JP5075864B2 - Ultrasonic imaging device - Google Patents
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本発明は、海中等の流体中に存在する撮像対象物体に対して超音波を発信し、当該撮像対象物体からの反射超音波を使って画像を生成する超音波撮像装置に関し、特に合成開口ソナーを用いた技術に関する。 The present invention relates to an ultrasonic imaging apparatus that transmits ultrasonic waves to an imaging target object existing in a fluid such as the sea and generates an image using reflected ultrasonic waves from the imaging target object, and more particularly to a synthetic aperture sonar. It relates to the technology using.
超音波を用いた媒質中の物体の可視化技術として、例えば海水中においては、遠方の魚群を探知する魚群探知機が知られている。この魚群探知機は、プラットフォームとしての船舶船底部に単数あるいは列状に配された超音波プローブより超音波を海底へ向けて送信し、プラットフォームの移動に伴ってその受信波形を表示することで海底までの断面画像を作成し、魚群の画像を合成する手法をとっている。一般の超音波ソナーを用いた合成開口ソナーでも同様にプラットフォームの移動に伴って画像を生成するものであり、これらの手法では、プラットフォームの移動を行う必要があるとともに、プラットフォームの移動位置を正しく管理する必要があった。 As a technique for visualizing an object in a medium using ultrasonic waves, for example, in seawater, a fish finder for detecting a distant fish school is known. This fish finder transmits ultrasonic waves toward the seabed from a single or a row of ultrasonic probes arranged in a row on the ship's bottom as a platform, and displays the received waveform as the platform moves. The method is to create a cross-sectional image up to and synthesize an image of a school of fish. Similarly, synthetic aperture sonar using ultrasonic sonar generates images as the platform moves. In these methods, it is necessary to move the platform and manage the moving position of the platform correctly. There was a need to do.
これに対し、マトリクス状に超音波プローブを配置した平面状のアンテナを用い、プラットフォームを移動することなく一度に画像を生成する合成開口ソナーが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。合成開口ソナーは、プラットフォームの移動による観測を前提としていないために、被撮像物体へアンテナを正確に向ける必要がある。
On the other hand, a synthetic aperture sonar that uses a planar antenna in which ultrasonic probes are arranged in a matrix and generates an image at a time without moving the platform is known (see, for example,
なお、２組以上の送受信波を用いた測位システムは一般に広く知られており、最低３組の送受信システムを用いた三角測量により、観測対象物までの距離と方位を知ることができる。特に水中において超音波を用いて２組の送受信波の位相差を用いて方位を算出する手法を位相差法と呼ぶことがある。 Note that a positioning system using two or more sets of transmission / reception waves is generally known, and the distance and direction to an observation object can be known by triangulation using at least three sets of transmission / reception systems. In particular, a method of calculating an azimuth by using a phase difference between two sets of transmitted and received waves using ultrasonic waves in water may be referred to as a phase difference method.
位相差法を用いた例としては、２個の超音波送受信を用いることで方位を求める場合、ＦＭ変調を適用することで対雑音性に優れたシステムを提案し、空気中の実験によりその追尾の実証を行っている（例えば、非特許文献１参照）。 As an example using the phase difference method, in the case of obtaining an azimuth by using two ultrasonic transmission / reception, a system superior in noise resistance is proposed by applying FM modulation, and tracking is performed by experiments in the air. (For example, refer nonpatent literature 1).
複数の超音波送受信を用いるシステムの場合、これらの組数を増大させることで測量誤差を減らすことができることも広く知られている。例えば、２個の送信信号の位相差を検出することで物体を追尾するシステムユニットにおいて、そのユニットを２組設けることで距離と方位とを算出するシステムを提案している（例えば、特許文献３参照）。 In the case of a system using a plurality of ultrasonic transmissions / receptions, it is also widely known that surveying errors can be reduced by increasing the number of sets. For example, in a system unit that tracks an object by detecting a phase difference between two transmission signals, a system that calculates a distance and an azimuth by providing two sets of the units has been proposed (for example, Patent Document 3). reference).
水中に存在する物体を探索走査する場合には、観測範囲が非常に広いために、効率的な探索が必要となる。水中探査を行う例として、円筒形の送受信器を円周方向に領域分割し、それぞれの領域を異なる周波数の信号で駆動して、放射状に超音波を送受信し、それぞれの周波数の受信信号から水中物体の方位を探知する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。この方法によれば、方位別に周波数の異なる複数の超音波を発信することで混信を防ぐことができる。 When searching and scanning an object existing in water, an efficient search is necessary because the observation range is very wide. As an example of underwater exploration, a cylindrical transmitter / receiver is divided into regions in the circumferential direction, each region is driven with a signal of a different frequency, and ultrasonic waves are transmitted / received radially. A method for detecting the orientation of an object has been proposed (see, for example, Patent Document 4). According to this method, interference can be prevented by transmitting a plurality of ultrasonic waves having different frequencies for each direction.
