水中映像取得装置及び取得方法
【課題】受信信号のデータ量を低減し、電子回路規模の削減及び装置の小型化を可能とし、ノイズ及び高調波成分を抑制して、明瞭な水中音響画像を得る。
【解決手段】送波器104に入力する電気信号の周波数を変更して送波器104から放射される音波の送波ビームを水平方向または垂直方向にステアリングし、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備える。受波器は、送波器104のステアリング方向と直角な方向に分割された複数の受波素子105により構成され、受信された目標からの反射信号（受信信号）のそれぞれと、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号との2つの信号を掛け合わせることにより、各受波素子からの受信信号をある一定の周波数にダウンコンバートした受信信号とする複数のアクティブ・ミキサ107と、周波数変換された受信信号から水中映像を生成する信号処理／制御手段101とを備える。
【解決手段】送波器104に入力する電気信号の周波数を変更して送波器104から放射される音波の送波ビームを水平方向または垂直方向にステアリングし、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備える。受波器は、送波器104のステアリング方向と直角な方向に分割された複数の受波素子105により構成され、受信された目標からの反射信号（受信信号）のそれぞれと、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号との2つの信号を掛け合わせることにより、各受波素子からの受信信号をある一定の周波数にダウンコンバートした受信信号とする複数のアクティブ・ミキサ107と、周波数変換された受信信号から水中映像を生成する信号処理／制御手段101とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中映像取得装置及び取得方法に係り、特に、ソーナー、魚群探知機等の広帯域かつ周波数掃引される周波数の超音波を送受信して水中の映像を生成する水中映像取得装置及び取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾ素子等の電気音響変換素子により構成される超音波送波器に入力する電気信号の周波数を変更することによって超音波の送波ビームのステアリングを可能とする周波数掃引方式を適用し、目標からの反射音波を処理して映像化する水中映像取得装置の技術が、例えば、特許文献１等に記載されて知られている。この水中映像取得装置は、目標からの反射波を収束させる音響レンズを、送波器と同様にピエゾ素子等により構成される受波器の前面に備えることにより、効率的に水中映像を取得することができるようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５３５１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術による水中映像取得装置は、送波器に入力する電気信号の周波数を変更することによって超音波送波ビームのステアリングを可能とする周波数掃引方式を適用し、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備えることにより、効率的に音響画像を取得することができる装置であるが、受信信号のデータ量が多く、データ伝送を含む信号処理及び演算に要する電子回路規模が大きくなり、装置の小型・軽量化を困難とさせるという問題点を有している。
【０００５】
すなわち、従来技術で使用している周波数掃引方式は、送波ビームを周波数でステアリングするため、受信周波数の使用周波数帯域幅が、この方式の原理上、下限周波数をｆａとすると、上限周波数が約２×ｆａとなり、ｆａ〜２×ｆａの帯域幅になる。このため、送波器、受波器及び受信回路には、この使用周波数帯域幅の信号を送受信すべく広帯域な特性が要求される。しかし、前述した従来技術による装置は、送波器、受波器の周波数毎に異なる出力レベルを効果的に補正し、送受波音響性能を最適にする手段がなく、ノイズ及び高調波成分が取得した音響画像に表示され、音響画像を不明瞭なものにしてしまうという問題点を生じさせている。
【０００６】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、受信信号のデータ量を低減し、電子回路規模の削減及び装置の小型化を可能とすると共に、ノイズ及び高調波成分を抑制し、送受波音響性能を最適にすることにより、明瞭な音響画像を得ることができるようにした水中映像取得装置及び取得方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば前記目的は、送波器に入力する電気信号の周波数を変更する周波数掃引方式を用いて前記送波器から放射される音波の送波ビームを水平方向または垂直方向にステアリングし、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備えた水中映像取得装置において、前記受波器は、前記送波器のステアリング方向と直角な方向に分割された複数の受波素子により構成され、前記複数の受波素子により受信された目標からの反射信号（受信信号）のそれぞれと、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号との２つの信号を掛け合わせることにより、各受波素子からの受信信号をある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）した受信信号とする複数のアクティブ・ミキサと、一定の周波数に周波数変換された受信信号から水中映像を生成する信号処理／制御手段とを備えることにより達成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電子回路規模の削減及び装置の小型化を図ることができ、明瞭な音響画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による水中映像取得装置の構成を示すブロック図である。
【図２】周波数掃引方式を適用した送波器、受波器の動作原理を説明する図である。
【図３】周波数掃引方式での超音波の送波ビームの方位について説明する図である。
【図４】送波器、受波器の周波数毎の出力レベル誤差の例について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明による水中映像取得装置及び取得方法の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態による水中映像取得装置の構成を示すブロック図、図２は周波数掃引方式を適用した送波器、受波器の動作原理を説明する図、図３は周波数掃引方式での超音波の送波ビームの方位について説明する図、図４は送波器、受波器の周波数毎の出力レベル誤差の例について説明する図である。
【００１２】
図１に示す本発明の実施形態による水中映像取得装置の構成を説明する前に、まず、図３を参照して周波数掃引方式での超音波の送波ビームの方位について説明する。
【００１３】
本発明の実施形態に使用する送波器は、図３に示すように、極性を交互に反転させて複数の電気音響変換素子を水平方向に配列して構成されている。この電気音響変換素子は、例えば、チタン酸バリウム等により構成される。なお、図３には電気音響変換素子が２列水平方向に配列されているとして示しているが、１列であってもよい。
【００１４】
前述のように構成される送波器は、前述の複数の電気音響変換素子の全てに、送信回路から異なる周波数の送信電気信号（周波数掃引された送信電気信号）が入力されるだけで、送波ビームをステアリングすることができる。また、図示送波器から送信される超音波は、その送信方位によって周波数が異なるため、受信側では、目標からの反射信号を音響レンズ及び受波器で受波し、その受信信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）するだけで受波方位に分離することができる。
【００１５】
