CN106253853B - 信号处理装置以及噪声强度决定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号处理装置以及噪声强度决定方法，能在不增大叠加了噪声的微弱信号的多路数且不依赖于输入信号所包含的噪声种类的情况下，提高随机共振的灵敏度。信号处理装置(1)包括：构成为能设定噪声强度并将具有所设定的噪声强度的噪声进行输出的噪声生成部(11)；将包含测定对象的微弱信号的输入信号与噪声叠加来生成噪声叠加信号的噪声叠加部(12)；对噪声叠加信号进行阈值处理的阈值处理电路(13)；从由阈值处理电路输出的输出信号中提取满足噪声波形条件的脉冲信号分量并对提取脉冲信号进行评价的评价部(20)；以及将评价部中的评价结果表示理想值的噪声强度设定于噪声生成部的强度设定部(30)。

Description

信号处理装置以及噪声强度决定方法

技术领域

本发明涉及一种检测微弱信号的信号处理装置以及决定为了产生随机共振而施加的噪声的噪声强度决定方法。

背景技术

以往，对使用随机共振(Stochastic Resonance)来检测包含噪声的微弱信号的方法进行了研究。例如，提出了一种并联型随机共振电路，将包含微弱信号的输入信号进行分离并输入到多个传输路径，对在各个传输路径上传输的输入信号分别叠加互不相关的噪声(例如参照非专利文献1)。该并联型随机共振电路以并联方式对分别叠加了互不相关的噪声的多个噪声叠加信号进行阈值处理并转换为二进制信号，并对这多个二进制信号进行合成，从而对微弱信号进行重现。已知若采用该并联型随机共振电路，则叠加了互不相关的噪声的微弱信号的多路数越多，越能改善信号的重现精度。

为了生成多个互不相关的噪声，必须要有独立的多个噪声产生源。为此，提出了一种削减了噪声产生源数量的随机共振电路(例如专利文献1)。该随机共振电路采用如下方式：使用输入信号中原本包含的噪声来使微弱信号产生随机共振。因此，具有如下优点：无需强行对输入信号叠加噪声，能削减产生无相关性噪声的噪声产生源。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2013-135244号公报

非专利文献

非专利文献1：J·J·コリンズ(J.J.Collins)、カーソン·C·チョウ(CarsonC.Chow)、トムソン·T·インホフ(Thomas T.Imhoff)、「Stochastic resonance withouttuning(无调节随机共振)」、ネイチャー(NATURE)、1995年7月20日、第376卷、p.236-238

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，非专利文献1所记载的并联型随机共振电路需要多个噪声产生源来产生互不相关的多个噪声，因而存在电路结构复杂、电路规模增大的问题。此外，由于专利文献1所记载的随机共振电路利用输入信号中原本包含的噪声来产生随机共振，因此不一定能获得适合产生随机共振的噪声，SN比可能会变差。

本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供一种信号处理装置以及噪声强度决定方法，能在不增大叠加了噪声的微弱信号的多路数且不依赖输入信号所包含的噪声的种类的情况下，提高随机共振的灵敏度。

解决技术问题所采用的技术手段

本发明的信号处理装置的特征在于，包括：噪声生成部，该噪声生成部构成为能设定噪声强度，且输出具有所设定的噪声强度的噪声；噪声叠加部，该噪声叠加部对包含测定对象的微弱信号的输入信号叠加所述噪声来生成噪声叠加信号；阈值处理电路，该阈值处理电路对所述噪声叠加信号进行阈值处理；评价部，该评价部从由所述阈值处理电路输出的输出信号中提取出满足脉冲波形条件的脉冲信号分量，并对提取脉冲信号进行评价；以及强度设定部，该强度设定部将所述评价部中的评价结果表示理想值的噪声强度设定于所述噪声生成部。

根据本发明，由于从阈值处理电路的输出信号中提取满足脉冲波形条件的脉冲信号分量，因此，只要使脉冲波形条件与测定对象的微弱信号相匹配，就能提取出与测定对象的微弱信号相对应的脉冲波形分量。并且，由于将与提取出的脉冲波形分量有关的评价结果表示理想值的噪声强度设定于噪声生成部，因此只要应用评价部中实现理想SN比的理想值，则能将实现理想SN比的噪声强度设定于噪声生成部，并能提高SN比。

