JP5234611B2 - 超音波探知装置 - Google Patents

Description

本発明は、探知対象物で反射した超音波エコーを含む受信信号を受信する複数の振動子を備えた超音波探知装置に関する。

図１１は、従来の水中探知装置の構成および動作を説明するための図である。まず、図１１を参照して、従来の水中探知装置１００の構成および動作について説明する。

従来の水中探知装置１００は、海面２００を航行する船舶１５０に搭載されており、船舶１５０の船底に設けられた振動子からなる送受波器１０１を含んでいる。また、水中探知装置１００は、船舶１５０の進行方向と垂直な面内において、送受波器１０１から扇状の超音波送信ビーム（図示省略）を下方に放射する。

水中探知装置１００は、扇状の探知範囲２０１をペンシル状の受信ビーム１０２により走査する。そして、水中探知装置１００は、受信ビーム１０２の走査により受信された、海底２０２からの超音波エコー（以下、単に「エコー」という）を含む受信信号に基づいて、海底（探知対象物）の画像を表示部１０３（図１２参照）に表示する。

ここで、送受波器１０１の受信時の指向特性を図１３に示す。ＭＬはメインローブ（破線で指向特性の主軸を示す）であり、ＳＬはメインローブＭＬの左右に生じるサイドローブである。

水中探知装置１００では、図１１に示すように、鉛直下方を向いた受信ビーム１０２ａにより送受波器１０１の鉛直下方を探知するとき、海底地点２０２ａからのエコーがメインローブＭＬにより受信されるとともに、海底地点２０２ａよりも遠方の海底地点２０２ｂなどからのエコーがサイドローブＳＬにより受信される。そして、メインローブＭＬにより受信したエコーに加えて、サイドローブＳＬにより受信したエコーも鉛直下方から到来したエコーであるとして処理されるため、図１２に示すように、表示部１０３には、サイドローブＳＬにより受信したエコーの画像１２１（サイドローブＳＬによる偽像１２１という）が海底２０２の下方に表示される。

また、水中探知装置１００では、図１１に示すように、右下方を向いた受信ビーム１０２ｂにより海底地点２０２ｂの方向を探知するとき、海底地点２０２ｂからのエコーがメインローブＭＬにより受信されるとともに、海底地点２０２ａおよびその近辺からのエコーがサイドローブＳＬにより受信される。このため、図１２に示すように、表示部１０３には、海底地点２０２ａから送受波器１０１までの距離や、それよりも幾分大きい距離を半径とする円弧状の画像１２２（サイドローブＳＬによる偽像１２２という）が表示される。

したがって、従来の水中探知装置１００では、サイドローブＳＬによる偽像１２１および１２２が表示されることにより、水中探知装置１００のオペレータが海底などの探知対象物を誤判定するおそれがある。

そこで、上記のような不都合を解消することが可能な水中探知装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示された水中探知装置は、略平行な２つの受信ビームからなるスプリットビームを用いることにより、上記したサイドローブＳＬによる偽像１２１および１２２が表示されないように構成されている。具体的には、この水中探知装置では、２つの受信ビームの位相差に基づいて、受信信号がサイドローブＳＬにより受信されたか否かを判定する。そして、受信信号がサイドローブＳＬにより受信されたと判定された場合には、その受信信号に基づく画像は表示部に表示されない。なお、この水中探知装置では、２つの受信ビームを形成するために、送受波器を構成する複数の振動子が２つの振動子群に分割されている。

特開２００６−２０８１１０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された水中探知装置では、サイドローブＳＬによる偽像が表示されるのを抑制することが可能であるが、送受波器を構成する複数の振動子が２つの振動子群に分割されているので、各受信ビーム信号の振幅レベルが小さくなって、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題点がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであって、その目的とするところは、サイドローブによる偽像が表示されるのを抑制しながら、Ｓ／Ｎ比が低下するのを抑制することが可能な超音波探知装置を提供することである。

本発明の超音波探知装置は、探知対象物で反射した超音波エコーを含む受信信号を受信する複数の振動子を備え、複数の振動子により受信された受信信号に基づいて、探知対象物の画像を表示部に表示する超音波探知装置において、複数の振動子のうち所定の振動子が受信する受信信号を基準にして、所定の振動子以外の振動子が受信する受信信号を整相することにより、１つの受信ビーム信号を探知範囲内の走査角度毎に形成する受信ビーム信号形成部と、受信ビーム信号形成部により形成された受信ビーム信号の位相を走査角度毎に算出する位相算出部と、位相算出部により算出された位相の変化態様に基づいて、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを判定するとともに、メインローブにより受信されたと判定された受信信号のみを抽出する抽出部と、をさらに備え、表示部には、抽出部により抽出された受信信号に基づく画像のみが表示される。