なお、本発明の実施形態で使用する超音波信号の周波数帯域幅は、すでに説明したように、その原理上、下限周波数をｆａとすると、上限周波数が約２×ｆａとなり、ｆａ〜２×ｆａの帯域幅になる。
【００１６】
いま、送波器及び受波器の使用周波数範囲における下限周波数を５００ｋＨｚとすると、上限周波数は１ＭＨｚとなる。この場合、送波器に対する制御部からの制御に従い送信回路が周波数ｆ１として１ＭＨｚの送信電気信号を送波器に入力すると、超音波送波ビームは、図３に示すように、矢印（Ａ）の方向に送出され、周波数ｆ２が５００ｋＨｚの送信電気信号を送波器に入力すると、超音波送波ビームは、矢印（Ｂ）の方向に送出される。
【００１７】
前述から判るように、送波器に送信電気信号を入力する送信回路が周波数ｆ１〜ｆ２まで周波数を変化させながら送信電気信号を送波器に入力すると、送波器は、周波数の変化に従って図３に模式的に示しているように、狭い扇形のビームを水平方向に（Ａ）から（Ｂ）の方向にステアリングさせながら超音波ビームを送信し、所定の角度範囲の水平方向に対してビームの照射を行うことになる。なお、周波数ｆ１〜ｆ２まで周波数を変化させながら送信電気信号を送波器に入力すると、送波器は、図３に示すように、水平方向に対して素子の中心から角度θだけ偏倚した２群の照射範囲を形成するが、従来技術として知られているように、いずれか一方を不使用とすることができ、また、より広い連続した照射範囲を得たい場合には、２組の送波器を所定の角度だけずらせて配置し、超音波の照射範囲を２組の送波器からの照射範囲が連続するようにすればよい。また、前述において、送波器が周波数の変化に従って放射する水平方向の狭い扇形の超音波ビームは、垂直方向（図３を描いている紙面に対して垂直な方向）に対して広い範囲を照射している。これにより、水中映像を取得しようとしている目標物の水平方向、垂直方向の所定の範囲に対して超音波ビームを照射することができる。
【００１８】
そして、目標物に照射されて反射した超音波信号は、受波器の前面に設けられた音響レンズを介して、送波器と同様に複数の電気音響変換素子を配列して構成した受波器に収束される。もし、目標物が図３に示す矢印（Ａ）の位置にある場合、周波数１ＭＨｚの超音波の反射波が受波器に到来し、目標物が矢印（Ｂ）の位置にある場合、周波数５００ｋＨｚの超音波の反射波が受波器に到来することになる。
【００１９】
前述で説明した従来技術は、受波器により音響電気変換された電気信号（受信信号）を、５００ｋＨｚから１ＭＨｚの広帯域な受信周波数を保持した状態で、受信を行えるように受信回路を構成し信号処理を実施する必要があった。
【００２０】
この場合、受波器を構成する各振動子（電気音響変換素子）のそれぞれからのアナログ受信信号に対して信号処理を実施するため、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器のサンプリング周波数は、扱う信号周波数の２倍、説明している例では、２ＭＨｚ以上が必要となり、変換されたデジタル信号のデータ量が膨大となって、回路規模の増大を招いていた。なお、ここで示すデジタル信号のデータ量は、受波器の振動子の数、ＡＤ変換器のビット数、サンプリング周波数を掛け合わせた値で定義されるものである。
【００２１】
そして、広帯域な受信信号、高速なサンプリング周波数及びクロック周波数は、受信回路内において、ノイズ及び高調波成分を発生させる要因であり、その結果、得られた映像にノイズ及び高調波成分が重畳されることとなり、取得した音響画像を不明瞭なものとしてしまっていた。
【００２２】
そこで、本発明の実施形態では、受波器の複数の振動子のそれぞれから受信回路に入力される目標からの反射信号（受信信号）と、その受信信号の周波数、すなわち、送信周波数に応じて周波数設定された局部発振器信号（ＬＯ信号）との２信号を、アクティブ・ミキサにより掛け合わせることによって、ある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）した信号を受信信号として処理することとしている。
【００２３】
ここで、アクティブ・ミキサの動作について説明すると、次のようになる。すなわち、
いま、受信信号をａ（ｔ）、ＬＯ信号をｂ（ｔ）、それぞれの周波数をｆ１、ｆ２（ｆ１＞ｆ２）、信号ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）の振幅をＡ、Ｂとし、周波数を単一正弦波であるω１＝２πｆ１、ω２＝２πｆ２とすると、受信信号ａ（ｔ）、ＬＯ信号ｂ（ｔ）は、
ａ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（ω１ｔ） ……（１）
ｂ（ｔ）＝Ｂｓｉｎ（ω２ｔ） ……（２）
として表すことができる。
【００２４】
そして、この２つの信号を、アクティブ・ミキサに入力して掛け合わせると、
ａ（ｔ）×ｂ（ｔ）＝ＡＢ・ｓｉｎ（ω１ｔ）・ｓｉｎ（ω２ｔ）
＝ＡＢ／２・［ｃｏｓ（ω１−ω２）ｔ−ｃｏｓ（ω１＋ω２）ｔ］ ……（３）
となる。
【００２５】
この（３）式から判るように、２つの信号ａ（ｔ）とｂ（ｔ）とをアクティブ・ミキサにより掛け合わせることによって、信号ａ（ｔ）と信号ｂ（ｔ）との和及び差の周波数成分が生み出される。
【００２６】
本発明の実施形態ではアクティブ・ミキサにより掛け合わせて得られる和及び差の周波数成分の信号の差側の信号をある一定の周波数となるように周波数変換（ダウンコンバーティング）することとする。そのため、受信信号の周波数、すなわち、送信周波数に応じてアクティブ・ミキサからの差側の信号が一定の周波数となるように周波数設定された局部発振器信号（ＬＯ信号）を用意する。
【００２７】
例えば、送信周波数、すなわち、受信信号の周波数が１ＭＨｚのとき、ＬＯ信号の周波数を９００ｋＨｚに設定する。このとき（３）式により、アクティブ・ミキサ処理後の差の周波数成分を持つ受信信号の周波数は１００ｋＨｚになる。また、送信周波数、すなわち、受信信号の周波数が５００ｋＨｚのとき、ＬＯ信号の周波数を４００ｋＨｚに設定する。このとき（３）式により、アクティブ・ミキサ処理後の差の周波数成分を持つ受信信号の周波数は１００ｋＨｚになる。このことから判るように、送信周波数を１ＭＨｚから５００ｋＨｚに連続して変化させていって超音波ビームを水平方向にステアリングさせて映像を作成する場合、ＬＯ信号の周波数を９００ｋＨｚから４００ｋＨｚに連続して変化させると、送信周波数の変化にかかわらず、アクティブ・ミキサからは、その差の周波数成分を持つ受信信号として、周波数が変化しない周波数１００ｋＨｚの信号を得ることができることになる。
【００２８】
前述したように、受信信号に対して、ある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）を行うことにより、受波器の振動子毎に必要であるＡＤ変換器のサンプリング周波数を下げることが可能となる。
【００２９】
ちなみに、従来技術の場合には、上限周波数１ＭＨｚの受信信号をＡＤ変換器によりデジタル信号に変換するためには、２ＭＨｚ以上のサンプリング周波数が必要であったのに対して、本発明の実施形態では、前述で説明したように、上限周波数１ＭＨｚの受信信号をアクティブ・ミキサにより、１００ｋＨｚに周波数変換することにより、ＡＤ変換器のサンプリング周波数を２００ｋＨｚにすることができ、受信回路、演算を含む信号処理に要するデータの量を１／１０程度に削減することが可能となる。
【００３０】
次に、図２を参照して周波数掃引方式を適用した送波器、受波器の動作と、受波器により得た受信信号から２次元静止画像を形成する方法とについて説明する。
【００３１】
なお、図２（ａ）は図３により説明した周波数掃引方式での超音波の送波ビームの方位と周波数掃引によりステアリングされた送波ビームの反射波を受波器が音響レンズを介して受信する様子を説明する図であり、図２（ｂ）は２次元静止画像を形成する方法を説明する図である。
【００３２】
図２（ａ）の上段左側には、周波数掃引方式での水平方向への超音波の異なる周波数での送波ビーム（狭ビーム）が周波数掃引されてステアリングされて全体で３０度の動作セクタ範囲に照射される様子を示している。これらの各照射送波ビーム（狭ビーム）からの反射波が音響レンズを介して受波器に入力される様子を図２（ａ）の上段右側に示している。ここで、受波器としては、音響レンズによる収束特性に合わせた受波器アレイ（素子アレイ）により形成されたのものが用意される。この場合、受波器のチャネル分割はなく、周波数により決まる音波到来方位からの周波数の受信信号が受波器に入力されて検出されることになる。
