(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を電力増幅器を用いて増幅し、送信用センサコイルを介して前記被検体に送信し、
ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、
この超音波を検出して、この被検体より受信用センサコイルを介して得られた受信信号と、前記送信信号と同一または類似の波形の参照信号との相関演算を行い、
この相関演算後の受信信号を用いて前記被検体の計測を行う電磁超音波計測方法であって、
広帯域周波数の送信波を送信する電力増幅器が有する周波数特性の影響をなくすように、チャープ信号の振幅および位相を変化させる変調手段を用いて送信信号および／または参照信号の振幅や位相を変化させることを特徴とする電磁超音波計測方法。
【請求項２】
所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を電力増幅器を用いて増幅し、送信用センサコイルを介して前記被検体に送信し、
ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、
この超音波を検出して、この被検体より受信用センサコイルを介して得られた受信信号と、前記送信信号と同一または類似の波形の参照信号との相関演算を行い、
この相関演算後の受信信号を用いて前記被検体の計測を行う電磁超音波計測方法であって、
発生する電磁超音波又は受信した信号の周波数特性に対して前記センサコイルのインピーダンスによる周波数特性の変化の影響をなくすように、チャープ信号の振幅および位相を変化させる変調手段を用いて送信信号および／または参照信号の振幅や位相を変化させることを特徴とする電磁超音波計測方法。
【請求項３】
ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、この超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測装置において、
前記被検体に磁場をかける外部磁化器、並びに送信用センサコイルおよびこの送信用センサコイルと兼用または別個の受信用センサコイルと、
所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を数値データとして算出するチャープ信号算出手段と、
前記チャープ信号算出手段の算出したチャープ信号を、送信信号、参照信号としてそれぞれ記憶する送信信号記憶手段および参照信号記憶手段と、
前記送信信号記憶手段に記憶された送信信号を読出し、アナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、
前記Ｄ／Ａ変換手段の出力するアナログ信号を電力増幅して前記送信用センサコイルに印加する電力増幅手段と、
前記受信用センサコイルが得た受信信号を増幅する受信増幅手段と、
前記受信増幅手段の増幅した受信信号を数値データに変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力する数値データと、前記参照信号記憶手段から読出した参照信号との相関演算を行う相関演算手段と、
広帯域周波数の送信波を送信する前記電力増幅器が有する周波数特性の影響をなくすために、チャープ信号である送信信号および／または参照信号の振幅や位相を変化させる変調手段とを備えたことを特徴とする電磁超音波計測装置。
【請求項４】
ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、この超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測装置において、
前記被検体に磁場をかける外部磁化器、並びに送信用センサコイルおよびこの送信用センサコイルと兼用または別個の受信用センサコイルと、
所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を数値データとして算出するチャープ信号算出手段と、
前記チャープ信号算出手段の算出したチャープ信号を、送信信号、参照信号としてそれぞれ記憶する送信信号記憶手段および参照信号記憶手段と、
前記送信信号記憶手段に記憶された送信信号を読出し、アナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、
前記Ｄ／Ａ変換手段の出力するアナログ信号を電力増幅して前記送信用センサコイルに印加する電力増幅手段と、
前記受信用センサコイルが得た受信信号を増幅する受信増幅手段と、