上述した合成開口ソナーでは、次のような問題があった。すなわち、分解能を高めるために高い周波数のプローブを用いた場合、指向角が狭くなることから、超音波放射範囲に被撮像物体が入りにくくなる。また、水中等の媒質中においては、反射波が著しく減衰してしまい雑音にうずもれてしまうため、近い範囲しか計測ができなかった。 The synthetic aperture sonar described above has the following problems. That is, when a high-frequency probe is used to increase the resolution, the directivity angle becomes narrow, so that the object to be imaged does not easily enter the ultrasonic radiation range. Further, in a medium such as underwater, the reflected wave is significantly attenuated and is swayed by noise, so that only a close range can be measured.
逆に、広範囲の探索を行うために低い周波数のプローブを用いた場合、遠方までの観測を行うことができるが、分解能が低いため、撮像対象物体の存在は知ることができても詳細な反射波信号が得られず、撮像対象物体の形状等までは計測できなかった。 Conversely, if a low-frequency probe is used to perform a wide range search, it is possible to observe far away, but the resolution is low, so detailed reflection is possible even if the existence of the object to be imaged can be known. A wave signal could not be obtained, and the shape of the object to be imaged could not be measured.
なお、上述した超音波送受信信号を用いた測位システムあるいは追尾システムにおいては、超音波が追尾にのみ使用されており、ターゲットまでの方位を知るだけに用いられている。このため、単に観測対象の方向に向くだけのシステムである。また、追尾に使用している周波数は１種類であるため、追尾そのものが目的で、超音波の指向性についてなんら考慮されていないシステムであり、更に、異なる周波数を発信しても放射状に発信するだけで観測対象までの距離が考慮されていないシステムである。 In the positioning system or tracking system using the above-described ultrasonic transmission / reception signal, the ultrasonic wave is used only for tracking, and is used only for knowing the direction to the target. For this reason, it is a system that simply faces in the direction of the observation target. In addition, since there is only one type of frequency used for tracking, this is a system that does not consider the directivity of ultrasonic waves for the purpose of tracking itself, and further transmits radially even if different frequencies are transmitted. It is a system that does not consider the distance to the observation object.
そこで本発明では、水中等の送受信周波数の上昇に伴って超音波エネルギの減衰が大きくなる媒質中において、合成開口ソナーで撮像対象物体を撮像するために、アンテナを撮像対象物体に正確に向けるとともに、高い分解能で撮像することができる超音波撮像装置を提供することを目的としている。 Therefore, in the present invention, in order to image the object to be imaged with the synthetic aperture sonar in a medium in which the attenuation of ultrasonic energy increases as the transmission / reception frequency increases, such as underwater, the antenna is accurately directed to the object to be imaged. An object of the present invention is to provide an ultrasonic imaging apparatus capable of imaging with high resolution.
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の超音波撮像装置は次のように構成されている。 In order to solve the above problems and achieve the object, the ultrasonic imaging apparatus of the present invention is configured as follows.
パラボラ状の曲面上に配置され、供給される駆動信号に応答して超音波を送信し、超音波を受信して電気信号を発生する圧電素子を有する複数の超音波プローブを有する超音波プローブアレイ装置と、前記各超音波プローブの向きをそれぞれ変更する姿勢可動部と、前記複数の超音波プローブのうち、開口合成のために使用される第１周波数で送受信するとともに２次元配置された複数の主超音波プローブと、前記複数の超音波プローブのうち、前記第１周波数よりも低い第２周波数で送受信する少なくとも３個の補助超音波プローブと、前記主超音波プローブの圧電素子が発生した各電気信号を用いて、超音波画像を生成する画像生成部とを備えていることを特徴とする。 An ultrasonic probe array having a plurality of ultrasonic probes arranged on a parabolic curved surface and having piezoelectric elements that transmit ultrasonic waves in response to supplied drive signals and receive ultrasonic waves to generate electrical signals An apparatus, a posture movable unit that changes the orientation of each ultrasonic probe, and a plurality of ultrasonic probes that transmit and receive at a first frequency used for aperture synthesis and are two-dimensionally arranged A main ultrasonic probe, at least three auxiliary ultrasonic probes that transmit and receive at a second frequency lower than the first frequency among the plurality of ultrasonic probes, and piezoelectric elements of the main ultrasonic probe are generated. An image generation unit that generates an ultrasonic image using an electrical signal is provided.
本発明によれば、水中等の送受信周波数の上昇に伴って超音波エネルギの減衰が大きくなる媒質中において、合成開口ソナーで撮像対象物体を撮像するために、アンテナを撮像対象物体に正確に向けるとともに、高い分解能で撮像することが可能となる。 According to the present invention, an antenna is accurately pointed at an imaging target object in order to capture an imaging target object with a synthetic aperture sonar in a medium in which attenuation of ultrasonic energy increases with an increase in transmission / reception frequency such as underwater. At the same time, it is possible to image with high resolution.
