JP4079251B2 - 超音波探査装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、魚体などの反射物体の二次元位置を検知可能な超音波探査装置に関するものであり、特に、反射信号の到来方向を検知するための信号位相差検出部の簡易化を図った超音波探査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人の先願（特開２００１−９９９３１号公報）には、海中の魚体などの反射物体の二次元位置を検知できるようにした超音波探査装置が開示されている。この超音波探査装置は、送信された超音波の反射波を複数の受信素子で受信し、各受信素子の形状と配置で定まる方位関数と、各受信素子の受信信号の位相差とから反射波を発生させた物体の方位を検出する方位検出部を備えている。また、超音波を送信してから反射波を受信するまでの所要時間と受信した反射波の振幅とから反射物体までの距離とこの反射強度とを検出する距離検出部と、上記各検出部で検出済みの方位と距離とを組合せて三次元表示する表示部を備えている。
【０００３】
上記先行技術の超音波探査装置は、一例として図１１に示すように構成されている。制御部ＣＮＴの制御のもとに送信部ＴＸで送信信号が発生される。この送信信号は、数十kHz 乃至数百kHz の超音波帯域の正弦波の搬送波が数十サイクルにわたって持続するバースト状の波形を呈する。この送信信号は、信号を一方向にだけ伝達する単行回路ＩＳ１，ＩＳ２を通過し、離間して設置された２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに供給され、外部の海中などに放射される。海中に放射され、海中の魚体などで発生した反射波は、送受共用の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに受信され、増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２で増幅され、受信反射信号ａ1 ，ａ2 としてアナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２の一方の入力端子に供給される。
【０００４】
アナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２の他方の入力端子には送信回路ＴＸから搬送波信号が供給されている。アナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２で発生したビート信号ｂ1 ，ｂ2 は、低域通過濾波回路ＬＰＦ１，ＬＰＦ２で濾波され、高周波成分が除去されたビート信号ｃ1 ，ｃ2 となって位相差検出回路ＡＲＧと、加算回路ＡＤＤとに供給される。位相差検出回路ＡＲＧでは、ビート信号の複素共役積ｃ1 ・ｃ2 * から両者の位相差信号ｇが検出され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。これと並行して、濾波済みのビート信号ｃ1 ，ｃ2 は加算回路ＡＤＤでアナログ加算されて合成信号ｈとなり、絶対値回路ＡＢＳで振幅の絶対値ｓに変換されディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。
【０００５】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値回路ＡＢＳから供給される絶対値ｓの出現時点と、位相差検出回路ＡＲＧから供給される位相差ｇとから三次元の表示データを作成し、表示部ＤＩＳに供給し、表示させる。この表示は、ｘーｚ断面図、ｙーｚ断面図、一定深度のｘーｙ断面図などによって表示される。
【０００６】
２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２は、空間的に離間して設置される。例えば、図１２に示すように、超音波の進行方向を水深方向（ｙ軸方向）とした場合、このｙ軸と直行するｘ軸方向に、２個の矩形状の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２がＬだけ離して配置される。トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに受信される反射波の位相差に基づき、反射物体と原点を結ぶ線分がｘ軸となす角度θｘがｘ方向の方位角として検出される。
【０００７】
例えば、図１２に示すように、一方のトランスジューサＴＤ１の中心からＲ離れた方位角θｘの方向に反射物体Ｗが存在するものとする。他方のトランスジューサＴＤ２と反射物体Ｗとの距離をＲ＋δＲとすれば、δＲ＝Ｌ sinθｘで与えられる。反射物体Ｗで発生した超音波の伝搬速度をｃとする。一方の超音波トランスジューサＴＤ１が反射波を受信してから他方の超音波トランスジューサＴＤ２が反射波を受信するまでの時間差δｔとすれば、δｔ＝δＲ／ｃ＝Ｌ／ｃ sinθｘを得る。
【０００８】
この時間差が超音波受信信号の半周期よりも小さくなるように超音波信号の周波数を設定すると、上記受信時点の時間差をそれぞれの超音波トランスジューサの受信信号の位相差から検出できる。実際には、受信反射信号ａ1 ，ａ2 から発生させた濾波済みのビート信号 c1 , c2 の位相差から時間差が検出され、この時間差と距離Ｒとから方位角θｘが検出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波探査装置では、水底については、最も早く戻ってきた強い反射波の成分から水底を検出し、これに基づき水底を水平なものとして表示していた。しかしながら、水底が傾斜していると、最も早く戻ってきた強い反射波の成分が船舶の直下の水底からではなく、斜め方向の水底からの反射波の成分となる場合が生ずる。当然、水底を水平なものとして表示することも正確ではなくなる。従って、本発明の一つの目的は、傾斜している水底を正確に把握できる検出方法を提供することにある。
【００１０】
