JPH0477695A - 画像再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、音波等の信号波を用いて観測物の形状を推定
する画像再生方法、特に、高精度の画像再生が可能な画
像再生方法に関するものである。

（従来の技術） 従来、この種の分野の技術としては、 文献１：　「沖研究開発Ｊ４４［２コ　（昭５３−３）
沖電気工業株式会社、Ｐ、４７−５６、文献２；　「沖
研究開発Ｊ５０［１］（昭５８−６）沖電気工業株式会
社、Ｐ、５７−６２に記載されるものがあった。

第２図は、従来の画像再生方法を実施するための上記文
献１に記載された超音波水中映像装置の構成例を示す構
成ブロック図である。

第２図において、まず、信号発生器】、１から送信用の
正弦波、パルス波等の信号が出力されると、この信号は
、送波器用整相器１２に送られ、送波器アレイ１−４よ
り出力される超音波等の信号の焦点が観測物体面上の一
点に合うように、位相の制御が行われる。送波器１３は
、送波器用整相器１２から送られてきたディジタル信号
をアナログ信号に変換して、個々の送波器アレイ］、４
へ送出する。送波器１３からのアナログ信号は、送波器
アレイ１４において、音波に変換されて水中に出力され
る。送波器アレイ１４より出力された音波は水中を伝搬
し、観測物体面で反射される。その反射波としての音波
は、受波器アレイ１５で受波され、アナログ電気信号に
変換される。続いて、このアナログ信号は、受波器１６
において、ディジタル信号に変換され、ＦＦＴ信号処理
器１７は、そのディジタル信号に対してＦＦＴ（Ｆａｓ
ｔＦｏｕｉｅｒ　　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；高
速フーリエ変換〉による空間処理を施す。空間処理され
たディジタル信号は、表示器１８で再生画像として表示
される。

第３図は、従来の画像再生方法を実施するだめの上記文
献２に記載された超音波水中映像装置の椙成例を示す構
成ブロック図である。

この超音波水中映像装置は、信号発生器２１、送波器用
整相器２２、送波器２３、送波器アレイ２４、受波器ア
レイ２５、受波器２６及び表示器２８の構成が、第２図
に示す信号発生器１１、送波器用整相器１２、送波器１
３、送波器アレイ１４、受波器アレイ１５、受波器１６
及び表示器１８の構成とそれぞれ同一であり、受波器用
整相器２７のみが第２図と異なる構成要素である。

この受波器用整相器２７において、受波された音波の位
相、振幅が制御されて、待ち受はビームが構成される。

その結果、両者のビームパターンの積が総合のビームパ
ターンとなり、この総合ビームを走査して、受渡レベル
より像を再生する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の超音波水中映像装置における
画像再生方法では１、次のような課題があった。

文献１の画像再生方法では、ディジタル信号に対して空
間処理を行う際、ＦＦＴを用いて処理を行っている。こ
のＦＦＴは、方位の推定分解能が受波器の数に依存する
ため、解像度の高い画像を得るためには、受波器アレイ
の数を増やさなければならないという問題があった。

文献２の画像再生方法では、走査する分解能が直接分解
能となるため、高精度の像を得るには走査点が多くなり
、多大な時間を必要とする。さらに、送受信ビームの指
向性が十分狭くない場合は、誤った像が表示されるとい
う問題があった。

これらの点により、高精度の画像を得ることが困難であ
った。

本発明は前記従来技術の持っていた課題として、高精度
の画像を得ることが困難であるという点について解決し
た画像再生方法を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前記課題を解決するために、送波器より観測
物に向けて信号波を送波して該観測物からの反射波を受
波器で受波した後、該反射波の空間周波数スペクＩ・ル
を算出し、前記空間周波数スペクトルから前記反射波の
到来方向を求めて前記観測物の形状を推定する画像再生
方法において、前記空間周波数スペクトルを線形予測法
により算出した後、該空間周波数スペクトルの時間平均
値を求める。続いて、前記時間平均値から前記反射波の
到来方向を求めるようにしたしのである。

