撮像システムおよび撮像方法
【課題】非破壊試験に関し、特に超音波イメージングに関する。トランスデューサ素子からなるアレイを有する携帯型の超音波撮像システムを動作させる、適応型のビーム形成の撮像方法が開示される。
【解決手段】この方法は、アレイ20における異なるサブアパーチャ1-3を用いて、それぞれの送信に伴う複数のビーム形成の超音波信号を送信するステップと、反射超音波信号を受信して、それぞれの個別のサブアパーチャの送信のもとでのＤＡＳのビーム形成をもたらすステップとを含む。それぞれのサブアパーチャの送信からの、受信され時間遅延した信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に基づいてコヒーレンス係数が計算される。定められたサブアパーチャの送信のもとでのすべてのビーム形成のイメージングは、適応可能なコヒーレンスで重み付けされ、最終的なビーム形成の出力に合成される。
【解決手段】この方法は、アレイ20における異なるサブアパーチャ1-3を用いて、それぞれの送信に伴う複数のビーム形成の超音波信号を送信するステップと、反射超音波信号を受信して、それぞれの個別のサブアパーチャの送信のもとでのＤＡＳのビーム形成をもたらすステップとを含む。それぞれのサブアパーチャの送信からの、受信され時間遅延した信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に基づいてコヒーレンス係数が計算される。定められたサブアパーチャの送信のもとでのすべてのビーム形成のイメージングは、適応可能なコヒーレンスで重み付けされ、最終的なビーム形成の出力に合成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して非破壊試験に関し、詳細には超音波イメージングに関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊試験デバイスは、試験対象物を検査して、その試験対象物の不具合および欠陥を特定および分析するために用いることができる。オペレータは、試験対象物の表面、または、その表面の近くにプローブを動かし、その試験対象物の表面と、その表面の下にある構造体との両方の試験を行うことができる。非破壊試験は、周囲の構造物から試験対象物を取り外すことなくその対象物の試験が行われる必要があり、また目視検査では特定できない隠れた欠陥がある可能性のある、航空宇宙、発電、原油およびガスの採取ならびに精製などの一部の産業において特に有用であり得る。
【０００３】
非破壊試験の一例は、超音波試験である。超音波試験を行う場合、プローブから超音波パルスを放射し、その超音波パルスを、試験対象物の特定の材料における固有の音速で、その試験対象物を通して送ることができる。所与の材料における音速は、主に材料の弾性係数、温度、および密度に依存する。試験対象物への超音波パルスの印加によって、超音波パルスと、試験対象物の構造体との間の相互作用が引き起こされ、音波は反射してプローブに戻る。プローブによって受信される信号に対する評価、すなわち、これらの信号の振幅および伝搬時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）によって、試験対象物を破壊することなく、亀裂または腐食などの試験対象物における内部品質に関する判定を行うことが可能となる。
【０００４】
一般に、超音波試験システムは、試験対象物に信号を送信し、また試験対象物から信号を受信するためのプローブと、プローブを超音波試験ユニットに接続するプローブケーブルと、試験結果を見るためのスクリーンまたはモニタとを含む。超音波試験ユニットは、電源コンポーネント、信号生成回路、信号増幅回路、および、信号処理回路、ならびに、非破壊試験デバイスを動作させるために用いられるデバイス制御部を含む。一部の超音波試験ユニットは、システム動作と、試験結果の処理とを制御し、表示を行うコンピュータに接続することができる。電気パルスは、送信器によって生成することができ、それらの電気パルスが超音波トランスデューサによって超音波パルスに変換され得るプローブに送ることができる。
【０００５】
従来の超音波撮像システムは、集束した超音波ビームを対象物に向けて送信することによってその対象物を走査するために、超音波トランスデューサ素子のアレイを有する。反射した音響波は、受信され、ビーム形成され、表示用に処理される。
【０００６】
従来のビーム形成方法では、リニアアレイ構造体によってビームパターンプロファイル（ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）が決められる。素子間隔は、グレーティングローブを避けるために動作周波数の半波長未満に設定されていた。アレイ構造体の素子が少ない場合、そのアレイ構造体は、広いメインローブと、予測可能な角度における高レベルのサイドローブを有するという固有の問題を被る。これは、広いメインビームに起因する集束の弱い応答によって引き起こされる解像度の低さと、高レベルの不用なサイドローブに起因する著しい干渉を受ける実際の反射波どうしの間の低コントラストとを伴う、低品質のイメージングをもたらす。サイドローブのレベルは、様々なシェーディングウィンドウ（ｓｈａｄｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）を用いることによって抑圧することができるが、これは、トレードオフの代償としてメインローブを広げ、それによりイメージングの解像度はさらに低下する。最小分散法などの、サイドローブの影響を効果的に低減するための他の方法が考えられているが、これらの方法は、一般に相当なレベルの計算を必要とし、コストの増加とスピードの低下をもたらす。
【０００７】
大規模なアレイ構造体を用いることによってサイドローブのレベルを下げることができるが、これは、このようなあらゆるシステムのコスト、サイズ、および複雑さを増やす。
【発明の概要】
【０００８】
大きすぎず、複雑すぎず、また高価すぎることなく、高いコントラストと、許容可能な良好な解像度とを有する良好な品質の出力画像をもたらす携帯型の撮像システム、および、対応する方法を有することが望ましい。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、トランスデューサ素子のアレイを有する超音波撮像システムを動作させる方法が提供され、この方法は、複数の超音波信号を送信するステップであって、それぞれの送信に、上記アレイにおける異なるサブアパーチャが用いられる、ステップと、アレイ全体、または、アレイにおけるサブアパーチャを用いてそれぞれのサブアパーチャの送信に対応する反射超音波信号を受信するステップと、それぞれのサブアパーチャの送信からの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数を計算し、計算されたコヒーレンス係数によって、対応する出力信号に重み付けするステップと、異なるすべてのサブアパーチャの送信のもとでの、コヒーレンス係数で重み付けされたすべての出力信号を合成して、イメージングによって変換された最終的なピクセル強度を生成するステップとを含む。
【００１０】
アレイにおける異なるサブアパーチャを用いて複数の超音波信号を送信するステップは、多数の送信チャネルを有することなく、欠陥に対する強化された受信感度を提供する。コヒーレンス係数を用いることによって、サイドローブの抑圧が強化され、それにより、鮮明度、コントラスト、および解像度における向上した品質でイメージングを提供するためのビーム形成の性能が強化される。
【００１１】
それぞれのサブアパーチャでは、アレイにおけるトランスデューサ素子の任意の分割が用いられてもよい。サブアパーチャは、互いにオーバーラップしていてもしていなくてもよく、向上したサードローブの抑圧と、強化された画像コントラストとをもたらす。トランスデューサ素子からなるアレイのすべてが、反射超音波信号を受信し、それぞれの受信フォーカシング信号を生成するために用いられることが好ましい。コヒーレンス係数は、受信されたそれぞれのトランスデューサ信号の非コヒーレントエネルギー全体におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当することが好ましい。
【００１２】
受信信号は、ビーム形成されることなどによってフォーカシングされてもよい。
【００１３】
