DE112022003506T5

DE112022003506T5 - Vorrichtung und Verfahren zur Verschiebungsdetektion

Info

Publication number: DE112022003506T5
Application number: DE112022003506.4T
Authority: DE
Inventors: Yuuma WATABE; Takaaki Asada; Shinichi Sasaki
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2024-05-02
Also published as: CN117642651A; JP7548447B2; JPWO2023037613A1; US20240118415A1; WO2023037613A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion beinhaltet: einen Sender, der dazu ausgestaltet ist, eine modulierte Welle, die mehrere Frequenzen aufweist, auf ein Objekt zu senden, einen Empfänger, der dazu ausgestaltet ist, eine Reflexionswelle von dem Objekt zu empfangen und ein Empfangssignal zu erzeugen, das ein Empfangsergebnis angibt, und eine Steuereinheit, die dazu ausgestaltet ist, das Senden der modulierten Welle durch den Sender zu steuern und das Empfangssignal von dem Empfänger zu erfassen. Die Steuereinheit gibt ein erstes Sendesignal an den Sender aus, um die modulierte Welle zu senden, und erfasst ein erstes Antwort-Empfangssignal in einer ersten Messperiode, extrahiert erste Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem ersten Sendesignal und Empfangssignal definiert ist, gibt ein zweites Sendesignal an den Sender aus und erfasst ein zweites Antwort-Empfangssignal in einer zweiten Messperiode nach der ersten Messperiode, extrahiert zweite Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem zweiten Sendesignal und Empfangssignal definiert ist, und detektiert eine Verschiebung des Objekts zwischen der ersten und der zweiten Messperiode in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verschiebungsdetektion zum Detektieren einer geringfügigen Verschiebung eines Objekts auf Grundlage des Sendens und Empfangens einer Breitband-Ultraschallwelle oder dergleichen.
STAND DER TECHNIK
Das Nicht-Patentdokument 1 offenbart ein Verfahren zur subkutanen Messung einer geringfügigen Verschiebung, die durch eine geringfügige Vibration einer Herzwand in der Ultraschalldiagnose verursacht wird. In dem in dem Nicht-Patentdokument 1 offenbarten Verfahren werden hochfrequente Ultraschallsignale gesendet und Empfangssignale, die an der Herzwand reflektiert werden, werden zumindest zweimal von einem Ultraschallwandler empfangen, der an einer Brustoberfläche vorgesehen ist. In dem Verfahren, das eine Phasendifferenz-Tracking-Methode verwendet, wird eine Phasendifferenz zwischen komplexen Signalen berechnet, die durch Anwendung der Quadraturdemodulation auf die Empfangssignale in den beiden Empfangsvorgängen erhalten wird, und eine Änderung der Verzögerungszeit der Empfangssignale wird basierend auf der Phasenverschiebung der Empfangssignale geschätzt. Auf diese Weise zielt das Verfahren in dem Nicht-Patentdokument 1 darauf ab, eine geringfügige Verschiebung an der Körperoberfläche zu detektieren, welche in Kontakt mit dem Ultraschallwandler steht.
Zitierungsliste
Nicht-Patentdokument
Nicht-Patentdokument 1: H. Kanai, M. Sato, Y. Koiwa und N. Chubachi, „Transcutaneous measurement and spectrum analysis of heart wall vibrations", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Band 43, Nr. 5, S. 791-810, Sept. 1996, DOI: 10.1109/58.535480.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verschiebungsdetektion bereitzustellen, die in der Lage sind, eine geringfügige Verschiebung eines Objekts genau zu detektieren.
Lösung des Problems
Eine Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Sender, einen Empfänger und eine Steuereinheit. Der Sender sendet eine modulierte Welle mit mehreren Frequenzen auf ein Objekt. Der Empfänger empfängt eine Reflexionswelle von dem Objekt und erzeugt ein Empfangssignal, das ein Empfangsergebnis angibt. Die Steuereinheit steuert das Senden der modulierten Welle durch den Sender und erfasst das Empfangssignal von dem Empfänger. Die Steuereinheit gibt ein erstes Sendesignal an den Sender aus, um die modulierte Welle zu senden, und erfasst ein erstes Antwort-Empfangssignal in einer ersten Messperiode. Die Steuereinheit extrahiert auf Grundlage des ersten Sendesignals und des erste Empfangssignals erste Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem ersten Sendesignal und dem ersten Empfangssignal definiert ist. Die Steuereinheit gibt ein zweites Sendesignal an den Sender aus, um die modulierte Welle zu senden, und erfasst ein zweites Antwort-Empfangssignal in einer zweiten Messperiode nach der ersten Messperiode. Die Steuereinheit extrahiert auf Grundlage des zweiten Sendesignals und des zweiten Empfangssignals zweite Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem zweiten Sendesignal und dem zweiten Empfangssignal definiert ist. Die Steuereinheit detektiert eine Verschiebung des Objekts zwischen der ersten und der zweiten Messperiode in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen.
Die vorliegende Erfindung kann auch durch ein Verfahren, ein Computerprogramm oder eine Kombination davon umgesetzt werden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
in Übereinstimmung mit der Vorrichtung und dem Verfahren zur Verschiebungsdetektion der vorliegenden Erfindung kann eine geringfügige Verschiebung des Objekts genau detektiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Diagramm, das ein Schema einer Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion der Ausführungsform 1 veranschaulicht.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausgestaltung der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Ausgestaltung einer Steuereinheit der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
4 ist ein Graph, der ein analytisches Signal in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
5 ist ein Graph, der beispielhaft eine Hüllkurve und eine Phasenkurve des in 4 veranschaulichten analytischen Signals darstellt.
6 ist ein Flussdiagramm, das beispielhaft den Betrieb der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
7 ist ein Diagramm, das beispielhaft ein Sendesignal und ein Empfangssignal in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
8 ist ein Diagramm, das den Betrieb der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
9 ist ein Flussdiagramm, das beispielhaft die Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
10 ist ein Diagramm, das die Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals veranschaulicht.
11 ist ein Flussdiagramm, das beispielhaft die Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
12 ist ein Diagramm, das die Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames veranschaulicht.
13 ist ein Diagramm, das die Herzschlagmessung unter Verwendung der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
14 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Messungs-Frame-Rate und der Lokalisierungsgenauigkeit in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.
15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem SNR (Signal-/Rausch-Verhältnis) des Empfangssignals und der Lokalisierungsgenauigkeit in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion veranschaulicht.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden nun Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Ausführungsform 1)
In Ausführungsform 1 wird ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion beschrieben, die einen thermoakustischen Wandler verwendet, der eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen vom Wärmeanregungstyp ist.
1. Ausgestaltung
1-1. Schema
Ein Schema der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion gemäß Ausführungsform 1 wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das ein Schema einer Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform veranschaulicht. Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform ist eine Vorrichtung, die durch Senden und Empfangen einer Schallwelle unter Verwendung des thermoakustischen Wandlers Informationen detektiert, die einen Abstand zu einem Objekt 3 beinhalten.
Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 ist zum Beispiel bei der Messung der Herzschlag- oder der Atemfrequenz eines Patienten in der medizinischen Verwendung anwendbar. Das Objekt 3 als ein Detektions-Zielobjekt beinhaltet in diesem Fall zum Beispiel eine Körperoberfläche des Patienten. Darüber hinaus ist die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 nicht nur auf die medizinische Verwendung, sondern auch auf verschiedene andere Verwendungen anwendbar. Zum Beispiel können bei einer Verwendung in einem Fahrzeug ein Fahrer, ein Beifahrer und dergleichen eines Autos ein Detektions-Zielobjekt der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 sein. Darüber hinaus ist das Objekt 3 als das Detektions-Zielobjekt nicht auf einen lebendigen Körper wie etwa einen Menschen begrenzt, sondern kann auch ein Gegenstand oder dergleichen sein. Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 kann zum Beispiel auf die Inspektion eines Behälters in einer industriellen Verwendung angewendet werden, und kann eingesetzt werden, um eine geringfügige Veränderung in einem Abstand zu einem Abschnitt einer Behälteroberfläche zu messen, an welchem ein Etikett angebracht ist.
Bei der oben beschriebenen Detektion von Informationen wie dem geringfügigen Abstand wird in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 eine Chirp-Welle, deren Frequenz sich mit der Zeit ändert, auf das Objekt 3 gesendet, und eine Reflexionswelle der Chirp-Welle, die an dem Objekt 3 reflektiert wird (d. h. ein Echo), wird empfangen. Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 kann unter Verwendung des thermoakustischen Wandlers eine Schallwelle erzeugen, die Breitband-Frequenzcharakteristiken wie die Chirp-Welle aufweist.
Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform wiederholt das Senden und Empfangen der Schallwellen wie vorstehend beschrieben, um eine Veränderung in einem Abstand zu dem Objekt 3, das heißt, eine Verschiebung des Objekts 3, zu detektieren. Eine detaillierte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 wird nachstehend beschrieben.
1-2. Ausgestaltung der Vorrichtung
Die Ausgestaltung der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Ausgestaltung der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 veranschaulicht.
Wie zum Beispiel in 2 veranschaulicht, beinhaltet die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform einen Sender 10, einen Empfänger 11, eine Steuereinheit 13 und einen Speicherteil 14. Wie zum Beispiel in 1 veranschaulicht, sind der Sender 10 und der Empfänger 11 an einer Seitenfläche der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 angeordnet, so dass der Sender 10 und der Empfänger 11 einander nahe sind, wobei die Seitenfläche dem Objekt 3 zugewandt ist. Der Sender 10 und der Empfänger 11 sind zum Beispiel durch verschiedene Signaldrähte zur Kommunikation mit der Steuereinheit 13 verbunden.