さらに、前記信号波の指向性を変化させながら、前記空
間周波数スペクトルの時間平均値から前記反射波の到来
方向を求めるようにしてもよい。

前記信号波を、音波または電波とし、前記線形予測法を
、最大エントロピー法としてもよい。

（作用） 本発明は、以上のように画像再生方法を構成したので、
観測物からの反射波を受波器で受波した後、その反射波
の任意の時刻の空間周波数スペクトルを線形予測法によ
り算出し、反射波の位相の違いによるスペクトル変動を
抑えるため、該空間周波数スペクトルの時間平均値を求
め、その時間平均値から前記反射波の到来方向を求める
。

したがって、前記課題を解決できるのである。

（実施例） 第１図は、本発明の実施例を示す画像再生方法を実施す
るための超音波水中映像装置の構成ブロック図である。

この超音波水中映像装置は、送信部５０及び受信部６０
を備えている。送信部５０は、信号発生器５１、送波器
用整相器５２、ディジタル／アナログ変換器（以下、Ｄ
／Ａ変換器という）５３、送信周波数変換器５４及び送
信器アレイ５５で構成され、これらが順次接続されてい
る。

信号発生器５１は、観測物に送波する正弦波、パルス波
、チャウプ信号等の信号を発生させる機能を有し、送波
器用整相器５２は、送波器アレイ５５から出力される信
号波の振幅及び位相を制御する機能を有している。Ｄ／
Ａ変換器５３は、送波器用整相器５２の出力であるディ
ジタル信号をアナログ信号に変換する回路である。送信
周波数変換器５４は、Ｄ／Ａ変換器５３の出力を高い周
波数に変換させる機能を有し、第４図に示すように、角
周波数の６の搬送波信号を発生させる搬送波信号発生器
５４ａと、乗算器５４ｂと、バンドパスフィルタ５４ｃ
とで構成されている。送信器アレイ５５は、送信川波数
変換器５４から送られてきた電気信号を各々のアレイが
持つスピーカーにより信号波である音波に変換し、水中
に出力する機能を有している。

受信部６０は、受波器アレイ６１、受信周波数変換器６
２、アナログ／ディジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器
という）６３、空間信号処理器６４、及び表示器６５で
構成され、これらが順次接続されている。

受波器アレイ６１は、受波した音波（反射波）を各アレ
イの持つマイクロフォンにより、電気信号に変換して受
信周波数変換器６２へ送る機能を有している。受信周波
数変換器６２は、受波器アレイ６１の出力を低い周波数
に変換する機能を有し、第５図に示すように、角周波数
ω。の搬送波余弦信号を発生させる搬送波信号発生器５
４ａ、乗算器６２ｂ、６２ｅ、ローパスフィルタ６２ｃ
６２ｆ、及び移相器６２ｄで構成されている。Ａ／Ｄ変
換器６３は、受信周波数変換器６２により出力されたア
ナログ信号をサンプリング周波数の１／２以下のカット
オフ周波数を持つローパスフィルタに通した後、ディジ
タル信号に変換する機能を有している。空間信号処理器
６４は、そのディジタル信号に対して空間処理を施す機
能を有している。表示器６５は、観測者に見せるための
２次元の画像を表示する機能を有している。さらに、こ
の空間信号処理器６４は、第６図に示すように、最大エ
ントロピー法を用いてＡ／Ｄ変換器６３の出力の空間周
波数スペク１〜ルを求めるＭＥＭ分析部６４ａと、その
空間周波数スペクトルの時間平均値を求める時間平均部
６４ｂと、時間平均されたスペクトルを重ね合わせる空
間合成部６４ｃと、空間合成部６４の処理結果により得
られたスペクトルの強度を濃淡表示に変換する濃淡変換
部６４ｄと、濃淡表示された画像に対してエツジ抽出、
フィルタリング等の画像処理を施す画像処理部６４ｅと
で、構成されている。

