JP2016224009A - 信号処理装置及びノイズ強度決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズを加算した微弱信号の多重数を増大することなく、しかも入力信号に含まれるノイズの種類に依存せずに、確率共鳴による感度向上を図ることが可能となる信号処理装置及びノイズ強度決定方法を提供すること。
【解決手段】信号処理装置（１）は、ノイズ強度を設定可能に構成され、設定されたノイズ強度を有するノイズを出力するノイズ生成部（１１）と、測定対象の微弱信号を含む入力信号にノイズを加算してノイズ加算信号を生成するノイズ加算部（１２）と、ノイズ加算信号を閾値処理する閾値処理回路（１３）と、閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形条件を満たすパルス信号成分を抽出して抽出パルス信号を評価する評価部（２０）と、評価部における評価結果が所望値を示すノイズ強度をノイズ生成部に設定する強度設定部（３０）と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微弱信号を検出する信号処理装装置及び確率共鳴を出現させるために印加するノイズのノイズ強度決定方法に関する。

従来、ノイズを含む微弱信号を検出するために確率共鳴（Stochastic Resonance）を用いる方法が研究されている。例えば、微弱信号が含まれる入力信号を分岐して複数の伝送路に入力し、各伝送路を伝搬する入力信号に対して、互いに相関の無いノイズをそれぞれ加算する並列型の確率共鳴回路が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。かかる並列型の確率共鳴回路は、相関の無いノイズがそれぞれ加算された複数のノイズ加算信号を並列に閾値処理して２値化信号に変換し、これらの複数の２値化信号を合成し、微弱信号を再生している。この並列型の確率共鳴回路では、互いに相関の無いノイズを加算した微弱信号の多重数が多いほど信号の再生精度が改善することが知られている。

互いに相関の無いノイズを多数生成するためには独立した多数のノイズ発生源が必要になる。そこで、ノイズ発生源の数を削減した確率共鳴回路が提案されている（例えば、特許文献１）。この確率共鳴回路は、入力信号にもともと含まれるノイズを用いて微弱信号に確率共鳴を発現させる方式を採用している。そのため、入力信号に強制的にノイズを加算する必要がなく、相関の無いノイズを生成するノイズ発生源を削減できる利点がある。

特開２０１３−１３５２４４号公報

Ｊ・Ｊ・コリンズ（J.J. Collins）、カーソン・Ｃ・チョウ（Carson C. Chow）、 トムソン・Ｔ・インホフ（Thomas T.Imhoff）、「Stochastic resonance without tuning」、ネイチャー（NATURE）、１９９５年７月２０日、第３７６巻、p.236-238

しかしながら、非特許文献１に記載された並列型の確率共鳴回路は、互いに相関の無い複数のノイズを生成するために、複数のノイズ発生源が必要となり、回路構成が複雑化し、回路規模が増大してしまうという問題がある。また、特許文献１に記載された確率共鳴回路は、入力信号にもともと含まれるノイズを用いて確率共鳴を発現させるため、必ずしも確率共鳴を発現させるのに適したノイズを得ることができず、ＳＮ比が悪化する可能性がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ノイズを加算した微弱信号の多重数を増大することなく、しかも入力信号に含まれるノイズの種類に依存せずに、確率共鳴による感度向上を図ることのできる信号処理装置及びノイズ強度決定方法の提供を目的とする。

本発明の信号処理装置は、ノイズ強度を設定可能に構成され、設定されたノイズ強度を有するノイズを出力するノイズ生成部と、測定対象の微弱信号を含む入力信号に前記ノイズを加算してノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、前記ノイズ加算信号を閾値処理する閾値処理回路と、前記閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形条件を満たすパルス信号成分を抽出して抽出パルス信号を評価する評価部と、前記評価部における評価結果が所望値を示すノイズ強度を前記ノイズ生成部に設定する強度設定部と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、閾値処理回路の出力信号からパルス波形条件を満たすパルス信号成分を抽出するので、パルス波形条件を測定対象の微弱信号に合わせれば、測定対象の微弱信号に対応するパルス波形成分を抽出できる。そして、抽出したパルス波形成分に関する評価結果が所望値を示すノイズ強度をノイズ生成部に設定するので、評価部において所望のＳＮ比を実現する所望値を適用すれば、所望のＳＮ比を実現するノイズ強度がノイズ生成部に設定され、ＳＮ比の向上を図ることができる。

