JP2019158353A

JP2019158353A - 超音波探査装置

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Publication number: JP2019158353A
Application number: JP2018040512A
Authority: JP
Inventors: 和彦海賀; Kazuhiko Umiga; 久昭前田; Hisaaki Maeda
Original assignee: Koden Electronics Co Ltd
Current assignee: Koden Electronics Co Ltd
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: JP6943792B2

Abstract

【課題】短時間で他の超音波探査装置との干渉除去する。【解決手段】本発明の超音波探査装置は、送信部、受信部、第１処理部、第２処理部を備える。送信部は、第１周波数の音波である第１音波を送信後、第２周波数の音波である第２音波を送信する。受信部は、音波を受信する複数の受信器と、受信器のそれぞれが受信した音波の信号をデジタル音波信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有する。第１処理部は、デジタル音波信号に対する信号処理を行い、第１周波数を含む第１周波数帯の音波に基づく第１探査情報を出力する。第２処理部は、デジタル音波信号に対する信号処理を行い、第２周波数を含む第２周波数帯の音波に基づく第２探査情報を出力する。そして、送信部は、第１音波の送信と第２音波の送信の間隔を、受信部が第１周波数の音波を受信している間に第２音波も受信する期間の範囲で、あらかじめ定めた頻度で変更する。【選択図】図１

Description

本発明は水中探知を行う超音波探査装置に関する。

従来技術として、特許文献１〜５などが知られている。特許文献１には、混信防止のために、あらかじめ決められた順に水中に送波し、その決められた順に反射してきた信号のみを記録する多周波魚群探知機の技術が示されている。特許文献２には、「周波数の近似する２種類の超音波パルスを一定時間ずらせたタイミングで送信する超音波パルス送信手段と、前記２種類の超音波パルスの反射を受信し、受信信号から、同一距離において同一レベルである信号成分を抽出して探知信号を生成する探知信号生成手段と、を備えた水中探知装置。」が示されている。特許文献３には、他の船の魚群探知機との間の干渉を除去するために、「複数の周波数に切換えて送波できるパルス送信機と送信周波数と同じ周波数を受信する受信機を有し、順次に周波数を変えて送波して、その反射波を受信して記憶し、１回の探知受信信号を１本の表示線として、多数回の探知記憶データを古い順に配列して面表示する手段を有し、異なる周波数で探知した隣接表示線間の探知信号データに相関性がある場合のみ表示するようにする」技術が示されている。特許文献４には、「トランスジューサから送信する超音波の周波数を、手動操作や自動操作によって、±10％以下の範囲内やリアクタンスやサセプタンスが極大となる周波数から極小となる周波数までの範囲内などで、変更可能にすることにより、他機との相互干渉を回避する」技術が示されている。

特許文献５には、「送信ビームを形成する際、横方向または縦方向へ異なった周波数の超音波送信ビームを形成する。受信ビーム形成時には、各送信ビームの送信周波数に対応した周波数成分を抽出する。これにより、同時に横方向または縦方向についての探知画像を求める。」という技術が示されている。

特開昭５９−１２５０８５号公報特開平１−２１２３８１号公報特開平７−１９８８２９号公報特開２００１−１４７２６５号公報特開２００３−２０２３７０号公報

特許文献１の技術は、多周波を利用して混信を防ぐ技術であるが、周波数分の受信用の回路が必要である。特許文献２では、他の船の魚群探知機との干渉除去が可能と示されているが、他の船の魚群探知機も同じ魚群探知機の場合には干渉除去できない。特許文献３、４では、１回ごとに異なる周波数で探知するので、他の船の魚群探知機との干渉を除去するためには２回以上の探知が必要になる。したがって、干渉を除去するために時間がかかる。また、特許文献５は、異なる周波数のビームを続けて送信するが、他の装置との干渉を除去するための技術ではない。

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、短時間で探査し、かつ他の超音波探査装置との干渉除去することを目的とする。

本発明の超音波探査装置は、送信部、受信部、第１処理部、第２処理部を備える。送信部は、第１周波数の音波である第１音波を送信後、第２周波数の音波である第２音波を送信する。受信部は、音波を受信する複数の受信器と、受信器のそれぞれが受信した音波の信号をデジタル音波信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有する。第１処理部は、デジタル音波信号に対する信号処理を行い、第１周波数を含む第１周波数帯の音波に基づく第１探査情報を出力する。第２処理部は、デジタル音波信号に対する信号処理を行い、第２周波数を含む第２周波数帯の音波に基づく第２探査情報を出力する。そして、送信部は、第１音波の送信と第２音波の送信の間隔を、受信部が第１音波の反射波と第２音波の反射波を同時に受信する期間が存在する範囲で、あらかじめ定めた頻度で変更する。

