JP4079251B2

JP4079251B2 - Ultrasonic probe

Info

Publication number: JP4079251B2
Application number: JP2002188004A
Authority: JP
Inventors: 日出樹遠藤; 弘幸横堀; 和弘森口; 隆哉松瀬; 景義片倉
Original assignee: 株式会社光電製作所
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2004028886A

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、反射信号の到来方向を検知するための信号位相差検出部の簡易化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】
本出願人の先願（特開２００１−９９９３１号公報）には、海中の魚体などの反射物体の二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、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この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三次元表示する表示部を備えている。
【０００３】
上記先行技術の超音波探査装置は、一例として図１１に示すように構成されている。制御部ＣＮＴの制御のもとに送信部ＴＸで送信信号が発生される。この送信信号は、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を呈する。この送信信号は、信号を一方向にだけ伝達する単行回路ＩＳ１，ＩＳ２を通過し、離間して設置された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、外部の海中などに放射される。海中に放射され、海中の魚体などで発生した反射波は、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、受信反射信号ａ₁，ａ₂としてアナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２の一方の入力端子に供給される。
【０００４】
アナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２の他方の入力端子には送信回路ＴＸから搬送波信号が供給されている。アナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２で発生したビート信号ｂ₁，ｂ₂は、低域通過濾波回路ＬＰＦ１，ＬＰＦ２で濾波され、高周波成分が除去されたビート信号ｃ₁，ｃ₂となって位相差検出回路ＡＲＧと、加算回路ＡＤＤとに供給される。位相差検出回路ＡＲＧでは、ビート信号の複素共役積ｃ₁・ｃ₂ ^*から両者の位相差信号ｇが検出され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。これと並行して、濾波済みのビート信号ｃ₁，ｃ₂は加算回路ＡＤＤでアナログ加算されて合成信号ｈとなり、絶対値回路ＡＢＳで振幅の絶対値ｓに変換されディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。
【０００５】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値回路ＡＢＳから供給される絶対値ｓの出現時点と、位相差検出回路ＡＲＧから供給される位相差ｇとから三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。この表示は、ｘーｚ断面図、ｙーｚ断面図、一定深度のｘーｙ断面図などによって表示される。
【０００６】
２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２は、空間的に離間して設置される。例えば、図１２に示すように、超音波の進行方向を水深方向（ｙ軸方向）とした場合、このｙ軸と直行するｘ軸方向に、２個の矩形状の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２がＬだけ離して配置される。トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに受信される反射波の位相差に基づき、反射物体と原点を結ぶ線分がｘ軸となす角度θｘがｘ方向の方位角として検出される。
【０００７】
例えば、図１２に示すように、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／ｃ sinθｘを得る。
【０００８】
この時間差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すると、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。実際には、受信反射信号ａ₁，ａ₂から発生させた濾波済みのビート信号 c₁, c₂の位相差から時間差が検出され、この時間差と距離Ｒとから方位角θｘが検出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波探査装置では、水底については、最も早く戻ってきた強い反射波の成分から水底を検出し、これに基づき水底を水平なものとして表示していた。しかしながら、水底が傾斜していると、最も早く戻ってきた強い反射波の成分が船舶の直下の水底からではなく、斜め方向の水底からの反射波の成分となる場合が生ずる。当然、水底を水平なものとして表示することも正確ではなくなる。従って、本発明の一つの目的は、傾斜している水底を正確に把握できる検出方法を提供することにある。
【００１０】
また、上記先行技術の超音波探査装置では、各超音波受信素子による受信信号の位相差を検出するための位相差検出部がアナログ乗算器などのアナログ回路で構成されている。このため、調整作業が煩雑になり製造コストがかさむと共に、精度もばらつくという問題がある。従って、本発明の一つの目的は、安価で、高精度の位相差検出方式の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、搬送波のバースト信号から成る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含む位置データを処理して前記物体を画面表示する表示処理部とを備えている。
【００１２】
本発明の超音波探査装置は、方位ごとの水底を検出する水底検出手段と、検出された方位ごとの水深を表示する手段を備えている。
【００１３】
本発明の超音波探査装置によれば、方位検出部が各受信信号をサンプリングし、最隣接のサンプリング値の対から複素信号を作成し、この複素信号に基づき各受信信号の位相差を検出する手段を備えている。
【００１４】
本発明の超音波探査装置によれば、各方位ごとの水底の検出は、各受信信号の振幅の時間軸上の配列と、この各受信信号の位相差から検出した方位の時間軸上の配列との対応関係に基づき行われる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの好適な超音波探査装置によれば、受信部の傾斜を検出する傾斜検出手段を備え、この傾斜検出手段が検出した傾斜により水底の方位を補正する傾斜補正手段を備えている。
【００１６】
本発明の他の好適な実施の形態の超音波探査装置は、方位０°の水底の深さをｔ−ｙ断面図中に水深として表示する水底表示手段を備えている。
【００１７】
本発明の更に他の好適な実施の形態の超音波探査装置は、前記水深を所定の色彩で表示する水底表示手段を備えている。
【００１９】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。この超音波探査装置は、制御部ＣＮＴ、送信部ＴＸ、単行回路ＩＳ１，ＩＳ２、超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２、増幅回路ＡＭＰ１，ＡＭＰ２、サンプリング回路ＳＰＬ１，ＳＰＬ２，複素合成回路ＣＭＰＸ１，ＣＭＰＸ２、位相差検出回路ＡＲＧ、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。
【００２０】
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呈する。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の位相差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、位相差ｇとから三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。
【００２３】
以下、位相差検出の原理について詳細に説明する。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。
【００２４】
受信信号ａ₁を、標本化回路ＳＰＬ１において、標本化信号ｓｐ_iと、これよりも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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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が判明する。
【００２８】
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。
【００２９】
ここで、最隣接サンプリング時点間の時間差τをπ／（２ω）に設定したので
τ＝π／（２ω）＝π／（４πｆ）＝Ｔ／４
となる。ここで、ｆは搬送波の周波数、Ｔは搬送波の周期１／ｆである。すなわち、τは搬送波の周期の１／４の時間長である。以上のことから、受信信号ａの１／４周期だけずらした２点でのサンプリング値（観測値）をそれぞれ実部、虚部とする複素数を作成することにより、受信信号の位相を保存する複素数を得ることができ、本方式を構成することができる。この構成は、基本構成を用いる従来の信号変換部より簡単になる。
