JP5603355B2 - Ultrasonic measuring device - Google Patents
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- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
本発明は超音波計測装置に関し、特に水中において目標物を計測する超音波計測装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic measurement device, and more particularly to an ultrasonic measurement device that measures a target in water.
ソーナー等に代表される超音波計測装置は、水中において超音波を利用して計測対象となる目標物の位置等を計測するものである(特許文献1,2)。そのような水中超音波計測装置は、一般に、アレイ型送受波器、送信部、受信部、画像形成部等を備えている。アレイ型送受波器は、例えば、一次元配列された複数の変換素子(複数の超音波振動素子)からなるものである。そのような線アレイ型変換器ではなく、二次元アレイ型変換器が利用されることもある。なお、送信を行わずに音源からの超音波を受信することによって探知等を行う超音波計測装置も知られている。 An ultrasonic measurement device represented by a sonar or the like measures the position of a target to be measured using ultrasonic waves in water (Patent Documents 1 and 2). Such an underwater ultrasonic measurement device generally includes an array-type transducer, a transmission unit, a reception unit, an image forming unit, and the like. The array-type transducer is composed of, for example, a plurality of conversion elements (a plurality of ultrasonic vibration elements) arranged one-dimensionally. Instead of such a line array type converter, a two-dimensional array type converter may be used. There is also known an ultrasonic measurement apparatus that performs detection or the like by receiving ultrasonic waves from a sound source without performing transmission.
上記従来の線アレイ型の変換器は、超音波の中心周波数に相当する波長をλとした場合、一般に、素子間ピッチとして0.5λの間隔で配列された多数の変換素子により構成されている。これは、指向特性における主極の指向幅及び副極のレベルを適切なものとするためである。 The above conventional line array type transducer is generally composed of a large number of transducer elements arranged at intervals of 0.5λ as the pitch between the elements, where λ is the wavelength corresponding to the center frequency of the ultrasonic wave. . This is because the directivity width of the main pole and the level of the sub-pole in the directivity characteristics are appropriate.
図11には線アレイ型送受波器による一般的な指向特性が模式的に示されている。同図において、横軸は方位(θ)を示しており、縦軸は振幅あるいはレスポンスに対応し、ここでは振幅のレベル(dB)を示している。図示の例では、θ=0°方向に主極(メインローブ)54が形成されている。つまり、この指向特性は、整相方位を0°としつつ、複数の変換素子から出力された複数の受信信号に対して整相処理(整相加算処理)を適用した結果として生成されるものである。主極54の両側には、複数の副極(サイドローブ)が生じており、具体的には、主極54の両側に第1副極56及び第2副極58が生じている。主極54において、そのレベルがピーク60から3dB減衰したときのビーム幅をもって指向幅62が定義される。 FIG. 11 schematically shows general directivity characteristics of a line array type transducer. In the figure, the horizontal axis indicates the azimuth (θ), and the vertical axis corresponds to the amplitude or the response. Here, the amplitude level (dB) is indicated. In the illustrated example, a main pole (main lobe) 54 is formed in the direction of θ = 0 °. That is, this directivity characteristic is generated as a result of applying a phasing process (phasing addition process) to a plurality of received signals output from a plurality of conversion elements while setting the phasing direction to 0 °. is there. A plurality of sub-poles (side lobes) are generated on both sides of the main pole 54, and specifically, a first sub-pole 56 and a second sub-pole 58 are generated on both sides of the main pole 54. In the main pole 54, the directivity width 62 is defined by the beam width when the level is attenuated by 3 dB from the peak 60.
なお、主極が存在する方位において目標物からの音波が到来すれば当該目標物の探知が可能となるが、副極が存在する方位から妨害音が到来すると、それをもって主極方位から到来した音波として誤認してしまう。つまり、擬似検知という事態が生じる。よって、副極のレベルをできるだけ低下させることが望まれる。また目標物の画像化に当たって画質を向上するためにはあるいは目標物の位置特定に当たってその特定精度を高めるためには主極54の指向幅62をより小さくすることが望まれる。このような背景から、従来、アレイ型変換器は多数の変換素子により構成されている。例えば、中心周波数が500kHzの場合において、指向幅を1.0度まで狭めるには、およそ100個の変換素子が必要とされる。 In addition, if the sound wave from the target arrives in the direction where the main pole exists, the target can be detected, but if the interference sound comes from the direction where the sub-pole exists, it arrives from the main pole direction. Misidentified as a sound wave. That is, a situation of pseudo detection occurs. Therefore, it is desirable to reduce the level of the sub pole as much as possible. In order to improve the image quality when imaging the target or to increase the accuracy of specifying the position of the target, it is desirable to make the directivity width 62 of the main pole 54 smaller. From such a background, conventionally, an array type converter is composed of a number of conversion elements. For example, when the center frequency is 500 kHz, about 100 conversion elements are required to narrow the directivity width to 1.0 degree.
超音波計測装置において、計測精度を高めるために変換素子数を増大させると、送受波器(あるいは受波器)の構成が複雑化、大型化し、また受信チャンネル数も増大するから受信部の回路規模が増大してしまう。これにより装置コストの増大という問題が生じる。一方、何らの手当てなく、変換素子数を単純に削減すると、計測精度が低下してしまい、例えば、画像上においてアーチファクトの増大、方位分解能の低下といった問題が生じることになる。 In an ultrasonic measurement device, if the number of conversion elements is increased in order to increase measurement accuracy, the configuration of the transmitter / receiver (or receiver) becomes complicated and large, and the number of reception channels also increases. The scale will increase. This causes a problem that the apparatus cost increases. On the other hand, if the number of conversion elements is simply reduced without any treatment, the measurement accuracy is lowered, and problems such as an increase in artifacts and a decrease in azimuth resolution occur on the image.
本発明の目的は、超音波計測装置において、アレイ型変換器を構成する変換素子の個数を増大させなくても指向特性の改善を図れるようにすることにある。 An object of the present invention is to make it possible to improve directivity characteristics without increasing the number of conversion elements constituting an array type transducer in an ultrasonic measurement apparatus.
あるいは、本発明の目的は、超音波計測装置において、アレイ型変換器を構成する変換素子の個数を削減しても、事後的な信号処理によって優良な指向特性が得られるようにすることにある。 Alternatively, an object of the present invention is to provide an excellent directivity characteristic by subsequent signal processing even if the number of conversion elements constituting an array type transducer is reduced in an ultrasonic measurement apparatus. .
本発明に係る超音波計測装置は、水中に整列配置された複数の変換素子で構成され、超音波の受波により複数の受信信号を出力するアレイ型変換器と、前記複数の受信信号に対して整相方位を変えながら整相加算処理を実行することにより、前記アレイ変換器の指向特性が反映された信号列として、複数の整相方位に対応する複数の整相信号を生成する整相加算手段と、前記複数の整相信号に対して前記アレイ変換器の指向特性を事後的に改善するための振幅差拡大処理を適用する振幅差拡大処理手段と、を含むものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to the present invention includes an array type transducer that includes a plurality of transducers arranged in water and outputs a plurality of reception signals by receiving ultrasonic waves, and the plurality of reception signals. By executing the phasing and adding process while changing the phasing direction, a phasing that generates a plurality of phasing signals corresponding to a plurality of phasing directions as a signal sequence reflecting the directional characteristics of the array converter is performed. Adding means; and amplitude difference enlargement processing means for applying an amplitude difference enlargement process for improving the directivity of the array converter afterwards to the plurality of phasing signals.
