JPH11174031A - 超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、超音波などを用いて検査対象内部の
欠陥などの反射体を、分解能よく抽出・映像化するため
の超音波検査装置の提供を目的とする。 【解決手段】深さ方向に反射源がある体系で、圧縮フィ
ルタの特性は、特性が求められた圧縮フィルタで反射信
号を処理し、パルス圧縮を行う。処理結果をコンピュー
タ９に転送し、実体系に座標変換して表示器１２で表示
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波などのパル
ス状信号を用いて反射体を精度よく検出する装置の信号
処理装置に係わり、特に、反射体を分解能よく抽出する
ために反射波形の抽出・映像化が可能な超音波検査装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波探傷など、超音波の波動を用いて
対象物を抽出・映像化する装置では、パルス圧縮技術が
用いられる。つまり、距離方向の分解能を改善するた
め、距離方向、つまり、時間方向にある程度幅のある送
信パルスを用い、受信時に圧縮する処理技術を用いる。
また、方位方向については、送受信位置を変えて検出し
た反射信号を合成開口によって分解能を向上させるが、
これにもパルス圧縮が用いられる。

【０００３】超音波検査のパルス圧縮技術は、例えば、
社団法人日本非破壊検査協会主催の平成９年度春季大会
講演概要集の中の、「チャープ波パルス圧縮法によるレ
ール超音波探傷」に述べられている。また、これらのパ
ルス圧縮技術，合成開口技術の従来例は、レーダを用い
た装置では公知であって、例えば電子通信学会発行の書
籍「レーダ技術」（吉田 孝監修）や、電子情報通信学
会発行の書籍「レーダ信号処理技術」（関根 松夫著）
に示されている。

【０００４】いずれの方法も、従来、時間（距離）方向
のパルス圧縮を、送信信号とのマッチドフィルタリング
により実施していたが、圧縮効果が低く分解能が不十分
な問題がある。また、合成開口でも、精度を向上させる
には複雑な処理に時間がかかる問題点があった。処理に
時間がかかる問題を解決する方法として、特に地中を観
測するレーダ装置を対象としたパルス圧縮装置「特開平
6−66929号公報」が発明された。これは、マッチドフィ
ルタと逆フィルタの出力の積をとるものであるが、逆フ
ィルタが不安定になる場合があり、適用が制限される問
題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
問題点を解決し、短時間に精度よく反射波を検知できる
超音波検査装置を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、超音波検査
の検査対象に対し、パルス状の超音波信号を照射し、そ
の反射波を処理する。その際、超音波を照射する方向を
制御する。照射された超音波は、内部の欠陥などで反射
し検出されるが、検出した反射波であるパルス状波動の
処理として本発明では圧縮フィルタを用いる。この圧縮
フィルタでは、あらかじめある位置で照射方向を変えた
既知送信波形や反射信号パターンを求め、これよりフィ
ルタ特性を決定する。この送信波形や反射信号パターン
を、以下では参照信号と記すことにする。参照信号から
作成されるフィルタは、入力信号がこのフィルタに入力
される時、参照信号が存在する位置でインパルス状の出
力を得る条件により導出される。

【０００７】本発明では、反射体の検出に検出信号をこ
のフィルタを通し、フィルタの出力として圧縮された信
号を得る。この出力は、入力信号波形と参照信号波形が
一致する位置でインパルス状のピークを形成し、それ以
外では振幅が極めて小さい。この結果より、あらかじめ
既知の送信信号からフィルタを作成し、この出力を得る
操作は理想的な圧縮フィルタとなることがわかる。

【０００８】このため、ある程度時間幅を持った受信信
号を本発明の圧縮フィルタに通すとインパルス状の信号
となり、時間分解能、つまり、距離分解能と、方位方向
の分解能の両方を向上させることができ、反射体の検出
精度を高めることができる。即ち、本発明の圧縮フィル
タでは、あらかじめ参照信号を求め、これよりフィルタ
特性を決定する。以下、本発明の原理を作用と共に述べ
る。

