JPH1164492A - 周状超音波振動子、超音波走査装置およびスキャニングソナー - Google Patents
周状超音波振動子、超音波走査装置およびスキャニングソナーInfo
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- JPH1164492A JPH1164492A JP9224730A JP22473097A JPH1164492A JP H1164492 A JPH1164492 A JP H1164492A JP 9224730 A JP9224730 A JP 9224730A JP 22473097 A JP22473097 A JP 22473097A JP H1164492 A JPH1164492 A JP H1164492A
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- ultrasonic transducer
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- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/521—Constructional features
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
- G01S15/06—Systems determining the position data of a target
- G01S15/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】簡略な構成で３次元の反射信号を受信すること
ができる周状超音波振動子を用いたスキャニングソナー
を提供する。 【解決手段】棒状超音波振動子エレメント１を円筒の周
状に斜めに配列した超音波振動子１０を用いる。各エレ
メント１間に所定の移相差を持たせて超音波信号を供給
することにより、全周に放出される超音波ビームは円板
状から上または下に開いた傘状のビームになり、この移
相差によりビームにティルト角を与えることができる。
そして、受信時にも各エレメントが受信した信号に上記
と同じ位相差を与えて垂直方向のビームを同じティルト
角に絞り込み、一部のエレメントを選択して適当な遅延
を与えて合成することによって水平方向のビームを絞り
込む。この水平方向のビームを回転させることによって
全周の信号を受信する。
ができる周状超音波振動子を用いたスキャニングソナー
を提供する。 【解決手段】棒状超音波振動子エレメント１を円筒の周
状に斜めに配列した超音波振動子１０を用いる。各エレ
メント１間に所定の移相差を持たせて超音波信号を供給
することにより、全周に放出される超音波ビームは円板
状から上または下に開いた傘状のビームになり、この移
相差によりビームにティルト角を与えることができる。
そして、受信時にも各エレメントが受信した信号に上記
と同じ位相差を与えて垂直方向のビームを同じティルト
角に絞り込み、一部のエレメントを選択して適当な遅延
を与えて合成することによって水平方向のビームを絞り
込む。この水平方向のビームを回転させることによって
全周の信号を受信する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、少ないエレメン
ト数で全周・上下方向に走査をすることのできる周状超
音波振動子に関し、さらに、この周状超音波振動子を用
いた超音波走査装置、スキャニングソナーに関する。
ト数で全周・上下方向に走査をすることのできる周状超
音波振動子に関し、さらに、この周状超音波振動子を用
いた超音波走査装置、スキャニングソナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】船舶用のスキャニングソナーや医療の臨
床分野においては、周状または扇形に展開されるリアル
タイム２次元又は３次元画像を得ることが要求されてい
る。周状の３次元画像を得るための装置として超音波診
断装置が実用化されており、この超音波診断装置に用い
られる超音波振動子として、円筒形の筒状超音波振動子
が実用化されている。この従来の超音波診断装置および
超音波振動子の例を図１８に示す。図示の超音波振動子
は、円筒形の基体上に水平６０個×垂直１６段、合計９
６０個の超音波振動素子エレメントを取り付けたもので
ある。この超音波振動子では、各エレメントに対して個
別に送信信号を供給し各エレメントから個別に受信信号
を取り出すため、各エレメント毎に個別のリード線が接
続され、このリード線はリード端子に集められて１本の
ケーブルで送受信装置に接続される。
床分野においては、周状または扇形に展開されるリアル
タイム２次元又は３次元画像を得ることが要求されてい
る。周状の３次元画像を得るための装置として超音波診
断装置が実用化されており、この超音波診断装置に用い
られる超音波振動子として、円筒形の筒状超音波振動子
が実用化されている。この従来の超音波診断装置および
超音波振動子の例を図１８に示す。図示の超音波振動子
は、円筒形の基体上に水平６０個×垂直１６段、合計９
６０個の超音波振動素子エレメントを取り付けたもので
ある。この超音波振動子では、各エレメントに対して個
別に送信信号を供給し各エレメントから個別に受信信号
を取り出すため、各エレメント毎に個別のリード線が接
続され、このリード線はリード端子に集められて１本の
ケーブルで送受信装置に接続される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このように従
来の周状超音波振動子は９６０個など多数のエレメント
からなるため、送受信装置の回路規模が大きくコスト高
になる問題点があった。また、このような円筒の多段構
造の超音波振動子を製作するためには高い技術が必要で
あることからさらにコスト高になり、エレメント数が多
くケーブル数も多くなるため配線・接続が面倒であると
いう問題点もあった。
来の周状超音波振動子は９６０個など多数のエレメント
からなるため、送受信装置の回路規模が大きくコスト高
になる問題点があった。また、このような円筒の多段構
造の超音波振動子を製作するためには高い技術が必要で
あることからさらにコスト高になり、エレメント数が多
くケーブル数も多くなるため配線・接続が面倒であると
いう問題点もあった。
【０００４】また、さらに１００ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ
の超音波信号を送受信する高周波用の円筒形超音波振動
子を製作しようとすると、各エレメントを５ｍｍ角程度
の大きさにする必要があり、このエレメントを５〜６ｍ
ｍピッチで配列すると１０００個以上のエレメント数に
なり、製作が極めて困難になるという問題点があった。
の超音波信号を送受信する高周波用の円筒形超音波振動
子を製作しようとすると、各エレメントを５ｍｍ角程度
の大きさにする必要があり、このエレメントを５〜６ｍ
ｍピッチで配列すると１０００個以上のエレメント数に
なり、製作が極めて困難になるという問題点があった。
【０００５】この発明は、簡略な構造で全周の２次元，
３次元の画像を得ることができる周状超音波振動子、お
よび、この周状超音波振動子を用いた超音波走査装置、
スキャニングソナー、超音波診断装置を提供することを
目的とする。
３次元の画像を得ることができる周状超音波振動子、お
よび、この周状超音波振動子を用いた超音波走査装置、
スキャニングソナー、超音波診断装置を提供することを
目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この出願の請求項１の発
明である周状超音波振動子は、棒状の複数の超音波振動
子エレメントを、円周状に、該円周方向に傾斜させて配
置したことを特徴とする。
明である周状超音波振動子は、棒状の複数の超音波振動
子エレメントを、円周状に、該円周方向に傾斜させて配
置したことを特徴とする。
【０００７】この出願の請求項２の発明である周状超音
波振動子は、前記複数の超音波振動子エレメントの一方
の端部が形成する円周の半径と、他方の端部が形成する
円周の半径とが異なることを特徴とする。
波振動子は、前記複数の超音波振動子エレメントの一方
の端部が形成する円周の半径と、他方の端部が形成する
円周の半径とが異なることを特徴とする。
【０００８】この出願の請求項３の発明である超音波走
査装置は、円周状に、該円周方向に傾斜させ且つほぼ等
間隔に配置した棒状の複数の超音波振動子エレメント
と、前記各超音波振動子エレメントに対して、隣接する
超音波振動子エレメントと所定の位相差を有する超音波
信号を供給し全周に送信ビームを形成する超音波信号供
給手段と、前記超音波信号の位相差を制御することによ