コヒーレンス係数は、０と１を含む０から１の範囲であることが好ましい。高い値は、収集された信号エネルギー全体に含まれるコヒーレントエネルギーの高い割合、すなわち、良好なフォーカシング品質における高い信頼度を示す。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、超音波撮像システムが提供され、このシステムは、アレイにおける異なるサブアパーチャを用いて複数の超音波信号を送信し、サブアパーチャの送信ごとに試験片からの反射超音波信号を受信するように構成されたトランスデューサ素子のアレイと、それぞれのサブアパーチャの送信からの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数を計算し、計算されたコヒーレンス係数によって受信信号を重み付けするように構成され、異なるサブアパーチャの送信からの重み付けされたすべての出力を合成するコントローラと、試験片の構造を示す画像を表示するために、提供される出力信号をディスプレイに提供するための出力部とを備える。
【００１５】
次に添付図面を参照して、本発明の例を例示のみによって説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】典型的な超音波試験システムの例である。
【図２】本発明を例示する超音波試験システムの例である。
【図３】本発明の例における非オーバーラップのサブアパーチャ送信部のより詳細な例である。
【図４】ビーム形成ステアリング走査イメージングの図である。
【図５】本発明の例である図３における３つのサブアパーチャ送信に関係する受信部のより詳細な例である。
【図６ａ】動的受信フォーカシングを伴う合成固定送信フォーカシング（ＳＴＦ−ＤＲＦ）だけを用いたシステムによって生成されたイメージングの例である。
【図６ｂ】本発明の例によって生成された、適応型の合成ＳＴＦ−ＤＲＴイメージングの例である。
【図７】図６ａおよび図６ｂに示されている画像に対する、様々な深さにおいて検出された欠陥のピクセル強度を示す図である。
【図８ａ】合成サブアパーチャの、動的受信フォーカシングを伴う合成固定送信フォーカシング（ＳＴＦ−ＤＲＦ）法によるイメージングと、本発明の例によるイメージングとのさらなる比較例である。
【図８ｂ】合成サブアパーチャの、動的受信フォーカシングを伴う合成固定送信フォーカシング（ＳＴＦ−ＤＲＦ）法によるイメージングと、本発明の例によるイメージングとのさらなる比較例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、超音波試験システム１の例を示す。このシステムは、試験対象物３に信号を送信し、また試験対象物３から信号を受信するためのプローブ２を含む。この例では、プローブ２は、信号を送信し、試験対象物３から反射した超音波信号を受信するように構成されている。しかし他の例では、プローブは、代替的に、試験対象物３を貫通して送信された超音波信号を受信するように構成されていてもよい。試験対象物３は、周囲の構造物から試験対象物３を取り外すことを必要とせずに試験を行うことができる、例えば飛行機または船などの乗り物のパネル、パイプラインの部分、または、工場の一部などの、不具合または欠陥を求めて分析される任意の好適な対象物でもよい。使用時には、プローブ２は、試験対象物３の構造を分析するために、試験対象物３の表面の上を動かされる。プローブ２は、トランスデューサ素子のアレイを有する。プローブケーブル４は、プローブ２を超音波試験ユニット５に接続する。この超音波試験ユニットは、例えばプローブ２に送られることになる電気パルスを生成するために、信号生成回路、信号増幅回路、および、信号処理回路などのための制御プロセッサを有し、プローブ２では、電気パルスが超音波トランスデューサによって超音波パルスに変換される。また、超音波試験ユニット５は、プローブ２によってもたらされる反射信号を受信することができる。超音波試験ユニット５は、電気出力部を有しており、ユーザーが試験対象物３の構造を分析し、また、その試験対象物における可能性のある任意の不具合または欠陥を特定することを可能とするために、その出力部に基づく結果をユーザーに表示するためのスクリーンもしくはモニタ６を含んでいてもよく、または、スクリーンもしくはモニタ６に接続されていてもよい。携帯型の試験システムの場合には、超音波試験ユニット５は、単一ユニットとしてスクリーンまたはモニタ６と組み合わせられることになる。スクリーンまたはモニタ６は、超音波試験ユニット５に接続することができ、また超音波試験ユニット５の機能の一部を提供することが可能なコンピュータによって提供されてもよい。
【００１８】
図２は、本発明による撮像システム１０の実施形態を示す。この実施形態は、適応型の合成送信フォーカシングおよび動的受信フォーカシング（適応型のＳＴＦ−ＤＲＦ）のビーム形成方法である。プローブ２は、アレイ２０’の中に複数のトランスデューサ素子２０を含む。この例では、図２は、１６個のトランスデューサ素子２０からなるリニアアレイ２０’を有するプローブ２を示す。上側部分２’は、送信時のプローブを概略的に示す。理解されるように、プローブ２は、異なるサブアパーチャまたはサブアレイを用いて複数の超音波信号を送信するように構成されている。図２の例では、サブアレイ１またはサブアパーチャ１は、アレイ２０’の左側における８つのトランスデューサ素子２０を用いて送信することを含み、サブアレイ２またはサブアパーチャ２は、アレイ２０’の中央における８つのトランスデューサ素子２０を用いて送信することを含み、また、サブアレイ３またはサブアパーチャ３は、アレイ構造２０’の右手側における８つのトランスデューサ素子２０を用いて送信することを含み、これらのサブアパーチャは順に並んでいる。オーバーラップしていてもしていなくてもよい任意の所望数のトランスデューサ素子２０を用いた、アレイ２０’におけるサブアパーチャの任意の好適な構成を用いることができる。図２に示されているプローブ２の下側部分２’’は、試験対象物３からのエコーを受信するための、トランスデューサアレイの使い方を示す。この例では、反射信号を受信するために、アレイ２０’におけるすべてのトランスデューサ素子２０が用いられている。この例では、それぞれのトランスデューサ素子２０によって生成され、受信された超音波信号に該当する信号は、遅延ユニット２１において適切なビーム形成の遅延を受け、遅延した受信信号は、合計ユニット２２において合計される。次に、それぞれのサブアパーチャ送信からの受信されたビーム形成出力は、それぞれの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数ＣＦ１（ｔ）、ＣＦ２（ｔ）、ＣＦ３（ｔ）、・・・によって重み付け（２３）される。この重み付け（２３）は、コヒーレンス係数による乗算を含むことができる。この例では、それぞれのサブアパーチャ送信からの受信されたそれぞれの信号の非コヒーレントエネルギー全体におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数は、コヒーレンス係数ユニット２４で求められる。
【００１９】
次に、それぞれのサブアパーチャ送信からの、コヒーレンス係数で重み付けされた受信出力は、どのような不具合または欠陥も容易に特定され得るように、より鮮明な最終画像を提供するために合成ユニット２５によって合計される。
【００２０】
実際には、遅延（２１）、ＤＡＳビーム形成（２２）、重み付け（２３）、適応可能なコヒーレンス係数の決定（２４）、および合成（２５）のすべては、コンピュータ、マイクロプロセッサなどの制御プロセッサ、または、ハードワイヤードの電子回路によって行われる。
【００２１】
図２は、単一のプローブ２を示しており、第１のサブアレイ１または第１のサブアパーチャ１によってトランスデューサ素子２０がまず発射モードで用いられ、次に、第２のサブアレイ２または第２のサブアパーチャ２によってトランスデューサ素子２０が第２の発射モードで用いられ、次に、第３のサブアレイ３または第３のサブアパーチャ３によってトランスデューサ素子２０が第３の発射モードで用いられる。発射モードにおけるそれぞれのサブアパーチャの下には、受信器モードで機能するアレイ２０’におけるトランスデューサ素子２０と、受信されたそれぞれのビーム形成出力をコヒーレンス係数（２４）によって重み付けすること（２３）と、それぞれのサブアパーチャ送信からの、コヒーレンス係数で重み付けされた受信されたビーム形成出力のすべてを合成すること（２５）とのすべてが示されている。
【００２２】
図３は、プローブ２が３つのサブアパーチャ（Ｆｉｒｅ−１、Ｆｉｒｅ−２、および、Ｆｉｒｅ−３）によって制御される別の例を示す。この例では、サブアパーチャはオーバーラップしない。しかし、本発明は、２つ以上の任意の好適な数のサブアパーチャに関し、それぞれのサブアパーチャは、２つ以上の任意数のトランスデューサ素子を含むことができる。この例では、トランスデューサ素子２０からなるアレイ２０’における、異なるサブアパーチャにおける連続的な発射を例示するために、ロータリスイッチ５１を含む超音波試験ユニット５が概略的に示されている。図３の例は、必要な走査のステアリング角とフォーカシング深度で試験対象物３に入る、ビーム形成され、ステアリングされ、フォーカシングされた送信ビーム２８を生成するために、それぞれのトランスデューサ素子からの信号２６が遅延する（２７）ことを示す。サブアパーチャは、状況に応じてユニット２７で遅延を調節することによって、固定フォーカシングまたは動的フォーカシングなどの任意である所望のフォーカシング方法をとることができる。対応する遅延は、受信部２１で用いられる。
