JP4524281B2 - リアルタイム振動イメージング方法及び装置 - Google Patents

Description

本願は、２００３年４月３日に出願されたMeleseらによる「System and Method to Remotely Detect, Image, and Characterize Ground Vibration or Vibrating Objects or Surface」という名称の米国仮出願第６０／４６０，５４２号の利益を主張する。この出願は引証により本願の一部となる。

本発明は振動または単発パルスショックを含む他の音響的若しくは地震性の刺激を受けている物体を遠隔的に検知するシステム及び方法に関する。

対象場面（scenes）または物体（objects）の振動を検知するため、加速度計、レーザードップラー振動測定または速度測定（ＬＤＶ）、近距離音響ホログラフィーなどの技術及び装置を用いた、地震検知器を含む、様々なシステムが用いられている。加速度計やＬＤＶの場合、現在用いられている装置は関心のある個々の点または領域の振動を高精度に検知するが、対象領域の音響信号イメージを生成する能力に欠けており、従って、そのようなイメージから有用な情報を得る能力に欠けている。例えば、過渡的（transient）な音響信号や乱流事象（turbulent events）のような現象は、一点検知型検知器（single-point detectors）を用いて対象領域から得られる音響信号の信号解析では容易に検知することができない。

近距離音響ホログラフィーは、音圧に基づいて、複数の点から音響信号を検知することができるが、必要な装備及びセッティングが複雑で、多くの用途で実用的に用いることができない。

従って、関心のある対象領域の表面の複数の相関した点から同時に且つリアルタイムで音響信号（以下に述べるように地震性信号であってもよい）を検知し、サンプリングし、処理して、対象領域全体に関する解析的な情報を表示または他の方法で出力することができ、速やかに且つ容易にセットアップ可能な装備で実現可能な、しかも対象領域に接触させたり近接して配置させたりする必要のないシステムが必要とされている。

本発明によるシステムは、対象物体（または場面）から反射若しくは放射される光を受信するべく構成されたフォトディテクタアレイを有する。対象物体からの光は、対象物体の振動によって変調されている。受信された光は、例えば１ｋＨｚといった予め定められた周波数でサンプリングされ、例えば１秒ごとというように周期的に格納され、一連のデータを生成する。従って、周期的に格納されたデータの各セットは、フォトディテクタアレイにおいて受信された時間的に相関した信号を含み、アレイ内の各フォトディテクタは対象物体の特定の領域からの光を受信する。それによって対象物体の一連の全体イメージが生成され、各イメージは変調された光から得られる対象物体の各領域の振動データを含み、それらは音響信号または音響的に導びかれた信号と呼ばれることもある。

受信された信号は、対象物体から反射された周囲光に関連する情報から振動情報を分離するためＡＣ結合（ハイパスフィルタリング）される。フィルタリングされた音響信号は、周波数情報を抽出するため、フーリエ変換のような変換または解析が施される。

この周波数情報は様々な解析に用いることができる。対象物体が機械を収容した建屋である場合、機械に関する問題を示唆し得る振動変化をみつけるべく振動を監視するのに周波数情報を用いることができる。対象物体が地球表面のある領域である場合、本システムを地震探査技法と組み合わせて用い、油田、帯水層、鉱脈などの地表下構造を検知したり、パイプライン、電力ラインなどの埋設人工物を検知したりすることができる。

受信された光を検出器アレイにおいて光学的にフィルタリングし、周囲放射の不所望な成分を除去することもできる。

本発明のシステム及び方法は、音響信号を解析して対象場面の振動現象及び過渡的事象の両方を同定したり乱流事象を検知したりする能力を提供する。

図１には、振動面１０の簡単な例が示されている。光源２０から電磁放射３０が発せられ、表面１０から反射され、少なくとも部分的に光センサ４０で検知される。光源２０は一般に任意の適切な電磁放射源とすることができ、放射３０は例えば可視光、赤外光（ＩＲ）、紫外光などの多くの波長範囲の任意のものとすることができる。従って、本明細書において“光”または“光学的”という用語を用いる場合、電磁放射の任意の所望の周波数または周波数範囲を用いることが可能であり、光源は自然に発生するもの（例えば太陽）でも人工のもの（例えばレーザや電球）でもよいことが理解されるだろう。センサ４０は関心のある波長を検出するよう構成され、以下に述べるように、検知した光の周波数、相対強度及び位相情報の捕獲、処理、解析、表示を概ね同時に行うのに必要な回路及びソフトウェアを含む。

本発明を物体、場面などから反射された光について説明するが、本発明は（例えば蛍光または熱ＩＲ放射によって）放射された光の検知にも同じように適用可能であり、従って、反射について言及する場合、発光（emission）、蛍光、などについても言及しているものと理解されたい。更に、検知された“信号”についての言及は任意のそのような放射について言及しているものと理解されたい。

“音響（acoustic）”という用語は、本明細書では、性質によって、音響的、振動性、パルス状、過渡的（transient）、乱流状（turbulent）の任意の現象の広い意味に対して用いられるとともに、地震性、地震音響的、水中音響学的な事象に対しても用いられる。このように、本明細書で使用される“音響信号”という用語は、物体または表面の運動または振動の音響的に導かれる表現を指すものと理解することができ、以下に述べる特定の実施例では、本発明に基づく装置によって検知された、運動している物体から反射や放射により発せられた任意の適切な波長の電磁放射を含む。

