JPH05273335A - パルス波送受信方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周波数変調パルス波からなる送信波を送出し
て、受信波との相互相関を評価する場合に、自由に送信
波の特性が設定でき、送信波の周波数特性におけるサイ
ドローブを小さくする。 【構成】 送信機において、指定された中心周波数・周
波数帯域幅・パルス時間幅の条件を用い、かつ所定の重
み付け関数を用いて送信波の周波数特性と位相特性を算
出し、この周波数特性と位相特性から送信波の時間波形
を算出する。さらに、受信機において、送信波の一部ま
たは受信波形の一部からなる参照時間波形と受信波の相
関を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、周波数変調パルス波を
測定対象に対して送信して、この測定対象を透過又は反
射した周波数変調パルス波を受信して、受信時に受信波
形と参照波形との相互相関演算を行うパルス送受信方法
及びその方法を適用した送信機等の装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、超音波や電磁波のパルス波を送
信波として被検体に送信し、被検体を透過または反射し
た送信波を受信した後、受信波形と送信波形との相互相
関を演算することにより、受信波のパルス時間幅を短く
すると同時に、超音波や電磁波が伝播する課程で加わっ
た雑音を低減することができる。

【０００３】そして、この相互相関の技術を用いること
によって、超音波応用計測分野での被検体の欠陥検出や
厚み測定、マイクロ波応用計測分野での被検体までの距
離測定など、各種波動計測における測定精度を大幅に向
上させることが可能である。

【０００４】一般的に、雑音の影響がない理想的な状態
での受信波のパルス波形は送信波のパルス波形と等しい
ので、受信した後の相互相関演算後のパルス波形は送信
波形の自己相関関数に等しい。このため、測定精度を上
昇させるためには、送信波における自己相関関数のメイ
ンロープが鋭く、かつメインロープ近傍に存在するサイ
ドロープが小さい送信波を用いることが必要である。

【０００５】自己相関関数のメインロープが鋭い送信波
として、周波数が時間と共に変化する周波数変調パルス
波が知られている。また、この周波数変調パルス波を作
成する手法としては、（ａ）群遅延特性が周波数の関数
になっているアナログフィルタを用いる手法と、（ｂ）
電圧制御型発振器（ＶＣＯ）を用いる手法とが知られて
いる。

【０００６】（ａ） 群遅延特性が周波数の関数になっ
ているアナログフィルタを用いる方法においては、群遅
延特性が周波数によって異なるので、このアナログフィ
ルタに適当な波形のパルス波を通すと、周波数が時間と
共に変化する周波数変調パルス波を得ることができる。
アナログフィルタにはＬＣ素子を用いる場合とＳＡＷデ
バイスを用いる場合がある。

【０００７】（ｂ） 電圧制御型発振器（ＶＣＯ）を用
いる手法においては、制御電圧を時間と共に変化させる
と、周波数が時間と共に変化する周波数変調パルス波を
得ることができる。

【０００８】しかしながら、（ａ）のアナログフィルタ
を用いる手法においては、この手法を超音波応用計測装
置に組込んだ場合においては次の問題がある。すなわ
ち、被検体が周波数特性を持つため、送信波の周波数特
性を適宜選択する必要がある。よって、周波数変調パル
ス波の特性である中心周波数ｆ_C ．周波数帯域幅Ｂ_W ，
パルス時間幅Ｔ_W を任意に変更できる必要がある。しか
し、アナログフィルタは特性の変更が難しいため、上述
した各送信波特性の変更を容易にできない問題がある。
この問題解決のために様々な特性のアナログフィルタを
備えると、装置構成が複雑になり製造費が大幅に上昇す
る問題がある。

【０００９】また、（ｂ）の電圧制御型発振器（ＶＣ
Ｏ）を用いる手法においては、制御電圧Ｖ_c と発振周波
数ｆとの関係が、広い周波数範囲に亘って良好な関係を
維持することが困難である。発振周波数ｆを理想的に変
化できないと、送信波の自己相関関数のメインローブの
幅が広がったり、サイドローブが大きくなってしまう。
また、制御電圧Ｖ_C と発振周波数ｆとの関係が理想的な
関係になるように発振周波数ｆの範囲を狭くすると、送
信波の前述した各特性特ｆ_C ．Ｂ_W ，Ｔ_W の変更を任意
に設定変更できない問題が生じる。

【００１０】このような（ａ）（ｂ）の手法による問題
点を解消する方法として、出力される送信波の時間特性
（波形）を予め計算機を用いて算出する手法（ｃ）が提
唱されている（電子情報通信学会１９９０年春季全国大
会Ａ３３８）。

【００１１】この周波数変調パルス波発生装置は、図８
に示すように、内部に、送信波形演算部１，送信波形記
憶部２，Ｄ／Ａ変換器３およびこれらの動作を制御する
制御部４とが組込まれている。

