JP2772647B2 - 超音波映像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波によって離れた処にある物体を探知
し、可視映像として表示させることのできる映像装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

水中の物体を探知する手段として、可視光線を使用す
る水中テレビジョン、音波を使用するソナー，魚群探知
器などが従来から実用されている。そのうち水中テレビ
ジョンは、形状、色などを正確に捕えることが可能であ
るという優れた性質があるが、通常の透明度の海水中で
はせいぜい５〜10m程度までの短距離が探知可能距離で
あり、しかも水が濁ると全く役に立たなくなるという問
題がある。またソナー，魚群探知器は100m程度以上の遠
距離を探知することが可能であるが、反面、映像の解像
度が悪く、物体の形状を正確に捕えることができないと
いう問題がある。

その点、超音波を使用した３次元ホログラフィック映
像ソナーは、５ないし10mから数100m程度までの距離を
物体に対して、高い解像度で物体の形状を検出すること
ができるという特徴があり、従来から開発が進められて
いる。

ところで従来の送・受波アレイは、目標方向に対して
横並びに線状に配置した複数の指向性送波子とによって
構成する１次元アレイと、これと同様に複数の受波子か
ら構成された１次元アレイとを直交させたクロスアレイ
が使用されていた。

そして前記送波子は、１個づつ、または数個づつのグ
ループごとに、位相をずらした超音波を対象物体に向け
て目標点（焦点）に収歛するように送波し、位相の異な
るそれぞれの超音波エコーを前記受波子が受波すること
によって、映像信号を得ることができる。そして目標領
域内の各目標点を走査することによって立体的映像の映
像信号を得ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記受波信号から各走査方向に向けて送波
した時刻から受波までの時間、即ち遅れ時間を求め、こ
のデータから反射点の方位、距離及び反射強度を知るこ
とができる。これらの計算を行うため使用されている電
子回路は複雑になり、しかも送波した音波のエコーが受
波されるまでの間は、次の送波を行うことができないの
で、一画面、特に３次元の映像を得るための一連の測定
に時間が掛るという問題がある。前記した従来方式によ
る一例を示すと、送波子を48素子、受波子を64素子使用
したクロスリニア・アレイ（アレイ寸法：φ400mm）に
よる電子フォーカス方式の場合の送波周波数:300kHzで
は、視距離約100m、像再生計算時間３秒（但しデータ収
集に要する計測時間を除く）であった。

本考案は、以上の問題に着目して成されたものであ
り、立体画像処理が可能であり、視界が広く、且つ視距
離を従来より延長することができ、しかも測定時間（送
信−受信の時間）を短縮でき、また像再生時間を短縮し
て高速処理も可能とし、しかも送・受波アレイ及び信号
処理装置をより小型とした超音波映像装置を提供するこ
とを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

以上の目的を達成するための本発明の超音波映像装置
の構成は、複数、且つ無指向性の超音波送波子及び受波
子のそれぞれを、送波方向及び受波方向に対し交差する
面上に２次元的に分散配置した送・受波アレイを設け、
ウオルシュ関数からなる直交関数式のパラメータを各送
波子ごとに変更して得た直交関数群に対応させて、互い
に直交するパルス波群を発生させる直交関数発生手段
と、前記の各送波子ごとに変調用パルス波によって送波
用搬送波を位相変調させる変調手段と、該変調手段から
与えられる超音波パルス送波信号を前記送波子から同時
に送波し、送波パルス信号の物体からの反射波を前記複
数の受波子によって同時に受波し、該受波信号を得たの
ち、同様に前記送波・受波を繰り返す超音波信号の送・
受波手段と、各受波子ごとに受波した信号を各送波子の
送波信号を用いて相関検波し、各受波子ごとの信号に分
離し、この分離した信号について、各受波子の受波時間
遅れと信号強度とから反射位置とその位置の反射強度と
を求め、前記全受波信号から反射される音場の空間分布
を求める演算手段と、該演算手段によって得た前記音場
強度の空間分布を画像表示装置に表示させる画像処理手
段を備えたたものである。

