JP4682577B2 - Ultrasonic imaging method and ultrasonic imaging apparatus - Google Patents

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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

本発明は、発信された超音波の検出対象物からの反射波を受信することによって、検出対象物までの距離とその方位を計測して物体の距離画像を生成する超音波画像化装置及び画像化方法に関する。   The present invention relates to an ultrasonic imaging apparatus and an image for generating a distance image of an object by measuring a distance to the detection object and its azimuth by receiving a reflected wave of the transmitted ultrasonic wave from the detection object. It relates to the conversion method.

従来から、超音波発信器から発信された音波が対象物により反射されて、超音波受信器によって受信されるまでの時間(伝搬時間)を計測し、この伝搬時間と音速とに基づいて各方位における対象物までの距離の分布を計測する技術が一般に知られている。例えば、水中探査や非破壊検査、医療用診断に用いられている一般的な超音波映像分野では、圧電素子を一次元的に並べて超音波の発信と受信に共用した探触子が用いられる。このような探触子を機械的に回動させて角度走査を行い、音響インピーダンスの異なっている部分(例えば、生態の組織境界面)からのエコーにより扇型ビームの通る断面の映像を得るものがある。   Conventionally, the time (propagation time) from when the sound wave transmitted from the ultrasonic transmitter is reflected by the object and received by the ultrasonic receiver is measured, and each direction is determined based on the propagation time and the sound velocity. A technique for measuring the distribution of the distance to an object in is generally known. For example, in a general ultrasonic imaging field used for underwater exploration, non-destructive inspection, and medical diagnosis, a probe that uses piezoelectric elements arranged one-dimensionally and is shared for transmission and reception of ultrasonic waves is used. The probe is mechanically rotated to perform angular scanning, and an image of the cross section through which the fan-shaped beam passes is obtained by echoes from parts with different acoustic impedances (for example, biological tissue boundaries). There is.

また、空気中において、複数の超音波受信素子をアレイ状に配列した超音波アレイセンサで反射超音波を受信し、各超音波受信素子の受信信号に対して、超音波の入射角と素子の位置関係に対応した時間だけ遅延させて演算処理することによって、任意の方位からの反射波だけを選択的に取り出す技術が知られている(特許文献1参照)。これによると、機械的な走査を行うことなく、電気的な信号処理のみによって方位を走査する、いわゆる電子的走査によって、超音波を反射した対象物の距離と方位、すなわち対象物の3次元的な位置に関する情報を取得でき、物体の距離画像を得ることができる。   In addition, in the air, reflected ultrasonic waves are received by an ultrasonic array sensor in which a plurality of ultrasonic receiving elements are arranged in an array, and the incident angle of the ultrasonic wave and the element's angle are received with respect to the reception signal of each ultrasonic receiving element. A technique is known in which only a reflected wave from an arbitrary direction is selectively extracted by performing arithmetic processing with a delay corresponding to the positional relationship (see Patent Document 1). According to this, the distance and azimuth of the object reflecting the ultrasonic waves by the so-called electronic scanning, in which the azimuth is scanned only by electrical signal processing without performing mechanical scanning, that is, the three-dimensional of the object. Can acquire information related to various positions, and can obtain a distance image of an object.

また、超音波は、レーザ光などの光と比べて周波数が低く、伝搬速度も遅いため、回路的に安価に構成できるという利点がある。このため、超音波による障害物等の物体認識センサが、レーザ光などの光を用いるセンサと同様に用いられつつある。
特開2002−156451号公報
In addition, since the ultrasonic wave has a lower frequency and a lower propagation speed than light such as laser light, there is an advantage that it can be configured inexpensively in terms of circuit. For this reason, an object recognition sensor such as an obstacle using ultrasonic waves is being used in the same manner as a sensor using light such as laser light.
JP 2002-156451 A

しかしながら、特許文献1や他の開示された文献おいて、超音波反射率の違う複数の物体を認識して物体の挙動解析や追跡を行うことができる距離画像を生成する方法や装置が見られない。   However, in Patent Document 1 and other disclosed documents, a method and an apparatus for generating a distance image capable of recognizing a plurality of objects having different ultrasonic reflectivities and performing object behavior analysis and tracking can be seen. Absent.

本発明は、上記課題を解消するものであって、対象物体の超音波反射率に依存することなく、また、簡便に物体の挙動解析や追跡が行える、物体の距離画像を生成できる超音波画像化方法及び超音波画像化装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problems, and does not depend on the ultrasonic reflectance of the target object, and can generate an object distance image that can easily analyze and track the behavior of the object. An object is to provide an imaging method and an ultrasonic imaging apparatus.

上記課題を達成するために、請求項1の発明は、複数の超音波受信素子を所定間隔でX方向とY方向に2次元配列して形成した超音波アレイセンサを用いて、前方の各方位における超音波反射物体の距離を求めて該物体の距離画像を生成する超音波画像化方法であって、前方からの反射超音波を受信して各方位毎に前記各超音波受信素子の信号を遅延加算することにより超音波反射物体の距離を求める遅延加算ステップと、前記超音波アレイセンサの中心からX方向とY方向の視野角度を設定する視野角度設定ステップと、前記超音波アレイセンサの指向性からX方向とY方向の角度分解能を設定する角度分解能設定ステップと、前記設定したX方向とY方向の視野角度を前記X方向とY方向の角度分解能でそれぞれ割算して得た数をそれぞれX方向画素数、Y方向画素数とする画素数設定ステップと、前記X方向画素数とY方向画素数からなる2次元マップの各画素に前記方位を対応させて距離画像を生成する画像生成ステップと、を備え、前記遅延加算ステップにおいて遅延加算して求めた信号の信号強度と前記方位から形成される信号強度分布におけるピーク信号に対応する距離と方位を用いて画像生成ステップにおける距離画像を生成するものである。 In order to achieve the above-mentioned object, the invention of claim 1 is directed to an ultrasonic azimuth sensor using an ultrasonic array sensor formed by two-dimensionally arranging a plurality of ultrasonic receiving elements in the X and Y directions at predetermined intervals. An ultrasonic imaging method for obtaining a distance image of an ultrasonic reflection object in the image and generating a distance image of the object, receiving a reflected ultrasonic wave from the front and outputting a signal of each ultrasonic reception element for each direction A delay addition step for obtaining the distance of the ultrasonic reflecting object by delay addition, a viewing angle setting step for setting a viewing angle in the X direction and the Y direction from the center of the ultrasonic array sensor, and a directivity of the ultrasonic array sensor The angle resolution setting step for setting the angular resolution in the X direction and the Y direction from the characteristics, and the numbers obtained by dividing the set viewing angles in the X direction and the Y direction by the angular resolutions in the X direction and the Y direction, respectively. That X direction pixel number, image generating step of generating a pixel number setting step for the Y-direction number of pixels, a distance image in association with the orientation in each pixel of the two-dimensional map consisting of the X-direction pixel number and the Y-direction pixel number If the provided distance image in the image generation step using the distance and direction corresponding to the peak signal in the signal intensity distribution formed from the signal strength of the delay addition to obtained signals and said orientation at said delay adding step Is generated.

請求項2の発明は、請求項1に記載の画像化方法において、前方3次元空間の中の特定の2次元平面について距離と方向を検出して前記距離画像を生成するものである。   According to a second aspect of the present invention, in the imaging method according to the first aspect, the distance image is generated by detecting the distance and direction of a specific two-dimensional plane in the front three-dimensional space.

請求項3の発明は、請求項2に記載の画像化方法において、前記遅延加算ステップを時分割して複数の前記距離画像を生成するものである。   According to a third aspect of the present invention, in the imaging method according to the second aspect, the delay addition step is time-divided to generate a plurality of the distance images.

請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の画像化方法において、複数のピーク信号をグループ化した中で最大ピーク信号に対応する距離と方向を距離画像として生成するものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the imaging method according to any one of the first to third aspects, a distance and direction corresponding to the maximum peak signal among a plurality of peak signals are generated as a distance image. Is.

