JP6923884B2 - 超音波３次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像取得装置に係り、海などの水中において音響信号を送波し、その対象物からの反射波により水の濁度や照度に関わらず広い空間の３次元映像を取得する３次元撮像装置に関する。

３次元撮像の実現には、基本的には、電極をマトリックス状に２次元配置する必要があり、高分解能装置の実現のためには、多数（１００００個程度）の電極が必要となり、実用化が極めて困難となる。

そこで発明者は、周波数ごとに異なる方向に超音波を照射する１次元配列の送波器を有し、送波器配列方向と直交する方向に１次元分割した受波器を有する、３次元撮像方式を開発している。

周波数ごとに異なる方向に超音波を照射し、３次元撮像する方式は種々知られている。

周波数ごとに異なる方向に超音波を掃引照射する方法による公知例を、図１に示す。この方式は、発明者らによる特許文献１に示された方式である。

図１における送波器８は、方位ごとに周波数の異なる超音波を送出する。送波器８の、最も簡便な構成法は、発明者らによる公知技術であり、特許文献２に示されている。

この公知技術による送波器８は、図２に示すように、分極軸方向２１が交互に反転して形成されている圧電素子２０の両面に、共通電極として、一対の接地電極２２と信号電極２３を形成する。

この共通電極２２，２３間に、１本の駆動信号２５を印加すると、その信号周波数に応じて伝搬媒体９中の異なる方向に超音波波面２６を放射し、対象領域１０をｘ軸方向に走査する。

該超音波波面２６は、送波器８の形状が棒状であることから、図１に示す、ｘ軸方向には狭くｚ軸方向には広い扇形超音波ビーム１３となる。

ここでは、超音波波面２６が伝搬する方向を超音波波面放射方向２４とする。以下、超音波波面２６が、ｘ軸（送波器８の配列方向）に対して傾斜する角度をθとし、ｚ軸（仮に鉛直方向とする）に対して傾斜する角度をψとする。

送波器８の動作原理を図３に示す。共通電極２２，２３間に、正弦波駆動信号２５を印加すると、図５の円弧に示す波面が形成され（実線と破線で位相が１８０度異なることを示す）、同時刻の隣接した波面の位相が反転しているため、送波器８の法線方向では放射音波が相殺され、傾斜した方向である超音波波面放射方向２４に超音波ビームが形成される。

図３において、周波数が高い場合には、波長が短い事から、図５のａ）に示すように、高周波送波波面２７を正面近傍方向へ形成する。一方、周波数が低い場合には、波長が長い事から、図５のｂ）に示すように、低周波送波波面２８をより傾斜した方向へ形成する。

一方、対象物１５からの反射音波１４は、受波用の２次元収束音響レンズ１１により、図４に示す、ｚ軸方向（鉛直方向）に電極が分割された、１次元配列の
受波検出面１２上に結像され物体像１７となる。

図１の構成においては、対象物１５のｚ方向位置は、受波検出面１２上における分割素子１６の位置により知られる。

また、対象物１５の水平方向位置は、対象物１５の方位θ（ｘ軸方向に対して傾斜する角度）により、照射される信号の周波数が異なる事から、図４に示すように、素子出力信号１８中の信号周波数成分強度１９により知られる。

また、対象物１５までの距離は音波伝搬時間で知られることから、対象物１５の３次元情報が得られることとなる。

ここで、このような送波器による構成においては、特許文献３に示す口径分割による短パルス化も可能ではあるが、図３の動作原理から、基本的に送波パルス長が長くなり、距離分解能が低下する。

そこで本発明は、一次元方向を周波数により分離する構成において、直交配列した１次元配列受波器による、距離分解能の高い３次元撮像方式を提供する。

特公昭５２−４７６９７号公報 特開昭４７−２６１６０公報 特開２０１０−７１９６７公報

海洋音響学会編 「海洋音響の基礎と応用」成山堂書店 ２００４年

本発明は、高い距離分解能を有する、３次元撮像方式を提供する。

本発明は、一次元方向を周波数により分離する構成において、送波を短パルス化することにより、１次元配列の送波器と１次元配列の受波器により高い距離分解能を有する３次元撮像方式を提供する。