此外，本发明的特征在于，上述信号处理装置中，所述评价部具有：脉冲分离部，该脉冲分离部基于脉冲波形条件从由所述阈值处理电路输出的输出信号中提取出规定波形的脉冲信号分量；以及脉冲计数部，该脉冲计数部对由所述脉冲分离部提取出的脉冲信号数进行计数。由此，能将测定对象的微弱信号或调谐用的模拟信号输入到信号处理装置时由脉冲计数部测量到的微弱信号或模拟信号的计数用作评价部中的理想值，因而能基于脉冲分离部所提取出的脉冲信号的计数来决定实现理想SN比的噪声强度。

此外，本发明的特征在于，上述信号处理装置中，所述强度设定部在具有已知的脉冲波形形状的微弱信号被输入到所述噪声叠加部的状态下，使设定于所述噪声生成部的噪声强度在规定范围内进行变化，从所述脉冲计数部获取与各噪声强度相对应的脉冲信号分量的计数，将表示与理想的SN比相对应的计数时的噪声强度设定于所述噪声生成部以作信号测定用。由此，能对噪声生成部设定能实现理想SN比的合适的噪声强度。

此外，本发明的特征在于，在上述信号处理装置中，包括：噪声生成部，该噪声生成部构成为能设定噪声强度，且输出具有所设定的噪声强度的噪声；噪声叠加部，该噪声叠加部对包含测定对象信号的输入信号叠加所述噪声来生成噪声叠加信号；以及阈值处理电路，该阈值处理电路对所述噪声叠加信号进行阈值处理，随着具有已知脉冲波形形状的微弱信号输入到所述噪声叠加部，从由所述阈值处理电路输出的输出信号中提取出满足脉冲波形形状条件的脉冲信号分量，并将基于提取的结果所决定的噪声强度设定于所述噪声生成部。由此，在噪声生成部中生成合适噪声强度的噪声，并在噪声叠加部中叠加到输入信号中。

此外，本发明的上述信号处理装置中，所述强度设定部根据从所述评价部输出的评价结果对设置装置后叠加了测定场所的背景噪声的所述输入信号的所述噪声强度进行最优化。由此，能根据包含测定现场的背景噪声在内的实际的测定条件来恰当地设定噪声强度。

此外，本发明的噪声强度决定方法是一种信号处理装置中的噪声强度决定方法，该信号处理装置包括：噪声生成部，该噪声生成部构成为能设定噪声强度，且输出具有所设定的噪声强度的噪声；噪声叠加部，该噪声叠加部对包含测定对象的微弱信号的输入信号叠加所述噪声来生成噪声叠加信号；以及阈值处理电路，该阈值处理电路对所述噪声叠加信号进行阈值处理，该噪声强度决定方法的特征在于，包括：评价步骤，该评价步骤从由所述阈值处理电路输出的输出信号中提取出满足脉冲波形条件的脉冲信号分量，并对所述噪声强度进行评价；以及将所述评价步骤中评价结果表示理想值的噪声强度设定于所述噪声生成部的步骤。由此，能对随机共振的噪声强度进行调整，使得微弱信号的脉冲波形的评价结果与理想值相一致。

发明效果

根据本发明，能在不增大叠加了噪声的微弱信号的多路数且不依赖于输入信号所包含的噪声种类的情况下，提高随机共振的灵敏度。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的信号处理装置的整体结构的框图。

图2是实施方式1的信号处理装置的随机共振部的电路结构图。

图3是表示噪声强度与SN比的关系的SN特性图。

图4是对噪声强度与理想脉冲数(脉冲频度)的关系进行说明的示意图。

图5是表示对模拟信号的输入进行的噪声叠加后输出和阈值处理输出的波形图。

图6是实施方式1的变形例所涉及的信号处理装置的结构图。

图7是表示实施方式2所涉及的放射线测定装置的结构的框图。

图8是表示实施方式3所涉及的光学设备的结构的框图。

图9是实施方式3所涉及的光学设备的粒子传感器装置的主视图和侧视图。

图10是实施方式3的散射光的脉冲波形图。

图11是表示实施方式4所涉及的距离测定装置的整体结构的框图。

图12是对距离的测定原理进行说明的时序图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

(实施方式1)

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的信号处理装置的整体结构的框图。本实施方式的信号处理装置能适用于利用随机共振来检测微弱信号的各种装置。

如图1所示，实施方式1的信号处理装置1包括：使包含测定对象的微弱信号的输入信号Vin产生随机共振的随机共振部10；对随机共振部10的输出信号进行评价的评价部20；以及对随机共振部10中施加于输入信号Vin的噪声的噪声强度进行设定的控制器30。