また、本発明は、上記信号処理装置において、前記評価部は、前記閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形条件に基づいて所定波形のパルス信号成分を抽出するパルス分別部と、前記パルス分別部で抽出されたパルス信号数をカウントするパルスカウント部と、を有することを特徴とする。これにより、測定対象の微弱信号又はチューニング用の模擬信号が信号処理装置に入力した時にパルスカウント部で計測される微弱信号又は模擬信号のカウント数を、評価部における所望値として用いることができ、所望のＳＮ比を実現するノイズ強度を、パルス分別部で抽出されたパルス信号のカウント数に基づいて決定できる。

また、本発明は、上記信号処理装置において、前記強度設定部は、既知のパルス波形形状を有する微弱信号が前記ノイズ加算部に入力されている状態で、前記ノイズ生成部に設定するノイズ強度を所定範囲において変化させて、前記パルスカウント部から各ノイズ強度に対応したパルス信号成分のカウント数を取得し、所望のＳＮ比に対応したカウント数を示したときのノイズ強度を信号測定用として前記ノイズ生成部に設定することを特徴とする。これにより、ノイズ生成部に対して所望のＳＮ比を実現できる適切なノイズ強度を設定することができる。

また、本発明は、上記信号処理装置において、ノイズ強度を設定可能に構成され、設定されたノイズ強度を有するノイズを出力するノイズ生成部と、測定対象信号を含む入力信号に前記ノイズを加算してノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、前記ノイズ加算信号を閾値処理する閾値処理回路と、を具備し、既知のパルス波形形状を有する微弱信号の前記ノイズ加算部への入力に対応して前記閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形形状条件を満たすパルス信号成分を抽出した結果に基づいて決定されたノイズ強度が、前記ノイズ生成部に設定されることを特徴とする。これにより、ノイズ生成部では適切なノイズ強度のノイズが生成され、ノイズ加算部において入力信号に加算される。

また、本発明は、上記信号処理装置において、前記強度設定部は、装置設置後に測定場所でのバックグラウンドノイズが重畳した前記入力信号に対して前記評価部から出力される評価結果に応じて前記ノイズ強度を最適化する。これにより、測定現場のバックグラウンドノイズまで含んだ実際の測定条件に応じてノイズ強度を適切に設定することが可能となる。

また、本発明のノイズ強度決定方法は、ノイズ強度を設定可能に構成され、設定されたノイズ強度を有するノイズを出力するノイズ生成部と、測定対象の微弱信号を含む入力信号に前記ノイズを加算してノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、前記ノイズ加算信号を閾値処理する閾値処理回路と、を具備した信号処理装置におけるノイズ強度決定方法において、前記閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形条件を満たすパルス信号成分を抽出して前記ノイズ強度を評価する評価ステップと、前記評価ステップで評価結果が所望値を示すノイズ強度を前記ノイズ生成部に設定するステップと、を具備したことを特徴とする。これにより、微弱信号のパルス波形の評価結果が所望値と一致するように確率共鳴のノイズ強度を調整することができる。

本発明によれば、ノイズを加算した微弱信号の多重数を増大することなく、しかも入力信号に含まれるノイズの種類に依存せずに、確率共鳴による感度向上を図ることが可能となる。

第１の実施の形態に係る信号処理装置の全体構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る信号処理装置の確率共鳴部の回路構成図である。 ノイズ強度とＳＮ比との関係を示すＳＮ特性図である。 ノイズ強度と所望パルス数（パルス頻度）との関係を説明する模式図である。 模擬信号の入力に対するノイズ加算後出力と閾値処理出力を示す波形図である。 第１の実施の形態の変形例に係る信号処理装置の構成図である。 第２の実施の形態に係る放射線測定装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態に係る光機器の構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態に係る光機器のパーティクルセンサ装置の正面図及び側面図である。 第３の実施の形態における散乱光のパルス波形図である。 第４の実施の形態に係る距離測定装置の全体構成を示すブロック図である。 距離の測定原理を説明するタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る信号処理装置の全体構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る信号処理装置は、確率共鳴を利用して微弱信号を検出する各種装置に適用可能である。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る信号処理装置１は、測定対象の微弱信号を含む入力信号Ｖｉｎに対して確率共鳴を発現させる確率共鳴部１０と、確率共鳴部１０の出力信号を評価する評価部２０と、確率共鳴部１０において入力信号Ｖｉｎに印可するノイズのノイズ強度を設定するコントローラ３０と、を備える。