前記送波子及び受波子を２次元的に分散配置する形に
は特に限定はない。好ましい形としては、各送・受波子
をそれぞれ円形状に等間隔で配置し、且つ送波アレイと
受波アレイとはほぼ同心円状に配置し、該送・受波子の
配置面のほぼ直角方向を探知方向に一致させるように
し、また送波子アレイと受波子アレイとは、同一平面と
すると演算処理上有利である。

本発明の送波子及び受波子は、いずれも無指向性のも
のを使用するので、対象領域に対し、従来のように超音
波ビームを走査する必要がない。なお前記無指向性送波
は、いずれの方向に対しても振幅・位相特性が一定と見
なせるように送波し、視野外では適当な減衰特性を持つ
ことが、不要信号によるノイズ発生を防止する上で望ま
しい。

視野角は、アレイを構成する個々の素子の指向角によ
って定まる。一般に無指向性送波素子を用いれば、最大
180°の視野までカバーすることができる。本発明の一
つの特徴は、前記のとおり広い視野を少ない送・受波子
数で得ることができることである。

前記直交関数による変調は受波した反射波がどの送波
子から発進させた波であるかが識別できるようにするた
めである。そして変調は、基本波の位相を変調させるも
のであり、通常、超音波を複数波数、例えば２〜10周期
程度の波数ごとに区分し、その波数ごとの位相を０°ま
たは180°ずらすように変調する。そしてこの変調パタ
ーンに特徴を持たせることによって、各送波子ごとの送
波に特徴を持たせることができる。

前記のように位相を変調させるには、ウオルシュ（wa
lsh）関数からなる２進数直交関数を用い位相反転器に
よって変調させることができる。前記直交関数は、wals
h関数のパラメータを変えて得ることができる。

各受波子には、いずれも各送波子から同時送波した反
射波が重畳されて受信される。これをコンピュータ処理
によって各送波子からの信号を用いて相関検波すること
で分離できる。検波出力は、各送波子ごとに受信される
までの時間の情報を含み、これから物体までの距離と方
向とを知ることができる。また各受波子が受波する時間
差も反射波の伝播方向の情報を含んでいる。これによっ
て探知領域を映像化することができる。

したがって、複数の送波子から同時に送信された送波
信号が、異なる反射点で反射された波であっても、その
変調内容を分離・識別可能であれば異なる反射点として
識別することができる。本発明の場合、300kHzの搬送波
を用い、この搬送波の２周期が１クロックの時間幅であ
るWalsh関数を変調に用い、更にアレイの径の寸法を100
0mmとしたとき、パーソナルコンピュータを用いて、水
中で約50m遠方の地点で、距離方向で約5mm、角度方向で
約80mm離れた物体の識別を可能とすることができる。

〔作用〕

前記無指向性送波子及び受波子を用いたので探知対象
に焦点を結ばせたり、探知領域内を超音波ビームで走査
したりする必要がなく、高速走査、即ち高速で情報収集
することを可能にする。

前記複数の受波子は、探知領域内のデータを同時に取
得することができ、しかもいずれの送波子から発進した
信号であるかを、直交関数による特徴付けによって識別
を可能としたので、複数の送波子から同時に送波した信
号により、異なる位置から同時的に受波する反射波も識
別可能であるので、探知領域内の各反射点位置を一回の
送波により探知することが可能である。

したがって、超音波ビームによって測定点に焦点を結
ばせたり、探知領域を走査させるなどの煩雑な操作を不
用になり、装置の単純化が可能である。

また受波信号から、同一反射点からの反射信号を選別
し、反射波を再生する演算処理を行い、その反射波を逆
進させる演算処理を、アナログ電子回路によらず、コン
ピュータを用いて行うことにより、それぞれの反射点の
位置を求めることが可能であるので、ハード的処理の範
囲を減少させることができる。しかもマイクロコンピュ
ータ規模の演算装置によって処理が可能であるので、同
一装置によってもソフトウエアの開発によって高速化を
進めることが可能である。

