(57)【要約】      （修正有）【課題】計測対象の周辺に音波送信手段と音波受信手段を複数配置し、音波送信手段から異なる波形を送信して、さらに計測時間を短縮して、単に計測時間の短縮だけでなく、音波式ガス温度分布計測の適用対象を大幅に拡大することを可能にする。【解決手段】3次元空間または、2次元平面の計測対象を複数個のセルに分割し、計測単位とする。そこで、計測対象の周辺に音波送信手段と音波受信手段を複数配置し、音波送信手段より、M系列を位相変調したM系列PRK波のようなそれぞれ異なる波形を送出する。送信される波形はある送信手段から発せられた音波が、全ての音波送信手段において、受信が完了する以前に別の音波送信手段から音波を送信する。【選択図】図１
2006145215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象空間を複数個の計測処理単位に分割し、計測対象空間の周辺に、音波送信手段と音波受信手段を複数配置し、さらに音波送信手段ごとに異なる波形の音波を送出することを特徴とする音波式ガス温度分布計測システム。
【請求項２】
前記波形はM系列を位相変調したM系列PRK波である請求項1に記載の音波式ガス温度分布計測システム。
【請求項３】
ある音波送信手段から発せられた音波が、全ての音波受信手段において、受信が完了する以前に別の音波送信手段から音波を送信する請求項2に記載の音波式ガス温度分布計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短時間計測が可能な音波式ガス温度分布計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音速はガス性状や温度によって変化する。したがって、音波送信手段から送出した音波送信信号が音波受信手段に到達するまでの時間を測定すればガスの音速、温度等がわかる。ここで、n個の音波送受信手段を持つ計測対象に対しては、nC2個の音波伝播経路を測定する必要が出てくる。そこで、nC2個の音波伝播経路の音波伝播時間から温度分布を把握する手法において、多数の伝播経路は温度分布推定の精度を向上するには好適であるが、１径路ずつ計測していては膨大な時間を要する問題がある。
【０００３】
そこで、音波受信手段によりどの音波送信手段から出た音波か識別できるようにして、ある音波送信手段から発せられた音波が、全ての音波受信手段において、受信が完了する以前に、別の音波送信手段から音波を送信する方法で、音波を送信することで計測時間を大幅に短縮することができる。
特許文献1には、超音波を用いた風向風速温度測定装置が考案されているが、本方式では超音波の伝播特性の制約から、大型空間には適用できない。
特許文献2には、可聴周波にも適用できる計測法が提案されており、大型空間へ適用可能であるが、空間内の温度分布を検出する機能は有しない。
特許文献3には、音響式ガス温度計測装置が提案されているが、空間内の温度分布を計測する機能は有しない。
【０００４】
【特許文献１】特開平05 - 307087号公開特許公報
【特許文献２】特開平09  178576号公開特許公報
【特許文献３】特開平11  248553号公開特許公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の計測技術には、次の問題点があった。
1．従来、1経路ずつ音波を送信していたときは、音波受信手段として指向性の強いマイクロフォンを音波の飛んでくる方向に向けて測定していたが、同一の波形を使用すると、計測対象にあたり反射した音波すなわちエコーを間違って計測してしまう可能性があり、計測誤差を生じる。
【０００６】
2．音波の計測において、計測対象により、雑音との区別が容易で、かつ良好な伝播特性を示す周波数帯域は限られている。
【０００７】
3．従来、n個の音波送受信手段間相互のnC2個の音波伝播時間を計測して、空間の温度分布を把握する手法において、１径路ずつ計測を行っていたが、それでは膨大な時間を要する問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、従来技術の課題を解決するために次の手法を提案する。
1．音波送信手段において、異なる波形を送出する特徴を有する音波式ガス温度分布計測システムを使用する。
【０００９】
2．送信波形には、M系列を位相変調したM系列PRK波を使用する。
【００１０】
3．送信波形は、ある音波送信手段から発せられた音波が、全ての音波受信手段において、受信が完了する以前に別の音波送信手段から音波を送信する方法とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による手段には次の効果があり、従来技術の課題が解決する。
1．計測対象にあたり、音波が跳ね返ることにより生じるエコーに対し、異なる波形を使うことにより、音波伝播時間検出の誤差を小さくできる。
【００１２】
2．M系列PRK波を用いることにより、伝播特性が良好かつ雑音との区別が容易な周波数帯を使用できるので、音波伝播時間計測誤差を小さくできる。
【００１３】
