JP3642844B2 - 波源像可視化方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラフィの原理に基づいて波源像を可視化する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電波ホログラムや音波ホログラムを用いて波源像を可視化する技術が実用化され、例えば不要電磁波輻射の低減や騒音低減などのために使用されている。観測対象の物体の電波ホログラムを得て解析することにより、その物体のどこからどの程度の不要輻射が生じているかを知ることができ(輻射源分布の可視化)、いわゆるEMI(Electromagnetic Interference)対策を進める上で有効な情報を得ることができる。音波ホログラフィによる音源分布の可視化については、例えば、上羽 貞行、”音波ホログラフィと騒音源探査”、計測と制御、第16巻第5号、427〜433頁、1977年に記載がある。
【0003】
図2は、2次元干渉観測を行って2次元複素インタフェログラム(複素ホログラム)を求めこのインタフェログラムを再生することによって波源分布の表示を行う従来の波源像可視化装置の構成を示すブロック図であり、上述の参考文献に示されているものである。
【0004】
観測対象51に対して距離z0だけ離れた場所に走査観測面52を設定し、走査観測面52内を移動する走査センサ53を用い、走査観測面52の各点において、観測対象51からの電磁波や音波を検出して信号b(t)を得る。また、走査センサ53とは別に固定センサ54を設け、固定センサ54でも観測対象51からの電磁波や音波を検出して信号a(t)を得る。なお、tは時刻を表わし、x,yは走査観測面52内での2次元座標を表わし、x',y'は観測対象51での2次元座標を表わしている。
【0005】
各センサ53,54からの信号b(t),a(t)は、バンドパスフィルタ55,56で所定の周波数帯域に制限され、信号b(t)はロックインアンプ58,59に入力し、信号a(t)は位相シフタ57に入力する。位相シフタ57からは、位相遅れのない信号(0°)が一方のロックインアンプ58の参照信号として出力し、π/4だけ遅れた信号(90°)が他方のロックインアンプ58,59の参照信号として出力する。したがって、一方のロックインアンプ58から、走査観測面52上の点(x,y)での相関値の実数成分JRe(x,y)が出力され、他方のロックインアンプ59からは点(x,y)での相関値の虚数成分JIm(x,y)が出力されることになる。走査観測面52の各点での相関値を得ることにより、2次元複素インタフェログラムが得られることになる。
【0006】
このようにして得られた各点での相関値に基づき波源像再生処理部60により波形像を再生し、この波形像を表示部61に表示する。具体的には、観測対象51上の点(x',y')における輻射の強度をI(x',y')で表わすと、この強度I(x',y')は、以下のように表わされる。jは虚数単位である。
【0007】
【数1】
波源像再生処理部60は式(1)に表わされる計算を実行する。
【0008】
ところで、式(1)の右辺は、波源がコヒーレントである場合には振幅を表わすが、波源がインコヒーレントである場合には振幅の平方を表わす。したがって、表示部61において観測対象51における振幅分布を表示させる場合、波源がコヒーレントである場合にはI(x',y')を表示部61に対して出力し、波源がインコヒーレントの場合には
【0009】
【外1】
を表示部61に対して出力する必要がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の波源像可視化装置には、ロックインアンプの応答性の制限のために、速いスペクトル変動に追従できないという問題点がある。また、上述したように、波源がコヒーレントかインコヒーレントであるかによって再生像の解釈が異なり、事前にコヒーレント波源であるかインコヒーレント波源であるかを知らないと、再生像の解釈を行うことができないこともある。電子装置からの不要輻射の可視化の場合、時間、空間的に、コヒーレント、インコヒーレント、部分コヒーレントな成分が混在し、しかも事前にその割合等を予測することが困難なことが多いので、結局、従来の装置によっては定量的な解釈を行うことが難しい。さらに、従来の装置には、強度分布のみが求められるので、波源状態の時間、空間的なコヒーレンシを評価できないという問題点もある。
