JP6754922B2

JP6754922B2 - 超音波送受波装置

Info

Publication number: JP6754922B2
Application number: JP2015087677A
Authority: JP
Inventors: 片倉　景義; 景義片倉; さゆり松本
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: JP2016205997A

Description

本発明は、空間分解能の高い超音波送受波装置に関する。

空間の三次元情報を超音波により映像化する装置は種々知られている。それらにおいて、最も有効な方法の一例として、分極軸を反転した配列送受波器（特許文献１参照）に周波数の異なる信号を印加し、三次元空間に超音波信号を掃引照射して対象物からの反射信号を受信する事により、三次元空間の情報を収集する水中撮像装置（特許文献２参照）が知られている。

しかし、特許文献２の方式によると、方位方向の高分解能化には、距離分解能の低下を伴い、方位方向の高分解能化及び距離分解能の両者を同時に改善し、高度の三次元空間分解能を実現する事が困難である。

そこで、この問題点を改善する方法として、一次元配列振動子を多数の部分口径に分割し、該部分口径ごとに駆動信号を印加して超音波信号を送信し、該送信信号が、目的物体により反射された信号を受信する構成において、部分口径の電極形状、駆動信号波形、駆動信号強度分布を選定する事により、方位と距離の分解能を同時に改善可能とする超音波送受波装置（特許文献３参照）も知られている。

しかし、この超音波送受波装置は送波器部分口径の電極形状構成が特に複雑になり、空間分解能性能の向上にも限界がある。

また、超音波信号の掃引照射方向に直交する方向の空間分解能を付与するために、受波器を有限口径とし、受波器を二次元面状とする超音波格子化３次元電子化撮像装置も知られていて、この構成による副次的な効果として空間分解能の向上も期待される（特許文献４参照）。

しかし、このような従来の構成によると、受波器併用による指向特性改善効果が不十分であり、空間分解能性能の向上には限界がある。

また、特許文献２の方式によると、焦点距離の変更が困難であり、部分口径を駆動する信号の印加時刻を、一次元配列上の部分口径位置に応じ凹面状に設定することにより、焦点距離を電子的に変更可能とする提案も見られるが（特許文献３参照）、送波器開口の辺縁部が貢献しないことから、解像度の低下が甚だしい。

さらに、特許文献２の方式によると、各方向への信号照射に有限の時間を要することから、全方向への照射完了までに長時間を要することとなり、この時間帯は送信信号による妨害により受信が困難となり、近距離部位に広範囲の計測不能領域が発生する。

以上のような状況から、特に近距離観察時において要求される、方位及び距離の分解能を同時に高度化し、高度の三次元空間分解能を実現することは困難である。

特開昭４７−２６１６０号公報特公昭５１−４４７７３号公報特開２０１０−７１９６７号公報特開２０１３−５７５１８号公報特開２０１５−３３４７３号公報

このように解決しようとする問題点は、超音波信号の掃引照射による三次元計測装置において、方位と距離の空間分解能を同時に簡便に改善する手段が、特に近距離観測空間において提供されない点である。

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、特に近距離観測空間において、方位と距離の空間分解能を同時に改善することができる超音波送受波装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波送受波装置は、超音波信号の送波方位を周波数に対応させると共に、一次元配列振動子が複数の部分口径に分割された送波器と、前記送波器から送信された信号が目的物体により反射された反射信号を受信すると共に、超音波信号の受波方位を周波数に対応させる受波器を備えた超音波送受波器において、前記受波器が前記送波器の前記部分口径以上の受波器幅を有し、前記受波器幅に対して受波感度の加重を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る超音波送受波装置において、前記部分口径を駆動する各方向への信号の信号波形相互に重複部を許容する時間波形とすると好適である。

また、本発明に係る超音波受波装置において、前記受波器は、前記一次元配列振動子の反転分極素子の配列方向に直交する方向に前記一次元配列振動子を複数配列し面状の受波器として構成すると好適である。

本発明によれば、超音波信号を送受波することによって目的物体の計測を行う超音波受波装置において、受波器の構成と凹面収束の構成および、駆動信号の構成を選定する事により、方位分解能および観察領域制限を同時に改善可能とする利点を有する。

以下、本発明に係る超音波受波装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。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。