随机共振部10包括：产生噪声的噪声生成部11；叠加利用输入信号Vin和噪声生成部11而产生的噪声来输出噪声叠加信号的噪声叠加部12；对噪声叠加信号进行阈值处理来生成脉冲信号的阈值处理电路13；以及从由阈值处理电路13输出的输出信号中重现出微弱信号的波形的波形重现部14。图2示出随机共振部10的电路结构。如图2所示，阈值处理电路13由具有迟滞特性的比较器构成。本实施方式中，控制器30可以具有设定噪声强度的强度设定部的功能。噪声生成部11能对生成噪声的噪声强度进行设定，该例中，由控制器30来设定噪声强度。例如，噪声生成部11所生成的噪声至少是在比测定对象信号的频率要宽的频带中具有相同强度的噪声，噪声生成部11所生成的噪声可以使用白噪声、高斯噪声(高斯白噪声)、1/f起伏噪声等。波形重现部14由将不需要的波形分量去除的低通滤波器构成。

评价部20包括：从波形重现部14的输出信号中分离出符合脉冲波形条件的脉冲信号的脉冲分离部15；对由脉冲分离部15分离出的脉冲信号数进行计数的脉冲计数部16；以及对由脉冲计数部16计数得到的脉冲数进行评价的计数评价部17。脉冲分离部15将作为测定对象的微弱信号的波形形状作为脉冲波形条件。通过使脉冲波形条件与测定对象的微弱信号相匹配，从而能提取出与测定对象的微弱信号相对应的脉冲波形分量。在为了进行调谐而使用与测定对象的微弱信号相近似的模拟信号的情况下，能使脉冲波形条件与模拟信号相匹配。脉冲计数部16所计数得到的计数表示由脉冲分离部15分离出的测定对象的微弱信号或模拟信号的脉冲数。

控制器30具有对随机共振的噪声强度进行调整来使脉冲计数部16所计数得到的计数(测定脉冲数)与理想脉冲数相一致的功能。在向信号处理装置1输入微弱信号时，使用SN比达到最佳时测量到的脉冲数作为理想脉冲数。例如在输入信号为由10个脉冲构成的微弱信号的情况下，设定最佳噪声强度时测量到的脉冲数在理想情况下为10个脉冲，因此设定“理想值＝10”作为理想脉冲数。

这里，对控制器30在设定噪声强度时使用的理想脉冲数进行说明。图3是表示噪声强度与SN比(检测灵敏度)的关系的SN特性图。该图中示出了叠加于输入信号的噪声的噪声强度在从最小值到最大值的范围内变化时的SN比的变化。根据SN特性图可知，存在SN比达到最大值的噪声强度。若从SN比达到最大值的噪声强度起进一步提高噪声强度，则噪声强度变得过度，微弱信号以外的信号分量超过阈值而成为脉冲信号(噪声)，因此测定对象的微弱信号会淹没在噪声中而导致SN比变差。为此，控制器30基于评价部20的评价结果来设定成SN比达到最大值的噪声强度。

利用图4对噪声强度与理想脉冲数(脉冲频度)的关系进行说明。图4所示的脉冲频度特性曲线C1是对在图1的阈值处理电路13的输出级测定到的输出信号的脉冲数监测得到的曲线，脉冲频度特性曲线C2表示图1中的脉冲计数部16所计数得到的脉冲数。图4中，为了示出脉冲频度与SN比的关系而将图3所示的SN特性图重叠显示。另外，阈值处理电路13中以不具有迟滞的方式进行测定。

由脉冲频度特性曲线C1所示可知，在噪声强度从最小值向最大值变化的情况下，在达到噪声强度P1之前，脉冲频度增加，在噪声强度P1下，脉冲频度达到最大值(峰值)，在达到噪声强度P1以上时，脉冲频度减少。

脉冲频度特性曲线C1中，伴随着噪声强度的增加而超过阈值的脉冲信号的比例增加，但即使超过SN比达到最大的噪声强度，在达到噪声强度P1前超过阈值的脉冲信号的比例继续增加。超过噪声强度P1后，认为由于超过阈值的区间连续，因而直流分量增大，脉冲数急剧减少。

