JP4216647B2 - 超音波送信装置、超音波送受信装置、および探知装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を送信する超音波送信装置、この送信された超音波のエコーを受信する超音波送受信装置、およびこれらを用いて物標を探知する探知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、一般に水中にある物標を探知するためにスキャニングソナー等のソナー装置が用いられている。スキャニングソナーは、周囲の全方位の物標を探知するため、略円筒形状のトランスデューサを備えており、このトランスデューサに配列形成された振動子を駆動させることによって、全周に向けて超音波の送信ビームを形成する。また、トランスデューサの円周方向（方位方向）に並ぶ所定数の振動子を用いて、所定方位に受信ビームを形成し、用いる振動子列の組の選択を切り換えることによって、受信ビームの方位を順次回転させる。このことによって全方位に亘る探知を行う。
【０００３】
このようなスキャニングソナーの超音波送受信装置においては、近接する船舶同士間で互いの送信する超音波同士が干渉し合わないように、超音波の出力すなわち、振幅を制御しなければならない場合がある。また、複数の振動子を備えたトランスデューサから超音波を送信する場合、配列形成された振動子から出力される送信ビームのサイドローブの抑制が必要となる。このため、振動子毎に供給する駆動信号を正確に制御して各振動子から送信される超音波信号の振幅を制御しなければならない。
【０００４】
一般に、超音波送受信装置の送信部の電力増幅部では、その終段部に複数のスイッチング素子を用いたブリッジ回路が用いられている。このブリッジ回路でスイッチング素子を駆動することにより、振動子を駆動するパルス信号を生成する。そして、このパルス信号により振動子は振動して超音波信号を外部に送信する（例えば、特願２００１−４０１７９８号公報参照。）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のブリッジ回路としては、スイッチング素子を４つ用いたフルブリッジ回路とスイッチング素子を２つ用いたハーフブリッジ回路とが存在する。
【０００６】
図６はフルブリッジ回路を示す概略構成図である。なお、本図ではスイッチング素子としてＦＥＴを用いた例を示す。
【０００７】
図６に示すようにフルブリッジ回路は、駆動電圧ＶB を供給する電圧供給部と接地電位との間に２つのＦＥＴ11，ＦＥＴ12を直列接続した回路と、２つのＦＥＴ21，ＦＥＴ22を直列接続した回路とが並列に設けられ、ＦＥＴ11，ＦＥＴ12の接続点とＦＥＴ21，ＦＥＴ22の接続点とが振動子ＸＤの両端にそれぞれ接続した構成である。
【０００８】
このようなフルブリッジ回路では、各ＦＥＴ11，ＦＥＴ12，ＦＥＴ21，ＦＥＴ22に図７（ａ）〜（ｄ）に示すドライブ信号を入力することで、ＦＥＴ11，ＦＥＴ12，ＦＥＴ21，ＦＥＴ22のオン／オフ状態を制御し、振動子ＸＤに図７（ｅ）に示すパルス信号を供給し、振動子ＸＤが固有共振周波数で振動する。すなわち、ＦＥＴ11，ＦＥＴ21でパルス信号を振動子に供給して、振動子を共振させ自由振動させると、パルス信号を供給しない間も引き続き自由振動を維持する。そして、ＦＥＴ11とＦＥＴ22とをオン状態にするタイミングと、ＦＥＴ21とＦＥＴ12とをオン状態にするタイミングとを、振動子ＸＤの共振周波数に対して半周期ずらして同期させて、パルス信号を振動子に連続して供給する。これにより、振動子が連続的に共振するので、自由振動による減衰量が補われ、所定振幅の超音波信号が出力される。ここで、パルス信号のパルス幅を調整することにより超音波信号の振幅が制御されて、所望の振幅の超音波信号が出力される。
【０００９】
しかし、このようなフルブリッジ回路では、ＦＥＴＥ11，ＦＥＴ21から振動子に駆動電圧が供給されていない状態、すなわち、ＦＥＴ11，ＦＥＴ21がオフ状態のときに、ＦＥＴ12，ＦＥＴ21がオフ状態であると、振動子とＦＥＴ12，ＦＥＴ21からなる閉ループ回路のインピーダンスが非常に高くなる。ここで、超音波信号の振幅を大きくする場合は、パルス信号のパルス幅が大きくなるため、上記ＦＥＴ11〜ＦＥＴ22の全てがオフ状態となる時間（図６におけるα区間およびβ区間に対応）は短いため、振動子の振動の減衰量は比較的少なくなる。しかし、超音波信号の振幅を小さくする場合は、供給されるパルス幅が短くなるため、ＦＥＴ11〜ＦＥＴ22の全てがオフ状態となる時間は長くなり、フルブリッジ回路と振動子とからなる閉ループ回路が非常に高いインピーダンスを示す時間が長くなるとともに自由振動が制限される。これにより、振動子の振動が極端に減衰して、連続的に超音波信号を送信する場合、非常に損失が大きくなって効率が悪くなる。また、この減衰量が非常に大きく、次のパルスが供給されるまでに振動が停止してしまえば、連続して超音波信号を送信することができなくなる。
【００１０】
以上のことは、従来のハーフブリッジ回路についても云える。図８は従来のハーフブリッジ回路を示す概略構成図である。
【００１１】
図８に示すようにハーフブリッジ回路は、正の電圧（ＶB ）の供給部と負の電圧（−ＶB ）の供給部との間に２つのＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 を直列接続した回路が設けられ、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 の接続点が振動子ＸＤに接続されているとともに、振動子ＸＤに並列にＦＥＴ3 が接続された構成である。
【００１２】
このようなハーフブリッジ回路では、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 に図９（ａ）、（ｂ）に示すドライブ信号が入力されることで、振動子が固有共振周波数で振動する。ここで、ＦＥＴ3 が常時オフ状態すなわち、ＦＥＴ3 が無い、２つのＦＥＴからなる一般のハーフブリッジ回路の場合には、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 がともにオフとなるタイミングが生じる。特に、超音波信号の振幅を小さくするためにパルス幅を狭くした場合、２つのＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 がともにオフ状態となる時間（図９におけるγ区間およびδ区間）が長くなる。このため、振動子とハーフブリッジ回路からなる閉ループ回路が非常に高いインピーダンスを示す時間が長くなるとともに自由振動が制限される。これにより、上述のフルブリッジ回路の場合と同様に、振動子の振動が極端に減衰して、連続的に超音波信号を送信する場合、非常に損失が大きくなって効率が悪くなる。
【００１３】
このため、一般のハーフブリッジ回路の負荷（振動子）に並列に新たなＦＥＴ3 を設ける。ＦＥＴ3 は図８に示すように、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 の両方がオフ状態にある時にオン状態となる制御が行われている。これにより、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 がオフ状態にあるときに、振動子ＸＤとＦＥＴ3 との閉ループ回路で低インピーダンスを実現できるので、低損失で自由振動が継続し、連続して超音波信号を送信することができる。
【００１４】
しかしながら、このようなハーフブリッジ回路においては、振動子に並列にＦＥＴを追加するので、回路が複雑になってしまうという問題がある。
【００１５】