り、前記全周方向に形成される送信ビームの指向方向を
上下方向に動かす位相差制御手段と、を備えたことを特
徴とする。
査装置は、円周状に、該円周方向に傾斜させ且つほぼ等
間隔に配置した棒状の複数の超音波振動子エレメント
と、前記各超音波振動子エレメントに対して、隣接する
超音波振動子エレメントと所定の位相差を有する超音波
信号を供給し全周に送信ビームを形成する超音波信号供
給手段と、前記超音波信号の位相差を制御することによ
り、前記全周方向に形成される送信ビームの指向方向を
上下方向に動かす位相差制御手段と、を備えたことを特
徴とする。
【０００９】この出願の請求項４の発明である超音波走
査装置は、前記位相差制御手段は、（前記周状超音波振
動子を構成する超音波振動子エレメントの個数）×（隣
接する超音波振動子エレメント間の位相差）＝２ｎπ
（ｎは整数）となるように、隣接する超音波振動子エレ
メントとの位相差を決定する手段であることを特徴とす
る。
査装置は、前記位相差制御手段は、（前記周状超音波振
動子を構成する超音波振動子エレメントの個数）×（隣
接する超音波振動子エレメント間の位相差）＝２ｎπ
（ｎは整数）となるように、隣接する超音波振動子エレ
メントとの位相差を決定する手段であることを特徴とす
る。
【００１０】この出願の請求項５の発明である超音波走
査装置は、請求項１または請求項２に記載の周状超音波
振動子と、該周状超音波振動子の隣接する超音波振動子
エレメント間の位相差が所定値になるように各超音波振
動子エレメントが受信した信号を移相する移相手段と、
前記複数の超音波振動子エレメントから一部を選択し、
該選択された超音波振動子エレメントが受信し前記移相
手段によって移相された信号を合成することにより受波
ビームを形成する合成手段と、前記移相手段が信号を移
相する位相差を制御することにより、前記受波ビームを
上下方向に動かす位相差制御手段と、を備えたことを特
徴とする。
査装置は、請求項１または請求項２に記載の周状超音波
振動子と、該周状超音波振動子の隣接する超音波振動子
エレメント間の位相差が所定値になるように各超音波振
動子エレメントが受信した信号を移相する移相手段と、
前記複数の超音波振動子エレメントから一部を選択し、
該選択された超音波振動子エレメントが受信し前記移相
手段によって移相された信号を合成することにより受波
ビームを形成する合成手段と、前記移相手段が信号を移
相する位相差を制御することにより、前記受波ビームを
上下方向に動かす位相差制御手段と、を備えたことを特
徴とする。
【００１１】この出願の請求項６の発明である超音波走
査装置は、前記位相差制御手段は、（前記周状超音波振
動子を構成する超音波振動子エレメントの個数）×（隣
接する超音波振動子エレメント間の位相差）＝２ｎπ
（ｎは整数）となるように、隣接する超音波振動子エレ
メントとの位相差を決定する手段であることを特徴とす
る。
査装置は、前記位相差制御手段は、（前記周状超音波振
動子を構成する超音波振動子エレメントの個数）×（隣
接する超音波振動子エレメント間の位相差）＝２ｎπ
（ｎは整数）となるように、隣接する超音波振動子エレ
メントとの位相差を決定する手段であることを特徴とす
る。
【００１２】この出願の請求項７の発明である超音波走
査装置は、前記合成手段は、超音波振動子エレメントの
選択を切り換えることによって前記受波ビームを旋回さ
せる手段であることを特徴とする。
査装置は、前記合成手段は、超音波振動子エレメントの
選択を切り換えることによって前記受波ビームを旋回さ
せる手段であることを特徴とする。
【００１３】この出願の請求項８の発明であるスキャニ
ングソナーは、請求項３ないし請求項７のいずれかに記
載された超音波走査装置を用い、前記周状超音波振動子
を水中に設置したことを特徴とする。
ングソナーは、請求項３ないし請求項７のいずれかに記
載された超音波走査装置を用い、前記周状超音波振動子
を水中に設置したことを特徴とする。
【００１４】この出願の請求項９の発明であるスキャニ
ングソナーは、請求項１または請求項２に記載の周状超
音波振動子と、該周状超音波振動子の複数の振動子エレ
メントを円周方向に順次切り換えて受波信号の搬送周波
数がドップラ周波数偏位を生じるように到来信号を受信
する受信手段と、該受信手段の出力信号をパルス圧縮す
るマッチドフィルタと、を備えたことを特徴とする。
ングソナーは、請求項１または請求項２に記載の周状超
音波振動子と、該周状超音波振動子の複数の振動子エレ
メントを円周方向に順次切り換えて受波信号の搬送周波
数がドップラ周波数偏位を生じるように到来信号を受信
する受信手段と、該受信手段の出力信号をパルス圧縮す
るマッチドフィルタと、を備えたことを特徴とする。
【００１５】図１〜図９を参照して上記発明の周状超音
波振動子が形成する超音波ビームについて説明する。図
１は１本の棒状超音波振動子エレメントの指向性を説明
する図である。棒状超音波振動子エレメントは、図１
（Ａ）に示すように長手方向軸と直交する方向に強い指
向性を有しており、１本の棒状超音波振動子エレメント
で超音波信号を送受信すると、同図（Ｂ）に示すように
前記長手方向軸に直交する平面状の薄いビームパターン
が形成される。この棒状超音波振動子エレメントを円周
方向に一定角度傾けて円筒状に配列した場合にどのよう
なビームが形成されるかを図２，図３を参照しながら説
明する。１本の棒状超音波振動子エレメントを傾ける
と、形成されるビームパターンも同様に棒状超音波振動
子エレメントの長手方向軸に直交するように傾く（図２
（Ａ））。図１に示した棒状超音波振動子エレメントの
指向特性を長手方向（Ｙ軸）および短辺方向（Ｘ軸）に
展開すると図２（Ｂ），（Ｃ）のようになる。この棒状
超音波振動子エレメントが傾けて設置されている空間の
水平方向（ｘ軸），垂直方向（ｙ軸）のビーム特性は、
各エレメントのビームが斜めに横切るため図２（Ｄ），
（Ｅ）に示すようなものになる。なお、上記座標軸（Ｘ
軸，Ｙ軸，ｘ軸，ｙ軸）は全てエレメント中心の正面方
向を原点とする角度軸である。
波振動子が形成する超音波ビームについて説明する。図
１は１本の棒状超音波振動子エレメントの指向性を説明
する図である。棒状超音波振動子エレメントは、図１
（Ａ）に示すように長手方向軸と直交する方向に強い指
向性を有しており、１本の棒状超音波振動子エレメント
で超音波信号を送受信すると、同図（Ｂ）に示すように
前記長手方向軸に直交する平面状の薄いビームパターン
が形成される。この棒状超音波振動子エレメントを円周
方向に一定角度傾けて円筒状に配列した場合にどのよう
なビームが形成されるかを図２，図３を参照しながら説
明する。１本の棒状超音波振動子エレメントを傾ける
と、形成されるビームパターンも同様に棒状超音波振動
子エレメントの長手方向軸に直交するように傾く（図２
（Ａ））。図１に示した棒状超音波振動子エレメントの
指向特性を長手方向（Ｙ軸）および短辺方向（Ｘ軸）に
展開すると図２（Ｂ），（Ｃ）のようになる。この棒状
超音波振動子エレメントが傾けて設置されている空間の
水平方向（ｘ軸），垂直方向（ｙ軸）のビーム特性は、
各エレメントのビームが斜めに横切るため図２（Ｄ），
（Ｅ）に示すようなものになる。なお、上記座標軸（Ｘ
軸，Ｙ軸，ｘ軸，ｙ軸）は全てエレメント中心の正面方
向を原点とする角度軸である。
【００１６】そして、図３（Ａ）および図１１に示すよ
うに、上記傾けられた棒状超音波振動子エレメントを均
等な間隔で円筒の周状に配列すると、各棒状超音波振動
子エレメントによって形成されるビームパターンは図３
（Ｂ），（Ｃ）のように重なり合う。図３におけるｘ軸
は、正面のエレメントＥ0 の中心を原点とする周状超音
波振動子の中心角を表す軸であり、ｙ軸は棒状超音波振
動子エレメントＥ0 の中心を原点とする上下方向の角度
軸である。同図において、水平方向（ｘ軸）には、各棒
状超音波振動子エレメントのビームパターンが各エレメ
ントの間隔（中心角（図８参照））ずつシフトして現れ
る。また、垂直方向（ｙ軸）には、棒状超音波振動子エ
レメントＥ0 が形成するビームパターンを中心とし、左
右に配列されている棒状超音波振動子エレメントＥ-2，
Ｅ-1およびＥ1 ，Ｅ2 が形成するそれぞれのビームパタ
ーンが、その左右に現れる。そして、各棒状超音波振動
子エレメントに同相の超音波信号を印加してビームを合
成すると、同図（Ｄ），（Ｅ）に示すようにｘ軸方向に
は全周にわたってほぼ均等なビームパターンが形成さ
れ、ｙ軸方向は原点付近にビームが絞られる。これは、
ｙ軸方向で原点から外れた場所では、隣接する棒状超音
波振動子エレメントのビームが位相がずれた状態で重な
り合うため、ビームを打ち消し合うからである。したが
って、各棒状超音波振動子エレメントに同相の超音波信
号を印加した場合には、円筒状の周状超音波振動子の軸
に垂直な円板状の超音波ビームが形成される。
