DE69021908T2

DE69021908T2 - Apparat zur Detektion.

Info

Publication number: DE69021908T2
Application number: DE69021908T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Koike; Koichiro Misu; Tsutomu Nagatsuka; Shusou Wadaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1990-02-28
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2010-03-01
Also published as: US5417114A; DE69033202T2; DE69033202D1; EP0574964A3; EP0385420B1; US5203823A; EP0385420A2; EP0385420A3; EP0574964A2; EP0574963A3; EP0574963A2; DE69033144D1; EP0574963B1; EP0574964B1; US5415045A; DE69021908D1; DE69033144T2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren einer Blase oder eines Risses oder dergleichen in einer Probe und bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zum Durchführen einer zerstörungsfreien Untersuchung unter Verwendung von Sendewellen, wie Ultraschallwellen, elektrische Wellen oder Mikrowellen.
Es werden verschiedene Aspekte des Standes der Technik berührt. Entsprechend einem ersten Aspekt wird ein Tmpulssystem häufig bei einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung unter Anwendung von Ultraschallwellen verwendet. Ein Aufbau eines Beispiels des Standes der Technik, das ein Impulssystem verwendet, wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Fig.1 zeigt eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung in einem Blockschaltbild, wie es beispielsweise auf den Seiten 114 bis 140; 173 bis 174 in "Ultrasonic Detecting Method" zusammengestellt von Steel Production lgth Committee, Nihon Gakujutsu Shinkokai, veröffentlicht von Nikkan Kogyo Shimbunsha, Dezember 20, 1977, gezeigt wird. In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien ultraschalluntersuchung so aufgebaut, daß sie einen Impulserzeugungskreis 1, eine Ultraschallsonde 2, die mit dem Impulserzeugungskreis 1 verbunden ist, einen Empfängerkreis 3 der mit der Ultraschallsonde 2 verbunden ist, und eine Anzeige 4 wie eine CRT oder dergleichen, die mit dem Empfängerkreis verbunden ist, umfaßt.
Die Ultraschallsonde 2 ist mit einer Probe 5 aus Stahl oder dergleichen verbunden.
Als nächstes wird die Funktionsweise des oben beschriebenen Beispiels nach dem Stand der Technik un ter Bezugnahme auf die Fign. (2(a), (b) und (c) erläutert.
Der Impulserzeugungskreis 1 erzeugt Impulse mit einer kurzen Schwingungsdauer.
Die Ultraschallsonde 2 wird durch diese Impulse akitiviert, um Ultraschallwellen kurzer Impulsbreite in die Probe S zu senden. Die Sonde empfängt das in der Probe S reflektierte Echo und überträgt es auf den Empfängerkreis 3.
Der Empfängerkreis 3 verstärkt das Retlexionsecho und überträgt es an die Anzeige 4.
Die Anzeige zeigt das verstärkte Reflexionsecho an. Wie in Fig. 2(b) gezeigt wird, erscheint das Reflexionsecho zum Zeitpunkt t =t&sub0;.
Die Zeit t&sub0; ist die Zeit, die Ultraschallwelle benötigt, um einen Umlauf zu einem Reflexionsobjekt in der Probe 5 durchzuführen und daher ist es möglich, die Position des Reflexionsobjektes durch Messen der Zeit t&sub0; zu berechnen.
Allerdings besteht bei dem oben beschriebenen Beispiel ein Problem dahingehend, daß eine Positionserfassung des reflektierenden Objektes nicht sehr genau durchgeführt werden kann, wenn der Pegel des Reflexionsechos gering ist und das dem Reflexionsecho überlagerte Rauschen groß ist, das heißt, wenn ein S/N Verhältnis nicht gut ist.
Eine Gegenmaßnahme zum Lösen des obigen Problems würde in der Vergrößerung einer Impulsamplitude zum Aktivieren der Sonde 2 liegen. Jedoch kann diese Gegenmaßnahme nicht eine perfekte Lösung werden, da es eine obere Begrenzung in der Vergrößerung der Impulsamplitude gibt unter Berücksichtigung der Gründe hinsichtlich der Leistungsbegrenzung für Elemente, die den Impulserzeugungskreis 1 bilden&sub1; und auf eine Leistungsbegrenzung für die Sonde 2, elektrische Spannung zu widerstehen.
Andererseits wurde, wie allgemein bekannt ist, eine Vorrichtung zur Ultraschalluntersuchung zum Detektieren eines Risses oder Blase in einem metallischen Material manuell betrieben und eine Vorrichtung zur automatischen Ultraschalluntersuchung wurde kürzlich weitreichend zum Zwecke der Verbesserung der Zuverlässigkeit und zum Durchführen einer effektiven Untersuchung eingeführt.
Allerdings gab es verschiedene Probleme bei der automatischen Untersuchung von Rissen oder Blasen und eines dieser Probleme liegt darin, ein gutes SIN Verhältnis sicherzustellen. Während verschiedene Faktoren betrachtet werden, die ein SIN Verhältnis schlechter machen, können sie grob in zwei Fälle un terteilt werden, nämlich ein Fall, bei dem ein Detektionssignalpegel niedrig ist und einen anderen Fall, bei dem ein nicht für die Detektion verwendeter Signalpegel (d.h. Rauschpegel) hoch ist.
Bezüglich des Falles, bei dem der Detektionssignalpegel niedrig ist, wird allgemein angenommen, daß ein zu einem Signalempfängerverstärker übertragenes Eingangssignal recht niedrig ist.
Solch eine Tatsache, daß, wenn der Pegel des Detektionssignals niedrig ist, es in einem Verstärkerrauschen vergraben ist, das inhärent aufgrund von thermische lonenbewegung in einem Empfangssignalverstärker erzeugt wird, wodurch das SIN Verhältnis ver schlechtert wird, ist allgemein bekannt, wie auf den Seiten 177 bis 181 der "Ultrasonic Testing Technology" beschrieben ist, die von Inc. Association - Nihon Nohritsu Kyokai, Februar 25, 1980, veröffentlicht wurde. Um ein S/N Verhältnis in dem Fall eines nied rigen Eingangssignalpegels zu verbessern, wurde allgemein vorgeschlagen, die Amplitude eines elektrischen Signals zum Aktivieren einer Sonde größer zu machen, so daß der Signalpegel höher wird. Allerdings gibt es eine obere Begrenzung in bezug auf eine elektrische Impulsspannung aufgrund einer Begrenzung von elektrischen Elementen, die den Sendeteil bilden, und in bezug auf eine Spannung, der die Sonde widersteht. Auch ist es nicht erlaubt, eine dem Signalsendeteil aufgebrachte Spannung höher zu machen, da verhindert werden soll, daß es in einer explosiven Atmosphäre aufgrund von möglichen elektrischen Entladungen Feuer fängt.
Zu dem Fall, bei dem ein nicht für die Detektion verwendeter Signalpegel (d.h. ein Rauschpegel) hoch ist, sei bemerkt, daß eines dieser Probleme darin liegt, daß das Rauschen von einer Außenquelle bewirkt wird. Es ist allgemein bekannt, wie auf den Seiten 296 bis 298 der "Ultrasonic Testing Technology", veröffentlicht von Inc. Association - Nihon Nohritsu Kyokai, Februar 25, 1980, gezeigt wird, das das Mischen von äußerem elektrischen Rauschen in einen Verstärker, der ein Detektionssignal verstärkt, oder in ein Signalverarbeitungssystem, die Zuverlässigkeit der Untersuchung verschlechtert. Darüber hinaus ist es relativ selten, daß das Rauschen von außerhalb vollständig entfernt werden kann.
Zu dem anderen Fall können solche Probleme wie das Vorhandensein von Störechos aufgrund des internen Aufbaus einer Probe oder eines Reflexionsechos, das bei einer Untersuchung mit hoher Geschwindigkeit auftritt, gegeben sein.
Hinsichtlich des Störechos aufgrund des inneren Aufbaus einer Probe ist es ein Phänomen, das in dem Fall erkannt wurde, bei dem der innere Aufbau eines solchen Materials wie rostfreiem Stahl oder Gußeisen relativ roh ist. Das Vorhandensein von Störechos, die als "Grove echo" bezeichnet werden, aus dem inneren Aufbau, wie es in einer solchen Probe, wie oben, bei dem Zeitpunkt der Untersuchung der Probe beobachtet wurde, ist allgemein bekannt, wie auf den Seiten 548 bis 553 von "Ultrasonic Inspecting Process", veröf fentlicht von Kikkan Kogyo Shimbunsha, Juni 1, 1984, offenbart wurde. Es ist schwierig, eine kleine Blase herauszufinden, da die Situation von Störechos abhängig von der Änderung des Herstellungsprozesses der Probe und/oder der zu verwendenden Inspektionsfrequenz schwankt.
Hinsichtlich der Beeinflussung des Echos aufgrund von Widerhall oder Nachhall, der ein Problem bei der Hochgeschwindigkeitsuntersuchung bewirkt, wird es kritisch, wenn der Dämpfungsgrad eines Ultraschallsignals in einer Probe niedrig ist und eine Wiederholungsfrequenz für die Untersuchung in einer automatischen Untersuchung hoch ist. Ein solches Problem trifft in einem Fall zu, bei dem ein folgender Sendeimpuls in eine Probe während einer Zeit eingespeist wird, bei der das vorhergehende Ultraschallsignal in der Probe gesendet wird, ohne ausreichend gedämpft zu werden.
Dieses Problem wird als ein Phänomen verstanden, bei dem das zum Zeitpunkt der vorhergehenden Übertragung reflektierte Ultraschallsignal eine Störung bewirkt, und dem wird allgemein abgeholfen, indem die Wiederholungsuntersuchungsfrequenz verringert wird, was inhärent mit einer niedrigeren Untersuchungsgeschwindigkeit verbunden ist, oder indem die Diffusionsrate eines Ultraschallstrahls erhöht wird, wobei die Richtung des Ultraschallstrahls leicht geneigt ist.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Verbessern eines SIN Verhältnisses nach dem Stand der Technik beschrieben
Es wird allgemein als effektiv betrachtet, einen Korrelationsprozeß zu verwenden, um ein S/N Verhältnis in einem Inspektionssignal zu verbessern. Es wird zuerst auf den Korrelationsprozeß hingewiesen.
Die Fign. 3(a) und (b) sind Kennlinien, die ein Operationsprinzip einer Barkersequenz als Beispiel einer finiten binären Sequenz mit einer scharfen Korrelationsfunktion zeigen, die als ein Synchronisiermuster bei einer Impulsübertragung verwendet wird. Fig. 4 sind Kennlinien, die ähnlich zu Fign. 3 ein Operationsprinzip einer komplementären Sequenz als Beispiel einer finiten binären Sequenz mit einer scharfen Korrelationsfunktion erläutern, Fig. 5 zeigt einen Aufbau einer Vorrichtung für die Ultraschallin spektion, die einen Korrelationsprozeß unter Verwendung einer Zufallscodefrequenz durchführt, Fig. 6 ist eine zur Erläuterung der Operation nach Fig. 5 und Fig. 7 ist eine Kennlinie, die Frequenzeigenschaften des Übertragungssignals, der Probe und der Sonde nach Fig. 6 zeigt.
Fign. 3 zeigen eine Barkersequenz als eine finite binäre Sequenz mit einer scharfen Korrelationsfunktion, wie genauer beispielsweise auf den Seiten 488 bis 490 der "Coding Theory", veröffentlicht von Shokodo, Juni 30, 1981, offenbart ist. In diesem Fall bedeutet das "binär", daß es zwei Zustände, nämlich "+" und "-" besitzt.
