(57)【要約】【課題】音波エコー信号をインパルス化し、音波伝播時間を正確に精度よく求めることができる音波伝播時間測定装置を提供する。【解決手段】本発明に係る音波伝播時間測定装置１０は、音波を送受信可能な音波素子２０を有する送受信手段１３と、この送受信手段１３の音波素子２０で受信した測定対象物からの音波受信信号をデジタルエコー信号に変換するＡ／Ｄ変換装置１４と、このＡ／Ｄ変換装置１４で変換されたデジタルエコー信号に、逆行列を乗じてインパルス化の逆解析処理を行なう逆解析手段１６と、この逆解析手段１６によるデジタルエコー信号のインパルス化処理により、音波受信信号の音波伝播時間およびその時間差を算出する算出手段１７と、この算出手段で算出された音波伝播時間およびその時間差を表示する表示手段１８とを備えたものである。【選択図】  図３
2005043164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信された音波を受信可能な音波素子を有する受信手段と、
この受信手段の音波素子で受信した測定対象物からの音波受信信号をデジタルエコー信号に変換するＡ／Ｄ変換装置と、
このＡ／Ｄ変換装置で変換されたデジタルエコー信号に、逆行列を乗じてインパルス化の逆解析処理を行なう逆解析手段と、
この逆解析手段によるデジタルエコー信号のインパルス化処理により、音波受信信号の音波伝播時間およびその時間差を算出する算出手段と、
この算出手段で算出された音波伝播時間およびその時間差を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする音波伝播時間測定装置。
【請求項２】
前記逆解析手段は、音波素子からの音波信号、この音波信号の伝播場の特性、音波素子の受信特性を含む音波受信信号を、マトリックスの縦要素にサンプリングして１ステップ毎の音波受信信号の時系列データとして格納し、さらに音波受信信号の時系列データを格納したマトリックスから逆行列を求め、この逆行列を音波受信信号に乗算して音波受信信号にインパルス化処理を施すようにした請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項３】
前記逆解析手段は、音波受信信号の時系列データを格納したマトリックスの縦要素に、音波受信信号に対して十分に小さな白色雑音を加算処理して逆行列を算出する一方、前記音波受信信号に逆行列を乗算する逆解析処理を複数回行なって平均値化し、この平均値を音波受信信号のインパルス信号として算出手段により、音波伝播時間およびその時間差を算出するようにした請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項４】
前記Ａ／Ｄ変換装置と逆解析手段との間にデジタルデータ記録装置を備え、上記デジタルデータ記録装置は、Ａ／Ｄ変換装置で変換されたデジタルエコー信号を一旦貯えるようにした請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項５】
前記送受信手段は、並設された複数の音波素子を備え、上記音波素子に発受信装置からインパルス電圧が印加された請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項６】
前記算出手段は、算出された音波伝播時間およびその時間差に音速を乗ずることで、音波素子から測定対象物までの距離、距離差および凹凸分布を算出する伝播時間・距離算出機能を有する請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項７】
前記表示手段は、算出手段で算出された音波伝播時間およびその時間差、ならびに音波素子から測定対象物までの距離、距離差および凹凸分布を表示する伝播時間・距離算出機能を有する請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項８】
前記逆解析手段のデジタルエコー信号入力側に、ノイズを除去するノズルフィルタを設けた請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項９】