請求項5の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の画像化方法において、超音波反射物体の距離と方向を時系列に検出し、前記距離画像に連続表示して、超音波反射物体の移動方向を推定可能とするものである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the imaging method according to any one of the first to fourth aspects, the distance and direction of the ultrasonic reflecting object are detected in time series, and are continuously displayed on the distance image. The moving direction of the sound wave reflecting object can be estimated.

請求項6の発明は、請求項5に記載の画像化方法において、超音波反射物体を認識したときと認識していないときとで超音波反射物体の距離を求める間隔を変えるものである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the imaging method according to the fifth aspect, the interval for obtaining the distance of the ultrasonic reflecting object is changed depending on whether the ultrasonic reflecting object is recognized or not.

請求項7の発明は、超音波発信手段と、複数の超音波受信素子を所定間隔でX方向とY方向に2次元配列して形成した超音波アレイセンサとを備え、前記超音波発信手段から発信した超音波が前方の物体によって反射する反射超音波を前記超音波アレイセンサで受信してその物体の方位と距離を求めて該物体の距離画像を生成する超音波画像化装置であって、前記超音波受信素子の信号を増幅する信号増幅手段と、前記信号増幅手段で増幅された各信号を遅延合成及びAD変換して方位毎の距離を演算してメモリに記憶する遅延合成手段と、前記遅延合成手段で求めた信号の信号強度と方位から形成される信号強度分布におけるピーク信号に対応する距離と方位を抽出するピーク信号抽出手段と、前記超音波アレイセンサの指向性と視野角度に基づいて設定したX方向画素数とY方向画素数の2次元マップの各画素に方位を対応させ、前記ピーク信号に対応する距離と方位を用いて距離画像を生成する画像化手段と、を備えたものである。   According to a seventh aspect of the invention, there is provided an ultrasonic wave transmitting means and an ultrasonic array sensor formed by two-dimensionally arranging a plurality of ultrasonic receiving elements in the X direction and the Y direction at a predetermined interval, from the ultrasonic wave transmitting means. An ultrasonic imaging apparatus that receives reflected ultrasonic waves reflected by a forward object by the ultrasonic array sensor and obtains an orientation and a distance of the object to generate a distance image of the object, A signal amplifying means for amplifying a signal of the ultrasonic receiving element; a delay synthesizing means for calculating a distance for each direction by delay combining and AD converting each signal amplified by the signal amplifying means; Peak signal extraction means for extracting the distance and azimuth corresponding to the peak signal in the signal intensity distribution formed from the signal intensity and azimuth of the signal obtained by the delay synthesis means, and the directivity and viewing angle of the ultrasonic array sensor Imaging means for generating a distance image using the distance and the direction corresponding to the peak signal, with the direction corresponding to each pixel of the two-dimensional map of the number of X direction pixels and the number of Y direction pixels set based on It is a thing.

請求項8の発明は、請求項7に記載の画像化方法において、画像化された物体の移動方向や挙動を前記距離画像の時間変化に基づいて解析する画像解析手段と、前記画像解析手段で得られた結果を外部に通知する外部通知手段と、をさらに備えたものである。   According to an eighth aspect of the present invention, in the imaging method according to the seventh aspect, the image analyzing means for analyzing the moving direction and behavior of the imaged object based on the temporal change of the distance image, and the image analyzing means And an external notification means for notifying the obtained result to the outside.

請求項1の発明によれば、超音波信号強度分布におけるピーク信号に基づいて距離画像を生成するので、超音波反射物体の反射率が低い場合においても物体を認識可能であり、反射率のばらつきの影響を受けない距離画像を生成できる。   According to the first aspect of the present invention, since the distance image is generated based on the peak signal in the ultrasonic signal intensity distribution, the object can be recognized even when the reflectance of the ultrasonic reflection object is low, and the reflectance varies. It is possible to generate a distance image that is not affected by.

請求項2の発明によれば、3次元画像を得る場合より少ないデータ処理量で距離画像を生成でき、物体の挙動解析や追跡に利用できる簡便な距離画像が得られる。   According to the invention of claim 2, a distance image can be generated with a smaller amount of data processing than when a three-dimensional image is obtained, and a simple distance image that can be used for object behavior analysis and tracking can be obtained.

請求項3の発明によれば、複数の距離情報が効率よく得られる。   According to the invention of claim 3, a plurality of distance information can be obtained efficiently.

請求項4の発明によれば、グループ活動する複数物体の挙動や、複数の超音波反射強度ピークを有する物体などを、代表点の挙動によって物体の挙動解析及び追跡が明瞭に行える。   According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to clearly analyze and track the behavior of a plurality of objects in a group activity or an object having a plurality of ultrasonic reflection intensity peaks based on the behavior of representative points.

請求項5の発明によれば、物体の時系列的な挙動が分かり易く、物体の移動予測が容易となる。   According to the invention of claim 5, the time-series behavior of the object is easy to understand and the movement of the object can be easily predicted.

請求項6の発明によれば、超音波反射物体の距離を求める間隔を空間的又は時間的に変化させることにより、物体の移動速度が速くても遅くても、物体の移動に追随して距離画像を生成できる。このため、例えば、画像を記録する場合の記録媒体の節減ができる。   According to the invention of claim 6, by changing the interval for obtaining the distance of the ultrasonic reflecting object spatially or temporally, the distance following the movement of the object, regardless of whether the moving speed of the object is fast or slow. An image can be generated. For this reason, for example, a recording medium can be saved when an image is recorded.

請求項7の発明によれば、超音波信号強度分布におけるピーク信号に基づいて距離画像を生成するので、超音波反射物体の反射率が低い場合においても物体を認識可能であり、反射率のばらつきの影響を受けない距離画像を生成できる。   According to the seventh aspect of the present invention, since the distance image is generated based on the peak signal in the ultrasonic signal intensity distribution, the object can be recognized even when the reflectance of the ultrasonic reflection object is low, and the reflectance varies. It is possible to generate a distance image that is not affected by.

請求項8の発明によれば、物体の挙動を推定し、接近する物体に対して警報を鳴らして撃退することなどが可能になる。   According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to estimate the behavior of an object, sound an alarm for an approaching object, and repel it.

以下、本発明の一実施形態による超音波画像化装置について、図面を参照して説明する。図1は、超音波画像化装置10のブロック構成を示す。超音波画像化装置10は、所定周波数(例えば、40〜100kHz程度)の音波を発する音源である超音波発信手段1と、複数の超音波受信素子20を一定間隔でX方向とY方向に2次元配列して形成した超音波アレイセンサ2とを備えており、超音波発信手段1から発信した超音波が前方の物体Tによって反射する反射超音波を超音波アレイセンサ2で受信してその物体の方位と距離を求めて距離画像を生成する画像化装置である。   Hereinafter, an ultrasonic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a block configuration of the ultrasonic imaging apparatus 10. The ultrasonic imaging apparatus 10 includes an ultrasonic transmission unit 1 that is a sound source that emits sound waves of a predetermined frequency (for example, about 40 to 100 kHz) and a plurality of ultrasonic reception elements 20 in the X direction and the Y direction at regular intervals. An ultrasonic array sensor 2 formed in a two-dimensional array, and the ultrasonic array sensor 2 receives the reflected ultrasonic waves reflected by the object T in front of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transmission means 1 and that object. It is an imaging device which produces | generates a distance image by calculating | requiring the azimuth | direction and distance.