図１は本発明の一実施形態に係る超音波画像処理装置１の構成を示すブロック図である。超音波画像処理装置（超音波撮像装置）１は、超音波プローブ装置１００及び制御装置２００とを備えている。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic
超音波プローブ装置（超音波プローブアレイ装置）１００は、パラボラ状のアンテナ本体１１０と、アンテナ本体１１０の開口長を変更する開口長変更装置１３０と、このアンテナ本体１１０の姿勢をパン方向及びチルト方向に変更する可動部１５０とを有している。
An ultrasonic probe apparatus (ultrasonic probe array apparatus) 100 includes a
アンテナ本体１１０には、二次元状にマトリクス状に配列された複数の主超音波プローブ１１１と、これら主超音波プローブ１１１を囲むように配置された補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄとを備えている。１１２ｃと１１２ｄは紙面垂直方向であるため図１には省略する。各主超音波プローブ１１１及び各補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄは、プローブ姿勢変更部１４０を介してアンテナ本体１１０に取り付けられている。
The antenna
図２はアンテナ本体１１０を模式的に示す正面図である。補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄは、主超音波プローブ１１１の外周部に配置されている。なお、補助超音波プローブ１１２ａ，１１２ｂで軸Ｃ１周りの向きを、補助超音波プローブ１１２ｃ，１１２ｄで軸Ｃ２周りの向きを変更するための情報が検出される。
FIG. 2 is a front view schematically showing the
各主超音波プローブ１１１及び補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄは、供給される駆動信号に基づき超音波を発生し、また超音波を受信して所定の波形を有する電気信号を発生する圧電素子で形成されている。なお、主超音波プローブ１１１は第１周波数、補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄは第１周波数よりも低い第２周波数を用いている。
Each of the main
複数の主超音波プローブ１１１及び補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄは、プローブ姿勢変更部１４０を介して開口長変更装置１３０に固定されている。
The plurality of main
各主超音波プローブ１１１は、圧電素子から形成されており、供給される駆動信号に基づき超音波を発生し、また超音波を受信して所定の波形を有する電気信号を発生する。開口長変更装置１３０は、後述する開口長制御部２３０からの制御信号にしたがって開口長を変更するための機構を有している。
Each main
プローブ姿勢変更部１４０は、プローブ姿勢制御部２３２からの制御信号にしたがって画像化対象領域Ｓに対する各主超音波プローブ１１１及び補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの姿勢を変更するための機構を有している。
The probe
可動装置１５０は、アンテナ本体１１０をパン方向、チルト方向に駆動させる機能を有している。また、補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの指向角度の範囲内でアンテナ本体１１０の開口面を円運動させる機能と、補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの送受信時間で決まる球面の交点が慣性空間上で得られたとき、円運動に対しても位置を変えないものを観測対象として選定する機能を有している。
The
制御装置２００は、増幅器２１２、Ａ／Ｄ変換器２１４、距離信号演算回路２１６、画像生成回路２１８、発信器２２０、切替回路２２２、発受信制御部２２４、表示制御回路２２６、表示部２２８、開口長制御部２３０、開口面向制御部２３１、プローブ姿勢制御部２３２、操作部２３４を具備している。
The
増幅器２１２は、各主超音波プローブ１１１が発生した受信超音波形を増幅し、Ａ／Ｄ変換器２１４に送り出す。Ａ／Ｄ変換器２１４は、増幅器２１２から受け取った増幅後の受信信号をＡ／Ｄ変換（アナログ／ディジタル変換）する。距離信号演算回路２１６は、Ａ／Ｄ変換後の受信信号に基づいて、画像化の対象物と各主超音波プローブ１１１との間の距離を計算する。画像生成回路２１８は、各主超音波プローブ１１１の位置情報と計算された撮像対象物と各主超音波プローブ１１１との距離とに基づいて、撮像対象物に関する超音波画像を各主超音波プローブ１１１毎（各チャネル毎）に生成する。
The
ここで、チャネルとは、主超音波プローブ１１１毎に設けられている増幅器２１２、Ａ／Ｄ変換器２１４、距離信号演算回路２１６、画像生成回路２１８を有する受信系統を意味する。
Here, the channel means a reception system including an
発信器２２０は、所定のレート周波数ｆｒ［Ｈｚ］（周期：１／ｆｒ［秒]）で、発信超音波を形成するための駆動信号を繰り返し発生する。切替回路２２２は、発受信制御部２２４からの制御信号にしたがってスイッチを切り替え、発信器２２０からの駆動信号を所定の主超音波プローブ１１１に所定のタイミングで供給する。発受信制御部２２４は、発信器２２０からの駆動信号を供給する主超音波プローブ１１１の選択、供給タイミング（供給間隔）に関する制御、及び、各主超音波プローブ１１１による反射超音波の受信タイミング制御を行う。
The
特に、発受信制御部２２４は、後述する最大／最小距離を用いた開口合成機能にしたがって、各主超音波プローブ１１１への駆動信号の供給（すなわち、各主超音波プローブ１１１からの超音波発信）、及び各主超音波プローブ１１１による反射超音波の受信のタイミングを制御する。表示制御部２２６は、画像生成回路２１８において生成されたチャネル毎の超音波画像を合成し、画像化対象物の形状、内部構造等を示す超音波画像を生成する。表示部２２８は、表示制御部２２６において生成された超音波画像等を所定の形態で表示する。
In particular, the transmission /
開口長制御部２３０は、発受信制御部２２４の制御の下、開口長変更装置１３０の機構を展開（伸張）又は収縮させることで、超音波プローブ装置１００の開口長を制御する。例えば、開口長制御部２３０は、画像化対象領域Ｓと超音波プローブ装置１００との間の距離をＬとし、超音波プローブ装置１００の開口長をＨとした場合、Ｌ／Ｈ＝一定となるように開口長変更装置１３０の機構を展開又は収縮させる。プローブ姿勢制御部２３２は、発受信制御部２２４の制御のもと、プローブ姿勢変更部１４０の機構を駆動することで、各主超音波プローブ１１１、補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの姿勢を制御する。
The opening
開口面向制御部２３１は、アンテナ本体１１０の開口面の向きを制御する機能を有している。
The opening surface
操作部２３４は、操作者からの各種指示、条件の設定指示、種々の画質条件設定指示等を取り込むための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等の入力デバイスを有している。 The operation unit 234 includes input devices such as various switches, buttons, a trackball, a mouse, and a keyboard for capturing various instructions from the operator, condition setting instructions, various image quality condition setting instructions, and the like.