前記逆解析手段に、逆解析処理結果を補正する逆解析補正手段を設け、この逆解析補正手段は、基準音波伝播時間を計測する基準測定対象物からの音波受信信号を基に、逆解析処理に用いられるマトリックスの縦要素を最適化した請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項１０】
前記逆解析手段に通信装置を設け、この通信装置を遠隔地に設けられた逆解析算出手段に通信接続し、上記逆解析算出手段は音波受信信号の信号データの伝送を通信装置により受け、計測時間のかかる逆解析処理を分担する一方、上記逆解析算出手段で処理された逆解析結果を算出手段に伝送し、表示手段にて表示させた請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【請求項１１】
前記算出手段に、測定対象物の計測対象面を開口合成による画像化計算処理を行なう開口合成処理手段を設け、この開口合成処理手段で処理された測定対象物の計測対象面を三次元計測可能とした請求項１記載の音波伝播時間測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体あるいは固体中で音波の伝播時間を精度よく解析測定することができる音波伝播時間測定装置に係り、特に、音波伝播時間を測定し、測定対象物までの距離や距離分布を計測可能な音波伝播時間測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の音波伝播時間測定装置として、特開２００３−１３９８５５号公報（特許文献１）に開示された超音波探査装置がある。
【０００３】
この超音波探索装置は、複数の超音波トランスデューサを備えた送受信手段を備え、この送受信手段から送信された超音波信号を物体に当ててその反射波を複数の受信素子である超音波トランスデューサで受信し、超音波受信信号の位相差と超音波伝播時間とから物体の方位と位置を検出し、表示手段に表示するようになっている。
【０００４】
この超音波探索装置は、魚群検知器に利用され、魚体などの反射物体の二次元位置を検知可能に構成されている。この超音波探索装置は、各受信信号の位相差と超音波伝播時間を測定することにより、魚群等の測定対象物の方位と位置を計測することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−１３９８５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波探査装置では、測定対象物１が図１に示すように凹凸計測面を有したり、測定対象物１が複雑な形状あるいは欠陥を有する場合には、測定対象物１の凹凸計測面や形状・欠陥検査を正確に精度よく測定することができない。
【０００７】
流体中に置かれた測定対象物１に凸部の段差があり、超音波トランスデューサ２から発信された超音波は段差部上面１ａから反射して戻ってくるエコー信号ｅ１と段差部下面１ｂから戻るエコー信号ｅ２とがあり、図２に示すように表われる。図２（Ａ）に示すように、両エコー信号ｅ１，ｅ２が分離して表わされる場合には、両エコー信号ｅ１，ｅ２の音波伝播時間Ｔ１やその時間差ｔ１を正確に測定することができ、測定された音波伝播時間Ｔ１、その時間差ｔ１に、音速を乗ずることで測定対象物１までの距離や距離差（段差）、凹凸分布を精度よく計測することができる。
【０００８】
しかし、図２（Ｂ）に示すように、測定対象物１の凸部が微小な段差であったり、両エコー信号ｅ１，ｅ２が少しずれて重なり、超音波の波長成分が重なり合う微小な段差以下の場合では、音波伝播時間差ｔ２を正しく分離して求めることができず、測定対象物１１の距離や距離差（段差）、凹凸分布、形状を精度よく計測することができない、という課題があった。
【０００９】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、音波反射信号をインパルス化し、音波伝播時間を正確に解析精度よく求めることができる音波伝播時間測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の他の目的は、音波伝播時間を正確に精度よく測定し、流体や固体中の測定対象物の距離、距離差、凹凸分布、形状を精度よく測定することができる音波伝播時間測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る音波伝播時間測定装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、送信された音波を受信可能な音波素子を有する受信手段と、この受信手段の音波素子で受信した測定対象物からの音波受信信号をデジタルエコー信号に変換するＡ／Ｄ変換装置と、このＡ／Ｄ変換装置で変換されたデジタルエコー信号に、逆行列を乗じてインパルス化の逆解析処理を行なう逆解析手段と、この逆解析手段によるデジタルエコー信号のインパルス化処理により、音波受信信号の音波伝播時間およびその時間差を算出する算出手段と、この算出手段で算出された音波伝播時間およびその時間差を表示する表示手段とを備えたものである。