Eine Korrelationsfunktion aa(k), wobei k relativ zu einer binären Sequenz variabel ist, wird allgemein durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
wobei n eine Länge der Sequenz ist.
In diesem Fall wird eine finite Sequenz "a" als eine infinite Längensequenz mit Reihen von "0" auf beiden Seiten, wie durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt wird:
{aj} 0 ... 0a&sub0;a&sub1; ... an-100 ... 0 ...(2).
Da aj = 0 für den Bereich von j ≤ -1 und j ≥ n ist, kann die Gleichung (1) in die folgende Gleichung (3) umgewandelt werden
Wie aus der Gleichung (3) zu erkennen ist, können Rauschpegel, wie thermisches Rauschen, das keine Korrelation mit der Sequenz aufweist, verringert werden und ein Korrelationsprozeß wird als wirksames Mittel betrachtet, um ein S/N Verhältnis relativ zum thermischen Rauschen zu verbessern. Dies wird auch als wirksam gegen Zufallrauschen betrachtet, das eine Inspektionsvorrichtung stört, wie elektrisches Rauschen, das von einem Motor oder einer Schweißausrüstung hergeleitet wird.
Darüber hinaus wird zum Zeitpunkt der Untersuchung von Lunkern eine gewisse Sequenz, deren Autokorrelationsfunktion aa(k) eine scharfe Spitze bei k = 0 hat und ausreichend klein in anderen Bereichen (0 < k < n) wird, verlangt.
Ein absoluter Maximalwert max in dem anderen als dem Spitzenbereich (d.h. der als Seitenkeulenbereich bezeichnete) zum Auswerten eines Autokorrelationsgrades der binären Sequenz wird durch die Gleichung (4) ausgedrückt:
max = max{ aa(k) } ... (4).
In diesem Zusaminenhang wird eine finite binäre Sequenz, die
max = 1/n
erfüllt, speziell zur Unterscheidung als Barkersequenz bezeichnet.
Fig. 3(a) zeigt ein Signal einer durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückten Binärsequenz, wobei n = 7 ist:
{aj} = + + + - - + - ... (5).
Fig. 3(b) zeigt eine Autokorrelationsfunktion, die auf der Grundlage der Gleichung (3) berechnet wurde, wobei -n ≤ k < n ist. Es sei bemerkt, daß der Maximalwert bei k = 0 aufgezeichnet wird und an den anderen Bereichen ist er 1/n als Maximum (in diesem Fall 1/7). Fig. 4 zeigt eine komplementäre Sequenz, die eine der finiten binären Sequenzen mit einer scharfen Korrelationsfunktion ist.
Aus der Gleichung (3) ist klar, daß keine Binärsequenz finiter Länge existiert, deren Autokorrelationsfunktion bei allen anderen als dem Punkt k = 0 Punkten Null wird.
Allerdings kann ein Fall auftreten, bei dem die Summe der jeweiligen Autokorrelationsfunktionen aa(k) und bb(k) der zwei binären Sequenzen {aj} und {bj}, wobei jede eine Länge n aufweist, d.h.
(k) = aa(k) + bb(k) ... (6)
an allen anderen Punkten als an dem Punkt k = 0 Null wird.
Diese zwei Sequenzen {aj} und {bj} werden als eine komplementäre Sequenz bezeichnet.
Fig. 4(a) zeigt ein Beispiel einer komplementären Sequenz, bei der n = 4 ist und stellt ein Signal einer durch die Gleichung (7) ausgedrückten binären Sequenz dar:
{aj{ = + + + -
{bj} = + - + + ... (7).
Fig. 4(b) zeigt Autokorrelationsfunktionen von {aj} und {bj} in dem Bereich -n ≤ k < n, die auf der Grundlage der Gleichung (3) berechnet sind.
Fig. 4(c) zeigt die Summe (k) der jeweiligen Autokorrelationsfunktionen, die auf der Grundlage der Gleichung (6) berechnet wurden. Wie aus dieser Zeichnung zu erkennen ist, ist es theoretisch möglich, Pegel der Seitenkeulen zu Null zu machen.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel, das im Detail auf den Seiten 888 bis 891 von "High-Speed Digital Golay Code Flaw Detection System, IEE 1981 Ultrasonic Symposium Proceeding" durch B.B. Lee und E.S. Furgason (im folgenden als Veröffentlichung A bezeichnet) diskutiert wurde, wobei 1 eine Sonde, 2 einen Sender, 5 eine Codeerzeugungsquelle, 10 einen analogen Korrelator, 11 eine Anzeige, 12a und 12b bipolare Wandler, 13 einen Selektor, 14 eine digitale Verzögerungsleitung, einen Systemcontroller, 16 ein Wasserbad und 17 ein Ziel bezeichnen.
Fig. 6 erläutert die Operation der Fig. 5. Die Fign. 6(a), 6(b), 6(c) und 6(d) geben ein Synchronisiersignal, eine Codesequenz, ein Selektionssignal und ein Ausgangssignal des bipolaren Wandlers 12 an.
Mit dem Synchronisiersignal nach Fig. 6(a) von dem Systemcontroller 15 erzeugt die Codeerzeugungsquelle 5 ein binäre Codesequenz, wie in Fig. 6(b) gezeigt wird. Die in der Codeerzeugungsquelle 5 erzeugte Codesequenz wird dem bipolaren Wandler 12a eingegeben, der mit dem Sender 2 über den Selektor 13 verbunden ist, und sie wird gleichfalls an die digitale Verzögerungsleitung 14 gegeben. Der Codesequenz, die dem mit dem Sender 2 verbundenen bipolaren Wandler 12a eingegeben wird, wird eine Amplitude von +/- abhängig von ihrem Code am bipolaren Wandler gegeben und dann wird das Ausgangssignal von Fig. 6(d) dem Sender 2 eingegeben und als Sendeimpuls unter Verstärkung der Sonde 1 zugeführt. Ein von der Sonde 1 abgestrahltes Ultraschallsignal wird an dem Ziel 17 in dem Wasser bad 16 reflektiert, als Empfangssignal der Sonde 1 zurückgegeben und somit an den analogen Korrelator 10 gerichtet.
Die Codesequenz von Fig. 6(b), die der digitalen Ver zögerungsleitung 14 eingegeben wird, wird um eine Zeit (t'), die von dem Systemcontroller 15 bezeichnet wird, verzögert dem anderen bipolaren Wandler 12b als Referenzcodesequenz (Fig. 4(f)) eingegeben und als ein Signal zur Korrelationsverarbeitung mit einer Amplitude von +/-, die bei dem bipolaren Wandler 12b abhängig von dem Eingangscode mitgeteilt wird, an den analogen Korrelator 10 gerichtet.
In dem analogen Korrelator 10 wird die Operation der linken Seite der Gleichung (3) unter Verwendung eines Multiplizierers ioa und eines Integrators 10b durchgeführt, wobei die Verzögerungszeit "t'" des Referenzsignalcodes (Fig. 4(f)) dem "k" in der Gleichung (3) entspricht. Daner kann eine Untersuchungswellen form nach der Korrelationsverarbeitung auf der Anzeige angezeigt werden, indem die Verzögerungszeit t' zu ledem Zyklus der wiederholten Übertragung in dem Systemcontroller 15 geändert wird.
Unter Verwendung des Korrelationsprozesses, wie oben, wurde das S/N Verhältnis verbessert.
In dem Fall, in dem der Prozeß der unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläuterten komplementären Sequenz durchgeführt wird unter Verwendung der obigen Vorrichtung, ist es nicht möglich, die Vorrichtung nach Fig. 3 zu verwenden und die Hinzufügung von Speichermitteln und Mitteln zum Summieren der Operationsergebnisse der Korrelationsoperation der zwei Sequenzen würde not wendig werden.
Bei einer Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik, die einen Korrelationsprozeß unter Verwendung einer binären Sequenz finiter Länge durch führt, werden Sendesignale bei einem Pegel von +/- an eine Sonde gegeben. Fig. 7 zeigt Frequenzcharakteristika einer Sonde usw., die für eine Inspektionsvorrichtung für Risse bzw. Lunker verwendet wird, und "a" nach Fig. 7 gibt eine Frequenzantwort einer Sonde 1 und "b" eine Frequenzkennlinie einer Wellenforin eines Sendesignals, die in der Vorrichtung nach dem Stand der Technik verwendet wird, und "c" eine Frequenzantwortkennlinie einer Probe an, in der beispielsweise die Dämpfung relativ groß ist. Es gab ein Problem dahingehend, daß das der Sonde 1 zugeführte Sendesignal aufgrund seines Merkmals eines Impulssignals seine Energie in einem relativ niedrigen Frequenzbereich besitzt, und die Energie in dem niedrigen Frequenzbereich konnte nicht effektiv von der Sonde 1 aufgrund ihrer Frequenzcharakteristika genutzt werden.
Zusätzlich zu dem oben Gesagten kann gesehen werden, daß eine Frequenzeigenschaft eines in einen Körper der Probe gestrahlten Ultraschallsignals von der Frequenzcharakteristik einer Sonde abhängt, da ein Frequenzbereich eines Sendesignals breit ist. Diese Tatsache gibt an, daß Herstellungstoleranzen einer Sonde eine Detektionsfrequenz der Blase bzw. des Risses beeinflußt, wodurch das Problem auftrat, daß die Fehlerdetektion nicht konstant bzw. gleichmäßig wäre, wenn die Sonde durch eine andere ersetzt würde. Weiterhin gibt Fig. 7 an, daß ein gewisser Teil eines Frequenzbereichs, in dem eine Sonde effektiv verwen det wird, abhängig von der Dämpfungseigenschaften der Probe abgeschnitten wird. Daher gab es ein anderes Problem dahingehend, daß Rauschen bzw. Störungen auf einem gewissen Pegel erhalten bleibt in dem Fall, bei dem die Dämpfung in der Probe hoch ist und ein S/N Verhältnis wahrscheinlich schlechter wird, selbst wenn ein S/N Verhältnis durch einen Korrelationsprozeß nach dem Stand der Technik verbessert wird, wodurch eine Vergrößerung der Amplitude des Sendesignals notwendig wurde.
Auch gab es ein weiteres Problem dahingehend, daß eine Komponente der codesequenz verbleiben könnte, selbst wenn ein Korrelationsprozeß durchgeführt wird und sie kann nicht verringert werden, da ein Störecho aufgrund der inneren Konstruktion einer Probe existiert oder aufgrund der Tatsache, daß es von dem Reflektionsecho bei einer Inspektion hoher Geschwindigkeit hergeleitet wird.
Es gibt weitere Veröffentlichungen derselben Autoren wie der der Veröffentlichung A hinsichtlich einer zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik wie folgt:
"An Evaluation of Ultrasound NDE Correlation Flaw Detection Systems" IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-29, Nr. 6. November 1982, Seiten 359 bis 369 (Veröffentlichung 8) und
"High-Speed Digital Golay Code Flaw Detection Systems", Ultrasonics, Juli 1983, Seiten 153 bis 161 (Veröffentlichung C).
Die Funktionsweise des Beispiels nach dem Stand der Technik nach Fig. 5 wird erneut aus weiteren Aspekten berührt, wie nach den Fign. 8 und 9 zu erkennen ist. Fig. 8 zeigt eine Wellenform eines Sendesignals in einer zerstörungsfreien Ultrainspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik, wie sie in der Veröffentlichung B beispielsweise gezeigt ist, und Fig. 9 zeigt eine Wellenform eines komprimierten Impulses in der Vorrichtung nach dem Stand der Technik nach Veröffentlichung B. In Fig. 8 ist die Abszisse durch Einheiten von Bits bezeichnet und somit kann dies als eine Zeit angesehen werden, wenn eine Zeiteinheit entsprechend einer Biteinheit verwendet wird. In der Veröffentlichung B wird eine Zeiteinheit entsprechend einer Biteinheit durch das Zeichen 8 dargestellt. Daher ist die Impulsbreite des Sendesignals 63 x δ.
