JP5674066B2 - 超音波計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波計測装置に係り、簡単な装置構成により、海底等の広域状況を連続把握することを可能とする計測装置に関する。

従来から、船体下方の扇状領域に多数の超音波ビームを送波し、送波した超音波ビームの反射波の反射信号と、船体の移動量のデータとを処理することにより海底形状を連続的に把握する装置が知られている。

また、特許文献１に記載されているように、周波数により送波方位が異なる送波器を用いて、三次元空間を直接計測することを可能とする計測装置も知られている。

従来の計測方法は、図１４（ａ）に示すように、ｙ−ｚ面内には細く、一方、図１４（ｂ）に示すように、ｘ−ｙ面内には、扇形状の細いビーム１２０を形成して船体２より送波し、このビーム１２０による反射信号により海底１３０のｘ方向の一直線上の海底形状の情報を計測している。ここで、図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、船体に固定した直角座標系をｘ−ｙ−ｚとし、船首方向をｚ軸、船側方向をｘ軸、船底方向をｙ軸方向とする。

このように船体２に取り付けられた従来の計測装置は、図１５（ａ）から（ｃ）に示すように、船体２の航行時間ｔと共に、海底１３０の状況を知ることができるようになっている。ここで、海底１３０の高低は、図１５（ｃ）に示すように、色相又は等高線その他の手段により表示され、視認することができるようになっている。

次に、従来の計測装置１００の構成を説明する。

図１６に示すように、従来の計測装置１００は、方位方向ｘに周波数の異なる超音波１２０を送波する送波器１１０と、該超音波１２０を一次元方向にのみに収束し、扇形超音波ビーム１２１を対象物１３１に照射する送波用の円筒型音響レンズ１１１と、該対象物１３１からの反射波１２２をｚ軸方向に分割された受波検出面１４２に物体像として結像する受波音響レンズ１４１とを備えている。

また、受波検出面１４２は、図１７に示すように、方位方向ｘに細長く形成された受波素子１４３をｚ方向に配列されることで、ｚ軸方向に分割された受波検出面１４２を形成している。

このように従来の計測装置１００は、対象物１３１に照射する扇形超音波ビーム１２１の周波数が方位方向ｘの位置により異なることから、図１７に示すように、受波検出面１４２上の物体像における方位方向ｘの位置は、各受波素子１４３の出力における信号周波数成分強度により知ることが出来るようになっている。一方、ｚ方向の位置は、信号が現れる受波素子１４３の位置として知ることができる。従って、これら二つの位置情報により対象物１３１の二次元形状を知ることができる。

また、対象物１３１までの距離は、超音波ビーム１２１の伝搬速度と送波時刻から受波時刻までの往復伝搬時間から知ることができる。このように、従来の計測装置１００は、対象物１３１の二次元形状に加え、三次元空間内における対象物１３１の全体形状を知ることができるようになっている。

特開昭４７−２６１６０号公報

しかしながら、上述した従来の計測方法によると、方位方向ｘに扇形に多数送波される細い超音波ビーム１２０の放射方向は、船体２の三次元位置及びロール，ピッチ，ヨウの６条件により変動することから、その計測位置の精度が低下し、より精度の高い計測結果を得るためには、これら６条件を全て把握し、その把握した条件により計測結果を補正する必要があり、装置が大規模になってしまうといった問題があった。

また、従来の計測装置１００は、計測装置の正面（ｚ−ｘ平面）の観測視野内の対象物１３１の形状を計測する場合についてのみ適用可能であり、広範囲の連続計測には適用することができないといった問題もあった。

さらに、従来の計測方法は、超音波の伝搬速度が１５００ｍ／ｓ程度であることから、仮に水深を７５ｍとすると、送波した超音波が対象物１３１に反射して往復するのに０．１秒を必要とする。このため、海底形状を１０ｃｍの精度で計測するためには、船体２の最高運航速度が１０ｃｍ／０．１ｓ＝１ｍ／ｓ（２ノット）に制限され、作業効率が極度に低下するといった問題もあった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、船体の三次元位置及びロール，ピッチ，ヨウの６条件を把握することなく、高速運航下においても、海底形状を連続計測することができる超音波計測装置を提供することを主たる課題とする。

