(57)【要約】【課題】少ない個数の受信素子を使用して高精度の位置検出が可能な安価・高性能な超音波探査装置を提供する。【解決手段】本発明の超音波探査装置は、送信素子（TD1,TD2)を有し超音波を送信する送信部(CNT,TX,TD1,TD2)と、この送信された超音波の物体からの反射波を受信する複数の受信素子（TD1,TD2)を有し複数の受信信号(a1,a2) を得る受信部と、上記複数の受信素子の形状及び配置によって定まる方位関数とこれら複数の受信素子の受信信号(a1,a2) の位相差から前記物体の方位を検出する方位検出部(M1,M2,LPF1,LPF2,ARG,DP)と、この検出された方位及び信号の伝播所要時間とから前記物体の位置を検出して表示する表示部(ADD,ABS,DP,DIS)とを備える。【選択図】  図１
2004354399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信素子を有し、超音波を送信する送信部と、
前記送信された超音波の物体からの反射波を受信する複数の受信素子を有し、複数の受信信号を得る受信部と、
前記複数の受信素子の形状及び配置によって定まる方位関数とこれら複数の受信素子の受信信号の位相差とから前記物体の方位を検出する方位検出部と、
この検出された方位及び信号の伝播所要時間とから前記物体の位置を検出して表示する表示部と
を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記送信素子の指向性は、前記複数の受信素子のそれぞれの指向性よりも狭く設定されたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記送信素子の口径は、前記複数の受信素子のそれぞれの口径よりも大きな値に設定されたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記送信素子は、前記複数の受信素子を並列接続することにより構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記方位検出部は、前記複数の受信素子の受信信号の位相差を検出する際に、受信信号のそれぞれに共通の参照信号を乗算したのち高域成分を除去することにより受信信号の位相角を含む位相角信号を発生させる処理を行うことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記方向検出部は、前記複数の位相角信号の複素共役積を算定し、その偏角を複数の受信信号の位相差として検出する処理を行うことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記表示部は、前記複数の受信信号又は前記複数の位相角信号を合成することによりＡモード信号を作成し表示する手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のそれぞれにおいて、
前記複数の受信素子は三角形、半円形又は４分の１円形の形状を有することを特徴とする超音波探査装置。
【請求項９】
請求項１乃至７のそれぞれにおいて、
前記複数の受信素子は、順次２倍の幅が与えられる四角形から成ることを特徴とする超音波探査装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のそれぞれにおいて、
前記複数の受信素子は２個の受信素子から成ることを特徴とする超音波探査装置。
【請求項１１】
請求項１乃至８のそれぞれにおいて、
前記複数の受信素子は、直交二次元方向に配列された４個の受信素子から成ることを特徴とする超音波探査装置。
【請求項１２】
請求項１乃至11のそれぞれにおいて、                      
船舶に搭載されると共に、前記送信部は前記超音波をほぼ鉛直下方の水中に送信するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項１３】
請求項12において、
前記表示部はこの船舶の船首方向に直交する面内の映像を表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項１４】
請求項12において、
前記表示部はこの船舶の船首方向に直交する方向と経過時間とを二つの次元とする平面内に反射物体の映像を表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項１５】
請求項12において、
前記表示部は、この船舶の船首方向を含む面内と、この船首方向に直交する面内のそれぞれに反射物体の映像を表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項１６】