一般に、本明細書で用いられる“ロジック”という用語は、本発明の教示を具現するのに適した電子回路、プロセッサに基づくシステムまたはサブシステム若しくはハードウェア、ソフトウェア及び／またはファームウェアを指し、これらの一つ（例えば、回路、処理プログラムまたはルーチン）が言及された場合、他のハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェアも同じ機能または特徴を具現するのに等価的に用いることが可能であることを理解されたい。

衝撃、振動または他の態様で運動を生じさせる力を受けた表面は特徴的な振動を生じることができ、特に、例えば対象物体または場面に潜在する欠陥または他の原因を特定するための、解析に有用な周波数で振動し得る。以下に述べるように、本発明は規則的な振動または単発的衝撃または他の非反復性の表面または場面の運動から検知される信号の処理及びイメージングに適用することができる。従って、振動、パルスまたは他の運動について言及がなされる場合、そのような運動の任意の組み合わせ（またはある場面の特定の領域の運動の欠如）が存在し得ることを理解されたい。

本明細書において“イメージ”または“イメージング”という用語が用いられる場合、それは、対象物体の対応する領域に相関させることが可能な信号の論理的表現、及び／または、対象場面の対応する領域の表現と相関のある若しくは相関のない信号の実際の視覚的な表示または印刷による表現を指し得る。

発明の技術的概念
本発明に基づく振動イメージング（検知、処理及び解析）は、表面から反射された光の特性は、表面に対する光の入射角と反射角（即ち、入ってくる角度と出て行く角度）に依存するという光学において知られた現象を利用する。表面からの反射の角度依存性は二方向性反射率分布関数（bidirectional reflectivity distribution function：ＢＲＤＦ）と呼ばれる。更に、イメージングされる表面へのコリメートされた入射光の純粋に幾何学的な傾きにより引き起こされる光束の変化も信号に寄与する。現実の複雑な場面においては、反射率及び影の急激な変化によって、音響信号中に引き起こさされるコントラストが増幅される。

振動性運動はこの表面の傾きを変調し、それによって角度、従って反射率が変調される。その結果、振動性運動により表面から反射される光の振幅が変調されることとなる。本発明に基づく振動イメージングは、表面上の多数の小さな領域から反射される光の変調を同時に検知し、従って、傾きについて表面の動き（または、振動していない領域に対しては動きの欠如）を測定するものである。光学的“コントラスト”（一実施例において傾きにより生じる光振幅の変化（光変調）をトータルの光振幅（周囲光または直流分の光）で割ったものとして定義される）は、小さな角度変化に対しては、表面の傾きに概ね比例する。本明細書で用いられる“コントラスト”の別の適切な定義もあるかもしれないが、共通するのは、振動特性を求めるため傾きにより誘起される光振幅の変化を検知し用いるという点である。

図２は、振動している（または他の態様で動いている）表面１００を図示しており、光源１１０から表面１００へと光１２０が伝わっている。光１２０は表面から検知器１３０へと反射され、表面１００の傾きの振幅に応じて変調される。

図３Ａ〜図３Ｂは本発明の基本的な構造をより詳細に図示しており、表面１６０に向けられた検出装置１５０を示している。拡大部分１７０は表面の局所的な摂動を詳しく示している。接線ベクトル１７５はレーザードップラー振動計（ＬＤＶ）（速度）または加速度計によって測定される動きを表している。表面１６０の小さなラインセグメント１８０の傾きの変化は一つの画素の視野を示し、表面の振動につれて反射角（θ）は矢印１８５によって示された角度から矢印１９０によって示された角度へ、及びその逆に変化する。この角度に伴う反射率の変化については後により詳細に説明する。図３Ｂにおける所与の“単位”領域１８０からの光強度の変調は、本発明の振動イメージング装置によって生成されるイメージの画素の一つによって測定される。この“単位”領域１８０の大きさは、本発明によるシステムの様々な視野やレンズによって変化し得る。

図４は、本発明の特徴を有するように構成され得るイメージング装置に対する一般的な幾何学的配置を示している。光源（太陽光のようにコリメートされていてよい）は入射（添え字ｉ）角度θ_ｉ，ｎで地面に入射する。ここで、添え字“ｎ”は表面の法線に対する角度を意味する。角度θ_ｉ，ｎは地面の動きによって変化する。同様に、反射光はレシーバ（添え字ｒ）によって法線に対し角度θ_ｒ，ｎで観測される。

光源は図示されているようにコリメートされていても、及び／またはコヒーレントでも（例えばレーザ放射のように）、或いは、そのどちらでなくても良い。屋内での使用では、能動的なコリメートされた照明器を用いることができる。これには、光の角度を制御できるという利点がある。照明器の光は太陽光のように広帯域で可視的であっても、或いは、近赤外レーザのように狭帯域であってもよい。フォトダイオードや他の適切な感度のフォトディテクタは、光源に応じて選択されるべきである。

また光源は、ショットノイズを制限し背景周囲光を上回るように十分な強度を有するべきであり、時間的変動は、即ち、時間経過に伴う光源の強度変化は極力小さいことが好ましい。バッテリー駆動のスポットライトが多くの用途で好適である。

従来のシステムでは、加速度計またはＬＤＶの使用には、一度に対象表面の単一のスポットを測定することが必要であり、表面を空間的にサンプリングするには（即ち、振動イメージを生成するには）、ＬＤＶをスキャンするか若しくは加速度計のアレイを用いる必要があった。それに対し本システムでは、例えば２５６個の隣接した（または、少なくとも部分的に隣接し、部分的に空間的に離れていてもよい）対象スポットから同時的なイメージのアレイが生成され、対象場面の解析のためのフルシーンのイメージングセンサを提供する。

