JP2016212042A - Information collection method using sound of deposition layer under water bottom and information collection device using sound of deposition layer under water bottom - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、海底、湖沼底、人工構造物等の水底面下の堆積層の情報を音響により収集する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for collecting information on a sedimentary layer under a water bottom such as a seabed, a lake bottom, or an artificial structure by sound.
近年、海底、湖沼底、人工構造物等の水底面下の堆積層内の空間的な情報を、柱状コアリング等の破壊性の方法に依らず、非破壊で詳細に把握したいという要望が増えており、その対象は、浮泥、軟泥の厚み、水生植物、根菜等の生育状況、底生生物の分布、深度方向の地質変化、沈没船や兵器等の埋没物体の形状計測等、多岐に渡っている。 In recent years, there has been an increasing demand for non-destructive detailed information on the spatial information in sediment layers beneath the bottom of the water, such as the ocean floor, lake bottom, and man-made structures, without relying on destructive methods such as columnar coring. It covers a wide range of subjects such as the thickness of floating mud, soft mud, aquatic plants, root vegetables, etc., distribution of benthic organisms, geological changes in the depth direction, and measurement of the shape of buried objects such as sunken ships and weapons. Crossing.
ところで、水底面下の堆積層内の情報を非破壊で収集するものとしては、従来から、音波を利用した各種方式のソナーが広く知られている。 By the way, various types of sonar using sound waves have been widely known as non-destructive collection methods for collecting information in a deposition layer under a water bottom.
例えば特許文献1には、海中を航行する自立型無人潜水機(AUV)等の移動体に超音波の送受波器を支持した構成において、潮流等の外乱による移動体の動揺に対しての修正を行う合成開口ソナーが記載されている。 For example, in Patent Document 1, in a configuration in which an ultrasonic transmitter / receiver is supported on a moving body such as an autonomous unmanned submersible (AUV) that travels in the sea, correction of the movement of the moving body due to disturbance such as tidal current is corrected. Synthetic aperture sonar is described.
また、特許文献2には、水中又は水上を航行する移動体に支持した音波の送信部と受信部により、水底面からの反射音波を逐次受信して、水中の情報を可視化し、探知した機雷が沈底機雷か埋没機雷かを判別する技術を備えた水中音波撮像装置が記載されている。 Also, Patent Document 2 discloses a mine that visualizes and detects underwater information by sequentially receiving reflected sound waves from the bottom of the water by a sound wave transmitting unit and a receiving unit supported by a moving body that travels in water or on water. Describes an underwater acoustic imaging device equipped with a technique for determining whether a mine is a sinking mine or a buried mine.
上述したように、従来のソナー等の音響を用いた装置は、送受波器を船舶、ROV、AUV等の水上又は水中の移動体に支持して対象物体の検出を行うものであり、移動体が、潮流や波浪又は風等の影響を受けて動揺するため、高精度の検出を行うことは困難である。このため、検出対象範囲は広いものの、検出可能な対象物体は、例えば特許文献2に記載されているような機雷等の比較的大きな物体に限られてしまう。また、計測時の気象条件によってデータの品質が変化するため、繰り返し計測によるデータの再現性は低い。このため、検出対象の経時的な変化をモニタリングすることは困難である。 As described above, a conventional apparatus using sound such as sonar detects a target object by supporting a transducer on a moving body such as a ship, ROV, AUV or the like on water or in water. However, since it fluctuates under the influence of tidal currents, waves or winds, it is difficult to perform highly accurate detection. For this reason, although the detection target range is wide, the target object that can be detected is limited to a relatively large object such as a mine as described in Patent Document 2, for example. In addition, since the data quality changes depending on the weather conditions at the time of measurement, the reproducibility of data by repeated measurement is low. For this reason, it is difficult to monitor the change over time of the detection target.
このため、水底面下の堆積層内における根菜や貝類等の底生生物のように、比較的小さな対象物体(例えば蓮根では直径2−5cm)の情報収集はもちろんのこと、それらの経時的な変化をモニタリングするために音響を利用しようという動機は、従来は全く生じ得なかった。 For this reason, as well as collecting information on relatively small target objects (for example, 2-5 cm in diameter for lotus roots) such as benthic organisms such as root vegetables and shellfish in the sedimentary layer under the bottom of the water, they can be collected over time. The motivation to use sound to monitor changes could never occur before.
これに対して、本発明者は、鋭意研究の結果、音響を合理的に利用して水底面下の堆積層の情報を収集することにより、比較的小さな物体を含め堆積層の情報を非破壊で、しかも高分解能、高い再現性で計測可能な方法及び装置を想到したものであり、これによって従来の課題を解決することを目的とするものである。 On the other hand, as a result of earnest research, the present inventor has collected non-destructive information on the deposited layer including relatively small objects by collecting information on the deposited layer under the bottom of the water by using sound rationally. In addition, the present inventors have conceived a method and apparatus capable of measuring with high resolution and high reproducibility, and are intended to solve the conventional problems.
