JPS5880620A

JPS5880620A - 超音波時間軸圧縮の方法

Info

Publication number: JPS5880620A
Application number: JP56178589A
Authority: JP
Inventors: Takanori Washimi; 鷲見　孝則; Koichiro Miyagi; 宮城　幸一郎
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1981-11-07
Filing date: 1981-11-07
Publication date: 1983-05-14
Also published as: JPS6227696B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、振幅強度が小さくかつ時間幅の大きな入力超
音波信号を時間圧縮して尖鋭な信号を得ることにより、
時間また線位置の高分解能を確保するための超音波時間
軸圧縮の方法に関するものである。

従来、レーダ等に於てパルス圧縮なる技術があるが、そ
の原理はまず元になるパルス信号を周波数特性のある遅
延回路によシそのパルス幅を伸長して送信し、そのパル
ス信号を受信した側に於て送信時とは逆の過程でその受
信パルス信号を元のパルス幅にまで圧縮するというもの
であった。この場合、その機構の複雑さのために装置の
小形化に限界があり、またその特性上高い周波数のパル
ス信号への応用に限定される等の欠点を有する。

さらに圧縮後のパルス幅が元のパルス幅によって規定さ
れるため１時間（位置）精度にも限界が生じるという欠
点があった。

本発明は、これらの欠点を取り除くために考えられたも
のであり、その目的は、数十ＫＨｚから数ＭＨｚの比較
的低周波数領域で使用するための超音波時間軸圧縮の方
法を提供することにある。

この目的を達成するためになされたこの発明の要旨とす
るところは、次のようなものである。

（イ）音響光学的光相関演算の原理を用いて超音波の時
間軸圧縮を実現する。

（ロ）音響光学的光相関を得るために超音波空間位相格
子形成信号なる入力超音波信号を使用する。

まず、本発明の根幹の一つを成す超音波空間位相格子形
成信号の構成を第１図を用いて具体的に説明する。超音
波伝搬速度ｖ１，ｖ２，・・・、ｖｎ（ｎ≧２）の比ｖ
ｋ／ｖｋ−１（ｋ＝２，３，・・・、ｎ）が一定値Ｒ（
０＜Ｒ＜１）となる少くとも２種類の超音波伝搬媒質を
用意する。第１図は、上記比Ｒが定まった場合の超音波
空間位相格子形成信号１の一構成例であり、横軸に時間
、縦軸に振幅を表示し走時の前記超音波空間位相格子形
成信号１の経時波形を示したものである。時間ｔの進行
と共に波形は同図右から左へ移動する。この超音波空間
位相格子形成信号１は、連続したｒ個（ｒ≧２）のセグ
メント（分節）から成り、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。

まず第１セグメント２の時間周波数ｆ１＝ｆと、この時
間周波数ｆ゛を発射し続ける継続時間ｔ１＝Ｔとを任意
の値に設定する。次に、第２セグメント３の時間周波数
ｆ２をｆ／Ｒ、１継続時間ｔ２をＴ・Ｒ、第３セグメン
ト４の時間周波数ｆ３をｆ／Ｒ２、継続時間ｔ３をＴ・
Ｒ２、・・・と順次切換えｒ個のセグメントを連続して
発射する。これによシ、各々のセグメントの継続時間が
Ｒの比率で減少し、時間周波数が１／Ｒの率で増加する
超音波空間位相格子形成信号１が作られる。つまり、第
１セグメント２の時間周波数ｆと継続時間Ｔを基準とし
て、第１セグメント（ｉ＝１，２，・・・，ｒ）の時間
周波数ｆ１をｆ１＝ｆ・Ｒ１−１．継続時間ｔ１をｔ１
＝Ｔ・Ｒ１−１となるように各セグメントを構成し連続
して発射すれば、超音波空間位相格子形成信号１が得ら
れる。