【0011】
本発明の目的は、コヒーレンシに関する事前の知識を必要とせず、部分コヒーレントな波源分布の評価が可能であって、スペクトルの速い変化に追従できる波源可視化方法及び装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の波源可視化方法は、観測対象からの放射波動に対して2次元干渉測定を実施し、観測対象における波源像を可視化する方法であって、2次元干渉測定の観測面に対する基準となる位置での放射波動を検出して第1の信号として出力する第1のセンサと、観測面内の任意の位置での放射波動を検出して第2の信号として出力する第2のセンサとを使用し、第1の信号及び第2の信号をそれぞれフーリエ変換して第1のスペクトル及び第2のスペクトルを獲得し、第1のスペクトルのパワースペクトルと、第2のスペクトルのパワースペクトルと、第1のスペクトルと第2のスペクトルの間のクロススペクトルとを求め、クロススペクトルの平均値と各パワースペクトルから算出された平均値とに基づきコヒーレンス関数を決定し、観測面内の点ごとに、クロススペクトルを得てこれを第1のスペクトルのパワースペクトルの平方根で規格化し、規格化されたクロススペクトルに対して観測周波数帯域内でコヒーレンス関数の値に応じた積分演算を実行して相関値を算出し、観測対象と観測面との距離に応じて波源像の再生のための演算処理方法を選択し、各点ごとの相関値に基づいて波源像を再生する。
【0013】
本発明において、放射波動としては、音波や電波など、2次元干渉測定が可能な任意の波動を用いることができる。マイクロ波帯の電波の波源像を求める場合には、いったん、受信信号を中間周波数帯の信号に周波数変換してからフーリエ変換を行うことも可能である。
【0014】
本発明の方法において、相関値の算出に際しては、例えば、コヒーレンス関数の値が所定のしきい値を越えている周波数範囲内で積分演算を実行する。また、波源像再生のための演算処理方法としては、例えば、波動干渉における近傍界領域に対応するもの、フレネル領域に対応するもの、フラウンホーファー領域に対応するものなどを用意する。さらに、本発明の方法においては、再生された波源像の位相情報と振幅情報とを同時に表示することができ、この場合には、異なるトリガ条件で測定を実行して位相情報と振幅情報を比較することによって、時間的、空間的コヒーレンスを評価することが可能になる。
【0015】
本発明の波源可視化装置は、観測対象からの放射波動に対して2次元干渉測定を実施し、観測対象における波源像を可視化する装置であって、2次元干渉測定の観測面に対する基準となる位置での放射波動を検出して第1の信号として出力する第1のセンサと、観測面内の任意の位置での放射波動を検出して第2の信号として出力する第2のセンサと、第1の信号及び第2の信号をそれぞれフーリエ変換して第1のスペクトル及び第2のスペクトルを算出するフーリエ変換手段と、第1のスペクトルのパワースペクトルの平均値と、第2のスペクトルのパワースペクトルの平均値と、第1のスペクトルと第2のスペクトルの間のクロススペクトルの平均値とを求める平均値計算手段と、クロススペクトルの平均値と各パワースペクトルから算出された平均値とに基づきコヒーレンス関数を決定するコヒーレンス関数計算手段と、観測面内の点ごとに、クロススペクトルを得てこれを第1のスペクトルのパワースペクトルの平方根で規格化し、規格化されたクロススペクトルに対して観測周波数帯域内でコヒーレンス関数の値に応じた積分演算を実行して相関値を算出する相関値算出手段と、観測対象と観測面との距離に応じて波源像の再生のための演算処理方法を選択し、各点ごとの相関値に基づいて波源像を再生する波源像再生処理手段と、を有する。
【0016】