この発明の目的は、複数のスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路を用いて、振動子をパルス信号で駆動して超音波を送信する、高効率で簡素な構造の超音波送信装置、これを用いた超音波送受信装置、およびこれらを用いた探知装置を構成することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の超音波送信装置の送信ビーム形成手段は、フルブリッジ回路にドライブ信号を与えるドライブ信号生成手段で、フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴としている。
【００１７】
ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態になり、第２のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を形成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。一方、第１のスイッチング素子がオフ状態になり、第２のスイッチング素子がオン状態になると、その状態を維持する全期間において、振動子は第２のスイッチング素子とともに閉ループの低インピーダンス共振回路を構成する。
【００１８】
このハーフブリッジ回路と振動子とは、等価的に図１０（ａ）に示すスイッチＳＷを含む共振回路となる。この共振回路において、ＳＷのＡ接状態の時が、ハーフブリッジ回路では第１のスイッチング素子がオン状態、第２のスイッチング素子がオフ状態であり、ＳＷのＢ接状態の時が、第１のスイッチング素子がオフ状態、第２のスイッチング素子がオン状態である。また、振動子は、等価的に抵抗、コイル、およびインダクタの直列回路で示される。
【００１９】
この共振回路は、スイッチＳＷが一旦Ａ接状態になると電源Ｖから所定電圧が振動子に供給され、スイッチＳＷがＢ接状態になると振動子のみの直列共振回路となる。これにより、図１０（ｂ）に示すように、所定の振幅および減衰特性を有する固有共振周波数の減衰振動が生じる。
【００２０】
このように、ハーフブリッジ回路を駆動し、振動子にパルス信号を供給することで、振動子は固有共振周波数で共振して自由振動を起こし、パルスが供給されていない間もこの振動を維持する。さらに、第１のスイッチング素子の駆動タイミングを振動子の固有共振周波数に同期させることで、第１のスイッチング素子を介して駆動電圧が連続的に供給されるので、振動子は所定の振幅値で振動を続け、超音波信号を送信する。
【００２１】
ここで、振動子では供給されるパルス信号のパルス幅に応じて超音波信号の振幅が決定されるので、パルス信号のパルス幅を可変にすることにより、振動子から出力される超音波信号の振幅を制御できる。この制御を行うことで、振動子から送信される超音波信号の振幅制御をトランスデューサに配列形成された振動子毎に行い、所望のウェイト付けが行われた超音波送信ビームを形成する。
【００２３】
この構成では、フルブリッジ回路の第１、第４のスイッチング素子がオン状態になり、第２のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、第１、第４のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を構成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。また、第３、第２のスイッチング素子がオン状態になり、第４のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、第３、第２のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を構成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。この第１のスイッチング素子がオン状態になるタイミングと、第３のスイッチング素子がオン状態となるタイミングとは、パルス信号により生じる振動子の共振周期に対して、互いに半周期ずれて同期されている。一方、第１、第３のスイッチング素子がオフ状態になり、第２、第４のスイッチング素子がオン状態になると、その状態を維持する全期間において、振動子は、第２、第４のスイッチング素子とともに閉ループの低インピーダンス共振回路を構成する。
【００２４】
このようなフルブリッジ回路を用いた場合にも、上述のハーフブリッジ回路を用いた場合と同様に、振動子の共振と、この共振による振動の維持とを繰り返すことで、連続して超音波信号を送信する。
【００２７】
また、この発明は、所定のパルス信号で駆動する振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子の直列回路と、第３、第４のスイッチング素子の直列回路とを並列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するフルブリッジ回路と、ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、振動子にパルス信号を与えて駆動させることで超音波を送信する送信手段を備えた超音波送信装置において、ドライブ信号生成手段で、フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置を備えたスキャニングソナーについて、図を参照して説明する。
【００２９】
図１は、スキャニングソナーの送受信チャンネルの構成を示すブロック図である。図１において、ドライバＩ／Ｆ１１は、後述するプログラマブル送信ビーム形成制御部２６から与えられるＣＬＯＣＫ信号と、スイッチングを制御するディジタル形式の制御信号とに基づいて、ドライバ回路１２を制御するドライブ信号を生成する。すなわち、本発明のドライブ信号生成手段とは、ドライバＩ／Ｆ１１およびプログラマブル送信ビーム形成部２６を示す。ここで、制御信号は、プログラマブル送信ビーム形成制御部２６の波形メモリ２４に、超音波信号の振幅に応じて、複数種類のパターンで予め記憶されており、送信する超音波信号の振幅が決定されると、この振幅に応じた制御信号がドライバＩ／Ｆ１１に入力される。
【００３０】
ドライバ回路１２は図２に示すハーフブリッジ回路を備えている。
図２は、ドライバ回路１２に備えられたハーフブリッジ回路を示す概略構成図である。
【００３１】
ハーフブリッジ回路は図２に示すように、請求項１の発明の第１、第２のスイッチング素子に対応する２つのＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 と振動子に供給する電力を格納するコンデンサＣとから構成されており、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 のゲート端子Ｇ1 ，Ｇ2 のそれぞれにドライバＩ／Ｆ１１から、図４（ｃ）、（ｄ）に示すドライブ信号１，２が入力される。また、ＦＥＴ1 のドレイン端子Ｄ1 がＦＥＴ2 のソース端子Ｓ2 に接続するとともに、該ハーフブリッジ回路の出力端子５１を形成している。また、ＦＥＴ1 のソース端子Ｓ1 には、振動子（ＸＤ）１０を駆動する駆動パルス信号の振幅を与えるための電圧（駆動電圧）ＶB が供給されており、ＦＥＴ2 のドレイン端子Ｄ2 は接地されている。さらに、ＦＥＴ1 のゲート端子Ｇ1 はコンデンサＣを介して接地されている。このハーフブリッジ回路に、図４（ｃ），（ｄ）に示すドライブ信号１，２が入力されることで、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 がスイッチングして、図４（ｅ）に示す駆動パルス信号を出力する。この駆動パルス信号は送受切替回路１３を介して、振動子１０に供給される。振動子１０はこの駆動パルス信号により固有の共振周波数で振動して、外部に正弦波状の超音波信号を送信する。