【００３０】
図２は、受信信号ａ(t) の波形と、サンプリング点との関係を説明するための波形図である。最初のサンプリング点ｔ₁₁とこれに後続する最隣接のサンプリング点ｔ₁₂の時間差はτであり、これは搬送波の周期Ｔの１／４である。３番目のサンプリング点ｔ₂₁とこれに後続する最隣接のサンプリング点ｔ₂₂の時間差も同様にτ＝Ｔ／４である。受信信号ａ(t) の持続時間Ｄは、送信信号のそれにほぼ等しい。最初のサンプリング点ｔ₁₁と３番目のサンプリング点ｔ₂₁との間隔は、信号の持続時間Ｄの半分Ｄ／２以下の値に設定される。このような関係を設定することにより、受信信号の包絡線の形状の検出が可能になる。この結果、反射波を発生させた物体の形状の推定が可能になる。
【００３１】
図３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断面図、右上の表示画面（ｂ）はｘ−ｙ断面図、左下の表示画面（ｃ）は（ａ）のｔ−ｙ断面図を任意の深度ｙ１で水平に切断して示すｔ−ｘ断面図である。各断面図中のａ１，ｂ１，ｃ１は、現時点で検出された同一の反射物体である。
【００３２】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値回路ＡＢＳから供給される受信反射波の絶対値ｓを、位相差検出回路ＡＲＧからの出力ｇに基づいて方位ごとに分類し、各方位ごとに水底を検出する。この方位の分類方法と、検出する水底の例を図４に示す。
【００３３】
図４は、横軸を船舶の舷側方向、縦軸を深度方向とする水中断面図である。超音波トランスジューサの指向角を４５°としたとき、中心の角度が左側２０°（Ｌ２０°）から右側２０°（Ｒ２０°）にわたるとともにそれぞれが５°の角度範囲をもつ９個の領域ａ〜ｉを想定する。絶対値回路ＡＢＳから供給される絶対値ｓを、位相差検出回路ＡＲＧから供給される出力ｇによって９個の領域ａ〜ｉに対応させて分類し、各領域ごとの水底を検出する。図４中の点Ａは、方位角（０°±２．５°）の領域内で検出された水底位置を示している。この水底位置までの距離は、船舶の直下の水底位置までの距離として定義される水深である。点Ｂは、方位角（１０°±２．５°）の領域の水底までの距離に対応する水底位置を示している。
【００３４】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰが行う水底検出処理の一例を、図５のフローチャートを参照して説明する。超音波の１回の送受信ごとに、時間軸上に配列された受信反射波の振幅の絶対値の群が作成される。時間軸上の位置、従って、反射物体までの距離を、受信反射波の振幅の絶対値のサンプル番号Ｃで表示する。このサンプル番号Ｃは、０から最大値Ｃmax までである。
【００３５】
まず、最初のステップＳ１において、初期化が行われる。すなわち、サンプル番号Ｃ、受信反射波の振幅の最大強度Ｓmax 、水底位置を示す水底サンプル番号Ｃｂのそれぞれに対して、初期値０に設定される。次のステップＳ２において、各種のパラメータが設定される。すなわち、水底検出フラグＦｂ、検出開始可能時点を示す発振線終了時点のサンプル番号Ｃｓ、最小水深ゲートサンプル番号Ｃｇmin 、最大水深ゲートサンプル番号Ｃｇmax 、サンプル番号の最大値Ｃmax 、最小水底反射強度Ｓmin として適宜な値が設定される。これらのパラメータは、従来の超音波魚探に用いられるものと同様のものである。
【００３６】
ステップＳ３で、サンプル番号が探知可能な最遠距離に対応する最大値Ｃmax に達したか否かが判定され、そうでなければ、ステップＳ４の処理が行われる。このステップＳ４では、受信反射波の振幅の絶対値Ｓ、水底サンプル番号Ｃｂの更新と、サンプル番号Ｃの更新が行われ、ステップＳ３に復帰する。すなわち、これまで保存済みの最大値Ｓmax よりも大きな新たな絶対値Ｓが出現するたびに従来の最大値Ｓmax がこの新たな最大値で更新されるとともに、この最大値に対応する水底の水深に対応する水底サンプル番号Ｃｂも更新される。
【００３７】
ステップＳ３でサンプル番号Ｃが最大値Ｃmax に達したことが検出されると、処理はステップＳ５に進む。このステップＳ５では、ステップＳ４で検出された振幅の絶対値の最大値Ｓmax が、ステップＳ２で予め設定された最小値Ｓmin 以上であるか否かが検出される。この最小値Ｓmin は、これ未満のものを水底からの反射波の振幅とは見なさないとして除外するための振幅の絶対値の最小値に関する閾値である。
【００３８】
最大値Ｃmax が閾値Ｓmin 以上であれば、前回の送受信において水底が検出済みであるか否かを示す水底検出フラグＦｂの検査が行われる（ステップＳ６）。水底が既に検出済み（Ｆｂ＝１）であれば、今回検出された水底の位置（サンプル番号Ｃｂ）が前回検出済みの水底のゲートの最小値Ｃg min よりも大きい否かが判定され（ステップＳ７）、この判定結果が肯定的であれば、それが前回検出済みの水底のゲートの最大値Ｃg max よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ８）。この水底ゲートは、前回までに検出された水底位置を中心にして適宜な幅をもったゲートを設定しておき、今回新たに検出された水底位置がこのゲートの内部に存在することを検出し、これによって検出の信頼性を向上させるためのものである。
【００３９】
ステップＳ７、ステップＳ８の判定が肯定的であれば、水底が検出済みであることを示す水底検出フラグＦｂが１にセットされ（ステップＳ９）、水底サンプル番号Ｃｂと水底検出フラグＦｂが出力され（ステップＳ１０）、すべての処理が終了する。これに対して、上記各判定ステップＳ５、Ｓ７、Ｓ８の判定結果が否定的であれば、水底検出フラグＦｂが未検出を示す０にセットされ（ステップＳ１１）、この未検出を示すフラグＦｂが出力され（ステップＳ１２）、すべての処理が終了する。
【００４０】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、検出した水底サンプル番号Ｃｂと、その偏角ｇから算定した水底の方位角θｘから、水底までの距離Ｒを以下の式に基づき算定する。
Ｒ＝α・Ｃｂ cosθｘ
ここで、αは各サンプル間の時間間隔×水中の音速／２である。これにより、検出された水底の位置Ａまでの距離として定義される水深Ｄ１，水底の位置Ｂまでの距離Ｄ２など、９個の領域ａ〜ｉについて、それぞれ水底位置までの距離が算定される。
【００４１】
図６に例示するように、船舶の舷側方向に傾斜した水底を検出する。このような水底からの反射波を処理すると図７と図８の波形図に例示するような振幅の絶対値と方位角θｘのサンプリング列が得られる。すなわち、図７は絶対値回路ＡＢＳから出力される振幅の絶対値ｓのサンプリング値を例示しており、図８はこの振幅の絶対値に対応して位相角計算部ＡＲＧから出力される偏角ｇに基づいて算定された方位角θｘのサンプリング列を例示している。図８に示される方位角に対応する水底位置を図７の振幅の絶対値のサンプリング列の対応のサンプル番号から検出することができる。この結果、方位角ごとの深度が得られる。
【００４２】
超音波素子ＴＤ１，ＴＤ２を含む受信部の傾斜角を検出する角度センサを受信部に取付け、これで検出した受信部の取付け角度をディジタル信号に変換し、図１のディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給する。ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、この傾斜角に基づき方位角θｘを補正し、補正済みの方位角θｘごとの水深を算定し、画面に表示する。
【００４３】
図９は、船舶の直下（方位角０°の方向）の水深と、操作者が指定した任意の方位角方向の水底までの距離を、表示画面の下方に算用数字で表示する表示例を示している。
【００４４】
図１０は、従来方式でＢスコープ表示した水底の画面中に船舶の直下の水深を、赤など適宜な色彩の線で表示する表示例を示している。従来方式のＢスコープ表示画面では、各方向から帰ってくる反射波が到着順に時間軸上に配列されるので、水底が傾斜している場合には、船舶の直下の水深よりも浅い水底が検出されることがあり、図１０ではそのような例が表示されている。
【００４５】
【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、方位ごとの水底を検出する水底検出手段を備える構成であるから、傾斜した水底を正確に把握できるという効果が奏される。
【００４６】
また、本発明の好適な実施例の超音波探査装置によれば、方位検出部が各受信信号をサンプリングし、最隣接のサンプリング値の対から複素信号を作成し、この複素信号に基づき各受信信号の位相差を検出する手段を備える構成であるから、安価で、高精度の位相差検出方式の超音波探査装置を提供でき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】受信信号の波とサンプリングの時点との関係を説明するための波形である。
【図３】角度を含む物体位置の三次元表示画面の一例であり、船舶のｔ−ｙ断面図（ａ）、ｘ−ｙ断面図（ｂ）、ｔ−ｘ断面図（ｃ）である。
【図４】横軸を船舶の舷側方向、縦軸を深度方向とする水中断面図である。
【図５】ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰが実行する水底検出処理の内容の一例を説明するためのフローチャートである。
【図６】上記実施例の超音波探査装置の検出対象の舷側方向に傾斜した水底の一例を示す概念図である。
【図７】図１の絶対値回路ＡＢＳから出力される振幅の絶対値Ｓのサンプリング値の時系列を例示する概念図である。
【図８】図７の振幅の絶対値に対応する方位角のサンプリング値の時系列を例示する概念図である。
【図９】水深等の表示例を示す画面である。
【図１０】水深を適宜な色彩の線で表示する画面である。