【０００９】まず参照波の作成方法について述べる。例
として平板状の検査対象を考え、その表面上のある位置
(ｘ，ｙ)に超音波入射点を設定する。この位置で、表面
からβ，ｘ軸方向にα傾けて超音波を照射する場合を考
える。ｘ＝０，ｙ＝０の点で，深さｚｎなる位置に点状
の反射源を仮定する。この反射源からの反射波は、ｘ，
ｙ，α，βによって決まる波形である。つまり、ｚｎに
ある反射源からの反射波形を位置(ｘ，ｙ)で求めた波形
は、 ｒｎｘｙ(α，β，ｔ) で、示される。ここで、ｔは時間である。位置(ｘ，ｙ)
で、αとβを変化させて観測したｒｎｘｙが深さｚｎに
ある反射源の参照波となる。参照信号ｒｎｘｙ(α，
β，ｔ)から作成される圧縮フィルタは、（数１）で示
される特性を有する。

【００１０】

【数１】

【００１１】（数１）において、ＲＦｎｘｙ(ｆα，ｆ
β，ｔ)がフィルタの特性、Ｒｎｘｙ(ｆα，ｆβ，ｆ)
が参照信号の周波数特性である。ｆα，ｆβは、各々、
角度α，βに対応する周波数、ｆは時間に対応する周波
数である。ｋｎｘｙは係数である。また、記号の＊は共
役複素数を示す。Ｒｎｘｙはｒｎｘｙのフーリエ変換で
あり、(数２)の関係がある。

【００１２】

【数２】

【００１３】（数２）で、ｊは−１のルートである虚数
単位である。

【００１４】（数１）は、入力信号が（数１）の特性を
有するフィルタに入力される時、参照信号が存在する位
置でインパルス状の出力を得る条件から導出される。フ
ィルタの特性が決まれば、例えばディジタルフィルタな
ど、実際のフィルタを構成できる。

【００１５】本発明では、（数１）のＲＦｎｘｙを決定
する際に、係数ｋの最適化を図る。つまり、与えられた
参照波の特性ｒｎｘｙのもとで、形成されるピークの幅
を少なくし、Ｓ／Ｎを最大にするｋｎｘｙをあらかじめ
決める。このｋについて、ＲＦｎｘｙを算出し、これよ
り、フィルタの特性を決める。

【００１６】参照波形は、ある超音波入射位置（ｘ，
ｙ）で検査対象への入射角度α，βを変えて反射波形を
求めたものであるから、（ｘ，ｙ）を頂点とする円錐状
の３次元領域からの反射波形の集まりである。つまり、
深さｚｎにある反射源に関し、各（ｘ，ｙ）の点ごとに
α，βを変化させた参照波形が得られる。ｚｎと（ｘ，
ｙ）を変え、各点での参照波から（数１)，(数２）を使
って圧縮フィルタを算出する。

【００１７】以上、参照波形から圧縮フィルタを作成す
る方法について述べた。次に、圧縮フィルタを得たあ
と、実際に探傷し、検査対象の詳細な内部反射像を得る
手法について説明する。

【００１８】（数１）では連続した信号を考え、３次元
のフーリエ変換で圧縮フィルタを求めた。実際の検査で
は、信号はα，βの角度と時間ｔに対し離散化して検出
される。今、角度α方向でｉα＝１〜Ｍα，β方向でｉ
β＝１〜Ｍβ，時間方向でｉｔ＝１〜Ｍｔヶのデータで
参照信号が構成される。このため、(数１)，(数２)は離
散フーリエ変換となる。ｋｎｘｙを仮定して、（数１）
で求めたＲＦｎｘｙを離散逆フーリエ変換するとｑｎｘ
ｙ(ｉα，ｉβ，ｉｔ)を得る。

【００１９】これが、ｚｎなる深さに点状の反射源があ
る場合の位置（ｘ，ｙ）での圧縮フィルタとなり、この
フィルタの係数が、ｑｎｘｙ(ｉα，ｉβ，ｉｔ)であ
る。フィルタが求められると、この圧縮フィルタに入力
信号ｕｎｘｙ(ｊα,ｊβ,ｊｔ）を入力することによ
り、フィルタ出力として圧縮信号ｖｎｘｙ（ｊα,ｊβ,
ｊｔ)を得ることができる。つまり、フィルタ出力は、
（数３）の３次元の畳み込み演算で求められる。

【００２０】

【数３】

【００２１】以上で説明した作用・原理は時間、つま
り、深さ方向と方位方向の圧縮に関するものであり、こ
れにより、ある位置（ｘ，ｙ）で観測した場合のｚｎに
ある反射源の位置を精度良く圧縮して求めることが可能
となる。位置（ｘ，ｙ）を変えて同じ処理を行い、それ
らの処理結果を重ね合わせると、反射源の存在する位置
での強度はさらに増加する。これにより、精度のよい反
射体の検出ができ、これによって高精度な映像化が可能
となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明を実施例によって詳細に説
明する。図１は、本発明による超音波を用いた検査装置
の例である。図１において、構造材１の内部に欠陥２が
存在し、その位置と形状を映像化するのが本発明の目的
である。３は、超音波送受信部である。３は、超音波送
受信素子と、送受信方向と送受信素子の位置を変える駆
動機構で構成され、これについては後述する。３に含ま
れる超音波送受信素子には、切り替え器４を介してパル
ス発生器５からの信号が供給され、パルス信号を受けて
超音波を放射する。

