JP2015062016A - 多数の超音波パルス形状を使用した検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の種々のアプリケーションにおいてうまく機能できる、多数の超音波パルス形状を使用した検出装置を提供する。
【解決手段】超音波信号をサンプルに送信し、サンプルから結果の超音波反射信号を受信する超音波トランシーバと、超音波トランシーバによって受信した信号を基準信号と比較することによって受信した信号を処理し、時間関数としてそれぞれの時間での受信した信号と基準信号との一致の程度を示す値を含む応答信号を生成する検出器と、複数の所定のパルステンプレートを生成可能なドライバと、を有する。
【選択図】図４ｃ

Description

本発明は、超音波信号をサンプルで出力して、サンプルからの超音波信号の反射を受信し、受信した信号を処理して、反射を検出する検出装置に関する。

超音波は、対象物を検出し、距離を測定するのに使用可能な振動音圧波である。送信された音波は、異なる音響インピーダンス特性の物質にぶつかると、反射して屈折する。これらの反射と屈折が検出され分析されると、その結果のデータが、音波が伝わる環境の画像を生成するのに使用されうる。

超音波は、対象物に特有の構造的な特徴を識別するのに使用されうる。例えば、超音波は、サンプルの大きさと欠陥の位置を検出することにより、非破壊検査に使用されうる。積層構造の種々の層、衝撃損傷、及びボアホールなどの、異なる物質、サンプルの深さ、及び構造的な特徴の種類を対象にする非破壊検査が有効となる広範囲のアプリケーションがある。それ故、広範囲の種々のアプリケーションにおいてうまく機能できる検出装置が必要である。

第一実施態様によれば、超音波信号をサンプルに送信し、サンプルから結果の超音波反射信号を受信する超音波トランシーバと、超音波トランシーバによって受信した信号を基準信号と比較することによって受信した信号を処理し、時間関数としてそれぞれの時間での受信した信号と基準信号との一致の程度を示す値を含む応答信号を生成する検出器と、複数の所定のパルステンプレートを生成可能で、複数の所定のパルステンプレートのうちの選択された１つを、それを駆動するためのトランシーバに適用して、超音波信号を送信するドライバと、を有する検出装置が提供される。複数の所定のパルステンプレートは、（ｉ）単一パルスからなり、且つ、トランシーバが空気中に向かって駆動されている（driven into）ときに、単一パルスからなるいずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成するパルステンプレート、（ｉｉ）２以上のパルスからなり、且つ、トランシーバが空気中に向かって駆動されているときに、いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成するパルステンプレート、（ｉｉｉ）トランシーバが固体に向かって駆動されているときに、いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成するパルステンプレート、（ｉｖ）いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも、主ピークにおいて、より高い比率のエネルギーを持つ応答信号を生成するパルステンプレート、の中から少なくとも２つを含む。

パルステンプレート（ｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅の比率が、単一パルスからなるいずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも高い応答信号を生成しても良い。

パルステンプレート（ｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅との差が、単一パルスからなるいずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも大きい応答信号を生成しても良い。

パルステンプレート（ｉｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅の比率が、いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも高い応答信号を生成しても良い。

パルステンプレート（ｉｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅との差が、いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも大きい応答信号を生成しても良い。

パルステンプレート（ｉｉｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅の比率が、いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも高い応答信号を生成しても良い。

パルステンプレート（ｉｖ）は、主ピークの振幅とサイドローブに含まれる平均絶対エネルギーとの比率が、いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも高い応答信号を生成しても良い。

複数の所定のパルステンプレートは、（ｖ）いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号のＦＦＴにおける一定値を超える任意の占有周波数ビンの振幅よりも低い一定値を超える振幅の占有周波数ビンを持つＦＦＴを含む応答信号を生成するパルステンプレートを含んでも良い。

パルス（ｉｉｉ）及び（ｉｖ）のいずれか又は両方が単一パルスからなっても良い。

検出装置は、超音波トランシーバに適用される所定のパルステンプレートの１つを選択するためのユーザ入力を受信するように構成されたユーザ入力装置を含んでも良い。

検出器は、受信した信号と選択されたパルステンプレートに従って選択された基準信号とを比較するように構成されても良い。

検出器は、受信した信号と整合フィルタとを比較するように構成されても良い。

複数の所定のパルステンプレートは、同じ長さの２つ以上のパルスからなるパルステンプレートを含んでも良い。

複数の所定のパルステンプレートは、２つ以上のパルスからなるパルステンプレートを含み、２つ以上のパルスにおいて１つのパルスの長さは少なくとも他のパルスの長さと異なっていても良い。

所定のパルステンプレートは単一ステップからなるパルステンプレートを含む。

第二実施態様によれば、検出装置を設計するステップと、設計された検出装置を物質的に生産するステップと、を含む検出装置の製造方法が提供される。検出装置を設計するステップは、複数の所定のパルステンプレートの各々を検体に送る（driving into）ことにより、複数の所定のパルステンプレートを検査し、検体から結果の超音波反射信号を受信し、受信した信号と基準信号とを比較して応答信号を生成し、応答信号と選択基準とを比較し、選択基準に対して最適に機能する所定のパルステンプレートを、検出装置が使用可能になる所定のパルステンプレートとして選択すること、を含む。

