(57)【要約】【課題】伝達特性によりある帯域の信号が失われた場合にも、残された他の帯域の信号から失われた前記ある帯域の信号を回復することを可能とする。また失われた帯域の信号が残された他の帯域の信号より高い周波数成分であっても回復することを可能とする。【解決手段】所定データ長の信号に対して広帯域な位相の変化を求める手段と、前記広帯域な位相の変化に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを求める手段とを設ける。【選択図】      図１
2004177389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定データ長の信号に対して広帯域な位相の変化を求める手段と、前記広帯域な位相の変化に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを求める手段とを有することを特徴とする信号検出装置。
【請求項２】
所定データ長の信号に対して位相スペクトルを保ちながら交流成分のパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを平坦化する手段と、前記交流成分のパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルが平坦化された所定データ長の信号に対して広帯域な位相の変化を求める手段と、前記広帯域な位相の変化に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを求める手段とを有することを特徴とする信号検出装置。
【請求項３】
所定長の信号に対して位相スペクトルを保ちながら交流成分のパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを平坦化する手段は、所定長の信号に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルと位相スペクトルを算出可能な直交変換を行う手段と、前記パワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルのうち交流成分の各要素を同一の所定値に置き換える手段と、前記直交変換の逆変換を行う手段とかなることを特徴とする請求項２に記載の信号検出装置。
【請求項４】
所定長の信号に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルと位相スペクトルを算出可能な直交変換は、フーリエ変換であることを特徴とする請求項３に記載の信号検出装置
【請求項５】
所定データ長の信号に対して広帯域な位相の変化を求める手段は、所定データ長の信号内で前記所定データ長より短い位相算出領域を設定する手段と、前記位相算出領域を前記所定データ長の信号内で移動させる手段と、前記前記位相算出領域に対して所定の帯域の位相を求める手段と、前記所定の帯域の位相を前記位相算出領域の位置に対応して保存する手段とかなることを特徴とする請求項１もしくは請求項２もしくは請求項３もしくは請求項４に記載の信号検出装置。
【請求項６】
前記位相算出領域に対して所定の帯域の位相を求める手段は、位相スペクトル算出可能な直交変換手段と、前記位相スペクトル算出可能な直交変換手段から得られる位相スペクトルから所定の帯域の位相を選択する手段とからなることを特徴とする請求項５に記載の信号検出装置。
【請求項７】
前記位相スペクトル算出可能な直交変換は、フーリエ変換であることを特徴とする請求項６に記載の信号検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願は、信号を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】信号検出装置に用いる回復処理については、様々な書籍などに記載されている。例えば、南茂夫監修河田聡編著「科学計測のためのデータ処理入門」ＣＱ出版社、には、帯域制限された信号から信号を回復する場合に一般的に用いられる逆フィルタ、及びノイズが混入した場合の回復処理に用いられるウィーナ・フィルタが示されている。
【０００３】通信や放送で用いられる変調及び復調については様々な書籍に記載されているが、例えば、寺田浩詔著「大学課程情報通信工学」オーム社、などにも示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般的な信号検出においては、信号検出装置の伝達特性または信号検出装置に到達する以前に存在するインピーダンスの不整合などにより、検出される信号は帯域制限されている。
【０００５】例えば、従来の回復技術では、図１２（ａ）に示すように予め伝達特性が判っている信号検出装置の帯域制限に関しては回復処理を行うことができる。