【００１２】送信波形演算部１は制御部４から、出力端
子５から出力すべき周波数変調パルス波信号の中心周波
数ｆ_C ．周波数帯域幅Ｂ_W ，パルス時間幅Ｔ_W が指示さ
れると、(1) 式でもって各時間ｔにおける送信波の時間
特性ｆ（ｔ）を算出する。 ｆ（ｔ）＝ sin［２π・（ｆ_C −Ｂ_W ／２）ｔ＋0.5 Ｂ_W ／Ｔ_W ｔ² ）］ （ｔ＝０〜Ｔ_W ） …(1)

【００１３】この送信波形演算部１にて得られた各時刻
ｔ（＝０〜Ｔ_W ）Ｉおける信号値（振幅値）は例えばＲ
ＡＭ等で構成された送信波形記憶部２に一旦記憶され
る。そして、制御部４の読出指令にて読出されて、Ｄ／
Ａ変換器３によりアナログ電気信号に変換された後、送
信波信号として出力端子５から出力される。図９（ａ）
は出力端子５から出力される送信波の時間変化を示す時
間特性図であり、図９（ｂ）は同送信波の周波数特性図
である。

【００１４】こように計算機を用いて予め送信波形を演
算により求めているため、送信波の前述した各特性
ｆ_C ．Ｂ_W ，Ｔ_W を任意に設定変更できる応用範囲の広
い周波数変調パルス波発生装置を実現できる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示した周波数変調パルス波発生装置においてもまだ解消
すべき次のような課題があった。

【００１６】すなわち、出力端子５から出力される図９
（ａ），（ｂ）に示す時間特性および周波数特性を有す
る送信波の自己相関関数は図９（ｃ）の特性となる。こ
の図９（ｃ）に示すように、自己相関関数波形における
サイドローブが大きい。サイドローブが大きいと、前述
したように、この送信波と受信波との相互相関関係を取
ることによって被検体の欠陥や距離等を測定する場合に
おいて測定精度が低下する。このサイドロープが大きい
ことは、図９（ｂ）に示すように、送信波の周波数特性
すなわちスペクトラムに多くのリップルが存在すること
に起因する。

【００１７】サイドローブを低減する方法として、スペ
クトラムの分布が中心周波数ｆ_C を中心とした滑らかな
山状となるように、送信波の周波数特性Ｆ（ｆ）に重み
付けを行う方法が提唱されている(Radar handbook,skol
nik et.al.,McGraw-Hill Inc., 1970)。

【００１８】すなわち、図１０（ａ）に示すように、出
力される送信波の包絡線を滑らかに立ち上がって滑らか
に下がる形に整える。このように周波数ｆに応じて信号
値（振幅値）を波形整形すると、送信波のスペクトラム
が図１０（ｂ）に示すように、中心周波数ｆ_C を中心と
した滑らかな山状となる。よって、図１０（ｃ）に示す
ように、自己相関関数波形におけるサイドローブは図９
（ｃ）に示す特性に比較して、大幅に低減される。

【００１９】しかしながら、この方法の場合には、図１
０（ａ）に示すように、送信波の時間波形における包絡
線が滑らかに立ち上がって滑らかに下がる形状である。
よって、送信波の開始部分と終了部分とにおける信号レ
ベルが低いために、送信波全体としての出力が低下して
Ｓ／Ｎが低下する問題が生じる。

【００２０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、先ず、送信波の周波数特性を重み付け関数
を用いて設定したのち、送信波の時間波形を算出するこ
とによって、送信波の自己相関関数におけるサトイドロ
ーブを減少でき、最終的に受信波を送信波との間の相互
相関でもって評価する場合における送信系に起因する雑
音成分を低減できるパルス波送受信方法及びその装置を
提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明のパルス波送信方法においては、指定された特
性値に基づいて送信すべきパルス波状の送信波の周波数
特性を重み付け関数を用いて算出し、特性値に基づいて
送信波の位相特性を算出し、算出された周波数特性およ
び位相特性から送信波における周波数特性の実部と虚部
とを算出し、算出された実部と虚部とから送信波の時間
波形を算出し、算出された時間波形をアナログの周波数
変調パルス波信号にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された周
波数変調パルス波信号を送信する。

【００２２】さらに、別の発明は、パルス波送信方法に
おいて、周波数変調パルス波を送信する工程と、周波数
変調パルス波を受信する工程とを有している。周波数変
調パルス波を送信する工程は上述したパルス波送信方法
を採用している。そして、周波数変調パルス波を送信す
る工程として、受信した周波数変調パルス波信号の受信
波を時間波形にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された受信波
の時間波形と参照時間波形との相互相関を算出してい
る。また、参照時間波形は、送信波の時間波形であって
も、また、受信波の時間波形であってもよい。

【００２３】さらに、別の発明のパルス波送信機におい
ては、特性値に基づいて送信すべきパルス波状の送信波
の周波数特性を重み付け関数を用いて算出する周波数特
性演算部と、特性値に基づいて送信波の位相特性を算出
する位相特性演算部と、算出された周波数特性および位
相特性から前記送信波における周波数特性の実部と虚部
とを算出する複素周波数特性演算部と、算出された実部
と虚部とから送信波の時間波形を算出する時間波形演算
部と、算出された時間波形をアナログの周波数変調パル
ス波信号に変換するＤ／Ａ変換器とを備えている。