下記の式Ａ−１は、入射放射束密度Ｉ、大気透過Ｔ、ＢＲＤＦ ｂ、イメージングされる表面要素領域Ａ_ｒ、レシーバ開口Ａ_ａｐ、レシーバの地面からの高さＨ、及び角度依存性によるレシーバにおける光振幅Ｐを与える。（これらのショートレンジでは大気透過効果Ｔ_ｉは無視できる）

式Ａ−２は、振動イメージング信号、光学コントラスト（optical contrast）ΔＰ／＜Ｐ＞が、表面角度Δθ_ｔ、即ち、イメージングされる表面が振動する際の対応する領域Ａｒの角度変化にどのように比例するかを示す。この比例関係は、入射及び反射光角度に関するＢＲＤＦ ｂの偏導関数から生じる項と入射光角度への幾何学的依存ｔａｎθ_ｉ，ｎを有する。

研究室において、図２に示すように、制御された傾きのプラットフォームと様々な照明及びセンサ角度でデータを集めた。その結果である図５及び図６のプロットは、異なる照明波長で土及びアスファルトの表面に対し測定された光学コントラストと（２つの変位センサを用いて）測定された表面の傾きとの間に概ね線形な関係があることを示している。この構成を用いて、式Ａ−２は光学コントラストの照射及びレシーバ角度への依存性を正確に表していることを検証した。

ラジアンで表した傾きに対するコントラストの単位で表される信号は、通常、１／ラジアンまたは１０^−６／μラジアンのオーダーにある。これは、ランベルト反射器（即ち、ｂ＝コンスタント）を仮定することにより、式Ａ−２からも導くことができ、その場合、ラジアンで表した傾きに対するコントラスト（ΔＰ／＜Ｐ＞／Δθ_ｔ）はｔａｎθ_ｉ，ｎまで減少し、法線から４５°において１／ラジアンを、法線から８０°で６／ラジアンを与える。

上記の結果は、変調された光信号は対象表面の傾きの振幅に概ね線形に依存することを示している。

図７は、本発明に基づく振動イメージングシステムによって測定された振動面の傾きと、例えば地震信号（または地震音響信号）を研究するための従来の地中聴検器によって測定された速度との比較を示すグラフである。結果は、光学（振動イメージング装置）データを四角のドットで光学コントラストの単位で（左軸）、地中聴検器のデータを菱形のドットで垂直方向速度の単位で（右軸）、周波数の関数としてプロットした。これら２つのデータの形状が良好な一致を見せていることは、これら２つのタイプの測定の間の相関を示しており、本発明のアプローチが有効であることを示している。

図８は、心臓やニューロンなどの生物学的システムにおける電気的活動の時空マップを生成するために電圧感受性色素を用いることができるような生物学的セッティングに使用された本発明に基づくシステムのスペクトル応答を示すグラフである。この場合、約４５０ｎｍ〜９００ｎｍの範囲の波長において、光感度はＱＥ（量子効率）で５０％と１００％の間にある（１００％は理想的な応答である）。このように、広いスペクトル応答を得ることができる。図９は同じ生物学的セッティングの周波数応答であり、数ｋＨｚまでの振動に対し概ねフラットな周波数応答が得られることを示している。

発明の実施の形態
図１０は本発明の一実施例に基づく完全なシステムの基本構成を示す図である。この例では、関心のある対象物体はヘリコプター２００であり、これは動作中振動し、この振動が故障原因の特定や通常の動作解析のための解析的関心の対象となり得る。検知器アレイがビデオカメラ２１０または他の検知装置に含まれており、ネットワーク接続、無線チャネルなどによって、プロセッサシステム２２０と通信するようになっている。プロセッサシステム２２０には、キーボード２４０（及び／または、別に図示しないが、マウス、トラックボールまたは他のデジタル入力装置）などのユーザ入力装置及び表示装置２３０が接続されている。

適切な検知器アレイ３００が図１１に示されている。一実施例では、１６×１６のフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）とし、従って２５６個の要素を有するものとすることができるが、より大きなアレイやより小さなアレイを用いることもできる。フォトダイオードの代わりに、個々の検知器をＣＭＯＳデバイスまたは他の適切な光電子装置とすることもできる。

レンズ２５０（図１０）は対象物体（ここではヘリコプター）から反射した光２６０をＰＤＡのフォトダイオード上に集束させ、フォトダイオードは光を電流に変換する。これらの電流は、以下に詳述するように、標準的な電子技術を用いてフィルタリング及び増幅され、フォトダイオードからの出力はある所定のフレームレート、例えば、１ｋＨｚのサンプリングレートでデジタル化され記録される（即ちデジタル的に格納される）。他のフレームレートを用いることもでき、所望ならばフレームレートを変化させることもでき、所定の基準及び／またはユーザからの入力に基づいてリアルタイムに動的に変化させることもできる。

一般に、本発明のいくつかの実施例では、プロセッサまたは処理モジュールは、所定の規則的な時間間隔で検知された音響信号に関連する処理された出力を生成するべく構成されるが、この時間間隔は所定のサンプリングレートに対応する時間間隔よりも大きい。例えば、サンプリングレート１ｋＨｚ及び処理間隔１秒、サンプリングレート１ＧＨｚ及び処理間隔０．１ミリ秒（移動物体に対し、処理モジュールに非常に高速の回路を用いる）、などを用いることができる。所定のサンプリングレートはそれ自身異なる応用に対し可変とすることができる。

レンズ２５０は従来のズームまたはテレスコピックレンズとすることができ、ユーザが対象物体または場面において関心のある特定の領域に焦点を合わせるまたはそのような領域を分離するのを可能とする。

