JP3000554B2 - デュアルビーム超音波探知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の電極が形成され
た電歪振動子からなる送受波器、または各々に電極が形
成された複数の電歪振動子からなる送受波器を備えた超
音波探知装置に係り、より詳細には、電極と送受波器を
駆動する駆動信号源との間に、送受波器より送波される
ビーム形状が準理想ビームとなる重み付けを行う準理想
ビームウエイト部が挿入されたデュアルビーム超音波探
知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波探知装置において、対象の反射強
度を正確に捉えようとするときには、ビームの指向角度
範囲内においては感度が一定であり、指向角度を僅かで
も越えたときには感度が０となる指向特性を持つ理想ビ
ームを用いる必要がある。しかしこのような理想ビーム
を実現するためには無限の大きさを有する送受波器が必
要となるのでその実現は不可能であるが、その指向特性
をより理想ビームに近づけるための装置が提案されてい
る（特公平3-23874)。

【０００３】この装置では、電歪振動子に形成された複
数の電極と電歪振動子を駆動する信号源との間に準理想
ビームウエイト部を挿入することにより、ベッセル関数
により算出される振幅と位相の信号を各電極に与えるた
めの重み付けを行い、受波時には、同様の重み付けを与
える準理想ビームウエイト部を介して、電極からの受波
信号を取り出す構成となっている。図５はこの装置によ
り実現される指向特性を示しており、この指向特性は、
指向角度範囲内d91 ではその大部分において感度が一定
であり、指向角度を越える範囲d92 については、指向角
度から離れるに従って急激にその感度が低下する特性と
なっており、理想ビームに近似した指向特性となってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記装置により実現さ
れる指向特性は、既に説明したように理想ビームに近似
した指向特性となっているが、対象が指向角度を僅かに
離れた範囲d93 に位置するような場合では、探知感度が
変化する範囲となるため、対象の反射強度を示す信号の
信頼性が低くなり、得られたデータそのものの信頼性が
低下するという問題があった。

【０００５】本発明は上記課題を解決するため着想され
たものであり、その目的は、得られたデータの信頼性を
高めるために理想ビームに近い超音波探知装置を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明のデュアルビーム超音波探知装置は、複数の電極
が形成された電歪振動子からなる送受波器、または各々
に電極が形成された複数の電歪振動子からなる送受波器
を備え、この送受波器を駆動する駆動信号源と電極との
間に、送受波器より送波されるビーム形状が準理想ビー
ムとなる重み付けを行う準理想ビームウエイト部が挿入
された超音波探知装置に適用し、電極の出力が導かれ、
受波特性が準理想ビームとなる重み付けを行う準理想ビ
ームウエイト部と、電極の出力が導かれ、受波特性がチ
ェビシェフビームとなる重み付けを行うチェビシェフウ
エイト部と、このチェビシェフウエイト部の出力が準理
想ビームウエイト部の出力より大きいときには準理想ビ
ームウエイト部の出力を送出し、その他のときには出力
を０近傍のレベルとするゲート部とを備えた構成を用い
る。

【０００７】

【作用】チェビシェフビームの感度曲線と準理想ビーム
のそれとの関係を、準理想ビームの感度の平坦部をチェ
ビシェフビームの感度曲線が横切るレベル設定とするこ
とにより、ゲート部から準理想ビームウエイト部の出力
が送出されるのは、準理想ビームの感度が平坦となる角
度範囲に対象が位置している場合のみとなる。そしてそ
の他の角度範囲に対象が位置している場合には、チェビ
シェフウエイト部の出力が準理想ビームウエイト部の出
力より小さくなり、ゲート部の出力は０近傍の出力とな
る。つまりゲート部の出力から感度を見た場合には、感
度が平坦な部分についてのみ、その平坦な感度特性でも
って対象の検出を行い、感度が平坦でない部分において
は、感度が０近傍の値となる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照しつつ説明する。

【０００９】図１は、本発明の一実施例の電気的構成を
示すブロック線図である。

【００１０】図において、送受波器11の駆動信号を生成
する駆動信号源14の出力は準理想ビームウエイト部13に
与えられており、この準理想ビームウエイト部13の出力
はトラップ12に導かれている。またそれぞれの素子に電
極が形成された複数の電歪振動子により形成された送受
波器11は、その各素子の電極がトラップ12と双方向性に
接続されている。