うに、上記傾けられた棒状超音波振動子エレメントを均
等な間隔で円筒の周状に配列すると、各棒状超音波振動
子エレメントによって形成されるビームパターンは図３
（Ｂ），（Ｃ）のように重なり合う。図３におけるｘ軸
は、正面のエレメントＥ0 の中心を原点とする周状超音
波振動子の中心角を表す軸であり、ｙ軸は棒状超音波振
動子エレメントＥ0 の中心を原点とする上下方向の角度
軸である。同図において、水平方向（ｘ軸）には、各棒
状超音波振動子エレメントのビームパターンが各エレメ
ントの間隔（中心角（図８参照））ずつシフトして現れ
る。また、垂直方向（ｙ軸）には、棒状超音波振動子エ
レメントＥ0 が形成するビームパターンを中心とし、左
右に配列されている棒状超音波振動子エレメントＥ-2，
Ｅ-1およびＥ1 ，Ｅ2 が形成するそれぞれのビームパタ
ーンが、その左右に現れる。そして、各棒状超音波振動
子エレメントに同相の超音波信号を印加してビームを合
成すると、同図（Ｄ），（Ｅ）に示すようにｘ軸方向に
は全周にわたってほぼ均等なビームパターンが形成さ
れ、ｙ軸方向は原点付近にビームが絞られる。これは、
ｙ軸方向で原点から外れた場所では、隣接する棒状超音
波振動子エレメントのビームが位相がずれた状態で重な
り合うため、ビームを打ち消し合うからである。したが
って、各棒状超音波振動子エレメントに同相の超音波信
号を印加した場合には、円筒状の周状超音波振動子の軸
に垂直な円板状の超音波ビームが形成される。
【００１７】そして、各棒状超音波振動子エレメントに
印加する超音波信号に位相差を与えた場合、各棒状超音
波振動子エレメントが形成するビームパターンの位相が
一致して強め合う角度がｙ軸の原点からずれ、同図
（Ｅ）の二点鎖線に示すようにｙ軸の正または負方向、
すなわち、上下方向にビームパターンがシフトされる。
このように各エレメントに印加する超音波信号に位相差
を与えた場合、周状超音波振動子全体が形成するビーム
パターンは図４に示すように上または下に開く傘状にな
る。このように、隣り合った棒状超音波振動子エレメン
ト間の信号に位相差（遅延）を与えることにより、上下
方向の角度（ティルト角）を付与することができる。
印加する超音波信号に位相差を与えた場合、各棒状超音
波振動子エレメントが形成するビームパターンの位相が
一致して強め合う角度がｙ軸の原点からずれ、同図
（Ｅ）の二点鎖線に示すようにｙ軸の正または負方向、
すなわち、上下方向にビームパターンがシフトされる。
このように各エレメントに印加する超音波信号に位相差
を与えた場合、周状超音波振動子全体が形成するビーム
パターンは図４に示すように上または下に開く傘状にな
る。このように、隣り合った棒状超音波振動子エレメン
ト間の信号に位相差（遅延）を与えることにより、上下
方向の角度（ティルト角）を付与することができる。
【００１８】そして、図５において、隣り合った棒状超
音波振動子エレメント間に信号位相差を与えた場合を考
えてみる。位相差を与えることにより、一部区間が形成
するビームの水平面における方向は、正面方向Ｖから斜
め方向ＶＶに移動する。このとき、該ビームの垂直面に
おける方向は、傾斜して設けられている棒状超音波振動
子エレメントの指向特性平面Ｏにそって移動し、ビーム
方向にティルト角が与えられる。一部区間を抽出して図
示すれば、図６（Ｂ），（Ｃ）や図７（Ｂ），（Ｃ）の
ようになり、棒状超音波振動子エレメントの傾斜した指
向特性と超音波振動子アレイによるビームの合成により
ティルト角（上下角）を持ったビームが形成され、この
ティルト角の大きさは前記信号位相差に比例する。
音波振動子エレメント間に信号位相差を与えた場合を考
えてみる。位相差を与えることにより、一部区間が形成
するビームの水平面における方向は、正面方向Ｖから斜
め方向ＶＶに移動する。このとき、該ビームの垂直面に
おける方向は、傾斜して設けられている棒状超音波振動
子エレメントの指向特性平面Ｏにそって移動し、ビーム
方向にティルト角が与えられる。一部区間を抽出して図
示すれば、図６（Ｂ），（Ｃ）や図７（Ｂ），（Ｃ）の
ようになり、棒状超音波振動子エレメントの傾斜した指
向特性と超音波振動子アレイによるビームの合成により
ティルト角（上下角）を持ったビームが形成され、この
ティルト角の大きさは前記信号位相差に比例する。
【００１９】したがって、全円周についてビームのティ
ルト角を一定にするためには、隣接するエレメント間の
信号位相差を全周にわたって同じにする必要がある。こ
のためには、全周の信号位相差の合計が３６０°×ｎに
なっていることが条件となる。この条件が満たされない
と、最後のエレメントと最初のエレメントとの間に切れ
目ができ、この信号位相差が端数値となるため、このエ
レメント付近のビームパターンが変形してしまうからで
ある。このため、１周のエレメント数をＮ個とすると、
隣接するエレメントに加える信号の位相差αをＮα＝３
６０°×ｎ（ｎ：整数）となるように決定する。これに
より、全周のエレメント間の位相差が全て同じαとな
り、全周にわたって形成されるビームパターンを合成す
るとティルト角だけ閉じた傘状のビームパターンとな
る。ただし、ｎ＝０の場合は各エレメントに同相の信号
が印加されビームパターンは円板状となる。
ルト角を一定にするためには、隣接するエレメント間の
信号位相差を全周にわたって同じにする必要がある。こ
のためには、全周の信号位相差の合計が３６０°×ｎに
なっていることが条件となる。この条件が満たされない
と、最後のエレメントと最初のエレメントとの間に切れ
目ができ、この信号位相差が端数値となるため、このエ
レメント付近のビームパターンが変形してしまうからで
ある。このため、１周のエレメント数をＮ個とすると、
隣接するエレメントに加える信号の位相差αをＮα＝３
６０°×ｎ（ｎ：整数）となるように決定する。これに
より、全周のエレメント間の位相差が全て同じαとな
り、全周にわたって形成されるビームパターンを合成す
るとティルト角だけ閉じた傘状のビームパターンとな
る。ただし、ｎ＝０の場合は各エレメントに同相の信号
が印加されビームパターンは円板状となる。
【００２０】たとえば、Ｎ＝６０（隣接するエレメント
間の中心角＝６°）とすると、図９（Ａ）のテーブルの
ような関係になる。そして、上記条件のうち位相制御α
の最小単位を６°とした場合、６×６０＝３６０でｎ＝
１であるため、全エレメント毎に独立した信号位相の制
御が必要となるが、αの最小単位を１８°とすると、１
８×６０＝１０８０でｎ＝３となり、１２０°間隔のエ
レメントは必ず同位相となるため、同図（Ｂ）のように
３組ずつを１つの送信機でドライブすることができ、送
信部の構成を１／３に簡略化することができる。また、
αの最小単位を１２°とすると、１２×６０＝７２０で
ｎ＝２となり、１８０°間隔のエレメントは必ず同位相
となるため、２組ずつを１つの送信機でドライブするこ
とができ、送信部の構成を１／２に簡略化することがで
きる。
間の中心角＝６°）とすると、図９（Ａ）のテーブルの
ような関係になる。そして、上記条件のうち位相制御α
の最小単位を６°とした場合、６×６０＝３６０でｎ＝
１であるため、全エレメント毎に独立した信号位相の制
御が必要となるが、αの最小単位を１８°とすると、１
８×６０＝１０８０でｎ＝３となり、１２０°間隔のエ
レメントは必ず同位相となるため、同図（Ｂ）のように
３組ずつを１つの送信機でドライブすることができ、送
信部の構成を１／３に簡略化することができる。また、
αの最小単位を１２°とすると、１２×６０＝７２０で
ｎ＝２となり、１８０°間隔のエレメントは必ず同位相
となるため、２組ずつを１つの送信機でドライブするこ
とができ、送信部の構成を１／２に簡略化することがで
きる。
【００２１】実験によると、半径５０ｍ，周波数１５０
ｋＨｚ，６°ピッチ，エレメントの傾き（φ）＝１５
°，エレメント寸法１００ｍｍ×４ｍｍの場合、α＝１
８°のときθ≒８°であり、ティルト角θを８°ステッ
プで制御することができる。より細かいステップのティ
ルト角が要求される場合には、３チャンネル１組を２チ
ャンネル１組に変更するか、または、各エレメントを独
立制御すればよい。また、エレメント数を増やしてもよ
い。
ｋＨｚ，６°ピッチ，エレメントの傾き（φ）＝１５
°，エレメント寸法１００ｍｍ×４ｍｍの場合、α＝１
８°のときθ≒８°であり、ティルト角θを８°ステッ
プで制御することができる。より細かいステップのティ
ルト角が要求される場合には、３チャンネル１組を２チ
ャンネル１組に変更するか、または、各エレメントを独
立制御すればよい。また、エレメント数を増やしてもよ
い。
【００２２】一方、この周状超音波振動子を用いて信号
を受信する場合には、図６，図７に示すように、全周の
超音波振動子エレメントのうち一部のエレメントが受信
した信号を所定時間ずつ遅延させて合成することによ
り、水平方向（ｘ軸方向）のビームを絞ることができ、