本発明の超音波探査装置によれば、１回の探査の間に２つの周波数の音波を利用するので、短時間で探査できる。また、２つの周波数の音波の送信の間隔を変更するので、他の超音波探査装置も同じ２つの周波数の音波を利用している場合も、２つの音波を送信するタイミングを異なるようにできるので、探査情報に含まれてしまう干渉波の位置を異なる位置にできる。よって、干渉波を識別、除去できる。

本発明の超音波探査装置の機能構成例を示す図。発明の超音波探査装置の処理フローの例を示す図。１回の探査の処理における送信部が音波を送信するタイミングから受信部が音波を受信するタイミングまでを示した図。第１探査情報、第２探査情報と探査情報の関係を示す図。他の船も第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２を超音波探査に使い、第１音波と第２音波の送信の間隔が一致する場合の第１探査情報、第２探査情報と探査情報の関係を示す図。他の船も第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２を超音波探査に使い、第１音波と第２音波の送信の間隔が異なる場合の第１探査情報、第２探査情報と探査情報の関係を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。また、Ｎを２以上の整数、ｎを１以上Ｎ以下の整数とする。

図１に本発明の超音波探査装置の機能構成例を示す。図２に本発明の超音波探査装置の処理フローの例を示す。超音波探査装置１００は、送信部１１０、受信部１２０、第１処理部１３０、第２処理部１４０、探査情報部１５０を備える。図３は、１回の探査の処理における送信部が音波を送信するタイミングから受信部が音波を受信するタイミングまでを示した図である。横軸は時間である。

送信部１１０は、第１周波数ｆ_１の音波である第１音波を送信後、第２周波数ｆ_２の音波である第２音波を送信する（Ｓ１１０）。送信部１１０は、第１音波の送信と第２音波の送信の間隔Ｔ_ｓを、受信部１２０が第１音波の反射波と第２音波の反射波を同時に受信する期間が存在する範囲で、あらかじめ定めた頻度で変更する。音波の周波数は５０ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚ程度の中から、探査したい対象物に応じて適宜選択すればよい。また、第１周波数と第２周波数の周波数の間隔は、狭い方が反射波の特性が似ているので好ましい。しかし、対象物が動く場合および超音波探査装置を搭載した船が動いている場合には、ドップラー効果の影響によって反射波の周波数が変化するため、ドップラー効果の影響を受けた後でも区別できる程度には離しておく必要がある。本発明の場合は、第１周波数と第２周波数との周波数の間隔は、８ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下とすればよい。具体的には、例えば、第１周波数を２００ｋＨｚ、第２周波数を２１０ｋＨｚにすればよい。

第１音波および第２音波の送信時間Ｔ_Ｐは、探査情報の距離分解能に大きく影響する。送信時間Ｔ_Ｐは、超音波探査したい距離の範囲と距離分解能から適宜決めればよく、例えば、１０μ秒〜１０ｍ秒から選べばよい。特に、近距離の超音波探査の場合には、送信時間Ｔ_Ｐが１０μ秒〜１００μ秒のような短時間のパルスにしたい。本発明では、第１処理部１３０と第２処理部１４０の工夫により、送信時間Ｔ_Ｐを短くすることを可能にしている。詳細は後述する。

第１音波の送信と第２音波の送信の間隔Ｔ_ｓは、２つの音波の観測を一回の探査の処理の中で行える範囲で決めればよい。つまり、上述の「送信部１１０は、第１音波の送信と第２音波の送信の間隔Ｔ_ｓを、受信部１２０が第１音波の反射波と第２音波の反射波を同時に受信する期間が存在する範囲」とは、２つの音波の反射波の観測を一回の探査の処理で行うことを意味している。ただし、間隔が狭い方が一回の探査の処理を短くできる。上述の「あらかじめ定めた頻度」は、毎回でもよいし、数回に１回でもよい。間隔Ｔ_ｓを変更する効果は、後で詳細に説明する。

受信部１２０は、音波を受信する複数の受信器１２１−１，…，Ｎと、受信器のそれぞれが受信した音波の信号をデジタル音波信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２２−１，…，Ｎを有する。複数の受信器１２１−１，…，Ｎは、例えば、アレイ状に配置すればよい。第１音波の反射波ｆ_１は、第１音波の送信開始の時間Ｔ_ｗ後から時間Ｔ_ｍの間、受信器１２１−ｎに受信される。第２音波の反射波ｆ_２は、第２音波の送信開始の時間Ｔ_ｗ後からから時間Ｔ_ｍの間、受信器１２１−ｎに受信される。したがって、受信器１２１は両方の音波を、少なくとも時間Ｔ_ｒ（＝Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｍ）の間受信する（Ｓ１２１−ｎ）。受信器１２１−ｎが受信した音波の信号は、Ａ／Ｄ変換器１２２−ｎがデジタル音波信号に変換する（Ｓ１２２−ｎ）。ステップＳ１２０は、ステップＳ１２１−１，…，ＮとステップＳ１２２−１，…，Ｎをまとめた処理である。なお、受信器１２１−ｎが受信した音波の信号をデジタル信号に変換することで信号の分割による劣化がなくなるので、後述の第１処理部１３０と第２処理部１４０の処理を並列に行いやすく、装置の大型化も避けやすい。

