(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数チャネルの超音波パルスを被検査体に放射して得られた反射エコーのＢスコープ画像から、前記被検査体の傷を判定する被検査体傷判定方法に於いて、
前記複数チャネルのチャネルごとのＢスコープ画像上での連結領域を抽出し、次に、抽出した各連結領域について一つ又は複数の特徴量を算出し、さらに、算出した特徴量に基づいて前記被検査体における傷を判定することを特徴とする被検査体傷判定方法。
【請求項２】
前記請求項１記載の被検査体傷判定方法に於いて、
各連結領域の特徴量としての重心を算出し、次に、この算出した各連結領域の重心を用いて前記被検査体中の人工構造物を識別することを特徴とする被検査体傷判定方法。
【請求項３】
前記請求項１又は２記載の被検査体傷判定方法に於いて、
抽出した各連結領域中の、連結領域を構成する全ての反射エコーが、超音波パルス放射後の最初の反射エコーでないことを条件として遅れエコーを識別することを特徴とする被検査体傷判定方法。
【請求項４】
複数チャネルの超音波パルスを被検査体に放射して得られた反射エコーのＢスコープ画像から前記被検査体の傷を判定する被検査体傷判定装置に於いて、
複数チャネルの超音波パルスを被検査体に放射し、かつ、受信した受信データを出力する多チャネル超音波送受信部と、
前記多チャネル超音波送受信部の受信データから前記複数チャネルのチャネルごとのＢスコープ画像上での連結領域を抽出する連結領域抽出処理部と、
前記連結領域抽出処理部が抽出した各連結領域について一つ又は複数の特徴量を算出する特徴量算出処理部と、
前記特徴量算出処理部で算出した特徴量に基づいて前記被検査体の傷を判定する判定処理部と、
を備えることを特徴とする被検査体傷判定装置。
【請求項５】
前記請求項４記載の被検査体傷判定装置に人工構造物識別処理部を設け、この人工構造物識別処理部が、前記特徴量算出処理部で算出された各連結領域の重心に基づいて人工構造物を識別することを特徴とする被検査体傷判定装置。
【請求項６】
前記請求項４記載の被検査体傷判定装置に遅延エコー識別処理部を設け、この遅延エコー識別処理部によって、前記連結領域抽出処理部で抽出された各連結領域中の連結領域を構成する反射エコーが、超音波パルス放射後の最初の反射エコーでないことを条件として、遅れエコーを識別することを特徴とする被検査体傷判定装置。
【請求項７】
前記請求項１乃至３の何れかに記載の被検査体傷判定方法に於いて、被検査体がレールであることを特徴とする被検査体傷判定方法。
【請求項８】
前記請求項１乃至３の何れかに記載の被検査体傷判定方法に於いて、超音波レール探傷車におけるレール傷判定装置に適用されることを特徴とする被検査体傷判定方法。
【請求項９】
前記請求項４乃至６の何れかに記載の被検査体傷判定装置に於いて、被検査体がレールであることを特徴とする被検査体傷判定装置。
【請求項１０】
前記請求項４乃至６の何れかに記載の被検査体傷判定装置に於いて、超音波レール探傷車におけるレール傷判定装置に適用されることを特徴とする被検査体傷判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波レール探傷車におけるレール傷判定装置などに適用して鉄道レールの傷の判定を行う被検査体傷判定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の鉄道レールなどを超音波で探傷する計測状態を示す斜視図である。図５において、この例では、探傷対象のレール１に、超音波探傷装置２と接続されるケーブル３の先端に設けられた超音波探触子４を移動させてレール１の探傷を行っている。この際、一定周期で出力する送信信号が超音波探触子４内の振動子からの超音波パルスとして、レール１に放射される。この超音波パルスがレール１の傷などで反射し、この反射波が超音波探触子４の振動子で受信される。
【０００３】
この受信信号を超音波探傷装置２でゲート回路を通じて抽出して、デジタル信号化処理を行う。さらに、受信信号レベルを判定レベルと比較してレール１における傷を検出し、この傷データと図示しない走行距離センサからの移動量に基づいたレール１の位置などをブラウン管（ＣＲＴ）６などで画面表示している。また、探傷情報を記録装置のメモリなどに記憶して保存し、さらに必要に応じて記録紙に印字して出力する。
【０００４】