Dieses Sendesignal ist eines, das ein Frequenzband als Basisband aufweist, bei dem seine Amplitude durch eine spezielle Sequenz codiert ist. Was den Codiervorgang betrifft, wird dieser später diskutiert, aber die hierin verwendete Sequenz wird erläutert.
Eine Sequenz endlicher Länge mit einer Länge von 63 Bits wird verwendet und sie wird durch Abtrennen eines Zykuls der M-Sequenz (Sequenz maximaler Länge) mit einer Zykluslänge von 63 Bits erzeugt.
Was die M-Sequenz betrifft, wird sie im Detail beispielsweise auf den Seitgen 474 bis 499 der "Coding Theory" unter Mitautorschaft von Hiroshi Miyagawa, Yoshihiro Iwataru und Hideki Iwai, veröffentlicht von Shokodo, Juni 29, 1989, (Veröffentlichung D) beschrieben, wobei auf diese Veröffentlichung vorher Bezug genommen wurde. Eine M-Sequenz ist eine zyklische Sequenz unendlicher Länge und ihre Komponente, die die Sequenz bildet, ist eine Binärsequenz mit zwei Elementen. Für die zwei Elemente werden die Codes "+" und "-" oder numerische Werte "+1" und "-1" oer "1" und "0" abhängig von dem Fall zugeordnet. In dem Beispiel nach ßig. 8 wird eine Sequenz endlicher Länge durch Herausziehen eines Zyklus von der M-Sequenz mit einer unendlichen Länge und einer Zyklus länge von 63 Bits erzeugt.
Als nächstes wird eine Erläuterung in bezug auf einen Amplidudencodiervorgang unter Verwendung dieser Sequenz endlicher Länge gegeben. Eine Amplitude wird auf ±1 mit ihren relativen Werten pro Zeiteinheit δ entsprechend der auftretenden Reihenfolge der Sequenzelemente "±" moduliert, indem eine Amplitude "+1" und eine Amplitude "-1" einem Element "+1" und einem Element -1" zugeordnet, die jeweils die finite Sequenz bilden. Diese Signale werden als codierte Signale bezeichnet.
In Fig. 9 ist die Abszisse wie in Fig. 8 durch eine Biteinheit ausgedrückt und diese wird als Zeit angesehen, wenn eine Zeiteinheit δ der Biteinheit zugeordnet ist.
Dieser komprimierte Impuls ist ein Beispiel, bei dem ein Sendesignal in seiner Amplitude durch eine Sequenz endlicher Länge von 64 Bits codiert ist. Diese Sequenz wird durch Addieren von einem Bit zu der Sequenz endlicher Länge von 63 Bits, die zur Herstellung des Sendesignals nach Fig. 8 verwendet wird, erzeugt. Daher ist die Impulsbreite dieses Sendesignals 64 δ Die Impulsbreite des Echos ist fast gleich zu der obigen Länge.
Wie in Fig. 9 gezeigt wird, ist der Hauptteil der Energie des komprimierten Impulses auf den mittleren Zeitbereich (einige Bits x δ) in der Zeichnung kon zentriert. Der mittlere Signalbereich, der eine große Amplitude aufweist, wird als Hauptkeule eines komprimierten Impulses bezeichnet. Die Impulsbreite der Hauptkeule ist gering. Dies bedeutet, daß die Energie des Echos im wesentlichen auf einen Punkt auf der Zeitachse konzentriert ist. Bereiche der Signale mit kleinen Amplituden an den entgegengesetzten Seiten werden als Seitenkeulen eines komprimierten Impulses bezeichnet.
Ein Sendesignal, wie es in Fig. 8 gezeigt wird, wird von der Signalquelle 5 und der digitalen Verzögerungsleitung 14 über den bipolaren Wandler 12a und den Sender 2 erzeugt. Die Ultraschallsonde 1 wird durch dieses Signal aktiviert.
Die von der Ultraschallsonde 1 abgestrahlte Ultraschallwelle wird an dem Ziel 17 reflektiert und von der Sonde 1 empfangen. Das von der Sonde 1 empfangene Echo wird auf den Multiplizierer 10a des analogen Korrelators 10 übertragen.
Die Impulsbreite des obigen Echos ist ungefähr in der Länge äquivalent zu der des Sendesignals. Das heißt, daß die Energie des Echos ungefähr gleichmäßig über die Zeit (ungefähr 63 x δ) verteilt ist, das heißt es ist die Impulsbreite des Sendesignals.
Andererseits wird das gleiche Signal, wie das obige Sendesignal, auf den Multiplizierer 10a des analogen Korrelators 10 übertragen.
Der analoge Korrelator 10 führt eine Korrelationsoperation zwischen dem Echo und dem Sendesignal durch. Mit dieser Korrelationsoperation wird die Echoener gie, die ungefähr gleichmäßig über die Zeit auf der Zeitachse, äquivalent in der Länge, zu der des Sendesignals im wesentlichen auf einen einzigen Punkt auf der Zeitachse komprimiert. Der durch die obige Operation erhaltene Impuls wird als komprimierter Impuls bezeichnet.
Der von dem analogen Korrelator 10 erhaltene komprimierte Impuls wird auf die Anzeige 11 übertragen und als Endergebnis angezeigt.
Die Entfernungsauflösung der zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik, wie sie oben beschrieben wurde, ist abhängig von der Impulsbreite eines komprimierten Impulses der Hauptkeule (der Einfachheit halber als Impulsbreite eines komprimierten Impulses bezeichnet). Während die Impulsbreite des Sendesignals groß ist, ist die Impulsbreite des komprimierten Impulses, wie oben angedeutet wurde, klein. Daher wird bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik ein Auflösungsvermögen erhalten, das ähnlich zu dem des Falls ist, bei dem eine zerstörungsfreie Ultraschallinspektionsvorrichtung unter Anwendung des Impulsechoverfahrens verwendet wird, wobei ein Sendesignal verwendet wird, das ursprünglich eine kleine Impulsbreite aufweist.
Dagegen wird ein S/N Verhältnis größer, wenn die mittlere Energie eines Sendesignals größer wird. Die mittlere Energie eines Sendesignals wird größer, wenn die Impulsbreite des Sendesignals größer wird. Daher kann bei einer zerstörungsfreien Inspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik ein größeres S/N Verhältnis im Vergleich zu dem erhalten werden, das durch ein Impulsechoverfahren erhalten wird, das ein Sendesignal verwendet, das ursprünglich eine kleine Impulsbreite aufweist.
Wie oben erläutert wurde, kann eine gute Auflösung und ein großes S/N Verhältnis bei einer zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung erhalten werden.
Allerdings besteht bei einer zerstörungsfreien Inspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik ein Problem dahingehend, daß, wenn die Pegel der Abstandsseitenkeulen hoch sind, eine Position eines reflektierenden Körpers (wie eine Blase usw.) falsch erkannt werden kann, wie in einer Position entsprechend einer Zeit, wenn eine Seitenkeule eines komprimierten Impulses erscheint.
Um ein derartiges Problem zu vermeiden, ist es notwendig, die Pegel der Bereichsseitenkeulen des komprimierten Impulses abzusenken. Zu diesem Ziel ist es notwendig, die Pegel der Bereichsseitenkeulen in einer Autokorrelationsfunktion einer Sequenz, die zum Codieren eines Sendesignals verwendet wird, abzusenken.
In anderen Worten gesagt, ist es notwendig, als eine für die Codierung eines Sendesignals zu verwendende Sequenz eine Sequenz zu verwenden, bei der ein Pegel der Seitenkeulen der Autokorrelationsfunktion niedrig ist.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 10 eine Erläuterung hinsichtlich der Bereichsseitenkeulen eines komprimierten Impulses und der Bereichsseitenkeulen einer Autokorrelationsfunktion einer Sequenz gegeben. Hinsichtlich der Definition einer Autokorrelationsfunktion einer Sequenz gibt es eine detail lierte Beschreibung in Veröffentlichungs D.
Fig. 10 zeigt eine Wellenform, die eine Autokorrelationsfunktion einer Sequenz endlicher Länge angibt, die zum Codieren des Sendesignals nach Fig. 8 verwen det wird.
Eine M-Sequenz ist, wie auf Seiten 479 bis 483 der Veröffentlichung D beschrieben wird, die Sequenz, deren Autokorrelationsfunktion eine scharfe Spitze besitzt, die als Hauptkeule und Bereichsseitenkeulen mit niedrigen Pegeln bezeichnet wird. Allerdings ist, wie auf Seite 489 der Veröffentlichung D festgestellt wird, ein Pegel der Bereichsseitenkeule einer Autokorrelationsfunktion der Sequenz endlicher Länge, wie sie wie oben erzeugt wird, nicht notwendigerweise niedrig, wie in Fig. 10 gezeigt wird, wenn eine Sequenz endlicher Länge durch Aufnehmen eines Zyklus einer zyklischen Sequenz mit einem niedrigen Bereichsseitenkeulenpegel erzeugt wird, selbst wenn der Seitenkeulenpegel der ursprünglichen Autokorrelationsfunktion der zyklischen Frequenz niedrig ist.
Auf den Seiten 479 bis 480 der Veröffentlichung D ist beschrieben, daß ein Seitenkeulenpegel der M-Sequenz- Autokorrelationsfunktion 1/n ist, wobei eine Zykluslänge durch "n" ausgedrückt wird und ein Spitzenwert der Halbkeule als "1" durch Normierung gegeben wird. Daher ist, in dem Fall, bei dem eine zyklische Länge 63 Bits ist, ein Seitenkeulenpegel 1/63 = 0,0159. Es sei allerdings unter Bezugnahme auf Fig. 10 bemerkt, daß bei der Autokorrelationsfunktior der Sequenz endlicher Länge, die zum Codieren des Sendesignals nach Fig. 8 verwendet wird, ein Seitenkeulenpegel mindestens größer als 0,1 und um eine Größenordnung größer als der Pegel der Seitenkeulen der M-Sequenz-Autokor relationsfunktion ist
Somit gibt es ein Problem dahingehend, daß, wenn eine Sequenz zur Codierung eines Sendesignals verwendet wird, die als Sequenz endlicher Länge durch Abschneiden aus einer M-Sequenz erzeugt wird, die Pegel von Bereichsseitenkeulen des komprimierten Impulses groß werden. Der in Fig. 9 gezeigte komprimierte Impuls ist ein Beispiel, daß ein Bereichsseitenkeulenpegel hoch ist. Auch ist in Veröffentlichung B offenbart, daß ein Versuch unter Verwendung einer Sequenz durchgeführt wurde, die um 63 Bits aus einer M-Sequenz abgeschnitten ist. In diesem Fall wird offenbart, daß, während eine Form (Muster) der Bereichsseitenkeulen unterschiedlich zu dem der Fig. 9 ist, die Differenz nicht über 3 dB im Vergleich mit dem Fall nach Fig. 9 war. In diesen Beispielen wird festgestellt, daß, wenn eine Sequenz mit einem niedrigen Pegel in ihren Autokorrelationsfunktions-Bereichsseitenkeulen nicht als die Sequenz zum Codieren eines Sendesignals verwendet wird, ein Absenken eines Seitenkeulenpegels des komprimierten Impulses nicht möglich ist.
Aus dem zuvor Beschriebenen ist es offensichtlich, daß es als das beste betrachtet wird, wenn eine Sequenz erzielbar ist die absolut keine Seitenkeulen in ihrer Autokorrelationsfunktion aufweist. Allerdings, wie es in der Veröffentlichung 0 offenbart ist, gibt es keine Binärsequenz endlicher Länge mit einer Bereichs- bzw Abstandsseitenkeule von Null.
