(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送線に沿って伝送及び反射される電磁ＲＦ（無線周波数）パルスの一つ以上のパラメータを測定するための非侵襲性ＴＤＲ（時間領域反射率測定）伝送線システムであって、前記パラメータが、振幅、伝播速度、所定の時点間の伝播時間のうち少なくとも一つを含み、該システムが、
‐ 三つ以上の細長の伝送素子を含む伝送線であって、各伝送素子が二つの末端を有し前記ＲＦパルスを伝送するために選択的に作動可能である、伝送線と、
‐ 前記末端の一方である第一の末端において各伝送素子を取り付けて空間的に離隔された伝送素子のアレイを形成する取り付けアセンブリであって、各伝送素子の前記末端の他方である第二の末端が該取り付けアセンブリから離隔されている、取り付けアセンブリと、
‐ 前記伝送線に沿ってＲＦパルスを伝送し前記伝送素子の選択された対を作動させて該対の伝送素子間に電場を発生させるように構成されたＲＦ源と、を含み、
前記伝送素子が、互いに相対的な幾何学的構成が異なる少なくとも二対を選択的に作動させて、前記伝送線を物理的に移動させること無く、少なくとも二つの異なる電場電位を生じさせることができることを特徴とする非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム。
【請求項２】
前記伝送素子の対を選択的に作動させることのできる制御装置を更に含む請求項１に記載の非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム。
【請求項３】
前記伝送素子のアレイが、前記伝送素子の対の間に少なくとも二つの異なる物理的間隔を備えて構成されている、請求項１又は２に記載の非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム。
【請求項４】
前記伝送素子が平行なロッドである、請求項１から３のいずれか一項に記載の非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム。
【請求項５】
前記ロッド間の間隔が可変である、請求項４に記載の非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム。
【請求項６】
較正システムを更に含み、
該較正システムが、前記伝送素子と実質的に平行に前記取り付けアセンブリに取り付けられてＲＦパルスを伝送させるために選択的に作動可能な一つ以上の伝送スタブを含み、
各伝送スタブが二つの末端を有し、第一のスタブの末端は、前記伝送素子の前記第一の末端と横方向に揃って配置され、第二のスタブの末端は、前記取り付けアセンブリと前記伝送素子のアクティブ部との間の境界と横方向に揃って配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム。
【請求項７】
前記伝送スタブが、前記伝送素子に実質的に相当する導電性及び誘電率を備える物質から形成されている、請求項６に記載の非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム。
【請求項８】
前記伝送素子の各対が、該伝送素子の各対が他の対と異なる平面内に存在しているように、他の対から離隔されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム。
【請求項９】
ｎ個のターゲット物質の誘電率εｎを、該ターゲット物質から空間的に離隔されたＴＤＲ伝送線システムによって伝送される電磁ＲＦパルスの一つ以上のパラメータを求めることによって非侵襲的に測定する方法であって、前記パラメータは振幅を含み、更に、伝播速度と、伝送ラインの所定の点間の伝播時間のうち少なくとも一つを含み、前記システムが、
‐ 三つ以上の細長の伝送素子を含む伝送線であって、各伝送素子が二つの末端を有し前記ＲＦパルスを伝送するために選択的に作動可能であり、前記細長の伝送素子はｎ個の異なった対の伝送素子を規定する伝送線と、
‐ 前記末端の一方である第一の末端において各伝送素子を取り付けて空間的に離隔された伝送素子のアレイを形成する取り付けアセンブリであって、各伝送素子の前記末端の他方である第二の末端が該取り付けアセンブリから離隔されている、取り付けアセンブリと、
‐ 前記伝送線に沿ってＲＦパルスを伝送し前記伝送素子の選択された対を作動させて該対の伝送素子間に電場を発生させるように構成されたＲＦ源と、を含み、
該方法が、
ａ）一つの前記異なった対の伝送素子を作動させて第一のＲＦパルスを伝送する段階と、
ｂ）前記第一のＲＦパルスのパラメータを少なくとも一対測定する段階と、
ｃ）前記ｎ個の異なった対の伝送素子に対して前記ａ）段階から前記ｂ）段階を反復する段階と、
ｄ）ｎ対の測定値を用いて、ｎ個のターゲット物質に対する誘電率ε１からεｎを計算する段階と、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１０】
信号振幅対時間の表示を用いて、所定の点間の伝播時間のパラメータを求める段階を含み、