3．ある音波送信手段から発せられた音波が、全ての音波受信手段において、受信が完了する以前に別の音波送信手段から音波を送信する方法をとれば、飛躍的に計測時間が短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ついで、発明を実施するための最良の形態について説明する。送信波形は、ディジタル信号として音波送信手段2から送信する。また、A/D変換によりアナログ信号に変換してディジタル信号処理を行う。これにより、M系列PRK波発生に係る数式や受信時の直交性を用いた波形の識別が容易に実現できる。信号処理装置3には、音波送信手段及び音波受信手段2を選択するための信号切り替え手段を設けている。音波受信手段2で受信した信号波形の音波伝播時間を音波伝播時間推定手段を用いて求め、温度分布推定手段により、計測対象1の温度分布を推定する。図１に音波式ガス温度分布計測システムの構成を示す。
【００１５】
以下、縦、横30[m]前後、高さ10[m]程度の建築物内部の温度分布計測を例に、本発明の最良の実施形態を説明する。この例では音波送信手段及び音波受信手段は高さ5[m]程度の平面上とし、信号処理装置とは同軸ケーブル4を用いて配線する。また信号処理装置には、音波送信手段及び音波受信手段を選択するための信号切り替え手段を設けている。計測対象の建築物は図2に示すように、多数の、計測処理単位であるセル（以下「セル」という）に分割して各セルの温度を推定する。図3に音波送信手段及び音波受信手段の構成を示す。
【００１６】
本発明に係る音波を用いた温度分布推定では、波長の長い可聴周波数帯を用いて高精度に音波伝播時間を検出するには自己相関が鋭い波形が必要である。一般に、自己相関の鋭い波形といえば、白色雑音が知られているが、計測に用いる信号としては波形が既知でなければいけない。そこで、既知波形で、白色雑音同等の自己相関を持つことで知られているM系列を採用するとし、これを適当な搬送波でPRK（Phase Reversal Keying）変調して用いる。図4に波形を発生する手段のフローチャートを示す。
【００１７】
次に、音波送信手段及び音波受信手段を選択するための信号切り替え手段について説明する。図5に音波送受信経路を選択するための信号切り替え手段を示す。まず信号処理手段により音波伝播経路を規定する音波送信手段ｐと音波受信手段ｑの番号を指定すると、音波切り替え手段により、それぞれを送信バス、受信バスにつなぐリレーを励磁する。次に、D/A 、A/D変換機にトリガ信号を送り、信号送出と伝播時間検出の起点を同期させる。
【００１８】
M系列を位相変調したM系列PRK波を送信波形として使用することにより、以下の効果が得られる。一般に、音波の計測は、計測対象により雑音との区別が容易で、良好な伝播特性を示す周波数帯域は限られているおり、また、信号の自己相関の鋭さは伝播時間検出の分解能を決めるため重要であり、白色雑音に近いスペクトラムが好適である。音波の検出には理論上からマッチドフィルタを用いるが、マッチドフィルタは、受信信号と既知の送信信号の内積の演算であり、必然的に既知波形でなければならない。
【００１９】
以上を満足する音波として、M系列で計測対象において伝播特性が良好かつ雑音との区別が容易な周波数の正弦波を位相変調したM系列PRK波を用いればよいことは既に知られている。本発明では、さらに、M系列PRK波は、与えられたM系列符号により求められるが、同じ長さのM系列符号は複数存在し、マッチドフィルタで処理した際に互いに直行する組み合わせがあることが知られている。すなわち、M系列符号ωkを数1のように表す。以下、第n個の M系列符号に添え字nを付して説明する。
【００２０】
【数１】
2006145215.tif 000003
信号ωmのパターンマッチングを行うと数2のようになる。
【００２１】
【数２】
2006145215.tif 000004
したがって、センサから互いに直行するM系列に基づくM系列PRK波を用いれば、音波受信手段でどの音波送信手段から発せられた音波か区別がつく。
【００２２】
次に音波受信手段で受信した信号波形から信号処理による音波伝播時間推定手段について説明する。図6に受信信号処理手段のフローチャートを示す。ここでは、音波送信手段から送信された信号の到達時間を測定するためにマッチドフィルタを用いた。マッチドフィルタ出力xkは数3で表される。
【００２３】
【数３】
2006145215.tif 000005
音波受信手段から雑音に埋もれた既知の信号を抽出するとき、マッチドフィルタは線形フィルタの中で最もS/N比の改善効果が高い事が知られている。マッチドフィルタは数3に示すとおり、受信信号sjと既知の送信信号yj+kの内積の演算であり、その出力xkは既知波形が到達した時点でピークを示す。
【００２４】
ここでは、音波伝播時間からガス温度分布を推定する手法を説明する。図6に示すように受信した波形をマイクアンプで増幅し、A/D変換を行う。
マッチドフィルタを用いて、受信波形のパターンマッチングを行い、伝播時間を特定し、ガス温度計測を行う。本システムでは、計測対象をn個のセルに分割し、往復2p本の音波伝播時間計測経路であるパス（以下「パス」という）で計測を行う。まず、n個に分割された各セルにおける音速Vsn、流速Vfnを成分として、状態ベクトルxを数4のように定義する。
【００２５】
【数４】
2006145215.tif 000006
また、2p個の音波伝播時間よりなる観測ベクトルyを数5ように定義する。
【００２６】
【数５】
2006145215.tif 000007
ここに、風上から風下、及び風下から風上への音波伝播時間計測値を、それぞれτp及びτ2pで表す。
このxとyは観測方程式hとして数6非線形関数で結ばれている。
【００２７】
【数６】
2006145215.tif 000008
ただし、hの成分は数7の通りである。
【００２８】
【数７】
2006145215.tif 000009