【００２４】さらに、時間波形演算部で算出された時間
波形を一旦送信波形記憶部に記憶した後、この送信波形
記憶部から読出してＤ／Ａ変換器へ入力することも可能
である。また、周波数特性演算および位相特性演算に用
いる特性値として、送信すべきパルス波の中心周波数、
周波数帯域幅を採用している。

【００２５】さらに、位相特性演算部として、予め任意
に指定したパルス波の周波数特性を積分して群遅延特性
を算出する第１の積分手段と、算出された群遅延特性を
積分して位相特性を算出する第２の積分手段とで構成す
れば効果的である。また、重み付け関数はハミング重み
付け関数とすればよい。

【００２６】さらに、本発明のパルス波送受信装置は、
周波数変調パルス波を送信するパルス波送信機と周波数
変調パルス波を受信するパルス波受信機とで構成されて
いる。そして、パルス波送信機は前述した請求項６の構
成を有し、パルス波受信機は、受信した周波数変調パル
ス波信号の受信波をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換
器と、前記デジタル信号に変換された受信波の時間波形
と参照時間波形との相互相関を算出する相互相関演算部
とを有する。

【００２７】また、別の発明のパルス波送受信装置にお
いては、上述したパルス波送受信装置の各構成要件に、
パルス波送信機に前述した送信波形記憶部を加え、かつ
上述したパルス波送受信装置の各構成要件に、デジタル
信号に変換された受信波の時間波形を記憶する受信波形
記憶部と、参照時間波形を記憶する参照波形記憶部とを
加えている。さらに、別の発明の超音波探傷装置は、前
述した請求項１１のパルス波送信機とパルス波受信機と
超音波探触子とで構成されている。

【００２８】そして、被検体の表面に取付けられた超音
波探触子でもって、パルス波送信機から受信した周波数
変調パルス波信号を超音波パルスに変換して前記被検体
に印加し、この被検体を透過又は反射した超音波パルス
を周波数変調パルス波信号に変換してパルス波受信機送
信へ送信している。

【００２９】

【作用】このように構成されたパルス波送受信方法及び
その装置であれば、例えば外部から、中心周波数，周波
数帯域幅，パルス時間幅等の送信すべきパルス波の特性
値を指定すると、周波数特性演算部によって所定の重み
付け関数を用いて送信すべき送信波の周波数特性の絶対
値が算出される。一方、位相特性演算部によって送信波
の位相特性が算出される。そして、複素周波数特性演算
部によって、周波数特性および位相特性から送信波の周
波数特性の実部と虚部とが算出される。そして、この実
部と虚部とから送信波の時間波形が算出され一旦送信波
形記憶部に記憶される。そして、この送信波形記憶部に
記憶された時間波形は読出されてＤ／Ａ変換器でもって
アナログの周波数変調パルス信号に変換されて出力され
る。

【００３０】このような構成であれば、指定された中心
周波数ｆ_C ，周波数帯域幅Ｂ_W ，パルス時間Ｔ_W の条件
を満足する時間波形を算出する前に、まず、周波数特性
演算部によって、所定の重み付け関数を用いて送信波の
周波数特性が演算される。このように、重み付け関数を
用いることによって、周波数特性を中心周波数ｆ_C を中
心とする滑らかな山形波形とすることが可能である。し
たがって、この周波数特性から時間波形を算出して、こ
の時間波形をＤ／Ａ変換した後の周波数変調パルス信号
の自己相関関数を求めると、この送信波の自己相関関数
のサイドロープは小さくなる。

【００３１】また、本発明のパルス波送受信装置の受信
機においては、受信された周波数変調パルス信号はＡ／
Ｄ変換器によりデジタル信号に変換され、受信波形記憶
部にに記憶される。参照波形記憶部には送信機における
送信波形の一部または受信波形の一部が参照時間波形と
して記憶されている。そして、相互相関演算部によっ
て、受信波形と参照波形との相互相関が演算される。

【００３２】この場合、送信波における自己相関関数の
サイドローブは非常に小さいので、参照波形記憶部に記
憶されている参照時間波形と受信波との相互相関関数に
おけるサイドローブも非常に小さいと見なすことが可能
である。したがって、算出された相互相関関数における
送信波のサイドローブが大きいことに起因する雑音成分
が低減される。

【００３３】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。

【００３４】図１は実施例のパルス波送受信装置の概略
構成を示すプロック図である。周波数特性演算部１１
は、制御部１２から送信すべき送信波の中心周波数
ｆ_C ，周波数帯域幅Ｂ_W が入力されると、所定の重み付
け関数Ｆ（ｆ）を用いて送信すべき送信波の周波数特性
の絶対値を算出する。

