JPS6250781B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水中作業の監視、非破壊検査、生体
内撮像等の分野に有効な音響立体撮像方式に関す
る。

水中作業の監視等には、通常テレビカメラ等が
利用されているが、当然のこと乍ら、水が汚濁し
た場合等には監視が不可能となるし、各種物体の
非破壊撮像、生体内撮像等も不可能事である。こ
れに対し、こうした可視光領域で撮像が不可能な
対象物の撮像手法として、音波を利用した撮像方
式が従来からも考えられている。而して、従来の
こうした立体撮像方式には種々の周波数の音波を
対象物に向けて発音し、各周波数毎の再生像を
得、これを重ね合わせて立体像を得るようなもの
が提案されているが、データの収集自体に時間が
かかるばかりか、立体像を得る像再生過程も時間
のかかるものとなつていた。これに伴い、単に撮
像時間、像再生時間がかかるばかりでなく、撮像
中に対象物が動いてしまうと再生像にブレが生ま
れる欠陥を有してもいた。

上記の手法を異なる手法として、音波を対象物
に照射し、対象物により反射されて戻つてくる迄
の時間、或いは対象物中の伝搬時間を計測するこ
とによつてＢモードの像（通常、断層像）を得、
これに音波のビーム乃至等価的なビームの走査に
よるＣモードの像（平面像）を組み合わせて立体
像を得る方式も案出されてはいるが、ビーム走査
系その他回路機構系が複雑となりがちで、またデ
ータ収集に長い時間を必要とする欠陥は克服し得
ていない。

本発明は以上に鑑み、音波を利用した立体撮像
を高速に行うため、データ収集時間を短くし、像
再生に要する時間も短縮することを主目的として
なされたもので、付随的には必要に応じメモリ容
量の低減に就いてもこれを開示せんとしたもので
ある。

本発明を大概すれば、周波数帯域巾を有するパ
ルス音を対象物に照射し、対象物からの反射音波
乃至対象物中を伝搬、透過した音波を受音し、こ
の受音信号を照射音の信号でデコンボリユートし
て対象物の音波の反射率分布、乃至透過率分布を
得、もつて立体像を得る手法と謂うことができ
る。

以下、添付の図面に即し、実施例を介して詳説
する。

第１図に概略的なブロツクダイアグラムを、第
２図に発音素子１及び受音素子２と対象物３との
一例としての座標系を示しているが、先づ、通常
のスピーカ等、適当な発音素子１を含む発音部４
から、周波数帯域巾を有するパルス音を対象物３
に照射する。この発音音波乃至照射音波を周波数
帯域巾を有するパルス音としたのは、種々の周波
数の音波を利用した対象物の情報を当該パルスの
継続時間で収集でき、また、通常、パルスの継続
時間は以下述べる所からも容易に想起されるよう
に数十分の一乃至数千分の一秒で良いことから、
データ収集時間を短くすることができるからであ
る。尚、周波数帯域巾を有するパルス音としては
所謂チヤーブ音等が考えられる。

対象物から反射され、或いは対象物を透過して
きた音波（第１，２図中では反射を例に採つてい
る）は、マイクロフオン等の適宜な受音素子２に
て検出され、受音部５にて受音信号となつて像再
生部６に送られる。本発明の特徴は、この受音信
号の波形を照射音の信号波形でデコンボリユート
することにあるが、この実施例では、この目的を
果たすため、以下の手順を踏むようになつてい
る。

像再生部６は、受音部５からの受音信号をフー
リエ変換部７にてフーリエ変換する。一方、発音
部４からの、又は発音素子１が発音した照射音を
直接に把えるマイクロフオン等の素子（図示せ
ず）からの発音信号もフーリエ変換部８によつて
フーリエ変換する。而して後、受音信号のフーリ
エ変換したものを発音信号（照射音信号）のフー
リエ変換したものによつて割り算部９にて割り算
する。このフーリエ領域における割り算により、
発音素子１と対象物３乃至受音素子２間の音波の
伝搬時間に関する情報や、各周波数毎の反射率
（又は透過率）、即ち反射率の周波数分布に関する
情報を含んだ情報が得られる。

この割り算された情報を逆フーリエ変換部１０
により逆フーリエ変換し、再び時間領域の情報に
変換すると、上記の音波の伝搬時間（厳密には発
音素子から対象物を介して受音素子に至る伝搬時
間）を含んだ情報を得ることができる。この操作
は周波数合成（あるいはデコンボリユーシヨン）
と概念することができる。この周波数合成はフー
リエ変換のかわりに整数論変換（NTT）によつ
ても同様に実行されうるし、また、表面弾性波を
利用した素子を用いても実行されうる。

