JPH0123767B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、音響光学的な手法を用いてパルス圧
縮を行い、送信パルスの波高値を低減し、かつ、
受信信号の信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を向上させる
音響光学的パルス圧縮によるソナー方式（方法）
に関する。

従来より、レーダー、ソナー、超音波探傷器、
およびパルス信号伝送路等において、パルス信号
の受信時におけるＳ／Ｎ比を改善するため、パル
ス信号の時間軸圧縮処理が数多くの方法で実現さ
れてきた。パルス信号の時間軸圧縮の原理は、時
間的に積分したパルス入力信号を一時に出力する
ことである。このためパルス入力信号を一時的に
蓄わえる方法、および、これら蓄わえられた信号
を同時に放出する方法の２つが基本と考えられ
る。電気回路的には、例えば、コンデンサー等に
蓄わえた信号をトリガ信号によつて瞬時に放電さ
せる方法があるが、高周波領域では回路構成が難
かしく、また、適当なタイミングを持つたトリガ
信号が容易に得られない欠点がある。現在におけ
る最も一般的で有効な方法として、線形FM信号
と弾性表面波フイルタを用いたパルス時間圧縮が
あるが、この方法では弾性表面波素子の形状、物
理的性質によつて使用できる信号周波数が数10M
Hz以上の高周波に限られてしまう。この方法を超
音波周波数（数10KHz〜数ＭHz）領域に用いるた
めには、さらに特別な信号処理を加える必要があ
るが、信号処理の複雑さに比べＳ／Ｎ比の向上は
多くを期待できない。これらの点より、超音波周
波数領域でのソナー方式（方法）において、前記
弾性表面波素子を用いるような簡単で有効なパル
ス時間圧縮方法の検討が望まれる。

本発明は上記の事柄に鑑み、音響光学的に空間
的信号処理を行うことによつてパルス信号を時間
軸圧縮し、送信時の信号波高値を小さくした場
合、および受信信号に雑音成分が多く、かつ、受
信信号自体が微弱な場合でも、良好なＳ／Ｎ比の
得られるソナー方式（方法）を提供することを目
的としている。

この目的のため本発明では、受信信号を空間的
信号であ超音波信号に変換して信号処理を行う。
この際、受信信号を２つの互いに異なつた音速を
有する超音波伝搬媒質中に超音波信号として放射
するようにし、この結果、前記受信信号の情報は
同等に含有し、信号の空間軸、すなわち、空間的
な長さの異なる２種類の空間的信号を同時に形成
し、かつこれを空間的に保持し、適当な時刻にこ
の２つの信号を実時間相関演算することにより、
時間軸圧縮された前記受信号を得る方法を考案し
た。さらに実時間相関演算出力が効率良くパルス
状になるための前記空間的信号の波形について検
討を行い、パルス時間軸圧縮に用いる信号波形の
性質を考案した。

本発明の主たる部分は、音響光学的パルス時間
軸圧縮の方法であるため、まずこの方法より説明
する。パルス時間軸圧縮に用いる空間位相格子形
成用信号は以下のように構成される。まず、超音
波伝搬速度v₁，v₂，……v_o（ｎ２）の比v_k／
v_k-1（ｋ＝２、３、……ｎ）が一定の値Ｒ（０＜Ｒ
＜１）となるような少なくとも２種類の超音波伝
搬媒質を仮定する。第１図は、上記比Ｒが定まつ
た場合の空間位相格子形成用信号１の一例を示し
ており、横軸に時間、縦軸に振幅値を示してあ
る。この空間位相格子形成用信号１は、連続する
ｒ個（ｒ２）のセグメント（分節）より構成さ
れ、それらセグメントの各々は互いに異なる時間
周波数の信号で構成されている。第１セグメント
２の時間周波数f₁と、ゼグメント継続時間T₁を任
意の値に定め、第２セグメント３の時間周波数を
f₁／Ｒ、継続時間をT₁，Ｒ、第３セグメント４の
各々をf₁／R²、T₁・R²という具合に、以下順次
構成して行く。これにより、各々のセグメントの
時間周波数が１／Ｒの比率で増加し、継続時間が
Ｒの比率で減少する空間位相格子形成用信号１が
作られる。