【０００６】図１２（ｂ）に示すようなパワー・スペクトルを持つ原信号を検出しようとする場合に、実際には図１２（ｃ）に示すようなパワー・スペクトルを持つ観測信号が得られる。個別の周波数の信号について述べると、周波数ｆｉｎの信号に関しては該当する周波数の伝達特性が１であることから検出した観測信号のパワー・スペクトルは全く減衰することはない。周波数ｆ０の信号に関しては該当する周波数の伝達特性が０．５であることから検出した観測信号のパワー・スペクトルは原信号のちょうど半分となる。周波数ｆｏｕｔの信号に関しては該当する周波数の伝達特性が０であることから検出した観測信号のパワー・スペクトルは０となる。
【０００７】図１２（ｃ）に示すようなパワー・スペクトルを持つ観測信号に対して回復処理を行うと図１２（ｄ）に示すようなパワー・スペクトルを持つ回復信号が得られる。基本的に回復処理を行うときに作用させるゲインは伝達特性の逆数で与えられる。個別の周波数の信号について述べると、周波数ｆｉｎの信号に関しては該当する周波数の伝達特性が１であることから回復処理時のゲインは１／１すなわち１となる。従って回復信号のパワー・スペクトルは観測信号のものと同じになる。周波数ｆ０の信号に関しては該当する周波数の伝達特性が０．５であることから回復処理時のゲインは１／０．５すなわち２となる。従って回復信号のパワー・スペクトルは観測信号のものに対して２倍となる。周波数ｆｏｕｔの信号に関しては該当する周波数の伝達特性が０であることから回復処理時のゲインは１／０となり計算できない。しかし観測信号のパワー・スペクトルは既に０になっており、ゲインの値にかかわらず回復信号のパワー・スペクトルも０となる。
【０００８】以上説明したように予め伝達特性が判っている信号検出装置に関しては基本的に回復処理を行うことができる。ただしｆｏｕｔのように伝達特性が０である帯域に関しては回復できない。また実際には観測信号にノイズが混入しているので、伝達特性が０にならなくてもノイズを強調しすぎない程度、事実上Ｓ／Ｎで決まる妥当な帯域でしか回復することができず、回復できる帯域はさらに狭くなる。
【０００９】また図１３に示すように信号検出装置に信号が入る以前に、振動源である対象物体と空気などの媒質との境界面にインピーダンスの不整合がある場合には、周波数毎に信号の透過率が異なる伝達特性を境界面に考えなければならない。この伝達特性は前記対象物体の密度と空気などの媒質の密度との関係に依存するので、不特定の状況で使用する信号検出装置などにおいては、予め伝達特性を測定しておき回復処理に利用するというのは現実的でない。
【００１０】一方で多くの信号、例えば音などにおいては信号の発生および伝達の過程に非線型性があり、ある帯域の信号は他の帯域の信号に変調されることになる。具体的には前記ある帯域の信号に対応して前記他の帯域の信号の位相と周波数に変化が現れる。このことは例えば前記ある帯域の信号が、伝達特性に従って信号検出装置もしくはそれ以前の段階で失われた場合にも、検出された前記他の帯域に変調された信号を復調することで回復できることを意味する。非線型性が信号に与える影響については、例えば、ファインマン著富山小太郎訳「ファインマン物理学  ＩＩ光  熱  波動」岩波書店、に「非線型の応答」と題して記載されている。要点を挙げると、非線型性が信号に与える影響としては、１）整流作用、２）高調波の発生、３）変調、の三つと言うことができる。
【００１１】通信や放送の分野では、高い周波数のキャリア信号に、例えば音などの比較的低周波成分の信号を変調して伝送し復調する技術がある。しかし従来の変調及び復調の技術では、目的とする信号の周波数よりキャリア信号の周波数が低い場合には、例え変調しても復調することができなかった。従来の変調及び復調の技術を信号の検出に応用することを考えたとしても、一般に低周波成分より高周波成分の信号の方が先に減衰し失われてしまうので、低周波の信号をキャリア信号と想定して高周波の信号を復調して回復できないのでは、検出という目的においては不利であり、応用範囲も限られることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記事情に鑑みなされたもので、伝達特性によりある帯域の信号が失われた場合にも、残された他の帯域の信号から失われた前記ある帯域の信号を回復できる信号検出装置を提供することを目的とする。また失われた帯域の信号が残された他の帯域の信号より高い周波数成分であっても回復できる信号検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明による信号検出装置は、所定データ長の信号に対して広帯域な位相の変化を求める手段と、前記広帯域な位相の変化に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを求める手段とを有することを特徴とする。