このようなレール探傷では、超音波探触子４が複数のチャネルによって、傷の発生部位と方向性を考慮した超音波を放射し、その反射エコーから探傷が行われる。複数のチャネルとして、重要なレールの傷に合わせ、例えば、レール１の頭部から底部にかけての水平裂に対しては垂直チャネル、また、腹部から底部についての横裂には、±４５°チャネル、頭部横裂に対しては±７０°チャネルといった複数の各チャネルから傷の発生部位と方向性を考慮した超音波を放射し、その反射エコーに注目した探傷が行われる。
【０００５】
また、近時のレール探傷では、反射エコー処理の自動化が進展し、傷の自動判定も一部で行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のレール探傷では、信頼性の高い自動判定が困難であった。例えば、反射エコーには本来のレール中の傷の他にボルト孔などの人工構造物からの反射エコーが発生する。さらに、超音波がレール傷までの最短経路でなく、レール側面などの反射経路によって発生する遅延エコーが存在するため、信頼性の高い自動判定が出来なかった。
【０００７】
このため人工構造物からの反射エコー及び遅延エコーを識別し、信頼性が高いレール傷判定を行うために、反射エコーのＢスコープ画像から判定を行うことが注目されつつある。例えば、ボルト孔は垂直チャネルと±４５°チャネルによって、図６に示すＢスコープ画像が得られることが判明しており、この画像からボルト孔の識別が可能である。
【０００８】
しかし、Ｂスコープ画像のデータ量は膨大であり、超音波レール探傷車が高速走行すると、その実時間での判定処理が困難になる。また、既知の人工構造物であっても、例えば、超音波探触子とレールの音響結合状態によって、Ｂスコープ画像が変化してしまうことがあり、信頼性の高い自動判定が出来ないという欠点もある。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点を解決するものであり、反射エコーのＢスコープ画像から実時間の高速で人工構造物や遅延エコーを確実に識別して信頼性の高い傷判定を自動的に行うことを可能とする被検査体傷判定方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の被検査体傷判定方法は、複数チャネルの超音波パルスを被検査体に放射して得られた反射エコーのＢスコープ画像から、被検査体の傷を判定するものであり、複数チャネルのチャネルごとのＢスコープ画像上での連結領域を抽出し、次に、抽出した各連結領域について一つ又は複数の特徴量を算出し、さらに、算出した特徴量に基づいて被検査体における傷を判定している。
【００１１】
また、本発明の被検査体傷判定方法は、各連結領域の特徴量としての重心を算出し、次に、この算出した各連結領域の重心を用いて被検査体中の人工構造物を識別している。
さらに、本発明の被検査体傷判定方法は、抽出した各連結領域中の、連結領域を構成する全ての反射エコーが、超音波パルルス放射後の最初の反射エコーでないこと条件として遅れエコーを識別している。
【００１２】
また、本発明の被検査体傷判定装置は、複数チャネルの超音波パルスを被検査体に放射して得られた反射エコーのＢスコープ画像から被検査体の傷を判定するものであり、多チャネル超音波送受信部が複数チャネルの超音波パルスを被検査体に放射し、かつ、受信した受信データを出力している。また、連結領域抽出処理部が多チャネル超音波送受信部の受信データから複数チャネルのチャネルごとのＢスコープ画像上での連結領域を抽出する。さらに、特徴量算出処理部が連結領域抽出処理部が抽出した各連結領域について一つ又は複数の特徴量を算出する。そして、判定処理部が特徴量算出処理部で算出した特徴量に基づいて被検査体の傷を判定する。
【００１３】
さらに、本発明の被検査体傷判定装置は、被検査体傷判定装置に人工構造物識別処理部を設けており、この人工構造物識別処理部が、特徴量算出処理部で算出された各連結領域の重心に基づいて人工構造物を識別している。
また、本発明の被検査体傷判定装置は、被検査体傷判定装置に遅延エコー識別処理部を設けており、この遅延エコー識別処理部によって、連結領域抽出処理部で抽出された各連結領域中の連結領域を構成する反射エコーが、超音波パルス放射後の最初の反射エコーでないこと条件として、遅れエコーを識別している。
【００１４】
さらに、本発明の被検査体傷判定方法及び装置は、被検査体をレールとするものである。
また、本発明の被検査体傷判定方法及び装置が、超音波レール探傷車におけるレール傷判定装置に適用される。
このような本発明の被検査体傷判定方法及び装置では、複数の各チャネルの反射エコーのＢスコープ画像上での一つの連結領域が一つの反射源に対応している。したがって、複数の各チャネルごとにＢスコープ画像上での連結領域を抽出し、この抽出した各連結領域について、一つ又は複数の特徴量を算出して、膨大な画像パターンデータから反射源ごとの、いくつかの特徴量にデータが大幅に圧縮される。この特徴量を用いて、その後のデータ処理を行うことによって、高速での傷判定が可能になる。