【００２３】超音波は欠陥２で反射し、この反射信号
は、３の超音波送受信部に含まれる送受信素子で検出さ
れ、切り替え器４を通って増幅器６で増幅される。７
は、反射波をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器で
ある。８は、超音波の反射信号を記憶するメモリであ
る。９はコンピュータ、１０はディジタル圧縮フィルタ
の高速演算装置である。１１はＡ／Ｄ変換とディジタル
圧縮フィルタとコンピュータなど、本装置の動作タイミ
ングを制御するタイミング発生器である。１２は処理結
果の表示装置である。

【００２４】３の超音波送受信部の構成と、角度α，
β，超音波入射位置（ｘ，ｙ）の関係を図２に示す。３
は、超音波送受信素子３０１と、送受信方向と送受信素
子の位置を変える駆動機構３０２で構成される。図２で
は、超音波送受信素子３０１から送受信される超音波の
中心軸の角度を、α，βで示している。実際には、超音
波送受信素子はある程度指向性を有しているものの、超
音波ビームに広がりを持っていることは公知である。図
２のγは、角度βで入射した超音波が屈折した角度を示
し、検査対象の音速をＶ２、その外側の媒質の音速をＶ
１とすると、良く知られた（数４）の屈折の法則を満た
す関係がある。

【００２５】

【数４】

【００２６】本発明では、前記のように超音波による検
査は２つのモードに大別される。２つのモードとも、
α，βの設定や、反射波形のサンプリング間隔などは同
一である。最初のモードは、ある超音波送受信位置
（ｘ，ｙ）で、αとβを変えて反射源ｚｎからの参照信
号を得て（数１）の最適な係数ｋｎｘｙを算出し、圧縮
フィルタ１０の特性を求めるモードである。

【００２７】２つ目は、特性が求められた圧縮フィルタ
にメモリに記憶した反射信号を入力し、パルス圧縮を行
って検査対象の内部を映像化するモードである。第一の
モードでは、Ａ／Ｄ変換器７でディジタル量に変換され
た反射信号は、メモリ８に記憶される。つまり、ある超
音波送受信位置（ｘ，ｙ）で、αとβを変えて反射源ｚ
ｎからの参照信号ｒｎｘｙ(α，β，ｔ)を得る。その
後、メモリ８内の反射信号はコンピュータ９に取り込ま
れ、ここでフィルタの特性を決める計算を施される。

【００２８】（数１）で係数ｋｎｘｙを仮定し、（数
１)，(数３）により深さｚｎの反射源に対する位置
（ｘ，ｙ）での反射源の先鋭性やＳ／Ｎなどを求める。
ｋｎｘｙを変えて上記の計算を行い、あらかじめ設定し
たもっとも望ましい特性になるようｋｎｘｙを決める。

【００２９】この操作をｚｎ，（ｘ，ｙ）を変えて行う
と、各ｚｎ，（ｘ，ｙ）において、α，βを変えた時の
圧縮フィルタ特性を計算でき、このフィルタ係数ｑｎｘ
ｙ(ｉα，ｉβ，ｉｔ)の値が、コンピュータ９を介し
て，圧縮フィルタの高速演算装置１０に送られ、１つ目
のモードである圧縮フィルタの高速演算装置１０のフィ
ルタ係数の決定が完成する。

【００３０】２つ目のモードである超音波の検査段階で
は、ディジタル圧縮フィルタの高速演算装置１０によ
り、フィルタリング演算を行う。この演算は、公知のＦ
ＩＲ（Finite Impulse Response)型のディジタルフィル
タ演算であり、具体的には（数３）の演算となる。時間
ｔと２ヶの角度α，βに関するフィルタの係数ｑｎｘｙ
(ｉα，ｉβ，ｉｔ)は、ｚｎ，(ｘ，ｙ)が変わればもち
ろん異なる。また、フィルタのタップ数Ｍｔ，Ｍα，Ｍ
βも互いに異なっても良い。