請求項12において、
前記表示部は、この船舶の船首方向とこの船首方向に直交する方向を二つの次元とする一定の深度の水平面内に反射物体の映像を表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項１７】
請求項13乃至16のそれぞれにおいて、
前記表示部は、前記異なる面内の反射物体の映像を同一の表示画面を分割して同時に、又は隣接する複数の表示画面上に同時に表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波探査装置に関するものであり、特に、魚群の位置を精度良く探査できる超音波探査装置に関するもである。
【背景技術】
【０００２】
魚群の位置を探査するために、魚群探知機などと称される超音波探査装置が使用されてきた。従来の魚群探知機は、これを搭載している船舶の下方の水中に超音波を放射し、魚群などの物体によって発生した反射波を受信し、この受信反射波の物体までの往復の伝播所要時間からこの反射物体までの距離を算定するように構成されている。
【０００３】
従来、実際に使用されてきた魚群探知機は、方位分解能を有しないため、検出した反射物体を、船舶の直下などの超音波の送信方向に存在するものとして処理している。
【０００４】
魚群などの反射物体の方向を検出するには、電波の分野で実用されているフェーズドアレイアンテナの原理を適用すればよい。すなわち、複数の超音波受信素子をｘ方向やｙ方向あるいはｘ，ｙ両方向に配列しておき、各超音波受信素子で受信された受信反射信号の位相差を検出し、この位相差から反射波を発生させた反射物体の方位角を検出すればよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなフェーズド・アレイアンテナの構成では、反射波をビームの中心に想定した１本の直線で近似するという、幾何光学と同様の解析方法を採用している。このため、受信素子の寸法が超音波の波長に比べて無視できない程度に大きくなると、測定誤差が増大するという問題がある。この測定誤差は受信素子の個数を増加させ、空間的な平均化を行うことによりある程度低減できる。しかしながら、このように測定精度を高めるために受信素子の個数を増加させると製造費用が高くなるという問題がある。
【０００６】
従って、本発明の一つの目的は、少ない受信素子数のもとで高い測定精度を確保できる安価な超音波探査装置を提供することにある。本発明の他の目的は、表示画面から魚群などの反射物体の三次元的な位置を容易に把握できる超音波探査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記従来技術の課題を解決する本発明の超音波探査装置は、送信素子を有し超音波を送信する送信部と、前記送信された超音波の物体からの反射波を受信する複数の受信素子を有し複数の受信信号を得る受信部と、前記複数の受信素子の形状及び配置によって定まる方位関数とこれら複数の受信素子の受信信号の位相差とから前記物体の方位を検出する方位検出部と、この検出された方位及び信号の伝播所要時間とから前記物体の位置を検出して表示する表示部とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の超音波探査装置は、物理光学的な原理を利用して反射物体の方位を検出する構成であるから、少ない受信素子数のもとで高い測定精度の方位検出が可能になり、安価で高精度の探査装置を提供できるという効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記送信素子の指向性は上記複数の受信素子のそれぞれの指向性よりも狭く設定され、その好適な具体例によれば、送信素子の口径は複数の受信素子のそれぞれの口径よりも大きな値に設定される。そのための一つの好適な具体例によれば、送信素子は複数の受信素子を並列接続することにより構成される。
【００１０】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記方位検出部は、複数の受信素子の受信信号の位相差を検出する際に、受信信号のそれぞれに共通の参照信号を乗算したのち高域成分を除去することにより受信信号の位相角を含む位相角信号を発生させる処理を行うように構成されている。そして、そのための好適な一つの具体例によれば、方向検出部は複数の位相角信号の複素共役積を算定し、その偏角を複数の受信信号の位相差として検出する処理を行うように構成されている。