Der Sender 10 dieser Ausführungsform beinhaltet den thermoakustischen Wandler als eine Schallquelle. Der Sender 10 erzeugt eine Ultraschallwelle auf einer Frequenz von zum Beispiel 20 kHz oder mehr. Der Sender 10 kann durch den thermoakustischen Wandler eine Chirp-Welle erzeugen, deren Frequenz in einem Breitband moduliert wird, zum Beispiel von ungefähr 20 kHz bis 100 kHz. Der Sender 10 dieser Ausführungsform erzeugt eine Chirp-Welle durch einen linearen Frequenz-Chirp, in welcher eine Frequenz sich zum Beispiel mit der Zeit linear verändert. Darüber hinaus kann der Sender 10 durch die Verwendung des thermoakustischen Wandlers in Größe und Gewicht verkleinert werden.
Der Sender 10 kann eine Ansteuerschaltung beinhalten, welche den thermoakustischen Wandler ansteuert, und dergleichen mehr. Zum Beispiel erzeugt der Sender 10 eine Schallwelle durch Ansteuern des thermoakustischen Wandlers durch die Ansteuerschaltung auf Grundlage eines Sendesignals, das von der Steuereinheit 13 eingegeben wird. Die Ansteuerschaltung des Senders 10 kann ein Frequenzband, eine Chirp-Länge, die eine Periode angibt, in der die Frequenz geändert wird, eine Intensität, eine Signallänge, eine Richtcharakteristik und ähnliches für eine Schallwelle einstellen, die erzeugt werden soll. Der Sender 10 ist nicht notwendigerweise auf die Erzeugung von Ultraschallwellen begrenzt, sondern kann Schallwellen in verschiedenen Frequenzbändern erzeugen. Der Sender 10 kann einer von verschiedenen Typen von omnidirektionalen Schallquellen ohne eine besondere Richtcharakteristik sein oder kann eine gerichtete Schallquelle mit einer variablen oder festen Richtcharakteristik sein.
Der Sender 10 beinhaltet als Ausgestaltung des thermoakustischen Wandlers, der eine Schallwelle durch Erwärmen von Luft erzeugt, zum Beispiel ein Heizelement, eine wärmeisolierende Schicht, ein Substrat und eine Elektrode. Das Heizelement und die wärmeisolierende Schicht sind auf dem Substrat übereinander gelagert. Das Heizelement beinhaltet ein Widerstandselement und erzeugt Wärme durch Strom von der Ansteuerschaltung, der durch die Elektrode daran angelegt wird. Das Heizelement ist vorgesehen, um eine schallemittierende Oberfläche zu bilden, die mit der Luft in Berührung kommt, und Luft um die schallemittierende Oberfläche herum wird durch die Änderung der Temperatur ausgedehnt oder zusammengezogen. Daher wird in der Nähe der schallemittierenden Oberfläche ein Luftdruck, d. h. eine Schallwelle, erzeugt. Die wärmeisolierende Schicht ist zwischen dem Heizelement und dem Substrat vorgesehen und unterdrückt die Wärmeleitung von dem Heizelement auf die der schallemittierenden Oberfläche entgegengesetzte Seite. Das Substrat führt Wärme ab, die von dem Heizelement übertragen wird.
Der Empfänger 11 beinhaltet zum Beispiel ein Mikrofon, wie etwa ein MEMS-Mikrofon (für mikro-elektro-mechanisches System). Der Empfänger 11 empfängt ein Echo von dem Objekt 3 und erzeugt ein Empfangssignal, das ein Empfangsergebnis angibt. Der Abstand zwischen dem Empfänger 11 und dem Sender 10 wird im Voraus festgelegt, z. B. unter Berücksichtigung eines geschätzten Abstands zwischen der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 und dem Objekt 3 während der Detektion. Der Empfänger 11 ist nicht darauf beschränkt, das MEMS-Mikrofon zu beinhalten, sondern kann auch ein anderes Mikrofon mit Frequenzcharakteristiken beinhalten, mit denen zum Beispiel vom Sender 10 gesendete Breitband-Ultraschallwellen empfangen werden können. Zum Beispiel kann ein Kondensatormikrofon für den Empfänger 11 verwendet werden. Der Empfänger 11 kann omnidirektional sein oder kann in geeigneter Weise verschiedene Richtcharakteristiken aufweisen.
Die Steuereinheit 13 steuert den gesamten Betrieb der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1. Zum Beispiel beinhaltet die Steuereinheit 13 einen Mikrocomputer und implementiert in Zusammenarbeit mit einer Software eine gegebene Funktion. Die Steuereinheit 13 liest Daten und ein in dem Speicherteil 14 gespeichertes Programm und führt verschiedene Arten von arithmetischer Verarbeitung aus, wodurch verschiedene Funktionen implementiert werden. Zum Beispiel erzeugt die Steuereinheit 13 ein Sendesignal, das den Sender 10 veranlasst, eine Chirp-Welle zu erzeugen, und gibt das Sendesignal an den Sender 10 aus. Die Steuereinheit 13 speichert zum Beispiel das erzeugte Sendesignal in dem Speicherteil 14. Details der Steuereinheit 13 werden später beschrieben.
Es ist anzumerken, dass die Steuereinheit 13 eine Hardware-Schaltung wie etwa eine dedizierte elektronische Schaltung sein kann, die dazu konstruiert ist, eine gegebene Funktion zu implementieren, oder eine elektronische Schaltung, die rekonfigurierbar ist. Die Steuereinheit 13 kann verschiedene integrierte Halbleiterschaltungen beinhalten, wie z. B. eine CPU, eine MPU, einen DSP, einen FPGA und einen ASIC. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 13 einen Analog-/Digital-Wandler (A/D) und einen Digital-/Analog-Wandler (D/A) beinhalten, und die A/D-Wandlung oder D/A-Wandlung kann auf verschiedene Signale angewendet werden.
Der Speicherteil 14 ist ein Speichermedium, das ein Programm und Daten speichert, die für die Implementierung der Funktion der Steuereinheit 13 notwendig sind, und beinhaltet zum Beispiel einen Flash-Speicher. Zum Beispiel speichert der Speicherteil 14 das von der Steuereinheit 13 erzeugte Sendesignal.
1-3. Steuereinheit
Details der Steuereinheit 13 der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 in dieser Ausführungsform werden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Ausgestaltung der Steuereinheit 13 veranschaulicht. Wie in 3 veranschaulicht, beinhaltet die Steuereinheit 13 als funktionale Teile zum Beispiel FFT-Teile 131a und 131b, einen Kreuzspektraloperations-Teil 132, einen Hilbert-Transformations-Teil 133, IFFT-Teile 134a und 134b und einen Analyseverarbeitungs-Teil 135. Die funktionellen Teile 131 bis 135 implementieren die Funktionen der schnellen Fourier-Transformation (FFT), Kreuzspektraloperation, Hilbert-Transformation, inversen schnellen Fourier-Transformation (IFFT) und Analyseverarbeitung, die jeweils nachstehend beschrieben werden.
Die Steuereinheit 13 empfängt zum Beispiel Eingaben eines Sendesignals Sd von dem Speicherteil 14 und eines Empfangssignals Sr von dem Empfänger 11 und führt die Signalverarbeitung durch jeden der funktionellen Teile 131 bis 135 aus. Zum Beispiel kann jeder der funktionellen Teile 131 bis 135 periodisch mit einer gegebenen Messungs-Frame-Rate (zum Beispiel 30 Frames pro Sekunde) betrieben werden, wie nachstehend noch beschrieben wird.
Unter den funktionellen Teilen 131 bis 135 wird eine Reihe von Verarbeitungen durch den FFT-Teil 131 bis zu dem IFFT-Teil 134 ausgeführt, um ein analytisches Signal auf Grundlage des Sendesignals Sd und des Empfangssignals Sr jedes Frames zu erzeugen. Das analytische Signal ist ein komplexes Signal, das eine Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem Sendesignal Sd und dem Empfangssignal Sr beinhaltet, und wird zur Detektion einer Verschiebung durch die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 verwendet. Die Kreuzkorrelationsfunktion gibt die Korrelation zwischen den beiden Signalen Sd und Sr in einer Zeitdomäne an.
Der FFT-Teil 131a führt die schnelle Fourier-Transformation in Bezug auf das in die Steuereinheit 13 eingegebene Sendesignal Sd durch und gibt ein Transformationsergebnis der Umwandlung von einer Zeitdomäne in eine Frequenzdomäne an den Kreuzspektraloperations-Teil 132 aus. Der FFT-Teil 131b führt die schnelle Fourier-Transformation in Bezug auf das in die Steuereinheit 13 eingegebene Empfangssignal Sr ähnlich wie in Bezug auf das Sendesignal Sd durch und gibt ein Transformationsergebnis an den Kreuzspektraloperations-Teil 132 aus.
Der Kreuzspektraloperations-Teil 132 berechnet das Kreuzspektrum auf Grundlage des Ergebnisses der Fourier-Transformation durch den FFT-Teil 131 für jedes der Signale Sd und Sr und gibt das berechnete Kreuzspektrum an den Hilbert-Transformations-Teil 133 und den IFFT-Teil 134b aus. Das Kreuzspektrum entspricht der Fourier-Transformation der Kreuzkorrelations-Funktion des Sendesignals Sd und des Empfangssignals Sr, und die Kreuzkorrelations-Funktion kann erhalten werden, indem die inverse Fourier-Transformation auf das Kreuzspektrum angewendet wird.
Der Hilbert-Transformations-Teil 133 führt die Hilbert-Transformation des Kreuzspektrums durch, das von dem Kreuzspektraloperations-Teil 132 erhalten wird, und gibt an den IFFT-Teil 134a ein Transformations-Ergebnis jeder FrequenzKomponente des Kreuzspektrums mit einer Verschiebung von π/2 aus.
Der IFFT-Teil 134a führt eine inverse schnelle Fourier-Transformation in Bezug auf das Kreuzspektrum durch, auf das die Hilbert-Transformation angewendet wird, und gibt an den Analyseverarbeitungsteil 135 ein Transformationsergebnis der Umwandlung von der Frequenzdomäne in die Zeitdomäne aus. Der IFFT-Teil 134b führt eine inverse schnelle Fourier-Transformation in Bezug auf das von dem Kreuzspektraloperations-Teil 132 erhaltene Kreuzspektrum durch und gibt an den Analyseverarbeitungs-Teil 135 ein Transformationsergebnis aus.
