JP2004118108A - ブロードバンド信号検出方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】音響信号データを入力し時間窓で切り取り、FFT演算部11で高速フーリエ変換して周波数スペクトルを算出し、時間積分演算部12で周波数毎に時間積分を行う。次に正規化演算部13で積分後の信号を周波数毎に所定の周波数区間長の局所平均値を求め、該局所平均値でその周波数の振幅レベルを除算し局所的な正規化を行い、スムージング処理部14で、予め設定した周波数幅を平均区間長として局所平均値を求め、その平均値をその周波数の振幅レベル値と置き換える。更に関数フィッティング部15は、スムージング後の信号に対して、上側に極大値を持つ左右対称関数によりフィッティングを行い、該関数の極大値が所定の閾値を越える場合にピークとして抽出する。ピークトラッキング部16では検出されたピークの時間方向のラインを形成し、時間閾値判定部17は、ラインの継続時間が時間閾値を越えたとき信号と判定する。重畳表示部19では、検出したラインを音紋画像へ重畳表示する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号検出方法及び装置に関し、特に、パッシブ音響信号を信号処理した結果得られる音紋画像から、信号がある程度の周波数幅を持つブロードバンド信号を検出するブロードバンド信号検出方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
パッシブ音響信号を信号処理した結果得られる音紋画像から信号を検出する信号検出方法及び装置が知られている(特許文献1〜3参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−181990号公報
【特許文献2】
特開平7−199995号公報
【特許文献3】
特開平9−210763号公報
【0004】
図8は、本発明に最も近いこの種の形式の信号検出方法及び装置の従来技術を示す図である。図8に示すように、従来技術の構成は、信号処理の手段として、FFT演算部11、時間積分演算部12、正規化演算部13、ピーク検出部20、ピークトラッキング部16及び時間閾値判定部17を備える。また、信号及び信号検出の確認の手段として、画像表示部18、重畳表示部19を備える。
【0005】
FFT演算部11は、入力された音響信号データを時間窓で切り取り、切り取った各時間毎の音響信号データを高速フーリエ変換し、周波数スペクトルを算出する。時間積分演算部12は、各周波数毎に高速フーリエ変換した音響信号データの時間積分を行う。
【0006】
正規化演算部13は、各周波数において、予め設定した周波数区間長での局所平均値を求め、その平均値でその周波数の振幅レベルを除算するなどの方法により、局所的な正規化を行う。この正規化演算を全ての周波数について順次実施することにより正規化演算を実施する。正規化結果は、画像表示18及びピーク検出部20に入力される。画像表示部18では音紋画像上で人間が視覚的に音響信号の有無を確認することができるように正規化結果を表示する。
【0007】
図9、図10は、ピーク検出部20における信号処理を示す図である。ピーク検出部20は、縦軸を時間、横軸を周波数、濃度を信号の振幅レベルで表現された信号の時間断面の信号に相当する、入力信号の正規化結果である周波数対振幅レベルのデータから、振幅レベルが予め定められた閾値を越える点をピークとして検出する。
【0008】
ピークトラッキング部16は、ピーク検出部20で検出されたピークを時間方向にトラッキングしてラインを形成する。時間閾値判定部17は、トラッキングされたラインの継続時間が所定の時間閾値を越えたときは信号と判定し、継続時間が前記時間閾値を越えないときは雑音と判定する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の信号検出方法及び装置では、ピーク検出部20により音響信号の周波数対振幅レベルのデータについて、振幅レベルが所定の閾値を越える点をピークとして検出するものである。このため、図9に示す狭帯域信号のように幅が狭く、ピークが1つとなる場合には正しく信号検出が可能であるが、図10に示すブロードバンド信号(広帯域信号)のように信号帯域が広い場合は雑音の影響も加わって閾値を越えるピークが1つに限らず複数存在するようになり、ピークの誤検出等が生じうる。