【図１１】先行技術の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】２個のセンサにへ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[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to an ultrasonic exploration apparatus capable of detecting a two-dimensional position of a reflecting object such as a fish body, and more particularly, a signal phase difference detection unit for detecting a direction of arrival of a reflected signal. The present invention relates to an acoustic exploration device.
[0002]
[Prior art]
The Applicant's prior application (Japanese Patent Open 2 001-99931 JP) are ultrasonic inspection apparatus is disclosed in which to be able to detect the two-dimensional position of the reflecting object, such as underwater fish. This ultrasonic exploration device receives a reflected wave of transmitted ultrasonic waves by a plurality of receiving elements, and reflects the reflected wave from the azimuth function determined by the shape and arrangement of each receiving element and the phase difference of the received signal of each receiving element. An azimuth detector that detects the azimuth of the object that has generated In addition, the distance detection unit that detects the distance from the ultrasonic wave to the time when the reflected wave is received and the amplitude of the received reflected wave and the reflected object, and the reflection intensity, A display unit for three-dimensionally displaying a combination of the detected azimuth and distance is provided.
[0003]
The above-described prior art ultrasonic exploration apparatus is configured as shown in FIG. 11 as an example. A transmission signal is generated in the transmission unit TX under the control of the control unit CNT. This transmission signal has a burst-like waveform in which a sinusoidal carrier wave in an ultrasonic band of several tens of kHz to several hundreds of kHz lasts for several tens of cycles. This transmission signal passes through single circuits IS1 and IS2 that transmit the signal only in one direction, and is supplied to each of the two ultrasonic transducers TD1 and TD2 that are spaced apart from each other, and is radiated to the outside sea or the like. The Reflected waves radiated into the sea and generated by fish in the sea are received by the ultrasonic transducers TD1 and TD2 used for both transmission and reception, amplified by the amplifiers AMP1 and AMP2, and analog-multiplied as the received reflected signals a ₁ and a ₂ Is supplied to one input terminal of each of the devices M1 and M2.
[0004]
A carrier wave signal is supplied from the transmission circuit TX to the other input terminals of the analog multipliers M1 and M2. The beat signals b ₁ and b ₂ generated by the analog multipliers M1 and M2 are filtered by the low-pass filtering circuits LPF1 and LPF2 to become beat signals c ₁ and c ₂ from which high-frequency components have been removed, and the phase difference detection circuit. It is supplied to ARG and the adder circuit ADD. The phase difference detection circuit ARG detects the phase difference signal g between the complex conjugate products c ₁ and c ₂ ^{* of} the beat signal and supplies the detected signal to the digital signal processor DSP. In parallel with this, the filtered beat signals c ₁ and c ₂ are analog-added by an adder circuit ADD to become a composite signal h, converted into an absolute value s of amplitude by an absolute value circuit ABS, and sent to a digital signal processor DSP. Supplied.
[0005]
The digital signal processor DSP creates three-dimensional display data from the current output time of the absolute value s supplied from the absolute value circuit ABS and the phase difference g supplied from the phase difference detection circuit ARG, and displays the display unit DIS. To display. This display is displayed by an xz sectional view, a yz sectional view, an xy sectional view at a certain depth, and the like.
[0006]
The two ultrasonic transducers TD1, TD2 are installed spatially separated. For example, as shown in FIG. 12, when the traveling direction of the ultrasonic wave is the water depth direction (y-axis direction), two rectangular ultrasonic transducers TD1 and TD2 are arranged in the x-axis direction perpendicular to the y-axis. L apart. Based on the phase difference between the reflected waves received by each of the transducers TD1 and TD2, the angle θx formed by the line segment connecting the reflecting object and the origin with the x axis is detected as the azimuth angle in the x direction.