上記構成によれば、複数の変換素子から出力された複数の受信信号に対して、整相方位(主極方位)を変えつつ整相加算処理が順次適用され、これにより複数の整相方位に対応する複数の整相信号(整相加算結果を示す信号)が生成される。複数の整相信号は、アレイ変換器の指向特性を反映した信号列を構成する。それらに対して振幅差拡大処理を適用することによってアレイ変換器の指向特性を事後的に改善することが可能となる。より詳しくは、横軸を方位とし縦軸を振幅(信号レベル)とした指向特性において、一般に、主極(メインビーム)と副極(サイドローブ)との間には振幅差(信号レベル差)が存在する。上記振幅差拡大処理は、そのような振幅差をより広げる処理である。そのような処理を行うための関数として指数関数があげられ、その好適な例として後述するN乗処理があげられる。 According to the above configuration, the phasing addition processing is sequentially applied to the plurality of received signals output from the plurality of conversion elements while changing the phasing azimuth (main pole azimuth). A plurality of corresponding phasing signals (signals indicating the phasing addition result) are generated. The plurality of phasing signals constitute a signal string reflecting the directivity characteristics of the array converter. By applying the amplitude difference enlargement process to them, the directivity characteristics of the array converter can be improved afterwards. More specifically, in the directional characteristics with the horizontal axis as the azimuth and the vertical axis as the amplitude (signal level), the amplitude difference (signal level difference) is generally between the main pole (main beam) and the sub pole (side lobe). Exists. The amplitude difference enlargement process is a process for further widening such an amplitude difference. An exponential function is given as a function for performing such processing, and a preferred example thereof is N-th power processing described later.
振幅差拡大処理の結果として、主極に相当する信号成分の振幅が相対的に見てより大きくなり、あるいは、主極以外の副極その他の不要な信号成分の振幅が相対的に見てより小さくなる。また、指向特性において主極の幅(指向幅)がよりシャープになる。複数の整相信号が画像化される場合、上記の振幅差拡大処理によって、解像度(方位分解能)が向上し、またバックグラウンドやアーチファクト等の不要成分が低減されるから、画質が大幅に改善され得る。あるいは、指向特性の事後的改善を前提として、変換素子間ピッチを広げつつ変換素子数を低減させても、従来同様の指向特性(あるいは画質)を得ることが可能となるから、アレイ変換器や受信部につき、物量削減、構成簡素化といった利点を得られる。これは装置コストの低減をもたらすものである。 As a result of the amplitude difference enlargement process, the amplitude of the signal component corresponding to the main pole is relatively larger than that of the main pole, or the amplitude of the sub-pole other than the main pole and other unnecessary signal components is relatively larger than that of the main pole. Get smaller. In addition, in the directivity, the width of the main pole (directivity width) becomes sharper. When multiple phasing signals are imaged, the resolution (azimuth resolution) is improved by the above amplitude difference enlargement process, and unnecessary components such as background and artifacts are reduced, so the image quality is greatly improved. obtain. Alternatively, on the premise of the subsequent improvement of the directivity, it is possible to obtain the same directivity (or image quality) as before even by reducing the number of conversion elements while increasing the pitch between the conversion elements. For the receiving unit, it is possible to obtain advantages such as a reduction in quantity and simplification of configuration. This leads to a reduction in device costs.
望ましくは、前記振幅差拡大処理手段は、前記複数の整相信号から横断的に取り出された同一距離関係にある複数のデータからなるデータ列に対してN乗処理(但しN>1)を適用するN乗処理手段を含む。 Preferably, the amplitude difference enlargement processing unit applies N-th power processing (where N> 1) to a data string composed of a plurality of pieces of data having the same distance relation taken out from the plurality of phasing signals. N-th power processing means.
例えば、ある方位かつある距離にある音源を想定した場合、そこから到来する音波がアレイ型変換器に到達し、アレイ型変換器を構成する複数の変換素子から複数の受信信号が出力される。それらに対して整相方位を異ならせながら整相加算処理を行うことにより複数の整相信号が生成される。通常、各整相信号は距離方向(時間方向)に並ぶ複数のデータ(振幅値)からなる。そのような複数の整相信号から取り出される同一距離関係(同一時刻関係)にあるデータ列は、複数の整相方位についての応答特性を示し、それは指向特性に相当する。かかるデータ列に対してN乗処理が適用されると、主極に相当する部分に対してそれ以外の部分が抑圧され、両者の振幅差が拡大する。これにより指向特性が改善されることになる。Nは、1以上の数値であり、計算上の便宜からNとして2、3等の整数を採用するのが望ましいが、Nとして1.5といった小数を伴う数値を採用してもよい。Nを可変設定できるように構成するならば例えば画像を参照しながら最適なNを見極めることが可能となる。Nの適応的設定を自動化してもよい。 For example, when a sound source at a certain azimuth and a certain distance is assumed, a sound wave coming from the sound reaches the array transducer, and a plurality of reception signals are output from a plurality of transducer elements constituting the array transducer. A plurality of phasing signals are generated by performing phasing addition processing with different phasing directions for them. Usually, each phasing signal is composed of a plurality of data (amplitude values) arranged in the distance direction (time direction). A data string having the same distance relationship (same time relationship) extracted from such a plurality of phasing signals indicates a response characteristic for a plurality of phasing directions, which corresponds to a directivity characteristic. When the N-th power process is applied to such a data string, the other portion is suppressed with respect to the portion corresponding to the main pole, and the amplitude difference between the two increases. As a result, the directivity is improved. N is a numerical value of 1 or more, and it is desirable to adopt an integer such as 2 or 3 as N for convenience of calculation, but a numerical value with a decimal number such as 1.5 may be employed as N. If the configuration is such that N can be variably set, for example, the optimum N can be determined while referring to an image. The adaptive setting of N may be automated.
望ましくは、前記振幅差拡大処理手段は、更に、前記データ列に対して正規化処理を施して正規化データ列を生成し、当該正規化データ列に対して前記N乗処理が適用されるようにする前処理手段と、前記N乗処理後の正規化データ列に対して振幅復元処理を施して複数の復元データ列を生成する後処理手段と、を含む。 Preferably, the amplitude difference enlargement processing unit further performs a normalization process on the data string to generate a normalized data string, and the N-th power process is applied to the normalized data string. And preprocessing means for performing amplitude restoration processing on the normalized data string after the N-th power process to generate a plurality of restored data strings.