【００２３】
エコーを収集するためにアレイ２’’全体におけるすべての素子（Ｎ個の素子２０）がアクティブになる一方で、パルスを試験対象物３に発射するためにサブアパーチャを用いることによって、感度と、侵入度と、往復のデータ処理（ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）ごとの信号対雑音比とのうちの１つまたは複数が増す。非オーバーラップの合成の送信の場合、定義されたそれぞれの単一サブアレイにＭ個の素子が含まれているとすると、すべての合成送信処理に対してＬ個（Ｌ＝Ｎ／Ｍ）のサブアレイが用いられていることになる（ここで、ｋ＝１：Ｌ）。また、サブアレイは、オーバーラップによって定義することもできる。この手段によって、サブアレイの数は増え、オーバーラップ素子を重み付けすることによってアレイ全体にアポディゼーションが導入される。
【００２４】
本発明におけるＳＴＦ−ＤＲＦのビーム形成の段階では、ｓｕｂ−ａｐｅｒｔｕｒｅ（ｋ）として示されるｋ番目のグループは、複数のＭ個の送信素子からなる。それぞれの発射の段階では、それぞれの発射プロセスに対してパルスを試験対象物３に入射するためにＭ個の素子がアクティブとなり、エコーの段階では、収集のためにアレイ全体におけるすべての素子（Ｎ個の素子）がアクティブとなる。受信のためにアレイ全体を用いる、組み合わされたサブアレイ送信に対するＬ回の往復によって、データ記憶量（ｄａｔａ ｓｔｏｒａｇｅ）はＬ＊ＮのＲＦラインに減少する。
【００２５】
アレイの位相中心は、ＳＴＦ−ＤＲＦ法によってあらかじめ決められていてもよく、サブアレイの位相中心は、それぞれの関係するサブアレイの幾何学的な中心点に定められてもよい。位相中心は、ｋ番目のｓｕｂ−ａｐｅｒｔｕｒｅ（ｋ）の場合、（ＸSub(k)＿PhaseCenter，Ｚsub(k)＿PhaseCenter＝０）として示される横方向Ｘ、および深さＺの次元に調整される。サブアレイの位相中心は、アレイ全体の位相中心からＸSub(k)＿PhaseCenterだけ右または左に平行移動している。
【００２６】
図４は、ビーム形成ステアリング走査イメージングを示す。ｓｕｂ−ａｒｒａｙ（ｋ）のステアリングの角度αの送信におけるビームラインに沿う撮像ピクセル（ｘ，ｚ）の強度を計算するために、角度αによって対応する固定の送信の焦点
【００２７】
【数１】
を計算することができ、固定の送信の焦点は、横方向のＸSub(k)＿PhaseCenterにおける関連するサブアレイの位相中心によって回転とシフトをしており、
【００２８】
【数２】
が得られ、上式で、Ｒは、ｋ番目のサブアレイに対する固定の送信範囲であり、パルスは、ｉ番目の送信素子から音の移動速度ＣSoundで焦点に、
【００２９】
【数３】
のように遅延をもって伝わる。一方、動的フォーカシングに関係するエコー時間遅延は、ｋ番目のサブアレイの発射のもとでのｊ番目の受信素子に対して、
【００３０】
【数４】
として説明することができる。
【００３１】
動的受信フォーカシングを伴う合成送信フォーカシング（ＳＴＦ−ＤＲＦ）のビーム形成方法は、ステアリングの角度αの方向から取り出されるエコーを、
【００３２】
【数５】
として与える。
【００３３】
第１の和（ｋによる添え字）は、Ｌ個のサブアパーチャの合成仮想アレイの送信のためのものであり、第２の和（ｉによる添え字）は、送信のビーム形成の和のためのものであり、第３の和（ｊによる添え字）は、受信のビーム形成のためのものである。
【００３４】
図５は、試験対象物３から反射した超音波信号を受信するプローブ２および超音波試験ユニットのより詳細な図を示す。この例では、それぞれのサブアパーチャの送信の後に試験対象物３からの反射エコーを収集するために、プローブ２におけるすべてのトランスデューサ素子２０が用いられている。次に、トランスデューサ素子２０からの信号２９は、必要なフォーカシング遅延に相当する量だけ遅延する（２１）。次に、アレイにおける受信中のトランスデューサ素子２０のすべてからの遅延した信号３０は、コヒーレンス係数によって重み付けされる前に合計される（２２）。
【００３５】
次に、コヒーレンス係数を求めるための方法の例を説明する。
【００３６】
トランスデューサアレイ２０’が、ＮｕｍＲｅｃとして与えられる複数の受信中のトランスデューサ素子２０を有し、サブアパーチャのビームを形成する送信するサブアレイの数がＮｕｍＳｕｂである場合、ビームステアリング走査領域におけるそれぞれの受信ピクセル（ｘ，ｚ）の撮像強度は、
【００３７】
【数６】
として説明することができ、上式で、Ｘsub,j（ｔ−τj（ｘ，ｚ））は、Ｓｕｂ番目のサブアパーチャの固定フォーカシングの発射のもとでの受信フェーズアレイにおけるｉ番目の受信素子２０の、時間調整された受信信号である。
【００３８】
受信アレイ素子２０を通じて収集されたそれぞれの受信エコー信号は、ブロック２１によって示されているように、対応する時間遅延τj（ｘ，ｚ）を加えることによって時間調整され、焦点（ｘ，ｚ）に位置合わせされることになる。次に、すべての位置合わせ信号は、ブロック２２によって示されているように合計され、撮像された画像におけるフォーカシング強度ピクセル（ｘ，ｚ）として定められる。
【００３９】
図５に示されているように、受信エコー信号を処理する間、位置合わせ信号が最終的にユニット２５で撮像ピクセルに合成される前に、ステアリング走査撮像ピクセルごとにフォーカシング品質が常に評価される。コヒーレンス係数が導入され、以下の式５によって
【００４０】
【数７】
として定義される。
【００４１】
サブアパーチャの送信ごとのコヒーレンス係数ＣＦSub（ｘ，ｚ，ｔ）は、空間的なコヒーレンスの信頼度の割合と解釈することができ、アレイ２０’におけるすべてのトランスデューサ素子からの位置合わせフォーカシング受信信号によって収集されたすべての非コヒーレントエネルギーにおけるコヒーレントエネルギーの割合またはパーセンテージとして計算される。この例では、コヒーレント係数の値は、０から１であり、０と１を含む。この値は、高いほど、収集されたすべての信号エネルギーに含まれるコヒーレントエネルギーの高い割合に相当し、この高い割合は、良好なフォーカシング品質における高い信頼度、または、正確に位置合わせされ、フォーカシングされた受信信号における高い信頼度を示す。また、コヒーレンス係数の値は、低いほど不十分なフォーカシング品質を示す。
【００４２】
適応可能なコヒーレンス測定値の重み付けを加えることによって、位相が合っている信号が強調され、適応可能なコヒーレンスの信頼度の割合が増す一方、位相が合っていない信号は著しく抑圧され、干渉の著しい低減によって実際の反射波どうしの間のコントラストが強調され、結果として得られる高品質の画像がもたらされることがわかっている。
【００４３】
サブアパーチャの送信アレイの数がＮｕｍＳｕｂであると共に、ＮｕｍＲｅｃとして数えられる受信トランスデューサ素子２０に対してコヒーレンス係数で乗算される場合、ビームステアリング走査領域のピクセル（ｘ，ｚ）における、結果として得られる適応可能なＳＴＦ−ＤＲＦの撮像強度は、
【００４４】
【数８】
として定義される。
【００４５】
上記で説明されているように、これは、干渉がはるかに少ない実際の反射波どうしの間の高いコントラストを有する、結果として得られる高品質の画像をもたらす。
【００４６】
次に、複数のサブアパーチャ送信のそれぞれからの、コヒーレンス係数で重み付けされた受信信号３１は、最終的な画像を提供するためにユニット２５で合成される。
【００４７】
異なる材料で作られているなどの様々な属性を有する試験対象物と共にこの試験システムが用いられる場合、式におけるいくつかのパラメータは、状況に応じて調整されてもよい。
【００４８】
図６ａは、ＳＴＦ−ＤＲＦの超音波イメージングの段階のみによって得られた画像を示し、図６ｂは、本発明の例を用いた、同じ試験対象物に対するイメージングの結果を示す。結果として得られるこれらの画像の比較よりわかるように、本発明の例によってもたらされた図６ｂにおけるイメージングの結果は、極めて良好なコントラストと、極めて低い干渉とを有し、それによってオペレータは、はるかに容易にこれらを解釈することができ、大きさなどの、検出された構造に関する情報を得ることができ、救済措置をとるかどうかを、より自信をもって判断することができる。
【００４９】