[0007]
For example, as shown in FIG. 12, it is assumed that the reflective object W exists in the direction of the azimuth angle θx that is R away from the center of one transducer TD1. If the distance between the other transducer TD2 and the reflecting object W is R + δR, then δR = L sin θx. Let c be the propagation speed of the ultrasonic wave generated by the reflecting object W. If the time difference δt from when one ultrasonic transducer TD1 receives the reflected wave until the other ultrasonic transducer TD2 receives the reflected wave, δt = δR / c = L / c sin θx is obtained.
[0008]
When the frequency of the ultrasonic signal is set so that this time difference is smaller than a half cycle of the ultrasonic reception signal, the time difference at the reception time can be detected from the phase difference of the reception signals of the respective ultrasonic transducers. In practice, a time difference is detected from the phase difference between the filtered beat signals c ₁ and c ₂ generated from the received reflected signals a ₁ and a ₂ , and the azimuth angle θx is detected from the time difference and the distance R.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional ultrasonic exploration apparatus, the bottom of the water is detected from the component of the strong reflected wave that has returned the earliest, and based on this, the bottom is displayed as a horizontal one. However, when the bottom of the water is inclined, the component of the strong reflected wave that has returned the earliest may be the component of the reflected wave from the bottom of the water instead of from the water bottom directly below the ship. Of course, it would not be accurate to display the bottom as horizontal. Accordingly, an object of the present invention is to provide a detection method that can accurately grasp a tilted water bottom.
[0010]
Further, in the above-described prior art ultrasonic exploration apparatus, the phase difference detection unit for detecting the phase difference of the received signal by each ultrasonic receiving element is constituted by an analog circuit such as an analog multiplier. For this reason, there is a problem that adjustment work becomes complicated, manufacturing costs increase, and accuracy varies. Accordingly, an object of the present invention is to provide an inexpensive and highly accurate phase difference detection type ultrasonic exploration apparatus.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
An ultrasonic exploration device according to the present invention that solves the above-described problems of the prior art receives a transmission unit that transmits an ultrasonic signal including a burst signal of a carrier wave, and receives and receives a reflected wave from an object of the transmitted ultrasonic signal. A receiving unit comprising a plurality of receiving elements for outputting signals; an orientation detecting unit for detecting the orientation of the object from the arrangement of the plurality of receiving elements and the phase difference of the received signals output from each receiving element; and A distance / reflection intensity detection unit that detects the distance and reflection intensity of an object from the present time and amplitude of a received signal, and a display that displays the object by processing position data including the detected azimuth, distance, and reflection intensity And a processing unit .
[0012]
This onset Ming ultrasonic inspection apparatus includes a water bottom detection means for detecting the water bottom for each orientation, means for displaying the water depth of each detected orientation.
[0013]
According to ultrasonic inspection apparatus of the present invention, the direction detection unit samples the respective received signal, to create a complex signal from the pair of nearest neighbor sampled value to detect the phase difference of each received signal based on the complex signal Means.
[0014]
According to the ultrasonic exploration apparatus of the present invention, the detection of the water bottom for each azimuth is performed by arranging the amplitude of each received signal on the time axis and the azimuth on the time axis detected from the phase difference of each received signal. It is performed based on the correspondence relationship.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to one preferable ultrasonic exploration apparatus of the present invention, the apparatus includes an inclination detection unit that detects the inclination of the receiving unit, and an inclination correction unit that corrects the orientation of the water bottom based on the inclination detected by the inclination detection unit. .