次に、前記超音波空間位相格子形成用信号１を
入力して空間的に長さの異なる２種類の超音波信
号を同時に実現するための音響光学的電気信号処
理用液体セルの、一実施例における構成図を第２
図に示す。直方体のセル５の対向する１組の壁面
に超音波振動子６と超音波吸収部材７が対向する
ように配置され、該直方体の他の対向する１組の
壁面には１対の光透過窓８ａ，８ｂが設けられて
いる。該セル外より単色平面波光がこの光透過窓
を通過して該セル内に入射し、さらに該セル外に
放出される。該セルの内部は１枚の透明な仕切板
９で２室に分離されており、この仕切板と該振動
子が接する部分、すなわち、仕切板の縁にあたる
部分では、前記振動子の振動を妨げないようにす
るため、液体を通過させず、しかも弾力性のある
部材１０を用いて２室を分離している。この２室
にはそれぞれ超音波伝搬速度の異なる液状の超音
波伝搬媒質１１ａ，１１ｂが充てんされており、
この２液は前記仕切板と前記弾性のある部材によ
つて互いに漏れるとなく液密に保たれている。前
記超音波振動子には前記空間位相格子形成用信号
１を供給するための入力端子１２が接続されてい
る。なお、前記セルの外形は直方体に限定される
ことは無い。

第３図は、前記液体セルを用いて構成した、音
響光学的パルス時間軸圧縮器の一実施例を示して
いる。前記液体セル５とレンズ１３、光学的フイ
ルタ１４、光検出器１５とを組合せたフーリエ変
換光学系において、前記セル内の前記超音波振動
子に、前述したセグメント周期および周波数を有
する空間位相格子形成用信号１を加えると、この
信号によつて生じた前記セル内の２つの超音波信
号により、伝搬媒質中に発生した規則的な密度変
化である空間的位相格子により、前記液体セル内
に入射する単色平面波光は空間的に位相変調を受
ける。よつて前記液体セルを出射した前記単色平
面波光を前記レンズ１３を通過させることによつ
て集束させれば、前記レンズの焦点面に回折像が
生ずる。この回折像のうち前記２つの空間的相格
子を共に通過した結果発生した、特定の回折輝点
のみを前記光学的フイルタ１４にて検出し、光検
出器１５によつて電気信号に変換すれば、後述の
パルス時間軸圧縮の原理によつて前記振動子に加
えた電気信号の時間圧縮した信号を得ることがで
きる。

次に、パルス時間軸圧縮の原理を述べる。第４
図は前記第２図における音響光学的電気信号処理
用液体セル中に、前記電気信号の入力端子１２よ
り前述した空間位相格子形成用信号１を入力した
場合に、前記セル内に生じる２つの超音波位相格
子１６ａ，１６ｂの状態を示している。超音波振
動子６より発射された超音波信号は、超音波伝搬
媒質１１ａ，１１ｂ中を異なる速度v_a，v_bでそれ
ぞれ伝搬する。この時、前記超音波信号が例えば
５個のセグメントで構成されていると仮定すれ
ば、前記媒質１１ａ中を速度v_aで進行する超音波
空間位相格子１６ａの各セグメント長さl₁は、式
l_i＝Ｔ・R^i-1で与えられ、l₁＝Ｔ・v_a、l₂＝Ｔ・R.
v_a、l₃＝Ｔ・R²・v_a、l₄＝Ｔ・R³・v_a、l₅T・
R⁴・v_aとなる。また、各々のセグメントにおけ
る空間周波数k_iは、式k_i＝ｆ・R^1-i／v_aで与えら
れ、k₁＝ｆ／v_a、k₂＝ｆ／Ｒ・v_a、k₃＝ｆ／
R²・v_a、k₄＝ｆ／R³・v_a、k₅＝ｆ／R⁴・v_aとな
る。同様に、前記媒質１１ｂ中のセグメント長さ
l′_iおよび空間周波数k′_iは、前記l_i、k_iの式中にお
けるv_aをv_bに置き換えることによつて得ることが
できる。ここで、Ｒ＝v_b／v_aの条件を用いて前記
媒質１１ｂ中の前記l′_i、k′_iの値を算出すれば、l′₁
＝Ｔ・Ｒ・v_a、l′₂＝Ｔ・R²・v_a、l′₃＝Ｔ・R³・
v_a、l′₄＝Ｔ・R⁴・v_a、l′₅＝Ｔ・R⁵・v_a、および、
k′₁＝ｆ／Ｒ・v_a、k′₂＝ｆ／R²・v_a、k′₃＝ｆ／
R³・v_a、k′₄＝ｆ／R⁴・v_a、k′₅＝ｆ／R⁵・v_aが得
られる。すなわち、前記媒質１１ａ中を進行する
超音波空間位相格子１６ａの第２〜第５ゼグメン
トは、それぞれ、前記媒質１１ｂ中を進行するそ
れの第１〜第４セグメントに、空間的長さ、空間
周波数共に完全に一致している。さらに、これら
２つの超音波空間位相格子は、各々異なる速度
v_a、v_bで進行しているため、前記空間位相格子１
６ｂが前記超音波振動子６の振動面より距離ｘの
位置に達した時、前記空間位相格子１６ａは、前
記ｘの位置よりもｘ（１−Ｒ）／Ｒの距離だけ進
行方向にさらに進んでいる。従つて、前記空間位
格子１６ｂと同１６ａとの位置の差ｘ（１−
Ｒ）／Ｒが、前記空間位相格子１６ａの第１セグ
メント長さl₁と等しくなつた時刻において、同図
に示す如く、空間的に前記空間位相格子１６ａの
第２〜第５セグメントと、同１６ｂの第１〜第４
セグメントが完全に重なり合う。前記第３図に示
した音響光学的パルス時間軸圧縮器の回折輝点の
輝度は、光学的相互相関演算の原理に基き、前記
液体セル中の２つの空間位相格子の重なり具合に
比例する事が知られており、（本願と同一出願人
が同日にした特願昭56−178589号、特公昭62−
27696号「超音波時間軸圧縮の方法、特許第
1434803号参照）前記第４図に示すように、２つ
の前記空間位相格子１６ａ，１６ｂが完全に重な
つた時刻に最大値を示す。