また、上記先行技術の超音波探査装置では、各超音波受信素子による受信信号の位相差を検出するための位相差検出部がアナログ乗算器などのアナログ回路で構成されている。このため、調整作業が煩雑になり製造コストがかさむと共に、精度もばらつくという問題がある。従って、本発明の一つの目的は、安価で、高精度の位相差検出方式の超音波探査装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明の超音波探査装置は、搬送波のバースト信号から成る超音波信号を送信する送信部と、この送信された超音波信号の物体による反射波を受信して受信信号を出力する複数の受信素子を備えた受信部と、前記複数の受信素子の配置と各受信素子から出力される受信信号の位相差とから前記物体の方位を検出する方位検出部と、前記受信信号の出現時点および振幅から物体の距離および反射強度を検出する距離・反射強度検出部と、前記検出された方位、距離および反射強度を含む位置データを処理して前記物体を画面表示する表示処理部とを備えている。
【００１２】
本発明の超音波探査装置は、方位ごとの水底を検出する水底検出手段と、検出された方位ごとの水深を表示する手段を備えている。
【００１３】
本発明の超音波探査装置によれば、方位検出部が各受信信号をサンプリングし、最隣接のサンプリング値の対から複素信号を作成し、この複素信号に基づき各受信信号の位相差を検出する手段を備えている。
【００１４】
本発明の超音波探査装置によれば、各方位ごとの水底の検出は、各受信信号の振幅の時間軸上の配列と、この各受信信号の位相差から検出した方位の時間軸上の配列との対応関係に基づき行われる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの好適な超音波探査装置によれば、受信部の傾斜を検出する傾斜検出手段を備え、この傾斜検出手段が検出した傾斜により水底の方位を補正する傾斜補正手段を備えている。
【００１６】
本発明の他の好適な実施の形態の超音波探査装置は、方位０°の水底の深さをｔ−ｙ断面図中に水深として表示する水底表示手段を備えている。
【００１７】
本発明の更に他の好適な実施の形態の超音波探査装置は、前記水深を所定の色彩で表示する水底表示手段を備えている。
【００１９】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。この超音波探査装置は、制御部ＣＮＴ、送信部ＴＸ、単行回路ＩＳ１，ＩＳ２、超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２、増幅回路ＡＭＰ１，ＡＭＰ２、サンプリング回路ＳＰＬ１，ＳＰＬ２，複素合成回路ＣＭＰＸ１，ＣＭＰＸ２、位相差検出回路ＡＲＧ、加算回路ＡＤＤ、絶対値回路ＡＢＳ、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰ、表示装置ＤＩＳを備えている。
【００２０】
制御部ＣＮＴの制御のもとに送信部ＴＸで超音波の送信信号が発生される。この送信信号は、前述した従来装置の場合と同様に、数十kHz 乃至数百kHz の超音波帯域の正弦波の搬送波が数十サイクルにわたって持続するバースト状の波形を呈する。この超音波送信信号は、信号を一方向にだけ伝達する単行回路ＩＳ１，ＩＳ２を通過して２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに供給され、それぞれから同時に外部の海中などに放射される。海中に放射されて海中の魚体などで生じた反射波は、送受共用の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに受信され、増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２で増幅される。
【００２１】
増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２で増幅された受信反射波は、サンプリング回路ＳＰＬ１，ＳＰＬ２において、第１，第２のサンプリング信号ｓｐi ，ｓｐq によってサンプリングされ、ディジタル信号に変換される。第１のサンプリング回路ＳＰＬ１から出力されるディジタル受信信号ｐ1 ，ｑ1 は後段の複素信号合成回路ＣＭＰＸ１においてディジタル複素信号ｒ1 ＝ｐ1 ＋ｊｑ1 に変換され、位相差検出回路ＡＲＧと加算回路ＡＤＤとに供給される。同様に、第２のサンプリング回路ＳＰＬ２から出力されるディジタル受信信号ｐ2 ，ｑ2 は後段の複素信号合成回路ＣＭＰＸ２においてディジタル複素信号ｒ2 ＝ｐ2 ＋ｊｑ2 に変換され、位相差検出回路ＡＲＧと加算回路ＡＤＤとに供給される。
【００２２】
位相差検出回路ＡＲＧでは、ディジタル複素信号ｒ1 とｒ2 との複素共役積ｒ1 ・ｒ2 * から受信反射信号ａ1 ，ａ2 の位相差ｇが算定され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。ディジタル加算回路ＡＤＤでは、ディジタル複素信号ｒ1 とｒ2 が加算され、この加算値ｈの絶対値ｓが絶対値回路ＡＢＳで算定され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値ｓとその出現時点と、位相差ｇとから三次元の表示データを作成し、表示部ＤＩＳに供給し、表示させる。
【００２３】
以下、位相差検出の原理について詳細に説明する。受信信号ａ1 ，ａ2 の包絡線振幅をA(t)、搬送波の角周波数をω、位相をそれぞれφ1 ，φ2 とおくと、
ａ1 ＝A(t) cos (ωｔ＋φ1 ）
ａ2 ＝A(t) cos (ωｔ＋φ2 ）
となる。
【００２４】
受信信号ａ1 を、標本化回路ＳＰＬ１において、標本化信号ｓｐi と、これよりもτだけ遅延させた標本化信号ｓｐq とによって標本化する。時刻ｔに出現する標本化信号ｓｐi による標本化受信信号ｐ1 (t) と、時刻ｔ＝ｔ＋τに出現する標本化信号による標本化受信信号ｑ1 (t) は、
となる。ここで、τを、
ωτ＝π／２
とすると、
となる。
【００２５】
複素合成器ＣＭＰＸ１において、ｐ1 (t) を実部とし、ｑ1 (t) を虚部とする複素数ｒ1 が合成される。すなわち、この複素数ｒ1 は、
である。ｒ1 は受信信号ａ1 の位相角( ωｔ＋φ1 ) を偏角とする複素数となっている。
【００２６】
同様に、
