(57)【要約】【課題】ディジタル化した背景ノイズを含むアナログ信号中の微弱現象の変化をリアルタイムで認識し、かつ評価し、一定の時間窓内の有意な信号認識を継続してリアルタイムで可能とし、かつ評価する。【解決手段】１入力信号につき、時間的検索窓の範囲内で信号有意度の指標として信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）の最大となる信号開始時間と終了時間が遅滞なくリアルタイムで評価され、トリガー判定回路で、一入力もしくは複数入力からの信号認識結果すなわち信号波形の開始、終了時間、およびＳ／Ｎを遅滞なく計算・評価し、有意な信号認識結果データのみを外部バスに出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力アナログ信号波形をディジタル化する高速アナログ・ディジタル変換回路と、
このアナログ・ディジタル変換回路の出力のディジタル信号を一時的に格納する待機メモリと、
この待機メモリ中のディジタル信号を認識アルゴリズムに従ってディジタル処理し、所定の検索窓の範囲内で信号有意度の指標として信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）の最大となる信号開始時間と、信号終了時間とをリアルタイムで遅滞なく評価し、最適化されたＳ／Ｎ値とともに出力するディジタル信号認識回路と、
上記出力を格納する出力用メモリと、
前記高速アナログ・ディジタル変換回路、及び待機メモリ、並びにディジタル信号認識回路を一単位とするとき、複数個の単位で２次元画像からの信号を取り扱った場合、その一単位もしくは複数単位からのディジタル信号認識結果、すなわち、信号波形の開始、終了時間及びＳ／Ｎ比をリアルタイムで遅滞なく計算・評価し、前記出力メモリに格納されている一単位もしくは複数単位の信号認識結果データを外部バスに出力するか否かを判定し制御するトリガー判定回路を具えてなるリアルタイム信号認識装置。
【請求項２】
前記外部バスは後続の計算機械、または所要ネットワーク装置に接続されていて、後続の修正のためデータを送信する如くなっている請求項１記載の装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、
ディジタル信号認識回路のリアルタイム信号認識アルゴリズムは、処理時間の効率化のため、粗信号認識と精細信号認識に分けて認識を行ない、粗信号認識においては、検索窓内の時間を４、８、１６、３２、６４等に分割し、これらの各時間枠ごとにＳ／Ｎ値を計算し、Ｓ／Ｎ値の最大となる区分区間を検出し、次いで精細認識では、時間枠の左右の境界を１区分ずつ細かく変動させて、更なるＳ／Ｎ比の最大区分を見出し、この最大Ｓ／Ｎ値の検索窓内で信号認識を行なうものであり、これによって、連続的にディジタル時系列化された入力波形は一定時間ごとの検索窓内で信号認識され，全てのディジタル時系列データが信号認識されることになり、１つの検索窓内のノイズは、それ以前の検索窓で計算されたノイズ値を引算することにより信号とノイズのふらつきのみのデータとなり、前記精細信号認識で見出された最大のＳ／Ｎの検索窓内のデータが出力用メモリに送られ、トリガー判定を受ける如くなっているリアルタイム信号認識装置。
【請求項４】
ランダムな背景ノイズ信号中に混在する短時間の微弱パルス信号の有無を峻別し、出力するリアルタイム信号認識方法において、
高速アナログディジタル変換回路によって入力アナログ信号をディジタル信号に変換する工程、
変換されたディジタル信号を一時的に待機メモリに記憶する工程、
上記待機中のディジタル信号を認識アルゴリズムに従ってディジタル処理し、所定時間長の検索窓内の信号の有意度の指標としてＳ／Ｎ比最大となる信号の開始時間と、終了時間とをリアルタイムで遅滞なく評価し、最適化されたＳ／Ｎ値とともに出力する工程と、
上記変換工程、記憶工程、認識工程の組合わせを一単位とするとき、複数単位の認識結果を、リアルタイムで遅滞なく計算・評価し、外部バスに出力するか否かを判定するトリガー判定工程を具えてなることを特徴とするリアルタイム信号認識方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、
