JPH08503070A - ３次元のパターンを識別するための超音波検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 参照対象物および検査対象物のエコーの時間信号から対象物を識別しかつ対象物位置を検出するために、相互相関関数並びに自己相関関数を形成しかつ評価のために例えばファジィ論理を用いて結合されている、最大値の位置または値１からの偏差のような相関解析の複数の特徴を使用する超音波検査方法。参照対象物は検査対象物と相関される。同時に、圧縮された情報ができるだけ高度に利用される、高い測定信頼性および簡単化された信号処理が、この方法の利点である。

Description

【発明の詳細な説明】 ３次元のパターンを識別するための超音波検査方法 空中超音波センサ装置は、良好な深度（奥行）分解能およびコストの面で有利 な実現性のために、ロボット工学、組立および操作技術の数多くの分野並びに品 質保証において使用可能である。間隔距離測定または存在検出のための確立され ているシステムの他に、パターンまたは欠陥識別の方向において更なる用途を開 発するために、適当な空中超音波変換器の他に、採算の取れる計算コストによっ て実現することができかつその都度の環境に適合可能である能力のあるアルゴリ ズムが必要である。この種の“インテリジェントセンサ装置”の基本的な課題は 、関心のある領域から測定データを検出し、測定データから重要な量を抽出しか つ得られた量を適当な規則に従って特徴空間またはスケールに対応付けることで ある。すなわち、極めて広い意味において、測定データ空間がクラス帰属空間に 変換されるパターン認識問題である。品質保証において、この変換の典型的な目 標は、状態または対象物が所定の基準に相応するかまたは相応しないかを決定す ることにある。 空気超音波技術の領域において、この種の状態比較を対象物−選択性逆フィル タを用いて実施する方法が ある［１］。ここにおいて、学習済みの参照対象物に対して、引き続き送信信号 として用いられる逆信号が計算され、その結果基準対象物および検査対象物の一 致が最適な短い受信信号によって指示される。受信エコープロフィールの評価は 、例えば信号ピーク対パルス幅比のような簡単な判断基準。に基づいて行われる 。このような簡単な判断基準によって、状態量差分の原因を突き止めることはで きない。さらに、解析は、測定システムの時間的な変化（ドリフト）に対して極 めて影響を受け易いので、高い状態選択性ないし測定精度を保証するために、基 準信号をしばしば更新しなければならない。 ロボット工学に対して、パルス−エコー作動において動作する簡単なモノセン サから成る超音波システムが開発されている［２］。送受信ユニットは、検査す ベき対象物上に垂直に設けられている。対象物を識別するために、記憶されてい る参照対象物情報のセットが検査対象物と相関付けられる。相関指標が、参照対 象物と検査対象物との間に関係が存在するかどうかを決定する。受信された信号 のオフライン解析が実施される。背景は吸収性の大きい材料を有していなければ ならない。その理由はそうでなければ、背景のエコーが対象物のエコーを打ち消 してしまうからである。 ［３］および［４］から、距離測定および存在検出のための空中超音波システ ムが公知である。これらシ ステムは、例えば部分エコーの比較による、音波走行遅延時間またはエコープロ フィール形の評価に基づいている。音波走行遅延時間の測定は例えば、コンパレ ータによって行われ、これらは、受信信号において、所定のしきい値を何時上回 るかを指示する。 一連の周波数の送信によって対象物固有の反射スペクトルを記録しかつ比較す る方法が公知であり［５］、その際比較の結果は単に２進的評価（重み付け）さ れるにすぎないので、識別性の優れた（区別し得るような）状態量の評価（重み 付け）は可能ではない。別の欠点は、反射スペクトルを記録するための時間が比 較的長いということである。というのは、個々の周波数が順次送信されるからで ある。 ごく最近において、ファジィ論理のコンセプトに多大な関心が寄せられている 。この関心は専ら制御技術の用途に向けられているにも拘わらず、フアジィ論理 はさらに、信号処理ないしパターン認識の領域においても非常に重要な可能性を 提供する［６］。