【００１１】トラップ12からの出力は、バッファアンプ
15を介しては準理想ビームウエイト部16に導かれ、バッ
ファアンプ20を介してはチェビシェフウエイト部21に導
入されている。そして準理想ビームウエイト部16の出力
は加算回路17に送出されており、加算回路17の出力は広
ダイナミックアンプ18に与えられている。またチェビシ
ェフウエイト部21の出力も同様であって、加算回路22を
介して広ダイナミックアンプ23に導かれている。

【００１２】広ダイナミックアンプ18の出力はゲート信
号発生回路24の一方の入力とＡ／Ｄ変換器19の入力とに
与えられており、広ダイナミックアンプ23の出力はゲー
ト信号発生回路24の他方の入力に導かれている。そして
Ａ／Ｄ変換器19の出力は、ゲート部25の一方の入力と画
像メモリ28とに送出されており、ゲート部25の他方の入
力にはゲート信号発生回路24の出力が与えられている。

【００１３】またゲート部25の出力はストレングスメモ
リ26に送出されており、このストレングスメモリ26の出
力はデータ処理部27に与えられている。そして表示部29
には、画像メモリ28からの出力とデータ処理部27からの
出力とが導入されている。

【００１４】以上の構成において、帯によりその接続が
示された信号線については、その出力が複数の信号線に
より構成されていることを示していて、信号線の数は、
送受波器11を構成する電歪振動子の素子数と等しい数と
なっている。そのためバッファアンプ15、およびバッフ
ァアンプ20には、それぞれの内部に、送受波器11の素子
数に等しいブッファ回路が設けられている。

【００１５】また準理想ビームウエイト部16、およびチ
ェビシェフウエイト部21は、各素子からの信号線のそれ
ぞれに対応する増幅器および抵抗減衰器により構成され
ていて、位相については、必要に応じて増幅器を反転増
幅器あるいは非反転増幅器として動作させ、振幅につい
ては抵抗減衰器により要求される振幅まで減衰させる構
成が用いられている。

【００１６】図２は、本発明の一実施例が形成するビー
ム形状を示す説明図である。必要に応じて同図を参照し
つつ、本発明の一実施例の動作について以下に説明す
る。

【００１７】駆動信号源14はバースト信号を生成し準理
想ビームウエイト部13に送出する。このバースト信号が
与えられた準理想ビームウエイト部13は、送受波器11の
各素子に要求される振幅レベルおよび位相の信号を生成
し、生成した信号をトラップ12に送出する。トラップ12
は、このバースト信号を送受波器11に送出すると共に、
バースト信号がバッファアンプ15、20に漏れることを阻
止する。

【００１８】以上のことから、送受波器11の各素子に
は、ベッセル関数に基づいて算出される振幅および位相
の信号が与えられることになる。

【００１９】なお送受波器11の各素子に与えられるバー
スト信号の振幅、位相、およびその周波数と各素子の形
状との関係については、本発明の主眼点がその関係にあ
るのではないこと、および公報 (特公平3-23874)により
詳細な説明がなされていて公知技術となっていることか
ら、本発明の主眼点を分かり易いものとするためその詳
細な説明を省略する。

【００２０】要求される振幅および位相のバースト信号
が準理想ビームウエイト部13から各素子に与えられた送
受波器11は、指向特性の中心を角度０として示すとする
と、図２の31に示すように、角度範囲d1において強度が
ほぼ一定であり、その両側では強度が急激に減衰する準
理想ビームの指向特性を有する超音波を水中に送波す
る。

【００２１】一方、受波時には、送受波器11により受波
された超音波は、各素子毎の信号となり、トラップ12を
介してバッファアンプ15、20に導かれる。そしてバッフ
ァアンプ15を通過した後、準理想ビームウエイト部16に
送出される。バッファアンプ15からの出力が導かれた準
理想ビームウエイト部16は、それぞれの素子からの信号
毎に、要求される増幅率および位相関係でもって信号の
処理を行い、処理した信号を加算回路17に送出する。