即ち、本発明では、前記課題を解決するために、複数のフレーム部材によって、水底面に着底可能な立体構造のフレーム構造基体を構成し、このフレーム構造基体の空間内に、送波器と受波器とから成る音響計測部を、前記フレーム構造基体が着底した状態における水底面の拡がり方向に対応するXY方向に移動可能とするXY駆動機構により支持すると共に、前記音響計測部は前記XY方向と直交するZ方向の下向きに鋭指向性を形成するものとし、前記フレーム構造基体を重量により水底面に着底させた状態において、音響計測部をXY方向に走査して音響反射信号のデータにより水底面下の堆積層の情報を収集する水底面下の堆積層の音響による情報収集方法を提案する。 That is, in the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, a frame structure base body having a three-dimensional structure that can be attached to the water bottom is constituted by a plurality of frame members, and a transmitter and An acoustic measurement unit including a receiver is supported by an XY drive mechanism that can move in an XY direction corresponding to the spreading direction of the water bottom surface in a state where the frame structure base is bottomed. An acute directivity is formed downward in the Z direction orthogonal to the XY direction, and in a state where the frame structure base is attached to the bottom of the water by weight, the acoustic measuring unit is scanned in the XY direction to generate an acoustic reflection signal. This paper proposes a method for collecting information by acoustics of the sediment layer beneath the bottom of the water that collects information on the sediment layer beneath the bottom of the water.
また本発明では、前記方法において、音響計測部は、送波器と、その周囲に環状に配置した複数の受波器とからビームフォーミングにより鋭指向性を形成することを提案する。 According to the present invention, in the above method, it is proposed that the acoustic measurement unit forms a sharp directivity by beam forming from a transmitter and a plurality of receivers arranged in a ring around the transmitter.
また本発明では、前記方法において、音響計測部をXY方向に走査して収集した音響反射信号のデータを処理して、Z方向の多数位置におけるCモード平面画像を構築し、構築された多数のCモード平面画像を積み上げて3次元音響画像を構築することを提案する。そして更に、この方法において、構築された3次元音響画像をアルファブレンド処理して表示することを提案する。 According to the present invention, in the above method, the acoustic reflection signal data collected by scanning the acoustic measurement unit in the XY directions is processed to construct C-mode plane images at a large number of positions in the Z direction. We propose to build a three-dimensional acoustic image by stacking C-mode plane images. Further, in this method, it is proposed to display the constructed three-dimensional sound image by performing an alpha blend process.
また本発明では、前記方法において、フレーム構造基体は直方体状の構成であり、XY駆動機構は、着底状態において上側となる対向するフレーム部材間に音響計測部を移動可能に支持する移動フレーム部材を架設し、この移動フレーム部材を、前記対向するフレーム部材に沿って移動可能とした構成である水底面下の堆積層の音響による情報収集方法を提案する。 According to the present invention, in the above method, the frame structure base has a rectangular parallelepiped configuration, and the XY drive mechanism is a movable frame member that movably supports the acoustic measurement unit between the opposed frame members on the upper side in the bottomed state. Is proposed, and the moving frame member is configured to be movable along the opposing frame member.
また本発明では、前記方法において、音響計測部をZ方向に移動可能に支持する構成とした水底面下の堆積層の音響による情報収集方法を提案する。 Further, the present invention proposes a method for collecting information by acoustics of the sedimentary layer under the water bottom, which is configured to support the acoustic measurement unit so as to be movable in the Z direction.
また本発明では、複数のフレーム部材によって構成し、水底面に着底可能な立体構造のフレーム構造基体と、送波器と受波器とから成る音響計測部と、この音響計測部を、フレーム構造基体が着底した状態における水底面の広がり方向に対応するXY方向に移動可能に支持するXY駆動機構と、このXY駆動機構と前記音響計測部を制御すると共に、音響計測部により音響反射信号のデータを収集する制御手段を備え、前記音響計測部は、その指向性を前記XY方向と直交するZ方向の下向きに形成している水底面下の堆積層の音響による情報収集装置を提案する。 Further, in the present invention, a three-dimensional frame structure base configured by a plurality of frame members and capable of landing on the bottom of the water, an acoustic measurement unit including a transmitter and a receiver, and the acoustic measurement unit are connected to a frame. An XY drive mechanism which supports the structure base so as to be movable in the XY direction corresponding to the spreading direction of the bottom surface of the water, and controls the XY drive mechanism and the acoustic measurement unit. The sound measuring unit proposes an information collecting device based on the sound of the sedimentary layer below the bottom of the water surface, the directivity of which is formed downward in the Z direction perpendicular to the XY direction. .
また本発明では、前記装置において、収集された音響反射信号のデータから3次元音響画像を構築する画像構築手段を備え、この画像構築手段には、収集された音響反射信号のデータを処理して、Z方向の多数位置におけるCモード平面画像を構築する手段と、構築された多数のCモード平面画像を積み上げて3次元音響画像を構築する手段とを備えた水底下の堆積層の音響による情報収集装置を提案する。 In the present invention, the apparatus further includes an image construction unit that constructs a three-dimensional acoustic image from the collected acoustic reflection signal data. The image construction unit processes the collected acoustic reflection signal data. , Information by acoustic of a sedimentary layer under water bottom comprising means for constructing C-mode plane images at a plurality of positions in the Z direction and means for constructing a three-dimensional acoustic image by stacking the constructed C-mode plane images A collection device is proposed.
