(57)【要約】【課題】 被検査対象の導線の周波数特性に適した時間及び周波数領域での入力信号を設計して、入力信号と異常地点で発生した反射波信号を時間及び周波数領域で処理することができる技法[時間及び周波数領域反射測定]を用いて、信号を時間領域ばかりではなく周波数領域でともに解釈することにより、導線の異常有無を診断することとともに異常位置を正確に見出し、またその応用分野では、導線などの配線システムのみならず、地質/資源探査、材料表面検事、レーダー/ソナー、通信網ネットワーク配線、光ケーブル診断、遠隔探査、流体導波管漏れ診断、水位測定などにも拡大適用できる時間-周波数領域の反射波処理処置及び方法を提供すること。【解決手段】 外部装備の制御を担当し、トリガ作業では出力波形の時間遅延値、電圧オフセット(Voltage offset)値、及びサンプリング度を指定できるようにして、正しい信号の獲得がなされるようにする機器制御プログラムと、読み込んだデータの時間-周波数領域を分析する時間-周波数領域の分析制御プログラムと、波形取得器を介して入力される２つのファイルをGPIBケーブルを用いて転送されてデジタル信号プロセッサへ転送するプロセッサ制御プログラムとを含み、所定の時間-周波数領域の反射波処理処置の主制御プログラムを行うPCと；前記 PCから入力された信号[s(t)]の情報をオシロスコープから読み込んだデータと比較して導線の欠陥有無及び欠陥位置を計算し、前記時間-周波数領域の分析制御プログラムによるDSPプログラムで内部演算を行い、読み込んだデータの分析を行うデジタル信号プロセッサと； 被検査対象の導線に対して所定の入力信号を発生させる任意波形発生器と；被検査対象の導線から入力される反射波信号のデータ値をそれぞれ*.csvファイルタイプで時間値と電圧値とを示す２つの列ベクトルで格納させる過程を行う波形取得器と；を含むことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間-周波数領域の反射波分析法を用いた、欠陥があるか有限な導線の距離を測定する装置において、被検査対象である欠陥があるか有限な導線(600)と；前記被検査対象の導線(600)に入力される所定の入力信号を発生させる任意波形発生器(300)と；前記入力信号と前記被検査対象の導線(600)から入力される反射波信号とを格納し、格納されたファイルをパソコンの機器制御プログラム手段(110)へ転送する波形取得器(400)と；外部装備の制御を担当し、入力信号の設計のために波形の時間遅延値、電圧オフセット値、及びサンプリング度を指定して入力信号の設計を行う機器制御プログラム手段(110)と、入力された入力信号及び導線から反射された反射波データの時間-周波数領域を分析する時間-周波数領域の分析制御プログラム(120)と、波形取得器(400)を介して入力される入力信号と反射波のファイルとを、GPIBケーブルを用いて転送されてデジタル信号プロセッサ(200)へ転送するプロセッサ制御プログラム(130)とを含み、所定の時間-周波数領域の反射波処理処置の主制御プログラムを行うパソコン(100)と；前記時間-周波数領域の分析制御プログラム(120)によるDSPプログラムで内部演算を行い、反射波波形信号の時間-周波数分布関数を計算して導線の欠陥有無と欠陥位置とを計算するデジタル信号プロセッサ(200)と；を含んで構成されたことを特徴とする時間-周波数領域の反射波処理装置。
【請求項２】
前記任意波形発生器(300)で発生される入力信号は、選択された時間分布を持つガウシアン包絡線と、選択された周波数領域とを有し、経時的に周波数が変化するチャープ信号であることを特徴とする請求項１記載の時間-周波数領域の反射波処理装置。
【請求項３】
前記波形取得器は、前記入力信号と反射波信号のデータ値らを、ファイルタイプで時間値と電圧値とを示す２つの列ベクトルで格納させることを特徴とする請求項１又は２記載の時間-周波数領域の反射波処理処置。
【請求項４】
前記デジタル信号プロセッサは、前記パソコン(100)から入力された入力信号の時間-周波数分布関数と反射波の時間-周波数分布関数とから時間-周波数相関関数を計算して、前記時間-周波数相関関数から導線の欠陥有無と欠陥位置とを計算することを特徴とする請求項３記載の時間-周波数領域の反射波処理装置。
【請求項５】
有限な被検査対象の導線の距離を測定する方法において、時間と周波数領域で同時に局在化された入力信号を設計する段階と；前記設計された入力信号を発生させる段階と；発生された入力信号を前記導線に入力させる段階と；前記導線から反射してきた反射波を受信する段階と；前記受信された反射波をパソコンへ転送する段階と；を含むことを特徴とする、時間-周波数領域反射波分析方法を通じて導線の欠陥位置や長さを測定する方法。
【請求項６】
前記入力信号は、導線の減衰特性及び予想測定距離によって、時間幅、周波数幅、及び中心周波数が設定されることを特徴とする、請求項５記載の時間-周波数領域反射波分析方法を通じて導線の欠陥位置や長さを測定する方法。