Wie jedoch in der gleichen Veröffentlichung D beschrieben ist, kann es einen Fall geben, bei dem eine Seitenkeule vollständig nach der Summieroperation verschwindet, wenn die jeweiligen Autokorrelationsfunktionen von zwei Binärsequenzen endlicher Länge, die jeweils die gleiche Länge haben, summiert werden. Zwei Sequenzen, die ein Paar mit dem obigen Merkmal bilden, wird als Komplementärsequenz bezeichnet. Was die Komplementärsequenz betrifft, ist sie genauer auf Seiten 82 bis 87 von "Complementary Series, IRE Transactions on Information Theory, Vol. IT-7, April, 1961, von M.J.E. Golay offenbart. Diese Komplementärsequenz wird entweder als Golay Complementary Sequence oder einfach als Golay Code bezeichnet. Nun wird eine Autokorrelationsfunktion einer Komplementärsequenz unter Bezugnahme auf die Fign. 11(a) , 11(b) und 12 erläutert.
Die Fign. 11(a) und 11(b) zeigen Wellenformen von Autokorrelationsfunktionen der ersten und zweiten Sequenz, die beispielsweise eine Komplementärsequenz entsprechend Veröffentlichung D bilden. Fig. 12 zeigt eine Wellenform, die das Ergebnis der Summieroperation der Autokorrelationsfunktionen der ersten und zweiten Sequenz angibt.
Wie aus den Fign. 11(a) und 11(b) zu erkennen ist, wird ein hoher Pegel bei den Bereichsseitenkeulen beider Autokorrelationsfunktionen beobachtet. Eine Autokorrelationsfunktion (im folgenden als zusammengesetzte Autokorrelation bezeichnet), die durch einen Summiervorgang erhalten wird, weist in der Mitte, wie in Fig. 12 gezeigt wird, nur eine scharfe Spitze entsprechend einer Hauptkeule auf und überhaupt keine Nebenkeulen.
In den Veröffentlichungen A und C wird eine zerstörungsfreie Ultraschallinspektionsvorrichtung be schrieben. Zwei eine Komplementärsequenz bildende Sequenzen werden alternierend und wiederholt verwendet und dieser Tatsache wird unter Bezugnahme auf die Fign. 13(a), 13(b) und 14 beschrieben.
Die Fign. 13(a), 13(b) und 14 stellen Wellenformen dar, die Computersimulationsergebnisse des ersten und zweiten komprimierten Impulses und eines zusammengesetzten Impulses, wie in Veröffentlichung C offenbart ist, zeigen.
Zwei Sequenzen, die eine Komplementärsequenz bilden, werden im folgenden als erste und zweite Sequenz bezeichnet. Auch zwei Sendesignale, die in einer ähn lichen Weise, wie in der nach Fig. 8 erzeugt werden, werden als erstes und zweites Sendesignal bezeichnet. Zwei Echos, die erhalten werden, wenn die Ultraschallsonde durch das erste und zweite Sendesignal aktiviert wird, werden als erstes und zweites Echo bezeichnet. Darüber hinaus werden zwei durch einen Korrelationsprozeß, ähnlich zu dem nach Fig. 9, unter Verwendung des ersten und zweiten Sendesignals erhaltenen komprimierten Impulse als erster und zweiter komprimierter Impuls bezeichnet.
Das erste und zweite Sendesignal werden wechselseitig mit einer gewissen Periode wiederholt. Wenn während der Periode die Ultraschallsonde 1 von dem ersten Sendesignal erregt wird, wird das erste Echo erhalten und dieses erste Echo wird in derselben Periode unter Verwendung des ersten Sendesignals korreliert, so daß der erste komprimierte Impuls erhalten wird. In gleicher Weise wird das zweite Echo in der Periode erhalten, wenn die Ultraschallsonde 1 von dem zweiten Sendesignal erregt wird und dieses zweite Echo korrelationsmäßig in der gleichen Periode unter Verwendung des zweiten Sendesignals verarbeitet, so daß der zweite komprimierte Impuls erhalten wird. Darüber hinaus wird, indem die Integrationszeit des analogen Korrelators 10 länger als das doppelte der Wiederholungsperiode der Sendesignale gemacht wird, ein Vorgang zum Summieren des ersten und zweiten komprimierten Impulses durchgeführt.
Das Summierergebnis des ersten und zweiten komprimierten Impulses wird als zusammengesetzter komprimierter Impuls bezeichnet, der auf der Anzeige 11 angezeigt wird.
Wie in den Fign. 13(a) und 13(b) gezeigt wird, sind die Pegel der Seitenkeulen sowohl bei dem ersten als auch bei dem zweiten komprimierten Impuls hoch. Wie jedoch in Fig. 14 gezeigt wird, erscheint bei dem zusammengesetzten komprimierten Impuls nur eine Hauptkeule in der Mitte und es sind überhaupt keine Seitenkeulen vorhanden.
Wie oben beschrieben wurde, besitzt die zerstörungsfreie Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik das hervorragende Merkmal, daß es keine Seitenkeulen gibt.
Allerdings gibt es nicht immer eine Komplementärsequenz, die das Merkmal aufweist, daß es keine Seitenkeulen in ihrer zusammengesetzten Autokorrelationsfunktion gibt, für alle natürlichen Zahlen "n", die die Länge der Sequenz darstellen. Eine Komplementärsequenz existiert für begrenzte Längen. Beispielsweise unter 50 in bezug auf die Länge existiert sie, wie in der Veröffentlichung D offenbart ist, für die Fälle, bei denen n = 2, 4, 8, 10, 16, 20, 26, 32 und 40 ist. Allerdings ist sie nicht klar für die Fälle, bei denen n = 34, 36 oder 50 ist.
Die US 4 167 879 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Festkörpers mit einer Sendesignalerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Sendesignals, das eine Pseudozufallscode-Wellenform aufweist, bei der die Sinuswellenform des Frequenzsynthesizers moduliert wird. Das Echosignal eines solchen Sendesignals wird von einem Empfangselement empfangen, verstärkt und demoduliert und dann einem Analysiervorgang unterworfen.
Es gab somit ein Problem bei den zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtungen darin, daß diePegel der Bereichsseitenkeulen hoch sind und in dem Fall, bei dem eine Komplementärsequenz verwendet wird, die den Pegel der Bereichsseitenkeulen zu Null machen kann, eine sequenzlänge "n" nur für begrenzte Zahlen erzielbar ist.
In dem zuvor Beschriebenen wurde ausführlich der Stand der Technik diskutiert und einige Probleme wurden angesprochen. Diese Probleme können wie folgt klassifiziert werden.
I Unzureichende Genauigkeit beim Erfassen einer Blase oder eines Risses und unzureichende Anwendung der Sendeenergie;
II Störungen und Interferenzen; und
III Grenzen in der Auswahl der Länge der Komplementärsequenz.
Somit wurde eine Detektiervorrichtung zum Durchführen einer zerstörungsfreien Inspektion gewünscht, die frei von den oben erwähnten Nachteilen ist, und es somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zerstörungsfreie Detektiervorrichtung, die Wellen, wie Ultraschallwellen, elektrische Wellen oder Mikrowellen verwendet, vorzusehen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden kann.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel in einer zerstörungsfreien Detektiervorrichtung zum Identifizieren von Arten von Fehlern bzw. Rissen, Blasen oder dergleichen vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der Detektiervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird eine Wellenforin mit einer Frequenzkom ponente f&sub0; bezüglich eines positiven Codes oder eines negativen Codes einer Binärcodesequenz mit einer scharfen Autokorrelationsfunktion erzeugt und ihre Phase wird um 180º in Übereinstimmung mit dem positiven oder negativen Code geändert.
Mit der obigen Anordnung kann fast die gesamte Energie des Sendesignais einem Frequenzband, das durch die Probe hindurchgeht, zugeordnet werden, so daß die Benutzung der Sendeenergie verbessert wird.
In einigen der Ausführungsbeispiele wird das Signal, das schon durch die Signalübertragungsstrecken, wie die Sonde und die Probe usw., die unterschiedliche Frequenzcharakteristika aufweisen, hindurchgegangen ist, als Referenzsignal zu dem Zeitpunkt des Durchführens einer Korrelationsoperation eines Empfangssignals verwendet, so daß eine spezielle Wellenform unterstrichen bzw. hervorgehoben werden kann.
Auch werden in einigen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Korrelationsoperationsbereichen vorgesehen und das obige Referenzsignal, das mit Frequenzeigenschaften von einigen Arten von Fehlern addiert ist, wird jeweils als Referenzsignale für die jeweiligen Operationsbereiche verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nach einer kurzen zusammenfassenden Erläuterung beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine zerstörungsfreie Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik in einem Blockschaltbild;
Fign. 2(a) bis 2(c) erläutern die Funktionsweise der zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fign 3(a)und 3(b) sind Kennlinien, die das Operationsprinzip einer Barkerreihe zeigen;
Fign. 4(a) (b) und (c) sind Kennlinien, die eine Komplementärsequenz zur Erläuterung eines Beispiels nach dem Stand der Technik zeigen;
Fig. 5 zeigt eine Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik, die eine Korrelationsoperation verwendet;
Fig. 6 zeigt Darstellungen zum Erläutern der Funktionsweise von Fig. 5;
Fig. 7 sind Darstellungen zur Erläuterung eines Problemes des Standes der Technik;
Fig. 8 zeigt eine Wellenforin des Sendesignals in einer zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 9 zeigt eine Wellenform eines komprimierten Impulses in einer zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 10 ist eine Wellenform einer Autokorrelationsfunktion der Sequenz endlicher Länge in einer zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fign. 11(a) und 11(b) sind Wellenformen einer Komplementärsequenz-Autokorrelations funktion in einer zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 12 zeigt ein Summierergebnis von Autokorrelationsfunktionen einer Komplementärsequenz in einer zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fign 13(a) und 13(b) zeigen einen komprimierten Impuls in einer zerstörungsfreien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 14 zeiqt einen zusammengesetzten komprimierten Impuls in einer zerstörungs freien Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 15 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Blockschaltbild;