[0016]
An ultrasonic survey apparatus according to another preferred embodiment of the present invention includes water bottom display means for displaying the depth of the water bottom with an azimuth of 0 ° as the water depth in the ty cross-sectional view.
[0017]
The ultrasonic exploration apparatus according to still another preferred embodiment of the present invention includes water bottom display means for displaying the water depth in a predetermined color.
[0019]
【Example】
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic survey apparatus according to an embodiment of the present invention. This ultrasonic exploration apparatus includes a control unit CNT, a transmission unit TX, single circuit IS1, IS2, ultrasonic transducers TD1, TD2, amplification circuits AMP1, AMP2, sampling circuits SPL1, SPL2, complex synthesis circuits CMPX1, CMPX2, phase difference detection. A circuit ARG, an adder circuit ADD, an absolute value circuit ABS, a digital signal processor DSP, and a display device DIS are provided.
[0020]
An ultrasonic transmission signal is generated in the transmission unit TX under the control of the control unit CNT. This transmission signal exhibits a burst-like waveform in which a sinusoidal carrier wave in an ultrasonic band of several tens to several hundreds of kHz lasts for several tens of cycles, as in the case of the above-described conventional apparatus. The ultrasonic transmission signal is supplied to each of the two ultrasonic transducers TD1 and TD2 through the single circuits IS1 and IS2 for transmitting the signal only in one direction, and is simultaneously radiated to the outside sea or the like. . The reflected waves radiated into the sea and generated by fish bodies in the sea are received by the ultrasonic transducers TD1 and TD2 used for both transmission and reception, and amplified by the amplifiers AMP1 and AMP2.
[0021]
The received reflected waves amplified by the amplifiers AMP1 and AMP2 are sampled by the first and second sampling signals sp _i and sp _{q in} the sampling circuits SPL1 and SPL2, and converted into digital signals. The digital reception signals p ₁ and q ₁ output from the first sampling circuit SPL1 are converted into the digital complex signal r ₁ = p ₁ + jq ₁ in the subsequent complex signal synthesis circuit CMPX1, and the phase difference detection circuit ARG and the addition circuit ADD. And supplied to. Similarly, the digital reception signals p ₂ and q ₂ output from the second sampling circuit SPL2 are converted into the digital complex signal r ₂ = p ₂ + jq ₂ in the subsequent complex signal synthesis circuit CMPX2, and the phase difference detection circuit ARG and It is supplied to the adder circuit ADD.
[0022]
In the phase difference detection circuit ARG, the phase difference g between the received reflected signals a ₁ and a ₂ is calculated from the complex conjugate product r ₁ · r ₂ ^{* of} the digital complex signals r ₁ and r _2, and is sent to the digital signal processor DSP. Supplied. In the digital adder circuit ADD, the digital complex signals r ₁ and r ₂ are added, and the absolute value s of the added value h is calculated by the absolute value circuit ABS and supplied to the digital signal processor DSP. The digital signal processor DSP creates three-dimensional display data from the absolute value s, the current output time point, and the phase difference g, supplies it to the display unit DIS, and displays it.
[0023]
Hereinafter, the principle of phase difference detection will be described in detail. If the envelope amplitudes of the received signals a ₁ and a ₂ are A (t), the angular frequency of the carrier wave is ω, and the phases are φ ₁ and φ ₂ respectively,
a ₁ = A (t) cos (ωt + φ ₁ )
a ₂ = A (t) cos (ωt + φ ₂ )
It becomes.
[0024]
The received signal a ₁ is sampled by the sampling circuit SPL ₁ by the sampling signal sp _i and the sampling signal sp _q delayed by τ. The sampled received signal p ₁ (t) based on the sampled signal sp _i appearing at time t and the sampled received signal q ₁ (t) based on the sampled signal appearing at time t = t + τ are:

