JP2653389B2 - エコー測深方式に従って動作する距離測定装置における送信周波数の調整設定方法 - Google Patents

エコー測深方式に従って動作する距離測定装置における送信周波数の調整設定方法

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JP2653389B2
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  • Measurement Of Radiation (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、音波または超音波パルスを送波しかつ受波
された音波または超音波信号を電気的な受信信号に変換
するための少なくとも１つの電気音響変換器と、前記電
気音響変換器を励振するために送波すべき音波または超
音波パルスの送信周波数を有する電気信号を発生するた
めの周波数が調整設定可能である発振器と、測定対象の
距離に対する尺度としての前記音波または超音波パルス
の走行遅延時間を求めるための評価回路とを有し、種々
異なった送信周波数に対して得られた受信信号の解析に
よって、最適な送信周波数が求められかつ前記発振器に
おいて調整設定される、エコー測深原理に従って動作す
る距離測定装置における送信周波数の調整設定方法に関
する。
この形式の方法は、PCT公表公報WO90/08966から公知
である。送信周波数が電気的音響交換器の共振周波数に
調整されるかまたは電気音響変換器の既知の設定された
温度特性曲線に従って変換器温度に依存して制御される
別の公知の方法に比してこの方法は、送波器、音響空間
との結合部、反射測定対象までの伝搬走行区間およびそ
こからの戻り区間並びに受波器から成る鎖状（カスケー
ド接続的）測定経路全体が送信周波数を求める際に一緒
に関連付けられるという利点が生じる。しかし上記公表
公報に記載されている解決方法は、所定の特殊例に制限
されている。すなわち電気音響変換器の減衰振動領域に
おけるエコーを所定の周波数領域におけるオーバトーン
（高調波）またはアンダトーン（低調波）周波数での変
換器および受波器の特性を解析することによって検出す
るために、システムを作動する最も有利なオーバトーン
またはアンダトーン周波数を求めるか、または小さなSN
比におけるエコーを検出するために、雑音を表すパラメ
ータを求めかつ送信パルスのパルス形状および搬送周波
数をこれらパラメータに従って変化するようにしたい場
合。しかし、上記解析をどのように実施するかまたは上
記パラメータをどのように決定するか、または送信周波
数を得られた結果に依存してどのように決定することが
できるかについての具体的な解決法は示されていない。
本発明の課題は、簡単な手法において僅かな回路コス
トで、最適な送信周波数を直ちに直接的に生ぜしめ得
る、受信信号の解析を可能にする、冒頭に述べた形式の
方法を提供することである。
本発明によれば、このことは、音波または超音波パル
スの送出に続くそれぞれの受信信号期間における受信信
号の解析期間中、受信信号の振幅−時間プロフィールを
形成しかつ積分し、かつ種々異なった送信周波数に対し
て得られた積分値を記憶し、かつ発振器における最適な
送信周波数として、最大の積分値が得られる周波数を調
整設定することによって、実現される。
本発明の方法では有利にも、エコー測深方式に従った
距離測定のための今日の方法において、受信信号の振幅
時間プロフィールを形成しかつ有効エコーを求め並びに
遅延走行時間を測定するためにこの有利エコーを評価す
ることがますます普通になっているという事実を利用す
ることができる。このために設けられる装置は、本発明
の方法によれば受信信号の解析のためにも直接使用する
ことができる。その場合付加的な手段は、種々異なった
送信周波数に対して得られた受信信号の振幅時間プロフ
ィールを積分しかつ最大の積分値が得られる送信周波数
を決定することにとどまる。これらの手段は、それら
が、正常な測定作動において評価回路を形成するコンピ
ュータの適当なプログラミングによって実現されると
き、付加的な回路コストを必要としない。このことは容
易に可能である。というのは、最適な送信周波数の決定
のための受信信号の解析は、距離測定が行われない特別
な周波数監視期間において行われるからである。周波数
監視期間は、最適な送信周波数に対する条件が通例緩慢
にしか変化しないので、比較的大きな時間間隔において
設定することができる。
本発明の方法により、雑音レベルがそれが最適な送信
周波数を求めることを妨害するほど大きいときでも、雑
音が受信信号の解析に与える影響を、簡単な手法で取り
除くことが可能になる。この場合、本発明の方法の有利