本発明により、距離分解能が向上し、３次元撮像用超音波撮像装置の高解像度化が可能となる。

公知例を示す説明図。 公知例による送波器を示した説明図。 公知例による送波器の動作原理を示した説明図。 公知例による受波器面の状況を示した説明図。 本発明の全体全体構成を示した説明図。 本発明の送波波面形成を示した説明図。（実施例１） 本発明の複数送波波面同時形成を示した説明図。 本発明の全方向複数送波波面同時形成を示した説明図。 本発明の時間短縮全方向複数送波波面同時形成を示した説明図。（実施例２） 送信波形の１例を示す説明図。 送信波形周波数スペクトルの１例を示す説明図。 同時送波可能な限界波面数U_Wを示す説明図。 複数回送波の動作を示す説明図（２回送波に付き図示）。（実施例３） 複数回送波による波面数KU_Wを示す説明図。 複数回送波による限界撮像時間ＴＦＫを示す説明図。 凹面収束する送波構成を示した説明図。（実施例４） 受波器と受波指向性合成部を示した説明図。（実施例５） 受波指向性合成部と濾波器群を示した説明図。 基本構成による表示状況を示す説明図。 低分解能表示による表示状況を示す説明図。 ψ方向表示による表示状況を示す説明図。 ψ方向表示による超高速表示の表示状況を示す説明図。 θ方向表示による表示状況を示す説明図。 クロス表示による表示状況を示す説明図。 深度ゲート表示による表示状況を示す説明図。 関心領域表示による表示状況を示す説明図。 カーソル表示を示す説明図。 低分解能表示とクロス表示あるはカーソル表示重ね合わせ表示を示す説明図。 低分解能表示、カーソル表示、クロス表示の３種並列表示を示す説明図。 低分解能表示、カーソル表示、関心領域表示の３種並列表示を示す説明図。 低分解能表示とクロス表示の２種重畳表示と関心領域表示の複合表示の説明図。 自動深度ゲート表示を示す説明図。 距離Ｆ１を焦点とする送波を行う方法を示す説明図。 隣接する複数の方向に同一周波数の波面を送波する方法を示す説明図。 受波器の口径全体に振幅加重を行う方法を示す説明図。 受波器の口径全体を分割して使用する方法を示す説明図。

高解像度化を可能とする各種構成を、実施例により以下に詳述する。
（実施例１）１次元送波配列の遅延制御駆動（周波数配置、正面方向高周波）

本実施例の、全体構成を図５に示す。

本実施例の、送波器分解能である、θ方向分解能を形成する送波指向性合成処理の動作を以下に示す。

図５に示す、本発明における送波器１０８は、全口径がＷ_Ｔであり、図６に示すように時間差Ｔ０を有する同一波形を各送波素子に印加することにより、良く知られたように、素子間隔Ｗ_Ｔ０と時間差Ｔ０により定まる方向に音波を送出する。

送波器１０８は、ｘ方向に広くｚ方向には狭い形状であることから、逆に、ｚ方向に広くｘ方向には狭い形状の照射波面４６を形成する。

送波器１０８による、照射波面４６のｘ方向幅が送波器分解能であり、装置構成により実現される最高の分解能である送波器限界分解能は、音波の回折限界角Ω_ＤＴにより定まり、送波器口径Ｗ_Ｔ、音波波長λ_Ｓ照射方位θにより与えられ、Ω_ＤＴ=λ_Ｓ／（Ｗ_Ｔｃｏｓθ）となる。

図６の基本構成によると、一回の送受信により１方向の計測のみが行われるため、撮像速度が遅くなる。

そこで、図７の構成において、ｆ_L ｆ_M ｆ_Hなる複数の周波数（この例では３種）を有する波形を、異なる時間差にて送波する。

ここで、送波器の駆動電子回路は電圧限界を有することから、図７に示すように、各波形が時間的に重ならないように設定することにより、電子回路の効率的使用構成となる。

このような送波を行うと、ｆ_L ｆ_M ｆ_Hなる複数の周波数を有する波面が、それぞれの時間差に対応する、異なる方向に送波され、受波器１３８の１素子である受波素子１５６により得られた受信信号を濾波器２０１により各周波数成分に分解することにより、一回の送受信により複数方向の計測結果が得られる。