前記受信増幅手段の増幅した受信信号を数値データに変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力する数値データと、前記参照信号記憶手段から読出した参照信号との相関演算を行う相関演算手段と、
発生する電磁超音波又は受信した信号の周波数特性に対してセンサコイルのインピーダンスによる周波数特性の変化の影響をなくすために、チャープ信号である送信信号および／または参照信号の振幅や位相を変化させる変調手段とを備えたことを特徴とする電磁超音波計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、この超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば金属の板や管等の被検体に、非接触で超音波の発生や検出を行う方法の一つとして、電磁超音波法が知られている。
この技術は、導電性の被検体に外部から磁場をかけておき、被検体に近接させたセンサコイルに電流を流すことにより被検体中に渦電流を生じせしめ、その渦電流と磁場とで発生するローレンツ力を用いて被検体中に超音波を発生するものであり、検出についても同様の原理である。
【０００３】
また、被検体が強磁性体の場合は、外部磁場をもってバイアス磁界をかけておき、被検体に近接させたセンサコイルから発生した磁界によりバイアス磁界を変化させ、これにより磁歪を変化させて被検体中に超音波を発生する原理もある。このような電磁超音波法は、外部磁場とセンサコイルとの位置関係次第で様々なモードの超音波が発生・検出でき、かつ非接触であるという大きなメリットがあるものの、現在一般的に用いられている圧電振動子による超音波発生検出法に比較して、電気機械変換効率が非常に低いため感度・ＳＮ比が悪いという問題がある。
【０００４】
このため従来から電磁超音波法の感度を改善する工夫が種々試みられてきた。例えば、被検体中の磁束密度が大きくなるように、非導電性磁性材の保護板（特開昭５６−１３２５５８号公報）や磁性材のセンサコイル（特開昭５７−８４３５０号公報）を使うことによりセンサそのものの感度を改善する方法、センサコイルと被検体間に金属箔を挟んで（特開平２−９６６０７号公報、特開平５−２８８７３３号公報）電気ノイズを低減する方法、２つの受信センサコイルを差動接続で用いて（特開昭５３−１４３３８８号公報、特開昭５７−８４３５２号公報）ノイズを低減する方法などである。
【０００５】
これらの工夫にさらに加えてＳＮ比を高くする方法として、信号処理的方法が提案されている。
例えば送信信号を高電圧化する方法として、トリガ式スパークギャップによる方法（特開昭５３−８９４８６号公報）、２方向性サイラトロンによる方法（特開昭５８−１８０９４７号公報）、倍電圧パルサーによる方法（非破壊検査誌Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１１，ｐｐ．８０８−８１４）など、パルス状の送信信号の振幅を増やす方法がある。
しかしながら、上記の送信信号を高電圧にする方法には次のような問題点がある。すなわち、電圧の尖頭値が１０ｋＶ程度では、センサコイルや接続線の途中でスパーク・ショートしたり、他の機器のノイズ源となってしまう。センサコイルには感度を増すためには巻数が多い方が望ましいが、耐圧を増すためには太くかつ被覆した線を用いる必要があってあまり巻数が増やせない。また、高電圧を発生させるため、送信信号のパルス繰り返し周波数を数１００Ｈｚ程度までしか高くできず、高速に移動する被検体に適用できない。
【０００６】
上記の問題を解決する方法として、被検体中で超音波が共振することを利用した電磁超音波共鳴（非破壊検査誌Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１２，ｐｐ．７６４−７７０）による方法がある。しかしながらこの方法では、被検体に垂直に入射せしめた超音波の多重反射波の位相が揃って（コヒーレントとなり）共鳴するように、その共鳴周波数でかつパルス幅が長いバースト波を送信信号に用いるため、反射エコーを個別に分離することができず、複数の反射源を持つ被検体や平行面を持たない被検体へ適用することができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、電磁超音波法における送信信号の高電圧化はセンサコイルの耐圧の問題があり、一方、パルス幅の長いバースト波によって共鳴させる方法は複数の反射源を持つ被検体や平行面を持たない被検体へ適用することができないという問題があった。
【０００８】
この両者の中間として、あまりパルス幅の長くないバースト波を用いたり、センサコイルを共振回路にする方法が考えられるが、パルス状の送信信号に比較して、受信エコーの時間分解能が大幅に劣化するため、その適用対象は自ずと限られてしまう。このため、現在においても、電磁超音波法の工業現場における実用化は数例に留まっている。