【請求項７】
前記入力信号は、選択された時間分布のガウシアン包絡線と、選択された周波数領域とを占めるチャープ信号であることを特徴とする、請求項６記載の時間-周波数領域反射波分析方法を通じて導線の欠陥位置や長さを測定する方法。
【請求項８】
前記時間-周波数領域反射波分析方法は、前記入力信号の反射波を測定して、反射波の時間-周波数分布関数と前記入力信号の時間-周波数分布関数とを計算する段階と；前記反射波の時間-周波数分布関数と前記入力信号の時間-周波数分布関数との時間-周波数相関関数を計算する段階と；時間-周波数相関関数から、入力信号の時間中心と反射波の時間中心との間の時間差を計算する段階と；前記導線での波の進行速度と前記時間差とを掛けて導線の欠陥位置や長さを計算する段階と；を含むことを特徴とする、請求項５ないし７いずれか１項に記載の時間-周波数領域反射波分析方法を通じて導線の欠陥位置や距離を測定する方法。
【請求項９】
前記時間-周波数領域反射波分析方法は、前記入力信号の反射波を測定して、反射波の時間-周波数分布関数と前記入力信号の時間-周波数分布関数とを計算する段階と；前記反射波の時間-周波数分布関数と前記入力信号の時間-周波数分布関数との時間-周波数相関関数を計算する段階と；時間-周波数相関関数から、入力信号の時間中心と反射波の時間中心との間の時間差を計算する段階と；時間-周波数相関関数から、入力信号と反射信号との時間-周波数分布関数を局在化する段階と；前記局在化された入力信号と反射信号とに対する時間-周波数分布関数に周波数領域で境界値を求めた後に、入力信号と反射信号との周波数変位を計算し、設計された入力信号の時間-周波数増加率で前記反射信号の周波数変位を除して時間オフセットを計算する段階と；前記時間差と前記時間オフセットとをあわせて補償された時間差を計算する段階と；前記導線での波の進行速度と前記補償された時間差とを掛けて導線の欠陥の位置や長さを計算する段階と；を含むことを特徴とする、請求項５ないし７いずれか１項に記載の時間-周波数領域反射波分析方法を通じて導線の距離を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度の安全性を要求するシステムでの電気、電子のシステム配線に対する導線の異常有無とその位置を見出す診断装置及び方法に関し、更に詳細には、時間と周波数を同時に考慮した時間及び周波数領域反射測定(Time-Frequency Domain Reflectometry)技法で被検査高周波用導線の異常(Fault)有無を診断することとともに、異常位置を正確に見出すことができるようにした時間-周波数領域の反射波処理処置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、機体異常による飛行機の墜落事故の主原因が、ちょうど電気配線の絶縁体破壊ということが知られており、この以外にも、原子力発電所の制御システム、宇宙往復船、潜水艦、産業用制御機器など、電気配線における高い安全性を要求するシステムが増加する趨勢にある時点において、電気配線に対する信頼性診断と評価は、重要な要素として位置付けられている。
【０００３】
また、様々な種類の導線の生産現場においても、生産された導線の品質評価、確認のために、正確な導線の異常有無の診断と位置測定は、重要な技術的な問題である。
【０００４】
従って、このような導線の異常有無の診断と位置測定の技術、即ち、配線診断システムは、現在までは一定の信号を導線へ転送した後、反射される信号を測定して、導線の異常有無を診断する反射波計測法(Reflectometry)が主となっている。
【０００５】
前記反射波計測法は、時間領域又は周波数領域でのみ行われるが、一定の信号を導線へ転送した後、反射してくる信号を測定して、導線の断線(Open)、ショート(Short)、不連続点(Discontinuity)などの欠陥有無と欠陥位置、並びに導線の特性インピーダンスを測定する従来の反射波計測法は、時間領域反射波計測法(TDR: Time Domain Reflectometry)、定常波反射波計測法(SWR: Standing Wave Reflectometry)及び周波数領域反射波計測法(FDR: Frequency Domain Reflectometry)などと要約される。
【０００６】
前記各々の方式は、いずれも物理的な分解能(Resolution)の限界を有しており、ノイズに敏感で、一領域(Domain)で信号を分析するという短所を有している。
【０００７】