Durch die arithmetische Verarbeitung wie vorstehend beschrieben wird als Transformationsergebnis durch den IFFT-Teil 134b ein Signal I ausgegeben, das die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen den Sende- und Empfangssignalen Sd und Sr angibt, und als Transformationsergebnis des IFFT-Teils 134a wird ein Signal Q ausgegeben, das eine Quadraturbeziehung in Bezug auf das Signal I aufweist.
Der Analyseverarbeitungs-Teil 135 erzeugt ein analytisches Signal, das die Signale I und Q jeweils als einen Realteil und einen Imaginärteil aufweist, und führt die Verarbeitung in Verbindung mit dem analytischen Signal aus. Das analytische Signal, das auf Grundlage des Sendesignals Sd und des Empfangssignals Sd erzeugt wurde, gibt eine analytische Funktion in einer komplexen Domäne an. Die Signale I und Q werden im Folgenden als eine In-Phase-Komponente I bzw. eine Quadratur-Komponente Q des analytischen Signals bezeichnet.
Jede Funktion der Steuereinheit 13, wie vorstehend beschrieben, kann zum Beispiel durch das Programm implementiert werden, das in dem Speicherteil 14 gespeichert ist, oder ein Teil der oder die gesamte Funktion kann als eine Hardware-Schaltung implementiert werden. Darüber hinaus kann in der Steuereinheit 13 die Kreuzkorrelations-Funktion zum Beispiel durch eine Multiplikations-Akkumulierungs-Operation direkt aus den Sende- und Empfangssignalen Sd und Sr berechnet werden, anstelle der Verarbeitung durch Ausführen der inversen Fourier-Transformation nach der auf die Fourier-Transformation folgenden Kreuzspektraloperation. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 13 mit einer Schaltung versehen sein, wie etwa einem FPGA, welche die Multiplikations-Akkumulierungs-Operation ausführt. Darüber hinaus ist die Erzeugung des analytischen Signals in der Steuereinheit 13 nicht darauf begrenzt, durch die Hilbert-Transformation erreicht zu werden, sondern kann zum Beispiel auch durch eine Funktion der Quadratur-Detektion erreicht werden.
2. Betrieb
Der Betrieb der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1, welche die vorstehend beschriebene Ausgestaltung aufweist, wird nachstehend beschrieben.
2-1. Schema des Betriebs
Ein Schema des Betriebs der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 in dieser Ausführungsform, um eine Verschiebung des Objekts 3 zu detektieren, wird unter Bezugnahme auf die 1, 4 und 5 beschrieben.
Wenn man zum Beispiel, wie in 1 veranschaulicht, davon ausgeht, dass der Vorgang des einmaligen Sendens einer Chirp-Welle von dem Sender 10 auf das Objekt 3 und des Empfangens eines Echos der Chirp-Welle durch den Empfänger 11 einen Messvorgang für einen Frame darstellt, führt die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform die Messvorgänge der jeweiligen Frames sequenziell aus. In der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 erzeugt die Steuereinheit 13 das analytische Signal, um die Korrelation zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal für jeden Messungs-Frame zu analysieren.
4 ist ein Graph, der ein analytisches Signal z(t) in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 veranschaulicht. In 4 ist ein Beispiel für das analytische Signal z(t) eines Frames dargestellt. Das analytische Signal z(t) beinhaltet als einen Realteil eine In-Phase-Komponente I(t), welche die Kreuzkorrelations-Funktion zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal angibt, und beinhaltet als einen Imaginärteil eine entsprechende Quadratur-Komponente Q(t). Daher wird das analytische Signal z(t) komplexiert und weist einen Bereich der komplexen Zahl auf.
Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 berechnet zum Beispiel eine Hüllkurve E(t) = |z(t)| des analytischen Signals z(t) und detektiert einen Spitzenzeitpunkt t₀. Der Spitzenzeitpunkt t₀ ist ein Zeitpunkt, zu dem eine Amplitude |z(t)| in dem analytischen Signal z(t) eines Frames am größten wird, und wird als ein Zeitpunkt angesehen, der einem Reflexionszeitpunkt an dem Objekt 3 während des Sendens und Empfangens der Chirp-Welle des Frames entspricht.
Hier wird auf herkömmliche Weise ein Verfahren zur Messung eines Verschiebungsbetrages vorgeschlagen, bei dem nur die Hüllkurve E(t) des analytischen Signals z(t) analysiert wird. Bei diesem Messverfahren wird der Spitzenzeitpunkt der Hüllkurve E(t) für jeden Frame detektiert, und die Spitzenzeitpunkte zweier aufeinanderfolgender Frames werden miteinander verglichen, so dass der Verschiebungsbetrag gemessen wird. Bei diesem Messverfahren ist jedoch eine Situation denkbar, in welcher eine geringfügige Verschiebung nur schwer genau detektiert werden kann, als Ergebnis davon, dass die Auflösung zur Detektion des Spitzenzeitpunkts auf Grundlage der Hüllkurve E(t) eine Messgrenze für den Verschiebungsbetrag darstellt, oder als Ergebnis des Einflusses von Rauschen auf die Hüllkurve E(t).
In dieser Hinsicht analysiert die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform eine Phase ∠z(t), bei der es sich um eine Information handelt, die nicht in der Hüllkurve E(t) beinhaltet ist, in dem analytischen Signal z(t), das durch Komplexierung der Kreuzkorrelationsfunktion erhalten wird. 5(a) zeigt beispielhaft die Hüllkurve E(t) des in 4 veranschaulichten analytischen Signals z(t). 5(b) zeigt beispielhaft eine Phasenkurve θ(t) des in 4 veranschaulichten analytischen Signals z(t).
Die Phasenkurve θ(t) gibt die Korrespondenz zwischen der Phase ∠z(t), die in dem Bereich der komplexen Zahl in dem analytischen Signal z(t) definiert ist, und einem Zeitpunkt t an. Die in 5(b) beispielhaft gezeigte Phasenkurve θ(t) weist einen steilen Anstieg in einem sägezahnförmigen Graph auf, verknüpft mit einer Schwankung in der Hüllkurve E(t), die in 5(a) veranschaulicht ist. Der Anstieg der Phasenkurve θ(t) ist durch eine Frequenz zu jedem Zeitpunkt t in dem analytischen Signal z(t) definiert, (das heißt, eine momentane Frequenz).
In der Phasenkurve θ(t) des analytischen Signals z(t) für jeden Frame ist eine Phase ∠z(t₀) zu dem Spitzenzeitpunkt t₀ des Frames theoretisch ein Nullwert, und es wird angenommen, dass er einen Offset-Wert in Abhängigkeit von verschiedenen Rauschfaktoren in der Implementierung aufweist. Darüber hinaus wird theoretisch angenommen, dass in der Phasenkurve θ(t) die Linearität in der Nähe des Spitzenzeitpunkts t₀ der Hüllkurve E(t) vergleichsweise hoch ist.
Zum Beispiel berechnet die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform eine Phasendifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Frames unter Verwendung des Spitzenzeitpunkts t₀ eines der zwei Frames als Referenzzeitpunkt, und misst den Verschiebungsbetrag des Objekts 3 durch Umwandlung aus der Phasendifferenz. Daher kann eine Verschiebung des Objekts 3 zum Beispiel mit hoher Genauigkeit in einem Ausmaß detektiert werden, das kleiner als die vorstehend beschriebene Auflösung ist. Zum Beispiel kann in einer solchen Umwandlung aus der Phasendifferenz ein geringfügiger Verschiebungsbetrag in Abhängigkeit von der Steilheit der Steigung der Phasenkurve θ(t) berechnet werden.
2-2. Detail des Betriebs
Details des Betriebs der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 in dieser Ausführungsform werden unter Bezugnahme auf die 3 bis 12 beschrieben.
6 ist ein Flussdiagramm, das beispielhaft den Betrieb der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 veranschaulicht. 7 ist ein Diagramm, das beispielhaft das Sendesignal Sd und das Empfangssignal Sr in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 zeigt. 8 ist ein Diagramm, das den Betrieb der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 veranschaulicht. Jede in dem Flussdiagramm in 6 angegebene Verarbeitung wird von der Steuereinheit 13 der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 wiederholt in einem bestimmten Zeitraum (zum Beispiel alle zwei Frames) ausgeführt.
7(a) zeigt beispielhaft das Sendesignal Sd zur Erzeugung der Chirp-Welle, die von dem Sender 10 gesendet werden soll. 7(b) zeigt beispielhaft das Empfangssignal Sr des Empfängers 11 als Antwort auf 7(a). 8(a) zeigt beispielhaft die Hüllkurven E1 und E2 der analytischen Signale z(t) jeweils eines ersten Frames und eines zweiten Frames. 8(b) zeigt beispielhaft die Phasenkurven θ1 und θ2 der analytischen Signale z(t) jeweils des ersten Frames und des zweiten Frames. In 8 sind unter den Abtastpunkten in dem analytischen Signal z(t) fünf Punkte in der Nähe des Spitzenzeitpunkts t₀ in der Hüllkurve E1 und der Phasenkurve θ1 des ersten Frames veranschaulicht. Jeder Abtastpunkt gibt einen Signalwert z(t_i) zu einem entsprechenden Zeitpunkt T_i in dem analytischen Signal z(t) an, das als ein diskretes Signal erzeugt wird.
In dem Flussdiagramm in 6 gibt die Steuereinheit 13 der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 zuerst das Sendesignal Sd an den Sender 10 aus und steuert den Sender 10 so, dass er die Chirp-Welle auf Grundlage des Sendesignals Sd (S1) sendet. Auf Grundlage des Sendesignals Sd, das in 7(a) veranschaulicht ist, wird die Chirp-Welle, deren Frequenz sich mit der Zeit über eine Chirp-Länge Tc ändert, von dem Sender 10 gesendet. Die Chirp-Länge Tc wird auf eine Periode eingestellt, die kürzer ist als ein Zeitintervall zwischen Frames.
Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform verwendet als das Sendesignal Sd ein Chirp-Signal, das mit Pulsbreitenmodulation angewendet wird. Die Pulsbreitenmodulation ändert Intervalle zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen mit der Zeit, wie beispielhaft in 7(a) gezeigt wird. In dem Sender 10, der in dieser Ausführungsform den thermoakustischen Wandler beinhalten, ist der Stromverbrauch durch die Ansteuerschaltung hoch, während jeder Impuls in einem EIN-Zustand ist. Die Pulsbreitenmodulation kann den Stromverbrauch in dem Sender 10 verringern.
Obwohl in dem Beispiel in 7(a) das Sendesignal Sd ein Abwärts-Chirp-Signal ist, in welchem eine Frequenz mit der Zeit abnimmt, kann das Sendesignal Sd auch ein Aufwärts-Chirp-Signal sein, in welchem eine Frequenz mit der Zeit ansteigt. Durch eine solche Chirp-Welle wird zum Beispiel die Dämpfung bei der Ausbreitung in der Luft unterdrückt, und eine Verschiebung kann im Vergleich zu einem Fall, in dem eine Ultraschallwelle mit einer einzigen hohen Frequenz verwendet wird, wie in Nicht-Patentdokument 1 beschrieben, genau detektiert werden.
Zurück zu 6, erfasst die Steuereinheit 13 nach dem Senden der Chirp-Welle (S1) das Empfangssignal Sr von dem Empfänger 11, welches das Empfangsergebnis des ersten Frames (S2) angibt. Das Empfangsergebnis des ersten Frames gibt ein Echo als Antwort auf die bei Schritt S1 gesendete Chirp-Welle an. In 7(b) wird das Empfangssignal Sr empfangen, das gegenüber dem Anstieg der in 7(a) dargestellten aufeinanderfolgenden Impulse um eine Zeitspanne zwischen der Sendung der Chirp-Welle und dem Empfang des Echos (d. h. eine Ausbreitungsperiode der Chirp-Welle) verzögert ist.
Als Nächstes erzeugt die Steuereinheit 13 das analytische Signal z(t), indem sie die Kreuzkorrelations-Funktion zwischen dem Sendesignal Sd und dem Empfangssignal Sr des ersten Frames auf Grundlage der Signale Sd und Sr berechnet, und führt die Verarbeitung zur Extraktion der Phaseninformationen in dem analytischen Signal z(t) (S3) aus. In einer solchen Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) führt die Steuereinheit 13 zum Beispiel als jeden der in 3 dargestellten funktionalen Teile 131 bis 135 die Erzeugung und Verarbeitung des analytischen Signals z(t) auf Grundlage des in dem Speicherteil 14 gespeicherten Sendesignals Sd und des bei Schritt S2 erfassten Empfangssignals Sr aus.
Eine Kreuzkorrelations-Funktion c(τ) zwischen den Signalen Sd und Sr wird durch die folgende Formel dargestellt. $c (τ) = lim_{T \to \infty} \frac{1}{T} \int_{- \frac{T}{2}}^{\frac{2}{T}} s_{d} (t) s_{r} (t + τ) d t$
Hier gibt T eine Periode für einen Frame an, und τ gibt eine Verzögerungszeit an. Die Kreuzkorrelations-Funktion c(τ) gibt eine Korrelation an, wenn die zwei Signale Sd und Sr die Verzögerungszeit τ aufweisen.
Die Steuereinheit 13 fungiert zum Beispiel als der FFT-Teil 131, der Kreuzspektraloperations-Teil 132, und der IFFT-Teil 134b, die in 3 veranschaulicht sind, und führt die inverse Fouriertransformation von dem Kreuzspektrum zwischen den Signalen Sd und Sr durch, wodurch die In-Phase-Komponente I(t) ausgegeben wird, welche die Kreuzkorrelations-Funktion c(τ) angibt. Darüber hinaus fungiert die Steuereinheit 13 als der FFT-Teil 131, der Kreuzspektraloperations-Teil 132, der Hilbert-Transformations-Teil 133 und der IFFT-Teil 134a, und führt die inverse Fouriertransformation von der Hilbert-Transformation des Kreuzspektrums durch, wodurch die Quadratur-Komponente Q(t) ausgegeben wird, welche die Hilbert-Transformation der Kreuzkorrelations-Funktion c(τ) angibt. Daher wird das analytische Signal z(t) = I(t) + jQ(t) auf Grundlage der Komponenten I(t) und Q(t) erhalten (j ist eine imaginäre Einheit).
In der Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) detektiert die Steuereinheit 13 den Spitzenzeitpunkt t₀ aus der Hüllkurve E(t) des analytischen Signals z(t), und extrahiert aus der Phase ∠z(t) die Phaseninformationen, welche die Phase ∠z(t₀) zu dem Spitzenzeitpunkt t₀ beinhalten. 8(a) und 8(b) sind vergrößerte Graphen der Umgebung des Spitzenzeitpunkts t₀ entsprechend den 5(a) und 5(b). In dem Beispiel in 8(a) wird der Spitzenzeitpunkt t₀ in der Hüllkurve E1 des ersten Frames detektiert. Die Phaseninformationen werden aus der Phase ∠z(t) auf der Phasenkurve θ1 des ersten Frames, in 8(b) veranschaulicht, extrahiert, wobei der Spitzenzeitpunkt t₀ als Referenzzeitpunkt verwendet wird. Details der Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) werden später beschrieben.
Als Nächstes führt die Steuereinheit 13 auf ähnliche Weise wie in den Schritten S1 und S2 das Senden und Empfangen einer Chirp-Welle für den zweiten Durchgang aus und empfängt das Empfangssignal Sr entsprechend dem Sendesignal Sd des zweiten Frames (S4 und S5).
Die Steuereinheit 13 verwendet die Phaseninformationen des ersten Frames und die Phaseninformationen des analytischen Signals z(t), das auf Grundlage der Sende- und Empfangssignale Sd und Sr des zweiten Frames erzeugt wird, um die Verarbeitung zur Berechnung eines Verschiebungsbetrags Δx des Objekts 3 in Übereinstimmung mit einer Differenz in den Phaseninformationen zwischen den zwei Frames (S6) auszuführen. In einer solchen Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) erzeugt die Steuereinheit 13 als jeden der funktionalen Teile 131 bis 135, die zum Beispiel in 3 veranschaulicht sind, das analytische Signal z(t) des zweiten Frames und extrahiert die Phaseninformationen des zweiten Frames.
In der Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) fungiert die Steuereinheit 13 als derAnalyseverarbeitungs-Teil 135, der zum Beispiel in 3 veranschaulicht ist, und berechnet eine Differenz zwischen den Phaseninformationen der jeweiligen Frames. Zuerst extrahiert die Steuereinheit 13 die Phaseninformationen des zweiten Frames aus der Phase ∠z(t) auf der Phasenkurve θ2 des zweiten Frames, der in 8(b) veranschaulicht ist, zum Beispiel unter Verwendung des Spitzenzeitpunkts t₀ des ersten Frames als Referenzzeitpunkt. Als Nächstes berechnet die Steuereinheit 13 eine Phasendifferenz Δφ zwischen den Frames zu dem Spitzenzeitpunkt t₀ auf Grundlage der Differenz zwischen den Phaseninformationen der jeweiligen Frames. Die Steuereinheit 13 berechnet den Verschiebungsbetrag Δx zwischen Frames durch Umwandlung von einer solchen Spitzen-Phasendifferenz Δφ.
Der Verschiebungsbetrag Δx zwischen Frames wird durch die folgende Formel (1) dargestellt.
[Gleichung 2] $Δ x = \frac{c}{2} \frac{Δ φ}{2 π f_{c}}$
Hier gibt c eine Schallgeschwindigkeit an, π gibt ein Verhältnis eines Kreisumfangs an, und fc gibt eine Mittenfrequenz des analytischen Signals z(t) an. In der Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) in dieser Ausführungsform wird fc durch das analytische Signal z(t) des ersten Frames bestimmt und es wird als eine Steigung der Phase ∠z(t₀) zu dem Spitzenzeitpunkt t₀ (das heißt, der momentanen Frequenz) berechnet. Details der Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) werden nachstehend beschrieben.
In der Verarbeitung, wie oben beschrieben, extrahiert die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 die Phaseninformationen des analytischen Signals z(t) (S3), das dem Senden und Empfangen der Chirp-Welle bei dem ersten Durchgang zugeschrieben wird (S1 und S2), und berechnet den Verschiebungsbetrag Δx (S6), der durch Umwandlung aus der Spitzen-Phasendifferenz Δφ erhalten wird, im Vergleich mit dem analytischen Signal z(t), das dem Senden und Empfangen für den zweiten Durchgang (S4 und S5) zugeschrieben wird. Daher kann zum Beispiel der Detektionsfehler zum Beispiel aufgrund der Dämpfung des Empfangssignals Sr in der Luft und die Überlagerung von Rauschen verringert werden, und eine geringfügige Verschiebung des Objekts 3 kann sogar ohne Kontakt mit dem Objekt 3 genau bestimmt werden. Da die Detektion ohne Kontakt mit dem Objekt 3 durch eine solche Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 möglich ist, kann die Detektion einer geringfügigen Verschiebung einfacher sein.