次に前記超音波空間位相格子形成信号１を用いて超音波
時間軸圧縮を実現するために必要とする音響光学的電気
信号処理用液体セルの一実施例に於ける構造図を第２図
（ａ）、（ｂ）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が設けられ
、該直方体の他の対向する１組の壁面には一対の光透過
窓８ａ、８ｂが設けられている。この窓より前記セル外
の単色平面波光が前記セル内を通過するようにされてい
る。さらに、前記セル内部を１枚の透明な仕切板９で２
室に分離してあり、この仕切板９と前記振動子６が接す
る部分、すなわち仕切板９の縁では、前記振動子６の振
動を妨げないようにするため、液密性のある弾性部材１
０を用い、２室の液密分離を行なっている。この２室に
はそれぞれ超音波伝搬速度の異なる液状物質（１１ａ、
１１ｂ）が充てんされている。前記超音波振動子６には
電気信号を供給するための入力端子１２が接続されてい
る。

第３図は前記第２図に示した音響光学的液体セルを使用
して構成した、音響光学的超音波時間軸圧縮器の一実施
例である。前記液体セル５と、レンズ１３、光学的フィ
ルタ１４、光検出器１５とを組合せたフーリエ変換光学
系に於て、前記セル内の超音波振動子６に、前述した周
期および周波数が特定の関係を持って変化する正弦波信
号を加えれば、この正弦波信号によって生じた２つの超
音波による空間的位相格子によって、前記液体セルに入
射した単色平面波光は位相変調を受け、レンズ１３を通
過して集束し、前記レンズ１３の焦点面に回折像を生ず
る。この回折像のうち、前記２つの空間的位相格子を共
に通過したために生じた特定の回折輝点のみを光学的フ
ィルタ１４で検出し、光検出器１５によってその位置の
輝点強度を電気信号に変換すれば、後述の超音波時間軸
圧縮の原理によって、前記振動子６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。この理解のため
に、セル中に形成される空間位相格子を説明しておく。

すなわち、伝搬速度ｖｎ（ｎ≧２）の比ｖｋ／　ｖｋ−
１（ｋ＝２，３，・・・，ｎ）が一定値Ｒ（０＜Ｒ＜１
）となるごとき少くとも２種類の超音波伝搬媒質中に前
記超音波空間位相格子形成信号１が同時に同じ方向に発
射される時、前記超音波伝搬媒質中に形成される超音波
空間位相格子の形状およびその動きについて、一実施例
を用いて説明する。第４図は、音響光学的電気信号処理
用液体セルで超音波空間位相格子を形成するときの説明
図である。簡単のために２種類の媒質を用いた例につい
て述べる。