まず、時間領域反射波計測法(TDR)は、導線にパルス波を印加して、欠陥部分から反射してくるパルス波の位相(Phase)を分析して欠陥状態を予測し、遅延時間から欠陥位置を見出す方式である。この方式は、パルス波の上昇時間(Rise Time)から分解能の限界を有し、このような限界を補うために、デジタル変換時間(Time-to-Digital Conversion)技法を導入しているが、パルス波がノイズに敏感でありかつ時間領域でのみ信号を分析するため、信号の歪みの発生時、距離計測の誤差率が大きくなるという短所を有する。
【０００８】
前記周波数領域反射波計測法(FDR)は、正弦波(Sinusoidal wave)を基準信号として、導線の入射波と反射波との間の位相差を直接測定して、導線の異常有無、距離、及び特性インピーダンスを測定することになる。導線にある欠陥が存在すると、両信号間には共鳴現象が生じる。前記周波数領域反射波計測法(FDR)は、周波数領域でのみ信号を分析し、周波数掃引(Sweep)帯域幅によって分解能を制限される。また、前記時間領域反射波計測法(TDR)と同様に、ノイズの存在時、欠陥距離測定の正確度が低下するという短所を有する。
【０００９】
前記定在波反射波計測法(SWR)は、正弦波を導線に印加して、入射された正弦波と反射される正弦波とが融合され、定在波(Standing Wave)を作り出し、この定在波のピーク(Peak)とヌル(Null)から導線の欠陥状態、距離、及び特性インピーダンスなどを測定する方式であるが、周波数掃引帯域幅による分解能の限界の特徴を示す。なお、この方式も周波数領域でのみ信号を分析し、ノイズに敏感であり、導線の欠陥測定の正確度と信頼度が低下するという技術的な問題点を示している。さらに、前記方式は、誤差を補正する技法も不備である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、被検査対象の導線の周波数特性に適した時間及び周波数領域での入力信号を設計し、入力信号と異常地点から発生した反射波信号とを時間及び周波数領域で処理することのできる技法[時間及び周波数領域反射測定]を用いて、信号を時間領域ばかりではなく、周波数領域でともに解釈して、導線の異常有無を診断することとともに、異常位置を正確に見出せるようにした時間-周波数領域の反射波処理処置及び方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、反射波処理方法において、入力波の設計から処理に至る過程に対する時間及び周波数領域の信号処理の観点への新たな接近方法として、単に、導線の異常有無の診断ばかりではなく、既存の反射波方法が適用されていた多様なアプリケイション、即ち、地質/資源探査、材料表面検事、レーダー/ソナー、通信網ネットワーク配線、光ケーブル診断、遠隔探査、流体導波管漏れ診断、水位測定などにも拡大適用可能な、時間-周波数領域の反射波処理処置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような目的を達成するための本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理処置は、外部装備の制御を担当し、トリガ作業では、出力波形の時間遅延値、電圧オフセット(Voltage offset)値、及びサンプリング度を指定できるようにして、正しい信号の獲得がなされるようにする機器制御プログラムと、読み込んだデータの時間-周波数領域を分析する時間-周波数領域の分析制御プログラムと、波形取得器を介して入力される２つのファイルを、GPIBケーブルを用いて転送されてデジタル信号プロセッサへ転送するプロセッサ制御プログラムとを含み、所定の時間-周波数領域の反射波処理処置の主制御プログラムを行うPCと；前記 PCから入力された信号[s(t)]の情報をオシロスコープから読み込んだデータと比較して導線の欠陥有無及び欠陥位置を計算し、前記時間-周波数領域の分析制御プログラムによるDSPプログラムで内部演算を行い、読み込んだデータの分析を行うデジタル信号プロセッサと； 被検査対象の導線に対して所定の入力信号を発生させる任意波形発生器と；被検査対象の導線から入力される反射波信号のデータ値を、それぞれ*.csvファイルタイプで時間値と電圧値とを示す２つの列ベクトルで格納させる過程を行う波形取得器と；を含んでなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理方法は、被検査対象の導線とシステムをケーブルで連結して、初期化した後、GUI(Graphic User Interface)を通じて対象の導線の物理的、電気的特性の値らを入力する過程と；入力された導線の特定値を基に周波数領域での反射波の大きさと位相を予測し、予測された導線の周波数領域での特性に合わせて周波数領域を選択する過程と； 前記選択された周波数の領域で選択された周波数と時間との関係の限界(the Uncertainty Principle)を満たす最小の時間分布を選択する過程と；このように選択された時間分布のガウシアン包絡線(Envelope)と、選択された周波数領域を占めるチャープ信号(Chirp