検体は空気であっても良い。検体は固体であっても良い。

方法は、複数の所定のパルステンプレートの各々を２つ以上の異なる検体に送り、選択基準に対して最適に機能した所定のパルステンプレートを検体ごとに選択することにより、検出装置用の２つ以上の所定のパルステンプレートを選択することを含んでも良い。

方法は、各所定のパルステンプレートについての応答信号を２つ以上の異なる選択基準と比較して、選択基準に対して最適に機能した所定のパルステンプレートを選択基準毎に選択することにより、検出装置用の２つ以上の所定のパルステンプレートを選択することを含んでも良い。

方法は、選択されたパルステンプレートを検出装置のメモリに格納することにより、検出装置を物質的に生産することを含んでも良い。

本発明は、添付の図面を参照して、例として記載される。

（ａ）〜（ｈ）は、種々のパルステンプレートの例を示す。 超音波トランシーバの例を示す。 検出装置の例を示す。 超音波信号を示す。 整合フィルタを示す。 応答信号を示す。 設計と製造の工程の例を示す。 携帯用検出装置の例を示す。 超音波振動子の多数の送信線の作動方法の例を示す。

検出装置は、超音波信号をサンプルに送信し、それらの信号の反射をサンプルから受信する超音波トランシーバを有する。検出装置はまた反射を検出する検出器を有する。超音波信号が、反射がおおよそ何のように見えるかを検出器が分かるようなある所定の形状をしている場合、検出工程はより簡単になる。検出装置はドライバを有し、ドライバは超音波信号の生成においてトランシーバが使用する所定のパルステンプレートを生成可能であって、結果の超音波信号は、検出装置に少なくともおおよそ知られている形状を持つパルスからなる。

検出器は、受信した信号を基準信号と比較することにより、反射を検出する。この工程により、応答信号が生成される。応答信号は、それぞれの時間での受信した信号と基準信号との一致の程度を示す時間関数としての値を含む。検出器は、応答信号を使用して、トランシーバで反射がいつ受信されたかと、その反射に含まれるある程度の信号エネルギーを判定することができる。これらの測定の両方は、反射の飛行時間（つまり、反射を引き起こした構造的特徴がサンプル内のどのくらいの深さに位置するか）を示し、反射が伝わる物質の種類の指標となるため、装置に役に立つ。

検出器により検出される反射が正確であればあるほど、検出装置により集められる情報がより正確になる可能性は高くなる。パルステンプレートはアナログ信号に変換され、それから超音波信号として出力される、必然的にいくつかの数量化不可能な変化をするため、送信される超音波信号の正確な形状は、実際には、おおよそ検出器のみに知られる。発明者は、いくつかのパルス形状は他のものより正確に検出され、特有のパルス形状の性能は、サンプルとスキャンされる構造的特徴において、物質の種類によって異なりうることを実際の実験により、発見した。実験は、また、いくつかのパルス形状はスキャン装置で異なる出力を生成するけれども、他のパルス形状は実質的には互いに区別できない出力を生成することを示した。種々のパルステンプレートの例が図１の（ａ）〜（ｈ）に示されていて、様々な継続時間の１パルスのみ又は１パルス以上からなるテンプレートを含む。パルステンプレートは、ＬｏｗからＨｉｇｈ又はＨｉｇｈからＬｏｗの単一“ステップ”からなることも可能である。パルスは、増加ステップと減少ステップの両方を含んでも良い。

好ましくは、検出装置は、適切なパルステンプレートが特定のサンプルのために選択可能なように、２以上の異なるパルステンプレートを備える。好ましくは、パルステンプレートは、（ａ）互いに異なって、且つ（ｂ）スキャン装置の対象とするアプリケーションにとって最適に、機能する。これは、特定の選択基準が必要とされることを意味する。発明者は、空気又は検査サンプルに送られるときにパルステンプレートが生成する応答信号に基づいて、異なるメトリクス（metrics）の数を計算することにより、特有のパルステンプレートの性能が予測可能であることを発見した。それ故、検出装置のドライバは、好ましくは複数の所定のパルステンプレートを生成するように構成され、その複数の所定のパルステンプレートは、下記の中から少なくとも２つを含む。
（ｉ）単一パルスからなり、且つ、トランシーバが空気中に向かって駆動されているときに、単一パルスからなるいずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成するパルステンプレート。
（ｉｉ）２以上のパルスからなり、且つ、トランシーバが空気中に向かって駆動されているときに、いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成するパルステンプレート。
（ｉｉｉ）トランシーバが固体に向かって駆動されているときに、いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成するパルステンプレート。
（ｉｖ）いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも、主ピークにおいて、より高い比率のエネルギーを持つ応答信号を生成するパルステンプレート。

種々のパルステンプレートの違いを説明する。パルステンプレート（ｉ）は、特に、薄い炭素の板に使うとよい。パルステンプレート（ｉｉ）は、特に、ボアホールの画像化に使うとよい（しかし、衝撃損傷及び他のアプリケーションにもうまく機能する）。パルステンプレート（ｉｉｉ）は、特に、衝撃損傷の画像化に使うとよい（しかし、ボアホール及び他のアプリケーションにもうまく機能する）。パルステンプレート（ｉｖ）は、特に、金属又は金属のようなサンプルに使うとよい。