超音波画像化装置10は、さらに、超音波アレイセンサ2からの信号を増幅する増幅手段3と、その信号を遅延合成及びAD変換して方位毎の距離を演算してメモリに記憶する遅延合成手段4と、記憶されたデータをもとに距離画像を生成する画像化手段5と、画像化された物体の移動方向や挙動を距離画像の時間変化に基づいて解析する画像解析手段8と、遅延合成手段で求めた信号の信号強度と方位から形成される信号強度分布におけるピーク信号に対応する距離と方位を抽出するピーク信号抽出手段9と、画像化手段5が入出力部61を介して外部に物体の検出結果を通知する外部通知手段6と、画像表示するための画像表示手段7と、超音波発信手段1に超音波発信をさせるための波形発生器11と、を備えている。   The ultrasonic imaging apparatus 10 further includes an amplifying means 3 for amplifying a signal from the ultrasonic array sensor 2 and delay synthesis for delay synthesis and AD conversion of the signal to calculate a distance for each direction and store it in a memory. Means 4, imaging means 5 for generating a distance image based on the stored data, image analysis means 8 for analyzing the moving direction and behavior of the imaged object based on the time change of the distance image, The peak signal extraction means 9 for extracting the distance and direction corresponding to the peak signal in the signal intensity distribution formed from the signal intensity and direction of the signal obtained by the delay synthesis means, and the imaging means 5 via the input / output unit 61 External notification means 6 for notifying the detection result of the object to the outside, image display means 7 for displaying an image, and a waveform generator 11 for causing the ultrasonic transmission means 1 to transmit ultrasonic waves are provided.

超音波受信素子20の各信号は、信号増幅手段3によって増幅され、遅延合成手段4におけるアナログ遅延合成器41によって、方位毎に各信号に対する所定の遅延処理とその遅延処理された信号の合成が行われ、このような1つの方位に対して1つの遅延合成信号を得る処理が各方位に対して行われる。デジタルデータ処理器42は、このような各方位毎に得られた遅延合成信号をAD変換するとともにそのデジタルデータを演算して各方位毎に(超音波反射物体の)距離を求める。その各方位毎に求めた距離及びこれを求めるもととなった遅延合成信号の信号強度がフレームメモリ43に記憶される。   Each signal of the ultrasonic receiving element 20 is amplified by the signal amplifying means 3, and a predetermined delay processing for each signal and synthesis of the delayed signals are performed for each direction by the analog delay synthesizer 41 in the delay synthesizing means 4. A process for obtaining one delayed composite signal for one azimuth is performed for each azimuth. The digital data processor 42 AD-converts the delayed composite signal obtained for each direction and calculates the digital data to obtain the distance (of the ultrasonic reflecting object) for each direction. The distance obtained for each azimuth and the signal strength of the delayed composite signal from which the distance is obtained are stored in the frame memory 43.

画像化手段5は、超音波アレイセンサ2の指向性と視野角度に基づいて設定したX方向画素数とY方向画素数の2次元マップの各画素に方位を対応させ、フレームメモリ43に記憶した距離を各画素に濃淡表示する距離画像を生成する。また、画像化手段5は、方位毎に得られた距離をそのまま距離画像とする他に、ピーク信号抽出手段9が求めたピーク信号に対応する距離と方位を2次元マップに濃淡表示する距離画像を生成する。このピーク信号に対応する距離と方位は、フレームメモリ43に記憶された方位毎の距離とこれを求めるもととなった遅延合成信号の信号強度に基づいて、ピーク信号抽出手段9により求められる。距離画像の生成は、ROM52又はRAM53に記憶されたプログラムに基づいて画像化手段5の制御部51において行われる。   The imaging unit 5 associates the azimuth with each pixel of the two-dimensional map of the X direction pixel number and the Y direction pixel number set based on the directivity and the viewing angle of the ultrasonic array sensor 2, and stores them in the frame memory 43. A distance image for displaying the distance in gray on each pixel is generated. Further, the imaging means 5 uses the distance obtained for each azimuth as it is as a distance image, and also displays the distance and the azimuth corresponding to the peak signal obtained by the peak signal extraction means 9 in a two-dimensional map in grayscale. Is generated. The distance and direction corresponding to the peak signal are obtained by the peak signal extraction means 9 based on the distance for each direction stored in the frame memory 43 and the signal strength of the delayed composite signal from which the distance is obtained. The generation of the distance image is performed by the control unit 51 of the imaging unit 5 based on a program stored in the ROM 52 or the RAM 53.

また、画像化手段5には、検知されて画像化された物体の挙動を距離画像の時間変化に基づいて解析する画像解析手段8を備えている。画像解析手段8で得られた結果は、外部通知手段6によって外部にメッセージ通知される。   The imaging unit 5 includes an image analysis unit 8 that analyzes the behavior of the detected and imaged object based on the temporal change of the distance image. The result obtained by the image analysis means 8 is notified to the outside by the external notification means 6.

図2は、超音波受信素子20の断面を示す。超音波受信素子20は、SOI(Silicon on Insulator)基板などのダイヤフラム構成のシリコン基板上に、Ptによる上下電極を有する強誘電体PZT膜をメンブレン部21に形成したものである。シリコン基板は、異方性エッチングにより凹部22が形成されてダイヤフラム形状とされている。メンブレン部21に、超音波発信手段1が発した圧力波(超音波)が物体Tにあたって反射した波の圧力を受けると、PZT(強誘電体膜)の圧電効果により微小な電圧が発生する。この電圧がPZTの上部と下部に設けたPt(白金)電極を通して外部に電圧信号波形として取り出される。このような構成の超音波受信素子20は、小型化及び集積化が可能であり、超音波アレイセンサ2に好適に用いられる。   FIG. 2 shows a cross section of the ultrasonic receiving element 20. The ultrasonic receiving element 20 is obtained by forming a ferroelectric PZT film having upper and lower electrodes made of Pt on a membrane portion 21 on a silicon substrate having a diaphragm structure such as an SOI (Silicon on Insulator) substrate. The silicon substrate is formed into a diaphragm shape by forming recesses 22 by anisotropic etching. When the pressure wave (ultrasonic wave) emitted from the ultrasonic wave transmitting means 1 is reflected on the object T on the membrane part 21, a minute voltage is generated by the piezoelectric effect of PZT (ferroelectric film). This voltage is extracted to the outside as a voltage signal waveform through Pt (platinum) electrodes provided on the upper and lower parts of the PZT. The ultrasonic receiving element 20 having such a configuration can be miniaturized and integrated, and is suitably used for the ultrasonic array sensor 2.

図3(a)(b)(c)は、上述の超音波受信素子20を組み込んだ超音波アレイセンサ2を示す。この超音波アレイセンサ2は、超音波受信素子20をパッケージ25等を用いて実装して十字形状にアレイ化したものである。この超音波アレイセンサ2は、1つの素子を中心にして、X方向に5素子、Y方向に5素子配列して構成されている。図3(c)に示すように、メンブレン部21が望む有効開口の形状寸法により、個々の素子の視野角度αが決定される。   FIGS. 3A, 3B, and 3C show the ultrasonic array sensor 2 in which the ultrasonic receiving element 20 described above is incorporated. The ultrasonic array sensor 2 is configured by mounting the ultrasonic receiving elements 20 using a package 25 or the like and forming an array in a cross shape. The ultrasonic array sensor 2 is configured by arranging 5 elements in the X direction and 5 elements in the Y direction with one element as the center. As shown in FIG. 3C, the viewing angle α of each element is determined by the shape and size of the effective aperture desired by the membrane portion 21.

また、図4に示すように、超音波受信素子20を2次元に等間隔に配置した超音波アレイセンサ2を距離画像生成のため用いることができる。この場合、必要な角度分解能に応じて、素子数を選択することができる。この他に、超音波受信素子20を斜めマトリックス配置、同心円状配置、不等間隔配置したものを用いることもできる。   Moreover, as shown in FIG. 4, the ultrasonic array sensor 2 in which the ultrasonic receiving elements 20 are two-dimensionally arranged at equal intervals can be used for generating a distance image. In this case, the number of elements can be selected according to the required angular resolution. In addition, it is possible to use ultrasonic receiving elements 20 arranged in an oblique matrix arrangement, a concentric arrangement, or an unequal interval arrangement.