【００３２】
送受切替回路１３は、送信期間にドライバ回路１２から出力された駆動パルス信号を振動子１０に導き、受信期間に振動子１０が出力した信号をプリアンプ１４へ受信信号として導く。プリアンプ１４はこの受信信号を増幅し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５は受信信号の周波数帯域以外のノイズ成分を除去する。Ａ／Ｄコンバータ１７はその受信周波数帯域の信号を所定のサンプリング周期でサンプリングして、ディジタルデータ列に変換する。
【００３３】
上述の各部分により、送受信チャンネル１００は構成されており、この送受信チャンネルを、１００ａ，１００ｂ，・・・１００ｎで示すように振動子１０の数だけ設けている。これら振動子１０は円筒形または球形等のトランスデューサ表面に配列して設置されている。
【００３４】
図３は、図１に示した複数の送受信チャンネル１００を用いて送信ビームおよび受信ビームを形成するとともに、所定探知範囲の探知画像を生成する制御部のブロック図である。なお、図３におけるインターフェース２０は図１に示したインターフェース２０を示す。
【００３５】
まず、送信系の構成について説明する。
【００３６】
図３において、２６はプログラマブル送信ビーム形成制御部である。このプログラマブル送信ビーム形成制御部２６は、駆動パルス信号生成回路２１、波形メモリ２４、およびＴＸ−ＤＳＰ２５を含んでいる。駆動パルス信号生成回路２１はタイミングジェネレータ２２と係数テーブル２３とを備えており、ＦＰＧＡにより構成される。タイミングジェネレータ２２は各振動子１０への駆動パルス信号の生成タイミングを与える信号を発生する。係数テーブル２３は、ＴＸ−ＤＳＰ２５で演算するのに必要な係数を予め記憶している。波形メモリ２４は、上述のように、ドライブ信号１，２を形成するための、［０，１］の２値からなる制御信号を予め記憶しており、ＴＸ−ＤＳＰ２５は、この制御信号を読み出して、各振動子の各チャンネルに与える遅延量を加えた信号を演算する。なお、ＴＸ−ＤＳＰ２５は送信毎に係数テーブル２３の内容を計算し、更新する。
【００３７】
駆動パルス信号生成回路２１は、ＴＸ−ＤＳＰ２５で演算された制御信号を、タイミングジェネレータ２２で生成されたタイミングにより、ＣＬＯＣＫ信号とともにインターフェース（Ｉ／Ｆ）２０を介して送受信チャンネル１００に出力する。
【００３８】
これら、送信ビーム形成制御部２６と複数の送受信チャンネル１００とを組み合わせることで、本発明の送信ビーム形成手段が構成される。
【００３９】
次に、この送信系および送受信チャンネル１００の各部における各信号の生成方法を説明する。
図４は、ＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号１、ドライブ信号２、駆動パルス信号、および超音波信号の関係を示すタイミングチャートである。
【００４０】
上述のように、プログラマブル送信ビーム形成制御部２６は、制御信号のタイミングを与える矩形波状のＣＬＯＣＫ信号（図４（ａ））と、ドライブ信号１、ドライブ信号２を生成するための制御信号（図４（ｂ））とを生成する。制御信号は［０，１］からなる２値信号であり、ＣＬＯＣＫ信号に同期して送信することで、ドライブ信号１，２のレベルを遷移するか保持するかを与える。
【００４１】
ドライバＩ／Ｆ１１は、ＣＬＯＣＫ信号と制御信号に基づいて、制御信号が「１」であれば、ドライブ信号１、ドライブ信号２のレベルを遷移させ、制御信号が「０」であれば、ドライブ信号１、ドライブ信号２のレベルを保持することで、図４（ｃ）に示すドライブ信号１と、図４（ｄ）に示すドライブ信号２とを生成し、ドライバ回路１２に出力する。ここで、ドライバＩ／Ｆ１１はドライブ信号１をドライバ回路１２のハーフブリッジ回路のＦＥＴ1 に出力し、ドライブ信号２をＦＥＴ2 に出力する。
【００４２】
ドライバ回路１２のハーフブリッジ回路では、ドライブ信号１がＨｉ状態でドライブ信号２がＬｏｗ状態となると、ＦＥＴ1 がオン状態となり、ＦＥＴ2 がオフ状態となる。そして、所定時間経過後に、ドライブ信号１がＬｏｗ状態、ドライブ信号２がＨｉ状態に切り替わることで、ＦＥＴ1 がオフ状態となり、ＦＥＴ2 がオン状態となる。これにより、ＦＥＴ1 のソース端子Ｓ1 からドレイン端子Ｄ1 を通じて、所定パルス幅で駆動電圧ＶB の信号が出力されることで、図４（ｅ）に示す駆動パルス信号が生成される。この駆動パルス信号が振動子１０に入力されると、振動子１０は駆動パルス信号の立ち上がりに応じて、固有の共振周波数で共振する。
【００４３】
そして、ＦＥＴ1 がオフ状態であってもＦＥＴ2 がオン状態とすることで、ＦＥＴ2 と振動子１０とで低インピーダンス回路が形成されるので、共振による振動子１０の振動は大きく減衰されることなく継続される。
【００４４】
さらに、振動子１０の共振周波数と、ドライブ信号１，２の周波数とを一致させて、ＦＥＴ1 のオン状態への遷移のタイミングを振動子１０の振幅が負から正に遷移するタイミングに一致させる。すなわち、共振周波数に同期させることにより、振動子１０の自由振動における経時的な減衰が補完される。これにより、所定の周波数で連続して振動子１０を振動させ、図４（ｆ）に示す超音波信号を送信することができる。
【００４５】
なお、このように駆動パルス信号により振動子を振動させる場合、駆動パルス信号のオン時間幅が、超音波信号の半周期よりも小さい場合には、このオン時間幅が超音波信号の振幅と正の相関を持つ。このため、オン時間幅を調整することにより超音波信号の振幅を制御する。ここで、上述の構成を用いることで、駆動パルス信号のオン時間幅に関係なく、安定して振動子を共振させることができ、振幅制御が容易となる。
【００４６】
このような構成とすることにより、簡素な構造のハーフブリッジ回路を用いて振動子を殆ど減衰させることなく、超音波信号を出力できるので、高効率で確実に振幅制御できる、簡素な構造の送信ビーム形成手段、およびこれを備えた超音波送信装置を構成することができる。
【００４７】
次に、受信系の構成について説明する。
図３において、バッファメモリ２７は、インターフェース２０を介して各チャネルからの受信データを一時記憶するメモリである。２８はプログラマブル受信ビーム形成制御部であり、ＲＸ−ＤＳＰ２９、係数テーブル３０、および受信ビーム形成演算部３１とから構成されている。ＲＸ−ＤＳＰ２９は受信ビーム毎に各振動子による受信信号の位相とウェイト値とを計算して、係数テーブル３０へ書き込む。受信ビーム形成演算部３１は各振動子の受信信号に対して係数テーブル３０に書き込まれた位相とウェイト値との計算を行って合成することにより合成受信信号を得る。この合成受信信号をビーム毎の時系列データとして求め、これをバッファメモリ３２へ書き込む。この受信ビーム形成演算部３１はＦＰＧＡにより構成されている。
【００４８】
３３はプログラマブルフィルタであり、フィルタＤＳＰ３４、係数テーブル３５、およびフィルタ演算部３６から構成される。フィルタ演算部３６はＦＰＧＡにより構成されている。フィルタＤＳＰ３４はビーム毎に所定の帯域通過フィルタ特性を得るためのフィルタ係数を計算して、それを係数テーブル３５へ書き込む。フィルタ演算部３６は係数テーブル３５の係数に基づいてＦＩＲフィルタとしての演算を行い、帯域処理済みの受信信号を求める。
【００４９】
エンベロープ検出部４０は、各受信ビームの帯域処理済み受信信号のエンベロープを検出する。イメージ処理部４１は、各受信ビームの各距離における受信信号強度をイメージ情報化してディスプレイ４２に出力する。これにより、ディスプレイ４２に所定探知範囲の探知画像を表示する。
【００５０】