このように構成された超音波画像処理装置１は、次のようにして撮像対象領域Ｓを画像化する。なお、ここでは海水中における撮像例について説明する。
The ultrasonic
超音波画像処理装置１は、超音波プローブ１００で受信された波形を制御装置２００で開口合成処理を行うことで画像を生成する機能を有している。一般に開口合成処理による超音波画像化処理における分解能は開口径と周波数に反比例し、距離に比例する。したがって主超音波プローブ１１１は画像化処理にそのまま用いられるために比較的高周波の周波数が要求される。
The ultrasonic
例えば海水中における信号の減衰式はソープの式を含有するメレンのグローバルモデルとして知られており、海水中音速をメドウィンの式で表せば図３のようになる。なお、Σαがグローバルモデルの減衰、α１は真水の粘性吸収、α２は硫酸マグネシウム吸収係数、α３はほう酸吸収係数、α４は炭酸マグネシウム吸収係数である。したがって、遠方物体の観測を行うためには比較的低周波を用いる必要がある。 For example, the signal attenuation formula in seawater is known as the Mellen global model containing the soap formula, and the sound velocity in seawater is expressed by the Medwin formula as shown in FIG. Σα is the global model attenuation, α1 is the viscosity absorption of fresh water, α2 is the magnesium sulfate absorption coefficient, α3 is the boric acid absorption coefficient, and α4 is the magnesium carbonate absorption coefficient. Therefore, it is necessary to use a relatively low frequency in order to observe a distant object.
また、一般の超音波プローブのセンサ面が円盤でその円盤がピストン振動することによって超音波信号の送受信を行うような場合、その指向性は距離、角度に応じた音圧としてべッセル関数を用いて下記のように記述できることが知られている。
式１によれば、正面の音圧が一番大きくなる。これをメインローブ（主ローブ）と呼ぶ。メインローブの幅は周波数の上昇とともに狭くなる。例えば、アンテナ本体１１０の直径が４０ｍｍの場合、周波数が５００ｋＨｚ，１ＭＨｚの場合の計算結果はそれぞれ図４Ａ及び図４Ｂに示すものとなる。
According to
図５に示すように、主超音波プローブ１１１は、開口合成に用いるために、各主超音波プローブ１１１の指向性から決まる送受信領域である観測領域Ｍの重なる部分に撮像対象領域Ｓが存在する必要がある。仮にある主超音波プローブ１１１の観測領域Ｍに撮像対象領域Ｓがなかった場合にはその主超音波プローブ１１１は画像化に寄与できなくなり、結果として画像化の乱れやボケを引き起こす。よって主超音波プローブ１１１はマトリクス状に平面に配置されることが好ましい。また、開口合成処理による超音波画像化処理における分解能は開口径と周波数に反比例し、かつ、距離に比例するために、観測距離に応じて開口径を調整することが望ましい。
As shown in FIG. 5, since the main
画像化の分解能を上げるためには大きな開口面が必要であり、高い周波数を有する主超音波プローブ１１１は指向角が小さいために、それぞれの主超音波プローブ１１１の観測領域を重ねるためにはパラボラ上に主超音波プローブ１１１が撮像対象領域Ｓを向くように配置されていることが望ましく、その場合はそれぞれの観測領域の重なる画像化対象領域は非常に小さいものとなる。
In order to increase the resolution of imaging, a large aperture surface is required. Since the main
図５は観測距離に応じて開口径を調整する構成の一例である。すなわち、各主超音波プローブ１１１はその観測領域Ｍがそれぞれ撮像対象領域Ｓを向くように、さらにプローブ姿勢操作部１４０によって姿勢が制御される。
FIG. 5 shows an example of a configuration in which the aperture diameter is adjusted according to the observation distance. That is, the posture of each main
アンテナ本体１１０は軸Ｃ１を中心に回転することができる。しかし、開口径を大きくできたとしても面状に配置される主超音波プローブ１１１の周波数は大きくは下げられないため、撮像対象領域Ｓの方向へその開口面を正しく向ける必要がある。一方で、補助超音波プローブ１１２は低い周波数であるために指向角は比較的広く、撮像対象領域Ｓを低い周波数の超音波指向角範囲内に入れることは容易である。
The
図６Ａは撮像対象領域Ｓに対して開口面が正しく向いていない場合の模式図である。このとき、撮像対象領域Ｓの方向へ開口面を向けるために、補助超音波プローブ１１２（図中は１１２ａ、１１２ｂ）を用いる。また、補助超音波プローブ１１２に用いる周波数が持つ指向角が補助超音波プローブ１１２の送受信範囲となるので、観測する奥行き長さに応じて補助超音波プローブ１１２はプローブ姿勢操作部１４０によって姿勢を変更する。
FIG. 6A is a schematic diagram in the case where the opening surface does not face correctly with respect to the imaging target region S. FIG. At this time, the auxiliary ultrasonic probe 112 (112a and 112b in the figure) is used to direct the opening surface in the direction of the imaging target region S. Further, since the directivity angle of the frequency used for the auxiliary ultrasonic probe 112 is the transmission / reception range of the auxiliary ultrasonic probe 112, the auxiliary ultrasonic probe 112 is changed in posture by the probe