ディジタル信号認識回路のリアルタイム信号認識アルゴリズムは、処理時間の効率化のため、粗信号認識と精細信号認識に分けて認識を行ない、粗信号認識においては、検索窓内の時間を４、８、１６、３２、６４等に分割し、これらの各時間枠ごとにＳ／Ｎ値を計算し、Ｓ／Ｎ値の最大となる区分区間を検出し、次いで精細認識では、時間枠の左右の境界を１区分ずつ細かく変動させて、更なるＳ／Ｎ比の最大区分を見出し、この最大Ｓ／Ｎ値の検索窓内で信号認識を行なうものであり、これによって、連続的にディジタル時系列化された入力波形は一定時間ごとの検索窓内で信号認識され，全てのディジタル時系列データが信号認識されることになり、１つの検索窓内のノイズは、それ以前の検索窓で計算されたノイズ値を引算することにより信号とノイズのふらつきのみのデータとなり、前記精細信号認識で見出された最大のＳ／Ｎの検索窓内のデータが出力用メモリに送られ、トリガー判定を受ける如くなっているリアルタイム信号認識方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は継続して発生している自然現象等の特徴を表わすアナログ信号を基とするディジタル信号中の瞬時に発生しかつ変化する微細信号を認識し、評価して検出するリアルタイム信号認識装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来リアルタイムに信号認識するには、まず、入力信号波形を滞りなくアナログディジタル変換し、一時的にメモリに待機後、そのディジタル波形がメモリ空間から溢れるまでの時間内に信号認識できるアルゴリズムとそれを実装できるアルゴリズムとそれを実装できる回路が必要であった。
然し乍ら従来既知の信号認識アルゴリズムにおいて、信号認識を行なう時間間隔は、短すぎると空気シャワーの全体を捕らえることができず、長すぎるとノイズを拾う確率が増大するなどの問題が生じた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような状況に鑑み、本発明は、ディジタル信号識別回路の信号認識アルゴリズムを改良し、リアルタイムで極めて広範囲に亘る現象の粗認識とこれに次いでの詳細認識とその評価を可能にしたリアルタイム信号認識装置及び方法を得ることを目的とする。
すなわち一般的に云って、本発明では、入力信号波形をアナログディジタル変換、信号認識処理素子、およびデータ格納のパイプライン化により、ノイズの除去と信号波形の特徴（信号開始時間、終了時間、Ｓ／Ｎ）のディジタル的な認識をリアルタイムにて行なうものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明では、背景ノイズの変動が激しい状況でも感度良く微弱な信号が捕らえられると共に、単一もしくは複数のリアルタイム信号認識の情報を集めて、時空間での“飛跡”や“塊”を形成する高速現象を漏れなく撮像・検出することを可能とし、微弱電気信号検査・高速画像認識・診断・防災・防衛などの分野における検出感度向上と共に高速自動リアルタイムでの判断を可能にした信号認識装置を実現する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、ノイズに埋もれた微細信号、或は微細な信号値の高速移動物体等極めて微弱な変化信号の継続的リアルタイム監視・検出を可能とする。これについて更に後述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
［実施例］
図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明によるリアルタイム信号認識装置の構成を示す。
１は、高速アナログ・ディジタル変換回路であり、入力されたアナログ信号波形をディジタル化し、そのディジタルデータが２の待機メモリに格納される。
３のディジタル信号認識回路では、後述の信号認識アルゴリズムに従い、ディジタル信号処理が為される。
その結果として、検索窓の範囲内で信号有意度の指標としての信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）の最大となる信号開始時間と終了時間が遅滞なく（リアルタイムに）評価され、その最適化されたＳ／Ｎとともに４の出力用メモリに格納される。５のトリガー判定回路は、１から３までの各回路を一単位として、複数個の単位で２次元画素からの信号を取り扱った場合、その一単位もしくは複数単位からの信号認識結果（信号波形の開始、終了時間、およびＳ／Ｎ）を遅滞なく計算・評価し、出力用メモリ４に格納されている一単位もしくは複数単位の信号認識結果データを６の外部バスにデータを出力するかどうかを判定し、制御する。外部バス６は後続の計算機やネットワーク装置に接続され、後続の処理の為、データを送信する。