この周波数合成により得られた音波伝搬時間情
報を、第２図に示す各受音素子毎に既述の操作を
なして得た後（並列処理が普通である）、合成す
れば（開口合成と概念できる）対象物の立体像を
得ることができ、適当な像表示系１２に表示する
ことができる。

尚、実際上、周波数合成により、高次回折像の
抑制と複数の受音素子の個数の節約を図ることが
できるが、これに就いては後述する。

ここで、具体的な算法の一例を挙げて既述の操
作を布衍する。

発音素子１の位置をr₀（r₀は位置ベクトルを示
す）とし、発音信号ｓ_t(t)の次のようにおく。

ｓ_t(t)＝∫〓^２〓_１St（ω）ｅ^j〓^tdf ………(1) ここでω_１，ω_２は夫々、発音音波に含まれる
最低及び最高角周波数であり、最低及び最高周波
数_１，_２に対しω_１＝２π_１，ω_２＝２π
_２である。

発音素子からｒ離れた所にある対象物３の反射
係数を簡便のために周波数には依存しないものと
して、ρ_(r)と置き、該対象物からの反射音を位
置ｒ_Sにある受音素子２で受音すると、受音信号
ｓ_r(t)は次のようになる。

この信号をフーリエ変換すると、 が得られる。

一方、上記(1)式の発音信号（照射音信号）をフ
ーリエ変換すると、 St（ω） ……(4) となる。

従つて、(3)式を(4)式で除すと、即ち受音信号乃
至受音波形を照射音信号乃至照射音波形でデコン
ボリユートすると、Ｉ（ω）が次のように求めら
れる。

これを逆フーリエ変換すると、対象物と撮像装
置間の音波の伝搬時間の情報ｉ_(t)が得られる。

ｉ_(t)＝１／Ｗ∫〓^１〓_２Ｉ（ω）ｅ^j〓^tｄ……(6) Ｗ＝ω_２−ω_１ このｉ_(t)を各受信音素子に亘つて下式(7)に示
される開口合成を行えば結局、対象物の反射率分
布を立体的に把えて立体像Ｏ（ｒ_R）が得られる
ことになる。ｒ_Rは像再生点の位置である。

ここではＳは受音素子２…の配列の面積であ
り、例えば第２図示のように長さＸ_S，Ｙ_Sの辺に
よる矩形に配した場合はＳ＝Ｘ_S・Ｙ_Sとなる。

ここ迄開示されれば、対象物の反射係数が周波
数に依存する場合には反射係数をρ（ｒ，ω）と
して式を立て替えれば良いこと、また対象物を透
過した音波で情報を得る場合には反射係数を透過
率に代えて鑑みれば良いこと等、当業者であれば
自明の事項であろう。

尚また、ハードウエア的に、受音信号を各受音
素子毎に記憶する必要に応じては、受音信号をヘ
テロダイン受音するように図れば、利用している
音波の周波数より低い周波数の信号（受音信号の
振巾や位相情報はそのまま保持されている）をメ
モリに貯えれば良いから、各素子当たりのメモリ
容量を極めて低減することが容易にできることに
なる。その場合、ヘテロダイン用の局部発振信号
の角周波数をω_０とすれば、上記(5)式のＩ（ω）
をＩ（ω−ω_０）として把えれば良く、原理的に
何の差異もない。

ところで、若干、設計的な事項に言い及んでお
くと、周波数帯域巾を有するパルス音を発する時
に、その周波数掃引比α（α＝ω_２／ω_１＝
_２／_１）を適切に定めてやれば、視野を拡大す
ることができ、ひいては受音素子数を節約するこ
とが可能である。

今、上記(7)式においてｒ＝〔ｘ，z₀〕，ｒ_S＝
〔ξ，ｏ〕，ｒ_R＝〔ｘ_R，z₀〕，r₀＝〔ｏ，ｏ〕とお
いてみる。つまり、発音素子１が原点にあり、点
音源と看做する対象物３が（ｘ，z₀）の位置にあ
るものとして第３図のような二次元モデルで解析
をしてみる。ここで受音素子２の間隔はΔであ
る。既述の(7)式をフレネル近似によつて書直す
と、 となる。この式のsinc〔・〕の項は、周波数合成
によつて各々の受音素子がｘ軸と平行な方向に指
向性を持つことを意味している。また、第３図の
ように受音素子２…を間隔〓で配列し、ω_２の角
周波数の音波で撮像する時には、受音素子の空間
サンプリングによつて高次の回折像が生ずる。こ
の高次回折像の位置が前記の方位分解能の最大値
δ_naxの外側にあればこの回折像を抑制すること
ができる。