な実施例によれば、平均雑音振幅が求められるかつ受信
信号の振幅−時間プロフィールから、それが積分される
前に減算される。雑音は送信周波数に無関係であるの
で、最適送信周波数の決定の際ごとに平均雑音振輻１回
だけ求めればよいだけである。
本発明の有利な構成および改良例はその他の請求項に
記載されている。
本発明のその他の特徴および利点は、図面を用いた実
施例の以下の説明から明らかである。図面中、 第１図は、本発明の方法が使用される、エコー測深方
式に従って動作する距離測定装置のブロック回路図であ
り、かつ 第２図は、第１図の距離測定装置に含まれている周波
数制御回路の詳細なブロック回路図である。
第１図にそのブロック回路図にて示されている、音波
または超音波パルスを用いたエコー測深方式に従って動
作する距離測定装置は、発振器10を含んでいる。発振器
の周波数は、その制御入力10aに供給される周波数制御
信号SFによって調整可能である。発振器10の出力側は、
周期的な電気送信パルスを発生する送信パルス発生器12
に接続されている。送信パルスの持続時間は、送信パル
スの繰り返し周期に比べて短くかつの搬送周波数は、発
振器10によって発生される周波数である。送信パルスは
送受信切換装置14を介して電子音響変換器16に供給され
る。この電子音響変換器は送信変換器および受信変換器
として交番的に動作する。変換器16は、送信パルス発生
器12から供給されるそれぞれの送信パルスを音波または
超音波パルスに変換し、これらパルスは、送信期間の間
変換器16から放射される。それぞれの送信期間に、受信
期間が続き、受信期間の経過中、変換器16は、それが受
信したすべての音波または超音波信号を電気受信信号に
変換する。これには殊に、音響的な伝搬（走行）区間18
の通過走行後、その距離を測定すべきである測定対象20
において、または障害個所によって反射される、送信パ
ルスの音波または超音波が属するが、別のソースからの
外部信号並びに変換器の固有振動、殊に送信パルスの終
了後の変換器の減衰振動も属する。受信期間の持続時間
は、生じうる最大の測定距離において変換器16からの音
波または超音波の測定対象20までの伝搬（走行遅延）時
間の２倍より大きくなければならない。
それぞれの受信期間の間に変換器16から送出される受
信信号は、送受信切換装置14を介して増幅器22の入力側
に供給される。この送受信切換装置14は、送信パルス発
生器12によって発生される送信パルスが増幅器22の入力
側に直接達するのを阻止する。変換器16を送信変換器お
よび受信変換器として交番的に駆動する代わりに、変換
器を送信変換器としてのみ使用かつ第１図に破線にて示
されているように、受信変換器としての第２の電気音響
変換器16′を設けることも可能である。この場合、送受
信切換装置14および増幅器22への接続線が省略される。
それに代わって、増幅器22の入力側は、受信変換器16′
の出力側に接続される。
増幅器22によって増幅された受信信号は、狭帯域の帯
域フィルタ24を介して伝送される。この帯域フィルタの
中心周波数は、制御入力側24aに供給される制御信号に
よって調整設定可能である。帯域フィルタ24の制御入力
側24aは、発振器10の制御入力側10aと同じ周波数制御信
号SFを受信するので、その結果帯域フィルタ24の中心周
波数は常に正確に、発振器10の周波数、ひいては変換器
16から送出される音波または超音波パルスの周波数に相
応する。帯域フィルタ24は、実際に送出された周波数を
有する受信信号を選択しかつその他の周波数を有するす
べての受信信号を抑圧するという働きをする。
帯域フィルタ24を通過した受信信号は、復調器26にお
いて復調される。復調器26は出力側に、復調された受信
信号の包絡線に相応する信号を送出する。復調器26には
標本化回路28が後置接続されており、標本化回路は、包
絡線信号からそれぞれの受信期間の経過中、有利には同
じ時間間隔において生起する一連の標本値を取り出す。
それぞれの標本値は、標本時点における包絡線信号の振
幅を有する。標本化回路28に後置接続されているAD変換
器30は、それぞれの標本置を、その数値が標本値の振輻
に相応する数を表すデジタルコード群に変換する。AD変
換器30から、それぞれの受信期間の経過中送出されるデ
ジタルコード群は、プロフィールメモリ32に入力されか
つそこに記憶される。これら記憶されたコード群は、受
信期間中に得られかつ帯域フィルタ24によってフィルタ
リングされた受信信号の振幅−時間プロフィールを表し
ている。
プロフィールメモリ32には評価回路34が接続されてい
る。この評価回路は、プロフィールメモリ32に記憶され
た振輻−時間プロフィールにおいて、測定対象20におい
て反射された有効エコーを検出し、有効エコーの伝搬