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みて行われたものであり、電磁超音波計測において高い時間分解能でかつ高いＳＮ比を得ることができる計測方法およ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】
本発明に係る電磁超音波計測方法は、所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を電力増幅器を用いて増幅し、送信用センサコイルを介して前記被検体に送信し、ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、この超音波を検出して、この被検体より受信用センサコイルを介して得られた受信信号と、前記送信信号と同一または類似の波形の参照信号との相関演算を行い、この相関演算後の受信信号を用いて前記被検体の計測を行う電磁超音波計測方法であって、広帯域周波数の送信波を送信する電力増幅器が有する周波数特性の影響をなくすように、チャープ信号の振幅および位相を変化させる変調手段を用いて送信信号および／または参照信号の振幅や位相を変化させるものである。
【００１１】
本発明に係る電磁超音波計測装置は、ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、この超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測装置において、前記被検体に磁場をかける外部磁化器、並びに送信用センサコイルおよびこの送信用センサコイルと兼用または別個の受信用センサコイルと、所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を数値データとして算出するチャープ信号算出手段と、前記チャープ信号算出手段の算出したチャープ信号を、送信信号、参照信号としてそれぞれ記憶する送信信号記憶手段および参照信号記憶手段と、前記送信信号記憶手段に記憶された送信信号を読出しアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、前記Ｄ／Ａ変換手段の出力するアナログ信号を電力増幅して前記送信用センサコイルに印加する電力増幅手段と、前記受信用センサコイルが得た受信信号を増幅する受信増幅手段と、前記受信増幅手段の増幅した受信信号を数値データに変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段の出力する数値データと、前記参照信号記憶手段から読出した参照信号との相関演算を行う相関演算手段と、広帯域周波数の送信波を送信する前記電力増幅器が有する周波数特性の影響をなくすために、チャープ信号である送信信号および／または参照信号の振幅や位相を変化させる変調手段とを備えたものである。
【００１２】
そして、従来は実用できなかった電磁超音波が本来持っている広帯域性を発揮した計測が可能となり、種々の計測用途に適用できる。
【００１３】
本発明に係る電磁超音波計測方法は、所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を電力増幅器を用いて増幅し、送信用センサコイルを介して前記被検体に送信し、ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、この超音波を検出して、この被検体より受信用センサコイルを介して得られた受信信号と、前記送信信号と同一または類似の波形の参照信号との相関演算を行い、この相関演算後の受信信号を用いて前記被検体の計測を行う電磁超音波計測方法であって、発生する電磁超音波又は受信した信号の周波数特性に対して前記センサコイルのインピーダンスによる周波数特性の変化の影響をなくすように、チャープ信号の振幅および位相を変化させる変調手段を用いて送信信号および／または参照信号の振幅や位相を変化させるものである。
【００１４】