補助超音波プローブ１１２は低い送受信周波数なので、その観測領域Ｐは主超音波プローブ１１１の観測領域Ｍと比較して広く奥行きも長くとることができる。
Since the auxiliary ultrasonic probe 112 has a low transmission / reception frequency, the observation region P can be wider and longer than the observation region M of the main
開口合成処理を行うためには主超音波プローブ１１１をできるだけ多く用いなければ画像を生成することができないが、この補助超音波プローブ１１２は、画像化に用いるわけではないので、個数は少なくてよく、また、開口合成に用いる主超音波プローブ１１１とは周波数が異なるために、低い周波数であっても画像化に対してはなんら影響を与えない。
In order to perform the aperture synthesis process, an image cannot be generated unless the main
次に、補助超音波プローブ１１２を用いてアンテナ本体１１０を正しい方向に向ける手順について説明する。アンテナ本体１１０が撮像対象領域Ｓ中にある撮像対象物体に正しく向いていない場合は、撮像対象物体までの距離Ｌ１とＬ２は異なるため、物体からの反射波について、図６Ｂに示すように補助超音波プローブ１１２ａ，１１２ｂで観測する反射波の到達時刻は異なる。
Next, a procedure for directing the
この図６Ａの場合はＬ１＜Ｌ２であるために反射波の到達時刻は図６Ｂに示すグラフとなる。媒質中の超音波速度をｃとすると、受信波の到達時刻はＴ１＝２（Ｌ２−Ｌ１）／ｃだけずれることになる。 In the case of FIG. 6A, since L1 <L2, the arrival time of the reflected wave is a graph shown in FIG. 6B. If the ultrasonic velocity in the medium is c, the arrival time of the received wave is shifted by T1 = 2 (L2−L1) / c.
したがって、図７Ａのように撮像対象物体までの距離Ｌ１とＬ２が同じ長さになるように軸Ｃ１を中心にしてアンテナ本体１１０の開口面の向きを変更する。図７Ａでは角度θだけ回転することによって撮像対象物体は主超音波プローブ１１１の観測領域Ｍに入る場合を示している。このとき、受信波の観測時刻が一致するように軸Ｃ１を回転させることになるので、図７Ｂに示すようにＬ１とＬ２が等しいとき受信波形の到達タイミングは一致する。
Therefore, as shown in FIG. 7A, the orientation of the opening surface of the
三角測量の原理から考えると、補助超音波プローブ１１２は平面状に配置された主超音波プローブ１１１の端部に最低３個存在することが好ましい。しかし、アンテナ本体１１０の稼動は一般的にはパン（軸Ｃ１）、チルト（軸Ｃ２）の２軸で行われるために、周辺部それぞれに４個存在していれば信号処理が容易である。
Considering the principle of triangulation, it is preferable that at least three auxiliary ultrasonic probes 112 exist at the end of the main
図５において補助超音波プローブの周波数は低いために、比較的広く奥行きの長い超音波の指向角を持ち、その範囲内に観測領域Ｐを持ってくることは容易である。しかし、入っていたとしても対象物の姿勢によって反射波の強さは異なる上に、メインローブの中心に観測対象がある場合と、そうでない場合には反射波の信号振幅が大きく異なるために、補助超音波プローブ１１２ａと１１２ｂが受信する波形の形は必ずしも同じ形ではなく、形状も振幅も異なることが多い。また、多くの観測ノイズが受信波に重畳される場合、観測対象物からの反射波かどうかを区別する必要がある。
In FIG. 5, since the frequency of the auxiliary ultrasonic probe is low, it has a directivity angle of a relatively wide and long ultrasonic wave, and it is easy to bring the observation region P within the range. However, the intensity of the reflected wave varies depending on the posture of the object even if it is in the case, and the signal amplitude of the reflected wave is greatly different when there is an observation target at the center of the main lobe and when it is not, The shapes of the waveforms received by the auxiliary
このような場合には、一般に送信信号に変調をかけることでＳＮ比を高める方法がよく使われる。例えば、ＦＭ変調をかけることが知られている。しかし、ＦＭ変調では搬送波周波数を中心とするバンドバスフィルタによる検波と復調を行うので、ＳＮ比はそのフィルタに強く依存してしまう。そこで、Ｍ系列信号による変調を行ってこの問題を回避する。 In such a case, generally, a method of increasing the S / N ratio by modulating the transmission signal is often used. For example, it is known to apply FM modulation. However, since FM modulation performs detection and demodulation using a band-pass filter centered on the carrier frequency, the S / N ratio strongly depends on the filter. Therefore, this problem is avoided by performing modulation using an M-sequence signal.