このように、ｆ_L ｆ_M ｆ_Hなる複数の周波数を有する波面が、異なる方向に送波する場合において、目的方位以外に放射される不要放射の強度は、周波数が高いあるいは偏向角が大きいほど強くなることから、図７に示されたように、正面方向に高周波信号を放射し、辺縁方向に低周波信号を放射する構成が有効である。

このように、複数の周波数を有する波面を、それぞれ異なる方向に送波し、受波器１３８の１素子である受波素子１５６の、受信端子４４に得られた、反射体からの受信信号を濾波器２０１により各周波数成分に分解することにより、一回の送受信により複数方向の計測結果が得られ、それぞれ反射体が存在するθ方向の位置は、濾波器の選択周波数により知られる。

このように、ｆ_L ｆ_M ｆ_Hなる複数の周波数を有する波面が、異なる方向に送波する場合において、１回の送受信に要する時間は図７に示されたＴＦ１である。

次に、波形パック駆動を用いた第２の実施例について説明を行う。
（実施例２）波形パック駆動（片方向先行、不感時間帯の短縮）

図７の構成において、全視野を確保するには、例えば図８に示すように両半面の各方向へ、周波数の異なる送波を行うことになり、送波期間は全傾斜遅延時間の和（Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４＋Ｔ５）となり、送波期間中は受信が困難となることから、近傍における不感領域が大きくなる。

このような送波指向性合成処理において、図９に示すように、送波波面の方位が単調に変化する順序となるように構成とすることにより、不感時間は左右の最大傾斜遅延時間のみの和（Ｔ４＋Ｔ５）となり、特に照射方位が多数になった場合に、不感時間を大幅に短くすることが出来る。

次に、多数回インターリーブ送波を用いた第３の実施例について説明を行う。
（実施例３）多数回インターリーブ送波（高分解能化）

図７の送波指向性合成処理において、距離分解能は送信信号の時間長により定まる。ここで、図７の構成において、送信信号波形を図１０に示す菱形とし、送信信号の全時間長を２Ｔとすると、送信信号の周波数スペクトルは図１１となり、周波数帯域幅は１／Ｔとなる。

このため、送波器の周波数帯域が図１２に示すＷであるとすると、一回の送波に許容される放射方向の最大数はＵ_Ｗ＝Ｗ／（１／Ｔ）方向に制限される。

そこで、送波指向性合成処理において、図１３に示すように、複数回の送波において、それぞれ異なる方向に音波を放射すると、それぞれの送波における周波数利用が図１４ａ）、ｂ）となり、それらの受信信号により、図１４ｃ）に示す多数方向への計測が可能となる。

従って、複数回の送波において、それぞれ異なる方向に音波を放射することにより、限られた送波器の周波数帯域において、充分な距離分解能を維持しながら、多数方向への独立した音波送受信が実現される。

図１４は２回の送受信により１画面を完成する場合を例として説明したが、図１５に示すように、Ｋ回（Ｋは２より大きい自然数）の送受信により1画面を完成する構成も当然可能であり、１画面を完成する撮像時間ＴＦＫは長くなるが、更に多数方向への独立した音波放射が、限られた送波器の周波数帯域において、充分な距離分解能を維持して実現される。

このように、Ｋ回の送受信により１画面を完成する構成においは、１画面の完成に要する撮像時間が長くなり、撮像時間は図１５に示された、Ｋ回の送受信に要する時間ＴＦＫとなる。