確率共鳴部１０は、ノイズを生成するノイズ生成部１１と、入力信号Ｖｉｎとノイズ生成部１１によって生成されたノイズとを加算してノイズ加算信号を出力するノイズ加算部１２と、ノイズ加算信号を閾値処理してパルス信号を生成する閾値処理回路１３と、閾値処理回路１３から出力される出力信号から微弱信号の波形を再生する波形再生部１４と、を備える。図２に、確率共鳴部１０の回路構成を示す。図２に示すように、閾値処理回路１３はヒステリシス特性を有するコンパレータで構成されている。本実施の形態においては、コントローラ３０はノイズ強度を設定する強度設定部としての機能を有してよい。ノイズ生成部１１は、生成ノイズのノイズ強度を設定可能であり、本例ではコントローラ３０からノイズ強度が設定される。例えば、ノイズ生成部１１が生成するノイズは、少なくとも測定対象信号の周波数よりも広帯域において同じ強度となるノイズであり、ノイズ生成部１１が生成するノイズとしてはホワイトノイズ、ガウシアンノイズ（ホワイトガウスノイズ）、１／ｆ揺らぎノイズなどを用いることができる。波形再生部１４は、不要な波形成分をカットするローパスフィルタで構成されている。

評価部２０は、波形再生部１４の出力信号から、パルス波形条件に合致するパルス信号を分別するパルス分別部１５と、パルス分別部１５で分別されたパルス信号数をカウントするパルスカウント部１６と、パルスカウント部１６でカウントされたパルス数を評価するカウント評価部１７と、を備える。パルス分別部１５は、測定対象となる微弱信号の波形形状をパルス波形条件としている。パルス波形条件を測定対象の微弱信号に合わせることにより、測定対象の微弱信号に対応するパルス波形成分を抽出できる。チューニングのために測定対象の微弱信号に近似した模擬信号を用いる場合は、パルス波形条件を模擬信号に合わせることができる。パルスカウント部１６でカウントするカウント数は、パルス分別部１５で分別された測定対象の微弱信号又は模擬信号のパルス数を表している。

コントローラ３０は、パルスカウント部１６でカウントされるカウント数（測定パルス数）と所望パルス数とを一致させるように確率共鳴のノイズ強度を調整する機能を備える。信号処理装置１に微弱信号を入力した時、ＳＮ比が最適となる場合に計測されるパルス数を所望パルス数として用いている。例えば、入力信号が１０パルスで構成される微弱信号の場合、最適ノイズ強度が設定された時に計測されるパルス数は、理想的には１０パルスであるから、所望パルス数として「所望値＝１０」が設定される。

ここで、コントローラ３０がノイズ強度の設定に用いる所望パルス数について説明する。図３は、ノイズ強度とＳＮ比（検出感度）との関係を示すＳＮ特性図である。同図には、入力信号に加えるノイズのノイズ強度を最小値から最大値の範囲で変化させたときのＳＮ比の変化が示されている。ＳＮ特性図によれば、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度が存在することがわかる。ＳＮ比が最大値となるノイズ強度からさらにノイズ強度を強くすると、ノイズ強度が過度となり、微弱信号以外の信号成分が閾値を超えてパルス信号（ノイズ）となるので、測定対象の微弱信号がノイズに埋もれてしまいＳＮ比が劣化してしまう。そこで、コントローラ３０は、評価部２０の評価結果に基づいて、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度に設定する。

図４を用いてノイズ強度と所望パルス数（パルス頻度）との関係を説明する。図４に示すパルス頻度特性曲線Ｃ１は、図１における閾値処理回路１３の出力段で測定される出力信号のパルス数をモニタしたものであり、パルス頻度特性曲線Ｃ２は、図１におけるパルスカウント部１６でカウントされるパルス数を示している。図４では、パルス頻度とＳＮ比との関係を示すために図３に示すＳＮ特性図を重ねて表示している。なお、閾値処理回路１３にはヒステリシスを持たせないで測定している。

