(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号を送信する送信素子を備えた送信部と、この送信された超音波信号の物体による反射波を受信して受信信号を出力する複数の受信素子を備えた受信部と、前記複数の受信素子の配置と各受信素子から出力される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、前記受信信号の出現時点および振幅から物体の距離および反射強度を検出する距離・反射強度検出部と、前記検出された方位、距離および反射強度を表示用データとして前記物体を画面表示する表示処理部とを備えた超音波探査装置において、
前記送信素子は船舶の前方斜め下方に超音波ビームを放射し、前記複数の受信素子は船舶の前方で生じた反射波を受信可能に設置されたことと、
前記複数の受信素子は、前記船舶の舷側方向（ｘ軸方向）と深度方向（ｙ軸方向）のそれぞれの第１，第２の位置に配列され、前記２種類の軸と前記２種類の位置のうちどちらを共通とするかに応じて選択される４種類の対を形成する４個の受信素子から構成されたことと、
前記方位検出部は、前記ｘ軸方向の第１の位置に配列された１対の受信素子の出力を加算する第１の加算回路、前記ｘ軸方向の第２の位置に配列された１対の受信素子の出力を加算する第２の加算回路、前記ｙ軸方向の第１の位置に配列された１対の受信素子の出力を加算する第３の加算回路と、前記ｙ軸方向の第２の位置に配列された１対の受信素子の出力を加算する第４の加算回路と、前記第１，第２の加算回路の出力の位相差から反射物体の水平面内の方位角を算定する方位角算定部と、前記第３，第４の加算回路の出力の位相差から反射物体の鉛直面内の俯角を算定する俯角算定部とを備えたことと、
前記受信信号の振幅に応じた色彩、輝度、濃度その他の属性の像を、反射物体までの距離および方位角から定まる位置に反射物体の像としてｘ−ｚ平面上に表示する第１の画面表示手段と、反射物体までの距離および俯角から定まる位置に反射物体の像として前記ｘ−ｚ平面に隣接して配置されるｙ−ｚ平面上に表示する第２の画面表示手段とを備えたことと
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、
前記第１の画面表示手段が所定のｚ座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるｘーｔ表示画面上に表示する第３の画面表示手段と、前記第２の画面表示手段が所定のｚ座標位置に表示する反射物体の像を、前記ｘーｔ表示画面に隣接して配置され時間の経過と共にスクロールされるｙーｔ表示画面上に表示する第４の画面表示手段と
を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記距離・反射強度検出部は、前記４個の受信素子の出力を加算することによって前記受信信号の振幅を検出する手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、魚体などの反射物体の二次元的または三次元的位置を検知可能な超音波探査装置に関するものであり、特に、簡易・安価な構成を保ったまま、検出の精度と分解能の向上を図った超音波探査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の簡易な魚群探知機は、船底などに取り付けた超音波トランスジューサから水中に超音波を放射し、魚体など水中の反射物体で生じた反射波を受信し、送信から受信までに要した時間、すなわち超音波の往復の伝搬所要時間から反射物体までの距離を検出している。最も簡易な魚群探知機では、反射波の到来方向、すなわち、反射物体の方位を検出できないため、反射物体が全て船舶の真下にあるかのように取り扱われている。
【０００３】
反射物体までの距離だけでなくその方位も検出するには、多数の超音波トランスジューサを配列しておき配列順に順次動作させるという電子走査を行うか、あるいは、単一の超音波トランスジューサの向きを変化させるという機械走査を行うことが必要になる。上記電子走査の構成では多数の超音波トランスジューサが必要になり、このため、装置が複雑・高価になる。また、上記機械走査の構成では、機械的な走査機構が必要になるので、やはり装置が複雑・高価になる。
【０００４】