【００１２】
請求項２の発明は、上述した課題を解決するために、逆解析手段が、音波素子からの音波信号、この音波信号の伝播場の特性、音波素子の受信特性を含む音波受信信号を、マトリックスの縦要素にサンプリングして１ステップ毎の音波受信信号の時系列データとして格納し、さらに音波受信信号の時系列データを格納したマトリックスから逆行列を求め、この逆行列を音波受信信号に乗算して音波受信信号にインパルス化処理を施すようにした音波伝播時間測定装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る音波伝播時間測定装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１４】
図３は本発明に係る音波伝播時間測定装置を、音波による距離測定装置１０に適用した実施形態を示すものである。
【００１５】
この距離測定装置１０は、音波伝播時間およびその時間差を測定し、この音波伝播時間から測定対象物１１の距離および距離差（段差）、凹凸分布、ひいては測定対象物１１の位置や形状確認を正確に精度よく行なうようにしたものである。この距離測定装置１０は、水中や油中、金属ナトリウムの流体中に存在する測定対象物１１、金属材料、コンクリート等の固体中に内包される測定対象物１１の位置や形状を正確に精度よく測定でき、測定対象物１１の損傷や変形状態の程度をも測定することができる。
【００１６】
距離測定装置１０は、超音波等の指向性の大きな音波を送受信する送受信手段１３と、この送受信手段１３で受信したエコー信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、このＡ／Ｄ変換器１４からのデジタルエコー信号をデジタルデータとして一旦記録するデジタルデータ記録装置１５と、上記デジタルエコー信号を逆解析処理してインパルス化する逆解析手段１６と、インパルス化されたデジタルエコー信号を解析して音波伝播時間や時間差を算出したり、この音波伝播時間や時間差に音速を乗じて測定対象物１１の距離、距離差（段差）や凹凸分布を演算処理する演算処理手段としての伝播時間・距離算出手段１７と、この音波伝播時間・距離算出手段１７で演算処理された音波伝播時間や時間差、さらには測定対象物１１の距離・距離差（段差）、凹凸分布を表示する伝播時間・距離表示手段１８とを備える。
【００１７】
距離測定装置１０の送受信手段１３は、単一の音波素子２０とこの音波素子２０にインパルス電圧を入力させる発受信装置２１とを備える。発受信装置２１は図示しない制御手段からのインパルス入力を受けて、音波素子２０にインパルス電圧を印加し、音波素子２０から指向性の大きな音波、例えば超音波を発振させるようになっている。なお、ここでは送受信手段１３は音波の送信と受信の両方を行なう機能を備えているが、これらの機能を別個に備え持つ送信手段と受信手段とを用いてもよい。
【００１８】
音波素子２０としては、電圧印加により圧電材料中に弾性波を励起させ、共振現象による圧電効果により、０．８〜２００ＭＨｚ程度の超音波を発生させる圧電素子や、磁性体の磁歪現象を利用し、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の振動数の音波を発生させる磁歪素子、電気歪現象を利用した電歪素子が用いられる。音波素子２０は、音波振動と電気信号の相互変換器として機能し、代表的には電磁式あるいは圧電式の超音波トランスデューサがある。
【００１９】
送受信手段１３の発受信装置２１から音波素子２０にインパルス電圧を入力させると、音波素子２０は、その固有振動成分を持った信号と指数関数的に減衰する信号の重ね合せた信号を出力させる。この重ね合わせ信号である音波は、空気、水、油、金属ナトリウム等の流体中に設けられた測定対象物１１に向けて発振され、測定対象物１１に当たって反射する。