図７は、図６ａに示されている方法と、図６ｂに示されている本発明の例における方法とに対する、様々な深さにおいて検出された欠陥のピクセル強度における比較である。図７では、図６ａに示されている方法に対する信号の振幅はａで示されており、図６ｂの、本発明の例によって得られた信号の振幅は、ｂで示されている。理解されるように、試験対象物３におけるそれぞれの欠陥について、本発明の例によってもたらされた信号は、「広がり」が少なく、はるかに正確であり、試験片における欠陥に関するはるかに正確で正しい表示をオペレータにもたらしている。
【００５０】
図８ａは、コヒーレンス係数を用いない撮像方法によってもたらされた、欠陥を有する試験対象物の画像における別の例を示し、図８ｂは、本発明の例を用いた、同じ試験片からの結果を示す。明確に理解されるように、これらの欠陥は、干渉の少ない本発明の例を用いてはるかに容易に特定可能であり、それによって、オペレータが、試験片における欠陥をはるかに確実に特定し、また、いかに深刻であるかなどの、欠陥に関する情報を提供することが可能となる。
【００５１】
本発明の範囲から逸脱することなく、上記の例に対して多くの変更を行うことができる。例えば、アレイ２０’における任意数のサブアパーチャが用いられてもよく、それらのサブアパーチャのそれぞれは、任意の所望数のトランスデューサ素子２０を有してもよい。本発明の例は、３Ｄのビーム形成のイメージングを提供するために用いられてもよい。１次元アレイまたは２次元アレイなどの任意の種類のアレイが用いられてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 超音波試験システム
２ プローブ
３ 試験対象物
５ 超音波試験ユニット
１０ 撮像システム
２０ トランスデューサ素子
２０’ アレイ
２１ 遅延ユニット
２２ 合計ユニット
２３ 重み付け
２４ コヒーレンス係数ユニット
２５ 合成ユニット
２６ 信号
２７ 遅延ユニット
２８ ステアリングされ、フォーカシングされた送信ビーム
２９ 信号
３０ 遅延信号
３１ コヒーレンス係数で重み付けされた受信信号
５１ ロータリスイッチ
ＣＦ１（ｔ） コヒーレンス係数
ＣＦ２（ｔ） コヒーレンス係数
ＣＦ３（ｔ） コヒーレンス係数
Ｌ サブアレイの数
Ｍ サブアレイにおける素子の数
Ｎ 素子全体の数
Ｒ 固定の送信範囲
α 角度
τ 時間遅延
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して非破壊試験に関し、詳細には超音波イメージングに関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊試験デバイスは、試験対象物を検査して、その試験対象物の不具合および欠陥を特定および分析するために用いることができる。オペレータは、試験対象物の表面、または、その表面の近くにプローブを動かし、その試験対象物の表面と、その表面の下にある構造体との両方の試験を行うことができる。非破壊試験は、周囲の構造物から試験対象物を取り外すことなくその対象物の試験が行われる必要があり、また目視検査では特定できない隠れた欠陥がある可能性のある、航空宇宙、発電、原油およびガスの採取ならびに精製などの一部の産業において特に有用であり得る。
【０００３】
非破壊試験の一例は、超音波試験である。超音波試験を行う場合、プローブから超音波パルスを放射し、その超音波パルスを、試験対象物の特定の材料における固有の音速で、その試験対象物を通して送ることができる。所与の材料における音速は、主に材料の弾性係数、温度、および密度に依存する。試験対象物への超音波パルスの印加によって、超音波パルスと、試験対象物の構造体との間の相互作用が引き起こされ、音波は反射してプローブに戻る。プローブによって受信される信号に対する評価、すなわち、これらの信号の振幅および伝搬時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）によって、試験対象物を破壊することなく、亀裂または腐食などの試験対象物における内部品質に関する判定を行うことが可能となる。
【０００４】
一般に、超音波試験システムは、試験対象物に信号を送信し、また試験対象物から信号を受信するためのプローブと、プローブを超音波試験ユニットに接続するプローブケーブルと、試験結果を見るためのスクリーンまたはモニタとを含む。超音波試験ユニットは、電源コンポーネント、信号生成回路、信号増幅回路、および、信号処理回路、ならびに、非破壊試験デバイスを動作させるために用いられるデバイス制御部を含む。一部の超音波試験ユニットは、システム動作と、試験結果の処理とを制御し、表示を行うコンピュータに接続することができる。電気パルスは、送信器によって生成することができ、それらの電気パルスが超音波トランスデューサによって超音波パルスに変換され得るプローブに送ることができる。
【０００５】
従来の超音波撮像システムは、集束した超音波ビームを対象物に向けて送信することによってその対象物を走査するために、超音波トランスデューサ素子のアレイを有する。反射した音響波は、受信され、ビーム形成され、表示用に処理される。
【０００６】
従来のビーム形成方法では、リニアアレイ構造体によってビームパターンプロファイル（ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）が決められる。素子間隔は、グレーティングローブを避けるために動作周波数の半波長未満に設定されていた。アレイ構造体の素子が少ない場合、そのアレイ構造体は、広いメインローブと、予測可能な角度における高レベルのサイドローブを有するという固有の問題を被る。これは、広いメインビームに起因する集束の弱い応答によって引き起こされる解像度の低さと、高レベルの不用なサイドローブに起因する著しい干渉を受ける実際の反射波どうしの間の低コントラストとを伴う、低品質のイメージングをもたらす。サイドローブのレベルは、様々なシェーディングウィンドウ（ｓｈａｄｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）を用いることによって抑圧することができるが、これは、トレードオフの代償としてメインローブを広げ、それによりイメージングの解像度はさらに低下する。最小分散法などの、サイドローブの影響を効果的に低減するための他の方法が考えられているが、これらの方法は、一般に相当なレベルの計算を必要とし、コストの増加とスピードの低下をもたらす。
【０００７】
大規模なアレイ構造体を用いることによってサイドローブのレベルを下げることができるが、これは、このようなあらゆるシステムのコスト、サイズ、および複雑さを増やす。
【発明の概要】
【０００８】
大きすぎず、複雑すぎず、また高価すぎることなく、高いコントラストと、許容可能な良好な解像度とを有する良好な品質の出力画像をもたらす携帯型の撮像システム、および、対応する方法を有することが望ましい。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、トランスデューサ素子のアレイを有する超音波撮像システムを動作させる方法が提供され、この方法は、複数の超音波信号を送信するステップであって、それぞれの送信に、上記アレイにおける異なるサブアパーチャが用いられる、ステップと、アレイ全体、または、アレイにおけるサブアパーチャを用いてそれぞれのサブアパーチャの送信に対応する反射超音波信号を受信するステップと、それぞれのサブアパーチャの送信からの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数を計算し、計算されたコヒーレンス係数によって、対応する出力信号に重み付けするステップと、異なるすべてのサブアパーチャの送信のもとでの、コヒーレンス係数で重み付けされたすべての出力信号を合成して、イメージングによって変換された最終的なピクセル強度を生成するステップとを含む。
【００１０】
アレイにおける異なるサブアパーチャを用いて複数の超音波信号を送信するステップは、多数の送信チャネルを有することなく、欠陥に対する強化された受信感度を提供する。コヒーレンス係数を用いることによって、サイドローブの抑圧が強化され、それにより、鮮明度、コントラスト、および解像度における向上した品質でイメージングを提供するためのビーム形成の性能が強化される。
【００１１】
それぞれのサブアパーチャでは、アレイにおけるトランスデューサ素子の任意の分割が用いられてもよい。サブアパーチャは、互いにオーバーラップしていてもしていなくてもよく、向上したサードローブの抑圧と、強化された画像コントラストとをもたらす。トランスデューサ素子からなるアレイのすべてが、反射超音波信号を受信し、それぞれの受信フォーカシング信号を生成するために用いられることが好ましい。コヒーレンス係数は、受信されたそれぞれのトランスデューサ信号の非コヒーレントエネルギー全体におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当することが好ましい。
【００１２】
受信信号は、ビーム形成されることなどによってフォーカシングされてもよい。
【００１３】