【００１５】
また、本発明の被検査体傷判定方法及び装置では、Ｂスコープ画像上での連結領域の大きさが探触子と被検査体との音響結合状態で変化するが、この連結領域の重心は、その影響を受け難く、各連結領域の重心に注目することによって、被検査体の人工構造物が確実に識別される。
さらに、本発明の被検査体傷判定方法及び装置では、遅れエコーの前にみ、最短経路の反射エコーが存在することから、連結領域を構成する全てのエコーが、超音波パルス放射後の最初のエコーでないことを条件として、確実に遅れエコーが識別される。この結果、反射エコーのＢスコープ画像から人工構造物や遅延エコーを実時間の高速で確実に識別され、傷判定が自動化され、かつ、高信頼性が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の被検査体傷判定方法及び装置の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の被検査体傷判定装置の実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、この被検査体傷判定装置は、高速走行する超音波レール探傷車に搭載されるものであり、検査対象のレール１０を多チャネル超音波探触器１１が接触して移動するようになっている。この多チャネル超音波探触器１１は垂直チャネルの超音波探触子１１ａ、±４５°チャネルの超音波探触子１１ｂ，１１ｃで構成されている。
【００１７】
さらに、この多チャネル超音波探触器１１に超音波を放射し、かつ、多チャネル超音波探触器１１で受信した反射エコーの反射信号を増幅し、さらに、デジタル信号化等の処理を行う多チャネル超音波探傷装置１２を有している。この多チャネル超音波探傷装置１２は多チャネルの超音波信号を送出する図示しない送信部及び多チャネルの反射エコーの反射信号を増幅してデジタル信号化の受信処理を行う受信部とから構成されている。
【００１８】
さらに、この被検査体傷判定装置は、多チャネル超音波探傷装置１２が出力する受信データからＢスコープ画像を生成し、人工構造物や遅延エコーを識別して、自動的に高信頼が得られる傷判定を高速に行うための傷判定処理装置１３を有している。
図２は図１中に示す傷判定処理装置１３の詳細な構成を示すブロック図である。図２において、この傷判定処理装置１３は、この装置の各部を制御するＣＰＵ２１と、このＣＰＵ２１の演算処理で生成されたＢスコープ画像データを記憶する画像メモリ２２と、制御プログラムを記憶するＲＯＭ２３と、ワーキング用のＲＡＭ２４とが設けられている。
【００１９】
また、傷判定処理装置１３には、多チャネル超音波探傷装置１２が出力する受信データを取り込むＩ／Ｏ回路２５、画面表示を制御するＣＲＴコントローラ２６及び記憶媒体との間で記憶データの送受信を行うＩ／Ｏ回路２７が設けられている。また、デバイスを接続するためのデバイスアダプタ２８、各部が接続されるバスライン２９及び座標入力操作を行うためのマウス３０が設けられている。
【００２０】
さらに、機能選択などの入力操作を行うためのキーボード３１、処理データをＩ／Ｏ回路２７を通じて記憶し、かつ、記憶データを送出する外部記憶装置３２及び処理データを画面表示するＣＲＴモニタ３３が設けられている。
図３はＣＰＵ２１による傷判定処理の機能を示すブロック図である。図３において、この傷判定処理機能は、Ｂスコープ画像を生成するＢスコープ画像生成処理部４０、連結領域の抽出を処理する連結領域抽出処理部４１及び特徴量の算出を処理する特徴量算出処理部４２を有している。
【００２１】
また、傷判定処理の機能には、遅延エコーの識別を処理する遅延エコー識別処理部４４、人工構造物、例えば、ボルト孔などの識別を処理する人工構造物識別処理部４５及び図１中のレール１０の傷を判定する傷判定部４６及び判定結果を表示するための出力表示処理部４７を有している。
この実施形態の構成における動作について説明する。
【００２２】
図１において、この被検査体傷判定装置は、高速走行する超音波レール探傷車に搭載されており、多チャネル超音波探触器１１からレール１０の傷の発生部位と方向性を考慮した超音波を放射する。すなわち、レール１０の頭部から底部にかけての水平裂に対しては垂直チャネルの超音波探触子１１ａから超音波を放射し、また、腹部から底部についての横裂には、±４５°チャネルの超音波探触子１１ｂ，１１ｃから超音波を放射し、その反射エコーを受信する。