【００３３】
また、図２（ａ）の下段左側には、水平方向への超音波の異なる周波数での送波ビーム（狭ビーム）のそれぞれが垂直方向へビームの照射を行う様子を示している。図３によりすでに説明したように、前述の狭ビームは、垂直方向に対して広い範囲（図２（ａ）に示す例では３０度の動作セクタ範囲）を照射している。このような照射送波ビームからの反射波が音響レンズを介して受波器に入力される様子を図２（ａ）の下段右側に示している。ここで、受波器としては、音響レンズによる収束特性を合わせた受波器アレイ（素子アレイ）により形成されたのものが用意される。この場合、受波器は、チャネル分割されたものが使用される。図２（ａ）に示す例では６４分割、すなわち、受波器は６４個の受波素子による受波器アレイにより構成されているものとしている。そして、音波到来方位に依存した音響レンズにより、音波到来方位に依存して音線が収束されるので、６４分割されたチャネルの各受波素子からの信号を検出することにより、反射された超音波信号の到来方位を算出することができる。
【００３４】
図２（ａ）で説明したように、図３に示した送波器からの扇形の超音波ビームを目標物体に向け放射すると、送波器の各素子から放射された音波の合成波面は、その周波数により定まる方向に形成される。このため、周波数を掃引することによりビームをステアリングさせ、動作セクタ全体を照射することができる。この超音波照射を受けた物体面からの反射波は、音響レンズと受波器とにより音響像として結像させられることになる。
【００３５】
図２（ａ）に示すようにして受波器が反射波を受信するが、次に、図２（ｂ）を参照して、受波器の受信信号から２次元静止画像を形成する方法を説明する。
【００３６】
受波器は、図２（ｂ）に示すように垂直方向に６４分割されて複数の受波素子により構成されており、各受波素子からのｃｈ出力のそれぞれを周波数分析すると周波数成分に対応して、物体の水平方向の各位置からの反射波の受信信号が得られる。また、垂直方向の位置は、分割した各受波素子の位置に対応しているので、各受波素子に対応して、物体の垂直方向の各位置からの反射波の受信信号として得られることになる。
【００３７】
図２（ｂ）左側には、Ｈ型の目標物に前述までに説明したようにして超音波を照射した場合の反射波の各受波素子が周波数掃引によりステアリングされて、水平方向の反射波を受信する様子を示しており、また、図２（ｂ）右側には、各受波素子での掃引周波数（水平方向位置）対応の受信信号の受信レベルを示している。本発明の実施形態では、各ｃｈ毎のこのような受信信号の全てを合成して処理することにより、目標物の画像を取得することができる。
【００３８】
ところで、本発明の実施形態のように周波数掃引方式を適用して水中映像取得装置を構成する場合、広帯域な使用周波数帯域幅が要求される送波器及び受波器において、周波数毎に出力レベルに誤差が生じる。この周波数毎に生じるレベル誤差が、不明瞭な音響画像を生成してしまう要因の１つであった。
【００３９】
誤差を抑制する方法として、電気的な整合回路を用いて送受波器の共振周波数を変化させる方法、送信周波数毎に送信信号の振幅レベルに対して重み付けする方法、また、デジタル信号に変換された後の受信信号に対して周波数毎にレベル補正を行う方法等がある。但し、前述の各方法は、誤差を抑制することができるものの、ＳＮ比の改善を図ることができず、感度が低下する、使用周波数範囲外に雑音が生じる、回路規模が大きくなる等の短所も有している。
【００４０】
そこで、本発明の実施形態では、送受信周波数毎にアクティブ・ミキサの変換利得（ＬＯ信号の振幅レベル）を調整することにより、送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルを補正することとしている。なお、アクティブ・ミキサは、トランジスタ、ＦＥＴ等の能動素子を用いて構成されているものとする。
【００４１】
次に、本発明の実施形態において、周波数掃引される周波数毎に生じる送波器及び受波器の出力レベル誤差を抑制する方法について説明する。
【００４２】
送波器、受波器の周波数毎の出力レベル誤差の例について説明する図４に示すように、例えば、送波器、受波器が、送信周波数６００ｋＨｚのとき最大出力レベル、８００ｋＨｚのとき最小出力レベルとなるような特性を持つものとする。このような特性を持った送波器から超音波の送波ビームを送出した場合、受波器から受信回路に入力される目標からの反射信号（受信信号）は、仮に、受波器が周波数毎のレベル誤差がないとしたとき、６００ｋＨｚのとき最大信号レベル、８００ｋＨｚのとき最小信号レベルの信号となることが容易に理解できる。
【００４３】
そこで、本発明の実施形態では、送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルが補正できるように、前述で説明した（３）式に示すＬＯ信号の振幅レベルＢの値を、送受信周波数に合わせて調整することとしている。その結果、目標からの反射信号（受信信号）と送受信周波数毎に振幅レベル設定されたＬＯ信号とを、アクティブ・ミキサにより掛け合わせることによって、処理後の受信信号の周波数特性を平坦なものとすることができ、明瞭な音響画像の取得が可能となる。
【００４４】
前述において、本発明の実施形態は、アクティブ・ミキサによりある一定の周波数に周波数変換し、かつ、送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルを補正するようにしているものであることを説明した。但し、（３）式に示すように、アクティブ・ミキサの処理後には、差の周波数成分だけでなく和の周波数成分が発生する。
【００４５】
本発明の実施形態で必要なのは、差の周波数成分のみであるため、アクティブ・ミキサの出力側には、オペアンプ、コンデンサ及び抵抗により構成される差の周波数成分だけを通過させるアクティブ通過フィルタを設け、不要な信号、ノイズ及び高調波成分を除去している。また、超音波が到達した距離による受信信号の減衰は、制御信号によって増幅率を設定できる可変利得増幅器により、補正を施すこととする。
【００４６】
次に、前述で説明したような考察に基づいて構成した本発明の実施形態による水中映像取得装置の構成を図１を参照して説明する。
【００４７】
本発明の実施形態による水中映像取得装置は、送信信号の生成及び局部発振器信号（ＬＯ信号）の周波数、振幅レベルの設定を行う信号処理／制御部１０１と、信号処理／制御部１０１で生成された送信信号を所定の大きさまで増幅する送信回路１０２と、送信回路１０２からの信号の電力増幅を行う増幅器１０３と、増幅器１０３からの信号を超音波に変換して水中に放射する送波器１０４と、送波器１０４から放射された超音波の反射波を受信する受波器を、図示しない音響レンズと共に構成する複数の受波素子１０５（図２により説明した例の場合６４個設けられ、各受波素子は、垂直方向の異なる６４方向からの超音波信号を受信する）と、複数の受波素子１０５のそれぞれに接続され、各受波素子１０５からの電気的な受信信号を増幅する複数の初段増幅器１０６と、各初段増幅器１０６からの出力信号及び局部発信器信号（ＬＯ信号）が入力されて周波数変換を行うオペアンプ、コンデンサ及び抵抗により構成される複数のアクティブ・ミキサ１０７と、各アクティブ・ミキサ１０７の出力からダウンコンバーティングされた所定の周波数の出力信号を通過させる複数の帯域通過型アクティブ・フィルタ（ＢＰＦ）１０８と、各ＢＰＦ１０８からの信号を受けその信号が、超音波の照射、反射による伝播距離による減衰を受けて減衰しているのを補償するために、各ＢＰＦ１０８からの信号を可変増幅する複数の可変利得増幅器１０９と、各可変利得増幅器１０９からのアナログ信号をデジタル信号に変換する複数のＡＤ変換器１１０と、複数のＡＤ変換器１１０からのデジタル信号を多重化するデータ多重化部１１１と、データ多重化部１１１からのデジタル電気信号を光信号に変換して光ファイバーによる信号ケーブルを介して信号処理／制御部１０１に送信し、信号処理／制御部１０１からの光信号をデジタル電気信号に変換するＥＯ変換器１１２と、信号処理／制御部１０１からの指示に従って、周波数、振幅レベルの設定を行って局部発信器信号（ＬＯ信号）を生成する局部発振器１１３と、信号処理／制御部１０１からの指示に従って、可変利得増幅器１０９の増幅度を制御する制御信号を生成する制御信号生成部１１４とにより構成される。
