CN117642651A - 位移感测装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

位移感测装置具备：波发射器，向物体发送具有多个频率的调制波；波接收器，接收来自物体的反射波，并生成表示接收结果的接收信号；以及控制部，控制波发射器对调制波的发送，并从波接收器获取接收信号。控制部在第1测定期问中向波发射器输出第1发送信号而使得发送调制波，并获取响应的第1接收信号，提取表示在第1发送信号与接收信号之间的相关中规定的相位的第1相位信息，在第1测定期问之后的第2测定期间中向波发射器输出第2发送信号，并获取响应的第2接收信号，提取表示第2发送信号与接收信号之间的相关中的相位的第2相位信息，根据第1相位信息与第2相位信息之间的差分，感测第1测定期间以及第2测定期间中的物体的位移。

Description

位移感测装置以及方法
技术领域
本发明涉及基于宽带超声波等的收发来感测物体的微小的位移的位移感测装置以及方法。
背景技术
非专利文献1公开了一种在超声波诊断中对由心脏壁的微小振动造成的微小位移进行经皮测定的方法。在非专利文献1的方法中，通过胸部表面的超声波换能器至少两次发送超声波高频信号，并接收在心脏壁反射的接收信号。在使用相位差跟踪法的该方法中，计算对两次份的各接收信号进行正交解调而得到的复信号的相位差，并根据接收信号的相位变化来推算接收信号的延迟时间的变化。由此，非专利文献1的方法谋求与超声波换能器接触的体表处的微小位移的感测。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：H.Kanai，M.Sato，Y.Koiwa and N.Chubachi，“Transcutaneousmeasurement and spectrum analysis of heart wall vibrations，”in IEEETransactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，vol.43，no.5，pp.791-810，Sept.1996，doi：10.1109/58.535480.
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，提供一种能够精度良好地感测物体的微小的位移的位移感测装置以及方法。
用于解决问题的技术方案
本发明涉及的位移感测装置具备波发射器、波接收器、以及控制部。波发射器向物体发送具有多个频率的调制波。波接收器接收来自物体的反射波，并生成表示接收结果的接收信号。控制部控制波发射器对调制波的发送，并从波接收器获取接收信号。控制部在第1测定期间中向波发射器输出第1发送信号而使得发送调制波，并获取响应的第1接收信号。控制部基于第1发送信号和第1接收信号，提取表示在第1发送信号与第1接收信号之间的相关中规定的相位的第1相位信息。控制部在第1测定期间之后的第2测定期间中向波发射器输出第2发送信号而使得发送调制波，并获取响应的第2接收信号。控制部基于第2发送信号和第2接收信号，提取表示在第2发送信号与第2接收信号之间的相关中规定的相位的第2相位信息。控制部根据第1相位信息与第2相位信息之间的差分，感测第1测定期间以及第2测定期间中的物体的位移。
本发明也能够通过方法以及计算机程序和它们的组合来实现。
发明效果
根据本发明涉及的位移感测装置以及方法，能够精度良好地感测物体的微小的位移。
附图说明
图1是用于说明实施方式1中的位移感测装置的概要的图。
图2是示出位移感测装置的结构的框图。
图3是示出位移感测装置中的控制部的功能性结构的框图。
图4是用于说明位移感测装置中的解析信号的曲线图。
图5是例示了图4的解析信号的包络线以及相位曲线的曲线图。
图6是例示了位移感测装置的动作的流程图。
图7是例示了位移感测装置中的发送信号以及接收信号的图。
图8是用于说明位移感测装置的动作的图。
图9是例示了位移感测装置中的解析信号的相位提取处理的流程图。
图10是用于说明解析信号的相位提取处理的图。
图11是例示了位移感测装置中的帧间的位移计算处理的流程图。
图12是用于说明帧间的位移计算处理的图。
图13是用于说明使用位移感测装置进行的心率测量的图。
图14是示出位移感测装置中的测定帧频和定位精度的关系的图。
图15是示出位移感测装置中的接收信号的SNR和定位精度的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明涉及的位移感测装置的实施方式进行说明。
(实施方式1)
在实施方式1中，对使用热致发声器构成的位移感测装置的一个例子进行说明，其中，热致发声器是一种热激发型的声波产生设备。
1.结构
1-1.概要
利用图1对实施方式1涉及的位移感测装置的概要进行说明。
图1是用于说明本实施方式的位移感测装置1的概要的图。本实施方式的位移感测装置1是通过使用了热致发声器的声波的收发来感测与物体3相距的距离等信息的装置。
位移感测装置1例如能够在医疗用途中利用于测定患者的心率或者呼吸。该情况下的作为感测对象的物体3例如包含患者的体表。此外，位移感测装置1并不限于医疗用途，能够应用于各种各样的用途。例如，在车载用途中，位移感测装置1的感测对象也可以是汽车的驾驶员或者乘坐者等。此外，作为感测对象的物体3并不限于人等生物体，也可以是物品等。位移感测装置1例如也可以在工业用途中应用于容器的产品检查等，可以利用于测定与在容器表面粘附了标签的部分相距的微小的距离的变化。