前記伝送素子のヘッドとアクティブ部との間の境界から伝送されたパルスの通過点を示す開始点と、前記伝送素子の第二の末端からの反射点を示す終了点とが、
ｉ）前記伝送素子の前記ヘッドから前記アクティブ部へのパルスの通過点に近い第一の明確な振幅の最小値と、前記伝送素子の前記第二の末端からのパルスの反射点に近い第二の最小値とを識別する段階と、
ｉｉ）該第一の最小値の近傍の第一の最大勾配の点及び該第二の最小値の近傍の第二の最大勾配の点を求める段階と、
ｉｉｉ）前記第一の最小値に対して、第一の最大勾配の点に対する接線と、前記第一の最小値の一定の振幅値の外挿線との間の交点を計算する段階と、
ｉｖ）前記接線を、第二の最大勾配の点に並進移動させる段階と、
ｖ）前記接線を第二の最大勾配の点に並進移動させたものと、前記第二の最小値の一定の振幅値の外挿線との交点を求める段階と、
ｖｉ）前記交点を所定の前記開始点及び前記終了点として定義して、パルスの伝播時間を計算する段階と、を含む段階によって定義される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第一の最大勾配が、前記第二の最小値の近傍の最大勾配である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
実質的に同一のＲＦパルスが、前記伝送素子の各対に沿って伝送される、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＴＤＲ伝送線システムを用いて、ターゲット物質の誘電率を非侵襲的に測定する方法であって、該方法が、前記伝送線の所定の点の間に前記伝送素子の対に沿って伝送される電磁ＲＦパルスの伝播時間を求めることを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に非侵襲性の時間領域反射率測定（ＴＤＲ，ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）システム及びその使用方法に関する。
【０００２】
［対応出願への言及］
本願は新国特許出願第５６１３００号において提出された仮明細書に基づくものであり、その全内容は参照として本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
時間領域反射率測定法（ＴＤＲ）は、試験されているターゲット物質内に典型的には挿入されるプローブ又は伝送線に沿って無線周波数（ＲＦ，ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パルスの伝播速度を求めるための確立された方法であり、水又は他の液体の含有量を計算し、コンテナ内の含有量／体積レベルを求め、又は、物質の誘電定数を求める。
【０００４】
当業者に周知のように、ＴＤＲ装置及び方法は、水の誘電定数（Ｋ）（つまり、比誘電率の測定値）が２３℃において略７８．９である一方、他の多数の既知の物質の誘電定数がはるかに低いという原理に基づいて、水／液体の含有量を測定する多様な応用において広範に用いられている。この誘電率の格差を用いることによって、水の含有量又は他の誘電特性を測定する優れた手段が提供される。湿った物質サンプルの実効誘電定数は、電磁波がＲＦ伝送線を通過する際の電磁波の伝播速度の関数である。伝送線に沿って伝わるパルスの開始の瞬間及び伝送線の末端からのパルスの反射点を正確に測定することによって、伝播速度を求めることができ、よって、周囲の物質の誘電率を求めることができる。
【０００５】
ＲＦ信号の特徴的な振幅の不連続性は、取り付けられている伝送線から出て行くパルスの開始及び伝送線の端部におけるパルスの反射点の両方において生じる。しかしながら、伝送ロッドの典型的には３０ｃｍという長さの開始点と反射点との間におけるパルスの非常に短い伝送時間（略１ナノ秒）、及び、有意義な結果を提供するための高い精度レベルの必要性に起因して、これらの時点を両方とも正確に求めることにおける問題点が、本質的に、ＴＤＲシステムの有効性における重要なパラメータであり、進行中の研究の課題である。
【０００６】
既知のＴＤＲシステムは、侵襲的に用いられるものも多い。つまり、典型的には、導波路を形成する二つの導電性プローブがターゲット物質内に挿入されて、水分測定が行われる。しかしながら、これが、操作性及び実用性に関して欠点を有することは明らかである。結果として、ターゲット物質を損傷することを避けるため、また、測定のサイクル時間を改善するために、非侵襲性ＴＤＲシステムが用いられてきている。また、非侵襲性ＴＤＲシステムは、伝送ロッドを、ターゲット物質の表面から様々な距離間隔に移動させることができるので、多様なＲＦ場の幾何学的構成を生じさせることができる。幾何学的構成の変化によって、誘電定数の異なる複数のサブ表面物質に関連する水分測定の導出が可能になる。しかしながら、このような移動は、ターゲット物質の水分計算における減衰エラーを回避するために、正確に実施されなければならない。実際、このような伝送線の移動は、測定速度及び結果としての精度に関して影響を与える。
【０００７】