【００２２】加算回路17は、準理想ビームウエイト部16
において処理された素子毎の信号の全てについてその加
算を行い、加算結果を広ダイナミックアンプ18に送出す
る。この広ダイナミックアンプ18は、超音波が水中で拡
散すること、および吸収されることに対する補正を加算
回路17の出力に与えた後、設定値だけ増幅してその出力
をＡ／Ｄ変換器19とゲート信号発生回路24とに送出す
る。Ａ／Ｄ変換器19は、広ダイナミックアンプ18の出力
をデジタル値に変換し、変換結果を画像メモリ28に送出
することから、表示部29には、準理想ビームウエイト部
16の出力により示される画像が表示されることになる。

【００２３】上記受波時の動作において、送受波器11に
おいて受波された反射波の強度を示す信号は、準理想ビ
ームウエイト部16において必要とする重み付けが行われ
た後、広ダイナミックアンプ18において補正されること
から、その受信特性は、送波時と同様に図２の31により
示す準理想ビーム特性となる。そのため送波と受波とを
含めた特性も同様に準理想ビーム特性となっている。

【００２４】またバッファアンプ20を介してチェビシェ
フウエイト部21に導かれた各素子からの信号は、同様に
図２の32により示されるチェビシェフ特性の指向性を持
たせるための重み付けが行われた後 (この重み付けの方
法についても、公知技術となっているため、詳細な説明
を省略する）、加算回路22において加算され、広ダイナ
ミックアンプ23によって上記と同様の補正が与えられ
る。そして補正された出力はゲート信号発生回路24に送
出される。

【００２５】以上の動作の結果として、ゲート信号発生
回路24に与えられる準理想ビーム (広ダイナミックアン
プ18の出力) の総合特性とチェビシェフビーム (広ダイ
ナミックアンプ23の出力)の総合特性との関係は、図２
の31と32とにより示すように、準理想ビームの感度曲線
31の感度の平坦部をチェビシェフビームの感度曲線が横
切ることとなる。

【００２６】図３は、本発明の一実施例のビームの広が
りを極座標により示す説明図となっていて、同図におい
ては、準理想ビームは31a により示され、チェビシェフ
ビームは32a により示されている。

【００２７】ゲート信号発生回路24は、チェビシェフウ
エイト部21の出力 (広ダイナミックアンプ23の出力) が
準理想ビームウエイト部16の出力 (広ダイナミックアン
プ18の出力) より大きいときにはゲート信号をゲート部
25に送出し、その逆のときにはゲート信号を発生しな
い。またゲート部25は、ゲート信号発生回路24からゲー
ト信号が送出されるときにはＡ／Ｄ変換器19の出力を送
出し、ゲート信号が送出されないときには出力値０を送
出する。

【００２８】そのためチェビシェフビーム32の方が準理
想ビーム31より感度が高くなる角度範囲d2内に対象があ
る場合には（41によりその位置を示す) 、チェビシェフ
ウエイト部21の出力の方が準理想ビームウエイト部16の
出力より大きくなるため、ゲート信号発生回路24からゲ
ート信号が送出されることになり、ゲート部25は、準理
想ビームウエイト部16の出力 (Ａ／Ｄ変換器19の出力)
をストレングスメモリ26に出力する。

【００２９】また対象が角度範囲d3 (チェビシェフウエ
イト部21の出力が準理想ビームウエイト部16の出力より
小さくなる領域) として、例えば指向特性の中心から角
度θ1 離れた角度に対象がある場合（42によりその位置
を示す) 、この対象は、準理想ビームの感度a1でもって
探知されることとなり、準理想ビームウエイト部16の出
力は、実際の対象の反射率より小さい値を示すのである
が、このときには、チェビシェフウエイト部21の出力の
方が準理想ビームウエイト部16の出力より小さくなるた
め、ゲート信号発生回路24はゲート信号を送出しない。
そのためゲート部25の出力は値０となる。

【００３０】つまり角度範囲d2内に対象が位置する場合
では、準理想ビームウエイト部16の出力が、Ａ／Ｄ変換
器19を介してストレングスメモリ26に送出されることに
なり、角度範囲d3に対象が位置する場合では、感度が０
になったときと等しいデータがゲート部25から送出され
ることになる。

【００３１】このことは、準理想ビームの感度特性がほ
ぼ平坦となる領域d2においてのみ対象を探知する感度を
有し、その他の角度範囲d3では感度が突然に０となるこ
とを意味する。つまりその総合的な特性は、図２の33に
より示す特性の理想ビームとしての特性を示すことにな
る。

