(57)【要約】【課題】被検体のビーム路程の変化や、超音波信号を取得する際のジッターによる伝播時間のズレが生じた場合であっても、Ｓ／Ｎ良く超音波を計測する超音波計測装置及び超音波計測方法を提供する。【解決手段】被検体に超音波パルスを繰り返し送信し前記被検体から反射又は前記被検体を透過した超音波を受信する超音波送受信部から出力される受信信号を信号処理する超音波計測装置において、前記受信信号の基準信号に対する反射波または透過波の伝播時間の時間差を求める時間差抽出部（１）と、前記時間差をなくするように前記受信信号の位相を補正する位相補正部（１）と、位相が補正された前記受信信号を同期加算して加算信号を生成する加算信号生成部（２、４）と、前記加算信号に所定の信号処理を施す信号処理部（６、７）とを備えた超音波計測装置である。【選択図】    図１
2010008215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に超音波パルスを繰り返し送信し前記被検体から反射又は前記被検体を透過した超音波を受信する超音波送受信部から出力される受信信号を信号処理する超音波計測装置において、
前記受信信号の基準信号に対する反射波または透過波の伝播時間の時間差を求める時間差抽出部と、
前記時間差をなくするように前記受信信号の位相を補正する位相補正部と、
位相が補正された前記受信信号を同期加算して加算信号を生成する加算信号生成部と、
前記加算信号に所定の信号処理を施す信号処理部と、
を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項２】
前記時間差は、前記受信信号の最大値と前記基準信号の最大値の時間の差、あるいは、前記受信信号の最小値と前記基準信号の最小値の時間の差であることを特徴とする請求項１に記載の超音波計測装置。
【請求項３】
前記時間差は、前記受信信号と前記基準信号との相互相関演算から求めることを特徴とする請求項１に記載の超音波計測装置。
【請求項４】
被検体に超音波パルスを繰り返し送信し前記被検体から反射又は前記被検体を透過した超音波を受信する超音波送受信部から出力される受信信号を信号処理する超音波計測方法において、
前記受信信号の基準信号に対する反射波または透過波の伝播時間の時間差を求める時間差抽出ステップと、
前記時間差に基づいて前記受信信号の反射波または透過波の位相が前記基準信号の反射波または透過波の位相に一致するように前記受信信号の位相を補正する位相補正ステップと、
位相が補正された前記受信信号を同期加算した加算信号を生成する加算信号生成ステップと、
前記加算信号に所定の信号処理を施す信号処理ステップと、
を備えたことを特徴とする超音波計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波を被検査対象に対して送信し、被検査対象を透過、または被検査対象にて反射した信号をＳ／Ｎ（信号対ノイズ比）良く得る超音波計測装置及び超音波計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製品（棒、板、管など）内部の欠陥検出や、肉厚の測定には超音波計測法が使われている。これら超音波計測法では、飛来電気ノイズや音響結合に水を用いた際の材料に付着した水や局部水浸部内の気泡からのエコーなどによるＳ／Ｎの低下がボトルネックとなってくる。
【０００３】
信号線のシールドアース強化や、水カップリングの安定化といった対策は不可欠ではあるが、さらに信号処理によってノイズを低減することを狙い、同期加算平均処理が広く使われている。
【０００４】
同期加算平均処理は、超音波が繰り返し送受信されることを利用する。繰り返し受信する信号では、同じ反射体からの反射エコー信号あるいは伝播経路が同じ被検体の透過信号では信号の位相は揃っているが、ノイズ成分の位相は揃っていない。  
そこで、取得した信号を加算平均すると、位相が揃わないノイズはキャンセルされて、同じ反射体からの反射エコーおよび被検体を透過した透過信号のみが残ることになり、Ｓ／Ｎが改善されることになる。パルス的に混入するノイズに対しては加算平均回数Ｎに対して２０ｌｏｇ（１／Ｎ）ｄＢだけＳ／Ｎが改善され、粒径散乱などに対するノイズに対しては２０ｌｏｇ（１／√Ｎ）ｄＢのＳ／Ｎ改善が見込まれることが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平２−２０９１３６号公報