本明細書中で引用される特許及び特許出願等の全ての参考文献は参照として本願に組み込まれる。参考文献は従来技術を構成するものではない。参考文献の議論は、それらの参考文献の著者が何を主張しているのかを述べるものであり、本出願人は、引用文献の正確性及び適切性に異議を申し立てる権利を有する。本願において複数の先行技術文献について言及されているが、その言及は、それらの文献が新国又は他の国における当該分野の技術常識の一部を形成することを認めたものではないということは理解されたい。
【０００８】
‘備える’という用語が排他的又は非排他的な意味のいずれかと考え得ることは、様々な管轄下において認められている。本明細書の目的のため、特に断らない限り、‘備える’との用語は非排他的な意味を有する。つまり、直接言及されている構成要素だけではなく、他の明記されていない構成要素等を含む意味としてとらえる。この解釈は、方法又はプロセスにおける一以上の段階に関連して用いられる‘備える’との用語においても、用いられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｉ．Ｍ．Ｗｏｏｄｈｅａｄ、Ｇ．Ｄ．Ｂｕｃｈａｎ、Ｄ．Ｋｕｌａｓｉｒｉ、“Ｐｓｅｕｄｏ‐３‐Ｄ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒａｐｉｄ  Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｌｏｗ−Ｌｏｓｓ  Ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ”、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、２００１年、第４９巻、第８号、ｐ．１１１７‐１１２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の一課題は、上述の問題に対処することであり、又は、少なくとも、公衆に有用な選択肢を提供することである。
【００１１】
本発明の更なる側面及び利点は、例示目的としてのみ与えられる以下の説明から明らかになるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第一の側面によると、伝送線に沿って伝送及び反射される電磁無線周波数（ＲＦ）パルスの一つ以上のパラメータ（振幅、伝播速度、所定の時点間の伝播時間のうち少なくとも一つを含む）を測定するための非侵襲性時間領域反射率測定（ＴＤＲ）伝送線システムが提供される。本システムは、
‐  三つ以上の細長の伝送素子を含む伝送線であって、各素子が二つの末端を有し、ＲＦパルスを伝送するために選択的に作動可能である、伝送線と、
‐  第一の末端において各伝送素子を取り付ける取り付けアセンブリであって、各伝送素子の他方の第二の末端が該取り付けアセンブリから離隔されている、取り付けアセンブリと、
‐  伝送線に沿ってＲＦパルスを伝送し伝送素子の選択された対を作動させて該対の伝送素子間に電場を発生させるように構成されたＲＦ源と、を備え、
伝送素子が、互いに相対的な幾何学的構成が異なる少なくとも二対を選択的に作動させて、伝送線を物理的に移動させること無く、少なくとも二つの異なる電場電位を生じさせることができることを特徴とする。
【００１３】
本発明の更なる側面によると、実質的に上述のＴＤＲ伝送線システムを用いて、ターゲット物質の誘電率を非侵襲的に測定する方法が提供される。本方法は、伝送線の所定の点の間において伝送素子の対に沿って伝送される電磁ＲＦパルスの伝播時間を求めることを含む。
【００１４】
本発明の更なる側面によると、ｎ個のターゲット物質の誘電率εｎを、該ターゲット物質から空間的に離隔された時間領域反射率測定（ＴＤＲ）伝送線システムによって伝送される電磁ＲＦパルスの一つ以上のパラメータを求めることによって非侵襲的に測定する方法が提供される。該パラメータは振幅を含み、更に、伝播速度と、伝送ラインの所定の点の間の伝播時間とのうち少なくとも一つを含む。本システムは、
‐ 三つ以上の細長の伝送素子を含む伝送線であって、各伝送素子が二つの末端を有しＲＦパルスを伝送するために選択的に作動可能であり、前記細長の伝送素子はｎ個の異なった対の伝送素子を規定する伝送線と、
‐ 第一の末端において前記伝送素子を取り付けて、空間的に離隔された伝送素子のアレイを形成する取り付けアセンブリであって、他方の第二の末端が該取り付けアセンブリから離隔されている、取り付けアセンブリと、
‐ 伝送線に沿ってＲＦパルスを伝送し伝送素子の選択された対を作動させて該対の伝送素子間に電場を発生させるように構成されたＲＦ源と、を備える。
本方法は、
ａ）一つの前記異なった対の伝送素子を作動させて第一のＲＦパルスを伝送する段階と、
ｂ）第一のＲＦパルスのパラメータを少なくとも一対測定する段階と、
ｃ）前記ｎ個の異なった対の伝送素子に対して前記ａ）段階から前記ｂ）段階を反復する段階と、
ｄ）ｎ対の測定値を用いて、ｎ個のターゲット物質に対する誘電率ε１からεｎを計算する段階と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
伝送素子の各対は、その対の伝送素子間の間隔が他の対の間隔と異なるので、異なる電場を提供する。それらの異なる電場は、異なる深さでターゲット物質に浸み込む方法を提供して、層の誘電率が識別されるので、層の水分含有量も識別される。
