DE102004035715B4

DE102004035715B4 - Schalllaufzeitmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102004035715B4
Application number: DE102004035715.3A
Authority: DE
Inventors: Masafumi Komai; Satoshi Nagai; Takehiko Suzuki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2024-07-24
Also published as: FR2858062B1; DE102004035715A1; JP2005043164A; US20050018539A1; FR2858062A1; US7002876B2

Abstract

Schalllaufzeitmessvorrichtung, enthaltend: eine Schallempfangsvorrichtung (13), die mindestens ein Schallelement (20) aufweist zum Empfangen einer von einem Zielobjekt (11) reflektierten Schallwelle; eine Schallsignalsende- und Empfangseinheit (21) zum Empfangen der Schallwelle als ein Schallempfangssignal von dem Schallelement (20) und zum Verstärken und Umwandeln in ein elektrisches Echosignal; einen A/D-Wandler (14) zum Wandeln des elektrischen Echosignals in ein digitales Echosignal (E), das ein erstes Echosignal (e1), das von einer oberen Fläche (11a) einer Erhebung auf dem Zielobjekt (11) reflektiert wird, und ein zweites Echosignal (e2), das von einer unteren Fläche (11b) der Erhebung reflektiert wird, aufweist; eine Inverse-Analysis Vorrichtung (16) zum Durchführen einer inversen Analysisverarbeitung durch Multiplikation des digitalen Echosignals (E) mit einer inversen Matrix (A–1), so dass das erste und zweite Echosignal (e1, e2) getrennt voneinander als ein erstes Impulssignal (P1) und ein zweites Impulssignal (P2) erscheinen; eine Berechnungsvorrichtung (17) zum Berechnen einer Schalllaufzeit (T) und einer Laufzeitdifferenz (tb) zwischen dem ersten und zweiten Impulssignal (P1, P2); und eine Anzeigevorrichtung (18) zum Anzeigen der Schalllaufzeit (T) und der Laufzeitdifferenz (tb), die durch die Berechnungsvorrichtung (17) berechnet worden sind, wobei die inverse Analysisverarbeitung durch die inverse Matrix (A–1) durchgeführt wird, wobei die inverse Matrix (A–1) aus einer Matrix (A) gewonnen wird und die Spalten der Matrix (A) jeweils als Matrixelemente sequentiell die Zeitfolgedaten des digitalen Echosignals (E) in die Abtastschritte der A/D-Wandlung unterteilt enthalten und diese derart angeordnet sind, dass der maximale Wert des digitalen Echosignals als diagonales Matrixelement der Matrix (A) gesetzt ist und die Schalllaufzeit (T) und die Laufzeitdifferenz (tb) des digitalen Echosignals (E) in Antwort auf das erste und zweite Impulssignal (P1, P2), die durch die Inverse-Analysis Vorrichtung (16) erzeugt wurden, berechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft Schalllaufzeitmessvorrichtungen, die eine hochgenaue analytische Messung einer Schalllaufzeit in einem Fluid oder Festkörper durchführen können. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schalllaufzeitmessvorrichtung, die den zu messenden Abstand zu einem Objekt und die Abstandsverteilung misst, indem eine Schalllaufzeit gemessen wird.
Ein herkömmliches Beispiel einer Schalllaufzeitmessvorrichtung ist ein Sonargerät, welches in der JP 2003-139 855 A beschrieben ist.
Das Sonargerät, das in dieser Referenz beschrieben ist, enthält ein Sende- und Empfangsmittel, das eine Mehrzahl von Ultraschalltransducern aufweist. Das Sonargerät sendet ein Ultraschallsignal von diesem Sende- und Empfangsmittel an ein Objekt und empfängt eine reflektierte Welle mit den Ultraschalltransducern, die durch eine Mehrzahl von Empfangselementen realisiert sind, um die Richtung und die Position des Objekts aus einer Phasendifferenz und einer Ultraschalllaufzeit des Ultraschallempfangssignals zu ermitteln, zur Anzeige durch ein Anzeigemittel.
Dieses Sonargerät, das beispielsweise als Fischfinder verwendet wird, ist derart aufgebaut, dass es eine zweidimensionale Position eines reflektierenden Objekts, beispielsweise eines Fischschwarms, detektieren kann. Dieses Sonargerät kann die Richtung und die Position eines zu erfassenden Objekts, beispielsweise eines Fischschwarms, messen, indem eine Phasendifferenz und eine Ultraschalllaufzeit eines Signals gemessen werden.
Wie in 10 gezeigt, wenn ein zu messendes Zielobjekt 1 eine Unebenheit oder unregelmäßige (mit Vorsprüngen und Ausnehmungen versehene) Messoberfläche, eine komplizierte Form oder einen komplizierten Fehler aufweist, kann die Oberflächenerhebung oder die Form nicht korrekt gemessen werden oder der Fehler auf dem Zielobjekt 1 kann nicht genau inspiziert werden, wenn eine bekanntes Sonargerät verwendet wird.
Wenn Ultraschall von einem Ultraschalltransducer 2 an das Zielobjekt 1 ausgesendet wird, welches sich in einem Fluid befindet und eine Erhebung oder unregelmäßigen Bereich aufweist (also wegstehende Stufen oder Bereiche), werden zwei Echosignale zurückgegeben, enthaltend ein Echosignal e₁, welches von einer oberen Fläche 1a der Erhebung reflektiert wird, und ein Echosignal e₂, welches von einer unteren Fläche 1b der Erhebung reflektiert wird, wie in 11A gezeigt. Wenn beide Signale e₁ und e₂ voneinander getrennt sind, wie in 11A gezeigt, kann eine Schalllaufzeit T₁ und eine Zeitdifferenz t₁ zwischen den Echosignalen e₁ und e₂ korrekt gemessen werden. Der Abstand zu dem Zielobjekt 1, die Abstandsdifferenz (Diskrepanz oder Stufe) und die Erhebungsverteilung können folglich mit hoher Genauigkeit gemessen werden, indem die gemessene Schalllaufzeit T₁ und die Laufzeitdifferenz t₁ mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert werden.
Wenn jedoch, wie in 11B gezeigt, das zu messende Zielobjekt 1 nur eine kleine Erhebung aufweist oder wenn beide Echosignale e₁ und e₂ sich überlagern, da sie nur leicht voneinander verschoben sind, also die Ultraschallwellenformkomponenten sich überlappen, kann eine Schalllaufzeitdifferenz t₂ für eine genaue Messung nicht korrekt extrahiert werden, und folglich können der Abstand, die Abstandsdifferenz (Diskrepanz), die Erhebungsverteilung oder die Form bezüglich des Zielobjekts 1 nicht mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Die US 5 579 010 A offenbart Merkmale des Patentanspruchs 1.
Die US 6 130 641 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildgebung unter Verwendung eines Transducerarrays, welches ein gestreutes Signal von einer Region, die von Interesse ist, empfängt.