In Bezug auf die Verschiebungsdetektion ist auf herkömmliche Weise ein Verfahren bekannt, bei welchem ein Abstand zu dem Objekt 3 zweimal auf Grundlage einer Verschiebung des Spitzenzeitpunkts des analytischen Signals z(t) geschätzt wird, und eine Differenz zwischen den Abständen in den jeweiligen Durchgängen wird als der Verschiebungsbetrag Δx berechnet. Bei einem solchen Verfahren, bei dem der Abstand auf Grundlage der Spitzenzeit geschätzt wird, ist bei der Detektion einer geringfügigen Verschiebung die Detektion einer Verschiebung schwierig, wenn die Verschiebung des Spitzenzeitpunkts kleiner ist als ein Zeitintervall der Abtastpunkte (das heißt, eine Abtastrate) in dem analytischen Signal z(t), wie zum Beispiel in 8(a) veranschaulicht. Andererseits kann sogar in einem solchen Fall die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform eine geringfügige Verschiebung genau detektieren, indem sie die Spitzen-Phasendifferenz Δφ, die durch Senden und Empfangen der Chirp-Wellen erhalten wird, in den Verschiebungsbetrag Δx umwandelt.
Darüber hinaus verringert in dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren, bei dem der Abstand abgeschätzt wird, eine Schwankung in einer Ausbreitungsperiode einer Schallwelle aufgrund eines Luftstroms oder dergleichen eine Genauigkeit der Abschätzung. In dieser Hinsicht berechnet die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform den Verschiebungsbetrag Δx direkt in einer kurzen Periode, etwa zwischen Frames, ohne Abschätzung des Abstands. Daher kann eine Verschiebung auch vom Gesichtspunkt der Unterdrückung des Einflusses zum Beispiel von einem Luftstrom oder dergleichen auf die Ausbreitungsperiode genau detektiert werden.
In der Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6), die vorstehend beschrieben wurde, wird ein Beispiel beschrieben, in welchem in Bezug auf das analytische Signal z(t) des zweiten Frames nur die Phaseninformationen verwendet werden. Alternativ kann die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 zum Beispiel den Spitzenzeitpunkt auch in Bezug auf das analytische Signal z(t) des zweiten Frames detektieren und den detektierten Spitzenzeitpunkt zusammen mit dem Spitzenzeitpunkt t₀ des ersten Frames verwenden, um den Verschiebungsbetrag Δx zu berechnen, und sie kann diese auch in der Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) in der nächsten Ausführungsperiode verwenden. Darüber hinaus kann in der Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) die Spitzen-Phasendifferenz unter Verwendung des Spitzenzeitpunkts des zweiten Frames als der Referenzzeitpunkt berechnet werden. Zum Beispiel kann die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 den Spitzenzeitpunkt in dem analytischen Signal z(t) des zweiten Frames anstatt jenes des ersten Frames detektieren.
Obwohl vorstehend das Beispiel beschrieben wurde, bei welchem die in 6 angegebene Verarbeitung mit einer Periode von alle zwei Frames ausgeführt wird, kann sie darüber hinaus mit einer Periode ausgeführt werden, die sich von dem vorstehend erwähnten Beispiel unterscheidet Zum Beispiel kann die in 6 angegebene Verarbeitung in jedem Frame ausgeführt werden, und die Sende- und Empfangssignale Sd und Sr beim Senden und Empfangen der Chirp-Welle für den zweiten Durchgang (S4 und S5) können gehalten werden, und in der nächsten Ausführungsperiode kann die Verarbeitung von der Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) auf Grundlage der gehaltenen Signale Sd und Sr aus gestartet werden.
2-2-1. Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals
Details der Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals bei Schritt S3 in 6 werden unter Bezugnahme auf 9 und 10 beschrieben.
9 ist ein Flussdiagramm, das beispielhaft die Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform zeigt. 10 ist ein Diagramm, das die Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) veranschaulicht. 10(a) und 10(b) veranschaulichen die Amplitude |z(t)| und die Phase ∠z(t) des analytischen Signals z(t) jeweils in einer Zeitdomäne in der Nähe des Spitzenzeitpunkts t₀.
Die in dem Flussdiagramm in 9 angegebene Verarbeitung wird in dem Zustand gestartet, in dem zum Beispiel das Sendesignal Sd und das Empfangssignal Sr des ersten Frames bei den Schritten S1 und S2 in 6 gehalten werden.
Zuerst detektiert die Steuereinheit 13 der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 den Spitzenzeitpunkt t₀ in der Amplitude |z(t)| des analytischen Signals z(t), das auf Grundlage des Sendesignals Sd und des Empfangssignals Sr (S11) erhalten wird. Die Steuereinheit 13 berechnet, als FFT-Teil 131 bis zu dem IFFT-Teil 134, die zum Beispiel in 3 veranschaulicht sind, die In-Phase-Komponente I und die Quadratur-Komponente Q auf Grundlage des Sendesignals Sd und des Empfangssignals Sr. Die Steuereinheit 13 berechnet als der Analyseverarbeitungs-Teil 135, der zum Beispiel in 3 veranschaulicht ist, die Hüllkurve E(t) = |z(t)| durch eine Wurzel der Summe der Quadrate der In-Phase-Komponente I und der Quadratur-Komponente Q. Die Steuereinheit 13 detektiert den Zeitpunkt, zu welcher die Amplitude |z(t)| am weitesten wird, als den Spitzenzeitpunkt t₀ = argmax|z(t)| auf Grundlage der Hüllkurve E(t).
Als Nächstes spezifiziert die Steuereinheit 13 eine gegebene Anzahl von (zum Beispiel fünf) Abtastpunkten in dem analytischen Signal z(t) in der Umgebung des Spitzenzeitpunkts t₀ und extrahiert die Phase ∠z(t) an jedem davon als die Phaseninformationen (S12). In dem Beispiel in 10(a) werden fünf Punkte in dem analytischen Signal als die Abtastpunkte spezifiziert, zu Abtastzeitpunkten t_-2, t_-1, t₁, und t₂, wovon jeweils zwei vor und nach dem Spitzenzeitpunkt t₀ positioniert sind, und einer in der Mitte positioniert ist. In 10(b), werden die Phasen φ-2, φ-1, φ₀, φ₁, und φ₂ des analytischen Signals z(t) zu den Abtastzeitpunkten t_-2 bis t₂ als die Phasen ∠z(t) an den jeweiligen in 10(a) spezifizierten Abtastpunkten extrahiert.
Die Phase φ_i = ∠z(t_i) des analytischen Signals zu dem Zeitpunkt t_i wird durch die folgende Formel unter Verwendung der In-Phase-Komponente l(t_i) und der Quadratur-Komponente Q(t_i) zu dem Zeitpunkt t_i dargestellt. $∠ z (t_{i}) = arctan (Q (t_{i}) / I (t_{i}))$
Die Steuereinheit 13 hält, zum Beispiel in dem Speicherteil 14, die Abtastzeitpunkte t_-2 bis t₂ in der Umgebung des Spitzenzeitpunkts t₀ und die Phasen φ_-2 bis φ₂ an den extrahierten Abtastpunkten.
Die Steuereinheit 13 berechnet, zum Beispiel durch die Methode der kleinsten Quadrate, eine Steigung einer Regressionslinie (das heißt, einen Regressionskoeffizienten) in Bezug auf die Phasen φ_-2 bis φ₂ an den extrahierten Abtastpunkten als die momentane Frequenz fc entsprechend der Mittenfrequenz des analytischen Signals z(t) (S13). In dem Beispiel in 10(b) wird eine Steigung einer Regressionslinie L1 in Bezug auf die Phasen φ_-2 bis φ₂ als die momentane Frequenz fc berechnet.
Zum Beispiel speichert die Steuereinheit 13 die berechnete momentane Frequenz fc in dem Speicherteil 14 und beendet die Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3). Anschließend geht die Verarbeitung weiter zu Schritt S4 in 6.
In der vorstehend beschriebenen Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) werden die Phasen φ_-2 bis φ₂ an den Abtastpunkten in der Umgebung des Spitzenzeitpunkts t₀ extrahiert (S12), nachdem der Spitzenzeitpunkt t₀ in der Amplitude |z(t)| des analytischen Signals z(t) detektiert wurde (S11). Anschließend wird die momentane Frequenz fc des analytischen Signals z(t) auf Grundlage der Regressionslinie L1 im Hinblick auf die extrahierten Phasen der jeweiligen Abtastpunkte (S13) berechnet. Auf diese Weise kann in dem analytischen Signal z(t) die momentane Frequenz fc unter Verwendung der Phasen φ_-2 bis φ₂ an den mehreren Abtastpunkten genau berechnet werden und die Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) kann ausgeführt werden.
In der vorstehend beschriebenen Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) wird ein Beispiel beschrieben, bei welchem fünf Abtastpunkte in der Umgebung der Spitze spezifiziert werden und für die Extraktion der Phase ∠z(t) verwendet werden. Die Anzahl der Abtastpunkte in der Umgebung der Spitze ist nicht auf fünf beschränkt, sondern kann auch drei betragen, was zum Beispiel den Spitzenzeitpunkt t₀ und jeweils einen Abtastzeitpunkt vor und nach dem Spitzenzeitpunkt t₀ beinhaltet.
2-2-2. Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames
Details der Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames bei Schritt S6 in 6 werden unter Bezugnahme auf die 11 und 12 beschrieben.
11 ist ein Flussdiagramm, das beispielhaft die Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform zeigt. 12 ist ein Diagramm, das die Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames veranschaulicht (S6). 12 veranschaulicht die Phasenkurven θ1 und θ2 der analytischen Signale z(t) jeweils des ersten Frames und des zweiten Frames.
Zum Beispiel wird jede Verarbeitung, die in dem Flussdiagramm in 11 angegeben ist, in dem Zustand gestartet, in dem die Phasen φ-₂ bis φ₂ und die Abtastzeitpunkte t_-2 bis t₂ in der Umgebung der Spitze des analytischen Signals z(t) des ersten Frames und der Sende- und Empfangssignale Sd und Sr des zweiten Frames, die bei den Schritten S3 bis S5 in 6 gewonnen wurden, gehalten werden.