【０００７】
次いで上述の信号認識回路の動作について説明する。
信号認識回路は、光電子増倍管から供給されるアナログ信号をディジタル信号に変換し、ノイズの中に埋もれているＳ／Ｎ比の大きな信号を探し出す働きをする。信号認識回路には、ＤＳＰ（ディジタル信号処理素子）と呼ばれる演算回路が組み込まれている。
【０００８】
本発明では、テキサスインスツルメンツ社製固定小数点型ＤＳＰ、ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９Ａ（以下、５４０９Ａと云う）を使用している。このＤＳＰは、一秒間に最大１億５千万回の演算が可能である。
【０００９】
本発明では、ＤＳＰに連続的に取り込まれるディジタル信号を一定間隔で刻み、その中で立ち上がり時間、立ち下り時間の異なる様々な信号パターンを当てはめてＳ／Ｎ比を計算し、それが最大となるような区間を選び出すという信号認識法を開発した。
【００１０】
５４０９Ａは３２ｋワードの内部メモリを持ち、約５ｍｓｅｃ分のデータを蓄えることができる。この時間内に、信号認識を行い、信号認識結果を飛跡認識回路に送信し、飛跡認識回路からのトリガー判断を待つ。
【００１１】
一枚の信号認識回路には１６チャンネルの光電子増倍管（ＰＭＴ）が接続可能で、それぞれのチャンネルに信号認識用ＤＳＰが１個ある。さらに、ボード制御および飛跡認識回路との通信用に２個のＤＳＰを使用するため、全部で１８個のＤＳＰが存在する。
【００１２】
これらのＤＳＰの間の通信には、マルチチャンネル・バッファド・シリアルポート（ＭｃＢＳＰ）が使われる。１つのＤＳＰには双方向通信が可能なＭｃＢＳＰが３チャンネルある。本設定では、各チャンネルの最大通信速度は５０ＭＢｉｔ／ｓｅｃである。この転送には、中央演算ユニット（ＣＰＵ）を使わずに処理を行えるＤＭＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｃｃｅｓｓ）が使用できる。ＤＳＰ間の通信方法としては、他にもインタラプト信号の使用やＢＩＯピン、ＸＦピンと呼ばれる外部入出力ピンを使用する方法がある。
【００１３】
各チャンネルに蓄えられたデータは、飛跡認識回路からのデータ要求に応じてＭｃＢＳＰを介してボード制御ＤＳＰに送信される。データは最終的に、ボード制御ＤＳＰとＰＣの両方からアクセス可能なデュアルポートメモリに転送され、ＰＣ側に渡される。ボード制御ＤＳＰからデュアルポートメモリへのデータ転送速度は約４４ｎｓ／Ｗｏｒｄである。
【００１４】
本発明の信号認識装置のリアルタイム信号認識アルゴリズムを図２を参照して説明する。
連続的にディジタル時系列化された入力波形を一定時間ごとの検索窓内で信号認識を行う。全てのディジタル時系列データはこの検索窓の中で信号認識を受けることになる。
【００１５】
１つの検索窓内のノイズは、それ以前の検索窓で計算された平均ノイズ値を引き算することにより、信号とノイズのふらつきのみのデータにする。
【００１６】
時間の効率化のため、信号認識には、粗い信号認識（Ｃｏａｒｓｅ）と精細な信号認識（Ｆｉｎｅ）がある。粗い信号認識では検索窓内の時間を４、８、１６、３２、６４などに分割して、その時間ごとにＳ／Ｎを計算し、最大の区分区間を見つけ出す。その後、詳細認識では、左右の境界を１区分ずつ細かく変動させ、更なるＳ／Ｎの最大化を行う。最終的に最大のＳ／Ｎとそのときの検索窓内での区間が決定される。これがリアルタイム信号認識アルゴリズムの概要である。
【００１７】
一例として、シュミレーションを用いて１つのＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）における空気シャワーの信号継続時間を見積もった結果、現在考えられる最大のエネルギーである１０ｎ｛２１｝ｅＶのエネルギーを持つ空気シャワーの９０％は２５．６μｓ以下という結果を得た。したがって、本発明では２５．６μｓごとに区切られた検索窓の中で信号認識を行うことにした。光電子倍増管からのアナログ信号は２００ｎｓごとにサンプリングされており、１検索窓は１２８ビン（ｂｉｎ）に区切られる。検索窓中で可能な全ての信号の幅、位置でのＳ／Ｎ比を比較すると、８２５６通りもの場合があり、ＤＳＰ処理能力では処理しきれない。そこで、次ぎに示す２段階のＳ／Ｎ最大化信号認識アルゴリズムを採用した。