【特許文献２】特開２０００−１５３８４７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、超音波信号を取得する際に用いる同期信号がジッターによって変動している場合、あるいは超音波の反射源が移動している場合に同期加算平均処理を行うと、被検体からの反射エコーや被検体の透過波の信号が小さくなってしまいＳ／Ｎが低下、または反射エコーや被検体の透過波の信号そのものが相殺されて消失してしまう。
【０００６】
たとえば、図７に示すように、周方向に鋼管を回転して、あるいは超音波プローブを周方向にスキャンしながら、鋼管母材にある欠陥を反射法により探傷するケースが前述の一例として挙げられる。超音波ビーム内で欠陥が移動することで、それぞれの欠陥反射エコーの伝播経路は変化することになる。欠陥エコーを取得する毎に疵からの反射信号の位相がずれることになり、このまま同期加算平均を行っても本来の同期加算の効果であるＳ／Ｎ改善の効果を得ることができず、Ｓ／Ｎが低下してしまう。
【０００７】
欠陥からの深さを知ることができれば、幾何学的に位相のズレ量を計算し、計算されたズレ量で位相をそろえて同期加算平均処理を行うことも考えられるが、このケースの場合、欠陥エコーの伝播時間から推定できる深さ位置は複数あるので困難である。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するもので、被検体のビーム路程の変化や、超音波信号を取得する際のジッターによる伝播時間のズレが生じた場合であっても、Ｓ／Ｎ良く超音波を計測する超音波計測装置及び超音波計測方法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】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明は、被検体に超音波パルスを繰り返し送信し前記被検体から反射又は前記被検体を透過した超音波を受信する超音波送受信部から出力される受信信号を信号処理する超音波計測装置において、前記受信信号の基準信号に対する反射波または透過波の伝播時間の時間差を求める時間差抽出部と、前記時間差をなくするように前記受信信号の位相を補正する位相補正部と、位相が補正された前記受信信号を同期加算して加算信号を生成する加算信号生成部と、前記加算信号に所定の信号処理を施す信号処理部と、を備えた超音波計測装置である。
【００１０】
また本発明は上記記載の発明である超音波計測装置において、前記時間差は、前記受信信号の最大値と前記基準信号の最大値の時間の差、あるいは、前記受信信号の最小値と前記基準信号の最小値の時間の差である。
【００１１】
また本発明は上記記載の発明である超音波計測装置において、前記時間差は、前記受信信号と前記基準信号との相互相関演算から求める。
【００１２】
また本発明は、被検体に超音波パルスを繰り返し送信し前記被検体から反射又は前記被検体を透過した超音波を受信する超音波送受信部から出力される受信信号を信号処理する超音波計測方法において、前記受信信号の基準信号に対する反射波または透過波の伝播時間の時間差を求める時間差抽出ステップと、前記時間差に基づいて前記受信信号の反射波または透過波の位相が前記基準信号の反射波または透過波の位相に一致するように前記受信信号の位相を補正する位相補正ステップと、位相が補正された前記受信信号を同期加算した加算信号を生成する加算信号生成ステップと、前記加算信号に所定の信号処理を施す信号処理ステップと、を備えた超音波計測方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被検体のビーム路程の変化や、超音波信号を取得する際のジッターによる伝播時間のズレが生じた場合であっても、Ｓ／Ｎ良く超音波を計測する超音波計測装置及び超音波計測方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波計測装置の構成を示す図である。  
超音波計測装置は、位相時間補正部１、加算器２、メモリＭａ３、減算器４、メモリＭｂ５、除算器６、情報処理装置７、出力装置８及び記録装置９を備えている。
【００１５】
位相時間補正部１は、入力される超音波信号（例えば、Ａ／Ｄ変換処理された後のデジタル信号）と基準となる信号との間で反射エコーの伝播時間の時間差を抽出し、その時間差がなくなる様に、即ち、基準となる信号の反射エコーの位相タイミングに入力信号の反射エコーの位相タイミングを一致させる様に、入力される超音波信号の時間（位相）を補正する。加算器２は、補正された超音波信号をメモリＭｂ５の信号に加算し、同期加算した同期加算超音波信号を生成する。メモリＭａ３は、補正された超音波信号を個別に記憶する。減算器４は、加算器２で生成された同期加算超音波信号から過去に加算するために入力された超音波信号のうち最先の超音波信号を減算する。