【００１６】
従って、本発明は、ターゲット物質からの異なる間隔に素子の単一の対を物理的に移動させる必要が無く、作動させた素子の対の各々から発する複数の異なる印加電場電位を高速で発生させる手段を提供する。
【００１７】
本願中では、取り付けアセンブリに取り付けられず、固定されず、包み込まれず、又は、接触していない各伝送素子の自由部のことを、素子の“アクティブ部”と定義する。取り付けアセンブリに取り付けられ、固定され、包み込まれ、又は、接触している他方の伝送素子部のことを、伝送素子の“ヘッド”と定義する。
【００１８】
好ましくは、実質的に同一のＲＦパルスが、伝送素子の各対に沿って伝送される。
【００１９】
好ましくは、本システムは、伝送素子の対を選択的に作動させることのできる制御装置を更に含む。制御装置は、電気的、物理的及び／又はコンピュータソフトウェアの切り替えシステムを含む多様な既知の手段で、伝送素子を作動させることができる。
【００２０】
更なる側面によると、伝送素子のアレイは、伝送素子の対の間に少なくとも二つの同一ではない物理的間隔を備えて構成される。
【００２１】
好ましくは、伝送素子は平行なロッドであるが、代わりの構成も考えられることは理解されたい。伝送ロッド間の相互間隔を適切に選択することによって、所定の数の伝送素子の全順列に存在する固有の間隔の数を増加させる。
【００２２】
更なる実施形態では、ロッド間隔が可変であり、伝送及び物質の測定される特性を変更することができる。
【００２３】
一つ以上のターゲット物質近傍の環境下においてロッドに沿ったＲＦパルスの速度は、ターゲット物質の誘電率に比例する。従って、誘電率は、伝送ロッドの長さ及び組成物質についての知識から計算可能である。結果として、反射ＲＦパルスの正確なタイミングが、物質の誘電率εｎ（結果として、水分含有量等の他の関連するターゲット物質の性質）を測定するための基盤となる測定パラメータとなる。
【００２４】
各伝送ＲＦパルスは、各ターゲット物質の誘電体成分内に分極を生じさせパルスの伝播時間に影響を与える電場を発生させる。パルスの伝播時間の測定値は、二つの所定の時点間から求められ（後述する）、発生する静電場とターゲット物質との間の相互作用に対する方程式の基礎を提供する。作動させた伝送素子の各対は、電場とターゲット物質との間に固有の幾何学的相互作用を生じさせるように選択されるので、伝送線の作動された対は各々、一つの方程式に帰着する。従って、ｎ個の異なるターゲット物質の誘電率を、ｎ個の固有の印加電場の幾何学的構成からのパルスパラメータの測定から導出されるｎ個の連立方程式によって求めることができる。
【００２５】
伝送素子の対の逐次的な作動により生じる電場の異なる幾何学的構成は、伝送素子のアレイの物理的な移動無しで実現されるので、以下の利点が提供される：
‐  高速測定の促進、
‐  効率的で信頼できるパッケージングに対する貢献及びロバスト性
‐  ターゲット物質から異なる複数の間隔にアレイを配置するために用いられる配置手段の位置公差特性に起因する使用者の固有の及び／又は不注意による不正確さの最小化。
【００２６】
個々の伝送素子の複数の特性を変更して、対の一部として作動用に選択された際に結果として異なる電場を提供することができるが、その変更を単一の特性に制限すると手際が良く、好ましくは、平行な伝送ロッドの横方向の間隔である点には留意されたい。明確性を助長し冗長性を回避するため、本発明を主にこのような構成及び応用を参照して説明するが、本発明がこれに限定されるものではないことは理解されたい。
【００２７】
電磁放射の伝播速度は非常に速くて整合したものであるので、伝送ロッドの長さにわたる反射パルスの伝播時間は典型的に、ナノ秒のオーダ（３０ｃｍの典型的な線の長さに対して略１×１０−９）であり、タイミングの測定の正確性が重要である（１ピコ秒のオーダの正確性が必要とされる）。ＴＤＲシステム中のパルスの通過時間を測定するための基準点として定義可能で反復可能な所定の時点の識別を可能にするために、いくつかの既知の方法が採用されてきた。
【００２８】
例えば、第一の“時点”は、伝送素子に沿って伝送されるパルスが対応する取り付けアセンブリを出て行く、つまり、ヘッドとアクティブ部との間の境界における点／時間を含み得る。この“通過”点において、周囲の媒体の誘電率の変化（例えば、取り付けアセンブリから空気）による信号振幅の特徴的な変化が存在する。同様に、第二の“時点”は、パルスが伝送素子の第二の末端から反射される時であり得て、同様の振幅の不連続性が生じる。これら両方の出来事を用いて、通過時間の測定用の開始／終了“時点”が定義されてきた。しかしながら、従来技術の方法においては、正確性と一貫性において問題が残っていた。
【００２９】
取り付けアセンブリから反射点へのパルスの通過点を求めるための既知の方法の一つは、パルス信号振幅／時間のグラフのプロットの分析によるものである。通過時間点は、
ａ）最小の信号振幅に対する水平な接線と、
ｂ）最近傍のその最小値の近傍の最大勾配の点に対する第二の接線と、
の交点として定義される。
【００３０】
