(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサを用いてドップラー計測を行いながら、前記超音波トランスデューサの振動を検出し、ドップラー法により計測された流速分布の補正を行う超音波トランスデューサを用いたドップラー計測と振動検出の同時測定方法であって、前記ドップラー計測の信号処理と同時に超音波トランスデューサからの信号の低周波成分を速度次元として計測するため、ローパスフィルタと、増幅器と、積分回路を介してトランスデューサ信号ＳTRを得て、その後、ドップラーシフト分布とトランスデューサ信号ＳTRに基づいて相互相関係数Ｒxyを求め、そのとき求められた遅延時間から遅延時間補正を行い、減算器にて前記ドップラーシフト分布からトランスデューサ信号ＳTRを減算することにより、補正後のドップラーシフト分布を検出することを特徴とする超音波トランスデューサを用いたドップラー計測と振動検出の同時測定方法。
【請求項２】
（ａ）超音波トランスデューサを用いてドップラー計測を行うパルスドップラーボアホールテレビューア計測システムと、
（ｂ）該計測システムと並列に、ローパスフィルタと、増幅器と、積分回路とが直列に接続された、低周波成分を分離する回路と、
（ｃ）該低周波成分を分離する回路から得られるトランスデューサ信号ＳTRとドップラーシフト分布とに基づいて相互相関係数Ｒxyを求める手段と、
（ｄ）そのとき求められた遅延時間から遅延時間補正を行う手段と、
（ｅ）前記ドップラーシフト分布からトランスデューサ信号ＳTRを減算する減算器とを備え、
（ｆ）前記超音波トランスデューサを用いてドップラー計測を行いながら、前記トランスデューサの振動を検出し、ドップラー法により計測された流速分布の補正を行うようにしたことを特徴とする超音波トランスデューサを用いたドップラー計測と振動検出の同時測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波トランスデューサを用いたドップラー計測と振動検出の同時測定方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波ドップラー計測法は液体の流速の測定に活用され、例えば超音波パルスドップラー血流計（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｐｕｌｓｅ  Ｄｏｐｐｌｅｒ  ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ）に実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波ドップラー法を地下計測システムに導入した場合、地下イメージングを行うためには、超音波トランスデューサを坑井内で移動させながら計測を行う必要がある。その時、トランスデューサの移動による振動が計測された流速分布に影響を及ぼすため、地下亀裂ごとの定量評価を行うことが困難である。
【０００４】
すなわち、地層内の地下水の流れを調べるため、坑井を堀り、ここに超音波トランスデューサを降下させながら超音波ドップラー計測（ドップラーボアホールテレビューア：Ｄｏｐｐｌｅｒ  ｂｏｒｅ−ｈａｌｌ  ｔｅｌｅｖｉｅｗｅｒ）を行うと、トランスデューサの降下に伴う“揺れ”が雑音信号となり、流速の測定が乱されるという問題がある。
【０００５】
図２はかかる従来の超音波ドップラー計測法を地下計測システムに導入した場合の特性を示す図であり、図２（ａ）はドップラーシフトの時間波形（流量０ｍｌ／ｍｉｎ）を、図２（ｂ）はパルスペアー法によるドップラーシフトの分布を、図２（ｃ）は超音波トランスデューサの速度信号をそれぞれ示す図である。
【０００６】
このように、従来の超音波ドップラー計測法は、地下坑井内を超音波トランスデューサを移動させながら、坑壁画像と同時に流速分布の取得を行うため、図２に示すように、計測される流速分布にトランスデューサの振動が起因していると考えられる雑音が観測されている。そのため、正確な流速分布を計測することができず、個々の亀裂に流れる流量を評価することが困難である。
【０００７】
本発明は、上記問題点を除去し、流速分布に観測される雑音を抑圧することにより、亀裂ごとの流速分布を高分解能に計測することができる超音波トランスデューサを用いたドップラー計測と振動検出の同時測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超音波トランスデューサを用いてドップラー計測を行いながら、前記超音波トランスデューサの振動を検出し、ドップラー法により計測された流速分布の補正を行う超音波トランスデューサを用いたドップラー計測と振動検出の同時測定方法であって、前記ドップラー計測の信号処理と同時に超音波トランスデューサからの信号の低周波成分を速度次元として計測するため、ローパスフィルタと、増幅器と、積分回路を介してトランスデューサ信号ＳTRを得て、その後、ドップラーシフト分布とトランスデューサ信号ＳTRに基づいて相互相関係数Ｒxyを求め、そのとき求められた遅延時間から遅延時間補正を行い、減算器にて前記ドップラーシフト分布からトランスデューサ信号ＳTRを減算することにより、補