本発明に係る電磁超音波計測装置は、ローレンツ力または磁歪を用いて被検体に電磁気的に超音波を発生させ、この超音波を検出して被検体の計測を行う電磁超音波計測装置において、前記被検体に磁場をかける外部磁化器、並びに送信用センサコイルおよびこの送信用センサコイルと兼用または別個の受信用センサコイルと、所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を数値データとして算出するチャープ信号算出手段と、前記チャープ信号算出手段の算出したチャープ信号を、送信信号、参照信号としてそれぞれ記憶する送信信号記憶手段および参照信号記憶手段と、前記送信信号記憶手段に記憶された送信信号を読出しアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、前記Ｄ／Ａ変換手段の出力するアナログ信号を電力増幅して前記送信用センサコイルに印加する電力増幅手段と、前記受信用センサコイルが得た受信信号を増幅する受信増幅手段と、前記受信増幅手段の増幅した受信信号を数値データに変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段の出力する数値データと、前記参照信号記憶手段から読出した参照信号との相関演算を行う相関演算手段と、発生する電磁超音波又は受信した信号の周波数特性に対してセンサコイルのインピーダンスによる周波数特性の変化の影響をなくすために、チャープ信号である送信信号および／または参照信号の振幅や位相を変化させる変調手段とを備えたものである。
【００１５】
そのため、センサコイルや接続ケーブルによって、発生する電磁聴音波又は受信信号の周波数特性が影響を受ける場合にも、相関処理後の周波数特性が所望の特性となり、その結果サイドローブの少ない時間分解能に優れたエコー信号を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施形態１
図１は本発明の実施形態１に係る電磁超音波計測装置の構成図である。
図１においては、被検体１に対してセンサコイル２を近接させており、外部磁化器３から被検体１に磁界をかけてローレンツ力により電磁超音波を発生・検出するようにしている。ここで、被検体１は強磁性体である炭素鋼、センサコイル２は、送受信兼用で、円形に巻かれその長径は２０ｍｍ、巻数は２０ターンとした。また外部磁化器３には１０×１０×２０ｍｍの永久磁石２個を用い、図１に示すような配置とした。
【００１７】
まず本発明において、送信パルス信号は所定のパルス幅内で周波数を掃引変化させると共にその振幅を変化させるチャープ（Ｃｈｉｒｐ）信号を用いる。このチャープ信号ｓ（ｉ）  は、図１のチャープ信号演算手段４によって次の式（１）に基づいて発生される。但しここでｆＣ  は中心周波数、Ｂは周波数掃引帯域幅、Ｔはパルス幅、ｆＳ  はサンプリング周波数である。またこの例で、チャープ信号演算手段４は汎用のコンピュータを用いた。
なお図１のセンサコイル２は、送受信兼用であるが、これを送信用センサコイルと受信用センサコイルに分けて設けるようにしてもよい。
【００１８】
【数１】
0003575252.tif 000002
【００１９】
この例におけるチャープ信号は、中心周波数５ＭＨｚ、周波数掃引帯域幅１０ＭＨｚ、パルス幅５．１２μｓとし、サンプリング周波数２５ＭＨｚで離散化して求めたので、データ点数は１２８点である。
チャープ信号演算手段４によって発生された上記のチャープ信号は、シリアル伝送によって、それぞれＲＡＭによって構成される参照信号記憶手段５と送信信号記憶手段６に記憶される。
【００２０】
送信信号記憶手段６に格納されたチャープ信号は、同期信号発生手段１２により発生される同期信号に同期して１２８点分の読み出しが開始され、Ｄ／Ａ変換器７で所定のサンプリング周波数でアナログ信号に変換され、電力増幅器８で高電圧に増幅される。そして電力増幅器８の出力信号はセンサコイル２に印加され、超音波に変換されて被検体１中に発信される。
この例において、同期信号発生手段１２により発生される同期信号は１ｋＨｚの周期とし、Ｄ／Ａ変換器７によるチャープ信号のサンプリング周波数は２５ＭＨｚとした。また電力増幅器８は帯域幅０．１〜２０ＭＨｚ、５０Ω負荷においてピーク間電圧１０００Ｖｐｐの出力のものを用いた。
【００２１】
センサコイル２が検出した受信信号は、受信用増幅器９によってＡ／Ｄ変換に必要な電圧まで増幅され、Ａ／Ｄ変換器１０において、同期信号発生手段１２の発生する同期信号に同期した所定のサンプリング周波数によってデジタル信号に変換される。このデジタル信号に離散化された受信信号は、相関器１１にて参照信号記憶手段５に格納されている参照信号との相関が演算され、この相関演算結果が出力される。
この例において、受信用増幅器９は帯域幅０．１〜２０ＭＨｚ、増幅度７０ｄＢとし、図示されていない増幅度調整器により計測に用いたエコーが適正なレベルになるように調整した。Ａ／Ｄ変換器１０のサンプリング周波数は前記の２５ＭＨｚとし、同期信号発生手段１２による同期信号に同期してサンプリングを開始するようにした。また相関器１１にはＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｉｍｐｕｌｓｅ
Ｒｅｓｐｏｎｓｅ、有限インパルス応答）フィルタを用いた。
【００２２】
図２は図１の相関器に用いたＦＩＲフィルタの構成を示す図であり、図の＋印は加算器、×印は乗算器、Ｚ−１は遅延器であり、各遅延器は入力信号に対して送信の繰返し周期に相当する時間の遅延を行い出力する。
図２のＦＩＲフィルタにおいては、デジタル信号に離散化された受信波形ｘ（τ）と相関演算を行うための参照波形は、ある一定のサンプリング周波数でサンプリングされ（離散化され）、この例では各離散化データ値は、１２８個のＣ０  〜Ｃ１２７  として、それぞれ×印の乗算器の一方に入力される。一方入力端から各送信周期毎に入力される離散化受信データｘ（τ）は、各乗算器の他方の入力に直接供給され、前記参照データＣ０  〜Ｃ１２７  とそれぞれ個別に乗算され、Ｃ１２７  との乗算結果を除く各乗算結果はそれぞれ１２７個の遅延器と加算器とが交互に直列接続された該当加算器の入力の一方に供給される。そして、Ｃ１２７  との乗算結果のみが前記交互に直列接続された先頭の遅延器に直接供給され、この遅延器の後段に直列接続される加算器の入力の他方にはＣ１２６  との乗算結果が供給されている。そして前記直列結合の最後の加算器の出力が相関演算出力となる。
【００２３】
図２のＦＩＲフィルタの信号処理を一般式で示す。
いま入力信号をｘｊ  （ｉ）  、係数（参照データ）をｃ（ｋ）  、出力信号をｙｊ  （ｉ）  、タップ数をＮｃ  、探傷信号の繰返しをｊ、１周期の探傷信号のデータ点数をｎとすると、次の式（２）のたたみ込み演算を行なうことになる。
【００２４】
【数２】
0003575252.tif 000003
【００２５】
上記（２）式において参照信号を逆順にすると次の式（３）となる。
【００２６】
【数３】
0003575252.tif 000004
【００２７】
この結果、係数に参照信号を逆順にして書込むことにより、ＦＩＲフィルタを用いて相関演算を行うことができる。この相関の動作は、参照信号と受信信号をｉだけずらしながら相互相関を計算していくものである。
【００２８】
図３は図２のＦＩＲフィルタの動作を説明する波形図である。
図３において、時間τ１  の点は式でｉ＝０の位置に相当する。まず、τ１  の位置で、受信信号と参照信号との相関演算を０〜Ｎｃ  −１点のデータ分だけ行う。ここでＮｃ  はＦＩＲフィルタのタップ長であり、ここでは１２８とした。相関の結果は、図中一番下の信号として出力される。このτ１  の時点では参照信号と受信信号は類似していないため、出力はほとんど零である。
次に、ｉを一つずつ増やし、図中τ２  ，τ３  ，…のように順次演算を行っていく。この結果、受信信号中のエコーと参照信号の位相が一致した点（図中の時間軸のほぼ中央）で、最大ピークの相関信号が得られる。この結果、受信エコーのパルス幅は圧縮され、参照信号と相関のない電気的なノイズ信号は大幅に低減される。
【００２９】
次に本実施形態１による実験例を説明する。図１の構成から相関処理後の受信信号を観察するため、図中には示していないが、相関器１１の後にＤ／Ａ変換器を接続して相関演算出力をアナログ信号に変換し、そのアナログ信号をオシロスコープで観察した。また、従来技術としての観察の場合は、受信用増幅器９の直後の信号で観察した。
図４は本実施形態１の実験に用いた送信信号を示す図であり、同図の（ａ）は図１の送信信号記憶手段６でのチャープ波による送信信号を示し、（ｂ）は比較のために用いた波数６波のバースト波による送信信号を示している。
【００３０】
図５は本実施形態１による相関処理を説明する図である。
図５の（ａ）は、実際の電力増幅器８からの送信信号であり、図４の（ａ）に示した送信信号記憶手段６からのチャープ波に比較すると、その振幅や位相が変化していることが分かる。また図５の（ｂ）は相関処理を行うための参照信号であり、波形は図４の（ａ）と同一波形の信号とした。
ここで、センサコイル・ケーブルや材料に周波数特性がない場合を考えると、相関処理後の圧縮信号は図５の（ｃ）のようになる。同図から分かるように圧縮されたメインローブの周りにサイドローブが大きく発生している。これは、送信信号が図の（ａ）のような振幅と位相変化によるためである。
【００３１】
図６は本実施形態１による実験結果の受信信号を示す図である。
この実験では、厚さ８ｍｍの炭素鋼鋼板からの底面エコーを測定した。また相関処理を行うための参照信号は、前記のように図４の（ａ）と同一波形の信号を用いている。
図６の（ａ）はチャープ波による相関処理後の受信信号であり、エコーの波数は約１．５波と非常に高い時間分解能が得られ、かつＳＮ比も良い。一方同図の（ｂ）は比較のためにバースト波を用いた従来技術による受信信号であり、波数が多い時間分解能の悪いエコー波形であり、ＳＮ比も低い。