本出願人の先願（特開平２００１−９９９３１号公報）には、少数の超音波トランスジューサを用いて海中の魚体などの反射物体の二次元的または三次元的位置を検知できるようにした超音波探査装置が開示されている。この超音波探査装置は、送信された超音波の反射波を複数のトランスジューサで受信し、各トランスジューサの形状と配置で定まる方位関数と、各トランスジューサの受信信号の位相差とから反射波の到来方向、したがって、この反射波を発生させた物体の方位を検出する方位検出部を備えている。
【０００５】
また、この装置は、超音波を送信してから反射波を受信するまでの所要時間と受信した反射波の振幅とから反射物体までの距離と反射強度とを検出する距離検出部と、上記各検出部で検出済みの方位と距離とを組合せて二次元または三次元表示する表示部とを備えている。このように、従来の反射物体までの距離と大きさとに加えて、反射物体の方位を検出することにより、反射物体の多次元的な位置が検知される。
【０００６】
上記位相差による方位計測の原理を図７により説明する。同一の送信信号によって２個の超音波トランスジューサ（送受信素子）ＴＤ１とＴＤ２を同時に駆動し、一定の広がり角度をもった探査領域に超音波ビームを照射する。図中の魚体Ｑで発生した反射信号は、超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２に受信され、これら受信信号は独立に増幅され、受信信号ａ1 ａ2 となる。各受信信号は、包絡線振幅をＡ（ｔ）、角周波数をωとすると、
a 1 =A(t)cos( ωt+φ1 )
=A(t) ｛exp[ j (ωt+φ1 )] +exp[ -j ( ωt+φ1 )]｝・・・（１）
a 2 =A(t)cos( ωt+φ2 ) =
=A(t) ｛exp[ j (ωt+φ2 )] +exp[ -j ( ωt+φ2 )]｝・・・（２）
である。
【０００７】
ここで、図７に示すように、反射体の方位をθ、超音波トランスジューサの間隔をμ、超音波の波数をk(=2π/ λ, λ: 波長）とすると、受信信号の位相差  φ1 - φ2 (=Δφ) について、
Δφ= φ1 - φ2 = k ε≒k μsin θ≒ kμθ            ・・・（３）
という関係が成立する。また、図７におけるｔｄが反射物体までの距離に対応する送受信信号間の超音波信号の伝搬所要時間であり、反射物体までの距離をＬ、超音波の水中伝搬速度をｃとすると、ｔｄ＝２Ｌ／ｃである。
【０００８】
上記位相差方式の超音波探査装置の構成を図８に示す。制御部ＣＮＴからの起動指令により、送信部ＴＸが送信電気信号を発生し、２個の超音波トランスジューサＴＤ１とＴＤ２を同時に駆動する。Ｄ１とＤ２は、送受信の分離を行うための、逆接続ダイオードである。魚体Ｑからの反射信号は、トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２によりそれぞれ受信され、独立に増幅され、信号ａ1 ａ2 となる。
【０００９】
信号変換部ＳＣはこの受信信号ａ1 ａ2 を複素位相信号ｃ1 ，ｃ2 に変換する。信号変換部ＳＣにおいては、受信信号ａ1 、ａ2 と、ＣＮＴからの参照信号ｄとの乗算を行い、信号ｂ1 、ｂ2 を得る。ここで各信号はいずれも複素信号であり、それぞれ、
ｄ  = exp[ -j ωt]
ｂ1 = A(t)｛ exp ( jφ1 ) ＋exp [ -j ( 2ωt + φ1 )]｝
ｂ2 = A(t)｛ exp ( jφ2 ) ＋exp [ -j ( 2ωt + φ2 )]｝
である。
【００１０】
この信号ｂ1 、ｂ2 から、低域濾波器により２ω成分を除去した信号がｃ1 、ｃ2 であり、これらが複素位相信号
ｃ1 = A(t) exp(  jφ1 )
ｃ2 = A(t) exp(  jφ2 )
である。
【００１１】
位相差算定部ＡＲＧにより、この信号ｃ1 、ｃ2 の複素共役積を計算し、その偏角ｇを計算する。従ってＡＲＧの出力ｇは、
g=Arg[ｃ1 ｃ2 * ]=φ1 - φ2 = Δφ
となる。ここでＡｒｇ［  ］は複素数の偏角を計算する演算子である。
【００１２】
このように、信号間の位相差Δφが求まり、従って魚体の存在する方位θは、
θ≒Δφ/ (kμ)
と求まる。この方位角θと、超音波の送信から反射信号が到達するまでの超音波の伝播時間ｔｄとから、反射物体の二次元位置を決定する。
【００１３】
振幅算定部ＡＭＰにおいては、複素位相信号ｃ1 、ｃ2 を加算器により加算し、信号ｈとする。この信号ｈは
h= c1  + c2 = A(t) [ exp（ｊφ1 ）+  exp ( jφ2 )]
である。さらに、この信号ｈの複素絶対値を求め、これを振幅信号ｓとする。従ってこの信号ｓは、
s=ｌh ｌ=A (t)ｌ exp ( jφ1 ) + exp (jφ2 ) ｌ