となる。ｒ2 は受信信号ａ2 の位相角( ωｔ＋φ2 ) を偏角とする複素数となっている。
【００２７】
従って、位相角計算部ＡＲＧにより、この複素数ｒ1 とｒ2 の複素共役積を計算し、その偏角ｇを計算すると、ＡＲＧの出力ｇは、基本構成と同様に、
となる。このように、受信信号ａ1 ，ａ2 間の位相差Δφが求まると、トランスジューサからみた魚体の方位角が判明する。
【００２８】
加算回路ＡＤＤによる加算結果は、
となる。絶対値算定部ＡＢＳで算定されるｈの絶対値をｓとすれば、
となる。
【００２９】
ここで、最隣接サンプリング時点間の時間差τをπ／（２ω）に設定したので
τ＝π／（２ω）＝π／（４πｆ）＝Ｔ／４
となる。ここで、ｆは搬送波の周波数、Ｔは搬送波の周期１／ｆである。すなわち、τは搬送波の周期の１／４の時間長である。以上のことから、受信信号ａの１／４周期だけずらした２点でのサンプリング値（観測値）をそれぞれ実部、虚部とする複素数を作成することにより、受信信号の位相を保存する複素数を得ることができ、本方式を構成することができる。この構成は、基本構成を用いる従来の信号変換部より簡単になる。
【００３０】
図２は、受信信号ａ(t) の波形と、サンプリング点との関係を説明するための波形図である。最初のサンプリング点ｔ11とこれに後続する最隣接のサンプリング点ｔ12の時間差はτであり、これは搬送波の周期Ｔの１／４である。３番目のサンプリング点ｔ21とこれに後続する最隣接のサンプリング点ｔ22の時間差も同様にτ＝Ｔ／４である。受信信号ａ(t) の持続時間Ｄは、送信信号のそれにほぼ等しい。最初のサンプリング点ｔ11と３番目のサンプリング点ｔ21との間隔は、信号の持続時間Ｄの半分Ｄ／２以下の値に設定される。このような関係を設定することにより、受信信号の包絡線の形状の検出が可能になる。この結果、反射波を発生させた物体の形状の推定が可能になる。
【００３１】
図３は角度を含む物体位置の三次元表示画面の一例である。直交三軸として船舶の舷側方向にｘ軸、深度方向にｙ軸、船舶の進行方向にｚ軸または時間軸ｔがそれぞれ設定される。左上の表示画面（ａ）は船舶のｔ−ｙ断面図、右上の表示画面（ｂ）はｘ−ｙ断面図、左下の表示画面（ｃ）は（ａ）のｔ−ｙ断面図を任意の深度ｙ１で水平に切断して示すｔ−ｘ断面図である。各断面図中のａ１，ｂ１，ｃ１は、現時点で検出された同一の反射物体である。
【００３２】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値回路ＡＢＳから供給される受信反射波の絶対値ｓを、位相差検出回路ＡＲＧからの出力ｇに基づいて方位ごとに分類し、各方位ごとに水底を検出する。この方位の分類方法と、検出する水底の例を図４に示す。
【００３３】
図４は、横軸を船舶の舷側方向、縦軸を深度方向とする水中断面図である。超音波トランスジューサの指向角を４５°としたとき、中心の角度が左側２０°（Ｌ２０°）から右側２０°（Ｒ２０°）にわたるとともにそれぞれが５°の角度範囲をもつ９個の領域ａ〜ｉを想定する。絶対値回路ＡＢＳから供給される絶対値ｓを、位相差検出回路ＡＲＧから供給される出力ｇによって９個の領域ａ〜ｉに対応させて分類し、各領域ごとの水底を検出する。図４中の点Ａは、方位角（０°±２．５°）の領域内で検出された水底位置を示している。この水底位置までの距離は、船舶の直下の水底位置までの距離として定義される水深である。点Ｂは、方位角（１０°±２．５°）の領域の水底までの距離に対応する水底位置を示している。
【００３４】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰが行う水底検出処理の一例を、図５のフローチャートを参照して説明する。超音波の１回の送受信ごとに、時間軸上に配列された受信反射波の振幅の絶対値の群が作成される。時間軸上の位置、従って、反射物体までの距離を、受信反射波の振幅の絶対値のサンプル番号Ｃで表示する。このサンプル番号Ｃは、０から最大値Ｃmax までである。
【００３５】
まず、最初のステップＳ１において、初期化が行われる。すなわち、サンプル番号Ｃ、受信反射波の振幅の最大強度Ｓmax 、水底位置を示す水底サンプル番号Ｃｂのそれぞれに対して、初期値０に設定される。次のステップＳ２において、各種のパラメータが設定される。すなわち、水底検出フラグＦｂ、検出開始可能時点を示す発振線終了時点のサンプル番号Ｃｓ、最小水深ゲートサンプル番号Ｃｇmin 、最大水深ゲートサンプル番号Ｃｇmax 、サンプル番号の最大値Ｃmax 、最小水底反射強度Ｓmin として適宜な値が設定される。これらのパラメータは、従来の超音波魚探に用いられるものと同様のものである。
【００３６】
ステップＳ３で、サンプル番号が探知可能な最遠距離に対応する最大値Ｃmax に達したか否かが判定され、そうでなければ、ステップＳ４の処理が行われる。このステップＳ４では、受信反射波の振幅の絶対値Ｓ、水底サンプル番号Ｃｂの更新と、サンプル番号Ｃの更新が行われ、ステップＳ３に復帰する。すなわち、これまで保存済みの最大値Ｓmax よりも大きな新たな絶対値Ｓが出現するたびに従来の最大値Ｓmax がこの新たな最大値で更新されるとともに、この最大値に対応する水底の水深に対応する水底サンプル番号Ｃｂも更新される。
【００３７】
ステップＳ３でサンプル番号Ｃが最大値Ｃmax に達したことが検出されると、処理はステップＳ５に進む。このステップＳ５では、ステップＳ４で検出された振幅の絶対値の最大値Ｓmax が、ステップＳ２で予め設定された最小値Ｓmin 以上であるか否かが検出される。この最小値Ｓmin は、これ未満のものを水底からの反射波の振幅とは見なさないとして除外するための振幅の絶対値の最小値に関する閾値である。
【００３８】
最大値Ｃmax が閾値Ｓmin 以上であれば、前回の送受信において水底が検出済みであるか否かを示す水底検出フラグＦｂの検査が行われる（ステップＳ６）。水底が既に検出済み（Ｆｂ＝１）であれば、今回検出された水底の位置（サンプル番号Ｃｂ）が前回検出済みの水底のゲートの最小値Ｃg min よりも大きい否かが判定され（ステップＳ７）、この判定結果が肯定的であれば、それが前回検出済みの水底のゲートの最大値Ｃg max よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ８）。この水底ゲートは、前回までに検出された水底位置を中心にして適宜な幅をもったゲートを設定しておき、今回新たに検出された水底位置がこのゲートの内部に存在することを検出し、これによって検出の信頼性を向上させるためのものである。