本発明の第１の実施形態に係る超音波送受波装置に用いられる送波器の構成を説明するための図。図１の送波器による指向特性を示した図。従来の受波器の構成を説明するための図。従来の受波器の指向性を利用した送受波総合の指向特性を示した図。本発明の第１の実施形態に係る超音波送受波装置で用いられる駆動信号波形を示す図。図５に示した駆動信号波形を用いた場合の送受波総合の指向特性を示した図。本発明の第１の実施形態に係る超音波送受波装置に用いられる受波器の構成を説明するための図。図７に示した受波器を用いた場合の送受波総合の指向特性を示した図。さらに図５に示した駆動信号波形を用いた場合の送受波総合の指向特性を示した図。本発明の第２の実施形態に係る超音波送受波装置に用いられる凹面収束用音響レンズの構成を説明するための図。従来の送波器が全方向への照射完了までに要する時間を説明するための図。本発明の第３の実施形態に係る超音波送受波装置に用いられる送波器が全方向への照射完了までに要する時間を説明するための図。本発明の第３の実施形態に係る超音波送受波装置に用いられる駆動信号波形の変形例を説明するための図。本発明の第４の実施形態に係る超音波受波装置に用いられる駆動信号波形を用いた場合の送受波総合の指向特性を示した図。本発明の第５の実施形態に係る超音波送受波装置に用いられる受波器の構成を説明するための図。本発明に係る超音波送受波装置に用いられる受波器の変形例を説明するための図。本発明の第５の実施形態に係る超音波受波装置の全体構成を説明するための図。本発明の第３の実施形態に係る超音波受波装置に用いられる駆動信号波形の更なる変形例を説明するための図。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受波装置に用いられる送波器の構成を説明するための図であり、部分口径内の素子数をｎ、配列送波器内の部分口径数をｍ、総素子数ｍｎとし、駆動信号の時間長をＴとしている。

図１に示されるように、本実施形態に係る超音波送受波装置に用いられる送波器１０は、振動子１１の分極軸を反転した一次元配列振動子を備え、該一次元配列振動子を複数の部分口径１２に分割し、該部分口径１２ごとに駆動信号を印加して超音波を送波する。

また、印加する駆動信号の周波数を部分口径１２ごとに変化させることにより超音波を送波する方向が変化する。さらに、送波された超音波を用いた計測において実現される距離分解能は、信号時間長Ｔにより与えられ、概略ｃＴ／２（ｃ：音速）となる。

特許文献３に開示された、従来の多分割配列（素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号長３２周期矩形包絡線）による指向特性は図２となる。

このように、特許文献３の構成における指向特性は、図２に見られるように、強い不要応答強度を示している。

一方、特許文献４には、図１の構成により送波し、反射信号を図３に示す有限口径の受波器１２０により受信することにより、受波器１２０の指向性を利用する構成が開示されている。

この特許文献４の構成によると（送波：素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号長３２周期矩形包絡線）、図３に示す受波器幅を送波器の部分口径幅と同一としている。

この、特許文献４の構成によると、受波器１２０の指向性を利用することにより、送受波総合の指向特性は図４に示す通りとなる。

図４に示すように、特許文献４の構成によると、第一副極大は−２５ｄＢ程度まで抑圧されるが、特許文献３の構成による図２と類似した不十分な特性であることがわかる。

そこで、本発明における第１の実施形態に係る超音波送受波装置の第一構成においては、特許文献４の構成において、駆動信号波形３０に図５に示す三角重みを加える。

この、本発明における第１の実施形態に係る超音波送受波装置の第一構成（送波：素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号長６４周期三角形包絡線）による送受波総合の指向特性は図６となり、図６から明らかなように、副極大は大幅に抑圧される。

さらに、本発明における第１の実施形態に係る超音波送受波装置の第二構成においては、受波器２０が図３に示した従来の受波器１２０の２倍の開口幅を有し、開口上に三角形感度重みを加えた図７に示す受波器２０により目的対象から反射した反射信号を受信する。

本発明における第１の実施形態に係る超音波送受波装置の第二構成（送波：素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号長３２周期矩形包絡線）について、開口上に三角感度重みを加えた受波器２０を使用した場合においては、図７に示すように、受波器２０が図３に示した従来の受波器１２０の２倍の開口幅を有し、開口上に三角形感度重み２１を加えた受波器２０により目的対象から反射した反射信号を受信することから、受波指向性における第１零点と送波指向性における第１副極大位置とが一致し、第１零点付近における抑圧度も大きくなることから、送受波総合の指向特性は図８に示す通りとなり、特許文献４の結果から特性が改善される。

本発明における第１の実施形態に係る超音波送受波装置の第三構成においては、駆動信号波形として図５に示す三角重み波形を使用する。

本発明における第１の実施形態に係る超音波送受波装置の第三構成（送波：素子総数１２８、部分口径数１６、部分口径内素子数８、信号長６４周期三角形包絡線）について、駆動信号波形として三角重み波形を使用した場合による送受波総合の指向特性は図９に示す通りとなり、特許文献４の結果からは特性が大幅に改善され、第１の実施形態に係る超音波送受波装置の第一構成からも更に改善され、各種構成中における最高の特性が実現される。

［第２の実施形態］
次に、第１の実施形態とは異なる構成を備えた第２の実施形態に係る超音波送受波装置について説明を行う。従来から知られている特許文献２の方式により近距離物体の計測を行う場合には、音響レンズにより収束させる必要があるが、音響レンズによる収束操作においては収束焦点距離の変更が困難である。

そこで、部分口径を駆動する信号の印加時刻を、可変遅延線により、一次元配列上の部分口径位置に応じた凹面状に設定し、その遅延時間曲率を可変とすることにより、焦点距離を電子的に変更可能とする構成（特許文献３参照）が知られている。