【００１４】また請求項２に記載の発明による信号検出装置は、所定データ長の信号に対して位相スペクトルを保ちながら交流成分のパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを平坦化する手段と、前記交流成分のパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルが平坦化された所定データ長の信号に対して広帯域な位相の変化を求める手段と、前記広帯域な位相の変化に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを求める手段とを有することを特徴とする。
【００１５】また請求項３に記載の発明による信号検出装置は、請求項２に記載の発明による信号検出装置において、所定長の信号に対して位相スペクトルを保ちながら交流成分のパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを平坦化する手段は、所定長の信号に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルと位相スペクトルを算出可能な直交変換を行う手段と、前記パワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルのうち交流成分の各要素を同一の所定値に置き換える手段と、前記直交変換の逆変換を行う手段とかなることを特徴とする。
【００１６】また請求項４に記載の発明による信号検出装置は、請求項３に記載の発明による信号検出装置において、所定長の信号に対してパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルと位相スペクトルを算出可能な直交変換は、フーリエ変換であることを特徴とする。
【００１７】また請求項５に記載の発明による信号検出装置は、請求項１もしくは請求項２もしくは請求項３もしくは請求項４に記載の発明による信号検出装置において、所定データ長の信号に対して広帯域な位相の変化を求める手段は、所定データ長の信号内で前記所定データ長より短い位相算出領域を設定する手段と前記位相算出領域を前記所定データ長の信号内で移動させる手段と、前記前記位相算出領域に対して所定の帯域の位相を求める手段と、前記所定の帯域の位相を前記位相算出領域の位置に対応して保存する手段とかなることを特徴とする。
【００１８】また請求項６に記載の発明による信号検出装置は、請求項５に記載の発明による信号検出装置において、前記位相算出領域に対して所定の帯域の位相を求める手段は、位相スペクトル算出可能な直交変換手段と、前記位相スペクトル算出可能な直交変換手段から得られる位相スペクトルから所定の帯域の位相を選択する手段とからなることを特徴とする。
【００１９】また請求項７に記載の発明による信号検出装置は、請求項６に記載の発明による信号検出装置において、前記位相スペクトル算出可能な直交変換は、フーリエ変換であることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）以下図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係わる信号検出装置について説明する。図１は信号検出装置に係わる第１実施形態の構成図である。信号検出装置は図１に示すように入力手段であるセンサ１０１とパラメータ入力手段１０３、Ａ／Ｄ変換手段１０２、信号検出装置１０４、出力手段であるモニタ１０７とから構成される。また信号検出装置１０４は、広帯域位相変化検出手段１０５、スペクトル算出手段１０６から構成されている。
【００２１】信号検出装置１０４はＡ／Ｄ変換手段１０２を介してセンサ１０１に接続され、センサ１０１が検出した信号はＡ／Ｄ変換された後に信号検出装置１０４に送られる。Ａ／Ｄ変換手段１０２はパラメータ入力手段１０３に接続され、パラメータ入力手段１０３を通して入力された処理パラメータに従い動作する。また信号検出装置１０４はパラメータ入力手段１０３に接続され、パラメータ入力手段１０３を通して入力された処理パラメータは信号検出手段１０４に送られる。信号検出装置１０４はモニタ１０７に接続され、信号検出装置１０４の処理結果はモニタ１０７に表示される。信号検出装置１０４では、センサ１０１からＡ／Ｄ変換手段１０２を介して得られた信号をパラメータ入力手段１０３からの処理パラメータに従い広帯域位相変化検出手段１０５で処理し、結果をスペクトル算出手段１０６に送る。またスペクトル算出手段１０６の処理結果をモニタ１０７に送る。
【００２２】図２、図３、図４および図５を用いて信号検出装置１０４の動作を説明する。
【００２３】まずパラメータ入力手段１０３では、Ａ／Ｄ変換手段１０２において観測信号のＡ／Ｄ変換を行う際に必要となるサンプリング周波数ｆｓと、信号検出装置１０４内の広帯域位相変化検出手段１０５において必要となる観測信号長Ｌｓ、部分信号長Ｌｆ、注目帯域ｆｗ、を例えばオペレータの入力により得る。