【００３９】
ステップＳ７、ステップＳ８の判定が肯定的であれば、水底が検出済みであることを示す水底検出フラグＦｂが１にセットされ（ステップＳ９）、水底サンプル番号Ｃｂと水底検出フラグＦｂが出力され（ステップＳ１０）、すべての処理が終了する。これに対して、上記各判定ステップＳ５、Ｓ７、Ｓ８の判定結果が否定的であれば、水底検出フラグＦｂが未検出を示す０にセットされ（ステップＳ１１）、この未検出を示すフラグＦｂが出力され（ステップＳ１２）、すべての処理が終了する。
【００４０】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、検出した水底サンプル番号Ｃｂと、その偏角ｇから算定した水底の方位角θｘから、水底までの距離Ｒを以下の式に基づき算定する。
Ｒ＝α・Ｃｂ cosθｘ
ここで、αは各サンプル間の時間間隔×水中の音速／２である。これにより、検出された水底の位置Ａまでの距離として定義される水深Ｄ１，水底の位置Ｂまでの距離Ｄ２など、９個の領域ａ〜ｉについて、それぞれ水底位置までの距離が算定される。
【００４１】
図６に例示するように、船舶の舷側方向に傾斜した水底を検出する。このような水底からの反射波を処理すると図７と図８の波形図に例示するような振幅の絶対値と方位角θｘのサンプリング列が得られる。すなわち、図７は絶対値回路ＡＢＳから出力される振幅の絶対値ｓのサンプリング値を例示しており、図８はこの振幅の絶対値に対応して位相角計算部ＡＲＧから出力される偏角ｇに基づいて算定された方位角θｘのサンプリング列を例示している。図８に示される方位角に対応する水底位置を図７の振幅の絶対値のサンプリング列の対応のサンプル番号から検出することができる。この結果、方位角ごとの深度が得られる。
【００４２】
超音波素子ＴＤ１，ＴＤ２を含む受信部の傾斜角を検出する角度センサを受信部に取付け、これで検出した受信部の取付け角度をディジタル信号に変換し、図１のディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給する。ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、この傾斜角に基づき方位角θｘを補正し、補正済みの方位角θｘごとの水深を算定し、画面に表示する。
【００４３】
図９は、船舶の直下（方位角０°の方向）の水深と、操作者が指定した任意の方位角方向の水底までの距離を、表示画面の下方に算用数字で表示する表示例を示している。
【００４４】
図１０は、従来方式でＢスコープ表示した水底の画面中に船舶の直下の水深を、赤など適宜な色彩の線で表示する表示例を示している。従来方式のＢスコープ表示画面では、各方向から帰ってくる反射波が到着順に時間軸上に配列されるので、水底が傾斜している場合には、船舶の直下の水深よりも浅い水底が検出されることがあり、図１０ではそのような例が表示されている。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の超音波探査装置は、方位ごとの水底を検出する水底検出手段を備える構成であるから、傾斜した水底を正確に把握できるという効果が奏される。
【００４６】
また、本発明の好適な実施例の超音波探査装置によれば、方位検出部が各受信信号をサンプリングし、最隣接のサンプリング値の対から複素信号を作成し、この複素信号に基づき各受信信号の位相差を検出する手段を備える構成であるから、安価で、高精度の位相差検出方式の超音波探査装置を提供できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】受信信号の波とサンプリングの時点との関係を説明するための波形である。
【図３】角度を含む物体位置の三次元表示画面の一例であり、船舶のｔ−ｙ断面図（ａ）、ｘ−ｙ断面図（ｂ）、ｔ−ｘ断面図（ｃ）である。
【図４】横軸を船舶の舷側方向、縦軸を深度方向とする水中断面図である。
【図５】ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰが実行する水底検出処理の内容の一例を説明するためのフローチャートである。
【図６】上記実施例の超音波探査装置の検出対象の舷側方向に傾斜した水底の一例を示す概念図である。
【図７】図１の絶対値回路ＡＢＳから出力される振幅の絶対値Ｓのサンプリング値の時系列を例示する概念図である。
【図８】図７の振幅の絶対値に対応する方位角のサンプリング値の時系列を例示する概念図である。
【図９】水深等の表示例を示す画面である。
【図１０】水深を適宜な色彩の線で表示する画面である。
【図１１】先行技術の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】２個のセンサにへの受信信号の位相差に基づく反射物体の方位角の検出の原理を説明するための概念図である。
【符号の説明】
CNT コントローラ
TX 送信回路
TD1,TD2 超音波トランスジューサ
SPL1,SPL2 サンプリング回路
CPMX1,CMPX2 複素合成回路
ARG 位相差検出回路
ADD 加算回路
ABS 絶対値回路
DSP ディジタル・シグナル・プロセッサ
DIS 表示装置
【発明が属する技術分野】
本発明は、魚体などの反射物体の二次元位置を検知可能な超音波探査装置に関するものであり、特に、反射信号の到来方向を検知するための信号位相差検出部の簡易化を図った超音波探査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人の先願（特開２００１−９９９３１号公報）には、海中の魚体などの反射物体の二次元位置を検知できるようにした超音波探査装置が開示されている。この超音波探査装置は、送信された超音波の反射波を複数の受信素子で受信し、各受信素子の形状と配置で定まる方位関数と、各受信素子の受信信号の位相差とから反射波を発生させた物体の方位を検出する方位検出部を備えている。また、超音波を送信してから反射波を受信するまでの所要時間と受信した反射波の振幅とから反射物体までの距離とこの反射強度とを検出する距離検出部と、上記各検出部で検出済みの方位と距離とを組合せて三次元表示する表示部を備えている。