コヒーレンス係数は、０と１を含む０から１の範囲であることが好ましい。高い値は、収集された信号エネルギー全体に含まれるコヒーレントエネルギーの高い割合、すなわち、良好なフォーカシング品質における高い信頼度を示す。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、超音波撮像システムが提供され、このシステムは、アレイにおける異なるサブアパーチャを用いて複数の超音波信号を送信し、サブアパーチャの送信ごとに試験片からの反射超音波信号を受信するように構成されたトランスデューサ素子のアレイと、それぞれのサブアパーチャの送信からの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数を計算し、計算されたコヒーレンス係数によって受信信号を重み付けするように構成され、異なるサブアパーチャの送信からの重み付けされたすべての出力を合成するコントローラと、試験片の構造を示す画像を表示するために、提供される出力信号をディスプレイに提供するための出力部とを備える。
【００１５】
次に添付図面を参照して、本発明の例を例示のみによって説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】典型的な超音波試験システムの例である。
【図２】本発明を例示する超音波試験システムの例である。
【図３】本発明の例における非オーバーラップのサブアパーチャ送信部のより詳細な例である。
【図４】ビーム形成ステアリング走査イメージングの図である。
【図５】本発明の例である図３における３つのサブアパーチャ送信に関係する受信部のより詳細な例である。
【図６ａ】動的受信フォーカシングを伴う合成固定送信フォーカシング（ＳＴＦ−ＤＲＦ）だけを用いたシステムによって生成されたイメージングの例である。
【図６ｂ】本発明の例によって生成された、適応型の合成ＳＴＦ−ＤＲＴイメージングの例である。
【図７】図６ａおよび図６ｂに示されている画像に対する、様々な深さにおいて検出された欠陥のピクセル強度を示す図である。
【図８ａ】合成サブアパーチャの、動的受信フォーカシングを伴う合成固定送信フォーカシング（ＳＴＦ−ＤＲＦ）法によるイメージングと、本発明の例によるイメージングとのさらなる比較例である。
【図８ｂ】合成サブアパーチャの、動的受信フォーカシングを伴う合成固定送信フォーカシング（ＳＴＦ−ＤＲＦ）法によるイメージングと、本発明の例によるイメージングとのさらなる比較例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、超音波試験システム１の例を示す。このシステムは、試験対象物３に信号を送信し、また試験対象物３から信号を受信するためのプローブ２を含む。この例では、プローブ２は、信号を送信し、試験対象物３から反射した超音波信号を受信するように構成されている。しかし他の例では、プローブは、代替的に、試験対象物３を貫通して送信された超音波信号を受信するように構成されていてもよい。試験対象物３は、周囲の構造物から試験対象物３を取り外すことを必要とせずに試験を行うことができる、例えば飛行機または船などの乗り物のパネル、パイプラインの部分、または、工場の一部などの、不具合または欠陥を求めて分析される任意の好適な対象物でもよい。使用時には、プローブ２は、試験対象物３の構造を分析するために、試験対象物３の表面の上を動かされる。プローブ２は、トランスデューサ素子のアレイを有する。プローブケーブル４は、プローブ２を超音波試験ユニット５に接続する。この超音波試験ユニットは、例えばプローブ２に送られることになる電気パルスを生成するために、信号生成回路、信号増幅回路、および、信号処理回路などのための制御プロセッサを有し、プローブ２では、電気パルスが超音波トランスデューサによって超音波パルスに変換される。また、超音波試験ユニット５は、プローブ２によってもたらされる反射信号を受信することができる。超音波試験ユニット５は、電気出力部を有しており、ユーザーが試験対象物３の構造を分析し、また、その試験対象物における可能性のある任意の不具合または欠陥を特定することを可能とするために、その出力部に基づく結果をユーザーに表示するためのスクリーンもしくはモニタ６を含んでいてもよく、または、スクリーンもしくはモニタ６に接続されていてもよい。携帯型の試験システムの場合には、超音波試験ユニット５は、単一ユニットとしてスクリーンまたはモニタ６と組み合わせられることになる。スクリーンまたはモニタ６は、超音波試験ユニット５に接続することができ、また超音波試験ユニット５の機能の一部を提供することが可能なコンピュータによって提供されてもよい。
【００１８】
図２は、本発明による撮像システム１０の実施形態を示す。この実施形態は、適応型の合成送信フォーカシングおよび動的受信フォーカシング（適応型のＳＴＦ−ＤＲＦ）のビーム形成方法である。プローブ２は、アレイ２０’の中に複数のトランスデューサ素子２０を含む。この例では、図２は、１６個のトランスデューサ素子２０からなるリニアアレイ２０’を有するプローブ２を示す。上側部分２’は、送信時のプローブを概略的に示す。理解されるように、プローブ２は、異なるサブアパーチャまたはサブアレイを用いて複数の超音波信号を送信するように構成されている。図２の例では、サブアレイ１またはサブアパーチャ１は、アレイ２０’の左側における８つのトランスデューサ素子２０を用いて送信することを含み、サブアレイ２またはサブアパーチャ２は、アレイ２０’の中央における８つのトランスデューサ素子２０を用いて送信することを含み、また、サブアレイ３またはサブアパーチャ３は、アレイ構造２０’の右手側における８つのトランスデューサ素子２０を用いて送信することを含み、これらのサブアパーチャは順に並んでいる。オーバーラップしていてもしていなくてもよい任意の所望数のトランスデューサ素子２０を用いた、アレイ２０’におけるサブアパーチャの任意の好適な構成を用いることができる。図２に示されているプローブ２の下側部分２’’は、試験対象物３からのエコーを受信するための、トランスデューサアレイの使い方を示す。この例では、反射信号を受信するために、アレイ２０’におけるすべてのトランスデューサ素子２０が用いられている。この例では、それぞれのトランスデューサ素子２０によって生成され、受信された超音波信号に該当する信号は、遅延ユニット２１において適切なビーム形成の遅延を受け、遅延した受信信号は、合計ユニット２２において合計される。次に、それぞれのサブアパーチャ送信からの受信されたビーム形成出力は、それぞれの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数ＣＦ１（ｔ）、ＣＦ２（ｔ）、ＣＦ３（ｔ）、・・・によって重み付け（２３）される。この重み付け（２３）は、コヒーレンス係数による乗算を含むことができる。この例では、それぞれのサブアパーチャ送信からの受信されたそれぞれの信号の非コヒーレントエネルギー全体におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数は、コヒーレンス係数ユニット２４で求められる。
【００１９】
次に、それぞれのサブアパーチャ送信からの、コヒーレンス係数で重み付けされた受信出力は、どのような不具合または欠陥も容易に特定され得るように、より鮮明な最終画像を提供するために合成ユニット２５によって合計される。
【００２０】
実際には、遅延（２１）、ＤＡＳビーム形成（２２）、重み付け（２３）、適応可能なコヒーレンス係数の決定（２４）、および合成（２５）のすべては、コンピュータ、マイクロプロセッサなどの制御プロセッサ、または、ハードワイヤードの電子回路によって行われる。
【００２１】
図２は、単一のプローブ２を示しており、第１のサブアレイ１または第１のサブアパーチャ１によってトランスデューサ素子２０がまず発射モードで用いられ、次に、第２のサブアレイ２または第２のサブアパーチャ２によってトランスデューサ素子２０が第２の発射モードで用いられ、次に、第３のサブアレイ３または第３のサブアパーチャ３によってトランスデューサ素子２０が第３の発射モードで用いられる。発射モードにおけるそれぞれのサブアパーチャの下には、受信器モードで機能するアレイ２０’におけるトランスデューサ素子２０と、受信されたそれぞれのビーム形成出力をコヒーレンス係数（２４）によって重み付けすること（２３）と、それぞれのサブアパーチャ送信からの、コヒーレンス係数で重み付けされた受信されたビーム形成出力のすべてを合成すること（２５）とのすべてが示されている。
【００２２】