【００１６】
メモリＭｂ５は、加算器２で生成された同期加算超音波信号を記憶する。除算器６は、同期加算超音波信号を同期加算した超音波信号の数ｋ（累積数）で除算して平均化する。情報処理装置７は、平均化された同期加算超音波信号を用いて被検査対象の材質特性評価（欠陥有無や形状、内部組織の状態評価など）を行って出力装置８に出力する。記録装置９は、情報処理結果を記録する。
【００１７】
なお、本明細書では反射波を例として説明するが、透過波であっても同様に処理可能であることはいうまでも無い。
【００１８】
続いて、超音波計測装置の動作について説明する。  
超音波送受信手段（不図示）によって繰り返し、送信され、受信された超音波信号はＡ／Ｄ変換部（不図示）によってデジタル値に変換される。以下の説明では超音波信号はデジタル信号として取り扱う。なお、超音波送受信手段は圧電型振動子を用いた方法でも良いし、電磁超音波法や、レーザー超音波法、または電磁超音波法とレーザー超音波法を組み合わせた方法など、その手段は超音波を送信し受信する方法であればどの方法でもかまわない。
【００１９】
超音波計測装置の初期状態（あるいはリセットされた状態）ではメモリＭａ３、メモリＭｂ５にはデータは記憶されていない。あるいは、計測が開始される直前にメモリ内のデータは消去される。そのため、最初に送られてきた超音波信号ｂ１は、位相時間補正部１では処理されずそのままメモリＭａ３に記憶される。
【００２０】
メモリＭａ３は、超音波信号を複数（ｄ個）記憶することが可能な記憶手段である。ここで、同期加算する超音波信号の数をｋ（予め設定されている）とすると、メモリＭａ３には、少なくともｋ＋１個の信号を格納できる記憶領域が備わっている。即ち、信号記憶数ｄ≧ｋ＋１である。また、このメモリＭａ３は、アドレスを指定して超音波信号を記録し、または読み出しを行なうことができるようになされている。以下、アドレスはＷ（１）、Ｗ（２）・・・Ｗ（ｋ＋１）・・・Ｗ（ｄ）と表記する。  
なお、このメモリＭａ３では、記憶領域はサイクリックに使用される。例えば、最終アドレスＷ（ｄ）に超音波信号を格納した場合、次の超音波信号は、アドレスＷ（１）に格納される。
【００２１】
また、位相時間補正部１を通過した超音波信号ｂ１は、上述のメモリＭａ３への書込み動作に並行して加算器２に入力される。ここで、メモリＭｂ５には超音波信号は記憶されていないため、超音波信号ｂ１は、加算器２において処理されず減算器４に送られる。しかし、メモリＭａ３、メモリＭｂ５にはデータは記憶されていないため、超音波信号ｂ１は、減算器４においても処理されず、メモリＭｂ５に入力される。  
メモリＭｂ５は入力される超音波信号ｂ１を記憶する。本実施の形態では、このメモリＭｂ５に記憶された超音波信号が以降の信号処理において基準の信号とする例で以下説明する。
【００２２】
続いて、２番目に送られてくる超音波信号ｂ２の動作について説明する。  
２番目に送られてくる信号ｂ２は、メモリＭｂ５に記憶されている基準信号である累積信号（＝信号ｂ１）との間で反射エコーの伝播時間の差を求め、信号ｂ２の反射エコーと基準信号ｂ１の反射エコーのタイミングを一致させるいための補正量θが算出される。そして、信号ｂ２の時間軸を補正量θだけシフトした新たな信号を求める。
【００２３】
図２は、位相時間補正部１において信号を補正する手順を示すフロー図である。  
ステップＳ０１において、メモリＭｂ５に記憶されている基準信号である累積信号を読み込む。ステップＳ０２において、その累積信号が最大となるときの伝播時間ｔ１を求める。そして、ステップＳ０３において、入力される超音波信号を読み込み、その信号の最大値が所定値以上かどうかを調べる。
【００２４】
ステップＳ０３でＮｏの場合、即ち入力される超音波信号の最大値が所定値よりも小さい場合は、補正量θの算出処理は行わない。これは最大値が所定値以下のときは、反射エコー（傷信号）を含んでいないため、同期加算処理が不要と判断するためである。そこでステップＳ０４において、入力される超音波信号をそのまま新たな超音波信号とし、ステップＳ０７においてその新たな超音波信号を位相時間補正部１から出力する。
【００２５】
ステップＳ０３でＹｅｓの場合、即ち超音波信号の最大値が所定値以上の場合は、補正量θの算出処理を実行する。そこで、ステップＳ０５において、超音波信号が最大となるときの伝播時間ｔ２を求める。  