探知操作部３９は、探知範囲の指示等を行う入力部である。ホストＣＰＵ３７はインターフェース３８を介して探知操作部３９の指示内容を読み取り、上述した各部の制御を行う。
【００５１】
上述のように、ドライバ回路を構成することにより、従来と同じ構成部品でありながら損失の少ない超音波送受信装置およびこれを用いた探知装置を構成することができる。
【００５２】
次に、第２の実施形態にかかる超音波送受信装置について説明する。
本実施形態に示す超音波送受信装置は、図１に示すドライブ回路１２に、図６に示すフルブリッジ回路を用いて、図５に示すドライブ信号を入力したものである。他の構成は、第１の実施形態に示した超音波送受信装置と同じであり、同一部の説明は省略する。
【００５３】
図５に示したフルブリッジ回路のＦＥＴ11，ＦＥＴ12，ＦＥＴ21，ＦＥＴ22はそれぞれ請求項２の発明の第１、第２、第３、第４のスイッチング素子に対応する。
【００５４】
送受信チャンネル１００のドライバ回路１２は、上述の図６に示すような、４つのＦＥＴからなるフルブリッジ回路が備えられており、図５に示すドライブ信号１１がＦＥＴ11に、ドライブ信号１２がＦＥＴ12に、ドライブ信号２１がＦＥＴ21に、ドライブ信号２２がＦＥＴ22に入力される。
【００５５】
このようなフルブリッジ回路では、ドライブ信号１１，２２がＨｉ状態でドライブ信号１２，２１がＬｏｗ状態となると、ＦＥＴ11，ＦＥＴ22がオン状態となり、ＦＥＴ12，ＦＥＴ21がオフ状態となる。そして、所定時間経過後に、ドライブ信号１１がＬｏｗ状態、ドライブ信号１２がＨｉ状態に切り替わることで、ＦＥＴ11がオフ状態となり、ＦＥＴ22がオン状態となる。このため、振動子にはＦＥＴ11がオン状態であった時間に相当するパルス幅のパルス信号が入力される。これにより、振動子は固有の共振周波数で共振して超音波信号を送信する。この後、ＦＥＴ21がオン状態になり、ＦＥＴ22がオフ状態になるまでは、ＦＥＴ12とＦＥＴ22のみがオン状態になるため、振動子とＦＥＴ12，ＦＥＴ22とで低インピーダンス回路が形成される。これにより、ＦＥＴ11のオン状態により発振した振動の減衰を抑制することができる。
【００５６】
次に、ＦＥＴ21が所定時間オン状態となることで、このオン状態の長さに応じたパルス幅のパルス信号が振動子に入力され、振動子は固有の共振周波数で共振する。この後、ＦＥＴ11がオン状態になり、ＦＥＴ12がオフ状態になるまでは、再度ＦＥＴ12とＦＥＴ22のみがオン状態になるため、振動子とＦＥＴ12，ＦＥＴ22とで低インピーダンス回路が形成される。これにより、ＦＥＴ21のオン状態により発振した振動の減衰を抑制することができる。
【００５７】
ここで、ＦＥＴ11がオン状態となるタイミングと、ＦＥＴ21がオン状態となるタイミングとを、振動子の共振周期の半周期でずらし、ＦＥＴ11による共振とＦＥＴ21による共振とを同期させることにより、連続振動の減衰分を補完することができるので、連続して安定した超音波信号を発振し続けることができる。
【００５８】
このように、フルフブリッジ回路を用いても、振動子を殆ど減衰させることなく、超音波信号を出力できるので、高効率で確実に振幅制御できる送信ビーム形成手段、およびこれを備えた超音波送信装置を構成することができる。
【００５９】
なお、上述の各実施形態では、超音波信号と同じ周期の駆動パルス信号を用いて、振動子を駆動する方法を示したが、超音波信号よりも短い周期の駆動パルス信号により振動子を駆動してもよい。この場合、振動子の共振周波数の半周期内に供給される複数のパルス信号のパルス幅を合計した幅（オンデューティ比）により、振動子から送信される超音波信号の振幅が制御される。このような駆動方法を用いた場合にも上述の構成は適用でき、且つ同様の効果が期待できる。
【００６０】
【発明の効果】
この発明によれば、振動子を振動させる駆動パルス信号を生成するドライバ回路を２つのスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路、または４つのスイッチング素子からなるフルブリッジ回路で構成し、上述のように、ブリッジ回路のスイッチング素子を制御することにより、確実に振幅制御ができ、高効率で簡素な構造の超音波送信装置を構成することができる。
【００６１】
また、この発明によれば、上述の超音波送信装置と、受信ビーム形成手段を備えた超音波送受信装置と、送信ビームおよび受信ビームを制御する手段を備えることで、探知すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から探知範囲の探知データを求めて表示して、略同時刻に複数の探知方向の探知画像を正確に把握できる高性能な探知装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスキャニングソナーの送受信チャンネルの構成を示すブロック図
【図２】図１に示すドライバ回路１２に備えられたハーフブリッジ回路を示す概略構成図
【図３】図１に示した複数の送受信チャンネル１００を用いて送信ビームおよび受信ビームを形成するとともに、所定探知範囲の探知画像を生成する制御部のブロック図
【図４】ハーフブリッジ回路を用いた場合のＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号、および駆動パルス信号の関係を示すタイミングチャート
【図５】フルブリッジ回路を用いた場合のＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号、および駆動パルス信号の関係を示すタイミングチャート
【図６】従来のフルブリッジ回路を示す概略構成図
【図７】図６に示すフルブリッジ回路に入力されるドライブ信号、出力される駆動パルス信号を示すタイミングチャート
【図８】従来のハーフブリッジ回路を示す概略構成図
【図９】図８に示すハーフブリッジ回路に入力されるドライブ信号、出力される駆動パルス信号を示すタイミングチャート
【図１０】本発明のハーフブリッジ回路と振動子とから成る閉ループ回路の等価回路図、および該閉ループ回路で発生する自由減衰振動を示す波形図
【符号の説明】
１０−振動子
１１−ドライバＩ／Ｆ
１２−ドライバ回路
１３−送受信切替回路
１４−プリアンプ
１５−帯域通過フィルタ
１６−Ａ／Ｄ変換回路
１７，２０−Ｉ／Ｆ
２１−駆動パルス信号生成回路
２２−タイミングジェネレータ
２３−係数テーブル
２４−波形メモリ
２５−ＴＸ−ＤＳＰ
２６−プログラマブル送信ビーム形成制御部
１００−送受信チャンネル
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を送信する超音波送信装置、この送信された超音波のエコーを受信する超音波送受信装置、およびこれらを用いて物標を探知する探知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、一般に水中にある物標を探知するためにスキャニングソナー等のソナー装置が用いられている。スキャニングソナーは、周囲の全方位の物標を探知するため、略円筒形状のトランスデューサを備えており、このトランスデューサに配列形成された振動子を駆動させることによって、全周に向けて超音波の送信ビームを形成する。また、トランスデューサの円周方向（方位方向）に並ぶ所定数の振動子を用いて、所定方位に受信ビームを形成し、用いる振動子列の組の選択を切り換えることによって、受信ビームの方位を順次回転させる。このことによって全方位に亘る探知を行う。
【０００３】
このようなスキャニングソナーの超音波送受信装置においては、近接する船舶同士間で互いの送信する超音波同士が干渉し合わないように、超音波の出力すなわち、振幅を制御しなければならない場合がある。また、複数の振動子を備えたトランスデューサから超音波を送信する場合、配列形成された振動子から出力される送信ビームのサイドローブの抑制が必要となる。このため、振動子毎に供給する駆動信号を正確に制御して各振動子から送信される超音波信号の振幅を制御しなければならない。