しかし本実施形態１によるチャープ波の場合には、送信信号のピーク・トウ・ピーク電圧が１０００Ｖｐｐ程度の比較的低い電圧でも、高い時間分解能でかつ高いＳＮ比が得られた。
【００３２】
上記説明のように本実施形態１によれば、所定パルス幅を持つチャープ信号を送信信号に用いており、このパルス幅が十分に長いので、送信信号のピーク・トウ・ピーク電圧をあまり高くしなくとも、大きな平均電力を送信できることになり、その結果強い超音波を発生させ計測感度を向上させることができる。さらに、送信信号と同一のチャープ信号を参照信号とし、受信信号と参照信号との相関演算を行っているので、受信チャープ波のパルス圧縮作用により時間的に長かったエコーのパルス幅が短く圧縮されると共に、送信信号と相関のない電気的ノイズを大幅に低減することができる。
このため、電磁超音波共鳴や、センサコイルを共振回路にするような時間分解能の劣化についての対策の必要がなくなり、高い時間分解能でかつ高いＳＮ比を得ることができる。またチャープ信号においては周波数だけでなく振幅も変化させるようにしているので、振幅を変化させない場合に比較して、サイドローブの少ない高い時間分解能の波形が得られる。
【００３３】
また電磁超音波の場合、一般的な圧電探触子による超音波計測法と異なり、探触子の機械的共振がないため、元々広帯域性を有するものであるが、従来は感度が低かったため、広帯域パルスの発生は実現し得ず、またこの特徴も知られていなかった。
本実施形態１の発明は、この電磁超音波が本来持っている広帯域性に着目し、チャープ波パルス圧縮の信号処理と組み合わせることにより、単に計測感度を高めるのみならず、電磁超音波本来の広帯域性を引き出すようにしたことに特徴を有するものである。
【００３４】
前記実施形態１における受信信号の相関処理後の圧縮信号は、確かに高分解能でＳＮ比の高い信号となるが、図５の（ｃ）に示したようにメインローブの周りにサイドローブがかなり発生している。そしてこのサイドローブが低減できれば、さらに効果的な電磁超音波計測が可能となるので、以下の実施形態２，３，４において、それぞれのサイドローブ低減法を説明する。
【００３５】
一般に、チャープ波パルス圧縮では、相関処理後の波形の周波数特性がコサイン関数状になるようにするとサイドローブが低くなることが知られている。
そこで本実施形態２，３においては、電磁超音波に用いる電力増幅器などの周波数特性を考慮することにより、相関処理後の波形の周波数特性がコサイン関数状になるように、実施形態１のチャープ波（図４の（ａ）を参照）の振幅および位相を変化させる変調を行い、この変調処理後の信号を、送信信号として用いるか、または参照信号として用いるようにしている。
また本実施形態４においては、実施形態１のチャープ波に第１の変調処理を行った信号を送信信号として用い、かつ前記チャープ波に第２の変調処理を行った信号を参照信号として用いるようにしている。以下各実施形態を説明する。
【００３６】
実施形態２
図７は本発明の実施形態２に係る電磁超音波計測装置の構成図であり、同図は、図１の構成の装置に第１の変調手段１３を追加して設けたものである。
また図８は図７の第１の変調手段１３によって変調されたチャープ信号を示す図であり、図９は本実施形態２による相関処理を説明する図である。
図７の第１の変調手段１３によるチャープ信号の変調処理は、図５の（ａ）の送信信号に対して変調処理を行った結果が、図９の（ａ）の送信信号のようになるように変調を施すものである。図４のチャープ波にこのような変調を行った結果が図８の変調されたチャープ信号である。
【００３７】
以下上記変調処理を数式により説明する。
図９の（ａ）送信信号には、次の式（４），（５）を用いた。但しここで、係数ｋは０．０８〜０．１４の値とした。
【００３８】
【数４】
0003575252.tif 000005
【００３９】
そして第１の変調手段１３は、次の式（６）で表されるフィルタ操作を、チャープ信号演算手段４から発生された信号ｓ（ｉ）  に対して施す。但し、ここでＳ（ｊω）  はチャープ信号発生手段からの信号ｓ（ｉ）  をフーリエ変換したもの、Ｓｔ（ｊω）  は図５の（ａ）に相当する変調をかけない場合の電力増幅器８からの出力信号である。
【００４０】
【数５】
0003575252.tif 000006
【００４１】
このような演算操作の結果、チャープ信号演算手段４からの出力信号は変調され、図８に示すような変調を受けた波形の信号が得られ、電力増幅器８からの信号は式（４）で表される図９の（ａ）に示すような送信信号となった。
この結果、図９の（ａ）の送信信号と、（ｂ）の参照信号との相関処理結果の圧縮信号は（ｃ）に示すような波形となり、メインローブの周りのサイドローブは低減され、時間分解能に優れた波形が得られた。