=2A(t)cos｛( φ1 - φ2 )/2 ｝
である。
【００１４】
ここで、両送受波素子を単純に並列接続した、大口径受信による通常の狭ビーム受信信号ｕを考えると、これは受信信号ａ1 とａ2 の和により与えられ、
ｕ＝ａ1 ＋ａ2 
= A(t) cos( ωt+φ1 ) + A(t) cos( ωt+φ2 )
= 2 A(t) cos｛ ( 2ωt+φ1 + φ2 )/2 ｝cos ｛( φ1 - φ2 )/2 ｝
である。このｓとu との関係は、振幅信号ｓが、両送受波素子を並列接続した大口径受信による受信信号ｕの包絡線 2A(t) cos｛( φ1 - φ2 )/2 ｝を与えることを示している。
【００１５】
従って、ｓを表示部ＤＩＳＰに表示する信号強度情報として使用する事により、大口径による高い感度と鋭い指向性が利用可能となる。以上により得られた、反射信号強度ｓを、計測された反射体の二次元位置に、表示することにより水中の状況が描出される。
【００１６】
この原理を使用し、図７の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２を鉛直下方に向けた構成が知られている。この構成における、二次元面内魚体位置の表示例を、図９により説明する。この画面において、（ａ）が通常の魚探映像であり、ａ１ーａ３が単体魚のエコー、ａ４が海底、ｔが時間を示す。一方、（ｂ）が船体下部ｘ−ｙ面内の海中状況を示す本発明によるセクタ断面図である。ここで、ｂ１が断面内に存在する単体魚の映像であり、方位角がθから、距離が超音波の伝播時間から、映像の輝度、色彩、濃淡などの属性が受信信号の振幅ｓからそれぞれ与えられる。このセクタ断面図上のｂ１に示される映像は、通常の魚探映像表示においてａ１に表示された魚体に対応する。また、セクタ断面図上のｂ４が海底の概略の形状である。また、画面（ｃ）が、カーソルにより選択された、特定の深度ｙ１におけるｘ−ｔ断面の映像である。
【００１７】
ここで、ｃ１とｃ３はこの選択された断面上に存在する魚体の映像であり、ａ１とａ３の魚体に対応する。一方、ａ２は深度ｙ１の面外にあるため画面（ｃ）には表示されていない。このような画面（ａ），（ｂ），（ｃ）を同一画面上に並列表示することにより、魚体の存在位置が三次元的に把握される。以上により、装置の基本構成が実現される。
【００１８】
さらに、この原理を使用し、図１０に示す超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４を、図１１に示すように鉛直下方に向けた構成も知られている。この構成における、装置構成は図１２の通りであり、４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４を設置される。Ｍ１〜Ｍ４は乗算部であり、ＬＰＦ１〜ＬＰＦ４は低域濾波器である。トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ２の受信信号間の位相差によりｚ−ｙ平面内の方位が求まり、トランスジューサＴＤ３〜ＴＤ４の受信信号間の位相差にからｘ−ｙ平面内の方位が求まり、これによって、三次元空間内の方位角が決定される。
【００１９】
この構成に基づく三次元空間内の魚体位置を表示する画面の一例は図１３に示すようなものである。この表示画面において、（ａ）がｙ−ｚ平面への投影映像を表示する画面であり、ａ１ーａ２が単体魚のエコー、ａ３が海底を示す。一方、（ｂ）がｘ−ｙ平面への投影映像を表示する画面である。ここで、ｂ１ーｂ２が単体魚の映像であり、方位がθ、距離が音波伝播時間ｔｄ、表示の強度が信号ｓにより与えられる。この（ｂ）上のｂ１に示される映像は、a)表示においてａ１に表示された魚体に対応する。また、（ｂ）図上のｂ３が海底の概略の形状である。また、画面（ｃ）が、カーソルにより選択された、特定の深度ｙ１におけるｘ−ｚ断面の映像である。
【００２０】
ここで、ｃ１はこの選択された断面上に存在する魚体の映像であり、ａ１とｂ１の魚体に対応する。一方ａ２は深度ｙ１の面外にあるため画面（ｃ）には表示されていない。このような画面（ａ），（ｂ），（ｃ）を同一画面上に並列表示することにより、従来からも、鉛直下方における魚体の存在位置が三次元的に把握される。
【００２１】