【００３５】なお、計算する周波数ｆの上限周波数は周
波数変調パルス波の中心周波数ｆ_Cの４倍以上とする。
また、計算する周波数点ｆ0 ，ｆ1 ，…．ｆN-1 は、周
波数間隔が均等になるように、上限周波数ｆs までの範
囲をＮ等分（Ｎは２のべき乗）した各々の周波数値とす
る。具体的には、(2) 式を用いて、計算する周波数点ｆ
i を決定する。なお、この計算する周波数点ｆi （i=0,
1,2,…,N-1) は以後の位相特性演算部１３、複素周波数
特性演算部１４、時間波形演算部１５においても同等の
意味を持つ。 ｆi ＝ｆst・i …(2) （ ｆst＝ｆsf／N 、i=0 ，1 ，2 ，…，N-1) 各周波数点ｆi （i=0,1,2.…,N-1) が定まると、この各
周波数点ｆi について、送信波の周波数特性の絶対値Ｆ
i を(3) 式を用いて計算する。 Ｆi ＝Ｆ（ｆi ） （i=0,1,2,…, N/2) …(3) （i=0,1,2,…, N/2) 算出された各周波数点ｆi の絶対値Ｆi は複素周波数特
性演算部１４へ送られる。

【００３６】一方、位相特性算出部１３は、制御部１２
から送信波の中心周波数ｆ_C ，周波数帯域幅Ｂ_W ，パル
ス時間幅Ｔ_W が入力されると、所定の演算式φ（ｆ）を
用いて、送信すべき送信波の位相特性を計算する。ここ
で用いる計算式は、（適当に定義した）送信波の群遅延
特性Ｔ（ω）を積分計算することにより得られた計算式
である。積分は下記(4) 式を用いる。但し、ωは角周波
数である（ω＝２πｆ）。

【００３７】

【数１】 そして、(4) 式で得られた計算式を用いて(5) 式を演算
することにって、各周波数点ｆi における位相特性値φ
i を求める。 φi ＝φ（ｆi ） （i=0,1,2,…, N/2) …(5)

【００３８】算出された送信波の各周波数点ｆi におけ
る位相特性値φi は次の複素周波数特性演算部１４へ送
出される。複素周波数特性演算部１４は、周波数特性演
算部１３にて得られた各周波数点ｆi における周波数特
性の絶対値Ｆi と、位相特性演算部１３で得られた各周
波数点ｆi における位相特性値φi とから(6)(7)式を用
いて送信波の各周波数点ｆi における周波数特性の実部
Ｘi と虚部Ｙi とを求める。 Ｘi ＝Ｆi cos｛φi ） …(6) Ｙi ＝Ｆi sin｛φi ） …(7) （i=0,1,2,…, N/2)

【００３９】算出された各周波数点ｆi における実部Ｘ
i と虚部Ｙi は次の時間波形演算部１５へ送出される。
時間波形演算部１５は、先ず、入力した実部Ｘi と虚部
Ｙiから複素周波数特性における負の周波数成分を求め
る。 Ｘi ＝Ｘ（ N-i） …(8) Ｙi ＝Ｙ（ N-i） …(9) （但し、i=N/2+1 ，N/2+2 ，…．N-1) 次に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、複素周波
数特性Ｘi ，Ｙi を逆フーリエ変換し、時間領域の波形
にする。

【００４０】

【数２】 次にこの得られた逆フーリエ変換の結果、すなわち各時
間における振幅値ｘi について以下の演算を行う。i=
0, 1 , 2,…N/2)に対して ｘi ＝ｘ（i+N/2 ） …(11) i=N/2+1 ，N/2+2 ，N/2+3 ，…，N-1)に対して ｘi ＝ｘ（i-N/2 ） …(12)

【００４１】このようにして得られた各振幅値ｘi (i=
0,1,2,…, N-1)について包絡線を求め、包絡線が適当な
しきい値を越える範囲の各振幅値ｘi を時間波形演算部
１５の演算結果として次の送信波形記憶部１６へ出力す
る。なお、実施例装置においては、最大値に対する１０
％をしきい値としている。送信波形記憶部１６は、上述
した手順で演算された時間波形演算部１５の演算結果、
すなわち送信波の周波数変調パルス波の時間波形を記憶
する。Ｄ／Ａ変換器１７は送信波形記憶部１６に記憶さ
れた時間波形をアナログの周波数変調パルス波信号に変
換して、出力端子１８から送出する。

【００４２】送信波として出力端子１８から出力された
周波数変調パルス波信号は、目的に応じた経路を経て入
力端子１９へ入力される。入力端子１９へ入力された受
信信号はＡ／Ｄ変換器２０にてデジタルの受信波形に変
換される。そしてこのデジタルの受信波形は受信波形記
憶部２１へ記憶される。

【００４３】参照波形記憶部２２には、相互相関演算部
２３にて相互相関を計算する際の参照時間波形を記憶す
る。この参照時間波形は、時間波形演算部１５の演算結
果である周波数変調パルス波の時間波形の一部または受
信波形記憶部２１に記憶された受信波形の一部を用い
る。

【００４４】なお、受信波形記憶部２１に記憶されてい
る受信波形を用いる場合は、送信波形に類似した部分の
波形を用いる。例えば、このパルス波送受信装置から出
力される周波数変調パルス波を超音波探傷に用いる場
合、試料からの底面エコーを参照波形として用いる。