ここで、図5を参照して、超音波アレイセンサ2を用いた電子的走査(電子スキャン)の概念を説明する。電子スキャンは、超音波アレイセンサ2を空間的に固定して、超音波アレイセンサ2に様々な方向から入射する超音波を3次元空間における各方向(方位と呼ぶ)毎に識別して各方位毎の受信超音波の強度を取得する方法である。超音波アレイセンサ2に到達する超音波の波面は少なくとも超音波アレイセンサ2の受信面内で平面であるとして扱われる。そこで、図5(a)に示すように、超音波アレイセンサ2の前方正面N1方向からやってくる超音波の波面2aは、超音波アレイセンサ2の受信面と平行であり、超音波アレイセンサ2の受信面に配列された全ての超音波受信素子20(不図示)は同時に超音波を受信する。   Here, the concept of electronic scanning (electronic scanning) using the ultrasonic array sensor 2 will be described with reference to FIG. In the electronic scan, the ultrasonic array sensor 2 is spatially fixed, and ultrasonic waves incident on the ultrasonic array sensor 2 from various directions are identified for each direction (referred to as an orientation) in the three-dimensional space. This is a method for acquiring the intensity of each received ultrasonic wave. The wavefront of the ultrasonic wave that reaches the ultrasonic array sensor 2 is treated as a plane within at least the reception surface of the ultrasonic array sensor 2. Therefore, as shown in FIG. 5A, the ultrasonic wavefront 2a coming from the front front N1 direction of the ultrasonic array sensor 2 is parallel to the receiving surface of the ultrasonic array sensor 2, and the ultrasonic array sensor 2 All the ultrasonic receiving elements 20 (not shown) arranged on the receiving surface simultaneously receive ultrasonic waves.

そして、図5(b)に示すように、正面N1から右(X方向)に角度φだけ振った方向N2からやってくる超音波の波面2aは、超音波アレイセンサ2の右半分では超音波アレイセンサの中心よりも早めに到達し、左半分では遅れて到達する。そこで、各超音波受信素子20により時間とともに超音波を受信して出力される信号に、このような波面の進み時間や遅れ時間を補正する演算を行うことにより、全ての超音波受信素子20が同位置の波面に基づく超音波を同一時刻に受信したように時間補正できる。そこで、各超音波受信素子20の時間補正した信号を足し算すると、いわゆる遅延加算した信号が得られる。この遅延加算した時間的に変動する信号に現れる信号強度のピークの時間軸上の位置(t=t1とする)から、方向N2に存在する超音波反射物体の反射面の距離が求められる。なお、信号の時間軸の原点(t=0)を、超音波発信手段1から超音波を発信した時刻とし、音速をVとすると、超音波が往復することを考慮して距離ZがZ=V・t1/2ともとまる。   Then, as shown in FIG. 5B, the ultrasonic wavefront 2 a coming from the direction N <b> 2 swung from the front N <b> 1 to the right (X direction) by the angle φ is an ultrasonic array sensor in the right half of the ultrasonic array sensor 2. It arrives earlier than the center of, and arrives late in the left half. Therefore, by performing an operation for correcting such a wavefront advance time and delay time on a signal output by receiving an ultrasonic wave with time by each ultrasonic receiving element 20, all the ultrasonic receiving elements 20 have the same effect. Time correction can be performed as if ultrasonic waves based on the wavefront at the same position were received at the same time. Therefore, when the signals subjected to time correction of the respective ultrasonic receiving elements 20 are added, a so-called delayed addition signal is obtained. From the position (t = t1) of the peak of the signal intensity appearing in the time-varying signal obtained by delay addition, the distance of the reflecting surface of the ultrasonic reflecting object existing in the direction N2 is obtained. If the origin of the time axis of the signal (t = 0) is the time when the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic wave transmitting means 1 and the speed of sound is V, the distance Z is Z = It also stops at V · t1 / 2.

また、図5(c)(d)に示すように、前方上方(Y方向)に角度θ振った方向N3や、一般に、右にφ、上にθ振った方向N4からやってくる反射超音波に対しても、各超音波受信素子20が超音波アレイセンサ2の受信面上に配置された位置、及び角度φ,θに基づいて、各受信信号に信号遅延時間(正負あり)補正を行い、補正された各受信信号を加算することによって、任意方位における超音波反射物体の距離を求めることができる。   Further, as shown in FIGS. 5C and 5D, with respect to the reflected ultrasonic wave coming from the direction N3 that is swung by the angle θ in the upper front direction (Y direction), or generally from φ to the right and the direction N4 swung upward to θ. However, based on the position where each ultrasonic receiving element 20 is arranged on the receiving surface of the ultrasonic array sensor 2 and the angles φ and θ, the signal delay time (with positive and negative) is corrected for each received signal. By adding the received signals, the distance of the ultrasonic reflecting object in an arbitrary direction can be obtained.

次に、図6を参照して、超音波アレイセンサ2の指向性を説明する。超音波アレイセンサ2の正面所定距離に孤立した超音波反射物体Tを配置し、前方に超音波を発信するとともに超音波アレイセンサ2によって、例えばX方向の電子スキャンを行うことにより、図6に示すようなX方向の指向性データが得られる。超音波アレイセンサ2は、X方向とY方向について対称であるため、両方向について同じ指向性が得られる。この指向性のグラフから、超音波アレイセンサ2の角度分解能δが決められる。この指向性の特性図は、横軸が走査角度φであり、縦軸がセンサの相対感度である。走査角度φは、超音波アレイセンサ2の正面方向を角度ゼロとして、例えばX方向に電子的に受信信号を走査する場合の走査角である(電子的走査については、上述、及び例えば特許文献1参照)。   Next, the directivity of the ultrasonic array sensor 2 will be described with reference to FIG. An ultrasonic reflection object T isolated at a predetermined distance in front of the ultrasonic array sensor 2 is disposed, transmits ultrasonic waves forward, and performs an electronic scan in the X direction, for example, by the ultrasonic array sensor 2, as shown in FIG. Directivity data in the X direction as shown is obtained. Since the ultrasonic array sensor 2 is symmetrical with respect to the X direction and the Y direction, the same directivity can be obtained in both directions. From this directivity graph, the angular resolution δ of the ultrasonic array sensor 2 is determined. In this characteristic chart of directivity, the horizontal axis represents the scanning angle φ, and the vertical axis represents the relative sensitivity of the sensor. The scanning angle φ is a scanning angle when the reception signal is electronically scanned in the X direction, for example, with the front direction of the ultrasonic array sensor 2 as the angle zero (for electronic scanning, the above-mentioned and, for example, Patent Document 1). reference).

角度分解能δは、例えば、相対感度が0.3dB低下する角度として定義することができる。図6における曲線aは、上述の超音波アレイセンサ2の指向性を示し、δ=5゜と読みとることができる。なお、4素子のときは、曲線bから、角度分解能が7°程度である。アレイを構成する超音波受信素子の数を増やすことによって、角度分解能を高くすることができる。従って、予めX、Y方向の素子数を各9素子として、使用状況に応じて適宜7素子、5素子、3素子と減らすことも可能である。素子数を減らす場合、遅延合成や画像化のための演算量を減らすことができ、リアルタイム性が向上する。   The angular resolution δ can be defined as an angle at which the relative sensitivity is reduced by 0.3 dB, for example. A curve a in FIG. 6 indicates the directivity of the ultrasonic array sensor 2 described above, and can be read as δ = 5 °. In the case of 4 elements, the angular resolution is about 7 ° from the curve b. The angular resolution can be increased by increasing the number of ultrasonic receiving elements constituting the array. Accordingly, it is possible to reduce the number of elements in the X and Y directions to 9 elements in advance and appropriately reduce to 7 elements, 5 elements, and 3 elements according to the usage situation. When the number of elements is reduced, the amount of calculation for delay synthesis and imaging can be reduced, and real-time performance is improved.