この水平方向のビームの絞り込みと、上述した隣り合っ
たエレメント間の信号位相差の制御による垂直方向のビ
ームの絞り込みを合成することにより、ピン状のビーム
を形成することができる。そして、図８に示すように上
記一部区間を１エレメントずつシフトしていくことによ
り、ピン状のビームを旋回させることができる。これを
反射波信号の受信に適用することにより、垂直方向・水
平方向の２次元の探査が可能になり、これを時間的に繰
り返すことにより反射波の到来時間による３次元の探査
が可能になる。
を受信する場合には、図６，図７に示すように、全周の
超音波振動子エレメントのうち一部のエレメントが受信
した信号を所定時間ずつ遅延させて合成することによ
り、水平方向（ｘ軸方向）のビームを絞ることができ、
この水平方向のビームの絞り込みと、上述した隣り合っ
たエレメント間の信号位相差の制御による垂直方向のビ
ームの絞り込みを合成することにより、ピン状のビーム
を形成することができる。そして、図８に示すように上
記一部区間を１エレメントずつシフトしていくことによ
り、ピン状のビームを旋回させることができる。これを
反射波信号の受信に適用することにより、垂直方向・水
平方向の２次元の探査が可能になり、これを時間的に繰
り返すことにより反射波の到来時間による３次元の探査
が可能になる。
【００２３】ここで、図６，図７に示したように信号位
相差によってビームにティルト角を持たせた場合、棒状
超音波振動子エレメントの指向性ビームの傾きに合わせ
てｘ軸方向の角度も同時に変化する。したがって、同じ
エレメントの組み合わせで信号を受信してもティルト角
（ｙ軸方向）が変化すると水平角度（ｘ軸方向）も変化
する。各エレメントの組み合わせによる受信方向のティ
ルト各とｘ軸方向，ｙ軸方向の関係を図示すると図１０
のようになる。これを遅延回路またはメモリ上に展開す
ることによって、直交座標系に補正する。
相差によってビームにティルト角を持たせた場合、棒状
超音波振動子エレメントの指向性ビームの傾きに合わせ
てｘ軸方向の角度も同時に変化する。したがって、同じ
エレメントの組み合わせで信号を受信してもティルト角
（ｙ軸方向）が変化すると水平角度（ｘ軸方向）も変化
する。各エレメントの組み合わせによる受信方向のティ
ルト各とｘ軸方向，ｙ軸方向の関係を図示すると図１０
のようになる。これを遅延回路またはメモリ上に展開す
ることによって、直交座標系に補正する。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１１は請求項１の発明の実施形
態である周状超音波振動子の外観図（斜視図）である。
この周状超音波振動子１は３０本の棒状超音波振動子エ
レメント１０を１２°の中心角の間隔で円周上に等間隔
に配列したものである。各棒状超音波振動子エレメント
１０は、反時計回りの円周方向に１５°傾けられてい
る。３０本の棒状超音波振動子エレメントの下端部が形
成する円周と上端部が形成する円周は同一半径であり、
上下対象の１次双曲面を形成している。各棒状超音波振
動子エレメント１０からはそれぞれ個別のリード線１３
が引き出されている。
態である周状超音波振動子の外観図（斜視図）である。
この周状超音波振動子１は３０本の棒状超音波振動子エ
レメント１０を１２°の中心角の間隔で円周上に等間隔
に配列したものである。各棒状超音波振動子エレメント
１０は、反時計回りの円周方向に１５°傾けられてい
る。３０本の棒状超音波振動子エレメントの下端部が形
成する円周と上端部が形成する円周は同一半径であり、
上下対象の１次双曲面を形成している。各棒状超音波振
動子エレメント１０からはそれぞれ個別のリード線１３
が引き出されている。
【００２５】図１２は上記周状超音波振動子を用いた超
音波走査装置の一種であるスキャニングソナーのブロッ
ク図である。前記周状超音波振動子１の３０本の棒状超
音波振動子エレメント１０は、各エレメント毎に個別に
設けられたリード線１３およびトラップ２３を介して送
信部Ｓおよび受信部Ｒに接続されている。送信部Ｓは送
信信号発生回路２１および送信アンプ２２からなってい
る。また、受信部Ｒは前段アンプ２５，移相器ブロック
２６，水平ビーム形成・スキャン回路３０，遅延回路３
１，表示装置３２，垂直ビームコントロール回路２７，
位相制御部２８からなっている。また、上記送信部Ｓお
よび受信部Ｒの動作は送受信コントローラ２０によって
制御される。
音波走査装置の一種であるスキャニングソナーのブロッ
ク図である。前記周状超音波振動子１の３０本の棒状超
音波振動子エレメント１０は、各エレメント毎に個別に
設けられたリード線１３およびトラップ２３を介して送
信部Ｓおよび受信部Ｒに接続されている。送信部Ｓは送
信信号発生回路２１および送信アンプ２２からなってい
る。また、受信部Ｒは前段アンプ２５，移相器ブロック
２６，水平ビーム形成・スキャン回路３０，遅延回路３
１，表示装置３２，垂直ビームコントロール回路２７，
位相制御部２８からなっている。また、上記送信部Ｓお
よび受信部Ｒの動作は送受信コントローラ２０によって
制御される。
【００２６】送受信コントローラ２０は、送信部Ｓを制
御して超音波ビームを発射したのち、受信部Ｒを制御し
て該超音波ビームの反射波を受信し、周囲の物標の存在
を検出する。
御して超音波ビームを発射したのち、受信部Ｒを制御し
て該超音波ビームの反射波を受信し、周囲の物標の存在
を検出する。
【００２７】まず、送受信コントローラ２０は、送信信
号発生回路２１に対してビームのティルト角を制御する
垂直ビーム設定信号を出力するとともに送信トリガを出
力する。送信信号発生回路２１は、前記図９（Ａ）に示
すティルト角／位相差対応テーブルを内蔵しており、こ
のテーブルを参照して探知する角度（ティルト角）に対
応する位相差を割り出し、割り出された値を垂直ビーム
設定信号として出力する。なお、図９（Ａ）のテーブル
は６０個のエレメントを６°間隔で配列した場合のもの
であるが、この実施形態の場合には３０個のエレメント
を１２°間隔で配列した場合のテーブルを用いればよ
い。
号発生回路２１に対してビームのティルト角を制御する
垂直ビーム設定信号を出力するとともに送信トリガを出
力する。送信信号発生回路２１は、前記図９（Ａ）に示
すティルト角／位相差対応テーブルを内蔵しており、こ
のテーブルを参照して探知する角度（ティルト角）に対
応する位相差を割り出し、割り出された値を垂直ビーム
設定信号として出力する。なお、図９（Ａ）のテーブル
は６０個のエレメントを６°間隔で配列した場合のもの
であるが、この実施形態の場合には３０個のエレメント
を１２°間隔で配列した場合のテーブルを用いればよ
い。
【００２８】送信信号発生回路２１は、送信トリガに応
じて、各棒状超音波振動子エレメント１０間の位相差
が、前記垂直ビーム設定信号で指示された位相差になる
ように超音波信号を発生する。発生した超音波信号は送
信アンプ２２に出力される。送信アンプ２２は入力され
た超音波信号を棒状超音波振動子エレメント１０を駆動
できるパワーまで増幅しトラップ２３およびリード線１
３を介して各棒状超音波振動子エレメント１０に供給す
る。これにより、周状超音波振動子１からは、上記位相
差に応じたティルト角を有する平面状または図４に示す
傘状の超音波ビームが全周にわたって送波される。
じて、各棒状超音波振動子エレメント１０間の位相差
が、前記垂直ビーム設定信号で指示された位相差になる
ように超音波信号を発生する。発生した超音波信号は送
信アンプ２２に出力される。送信アンプ２２は入力され
た超音波信号を棒状超音波振動子エレメント１０を駆動
できるパワーまで増幅しトラップ２３およびリード線１
３を介して各棒状超音波振動子エレメント１０に供給す
る。これにより、周状超音波振動子１からは、上記位相
差に応じたティルト角を有する平面状または図４に示す
傘状の超音波ビームが全周にわたって送波される。
【００２９】超音波ビームの送波後、装置は受信モード
に入り、送受信コントローラ２０は受信部に指示を出し
て超音波振動子１が受信した反射波信号から物標の映像
を再現する。各棒状超音波振動子エレメント１０が受信
した反射波信号はリード線１３，トラップ２３を介して
前段アンプ２５に入力される。前段アンプ２５は反射波
信号を後段の回路で処理可能なレベルまで増幅し、この
信号を移相器ブロック２６に入力する。移相器ブロック
２６は、各棒状超音波振動子エレメント１０が受信した
反射波信号に対して上記送信ビーム形成時の位相差と同
じ位相差を与えることにより、送信ビームと同じティル
ト角の受信指向性を得る回路である。移相器ブロック２
６は図１３（Ａ）に示すように、各エレメントに対応す
る３０個の乗算器２６ａおよびフィルタ２６ｂを備えて
おり、各乗算器２６ａは対応する棒状超音波振動子エレ
メント１０から入力された受信信号とキャリア信号発生