上記先行技術の超音波探査装置によれば、最小限２個の超音波トランスジューサを用いて舷側方向などのある角度範囲にわたって反射物体の二次元的あるいは三次元的な位置を検出することができる。この結果、多数の超音波トランスジューサを舷側方向に配置したり、１個の超音波トランスジューサを機械的に走査したりすることなく、簡易かつ安価な構成のもとで反射物体の多次元的な位置が検出可能となる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の超音波探査装置では、遊漁船などの船舶の真下の領域を探査対象としている。このため、船舶が前進しながら探査によって魚群などを発見した場合、急な停船や後退、漁の開始の準備などの作業が慌ただしくなると問題がある。また、岩礁などが多い海域では前方の障害物を発見して座礁を防ぐことができないという問題もある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
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、送信素子が船舶の前方斜め下方に超音波ビームを放射し、複数の受信素子が船舶の前方で生じた反射波を受信可能に設置されることにより、少数の素子を用いて前方の水中の反射物体の立体表示を実現可能とするように構成されている。
【００２４】
本発明の超音波探査装置によれば、複数の受信素子が船舶の舷側方向（ｘ軸方向）と深度方向（ｙ軸方向）のそれぞれの第１，第２の位置に配列され、このような２種類の軸と２種類の位置のどちらを配列されるかに応じて選択される４種類の対を形成する４個の受信素子から成ることにより、超音波送受波器の使用効率と感度とを向上させるように構成されている。
【００２５】
本発明の超音波探査装置によれば、上記方位検出部は、ｘ軸方向の第１の位置に配列された１対の受信素子の出力を加算する第１の加算回路、前記ｘ軸方向の第２の位置に配列された１対の受信素子の出力を加算する第２の加算回路、前記ｙ軸方向の第１の位置に配列された１対の受信素子の出力を加算する第３の加算回路、前記ｙ軸方向の第２の位置に配列された１対の受信素子の出力を加算する第４の加算回路と、第１，第２の加算回路の出力の位相差から反射物体の水平面内の方位角を算定する方位角算定部と、第３，第４の加算回路の出力の位相差から反射物体の鉛直面内の俯角を算定する俯角算定部とを備えることにより、前方の反射物体の方位角と俯角とを同時に検出可能とするように構成されている。
【００２６】
さらに、本発明の超音波探査装置によれば、受信信号の振幅に応じた属性の像を、反射物体までの距離および方位角から定まる位置に反射物体の像としてｘ−ｚ平面上に表示する第１の画面表示手段と、同じく反射物体までの距離および俯角から定まる位置に反射物体の像としてｙ−ｚ平面上に表示する第２の画面表示手段とを備えることにより、検出した前方の反射物体の方位角と俯角とを直観的に容易に把握可能な状態でユーザに伝達するように構成されている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、第１の画面表示手段が所定のｚ座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるｘーｔ表示画面上に表示する第３の画面表示手段と、第２の画面表示手段が所定のｚ座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるｙーｔ表示画面上に表示する第４の画面表示手段とを備えることにより、検出した前方の反射物体の方位角と俯角とを過去のデータも含めて直観的に容易に把握可能な状態でユーザに伝達するように構成されている。
【００２９】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記４個の受信素子の出力を加算することによって受信信号の振幅を検出する手段を備えることにより、大きな受信感度のもとで反射信号の振幅を表示でき、検出の確度と信頼性の向上を図ることでできる。
【００３０】
【実施例】
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機能ブロック図であり、ＣＮＴは制御部、ＴＸは送信部、Ｄ１〜Ｄ４は逆接続ダイオード、ＴＤ１〜ＴＤ４は送受共用の超音波トランスジューサ、Ａ１〜Ａ４は信号加算器、Ｍ１〜Ｍ４は乗算部、ＬＰＦ１〜ＬＰＦ４は低域通過濾波器、ＡＲＧ１，ＡＲＧ２は位相差算定部、ＡＭＰ２は振幅算定部、ＤＩＳＰは表示部である。
【００３１】