次に、図7のフローチャートを参照して、距離画像を生成する画像化方法を説明する。ここでは、X、Y方向の超音波受信素子数が5素子の超音波アレイセンサ2(図3)を用いた場合を説明する。また、前出の図を適宜参照する。このセンサはX方向とY方向で対称であるので、以下に現れるパラメータは特に断らない限り、X方向とY方向において同じである。まず、遅延加算ステップ(S1)で、反射超音波を受信して各方位毎に各超音波受信素子20の信号を遅延加算することにより各方位における超音波反射物体の距離を求めるとともに、遅延加算して求めた信号の信号強度と方位から形成される信号強度分布におけるピーク信号に対応する距離と方位が求められる。   Next, an imaging method for generating a distance image will be described with reference to the flowchart of FIG. Here, the case where the ultrasonic array sensor 2 (FIG. 3) with five ultrasonic receiving elements in the X and Y directions is used will be described. Moreover, the above figure is referred suitably. Since this sensor is symmetric in the X and Y directions, the parameters appearing below are the same in the X and Y directions unless otherwise noted. First, in the delay addition step (S1), the reflected ultrasonic waves are received and the signals of the ultrasonic receiving elements 20 are delayed and added for each direction to obtain the distance of the ultrasonic reflecting object in each direction, and the delay addition is performed. Thus, the distance and direction corresponding to the peak signal in the signal intensity distribution formed from the signal intensity and the direction of the signal obtained in this manner are obtained.

続いて、視野角度設定ステップ(S2)で、X方向とY方向の視野角度αが設定される。視野角度αとして、センサの幾何学形状で定まる最大値よりも小さな値を任意に選択することができる。例えば、特定角度範囲においてズームするときなどに、より小さな視野角度が選択される。今の場合、センサの正面から左右に±45゜、つまりα=90゜とされる。   Subsequently, in the viewing angle setting step (S2), viewing angles α in the X direction and the Y direction are set. As the viewing angle α, a value smaller than the maximum value determined by the sensor geometry can be arbitrarily selected. For example, a smaller viewing angle is selected when zooming in a specific angle range. In this case, ± 45 ° from the front of the sensor, that is, α = 90 °.

続いて、角度分解能設定ステップ(S3)で、超音波アレイセンサの指向性をもとに、X方向と、Y方向の角度分解能が決定される。今の場合、上述の図4の結果により、δ=5゜とされる。   Subsequently, in the angular resolution setting step (S3), the angular resolutions in the X direction and the Y direction are determined based on the directivity of the ultrasonic array sensor. In this case, δ = 5 ° is set according to the result of FIG.

続いて、画素数設定ステップ(S4)で、上述の視野角度αと角度分解能δを用いて、X方向とY方向の画素数pが求められる。すなわち、p=(α/δ+1)=(90゜/5゜+1)、から画素数p=19が求まる。全画素数は、19×19=361画素となる。   Subsequently, in the pixel number setting step (S4), the number of pixels p in the X direction and the Y direction is obtained using the viewing angle α and the angular resolution δ described above. That is, the number of pixels p = 19 is obtained from p = (α / δ + 1) = (90 ° / 5 ° + 1). The total number of pixels is 19 × 19 = 361 pixels.

続いて、距離画像生成ステップ(S5)で、上記の画素数の画素をX方向、Y方向に2次元的に有する2次元マップの各画素に方位を対応させて距離を表示した距離画像が得られる。距離画像の表示方法として、物体を検知した距離に応じて各画素を濃淡階層スケールによって濃淡表示(グレイティング)を用いることができる。例えば、近い物体は明るく、遠い物体は暗くする。カラー表示によって、例えば、近くを暖色にし、遠くを寒色にしてもよい。   Subsequently, in the distance image generation step (S5), a distance image is obtained in which the distance is displayed with the direction corresponding to each pixel of the two-dimensional map having the above-mentioned number of pixels two-dimensionally in the X and Y directions. It is done. As a display method of the distance image, grayscale display (grading) can be used for each pixel according to the grayscale scale according to the distance at which the object is detected. For example, near objects are bright and far objects are dark. By color display, for example, the vicinity may be warm and the distance may be cool.

上述の5つのステップのうち視野角度設定ステップ(S2)、角度分解能設定ステップ(S3)、及び画素数設定ステップ(S4)は、超音波画像生成のサイクルの中で少なくとも1回行えばよい。また、超音波画像を定期的に又は連続して生成する中で、解像度を変更してズームアップする場合などには、これらの3つのステップの処理を適宜に行う動的な対応が可能である。   Of the above five steps, the viewing angle setting step (S2), the angular resolution setting step (S3), and the pixel number setting step (S4) may be performed at least once in the cycle of ultrasonic image generation. In addition, when an ultrasonic image is generated regularly or continuously and zooming up by changing the resolution, it is possible to dynamically handle these three steps as appropriate. .

次に、図8、図9を参照して、具体的な超音波距離画像を説明する。図8は、前方(Z方向)視野における2つの物体T1,T2の存在状況を示し、図8,図9において、X方向は左右方向(水平方向)、Y方向は上下方向(鉛直方向)、Z方向は奥行き方向(前方距離)である。図9(a)は、2つの物体T1,T2の3次元距離画像の例を示す。左前方15゜と右前方20゜の近傍に存在する物体T1,T2が超音波アレイセンサ2によって検出され、距離情報を有する3次元画像(距離画像)として図9(a)に濃淡表示されている。物体T2が物体T1より遠くに検出され、遠い方の物体T2がより黒っぽく表示されている。距離離画像において、各角度分解能や画素数は上述の通りである。   Next, a specific ultrasonic distance image will be described with reference to FIGS. FIG. 8 shows the presence of two objects T1 and T2 in the front (Z direction) field of view. In FIGS. 8 and 9, the X direction is the horizontal direction (horizontal direction), the Y direction is the vertical direction (vertical direction), The Z direction is the depth direction (forward distance). FIG. 9A shows an example of a three-dimensional distance image of two objects T1 and T2. Objects T1 and T2 existing in the vicinity of 15 ° to the left front and 20 ° to the right front are detected by the ultrasonic array sensor 2 and displayed as a three-dimensional image (distance image) having distance information in grayscale in FIG. 9A. Yes. The object T2 is detected farther than the object T1, and the farther object T2 is displayed darker. In the distance separation image, each angular resolution and the number of pixels are as described above.

図9(b)は、図9(a)に示す3次元距離画像のもとになった反射超音波の信号強度分布の例を2つの角度θ=θ1、θ2について示している。これらの信号強度分布は、(X,Y)又は(φ,θ)平面における信号強度分布の2つの断面である。各角度θ=θ1、θ2における分布には、物体T1,T2に対応して信号強度の大きなところが集中した区間G1,G2が認められる。これらの区間G1,G2は、(φ,θ)平面においては、物体T1,T2に対応した2つの山(グループ)として認められるものである。これらの山から、最大ピークを抽出したとき、これが、例えば、図9(b)に示すグラフにおいてピーク信号P1,P2であるとする。図9(c)に示す3次元距離画像は、このようにして抽出した、信号強度分布におけるピーク信号P1,P2に対応する距離と方位を用いて生成した距離画像であり、さらに述べると、複数のピーク信号をグループ化した中で最大ピーク信号に対応する距離と方向を距離画像として生成したものである。   FIG. 9B shows an example of the reflected ultrasound signal intensity distribution based on the three-dimensional distance image shown in FIG. 9A for two angles θ = θ1 and θ2. These signal intensity distributions are two cross sections of the signal intensity distribution in the (X, Y) or (φ, θ) plane. In the distribution at each angle θ = θ1 and θ2, sections G1 and G2 in which portions with large signal intensity are concentrated corresponding to the objects T1 and T2 are recognized. These sections G1 and G2 are recognized as two peaks (groups) corresponding to the objects T1 and T2 in the (φ, θ) plane. When the maximum peak is extracted from these peaks, it is assumed that these are peak signals P1 and P2 in the graph shown in FIG. 9B, for example. The three-dimensional distance image shown in FIG. 9C is a distance image generated using the distance and direction corresponding to the peak signals P1 and P2 in the signal intensity distribution extracted as described above. In this example, the distance and direction corresponding to the maximum peak signal are generated as a distance image.