Ｍ系列信号はレジスタ数によってその長さを決めることができる。図８は７レジスタのＭ系列信号の例である。このＭ系列信号の自己相関をとると図９を得る。 The length of the M-sequence signal can be determined by the number of registers. FIG. 8 is an example of an M-sequence signal with 7 registers. When autocorrelation of this M-sequence signal is taken, FIG. 9 is obtained.
ここで、−１と１の振幅を持つＭ系列信号をＭ（ｔ）、補助超音波プローブに印加する周波数をΩとすると、送信信号として、
ｙ（ｔ）＝１／２（Ｍ（ｔ）＋１）ｓｉｎΩｔ）
という信号を印加する。
Here, if the M series signal having amplitudes of −1 and 1 is M (t) and the frequency applied to the auxiliary ultrasonic probe is Ω,
y (t) = 1/2 (M (t) +1) sinΩt)
Is applied.
図１０にその信号を示す。なお、Ｍ系列信号の最小時間幅を送信周波数の半波長とした。これはＭ系列信号を正値の０−１信号に修正し、送信周波数との積によって表現したものである。 FIG. 10 shows the signal. Note that the minimum time width of the M-sequence signal is a half wavelength of the transmission frequency. This is an M-sequence signal corrected to a positive 0-1 signal and represented by a product with the transmission frequency.
受信信号と、もとのＭ系列信号との相関処理を行うと、図１１を得る。このように信号の開始時間ｔ＝０における強い信号を観測できることが確認できる。また、厳密にＭ系列信号との相関処理を行う必要もなく、例えば送信信号として単純にＭ系列信号と送信信号との積を用いて、
ｙ（ｔ）＝Ｍ（ｔ）ｓｉｎ（Ωｔ）
を考え、受信信号と送信信号との相関処理を行ってもよい。
When correlation processing is performed between the received signal and the original M-sequence signal, FIG. 11 is obtained. Thus, it can be confirmed that a strong signal can be observed at the signal start time t = 0. Further, it is not necessary to strictly perform correlation processing with the M-sequence signal. For example, simply using the product of the M-sequence signal and the transmission signal as the transmission signal,
y (t) = M (t) sin (Ωt)
Thus, correlation processing between the received signal and the transmitted signal may be performed.
この相関処理の結果を図１２に示す。図１１と比較して若干振幅が落ちているが、同様に信号の開始時間ｔ＝０における強い信号を観測できることが確認できる。このようにＭ系列信号を用いた変調による相関処理によって反射波の受信タイミングを正確に知ることができるようになる。 The result of this correlation processing is shown in FIG. Although the amplitude is slightly reduced as compared with FIG. 11, it can be confirmed that a strong signal can be observed at the signal start time t = 0. In this way, the reception timing of the reflected wave can be accurately known by the correlation processing by the modulation using the M-sequence signal.
次に、図１３に示すように、補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの観測領域に入らない広い範囲の観測を行う場合について説明する。前述した軸Ｃ１，軸Ｃ２周りに開口面そのものをパン及びチルトで上下左右に向きを変えながら走査を行う。
Next, as shown in FIG. 13, a description will be given of a case where a wide range of observations that do not fall within the observation region of the auxiliary
この走査を行いながら、補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄで相関処理を行う場合、必ずしも対称位置にある補助超音波プローブ１１２ａ，１１２ｂの両方の観測領域に観測対象が存在しない場合がある。
When correlation processing is performed by the auxiliary
例えば、撮像対象物体Ｓ１は補助超音波プローブ１１２ｂには見えても補助超音波プローブ１１２ａには見えない。撮像対象物体Ｓ３は補助超音波プローブ１１２ａには見えても補助超音波プローブ１１２ｂには見えない。正しく開口面を向けることができるものはＳ２の領域にあるものに限られることとなる。
For example, the imaging target object S1 can be seen by the auxiliary
相関処理によって得られるインパルス状の波形が同じ観測対象からの反射波形かどうかを区別する必要がある。また、次々と現れる観測対象に対して、どの観測対象物体に開口面を向けるかの判断を行う必要がある。 It is necessary to distinguish whether the impulse waveform obtained by the correlation processing is a reflected waveform from the same observation target. In addition, it is necessary to determine which observation target object the opening surface is directed to the observation target that appears one after another.
図１３に示すような撮像対象物体Ｓ１〜Ｓ３を観測する場合、相関処理によって得られるインパルス波形は図１４に示すようなものとなる。 When observing the imaging target objects S1 to S3 as shown in FIG. 13, the impulse waveform obtained by the correlation processing is as shown in FIG.