在位移感测装置1中，在这样的微小的距离等信息的感测中，向物体3发送频率随时间变化的线性调频脉冲波，并接收线性调频脉冲波被物体3反射的反射波，即，回波。在位移感测装置1中，通过使用热致发声器，从而能够产生像线性调频脉冲波这样的具有宽带的频率特性的声波。
本实施方式的位移感测装置1反复进行上述那样的声波的收发，从而感测与物体3相距的距离的变化，即，物体3的位移。以下，对位移感测装置1的结构的细节进行说明。
1-2.装置结构
利用图1以及图2对本实施方式的位移感测装置1的结构进行说明。图2是示出位移感测装置1的结构的框图。
例如，如图2所示，本实施方式的位移感测装置1具备波发射器10、波接收器11、控制部13、以及存储部14。例如，如图1所示，波发射器10和波接收器11相互靠近地配置在位移感测装置1中与物体3对置的侧面。波发射器10以及波接收器11例如经由各种信号线可通信地与控制部13连接。
本实施方式的波发射器10构成为包含热致发声器作为声源。波发射器10例如产生具有20kHz以上的频率的超声波。波发射器10能够通过热致发声器产生例如在20kHz至100kHz程度这样的宽带中对频率进行了调制的线性调频脉冲波。本实施方式的波发射器10例如产生基于频率随着时间线性地变化的线性频率线性调频脉冲(linear frequencychirp)的线性调频脉冲波。此外，波发射器10通过使用热致发声器，从而能够构成为小型且轻量。
波发射器10也可以包含对热致发声器进行驱动的驱动电路等。波发射器10例如基于从控制部13输入的发送信号，通过驱动电路对热致发声器进行驱动，从而产生声波。也可以通过波发射器10的驱动电路来设定所产生的声波的频带、表示使频率变化的期间的线性调频脉冲长度、强度、信号长度、以及指向性等。未必一定限于超声波，波发射器10也可以产生各种各样的频带的声波。波发射器10也可以是不具有特别的指向性的各种无指向性声源，还可以是可变或者固定的指向性声源。
在波发射器10中，作为对空气进行加热而产生声波的热致发声器的结构，例如，具备发热体、隔热层、基板、以及电极。发热体以及隔热层层叠在基板上。发热体由电阻体构成，通过经由电极流过来自驱动电路的电流，从而发热。发热体设置为形成与空气接触的发声面，使发声面的周围的空气根据温度变化而膨胀或者收缩。由此，从发声面的附近产生空气的压力，即，声波。隔热层设置在发热体与基板之间，抑制从发热体向与发声面相反侧的热传导。基板对从发热体传动的热进行散热。
波接收器11例如由MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)传声器等传声器构成。波接收器11接收来自物体3的回波，并生成表示接收结果的接收信号。波接收器11和波发射器10的间隔例如可考虑设想的感测时的位移感测装置1到物体3的距离而预先设定。波接收器11并不限于MEMS传声器，例如，也可以由具有能够对从波发射器10发送的宽带的超声波进行接收的频率特性的其它传声器构成。例如，对于波接收器11，也可以使用电容传声器。波接收器11可以是无指向性的，也可以适当地具有各种各样的指向性。
控制部13对位移感测装置1的整体动作进行控制。控制部13例如由微型计算机构成，与软件协同而实现给定的功能。控制部13读取保存在存储部14的数据以及程序并进行各种各样的运算处理，从而实现各种功能。控制部13例如生成用于使波发射器10产生线性调频脉冲波的发送信号，并输出到波发射器10。控制部13例如将生成的发送信号保持在存储部14中。关于控制部13的细节，将在后面叙述。
另外，控制部13也可以是设计为实现给定的功能的专用的电子电路、可重构的电子电路等硬件电路。控制部13也可以由CPU、MPU、DSP、FPGA、ASIC等各种各样的半导体集成电路构成。此外，控制部13也可以构成为包含模拟/数字(A/D)变换器以及数字/模拟(D/A)变换器，还可以对各种信号应用A/D变换或者D/A变换。
存储部14是对实现控制部13的功能所需的程序以及数据进行存储的存储介质，例如，由闪存构成。例如，存储部14存储由控制部13生成的发送信号。
1-3.关于控制部
利用图3对本实施方式的位移感测装置1中的控制部13的细节进行说明。
图3是示出控制部13的功能性结构的框图。如图3所示，控制部13例如作为功能部而包含FFT部131a、131b、交叉频谱运算部132、希尔伯特变换部133、IFFT部134a、134b、以及解析处理部135。各功能部131～135各自分别实现快速傅里叶变换(FFT)、交叉频谱运算、希尔伯特变换、快速傅里叶逆变换(IFFT)、以及后述的解析处理的各功能。
控制部13例如从存储部14输入发送信号Sd，并从波接收器11输入接收信号Sr，从而进行基于各功能部131～135的信号处理。各功能部131～135例如能够以如后所述的给定的测定帧频(例如，30帧/秒)周期性地动作。
为了基于每个帧的发送信号Sd和接收信号Sr来生成解析信号，进行基于各功能部131～135中的FFT部131到IFFT部134的一系列的处理。解析信号是由发送信号Sd和接收信号Sr的互相关函数构成的复信号，用于位移感测装置1中的位移的感测。互相关函数在时域中表示两个信号Sd、Sr间的相关。
FFT部131a在输入到控制部13的发送信号Sd中运算快速傅里叶变换，并将从时域变换到频域的变换结果输出到交叉频谱运算部132。FFT部131b在输入到控制部13的接收信号Sr中与发送信号Sd同样地运算快速傅里叶变换，并将变换结果输出到交叉频谱运算部132。
交叉频谱运算部132根据FFT部131对各信号Sd、Sr的傅里叶变换的结果来运算交叉频谱，并输出到希尔伯特变换部133以及IFFT部134b。交叉频谱对应于发送信号Sd和接收信号Sr的互相关函数的傅里叶变换，通过对交叉频谱应用傅里叶逆变换，从而得到互相关函数。