〔実施例〕

以下添付の図面を対照して一実施例により本発明を具
体的に説明する。

第１図は本実施例に使用した無指向性送・受波アレイ
の正面図である。即ち、本実施例では無指向性送波子1m
（ｍ＝１〜16）として16個使用し、基板２上に、且つ該
基板２の前方方向に送波するように等間隔で円形に配置
して送波アレイ1₀とした。また受波子4_n（ｎ＝１〜８）
として８個使用し、基板２上の送波アレイ1₀の外側同心
円状に、且つ基板２の前方方向からの音波を受けるよう
に等間隔で配置し受波アレイ4₀として、本実施例の送・
受波アレイ５を得た。本実施例に使用した送・受波アレ
イの外周直径は、送波アレイが約12cm、受波アレイが約
18cmと小型のものとした。

第２図に示すブロック図は、本実施例の超音波映像装
置に使用したシステムの概要説明図である。即ち本実施
例の超音波映像装置は、送・受波を制御するマイクロコ
ンピュータ６と、タイミング・ジェネレータ８及び受波
信号のトランシエント・メモリ10とはデータバス11で接
続されており、送波アレイ1₀から送波する超音波信号
は、タイミング・ジェネレータ８によって制御されるド
ライバー12から与えられる。

なお、ドライバー12には図示しないパワーFETを用い
たスイッチ回路を含む送波アンプ及び変調回路などが含
まれている。

そしてwalsh関数を使用し各送波子1_m（ｍ＝１〜16）
特有の変調を受けた図示しない送波信号パルスは同様に
図示しない物体に当り、反射波が受波アレイ4₀に達する
と、この受波信号は、図示しないA/D変換器を備えたマ
ルチプレクサ14によって各受波子4_n（ｎ＝１〜８）ごと
に順序付けられた一連の信号としてトランシエント・メ
モリ10に一旦記憶され、マイクロコンピュータ６及びタ
イミング・ジエネレータ８の指令に従ってマイクロコン
ピュータ６にデータが取り込まれる。

なお前記マルチプレクサ14に使用したA/D変換器の変
換用タイミングパルスは、送信波の発生に使用している
基準クロックに同期している。また前記マルチプレクサ
14に代えて並列に配置したA/D変換器を使用することも
できる。また前記タイミング・ジェネレータ８は、搬送
波、変調波ともに２値論理信号なので、交互にオン・オ
フできるスイッチで構成し、駆動信号には矩形波を使用
した。全体として２値信号であるので回路は極めて簡単
な構成とすることかできた。

前記マイクロコンピュータ６は本発明の前記演算手段
を構成し、またタイミング・ジェネレータ８、トランシ
エント・メモリ10、ドライバー12及びマルチプレクサ14
によって本発明の前記送・受波手段を構成している。

前記walsh関数によって超音波搬送波の変調について
第３図及び第４図によって説明する。第３図は前記ドラ
イバー12に内蔵されたwalsh関数による変調回路概要図
であり、搬送波発振器16から出力された50kHzの超音波
は、各送波子1_mごとに設けた位相変調回路18_mに与えら
れ、ここで各送波子1_mごとのwalsh関数発生器20から各
送波子1_mごとに予め定めた変調用波によって位相変調さ
れたたのち、出力回路22_m（ｍ＝１〜16）から送波子1_m
に出力する。

第４図は、前記位相変調回路18_mに入力される搬送波
及び変調用の信号波と、変調された送波波形とを例示的
に示した図である。即ち本例示では、サインカーブ波形
の搬送波の８波を１出力単位とするパルス波を、例えば
ａ〜ｃで示す位相が180°変化して形成されるwalsh関数
波形により位相変調すると、図の右端に示す送波パルス
波形が得られる。なお前記変調は、送信系と受信系とで
同期が取れている必要があるので、Walsh関数発生用ク
ロック信号には、搬送波を分周した信号を使用した。前
記によって変調した変調波を16種類発生させ各送波子1_m
から同時に送波される。

以上説明したように16個の送波子1_mから送波され、８
個の受波子4_nからマイクロコンピュータ６に取り込まれ
たデータは、各受波子4_nごとに時系列データとして入力
された反射信号は、各送信波形を用いて相関検波され
る。そして、同じ送波子1_mから発信し、各受波子4_nで受
信された波形の受波時刻、強度の情報を含む相関データ
を記憶する。これを１回の送波に対する総ての受波信号
に対して行う。