図３は、プローブ２が３つのサブアパーチャ（Ｆｉｒｅ−１、Ｆｉｒｅ−２、および、Ｆｉｒｅ−３）によって制御される別の例を示す。この例では、サブアパーチャはオーバーラップしない。しかし、本発明は、２つ以上の任意の好適な数のサブアパーチャに関し、それぞれのサブアパーチャは、２つ以上の任意数のトランスデューサ素子を含むことができる。この例では、トランスデューサ素子２０からなるアレイ２０’における、異なるサブアパーチャにおける連続的な発射を例示するために、ロータリスイッチ５１を含む超音波試験ユニット５が概略的に示されている。図３の例は、必要な走査のステアリング角とフォーカシング深度で試験対象物３に入る、ビーム形成され、ステアリングされ、フォーカシングされた送信ビーム２８を生成するために、それぞれのトランスデューサ素子からの信号２６が遅延する（２７）ことを示す。サブアパーチャは、状況に応じてユニット２７で遅延を調節することによって、固定フォーカシングまたは動的フォーカシングなどの任意である所望のフォーカシング方法をとることができる。対応する遅延は、受信部２１で用いられる。
【００２３】
エコーを収集するためにアレイ２’’全体におけるすべての素子（Ｎ個の素子２０）がアクティブになる一方で、パルスを試験対象物３に発射するためにサブアパーチャを用いることによって、感度と、侵入度と、往復のデータ処理（ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）ごとの信号対雑音比とのうちの１つまたは複数が増す。非オーバーラップの合成の送信の場合、定義されたそれぞれの単一サブアレイにＭ個の素子が含まれているとすると、すべての合成送信処理に対してＬ個（Ｌ＝Ｎ／Ｍ）のサブアレイが用いられていることになる（ここで、ｋ＝１：Ｌ）。また、サブアレイは、オーバーラップによって定義することもできる。この手段によって、サブアレイの数は増え、オーバーラップ素子を重み付けすることによってアレイ全体にアポディゼーションが導入される。
【００２４】
本発明におけるＳＴＦ−ＤＲＦのビーム形成の段階では、ｓｕｂ−ａｐｅｒｔｕｒｅ（ｋ）として示されるｋ番目のグループは、複数のＭ個の送信素子からなる。それぞれの発射の段階では、それぞれの発射プロセスに対してパルスを試験対象物３に入射するためにＭ個の素子がアクティブとなり、エコーの段階では、収集のためにアレイ全体におけるすべての素子（Ｎ個の素子）がアクティブとなる。受信のためにアレイ全体を用いる、組み合わされたサブアレイ送信に対するＬ回の往復によって、データ記憶量（ｄａｔａ ｓｔｏｒａｇｅ）はＬ＊ＮのＲＦラインに減少する。
【００２５】
アレイの位相中心は、ＳＴＦ−ＤＲＦ法によってあらかじめ決められていてもよく、サブアレイの位相中心は、それぞれの関係するサブアレイの幾何学的な中心点に定められてもよい。位相中心は、ｋ番目のｓｕｂ−ａｐｅｒｔｕｒｅ（ｋ）の場合、（ＸSub(k)＿PhaseCenter，Ｚsub(k)＿PhaseCenter＝０）として示される横方向Ｘ、および深さＺの次元に調整される。サブアレイの位相中心は、アレイ全体の位相中心からＸSub(k)＿PhaseCenterだけ右または左に平行移動している。
【００２６】
図４は、ビーム形成ステアリング走査イメージングを示す。ｓｕｂ−ａｒｒａｙ（ｋ）のステアリングの角度αの送信におけるビームラインに沿う撮像ピクセル（ｘ，ｚ）の強度を計算するために、角度αによって対応する固定の送信の焦点
【００２７】
【数１】
を計算することができ、固定の送信の焦点は、横方向のＸSub(k)＿PhaseCenterにおける関連するサブアレイの位相中心によって回転とシフトをしており、
【００２８】
【数２】
が得られ、上式で、Ｒは、ｋ番目のサブアレイに対する固定の送信範囲であり、パルスは、ｉ番目の送信素子から音の移動速度ＣSoundで焦点に、
【００２９】
【数３】
のように遅延をもって伝わる。一方、動的フォーカシングに関係するエコー時間遅延は、ｋ番目のサブアレイの発射のもとでのｊ番目の受信素子に対して、
【００３０】
【数４】
として説明することができる。
【００３１】
動的受信フォーカシングを伴う合成送信フォーカシング（ＳＴＦ−ＤＲＦ）のビーム形成方法は、ステアリングの角度αの方向から取り出されるエコーを、
【００３２】
【数５】
として与える。
【００３３】
第１の和（ｋによる添え字）は、Ｌ個のサブアパーチャの合成仮想アレイの送信のためのものであり、第２の和（ｉによる添え字）は、送信のビーム形成の和のためのものであり、第３の和（ｊによる添え字）は、受信のビーム形成のためのものである。
【００３４】
図５は、試験対象物３から反射した超音波信号を受信するプローブ２および超音波試験ユニットのより詳細な図を示す。この例では、それぞれのサブアパーチャの送信の後に試験対象物３からの反射エコーを収集するために、プローブ２におけるすべてのトランスデューサ素子２０が用いられている。次に、トランスデューサ素子２０からの信号２９は、必要なフォーカシング遅延に相当する量だけ遅延する（２１）。次に、アレイにおける受信中のトランスデューサ素子２０のすべてからの遅延した信号３０は、コヒーレンス係数によって重み付けされる前に合計される（２２）。
【００３５】
次に、コヒーレンス係数を求めるための方法の例を説明する。
【００３６】
トランスデューサアレイ２０’が、ＮｕｍＲｅｃとして与えられる複数の受信中のトランスデューサ素子２０を有し、サブアパーチャのビームを形成する送信するサブアレイの数がＮｕｍＳｕｂである場合、ビームステアリング走査領域におけるそれぞれの受信ピクセル（ｘ，ｚ）の撮像強度は、
【００３７】
【数６】
として説明することができ、上式で、Ｘsub,j（ｔ−τj（ｘ，ｚ））は、Ｓｕｂ番目のサブアパーチャの固定フォーカシングの発射のもとでの受信フェーズアレイにおけるｉ番目の受信素子２０の、時間調整された受信信号である。
【００３８】
受信アレイ素子２０を通じて収集されたそれぞれの受信エコー信号は、ブロック２１によって示されているように、対応する時間遅延τj（ｘ，ｚ）を加えることによって時間調整され、焦点（ｘ，ｚ）に位置合わせされることになる。次に、すべての位置合わせ信号は、ブロック２２によって示されているように合計され、撮像された画像におけるフォーカシング強度ピクセル（ｘ，ｚ）として定められる。
【００３９】
図５に示されているように、受信エコー信号を処理する間、位置合わせ信号が最終的にユニット２５で撮像ピクセルに合成される前に、ステアリング走査撮像ピクセルごとにフォーカシング品質が常に評価される。コヒーレンス係数が導入され、以下の式５によって
【００４０】
【数７】
として定義される。
【００４１】
サブアパーチャの送信ごとのコヒーレンス係数ＣＦSub（ｘ，ｚ，ｔ）は、空間的なコヒーレンスの信頼度の割合と解釈することができ、アレイ２０’におけるすべてのトランスデューサ素子からの位置合わせフォーカシング受信信号によって収集されたすべての非コヒーレントエネルギーにおけるコヒーレントエネルギーの割合またはパーセンテージとして計算される。この例では、コヒーレント係数の値は、０から１であり、０と１を含む。この値は、高いほど、収集されたすべての信号エネルギーに含まれるコヒーレントエネルギーの高い割合に相当し、この高い割合は、良好なフォーカシング品質における高い信頼度、または、正確に位置合わせされ、フォーカシングされた受信信号における高い信頼度を示す。また、コヒーレンス係数の値は、低いほど不十分なフォーカシング品質を示す。
【００４２】
適応可能なコヒーレンス測定値の重み付けを加えることによって、位相が合っている信号が強調され、適応可能なコヒーレンスの信頼度の割合が増す一方、位相が合っていない信号は著しく抑圧され、干渉の著しい低減によって実際の反射波どうしの間のコントラストが強調され、結果として得られる高品質の画像がもたらされることがわかっている。
【００４３】
サブアパーチャの送信アレイの数がＮｕｍＳｕｂであると共に、ＮｕｍＲｅｃとして数えられる受信トランスデューサ素子２０に対してコヒーレンス係数で乗算される場合、ビームステアリング走査領域のピクセル（ｘ，ｚ）における、結果として得られる適応可能なＳＴＦ−ＤＲＦの撮像強度は、
【００４４】
【数８】
として定義される。
【００４５】
上記で説明されているように、これは、干渉がはるかに少ない実際の反射波どうしの間の高いコントラストを有する、結果として得られる高品質の画像をもたらす。
【００４６】
次に、複数のサブアパーチャ送信のそれぞれからの、コヒーレンス係数で重み付けされた受信信号３１は、最終的な画像を提供するためにユニット２５で合成される。
【００４７】
異なる材料で作られているなどの様々な属性を有する試験対象物と共にこの試験システムが用いられる場合、式におけるいくつかのパラメータは、状況に応じて調整されてもよい。
【００４８】
図６ａは、ＳＴＦ−ＤＲＦの超音波イメージングの段階のみによって得られた画像を示し、図６ｂは、本発明の例を用いた、同じ試験対象物に対するイメージングの結果を示す。結果として得られるこれらの画像の比較よりわかるように、本発明の例によってもたらされた図６ｂにおけるイメージングの結果は、極めて良好なコントラストと、極めて低い干渉とを有し、それによってオペレータは、はるかに容易にこれらを解釈することができ、大きさなどの、検出された構造に関する情報を得ることができ、救済措置をとるかどうかを、より自信をもって判断することができる。