希尔伯特变换部133对由交叉频谱运算部132运算的交叉频谱的希尔伯特变换进行运算，并将使交叉频谱的各频率分量各移动了π/2的变换结果输出到IFFT部134a。
IFFT部134a在应用了希尔伯特变换的交叉频谱中运算快速傅里叶逆变换，并将从频域变换到时域的变换结果输出到解析处理部135。IFFT部134b在由交叉频谱运算部132运算的交叉频谱中运算快速傅里叶逆变换，并将变换结果输出到解析处理部135。
通过以上的运算处理，作为基于IFFT部134b的变换结果而输出表示收发信号Sd、Sr间的互相关函数的信号I，作为基于IFFT部134a的变换结果而输出与信号I处于正交关系的信号Q。
解析处理部135生成作为实部以及虚部而分别具有各信号I、Q的解析信号，并进行与解析信号有关的处理。像这样基于发送信号Sd和接收信号Sd生成的解析信号表示复数域中的解析函数。以下，将上述各信号I、Q分别称为解析信号的同相分量I以及正交分量Q。
像以上那样的控制部13的各种功能例如可以通过保存在存储部14的程序来实现，也可以通过硬件电路实现各种功能的一部分或者全部。此外，也可以是，在控制部13中，代替在傅里叶变换后运算交叉频谱然后进行傅里叶逆变换的处理，例如通过乘积累加运算处理根据收发信号Sd、Sr而直接计算互相关函数。例如，控制部13也可以具备进行乘积累加运算的FPGA等电路。此外，控制部13中的解析信号的生成并不限于希尔伯特变换，例如也可以通过正交检波的功能来实现。
2.动作
以下，对像以上那样构成的位移感测装置1的动作进行说明。
2-1.动作的概要
利用图1、图4以及图5对在本实施方式的位移感测装置1中感测物体3的位移的动作的概要进行说明。
在本实施方式的位移感测装置1中，例如，如图1所示，将从波发射器10向物体3发送1次的线性调频脉冲波并通过波接收器11接收该线性调频脉冲波的回波的动作设为1帧的测定动作，并依次执行各帧的测定动作。在位移感测装置1中，控制部13按每个测定帧生成解析信号，以便对发送信号和接收信号的相关进行解析。
图4是用于说明位移感测装置1中的解析信号z(t)的曲线图。在图4中，例示了1帧份的解析信号z(t)。解析信号z(t)包含表示发送信号和接收信号的互相关函数的同相分量I(t)作为实部，包含对应的正交分量Q(t)作为虚部，由此被复数化，具有复数的值域。
位移感测装置1例如求出解析信号z(t)的包络线E(t)＝|z(t)|，并检测峰值时刻t0。峰值时刻t0是在1帧的解析信号z(t)中振幅|z(t)|成为最大的定时，可认为是在该帧的线性调频脉冲波的收发中与由物体3进行反射时对应的定时。
在此，以往提出了仅基于解析信号z(t)的包络线E(t)的解析来测定位移量的测定方法。在该测定方法中，按每个帧检测包络线E(t)的峰值时刻，并将连续两个帧的各峰值时刻相互进行比较，由此测定位移量。然而，在该测定方法中，可以想象到如下情形，即，用于从包络线E(t)检测峰值时刻的分辨率成为位移量的测定极限，或者受到包络线E(t)中的噪声的影响，从而难以精度良好地感测微小的位移。
因此，本实施方式的位移感测装置1在将互相关函数复数化的解析信号z(t)中，对作为包络线E(t)不包含的信息的相位∠z(t)进行解析。图5的(a)例示了图4的解析信号z(t)的包络线E(t)。图5的(b)例示了图4的解析信号z(t)的相位曲线θ(t)。
相位曲线θ(t)示出在解析信号z(t)中的复数的值域中规定的相位∠z(t)和时刻t的对应关系。图5的(b)所例示的相位曲线θ(t)在与图5的(a)的包络线E(t)中的振动联动的锯齿状的曲线图形状中具有陡峭的梯度。相位曲线θ(t)的梯度由解析信号z(t)中的每个时刻t的频率(即，瞬时频率)规定。
在每个帧的解析信号z(t)的相位曲线θ(t)中，该帧的峰值时刻t0下的相位∠z(t0)在理论上为零值，可认为具有与安装上的各种噪声相应的偏移值。此外，在相位曲线θ(t)中，理论上可认为在包络线E(t)的峰值时刻t0附近线性度比较高。
本实施方式的位移感测装置1例如在连续的两个帧之间以一个帧中的峰值时刻t0为基准而计算两个帧之间的相位差，并通过根据相位差进行的换算来测定物体3的位移量。由此，例如连比上述的分辨率微小的范围也能够高精度地感测物体3的位移。例如，在这样的根据相位差进行的换算中，能够根据相位曲线θ(t)的梯度的陡峭度计算微小的位移量。
2-2.动作的细节
利用图3～图12对实施方式的位移感测装置1的动作的细节进行说明。
图6是例示了位移感测装置1的动作的流程图。图7是例示了位移感测装置1中的发送信号Sd以及接收信号Sr的图。图8是用于说明位移感测装置1的动作的图。图6的流程图所示的各处理由位移感测装置1的控制部13例如以每两个帧这样的给定的周期反复地执行。
图7的(a)例示了使得从波发射器10产生线性调频脉冲波的发送信号Sd。图7的(b)例示了响应于图7的(a)的波接收器11的接收信号Sr。图8的(a)例示了第1帧以及第2帧的各解析信号z(t)的包络线E1、E2。图8的(b)例示了第1帧以及第2帧的各解析信号z(t)的相位曲线θ1、02。在图8中，在第1帧的包络线E1以及相位曲线θ1中，图示了解析信号z(t)的采样点中的峰值时刻t0附近的5个点。采样点表示作为离散信号而生成的解析信号z(t)中的各时刻ti的信号值z(ti)。
在图6的流程图中，首先，位移感测装置1的控制部13将发送信号Sd输出到波发射器10，对波发射器10进行控制，使得发送基于发送信号Sd的线性调频脉冲波(S1)。根据图7的(a)的发送信号Sd，从波发射器10发送频率经线性调频脉冲长度Tc而随时间变化的线性调频脉冲波。线性调频脉冲长度Tc被设定为比帧间的时间间隔短的期间。