【００１８】
粗信号認識（Ｃｏａｒｓｅ）の説明
１つの信号  １２８ビンを４ビン、８ビン、１６ビン、３２ビンごとに区切り、できた小領域の中で（Ｓ／Ｎ）´を評価し、それが最大となる領域を探す。
次式はこの状況を示す。
（Ｓ／Ｎ）´＝７ＦＦＦｈ／ｓｑｒｔ（Δ）×Ｑ
ここで、
Δ：領域幅、Ｑ：領域中の（ＡＤＣ値一バックグラウンド平均）の積分値である。
７ＦＦＦｈ／ｓｑｒｔ（Δ）の値は、小数点以下を四捨五入した値があらかじめメモリに書き込んであるため、計算する時間がかからない。
１２８ビンは等分に区切り、さらに半位相ずらして区切る。見つかった領域の前後の境界をそれぞれ信号の立ち上がり時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ２とする。領域幅が３２ビンの場合の区切り方を、例として図３に示す。
【００１９】
信号認識（Ｆｉｎｅ）の説明
信号認識Ｃｏａｒｓｅで見つかった領域の前後を１ビンずつずらし、（Ｓ／Ｎ）´を最大にする信号の立ち上がり時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ２を求める。
（Ｓ／Ｎ）´＝７ＦＦＦｈ／ｓｑｒｔ（Δ＋ｄΔ）×（Ｑ＋ｄＱ）
ここで、
ｄΔ：Ｔ１またはＴ２のずらし幅、ｄＱ：領域の変化にともなうＱの増減である。
７ＦＦＦｈ／ｓｑｒｔ（Δ＋ｄΔ）の値は、小数点以下を四捨五入した値があらかじめメモリに書き込んであるため、計算する時間がかからない。
Ｔ１、Ｔ２ともに、粗信号認識（Ｃｏａｒｓｅ）で見つかった位置から±Δ／２だけ前後させる。
【００２０】
計算時間の問題から、Ｔ１、Ｔ２はそれぞれ独立に最適化を行う（片側固定）。
図４は粗信号認識（Ｃｏａｒｓｅ）で見つかった信号の幅が４ビンの場合の例を示す。
【００２１】
バックグラウンド値平均計算）
Ｓ／Ｎ比を求める際、バックグラウンド平均をあらかじめ差し引いておくことで求める信号を際立たせることができる。
【００２２】
信号認識回路の１チャンネルには３個の積分器が使用されており、それぞれに対応するＡＤＣ値の平均が計算される。信号認識の際、各検索窓ごとにそれぞれの積分器について１個のＡＤＣ値を取得し、２５６検索窓分（６．６ｍｓに相当）ＡＤＣ値の平均を計算している。新たにＡＤＣ値を加える際、今までの平均値から大幅に大きな値は除いている。一つの積分器のＡＤＣ値の平均は、上位１６ビットが整数部、下位８ビットが少数部の２４ビットデータとしてメモリに格納されている。
【００２３】
図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれバックグラウンド信号平均を差引かないＡＤＣ値、及びが差引いたＡＤＣ値を示す。
【００２４】
信号認識プログラムの説明
信号認識は、２５．６μｓの周期で行う。ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）には、プログラムすることで任意の周期でＣＰＵにインタラプト信号を送ることができるタイマーが内臓されており、２５．６μｓの周期はＴｒｇＤＳＰのタイマーがつくる。
【００２５】
信号認識回路には、ボード制御用ＤＳＰ（ＴｒｇＤＳＰ）、信号認識結果転送用ＤＳＰ（ＲｅｓＤＳＰ）、各チャンネルごとの信号認識用ＤＳＰ（ＳｕｂＤＳＰ）があり、信号認識プログラムによりそれぞれのＤＳＰは図６に示すように次のような動作を行う。
（１）ＴｒｇＤＳＰにはタイマーインタラプトがかかる。
（２）ＴｒｇＤＳＰは、ＲｅｓＤＳＰ、ＳｕｂＤＳＰにインタラプトをかける。
（３）ＴｒｇＤＳＰはＤＭＡを初期化して波形データ受信（ｆｒｏｍ  ＳｕｂＤＳＰ）、トリガー受信（ｆｒｏｍ  飛跡認識回路）を開始。トリガー送信（ｔｏ  ＳｕｂＤＳＰ）の後、共有メモリへ前回受信したデータを出力。
（４）ＳｕｂＤＳＰはインタラプトを受けて信号認識を開始。約５μｓごとに波形データ送信（ｔｏ  ＴｒｇＤＳＰ）、信号認識結果送信（ｔｏ  ＲｅｓＤＳＰ）、トリガー受信（ｆｒｏｍ  ＴｒｇＤＳＰ）を行う（タイマーで時間調節）。