回路２６ｃが発生した位相変換用のキャリア信号とを乗
算する。そしてフィルタ２６ｂは乗算器から出力される
２つの波形信号のうち一方を取り出して位相変換された
信号として次の水平ビーム形成・スキャン回路３０に出
力する。
に入り、送受信コントローラ２０は受信部に指示を出し
て超音波振動子１が受信した反射波信号から物標の映像
を再現する。各棒状超音波振動子エレメント１０が受信
した反射波信号はリード線１３，トラップ２３を介して
前段アンプ２５に入力される。前段アンプ２５は反射波
信号を後段の回路で処理可能なレベルまで増幅し、この
信号を移相器ブロック２６に入力する。移相器ブロック
２６は、各棒状超音波振動子エレメント１０が受信した
反射波信号に対して上記送信ビーム形成時の位相差と同
じ位相差を与えることにより、送信ビームと同じティル
ト角の受信指向性を得る回路である。移相器ブロック２
６は図１３（Ａ）に示すように、各エレメントに対応す
る３０個の乗算器２６ａおよびフィルタ２６ｂを備えて
おり、各乗算器２６ａは対応する棒状超音波振動子エレ
メント１０から入力された受信信号とキャリア信号発生
回路２６ｃが発生した位相変換用のキャリア信号とを乗
算する。そしてフィルタ２６ｂは乗算器から出力される
２つの波形信号のうち一方を取り出して位相変換された
信号として次の水平ビーム形成・スキャン回路３０に出
力する。
【００３０】すなわち、棒状超音波振動子エレメント１
０が受信した反射波信号をｃｏｓ（ω0 ｔ＋φ）、キャ
リア信号発生回路２６ｃが発生する位相変換用のキャリ
ア信号をｃｏｓ（ωl ｔ＋α）とすると、乗算器２６ａ
における乗算は、
０が受信した反射波信号をｃｏｓ（ω0 ｔ＋φ）、キャ
リア信号発生回路２６ｃが発生する位相変換用のキャリ
ア信号をｃｏｓ（ωl ｔ＋α）とすると、乗算器２６ａ
における乗算は、
【００３１】
【数１】
【００３２】となる。すなわち、乗算器２６ａが出力す
る信号は上式の第１項と第２項の合成信号となる。フィ
ルタ２６ｂは、このうち一方の項（たとえば第１項）を
選択し、後段の水平ビーム形成・スキャン回路３０に出
力する。キャリア信号発生回路２６ｃは、初期位相αを
前記送信信号発生回路２１に入力した位相差信号と同じ
値の位相差α1 ずつ変化させた（０，α1 ，２α1 ，３
α1 ，……，２９α1）キャリア信号を３０個の乗算器
２６ａのそれぞれに供給するため、位相変換された受信
信号を合成したとき、前記送信された超音波信号と同じ
ティルト角に垂直方向のビームを絞ることができる。
る信号は上式の第１項と第２項の合成信号となる。フィ
ルタ２６ｂは、このうち一方の項（たとえば第１項）を
選択し、後段の水平ビーム形成・スキャン回路３０に出
力する。キャリア信号発生回路２６ｃは、初期位相αを
前記送信信号発生回路２１に入力した位相差信号と同じ
値の位相差α1 ずつ変化させた（０，α1 ，２α1 ，３
α1 ，……，２９α1）キャリア信号を３０個の乗算器
２６ａのそれぞれに供給するため、位相変換された受信
信号を合成したとき、前記送信された超音波信号と同じ
ティルト角に垂直方向のビームを絞ることができる。
【００３３】ここで、送受信コントローラ２０は、垂直
ビームコントロール回路２７に対して、前記送信信号発
生回路２１に出力した値と同じ垂直ビーム設定信号およ
び受信トリガを出力する。垂直ビームコントロール回路
２７はこれに基づいて位相制御部２８および遅延回路３
１を制御する。位相制御部２８は、入力された垂直ビー
ム設定信号に基づいて各エレメントに対応するキャリア
信号の初期位相（位相シフト値）αを生成し、移相器ブ
ロック２６のキャリア信号発生回路２６ｃに入力する。
また、遅延回路３１は、この位相差によって決定される
ティルト角に応じた水平方向のずれ（図１０参照）をキ
ャンセルするために信号を遅らせ（または進ませ）て、
直交座標系の映像信号に変換したのち表示装置３２に入
力する。
ビームコントロール回路２７に対して、前記送信信号発
生回路２１に出力した値と同じ垂直ビーム設定信号およ
び受信トリガを出力する。垂直ビームコントロール回路
２７はこれに基づいて位相制御部２８および遅延回路３
１を制御する。位相制御部２８は、入力された垂直ビー
ム設定信号に基づいて各エレメントに対応するキャリア
信号の初期位相（位相シフト値）αを生成し、移相器ブ
ロック２６のキャリア信号発生回路２６ｃに入力する。
また、遅延回路３１は、この位相差によって決定される
ティルト角に応じた水平方向のずれ（図１０参照）をキ
ャンセルするために信号を遅らせ（または進ませ）て、
直交座標系の映像信号に変換したのち表示装置３２に入
力する。
【００３４】水平ビーム形成・スキャン回路３０は、受
信ビームを水平方向に絞り込む回路である。この回路
は、図１３（Ｂ）に示すように３０チャンネルの水平ビ
ーム形成回路３０ａを有している。各水平ビーム形成回
路３０ａはそれぞれ連続する１１個の棒状超音波振動子
エレメント１０から、すなわち１２０°の角度幅から信
号を入力し、前記対応するエレメントの正面方向にビー
ムが集中するように各信号を遅延させている。遅延した
信号を加算合成することにより、中心となるエレメント
の正面にビームが集中し、その方向からの反射波信号を
取り出すことができる。なお、前記移相器ブロック２６
で各エレメントの信号に位相差が与えられている場合に
は、その位相差（遅延量）がこの水平ビーム形成回路３
０ａの遅延量に加算され、ビーム方向が図７（Ｂ），
（Ｃ）のように左右に振られ、棒状超音波振動子エレメ
ント１０の指向性ビームに傾きによりティルト角が発生
する。そして、スキャン回路３０ｂは３０チャンネルの
水平ビーム形成回路３０ａを高速に走査し、各チャンネ
ルから出力された信号を遅延回路３１に入力する。上述
したように、各チャンネルから出力された信号はティル
ト角による水平角度のシフトが発生しているため、遅延
回路は垂直ビームコントロール回路２７から入力された
ティルト角（位相差信号）に応じて、入力された信号を
遅延または進めて水平方向のずれをキャンセルして直交
座標系に補正したのち、表示装置３２に入力する。
信ビームを水平方向に絞り込む回路である。この回路
は、図１３（Ｂ）に示すように３０チャンネルの水平ビ
ーム形成回路３０ａを有している。各水平ビーム形成回
路３０ａはそれぞれ連続する１１個の棒状超音波振動子
エレメント１０から、すなわち１２０°の角度幅から信
号を入力し、前記対応するエレメントの正面方向にビー
ムが集中するように各信号を遅延させている。遅延した
信号を加算合成することにより、中心となるエレメント
の正面にビームが集中し、その方向からの反射波信号を
取り出すことができる。なお、前記移相器ブロック２６
で各エレメントの信号に位相差が与えられている場合に
は、その位相差（遅延量）がこの水平ビーム形成回路３
０ａの遅延量に加算され、ビーム方向が図７（Ｂ），
（Ｃ）のように左右に振られ、棒状超音波振動子エレメ
ント１０の指向性ビームに傾きによりティルト角が発生
する。そして、スキャン回路３０ｂは３０チャンネルの
水平ビーム形成回路３０ａを高速に走査し、各チャンネ
ルから出力された信号を遅延回路３１に入力する。上述
したように、各チャンネルから出力された信号はティル
ト角による水平角度のシフトが発生しているため、遅延
回路は垂直ビームコントロール回路２７から入力された
ティルト角（位相差信号）に応じて、入力された信号を
遅延または進めて水平方向のずれをキャンセルして直交
座標系に補正したのち、表示装置３２に入力する。
【００３５】上記受信動作を超音波信号が送信されてか
らｔ秒後に行うと、（１５００／２）×ｔメートルの距
離の物標を全周（水平方向）にわたって探査することが
できる。送受信コントローラ２０は、一定時間毎に上記
受信動作を繰り返し実行し、超音波信号を送信してから
の時間に応じて距離方向の探査を行う。そして、上記送
信動作および受信動作をティルト角（各エレメント間の
信号位相差）を順次切り換えながら繰り返すことによ
り、垂直方向の探査を行うことができる。このように、
水平方向，距離方向，垂直方向の探査により３次元のデ
ータを得ることができる。
らｔ秒後に行うと、（１５００／２）×ｔメートルの距
離の物標を全周（水平方向）にわたって探査することが
できる。送受信コントローラ２０は、一定時間毎に上記
受信動作を繰り返し実行し、超音波信号を送信してから
の時間に応じて距離方向の探査を行う。そして、上記送
信動作および受信動作をティルト角（各エレメント間の
信号位相差）を順次切り換えながら繰り返すことによ
り、垂直方向の探査を行うことができる。このように、
水平方向，距離方向，垂直方向の探査により３次元のデ
ータを得ることができる。
【００３６】表示装置３２は２次元または３次元の画像
メモリを有しており、遅延回路３１から入力された探査
信号をその座標に対応するメモリに蓄積するとともに、
ＣＲＴ等のモニタに表示する。