パルス頻度特性曲線Ｃ１に示すように、ノイズ強度を最小値から最大値に向けて変化させた場合、ノイズ強度Ｐ１に達するまではパルス頻度が増加し、ノイズ強度Ｐ１でパルス頻度が最大値（ピーク）となり、ノイズ強度Ｐ１以上ではパルス頻度が減少することがわかる。

パルス頻度特性曲線Ｃ１は、ノイズ強度の増加に伴って閾値を超えるパルス信号の割合が増加するが、ＳＮ比が最大となるノイズ強度を超えてもノイズ強度Ｐ１までは引き続き閾値を超えるパルス信号の割合が増加している。ノイズ強度Ｐ１を超えた後は、閾値を超える区間が連続することで直流成分が増大し、パルス数は急激に減少していると考えられる。

一方、パルス頻度特性曲線Ｃ２は、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度Ｐ２で閾値を超えるパルス信号数（パルス頻度）が最大値となる。ＳＮ比が最大値となるノイズ強度Ｐ２の場合、例えば、１０パルスで構成される微弱信号Ｓ１−Ｓ１０の入力に対して、パルス波形条件（当該微弱信号のパルス波形と同一波形となるように設定されたパルス波形条件）をクリアするパルス数が１０カウント計測される。しかし、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度Ｐ２から離れるにしたがって、パルス波形条件をクリアするパルス数が減少する。このことについて、図５を参照して具体的に説明する。図５は、既知のパルス波形形状を有する１パルスで構成される微弱信号の模擬信号を入力した場合の、ノイズ加算信号（ノイズ加算後出力）とノイズ加算信号を閾値処理したパルス信号（閾値処理出力）を示している。

図５Ａは、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度Ｐ２より小さいノイズ強度を設定した場合のノイズ加算信号（ノイズ加算後出力）とパルス信号（閾値処理出力）を示している。このように、ノイズ強度がＳＮ比最大ポイント（ノイズ強度Ｐ２）より小さい場合、ノイズ加算信号に加えられたノイズ強度が小さすぎるため、図５Ａに例示されるように、模擬信号のパルス部分に対して確率共鳴が発現する確率が低く、閾値処理で閾値を超えるパルス信号の数が減少した結果、模擬信号のパルス波形が再現されなくなる。この結果、パルス波形条件を満たす確率が極端に低下し、パルス波形条件をクリアするパルス数（パルスカウント数）が低下することが考えられる。

図５Ｂは、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度Ｐ２にノイズ強度を設定した場合のノイズ加算信号（ノイズ加算後出力）とパルス信号（閾値処理出力）を示している。ノイズ強度がＳＮ最大ポイントのノイズ強度Ｐ２である場合、ノイズ加算信号に加えられたノイズ強度が適切であるため、図５Ｂに例示されるように、模擬信号のパルス波形が正確に再現される。この結果、微弱信号のパルス波形は高い確率でパルス波形条件を満たすことになり、微弱信号を構成しているパルス数のほぼ全てがカウントされると考えられる。したがって、微弱信号を構成しているパルス数を所望パルス数として「所望値」に設定する。

図５Ｃは、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度Ｐ２より大きいノイズ強度を設定した場合のノイズ加算信号（ノイズ加算後出力）とパルス信号（閾値処理出力）を示している。ノイズ強度がＳＮ比最大ポイント（ノイズ強度Ｐ２）より大きい場合には、ノイズ加算信号に加えられたノイズ強度が大きすぎるため、図５Ｃに例示されるように、模擬信号のパルス部分以外においても確率共鳴が発現する可能性が高くなるので、パルス信号の数は多いが、パルス信号が直流成分となるためパルス信号がパルス波形条件を満たす確率が低くなっている。このため、パルス波形条件をクリアするパルス頻度（パルスカウント数）が低下する。