前記方位分解能の最大値δ_naxは（ξ−2x）²＝
８πczo／ｗの時に（２＋√２）√と
なるから、上記の抑制条件を表せば下式(9)とな
る。

（２＋√２）√≦２πczo／（ω_２
〓） ……(9) ここで掃引周波数比α及び最低周波数_１に就
き(9)式を解くと次のような条件が求まる。

この条件から_１，α、つまりは_１，_２を
定めれば、少い受音素子数で広い視野の撮像が可
能となる。逆に謂つて、パルス音が帯域巾を持つ
ていることで例えば受音素子群の配列間隔〓が1/
２波長以上の所謂シンアレイでも高次回折像の抑
制が可能であり、受音素子数の節約が図れること
になる。

更に推し述べて、受音素子数を最小にする場合
の設計例を挙げておく。

(1) 先づ、撮像距離の範囲ｚ_pnio〜ｚ_pnaxを指定
し、ｚ_pnaxにおける確保すべき方位分解能〓
ｘ／ｚ_pnaxを指定し、利用する音波の中心周波
数ｍを定める。これにより、必要な開口の大
きさがＸ_S＝cz_pnax／_n〓ｘとして求まる。

(2) 確保すべき距離分解能〓ｚを与えると、この
分解能を得るために必要な最小周波数帯域巾
FminがFmin＝ｃ／２〓ｚとして与えられる。そこ で、最小受音素子数で設計するため、周波数帯域
巾をできるだけ大きく、撮像装置の諸元で許され
る限りの最大の周波数帯域巾Ｆとして決定する。
これにより、周波数掃引比をα＝（_n＋
Ｆ／２）／（_n−Ｆ／２）として求める。

(3) 以上によつて必要な最小受音素子数N²が次
のように定まる。〔 〕はガウスの記号であ
る。

以上詳記の所から理解されるように、本発明は
次のような顕著な効果を有している。

(イ) 対象物からの反射音乃至透過音の受音信号の
波形を照射音の波形によつてデコンボリユート
することを特徴としているから、一般に音波の
伝搬時間の情報を求めることが逆フーリエ変換
で計算でき、従つて一般に用いられている
FFT（高速フーリエ変換）回路系を望ましく
は並列に援用することができるから、像再生時
間を短縮できる。

(ロ) 周波数合成は結局パルス圧縮技術を援用して
いるから、受音音波に含まれる周波数帯域巾に
よつて距離分解能が定まることになり、従つて
発音音波の周波数帯域巾を広く設定することで
容易に距離分解能の向上が図れる。

(ハ) 発音音波は帯域巾をもつ音波であるため種種
の周波数に対する対象物からの情報を得ること
ができ、従つてスペツクルノイズを低減でき、
また周波数掃引比を適切に定めることによつて
受音素子数の節約が図れるばかりか、上記情報
の収集を当該パルスの継続時間で収集できるた
め、撮像時間の短縮に加え、継続時間をシヤツ
タースピードと考えて、対象物が動いている場
合にもその瞬時の画像を得ることが可能であ
る。

(ニ) 開口合成では、受音素子の開口の大きさによ
つて方位分解能が定まるため、開口を大きく設
定するだけで容易に方位分解能を向上させるこ
とができる。

ともかくも、本発明は、データ収集時間も、像
再生時間も共に短縮し、高速で音波を利用しての
立体撮像が可能な極めて有効な方式である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方式の一実施例のブロツクダイ
アグラムを示す概略構成図、第２図は一例として
の座標系の説明図、第３図は二次元モデルにての
説明図、である。 図中、１は発音素子、２は受音素子、３は対象
物、７，８はフーリエ変換部、９は割り算部、１
０は逆フーリエ変換部、１１は開口合成部、であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 周波数帯域巾を有するパルス音を撮像すべき
   対象物に照射し、該対象物からの反射音乃至透過
   音を受音し、該受音信号の波形を上記照射音の信
   号の波形でデコンボリユートすることで周波数合
   成し、さらにこれを受発音素子群に関して開口合
   成することによつて対象物の音波の反射率乃至透
   過率の分布を立体的に得、もつて対象物の立体像
   を得ることを特徴とする音響立体撮像方式。