Fign. 16(a) und 16(b) zeigen eine Wellenform des Sende signals in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fign. 17(a) und 17(b) zeigen ein Ergebnis einer Korrelationsoperation in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 18 zeigt ein Summierergebnis von Korrelationsfunktionen in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19 zeigt Frequenzkennlinien eines Sendesignals und einer Ultraschallsonde in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fign. 20(a) und 20(b) zeigen Wellenformen eines anderen Sendesignals in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fign. 21(a) und 21(b) zeigen eine Wellenform eines anderen Reflexionsechos in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fign. 22(a) und 22(b) zeigen eine Wellenform von anderen Korrelationsoperationsergebnissen in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 23 zeigt ein Summierergebnis einer anderen Korrelationsoperation in dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fign. 24(a) und 24(b) zeigen Wellenformen, die eine Operation einer Ultraschallinspektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik angeben;
Fig. 25 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung in einem Blockschaltbild;
Fign. 26(a) und 26(b) zeigen ein Ergebnis einer Korrelationsoperation in dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 27 zeigt eine Wellenform eines Summierergebnisses der Korrelationsoperationen in dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 28 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel eines Korrelators nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 29 ist ein Blockschaltbild, das ein anderes Beispiels eines Korrelators nach der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 30 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung.
Es sei bemerkt, daß die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele in bezug auf Ultraschallwellen nur zur Erläuterung dienen und sie sind nicht begrenzt auf die Verwendung von Ultraschallwellen, sondern auch fur andere Übertragungswellen, wie Mikrowellen oder elektrische Wellen anwendbar.
Ein Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 15 erläutert.
Fig. 15 ist ein Blockschaltbild, das das erste Ausführungsbeispiel zeigt und eine Ultraschallsonde 102 und eine Anzeige 104 sind die gleichen wie die nach dem Stand der Technik.
In Fig. 15 umfaßt das erste Ausfuhrungsbeispiel die gleichen Bauteile wie die des Standes der Technik und andere, nämlich ein Sendesignalgenerator 101B, einen Korrelator 105A, der mit dem Sendesignalgenerator 101B und der Ultraschallsonde 102 verbunden ist, und einen Addierer 106 mit einer Speicherfunktion, der mit dem Korrelator 105A verbunden ist.
Die Ultraschallsonde 102 ist mit dein Sendesignalgenerator 101B verbunden und die Anzeige 104 ist mit dem Addierer 106 verbunden.
Als nächstes wird die Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fign. 16, 17, 18 und 19 erläutert.
Der Sendesignalgenerator 101B erzeugt Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) und sendet sie an die Ultraschallsonde 102.
Wie in den Fign. 16(a) und 16(b) gezeigt wird, verwendet das Sendesignal Sa*(t) (+, +, +, -) als erste Sequenz A und das Sendesignal Sb*(t) verwendet (+, +, -, +) als zweite Sequenz B und die erste und zweite Sequenz A und B bilden eine Komplementärs quenz. Für das positive Zeichen "+" steht sin 2πf&sub0;t (0 ≤ t ≤T) und für das negative Zeichen "-" steht -sin 2πf&sub0;t (0 ≤ t ≤ T) und die obigen Sinuswellenteile sind auf der Zeitachse in der Erscheinungsreihen folge der Zeichen angeordnet, wobei t eine Zeitvariable, T eine feste Zeit und f&sub0; eine feste Frequenz sind.
Die Ultraschallsonde 102 wird von dem obigen Sendesignal Sa*(t) angesteuert, strahlt Ultraschallwellen zur Probe S ab, empfängt ein Reflexionsecho Ga*(t), das an irgendeinem Reflexionsbereich innerhalb der Probe reflektiert wird und sendet es an den Korrelator 105A.
Das gleiche Signal wie das obige Sendesignal wird gleichfalls an den Korrelator 105A übertragen.
Der Korrelator 105A führt eine Korrelationsoperation zwischen dem Reflexionsecho Ga*(t) und dein Sendesignal Sa*(t) durch. Das Ergebnis Pa*(t) der Korrelationsoperation wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
a*(t) = Ga*(t')Sa*(t' - t)dt' [integrationsbereich: -∞ ∞] ... (101).
In ähnlicher Weise wird in der nächsten Zeitphase die Ultraschallsonde 102 durch das obige Sendesignal Sb*(t) angesteuert und der Korrelator 105A führt eine Korrelationsoperation zwischen dem Reflexionsecho Gb*(t) und dem Sendesignal Sb*(t) durch und ihr Ergebnis b*(t) wird ausgedrückt durch
b*(t) = Gb*(t')Sb*(t') (t' - t)dt' [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (102).
Der Addierer 106 summiert die Ergebnisse der Korrelationsoperationen der Gleichungen (101) und (102) und überträgt sie an die Anzeige 104, die anzeigt
α*(t) + b*(t).
Der Addierer 106 speichert a*(t) in sich selber, bis b*(t) übertragen wird.
Das Funktionsprinzip des ersten Ausführungsbeispiels entsprechend der vorliegenden Erfindung wird im folgenden erläutert.
Wenn die erste Sequenz A und die zweite Sequenz B in einer komplementären Beziehung stehen, sind die Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) auch in einer komplementären Beziehung, wodurch die Pegel der Bereichsseitenkeulen theoretisch zu Null werden.
Autokorrelationsfunktionen der Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) werden in der folgenden Beschreibung durch werden wie folgt definiert:
a*(τ) = Sa*(t)Sa*(t - τ)dt [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (103)
b*(τ) = Sb*(t)Sb*(t - τ)dt [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (104).
Wie in den Fign. 17(a) und (b) gezeigt wird, offenbart der Vergleich zwischen den Autokorrelationsfunk tionen a*(τ) und b*(τ) , daß ihre Amplituden die gleichen in bezug auf ihre Primärkeulen sowie ihre Abstandsseitenkeulen sind, während ihre Phasen die gleichen in bezug auf ihre Primärkeulen aber entgegengesetzt in bezug auf ihre Seitenkeulen sind. Somit wird der Seitenkeulenpegel zu Null, wie in Fig. 18 gezeigt wird, wenn die Autokorrelationsfunktionen a*(τ) und b*(τ) summiert werden. Wenn in anderen Worten gesagt, die erste Sequenz A und die zweite Sequenz B in einer komplementären Beziehung zueinander stehen, stehen die Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) in der gleichen Beziehung.
In den Fign. 16(a) und 16(b) ist ein Fall gezeigt, bei dem ein Intervall T', das ein Führungsintervall von sin 2πf&sub0;t und -sin 2πf&sub0;t ist, größer als ein Intervall T. Allerdings ist die oben erläuterte Beziehung auch für einen Fall anwendbar, bei dein Führungsintervall T' gleich T ist Auch wird ein Fall gezeigt, bei dein eine Zykluszahl von sin 2πf&sub0;t und -sin 2πf&sub0;t 3 =(= f&sub0;T) ist, aber die oben erwähnte Beziehung hält unabhängig von einer Zykluszahl.
Nun wird ein Fall betrachtet, bei dem Ultraschallwel len in einer zerstörungsfreien Untersuchung verwendet wird.
Eine Umlaufzeit einer Ultraschallwelle zwischen der Ultraschallsonde 102 und einem Reflexionsbereich in der Probe S sei mit t&sub0; bezeichnet. Wenn die Sonde 102 durch das Signal Sa*(t) angesteuert wird, wird das Reflexionsecho ungefähr ausgedrückt als Sa* (t -t&sub0;) Wenn eine Korrelationsoperation zwischen dem Reflexionsecho Sa*(t - t&sub0;) und dem Sendesignal Sa*(t) durchgeführt wird, wird die rechte Seite der folgenden Gleichung erhalten:
Sa*(t - t&sub0;)Sa*(t -τ)dt = a(τ - t&sub0;) [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (105).
In gleicher Weise wird das Reflexionsecho ungefähr ausgedrückt als Sb*(t - t&sub0;), wenn in der nächsten Zeitphase die Ultraschallsonde 102 von dem Sendesignal Sb*(t) angesteuert wird. Wenn eine Korrelationsoperation zwischen dein Reflexionsecho Sb*(t - t&sub0;) und dem Sendesignal Sb*(t) durchgeführt wird, wird die rechte Seite der folgenden Gleichung erhalten:
Sb*(t - t&sub0;)Sb*(t - τ)dt = b*(τ - t&sub0;) [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (106).
Wenn die Ergebnisse der obigen Korrelationsoperationen summiert werden, wird das folgende erhalten:
a*(τ - t&sub0;) + b*(τ - t&sub0;)
Dieses Ergebnis ist das gleiche wie in einem Fall, bei dem die Wellenform nach Fig. 18 um t&sub0; längs der Zeitachse verschoben ist. Das heißt, es weist eine Primärkeule bei τ = t&sub0; und Seitenkeulenpegel von Null auf. Daher kann eine Position des Reflexionskörpers durch Erfassen der Zeit, bei der die Primärkeule erscheint, bestimmt werden.
Eine vorteilhafte Wirkung, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erhalten wird, wird im folgenden erläutert. Wenn die Frequenz f&sub0; der Sendesignale s*(t) und Sb*(t) ungefähr nahe der Mittenfrequenz der Ultraschallsonde 102 gesetzt wird, werden die Frequenzkennlinien der Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) und die Frequenzantwortkennlinie der Ultra schalisonde 102 zu denen, wie in Fig. 19 dargestellt ist. Die Sendesignale Sa*(t) und Sb*(t) weisen im wesentlichen keine Energie in dem Niedrigfrequenzbereich auf und so geht die meiste Energie durch die Ultraschallsonde 102. Daher wird im Vergleich zum Stand der Technik der Wirkungsgrad zur Verwendung der Energie im ersten Ausführungsbeispiel größer.
Um als nächstes die Verbesserungen im ersten Ausfüh rungsbeispiel hinsichtlich der Seitenkeulen und S/N Verhältnisse auszuwerten, wird die Funktionsweise unter den folgenden Bedingungen unter Bezugnahme auf die Fign. 20, 21, 22 und 23 erklärt.
Eine Ultraschallsonde, eine sogenannte Breitbandsonde, mit einer Mittenfrequenz von 5 MHz und einer relativen Bandbreite von 60 % oder mehr wurde als Ultraschallsonde 102 verwendet und als Probe S wurde Stahl verwendet.
Als eine Komplementärsequenz wurden die folgenden Sequenzen verwendet, wobei jede eine Länge von 8 hatte.
A = (+, +, +, -, +, +, -, +)
B = (+, -, +, +, +, -, -, -).
Als Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) entsprechend diesen Komplementärsequenzen A und B wurden Signale verwendet, die Fign. 20(a) und (b) gezeigt sind, wobei
f&sub0; = 5 MHz,
f&sub0;T = 1,5.
Ein Intervall T' zwischen der Wellenformeinheit (den Sinuswellenbereichen) wurde gleich T gesetzt.
Zuerst wurde die Ultraschallsonde 102 von dem Sende signal Sa**(t) angesteuert und das Reflexionsecho Ga**(t), wie es in Fig. 21(a) gezeigt wird, wurde gemessen.
In gleicher Weise wurde das Reflexionsecho Gb**(t) entsprechend Fig. 21(b) unter Verwendung des Sendesignals Sb**(t) gemessen.