また本発明では、前記装置において、画像構築手段には、構築された3次元音響画像をアルファブレンド処理して表示する手段を備えた水底下の堆積層の音響による情報収集装置を提案する。 According to the present invention, in the above apparatus, there is proposed an apparatus for collecting information by sound of a sedimentary layer under the water bottom, which has means for displaying the constructed three-dimensional acoustic image by alpha blending processing as the image construction means.
また本発明では、前記装置において、音響計測部は、送波器と、その周囲に環状に配置した複数の受波器とから構成され、制御装置により収集された複数の受波器の音響反射信号のデータからビームフォーミングにより鋭指向性を形成する処理を行う構成とした水底下の堆積層の音響による情報収集装置を提案する。 In the present invention, in the apparatus, the acoustic measurement unit includes a transmitter and a plurality of receivers arranged in a ring around the transmitter, and the acoustic reflection of the plurality of receivers collected by the control device. We propose an information gathering device based on acoustics of the sedimentary layer beneath the bottom of the water, which is configured to perform processing to form sharp directivity by beam forming from signal data.
また本発明では、前記装置において、フレーム構造基体は直方体状の構成であり、XY駆動機構は、フレーム構造基体が着底状態において上側となる対向するフレーム部材にガイドレール部を形成し、このガイドレール部により前記対向するフレーム部材間に架設した移動フレーム部材を駆動するX方向直動機構と、移動フレーム部材に形成したガイドレール部により音響計測部の支持部材を駆動するY方向直動機構とから構成し、前記支持部材は、音響計測部から突設した支持杆体をZ方向に支持する構成とした水底面下の堆積層の音響による情報収集装置を提案する。 According to the present invention, in the apparatus, the frame structure base has a rectangular parallelepiped configuration, and the XY drive mechanism forms a guide rail portion on an opposing frame member that is on the upper side when the frame structure base is in a bottomed state. An X-direction linear motion mechanism for driving a moving frame member installed between the opposing frame members by a rail portion; and a Y-direction linear motion mechanism for driving a support member of the acoustic measurement unit by a guide rail portion formed on the moving frame member; The information gathering device by the sound of the sedimentary layer under the bottom of the water is proposed in which the support member is configured to support the support case protruding from the acoustic measurement unit in the Z direction.
また本発明では、前記装置において、支持部材には、支持杆体をZ方向に移動させる駆動機構を設けた水底面下の堆積層の音響による情報収集装置を提案する。 According to the present invention, there is proposed an information gathering device based on the sound of the sedimentary layer below the water bottom surface, wherein the support member is provided with a drive mechanism for moving the support housing in the Z direction.
以上の構成において、本発明に係る方法及び装置では、フレーム構造基体を重量により水底面に着底させた状態において、音響計測部をXY駆動機構によりXY方向に走査して音響反射信号のデータを収集し、こうして水底面下の堆積層の情報を収集する。 In the above configuration, in the method and apparatus according to the present invention, the acoustic measurement signal is scanned in the XY direction by the XY drive mechanism and the data of the acoustic reflection signal is obtained in a state where the frame structure base is grounded on the water bottom by weight. Collect and thus collect information on the sediment layer beneath the bottom of the water.
収集した情報は、従来のソナー等と同様に、ディスプレイ上で適宜の形式、例えば3次元画像、断層画像等として可視化することができる。 The collected information can be visualized on the display as an appropriate format, for example, a three-dimensional image, a tomographic image, etc., as in conventional sonar.
音響計測部をXY駆動機構によりXY方向に走査して音響による情報を収集する際、音響計測部を支持するフレーム構造基体は、重量により水底面に着底させていることと、フレーム構造であるため水流や波の影響を受け難く、安定した静止状態が維持されるため、音響計測部はフレーム構造基体による外乱の影響は全く受けない。このため、繰り返し計測によるデータの再現性が高く、検出対象の経時的な変化をモニタリングすることも容易である。 When the acoustic measurement unit is scanned in the X and Y directions by the XY drive mechanism to collect information by sound, the frame structure base that supports the acoustic measurement unit is grounded on the water bottom by weight and has a frame structure. Therefore, the acoustic measurement unit is hardly affected by disturbance due to the frame structure base body because it is hardly affected by water flow or waves and maintains a stable stationary state. For this reason, the reproducibility of data by repeated measurement is high, and it is easy to monitor the change over time of the detection target.
そしてXY駆動機構自体は非常に高い位置決め精度を容易に得ることができることから、音響計測部のXY方向の走査を非常に高精度で行うことができる。 Since the XY drive mechanism itself can easily obtain very high positioning accuracy, the acoustic measurement unit can be scanned in the XY directions with very high accuracy.