【００１１】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記表示部は、複数の受信信号又は複数の位相角信号を合成することによりＡモード信号を作成し表示する手段を備えている。また、複数の受信素子は三角形、半円形又は４分の１円形の形状を有している。また、これら複数の受信素子は、順次２倍の幅が与えられる四角形や、２個の受信素子や、直交二次元方向に配列された４個の受信素子から構成されている。
【００１２】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、この超音波探査装置は船舶に搭載されると共に、送信部は超音波をほぼ鉛直下方の水中に送信するように構成されている。そして、上記表示部はこの船舶の船首方向に直交する面内の映像を表示したり、この船舶の船首方向に直交する方向と経過時間とを二つの次元とする平面内に反射物体の映像を表示したり、この船舶の船首方向を含む面内とこの船首方向に直交する面内のそれぞれに反射物体の映像を表示したり、さらには、この船舶の船首方向とこの船首方向に直交する方向を二つの次元とする一定の深度の水平面内に反射物体の映像を表示するように構成されている。
【００１３】
本発明の更に好適な実施の形態によれば、上記表示部は、上記異なる面内の反射物体の映像を同一の表示画面を分割して同時に、又は隣接する複数の表示画面上に同時に表示するように構成されている。
【００１４】
〔作用〕
本発明の実施例を説明する前に、まず、位相差に基づく方位計測方法の基本原理を図３を参照しながら説明する。（Ａ）に示すように、超音波送信素子ＴＴから超音波を送信する。物体Ｑで発生した反射信号を、
ａ0(t)＝２A0 cos( ωｔ＋φo ) 
＝A0〔exp(j(ωｔ＋φo ))＋ exp(-j(ωｔ＋φo ))〕・・・(1) 
とする。
【００１５】
開口位置ｘにおける入射信号ａox(t) は、超音波の伝播速度をｃとすれば、
ａ0x(t) ＝ａ0( t＋x sin θ/c )                                    
＝２A0 cos( ωｔ＋kx sinθ＋φo ) 
＝A0〔 exp( j(ωｔ＋kx sinθ＋φo ))
＋exp( -j(ωｔ＋kx sinθ＋φo ))〕        ・・・ (2)
ｋ＝２π／λ，λ：超音波の波長                      ・・・ (3)
となる。
【００１６】
上記入射信号ａ0x(t) を受ける超音波受信素子ＴＤ１，ＴＤ２は、それぞれ受信信号ａ1 (t) とａ2 (t) を出力する。ここで、２個の受信素子ＴＤ１，ＴＤ２の開口の形状を図３（Ｂ）に示すようなものとすれば、この開口の形状のｘ軸への投影ｗ(x) を開口形状と称するものとすれば、これは図３（Ｃ）に示すようになる。この開口形状ｗ(x) を図３（Ｄ）に示すように、受信素子ＴＤ１，ＴＤ２のそれぞれに対応するｗ1(x)とｗ2(x)とに分解する。
【００１７】
上述のよう開口形状を定義すると、受信信号ａ1 (t) とａ2 (t) は次のように与えられる。
ａ1(t)＝∫ｗ1(x)・ａ0x(t) ｄｘ
＝A0・exp(j(ωｔ＋φ0)) ∫ｗ1(x)・exp(jKｘ）ｄｘ
＋A0・exp( -j(ωｔ＋φ0)) ∫ｗ1(x)・exp( -jKｘ）ｄｘ
＝A0・exp(j(ωｔ＋φ0)) W1(K) 
＋A0・exp( -j(ωｔ＋φ0)) W1 * (k)
＝A0・exp(j(ωｔ＋φ0)) B1・exp( jφ1(k)) 
＋A0・exp( -j(ωｔ＋φ0)) B1・exp(-jφ1(k))     
＝2A0B1 〔exp(j(ωｔ＋φ1)＋exp( -j(ωｔ＋φ1)〕
＝2A0B1 cos(ωｔ＋φ1 )                         ・・・(4) 
φ1 ＝φ0 ＋φ1(k)                                  ・・・(5) 
【００１８】
ａ2(t)＝∫ｗ2(x)・ａ0x(t) ｄｘ
＝A0・exp(j(ωｔ＋φ0)) ∫ｗ2(x)・exp(jKｘ）ｄｘ
＋A0・exp( -j(ωｔ＋φ0)) ∫ｗ2(x)・exp( -jKｘ）ｄｘ
＝A0・exp(j(ωｔ＋φ0)) W2 (K)
＋A0・exp( -j(ωｔ＋φ0)) W2 * (K)
＝A0・exp(j(ωｔ＋φ0)) B2・exp( jφ2(k)) 
＋A0・exp( -j(ωｔ＋φ0)) B2・exp(-jφ2(k))     
＝2A0B2 〔exp(j(ωｔ＋φ2)＋exp( -j(ωｔ＋φ2)〕
＝２A0B2・cos(ωｔ＋φ2 )                       ・・・(6) 
φ2 ＝φ0 ＋φ2(k)                                  ・・・(7) 
【００１９】