このように、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度Ｐ２を設定した場合に、模擬信号を構成する微弱信号（パルス信号）Ｓ１−Ｓ１０に対応した各再生パルス信号がパルス波形条件をクリアする確率が最大になる。したがって、最適のノイズ強度Ｐ２を設定することで、カウントされる再生パルス信号数が模擬信号と同じパルス数である確率が高くなる。模擬信号を構成するパルス信号の波形形状をパルス分別部１５にパルス波形条件として設定し、コントローラ３０に模擬信号を構成するパルス信号数を所望値として設定する。そして、コントローラ３０が模擬信号を入力した時のパルス信号数をカウントして、ＳＮ比が最大値となるノイズ強度Ｐ２に設定することとした。なお、模擬信号の代わりに、測定現場で実際に測定される微弱信号を用いることもできる。測定対象の微弱信号の波形形状と単位時間あたりのパルス数が予測できるのであれば、最適ノイズ強度の設定に模擬信号を用いることなく、測定現場で実際に測定される微弱信号を用いて最適ノイズ強度を設定することができる。

次に、本実施の形態に係るノイズ生成部１１が生成するノイズ強度を変化させることで、確率共鳴のための最適なノイズ強度を設定するチューニング動作について説明する。以下、ノイズ強度を最小値から最大値に向けて変化させる場合を示すが、ノイズ強度は所定範囲内において任意に変化させてもよい。

本実施の形態では、チューニング動作時に信号処理装置１に入力する模擬信号として、パルス数（例えば１０個）と波形形状（振幅、パルス幅）が既知の微弱信号を用いる。パルス分別部１５には、模擬信号の波形形状に基づくパルス波形条件を設定する。コントローラ３０は、カウント評価部１７における評価結果の所望値として、模擬信号のパルス数（例えば１０個又はその近傍値）を用いる。

最初に、コントローラ３０は、ノイズ生成部１１のノイズ強度を最小値に設定する。ノイズ加算部１２は、入力された模擬信号（微弱信号）とノイズ生成部１１で生成された最小値のノイズ強度に調整されたノイズとを加算する。閾値処理回路１３は、ノイズ加算部１２から出力されたノイズ加算信号を閾値処理して模擬信号に対応するパルス信号を生成するが、ノイズ強度が最小値であるため、ノイズ加算信号のうち閾値を超えるパルス信号は、ノイズ強度Ｐ２である場合に比べると少ない。波形再生部１４は、閾値処理回路１３から出力されたパルス信号から模擬信号の波形を再生する。パルス分別部１５は、波形再生部１４の出力信号から、設定されたパルス波形条件を用いて条件に合致する所定波形のパルス信号成分を抽出するが、ノイズが最小値であるため合致する所定波形のパルス信号成分は少ない。パルスカウント部１６は、閾値処理回路１３で再生された模擬信号を構成するパルス信号に対応した再生パルス信号のパルス信号数をカウントするが、パルス信号数は、ノイズ強度Ｐ２である場合に比べて少なくなる。カウント評価部１７は、パルスカウント部１６でカウントされたパルス信号数を評価する。コントローラ３０は、カウント評価部１７の評価結果と模擬信号のパルス数（例えば１０個又はその近傍値）とを比較する。ノイズ強度を最小値にした場合、コントローラ３０では、本来の模擬信号を構成するパルス信号を構成するパルス数よりも少ないパルス数が計測される。

次に、コントローラ３０がノイズ生成部１１のノイズ強度を最小値から最大値に向けて増加させるが、ノイズ生成部１１のノイズ強度をＳＮ比が最大となる最適のノイズ強度Ｐ２となるように設定した場合は、以下のようになる。ノイズ加算部１２は、入力された模擬信号とノイズ生成部１１で生成された最適値Ｐ２のノイズ強度のノイズとを加算する。閾値処理回路１３は、ノイズ加算部１２から出力されたノイズ加算信号を閾値処理して模擬信号に対応するパルス信号を生成する。波形再生部１４は、閾値処理回路１３から出力されたパルス信号から模擬信号の波形を再生する。パルス分別部１５は、波形再生部１４から出力された信号から、設定されたパルス波形条件を用いて条件に合致する所定波形のパルス信号成分を抽出するが、ノイズ強度が最適値Ｐ２であるため、条件に合致する所定波形のパルス信号成分は最大数になる。パルスカウント部１６は、閾値処理回路１３で再生された模擬信号を構成するパルス信号に対応した再生パルス信号のパルス信号数をカウントするが、パルス信号数は、ノイズ強度Ｐ２であるため最大数になる。カウント評価部１７は、パルスカウント部１６でカウントされたパルス信号数を評価する。コントローラ３０は、カウント評価部１７の評価結果と模擬信号のパルス数（例えば１０個又はその近傍値）とを比較する。コントローラ３０では、ノイズ強度が最適値Ｐ２である場合には、評価結果の所望値である模擬信号のパルス数が計測され、ノイズ強度Ｐ２を評価結果が所望値を示すノイズ強度であると判断する。