伝搬速度ｖ１とｖ２の比ｖ２／ｖ１が一定値Ｒ（０＜Ｒ
＜１）となるごとき２種類の超音波伝搬媒質１１ａと１
１ｂとが光透過性の仕切板９により液密に分離された２
室の各々に充てんされ、電気信号入力端子１２から入力
された電気信号によシ励振された１個の超音波振動子６
が同時に同じ方向へ発射した超音波は、前記媒質（１１
ａ、１ｌｂ）の中を異なる°速度Ｖ１，ｖ２でそれぞれ
伝搬する。この時入力された超音波空間位相格子形成信
号１が例えば５個のセグメントから構成されていれば、
前記媒質１１ａの中を速度ｖ１で移動する超音波空間位
相格子１６ｍの各セグメントは、ｌ１＝Ｔ・Ｒ１−１・
ｖ１で与えられる長さｌ１＝Ｔ・ｖ１，ｌ２＝Ｔ・Ｒ・
ｖ１，ｌ３＝Ｔ・Ｒ２・ｖ１，ｌ４＝Ｔ・Ｒ３・ｖｌ、
ｌ５＝Ｔ・Ｒ４・ｖ１で分割され、その各々はｋ１＝ｆ
・Ｒ１−１／ｖ１で与えられる空間周波数ｋ１＝ｆ／ｗ
１，ｋ２＝ｆ／Ｒ・ｖ１．ｋ３＝ｆ／Ｒ２・ｖ１，ｋ４
＝ｆ／Ｒ３・ｖ１，ｋ５・＝ｆ／Ｒ４・ｖ１より成って
いる。同様に、前記媒質１１ｂの中を速度Ｖ２で移動す
る超音波空間位相格子１６ｂの各セグメントは、長さｌ
’１＝Ｔ・ｖ２，ｌ’２＝Ｔ・Ｒ・ｖ２、ｌ’３＝Ｔ・
Ｒ２ｖ２，ｌ’４＝Ｔ・Ｒ３・ｖ２，ｌ’５＝Ｔ・Ｒ４
・ｖ２で分割され、その各々は空間周波数ｋ’１＝ｆ／
ｖ２，ｋ’２＝ｆ／Ｒ・ｖ２，ｋ’３＝ｆ／Ｒ２・Ｖ２
，ｋ’４＝ｆ／Ｒ３・ｖ２，ｋ’５＝ｆ／Ｒ４・ｖ２よ
り成っている。ところで、Ｒ＝ｖ２／ｖ１であるから前
記超音波空間位相格子１６ｂの各セグメントの長さは、
ｌ’１＝Ｔ・Ｒ１−１・ｖ２＝Ｔ・Ｒ１・Ｒ−１・ｖ２
＝Ｔ・Ｒ１・（ｖ１／ｖ２）・ｖ２＝Ｔ・Ｒ１・ｖ１と
、また空間周波数はｋ’１／ｆ・Ｒ１−１／ｖ２＝ｆ・
Ｒ−１・（Ｖ２／ｖ１　）／ｖ２＝ｆ／Ｒ１・Ｖ１と書
き直すことができる。、つｔシ、超音波空間位相格子１
６ｂの各セグメントの長さは、ｌ１＝Ｔ・Ｒ・ｖ１，ｌ
’２＝Ｔ・Ｒ３ｖ１，ｌ’３＝Ｔ・Ｒ３・ｖ１、ｌ’４
＝Ｔ・Ｒ４・ｖ１，ｌ’５＝Ｔ・Ｒ５・ｖ１と、また空
間周波数は、ｋ’１＝ｆ／Ｒ４Ｖ１，ｋ’２＝ｆ／Ｒ２
・ｖ１，ｋ’３＝ｆ／Ｒ３・ｖ１，ｋ’４＝ｆ／Ｒ４・
ｖ１，ｋ′５＝ｆ／Ｒ５・ｖ１と書ける。言い換えると
、前記媒質１１ａの中を移動する超音波空間位相格子１
６ａの第２〜第５セグメントのそれぞれの波形が、他方
の媒質１１ｂの中をＲ倍の速度で移動する超音波空間位
相格子１６ｂの第１〜第４セグメントのそれぞれの波形
と、完全に等しくなっている。次に、１個の超音波振動
子６によって伝搬速度の異なる２種類の媒質１１ａと１
１ｂの中へ同時に発射された２種類の超音波空間位相格
子１６ａと１６ｂの動きについて述べる。前記空間位相
格子１６ｂの先頭が超音波振動子６から距離Ｘの位置ま
で移動したとき、他方の空間位相格子１６ａの先頭は距
離ｘ（１−Ｒ）／Ｒだけ前方にあり、漸次その差を大き
くしなから媒質中を移動していく。

従って、前記空間位相格子１６ｂの先頭がｘ（１−Ｒ）
／Ｒ＝ｌ１なる距離ｘに至る時、空間位相格子１６ｂの
第１セグメント（ｉ＝１，２，３，４）が空間位相格子
１６ａの第１＋１セグメントに重なり、これら重なり合
うセグメントどうしの空間位相格子波形が全く等しくな
る。つまり、超音波空間位相格子形成信号１を超音波振
動子６に入力開始後、Ｔ／（１−Ｒ）時間後に前記２つ
の空間位相格子１６ａと１６ｂとは、そのセグメントを
１個ずらして空間的に等しい寸法で重なり合う。この時
、相対するセグメントの空間周波数も等しくなっている
。このような状態の相互相関はその最大値をとる。