【００４８】
前述において、信号処理／制御部１０１は、送信信号を生成すると共に、局部発振器信号（ＬＯ信号）の周波数及び振幅レベルの設定、及び、可変利得増幅器１０９の増幅度の設定を行う。送信信号は、送信回路１０２により増幅された後、増幅器１０３により電力増幅された後、信号ケーブルを介して送波器１０４に供給されて電気音響変換されることにより、音響媒体である水中に超音波として送出される。局部発振器信号（ＬＯ信号）の周波数及び振幅レベルの設定を行う設定信号は、局部発振器１１３に入力され、局部発振器１１３に図４で説明した送波器及び受波器の周波数特性を補償する振幅レベルを持ち、周波数掃引されている送信信号の周波数を所定の周波数に変換するための周波数を持ったＬＯ信号を生成させる。また、可変利得増幅器１０９の増幅度の設定を行う指示信号は、制御信号生成部１１４に入力され、制御信号生成部１１４に可変利得増幅器１０９の増幅度の設定を行う制御信号を生成させる。
【００４９】
また、受波器を構成する複数の受波素子１０５のそれぞれにより音響電気変換された電気信号（受信信号）は、初段増幅１０６、局部発振器１１３、アクティブ・ミキサ１０７、ＢＰＦフィルタ１０８、可変利得増幅器１０９、ＡＤ変換器１１０を含む受信回路により受信され、データ多重化部１１１、ＥＯ変換器１１２を経て、信号ケーブルを介して、信号処理／制御部に渡されてＯＥ変換、演算処理等が加えられて表示装置に表示されることになる。
【００５０】
本発明の実施形態は、周波数掃引方式を採用しているため、水平方位（送波器の向きを垂直に変えれば垂直方位となる）により送出された超音波の周波数が掃引されて異なっており、受波素子１０５の１つで受信された電気信号を周波数分析（ＦＦＴ）することにより、図２（ａ）の上段、図２（ｂ）で説明したように、水平方向の１ｃｈ分の画像が得られる。
【００５１】
すなわち、目標物で反射した超音波は、音響レンズを介して受波器の各受波素子１０５に収束される。もし、目標が送波周波数ｆ１の位置にある場合は、周波数ｆ１の反射波が、目標が送波周波数ｆｎの位置にある場合は、周波数ｆｎの反射波が、受波器に到来して音響電気変換されることになって、水平方向の１ｃｈ分の画像が得られることになる。
【００５２】
一方、垂直方向からの反射波は、音響レンズにより、受波器を構成する複数の受波素子１０５へその超音波が収束されるが、この収束位置が垂直方位により異なっている。従って、収束位置毎に受波器を垂直方向にｃｈ分割して配置することにより、各受波素子１０５から垂直方位を分割した画像を、図２（ａ）の下段、図２（ｂ）で説明したように得ることができる。
【００５３】
前述したように、本発明の実施形態によれば、前述で説明した水平方向の１ｃｈ分の画像と、垂直方位を分割した画像とから２次元の音響画像を取得することができる。
【００５４】
前述までに説明した本発明の実施形態によれば、送波器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波ビームのステアリングを可能とする周波数掃引方式を適用し、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備え、目標からの反射信号（受信信号）と、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号（ＬＯ信号）の２信号を、アクティブ・ミキサにより掛け合わせることによって、受信信号をある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）することにより、受信信号のデータ量を低減することができる。本発明の実施形態によれば、これにより、水中映像取得装置における電子回路規模及びデータ量を低減し、装置を小型化することが可能となると共に、ノイズ及び高調波成分を抑制し、送受波音響性能を最適にすることにより、明瞭な音響画像を得ることができる。
【００５５】
また、前述した本発明の実施形態によれば、受信信号に対して周波数変換（ダウンコンバーティング）を行っていることにより、受波器の振動子（受波素子）毎に必要であるＡＤ変換器のサンプリング周波数を下げることが可能となり、デジタル変換された受信信号のデータ量を削減することができ、また、データ伝送を含む信号処理及び演算に要する回路規模を削減することが可能となる。
【００５６】
また、前述した本発明の実施形態によれば、送受信周波数毎にアクティブ・ミキサの変換利得（ＬＯ信号の振幅レベル）を調整することとしているので、送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルを補正し、使用周波数範囲内の特性を平坦にし、かつ、ＳＮ比の向上を図ることができ、ひいては、取得する音響画像の明瞭化を図ることができる。
【００５７】
さらに、前述した本発明の実施形態によれば、周波数変換及び周波数毎に異なる出力レベルを補正した受信信号に対し、制御信号によって増幅率を設定できる可変利得増幅器により、超音波が到達した距離による減衰の補正を施し、かつ、ＢＰＦを有することにより、ある一定の周波数に周波数変換された受信信号のみを通過させ、不要な信号、ノイズ及び高調波成分を除去し、電子回路の規模を最小限の大きさとして、取得する音響画像の明瞭化を図ることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０１ 信号処理／制御部
１０２ 送信回路
１０３ 増幅器
１０４ 送波器
１０５ 受波素子
１０６ 初段増幅器
１０７ アクティブ・ミキサ
１０８ 帯域通過型アクティブ・フィルタ（ＢＰＦ）
１０９ 可変利得増幅器
１１０ ＡＤ変換器
１１１ データ多重化部
１１２ ＥＯ変換器
１１３ 局部発振器
１１４ 制御信号生成部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中映像取得装置及び取得方法に係り、特に、ソーナー、魚群探知機等の広帯域かつ周波数掃引される周波数の超音波を送受信して水中の映像を生成する水中映像取得装置及び取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾ素子等の電気音響変換素子により構成される超音波送波器に入力する電気信号の周波数を変更することによって超音波の送波ビームのステアリングを可能とする周波数掃引方式を適用し、目標からの反射音波を処理して映像化する水中映像取得装置の技術が、例えば、特許文献１等に記載されて知られている。この水中映像取得装置は、目標からの反射波を収束させる音響レンズを、送波器と同様にピエゾ素子等により構成される受波器の前面に備えることにより、効率的に水中映像を取得することができるようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５３５１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術による水中映像取得装置は、送波器に入力する電気信号の周波数を変更することによって超音波送波ビームのステアリングを可能とする周波数掃引方式を適用し、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備えることにより、効率的に音響画像を取得することができる装置であるが、受信信号のデータ量が多く、データ伝送を含む信号処理及び演算に要する電子回路規模が大きくなり、装置の小型・軽量化を困難とさせるという問題点を有している。
【０００５】