図２は、図１中の４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４の配置を示す底面図である。４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４のそれぞれは、（ａ）に示すように、いずれも船舶の舷側方向（ｘ軸方向）と深度方向（ｙ軸方向）とに分離されている。４個のトランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４のそれぞれは、ｘ軸方向とｙ軸方向に分離されている限り、図２の（ａ）に示すような矩形状ではなく、同図の（ｂ）と（ｃ）とに示すような三角形状や、円弧形状であってもよい。
【００３２】
４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４のそれぞれは、図３に設置対照の船舶の正面図（ａ）と、側面図（ｂ）のそれぞれに示すように、放射する超音波ビームが船舶の前方斜め下方に向けて伝搬するように、船底に対して垂直面内で傾けた状態で設置されている。
【００３３】
再び、図１を参照すると、制御部ＣＮＴの制御のもとに送信部ＴＸから送信信号が出力される。この送信信号は逆接続ダイオードＤ１〜Ｄ４を通して４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４に供給され、それぞれから超音波信号が送信される。各超音波トランスジューサから送信された超音波信号は、相互干渉により狭い超音波ビームとなり、船舶の前方斜め下方に向けて放射される。ビームの中心は斜め下方を向くが、必要な場合、ビームの広がりを利用することによって、ビームが海面近くにも到達するように探索範囲を設定することもできる。放射された超音波ビームは魚体など水中の反射物体によって反射され、送信時と逆向きに伝搬して４個の送受共用の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４のそれぞれに受信される。
【００３４】
超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４の受信信号ｖ1 〜ｖ4 は、信号加算器Ａ１〜Ａ４により加算され４個の合成受信信号ａ11〜ａ22となる。これらは
ａ11＝ｖ1 ＋ｖ2 
ａ12＝ｖ3 ＋ｖ4 
ａ21＝ｖ1 ＋ｖ3 
ａ22＝ｖ2 ＋ｖ4 
である。
【００３５】
中心が共通の座標値ｘ2 を有する１対の超音波トランスジューサＴＤ１とＴＤ２の受信信号の合成値ａ11と、同じく中心が共通の座標値ｘ1 を有する１対の超音波トランスジューサＴＤ３とＴＤ４の受信信号の合成値ａ12は、包絡線振幅をA(t)、角周波数をωとすると、
a 11= A(t)cos(ωt+φ11)
= A(t)｛exp[ j( ωt+φ11 ]+exp[ -j( ωt+φ11)]｝
a 12= A(t)cos(ωt+φ12)
= A(t)｛exp[ j( ωt+φ12) ]+exp[ -j(ωt+φ12)]｝
である。
【００３６】
ここで、合成受信信号の位相角φ11，φ12には、図７の場合と同様に、伝搬距離差をε1 、反射物体の水平面内の方位角をθ1 、１対の超音波トランスジューサの水平面内の間隔をμ1 （＝ｘ2 −ｘ1 ）、超音波信号の波数をk(=2π/ λ, λ: 波長) とすると、合成受信信号の水平面内の位相差Δφ1 (=φ11−φ12) は
Δφ1 = φ11−φ12 = kε1 ≒ kμ1 sin θ1 ≒ kμ1 θ1 
となる。
【００３７】
乗算部Ｍ１、Ｍ２において、受信信号ａ11、ａ12と、制御部ＣＮＴから供給される参照信号ｄとのアナログ乗算を行い、アナログ乗算信号ｂ11、ｂ12を発生させる。ここで各信号はいずれも複素信号であり、
d= exp (-jωt)
ｂ11= A(t)｛exp (jφ11) + exp[-j(2ωt+φ11)]｝
ｂ12= A(t)｛exp (jφ12) + exp[-j(2ωt+φ12)]｝
である。
【００３８】
これらの信号ｂ11、ｂ12から、低域濾波器により 2ω成分を除去した信号が複素位相信号ｃ11、ｃ12である。すなわち、
c 11 = A(t) exp( jφ11)
c 12 = A(t) exp( jφ12)
である。
【００３９】
位相差算定部ＡＲＧ1 において、各複素位相信号ｃ11  ｃ12の複素共役積を計算し、その偏角ｇ1 を計算する。ＡＲＧ１の出力ｇ1 は
ｇ1 ＝Arg [ c 11 c 12 * ]=φ11−φ12= Δφ1 
となる。このように、複素位相信号間の位相差Δφ1 が求まり、従って魚体など反射物体のの水平面内の方位角θ1 は、
θ1 ≒Δφ1 /(k μ1 )
と算定される。
【００４０】