次に、図10乃至図13を参照して、超音波信号強度分布におけるピーク信号に基づいて距離画像を生成する利点について説明する。図10(a)は超音波発信手段1、受信手段である超音波アレイセンサ2、及び孤立した超音波反射物体Tを示している。このような単純な状況のもとで、ある1つの走査角度φにおいて、反射超音波を受信してその信号を遅延加算すると、超音波反射物体Tの超音波反射率が高い場合、図10(b)に示すような信号強度の波形が得られ、また、超音波反射物体Tの超音波反射率が低い、図10(c)に示すような信号強度の波形が得られる(時間軸上の信号波形の位置から超音波反射物体Tの距離が分かる)。   Next, an advantage of generating a distance image based on the peak signal in the ultrasonic signal intensity distribution will be described with reference to FIGS. FIG. 10A shows an ultrasonic wave transmitting means 1, an ultrasonic array sensor 2 as a receiving means, and an isolated ultrasonic reflection object T. Under such a simple situation, when a reflected ultrasonic wave is received at a certain scanning angle φ and the signal is delayed and added, if the ultrasonic reflectance of the ultrasonic reflecting object T is high, FIG. The waveform of the signal intensity as shown in FIG. 10B is obtained, and the waveform of the signal intensity as shown in FIG. 10C with a low ultrasonic reflectivity of the ultrasonic reflecting object T is obtained (on the time axis). The distance of the ultrasonic reflecting object T is known from the position of the signal waveform).

上述のような遅延加算した信号を、超音波アレイセンサ2の視野角度の範囲内でφ方向に電子スキャンして求め、各角度φに対応する信号強度波形におけるピーク値をグラフにすると、図11(a)(b)に示すようになる(図6に示した指向性グラフと同様のグラフ)。個々の信号に対して、その信号を有意の信号として採用するかどうかを、信号強度による閾値TH1を用いる場合、図11(b)に示す信号強度の信号については、いずれの角度φにおける反射超音波の信号も捨てられてしまう。従って、超音波反射物体Tの超音波反射率が高い場合には、図11(c)に示すように、所定の角度と距離の位置に超音波反射物体Tが表示されるが、超音波反射率が低い場合には、図11(d)に示すように超音波反射物体Tは表示されないという問題が起こる。なお、図10(c)(d)に示す図は、前方3次元空間の中の特定の2次元平面、例えば水平面について距離と方向を検出して表示した距離画像である。   When the signal obtained by delay addition as described above is electronically scanned in the φ direction within the range of the viewing angle of the ultrasonic array sensor 2 and the peak value in the signal intensity waveform corresponding to each angle φ is graphed, FIG. (A) As shown in (b) (similar to the directivity graph shown in FIG. 6). When a threshold TH1 based on signal strength is used to determine whether or not to adopt the signal as a significant signal for each signal, the signal intensity signal shown in FIG. Sound wave signals are also discarded. Therefore, when the ultrasonic reflectance of the ultrasonic reflecting object T is high, the ultrasonic reflecting object T is displayed at a predetermined angle and distance as shown in FIG. When the rate is low, there is a problem that the ultrasonic reflecting object T is not displayed as shown in FIG. FIGS. 10C and 10D are distance images obtained by detecting the distance and direction of a specific two-dimensional plane in the front three-dimensional space, for example, a horizontal plane.

上述では、閾値TH1に信号強度が至らなかったデータが廃棄されている。そこで、閾値TH1に変えて、図12(a)(b)に示すように、小さい強度の信号にも対応できる閾値TH2(TH2<TH1)を設定すると、図12(c)(d)に示すように、信号強度が低い(超音波反射率が低い)場合にも、超音波反射物体Tの表示が可能となる(なお、図12では、2つの超音波反射物体Tが接近して存在していると想定している)。しかしながら、閾値を下げた場合(閾値TH1→閾値TH2)は、一般に角度分解能が低下したりノイズの混入やゴーストの発生などの問題があり、例えば、反射率の高い物体では、物体が実際の物体幅より広い範囲に存在するように認識され、隣接した2物体を区別できなくなるという問題が発生する。   In the above description, data whose signal intensity does not reach the threshold value TH1 is discarded. Therefore, instead of the threshold value TH1, when a threshold value TH2 (TH2 <TH1) corresponding to a small intensity signal is set as shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), it is shown in FIGS. 12 (c) and 12 (d). As described above, even when the signal intensity is low (the ultrasonic reflectivity is low), it is possible to display the ultrasonic reflection object T (in FIG. 12, two ultrasonic reflection objects T are close to each other). Is assumed). However, when the threshold value is lowered (threshold value TH1 → threshold value TH2), there are generally problems such as a decrease in angular resolution, noise mixing, and ghosting. For example, an object with a high reflectivity is an actual object. There is a problem in that it is recognized that it exists in a wider range than the width, and two adjacent objects cannot be distinguished.

そこで、上記の問題を解決するため、信号強度による閾値を用いてノイズやゴーストの発生を抑える代わりに、超音波信号強度分布におけるピーク信号に基づいて距離画像を生成する。すると、図13(a)(b)に示すように、超音波信号強度分布におけるピーク信号P3,P4,P5,P6は、超音波信号の強度の大小(超音波反射率の大小)にかかわらずに検出できるので、図13(c)(d)に示すように、超音波反射率が高い場合においても、また低い場合においても反射率のばらつきの影響を受けずに、ノイズやゴーストの発生なく距離画像を生成できる。   Therefore, in order to solve the above problem, a distance image is generated based on the peak signal in the ultrasonic signal intensity distribution instead of suppressing the occurrence of noise and ghost using a threshold based on the signal intensity. Then, as shown in FIGS. 13A and 13B, the peak signals P3, P4, P5, and P6 in the ultrasonic signal intensity distribution are irrespective of the intensity of the ultrasonic signal (the magnitude of the ultrasonic reflectance). As shown in FIGS. 13 (c) and 13 (d), even when the ultrasonic reflectance is high or low, it is not affected by the variation in reflectance, and noise and ghost are not generated. A distance image can be generated.

次に、図14、図15、図16を参照して、本発明の超音波画像化方法及び超音波画像化装置10による2次元の距離画像を用いた物体(人物)Tの移動方向や挙動解析の応用を説明する。図14(a)は、超音波アレイセンサの組み込まれた超音波画像化装置10を用いて、歩行する人物(超音波反射物体)Tを後方上方から電子スキャンして距離画像を生成する状況を示す。この電子スキャンの実行に当たり、特定の平面内で電子スキャンを行えば、2次元の距離画像を生成することができ、電子スキャンのための時間を分割して、いわゆる時分割(タイムシェアリング)して、複数の平面における2次元の距離画像を生成することができ、また、全方位について電子スキャンを行うと、3次元の距離画像を生成することができる。いずれの距離画像の生成を行うかは、超音波画像化装置10のデータ処理能力と、画像生成の周期や状況などによって、動的に(リアルタイムに)選択することができる。   Next, with reference to FIG. 14, FIG. 15, and FIG. 16, the moving direction and behavior of the object (person) T using the two-dimensional distance image by the ultrasonic imaging method and ultrasonic imaging apparatus 10 of the present invention. Explain the application of analysis. FIG. 14A shows a situation in which a distance image is generated by electronically scanning a walking person (ultrasonic reflection object) T from above and rearward using the ultrasonic imaging apparatus 10 incorporating an ultrasonic array sensor. Show. In performing this electronic scan, if the electronic scan is performed in a specific plane, a two-dimensional distance image can be generated, and the time for the electronic scan is divided into so-called time sharing. Thus, a two-dimensional distance image on a plurality of planes can be generated, and a three-dimensional distance image can be generated by electronic scanning in all directions. Which distance image is to be generated can be selected dynamically (in real time) depending on the data processing capability of the ultrasonic imaging apparatus 10 and the cycle and situation of image generation.