本明細書で述べる変換、デジタル化、フィルタリングを実行するべく構成される検知器ロジックは、この実施例では、ビデオカメラ２１０に含まれるか、あるいは、一次的な光学及び電子検知装置とは別のロジックモジュール、例えば、ビデオカメラの出力とシステム２２０の入力に接続されたロジックモジュールやシステム２２０に組み込まれたロジックモジュール、を構成することができる。

一実施例では、ＰＤＡのフォトダイオードは検知器アレイの増幅器にＡＣ結合され、信号はデジタル化の前にフィルタリングされ、ＰＤＡの各画素または要素において検知された変化（増分）のみが記録または格納される。増分のみを格納することで、システムのダイナミックレンジ感度を大幅に増加させることができる。

場面または物体が動かない場合、（恐らくノイズ以外の）信号は記録されない。場面の一部が振動していると、アレイの対応するフォトダイオードからの信号の変化（結果として得られるイメージにおける画素に対応）が場面の変動として記録される。

受信信号におけるこれらの変化は、一般に、それぞれのフォトダイオード（または画素）に対応する場面内の領域の振動によって生じた関連する周波数及び振幅を有する。従って、図１０に基づく装置（検知器アレイ３００を備えている）は、例えばヘリコプター２００のような航空機の表面に振動の振幅及び周波数を空間的にマッピングするよう構成されている。全ての画素からデータを同時にまたは概ね同時に収集することによって、対象場面全体に渡る振動の空間及び位相関係の検知及び解析が可能となる。（“概ね同時”なデータ収集は、ある時間内で異なる画素のデータを収集した結果、異なる画素に対するデータの相関誤差がある許容可能なまたは所定の限界値以下となるようなデータ収集として定義することができる。）画素数や対象スポットの数は容易に拡張可能である。

調査される表面領域（トータルのイメージングされる領域及び単一の画素に対応する“単位”領域を含む）は、場面または表面の幾何学形状及びセンサーヘッドの前に配置されるレンズの性質及びセッティングに依存する。レンズは市販されている既製の（commercial off-the-shelf：ＣＯＴＳ）レンズとすることができる。標準的なズームレンズを用いることで、表面上の画素サイズ及び対象領域を容易にかつ動的に変えることができる。センサヘッドに１６×１６のフォトダイオード（画素）を有する実施例では、図１１に示すように調査対象領域は２５６個のサブ領域に分割され、これらサブ領域は全て独立して且つ同時に傾きの周波数及び振幅に対してモニターされる。

本発明を実際に実施する際の一実施例では、振動イメージング装置の、傾き角度に関する感度は、約１μラジアン（０．０００１７°）となるように定められる。この値は、１０００ｋｍの距離から見られる１ｍの高さのスティックによって定められる角度に概ね等しい。このような細かい解像度を可能にするため、センサのダイナミックレンジは好ましくは２４ｄＢであり、これは以下のようにして実現することができる：
（ａ）本来的に優れたダイナミックレンジを有するフォトダイオードを用いる；
（ｂ）周囲光レベルによる大きなＤＣ成分を除去するべくＡＣ結合を行う；
（ｃ）得られたＡＣ信号を高精度（例えば１６ビットの精度またはそれ以上）でデジタル化する； 及び／または
（ｄ）信号をある時間に渡って（現時点では、約１秒以上）コヒーレントに積分する

この実際の実施例での周囲光に対する変調光の比（即ち、コントラスト感度）に関心があるが、それは１０^−５〜１０^−６のオーダーであった。通常予期される振動振幅の周囲光セッティングでは、少なくとも約１０^−４の（理想的には１０^−５、１０^−６またはより良好な）コントラスト感度が望ましいが、それに対し、振動による曙光の変調は一万分の数パーセント（大まかには０．０００１％〜０．００１％）のオーダーであり得る。

図１０及び図１１〜１４に示すヘリコプター２００は空中に停止しており、少なくとも短い時間（例えば１秒または数秒）に渡って、ヘリコプターが位置を変えることなくデータを収集することができる。高速のデータ収集では、移動している物体のデータ取得を、対象物体が感知できる程度には動かないような十分短い時間に渡って複数のデータセットを取ることで行うことができる。いずれの場合も、所望のデータの検知はリアルタイムで、即ち物体の振動中に、対象場面のイメージングされる領域と相関したデータアレイを生成するための信号処理とともに行われる。

各画素のデータに対し自乗平均（ＲＭＳ）光変調信号が計算され、その結果得られる数値が対象物体のイメージ上に視覚的に重ね合わされると（ＲＭＳ値は対象物体の正しいスポットに空間的に関連付けられている）、図１２に示すようなイメージが得られる。ここでより明るい画素はより大きな振動を示す。予期されるように、最も明るい領域はヘリコプターの羽根の近くの領域と、羽根の回転に影響されるヘリコプターの下部の領域である。このように図１２は、対象場面の解析に有用な情報を含むフルシーンイメージが視覚的且つ解析的に生成されることを示している。

図１３は図１２と同じデータを示しているが、下に置かれたヘリコプターのイメージが除去されている。

図１４は、光学的な時間周波数スペクトルのオーバーレイ（実際の表示オーバーレイとすることができる、及び／または、対象場面とデータの間のデータの相関を表すものとすることができる）を、対象場面においてそれらが相関する対象スポット（または画素）とともに示している。例えば画素３０５のような個々の画素からのスペクトルは個別にフィルタリングされ、処理され、格納され、解析される。