このように構成することによって、メインローブによる受信信号に基づく画像のみが表示部に表示されるので、サイドローブによる受信信号に基づく画像（偽像）が表示されるのを抑制することができる。また、複数の振動子が受信する受信信号から１つの受信ビーム信号を形成することにより、全振動子の受信信号を合成した振幅情報が得られるので、上記特許文献１のように、２つの受信ビームからなるスプリットビームを形成するために、複数の振動子を２つの振動子群に分割する場合に比べて、受信ビーム信号の振幅レベルが大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下するのを抑制することができる。

上記探知装置において、好ましくは、所定の振動子は、複数の振動子のうち最も外側に位置する振動子である。

このように構成することによって、所定の振動子を基準にして対称な位置に振動子が配置されなくなるため、受信信号が整相される際に、移相量が打ち消し合うことがないので、位相の変化態様が認識しにくくなるのを抑制することができる。

上記探知装置において、好ましくは、抽出部は、位相算出部により算出された位相の連続性および変化量に基づいて、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを判定する。なお、位相の連続性および変化量とは、ある時刻の探知範囲（走査範囲）内における位相の連続性および変化量のことをいう。

このように構成することによって、所定の振動子が受信する受信信号を基準にして、所定の振動子以外の振動子が受信する受信信号を整相することにより、受信ビーム信号の位相特性が時間の経過とともに変化する場合にも、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを正確に判定することができる。

上記位相の連続性および変化量に基づいて受信信号がメインローブにより受信されたか否かを判定する探知装置において、複数の振動子は、平面状に配置されており、抽出部は、位相算出部により算出された位相の連続性が設定値以上である場合に、受信信号がメインローブにより受信されたと判定し、設定値は、走査角度に応じて変更されるようにしてもよい。

このように構成することによって、複数の振動子が平面状に配置されることにより、走査角度に応じて開口長が変化することに起因して走査角度に応じて受信信号の幅が変化する場合にも、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを正確に判定することができる。

本発明によれば、サイドローブによる偽像が表示されるのを抑制しながら、Ｓ／Ｎ比が低下するのを抑制することが可能な超音波探知装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、超音波探知装置の一例である水中探知装置に本発明を適用した場合について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による水中探知装置の全体構成を示したブロック図である。図２は、図１の水中探知装置の送受波器を示した図である。まず、図１および図２を参照して、本実施形態による水中探知装置５０の構成について説明する。

本発明の一実施形態による水中探知装置５０は、図１に示すように、送受波器１と、送受信切替回路２と、送信信号生成部３と、受信アンプ４と、バンドパスフィルタ（以下、「ＢＰＦ」という）５と、Ａ／Ｄ変換器６と、受信ビーム信号形成部７と、位相算出部８と、メインローブ受信信号抽出部９と、画像処理部１０と、表示部１１と、制御部１２とを備えている。なお、水中探知装置５０は、海面を航行する船舶（図示省略）に搭載されている。また、メインローブ受信信号抽出部９は、本発明の「抽出部」の一例である。

送受波器１は、船舶の船底に設けられた複数（本実施形態では、２０個）の振動子１ａを有する。複数の振動子１ａは、船舶の左右方向（船舶の進行方向と直交する方向）に連なるように平面状（ここでは直線状）に配置されている（図２参照）。複数の振動子１ａは、超音波を送信することにより、船舶の進行方向と垂直な面内において、船底の下方に扇状の送信ビームを形成するために設けられている。また、複数の振動子１ａは、海底７０（図８参照）などの探知対象物で反射したエコーを含む受信信号を受信する機能を有する。

送受信切替回路２、受信アンプ４、ＢＰＦ５、およびＡ／Ｄ変換器６は、各振動子１ａ毎に設けられており、各振動子１ａの送受信の際のチャンネルを形成する。送信信号生成部３は、送受信切替回路２を介して各振動子１ａに送信信号を出力することにより、各振動子１ａを駆動して超音波を送信するために設けられている。具体的には、送信信号生成部３は、所定周波数（たとえば、４０ｋＨｚ）の正弦波の送信信号を各振動子１ａに所定時間（たとえば、１ｍｓ）だけ出力する。