Zuerst berechnet die Steuereinheit 13 in dem analytischen Signal z(t), das zum Beispiel auf Grundlage der Sende- und Empfangssignale Sd und Sr des zweiten Frames erhalten wurde, Phasen zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten t_-2 bis t₂ in der Umgebung des Spitzenzeitpunkts t₀ des ersten Frames als die Phaseninformationen des zweiten Frames (S21). Die Steuereinheit 13 erzeugt zum Beispiel das analytische Signal z(t) des zweiten Frames in ähnlicher Weise wie bei der Erzeugung des analytischen Signals z(t) des ersten Frames in der Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3). In dem Beispiel in 12 werden in dem erzeugten analytischen Signal z(t) des zweiten Frames die Phasen ψ_-2, ψ_-1, ψ₀, ψ₁ und ψ₂ zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten t_-2 bis t₂ in der Phase ∠z(t) an der Phasenkurve θ2 berechnet.
Als Nächstes berechnet die Steuereinheit 13 die Phasendifferenz zwischen den Frames zu jedem der Abtastzeitpunkte t_-2 bis t₂ (S22). In 12 werden Differenzen zwischen den Phasen φ_-2 bis φ₂ des ersten Frames und den Phasen ψ_-2 bis ψ₂ des zweiten Frames als die Phasendifferenzen Δφ_-2, Δφ_-1, Δφ₀, Δφ₁ und Δφ₂ für die jeweiligen Abtastzeitpunkte t_-2 bis t₂ berechnet.
Die Steuereinheit 13 berechnet einen Durchschnitt der Phasendifferenzen Δφ_-2 bis Δφ₂ zwischen dem ersten Frame und dem zweiten Frame zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten t_-2 bis t₂ als die Spitzen-Phasendifferenz Δφ zwischen den Frames (S23).
Die Steuereinheit 13 berechnet den Verschiebungsbetrag zwischen Frames Δx auf Grundlage der Spitzen-Phasendifferenz Δφ durch die Umwandlung, die zum Beispiel in der vorstehend erwähnten Formel (1) angegeben ist, unter Verwendung der momentanen Frequenz fc des ersten Frames (S24).
In der vorstehend beschriebenen Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) wird die Spitzen-Phasendifferenz Δφ auf Grundlage der Phasendifferenzen Δφ_-2 bis Δφ₂ im Vergleich mit dem zweiten Frame zu den Abtastzeitpunkten t_-2 bis t₂ in der Umgebung der Spitze des ersten Frames berechnet (S21 bis S23), und der Verschiebungsbetrag zwischen Frames Δx wird in Abhängigkeit von der Spitzen-Phasendifferenz Δφ (S24) berechnet. Daher wird die Spitzen-Phasendifferenz Δφ unter Verwendung der Phasendifferenzen Δφ_-2 bis Δφ₂ an den mehreren Abtastpunkten abgeschätzt, und eine Verschiebung kann auf Grundlage der Spitzen-Phasendifferenz Δφ genau detektiert werden.
In der vorstehend beschriebenen Verarbeitung zur Berechnung der Verschiebung zwischen Frames (S6) wird ein Beispiel beschrieben, bei welchem der Durchschnitt der Phasendifferenzen Δφ_-2 bis Δφ₂ zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten t_-2 bis t₂ als die Spitzen-Phasendifferenz Δφ verwendet wird. Die Spitzen-Phasendifferenz Δφ ist nicht auf das vorstehend beschriebene Beispiel beschränkt, vielmehr kann zum Beispiel die Phasendifferenz Δφ₀ zwischen den Frames zu dem SpitzenZeitpunkt t₀ des ersten Frames verwendet werden. Darüber hinaus kann zum Beispiel ein Spitzenzeitpunkt auch im Hinblick auf das analytische Signal z(t) des zweiten Frames durch die Verarbeitung ähnlich dem Schritt S11 der Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) detektiert werden, und die Spitzen-Phasendifferenz Δφ kann auf Grundlage eines erhaltenen Durchschnitts berechnet werden, indem er mit einer Phasendifferenz in der Umgebung des Spitzenzeitpunkts des zweiten Frames addiert wird. Die Spitzen-Phasendifferenz Δφ kann auf Grundlage der Regressionslinie L1 im Hinblick auf den ersten Frame, der beispielhaft in 10(B) dargestellt wird, und einer Funktion, die eine Regressionslinie angibt, die in ähnlicher Weise wie die Regressionslinie L1 im Hinblick auf die Phase ∠z(t) des zweiten Frames anwendbar ist, berechnet werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Schritt S24 wird ein Beispiel beschrieben, bei welchem der Verschiebungsbetrag Δx unter Verwendung der momentanen Frequenz fc des ersten Frames berechnet wird. Schritt S24 ist jedoch nicht auf die momentane Frequenz fc des ersten Frames begrenzt, vielmehr kann zum Beispiel auch eine momentane Frequenz, die auf Grundlage der Phase ∠z(t) des analytischen Signals z(t) des zweiten Frames durch eine Verarbeitung ähnlich den Schritten S11 bis S13 der Verarbeitung zur Extraktion der Phase des analytischen Signals (S3) berechnet wird, verwendet werden, um den Verschiebungsbetrag Δx zu berechnen. Darüber hinaus kann ein Durchschnitt aus der momentanen Frequenz fc des ersten Frames und der momentanen Frequenz des zweiten Frames verwendet werden, um den Verschiebungsbetrag Δx zu berechnen.
3. Zusammenfassung
Wie vorstehend beschrieben, beinhaltet die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform den Sender 10, den Empfänger 11 und die Steuereinheit 13. Der Sender 10 sendet auf das Objekt 3 eine Chirp-Welle als ein Beispiel einer modulierten Welle mit mehreren Frequenzen. Der Empfänger 11 empfängt eine Reflexionswelle (das heißt, ein Echo) von dem Objekt 3 und erzeugt das Empfangssignal Sr, welches das Empfangsergebnis angibt. Die Steuereinheit 13 steuert das Senden der Chirp-Welle durch den Sender 10 und erfasst das Empfangssignal Sr von dem Empfänger. Die Steuereinheit 13 gibt ein erstes Sendesignal Sd an den Sender 10 aus, um die Chirp-Welle (S1) zu senden, und erfasst ein erstes Antwort-Empfangssignal Sr (S2) in dem ersten Frame als ein Beispiel für eine erste Messperiode. Die Steuereinheit 13 extrahiert auf Grundlage des ersten Sendesignals Sd und des ersten Empfangssignals Sr erste Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem ersten Sendesignal Sd und dem ersten Empfangssignal Sr definiert ist (S3). Die Steuereinheit 13 gibt ein zweites Sendesignal Sd an den Sender 10 aus, um die Chirp-Welle zu senden (S4), und erfasst ein zweites Antwort-Empfangssignal Sr (S5) in dem zweiten Frame als ein Beispiel für eine zweite Messperiode nach der ersten Messperiode. Die Steuereinheit 13 extrahiert auf Grundlage des zweiten Sendesignals Sd und des zweiten Empfangssignals Sr zweite Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem zweiten Sendesignal Sd und dem zweiten Empfangssignal Sr definiert ist (S6). Die Steuereinheit 13 detektiert eine Verschiebung zwischen Frames des Objekts zwischen dem ersten Frame und dem zweiten Frame als ein Beispiel für die erste und zweite Messperiode, in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen (S6).
Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 detektiert wie vorstehend beschrieben eine Verschiebung des Objekts 3 zwischen der ersten und der zweiten Messperiode in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen. Daher kann eine geringfügige Verschiebung zum Beispiel in Abhängigkeit von der Steilheit der Steigung der Phase genau detektiert werden, wie in 5(b) veranschaulicht.
In dieser Ausführungsform erzeugt die Steuereinheit 13 auf Grundlage des ersten Sendesignals Sd und des ersten Empfangssignals Sr ein erstes analytisches Signal z(t), das die Amplitude |z(t)| und die Phase ∠z(t) beinhaltet, die in der Korrelation zwischen dem ersten Sendesignal Sd und dem ersten Empfangssignal Sr definiert ist, und extrahiert die Phasen φ_-2 bis φ₂ des ersten Frames als ein Beispiel für die ersten Phaseninformationen aus dem ersten analytischen Signal z(t) (S3, S11 und S12). Die Steuereinheit 13 erzeugt auf Grundlage des zweiten Sendesignals Sd und des zweiten Empfangssignals Sr ein zweites analytisches Signal z(t), das die Amplitude |z(t)| und die Phase ∠z(t) beinhaltet, die in der Korrelation zwischen dem zweiten Sendesignal Sd und dem zweiten Empfangssignal Sr definiert ist, und extrahiert die Phasen ψ_-2 bis ψ₂ des zweiten Frames als ein Beispiel für die zweiten Phaseninformationen aus dem zweiten analytischen Signal z(t) (S6 und S21). Daher können die Phaseninformationen durch Analyse der Phase ∠z(t) getrennt von der Amplitude |z(t)| in dem analytischen Signal z(t) extrahiert werden.
In dieser Ausführungsform detektiert die Steuereinheit 13 den Spitzenzeitpunkt t₀, zu welchem die Amplitude |z(t)| des analytischen Signals z(t) des ersten Frames am größten wird, als ein Beispiel einer Zeit, zu welcher zumindest eine von der Amplitude des ersten analytischen Signals und der Amplitude des zweiten analytischen Signals am größten wird (S3 und S11), und berechnet die Spitzen-Phasendifferenz Δφ als ein Beispiel für eine Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen unter Verwendung der detektierten Zeit als Referenzzeit (S6 und S21 to S24). Daher kann die Spitzen-Phasendifferenz Δφ unter Verwendung der Zeit der Reflexion an dem Objekt 3 beim Senden und Empfangen der Chirp-Welle des Frames als Referenzzeit berechnet werden.