【００２３】
この多チャネル超音波探触器１１には、多チャネル超音波探傷装置１２の送信部から超音波が入力される。かつ、受信部が多チャネル超音波探触器１１で受信した反射エコーの反射信号を増幅し、さらに、デジタル信号化等の処理を行い、この受信データが傷判定処理装置１３に入力される。
図２に示す傷判定処理装置１３ではＣＰＵ２１がＩ／Ｏ回路２５及びバスライン２９を通じて受信データを取り込み、ＲＯＭ２３から読みだした制御プログラムに基づいて、図３に示した傷判定処理の機能ブロックによるデータ処理が行われる。すなわち、多チャネル超音波探傷装置１２から取り込んだ受信データから、反射エコーのＢスコープ画像を生成し、このＢスコープ画像から人工構造物や遅延エコーが識別され、この後に自動的に信頼性が高い傷判定を行う。このデータ処理は高速に実時間で行われる。
【００２４】
この場合の処理データがワーキング用のＲＡＭ２４に一時的に記憶して行われ、また、この処理データがＣＲＴモニタ３３に画面表示される。さらに、処理データがＩ／Ｏ回路２７を通じて外部記憶装置３２に記憶される。この処理の指示操作がデバイスアダプタ２８に接続されるマウス３０及びキーボード３１で行われる。
【００２５】
図４は傷判定処理の動作の処理手順を示す流れ図である。図１から図４において、傷判定処理装置１３ではステップＳ１０によって、Ｂスコープ画像生成処理部４０がＢスコープ画像生成処理を行う。このＢスコープ画像生成処理では、図１に示すように垂直チャネル及び±４５°チャネルの複数チャネルによる超音波パルスを検査対象のレール１０に放射し、この放射によって得られた各チャネルの反射エコーのＢスコープ画像を生成する処理を行う。
【００２６】
このＢスコープ画像は、レール１０の長手方向における超音波パルスの入射位置と、ビーム路程（伝播時間）とを縦横とし、反射エコーが存在する位置の画素値を一定の値（例えば、「１」）又は、反射エコーの強度に応じた値とし、さらに、反射エコーが存在しない位置の画素値を、例えば、「０」としたものである。このようなＢスコープ画像をそのまま用いても良いが、理解し易いようにレール１０の長手方向の位置を横軸、レール１０の表面からの深さを縦軸とするＢスコープ画像に変換する。図１で示したように多チャネル超音波探触器１１を垂直チャネルの超音波探触子１１ａ、±４５°チャネルの超音波探触子１１ｂ，１１ｃで構成して、垂直チャネル及び±４５°チャネルの三つのＢスコープ画像を重ね合わせると、レール１０のボルト孔が、従前の図６に示した画像として得られる。
【００２７】
この変換はレール１０の長手方向の位置をｘ、レール１０の表面からの深さをｙ、超音波パルスのレール１０の長手方向における入射位置をｐ、ビーム路程をｑ、超音波パルスの入射角をθとすると、次式（１）（２）で表される。
ｘ＝ｐ＋ｑ・ｓｉｎθ                                  …（１）
ｙ＝ｑ・ｃｏｓθ                                      …（２）
次にステップＳ１１によって、連結領域抽出処理部４１が連結領域抽出処理を行う。この連結領域抽出処理では、垂直チャネル及び±４５°チャネルの反射エコーをＢスコープ画像上から連結領域を抽出する処理を行う。すなわち、Ｂスコープ画像上で相互に連結関係を有する反射エコーの画素の集合を一つの連結領域として抽出する。これは、例えば、ラベリングと呼称される画像処理手法を用いて行うことが出来る。このラベリングは、例えば、「コンピュータ画像処理入門」（田村監修  総研出版  １９８５年）に記載があり、連結領域ごとにラベル  （番号）を割りつける処理を行うものである。
【００２８】
なお、連結条件は、反射エコーありの画素が隣接している場合の他に、例えば、反射エコーありの画素間に存在する反射エコーなしの画素が所定数以下であるとを条件としても良い。この場合、反射エコーが多少欠落していても一つの連結領域とみなすことが出来る。
さらに、ステップＳ１２によって、特徴量算出処理部４２が特徴量算出処理を行う。この特徴量算出処理は、連結領域抽出処理で抽出された各連結領域の特徴量を算出する処理であり、この特徴量としては、重心の他に、例えば、大きさ  （画素数）、長さ（端点間距離）等が考えられる。
【００２９】
なお、重心はモーメント特徴として定義されるが、簡易的に連結領域の両端点の中心としての算出も可能である。