Signal)との積で最適な入力基準信号を設計する過程と；前記設計された信号の波形を、GPIBを通じて任意波形発生器にコマンドを出すと、任意波形発生器から基準信号を物理的に測定しようとする導線に発生させる過程と；前記過程と同時に、波形取得器を介して導線を通過した反射波の波形を格納し、波形の内容をファイルタイプでプログラム内部へ転送する過程と；前記受け入れた波形の信号は、迅速な計算のためにデジタル信号プロセッサで時間-周波数分布関数が計算される過程と；前記入力信号と反射波との時間-周波数分布関数から、時間-周波数相関関数を計算し、入力された導線の電磁気学的な特性を考慮して、導線の異常有無を見出す過程と；導線の異常が診断される場合、時間-周波数相関関数から反射波を局在化(Localization)する過程と；前記局在化された信号に対する時間-周波数分布関数の境界値(Marginal)から反射波の局在化された時間遅延、周波数変位を計算し、設計された信号の時間-周波数増加率で信号の歪みを補償して、正確な導線の異常位置を測定する過程と；を含んでなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明は、新たにTFDR方式を提案する。即ち、導線の電磁気学的な特性に適した入力信号を時間と周波数領域の両方を考慮して設計した後、入力信号と異常地点から発生してくる反射信号とを、共同の時間-周波数処理技法(Time-Frequency Analysis)を用いて分析する方法を使う。
【００１５】
入力信号と反射信号との時間-周波数領域相関関数を求めて導線の異常有無を診断し、もし、導線の異常が感知されたら、入力信号と反射波との時間伝達差を用いて位置を測定し、時間-周波数特性(Chirp Rate)と時間領域及び周波数領域で局在化された時間-周波数領域相関関数とを通じて、この位置を補正することになる。このような方法を通じて、現在の技術が有する物理的な分解能の限界を克服することができ、ノイズ又は分散性を有する対象に対しても補正アルゴリズムを通じて誤差を最小化して導線を診断して、位置を測定することができる。
【００１６】
本発明の応用分野は、極めて広範囲である。導線診断有無の他にも、航空機、宇宙往復船、地質/資源探査、材料表面検事、レーダー/ソナー、通信網ネットワーク配線、光ケーブル診断、遠隔探査、流体導波管漏れ診断、水位測定などの高度の安全性が要求されるシステムのリアルタイム診断と監視システムに適用されて、全体システムの安全性の向上とシステムの自動化された整備をより效率的に作ってくれる。だけでなく、計測器産業に適用されて高性能の計測装備の生産を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照して、本発明の構成をより詳しく説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理処置の回路ブロック図である。
【００１９】
図示されたように、符号100は、PC(パソコン:100)であり、本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理処置の主制御プログラムが行われる所である。
【００２０】
符号200は、デジタル信号プロセッサ(DSP: Digital Signal Processing)であり、分布関数計算を行う。
【００２１】
符号300は、任意波形発生器(Arbitrary Waveform Generator)であり、被検査対象の導線に対して入力信号を発生させる。
【００２２】
符号400は、波形取得器(Data Acquisition Instrument)であり、被検査対象の導線から入力される反射波と任意波形発生器から生成された入力信号とを、サーキュレーターから入力されて格納する。
【００２３】
これを詳細に考察すると、前記波形発生器300からチャープ信号を発生させる。前記チャープ信号とは、経時的に周波数がリニアに変化する信号であり、ここでは、経時的に周波数がリニアに増加する信号を使用する。
【００２４】
また、前記信号にガウシアン包絡線(Gaussian Envelope)を掛けて、時間及び周波数領域での局在化(Localize)を容易にした(図２を参照)。このようにして生成された信号の数式的な表現は、次の通りである。
【００２５】
【数１】
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ここで、t及びt０は時間及び初期時間、αはガウシアン定数、βは周波数増減の割合、ω０は初期の角速度を示す。
【００２６】
