(57)【要約】  本技法は、目標機械の少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けたマルチパス信号成分の第１のセットを含む複数のマルチパス信号成分から形成された信号を受信する受信回路を備える装置を提供する。マルチパス信号成分の第１のセットは、上記少なくとも１つの可動部品との相互作用に起因する時変信号経路を有する。受信信号の少なくとも１つの特性について、評価信号を生成するために評価回路が使用され、その後、修正回路が、上記評価信号から、関連する信号経路が、時間的に変化しないマルチパス信号成分からの当該評価信号への寄与を少なくとも部品的に除去する除去動作を適用することによって、修正評価信号を生成する。その後、処理回路が、上記少なくとも１つの可動部品の運動を示す運動シグネチャを生成するために、修正評価信号に対して１つまたは複数の処理動作を実行する。
2019525156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標機械の少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けているマルチパス信号成分の第１のセットを含む、複数のマルチパス信号成分から形成される信号を受信する受信回路であって、前記マルチパス信号成分の第１のセットは、前記少なくとも１つの可動部品との前記相互作用に起因する時変信号経路を有する、受信回路と、
前記受信信号の少なくとも１つの特性について、評価信号を生成するための評価回路と、
前記評価信号から、関連する信号経路が時間的に変化しない前記マルチパス信号成分からの前記評価信号への寄与を少なくとも部品的に除去するために除去動作を適用することによって、修正評価信号を生成するための修正回路と、
前記少なくとも１つの可動部品の運動を示す運動シグネチャを生成するために前記修正評価信号に対して１つまたは複数の処理動作を実行するための処理回路と
を備える装置。
【請求項２】
前記評価回路は、前記受信信号の前記少なくとも１つの特性の値とさらなる信号の前記少なくとも１つの特性の対応する値との間の変動を示すように、前記評価信号を生成するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記修正回路がＡＣ結合回路を含む、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記ＡＣ結合回路は、前記修正回路の入力と出力との間に直列に配置されたキャパシタ回路を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記修正回路は、前記評価信号のデジタル化後に前記評価信号にＤＣフィルタリング動作を適用する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項６】
前記マルチパス信号成分の第１のセットは、前記受信信号の前記少なくとも１つの特性の前記値に対する循環的変動に寄与するように、前記マルチパス信号成分の第１のセットは、前記少なくとも１つの可動部品との前記相互作用に起因する循環的時変信号経路を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記受信回路は、前記信号を受信する第１の受信機と、前記さらなる信号を受信するために前記第１の受信機から分離されている第２の受信機とを備え、前記さらなる信号もまた、前記少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けているマルチパス信号成分を含む、複数のマルチパス信号成分から形成されている、
請求項２に従属するときの請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の受信機と前記第２の受信機とは、前記信号と前記さらなる信号との間の差を保証するのに十分な距離だけ離れている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記さらなる信号として使用される基準信号を生成するための基準信号生成回路
をさらに備える、請求項２に従属するときの請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記受信信号の前記少なくとも１つの特性は振幅を含み、前記評価回路は、前記受信信号と前記さらなる信号との振幅の比を示す信号値を有する前記評価信号を生成するように構成される、請求項２に従属するときの請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記受信信号の前記少なくとも１つの特性は位相を含み、前記評価回路は、前記受信信号と前記さらなる信号との位相の差を示す信号値を有する前記評価信号を生成するように構成される、請求項２に従属するときの請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記評価回路は、前記受信信号と前記さらなる信号の両方を入力として受信するように構成された位相および／または利得検出回路を備える、請求項２に従属するときの請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記処理回路は、前記修正評価信号から前記運動シグネチャを生成するために１つまたは複数のフィルタリング動作を実行するように構成される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記処理回路は、周波数ドメインおよび時間ドメインの少なくとも一方において前記運動シグネチャを生成するように構成される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記受信信号が電磁気信号である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記受信電磁信号がＲＦ信号である、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
目標機械の少なくとも１つの可動部品の運動を示す運動シグネチャを生成する方法であって、
前記目標機械を含む環境内で信号を送信するステップと、
前記少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けているマルチパス信号成分の第１のセットを含む、複数のマルチパス信号成分から形成される前記送信信号のバージョンである信号を受信するステップであり、前記マルチパス信号成分の第１のセットは、前記少なくとも１つの可動部品との前記相互作用に起因する時変信号経路を有する、受信するステップと、
前記受信信号の少なくとも１つの特性について、評価信号を生成するステップと、
前記評価信号から、関連する信号経路が時間的に変化しない前記マルチパス信号成分からの前記評価信号への寄与を少なくとも部品的に除去するために除去動作を適用することによって、修正評価信号を生成するステップと、
前記運動シグネチャを生成するために前記修正評価信号に対して１つまたは複数の処理動作を実行するステップと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記受信するステップ、前記生成するステップ、前記生成するステップ、および前記実行するステップは、検出回路内で実行され、
前記検出回路は、前記信号を送信するために使用される送信機よりも前記目標機械の近くに配置される、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記送信機が、前記第１のセットに含まれていないマルチパス信号成分からの前記受信信号への寄与を減らすように、前記検出回路に対して配置される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記送信信号は、前記少なくとも１つの可動部品の少なくとも１つの特性を考慮して選択された搬送波周波数を有する、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記送信するステップは、異なる搬送波周波数を有する一連の信号を送信することを含み、
前記受信するステップ、前記生成するステップ、前記生成するステップ、および前記実行するステップは、前記異なる搬送波周波数の各々について前記運動シグネチャを生成するために、一連の送信信号に対応する一連の受信信号の各々について実行される、
請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記受信するステップ、前記生成するステップ、前記生成するステップおよび前記実行するステップは検出回路内で実行され、
前記送信するステップは、前記検出回路の制御下で前記一連内の前記信号を切り替えるように構成される、
請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
目標機械の少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けているマルチパス信号成分の第１のセットを含む、複数のマルチパス信号成分から形成される信号を受信するための受信手段であって、前記マルチパス信号成分の第１のセットは、前記少なくとも１つの可動部品との前記相互作用に起因する時変信号経路を有する、受信手段と、
前記受信信号の少なくとも１つの特性について、評価信号を生成するための評価手段と、
前記評価信号から、関連する信号経路が時間的に変化しない前記マルチパス信号成分からの前記評価信号への寄与を少なくとも部品的に除去するために除去動作を適用することによって、修正評価信号を生成するための修正手段と、
前記少なくとも１つの可動部品の運動を示す運動シグネチャを生成するために前記修正評価信号に対して１つまたは複数の処理動作を実行するための処理手段と
を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技法は、目標機械の可動部品の運動を示す運動シグネチャ（しるし）を生成するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
すべての内部部品に専用のセンサを取り付けることは、設計および保守の観点から非常に費用がかかり、非常に複雑な作業であるため、多くの可動構成要素から構成されている場合がある機械システムの機能的完全性を監視することは困難である。加えて、機械の内部環境は、熱、振動、圧力、流体、および／または静電場ならびに電磁場などの要因に起因する極端な条件のために、繊細な電子機器に適していない可能性がある。結果として、工業級センサは一般的にかさばり、高価で電力を消費する。
【０００３】
機械健全性の監視は、機械の長期的な信頼性を保証し、予期せぬ故障および費用のかかる修理を回避することが最優先事項である現代のシステムではより重要になってきている。現在、産業界では、システムレベルの機械監視は主に振動分析によって達成されており、その基礎となる仮定は、機械装置は特定の作動状態において特徴的な振動シグネチャを有するということである。このシグネチャ（しるし）に何らかのドリフトがある場合、これは機械に何らかの不具合があることを示している。機械の振動は通常、加速度計を使用して取得される。加速度計は、振動を効果的に取得するために機械の本体に取り付ける必要がある。機械監視のための他の一般的なセンサは、特定の機能または構成要素向けに意図的に設計されたレーザ、誘導、赤外線、磁気または光学効果を備えたデバイスを使用した構成要素レベル検知のために主に調整されている。例えば、タコメータが、回転部品の位置および速度を決定するために使用される。別の例として、近接プローブは、不完全部分、例えばシャフトの位置不整合、不良ベアリング、または完全な回転を妨げる他の外的要因を検出するためにシャフト運動のＸ−Ｙプロットをマッピングするために、構成要素の変位を測定するために使用されるトランスデューサである。