すなわち、従来技術で使用している周波数掃引方式は、送波ビームを周波数でステアリングするため、受信周波数の使用周波数帯域幅が、この方式の原理上、下限周波数をｆａとすると、上限周波数が約２×ｆａとなり、ｆａ〜２×ｆａの帯域幅になる。このため、送波器、受波器及び受信回路には、この使用周波数帯域幅の信号を送受信すべく広帯域な特性が要求される。しかし、前述した従来技術による装置は、送波器、受波器の周波数毎に異なる出力レベルを効果的に補正し、送受波音響性能を最適にする手段がなく、ノイズ及び高調波成分が取得した音響画像に表示され、音響画像を不明瞭なものにしてしまうという問題点を生じさせている。
【０００６】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、受信信号のデータ量を低減し、電子回路規模の削減及び装置の小型化を可能とすると共に、ノイズ及び高調波成分を抑制し、送受波音響性能を最適にすることにより、明瞭な音響画像を得ることができるようにした水中映像取得装置及び取得方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば前記目的は、送波器に入力する電気信号の周波数を変更する周波数掃引方式を用いて前記送波器から放射される音波の送波ビームを水平方向または垂直方向にステアリングし、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備えた水中映像取得装置において、前記受波器は、前記送波器のステアリング方向と直角な方向に分割された複数の受波素子により構成され、前記複数の受波素子により受信された目標からの反射信号（受信信号）のそれぞれと、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号との２つの信号を掛け合わせることにより、各受波素子からの受信信号をある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）した受信信号とする複数のアクティブ・ミキサと、一定の周波数に周波数変換された受信信号から水中映像を生成する信号処理／制御手段とを備えることにより達成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電子回路規模の削減及び装置の小型化を図ることができ、明瞭な音響画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による水中映像取得装置の構成を示すブロック図である。
【図２】周波数掃引方式を適用した送波器、受波器の動作原理を説明する図である。
【図３】周波数掃引方式での超音波の送波ビームの方位について説明する図である。
【図４】送波器、受波器の周波数毎の出力レベル誤差の例について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明による水中映像取得装置及び取得方法の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態による水中映像取得装置の構成を示すブロック図、図２は周波数掃引方式を適用した送波器、受波器の動作原理を説明する図、図３は周波数掃引方式での超音波の送波ビームの方位について説明する図、図４は送波器、受波器の周波数毎の出力レベル誤差の例について説明する図である。
【００１２】
図１に示す本発明の実施形態による水中映像取得装置の構成を説明する前に、まず、図３を参照して周波数掃引方式での超音波の送波ビームの方位について説明する。
【００１３】
本発明の実施形態に使用する送波器は、図３に示すように、極性を交互に反転させて複数の電気音響変換素子を水平方向に配列して構成されている。この電気音響変換素子は、例えば、チタン酸バリウム等により構成される。なお、図３には電気音響変換素子が２列水平方向に配列されているとして示しているが、１列であってもよい。
【００１４】
前述のように構成される送波器は、前述の複数の電気音響変換素子の全てに、送信回路から異なる周波数の送信電気信号（周波数掃引された送信電気信号）が入力されるだけで、送波ビームをステアリングすることができる。また、図示送波器から送信される超音波は、その送信方位によって周波数が異なるため、受信側では、目標からの反射信号を音響レンズ及び受波器で受波し、その受信信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）するだけで受波方位に分離することができる。
【００１５】
なお、本発明の実施形態で使用する超音波信号の周波数帯域幅は、すでに説明したように、その原理上、下限周波数をｆａとすると、上限周波数が約２×ｆａとなり、ｆａ〜２×ｆａの帯域幅になる。
【００１６】
いま、送波器及び受波器の使用周波数範囲における下限周波数を５００ｋＨｚとすると、上限周波数は１ＭＨｚとなる。この場合、送波器に対する制御部からの制御に従い送信回路が周波数ｆ１として１ＭＨｚの送信電気信号を送波器に入力すると、超音波送波ビームは、図３に示すように、矢印（Ａ）の方向に送出され、周波数ｆ２が５００ｋＨｚの送信電気信号を送波器に入力すると、超音波送波ビームは、矢印（Ｂ）の方向に送出される。
【００１７】
前述から判るように、送波器に送信電気信号を入力する送信回路が周波数ｆ１〜ｆ２まで周波数を変化させながら送信電気信号を送波器に入力すると、送波器は、周波数の変化に従って図３に模式的に示しているように、狭い扇形のビームを水平方向に（Ａ）から（Ｂ）の方向にステアリングさせながら超音波ビームを送信し、所定の角度範囲の水平方向に対してビームの照射を行うことになる。なお、周波数ｆ１〜ｆ２まで周波数を変化させながら送信電気信号を送波器に入力すると、送波器は、図３に示すように、水平方向に対して素子の中心から角度θだけ偏倚した２群の照射範囲を形成するが、従来技術として知られているように、いずれか一方を不使用とすることができ、また、より広い連続した照射範囲を得たい場合には、２組の送波器を所定の角度だけずらせて配置し、超音波の照射範囲を２組の送波器からの照射範囲が連続するようにすればよい。また、前述において、送波器が周波数の変化に従って放射する水平方向の狭い扇形の超音波ビームは、垂直方向（図３を描いている紙面に対して垂直な方向）に対して広い範囲を照射している。これにより、水中映像を取得しようとしている目標物の水平方向、垂直方向の所定の範囲に対して超音波ビームを照射することができる。
【００１８】
そして、目標物に照射されて反射した超音波信号は、受波器の前面に設けられた音響レンズを介して、送波器と同様に複数の電気音響変換素子を配列して構成した受波器に収束される。もし、目標物が図３に示す矢印（Ａ）の位置にある場合、周波数１ＭＨｚの超音波の反射波が受波器に到来し、目標物が矢印（Ｂ）の位置にある場合、周波数５００ｋＨｚの超音波の反射波が受波器に到来することになる。
【００１９】
前述で説明した従来技術は、受波器により音響電気変換された電気信号（受信信号）を、５００ｋＨｚから１ＭＨｚの広帯域な受信周波数を保持した状態で、受信を行えるように受信回路を構成し信号処理を実施する必要があった。
【００２０】
この場合、受波器を構成する各振動子（電気音響変換素子）のそれぞれからのアナログ受信信号に対して信号処理を実施するため、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器のサンプリング周波数は、扱う信号周波数の２倍、説明している例では、２ＭＨｚ以上が必要となり、変換されたデジタル信号のデータ量が膨大となって、回路規模の増大を招いていた。なお、ここで示すデジタル信号のデータ量は、受波器の振動子の数、ＡＤ変換器のビット数、サンプリング周波数を掛け合わせた値で定義されるものである。
【００２１】
そして、広帯域な受信信号、高速なサンプリング周波数及びクロック周波数は、受信回路内において、ノイズ及び高調波成分を発生させる要因であり、その結果、得られた映像にノイズ及び高調波成分が重畳されることとなり、取得した音響画像を不明瞭なものとしてしまっていた。
【００２２】
そこで、本発明の実施形態では、受波器の複数の振動子のそれぞれから受信回路に入力される目標からの反射信号（受信信号）と、その受信信号の周波数、すなわち、送信周波数に応じて周波数設定された局部発振器信号（ＬＯ信号）との２信号を、アクティブ・ミキサにより掛け合わせることによって、ある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）した信号を受信信号として処理することとしている。