It becomes. Where τ is
ωτ = π / 2
Then,

It becomes.
[0025]
In the complex synthesizer CMPX1, a complex number r ₁ having p ₁ (t) as a real part and q ₁ (t) as an imaginary part is synthesized. That is, this complex number r ₁ is

It is. r ₁ is a complex number having the phase angle (ωt + φ ₁ ) of the received signal a ₁ as a declination angle.
[0026]
Similarly,

It becomes. r ₂ is a complex number having the phase angle (ωt + φ ₂ ) of the received signal a ₂ as a declination angle.
[0027]
Accordingly, when the complex angle product of the complex numbers r ₁ and r ₂ is calculated by the phase angle calculation unit ARG and the deviation angle g is calculated, the output g of the ARG is similar to the basic configuration.

It becomes. Thus, when the phase difference Δφ between the received signals a ₁ and a ₂ is obtained, the azimuth angle of the fish body as seen from the transducer is determined.
[0028]
The addition result by the adder circuit ADD is

It becomes. If the absolute value of h calculated by the absolute value calculation unit ABS is s,

It becomes.
[0029]
Here, since the time difference τ between the nearest sampling points is set to π / (2ω), τ = π / (2ω) = π / (4πf) = T / 4.
It becomes. Here, f is the carrier frequency and T is the carrier period 1 / f. That is, τ is a time length that is ¼ of the period of the carrier wave. From the above, a complex number that preserves the phase of the received signal by creating complex numbers with the sampling values (observed values) at two points shifted by ¼ period of the received signal a as real parts and imaginary parts, respectively. And the present system can be configured. This configuration is simpler than the conventional signal conversion unit using the basic configuration.
[0030]
FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the relationship between the waveform of the received signal a (t) and the sampling points. The time difference between the first sampling point t ₁₁ and the next adjacent sampling point t ₁₂ is τ, which is 1/4 of the carrier wave period T. Similarly, the time difference between the third sampling point t ₂₁ and the next adjacent sampling point t ₂₂ is τ = T / 4. The duration D of the received signal a (t) is approximately equal to that of the transmitted signal. The interval between the first sampling point t ₁₁ and the third sampling point t ₂₁ is set to a value that is not more than half D / 2 of the signal duration D. By setting such a relationship, the shape of the envelope of the received signal can be detected. As a result, the shape of the object that has generated the reflected wave can be estimated.
[0031]
FIG. 3 is an example of a three-dimensional display screen of an object position including an angle. As the three orthogonal axes, an x-axis is set in the ship's shore direction, a y-axis is set in the depth direction, and a z-axis or a time axis t is set in the traveling direction of the ship. The upper left display screen (a) is a ty cross-sectional view of a ship, the upper right display screen (b) is an xy cross-sectional view, and the lower left display screen (c) is an ty cross-sectional view of (a). It is tx sectional drawing shown cut horizontally by the depth y1. In the cross-sectional views, a1, b1, and c1 are the same reflecting object detected at the present time.
[0032]
The digital signal processor DSP classifies the absolute value s of the received reflected wave supplied from the absolute value circuit ABS for each direction based on the output g from the phase difference detection circuit ARG, and detects the water bottom for each direction. To do. FIG. 4 shows an example of the orientation classification method and the water bottom to be detected.
[0033]
FIG. 4 is an underwater cross-sectional view in which the horizontal axis represents the ship's side and the vertical axis represents the depth direction. When the directivity angle of the ultrasonic transducer is 45 °, nine regions a to i having a central angle ranging from 20 ° on the left side (L20 °) to 20 ° on the right side (R20 °) and each having an angle range of 5 °. Is assumed. The absolute value s supplied from the absolute value circuit ABS is classified according to the nine regions a to i by the output g supplied from the phase difference detection circuit ARG, and the water bottom for each region is detected. A point A in FIG. 4 indicates the water bottom position detected in the area of the azimuth angle (0 ° ± 2.5 °). The distance to the bottom position is the water depth defined as the distance to the bottom position immediately below the ship. Point B indicates the water bottom position corresponding to the distance to the water bottom in the region of the azimuth angle (10 ° ± 2.5 °).
[0034]
An example of water bottom detection processing performed by the digital signal processor DSP will be described with reference to the flowchart of FIG. For each transmission / reception of the ultrasonic wave, a group of absolute values of the amplitudes of the received reflected waves arranged on the time axis is created. The position on the time axis, and therefore the distance to the reflecting object, is displayed by the sample number C of the absolute value of the amplitude of the received reflected wave. The sample number C is from 0 to the maximum value Cmax.
[0035]
First, in the first step S1, initialization is performed. That is, the initial value 0 is set for each of the sample number C, the maximum amplitude Smax of the amplitude of the received reflected wave, and the bottom sample number Cb indicating the bottom position. In the next step S2, various parameters are set. That is, the water bottom detection flag Fb, the sample number Cs at the end of the oscillation line indicating the detection startable point, the minimum water depth gate sample number Cgmin, the maximum water depth gate sample number Cgmax, the maximum value Cmax of the sample number, and the minimum water bottom reflection intensity Smin are appropriately selected. A correct value is set. These parameters are the same as those used for conventional ultrasonic fish finder.
[0036]
In step S3, it is determined whether or not the sample number has reached the maximum value Cmax corresponding to the farthest distance that can be detected. If not, the process of step S4 is performed. In step S4, the absolute value S of the amplitude of the received reflected wave, the water bottom sample number Cb, and the sample number C are updated, and the process returns to step S3. That is, every time a new absolute value S larger than the previously stored maximum value Smax appears, the conventional maximum value Smax is updated with the new maximum value, and the bottom water depth corresponding to the maximum value is updated. The corresponding bottom sample number Cb is also updated.
[0037]
If it is detected in step S3 that the sample number C has reached the maximum value Cmax, the process proceeds to step S5. In step S5, it is detected whether or not the maximum absolute value Smax of the amplitude detected in step S4 is equal to or greater than the minimum value Smin set in advance in step S2. This minimum value Smin is a threshold value regarding the minimum value of the absolute value of the amplitude for excluding those less than this as not being regarded as the amplitude of the reflected wave from the bottom of the water.