【００２０】
測定対象物１１で反射した音波は、再び音波素子２０で受信し、音波エコー信号（音波受信信号）となって発受信装置２１に送られ、ここで増幅され、電気エコー信号に変換される。この電気エコー信号は、Ａ／Ｄ変換器１４によりデジタルエコー信号に変換される。このデジタルエコー信号は、デジタルデータ記録装置１５に一旦デジタルデータとして記憶される。
【００２１】
一方、デジタルエコー信号Ｅは、図４に示すように音波素子２０で音波を発振させてから所定の音波伝播時間Ｔ後に音波素子２０に到達する音波受信信号である。デジタルエコー信号Ｅには、測定対象物１１の段差部上面１１ａから反射したエコー信号ｅ１と、段差下面１１ｂからのエコー信号ｅ２となる。従来の距離測定装置では、図４（Ａ）に示すように、エコー信号ｅ１とｅ２の音波波長が重なり合う場合、各音波波長ｅ１，ｅ２の音波伝播時間差、すなわち段差部の音波伝播時間差ｔａを測定することが困難であった。
【００２２】
しかし、図３に示された音波による距離測定装置１０では、デジタルエコー信号Ｅを逆解析手段１６で逆解析し、インパルス化（尖鋭化）させることにより、各エコー信号ｅ１，ｅ２は図４（Ｂ）に示すインパルス信号で分離した状態で表わされる。測定対象物１１の段差部上面１１ａの逆解析によるインパルス信号がＰ１、段差部下面１１ｂの逆解析によるインパルス信号がＰ２でそれぞれ表わされるので、両インコパルス信号Ｐ１，Ｐ２による逆解析音波伝播時間差ｔｂを正確に精度よく解析算出することができる。
【００２３】
図３に示された音波による距離測定装置１０では、測定対象物１１に凹凸があり、凹凸による段差距離が短い場合にも、逆解析手段１６による逆解析により、段差部の音波伝播時間差ｔｂを正確に測定することができる。段差部の測定精度は、音波の発振振動数（波長λ）や音速に依存するが、少なくともｍｍオーダの精度で測定可能である。具体には水中での超音波を用いた測定では、０．３〜０．４ｍｍ程度の段差部、金属ナトリウム中では、０．５ｍｍ程度、空気中では１．５〜２ｍｍ程度までの分解能を有し、測定対象物１１の形状確認、損傷の有無を正確に精度よく確認することができる。
【００２４】
一方、逆解析手段１６により、デジタルエコー信号Ｅはこの信号Ｅをインパルス化する逆解析処理が行なわれ、図４（Ｂ）に示すようなインパルス信号Ｐ１，Ｐ２となる。このインパルス信号Ｐ１，Ｐ２は算出手段１７によって、音波伝播時間Ｔや音波伝播時間差ｔｂが算出され、この算出値に音速を乗じた演算処理により距離や距離差が算出される。算出手段１７は、音波伝播時間Ｔやその時間差ｔｂを算出したり、また測定対象物１１までの距離や距離差（段差）、凹凸分布を算出する機能を有する。算出手段１７で算出された距離や距離差は、表示手段１８により表示される。この表示手段１８により、音波素子２０から測定対象物１１までの距離、測定対象物１１に凹凸がある場合には、その距離差（段差）を逆解析による音波伝播時間差ｔｂにより、正確に精度よく測定することができる。
【００２５】
次に、逆解析手段１６による逆解析処理について説明する。
【００２６】
逆解析手段１６では、ｎ次の正方マトリックス（行列）Ａを計算処理することにより、デジタルエコー信号Ｅの逆解析処理が行なわれる。
【００２７】
ｎ次正方マトリックスＡを、各配列要素ａｋｌを用いて
【数１】
2005043164.tif 000003
とおく。
【００２８】
Ｙを観測された時系列信号（デジタルエコー信号Ｅの時系列データに対応）ｙｉを列ベクトル（列マトリックス）としたベクトルとし、Ｘを想定される（求める）インパルス応答時系列ｘｉとする列ベクトル（列マトリックス）としたベクトルとすると、次の関係式が成立する。
【００２９】
【数２】
2005043164.tif 000004
但し、Ｔは転置行列を表わすものとする。
【００３０】
（２）式により、求めるＸは、ｎ次正方マトリックスＡの逆行列Ａ−１から、
【数３】
Ｘ＝Ａ−１Ｙ      ……（３）
で表わされる。
【００３１】
音波による距離計測装置１０で実測された音波受信信号の波形データは、図５（Ａ）に実線Ｅの時系列で示すように表わされる。この波形データＥは、デジタルエコー信号に相当するものであり、測定対象物１１の段差部上面からのエコー信号ｅ１と段差部下面からのエコー信号ｅ２と加算和に対応する。