【００４９】
図７は、図６ａに示されている方法と、図６ｂに示されている本発明の例における方法とに対する、様々な深さにおいて検出された欠陥のピクセル強度における比較である。図７では、図６ａに示されている方法に対する信号の振幅はａで示されており、図６ｂの、本発明の例によって得られた信号の振幅は、ｂで示されている。理解されるように、試験対象物３におけるそれぞれの欠陥について、本発明の例によってもたらされた信号は、「広がり」が少なく、はるかに正確であり、試験片における欠陥に関するはるかに正確で正しい表示をオペレータにもたらしている。
【００５０】
図８ａは、コヒーレンス係数を用いない撮像方法によってもたらされた、欠陥を有する試験対象物の画像における別の例を示し、図８ｂは、本発明の例を用いた、同じ試験片からの結果を示す。明確に理解されるように、これらの欠陥は、干渉の少ない本発明の例を用いてはるかに容易に特定可能であり、それによって、オペレータが、試験片における欠陥をはるかに確実に特定し、また、いかに深刻であるかなどの、欠陥に関する情報を提供することが可能となる。
【００５１】
本発明の範囲から逸脱することなく、上記の例に対して多くの変更を行うことができる。例えば、アレイ２０’における任意数のサブアパーチャが用いられてもよく、それらのサブアパーチャのそれぞれは、任意の所望数のトランスデューサ素子２０を有してもよい。本発明の例は、３Ｄのビーム形成のイメージングを提供するために用いられてもよい。１次元アレイまたは２次元アレイなどの任意の種類のアレイが用いられてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 超音波試験システム
２ プローブ
３ 試験対象物
５ 超音波試験ユニット
１０ 撮像システム
２０ トランスデューサ素子
２０’ アレイ
２１ 遅延ユニット
２２ 合計ユニット
２３ 重み付け
２４ コヒーレンス係数ユニット
２５ 合成ユニット
２６ 信号
２７ 遅延ユニット
２８ ステアリングされ、フォーカシングされた送信ビーム
２９ 信号
３０ 遅延信号
３１ コヒーレンス係数で重み付けされた受信信号
５１ ロータリスイッチ
ＣＦ１（ｔ） コヒーレンス係数
ＣＦ２（ｔ） コヒーレンス係数
ＣＦ３（ｔ） コヒーレンス係数
Ｌ サブアレイの数
Ｍ サブアレイにおける素子の数
Ｎ 素子全体の数
Ｒ 固定の送信範囲
α 角度
τ 時間遅延
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサ素子のアレイを有する超音波撮像システムを動作させる方法であって、
複数の超音波信号を送信するステップであって、それぞれの送信に、前記アレイにおける異なるサブアパーチャが用いられる、ステップと、
それぞれのサブアパーチャの送信に対応する受信アレイによって複数の反射超音波信号を受信するステップと、
それぞれのサブアパーチャの送信からの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数を計算し、計算された前記コヒーレンス係数によって前記受信出力に重み付けするステップと、
異なるすべてのサブアパーチャの送信のもとでの、すべての重み付けされた出力を合成するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記複数のサブアパーチャの送信のそれぞれからの、前記コヒーレンス係数で重み付けされたビーム形成出力が合成される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記コヒーレンス係数が、時間調整された受信トランスデューサ信号の非コヒーレントエネルギー全体におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
サブアパーチャの送信のビーム形成、または、受信のビーム形成、または、両方のいずれかに対して遅延和の原理が用いられる、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
送信のビーム形成が、固定フォーカス送信、複数の固定フォーカス送信のゾーン、または、十分な動的送信フォーカスの形態で用いられる、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
動的フォーカシングが、受信フォーカシングのビーム形成で用いられる、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記コヒーレンス係数が、時間調整された受信信号のエネルギー、振幅、または符号のいずれかにおけるそれぞれの異なるコヒーレンス測定値によって定義される、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記コヒーレンス係数が、０と１を含む０から１の範囲に正規化され、高い値が、トランスデューサによって収集された信号全体に含まれるコヒーレント信号の高い割合を示す、請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
それぞれのピクセル（ｘ，ｚ，ｔ）における撮像強度が、
【数９】
によって求められ、上式で、ＢｅａｍＦsubが、添え字ｓｕｂのサブアパーチャの送信のもとでのビーム形成出力である、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記ビーム形成出力ＢｅａｍＦsubが、従来のＤＡＳ法、または、最小分散法（ＭＶＭ）などの高度な方法のいずれかによって得られる、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
従来のＤＡＳのビーム形成が
【数１０】
によって求められ、それによって、式が、
【数１１】
となり、上式で、ＮｕｍＲｅｃが、受信中のトランスデューサ素子の数であり、
【数１２】
が、Ｓｕｂ番目の送信のサブアパーチャの発射のもとでの受信フェーズアレイにおけるｊ番目の受信素子（２０）の、時間調整された受信信号であり、ｔが、信号が受信される時間であり、
【数１３】
が、加えられる時間遅延であり、ＣＦsub（ｘ，ｚ，ｔ）が、サブアパーチャのコヒーレンス係数である、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
トランスデューサ素子からなるアレイ全体、またはサブアパーチャが、それぞれのサブアパーチャの送信からの反射超音波信号に相当する信号を受信するために用いられる、請求項１乃至１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記アレイにおけるサブアパーチャを、オーバーラップするように、または、非オーバーラップのサブアパーチャとして分割するように用いることができる、請求項１乃至１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
３Ｄのビーム形成イメージングに用いられる、請求項１乃至１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
２Ｄアレイを用いる、請求項１乃至１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
非破壊試験に用いられる、請求項１乃至１５のいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
アレイにおける異なるサブアパーチャを用いて複数の超音波信号を送信し、前記サブアパーチャの送信ごとに試験片からの反射超音波信号を受信するように構成されたトランスデューサ素子のアレイと、
それぞれのサブアパーチャの送信からの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数を計算して、前記計算されたコヒーレンス係数によって前記受信信号を重み付けするように構成されたコントローラと、
前記試験片の構造を示す画像を表示するために、ディスプレイに提供される出力信号を提供するための出力部と
を備え、
前記コントローラが、前記複数のサブアパーチャの送信のそれぞれからの、前記コヒーレンス係数で重み付けされた受信信号を合成するように構成されている、超音波撮像システム。
【請求項１８】
前記サブアパーチャのコヒーレンス係数が、それぞれのトランスデューサによって受信された非コヒーレントエネルギー全体におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当する、請求項１７記載の超音波撮像システム。
【請求項１９】
以下の式
【数１４】
