(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中で超音波を物体に照射し、前記物体からの反射波により物体を撮像する水中撮像装置であって、
送波用圧電素子に入力する電気信号の周波数を変更することによって送信波の方位を制御することのできる周波数掃引方式を適用した送波器と、
前記物体からの反射波を収束させる音響レンズと、
前記音響レンズによって収束された反射波を受信して電気信号に変換する受波器とを有し、
前記受波器は、受波用圧電素子を有し、前記受波用圧電素子上の各点に到来する異なる周波数の超音波のうち、該受波用圧電素子上の各点の位置によって関連付けられる目的の周波数成分を透過させるフィルターを設け、前記フィルターを透過した周波数成分を電気信号に変換することを特徴とした水中画像撮像装置。
【請求項２】
水中で超音波を物体に照射し、前記物体からの反射波により物体を撮像する水中撮像装置であって、
送波用圧電素子に入力する電気信号の周波数を変更することによって送信波の方位を制御することのできる周波数掃引方式を適用した送波器と、
前記物体からの反射波を収束させる音響レンズと、
前記音響レンズによって収束された反射波を受信して電気信号に変換する受波器とを有し、
前記受波器は、受波用圧電素子を有し、該受波用圧電素子の厚さを連続的あるいは段階的に変化させることにより、該受波用圧電素子の各位置における共振周波数を変更し、該受波用圧電素子上の各点における共振周波数を、予め前記各点ごとに定めておいた目的の周波数に合致するように設定し、該目的の周波数の超音波を電気信号に変換することを特徴とした水中画像撮像装置。
【請求項３】
水中で超音波を物体に照射し、前記物体からの反射波により物体を撮像する水中撮像装置であって、
送波用圧電素子に入力する電気信号の周波数を変更することによって送信波の方位を制御することのできる周波数掃引方式を適用した送波器と、
前記物体からの反射波を収束させる音響レンズと、
前記音響レンズによって収束された反射波を受信して電気信号に変換する受波器とを有し、
前記受波器は、複数個に分割された受波用圧電素子を有し、前記各受波用圧電素子に対し直列にインダクタンスを接続し、該インダクタンスの値を変えることで、該受波用圧電素子それぞれの共振周波数を変更し、該受波用圧電素子上のそれぞれにおける共振周波数が、該受波用圧電素子に到来する目的の周波数に合致するように設定して取り出した超音波を電気信号に変換することを特徴とした水中画像撮像装置。
【請求項４】
水中で超音波を物体に照射し、前記物体からの反射波により物体を撮像する水中撮像装置であって、
送波用圧電素子に入力する電気信号の周波数を変更することによって送信波の方位を制御することのできる周波数掃引方式を適用した送波器と、
前記物体からの反射波を収束させる音響レンズと、
前記音響レンズによって収束された反射波を受信して電気信号に変換する受波器とを有し、
前記受波器は、送信波の反射波を受信する各受波用圧電素子と、該各受波用圧電素子から出力されるアナログ信号波形をそれぞれデジタル信号波形に変換する手段と、該各デジタル信号波形に含まれる周波数成分のうち特定の周波数帯域の成分を透過させるデジタル信号処理手段と、該透過周波数をそれぞれ任意に設定する手段と有し、該受波用圧電素子それぞれに設定された透過周波数が、該受波用圧電素子に到来する目的の周波数に合致するように設定し、該設定した周波数の超音波をデジタル信号として透過することを特徴とした水中画像撮像装置。
【請求項５】
二つの異なる周波数の超音波を水中に同時に送信し、それらのパラメトリック効果によって発生する二次波を用いて水中の堆積層中の埋没物体を撮像するパラメトリック式埋没物体識別用水中画像撮像装置であって、
送信方法に周波数掃引方式を採用し、送信用圧電素子に二つの異なる周波数成分f1、f2を含む電気信号を入力することで、その差周波数△ｆ＝｜ｆ１−ｆ２｜のパラメトリック二次波を発生させ、かつ該パラメトリック二次波の送信方位を該入力周波数成分f1、f2の値を変更することで制御する送波器と、
前記物体からの反射波を収束させる音響レンズと、
前記音響レンズによって収束された反射波を受信して電気信号に変換する受波器を有し、
該受波器は、複数個に分割された受波用圧電素子と、該各受波用圧電素子に対し直列に接続されたインダクタンスを有し、該インダクタンスの値を変えることで、該受波用圧電素子それぞれの共振周波数を変更し、該受波用圧電素子上のそれぞれにおける共振周波数を、該受波用圧電素子に到来する目的の周波数に合致するように設定し、該設定した周波数の超音波を電気信号に変換することを特徴としたパラメトリック超音波式埋没物用水中画像撮像装置。
【請求項６】
二つの異なる周波数の超音波を水中に同時に送信し、それらのパラメトリック効果によって発生する二次波を用いて水中の堆積層中の埋没物体を撮像するパラメトリック式埋没物体識別用水中画像撮像装置であって、
送信方法に周波数掃引方式を採用し、送信用圧電素子に二つの異なる周波数成分f1、f2を含む電気信号を入力することで、その差周波数△ｆ＝｜ｆ１−ｆ２｜のパラメトリック二次波を発生させ、かつ該パラメトリック二次波の送信方位を該入力周波数成分f1、f2の値を変更することで制御する送波器と、