【０００３】
上記先行技術の超音波探査装置は、一例として図１１に示すように構成されている。制御部ＣＮＴの制御のもとに送信部ＴＸで送信信号が発生される。この送信信号は、数十kHz 乃至数百kHz の超音波帯域の正弦波の搬送波が数十サイクルにわたって持続するバースト状の波形を呈する。この送信信号は、信号を一方向にだけ伝達する単行回路ＩＳ１，ＩＳ２を通過し、離間して設置された２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに供給され、外部の海中などに放射される。海中に放射され、海中の魚体などで発生した反射波は、送受共用の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに受信され、増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２で増幅され、受信反射信号ａ1 ，ａ2 としてアナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２の一方の入力端子に供給される。
【０００４】
アナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２の他方の入力端子には送信回路ＴＸから搬送波信号が供給されている。アナログ乗算器Ｍ１，Ｍ２で発生したビート信号ｂ1 ，ｂ2 は、低域通過濾波回路ＬＰＦ１，ＬＰＦ２で濾波され、高周波成分が除去されたビート信号ｃ1 ，ｃ2 となって位相差検出回路ＡＲＧと、加算回路ＡＤＤとに供給される。位相差検出回路ＡＲＧでは、ビート信号の複素共役積ｃ1 ・ｃ2 * から両者の位相差信号ｇが検出され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。これと並行して、濾波済みのビート信号ｃ1 ，ｃ2 は加算回路ＡＤＤでアナログ加算されて合成信号ｈとなり、絶対値回路ＡＢＳで振幅の絶対値ｓに変換されディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。
【０００５】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値回路ＡＢＳから供給される絶対値ｓの出現時点と、位相差検出回路ＡＲＧから供給される位相差ｇとから三次元の表示データを作成し、表示部ＤＩＳに供給し、表示させる。この表示は、ｘーｚ断面図、ｙーｚ断面図、一定深度のｘーｙ断面図などによって表示される。
【０００６】
２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２は、空間的に離間して設置される。例えば、図１２に示すように、超音波の進行方向を水深方向（ｙ軸方向）とした場合、このｙ軸と直行するｘ軸方向に、２個の矩形状の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２がＬだけ離して配置される。トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに受信される反射波の位相差に基づき、反射物体と原点を結ぶ線分がｘ軸となす角度θｘがｘ方向の方位角として検出される。
【０００７】
例えば、図１２に示すように、一方のトランスジューサＴＤ１の中心からＲ離れた方位角θｘの方向に反射物体Ｗが存在するものとする。他方のトランスジューサＴＤ２と反射物体Ｗとの距離をＲ＋δＲとすれば、δＲ＝Ｌ sinθｘで与えられる。反射物体Ｗで発生した超音波の伝搬速度をｃとする。一方の超音波トランスジューサＴＤ１が反射波を受信してから他方の超音波トランスジューサＴＤ２が反射波を受信するまでの時間差δｔとすれば、δｔ＝δＲ／ｃ＝Ｌ／ｃ sinθｘを得る。
【０００８】
この時間差が超音波受信信号の半周期よりも小さくなるように超音波信号の周波数を設定すると、上記受信時点の時間差をそれぞれの超音波トランスジューサの受信信号の位相差から検出できる。実際には、受信反射信号ａ1 ，ａ2 から発生させた濾波済みのビート信号 c1 , c2 の位相差から時間差が検出され、この時間差と距離Ｒとから方位角θｘが検出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波探査装置では、水底については、最も早く戻ってきた強い反射波の成分から水底を検出し、これに基づき水底を水平なものとして表示していた。しかしながら、水底が傾斜していると、最も早く戻ってきた強い反射波の成分が船舶の直下の水底からではなく、斜め方向の水底からの反射波の成分となる場合が生ずる。当然、水底を水平なものとして表示することも正確ではなくなる。従って、本発明の一つの目的は、傾斜している水底を正確に把握できる検出方法を提供することにある。
【００１０】
また、上記先行技術の超音波探査装置では、各超音波受信素子による受信信号の位相差を検出するための位相差検出部がアナログ乗算器などのアナログ回路で構成されている。このため、調整作業が煩雑になり製造コストがかさむと共に、精度もばらつくという問題がある。従って、本発明の一つの目的は、安価で、高精度の位相差検出方式の超音波探査装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明の超音波探査装置は、搬送波のバースト信号から成る超音波信号を送信する送信部と、この送信された超音波信号の物体による反射波を受信して受信信号を出力する複数の受信素子を備えた受信部と、前記複数の受信素子の配置と各受信素子から出力される受信信号の位相差とから前記物体の方位を検出する方位検出部と、前記受信信号の出現時点および振幅から物体の距離および反射強度を検出する距離・反射強度検出部と、前記検出された方位、距離および反射強度を含む位置データを処理して前記物体を画面表示する表示処理部とを備えている。
【００１２】
本発明の超音波探査装置は、方位ごとの水底を検出する水底検出手段と、検出された方位ごとの水深を表示する手段を備えている。