信号の発生のためのパラメーター値の入力は、任意波形発生器300とPC100とGPIBプログラミングとを通じて転送させ、発生及び停止作業もPC100で制御される。発生された信号は、導線に沿って進行されて、欠陥部(Fault)に会えば、反射係数によって、一部は反射され、一部は続いて転送される。オシロスコープでは、各々のチャンネルでこの反射波と送信波との信号を獲得して画面に表す。この過程もGPIBプログラミングを通じて行われ、信号のトリガ作業をする過程においても、導線の種類によってパラメーター値をPC100で変化させることができる。
【００２７】
この一連の過程は、機器制御プログラム手段110で行い、PC100で外部装備の制御を担当するものである。また、トリガ作業では、出力波形の時間遅延値、電圧オフセット値、サンプリング度を指定できるようにして、正しい信号の獲得がなされるようにする。前記波形取得器400は、オシロスコープで獲得した信号のデータ値らを、それぞれ *.csvファイルタイプで時間値と電圧値とを示す２つの列ベクトルで格納させる過程を行う。前記プロセッサ制御プログラム130では、この２つのファイルを、再びコンピューターからGPIBケーブルを用いて転送されてデジタル信号プロセッサ200に読み込むようにする。前記デジタル信号プロセッサ200では、前記信号[s(t)]の情報をオシロスコープから読み込んだデータと比較して、導線の欠陥有無及び欠陥位置を計算する。この時、時間-周波数領域の分析制御プログラム(Time-Frequency Domain Reflectometry Detection & Estimation Algorithm)120によるDSPプログラムで内部演算を行い、読み込んだデータの分析を実施する。データ分析の結果は、導線の欠陥有無と位置とを数値的に示し、その結果に対する信頼度も数値的に示す。前記GUIプログラム500を用いて、PC100と外部機器(例:モニター、キーボード、ボタンなど)との制御をより容易にすることができる。GUIプログラム500の機能を用いると、図４の丸数字１のように、導線600の種類によるパラメーター値と入力波及び反射波形などをモニターに表示するようにし、図４の丸数字２のように、所望のチャープ信号のデザインもパラメーターの入力で代替される。入力信号と反射された信号との波形を、図４の丸数字３及び丸数字４のように視覚的に示すことができる。また、図４の丸数字５のように、視覚的な分析と結果値との数値的な表現ができるようにして、全ての外部機器の動作制御をキーボード入力とボタンクリックとで簡単に行えるようにすることができる。
【００２８】
図３は、本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理方法を示す手順図である。図示されたように、本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理方法、即ち、導線の異常有無とその位置とを判別する方法は、被検査対象の導線600とシステムとをケーブルで連結して初期化した後、GUIを通じて対象の導線の物理的、電気的特性の値を入力する過程(S10)と、入力された導線の特定値を基に周波数領域での反射波の大きさと位相を予測し、予測された導線の周波数領域での特性に合わせて周波数領域を選択する過程(S11)と、前記選択された周波数の領域で選択された周波数と時間との関係の限界を満たす最小の時間分布を選択する過程(S12)と、このように選択された時間分布のガウシアン包絡線と、選択された周波数領域を占めるチャープ信号との積で最適な入力基準信号を設計する過程(S13)と、前記設計された信号の波形を、GPIBを通じて任意波形発生器300にコマンドを出すと、任意波形発生器300から基準信号を物理的に測定しようとする導線600に発生させる過程(S14)と、同時に、波形取得器400を介して導線600を通過した反射波の波形を格納し、波形の内容をファイルタイプでプログラム内部へ転送する過程(S15)と、前記受け入れた波形の信号は、迅速な計算のためにデジタル信号プロセッサ200で時間-周波数分布関数が計算される過程(S16)と、前記入力信号と反射波との時間-周波数分布関数から時間-周波数相関関数を計算し、入力された導線の電磁気学的な特性を考慮して、導線600の異常有無を見出す過程(S17)と、導線600の異常が診断される場合、時間-周波数相関関数から反射波を局在化する過程(S18)と、前記局在化された信号に対する時間-周波数分布関数の境界値から反射波の局在化された時間遅延、周波数変位を計算し、設計された信号の時間-周波数増加率で信号の歪みを補償して、正確な導線の異常位置を測定する過程(S19)とから構成される。
【００２９】
このような本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理方法を、より詳しく説明する。まず、本発明は、従来の方法よりも高い精度を具現するための入力信号と処理方法を提示する。即ち、本発明で設計した入力信号は、次のような特徴を有する時間局在化チャープ信号(Time Localized Chirp Signal)である。この入力信号は、時間領域と周波数領域の両方で解釈するために、時間領域と周波数領域の両方でガウシアン分布の大きさを持ち、この周波数がリニアに変わり、限定された帯域幅を有した正弦波である。前記信号の形状がガウシアン分布の形状を有しているため、パルス波(Pulse Wave)を使用する時間領域反射測定原理(TDR)に比べて、分散性(Dispersive)やパルスの広がり、雑音、歪みにおいて高い精度を保障してくれる。