図１５は、画素３０５に関連づけられた情報を表すグラフである。この図において、点線のグラフは本発明に基づく装置からの光学センサパワースペクトル密度（ＰＳＤ）として検知されたデータを表しており、実線のグラフはヘリコプター内に配置された加速度計から加速度計変位ＰＳＤとして検知されたデータを表している。ＰＳＤはランダムまたは周期的な信号の周波数応答を表しており、平均パワーが周波数の関数としてどこに分布しているかを示す。

光学センサＰＳＤグラフと加速度計ＰＳＤグラフの両方で、強い２３Ｈｚの信号（その倍数または高調波を伴う）が検知されている。

図１６は原子力発電所の場面を示している（この例では、カリフォルニア州、サン・ルイーズ・オビスポ近くのディアブロキャニオン）。この例では、本発明に基づくシステムが、様々な領域の中でも発電所の屋根領域３１０を含む対象場面に向けられている。対象場面全体に対するＲＭＳ光変調（スペクトル）が図１７に示されており、一方図１８は図１７の画素３２０に対するＰＳＤのグラフを示している。図１５と同様に、図１８は光学センサＰＳＤ（点線）と、対象領域に配置された加速度計からの加速度計ＰＳＤ（実線）の両方を示している。

図１８は約３０Ｈｚにピークを示しているが、これは建屋内の発電所に起因するものとみることができる。このように、個々の対象スポットに関連するＲＭＳスペクトルの生成及びデータの時系列の記録によって、故障検知、解析などに有用な情報を提供することができる。図１９は図１７に示した画素アレイに対する３０Ｈｚにおける光学パワーの表示を図示している。興味のある他の周波数に対する光学パワーを表示することもできる。検知された３０Ｈｚの信号に相関する図１９のより明るい領域は、振動が検知される対象場面の領域に概ね相関する図１７のより明るい領域に概ね対応する。

発明の実施例のハードウェアに関する特徴
図２０は本発明を実施するのに用いることができる汎用回路のブロック図である。光学フィルタ４１０は検知器アレイまたはモジュール４２０（上記したように、従来のビデオカメラ、カメラなどに組み込むまたは接続することができる）の前に置くことができ、不所望な周波数の光の検知器モジュールにおける受信を低減する。検知器モジュール４２０は上記したように検知器アレイを含み、その出力はフィルタ回路４４０（以下に説明する）を通すことなどによってアナログ処理され、その後、従来のアナログ・デジタルコンバータ４５０によってデジタル化される。デジタルレコーダ４６０はデジタル化された信号を格納し、それらはプロセッサ４７０に送られ、更に処理及び解析される。

図２１は、図２０のフィルタ回路４４０に組み込むのに適した回路の模式図である。この実施例では、適切なフォトダイオードアレイを備えた浜松ホトニクス株式会社（本社：日本国浜松市、http://www.hamamatsu.com参照）から提供されているようなセンサヘッドを用いることができる。図２１には、現在用いられている浜松製センサの一つのフォトダイオードチャネル５００が示されている。

この場合、関心のある周波数範囲のダイナミックレンジを増加するためハイパスフィルタ５０５が用いられている。増幅器／フィルタボード５１０は各画素に対し、即ち、上記実施例では２５６個のチャネルに対し、ＡＣ結合チャネルとＤＣ結合チャネルの両方を有する。チャネルにＤＣ（非振動の）信号として現れる周囲光信号を、デジタル化の前に、フィルタで除去することにより、対象場面の振動によるＡＣ信号を効果的に分離し、ダイナミックレンジを向上させることができる。このように、増幅器ボード５１０の回路はセンサヘッドからの信号出力をフィルタリングし、信号のＡＣ成分をＤＣ成分から分離し、分離された成分が増幅及びデジタル化される。増幅されたフォトダイオードＡＣ出力の各々は個別にデジタル化されコンピュータまたは他のプロセッサシステムに送られ、格納及び処理される。

図２２は、ＡＣ信号を分離するべくＤＣ成分をフィルタによって除去するための別の回路５２０を示している。この実施例では、フォトダイオードに結合された第１段のトランスインピーダンスアンプ内で直流分再生がなされる。回路５２０は実質的にハイパスフィルタ５０５と回路５００の組み合わせである。一実施例では、回路５２０は回路５００とボード５１０上の回路の両方を置き換えるが、その出力５３０は第２段の増幅器（ボード５１０のＤＣ結合チャネルに類似）を通してからシステム４７０に入力される。

本発明に基づくＡＣ結合の一実施例が図２３Ａ〜２３Ｃに示されている。図２３Ａは所与の画素に対する全体的な信号を示しており、大きなＤＣオフセット上に小さなＡＣ振動が乗っていることがわかる。図２３Ｂでは、ＡＣ結合（即ち、ハイパスフィルタリング）を用いることによって、信号のＤＣ成分が概ね除去されており、信号のＡＣ成分が効果的に分離されており、これが増幅される。図２３Ｃでは、図２３Ｂに示された信号に対しフーリエ変換（例えばリアルタイム処理用のＦＦＴ（高速フーリエ変換））若しくは他の周波数解析が施され、変調信号のスペクトル成分を明らかにしている。この例の信号では、約８７Ｈｚの共振周波数応答をグラフに見ることができる。

対象領域に焦点を合わされた検知器アレイに渡って音響信号を同時に捕らえることによって、これらの信号に生じる音響現象の性質を特定する際のフレキシビリティが提供され、更に、以下に述べるように、これらの信号のチャネル毎の処理や解析が提供される。対象となる“単位”スポットに関連する個々の画素に基づいた検知及び信号処理によって、強力な解析ツールが提供される。