装置について、特定の例を参照してより詳細に説明する。これは、例示を目的としただけであって、当然、装置はこの例の特定の特徴に限定されない。

超音波トランシーバの例が図２に示されている。ドライカップリング２０１は、エラストマー又は任意の他の適当な物質で形成できる。ドライカップリングの外面は、検査が行われるときに、サンプルに適用される。ドライカップリングの後ろに、トランスデューサ積層板（transducer laminate）２０２がある。トランスデューサ積層板２０２は、送信機２０３と受信機２０４の回路により構成される。送信機２０３と受信機２０４の回路は、それぞれ、ポリイミドフィルム上に堆積された銅により、形成される。各銅の層は、一連の電極を形成しても良い。また、電極は、他の物質（例えば、金）で形成されても良い。圧電性物質２０５（この例ではＰＶＤＦ）の層は、銅層間にある。高電圧のパルス列が送信機の電極上に送信されることにより、圧電層が振動を開始して超音波を出力するときに、この層は超音波信号を生成する。他の例では、トランスデューサは、接着剤層又はベースフィルム層を含まなくても良い。電極は、圧電層に直接堆積されても良い。

高電圧のパルス列は、パルステンプレートを使用して生成される。一般的に、パルステンプレートは、後にアナログ信号に変換されてドライバにより高電圧パルス列に変換されるデジタル信号である。この変換は、パルス形状に小さな変化を引き起こす場合がある。また、送信機の立ち上がり及び立ち下がりの時間と送信遅延は、通常、送信機に特有であり、高電圧パルス列に対する圧電層の応答性は知られていないため、ほとんど知られていない。これらは、必ずしもパルステンプレートはまさに超音波パルスとして送信されるものではないため、パルステンプレート単独での形状を使用した装置の性能の最適化が難しいという理由の２つである。それ故、定量化可能なメトリクスに従って、それらの実際の性能に基づいて、特定のパルステンプレートを選択することが好ましい。

一例では、送信機と受信機の回路は、柔軟性のあるベース層上に平行線で堆積された複数の細長い電極を含む。送信機と受信機の回路は、共に薄板を重ね合わせて作られても良い。それらは、それぞれの電極が直角に重なり合って、交差パターンを形成するように、配置されても良い。交差は、トランスデューサ素子の配列を形成する。

送信機と受信機の電極の数は拡大縮小可能である。それ故、トランスデューサは、任意の所望の大きさと形に設計されうる。電極幅も、電極毎のエネルギー出力の量を調整できるように拡大縮小可能である。また、電極幅は、所望の焦点に従って調整されうる。電極間の距離は、多様であっても良い。通常、隣接した電極間の隙間を小さくして、圧電層のできるだけ大きな領域を刺激することにより、超音波エネルギーを最大にすることが好まれる。周波数、エネルギー、及びビーム焦点などの要因を制御するために、電極の厚さが選択されても良い。ベースフィルムの厚さは、信号の形状、周波数、及びエネルギーなどの要因を制御するために、選択されても良い。ＰＶＤＦの厚さは、信号の形状、周波数、及びエネルギー（これらは、送信するパルス形状に依存する）を変更するために適合されうる。ドライカップリングの厚さは、超音波パルスの送信とサンプルからのそれらの反射の受信との特定のタイムラグを作り出すのに、適合されうる。

検出装置の例が図３に示されている。この例では、送信機と受信機は、マトリックス配列のトランスデューサ素子３１２を含む超音波トランスデューサ３０１により、実施されている。これらのトランスデューサ素子は、受信機の表面を形成する。送信機の電極は、ドライバ３０２に接続されている。ドライバ３０２は、パルステンプレートを特定の電極に供給する。送信機コントロール３０４は、アクティブにする送信機電極を選択する。受信機電極は、対象物から放射される音波を感知する。受信機モジュール３０６は、これらの信号を受信して増幅する。

送信機は、１００ｋＨｚ〜３０ＭＨｚの間、好ましくは１〜１５ＭＨｚの間、最も好ましくは２〜１０ＭＨｚの間の周波数の信号を使用する音波パルスを送信しても良い。

パルス選択モジュール３０３とパルス発生器３１３は、ドライバの制御に従って動作する。パルス選択モジュールは、送信する特定のパルス形状を選択する。通常、この選択は、ユーザ入力に基づいてされるが、特定のアプリケーション（例えば、スキャンされる特定の構造的特徴）又はサンプルの物質に従って、装置が自動で行うこともできる。パルス発生器は、トランスデューサにより超音波パルスに変換されるアナログパルスパターンを送信機モジュールに供給する。パルス選択モジュールは、メモリ３１４に格納されている複数の所定のパルステンプレートにアクセスできる。

装置は、送信と受信を交互に行う。受信線を設置し、パルスを送信線上に送信すると、音波（acoustic wave）が重複領域（トランスデューサ要素）に生成される。この音波（sound wave）は、カップリングパッドを通って、検査用の物質内に移動する。音波の反射は、送信中に設置された同じ受信線により、得られる。複数の送信線は、個別に且つ順にアクティブにされる。別のオプションでは、複数の送信線がまとめてアクティブにされて、より多くの超音波エネルギーを提供し、ある深さでより良い焦点を提供可能にする。この例が図７に示されている。各送信動作は複数の送信線をアクティブにし、シーケンスの各送信動作は、少なくとも１つの送信線で前のシーケンスの一部を覆う。各送信動作が、前の動作よりさらにマトリックスを越える１つの送信動作となるように、送信動作は線毎に進む。超音波トランスデューサの各要素は、繰り返される測定により、２〜４時系列（time series）を得られる。これらの時系列の各々は、後述の信号処理方法に従って処理されうる。