本発明に係る超音波計測装置は、超音波を送波する送波器と、前記送波器から送波された超音波の対象物からの反射波を受波する受波器と、前記対象物からの反射波の情報を三次元計測結果として処理する処理手段とを備える超音波計測装置において、前記三次元計測結果を順次連結させる連結手段を含み、前記連結手段は、前記三次元計測結果の相互位置関係を決定する決定手段を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る超音波計測装置において、前記三次元計測結果は、前記送波器から遠方に行くに従って広がる測定領域内の前記対象物の測定結果であることができる。

また、本発明に係る超音波計測装置において、超音波の伝搬音速と伝搬音速と送波時刻から受波時刻までの往復伝搬時間とにより、前記送波器から前記対象物までの距離を得ることができる。

本発明に係る超音波計測装置は、三次元計測結果を順次連結させる連結手段を含んでいるので、船体の三次元位置及びロール，ピッチ，ヨウの６条件を把握することなく、高速運航下においても海底形状の連続計測を行うことができる。

また、本発明に係る超音波計測装置は、三次元計測結果が、送波器から遠方に行くに従って広がる測定領域内の対象物を測定し、該三次元計測結果を連結手段で順次連結しているので、対象物の立体形状を正確に把握することができる。即ち、三次元計測結果は、対象物の斜め方向からの計測結果を含んでいるので、例えば、対象物が海底面から浮き上がった状態であった場合でも、該浮き上がった状態を的確に計測することが可能である。

本実施形態に係る超音波計測装置の構成を説明する概略図である。 本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器の構成を説明する概略図である。 本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器から送波される超音波の方向を説明するための図である。 本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器に印加される駆動信号と送波される超音波との関係を説明するための図である。 本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器の別形態を説明するための図である。 本実施形態に係る超音波計測装置の一回の計測方法を説明するための図である。 船体の運航と計測結果との関係を説明するための図である。 船体の運航に伴って計測した計測結果を連結する連結手段を説明するための図である。 連結手段によって連結された計測結果を示す図である。 連結された計測結果がＹ軸方向に誤差を有することを説明するための図（ａ）と、連結された計測結果を位置情報補正手段により補正した結果を説明するための図（ｂ）である。 連結された計測結果がＸ軸方向に誤差を有することを説明するための図（ａ）と、連結された計測結果を位置情報補正手段により補正した結果を説明するための図（ｂ）である。 連結された計測結果が傾斜した誤差を有することを説明するための図である。 本実施形態に係る超音波計測装置の連結手段における連結の方法を説明するための図である。 従来の計測方法を説明するための概略図である。 従来の計測結果を示す概略図である。 従来の計測装置の構成を説明するための概略図である。 従来の計測装置の受波検出面の構成を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る超音波計測装置の構成を説明する概略図であり、図２は、本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器の構成を説明する概略図であり、図３は、本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器から送波される超音波の方向を説明するための図であり、図４は、本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器に印加される駆動信号と送波される超音波との関係を説明するための図であり、図５は、本実施形態に係る超音波計測装置を構成する送波器の別形態を説明するための図であり、図６は、本実施形態に係る超音波計測装置の一回の計測方法を説明するための図であり、図７は、船体の運航と計測結果との関係を説明するための図であり、図８は、船体の運航に伴って計測した計測結果を連結する連結手段を説明するための図であり、図９は、連結手段によって連結された計測結果を示す図であり、図１０（ａ）は、連結された計測結果がＹ軸方向に誤差を有することを説明するための図であり、図１０（ｂ）は、連結された計測結果を位置情報補正手段により補正した結果を説明するための図であり、図１１（ａ）は、連結された計測結果がＸ軸方向に誤差を有することを説明するための図であり、図１１（ｂ）は、連結された計測結果を位置情報補正手段により補正した結果を説明するための図であり、図１２は、連結された計測結果が傾斜した誤差を有することを説明するための図であり、図１３は、本実施形態に係る超音波計測装置の連結手段における連結の方法を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係る超音波計測装置１は、方位方向ｘに周波数の異なる超音波を送波する送波器１０と、該超音波を一次元方向にのみに収束し、扇形超音波ビーム２１を対象物３０に照射する送波用の円筒型音響レンズ１１と、該対象物３０からの反射波２２をｚ軸方向に分割された受波検出面４２に物体像として結像する受波音響レンズ４１と、該結像された物体像を画像として処理する処理手段５０と、該処理手段５０により画像処理された複数の計測結果を連結する連結手段５１とを備えている。