受信アンプ４は、振動子１ａから送受信切替回路２を介して入力された受信信号を増幅する機能を有する。ＢＰＦ５は、受信アンプ４により増幅された受信信号から所定の帯域幅以外の帯域の周波数成分をノイズとして除去する。

Ａ／Ｄ変換器６は、ＢＰＦ５によりノイズが除去された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する機能を有する。このＡ／Ｄ変換器６は、送信信号と同じ周波数の正弦波信号の第１位相と、第１位相と９０度だけ位相の異なる第２位相とで受信信号をサンプリングし、サンプリングした信号を順次出力するように構成されている。そして、第１位相のデータを虚部、第２位相のデータを実部として、複素数演算を行う。

ここで、本実施形態では、受信ビーム信号形成部７は、複数の振動子１ａのうち所定の振動子１ｂが受信する受信信号を基準にして、所定の振動子１ｂ以外の振動子１ｃが受信する受信信号を整相する機能を有する。なお、所定の振動子１ｂは、図２に示すように、複数の振動子１ａのうち最も外側に配置されている。このため、所定の振動子１ｂは、複数の振動子１ａが配置される領域Ｒの中心以外に位置している。

また、受信ビーム信号形成部７は、各振動子１ａの受信信号にチャンネル毎のウェイト値を乗算する機能も有する。なお、チャンネル毎のウェイト値は、ガウス関数やハニング窓により決定される。そして、受信ビーム信号形成部７は、ウェイト値が乗算された各チャンネルの受信信号を加算することにより、１つの受信ビーム信号を形成するように構成されている。

また、受信ビーム信号形成部７は、探知範囲内（たとえば、−５５度〜＋５５度）の走査角度（たとえば、１度）毎に受信ビーム信号を形成するように構成されている。位相算出部８は、受信ビーム信号形成部７により形成された受信ビーム信号の位相を走査角度毎に算出する機能を有する。メインローブ受信信号抽出部９、画像処理部１０および表示部１１の詳細については後述する。制御部１２は、水中探知装置５０の動作を制御する機能を有する。

ここで、図２を参照して、走査角度がθである場合の整相動作について説明する。まず、各振動子１ａが受信する受信信号Ｘ_ｎは、以下の式（１）により表される。
Ｘ_ｎ＝α_ｎ×ｅｘｐ（ｊθ_ｎ） ・・・（１）
なお、ｎは振動子の番号であり、α_ｎは各振動子の受信信号の振幅であり、θ_ｎは各振動子の受信信号の位相である。
また、複素回転子Ｙ_ｎは、以下の式（２）により表される。
Ｙ_ｎ＝β_ｎ×ｅｘｐ（ｊθ１_ｎ） ・・・（２）
なお、β_ｎは各振動子のウェイト値である。また、θ１_ｎは各振動子の整相量であり、以下の式（３）により算出される。
θ１_ｎ＝ｎ×ｄ×ｓｉｎθ ・・・（３）
なお、ｄは振動子間の距離である。
受信信号Ｘ_ｎに複素回転子Ｙ_ｎが乗算されることにより、各振動子１ａの受信信号Ｘ_ｎが整相される。そして、

のように各受信信号を整相して合成することにより、以下の式（４）により表される受信ビーム信号の振幅Ａと、以下の式（５）により表される受信ビーム信号の位相Ｐとが算出される。なお、上式において、Ｎは振動子の総数である。
Ａ＝√（Ｒｅ^２＋Ｉｍｇ^２） ・・・（４）
Ｐ＝ｔａｎ^−１（Ｉｍｇ／Ｒｅ） ・・・（５）

メインローブ受信信号抽出部９は、１走査分の走査角度毎の位相の変化態様、具体的には１走査分の受信ビーム信号の位相の変化量および連続性に基づいて、各走査角度の受信信号がメインローブにより受信されたか否かを判定する。この場合、メインローブ受信信号抽出部９は、
（１）メインローブによる受信信号は位相が必ずゼロクロスする。
（２）メインローブによる受信信号とサイドローブによる受信信号とは位相が不連続になる。
（３）メインローブによる受信信号はサイドローブによる受信信号に比べて位相の連続性が大きい。
といった諸特性を利用して、受信信号がメインローブにより受信されたか否かを判定することが可能である。この判定の詳細については後述する。