以上述べたと同様にして、図１の位相差算定部ＡＲＧ２において、合成受信信号の位相差Δφ2 が算定される。すなわち、中心が共通の座標値ｙ1 を有する１対の超音波トランスジューサＴＤ１とＴＤ３の受信信号の合成値ａ21と、中心が共通の座標値ｙ2 を有する１対の超音波トランスジューサＴＤ２とＴＤ４の受信信号の合成値ａ22は、包絡線振幅をA(t)、角周波数をωとすると、
a 21= A(t)cos(ωt+φ21)
= A(t)｛exp[ j( ωt+φ21 )]+exp[ -j(ωt+φ21)]｝
a 22= A(t)cos(ωt+φ22)
= A(t)｛exp[ j( ωt+φ22) ]+exp[ -j(ωt+φ22)]｝
である。
【００４１】
ここで、合成受信信号の位相角φ21，φ22には、図７の場合と同様に、伝搬距離差をε2 、反射物体の水平面内の方位角をθ2 、１対の超音波トランスジューサのｙ軸方向の間隔をμ2 （＝ｙ2 −ｙ1 ）、超音波信号の波数をk(=2π/ λ, λ: 波長) とすると、合成受信信号の水平面内の位相差Δφ2 (=φ21−φ22) は
Δφ2 = φ21−φ22 = kε2 ≒ kμ2 sin θ2 ≒ kμ2 θ2 
となる。
【００４２】
乗算部Ｍ３、Ｍ４において、受信信号ａ21、ａ22と、制御部ＣＮＴから供給される参照信号ｄとのアナログ乗算を行い、アナログ乗算信号ｂ21、ｂ22を発生させる。ここで各信号はいずれも複素信号であり、
d= exp (-jωt)
ｂ21= A(t)｛exp (jφ21) + exp[-j(2ωt+φ21)]｝
ｂ22= A(t)｛exp (jφ22) + exp[-j(2ωt+φ22)]｝
である。
【００４３】
これらの信号ｂ21、ｂ22から、低域濾波器により 2ω成分を除去した信号が複素位相信号ｃ21、ｃ22である。すなわち、
c 21 = A(t) exp( jφ21)
c 22 = A(t) exp( jφ22)
である。
【００４４】
位相差算定部ＡＲＧ２において、各複素位相信号ｃ21  ｃ22の複素共役積を計算し、その偏角ｇ2 を計算する。ＡＲＧ２の出力ｇ2 は
ｇ2 ＝Arg [ c 21 c 22 * ]=φ21- φ22= Δφ2 
となる。このように、複素位相信号間の位相差Δφ2 ( ＝φ21−φ22) が求まり、従って魚体など反射物体の鉛直面内の俯角θ2 は、
θ2 ≒Δφ2 /(k μ2 )
と算定される。
【００４５】
上述のようにして算定した反射物体の方位角θ1 θ2 と、超音波送信から反射信号が戻ってきて受信信号が出現するまでの超音波の伝播所要時間ｔｄとから、反射体の三次元位置が決定される。
【００４６】
ここで、４個の超音波トランスジューサＴＤ１〜ＴＤ４をすべて並列接続した、大口径の受信による合成受信信号ｗを想定する。この合成受信信号は受信信号ｖ1 からｖ4 までの算術和により与えられ
ｗ＝ｖ1 + ｖ2 + ｖ3 + ｖ4 
=ａ11 +ａ12
= A(t) cos(ωt+φ11) + A(t) cos( ωt+φ12)
= 2A(t)｛cos(ωt+φ11) + cos(ωt+φ12) ｝
=ａ21 +ａ22
= A(t) cos(ωt+φ21) + A(t)cos(ωt+φ22)
= 2A(t)｛cos(ωt+φ21)+cos(ωt+φ22) ｝
= 2A(t)cos ｛(2ωt+φ11+ φ12)/2 ｝cos ｛( φ11−φ12)/2 ｝
= 2A(t)cos ｛(2ωt+φ21+ φ22)/2 ｝cos ｛( φ21−φ22)/2 ｝
である。
【００４７】
この関係は、すべての時刻ｔに対して成り立つことから、ωt ＝０について
cos φ11 + cosφ12 = cosφ21 + cosφ22
また、ωt ＝ -π/2において、
sin φ11 + sinφ12 = sinφ21 + sinφ22
である。
【００４８】
図１の振幅算定部ＡＭＰ２では、複素位相信号ｃ11、ｃ12、ｃ21、ｃ22のすべてを加算し、これを加算信号hhとする。ここで、複素位相信号ｃ11とｃ12の加算値をｈ1 とし、複素位相信号ｃ21とｃ22の加算値をｈ2 とすると、
h 1 ＝ c 11 + c 12
＝ A(t)[ exp ( jφ11) + exp (jφ12) ]
＝ A(t) ( cos φ11 + cosφ12 + j sinφ11 + j sinφ12 )
h 2 ＝ c 21 + c 22
＝ A(t)[ exp ( jφ21) +  exp ( jφ22) ]
＝ A(t) ( cos φ21 + cosφ22 + j sinφ21 + j sinφ22 )
＝h 1 
hh＝ h1 ＋h 2 ＝ 2 h1 ＝ 2A(t)[ exp( jφ11) + exp( jφ12) ]