前記データ処理して得た各受波子4_nごとのデータを、
同一walsh関数のパラメータによって同一送波子1_mから
送波したデータごとに整理することができる。このよう
にして、各送波子1_mから送波し、同一対象物体によって
反射された受波信号を組分けすることができる。

次に第５図及び第６図によって、水中の物体を反射波
によって探知し、その位置を座標上に特定するプロセス
の概要を説明する。実際の送波信号は、音源である送波
子1₁を中心とした球面波として伝播するが、図は、特定
の送波子1₁から送波した信号波についてのみ記載し、図
を簡単化し理解を容易にした。また図の表す面は、平面
ではなく、物体と受波子4_n（４個だけ図示）とを結ぶ円
錐面を展開した図として記載している。そして図は発進
時刻t₀からの時間経過に伴い刻々と移動する波の位置を
表すようにした。

これらの図は、特定の送波子1₁からの送波パルス24が
水中を伝播し、物体26に当り、生じた反射パルス28が水
中を伝播して受波子アレイ4₀に達し、受信回路30_n（第
１図）内を伝播するパルス信号32_nは、前記処理手順に
従ってデータとして到達した時間差データと共にマイク
ロコンピュータ６に取り込まれ、前記データ処理され
る。

前記送波パルス信号は、第５図に示した送波パルス24
の外に他の15個の送波子1_mからの送波パルスがあり、実
際は第５図より遥かに複雑なものとなる。即ち第５図に
示した受信回路30_n内を伝播するパルス信号32_nは、１回
の送波に対し１個のパルスだけではなく、１個の物体26
に対しても16個の反射波信号が相次いで受信回路30_nに
入力される。

次いでマイクロコンピュータ６によって処理されたデ
ータは、ミニコンピュータ34に与えられ、ここで受波信
号から対象物体の画像を演算する手段の概要を第６図に
よって説明する。即ち同じ物体から反射波が受波子に達
した時刻によって、該反射波が受波アレイ4₀を通過する
際のパルス波の３次元形状と進行方向をシミュレートす
ることは可能である。前記ミニコンピュータ34は、本発
明の前記受波信号から対象物体の画像を演算する手段を
構成している。

したがって、データ的に再現された反射波を逆進させ
ると反射された位置に収斂するので、空間内の各位置で
の反射波の強度を求めることができる。即ち各受波子ご
との受波時間遅れから、物体の反射位置とその位置の反
射波の強度とを求め、各送波子1mごとに演算することに
より、物体26による反射波による音場強度の空間分布デ
ータを高い確度で求めることができる。

即ち、従来画像形成性能が多分に送・受波アレイの性
能に負うところが大きかったが、本実施例の装置は、同
じ送・受波アレイを使用しても、コンピュータの性能の
向上及びソフトウエアの開発を行うことにより探知性能
を向上させることが可能である。

前記データを、例えば遠い物体（即ち収斂する時間が
長く掛る物体）を暗く、また近い物体を明るく表示する
ことにより３次元画像として、表示装置36画面に表示す
ることができる。そして前記操作を送波ごとに行うこと
によりあたかも直接物体を目視するように表示装置36上
に表示することができる。当然、単にデータとして蓄え
たり、プリンターによって表示させることもできる。

以下に示す仕様の超音波映像装置の性能を、従来の指
向性送波子による線状送波アレイ縦横に配したクロスア
レイを使用し、探査領域を超音波ビームで走査する従来
装置と比較して以下に記載する。