また、メインローブ受信信号抽出部９は、メインローブにより受信されたと判定した受信信号のみを抽出するように構成されている。すなわち、メインローブ受信信号抽出部９は、メインローブによる受信信号の振幅データのみを画像処理部１０に出力するとともに、サイドローブによる受信信号の振幅データを画像処理部１０に出力しないように構成されている。

また、メインローブ受信信号抽出部９は、ある時刻の受信信号に対する１走査分の信号処理を終了すると、次の時刻の受信信号に対する１走査分の信号処理を引き続き行うことにより、最大探知距離からの受信信号に対する信号処理が終了するまで１走査分の信号処理を繰り返し行うように構成されている。

図３は、メインローブ受信信号抽出部９の動作を説明するためのフローチャートである。図４は、シミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の振幅特性を示したグラフであり、図５〜７は、同シミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の位相特性を示したグラフである。ここで、図１および図３〜図７を参照して、メインローブ受信信号抽出部９の動作について説明する。なお、このシミュレーションでは、点音源を振動子１ａの直下に配置して、走査角度を１度ずつ変えながら、−９０度から＋９０度までの範囲を走査した。

まず、メインローブ受信信号抽出部９（図１参照）では、図３のステップＳ１において、位相のゼロクロス点が算出される。具体的には、１走査分の位相データを走査角度の負側から正側に向かって調べることにより、位相のゼロクロス点を算出する。図５における黒丸のそれぞれが、ゼロクロス点Ｚを表している。

次に、ステップＳ２において、ゼロクロス点から負側に向かって位相データを順番に調べるとともに、ゼロクロス点から正側に向かって位相データを順番に調べることにより、位相の変化量および連続性が算出される。位相の変化量は、たとえば各ゼロクロス近傍における位相曲線の傾きで表され、位相の連続性は、たとえば各ゼロクロス点から正側および負側に位相が連続している走査角度範囲で表される。

ここで、位相の連続性は、複素平面上で計算される。このため、図５〜図７に示したグラフの縦軸（位相）の−１８０度と＋１８０度とは、同じ位置であることを意味しており連続していると判断される。したがって、例えば図５で太線で示した位相曲線は、−８度から＋８度の走査角度範囲Ｒａで連続しており、このＲａ（＝１６度）が位相の連続性を表すパラメータとなる。また、位相の変化量は、以下の式（６）を用いて算出される。式（６）は、２次元ベクトルＡとＢのなす角（回転角）φを算出する。
φ＝ａｔａｎ２（Ａ×Ｂ，Ａ・Ｂ） ・・・（６）
（−１８０°＜φ≦＋１８０°）
なお、Ａ×Ｂは２次元ベクトルＡとＢの外積であり、Ａ・Ｂは２次元ベクトルＡとＢの内積である。また、ａｔａｎ２は、Ｃ言語において用いられる演算記号であり、４象限表現による逆正接を表す。

次に、ステップＳ３において、位相の変化量が閾値以上であり、かつ、位相の連続性が設定値以上であるか否かが判断される。そして、位相の変化量が閾値以上で、位相の連続性も設定値以上である場合には（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、ステップＳ４に移る。ステップＳ４では、振幅データが有効であると判断される。すなわち、位相の変化量が閾値以上であり、かつ、位相の連続性が設定値以上であると判断された走査角度内の受信信号は、メインローブにより受信されているので、その範囲内の振幅データを有効であると判断する。一方、ステップＳ３において、位相の変化量が閾値未満であるか位相の連続性が設定値未満である場合（ステップＳ３：Ｎｏ）は、ステップＳ５に移る。ステップＳ５では、振幅データが無効であると判断される。すなわち、位相の変化量が閾値未満または位相の連続性が設定値未満と判断された走査角度内の受信信号は、サイドローブにより受信されているので、その範囲内の振幅データを無効であると判断する。

その後、ステップＳ６において、全てのゼロクロス点を処理したか否かが判断される。すなわち、１走査分の信号処理が終了したか否かが判断される。そして、全てのゼロクロス点が処理されたと判断された場合には、ステップＳ７に移る。その一方、全てのゼロクロス点が処理されていないと判断された場合には、ステップＳ３に戻る。