（５）ＲｅｓＤＳＰはインタラプトを受けてＤＭＡを初期化し、信号認識結果（ｆｒｏｍ  ＳｕｂＤＳＰ）、信号認識結果送信（ｔｏ  飛跡認識回路）を開始する。
【００２６】
図６は、信号認識回路上のＤＳＰ間のデータ交換タイムチャートを示す。
信号認識回路上には、ＴｒｇＤＳＰ、ＳｕｂＤＳＰ、ＲｅｓＤＳＰの３種のＤＳＰがある。ＤＳＰには、様々なデータ処理を行うことができるＣＰＵと、データの転送処理のみ行うことができるＤＭＡコントローラ（図中のＤＭＡ４、ＤＭＡ５）がある。
図６は、ＣＰＵ、ＤＭＡコントローラでどの時間帯にどのようなデータが処理されているかを示している。
【００２７】
信号認識性能評価のために、信号認識回路上で動作する信号認識プログラムと等価なプログラムをＣ言語で開発した。ＤＳＰ上の信号認識プログラムと、Ｃ言語による信号認識プログラムでは、入力データが同じであれば信号認識結果は完全に一致する。
夜光ノイズはＡＤＣ値（アナログ信号をディジタル変換後の数値）にして２０カウント程度と見積もられている。このノイズをシュミレートしたデータに、幅１μｓ、２μｓ、．．．、８μｓ、Ｓ／Ｎ比２σ、２．５σ、３σ、３．５σ、．．．、６σの信号を加え、信号認識プログラムに通した結果を評価した。真のＴ１、Ｔ２に対して誤差３ビン以内であるとき「正当」であると定義した。３ビンというのは、飛跡認識回路でトリガー判断する際にＴ１、Ｔ２に許される誤差である。この結果を表１に示す。
【００２８】
表１は信号認識性能評価を示す表である。すなわち幅、強度の異なる様々な信号に対する信号認識プログラムの認識度を表にしたもので、信号幅は１μｓ〜８μｓまで、信号強度はＳ／Ｎ比２〜６までである。表中の値は、Ｔ１のみ／Ｔ２のみ／Ｔ１及びＴ２の認識度（％）を示す。
【００２９】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００３０】
概要については前述したが、本発明によるリアルタイム信号認識装置の効果と産業上の利用分野を列挙すると次の如くである。
（１）従来のリアルタイムでない信号認識やトリガー法では不可能な微弱な高速移動物体の撮像・検出が可能となる。
（２）ノイズに埋もれた微弱信号を自動的に検知感度（Ｓ／Ｎ）最大となる高感度検出が可能となる。
（３）単一もしくは複数のリアルタイム信号認識の情報を集めて、時空間での“飛跡”や”塊”を形成する高速現象を漏れなく撮像・検出することが可能となる。
（４）微弱電気信号検査・高速画像認識・診断・防災・防衛などの分野における検出感度向上と共に高速自動リアルタイムでの判断の実現が期待される。
（５）背景ノイズの変動が激しい状況でも感度良く微弱な信号が捕らえられると共に、単一もしくは複数のリアルタイム信号認識の情報を集めて、時空間での“飛跡”や“塊”を形成する高速現象を漏れなく撮像・検出することが可能となる。
以上の諸点を要約すると、本発明は、ランダムなノイズの中で信号ノイズ比のディジタル的な算法により、短時間のパルス信号の有無の峻別とその信号の開始時間と終了時間を不感時間なくリアルタイムに取得し、他のディジタル処理回路に出力できる点に最大の特徴があり、微弱電気信号検査・高速画像認識・診断・防災・防衛などの分野における検出感度向上と共に高速自動リアルタイムでの判断が期待される産業上の価値が大である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明リアルタイム信号認識装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明によるリアルタイム信号認識アルゴリズムの説明図である。
【図３】粗信号認識において、領域幅が３２ビンの場合の領域の区切り方の１例を示す図である。
【図４】粗信号認識で見出した信号領域が４ビンの場合の説明図である。
【図５】Ａはバックグラウンド平均を差し引かないＡＤＣ値を示す図である。        Ｂはバックグラウンド平均差し引き後のＡＤＣ値を示す図である。
【図６】信号認識プログラムによるＤＳＰの動作のタイムチャートである。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成16年9月14日(2004.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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