上記構成によれば、複数の整相信号から取り出されたデータ列に対して前処理として正規化処理が適用される。例えば、最大振幅値で他の振幅値を除する処理が適用される。その場合、最大振幅値は1.0に変換され、他の振幅値は0〜1.0の範囲内の数値に変換される。その上で、正規化データ列に対してN乗処理が適用されて振幅差が拡大される。その後、N乗処理後の正規化データ列に対して振幅を復元する後処理が適用される。振幅復元処理は、望ましくは、個々のデータに対する最大振幅値の乗算である。その結果、最大振幅値は元の振幅値に復元され、他の振幅値はもとの振幅値よりも低い振幅値に復元(変換)される。なお、画像化を行わない等の所定の場合には、振幅値復元処理を省略することも可能である。あるいは、正規化を行うことなくN乗処理を適用することも可能である。 According to the above configuration, normalization processing is applied as preprocessing to data strings extracted from a plurality of phasing signals. For example, a process of dividing other amplitude values by the maximum amplitude value is applied. In that case, the maximum amplitude value is converted to 1.0, and the other amplitude values are converted to numerical values in the range of 0 to 1.0. After that, an N-th power process is applied to the normalized data string to expand the amplitude difference. Thereafter, post-processing for restoring the amplitude is applied to the normalized data string after the N-th power process. The amplitude restoration process is preferably multiplication of the maximum amplitude value for each piece of data. As a result, the maximum amplitude value is restored to the original amplitude value, and the other amplitude values are restored (converted) to an amplitude value lower than the original amplitude value. It should be noted that the amplitude value restoration process may be omitted in a predetermined case where imaging is not performed. Alternatively, it is possible to apply the N-th power process without performing normalization.
望ましくは、前記複数の変換素子における素子間ピッチpは、前記超音波の中心周波数における波長をλとした場合、0.5λ<p<1.0λの条件を満たす。すなわち、通常、素子間ピッチは0.5λであるが、素子間ピッチpをそれより大きくすれば、一定の受信開口を確保しつつ変換素子数を削減することが可能となる。素子間ピッチを単に大きくしただけなら指向特性が悪化してしまうが、振幅差拡大処理を事後的に適用して指向特性を改善できるから、従来同様の画質あるいは従来以上の画質を得ることが可能となる。素子間ピッチを可変する機構を設け、状況に応じて最適な素子間ピッチを設定するようにしてもよい。上記構成によれば変換素子数を低減できるから、そのようなピッチ可変機構を採用することも容易となる。 Desirably, the inter-element pitch p in the plurality of conversion elements satisfies the condition of 0.5λ <p <1.0λ, where λ is the wavelength at the center frequency of the ultrasonic wave. In other words, the inter-element pitch is normally 0.5λ, but if the inter-element pitch p is made larger than that, it is possible to reduce the number of conversion elements while ensuring a constant reception aperture. If the pitch between the elements is simply increased, the directional characteristics will deteriorate. However, since the directional characteristics can be improved by applying the amplitude difference enlargement process afterwards, it is possible to obtain the same or higher image quality than before. It becomes. A mechanism for changing the inter-element pitch may be provided, and an optimal inter-element pitch may be set according to the situation. According to the above configuration, since the number of conversion elements can be reduced, it is easy to employ such a pitch variable mechanism.
本発明によれば、超音波計測装置において、アレイ型変換器を構成する変換素子の個数を増大させなくても指向特性の改善を図れる。あるいは、アレイ型変換器を構成する変換素子の個数を削減しても、事後的な信号処理によって優良な指向特性を得ることが可能となる。 According to the present invention, in the ultrasonic measurement apparatus, the directivity can be improved without increasing the number of conversion elements constituting the array type converter. Alternatively, even if the number of conversion elements constituting the array type converter is reduced, it is possible to obtain excellent directivity characteristics by subsequent signal processing.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1には、本実施形態に係る超音波計測装置の全体構成がブロック図として示されている。この超音波計測装置は、海や湖等において、固定目標物あるいは移動目標物の探知、画像化等の計測を行う装置であって、本実施形態においては超音波計測装置がソーナーを構成している。この超音波計測装置は、例えば、船舶等の水上移動体、潜水艇等の水中移動体に搭載される。もちろん、浮遊体、固定構造物等に搭載されてもよいし、ダイバー等が携行してもよい。 FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the ultrasonic measurement apparatus according to this embodiment. This ultrasonic measurement device is a device that performs measurement such as detection and imaging of a fixed target or a moving target in the sea or lake, and in this embodiment, the ultrasonic measurement device constitutes a sonar. Yes. This ultrasonic measurement apparatus is mounted on, for example, a water moving body such as a ship and an underwater moving body such as a submersible craft. Of course, it may be mounted on a floating body, a fixed structure or the like, or may be carried by a diver or the like.
超音波計測装置は、大別して、複数の素子(超音波振動素子)10aからなる線アレイ型送受波器10と、線アレイ型送受波器10に接続された切替器14と、切替器14に接続された送信部16と、同じく切替器14に接続された受信部18と、受信部18の後段に設けられた振幅差拡大処理部32と、振幅差拡大処理部32の後段に設けられた画像処理部44と、画像処理部44に接続された表示部46と、を有している。図示された構成は、超音波の送受波を行うアクティブ方式を実現するものであるが、音源からの超音波を受信するパッシブ方式に本発明が適用されてもよい。 The ultrasonic measurement device is roughly classified into a line array type transducer 10 composed of a plurality of elements (ultrasonic vibration elements) 10 a, a switch 14 connected to the line array transducer 10, and a switch 14. The connected transmission unit 16, the reception unit 18 also connected to the switch 14, the amplitude difference expansion processing unit 32 provided at the subsequent stage of the reception unit 18, and the subsequent stage of the amplitude difference expansion processing unit 32 The image processing unit 44 includes a display unit 46 connected to the image processing unit 44. The illustrated configuration realizes an active method for transmitting and receiving ultrasonic waves, but the present invention may be applied to a passive method for receiving ultrasonic waves from a sound source.
線アレイ型送受波器10は、水中に配置されて、超音波の送波及び受波を行うものである。送信時において超音波は一般にパルスとして送波され、目標物からのエコーが受波される。図1において、線アレイ型送受波器10の中央原点から正面方向が方位角0度であり、それを基準方位として後述の整相加算処理により任意の方位に整相方位(主極方位)を設定することが可能である。図1においては整相方位の角度がθで表現されている。また素子間ピッチがpで表現されている。本実施形態では、送信超音波の中心周波数に対応する波長をλとした場合、素子間ピッチpが0.5λ<p<1.0λの条件を満たすように、線アレイ型送受波器10が構成されている。これは後述する振幅差拡大処理による指向特性の改善を前提として、一定の受信開口を確保しつつも、それを構成する素子数の削減を図ったものである。これについては後に詳述する。なお、送受波器として二次元アレイ型送受波器等を利用することもできる。 The line array type transducer 10 is disposed in water and transmits and receives ultrasonic waves. At the time of transmission, an ultrasonic wave is generally transmitted as a pulse, and an echo from a target is received. In FIG. 1, the azimuth angle is 0 degrees from the central origin of the line array transducer 10 and the phasing azimuth (main pole azimuth) is set to an arbitrary azimuth by a phasing addition process described later with the azimuth angle being 0 degrees. It is possible to set. In FIG. 1, the angle of the phasing direction is represented by θ. The pitch between elements is expressed by p. In this embodiment, when the wavelength corresponding to the center frequency of the transmission ultrasonic wave is λ, the line array transducer 10 is set so that the inter-element pitch p satisfies the condition of 0.5λ <p <1.0λ. It is configured. This is intended to reduce the number of elements constituting the reception aperture while securing a certain reception aperture on the premise of improving the directivity by an amplitude difference enlargement process described later. This will be described in detail later. A two-dimensional array type transducer can be used as the transducer.