メモリを有しており、遅延回路３１から入力された探査
信号をその座標に対応するメモリに蓄積するとともに、
ＣＲＴ等のモニタに表示する。
【００３７】なお、上記実施例では、水平ビーム形成・
スキャン回路３０から出力された信号を遅延回路３１で
水平方向のずれを補正したのち表示装置３２に入力する
ようにしたが、画像メモリに書き込むときにメモリアド
レスを制御することによってずれを補正するようにして
もよい。
スキャン回路３０から出力された信号を遅延回路３１で
水平方向のずれを補正したのち表示装置３２に入力する
ようにしたが、画像メモリに書き込むときにメモリアド
レスを制御することによってずれを補正するようにして
もよい。
【００３８】上記実施形態は、棒状超音波振動子エレメ
ントを傾けて円筒に配列した周状超音波振動子を用いた
スキャニングソナーの原理的な構成を示したものである
が、水平ビーム形成・スキャン回路３０はマッチドフィ
ルタを用いることによって簡略化することができる。
ントを傾けて円筒に配列した周状超音波振動子を用いた
スキャニングソナーの原理的な構成を示したものである
が、水平ビーム形成・スキャン回路３０はマッチドフィ
ルタを用いることによって簡略化することができる。
【００３９】図１４，図１５を参照してマッチドフィル
タを用いた水平ビーム形成・スキャン回路について説明
する。なお、ここで説明する水平ビーム形成・スキャン
回路の前後の構成は図１２に示したスキャニングソナー
と同様でよい。
タを用いた水平ビーム形成・スキャン回路について説明
する。なお、ここで説明する水平ビーム形成・スキャン
回路の前後の構成は図１２に示したスキャニングソナー
と同様でよい。
【００４０】図１４を参照してこの水平ビーム形成・ス
キャン回路の原理について説明する。ある方向から音波
が到来しているときに受信素子である超音波振動子を回
転させた場合（図１４（Ａ）参照）、この超音波振動子
の音波到来方向に対する成分速度（ｒωｓｉｎθ）によ
りドップラ効果が生じ、超音波振動子が受信する到来音
波の周波数が遷移する。超音波振動子の回転と到来音波
の周波数遷移の関係を図示すると同図（Ｂ）のようにな
り、そのときの波形は、到来音波が正弦波の場合、同図
（Ｃ）のように表される。この波形をチャープ信号とい
い、到来音波の周波数と超音波振動子の回転角速度が分
かっていれば事前に波形を決定することができる。そこ
で、マッチドフィルタのリファレンスパターンレジスタ
にこの波形を記憶しておき、超音波振動子が受信した信
号を時系列に入力することにより、マッチドフィルタが
高い出力値を示したとき、その入力波形に対応する方向
から信号が到来していると判断することができる。
キャン回路の原理について説明する。ある方向から音波
が到来しているときに受信素子である超音波振動子を回
転させた場合（図１４（Ａ）参照）、この超音波振動子
の音波到来方向に対する成分速度（ｒωｓｉｎθ）によ
りドップラ効果が生じ、超音波振動子が受信する到来音
波の周波数が遷移する。超音波振動子の回転と到来音波
の周波数遷移の関係を図示すると同図（Ｂ）のようにな
り、そのときの波形は、到来音波が正弦波の場合、同図
（Ｃ）のように表される。この波形をチャープ信号とい
い、到来音波の周波数と超音波振動子の回転角速度が分
かっていれば事前に波形を決定することができる。そこ
で、マッチドフィルタのリファレンスパターンレジスタ
にこの波形を記憶しておき、超音波振動子が受信した信
号を時系列に入力することにより、マッチドフィルタが
高い出力値を示したとき、その入力波形に対応する方向
から信号が到来していると判断することができる。
【００４１】この原理を用いた水平ビーム形成・スキャ
ン回路の例を図１５に示す。図１２のスキャニングソナ
ーでは、回転する超音波振動子ではなく周状超音波振動
子１を用いているため、各棒状超音波振動子エレメント
１０をオーバーラップさせながら切り換えることによ
り、回転する超音波振動子から入力される信号と同様の
信号を得ている。選択回路４０は移相器ブロック２６
（図１２参照）から入力される３０チャンネルの信号か
ら１または２を選択してマッチドフィルタ４２のシフト
レジスタ４４に入力する。
ン回路の例を図１５に示す。図１２のスキャニングソナ
ーでは、回転する超音波振動子ではなく周状超音波振動
子１を用いているため、各棒状超音波振動子エレメント
１０をオーバーラップさせながら切り換えることによ
り、回転する超音波振動子から入力される信号と同様の
信号を得ている。選択回路４０は移相器ブロック２６
（図１２参照）から入力される３０チャンネルの信号か
ら１または２を選択してマッチドフィルタ４２のシフト
レジスタ４４に入力する。
【００４２】選択回路４０は図１５（Ｂ）に示すように
三角波の窓関数で隣接する棒状超音波振動子エレメント
の信号をオーバーラップさせ、この信号を加算合成して
シフトレジスタ４４に出力する。選択回路４０の動作は
選択制御回路４１によって制御される。選択制御回路４
１は選択回路４０の信号の切換タイミングを制御すると
ともに、この制御信号をチャンネル情報として次段に出
力する。リファレンスパターンレジスタ４３にはパター
ンメモリ４８からリファレンスパターンとして前記チャ
ープ信号波形が読み出される。パターンメモリ４８には
受信ビームのティルト角に応じて複数種類のチャープ信
号波形が記憶されている。すなわち、移相器ブロック２
６により各エレメントが受信した信号に対して位相差が
与えられていると、シフトレジスタ４４に入力したとき
のチャープ波形も変化する。このため、上記位相差（テ
ィルト角）合わせて複数種類のチャープ波形をパターン
メモリ４８に記憶し、垂直ビームコントロール回路２７
が出力する垂直ビーム設定信号に応じて選択を切り換え
るようにしている。
三角波の窓関数で隣接する棒状超音波振動子エレメント
の信号をオーバーラップさせ、この信号を加算合成して
シフトレジスタ４４に出力する。選択回路４０の動作は
選択制御回路４１によって制御される。選択制御回路４
１は選択回路４０の信号の切換タイミングを制御すると
ともに、この制御信号をチャンネル情報として次段に出
力する。リファレンスパターンレジスタ４３にはパター
ンメモリ４８からリファレンスパターンとして前記チャ
ープ信号波形が読み出される。パターンメモリ４８には
受信ビームのティルト角に応じて複数種類のチャープ信
号波形が記憶されている。すなわち、移相器ブロック２
６により各エレメントが受信した信号に対して位相差が
与えられていると、シフトレジスタ４４に入力したとき
のチャープ波形も変化する。このため、上記位相差（テ
ィルト角）合わせて複数種類のチャープ波形をパターン
メモリ４８に記憶し、垂直ビームコントロール回路２７
が出力する垂直ビーム設定信号に応じて選択を切り換え
るようにしている。
【００４３】ここで、ティルト角によって前記チャープ
波形がどのように変化するかを説明する。図１６のよう
に、周状超音波振動子の中心Ｏを交点とし、この周面を
含む水平面Ｕ上に位置するｘ軸，ｙ軸の直交座標系を設
定し、ｙ軸を超音波エコーの到来方向の水平方向ベクト
ル成分に一致させる。そして、周速Ｖのｙ軸方向のベク
トル成分をＶｙ，ティルト角αの方向のベクトル成分を
Ｖαとすると、ドップラ効果を受けたことによる受信信
号の周波数ｆは、次式で与えられる。
波形がどのように変化するかを説明する。図１６のよう
に、周状超音波振動子の中心Ｏを交点とし、この周面を
含む水平面Ｕ上に位置するｘ軸，ｙ軸の直交座標系を設
定し、ｙ軸を超音波エコーの到来方向の水平方向ベクト
ル成分に一致させる。そして、周速Ｖのｙ軸方向のベク
トル成分をＶｙ，ティルト角αの方向のベクトル成分を
Ｖαとすると、ドップラ効果を受けたことによる受信信
号の周波数ｆは、次式で与えられる。
【００４４】 ｆ＝ｆ0 −（Ｖα／ｃ）・ｆ0 （１） ここに、ｃは音速である。
【００４５】一方、前記のベクトル成分Ｖαは仮想直方
体のＢ点から直線ＡＥに対して垂線を降ろしたときの交
点位置Ｐと超音波振動子Ｔの現在位置Ａとを結ぶスカラ
量をもち、且つ、Ｐ点とＤ点とを結ぶ直線ＤＰは直線Ａ
Ｅに直交する。したがって、 Ｖα＝Ｖｙ・ｃｏｓα （２） よって、（１），（２）式から、 ｆ＝ｆ0 −（Ｖｙ・ｃｏｓα／ｃ）・ｆ0 （３） となる。
体のＢ点から直線ＡＥに対して垂線を降ろしたときの交
点位置Ｐと超音波振動子Ｔの現在位置Ａとを結ぶスカラ
量をもち、且つ、Ｐ点とＤ点とを結ぶ直線ＤＰは直線Ａ
Ｅに直交する。したがって、 Ｖα＝Ｖｙ・ｃｏｓα （２） よって、（１），（２）式から、 ｆ＝ｆ0 −（Ｖｙ・ｃｏｓα／ｃ）・ｆ0 （３） となる。
【００４６】また、ｙ軸と超音波振動子Ｔの現在値との
