JP2020012798A - 情報処理装置及びその情報処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 堆積物の粒径が大きい場合であっても、被測定対象を精度良く測定する。【解決手段】 実施形態によれば、複数のレプリカ波形が記憶された記憶部（４３）と、水底下の堆積物からの超音波信号に対する反射波を受信する受信部（４１）と、受信部により受信された超音波信号に対する反射波と、記憶部に記憶された複数のレプリカ波形に対する相関処理を行なう相関処理部（４２）と、相関処理部による相関処理によって得られる相関値のうち、最も高い相関値を有するレプリカ波形を選択する選択部と、選択部によって選択されたレプリカ波形から画像データを生成する画像生成部（４６）とを具備する情報処理装置、である。【選択図】図２

Description

本発明は、海底、湖沼底等の水底下の堆積層の情報を音波の反射信号により収集して処理する情報処理装置及びその情報処理方法に関する。

従来より、地下茎や根の分布、底生動物の分布など、水底下の生物生体を可視化する需要がある。このような場合、現状では、狭い範囲内を直接サンプリングして、全体量を推定することが行なわれている。しかしながら、このような手法では、効率が悪く、生物生体の分布を正確に計測することができず、また、水底下の生物を破壊してしまうという問題もある。

一方、音波を使用して、水底下の埋没物を検知するための装置が知られている（特許文献１）。

特開２０１６−２１２０４２号公報

しかしながら、近年、埋設ケーブルの埋設状況（緯度、経度、深度、障害物検知、劣化診断など）や内在性二枚貝の分布状況などをモニタリングするために、分解能１−２［ｍｍ］程度のさらに微小な堆積物を検知するための装置が求められている。

このような場合、音波の周波数を高くすることにより、波長と堆積層の粒径のサイズが近くなることで、周波数分散の影響が大きくなる。以下、具体的に説明する。

これまでの研究により、堆積物中の音速は、図１３に示すような速度分散を示すことが 分かっている。例えば、アサリの生息に適している粒径（０．０３８［ｍｍ］〜１［ｍｍ］）で考えた場合、従来の地層探査で用いられる周波数１［ｋＨｚ］では速度分散ｋｄは０．００１６−０．０４２である。また、特許文献１で示した音響コアリングシステムで用いられる周波数１００［ｋＨｚ］では速度分散ｋｄは０．０１６−０．４２である。

ここで、
速度分散ｋｄ＝（ｗ／ｃ_ｗ）ｄ
（ｗ：角周波数、ｄ：粒径、ｃ_ｗ：水中音速）
である。

よって、図１３のｋｄ＝０．５より左の領域であるため、速度分散が小さく、その影響を考慮する必要性は低い。しかし、今回のように、アサリのような極めて微小な対象物を検出するために用いる高い周波数（例えば１ＭＨｚ）ではｋｄは０．１６から４．２となり、粒径が大きい場合は、ｋｄ＝０．５より右の領域となるため、速度分散が大きくなり、波形が伸びるなどの影響が生じる。

図１４は、堆積物の粒径が小さい場合の１［ＭＨｚ］の音波使用時の観測波形を示す図であり、図１５は、堆積物の粒径が大きい場合の１［ＭＨｚ］の音波使用時の観測波形を示す図である。図１５に示すように、堆積物の粒径が大きい場合、観測される波形が伸び、このことは、分解能が低下することを意味する。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、堆積物の粒径が大きい場合であっても、被測定対象を精度良く測定することができる情報処理装置及びその情報処理方法を提供することを目的とする。

実施形態によれば、複数のレプリカ波形が記憶された記憶部と、水底下の堆積物からの超音波信号に対する反射波を受信する受信部と、前記受信部により受信された超音波信号に対する反射波と、前記記憶部に記憶された複数のレプリカ波形に対する相関処理を行なう相関処理部と、前記相関処理部による相関処理によって得られる相関値のうち、最も高い相関値を有するレプリカ波形を選択する選択部と、前記選択部によって選択されたレプリカ波形から画像データを生成する画像生成部とを具備する情報処理装置、である。