図14(b)は、生成された2次元の距離画像の例を示す。この距離画像は、上述のように、超音波信号強度分布におけるピーク信号に基づいて生成した距離画像である。このような距離画像によると、衣類などによって覆われていない頭部などの超音波反射率の高い部位からの反射超音波をとらえて、その部位を、人物Tの代表点として捉えることができる。そして、前述の画像解析手段8によって距離画像中に現れる代表点の時間変化を解析して人物Tの挙動を把握し、得られた結果に基づいて前述の外部通知手段6を用いて外部に警報通知などの対応を行うことができる。   FIG. 14B shows an example of the generated two-dimensional distance image. This distance image is a distance image generated based on the peak signal in the ultrasonic signal intensity distribution as described above. According to such a distance image, a reflected ultrasonic wave from a part having a high ultrasonic reflectivity such as a head not covered with clothing or the like can be captured and the part can be regarded as a representative point of the person T. Then, the above-described image analysis means 8 analyzes the time change of the representative point appearing in the distance image to grasp the behavior of the person T, and based on the obtained result, the above-described external notification means 6 is used to alert the outside. Notifications can be handled.

上述の画像解析の例として、例えば、図15(a)に示すように、人物Tが進路R1に沿って移動している場合について述べる。図15(b)に示すように、上述のピーク信号に基づく2次元の距離画像を生成するものとし、画像生成の周期を、例えば0.3ms間隔で行う。この画像生成は、超音波発信手段1が間欠的に発信する超音波によって同期をとる。また、この超音波発信の周期は、人物Tを検知中のときは、周期を短くし、人物Tを検知していないときは、周期を長くする。   As an example of the image analysis described above, for example, as shown in FIG. 15A, a case where the person T is moving along the course R1 will be described. As shown in FIG. 15B, it is assumed that a two-dimensional distance image based on the above-described peak signal is generated, and the cycle of image generation is performed, for example, at intervals of 0.3 ms. This image generation is synchronized by the ultrasonic waves transmitted intermittently by the ultrasonic transmission means 1. In addition, the period of ultrasonic transmission is shortened when the person T is being detected, and is increased when the person T is not being detected.

このようにして得られた物体の位置と方向のデータを連続したフレームとしてフレームメモリ43に蓄積して、図15(b)に示すように重畳した画像として画像表示手段7に表示する。すると、時間経過情報を有するこのような距離画像により、人物の移動方向を推定することができる。その人物Tが、どのような動きをしているのか、例えば、図15(a)(b)に示すように進路R1に沿って通過するだけなのか、又は、図16(a)(b)に示すように、進路R2に沿って接近や侵入を図ろうとしているのかなどを推定し、侵入を試みる不審者と判定したときは、超音波画像化装置10に組み込まれた外部通知手段6(不図示)を用いて警報を発することができる。このような進路R1,R2の推定は、超音波画像化装置10の画像解析手段8(不図示)によって自動的に行うことができ、また、距離画像を観察するユーザの判断によって行うこともできる。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。 The data of the position and direction of the object obtained in this way are accumulated in the frame memory 43 as continuous frames and displayed on the image display means 7 as a superimposed image as shown in FIG. Then, the moving direction of the person can be estimated from such a distance image having time lapse information . How the person T is moving, for example, only passing along the route R1 as shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b), or FIGS. 16 (a) and 16 (b). As shown in FIG. 4, when it is determined that the person is trying to approach or intrude along the route R2, and it is determined that the person is a suspicious person trying to enter, external notification means 6 (incorporated in the ultrasonic imaging apparatus 10) An alarm can be issued using (not shown). Such estimation of the courses R1 and R2 can be automatically performed by the image analysis means 8 (not shown) of the ultrasonic imaging apparatus 10, and can also be performed based on the judgment of the user who observes the distance image. . The present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be made.

本発明の一実施形態に係る超音波画像化装置のブロック構成図。1 is a block configuration diagram of an ultrasonic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 同上画像化装置で用いられる超音波受信素子の断面図。Sectional drawing of the ultrasonic receiving element used with an imaging apparatus same as the above. (a)は同上画像化装置で用いられる超音アレイセンサの平面図、(b)は(a)におけるA−A断面図、(c)は(b)におけるB部詳細断面図。(A) is a top view of the supersonic array sensor used with the imaging apparatus same as above, (b) is AA sectional drawing in (a), (c) is B section detailed sectional drawing in (b). 同上画像化装置で用いられる超音波アレイセンサの他の例を示す平面図。The top view which shows the other example of the ultrasonic array sensor used with an imaging apparatus same as the above. (a)〜(d)は同上超音波画像化装置における超音アレイセンサによる電子的走査を説明する超音波アレイセンサの概念図。(A)-(d) is a conceptual diagram of the ultrasonic array sensor explaining the electronic scanning by the ultrasonic array sensor in an ultrasonic imaging apparatus same as the above. 同上画像化装置で用いられる超音波アレイセンサの指向性グラフ。The directivity graph of the ultrasonic array sensor used with an imaging apparatus same as the above. 本発明の一実施形態に係る距離画像を生成する超音波画像化方法における処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the process in the ultrasonic imaging method which produces | generates the distance image which concerns on one Embodiment of this invention. 同上画像化方法における視野角度の説明図。Explanatory drawing of the viewing angle in an imaging method same as the above. (a)は同上画像化装置及び画像化方法で得られた3次元距離画像、(b)は同距離画像のもとになった超音波反射信号強度分布の例を示すグラフ、(c)は信号強度分布におけるピーク信号に対応する距離と方位を距離画像として生成した図。(A) is a three-dimensional distance image obtained by the above imaging apparatus and imaging method, (b) is a graph showing an example of an ultrasonic reflection signal intensity distribution based on the distance image, and (c) is a graph. The figure which produced | generated the distance and direction corresponding to the peak signal in signal intensity distribution as a distance image. (a)は超音波発信手段、受信手段、超音波反射物体の関係図、(b)(c)はそれぞれ超音波反射率の高い物体からと低い物体からとの反射超音波信号強度の時間変化グラフ。(A) is a relational diagram of ultrasonic transmitting means, receiving means, and ultrasonic reflecting object, and (b) and (c) are temporal changes in reflected ultrasonic signal intensity from an object with high and low ultrasonic reflectivity, respectively. Graph. (a)(b)はそれぞれ反射超音波の信号強度がしきい値より大きい場合と小さい場合の信号強度分布図、(c)(d)はそれぞれ(a)(b)に対応する2次元距離画像。(A) and (b) are signal intensity distribution diagrams when the signal intensity of reflected ultrasound is greater than and less than the threshold value, respectively, and (c) and (d) are two-dimensional distances corresponding to (a) and (b), respectively. image. (a)(b)はそれぞれ近接した2物体からの反射超音波の信号強度がしきい値より大きいと小さい場合の信号強度分布図、(c)(d)はそれぞれ(a)(b)に対応する2次元距離画像。(A) and (b) are signal intensity distribution diagrams when the signal intensity of reflected ultrasonic waves from two adjacent objects is smaller than a threshold value, and (c) and (d) are respectively shown in (a) and (b). Corresponding two-dimensional distance image. (a)(b)はそれぞれ近接した2物体からの反射超音波の信号強度が大きい場合と小さい場合の信号ピークを説明する信号強度分布図、(c)(d)はそれぞれ(a)(b)のピーク信号に対応する距離と方向を画像化した本発明に係る画像化装置及び画像化方法による2次元距離画像。(A) and (b) are signal intensity distribution diagrams for explaining signal peaks when the signal intensity of reflected ultrasonic waves from two adjacent objects is large and small, and (c) and (d) are (a) and (b), respectively. The two-dimensional distance image by the imaging apparatus and the imaging method according to the present invention in which the distance and direction corresponding to the peak signal are imaged. (a)は本発明の一実施形態に係る2次元の距離画像を生成するための距離測定の状況説明斜視図、(b)は(a)において生成された2次元の距離画像。(A) is a perspective view for explaining a situation of distance measurement for generating a two-dimensional distance image according to an embodiment of the present invention, and (b) is a two-dimensional distance image generated in (a). (a)(b)は本発明の一実施形態に係る画像化方法における挙動解析を説明する図。(A) and (b) are diagrams for explaining behavior analysis in an imaging method according to an embodiment of the present invention. (a)(b)は本発明の一実施形態に係る画像化方法における挙動解析の他の例を説明する図。(A) and (b) are figures explaining other examples of behavior analysis in the imaging method concerning one embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波発信手段
2 超音波アレイセンサ
3 増幅手段
4 遅延合成手段
5 画像化手段
6 外部通知手段
7 画像表示手段
8 画像解析手段
9 ピーク信号抽出手段
10 超音波画像化装置
20 超音波受信素子
α,α2 視野角度
δ,δ2 角度分解能
p,px,py 画素数
T,T1,T2 物体
P1〜P6 ピーク信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic transmission means 2 Ultrasonic array sensor 3 Amplification means 4 Delay synthetic | combination means 5 Imaging means 6 External notification means 7 Image display means 8 Image analysis means 9 Peak signal extraction means 10 Ultrasonic imaging apparatus 20 Ultrasonic receiving element α , Α2 Viewing angle δ, δ2 Angle resolution p, px, py Number of pixels T, T1, T2 Object P1-P6 Peak signal