【００１３】
本発明の超音波探査装置によれば、方位検出部が各受信信号をサンプリングし、最隣接のサンプリング値の対から複素信号を作成し、この複素信号に基づき各受信信号の位相差を検出する手段を備えている。
【００１４】
本発明の超音波探査装置によれば、各方位ごとの水底の検出は、各受信信号の振幅の時間軸上の配列と、この各受信信号の位相差から検出した方位の時間軸上の配列との対応関係に基づき行われる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの好適な超音波探査装置によれば、受信部の傾斜を検出する傾斜検出手段を備え、この傾斜検出手段が検出した傾斜により水底の方位を補正する傾斜補正手段を備えている。
【００１６】
本発明の他の好適な実施の形態の超音波探査装置は、方位０°の水底の深さをｔ−ｙ断面図中に水深として表示する水底表示手段を備えている。
【００１７】
本発明の更に他の好適な実施の形態の超音波探査装置は、前記水深を所定の色彩で表示する水底表示手段を備えている。
【００１９】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。この超音波探査装置は、制御部ＣＮＴ、送信部ＴＸ、単行回路ＩＳ１，ＩＳ２、超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２、増幅回路ＡＭＰ１，ＡＭＰ２、サンプリング回路ＳＰＬ１，ＳＰＬ２，複素合成回路ＣＭＰＸ１，ＣＭＰＸ２、位相差検出回路ＡＲＧ、加算回路ＡＤＤ、絶対値回路ＡＢＳ、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰ、表示装置ＤＩＳを備えている。
【００２０】
制御部ＣＮＴの制御のもとに送信部ＴＸで超音波の送信信号が発生される。この送信信号は、前述した従来装置の場合と同様に、数十kHz 乃至数百kHz の超音波帯域の正弦波の搬送波が数十サイクルにわたって持続するバースト状の波形を呈する。この超音波送信信号は、信号を一方向にだけ伝達する単行回路ＩＳ１，ＩＳ２を通過して２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに供給され、それぞれから同時に外部の海中などに放射される。海中に放射されて海中の魚体などで生じた反射波は、送受共用の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに受信され、増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２で増幅される。
【００２１】
増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２で増幅された受信反射波は、サンプリング回路ＳＰＬ１，ＳＰＬ２において、第１，第２のサンプリング信号ｓｐi ，ｓｐq によってサンプリングされ、ディジタル信号に変換される。第１のサンプリング回路ＳＰＬ１から出力されるディジタル受信信号ｐ1 ，ｑ1 は後段の複素信号合成回路ＣＭＰＸ１においてディジタル複素信号ｒ1 ＝ｐ1 ＋ｊｑ1 に変換され、位相差検出回路ＡＲＧと加算回路ＡＤＤとに供給される。同様に、第２のサンプリング回路ＳＰＬ２から出力されるディジタル受信信号ｐ2 ，ｑ2 は後段の複素信号合成回路ＣＭＰＸ２においてディジタル複素信号ｒ2 ＝ｐ2 ＋ｊｑ2 に変換され、位相差検出回路ＡＲＧと加算回路ＡＤＤとに供給される。
【００２２】
位相差検出回路ＡＲＧでは、ディジタル複素信号ｒ1 とｒ2 との複素共役積ｒ1 ・ｒ2 * から受信反射信号ａ1 ，ａ2 の位相差ｇが算定され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。ディジタル加算回路ＡＤＤでは、ディジタル複素信号ｒ1 とｒ2 が加算され、この加算値ｈの絶対値ｓが絶対値回路ＡＢＳで算定され、ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給される。ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値ｓとその出現時点と、位相差ｇとから三次元の表示データを作成し、表示部ＤＩＳに供給し、表示させる。
【００２３】
以下、位相差検出の原理について詳細に説明する。受信信号ａ1 ，ａ2 の包絡線振幅をA(t)、搬送波の角周波数をω、位相をそれぞれφ1 ，φ2 とおくと、
ａ1 ＝A(t) cos (ωｔ＋φ1 ）
ａ2 ＝A(t) cos (ωｔ＋φ2 ）
となる。
【００２４】
受信信号ａ1 を、標本化回路ＳＰＬ１において、標本化信号ｓｐi と、これよりもτだけ遅延させた標本化信号ｓｐq とによって標本化する。時刻ｔに出現する標本化信号ｓｐi による標本化受信信号ｐ1 (t) と、時刻ｔ＝ｔ＋τに出現する標本化信号による標本化受信信号ｑ1 (t) は、
ωτ＝π／２
とすると、
【００２５】
複素合成器ＣＭＰＸ１において、ｐ1 (t) を実部とし、ｑ1 (t) を虚部とする複素数ｒ1 が合成される。すなわち、この複素数ｒ1 は、
【００２６】
同様に、
【００２７】
従って、位相角計算部ＡＲＧにより、この複素数ｒ1 とｒ2 の複素共役積を計算し、その偏角ｇを計算すると、ＡＲＧの出力ｇは、基本構成と同様に、
【００２８】
加算回路ＡＤＤによる加算結果は、
【００２９】
ここで、最隣接サンプリング時点間の時間差τをπ／（２ω）に設定したので
τ＝π／（２ω）＝π／（４πｆ）＝Ｔ／４
となる。ここで、ｆは搬送波の周波数、Ｔは搬送波の周期１／ｆである。すなわち、τは搬送波の周期の１／４の時間長である。以上のことから、受信信号ａの１／４周期だけずらした２点でのサンプリング値（観測値）をそれぞれ実部、虚部とする複素数を作成することにより、受信信号の位相を保存する複素数を得ることができ、本方式を構成することができる。この構成は、基本構成を用いる従来の信号変換部より簡単になる。
【００３０】