次に、凹面収束を用いた第４の実施例について説明を行う。
（実施例４）凹面収束

近距離において、解像度低下を防止する構成を、図１６に示す。

本構成は、図１６に示すように、遅延回路ＶＤにより凹面遅延をあたえることにより、選択した距離に送波波面を収束させることができる。

次に、受波配列方向の受波指向性合成を用いた第５の実施例について説明を行う。
（実施例５）受波配列方向の受波指向性合成

本実施例の、受波器分解能である、ψ方向（受波配列方向）における受波指向性合成処理を、図５の全体構成により説明する。

図５における、受波器１３８への入射時刻が、図１７に示すように、ｚ軸方向位置に応じて変化する。

このため、同位相加算を行うためには、受波器１３８からのＶ個の信号に対し、ｚ軸方向に関する指向性合成処理が必要となる。

この受波指向性合成処理は非特許文献１に詳述されていて、一例としては、受波指向性合成部３７において、遅延回路４９の遅延時間端子５０を上方受信波面４７の傾斜角ψ₁に対応して選択することにより、受信信号５１における信号の時間差あるいは位相差を補償し、補償された信号を加算することにより行なわれる。

受波器１３８による、受信波面４７，４８のｚ方向幅が受波器分解能であり、装置構成により実現される最高の分解能である受波器限界分解能は、音波の回折限界角Ω_ＤＲにより定まり、受波器口径Ｗ_Ｒ、音波波長λ_Ｓ受波方位ψにより与えられ、Ω_ＤＲ=λ_Ｓ／（Ｗ_Ｒｃｏｓψ）となる。

ここで、遅延時間端子５０の選択位置を凹面状に設定することにより、特定距離に着目する、収束受信も可能となる。

この同位相加算処理により、角度ψ₁だけ傾斜した上方受信波面４７は上方受信出力５２として出力され、正面方向受信波面４８は、正面受信出力５３として、それぞれ独立に出力される。

したがって、ψ方向に関する位置は受波指向性合成部３７のP個の受信出力位置により知られる。

次に、三次元空間計測対象の基本動作について説明を行う。

このような、反射体のψ方向位置に対応する受波指向性合成部３７の各受信出力を、図１８に示す濾波器群１０９に印加する。

濾波器群１０９は、複数の濾波器２０１により構成され、各濾波器２０１の端子には対応する周波数成分ｆ_１からｆ_Ｕとしてそれぞれ分離出力される。

ここで、反射体が存在するθ方向の位置は、反射信号の周波数に対応することから、反射体のθ方向の位置は、周波数成分毎に分離出力される各濾波器２０１の端子により知られる。

したがって、上方受信信号及び正面受信信号は、上方受信濾波出力２０２及び正面受信濾波出力２０３として得られ、これらの出力端子位置により、反射体が存在するθ方向及びψ方向位置の位置が知られる事となる。

また、対称物１５までの距離rは、超音波の往復時間で知られる事から、これらの３情報により、三次元空間内における計測対象の形状が完全に把握され、３次元撮像が実現されることとなる。

以上の処理を、濾波器群１０９の全端子について行う必要があり、送波器構造により定まるθ方向の最大視野をＥとし最高分解能をεとすると、濾波器群１０９の所要端子数Ｕ＝Ｅ／εとなり、受波器構造により定まるψ方向の最大視野をＨとし最高分解能をηとすると、受波指向性合成部３７の所要出力端子数Ｐ＝Ｈ／ηとなる。

ここで、音波の波長をλとして、送波器構造により定まるθ方向の最大視野Ｅは、概略λ／Ｗ_T0となり、θ方向の最高分解能εはλ／Ｗ_Tとなる。

また、受波器構造により定まるψ方向の最大視野Ｈは、概略λ／Ｗ_Ｒ0となり、ψ方向の最高分解能ηはλ／Ｗ_Ｒ0となる。

一方、距離方向の視野をＲとし分解能をρとすると、距離方向の観測点数Ｌ＝Ｒ／ρとなり、本基本動作により、三次元空間内における全ての観測点の情報を計測するためには図１９に示すようにＵ×Ｐ×Ｒ回の指向性合成処理を行うこととなる。

これら、受波指向性合成部３７および濾波器群１０９による受波指向性合成処理は、遅延線等を利用するアナログ処理による構成も可能であるが、受信信号をディジタル化し、受波指向性合成処理の全体を数値演算により実施する構成も可能である。