ただし、記号∫は−無限大から＋無限大までのｘ軸に沿う積分である。また、W1(K) とW2(K) はそれぞれ形状係数ｗ1(x)とｗ2(x)のフーリエ変換で、W1 * (K)，W2 * (K)はそれぞれW1(K) とW2(K) の複素共役数である。さらに、
K＝ k・sin θ                                    ・・・(8) 
である。
【００２０】
上記二つの受信信号ａ1 (t) とａ2 (t) の位相差Δφは K（＝ k・sin θ）の関数であり、これをΘ( K ）とする。この位相差Θ( K ）は＋ω成分についても−ω成分についても共に、
Δφ＝Θ( K ）
＝φ2(k)−φ1(k)
＝Arg[Ｗ2 (K)]−Arg[Ｗ1 (K)]                        ・・・(9) 
である。この Kの関数としての位相差Θ( K ）を位相差関数と呼ぶ。この位相差関数Θ( K ）は開口形状ｗのみで定まる。
【００２１】
上記Δφを与える式は、これが±π以内であるとすれば、K について解析的あるいは数値的に解くことが可能であり、
K （＝ｋ sinθ）＝Φ（Δφ）                        ・・・(10)
と表すことができる。
【００２２】
この関数Φ（Δφ）は、任意の形状の開口を有する二つの受信素子に対し、それぞれの受信信号の位相差Δφと、反射波を生じさせた物体の方位角θとの関係を与える。このΦ（Δφ）を方位関数と呼ぶ。この方位関数Φ（Δφ）は、θに対して適宜な値を設定した状態で、（４）式、（６）式の値を算定することによって求められる。
【００２３】
位相差関数Θ( K ) が開口の形状ｗのみよって定まることから、この方位関数Φ（Δφ）も開口の形状ｗのみによって定まる。従って、方位関数Φ（Δφ）は既知である。このため，実測した位相差Δφと既知の方位関数Φ（Δφ）から、物体の方位角θが、
θ＝ sin-1〔Φ（Δφ）/ K 〕                        ・・・(11)
として与えられる。
【００２４】
上述のような位相関数と方位関数の実例を、開口形状が図４の（Ａ）に示す矩形の場合について示す。矩形状の開口の場合、形状係数ｗ1(x)とｗ2(x)は、図４の（Ｂ）に示すようになる。従って、位相角φ1(k)，φ2(k)に関係する項は、
B1・exp( jφ1(k)) 
＝W1(K) 
＝A0・exp(j(ωｔ＋φo)) ∫ｗ1(x)・exp(jKｘ）ｄｘ
＝〔１−exp (-jKμ) 〕/(jK）
＝exp( -jKμ/2 )〔 exp( jKμ/2 )−exp( -jKμ/2 )〕/(jK）
＝(2/K) sin( Kμ/2 )・exp( -jKμ/2 )                  ・・・(12)
となる。従って、位相角φ1(k)は、次式で与えられる。
φ1(k)＝-Kμ/2                                          ・・・(13)
【００２５】
同様にして、                                                          
B2・exp( jφ2(k)) 
＝W2(K) 
＝A0・exp(j(ωｔ＋φ0)) ∫ｗ2(x)・exp(jKｘ）ｄｘ
＝〔exp(jKμ) −１〕/(jK）
＝exp(jKμ/2 )〔 exp( jKμ/2 )−exp( -jKμ/2 )〕/(jK）
＝(2/K) sin( Kμ/2 )・exp(jKμ/2 )                    ・・・(14)
となる。従って、位相角φ1(k)は、次式で与えられる。
φ2(k)＝ Kμ/2                                          ・・・(15)
【００２６】
従って、図４の場合の位相差関数Θ( K ）は、
Δφ＝φ2(k)−φ1(k)＝Θ( K ）＝ Kμ＝ kμ sinθ        ・・・(16)
となる。この関係から矩形開口の場合の方位関数ΦR ( Δφ）は、
ΦR ( Δφ）＝K ＝k sin θ＝Δφ /μ                          (17)
となる。従って、この方位関数から、反射波を生じさせた物体の方位角θが、
θ＝ sin -1 〔Φ (Δφ）/ k 〕
＝ sin -1 ( Δφ / kμ)                             ・・・(18)
と算定される。
【実施例】
【００２７】
図１は、本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図であり、ＣＮＴは制御部、ＴＸは送信部、ＴＤ１，ＴＤ２は送受信兼用の素子 (超音波トランスジューサ) 、ＢＬ１，ＢＬ２は送信信号阻止部、ＡＭＰ１，ＡＭＰ２は増幅部、Ｍ１，Ｍ２はキャリア乗算部、ＣＧＮはキャリア発生部、ＬＰＦ１，ＬＰＦ２は低域通過濾波部、ＡＲＧ位相角算定部、ＡＤＤは信号加算部、ＡＢＳは絶対値算定部、ＤＰはディジタル・プロセッサ、ＤＩＳは表示部である。