【００２４】センサ１０１は検出した観測信号をＡ／Ｄ変換手段１０２に送る。パラメータ入力手段１０３はサンプリング周波数ｆｓをＡ／Ｄ変換手段１０２に送り、Ａ／Ｄ変換手段はサンプリング周波数ｆｓでセンサ１０１から送られた観測信号をＡ／Ｄ変換する。ここでサンプリング周波数ｆｓでサンプリングした場合のＡ／Ｄ変換による帯域の上限は、サンプリング定理によりｆｓ／２となる。また帯域の下限は０すなわち零周波となる。
【００２５】パラメータ入力手段１０３は、観測信号長Ｌｓ、部分信号長Ｌｆ、注目帯域ｆｗ、を信号検出装置１０４内の広帯域位相変化検出手段１０５に送る。広帯域位相変化検出手段１０５ではＡ／Ｄ変換手段１０２から得られたＡ／Ｄ変換済みの観測信号から観測信号長Ｌｓに基づいて信号の切り出しを行い図２（ａ）に示す観測信号１１１を得て図３（ａ）に示す領域Ｉｎ１１３に格納する。この時の観測信号１１１の要素数Ｎｓは観測信号長Ｌｓ×サンプリング周波数ｆｓで計算できる。また広帯域位相変化検出手段１０５は領域Ｉｎ１１３に格納された観測信号１１１から図３（ａ）に示す要領で複製を行い部分信号長Ｌｆに基づいて位相算出用の部分信号を領域Ｔｍｐ１１４に用意する。この時の部分信号の要素数Ｎｆは部分信号長Ｌｆ×サンプリング周波数ｆｓで計算できる。
【００２６】広帯域位相変化検出手段１０５は領域Ｔｍｐ１１４内の部分信号に対して一般的なフーリエ変換を行い位相スペクトルを領域Ｐｈａｓｅ１１６に得る。図５に一般的なフーリエ変換の処理の様子を示してある。例えば図５（ａ）に示すような信号波形がある場合にフーリエ変換を行うと、図５（ｂ）に示すようなパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルと、図５（ｃ）に示すような位相スペクトルが得られる。なお振幅スペクトルの周波数毎の値は、該当する周波数のパワーの二乗根である。
【００２７】広帯域位相変化検出手段１０５は前記位相スペクトルから注目帯域ｆｗの位相角を図５（ｃ）に示すように取り出し、観測信号１１１内の部分信号を取り出した位置に対応する位相角として領域Ｏｕｔ１１７に保持する。
【００２８】広帯域位相変化検出手段１０５は、図３（ａ）に示すように部分信号を取り出す領域を所定量だけ移動させながら位相角の算出を行い、観測信号１１１の右端に到達するまで繰り返し行う。前記繰り返しが終了したとき、広帯域位相変化算出手段１０５は領域Ｏｕｔ１１７に図２（ｂ）に示す広帯域位相の変化１１２を保持している。
【００２９】位相算出用の部分信号を領域Ｔｍｐ１１４に用意する様子と前記部分信号を取り出す領域を移動させる様子を図３（ｂ）のフローチャートを用いて詳細に説明する。図３（ｂ）のフローチャート中に用いられている記号で、Ｉｎ１１３は観測信号１１１を格納する領域、Ｔｍｐ１１４は位相算出用の部分信号を格納する領域、Ｐｏｗｅｒ１１５は前記領域Ｔｍｐ１１４内に格納された信号に対してフーリエ変換を行った結果得られるパワー・スペクトルを格納する領域、Ｐｈａｓｅ１１６は前記領域Ｔｍｐ１１４内に格納された信号に対してフーリエ変換を行った結果得られる位相スペクトルを格納する領域、Ｏｕｔ１１７は広帯域位相の変化１１２を格納するための領域である。また記号Ａは前記領域Ｉｎ１１３内の位置と前記領域Ｏｕｔ１１７内の位置を表し、記号Ｂは前記領域Ｔｍｐ１１４内の位置を表す。記号Ｎｆは前記領域Ｔｍｐ１１４の要素数を表す。記号Ｎｓは前記領域Ｉｎ１１３と前記領域Ｏｕｔ１１７の要素数を表す。
【００３０】まずステップＳ１０１においてＡを零で初期化する。次にステップＳ１０２においてＢを零で初期化する。次にステップＳ１０３において領域Ｉｎ１１３からＡ＋Ｂで与えられる位置の値を取り出し領域Ｔｍｐ１１４内のＢで与えられる位置に格納する。次にＢに対して１を加算する。ステップＳ１０４においてＢと領域Ｔｍｐ１１４の要素数Ｎｆとを比較しＢの方が小さければステップＳ１０３に戻り処理を繰り返す。ＢとＮｆが等しいかまたはＢの方が大きければ次のステップに進む。ステップＳ１０３とステップＳ１０４により領域Ｔｍｐ１１４には領域Ｉｎ１１３に格納された観測信号１１１からＡで表される位置を基点にＮｆ個のデータが複製される。領域Ｔｍｐ１１４に格納されている部分信号は以下の処理で位相算出に用いられる。
【００３１】次にステップＳ１０５において領域Ｔｍｐ１１４に格納されている部分信号に対して一般的なフーリエ変換を行いパワースペクトルを領域Ｐｏｗｅｒ１１５に位相スペクトルを領域Ｐｈａｓｅ１１６に得る。ここで領域Ｐｏｗｅｒ１１５には要素数が０の位置に直流成分が、周波数の高い交流成分が要素数の大きい位置に順次格納される。また領域Ｐｈａｓｅ１１６についても領域Ｐｏｗｅｒ１１５と同様の順序で格納される。ステップＳ１０６において領域Ｐｈａｓｅ１１６に格納されている位相スペクトルより注目帯域ｆｗに該当する位相角を取り出し、Ａで与えられる位置の領域Ｏｕｔ１１７に格納する。次にＡに対して１を加算する。ステップＳ１０７においてＡと観測信号１１１の要素数Ｎｓとを比較しＡの方が小さければステップＳ１０２に戻り処理を繰り返す。ＡとＮｓが等しいかまたはＡの方が大きければ処理を終了する。ステップＳ１０２からステップＳ１０７を行うことにより、領域Ｏｕｔ１１７には要素数Ｎｆの部分信号に対して得られる注目帯域ｆｗの位相角が所定量１に従って移動する位置Ａに対応して得られる。