送信部16は、切替器14を介して、線アレイ型送受波器10に接続されており、送信時において、送信部16からn個の素子に対して送信パルスが供給される。一方、受信期間において、n個の素子から出力されたn個の受信信号が切替器14を介して受信部18へ送られる。各受信信号は一定時間にわたる連続的な波形信号である。各時刻の振幅がエコー強度を表している。 The transmission unit 16 is connected to the line array type transducer 10 via the switch 14, and a transmission pulse is supplied from the transmission unit 16 to n elements at the time of transmission. On the other hand, in the reception period, n reception signals output from the n elements are sent to the reception unit 18 via the switch 14. Each received signal is a continuous waveform signal over a fixed time. The amplitude at each time represents the echo intensity.
受信部18は、n個の受信信号処理器及び加算器(整相加算器)26を有している。各受信信号処理器は、図示の例において、増幅器20、BPF(バンドパスフィルタ)30、A/D変換器22及びメモリ24によって構成されている。すなわち、各素子から出力された受信信号が増幅され、素子間ピッチpに応じた同波数帯域の信号に加工され、デジタル信号に変換された上で、メモリ24にいったん記憶される。複数のメモリ24が単一の記憶デバイスによって構成されてもよい。なお、BPFの帯域を可変としてもよい。 The receiving unit 18 includes n received signal processors and an adder (phased adder) 26. Each received signal processor includes an amplifier 20, a BPF (band pass filter) 30, an A / D converter 22, and a memory 24 in the illustrated example. That is, the reception signal output from each element is amplified, processed into a signal of the same wavenumber band corresponding to the pitch p between elements, converted into a digital signal, and temporarily stored in the memory 24. The plurality of memories 24 may be configured by a single storage device. The BPF band may be variable.
本実施形態において、受信部18は、n個のメモリ24に記憶されたn個の受信信号に対して、所定の角度ピッチをもって整相方位を変えながら整相加算処理を繰り返し、これにより複数の整相信号(整相加算結果を示す信号)を生成している。より具体的には、例えば、中央方位を0度として、―90度から+90度の方位範囲において、例えば0.5度ピッチで、整相方位を異ならせ、整相方位ごとに整相加算処理を実行している。これにより例えば360個の整相信号が得られる。各整相信号は、時間軸(主極方位上の距離軸)方向に並ぶ複数のデータ(振幅加算値)からなる。加算器26は、図示されていない整相加算制御部の制御の下で、n個の受信信号の加算を行っている。それらの受信信号に対して必要に応じて各種の処理が適用される。 In the present embodiment, the receiving unit 18 repeats the phasing addition processing while changing the phasing direction with a predetermined angular pitch for the n reception signals stored in the n memories 24, thereby A phasing signal (a signal indicating a phasing addition result) is generated. More specifically, for example, assuming that the central azimuth is 0 degrees, the phasing azimuth is changed at a pitch of 0.5 degrees, for example, at a azimuth range of -90 degrees to +90 degrees, and the phasing addition processing is performed for each phasing Is running. Thereby, for example, 360 phasing signals are obtained. Each phasing signal is composed of a plurality of data (amplitude addition values) arranged in the time axis (distance axis on the main pole direction) direction. The adder 26 adds n received signals under the control of a phasing addition control unit (not shown). Various processes are applied to these received signals as necessary.
振幅差拡大処理部32は、複数の整相角度に対応して生成された複数の整相信号に対して、指向特性を事後的に改善するための処理を適用するものである。すなわち、指向特性において、主極の指向幅が狭くなり同時に主極以外の副極等が抑圧されるように振幅差拡大処理を行うものである。このため、振幅差拡大処理部32は、図示の例において、複数の整相信号を記憶するメモリ34と、複数の整相信号からそれを横断するように取り出されるデータ列を正規化する正規化処理器36と、正規化されたデータ列に対してN乗処理(但しN>1)を施すN乗処理器38と、N乗処理後のデータ列につき振幅を復元する復元処理器40と、復元されたデータ列が順次記憶されこれによって複数の処理済み整相信号が再構成されるメモリ42と、を有している。その処理内容については、後に図3を用いて詳述する。 The amplitude difference enlargement processing unit 32 applies processing for improving the directivity characteristics afterwards to a plurality of phasing signals generated corresponding to a plurality of phasing angles. That is, in the directivity characteristics, the amplitude difference enlargement process is performed so that the directivity width of the main pole is narrowed and, at the same time, sub-poles other than the main pole are suppressed. For this reason, in the illustrated example, the amplitude difference expansion processing unit 32 normalizes a memory 34 that stores a plurality of phasing signals and a data string that is extracted from the plurality of phasing signals so as to traverse it. A processor 36, an N-th power processor 38 that performs N-th power processing (where N> 1) on the normalized data sequence, a restoration processing device 40 that restores the amplitude of the data sequence after the N-th power processing, And a memory 42 in which the restored data sequence is sequentially stored and thereby a plurality of processed phasing signals are reconstructed. Details of the processing will be described later with reference to FIG.
画像処理部44は、メモリ42に格納された複数の整相信号に基づいて画像を形成する。その画像データが表示部46に送られる。振幅差拡大処理によって指向特性が改善された結果、少ない素子数であっても画像の品質を高めることが可能である。すなわち、方位分解能を向上でき、またアーチファクト等の不要成分を抑圧できる。 The image processing unit 44 forms an image based on a plurality of phasing signals stored in the memory 42. The image data is sent to the display unit 46. As a result of improving the directivity by the amplitude difference enlargement process, it is possible to improve the image quality even with a small number of elements. That is, azimuth | direction resolution can be improved and unnecessary components, such as an artifact, can be suppressed.
図2には上記の線アレイ型送受波器10が模式的に示されている。線アレイ型送受波器10は、直線上に並んだn個の素子(超音波振動素子)10aを有し、隣接する素子間には、音響的電気的に素子間を分離する絶縁材48が設けられている。符号50で示すように、線アレイ型送受波器10によって超音波が送波され、その直後から順次到来するエコーが線アレイ型送受波器10によって受波されている。これにより、受信開口を構成するn個の素子からn個の受信信号が出力される。図2においてはバッキング材、基板等が図示省略されている。 FIG. 2 schematically shows the line array transducer 10 described above. The line array type transducer 10 includes n elements (ultrasonic vibration elements) 10a arranged in a straight line, and an insulating material 48 that acoustically and electrically separates the elements is provided between adjacent elements. Is provided. As indicated by reference numeral 50, ultrasonic waves are transmitted by the line array type transducer 10, and echoes that arrive sequentially immediately after that are received by the line array type transducer 10. As a result, n reception signals are output from the n elements constituting the reception aperture. In FIG. 2, a backing material, a substrate, and the like are not shown.