というのは、ファジィ論理によって複合的なシステムおよび決 定（判定、判別）プロセスが簡単な言語変量（パラメータ）によって記述される からである。 これまでのすべての簡単な、画像を形成しない方法に共通しているのは、観察 された状態（量）に関して非常に制限された情報しか提供することができない、 エコ−評価に対する非常に簡単な判断基準しか用いて いないことである。 本発明の課題は、良好な対象物−選択性、高い測定信頼性を有しかつドリフト 現象に対して影響を受け難いという特徴を有する超音波検査方法を提供すること である。 この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。 本発明の有利な実施例は、その他の請求項に記載の構成によって実現されてい る。 この方法は、良好な対象物−選択性、高い測定信頼性および簡単化されている 信号処理と同時に信号情報の改良された利用によって特徴付けられている。本発 明の適用分野は、組立および操作技術、品質保証および工作物検査にある。殊に 、種々の応用例に非常に容易に整合される安価な対象物および状態（量）差分で の選択的な超音波測定システムが実現される。 次に本発明を図面に基づいて説明する。 第１図は、測定構成の実施例を示す概略図であり、 第２図は、変換器−焦点−点の領域における音場をシミュレーションした図で あり、 第３図は、種々の検査状態に対する例を示す線図であり、 第４図は、Ｓ字形の重み付け（評価）関数を示す波形図であり、 第５図は、ファジィ変量としての相関特徴を示す線 図であり、 第６図は、信号評価のシーケンスを示す図であり、 第７図は、状態量差分を解釈するためのファジィシンタクスを示す図である。 第１図には、測定システムの基本構成が示されている。計算機１によって制御 される波形発生器２は、出力増幅器３を介して、任意に前以て決めることができ る、１６ビットの量子化された励振信号を送信変換器４に供給する。このように して発生された超音波信号は、変換器指向特性によって前以て決められる空間領 域に伝搬されかつ存在する対象物シーン５において反射される。殆ど完全な反射 に基づいて、エコー信号の形状は専ら、対象物５１の表面構造により定まる。音 波波長のオーダにおける対象物寸法において、干渉現象ないし散乱反射が発生す る。対象物から受信変換器６の方向に反射される音波信号を、受信変換器は電気 信号に変換し、電気信号は受信増幅器７を介して過渡的な記録器８によって記録 されかつ引き続く処理のために計算機１に伝送される。空間的に拡がる領域を検 査するために、超音波変換器４および６は計算機制御されるステップモータによ ってｘ／ｙ方向において位置決めされる。煩雑な３Ｄデータ処理に代わって、各 測定点に対するデータ検出および信号処理が別個に行われる。これに伴う、情報 の破棄は、当該用途では有意味である。というのは、純然たる検査システムが期 せられるべきものであって、画像生成する思想はないからである。 使用の空中超音波変換器は、約２５０ｋＨｚの中心周波数および約９０ｋＨｚ の３ｄＢ帯域幅を有する圧電セラミックラジアル厚み振動子である。変換器−焦 点−点の領域における音場のシミュレーションが第２図に示されている。対象物 面１は撮影の際に、それが大体焦点領域２内にくるように選択された。３ｄＢ焦 点直径は約４mmである。 システム全体の伝送特性、すなわちシステムの、送信信号ｆ_s（ｔ）に対する 応答ｆ_e（ｔ）は、部分成分のパルス応答の畳み込みによって得られる： ｆ_e（ｔ）＝ｆ_s（ｔ）＊ｈ（ｔ）＊ｒ（ｔ） （Ｉ） ただし ｈ（ｔ）＝ｖ_s（ｔ）*ｔ_s（ｔ）*ｍ（ｔ）*ｖ_e（ｔ）*ｔ_e（ｔ） ｆ_s（ｔ） ：送信信号 ｖ_s（ｔ） ：出力増幅器 ｔ_s（ｔ） ：送信変換器 ｍ （ｔ） ：伝搬媒体 ｔ_e（ｔ） ：受信変換器 ｖ_e（ｔ） ：受信増幅器 ｆ_e（ｔ） ：受信信号 ｒ （ｔ） ：対象物反射性 ｈ （ｔ） ：全システム 周波数領域に変換されると、システム式Ｉは次のようになる： Ｆｅ（ω）＝Ｆｓ（ω）・Ｈ（ω）・Ｒ（ω） （II） 当該式は、簡単化された、１次元のモデルである。