【００３０】
また、時間領域反射測定原理(TDR)の方法は、導線の異常有無とその位置とを判別するにおいて、入力波と反射波とを時間領域でのみ解釈し、周波数領域の反射測定原理(FDR)、及び定常波測定原理(SWR)は、周波数領域でのみ解釈するに対し、前記本発明の入力信号は、周波数領域と時間領域の両方で解釈できるように設計されることにより、時間領域でのみ解釈するか、周波数領域でのみ解釈する方法に比べて、より正確な精度を保障する。
【００３１】
また、本発明は、時間領域と周波数領域の両方で解釈可能な入力信号を解釈するために、時間-周波数領域の反射測定原理(TFDR: Time-Frequency Domain Reflectometry)を提示する。本発明で設計した入力信号と反射された信号との周波数領域と時間領域の両方での特徴を解釈するために、ウィグナー分布(Wigner Distribution ：信号の周波数領域と時間領域とで分布を示す関数)を用いる。本発明で設計した入力信号を数式化すれば、次のように表すことができる。
【００３２】
【数２】
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(1)式で、αはガウシアン分布の幅を決める因子であり、βは時間に対する周波数の増加率を示す因子である。(1)式を用いて信号の時間軸での中心(time center:tｓ)、信号持続時間(time duration:Tｓ)を求めることができる。
【００３３】
【数３】
2005532549.tif 000005
【００３４】
また、入力信号のフーリエ変換(Fourier Transform)(式(3))を求めることで、周波数軸での中心(frequency center:ω０)、帯域幅(Bandwidth:Bｓ)を求めることができる。
【００３５】
【数４】
2005532549.tif 000006
【００３６】
同様の方法で、反射波に対しても、上記の(2)式と(4)式を用いて反射波の時間軸での中心(time center:tｒ)、反射波の持続時間(time duration:Tｒ)、反射波の周波数軸での中心(frequency center:ωｒ)、反射波の帯域幅(Bandwidth:Bｒ)を求めることができる。
【００３７】
従って、このような入力信号を対象の導線に適用するためには、対象の導線の周波数特性に合わせて信号のパラメーターαとβとω０とを選択して入力信号を設計しなければならない。信号のパラメーターの決定には、次の段階による。
１. 導線の周波数特性を大きさと位相差とにより求める。
２. 周波数領域での大きさの減衰を考慮して、最大周波数を選択する。
３. 任意波形発生器と波形分岐装置との周波数幅を考慮して、最大周波数との差により最小周波数を選択する。この時、最大周波数と最小周波数との平均として、ω０を選択する。
４. 上記で選択された周波数幅の逆数よりも大きい時間領域の幅を選択して、パラメーターαを決める。
５. 選択した時間の幅内で最小周波数から最大周波数までの増加率を計算して、βを決める。
【００３８】
計算量を減らし、有用な信号のみを局在化するために、入力信号と反射された信号とのウィグナー分布(式(5))と平均化された時間-周波数領域相関関数(Normalized Cross Correlation function:Cｓｒ(t))(式(7))とを求めて具現した。
【００３９】
【数５】
2005532549.tif 000007
Wｓ(t,ω)は、入力信号のウィグナー分布を意味する。
【００４０】
【数６】
2005532549.tif 000008
反射された信号のウィグナー分布Wｒ(t,ω)も、前記のような方法で求めることができる。
【００４１】
【数７】
2005532549.tif 000009
【００４２】
前記の平均化された時間-周波数領域相関関数から入力信号と反射された信号との間に時間-周波数分布の時間に対する類似性を測定することができる。これを通じて、異常が発生された部分から反射された信号を局在化することができる。時間-周波数領域相関関数は、時間-周波数分布の時間に対する反射波と入力信号との間の類似性を測定するため、適正な境界値以上の値を有する時間を見出すことで、入力された時系列信号らから反射波の局在化が可能な情報を得ることができる。また、反射波の存在可否を判断することで、導線の異常有無を診断することができる。
【００４３】