（遅延走行）時間を測定しかつこの伝搬（遅延走行）時
間からの測定対象の距離を計算する働きを有する。当業
者には普通用いられる、この働きの種々様々な実現解決
法がある。
さらに、プロフィールメモリ32に周波数制御回路40が
接続されている。この周波数制御回路は出力側におい
て、発振器10の制御入力側10aに供給される周波数制御
信号SFを送出する。後で第２図に基づいて説明する、周
波数制御回路の動作をよりよく理解するために、第１図
には、周波数制御回路40が次の回路を含んでいることが
示されている。すなわち、プロフィールメモリ32に接続
されている最適周波数計算機41と、電気音響変換器16の
温度を測定するための温度センサ43に接続されている代
替周波数計算機42と、最適周波数計算機41からそこに供
給される情報に基づいて、最適周波数計算機41によって
計算された最適周波数または代替周波数計算機42によっ
て計算された代替周波数が周波数制御信号SFの発生のた
めに周波数制御信号発生器46において使用されるかを決
定する決定回路45と、掃引同調回路47と、その位置に応
じて周波数制御信号発生器46によって発生される周波数
制御信号SFまたは掃引同調回路47によって発生される周
波数制御信号SFを発振器10に伝送する切換スイッチ48と
を含んでいる。しかしこれらの回路は通例、実際回路
（ハードウエア回路）としては設けられていない。むし
ろ周波数制御回路40は有利には、それが上述の回路の機
能を果たすようにプログラミングされているマイクロコ
ンピュータによって形成されている。このために、測定
作動中評価回路34を形成するマイクロコンピュータを使
用することができる。
発振器10において調整設定すべき送信周波数の決定
は、距離測定が行われていない特別な周波数監視期間に
おいて行われる。この場合、最適な送信周波数に対して
尺度となる条件は、いずれにせよ、緩慢しか変化しない
という事実が利用されるので、最適な送信周波数の最初
の決定後、この周波数を比較的大きい時間間隔において
検査しかつ必要に応じて補正することで十分である。
それぞれの周波数監視期間の間、切換スイッチ48は、
周波数制御信号SFが掃引同調回路47から供給されるよう
に設定されている。掃引同調回路47は、スタート周波数
から出発して、送信周波数の段階的な変化を行う。その
都度調整設定された周波数に対して送信パルスが送出さ
れ、かつこの送信パルスに対して得られた受信信号が、
以下に説明する方法で評価される。種々異なった周波数
に対して得られた評価が記憶されかつ周波数監視期間の
終わりに相互比較される。それから最良の評価が得られ
た周波数が、周波数制御信号発生器46における周波数制
御信号の発生のために使用される。所定の場合において
受信信号の評価により最適な送信周波数を求めることが
できないとき、決定回路45が、代替的（予備的）に代替
周波数計算機42によって計算される代替周波数が周波数
制御信号発生器46における周波数制御信号の発生のため
に使用されるようにする。周波数監視間隔の終わりに、
切換スイッチ48は、別の位置に操作されるので、その結
果今や周波数制御信号発生器46から供給される周波数制
御信号SFが、発生器10において調整設定される送信周波
数を次の周波数監視間隔まで決定する。
第１図の周波数制御信号40の動作を、第２図の詳細な
ブロック回路図に基づいて説明する。回路ブロック50
は、それぞれの周波数監視間隔の経過中、プロフィール
メモリ32において記憶された、受信信号の振幅−時間プ
ロフィールが順番にプロフィールメモリ部32の中に伝送
される様子を表す。回路ブロック50には、受信信号の振
幅−時間プロフィールが略示されている。これらは、掃
引同調回路47によって決定された送信周波数を有する送
信パルスの送信後の受信間隔において受信されたもので
ある。実線の曲線は受信信号の包絡線であり、かつ垂直
方向の線分は、包絡線から取り出されたデジタル化され
た標本値の、プロフィールメモリに記憶されているコー
ド群A1,A2,…,Ai,…,Anを表している。それぞれのコー
ド群は、その数値が当該個所における包絡線の振幅に相
応するデジタル数を表している。
最適送信周波数を求めるために、上記プロフィールメ
モリ50に記憶されている振幅−時間プロフィールは、雑
音レベルが、それが障害として現れない程度に低いと
き、直接積分することができる。第２図には、比較的雑
音レベルが高い場合、最適な送信周波数を求める際の雑
音の影響を取り除くために使用される付加的な技術手段
が図示されている。この技術手段は、平均雑音振幅を測
定しかつこれを受信信号の振幅−時間プロフィールか
ら、該プロフィールの積分される前に減算することにあ
る。平均雑音振幅は送信周波数に無関係でありかつ周波
数監視期間の経過中実質的に変化しないので、それをそ