所定の時点における受信信 号ｆ_e（ｔ）は、ｔ_iに属する、変換器音場の波面に存在するすべての反射体に関 する空間的な積分から得られる（第２図参照）。 ラテラル（横方向）な情報積分の効果は、画像生成方法に対しては妨害となる 。その理由は、この効果はラテラルな分解能を制限しかつ人間の視覚、ひいては 評価習慣に反するからである。しかし超音波システムは、非常に良好な深度（奥 行）分解能を有している。それ故に、超音波検査システムにおいて、煩雑な画像 生成方法に関する方策をとるのではなくて、一次的に軸線方向の情報を評価する ことが有意味である。受信された時間信号は、ラテラル方向における信号積分に 基づいて、或る１つの拡がりのある空間領域に関する情報を提供する。この低減 されたデータセットにおいて、空間的な情報は存在するが、もはや直接アクセス できるものではない。そこでこの方法の課題は、１次元の受信信号ｆ_e（ｔ）に 基づいて対象物シーンを分類するかないし監視することにある。 １次元の超音波信号に基づいて空間的な状態（量） を解析するための最も簡単な可能性は、目標状態（量）の信号を検査すべき状態 （量）の信号と比較することにある。この場合、相互相関関数が、関連情報を含 みかつ良好に解釈可能な特徴を提供し、これら特徴を用いて、超音波信号差分、 ひいては目標状態（量）からの偏差を検出することができる。 相互相関関数ρｘｙ（ｔ₁，ｔ₂）とは、時点ｔ，における信号ｘ（ｔ₁）およ び時点ｔ₂における信号ｙ（ｔ₂）の振幅値の平均化された積を表す。ｘおよびｙ が定常的なプロセスであれば、ρｘｙ（ｔ₁，ｔ₂）は時間差τ＝ｔ₂−ｔ₁にしか 依存していない。 相互相関関数（ＫＫＦ）は、２つの信号ｘおよびｙが時間ずれτに依存してど の程度相互に類似しているかを示す。ｘおよびｙが一定の係数を除いて同一であ る場合、ＫＫＦは最大値をとる。この場合は完全な相関と言える。例えば２つの 別個の雑音プロセスのように、信号が完全に無関係であれば（相関されていない ）、ＫＫＦは零に等しい。ｘおよびｙが同一のプロセスを表す特別な例に対して 、ρ（τ）は自己相関関数（ＡＫＦ）と称される。ＡＫＦの最大値は、τ＝０の 際に生じる。ＡＫＦは、この点において対称的でありかつ偶関数である。ＡＫＦ の最大値、τ＝０における ρ（τ）は、信号の２乗平均値を表しかつしたがって信号出力に対する尺度を表 している。ＫＫＦないしＡＫＦはしばしば、この値に正規化されて利用され、そ の際正規化係数は、２つの相互に相関された信号の出力の２乗平均値から得られ る。 これまでの説明から明らかであるように、相互相関関数は、一連の物理的に解 釈可能な特徴を提供し、これにより２つの信号の類似性についての情報を形成こ とができる。以下に使用される、基準対象物の反射された空中超音波信号と検査 物の反射された空気超音波信号との行おうとする比較に対する特徴は本発明によ れば： １．正規化されたＫＫＦρ_normxy（τ）の最大値の、値１からの偏差ρは、走行 遅延時間差および信号出力に無関係に信号の形状類似性に対する尺度を提供する 。 ２．ＫＫＦρ_xy（τ）の、その最大値の位置からの非対称性αは、１．の場合の ように、信号形状の類似性を表す。 ３．ＫＫＦρ_xy（τ）の最大値の位置は、（匹敵し得る信号形状において）相関 信号の走行遅延時間差τに直接依存している。 ４．基準ないし検査信号の自己相関関数ρ_xx（０）お よびρ_yy（０）の最大値により、伝送される信号出力ないしその差εに対する尺 度が得られる。 ５．２次的最大値の位置および高さは、対象物の構造および観察空間内に存在す る対象物の数に関する情報を提供する。比較的短い信号走行遅延時間により、２ 次的最大値ないし包洛線は左方向にずれることになる（第３ｅ，ｆ図参照）。こ のことから、対象物シーンの部分が、基準状態におけるよりも変換器の近傍に存 在していることが推定される。第３ｇ，ｈ図からわかるように、変換器からのラ テラル方向のずれにより、２次的最大値は走行遅延時間τ＞０の間、基準状態に おけるよりも著しく高くなる。このことに相応して、２次的最大値は走行遅延時 間τ＜０の間、明らかに低い。 信号比較の際の基本的な問題は、システムの伝送特性が時間とともに緩慢に変 化するとき、生じる。