なお、素子ピッチ可変型の構成を採用する場合、パンタグラフ等のスライド機構とそれを駆動するモータ等の駆動源とが配置され、ユーザーの操作によりあるいは自動的に素子ピッチが変更される。その場合、素子間の絶縁材48を空気層に変えてもよいし、伸縮性をもった絶縁材48を利用するようにしてもよい。素子ピッチが変更された場合、それに応じてBPFの帯域を可変させるのが望ましい。 When the element pitch variable configuration is adopted, a slide mechanism such as a pantograph and a drive source such as a motor for driving the pantograph are disposed, and the element pitch is changed by a user operation or automatically. In that case, the insulating material 48 between the elements may be changed to an air layer, or an insulating material 48 having elasticity may be used. When the element pitch is changed, it is desirable to vary the BPF band accordingly.
ちなみに、整相加算処理によって得られる指向特性はコンピュータシミュレーションによって求めることが可能である。線アレイ送受波器を前提とした場合、素子数n、送信超音波の中心周波数f(例えば500kHz)、素子間ピッチp(例えば0.817λ)、方位角γ、水中音速c(1500m/s)によって、以下のように表現できる。(1)式は、中心周波数fと波長λとの関係を示している。(2)式は指向特性Rを求める式である。(3)式は指向特性Rを対数変換して得られる指向特性Tを示している。 Incidentally, the directivity obtained by the phasing addition process can be obtained by computer simulation. Assuming a line array transducer, the number of elements n, the center frequency f of transmitted ultrasonic waves (for example, 500 kHz), the pitch p between elements (for example, 0.817λ), the azimuth angle γ, and the underwater sound velocity c (1500 m / s) Can be expressed as follows. Equation (1) shows the relationship between the center frequency f and the wavelength λ. Expression (2) is an expression for obtaining the directivity characteristic R. Equation (3) indicates a directivity characteristic T obtained by logarithmic conversion of the directivity characteristic R.
なお、以下の(4)式のように、整相方位θ=0°とした場合、指向特性R,Tはそれぞれ以下の(5)式、(6)式のように表すことができる。 When the phasing azimuth θ = 0 ° as in the following equation (4), the directivity characteristics R and T can be expressed as the following equations (5) and (6), respectively.
以上のような計算式を用いたコンピュータシミュレーション結果を基礎として素子間ピッチpを事前に設定しあるいは状況に応じて可変設定することが可能である。また、そのようなコンピュータシミュレーション結果を利用してN乗処理でのNの数値を事前に設定しあるいは状況に応じて可変設定することが可能である。 It is possible to set the inter-element pitch p in advance or variably set according to the situation based on the computer simulation result using the above calculation formula. Further, it is possible to set the numerical value of N in the N-th power process in advance using such a computer simulation result or to variably set it according to the situation.
図3には、図1に示した振幅差拡大処理部32による処理の内容、つまり指向特性を事後的に改善する振幅差拡大処理の内容、が模式的に示されている。 FIG. 3 schematically shows the contents of the process by the amplitude difference enlargement processing unit 32 shown in FIG. 1, that is, the contents of the amplitude difference enlargement process for improving the directivity afterwards.
(A)には、メモリ34の記憶空間が示されている。縦方向が整相方位に対応しており、横方向(右方向)が時間(主極方位の距離に相当)を示している。メモリ34には、複数の整相信号66が格納される。上述したように、例えば、―90°から+90°まで0.5°刻みで整相方位を設定しながら整相加算処理を順次実行した場合、360個の整相信号が生成され、それらがメモリ34上に格納される。各整相信号は時間軸方向に並んだ複数のデータ66aからなる。個々のデータは整相加算値である。S10で示すように、複数の整相信号から、それらを横断するように、指定された時刻(データ番号)に対応する複数のデータ68が取り出される。つまり同一距離関係にある複数のデータが取り出される。基本的には、1つの整相信号から1つのデータが取り出される。取り出された複数のデータ(例えば360個のデータ)がデータ列を構成する。 (A) shows the storage space of the memory 34. The vertical direction corresponds to the phasing direction, and the horizontal direction (right direction) indicates time (corresponding to the distance of the main pole direction). A plurality of phasing signals 66 are stored in the memory 34. As described above, for example, when the phasing addition processing is sequentially executed while setting the phasing direction in increments of 0.5 ° from −90 ° to + 90 °, 360 phasing signals are generated and stored in the memory. 34 is stored. Each phasing signal is composed of a plurality of data 66a arranged in the time axis direction. Each data is a phasing addition value. As indicated by S10, a plurality of data 68 corresponding to the designated time (data number) is extracted from the plurality of phasing signals so as to cross them. That is, a plurality of data having the same distance relationship is extracted. Basically, one data is extracted from one phasing signal. A plurality of extracted data (for example, 360 pieces of data) form a data string.
(B)には、そのデータ列70が波形(プロファイル)として示されている。横軸は方位を示しており、縦軸は振幅を示している。後述する他の波形の横軸及び縦軸も同様である。この(B)に示す例では、例えば音源(目標物)が方位0°に存在しており、当該音源方位に整相方位が一致した場合に最大の振幅が生じている。つまり、整相方位0°に対応する整相信号から取り出されたデータの振幅が最大値を構成している。音源方位から整相方位がずれて、音源方位が副極に相当する方位に一致すると、ある程度の振幅が生じる。つまり、データ列を振幅波形として表現すると、それは指向特性に相当するものとなる。 In (B), the data string 70 is shown as a waveform (profile). The horizontal axis indicates the direction, and the vertical axis indicates the amplitude. The same applies to the horizontal and vertical axes of other waveforms described later. In the example shown in (B), for example, a sound source (target) is present at an azimuth of 0 °, and the maximum amplitude occurs when the phasing azimuth coincides with the sound source azimuth. That is, the amplitude of the data extracted from the phasing signal corresponding to the phasing direction 0 ° constitutes the maximum value. When the phasing azimuth shifts from the sound source azimuth and the sound source azimuth matches the azimuth corresponding to the sub-pole, a certain amount of amplitude is generated. That is, when a data string is expressed as an amplitude waveform, it corresponds to a directivity characteristic.
データ列に対してはS12で示されるように正規化処理が適用される。すなわち、最大値で個々の振幅値を除する処理が適用される。これにより、(C)に示す正規化データ列72が生成される。そこでは最大値は1に変換されており、他の値は0〜1.0の間の数値をとる。この正規化処理は、次のN乗処理において振幅値の違いによってN乗処理結果が区々にならないための前処理に相当する。S14はN乗処理を示している。すなわち、正規化後のデータ列を構成する個々のデータがN乗処理される。例えば、Nが2ならばデータが二乗され、Nが3ならばデータが三乗される。1.5乗等の小数値を伴うN乗処理が実行されてもよい。 A normalization process is applied to the data string as shown in S12. That is, a process of dividing individual amplitude values by the maximum value is applied. Thereby, the normalized data string 72 shown in (C) is generated. There, the maximum value is converted to 1, and the other values take values between 0 and 1.0. This normalization processing corresponds to pre-processing for preventing the N-th power processing result from being divided due to a difference in amplitude value in the next N-th power processing. S14 represents the Nth power process. That is, the individual data constituting the normalized data string is subjected to the Nth power process. For example, if N is 2, the data is squared, and if N is 3, the data is cubed. An N-th power process with a decimal value such as a power of 1.5 may be executed.