【００３１】１０の高速演算装置の計算結果であるｖｎ
ｘｙ(ｊα，ｊβ，ｊｔ)は、コンピュータ９に転送さ
れ、座標変換計算後、対応する表示用メモリの内容に加
算，記憶される。座標計算の内容は、（数５）で示され
る。

【００３２】

【数５】

【００３３】（数５）において、（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ）
が表示用メモリのアドレスであって、検査対象が立体形
状であるから３次元メモリである。角度γは、（数４）
から計算される。Δｔは、反射波形をサンプリングする
時間幅である。

【００３４】例えば、(０，０，ｚｎ)に反射源があれ
ば、ＰＸ＝０，ＰＹ＝０，ＰＺ＝ｚｎの位置に対応する
ｖｎｘｙ(ｊα，ｊβ，ｊｔ)が大きな値を持つことにな
る。反射源位置が同じであれば、同じ位置で他より大き
な値が加算されることになり、最終的には先鋭的なピー
クを形成する。この表示用メモリの内容を表示器１２で
表示すると、反射源の状態を精度良く可視化可能とな
る。

【００３５】これまで述べた本発明の実施例の変形とし
て、検査対象の断面を観測するものがある。上記の実施
例は、検査対象のα，γと時間方向の３次元検査画像を
得るものであった。変形実施例は、α＝９０度とし、β
を変えながらｙ軸方向に超音波送受信部３を走査させ
る。この結果、超音波送受信部３が移動する線に沿った
深さ方向の断面の反射波画像が得られる。これは、ｙ軸
方向，深さ方向の２次元演算であり、反射波の記憶メモ
リ８やコンピュータ９の表示用メモリは２次元状で良
い。さらに、圧縮フィルタの高速演算装置１０も２次元
演算で良く、演算時間，メモリ容量の大幅な節減にな
る。（数１）から（数３）、および、（数５）は、αに
関する項や積分，積和が不要になることは容易に理解で
きる。

【００３６】以上、本発明の実施例について、詳細に説
明した。もし参照信号があらかじめ求められていれば、
ディジタルフィルタの係数をあらかじめ設定でき、本実
施例の最初のモードを繰り返す必要がないことは言うま
でもない。また、（数３）のディジタルフィルタ演算を
ハードウェアで実行することも可能であり、本実施例の
変形例である。

【００３７】

【発明の効果】本発明では、検査に先だってあらかじめ
求めた参照波形から圧縮フィルタを求め、そのパラメー
タを最適化して最適フィルタの特性を決定することに特
徴がある。実際の検査時では、検出反射データを圧縮フ
ィルタ演算する。この演算により、反射波が存在する位
置を高精度で抽出でき、材料内部の欠陥などを精度良く
検出できる。さらに、複数物体を分解能高く検知でき、
超音波検査などにおける工学的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による超音波検査装置の基本的
構成を示す図である。

【図２】３の超音波送受信部の構成と、角度α，β、超
音波入射位置（ｘ，ｙ）の関係を示す図である。

【符号の説明】

１…構造材、２…欠陥、３…超音波送受信部、４…切り
替え器、５…パルス発生器、６…増幅器、７…Ａ／Ｄ変
換器、８…メモリ、９…コンピュータ、１０…ディジタ
ル圧縮フィルタの高速演算装置、１１…タイミング発生
器、１２…表示装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波などの波動を処理して検査対象を検
   査する装置において、超音波の照射と反射波検出の位置
   と方向とを制御する機構と、照射・検出の位置と方向と
   を変えてあらかじめ特性を求めた参照信号からあらかじ
   め特性を定めた圧縮フィルタを算出する手段と、反射信
   号を圧縮フィルタリングする演算手段を備え、圧縮演算
   結果から反射波形を抽出・映像化することを特徴とする
   超音波検査装置。
2. 【請求項２】請求項１の超音波検査装置において、圧縮
   フィルタは時間方向と空間２方向の３次元、または、空
   間３方向の３次元の信号圧縮を行うことを特徴とする超
   音波検査装置。
3. 【請求項３】請求項１の超音波検査装置において、圧縮
   フィルタは時間方向と空間方向の２次元、または、空間
   ２方向の２次元の信号圧縮を行うことを特徴とする超音
   波検査装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし３に記載の超音波検査装置
   において、圧縮フィルタの演算結果と検査対象の表面で
   の超音波屈折から反射点の位置を求め、反射点を映像化
   することを特徴とする超音波検査装置。