振動性及び過渡的信号の解析
図２４〜図３１は、振動性及び過渡的信号に関する信号の検知及び解析への本発明のシステムの適用を図示している。

周期的信号
図２４は、音響振動６１０を生成する衝撃源６００を図示している。音響振動６１０は、例えば約３００ｍ／ｓの速度で衝撃源６００から外向きに伝搬する概ね周期的な波面６２０〜６４０などを含んでいる。本発明に基づく検知器装置では、関心のある領域（この例では３つの波面６２０〜６４０が少なくとも部分的に現れる領域を含む）からの反射光がセンサアレイ６５０によって受信される。音響波によって対象領域に表面歪みが生じ、上述したように、それによって生じた表面の傾きにより反射光が変調される。本発明に基づく振動イメージングシステムは、時間の関数としてこの傾きの２次元空間情報を提供し、これは効果的に画素アレイ上に投影される。

遠距離（衝撃点から比較的離れたところ）では、表面波は概ね定常状態の伝搬となり、乱れは比較的均一な実効波長を有する。

この例では、隣り合った波面は約３画素だけ離れており、従って一波長を３つの画素に対応する対象領域における距離として扱うことができる。例えば、各画素が１平方メートルの領域を表す場合、この例における波長は３メートルとなる。波が３００ｍ／ｓの速度で伝搬しているとすると、振動の周波数は３００ｍ／ｓを３メートルで割った値、即ち１００ｓｅｃ^−１（１００Ｈｚ）となる。

このことは図２５に示されているが、ここで検知された信号の空間周波数は波の伝搬方向の１次元の空間フーリエ変換によって表され、約０．３画素^−１の周波数、即ち、約３画素の波長にピークが見られる。

伝搬方向（例えば、図２４のｘ方向）に時間的または時間ドメインのフーリエ変換を行うと、秒で表された実効周期がピークで表される。図２６は、この例におけるそのようなフーリエ変換の結果を示しており、０．０１秒の周期、即ち、１００Ｈｚの周波数にピークが見られる。

過渡的信号
図２７は、ｘ方向に外向きに伝搬する過渡的な波面７００を、波面７００の形成を引き起こす衝撃波などを受ける対象領域からの反射光を検知するのに用いられる検知器アレイ７１０上に重ね合わせて図示する一連の線図である。本明細書では“過渡的（transient）”という用語は、容易に識別可能なまたは概ね一定の周期または振動を有さない乱れを示すものとして用いられる。この場合、検知器アレイに関連する回路及び処理ロジックは、図２８のグラフに示すように、ある時間に渡ってアレイ画素を横切る信号を検出する。図２８において、画素対時間曲線（または直線）の傾きは、秒当たりのピクセル数で示される過渡的波面の速度を表す。

検知した信号（上述したようなフィルタリング、デジタル化などの後）に二次元フーリエ変換を施すと、その結果得られるデータまたはグラフは空間周波数（ここでは、伝搬方向に１／画素）と時間周波数（ここでは１／秒または１Ｈｚ）の間の相関を示す。ここで、図２４〜図２６の例と同じ波面速度（３００ｍ／ｓ）及び各画素に対応する対象領域面積（１平方メートル）を仮定する。その結果が図２９に示されており、空間及び時間周波数の理想的な、均一な分布が示されている。時間及び空間周波数の対角線の相関は、信号の速度を示すものである。２次元フーリエ変換を、図２４〜図２６の伝搬する波面の例に適用することもできる。

図２８及び２９に示したデータを３次元へと外挿することができ（空間２次元、時間１次元）、それによってアレイ（ｘ及びｙ成分）を横切る速度ベクトルを特定することができる。

図３０は、大気のシンチレーションのような乱れが乱流セル（turbulent cell）８００として本発明に基づく振動イメージングアレイ８１０の対象領域を横切って移動する場合を示している。この種の現象は公知の“凍結流れ（frozen flow）”モデルに基づいて解析することができる。セル８００はあるシステムでは雑音（またはランダム信号）源として特定することができるが、本発明のシステムでは、上述した過渡的な波面の例と同様に、このセルを空間を移動する（例えば、ここではｘ方向）光学的乱れであると正しく特定する。

図３１は本発明に基づくシステムによって生成された実際のデータのプロットであり、ここでは、データに対して二次元の時空間フーリエ変換を行っている。図３１のプロットは、空間及び時間周波数に対するパワー密度を（等高線として）示している。等高線中にある経路（対角線によって示した）は実効速度（画素／秒）を示しており、凍結流れモデルと整合する。時空の相関がない場合、図３１のプロットは単に発生源（即ち、空間（１／画素）も時間（１／秒）もゼロの点）の周りに同心円状の円形の等高線を描く。

シンチレーションは、特に長期間の振動の検知に対しては、雑音源と考えることができる。しかしながら、これらの発生源を特徴付け理解する能力は、そのようなシンチレーションをデータからデジタル的にまたは解析的にフィルタリングして除去する能力につながり、関心のある他の現象を分離することができる。

産業上の利用可能性
上記説明から理解されるように、本発明に基づく装置は速やかに且つ容易に組み上げることができ、対象場面における音響事象を検知するのに場面に接触したり近接したりする必要がない。対象場面内の複数の相関した点についてリアルタイムの音響イメージングが可能であり、それによって得られる音響信号データを非破壊的に評価及び後処理し、いつでも様々な解析を行うことが可能である。