次に、この相互相関演算による出力が、入力信
号の時間軸圧縮信号になることを簡単な計算機シ
ミユレーシヨン結果を用いて説明する。

第５図は前記第３図の音響光学的パルス時間軸
圧縮器における時間軸圧縮動作を計算機シミユレ
ーシヨンした結果の一例である。簡単のために、
超音波伝搬媒質が２つの場合について行つた結果
である。同図下方に示した周波数変調された信号
はモデル化した入力信号で、前記超音波空間位相
格子形成用信号１７である。同図上方の凸凹した
波形１８は、前記回折輝点の強度を示し、最大の
ピーク値を示す点において、前記入力信号によつ
て前記セル内に生じた２つの超音波信号の重なり
具合、すなわち相互相関値が最大となることを示
す。前記ピーク値を示す波形の半値幅は、前記入
力信号の継続時間に比べて十分短く、パルス時間
軸圧縮が良好に行われていることがわかる。時間
軸圧縮された出力パルス波の波高値は、前記入力
信号の波高値（振幅値）と継続時間の積に比例す
るため、波高値の小さな入力信号でも、その継続
時間が長ければパルス時間軸圧縮によつて大きな
波高値とすることができる。さらに、媒質が２つ
以上の場合、前記液体セル中に発生する超音波空
間位相格子の数が増加し、高次の相互相関値演算
が可能となるため、さらに急峻な出力波形を得る
ことができる。またさらに、空間格子形成用信号
１のセグメント長さを短くし、超音波周期程度に
すれば、セグメントに分割して周波数変調する必
要は無くなり、適当な非線形曲線に近似して周波
数変調を加えた電気信号を、前記入力信号として
使用することも可能である。

次に、本発明によるパルス時間軸圧縮法を用い
たソナーについて、いくつかの具体的実施例の構
成図を示して説明する。前記ソナーの構成は、そ
の探知方式（方法）が超音波の透過信号を用いる
か、反射信号を用いるかによつて大きく２つに分
けられ、さらに、使用する探知用超音波の変調方
法によつて、いくつかに細分化される。