Die DE 28 16 985 C2 betrifft eine Ultraschallprüfvorrichtung, bei der ein zeitlicht gestreutes scharfes fokussiertes Bild mit größerer seitlicher Auflösung sowie in kürzerer Zeit darstellbar ist.
Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Schalllaufzeitmessvorrichtung zu schaffen, die eine sehr genaue analytische Messung einer Schalllaufzeit durchführt, indem ein reflektiertes Schallsignal in ein Impulssignal konvertiert wird.
Die oben genannten und andere Aufgaben können gemäß der Erfindung gelöst werden, indem eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung tastet die Inverse-Analysis Vorrichtung ein Schallempfangssignal, enthaltend ein Schallsignal von dem Schallelement, eine Ausbreitungscharakteristik des Schallsignals und eine Empfangscharakteristik des Schallelements, in vertikale Elemente einer Matrix ab, um das Schallempfangssignal in Schritten in Zeitfolgedaten umzuwandeln, erzeugt eine inverse Matrix aus der Matrix der Zeitfolgedaten und multipliziert das Schallempfangssignal mit der inversen Matrix, um das Schallempfangssignal in das Impulssignal umzuwandeln.
Vorzugsweise addiert die Inverse-Analysis Vorrichtung auch weißes Rauschen mit einem Wert, der klein genug ist, im Vergleich zu dem Schallempfangssignal, zu den vertikalen Elementen einer Matrix, die Zeitfolgedaten des Schallempfangssignals enthält, um eine inverse Matrix zu berechnen, führt eine inverse Analysis durch, bei der das Schallempfangssignal mit der inversen Matrix zweimal oder mehrmals multipliziert wird, um die Ergebnisse der inversen Analysis zu mitteln, um den Mittelwert zu berechnen, und setzt den Mittelwert als das Impulssignal des Schallempfangssignals, und die Berechnungsvorrichtung berechnet die Schalllaufzeit und die Laufzeitdifferenz des Schallempfangssignals.
Die Schalllaufzeitmessvorrichtung kann ferner eine Digitaldatenaufzeichnungseinheit zwischen dem A/D-Konverter und der Inverse-Analysis Vorrichtung aufweisen, wobei die Digitaldatenaufzeichnungseinheit das von dem A/D-Wandler erzeugte digitale Echosignal vorübergehend speichert.
Die Schallempfangsvorrichtung kann eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweisen, in denen eine Sende- und Empfangseinheit eine Impulsspannung für die Mehrzahl der Schallelemente verwendet.
Die Berechnungsvorrichtung kann mit einer Laufzeit- und Abstandsberechnungsfunktion versehen sein zum Multiplizieren der berechneten Schalllaufzeit und Schalllaufzeitdifferenz mit der Schallgeschwindigkeit zum Messen des Abstandes von dem Schallelement zu dem Zielobjekt, einer Abstandsdifferenz und einer Erhebungsverteilung.
Die Anzeigevorrichtung kann mit einer Laufzeit- und Abstandsanzeigefunktion versehen sein zum Anzeigen der Schalllaufzeit, der Laufzeitdifferenz, des Abstandes von dem Schallelement zu dem Zielobjekt, einer Abstandsdifferenz und Erhebungsverteilung, die von der Berechnungsvorrichtung berechnet worden sind.
Die Schalllaufzeitmessvorrichtung kann ferner ein Rauschfilter enthalten zum Eliminieren von Rauschen neben einem digitalen Echosignaleingangsende der Inverse-Analysis Vorrichtung.
Die Inverse-Analysis Vorrichtung enthält ferner vorzugsweise eine Inverse-Analysis Korrektureinheit zum Korrigieren eines Inverse-Analysis Ergebnisses, wobei die Inverse-Analysis Korrektureinheit vertikale Elemente einer Matrix für die inverse Analysisverarbeitung optimiert in Antwort auf ein Schallsignal von einem Referenzzielobjekt zum Messen einer Referenzschalllaufzeit.
Die Inverse-Analysis Vorrichtung kann eine Kommunikationseinheit enthalten, die mit einer anderen entfernten Inverse-Analysis Vorrichtung verbunden ist, wobei die entfernte Inverse-Analysis Vorrichtung Signaldaten des Schallempfangssignals von der Kommunikationseinheit empfängt, um die zeitaufwendige inverse Analysisverarbeitung mit zu verwenden, ein Ergebnis der inversen Analysisverarbeitung an die Berechnungsvorrichtung sendet und die Anzeigevorrichtung das Ergebnis anzeigt.
Darüber hinaus kann die Berechnungsvorrichtung auch eine Apertur-Syntheseeinheit enthalten zum Durchführen einer Berechnung der Bildgebung einer Messoberfläche des Zielobjekts durch Apertur-Synthese, wobei die Messoberfläche einer dreidimensionalen Messung unterworfen wird.
In den Schalllaufzeitmessvorrichtungen gemäß der Erfindung mit den oben genannten Strukturen und Eigenschaften, wird ein reflektiertes Schallsignal (digitales Echosignal) von dem Zielobjekt einer inversen Analyse durch die Inverse-Analysis Vorrichtung unterworfen, um das reflektierte Schallsignal in ein Impulssignal umzuwandeln. Unter Verwendung dieses Impulssignals können die Schallaufzeit und die Schalllaufzeitdifferenz mit hoher Genauigkeit berechnet oder gemessen werden.
Darüber hinaus sind die Schalllaufzeitmessvorrichtungen gemäß der Erfindung in der Lage, eine Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz mit hoher Genauigkeit zu messen, so dass der Abstand von dem Schallelement zu dem Zielobjekt und eine Abstandsdifferenz (Diskrepanz) und Erhebungsverteilung auf dem Zielobjekt mit hoher Genauigkeit in der Größenordnung von Millimeter oder weniger gemessen werden können. Entsprechend wird es möglich, einen Fehler (Defekt) auf dem Zielobjekt bzw. den Grad des Fehlers korrekt zu messen, sowie den Ort und die Form des Zielobjekts zu detektieren.
Die Eigenart und weitere charakteristische Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm, das eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung verdeutlicht;
2A ein Schallempfangssignal (digitales Echosignal), das von einer Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß der Erfindung gemessen wird;
2B ein Impulssignal, das durch Anwendung der inversen Analyse auf das akustische Empfangssignal (digitale Echosignal), wie in 2A gezeigt, erzeugt worden ist;
3A ein Schallempfangssignal (digitales Echosignal), enthaltend Echosignale von der oberen Fläche und der unteren Fläche einer Erhebung auf dem Zielobjekt, gemessen von einer Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß der Erfindung;
3B ein Impulssignal, das durch Anwendung der inversen Analyse auf das in 3A gezeigte Schallempfangssignal erzeugt wird;
4 ein Ergebnis der Mittelung zweier oder mehrerer Inverse-Analysis Operationen durch das Inverse-Analysis Mittel einer Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei weißes Rauschen den Zeitfolgedaten eines Schall-empfangssignals hinzuaddiert ist;
5 ein Blockdiagramm, das eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
6 ein Blockdiagramm, das eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
7 ein Blockdiagramm, das eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
8 ein Blockdiagramm, das eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
9 ein Blockdiagramm, das eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
10 den Mechanismus oder das Prinzip, wie Schallwellen von einem Schallelement in einer bekannten Schalllaufzeitmessvorrichtung ausgesendet werden; und
11A und 11B Wellenformen von Schallempfangssignalen, die von einem Zielobjekt reflektiert werden, gemessen durch eine bekannte Schalllaufzeitmessvorrichtung.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele einer Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß der Erfindung für eine schallbasierte Abstandsmessvorrichtung 10 verwendet wird.