【０００４】
機械システムにおける構成要素レベルの監視は、演算制御によるリアルタイム同期を必要とする重要な部品にとって不可欠であり得るが、すべての構成要素にセンサを装備することはシステムの全体的な健全性を監視するための実行可能な選択肢ではない。
【０００５】
さらに、システムレベル振動シグネチャは必ずしもすべての部品によって生じる振動の合計ではなく、潤滑などの他の要因によって大きく影響される、システムのすべての部品の機械的相互作用の結果である可能性が高いため、振動分析に基づくシステムレベル監視は、システムの機能的完全性に関して粗い指示しか提供しない。したがって、機械の振動特性は、その部品の運動力学を反映しない可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、機械の健全性を監視するための代替の非侵襲的技法を開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様によれば、本技法は、目標機械の少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けているマルチパス信号成分の第１のセットを含む、複数のマルチパス信号成分から形成される信号を受信する受信回路であって、マルチパス信号成分の第１のセットは、上記少なくとも１つの可動部品との相互作用に起因する時変信号経路を有する、受信回路と、受信信号の少なくとも１つの特性について、評価信号を生成するための評価回路と、上記評価信号から、関連する信号経路が時間的に変化しないマルチパス信号成分からの当該評価信号への寄与を少なくとも部品的に除去するために除去動作を適用することによって、修正評価信号を生成するための修正回路と、上記少なくとも１つの可動部品の運動を示す運動シグネチャを生成するために修正評価信号に対して１つまたは複数の処理動作を実行するための処理回路とを備える装置を提供する。
【０００８】
上記の技法によれば、信号が目標機械を含む空間内で送信され、次いで受信回路がその信号を受信するように構成される。受信信号は複数のマルチパス信号成分から形成され、それらのマルチパス信号成分の少なくともいくつかは目標機械と相互作用する経路をとっている。本発明者らは、関連する１つまたは複数の可動部品が信号の周波数に対して十分に感受性があるという条件で、目標機械の可動部品の運動がそれらのフットプリントを信号にインプリントすることを見出した。したがって、本発明者らは、経路が目標機械の少なくとも１つの可動部品と相互作用したマルチパス信号成分の第１のセットについて、それらのマルチパス信号成分がその相互作用によって変調を受けていることになることを見出した。本明細書において、そのような変調は機械的変調と呼ぶ。可動部品の材料が信号周波数に対して十分に感受性があると仮定すると、可動部品と信号との相互作用は、振幅、周波数および／または位相などの特定の信号特性を変化させる可能性がある。
【０００９】
上記の技法によれば、受信信号の少なくとも１つの特性について評価信号を生成するために、評価回路が使用される。上述の機械的変調に起因して、目標機械の１つまたは複数の可動部品の運動シグネチャは、評価信号内に符号化される。
【００１０】
しかし、本発明者らはまた、受信信号が、目標機械の可動部品との相互作用による変調を受けていない多くのマルチパス信号成分を含み、したがって、これらのマルチパス信号成分からの寄与が前述の機械的変調を隠してしまう可能性があることも見出した。しかしながら、本発明者らは、それらのマルチパス信号成分の性質によって、様々なマルチパス信号成分を区別することが可能であることを見出した。特に、本発明者らは、目標機械の少なくとも１つの可動部品との相互作用に起因する変調を受けているマルチパス信号成分の第１のセットが、その相互作用に起因して時変信号経路を有することになることを見出した。対照的に、目標機械と相互作用しなかったマルチパス信号成分は、そのような時変信号経路を有する傾向がない。
【００１１】
本技法の装置は、評価信号から、関連する信号経路が（少なくとも運動シグネチャが判定されている時間枠中に）時間的に変化しないマルチパス信号成分からの当該評価信号への寄与を少なくとも部品的に除去する除去動作を適用することによって、修正評価信号を生成する修正回路を含む。その結果、これは評価信号への寄与を第１のセット内のマルチパス信号成分に集中させるのに役立つ。したがって、これは、機械的変調を受けたマルチパス信号成分の寄与を高めるための効果的なメカニズムを提供する。次いで、少なくとも１つの可動部品の運動を示す運動シグネチャを生成するために、修正評価信号に対して１つまたは複数の処理動作を実行するための処理回路が提供される。特に、前述の理由により、可動部品によって行われる機械的変調は、受信信号の１つまたは複数の特性において変動を引き起こしていることになり、これはその後、適切な処理技法によって修正評価信号内で容易に観察することができる。したがって、可動部品のうちの１つまたは複数の運動を示す正確な運動シグネチャが生成されることが可能になる。
【００１２】
一実施形態では、運動シグネチャは、目標機械のすべての可動部品を示し得る。しかしながら、前述のように、機械的変調が生じる程度は、可動部品の実際の物理的運動だけでなく、関連する信号周波数に対するその可動部品の材料の感度にも左右される。したがって、信号の周波数を適切に調整することによって、運動シグネチャが所望される機械内の１つまたは複数の特定の可動部品を標的化することが可能になり得る。
【００１３】
受信信号として使用することができる、自由空間内で伝播する様々な形態の信号がある。本明細書に記載の実施形態では、信号は電磁信号の形態をとり、より詳細には無線周波数（ＲＦ）信号の形態をとることができる。ＲＦ帯域内で利用可能な周波数範囲は、今日の機械の多くの可動部品とともに使用するのに適した周波数を提供し、特にそれらの可動部品は、前述の機械的変調効果を測定可能な方法で生成するために、そのようなＲＦ信号に対して十分な感度を有することが分かっている。しかしながら、他の実施形態では、例えばプラスチック材料製の可動部品とより良好に相互作用することができる、例えば音響信号などの異なる信号が使用されてもよい。
【００１４】
評価回路は、様々な方法で評価信号を生成するように構成することができる。例えば、一実施形態では、非常に高いサンプリングレートで受信信号を直接デジタル化することによって評価信号を生成することが可能であり得る。しかしながら、そのようなサンプリングレートを達成することは可能でない場合が多い。したがって、別の実施形態によれば、評価回路は、受信信号の上記少なくとも１つの特性の値とさらなる信号の上記少なくとも１つの特性の対応する値との間の変動を示すように、評価信号を生成するように構成される。
【００１５】
修正回路は様々な形態をとることができるが、一実施形態ではＡＣ結合回路を含む。特に、このようなＡＣ結合回路は評価信号中の静的成分を除去するのに役立つであろう。前述したように、目標機械と相互作用していないマルチパス信号成分はそのような静的成分の主なソースになり、したがって、これらの成分を除去することによって、これは、目標機械の可動部品と相互作用したマルチパス信号成分に主に関連付けられる時変信号経路による寄与を強調するのに役立つ。したがって、これは修正評価信号を生成するための単純で効果的なメカニズムを提供し、そこから運動シグネチャを決定することができる。
【００１６】
ＡＣ結合回路は様々な形態をとることができるが、一実施形態では、修正回路の入力と出力との間に直列に配置されたキャパシタ回路を含む。そのようなキャパシタ回路は容易に提供することができ、例えば、修正回路機能を実施するのに使用される構成要素の内蔵機構とすることができる。例えば、オシロスコープをこの目的のために使用することができ、オシロスコープ内の既存のキャパシタを使用してＡＣ結合回路機能を提供することができる。一実施形態では、修正回路機能を実施するために使用される構成要素は、製造業者によっては、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）のフロントエンド回路の内蔵部品でもあり得る。
【００１７】
そのような一実施形態では、そのようなＡＣ結合は、通常、処理回路によるさらなる処理のためにその信号をデジタル化する前に受信アナログ信号に対して実行されることになる。しかしながら、代替の実施形態では、修正回路は、評価信号のデジタル化後に評価信号にＤＣフィルタリング動作を適用するように構成されてもよい。特に、アナログ−デジタル変換に続いて、修正回路機能を実施するために、ＤＣフィルタリング動作を初期処理動作として実行することができる。そのような実施形態では、修正回路は、例えば、デジタル化評価信号に対してＤＣフィルタリング動作を実行するために適切なソフトウェアを実行する汎用プロセッサを含み得る。
【００１８】
マルチパス信号成分の第１のセットは様々な形態をとることができるが、一実施形態では、上記少なくとも１つの可動部品との相互作用に起因する循環的時変信号経路を有し、それに起因して、上記マルチパス信号成分の第１のセットは、受信信号の上記少なくとも１つの特性の値に対する循環的変動に寄与する。特に、目標機械の可動部品が循環的に動くことがしばしばあり、これによって、マルチパス信号成分の第１のセットも循環的に変化する信号経路を有することになり、これによって、それらのマルチパス信号成分の各々の少なくとも１つの特性が変動することになる。これは、そのような循環的時変特性を有しない任意のマルチパス信号成分による評価信号への寄与を除去することによって、修正回路がそのようなマルチパス信号成分によってなされる評価信号への寄与を抽出することを容易に可能にする。
【００１９】
評価回路によって使用されるさらなる信号は様々な形態を取り得る。一実施形態では、受信回路は、上記信号を受信する第１の受信機と、上記さらなる信号を受信するために上記第１の受信機から分離されている第２の受信機とを備え、上記さらなる信号もまた、上記少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けているマルチパス信号成分を含む、複数のマルチパス信号成分から形成されている。したがって、そのような実施形態では、さらなる信号は送信信号の別のバージョンである。評価信号を生成するために、第１の受信機および第２の受信機によって受信されるこれらの２つのバージョンの信号を比較することができる。
【００２０】
受信機は、受信信号のタイプに応じて様々な形態を取り得る。一般論として、各受信機は受信信号を検出するためのセンサを備える。受信信号がＲＦ信号などの電磁信号である例では、各受信機はアンテナの形態をとることができる。
【００２１】
一実施形態では、第１の受信機と第２の受信機とは、上記信号と上記さらなる信号との間の差を保証するのに十分な距離だけ離れている。
【００２２】
距離の選択は典型的には装置が使用されている環境に依存する。例えば、振幅および位相などの信号特性は２つの要因に起因して空間的に変化し、第１の要因（本明細書では要因ａと呼ばれる）は振幅および位相が伝搬方向に沿って予測可能な様式で変化することであり、一方で、第２の要因（本明細書では要因ｂと呼ばれる）は、空間内の位置が前述のマルチパス効果に起因して変化するにつれて信号特性が任意に変化するということである。屋内環境などの多くの環境では、要因ｂが支配的であり得、したがって、第１の受信機と第２の受信機との間の分離および距離は効果的に、任意に選択することができる。しかしながら、マルチパス効果が弱い場合、これは例えば特定の屋外配備において発生する可能性があるが、その場合、分離は信号の波長程度またはそれよりも大きいように選択されてもよい。