間のなす角度をθｔとすると、 θｔ＝ωｓ・ｔ Ｖ＝ｒ・ωｓ であるから、前記のベクトル成分Ｖｙは、 Ｖｙ＝Ｖ・ｓｉｎθｔ＝ｒ・ωｓ・ｓｉｎ（ωｓ・ｔ） ≒ｒ・ωｓ（ωｓ・ｔ）＝ｒωｓ2 ｔ （４） 周波数偏移量をΔｆとすれば、（３），（４）式から、 Δｆ＝ｆ−ｆ0 ＝−ｒωｓ2 ｔｆ0 ｃｏｓα／ｃ （５） となるから、位相は、 ∫２πΔｆｄｔ＝−πｒωｓ2 ｔ2 ｆ0 ｃｏｓα／ｃ＋ψ （６） ここに、ψは定数である。
間のなす角度をθｔとすると、 θｔ＝ωｓ・ｔ Ｖ＝ｒ・ωｓ であるから、前記のベクトル成分Ｖｙは、 Ｖｙ＝Ｖ・ｓｉｎθｔ＝ｒ・ωｓ・ｓｉｎ（ωｓ・ｔ） ≒ｒ・ωｓ（ωｓ・ｔ）＝ｒωｓ2 ｔ （４） 周波数偏移量をΔｆとすれば、（３），（４）式から、 Δｆ＝ｆ−ｆ0 ＝−ｒωｓ2 ｔｆ0 ｃｏｓα／ｃ （５） となるから、位相は、 ∫２πΔｆｄｔ＝−πｒωｓ2 ｔ2 ｆ0 ｃｏｓα／ｃ＋ψ （６） ここに、ψは定数である。
【００４７】よって、回転する超音波振動子により得ら
れる受信信号Ｓ（ｔ）は、 Ｓ（ｔ）＝Ａ・ｃｏｓ｛２πｆ0 ｔ−πｒωｓ2 ｔ2 ｆ0 ｃｏｓα／ｃ ＋ψ｝ （７） ここに、Ａは超音波振動子の指向特性による決まる振幅
項である。（７）式により、受信信号Ｓ（ｔ）が形成す
るチャープ信号波形がティルト角αによって決定される
ことが分かる。（７）式を用いてティルト角α毎にチャ
ープ信号波形を決定し、これをパターンメモリ４８に記
憶しておけばよい。また、ティルト角αを入力してその
場でチャープ信号波形を算出するようにしてもよい。
れる受信信号Ｓ（ｔ）は、 Ｓ（ｔ）＝Ａ・ｃｏｓ｛２πｆ0 ｔ−πｒωｓ2 ｔ2 ｆ0 ｃｏｓα／ｃ ＋ψ｝ （７） ここに、Ａは超音波振動子の指向特性による決まる振幅
項である。（７）式により、受信信号Ｓ（ｔ）が形成す
るチャープ信号波形がティルト角αによって決定される
ことが分かる。（７）式を用いてティルト角α毎にチャ
ープ信号波形を決定し、これをパターンメモリ４８に記
憶しておけばよい。また、ティルト角αを入力してその
場でチャープ信号波形を算出するようにしてもよい。
【００４８】図１５において、シフトレジスタ４４に入
力される受信信号とリファレンスパターンレジスタ４３
に読み出されたリファレンスパターンは各サンプルデー
タ毎に乗算器４５によって乗算される。乗算結果は加算
器４６によって加算合成される。この加算合成された値
がそのとき選択制御回路４１が出力している方位信号の
方位における探査結果となる。該加算器４６の出力値は
増幅器４７によって増幅され、前記方位信号とともに後
段の回路（遅延回路３１または表示装置３２の画像メモ
リ）に出力される。
力される受信信号とリファレンスパターンレジスタ４３
に読み出されたリファレンスパターンは各サンプルデー
タ毎に乗算器４５によって乗算される。乗算結果は加算
器４６によって加算合成される。この加算合成された値
がそのとき選択制御回路４１が出力している方位信号の
方位における探査結果となる。該加算器４６の出力値は
増幅器４７によって増幅され、前記方位信号とともに後
段の回路（遅延回路３１または表示装置３２の画像メモ
リ）に出力される。
【００４９】なお、複数の方向から信号が到来していた
場合、超音波振動子が受信する信号はこれらの信号を加
算合成した波形となり、それぞれの方向で加算器４５の
出力値が大きくなるため、それぞれの方向から信号が到
来していることを検出することができる。
場合、超音波振動子が受信する信号はこれらの信号を加
算合成した波形となり、それぞれの方向で加算器４５の
出力値が大きくなるため、それぞれの方向から信号が到
来していることを検出することができる。
【００５０】なお、上記実施形態では図１１に示すよう
に上端部と下端部の半径が同じになるように棒状超音波
振動子エレメント１０を配列した周状超音波振動子を用
いているが、専ら上方または下方を探査する目的で用い
るのであれば、図１７に示すように周状に配列されたエ
レメント１０の上端の半径と下端の半径とを異ならせて
もよい。また、このように上端と下端の半径が異なる周
状超音波振動子および上端と下端の半径が同じ周状超音
波振動子とを組み合わせて多段の周状超音波振動子を構
成してもよい。
に上端部と下端部の半径が同じになるように棒状超音波
振動子エレメント１０を配列した周状超音波振動子を用
いているが、専ら上方または下方を探査する目的で用い
るのであれば、図１７に示すように周状に配列されたエ
レメント１０の上端の半径と下端の半径とを異ならせて
もよい。また、このように上端と下端の半径が異なる周
状超音波振動子および上端と下端の半径が同じ周状超音
波振動子とを組み合わせて多段の周状超音波振動子を構
成してもよい。
【００５１】また、上記実施形態では周状超音波振動子
を用いたスキャニングソナーについて説明したが、この
発明は、これ以外に超音波診断装置など種々の超音波走
査装置に適用することができる。
を用いたスキャニングソナーについて説明したが、この
発明は、これ以外に超音波診断装置など種々の超音波走
査装置に適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、棒状超音波振
動子エレメントを傾斜させて配置したことにより、各棒
状超音波振動子エレメントに印加する超音波信号または
各棒状超音波振動子エレメントが受信した超音波信号に
所定の位相差を与えることにより送受信ビームを上下に
揺動させることができ、少ないエレメント数で上下方向
に信号を送受信することができる。
動子エレメントを傾斜させて配置したことにより、各棒
状超音波振動子エレメントに印加する超音波信号または
各棒状超音波振動子エレメントが受信した超音波信号に
所定の位相差を与えることにより送受信ビームを上下に
揺動させることができ、少ないエレメント数で上下方向
に信号を送受信することができる。
【００５３】請求項２の発明によれば、周状に配置した
棒状超音波振動子エレメントの上下の配置半径を変えた
ことにより、上方向または下方向の送受信範囲を広げる
ことができる。
棒状超音波振動子エレメントの上下の配置半径を変えた
ことにより、上方向または下方向の送受信範囲を広げる
ことができる。
【００５４】請求項３の発明によれば、隣接する棒状超
音波振動子エレメント間で所定の位相差を有する超音波
信号を供給することにより、その位相差に対応するティ
ルト角で全周に超音波ビームを送出することができ、前
記位相差を制御することにより、前記ティルト角を調節
することができ任意の角度に超音波ビームを送出するこ
とができる。
音波振動子エレメント間で所定の位相差を有する超音波
信号を供給することにより、その位相差に対応するティ
ルト角で全周に超音波ビームを送出することができ、前
記位相差を制御することにより、前記ティルト角を調節
することができ任意の角度に超音波ビームを送出するこ
とができる。
【００５５】請求項４の発明によれば、全周にわたる位
相差の合計が２ｎπすなわち３６０°の倍数になるよう
にしたことにより、全周の超音波ビームが均一になり、
また、ｎを±２以上にすることにより、送信系統を簡略
化することができる。
相差の合計が２ｎπすなわち３６０°の倍数になるよう
にしたことにより、全周の超音波ビームが均一になり、
また、ｎを±２以上にすることにより、送信系統を簡略
化することができる。
【００５６】請求項５の発明によれば、隣接する棒状超
音波振動子エレメント間の受信信号を所定の位相差で位
相変換することにより、その位相差に対応するティルト
角の信号を受信することができ、前記位相差を制御する
ことにより、前記ティルト角を調節することができ任意
の角度の信号を受信することができる。
音波振動子エレメント間の受信信号を所定の位相差で位
相変換することにより、その位相差に対応するティルト
角の信号を受信することができ、前記位相差を制御する
ことにより、前記ティルト角を調節することができ任意
の角度の信号を受信することができる。
【００５７】請求項６の発明によれば、全周にわたる位
相差の合計が３６０°の倍数になるようにしたことによ
り、全周にわたる受信角度が均一になり、また、ｎを±
２以上にすることにより、受信系統を簡略化することが
できる。
相差の合計が３６０°の倍数になるようにしたことによ
り、全周にわたる受信角度が均一になり、また、ｎを±
２以上にすることにより、受信系統を簡略化することが
できる。
【００５８】請求項７の発明によれば、棒状超音波振動
子エレメントの選択を切り換えることにより、受信ビー
ムを旋回させることができ、全周にわたって信号を受信
することができる。
子エレメントの選択を切り換えることにより、受信ビー
ムを旋回させることができ、全周にわたって信号を受信
することができる。
【００５９】請求項８の発明によれば、周状超音波振動
子を水中に設置したことにより、簡略な構成で２次元ま
たは３次元の探査を行うことができる。
子を水中に設置したことにより、簡略な構成で２次元ま
たは３次元の探査を行うことができる。
【００６０】請求項９の発明によれば、マッチドフィル