検出器３０５は、受信した超音波信号を処理し、反射された音波パルスを検出し、反射から関連情報を取り出す。検出器は、シグナルプロセッサにより実施されても良い。シグナルプロセッサが関心のある深さから反射を検出して処理するだけとなるように、信号は適当にタイムゲートされる（time-gated）。オペレータが関心のある深さの範囲に焦点を合わせることができるように、タイムゲート(time-gating)は、好ましくはユーザにより、調整可能であっても良い。深さの範囲は、好ましくは０〜２０ｍｍであり、最も好ましくは０〜１５ｍｍである。シグナルプロセッサは、受信機表面（例えば、各トランスデューサ素子）上の各位置から異なる信号を受信しても良い。シグナルプロセッサは、これらの信号を連続的に又は並行して分析しても良い。

シグナルプロセッサは、受信した信号を基準信号と比較することにより、反射されたパルスを適当に検出する。基準信号は、選択されたパルステンプレートの代表であっても良い。これが達成される多数の方法がある。好ましい方法は、選択されたパルステンプレートに対応する整合フィルタを使用することである（どのようにして整合フィルタが生成されるかに関するさらなる情報は下記の通りである）。フィルタリングが実行される前に、ノイズ低減用の入力サンプルの連続的サンプルの数を累算し、平均化するために、装置が配置されても良い。分析部は、整合フィルタを使用して、反射された音波パルスをいつ受信したかを正確に判断する。シグナルプロセッサは、特徴の抽出を実行し、フィルタ処理された信号の最大振幅と、その最大振幅が発生した時間を得る。また、シグナルプロセッサは、位相とエネルギー情報を抽出しても良い。

シグナルプロセッサは、好ましくは、各受信した信号の多数のピークを認識することができる。シグナルプロセッサは、整合フィルタの出力が所定の閾値を越える度に、反射が受信されたと判断しても良い。シグナルプロセッサは、各認知された反射についての最大振幅を特定しても良い。

超音波信号ｓ（ｎ）と対応する整合フィルタｐ（ｎ）の例が図４ａと図４ｂにそれぞれ示されている。超音波信号ｓ（ｎ）は、空気中に対して送信されたパルスの反射である。超音波信号ｓ（ｎ）についてフィルタ処理された時系列の絶対値（すなわち、整合フィルタの出力の絶対値）と対応する整合フィルタｐ（ｎ）が、図４ｃに示されている。これが応答信号である。シグナルプロセッサは、フィルタ処理された時系列の振幅が最大となる時刻として、飛行時間を推定する。この例では、飛行時間の推定は、時刻６４である。

一実施形態において、装置は、最大振幅と飛行時間の値を抽出する前に、フィルタ処理された信号を増幅しても良い。この増幅は、シグナルプロセッサにより行われても良い。また、増幅は、別のプロセッサ又はＦＰＧＡにより制御されても良い。一例において、時間訂正されたゲインはアナログ増幅である。これは、反射されたパルスによるもとの受信機への飛行によって引きおこされる振幅の減少を補っても良い。これを行う１つの方法は、時間訂正されたゲインをフィルタ処理された信号に適用することである。音波パルスが物質により反射されるときの振幅は、その物質（例えば、その音響インピーダンス）の質に依存する。時間訂正されたゲインは、（少なくとも一部は）信号を、最初に反射されたときのような状態に戻すことができる。その後、結果の画像は、パルスを反射した構造的特徴の物質特性をより正確に示すべきである。また、結果の画像は、対象物の構造的特徴の物質特性間のいくつかの違いをより正確に示すべきである。

画像構成モジュールは、ユーザ入力モジュール３１３からのユーザ入力を受信するように構成されても良い。生成された画像はディスプレイ３１１に出力される。ディスプレイ３１１は、他の構成要素と同一の機器又は筐体に含まれても良く、又は、別の機器又は筐体に含まれても良い。ディスプレイは、有線又は無線のリンクにより、他の構成要素と接続されても良い。

画像構成モジュールと画像強調モジュールのいくつか又は全ては、送信機及び受信機の部品とは別の装置又は筐体内（例えば、タブレット、ＰＣ、ＰＤＡ又は他の計算装置）に含まれうる。しかし、できるだけ多くの画像処理が送信機／受信機の筐体内で実行されることが好ましい（例えば、図６の携帯装置６０１を参照）。

画像構成モジュールは、シグナルプロセッサにより集められた情報を使用して、多くの異なる画像を生成しても良い。受信した信号からシグナルプロセッサにより抽出された特徴のいくつかが使用されても良い。一般的に、画像は、飛行時間、エネルギー、振幅、及び／又は位相を示す。画像構成モジュールは、各ピクセルがピクセルの関連する位置で受信された反射を示すように、画像内の各ピクセルを受信機表面上の特定の位置に関連付けても良い。

画像構成モジュールは、単一の送信されたパルスを使用して集められた情報から画像を生成することが可能であっても良い。画像構成モジュールは、連続パルスから集められた情報を使用して、その画像を更新しても良い。画像構成モジュールは、疑似ノイズを低減するために１以上前のフレームを使用して、そのフレームについての情報を平均化することにより、フレームを生成しても良い。これは、画像を形成する関連値の平均を計算することにより、行われても良い。