Diese Abstandsmessvorrichtung 10 misst eine Schalllaufzeit und eine Laufzeitdifferenz und berechnet aus dieser Schalllaufzeit den Abstand, die Abstandsdifferenz (Diskrepanz oder Schritt) und eine Erhebungs- oder Unregelmäßigkeitsverteilung bezüglich eines Zielobjekts 11 und detektiert die Position und die Form des Zielobjekts 11. Der Begriff „Erhebung” oder „Unregelmäßigkeit” bedeutet in diesem Zusammenhang einen vorstehenden/ausgenommenen Oberflächenzustand des Zielobjekts, das zu vermessen ist.
Die Abstandsmessvorrichtung 10 kann korrekt die Position und die Form des Zielobjekts 11 in Wasser, Öl oder Fluid aus metallischem Natrium oder das Zielobjekt 11 in einem Festkörper, beispielsweise einem metallischen Material oder Beton, messen. Wenn das Zielobjekt 11 einen Fehler oder eine Deformierung aufweist, kann die Abstandsmessvorrichtung 10 einen derartigen Defekt und den Grad der Deformierung des Zielobjekts 11 detektieren.
Die in 1 gezeigte Abstandsmessvorrichtung 10 enthält:

– eine Sende- und Empfangsvorrichtung 13, die stark direktionale Schallwellen, beispielsweise Ultraschall, sendet und/oder empfängt;
– einen A/D-Wandler 14, der ein Echosignal, das von dieser Sende- und Empfangsvorrichtung 13 empfangen wird, in ein digitales Signal konvertiert;
– eine Digitaldatenaufzeichnungsvorrichtung 15, die vorübergehend als digitale Daten ein digitales Echosignal von dem A/D-Wandler 14 aufzeichnet;
– eine Inverse-Analysis Vorrichtung 16, die das oben beschriebene digitale Echosignal in ein Impulssignal durch inverse Analysis umwandelt;
– eine Laufzeit- und Abstandsberechnungsvorrichtung 17, die als arithmetisches Operationsmittel eine Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz durch Analyse des digitalen Echosignals, das in ein Impulssignal umgewandelt ist, misst und arithmetische Operationen für den Abstand, die Abstandsdifferenz (Diskrepanz) und Erhebungsverteilung bezüglich des Zielobjekts 11 durchführt, indem die gewonnene Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert werden; und
– eine Laufzeit- und Abstandsanzeigevorrichtung 18, die die Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz, für die durch diese Schalllaufzeit- und Abstandsberechnungsvorrichtung 17 arithmetische Operationen durchgeführt worden sind, anzeigt, genauso wie den Abstand, die Abstandsdifferenz (Diskrepanz) und Erhebungsverteilung in Bezug auf das Zielobjekt 11.

Die Sende- und Empfangsvorrichtung 13 der Abstandsmessvorrichtung 10 enthält ein einzelnes Schallelement 20 und eine Sende- und Empfangseinheit 21, die eine Impulsspannung an dieses Schallelement 20 anlegt. Die Sende- und Empfangseinheit 21 empfängt einen Impuls von einem nicht gezeigten Steuerelement und verwendet die Impulsspannung für das Schallelement 20, welches dann stark direktionale Schallwellen, beispielsweise Ultraschall, aussendet. Obwohl gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Sende- und Empfangsvorrichtung 13 mit einer Funktion versehen ist zum Durchführen des Sendens und des Empfangens von Schallwellen, können eine Sendevorrichtung und eine Empfangsvorrichtung separat vorgesehen werden, um die Sendefunktion und die Empfangsfunktion unabhängig voneinander durchzuführen.
Das Schallelement 20 ist beispielsweise als ein piezoelektrisches Element realisiert, welches eine elastische Wellenform in einem piezoelektrischen Material mit einer angelegten Spannung erregt, um Ultraschall mit ungefähr 0,8 bis 200 MHz zu erzeugen, als Ergebnis eines piezoelektrischen Effekts aufgrund eines Resonanzphänomens, ein magnetostriktives Element, welches akustische Wellen mit einer Frequenz von ungefähr einigen Kilohertz bis 100 Kilohertz basierend auf einem magnetostriktiven Phänomen eines magnetischen Materials erzeugt, oder ein elektrostriktives Element, das auf einem elektrostriktiven Phänomen basiert. Das Schallelement 20 dient als Zwischentransducer für eine bidirektionale Umwandlung zwischen einer Schallschwingung und einem elektrischen Signal. Das Schallelement 20 ist typischerweise ein elektromagnetischer oder piezoelektrischer Ultraschalltransducer.
Wenn eine Impulsspannung an das Schallelement 20 von der Sende- und Empfangseinheit 21 der Sende- und Empfangsvorrichtung 13 angelegt wird, gibt das Schallelement 20 ein zusammengesetztes Signal aus, enthaltend ein Signal mit einer natürlichen Schwingungskomponente, und einem darauf überlagerten exponentiell gedämpften Signal. Die Schallwelle, also das zusammengesetzte Signal, wird in Richtung Zielobjekt 11 ausgesendet, welches in einem Fluid, beispielsweise Luft, Wasser, Öl oder aus metallischem Natrium, angeordnet ist und dann von dem Zielobjekt 11 reflektiert wird.
Die von dem Zielobjekt 11 reflektierte Schallwelle wird erneut von dem Schallelement 20 empfangen, welches dann die Schallwelle als ein Schallechosignal (Schallempfangssignal) an die Schallsignalsende- und Empfangseinheit 21 sendet, wo das Schallechosignal verstärkt und in eine elektrisches Echosignal umgewandelt wird. Dieses elektrische Echosignal wird in ein digitales Echosignal durch den A/D-Wandler 14 konvertiert. Das digitale Echosignal wird in der Digitaldatenaufzeichnungseinheit 15 als digitale Daten gespeichert.