【００４５】相互相関演算部２３は受信波形記憶部２１
に記憶された受信波形と参照波形記憶部２２に記憶され
た参照波形との相互相関を演算する。相互相関演算部２
３でもって演算された相互相関は次の例えばＣＲＴ表示
装置等で構成された表示部２４にグラフ表示される。

【００４６】このように構成されたパルス波送受信装置
において、制御部１２にて中心周波数ｆ_C ，周波数帯域
幅Ｂ_W ，パルス時間Ｔ_W を指定すると、周波数特性演算
部１１は所定の重み付け関数を用いて各周波数点ｆi (i
=0,1,2, …,N）における送信波の周波数特性の絶対値
を、また、位相特性演算部１３は送信波の位相特性を算
出する。そして、この算出された周波数特性および位相
特性から最終的に時間波形演算部１５でもって送信波の
時間波形が算出される。

【００４７】図３（ａ）は最終的に作成された送信波の
時間波形を示す図であり、図３（ｂ）は送信波の周波数
特性（スペクトラム）を示す図である。そして、図３
（ｃ）は送信波の自己相関関数特性である。なお、図３
の特性は、中心周波数ｆ_C ＝5MHz、周波数帯域幅Ｂ_W ＝
6MHz、パルス時間幅Ｔ_W ＝1.5 μｓに設定した場合の特
性である。

【００４８】重み付け関数を用いて周波数特性を作成し
ているために、この周波数特性は図３（ｃ）に示すよう
に、中心周波数ｆ_C を中心に滑らかな山型波形となるの
で、大きなサイドローブが発生しない。その結果、受信
波との間の相互相関を算出した場合において、送信波に
起因する雑音要因を排除できる。

【００４９】さらに、重み付け関数を用いて周波数特性
を作成しているために、図３（ａ）に示すように、送信
波の開始部分や終了部分における振幅の包絡線特性が図
１０（ａ）に示した従来装置における送信波に比較して
より方形に近い形状を有する。したがって、周波数変調
パルス波の全継続期間Ｔ_W に亘ってほぼ一定の振幅を維
持できるので、送信波の出力が減少することはなく、常
に安定した高いＳ／Ｎを維持できる。

【００５０】図２は、実施例のパルス波送受信装置が組
込まれた超音波応用計測の一つである超音波探傷装置ま
たは厚み測定装置を示すブロック図である。図１と同一
部分には同一符号が付してある。よって、重複する部分
の詳細説明は省略されている。

【００５１】また、この装置においては、制御部１２．
周波数特性演算部１１，位相特性演算部１３，複素周波
数特性演算部部１４，時間波形演算部１５，参照波形記
憶部２２，相互相関演算部２３，表示部２４はパーソナ
ルコンピュータを用いて構成されている。

【００５２】この実施例装置においては、出力端子１８
から出力された送信波信号は送信波増幅器２５で増幅さ
れた後、超音波探触子２６へ印加される。超音波探触子
２６は入力された周波数変調パルス波信号を超音波に変
換して、被検体２７へ印加する。被検体２７へ入力され
た超音波は被検体２７内を伝播して、下面で反射され
て、反射エコーとして再度超音波探触子２６へ入射す
る。超音波探触子２６は入射した反射エコーを電気信号
に変換して出力する。超音波探触子２６から出力された
反射エコーの受信波は受信波増幅器２８で増幅された
後、入力端子１９を介してＡ／Ｄ増幅器２０へ入力す
る。

【００５３】この実施例の超音波探傷装置または厚み測
定装置に組込まれたパルス波送受信装置において、周波
数特性演算部１１は(13)式で示されるハミング重み付け
関数を用いて、周波数特性の絶対値Ｆ（ｆ）を算出して
いる。

【００５４】 Ｆ（ｆ）＝［0.08＋0.92・ cos² ｛π・（ｆ−ｆ_C ）／Ｂ_W ｝］^1/2 …(13) （ｆ＝ｆ_C −Ｂ_W ／２〜ｆ_C ＋Ｂ_W ／２）

【００５５】この(13)式を用いることにより、前述した
ように、送信波の周波数特性は図３（ｂ）に示すよう
に、周波数帯域幅Ｂ_W の幅で中心周波数ｆ_C を中心とし
た滑らかな山状となる。よって、図３（ｃ）に示すよう
に送信波の自己相関関数のサイドローブが小さい送信波
を得ることができる。

【００５６】また、位相特性演算部１３においては、送
信波の群遅延特性を積分計算することにより得られた計
算式を用いて送信波の位相特性を演算している。例え
ば、群遅延特性として、周波数特性の絶対値｜Ｆ（ω）
｜を用いた(14)式で定義された群遅延特性Ｔ（ω）を用
いた。