この基本動作における音波伝搬時間はＴＦＫでありこれより撮像時間を短縮することは不可能であり、このＴＦＫが撮像限界時間を与える。

ここで、Ｕ×Ｐ×Ｒ回の指向性合成処理を行う場合において、処理装置の性能が不十分の場合には、指向性合成の処理時間ＴＰが、図１５に示すＫ回の送受信に要する撮像限界時間ＴＦＫ以上となり、撮像時間は処理時間ＴＰ（＞ＴＦＫ）により決定される。

以上は、受波指向性合成部３７の各受信出力を、濾波器群１０９に印加する順序にて説明したが、これらの処理は線形処理であることから、処理の順序に依存しないため、濾波処理を先行させ、濾波処理の結果に対し受波指向性合成する構成とすることも可能である。

次に、上述した三次元撮像装置によって得られた情報を表示する方法について説明を行う。

（低分解能表示）
全ての観測点の情報を最高精度にて計測するためには、Ｕ×Ｐ×Ｒの指向性合成処理を必要とするが、使用状況に応じては、処理回数を減少する構成も可能である。

そこで、送波器分解能あるいは受波器分解能を、装置の口径と周波数により定まる、それぞれの限界性能から故意に低下させ、あるいは、さらに距離分解能をも強制的に低下させる低分解能表示構成を考える。

ここで、図２０に示すように、θ方向、ψ方向、距離方向の分解能をそれぞれα，β，γ倍に低下させることとすると、表示情報数の減少から、最低でも、指向性合成処理回数は（Ｕ／α）×（Ｐ／β）×（Ｒ／γ）へと減少する。

さらに、θ方向、ψ方向の分解能をそれぞれα，β，γ倍に低下させると、送波器および受波器の開口もそれぞれα，β，γ倍に縮小させることも可能となる。

以下においては、簡単のために、表示情報数の減少による効果のみを考えることとする。

表示情報数の減少による効果のみを考えても、観測点の情報を計測するための指向性合成処理回数は（Ｕ／α）×（Ｐ／β）×（Ｒ／γ）となり、低分解能表示においては、一挙に処理負荷を１／（α×β×γ）倍に低下でき、α＝β＝γ＝３とすると処理負荷を１／２７に低下できる。

ここで、θ方向の分解能をα倍に低下させると、送波回数ＫはＫａとなり、ＫＵ_Ｗ＞Ｕ＞ＫａＵ_Ｗ＞Ｕ／αとなり、図１５に示すＫ回の送受信に要する撮像限界時間ＴＦＫはＴＦＫaへ短縮され、基本動作に対し、ＴＦＫ／ＴＦＫa倍の高速撮像が可能となる。

なお、表示方法は上述した方法に限られず、例えば部分データ表示１：ψ方向表示とすることも可能である。

具体的には、図２１に示すように、送波器分解能方向であるθ方向の、１扇形断面のみを最高分解能で計測する場合を考えると、Ｐ×Ｒの指向性合成処理であり、音波伝搬における撮像限界時間は図７における一回の送受信時間ＴＦ１（＝ＴＦＫ／Ｋ）であり、基本動作に対し、Ｋ倍の超高速撮像が可能となる。

さらに、部分データ表示２：超高速表示とすることも可能である。具体的には、θ方向の扇形断面は、計測断面数が図２２に示すように、図１２に示す一回の送波に許容される放射方向最大数Ｕ_Ｗ以内であれば、音波伝搬における撮像限界時間は一回の送受信時間ＴＦ１（＝ＴＦＫ／Ｋ）のままであり、超高速撮像が可能となる。

また、部分データ表示３：θ方向表示とすることも可能である。ここで、図２３に示すように、受波器分解能方向であるψ方向の１扇形断面のみを最高分解能で計測する場合を考えると、Ｕ×Ｒ回の指向性合成処理であり、指向性合成における処理負荷が１／Ｐに軽減され、この場合の撮像限界時間は図１５におけるＴＦＫであり、撮像速度については基本動作と同等になる。