In dieser Ausführungsform misst die Steuereinheit 13 den Verschiebungsbetrag Δx, der die Verschiebung des Objekts 3 angibt, auf Grundlage der Spitzen-Phasendifferenz Δφ als ein Beispiel für die Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen, und die momentane Frequenz fc als ein Beispiel für eine Steigung der Phase ∠z(t) zu dem Spitzenzeitpunkt t₀ (ein Beispiel für die Referenzzeit) (S6 und S24). Daher kann die Spitzen-Phasendifferenz Δφ unter Verwendung der momentanen Frequenz fc in den Verschiebungsbetrag Δx umgewandelt werden.
In dieser Ausführungsform berechnet die Steuereinheit 13 die Hüllkurve E(t) des analytischen Signals z(t) des ersten Frames als ein Beispiel für eine Hüllkurve von mindestens einer von einer Hüllkurve des ersten analytischen Signals und einer Hüllkurve des zweiten analytischen Signals, und detektiert auf Grundlage der berechneten Hüllkurve E(t) den Spitzenzeitpunkt t₀ als ein Beispiel für die Zeit, bei welcher die Amplitude |z(t)| am größten wird (S11). Daher kann die Spitzenzeit t₀ in der Hüllkurve E(t), die auf Grundlage sowohl der In-Phase-Komponente I als auch der Quadratur-Komponente Q erhalten wird, genau detektiert werden.
In dieser Ausführungsform erzeugt die Steuereinheit 13 das erste analytische Signal durch Komplexierung einer Kreuzkorrelations-Funktion zwischen dem ersten Sendesignal Sd und dem ersten Empfangssignal Sr für die Berechnung auf Grundlage des ersten Sendesignals Sd und des ersten Empfangssignals Sr (S3). Die Steuereinheit 13 erzeugt das zweite analytische Signal durch Komplexierung einer Kreuzkorrelations-Funktion zwischen dem zweiten Sendesignal Sd und dem zweiten Empfangssignal Sr zur Berechnung auf Grundlage des zweiten Sendesignals Sd und des zweiten Empfangssignals Sr (S6). Daher kann die Phase ∠z(t), die in dem Bereich der komplexen Zahl des komplexierten analytischen Signals z(t) definiert ist, auf Grundlage der Kreuzkorrelations-Funktion berechnet werden, welche die Korrelation zwischen dem Sendesignal Sd und dem Empfangssignal Sr in der Zeitdomäne angibt.
In dieser Ausführungsform veranlasst jedes Sendesignal Sd den Sender 10, die modulierte Welle durch den Linearfrequenz-Chirp zu senden (S1 und S4). Daher kann eine Verschiebung unter Verwendung von Informationen, die zum Beispiel von unterschiedlichen Frequenzen erhalten werden, genau detektiert werden.
In dieser Ausführungsform beinhaltet der Sender 10 den thermoakustischen Wandler, der als die modulierte Welle eine Chirp-Welle als ein Beispiel für eine Schallwelle mit mehreren Frequenzen aussendet. Daher kann der Sender 10 eine Chirp-Welle durch eine Breitband-Ultraschallwelle mit zum Beispiel ungefähr 20 kHz bis 100 kHz senden.
Das Verfahren zur Verschiebungsdetektion dieser Ausführungsform wird von der Steuereinheit 13 ausgeführt, welche den Sender 10 steuert, der auf das Objekt 3 die Chirp-Welle mit mehreren Frequenzen (ein Beispiel für die modulierte Welle) sendet, und von dem Empfänger 11, der die Reflexionswelle von dem Objekt 3 empfängt, das Empfangssignal erfasst, welches das Empfangsergebnis angibt. Die Steuereinheit 13 gibt ein erstes Sendesignal Sd an den Sender 10 aus, um die Chirp-Welle (S1) zu senden, und erfasst ein erstes Antwort-Empfangssignal Sr (S2) in dem ersten Frame als ein Beispiel für eine erste Messperiode. Die Steuereinheit 13 extrahiert auf Grundlage des ersten Sendesignals Sd und des ersten Empfangssignals Sr erste Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem ersten Sendesignal Sd und dem ersten Empfangssignal Sr definiert ist (S3). Die Steuereinheit 13 gibt ein zweites Sendesignal Sd an den Sender 10 aus, um die Chirp-Welle zu senden (S4), und erfasst ein zweites Antwort-Empfangssignal Sr (S5) in dem zweiten Frame als ein Beispiel für eine zweite Messperiode nach der ersten Messperiode. Die Steuereinheit 13 extrahiert auf Grundlage des zweiten Sendesignals Sd und des zweiten Empfangssignals Sr zweite Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem zweiten Sendesignal Sd und dem zweiten Empfangssignal Sr definiert ist (S6). Die Steuereinheit 13 detektiert eine Verschiebung des Objekts zwischen der ersten und der zweiten Messperiode in Abhängigkeit von der Spitzen-Phasendifferenz Δφ als ein Beispiel für die Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen (S6).
In dieser Ausführungsform wird ein Programm bereitgestellt, das die Steuereinheit 13 dazu veranlasst, das Verfahren zur Verschiebungsdetektion, wie vorstehend beschrieben, auszuführen. Das Verfahren zur Verschiebungsdetektion und das Programm ermöglichen, wie vorstehend beschrieben, die genaue Detektion einer geringfügigen Verschiebung des Objekts 3.
(Beispiel)
Ein Beispiel in Bezug auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform 1 wird unter Bezugnahme auf die 13 bis 15 beschrieben.
13 ist ein Diagramm, das die Herzschlagmessung unter Verwendung der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform veranschaulicht. 13(a) veranschaulicht ein Ausgestaltungsbeispiel eines Herzschlag-Messsystems unter Verwendung der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1. 13(b) zeigt ein Ergebnis der Messung durch das Herzschlag-Messsystem, das in 13(a) veranschaulicht ist. Die 14 und 15 zeigen ein Simulationsergebnis des Betriebs der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1.
Ein Herzschlag-Messsystem 2, das beispielhaft in 13(a) gezeigt wird, wird verwendet, um kontaktlos den Herzschlag eines Subjekts 30, das Bekleidung trägt, zu messen, indem eine geringfügige Verschiebung einer Körperoberfläche, die dem Herzschlag des Subjekts 30 zugeschrieben wird, zum Beispiel durch die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 detektiert wird. In dem in 13(a) veranschaulichten Herzschlag-Messsystem 2 wird der Herzschlag des Subjekts 30 nicht nur durch die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 gemessen, sondern auch durch einen Elektrokardiographen 4 als Referenz.
13(b) zeigt eine Verschiebung R1 zwischen Frames, die durch die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 detektiert wird, und eine Herzschlag-Wellenform R0, die von dem Elektrokardiographen 4 gemessen wird. In 13(b) gibt eine horizontale Achse eine Zeit (Einheit: Sekunde) an, eine linke vertikale Achse gibt eine Verschiebung (Einheit: Millimeter) an, und eine rechte vertikale Achse gibt eine Spannung der Herzschlag-Wellenform (Einheit: Volt) an. In 13(b) wird die Verschiebung R1, die sich mit der Zeit in Synchronisation mit der Herzschlag-Wellenform R0 ändert, detektiert. Wie vorstehend beschrieben, wurde bestätigt, dass die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform eine geringfügige Verschiebung wie etwa eine Körperbewegung, die durch den Herzschlag verursacht wird, genau detektieren konnte.
Um eine bevorzugte Messbedingung in der Herzschlag-Messung, wie in 13 veranschaulicht, zu identifizieren, wurde die folgende Simulation im Hinblick auf den Betrieb der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 durchgeführt.
(1) Beziehung zwischen Messungs-Frame-Rate und Lokalisierungsgenauigkeit
14 zeigt ein Simulationsergebnis im Hinblick auf die Beziehung zwischen der Messungs-Frame-Rate und der Genauigkeit der Lokalisierung (Verschiebungsdetektion) in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1. In 14 wurde eine Veränderung in der Lokalisierungsgenauigkeit, die mit einer Veränderung in der Messungs-Frame-Rate einhergeht, numerisch unter einer Bedingung simuliert, in welcher die Chirp-Länge Tc des Sendesignals Sd wie in 7(a) veranschaulicht 10 Millisekunden betrug und ein Frequenzband 80 kHz bis 20 kHz war. In diesem Beispiel wies die Lokalisierungsgenauigkeit auf eine Dispersion der gemessenen Werte hin, wenn die Messung eine gegebene Anzahl von Malen wiederholt wurde, ohne die Messbedingung zu verändern, wobei 3σ (das Dreifache einer Standardabweichung der gemessenen Werte) verwendet wurde.
Wenn zum Beispiel die Lokalisierungsgenauigkeit von ungefähr 20 µm (das heißt, 0,02 mm) in der Herzschlagmessung erwünscht ist, ist aus der in 14 veranschaulichten Beziehung ersichtlich, dass die Messungs-Frame-Rate von 30 Frames pro Sekunde (fps) oder mehr verwendet werden kann. Darüber hinaus beträgt bei dieser Messungs-Frame-Rate eine Periode eines Frames ungefähr 33 Millisekunden. Wenn daher ein Abstand von der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 zu dem Objekt 3, welches das Detektions-Zielobjekt ist, 50 cm beträgt, so ist eine längste Chirp-Länge unter Berücksichtigung einer Ausbreitungsperiode einer Schallwelle (ungefähr 3 Millisekunden) 30 Millisekunden. Die längste Chirp-Länge gibt eine obere Grenze der Chirp-Länge Tc an, die für das Sendesignal Sd eines Frames anwendbar ist.
(2) Beziehung zwischen SNR des Empfangssignals und Lokalisierungsgenauigkeit
15 zeigt ein Simulationsergebnis im Hinblick auf die Beziehung zwischen einem SNR (Signal-/Rausch-Verhältnis) des Empfangssignals und der Lokalisierungsgenauigkeit in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1. In 15 wurde eine Veränderung in der Lokalisierungsgenauigkeit, die mit einer Veränderung in dem SNR des Empfangssignals einhergeht, numerisch unter einer Bedingung simuliert, in welcher die Chirp-Länge Tc des Sendesignals Sd 30 Millisekunden betrug und ein Frequenzband 100 kHz bis 20 kHz war.