【００３２】なお前記各処理段階での周波数領域における計算上の分解能は以下の要領で求めることができる。以下の計算では観測信号長Ｌｓと部分信号長Ｌｆを長さなどの本来の物理量ではなく簡単のためにサンプリング点の個数で表しているが、サンプリング周波数が明らかなので前記物理量とサンプリング点の個数との変換は当然可能である。例えば図２（ａ）に示す観測信号１１１を１０２４点のサンプリング点で４４２００Ｈｚのサンプリング周波数で得ていたとすると、その周波数領域での分解能は（４４２００／２）／（１０２４／２）となり、およそ４３．２Ｈｚとなる。また図３（ａ）のＴｍｐ１１４に格納されている位相算出用の部分信号を４点のサンプリング点で４４２００Ｈｚのサンプリング周波数で得ていたとすると、その周波数領域での分解能は（４４２００／２）／（４／２）となり、およそ１１０５０Ｈｚとなる。前記周波数領域での分解能は、周波数領域での目盛りと言うべきもので、例えばおよそ４３．２Ｈｚの分解能であれば、周波数領域での信号の値はおよそ４３．２Ｈｚ毎に得られる。これはある周波数のパワーと位相角が計算で得られた時に、実はそのパワーと位相角の値は実際にはおよそ４３．２Ｈｚ内の帯域幅の信号を合わせて得られるものであることを意味する。上の例では位相角の算出は周波数領域の分解能が１１０５０Ｈｚの状態で処理を行われるので、図２（ａ）に示す観測信号１１１の周波数領域での分解能であるおよそ４２．３Ｈｚと比較して広帯域の処理であると言える。
【００３３】スペクトル算出手段１０６は、広帯域位相変化検出手段１０５から、図４（ａ）に示す広帯域位相の変化１１２を得て、図４（ｂ）に示す領域Ｉｎ１１８に格納する。スペクトル算出手段１０６は領域Ｉｎ１１８に格納された広帯域位相の変化１１２に対して一般的なフーリエ変換を行い図４（ｃ）に示す広帯域位相変化のパワー・スペクトル１２１を得て領域Ｐｏｗｅｒ１１９に格納する。また位相スペクトルを得て領域Ｐｈａｓｅ１２０に格納する。図５に一般的なフーリエ変換の処理の様子を示してある。例えば図５（ａ）に示すような信号波形がある場合にフーリエ変換を行うと、図５（ｂ）に示すようなパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルと、図５（ｃ）に示すような位相スペクトルが得られる。なお上記広帯域位相変化のパワー・スペクトル１２１は、広帯域位相変化の振幅スペクトルでも良い。振幅スペクトルの場合の周波数毎の値は、該当する周波数のパワーの二乗根であり、パワー・スペクトルから振幅スペクトルへの変換および振幅スペクトルからパワー・スペクトルへの変換は可能である。
【００３４】スペクトル算出手段１０６は、図４（ｃ）に示す広帯域位相変化のパワー・スペクトル１２１もしくは図示しない振幅スペクトルを処理結果としてモニタ１０７に送り、モニタ１０７は処理結果を例えばオペレータに表示する。
【００３５】以上のように広帯域位相の変化を求めてから、パワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルを得ることにより、伝達特性によりある帯域の信号が失われた場合にも、残された他の帯域の信号から失われた前記ある帯域の信号を回復できる。また失われた帯域の信号が残された他の帯域の信号より高い周波数成分であっても回復できる。
【００３６】（第２実施形態）図６及び図７及び図８を用いて本発明の第２実施形態を説明する。図６は信号検出装置に係わる第２実施形態の構成図である。信号検出装置は図６に示すように入力手段であるセンサ１０１とパラメータ入力手段１０３、Ａ／Ｄ変換手段１０２、信号検出装置１２５、出力手段であるモニタ１０７とから構成される。また信号検出装置１２５は、スペクトル平坦化手段１２６、広帯域位相変化検出手段１０５、スペクトル算出手段１０６から構成されている。ここでセンサ１０１、Ａ／Ｄ変換手段１０２、パラメータ入力手段１０３、広帯域位相変化検出手段１０５、スペクトル算出手段１０６、モニタ１０７については第１実施形態と同様である。第１実施形態と異なるのは、信号検出装置１２５内にスペクトル平坦化手段１２６が加えられたことである。