このような従来技術の精度を改善して、１ピコ秒の較正公差をよりロバストに得るために、本発明は、以下の代替的な較正手段を用いる。
【００３１】
誘電率の非侵襲性測定方法の更なる側面によると、信号振幅対時間の表示用に、所定の点の間の伝播時間のパラメータを求める段階が提供される。ここで、伝送素子のヘッドとアクティブ部との間の境界から伝送されるパルスの通過点を示す開始点と、伝送素子の第二の末端からの反射点を示す終了点とは、以下の段階を含む段階によって定義される：
ｉ）伝送素子のヘッドからアクティブ部へのパルスの通過点近くの第一の明確な振幅の最小値と、伝送素子の第二の末端からのパルスの反射点近くの第二の最小値とを識別する段階と、
ｉｉ）該第一の最小値の近傍の第一の最大勾配の点及び該第二の最小値の近傍の第二の最大勾配の点を求める段階と、
ｉｉｉ）前記第一の最小値に対して、第一の最大勾配の点に対する接線と、前記第一の最小値の一定の振幅値の外挿線との間の交点を計算する段階と、
ｉｖ）前記接線を、第二の最大勾配の点に並進移動させる段階と、
ｖ）前記接線を第二の最大勾配の点に並進移動させたものと、前記第二の最小値の一定の振幅値の外挿線との交点を求める段階と、
ｖｉ）これらの交点を所定の開始点及び終了点として定義して、パルスの伝播時間を計算する段階。
【００３２】
従って、対応する各最小値から外挿された一定値の振幅と各最大勾配の交点に関連して、一つの最小値に対応する最大勾配（典型的には変曲点でもある）が、他の最小値に外挿されて、伝送パルスの開始／終了点を定義するために用いられる。この方法は、パルスの通過時間の計算に関して、開始／終了点を更に正確に求めることを提供することがわかっている。
【００３３】
好ましくは、第一の最大勾配は第二の最小値の近傍の最大勾配である。従って、終了点を求めるのに用いられた勾配は並進移動されて、開始点を求めるための勾配としても用いられる。
【００３４】
上述の方法は、パルス反射に関連する終了点及び開始点、又はその逆を識別するのに用いられ得るが、この方法の終了及び開始点を識別することの精度は、使用される測定設備又はＲＦパルスの変更に応じて変化し得る。従って、以下説明するような、第二の較正方法を、上述の較正方法と共に用いることが有利であり得る。
【００３５】
本発明は、伝送素子と同一の取り付けアセンブリ内に物理的に配置され、伝送素子と同一の物質から構成された伝送スタブの対の形状で設けられる装置を用いた第二の進歩的な較正方法の使用によって、従来技術の方法に対する精度の改善を提供する。スタブは第一及び第二の末端を有し、伝送素子のヘッドとアクティブ部との間の境界／通過点と同一の取り付けアセンブリに対する点において、その第二の末端が配置されるように、配向される。スタブは、伝送素子と同一の伝播信号（つまり、ＲＦパルス）を伝えるように構成されていて、結果として、スタブの反射点は、伝送素子に沿って伝送されるＲＦパルスの対応する開始点を識別するための明確なマーカーを提供する。
【００３６】
従って、更なる側面によると、本発明は更に、伝送素子と実質的に平行に取り付けアセンブリに取り付けられて、ＲＦパルスを伝送させるために選択的に作動可能な一つ以上の伝送スタブを含む較正システムを提供することができる。各スタブは二つの末端を有し、第一のスタブの末端は、伝送素子の第一の末端と横方向に揃って配置され、第二のスタブの末端は、取り付けアセンブリと伝送素子のアクティブ部との間の境界と横方向に揃って配置される。
【００３７】
本願では、スタブは、伝送アレイ内において用いられる伝送素子と比較して短い長さの伝導軸を備えた導電素子と定義される。
【００３８】
好ましくは、伝送スタブは、伝送素子に実質的に相当する導電性及び誘電率を備えた物質製である。
【００３９】
好ましくは、上述の制御装置がスタブを作動させる。しかしながら、代替実施形態では、別個独立の制御装置を、スタブと伝送素子に対して用いることができる。
【００４０】
上述の側面に関連して、本発明が従来技術に対して複数の適切な改善を提供し、特に、読み込み中に伝送素子を移動させること無く、改善された較正精度で、非常に正確な非侵襲性ＴＤＲ測定を高速で実施する性能を提供する。
【００４１】
本発明の更なる側面及び利点は、添付図面を参照して、例示的な目的としてのみ与えられる以下の説明から明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ＴＤＲ水分測定システムの形状の本発明の好ましい実施形態の概略的な構成要素の図を示す。
【図２】水分含有量が測定されている複数のターゲット物質から構成されるサンプル物質と、本発明の伝送線アレイの空間的幾何学構成を示す。
【図３】従来技術の較正方法に関連して用いられるＲＦパルスに対する振幅／時間表示を示す。
【図４】本発明の更なる側面に係る較正方法に関連して用いられるＲＦパルスに対する振幅／時間表示を示す。
【図５】伝送線の開始点と終了点の間のＲＦパルスの伝播時間を求めるためのプロセスの概略的なフローチャートを示す。