【００２８】
制御部ＣＮＴから出力される起動指令に従って、送信部ＴＸが送信電気信号を出力する。この送波電気信号は、キャリア発生部ＣＧＮから供給される数十kHz の超音波帯の一定周波数の正弦波のキャリア（搬送波）をパルス信号で振幅変調することによって作成されるバースト状の信号である。以下、このような信号をトーンバースト信号とも呼ぶ。このトーンバースト信号は、送受信兼用の超音波トランスジューサＴＤ１とＴＤ２とに供給され、各トランスジューサを同時に駆動する。
【００２９】
超音波トランスジューサＴＤ１とＴＤ２は、それぞれが、図５に示すように、口径（横幅）μの矩形状の同一の開口形状を有し、隣接して配置されている。隣接して配置される同一形状の２個のトランスジューサが同時に駆動されることにより、口径が２μの大口径の単一のトランスジューサが駆動されたと同様の結果となる。すなわち、この大口径のトランスジューサから狭いビーム幅ＢN の超音波ビームが放射される。
【００３０】
図５に例示するように、魚体などの反射物体Ｑによって反射波が発生する。この反射波は、超音波トランスジューサＴＤ１とＴＤ２のそれぞれに個別に受信される。送受信兼用の超音波トランスジューサＴＤ１とＴＤ２は、受信動作の場合には、小口径のトランスジューサとして単独で使用される。このため、各トランスジューサは、大口径の送信動作の場合に比べると、小口径に対応した広い指向性Ｂｗを有するように動作する。
【００３１】
トランスジューサＴＤ１とＴＤ２のそれぞれに受信された反射波は、それぞれにおいて電気信号に変換されたのち、大振幅の送信信号のみを選択的に阻止する図１の送信信号阻止部ＢＬ１，ＢＬ２を通過して増幅部ＡＭＰ１，ＡＭＰ２に入力し、増幅済みの受信信号ａ1 ，ａ2 となる。
【００３２】
この実施例では、図４に例示した場合と同様に、超音波トランスジューサの形状が同一であるため、前述の(4) 式と(6) 式において、B1＝B2  が成立する。２A0B1を Aとおけば、
ａ1(t)＝A 〔exp(j(ωｔ＋φ1)＋ exp(-j(ωｔ＋φ1)〕        ・・・(19)
ａ2(t)＝A 〔exp(j(ωｔ＋φ2)＋ exp(-j(ωｔ＋φ2)〕        ・・・(20)
【００３３】
増幅部ＡＰＭ１とＡＭＰ２とから出力される受信信号ａ1(t)とａ2(t)は、乗算部Ｍ１，Ｍ２において、キャリア発生部ＣＧＮから供給される参照信号（キャリア）と乗算される。この参照信号ｄを、
ｄ＝exp(-jωｔ)                                         ・・・(21)
とする。
【００３４】
乗算部Ｍ１，Ｍ２から出力される信号ｂ１，ｂ２は
b1 ＝ａ1(t)×exp(-jωｔ) 
＝A 〔exp( jφ1)＋ exp(-j( 2ω−φ1)) 〕              ・・・(22)
b2 ＝ａ2(t)×exp(-jωｔ) 
＝A 〔exp( jφ2)＋ exp(-j( 2ω−φ2)) 〕              ・・・(23)
【００３５】
(22) 式,(23) 式で与えられる信号ｂ1,ｂ2 を低域通過濾波部ＬＰＦ１，ＬＰＦ２を通して得られる信号ｃ1 ，ｃ2 は、(22)式,(23) 式の第２項の高次の周波数２ωが除去される。すなわち、
ｃ1 ＝A exp( jφ1)                                        ・・・(24)
ｃ2 ＝A exp( jφ2)                                        ・・・(25)
となる。
【００３６】
位相角算定部ＡＲＧは、まず、前段の低域通過濾波部ＬＰＦ１，ＬＰＦ２から出力された信号ｃ1 ，ｃ2 の複素共役積を算定し、その偏角ｇを算定する。すなわち、
ｇ＝Ａｒｇ〔ｃ1 ｃ2 * 〕
＝φ1(K)−φ2(K)                                              
＝Δφ
となり、位相差Δφが求まる。
【００３７】
ディジタル・プロセッサＤＰは、上記位相角算定部ＡＲＧで算定された位相角Δφと、矩形開口の方位関数ΦR ( Δφ）＝Δφ／μとから、反射物体の方位角θが、(18)式に従って、
θ＝ sin -1 ( Δφ / kμ) 
を算定する。
【００３８】
一方、図１において、低域通過濾波部ＬＰＦ１，ＬＰＦ２から出力された信号ｃ1 ，ｃ2 は、加算部ＡＤＤにおいて加算される。加算結果ｈは、
ｈ＝ｃ1 ＋ｃ2 ＝A 〔exp( jφ1)＋exp( jφ2)〕            ・・・(26)
となる。
【００３９】