Wie in 2A und 2B gezeigt, kehrt das digitale Echosignal (in 2A mit E gekennzeichnet) zu dem Schallelement 20 zurück, nach einer bestimmten Schalllaufzeit T nach dem Aussenden der Schallwelle von dem Schallelement 20. Das digitale Echosignal E enthält ein Echosignal e₁, das von einer oberen Fläche 11a der Erhebung (oder Stufe) auf dem Zielobjekt 11 reflektiert wird, und ein Echosignal e₂, das von einer unteren Fläche 11b der Erhebung (oder Stufe) reflektiert wird, wie in 1 gezeigt. Bei einer herkömmlichen Abstandsmessvorrichtung ist es schwierig, eine Differenz der Schalllaufzeit zwischen den Schallwellenlängen der Echosignale e₁ und e₂ zu messen, also eine Differenz t_a der Schalllaufzeit in dem Diskrepanzbereich, wenn sich die Schallwellenlängen der Echosignale e₁ und e₂ überlagern, wie in 2A gezeigt.
In der in 1 gezeigten schallbasierten Abstandsmessvorrichtung 10 verwendet jedoch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 eine inverse Analyse des digitalen Echosignals E, um das Signal E in Impulse umzuwandeln, also das Signal E zu schärfen, so dass die Echosignale e₁ und e₂ getrennt voneinander erscheinen, wie durch die Impulssignale P₁ und P₂ in 2B gezeigt. Die Impulssignale P₁ und P₂, die durch die inverse Analyse erzeugt werden, entsprechen jeweils der oberen Fläche 11a und der unteren Fläche 11b der Erhebung auf dem Zielobjekt 11. Die Impulssignale P₁ und P₂, die in dieser Weise erzeugt werden, sind klar voneinander getrennt, im Gegensatz zu den Echosignalen e₁ und e₂, wodurch in vorteilhafter Weise eine Schalllaufzeit t_b zwischen den Impulssignalen P₁ und P₂ mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
Mit der in 1 gezeigten schallbasierten Abstandsmessvorrichtung 10 kann die Schalllaufzeitdifferenz t_b, die mit dem Diskrepanzbereich im Zusammenhang steht, korrekt gemessen werden, als ein Ergebnis der Inverse-Analysis Vorrichtung 16, die eine inverse Analyse durchführt, selbst wenn das Zielobjekt 11 eine kleine Erhebung oder Unregelmäßigkeit aufweist, also eine Erhebung oder eine Unregelmäßigkeit, die eine kleine Diskrepanz verursacht. Mit der schallbasierten Abstandsmessvorrichtung 10 kann eine Diskrepanz mit einer hoher Genauigkeit von mindestens der Größenordnung Millimeter gemessen werden, in Abhängigkeit von der Oszillationsfrequenz (Wellenlänge λ) und der Schallgeschwindigkeit der Schallwelle. Eine Diskrepanzgröße von ungefähr 0,3 mm bis 0,4 mm kann mit hoher Genauigkeit gemessen werden, wenn die Diskrepanz in Wasser gemessen wird, unter Verwendung von Ultraschall. Wenn eine metallisches Natrium verwendet wird, wird eine Auflösung von ungefähr 0,5 mm erreicht. Wenn die Diskrepanz in Luft gemessen wird, wird eine Auflösung von ungefähr 1,5 mm bis 2,0 mm erreicht, so dass die Form des zu messenden Zielobjekts 11 identifiziert werden kann und das Vorhandensein eines Defekts in dem Zielobjekt 11 kann mit hoher Genauigkeit festgestellt werden.
Wie oben beschrieben, verwendet die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 eine inverse Analyse für das digitale Echosignal E, um das Signal E in Impulssignale P₁ und P₂, wie in 2B gezeigt, umzuwandeln. In Antwort auf die Impulssignale P₁ und P₂ berechnet die Berechnungsvorrichtung 17 die Schalllaufzeit T und die Schalllaufzeitdifferenz t_b. Die Schalllaufzeit T und die Differenz t_b werden weiter mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert, um den Abstand und die Abstandsdifferenz zu dem Zielobjekt 11 jeweils zu erhalten. Wie oben beschrieben, hat die Berechnungsvorrichtung 17 eine Funktion zum Berechnen der Schalllaufzeit T und der Schalllaufzeitdifferenz t_b und darüber hinaus zum Berechnen des Abstandes zu dem Zielobjekt 11, der Abstandsdifferenz (Diskrepanz) und der Erhebungsverteilung. Der Abstand und die Abstandsdifferenz, die durch die Berechnungsvorrichtung 17 berechnet werden, werden auf der Anzeigevorrichtung 18 angezeigt. Der Abstand von dem Schallelement 20 zu dem Zielobjekt 11 kann folglich gemessen werden und wenn eine Erhebung oder Unregelmäßigkeit auf dem Zielobjekt 11 vorhanden ist, kann die Abstandsdifferenz (Diskrepanz) mit hoher Genauigkeit basierend auf der Schalllaufzeitdifferenz t_b gemessen werden, die klar durch die inverse Analysis identifizierbar ist.
Im Folgenden wird die inverse Analysis durch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 beschrieben.
In der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 wird die inverse Analysis des digitalen Echosignals E durchgeführt, indem eine quadratische Matrix n-ter Ordnung berechnet wird.
Die quadratische Matrix n-ter Ordnung wird durch den folgenden Ausdruck (1) dargestellt, indem Matrixelemente a_kl verwendet werden. [Ausdruck 1]
Eine Beziehung, wie durch den folgenden Ausdruck (2) dargestellt, wird zwischen dem beobachteten Zeitfolgesignal (entsprechend den Zeitfolgedaten des digitalen Echosignals E), gekennzeichnet als ein Spaltenvektor (Spaltenmatrix) yi, und der Zielimpulsantwortzeitfolge gebildet, gekennzeichnet durch einen Spaltenvektor (Spaltenmatrix) xi, indem Y (Vektor) verwendet wird, der den Spaltenvektor yi darstellt, und indem X (Vektor) verwendet wird, der den Spaltenvektor xi darstellt.
[Ausdruck 2]

Y =( y₁ y₂ y₃ ... y_n-1 y_n)^T X = (x₁ x₂ x₃ ... x_n-1 x_n)^T Y = AX (2) wobei T eine transponierte Matrix darstellt.

Aus dem Ausdruck (2) wird X erhalten, indem die inverse Matrix A^–1 der quadratischen Matrix n-ter Ordnung verwendet wird, wie durch den folgenden Ausdruck (3) gezeigt.
[Ausdruck 3]

X = A^–1Y (3)

Die Wellenformdaten eines Schallempfangssignals, das durch die schallbasierte Abstandsmessvorrichtung 10 gemessen wird, ist in 3A in Zeitfolge durch die durchgezogene Linie E dargestellt. Diese Wellenformdaten E, also das digitale Echosignal E, ist äquivalent zu der Summe des Echosignals e₁, entsprechend der oberen Fläche 11a der Erhebung, und des Echosignals e₂, entsprechend der unteren Fläche 11b der Erhebung auf dem Zielobjekt 11.