【図６】代替的な伝送線システムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は、四本のロッドの形状に設けられた四つの細長の伝送素子（２、３、４、５）から構成される伝送線に沿って伝送される電磁ＲＦパルス（図示せず）のパラメータを測定するための非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム（１）の形状の本発明（及び関連する動作方法）の概略図を示す。各伝送素子は、第一の端部（２ａ、３ａ、４ａ、５ａ）において取り付けアセンブリ（７）に取り付けられて、空間的に離隔した伝送ロッド素子のアレイ（６）を形成する。
【００４４】
ロッド（２〜５）は、本質的に二つの部分に分けられる。即ち、先に定義したように、
‐  取り付けアセンブリ（７）内に埋め込まれ、ＲＦパルス源（２４）への個別の電気接続が設けられた末端の‘ヘッド’部（２ｃ、３ｃ、４ｃ、５ｃ）、
‐  取り付けアセンブリ（７）から突出し、素子（２〜５）の‘アクティブ’部を構成する自由末端部（２ｄ）。
【００４５】
通過点（１１）は、ロッド（２〜５）が取り付けアセンブリ（７）から出て来る伝送ロッド（２〜５）のヘッド部（２ｃ〜５ｃ）とアクティブ部（２ｄ〜５ｄ）との間の境界に形成される。
【００４６】
ロッド（２〜５）は、制御装置（８）によって独立的に作動可能であり、その制御装置（８）を介してロッド（２〜５）に接続されたＲＦパルス源（２４）によって発生するＲＦパルスを伝送する。図面を参照して説明される本発明の特定の実施形態は、ロッド（２〜５）の対の同時作動を利用する。しかしながら、三つ以上の伝送素子を含み、その素子のうち二つの同時作動を含む代替構成が用いられ得ることは明らかである。従って、本例は、単に例示的なものであり、限定的なものとして解釈されるものではない。
【００４７】
制御装置（８）は、伝送ロッド（２〜５）の対を選択的に作動させることができ、電気的、物理的及び／又はコンピュータソフトウェアの切り替えシステムである。また、制御装置（８）は、後述する較正スタブ（９）の対を選択的に作動させることもできる。
【００４８】
ここで説明されるＴＤＲシステム（１）の好ましい実施形態は主に、二つ以上のターゲット物質の水分含有量を求めるためのものであり、ターゲット物質の比誘電率εにより生じるＲＦパルスの伝播速度に対する影響を測定することによって、ターゲット物質の水分含有量を導出することを可能にするという確立された方法を用いる。
【００４９】
複数のターゲット物質によって生じる連立方程式を解くために必要な数の入力を発生させるために、印加電場の複数の異なる幾何学的構成を生じさせる。上述のように、従来技術において、これには、ターゲット物質からの伝送ロッドアレイ（６）の間隔を変更する正確な移動が必要とされた。本発明においては、異なる相互間隔のロッド（２〜５）の対の逐次作動を可能にすることによって、その不正確さ及び時間浪費の可能性を排除する。
【００５０】
図１及び図２に示されるように、ロッド（２〜５）は相互に平行で、細長のロッドであり、固有の横方向の間隔ｘ１〜ｘ６でそれぞれ離隔されている。従って、ターゲット物質（１０）から固定間隔に配置される四本のロッド（２〜５）は、選択されたロッド（２〜５）の対の間に最大で６つの固有の間隔ｘ１〜ｘ６を提供して、対応する数の異なる電場が印加される。これによって、伝送アレイ（６）の物理的な移動無しで、高速測定を実施することができる。
【００５１】
図２は、較正目的に用いられる複数のターゲット物質（１０）用の層状モデルを示し、複数のターゲット物質の水分含有量を求めることに関連する数学的分析を例示する。伝送ロッド（２〜５）の作動させた対から発する電場は、各層の誘電体成分内に分極場を生じさせて、これがパルスの伝播時間に影響を与える。伝播時間の測定（後述する）を用いて、伝送線及びサンプルの相互作用に起因する電波の方程式を構築する（非特許文献１）。
【００５２】
各ターゲット物質（１０）が平行で平坦な層であり、各層が一定の誘電率εｎを有していると仮定すると、その誘電率εｎは、体積水分含有量θｖと、θｖ＝ｆ（ε）というタイプの単純な変換で、直接関係し得る。伝送線から発する電波の各固有パターンは、一つの行列方程式に帰着する。ｎ個の層（又はサンプル数）が存在し、その各々が一定の誘電率εｎを有すると、ｎ個の独立した行列方程式が、各層（又はサンプル）内の誘電率εｎを一意に特定するのに必要とされる。ｎ個の独立した方程式は、伝送ロッドアレイ（６）からから発する電波のｎ個の異なる幾何学的構成によって、得られる。特に、新たな層状モデルに対する解は、以下のように与えられ得る（非特許文献１を参照）：
Ｅｐｋ＝−Ｇｋ・（Ｌ＋ε）−１・Ｅｉｋ        （１）
ここで、
Ｅｐｋは、伝送ライン間の分極電場であり、測定された伝播時間から得られ、ｋ＝１…Ｎであり、ｎは層の数。
Ｇは、サンプル中の各点から伝送素子（２〜５）間の各点までの分極勾配である。
Ｌは、サンプル内の各点間の分極勾配である。
εは、各層に対する所定の誘電率である。
Ｅｉｋは、伝送素子（２〜５）から発する電場である。
【００５３】
図２から、六つのターゲット物質層（つまりｎ＝６）を備えたサンプルに対して、ロッド（２、３）間に２５ｍｍ、ロッド（３、４）間に７５ｍｍ、ロッド（４、５）間に５０ｍｍの横方向の間隔を有すると、以下の表１に示されるような、六つの必要とされる固有の静電場の幾何学的構成を提供することができることが見て取れる。