前記物体からの反射波を収束させる音響レンズと、
前記音響レンズによって収束された反射波を受信して電気信号に変換する受波器を有し、
該受波器は、複数個に分割された受波用圧電素子と、該各受波用圧電素子から出力されるアナログ信号波形をそれぞれデジタル信号波形に変換する手段と、該各デジタル信号波形に含まれる周波数成分のうち、特定の周波数帯域の成分を透過させるデジタル信号処理手段と、該透過周波数をそれぞれ任意に設定する手段と有し、該受波用圧電素子それぞれに設定された透過周波数がを該受波用圧電素子に到来する目的の周波数に合致するように設定し、該設定した周波数の超音波をデジタル信号として取り出すことを特徴としたパラメトリック超音波式埋没物用水中画像撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中画像撮像装置に関し、特に水中で超音波を物体に照射し、その反射波により物体の画像を撮像する水中画像撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中において、超音波は可視光を含めた電磁波よりも一般に減衰が少なく、濁水中でも伝搬する。そこで、水中における物体の位置、寸法、および形状を認識するため、超音波による撮像が行われている。
【０００３】
超音波により水中の物体の画像を撮像する装置としては、水中で超音波を物体に照射し、その反射波を受信して該物体の画像（音響画像）を撮像する水中音響カメラ、および水中で二つの異なる周波数の超音波（一次波）を同時に放射し、それらのパラメトリック効果によって生成した二次波によって主に海底に埋没した物体の探知や画像による識別を行う埋没物体識別用水中音響カメラがある。
【０００４】
このパラメトリック効果による二次波を堆積層に埋没した物体に照射し、その反射波を用いて対象の探知および像を得る方法について述べているものとしては、特許文献１が挙げられる。特許文献１では、二次波の周波数△f =|f1-f2|を変えながら同じ物体表面を繰り返し走査すると、異なる周波数の超音波に対する物体の反射率の違いなどから、より正確に物体の特定が行えることが開示されている。また、特許文献１では、一次波f1とf2を送信する際、ビーム方位を定める方法については、機械的に送波器を目標方向に向ける方式と、各送波圧電素子への信号に時間遅延を設けることで方向を変更する方式とが示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、パラメトリック効果による二次波を海底のヘドロ層に照射し、ヘドロ層を透過して硬い海底で反射される二次波エコーと、ヘドロ層上面で反射される一次波エコーとを観測し、両者の検出時間差からヘドロ層の厚みを測定する方法について示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、パラメトリック超音波送波器においてθ方向にビームを送信するとき、一次波f1をθ+βの方向に送信し、f2をθ-βの方向に送信することなどにより、二次波主極のビーム幅を狭め、かつ副極の発生レベルを抑制する方法について述べられている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２２３９２３号公報
【特許文献２】特開昭６０−１９２２８１号公報
【特許文献３】特開平１０−９０４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水中の物体を周波数掃引方式により撮像する場合、水中音響カメラの音響レンズにより受波面上の一点で焦点を結ぶ超音波は、その焦点位置に対応するアジマス方位θ、すなわち超音波の周波数faと一意に関連付けられる。そのため理想的には、水中音響カメラの圧電素子上の焦点では、その点の位置に対応する周波数faの超音波しか検出されないはずである。
【０００９】
しかしながら実際のところ、装置の周囲環境からランダムに入射する音波や、受波面上の他のチャンネル上の点から反射した異なる周波数の超音波が装置内残響として水中音響カメラの圧電素子上の焦点においても観測され、撮像した像の特に上下方向にゴーストが現れる原因となっていた。
【００１０】
また、パラメトリック超音波送信により埋没物体の撮像を行う装置においては、一次波用として異なる二つの周波数の信号を生成する回路、および一次波のビーム方位を変更するための遅延回路あるいは機械的に送波器の方位を制御するための機構などが必要となり、回路規模や装置規模が大型化するという問題がある。
【００１１】
本願発明は、上記課題を解決するためになされたもので、音響画像のノイズやゴーストを軽減し、より明瞭な物体の像を得ることができる周波数掃引方式に基づいた超音波式水中画像撮像装置を提供することを目的とする。
また、簡便な回路でビーム送信方向を制御することができ、装置の小型軽量化に寄与することができる埋没物に対するパラメトリック超音波式水中画像撮像装置を提供することを目的とする。
さらに、音響画像のノイズやゴーストを軽減し、より明瞭な物体像を得ることができる埋没物に対するパラメトリック超音波式水中画像撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本願発明においては、受波用圧電素子上の各焦点位置における圧電素子の共振周波数が、その焦点に収束する目的超音波の周波数に合致するよう、受波用圧電素子の厚さを連続的または段階的に変えるようにした。