次に、コントローラ３０がノイズ生成部１１のノイズ強度を最適ポイントよりも大きな値（例えば最大値）とした場合を説明する。ノイズ強度が最大値となる場合には、微弱信号に加えるノイズ強度が強すぎるため、閾値処理回路１３において閾値処理出力が直流化する可能性が高く、パルス分別部１５において、パルス波形条件に合致しないパルス信号が増加する。そのため、パルスカウント部１６で計測されるパルス信号数は、模擬信号のパルス数よりも小さい可能性が高い。コントローラ３０では評価結果の所望値である模擬信号のパルス数が計測される可能性は低い。したがって、コントローラ３０では、ノイズ強度を最大値にした場合、本来の模擬信号を構成するパルス信号を構成するパルス数よりも少ないパルス信号数が計測される。

したがって、コントローラ３０は、パルスカウント部１６でカウントされたパルス信号数が、模擬信号のパルス数と同じカウント数又はその近傍値の「所望値」を示すときのノイズ強度を、ノイズ生成部１１における最適なノイズ強度Ｐ２に決定し、ノイズ強度を設定する。なお、コントローラ３０は、模擬信号のパルス数と同じパルス信号数を検知することで、最適なノイズ強度Ｐ２を決定するのではなく、パルス信号数が最大数となったときのノイズ強度を最適なノイズ強度として決定してもよい。この場合の「所望値」は最大パルス数である。

以上述べてきたように、本実施の形態によれば、確率共鳴部１０の出力信号からパルス波形条件を満たすパルス信号成分を抽出するので、測定対象の微弱信号に対応するパルス波形成分を抽出できる。そして、抽出したパルス波形成分に関する評価結果が所望値を示すノイズ強度をノイズ生成部１１に設定するので、最適なＳＮ比を実現するノイズ強度Ｐ２をノイズ生成部１１に設定できる。なお、第１の実施の形態では、単独の確率共鳴部１０を備えた構成例を示したが、図６に示すように、信号処理装置４０は複数の確率共鳴部１０ａ−１０ｃを並列に設け、各確率共鳴部１０ａ−１０ｃの出力を加算部１８で合成するように構成してもよい。

なお、本実施の形態において、入力信号に含まれる測定対象の微弱信号に対するノイズ強度の最適化であるチューニングは、信号処理装置１が工場から出荷される前の工場出荷前段階で行うようにしてもよいし、装置設置後に測定現場において入力信号Ｖｉｎにバックグラウンドノイズが重畳した状態で行うようにしてもよい。工場出荷前段階でチューニングを行う場合は、測定現場のような変動するバックグラウンドノイズの影響を受けないので、全ての装置に対して均一の条件下（又は想定する条件下）でノイズ強度を設定することができ、装置固有の校正データを得ることができる。一方、測定現場においてチューニングを行う場合は、個々の測定現場に応じて変動するバックグラウンドノイズ等の測定条件（環境温度等を含む）まで織り込んでノイズ強度を決定でき、測定現場ごとに最適なノイズ強度を設定可能である。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、上述した第１の実施の形態にかかる信号処理装置１を放射線測定装置に適用した例である。