【００２３】
ここで、アクティブ・ミキサの動作について説明すると、次のようになる。すなわち、
いま、受信信号をａ（ｔ）、ＬＯ信号をｂ（ｔ）、それぞれの周波数をｆ１、ｆ２（ｆ１＞ｆ２）、信号ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）の振幅をＡ、Ｂとし、周波数を単一正弦波であるω１＝２πｆ１、ω２＝２πｆ２とすると、受信信号ａ（ｔ）、ＬＯ信号ｂ（ｔ）は、
ａ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（ω１ｔ） ……（１）
ｂ（ｔ）＝Ｂｓｉｎ（ω２ｔ） ……（２）
として表すことができる。
【００２４】
そして、この２つの信号を、アクティブ・ミキサに入力して掛け合わせると、
ａ（ｔ）×ｂ（ｔ）＝ＡＢ・ｓｉｎ（ω１ｔ）・ｓｉｎ（ω２ｔ）
＝ＡＢ／２・［ｃｏｓ（ω１−ω２）ｔ−ｃｏｓ（ω１＋ω２）ｔ］ ……（３）
となる。
【００２５】
この（３）式から判るように、２つの信号ａ（ｔ）とｂ（ｔ）とをアクティブ・ミキサにより掛け合わせることによって、信号ａ（ｔ）と信号ｂ（ｔ）との和及び差の周波数成分が生み出される。
【００２６】
本発明の実施形態ではアクティブ・ミキサにより掛け合わせて得られる和及び差の周波数成分の信号の差側の信号をある一定の周波数となるように周波数変換（ダウンコンバーティング）することとする。そのため、受信信号の周波数、すなわち、送信周波数に応じてアクティブ・ミキサからの差側の信号が一定の周波数となるように周波数設定された局部発振器信号（ＬＯ信号）を用意する。
【００２７】
例えば、送信周波数、すなわち、受信信号の周波数が１ＭＨｚのとき、ＬＯ信号の周波数を９００ｋＨｚに設定する。このとき（３）式により、アクティブ・ミキサ処理後の差の周波数成分を持つ受信信号の周波数は１００ｋＨｚになる。また、送信周波数、すなわち、受信信号の周波数が５００ｋＨｚのとき、ＬＯ信号の周波数を４００ｋＨｚに設定する。このとき（３）式により、アクティブ・ミキサ処理後の差の周波数成分を持つ受信信号の周波数は１００ｋＨｚになる。このことから判るように、送信周波数を１ＭＨｚから５００ｋＨｚに連続して変化させていって超音波ビームを水平方向にステアリングさせて映像を作成する場合、ＬＯ信号の周波数を９００ｋＨｚから４００ｋＨｚに連続して変化させると、送信周波数の変化にかかわらず、アクティブ・ミキサからは、その差の周波数成分を持つ受信信号として、周波数が変化しない周波数１００ｋＨｚの信号を得ることができることになる。
【００２８】
前述したように、受信信号に対して、ある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）を行うことにより、受波器の振動子毎に必要であるＡＤ変換器のサンプリング周波数を下げることが可能となる。
【００２９】
ちなみに、従来技術の場合には、上限周波数１ＭＨｚの受信信号をＡＤ変換器によりデジタル信号に変換するためには、２ＭＨｚ以上のサンプリング周波数が必要であったのに対して、本発明の実施形態では、前述で説明したように、上限周波数１ＭＨｚの受信信号をアクティブ・ミキサにより、１００ｋＨｚに周波数変換することにより、ＡＤ変換器のサンプリング周波数を２００ｋＨｚにすることができ、受信回路、演算を含む信号処理に要するデータの量を１／１０程度に削減することが可能となる。
【００３０】
次に、図２を参照して周波数掃引方式を適用した送波器、受波器の動作と、受波器により得た受信信号から２次元静止画像を形成する方法とについて説明する。
【００３１】
なお、図２（ａ）は図３により説明した周波数掃引方式での超音波の送波ビームの方位と周波数掃引によりステアリングされた送波ビームの反射波を受波器が音響レンズを介して受信する様子を説明する図であり、図２（ｂ）は２次元静止画像を形成する方法を説明する図である。
【００３２】
図２（ａ）の上段左側には、周波数掃引方式での水平方向への超音波の異なる周波数での送波ビーム（狭ビーム）が周波数掃引されてステアリングされて全体で３０度の動作セクタ範囲に照射される様子を示している。これらの各照射送波ビーム（狭ビーム）からの反射波が音響レンズを介して受波器に入力される様子を図２（ａ）の上段右側に示している。ここで、受波器としては、音響レンズによる収束特性に合わせた受波器アレイ（素子アレイ）により形成されたのものが用意される。この場合、受波器のチャネル分割はなく、周波数により決まる音波到来方位からの周波数の受信信号が受波器に入力されて検出されることになる。
【００３３】
また、図２（ａ）の下段左側には、水平方向への超音波の異なる周波数での送波ビーム（狭ビーム）のそれぞれが垂直方向へビームの照射を行う様子を示している。図３によりすでに説明したように、前述の狭ビームは、垂直方向に対して広い範囲（図２（ａ）に示す例では３０度の動作セクタ範囲）を照射している。このような照射送波ビームからの反射波が音響レンズを介して受波器に入力される様子を図２（ａ）の下段右側に示している。ここで、受波器としては、音響レンズによる収束特性を合わせた受波器アレイ（素子アレイ）により形成されたのものが用意される。この場合、受波器は、チャネル分割されたものが使用される。図２（ａ）に示す例では６４分割、すなわち、受波器は６４個の受波素子による受波器アレイにより構成されているものとしている。そして、音波到来方位に依存した音響レンズにより、音波到来方位に依存して音線が収束されるので、６４分割されたチャネルの各受波素子からの信号を検出することにより、反射された超音波信号の到来方位を算出することができる。
【００３４】
図２（ａ）で説明したように、図３に示した送波器からの扇形の超音波ビームを目標物体に向け放射すると、送波器の各素子から放射された音波の合成波面は、その周波数により定まる方向に形成される。このため、周波数を掃引することによりビームをステアリングさせ、動作セクタ全体を照射することができる。この超音波照射を受けた物体面からの反射波は、音響レンズと受波器とにより音響像として結像させられることになる。
【００３５】
図２（ａ）に示すようにして受波器が反射波を受信するが、次に、図２（ｂ）を参照して、受波器の受信信号から２次元静止画像を形成する方法を説明する。
【００３６】
受波器は、図２（ｂ）に示すように垂直方向に６４分割されて複数の受波素子により構成されており、各受波素子からのｃｈ出力のそれぞれを周波数分析すると周波数成分に対応して、物体の水平方向の各位置からの反射波の受信信号が得られる。また、垂直方向の位置は、分割した各受波素子の位置に対応しているので、各受波素子に対応して、物体の垂直方向の各位置からの反射波の受信信号として得られることになる。
【００３７】
図２（ｂ）左側には、Ｈ型の目標物に前述までに説明したようにして超音波を照射した場合の反射波の各受波素子が周波数掃引によりステアリングされて、水平方向の反射波を受信する様子を示しており、また、図２（ｂ）右側には、各受波素子での掃引周波数（水平方向位置）対応の受信信号の受信レベルを示している。本発明の実施形態では、各ｃｈ毎のこのような受信信号の全てを合成して処理することにより、目標物の画像を取得することができる。
【００３８】
ところで、本発明の実施形態のように周波数掃引方式を適用して水中映像取得装置を構成する場合、広帯域な使用周波数帯域幅が要求される送波器及び受波器において、周波数毎に出力レベルに誤差が生じる。この周波数毎に生じるレベル誤差が、不明瞭な音響画像を生成してしまう要因の１つであった。
【００３９】
誤差を抑制する方法として、電気的な整合回路を用いて送受波器の共振周波数を変化させる方法、送信周波数毎に送信信号の振幅レベルに対して重み付けする方法、また、デジタル信号に変換された後の受信信号に対して周波数毎にレベル補正を行う方法等がある。但し、前述の各方法は、誤差を抑制することができるものの、ＳＮ比の改善を図ることができず、感度が低下する、使用周波数範囲外に雑音が生じる、回路規模が大きくなる等の短所も有している。
【００４０】