【００３２】
実測された音波受信信号の波形データ（デジタルエコー信号）Ｅをｕで表すと、データ系列Ｐｉは、
【数４】
2005043164.tif 000005
但し、Ｌは音波受信信号（デジタルエコー信号）Ｅの信号が充分に減衰し、音圧レベルがゼロ近くなった時間ステップ数である。
【００３３】
で表わされる。
【００３４】
（４）式から、データ系列Ｐｉの中で、そのデータ中で最大値をとるｉをｉｍａｘとすると、（１）式のｎ次正方マトリックスＡのｋ行ｌ列の配列要素ａｋｌは、
【数５】
2005043164.tif 000006
で表わされ、音波受信信号（デジタルエコー信号）Ｅの時系列データの音圧レベルの最大値がマトリックスＡの対角成分となるように、時系列データを各縦列毎に順次並べると、マトリックスＡは対角成分の絶対値を大きく設定したマトリックスとなる。
【００３５】
行列成分ｋ行ｌ列の配列要素ａｋｌを（５）式で表わされるマトリックスＡは、対角成分の絶対値が大きなマトリックスに設定でき、このようなマトリックスＡの逆行列Ａ−１を、観測された時系列信号ｙｉの列ベクトルＹ、すなわち音波受信信号Ｅにかける逆解析処理により、デジタルエコー信号（音波受信信号）Ｅをインパルス化し、尖鋭化処理することができる。
【００３６】
図５（Ａ）に示されたデジタルエコー信号Ｅを逆解析処理することにより、デジタルエコー信号Ｅのインパルス信号Ｐが得られ、インパルス応答が求められる。
【００３７】
行列成分ｋ行ｌ列の配列要素ａｋｌを（５）式で表わされるマトリックスＡとすることで、マトリックスＡの対角成分の絶対値を大きく設定でき、安定した逆行列（逆マトリックス）Ａ−１を算出することができる。図５（Ａ）および（Ｂ）に示されるように、エコー信号ｅ１とｅ２の加算値である音波受信信号Ｅの信号系列から、逆行列Ａ−１によりインパルス化された尖鋭信号が計算でき、極めて隣接したエコー信号ｅ１とｅ２を分離して計測することが可能であることがわかる。
【００３８】
この音波による距離計測装置１０では、逆解析手段１６により音波受信信号（デジタルエコー信号）Ｅを、マトリックスＡの列方向の行列要素（縦要素）に、想定される音波伝播時間を音波伝播時間差分だけのＡ／Ｄ変換のサンプリング時間ステップに応じて１ステップずつずらしながら、音波受信信号の時系列データを格納し、格納した時系列データで作成されるマトリックスＡから逆行列Ａ−１を求め、この逆行列Ａ−１を音波受信信号Ｅに掛け合せることで、音波受信信号Ｅからインパルス信号が再現可能となる。このインパルス信号の解析により、音波伝播時間およびその時間差を正確に精度よく測定できる。
【００３９】
その際、逆解析手段１６により、音波受信信号Ｅにその時系列データに対して充分に小さな白色雑音（ホワイトノイズ）数値を加算して逆行列Ａ−１を掛け合せる逆解析処理を複数回行ない、その平均値をインパルス信号とすることで、より安定したインパルス応答特性を実現することができる。
【００４０】
マトリックスＡの行列要素ａｋｌとして、音波受信信号Ｅの時系列データより十分に小さな白色雑音σを行列要素として加算し、逆行列Ａ−１を掛け合せて算出されたインパルス応答結果を、複数回加算平均をとることで、音波受信信号をより安定化させた逆解析結果が得られる。
【００４１】
【数６】
2005043164.tif 000007
図６は、音波による距離計測装置１０において、白色雑音を行列要素として用いた場合の逆解析結果例を示すものである。
【００４２】
ノイズとしてマトリックスＡの縦（列）配列要素Ｐｉの最大値より、十分に小さい、例えば１／１００程度を最大値としたランダムノイズ（ホワイトノイズ）を付加し、逆行列Ａ−１によりインパルス応答を算出したものである。図６は、インパルス算出計算を１００００回行なった平均値を示したものであり、この繰返し平均化操作により、数値計算ノイズを約１／２程度に減少させることができる。
【００４３】
なお、図６において細線Ｐは１回の逆解析によって得られたインパルス信号であり、太線Ｐａは１００００回の逆解析を平均化して得られたインパルス信号である。
【００４４】
図７は、本発明に係る音波伝播時間測定装置の第２実施形態を示す概略ブロック図である。
【００４５】
