen display means A fourth screen that displays an image of a reflective object that is displayed at a predetermined z-coordinate position by the screen display unit on a yt display screen that is arranged adjacent to the XT display screen and is scrolled over time. Display means
An ultrasonic exploration apparatus comprising:
請求項1又は2において、
前記距離・反射強度検出部は、前記4個の受信素子の出力を加算することによって前記受信信号の振幅を検出する手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 1 or 2 ,
The ultrasonic exploration apparatus, wherein the distance / reflection intensity detection unit includes means for detecting an amplitude of the reception signal by adding outputs of the four reception elements .
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