Die Datenfolge Pi wird durch den folgenden Ausdruck (4) ausgedrückt, indem die Wellenformdaten (digitales Echosignal) E eines tatsächlich gemessenen Schallempfangssignals verwendet werden, gekennzeichnet mit u. [Ausdruck 4]
wobei L einen Ort auf der Zeitstufenachse kennzeichnet, an dem die Amplitude des Schallempfangssignals (digitales Echosignal) E genug gedämpft ist, um einen Schalldruckpegel nahe Null zu erzeugen.
Wenn das Symbol „i” im Ausdruck (4), der den Maximalwert der Datenfolge Pi liefert, mit i_max gekennzeichnet ist, ist ein Matrixelement a_kl, das der Eintrag in der k-ten Reihe der l-ten Spalte in der quadratischen Matrix n-ter Ordnung in dem Ausdruck (1) ist, durch den folgenden Ausdruck (5) dargestellt, indem die Datenfolge Pi und i_max verwendet werden. [Ausdruck 5]
In dem Ausdruck (5) ist die Matrix A derart, dass sie diagonale Komponenten mit großen absoluten Werten aufweist, also derart, dass der maximale Schalldruckwert des Schallempfangssignals (digitales Echosignal) E als die diagonalen Komponenten in der Matrix A gesetzt ist, indem die Zeitfolgedaten des Schallempfangssignals (digitales Echosignal) E der Reihe nach in den Spalten angeordnet werden.
Die Matrix A, in der der Matrixeintrag a_kl in der k-ten Reihe der l-ten Spalte durch den Ausdruck (5) dargestellt ist, kann diagonale Komponenten mit großen absoluten Werten aufweisen und folglich kann das digitale Echosignal (Schallempfangssignal) E in ein Impulssignal umgewandelt werden, zum Schärfen durch die inverse Analysis, wobei der Spaltenvektor Y des beobachteten Zeitfolgesignals yi, also des Schallempfangssignals E, mit der inversen Matrix A^–1 der Matrix A multipliziert wird.
Ein Impulssignal P, also eine Impulsantwort, wird durch Verwendung der inversen Analysis für das digitale Echosignal E, wie in 3A gezeigt, gewonnen.
Wenn das Matrixelement a_kl in der k-ten Reihe der l-ten Spalte durch den Ausdruck (5) dargestellt ist, kann die Matrix A diagonale Komponenten aufweisen, die große absolute Werte aufweisen, wodurch eine stabile inverse Matrix A^–1 berechnet werden kann. Wie in den 3A und 3B gezeigt, kann ein geschärftes Signal, also ein Impulssignal P erzeugt werden, indem die inverse Matrix A^–1 von der Signalfolge des Schallempfangssignals E verwendet wird, was die Summe der Echosignale e₁ und e₂ ist. Dies erlaubt eine Unterscheidung der Echosignale e₁ und e₂ für Messzwecke, selbst wenn sie extrem nahe beieinander liegen.
In der Abstandsmessvorrichtung 10, die eine Schallwelle verwendet, ordnet die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 die Zeitfolgedaten des Schallempfangssignals (digitales Echosignal) E als vertikale (Spalten) Komponenten der Matrix A an, indem die vermutete Schalllaufzeit in Zeitschritte unterteilt wird, die jeweils gleich sind zu der Schalllaufzeitdifferenz, also dem Abtastzeitschritt für die A/D-Wandlung. Anschließend wird die inverse Matrix A^–1 aus der Ma-trix A, die durch die folglich angeordneten Zeitfolgedaten gebildet ist, gewonnen und das Schallempfangssignal E wird dann mit der folglich gewonnenen inversen Matrix A^–1 multipliziert. Ein Impulssignal ist folglich aus dem Schallempfangssignal E reproduzierbar. Die Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz kann mit hoher Genauigkeit gemessen werden, indem dieses Impulssignal analysiert wird.
In diesem Fall kann die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 zwei oder mehrere inverse Analyseoperationen durchführen, bei denen jeweils weißes Rauschen mit einem Wert, der klein genug ist, verglichen mit den Zeitfolgedaten des Schallempfangssignals E dem Schallempfangssignal E hinzuaddiert wird und dann das Ergebnis mit der inversen Matrix A^–1 multipliziert wird. Die zwei oder mehreren Ergebnisse, die somit erhalten werden, werden gemittelt, um den Mittelwert zu berechnen, der als ein Impulssignal gesetzt wird. Mit dieser Operation können stabilere Impulsantwortcharakteristiken erzielt werden.
Weißes Rauschen (σ), das einen Wert aufweist, der klein genug ist, verglichen mit den Zeitfolgedaten des Schallempfangssignals E, wird zu jedem Matrixelement a_kl der Matrix A hinzuaddiert, wie in dem folgenden Ausdruck (6) gezeigt, und das Ergebnis wird dann mit der inversen Matrix A^–1 multipliziert. Diese Folge von Verarbeitungsschritten wird zweimal oder mehrmals wiederholt. Eine Mehrzahl von derartigen Impulsantwortergebnissen wird miteinander addiert, um den Mittelwert zu berechnen. Dies erlaubt ein stabileres Inverse-Analysis Ergebnis, das aus dem Schallempfangssignal E erzeugt wird.
[Ausdruck 6]
4 zeigt ein Beispiel eines Ergebnisses der inversen Analysis, bei der das weiße Rauschen zu den Matrixelementen in der schallbasierten Abstandsmessvorrichtung 10 addiert wird.
Zufallsrauschen (weißes Rauschen) mit einem maximalen Wert, der klein genug ist (ein Hunderstel beispielsweise) verglichen mit dem Maximalwert der vertikalen (Spalte) Matrixelemente Pi der Matrix A, wird hinzuaddiert und eine Impulsantwort wird durch Multiplikation mit der inversen Matrix A^–1 berechnet. 4 zeigt einen Mittelwert der Ergebnisse, erhalten aus 10.000 Berechnungen für ein Impulssignal. Dieses Mitteln der Ergebnisse der wiederholten Berechnungen kann das numerische Rechenrauschen um einen Faktor von ungefähr 2 reduzieren.
In 4 zeigt die dünne Linie P ein Impulssignal, das durch die inverse Analysisoperation gewonnen wird, wohingegen die dicke Linie P_a ein Impulssignal anzeigt, das durch zehntausendmaliges Durchführen der inversen Analysisoperationen und dann Mitteln der Ergebnisse gewonnen wird.
5 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verdeutlicht.
Eine Schalllaufzeitmessvorrichtung 10A gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel hat grundsätzlich den gleichen Aufbau, wie die Schalllaufzeitmessvorrichtung (Abstandsmessvorrichtung) 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt, mit der Ausnahme, dass die Schalllaufzeitmessvorrichtung 10A mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung 13A versehen ist. Die gleichen Komponenten, wie bei der Schalllaufzeitmessvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen und werden nicht noch einmal beschrieben.