【0010】
このようにブロードバンド信号の場合は、信号は1つしか存在しないのに検出されるピークが複数となることが多く、かつ、ピークが周波数的にゆらぐことから、従来技術では正しく信号検出を行うことができないという問題があった。
【0011】
また従来技術では、ブロードバンド信号の検出は、熟練したオペレータが音紋画像上での目視により実施していたため、特に、音響信号を受信するセンサー数等よりチャネル(CH)数が多く、且つ長時間の探知(監視)が必要な広周波数帯域のセンサーシステムの場合には、オペレータに多大の負荷がかかっており、かつ、オペレータの熟練度によっては信号の見落とし、誤検出が発生していた。
【0012】
(発明の目的)
本発明の目的は、従来方法及び装置では不可能であったブロードバンド信号の正確な検出が可能な信号検出方法及び装置を提供することにある。
本発明の目的は、ブロードバンド信号の検出を自動的に行い信号の見落とし、誤検出を防止することを可能とする信号検出方法及び装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、周波数対振幅レベルのデータに対して、ブロードバンド信号の帯域幅に応じた所定の周波数の区間長、特に、ブロードバンド信号の帯域幅に適合した平均区間長により移動平均処理を行うことにより実現されるフィルタリングを実施し、信号の周波数特性上の形状(「信号形状」という)の細かいギャップ及び背景雑音による信号形状への影響を排除し、また、ブロードバンド信号の信号形状のエッセンスのみを取り出すスムージング処理を行い、更に、取り出された信号形状のエッセンスに対して、理論的にブロードバンド信号の信号形状に対応する上側に極大値を持つ左右対称関数によるフィッティングを行い、該関数の極大値が予め定められた閾値を越える場合にピークとして抽出し、前記ピークを時間方向にトラッキングしてラインを検出する。また、ラインの継続時間を判定して信号を検出する。
【0014】
本発明のブロードバンド信号検出方法は、音響信号からフーリエ変換により周波数スペクトルを求めるステップと、前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の積分処理を行うステップと、前記積分処理後の信号を周波数軸方向への局所的な正規化演算を行うステップと、正規化演算後の信号のスムージングを行うステップと、スムージング後の信号に対して関数を用いてフィッティングを行い、信号のピークを抽出するステップと、前記ピークを時間方向にトラッキングしラインを形成するステップと、前記ラインに基づいて信号を判定するステップと、を含むことを特徴とする。
【0015】
本発明のブロードバンド信号検出方法は、音響信号からフーリエ変換により周波数スペクトルを求めるステップと、前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の第1の積分処理を行うステップと、第1の積分処理後の信号を周波数軸方向への局所的な正規化演算を行うステップと、正規化演算後の信号のスムージングを行うステップと、スムージング後の信号に対して前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の第2の積分処理を行うステップと、第2の積分処理後の信号に対して関数を用いてフィッティングを行い、信号のピークを抽出するステップと、前記ピークを時間方向にトラッキングしラインを形成するステップと、前記ラインに基づいて信号を判定するステップと、を含むことを特徴とする。
【0016】
前記各発明において、前記スムージングを行うステップは、ブロードバンド信号の帯域幅に適合した平均区間長により移動平均処理を行うステップを含むことを特徴とし、前記フィッティングを行うステップは、上側に極大値を持つ左右対称関数によるフィッティングを行い、該関数の極大値が予め定められた閾値を越える場合に信号のピークとして抽出するステップを含むことを特徴とする。
【0017】
また、前記信号を判定するステップは、前記ラインの継続時間が所定の時間閾値を越えた場合に信号として判定するステップを含むことを特徴とする。更に、前記正規化演算後の信号の音紋画像を表示するステップと、信号の音紋画像へ前記ラインから信号として判定した結果を重畳して表示するステップと、を含むことを特徴とする。