更に、音響計測部は前記XY方向と直交するZ方向の下向きに鋭指向性を形成しているため、前記XY方向の走査の高精度と相俟って、非常に高分解能で情報を収集することができる。 Furthermore, since the acoustic measurement unit forms a sharp directivity downward in the Z direction orthogonal to the XY direction, it collects information with very high resolution in combination with the high accuracy of scanning in the XY direction. be able to.
音響計測部は、Z方向の位置を、予め設定した位置に固定する構成としても良いが、Z方向に移動可能とすれば、その位置を移動して計測を行うことができ、適切な位置を計測時に設定するようにすることもできる。 The acoustic measurement unit may be configured to fix the position in the Z direction at a preset position, but if it can be moved in the Z direction, the position can be measured by moving the position. It can also be set at the time of measurement.
音響計測部は、送波器と、その周囲に環状に配置した複数の受波器とからビームフォーミングにより鋭指向性を形成することにより、ビーム幅を全周に渡って平均的に小さくすることができ、これにより更に高分解能化を図ることができる。 The acoustic measurement unit shall reduce the beam width on the average over the entire circumference by forming sharp directivity by beam forming from the transmitter and a plurality of receivers arranged in a ring around the transmitter. As a result, higher resolution can be achieved.
フレーム構造基体を直方体状に構成し、そしてXY駆動機構は、フレーム構造基体が着底状態において上側となる対向するフレーム部材にガイドレール部を形成し、このガイドレール部により前記対向するフレーム部材間に架設した移動フレーム部材を駆動するX方向直動機構と、移動フレーム部材に形成したガイドレール部により音響計測部の支持部材を駆動するY方向直動機構とから構成することにより、必要最小限のフレーム構造によりフレーム構造基体及びXY駆動機構を構成することができ、上述したように、水流や波の影響を受け難い構成を実現することができる。 The frame structure base is formed in a rectangular parallelepiped shape, and the XY drive mechanism forms a guide rail portion on an opposing frame member that is on the upper side when the frame structure base is in a bottomed state, and the guide rail portion forms a space between the opposing frame members. The X direction linear motion mechanism that drives the moving frame member installed on the moving frame member, and the Y direction linear motion mechanism that drives the support member of the acoustic measurement unit by the guide rail portion formed on the moving frame member. The frame structure base and the XY drive mechanism can be configured by this frame structure, and as described above, it is possible to realize a configuration that is hardly affected by water flow or waves.
そして、このような構成の場合、音響計測部の支持部材は、音響計測部から突設した支持杆体をZ方向に支持する構成とすることができ、更に、支持杆体をZ方向に移動させる駆動機構を設けることにより、音響計測部のZ方向の位置を変更した計測を行うことが可能となる。 In such a configuration, the support member of the acoustic measurement unit can be configured to support the support housing protruding from the acoustic measurement unit in the Z direction, and further drive to move the support housing in the Z direction. By providing the mechanism, it is possible to perform measurement by changing the position of the acoustic measurement unit in the Z direction.
上述の、収集した情報の可視化においては、音響計測部をXY方向に走査して収集した音響反射信号のデータを処理して、Z方向の多数位置におけるCモード平面画像を構築し、そして構築された多数のCモード平面画像を積み上げて3次元音響画像を構築することができ、構築された3次元音響画像をアルファブレンド処理して表示すること等により、非常に視認性の良い画像を構築することができる。 In the visualization of the collected information described above, the acoustic reflection signal data collected by scanning the acoustic measurement unit in the XY directions is processed to construct and construct C-mode plane images at multiple positions in the Z direction. A large number of C-mode plane images can be stacked to construct a three-dimensional acoustic image, and an image with very good visibility can be constructed by displaying the constructed three-dimensional acoustic image by alpha blending processing. be able to.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
まず本発明に係るフレーム構造基体と音響計測部をXY方向に移動するXY駆動機構の例を図1〜図3につき説明する。
符号1は本発明に係るフレーム構造基体であり、図1〜図3はフレーム構造基体1を水底面に着底させた状態に相当する。このフレーム構造基体1は、複数のフレーム部材2、この例の場合、12本のフレーム部材2により直方体形状に構成している。
First, an example of an XY drive mechanism for moving the frame structure base and the acoustic measurement unit according to the present invention in the XY directions will be described with reference to FIGS.
Reference numeral 1 denotes a frame structure base according to the present invention, and FIGS. 1 to 3 correspond to a state in which the frame structure base 1 is bottomed on the water bottom. The frame structure base 1 is formed in a rectangular parallelepiped shape by a plurality of frame members 2, in this case, 12 frame members 2.
そしてこの実施の形態では、フレーム構造基体1が着底状態において上側となる対向するフレーム部材2a,2bにガイドレール部3xを形成し、このガイドレール部3xにより、対向するフレーム部材2a,2b間に架設した移動フレーム部材4を駆動するX方向直動機構を構成している。 In this embodiment, the guide rail portion 3x is formed on the opposing frame members 2a and 2b on the upper side when the frame structure base body 1 is in the bottomed state, and the guide rail portion 3x allows the gap between the opposing frame members 2a and 2b. The X direction linear motion mechanism which drives the moving frame member 4 installed in the frame is constituted.