【０００４】
一般に、超音波送受信装置の送信部の電力増幅部では、その終段部に複数のスイッチング素子を用いたブリッジ回路が用いられている。このブリッジ回路でスイッチング素子を駆動することにより、振動子を駆動するパルス信号を生成する。そして、このパルス信号により振動子は振動して超音波信号を外部に送信する（例えば、特願２００１−４０１７９８号公報参照。）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のブリッジ回路としては、スイッチング素子を４つ用いたフルブリッジ回路とスイッチング素子を２つ用いたハーフブリッジ回路とが存在する。
【０００６】
図６はフルブリッジ回路を示す概略構成図である。なお、本図ではスイッチング素子としてＦＥＴを用いた例を示す。
【０００７】
図６に示すようにフルブリッジ回路は、駆動電圧ＶB を供給する電圧供給部と接地電位との間に２つのＦＥＴ11，ＦＥＴ12を直列接続した回路と、２つのＦＥＴ21，ＦＥＴ22を直列接続した回路とが並列に設けられ、ＦＥＴ11，ＦＥＴ12の接続点とＦＥＴ21，ＦＥＴ22の接続点とが振動子ＸＤの両端にそれぞれ接続した構成である。
【０００８】
このようなフルブリッジ回路では、各ＦＥＴ11，ＦＥＴ12，ＦＥＴ21，ＦＥＴ22に図７（ａ）〜（ｄ）に示すドライブ信号を入力することで、ＦＥＴ11，ＦＥＴ12，ＦＥＴ21，ＦＥＴ22のオン／オフ状態を制御し、振動子ＸＤに図７（ｅ）に示すパルス信号を供給し、振動子ＸＤが固有共振周波数で振動する。すなわち、ＦＥＴ11，ＦＥＴ21でパルス信号を振動子に供給して、振動子を共振させ自由振動させると、パルス信号を供給しない間も引き続き自由振動を維持する。そして、ＦＥＴ11とＦＥＴ22とをオン状態にするタイミングと、ＦＥＴ21とＦＥＴ12とをオン状態にするタイミングとを、振動子ＸＤの共振周波数に対して半周期ずらして同期させて、パルス信号を振動子に連続して供給する。これにより、振動子が連続的に共振するので、自由振動による減衰量が補われ、所定振幅の超音波信号が出力される。ここで、パルス信号のパルス幅を調整することにより超音波信号の振幅が制御されて、所望の振幅の超音波信号が出力される。
【０００９】
しかし、このようなフルブリッジ回路では、ＦＥＴＥ11，ＦＥＴ21から振動子に駆動電圧が供給されていない状態、すなわち、ＦＥＴ11，ＦＥＴ21がオフ状態のときに、ＦＥＴ12，ＦＥＴ21がオフ状態であると、振動子とＦＥＴ12，ＦＥＴ21からなる閉ループ回路のインピーダンスが非常に高くなる。ここで、超音波信号の振幅を大きくする場合は、パルス信号のパルス幅が大きくなるため、上記ＦＥＴ11〜ＦＥＴ22の全てがオフ状態となる時間（図６におけるα区間およびβ区間に対応）は短いため、振動子の振動の減衰量は比較的少なくなる。しかし、超音波信号の振幅を小さくする場合は、供給されるパルス幅が短くなるため、ＦＥＴ11〜ＦＥＴ22の全てがオフ状態となる時間は長くなり、フルブリッジ回路と振動子とからなる閉ループ回路が非常に高いインピーダンスを示す時間が長くなるとともに自由振動が制限される。これにより、振動子の振動が極端に減衰して、連続的に超音波信号を送信する場合、非常に損失が大きくなって効率が悪くなる。また、この減衰量が非常に大きく、次のパルスが供給されるまでに振動が停止してしまえば、連続して超音波信号を送信することができなくなる。
【００１０】
以上のことは、従来のハーフブリッジ回路についても云える。図８は従来のハーフブリッジ回路を示す概略構成図である。
【００１１】
図８に示すようにハーフブリッジ回路は、正の電圧（ＶB ）の供給部と負の電圧（−ＶB ）の供給部との間に２つのＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 を直列接続した回路が設けられ、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 の接続点が振動子ＸＤに接続されているとともに、振動子ＸＤに並列にＦＥＴ3 が接続された構成である。
【００１２】
このようなハーフブリッジ回路では、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 に図９（ａ）、（ｂ）に示すドライブ信号が入力されることで、振動子が固有共振周波数で振動する。ここで、ＦＥＴ3 が常時オフ状態すなわち、ＦＥＴ3 が無い、２つのＦＥＴからなる一般のハーフブリッジ回路の場合には、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 がともにオフとなるタイミングが生じる。特に、超音波信号の振幅を小さくするためにパルス幅を狭くした場合、２つのＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 がともにオフ状態となる時間（図９におけるγ区間およびδ区間）が長くなる。このため、振動子とハーフブリッジ回路からなる閉ループ回路が非常に高いインピーダンスを示す時間が長くなるとともに自由振動が制限される。これにより、上述のフルブリッジ回路の場合と同様に、振動子の振動が極端に減衰して、連続的に超音波信号を送信する場合、非常に損失が大きくなって効率が悪くなる。
【００１３】
このため、一般のハーフブリッジ回路の負荷（振動子）に並列に新たなＦＥＴ3 を設ける。ＦＥＴ3 は図８に示すように、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 の両方がオフ状態にある時にオン状態となる制御が行われている。これにより、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 がオフ状態にあるときに、振動子ＸＤとＦＥＴ3 との閉ループ回路で低インピーダンスを実現できるので、低損失で自由振動が継続し、連続して超音波信号を送信することができる。
【００１４】
しかしながら、このようなハーフブリッジ回路においては、振動子に並列にＦＥＴを追加するので、回路が複雑になってしまうという問題がある。
【００１５】
この発明の目的は、複数のスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路を用いて、振動子をパルス信号で駆動して超音波を送信する、高効率で簡素な構造の超音波送信装置、これを用いた超音波送受信装置、およびこれらを用いた探知装置を構成することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の超音波送信装置の送信ビーム形成手段は、フルブリッジ回路にドライブ信号を与えるドライブ信号生成手段で、フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴としている。
【００１７】
ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態になり、第２のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を形成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。一方、第１のスイッチング素子がオフ状態になり、第２のスイッチング素子がオン状態になると、その状態を維持する全期間において、振動子は第２のスイッチング素子とともに閉ループの低インピーダンス共振回路を構成する。
【００１８】