Claims (8)

複数の超音波受信素子を所定間隔でX方向とY方向に2次元配列して形成した超音波アレイセンサを用いて、前方の各方位における超音波反射物体の距離を求めて該物体の距離画像を生成する超音波画像化方法であって、
前方からの反射超音波を受信して各方位毎に前記各超音波受信素子の信号を遅延加算することにより超音波反射物体の距離を求める遅延加算ステップと、
前記超音波アレイセンサの中心からX方向とY方向の視野角度を設定する視野角度設定ステップと、
前記超音波アレイセンサの指向性からX方向とY方向の角度分解能を設定する角度分解能設定ステップと、
前記設定したX方向とY方向の視野角度を前記X方向とY方向の角度分解能でそれぞれ割算して得た数をそれぞれX方向画素数、Y方向画素数とする画素数設定ステップと、
前記X方向画素数とY方向画素数からなる2次元マップの各画素に前記方位を対応させて距離画像を生成する画像生成ステップと、を備え、
前記遅延加算ステップにおいて遅延加算して求めた信号の信号強度と前記方位から形成される信号強度分布におけるピーク信号に対応する距離と方位を用いて前記画像生成ステップにおける距離画像を生成することを特徴とする超音波画像化方法。
Using an ultrasonic array sensor formed by two-dimensionally arranging a plurality of ultrasonic receiving elements at predetermined intervals in the X and Y directions, the distance of the ultrasonic reflecting object in each front direction is obtained, and the distance image of the object An ultrasonic imaging method for generating
A delay addition step of obtaining a distance of the ultrasonic reflecting object by receiving a reflected ultrasonic wave from the front and delay-adding the signal of each ultrasonic receiving element for each direction;
A viewing angle setting step of setting viewing angles in the X direction and the Y direction from the center of the ultrasonic array sensor;
An angular resolution setting step for setting an angular resolution in the X direction and the Y direction from the directivity of the ultrasonic array sensor;
A pixel number setting step in which the numbers obtained by dividing the set viewing angles in the X direction and the Y direction by the angular resolutions in the X direction and the Y direction are respectively the X direction pixel number and the Y direction pixel number;
And an image generating step of generating a distance image in association with the orientation in each pixel of the two-dimensional map consisting of the X-direction pixel number and the Y-direction pixel number,
Generating a distance image in the image generation step using the distance and direction corresponding to the peak signal in the signal intensity distribution formed from the signal strength of the delay addition to obtained signals and said orientation at said delay adding step An ultrasonic imaging method characterized by the above.
前方3次元空間の中の特定の2次元平面について距離と方向を検出して前記距離画像を生成することを特徴とする請求項1に記載の超音波画像化方法。   The ultrasonic imaging method according to claim 1, wherein the distance image is generated by detecting a distance and a direction with respect to a specific two-dimensional plane in the front three-dimensional space. 前記遅延加算ステップを時分割して複数の前記距離画像を生成することを特徴とする請求項2に記載の超音波画像化方法。   The ultrasonic imaging method according to claim 2, wherein the delay adding step is time-divided to generate a plurality of the distance images. 複数のピーク信号をグループ化した中で最大ピーク信号に対応する距離と方向を距離画像として生成することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の超音波画像化方法。   4. The ultrasonic imaging method according to claim 1, wherein a distance and a direction corresponding to the maximum peak signal among a plurality of peak signals are generated as a distance image. 超音波反射物体の距離と方向を時系列に検出し、前記距離画像に連続表示して、超音波反射物体の移動方向を推定可能とすることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の超音波画像化方法。   5. The method according to claim 1, wherein the distance and direction of the ultrasonic reflecting object are detected in time series and are continuously displayed on the distance image so that the moving direction of the ultrasonic reflecting object can be estimated. An ultrasonic imaging method according to claim 1. 超音波反射物体を認識したときと認識していないときとで超音波反射物体の距離を求める間隔を変えることを特徴とする請求項5に記載の超音波画像化方法。   6. The ultrasonic imaging method according to claim 5, wherein an interval for obtaining the distance of the ultrasonic reflection object is changed depending on whether the ultrasonic reflection object is recognized or not. 超音波発信手段と、複数の超音波受信素子を所定間隔でX方向とY方向に2次元配列して形成した超音波アレイセンサとを備え、前記超音波発信手段から発信した超音波が前方の物体によって反射する反射超音波を前記超音波アレイセンサで受信してその物体の方位と距離を求めて該物体の距離画像を生成する超音波画像化装置であって、
前記超音波受信素子の信号を増幅する信号増幅手段と、
前記信号増幅手段で増幅された各信号を遅延合成及びAD変換して方位毎の距離を演算してメモリに記憶する遅延合成手段と、
前記遅延合成手段で求めた信号の信号強度と方位から形成される信号強度分布におけるピーク信号に対応する距離と方位を抽出するピーク信号抽出手段と、
前記超音波アレイセンサの指向性と視野角度に基づいて設定したX方向画素数とY方向画素数の2次元マップの各画素に方位を対応させ、前記ピーク信号に対応する距離と方位を用いて距離画像を生成する画像化手段と、を備えたことを特徴とする超音波画像化装置。
And an ultrasonic array sensor formed by two-dimensionally arranging a plurality of ultrasonic receiving elements at predetermined intervals in the X direction and the Y direction, and the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transmitting means An ultrasonic imaging apparatus that receives reflected ultrasonic waves reflected by an object by the ultrasonic array sensor, obtains an orientation and a distance of the object, and generates a distance image of the object,
Signal amplifying means for amplifying the signal of the ultrasonic receiving element;
Delay synthesis means for delay-synthesizing and AD-converting each signal amplified by the signal amplifying means, calculating a distance for each direction, and storing it in a memory;
Peak signal extraction means for extracting the distance and azimuth corresponding to the peak signal in the signal intensity distribution formed from the signal intensity and azimuth of the signal obtained by the delay synthesis means;
An azimuth is made to correspond to each pixel of the two-dimensional map of the X direction pixel number and the Y direction pixel number set based on the directivity and the viewing angle of the ultrasonic array sensor, and the distance and the azimuth corresponding to the peak signal are used. An ultrasonic imaging apparatus comprising: an imaging unit that generates a distance image.
画像化された物体の移動方向や挙動を前記距離画像の時間変化に基づいて解析する画像解析手段と、
前記画像解析手段で得られた結果を外部に通知する外部通知手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項7に記載の超音波画像化装置。
Image analysis means for analyzing the moving direction and behavior of the imaged object based on the time change of the distance image;
The ultrasonic imaging apparatus according to claim 7, further comprising an external notification unit that notifies the result obtained by the image analysis unit to the outside.
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