第５図、に、音響光学的超音波時間軸圧縮器（第３図）
によって検出された特定の回折輝点強度の経時変化の一
例を示したグラフである。同グラフ下方に示しである非
線形ＦＭ信号は、この超音波時間軸圧縮器に入力された
超音波空間位相格子形成信号１であり、音響光学的液体
セル５の中で２つの空間位相格子を形成し、異なる超音
波伝搬媒質（ｌｌａ、１ｌｂ）中を伝搬する。互いに平
行に移動するこれら２つの空間位相格子１６ａと１６ｂ
とが重なり合ったとき、前記回折輝点強度はその最大値
を得る。

以上の説明では、超音波空間位相格子形成信号１として
、第６図に示すような不連続な非線形ＦＭ信号を用いで
あるが、これは発明の技術思想を理解しやすくするため
であり、別な展開も可能である。すなわち、不連続区間
を細かくとることにより連続したなめらかな非線形曲線
にそって時間周波数を変化させるような超音波空間位相
格子形成信号も可能である。同図中、破線で示す曲線１
７にそって時間周波数を変化させることにより、本発明
の実施例に示した不連続ＦＭ信号による超音波空間位相
格子形成信号と同じ液体セルに使用可能な連続ＦＭ信号
による超音波空間位相格子形成信号の発生させる方式が
可能である。つまり、前記超音波空間位相格子形成信号
による各超音波伝搬媒質中での空間位相格子が、これら
空間位相格子の平行移動によって有限区間において等し
く重り合うように、その時間周波数を連続に、かつ、非
線形に変化させることも可能である。

本発明は、特に低周波の超音波帯域でのパルス圧縮で、
その特徴を発揮し、レーダー、ソナー、生体計測等の広
い分野での応用が望める超音波時間軸圧縮の方法である
。

実施例に於ては超音波伝搬媒質が２つの場合について説
明したが、２つ以上の場合には、第５図の回折輝点強度
波形をある局所部分でさらに尖鋭にすることができ、時
間軸圧縮の効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波空間位相格子形成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一実施例
の構造図で（ａ）は斜視図、（ｂ）は上から見た図、第
３図は音響光学的超音波時間軸圧縮器の構成を示す図、
第４図は超音波空間位相格子の形成を説明するための図
、第５図は本発明の超音波時間軸圧縮の説明図、第６図
は超音波空間位相格子形成信号の一例を示す図、図中１
は超音波空間位相格子形成信号、１１ａ、１１ｂは互い
に伝搬速度の異なる超音波伝搬媒質、１３はレンズ、１
４は空間フィルタ、１６ａ、１６ｂは超音波空間位相格
子をそれぞれ示す。代理人　弁理士　小　池　龍太部（’Ｏ）

Claims

【特許請求の範囲】

音速度ｖａ（ａ≧２）の比ｖｋ／ｖｋ−１（ｋ＝２，３
，・・・，ｎ）が一定値Ｒ（０＜Ｒ＜１）となるごとき
少くとも２種類の超音波伝搬媒質中（１１ａ、１１ｂ）
に時間周波数ｆの超音波信号をＴ時間、以下順次時間周
波数ｆ／Ｒの超音波信号をＲＴ時間、時間周波数ｆ／Ｒ
２の超音波信号をＲ２Ｔ時間、・・・（Ｔは任意の時間
）と連続して切換えながら発射する超音波空間位相格子
形成信号（１）を同時に同じ方向に発射してそれぞれの
骸媒質中に超音波空間位相格子（１６ａ，１６ｂ）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）により集束させて回折像を
作り；該回折像の輝点強度を空間フィルタ（１４）によ
って所定の位置で検出する超音波時間軸圧縮の方法。