れぞれの周波数監視期間の始めに一度決定しかつ周波数
監視期間の持続時間の間、記憶することで十分である。
平均雑音振振幅の決定は、確実に雑音信号しか存在して
いない時間期間において平均雑音を測定することによっ
て行うことができるが、第２図には平均雑音振幅を測定
するための別の技術手段が図示されている。この技術手
段によれば、当該受信期間（インターバル）の前に送信
パルスが送信されておらず、その結果受信信号は雑音信
号からのみ成る受信期間において受信信号の振幅−時間
プロフィールが受信検出される。よりよく理解するため
に、第２図においては、この振幅−時間プロフィール
は、回路ブロック51によって示されている第２のプロフ
ィールメモリ部に伝送されるものと仮定している。回路
ブロック51には、回路ブロック50と相応の方法で、この
場合得られる包絡線並びに当該のプロフィールメモリ部
に記憶されている、包絡線のデジタル化された標本値の
コード群B1,B2,…,Bi,…,Bnが図示されている。プロフ
ィールメモリ51には、プロフィールメモリ51に記憶され
ている振幅値の平均値を計算する平均値計算機52が接続
されている。このことは、記憶されているコード群によ
って表される数値の単純な加算およびこの和の、コード
群の数による除算によって行われる： 答Bmは、平均値計算機52にデジタルコード群の形にお
いて記憶されかつ全体の周波数監視期間の間に得られる
（可用の）雑音振幅の平均値である。
プロフィールメモリ部50に格納されている振幅−時間
プロフィールはプロフィールメモリ53に移され、その際
同時にそれぞれ記憶されている振輻値から平均雑音振幅
が減算される。従って、プロフィールメモリ部53に記憶
されているコード群C1,C2,…,Ci,…,Cnは振幅値を表し
ている Ci＝Ai−Bm 回路ブロック53には、受信信号の振幅−時間プロフィ
ールと平均雑音振幅との差に相応する、こられ振幅値に
相応する包絡線も示されている。
受信信号の振幅−時間プロフィールの、プロフィール
メモリ部50への転送およびプロフィールメモリ部53にお
ける差プロフィールの形成は、周波数監視期間の間に掃
引同調回路47によって調整設定されたそれぞれの送信周
波数f1,…,fi,…,fkに対して繰り返される。これに対し
て、プロフィールメモリ51における雑音信号の振幅−時
間プロフィールの形成および計算回路52におけ平均雑音
振幅の計算は、それぞれの周波数監視期間の始めに一回
だけ行われる。
それぞれの送信周波数fiに対して、積分器54はプロフ
ィールメモリ53に格納されている振幅時間プロフィール
の積分値を形成する。このことは、記憶されているコー
ド群の数値の加算によって単純に行われる： このようにして得られたそれぞれの積分値Diは、所属
の周波数fiと一緒にメモリ55に記憶される。
それぞれの周波数監視期間の終わりにおいて、最大値
検出器56は、メモリ55に格納されている積分値D1,…,
Di,…,Dkのうち、最大値を有する積分値を求め、かつそ
れはこの最大積分値Dmに対応する周波数fmを周波数い制
御信号発生器46に伝送し、周波数制御信号発生器は、発
振器10において最適な送信周波数としての周波数fmの調
整設定を行うようにする周波数制御信号SFを発生する。
しかしこれら過程は、記述のように、それらが決定回
路45によってイネーブリングされる（動作状態におかれ
る）ときにしか実行されない。決定回路45は、プロフィ
ールメモリ53において形成されるそれぞれの差プロフィ
ールに対して、これが十分な振幅値を有するエコー信号
を含んでいるかどうか、および十分に大きいSN比が生じ
ているかどうかについて検査する。差プロフィールに対
して、これら２つの条件の１つが満足していないと直ち
に、決定回路45は積分器54による積分値の計算を阻止す
る。決定回路は代替周波数計算機43による代替周波数の
計算を行うようにしかつ周波数監視期間を終了する。周
波数制御信号発生器46は、発振器において送信周波数と
して代替周波数の調整設定が行われるように作用する周
波数制御信号SFを発生する。代替周波数の計算のため
に、種々の技術手段があり、その選択は当業者に任され
ている。その前にまだ最適な送信周波数を求めかつ調整
設定することができなかったとき、代替周波数は、温度
センサ43を用いて測定された、電子音響交換器の温度と
代替周波数計算機に記憶されている、変換器の温度特性
曲線とに基づいて計算することができる。しかしその前
に既に最適な送信周波数が求められているときは、代替
周波数としてこの初期の送信周波数を維持することがで
きる。
雑音が存在していないとき、平均雑音振幅は零であ
る。この場合、プロフィールメモリ53に形成された差プ
ロフィールはプロフィールメモリ50における振幅−時間