例えば空気湿度および温度による変動によって惹き起こさ れるこのような変化は殊に、基準および被検体の信号検出の時点が相互に大幅に 異なっているとき、重要である。この問題に対処するのは、システム伝送特性、 ひいてはその変化も補償する整合された刺激関数の計算である［７］。それぞれ の測定サイクルによって、パルス応答が測定され、それは、引き続いて逆システ ムパルス応答に相応する送信信号を計算するために、平坦な背景（雑音）（ただ しＲ（ω）＝１）の場合に おいて生じる。実際のシステムは帯域制限されておりかつ雑音を有しているので 、測定されたパルス応答の反転がすぐさま不安定になる可能性がある。このこと を妨げるために、スペクトルの領域が重み付け（評価）関数Ｇ（ω）によって、 例えば信号成分が雑音に対して小さい修正されたvon-Hannのウィンドウによって 抑圧される。式１１から出発して、 Ｆ_s（ω）＝Ｇ（ω）・Ｈ（ω）^-1として Ｆ_e（ω）＝Ｇ（ω）・Ｒ（ω） が成り立つ。 その場合、受信信号、したがって抽出された特徴も、もはや伝送特性には無関 係であり、対象物関数にしか依存していない。基準反射体の受信信号は、送信信 号が整合されている場合、すなわちウィンドウ関数は、さらに引き続く評価に関 して、対象物がそもそも平坦な背景にあるかどうかに関する良好な比較信号を送 出する。このために、第３ｍ図および第３ｎ図が参考になる。比較的長い一連の 測定の期間に、補償を適合追従することができ、このことは、測定状態が基準状 態に相応することが確実に検出される測定状態において、新たに整合された送信 信号が計算されるようにすることによって行われる。 上述の相関特徴１ないし４について、２、３の信号例に基づいて説明する。測 定状態は、第１図に示されている測定状態に相応する。第３ａ図には、２×２× ２mmの大きさの、平坦な背景に存在する立方体を送出する受信された時間信号ｆ_e （ｔ）が示されている。第３ｂ図にはそのＡＫＦρ_xx（τ）が示されている。 この信号は、以下、テスト信号ｆ_e（ｔ）と比較される基準状態（参照対象物シ ーン）を表している。第１の比較において（第３ｃ図および第３ｄ図）、基準の 場合と同じ状態が提供されるが、変換器と対象物との間の距離が１mmだけ拡張さ れる。基準信号（反射された参照対象物シーンからの信号）信号および検査信号 （反射された対象物シーンからの信号）（第３ｄ図）のＫＫＦρ_xy（τ）におい て、この走行遅延時間差が最大値の側方向のずれの形で表されている。これに対 して立方体を１mmだけ高めると （第３ｅ図）、最大値のずれは発生せず、ＫＫ Ｆにおける変形のみが発生する（第３ｆ図）。その理由は、主信号成分は立方体 からではなくて、背景エコーから派生するからである。すなわち大きな、軸線方 向にずれた構成部分のみが最大値のずれを招来する。 立方体が１mmだけ側方にずれると（第３ｇ図参照）、変化する反射条件により 別の信号エネルギーが生じる。第３ａ図において、ＫＫＦの最大値が値１から著 しく異なっていること、およびＫＫＦは最大値の点に対して対称形ではないこと がわかる。類似の関係は、第３ｉ図および第３ｊ図にも示されている。垂直に立 てられた円筒体（反射方向における端面）が立方体に代わ ってテスト対象物として使用される。反射された円筒体端面は立方体の端面とま さしく類似しているので、ＫＫＦにはほんの僅かな特徴変化しか生じない（第３ ｊ図）。円筒体を横倒しすると、信号は著しく強く側方に散乱される。受信され たテスト信号におけるエネルギー損失は、そのＡＫＫの最大値において明瞭に読 み取れる（第３１図）。第３ｍ図には、平坦な背景のエコーが示されている。基 準立方体の信号を有するＫＫＦにおいて（第３ｎ図）、大きな状態量差分が明瞭 にわかる。状態差は、相関特徴を用いて識別可能である、基準と検査体との間の 差分を考慮する。 所属の信号を有する図示の状態に基づいて、種々様々な状態差が相関関数の選 択された特徴に特有に示されていることが明らかである。この特徴の解釈の際の 問題は、一方において雑音または空気運動のような障害に基づいて特徴値にはあ る程度の不確かさがあり、かつ他方において特徴の絶対量がその都度の測定状態 、すなわち使用の変換器および信号または対象物の大きさに依存している点にあ る。