移動フレーム部材4は、両端に設けた移動支持部材5をガイドレール部3に沿って適宜の移動支持機構により移動支持する構成としており、フレーム部材2bに沿って配置したモータ5x駆動の送りネジ6xと、この送りネジ6xに螺合するナット部材7xによりX方向に駆動される構成である。更に、移動フレーム部材4にもガイドレール部3yが形成されており、このガイドレール部3yに音響計測部8の支持部材9が駆動可能に構成され、これにより支持部材9を移動フレーム部材4に沿って駆動するY方向直動機構が構成されており、これらにより、支持部材9のXY駆動機構が構成されている。このY方向直動機構においては、移動フレーム部材4に沿ってモータ5y駆動の送りネジ6yが設けられており、この送りネジ6yに螺合するナット部材7yが支持部材9に設けられている。 The movable frame member 4 is configured to move and support the movable support members 5 provided at both ends along the guide rail portion 3 by an appropriate movable support mechanism, and the feed screw 6x for driving the motor 5x disposed along the frame member 2b. And the nut member 7x screwed to the feed screw 6x is driven in the X direction. Further, a guide rail portion 3 y is also formed on the movable frame member 4, and the support member 9 of the acoustic measurement unit 8 can be driven on the guide rail portion 3 y, and thereby the support member 9 can be moved to the movable frame member 4. A Y-direction linear motion mechanism that is driven along the XY drive mechanism is configured, and the XY drive mechanism of the support member 9 is configured by these. In this Y-direction linear motion mechanism, a feed screw 6 y for driving the motor 5 y is provided along the moving frame member 4, and a nut member 7 y that is screwed to the feed screw 6 y is provided on the support member 9.
符号8は音響計測部を示すもので、この音響計測部8には上側に間隔を隔てた一対の支持杆体10を突設しており、前記支持部材9は、この支持杆体10を上下動、即ち、Z方向に移動可能に支持する構成としている。この際、支持部材9は、支持杆体10の固定位置を調節可能な半固定式の構成としたり、モータ駆動の適宜機構により、音響計測部8の位置をZ方向で変更可能とする構成とすることができる。 Reference numeral 8 denotes an acoustic measurement unit. The acoustic measurement unit 8 is provided with a pair of support housings 10 spaced apart on the upper side, and the support member 9 moves the support housing 10 up and down. That is, it is configured to be supported so as to be movable in the Z direction. At this time, the support member 9 has a semi-fixed configuration in which the fixing position of the support housing 10 can be adjusted, or a configuration in which the position of the acoustic measurement unit 8 can be changed in the Z direction by an appropriate motor driving mechanism. be able to.
この実施の形態において、音響計測部8は、ビームフォーミングにより前記Z方向の下向きに鋭指向性を形成するものとしている。即ち、この実施の形態では、図4に示すように、音響計測部8は、中心側の送波器11の周囲に8個の受波器12を円環状に配置してビームフォーミングを行う構成としている。 In this embodiment, the acoustic measurement unit 8 forms sharp directivity downward in the Z direction by beam forming. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the acoustic measurement unit 8 is configured to perform beam forming by arranging eight receivers 12 in an annular shape around the transmitter 11 on the center side. It is said.
この実施の形態では、このようなビームフォーミングを行うことにより、図5〜図8に示すように、ビーム幅を全周に渡って平均的に小さくすることができ、良好な鋭指向性を得ることができる。 In this embodiment, by performing such beam forming, as shown in FIGS. 5 to 8, the beam width can be reduced on the average over the entire circumference, and good sharp directivity can be obtained. be able to.
この他、音響計測部は、適宜のビームフォーミングにより、又は音響レンズを装着する等により、鋭指向性を形成することができる。 In addition, the acoustic measurement unit can form sharp directivity by appropriate beam forming or by mounting an acoustic lens.
以上の構成の本発明に係る情報収集装置は、前記フレーム構造基体1を重量により対象とする海や湖沼等の水底面に着底させた状態において、音響計測部8をXY駆動機構によりXY方向に走査して音響による水底面下の堆積層の情報を収集する。 In the information collecting apparatus according to the present invention having the above-described configuration, the acoustic measurement unit 8 is moved in the XY direction by the XY drive mechanism in a state where the frame structure base 1 is grounded on the bottom surface of the sea, lake, or the like. To collect information on the sedimentary layer beneath the water bottom.
このようにして情報を収集する際、音響計測部8を支持するフレーム構造基体1は、重量により水底面に着底させていることと、フレーム構造であるため水流や波の影響を受け難く、安定した静止状態が維持されるため、音響計測部8はフレーム構造基体1による外乱の影響は全く受けない。 When collecting information in this way, the frame structure base 1 that supports the acoustic measurement unit 8 is grounded on the bottom of the water due to its weight, and since it has a frame structure, it is not easily affected by water flow or waves. Since the stable stationary state is maintained, the acoustic measurement unit 8 is not affected by the disturbance by the frame structure base 1 at all.