このハーフブリッジ回路と振動子とは、等価的に図１０（ａ）に示すスイッチＳＷを含む共振回路となる。この共振回路において、ＳＷのＡ接状態の時が、ハーフブリッジ回路では第１のスイッチング素子がオン状態、第２のスイッチング素子がオフ状態であり、ＳＷのＢ接状態の時が、第１のスイッチング素子がオフ状態、第２のスイッチング素子がオン状態である。また、振動子は、等価的に抵抗、コイル、およびインダクタの直列回路で示される。
【００１９】
この共振回路は、スイッチＳＷが一旦Ａ接状態になると電源Ｖから所定電圧が振動子に供給され、スイッチＳＷがＢ接状態になると振動子のみの直列共振回路となる。これにより、図１０（ｂ）に示すように、所定の振幅および減衰特性を有する固有共振周波数の減衰振動が生じる。
【００２０】
このように、ハーフブリッジ回路を駆動し、振動子にパルス信号を供給することで、振動子は固有共振周波数で共振して自由振動を起こし、パルスが供給されていない間もこの振動を維持する。さらに、第１のスイッチング素子の駆動タイミングを振動子の固有共振周波数に同期させることで、第１のスイッチング素子を介して駆動電圧が連続的に供給されるので、振動子は所定の振幅値で振動を続け、超音波信号を送信する。
【００２１】
ここで、振動子では供給されるパルス信号のパルス幅に応じて超音波信号の振幅が決定されるので、パルス信号のパルス幅を可変にすることにより、振動子から出力される超音波信号の振幅を制御できる。この制御を行うことで、振動子から送信される超音波信号の振幅制御をトランスデューサに配列形成された振動子毎に行い、所望のウェイト付けが行われた超音波送信ビームを形成する。
【００２３】
この構成では、フルブリッジ回路の第１、第４のスイッチング素子がオン状態になり、第２のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、第１、第４のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を構成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。また、第３、第２のスイッチング素子がオン状態になり、第４のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、第３、第２のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を構成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。この第１のスイッチング素子がオン状態になるタイミングと、第３のスイッチング素子がオン状態となるタイミングとは、パルス信号により生じる振動子の共振周期に対して、互いに半周期ずれて同期されている。一方、第１、第３のスイッチング素子がオフ状態になり、第２、第４のスイッチング素子がオン状態になると、その状態を維持する全期間において、振動子は、第２、第４のスイッチング素子とともに閉ループの低インピーダンス共振回路を構成する。
【００２４】
このようなフルブリッジ回路を用いた場合にも、上述のハーフブリッジ回路を用いた場合と同様に、振動子の共振と、この共振による振動の維持とを繰り返すことで、連続して超音波信号を送信する。
【００２７】
また、この発明は、所定のパルス信号で駆動する振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子の直列回路と、第３、第４のスイッチング素子の直列回路とを並列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するフルブリッジ回路と、ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、振動子にパルス信号を与えて駆動させることで超音波を送信する送信手段を備えた超音波送信装置において、ドライブ信号生成手段で、フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置を備えたスキャニングソナーについて、図を参照して説明する。
【００２９】
図１は、スキャニングソナーの送受信チャンネルの構成を示すブロック図である。図１において、ドライバＩ／Ｆ１１は、後述するプログラマブル送信ビーム形成制御部２６から与えられるＣＬＯＣＫ信号と、スイッチングを制御するディジタル形式の制御信号とに基づいて、ドライバ回路１２を制御するドライブ信号を生成する。すなわち、本発明のドライブ信号生成手段とは、ドライバＩ／Ｆ１１およびプログラマブル送信ビーム形成部２６を示す。ここで、制御信号は、プログラマブル送信ビーム形成制御部２６の波形メモリ２４に、超音波信号の振幅に応じて、複数種類のパターンで予め記憶されており、送信する超音波信号の振幅が決定されると、この振幅に応じた制御信号がドライバＩ／Ｆ１１に入力される。
【００３０】
ドライバ回路１２は図２に示すハーフブリッジ回路を備えている。
図２は、ドライバ回路１２に備えられたハーフブリッジ回路を示す概略構成図である。
【００３１】
ハーフブリッジ回路は図２に示すように、請求項１の発明の第１、第２のスイッチング素子に対応する２つのＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 と振動子に供給する電力を格納するコンデンサＣとから構成されており、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 のゲート端子Ｇ1 ，Ｇ2 のそれぞれにドライバＩ／Ｆ１１から、図４（ｃ）、（ｄ）に示すドライブ信号１，２が入力される。また、ＦＥＴ1 のドレイン端子Ｄ1 がＦＥＴ2 のソース端子Ｓ2 に接続するとともに、該ハーフブリッジ回路の出力端子５１を形成している。また、ＦＥＴ1 のソース端子Ｓ1 には、振動子（ＸＤ）１０を駆動する駆動パルス信号の振幅を与えるための電圧（駆動電圧）ＶB が供給されており、ＦＥＴ2 のドレイン端子Ｄ2 は接地されている。さらに、ＦＥＴ1 のゲート端子Ｇ1 はコンデンサＣを介して接地されている。このハーフブリッジ回路に、図４（ｃ），（ｄ）に示すドライブ信号１，２が入力されることで、ＦＥＴ1 ，ＦＥＴ2 がスイッチングして、図４（ｅ）に示す駆動パルス信号を出力する。この駆動パルス信号は送受切替回路１３を介して、振動子１０に供給される。振動子１０はこの駆動パルス信号により固有の共振周波数で振動して、外部に正弦波状の超音波信号を送信する。
【００３２】
送受切替回路１３は、送信期間にドライバ回路１２から出力された駆動パルス信号を振動子１０に導き、受信期間に振動子１０が出力した信号をプリアンプ１４へ受信信号として導く。プリアンプ１４はこの受信信号を増幅し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５は受信信号の周波数帯域以外のノイズ成分を除去する。Ａ／Ｄコンバータ１７はその受信周波数帯域の信号を所定のサンプリング周期でサンプリングして、ディジタルデータ列に変換する。
【００３３】
上述の各部分により、送受信チャンネル１００は構成されており、この送受信チャンネルを、１００ａ，１００ｂ，・・・１００ｎで示すように振動子１０の数だけ設けている。これら振動子１０は円筒形または球形等のトランスデューサ表面に配列して設置されている。
【００３４】
図３は、図１に示した複数の送受信チャンネル１００を用いて送信ビームおよび受信ビームを形成するとともに、所定探知範囲の探知画像を生成する制御部のブロック図である。なお、図３におけるインターフェース２０は図１に示したインターフェース２０を示す。
【００３５】
まず、送信系の構成について説明する。
【００３６】