(D)には、N乗処理の結果が示されている。すなわち、N乗処理後の正規化データ列74が示されている。N乗処理を経ると、最大値は1であって不変であるが、主極に相当する部分以外のレベルが相当程度低くなり、つまり不要成分が抑圧される。主極に相当する部分についても肩部分が下がっており、指向幅が狭まっている。このような振幅差拡大処理は指向特性の事後的な改善に相当するものである。理論的には、Nの数値を上げれば上げるほど、主極に相当する部分とそれ以外の部分との振幅差を拡大する。実際上は、計算の便宜や実際上の効果の観点から、Nとして2又は3といった整数が設定されるのが望ましい。もちろん、Nを可変設定して最適な数値を見出すようにしてもよい。 (D) shows the result of the N-th power process. That is, the normalized data string 74 after the Nth power process is shown. After the Nth power process, the maximum value is 1 and is unchanged, but the levels other than the portion corresponding to the main pole are considerably lowered, that is, unnecessary components are suppressed. The shoulder corresponding to the part corresponding to the main pole is also lowered, and the directivity width is narrowed. Such an amplitude difference enlargement process corresponds to a subsequent improvement of the directivity. Theoretically, the higher the value of N, the larger the amplitude difference between the portion corresponding to the main pole and the other portion. In practice, it is desirable to set an integer such as 2 or 3 as N from the viewpoint of calculation convenience and practical effects. Of course, N may be variably set to find an optimum numerical value.
その後、S16で示すように、N乗処理後の正規化データ列に対して、復元処理が適用される。(E)には復元処理が適用された後の復元データ列76が示されている。復元処理に当たっては、正規化処理で利用された最大値が個々のデータに対して乗算される。これにより、最大値は元の振幅値に復元される。それ以外の値は、最大値からの振幅差に応じて、元の振幅値よりも低い値に復元されることになる。 After that, as shown in S16, the restoration process is applied to the normalized data string after the Nth power process. (E) shows a restored data string 76 after the restoration process is applied. In the restoration process, each data is multiplied by the maximum value used in the normalization process. Thereby, the maximum value is restored to the original amplitude value. The other values are restored to values lower than the original amplitude value according to the amplitude difference from the maximum value.
以上のような処理が、受信原点から時間軸方向に1ステップずつ実行される。つまりデータ列が距離方向に順次取り出されて、それらの個々に対して上記処理が適用される。もっとも、データ列の取り出し順序を変更することは可能である。 The above processing is executed step by step in the time axis direction from the reception origin. That is, data sequences are sequentially extracted in the distance direction, and the above processing is applied to each of them. However, it is possible to change the extraction sequence of the data string.
(F)には、メモリ42の記憶空間が模式的に示されている。メモリ42には、S18で示すように、復元処理後の復元データ列が書き込まれる。複数のデータ列が順次処理されて、複数の復元データがメモリ42に順次格納され、最終的に振幅差拡大処理済みの複数の整相信号が記憶空間上に再構成されることになる。個々の整相信号80は複数のデータにより構成され、個々のデータ80aは上記N乗処理が適用された後の振幅値を有している。 (F) schematically shows the storage space of the memory 42. As shown in S18, the restored data string after the restoration process is written in the memory 42. A plurality of data strings are sequentially processed, a plurality of restored data are sequentially stored in the memory 42, and finally, a plurality of phasing signals subjected to the amplitude difference expansion processing are reconstructed in the storage space. Each phasing signal 80 is composed of a plurality of data, and each data 80a has an amplitude value after the N-th power process is applied.
上記の例においては、音源(目標物)が方位0°に存在していたが、もちろん他の方位に音源が存在する場合においても上記同様の処理を適用できる。複数の音源があっても基本的に上記同様に処理できる。但し、複数の音源が相互に干渉し合って演算が適正に行えないなら、例えばバンドパスフィルタにより目的信号成分の絞り込みを行えばよい。 In the above example, the sound source (target) is present at the azimuth of 0 °. Of course, the same processing as described above can be applied even when the sound source is present in another azimuth. Even if there are a plurality of sound sources, processing can be basically performed in the same manner as described above. However, if a plurality of sound sources interfere with each other and the calculation cannot be performed properly, the target signal component may be narrowed down by a band pass filter, for example.
なお、上記のN乗処理において、同一数値の乗算を繰り返すのではなく、浮動小数点機能を使用した指数計算により、N乗処理を行うようにしてもよい。以下の(7)式にはx=15^1.1の計算例が示されている。指数計算において対数を使用することで、掛け算は足し算に、割り算は引き算に変わる。手計算では、対数表上で補間することにより真数のxを求めることができる。振幅差拡大処理において演算による誤差の累積や桁落ちを低減するようにNの数値を設定するのが望ましい。 In the Nth power process, the Nth power process may be performed by exponential calculation using a floating point function, instead of repeating multiplication of the same numerical value. In the following formula (7), a calculation example of x = 15 ^ 1.1 is shown. By using the logarithm in the exponent calculation, multiplication turns into addition and division turns into subtraction. In the manual calculation, the true number x can be obtained by interpolation on a logarithmic table. It is desirable to set the numerical value of N so as to reduce the accumulation of errors and digits loss in the amplitude difference enlargement process.
図4は第1表示例としての画像82を示している。原点84はアレイ型送受波器の送受波原点を示し、それを基準として円弧方向つまり方位方向に複数の整相信号に対応する複数の表示線86が並べて表示され、これにより画像82が生成される。Lは距離方向を示しており、符号88は音源としての目標物を示している。1つの表示線86は1つの整相信号に対応しており、それを構成する各振幅値が輝度で表現されている。カラー表現を採用することも可能である。例えば、所定振幅以上の部分を着色表現するようにしてもよい。図5は第2表示例としての画像90を示している。符号92で示すラインが送受波原点位置に相当しており、そのライン上における各位置が各方位に対応している。当該ライン上から複数の整相信号に相当する複数の表示線が平行に並んで表示されている。tは時間軸を示し、それは距離軸に相当している。符号96は、音源としての目標物を示している。上記の表示例以外の表示態様が採用されてもよい。 FIG. 4 shows an image 82 as a first display example. The origin 84 indicates the transmission / reception origin of the array-type transducer, and a plurality of display lines 86 corresponding to a plurality of phasing signals are displayed side by side in the arc direction, that is, the azimuth direction based on the origin, thereby generating an image 82. The L indicates the distance direction, and reference numeral 88 indicates a target as a sound source. One display line 86 corresponds to one phasing signal, and each amplitude value constituting it is expressed by luminance. It is also possible to adopt a color expression. For example, a portion having a predetermined amplitude or more may be expressed in color. FIG. 5 shows an image 90 as a second display example. A line indicated by reference numeral 92 corresponds to the transmission / reception origin position, and each position on the line corresponds to each direction. A plurality of display lines corresponding to a plurality of phasing signals are displayed in parallel from above the line. t indicates a time axis, which corresponds to a distance axis. Reference numeral 96 indicates a target as a sound source. Display modes other than the above display examples may be adopted.