【００５４】
【表１】
0005660894.tif 000002
【００５５】
ＲＦパルスの複数のパラメータを、ターゲット物質の誘電率ε（従って、ターゲットの水分含有量）を求めるのに用いることができるが、典型的なシステムでは、時間に対して信号振幅を測定する。
【００５６】
ｎ個の物質（図２に示される６個の物質等）の誘電率εｎの測定を実施するため、ＴＤＲシステム（１）は、以下の段階を含む段階を実施する：
ａ）距離ｘ１で離隔された伝送ロッド（２、３）の第一の対を作動させて、第一のＲＦパルスを伝送する段階と、
ｂ）第一のＲＦパルスの少なくとも一対のパラメータ、例えばヘッド‐アクティブ部の境界（１１）と対応する第二の端部（２ｂ、３ｂ）との間の時間及びパルスの振幅を測定する段階と、
ｃ）距離ｘ２で離隔された伝送ロッド（３、４）の第二の別途の対を作動させて、第二のＲＦパルスを伝送する段階と、
ｄ）境界（１１）と第二の端部（３ｂ、４ｂ）との間のパルスの伝播時間及び振幅を測定する段階と、
ｅ）距離ｘ３で離隔された伝送ロッド（４、５）の第三の別途の対を作動させて、第三のＲＦパルスを伝送する段階と、
ｆ）境界（１１）と第二の端部（４ｂ、５ｂ）との間のパルスの伝播時間及び振幅を測定する段階と、
ｇ）距離ｘ４で離隔された伝送ロッド（２、５）の第四の対を作動させて、第四のＲＦパルスを伝送する段階と、
ｈ）境界（１１）と第二の端部（２ｂ、５ｂ）との間のパルスの伝播時間及び振幅を測定する段階と、
ｉ）距離ｘ５で離隔された伝送ロッド（２、４）の第五の対を作動させて、第五のＲＦパルスを伝送する段階と、
ｊ）境界（１１）と第二の端部（２ｂ、４ｂ）との間のパルスの伝播時間及び振幅を測定する段階と、
ｋ）距離ｘ６で離隔された伝送ロッド（３、５）の第六の対を作動させて、第六のＲＦパルスを伝送する段階と、
ｌ）境界（１１）と第二の端部（３ｂ、５ｂ）との間のパルスの伝播時間及び振幅を測定する段階と、
ｍ）六対の測定値を用いて六つのターゲット物質の誘電率ε１からε６を計算する段階。
【００５７】
各伝送ロッド（２〜５）のアクティブ部内のパルスの正確な伝播時間を求めるためには、ＲＦパルスがロッド（２〜５）のアクティブ部（２ｄ〜５ｄ）に入射する通過点（１１）（つまり、‘開始時点’）と、パルスが第二の端部（２ｂ〜５ｂ）から反射される反射点（つまり、‘終了時点’）とを明確且つ反復的に求めることができなければならない。両時点におけるパルスの振幅は、特徴的な最小値を示し、識別が容易である。しかしながら、複数の複雑な理由から、絶対最小値は、所望の開始／終了時点を正確には示さないので、代わりの測定方法が必要とされる。
【００５８】
従来技術の方法（図３に示される）では、反射点（１５）の最小信号振幅に対する水平接線（１３）（つまり、最小値（１５）に一致する一定の振幅値を有する線）と、この最小値の近傍の最急勾配（１４）に一致する線との間の交点（１２）を用いて、パルスの反射（又は“終了”）点を求める。同じプロセスを用いて、開始点（図示せず）を求め、その開始点（図示せず）と終了点（１７）との間の期間が、物質（１０）の誘電率を求めるために用いられる伝播時間として定義される。
【００５９】
しかしながら、所望の較正公差（１ピコ秒以内）を達成するためには、このような従来技術の較正は十分に正確ではないことがわかっている。従って、本発明の更なる側面によると、図４に示されるような、代わりの較正方法が採用される。
【００６０】
開始時点（１８）及び終了時点（１７）の近傍の最急勾配と個々の振幅の最小値の交点から個別に求められる上述の従来技術の方法とは対照的に、本発明では、最急勾配（１４）を、反射（“終了”）点（１７）から、開始点（１８）の近傍の最急勾配（１４’）へと並進移動させるか、又はその逆で並進移動させる。従って、開始点（１８）及び終了点（１７）の両方が同一の勾配（１４、１４’）を用いて、最小値（１５、１６）の信号振幅に対する対応する水平接線（１３ａ、１３ｂ）との交点（１２ａ、１２ｂ）を求める。図４において、反射（終了）点の最小値（１５）の近傍の最急勾配（１４）が、開始点の最小値（１６）に対して（１４’に）並進移動されて、最小時間値の外挿線（１３）との新たな交点（１２ｂ）が形成されているのが見て取れる。次に、伝播時間（１９）を、開始点（１８）と終了点（１７）との間の時間として測定する。
【００６１】
ＲＦパルスの振幅／時間プロットは、複数の振幅変動を示し得るので、どの最小値が開始点（１８）及び終了点（１７）に対応するのかを明確に識別する必要がある。本発明の好ましい実施形態においては、これは、図５を参照して以下詳述する識別及び時間的位置決めアルゴリズムによって行われる。
【００６２】
一実施形態では、伝送ロッド（２〜５）のアクティブ部（２ｄ〜５ｄ）内の信号の開始点（１８）の識別を支援するための時間ウィンドウの位置決めが、図１に示される較正スタブ（９）等の較正ハードウェアによって補助される。時間ウィンドウは、開始点（１８）のサーチ領域を制限する。
【００６３】