である。
【００４９】
本実施例では、加算信号hhの複素絶対値を求め、これを振幅信号ssとすれば、ｓｓ =｜hh｜= 2A(t) ｜exp( jφ11) + exp (jφ12) ｜
= 4A(t) cos｛( φ11- φ12)/2 ｝
である。
【００５０】
このように、振幅信号ｓｓが、すべての送受波器を並列接続した大口径受信による受信信号ｗの包絡線 A(t) cos ｛( φ1 - φ2 )/2 ｝を与える。この振幅信号ｓｓを表示部ＤＩＳＰに信号強度情報として表示することにより、大口径受信に基づく高感度と鋭い指向性が実現される。特に、本発明のような三次元計測においても、従来例の１個の超音波トランスジューサによる１／４の口径の受信信号とは異なり、合成受信信号ａ11, ａ12など２個の超音波トランスジューサによる半分の口径の受信信号について方位角の計算を行うこととなり、方位角の計算精度が向上する。以上により得られた、反射信号強度ssを、計測された反射物体の二次元位置に、表示することにより水中の状況が描出される。
【００５１】
図１の表示部ＤＩＳＰに表示される表示画面の一例を図４に示す。水平面内の方位角θ1 と、音波伝播時間ｔｄに対応する反射物体までの距離と、信号強度ｓｓの三つの情報に基づいてｘ−ｚ映像が形成され、表示される。この表示画面は、伝播時間が等しいｙ軸（深度）方向の各位置に存在するすべての反射物体からの反射波の強度の総和となっている。また、これに隣接して、ｙ−ｚ映像が表示される。このｙ−ｚ映像は、鉛直面内の俯角θ2 と、反射物体までの距離及び反射信号の強度ｓｓの三つの情報に基づいて作成される。この表示は、伝播時間が同一のｘ方向の各位置に存在するすべての反射物体からの反射波の強度の総和に等しい。
【００５２】
図１の表示部ＤＩＳＰに表示される表示画面の他の一例を図５に示す。水平面内の方位角θ1 と、音波伝播時間ｔｄに対応する反射物体までの距離、及び信号強度ｓｓの三つの情報に基づきｘ−z 映像が形成され、表示される。また、このｘ−z 映像に隣接し、ｙ−ｚ映像が表示される。このｙ−ｚ映像は、鉛直面内の俯角θ2 と、反射物体までの距離及び信号強度ｓｓの三つの情報に基づいて作成される。信号強度ｓｓによって、表示される映像の色彩、輝度、濃淡などの属性が変化せしめられる。ここまでは、図４の表示画面と同じである。この表示画面の例では、さらに、前方の特定位置ＳＰについて過去に作成された映像が、時間ｔの関数として、ｘ−ｔ映像やｙ−ｔ映像として同時に表示される。この表示においては、最新の映像を常に端部に表示され、過去の映像がスクロールされて左方向に送られる。
【００５３】
図１の表示部ＤＩＳＰに表示される表示画面のさらに他の一例を図６に示す。水平面内の方位角θ1 と、音波伝播時間ｔｄに対応する反射物体までの距離および信号強度ｓｓの三つの情報に基づいて中央部にｘ−z 映像が形成され表示される。また、この表示画面の左右両側に隣接し、ｙ−ｚ映像１、ｙ−ｚ映像２が表示される。これらのｙ−ｚ映像１とｙ−ｚ映像２は、鉛直面内の俯角θ2 、反射物体までの距離および信号強度ｓｓの三つの情報に基づいて作成される。ｘ−z 映像内の左右の中心よりも左側の反射物体に対応する映像をｙ−ｚ映像１として左側に表示され、左右の中心よりも右側の反射物体に対応する映像がｙ−ｚ映像２として右側に表示される。
【００５４】
以上、超音波送波器が受波器を兼ねる構成を例示した。しかしながら、受波器と別個の送波器を設置する構成とすることもできる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の超音波探査装置は、送信素子が船舶の前方斜め下方に超音波ビームを放射し、複数の受信素子が船舶の前方で生じた反射波を受信可能に設置される構成であるから、少数の素子を用いて前方の水中の反射物体を立体表示できるという効果が奏される。
【００５６】
本発明によれば、複数の受信素子が船舶の舷側（ｘ軸）方向と深度（ｙ軸）方向のそれぞれの第１，第２の位置に配列され、このような２種類の軸と２種類の位置のどちらを配列されるかに応じて選択される４種類の対を形成する４個の受信素子から構成されるので、超音波送受波器の使用効率と感度とが向上するという利点がある。
【００５７】
本発明によれば、ｘ軸，ｙ軸方向の第１，第２の位置に配列された４種類の受信素子対の出力を加算する第１〜第４の加算回路と、第１，第２の加算回路の出力の位相差から反射物体の水平面内の方位角を算定する方位角算定部と、第３，第４の加算回路の出力の位相差から反射物体の鉛直面内の俯角を算定する俯角算定部とを備える構成であるから、前方の水中の反射物体の方位角と俯角とを同時に検出できるという効果が奏される。