本实施方式的位移感测装置1使用基于脉冲间隔调制的线性调频脉冲信号作为发送信号Sd。像在图7的(a)所例示的那样，脉冲间隔调制使连续的脉冲彼此的间隔随时间变化。在本实施方式中，在由热致发声器构成的波发射器10中，在各脉冲为导通状态的期间中，由驱动电路造成的功率的消耗大。通过脉冲间隔调制，能够抑制波发射器10中的消耗功率。
在图7的(a)的例子中，发送信号Sd是频率随时间减少的下行线性调频脉冲信号，但是也可以是频率随时间增加的上行线性调频脉冲信号。根据这样的线性调频脉冲波，例如与像非专利文献1那样使用基于高频的单一频率的超声波相比，能够抑制在空气中传播时的衰减，能够精度良好地进行位移的感测。
返回到图6，在发送线性调频脉冲波之后(S1)，控制部13从波接收器11获取表示第1帧的接收结果的接收信号Sr(S2)。第1帧的接收结果表示响应于在步骤S1中发送的线性调频脉冲波的回波。在图7的(b)中，从图7的(a)的连续脉冲的上升沿起，接收与从发送线性调频脉冲波时到接收回波时的时间差(即，线性调频脉冲波的传播期间)相应地延迟的接收信号Sr。
接着，控制部13基于第1帧的发送信号Sd以及接收信号Sr，运算信号Sd、Sr间的互相关函数，由此生成解析信号z(t)，并进行在解析信号z(t)中提取相位信息的处理(S3)。在这样的解析信号的相位提取处理(S3)中，控制部13例如基于保持在存储部14的发送信号Sd以及在步骤S2中获取的接收信号Sr，作为图3的各功能部131～135而进行解析信号z(t)的生成以及处理。
信号Sd、Sr间的互相关函数c(τ)可用下式表示。
[数学式1]
在此，T为1帧份的周期，τ为延迟时间。互相关函数c(τ)表示两个信号Sd、Sr具有延迟时间τ时的相关。
控制部13例如作为图3的FFT部131、交叉频谱运算部132以及IFFT部134b而发挥功能，根据信号Sd、Sr间的交叉频谱运算傅里叶逆变换，由此输出表示互相关函数c(τ的同相分量I(t)。此外，控制部13作为FFT部131、交叉频谱运算部132、希尔伯特变换部133以及IFFT部134a而发挥功能，根据交叉频谱的希尔伯特变换运算傅里叶逆变换，由此输出表示互相关函数c(τ)的希尔伯特变换的正交分量Q(t)。由此，可根据各分量I(t)、Q(t)而得到解析信号z(t)＝I(t)+jQ(t)(j为虚数单位)。
在解析信号的相位提取处理(S3)中，控制部13从解析信号z(t)的包络线E(t)检测峰值时刻t0，并从相位∠z(t)提取包含峰值时刻t0的相位∠z(t0)的相位信息。图8的(a)、(b)对应于图5的(a)、(b)，将峰值时刻t0附近放大示出。在图8的(a)的例子中，在第1帧的包络线E1中检测到了峰值时刻t0。从图8的(b)所示的第1帧的相位曲线θ1上的相位∠z(t)，以峰值时刻t0为基准而提取相位信息。解析信号的相位提取处理(S3)的细节将在后面叙述。
接下来，与步骤S1、S2同样地，控制部13进行第2次的线性调频脉冲波的收发，接收与第2帧的发送信号Sd相应的接收信号Sr(S4、S5)。
控制部13使用第1帧的相位信息和根据第2帧的收发信号Sd、Sr生成的解析信号z(t)的相位信息，进行根据两个帧之间的相位信息的差分计算物体3的位移量Δx的处理(S6)。在这样的帧间的位移计算处理(S6)中，控制部13例如作为图3所示的各功能部131～135而生成第2帧的解析信号z(t)，并提取第2帧的相位信息。
在帧间的位移计算处理(S6)中，控制部13例如作为图3的解析处理部135而发挥功能，运算各帧的相位信息的差分。首先，控制部13从图8的(b)所示的第2帧的相位曲线θ2上的相位∠z(t)例如以第1帧的峰值时刻t0为基准而提取第2帧的相位信息。接着，控制部13根据各帧的相位信息的差分，运算峰值时刻t0下的帧间的相位差Δφ。控制部13通过这样的根据峰值相位差Δφ进行的换算来计算帧间的位移量Δx。
帧间的位移量Δx可像下式(1)那样表示。
[数学式2]
在此，c为声速，π为圆周率，fc为解析信号z(t)的中心频率。在本实施方式中的帧间的位移计算处理(S6)中，fc根据第1帧的解析信号z(t)来决定，作为峰值时刻t0下的相位∠z(t0)的梯度(即，瞬时频率)进行计算。帧间的位移计算处理(S6)的细节将在后面叙述。
根据以上的处理，位移感测装置1提取通过第1次的线性调频脉冲波的收发(S1、S2)得到的解析信号z(t)的相位信息(S3)，并计算根据与通过第2次的收发(S4、S5)得到的解析信号z(t)的峰值相位差Δφ进行换算的位移量Δx(S6)。由此，能够降低例如起因于接收信号Sr在空气中的衰减以及噪声的叠加等的感测误差，即使在不与物体3接触的状态下也能够精度良好地感测物体3的微小的位移。进而，根据这样的位移感测装置1，能够在不与物体3接触的状态下进行感测，因此能够容易地感测微小的位移。
关于位移的感测，以往，已知有如下方法，即，进行两次基于解析信号z(t)的峰值时刻的变化来推算与物体3相距的距离的动作，并计算各次的距离的差分，作为位移量Δx。如果是这样的根据峰值时刻来推算距离的方法，则在微小的位移的感测中，在峰值时刻的变化例如比如图8的(a)所示的解析信号z(t)的采样点的时间间隔(即，采样速率)小的情况下，难以感测位移。相对于此，根据本实施方式的位移感测装置1，即使在这样的情况下，也能够根据通过线性调频脉冲波的收发而得到的峰值相位差Δφ而换算为位移量Δx，从而精度良好地感测微小的位移。