Der Grund, warum die Wellenformen der Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t) unterschiedlich zu denen der Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) sind, liegt in der Filterfunktion der Ultraschallsonde 102 mit einer endlichen Bandbreite. Diese Filterfunktion arbeitet doppelt, da die Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) zweimal durch die Ultraschallsonde 102 hindurchgehen, das heißt zum Zeitpunkt der Sendung und zum Zeitpunkt des Empfangs.
Durch Durchführen der Korrelationsoperation zwischen den Sendesignalen Sa**(t) und dem Reflexionsecho Ga** (t) wird in das in Fig. 22(a) gezeigte Ergebnis erhalten. In gleicher Weise wird das Ergebnis in Fig. 22(b) erhalten, indem die Korrelationsoperation zwischen dem Sendesignal Sb**(t) und dem Reflexionsecho Gb**(t) durchgeführt wird.
Durch Summieren der beiden operationsergebnisse wird dann das Ergebnis nach Fig. 23 erhalten. Die Pegel der Abstandnebenkeulen liegen unter -32 dB, was relativ niedrig ist, und das Ergebnis zeigt auch, daß das S/N Verhältnis größer als 32 dB ist.
Weiterhin wird zum Zwecke des Vergleichs eine Operation der Vorrichtung nach dem Stand der Technik eines Impulstyps nach Fig. 1 unter Bezugnahme auf die Fign. 24(a) und (b) erläutert. Die Ultraschallsonde 102 und die Probe S sind die gleichen wie die des ersten Ausführungsbeispiels.
Durch das in Fig. 24(a) gezeigte Signal wurde die Ultraschallsonde 102 angesteuert. Dieses Signal ist hinsichtlich seiner Wellenform und seiner Spitzenamplitude das gleiche wie der Einheitsbereich der Sendesignale SA**(t) und Sb**(t).
Das Reflexionseche entsprechend Fig. 24(b) wurde gemessen. Diesem Echo waren stark Störungen und Rauschen überlagert und das S/N Verhältnis war nur ungefähr 25 dB.
Daher sei bemerkt, daß, bei Vergleich der Ergebnisse nach den Fign. 23 und 24(b) das erste Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung eine vorteilhafte Wirkung darin erzielt, daß das S/N Verhältnis ungefähr 7 dB verbessert wird und sie erzielt gleichfalls eine vorteilhafte Wirkung dahingehend, daß die Wirksamkeit der Verwendung der Sendeenergie größer gemacht wird, wie in Fig. 19 gezeigt wird.
Ein Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 25 erläutert, bei der ein Sendesignalgenerator 101B, eine Ultraschallsonde 102, ein Korrelator 105A, ein Addierer 106 und eine Anzeige 104 die gleichen sind, wie die in dem ersten Ausführungsbeispiel.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 25 sind neben den gleichen Bauteilen wie die in dem ersten Ausführungsbeispiel ein Referenzsignalgenerator 107, dessen Eingangsseite und dessen Ausgangsseite mit dem sendesignalgenerator lolb und dem Korrelator 105A jeweils verbunden sind, vorgesehen. Die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf die Fign. 26 und 27 erläutert.
Die Betriebsbedingungen sind die gleichen wie die in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels.
Als erstes erzeugt der Sendesignalgenerator 101B Sendesignals Sa**(t) und Sb**(t), um die Ultraschallsonde 102 anzusteuern. Diese Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) sind die gleichen wie die des ersten Ausführungsbeispiels.
Die Ultraschallsonde 102 wird durch die Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) angesteuert sendet Ultraschallwellen an die Probe S, empfängt ihre Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t) und überträgt sie an den Korrelator 105A.
Auf der anderen Seite erzeugt der Referenzsignalgenerator 107 Referenzsignale ha(t) und hb(t) auf der Grundlage der Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) und überträgt sie an den Korrelator 105A.
Diese Referenzsignale ha(t) und hb(t) sind Signale, die erhalten werden, indem die Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) zweimal durch die Ultraschallsonde 102 hindurchgescheckt werden, wobei sie einer Filterfunk tion zum Zeitpunkt sowohl der Sendung als auch des Empfangs unterworfen werden.
Die Filtereigenschaften (Impulsantworteigenschaften) der Ultraschallsonde 102, die zum Zeitpunkt der Sendung und des Empfangs ausgesetzt ist, seien durch U&sub1;(t) und U(t) jeweils ausgedrückt. Dann werden die Referenzsignale durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
ha(t) = Sa**(t')U&sub1;(t"-t')U(t"-t)dt'dt" [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (107)
hb(t) = Sb**(t')U&sub1;(t"-t')U(t"-t)dt'dt" [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (108).
Die Referenzsignale ha(t) und hb(t), die aktuell verwendet werden, sind jeweils die, die vorher durch Messen des Reflexionsechos von der Bodenfläche der Probe erhalten werden, wenn die Ultraschallsonde 102 durch die Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) angesteuert wird. Der Grund, warum diese Referenzsignale gewählt wurden, liegt darin, daß das Reflexionsecho von der Bodenfläche der Probe S äquivalent zu dem Signal ist, das durch Hindurchschicken der Sendesignale Sa**(t) und Sb**(t) durch die Ultraschallsonde 102 mit der zweimaligen Filterfunktion erhalten wird, und daß das Reflexionsecho von der Bodenfläche mit einem hohen S/N Verhältnis gemessen werden kann.
Der Korrelator 105A führt Korrelationsoperationen zwischen den Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t) und den Referenzsignalen ha(t) und hb(t), wobei eine Variable τ geändert wird. Die Gleichungen hinsichtlich der obigen Korrelationsoperationen sind wie folgt:
Ga**(t)ha(t - τ)dt [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (109)
Gb**(t)hb(t - τ)dt [Integrationsbereich: -∞ ∞] ... (110).
Die aktuellen Integrationsbereiche in den Gleichungen (109) und (110) waren auf endliche Bereiche begrenzt, das heißt Bereiche, bei denen die Referenzsignale ohne ernsthaften Schaden als im wesentlichen Null angesehen werden können, wurden abgeschnitten. In anderen Worten gesagt, wurden, wenn Symbole Ta und Tb der Zeitbreite jeweils zugeordnet werden, in der die Referenzsignale ha(t) und hb(t) nicht als Null betrachtet werden können, die folgenden Integrationsbereiche in den obigen Gleichungen (109) und (110) verwendet.
-Ta/2 + τ Ta/2 + τ.
-Tb/2 + τ Tb/2 + τ
Die Fign. 26(a) und (b) zeigen die Ergebnisse der Korrelationsoperationen entsprechend den Gleichungen (109) und (110) mit der Verwendung der obigen Integrationsbereiche.
Schließlich summiert der Addierer 106 die Ergebnisse der Korrelationsoperationen entsprechend den Gleichungen (109) und (119) auf.
Das heißt, das Ergebnis der Korrelationsoperation nach der Gleichung (109) wird in einem inneren Speicher des Addierers (106) gespeichert und in der nächsten Zeitphase werden das Ergebnis der Korrelationsoperation entsprechend der Gleichung (110) und das gespeicherte Ergebnis der Gleichung (109) summiert. Fig. 27 zeigt das Ergebnis der Summierung.
Bei Vergleich dieses Ergebnisses mit dem Ergebnis nach Fig. 23 der Korrelationsoperationen und der Summierung in dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem die Pegel der Seitenkeulen unter -32 dB waren, wird bemerkt, daß die Pegel der Abstandsseitenkeulen unter -48 dB in Fig. 27 sind und der Pegel der Seitenkeulen wird ungefähr um 16 dB im zweiten Ausführungsbeispiel verbessert.
Da das zweite Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung wie oben aufgebaut ist, ist es selbst unter ungünstigen Bedingungen, bei dem das S/N Verhältnis schlechter ist, nützlich und es erzielt eine vorteilhafte Wirkung darin, daß die Pegel der Seitenkeulen merkbar verringert werden können.
In dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wurden die Signale alle digitalisiert und die Korrelations operationen und Summierungen wurden unter Verwendung eines Computers durchgeführt.
Als Mittel zum Durchführen einer Korrelationsoperation können verschiedene Arten von Mittel betrachtet werden. Zwei praktische Mittel zum Durchführen einer Korrelationsoperation werden unter Bezugnahme auf die Fign. 28 und 29 erläutert.
In Fig. 28 umfaßt ein Korrelator 105B eine angezapfte Verzögerungsleitung 150, die mit der Ultraschallsonde 102 verbunden ist, eine Mehrzahl (Ka) von Multiplizierern 151, die mit der angezapften Verzögerungsleitung 150 verbunden sind und einen Addierer 152, der mit dem Multiplizierer 151 verbunden ist.
Dieser Korrelator 105B führt eine Korrelation unter Verwendung des Merkmals der Gleichung (109), die wie folgt modifiziert werden kann:
Ga**(t)ha(t - τ)dt [Integrationsbereich: -∞ ∞]
Ga**(t + τ)ha(t)ha(t)dt [Integrationsbereich: -∞ ∞]
Ga**(t + τ)ha(t)dt [Integrationsbereich: 0 Ta]
ΣGa**(kΔt + lΔt)ha(kΔt) [k = 1 Ka] ... (111)
wobei k, l: ganze Zahl
Δt : Abtastintervall
Ka : Konstante
t = kΔt
τ = lΔt und
Ta = KaΔt.
In den Korrelator 105B ist Δt eine Verzögerungszeit zwischen den Abgriffen der angezapften Verzögerungsleitung 150 und Ka ist die Gesamtzahl der Abgriffe. Wenn das Reflexionsecho Ga**(t) der angezapften Verzögerungsleitung 150 eingegeben wird, wird ein Ausgangssignal eines Abgriffs, zum Beispiel des k-ten Abgriffs mit einem vorbekannten Gewicht ha(kΔt) über den Multiplizierer 151 multipliziert. Danach summiert der Addierer 152 Ausgangssignale von all den Abgriffen und das Ergebnis ist gleich der obigen Gleichung (111).
Auch kann die Gleichung (110) wie folgt modifiziert werden:
Gb**(t)hb(t - τ)dt [Integrationsbereich: -∞ ∞]
ΣGb**(kΔt + lΔt)hb(kΔt) [k = 1 Kb] ... (112)
wobei Tb = KbΔt ist.
Die jeweiligen Korrelationsoperationen der Gleichungen (111) und (112) können zu unterschiedlichen Zeitphasen durchgeführt werden. In diesem Fall ist es möglich, den gleichen und einzigen Korrelator 105B zu verwenden und nur die Gewichte ha(kΔt) in der gleichen Konstruktion durch die Gewichte hb (kΔt) zu ersetzen.
Auch kann das gleiche Ergebnis und die gleiche Wirkung erwartet werden, wenn zwei Systeme mit einer anderen angezapften Verzögerungsleitung, anderen Multiplizierern und einem anderen Addierer zusätzlich zu der angezapften Verzögerungsleitung 150, den Multiplizierern 151 und dem Addierer 152 verwendet werden, um die zwei Korrelationsoperationen unabhängig durchzuführen.
In Fig. 29 ist ein anderer Korrelator 105C dargestellt und er umfaßt eine Fourier-Transformationsein heit 153, die mit dem Referenzsignalgenerator 107 verbunden ist, eine Korrektureinheit 154, die mit der Fourier-Transformationseinheit 153 verbunden ist, eine Fourier-Transformationseinheit 155, die mit der Ultraschallsonde 102 verbunden ist, eine Korrektureinheit 156, die mit der Fourier-Transformationseinheit 155 verbunden ist, einen Multiplizierer 157, der mit den Korrektureinheiten 154 und 156 verbunden ist, und eine inverse Fourier-Transformationseinheit 158, die mit dem Multiplizierer 157 verbunden ist.