検出装置用のパルステンプレートの選択は、検出装置自身により行うことができる。装置は、利用できる多数のパルステンプレートを持っていてもよく、順に検査することができる。この種の校正工程は、例えば、空気中に対して、それから適当な物質の固体サンプルに対して、検出装置を発射するなどのユーザの関与を必要としても良い。しかし、パルステンプレートの選択が、その最終的な結果として、検出装置を生産する設計・製造工程の一部を形成するのが、より便利である。このような工程の例が図５に示されている。

図５のステップＳ５０１において、複数のパルステンプレートが検査用に生成される。各パルステンプレートは、異なる形状、振幅、及び持続時間をもつ個々のパルスを１以上含んでも良い。様々な例が図１に示されている。一例として、図１（ｈ）に示されるパルステンプレートは、２つの別個のデジタルパルスからなる。距離ａ，ｂ，ｃは、第１のパルス、第２のパルス、及びその２つのパルス間の時間の、それぞれの持続時間を示している。多数の異なるパルステンプレートが、“ａ”、“ｂ”、“ｃ”を変化させることにより生成されても良い。例えば、６４ＭＨｚクロックでは、“ａ”と“ｂ”は４〜１５クロックサイクルの間でそれぞれ変化させ、“ｃ”は６〜１５クロックサイクルの間で変化させても良い。ステップＳ５０２において、パルステンプレートの各々は順に検査される。各パルステンプレートは、より詳細を以下に記載するように、検査の多数の異なるラウンド（rounds）を受けてもいい。検査は、パルステンプレートを空気又は適当な物質の固体などの異なる検体に送ることを含んでも良い。各検査からの応答信号は、多数の異なるメトリクスに従って、数値化される（ステップＳ５０３）。それから、全てのパルステンプレートと検査の全ラウンドにわたる結果が分析され（ステップＳ５０４）、最適なパルステンプレートが検出装置のために選択される（ステップＳ５０５）。通常、最適なパルステンプレートは、装置が対象としているアプリケーションに依存する。ステップＳ５０６において、検出装置は、選択されたパルステンプレートを生成する機能が備わるように製造される。

設計工程は、上述したような検出装置を使用して、異なる選択基準に対して異なるパルステンプレートの関連する性能を評価することを含んでも良い。これは、検出装置のうちの１つにより生成されたときにどのようにパルステンプレートが実際に機能するかについての正確な印象を与えるのに役立つ。しかし、設計工程は、多数の異なるパルステンプレートがかなり速く評価されうるように、コンピュータなどの形式で、さらなる処理能力を取り入れる可能性がある。

選択方法に組み込まれても良い１つの追加ステップは、異なるパルステンプレートに対応する整合フィルタを生成するステップである。整合フィルタは、理想的には、送信されたパルステンプレートの反射に、形状が類似しているべきである。一般的に、（例えば、上述したように、送信されたパルスは、パルステンプレートと正確には同一形状ではないため）、反射の正確な形状は前もって知られていない。１つの可能性は、反射の形状を予測するシミュレーションを実行することである。他のオプションは、実際に反射の形状を調べることである。例えば、パルステンプレートは、サンプルに送られても良い。そのサンプルは、反射が予測されうる時間がわかるように、公知の深さを適切に持つ。それから、受信した信号のセクションがパルステンプレートの反射を示すとして選択されても良い。適当なセクションは、例えば６４サンプルの長さであっても良い。それから、このセクションは、そのパルステンプレートのための整合フィルタの基盤を形成する。一例において、乗算演算を単純な２進の左方移動の演算に変えられるように、整合フィルタについての係数が直近の２のべき乗に量子化されても良い。

一例において、検査は３ラウンドあっても良い。ラウンド１において、いくつものパルスを持つパルステンプレートを使用して生成された超音波が空気中に向かって発射され、“最適”のパルステンプレートが任意の所望の基準に従って選択される。ラウンド２において、超音波信号は空気中に向かって再度発射されるが、今回はパルステンプレートは、ただ１つのパルスからなるものに制限される。ラウンド３において、いくつものパルスを持つパルステンプレートを使用して生成された超音波は、サンプルに発射される。サンプルは、適切に、最終的な装置が共に使用されることが予想されるものと同一又は類似の物質である。一般的に、選択基準に対して検査される反射は、固体サンプルの後壁からの反射である。サンプルの厚さは、その物質における音速のように、知られているため、反射が予想される時間は、通常、前もって知られている。

パルステンプレートが評価されるときの基準は、受信した反射に適用されるように、下記の中から１つ以上を含んでも良い。
・メインローブ振幅と最大絶対サイドローブ振幅の比率
・メインローブ振幅と最大絶対サイドローブ振幅の差
・整合フィルタ係数の二乗平均平方根（ＲＭＳ）で正規化された、メインローブ振幅と最大絶対サイドローブ振幅の差
・「メインローブ振幅÷全サイドローブの平均（mean）絶対エネルギー」
・「メインローブ振幅÷全サイドローブの平均（average）絶対振幅」
・整合フィルタ係数の二乗平均平方根（ＲＭＳ）で正規化された「メインローブ振幅−全サイドローブの平均絶対振幅」
・信号対ノイズ比（ＳＮＲ）、すなわち、「メインローブ振幅÷フィルタ係数のＲＭＳ」
・信号の帯域幅。これは、超音波信号の平滑化スプライン近似の導関数を使用して計算されても良い。
・推定飛行時間の分散（variance）
・応答信号について実行されるＦＦＴにおける、任意の占有周波数ビンの最低振幅。この基準は、選択されたパルステンプレートが、最低振幅自体よりも、最小閾値より上の最低振幅を持つ占有周波数ビンを含むものであるように、最小閾値を設定することにより、変更されても良い。それ故、選択されたパルステンプレートは、一定値（一定値はゼロ以上）を超える最低振幅ピークを持つものである。
・画像ベースの基準を適用するスキーム。すなわち、ノイズ及びぶれの程度などの処理された超音波画像の品質に関連する基準。