进而，在上述的推算距离的以往方法中，若由于气流等而造成声波的传播期间变动，则会导致推算精度的下降。相对于此，在本实施方式的位移感测装置1中，不依赖于距离的推算而直接计算帧间这样的短期间的位移量Δx。由此，例如从能够抑制气流等对传播期间造成的影响的观点出发，也能够精度良好地进行位移的感测。
在上述的帧间的位移计算处理(S6)中，说明了对于第2帧的解析信号z(t)仅使用相位信息的例子。代替于此，位移感测装置1例如也可以在第2帧的解析信号z(t)中也检测峰值时刻，并与第1帧的峰值时刻t0一起用于计算位移量Δx，还可以用于下一个执行周期中的解析信号的相位提取处理(S3)。此外，在帧间的位移计算处理(S6)中，也可以以第2帧的峰值时刻为基准计算峰值相位差。位移感测装置1例如也可以代替第1帧而在第2帧的解析信号z(t)中检测峰值时刻。
此外，关于上述的图6的处理，对以每两个帧为周期而执行的例子进行了说明，但是也可以以与上述的例子不同的周期来执行。例如，图6的处理也可以按每1帧来执行，还可以预先保持第2次的线性调频脉冲波的收发(S4、S5)中的收发信号Sd、Sr，并在下一个执行周期中基于所保持的各信号Sd、Sr从解析信号的相位提取处理(S3)开始。
2-2-1.解析信号的相位提取处理
利用图9以及图10对图6的步骤S3中的解析信号的相位提取处理的细节进行说明。
图9是例示了本实施方式的位移感测装置1中的解析信号的相位提取处理(S3)的流程图。图10是用于说明解析信号的相位提取处理(S3)的图。图10的(a)、(b)分别示出峰值时刻t0附近的时间范围内的解析信号z(t)的振幅|z(t)|以及相位∠z(t)。
图9的流程图所示的处理例如以保持了图6的步骤S1、S2中的第1帧的发送信号Sd以及接收信号Sr的状态开始。
首先，位移感测装置1的控制部13在基于发送信号Sd以及接收信号Sr得到的解析信号z(t)的振幅|z(t)|中检测峰值时刻t0(S11)。控制部13例如作为图3所示的FFT部131～IFFT部134，根据发送信号Sd以及接收信号Sr计算同相分量I和正交分量Q。控制部13例如作为图3的解析处理部135，根据同相分量I和正交分量Q的平方和的平方根计算包络线E(t)＝|z(t)|。控制部13基于包络线E(t)，检测振幅|z(t)|成为最大的时刻作为峰值时刻t0＝argmax|z(t)|。
接着，控制部13确定峰值时刻t0的附近的解析信号z(t)的给定数量(例如，5个点)的采样点，并提取各采样点的相位∠z(t)作为相位信息(S12)。在图10的(a)的例子中，以峰值时刻t0为中心，将前后各两个采样时刻t-2、t-1、t1以及t2下的解析信号的5个点确定为采样点。在图10的(b)中，作为在图10的(a)中确定的各采样点的相位∠z(t)，提取各采样时刻t-2～t2下的解析信号z(t)的相位φ-2、φ-1、φ0、φ1以及φ2。
时刻ti下的解析信号的相位φi＝∠z(ti)可通过时刻ti的同相分量I(ti)以及正交分量Q(ti)像下式那样表示。
∠z(ti)＝arctan(Q(ti)/I(ti))
控制部13例如在存储部14保持峰值时刻t0附近的采样时刻t-2～t2以及所提取的采样点的相位φ-2～φ2。
控制部13例如通过最小二乘法计算针对所提取的采样点的相位φ-2～φ2的回归直线的斜率(即，回归系数)，作为与解析信号z(t)的中心频率对应的瞬时频率fc(S13)。在图10的(b)的例子中，作为瞬时频率fc，计算针对相位φ-2～φ2的回归直线L1的斜率。
控制部13例如将计算出的瞬时频率fc保持在存储部14，并结束解析信号的相位提取处理(S3)。然后，跳到图6的步骤S4。
根据以上的解析信号的相位提取处理(S3)，在检测了解析信号z(t)的振幅|z(t)|中的峰值时刻to之后(S11)，提取峰值时刻t0附近的采样点的相位φ-2～φ2(S12)。然后，根据对所提取的各采样点的相位的回归直线L1，计算解析信号z(t)的瞬时频率fc(S13)。由此，在解析信号z(t)中，通过使用多个采样点的相位φ-2～φ2，从而能够精度良好地计算瞬时频率fc，并进行帧间的位移计算处理(S6)。
在上述的解析信号的相位提取处理(S3)中，说明了确定峰值附近的5个点的采样点并用于相位∠z(t)的提取的例子。峰值附近的采样点并不限于5个点，例如也可以使用峰值时刻t0和峰值时刻t0的前后各一个采样时刻这3个点。
2-2-2.帧间的位移计算处理
利用图11以及图12对图6的步骤S6中的帧间的位移计算处理的细节进行说明。
图11是例示了本实施方式的位移感测装置1中的帧间的位移计算处理(S6)的流程图。图12是用于说明帧间的位移计算处理(S6)的图。图12示出第1帧以及第2帧的各解析信号z(t)的相位曲线θ1、θ2。
图11的流程图所示的各处理例如以保持了在图6的步骤S3～S5中得到的第1帧的解析信号z(t)的相位φ-2～φ2以及峰值附近的采样时刻t-2～t2和第2帧的收发信号Sd、Sr的状态开始。
首先，控制部13在基于第2帧的收发信号Sd、Sr得到的解析信号z(t)中，例如计算第1帧的峰值时刻t0附近的各采样时刻t-2～t2下的相位，作为第2帧的相位信息(S21)。控制部13例如与解析信号的相位提取处理(S3)中的第1帧的解析信号z(t)的生成同样地生成第2帧的解析信号z(t)。在图12的例子中，在生成的第2帧的解析信号z(t)中，计算相位曲线θ2上的相位∠z(t)中的各采样时刻t-2～t2的相位ψ-2、ψ-1、ψ0、ψ1以及ψ2。
接着，控制部13计算各采样时刻t-2～t2下的帧间的相位差(S22)。在图12中，按每个采样时刻t-2～t2计算第1帧的相位φ-2～φ2和第2帧的相位ψ-2～ψ2的差分，分别作为相位差Δφ-2、Δφ-1、Δφ0、Δφ1以及Δφ2。