【００５７】

【数３】

【００５８】ここで、係数Ｃは、ｆ＝ｆ_C −Ｂ_W ／２〜
ｆ_C ＋Ｂ_W ／２の範囲で群遅延特性Ｔ（ω）が［−Ｔ_W
〜Ｔ_W ／２］の範囲となるように定める。すると、(14)
の群遅延特性Ｔ（ω）は(15)式のように展開できる。 Ｔ（ω）＝Ｔ_W ／（２π）［（ω−ω_C ）／Ｂ_W ＋（0.92/1.08 ）・sin ｛（ω−ω_C ）／Ｂ_W ｝］ …（１
５） （ω_Ｃ ＝２πｆ_C ，ｆ＝ｆ_C −Ｂ_W ／２〜ｆ_C ＋Ｂ_W ／２）

【００５９】さらに、前述した位相特性を求めるための
積分計算は前述した(4) 式である。なお、(14)(15)式以
外にも、群遅延特性Ｔ（ω）を任意に設定できる。例え
ば、Ｔ（ω）＝Ｃ・ωのような形の式（Ｃ：定数）も可
能である。また、予め、複数の群遅延特性Ｔ（ω）を別
途記憶部に設定しておき、任意に選択して取出すことを
可能にするのが好都合である。

【００６０】

【数４】 すると、(15)式を(4) 式に代入することによって送信波
の位相特性φ（ｆ) は(16)式となる。 φ（ｆ) ＝［−Ｔ_W ・π・ｆ² ／Ｂ_W ］＋［２π・Ｔ_W ・ｆ_C ・f/Ｂ_W ］ ＋［0.92Ｔ_W ・Ｂ_W ／（1.08・２π） ×cos ｛２π・（ｆ−ｆ_C ）／Ｂ_W ｝］ …(16)

【００６１】位相特性演算部１３において、(16)式を用
いて送信波の位相特性φ（ｆ) が得られると、この位相
特性φ（ｆ) と(13)式の周波数特性の絶対値Ｆ（ｆ）と
を用いて、複素周波数特性演算部１４および時間波形演
算部１５は前述した手順に従って、演算を実行して、最
終的な時間波形を得る。なお、上記の演算作業は、コン
ピュータのソフトウエア上の作業であってもよい。ま
た、操作者が別途行うことも可能である。このように構
成されたパルス波送受信装置において、前述したように
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の特性を有する送信波が出力さ
れる。

【００６２】そして、図４は図３に示す特性を有する送
信波を出力した場合における入力端子１９に入力される
受信波形である。このように受信波形には底面で反射さ
れた底面エコーと欠陥にて反射された欠陥エコーとが含
まれる。そして、この受信波形は受信波形記憶部２１に
記憶される。図５は、参照波形として図３（ａ）〜
（ｃ）に示す特性を有した送信波形を用いた場合で、こ
の参照波形と受信波形との相互相関の演算結果を示す図
である。この図から明らかなように、雑音を低減するこ
とができるので欠陥からのエコーが明瞭になり、欠陥検
出能力が向上できる。また、受信波のパルス時間幅を圧
縮することができるので、欠陥までの距離や被検体の厚
さを精度良く求めることができる。

【００６３】また、参照波形記憶部２２に記憶される参
照波として被検体２７の健全部の底面エコーを用いた場
合におけるこの参照波形を図６（ａ）に示す。図６
（ｂ）は、この図６（ａ）の参照波形と図４に示した受
信波形との相互相関の演算結果を示す図である。この場
合においても、相互相関結果にはサイドロープが少ない
ので、受信波のパルス時間幅を狭くし、同時に雑音を低
減することが可能である。

【００６４】また、超音波探触子や被検体などの測定系
に起因する周波数特性を補償するように、送信波の周波
数特性を設定することも可能である。したがって、種々
の測定対象に最良の特性を有した送信波を設定すること
が可能である。

【００６５】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。前述した実施例では送信波の周波数特
性としてハミング重み付け関数を用いたが、テーラー重
み付け関数や方形重み付け関数など他の重み付け関数を
用いることも可能である。

【００６６】また、実験で特定した重み付け関数や、シ
ステム乃至測定系の周波数特性に関するスペクトラムを
重み付け関数と定義して採用することも可能である。本
発明はこのような公知の重み付け関数のみを用いる場合
に限定されない。後者の例として、例えば図７に示すよ
うに、送受用増幅器，送信用トランスデューサ，受信用
増幅器、受信用トランスデューサ，反射源も含む被検体
等の周波数特性（として得られるスペクトル：Ａ特性）
やその逆数（吸収スペクトル：Ｂ特性）も重み付け関数
として定義して、本発明に採用することが可能である。
また、時間波形演算部１５における演算式は、本実施例
に記載の演算式に限られるものでなく、発明の要旨から
離れない範囲で変更することができる。また、本実施例
において、各演算部はそれぞれパーソナルコンピュータ
を用いて実現することも可能である。さらに、本実施例
では超音波応用計測の場合を述べたが、電磁波を使った
計測においても実施可能である。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように本発明のパルス波送
受信方法及びその装置によれば、指定された中心周波数
・周波数帯域幅・パルス時間幅等の特性値を用い、かつ
所定の重み付け関数を用いて送信波の周波数特性を設定
している。そして、その後に、その設定された周波数特
性を用いて送信波の時間波形を算出している。したがっ
て、周波数変調パルス波の特性である中心周波数・周波
数帯域幅・パルス時間幅を任意に設定できるとともに、
送信波の周波数特性や群遅延特性を自由に設定できるた
め、自己相関関数のメインローブの幅が狭くサイドロー
ブが小さく、なおかつ送信波の包絡線が方形に近い周波
数変調パルス波を発生させることができるため、距離分
解能が良好でかつ雑音に強い送信波を得ることができ
る。