【００２３】
代替の実施形態では、さらなる信号が第２の受信機によって受信されるような送信信号の別のバージョンであるのではなく、その後そのさらなる信号として使用される基準信号を生成するために、基準信号生成回路が提供される。一実施形態ではこの基準信号は送信信号と同じ周波数を有するように選択され得るが、これは必要条件ではなく、他の実施形態ではこの信号は異なる周波数を有することができる。例えば、基準信号が送信信号とは異なる周波数であり、かつ、評価信号が受信信号と基準信号との位相の差を示す場合、結果として得られる評価信号は、両方の比較周波数の差に等しい周波数成分を有することになり、この情報はその後、デジタル処理中にフィルタリング除外することができ、それでもなお正確な運動シグネチャを生成することが可能である。
【００２４】
評価信号が生成される受信信号の少なくとも１つの特性は様々な形態をとることができる。一実施形態では、受信信号の少なくとも１つの特性は振幅を含み、評価回路は、受信信号とさらなる信号との振幅の比を示す信号値を有する上記評価信号を生成するように構成される。
【００２５】
振幅を使用することに加えて、またはその代わりに、受信信号の少なくとも１つの特性は位相を含んでもよく、評価回路は受信信号とさらなる信号との位相の差を示す信号値を有する上記評価信号を生成するように構成されてもよい。１つの特定の実施形態では、生成された評価信号は振幅成分と位相成分の両方を有し、それらの成分の両方に対して別個の運動シグネチャを決定することを可能にする。
【００２６】
評価回路は様々な形態をとることができるが、一実施形態では、受信信号とさらなる信号の両方を入力として受信するように構成された位相および／または利得検出回路を備える。所望に応じて、この目的のために複数の既存の検出回路を使用することができる。
【００２７】
処理回路は様々な形態をとることができるが、一実施形態では、修正評価信号から上記運動シグネチャを生成するために１つまたは複数のフィルタリング動作を実行するように構成される。処理回路は専用のハードウェア回路ブロックから形成することができるが、代替の実施形態では、処理回路は、適切なソフトウェアルーチンを実行して、修正評価信号から運動シグネチャを生成するために必要な処理およびフィルタリング動作を実行する汎用プロセッサの形態を取り得る。
【００２８】
運動シグネチャは様々な方法で生成することができるが、一実施形態では、処理回路は、周波数ドメインおよび時間ドメインの少なくとも一方において上記運動シグネチャを生成するように構成される。周波数ドメインで運動シグネチャを生成しようとするとき、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセスなどの適切な変換演算を実行することができる。
【００２９】
別の態様によれば、本技法は、目標機械の少なくとも１つの可動部品の運動を示す運動シグネチャを生成する方法であって、上記目標機械を含む環境内で信号を送信するステップと、上記少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けているマルチパス信号成分の第１のセットを含む、複数のマルチパス信号成分から形成される送信信号のバージョンである信号を受信するステップであり、マルチパス信号成分の第１のセットは、上記少なくとも１つの可動部品との相互作用に起因する時変信号経路を有する、受信するステップと、受信信号の少なくとも１つの特性について、評価信号を生成するステップと、上記評価信号から、関連する信号経路が時間的に変化しないマルチパス信号成分からの当該評価信号への寄与を少なくとも部品的に除去するために除去動作を適用することによって、修正評価信号を生成するステップと、上記運動シグネチャを生成するために修正評価信号に対して１つまたは複数の処理動作を実行するステップとを含む、方法を提供する。
【００３０】
前述したように、環境は屋内環境であってもよく、または屋外環境であってもよい。しかしながら、屋内環境の使用には、マルチパス成分の数を増加させる傾向があるという利点があり、それは前述のように機械的変調効果の観測可能性を改善するために有益に使用することができる。
【００３１】
機械の可動部品の運動を介して信号に与えられる機械的変調に対する本技法の感受性をさらに向上させるために様々な手段を講ずることができる。一実施形態では、受信するステップ、生成するステップ、生成するステップ、および実行するステップは、検出回路内で実行され、検出回路は、上記信号を送信するために使用される送信機よりも目標機械の近くに配置される。信号を送信するために使用される送信機よりも目標機械の近くに検出回路を配置することによって、これは第１のセット内のマルチパス信号成分の割合を増加させるのに役立つ。特に、信号に機械的変調を適用した後（本明細書では信号を「クランチ」するとも言う）、機械は機械的変調信号の全方向性ソースになり、したがって機械的変調信号の強度は機械からの距離の二乗に反比例する。したがって、検出器を機械の近くに配置することによって、これは機械的変調信号の強度を増大させる。
【００３２】
一実施形態では、感受性を高めるための別の手段として、送信機が、第１のセットに含まれていないマルチパス信号成分からの受信信号への寄与を減らすように、検出回路に対して配置される。送信機と機械との間の相対距離を同じに保つ場合、これは、受信信号の静的成分を減少させ、したがって、目標機械の可動部品と相互作用したマルチパス信号成分から主に生じる時変成分に対する感受性を増大させるために、送信機を検出回路から可能な限り遠くに配置することによって達成することができる。
【００３３】
一実施形態では、送信信号は、上記少なくとも１つの可動部品の少なくとも１つの特性を考慮して選択された搬送波周波数を有する。この特性は様々な形態をとることができる。例えば、前述のように、特定のタイプの材料は他のものより特定の周波数に対して感受性があるため、この特性は可動部品の材料を含んでもよい。加えて、または代替的に、考慮に入れられる少なくとも１つの可動部品の特性は、可動部品のサイズである。
【００３４】
いくつかの実施形態では、送信信号の単一周波数を使用して、機械の可動部品の運動を示す適切な運動シグネチャを生成することができるが、代替実施形態では、信号の複数の異なる周波数を使用した多段プロセスを実施することができる。特に、一実施形態では、送信するステップは、複数の異なる搬送波周波数を有する一連の信号を送信することを含み得る。次に、複数の異なる搬送波周波数の各々について運動シグネチャを生成するために、一連の送信信号に対応する一連の受信信号の各々について、受信するステップ、生成するステップ、生成するステップおよび実行するステップが実施される。
【００３５】
このプロセスは、所望に応じて機械を継続的に監視するために継続的に繰り返すことができる。反復して繰り返す頻度は、いくつかの要因、例えば警戒時間に関して必要とされる監視分解能に応じて変えることができる。それはまた、機械がある状態遷移を通じて遷移する速度などの他の要因にも依存する可能性があり、その場合、異なる部品は異なる速度で動作する可能性がある。
【００３６】
さらに、各搬送波周波数の送信間隔は所望に応じて変えることができる。一実施形態では、サンプリング周波数が、運動シグネチャが捕捉されている機械の部品（複数可）の最高機械的周波数の少なくとも２倍であるべきであるという事実を明確に考慮して運動シグネチャを捕捉するのに十分な時間を検出器が有することを保証するために、送信機が各搬送波周波数において送信する時間は、デジタル化のためのナイキスト基準を考慮に入れる。
【００３７】
そのような一実施形態では、受信するステップ、生成するステップ、生成するステップおよび実行するステップは検出回路内で実行され、送信するステップは、検出回路の制御下で上記一連内の信号を切り替えるように構成される。したがって、そのような実施形態では、送信機の動作、特に、送信信号について異なる搬送波周波数の間でいつ切り替えるかに関する決定は、検出回路の制御下で管理される。これにより、例えば、検出回路が、送信されている搬送波周波数の各々について適切に詳細な運動シグネチャを確実に取得することを可能にすることができる。
【００３８】
またさらなる態様によれば、本技法は、目標機械の少なくとも１つの可動部品との相互作用による変調を受けているマルチパス信号成分の第１のセットを含む、複数のマルチパス信号成分から形成される信号を受信するための受信手段であって、マルチパス信号成分の第１のセットは、上記少なくとも１つの可動部品との相互作用に起因する時変信号経路を有する、受信手段と、受信信号の少なくとも１つの特性について、評価信号を生成するための評価手段と、上記評価信号から、関連する信号経路が時間的に変化しないマルチパス信号成分からの当該評価信号への寄与を少なくとも部品的に除去するために除去動作を適用することによって、修正評価信号を生成するための修正手段と、上記少なくとも１つの可動部品の運動を示す運動シグネチャを生成するために修正評価信号に対して１つまたは複数の処理動作を実行するための処理手段とを備える装置を提供する。
【００３９】
本技法は、添付の図面に示されている実施形態を参照して、単なる例として、さらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】説明される実施形態に従って使用される技法の概要を提供するブロック図である。
【図２】説明される実施形態による、機械の可動部品の運動がどのようにして無線信号を機械的に変調し得るかを概略的に示す図である。
【図３】一実施形態による運動シグネチャ検出器の動作を示すブロック図である。
【図４】一実施形態による運動シグネチャ検出器をより詳細に示す図である。
【図５】一実施形態による位相および振幅分析から導出される時間ドメインシグネチャを示すグラフ図である。
【図６Ａ】一実施形態による位相および振幅分析に基づく周波数ドメインシグネチャを示すグラフ図である。
【図６Ｂ】一実施形態による位相および振幅分析に基づく周波数ドメインシグネチャを示すグラフ図である。
【図６Ｃ】一実施形態による位相および振幅分析に基づく周波数ドメインシグネチャを示すグラフ図である。
【図７Ａ】位相分析に基づいており、経時的に延伸する周波数ドメインシグネチャを示す図である。
【図７Ｂ】振幅分析に基づいており、経時的に延伸する周波数ドメインシグネチャを示す図である。
【図８】一実施形態による、シグネチャ検出の感度を向上させるためにとることができるステップを概略的に示す図である。
【図９】一実施形態によるマルチスペクトル送信機の動作を示す流れ図である。
【図１０】一実施形態による、マルチスペクトルモードにおける運動シグネチャ検出器の動作を示す流れ図である。
【図１１】検出された運動シグネチャを使用して機械に伴う潜在的な問題を検出するために一実施形態に従ってどのように運動シグネチャ検出器を使用することができるかを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下の実施形態の説明を参照して説明するように、機械を含む環境内を伝播した受信信号を分析するために検出デバイスを使用して機械の可動部品の物理的運動に対応する運動シグネチャを導出する技法が開発されている。説明されている実施形態の目的のために、受信信号は電磁信号であると仮定されるが、代替の実施形態では、自由空間を通って伝搬する他の形態の信号、例えば音響信号が使用されてもよい。一実施形態では、今日の機械の多くの可動部品に使用される材料を考慮すると、ＲＦ信号が非常に適していることが分かっているため、電磁信号は無線周波数（ＲＦ）信号である。本技法によって利用される根底にある洞察は、可動部品の材料が対象の信号周波数に対して十分に感受性があるという条件で、いかなる物理的な運動もそのフットプリントをＲＦ信号にインプリントするということである。一実施形態では、監視される遠隔機械に届くのに十分強いＩＳＭ帯域のＲＦ信号が送信される。後により詳細に説明するように、機械の可動部品はその空間内に存在するＲＦ信号上のそれらの運動シグネチャを変調し（本明細書では「ＲＦクランチング」と呼ぶことになるプロセス）、その可動構成要素によってＲＦクランチされた後、作動している機械によって散乱される信号の微小変動が観察される。