たとえば、前記のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号では、まず、図５に示すように、１５個のゼロクロス点Ｚが算出される（ステップＳ１）。そして、走査角度が−７１度のゼロクロス点（一番左端のゼロクロス点）における位相の変化量および連続性が算出され（ステップＳ２）、それらと閾値および設定値との関係が判断される（ステップＳ３）。この場合には、位相の連続性は設定値以上であるが、位相の変化量が閾値未満であると判断されるので（ステップＳ３：Ｎｏ）、ステップＳ５を経てステップＳ６に移る。このとき、１４個のゼロクロス点が未処理であり、全てのゼロクロス点が処理されていないと判断されるので（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻る。その後、−５７度、−４７度、−３９度、−３２度、−２５度、および−１８度のゼロクロス点についても、上記と同様に処理される。なお、−１８度のゼロクロス点などにおいては、位相の変化量が閾値以上となるが、位相の連続性が設定値未満であるため、ステップＳ３での判定はＮｏとなる。

−１８度のゼロクロス点につきステップＳ３、Ｓ５、Ｓ６を実行した後、走査角度が０度のゼロクロス点における位相の変化量および連続性が判断される（ステップＳ３）。この場合には、図５で太線で示した位相曲線からわかるように、位相の変化量も連続性も大きいので、位相の変化量が閾値以上であり、かつ、位相の連続性が設定値以上であると判断され（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、ステップＳ４に移る。これにより、走査角度が−８度から＋８度までの角度範囲Ｒａの受信信号はメインローブにより受信されているので、角度範囲Ｒａ内の振幅データ（図４参照）が有効であると判断される（ステップＳ４）。その後、１８度、２５度、３２度、３９度、４７度、５７度、７１度の７個のゼロクロス点が未処理であり、全てのゼロクロス点が処理されていないと判断されるので（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻る。

１８度、２５度、３２度、３９度、４７度、および５７度のゼロクロス点についても、上記した−７１度のゼロクロス点の場合と同様に処理される。その後、走査角度が７１度のゼロクロス点（一番右端のゼロクロス点）における位相の変化量および連続性が判断される（ステップＳ３）。この場合には、位相の連続性は設定値以上であるが、位相の変化量が閾値未満であると判断されるので（ステップＳ３：Ｎｏ）、ステップＳ５を経てステップＳ６に移る。このとき、全てのゼロクロス点が処理されていると判断されるので（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、ステップＳ７に移る。

次に、ステップＳ７において、全走査分の処理が完了したか否か、すなわち最大探知距離からの受信信号を処理したか否かが判断される。そして、全走査分の処理が完了したと判断された場合には、ステップＳ８に移る。その一方、全走査分の処理が完了していないと判断された場合には、ステップＳ１に戻る。

次に、ステップＳ８において、ステップＳ４で有効であると判断された振幅データが画像処理部１０に出力される。すなわち、メインローブによる受信信号の振幅データのみが画像処理部１０に出力され、サイドローブによる受信信号の振幅データは画像処理部１０に出力されない。

たとえば、前記のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号では、図４に示すように、メインローブによる受信信号であると判断された角度範囲Ｒａの振幅データのみが画像処理部１０に出力され、サイドローブによる受信信号であると判断された角度範囲Ｒａ以外の振幅データは画像処理部１０に出力されない。

なお、本実施形態では、所定の振動子１ｂが受信する受信信号を基準にして、所定の振動子１ｂ以外の振動子１ｃが受信する受信信号を整相することにより、図６および図７に示すように、受信ビーム信号の位相特性が時間の経過とともに変化する。図６は、図５に示した受信ビーム信号が１／４周期経過した後の受信ビーム信号の位相特性であり、図７は、図５に示した受信ビーム信号が１／２周期経過した後の受信ビーム信号の位相特性である。しかしながら、図６および図７に示した受信ビーム信号について、上記した処理を行う場合にも、太線で示したようにＲａの範囲で位相の連続性が維持されるため、図５に示した受信ビーム信号の場合と同様に、走査角度が−８度から＋８度までの角度範囲Ｒａの受信ビーム信号がメインローブにより受信されていると判断される。すなわち、本実施形態では、受信ビーム信号の位相特性が時間の経過とともに変化するが、位相の連続性を判断することにより、メインローブにより受信されたか否かを正確に判断することが可能である。