【００４２】
実施形態３
図１０は本発明の実施形態３に係る電磁超音波計測装置の構成図であり、同図は、図１の構成の装置に第２の変調手段１４を追加して設けたものである。
また図１１は理想波形の特性を示す図、図１２は図１０の第２の変調手段１４の周波数特性を示す図、図１３は本実施形態３による相関処理を説明する図である。
本実施形態３においては、送信信号は図５の（ａ）のままで、参照信号の振幅と位相を変調することにより、サイドローブを小さくするようにしている。
【００４３】
図１０の第２の変調手段１４の特性は以下のようにして求めた。
まず、参照信号に変調をかけない場合の相関処理後の信号、例えば図５の（ｃ）に示す信号を求める。ここではこの信号をｓｒ（ｔ）  とする。
次に、このｓｒ（ｔ）  が予め設定した理想波形、例えば図１１の（ｂ）に示す理想の圧縮信号となるようなフィルタＨ（ｊω）  を設計する。
【００４４】
フィルタＨ（ｊω）  は次のように求められ、その結果として相関に用いるＦＩＲフィルタの係数は次のように求められる。
（１）まず参照信号を変調をかけない信号とし、相関処理後の信号ｓｒ（ｔ）  を得る。
（２）整形後の所望の圧縮波形（例えば図１１の（ｂ）の波形）を得るために、下記式（７）により次の理想波形を設定する。
この理想波形は、理想の周波数特性（例えば図１１の（ａ）の特性）で表しており、式（７）におけるｆｃ  は理想波形の周波数帯域の中心周波数、Ｂは理想波形の帯域幅である。なおこの帯域幅は相関処理後の信号のスペクトラムの零点の範囲で設定する。
【００４５】
【数６】
0003575252.tif 000007
【００４６】
（３）第２の変調手段のフィルタ特性を下式（８）により、求める。ここで式（８）の分母のＳｒ（ｊω）  は相関後の信号をフーリエ変換したものである。
【００４７】
【数７】
0003575252.tif 000008
【００４８】
このようにして求めた第２の変調手段のフィルタ特性の周波数特性が図１２に示される。
（４）相関に用いるＦＩＲフィルタの係数ｃ（ｔ）  を下式（９）により求める。
【００４９】
【数８】
0003575252.tif 000009
【００５０】
ここでＳ（ｊω）  はチャープ信号発生手段からの信号ｓ（ｉ）  をフーリエ変換したものであり、＊は複素共役を示す。また、ＩＦＦＴ［］は逆フーリエ変換を示す演算子である。
【００５１】
以上の演算の結果求められた参照信号の波形が図１３の（ｂ）に示される。
この図１３の（ｂ）の参照信号と、電力増幅器からの出力である同図の（ａ）の送信信号との相関結果は、同図の（ｃ）のようになり、本実施形態３の方法を用いても、サイドローブの小さい時間分解能に優れた波形が得られる。
【００５２】
上記説明のように本実施形態２または３においては、所定の周波数特性を持つ送信信号または参照信号が得られるように、チャープ信号の振幅および位相を変化させ、これを送信信号または参照信号として用いることを特徴としている。
すなわち、チャープ波を用いたパルス圧縮では、送信信号の周波数特性と参照信号の周波数特性を掛け合わせた結果の周波数特性によってパルス圧縮後の波形やサイドローブが定まるため、送信信号や参照信号が所定の周波数特性を持つように定める必要がある。しかし電磁超音波の場合、送信信号を発生させるための電力増幅器にはセンサコイルなどの耐圧の許す限り高い電圧のものが望ましいが、使用する周波数帯域が数ＭＨｚと高周波広帯域であるため周波数特性を一定にすることが困難である。また、発生する電磁超音波や受信した信号の周波数特性はセンサコイルのインピーダンスやケーブルによっても多少の変化がある。また、材料中の信号減衰も周波数特性を持っている。
【００５３】
そこで本実施形態２，３では、それらの影響をなくすように、チャープ信号の振幅および位相を変化させる変調手段により送信信号または参照信号の振幅や位相を変化させるようにしている。この結果、相関処理後に、波数が少なくかつサイドローブの少ない時間分解能に優れた波形を得ることができる。
【００５４】
実施形態４
図１４は本発明の実施形態４に係る電磁超音波計測装置の構成図であり、同図は図１の構成の装置に第１の変調手段１３と第２の変調手段１４とを追加して設けたものである。
理論的には、前記実施形態２又は３における第１の変調手段１３または第２の変調手段１４のいずれか一方の手段によって理想的な変調がなされれば、相関処理後に所望の圧縮信号が得られることになる。
【００５５】
しかしながら実際のオンライン計測においては、種々の被検体を計測対象としており、被検体が異ると被検体内での信号減衰の周波数特性が変化することがある。また使用中の劣化や破損により、電力増幅器及び受信用増幅器からセンサコイルまでの接続ケーブルやセンサコイルを交換すると受信信号の周波数特性が変化することもある。