Dieser Korrelator 105C verwendet die Tatsache, daß die Ergebnisse der Korrelationsoperationen, die durch die Gleichungen (109) und (110) ausgedrückt werden können, äquivalent zu den Ergebnissen sind, die durch eine Fourier-Transformation der jeweiligen Signale mit einer folgenden Multiplikation und einer weiteren inversen Fourier-Transformation erhalten werden.
Das heißt, die Fourier-Transformationseinheit 153 transformiert die Referenzsignale ha(t) und hb(t) vom Referenzsignalgenerator 107 und die Fourier-Transformationseinheit 155 transformiert die Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t). Die Korrektureinheiten 154 und 156 können die Frequenzantwortcharakteristika der Probe S, wie eine Frequenzcharakteristik der Ultraschalldämpfung korrigieren und sie können auch die Frequenzantwortcharakteristika der Ultraschallsonde 102 korrigieren.
Der Multiplizierer 157 führt eine Multiplikation zwischen dem korrigierten Reflexionsecho Ga**(t) und dem korrigierten Referenzsignal ha(t) und in gleicher Weise eine Multiplikation zwischen dem korrigierten Reflexionsecho Gb**(t) und dem korrigierten Referenz signal hb(t) durch.
Die inverse Fourier-Transformationseinheit 158 führt eine inverse Fourier-Transformation des Ergebnisses der obigen Multiplikation durch.
Dieser Korrelator 105C kann wegen der später erläuterten Gründe die Pegel der Seitenkeulen zu Null verringern, d.h. zu einem idealen Zustand. Das bedeutet, daß die Korrektureinheiten 154 und 156 auch die Fre quenzansprecheigenschaften, d.h. Filtereigenschaften der Ultraschallsonde 102 verbessern können. Beispielsweise sind die Referenzsignale ha(t) und hb(t) wie in den Gleichungen (107) und (108) gezeigt wird, abhängig von den Impulsantworten U&sub1;(t) und U(t) der Ultraschallsonde 102. Wenn daher die Impulsantworten U&sub1;(t) und U(t) so korrigiert werden, daß sie sich so nahe wie möglich an die δ Funktion in dem Zeitbereich annähern, werden die Referenzsignale ha(t) und hb(t) sich jeweils den Sendesignalen Sa**(t) und Sb**(t) annähern. Andererseits werden die Reflexionsechos Ga**(t) und Gb**(t) auch hinsichtlich der Probe S und der Ultraschallsonde 102 korrigiert. Somit ist es möglich, den Pegel der Seitenkeulen einem idealen Zustand anzunähern, d.h., wie in Fig. 18 gezeigt wird, Null anzunähern.
Während in dem oben erläuterten Korrelator 105C die Referenzsignale ha(t) und hb(t) durch die Fourier- Transformationseinheit 153 Fourier-transformiert wurden, kann der gleiche Effekt und der gleiche Vorteil auch erwartet werden, indem die berechneten Ergebnisse der Fourier-Transformation der Referenzsignale ha(t) und hb(t) an den Multiplizierer 157 zu einer geeigneten Zeit übertragen werden. In diesem Fall werden die berechneten Ergebnisse vorher durch Fourier-Transformation erhalten und in geeigneten Speichern gespeichert.
Bei dem oben erläuterten Korrelator 105C werden zwei Korrektureinheiten 154 und 156 verwendet, allerdings kann eine einzige Korrektureinheit mit einer dem Multiplizierer 157 nachgeschalteten Stufe verbunden sein, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
In der obigen Erläuterung hinsichtlich der Korrelatoren 105B und 105C werden die Korrelationsoperationen zwischen den Reflexionsechos und Referenzsignalen erläutert; sie können jedoch auch zur Durchführung von Korrelationsoperationen zwischen den Reflexionsechos und den Sendesignalen verwendet werden. Im letzteren Fall werden die den Referenzsignalen entsprechenden Teile durch die sendesignale ersetzt. Die Korrelatoren 105B und 105C können mittels Software oder Hardware hergestellt werden. Es sei bestätigt, daß die jeweiligen, oben beschriebenen Ausführungsbeispiele auch die verschiedenen Wirkungen und Vorteile erzielen, wie die, die unter den folgenden Be dingungen erläutert werden.
Der Test wurde durchgeführt, wobei die Zykluszahl f&sub0;T in dem Bereich von 0,5 3,0 durch jeweils ein Inkrement von 0,5 geändert wurde und wobei ein Intervall T' zwischen Sinuswellenbereichen für jede Zykluszahl f&sub0;T in einem Bereich von f&sub0;T f&sub0;T+2,0 bei jedem Inkrement von 0,5 geändert wurde.
Der Test wurde auch unter Verweridung von Metallen durchgeführt, die eine große Dämpfung zeigen, wie ein Austenitstahl und eine Titanlegierung usw. als Probe S.
Darüber hinaus wurden in dem zweiten Ausführungsbeispiel aktuell gemessene Daten der Reflexionsechos von der Bodenfläche der Probe S als Referenzsignale ha(t) und hb(t) verwendet, allerdings kann die gleiche Wirkung erwartet werden, wenn Daten, die von der folgenden Berechnung erhalten werden, verwendet werden. Das heißt, wenn Materialkonstanten der Probe S und der Bauteile, die die Ultraschallsonde 102 bilden, bekannt sind, können die Impulsansprecheigenschaften der Ultraschallprobe 102 und die Frequenzansprecheigenschaften, die durch die Fourier-Transformation hergeleitet werden, durch Berechnungen erhalten werden, wie beispielsweise auf den Seiten 762 bis 767 von "Non-Destructive Test", Vol. 30, Nr. 10, 1981, bemerkt wurde und gleichfalls können die Frequenzansprecheigenschaften der Probe S berechnet werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 30 erläutert.
In Fig. 30 umfaßt das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die gleichen Elemente wie die des zweiten Ausführungsbeispiels (mit der Ausnahme der Sonde) und andere, nämlich eine Ultraschallsendesonde 102A, die mit dein Sendesignalgenerator 101B verbunden ist, und eine Ultraschallempfangssonde 102B, die mit dem Korrelator 105A verbunden ist.
In dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Impulsantworten der Ultraschallsonden 102A und 102B als U&sub1;(t) und U(t) jeweils in den Gleichungen (107) und (108) verwendet.
Das dritte Ausführungsbeispiel weist die gleiche Wirkung und den gleichen Vorteil wie das zweite Ausführungsbeispiel auf.
Es ist selbstverständlich möglich, die Ultraschallsendesonde 102A und die Ultraschallempfangssonde 102B in den ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anzuwenden.
Auch ist die Anmeldung der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorhergehenden Ausführungsbeispiele begrenzt und eine Kombination von einer Mehrfachkomplementärsequenz, die mehr als vier Sequenzen umfaßt, und einer konventionellen Komplementärsequenz können verwendet werden.
Beispielsweise werden in dem Fall, bei der eine konventionelle Komplementärsequenz mit einer Länge von "4" und eine Mehrfachkomplementärsequenz, die vier Sequenzen umfaßt, wobei jede eine Länge von "5" aufweist, in Kombination verwendet werden, sechs Sequenzen insgesamt verwendet, um wiederholend sechs Sendesignale zu erzeugen, die entweder durch Amplitudencodierung oder Phasencodierung in einer Weise ähnlich zu der in dem sechsten und siebenten Ausführungsbeispiel erhalten werden, und die Echos werden in einer ähnlichen Weise wie die in dem achten, neunten und zehnten Ausführungsbeispiel verarabeitet. In diesem Fall wird ein Vorteil darin geliefert, daß ein S/N Verhältnis weiter verbessert wird, um größer zu werden, da N auf der rechten Seite der Gleichung (302) "6" wird. Auch muß eine Länge der konventionellen Komplementärsequenz und die einer Mehrfachkomplementärsequenz nicht notwendigerweise die gleiche sein und sie kann differieren, wie oben beschrieben wurde.
Auch kann eine Mehrzahl von Mehrfachkomplementärse quenzen und eine Mehrzahl von Komplementärsequenzen in Kombination wie zuvor zum Codieren von Sendesignalen verwendet werden. In diesem Fall wird N auf der rechten Seite der Gleichung (302) groß, wodurch das S/N Verhältnis größer gemacht wird. Da zusätzlich zu dem Obigen viele Arten von Sequenzen verwendbar ist, wird die Freiheit in der Auswahl einer Kombination von Sequenzen zum Codieren des "i-ten" Sendesignals und einer Sequenz zum Codieren des (i+1)ten Sendesignals groß, so daß die Kreuzkorrelationsfunktion der zwei Sequenzen klein gemacht wird. Daher werden Interferenzen von Reflexionsechos, die die Inspektion beeinflussen, wirksam reduziert.
In vielen der oben beschriebenen Ausführungsbeispie len wurde die Ultraschallsonde in einem Zustand beschrieben, bei dem sie die Probe kontaktiert. Allerdings kann die Übertragung der Ultraschallwellen zwischen der Sonde und der Probe über ein geeignetes Medium, wie Wasser, durchgeführt werden. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auf ein Sende-Empfangssystem eines unabhängigen Elementes, das eine Ultraschallsonde des Array-Typs bildet, angewandt werden.
In dem Vorherigen wurde die Beschreibung unter Bezugnahme auf die Detektion eines Fehlers und von Fehlern in der Probe gegeben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Anwendung begrenzt und sie ist auch für andere Zwecke anwendbar, wie die der Diagnose und für medizinische Anwendung und so weiter.
Auch wurden die Ausführungsbeispiele unter Verwendung von Ultraschallwellen beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von Ultraschallwellen begrenzt, sondern ist auch anwendbar unter Verwendung von anderen Wellen, wie elektrische Wellen oder Mikrowellen.
Das Obige zusammenfassend können mit der Verwendung der vorliegenden Erfindung die folgenden Wirkungen und Vorteile erzielt werden.
a. Seitenkeulen können im wesentlichen auf Null in einem zusammengesetzten komprimierten Impuls reduziert werden;
b. die benötigten Werte für dynamische Bereiche von Empfangskreisen können verringert werden;
c. die Anfälligkeit gegen Störungen und Rauschen bei der Inspektion kann verringert werden;
d. der Einfluß von Wiederhallechos auf die Inspektion kann verringert werden;
e. verbesserte S/N Verhältnisse sind erzielbar; und
f. der Wirkungsgrad zur Anwendung der Sendeenergie kann verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde im Detail in bezug auf die Ausführungsbeispiele unter Berücksichtigung der Zeichnungen erläutert, allerdings ist sie nicht auf diese begrenzt und sie kann modifiziert und geändert werden, ohne den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Detektionseinrichtung mit