上述した基準のバリエーションでは、正のサイドローブを考慮するだけであっても良い（例えば、“メインローブ振幅と正の最大サイドローブ振幅の比率”が使用されても良い）。他のオプションは、２つ以上のパルステンプレートとフィルタを組み合わせることである。例えば、１つのパルステンプレートが送信されて対応するフィルタによりフィルタ処理され、それから第２の異なるパルステンプレートが送信されて、対応する整合フィルタによりフィルタ処理されても良い。それから、２つのフィルタ処理された時系列（time series）が平均化されて、基準が平均化された時系列で計算される。このスキームは、各基準についての最適なパルスペアを検索する。

一般に、主ピークの突起を測定する基準に対してうまく機能するパルステンプレートは、実際にうまく機能する傾向がある。上記の最初の７つの基準は、このカテゴリに分類される。主ピーク（“突起”カテゴリの要素でもある基準）において、高比率のエネルギーを示すパルステンプレートは、実際、非常にうまく機能する傾向がある。“突起”カテゴリを除いて、“ＦＦＴ”基準に従いうまく機能するパルステンプレートを使用して、良い結果が見られた。

好ましくは、検出装置は、２以上の異なるパルステンプレートを使用することができる。検出装置が種々のアプリケーションに適応できるようにするために、それらのパルステンプレートは好ましくは種々の基準に従って選択される。上述した検出装置は、少なくとも２つのパルステンプレートを生成することができるが、３つ、４つ、又はそれ以上のパルステンプレートを同様に生成することができる。

一例として、下記の８つのパルステンプレートが、上述した検査の３ラウンド中に選択された。
・パルステンプレート１：ラウンド１において、メインローブ対サイドローブの最大比を生成したパルステンプレート
・パルステンプレート２：ラウンド１において、メインローブ振幅とサイドローブ振幅との最大差を生成したパルステンプレート
・パルステンプレート３：ラウンド１において、最大ＳＮＲを生成したパルステンプレート
・パルステンプレート４：ラウンド１において、メインローブ振幅と全てのサイドローブの平均絶対エネルギーとの最大比を生成したパルステンプレート
・パルステンプレート５：ラウンド２において、メインローブ対サイドローブの最大比を生成したパルステンプレート
・パルステンプレート６：ラウンド２において、メインローブ振幅とサイドローブ振幅との最大差を生成したパルステンプレート
・パルステンプレート７：ラウンド３において、メインローブ振幅とサイドローブ振幅との最大差を生成したパルステンプレート（この例では、固体は炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）であった。）
・パルステンプレート８：最低振幅占有周波数ビンを持つＦＦＴを生成したパルステンプレート

特定のパルステンプレートの性能は、実際には、それが生成した画像の品質に従って評価されても良い。ある程度までこれは主観的であるが、画像品質で作ることができる様々な質的な評価がある。例えば、その評価は、特定の寸法又は特定の深さに位置付けられる構造的特徴が画像内で見えるかどうかや、サンプル内の構造的特徴の位置とサイズがその画像からどの程度正確に決定できるかである。いくつかのパルステンプレートが、事実上互いに区別できない出力を生成することが分かった（例えば、特定の検査ラウンドの“突起”基準の異なるものに従い“最適”に機能するパルステンプレートは、一般的に実際には同じように機能する）。好ましくは、検出装置は（異なる基準に従って選択されたことに加えて）、実際には実質的に異なって機能するパルステンプレートを生成することができる。

上述した例に戻り、８つの選択されたパルステンプレートが実用的性能に関してグループ化する傾向にある。（ｉ）パルステンプレート１，２は、同じように機能して、衝撃損傷の画像化に特に効果があり、ボアホール及び他のアプリケーションにもうまく機能する。（ｉｉ）パルステンプレート３，７，８は、同じように機能して、ボアホールの画像化に特に効果があり、衝撃損傷及び他のアプリケーションにもうまく機能する。（ｉｉｉ）パルステンプレート５，６は同じように機能して、薄い炭素の板に特に効果がある。（ｉｖ）パルステンプレート４は、他のテンプレートと最も異なり、金属又は金属のような物質上で最も良く機能する。（ｉ）パルステンプレート１か２のいずれか、（ｉｉ）パルステンプレート３，７，８のいずれか、（ｉｉｉ）パルステンプレート５か６のいずれか、及び（ｉｖ）パルステンプレート４の中から、２つ以上を生成することが可能な装置は、自動車／航空宇宙用のアプリケーションのための有効な範囲のパルステンプレートを持つことがわかった。装置は、最後のグループ（ｉ）〜（ｉｖ）の中からいずれか３つ又は４つ全てを生成しても良い。