補助超音波プローブ１１２ａは撮像対象物体Ｓ２，Ｓ３が観測領域に入り、補助超音波プローブ１１２ｂは撮像対象物体Ｓ１，Ｓ２が観測領域に入るため、それぞれ２個のインパルス波形となる。
The auxiliary
このインパルス波形から得られる情報は、補助超音波プローブ１１２ａについて、送信タイミングから距離Ｌａ１のところと、Ｌａ２のところに物体があり、補助超音波プローブ１１２ｂについて、送信タイミングから距離Ｌｂ１のところと、Ｌｂ２のところに物体があることを意味する。すなわち、図１５に示すようにそれぞれの補助超音波プローブ１１２ａ，１１２ｂを中心とする円弧を半径Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２と描いたとき、その円弧と超音波プローブ指向領域の範囲の両方を満足する円弧ｇ１ｇ２、円弧ｇ３ｇ４、円弧ｆ１ｆ２、円弧ｆ３ｆ４の線上のどこかに存在することになり、よってこれらの円弧の交点である、Ｈ１かＨ２が候補となる。
The information obtained from the impulse waveform is that the auxiliary
ここで、開口面を軸Ｃ１に関して微少に回転させることを考える。このとき、図１６Ａに示すように補助超音波プローブ１１２ａ，１１２ｂの両方の観測領域に入る撮像対象物体Ｓ１，Ｓ２からの反射波は補助超音波プローブ１１２ａ，１１２ｂで逆向きの動きを行うことになる。反射波としては図１６Ｂのような受信波形となり、補助超音波プローブ１１２ａに関して撮像対象物体Ｓ３からの波形は消失するが、撮像対象物体Ｓ１からの波形が出現する。
Here, consider that the opening surface is slightly rotated about the axis C1. At this time, as shown in FIG. 16A, the reflected waves from the imaging target objects S1 and S2 entering both observation regions of the auxiliary
このように回転軸Ｃ１の回転運動によって逆向きの動きを行い、かつ、波形が消滅したり、出現したりしない場合においては、観測対象に入っているものと判断できる。よって、回転軸Ｃ１の微小駆動によって観測対象を取捨選別できることになる。観測対象が水中において外乱を受け位置を変化させる場合においても一般に、軸Ｃ１に関する回転はそられの動きに関して十分に早いものなので、区別が可能である。 In this way, when a reverse movement is performed by the rotational movement of the rotation axis C1, and the waveform does not disappear or appear, it can be determined that the object is in the observation target. Therefore, the observation target can be sorted out by the minute driving of the rotation axis C1. Even when the observation target changes its position due to disturbance in the water, in general, the rotation about the axis C1 is sufficiently fast with respect to its movement, so that it can be distinguished.
具体的には図１５，図１６に示す円弧の交点が観測対象候補となり、その交点を慣性座標系で表示し、その交点が軸Ｃ１の回転駆動でも慣性空間で動かない場合は、観測対象と判断すればよい。 Specifically, if the intersection of the arcs shown in FIGS. 15 and 16 is a candidate for observation, the intersection is displayed in the inertial coordinate system, and the intersection does not move in the inertial space even when the axis C1 is rotationally driven, Just judge.
この回転運動は開口面の動きを滑らかにするためにも駆動振幅θで正弦波上に動くことが望ましい。 It is desirable that this rotational movement moves on a sine wave with a drive amplitude θ in order to smooth the movement of the aperture surface.
これはもちろん補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄが開口面の上下左右端に存在し、開口面が上下左右に動く場合には、４つの球面が描かれることとなり、その４つの球面の３次元空間での交点が対象点となり、左右方向に正弦波で動き、上下方向に９０度位相のずれた正弦波で駆動させれば開口面の向きが円運動を行うようになり、滑らかな開口面の微少円運動によって観測対象を取捨選択できることとなる。一度取捨選択した場合には、主超音波プローブ１１１での画像化のフェーズに移ればよいため、円運動を続ける必要はない。
Of course, when the auxiliary
この回転軸Ｃ１の駆動振幅θは端部に設置している補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの間隔Ｄ／２と指向角度α、及び送信周波数ｆによって明示的に決定できる。
The drive amplitude θ of the rotation axis C1 can be explicitly determined by the distance D / 2 between the auxiliary
図１７に補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの幾何配置関係を示す。送信周波数ｆから超音波の指向角βが決定できる。観測領域はこの指向角の範囲に入るので、指向角βだけ回転させれば十分である。なお、その指向角βの角度は例えば図４Ａ及び図４Ｂにおいてエネルギーが１／２となる角度を用いればよい。
FIG. 17 shows the geometric relationship of the auxiliary
基本的には探索距離はＬ０未満となり、図１７において、
Ｌ０＝Ｄ／（２ｔａｎα）
で表される。また、図１７において最短観測距離Ｌ１は、
ｙ＝（π／２）・α・βを用いてＬ１＝（Ｄ／２）ｔａｎ（γ）で表され、Ｌ０−Ｌ１が探索対象距離となるため、反射波を観測する時間ウィンドウの長さはこのＬ０−Ｌ１を基準とすればよい。
Basically, the search distance is less than L0.
L0 = D / (2 tan α)
It is represented by In FIG. 17, the shortest observation distance L1 is
L1 = (D / 2) tan (γ) using y = (π / 2) · α · β, and L0−L1 is the search target distance, so the length of the time window for observing the reflected wave May be based on L0-L1.