Diese Schalllaufzeitmessvorrichtung 10A wird für eine Abstandsmessvorrichtung verwendet, die eine Schallwelle verwendet, und die Sende- und Empfangsvorrichtung 13A enthält eine Mehrzahl von Paaren von Schallelementen 20 und die Sende- und Empfangseinheit 21. Eine Impulsspannung kann für die Mehrzahl der Schallelemente 20 von einer der Sende- und Empfangseinheiten 21 angelegt werden, und ein Schallechosignal, das von jedem der Schallelemente 20 empfangen wird, wird an den A/D-Wandler 14 über die Sende- und Empfangseinheit 21 gesendet.
In dieser Schalllaufzeitmessvorrichtung 10A wird das Schallechosignal, das von dem Zielobjekt 11 reflektiert worden ist, erneut von den Schallelementen 20 empfangen und das empfangene Schallechosignal in der Sende- und Empfangseinheit 21 verstärkt und dann in ein elektrisches Echosignal umgewandelt, um ein digitales Echosignal (Schallempfangssignal) zu erzeugen. Die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 multipliziert dann dieses digitale Echosignal mit der inversen Matrix A^–1, um das digitale Echosignal in ein Impulssignal umzuwandeln. Aus diesem Grund können die Abstände und die Abstandsdifferenzen (Diskrepanzen) in einem breiten Bereich zu diesem Zeitpunkt gemessen werden, und eine Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz können ebenfalls mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Der Abstand von einem Schallelement 20 zu dem Zielobjekt 11, der zu messen ist, und die Erhebungsverteilung auf dem Zielobjekt können gemessen werden, indem die Schalllaufzeit und die Laufzeitdifferenz, die in dieser Messvorrichtung 10A gemessen werden, mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert werden, und folglich können Erhebungen oder Unregelmäßigkeiten in einem breiten Bereich auf dem Zielobjekt 11 gleichzeitig gemessen werden.
6 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung verdeutlicht.
Eine Schalllaufzeitmessvorrichtung 10B gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel hat im Grunde den gleichen Aufbau, wie die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt, mit der Ausnahme, dass die Messvorrichtung 10B zusätzlich ein Rauschfilter 25 enthält. Die gleichen Komponenten, wie bei der Schalllaufzeitmessvorrichtung 10, sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen und werden nicht noch einmal beschrieben.
Das Rauschfilter 25 ist zwischen der Digitaldatenaufzeichnungseinheit 15 und der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 gebildet. Mit diesem Rauschfilter 25 wird Rauschen aus dem digitalen Echosignal E, also einem Schallempfangssignal, an der Signaleingangsseite der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 beseitigt. Nachdem die Schalllaufzeitmessvorrichtung 10B folglich gegenüber Rauschen widerstandsfähig gemacht worden ist, können Berechnungsfehler während der inversen Analysis reduziert werden. Darüber hinaus wird mit dem Rauschfilter 25 die in dem digitalen Echosignal E enthaltene Rauschkomponente eliminiert, um die Berechnungsfehler während der inversen Analysis zu reduzieren. Eine Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz können folglich stabiler mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
7 zeigt eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine Laufzeitmessvorrichtung 10C gemäß diesem vierten Ausführungsbeispiel hat im Grunde den gleichen Aufbau, wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel, wie in 6 gezeigt, mit der Ausnahme, dass die Messvorrichtung 10C zusätzlich eine Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27 aufweist. Die gleichen Komponenten, wie bei der Laufzeitmessvorrichtung 10B, wie in 6 gezeigt, sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen und eine erneute Beschreibung dieser erfolgt nicht.
Die Laufzeitmessvorrichtung 10C, wie in 7 gezeigt, enthält zusätzlich das Rauschfilter 25 und die Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27, verglichen mit der Laufzeitmessvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt. Das Rauschfilter 25 ist zwischen der Digitaldatenaufzeichnungseinheit 15 und der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 gebildet, und die Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27 ist zwischen der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 und der Laufzeit- und Abstandsberechnungsvorrichtung 17 gebildet.
Die Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27 verwendet ein Referenzobjekt 28, das als ein Standard dient zur Kalibrierung, um die vertikalen Komponenten der inversen Analysis Matrix durch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 zu optimieren.
Diese Schalllaufzeitmessvorrichtung 10C enthält die Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27, die ein Schallechosignal verwendet, welches von dem Referenzobjekt 28 reflektiert worden ist, um die inverse Analysis durch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 zu optimieren. Diese Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27 gibt als ein reflektiertes Schallsignal (digitales Echosignal) eine Änderung der Schallwellenform aufgrund von Eigenschaftsänderungen oder Eigenschaftsstörungen in dem Schallelement 20 oder Eigenschaftsänderungen in dem Schallausbreitungsfeld (Luft, Fluid oder Feststofffeld) ein, indem das Referenzobjekt 28 verwendet wird, um die Änderung in der Schallwellenform zu korrigieren. Die inverse Analysis durch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 kann folglich zuverlässig mit sehr viel höherer Genauigkeit eine sehr genaue Berechnung der Impulsantwort durchführen.
Diese Laufzeitmessvorrichtung 10C, die mit der Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27 versehen ist, optimiert die Matrixelemente für die inverse Analysis durch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 nach Empfang eines Schallechosignals, welches von dem Referenzobjekt 28 als ein Schallempfangssignal reflektiert worden ist. Diese Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27 kann flexibel Änderungen in dem Zeitfolgesignal des Schallwellensignals aufgrund von Eigenschaftsänderungen in dem Schallelement 20 oder Eigenschaftsänderungen in dem Schallausbreitungsfeld einstellen, wodurch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 derart kalibriert werden kann, dass eine optimale inverse Analysis immer sichergestellt ist.
Mit der Inverse-Analysis Korrekturvorrichtung 27 wird die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 in Antwort auf ein Schallsignal (digitales Echosignal) E, welches von dem Referenzobjekt 28 reflektiert worden ist, kalibriert, um ein optimales Ergebnis der inversen Analysis zu erzeugen. Dies erlaubt der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 die Umwandlung eines reflektierten Schallsignals in ein Impulssignal durch die optimale inverse Analysis. Eine hochgenaue Impulsantwort wird durch die optimierte Inverse-Analysis Vorrichtung 16 erzielt, um ein reflektiertes Schallsignal (digitales Echosignal) in ein Impulssignal zum Messen des Zielobjekts 11 umzuwandeln. Dies erlaubt die Messung einer Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz mit hoher Genauigkeit zu allen Zeitpunkten. Der Abstand von dem Schallelement 20 zu dem Zielobjekt 11 und die Abstandsdifferenz (Diskrepanz) können mit hoher Genauigkeit gemessen werden, indem die gemessene Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert werden.