図２に示すように、本実施形態に係る超音波計測装置１を構成する送波器１０は、圧電素子１５の分極軸１５ａ，１５ｂを交互に反転して配列されており、そのｙ軸方向の両端面に夫々、グランド電極１２とホット電極１３とからなる共通電極を形成した配列送波器として形成されている。このグランド電極１２及びホット電極１３間に駆動信号１４を印加すると、その信号周波数に応じて異なる方向に超音波ビーム２１ａを送波することができるようになっている。

次に、図３を参照して、超音波ビーム２１ａの送波される方向について説明する。

図３（ａ）に示すように、グランド電極１２及びホット電極１３間に駆動信号１４を印加すると、配列された各圧電素子１５から、図３（ａ）に示すように円弧に示す駆動信号１４の周波数に応じた波長λの波面が形成されて送波される。ここで、図３乃至図５においては、実線と破線とで位相が１８０度異なる波形が送波されている状態を示している。図３（ａ）から明らかなように、同時刻の隣り合った波面の位相が反転しているため、波面の法線方向では、送波された波面が相殺され、超音波ビーム２１ａの放射方向は、圧電素子１５の配列方向と直交する方向から放射角θ傾斜した方向に送波される。

ここで、印加される駆動信号１４の周波数が高い場合には、波長が短いことから、図６（ａ）に示すように、正面方向近傍方向へ超音波ビーム２１ａが放射される一方、駆動信号１４の周波数が低い場合には波長λ´が大きくなることから、図６（ｂ）に示すように、放射角がより傾斜した方向へ波面が形成される。ここで、放射角θは、圧電素子１５の
ピッチｄ，駆動信号１４の周波数ｆおよび駆動信号１４の波長λから数１により与えられる。

また、このときの遠距離音場指向特性Ｒ（θ）は、数２により与えられる。

本実施形態に係る超音波計測装置１の送波器１０は、これらの関係を利用して超音波ビーム２１ａを方位方向ｘに走査するものであり、図４に示すように、単一の信号線により駆動信号１４を印加することで周波数掃引を行うことにより、超音波ビーム２１ａを扇形に走査することができる。なお、図４においては、超音波ビーム２１ａの放射方向のみを示し、各圧電素子１５から放射された円弧の波面は省略して図示した。

また、送波器１０の送波面全体の空間分解能を実現するためには、全圧電素子からの波面が寄与する必要があり、図４に示すように圧電素子の総数程度（位相が反転するため半分）の波数（図４では５周期）を有する駆動信号１４が必要となる。

さらに、送波器１０を部分口径１３ａ，１３ｂとして分割して形成し、時間差Ｔを有する短い駆動信号１４ａ，１４ｂを該部分口径１３ａ，１３ｂに夫々印加することで、超音波ビーム２１ａの方向に短い超音波信号を送波し、高い距離分解能を実現することができるように形成しても構わない。

このように、方位方向に周波数が異なる送波を行うと、方位ｘを反射波の周波数により知ることができることから、例えば、時間と共に周波数が変化する波形又は、広帯域雑音を送波することにより、全三次元空間の計測が一回の超音波伝搬時間により可能となる。

次に、図６及び図７を参照して、本実施形態に係る超音波計測装置１の計測方法について説明する。

図６（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態に係る超音波計測装置１は、船体２に設置され、船体２の船底から海底の対象物３０に向けて超音波ビーム２１を送波し、その反射波を受波することで、図６（ｃ）に示すような計測結果を得ることができる。