控制部13计算各采样时刻t-2～t2下的第1帧和第2帧的相位差Δφ-2～Δφ2的平均，作为帧间的峰值相位差Δφ(S23)。
控制部13根据峰值相位差Δφ，例如使用第1帧的瞬时频率fc，通过上述的式(1)所示的换算来计算帧间的位移量Δx(S24)。
根据以上的帧间的位移计算处理(S6)，根据第1帧的峰值附近的采样时刻t-2～t2下的与第2帧的相位差Δφ-2～Δφ2，计算峰值相位差Δφ(S21～S23)，并根据峰值相位差Δφ计算帧间的位移量Δx(S24)。由此，能够使用多个采样点的相位差Δφ-2～Δφ2来推算峰值相位差Δφ并基于峰值相位差Δφ精度良好地感测位移。
在上述的帧间的位移计算处理(S6)中，说明了使用各采样时刻t-2～t2的相位差Δφ-2～Δφ2的平均作为峰值相位差Δφ的例子。峰值相位差Δφ并不限于上述的例子，例如，也可以使用第1帧的峰值时刻t0下的帧间的相位差Δφ0。此外，例如，也可以通过与解析信号的相位提取处理(S3)的步骤S11同样的处理，对第2帧的解析信号z(t)也检测峰值时刻，并根据还加上了第2帧的峰值时刻的附近的相位差的平均计算峰值相位差Δφ。峰值相位差Δφ也可以根据在图10的(B)例示的第1帧的回归直线L1以及表示能够对第2帧的相位∠z(t)与回归直线L1同样地进行运算的回归直线的函数进行计算。
在上述的步骤S24中，说明了使用第1帧的瞬时频率fc计算位移量Δx的例子。在步骤S24中，并不限于第1帧的瞬时频率fc，例如，也可以通过与解析信号的相位提取处理(S3)的步骤S11～S13同样的处理，根据第2帧的解析信号z(t)的相位∠z(t)计算瞬时频率，并用于计算位移量Δx。此外，也可以使用第1帧的瞬时频率fc以及第2帧的瞬时频率的平均来计算位移量Δx。
3.总结
像以上那样，本实施方式的位移感测装置1具备波发射器10、波接收器11、以及控制部13。波发射器10作为具有多个频率的调制波的一个例子而向物体3发送线性调频脉冲波。波接收器11接收来自物体3的反射波(即，回波)，并生成表示接收结果的接收信号Sr。控制部13控制波发射器10对线性调频脉冲波的发送，并从波接收器获取接收信号Sr。控制部13在作为第1测定期间的一个例子的第1帧中，向波发射器10输出第1发送信号Sd，使得发送线性调频脉冲波(S1)，并获取响应的第1接收信号Sr(S2)。控制部13基于第1发送信号Sd和第1接收信号Sr，提取表示在第1发送信号Sd与第1接收信号Sr之间的相关中规定的相位的第1相位信息(S3)。控制部13在作为第1测定期间之后的第2测定期间的一个例子的第2帧中，向波发射器10输出第2发送信号Sd，使得发送线性调频脉冲波(S4)，并获取响应的第2接收信号Sr(S5)。控制部13基于第2发送信号Sd和第2接收信号Sr，提取表示在第2发送信号Sd与第2接收信号Sr之间的相关中规定的相位的第2相位信息(S6)。控制部13根据第1相位信息与第2相位信息之间的差分，感测作为第1测定期间以及第2测定期间的一个例子的第1帧和第2帧的帧间的物体的位移(S6)。
根据以上的位移感测装置1，根据第1相位信息和第2相位信息的差分，感测第1测定期间以及第2测定期间中的物体3的位移，由此例如能够根据如图5的(b)所示的相位的梯度的陡峭度精度良好地感测微小的位移。
在本实施方式中，控制部13基于第1发送信号Sd和第1接收信号Sr，生成包含在第1发送信号Sd与第1接收信号Sr之间的相关中规定的振幅|z(t)|以及相位∠z(t)的第1解析信号z(t)，并作为第1相位信息的一个例子而从第1解析信号z(t)提取第1帧的相位φ-2～φ2(S3、S11～S12)。控制部13基于第2发送信号Sd和第2接收信号Sr，生成包含在第2发送信号Sd与第2接收信号Sr之间的相关中规定的振幅|z(t)|以及相位∠z(t)的第2解析信号z(t)，并作为第2相位信息的一个例子而从第2解析信号z(t)提取第2帧的相位ψ-2～ψ2(S6、S21)。由此，能够在解析信号z(t)中与振幅|z(t)|分开地对相位∠z(t)进行解析，从而提取相位信息。
在本实施方式中，作为第1解析信号的振幅和第2解析信号的振幅中的至少一个振幅成为最大的定时的一个例子，控制部13检测第1帧的解析信号z(t)的振幅|z(t)|成为最大的峰值时刻t0(S3、S11)，并以检测到的定时为基准，计算作为第1相位信息与第2相位信息之间的差分的一个例子的峰值相位差Δφ(S6、S21～S24)。由此，能够以与在该帧的线性调频脉冲波的收发中由物体3进行反射时对应的定时为基准，计算峰值相位差Δφ。
在本实施方式中，控制部13基于作为第1相位信息与第2相位信息之间的差分的一个例子的峰值相位差Δφ和作为峰值时刻t0(基准的定时的一个例子)下的相位∠z(t)的梯度的一个例子的瞬时频率fc，测定表示物体3的位移的位移量Δx(S6、S24)。由此，能够使用瞬时频率fc根据峰值相位差Δφ而换算为位移量Δx。
在本实施方式中，作为第1解析信号的包络线和第2解析信号的包络线中的至少一个包络线的一个例子，控制部13运算第1帧的解析信号z(t)的包络线E(t)，并基于所运算的包络线E(t)，检测作为振幅|z(t)|成为最大的定时的一个例子的峰值时刻t0(S11)。由此，在根据同相分量I和正交分量Q这两个分量得到的包络线E(t)中，能够精度良好地检测峰值时刻t0。
在本实施方式中，控制部13基于第1发送信号Sd和第1接收信号Sr进行运算，使得第1发送信号Sd和第1接收信号Sr的互相关函数复数化，并生成第1解析信号z(t)(S3)，控制部13基于第2发送信号Sd和第2接收信号Sr进行运算，使得第2发送信号Sd和第2接收信号Sr的互相关函数复数化，并生成第2解析信号z(t)(S6)。由此，能够根据在时域中表示发送信号Sd和接收信号Sr的相关的互相关函数，运算在被复数化的解析信号z(t)的复数的值域中规定的相位∠z(t)。