8 zeigt eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Schalllaufzeitmessvorrichtung 10D gemäß diesem fünften Ausführungsbeispiel hat grundsätzlich den gleichen Aufbau, wie die gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, wie in 6 gezeigt, mit der Ausnahme, dass die Schalllaufzeitmessvorrichtung 10D zusätzlich eine Sende- und Empfangskommunikationseinheit 30 aufweist, eine Fernkommunikationseinheit 31, eine Kommunikationsleitung 32 und eine Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33. Diese Kommunikationseinheit 30 ist mit der Fernkommunikationseinheit 31 über die Kommunikationsleitung 32 verbunden, beispielsweise über das Internet, oder drahtlos, um der Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33 zu erlauben, die inverse Analysis auf der Fernseite mit zu verwenden. Die gleichen Komponenten, wie die gemäß der in 6 gezeigten Schalllaufzeitmessvorrichtung 10B sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet und werden nicht beschrieben.
Diese Schalllaufzeitmessvorrichtung 10D enthält eine Kommunikationseinheit 30 zusätzlich zu der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 und der Laufzeit- und Abstandsberechnungsvorrichtung 17. Diese Kommunikationseinheit 30 ist mit der Kommunikationseinheit 31 der Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33, beispielsweise über die Kommunikationsleitung 32, derart verbunden, dass Daten gesendet und empfangen werden können. Durch Verwendung der Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33, beispielsweise ein Host-Computer, der auf der Fernseite installiert ist, stellt die Schalllaufzeitmessvorrichtung 10D die Matrixelemente ein für die inverse Analysis durch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 in Antwort auf ein Schallsignal, das von dem Referenzobjekt 28 reflektiert worden ist, als Standardkalibrierung zur Erzeugung eines optimalen Ergebnisses der inversen Analysis, und führt die inverse Analysis durch, die einen großen Rechenaufwand erfordert.
Das Inverse-Analysis Mittel 16 der Schalllaufzeitmessvorrichtung 10D muss einen großen Rechenaufwand durchführen, wegen des großen Ausmaßes der inversen Matrixberechnung, die für die inverse Analysis erforderlich ist. Diese Inverse-Analysis Vorrichtung 16 ermöglicht der Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33 sich die Rechenlast zu teilen, wodurch eine große Reduzierung der Berechnungslast in der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 erhalten wird.
In der Schalllaufzeitmessvorrichtung 10D, wie in 8 gezeigt, stellt die Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33, basierend auf einem Schallsignal, das von dem Referenzobjekt 28 reflektiert worden ist, als Standardkalibrierung die Matrixelemente für die inverse Analysis durch die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 ein, um ein optimales Ergebnis der inversen Analysis zu erzeugen, und führt die inverse Analysis aus, die einen großen Rechenaufwand erfordert. Die Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33 ist zur Kommunikation mit der Inverse-Analysis Vorrichtung 16 über ein Internet verbunden, welches als Kommunikationsleitung 32 dient, um das Berechnungsergebnis der inversen Analysis durch die Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33 an die Anzeigevorrichtung 18 über die Schalllaufzeit- und Abstandsberechnungsvorrichtung 17 zu senden. Als ein Ergebnis kann die Rechenlast, die auf die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 wirkt, die einen hohen Berechnungsaufwand erfordert, stark reduziert werden. Durch Verwendung der Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33, die auf einer entfernten Seite installiert ist, kann die Schalllaufzeitmessvorrichtung 10D als eine kostengünstige Abstandsmessvorrichtung realisiert werden.
Darüber hinaus kann eine Mehrzahl der Schalllaufzeitmessvorrichtungen 10D zur Kommunikation mit der Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33 über das Internet verbunden sein, so dass die Signaldaten zwischen ihnen übertragen werden können. Dies erlaubt eine Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33, die durch einen Computer realisiert ist, der von der Mehrzahl der Schalllaufzeitmessvorrichtungen 10D gemeinsam verwendet wird. Kurz gesagt kann die Inverse-Analysis Berechnungsvorrichtung 33 effektiver als Rechenressource verwendet werden.
9 zeigt eine Schalllaufzeitmessvorrichtung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine Schalllaufzeitmessvorrichtung 10E gemäß diesem sechsten Ausführungsbeispiel ist grundsätzlich gleich dem Aufbau gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in 5 gezeigt, mit der Ausnahme, dass die Schalllaufzeitmessvorrichtung 10E eine Apertur-Synthese Vorrichtung 35 und eine Abstandsverteilungsanzeigevorrichtung 36 aufweist, anstelle der Laufzeit- und Abstandsanzeigevorrichtung 18 in der Laufzeitmessvorrichtung 10A gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die gleichen Komponenten, wie die gemäß der Laufzeitmessvorrichtung 10A, sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet und werden nicht beschrieben.
Das Apertur-Synthesemittel 35 hat kleine Sensoren, die in einer Zeile oder Matrix angeordnet sind, um einen integrierten großen Sensor für die Apertur-Synthese zu bilden, oder um eine synthetische Apertur zu bilden. Mit dieser synthetischen Apertur führt die Apertur-Synthese Vorrichtung 35 die Berechnung für das Abbilden einer Messoberfläche des Zielobjekts 11 durch. Mit der Apertur-Synthese Vorrichtung 35 kann eine Erhebung oder Unregelmäßigkeit auf dem Zielobjekt 11 dreidimensional gemessen werden, und diese dreidimensionale äußere Erscheinung des Zielobjekts 11 kann dann durch die Abstandsverteilungsanzeigevorrichtung 36 angezeigt werden.
Die Apertur-Synthese Vorrichtung 35 arbeitet folgendermaßen.
Die Apertur-Synthese Vorrichtung 35 schaltet zuerst die Schallelemente 20 zum Senden und Empfangen eines Schallwellensignals, bildet ein Sphäroid der Umdrehung mit dem Fokus, der an der Stelle des Schallelements 20 gesetzt ist, das das Schallsignal gesendet hat, und an der Stelle des Schallelements 20, das das Schallsignal empfangen hat, und zeichnet die gleiche Anzahl derartiger Sphäroide als Kombinationen von Sende- und Empfangsschallelementen 20 auf. Die Berechnung für die dreidimensionale Bildgebung der Messoberfläche des Zielobjekts 11 erfolgt, um den Ort und die dreidimensionale Erscheinung des Zielobjekts 11 mit hoher Genauigkeit zu erkennen. Die Abstandsmessung mit einem breiten Messbereich wird folglich erreicht, so dass der Messbereich des Zielobjekts 11 erkannt und als dreidimensionales Ganzes gemessen werden kann.
In den oben genannten Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung speichert die Inverse-Analysis Vorrichtung 16 die Zeitfolgedaten eines reflektierten Schallsignals in den vertikalen Komponenten (Spaltenvektor) der Matrix A derart, dass die Terme des Spaltenvektors (Spaltenmatrix) Y, also der Zeitfolgevektor des beobachteten reflektierten Schallsignals yi (digitales Echosignal), als Elemente a_k1 der Matrix A gesetzt werden, in der die Elemente a_kl dem Maximalwert des Schalldruckpegels in der Zeitstufe von zugewiesen sind. Die Elemente a_kl der Matrix A können dem zweitgrößten Pikwert zugewiesen sein, anstatt dem Maximalwert des Schalldruckpegels, um die inverse Matrix A^–1 zu erzeugen, die auf der Matrix A basiert, die in dieser Weise erzeugt worden ist.