正後のドップラーシフト分布を検出することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕超音波トランスデューサを用いたドップラー計測と振動検出の同時測定装置であって、超音波トランスデューサを用いてドップラー計測を行うパルスドップラーボアホールテレビューア計測システムと、この計測システムと並列に、ローパスフィルタと、増幅器と、積分回路とが直列に接続された低周波成分を分離する回路と、この低周波成分を分離する回路から得られるトランスデューサ信号ＳTRとドップラーシフト分布とに基づいて相互相関係数Ｒxyを求める手段と、そのとき求められた遅延時間から遅延時間補正を行う手段と、前記ドップラーシフト分布からトランスデューサ信号ＳTRを減算する減算器とを備え、前記超音波トランスデューサを用いてドップラー計測を行いながら、前記トランスデューサの振動を検出し、ドップラー法により計測された流速分布の補正を行うようにしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、超音波トランスデューサを、超音波ドップラー計測に用いる際に、高周波成分とトランスデューサの振動の成分（低周波成分）をそれぞれ同時に計測することにより、流速分布に観測されたトランスデューサの振動に起因する雑音をトランスデューサの加速度成分を用いて抑圧することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例を示すトランスデューサの信号を同時測定するためのパルスドップラーボアホールテレビューア計測システムのブロック図である。なお、ここでは、地下亀裂透水性計測技術として考えられているシステムを示している。
【００１３】
図１において、１は超音波トランスデューサ、２はオシロスコープ、Ａは低周波成分を分離する回路であり、ローパスフィルタ（１ｋＨｚ）３，アンプ４と積分回路５からなる。また、３はローパスフィルタ（１ｋＨｚ）、１４，１７はローパスフィルタ（１０ｋＨｚ）、４，１５，１８はアンプ、５は積分回路、６はサーキュレーター、７はコンデンサ（０．０１μＦ）、８は抵抗（１ｋΩ）、９は第１のスイッチ（ＳＷ１）、１０は第２のスイッチ（ＳＷ２）、１１はローノイズアンプ、１２は第３のスイッチ（ＳＷ３）、１３，１６は乗算器、１９はデジタルレコーダ、２０はファンクションジェネレータ、２１は９０°分配器、２２はゲートパルス発生器である。
【００１４】
以下、そのパルスドップラーボアホールテレビューア計測システムの動作について説明する。
【００１５】
ファンクションジェネレータ２０により発振された超音波パルスは、発振器を反射波から保護するための第１のスイッチ９（ＳＷ１）、サーキュレーター６を介して超音波トランスデューサ１に入力される。超音波パルスは水中に放出され、超音波トランスデューサ１には送信波、散乱波、壁面における反射波のすべてに対応した波形が観測される。
【００１６】
超音波ドップラー計測部では、受信波から第２のスイッチ（ＳＷ２）１０により、トランスデューサから任意の距離の点におけるサンプルボリューム（散乱波を抽出する部位）から散乱波を抽出し、ローノイズアンプ１１により増幅する。このままでは、送信波のカップリングとスイッチング時のスパイクノイズの影響が大きいため、再び、第３のスイッチ（ＳＷ３）１２を用いて散乱波のみを取り出す。
【００１７】
この信号に対して、ファンクションジェネレータ２０により出力した送信波の中心周波数と同一の周波数の正弦波および９０°分配器２１を用いて９０°移相した信号により、乗算器１３，１６にて直交検波を行う。検波後の信号から低周波成分のみをローパスフィルタ１４，１７（１０ｋＨｚ）で抽出し、アンプ１５，１８により増幅した後、ゲートパルス発生器２２によるタイミングでデジタルレコーダ１９によって記録する。
【００１８】
このとき計測される信号がドップラーシフトの時間波形となる。また、コンデンサ７、抵抗８により超音波トランスデューサ１がハイパスフィルタとしての機能を有する。
【００１９】
一方、超音波トランスデューサ１の信号は、ローパスフィルタ３（１ｋＨｚ）により、送受信波の高周波成分を除去する。その後、アンプ４により増幅したのちトランスデューサ１からの加速度信号をドップラーシフトの信号と同じ次元とするために、積分回路を用いて速度信号としてデジタルレコーダ１９により記録する。
【００２０】
図２はそのパルスドップラーボアホールテレビューア計測システムの各部の波形図であり、図２（ａ）は横軸に時間（秒）、縦軸にドップラー振幅（Ｖ／ｄｉｖ）を表し、その上段には図１に示すアンプ１８の出力波形Ｂ、その下段には図１に示すアンプ１５の出力波形Ｂ′を示している。
【００２１】
また、図２（ｂ）は、横軸に時間（秒）、左縦軸にドップラーシフト（Ｈｚ）、右縦軸に流速（ｍｍ／ｓ）を表し、ここには、上記した出力波形Ｂ，Ｂ′から計算したドップラーシフトを示しており、流速（Ｆｌｏｗ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）は流速ゼロで実施しているにもかかわらず、トランスデューサの“ゆれ”があるように測定される。
【００２２】