第r番目のパスにおいては図7のように表され、具体的には風上から風下の成分hrは数8、風下から風上の成分hp+rは数9で与えられる。ただし、arをr番目のパスと流速方向とのなす角、Lrqをr番目のパスがq番目のセルを貫く距離とおいた。
【００２９】
【数８】
2006145215.tif 000010
【００３０】
【数９】
2006145215.tif 000011
よって、各セルの温度・流速を仮定すれば、各経路の音波伝播時間が得られる。従って、各経路の音波伝播時間の計測値が得られれば、逆に数6を解くことにより、各セル温度・流速を知ることができる。
【００３１】
次に、音波伝播時間より流速、音速を計算するには、数6を解くためf(x)を数10のようにおいた。
【００３２】
【数１０】
2006145215.tif 000012
ここで、f(x)=0の解をガウス・ニュートン法で解く。これは逐次に解を求める方法であるから、以下、第回目の繰り返し計算における値に添え字kを付して説明する。
まず、f(x)=0の近似解f(x)=0が得られたとして，f(x)をxkの近傍でテーラー展開すると、数11となる。
【００３３】
【数１１】
2006145215.tif 000013
ここで数11の高次の項を無視して、f(x)=0を与える解はf(x)=0よりさらに真の解に近いので、これをxk-1とおくと、数12が得られる。
【００３４】
【数１２】
2006145215.tif 000014
よって数13の関係を満たすxk-1を求めればよい。
【００３５】
【数１３】
2006145215.tif 000015
しかし、Fは一般に正方行列でないため数13の成立を数14の最小で置きかえxk-1を求める。
【００３６】
【数１４】
2006145215.tif 000016
ただし、数15の値をbとおいた。
【００３７】
【数１５】
2006145215.tif 000017
したがって
【００３８】
【数１６】
2006145215.tif 000018
すなわち、Jを最小とするxk-1を求めるため、数16をxk-1で偏微分し、数17とする。
【００３９】
【数１７】
2006145215.tif 000019
よって求めるxk-1 は、数18となる。
【００４０】
【数１８】
2006145215.tif 000020
bをもとに戻して、結局xkからxk-1を与える漸化式は数19、数20、数21となる。
【００４１】
【数１９】
2006145215.tif 000021
【００４２】
【数２０】
2006145215.tif 000022
【００４３】
【数２１】
2006145215.tif 000023
このときの (FTF)-1FTのことを擬似逆行列と言い、F#で表す。よって、数22になる。
【００４４】
【数２２】
2006145215.tif 000024
したがって、数22を||xk-1-xk||<εとなるまで繰り返すことより求めるf(x)=0の解が得られる。
このときF∈R2n×2pは数23で表される。
【００４５】
【数２３】
2006145215.tif 000025
【００４６】
【数２４】
2006145215.tif 000026
このようにして、音波伝播時間から各セルの音速、流速が求められる。
また、各セルのガス温度Tgは音速Vsとの数25の関係式からただちに算出できる。
【００４７】
【数２５】
2006145215.tif 000027
ただし、
【００４８】
【数２６】
2006145215.tif 000028
この時、基準温度Tg0における音速Vs0から予め算出しておく。
【００４９】
従来1経路ずつ音波を送信していたときは、音波受信手段として指向性の強いマイクロフォンを音波の飛んでくる方向に向けて測定していた。同一の波形を使用すると、エコーにより、壁にあたり反射した音波を間違って計測してしまう可能性があり、計測誤差を生じる。異なる波形を使うことにより、どの方向からきた音波かを見分けることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、大型空間への適用に好適な可聴周波を用いても、超音波に劣らない音波伝播時間の計測精度を実現することができ、さらに、本発明により、短時間計測が可能になることにより、単に計測時間の短縮のみならず、音波式ガス温度分布計測の適用対象を大幅に拡大するものである。すなわち、すべての音波伝播経路を計測するに要する時間に比して、計測対象の温度分布の時間変化が早ければ、本計測法は成立しない。よって、本発明はこの問題に解決法を与えるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】計測対象システムの構成を示す説明図である。
【図２】計測対象におけるセンサの配置の例を示す説明図である。
【図３】音波送信手段及び音波受信手段の構成である。
【図４】波形を発生する手段を示す説明図である。
【図５】信号切り替え手段を示す説明図である。
【図６】信号処理を示す説明図である。
【図７】第番目のセルの拡大図を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
1  計測対象
2  音波送信手段及び音波受信手段
3  信号処理手段
4  ケーブル
【図１】
2006145215.tif 000029
【図２】
2006145215.tif 000030
【図３】
2006145215.tif 000031
【図４】
2006145215.tif 000032
【図５】
2006145215.tif 000033
【図６】
2006145215.tif 000034
【図７】
2006145215.tif 000035