JPH1073653A - 超音波信号処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波ビームの形成を従来からの整相法により
行なうと、装置構成が大きくなる。そこで、各素子によ
る受信信号を共通の参照信号と混合し標本化する構成を
実現可能とする手法を見いだし、整相部構成の大幅な簡
易化を実現する。 【解決手段】各素子による受信信号を共通の参照信号と
混合し標本化する構成であり、参照信号周波数と標本化
周波数の間に、特定の周波数関係を設定することによ
り、単一の共通参照信号により周波数移動整相法を実現
可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波による物体の
検出あるいは検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまで水中あるいは生体中における超
音波撮像の方式が提案されている。このような装置で
は、多数の素子による受信信号それぞれに、アナログ信
号の遅延処理を行ない、それら全体を加算する（整相処
理と呼ぶ）ことにより空間分解能を実現している。この
部分が、受信整相部であり、この部分における基本性能
は遅延時間の設定精度により決定されるため（日本音響
学会誌、４４巻９号、ｐｐ．６５３−６５７，１９８８
年９月）、信号の遅延処理構成が最重要課題となる。そ
こで、遅延時間に対する精度要求を緩和し、アナログ信
号の遅延処理を簡略化する周波数移動整相法を提案し
た。一方、最近では、整相部の構成法は、Ａ／Ｄ変換器
等により信号を標本化する標本化整相法が重要な技術で
ある。この場合、標本化回路の動作速度を低くし、しか
も遅延時間の量子化精度を高くする構成が望まれる。こ
の方式として、信号を内挿する構成が知られている（日
本音響学会誌、４４巻７号、ｐｐ．４９６−５０２，１
９８８年９月）。しかし、この構成では、受信素子のす
べてに内挿器が必要であり、しかもこの内挿器には乗算
器が必要であるため、数千個の受信素子を必要とする高
性能装置の実現は困難となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】低い標本化周波数によ
る遅延整相処理。

【０００４】

【課題を解決するための手段】参照信号周波数と標本化
周波数の間に、特定の周波数関係を設定することによ
り、単一の強通参照信号により周波数移動整相法を実現
可能とする。

【０００５】複数の受信素子にて受信した信号の位相合
わせを行い加算することにより方位分解能が形成され
る。従来の原理構成は図２に示すものであるが、ここで
受信素子ＴＲからの信号を標本化回路ＳＰにより標本化
し、遅延回路ＭＤにより充分小さい遅延時間がτ’を単
位として遅延させ、ＡＤにより加算することにより目的
信号のみを受信する。この構成によるとτ’が小さいた
め量子化遅延回路ＭＤの構成が困難となる。そこで、筆
者の考案による時間軸分配法（特願平５−２９２９８０
号明細書）を利用することにより簡単化可能である。し
かし、この改良構成でも、ＳＰの標本化周波数が信号周
波数の２倍以上必要でありこの部分の構成が困難とな
る。そこで、本発明では、ＴＲからの各受信信号と共通
の参照信号ｈ（ｔ）との混合処理を行い低周波信号に変
換した後に標本化する。この構成によると、比較的低い
標本化周波数により受信信号のＡ／Ｄ変換が可能とな
る。しかし、この信号を遅延させ加算する単純な構成に
よると、遅延された各信号の位相が一致しなくなるた
め、方位分解能が全く形成されなくなる。本発明は、参
照信号の周波数と標本化周波数の間に特殊な関係を設定
し、この位相回転の問題点を解決する。このような構成
とすることにより、簡単な構成により方位分解能の形成
が必要となる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明による方位分解能の
形成動作を、図１に示す実施例により詳細に説明する。
図１でＴＲが超音波の受信波器であり、Ｍが混合器、Ｍ
Ｄが遅延回路である。ここで、中心周波数がωｓなる送
信信号をｓ（ｔ）とすると

【０００７】

【数１】 ｓ（ｔ）＝Ａ(ｔ)｛ｅｘｐ(ｊωｓｔ)＋ｅｘｐ(−ｊωｓｔ)｝…（数１） と近似できる。ここで、Ａ（ｔ）は送信信号の包絡線形
状である。この送信信号による反射信号の第ｎ素子によ
る受信信号ｕｎ（ｔ）は音波の伝搬時間をτｎとするこ
とにより

【０００８】

【数２】 ｕｎ（ｔ）＝ｓ（ｔ−τｎ） …（数２） ＝Ａ(ｔ−τｎ)[exp｛jωs(ｔ−τｎ)}＋exp{−ｊωｓ(t−τｎ）｝］ となる。本方式では、このｕｎ（ｔ）と複素参照信号ｈ
（ｔ）との複素乗算を行なう。ここで、本方式ではｈ
（ｔ）＝ｅｘｐ｛−ｊωｄｔ｝である。従って、この乗
算結果の低周波数成分をｇｎ（ｔ）とすると