本発明の装置においては、第1の信号を蓄積してフーリエ変換手段に出力する第1のデータメモリと、第2の信号を蓄積してフーリエ変換手段に出力する第2のデータメモリと、第1のデータメモリ及び第2のデータメモリに対してデータ蓄積のためのトリガ信号を発生するトリガ回路とをさらに設けることができる。また、波形像再生処理手段で再生された波源像について振幅情報と位相情報とを同時に表示する表示手段をさらに設けることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は本発明の実施の一形態の波源像可視化装置の構成を示すブロック図であり、この波源像可視化装置は、本発明の方法に基づいて可視化波源像を表示するものである。
【0018】
複数の波源集合を有する観測対象11に対して、距離zだけ離れた位置に走査観測面12を設け、走査観測面12内を移動する走査センサ13を配置する。また、走査センサ13とは別に、移動しない固定センサ14を配置する。走査センサ13は第2のセンサに対応し、固定センサ14は第1のセンサに対応する。走査センサ13と固定センサ14は、観測波動が音波であるときには例えばマイクロホンであり、電波であるときにはアンテナである。以下の説明では、走査観測面12での2次元座標をx,yで表わし、観測対象11での2次元座標をx',y'で表わす。また本発明では、観測対象11と走査センサ13や固定センサ14との距離rが、可視化スペクトルの帯域幅Δω(観測周波数帯域の角周波数表示による帯域幅)に比べて十分小さい、すなわち、r≪v/Δω(vは波動の速度)であって、観測波動を平均波長λ0で扱えることを前提とする。
【0019】
走査センサ13及び固定センサ14の出力側には、それぞれ、走査センサ13及び固定センサ14からの観測信号b(t),a(t)のうちの所定の周波数帯域の成分のみを帯域通過させて中間周波数IFの信号に変換する前変換部15,16が設けられている。各前変換部15,16には、基準周波数frefが供給されている。前変換部15,16は、例えばRFスペクトラムアナライザをゼロスパンモードで基準周波数frefに位相ロックさせることで実現できる。音波や比較的低い周波数の電波を観測波動とするような場合には、デジタル信号処理によって帯域制限や周波数変換処理を行う前変換部を使用してもよい。前変換部15,16の出力側には、前変換部15,16の出力をサンプリングして記憶するデータメモリ18,19が配置している。外部同期入力あるいは前変換部15の出力に応じてトリガ信号を発生するトリガ回路17が設けられており、各データメモリ18,19はトリガ信号に応じてデータのサンプリングを開始するように構成されている。また、各データメモリ18,19にはサンプリング周波数fSが供給されている。
【0020】
フーリエ変換部20は、サンプリングされてデータメモリ18,19に格納されたデータをそれぞれフーリエ変換してスペクトルSa(ω),Sb(ω)を算出するためのものであり、フーリエ変換部20の出力側には、スペクトルSa(ω),Sb(ω)それぞれのパワースペクトルの平均値とこれらスペクトルSa(ω),Sb(ω)のクロススペクトルの平均値を算出する平均値計算部21が設けられている。ωは角周波数である。さらに、平均値計算部21での算出結果に基づいてコヒーレンス関数γ2(ω)を算出する第1の演算部22と、コヒーレンス関数γ2(ω)から定まる積分操作関数f(ω)と平均値計算部21での算出結果に基づいて相関値Cab(x,y)を算出する第2の演算部23と、相関値Cabに基づいて波形像を再生する波形像再生処理部24と、再生された波形像を表示する表示部25とが設けられている。第1の演算部22及び第2の演算部23は、それぞれ、コヒーレンス関数計算手段、相関値算出手段に対応する。後述するように、距離zと観測波動の波長λ0との関係によって波形像の再生方法が異なるため、波形像再生処理部24には距離zも入力している。上述のトリガ回路17、各データメモリ18,19及びフーリエ変換部20は、例えば、FFTスペクトラムアナライザ(デジタルスペクトラムアナライザ)を用いて実現できる。