入力信号は、周波数と距離との相関関数である媒質の伝達関数H(ω,x)により、進行距離と時間によってその大きさが減少する関数u(x,t)である。入力信号の初期条件として、t０=0、x=0と仮定すると、u(x,t)=s(t)と表すことができる。その場合、その一般解は、次のように求めることができる。
【００４４】
【数８】
2005532549.tif 000010
従って、xだけ入力信号が進めた時、周波数領域での入力信号は、最初の入力信号と媒質の伝達関数との積で表すことができる。また、媒質の伝達関数は、α(ω):周波数依存消衰係数(frequency-dependent attenuation coefficient), k(ω):拡散係数(dispersion coefficient)によって決められるので、次のように表すことができる。
【００４５】
【数９】
2005532549.tif 000011
【００４６】
それ故、入力信号の時間と距離とに対する関数は、次のように表すことができる。
【００４７】
【数１０】
2005532549.tif 000012
【００４８】
もし、入力信号が異常のない媒質を通過したとしたら、通過された信号は、媒質の距離だけ時間遅延(time delay:tｄ)のみが生じて、最初の入力信号と同様な形状を維持するだろう。しかしながら、現実では、入力信号は、媒質を通過しながら減衰現象が起きて、特に導線の場合、高周波成分の減衰現象が著しく現われる。これによって、入力信号の時間軸での中心と周波数軸での中心とが新たなtｕ（ｘ）, ωｕ（ｘ）に変わることになり、これによって、異常の位置測定において誤差を引き起こすことになる。
【００４９】
入力信号を、α(ω)とk(ω)とがリニアな区間で設計したので、
【００５０】
【数１１】
2005532549.tif 000013
と仮定することができる。従って、媒質を通過した入力信号の新たな時間軸での中心(center time:tｕ（ｘ）)は、次のように求めることができる。
【００５１】
【数１２】
2005532549.tif 000014
ここで、νは、周波数がωｕ（ｘ）である時、媒質での入力信号の進行速度である。同じく周波数軸での中心(center frequency:ωｕ（ｘ）)も求めることができる。
【００５２】
【数１３】
2005532549.tif 000015
それ故、実際波の入力信号であるチャープ信号(Chirp Signal)のβ因子とδωとにより補償された時間遅延は、次の通りである。
【００５３】
【数１４】
2005532549.tif 000016
【００５４】
これまで求めた値をまとめて見ると、図５に示された時間-周波数領域の分布図のようになる。前記の情報から、導線の異常が発生した地点(dｆ)と全ての導線の長さ(dｔ)とに対する情報を、次のような方法により得ることができる。
【００５５】
【数１５】
2005532549.tif 000017
【００５６】
添付の図６、図７及び図８は、本発明の一実施形態に係る被検査対象の導線を実際に実験した過程を示すための実験条件の構成図であって、図６は、本発明の一実施形態に係る被検査対象の導線の実験条件の構成図、図７は、前記実験による各信号の時間-周波数領域の分布図、図８は、実験による実験導線の特性を示すグラフである。
【００５７】
従って、実際導線RG(Radio Guide)-141タイプの特性をモデルとしてADS(Advanced Design System)で実験をするための条件を作り、本発明で設計した入力信号を送って、その入力信号と反射された信号とを、提示された信号処理方法を通じて導線の異常有無とその位置を確認して見た。
【００５８】
まず、正常状態である導線の特性値らは、導線のメーカーから容易に得ることができる。従って、この値らを用いて対象の導線に適した入力信号を設計することができる。前述のような特性を有する導線の場合、次のような特性を有する入力信号を設計することができる。
・チャープの持続時間(Time Duration of Chirp):30ns
・周波数帯域幅:900MHz(100MHz〜1GHz)
・周波数掃引(Frequency Sweep):線形増加(β＝900MHz/30ns)
【００５９】
この入力信号を導線に通過させた時、オシロスコープから、図９での如く、ノード1から見える反射された信号とノード2から見える通過された信号との情報を得ることができる。前記式(7)の時間-周波数相関関数を用いると、次のような結果が得られる。前記の結果から、反射された信号だけを局在化することができ、各信号の時間-周波数領域の分布を通じて、各信号の時間軸での中心(Time Center:tｓ)、周波数軸での中心(Frequency Center:fｓ)、信号の持続時間(Time Duration:Tｓ)、周波数帯域幅(Frequency Band Width:Bｓ)を求めることができる。下記の表１の結果値を求める過程は、次のように要約することができる。