本発明によれば、堆積物の粒径が大きい場合であっても、被測定対象を精度良く測定することができる。

本発明の実施形態に係る非接触検査システムの基準データを取得する場合の構成を示す図である。 同実施形態におけるコンピュータ１１の機能ブロック図を示す図である。 観測現場の堆積物の粒径が分かっている場合のコンピュータ１１の動作を説明するためのフローチャートである。 元波形から周波数分散を考慮して作成されるレプリカ波形の一例を説明するための図である。 実施形態に係る非接触検査システムの堆積物３２の粒径が小さい場合のスペクトログラムを示す図である。 実施形態に係る非接触検査システムの堆積物３２の粒径が大きい場合のスペクトログラムを示す図である。 基準データの計測が可能な場合のコンピュータ１１の動作を説明するためのフローチャートである。 堆積物３２の粒径が大きい場合の１［ＭＨｚ］の音波使用時の観測波形を示す図である。 堆積物３２の粒径が大きい場合のスペクトログラムを示す図である。 現場で基準データの計測が可能な場合のコンピュータ１１の動作を説明するためのフローチャートである。 堆積物３２の粒径が大きい場合の１［ＭＨｚ］の音波使用時の観測波形の散乱波を示す図である。 堆積物３２の粒径が大きい場合のスペクトログラムを示す図である。 音速と速度分散との関係を示す図である。 堆積物の粒径が小さい場合の１［ＭＨｚ］の音波使用時の観測波形を示す図である。 堆積物の粒径が大きい場合の１［ＭＨｚ］の音波使用時の観測波形を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の非接触検査システムについて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る非接触検査システムの基準データを取得する場合の構成を示す図である。同図に示すように、コンピュータ１１にはパルサ・レシーバ１２が接続され、このパルサ・レシーバ１２にはプローブ１３が接続される。

プローブ１３は、水３１が満たされた容器２１に設けられ、容器２１の水底には堆積物用容器２２が載置される。この堆積物用容器２２の中には堆積物３２が堆積されている。この堆積物３２中にはアルミ製のブロック（被測定対象）２３が載置されている。

コンピュータ１１は、実施形態の堆積物における被測定対象２３に対して矩形バースト波を送信するための制御（周波数、帯域幅、ピーク周波数、中心周波数、チャープ周波数など）及び送信した超音波信号の反射波の受信を行なう。

コンピュータ１１は、受信した反射波に対して本発明の実施形態に係る情報処理を行ない、堆積物３２における被測定対象２３の測定を行なう。

なお、コンピュータ１１は、メモリ、ＣＰＵ、通信インターフェイス、記憶装置などを備えた通常のコンピュータと同様の構成を有し、本発明の実施の形態にかかる情報処理は、記憶装置に記憶された本発明の実施の形態に係る情報処理を実現するプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。

パルサ・レシーバ１２は、コンピュータ１１からの制御に基づいて、指示された矩形バースト波をプローブ１３に出力する。パルサ・レシーバ１２は、また、矩形バースト波の反射波をプリアンプ（図示せず）を介して受信する。

パルサ・レシーバ１２は、受信した反射波の増幅、ハイパスフィルタやローパスフィルタなどを使用した周波数成分のフィルタ処理を行ない、この処理が行なわれた反射波をコンピュータ１１に出力する。

プローブ１３は、パルサ・レシーバ１２からの矩形バースト波に応じた超音波信号を非接触で、被測定対象２３に対して集束して出力する。また、プローブ１３は、被測定対象２３からの反射波を受信し、プリアンプ（図示せず）を介してパルサ・レシーバ１２に出力する。

図２は、コンピュータ１１の機能を示す機能ブロック図である。

図２に示すように、コンピュータ１１は、受信部４１、相関処理部４２、記憶部４３、設定部４４、選択部４５、画像生成部４６及び画像表示部４７を有する。

受信部４１は、水底下の堆積物３２及び被測定対象２３からのプローブ１３から出力された超音波信号に対する反射波を受信し、受信した反射波を相関処理部４２に出力する。

相関処理部４２は、受信部４１によって受信された反射波と、記憶部４３に格納された第１のレプリカ波形５１−１〜第ｎのレプリカ波形５１−ｎとの相関処理をそれぞれ行ない、相関処理の結果得られた相関値を記憶部４３に記憶する。

選択部４５は、反射波と、相関処理部４２によって記憶された第１のレプリカ波形５１−１〜第ｎのレプリカ波形５１−ｎとのそれぞれの相関値のうち、最も高い相関値を示すレプリカ波形（「選択レプリカ波形」という。）を第１のレプリカ波形５１−１〜第ｎのレプリカ波形５１−ｎから選択する。

設定部４４は、超音波信号の反射波に対するレプリカ波形を記憶部４３に格納する。レプリカ波形の生成については種々考えられ、後述するが、これに限られるものではない。

画像生成部４６は、選択部４５により選択された選択レプリカ波形から画像データを生成し、画像表示部４７に出力する。画像表示部４７は、画像生成部４６からの画像データに基づいて、画像を表示する。

次に、本発明の実施形態に係る非接触検査システムの動作について、図３、図７及び図１０のフローチャートを参照して説明する。
１． 観測現場の堆積物の粒径が分かっている場合
図３は、観測現場の堆積物３２の粒径が分かっている場合のコンピュータ１１の動作を説明するためのフローチャートである。