以上のように構成される超音波水中映像装置を用いて、
本発明の画像再生方法について説明する。

まず、信号発生器５１において、観測物に送波するため
の音波信号を発生させ、その音波信号を送波器用整相器
５２へ送出する。送波器用整相器５２は、観察すべき観
測物の表面上の一点において、音波の振幅、位相が合う
ように、各送波器波アレイ５５から出力される送波信号
の振幅及び位相を制御する。例えば、送波信号の焦点を
位置ベクトルＰに合わせるとすれば、位置ベタ１〜ルＳ
ｊにあるｊ番目の送波器アレイ５５に加える振幅、位相
値ｗｉを ｗｉ−１ｐ−ｓｉｔ　　・ｅｘｐ　　（ｊ　ω１ｐ−ｓ
ｉｌ／ｖ）但し、Ｖ：音波の速度 ω；音波の角周波数 ・・・・・・（１） とすれば、１番目の送波器アレイ５５より送波した音波
を位置ベクトルｐにおいて受信した信号ｒｉ　（ｐ＞は
、 ｒｉ　（ｐ）＝ Ｗｉ・（ａ／１ｐ−ｓｉｌ　＝ｅＸｌ）　　（Ｊω（ｔ
−Ｉ　Ｏ−ｓｉ　ｌ／ｖ）　） ＝ａ　−ｅｘｐ　（ｊωを十ｂ） 但し、ａ：送波信号の振幅 ｂ：送波信号の初期位相 ・・・・・（２〉 となり、送波器アレイ５５の位置によって変化しない値
となる。つまり、送波器用整相器５２では、各送波器ア
レイ５５において、上記（１）式に示される値と信号発
生器５１から送られてきた信号との積をとる信号処理を
行う。

送波器用整相器５２の出力であるディジタル信号は、Ｄ
／Ａ変換器５３に入力され、アナログ信号に変換され、
ローパスフィルタを通過する。送信周波数変換器５４１
よ、乗算器５４ｂにおいてＤ／Ａ変換器５３の出力と搬
送波信号発生器５４ａからの搬送波信号（正弦波）との
積をとり、その結果をバンドパスフィルタ５４ｃを通す
ことにより、高い周波数に変換し、各送波器アレイ５５
にパラレルへ送る。即ち、Ｄ／Ａ変換器５３の出力α・
ｃｏｓ　（ｊ（Ｊ）ｔ−β）と搬送波信号発生器５４ａ
から出力される角周波数ω。の搬送波信号との積の信号
ａ（ｔ）は、 ａ（ｊ）＝α−ＣＯ３（ωｔ−β）・Ｃ０３（ωＣ１−
γ）＝α／２　・（ｃｏｓ（（ωＣ−ω）ｔ＋β−γ）
十ｃｏｓ（（ω。十ω）ｔ−β−γ） ・・・・・・（３） となる。

バンドパスフィルタ５４ｃの中心角周波数をω。十ωに
とれば、上記（３）式の第１項は除去されるので、出カ
イ言号は、 ｂ（ｔ）＝α／２・ｃｏｓ　（（ω。＋ω）ｔ−β−γ
）・・・・・・（４） となり、周波数変換される。

この送信周波数変換器５４により周波数変換された電気
信号は、送波器アレイ５５に入力されて、音波に変換さ
れ、水中に出力される。

送波器アレイ５５より送波された音波は水中を伝搬し、
観測物体面で反射される。その反射波としての音波は、
受波器アレイ６１で受波され、アナログ電気信号に変換
される。そのアナログ電気信号は、受信周波数変換器６
２へ送出され、低い周波数に変換される。即ち、乗算器
６２ｂにより受波器アレイ６１の出力αＣ０５（（ω。