このような場合に、最初は、例えば第１の変調手段１３によって、ほぼ理想的な変調がなされていたとしても、被検体が変ったり、接続ケーブルやセンサコイルの交換等により、相関処理後の圧縮信号が理想波形からずれてしまうことがある。
【００５６】
このように当初の理想波形からのずれを補正するのに、第１の変調手段１３による変調をそのまま行いながら、第２の変調手段１４によって若干の変調を加味して、再び理想波形を得るようにすることは比較的容易である。
このように変調手段を２つ有する装置では、接続ケーブルやセンサコイルを交換しても、共通に適用できる大まかな変調を一方の変調手段で行い、その後の微細な変調を他方の変調手段で行い、両方の変調結果として理想波形を得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、所定パルス幅内で周波数および振幅を変化させたチャープ信号を送信するので、比較的に低い送信電圧でも大きな平均電力を送信し、強い超音波を発生させ、高感度の計測を行うことができる。また受信信号は参照信号と相関演算を行うので、相関演算後の圧縮エコー信号を高い時間分解能でかつ高いＳＮ比とすることができる。この結果、センサの耐圧の問題がなくなり、また他の機器に対するノイズ源にならず、かつ高いパルス繰返し周波数が得られ、複数の反射源を持つ被検体や平行面を持たない被検体にも本発明を適用することができる。
また本電磁超音波計測法は、単に感度を高くするだけでなく、従来は実用できなかった電磁超音波が本来持っている広帯域性を発揮できるようになる。この結果、電磁超音波を様々な計測用途で適用できるようになる。
【００５８】
また本発明によれば、所定の周波数特性を持つ送信信号または参照信号が得られるように、チャープ信号の振幅および位相を変化させ、これを送信信号または参照信号として用いるようにしたので、センサコイルや接続ケーブルによって受信信号の周波数特性に影響を受ける場合にも、相関処理後の周波数特性が所望の特性となり、その結果サイドローブの少ない時間分解能に優れたエコー信号を得ることができる。
【００５９】
また本発明によれば、第１の所定周波数特性を持つ送信信号が得られるようにチャープ信号の振幅および位相を変化させるとともに、第２の所定周波数特性を持つ参照信号が得られるように前記チャープ信号の振幅および位相を変化させるようにしたので、計測対象とする被検体が変ったり、センサコイルや接続ケーブルを交換した際に受信信号の周波数特性が変化した場合にも、送信信号または参照信号のいずれか一方の周波数特性を変えることにより、容易にサイドローブの少ない時間分解能に優れたエコー信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る電磁超音波計測装置の構成図である。
【図２】図１の相関器に用いたＦＩＲフィルタの構成を示す図である。
【図３】図２のＦＩＲフィルタの動作を説明する波形図である。
【図４】本実施形態１の実験に用いた送信信号を示す図である。
【図５】本実施形態１による相関処理を説明する図である。
【図６】本実施形態１による実験結果の受信信号を示す図である。
【図７】本発明の実施形態２に係る電磁超音波計測装置の構成図である。
【図８】図７の第１の変調手段によって変調されたチャープ信号を示す図である。
【図９】本実施形態２による相関処理を説明する図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る電磁超音波計測装置の構成図である。
【図１１】理想波形の特性を示す図である。
【図１２】図１０の第２の変調手段の周波数特性を示す図である。
【図１３】本実施形態３による相関処理を説明する図である。
【図１４】本発明の実施形態４に係る電磁超音波計測装置の構成図である。
【符号の説明】
１  被検体
２  センサコイル
３  外部磁化器
４  チャープ信号演算手段
５  参照信号記憶手段
６  送信信号記憶手段
７  Ｄ／Ａ変換器
８  電力増幅器
９  受信用増幅器
１０  Ａ／Ｄ変換器
１１  相関器
１２  同期信号発生手段
１３  第１の変調手段
１４  第２の変調手段
【図１】
0003575252.tif 000010
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003575252.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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