まず、図３に示すように、設定部４４により現場の堆積物３２の粒径に対応する複数の第１のレプリカ波形５１−１〜第ｎのレプリカ波形５１−ｎを作成する（Ｓ１）。

このＳ１における第１のレプリカ波形５１−１〜第ｎのレプリカ波形５１−ｎの作成は、図１３から観測現場の堆積物３２の粒径毎の速度分散を推測する。また、伝搬距離（堆積物３２の厚み）と使用するパルス波形の周波数スペクトル（事前に計測しておく）から、周波数分散を考慮する。

実際の堆積物３２の粒径はある程度分布しているため、レプリカ波形は複数個用意される。レプリカ波形の作成方法は種々考えられるが、例えば、速度分散を線形化して考えると、式（１）を利用することができる。

次に、超音波信号の反射波である観測波形の読み込みが、受信部４１により行なわれる（Ｓ２）。図４は、元波形から周波数分散を考慮して作成されるレプリカ波形の一例を示す図である。図４においては、元波形に対して、周波数分散を考慮しない場合、周波数分散が小さい場合及び周波数分散が大きい場合の３つの例を示している。

その後、相関処理部４２により、ｉ＝０として（Ｓ３）、ｉ≦ｎであるかの判断が行なわれる（Ｓ４）。ここで、ｉ，ｎは正の整数である。

Ｓ４において、ｉ≦ｎであると判断された場合、ｉ番目のレプリカ波形５１−ｉを選択し（Ｓ５）、受信部４１によって受信された反射波と、記憶部４３に格納されたｉ番目のレプリカ波形５１−ｉとの相互相関処理を行なう（Ｓ６）。

ここで、相関処理は、例えば、下記式（２）を利用することができる。

なお、相関処理は、時間領域、周波数領域のいずれの領域で行なっても良い。

次に、反射波と、ｉ番目のレプリカ波形５１−ｉとのピークを記憶部４３に記憶し（Ｓ７）、ｉ＝ｉ＋１とし（Ｓ８）、Ｓ４の処理に戻る。一方、Ｓ４において、ｉ≦ｎでないと判断された場合、選択部４５はピークが最も高い相関値を有するレプリカ波形を選択する（Ｓ９）。

そして、画像生成部４６により、選択されたレプリカ波形から画像データを生成し、画像表示部４７により画像が表示される（Ｓ１０）。

図５は、実施形態に係る非接触検査システムの堆積物３２の粒径が小さい場合のスペクトログラムを示す図である。図５に示すように、堆積物３２の粒径が小さい場合、元信号に対する深さ方向の分解能やＳ／Ｎ比は変わらない。

図６は、実施形態に係る非接触検査システムの堆積物３２の粒径が大きい場合のスペクトログラムを示す図である。図６に示すように、堆積物３２の粒径が大きい場合、元信号では、（ａ）の部分で示したように、被測定対象２３のＳ／Ｎ比が悪いのに対し、実施形態のレプリカ波形を使用した場合には、Ｓ／Ｎ比が向上しているのが分かる。

また、（ｂ）の部分で示したように、パルス圧縮（レプリカ相関）により、深さ方向の分解能が向上していることが分かる。
２． 観測現場の堆積物の粒径が分かっていない場合で、現場で基準データ（アルミブロックなどを埋め込み取得）の計測が可能な場合
図７は、基準データの計測が可能な場合のコンピュータ１１の動作を説明するためのフローチャートである。

まず、図７に示すように、基準データを取得する（Ｓ１）。この基準データの取得は、図１に示すように、観測現場で、堆積物３２にアルミ製のブロック（被測定対象）２３を埋めて、観測波形（基準データ）を取得する（Ｓ２１）。

次に、基準データを基にした第１のレプリカ波形５１−１〜第ｎのレプリカ波形５１−ｎを作成する（Ｓ２２）。このレプリカ波形の作成は、基準データのスペクトログラムから速度分散の程度を読み取り、この読み取られた速度分散の程度に基にしてレプリカ波形が作成される。レプリカ波形の作成方法は、上述の＜１．観測現場の堆積物の粒径が分かっている場合＞を参照。レプリカ波形は、現場における基準データのばらつきを考慮して、複数個用意しておく。図８は、堆積物３２の粒径が大きい場合の１［ＭＨｚ］の音波使用時の観測波形を示す図である。また、図９は、堆積物３２の粒径が大きい場合のスペクトログラムを示す図である。

その後の、観測波形の読み込み（Ｓ２３）〜画像化（Ｓ３１）までの処理は、図３に示したＳ２〜Ｓ１０の処理と同様である。
３． 観測現場の堆積物の粒径が分かっていない場合で、現場で基準データ（アルミブロックなどを埋め込み取得）の計測が不可能な場合
図１０は、現場で基準データの計測が可能な場合のコンピュータ１１の動作を説明するためのフローチャートである。