しかし、この特許文献３の構成によると、送波器開口の辺縁部が焦点音圧に貢献しないことから、焦点において限界解像度からの甚だしい解像度低下が確認された。

このような、焦点における解像度低下を防止する本実施形態に係る超音波送受波装置による構成を、第２の実施形態として図１０に示す。

本実施形態に係る超音波送受波装置は、特許文献３における凹面可変遅延のみによる収束構成と異なり、図１０に示すように、特定焦点距離用の凹面収束用音響レンズＬＺと、一次元配列上の部分口径１２位置に、固定焦点距離からの距離変更に対応する変更用微小遅延時間（凹面、平面あるいは凸面となる）を与える、補正遅延回路ＶＤとを有する。

本実施形態に係る超音波送受波装置においては、凹面収束用の音響レンズＬＺを有することから、辺縁部からの音波ａ，ｄも焦点ｏに同位相にて到達し、送波器の全開口が焦点における音圧形成に貢献することから、送波器の開口と音波波長により定まる限界解像度が、焦点において実現される。

［第３の実施形態］
次に、上述した実施形態と異なる駆動信号を用いた第３の実施形態に係る超音波送受波装置について説明を行う。

従来から知られている特許文献２の方式によると、図１に示すように、１方向への照射に時間ｍＴ（＝Ｌ/ｃ、ｃ：音速）を要することから、照射方向をＫ方向とし、各方向への照射パルス長をＴ_nとすると、図１１に示すように、全方向への照射完了までにｍ（Ｔ₁＋Ｔ₂＋−−−−＋Ｔ_k）なる長時間を要することとなる。

この音波照射時間中は、送信信号による妨害により、反射信号の受信が困難となり、近距離部位に広範囲の計測不能領域が発生する。

そこで、本実施形態に係る超音波送受波装置で用いられる駆動信号は、図１２に示すように、各方向への駆動信号を重畳させて送波器１０より送波する。

このような駆動信号とすることにより、信号駆動時間がｍＴ１＋Ｔ２＋・・・Ｔｋとなり、図１０に示した第２の実施形態に係る超音波送受波装置の構成に比して大幅に短縮され、近傍の観測不能領域が大幅に減少される。

また、図１３に示すように、部分口径１２ごとに波形が異なる波形により駆動することにより、収束用音響レンズＬＺを使用することなく、近傍における理想的な収束を実現可能になる（特許文献５）が、この方式にも、図１２に示した駆動方式は当然適用可能であり、このような構成においても、同様に近傍の観測不能領域が大幅に減少される。

［第４の実施形態］
図４に示すように、受波指向特性を利用する特許文献４の構成によると、第一副極大は−２５ｄＢ程度まで抑圧されるが、特許文献３の構成による図２と類似した不十分な特性である。

そこで、受波指向特性を利用することなく、第４の実施形態に係る超音波送受波装置においては、特許文献３に開示された構成において、駆動波形を図５に示した三角重みを加えた駆動信号とすると、指向特性は図１４に示す通りとなり、図２の特性から大幅に改善される。

［第５の実施形態］
また、図７に示した一次元配列の受波器２０を、特許文献３に示されたように、反転分極素子の配列方向に直交する方向に複数配列し面状の受波器２０´とする図１５に示す構成においても、本発明の構成が有効に適用可能であり、この実施形態の全体構成を図１７に示す。

本発明は、以上述べた構成に限定されるものではなく、駆動波形を図５に示す三角重みを加えた駆動波形とする処理は、濾波処理あるいは相関処理等による畳み込み処理等により等価に実現することも可能である。

また、図１５に示す面状の受波器２０´とする構成において、図１６に示すように、受波面の形状あるいは吸音材２２を載置するなどの加重処理により、一方向への投影量が周辺部で低下するような状況、例えば菱形あるいは円盤形とすることにより、更に指向性における不要応答が低下することも可能である。

これらの有効な加重形態にはハニング、ガウス等種々知られている。

また、図１３に示す構成において、図１８に示す長時間波形あるいは加重波形により送波器１０を駆動することにより、図５の波形を使用した場合と同様に、方位分解能の向上が可能となる。

本発明は、簡便な構成により、方位分解能および観察領域に対する制限を同時に改善可能とする利点を有することから、超音波信号による計測装置の高度化に有効である。

１０送波器，
１１振動子，
１２部分口径，
２０，２０´，１２０受波器，
２１三角感度重み，
２２吸音材，
３０駆動信号。

Claims

超音波信号の送波方位を周波数に対応させると共に、一次元配列振動子が複数の部分口径に分割された送波器と、前記送波器から送信された信号が目的物体により反射された反射信号を受信すると共に、超音波信号の受波方位を周波数に対応させる受波器を備えた超音波送受波器において、
前記受波器が前記送波器の前記部分口径以上の受波器幅を有し、前記受波器幅に対して受波感度の加重を行うことを特徴とする超音波送受波装置。
請求項１に記載の超音波送受波装置において、
前記部分口径を駆動する各方向への信号の信号波形相互に重複部を許容する時間波形とすることを特徴とする超音波送受波装置。
請求項１又は２に記載の超音波送受波装置において、
前記受波器は、前記一次元配列振動子の反転分極素子の配列方向に直交する方向に前記一次元配列振動子を複数配列し面状の受波器として構成したことを特徴とする超音波送受波装置。