ここで、図６（ｂ）に示すように船底からの視野角αを３０度程度とすると、図６（ｃ）における計測結果の一辺の長さは、水深の半分となる。例えば、水深１００ｍにおいては、一辺５０ｍの海底状況が凹凸の程度を含め三次元的に描出された一回の計測結果として得ることができる。ここで、一回の計測結果は、計測する所要時間が短いことから、船体２の動揺等による幾何学的な歪の影響を受けることなく、正確な海底の三次元形状を示すことができる。

ここで、図６（ｃ）に示された計測結果は、海底形状として正しいものであるが、船体２からの相対的な位置関係を示す船体座標系（ｘ−ｙ−ｚ）によるものであり、日本測地系のような地表に固定した座標系とは対応しない。以後、これら日本測地系（準拠楕円体
座標系）のような、地表面に固定された直角座標系をＸ−Ｙ−Ｚとして表す。

図６に示されたように、図７のａ，ｂ，ｃの各位置において実行すると、船体２が正確に等速直線運動を行っていれば、各位置において、計測結果６０ａ，６０ｂ，６０ｃとして得ることができる。これらの計測結果６０ａ，６０ｂ，６０ｃは、船体座標系における正しい海底状況である。

次に、図８及び図９を参照して本実施形態に係る超音波計測装置１の連結手段５１の処理方法について説明する。

図７に示された計測結果６０ａ，６０ｂ，６０ｃは、上述したように、船体座標系における正しい海底状況を表したものであるが、船体２の航行は、等速直線運動と異なり、種々の要因により変動する。ここで、一般的に、合同な二個の三次元構造物は、直線状になり三点が一致すると、全体として重なることから、図７における計測結果６０ａ，６０ｂ，６０ｃは、図８に示す計測結果６０ａにおける特徴点７０ａ，７０ｂ，７０ｃと、計測結果６０ｂにおける特徴点７０ａ´，７０ｂ´，７０ｃ´とを重ね、同様に、計測結果６０ｂにおける特徴点７０ｄ，７０ｅ，７０ｆと、計測結果６０ｃにおける特徴点７０ｄ´，７０ｅ´，７０ｆ´とを重ねることにより船体２の位置を知ることなく、地表面に固定された直角座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ上に連結することができる。

ここで、計測結果６０ａの特徴点７０ａ，７０ｂ，７０ｃは、連結手段５１の備える決定手段より三点が一直線上に並ばないように選定されて決定される。また、計測結果６０ｂの特徴点７０ａ´，７０ｂ´，７０ｃ´は、計測結果６０ａの特徴点と合同となるように決定される。

連結手段５１により連結された計測結果６１は、図９に示すように表示して得られ、正しい広域な海底形状として連結される。このように、本実施形態に係る超音波計測装置１は、船体位置の情報を必要としないことから、船体２が動揺した場合においても、動揺等に影響されることなく、地表面に固定された直角座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ上に正しい海底形状として連結表示された計測結果を得ることができる。

次に、連結手段５１により連結された計測結果６１の補正方法について、図１０乃至図１２を参照して説明する。

図９に示されたように、計測結果６１を連結して表示すると、船体２の位置情報は、時系列的に推定される。ここで、装置誤差等により、計測結果６１がバイアス誤差を有する場合には、全計測結果６０ａ，６０ｂ，６０ｃが傾斜して連結され、推定される船体２の地表面に固定された直角座標上におけるＹ座標の位置が図１０（ａ）に示すように徐々に浅く表示されることになる。

そこで、複数回の連結処理毎に、ＧＰＳの信号等により船体２のＹ座標方向の位置を確認し、位置情報処理手段によってピッチ角方向の平均誤差を補正している。このように船体２の位置のＹ座標が位置情報処理手段によって補正され、図１０（ｂ）に示すように、水平となり、地表面座標上における海底深度の正確な連続計測を行うことが可能となっている。