１. オシロスコープから図８のような情報を獲得することができる。
２. そのまま式(2)、(4)に代入することができないので、全体時間に対する信号を局在化しなければならない。(∵そのまま代入する場合、時間中心と持続時間とが入力信号と反射された信号との中間値を有するためである。)
３. 時間-周波数相関関数を用いて、入力信号と反射された信号との間の類似性をいずれの限界値(threshold)を基準として各々の信号を局在化することができる。
４. 局在化された信号を、それぞれウィグナー分布を用いて時間-周波数領域で示し、それぞれ時間及び周波数軸に射影させると、図１０のような結果が得られる。
５. 図１０の結果から、下記の表１の結果値らを求めることができる。
これにより求められた値らは、次の通りである。
【００６０】
【表１】
2005532549.tif 000018
【００６１】
使用した導線の相対誘電率がεｒ=2.1であるので、媒質での入力信号の電波速度は、
【００６２】
【数１６】
2005532549.tif 000019
であり、入力信号の時間軸での中心(tｓ=71.97)、反射された信号の時間軸での中心(tｒ=360.11)との差であるΔt=360.11-71.94=288.17(ns)も求めることができる。Δtから直接求めた異常部分の位置は、次のように求められる。
【００６３】
【数１７】
2005532549.tif 000020
【００６４】
媒質により生じた歪みを補償して、異常部分の位置を求める方法は、次のように求められる。
δtは、式(16)においてδt=δf/βの関係を有するので、これを用いて求めることができる。δfは、入力信号の周波数中心と反射された信号の周波数中心との差なので、δf=0.6039-0.5352=0.0687(GHz)である。βは、入力信号の設計時、3.00×10１６Hz/secと与えたので、δt=δf/β=(0.0687×10９)/(3.00×10１６)=2.29(ns)と求められる。従って、式(16)からtｄ=Δt+δt=288.17+2.29=290.46(ns)を求めることができる。
式(17)から異常部分の位置
【００６５】
【数１８】
2005532549.tif 000021
を求めることができる。また、実験から通過された信号の情報も分かっているため、前記と同様の方法により全ての導線の長さ情報を得ることができる。
【００６６】
入力信号と通過された信号との間のΔtは、表２からΔt=361.14-71.94=289.20(ns)として求めることができる。同じく入力信号と通過された信号との間のδtもδt=δf/βの関係から求めることができる。入力信号と通過された信号との間のδf=0.6038-0.5778=0.0261(GHz)であるので、δt=δf/β=(0.0261×10９)/(3.00×10１６)=0.87(ns)を求めることができる。よって、tｄ=Δt+δt=289.20+0.87=290.07(ns)を得ることができる。
【００６７】
それ故、全ての導線の長さdｔ=ν・tｄ=(2.07×10８)・(290.07×10−９)=60(m)を求めることができる。0.2%の誤差範囲で導線の異常位置に対する情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理処置の制御ブロック図である。
【図２】本発明を説明するためのガウシアン包絡線を有するチャープ信号を示す図である。
【図３】本発明に係る時間-周波数領域の反射波処理方法を示す制御フローチャートである。
【図４】本発明に係るGUIプログラム制御によるモニターの出力画面である。
【図５】本発明に係るWｓ(t,ω)、Wｓ(t-tｄ,ω)、Wｕ（ｘ）(t,ω)の時間-周波数領域の分布図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る被検査対象の導線の実験条件の構成図である。
【図７】前記図７の実験による各信号の時間-周波数領域の分布図である。
【図８】前記図７の実験による実験導線の特性を示すグラフである。
【図９】前記図７の実験によるノード1から見える反射された信号とノード2から見える通過された信号を示すグラフである。
【図１０】前記図７の実験において、入力信号と反射された信号の相関関数の分布グラフである。
【符号の説明】
【００６９】
100: PC
110: 機器制御プログラム
120: 時間-周波数領域の分析制御プログラム
130: プロセッサ制御プログラム
200: デジタル信号プロセッサ
300: 任意波形発生器
400: 波形取得器
500: GUIプログラム
600: 被検査対象の導線
700: サーキュレーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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