このことは本発明を多様な用途に用いることを可能とする。例えば、組立ラインの処理モニタリング（例えば車、機械など）、連続的な正常動作モニタリング（ポンプ、ベアリング、流量モニタなど）、品質管理（例えば騒音制御）、機械の初期不良の検出による予測的／予防的メンテナンス、などの用途がある。他の用途としては、本発明の音響イメージング装置を用いて、油田探査のために地震性の地面の運動を検知したり、通常の地震探査技法（例えば爆薬または他の振動誘起手段の使用）を用いて地下構造物を検知したりすることが含まれる。そのような地下構造物には、帯水層、油田、鉱床などの自然に発生するものや、埋設施設、パイプライン、地雷などの人工物がある。

医療／法廷の分野における潜在的な用途も数多くある。本発明に基づく振動イメージングは次のものにも用いることができる：
・薬剤の開発や臨床試験のためパーキンソン病やＢＥＴ（良性本態性振せん）による震えの定量化；
・呼吸、鼓動、正常な身震い（速さと振幅の両方）などの患者の生命兆候の非接触モニタリング（特にやけどの患者に有用）
・新生児のモニタリング（この場合、従来のモニタリング“パッチ（patches）”に対して患者が小さい）； 及び
・顔または身体全体の非接触嘘発見のための微細表情（目の動きや神経質なそわそわした動き（fidgeting）など）の検知

本発明のこれらの応用は全て、本発明のフルイメージ、非接触という特徴と画素毎の検知、処理及び解析を行う能力によって可能となっている。他の応用及び利点は上記の説明から明らかであろう。

振動面から光センサへと反射される光を図示している。 振動面の傾きの振幅（tilt amplitude）を示す図１に似た図面。 図３Ａ、図３Ｂは、本発明に基づく装置の基本構成を示している。 図３Ａ、図３Ｂは、本発明に基づく装置の基本構成を示している。 本発明に基づく装置のセットアップのより詳細な配置を示している。 サンプル（土）から反射された赤外光のグラフ。 サンプル（土及びアスファルト）から反射された可視光のグラフ。 本発明に基づく装置の結果を地震音響検知に用いられる従来の地中聴検器と比較したグラフ。 生物学的な応用に用いられた本発明に基づく装置のスペクトル応答を示す図。 図８のセッティングにおける本発明に基づく装置の周波数応答を示すグラフ。 本発明に基づく装置の一実施例を示す図。 関心のある対象領域に渡って本発明に基づいて生成されたアレイ検知データの重ね合わせ表示を示すための図。 関心のある対象領域に渡って本発明に基づいて生成されたアレイ検知データの重ね合わせ表示を示すための図。 関心のある対象領域に渡って本発明に基づいて生成されたアレイ検知データの重ね合わせ表示を示すための図。 関心のある対象領域に渡って本発明に基づいて生成されたアレイ検知データの重ね合わせ表示を示すための図。 光学センサを用いた本発明に基づく装置の結果を加速度計による結果と比較して示すグラフ。 本発明に基づく振動検知の対象となる別の対象領域を図示している。 図１６の対象領域に関連し、本発明において用いられる検出器アレイの画素とスペクトルデータの相関を示している。 図１６の対象領域に関連する、図１５と同様のグラフ。 図１６の対象領域に関連し、特定の周波数（ここでは３０Ｈｚ）に対する本発明に基づくシステムの検出器アレイのパワー分布を示している。 本発明のシステムのブロック図。 本発明に基づく装置で用いるのに適したＡＣ及びＤＣ結合チャネル及び電子フィルタの模式図。 本発明に基づく装置で用いるのに適したＡＣ及びＤＣ結合チャネル及び電子フィルタの模式図。 図２３Ａ〜２３Ｃは、本発明に基づく対象領域の解析において関心のあるＡＣ振動信号から周囲光に関連するＤＣ信号の分離及び除去を図示している。 図２３Ａ〜２３Ｃは、本発明に基づく対象領域の解析において関心のあるＡＣ振動信号から周囲光に関連するＤＣ信号の分離及び除去を図示している。 図２３Ａ〜２３Ｃは、本発明に基づく対象領域の解析において関心のあるＡＣ振動信号から周囲光に関連するＤＣ信号の分離及び除去を図示している。 本発明に基づく振動源から伝搬する波面の検知について図示している。 本発明に基づく振動源から伝搬する波面の検知について図示している。 本発明に基づく振動源から伝搬する波面の検知について図示している。 本発明に基づく過渡的な波面の検知について図示している。 本発明に基づく過渡的な波面の検知について図示している。 本発明に基づく過渡的な波面の検知について図示している。 対象領域を横切る乱流セルの発明に基づく検知について図示している。 対象領域を横切る乱流セルの発明に基づく検知について図示している。

Claims (44)