エラー特徴の大きさと状態差の大きさとの間に確かに、ほぼ線形な関係があ り、これに対してエラーの形式は大抵、簡単には分類されない。 大きな構造部分および小さな構造部分において異なって作用する軸線方向のず れの例に基づいて、エラーの種類の対応付けが所定の特徴ないし規則の考慮に基 づいてしか可能でないことが明らかである。それ故に、使用すべき評価方法に対 して、上述の問題が考慮されるかまたは少なくとも許容されること、および変化 する条件にフレキシブルおよび容易に整合されるようにすることが必要である。 アンシャープネス、所定の測定量の比較的大きな領域を相互に比較するという 可能性に基づいて、タフネス（頑丈さ）および整合能力のために、ファジィ論理 のコンセプトが超音波測定量の評価のための気の利いた可能性として提供される 。 ファジィアルゴリズムの入力量として、相関解析の８つの特徴を使用すること ができる。これらは、テスト対象物のテスト信号（反射された対象物シーンから の信号）と基準立方体の基準信号（反射された参照対象物シーンからの信号）（ ρ_n，α_n，τ_n，ε_n）および基準背景の基準信号（ρ_u，α_u，τ_u，ε_u）との比 較から生じる。第１のステップにおいて、これらの特徴はファジィ化され、すな わち言語変数に対応付けられる。基準化された相関最大値の、値１からの偏差を 表すファジィ変数“形状差”が、クラス（ファジィセット）“小さい”、“中位 ”および“大きい”に分類される。これらのクラスに、所定の帰属度を有する抽 出された特徴が対応付けられる。ファジィセットの境界の確定は、２つの単純な 縁条件に基づいて行われる。エラー特徴は、それがその測定不正確さの領域また は 統訃学的な変動にあるとき、“小さい”と見なされる。言語学的概念“大きい” は、エラー特徴が、それによって状態差が絶対的な確実さで指示されるような大 きさであるとき、完全に満たされているものと見なされる。基本的に、それは第 ４図に図示されているように、この対応付けは、Ｓ字形状の重み関数に類似して いる。 例として、第３ｅ図の１mm高い立方体のエコー信号を考察するとき、形状差（ ここでは１５％）はこの場合３０％の帰属度によって中位と評価され、７０％ま で大きいと評価されかつ０％まで小さいと評価される（第５ａ図）。その他のエ ラー特徴“非対称性”、“エネルギー差”および“走行遅延時間差”（第５ｂ図 ないし第５ｄ図）は専ら、小さいとして段階付けられる。 ファジィ変数において有利なのは、それらが１つの量に対して直接、間隔［０ …１］において平面像を提供することである。これにより、量の組み合わせない し比較は著しく簡単化される。別の利点は、大きな測定領域は僅かなクラス帰属 度に変換され、その結果評価の際に考慮すべき量の数が著しく低減される。 入力量の本来の評価、すなわち推論は、評価規則を駆使する。ある規則は、フ ァジィ入力変数と出力変数との関係を記述する。存在する測定状態を記述するた めに、例えば５つの出力変数が定義される。 １．変数“状態差”は、基準および被検体が同じであるかどうかの情報を有する 上位のエラー評価を提供する。 ２．変数“ストラクチャ”は、被検体の表面構造の、背景の滑らかな表面との偏 差を記述する（エネルギーおよび走行遅延時間差に無関係に）。 ３．変数“軸線方向のエラー”は、基準と被検体との間の高さ差を記述する。 ４．変数“ラテラル方向のエラー”は、状態差が、側方向の縁ずれによって惹き 起こされる確率を表す。 ５．ファジィ変数“構成部分が欠けている”は、対象物がそもそも背景に存在し ているかどうかを指示する。 入力量および出力量の協働関係の全体が、第６図に示されている。 推論は２段階に分けられている。第１段階において、状態差の大きさおよび表 面構造の性質が決定される。それからこれらの量および相関特徴によって、エラ ーの種類が分類され得る。ファジィ変数“状態差”および“ストラクチャ”は、 ２、３の基本規則に対する量を表している。基本規則に対する例は次の通りであ る： エラー分類は、重大な状態差も存在しているとき、有意味である。 ラテラルな縁ずれは、変数“ストラクチャ”の値が小 さくないとき、検出することができる。 