または、各受波用圧電素子に対して直列に、受波用圧電素子のキャパシタンス成分と共振するようなインダクタンスを接続し、かつ該共振周波数を、その受波用圧電素子上の焦点位置に収束する目的超音波の周波数にそれぞれあわせるようにした。
または、各受波用圧電素子の出力したアナログ電気信号をデジタル信号に変換したあと、該デジタル信号中に含まれる複数の周波数成分のうち、その受波用圧電素子上の焦点位置に収束する目的超音波の周波数成分を透過させるデジタル信号処理を行うようにした。
または、周波数掃引方式を適用し、送波用の圧電素子に一次波に対応する二周波数f1、f2を含む信号を入力することで、これらのパラメトリック効果による二次波を発生させ、二次波の送信方位は周波数f1とf2の値を変更することで制御するようにした。
または、周波数掃引方式を適用し、各受波用圧電素子に対して直列に、受波用圧電素子のキャパシタンス成分と共振するようなインダクタンスを接続し、かつ該各共振周波数を、その受波用圧電素子上の焦点位置に収束する目的超音波の周波数にあわせるようにした。
または、周波数掃引方式を適用した上で、各受波用圧電素子の出力したアナログ電気信号をデジタル信号に変換したあと、該デジタル信号中に含まれる複数の周波数成分のうち、その受波用圧電素子上の焦点位置に収束する目的超音波の周波数成分を透過させるデジタル信号処理を行うようにした。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明によれば、音響画像のノイズやゴーストを軽減し、より明瞭な物体の像を得ることができる。また、従来よりも簡便な回路でビーム送信方向を制御することができ、装置の小型軽量化に寄与することができる。さらに、簡便な回路でビーム送信方向を制御することができ、装置の小型軽量化に寄与することができる。さらに、音響画像のノイズやゴーストを軽減し、より明瞭な物体像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本願発明の実施の形態を説明するが、本願発明の特徴を明確にするために、まず一般的な水中画像撮像装置の構成および撮像の仕組みについて図１ないし図７を用いて説明する。
【００１５】
図１は、一般的な水中画像撮像装置を含む水中画像撮像システム全体の構成を示す図である。
水中画像撮像装置である水中音響カメラを含む水中画像撮像システムは、図１に示すように、水中音響カメラ１０１を船１０２などから水中に吊下し、水中の対象物体１０３を撮像する。船１０２などは水面上に静止しているか、あるいは測定に影響の出ない程度の速度で航行している。水中音響カメラ１０１は、水中音響カメラ１０１から見て水平方向（アジマス方向）にθ傾けた方向に、送波器１０４から送信波１０５を放射する。この送信波１０５の周波数は数百k〜数MHz程度である。送信波１０５はアジマス方向には狭いビーム幅であり、高い指向性を持つ。その一方で、カメラ１０１から見て垂直方向（レンジ方向）にはビームが広がっており、送信波１０５は扇形のビームとして水中を伝搬する。送信波１０５の一部は対象物体１０３の表面において反射され、反射波１０６が生じる。水中音響カメラは、この反射波１０６を、水中音響カメラ１０１の音響レンズ１０７により、図示しない受波面上の一点に収束させ、電気信号に変換することで対象物体の画像を得る。
【００１６】
次に、送信器の構成および動作について図２および図３を用いて説明する。
図２は周波数掃引方式の水中音響カメラの送波器の構造を模式的に示す図である。
まず、周波数掃引方式について説明する。送信時に、アジマス方向の任意の方向θにビームを傾け、かつ高指向性を得る方法として、一般的には、送波器中に並ぶ各圧電素子に入力する電気信号に対し、送信方位および焦点距離に依存した遅延時間をそれぞれ与える方法がよく採用される。これに対して、入力信号の周波数を変えるだけで送信方位が変化し、したがって信号の遅延回路を要さず、かつ高い指向性が得られる方式を、周波数掃引方式と呼ぶ。以下、図２において簡単に説明する。
【００１７】
図２に示すように、周波数掃引方式の水中音響カメラの送波器は、圧電素子２０１を一列に並べて構成される。圧電素子２０１には一般にPZT（チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(Zr-Ti)O3）などの圧電セラミクスが用いられ、隣り合う圧電素子の分極方向（矢印２０２）が交互に入れ替えて配置されている。また圧電素子２０１の上面に電極２０３をそれぞれ蒸着し、下面には共通の電極２０４を蒸着して電源２０５に接続する。これらの圧電素子２０１に例えば周波数faの交流電気信号を入力すると、該周波数faに依存した方向θaに指向性を持った合成波２０６が圧電素子２０１の配列の両端付近から左右対称に送信される。合成波の方位は周波数を変えることで変更することができ、例えばfb（ > fa）のように周波数を高くすると、送波器の音響放射面に対してより垂直に近いビーム２０７（方位 θb < θa）が出力される。なお、圧電素子２０１には複数の周波数成分を含む信号波形を入力しても良い。その場合は、各周波数成分に対応した送信波が各対応方位へ同時に送信される。この周波数掃引方式では、一般的な遅延回路による方式に比べて回路規模が小さくて済むという利点がある。