図３において、２６はプログラマブル送信ビーム形成制御部である。このプログラマブル送信ビーム形成制御部２６は、駆動パルス信号生成回路２１、波形メモリ２４、およびＴＸ−ＤＳＰ２５を含んでいる。駆動パルス信号生成回路２１はタイミングジェネレータ２２と係数テーブル２３とを備えており、ＦＰＧＡにより構成される。タイミングジェネレータ２２は各振動子１０への駆動パルス信号の生成タイミングを与える信号を発生する。係数テーブル２３は、ＴＸ−ＤＳＰ２５で演算するのに必要な係数を予め記憶している。波形メモリ２４は、上述のように、ドライブ信号１，２を形成するための、［０，１］の２値からなる制御信号を予め記憶しており、ＴＸ−ＤＳＰ２５は、この制御信号を読み出して、各振動子の各チャンネルに与える遅延量を加えた信号を演算する。なお、ＴＸ−ＤＳＰ２５は送信毎に係数テーブル２３の内容を計算し、更新する。
【００３７】
駆動パルス信号生成回路２１は、ＴＸ−ＤＳＰ２５で演算された制御信号を、タイミングジェネレータ２２で生成されたタイミングにより、ＣＬＯＣＫ信号とともにインターフェース（Ｉ／Ｆ）２０を介して送受信チャンネル１００に出力する。
【００３８】
これら、送信ビーム形成制御部２６と複数の送受信チャンネル１００とを組み合わせることで、本発明の送信ビーム形成手段が構成される。
【００３９】
次に、この送信系および送受信チャンネル１００の各部における各信号の生成方法を説明する。
図４は、ＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号１、ドライブ信号２、駆動パルス信号、および超音波信号の関係を示すタイミングチャートである。
【００４０】
上述のように、プログラマブル送信ビーム形成制御部２６は、制御信号のタイミングを与える矩形波状のＣＬＯＣＫ信号（図４（ａ））と、ドライブ信号１、ドライブ信号２を生成するための制御信号（図４（ｂ））とを生成する。制御信号は［０，１］からなる２値信号であり、ＣＬＯＣＫ信号に同期して送信することで、ドライブ信号１，２のレベルを遷移するか保持するかを与える。
【００４１】
ドライバＩ／Ｆ１１は、ＣＬＯＣＫ信号と制御信号に基づいて、制御信号が「１」であれば、ドライブ信号１、ドライブ信号２のレベルを遷移させ、制御信号が「０」であれば、ドライブ信号１、ドライブ信号２のレベルを保持することで、図４（ｃ）に示すドライブ信号１と、図４（ｄ）に示すドライブ信号２とを生成し、ドライバ回路１２に出力する。ここで、ドライバＩ／Ｆ１１はドライブ信号１をドライバ回路１２のハーフブリッジ回路のＦＥＴ1 に出力し、ドライブ信号２をＦＥＴ2 に出力する。
【００４２】
ドライバ回路１２のハーフブリッジ回路では、ドライブ信号１がＨｉ状態でドライブ信号２がＬｏｗ状態となると、ＦＥＴ1 がオン状態となり、ＦＥＴ2 がオフ状態となる。そして、所定時間経過後に、ドライブ信号１がＬｏｗ状態、ドライブ信号２がＨｉ状態に切り替わることで、ＦＥＴ1 がオフ状態となり、ＦＥＴ2 がオン状態となる。これにより、ＦＥＴ1 のソース端子Ｓ1 からドレイン端子Ｄ1 を通じて、所定パルス幅で駆動電圧ＶB の信号が出力されることで、図４（ｅ）に示す駆動パルス信号が生成される。この駆動パルス信号が振動子１０に入力されると、振動子１０は駆動パルス信号の立ち上がりに応じて、固有の共振周波数で共振する。
【００４３】
そして、ＦＥＴ1 がオフ状態であってもＦＥＴ2 がオン状態とすることで、ＦＥＴ2 と振動子１０とで低インピーダンス回路が形成されるので、共振による振動子１０の振動は大きく減衰されることなく継続される。
【００４４】
さらに、振動子１０の共振周波数と、ドライブ信号１，２の周波数とを一致させて、ＦＥＴ1 のオン状態への遷移のタイミングを振動子１０の振幅が負から正に遷移するタイミングに一致させる。すなわち、共振周波数に同期させることにより、振動子１０の自由振動における経時的な減衰が補完される。これにより、所定の周波数で連続して振動子１０を振動させ、図４（ｆ）に示す超音波信号を送信することができる。
【００４５】
なお、このように駆動パルス信号により振動子を振動させる場合、駆動パルス信号のオン時間幅が、超音波信号の半周期よりも小さい場合には、このオン時間幅が超音波信号の振幅と正の相関を持つ。このため、オン時間幅を調整することにより超音波信号の振幅を制御する。ここで、上述の構成を用いることで、駆動パルス信号のオン時間幅に関係なく、安定して振動子を共振させることができ、振幅制御が容易となる。
【００４６】
このような構成とすることにより、簡素な構造のハーフブリッジ回路を用いて振動子を殆ど減衰させることなく、超音波信号を出力できるので、高効率で確実に振幅制御できる、簡素な構造の送信ビーム形成手段、およびこれを備えた超音波送信装置を構成することができる。
【００４７】
次に、受信系の構成について説明する。
図３において、バッファメモリ２７は、インターフェース２０を介して各チャネルからの受信データを一時記憶するメモリである。２８はプログラマブル受信ビーム形成制御部であり、ＲＸ−ＤＳＰ２９、係数テーブル３０、および受信ビーム形成演算部３１とから構成されている。ＲＸ−ＤＳＰ２９は受信ビーム毎に各振動子による受信信号の位相とウェイト値とを計算して、係数テーブル３０へ書き込む。受信ビーム形成演算部３１は各振動子の受信信号に対して係数テーブル３０に書き込まれた位相とウェイト値との計算を行って合成することにより合成受信信号を得る。この合成受信信号をビーム毎の時系列データとして求め、これをバッファメモリ３２へ書き込む。この受信ビーム形成演算部３１はＦＰＧＡにより構成されている。
【００４８】
３３はプログラマブルフィルタであり、フィルタＤＳＰ３４、係数テーブル３５、およびフィルタ演算部３６から構成される。フィルタ演算部３６はＦＰＧＡにより構成されている。フィルタＤＳＰ３４はビーム毎に所定の帯域通過フィルタ特性を得るためのフィルタ係数を計算して、それを係数テーブル３５へ書き込む。フィルタ演算部３６は係数テーブル３５の係数に基づいてＦＩＲフィルタとしての演算を行い、帯域処理済みの受信信号を求める。
【００４９】
エンベロープ検出部４０は、各受信ビームの帯域処理済み受信信号のエンベロープを検出する。イメージ処理部４１は、各受信ビームの各距離における受信信号強度をイメージ情報化してディスプレイ４２に出力する。これにより、ディスプレイ４２に所定探知範囲の探知画像を表示する。
【００５０】
探知操作部３９は、探知範囲の指示等を行う入力部である。ホストＣＰＵ３７はインターフェース３８を介して探知操作部３９の指示内容を読み取り、上述した各部の制御を行う。
【００５１】
上述のように、ドライバ回路を構成することにより、従来と同じ構成部品でありながら損失の少ない超音波送受信装置およびこれを用いた探知装置を構成することができる。
【００５２】
次に、第２の実施形態にかかる超音波送受信装置について説明する。
本実施形態に示す超音波送受信装置は、図１に示すドライブ回路１２に、図６に示すフルブリッジ回路を用いて、図５に示すドライブ信号を入力したものである。他の構成は、第１の実施形態に示した超音波送受信装置と同じであり、同一部の説明は省略する。
【００５３】
図５に示したフルブリッジ回路のＦＥＴ11，ＦＥＴ12，ＦＥＴ21，ＦＥＴ22はそれぞれ請求項２の発明の第１、第２、第３、第４のスイッチング素子に対応する。
【００５４】
送受信チャンネル１００のドライバ回路１２は、上述の図６に示すような、４つのＦＥＴからなるフルブリッジ回路が備えられており、図５に示すドライブ信号１１がＦＥＴ11に、ドライブ信号１２がＦＥＴ12に、ドライブ信号２１がＦＥＴ21に、ドライブ信号２２がＦＥＴ22に入力される。
【００５５】