情報“構成部分が欠けている”に対して、変数“ストラクチャ”の値が小さいこ とが前提条件である。 次に、軸線方向のずれに対する信号例に基づいて（第３ｃ図ないし第３ｆ図） 、２、３の別の規則および評価の原理について説明する。。既に示したように、 大きな構造部分および小さな構造部分における高さ差は種々異なって作用する。 第３ｃ図、第３ｄ図の例において、すべての相関特徴は走行遅延時間差を除いて 値“小さい”を有している。走行遅延時間差は重大な状態差を招来するので、軸 方向のずれを確実に推論することができる。第３ｅ図、第３ｆ図に示されている 例は一層複雑である。ここで、１mm高い立方体は、相関最大値の位置変化を来さ ずに、著しい形状変化を来すにすぎない。しかしそこで、大きな構成部分に対し ても小さいな構成部分に対しても、受信される信号エネルギーが大きすぎない軸 線方向のずれに依存して殆ど変化しないことが特徴的である。この効果は、純然 たる高さ差の場合に反射面が同じ大きさにとどまりかつ同じラテラル方向位置に おいて音場内に存在するということによって解明することができる。これに対し て、ラテラルな縁ずれによって確実に、著しい非対称性およびエネルギー差が生 じる（第３ｇ図、第３ｈ図参照）。そこでこの実施例では、著しく構造化された 対象物（複数の縁を有する対象物）が存在する、すな わち重大な状態差が存在するが、エネルギー差および非対称性が小さいので、こ れが、規準構成部分と検査体との間の高さ差によって惹き起こされるエラーであ る確率は大きい。 ここで、状態差を解釈するためのファジィシンタクスの例として、走行遅延時 間差が小さく、形状差が大きくかつ構造が大きいことを前提として、軸線方向の 欠陥（第７ａ図）ないしラテラル方向のエラー（第７ｂ図）の出力変数が非対称 性ないしエネルギー差に依存してどのように生じるかを説明する。すなわち、軸 線方向のエラー（第７ａ図）は、非対称性およびエネルギー差が小さい（ｋｌ） ときにだけ非常に尤もらしい。これに対して、負の中位（ｎｍｔ）、小さい（ｋ ｌ）または正の中位（ｐｍｔ）および小さい（ｋｌ）非対称性によって、ラテラ ル方向のエラー（第７ｂ図）はむしろ尤もらしくないとされる （マトリクス内 に“ｎ”によって示されている）。エネルギー差および非対称性が負の中位（ｎ ｍｔ）または正の中位（ｐｍｔ）であれば、２つのエラーの種類は同様に尤もら しい（マトリクス内に“ｇｇｆ”によって示されている）。 匹敵し得る考察から、別の規則が導出される。規則の開発および定式化の際に 、相関によって抽出された特徴が物理的に解釈可能でありかつしたがって一連の 規則が直接、物理的な所与の条件から生じかつ観察および経験に基づいてほんの 僅かしか導出する必要がな いということが非常に効果的に作用する。ファジィ変数および規則は、データメ モリまたはＥＰＲＯＭに記憶されまたはＥＰＲＰＯＭからおよび測定の開始前に 読み出される。このようにして、規則およびクラス境界は、変化する検出条件ま たは用途に非常に容易に整合される。 最後の評価ステップにおいて、アンシャープな出力量がデファジィ化され、す なわちその帰属度によって重み付けられた、出力量のクラスが、合成メンバシッ プ関数にまとめられ、それからこれから数字で表される、シャープな値が導出さ れる。この場合、合成メンバシップ関数によって形成される面の重心が出力値と して用いられる。この値は、状態（量）解析の結果を満足する確率を表している 。この位置に、この場合も、そこから解析が信頼できるものと見なされるシャー プなしきい値を設定することができる。 ハードウェアの実施例は次のように構成されている。超音波変換器は、“サイ ド・ルッキング”装置において、対象物からの有効エコーが背景エコーによって 打ち消される（第１図）のを防止するために、対象物が存在する背景に対して存 在している。傾斜角度は、対象物特性が最適に特徴において再現されるように、 調整設定される。このことに相応して、変換器と背景との間の距離が選択され、 その際最適な距離は、使用の変換器の焦点距離にほぼ相応する。 ３次元のパターン認識のための超音波検査方法の別の用途例は、例えば、薄板 実装監視または搬送べルト上の品質検査とすることができる。薄板実装監視では 、約０．３mmの分解能が提供される。この値は、音波信号の１／４の波長の領域 にありかつ利用された変換器によって実現可能な画像分解能より係数１５だけ良 好である。 文献