情報収集装置の全体としての重量は、重すぎると、水底面下の堆積層内に沈みすぎてしまう可能性があるため、これを考慮して重量を設定する必要がある。 If the weight of the information collecting apparatus as a whole is too heavy, it may sink into the deposition layer below the bottom surface of the water, so it is necessary to set the weight in consideration of this.
本発明の実施の形態においては、フレーム構造基体1は、アルミニウム製のフレーム部材2により構成すると共に、XY駆動機構の一方側の直動機構の構成要素であるガイドレール部3xをフレーム部材2に形成していて、必要最小限のフレーム構造によりフレーム構造基体及びXY駆動機構を構成しているので、強固なフレーム構造体を比較的軽量に構成することができ、従って、水底面に着底させた際に、水底面下の堆積層内に沈みすぎてしまうことを防止することができる。 In the embodiment of the present invention, the frame structure base 1 is composed of an aluminum frame member 2, and a guide rail portion 3 x that is a component of the linear motion mechanism on one side of the XY drive mechanism is used as the frame member 2. Since the frame structure base and the XY drive mechanism are configured by the minimum necessary frame structure, a strong frame structure can be configured relatively lightly, and therefore, the bottom of the water bottom can be grounded. In this case, it can be prevented from sinking too much into the deposited layer under the water bottom.
こうして本発明では、音響計測部8がフレーム構造基体1による外乱の影響を受けないこと、そして、XY駆動機構自体は非常に高い位置決め精度を容易に得ることができることから、音響計測部8のXY方向の走査を非常に高精度で行うことができ、更にZ方向の下向きの鋭指向性と相俟って、水底面下の堆積層内の音響によるデータを非常に高精度、高分解能で収集することができる。 Thus, in the present invention, since the acoustic measurement unit 8 is not affected by the disturbance due to the frame structure base 1, and the XY drive mechanism itself can easily obtain very high positioning accuracy, the XY of the acoustic measurement unit 8 can be easily obtained. Directional scanning can be performed with very high accuracy, and in addition to the downward directivity in the Z direction, acoustic data in the sedimentary layer under the bottom of the water is collected with very high accuracy and high resolution. can do.
上述した通り、音響計測部8は、Z方向の位置を、予め設定した位置に固定する構成としても良いが、Z方向に移動可能とすれば、その位置を移動して計測を行うことができ、適切な位置を計測時に設定するようにすることもできる。 As described above, the acoustic measurement unit 8 may be configured to fix the position in the Z direction to a preset position. However, if the acoustic measurement unit 8 is movable in the Z direction, the position can be measured by moving the position. An appropriate position can be set at the time of measurement.
以上のように本発明の情報収集装置により収集したデータは、収集装置自体に構成した画像表示手段により表示したり、又は別装置として構成した画像表示装置等にデータを入力して表示することができる。 As described above, the data collected by the information collection device of the present invention can be displayed by the image display means configured in the collection device itself, or can be displayed by inputting the data to an image display device configured as a separate device. it can.
図9は、本発明に係るXY駆動機構と音響計測部の制御構成の実施の形態を示すもので、この構成では、ノートパソコンをプラットホームとする制御プログラムにより、XY駆動機構を構成するX方向直動機構とY方向直動機構の夫々のモータ(ステージモータ(X)、(Y))をモータドライバを介して制御すると共に、データ収集プログラムを介して、1つの送波器と8つの受波器を用いてデータを、データ収集手段を介してノートパソコンに収集する。そして、ノートパソコンに収集したデータは、別装置の画像出力装置に入力して表示する。即ち、この実施の形態では、XY駆動機構と音響計測部8を制御すると共に、音響計測部8により音響反射信号のデータを収集する制御手段は、ノートパソコンにより構成している。 FIG. 9 shows an embodiment of the control configuration of the XY drive mechanism and the acoustic measurement unit according to the present invention. In this configuration, the X-direction straight line constituting the XY drive mechanism is controlled by a control program using a notebook computer as a platform. The motor (stage motor (X), (Y)) of each of the moving mechanism and the Y-direction linearly moving mechanism is controlled via a motor driver, and one transmitter and eight receiving waves are received via a data acquisition program. The data is collected on the notebook computer through the data collecting means using the container. The data collected in the notebook personal computer is input to an image output device of another device and displayed. That is, in this embodiment, the control means for controlling the XY drive mechanism and the acoustic measurement unit 8 and collecting the data of the acoustic reflection signal by the acoustic measurement unit 8 is constituted by a notebook personal computer.
図10は、本発明に係る方法及び装置により収集した水底面下の堆積層のデータを、画像出力装置のディスプレイに表示する処理の一例を示す流れ図である。即ち、この処理は、上述した画像構築手段に相当する。 FIG. 10 is a flowchart showing an example of a process for displaying the data of the sediment layer under the water bottom collected by the method and apparatus according to the present invention on the display of the image output apparatus. That is, this process corresponds to the above-described image construction means.