【００１８】
次に、周波数掃引方式を適用した水中音響カメラの構成および動作について図３ないし図５を用いて説明する。なお、以下に説明する内容は一例であり、周波数掃引方式を用いた水中カメラの構成や動作は以下に限られることを示すものではない。
【００１９】
図３は周波数掃引方式を水中音響カメラに適用する場合の、送波器構造の一例を示した図である。
送波器３０１は図２で示した圧電素子配列２０１を二本並べて構成される。左右の圧電素子配列３０２、３０３の音響放射面は撮像方向３０４に対して２０〜３０°ほど斜めに傾けられており、それぞれの配列の両端から発生する送信波３０５a、３０５b、３０５c、３０５d、３０５e、３０５f、３０５g、および３０５hのうち、内側の端からの送信波３０５c、３０５d、３０５e、および３０５fだけが視野範囲３０６へ向かい、対象物体３０７の撮像に寄与する。その他の送信波３０５a、３０５b、３０５gおよび３０５hは、視野範囲３０６から離れた方向へ向かい、撮像には寄与しない。図中、右側の圧電素子配列３０３は視野範囲３０６内の中央から左側を照射し、左側の圧電素子配列３０２は視野範囲３０６内の中央から右側を照射する。そして対象物体３０７へ向かった送信波のうち、高い周波数の超音波３０５d、３０５eは視野内の中央付近を照射し、低い周波数の送信波３０５c、３０５fは外側を照射することになる。したがって視野中心付近の方が送信ビーム幅が狭く、空間分解能が高い。
【００２０】
図４は送波器から発せられた送信波が対象物体の表面で反射されるまでの過程を立体的に示した図である。
送波器４０１の圧電素子アレイの一端から、対象物体４０２に向けて発せられる送信波４０３のアジマス方位θは、周波数掃引方式に基づき、送信波４０３の周波数に依存して定まり、送波器の正面方向４０４に近づくほど周波数が高い。また送信波４０３はアジマス方向に狭く、レンジ方向に広がった扇形となって水中を伝搬する。扇形ビームが対象４０２の表面に到達したとき、物体の表面の細かな凹凸などで乱反射されると、超音波はその位置から図示しない球面波として反射される。４０５は物体からの反射波を測定する受信系である。次に受信系４０５の働きについて説明する。
【００２１】
図５は、物体からの反射波を水中音響カメラの受波系４０５が受信する過程を立体的に示した図である。
受波系４０５は音響レンズ５０１と受波器５０２を含む。音響レンズ５０１は平面波を一点に収束させるように設計されており、図では一枚のレンズとして描いているが、実際には収差の解消や焦点位置調整のために２、３枚の音響レンズを組み合わせて構成されることがある。また音響レンズ５０１はアクリル樹脂やポリメチルペンテンなどの材料で作製される。受波器５０２はレンジ方向についてチャンネル分割された圧電素子５０３の一次元配列になっている。一方、アジマス方向については受波器はチャンネル分割されておらず、個々の圧電素子５０３はアジマス方向に細長いものになっている。
物体からの反射波５０４が音響レンズ５０１の近傍に到達したとき、物体と水中音響カメラとの距離は十分に離れているため、反射波５０４は平面波として考えることができる。このため該反射波５０４は音響レンズ５０１により受波器５０２表面上の一点５０５に収束され、対応する圧電素子により電気信号に変換される。
【００２２】
次に、レンジ方向の空間分解能を得る方法について図６を用いて説明する。
図６は、レンジ方向の空間分解能を得る方法について説明する図である。
図６では、装置正面から到来した反射波６０１（実線）と例えば装置下方（レンジ方位φ）から到来した反射波６０２（点線）について、受波の過程を受波系の横側から（アジマス方向から）見た場合を示している。受波器６０３は、レンジ方向にチャンネル１、２、・・・、Nの圧電素子に分割されており、焦点の位置（像面湾曲）に合わせて湾曲して配置されている。６０４は一つの圧電素子である。６０５は音響レンズであり、図では一枚の両凹レンズで代表させている。なお、反射波６０１、６０２の周波数はそれぞれ任意である。
装置正面から入射した反射波６０１は、音響レンズ６０５によって受波器の中央で焦点６０６を結び、対応する圧電素子（チャンネルi）で電気信号６０７に変換される。なお電気信号の横軸は時刻（送信波の出力開始を原点とする）、縦軸は電圧である。一方、装置下方から入射した反射波は受波器の上部やや前方で焦点６０８を結び、同様に対応する圧電素子（チャンネルj）で電気信号６０９に変換される。このように、レンジ方向については信号を受信したチャンネルを区別することによって、反射波の方向を知ることができる。
【００２３】
次に、図７によりアジマス方向の空間分解能を得る方法について説明する。
図７は、装置正面から到来した反射波７０１（実線）と、例えば装置右方（アジマス方位θ）から到来した反射波７０２（点線）について、受波の過程を受波系の上側から（レンジ方向から）見たものである。受波器は、アジマス方向にはチャンネルとして分割されておらず、図７にはある任意の圧電素子７０３一つのみを示す。７０４は音響レンズであり、図６と同様に両凹レンズとする（音軸に対して軸対称である）。また、正面から到来した反射波７０１の周波数をfb、装置右方から到来した反射波７０２の周波数をfa（fb>fa)とする。周波数掃引方式では、反射波７０１、７０２の周波数fb、faはそれぞれの超音波のアジマス送信方位に関連づけられる。