画像処理部１０は、メインローブ受信信号抽出部９から出力される振幅データの受信時刻および走査角度の情報に基づいて、表示部１１に表示される画像の表示位置を算出する。そして、表示部１１には、振幅データに応じた濃淡または色彩により探知対象物（海底７０）の画像が表示される。すなわち、表示部１１は、メインローブにより受信された受信信号に基づく画像のみが表示され、サイドローブにより受信された受信信号（図４の角度範囲Ｒａ以外の振幅データ）に基づく画像が表示されないように構成されている。これにより、本実施形態による水中探知装置５０では、海底７０を探知する場合に、表示部１１には、図８に示すように、サイドローブによる偽像１２１および１２２（図１２参照）が表示されない。

図９は、別のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の振幅特性を示したグラフである。図１０は、同シミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の位相特性を示したグラフである。このシミュレーションでは、振動子１ａの直下と、＋４０度の方向とに点音源を配置して、走査角度を１度ずつ変えながら、−９０度から＋９０度までの範囲を走査した。

このシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号では、図１０に示すように、位相の変化量および連続性に基づいて、走査角度が−８度から＋８度までの角度範囲Ｒｂの受信信号と、走査角度が＋３０度から＋５１度までの角度範囲Ｒｃの受信信号とがメインローブにより受信されたと判断される。これにより、角度範囲ＲｂおよびＲｃの振幅データ（図９参照）が画像処理部１０に出力される。

ここで、図２のように複数の振動子１ａが直線状に配置されていることにより、走査角度（受信信号の入射角度）に応じて、送受波器１の開口長が変化する。このため、走査角度に応じて、受信信号の幅が変化する。すなわち、振動子１ａの直下方向に対する開口長に比べて、＋４０度方向に対する開口長が小さくなるので、振動子１ａの直下の点音源から入射する受信信号の角度範囲Ｒｂに比べて、＋４０度方向の点音源から入射する受信信号の角度範囲Ｒｃが大きくなる。具体的には、直下方向に対する開口長がＬである場合、θ２方向に対する開口長がＬ×ｃｏｓθ２になる。

したがって、位相の連続性を判断する際の設定値は、走査角度に応じて変更される。たとえば、走査角度が０度の位相の連続性を判断する場合には、設定値として基準値が用いられ、走査角度がθ２の位相の連続性を判断する場合には、設定値として、基準値を（１／ｃｏｓθ２）倍した値が用いられる。

本実施形態では、上記のように、メインローブ受信信号抽出部９を設けることによって、メインローブによる受信信号に基づく画像のみが表示部１１に表示されるので、サイドローブによる受信信号に基づく画像（偽像）が表示されるのを抑制することができる。また、受信ビーム信号形成部７によって、複数の振動子１ａが受信する受信信号から１つの受信ビーム信号を形成することにより、全振動子の受信信号を合成した振幅情報が得られるので、スプリットビーム方式（特許文献１）のように複数の振動子を２つの振動子群に分割する場合に比べて、受信ビーム信号の振幅レベルが大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、所定の振動子１ｂを複数の振動子１ａのうち最も外側に配置することによって、所定の振動子１ｂを基準にして対称な位置に振動子１ａが配置されなくなるため、受信信号が整相される際に、移相量が打ち消し合うことがないので、位相の変化態様が認識しにくくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、位相の連続性および変化量に基づいて、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを判定することによって、所定の振動子１ｂが受信する受信信号を基準にして、所定の振動子１ｂ以外の振動子１ｃが受信する受信信号を整相することにより、受信ビーム信号の位相特性が時間の経過とともに変化する場合にも、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを正確に判定することができる。

また、本実施形態では、位相の連続性を判断する際の設定値を走査角度に応じて変更することによって、複数の振動子１ａが直線状に配置されることにより、走査角度に応じて開口長が変化することに起因して走査角度に応じて受信信号の幅が変化する場合にも、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを正確に判定することができる。

本発明は、上述した以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、上記実施形態では、本発明を水中探知装置５０に適用する例を示したが、これに限らず、たとえば、本発明を医療用の超音波探知装置に適用してもよい。

また、上記実施形態では、複数の振動子１ａが直線状に配置される例を示したが、これに限らず、複数の振動子が球面状に配置されていてもよい。この場合には、走査角度に応じて開口長が変化しないので、メインローブによる受信信号の幅が各走査角度において同じになる。