また、図２２と同様にψ方向の扇形断面数をＰ_Ｐに増大すると、Ｐ_Ｐ×Ｕ×Ｒ回の指向性合成処理となり、指向性合成における処理負荷は扇形断面数Ｐ_Ｐに比例して増大するが、撮像限界時間はＴＦＫのままであり、撮像速度については基本動作と同等になる。

また、部分データ表示４：クロス表示とすることも可能である。クロス表示とは、上述したθ方向表示とψ方向表示とを併用した表示方法であり、このような、θ方向表示とψ方向表示とを併用すると図２４に示すクロス表示となる。

ここで、図２４に示すように、θ方向とψ方向のそれぞれ１扇形断面のみを最高分解能で計測する場合を考えると、（Ｐ＋Ｕ）×Ｒの指向性合成処理であり、Ｕ≒Ｐとすると、指向性合成における処理負荷が基本動作のほぼ２／Ｐに軽減され、この場合の撮像限界時間は図１５におけるＴＦＫであり、撮像速度については基本動作と同等になる。

ここで、図２４の両扇形断面が交差する軸ＯＯ_ＸＹを軸として回転させる回転クロス表示も、回転角度設定手段を配置することにより可能であり、この回転クロス表示においても（Ｐ＋Ｕ）×Ｒの指向性合成処理であり、この場合の撮像限界時間も図１５におけるＴＦＫであり、クロス表示と同等の動作となる。

ここで、図２４において断面位置のみを表示し、各断面の反射信号情報を表示しない動作は、θ方向の着目方位Ｑ_Ｘとψ方向の着目方位Ｑ_Ｙの設定により軸ＯＯ_ＸＹを選択し、さらに、特定距離Ｕ_Ｒを選択する手段を追加すると、３次元空間内の任意の位置Ｑ_ＸＹＲ（Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙ，Ｑ_Ｒ）を選択することになり、３個の変数Ｑ_Ｘ、Ｑ_Ｙ、Ｑ_Ｒを設定する入力手段を配置することによるカーソル表示図２７として使用され、任意の位置を選択可能となる。

２個の変数を１挙動に選択する入力手段としては、ジョイスティッウあるいはトラックボール等が知られている。

さらに、第三の変数として距離方向の位置Ｕ_Ｒを設定する入力手段を配置することにより、３次元空間内の任意の位置Ｑ_ＸＹＲ（Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙ，Ｑ_Ｒ）を選択可能となる。

また、図２５に示すように、特定距離Ｕ_Ｒに着目し、カーソル動作により３次元空間内の任意の位置Ｑ_ＸＹＲ（Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙ，Ｑ_Ｒ）を選択し、深度ゲート表示として、軸ＯＯ_ＸＹと交差する１断面Ｚ_Ｒを表示すると、この表示は（Ｐ＋Ｕ）の指向性合成処理であり、Ｕ≒Ｐとすると、指向性合成における処理負荷が基本動作のほぼ２Ｐに軽減され、この場合の撮像限界時間は図１５におけるＴＦＫであり、撮像限界速度については基本動作と同等になる。

また、図２５における角度Ω_Ｕ、Ω_Ｖの設定を、入力装置により行うことにより軸ＯＯ_ＸＹと交差する任意の断面を表示することで回転深度ゲート表示とすることもできる。この場合においても（Ｐ＋Ｕ）の指向性合成処理であり、Ｕ≒Ｐとすると、指向性合成における処理負荷が基本動作のほぼ２Ｐに軽減され、この場合においても撮像限界時間は図１５におけるＴＦＫであり、撮像限界速度については基本動作と同等になる。

また、図２５に示す深度ゲート表示において、断面Ｚ_Ｒを複数（Ｎ_ＺＲ枚）配置する複数深度ゲート表示とすることも可能であり、このような複数深度ゲート表示においては、（Ｐ＋Ｕ）×Ｎ_ＺＲの指向性合成処理であり、深度ゲート表示のＮ_ＺＲ倍に負荷が増大するが、この場合の撮像限界時間は図１５におけるＴＦＫであり、撮像限界速度については基本動作と同等になる。