＋の）１−β）と搬送波信号発生器６２ａ″′Ｃ′発生
された角周波数ω。の搬送波余弦信号との積をとり、そ
の結果をｃ　（ｔ）とする。同時に、乗算器６２ｄによ
り出力αｃｏｓ（（ω。十ω）ｔ−β）と移送器６２ｄ
で（−π／２）移相することにより得られた余弦信号と
の積をとり、その結果をｄ　（ｔ）とする。

これらｃ　（ｔ）、　　ｄ　（ｔ）は、ｃ（ｔ） ＝ａｃｏｓ（（ωε÷ω）を−β） ・ｃｏｓ　（ωＣ１−γ） ＝α／２　−　　（ｓｉｎ（（２ωＣ十　ω）　を−β
−γ）＋　Ｃ０５（ωｔ−β＋γ）） ・・・・・（５） ｄ（ｔ）　＝ａｃｏｓ　（（ωＣ＋ω）ｔ−β）・ｓｉ
ｎ　（ω。ｔ−γ） 二α／２　＝　（ｃｏｓ（（２ωＣ＋ω）ｔ−β−γ）
＋　　ｓｉｎ　　（ωｔ　−β十　γ））・・・・・・
（６） となる。

この信号をバンドパスフィルタ６２ｃを通せば、（５）
式、（６）式の第１項は除去され、出力信号は、 ｅ（ｔ）　＝ａ／２　−　ｃｏｓ（ωｔ−β＋γ）・・
・・・・（７） ｆ（ｔ）　＝ａ／２　−５ｉｎ（ωｔ−β＋γ）・・・
・・・（８） となり、低い周波数に変換される。

その後、受信周波数変換器６２により出力された低い周
波数のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器６３によりディジ
タル信号に変換される。

空間信号処理器６４は、そのディジタル信号に対して空
間処理を施す。まず、ＭＥＭ分析部６４ａにより、任意
の時刻における空間周波数スペクトルを求める。次に、
時間平均部６４ｂで、受渡信号の位相の違いによるスペ
クトル変動を抑えるため、スペクトルの時間平均をとる
。さらに、送波器アレイ５５のビームを走査しながら、
時間平均されたスペクトルを、走査角度による到来角度
の補正を行って空間合成部６４で重ね合わせる。

続いて、得られたスペクトルの強度を濃淡変換部６４ｄ
において、濃淡表示に変換し、濃淡表示された画像に対
して画像処理部６４ｅで画像処理を施した後、表示器゛
６５へ送る。表示器６５は、観測者にみせるため、再生
された２次元の画像を表示する。

本実施例の利点を示すため、従来技術である文献１に示
された画像再生方法と本実施例に開示された画像再生方
法とを用いた場合の特性比較の結果を以下に記す。

第７図は、特性評価のためのアレイと観測物の位置関係
を示す図である。

第７図において、アレイは、送信受信兼用及び無指向性
であり、５．４馴間隔で６４個、直線上に設置されてい
る。送信信号の周波数は３８４ＫＨｚの正弦波であり、
観測物Ｑｌ、Ｑ２は幅が１９．５ｍｍで、アレイの中心
から距離２ｍの位置に２００ＷＩ＋の幅で２個、アレイ
と平行に配置されている。

以上の設置条件で特性評価を行うと、従来の文献１の方
法による結果は、第８図に示すようになり、本実施例の
方法による結果は、第９図に示すようになる。第９図は
第６図中の空間合成部６４Ｃの出力を示す図であり、第
８図は、従来の文献１において、同等の信号の出力を示
す図である。

なお、図中に引かれた線分ｑ１．ｑ２及び線分ｑ３、ｑ
４の各範囲に観測物が存在している。

いずれの方法においても、観測物が存在する方角のスペ
クトルが強くなっている。しかし、第９図に示す本実施
例の方が、観測物の存在を示す線分ｑｌ、（１２、ｑ３
．ｑ４の箇所のスペクトルの高さと他の方角との差が大
きい。そのため、この出力を濃淡変換部６４ｄで処理し
た後の出力は、本実施例による再生画像の方が明らかに
鮮明になる。