[0038]
If the maximum value Cmax is equal to or greater than the threshold value Smin, the bottom detection flag Fb indicating whether or not the bottom has been detected in the previous transmission / reception is performed (step S6). If the water bottom has already been detected (Fb = 1), it is determined whether or not the position of the water bottom detected this time (sample number Cb) is greater than the minimum value Cg min of the water bottom gate detected previously (step S7). If the determination result is affirmative, it is determined whether or not it is smaller than the maximum value Cg max of the previously detected bottom gate (step S8). For this bottom gate, a gate with an appropriate width is set centering on the bottom position detected until the previous time, and it is detected that the bottom position newly detected this time exists inside this gate. This improves the reliability of detection.
[0039]
If the determinations in steps S7 and S8 are affirmative, a bottom detection flag Fb indicating that the bottom has been detected is set to 1 (step S9), and a bottom sample number Cb and a bottom detection flag Fb are output ( Step S10), all processing is completed. On the other hand, if the determination results of the determination steps S5, S7, and S8 are negative, the bottom detection flag Fb is set to 0 indicating no detection (step S11), and the flag Fb indicating this non-detection is set. This is output (step S12), and all the processes are completed.
[0040]
The digital signal processor DSP calculates the distance R to the water bottom from the detected water bottom sample number Cb and the azimuth angle θx of the water bottom calculated from the deviation angle g based on the following equation.
R = α · Cb cosθx
Where α is the time interval between each sample × the speed of sound in water / 2. Thereby, the distance to the bottom position is calculated for each of the nine regions a to i such as the depth D1 defined as the distance to the detected bottom position A1 and the distance D2 to the bottom position B.
[0041]
As illustrated in FIG. 6, the bottom of the water inclined in the ship's side direction is detected. Absolute value and the sampling sequence of the azimuth angle θx amplitude exemplified reflected waves from such water bottom and you processed in the waveform diagram of FIG. 7 and FIG. 8 is obtained. 7 illustrates a sampling value of the absolute value s of the amplitude output from the absolute value circuit ABS, and FIG. 8 illustrates the deflection angle output from the phase angle calculation unit ARG corresponding to the absolute value of the amplitude. The sampling row | line | column of the azimuth angle (theta) x calculated based on g is illustrated. The water bottom position corresponding to the azimuth angle shown in FIG. 8 can be detected from the corresponding sample number in the sampling sequence of absolute values of amplitude in FIG. As a result, the depth for each azimuth is obtained.
[0042]
An angle sensor for detecting the tilt angle of the receiving unit including the ultrasonic elements TD1 and TD2 is attached to the receiving unit, and the detected mounting angle of the receiving unit is converted into a digital signal, and the digital signal processor DSP of FIG. Supply. The digital signal processor DSP corrects the azimuth angle θx based on the tilt angle, calculates the water depth for each corrected azimuth angle θx, and displays it on the screen.
[0043]
FIG. 9 shows a display example in which the water depth just below the ship (direction of azimuth angle 0 °) and the distance to the bottom of the water in any azimuth direction designated by the operator are displayed as arithmetic numbers below the display screen. Show.
[0044]
FIG. 10 shows a display example in which the water depth just below the ship is displayed with a line of an appropriate color such as red on the water bottom screen displayed in the B scope by the conventional method. In the conventional B-scope display screen, the reflected waves returning from each direction are arranged on the time axis in the order of arrival, so if the bottom of the water is tilted, the bottom of the water shallower than the depth just below the ship is detected. FIG. 10 shows such an example.
[0045]
【The invention's effect】
As described above in detail, the ultrasonic exploration apparatus according to the present invention is configured to include the water bottom detection means for detecting the water bottom for each azimuth, and thus has an effect of accurately grasping the inclined water bottom.
[0046]
Further, according to the ultrasonic survey apparatus of the preferred embodiment of the present invention, the azimuth detecting unit samples each received signal, creates a complex signal from the pair of the nearest sampling values, and receives each reception based on this complex signal. Since it is a structure provided with the means to detect the phase difference of a signal, there exists an advantage that an ultrasonic exploration apparatus of a phase difference detection system of a cheap and highly accurate can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic survey apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a waveform for explaining a relationship between a wave of a received signal and a sampling time point.
FIG. 3 is an example of a three-dimensional display screen of an object position including an angle, and is a ty sectional view (a), an xy sectional view (b), and a tex sectional view (c) of a ship.
FIG. 4 is an underwater cross-sectional view in which the horizontal axis represents the ship's side and the vertical axis represents the depth direction.
FIG. 5 is a flowchart for explaining an example of the content of water bottom detection processing executed by a digital signal processor DSP;
FIG. 6 is a conceptual diagram showing an example of a water bottom that is inclined in the heel side direction of the detection target of the ultrasonic exploration apparatus according to the embodiment.
7 is a conceptual diagram illustrating a time series of sampling values of an absolute value S of amplitude output from the absolute value circuit ABS of FIG. 1;
8 is a conceptual diagram illustrating a time series of sampling values of azimuth angles corresponding to absolute values of amplitudes in FIG. 7;
FIG. 9 is a screen showing a display example of water depth and the like.
FIG. 10 is a screen that displays the water depth with lines of appropriate colors.
FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a prior art ultrasonic exploration apparatus.
FIG. 12 is a conceptual diagram for explaining the principle of detection of the azimuth angle of a reflecting object based on the phase difference of received signals to two sensors.
[Explanation of symbols]
CNT controller
TX transmitter circuit
TD1, TD2 Ultrasonic transducer
SPL1, SPL2 sampling circuit
CPMX1, CMPX2 Complex synthesis circuit
ARG phase difference detection circuit
ADD Adder circuit
ABS absolute value circuit
DSP digital signal processor
DIS display device