【００３２】以上のビーム特性により検出されたデータ
はストレングスメモリ26に記憶されることとなり、この
記憶されたデータは、データ処理部27において処理が与
えられた後、準理想ビームウエイト部16の出力を表示す
る表示部29において重ね合わせ表示される。

【００３３】なお本発明は上記実施例に限定されず、Ａ
／Ｄ変換器19の出力およびゲート部25の出力について
は、その後の任意の処理と表示とを行う構成の場合にも
同様に適用することが可能である (ただしゲート部25に
はＡ／Ｄ変換器19の出力を与えるものとする）。

【００３４】また送受波器11については、各々に電極が
形成された複数の電歪振動子により構成した場合につい
て説明したが、その他の構成として、１つの電歪振動子
に複数の電極を形成した送受波器の場合にも同様に適用
することが可能である。

【００３５】またゲート部25については、Ａ／Ｄ変換さ
れた広ダイナミックアンプ18の出力と値０との切り換え
を行う構成とした場合について説明したが、広ダイナミ
ックアンプ18の出力とグランドレベルとの切り換えを行
うアナロクスイッチとする構成等が可能である。

【００３６】また広ダイナミックアンプ18、または広ダ
イナミックアンプ23の少なくとも一方の出力を可変と
し、準理想ビームの感度曲線とチェビシェフビームのそ
れとの関係を、図４に示すように可変とした場合には
（チェビシェフビームの感度曲線が32b から32c の間で
変化する）、理想ビームとしての感度幅を、d5からd6の
範囲で変化させることが可能となる。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係るデュアルビーム超音波探知
装置は、送波時には準理想ビーム特性の超音波を送波さ
せ、受波時には、準理想ビームウエイト部による準理想
ビーム特性の重み付けとチェビシェフウエイト部による
チェビシェフビーム特性の重み付けとを行っており、チ
ェビシェフウエイト部の出力が準理想ビームウエイト部
の出力より大きくなるときには、ゲート部から準理想ビ
ームウエイト部の出力を送出させ、その他の場合には０
近傍の値を出力させる構成としていることから、準理想
ビームの感度特性の平坦部分において探知された対象に
ついてのみそのレベルが出力され、その他の角度範囲で
は０近傍の値が送出されることになる。つまり総合した
特性が理想ビーム特性にきほめて極めて近くなるので、
得られたデータの信頼性を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の電気的構成を示すブロック
線図である。

【図２】本発明の一実施例が形成するビーム形状を示す
説明図である。

【図３】本発明の一実施例のビームの広がりを極座標に
より示す説明図である。

【図４】準理想ビームの感度曲線とチェビシェフビーム
のそれとの関係を可変としたときの様子を示す説明図で
ある。

【図５】従来技術である準理想ビームの特性を示す説明
図である。

【符号の説明】

11 送受波器 13 準理想ビームウエイト部 14 駆動信号源 16 準理想ビームウエイト部 21 チェビシェフウエイト部 25 ゲート部 31、31a 準理想ビーム 32、31a 、31b 、31c チェビシェフビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梶原 厚 西宮市芦原町９番52号 古野電気株式会 社内 (56)参考文献 特開 平３−199991（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−129482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−114361（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−58471（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−24875（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−265132（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−238499（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の電極が形成された電歪振動子から
   なる送受波器、または各々に電極が形成された複数の電
   歪振動子からなる送受波器を備え、この送受波器を駆動
   する駆動信号源と前記電極との間に、前記送受波器より
   送波されるビーム形状が準理想ビームとなる重み付けを
   行う準理想ビームウエイト部が挿入された超音波探知装
   置において、 前記電極の出力が導かれ、受波特性が準理想ビームとな
   る重み付けを行う準理想ビームウエイト部と、 前記電極の出力が導かれ、受波特性がチェビシェフビー
   ムとなる重み付けを行うチェビシェフウエイト部と、 このチェビシェフウエイト部の出力が前記準理想ビーム
   ウエイト部の出力より大きいときには前記準理想ビーム
   ウエイト部の出力を送出し、その他のときには出力を０
   近傍のレベルとするゲート部とを備えたことを特徴とす
   るデュアルビーム超音波探知装置。