次に、ステップＳ１３によって、遅延エコー識別処理部４４が遅れエコーの識別処理を行う。この遅れエコーの識別処理は、連結領域抽出処理で抽出された各連結領域のうち、連結領域を構成する全ての画素が、超音波パルス放射後２番目以降の反射エコーの画素であることを条件として、遅れエコーを識別する処理である。各画素が超音波パルス放射後の最初のエコーであるか否かは、例えば、Ｂスコープ画像上での各画素から短いビーム路程方向に反射エコーありの画素が存在するか否かを調べれば良い。
【００３０】
また、ステップＳ１４によって、人工構造物識別処理部４５が人工構造物の識別処理を行う。この人工構造物の識別処理は、特徴量算出処理で算出された各連結領域の重心に基づいて人工構造物の識別を行う。この処理ではレール１０の人工構造物としてボルト孔を想定し、以下、このボルト孔の識別について説明する。垂直チャネル及び±４５°チャネルの三つのＢスコープ画像を重ね合わせると、レール１０のボルト孔が、従前の図６に示した画像として得られることが判明している。すなわち、三つのチャネルのボルト孔を反射源とする連結領域の位置関係は決まっており、さらに、ボルト孔はレール１０の腹部に存在することも判明している。そこで、次の条件によってボルト孔の識別が可能になる。
【００３１】
この条件は「垂直チャネルの連結領域の重心が、レール１０の腹部に相当する所定の縦軸上位置（レール１０の表面からの深さ）であり、かつ、その重心位置に対して、所定位置の範囲内を重心位置とする＋４５°チャネルの連結領域、及び、−４５°チャネルの連結領域が共に存在する」である。
なお、他の人工構造物として、ボルト孔より小さいボンド孔、メイハン孔も同様にして、その識別が可能である。
【００３２】
さらに、ステップＳ１５によって、傷判定部４６が図１に示すレール１０における傷の判定処理を行う。この傷の判定では、遅れエコーや人工構造物であると識別されなかった垂直チャネル及び±４５°チャネルの連結領域に対して、レール１０における傷を判定するものである。例えば、まず、垂直チャネルの場合、水平裂、±４５°チャネルの場合は横裂として判定する。そして、連結領域の重心の縦軸上の位置（レール１０の表面からの深さ）によって、発生部位の頭部、腹部、底部を識別する。さらに、連結領域の長さによって、傷の軽重を判定する。ステップＳ１６によって、出力表示処理部４７が、図２に示すＣＲＴモニタ３３で判定した傷を画面表示する処理を行う。
【００３３】
なお、この実施形態では被検査体としてレール１０をもって説明し、かつ、超音波レール探傷車に適用して説明したが、同様に傷を高速で判別すべき、他の被検査体にも適用できる。その作用効果も同様である。
このように、この実施形態では多チャネル超音波探傷装置１２が出力する受信データから反射エコーのＢスコープ画像を生成し、このＢスコープ画像からレール１０の人工構造物や遅延エコーが実時間に等しい高速で確実に識別され、その傷判定が自動的かつ高信頼性をもって可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の被検査体傷判定方法及び装置によれば、複数チャネルのチャネルごとのＢスコープ画像上での連結領域について一つ又は複数の特徴量を算出し、この算出した特徴量に基づいて前記被検査体の傷を判定しているため、実時間の高速な処理が可能であり、かつ人工構造物や遅延エコーを確実に識別できるようになり、自動的かつ信頼性が高い傷判定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の被検査体傷判定装置の実施形態の構成を示すブロック図
【図２】図１の傷判定処理装置の詳細な構成を示すブロック図
【図３】図１に示す傷判定処理装置内のＣＰＵによる傷判定処理の機能ブロック図
【図４】実施形態にあって傷判定処理の動作の処理手順を示す流れ図
【図５】従来の鉄道レールなどを超音波で探傷する計測状態を示す斜視図
【図６】従来例のＢスコープ画像を示す図
【符号の説明】
１０：レール
１１：多チャネル超音波探触器
１１ａ〜１１ｃ：超音波探触子
１２：多チャネル超音波探傷装置
１３：傷判定処理装置
２１：ＣＰＵ
２２：画像メモリ
２３：ＲＯＭ
２４：ＲＡＭ
２５，２７：Ｉ／Ｏ
２６：ＣＲＴコントローラ
２８：デバイスアダプタ
２９：バスライン
３０：マウス
３１：キーボード
３２：外部記憶装置
３３：ＣＲＴモニタ
４０：Ｂスコープ画像生成処理部
４１：連結領域抽出処理部
４２：特徴量算出処理部
４３：フアィル
４４：遅延エコー識別処理部
４５：人工構造物識別処理部
４６：傷判定部
４７：出力表示処理部
【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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