図７は、第２の実施の形態に係る放射線測定装置の構成を示すブロック図である。第２の実施の形態では、確率共鳴を利用して放射線の検出精度（ＳＮ比）の向上を図る。

放射線測定装置２００は、入射した放射線に応じた光を発生するシンチレータ２０２と、シンチレータ２０２で発生した光を反射させるライトガイド２０３と、ライトガイド２０３を介して導かれた光に応じた微弱信号を出力する光検出器２０４と、第１の実施の形態で示した信号処理装置１とを有する。シンチレータ２０２は外部から放射線が入射すると、放射線がシンチレータ２０２に与えたエネルギーに応じたシンチレーション光（蛍光）を発生させる。ライトガイド２０３は外観がテーパ状であり、面積の広い一端面にシンチレータ２０２が配置され、面積の狭い他端面には光検出器２０４が配置される。ライトガイド２０３に入射したシンチレーション光は、ライトガイド２０３内で反射を繰り返し、光検出器２０４に到達する。光検出器２０４は、光電効果によりシンチレーション光の入射光量に応じた微弱信号を出力し、この微弱信号を含む入力信号Ｖｉｎを確率共鳴部１０に入力する。

次に、放射線測定装置２００に基準放射線源２０１を用いて最適なノイズ強度を設定するためのチューニング動作を説明する。基準放射線源２０１から放射された放射線によって光検出器２０４から出力される放射線検出信号（測定対象の微弱信号）のパルス波形形状とパルス数（単位時間当たりの放射線量に相当）が既知である。そこで、放射線検出信号のパルス波形をパルス波形条件に設定し、放射線検出信号のパルス数を所望パルス数に設定する。

チューニング動作においては、基準放射線源２０１を、シンチレータ２０２の上部に設置する。そして、コントローラ３０は、第１の実施の形態と同様のチューニング動作を行い、光検出器２０４から出力される微弱信号を入力信号として取り込み、パルスカウント部１６で計測されるパルス信号数が所望パルス数と合致するように、ノイズ生成部１１のノイズ強度を設定する。また、コントローラ３０は、ノイズ印加量調整信号を用いて、ノイズ生成部１１のノイズ強度を設定する。これにより、第２の実施形態に係る放射線測定装置２００においても最適なノイズ強度をノイズ生成部１１に設定できる。

なお、チューニングを行った後は、放射線測定装置２００から、基準放射線源２０１を取り除いて用いて、本測定を行う。

このように、第２の実施の形態によれば、確率共鳴によって検出対象の微弱信号（放射線）に対するＳＮ比（測定感度）の向上を図ることができる。本実施の形態では、検出対象の微弱信号に対する測定感度が向上するため、従来に比べて低感度な光検出器２０４を用いたとしても、十分な感度で放射線の検出を行うことが可能となり、放射線測定装置２００の低コスト化が可能となる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、上述した第１の実施の形態に係る信号処理装置１を光機器に適用した例である。

図８は、第３の実施の形態に係る光機器の構成を示すブロック図である。第３の実施の形態では、確率共鳴を利用して空気中に含まれる微粒子の検出精度（ＳＮ比）の向上を図る。第３の実施の形態に係る光機器を構成するパーティクルセンサについて、図９を参照して先に説明する。

図９には、第３の実施の形態に係るパーティクルセンサ装置の正面図（図９Ａ）、側面図（図９Ｂ）が示される。

パーティクルセンサ装置３００では、ホース状のノズル３０１に設けられたエア吸引口３０２を通じてファンモータ３０３によりパーティクルセンサ装置３００外部からパーティクルセンサ装置３００内部にエア３０４が吸引され、エア３０４の流量は流量センサ３０５によって計測される。また、半導体レーザ３０６で発生したレーザ光３０７は、レンズ３０８によってパーティクルセンサ装置３００内部で、エア３０４の流路であるノズル３０１位置付近に集光される。そして、集光されたレーザ光３０７が、パーティクルセンサ装置３００外部からパーティクルセンサ装置３００内部に吸引されたエア３０４に含まれる微粒子に照射される。さらに、パーティクルセンサ装置３００内部に設けられた凹鏡３０９により、レーザ光３０７の照射で微粒子から発生した散乱光をホトダイオード３１０に集光する。ホトダイオード３１０において、受光した散乱光を電気信号に変換することで、エアに含まれる微粒子の測定を行う。レーザ光３０７が集光されるノズル３０１位置は、パーティクルセンサ装置３００内部に設けられた凹鏡３０９の略中央である。