二つの較正ロッドスタブ（９）は、取り付けヘッドアセンブリ（７）内に埋め込まれた第一のヘッド部（９ｃ）を有し、伝送ロッド（２〜５）と同一のＲＦパルス源（２４）に接続された第一の端部（９ａ）を備え、制御装置（８）によって作動される。スタブ（９）は、その第二の端部（９ｂ）が、ロッド（２〜５）のヘッド（２ｃ〜５ｃ）とアクティブ部（２ｄ〜５ｄ）との間の境界（１１）と同一の横方向の点に位置するように配向される。スタブ（９）は、ロッド（２〜５）と同一の物質製であり、取り付けヘッド（７）内部においてロッド（２〜５）と同じ長さで延伸している。結果として、スタブ（９）下方に伝送されるＲＦパルスは、ロッド（２〜５）のアクティブ部（２ｄ〜５ｄ）に対して通過点（１１）と同一の位置における明確な端部反射マーカーを提供する。
【００６４】
従って、スタブ（９）における特徴的なパルス信号反射の時点は、対応する伝送ロッド（２〜５）の信号測定における第一の時間ウィンドウが位置する高信頼度の期間を提供する。スタブ（９）は、伝送ロッド（２〜５）の測定の間の定められた時間間隔で、手動又はソフトウェアを用いて、制御装置（８）によって作動される。
【００６５】
識別及び時間的位置決めアルゴリズムは、指定された開始基準点（１８）及び終了基準点（１７）における時間を求めて、その間のパルスの通過又は伝播時間（１９）を求めるための計算プロセス（図５のフローチャートに概略的に示される）の一部である。初めに、時間ウィンドウ（２０）が、パルスのウィンドウ長さ、ロッドの長さ等を含むシステムパラメータによって求められる。開始点（１８）の場合、これらのパラメータは、較正スタブ（９）からの時間入力も含む。
【００６６】
時間ウィンドウ（２０）は、開始点（１８）と終了点（１７）に対するサーチ領域を制限する。この領域内において、特徴抽出プロセス（２１）が対応する明確な最小値（１５又は１６）をその近傍の正確な形状の曲線と共に探し出す。特定の信頼度で最小値（１５又は１６）を識別した後に、最急勾配（１４）を計算して（２２）、この勾配（１４）を並進移動させて、他の最小値（１６又は１５）の近傍の最急勾配の点と交差させる。並進移動させた勾配には、参照符号１４’が付されている。そして、対応する最小値（１５又は１６）に対する一定の振幅値における各最小値（１５、１６）から外挿された個々の線（１３ａ、１３ｂ）と勾配（１４、１４’）の交点（１２ａ、１２ｂ）を求める。交点（１２ａ、１２ｂ）に相関する時間点（１７、１８）がそれぞれ、終了点（１７）、開始点（１８）として定義される。
【００６７】
交点（１２ａ、１２ｂ）間の計算された時間（２３）は、ターゲット物質にさらされたパルスの総伝播時間（１９）を提供する。
【００６８】
そして、総伝播時間（１９）を、既知の誘電率（つまりは水分含有量）の物質に対する伝播時間の基準値と比較して、伝送素子アレイ（６）近傍の物質の水分含有量を求めることができる。異なる間隔のロッド（２〜５）の対の切り替えによって、異なる層の物質の水分含有量を求めることができる。
【００６９】
図６は、非侵襲性ＴＤＲ伝送線システム（１００）の形状の本発明の代替実施形態の一つを示す。伝送線システム（１００）は、図１に示されるシステム（１）と大体同じであり、一般的に同一の構成要素を含む。しかしながら、システム（１００）は、三つの対（１０１＆１０２、１０３＆１０４、１０５＆１０６）を形成する六本の伝送線ロッド（１０１〜１０６）を有する。ロッドの各対（１０１＆１０２、１０３＆１０４、１０５＆１０６）は、その対が他の対の平面と異なる平面内に位置するように、他の対から互いに離隔される。つまり、各対が、異なる水平及び垂直平面内に位置するように垂直方向に離隔されることによって、各ロッド間に二次元的な間隔が提供される。
【００７０】
物質の電場の浸み込みを変更するには、一般的に二つの方法が存在する。
【００７１】
第一の方法は、図１〜図２に示されるように、異なる“水平”間隔で伝送線の複数の対を提供することを含む。
【００７２】
第二の方法は、伝送線の単一の対を用いて、物質からの異なる間隔における測定を行うことを含む。しかしながら、この第二の方法は、その測定が幾何学的構成の変化に対して非常に敏感なので、誤差を生じる傾向があり、よって、測定の精度が、物質からの間隔の変化の測定値の精度に大きく依存するものになる。
【００７３】
本システム（１００）は、上述の第二の方法と同じ原理を用いるが、垂直方向の間隔が固定された伝送線ロッド（１０１〜１０６）の複数の対を用いる。
【００７４】
従って、本システム（１００）は、物質中の水分分布を測定するためのシステム（１）の代替手段を提供することができる。
【００７５】
本発明の複数の側面について、例によってのみ説明してきたが、添付の特許請求の範囲から逸脱すること無く、変形及び追加が行われ得ることには留意されたい。
【符号の説明】
【００７６】
１  ＴＤＲ伝送線システム
２、３、４、５  伝送素子（ロッド）
６  伝送線（アレイ）
７  取り付けアセンブリ
８  制御装置
９  較正スタブ
１０  ターゲット物質
１１  境界
２４  ＲＦパルス源
【図１】
0005660894.tif 000003
【図３】
0005660894.tif 000004
【図４】
0005660894.tif 000005
【図５】
0005660894.tif 000006
【図２】
0005660894.tif 000007
【図６】
0005660894.tif 000008