【００５８】
本発明によれば、受信信号の振幅に応じた輝度や色彩や濃淡などの属性の像を、反射物体までの距離および方位角から定まる位置に反射物体の像としてｘ−ｚ平面上に表示する第１の画面表示手段と、同じく反射物体までの距離および俯角から定まる位置に反射物体の像としてｙ−ｚ平面上に表示する第２の画面表示手段とを備える構成であるから、検出した前方の反射物体の方位角と俯角とを直観的に容易に把握可能な状態でユーザに伝達できるという利点がある。
【００５９】
本発明の好適な実施の形態によれば、第１の画面表示手段が所定のｚ座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるｘーｔ表示画面上に表示する第３の画面表示手段と、第２の画面表示手段が所定のｚ座標位置に表示する反射物体の像を、時間の経過と共にスクロールされるｙーｔ表示画面上に表示する第４の画面表示手段とを備える構成であるから、検出した前方の反射物体の方位角と俯角とを過去のデータも含めて直観的に容易に把握可能な状態でユーザに伝達できるという効果が奏される。
【００６０】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記４個の受信素子の出力を加算することによって受信信号の振幅を検出する手段を備える構成であるから、大きな受信感度のもとで反射信号の振幅を表示でき、検出の確度と信頼性の向上を図ることでできるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】上記実施例の超音波探査装置における超音波送受波器の配置を例示する底面図である。
【図３】上記実施例の超音波探査装置における超音波送受波器の船底への取付けの状態を示す正面図と側面図である。
【図４】上記実施例の超音波探査装置における表示画面の一例を示す概念図である。
【図５】上記実施例の超音波探査装置における表示画面の他の一例を示す概念図である。
【図６】上記実施例の超音波探査装置における表示画面のさらに他の一例を示す概念図である。
【図７】超音波受信信号の位相差から反射物体の方位角を検出する超音波探査装置の原理を説明するための概念図である。
【図８】従来の位相差方式の超音波探査装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図９】従来の位相差方式の超音波探査装置における三次元表示画面の一例を示す概念図である。
【図１０】従来の位相差方式の超音波探査装置における送受波器の配置の一例を示す底面図である。
【図１１】従来の位相差方式の超音波探査装置における送受波器の船底への取付け状態を示す正面図と側面図である。
【図１２】従来例の位相差方式の超音波探査装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図１３】従来の位相差方式の超音波探査装置における三次元表示画面の一例を示す概念図である。
【符号の説明】
TD1-TD4       超音波受波素子（送受共用の超音波トランスジューサ）
CNT           制御部
TX            送信部
D1-D4         逆接続ダイオード
SC            信号変換部
AMP,AMP2      振幅算定部
ARG,ARG1,ARG2 位相差算定部
DISP          表示部
Ｑ            魚体
LPF1-LPF4     低域濾波器
M1-M4         乗算部
A1-A4         信号加算器
SP            特定位置
【図１】
0004061115.tif 000002
【図２】
0004061115.tif 000003
【図３】
0004061115.tif 000004
【図４】
0004061115.tif 000005
【図５】
0004061115.tif 000006
【図６】
0004061115.tif 000007
【図７】
0004061115.tif 000008
【図８】
0004061115.tif 000009
【図９】
0004061115.tif 000010
【図１０】
0004061115.tif 000011
【図１１】
0004061115.tif 000012
【図１２】
0004061115.tif 000013
【図１３】
0004061115.tif 000014