【００４２】
図１は、説明される実施形態において使用される技法を概略的に示す。１つまたは複数の可動構成要素を有する機械１５が環境１０内に配置され、その環境内で送信信号発生器２０がＲＦ信号を送信するために使用される。運動シグネチャ検出器２５も環境１０内に配置され、図１に示す様々な経路によって概略的に示すように、複数のマルチパス信号成分から形成された送信ＲＦ信号の１つのバージョンであるＲＦ信号を受信するように構成される。これらのマルチパス信号成分は、環境内に存在する様々な障害物３０、３５によって散乱されて、環境を通じて様々な異なる経路をたどることになる。さらに、それらのマルチパス信号成分の特定のサブセットが、機械１５、特にその機械の可動部品との相互作用を伴った経路をたどっていることになる。それらのマルチパス信号成分はそれらの機械の可動部品との相互作用に起因してＲＦクランチされていることになり、運動シグネチャ検出器２５は、結果として生じる運動シグネチャを抽出するようにそれらの特定のマルチパス信号成分の分析を可能にするように構成される。
【００４３】
現実世界のほとんどの適用環境は、無線信号の伝搬経路を非常に複雑にする障害物に満ちていることが理解されよう。屋内または都市環境では、ＲＦ信号は障害物と相互作用しながら反射、屈折および散乱を受け、そこで信号は多くの複雑な経路を介して検出器２５に到達する。そのようなマルチパス環境では、媒体の小さな変化が無線伝搬経路を劇的に変える可能性がある。結果として、マルチパス信号は様々な経路を通じた異なる到着時間に起因して様々な位置において様々な位相で合わさり得るため、信号はカバレッジエリアにわたって空間的に振幅および位相が大きく変動する可能性がある。観測点をカバレッジエリア内で空間的に動かしたときの信号の振幅および位相の変化は完全に任意であり得る。すなわち、自由空間伝搬と同様に、信号特性には空間的相関が一切存在しない場合がある。
【００４４】
無線信号のカバレッジエリアの下の環境全体が静的なままである場合、カバレッジエリアの下の任意の点で観測される信号の振幅および位相も同様に静止なままであるはずである。しかし、環境内での任意の微小な運動が信号経路を大幅に変更する可能性があり、その結果として、カバレッジエリアにわたる任意の観測点での信号の振幅および位相は任意に変わる可能性がある。これが循環的運動である場合、信号経路も同様に循環的に変化し、その結果、任意の観測点における信号特性（振幅および位相）も循環的に変化する。機械の構成要素は大抵反復運動をするため、それらも信号特性を循環的に変えることになる。より広い意味では、運動中の物体はその空間に存在するＲＦ信号にその運動のシグネチャをインプリントし、これはマルチパス効果のために顕著に起こり、それゆえ、本明細書ではこの現象を「マルチパス変調」と呼ぶ。
【００４５】
ここで、前述のＲＦクランチ動作をさらに詳細に考察すると、送信機２０から送信される搬送波周波数
【数１】
2019525156.tif 000003
および位相
【数２】
2019525156.tif 000004
の生のＲＦ信号は以下のように表すことができる。
【数３】
2019525156.tif 000005
【００４６】
一実施形態では、データが埋め込まれていない生のＲＦ信号のみが伝搬される。しかしながら、他の実施形態では、プロセスは、一般的にデータパケットが埋め込まれた、環境内の既存のＲＦ信号を利用することができる。送信信号がデータパケットを含む場合、その振幅、周波数、および位相は、使用される変調タイプに応じて時間の関数になり得る。したがって、より広くは、データを含むＲＦ信号は次のように表現できる。
【数４】
2019525156.tif 000006
【００４７】
機械構成要素のような動いている物理的物体とその空間に存在するＲＦ信号との相互作用は、データを搬送波ＲＦ信号に埋め込む変調プロセスとして理解することができる。しかしながら、変調は通常、電子的プロセスとして実行されるが、この場合の変調は機械的プロセスを介して行われ、したがって、本明細書では「機械的変調」と呼ぶ。
【００４８】
ＲＦ信号に対する機械の運動シグネチャの機械的変調は、物体の材料および物理的運動によって異なる。材料が信号周波数に対して十分に感受性があることを条件として、それは信号の振幅、周波数および位相に関するその運動情報をインプリントする信号特性を変え得る。工業環境では、ほとんどの機械構成要素は金属製であり、ＩＳＭ帯のＲＦ信号と強く相互作用する。しかしながら、プラスチック製の構成要素については、十分な相互作用を確実にするために、より高い周波数の信号を使用することが適切であり得る。さらに、図９および図１０を参照して後述するように、所望に応じてマルチスペクトル手法をとることができ、異なる材料および異なるサイズのものであり得る様々な異なる構成要素の運動シグネチャを蓄積するために、様々な異なる周波数の電磁信号に対してシグネチャ検出プロセスが繰り返される。このようなマルチスペクトル手法は、機械の可動部品が金属製のケージに封止されており、したがってすべての周波数が同じ強度で機械の内部に貫入することが可能であるとは限らない状況においても有用であり得る。
【００４９】
検出器（本明細書ではＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器とも呼ばれる）によって取得された機械的変調信号は、以下のように表すことができる。
【数５】
2019525156.tif 000007
【００５０】
図２は、上述の機械的変調プロセスを示している。波形５０は、機械の部品の機械的運動に起因する変調信号を例示しており、一方、波形５５は、送信機２０から送信される変調されていない搬送波を表している。機械的変調、すなわちＲＦクランチング技法はボックス６５によって概略的に示されており、これは変調されていない搬送波５５が機械シグネチャ５０によってＲＦクランチングを受けて変調ＲＦ信号６０をもたらすことを示している。周波数スペクトル内では、シグネチャはグラフ７０で示されるようなものになり、機械シグネチャ７２は周波数スペクトル内で搬送波周波数７３から十分に離れているいくつかの異なる周波数におけるスパイクによって表される。
【００５１】
前述のように、送信信号発生器２０からの送信ＲＦ信号は生の未変調搬送波である必要はなく、代わりにシステムは既存の送信ＲＦ信号を利用することができ、これは、例として図２のデータ変調ＲＦ信号７５を参照して示されているような、何らかの変調データを含み得る。以下でより詳細に論じるように、これは問題を引き起こさない。なぜなら、周波数スペクトル８０によって示されるように、当初の変調データに関連する変調帯域幅８２は通常、機械シグネチャ７２から周波数スペクトルにおいて十分に分離されるためである。
【００５２】
ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅによって取得される信号を分析するときの１つの考慮事項は、機械の近くでの人間の運動がそのシグネチャにどのように影響し得るか、およびＲＦ信号に含まれ得る任意のデータパケットが機械変調によってどのように影響されるかである。
【００５３】
大部分の人間による擾乱は、機械システムの動作の通常の周波数と比較して非常に低い周波数ドメインに入る。例えば、人間の歩行、走行、呼吸、および、さらには心拍さえもが５Ｈｚを下回るが、ほとんどの機械装置は、下の表１に示すように、通常５００〜９０，０００ＲＰＭ（毎分回転数）または８〜１５００Ｈｚの間で動作する。
【表１】
2019525156.tif 000008
表１  様々な機械の動作周波数
【００５４】
一方、無線デバイスのデータレート（一般に１ｋｂｐｓ〜１ＧＨｚ）は、機械システムの周波数に比べて非常に高い。その結果、ＲＦ信号内のデータのスペクトルシグネチャは、図２を参照して前述したように、比較的非常に高い周波数ドメインに入る。主に、データ変調は、搬送波周波数の周りに信号エネルギーを拡散し、これはサイドローブとして知られている。スペクトル規制に起因して、変調後の信号は、指定された帯域外になってはならない。例えば、ＲＦ信号上にデータを変調した後の２．４ＧＨｚ（８０２．１１  ｂ／ｇ／ｎ準拠）帯域では、信号は２．４１２〜２．４８２ＧＨｚの８０ＭＨｚウィンドウに入る必要がある。したがって、機械的変調シグネチャは、通常、当初の送信ＲＦ信号内の任意の変調データを保持する周波数の外側にあり、したがって、当初の送信ＲＦ信号内内の変調データは、機械からの運動シグネチャ情報と干渉しない。
【００５５】
記載された実施形態においてＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器２５によって利用される一般的な方法論を、これからより詳細に議論する。機械的変調プロセスを介してＲＦ信号に埋め込まれた運動フットプリントは微小すぎて直接観察することができないため、「ＲＦクランチ」を介して信号に埋め込まれた機械的シグネチャを取得することは、コモディティハードウェアを使用する単純な作業ではない。例えば、標準的な無線デバイスは通常、アンテナから信号を取得した後、信号に、送受信機のアナログフロントエンドの受信チェーン内のバンドパスフィルタを通過させる。このバンドパスフィルタの帯域幅は通常、チャネルのスペクトル幅に等しく、その結果、未知のソースによって埋め込まれた信号内の他のすべての情報は、通信システムでは無関係なノイズと見なされるため、効率的にフィルタリング除去される。したがって、運動シグネチャ情報は失われる。それとは別に、コモディティ無線デバイスは通常、物理層への適切なアクセスを提供せず、これによって、フィルタリング経路の前に運動シグネチャを切り取ることが困難になる。
【００５６】
ここで図３を参照して説明するように、マルチパス伝播の現象を有益な効果に利用する運動シグネチャ検出器が開発された。環境１０内で送信されたＲＦ信号を受信するために受信アンテナ１０５が設けられ、このＲＦ信号は複数のマルチパス信号成分から形成される。これらのマルチパス信号成分は、機械１５の可動部品との相互作用による機械的変調を受けたマルチパス信号成分の第１のセットを含むことになる。アンテナ１０５からの受信信号は信号特性評価ブロック１００に渡され、このブロックはまた、さらなる比較信号をも受信する。一実施形態では、この比較信号は、アンテナ１０５から物理的に分離されているさらなるアンテナによって受信される受信ＲＦ信号の別のバージョンである。そのような信号もまた、複数のマルチパス信号成分を含み、それらのマルチパス信号成分の少なくともいくつかは機械１５の可動部品との相互作用による機械的変調を受けている。
【００５７】
２つの受信アンテナ間の分離は、評価ブロック１００、一実施形態では受信信号の振幅および位相の一方または両方を評価する評価ブロックによって評価されることになる信号特性に測定可能な差を提供するのに十分であるべきである。振幅および位相などの信号特性は、２つの要因によって空間的に変化する。第１に、振幅および位相は伝播方向に沿って予測可能な様態で変化する。しかしながら、さらに、マルチパス効果に起因して、信号特性は、環境１０内で空間的に運動するにつれて任意に変化し得る。複雑な屋内／都市環境の場合に一般的にそうであるように、このマルチパス効果が支配的な場合、２つの受信アンテナ間の分離は効果的に任意に選択することができる。これは、マルチパス効果によって、信号特性に測定可能な差が生じることが保証されるためである。代わりに、環境に比較的障害物がない場合、マルチパス効果を生じる可動部品とＲＦ信号の相互作用に起因して、検出器は依然として正確に動作する。しかしながら、マルチパス効果が弱い場合、２つの受信アンテナ間の所望の分離は、前述の第１の要因によって決定されるべきであり、したがって、一実施形態では、送信ＲＦ信号の波長程度になるように選択され得る。