第１処理部１３０は、デジタル音波信号に対する信号処理を行い、第１周波数を含む第１周波数帯の音波に基づく第１探査情報を出力する（Ｓ１３０）。より具体的には、第１処理部１３０は第１遅延器１３１−１，…，Ｎと第１合成器１３２を有する。第１遅延器１３１−ｎは、探査したい方向に応じて、Ａ／Ｄ変換器１２２−ｎが出力したデジタル音波信号ごとに対応する遅延を与える処理と、第１周波数帯を抽出する処理を行い、第１周波数帯遅延付加デジタル音波信号を出力する（Ｓ１３１−ｎ）。探査したい方向に応じた遅延を与える処理と、第１周波数帯を抽出する処理はどちらを先に処理してもよい。第１合成器１３２は、第１周波数帯遅延付加デジタル音波信号を合成し、第１探査情報を出力する（Ｓ１３２）。

「第１周波数を含む第１周波数帯」とは、ドップラー効果によって変化した周波数も含むことを意味しており、周波数帯は、±３ｋＨｚ〜±８ｋＨｚ程度の中から適宜選択すればよい。なお、周波数帯を広くすると第１周波数と第２周波数の周波数の間隔も広げる必要があるので、探査の対象物の特性などを考慮しながら決めればよい。複数の受信器から探査したい方向の音波を抽出する際は、位相の調整を行うことが一般的だが、本発明の第１遅延器１３１−ｎは、遅延を与える。音波の周波数を１００ｋＨｚ、水中での音波の伝搬速度を１５００ｍとすると、音波の波長λは、１５ｍｍ（＝１５００ｍ／１００ｋＨｚ）となる。受信器１２１−１，…，Ｎが配置される幅は数１０ｃｍあるため、位相の調整で探査の方向を決めると、送信部１１０から同じタイミングで送信された音同士の重ね合わせではなく、数周期分で重ね合わせを行うことになる。送信の開始と終了付近では重ね合わせに必要な数周期分の音波が存在しないので、重ね合わせは、数周期分の音波が存在する時間（送信開始と終了付近を避けた時間）に限って行われる。これは、送信する音波の送信時間Ｔ_Ｐが十分長い場合は問題にならないが、送信時間Ｔ_Ｐを短くするための障害となる。そこで、送信部１１０から同じタイミングで送信された音（同じ周期の音）同士を重ね合わせるために、位相の調整ではなく、遅延による調整が必要になる。本発明では、第１遅延器１３１−ｎが遅延により探査したい方向を調整するので、送信部１１０が送信する音波の送信時間Ｔ_Ｐを短くできる。

第２処理部１４０は、デジタル音波信号に対する信号処理を行い、第２周波数を含む第２周波数帯の音波に基づく第２探査情報を出力する（Ｓ１４０）。より具体的には、第２処理部１４０は、第２遅延器１４１−１，…，Ｎと第２合成器１４２を有する。第２遅延器１４１−ｎは、探査したい方向に応じて、Ａ／Ｄ変換器１２２−ｎが出力したデジタル音波信号ごとに対応する遅延を与える処理と、第２周波数帯を抽出する処理を行い、第２周波数帯遅延付加デジタル音波信号を出力する（Ｓ１４１−１）。探査したい方向に応じた遅延を与える処理と、第２周波数帯を抽出する処理はどちらを先に処理してもよい。第２合成器１４２は、第２周波数帯遅延付加デジタル音波信号を合成し、第２探査情報を出力する（Ｓ１４２）。周波数帯に関する内容、遅延によって探査したい方向の音波を抽出することによる効果は、第１処理部１３０と同じである。

探査情報部１５０は、第１探査情報と第２探査情報とが相違する情報を他の装置との干渉情報とし、干渉情報に基づいて、第１探査情報または第２探査情報から探査情報を求める（Ｓ１５０）。または、探査情報部１５０は、第１探査情報と第２探査情報との共通する情報から探査情報を求める（Ｓ１５０）。図４に第１探査情報、第２探査情報と探査情報の関係を示す。第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２は反射波の特性が似る程度には近いので、第１探査情報と第２探査情報の反射波に関する情報は似ている。そして、近くの漁船が第１周波数ｆ_１と同じ周波数を超音波探査に使っていた場合、第１探査情報には干渉波の影響が含まれ、第２探査情報には干渉波の影響が含まれない。したがって、第１探査情報と第２探査情報とが相違する情報を他の装置との干渉情報とし、第１探査情報または第２探査情報から干渉情報を削除することで探査情報を求めてもよいし、第１探査情報と第２探査情報との共通する情報から探査情報を求めてもよい。なお、相違する情報、共通する情報は、相互相関などから求めればよい。