【0021】
次に、この装置を用いた波源像の可視化について説明する。
【0022】
走査センサ13を移動させることにより、走査観測面12内の任意の点(x,y)において観測対象11からの波動を受信して信号b(t)を取得し、同時に、固定センサ14によっても波動を受信して信号a(t)を取得する。そして、前変換部15,16により、所定の周波数帯域に帯域制限してから、信号b(t),a(t)を中間周波数IFの信号に周波数変換し、データメモリ18,19により、観測周波数帯域幅より十分に高いサンプリングレートによって、T秒間にわたり、これらの信号をサンプリングする。そして、サンプリングされたデータをフーリエ変換部20によってフーリエ変換することにより、信号a(t)に対するスペクトルSa(ω)と信号b(t)に対するスペクトルSb(ω)とを得る。スペクトルSa(ω),Sb(ω)は平均値計算部21に入力し、各スペクトルSa(ω),Sb(ω)のパワースペクトルの平方根の平均値〈|Sa(ω)|〉,〈|Sb(ω)|〉や、スペクトルSa(ω),Sb(ω)間のクロススペクトルのパワースペクトル〈Sa *(ω)Sb(ω)〉が算出される。ここで、〈・〉はアンサンブル平均を示し、*は複素共役を示している。
【0023】
第1の演算部22では、平均値計算部21での計算結果を利用して、下記式に基づき、所定の観測周波数帯域におけるコヒーレンス関数γ2(ω)が計算される。
【0024】
【数2】
そして、このコヒーレンス関数関数γ2(ω)に対してしきい値αを設定することにより、積分操作関数f(ω)が得られる。
【0025】
【数3】
第2の演算部23では、下記式に基づき、走査観測面12上での走査センサ13の位置(x,y)ごとに、|Sa(ω)|で規格化された複素相関値Cab(x,y)が計算される。ω0は観測周波数帯域の中心角周波数である。
【0026】
【数4】
この相関値Cab(x,y)は、遅延時間τが0であるときの信号Sa(t)と信号Sb(t)との相互相関に相当する値となる。このとき、積分操作関数f(ω)を得るために使用するコヒーレンス関数γ2(ω)は、走査センサ13を移動する度に新しい値に更新してもよいし、走査観測面12上の代表する点(x0,y0)で得た値を共通値として他の点で使用してもよい。また、相関値Cab(x,y)を得るために使用されるクロススペクトルと固定センサ14の受信信号a(t)のパワースペクトルの平方根とは、平均値操作を行わずに用いてもよい。これに対し、コヒーレンス関数γ2(ω)の演算には、必ず、平均化されたクロススペクトルと平均化されたパワースペクトル平方根を使用しなければならない。
【0027】
走査観測面12上の各点について相関値Cab(x,y)を求めたら、波形像再生処理部24において、求めた相関値に基づき波形像を再生し、例えば鳥瞰図表示によって表示部25に表示する。波形像の再生は、観測対象11と走査観測面12との距離zに応じて、近傍界領域での観測、フレネル(Fresnel)領域での観測、フラウンホーファー(Fraunhofer)領域での観測の3通りの方法で実行される。
【0028】
観測波動の平均波長λ0に対してzが著しく小さい場合(z≪λ0)に代表される近傍界領域の観測では、相関値Cab(x,y)をそのままで表示するようにする。
【0029】
近傍界領域とフラウンホーファー領域の中間の領域であるフレネル領域の観測では、
F-1[F[Cab(x,y)]・F[P(x,y;z)]]
を表示するようにする。ここでF[・]はフーリエ変換、F-1[・]はフーリエ逆変換を示し、P(x,y;z)は下記式で表わされる。
【0030】
【数5】
一方、z≫λ0に代表されるフラウンホーファー領域の観測では、
【0031】
【外2】
で表わされる値に応じて表示が行われるようにする。ここでk0=2π/λ0であり、ξとηはそれぞれ走査観測面12から見た方位角と仰角であって、ξ=x'/z、η=y'/zである。
【0032】