反射波７０１および７０２は双方とも同一の圧電素子７０３によって電気信号７０５に変換されるので、該電気信号７０５は、二つの反射波７０１、７０２の両周波数成分を含む。そこでこれをフーリエ変換したスペクトル７０６にて反射波７０１、７０２の各周波数に対応するピーク７０７、７０８を検出し、該周波数とアジマス送信方向を対応づけることで反射波の方向を知ることができる。
以上により、レンジ方向およびアジマス方向における反射波の方位、すなわち物体の方位を解析し、水中物体の像を得る。
【００２４】
次に、海底ケーブルなど、海底の堆積層に埋没した物体に対して超音波による画像撮像を行う場合の従来技術について述べる。水中物体については、高い空間分解能を得るために数百k〜数MHz程度の高周波を用いるが、海底の堆積層に対してこのような周波数を用いると、大部分が海底表面で反射され、また透過した波も殆ど伝搬することなく減衰してしまい、埋没物体からの有効な反射波を得ることができない。そこで堆積層中の埋没物体に対する撮像には、堆積層中でより伝搬しやすい、数k〜10kHz程度の低い周波数の超音波を用いることが必要となる。
【００２５】
一方、送波ビームの径d、超音波の波長λ、および送波器の開口長（アレイの長さ）Lの間には、d = λ/ L  の関係がある。よって超音波の周波数を下げ波長λを長くすると、同一の開口長Lではビーム径dが大きくなり、指向性の高いビームが得られず、空間分解能が低下してしまう。開口長Lを大きくすればdが小さくなり、指向性の高いビームとなるが、実際の装置に搭載可能な送波器の寸法および重量には限界があり、これを越えて空間分解能を高くすることができない。
そこで、海底の堆積層中に埋没した物体を超音波により撮像する用途においては、媒質中でのパラメトリック効果により生成した二次波を利用する。パラメトリック効果とは、異なった二つの周波数f1、f2の強い超音波（一次波）を、互いが空間内で重なるように送信すると、二波の相互作用により、二次波（f1とf2の和の周波数f1+f2と、差の周波数|f1-f2|の波）が励起される現象である。二次波のビーム幅（主極の幅）は一次波のそれに準じるほか、副極の発生レベルも小さくなるため、良好な指向性を得ることができる。
したがって一次波の周波数f1とf2を、目標とする空間分解能を得るのに十分な程度に高くしておき、かつf1とf2の差△f = |f1-f2|が堆積層中の伝搬に適した値になるように設定すれば、差周波数△f =|f1-f2|の二次波は高い指向性を持ちながら堆積層中を伝搬することができ、埋没物からの反射を観測することができる。一方、周波数f1、f2、および和周波数f1+f2の波は堆積層中で速やかに減衰する。
【００２６】
上記の周波数掃引方式を用いて水中の物体を音響カメラにより撮像する場合の課題について、図８を参照して説明する。
図８は、図７と同様に、装置右方（アジマス方位θ）から到来した反射波８０１（点線）を受波する過程について、受波系の上側から（レンジ方向から）見たものである。反射波８０１は、音響レンズ８０２により、圧電素子８０３上の一点８０４で収束する。周波数掃引方式では、このように音響レンズにより受波面上の一点で焦点を結ぶ超音波は、その焦点位置に対応するアジマス方位θ、すなわち超音波の周波数faと一意に関連付けられる。したがって理想的には、圧電素子８０３上の焦点８０４では、その点の位置に対応する周波数faの超音波８０１しか検出されないはずである。
しかしながら実際のところ、装置の周囲環境からランダムに入射する音波８０５や、受波面上の他のチャンネル上の点から反射した異なる周波数の超音波８０６が装置内残響として点８０４においても観測されるため、撮像した像の特に上下方向にゴーストが現れる原因となっていた。
【００２７】
また、パラメトリック超音波送信により埋没物体の撮像を行う装置においては、一次波用として異なる二つの周波数の信号を生成する回路、および一次波のビーム方位を変更するための遅延回路あるいは機械的に送波器の方位を制御するための機構などが必要となり、回路規模や装置規模が大型化するという問題がある。
【００２８】
以下、これらの課題を解決する本願発明の実施例を説明する。
【００２９】
図９は本願発明の一実施例において適用する受波器構造を説明する図である。
この図は、図７、図８と同様に受波過程を装置の上側から見たものである。
図９において、反射波９０１（実線、周波数fb）は装置の正面から入射し、図示しない音響レンズによって受波用圧電素子９０３上の点９０４で収束する。反射波９０２（点線、周波数fa、fa < fb）は装置右側から斜めに入射し、受波用圧電素子９０３上の点９０５で収束する。