図３は、累積信号と超音波信号の最大値を与える伝播時間を示す図である。時間差はｔ２−ｔ１であるので、補正量θ＝ｔ１−ｔ２として求めることができる。  
ステップＳ０６において、超音波信号の最大値を与える伝播時間がｔ１となるように補正量θ分時間軸をシフトして新たな超音波信号を生成し、ステップＳ０７においてこの新たな超音波信号を位相時間補正部１から出力する。なお、シフトしたことにより伝播時間が負となるデータは削除され、以降の処理では使用されない。
【００２６】
このようにして位相補正された新たな超音波信号は、メモリＭａ３のアドレスＷ（２）（２番目のアドレス）に格納される。また、この動作と並行して新たな超音波信号は加算器２に送られて、メモリＭｂ５に記憶されている累積信号（＝ｂ１）に同期加算される。このとき、両信号は同じ時間で最大となっているため、この同期加算によりさらに最大値は強調される。
【００２７】
減算器４において、同期加算された信号から、メモリＭａ３のアドレスＷ（２−ｋ）に格納されている超音波信号が減算される。但し、ｋが２以上の場合は、メモリＭａ３には過去の超音波信号は記録されていない。このため減算は行われず、同期加算された信号は、減算器４を通過してメモリＭｂ５に格納される。そして、このメモリＭｂ５に記憶される同期加算された超音波信号が以降の信号処理において基準の信号となる。
【００２８】
以下、この動作をリセットがされるまで、継続して繰り返す。  
次にｎ番目に送られてくる超音波信号ｂｎを処理する動作について説明する。  
ｎ番目に送られてくる信号ｂｎは、メモリＭｂに記憶されている過去ｋ個の超音波信号の累積信号との間で反射エコーの伝播時間の補正量θが算出される。そして、信号ｂｎの時間軸を補正量θだけシフトした新たな超音波信号を求める。
【００２９】
新たな超音波信号は、メモリＭａ３のアドレスＷ（ｎ）（ｎ番目のアドレス）に格納される。メモリＭａ３のアドレス全てに超音波信号が記憶された場合には、再びメモリＭａの先頭アドレスに戻って順次書き込んでいく。
【００３０】
また、新たな超音波信号は加算器２に送られて、メモリＭｂ５に記憶されている累積信号に同期加算される。このとき、両信号は同じ時間で最大となっているため、この加算によりさらに最大値は強調される。
【００３１】
続いて、同期加算された信号は減算器３に入力される。減算器３は送られてきたｎ番目の信号に対して、ｎ≦ｋを満たす間は処理は行なわずそのまま通過させる。ｎ＞ｋのときは同期加算された信号からメモリＭｂに記憶されている信号を減算する処理を行なう。減算に使用される信号は、メモリＭａのアドレスＷ（ｎ−ｋ）に記録されている信号である。即ち、減算器４を通過した信号は、過去最新のｋ個の超音波信号を同期加算したものとなっている。
【００３２】
なお、ｎ＞ｄのとき、すなわち、メモリＭａ３の各アドレスへの信号記憶が一巡し、二順目以降は信号ｂｎに対して減算器はメモリＭａ３のアドレスＷ（ｄ−ｋ＋ｃ）を読み出して減算処理を行なう。ｃはｃ＝n mod d（ｎのｄによる剰余）で計算される。
減算器４を通過した信号は、メモリＭｂ５と除算器６に送られる。除算器６は加算平均回数ｋで信号を除算して平均化する。平均化された信号に基づいて情報処理装置７にてチャート像、Ｃスコープ像、Ｂスコープ像などに変換されて、被検査対象の材質評価特性（欠陥有無・形状判定、内部組織評価など）を行い、その結果と共に記録装置９に格納されるとともに、プリンターやディスプレイなどの出力装置８に出力される。
【００３３】
なお、補正量θを信号中の最大値を与える時間（＝ｔ１−ｔ２）から求めたが、図３に示す、信号中の最小値を与える時間（＝ｚ１−ｚ２）から求めても良い。
【００３４】
[第２の実施の形態]
第２の実施の形態では、補正量θを求める方法が第１の実施の形態と異なっている。従って、第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付して、その詳細の説明は省略する。
【００３５】
図４は、位相時間補正部１において信号を補正する手順を示すフロー図である。  
ステップＳ１１において、メモリＭｂ５に記憶されている累積信号と加算平均回数ｋとを読み込む。ステップＳ１２において、累積信号を加算平均回数ｋで除算した新たな累積信号を生成する。
【００３６】
次に、ステップＳ１３において、入力される超音波信号を読み込み、その信号の最大値が所定値以上かどうかを調べる。  
ステップＳ１３でＮｏの場合、即ち入力される超音波信号の最大値が所定値よりも小さい場合は、補正量θの算出処理は行わない。そこでステップＳ１４において、入力される超音波信号をそのまま新たな超音波信号とし、ステップＳ１８においてその新たな超音波信号を位相時間補正部１から出力する。