この加算結果から、次段の絶対値算定部ＡＢＳにおいて、絶対値ｓが算定される。すなわち、
ｓ＝ABS[ｈ] 
＝A ・ABS[exp( jφ1)＋exp( jφ2)] 
＝2A cos〔( φ1 −φ2)〕
が得られる。
【００４０】
ここで、上述した送波動作の場合と同様に、２個の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２を並列接続して単一の大口径の受波素子を構成し、この受波素子を用いて反射波を受信する場合を想定する。この場合の受信信号をｕとすれば、これは、上述した受信信号ａ1(t)とａ2(t)の和で与えられる。
【００４１】
すなわち、
ｕ＝ａ1(t)＋ａ2(t)
＝2A cos (ωｔ＋φ1)＋2A cos (ωｔ＋φ2)
＝4A cos〔 (φ1 −φ2)/ 2 〕・cos 〔(2ωｔ＋φ1 ＋φ2)/ 2 〕
＝2s cos〔(2ωｔ＋φ1 ＋φ2)/ 2 〕                      ・・・(27)
の関係を得る。
【００４２】
この(27)式は、絶対値算定部ＡＢＳから出力されるｓが、トランスジューサの対ＴＤ１，ＴＤ２を並列接続して大口径受信した場合に得られる受信信号ｕの包絡線に他ならないことを示している。従って、この絶対値ｓをＡモード信号として使用できる。
【００４３】
ディジタル・プロセッサＤＰは、絶対値算定部ＡＢＳから供給されたＡモード信号の出現時点と、制御部ＣＮＴから通知された送信時点との時間差から反射物体までの距離Ｒを算定する。ディジタル・プロセッサＤＰは、位相角算定部ＡＲＧから受け取った位相角ｇから算定した反射物体の方位角θと、上記算定した反射物体までの距離Ｒとに基づき、表示装置ＤＩＳに表示させる画面を作成し、これを表示装置に転送する。
【００４４】
上記実施例の超音波探査装置を海中の魚群の探査に利用する際に表示する表示画面の例を図６を参照しながら説明する。表示画面（Ｃ）は、この探査装置を搭載している船舶の進行方向にｚ軸を設定し、この探査装置を含む箇所をｚ軸に垂直な面で切断して示すｘ−ｙ断面図である。海中の深度方向（鉛直下方）にｙ軸が設定され、船体の舷側方向にｘ軸が設定されている。この船舶は一定の速度でｚ軸方向に航行しているものとする。海中のｂ１は単体又は群状の魚体であり、ｂ４は海底である。
【００４５】
図６の表示画面（Ａ）は、汎用の魚探画面と同様の表示画面であり、縦軸が海中の深さ（ｙ軸）を示し、横軸が経過時間ｔを示す。この船舶が一定速度で航行している場合には、時間軸ｔは、同時に、船舶の進行方向に計った長さ（ｚ軸）を示す。この場合、表示画面（Ａ）はｙ−ｚ断面図に相当する。この表示画面中のａ１，ａ２，ａ３は、単体又は群状の魚体からの反射波の映像（エコー）であり、ａ４は海底のエコーである。
【００４６】
図６の表示画面（Ｃ）は、カーソルによって選択された特定の深度ｙ１におけるｘ−ｔ（ｚ）断面図である。この表示画面中、ｃ１とｃ３は選択された深度ｙ１に存在する魚体のエコーであり、表示画面（Ａ）中のエコーａ１とａ３に対応する。エコーａ２は深度ｙ１とは異なる深度に存在するため、表示画面（Ｃ）中には表示されていない。このような、図６に例示したような三種類の表示画面（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を隣接する表示領域に同時に表示したり、一つの表示画面を分割して同時表示したりすることにより、魚群や魚体の位置を表示画面上で三次元的に把握することが可能になる。
【００４７】
図２は本発明の他の実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。本図中、図１と同一の参照符号を付した構成要素は、図１に関して既に説明した構成要素と同一のものであり、これらについては重複する説明を省略する。
【００４８】
この実施例の超音波探査装置は、送受信兼用素子として動作する４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４を備え、これら4 個のトランスジューサに対応して、各トランスジューサが受けた反射波を処理するために、送信信号素子部ＢＬ、増幅部ＡＭＰ、乗算部Ｍ及び低域通過濾波部ＬＰＦが４系統ずつ設置されている。更に、この実施例の超音波探査装置は、制御部ＣＮＴから受けた指令に従って送信モードを選択する選択部ＳＥＬ、Ａ／Ｄ変換部Ａ／Ｄ、ディジタル・プロセッサＤＰ、表示部ＣＲＴを備えている。
【００４９】
４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４は、図７に示すように、ｘ軸方向に沿って所定距離間してＴＤ１とＴＤ２の対が設置されると共に、ｚ軸方向に沿っても所定距離間してＴＤ３とＴＤ４の対が配置されている。