Wenn zum Beispiel die Lokalisierungsgenauigkeit von ungefähr 20 µm in der Herzschlagmessung erwünscht ist, ist aus der in 15 veranschaulichten Beziehung ersichtlich, dass das SNR auf 0 Dezibel (dB) oder mehr eingestellt werden kann. Zum Beispiel kann das SNR des Empfangssignals in Abhängigkeit von der Messumgebung durch eine Ansteuerspannung eingestellt werden, um die Ansteuerschaltung des Senders 10 anzusteuern.
(Weitere Ausführungsformen)
Wie vorstehend ausgeführt, wurde Ausführungsform 1 als ein Beispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform begrenzt, sondern ist auch auf andere Ausführungsformen anwendbar. Andere Ausführungsformen werden nachstehend beispielhaft beschrieben.
In Ausführungsform 1 wird ein Beispiel beschrieben, in welchem der Sender 10 den thermoakustischen Wandler beinhaltet. Der Sender 10 ist nicht darauf begrenzt, den thermoakustischen Wandler zu beinhalten, sondern kann auch zum Beispiel einen Band-Hochtöner beinhalten. Darüber hinaus kann der Sender 10 ein Ultraschallwandler unter Verwendung eines piezoelektrischen Oszillators oder dergleichen sein.
In Ausführungsform 1 ist ein Beispiel beschrieben, in welchem der Sender 10 eine Chirp-Welle ist, die durch einen Linearfrequenz-Chirp erzeugt wird. In dieser Ausführungsform kann der Sender 10 zum Beispiel eine Chirp-Welle durch einen Linearperioden-Chirp erzeugen, dessen Periode sich mit der Zeit linear ändert. Darüber hinaus kann der Sender 10 zum Beispiel eine breitbandmodulierte Welle unter Verwendung eines Spreizcodes erzeugen, etwa eines M-Sequenz-Codes oder eines Gold-Codes.
In Ausführungsform 1 wird ein Beispiel beschrieben, in welchem das Chirp-Signal durch die Pulsbreitenmodulation als das Sendesignal Sd in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 verwendet wird. In dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 nicht darauf begrenzt, das Sendesignal Sd durch die Pulsbreitenmodulation zu erzeugen, sondern kann das Sendesignal Sd zum Beispiel durch eine Pulsbreitenmodulation erzeugen, bei welcher eine Zeitbreite eines jeden Impulses in den aufeinanderfolgenden Impulsen sich mit der Zeit ändert.
In Ausführungsform 1 wird ein Beispiel beschrieben, in welchem der Sender 10 eine Schallwelle erzeugt. Die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 dieser Ausführungsform ist nicht notwendigerweise darauf begrenzt, den Sender 10 zu verwenden, der eine Schallwelle erzeugt, sondern kann den Sender 10 verwenden, der zum Beispiel eine elektromagnetische Welle verwendet. Auch in diesem Fall ist eine genaue Detektion einer geringfügigen Verschiebung eines Objekts durch Analyse einer Phasendifferenz von analytischen Signalen machbar, durch Verwendung von Signalen, die durch Senden und Empfangen von elektromagnetischen Breitbandwellen erfasst werden, deren Frequenz sich mit der Zeit ändert.
In Ausführungsform 1 wird ein Beispiel beschrieben, in welcher die Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 mit einem Sender 10 und einem Empfänger 11 versehen ist. In dieser Ausführungsform können einer oder beide von dem Sender und dem Empfänger, die in der Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion 1 vorgesehen sind, mehrere Sender oder/und Empfänger beinhalten.
In den anderen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen entfällt eine Beschreibung von Merkmalen, die jenen der Ausführungsform 1 entsprechen, und nur unterschiedliche Punkte wurden beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Ausführungsformen rein beispielhaft sind; und ein teilweiser Ersatz oder eine Kombination der in unterschiedlichen Ausführungsformen beschriebenen Ausgestaltungen ist möglich.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Programm zur Verschiebungsdetektion anwendbar, und ist insbesondere auf die Detektion einer geringfügigen Verschiebung eines Objekts anwendbar.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion
10: Sender
11: Empfänger
13: Steuereinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Kanai, M. Sato, Y. Koiwa und N. Chubachi, „Transcutaneous measurement and spectrum analysis of heart wall vibrations“, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Band 43, Nr. 5, S. 791-810, Sept. 1996, DOI: 10.1109/58.535480 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion, umfassend: einen Sender, der dazu ausgestaltet ist, eine modulierte Welle, die mehrere Frequenzen aufweist, auf ein Objekt zu senden, einen Empfänger, der dazu ausgestaltet ist, eine Reflexionswelle von dem Objekt zu empfangen und ein Empfangssignal zu erzeugen, das ein Empfangsergebnis angibt, und eine Steuereinheit, die dazu ausgestaltet ist, das Senden der modulierten Welle durch den Sender zu steuern und das Empfangssignal von dem Empfänger zu erfassen, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgestaltet ist: ein erstes Sendesignal an den Sender auszugeben, um die modulierte Welle zu senden, und ein erstes Antwort-Empfangssignal in einer ersten Messperiode zu erfassen, auf Grundlage des ersten Sendesignals und des ersten Empfangssignals erste Phaseninformationen zu extrahieren, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem ersten Sendesignal und dem ersten Empfangssignal definiert ist, ein zweites Sendesignal an den Sender auszugeben, um die modulierte Welle zu senden, und ein zweites Antwort-Empfangssignal in einer zweiten Messperiode nach der ersten Messperiode zu erfassen, auf Grundlage des zweiten Sendesignals und des zweiten Empfangssignals zweite Phaseninformationen zu extrahieren, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem zweiten Sendesignal und dem zweiten Empfangssignal definiert ist, und eine Verschiebung des Objekts zwischen der ersten und der zweiten Messperiode in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen zu detektieren.
Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgestaltet ist: auf Grundlage des ersten Sendesignals und des ersten Empfangssignals ein erstes analytisches Signal zu erzeugen, das eine Amplitude und die Phase beinhaltet, die in der Korrelation zwischen dem ersten Sendesignal und dem ersten Empfangssignal definiert ist, und die ersten Phaseninformationen aus dem ersten analytischen Signal zu extrahieren, und auf Grundlage des zweiten Sendesignals und des zweiten Empfangssignals ein zweites analytisches Signal zu erzeugen, das eine Amplitude und die Phase beinhaltet, die in der Korrelation zwischen dem zweiten Sendesignal und dem zweiten Empfangssignal definiert ist, und die zweiten Phaseninformationen aus dem zweiten analytischen Signal zu extrahieren.
Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgestaltet ist: eine Zeit zu detektieren, zu welcher zumindest eine von der Amplitude des ersten analytischen Signals und der Amplitude des zweiten analytischen Signals am größten wird, und die Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen unter Verwendung der detektierten Zeit als eine Referenzzeit zu berechnen.
Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgestaltet ist, einen Verschiebungsbetrag, der die Verschiebung des Objekts angibt, auf Grundlage der Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen und einer Steigung der Phase zu der Referenzzeit zu messen.
Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgestaltet ist, zumindest eine von einer Hüllkurve des ersten analytischen Signals und einer Hüllkurve des zweiten analytischen Signals zu berechnen, und auf Grundlage der berechneten Hüllkurve eine Zeit zu detektieren, zu welcher die Amplitude am größten wird.
Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgestaltet ist: das erste analytische Signal durch Komplexierung einer Kreuzkorrelations-Funktion zwischen dem ersten Sendesignal und dem ersten Empfangssignal für die Berechnung auf Grundlage des ersten Sendesignals und des ersten Empfangssignals zu erzeugen, und das zweite analytische Signal durch Komplexierung einer Kreuzkorrelations-Funktion zwischen dem zweiten Sendesignal und dem zweiten Empfangssignal für die Berechnung auf Grundlage des zweiten Sendesignals und des zweiten Empfangssignals zu erzeugen.
Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sender einen thermoakustischen Wandler beinhaltet, der dazu ausgestaltet ist, als die modulierte Welle eine Schallwelle mit mehreren Frequenzen auszusenden.
Vorrichtung zur Verschiebungsdetektion nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Sendesignal und das zweite Sendesignal den Sender dazu veranlassen, die modulierte Welle durch einen Linearfrequenz-Chirp zu senden.
Verfahren zur Verschiebungsdetektion, umfassend, ausgeführt von einer Steuereinheit, die einen Sender steuert, der dazu ausgestaltet ist, eine modulierte Welle, die mehrere Frequenzen aufweist, auf ein Objekt zu senden, und von einem Empfänger, der dazu ausgestaltet ist, eine Reflexionswelle von dem Objekt zu empfangen, ein Empfangssignal zu erfassen, das ein Empfangsergebnis angibt: Ausgeben eines ersten Sendesignals an den Sender, um die modulierte Welle zu senden, und Erfassen eines ersten Antwort-Empfangssignals in einer ersten Messperiode, Extrahieren, auf Grundlage des ersten Sendesignals und des ersten Empfangssignals, von ersten Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem ersten Sendesignal und dem ersten Empfangssignal definiert ist, Ausgeben eines zweiten Sendesignals an den Sender, um die modulierte Welle zu senden, und Erfassen eines zweiten Antwort-Empfangssignals in einer zweiten Messperiode nach der ersten Messperiode, Extrahieren, auf Grundlage des zweiten Sendesignals und des zweiten Empfangssignals, von zweiten Phaseninformationen, die eine Phase angeben, die in einer Korrelation zwischen dem zweiten Sendesignal und dem zweiten Empfangssignal definiert ist, und Detektieren einer Verschiebung des Objekts zwischen der ersten und der zweiten Messperiode in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den ersten Phaseninformationen und den zweiten Phaseninformationen.
Programm, das dazu ausgestaltet ist, die Steuereinheit zu veranlassen, das Verfahren zur Verschiebungsdetektion nach Anspruch 9 auszuführen.