【００３７】
ステップＳ１３でＹｅｓの場合、即ち超音波信号の最大値が所定値以上の場合は、補正量θの算出処理を実行する。そこで、ステップＳ１５において、新たな累積信号と入力される超音波信号との相互相関関数を計算する。
【００３８】
そして、ステップＳ１６において、相互相関関数の最大値を与える時間τを求める。  
図５は、相互相関関数の最大値を与える時間τを例示する図である。  
補正量θ＝τとして求めることができる。  
なお、時間τを求める際に、最大値付近の形状を既知の曲線にあてはめて、その曲線に基づいて最大値を与える時間τを解析的に求めても良い。
【００３９】
ステップＳ１７において、超音波信号の最大値を与えるタイミングが累積信号と一致するように時間軸を補正量θ＝−τでシフトして新たな超音波信号を生成し、ステップＳ１８においてこの新たな超音波信号を位相時間補正部１から出力する。
【００４０】
[効果]  
図６は、本超音波計測装置を適用して計測した例を示す図である。疵サンプルに対して超音波探触子を移動させつつ測定した波形（左側）と同期加算平均処理した波形（右側）を示している。なお、超音波計測装置は、適宜の時間間隔でリセットを行っている。本装置による測定結果、位相が揃っていないノイズがキャンセルされ、Ｓ／Ｎが改善されていることがわかる。
【００４１】
以上の結果より、本超音波計測装置を図７に示すように周方向に鋼管を回転させながら、あるいは超音波プローブを周方向にスキャンしながら、鋼管母材にある疵を探傷するケースに適用することが考えられる。  
超音波ビーム内で疵が移動することで、それぞれの欠陥エコーの伝播経路は変化する。その結果、欠陥エコー所得毎に疵からの反射信号の位相がずれることになり、従来のようにこのまま同期加算平均をおこなうとＳ／Ｎが低下してしまう。  
しかしながら、本発明の実施の形態に係る超音波計測装置によれば、適宜の時間間隔でリセットを行いながら、一測定期間においては位相を同期させて加算処理することによって、移動する被検査対象に対して、Ｓ／Ｎの低下を生じさせることなく同期加算を実行することが可能となる。
【００４２】
また、第１、第２の実施の形態では、基準信号を累積信号としたが、累積信号でなくても予め設定された波形であっても良いし、最初に反射エコーや透過波が検出された信号波形でも良いし、途中で得られた波形であっても良い。
【００４３】
なお、上述の実施の形態で説明した各機能は、ハードウエアを用いて構成しても良く、また、ソフトウエアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現しても良い。また、各機能は、適宜ソフトウエア、ハードウエアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。
【００４４】
更に、各機能は図示しない記録媒体に格納したプログラムをコンピュータに読み込ませることで実現させることもできる。ここで本実施の形態における記録媒体は、プログラムを記録でき、かつコンピュータが読み取り可能な記録媒体であれば、その記録形式は何れの形態であってもよい。
【００４５】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る超音波計測装置の構成を示す図。
【図２】位相時間補正部において信号を補正する手順を示すフロー図。
【図３】累積信号と超音波信号の最大値を与える時間示す図。
【図４】位相時間補正部において信号を補正する手順を示すフロー図。
【図５】相互相関関数の最大値を与える時間を例示する図。
【図６】本超音波計測装置を適用して計測した例を示す図。
【図７】周方向に鋼管を回転させながら、あるいは超音波プローブを周方向にスキャンしながら、鋼管母材にある疵を探傷するケースを示す図。
【符号の説明】
【００４７】
１…位相時間補正部、２…加算器、３…メモリＭａ、４…減算器、５…メモリＭｂ、６…除算器、７…情報処理装置、８…出力装置、９…記録装置、ｔ１…時間、ｔ２…時間、τ…時間。
【図１】
2010008215.tif 000003
【図２】
2010008215.tif 000004
【図３】
2010008215.tif 000005
【図４】
2010008215.tif 000006
【図５】
2010008215.tif 000007
【図６】
2010008215.tif 000008
【図７】
2010008215.tif 000009