【００６８】そのため、超音波応用計測などのように被
検体の特性に応じて送信波の特性を変更しなければなら
ない用途に対しても、一つの装置だけで柔軟に対応する
ことができる。

【００６９】さらに、受信波と参照時間波形との相互相
関を演算しているので、受信波のパルス時間幅を狭く
し、雑音を低減することができる。このため、超音波あ
るいは電磁波のパルスを用いた各種波動計測において、
被検体の厚み測定や被検体までの距離測定などの分解能
を向上することが可能であり、被検体中の欠陥検出など
を精度良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わるパルス波送受信装
置の概略構成を示すブロック図、

【図２】 同実施例装置が組込まれた超音波探傷装置ま
たは厚み測定装置を示すブロック図、

【図３】 同実施例装置における送信波の各特性図、

【図４】 同実施例装置における受信波の時間波形図、

【図５】 同実施例装置における受信波形と参照時間波
形との間の相関関係を示す図、

【図６】 同実施例装置における参照時間波形との間の
相関関係を示す図、

【図７】 本発明で採用可能な重み付け関数を示す図、

【図８】 従来の周波数変調パルス波送信装置の概略構
成を示すブロック図、

【図９】 同従来装置における送信波の各特性図、

【図１０】 別の同従来装置における送信波の各特性
図。

【符号の説明】

１１…周波数特性演算部、１２…制御部、１３…位相特
性演算部、１４…複素周波数特性演算部、１５…時間波
形演算部、１６…送信波形記憶部、１７…Ｄ／Ａ変換
器、２０…Ａ／Ｄ変換器、２１…受信波形記憶部、２２
…参照波形記憶部、２３…相互相関演算部、２４…表示
部、２６…超音波探触子、２７…被検体。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 指定された特性値に基づいて送信すべき
   パルス波状の送信波の周波数特性を重み付け関数を用い
   て算出し、前記特性値に基づいて前記送信波の位相特性
   を算出し、前記算出された周波数特性および位相特性か
   ら前記送信波における周波数特性の実部と虚部とを算出
   し、算出された実部と虚部とから前記送信波の時間波形
   を算出し、算出された時間波形をアナログの周波数変調
   パルス波信号にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された周波数
   変調パルス波信号を送信するパルス波送信方法。
2. 【請求項２】 周波数変調パルス波を送信する工程と、
   周波数変調パルス波を受信する工程とを有したパルス波
   送受信方法において、 前記送信する工程においては、 指定された特性値に基づいて送信すべきパルス波状の送
   信波の周波数特性を重み付け関数を用いて算出し、前記
   特性値に基づいて前記送信波の位相特性を算出し、前記
   算出された周波数特性および位相特性から前記送信波に
   おける周波数特性の実部と虚部とを算出し、算出された
   実部と虚部とから前記送信波の時間波形を算出し、算出
   された時間波形をアナログの周波数変調パルス波信号に
   Ｄ／Ａ変換し、Ｄ／Ａ変換された周波数変調パルス波信
   号を送信し、 前記受信する工程においては、 受信した周波数変調パルス波信号の受信波を時間波形に
   Ａ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された受信波の時間波形と参
   照時間波形との相互相関を算出することを特徴とするパ
   ルス波送受信方法。
3. 【請求項３】 前記参照時間波形は前記送信波の時間波
   形である請求項３記載のパルス波送受信方法。
4. 【請求項４】 前記参照時間波形は前記受信波の時間波
   形の一部である請求項３記載のパルス波送受信方法。
5. 【請求項５】 指定された特性値に基づいて送信すべき
   パルス波状の送信波の周波数特性を重み付け関数を用い
   て算出する周波数特性演算部と、前記特性値に基づいて
   前記送信波の位相特性を算出する位相特性演算部と、前
   記算出された周波数特性および位相特性から前記送信波
   における周波数特性の実部と虚部とを算出する複素周波
   数特性演算部と、前記算出された実部と虚部とから前記
   送信波の時間波形を算出する時間波形演算部と、前記算
   出された時間波形をアナログの周波数変調パルス波信号
   に変換するＤ／Ａ変換器とを備えたパルス波送信機。
6. 【請求項６】 指定された特性値に基づいて送信すべき
   パルス波状の送信波の周波数特性を重み付け関数を用い
   て算出する周波数特性演算部と、前記特性値に基づいて
   前記送信波の位相特性を算出する位相特性演算部と、前
   記算出された周波数特性および位相特性から前記送信波
   における周波数特性の実部と虚部とを算出する複素周波
   数特性演算部と、前記算出された実部と虚部とから前記
   送信波の時間波形を算出する時間波形演算部と、前記算
   出された時間波形を記憶する送信波形記憶部と、この送
   信波形記憶部から読出された時間波形をアナログの周波
   数変調パルス波信号に変換するＤ／Ａ変換器とを有する
   ことを特徴とするパルス波送信機。