この音波伝播時間測定装置１０Ａは、送受信手段１３Ａの構成を図３に示された音波伝播時間測定装置（距離計測装置）１０と基本的に同様の構造であるため、共通する構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
【００４６】
この音波伝播時間測定装置１０Ａは、音波による距離計測装置に適用されるものであり、送受信手段１３Ａは、音波素子２０と発受信装置２１の組合せを複数組有する。複数の音波素子２０に１つの発受信装置２１からインパルス電圧を印加し、各音波素子２０で受信された音波エコー信号を発受信装置２１を介してＡ／Ｄ変換装置１４に送るようにしてもよい。
【００４７】
この音波伝播時間測定装置１０Ａにおいては、測定対象物１１から反射された音波のエコー信号を各音波素子２０で受信し、受信された各音波エコー信号を発受信装置２１で増幅し、電気エコー信号に変換してデジタルエコー信号（音波受信信号）を発生させ、このデジタルエコー信号に逆解析手段１６で逆行列Ａ−１を乗じて逆解析処理してインパルス化することで、音波伝播時間および時間差を正確にかつ精度よく測定でき、測定対象物１１の広範囲の距離および距離差（段差）を一度に測定することができる。この測定装置１０Ａで測定された音波伝播時間および時間差に音速を乗ずることで、音波素子２０から測定対象物１１までの距離や凹凸の分布が計測可能となり、測定対象物１１の凹凸の範囲を広く一度に計測できる。
【００４８】
図８は、本発明に係る音波伝播時間測定装置の第３実施形態を示す概略ブロック図である。
【００４９】
この実施形態に示された音波伝播時間測定装置１０Ｂは、図３に示された音波伝播時間測定装置１０にノイズフィルタ２５を設けたものであり、他の構成、作用は異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
【００５０】
ノイズフィルタ２５は、デジタルデータ記録装置１５と逆解析手段１６との間に備えられる。このノイズフィルタ２５により、逆解析手段１６の信号入力側で音波受信信号であるデジタルエコー信号Ｅからノイズを除去し、ノイズの影響を受けにくくすることにより、逆解析での計算誤差を減少させることができる。また、ノイズフィルタ２５を設けることにより、デジタルエコー信号Ｅに含まれるノイズ成分を除去し、逆解析処理の計算誤差を減少させることで、音波伝播時間やその時間差の計測を正確に精度よく、安定的に行なうことができる。
【００５１】
図９は本発明に係る音波伝播時間測定装置の第４実施形態を示すものである。
【００５２】
この実施形態に示された音波伝播時間測定装置１０Ｃは、図８に示された音波伝播時間測定装置１０Ｂに逆解析補正手段２７を備えたものである。他の構成および作用は、図８の音波伝播時間測定装置１０Ｂと異ならないので、その説明を省略する。
【００５３】
図９に示された音波伝播時間測定装置１０Ｃは、図３に示された音波伝播時間測定装置１０にノイズフィルタ２５と逆解析補正手段２７とを備えたものである。ノイズフィルタ２５はデジタルデータ記録装置１５と逆解析手段１６との間に備えられ、逆解析補正手段２７は、逆解析手段１６および伝播時間・距離算出手段１７に備えられる。
【００５４】
逆解析補正手段２７は、較正時の基準となる基準測定対象物２８を用いて、逆解析手段１６の逆解析行列の縦要素を最適化するものである。
【００５５】
この音波伝播時間測定装置１０Ｃは、逆解析補正手段２７を備えたものであり、この逆解析補正手段２７により、基準測定対象物２８から反射された音波エコー信号を利用して、逆解析手段１６の逆解析処理を最適化している。この逆解析補正手段２７は、音波素子２０の特性変化、特性劣化、音波伝播場（気体、液体および固体場）の特性変化による音波波形の変化を、基準測定対象物２８を用いて音波反射信号（デジタルエコー信号）として入力し、補正することで、逆解析手段１６による逆解析処理をより一層精度よく確実に行なうことができ、精度の高いインパルス応答が計算できるようにしたものである。
【００５６】
この音波伝播時間測定装置１０Ｃは、逆解析補正手段２７を備えることにより、較正時の基準となる基準測定対象物２８からの音波反射波信号を音波受信信号として受信し、逆解析手段１６で逆解析の行列要素を最適化するものである。この逆解析補正手段２７は、音波素子２０の特性劣化、音波伝播場の特性変化による音波信号の時系列信号の変化にも柔軟に対応することができ、常に最適な逆解析処理が得られるように、逆解析手段１６を較正するものである。