【００３７】信号検出装置１２５はＡ／Ｄ変換手段１０２を介してセンサ１０１に接続され、センサ１０１が検出した信号はＡ／Ｄ変換された後に信号検出装置１２５に送られる。Ａ／Ｄ変換手段１０２はパラメータ入力手段１０３に接続され、パラメータ入力手段１０３を通して入力された処理パラメータに従い動作する。また信号検出装置１２５はパラメータ入力手段１０３に接続され、パラメータ入力手段１０３を通して入力された処理パラメータは信号検出手段１２５に送られる。信号検出装置１２５はモニタ１０７に接続され、信号検出装置１２５の処理結果はモニタ１０７に表示される。信号検出装置１２５では、センサ１０１からＡ／Ｄ変換手段１０２を介して得られた信号をパラメータ入力手段１０３からの処理パラメータに従いスペクトル平坦化手段１２６および広帯域位相変化検出手段１０５で処理し、結果をスペクトル算出手段１０６に送る。またスペクトル算出手段１０６の処理結果をモニタ１０７に送る。
【００３８】図７と図８を用いて全体の動作と特に信号検出装置１２５内にあるスペクトル平坦化手段１２６の動作を説明する。
【００３９】まずパラメータ入力手段１０３では、Ａ／Ｄ変換手段１０２において観測信号のＡ／Ｄ変換を行う際に必要となるサンプリング周波数ｆｓと、信号検出装置１２５内のスペクトル平坦化手段１２６と広帯域位相変化検出手段１０５において必要となる観測信号長Ｌｓ、部分信号長Ｌｆ、注目帯域ｆｗ、を例えばオペレータの入力により得る。
【００４０】センサ１０１は検出した観測信号をＡ／Ｄ変換手段１０２に送る。パラメータ入力手段１０３はサンプリング周波数ｆｓをＡ／Ｄ変換手段１０２に送り、Ａ／Ｄ変換手段はサンプリング周波数ｆｓでセンサ１０１から送られた観測信号をＡ／Ｄ変換する。ここでサンプリング周波数ｆｓでサンプリングした場合のＡ／Ｄ変換による帯域の上限は、サンプリング定理によりｆｓ／２となる。また帯域の下限は０すなわち零周波となる。
【００４１】パラメータ入力手段１０３は、観測信号長Ｌｓを信号検出装置１２５内のスペクトル平坦化手段１２６に送る。
【００４２】スペクトル平坦化手段１２６ではＡ／Ｄ変換手段１０２から得られたＡ／Ｄ変換済みの観測信号から観測信号長Ｌｓに基づいて信号の切り出しを行い図７（ａ）に示す観測信号１３１を得て図８（ａ）に示す領域Ｉｎ１３６に格納する。またスペクトル平坦化手段１２６は図７（ａ）に示す前記観測信号１３１に対して一般的なフーリエ変換を行い図７（ｂ）に示すパワー・スペクトル１３２を得て図８（ａ）に示す領域Ｐｏｗｅｒ１３７に格納し、図示しない位相スペクトルを得て図８（ａ）に示す領域Ｐｈａｓｅ１３８に格納する。スペクトル平坦化手段１２６は前記位相スペクトルを保存しながら前記パワー・スペクトル１３２のうち交流成分を適当な一定の値に入れ替え図７（ｃ）に示す平坦化後のパワー・スペクトル１３３を得て領域Ｐｏｗｅｒ１３７に格納する。スペクトル平坦化手段１２６は領域Ｐｏｗｅｒ１３７に格納された平坦化後のパワー・スペクトル１３３と領域Ｐｈａｓｅ１３８に格納された前記位相スペクトルに対して一般的な逆フーリエ変換を行い、図示しないスペクトル平坦化後の信号を得て図８（ａ）に示す領域Ｏｕｔ１３９に格納する。スペクトル平滑化手段１２６は前記スペクトル平滑化後の信号を広帯域位相変化検出手段１０５に送る。なお平坦化後のパワー・スペクトル１３３に関しては厳密に平坦である必要はなく、例えば図７（ｄ）や図７（ｅ）に示すように急激でなければ緩やかな変化があってもかまわない。
【００４３】スペクトルの平坦化を行う様子を図８（ｂ）のフローチャートを用いて詳細に説明する。図８（ｂ）のフローチャート中に用いられている記号で、Ｉｎ１３６は観測信号１３１を格納するための領域、Ｐｏｗｅｒ１３７は前記領域Ｉｎ１３６内に格納された信号に対してフーリエ変換を行った結果得られるパワー・スペクトルを格納する領域、Ｐｈａｓｅ１３８は前記領域Ｉｎ１３６内に格納された信号に対してフーリエ変換を行った結果得られる位相スペクトルを格納する領域、Ｏｕｔ１３９はスペクトルの平坦化後の信号を格納するための領域である。また記号Ａは前記領域Ｐｏｗｅｒ１３７内の位置を表す。記号Ｎｓは前記領域Ｉｎ１３６および前記領域Ｏｕｔ１３９の要素数を表す。なおスペクトルの算出にフーリエ変換を用いる場合には、領域Ｐｏｗｅｒ１３７と領域Ｐｈａｓｅ１３８の要素数はＮｓ／２となる。
【００４４】まずステップＳ２０１において領域Ｉｎ１３６に格納されている観測信号１３１に対して一般的なフーリエ変換を行いパワー・スペクトルを領域Ｐｏｗｅｒ１３７に位相スペクトルを領域Ｐｈａｓｅ１３８に得る。ここで領域Ｐｏｗｅｒ１３７には要素数が０の位置に直流成分が、周波数の高い交流成分が要素数の大きい位置に順次格納される。また領域Ｐｈａｓｅ１３８についても領域Ｐｏｗｅｒ１３７と同様の順序で格納される。ステップＳ２０２においてＡを１で初期化する。次にＳ２０３において前記領域Ｐｏｗｅｒ１３７内のＡで与えられる位置に非零の定数Ｐｃを格納する。次にＡに対して１を加算する。ステップＳ２０４においてＡと領域Ｐｏｗｅｒ１３７の要素数Ｎｓ／２とを比較しＡの方が小さければステップＳ２０３に戻り処理を繰り返す。ＡとＮｓ／２が等しいかＡの方が大きければ次のステップに進む。ステップＳ２０３とステップＳ２０４により領域Ｐｏｗｅｒ１３７のうち交流成分の各要素には非零の定数Ｐｃが格納される。ステップＳ２０５において領域Ｐｏｗｅｒ１３７に格納されているパワー・スペクトルと領域Ｐｈａｓｅ１３８に格納されている位相スペクトルに対して一般的な逆フーリエ変換を行い得られるスペクトル平坦化後の信号を領域Ｏｕｔ１３９に格納する。