受波用圧電素子９０３は、例えば図９のように連続して、あるいは段階的に厚みが変化しており、各点における厚みに対応して共振条件（共振フィルターの厚みが半波長の整数倍に等しい）を満たす周波数が存在する。即ち、例えば図９において、正面から入射した反射波９０１（周波数fb）の超音波が収束する点９０４においては、周波数fbの圧電素子９０３中での半波長λb/2に相当する厚さに圧電素子９０３を設定しておけば、周波数fbが共振周波数となり、効率よく電気信号に変換することができる。一方、他周波数の超音波の多くは共振条件を満たさないために減衰する。同様に装置右方から斜めに入射した反射波９０２（周波数fa）に対しても、焦点９０５における圧電素子９０３の厚みが周波数faの超音波と共振するように設定されており、周波数faの波のみ効率よく電気信号に変換される。変換された電気信号は出力線９０６によって取り出される。
【００３０】
図１０に、本願発明の別の実施例を示す。上記の説明では、受波用圧電素子はアジマス方向に連続した細長いものとした。しかし、そのような細長い圧電素子の実装、あるいは材料の手配などが困難な場合には、図１０のようにアジマス方向に圧電素子をM個に分割して実装しても良い。分割した各圧電素子１００１からの電気信号がそれぞれ出力される信号線１００２は、共通の信号線１００３に接続されているため、各圧電素子からの周波数成分を含む電気信号が周波数解析によるアジマス方向分解に供される。
【００３１】
分割された各圧電素子１００１は、対応する焦点位置に収束する目的超音波の周波数で共振するよう、それぞれの厚みが調整されている。これにより、各圧電素子は目的超音波のみを効率よく電気信号に変換し、その他の不要な超音波を除去する機械的なフィルターとして働く。
【００３２】
次に図１１により、本願発明の別の実施例において適用する受波器構造の例を説明する。受波用圧電素子はアジマス方向についてM個に分割されており、分割された圧電素子１１０１はいずれも同じ寸法（厚さ、表面積）を有する。
図１１において、各圧電素子１１０１の電気端から圧電素子側のインピーダンスを測定したとき、そのリアクタンス成分は容量性であり、それぞれCi （i = 1、2、・・・、M)とおく。今、圧電素子１１０１の寸法が同じであるので、各キャパシタンスCiの値はほぼ等しい。一方、各圧電素子１１０１から電気信号が出力される信号出力線１１０２は、それぞれに直列なインダクタンスLi (i = １、２、・・・、M）１１０３を介して、共通信号線１１０４に接続される（圧電素子からのグランド線は図示していない）。インダクタンスの値にはそれぞれ任意の値を選定できる。
そこで、例えば圧電素子aの位置に収束することが既知である目的超音波１１０５の周波数faに対し、よく知られた共振条件fa= 1 / ｛2π√(La Ca)｝  を満たすようにインダクタンスLaの値を設定すれば、該目的超音波の成分のみを効率よく電気信号に変換し、電気回路に取り出せることになる。該共振条件を満たさない不要超音波は減衰し、取り除かれる。
【００３３】
本実施例では、各圧電素子１１０１からの信号線１１０２が共通の信号線１１０４に接続されているため、最終的な出力信号には、各圧電素子１１０１からの異なる周波数成分が重畳している。よって各周波数成分を分離、検出するために、最終的な出力信号に対して周波数解析を行う必要がある。しかし、各圧電素子からの信号線を共通線にまとめず、個別に増幅、A/D変換したのち、計算機や専用ハードウェアで信号処理する構成も考えられる。その場合、周波数解析は不要となるが、回路規模が大きくなる。
【００３４】
次に、図１２を用いて別の実施例における受波器構造の例を説明する。
図１２においては、受波用圧電素子はアジマス方向についてM個に分割されている。各圧電素子１２０１からの信号出力線１２０２は、図１１のように共通線に纏められてはおらず、個別に増幅器１２０３、A/D変換器（ADC）１２０４、デジタルバンドパスフィルター(BPF)１２０５に接続されている。デジタルBPF１２０５は、入力デジタル信号に含まれる各周波数成分のうち、指定した周波数帯域のみ等価させるデジタル信号処理装置である。該透過周波数は任意に設定可能である。
そこで例えば、圧電素子aの位置に収束することが既知である目的超音波１２０６の周波数（faとする）成分のみが透過するよう、圧電素子aに接続されたデジタルBPF aを設定すれば、該目的の超音波のみをデジタル信号中に取り出せ、その他の不要超音波を取り除くことができる。
【００３５】
以下においては、埋没物体識別用水中音響カメラにおける実施例を説明する。
図１３は本願発明の一実施例における送波用圧電素子配列の構造例を示したものである。
図１３において、 送波用圧電素子配列１３０１の構造は図２で説明したものと同じであり、圧電素子１３０２を分極方向（矢印１３０３）を互いに入れ替えながら一列に並べたものである。簡単のため、電極や電源は図示していない。パラメトリック効果を得るため、各圧電素子に対して、一次波に対応する二つの周波数f1およびf2の成分を持つ信号を合成して入力する。これにより、周波数f1の成分に対応する一次波１３０４がアジマス方位θ1に送信され、周波数f2に対応する一次波１３０５がアジマス方位θ２に同時に送信される。両者の波が重なった方向に対して、パラメトリック効果による二次波１３０６が発生する。
【００３６】
なお、超音波は図１３のように圧電素子配列１３０１の両端から左右対称に放射されるので、図３のように圧電素子配列を装置の向く方向に対して斜めに配置し、片方の端から放射された二次波のみ撮像に供するようにする構成が考えられる。また二次波の送信方位を変えるときは、周波数f1とf2の値を変更する。このとき差周波数△fが一定であると、二次波の反射波を受信する際、周波数解析によるアジマス方向分解ができないので、差周波数△fが送信方位に一意に対応して変わるようにf1とf2を変更する。