【００５７】
逆解析補正手段２７により、逆解析手段１６を、基準測定対象物２８の音波反射信号（デジタルエコー信号Ｅ）を基に、最適な逆解析結果が得られるように較正することで、逆解析手段１６により音波反射信号を最適な逆解析解でインパルス化することができる。最適化した逆解析手段１６を用いて音波反射信号（デジタルエコー信号）をインパルス化し、測定対象物１１を測定することにより、精度のよいインパルス応答が得られ、音波計測時間やその時間差を常時正確に精度よく測定できる。この測定した音波計測時間やその時間差に音速を乗ずることにより、音波素子２０から測定対象物１１の表面までの距離および距離差（段差）、凹凸分布を測定することができる。
【００５８】
図１０は、本発明に係る音波伝播時間測定装置の第５実施形態を示すものである。
【００５９】
この音波伝播時間測定装置１０Ｄは、図８に示された音波伝播時間測定装置１０Ｂに送受信可能な通信装置３０を設け、この通信装置３０を遠隔地に設けた通信装置３１と、インターネット等の通信回線３２あるいは無線で通信可能に接続し、逆解析算出手段３３で逆解析処理を遠隔地で分担させるようにしたものである。音波伝播時間測定装置１０Ｄの他の構成、作用は、図８に示す音波伝播時間測定装置１０Ｂと異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６０】
この音波伝播時間測定装置１０Ｄにおいては、逆解析手段１６および伝播時間・距離算出手段１７に通信装置３０を備え、この通信装置３０を通信回線３２等を介して逆解析算出手段３３の通信装置３１と送受信可能に構成し、遠隔地に設置されたホストコンピュータ等の逆解析算出手段３３を用いて、較正時の基準となる基準測定対象物２８からの音波反射信号を基に、最適な逆解析解（結果）が得られるように、逆解析手段１６の行列要素を調整したり、計算量の多い逆解析処理自体を行なうものである。
【００６１】
音波伝播時間測定装置１０Ｄの逆解析手段１６では、逆解析処理を行なうために、膨大な逆行列計算が行なわれ、計算量が膨大になる。この逆解析手段１６では、計算処理負担を逆解析算出手段３３と分担させることにより、計算処理負担を大幅に軽減させることができる。
【００６２】
図１０に示された音波伝播時間測定装置１０Ｄでは、逆解析算出手段３３で較正時の基準となる基準測定対象物２８の音波反射信号を基に、最適な逆解析結果が得られるように、逆解析手段１６における逆解析の行列要素を調整したり、計算量の多い逆解析処理を行なうものである。逆解析算出状態３３を通信回線３２であるインターネット網を通じて逆解析手段１６と通信接続し、逆解析算出手段３３で処理した逆解析処理の計算結果を、伝播時間距離算出手段１７を経て表示手段１８へと伝送することにより、計算処理に負担のかかる逆解析手段１６側の計算負担を大幅に軽減できる。遠隔地に設置された逆解析算出手段３３を利用することにより、音波伝播時間測定装置１０Ｄを安価な距離計算装置とすることができる。
【００６３】
また、複数の音波伝播時間測定装置１０Ｄをインターネット網を介して逆解析算出手段３３に信号データ伝送可能に通信接続し、計算機からなる逆解析算出手段３３を共有することにより、計算処理資源の有効活用を図ることができる。
【００６４】
図１１は、本発明に係る音波伝播時間測定装置の第６実施形態を示すものである。
【００６５】
この実施形態に示された音波伝播時間測定装置１０Ｅは、図７に示された音波伝播時間測定装置１０Ａに、伝播時間・距離表示手段１８に代えて開口合成処理手段３５および距離分布表示手段３６を備えたものであり、他の構成および作用は異ならないので、同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
開口合成処理手段３５は、小さなセンサをライン状あるいはマトリックス状に並べて合成し、大センサ化したもので開口合成あるいは合成開口を行なう処理装置であり、測定対象物１１の計測対象面を画像化する計算処理を行なうものである。開口合成処理手段３５により測定対象物１１の凹凸計測対象面を立体的に計測することができ、この測定対象物１１の立体的な外観形状は、距離分布表示手段３６にて表示することができる。
【００６７】