【００４５】広帯域位相検出手段１０５では、第１実施形態における図２（ａ）に示した観測信号１１１に対して行われた処理と同等な処理を前記スペクトル平坦化後の信号に対して行う。これ以降にスペクトル算出手段１０６およびモニタ１０７で行われる処理は第１実施形態と同じである。
【００４６】以上のように観測信号に対して位相情報を保存しながらパワー・スペクトルもしくは振幅スペクトルの平坦化を行っておくことにより、狭い帯域の信号が突出して大きい観測信号の場合にも本願で提示する方法を適用し、伝達特性によりある帯域の信号が失われた場合にも、残された他の帯域の信号から失われた前記ある帯域の信号を回復できる。また失われた帯域の信号が残された他の帯域の信号より高い周波数成分であっても回復できる。
【００４７】本願が提示する信号検出の方法は以下に示す実験によって実証された。
【００４８】図９に実験の装置構成と図１０と図１１に実験結果を示す。まず音源に固有振動数４４０Ｈｚの音叉１４２を用い、ハンマー１４１で打撃を与えて音叉１４２内に共鳴を起こす。打撃から適当な時間経過後に音叉１４２から放射される音１４４をマイクロホン１４３を用いて観測信号として検出する。このときサンプリング周波数を４４２００Ｈｚとし１０２４点の観測信号に対して処理を行う。従って周波数領域における分解能は（４４２００／２）／（１０２４／２）となり、およそ４３．２Ｈｚとなる。
【００４９】図１０（ａ）に打撃から２秒後の観測信号に対して一般的なフーリエ変換を用いてパワー・スペクトルを求めた結果を示す。特徴的なピークとしてはおよそ４３１Ｈｚと２７９９Ｈｚのピークが挙げられる。音叉の固有振動数は４４０Ｈｚであるが、この実験での周波数領域での分解能はおよそ４３．２Ｈｚなので、４４０Ｈｚにもっとも近いおよそ４３１Ｈｚにピークが立ったのは妥当である。およそ２７９９Ｈｚのピークについては縦軸が対数表示になっていることから４３１Ｈｚのピークと比較して値が非常に小さいことがわかる。また２７９９Ｈｚピークについては音源が明確ではないが、一般に音源探査自体が難しい問題であり、ここでは音叉と固定器具などの関係により振動が発生するという可能性を挙げるに留める。
【００５０】図１０（ｂ）に打撃から５秒後の観測信号に対して一般的なフーリエ変換を用いてパワー・スペクトルを求めた結果を示す。特徴的なピークとしてはおよそ４３１Ｈｚのピークが挙げられるが、図１０（ａ）にあったおよそ２７９９Ｈｚのピークが無くなっている。図１０（ｂ）も縦軸は対数表示でピークが微小でも見えるようにしてあるが２７９９Ｈｚピークについては何も残ってないことがわかる。打撃から２秒後には２７９９Ｈｚピークが存在することから、５秒後にも音叉内部には２７９９Ｈｚの振動が存在すると考えるのが妥当である。ただし高周波成分の振動の方が減衰するのが早く、また音叉と空気などの媒質間に生じるインピーダンスの不整合についても高周波成分の方が透過しにくいことから、空気中の音としては通常のフーリエ変換などを用いる方法では検出できず一般的な回復処理では回復は困難なことがわかる。
【００５１】図１０（ｃ）に打撃から５秒後に観測信号に対して本願に示した方法を適用した結果を示す。特徴的なピークとしてはおよそ４３１Ｈｚと２７９９Ｈｚのピークが挙げられる。図１０（ｃ）により、通常のフーリエ変換などを用いる方法では検出できない信号でも、本願に示す方法によれば検出できることがわかる。
【００５２】比較のために位相情報を単波長（狭帯域）で求めた場合の結果を図１１に示す。図１１にはおよそ４３１Ｈｚのピークがある。また４３１Ｈｚピークの２倍の周波数を持つ第２高調波、３倍の周波数を持つ第３高調波、ｎ倍の周波数を持つ第ｎ高調波、などの高調波が出ている。これらの高調波は実際には存在しない偽ピークであり、本願の処理過程（本願の処理過程だけではなく一般的な変調・復調処理には非線型性が存在する）にある非線型性により発生したと思われる。このような状況では例え実在する信号が観測信号に変調されていたとしても高調波の偽ピークと区別することができない。
【００５３】位相情報を広帯域で求める場合には、広帯域に含まれるそれぞれの周波数信号に対して高調波が発生するために全体としては前記高調波の偽ピークは平坦化されピークとして存在しなくなる。さらに実在する信号に関しては広帯域の観測信号の全てに同位相で変調されていることから、広帯域にすることにより同じ位相で重ね合わされ強調されることになる。