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１０月２４日 【補正内容】 ごく最近において、ファジィ論理のコンセプトに多大な関心が寄せられている 。この関心は専ら制御技術の用途に向けられているにも拘わらず、ファジィ論理 はさらに、信号処理ないしパターン認識の領域においても非常に重要な可能性を 提供する［６］。というのは、ファジィ論理によって複合的なシステムおよび決 定（判定、判別）プロセスが簡単な言語変量（パラメータ）によって記述される からである。 米国特許第４８４７８１７号明細書から、広帯域ソナー信号プロセッサおよび 対象物識別システムが公知である。超音波変換器から識別すべき対象物の方向に 送信される超音波信号は、対象物において反射されかつ受信変換器に戻される。 受信した信号から包絡線が形成されかつ包絡線の最大値それぞれについてその振 幅および発生時点が決定される。発生の時点および最大値の振幅は、識別すべき 対象物の、既知の対象物との類似性を検出するために、学習済みの時点および振 幅と比較される。不都合なことにこの対象物識別システムは、識別すべき対象物 の位置に関する情報を使用することができない。 これまでのすべての簡単な、画像を形成しない方法に共通しているのは、観察 された状態（量）に関して非常に制限された情報しか提供することができない、 エコー評価に対する非常に簡単な判断基準しか用いていないことである。 上述の相関特徴１ないし４について、２、３の信号例に基づいて説明する。測 定状態は、第１図に示されている測定状態に相応する。第３ａ図には、２×２× ２mmの大きさの、平坦な背景に存在する立方体を送出する受信された時間信号ｆ_e （ｔ）が示されている。第３ｂ図にはそのＡＫＦρ_xx（τ）が示されている。 この信号は、以下、テスト信号ｆ_e（ｔ）と比較される基準状態（参照対象物シ ーン）を表している。第１の比較において（第３ｃ図および第３ｄ図）、基準の 場合と同じ状態が提供されるが、変換器と対象物との間の距離が１mmだけ拡張さ れる。基準信号（＝反射された参照対象物シーン音響信号）および検査信号（＝ 反射された対象物シーン音響信号）（第３ｄ図）のＫＫＦρ_xy（τ）において、 この走行遅延時間差が最大値の側方向のずれの形で表されている。これに対して 立方体を１mmだけ高めると（第３ｅ図）、最大値のずれは発生せず、ＫＫＦにお ける変形のみが発生する（第３ｆ図）。その理由は、主信号成分は立方体からで はなくて、背景エコーから派生するからである。すなわち大きな、軸線方向にず れた構成部分のみが最大値のずれを招来する。 ファジィアルゴリズムの入力量として、相関解析の８つの特徴を使用すること ができる。これらは、テスト対象物のテスト信号（＝反射された対象物シーン音 響信号）と基準立方体の基準信号（＝反射された参照対象物シーン音響信号）（ ρ_n，α_n，τ_n，ε_n）および基準背景の基準信号（ρ_u，α_u，τ_u，ε_u）との比 較から生じる。第１のステップにおいて、これらの特徴はファジィ化され、すな わち言語変数に対応付けられる。基準化された相関最大値の、値１からの偏差を 表すファジィ変数“形状差”が、クラス（ファジィセット）“小さい”、“中位 ”および“大きい”に分類される。これらのクラスに、所定の帰属度を有する抽 出された特徴が対応付けられる。ファジィセットの境界の確定は、２つの単純な 縁条件に基づいて行われる。エラー特徴は、それがその測定不正確さの領域また は統計学的な変動にあるとき、“小さい”と見なされる。言語学的概念“大きい ”は、エラー特徴が、それによって状態差が絶対的な確実さで指示されるような 大きさであるとき、完全に満たされているものと見なされる。基本的に、それは 第４図に図示されているように、この対応付けは、Ｓ字形状の重み関数に類似し ている。 請求の範囲 １．