対象物の表面下を画像化するための携帯装置の例が図６に示されている。装置６０１は、統合ディスプレイを有することができるが、この例ではタブレット６０２に画像を出力する。装置は、ＰＣ、ラップトップ、ＰＤＡ、ウェアラブルディスプレイなどを含む任意の適当なディスプレイに出力することもできる。分離部分を含む接続は、図示されるように有線であっても良いし又は無線であっても良い。装置は、超音波信号を送受信するためのマトリックス配列６０３を含む。適当に、配列は、交差パターンに配置された複数の電極を含む超音波トランスデューサにより、実施されて、トランスデューサ素子の配列を形成する。トランスデューサ素子は送信と受信を切り替えても良い。携帯装置は、超音波信号を対象物に結合するドライカップリング層６０４を含む。ドライカップリング層は超音波信号を遅延させて、トランスデューサが送信から受信に切り替えるための時間を与える。ドライカップリング層は、他の画像化システムを超える多数の利点を提供し、超音波信号を結合するための液体を使用する傾向がある。これは、産業環境において実用的でない可能性がある。時々使用されるように、液体カプラが嚢（bladder）に含まれる場合、これは正確な深さの測定を得るのを難しくするため、非破壊検査のアプリケーションに適していない。

マトリックス配列６０３は２次元であるため、画像を得るために対象物の全体にわたり動かす必要はない。典型的なマトリックス配列は３０ｍｍ×３０ｍｍであるかもしれないが、マトリックス配列の大きさと形状はアプリケーションに適合するように変えることができる。装置は、オペレータにより対象物に対して真っ直ぐ持たれても良い。一般に、オペレータは、対象物が表面化の欠陥又は物質欠陥を含んでいるかもしれない（例えば、構成要素が衝撃を受けるかもしれない、又は応力集中を引き起こす１つ以上のドリル穴又はリベット穴を含むかもしれない）場所についての良いアイデアを既に持っている。装置は反射されたパルスをリアルタイムで適当に処理するため、オペレータは関心のある任意の領域に装置を設置するだけで良い。

また、携帯装置は、オペレータがパルス形状と対応する整合フィルタを変更するのに使用可能なダイヤル６０５を含む。最適なパルス形状は、画像化される構造的特徴の種類と対象物のどこに位置付けられるかに、依存しても良い。オペレータは、ディスプレイを介してタイムゲート（time-gating）を調整することにより、種々の深さで対象物を見る。オペレータは、ディスプレイで見ているものに応じて、トランスデューサを対象物上で容易に移動し又は装置の設定を変更して、瞬間的な結果を取得することができるため、装置をタブレット６０２などの携帯ディスプレイ又は統合ディスプレイに出力することが有利である。他のアレンジメントでは、オペレータは、新しい設定又は対象物の新しい位置が検査されるたびに、対象物を再スキャンし続けるために、携帯できないディスプレイ（例えば、ＰＣ）と対象物との間を歩く必要があっても良い。

ここに記載された装置と方法は、ボンディング（bonding）を分析して、炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）などの合成物質の剥離（deponding）及び層間剥離（delamination）を検出するのに特に適している。これは、航空機の整備に重要である。それは、応力集中（stress concentrator）として機能する可能性のあるリベット穴周辺の剥離（flaking）を検出するのに使用されても良い。装置は、非常に大きい部品の小さい領域を画像化することが望まれるアプリケーションに特に適している。装置は、軽量で、携帯でき、使いやすい。オペレータにより容易に手で持ち運びでき、対象物上の必要な場所に配置されうる。

他のアプリケーションとして健康診断の実施がある。患者の身体内の特徴を画像化するために、超音波を使用して患者を診察することが知られている。一般的に、これは、超音波設備の操作パラメータを調整して、信頼できる画像を作るために、オペレータ側にある程度の専門化を必要とする。例えば、患者の特徴（診察領域内の皮膚の特性、特に患者の皮下脂肪の厚みなど）を決定づけるために、オペレータは設備を調整する必要がある場合がある。しかし、上述した種類の一連の所定のパルスプログラムを有する超音波検査（inspection）装置を提供することにより、専門家でない人が、より信頼できる超音波検査を実施することができる。ユーザは、所定のプログラムから、対象とする患者についての満足のいく結果を生成する１つを選択することができる。ここに記載された一連のパルスプログラムは、患者の皮膚に関連する特徴（例えば、皮膚がん、脂肪腫、皮下組織の病巣）を画像化するのに特に役に立つことができる。このようなシステムにより、医用画像の専門医よりむしろ、看護スタッフ又は一般開業医が超音波検査を実施できるようになり、コストと生検の必要性を削減できる。

出願人は、他から切り離して、ここに記載された各個別の特徴又は２以上のこのような特徴の任意の組み合わせが、ここに記載した問題を解決するかどうかにかかわらず、且つ、特許請求の範囲に限定することなく、当業者の公の一般常識の観点から、本明細書全体に基づいて実行されうる範囲内において、このような特徴及び特徴の組み合わせを開示する。出願人は、本発明の観点が任意のこのような個々の特徴又は特徴の組み合わせにより構成されても良いことを示している。上述の説明を考慮して、様々な変形が本発明の範囲内で行われることは、当業者に明らかである。

Claims (22)