7. 【請求項７】 前記特性値は、送信すべきパルス波の中
   心周波数、周波数帯域幅およぴパルス時間幅である請求
   項６又は請求項７記載のパルス波送信機。
8. 【請求項８】 前記位相特性演算部は、予め任意に指定
   したパルス波の周波数特性を積分して群遅延特性を算出
   する第１の積分手段と、前記算出された群遅延特性を積
   分して位相特性を算出する第２の積分手段とからなるこ
   とを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項記
   載のパルス波送信機。
9. 【請求項９】 前記重み付け関数はハミング重み付け関
   数である請求項６乃至請求項９のいずれか１項記載のパ
   ルス波送信機。
10. 【請求項１０】 周波数変調パルス波を送信するパルス
    波送信機と、周波数変調パルス波を受信するパルス波受
    信機とを備えたパルス波送受信装置であって、 前記パルス波送信機は、指定された特性値に基づいて送
    信すべきパルス波状の送信波の周波数特性を重み付け関
    数を用いて算出する周波数特性演算部と、前記特性値に
    基づいて前記送信波の位相特性を算出する位相特性演算
    部と、前記算出された周波数特性および位相特性から前
    記送信波における周波数特性の実部と虚部とを算出する
    複素周波数特性演算部と、前記算出された実部と虚部と
    から前記送信波の時間波形を算出する時間波形演算部
    と、前記算出された時間波形をアナログの周波数変調パ
    ルス波信号に変換するＤ／Ａ変換器とを有し、 前記パルス波受信機は、受信した周波数変調パルス波信
    号の受信波をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
    前記デジタル信号に変換された受信波の時間波形と参照
    時間波形との相互相関を算出する相互相関演算部とを有
    することを特徴とするパルス波送受信装置。
11. 【請求項１１】 周波数変調パルス波を送信するパルス
    波送信機と、周波数変調パルス波を受信するパルス波受
    信機とを備えたパルス波送受信装置であって、 前記パルス波送信機は、指定された特性値に基づいて送
    信すべきパルス波状の送信波の周波数特性を重み付け関
    数を用いて算出する周波数特性演算部と、前記特性値に
    基づいて前記送信波の位相特性を算出する位相特性演算
    部と、前記算出された周波数特性および位相特性から前
    記送信波における周波数特性の実部と虚部とを算出する
    複素周波数特性演算部と、前記算出された実部と虚部と
    から前記送信波の時間波形を算出する時間波形演算部
    と、前記算出された時間波形を記憶する送信波形記憶部
    と、この送信波形記憶部から読出された時間波形をアナ
    ログの周波数変調パルス波信号に変換するＤ／Ａ変換器
    とを有し、 前記パルス波受信機は、受信した周波数変調パルス波信
    号の受信波をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
    前記デジタル信号に変換された受信波の時間波形を記憶
    する受信波形記憶部と、参照時間波形を記憶する参照波
    形記憶部と、前記受信波形記憶部に記憶された時間波形
    と参照波形記憶部に記憶された参照時間波形との相互相
    関を算出する相互相関演算部とを有することを特徴とす
    るパルス波送受信装置。
12. 【請求項１２】 前記参照時間波形は前記送信波形記憶
    部に記憶された時間波形である請求項１２記載のパルス
    波送受信装置。
13. 【請求項１３】 前記参照時間波形は前記受信波形記憶
    部に記憶された時間波形の一部である請求項１２記載の
    パルス波送受信装置。
14. 【請求項１４】 指定された特性値に基づいて送信すべ
    きパルス波状の送信波の周波数特性を重み付け関数を用
    いて算出する周波数特性演算部と、前記特性値に基づい
    て前記送信波の位相特性を算出する位相特性演算部と、
    前記算出された周波数特性および位相特性から前記送信
    波における周波数特性の実部と虚部とを算出する複素周
    波数特性演算部と、前記算出された実部と虚部とから前
    記送信波の時間波形を算出する時間波形演算部と、前記
    算出された時間波形をアナログの周波数変調パルス波信
    号に変換するＤ／Ａ変換器とを有するパルス波送信機
    と、 被検体の表面に取付けられ、前記パルス波送信機から受
    信した周波数変調パルス波信号を超音波パルスに変換し
    て前記被検体に印加し、この被検体を透過又は反射した
    超音波パルスを周波数変調パルス波信号に変換して送信
    する超音波探触子と、 この超音波探触子から受信した周波数変調パルス波信号
    の受信波をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前
    記デジタル信号に変換された受信波の時間波形と参照時
    間波形との相互相関を算出する相互相関演算部とを有す
    るパルス波受信機とを備えたことを特徴とする超音波探
    傷装置。