另一方面，脉冲频度特性曲线C2中，在SN比达到最大值的噪声强度P2下超过阈值的脉冲信号数(脉冲频度)达到最大值。在SN比达到最大值的噪声强度P2的情况下，对于例如由10个脉冲构成的微弱信号S1-S10的输入，符合脉冲波形条件(设定成与该微弱信号的脉冲波形为同一波形的脉冲波形条件)的脉冲数被测量到10次。然而，随着与SN比达到最大值的噪声强度P2的远离，符合脉冲波形条件的脉冲数减少。参照图5来对此进行具体说明。图5示出在输入由具有已知脉冲波形形状的一个脉冲构成的微弱信号的模拟信号时的噪声叠加信号(噪声叠加后输出)与对噪声叠加信号进行阈值处理后的脉冲信号(阈值处理输出)。

图5A示出设定比SN比达到最大值的噪声强度P2要小的噪声强度时的噪声叠加信号(噪声叠加后输出)与脉冲信号(阈值处理输出)。由此，在噪声强度比SN比峰值点(噪声强度P2)小的情况下，叠加到噪声叠加信号中的噪声强度过小，因此如图5A所例示那样，模拟信号的脉冲部分产生随机共振的概率较低，阈值处理中超过阈值的脉冲信号的数量减少，因而没有重现出模拟信号的脉冲波形。其结果，满足脉冲波形条件的概率极低，符合脉冲波形条件的脉冲数(脉冲计数)降低。

图5B示出将噪声强度设定为SN比达到最大值的噪声强度P2时的噪声叠加信号(噪声叠加后输出)与脉冲信号(阈值处理输出)。在噪声强度为SN峰值点的噪声强度P2的情况下，由于叠加到噪声叠加信号中的噪声强度合适，因此如图5B所例示那样，正确地重现出了模拟信号的脉冲波形。其结果，微弱信号的脉冲波形满足脉冲波形条件的概率较高，构成微弱信号的脉冲数几乎全被测量到。因此，将构成微弱信号的脉冲数作为理想脉冲数设定为“理想值”。

图5C示出设定比SN比达到最大值的噪声强度P2要大的噪声强度时的噪声叠加信号(噪声叠加后输出)与脉冲信号(阈值处理输出)。在噪声强度比SN比峰值点(噪声强度P2)大的情况下，叠加在噪声叠加信号中的噪声强度过大，因此如图5C所例示那样，即使在模拟信号的脉冲部分以外的部分，产生随机共振的可能性也较高，因此脉冲信号数量较多，但由于脉冲信号是直流分量，因此脉冲信号满足脉冲波形条件的概率较低。因此，符合脉冲波形条件的脉冲频度(脉冲计数)降低。

由此，在设定SN比达到最大值的噪声强度P2的情况下，与构成模拟信号的微弱信号(脉冲信号)S1-S10相对应的各重现脉冲信号符合脉冲波形条件的概率达到最大。因此，通过设定最合适的噪声强度P2，使得测量到的重现脉冲信号数是与模拟信号相同的脉冲数的概率变高。将构成模拟信号的脉冲信号的波形形状作为脉冲波形条件设定到脉冲分离部15中，将构成模拟信号的脉冲信号数作为理想值设定到控制器30中。并且，控制器30对输入模拟信号时的脉冲信号数进行计数，并设定为SN比达到最大值的噪声强度P2。另外，也能使用在测定现场实际测定到的微弱信号代替模拟信号。若能预测测定对象的微弱信号的波形形状和每单位时间的脉冲数，则即便不在最佳噪声强度的设定中使用模拟信号，也能利用在测定现场实际测定到的微弱信号来设定最佳噪声强度。

接着，对通过改变本实施方式的噪声生成部11所生成的噪声强度来设定随机共振用的最佳噪声强度的调谐动作进行说明。以下示出噪声强度从最小值向最大值变化的情况，但噪声强度可以在规定范围内任意变化。

本实施方式中，使用脉冲数(例如10个)和波形形状(振幅、脉冲宽度)已知的微弱信号作为调谐动作时输入到信号处理装置1的模拟信号。脉冲分离部15中设定有基于模拟信号的波形形状的脉冲波形条件。控制器30使用模拟信号的脉冲数(例如10个或其附近值)作为计数评价部17中的评价结果的理想值。