【００５８】
代替実施形態では、比較信号が受信信号の別のバージョンである必要はなく、代わりに局所的に生成された基準信号を使用してアンテナ１０５によって受信された信号と比較することができる。この基準信号は、送信機２０からの送信信号と同じ周波数を有してもよく、または、有しなくてもよい。特に、評価ブロック１００によって導出される結果としての位相信号は、比較される２つの信号の周波数間の差に等しい周波数成分を有することになり、これは後のデジタル処理中に容易にフィルタリング除去することができるため、同じ周波数である必要はない。
【００５９】
信号特性評価ブロック１００は、受信信号の少なくとも１つの特性を評価する。一実施形態では、評価ブロック１００は、２つの受信信号の振幅比およびそれら２つの受信信号の位相差を推定するために使用される。結果として得られる評価信号は、２つの受信信号の振幅の比を示す第１の信号値（本明細書ではＧ（ｔ）として示す）と、２つの受信信号の位相の差を示す第２の信号値（本明細書ではＰ（ｔ）として示す）とを有するフェーザである。上記Ｐ成分とＧ成分とからなる評価信号は、静的経路成分除去ブロック１１０に転送される。
【００６０】
無線信号のカバレッジエリアの下の環境１０全体が静的なままである場合、任意の内部雑音が無視され得ることを条件として、カバレッジエリアの下の任意の点で観測される信号の振幅および位相も同様に静止なままであるはずである。結果として、評価ブロック１００のＰおよびＧ出力は両方とも、不変の環境において一定のままであるはずである。ただし、マルチパス環境で信号経路が変更されても、観測点における信号の振幅および位相が同じ値になることはほとんどあり得ないため、環境内の任意の微小な外乱は評価ブロックの出力の変化として反映される。さらに、検討されている２つの観測点でそれが変更されないままであり得ることは、さらにより可能性が低い。
【００６１】
さらに、前述したように、機械の可動部品と相互作用したマルチパス信号成分は、機械部品の運動に起因して時間変動的に、典型的には循環的に変化する信号経路をとる。これによって、任意の観測点における信号特性も、時間変動的に、典型的には循環的に変化する。したがって、この現象は、機械と相互作用したマルチパス信号成分からの評価信号への寄与を高めるために使用することができる。特に、機械を通過したもの以外の任意の経路を介して直接または間接的に検出器に到達する信号成分は、機械シグネチャを捕捉するための観測の時間枠を考慮して本質的に静的なままであり、静的成分は、受信した評価信号の適切な処理によって除去され得る。例えば、一実施形態では、これらの静的成分を効率的に除去し、したがって振幅特性および位相特性の変動が、前述のように、本質的に機械との相互作用を含んでおり、それゆえ機械的変調を受けている信号経路成分である、時変信号経路成分に起因する修正評価信号を生成するために、ＡＣ結合がブロック１１０によって使用される。
【００６２】
修正評価信号は次に処理ブロック１１５にわたることができ、処理ブロック１１５は、運動シグネチャ（複数可）を生成するために評価信号に対していくつかの処理動作を実行する。これらの処理段階は典型的にはデジタルドメインにおいて実行され、したがって、処理ブロック１１５のフロントエンドでは修正評価信号を、その後処理されるデジタル化形式に変換するためにアナログ−デジタル変換が行われる。
【００６３】
一実施形態では、静的経路成分除去ブロック１１０は、信号のデジタル化の前にアナログドメインにおいて実施されるが、代替的に、信号のデジタル化の後に処理ブロック１１５によって実施される初期ＤＣフィルタリング段階として、デジタルドメインにおいて実行されてもよい。
【００６４】
処理ブロック１１５によって実行される処理は、生成されている運動シグネチャのタイプに依存する。運動シグネチャが時間ドメインにおいて表現される場合、運動シグネチャを抽出するためにはスライディングウィンドウローパスフィルタを使用することで十分であり得る。しかしながら、周波数ドメインにおいてシグネチャを分析することによって個々の可動部品からの寄与を識別することが一般的により容易であるため、周波数ドメインにおいて運動シグネチャを表現することが有用であることが多い。その場合、例えば情報を周波数ドメインに変換するための高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセスを含む、いくつかの処理およびフィルタリング段階を利用することができる。
【００６５】
図４は、一実施形態による運動シグネチャ検出器をより詳細に示すブロック図である。この実施形態では、物理的に互いに分離された２つの受信アンテナ１５５、１６０を使用して、２つのバージョンの送信ＲＦ信号を受信する。前述のように、これらの受信信号は、機械１５による機械的変調を受けているいくつかの信号成分を含む複数のマルチパス信号成分から形成される。信号特性評価ブロック１００は、結果として生じるフェーザを表す前述の評価信号ＧおよびＰを計算する位相および利得検出器１６５の形態をとる。
【００６６】
構成要素１５６、１５７、１６１、および１６２は、いくつかの実施形態で使用されてもよい任意選択の構成要素である。特に、位相／利得検出器１６５は入力帯域幅が制限されていることが多く、したがって、受信信号の搬送波周波数がその検出器のスペクトル範囲外である場合、周波数変換ブロック１５７、１６２を両方の入力信号経路に設けることができる。これらは、信号が検出器１６５によって受信される前に、搬送波周波数を検出器の周波数ウィンドウまで適切に変換することができる。
【００６７】
さらに、送信機が検出器から比較的遠くにある場合、環境内に存在するＲＦ信号は、検出器１６５の感度閾値を超えるために増幅を必要とする可能性がある。その場合、増幅ブロック１５６、１６１は、関連するアンテナ１５５、１６０の直後に設けることができ、これは、例えば、一般的な通信受信機内のアナログフロントエンドのデフォルト部品である低雑音増幅器（ＬＮＡ）によって実施することができる。この手法を使用すると、送信機およびＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ受信機を機械に対して配置することができる距離を大幅に増やすことができ（例えば数ｋｍまで）、これは厳しい環境では非常に有用であり得る。
【００６８】
実行されるいかなる増幅および周波数変換とも無関係に、検出器１６５によって生成された前述の評価信号ＧおよびＰは次に、静的経路成分除去ブロック１１０の静的経路除去機能を実施するためのＡＣ結合回路として機能するキャパシタブロック１７２、１７４を含むオシロスコープ１７０を通過する。次に、これらの信号は、結果として得られる修正評価信号のデジタル化バージョンを作成するために、アナログ−デジタル（ＡＤＣ）変換ブロック１７６、１７８（説明されている実施形態ではオシロスコープの一部でもある）を通過し、この信号はその後、処理回路１８０に通される。一実施形態では、ＡＤＣ構成要素１７６、１７８は、１５ビットの分解能において毎秒１５００サンプルで信号をデジタル化する。ナイキストの定理によると、このサンプルレートは、前述の表１にリストされているほとんどの機械システムの動作周波数よりはるかに高い、最大４５０００ｒｐｍで動作する機械のシグネチャを捕捉するのに適している。
【００６９】
一実施形態における処理回路１８０は、オシロスコープ１７０から供給されているリアルタイムデータを取得するために使用されるＡＰＩを有し、取得後、高周波ノイズを除去するために信号はスライディングウィンドウローパスフィルタ１８２を通過し、結果として信号が平滑化される。次いで、時間ドメインシグネチャ１９０をフィルタ１８２から直接生成することができる。
【００７０】
所望に応じて、フィルタ１８２からの出力はその後、デシメーションフィルタ１８４を通過することができる。例えば、例示的なシナリオでは、目標機械は１２００ｒｐｍ未満の最大速度を有する卓上ファンであり得るが、前述のようにサンプルレートは１０倍を超えて高い。したがって、信号に、１０のダウンサンプリング係数を有するデシメーションフィルタを通過させることによって、結果として得られる出力スペクトルは最大４５００ｒｐｍに及び、これは、目標機械の目的には十分すぎる値である。
【００７１】
結果として得られた信号は次にＦＦＴ処理段１８６を通過し、続いて、周波数ドメインにおいて、結果として得られたスペクトルを平滑化するためにカルマンフィルタ演算１８８を通過する。周波数ドメインにおける結果として得られたＰおよびＧシグネチャ１９５は、その後、出力され得る。
【００７２】
処理回路１８０の機能は専用ハードウェア回路を使用して実施することができるが、一実施形態では、処理回路は必要な様々な処理およびフィルタリング段階を実施するために適切なソフトウェアルーチンを実行する汎用プロセッサの形態をとる。
【００７３】
完全を期すために、記載された実施形態によって利用される技法を例示するために以下の数学的分析が提供される。数学的処理のために、２つの観測点における信号は以下のフェーザ表記によって表すことができる。
【数６】
2019525156.tif 000009
【数７】
2019525156.tif 000010
式中、
【数８】
2019525156.tif 000011
はそれぞれ信号の周波数、振幅および位相を表す。振幅および位相は、環境内の任意の運動の「マルチパス変調」に起因する時変パラメータであることに留意されたい。
【００７４】
一実施形態のＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器では、２つの観測点から取得された信号は位相検出器に供給され、位相検出器はこれら２つの信号を効果的に分割し、結果として得られる信号の振幅および位相を出力する。
【数９】
2019525156.tif 000012
【００７５】
結果として得られる信号は、入力信号の振幅の比に等しい振幅（前述のように、Ｇ（ｔ）として示される）を有し、入力信号の位相の差に等しい位相（前述のようにＰ（ｔ）として示される）を有するフェーザである。
【数１０】
2019525156.tif 000013
【数１１】
2019525156.tif 000014
【００７６】
両方の入力の周波数が同じであるため、入力信号の振幅および位相が時間的に変化しない場合、結果として得られる信号Ｇ（ｔ）とＰ（ｔ）は静的なままになるはずである。すなわち、運動がない場合、位相検出器の両方の出力は静的なままであるはずである。
【００７７】
しかしながら、無線のカバレッジエリア内に周期的な運動がある場合、それは同じ周期的な様式で運動体を通過する信号の経路を変えるはずである。結果として、カバレッジエリア内の任意の観測点における信号の振幅および位相は、同じ周期的変動を反映するはずである。周波数
【数１２】
2019525156.tif 000015
で循環的運動をしている物体に起因して、考慮されている２つの観測点における振幅および位相の変動は以下のように表すことができる。
【数１３】
2019525156.tif 000016
【数１４】
2019525156.tif 000017
【数１５】
2019525156.tif 000018
【数１６】
2019525156.tif 000019
式中、対応する下付き文字および上付き文字を有する
【数１７】
2019525156.tif 000020
は、物体の運動から生じる対応する周期信号の振幅および位相である。さらに、
【数１８】
2019525156.tif 000021