このように再生される振幅値は、波源の空間コヒーレンシに関わりなく、ω0±(Δω/2)の範囲での絶対平均振幅値を与える。実際には、観測対象11の大きさと観測波動の平均波長λ0との関係に応じて、距離zを定めるようにすることが望ましい。すなわち、平均波長λ0が観測面積に対して大きい場合には、z<λ0として近傍界領域で観測が行われるようにする。一方、観測対象11の面積が走査観測面12の面積よりも大きい場合には、z≫λ0としてフラウンホーファー領域で観測が行われるようにし、これらの中間である場合にはフレネル領域での観測が行われるようにする。
【0033】
表示部25において各再生位置での振幅と位相を同時に示すことで、空間・時間的な波源のコヒーレンスを知ることができる。観測データを得るためのトリガ条件を変えながら観測を行った場合、トリガ条件ごとの振幅の変化の様子は時間コヒーレンシを示し、位相の変化の様子は空間コヒーレンシを示す。振幅と位相の同時表示は、例えば鳥瞰図表示を行う場合には、山の高さで振幅を表わし、色や明るさで位相を示すことによって行える。あるいは、振幅を明るさ、位相を色として2次元的に表現してもよいし、等高線図により振幅を等高線で表わし位相を色または明るさで表現してもよい。
【0034】
ここで、本実施の形態における波源像の可視化に関する制約条件について説明する。観測周波数帯域幅Δωについては、観測対象11と観測位置との距離をrとして、この距離rにおいて帯域幅Δω内での周波数変動に対して位相がほぼ一定に見えるように設定する必要がある。また、コヒーレンス関数γ2(ω)での評価を行うために、走査センサ13と固定センサ14で同じ信号成分を受信し、走査センサ13側の遅延時間と固定センサ14側の遅延時間の差に比べてサンプリング時間Tが十分大きく、かつ、このサンプリング時間Tによって定まる周波数分解能によって、走査センサ13からのスペクトルSa(ω)と固定センサ14からのスペクトルSb(ω)とがスペクトル領域で識別できることが必要である。
【0035】
以上の観点からすると、サンプリング周波数fSをできるだけ低く設定するためには、前変換部15,16での帯域制限の帯域幅と観測周波数帯域幅Δωとを等しくすればよい。しかしながら、帯域制限にはアナログ回路によるバンドパスフィルタを使用するのが一般的であり、前変換部15と前変換部16とでこのバンドパスフィルタの特性が異なる可能性がある。そこで、バンドパスフィルタの帯域幅を観測周波数帯域幅Δωよりも大きくし、バンドパスフィルタの周波数特性が比較的理想に近い部分で観測周波数帯域を設定するようにすればよい。
【0036】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は走査観測面内を1個の走査センサを移動させて測定を行うことに限定されるものではない。例えば、走査観測面内に2次元的に複数の固定したセンサを配列し、これらセンサによって観測波動を同時に受信するようにしてもよい。この場合には、これら2次元的に配列したセンサの1つを上述の固定センサとしてもよいし、いくつかのセンサからの受信信号を加算して上述の信号a(t)(固定センサからの信号に相当)を得るようにしてもよい。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、固定センサからの受信信号と走査センサからの受信信号のクロススペクトルやそれぞれのパワースペクトルを算出し、コヒーレンスの度合を示すコヒーレンス関数を計算し、クロススペクトルを得てこれを固定センサからの信号のパワースペクトルの平方根で規格化し、規格化されたクロススペクトルを所定の観測周波数帯域内でコヒーレンス関数の値に応じて積分演算を実行して相関値を算出するとともに、観測対象と走査観測面との距離に応じて波源像の再生のための演算処理方法を選択し、各点ごとの相関値に基づいて波源像を再生することにより、コヒーレンシに関する事前の知識を必要とせず、部分コヒーレントな波源分布の評価が可能であって、スペクトルの速い変化に追従できるようになるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態の波源可視化装置の構成を示すブロック図である。