【0018】
本発明のブロードバンド信号検出装置は、音響信号からフーリエ変換により周波数スペクトルを求めるFFT演算部と、前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の積分処理を行う時間積分演算部と、前記積分処理後の信号を周波数軸方向への局所的な正規化演算を行う正規化演算部と、正規化処理後の信号のスムージングを行うスムージング処理部と、スムージング後の信号に対して関数を用いてフィッティングを行い、信号のピークを抽出する関数フィッティング部と、前記ピークを時間方向にトラッキングしラインを形成するピークトラッキング部と、前記ラインに基づいて信号を判定する信号判定部と、を有することを特徴とする。
【0019】
本発明のブロードバンド信号検出装置は、音響信号からフーリエ変換により周波数スペクトルを求めるFFT演算部と、前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の第1の積分処理を行う第1の時間積分演算部と、第1の積分処理後の信号を周波数軸方向への局所的な正規化演算を行う正規化演算部と、正規化処理後の信号のスムージングを行うスムージング処理部と、スムージング後の信号に対して前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の第2の積分処理を行う第2の時間積分演算部と、第2の積分処理後の信号に対して関数を用いてフィッティングを行い、信号のピークを抽出する関数フィッティング部と、前記ピークを時間方向にトラッキングしラインを形成するピークトラッキング部と、前記ラインに基づいて信号を判定する信号判定部(図1の17)と、を有することを特徴とする。
【0020】
前記各発明において、前記スムージング処理部は、ブロードバンド信号の帯域幅に適合した平均区間長により移動平均処理を行うことを特徴とし、前記関数フィッティング部は、上側に極大値を持つ左右対称関数によるフィッティングを行い、該関数の極大値が予め定められた閾値を越える場合に信号のピークとして抽出することを特徴とする。
【0021】
更に、前記信号判定部は、ラインの継続時間が所定の時間閾値を越えた場合に信号として判定することを特徴とし、更に、信号の音紋画像を表示する画像表示部と、信号の音紋画像へ前記ラインから信号として判定した結果を重畳して表示する重畳表示部と、を有することを特徴とする。
(作用)
スムージング処理によりブロードバンド信号の帯域幅に適合した平均区間長により移動平均処理を行うことにより実現されるフィルタリングを行うことで、信号形状の細かいギャップ及び背景雑音による信号形状への影響を排除し、ブロードバンド信号の信号形状のエッセンスのみを取り出す。また、関数フィッティング処理により理論的にブロードバンド信号の信号形状である上側に極大値を持つ左右対称関数によるフィッティングを行うことにより、ブロードバンド信号の信号形状の再構成を行い本来1つである信号のピークを正確に抽出する。
【0022】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明のブロードバンド信号の信号検出方法及び装置の第1の実施の形態の構成を示すブロック図である。従来の技術と同様の構成には同一符合を使用しており、本実施の形態では従来技術の構成において正規化演算部13とピークトラッキング部16の間にスムージング処理部14及び関数フィッティング部15とを設けた構成を有する。本実施の形態の各部の機能は以下のとおりである。
【0023】
FFT演算部11は、入力された音響信号データを時間窓で切り取り、切り取った各時間毎の音響信号データを高速フーリエ変換し、周波数スペクトルを算出する。時間積分演算部12は、各周波数毎に高速フーリエ変換した周波数スペクトラムの時間積分を行う。
【0024】
正規化演算部13は、各周波数において、予め設定した周波数区間長での局所平均を求め、その平均値でその周波数の振幅レベルを除算するなどの方法により、局所的な正規化を行う。このような正規化を全ての周波数について順次実施することにより正規化演算を実施する。前記正規化演算例のより具体的な処理は、所定分解能に応じた周波数毎の信号レベルのサンプル(ビン)を用いて、ブロードバンド信号の帯域内の予め設定した所定の周波数区間長を単位とした当該周波数区間長内の各信号レベルの平均値である局所平均値を求め、当該周波数区間長の中央のサンプルの信号レベルを前記局所平均値で割り算した値を求める。このような正規化を順次前記サンプル間隔づつずらして求める演算である。