プロフィールと同一であり、かつ積分器54はこの振幅−
時間プロフィールを積分する。それ故に、雑音レベルが
低い場合には殊に、基本的に、平均雑音レベルを求めか
つ振幅−時間プロフィールから減算することを省略する
ことができ、このことは第２の実施例では、回路51、52
および53を取り除くことによって簡単に行うことができ
る。別の技術手段によれば、決定回路45は、求められた
SN比に基づいて、平均雑音振幅を求めかつ振幅−時間プ
ロフィールから減算するか否かを決定する。

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】音波または超音波パルスを送波しかつ受波
    された音波または超音波信号を電気的な受信信号に変換
    するための少なくとも１つの電気音響変換器と、前記電
    気音響変換器を励振するために送波すべき音波または超
    音波パルスの送信周波数を有する電気信号を発生するた
    めの周波数が調整設定可能である発振器と、測定対象の
    距離に対する尺度としての前記音波または超音波パルス
    の走行遅延時間を求めるための評価回路とを有し、種々
    異なった送信周波数に対して得られた受信信号の解析に
    よって、最適な送信周波数が求められかつ前記発振器に
    おいて調整設定される、エコー測深方式に従って動作す
    る距離測定装置における送信周波数の調整設定方法にお
    いて、音波または超音波パルスの送波に続くそれぞれの
    受信信号期間における受信信号の解析期間中、受信信号
    の振幅−時間プロフィールを形成しかつ積分し、かつ種
    々異なった送信周波数に対して得られた積分値を記憶
    し、かつ発振器における最適な送信周波数として、最大
    の積分値が得られる周波数を調整設定する こと特徴とするエコー測深方式に従って動作する距離測
    定装置における送信周波数の調整設定方法。
  2. 【請求項２】それぞれの振幅−時間プロフィールの形成
    のために、受信信号の包絡線を標本化し、かつ該標本値
    をデジタル化しかつ該デジタル化された標本値を記憶す
    る 請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】受信信号の平均雑音振輻を求めかつ前記受
    信信号の振幅−時間プロフィールと前記平均雑音振幅と
    の差を積分する 請求項１または２記載の方法。
  4. 【請求項４】前記受信信号の雑音振幅を、送波された音
    波または超音波パルスに由来するエコー信号が何等受信
    されない時間において測定する 請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】平均雑音振幅を求めるために、受信信号の
    振幅−時間プロフィールを、その前に音波または超音波
    パルスの送波が行われなかった受信期間において形成
    し、かつ前記振幅−時間プロフィールの振幅値を平均化
    する 請求項３記載の方法。
  6. 【請求項６】受信信号を、振幅−時間プロフィールの形
    成の前に、発振器の周波数に同調されている帯域フィル
    タを介して伝送する 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. 【請求項７】最適な送信周波数を決定するための受信信
    号の解析を、距離測定が行われない周波数監視期間にお
    いて実施する 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
  8. 【請求項８】それぞれの周波数監視期間において、送信
    周波数を、スタート周波数から出発して前以て決められ
    た周波数領域において段階的に変化する 請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】発振器において、受信信号の解析による最
    適な送信周波数の決定が可能でないとき、代替周波数を
    調整設定する 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
  10. 【請求項１０】代替周波数を、前記電気音響変換器の温
    度の測定に基づいて該変換器の前以て決められた温度特
    性曲線に従って決定する 請求項９記載の方法。
JP6508693A 1992-10-02 1993-09-28 エコー測深方式に従って動作する距離測定装置における送信周波数の調整設定方法 Expired - Lifetime JP2653389B2 (ja)

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