このようなフルブリッジ回路では、ドライブ信号１１，２２がＨｉ状態でドライブ信号１２，２１がＬｏｗ状態となると、ＦＥＴ11，ＦＥＴ22がオン状態となり、ＦＥＴ12，ＦＥＴ21がオフ状態となる。そして、所定時間経過後に、ドライブ信号１１がＬｏｗ状態、ドライブ信号１２がＨｉ状態に切り替わることで、ＦＥＴ11がオフ状態となり、ＦＥＴ22がオン状態となる。このため、振動子にはＦＥＴ11がオン状態であった時間に相当するパルス幅のパルス信号が入力される。これにより、振動子は固有の共振周波数で共振して超音波信号を送信する。この後、ＦＥＴ21がオン状態になり、ＦＥＴ22がオフ状態になるまでは、ＦＥＴ12とＦＥＴ22のみがオン状態になるため、振動子とＦＥＴ12，ＦＥＴ22とで低インピーダンス回路が形成される。これにより、ＦＥＴ11のオン状態により発振した振動の減衰を抑制することができる。
【００５６】
次に、ＦＥＴ21が所定時間オン状態となることで、このオン状態の長さに応じたパルス幅のパルス信号が振動子に入力され、振動子は固有の共振周波数で共振する。この後、ＦＥＴ11がオン状態になり、ＦＥＴ12がオフ状態になるまでは、再度ＦＥＴ12とＦＥＴ22のみがオン状態になるため、振動子とＦＥＴ12，ＦＥＴ22とで低インピーダンス回路が形成される。これにより、ＦＥＴ21のオン状態により発振した振動の減衰を抑制することができる。
【００５７】
ここで、ＦＥＴ11がオン状態となるタイミングと、ＦＥＴ21がオン状態となるタイミングとを、振動子の共振周期の半周期でずらし、ＦＥＴ11による共振とＦＥＴ21による共振とを同期させることにより、連続振動の減衰分を補完することができるので、連続して安定した超音波信号を発振し続けることができる。
【００５８】
このように、フルフブリッジ回路を用いても、振動子を殆ど減衰させることなく、超音波信号を出力できるので、高効率で確実に振幅制御できる送信ビーム形成手段、およびこれを備えた超音波送信装置を構成することができる。
【００５９】
なお、上述の各実施形態では、超音波信号と同じ周期の駆動パルス信号を用いて、振動子を駆動する方法を示したが、超音波信号よりも短い周期の駆動パルス信号により振動子を駆動してもよい。この場合、振動子の共振周波数の半周期内に供給される複数のパルス信号のパルス幅を合計した幅（オンデューティ比）により、振動子から送信される超音波信号の振幅が制御される。このような駆動方法を用いた場合にも上述の構成は適用でき、且つ同様の効果が期待できる。
【００６０】
【発明の効果】
この発明によれば、振動子を振動させる駆動パルス信号を生成するドライバ回路を２つのスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路、または４つのスイッチング素子からなるフルブリッジ回路で構成し、上述のように、ブリッジ回路のスイッチング素子を制御することにより、確実に振幅制御ができ、高効率で簡素な構造の超音波送信装置を構成することができる。
【００６１】
また、この発明によれば、上述の超音波送信装置と、受信ビーム形成手段を備えた超音波送受信装置と、送信ビームおよび受信ビームを制御する手段を備えることで、探知すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から探知範囲の探知データを求めて表示して、略同時刻に複数の探知方向の探知画像を正確に把握できる高性能な探知装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスキャニングソナーの送受信チャンネルの構成を示すブロック図
【図２】図１に示すドライバ回路１２に備えられたハーフブリッジ回路を示す概略構成図
【図３】図１に示した複数の送受信チャンネル１００を用いて送信ビームおよび受信ビームを形成するとともに、所定探知範囲の探知画像を生成する制御部のブロック図
【図４】ハーフブリッジ回路を用いた場合のＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号、および駆動パルス信号の関係を示すタイミングチャート
【図５】フルブリッジ回路を用いた場合のＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号、および駆動パルス信号の関係を示すタイミングチャート
【図６】従来のフルブリッジ回路を示す概略構成図
【図７】図６に示すフルブリッジ回路に入力されるドライブ信号、出力される駆動パルス信号を示すタイミングチャート
【図８】従来のハーフブリッジ回路を示す概略構成図
【図９】図８に示すハーフブリッジ回路に入力されるドライブ信号、出力される駆動パルス信号を示すタイミングチャート
【図１０】本発明のハーフブリッジ回路と振動子とから成る閉ループ回路の等価回路図、および該閉ループ回路で発生する自由減衰振動を示す波形図
【符号の説明】
１０−振動子
１１−ドライバＩ／Ｆ
１２−ドライバ回路
１３−送受信切替回路
１４−プリアンプ
１５−帯域通過フィルタ
１６−Ａ／Ｄ変換回路
１７，２０−Ｉ／Ｆ
２１−駆動パルス信号生成回路
２２−タイミングジェネレータ
２３−係数テーブル
２４−波形メモリ
２５−ＴＸ−ＤＳＰ
２６−プログラマブル送信ビーム形成制御部
１００−送受信チャンネル
Claims (2)
- トランスデューサに備えられた、所定のパルス信号で駆動する複数の振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子の直列回路と、第３、第４のスイッチング素子の直列回路とを並列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するフルブリッジ回路と、前記ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、前記複数の振動子毎に前記パルス信号を与えて駆動させることで超音波の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段を備えた超音波送信装置において、
前記ドライブ信号生成手段は、前記フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、前記第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、前記第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において前記第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴とする超音波送信装置。 - 所定のパルス信号で駆動する振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子の直列回路と、第３、第４のスイッチング素子の直列回路とを並列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するフルブリッジ回路と、前記ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、前記振動子に前記パルス信号を与えて駆動させることで超音波を送信する送信手段を備えた超音波送信装置において、
前記ドライブ信号生成手段は、前記フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、前記第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、前記第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において前記第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴とする超音波送信装置。
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