図２は、受信信号ａ(t) の波形と、サンプリング点との関係を説明するための波形図である。最初のサンプリング点ｔ11とこれに後続する最隣接のサンプリング点ｔ12の時間差はτであり、これは搬送波の周期Ｔの１／４である。３番目のサンプリング点ｔ21とこれに後続する最隣接のサンプリング点ｔ22の時間差も同様にτ＝Ｔ／４である。受信信号ａ(t) の持続時間Ｄは、送信信号のそれにほぼ等しい。最初のサンプリング点ｔ11と３番目のサンプリング点ｔ21との間隔は、信号の持続時間Ｄの半分Ｄ／２以下の値に設定される。このような関係を設定することにより、受信信号の包絡線の形状の検出が可能になる。この結果、反射波を発生させた物体の形状の推定が可能になる。
【００３１】
図３は角度を含む物体位置の三次元表示画面の一例である。直交三軸として船舶の舷側方向にｘ軸、深度方向にｙ軸、船舶の進行方向にｚ軸または時間軸ｔがそれぞれ設定される。左上の表示画面（ａ）は船舶のｔ−ｙ断面図、右上の表示画面（ｂ）はｘ−ｙ断面図、左下の表示画面（ｃ）は（ａ）のｔ−ｙ断面図を任意の深度ｙ１で水平に切断して示すｔ−ｘ断面図である。各断面図中のａ１，ｂ１，ｃ１は、現時点で検出された同一の反射物体である。
【００３２】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、絶対値回路ＡＢＳから供給される受信反射波の絶対値ｓを、位相差検出回路ＡＲＧからの出力ｇに基づいて方位ごとに分類し、各方位ごとに水底を検出する。この方位の分類方法と、検出する水底の例を図４に示す。
【００３３】
図４は、横軸を船舶の舷側方向、縦軸を深度方向とする水中断面図である。超音波トランスジューサの指向角を４５°としたとき、中心の角度が左側２０°（Ｌ２０°）から右側２０°（Ｒ２０°）にわたるとともにそれぞれが５°の角度範囲をもつ９個の領域ａ〜ｉを想定する。絶対値回路ＡＢＳから供給される絶対値ｓを、位相差検出回路ＡＲＧから供給される出力ｇによって９個の領域ａ〜ｉに対応させて分類し、各領域ごとの水底を検出する。図４中の点Ａは、方位角（０°±２．５°）の領域内で検出された水底位置を示している。この水底位置までの距離は、船舶の直下の水底位置までの距離として定義される水深である。点Ｂは、方位角（１０°±２．５°）の領域の水底までの距離に対応する水底位置を示している。
【００３４】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰが行う水底検出処理の一例を、図５のフローチャートを参照して説明する。超音波の１回の送受信ごとに、時間軸上に配列された受信反射波の振幅の絶対値の群が作成される。時間軸上の位置、従って、反射物体までの距離を、受信反射波の振幅の絶対値のサンプル番号Ｃで表示する。このサンプル番号Ｃは、０から最大値Ｃmax までである。
【００３５】
まず、最初のステップＳ１において、初期化が行われる。すなわち、サンプル番号Ｃ、受信反射波の振幅の最大強度Ｓmax 、水底位置を示す水底サンプル番号Ｃｂのそれぞれに対して、初期値０に設定される。次のステップＳ２において、各種のパラメータが設定される。すなわち、水底検出フラグＦｂ、検出開始可能時点を示す発振線終了時点のサンプル番号Ｃｓ、最小水深ゲートサンプル番号Ｃｇmin 、最大水深ゲートサンプル番号Ｃｇmax 、サンプル番号の最大値Ｃmax 、最小水底反射強度Ｓmin として適宜な値が設定される。これらのパラメータは、従来の超音波魚探に用いられるものと同様のものである。
【００３６】
ステップＳ３で、サンプル番号が探知可能な最遠距離に対応する最大値Ｃmax に達したか否かが判定され、そうでなければ、ステップＳ４の処理が行われる。このステップＳ４では、受信反射波の振幅の絶対値Ｓ、水底サンプル番号Ｃｂの更新と、サンプル番号Ｃの更新が行われ、ステップＳ３に復帰する。すなわち、これまで保存済みの最大値Ｓmax よりも大きな新たな絶対値Ｓが出現するたびに従来の最大値Ｓmax がこの新たな最大値で更新されるとともに、この最大値に対応する水底の水深に対応する水底サンプル番号Ｃｂも更新される。
【００３７】
ステップＳ３でサンプル番号Ｃが最大値Ｃmax に達したことが検出されると、処理はステップＳ５に進む。このステップＳ５では、ステップＳ４で検出された振幅の絶対値の最大値Ｓmax が、ステップＳ２で予め設定された最小値Ｓmin 以上であるか否かが検出される。この最小値Ｓmin は、これ未満のものを水底からの反射波の振幅とは見なさないとして除外するための振幅の絶対値の最小値に関する閾値である。
【００３８】
最大値Ｃmax が閾値Ｓmin 以上であれば、前回の送受信において水底が検出済みであるか否かを示す水底検出フラグＦｂの検査が行われる（ステップＳ６）。水底が既に検出済み（Ｆｂ＝１）であれば、今回検出された水底の位置（サンプル番号Ｃｂ）が前回検出済みの水底のゲートの最小値Ｃg min よりも大きい否かが判定され（ステップＳ７）、この判定結果が肯定的であれば、それが前回検出済みの水底のゲートの最大値Ｃg max よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ８）。この水底ゲートは、前回までに検出された水底位置を中心にして適宜な幅をもったゲートを設定しておき、今回新たに検出された水底位置がこのゲートの内部に存在することを検出し、これによって検出の信頼性を向上させるためのものである。
【００３９】
ステップＳ７、ステップＳ８の判定が肯定的であれば、水底が検出済みであることを示す水底検出フラグＦｂが１にセットされ（ステップＳ９）、水底サンプル番号Ｃｂと水底検出フラグＦｂが出力され（ステップＳ１０）、すべての処理が終了する。これに対して、上記各判定ステップＳ５、Ｓ７、Ｓ８の判定結果が否定的であれば、水底検出フラグＦｂが未検出を示す０にセットされ（ステップＳ１１）、この未検出を示すフラグＦｂが出力され（ステップＳ１２）、すべての処理が終了する。
【００４０】
ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、検出した水底サンプル番号Ｃｂと、その偏角ｇから算定した水底の方位角θｘから、水底までの距離Ｒを以下の式に基づき算定する。
Ｒ＝α・Ｃｂ cosθｘ
ここで、αは各サンプル間の時間間隔×水中の音速／２である。これにより、検出された水底の位置Ａまでの距離として定義される水深Ｄ１，水底の位置Ｂまでの距離Ｄ２など、９個の領域ａ〜ｉについて、それぞれ水底位置までの距離が算定される。