首先，控制器30将噪声生成部11的噪声强度设定为最小值。噪声叠加部12对所输入的模拟信号(微弱信号)和由噪声生成部11生成的调整为最小值的噪声强度的噪声进行叠加。阈值处理电路13对从噪声叠加部12输出的噪声叠加信号进行阈值处理来生成与模拟信号相对应的脉冲信号，由于噪声强度是最小值，因此噪声叠加信号中超过阈值的脉冲信号与噪声强度P2的情况相比较少。波形重现部14从由阈值处理电路13输出的脉冲信号中重现出模拟信号的波形。脉冲分离部15利用所设定的脉冲波形条件，从波形重现部14的输出信号中提取出符合条件的规定波形的脉冲信号分量，由于噪声是最小值，因此所符合的规定波形的脉冲信号分量较少。脉冲计数部16对由阈值处理电路13重现出的构成模拟信号的脉冲信号所对应的重现脉冲信号的脉冲信号数进行计数，脉冲信号数与噪声强度P2的情况相比较少。计数评价部17对由脉冲计数部16所计数得到的脉冲信号数进行评价。控制器30对计数评价部17的评价结果和模拟信号的脉冲数(例如10个或其附近值)进行比较。在将噪声强度设为最小值的情况下，控制器30中测量到比构成原先的模拟信号的脉冲信号的脉冲数要少的脉冲数。

接着，控制器30使噪声生成部11的噪声强度从最小值向最大值增加，但在将噪声生成部11的噪声强度设定为SN比达到最大的最佳噪声强度P2的情况下，如下所示。噪声叠加部12对所输入的模拟信号和由噪声生成部11生成的最佳值P2的噪声强度的噪声进行叠加。阈值处理电路13对从噪声叠加部12输出的噪声叠加信号进行阈值处理来生成与模拟信号相对应的脉冲信号。波形重现部14从由阈值处理电路13输出的脉冲信号中重现出模拟信号的波形。脉冲分离部15利用所设定的脉冲波形条件，从波形重现部14输出的信号中提取出符合条件的规定波形的脉冲信号分量，由于噪声强度是最佳值P2，因此符合条件的规定波形的脉冲信号分量达到最大数量。脉冲计数部16对由阈值处理电路13重现出的构成模拟信号的脉冲信号所对应的重现脉冲信号的脉冲信号数进行计数，由于是噪声强度P2，因此脉冲信号数达到最大数量。计数评价部17对由脉冲计数部16所计数得到的脉冲信号数进行评价。控制器30对计数评价部17的评价结果和模拟信号的脉冲数(例如10个或其附近值)进行比较。控制器30中，在噪声强度为最佳值P2的情况下，对评价结果的理想值、即模拟信号的脉冲数进行测量，将噪声强度P2判断为评价结果表示理想值的噪声强度。

接着，对控制器30将噪声生成部11的噪声强度设为比最佳点要大的值(例如最大值)的情况进行说明。在噪声强度达到最大值的情况下，叠加在微弱信号中的噪声强度过强，因此阈值处理电路13中阈值处理输出直流化的可能性变高，脉冲分离部15中不符合脉冲波形条件的脉冲信号增加。因此，由脉冲计数部16测量到的脉冲信号数比模拟信号的脉冲数小的可能性较高。控制器30中测量到评价结果的理想值、即模拟信号的脉冲数的可能性较低。因此，控制器30中，在将噪声强度设为最大值的情况下，测量到比构成原先的模拟信号的脉冲信号的脉冲数要少的脉冲信号数。

因此，控制器30将由脉冲计数部16计数得到的脉冲信号数表示与模拟信号的脉冲数相同的计数或其附近值的“理想值”时的噪声强度决定为噪声生成部11中的最佳噪声强度P2，并设定噪声强度。另外，控制器30也可以不通过检测与模拟信号的脉冲数相同的脉冲信号数来决定最佳噪声强度P2，而是将脉冲信号数达到最大数量时的噪声强度决定为最佳噪声强度。此时的“理想值”为最大脉冲数。

如上所述，根据本实施方式，由于从随机共振部10的输出信号中提取出满足脉冲波形条件的脉冲信号分量，因此能提取出与测定对象的微弱信号相对应的脉冲波形分量。并且，由于将与提取出的脉冲波形分量有关的评价结果表示理想值的噪声强度设定到噪声生成部11中，因此能将实现最佳SN比的噪声强度P2设定到噪声生成部11中。另外，实施方式1中，示出了具备单独的随机共振部10的构成例，但也可以如图6所示，信号处理装置40构成为并行设置多个随机共振部10a-10c，由加法部18对各随机共振部10a-10c的输出进行合成。