そこで、本発明の実施形態では、送受信周波数毎にアクティブ・ミキサの変換利得（ＬＯ信号の振幅レベル）を調整することにより、送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルを補正することとしている。なお、アクティブ・ミキサは、トランジスタ、ＦＥＴ等の能動素子を用いて構成されているものとする。
【００４１】
次に、本発明の実施形態において、周波数掃引される周波数毎に生じる送波器及び受波器の出力レベル誤差を抑制する方法について説明する。
【００４２】
送波器、受波器の周波数毎の出力レベル誤差の例について説明する図４に示すように、例えば、送波器、受波器が、送信周波数６００ｋＨｚのとき最大出力レベル、８００ｋＨｚのとき最小出力レベルとなるような特性を持つものとする。このような特性を持った送波器から超音波の送波ビームを送出した場合、受波器から受信回路に入力される目標からの反射信号（受信信号）は、仮に、受波器が周波数毎のレベル誤差がないとしたとき、６００ｋＨｚのとき最大信号レベル、８００ｋＨｚのとき最小信号レベルの信号となることが容易に理解できる。
【００４３】
そこで、本発明の実施形態では、送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルが補正できるように、前述で説明した（３）式に示すＬＯ信号の振幅レベルＢの値を、送受信周波数に合わせて調整することとしている。その結果、目標からの反射信号（受信信号）と送受信周波数毎に振幅レベル設定されたＬＯ信号とを、アクティブ・ミキサにより掛け合わせることによって、処理後の受信信号の周波数特性を平坦なものとすることができ、明瞭な音響画像の取得が可能となる。
【００４４】
前述において、本発明の実施形態は、アクティブ・ミキサによりある一定の周波数に周波数変換し、かつ、送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルを補正するようにしているものであることを説明した。但し、（３）式に示すように、アクティブ・ミキサの処理後には、差の周波数成分だけでなく和の周波数成分が発生する。
【００４５】
本発明の実施形態で必要なのは、差の周波数成分のみであるため、アクティブ・ミキサの出力側には、オペアンプ、コンデンサ及び抵抗により構成される差の周波数成分だけを通過させるアクティブ通過フィルタを設け、不要な信号、ノイズ及び高調波成分を除去している。また、超音波が到達した距離による受信信号の減衰は、制御信号によって増幅率を設定できる可変利得増幅器により、補正を施すこととする。
【００４６】
次に、前述で説明したような考察に基づいて構成した本発明の実施形態による水中映像取得装置の構成を図１を参照して説明する。
【００４７】
本発明の実施形態による水中映像取得装置は、送信信号の生成及び局部発振器信号（ＬＯ信号）の周波数、振幅レベルの設定を行う信号処理／制御部１０１と、信号処理／制御部１０１で生成された送信信号を所定の大きさまで増幅する送信回路１０２と、送信回路１０２からの信号の電力増幅を行う増幅器１０３と、増幅器１０３からの信号を超音波に変換して水中に放射する送波器１０４と、送波器１０４から放射された超音波の反射波を受信する受波器を、図示しない音響レンズと共に構成する複数の受波素子１０５（図２により説明した例の場合６４個設けられ、各受波素子は、垂直方向の異なる６４方向からの超音波信号を受信する）と、複数の受波素子１０５のそれぞれに接続され、各受波素子１０５からの電気的な受信信号を増幅する複数の初段増幅器１０６と、各初段増幅器１０６からの出力信号及び局部発信器信号（ＬＯ信号）が入力されて周波数変換を行うオペアンプ、コンデンサ及び抵抗により構成される複数のアクティブ・ミキサ１０７と、各アクティブ・ミキサ１０７の出力からダウンコンバーティングされた所定の周波数の出力信号を通過させる複数の帯域通過型アクティブ・フィルタ（ＢＰＦ）１０８と、各ＢＰＦ１０８からの信号を受けその信号が、超音波の照射、反射による伝播距離による減衰を受けて減衰しているのを補償するために、各ＢＰＦ１０８からの信号を可変増幅する複数の可変利得増幅器１０９と、各可変利得増幅器１０９からのアナログ信号をデジタル信号に変換する複数のＡＤ変換器１１０と、複数のＡＤ変換器１１０からのデジタル信号を多重化するデータ多重化部１１１と、データ多重化部１１１からのデジタル電気信号を光信号に変換して光ファイバーによる信号ケーブルを介して信号処理／制御部１０１に送信し、信号処理／制御部１０１からの光信号をデジタル電気信号に変換するＥＯ変換器１１２と、信号処理／制御部１０１からの指示に従って、周波数、振幅レベルの設定を行って局部発信器信号（ＬＯ信号）を生成する局部発振器１１３と、信号処理／制御部１０１からの指示に従って、可変利得増幅器１０９の増幅度を制御する制御信号を生成する制御信号生成部１１４とにより構成される。
【００４８】
前述において、信号処理／制御部１０１は、送信信号を生成すると共に、局部発振器信号（ＬＯ信号）の周波数及び振幅レベルの設定、及び、可変利得増幅器１０９の増幅度の設定を行う。送信信号は、送信回路１０２により増幅された後、増幅器１０３により電力増幅された後、信号ケーブルを介して送波器１０４に供給されて電気音響変換されることにより、音響媒体である水中に超音波として送出される。局部発振器信号（ＬＯ信号）の周波数及び振幅レベルの設定を行う設定信号は、局部発振器１１３に入力され、局部発振器１１３に図４で説明した送波器及び受波器の周波数特性を補償する振幅レベルを持ち、周波数掃引されている送信信号の周波数を所定の周波数に変換するための周波数を持ったＬＯ信号を生成させる。また、可変利得増幅器１０９の増幅度の設定を行う指示信号は、制御信号生成部１１４に入力され、制御信号生成部１１４に可変利得増幅器１０９の増幅度の設定を行う制御信号を生成させる。
【００４９】
また、受波器を構成する複数の受波素子１０５のそれぞれにより音響電気変換された電気信号（受信信号）は、初段増幅１０６、局部発振器１１３、アクティブ・ミキサ１０７、ＢＰＦフィルタ１０８、可変利得増幅器１０９、ＡＤ変換器１１０を含む受信回路により受信され、データ多重化部１１１、ＥＯ変換器１１２を経て、信号ケーブルを介して、信号処理／制御部に渡されてＯＥ変換、演算処理等が加えられて表示装置に表示されることになる。
【００５０】
本発明の実施形態は、周波数掃引方式を採用しているため、水平方位（送波器の向きを垂直に変えれば垂直方位となる）により送出された超音波の周波数が掃引されて異なっており、受波素子１０５の１つで受信された電気信号を周波数分析（ＦＦＴ）することにより、図２（ａ）の上段、図２（ｂ）で説明したように、水平方向の１ｃｈ分の画像が得られる。
【００５１】
すなわち、目標物で反射した超音波は、音響レンズを介して受波器の各受波素子１０５に収束される。もし、目標が送波周波数ｆ１の位置にある場合は、周波数ｆ１の反射波が、目標が送波周波数ｆｎの位置にある場合は、周波数ｆｎの反射波が、受波器に到来して音響電気変換されることになって、水平方向の１ｃｈ分の画像が得られることになる。
【００５２】
一方、垂直方向からの反射波は、音響レンズにより、受波器を構成する複数の受波素子１０５へその超音波が収束されるが、この収束位置が垂直方位により異なっている。従って、収束位置毎に受波器を垂直方向にｃｈ分割して配置することにより、各受波素子１０５から垂直方位を分割した画像を、図２（ａ）の下段、図２（ｂ）で説明したように得ることができる。
【００５３】
前述したように、本発明の実施形態によれば、前述で説明した水平方向の１ｃｈ分の画像と、垂直方位を分割した画像とから２次元の音響画像を取得することができる。
【００５４】
前述までに説明した本発明の実施形態によれば、送波器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波ビームのステアリングを可能とする周波数掃引方式を適用し、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備え、目標からの反射信号（受信信号）と、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号（ＬＯ信号）の２信号を、アクティブ・ミキサにより掛け合わせることによって、受信信号をある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）することにより、受信信号のデータ量を低減することができる。本発明の実施形態によれば、これにより、水中映像取得装置における電子回路規模及びデータ量を低減し、装置を小型化することが可能となると共に、ノイズ及び高調波成分を抑制し、送受波音響性能を最適にすることにより、明瞭な音響画像を得ることができる。