【００３７】
上記、図１３で説明した実施例に対し、前記図９および図１０を用いて説明した実施例を適用することは現実的でない。なぜならば、パラメトリック効果によって生成した二次波は、堆積層中の伝搬に適するように低周波（数k〜１０kHz程度）に設定されるため、これと共振する受波用圧電素子が厚くなりすぎるからである。
そこで、図１３で説明する実施例に対して、図１１、図１２で説明した実施例を適用する構成が考えられる。それぞれについて以下に説明する。
【００３８】
まず、図１３の実施例に図１１の実施例を適用した場合について説明する。本実施例では、埋没物体に照射する送信波は周波数掃引方式によるパラメトリック二次波とし、また受波器には図１１の受波器と同様な電気的アナログフィルターを各圧電素子に直列接続することで、不要な信号成分を除去し、画像中のノイズ、ゴーストの低減を図るとともに回路規模の小型化を図る。
【００３９】
次に、図１３の実施例に図１２の実施例を適用した場合について説明する。本実施例では、埋没物体に照射する送信波は周波数掃引方式によるパラメトリック二次波とし、また受波器には図１２の受波器と同様なデジタルバンドパスフィルターを各圧電素子に直列接続することで、不要な信号成分を除去し、画像中のノイズ、ゴーストの低減を図るとともに回路規模の小型化を図る。
【００４０】
図１４は図１１、図１２、および図１３に図１１を適用した場合の実施例における装置ブロック図である。送信制御装置１４０１は、波形発生器１４０２に対し送信信号の周波数、パルス時間幅などの設定を行うとともに、出力タイミングを指示する。また、送信制御装置１４０１はスイッチ１４０３を制御し、増幅器（AMP）１４０４、１４０５のどちらに信号入力するかも指示する。波形発生器１４０２は設定に基づいて単一周波数の信号波形、あるいは複数周波数成分を有する信号波形を生成し、スイッチ１４０３を経由して接続された増幅器１４０４または１４０５に入力する。増幅器１４０４は例えば左側の圧電素子配列１４０６に接続されており、増幅器１４０５は右側の圧電素子配列１４０７に接続されている。増幅器１４０４または１４０５は入力された信号を増幅して、それぞれに接続された圧電素子配列１４０６または１４０７に送信する。圧電素子配列１４０６および１４０７に含まれる各送波用圧電素子は図２で説明したように隣り合う素子間で分極方向が入れ替わっており、したがって入力波形中の周波数成分に依存した方位に送信波が出力される。
【００４１】
受波器は図６で説明したようにレンジ方向にチャンネルとして分割されたN個の受波用圧電素子（１、２、・・・、N番）１４０８で構成されており、図９および図１０の実施例では、各受波用圧電素子の厚さはそれぞれ目的とする周波数で共振するよう設定される。図１１の実施例および図１３に図１１を適用した実施例では、各受波用圧電素子の厚さは同一とするが、それぞれに図示しないインダクタンスを直列接続する。反射波は受波用圧電素子１４０８で電気信号に変換され、それぞれの発明におけるフィルター作用により不要信号が除去される。さらに電気信号は各チャンネルの増幅器（AMP)１４０９で増幅されたのち、A/D変換器（ADC)１４１０でデジタル信号にそれぞれ変換される。該デジタル信号は計算機１４１１中のメモリ１４１２に蓄えられ、該計算機中の演算処理装置１４１３において周波数解析による物体のアジマス方位解析、チャンネル分解によるレンジ方位解析、送波・受波時間差による装置-物体間距離の解析などを行い、画像を生成する。なお、周波数解析は別途、図示しない専用ハードウェア上において実施しても良い。最後に生成した画像を表示装置１４１４に出力する。操作盤１４１５は使用者とのインターフェースを提供するものであり、キーボード、マウスなどから構成される。使用者は操作盤１４１５を介して、送信制御装置１４０１、計算機１４１１に対し送波信号の諸元や解析条件、画像表示条件などを設定する。
【００４２】
図１５は、図１２および図１３に図１２を適用した実施例における装置ブロック図である。受波器レンジ方向にNチャンネル分、アジマス方向にMチャンネル分の計N×M個の受波用圧電素子１４０８から成る。反射波は各受波用圧電素子で電気信号に変換されたあと、各チャンネルごとに増幅、A/D変換される。図１２および図１３に図１２を適用した実施例では、A/D変換後のデジタル信号それぞれについて、デジタルバンドパスフィルター（BPF）１５０１により目的とする周波数成分のみを取り出し、ノイズ成分を除去する。そして各デジタル信号は計算機１４１１中のメモリ１４１２に蓄えられ、該計算機中の演算処理装置１４１３においてチャンネル分解によるレンジ方位、アジマス方位解析、送波・受波時間差による装置-物体間距離の解析などを行い、画像を生成する。その他の構成要素については、図１４と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】一般的な水中画像撮像装置を含む水中画像撮像システム全体の構成を示す図である。
【図２】周波数掃引方式の水中音響カメラの送波器の構造を模式的に示す図である。