另外，本实施方式中，对输入信号所包含的测定对象的微弱信号进行的噪声强度的最优化即调谐可以在信号处理装置1从工厂出货前的工厂出货前阶段进行，也可以在设置装置后在测定现场将背景噪声叠加到输入信号Vin的状态下进行。在工厂出货前阶段进行调谐的情况下，由于不会受到测定现场那样变动的背景噪声的影响，因此能在均匀的条件下(或设想的条件下)对所有装置设定噪声强度，能获得装置固有的校正数据。另一方面，在测定现场进行调整的情况下，能将根据各个测定现场变动的背景噪声等测定条件(包含环境温度等)考虑在内来决定噪声强度，因此能对各个测定现场设定最佳的噪声强度。

(实施方式2)

实施方式2是将上述实施方式1的信号处理装置1应用于放射线测定装置的示例。

图7是表示实施方式2所涉及的放射线测定装置的结构的框图。在实施方式2中，利用随机共振来提高放射线的检测精度(SN比)。

放射线测定装置200具有：产生与入射的放射线相对应的光的闪烁体202；对由闪烁体202产生的光进行反射的光导203；输出与经由光导203导入的光相对应的微弱信号的光检测器204；以及实施方式1所示的信号处理装置1。闪烁体202在放射线从外部入射时，产生与放射线提供给闪烁体202的能量相对应的闪烁光(荧光)。光导203的外形呈锥形，其面积较大的一端面上配置有闪烁体202，而面积较小的另一端面上配置有光检测器204。入射到光导203的闪烁光在光导203内重复反射，并到达光检测器204。光检测器204利用光电效应输出与闪烁光的入射光量相对应的微弱信号，并将包含该微弱信号的输入信号Vin输入到随机共振部10。

接着，对用于利用基准放射线源201对放射线测定装置200设定最佳噪声强度的调谐动作进行说明。因从基准放射线源201发出的放射线而从光检测器204输出的放射线检测信号(测定对象的微弱信号)的脉冲波形形状和脉冲数(相当于每单位时间的放射剂量)是已知的。为此，将放射线检测信号的脉冲波形设定为脉冲波形条件，将放射线检测信号的脉冲数设定为理想脉冲数。

在调谐动作中，将基准放射线源201设置在闪烁体202的上部。然而，控制器30进行与实施方式1同样的调谐动作，将从光检测器204输出的微弱信号作为输入信号来获取，设定噪声生成部11的噪声强度，使得脉冲计数部16所测量到的脉冲信号数与理想脉冲数一致。此外，控制器30还利用噪声施加量调整信号来设定噪声生成部11的噪声强度。由此，在实施方式2的放射线测定装置200中也能对噪声生成部11设定最佳的噪声强度。

另外，在进行调谐后，将基准放射线源201从放射线测定装置200中去除来使用，从而进行正式测定。

由此，根据实施方式2，能利用随机共振来提高对于检测对象的微弱信号(放射线)的SN比(测定灵敏度)。本实施方式中，由于对检测对象的微弱信号的测定灵敏度得以提高，因此即使使用灵敏度比以往要低的光检测器204，也能以足够的灵敏度进行放射线的检测，能降低放射线测定装置200的成本。

(实施方式3)

实施方式3是将上述实施方式1的信号处理装置1应用于光学设备的示例。

图8是表示实施方式3所涉及的光学设备的结构的框图。在实施方式3中，利用随机共振来提高空气中包含的微粒子的检测精度(SN比)。首先参照图9对构成实施方式3的光学设备的颗粒传感器进行说明。

图9中示出实施方式3的颗粒传感器装置的主视图(图9A)、侧视图(图9B)。

在颗粒传感器装置300中，通过设置于软管状的喷嘴301上的空气吸引口302，利用风扇电机303从颗粒传感器装置300外部向颗粒传感器装置300内部吸引空气304，空气304的流量由流量传感器305进行测量。此外，由半导体激光306所产生的激光307经透镜308在颗粒传感器装置300内部被聚焦到空气304的流路上的喷嘴301位置附近。聚焦后的激光307被照射到从颗粒传感器装置300外部吸引到颗粒传感器装置300内部的空气304所包含的微粒子。另外，利用设置在颗粒传感器装置300内部的凹面镜309使因激光307的照射而从微粒子产生的散射光聚焦到光电二极管310。在光电二极管310中，通过将接收到的散射光转换成电信号来测定空气中包含的微粒子。聚焦激光307的喷嘴301的位置位于设置在颗粒传感器装置300内部的凹面镜309的大致中央。