を用いてそれぞれのピクセル（ｘ，ｚ，ｔ）における撮像強度を求めるように構成されており、上式で、ＮｕｍＲｅｃが、受信中のトランスデューサ素子の数であり、
【数１５】
が、Ｓｕｂ番目の送信のサブアパーチャの発射のもとでの受信フェーズアレイにおけるｊ番目の受信素子の、時間調整された受信信号であり、ｔが、信号が受信される時間であり、
【数１６】
が、加えられる時間遅延であり、ＣＦsub（ｘ，ｚ, t ）が、サブアパーチャのコヒーレンス係数である、請求項１７または１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記アレイにおけるトランスデューサ素子のすべてが、反射超音波信号を受信するために用いられる、請求項１７乃至１９のいずれか１項記載の超音波撮像システム。
【請求項１】
トランスデューサ素子のアレイを有する超音波撮像システムを動作させる方法であって、
複数の超音波信号を送信するステップであって、それぞれの送信に、前記アレイにおける異なるサブアパーチャが用いられる、ステップと、
それぞれのサブアパーチャの送信に対応する受信アレイによって複数の反射超音波信号を受信するステップと、
それぞれのサブアパーチャの送信からの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数を計算し、計算された前記コヒーレンス係数によって前記受信出力に重み付けするステップと、
異なるすべてのサブアパーチャの送信のもとでの、すべての重み付けされた出力を合成するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記複数のサブアパーチャの送信のそれぞれからの、前記コヒーレンス係数で重み付けされたビーム形成出力が合成される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記コヒーレンス係数が、時間調整された受信トランスデューサ信号の非コヒーレントエネルギー全体におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
サブアパーチャの送信のビーム形成、または、受信のビーム形成、または、両方のいずれかに対して遅延和の原理が用いられる、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
送信のビーム形成が、固定フォーカス送信、複数の固定フォーカス送信のゾーン、または、十分な動的送信フォーカスの形態で用いられる、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
動的フォーカシングが、受信フォーカシングのビーム形成で用いられる、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記コヒーレンス係数が、時間調整された受信信号のエネルギー、振幅、または符号のいずれかにおけるそれぞれの異なるコヒーレンス測定値によって定義される、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記コヒーレンス係数が、０と１を含む０から１の範囲に正規化され、高い値が、トランスデューサによって収集された信号全体に含まれるコヒーレント信号の高い割合を示す、請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
それぞれのピクセル（ｘ，ｚ，ｔ）における撮像強度が、
【数９】
によって求められ、上式で、ＢｅａｍＦsubが、添え字ｓｕｂのサブアパーチャの送信のもとでのビーム形成出力である、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記ビーム形成出力ＢｅａｍＦsubが、従来のＤＡＳ法、または、最小分散法（ＭＶＭ）などの高度な方法のいずれかによって得られる、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
従来のＤＡＳのビーム形成が
【数１０】
によって求められ、それによって、式が、
【数１１】
となり、上式で、ＮｕｍＲｅｃが、受信中のトランスデューサ素子の数であり、
【数１２】
が、Ｓｕｂ番目の送信のサブアパーチャの発射のもとでの受信フェーズアレイにおけるｊ番目の受信素子（２０）の、時間調整された受信信号であり、ｔが、信号が受信される時間であり、
【数１３】
が、加えられる時間遅延であり、ＣＦsub（ｘ，ｚ，ｔ）が、サブアパーチャのコヒーレンス係数である、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
トランスデューサ素子からなるアレイ全体、またはサブアパーチャが、それぞれのサブアパーチャの送信からの反射超音波信号に相当する信号を受信するために用いられる、請求項１乃至１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記アレイにおけるサブアパーチャを、オーバーラップするように、または、非オーバーラップのサブアパーチャとして分割するように用いることができる、請求項１乃至１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
３Ｄのビーム形成イメージングに用いられる、請求項１乃至１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
２Ｄアレイを用いる、請求項１乃至１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
非破壊試験に用いられる、請求項１乃至１５のいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
アレイにおける異なるサブアパーチャを用いて複数の超音波信号を送信し、前記サブアパーチャの送信ごとに試験片からの反射超音波信号を受信するように構成されたトランスデューサ素子のアレイと、
それぞれのサブアパーチャの送信からの受信信号におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当するコヒーレンス係数を計算して、前記計算されたコヒーレンス係数によって前記受信信号を重み付けするように構成されたコントローラと、
前記試験片の構造を示す画像を表示するために、ディスプレイに提供される出力信号を提供するための出力部と
を備え、
前記コントローラが、前記複数のサブアパーチャの送信のそれぞれからの、前記コヒーレンス係数で重み付けされた受信信号を合成するように構成されている、超音波撮像システム。
【請求項１８】
前記サブアパーチャのコヒーレンス係数が、それぞれのトランスデューサによって受信された非コヒーレントエネルギー全体におけるコヒーレントエネルギーの割合に相当する、請求項１７記載の超音波撮像システム。
【請求項１９】
以下の式
【数１４】
を用いてそれぞれのピクセル（ｘ，ｚ，ｔ）における撮像強度を求めるように構成されており、上式で、ＮｕｍＲｅｃが、受信中のトランスデューサ素子の数であり、
【数１５】
が、Ｓｕｂ番目の送信のサブアパーチャの発射のもとでの受信フェーズアレイにおけるｊ番目の受信素子の、時間調整された受信信号であり、ｔが、信号が受信される時間であり、
【数１６】
が、加えられる時間遅延であり、ＣＦsub（ｘ，ｚ, t ）が、サブアパーチャのコヒーレンス係数である、請求項１７または１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記アレイにおけるトランスデューサ素子のすべてが、反射超音波信号を受信するために用いられる、請求項１７乃至１９のいずれか１項記載の超音波撮像システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【公開番号】特開２０１３−７９９４９（Ｐ２０１３−７９９４９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２０６４２７（Ｐ２０１２−２０６４２７）
【出願日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【出願人】（５１２１６３２６６）ジーイー・インスペクション・テクノロジーズ・リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０６４２７（Ｐ２０１２−２０６４２７）
【出願日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【出願人】（５１２１６３２６６）ジーイー・インスペクション・テクノロジーズ・リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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