【数１９】
2019525156.tif 000022
【数２０】
2019525156.tif 000023
【数２１】
2019525156.tif 000024
【００７８】
ここで、２つの正弦波信号の加算または減算は同じ周波数を有する別の正弦波信号を生成することに留意されたい。一方、２つの正弦波信号を除算しても正弦波信号は生成されないが、これは同じ周波数を有する周期信号をもたらす。結果として、信号
【数２２】
2019525156.tif 000025
は同じ周期性
【数２３】
2019525156.tif 000026
を有する正弦波であるが、信号
【数２４】
2019525156.tif 000027
は正弦波ではなく、同じ周波数ｆを有する周期的性質のものである。
【００７９】
運動力学からシグネチャを考察するために、機械が循環的運動を実行する以下のｎ個の可動構成要素からなると仮定する。
【数２５】
2019525156.tif 000028
【００８０】
機械システムにおいて、構成要素の運動経路は、３Ｄ空間におけるジグザグの複雑なサイクルになり得る。部品の重心に対する循環的運動の軌跡
【数２６】
2019525156.tif 000029
が以下のように与えられると仮定する。
【数２７】
2019525156.tif 000030
【００８１】
【数２８】
2019525156.tif 000031
の運動の周波数ドメイン表現は以下によって与えることができる。
【数２９】
2019525156.tif 000032
【００８２】
構成要素は循環的な運動をするため、時間に関するその座標は循環的な信号を生成するはずである。フーリエ定理によれば、信号が周波数ｆで周期的である場合、信号を構成する周波数のみがｆの整数倍、すなわちｆ、２ｆ、３ｆ、４ｆなどであり、これらの周波数は高調波と呼ばれる。一次高調波はｆであり、二次高調波は２ｆであり、三次高調波は３ｆであり、以下同様である。一次高調波は基本周波数として知られている。
【００８３】
成分
【数３０】
2019525156.tif 000033
の３つの座標信号はすべて同じ周期性を有しなければならないため、それらの基本周波数は同じでなければならず、それはその周期性と等しくなる。
【数３１】
2019525156.tif 000034
の基本周波数が
【数３２】
2019525156.tif 000035
であると仮定し、周波数成分をその振幅および位相情報の観点から、
【数３３】
2019525156.tif 000036
によって表すこととする。成分
【数３４】
2019525156.tif 000037
の運動のスペクトルシグネチャは以下のように表すことができる。式中、ｍはシグネチャに存在する最大高調波である。
【数３５】
2019525156.tif 000038
【００８４】
同じ周波数のスペクトル成分をそれらのそれぞれの振幅および位相情報とともに加えることができる。
【数３６】
2019525156.tif 000039
【００８５】
ｎ個の構成要素からなる機械について、スペクトルシグネチャは、以下によってすべての構成要素のシグネチャの合計として記述することができる。
【数３７】
2019525156.tif 000040
【数３８】
2019525156.tif 000041
【００８６】
機械によるＲＦ信号の「マルチパス変調」の後、機械のシグネチャ
【数３９】
2019525156.tif 000042
は、信号の位相および振幅で変調されることになり、これはカバレッジエリア内の任意の点において観察することができる。ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅによって考察されている２つの観測点において取得された機械シグネチャ
【数４０】
2019525156.tif 000043
に関して、位相検出器の出力信号を表すこととする。
【数４１】
2019525156.tif 000044
【数４２】
2019525156.tif 000045
【００８７】
工場環境では、ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅのカバレッジエリア内で複数の機械が動作している可能性がある。そのため、ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅによって取得されるシグネチャは、Ｎ個の機械の集合として表現できる。
【００８８】
自動車エンジン、タービン、航空機または製造設備のような複雑な機械は、数千または数百万の小型部品が複雑に相互接続されたものである。機械の機械的構成要素は主に反復運動を実行しており、機械の異なる構成要素は異なる固有振動数で循環的運動を実行しているものであり得る。
【数４３】
2019525156.tif 000046
個の構成要素からなる機械について、機械の特定の動作状態において構成要素
【数４４】
2019525156.tif 000047
が周期性
【数４５】
2019525156.tif 000048
を有する循環的運動をしている場合、機械シグネチャを捕捉する位相検出器の出力は以下のように表すことができる。
【数４６】
2019525156.tif 000049
【数４７】
2019525156.tif 000050
式中、
【数４８】
2019525156.tif 000051
は、機械部品の運動から生じる対応する周期信号の振幅および位相である。
【００８９】
ここで、位相成分は構成要素の運動の相対性を示す。機械の様々な可動構成要素は相互接続されているため、機械システムでは、様々な部品またはサブシステム間の同期または協調が機械の機能的達成にとって非常に重要になる可能性があるため、それらの循環的運動の相対位相も、機械の機能的完全性の特徴である。
【００９０】
【数４９】
2019525156.tif 000052
の振幅は、運動に対するＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅの感度を示す。これは、物体の材料およびその寸法、動作の大きさ、ならびに送信機、機械、およびＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出デバイスの相対的な配置によって異なり得る。ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅの感度が送信機、機械、およびＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅデバイスの相対的な配置にどのように依存するかについては、後で説明する。
【００９１】
観測点において、正味信号は、すべての経路を介して到達するすべてのマルチパス成分のフェーザ合計として記述することができる。ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器の感度分析のために、これは以下の２つの寄与の合計として表すことができる。
１）機械Ｍを通るすべての経路を介してＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器に到達する信号。これは、信号経路が機械の運動に起因して変更されるために変化する。この成分を表すために上付き文字ｍを使用することとする。
２）機械Ｍを通るものを除くすべての経路を介して直接または間接的にＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器に到達する信号。これは、機械シグネチャを捕捉するための観測の時間枠を考慮して静的なままである。この成分を表すために上付き文字ｄを使用することとする。
【００９２】
この規則を使用すると、２つの観測点における正味の信号は以下のように表すことができる。
【数５０】
2019525156.tif 000053
【数５１】
2019525156.tif 000054
【００９３】
両方の成分は、搬送波周波数が
【数５２】
2019525156.tif 000055
であると仮定すると、すべての寄与する信号の合計としてさらに表すことができる。
【数５３】
2019525156.tif 000056
【数５４】
2019525156.tif 000057
【数５５】
2019525156.tif 000058
【数５６】
2019525156.tif 000059
【００９４】
２つの点において取得された信号が位相検出器に直接供給される場合、出力フェーザは以下のように表現することができる。
【数５７】
2019525156.tif 000060
【数５８】
2019525156.tif 000061
【００９５】
上記の式において、結果として生じる信号が機械の運動に対して感受性であるためには、デジタル化の後で観察されるために、機械を通るすべての経路から入来する信号寄与１）が、環境内の残りの静的経路から入来する信号寄与２）と比較して重要でないはずではないことが観察される。目標機械によって占められる体積は、送信される無線信号の到達範囲によってカバーされる全体積と比較して非常に小さくなるため、目標機械を横切る信号経路は、環境内の他の信号経路と比較して非常に小さい。そのため、カバレッジエリア内の任意の観測点における正味信号は、信号寄与２）によって相当に飽和状態になることになり、これによって、２）の存在下で１）の寄与を観察することは非常に困難になる。いずれの形式の信号増幅を適用しても、両方が同じ信号帯域幅に入るため、両方の成分を無差別に増幅することになるため、この選択肢はすぐに除外される。
【００９６】
しかしながら、前述したように、２）と比較して非常に小さい成分１）を分離するために、成分２）が静的であり、目標物体の運動に起因して時間的に変化するのは成分１）のみであるという事実を利用する。そのため、デジタル化の前に、
【数５９】
2019525156.tif 000062
の位相検出器の出力信号をＡＣ結合することによって静的部文２）の影響をフィルタリング除去する。これは、（図４においてＡＣ結合構成要素１７２、１７４によって示されるように）キャパシタを直列に配置すること、または、オシロスコープの内蔵機能を使用することによって実施することができる。
【００９７】
それとは別に、成分１）および２）の両方の合計は、１つの特定の例の使用事例では−６５ｄｂｍである、位相検出器の感度レベルより大きくなるはずである。成分１）の大きさが位相検出器の固有のノイズと比較して小さい場合、運動シグネチャはデジタル化段階に到達する前に電子ノイズで失われる。静的背景信号と比較した運動信号の強度は、マルチパス信号の増加に起因する障害物を増やすことにより環境において改善することができる。環境内の障害物に起因する散乱、回折、または反射が多いと、目標機械を通過する信号の量が増え、したがって、ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器の感度が向上する。
【００９８】
さらに、送信機、機械、およびＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅデバイスの相対的な配置も、この手法の有効性に大きな影響を与える可能性がある。機械によってＲＦ信号をクランチした後、機械は機械変調ＲＦ信号の全方向性ソースになる。そのため、変調信号の強度は、機械からの距離の二乗に反比例する。したがって、ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅデバイスは、距離
【数６０】
2019525156.tif 000063
を最小にするために可能な限り機械の近くに配置する必要がある。一方、送信機とＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅとの間の距離
【数６１】
2019525156.tif 000064