Ferner sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und viele andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der beifügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

Schalllaufzeitmessvorrichtung, enthaltend: eine Schallempfangsvorrichtung (13), die mindestens ein Schallelement (20) aufweist zum Empfangen einer von einem Zielobjekt (11) reflektierten Schallwelle; eine Schallsignalsende- und Empfangseinheit (21) zum Empfangen der Schallwelle als ein Schallempfangssignal von dem Schallelement (20) und zum Verstärken und Umwandeln in ein elektrisches Echosignal; einen A/D-Wandler (14) zum Wandeln des elektrischen Echosignals in ein digitales Echosignal (E), das ein erstes Echosignal (e₁), das von einer oberen Fläche (11a) einer Erhebung auf dem Zielobjekt (11) reflektiert wird, und ein zweites Echosignal (e₂), das von einer unteren Fläche (11b) der Erhebung reflektiert wird, aufweist; eine Inverse-Analysis Vorrichtung (16) zum Durchführen einer inversen Analysisverarbeitung durch Multiplikation des digitalen Echosignals (E) mit einer inversen Matrix (A^–1), so dass das erste und zweite Echosignal (e₁, e₂) getrennt voneinander als ein erstes Impulssignal (P₁) und ein zweites Impulssignal (P₂) erscheinen; eine Berechnungsvorrichtung (17) zum Berechnen einer Schalllaufzeit (T) und einer Laufzeitdifferenz (tb) zwischen dem ersten und zweiten Impulssignal (P₁, P₂); und eine Anzeigevorrichtung (18) zum Anzeigen der Schalllaufzeit (T) und der Laufzeitdifferenz (tb), die durch die Berechnungsvorrichtung (17) berechnet worden sind, wobei die inverse Analysisverarbeitung durch die inverse Matrix (A^–1) durchgeführt wird, wobei die inverse Matrix (A^–1) aus einer Matrix (A) gewonnen wird und die Spalten der Matrix (A) jeweils als Matrixelemente sequentiell die Zeitfolgedaten des digitalen Echosignals (E) in die Abtastschritte der A/D-Wandlung unterteilt enthalten und diese derart angeordnet sind, dass der maximale Wert des digitalen Echosignals als diagonales Matrixelement der Matrix (A) gesetzt ist und die Schalllaufzeit (T) und die Laufzeitdifferenz (tb) des digitalen Echosignals (E) in Antwort auf das erste und zweite Impulssignal (P₁, P₂), die durch die Inverse-Analysis Vorrichtung (16) erzeugt wurden, berechnet werden.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Inverse-Analysis Vorrichtung (16) das digitale Echosignal in Spalten, die jeweils als Matrixelemente sequentiell die Zeitfolgedaten des digitalen Echosignals (E) enthalten, anordnet, die inverse Matrix (A^–1) aus der Matrix (A) erzeugt und das digitale Echosignal (E) mit der inversen Matrix (A^–1) multipliziert, um das digitale Echosignal (E) in ein Impulssignal (P) umzuwandeln.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Inverse-Analysis Vorrichtung (16) weißes Rauschen mit einem Wert, der klein genug ist, verglichen mit dem digitalen Echosignal (E), zu den vertikalen Elementen der Matrix (A) addiert, die Zeitfolgedaten des digitalen Echosignals (E) enthält, um die inverse Matrix (A^–1) zu berechnen, eine inverse Analysisverarbeitung der Multiplikation des digitalen Echosignals (E) der inversen Matrix (A^–1) zweimal oder mehrmals durchführt, um die Ergebnisse der inversen Analysisverarbeitung zu mitteln, um den Mittelwert zu berechnen, und den Mittelwert als das Impulssignal (P) des digitalen Echosignals (E) setzt, und die Berechnungsvorrichtung (17) die Schalllaufzeit (T) und Laufzeitdifferenz (t_b) zwischen dem in dem digitalen Echosignal (E) enthaltenen ersten und zweiten Echosignal (e₁, e₂) berechnet.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einer Digitaldatenaufzeichnungseinheit (15) zwischen dem A/D-Wandler und der Inverse-Analysis Vorrichtung (16), wobei die Digitaldatenaufzeichnungseinheit (15) vorübergehend das digitale Echosignal, das von dem A/D-Wandler (14) erzeugt worden ist, speichert.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schallempfangsvorrichtung (13) eine Mehrzahl von Schallelementen (20) aufweist, wobei eine Sende- und Empfangseinheit eine Impulsspannung an die Mehrzahl der Schallelemente anlegt.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Berechnungsvorrichtung (17) mit einer Laufzeit- und Abstandsberechnungsfunktion versehen ist zum Multiplizieren der berechneten Schalllaufzeit und Laufzeitdifferenz mit einer Schallgeschwindigkeit, um den Abstand von dem Schallelement (20) zu dem Zielobjekt (11), eine Abstandsdifferenz und Erhebungsverteilungen zu messen.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anzeigevorrichtung (18) mit einer Schalllaufzeit- und Abstandsanzeigefunktion versehen ist zum Anzeigen der Schalllaufzeit, der Laufzeitdifferenz, des Abstandes von dem Schallelement (20) zu dem Zielobjekt (11), einer Abstandsdifferenz und Erhebungsverteilung, die durch die Berechnungsvorrichtung (17) berechnet worden sind.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit einem Rauschfilter (25) zum Eliminieren von Rauschen neben einem digitalen Echosignaleingangsende der Inverse-Analysis Vorrichtung (16).
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Inverse-Analysis Vorrichtung (16) eine Inverse-Analysis Korrektureinheit (27) aufweist zum Korrigieren eines Inverse-Analysis Ergebnisses, wobei die Inverse-Analysis Korrektureinheit (27) vertikale Elemente einer Matrix (A) für die inverse Analysisverarbeitung optimiert in Antwort auf ein Schallempfangssignal von einem Referenzzielobjekt zum Messen einer Referenzschalllaufzeit.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Inverse-Analysis Vorrichtung (16) eine Kommunikationseinheit (30) aufweist, die mit einer anderen entfernten Inverse-Analysis Vorrichtung verbunden ist, wobei die entfernte Inverse-Analysis Vorrichtung Signaldaten des Schallempfangssignals von der Kommunikationseinheit (30) empfängt, um die zeitaufwendige inverse Analysisverarbeitung gemeinsam zu verwenden, ein Ergebnis der inversen Analysisverarbeitung an die Berechnungsvorrichtung (17) sendet und die Anzeigevorrichtung (18) das Ergebnis anzeigt.
Schalllaufzeitmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Berechnungsvorrichtung (16) eine Apertur-Synthese Einheit (35) aufweist zum Durchführen einer Berechnung der Bildgebung einer Messoberfläche des Zielobjekts (11) durch Apertur-Synthese, wobei die Messoberfläche einer dreidimensionalen Messung unterworfen wird.