第６図は透過形ソナーの基本的な構成を示して
いる。被測定物１９に対して探知用超音波信号２
０がその中を透過し、検出されるよう、送信用振
動子２１と受信用振動子２２が振動子保持器２３
によつて保持されている。この振動子保持器は移
動器２４により前記被測定物に対して位置を変化
することができ、その際の移動量、または被測定
物と前記保持器との相対位置を示す電気信号を発
生することができる。前記送信用振動子に加える
電気信号は、前述した特定のセグメント周期、周
波数によつて正弦波信号を周波数変調し、さらに
適当な継続時間を有する矩形パルス状に振幅変調
を施したものである。この信号は、第１の発振器
２５で発生させた正弦波信号を、変調信号発生器
２６よりの変調信号により、超音波・振幅変調器
２７において変調して得る。この時、前記変調信
号発生器からは、振幅変調の開始時刻、すなわ
ち、探知用超音波信号２０の発射時刻を表わすト
リガ信号が発生する。前記周波数・振幅変調器よ
り出力された信号は、増幅器に送られ、所定の振
幅値に増幅された後、前記送信用振動子に加えら
れ、超音波となつて前記被測定物に向け放射され
る。前記被測定物を透過して前記受信用振動子で
検出される前記超音波信号は、前記被測定物の動
きや、材質によつて時間遅れを生じている。この
時間遅れの生じた検出信号は増幅器を通過して十
分な振幅増幅を施された後、振幅変調器２８に入
力される。一方、この振幅変調器には、第２の発
振器２９より前記液体セル中に配置した超音波振
動子６の共振周波数正弦波が送られてきており、
この正弦波信号は前記振幅変調器内で、前記時間
遅れした検出信号によつて振幅変調を受ける。前
記振幅発振器の出力信号は増幅器で電力増幅され
た後、前記液体セル中の前記超音波振動子に加え
られる。前記液体セル、および、フーリエ変換光
学系を用いた音響光学的パルス時間軸圧縮器３０
の構成と動作については、すでに詳述したとうり
である。前記音響光学的パルス時間軸圧縮器より
の出力は表示装置３１に送られ、前記移動器より
の位置信号、および、前記変調信号発生器よりの
トリガ信号と組合されて、被測定物の状態や測定
値を表示する。

以上が透過形ソナーの基本構成、ならびに動作
原理であり、この種のソナーの構成要素は大別し
て、同図中、点線で囲んだ前記音響光学的パルス
時間軸圧縮器３０、送信信号発生器３２、受信信
号処理部３３の３ブロツクに分けられる。全く同
様の動作原理で反射形ソナーを実現することも可
能である。この場合、受信用振動子は送信した超
音波信号が被測定物に当つて反射し、戻つて来る
位置に配置されることは言うまでもない。さら
に、反射形ソナー方式においては、送受信用振動
子に等しい周波数特性を有する振動子を用いる場
合が多い。このような時には、送受信用振動子を
単一の振動子で賄うことが出来、装置の簡略化、
および探知用超音波信号の送受信部を小形化する
ことに役立つ。第７図は、このような１個の送受
信兼用振動子３４を用いた、反射形ソナーの一構
成図を示している。前記第６図の透過形ソナーと
基本的構成は同様であるが、１個の送受信用振動
子を、探知用超音波信号の発射時刻に同期させ
て、送信、受信と切換える必要があり、このた
め、前記変調信号発生位相よりのトリガ信号によ
つて切換動作するスイツチ３５を新たに付加して
いる。さらに、前記透過形ソナーの移動器２４の
代わりに、超音波振動子の向きを変化させ、探知
用超音波の発射方向を定める、振動子方向制御器
３６が設けられ、この制御器からは前記超音波の
発射方向を表わす電気信号が発生する。以上に述
べた２種のソナーは、探知用超音波信号と前記液
体セル内でのパルス時間軸圧縮用超音波信号とで
異なる周波数の信号を使用する例であり、探知用
超音波信号に被測定物の材質や、測定項目に適し
た周波数帯或の超音波信号が使用できる利点があ
る。

一方、探知用超音波と圧縮用超音波とに同一周
波数帯の超音波信号を用いることによつて、装置
の構成を簡略化することができる。第８図は透過
形ソナーにおいて、前記２種類の超音波信号に同
一波形信号を使用した一構成例である。本図にお
ける構成は、前記第６図における透過形ソナーの
構成に比べると、受信信号処理部３３が省略され
ており、受信用振動子２２で検出された超音波信
号がそのまま増幅器を通つて音響光学的パルス時
間軸圧縮器３０に入力される構成となつている。
このため、送信用振動子２１に加える電気信号
は、前記圧縮器でそのまま相関処理することが可
能な、前述のセグメント周期、周波数を持つた信
号でなくてはならない。この信号は、前記送信用
ならびに、前記液体セル中の振動子の共振周波数
正弦波を発生する正弦波発振器３７の出力信号
を、変調信号発生器２６の変調用信号によつて、
周波数・振幅変調器２７において変調して作成す
る。この構成においては、探知用超音波信号の使
用可能な周波数帯或が前記圧縮器で用いる超音波
信号で決められてしまうが、この様に、装置の簡
略化が行えるのは、パルス時間軸圧縮に超音波信
号を使用した、本発明のソナー方式における大き
な特徴の一つである。