1. 超音波信号をサンプルに送信し、前記サンプルから結果の超音波反射信号を受信する、超音波トランシーバと、
   前記超音波トランシーバによって受信した信号を基準信号と比較することによって、前記受信した信号を処理し、時間関数としてそれぞれの時間での前記受信した信号と前記基準信号との一致の程度を示す値を含む応答信号を生成する、検出器と、
   複数の所定のパルステンプレートを生成可能で、前記複数の所定のパルステンプレートのうちの選択された１つを、それを駆動するための前記トランシーバに適用して、超音波信号を送信する、ドライバと、
   を有し、
   前記複数の所定のパルステンプレートは、
   （ｉ）単一パルスからなり、且つ、前記トランシーバが空気中に向かって駆動されているときに、単一パルスからなるいずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成する、パルステンプレート
   （ｉｉ）２以上のパルスからなり、且つ、前記トランシーバが空気中に向かって駆動されているときに、いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成する、パルステンプレート
   （ｉｉｉ）前記トランシーバが固体に向かって駆動されているときに、いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも高い突起の主ピークを持つ応答信号を生成する、パルステンプレート、及び
   （ｉｖ）いずれかの他の所定のパルステンプレートによって生成される応答信号よりも、主ピークにおいて、より高い比率のエネルギーを持つ応答信号を生成する、パルステンプレート
   の中から少なくとも２つを含む、検出装置。
2. パルステンプレート（ｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅の比率が、単一パルスからなるいずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも高い応答信号を生成する、請求項１に記載の検出装置。
3. パルステンプレート（ｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅との差が、単一パルスからなるいずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも大きい応答信号を生成する、請求項１又は請求項２に記載の検出装置。
4. パルステンプレート（ｉｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅の比率が、いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも高い応答信号を生成する、請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の検出装置。
5. パルステンプレート（ｉｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅との差が、いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも大きい応答信号を生成する、請求項１から請求項４のいずれかの請求項に記載の検出装置。
6. パルステンプレート（ｉｉｉ）は、主ピークの振幅と最大サイドローブの振幅の比率が、いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも高い応答信号を生成する、請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の検出装置。
7. パルステンプレート（ｉｖ）は、主ピークの振幅とサイドローブに含まれる平均絶対エネルギーとの比率が、いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号よりも高い応答信号を生成する、請求項１から請求項６のいずれかの請求項に記載の検出装置。
8. 前記複数の所定のパルステンプレートは、
   （ｖ）いずれかの他の所定のパルステンプレートにより生成される応答信号のＦＦＴにおける一定値を超える任意の占有周波数ビンの振幅よりも低い一定値を超える振幅の占有周波数ビンを持つＦＦＴを含む応答信号を生成するパルステンプレート
   を含む、請求項１から請求項７のいずれかの請求項に記載の検出装置。
9. 前記超音波トランシーバに適用される所定のパルステンプレートの１つを選択するためのユーザ入力を受信するように構成されたユーザ入力装置を含む、請求項１から請求項８のいずれかの請求項に記載の検出装置。
10. 前記検出器は、受信した信号と選択されたパルステンプレートに従って選択された基準信号とを比較するように構成されている、請求項１から請求項９のいずれかの請求項に記載の検出装置。
11. 前記検出器は、受信した信号と整合フィルタとを比較するように構成されている、請求項１０に記載の検出装置。
12. 前記複数の所定のパルステンプレートは、同じ長さの２つ以上のパルスからなるパルステンプレートを含む、請求項１から請求項１１のいずれかの請求項に記載の検出装置。
13. 前記複数の所定のパルステンプレートは、２つ以上のパルスからなるパルステンプレートを含み、前記２つ以上のパルスにおいて１つのパルスの長さは少なくとも他のパルスの長さと異なる、請求項１から請求項１２のいずれかの請求項に記載の検出装置。
14. 前記複数の所定のパルステンプレートは単一ステップからなるパルステンプレートを含む、請求項１から請求項１３のいずれかの請求項に記載の検出装置。
15. 検出装置を設計するステップと、
    設計された前記検出装置を物質的に生産するステップと、
    を含む検出装置の製造方法であって、
    前記検出装置を設計するステップは、
    複数の所定のパルステンプレートの各々を検体に送ることにより、複数の所定のパルステンプレートを検査し、
    前記検体から結果の超音波反射信号を受信し、
    受信した信号と基準信号とを比較して応答信号を生成し、
    前記応答信号と選択基準とを比較し、
    前記選択基準に対して最適に機能する所定のパルステンプレートを、検出装置が使用可能になる所定のパルステンプレートとして選択すること、
    を含む、検出装置の製造方法。
16. 前記検体は空気である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記検体は固体である、請求項１５に記載の方法。
18. 前記複数の所定のパルステンプレートの各々を２つ以上の異なる検体に送り、前記選択基準に対して最適に機能した所定のパルステンプレートを検体ごとに選択することにより、前記検出装置用の２つ以上の所定のパルステンプレートを選択することを含む、請求項１５から請求項１７のいずれかの請求項に記載の方法。
19. 各所定のパルステンプレートについての応答信号を２つ以上の異なる選択基準と比較して、前記選択基準に対して最適に機能した所定のパルステンプレートを選択基準毎に選択することにより、前記検出装置用の２つ以上の所定のパルステンプレートを選択することを含む、請求項１５から請求項１８のいずれかの請求項に記載の方法。
20. 選択されたパルステンプレートを前記検出装置のメモリに格納することにより、前記検出装置を物質的に生産することを含む、請求項１５から請求項１９のいずれかの請求項に記載の方法。
21. 添付の図面を参照して実質的にここに記載された装置。
22. 添付の図面を参照して実質的にここに記載された方法。

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