【0025】
正規化演算結果(正規化結果)は、画像表示18及びスムージング処理部14に入力される。画像表示部18では、音紋画像上で人間が視覚的に音響信号の有無を確認できるように、正規化演算の結果である正規化演算部18の出力を表示する。
【0026】
図2は、正規化演算部18の出力の画像表示部18における表示例を示す図である。正規化結果を横軸に周波数、縦軸に時間をとり、濃度により信号の振幅レベルを表示した狭帯域信号とブロードバンド信号の表示例である。狭帯域信号と異なりブロードバンド信号はそれぞれの帯域幅に応じ周波数軸方向に拡散して表示される。
【0027】
図3は、スムージング処理部14のスムージング処理の例を示す図である。同図では単一のブロードバンド信号についてのスムージング処理を示している。図3(a)は、横軸に周波数、縦軸に時間をとり、正規化後のブロードバンド信号はピーク部分を高濃度の帯状の濃淡表示で示している。図3(b)は、時間断面の周波数毎の振幅レベルを示しており、図3(c)は、スムージング結果を示している。
【0028】
スムージング処理部14は、図3(b)に示す正規化処理後の信号の時間断面の信号の各周波数において、予め設定した周波数幅を平均区間長として局所平均値を求め、その局所平均値でその周波数の振幅レベル値を置き換える処理を行う。この局所平均値による置き換え処理を全ての周波数について順次実施する。つまり移動平均処理を実施することにより図3(c)に示すようなスムージングが行われる。平均区間長としては、例えば、ブロードバンド信号の帯域幅に適合した平均区間長、より具体的にはブロードバンド信号の平均的な帯域幅に適合する周波数幅に相当する周波数の区間長とすることができる。スムージング処理後の出力は関数フィッティング部15でフィッティング処理を行う。
【0029】
図4は、関数フィッティング部15の処理の例を示す図である。関数フィッティング部15は、スムージング後のブロードバンド信号の時間断面の信号について、所定の閾値を越える振幅レベルの信号形状に対して、同図の点線で示すような上側に極大値を持つ左右対称関数によりフィッティングを行い、フィッティングした関数の極大値が予め定められた閾値を越える場合に当該極大値をピークとして抽出(検出)する。ここで、フィッティングに使用する関数としては2次関数、正規化分布関数等が適用できる。
【0030】
ピークトラッキング部16は、関数フィッティング部15で検出されたピークを時間方向にトラッキングしてラインを形成(検出)する。時間閾値判定部17は、トラッキングされたラインの継続時間が所定の時間閾値を越えたときは信号と判定し、継続時間が前記時間閾値を越えないときは雑音と判定する。
【0031】
重畳表示部19は、画像表示部18で表示された音紋画像に対し、信号と判定された部分(周波数座標及び時間座標)、例えばライン部分に対して表示色を変えて重畳表示して検出された信号を視覚的に明確化し認識し易くする。
【0032】
図5は、検出した信号に対する異なる表示色の重畳表示した例を示す図である。ピークを時間方向にトラッキングしたライン上に識別用の表示色を重畳し視覚的な認識の容易化を行っている。
【0033】
(第2の実施の形態)
以上のように第1の実施の形態では、スムージング処理後の信号を対象として関数フィッティング処理を実施する例を示しているが、雑音等の影響が大きい場合のように、スムージング後も信号波形が安定しない場合は、スムージング後の信号の安定化を図ることが効果的である。
【0034】
図6は、本発明のブロードバンド信号検出方法及び装置の第2の実施の形態を示すブロック図である。第2の実施の形態では、スムージング処理部14と関数フィッティング部15の間に第2の時間積分演算部12を設けたものである。スムージング処理部14でスムージング処理を実施した後、再度、時間積分演算部12により信号形状を時間積分し、時間積分効果により更に信号形状を安定化させてから関数フィッティング部15で関数フィッティングを行い、ピークの抽出を容易化し、雑音等によるピークの誤検出及び検出漏れを防止する。
【0035】
(他の実施の形態)