【００５５】
また、前述した本発明の実施形態によれば、受信信号に対して周波数変換（ダウンコンバーティング）を行っていることにより、受波器の振動子（受波素子）毎に必要であるＡＤ変換器のサンプリング周波数を下げることが可能となり、デジタル変換された受信信号のデータ量を削減することができ、また、データ伝送を含む信号処理及び演算に要する回路規模を削減することが可能となる。
【００５６】
また、前述した本発明の実施形態によれば、送受信周波数毎にアクティブ・ミキサの変換利得（ＬＯ信号の振幅レベル）を調整することとしているので、送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルを補正し、使用周波数範囲内の特性を平坦にし、かつ、ＳＮ比の向上を図ることができ、ひいては、取得する音響画像の明瞭化を図ることができる。
【００５７】
さらに、前述した本発明の実施形態によれば、周波数変換及び周波数毎に異なる出力レベルを補正した受信信号に対し、制御信号によって増幅率を設定できる可変利得増幅器により、超音波が到達した距離による減衰の補正を施し、かつ、ＢＰＦを有することにより、ある一定の周波数に周波数変換された受信信号のみを通過させ、不要な信号、ノイズ及び高調波成分を除去し、電子回路の規模を最小限の大きさとして、取得する音響画像の明瞭化を図ることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０１ 信号処理／制御部
１０２ 送信回路
１０３ 増幅器
１０４ 送波器
１０５ 受波素子
１０６ 初段増幅器
１０７ アクティブ・ミキサ
１０８ 帯域通過型アクティブ・フィルタ（ＢＰＦ）
１０９ 可変利得増幅器
１１０ ＡＤ変換器
１１１ データ多重化部
１１２ ＥＯ変換器
１１３ 局部発振器
１１４ 制御信号生成部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送波器に入力する電気信号の周波数を変更する周波数掃引方式を用いて前記送波器から放射される音波の送波ビームを水平方向または垂直方向にステアリングし、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備えた水中映像取得装置において、
前記受波器は、前記送波器のステアリング方向と直角な方向に分割された複数の受波素子により構成され、
前記複数の受波素子により受信された目標からの反射信号（受信信号）のそれぞれと、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号との２つの信号を掛け合わせることにより、各受波素子からの受信信号をある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）した受信信号とする複数のアクティブ・ミキサと、一定の周波数に周波数変換された受信信号から水中映像を生成する信号処理／制御手段とを備えることを特徴とする水中映像取得装置。
【請求項２】
前記信号処理／制御手段は、前記送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルを補正するため、送受信周波数毎に前記局部発振器信号の振幅レベルを調整することにより、前記アクティブ・ミキサの変換利得を制御することを特徴とする請求項１記載の水中映像取得装置。
【請求項３】
前記複数のアクティブ・ミキサのそれぞれには、その後段にＢＰＦ及び可変利得増幅器が接続されており、前記ＢＰＦは、ある一定の周波数に周波数変換された受信信号のみを通過させるものであり、前記可変利得増幅器は、前記信号処理／制御手段からの制御により、超音波の照射、反射による伝播距離により減衰している受信信号のレベルを補償するためのものであることを特徴とする請求項１または２記載の水中映像取得装置。
【請求項４】
送波器に入力する電気信号の周波数を変更する周波数掃引方式を用いて前記送波器から放射される音波の送波ビームを水平方向または垂直方向にステアリングし、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備えた水中映像取得方法において、
前記受波器は、前記送波器のステアリング方向と直角な方向に分割された複数の受波素子により構成され、
前記複数の受波素子により受信された目標からの反射信号（受信信号）のそれぞれと、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号との２つの信号を、アクティブ・ミキサにより掛け合わせることにより、各受波素子からの受信信号をある一定の周波数に周波数変換し、一定の周波数に周波数変換された受信信号から水中映像を取得することを特徴とする水中映像取得方法。
【請求項１】
送波器に入力する電気信号の周波数を変更する周波数掃引方式を用いて前記送波器から放射される音波の送波ビームを水平方向または垂直方向にステアリングし、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備えた水中映像取得装置において、
前記受波器は、前記送波器のステアリング方向と直角な方向に分割された複数の受波素子により構成され、
前記複数の受波素子により受信された目標からの反射信号（受信信号）のそれぞれと、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号との２つの信号を掛け合わせることにより、各受波素子からの受信信号をある一定の周波数に周波数変換（ダウンコンバーティング）した受信信号とする複数のアクティブ・ミキサと、一定の周波数に周波数変換された受信信号から水中映像を生成する信号処理／制御手段とを備えることを特徴とする水中映像取得装置。
【請求項２】
前記信号処理／制御手段は、前記送波器及び受波器の周波数毎に異なる出力レベルを補正するため、送受信周波数毎に前記局部発振器信号の振幅レベルを調整することにより、前記アクティブ・ミキサの変換利得を制御することを特徴とする請求項１記載の水中映像取得装置。
【請求項３】
前記複数のアクティブ・ミキサのそれぞれには、その後段にＢＰＦ及び可変利得増幅器が接続されており、前記ＢＰＦは、ある一定の周波数に周波数変換された受信信号のみを通過させるものであり、前記可変利得増幅器は、前記信号処理／制御手段からの制御により、超音波の照射、反射による伝播距離により減衰している受信信号のレベルを補償するためのものであることを特徴とする請求項１または２記載の水中映像取得装置。
【請求項４】
送波器に入力する電気信号の周波数を変更する周波数掃引方式を用いて前記送波器から放射される音波の送波ビームを水平方向または垂直方向にステアリングし、目標からの反射音波を収束させる音響レンズを受波器の前面に備えた水中映像取得方法において、
前記受波器は、前記送波器のステアリング方向と直角な方向に分割された複数の受波素子により構成され、
前記複数の受波素子により受信された目標からの反射信号（受信信号）のそれぞれと、送信周波数に合わせて周波数設定された局部発振器信号との２つの信号を、アクティブ・ミキサにより掛け合わせることにより、各受波素子からの受信信号をある一定の周波数に周波数変換し、一定の周波数に周波数変換された受信信号から水中映像を取得することを特徴とする水中映像取得方法。
【図１】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−５８８８６（Ｐ２０１１−５８８８６Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７２７６（Ｐ２００９−２０７２７６）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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