図6乃至図8には比較例が示されており、各図には線アレイ型受波器における指向特性が示されている。なお、いずれの指向特性においても最大値での正規化がなされている。 6 to 8 show comparative examples, and each figure shows the directivity characteristics in the line array type receiver. Note that the normalization is performed with the maximum value in any directivity.
図6に示す指向特性は、素子数100個、中心周波数500kHz、素子間ピッチpが0.5λの条件の下で作成されたものである。主極は方位0°に存在している。上述したN乗処理は適用されておらず、換言すればN=1である。多数の素子を利用しているため、かなり絞り込まれた主極が生じており、指向幅1°が実現されている。主極の両側に形成された複数の副極のレベルも相当程度低くなっている。参考までに説明すると、最大値に対して、第1副極のレベルが−29dB、第2副極レベルが−33dB、第3副極が−36dBである。副極レベルが十分低いので副極に起因する擬似検知を低減できる。 The directivity shown in FIG. 6 is created under the conditions that the number of elements is 100, the center frequency is 500 kHz, and the pitch p between elements is 0.5λ. The main pole exists at an azimuth of 0 °. The N-th power process described above is not applied, in other words, N = 1. Since a large number of elements are used, a considerably narrowed main pole is generated, and a directivity width of 1 ° is realized. The levels of the plurality of sub-poles formed on both sides of the main pole are also considerably low. For reference, the first sub-pole level is −29 dB, the second sub-pole level is −33 dB, and the third sub-pole is −36 dB with respect to the maximum value. Since the sub pole level is sufficiently low, false detection due to the sub pole can be reduced.
図7には、意図的に素子数を減らして、素子数を11個にした場合の指向特性が示されている。これは中心周波数500kHz、素子間ピッチpが0.5λの条件の下で作成されたものである。この例でも0°方向に主極が形成されており、上述したN乗処理は適用されていない。指向幅は10°に増大しており、副極レベルが増大している。参考までに説明すると、最大値に対して、第1副極のレベルが−13dB、第2副極のレベルが−17dB、第3副極のレベルが−19dBである。図6に示した素子数100個の場合に比べて、第1副極レベルが16dBも増加しており、擬似検知の増加が懸念される。指向幅が10°に広がった結果、目標の探知分解能も低下している。 FIG. 7 shows directivity characteristics when the number of elements is intentionally reduced to 11 elements. This is created under the conditions of a center frequency of 500 kHz and an element pitch p of 0.5λ. In this example as well, the main pole is formed in the 0 ° direction, and the above-mentioned Nth power process is not applied. The directivity width has increased to 10 °, and the subpolar level has increased. For reference, with respect to the maximum value, the level of the first sub-pole is −13 dB, the level of the second sub-pole is −17 dB, and the level of the third sub-pole is −19 dB. Compared to the case of 100 elements shown in FIG. 6, the first subpolar level is increased by 16 dB, and there is a concern about an increase in false detection. As a result of the pointing width expanding to 10 °, the target detection resolution is also lowered.
図8には、更に意図的に素子数を減らして、素子数を5個にした場合の指向特性が示されている。これは、中心周波数500kHz、素子間ピッチpが0.817λの条件の下で作成されたものである。この例でも0°方向に主極が形成されており、上述したN乗処理は適用されていない。指向幅はかなり増大しており、副極レベルが更に増大している。参考までに説明すると、最大値に対して、第1副極は−12dB、第2副極は−14dBであり、指向幅は12.8°となっている。 FIG. 8 shows the directivity characteristics when the number of elements is further intentionally reduced to 5 elements. This was created under the conditions of a center frequency of 500 kHz and an element pitch p of 0.817λ. In this example as well, the main pole is formed in the 0 ° direction, and the above-mentioned Nth power process is not applied. The pointing width has increased considerably, and the subpolar level has further increased. For reference, with respect to the maximum value, the first sub-pole is −12 dB, the second sub-pole is −14 dB, and the directivity width is 12.8 °.
図9には本実施形態に係る指向特性が実線で示されている。これは図8に示した比較例としての指向特性に対してN乗処理を適用したものである。整相方位は上記同様に0°となっている。中心周波数500kHz、素子数5個、素子間ピッチpが0.817λの条件で作成された指向特性(1乗処理に相当)が図9において破線で示され、かかる指向特性に対して2乗処理を適用した後の処理済み指向特性が図9において実線で示されている。2乗処理後の指向特性では、破線で示した1乗処理の場合に比べて、副極レベルが大幅に下がっており、指向幅も改善している。最大値との振幅差が大きい部分ほどより抑圧されている。参考までに説明すると、最大値に対して、第1副極が−24dB、第2副極が−28dBとなっており、指向幅が9.2°となっている。 In FIG. 9, the directivity according to the present embodiment is indicated by a solid line. This is obtained by applying N-th power processing to the directivity characteristics as a comparative example shown in FIG. The phasing direction is 0 ° as described above. A directivity characteristic (corresponding to a first power process) created under the condition of a center frequency of 500 kHz, five elements, and an inter-element pitch p of 0.817λ is indicated by a broken line in FIG. The processed directivity after application of is indicated by a solid line in FIG. In the directivity characteristics after the squaring process, the subpolar level is greatly lowered and the directivity width is also improved as compared with the case of the squaring process indicated by the broken line. The part with the larger amplitude difference from the maximum value is more suppressed. For reference, the first subpole is −24 dB, the second subpole is −28 dB, and the directivity width is 9.2 ° with respect to the maximum value.
図10には本実施形態に係る他の指向特性が示されている。これは、中心周波数500kHz、素子数5個、素子間ピッチpが0.817λの条件で作成された指向特性に対して3乗処理を適用したものである。2乗処理の場合に比べて、副極レベルがより大きく下がっており、指向幅もより改善している。参考までに説明すると、最大値に対して、第1副極が−37dB、第2副極が−42dBとなっており、指向幅が8.2°となっている。つまり2乗処理の場合よりさらに特性が改善している。 FIG. 10 shows another directivity characteristic according to this embodiment. This is a result of applying the cube process to the directivity created under the conditions of a center frequency of 500 kHz, five elements, and an element pitch p of 0.817λ. Compared to the case of the square process, the sub-pole level is greatly lowered, and the directivity width is also improved. For reference, the first subpole is −37 dB and the second subpole is −42 dB with respect to the maximum value, and the directivity width is 8.2 °. That is, the characteristics are further improved compared to the case of the square process.