また、グレーティングローブによる受信信号の幅はメインローブによる受信信号の幅よりも大きいので、グレーティングローブによる受信信号を判別して削除することが可能である。その結果、複数の振動子の間隔を大きくすることができる。具体的には、送受波器における振動子の配列ピッチをｄ、超音波の波長をλとしたとき、グレーティングローブはθ＝ｓｉｎ^−１（ｎλ／ｄ）の角度に発生することが知られている。たとえば、ｄ＝１．２λの場合は、θ＝±５６°の角度に発生する。そして、メインローブに比べ、グレーティングローブの開口長はｃｏｓθ倍となり、ビーム幅は１／ｃｏｓθ倍広くなる。このビーム幅の違いによってメインローブとグレーティングローブの区別ができ、グレーティングローブを除去することができる。

また、上記実施形態では、全走査分の処理が完了した後（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、振幅データを画像処理部１０に出力する例を示したが、これに限らず、１走査分の信号処理を行う毎に、振幅データを画像処理部１０に出力するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、１走査分の受信ビーム信号のゼロクロス点を全て算出した後、各ゼロクロス点について位相の変化量および連続性を判断する例を示したが、これに限らず、ゼロクロス点を算出する毎に、そのゼロクロス点について位相の変化量および連続性を判断するようにしてもよい。

また、上記実施形態において、図３のステップＳ１の前に、受信信号の強度が所定の値以上であるか否かを判定するステップを追加し、受信信号の強度が所定の値以上になってから、位相のゼロクロス点の算出を開始するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、所定の振動子１ｂを複数の振動子１ａのうち最も外側に配置する例を示したが、これに限らず、所定の振動子を基準にして所定の振動子以外の振動子が全て対称な位置に配置されていなければよい。

本発明の一実施形態による水中探知装置の全体構成を示したブロック図である。 図１の水中探知装置の送受波器を示した図である。 メインローブ受信信号抽出部の動作を説明するためのフローチャートである。 シミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の振幅特性を示したグラフである。 同シミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の位相特性を示したグラフである。 図５の受信ビーム信号が１／４周期経過した後の受信ビーム信号の位相特性を示したグラフである。 図５の受信ビーム信号が１／２周期経過した後の受信ビーム信号の位相特性を示したグラフである。 図１の水中探知装置の表示部を示した図である。 別のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の振幅特性を示したグラフである。 同シミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の位相特性を示したグラフである。 従来の水中探知装置の構成および動作を説明するための図である。 図１１の水中探知装置の表示部を示した図である。 図１１の水中探知装置の送受波器の受信時の指向特性を示した図である。

符号の説明

１ａ 振動子
１ｂ 所定の振動子
１ｃ 所定の振動子以外の振動子
７ 受信ビーム信号形成部
８ 位相算出部
９ メインローブ受信信号抽出部（抽出部）
１１ 表示部
５０ 水中探知装置（超音波探知装置）
Ｚ ゼロクロス点

Claims (4)

1. 探知対象物で反射した超音波エコーを含む受信信号を受信する複数の振動子を備え、
   前記複数の振動子により受信された受信信号に基づいて、前記探知対象物の画像を表示部に表示する超音波探知装置において、
   前記複数の振動子のうち所定の振動子が受信する受信信号を基準にして、前記所定の振動子以外の振動子が受信する受信信号を整相することにより、１つの受信ビーム信号を探知範囲内の走査角度毎に形成する受信ビーム信号形成部と、
   前記受信ビーム信号形成部により形成された受信ビーム信号の位相を走査角度毎に算出する位相算出部と、
   前記位相算出部により算出された位相の変化態様に基づいて、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを判定するとともに、メインローブにより受信されたと判定された受信信号のみを抽出する抽出部と、をさらに備え、
   前記表示部は、前記抽出部により抽出された受信信号に基づく画像のみを表示することを特徴とする超音波探知装置。
2. 請求項１に記載の超音波探知装置において、
   前記所定の振動子は、前記複数の振動子のうち最も外側に位置する振動子であることを特徴とする超音波探知装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波探知装置において、
   前記抽出部は、前記位相算出部により算出された位相の連続性および変化量に基づいて、各走査角度における受信信号がメインローブにより受信されたか否かを判定することを特徴とする超音波探知装置。
4. 請求項３に記載の超音波探知装置において、
   前記複数の振動子は、平面状に配置されており、
   前記抽出部は、前記位相算出部により算出された位相の連続性が設定値以上である場合に、受信信号がメインローブにより受信されたと判定し、
   前記設定値は、走査角度に応じて変更されることを特徴とする超音波探知装置。

Images