【０００９】

【数３】 ｇｎ（ｔ）＝ｕｎ（ｔ）ｈ（ｔ）｜ωｓ−ωｄ成分 ＝Ａ（ｔ−τｎ)・exp［ｊ｛ωｓ(ｔ−τｎ)−ωｄｔ｝］ ＝Ａ（ｔ−τｎ)・exp［ｊ｛(ωｓ−ωｄ)ｔ−ωｓτｎ｝］…（数３） である。この低周波信号ｇｎ（ｔ）を周期Ｔで標本化す
る。標本化された信号ｆｎ（ｔ）は

【００１０】

【数４】 ｆｎ(t)＝Ａ(t−τn)・exp[j{ωs(t−τn)−ωdt｝](t＝ｍＴ） ＝０ (t≠ｍＴ）…（数４） である。本方式では、この信号ｆｎ（ｔ）を遅延回路Ｍ
Ｄにより時間τｎだけ遅延させる。この遅延された信号
ｖｎ（ｔ）は

【００１１】

【数５】 ｖｎ（ｔ）＝ｆｎ（ｔ＋τｎ） ＝Ａ(ｔ)・exp[j｛ωst−ωd(t＋τn)｝](t＝ｍＴ−τn） ＝０ (t≠ｍＴ−τn)…（数５） となる。ここでτｎはｎに依存して異なるため、これら
を加算した結果である。

【００１２】

【数６】

【００１３】は、位相が一般的には一致せず、成長しな
い。そこで本発明では、Ｋを整数としてωｄＴ＝２Ｋπ
とする。このように設定するとωｄ（ｔ＋τｎ）＝ωｄ
ｍＴ＝２ｍＫπ

【００１４】

【数７】 ｖｎ（ｔ）＝Ａ（ｔ）・exp[ｊωｓｔ］（ｔ＝ｍＴ−τｎ） ＝０ （ｔ≠ｍＴ−τｎ）…（数７） となり全てのｎについて信号の位相を一致させる事がで
きる。従って、これらを加算した結果であるｗ（ｔ）は

【００１５】

【数８】

【００１６】となり、離散的値ではあるが、加算により
大きく成長する。ここで、標本化周期Ｔが移動した信号
周波数ωｓ−ωｄに対して十分短ければ、ωｓを中心と
する信号とｗ（ｔ）との畳込みを畳み込み回路ＣＶによ
り行うことにより、ｗ（ｔ）を正確な連続信号ｘ（ｔ）
に変換可能である。

【００１７】本方式における最適な構成例を以下に述べ
る。遅延部ＭＤの遅延時間は量子化されていて、その量
子化遅延時間の単位が１０nsecである。参照信号の中心
周波数は１ＭＨｚ（周期が１μsec）であり標本化間隔
Ｔが１０μsecである（Ｋ＝１０に相当）。また、信号
の中心周波数は１ＭＨｚである。超音波の送受波器ＴＲ
の素子数Ｎは１００である。以上の説明では、最も構成
が簡単となるωｄＴ＝２Ｋπとしたが、これ以外の種々
の調波関係も図３に示す移送回路ＰＳの使用により実現
可能である。例えばωｄＴ＝Ｋπとする構成も、移送回
路ＰＳにより交互に信号の位相反転処理を行うことによ
り実現可能である。また、以上は説明の簡単のために複
素信号として取り扱ってきたが、この構成に限定される
ものではなく、実部あるいは虚部のみによる構成も簡易
構成として当然可能である。

【００１８】

【発明の効果】本発明は低周波へ移動したあとの信号周
波数であるため、標本化周波数の低下が可能であり、装
置の構成が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本方式の基本構成の説明図。

【図２】従来方式の構成の説明図。

【図３】本方式の別の構成の説明図。

【符号の説明】

ＴＲ…送受波器、 Ｍ…複素混合器、 ＭＤ…遅延部、 ＡＤ…加算器、 ＲＧ…参照信号発生器、 ＰＳ…移送回路、 ＳＧ…標本化信号発生器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神田 義信 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式 会社日立製作所情報通信事業部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の受信信号を得て超音波により物体の
   状況を映像化する装置において、各受信信号と共通の参
   照信号との混合処理を行う手段と、混合処理後の信号を
   標本化する手段と、標本化された信号をそれぞれ遅延さ
   せる手段と、遅延部出力を加算する手段とを含む装置に
   おいて、前記参照信号周波数と標本化の周波数が位相同
   期関係にあることを特徴とする超音波信号処理装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記参照信号の周波数
   と前記標本化の周波数とを整数比の関係に設定する超音
   波信号処理装置。