利用图8对光学设备320的整体结构进行说明。光学设备320具有产生在吸引到颗粒传感器装置300内部的空气304中所包含的微粒子(颗粒)的粒子产生装置311。光电二极管310将包含与接收到的散射光相对应的微弱信号的输入作为输入信号Vin输入到信号处理装置50。信号处理装置50的基本功能与实施方式1的信号处理装置1相同，但控制器30还具备颗粒传感器装置300的必要功能。例如，控制器30可以经由驱动电路312对半导体激光306所产生的激光307进行控制。信号处理装置50包括随机共振部10、评价部20、以及控制器30而构成。

接着，对用于利用粒子产生装置311设定最佳噪声强度的调谐动作进行说明。在由粒子产生装置311产生的微粒子的大小已知时，与散射光对应地从光电二极管310输出的测定对象的微弱信号的脉冲波形形状和脉冲数(由图10所示的脉冲信号构成的微弱信号)是已知的。为此，将与散射光相对应的微弱信号的脉冲波形形状设定为脉冲波形条件，将与散射光相对应的微弱信号的脉冲数设定为理想脉冲数。

控制器30进行与实施方式1同样的调谐动作，设定噪声生成部11的噪声强度，使得从光电二极管310输出的微弱信号所对应的脉冲计数部16测量到的脉冲信号数与理想脉冲数相一致。此外，控制器30还利用噪声施加量调整信号来设定噪声生成部11的噪声强度。由此，在实施方式3的光学设备320中也能进行调谐动作。

由此，根据实施方式3，能利用随机共振来提高对于检测对象的微弱信号(散射光)的SN比(测定灵敏度)。本实施方式中，由于对检测对象的微弱信号的测定灵敏度得到提高，因此即使是以往无法观测的直径较小的微粒子的散射光，也能进行检测。

(实施方式4)

实施方式4是将上述实施方式1的信号处理装置60应用于距离测定装置的示例。

图11是表示实施方式4所涉及的距离测定装置的整体结构的框图。实施方式4中，利用随机共振来增大可执行距离测定的距离。

距离测定装置400由发送发光信号(发送脉冲信号)的发光部401、对由发光部401发送的发光信号402进行接收的受光部403、输入包含从受光部403输出的微弱信号的输入信号Vin的信号处理装置60、以及对发光部401的发光信号402的发送进行控制的驱动电路404构成。信号处理装置60的基本功能与实施方式1的信号处理装置1相同，但控制器30还具备距离测定装置的必要功能。信号处理装置60包括随机共振部10、评价部20、以及控制器30而构成。

首先对距离测定装置400的距离测定动作进行说明。图12是对距离的测定原理进行说明的时序图，示出发光部401发送的发光信号和受光部403接收到的受光信号(受光脉冲信号)的波形。控制器30能获知控制驱动电路404而从发光部401发送发光信号的发送时刻、和通过来自受光部403的通知而接收到受光信号的接收时刻。控制器30能基于发光信号和受光信号的时间差t来求出发光部401与受光部403之间的距离。通过对由发光部401发送的发光信号(光)进入大气中并作为受光信号被受光部403接收为止经过的时间t进行测量，从而测定距离。这里，若将大气中的光速设为c[m/s]，则发光部401与受光部403之间的距离x能用x[m]＝t[s]＊c来求得。因此，控制器30能获知时间t，因此能利用该式来求出发光部401与受光部403之间的距离x。

接着，对距离测定装置400中，用于设定使从受光部403输入到信号处理装置60的微弱信号(受光信号)产生随机共振所需最佳的噪声强度的调谐动作进行说明。假设受光信号(受光脉冲信号)的脉冲数以及脉冲波形形状已知。信号处理装置60将受光信号的脉冲波形设定为脉冲波形条件，将受光信号的脉冲数设定为理想脉冲数。

控制器30进行与实施方式1同样的调谐动作，决定噪声生成部11的噪声强度并设定到噪声生成部11中，使得从受光部403输入的微弱信号所对应的信号在脉冲计数部16中的脉冲信号数与理想值(理想脉冲数)相一致。此外，控制器30还利用噪声施加量调整信号来设定噪声生成部11的噪声强度。由此，在实施方式4的距离测定装置400中也能调谐到最佳的噪声强度。

由此，根据实施方式4，能利用随机共振来提高对于检测对象的微弱信号(受光信号)的SN比(测定灵敏度)。本实施方式中，由于对检测对象的微弱信号的测定灵敏度得到提高，因此能延长作为测定对象的发光部401与受光部403之间的距离。