【００５０】
再び図２を参照すると、選択部ＳＥＬは、制御部ＣＮＴから指令される送信モードに従って、４個のトランスジューサのうち駆動対象のものだけにトーンバースト信号を供給する。最も多用される送信モードは、４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４に同一のトーンバースト信号を供給し、それぞれから放射された超音波ビームを合成して狭い幅の超音波ビームを形成し、これを真下の海中に放射させるという、狭ビーム送信モードである。
【００５１】
この狭ビーム送信モードで放射された超音波は、海中の魚体などの反射物体で反射され、超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４のそれぞれに反射波として受波され、電気信号の反射信号に変換される。各受波系統の反射信号は、送信信号阻止部ＢＬ１〜ＢＬ４、増幅部ＡＭＰ１〜ＡＭＰ４、乗算部Ｍ１〜Ｍ４、低域通過濾波部ＬＰＦ１〜ＬＰＦ４を経てＡ／Ｄ変換部Ａ／Ｄに入力し、ここでディジタル信号に変換されたのち、ディジタル・プロセッサＤＰに供給され、各受波系統の反射信号として処理される。
【００５２】
ディジタル・プロセッサＤＰは、トランスジューサＴＤ１とＴＤ２のそれぞれの反射信号の位相差から反射物体のｘ−ｙ断面内の方向の方位を算定し、トランスジューサＴＤ３とＴＤ４のそれぞれの反射信号の位相差から反射物体のｙ−ｚ断面内の方位を算定する。また、４個のトランスジューサの反射信号を加算することより合成反射信号が作成され、Ａ信号として使用される。また、合成反射信号がトーンバースト信号の送信時点からどのぐらい遅れて出現したかによって反射物体までの距離が算定される。このようにして算定された反射物体の方位角と距離とから三次元的な位置が検出される。
【００５３】
図８は、上記図２と図７を参照しながら説明した実施例の超音波探査装置を用いて行う三次元的位置検出の様子を説明するための図である。この例では、船体の直下の三次元空間内の魚群の位置を検出するための画面表示が行われる。この例では、船を停止させた状態でも三次元表示が可能である。図８の（Ａ）は、ｙーｚ面に投影された船体直下の魚群の存在の様子を示す表示画面であり、この図中のａ１，ａ２は魚群や単体魚のエコー、ａ３は海底のエコーである。
【００５４】
図８の（Ｂ）は、ｘ−ｙ面に投影された船体直下の魚群の存在の様子を示す表示画面であり、船体の両舷側方向（ｘ軸方向）の魚群の存在を示している。ｂ１，ｂ２が魚群や単体魚のエコー、ｂ３が海底のエコーである。図８の（Ｃ）は、カーソルにより選択された特定の深度ｙ１における、ｘ−ｚ断面内の魚群の表示画面である。表示画面（Ｃ）中のｃ１は、選択された深度ｙ１に存在する魚群のエコーである。このエコーは、表示画面（Ａ）ではエコーａ１として、表示画面（Ｂ）においてはエコーｂ１として出現したものである。
【００５５】
なお、表示画面（Ａ）中にエコーａ２として、また表示画面（Ｂ）中にエコーｂ２として出現した魚群のエコーは、異なる深さの表示画面（Ｃ）には出現しない。このように、三種類の断面図を同一表示装置に隣接させて、あるいは同一の表示画面を分割して同時に表示することにより、海中の魚群の位置を表示画面上から検出することが可能になる。
【００５６】
上述したように、受信した反射信号どうしの位相差から反射物体の方位角を検出する探査装置は、魚群などの物体からの反射信号どうしの位相差が±πをこえると、方位の確定が不能になる。この点を考慮して、図５に示したように、送信ビームの幅はあまり広くならないように設定される。また、受信の指向性を送信の指向性と同程度に設定するとビームの周辺部分では受信レベルが急激に低下し、ＳＮが劣化する。このＳＮの劣化をさけるために、受信の指向性が送信の指向性よりも大きく設定される。
【００５７】
上記、送信の指向性を受信の指向性よりも広くするために、送受信兼用のトランスジューサを設置しておき、送信時には並列接続して同時に動作させ、受信時には個別に動作させる方法が好適である。このような送受信兼用のトランスジューサの形状と配置の好例をいくつか図９に図示する。（Ａ）と（Ｂ）は半円形状や４分の１円形状への分割の例を示し（Ｃ）と（Ｄ）は三角形状への分割の例を示している。
【００５８】
一般に、送受信素子が占める空間の幅が広がるにつれてビームが鋭くなり、探査装置としての視野が狭くなる。そこで、図１０に例示するように、トランスジューサの幅が順次２倍になるように複数の部分に分割することにより、少ない素子数のもとで視野が広範囲にわたって変化させることができる。
【００５９】