まず、図１０に示すように、超音波信号の反射波である観測波形の読み込みが、受信部４１により行なわれる（Ｓ４１）。次に、設定部４４により、堆積物３２中からの散乱波を元にした第１のレプリカ波形５１−１〜第ｎのレプリカ波形５１−ｎを作成する（Ｓ４２）。

このレプリカ波形の作成は、事前の堆積物３２の情報がない場合、堆積物３２を構成する微粒子からの散乱波のスペクトログラムから、速度分散の程度を読み取り、この読み取られた速度分散の程度に基にしてレプリカ波形が作成される。レプリカ波形の作成方法は、上述の＜１．観測現場の堆積物の粒径が分かっている場合＞を参照。レプリカ波形は、現場における基準データのばらつきを考慮して、複数個用意しておく。

図１１は、堆積物３２の粒径が大きい場合の１［ＭＨｚ］の音波使用時の観測波形の散乱波を示す図である。図１２は、堆積物３２の粒径が大きい場合のスペクトログラムを示す図である。

その後の、Ｓ４３〜Ｓ５０までの処理は、図３に示したＳ３〜Ｓ１０の処理と同様である。

なお、実施形態の非接触検査システムは、浮泥の厚み計測（コアリングの簡素化）、根菜の生息状況、底生生物の分布、深度方向の高精度地質変化、沈没船や兵器など埋没物の形状計測などにも応用することができる。

従って、本発明の実施形態の非接触検査システムは、堆積物の粒径が大きい場合であっても、第１のレプリカ波形５１−１〜第ｎのレプリカ波形５１−ｎのうち、最も相関値の高いレプリカ波形を使用して、画像を作成することにより、被測定対象２３を精度良く測定することができる。また、受信部４１をアレイ化した場合、素子毎に得られる受信信号に対して同様の処理を行なうことにより、測定の効率及び精度を良くすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…コンピュータ、１２…パルサ・レシーバ、１３…プローブ、２１…容器、２２…堆積物用容器、２３…アルミ製のブロック（被測定対象）、３１…水、３２…堆積物、４１…受信部、４２…相関処理部、４３…記憶部、４４…設定部、４５…選択部、４６…画像生成部、４７…画像表示部、５１−１〜５１−ｎ…レプリカ波形。

Claims (6)

1. 複数のレプリカ波形が記憶された記憶部と、
   水底下の堆積物からの超音波信号に対する反射波を受信する受信部と、
   前記受信部により受信された超音波信号に対する反射波と、前記記憶部に記憶された複数のレプリカ波形に対する相関処理を行なう相関処理部と、
   前記相関処理部による相関処理によって得られる相関値のうち、最も高い相関値を有するレプリカ波形を選択する選択部と、
   前記選択部によって選択されたレプリカ波形から画像データを生成する画像生成部と
   を具備する情報処理装置。
2. 前記複数のレプリカ波形は、前記堆積物の粒径に対応する、請求項１記載の情報処理装置。
3. 前記複数のレプリカ波形は、予め取得された基準データに基づいて作成される、請求項１記載の情報処理装置。
4. 前記複数のレプリカ波形は、前記堆積物からの散乱波に基づいて作成される、請求項１記載の情報処理装置。
5. 複数のレプリカ波形が記憶された記憶部を有する情報処理装置における情報処理方法において、
   水底下の堆積物からの超音波信号に対する反射波を受信し、
   前記受信された超音波信号に対する反射波と、前記記憶部に記憶された複数のレプリカ波形に対する相関処理を行ない、
   前記相関処理によって得られる相関値のうち、最も高い相関値を有するレプリカ波形を選択し、
   前記選択されたレプリカ波形から画像データを生成する、
   情報処理方法。
6. 情報処理装置と、
   前記情報処理装置に接続されたパルサ・レシーバと、
   前記パルサ・レシーバに接続されたプローブと
   を具備する非接触検査システムにおいて、
   前記情報処理装置は、
   水底下の堆積物に対して超音波信号を出力するために、前記パルサ・レシーバの制御を行ない、
   前記パルサ・レシーバは、前記情報処理装置からの制御に基づいて、前記プローブに矩形バースト波を前記プローブに出力し、
   前記プローブは、前記パルサ・レシーバからの矩形バースト波に応じた超音波信号を前記水底下の堆積物に対して出力し、
   前記情報処理装置は、
   複数のレプリカ波形が記憶された記憶部と、
   前記水底下の堆積物からの超音波信号に対する反射波を受信する受信部と、
   前記受信部により受信された超音波信号に対する反射波と、前記記憶部に記憶された複数のレプリカ波形に対する相関処理を行なう相関処理部と、
   前記相関処理部による相関処理によって得られる相関値のうち、最も高い相関値を有するレプリカ波形を選択する選択部と、
   前記選択部によって選択されたレプリカ波形から画像データを生成する画像生成部と
   を具備する、非接触検査システム。