【００４１】
図６に例示するように、船舶の舷側方向に傾斜した水底を検出する。このような水底からの反射波を処理すると図７と図８の波形図に例示するような振幅の絶対値と方位角θｘのサンプリング列が得られる。すなわち、図７は絶対値回路ＡＢＳから出力される振幅の絶対値ｓのサンプリング値を例示しており、図８はこの振幅の絶対値に対応して位相角計算部ＡＲＧから出力される偏角ｇに基づいて算定された方位角θｘのサンプリング列を例示している。図８に示される方位角に対応する水底位置を図７の振幅の絶対値のサンプリング列の対応のサンプル番号から検出することができる。この結果、方位角ごとの深度が得られる。
【００４２】
超音波素子ＴＤ１，ＴＤ２を含む受信部の傾斜角を検出する角度センサを受信部に取付け、これで検出した受信部の取付け角度をディジタル信号に変換し、図１のディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰに供給する。ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰは、この傾斜角に基づき方位角θｘを補正し、補正済みの方位角θｘごとの水深を算定し、画面に表示する。
【００４３】
図９は、船舶の直下（方位角０°の方向）の水深と、操作者が指定した任意の方位角方向の水底までの距離を、表示画面の下方に算用数字で表示する表示例を示している。
【００４４】
図１０は、従来方式でＢスコープ表示した水底の画面中に船舶の直下の水深を、赤など適宜な色彩の線で表示する表示例を示している。従来方式のＢスコープ表示画面では、各方向から帰ってくる反射波が到着順に時間軸上に配列されるので、水底が傾斜している場合には、船舶の直下の水深よりも浅い水底が検出されることがあり、図１０ではそのような例が表示されている。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の超音波探査装置は、方位ごとの水底を検出する水底検出手段を備える構成であるから、傾斜した水底を正確に把握できるという効果が奏される。
【００４６】
また、本発明の好適な実施例の超音波探査装置によれば、方位検出部が各受信信号をサンプリングし、最隣接のサンプリング値の対から複素信号を作成し、この複素信号に基づき各受信信号の位相差を検出する手段を備える構成であるから、安価で、高精度の位相差検出方式の超音波探査装置を提供できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】受信信号の波とサンプリングの時点との関係を説明するための波形である。
【図３】角度を含む物体位置の三次元表示画面の一例であり、船舶のｔ−ｙ断面図（ａ）、ｘ−ｙ断面図（ｂ）、ｔ−ｘ断面図（ｃ）である。
【図４】横軸を船舶の舷側方向、縦軸を深度方向とする水中断面図である。
【図５】ディジタル・シグナル・プロセッサＤＳＰが実行する水底検出処理の内容の一例を説明するためのフローチャートである。
【図６】上記実施例の超音波探査装置の検出対象の舷側方向に傾斜した水底の一例を示す概念図である。
【図７】図１の絶対値回路ＡＢＳから出力される振幅の絶対値Ｓのサンプリング値の時系列を例示する概念図である。
【図８】図７の振幅の絶対値に対応する方位角のサンプリング値の時系列を例示する概念図である。
【図９】水深等の表示例を示す画面である。
【図１０】水深を適宜な色彩の線で表示する画面である。
【図１１】先行技術の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】２個のセンサにへの受信信号の位相差に基づく反射物体の方位角の検出の原理を説明するための概念図である。
【符号の説明】
CNT コントローラ
TX 送信回路
TD1,TD2 超音波トランスジューサ
SPL1,SPL2 サンプリング回路
CPMX1,CMPX2 複素合成回路
ARG 位相差検出回路
ADD 加算回路
ABS 絶対値回路
DSP ディジタル・シグナル・プロセッサ
DIS 表示装置
Claims (4)
- 搬送波のバースト信号から成る超音波信号を送信する送信部と、この送信された超音波信号の物体による反射波を受信して受信信号を出力する複数の受信素子を備えた受信部と、前記複数の受信素子の配置と各受信素子から出力される各受信信号の位相差とから前記物体の方位を検出する方位検出部と、前記各受信信号の出現時点および振幅から物体の距離および反射強度を検出する距離・反射強度検出部と、前記検出された方位、距離および反射強度を含む位置データを処理して前記物体を画面表示する表示処理部とを備えた超音波探査装置において、
前記方位検出部が、前記各受信信号を前記搬送波の周期の４分の１の周期でサンプリングし、最隣接のサンプリング値の対から複素信号を作成し、この複素信号に基づき前記各受信信号の位相差を検出する手段を備えたことと、
前記各受信信号の振幅の時間軸上の配列と、前記複数の受信素子の配置と各受信素子から出力される前記各受信信号の位相差とから検出された方位角の時間軸上の配列との対応関係に基づき、前記方位ごとの水底を検出する水底検出手段を備えたことと、
前記表示処理部が、前記検出された方位ごとの水深を表示する手段を備えたことと、
を特徴とする超音波探査装置。 - 請求項１において、
前記受信部の傾斜を検出する傾斜検出手段を備え、この傾斜検出手段が検出した傾斜により水底の方位を補正する傾斜補正手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。 - 請求項１または２において、
前記表示処理部は、方位０°の水底の深さをｔ−ｙ断面図中に水深として表示する表示手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。 - 請求項３において、
前記表示処理部は、前記方位０°の水底の深さである水深をｔ−ｙ断面図中に所定の色彩で表示する水底表示手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
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