einer ersten Sendesignal-Erzeugungsvorrichtung (101B) zum Erzeugen eines ersten Sendesignals auf der Grundlage einer ersten Sequenz,

einer zweiten Sendesignal-Erzeugungsvorrichtung (101B) zum Erzeugen eines zweiten Sendesignals auf der Grundlage einer zweiten Sequenz, die eine komplementäre Beziehung zu der ersten Sequenz aufweist,

einer ersten Sendevorrichtung (102,102A) zum Senden von Wellen an ein Objekt (5) mittels des ersten Sendesignals,

einer zweiten Sendevorrichtung (102,102A) zum Senden von Wellen zu dem Objekt (5) mittels des zweiten Sendesignals,

einer ersten Empfangsvorrichtung (102,102B) zum Empfangen eines ersten Echos entsprechend dem ersten Sendesignal, um ein erstes Echosignal vorzusehen,

einer zweiten Empfangsvorrichtung (102,102B) zum Empfangen eines zweiten Echos entsprechend dem zweiten Sendesignal, um ein zweites Echosignal vorzusehen,

einer ersten Korrelationsverarbeitungsvorrichtung (105A) zum Durchführen einer ersten Korrelationsverarbeitung in bezug auf das erste Echosignal,

einer zweiten Korrelationsverarbeitungsvorrichtung (105A) zum Durchführen einer zweiten Korrelationverarbeitung in bezug auf das zweite Echosignal, dadurch gekennzeichnet

daß das erste und das zweite Sendesignal in komplementärer Beziehung stehen und erste und zweite im wesentlichen sinusförmige Signale umfas sen, und daß ein Addierer zum Addieren der Ergebnisse vorgesehen ist, die durch die erste und zweite Korrelationsverarbeitung erhalten werden.

2. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, bei der das erste Sendesignal durch Zuordnen des ersten im wesentlichen sinusförmigen Signals zu einer ersten Komponente (+) der ersten Sequenz und Zuordnen des zweiten im wesentlichen sinusförmigen Signals zu einer zweiten Komponente (-) der ersten Sequenz gebildet wird, und bei dem das zweite Sendesignal durch Zuordnen des ersten im wesentlichen sinusförmigen Signals zu einer ersten Komponente (+) der zweiten Sequenz und Zuordnen des zweiten im wesentlichen sinusförmigen Signals zu einer zweiten Komponente (-) der zweiten Sequenz gebildet wird.

3. Detektionseinrichtung nach Anspruch 2, bei der das zweite im wesentlichen sinusförmige Signal durch Ändern der Phase des ersten im wesentlichen sinusförmigen Signals um 180º erhalten wird.

4. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die erste und zweite Sequenz finite binäre Sequenzen sind.

5. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 weiterhin mit

einer ersten und zweiten Erzeugungsvorrichtung (101B,107) zum Erzeugen eines ersten und zweiten Referenzsignals, wobei die erste Korrelationsverarbeitung zwischen dem ersten Echosignal und dem ersten Referenzsignal durchgeführt wird und die zweite Korrelationsverarbeitung zwischen dem zweiten Echosignal und dem zweiten Referenzsignal durchgeführt wird.

6. Detektionseinrichtung nach Anspruch 5, bei der das erste und zweite Referenzsignal jeweils die gleichen wie das erste und zweite Sendesignal sind.

7. Detektionseinrichtung nach Anspruch 5, bei der das erste Referenzsignal das gleiche wie das erste Echosignal ist, das vorher durch Senden des ersten Sendesignals von der ersten Sendevorrichtung (102,102A) und Empfangen des ersten Echos von der Fläche oder dem Boden eines Versuchsobjekts durch die erste Empfangsvorrichtung (102,102B) erhalten wurde und bei der das zweite Referenzsignal das gleiche ist wie das zweite Echosignal, das vorher durch Senden des zweiten Sendesignals von der zweiten Sendevorrichtung (102,102A) und Empfangen des zweiten Echos von der Fläche oder dem Boden des Versuchsobjekts durch die zweite Empfangsvorrichtung erhalten wurde.

8. Detektionseinrichtung nach Anspruch 5, bei der das erste Referenzsignal ein Signal ist, das durch Berechnen auf der Grundlage von Frequenzansprechcharakteristiken eines Signalweges von einem Ausgangsbereich der ersten Sendesignal- Erzeugungsvorrichtung (101B) über das Objekt zu einem Empfangsbereich der ersten Korrelationsverarbeitungsvorrichtung (105A) und des ersten Sendesignals erhalten wird und bei der das zweite Referenzsignal ein Signal ist, das durch Berechnen auf der Grundlage von Frequenzansprechcharakteristiken eines Signalweges von einem Ausgangsbereich der zweiten Sendesignal-Erzeugungsvorrichtung (lol,lolb) über das Objekt zu einem Empfangsbereich der zweiten Korrelationsverarbeitungsvorrichtung (105) und des zweiten Sendesignals erhalten wird.

9. Detektionseinrichtung nach Anspruch 8, bei der die Frequenzcharakteristiken der Signalwege Frequenzcharakteristiken einschließen, die sich auf die Reflexion eines Reflexionskörpers in dein Objekt beziehen.

10. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das erste und das zweite im wesentlichen sinusförmige Signal sinusförmige Signale mit einer Frequenz f&sub0; sind, wobei die Frequenz f&sub0; durch die Frequenzcharakteristiken der ersten und zweiten Sendevorrichtung (102,102A), Frequenzcharakteristiken des Objekts und Frequenzcharakteristiken der ersten und zweiten Empfangsvorrichtung (102,102B) bestimmt ist, um das Signal/Rauschverhältnis zu optimieren.

11. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, bei der ein einziger Generator (1015) gemeinsam als erste und zweite Sendesignal-Erzeugungsvorrichtung verwendet wird.

12. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, bei der ein einziger Sender (102,102A) gemeinsam als erste und zweite Sendevorrichtung verwendet wird.

13. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, bei der ein einziger Empfänger (102,102B) gemeinsam als erste und zweite Empfangsvorrichtung verwendet wird.

14. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, bei der ein einziger Korrelator (105A) gemeinsam als erste und zweite Korrelationsverarbeitungsvorrichtung verwendet wird.

15. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und zweite Sendevorrichtung und die erste und zweite Empfangsvorrichtung durch eine einzige gemeinsame Sende-/Empfangseinrichtung (102) gebildet werden.

16. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 11, bei der die ersten und zweiten Sendesignale alternierend in der Zeiteinstellung erzeugt werden.

17. Detektionseinrichtung nach Anspruch 16, bei der die erste und zweite Sequenz alternierend in der Zeiteinstellung erzeugt werden.

18. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der die erste und zweite Sendevor richtung als Ultraschallsonde zum Senden von Ultraschallwellen in Übereinstimmung mit den ersten und zweiten Sendesignalen und die erste und zweite Empfangsvorrichtung als Ultraschallsonde ausgebildet sind.