また、表示方法としては、部分データ表示８：関心領域表示及び領域体積を用いても構わない。ここで、図２６に示すように関心領域を設定し、θ方向、ψ方向、距離方向の観測領域をそれぞれａ，ｂ，ｃ点に限定すると、観測点の情報を計測するための指向性合成処理回数は（ａ×ｂ×ｃ）／（Ｕ×Ｐ×Ｒ）となり、ａ＝Ｕ／３，ｂ＝Ｐ／３，ｃ＝Ｒ／３とすると処理負荷を１／２７に低下でき、３次元方向の視野および撮像時間を維持（＝ＴＦＫ）したままで３次元計測が可能となる。

ここで、関心領域におけるaが、放射方向最大数Ｕ_Ｗ以内であれば、音波伝搬における撮像限界時間は、一回の送受信時間ＴＦ１（＝ＴＦＫ／Ｋ）のままであり、超高速撮像が可能となる。

これまでに述べた、低分解能表示あるいは各種の部分データ表示は、処理負荷が小さいことから、一例として図２８に示す低分解能表示とクロス表示の２種重畳表示、図２９に示す低分解能表示、カーソル表示、クロス表示の３種並列表示、図３０に示す低分解能表示、カーソル表示、関心領域表示の３種並列表示、あるは、図３１に示す低分解能表示とクロス表示の２種重畳表示と関心領域表示の３種複合表示等、各種表示方式を併用表示することも処理能力の大幅な増大無しに、任意に設定可能である。

また、図２５に示すように、特定距離Ｕ_Ｒに着目し、３次元空間内の任意の位置Ｑ_ＸＹＲ（Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙ，Ｑ_Ｒ）を選択する深度ゲート表示において、特定距離Ｕ_Ｒを低分解能表示の各方向における最初の強力信号到達距離とすることにより、図３２に示すように対象の表面を高分解能で表示する自動深度ゲート表示を用いることも可能である。

この、自動深度ゲート表示は、通常の深度ゲート表示と同等の撮像限界時間と撮像限界速度になる。

これまでに述べた、低分解能表示あるいは各種の部分データ表示は、装置に固定した座標に限らず、航法装置のデータを利用して地球座標表示に変換して表示することが可能となる。

これまでに述べた、各種部分データ表示は、広い領域を常時観察可能である低分解能表示と併用することにより、特に有効に利用される。

これまでに述べた、低分解能表示あるいは各種の部分データ表示においては、双方において一部の信号が同一となる場合が発生するが、この場合においては、当該信号を共用することにより撮像速度を向上することが出来る。

これまでに述べた、各種の高分解能部分データ表示と低分解能表示を併用するには、高分解能の能力を有する送波器を具備することが必須となる。

高分解能の能力を有する送波器を具備する構成において、更に、低分解能の能力を有する送波器を具備することは不経済である。

高分解能の能力を有する送波器の口径を小さくする、簡単に低分解能の送波を行うことが出来るが、この方法によると送波器口径の一部が無駄となる。

そこで、図３３に示す方法は、高分解能送波器の口径全体を使用して、目的とする距離がＦのときには、距離Ｆ１を焦点とする送波を行い、分解能をＷ１に低下する手法である。

また、図３４に示す方法は、高分解能送波器の口径全体を使用して、隣接する複数の方向に同一周波数の波面をＡ，Ｂを送波することにより、送波ビームをＣとして広くする方法である。

高分解能の能力を有する受波器を具備する構成において、更に、低分解能の能力を有する受波器を具備することは不経済である。

高分解能の能力を有する受波器の口径を小さくする、簡単に低分解能の送波を行うことが出来るが、この方法によると受波器口径の一部が無駄となる。

そこで、図３５に示す方法は、高分解能受波器の口径全体に振幅加重を行う方法であり、例えばハニング加重を行うと、全口径を使用しても分解能は目的通り１／２に低下し、不要応答の改善も実現される。