在本实施方式中，各发送信号Sd使波发射器10通过线性频率线性调频脉冲来发送调制波(S1、S4)。由此，例如，能够使用根据不同的频率得到的信息精度良好地感测位移。
在本实施方式中，波发射器10包含热致发声器，该热致发声器作为调制波而发送作为具有多个频率的声波的一个例子的线性调频脉冲波。由此，波发射器10例如能够发送基于20kHz～100kHz程度的宽带超声波的线性调频脉冲波。
本实施方式中的位移感测方法由控制部13执行，该控制部13对向物体3发送具有多个频率的线性调频脉冲波(调制波的一个例子)的波发射器10进行控制，并从接收来自物体3的反射波的波接收器11获取表示接收结果的接收信号。控制部13在作为第1测定期间的一个例子的第1帧中，向波发射器10输出第1发送信号Sd，使得发送线性调频脉冲波(S1)，并获取响应的第1接收信号Sr(S2)。控制部13基于第1发送信号Sd和第1接收信号Sr，提取表示在第1发送信号Sd与第1接收信号Sr之间的相关中规定的相位的第1相位信息(S3)。控制部13在作为第1测定期间之后的第2测定期间的一个例子的第2帧中，向波发射器10输出第2发送信号Sd，使得发送线性调频脉冲波(S4)，并获取响应的第2接收信号Sr(S5)。控制部13基于第2发送信号Sd和第2接收信号Sr，提取表示在第2发送信号Sd与第2接收信号Sr之间的相关中规定的相位的第2相位信息(S6)。控制部13根据作为第1相位信息与第2相位信息之间的差分的一个例子的峰值相位差Δφ，感测第1测定期间以及第2测定期间中的物体的位移(S6)。
在本实施方式中，可提供用于使控制部13执行像以上那样的位移感测方法的程序。根据以上的位移感测方法以及程序，能够精度良好地感测物体3的微小的位移。
(实施例)
利用图13～图15对与以上的实施方式1相关的实施例进行说明。
图13是用于说明使用本实施方式的位移感测装置1进行的心率测量的图。图13的(a)示出使用了位移感测装置1的心率测量系统的结构例。图13的(b)示出由图13的(a)的心率测量系统得到的测量结果。图14以及图15示出关于位移感测装置1的动作的仿真结果。
图13的(a)所例示的心率测量系统2通过位移感测装置1对例如穿着衣服的被试验者30感测由心脏跳动造成的体表的微小的位移，由此用于以非接触状态测量被试验者30的心率。在图13的(a)的心率测量系统2中，在通过位移感测装置1进行测量的同时，还通过参照用的心电图仪4来测量被试验者30的心率。
图13的(b)示出通过位移感测装置1感测的帧间的位移R1和通过心电图仪4测量的心率波形R0。图13的(b)的横轴示出时间(以秒为单位)，左侧的纵轴示出位移(以毫米为单位)，右侧的纵轴示出心率波形的电压(以伏特为单位)。在图13的(b)中，感测到了与心率波形R0同步地随时间变化的位移R1。像这样，可确认根据本实施方式的位移感测装置1，能够精度良好地感测如由心脏跳动造成的身体运动那样的微小的位移。
为了在如图13所示的心率测量中确定优选的测定条件，对位移感测装置1的动作进行了以下的仿真。
(1)关于测定帧频和定位精度的关系
图14示出关于位移感测装置1中的测定帧频和定位(位移感测)精度的关系的仿真结果。在图14中，将如图7的(a)所示的发送信号Sd的线性调频脉冲长度Tc设为10毫秒，将频带设为80kHz～20kHz，从而对与测定帧频的变化相伴的定位精度的变化进行了数值仿真。在本实施例中，定位精度表示不改变测定条件而反复进行了给定次数的测定时的测定值的偏差，使用了3σ(测定值的标准偏差的3倍)。
例如，在心率测量中希望20μm(即，0.02mm)程度的定位精度的情况下，在图14所示的关系下，可知只要使用30帧/秒(fps)以上的测定帧频即可。此外，在该测定帧频下，1帧的期间为大约33毫秒，因此如果从位移感测装置1到作为感测对象的物体3的距离为50cm，则考虑了声波的传播期间(大约3毫秒)的最大线性调频脉冲长度为30毫秒。最大线性调频脉冲长度表示能够用于1帧的发送信号Sd的线性调频脉冲长度Tc的上限。
(2)关于接收信号的SNR和定位精度的关系
图15示出关于位移感测装置1中的接收信号的SNR和定位精度的关系的仿真结果。在图15中，将发送信号Sd的线性调频脉冲长度Tc设为30毫秒，将频带设为100kHz～20kHz，从而对与接收信号的SNR的变化相伴的定位精度的变化进行了数值仿真。
例如，在心率测量中希望20μm程度的定位精度的情况下，在图15所示的关系下，可知只要使SNR为0分贝(dB)以上即可。接收信号的SNR例如能够通过对波发射器10的驱动电路进行驱动的驱动电压根据测定环境进行设定。
(其它实施方式)
像以上那样，作为本发明的例示，对实施方式1进行了说明。然而，本发明并不限于此，还能够应用于其它实施方式。以下，对其它实施方式进行例示。
在实施方式1中，对波发射器10由热致发声器构成的例子进行了说明。波发射器10并不限于热致发声器，例如也可以由带式高频扬声器(ribbon tweeter)等构成。此外，波发射器10也可以是使用了压电振子的超声波换能器等。
在实施方式1中，说明了波发射器10产生基于线性频率线性调频脉冲的线性调频脉冲波的例子。在本实施方式中，波发射器10例如也可以产生周期随时间线性地变化的基于线性周期线性调频脉冲(linear period chirp)的线性调频脉冲波。此外，波发射器10例如也可以产生使用了M系列码或者Gold码等扩频码的宽带调制波。