指向特性のシミュレーション条件として、整相方位を0°としつつ、素子数を5〜50の間で可変し、素子間ピッチpを0.5λ〜1.0λの間で可変し、N乗処理数を1乗から3乗まで0.5乗刻みで可変したところ、以下の(8)式に示す関係式を得た。 As simulation conditions for directivity, the number of elements is varied between 5 and 50, the pitch p between elements is varied between 0.5λ and 1.0λ, while the phasing direction is set to 0 °, and the number of N power processes Was varied from the first power to the third power in 0.5 power steps, and the following relational expression (8) was obtained.
ここで、wは指向幅であり、Nは乗算処理の回数であり、pは素子間ピッチであり、nは素子数である。上記(8)式によれば、素子間ピッチpを増加させ、且つ、素子数nを減少させても、乗算処理の回数を増加させれば、指向幅wを減少させることが可能である。もっとも、素子間ピッチpの上限は1波長(λ)未満となる。なお、本発明者のシミュレーション結果から、実用的に使用できるN乗処理は、浮動小数点演算精度や処理速度を考慮して、最大でも3〜5乗程度にとどめるのが望ましいことが判明している。 Here, w is the directivity width, N is the number of multiplication processes, p is the pitch between elements, and n is the number of elements. According to the above equation (8), even if the inter-element pitch p is increased and the number of elements n is decreased, the directivity width w can be decreased by increasing the number of multiplication processes. However, the upper limit of the inter-element pitch p is less than one wavelength (λ). From the simulation results of the present inventor, it has been found that practically usable Nth power processing should preferably be limited to about 3 to 5th power in consideration of floating-point arithmetic accuracy and processing speed. .
上記手法によれば、素子数を従来同様に維持しつつ振幅差拡大処理を適用した場合、指向特性を大幅に改善することが可能である。あるいは、そのような振幅差拡大処理を前提として、素子数を削減しても従来同様の指向特性を結果として得ることが可能である。その場合、一定の受信開口を確保する観点から素子間ピッチを0.5λより広げるのが望ましく、そのようにしても満足できる一定の指向特性を得ることが可能である。 According to the above method, when the amplitude difference expansion process is applied while maintaining the number of elements as in the conventional case, it is possible to significantly improve the directivity. Alternatively, on the premise of such amplitude difference enlargement processing, even if the number of elements is reduced, it is possible to obtain the same directivity characteristics as a result. In that case, it is desirable to increase the pitch between the elements from 0.5 λ from the viewpoint of securing a constant reception aperture, and even if so, it is possible to obtain a satisfactory directional characteristic.
上記実施形態の採用に当たっては、各種の計測状況に応じて、素子間ピッチ、整相方位の角度ピッチ、Nの数値、を自動的に又は手動的に可変できるように構成するのが望ましい。例えば、一定の指向幅を得ることを前提として素子数が指定されたならば、最適な素子間ピッチや最適なNの数値が自動的に決定されるように構成してもよい。 In adopting the above-described embodiment, it is desirable that the inter-element pitch, the phasing azimuth angle pitch, and the numerical value N can be automatically or manually varied in accordance with various measurement situations. For example, if the number of elements is designated on the assumption that a certain directivity width is obtained, an optimum inter-element pitch and an optimum value of N may be automatically determined.
10 線アレイ型送受波器、10a 素子、14 切替器、16 送信部、18 受信部、20 増幅器、22 A/D変換器、24,34,42 メモリ、26 加算器、30 バンドパスフィルタ、32 振幅差拡大処理部、36 正規化処理器、38 N乗処理器、40 復元処理器、44 画像処理部、46 表示部。
10-line array type transducer, 10a element, 14 switch, 16 transmitter, 18 receiver, 20 amplifier, 22 A / D converter, 24, 34, 42 memory, 26 adder, 30 band pass filter, 32 Amplitude difference expansion processing unit, 36 normalization processing unit, 38 N power processing unit, 40 restoration processing unit, 44 image processing unit, 46 display unit.
Claims (4)
前記複数の受信信号に対して整相方位を変えながら整相加算処理を実行することにより、前記アレイ変換器の指向特性が反映された信号列として、複数の整相方位に対応する複数の整相信号を生成する整相加算手段と、
前記複数の整相信号に対して前記アレイ変換器の指向特性を事後的に改善するための振幅差拡大処理を適用する振幅差拡大処理手段と、
を含み、
前記振幅差拡大処理手段は、
前記アレイ型変換器からの距離ごとに、前記複数の整相信号から横断的に同一距離関係にある複数のデータからなるデータ列を取り出す手段と、
前記取り出されたデータ列において最大データに対する他のデータの振幅差を拡大する手段と、
を含むことを特徴とする超音波計測装置。 An array type transducer configured by a plurality of transducer elements arranged in water and outputting a plurality of received signals by receiving ultrasonic waves;
By executing the phasing addition process while changing the phasing direction with respect to the plurality of received signals, a plurality of phasings corresponding to the plurality of phasing directions are obtained as a signal string reflecting the directivity characteristics of the array converter. Phasing addition means for generating a phase signal;
Amplitude difference enlargement processing means for applying an amplitude difference enlargement process for improving the directivity of the array converter afterwards with respect to the plurality of phasing signals;
Only including,
The amplitude difference enlargement processing means is
Means for extracting a data string composed of a plurality of data having the same distance relationship across the plurality of phasing signals for each distance from the array type converter;
Means for enlarging an amplitude difference of other data with respect to maximum data in the extracted data sequence;
An ultrasonic measurement apparatus comprising:
前記拡大する手段は、前記取り出されたデータ列に対してN乗処理(但しN>1)を適用するN乗処理手段である、ことを特徴とする超音波計測装置。
ことを特徴とする超音波計測装置。 The apparatus of claim 1.
Wherein the means for expanding, N-th power to the retrieved data string processing (where N> 1) is an N-th power processing means to apply ultrasonic measuring apparatus characterized by.
An ultrasonic measurement apparatus characterized by that.
前記振幅差拡大処理手段は、更に、
前記データ列に対して正規化処理を施して正規化データ列を生成し、当該正規化データ列に対して前記N乗処理が適用されるようにする前処理手段と、
前記N乗処理後の正規化データ列に対して振幅復元処理を施して複数の復元データ列を生成する後処理手段と、
を含むことを特徴とする超音波計測装置。 The apparatus of claim 1 .
The amplitude difference enlargement processing means further includes:
Pre-processing means for generating a normalized data string by performing a normalization process on the data string, and applying the N-th power process to the normalized data string;
Post-processing means for performing an amplitude restoration process on the normalized data string after the N-th power process to generate a plurality of restored data strings;
An ultrasonic measurement apparatus comprising:
前記複数の変換素子における素子間ピッチpは、前記超音波の中心周波数における波長をλとした場合、0.5λ<p<1.0λの条件を満たす、ことを特徴とする超音波計測装置。
The device according to any one of claims 1 to 3,
The inter-element pitch p in the plurality of conversion elements satisfies the condition of 0.5λ <p <1.0λ, where λ is the wavelength at the center frequency of the ultrasonic wave.
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