また、図３６に示す方法は、高分解能受波器の口径全体を分割して使用し、それぞれの口径に対して指向性合成処理を行い、各指向性合成結果をそれぞれ検波した後に加算する方法であり、全口径を使用しても分解能は目的通り分割数に比例して低下し（図では２分割としている）、不規則雑音の抑圧も実現される。

また、限界分解能表示と、対象空間領域を制限した限界分解能表示を並列して表示（精精並列表示）することも当然可能である。

このように精精並列表示をした場合において、対象空間領域を制限した限界分解能表示を、送波器分解能方向の空間領域を制限した表示とすることにより、計測結果の完全な流用が可能となる。

また、この場合においては、一回の送受信による計測結果も観察可能となることから、耐運動性が大幅に向上する。

本発明によると、簡便な装置により、超音波による高精度の３次元撮像が実現される。

８ 送波器
９ 伝搬媒体
１０ 対象領域
１１ ２次元収束音響レンズ
１２ １次元配列
受波検出面
１３ 扇形超音波ビーム
１４ 反射音波
１５ 対象物
１６ 分割素子
１７ 物体像
１８ 素子出力信号
１９ 信号周波数成分強度
２０ 圧電素子
２１ 分極軸方向
２２ 接地電極
２３ 信号電極
２４ 超音波波面放射方向
２５ 駆動信号
２６ 超音波波面
２７ 高周波送波波面
２８ 低周波送波波面
３７ 受波指向性合成部
４２ 信号電極
４３ 接地電極
４４ 信号端子
４６ 照射波面
４７ 上方受信波面
４８ 正面方向受信波面
４９ 遅延回路
５０ 遅延時間端子
５１ 受信信号
５２ 上方受信出力
５３ 正面受信出力
１０８ 送波器
１０９ 濾波器群
１３８ 受波器
１５６ 受波素子
２０１ 濾波器
２０２ 上方受信濾波出力
２０３ 正面受信濾波出力

Claims (5)

1. １次元方向に配列された送波器と、送波器の配列方向と直交方向に１次元配列された受波器を有し、該送波器により一回の送受信期間において複数の送波波面を送波し、送波される音波の周波数が、送波器配列方向に対する方位により異なる超音波３次元計測装置において、
   正面方向に高周波信号を放射し、辺縁方向に低周波信号を放射する構成とし、前記送波器の配列方向に直交する正面方向を含む正面方向近傍への前記送波波面が高周波であり、辺縁方向への前記送波波面が低周波であるように構成することを特徴とする超音波３次元計測装置。
2. 請求項１に記載の超音波３次元計測装置において、
   前記送波波面の送波方位と音波周波数とが、正面方向に関して共に一定方向に変化するように構成することを特徴とする超音波３次元計測装置。
3. 請求項１に記載の超音波３次元計測装置において、
   前記送波が、時間差を有する同一波形を各送波素子に印加することにより定まる方向に音波を送出する遅延制御駆動であるように構成することを特徴とする超音波３次元計測装
   置。
4. 請求項２に記載の超音波３次元計測装置において、
   隣接する方位に送波される前記送波波面の送波音波周波数を、それぞれ少なくとも周波数帯域幅１／Ｔ（Ｔは、送信信号の全時間長の１／２）である限界周波数間隔以上に接近した周波数となるように設定することを特徴とする超音波３次元計測装置。
5. １次元方向に配列された送波器と、送波器の配列方向と直交方向に１次元配列された受波器を有し、該送波器により一回の送受信期間において複数の送波波面を送波し、送波される音波の周波数が、送波器配列方向に対する方位により異なる超音波３次元計測装置において、
   前記一回の送受波期間において複数の送波波面を送波する動作を前記送波波面の方位を変化させ複数回行い、
   対象空間領域を制限した限界分解能表示を行い、
   前記対象空間領域を制限した限界分解能表示が、送波器分解能方向と受波器分解能方向の空間領域を同時に制限し、
   送波器分解能方向と受波器分解能方向の制限された空間領域の交差領域を軸として表示する制限領域を回転させることを特徴とする超音波３次元計測装置。

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