以上説明した実施の形態においては、最終的に信号と雑音を判定するロジックとして、ピークトラッキング部16の出力にラインの継続時間を所定の時間閾値と比較して信号の判定を行う時間閾値判定部17を設けることにより、時間閾値のみを判定基準とした単純な判定方法を適用した例を示したが、特許文献3に示されているように、ピークから形成したラインの継続時間の判定に加えて、ラインのエネルギーの和(信号強度の時間積分)を所定の閾値(エネルギー閾値)と比較してエネルギー判定を行うように構成することができる。
図7は、前記エネルギー判定をも適用する実施の形態を示す図である。図1、図6と同一機能のブロックは同一記号を付している。本実施の形態の特徴は、ピークトラッキング部16の出力部に時間閾値判定部17とラインエネルギー判定部21と、時間閾値判定部17又はラインエネルギー判定部21の何れかで信号が検出された場合に被検出信号として信号を判定するライン判定部22を設けた構成でなる。このような構成により時間閾値を高めることによる雑音による誤検出を防止するとともに、信号の検出漏れを防止することが可能である。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、音響信号のブロードバンド信号に関し、正規化処理後の信号についてスムージング処理により、所定の平均区間長の移動平均処理のフィルタリングを実施し、信号形状の細かいギャップ及び背景雑音による信号形状への影響を排除して信号形状のエッセンスのみを取り出している。更に、関数フィッティング処理により理論的にブロードバンド信号の信号形状に対し、上側に極大値を持つ左右対称関数によるフィッティングを行い、該関数を信号のピーク及びラインの検出に使用し、単一のピーク及びラインを抽出するように構成しているから、ブロードバンド信号を自動的に検出することが可能であり、更に信号の音紋画像にラインを重畳表示するように構成することにより、信号の見落とし及び誤検出を防止することが可能である。
【0037】
従って、本発明により受信センサー数(チャネル数)が多く、長時間の探知(監視)を必要とする広周波数帯域のセンサーシステムの場合においても、オペレータに負荷をかけることがなく、習熟度による信号の見落とし、誤検出をも防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示すブロック図である。
【図2】音紋画像の表示イメージを示す図である。
【図3】本実施の形態のスムージング処理を示す図である。
【図4】本実施の形態の関数フィッティングによるピーク検出を示す図である。
【図5】信号検出結果の音紋画像への重畳表示イメージを示す図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態を示すブロック図である。
【図7】本発明の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図8】従来技術を示すブロック図である。
【図9】従来技術による狭帯域信号のピーク検出を示す図である。
【図10】従来技術による広帯域信号のピーク検出を示す図である。
【符号の説明】
11 FFT演算部
12 時間積分演算部
13 正規化演算部
14 スムージング処理部
15 関数フィッティング部
16 ピークトラッキング部
17 時間閾値判定部
18 画像表示部
19 重畳表示部
20 ピーク検出部
21 ラインエネルギー判定部
22 ライン判定部
Claims (12)
- 音響信号からフーリエ変換により周波数スペクトルを求めるステップと、前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の積分処理を行うステップと、前記積分処理後の信号を周波数軸方向への局所的な正規化演算を行うステップと、正規化演算後の信号のスムージングを行うステップと、スムージング後の信号に対して関数を用いてフィッティングを行い、該関数の極大値が閾値を越える場合に信号のピークとして抽出するステップと、前記ピークを時間方向にトラッキングしラインを形成するステップと、前記ラインに基づいて信号を判定するステップと、を含むことを特徴とするブロードバンド信号検出方法。