は、ＲＦ信号の静的成分を減らすために大きくする必要がある。これは、送信機をＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅから可能な限り離して配置し、同時に機械からの距離は同じままにする必要があることを意味する。これについては、図８を参照して後で説明する。
【００９９】
図５は、屋内環境に配置されたファンである目標機械の例を考慮した時間ドメインＰおよびＧシグネチャを示すグラフである。Ｐシグネチャはグラフ２００によって示され、Ｇシグネチャはグラフ２０５によって示される。信号の遅い時間に基づく変動は、環境内の任意の運動に起因するものであり、一方、信号のより高速の変動はファンの速度を表している。成分の速度のより容易な分析を提供するために、周波数ドメインシグネチャを生成することが有用であり、これらは、例として図６Ａから図６Ｃに示されている。ここでも各図はＰシグネチャとＧシグネチャの両方を示しているが、ｘ軸は時間ではなく周波数をプロットしている。周波数ドメインでは、信号値は振幅および位相の両方で構成され、それらの両方が異なる情報を保持する。図６Ａ〜図６Ｃに示す例では、単一の可動部品を有する機械の場合、位相情報は一般に有用な追加情報を有しないため、振幅がプロットされている。しかしながら、多構成要素機械では、位相スペクトルは、例えば、部品が互いに対してどのように動いているかを示すことによって追加の情報を追加することになり、これは構成要素の同期を監視するのに有用であり得る。
【０１００】
図６Ａ〜図６Ｃにおいて、振幅は、Ｇ成分およびＰ成分の振幅を表し、機械の関連する可動構成要素とＲＦ信号との相互作用の強度を効果的に反映する。
【０１０１】
図６Ａでは、目標機械が７５０ｒｐｍで動作するファンであると仮定され、これは、ＧシグネチャおよびＰシグネチャにおいて観察される主なスパイク２１０、２１５をもたらす。先に論じたように、正弦波ではない任意の周期信号は複数の高調波を生成することになり、これらもまた図６Ａに見られる（例えば、スパイク２２０、２２５によって示される高調波を参照）。
【０１０２】
図６Ｂは、ファンが９６０ｒｐｍで作動するように状態を変化させたときの等価な周波数ドメインシグネチャを示す。ファンの動作速度は、図６Ａのファンの動作速度がスパイク２１０、２１５から決定可能であったのとほぼ同じように、ＰおよびＧシグネチャにおいてスパイク２３０、２３５から明らかに検出可能であることが分かる。同様に、図６Ｃに示されるように、ファンの動作状態がここで１１１５ｒｐｍで動作するように変更されると、これによって対応する周波数ドメイン運動シグネチャが変化し、その結果、主なスパイク２５０、２５５はその動作速度に対応する。
【０１０３】
図６Ａから図６Ｃに示される周波数ドメインスペクトルは、単一の可動部品のみを有する目標機械に関するものであるが、同じ技法を複数の可動部品を有する機械に使用することができる。プロセスが多構成要素機械に拡張されるとき、周波数ドメインスペクトルにおいて観察される様々な重なり合うスパイクが存在し、どのスパイクがどの機械構成要素に対応するかを決定するために様々なスパイクを抽出するための信号処理技法が採用され得る可能性がある。
【０１０４】
図６Ａから図６Ｃに示されるような周波数ドメインスペクトルはまた、それぞれＰシグネチャおよびＧシグネチャについて図７Ａおよび図７Ｂに概略的に示されるように、第３の次元、すなわち時間においてプロットされ得る。非常に低い周波数における振幅のピークは、背景雑音と関連し得、一方、他の周波数におけるスパイクは、目標機械の可動部品の運動と関連し得、この例では、目標機械は先の例によるファンである。これらの例では、ファンは時間において２つの離散的な時点で動作速度を変更すると想定される。これらの変更は、時間の経過とともにスパイクが周波数を変更する様態から確認することができる。
【０１０５】
図８は、機械３５０が直線に沿ってＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器３６０から送信機３５５に動かされるとき、および／または送信機３５５が機械３５０から一定距離を保ちながら弧線に沿って動かされるときの相対配置の効果を説明するために使用される図である。送信機３５５およびＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器３６０を固定したままにし、機械３５０を直線上で動かしながら、シグネチャは、１メートル離れた様々な５つの印を付けた場所において捕捉することができる。結果は、記載された実施形態の技法が、機械３５０が検出器３６０に近いときにより効果的であることを示している。機械が検出器３６０から離れて送信機３５５に近づくにつれて、機械３５０が、ＲＦクランチされた後にマルチパス効果を増幅する、ＲＦ信号のより多くの束を受信するという事実に起因して、中間地点の後に感度が再び増加し始める。
【０１０６】
代わりに、ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器３６０および機械３５０が図８に示される位置に固定されたままであり、５つの印を付けられた位置で機械のシグネチャを捕捉するために送信機３５５が弧に沿って移動する場合、送信機３５５と機械３５０との間の距離はそのプロセス全体を通して２メートルのままであるが、送信機が位置０から位置４まで移動するにつれて送信機３５５とＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器３６０との間の距離は徐々に増加することが分かる。位置０において、送信機とＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器とは非常に接近して配置され、その結果、送信機から直接到来する信号の静的成分は、機械３５０との相互作用からの時変成分よりはるかに強い。したがって、意味のあるシグネチャを抽出することは非常に困難である。しかしながら、送信機がＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器３６０から離れるにつれて、感度は予測通りに増加する。したがって、送信機、機械、およびＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器を適切に配置することによって、機械の可動部品の運動に関する詳細な情報を提供する運動シグネチャを取得することができる。一般に、時変信号経路成分に起因する結果としての受信信号の割合を最大にするために、ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器を送信機よりも目標機械にはるかに近づけて配置することが好ましい。さらに、静的マルチパス信号成分からの受信ＲＦ信号への寄与を減少させるために、送信機を検出器に対して可能な限り遠くに配置することが一般に好ましい。
【０１０７】
先に述べたように、上述の技法は、運動シグネチャが様々な異なる送信周波数に対して得られるマルチスペクトルモードにも適用することができる。これまで説明した一般的な技法は、専用の送信機を使用して、または機械を含む環境に広がることがある既存の送信ＲＦ信号を使用して実行することができるが、マルチスペクトル動作モードを採用するとき、一般的に、専用のマルチスペクトル送信機を提供することが有益である。一実施形態におけるそのような送信機の動作は、図９の流れ図を参照して説明される。図９のプロセスを実行する前に、マルチスペクトルモードで使用される周波数の範囲を決定するために設定段階が採用されてもよい。例えば、広帯域周波数発生器を考えると、二分探索法を利用して、目標機械に感受性がある周波数ドメインに絞り込むことができる。そのようなプロセスの後、マルチスペクトル動作モードは、その絞り込まれた周波数範囲内で動作するように構成することができるが、使用される周波数範囲を再評価するために特定のトリガ条件によって二分探索法が再実行されることがある。そのようなトリガ条件の１つは、何らかの理由（１つまたは複数の構成要素の動作における状態遷移または１つまたは複数の可動構成要素における障害の発生に起因するものである可能性がある）に起因して、機械シグネチャがドリフトしているという判定であり得る。使用される周波数範囲が決定されたと仮定すると、ステップ４００においてパラメータｉが０に設定され、その後ステップ４０５において搬送波周波数ｉが選択される。特に、使用される周波数範囲は、いくつかの別個の周波数に分割されてもよく、それらの別個の周波数は、０からｉＭＡＸに及ぶｉの値に関連付けることができる。
【０１０８】
搬送波周波数ｉが選択されると、ステップ４１０において送信機は搬送波周波数ｉを送信するように構成され、ステップ４１５において周波数を変更するためのトリガが受信されたと判断されるまでその搬送波周波数を送信し続ける。一実施形態では、これは単にマルチスペクトル送信機に所定の時間間隔で周波数をステップさせるための何らかの所定のタイマの経過であり得るが、別の実施形態では、トリガは実際にＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出回路によって発行され、結果、検出回路が、周波数がいつ変更されるかを制御する。
【０１０９】
ステップ４１５においてトリガが受信されると、次にステップ４２０においてパラメータｉがｉＭＡＸに等しいか否かが判定される。そうでない場合、ステップ４２５において、ｉの値が調整され、一実施形態では、これは単に値ｉを増分することを含む。その後、ステップ４３０において、運動シグネチャ検出器は、送信周波数の調整が行われていることを通知される。その後、プロセスはステップ４０５に戻る。
【０１１０】
ステップ４２０においてｉがその最大値に達したと判定されると、ステップ４３５において、さらなる反復が指示されたか否かが判定され、そうであればプロセスはステップ４００に戻る。そうでなければ、ステップ４３５において、プロセスはさらなる反復が指示されるまで待機する。
【０１１１】
一実施形態では、機械の連続的監視のために反復が継続的に繰り返される。しかしながら、いくつかの実施形態では、大量の冗長データが生成されないことを確実にするために、デューティサイクリングの考慮事項を考慮に入れることができる。例えば、一実施形態では、警告時間に関して要求される監視分解能、すなわち、運動シグネチャの特定の変化が検出された場合にどれだけ早く警告を発することが望ましいかを考慮して、反復繰り返し周波数を選択することができる。機械が状態遷移を通過する速度に応じて繰り返し周波数を変更することも適切であり得る。したがって、監視のデューティサイクリングは、機械シグネチャのドリフトレートに応じて自動的に適合させることができる。
【０１１２】
周波数範囲内の様々な周波数は特定の反復内で昇順または降順に選択される必要はなく、マルチスペクトルアプローチで使用される周波数範囲内で、使用される次の送信搬送波周波数を決定するために任意の適切な技法を使用することができることにも留意されたい。
【０１１３】
図１０は、マルチスペクトル動作モードにおける運動シグネチャ検出器２５の動作を示す流れ図である。ステップ４５０において、運動シグネチャ生成プロセスが初期化され、その後、ステップ４５５において、検出器は、１つまたは複数の運動シグネチャを生成するために受信ＲＦ信号を監視する。次にステップ４６０において、検出器は１つまたは複数の所定の基準が満たされているか否かを判定する。検出器は、この基準をいくつかの方法で評価するように構成することができる。例えば、一実施形態では、各送信周波数は、デジタル化のための前述のナイキスト基準を満たすのに十分長く使用されるべきである。すなわち、ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器サンプリング周波数は、機械の最高周波数の少なくとも２倍である。各搬送波周波数に対するデータ捕捉ウィンドウの時間長は、これが実質的にＦＦＴウィンドウサイズに等しいため、シグネチャ品質を決定する。ＦＦＴウィンドウサイズを大きくすると、周波数軸上のシグネチャの分解能が増大する。前述のようにスライディングウィンドウＦＦＴを実施することによって、ＦＦＴウィンドウサイズを一定に保ちながら、新しいデータが反対側からプッシュインされるため、最も古いデータが一方の端から連続的にプッシュアウトされる。