これらの値は、開口面Ｄ／２が広がった場合や補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの姿勢角αが変更される場合はこの式を用いて計算することができる。実際には開口面は大きく駆動されて広い領域を観測するが、その観測幅を走査する際に、パン軸・チルト軸についてそれぞれ走査を行うとき、走査する際に微少振幅θだけ回転しながら走査を行い、そのθの回転周波数でフィルタリングしたものを観測ターゲットとすることになる。
These values can be calculated using this equation when the opening surface D / 2 is widened or when the posture angle α of the auxiliary
図１８にその概要を示す。開口面から観測対象のほうを見た場合の観測対象の範囲を示したものである。 The outline is shown in FIG. It shows the range of the observation target when looking at the observation target from the aperture plane.
開口面が振幅θで円運動を行うために、観測対象は図１８中Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のように領域円が円運動を行うような動きとなる。円運動を行いながらパン・チルトへ走査を行う。このとき、観測対象として取捨選択してよいものは、この円運動に対して慣性空間で動かない点Ｘである。 Since the aperture surface performs a circular motion with an amplitude θ, the observation target moves like a circular motion of a region circle such as R1, R2, R3, and R4 in FIG. Scan to pan / tilt while performing circular motion. At this time, what may be selected as an observation target is a point X that does not move in the inertial space with respect to this circular motion.
ひとたび点が決まればその点が観測領域の中心となるように、具体的には全ての補助超音波プローブ１１２ａ〜１１２ｄの送受信時間間隔が同じになるように開口面を調整することで、主超音波プローブ１１１の画像化領域Ｍに撮像対象物体Ｓを捕捉することができる。
Once the point is determined, the aperture is adjusted so that the point becomes the center of the observation region, specifically, the transmission / reception time intervals of all the auxiliary
上述したように、超音波画像化装置１によれば、水中等の送受信周波数の上昇に伴って超音波エネルギの減衰が大きくなる媒質中において、合成開口ソナーで撮像対象物体を撮像するために、アンテナ本体１１０を撮像対象物体に正確に向けるとともに、高い分解能で撮像することが可能となる。
As described above, according to the
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
以上本発明によれば、水中等の送受信周波数の上昇に伴って超音波エネルギの減衰が大きくなる媒質中において、合成開口ソナーで撮像対象物体を撮像するために、アンテナを撮像対象物体に正確に向けるとともに、高い分解能で撮像する超音波撮像装置を実現することができる。 As described above, according to the present invention, in order to image an object to be imaged with a synthetic aperture sonar in a medium in which the attenuation of ultrasonic energy increases as the transmission / reception frequency increases, such as underwater, the antenna is accurately placed on the object to be imaged. And an ultrasonic imaging apparatus for imaging with high resolution.
１…超音波画像化装置、１００…超音波プローブアレイ装置、１１０…アンテナ本体、１１１…主超音波プローブ、１１２，１１２ａ〜１１２ｄ…補助超音波プローブ、２００…制御装置、２１２…増幅器、２１４…Ａ／Ｄ変換器、２１６…距離信号演算回路、２１８…画像生成回路、２２０…発信器、２２２…切替回路、２２４…発受信制御部、２２６…表示制御部、２２８…表示部、２３０…開口長制御部、２３１…開口面向制御部、２３２…プローブ姿勢制御部、２３４…操作部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記各超音波プローブの向きをそれぞれ変更する姿勢可動部と、
前記複数の超音波プローブのうち、開口合成のために使用される第１周波数で送受信するとともに２次元配置された複数の主超音波プローブと、
前記複数の超音波プローブのうち、前記第１周波数よりも低い第２周波数で送受信する少なくとも３個の補助超音波プローブと、
前記主超音波プローブの圧電素子が発生した各電気信号を用いて、超音波画像を生成する画像生成部とを備えていることを特徴とする超音波撮像装置。 An ultrasonic probe array having a plurality of ultrasonic probes arranged on a parabolic curved surface and having piezoelectric elements that transmit ultrasonic waves in response to supplied drive signals and receive ultrasonic waves to generate electrical signals Equipment,
A posture movable section for changing the direction of each of the ultrasonic probes;
Among the plurality of ultrasonic probes, a plurality of main ultrasonic probes that are transmitted and received at a first frequency used for aperture synthesis and two-dimensionally arranged;
Among the plurality of ultrasonic probes, at least three auxiliary ultrasonic probes that transmit and receive at a second frequency lower than the first frequency;
An ultrasonic imaging apparatus comprising: an image generation unit configured to generate an ultrasonic image using each electrical signal generated by the piezoelectric element of the main ultrasonic probe.
前記補助超音波プローブの送受信時間で決まる球面の交点が慣性空間上で得られたとき、前記円運動に対しても位置を変えないものを観測対象として選定する選定手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。 The movable device is a circular motion means for circularly moving the opening surface of the ultrasonic probe array device within a range of a directivity angle of the auxiliary ultrasonic probe;
Selecting means for selecting, as an observation target, an object whose position does not change even with respect to the circular motion when an intersection of spherical surfaces determined by the transmission / reception time of the auxiliary ultrasonic probe is obtained on an inertial space. The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1.
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