- 音響信号からフーリエ変換により周波数スペクトルを求めるステップと、前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の第1の積分処理を行うステップと、第1の積分処理後の信号を周波数軸方向への局所的な正規化演算を行うステップと、正規化演算後の信号のスムージングを行うステップと、スムージング後の信号に対して前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の第2の積分処理を行うステップと、第2の積分処理後の信号に対して関数を用いてフィッティングを行い、信号のピークを抽出するステップと、前記ピークを時間方向にトラッキングしラインを形成するステップと、前記ラインに基づいて信号を判定するステップと、を含むことを特徴とするブロードバンド信号検出方法。
- 前記スムージングを行うステップは、ブロードバンド信号の帯域幅に適合した平均区間長により移動平均処理を行うステップを含むことを特徴とする請求項1又は2記載のブロードバンド信号検出方法。
- 前記フィッティングを行うステップは、上側に極大値を持つ左右対称関数によるフィッティングを行い、該関数の極大値が予め定められた閾値を越える場合に信号のピークとして抽出するステップを含むことを特徴とする請求項1又は2記載のブロードバンド信号検出方法。
- 前記信号を判定するステップは、前記ラインの継続時間が所定の時間閾値を越えた場合に信号として判定するステップを含むことを特徴とする請求項1ないし4の何れか1つの請求項記載のブロードバンド信号検出方法。
- 前記正規化演算後の信号の音紋画像を表示するステップと、信号の音紋画像へ前記ラインから信号として判定した結果を重畳して表示するステップと、を含むことを特徴とする請求項1ないし5の何れか1つの請求項記載のブロードバンド信号検出方法。
- 音響信号からフーリエ変換により周波数スペクトルを求めるFFT演算部と、前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の積分処理を行う時間積分演算部と、前記積分処理後の信号を周波数軸方向への局所的な正規化演算を行う正規化演算部と、正規化処理後の信号のスムージングを行うスムージング処理部と、スムージング後の信号に対して関数を用いてフィッティングを行い、該関数の極大値が閾値を越える場合に信号のピークとして抽出する関数フィッティング部と、前記ピークを時間方向にトラッキングしラインを形成するピークトラッキング部と、前記ラインに基づいて信号を判定する信号判定部と、を有することを特徴とするブロードバンド信号検出装置。
- 音響信号からフーリエ変換により周波数スペクトルを求めるFFT演算部と、前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の第1の積分処理を行う第1の時間積分演算部と、第1の積分処理後の信号を周波数軸方向への局所的な正規化演算を行う正規化演算部と、正規化処理後の信号のスムージングを行うスムージング処理部と、スムージング後の信号に対して前記周波数スペクトルの各周波数について時間軸方向の第2の積分処理を行う第2の時間積分演算部と、第2の積分処理後の信号に対して関数を用いてフィッティングを行い、信号のピークを抽出する関数フィッティング部と、前記ピークを時間方向にトラッキングしラインを形成するピークトラッキング部と、前記ラインに基づいて信号を判定する信号判定部と、を有することを特徴とするブロードバンド信号検出装置。
- 前記スムージング処理部は、ブロードバンド信号の帯域幅に適合した平均区間長により移動平均処理を行うことを特徴とする請求項7又は8記載のブロードバンド信号検出装置。
- 前記関数フィッティング部は、上側に極大値を持つ左右対称関数によるフィッティングを行い、該関数の極大値が予め定められた閾値を越える場合に信号のピークとして抽出することを特徴とする請求項8又は9記載のブロードバンド信号検出装置。
- 前記信号判定部は、ラインの継続時間が所定の時間閾値を越えた場合に信号として判定することを特徴とする請求項7ないし10の何れか1つの請求項記載のブロードバンド信号検出装置。
- 信号の音紋画像を表示する画像表示部と、信号の音紋画像へ前記ラインから信号として判定した結果を重畳して表示する重畳表示部と、を有することを特徴とする請求項7ないし11の何れか1つの請求項記載のブロードバンド信号検出装置。
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