Claims

A transmission unit that transmits an ultrasonic signal composed of a burst signal of a carrier wave; a reception unit that includes a plurality of reception elements that receive a reflected wave from an object of the transmitted ultrasonic signal and output a reception signal; the arrangement of the receiving element and the reception signals outputted from the respective receiving element and the azimuth detecting unit for detecting the orientation of the object from the phase difference, the distance and reflection intensity of the appearance time and the object from the amplitude of each received signal In an ultrasonic exploration apparatus comprising a distance / reflection intensity detection unit to detect, and a display processing unit that processes position data including the detected orientation, distance, and reflection intensity and displays the object on a screen,
The azimuth detecting unit samples each received signal at a quarter of the period of the carrier wave, creates a complex signal from a pair of sampling values nearest to each other, and based on the complex signal, Having means for detecting the phase difference ;
An arrangement on the time axis of the amplitude of each received signal, and an arrangement on the time axis of the azimuth angle detected from the arrangement of the plurality of receiving elements and the phase difference of each received signal output from each receiving element; A water bottom detecting means for detecting the water bottom for each of the orientations based on the correspondence relationship of
The display processing unit includes means for displaying a water depth for each detected orientation;
An ultrasonic exploration device.

In claim 1 ,
An ultrasonic exploration apparatus comprising an inclination detecting means for detecting an inclination of the receiving section, and an inclination correcting means for correcting the direction of the bottom of the water based on the inclination detected by the inclination detecting means .

In claim 1 or 2 ,
The ultrasonic processing apparatus according to claim 1, wherein the display processing unit includes display means for displaying the depth of the water bottom with an azimuth of 0 ° as the water depth in the ty cross-sectional view .

In claim 3 ,
The ultrasonic search apparatus , wherein the display processing unit includes water bottom display means for displaying a water depth, which is the depth of the water bottom with the azimuth of 0 °, in a predetermined color in a ty sectional view .