さらに、図２（ｃ）は、横軸に時間（秒）、縦軸にトランスデューサ振幅（速度信号）（ｍＶ）を表し、ここには低周波成分を分離する回路Ａの出力信号Ｃを示している。
【００２３】
この実施例では、従来の装置に、ローパスフィルタ（１ｋＨｚ）３、アンプ４及び積分回路５からなる低周波成分を分離する回路Ａを付加して、超音波トランスデューサ１を用いてドップラー計測を行いながら、前記超音波トランスデューサ１の振動を検出し、ドップラー法により計測された流速分布の補正を行う。
【００２４】
図３は本発明の実施例を示すドップラーシフトの補正方法を示すブロック図である。
【００２５】
以下、その動作の説明を行う。
【００２６】
超音波トランスデューサ１からの信号を、図１に示すパルスドップラーボアホールテレビューア計測システム（図３における３１）を用いてドップラー計測を行う。従来は、デジタルデコーダ１９にて記録されたドップラーシフトの時間波形にパルスペア法を用いてドップラーシフトの検出３２を行い、ドップラーシフト分布３３を計測していた。
【００２７】
本発明では、上記した信号処理と同時に超音波トランスデューサ１からの信号の低周波成分を速度次元として計測するため、ローパスフィルタ（１ｋＨｚ）３、増幅器４、積分回路５を介してトランスデューサ信号ＳTRを得る。その後、ドップラーシフト分布３３とトランスデューサ信号ＳTRに基づいて相互相関係数Ｒxy（τ）３４を求め、そのとき求められた遅延時間から遅延時間補正３５を行い、減算器３６にてドップラーシフト分布３３からトランスデューサ信号ＳTRを減算することにより、補正後のドップラーシフト分布３７を検出する。
【００２８】
図４は本発明の実施例を示すドップラーシフトの時間波形と補正後のドップラーシフトの分布を示す図であり、図４（ａ）は横軸に時間（秒）、縦軸にドップラー振幅（Ｖ／ｄｉｖ）を表し、その上段には図１に示すアンプ１８の出力波形Ｂ、その下段には図１に示すアンプ１５の出力波形Ｂ′を示している。
【００２９】
また、図４（ｂ）は横軸に時間（秒）、縦軸にドップラーシフト（Ｈｚ）を示しており、図１に示すアンプ１８の出力波形Ｂと図１に示すアンプ１５の出力波形Ｂ′から求めたドップラーシフトをローパスフィルタ（１ｋＨｚ）３、増幅器４、積分回路５からなる低周波成分を分離する回路Ａからの低周波信号Ｃで補正すると流量０の信号を正しく得ることができる。すなわち、図２（ｂ）に示す信号から図２（ｃ）に示す信号を差し引くと、図４（ｂ）に示す補正された正しい流速を得ることができる。
【００３０】
このように、トランスデューサの低周波成分を同時計測することによって補正を行うことにより、図４に示すように、流速分布に計測される雑音を抑圧することが可能となる。
【００３１】
また、本発明は、地下水の分布の計測のみならず、油田の原油の流速分布の計測を行うこともできる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、流速分布に観測される雑音を抑圧することにより、亀裂ごとの流速分布を高分解能に計測することができる。
【００３４】
その結果、ドップラー法による計測を様々な分野で行うことが可能となる。例えば、地下空間開発や核廃棄物地下保管などを行う施設での亀裂の透水性評価や、地熱や石油分野での貯留層の性状評価の有効な手段として、また、地下水理系計測の手段として、超音波ドップラー法を導入したシステムの開発に用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示すトランスデューサの信号を同時測定するためのパルスドップラーボアホールテレビューア計測システムのブロック図である。
【図２】  従来の超音波トランスデューサを用いてドップラー計測を行う場合の問題点を示す図である。
【図３】  本発明の実施例を示すドップラーシフトの補正方法を示すブロック図である。
【図４】  本発明の実施例を示すドップラーシフトの時間波形と補正後のドップラーシフトの分布を示す図である。
【符号の説明】
Ａ    低周波成分を分離する回路
１    超音波トランスデューサ
２    オシロスコープ
３    ローパスフィルタ（１ｋＨｚ）
４，１５，１８    増幅器
５    積分回路
６    サーキュレーター
７    コンデンサ（０．０１μＦ）
８    抵抗（１ｋΩ）
９    第１のスイッチ（ＳＷ１）
１０    第２のスイッチ（ＳＷ２）
１１    ローノイズアンプ
１２    第３のスイッチ（ＳＷ３）
１３，１６    乗算器
１４，１７    ローパスフィルタ（１０ｋＨｚ）
１９    デジタルレコーダ
２０    ファンクションジェネレータ
２１    ９０°分配器
２２    ゲートパルス発生器
３１    パルスドップラーボアホールテレビューア計測システム
３２    ドップラーシフトの検出
３３    ドップラーシフト分布
３４    相互相関係数Ｒxy（τ）
３５    遅延時間補正
３６    減算器
３７    補正後のドップラーシフト分布
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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