1. 対象物体の振動に関連する音響信号を検知するためのシステムであって、
   各々前記対象物体の表面上の対象領域を包含する複数の単位領域からの振動に対応して変調された電磁放射を含む信号を受信して該受信した信号を表す出力を生成するように構成された、それぞれ前記複数の単位領域の各々に対応する複数の検知器からなる検知器アレイと、
   各々前記検知器の一つからの出力を受信して該受信した出力から前記対応する単位領域の振動に関連する少なくとも一つのフィルタリングされた振動信号を生成するよう構成された複数のフィルタと、
   前記フィルタリングされた信号の各々をデジタル化し、前記デジタル化された各フィルタリングされた信号から周波数情報を生成し、もって前記複数の単位領域に関連する複数の周波数情報を同時に生成し、視覚的出力信号として出力する処理モジュールとを有することを特徴とするシステム。
2. 前記音響信号が前記対象物体の過渡的パルスに関連していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記受信した信号の少なくとも一部が、前記対象物体の対応する領域から反射された電磁放射を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記反射された放射が可視放射を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記反射された放射が赤外放射を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
6. 前記反射された放射が紫外放射を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
7. 前記受信した信号の少なくとも一部が、前記対象物体の対応する領域から放射された電磁放射を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記放射が赤外放射を含んでいることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 前記放射が蛍光放射を含んでいることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
10. 前記フィルタが、前記出力をＡＣ結合して、少なくとも部分的にＤＣ成分が除去されたフィルタリングされた信号を生成するべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
11. 前記処理モジュールが、前記デジタル化された各フィルタリングされた信号に対して、該フィルタリングされた信号のコントラスト特性を表すコントラスト信号を生成するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. 前記処理モジュールが前記コントラスト特性を前記周波数情報に相関させるよう構成されていることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記処理モジュールが、前記検知器アレイにおけるコントラスト分布のプロットを表す出力を生成するよう構成されており、前記コントラスト分布は所与の周波数に関連付けられていることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記検知器が、所定のレートで受信された信号をサンプリングするべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
15. 前記所定のレートが固定されていることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
16. 前記所定のレートが可変であることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
17. 前記処理モジュールが、所定の規則的な時間間隔で前記処理済み出力を生成するべく構成されており、前記時間間隔は前記所定のサンプリングレートに対応する時間間隔より大きな長さであることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
18. 前記反射された信号の少なくとも一部が、自然に発生する周囲電磁放射によるものであることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
19. 前記反射された信号の少なくとも一部が、前記対象物体へ向けられた人工的に生成された電磁放射によるものであることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
20. 前記反射された電磁放射が少なくとも部分的にコリメートされた放射源からのものであることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
21. 前記反射された電磁放射が少なくとも部分的にコヒーレントな放射源からのものであることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
22. 前記対象物体に振動を生じさせるよう構成された装置を更に有することを特徴とする請求項１のシステム。
23. 前記検知器がフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
24. 前記検知器がＣＭＯＳ検知器を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
25. 前記検知器アレイと前記対象物体との間に配置された光学フィルタを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
26. 前記処理モジュールが、各々対応する領域の振動に対応する複数のコントラスト信号を生成するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
27. 前記処理モジュールに接続され、それぞれ対応する領域に関連づけられた前記複数のコントラスト信号が重ね合わされた前記対象物体の描象を生成するよう構成された視覚的出力装置を更に有することを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
28. 前記処理モジュールが、各々対応する領域の振動に対応する複数の時間的スペクトル信号を生成するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
29. 前記処理モジュールに接続され、それぞれ対応する領域に関連づけられた前記複数のスペクトル信号が重ね合わされた前記対象物体の描象を生成するよう構成された視覚的出力装置を更に有することを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
30. 対象物体の振動に関連する音響信号を検知するための方法であって、
    前記対象物体の表面上の対象領域を包含する複数の単位領域の各々から、それぞれ前記複数の単位領域の各々に対応する複数の検知機にて振動に対応して変調された電磁放射を含む複数の音響信号を受信する過程と、
    前記複数の音響信号のそれぞれから、前記対応する単位領域の振動信号を分離する過程と、
    分離された前記振動信号信号の各々をデジタル化する過程と、
    前記デジタル化された信号から前記複数の単位領域の振動の周波数情報を生成し、もって前記複数の単位領域の振動の周波数情報を同時に表す視覚的出力信号を生成する過程とを有することを特徴とする方法。
31. 前記周波数情報を生成するために、前記デジタル化された信号をフーリエ変換することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 前記複数の検知器が正方形のアレイに配列されていることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
33. 前記音響信号が前記対象物体から反射された変調された光を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
34. 前記反射された光が、可視、赤外及び紫外放射の少なくとも一つの周波数範囲内の周波数を有することを特徴とする請求項３３に記載の方法。
35. 前記音響信号が前記対象物体から放射された変調された光を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
36. 前記放射された光が熱赤外放射を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
37. 前記放射された光が蛍光放射を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
38. 前記複数の領域から受信された前記信号を光学的にフィルタリングする過程を更に有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
39. 前記受信された信号から前記対応する領域の振動に関連するコントラスト信号を生成する過程を更に含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
40. 前記対応する領域の振動を表す前記信号に視覚的に相関した前記対象物体の描象を表示する過程を更に有することを特徴とする請求項３０の方法。
41. 前記対応する領域の振動に対応する時間スペクトル信号を生成する過程を更に有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
42. 前記振動信号を分離する過程が、前記受信された信号をＡＣ結合する過程を有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
43. 前記振動信号を分離する過程が、前記受信された信号から前記対象物体の近傍の周囲放射を表す少なくとも一つの成分を除去する過程を有することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
44. 振動している対象物体を音響的にイメージングするためのシステムであって、
    フォトディテクタのアレイと、
    前記対象物体の表面上の対象領域を包含する複数の単位領域から受信された、個々の前記複数の単位領域の振動に対応して変調された光信号を前記フォトディテクタの各々の上に集束させるべく配置されたレンズと、
    各前記光信号から振動信号を単離するべく構成され、各フォトディテクタに接続された回路と、
    各前記振動信号をデジタル化するべく構成されたデジタル化ロジックと、
    前記デジタル化された各振動信号から周波数情報を抽出するよう構成された変換ロジックと、
    前記抽出された複数の周波数情報のそれぞれを対応する前記単位領域に相関させるべく構成されたイメージングロジックとを有し、複数の前記周波数情報は前記対象領域を包含する複数の単位領域の音響イメージを同時に表していることを特徴とするシステム。

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