另外，以上对将受光部403配置于测距目标位置的方式进行了说明，但也能应用于反射型的距离测定装置。例如，也可以利用设置在测距目标位置的反射镜等对由发光部401发送的发光信号进行反射，从而由配置在与发光部401相同位置的受光部403进行接收。例如，可以将镜片配置在图11中受光部403的位置，将受光部403配置在与发光部401相同的位置。

另外，本发明不限于上述实施方式，能进行各种变更来实施。本发明并不限于上述实施方式中由附图所示的大小、形状等，能在发挥本发明效果的范围内进行适当变更。另外，也能在不脱离本发明目的的范围内适当变更来实施。

标号说明

1、40、50、60 信号处理装置

10、10a-10c 随机共振部

11、11a-11c 噪声生成部

12、12a-12c 噪声叠加部

13、13a-13c 阈值处理电路

14 波形重现部

15 脉冲分离部

16 脉冲计数部

17 计数评价部

18 加法部

20 评价部

30 控制器

200 放射线测定装置

201 基准放射线源

202 闪烁体

203 光导

204 光检测器

300 颗粒传感器装置

301 喷嘴

302 空气吸引口

303 风扇电机

304 空气

305 流量传感器

306 半导体激光

307 激光

308 透镜

309 凹面镜

310 光电二极管

311 粒子产生装置

312 驱动电路

320 光学设备

400 距离测定装置

401 发光部

402 发光信号

403 受光部

404 驱动电路

Vin 输入信号

Claims (3)

1.一种信号处理装置，其特征在于，包括：

噪声生成部，该噪声生成部构成为能设定噪声强度，且输出具有所设定的噪声强度的噪声；

噪声叠加部，该噪声叠加部对包含测定对象的微弱信号的输入信号叠加所述噪声来生成噪声叠加信号；

阈值处理电路，该阈值处理电路对所述噪声叠加信号进行阈值处理；

评价部，该评价部从由所述阈值处理电路输出的输出信号中提取出满足脉冲波形条件的脉冲信号分量，并对提取脉冲信号进行评价；以及

强度设定部，该强度设定部将所述评价部中的评价结果表示理想值的噪声强度设定于所述噪声生成部，

所述评价部具有：脉冲分离部，该脉冲分离部基于脉冲波形条件从由所述阈值处理电路输出的输出信号中提取出规定波形的脉冲信号分量；以及脉冲计数部，该脉冲计数部对由所述脉冲分离部提取出的脉冲信号分量数进行计数，

所述强度设定部在具有已知的脉冲波形形状的微弱信号被输入到所述噪声叠加部的状态下，使设定于所述噪声生成部的噪声强度在规定范围内进行变化，从所述脉冲计数部获取与各噪声强度相对应的脉冲信号分量的计数，将表示与理想的SN比相对应的计数时的噪声强度设定于所述噪声生成部以作信号测定用。

2.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，所述强度设定部根据从所述评价部输出的评价结果对设置装置后叠加了测定场所的背景噪声的所述输入信号的所述噪声强度进行最优化。

3.一种噪声强度决定方法，是信号处理装置中的噪声强度决定方法，该信号处理装置包括：噪声生成部，该噪声生成部构成为能设定噪声强度，且输出具有所设定的噪声强度的噪声；噪声叠加部，该噪声叠加部对包含测定对象的微弱信号的输入信号叠加所述噪声来生成噪声叠加信号；以及阈值处理电路，该阈值处理电路对所述噪声叠加信号进行阈值处理，该噪声强度决定方法的特征在于，包括：

评价步骤，该评价步骤从由所述阈值处理电路输出的输出信号中提取出满足脉冲波形条件的脉冲信号分量，并对所述噪声强度进行评价；以及

将所述评价步骤中评价结果表示理想值的噪声强度设定于所述噪声生成部的强度设定步骤，

所述评价步骤具有：脉冲分离步骤，该脉冲分离步骤基于脉冲波形条件从由所述阈值处理电路输出的输出信号中提取出规定波形的脉冲信号分量；以及脉冲计数步骤，该脉冲计数步骤对由所述脉冲分离步骤提取出的脉冲信号分量数进行计数，

所述强度设定步骤在具有已知的脉冲波形形状的微弱信号被输入到所述噪声叠加部的状态下，使设定于所述噪声生成部的噪声强度在规定范围内进行变化，获取与各噪声强度相对应的脉冲信号分量的计数，将表示与理想的SN比相对应的计数时的噪声强度设定于所述噪声生成部以作信号测定用。

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