在实施方式1中，说明了作为位移感测装置1中的发送信号Sd而使用基于脉冲间隔调制的线性调频脉冲信号的例子。在本实施方式中，位移感测装置1并不限于通过脉冲间隔调制来生成发送信号Sd，例如，也可以通过使连续脉冲中的各脉冲的时间宽度随时间变化的脉冲宽度调制来生成发送信号Sd。
在实施方式1中，说明了波发射器10产生声波的例子。在本实施方式的位移感测装置1中，未必一定限于声波，例如也可以使用产生电磁波的波发射器10。即使在该情况下，也能够通过使用对频率随时间变化的宽带的电磁波进行收发而得到的信号对解析信号的相位差进行解析，从而精度良好地实现物体的微小的位移的感测。
在实施方式1中，说明了位移感测装置1分别具备一个波发射器10以及波接收器11的例子。在本实施方式中，对于波发射器以及波接收器中的一者或者两者，位移感测装置1也可以具备多个。
在以上的其它实施方式中，省略了关于与实施方式1共同的事项的记述，仅对不同点进行了说明。各实施方式为例示，能够进行在不同的实施方式中示出的结构的部分置换或者组合，这是不言而喻的。
产业上的可利用性
本发明能够应用于位移感测装置、方法以及程序，特别是，能够应用于物体的微小的位移的感测。
附图标记说明
1：位移感测装置；
10：波发射器；
11：波接收器；
13：控制部。

Claims (10)

1.一种位移感测装置，具备：
波发射器，向物体发送具有多个频率的调制波；
波接收器，接收来自所述物体的反射波，并生成表示接收结果的接收信号；以及
控制部，控制所述波发射器对所述调制波的发送，并从所述波接收器获取所述接收信号，
所述控制部在第1测定期间中向所述波发射器输出第1发送信号而使得发送所述调制波，并获取响应的第1接收信号，
所述控制部基于所述第1发送信号和所述第1接收信号，提取表示在所述第1发送信号与所述第1接收信号之间的相关中规定的相位的第1相位信息，
所述控制部在所述第1测定期间之后的第2测定期间中向所述波发射器输出第2发送信号而使得发送所述调制波，并获取响应的第2接收信号，
所述控制部基于所述第2发送信号和所述第2接收信号，提取表示在所述第2发送信号与所述第2接收信号之间的相关中规定的相位的第2相位信息，
所述控制部根据所述第1相位信息与所述第2相位信息之间的差分，感测所述第1测定期间以及所述第2测定期间中的所述物体的位移。
2.根据权利要求1所述的位移感测装置，其中，
所述控制部基于所述第1发送信号和所述第1接收信号，生成包含在所述第1发送信号与所述第1接收信号之间的相关中规定的振幅以及相位的第1解析信号，并从所述第1解析信号提取所述第1相位信息，
所述控制部基于所述第2发送信号和所述第2接收信号，生成包含在所述第2发送信号与所述第2接收信号之间的相关中规定的振幅以及相位的第2解析信号，并从所述第2解析信号提取所述第2相位信息。
3.根据权利要求2所述的位移感测装置，其中，
所述控制部检测所述第1解析信号的振幅和所述第2解析信号的振幅中的至少一个振幅成为最大的定时，
所述控制部以检测到的定时为基准，计算所述第1相位信息与所述第2相位信息之问的差分。
4.根据权利要求3所述的位移感测装置，其中，
所述控制部基于所述第1相位信息与所述第2相位信息之间的差分和所述基准的定时下的所述相位的梯度，测定表示所述物体的位移的位移量。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的位移感测装置，其中，
所述控制部对所述第1解析信号的包络线和所述第2解析信号的包络线中的至少一个包络线进行运算，并基于运算的包络线检测所述振幅成为最大的定时。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的位移感测装置，其中，
所述控制部基于所述第1发送信号和所述第1接收信号进行运算，使得所述第1发送信号和所述第1接收信号的互相关函数复数化，并生成所述第1解析信号，
所述控制部基于所述第2发送信号和所述第2接收信号进行运算，使得所述第2发送信号和所述第2接收信号的互相关函数复数化，并生成所述第2解析信号。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的位移感测装置，其中，
所述波发射器包含：热致发声器，作为所述调制波而发送具有多个频率的声波。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的位移感测装置，其中，
所述各发送信号通过线性频率线性调频脉冲使所述波发射器发送所述调制波。
9.一种位移感测方法，其中，
控制部对向物体发送具有多个频率的调制波的波发射器进行控制，并从接收来自所述物体的反射波的波接收器获取表示接收结果的接收信号，
所述控制部在第1测定期问中向所述波发射器输出第1发送信号而使得发送所述调制波，并获取响应的第1接收信号，
所述控制部基于所述第1发送信号和所述第1接收信号，提取表示在所述第1发送信号与所述第1接收信号之间的相关中规定的相位的第1相位信息，
所述控制部在所述第1测定期间之后的第2测定期间中向所述波发射器输出第2发送信号而使得发送所述调制波，并获取响应的第2接收信号，
所述控制部基于所述第2发送信号和所述第2接收信号，提取表示在所述第2发送信号与所述第2接收信号之问的相关中规定的相位的第2相位信息，
所述控制部根据所述第1相位信息与所述第2相位信息之间的差分，感测所述第1测定期间以及所述第2测定期间中的所述物体的位移。
10.一种程序，用于使所述控制部执行权利要求9所述的位移感测方法。
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