ところで、開口合成処理手段３５は、音波信号を送受信する音波素子２０を切り替え、発信した音波素子２０の位置と受信した音波素子２０の位置とを焦点とする回転楕円体を構成し、この回転楕円体を、送受信を行なう音波素子２０の発受信の組合せの数だけ複数個描くことにより、測定対象物１１の計測対象面を三次元画像化の計算処理を行ない、測定対象物１１の位置や立体的形状認識を正確に精度よく行なうことができる。すなわち、計測対象範囲が広い距離計測が可能となり、測定対象物１１の計測対象を三次元形状として計測し、認識することができる。
【００６８】
なお、本発明の実施の形態の説明においては、逆解析手段でマトリックスＡの縦要素（列ベクトル）に音波反射信号の時系列データを格納する際、観測された音波反射信号（デジタルエコー信号）ｙｉの時系列ベクトルである列ベクトル（列マトリックス）Ｙ１は、時間ステップ毎における音圧レベルの最大値をとってマトリックスＡの配列要素ａｋｌとしたが、音圧レベルの最大値に代えて次のピーク値を採用してマトリックスＡの配列要素ａｋｌを作成し、作成されたマトリックスＡから逆行列（逆マトリックス）Ａ−１を求めるようにしてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る音波伝播時間測定装置においては、測定対象物からの音波反射信号（デジタルエコー信号）に逆解析手段で逆解析処理し、音波反射信号をインパルス化し、音波伝播時間およびその時間差を算出したので、音波伝播時間およびその時間差を正確に精度よく測定することができる。
【００７０】
また、本発明に係る音波伝播時間測定装置は、音波伝播時間およびその時間差を精度よく測定できるので、音波素子から測定対象物までの距離、測定対象物の距離差（段差）、凹凸分布を、ほぼｍｍ単位以下のオーダで正確に精度よく計測でき、測定対象物の位置、形状確認のみならず、破損や損傷の程度を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の音波伝播時間測定装置に備えられる音波素子からの音波発信原理を示す図。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は従来の音波伝播時間測定装置で測定された測定対象物からの音波受信信号（デジタルエコー信号）をそれぞれ表示した測定図。
【図３】本発明に係る音波伝播時間測定装置の第１実施形態を示す概略ブロック図。
【図４】（Ａ）は本発明に係る音波伝播時間測定装置で測定された音波受信信号（デジタルエコー信号）を示す測定図、（Ｂ）は上記音波受信信号（デジタルエコー信号）に逆解析処理を施してインパルス化した処理図。
【図５】（Ａ）は本発明に係る音波伝播時間測定装置を用いて測定対象物段差部上面および下面からのエコー信号を加算した音波受信信号（デジタルエコー信号）を示す図、（Ｂ）は図５（Ａ）の音波受信信号を逆解析処理したインパルス信号を示す図。
【図６】本発明に係る音波伝播時間測定装置の逆解析手段に測定された音波反射信号の時系列データより十分に小さな白色雑音を加えて逆解析処理を行なって平均化した処理例を示す図。
【図７】本発明に係る音波伝播時間測定装置の第２実施形態を示す概略ブロック図。
【図８】本発明に係る音波伝播時間測定装置の第３実施形態を示す概略ブロック図。
【図９】本発明に係る音波伝播時間測定装置の第４実施形態を示す概略ブロック図。
【図１０】本発明に係る音波伝播時間測定装置の第５実施形態を示す概略ブロック図。
【図１１】本発明に係る音波伝播時間測定装置の第６実施形態を示す概略ブロック図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｅ  音波伝播時間測定装置（距離計測装置）
１１  測定対象物
１３  送受信手段
１４  Ａ／Ｄ変換装置
１５  デジタルデータ記録装置
１６  逆解析手段
１７  伝播時間・距離算出手段
１８  伝播時間・距離表示手段
２０  音波素子
２１  発受信装置
２５  ノイズフィルタ
２７  逆解析補正手段
２８  基準測定対象物
３０，３１  通信装置
３３  逆解析算出手段
３５  開口合成処理手段
３６  距離分布表示手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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