以上から本実施例の装置は、従来の装置に比較して遥
かに高い性能を示した。特に像再生時間の短縮及び視距
離の拡大は、音響ホログラフィックソナーに極めて高い
実用性を与えることを可能にしているうことが理解され
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の超音波映像装置は、複
数、且つ無指向性の超音波送波子及び受波子のそれぞれ
を、送波方向及び受波子方向に対し交差する面上に２次
元的に分散配置した送・受波アレイを設け、ウオルシュ
関数からなる直交関数式のパラメータを各送波子ごとに
変更して得た直交関数群に対応させて、互いに直交する
パルス波群を発生させる直交関数発生手段と、前記の各
送波子ごとに変調用パルス波によって送波用搬送波を位
相変調させる変調手段と、該変調手段から与えられる超
音波パルス送波信号を前記送波子から同時に送波し、送
波パルス信号の物体からの反射波を前記複数の受波子に
よって同時に受波し、該受波信号を得たのち、同様に前
記送波・受波を繰り返す超音波信号の送・受波手段と、
各受波子ごとに受波した信号を各送波子の送波信号を用
いて相関検波し、各受波子ごとの信号に分離し、この分
離した信号について、各受波子の受波時間遅れと信号強
度とから反射位置とその位置の反射強度とを求め、前記
全受波信号から反射される音場の空間分布を求める演算
手段と、該演算手段によって得た前記音場強度の空間分
布を画像表示装置に表示させる画像処理手段を備えた構
成としたので、以下の効果を得ることができる。

即ち、（１）本発明装置は、送波信号を目標位置に収
斂させる走査手段が不用となるので、高速でデータ収集
が可能となり、電子回路を従来より簡単、且つ送・受波
子個々の特性の微調整、取付け精度に依存する度合を小
さくすることができる。

（２）送・受波子の数をより少なくしても広い視野範囲
内を従来より鮮明な画像を得ることができる。その際に
適当な校正手段を備えたコンピュータにより、増幅器を
使用しないで特性の補正を可能とすることができる。

（３）送・受波アレイを小型とすることができるので、
船，海中探査機など装置搭載対象物によって、送・受波
アレイを配置する自由度を大きくできる。

（４）同一送・受波アレイを使用してもソフトウエア，
コンピュータ技術の発達に応じて性能向上を図ることが
できる （５）コンピュータの利用により高速処理が可能で像再
生計算時間を短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の超音波映像装置に使用した送・受波ア
レイの正面図、第２図は実施例に使用した制御回路の概
要を説明するブロック図、第３図は実施例に使用した変
調回路の概要を説明するためのブロック図、第４図は変
調した送波信号波形の一例を示す図、第５図は実施例の
装置の送波，受波について説明する図、第６図は得られ
たデータから物体の位置，形状を求める手段の説明図で
ある。 1_m……送波子、4_n……受波子、５……送・受波アレイ、
６……マイクロコンピュータ、８……タイミング・ジェ
ネレータ、10……トランシエント・メモリ、12……ドラ
イバー、14……マルチプレクサ、34……ミニコンピュー
タ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大熊 一正 神奈川県横浜市緑区美しケ丘５―27―７ ―201 (72)発明者 湯浅 肇 東京都稲城市矢野口1427番地 (72)発明者 石井 規夫 東京都東村山市富士見町３―２―３― 311 (56)参考文献 特開 昭63−106585（ＪＰ，Ａ) 米国特許4119940（ＵＳ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数、且つ無指向性の超音波送波子及び受
   波子のそれぞれを、送波方向及び受波方向に対し交差す
   る面上に２次元的に分散配置した送・受波アレイを設
   け、ウオルシュ関数からなる直交関数式のパラメータを
   各送波子ごとに変更して得た直交関数群に対応させて、
   互いに直交するパルス波群を発生させる直交関数発生手
   段と、前記の各送波子ごとに変調用パルス波によって送
   波用搬送波を位相変調させる変調手段と、該変調手段か
   ら与えられる超音波パルス送波信号を前記送波子から同
   時に送波し、送波パルス信号の物体からの反射波を前記
   複数の受波子によって同時に受波し、該受波信号を得た
   のち、同様に前記送波・受波を繰り返す超音波信号の送
   ・受波手段と、各受波子ごとに受波した信号を各送波子
   の送波信号を用いて相関検波し、各受波子ごとの信号に
   分離し、この分離した信号について、各受波子の受波時
   間遅れと信号強度とから反射位置とその位置の反射強度
   とを求め、前記全受波信号から反射される音場の空間分
   布を求める演算手段と、該演算手段によって得た前記音
   場強度の空間分布を画像表示装置に表示させる画像処理
   手段を備えた超音波映像装置。