また、上記実施例では、最大エントロピー法に用いて、
受信音波の空間周波数スペクトルを算出するようにした
ので、スペクトル推定において高い分解能が得られる。

なお、本発明は、図示の実施例に限定されず、種々の変
形が可能である。例えば、その変形例として次のような
ものがある。

（イ）上記実施例では、Ｄ／Ａ変換器５３を設けたが、
信号発生器５１及び送波器用整相器５２においてアナロ
グ信号処理を行った場合は省略してもよい。

（ロ）上記実施例では、送信周波数変換器５４中にバン
ドパスフィルタ５４ｃを設けたが、Ｄ／Ａ変換器５３の
出力が複素信号の場合は省略してもよい。

（ハ）上記実施例の信号波を音波としたが、例えば電波
等でもよい。

（ニ）上記実施例では、信号波を水中に送波したが、空
中に送波してもよい。

（ホ）上記実施例では、受波器アレイ６１の出力側に順
次、受信周波数変換器６２及びＡ／Ｄ変換器６３を設け
たが、受信音波の周波数がＡ／Ｄ変換器６３が正常に動
作する範囲であれば、受信周波数変換器６２及びＡ／Ｄ
変換器６３の設置する順序を入れ換えてもよい。

（へ）上記実施例では、線形予測法として最大エントロ
ピー法を用いたが、これに限定されず、例えば、自己相
関法等を用いても、上記実施例と同様の効果が期待でき
る。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、送波器よ
り観測物に向けて信号波を送波して該観測物からの反射
波を受波器で受波した後、該反射波の空間周波数スペク
トルを線形予測法により算出し、その空間周波数スペク
トルの時間平均値を求め、その時間平均値から反射波の
到来方向を求めるようにしたので、従来のように、受波
器アレイの数を増やさなくとも、また、多大な時間を要
しなくとも高精度の画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す超音波水中映像装置の構
成ブロック図、第２図は従来の超音波水中映像装置の構
成ブロック図、第３図は従来の超音波水中映像装置の構
成ブロック図、第４図は第１図中の送信周波数変換器５
４の内部構成ブロック図、第５図は第１図中の受信周波
数変換器６２の内部構成ブロック図、第６図は第１図中
の空間信号処理器６４の内部構成ブロック図、第７図は
特性評価のためのアレイと観測物の位置関係を示ず図、
第８図は文献１による特性評価結果を示す図、第９図は
本発明の実施例の特性評価結果を示す図である。 ５１・・・・・・信号発生器、５２・・・・・・送波器
用整相器、５４・・・・・・送信周波数変換器、５５・
・・・・・送波器アレイ、６１・・・・・・受波器アレ
イ、６２・・・・・・受信周波数変換器、６３・・・・
・・Ａ／Ｄ変換器、６４・・・・・・空間信号処理器、
６４ａ・・・・・・ＭＥＭ分析部、６４ｂ・・・・・・
時間平均部、６４ｃ・・・・・・空間合成部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、送波器より観測物に向けて信号波を送波して該観測
   物からの反射波を受波器で受波した後、該反射波の空間
   周波数スペクトルを算出し、 前記空間周波数スペクトルから前記反射波の到来方向を
   求めて前記観測物の形状を推定する画像再生方法におい
   て、 前記空間周波数スペクトルを線形予測法により算出した
   後、該空間周波数スペクトルの時間平均値を求め、 前記時間平均値から前記反射波の到来方向を求めること
   を特徴とする画像再生方法。 ２、請求項１記載の画像再生方法において、前記信号波
   の指向性を変化させながら、前記空間周波数スペクトル
   の時間平均値から前記反射波の到来方向を求めることを
   特徴とする画像再生方法。 ３、請求項１及び２記載の画像再生方法において、前記
   信号波を、 音波または電波とし、 前記線形予測法を、 最大エントロピー法とした画像再生方法。