タを用いて受信信号の方向を検出するようにしたことに
より、各エレメント毎にディレイ回路を設けてビームを
集中する必要がなくなり、装置の構成を簡略化すること
ができる。
タを用いて受信信号の方向を検出するようにしたことに
より、各エレメント毎にディレイ回路を設けてビームを
集中する必要がなくなり、装置の構成を簡略化すること
ができる。
【図１】棒状超音波振動子エレメントの指向特性を示す
図
図
【図２】この発明の実施形態である周状超音波振動子の
指向特性を説明する図
指向特性を説明する図
【図３】同周状超音波振動子の指向特性を説明する図
【図４】同周状超音波振動子が形成するビームを説明す
る図
る図
【図５】同周状超音波振動子の信号位相差によるビーム
シフトを説明する図
シフトを説明する図
【図６】同周状超音波振動子のビーム方向のシフトを説
明する図
明する図
【図７】同周状超音波振動子の水平方向のビーム形成を
説明する図
説明する図
【図８】同周状超音波振動子の各棒状超音波振動子エレ
メントの中心角を説明する図
メントの中心角を説明する図
【図９】同周状超音波振動子の角棒状超音波振動子エレ
メント間の信号位相差とビームのティルト角の関係を示
す図
メント間の信号位相差とビームのティルト角の関係を示
す図
【図１０】同周状超音波振動子が受信した信号のティル
ト角と方位との関係を示す図
ト角と方位との関係を示す図
【図１１】同周状超音波振動子の外観図
【図１２】この発明の実施形態であるスキャニングソナ
ーの構成を示す図
ーの構成を示す図
【図１３】同スキャニングソナーの水平ビーム形成・ス
キャン回路の構成を示す図
キャン回路の構成を示す図
【図１４】同スキャニングソナーの水平ビーム形成・ス
キャン回路の他の方式を説明する図
キャン回路の他の方式を説明する図
【図１５】同他の水平ビーム形成・スキャン回路の構成
を示す図
を示す図
【図１６】同他の水平ビーム形成・スキャン回路が形成
するビームとチャープ信号波形の関係を説明するための
図
するビームとチャープ信号波形の関係を説明するための
図
【図１７】同周状超音波振動子の他の実施形態の外観図
【図１８】従来の周状超音波振動子を示す図
１…棒状超音波振動子エレメント １０…周状超音波振動子 ２０…送受信コントローラ ２１…送信信号発生回路 ２６…移相器ブロック ３０…水平ビーム形成・スキャン回路 ３１…遅延回路 ４０…切換回路 ４１…切換制御回路 ４２…マッチドフィルタ ４３…リファレンスパターンレジスタ ４４…シフトレジスタ ４５…乗算器 ４６…加算器 ４７…増幅器 ４８…パターンメモリ
Claims (9)
- 【請求項１】 棒状の複数の超音波振動子エレメント
を、円周状に、該円周方向に傾斜させて配置したことを
特徴とする周状超音波振動子。 - 【請求項２】 前記複数の超音波振動子エレメントの一
方の端部が形成する円周の半径と、他方の端部が形成す
る円周の半径とが異なることを特徴とする請求項１に記
載の周状超音波振動子。 - 【請求項３】 円周状に、該円周方向に傾斜させ且つほ
ぼ等間隔に配置した棒状の複数の超音波振動子エレメン
トと、 前記各超音波振動子エレメントに対して、隣接する超音
波振動子エレメントと所定の位相差を有する超音波信号
を供給し全周に送信ビームを形成する超音波信号供給手
段と、 前記超音波信号の位相差を制御することにより、前記全
周方向に形成される送信ビームの指向方向を上下方向に
動かす位相差制御手段と、 を備えたことを特徴とする送信ビーム形成装置。 - 【請求項４】 前記位相差制御手段は、（前記周状超音
波振動子を構成する超音波振動子エレメントの個数）×
（隣接する超音波振動子エレメント間の位相差）＝２ｎ
π（ｎは整数）となるように、隣接する超音波振動子エ
レメントとの位相差を決定する手段である請求項３に記
載の超音波走査装置。 - 【請求項５】 請求項１または請求項２に記載の周状超
音波振動子と、 該周状超音波振動子の隣接する超音波振動子エレメント
間の位相差が所定値になるように各超音波振動子エレメ
ントが受信した信号を移相する移相手段と、 前記複数の超音波振動子エレメントから一部を選択し、
該選択された超音波振動子エレメントが受信し前記移相
手段によって移相された信号を合成することにより受波
ビームを形成する合成手段と、 前記移相手段が信号を移相する位相差を制御することに
より、前記受波ビームを上下方向に動かす位相差制御手
段と、 を備えたことを特徴とする超音波走査装置。 - 【請求項６】 前記位相差制御手段は、（前記周状超音
波振動子を構成する超音波振動子エレメントの個数）×
（隣接する超音波振動子エレメント間の位相差）＝２ｎ
π（ｎは整数）となるように、隣接する超音波振動子エ
レメントとの位相差を決定する手段である請求項５に記
載の超音波走査装置。 - 【請求項７】 前記合成手段は、超音波振動子エレメン
トの選択を切り換えることによって前記受波ビームを旋
回させる手段である請求項５に記載の超音波走査装置。 - 【請求項８】 請求項３ないし請求項７のいずれかに記
載された超音波走査装置を用い、前記周状超音波振動子
を水中に設置したことを特徴とするスキャニングソナ
ー。 - 【請求項９】 請求項１または請求項２に記載の周状超
音波振動子と、 該周状超音波振動子の複数の振動子エレメントを円周方
向に順次切り換えて受波信号の搬送周波数がドップラ周
波数偏位を生じるように到来信号を受信する受信手段
と、 該受信手段の出力信号をパルス圧縮するマッチドフィル
タと、 を備えたことを特徴とするスキャニングソナー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9224730A JPH1164492A (ja) | 1997-08-21 | 1997-08-21 | 周状超音波振動子、超音波走査装置およびスキャニングソナー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9224730A JPH1164492A (ja) | 1997-08-21 | 1997-08-21 | 周状超音波振動子、超音波走査装置およびスキャニングソナー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1164492A true JPH1164492A (ja) | 1999-03-05 |
Family
ID=16818351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9224730A Pending JPH1164492A (ja) | 1997-08-21 | 1997-08-21 | 周状超音波振動子、超音波走査装置およびスキャニングソナー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1164492A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010060480A (ja) * | 2008-09-05 | 2010-03-18 | Japan Radio Co Ltd | 超音波送受波器 |
| EP3273264A2 (en) | 2016-07-20 | 2018-01-24 | Furuno Electric Company Limited | Underwater detection apparatus |
-
1997
- 1997-08-21 JP JP9224730A patent/JPH1164492A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010060480A (ja) * | 2008-09-05 | 2010-03-18 | Japan Radio Co Ltd | 超音波送受波器 |
| EP3273264A2 (en) | 2016-07-20 | 2018-01-24 | Furuno Electric Company Limited | Underwater detection apparatus |
| US20180024240A1 (en) * | 2016-07-20 | 2018-01-25 | Furuno Electronic Co., Ltd. | Underwater detection apparatus |
| EP3273264A3 (en) * | 2016-07-20 | 2018-04-18 | Furuno Electric Company Limited | Underwater detection apparatus |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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