【００５４】以上のように広帯域で位相情報の処理を行うことは、復調過程にある非線型性で発生してしまう高調波をキャンセルし、実在する信号の周波数ピークのみを強調する効果がある。
【００５５】
【発明の効果】以上詳述したように、本願によれば、伝達特性によりある帯域の信号が失われた場合にも、残された他の帯域の信号から失われた前記ある帯域の信号を回復できる信号検出装置を提供できる。また失われた帯域の信号が残された他の帯域の信号より高い周波数成分であっても回復できる信号検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】信号検出装置に係わる第１実施形態の構成図である。
【図２】広帯域位相検出手段の動作を説明するための図である。（ａ）は観測信号の一例を示す図である。（ｂ）は広帯域位相の変化の一例を示す図である。
【図３】広帯域位相検出手段の動作を説明するための図である。（ａ）は広帯域位相の算出の様子を説明するための図である。（ｂ）は広帯域位相の変化を求める際のフローチャートである。
【図４】（ａ）は広帯域位相の変化の一例を示す図である。（ｂ）は広帯域位相の変化に対してパワー・スペクトルの求め方を示す図である。（ｃ）は広帯域位相変化のパワー・スペクトルの一例を示す図である。
【図５】（ａ）は一般的なフーリエ変換を説明するための信号波形を示す図である。（ｂ）は一般的なフーリエ変換を説明するためのパワー・スペクトルを示す図である。（ｃ）は一般的なフーリエ変換を説明するための位相スペクトルを示す図である。
【図６】信号検出装置に係わる第２実施形態の構成図である。
【図７】スペクトル平坦化手段の動作を説明するための図である。（ａ）は観測信号の一例を示す図である。（ｂ）はフーリエ変換の結果得られるパワー・スペクトルの一例を示す図である。（ｃ）は平坦化後のパワー・スペクトルの一例を示す図である。（ｄ）と（ｅ）は厳密に平坦化ではないが、平坦化とほぼ同等なパワー・スペクトルの一例である。
【図８】スペクトル平坦化手段の動作を説明するための図である。（ａ）はスペクト平坦化の様子を説明するための図である。（ｂ）はスペクトル平坦化する際のフローチャートである。
【図９】実証実験の装置構成を示す図である。
【図１０】実証実験の結果を示す図である。
【図１１】実証実験の結果を示す図である。
【図１２】従来の回復処理を説明するための図である。（ａ）は伝達特性の一例を示す図である。（ｂ）は原信号のパワー・スペクトルの一例を示す図である。（ｃ）は観測信号のパワー・スペクトルの一例を示す図である。（ｄ）は回復信号のパワー・スペクトルの一例を示す図である。
【図１３】インピーダンスの不整合による帯域制限を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１  センサ
１０２  Ａ／Ｄ変換手段
１０３  パラメータ設定手段
１０４  信号検出装置
１０５  広帯域位相変化検出手段
１０６  スペクトル算出手段
１０７  モニタ
１１１  観測信号
１１２  広帯域位相の変化
１１３  広帯域位相変化検出手段の領域Ｉｎ
１１４  広帯域位相変化検出手段の領域Ｔｍｐ
１１５  広帯域位相変化検出手段の領域Ｐｏｗｅｒ
１１６  広帯域位相変化検出手段の領域Ｐｈａｓｅ
１１７  広帯域位相変化検出手段の領域Ｏｕｔ
１１８  スペクトル算出手段の領域Ｉｎ
１１９  スペクトル算出手段の領域Ｐｏｗｅｒ
１２０  スペクトル算出手段の領域Ｐｈａｓｅ
１２１  広帯域位相変化のパワー・スペクトル
１２５  信号検出装置
１２６  スペクトル平坦化手段
１３１  観測信号
１３２  パワー・スペクトル
１３３  平坦化後のパワー・スペクトル
１３４  修正後のパワー・スペクトル
１３５  修正後のパワー・スペクトル
１３６  スペクトル平坦化手段の領域Ｉｎ
１３７  スペクトル平坦化手段の領域Ｐｏｗｅｒ
１３８  スペクトル平坦化手段の領域Ｐｈａｓｅ
１３９  スペクトル平坦化手段の領域Ｏｕｔ
１４１  ハンマー
１４２  固有振動数４４０Ｈｚの音叉
１４３  マイクロホン
１４４  音
【図１】
2004177389.tif 000003
【図２】
2004177389.tif 000004
【図３】
2004177389.tif 000005
【図４】
2004177389.tif 000006
【図５】
2004177389.tif 000007
【図６】
2004177389.tif 000008
【図７】
2004177389.tif 000009
【図８】
2004177389.tif 000010
【図９】
2004177389.tif 000011
【図１０】
2004177389.tif 000012
【図１１】
2004177389.tif 000013
【図１２】
2004177389.tif 000014
【図１３】
2004177389.tif 000015