図５は、他の船も第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２を超音波探査に使い、第１音波と第２音波の送信の間隔が一致する場合の第１探査情報、第２探査情報と探査情報の関係を示す図である。図６は、他の船も第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２を超音波探査に使い、第１音波と第２音波の送信の間隔が異なる場合の第１探査情報、第２探査情報と探査情報の関係を示す図である。他の船も第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２を超音波探査に使い、第１音波と第２音波の送信の間隔が一致する場合、第１探査情報と第２探査情報の両方に同じように干渉波の影響が含まれるので、探査情報においても干渉波の影響を除去できない。一方、他の船も第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２を超音波探査に使っていても、第１音波と第２音波の送信の間隔が異なれば、第１探査情報と第２探査情報への干渉波の影響は異なるので、探査情報において干渉波の影響を除去できる。他の船も第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２を超音波探査に使い、第１音波と第２音波の送信の間隔が一致することは、確率は低いと考えられるが、あるかもしれない。しかし、送信部１１０は、第１音波の送信と第２音波の送信の間隔Ｔ_ｓを、受信部１２０が第１周波数の音波を受信している間に第２音波も受信する期間の範囲で、あらかじめ定めた頻度で変更する。他の船も同じ頻度で同じように間隔Ｔ_ｓを変更する可能性はさらに低いので、実質的に干渉波の影響を除去できる。

上述のように、超音波探査装置１００によれば、１回の探査の間に２つの周波数の音波を利用するので、短時間で探査できる。また、２つの周波数の音波の送信の間隔を変更するので、他の超音波探査装置も同じ２つの周波数の音波を利用している場合も、２つの音波を送信するタイミングを異なるようにできるので、探査情報に含まれてしまう干渉波の位置を異なる位置にできる。よって、干渉波を識別、除去できる。

１００超音波探査装置１１０送信部
１２０受信部１２１受信器
１２２Ａ／Ｄ変換器１３０第１処理部
１３１第１遅延器１３２第１合成器
１４０第２処理部１４１第２遅延器
１４２第２合成器１５０探査情報部

Claims

第１周波数の音波である第１音波を送信後、第２周波数の音波である第２音波を送信する送信部と、
音波を受信する複数の受信器と、前記受信器のそれぞれが受信した音波の信号をデジタル音波信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有する受信部と、
前記デジタル音波信号に対する信号処理を行い、前記第１周波数を含む第１周波数帯の音波に基づく第１探査情報を出力する第１処理部と、
前記デジタル音波信号に対する信号処理を行い、前記第２周波数を含む第２周波数帯の音波に基づく第２探査情報を出力する第２処理部と、
を備え、
前記送信部は、前記第１音波の送信と前記第２音波の送信の間隔を、前記受信部が前記第１音波の反射波と前記第２音波の反射波を同時に受信する期間が存在する範囲で、あらかじめ定めた頻度で変更する
ことを特徴とする超音波探査装置。
請求項１記載の超音波探査装置であって、
前記複数の受信器はアレイ状に配置されている
ことを特徴とする超音波探査装置。
請求項１または２記載の超音波探査装置であって、
前記第１処理部は、
探査したい方向に応じて、前記デジタル音波信号ごとに対応する遅延を与える処理と、前記第１周波数帯を抽出する処理を行い、第１周波数帯遅延付加デジタル音波信号を出力する第１遅延器と、
前記第１周波数帯遅延付加デジタル音波信号を合成し、前記第１探査情報を出力する第１合成器を有し、
前記第２処理部は、
探査したい方向に応じて、前記デジタル音波信号ごとに対応する遅延を与える処理と、前記第２周波数帯を抽出する処理を行い、第２周波数帯遅延付加デジタル音波信号を出力する第２遅延器と、
前記第２周波数帯遅延付加デジタル音波信号を合成し、前記第２探査情報を出力する第２合成器を有する
ことを特徴とする超音波探査装置。
請求項１から３のいずれかに記載の超音波探査装置であって、
前記第１探査情報と前記第２探査情報とが相違する情報を他の装置との干渉情報とし、前記干渉情報に基づいて、前記第１探査情報または前記第２探査情報から探査情報を求める探査情報部も備える
ことを特徴とする超音波探査装置。
請求項１から３のいずれかに記載の超音波探査装置であって、
前記第１探査情報と前記第２探査情報との共通する情報から探査情報を求める探査情報部も備える
ことを特徴とする超音波探査装置。