また、同様に、水平面内位置（Ｚ−Ｘ平面）において、連結処理に誤差が累積した場合には、図１１（ａ）に示すように、推定される船体２のＺ−Ｘ座標の位置が、実際の水平面位置と異なることとなる。そこで、ＧＰＳ等によるより信頼性の高い情報により位置情報補正手段によりＺ−Ｘ座標を平均的に修正することにより、図１１（ｂ）に示すような
より正確な地表面座標上における地形図を完成させることができる。

さらにまた、図１２に示すように、船体２がローリングしている状況において計測を開始すると、全計測結果６０ａ，６０ｂ，６０ｃが傾斜してしまうこととなる。ロール角については、上述したような複数回の計測結果における累積誤差による補正方法が利用できないため、船体２のロール角βを計測する検出手段を船体２に装備し、水平の確認を行っている。そして、この検出手段により得られたロール角情報に基づいて、ロール角補正手段により計測結果を補正し、地表面座標上における正確な連続計測を行うことが可能となっている。

次に、図１３を参照して、各計測結果６０ａ，６０ｂ，６０ｃを連結する方法について説明する。図１３においては、特徴点７０ａ，７０ｂ，７０ｃと、特徴点７０ａ´，７０ｂ´，７０ｃ´とを重ねる場合について説明する。

図１３に示すように、まず、計測結果６０ａの任意の一点（本実施形態においては、特徴点７０ａ）とそれに対応する計測結果６０ｂの特徴点（本実施形態においては、特徴点７０ａ´）とをベクトル７０ａ７０ａ´だけ平行移動し、三角形７０ａ７０ｂ７０ｃを三角形７０ａ´７０ｂ１７０ｃ１とする。その後、頂点７０ｂ１を７０ｂ´と一致させるために、頂点７０ａ´を中心として座標軸を角度φ１だけ回転し、三角形７０ａ´７０ｂ１７０ｃ１を三角形７０ａ´７０ｂ´７０ｃ２とする。そして、頂点７０ｃ２を７０ｃ´と一致させるために、線分７０ａ´７０ｂ´を中心として座標軸を角度φ２だけ回転し、三角形７０ａ´７０ｂ´７０ｃ２を三角形７０ａ´７０ｂ´７０ｃ´とすることにより、計測結果６０ａと計測結果６０ｂとを重ね合わせている。この３種の座標変換により、原点も同時に移動し、新しい船体２の位置を示すこととなる。

このように構成された超音波計測装置１は、船体の三次元位置及びロール，ピッチ，ヨウの６条件を把握することなく、高速運航下においても海底形状の連続計測を行うことができる。

１ 超音波計測装置、 ２ 船体、 １０ 送波器、 １１ 送波用音響レンズ、 １２ グランド電極、 １３ ホット電極、 １４ 駆動信号、 １５ 圧電素子、 １５ａ，１５ｂ 分極軸、 ２１ 超音波ビーム、 ２２ 反射波、
３０ 対象物、 ４１ 受波音響レンズ、 ４２ 受波検出面、 ５０ 処理手段、 ５１ 連結手段、 ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅ，７０ｆ，７０ａ´，７０ｂ´，７０ｃ´，７０ｄ´，７０ｅ´，７０ｆ´ 特徴点、 θ 放射角、 ｄ 圧電素子ピッチ、 ｆ 駆動周波数、 λ 波長、 Ｔ 信号時間差、
α 視野角、 β ロール角

Claims (3)

1. 超音波を送波する送波器と、
   前記送波器から送波された超音波の対象物からの反射波を受波する受波器と、
   前記対象物からの反射波の情報を三次元計測結果として処理する処理手段とを備える超音波計測装置において、
   前記三次元計測結果を順次連結させる連結手段を含み、
   前記連結手段は、前記三次元計測結果の相互位置関係を決定する決定手段を含むことを特徴とする超音波計測装置。
2. 請求項１に記載の超音波計測装置において、
   前記三次元計測結果は、前記送波器から遠方に行くに従って広がる測定領域内の前記対象物の測定結果であることを特徴とする超音波計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の超音波計測装置において、
   超音波の伝搬音速と送波時刻から受波時刻までの往復伝搬時間とにより、前記送波器から前記対象物までの距離を得ることを特徴とする超音波計測装置。

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