【図2】従来の波源可視化装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
11 観測対象
12 走査観測面
13 走査センサ
14 固定センサ
15,16 前変換部
17 トリガ回路
18,19 データメモリ
20 フーリエ変換部
21 平均値計算部
22,23 演算部
24 波形像再生処理部
25 表示部
Claims (7)
- 観測対象からの放射波動に対して2次元干渉測定を実施し、前記観測対象における波源像を可視化する方法であって、
前記2次元干渉測定の観測面に対する基準となる位置での放射波動を検出して第1の信号として出力する第1のセンサと、前記観測面内の任意の位置での放射波動を検出して第2の信号として出力する第2のセンサとを使用し、
前記第1の信号及び前記第2の信号をそれぞれフーリエ変換して第1のスペクトル及び第2のスペクトルを獲得し、
前記第1のスペクトルのパワースペクトルと、前記第2のスペクトルのパワースペクトルと、前記第1のスペクトルと前記第2のスペクトルの間のクロススペクトルとを求め、
前記クロススペクトルの平均値と前記各パワースペクトルから算出された平均値とに基づきコヒーレンス関数を決定し、
前記観測面内の点ごとに、前記クロススペクトルを得てこれを前記第1のスペクトルのパワースペクトルの平方根で規格化し、前記規格化されたクロススペクトルに対して観測周波数帯域内で前記コヒーレンス関数の値に応じた積分演算を実行して相関値を算出し、
前記観測対象と前記観測面との距離に応じて波源像の再生のための演算処理方法を選択し、前記各点ごとの相関値に基づいて波源像を再生する波源像可視化方法。 - 前記相関値の算出に際し、前記コヒーレンス関数の値が所定のしきい値を越えている周波数範囲で前記積分演算を実行する請求項1に記載の波源像可視化方法。
- 再生された波源像の位相情報と振幅情報とを同時に表示する請求項1または2に記載の波源像可視化方法。
- 異なるトリガ条件で測定を実行して位相情報と振幅情報を比較し、時間的、空間的コヒーレンスを評価する請求項3に記載の波源像可視化方法。
- 観測対象からの放射波動に対して2次元干渉測定を実施し、前記観測対象における波源像を可視化する装置であって、
前記2次元干渉測定の観測面に対する基準となる位置での放射波動を検出して第1の信号として出力する第1のセンサと、
前記観測面内の任意の位置での放射波動を検出して第2の信号として出力する第2のセンサと、
前記第1の信号及び前記第2の信号をそれぞれフーリエ変換して第1のスペクトル及び第2のスペクトルを算出するフーリエ変換手段と、
前記第1のスペクトルのパワースペクトルの平均値と、前記第2のスペクトルのパワースペクトルの平均値と、前記第1のスペクトルと前記第2のスペクトルの間のクロススペクトルの平均値とを求める平均値計算手段と、
前記クロススペクトルの平均値と前記各パワースペクトルから算出された平均値とに基づきコヒーレンス関数を決定するコヒーレンス関数計算手段と、
前記観測面内の点ごとに、前記クロススペクトルを得てこれを前記第1のスペクトルのパワースペクトルの平方根で規格化し、前記規格化されたクロススペクトルに対して観測周波数帯域内で前記コヒーレンス関数の値に応じた積分演算を実行して相関値を算出する相関値算出手段と、
前記観測対象と前記観測面との距離に応じて波源像の再生のための演算処理を選択し、前記各点ごとの相関値に基づいて波源像を再生する波源像再生処理手段と、を有する波源像可視化方法。 - 前記第1の信号を蓄積して前記フーリエ変換手段に出力する第1のデータメモリと、前記第2の信号を蓄積して前記フーリエ変換手段に出力する第2のデータメモリと、前記第1のデータメモリ及び前記第2のデータメモリに対してデータ蓄積のためのトリガ信号を発生するトリガ回路と、を有する請求項5に記載の波源像可視化装置。
- 前記波形像再生処理手段で再生された波源像について振幅情報と位相情報とを同時に表示する表示手段をさらに有する請求項5または6に記載の波源像可視化装置。
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