すなわち、（Ａ）場合、最小のトランスジューサＴＤ１とＴＤ２とを並列接続して同時に送信し、ＴＤ１とＴＤ２とを個別に使用して受信することにより、最大の視野（最小の口径）のもとで動作させることができる。次に、３個のトランスジューサＴＤ１，ＴＤ２，ＴＤ３を並列接続して送信を行い、ＴＤ１，ＴＤ２を並列接続したものと、ＴＤ３とを個別に使用して受信を行うことにより、２番目に大きな視野（２番目に大きな口径）のもとで動作させることができる。
【００６０】
最後に、４個のトランスジューサＴＤ１、ＴＤ２，ＴＤ３，ＴＤ４を並列接続して送信を行い、ＴＤ１，ＴＤ２，ＴＤ３を並列接続したものと、ＴＤ４とを個別に使用して受信を行うことにより、最小の視野（最大の口径）のもとで動作させることができる。図１０（Ｂ）の場合についても同様である。
【００６１】
以上、船体の真下に超音波を放射する構成を例示した。しかしながら、鉛直方向から適宜な角度ずらして超音波を放射し、この放射方向を基準とする反射物体の方位を検出する場合にも本発明の超音波探査装置を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
また、船舶に搭載して海中の魚群などの物体を探査する場合に例にとって本発明を説明した。しかしながら、本発明の超音波探査装置は、地上の適宜な高さに設置して不審人物などの反射物体を探査する遠隔制御の監視用装置などとしても利用できる。
【００６３】
また、本発明の一実施例によれば、船舶の船首方向に直交する面内の映像を表示したり、この船舶の船首方向に直交する方向と経過時間とを二つの次元とする平面内に反射物体の映像を表示したり、この船舶の船首方向を含む面内とこの船首方向に直交する面内のそれぞれに反射物体の映像を表示したり、さらには、この船舶の船首方向とこの船首方向に直交する方向を二つの次元とする一定の深度の水平面内に反射物体の映像を表示するように構成されているので、表示画面から魚群などの反射物体の三次元的な位置を容易に把握できるという効果が奏される。
【００６４】
更に、本発明の超音波探査装置の更に好適な実施例によれば、表示部が異なる面内の反射物体の映像を、同一の表示画面を分割して同時に、あるいは、隣接する複数の表示画面上に同時に表示するように構成されているので、魚群などの反射物体の三次元的な位置を表示画面だけから容易かつ正確に把握できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施例の超音波探査装置の機能上の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の他の実施例の超音波探査装置の機能上の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の原理を説明するための概念図である。
【図４】図１の実施例の超音波探査装置の受信素子（超音波トランスジューサ）の開口形状を示す平面図である。
【図５】図１の実施例の超音波探査装置の送受信兼用の超音波トランスジューサによる送信の指向性と受信の指向性の関係を例示する概念図である。
【図６】図１に示した実施例の超音波探査装置による表示画面の一例であり、ｙ−ｚ断面図に相当する表示画面（Ａ）、ｘ−ｙ断面図に相当する表示画面（Ｂ）、特定の深度におけるｘ−ｔ（ｚ）断面図に相当する表示画面（Ｃ）から成る。
【図７】図２に示した実施例の超音波探査装置の送受信兼用の素子（超音波トランスジューサ）の形状と配置を示す平面図である。
【図８】図２に示した実施例の超音波探査装置による表示画面の一例であり、ｙ−ｚ断面図に相当する表示画面（Ａ）、ｘ−ｙ断面図に相当する表示画面（Ｂ）、特定の深度におけるｘ−ｔ（ｚ）断面図に相当する表示画面（Ｃ）から成る。
【図９】本発明の他の実施例の超音波探査装置に使用可能な超音波トランスジューサの形状と配列の例を示す平面図である。
【図１０】本発明の更に他の実施例の超音波探査装置に使用可能な超音波トランスジューサの形状と配列の例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６６】
CNT       制御部
TX        送信部
TD1-TD4   送受信素子 (超音波トランスジューサ) 
BL1-BL4   送信信号阻止部
AMP1-AMP4 増幅部
M1-M4     キャリア乗算部
LPF1-LPF4 低域通過濾波部
CNG       キャリア発生部
ARG       位相角算定部
ADD       信号加算部
ABS       絶対値算定部
DP        ディジタル・プロセッサ
DIS       表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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