【０１１４】
いずれの基準がステップ４６０で適用されても、所定の基準が満たされたと判断するまで、検出器は受信信号を監視し、結果として得られる運動シグネチャ（複数可）を生成し続け、その後プロセスはステップ４６５に進み、検出器は、受信ＲＦ信号の監視を停止する。ステップ４７０において、累積された１つまたは複数の運動シグネチャを、それらの運動シグネチャを生成するために使用された搬送波周波数の指示とともに記憶し、その後、ステップ４７５において、ＲＦ送信機にトリガを送信する。
【０１１５】
前述の図９から明らかなように、そのトリガは送信機にその搬送波周波数を変更させ、その後ステップ４３０において、運動シグネチャ検出器に通知する。したがって、図１０のステップ４８０において、検出器は送信機からのその通知の受信を待ち、通知が受信されると、プロセスはその後ステップ４５０に戻る。
【０１１６】
そのような手法によって、異なる運動シグネチャのセットを様々な異なる送信信号周波数について取得することができ、したがって機械内の様々な異なる構成要素に関する運動シグネチャ情報を適切な感度で得ることが可能になることが理解されよう。
【０１１７】
そのようなマルチスペクトルモードが使用されるか否かにかかわらず、取得された運動シグネチャは、その後、機械の可動構成要素に潜在的な問題がある状況を検出するために使用され得る。これは図１１に概略的に示されている。
【０１１８】
特に、ステップ５００において、運動シグネチャ検出器を使用して、機械の各動作状態について運動シグネチャのデータベースを確立する。このデータベースが作成されると、機械の通常の使用中に検出器は、運動シグネチャの異常を継続的に探すことができる。特に、通常の使用中に、プロセスはステップ５０５に進み、現在の動作状態が決定され、その後、ステップ５１０において、運動シグネチャ検出器がその状態で動作している間に機械の１つまたは複数の運動シグネチャを決定するために使用される。次に、ステップ５１５において、運動シグネチャが予想通りであるか否かを決定するために、これらの決定された運動シグネチャがデータベース内の運動シグネチャと比較される。
【０１１９】
特に、ステップ５２０において、ステップ５１０において決定された運動シグネチャがデータベース内の対応するシグネチャから所定の閾値を超えて逸脱しているか否かが決定される。そうでない場合、プロセスは単にステップ５０５に戻るが、そのような逸脱が観察される場合、プロセスはステップ５２５に進み、そこでさらなる分析がトリガされる。これは、例えば、ユーザに警告信号を発して、ユーザにさらに問題を調査させ得る。トリガを発生させることができる様々な理由があることを理解されよう。例えば、その運動が対応してデータベース内の対応するシグネチャで観察される運動に対して変化する１つの欠陥構成要素があり得、検出されたシグネチャをシグネチャのデータベースと比較することによって、その欠陥構成要素を容易に識別することができる。代替的に、多構成要素システム内のすべての構成要素がデータベース内のシグネチャに対して比例的にドリフトしている場合があり得る。これは、例えば、１つの位置不整合の構成要素が機械内の他の相互接続された構成要素にノックオン効果を及ぼすことに起因するものであり得る。
【０１２０】
上述の実施形態から、無線信号などの電磁信号を使用して、機械の可動部品の物理的運動に対応する運動シグネチャを捕捉するための技法が説明されたことが理解されよう。本技法の根底にある洞察は、物体の材料が対象の信号周波数に対して十分に感受性があるという条件で、いかなる物理的な運動もそのフットプリントをＲＦ信号にインプリントするということである。このフットプリントは微小すぎて直接観察するができないため、フットプリント情報を提供しないマルチパス成分をフィルタリング除去しようとするためにマルチパス伝播を利用する技法が説明される。捕捉されたシグネチャは特定の動作状態における機械の特性であり、数メートルの距離から、そして機械が壁でさえぎられていても取得することができることが家電製品での評価を通じて実証されている。
【０１２１】
説明された技法は、複雑な機械のすべての内部構成要素の回転速度を非侵襲的にそれを計装することなく監視するために使用され得る。
【０１２２】
さらに、機械の様々な可動構成要素は相互接続されているため、機械システムでは、様々な部品またはサブシステム間の同期的協調が機械の機能的達成にとって非常に重要になる可能性があるため、それらの循環的運動の相対位相も、機械の機能的完全性の特徴である。機械内の１つの構成要素の位置不整合は、他のすべての相互作用する構成要素のモーションドリフトにつながる可能性がある。本明細書に記載の技法を使用して、異なる構成要素の運動の相対位相を捕捉することができ、これは機械の機能的完全性を反映する。さらに、不良部品を特定することができる。
【０１２３】
一実施形態では、この技法は、ＰＣベースのオシロスコープおよびＭａｔｌａｂを使用して実施されている。しかしながら、検出システムは多くの計算資源を必要とせず、そのため、非常に可搬性のある、そして非常に費用効果的な解決策に役立つ軽量モジュールにおいて容易に実行することができる。
【０１２４】
一実施形態では専用の無線源を使用して送信ＲＦ信号を生成するが、前述のように、ＴＶまたはＷｉ−Ｆｉなどの他のソースからの周囲ＲＦ信号もいくつかの実施形態では使用することができる。
【０１２５】
１つの例示的な実施形態のＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器は、機械的システムについての洞察を利用する、すなわちその構成要素は循環的な運動を実行しており、機械は全体として静的構成要素と可動構成要素との組み合わせとして考えることができ、可動構成要素は何らかの機能を達成するためにともに結合される。記載された技法は、マルチパス伝搬を使用して、機械の部品の運動シグネチャを変調し抽出する。
【０１２６】
記載された技法は、同時に動作し、感度を高めるために監視されるべき目標機械の位置を考慮して所与の環境に戦略的に配置することができる送信機および受信機の使用を含む。送信機と受信機はともに配置される必要はなく（実際、それらは典型的には互いから空間的に分離されることになる）、それらはいかなる特定の位置決めも必要としない。さらに、送信および受信動作は同期している必要はない。実際、記載された実施形態では、送信機はＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器の受信機から完全に切り離されており、ＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器は一例では環境内に存在する任意の周囲の無線信号も同様に使用することができ、したがって一切の送信機を明示的に必要としない。
【０１２７】
説明した実施形態では、受信信号は、一実施形態ではローカルソースを使用して生成された基準信号とすることができる比較信号を参照して評価される。しかしながら、場合によっては捕捉されたＲＦ信号内の機械の運動シグネチャを破壊する可能性があるため、発振器ドリフトがこの場合潜在的な問題となり得る。これは、ほとんどの機械装置が通常５００〜９０，０００ＲＰＭ（毎分回転数）または８〜１５００Ｈｚの間で動作するためであり、これは、まさに通常使用される発振器の許容限界の範囲内である。したがって、一実施形態では、比較信号は、代わりに、メインアンテナから所与の距離だけ離れたさらなるアンテナによって取得される信号によって形成される（一実施形態では、波長と比較して無視できないように選択される）。さらなるアンテナによって捕捉された信号が効果的に基準信号として使用され得るという事実は、本明細書で前述したような「マルチパス変調」の基本原理から導き出される洞察に基づいている。
【０１２８】
さらなるアンテナによって受信された比較信号は、一実施形態では、主信号と正確に同じ搬送波周波数を提供する。これは、両者が同じソース、すなわち送信機から発せられるためである。これは、発振器ドリフトから生じる上述の問題を克服する。これに加えて、さらなるアンテナによって取得される比較信号もまた、その振幅および位相において、主信号におけるのと同じ機械変調シグネチャを有するが、両方のアンテナが２つの異なる位置から信号を取得するため、程度は異なる。「マルチパス変調」は、マルチパス環境で信号パスが変更されても、観測点で信号の振幅および位相が同じ値になることはほとんどあり得ないことを意味する。さらに、２つのアンテナによって取得される２つの観測点においてそれが変化しないままであり得る可能性はさらに低く、２つのアンテナによって取得される２つの観測点においてそれが同じ量だけ変化することも滅多にない。したがって、運動シグネチャは両方の信号において異なる程度に変調されるため、それらの振幅の比、またはそれらの位相の差などの動作は、運動シグネチャを保存し、したがって、運動シグネチャはさらなる処理を通じて抽出することができる。
【０１２９】
本明細書に記載の技法は、目標機械が典型的には、ＲＦ信号の全カバレッジ領域の非常に小さい体積を占有するため、時変信号と比較してはるかに支配的であることが多い非時変信号経路から寄与される信号の静的部分を除去するためのメカニズムを提供する。
【０１３０】
記載された技法はまた、目標機械の運動シグネチャを抽出するために、周囲の運動または他の干渉するＲＦデバイスによって寄与されるシグネチャ効果をフィルタリング除去することを可能にする。
【０１３１】
所望に応じて、本明細書に記載の技法を使用して、単一のＣｏｇｎｉＳｅｎｓｅ検出器を使用して多くの機械を監視することができる。
【０１３２】
さらに、記載された技法は監視されている機械に対して非侵襲的であり、機械に対する検出器のいかなる特定の配置も必要としない。
【０１３３】
添付図面を参照して本発明の例示的な実施形態を詳細に説明したが、本発明はこれらの厳密な実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、様々な変更、追加および修正が当業者によって実施され得ることが理解されるべきである。例えば、従属請求項の特徴の様々な組み合わせは、本発明の範囲から逸脱することなく、独立請求項の特徴によって行うことができる。
【図１】
2019525156.tif 000065
【図２】
2019525156.tif 000066
【図３】
2019525156.tif 000067
【図４】
2019525156.tif 000068
【図５】
2019525156.tif 000069
【図６Ａ】
2019525156.tif 000070
【図６Ｂ】
2019525156.tif 000071
【図６Ｃ】
2019525156.tif 000072
【図７Ａ】
2019525156.tif 000073
【図７Ｂ】
2019525156.tif 000074
【図８】
2019525156.tif 000075
【図９】
2019525156.tif 000076
【図１０】
2019525156.tif 000077
【図１１】
2019525156.tif 000078
【国際調査報告】
2019525156.tif 000079
2019525156.tif 000080
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