【図３】周波数掃引方式を水中音響カメラに適用する場合の、送波器構造の一例を示した図である。
【図４】送波器から発せられた送信波が対象物体の表面で反射されるまでの過程を説明する図である。
【図５】物体からの反射波を水中音響カメラの受波系が受信する過程を説明する図である。
【図６】反射波の入射方向をレンジ方位について分解する方法を示した図である。
【図７】反射波の入射方向をアジマス方位について分解する方法を示した図である。
【図８】周波数掃引方式を用いた超音波式水中画像撮像装置における課題を説明する図である。
【図９】本願発明の一実施例における受波器構造を説明する図である。
【図１０】本願発明の一実施例における受波器構造を説明する図である。
【図１１】本願発明の一実施例における受波器構造を説明する図である
【図１２】本願発明の一実施例における受波器構造を説明する図である
【図１３】本願発明の一実施例における送波用圧電素子配列の構造を説明する図である。
【図１４】本願発明の一実施例を適用した装置全体のブロック図である。
【図１５】本願発明の一実施例を適用した装置全体のブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０１  水中音響カメラ
１０２  船など
１０３  対象物体
１０４  送波器
１０５  送信波
１０６  反射波
１０７  音響レンズ
２０１  圧電素子
２０２  圧電素子の分極方向
２０３  電極
２０４  共通電極
２０５  電源
２０６  周波数faの送信波
２０７  周波数fbの送信波
３０１  送波器
３０２  左側の送波用圧電素子配列
３０３  右側の送波用圧電素子配列
３０４  撮像方向
３０５a〜３０５h  送信波
３０６  視野範囲
３０７  対象物体
４０１  送波器
４０２  対象物体
４０３  送信波
４０４  撮像方向
４０５  受信系
５０１  音響レンズ
５０２  受波器
５０３  受波用圧電素子
５０４  反射波
５０５  焦点
６０１  装置正面から入射した反射波
６０２  装置下方（レンジ方位φ）から入射した反射波
６０３  受波器
６０４  受波用圧電素子
６０５  音響レンズ
６０６  装置正面から入射した反射波の焦点
６０７  チャンネルiからの電気信号
６０８  装置下方（レンジ方位φ）から入射した反射波の焦点
６０９  チャンネルjからの電気信号
７０１  装置正面から入射した反射波
７０２  装置右方（アジマス方位θ）から入射した反射波
７０３  受波用圧電素子
７０４  音響レンズ
７０５  受波用圧電素子で変換された電気信号
７０６  電気信号をフーリエ変換したスペクトル
７０７  周波数faの反射波に対応するピーク
７０８  周波数fbの反射波に対応するピーク
８０１  アジマス方位θから入射した反射波
８０２  音響レンズ
８０３  受波用圧電素子
８０４  焦点
８０５  装置周囲環境から到来するノイズ
８０６  他チャンネルの受波圧電素子から反射した波
９０１  装置正面から入射する周波数fbの波
９０２  斜めから入射する周波数faの波
９０３  受波用圧電素子
９０４  正面から入射する波の焦点
９０５  斜めから入射する波の焦点
９０６  信号出力線
１００１  分割した圧電素子
１００２  信号線
１００３  共通信号線
１１０１  分割した圧電素子
１１０２  信号線
１１０３  インダクタンス
１１０４  共通信号線
１１０５  目的超音波
１２０１  受波用圧電素子
１２０２  信号線
１２０３  増幅器
１２０４  A/D変換器
１２０５  デジタルバンドパスフィルター
１２０６  目的超音波
１３０１  送波用圧電素子配列
１３０２  送波用圧電素子
１３０３  分極方向
１３０４  周波数f1に対応する送信一次波
１３０５  周波数f2に対応する送信一次波
１３０６  周波数f1とf2の送信波のパラメトリック効果による二次波
１４０１  送信波制御装置
１４０２  波形発生器
１４０３  スイッチ
１４０４、１４０５  増幅器
１４０６、１４０７  送波用圧電素子配列
１４０８  受波器
１４０９  受信波用増幅器
１４１０  A/D変換器
１４１１  計算機
１４１２  メモリ
１４１３  演算処理装置
１４１４  表示装置
１４１５  操作盤
１５０１  デジタルバンドパスフィルター
【図１】
0005241295.tif 000002
【図２】
0005241295.tif 000003
【図３】
0005241295.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005241295.tif 000007
【図７】
0005241295.tif 000008
【図８】
0005241295.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0005241295.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0005241295.tif 000014
【図１４】
0005241295.tif 000015
【図１５】
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