まず、ステップS1はデータの読込処理であり、この処理は、上述したように音響計測部6をXY方向に移動させながら、送波器9から発した音波(例えば、矩形パルス)の反射信号を8つの受波器10により受波し、こうして収集し、収録された所定の範囲の音波の反射信号レベルのデータを読み込む処理である。 First, step S1 is a data reading process. This process is performed by using a reflected signal of a sound wave (for example, a rectangular pulse) emitted from the transmitter 9 while moving the acoustic measurement unit 6 in the XY direction as described above. This is a process of receiving the data by the eight receivers 10 and reading the data of the reflected signal level of the sound waves collected and recorded in a predetermined range.
実施例においては、位置決め精度±0.1mmのXY駆動機構により、80 (X方向)×85 (Y方向) cm2の範囲を走査し、6,966(=81×86)の位置の夫々において、8つの受波器10の夫々の音響反射信号のレベルのデータを収集し、収録している。即ち、この実施例において収録されたデータは、6,966個のファイルから成り、夫々のファイルに位置データと、8つの受波器10に対応する8chの音響反射信号のレベルのデータが含まれている。 In the embodiment, a range of 80 (X direction) × 85 (Y direction) cm 2 is scanned by an XY driving mechanism with positioning accuracy of ± 0.1 mm, and each of the positions of 6,966 (= 81 × 86) has 8 The data of the acoustic reflection signal level of each receiver 10 is collected and recorded. That is, the data recorded in this embodiment is composed of 6,966 files, each of which includes position data and data of the level of the 8ch acoustic reflection signal corresponding to the eight receivers 10. .
次いでステップS2では、8つの受波器10に対応する8chの音響反射信号を用いてビームフォーミング処理を行って、鋭指向性化を行う。 Next, in step S2, beam forming processing is performed using 8ch acoustic reflection signals corresponding to the eight receivers 10, thereby achieving sharp directivity.
次いでステップS3では、ヒルベルト変換に基づく包絡線検波処理を行う。この処理は超音波診断装置等で音波を画像化する際の一般的な処理であり、この処理により、振幅情報のみを抽出する。この処理を設けることにより、表示される3次元画像の視認性を良好とすることができる。 Next, in step S3, an envelope detection process based on the Hilbert transform is performed. This process is a general process when imaging a sound wave with an ultrasonic diagnostic apparatus or the like, and only amplitude information is extracted by this process. By providing this process, the visibility of the displayed three-dimensional image can be improved.
次いでステップS4では、水底検出処理を行う。この処理は、水中と低泥の境目(水底表面)を検知するもので、具体的には、反射信号レベルがある閾値を初めて越えたところとして認識する。 Next, in step S4, water bottom detection processing is performed. This process detects the boundary between the water and low mud (bottom surface), and specifically recognizes that the reflected signal level has exceeded a certain threshold for the first time.
次いでステップS5では、閾値処理を行う。この処理は、ある閾値以上の信号成分のみを抽出することにより、微弱なノイズ成分を除去する、一般的な処理である。 Next, in step S5, threshold processing is performed. This process is a general process in which weak noise components are removed by extracting only signal components that are above a certain threshold.
次いでステップS6では、吸収減衰量補正処理を行う。この処理は、水底面下の堆積層内における音波の吸収減衰量α[dB/m]として、簡易線形モデルを想定した下記式を用いて求める。
Ad = Ai・exp(−αd)
(但し、Adは水底表面から距離dの位置における信号レベル,Aiは水底表面での信号レベルである。)
Next, in step S6, absorption attenuation amount correction processing is performed. This treatment is obtained by using the following equation assuming a simple linear model as the sound wave absorption attenuation α [dB / m] in the sediment layer under the bottom of the water.
Ad = Ai · exp (−αd)
(However, Ad is a signal level at a position d from the bottom surface, and Ai is a signal level at the bottom surface.)
次いでステップS7では、Cモード画像生成処理を行う。この処理は、ステップS6で吸収減衰量補正を行った水底表面からの距離d(深さ)毎に、上記所定範囲の信号レベルを纏めて、各距離d毎の2次元データを構築して、これを記憶する処理であり、この2次元データは、各距離d毎の2次元断層画像に対応する。実施例では、2次元断層画像は1,600枚構築している。 Next, in step S7, C-mode image generation processing is performed. In this process, for each distance d (depth) from the water bottom surface subjected to the absorption attenuation amount correction in step S6, the signal levels in the predetermined range are collected, and two-dimensional data for each distance d is constructed, This two-dimensional data corresponds to the two-dimensional tomographic image for each distance d. In the embodiment, 1,600 two-dimensional tomographic images are constructed.
次いでステップS8では、3次元画像生成処理を行う。この処理は、上記ステップ6にて得られた各距離d毎の2次元データを、距離方向に並べ、即ち積み上げて3次元画像のデータを生成し、これを記憶するものである。 Next, in step S8, a three-dimensional image generation process is performed. In this process, the two-dimensional data for each distance d obtained in step 6 is arranged in the distance direction, that is, stacked to generate three-dimensional image data, which is stored.