第９図は、反射形ソナーにおいて装置簡略化を
行つた場合の一構成例を示している。基本的構成
は前記第７図に示した反射形ソナーの構成に準
じ、簡略化は前記第８図の場合と同様に、受信信
号処理部３３の省略という形で行われている。

以上、第６図乃至第９図に示した４つの実施例
を比較考察すると、 第６図及び第７図の実施例では探知用超音波信
号が被測定物に照射された後に、受信用振動子２
２または送受信兼用振動子３４によつて電気信号
となり、受信信号処理部３３に導かれ、第２の発
振器２９からの信号を、この電気信号によつて振
動変調器２８で変調して空間位相格子形成用信号
としている。すなわち、音響光学的パルス時間軸
圧縮器３０の動作に適した周波数をも信号として
いる。

これに対して、第８図及び第９図の実施例では
検知用超音波信号が被測定物に照射された後に受
信用振動子２２または送受信兼用振動子３４によ
つて電気信号となることには変りはないが、この
電気信号（空間位相格子形成用信号）はそのまま
音響光学的パルス時間軸圧縮器３０に導かれ、受
信信号処理部３３は不要である。

いずれの場合も、被測定物を通過したか、ある
いは被測定物より反射した超音波信号から、音響
光学的パルス時間圧縮器３０への空間位相格子形
成用信号が作られている。

以上の実施例の他、さらに探知用超音波信号の
振幅変調の方法、すなわち、アナログ変調かデイ
ジタル変調かでいくつかの異なる実施例が考えら
れる。例えば、前記実施例に用いられている変調
信号発生器２６をデイジタル化することにより、
アナログ回路より構成の簡単な論理回路によつ
て、外部よりプログラム可能な変調信号発生器が
実現でき、この結果、探知用超音波信号の周波
数、繰返し周期、波形等を、被測定物の性質や状
態に合わせて任意に変化させることも可能であ
る。

以上述べたように、本発明による音響光学的パ
ルス圧縮によるソナー方式では、超音波領域（数
＋ＫHz〜数ＭHz）の信号を実時間相関演算によつ
て時間軸圧縮し、その結果、信号の波高値を増大
させ、かつ、雑音中の信号のみを選別してＳ／Ｎ
比を向上させる効果を有する。この方式によるソ
ナーでは、放射する探知用超音波信号の振幅強度
を小さくすることが可能であるため、超音波の影
響を受け易い被測定物や、生体等の測定、検査に
有効である。さらに、送受信用の振動子を小形化
し、微細な被測定物の計測にも応用でき、実用上
多くの効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、空間位相格子形成用信号の構成を示
す図、第２図は、音響光学的電気信号処理用液体
セルの構成を示す図、第３図は、音響光学的パル
ス時間軸圧縮器の構成を示す図、第４図は、液体
セル中における２つの超音波位相格子の状態を示
す図、第５図は、パルス時間軸圧縮の計算機シミ
ユレーシヨン結果を示す図、第６図〜第９図は本
発明の方法に基くソナーの実施例における構成図
である。 図中、１は空間位相格子形成用信号、１１ａ，
１１ｂは超音波伝搬媒質、１３はレンズ、１４は
空間フイルタを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定物を通過または該被測定物より反射し
   た超音波信号から該被測定物の形状、位置、材質
   等を検知するソナー方式において、伝搬速度V_o
   （ｎ２）の比V_k／V_k-1（ｋ＝２、３、４、……）
   が一定値Ｒ（０＜Ｒ＜１）となるごとき少なくと
   も２種類の超音波伝搬媒質１１ａ，１１ｂ中に前
   記超音波信号から形成された空間位相格子形成用
   信号１を同時に同方向に発射してそれぞれの該超
   音波伝搬媒質中に超音波空間位相格子を形成し；
   該超音波空間位相格子と直角方向に単色平面波光
   を通過させレンズ１３により集光させて回折像を
   作り；空間フイルタ１４を介して所定位置の該回
   折像の輝点を検出し；該被測定物に向けて発射し
   た超音波信号の発射時刻と該回折像の輝点が検出
   された時刻との差により該被測定物の形状、位
   置、材質等を検知することから成り、前記空間位
   相格子形成用信号は、時間周波数ｆの超音波信号
   をＴ時間、以下、時間周波数ｆ／Ｒの超音波信号
   をRT時間、時間周波数ｆ／R²の超音波信号を
   R²T時間、時間周波数ｆ／R³の超音波信号を
   R³T時間、……、（Ｔは任意時間）となるよう順
   次切り換えて発射することを特徴とする音響光学
   的パルス圧縮によるソナー方式。