参照対象物シーンに超音波照射し、 対象物シーンに超音波照射し、 前記参照対象物シーンにおいて反射された参照対象物シーン音響信号を対象物 シーンにおいて反射された対象物シーン音響信号と相関し、これにより第１の相 関関数（ρ_xy（τ））を形成し、 前記第１の相関関数（ρ_xy（τ））を特徴付ける少なくとも２つの特徴に基づ いて、対象物シーンの分類を行う ことを特徴とする超音波を使用した対象物シーンの分類方法。 ２．特徴の１つは、正規化された第１の相関関数（ρ_xy（τ））の最大値の、値 １からの偏差である 請求項１記載の方法。 ３．特徴の１つは、第１の相関関数（ρ_xy（τ））の最大値の位置である 請求項１または２記載の方法。 ４．特徴の１つは、第１の相関関数（ρ_xy（τ））の非対称性である 請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。 ５．前記参照対象物シーンにおいて反射された参照対象物シーン音響信号をそれ 自体と相関し、これにより第２の相関関数（ρ_xx（τ））を形成し、 前記対象物シーンにおいて反射された対象物シーン音響信号をそれ自体と相関 し、これにより第３の相関関数（ρ_yy（τ））を形成し、 分類のために、第２の相関関数および第３の相関関数の最大値の比を使用する 請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。 【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１１月３０日 【補正内容】 立方体が１mmだけ側方にずれると（第３ｇ図参照）、変化する反射条件により 別の信号エネルギーが生じる。第３ｈ図において、ＫＫＦの最大値が値１から著 しく異なっていること、およびＫＫＦは最大値の点に対して対称形ではないこと がわかる。類似の関係は、第３ｉ図および第３ｊ図にも示されている。垂直に立 てられた円筒体（反射方向における端面）が立方体に代わってテスト対象物とし て使用される。反射された円筒体端面は立方体の端面とまさしく類似しているの で、ＫＫＦにはほんの僅かな特徴変化しか生じない（第３ｊ図）。円筒体を横倒 しすると、信号は著しく強く側方に散乱される。受信されたテスト信号における エネルギー損失は、そのＡＫＫの最大値において明瞭に読み取れる（第３１図） 。第３ｍ図には、平坦な背景のエコーが示されている。基準立方体の信号を有す るＫＫＦにおいて（第３ｎ図）、大きな状態量差分が明瞭にわかる。状態差は、 相関特徴を用いて識別可能である、基準と検査体との間の差分を考慮する。 ６．当該各特徴を、ファジィ論理を用いて結合する 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マゴリ， ヴァレンティン ドイツ連邦共和国 Ｄ―81539 ミュンヘ ン リムブルクシュトラーセ 17

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．参照対象物シーンに超音波照射しかつ反射された参照対象物シーン音波信号 をそれ自体と相関し、これにより第１の相関関数を形成し、 対象物シーンに超音響照射し・かつ反射された対象物シーン音波信号を前記参照 対象物シーン音響信号と相関し、これにより第２の相関関数を形成し、 前記相関関数を特徴付ける少なくとも２つの特徴に基づいて、対象物シーンの分 類を行う ことを特徴とする超音波を使用した対象物シーンの分類方法。 ２．特徴の１つは、正規化された第２の相関関数の、値１からの偏差である 請求項１記載の方法。 ３．特徴の１つは、第２の相関関数の最大値の位置である 請求項１または２記載の方法。 ４．特徴の１つは、第２の相関関数の非対称性である請求項１から３までのいず れか１項記載の方法。 ５．対象物シーン音響信号をそれ自体と相関し、これにより第３の相関関数を形 成しかつ 特徴の１つは、第１の相関関数および第２の相関関数の最大値の比である 請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。 ６．特徴の１つは、第２の相関関数の２次的最大値の位置および高さである 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。 ７．当該の各特徴を、ファジィ論理によって結合する請求項１から６までのいず れか１項記載の方法。