尚、以上の処理の流れにおいて、ステップS5とステップS6は、逆にすることもできる。 In the above processing flow, step S5 and step S6 can be reversed.
次いでステップS9では、アルファブレンド処理を行う。この処理は、3次元画像出力における描画処理として一般に行われている処理であり、3次元画像データの各画素毎に、透過度に対応する計数α(アルファ値)を設定することにより、遠近感のある3次元画像を構築するものである。 Next, in step S9, alpha blend processing is performed. This process is generally performed as a drawing process in 3D image output, and by setting a count α (alpha value) corresponding to the transparency for each pixel of the 3D image data, Is used to construct a three-dimensional image.
上述したとおり、アルファブレンド処理自体は一般的であるが、本発明に係る実施の形態では、3次元画像の視点から遠くにあるものから描画処理を行い、より近くの画素の描画において、それまでに描画されていた画素との重なりが生じた際には、下記の式に従って、描画する近くの画素の輝度(lout)を設定する処理を行っている。
lout = lfront・α+lnow・(1−α)
(但し、loutは今描画する近くの画素の輝度、lfrontは今描画しようとしている近くの画素の元の輝度、lnowは既に描画されている画素の輝度である。)
As described above, the alpha blending process itself is general, but in the embodiment according to the present invention, the drawing process is performed from a point far from the viewpoint of the three-dimensional image, and in the drawing of the closer pixel, When there is an overlap with a pixel that has been drawn, a process for setting the luminance (lout) of a nearby pixel to be drawn is performed according to the following equation.
lout = lfront · α + lnow · (1-α)
(However, lout is the luminance of the nearby pixel to be rendered, lfront is the original luminance of the nearby pixel to be rendered, and lnow is the luminance of the pixel already rendered.)
以上の処理を行うことで、ステップS10においては、水底の所定範囲、例えば、実施例では80 (X方向)×85 (Y方向) cm2の範囲の堆積層の3次元音響データを高精度(例えば精度0.1mm)、高分解能で、3次元的に美しく、そして必要情報を直感的に把握可能なように描画することができる。堆積層の情報をディスプレイに表示した3次元画像の一例を図11に示している。 By performing the above processing, in step S10, the three-dimensional acoustic data of the deposited layer in a predetermined range of the bottom of the water, for example, 80 (X direction) × 85 (Y direction) cm 2 in the embodiment is highly accurate ( For example, accuracy is 0.1mm), high resolution, 3D beauty, and necessary information can be drawn intuitively. FIG. 11 shows an example of a three-dimensional image in which the information on the deposited layer is displayed on the display.
尚、ステップS10の画像出力処理では、ステップS8にて得られた3次元画像のデータに基づいて、画像出力装置(ディスプレイ,プリンタ等)に出力する際、画像出力は、3次元画像のデータに基づいて、3次元画像出力、水平方向・垂直方向等の2次元断面画像出力等、適宜に行うことができる。 In the image output process of step S10, when outputting to the image output device (display, printer, etc.) based on the 3D image data obtained in step S8, the image output is converted to 3D image data. Based on this, it is possible to appropriately perform 3D image output, 2D cross-sectional image output in the horizontal direction, vertical direction, and the like.
本発明は以上の通りであるので、以下に示すような各種の利用を行うことができ、産業上の利用可能性が大である。
1.堆積泥の厚み計測…これによって柱状コアリングを簡素化することができる。
2.農業IT技術と組み合わせた根菜類の管理
3.堆積泥に覆われた沈没船の精密な形状計測
4.堆積泥に覆われた兵器等の精密な形状計測
5.埋設された海底ケーブルの精密な形状計測
6.堆積泥中に生息する水産生物の資源量調査、資源管理、生態把握
Since the present invention is as described above, various uses as described below can be performed, and industrial applicability is great.
1. Thickness measurement of sedimentary mud ... This can simplify the columnar coring.
2. 2. Management of root vegetables combined with agricultural IT technology. 3. Precise shape measurement of sunken ship covered with sedimentary mud 4. Precise shape measurement of weapons covered with sedimentary mud 5. Precise shape measurement of buried submarine cable Resource amount survey, resource management, ecological understanding of aquatic products inhabiting sedimentary mud
1 フレーム構造基体
2(2a,2b) フレーム部材
3x,3y ガイドレール部
4 移動フレーム部材
5x,5y モータ
6x,6y 送りネジ
7x,7y ナット部材
8 音響計測部
9 支持部材
10 支持杆体
11 送波器
12 受波器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Frame structure base | substrate 2 (2a, 2b) Frame member 3x, 3y Guide rail part 4 Moving frame member 5x, 5y Motor 6x, 6y Feed screw 7x, 7y Nut member 8 Acoustic measuring part 9 Support member 10 Support housing 11 Transmitter 12 Receiver
Claims (12)
The information collecting apparatus according to claim 10, wherein the support member is provided with a drive mechanism for moving the support housing in the Z direction.
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