図８を用いて光機器３２０の全体構成を説明する。光機器３２０は、パーティクルセンサ装置３００内部に吸引されるエア３０４が含む微粒子（パーティクル）を発生させる粒子発生装置３１１を有する。また、ホトダイオード３１０は受光した散乱光に応じた微弱信号を含む入力を信号処理装置５０に入力信号Ｖｉｎとして入力する。信号処理装置５０は、第１の実施の形態の信号処理装置１と、基本機能は同じであるが、さらにコントローラ３０がパーティクルセンサ装置３００の必要機能を備えている。例えば、コントローラ３０は、駆動回路３１２を介して半導体レーザ３０６で発生するレーザ光３０７を制御してよい。信号処理装置５０は、確率共鳴部１０、評価部２０及びコントローラ３０を備えて構成される。

次に、粒子発生装置３１１を用いて最適なノイズ強度を設定するためのチューニング動作を説明する。粒子発生装置３１１から発生する微粒子の大きさは既知である時には、ホトダイオード３１０から散乱光に対応して出力される測定対象の微弱信号のパルス波形形状とパルス数（図１０に示すパルス信号で構成される微弱信号）が既知である。そこで、散乱光に対応した微弱信号のパルス波形形状をパルス波形条件に設定し、散乱光に対応した微弱信号のパルス数を所望パルス数に設定する。

コントローラ３０は、第１の実施の形態と同様のチューニング動作を行い、ホトダイオード３１０から出力される微弱信号に対応するパルスカウント部１６で計測されるパルス信号数が所望パルス数と合致するように、ノイズ生成部１１のノイズ強度を設定する。また、コントローラ３０は、ノイズ印加量調整信号を用いて、ノイズ生成部１１のノイズ強度を設定する。これにより、第３の実施形態に係る光機器３２０においてもチューニング動作が可能である。

このように、第３の実施の形態によれば、確率共鳴によって検出対象の微弱信号（散乱光）に対するＳＮ比（測定感度）の向上を図ることができる。本実施の形態では、検出対象の微弱信号に対する測定感度が向上するため、従来観測できない径の小さな微粒子の散乱光であっても、検出することが可能となる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、上述した第１の実施の形態に係る信号処理装置６０を距離測定装置へと適用した例である。

図１１は、第４の実施の形態に係る距離測定装置の全体構成を示すブロック図である。第４の実施形態では、確率共鳴を利用して、距離測定を実行できる距離の増大を図る。

距離測定装置４００は、発光信号（送信パルス信号）を送信する発光部４０１と、発光部４０１から送信された発光信号４０２を受光する受光部４０３と、受光部４０３から出力される微弱信号を含む入力信号Ｖｉｎが入力される信号処理装置６０と、発光部４０１の発光信号４０２の送信を制御する駆動回路４０４とから構成される。信号処理装置６０は、第１の実施の形態の信号処理装置１と、基本機能は同じであるが、さらにコントローラ３０が距離測定装置の必要機能を備えている。信号処理装置６０は、確率共鳴部１０、評価部２０及びコントローラ３０を備えて構成される。

先ず、距離測定装置４００の距離測定動作を説明する。図１２は、距離の測定原理を説明するタイミングチャートであり、発光部４０１が送信した発光信号と受光部４０３が受信した受光信号（受光パルス信号）の波形とが示される。コントローラ３０は駆動回路４０４を制御して発光部４０１から発光信号を送信させる送信タイミングと、受光部４０３からの通知により受光信号を受信した受信タイミングとを知ることができる。コントローラ３０は、発光信号と受光信号との時間差ｔに基づいて発光部４０１と受光部４０３との間の距離を求めることができる。発光部４０１から送信された発光信号（光）が大気中を進み、受光部４０３が受光信号として受信するまでに経過した時間ｔを計測することで距離を測定している。ここで、大気中の光速度をｃ[ｍ／ｓ]とすると、発光部４０１と受光部４０３との間の距離ｘは、ｘ[ｍ]＝ｔ[ｓ]＊ｃで求めることができる。したがって、コントローラ３０は時間ｔを知ることができるため、この式を用いて、発光部４０１と受光部４０３との間の距離ｘを求めることができる。

次に、距離測定装置４００において、受光部４０３から信号処理装置６０に入力された微弱信号（受光信号）に対して、確率共鳴を発現させるために最適なノイズ強度を設定するためのチューニング動作を説明する。受光信号（受光パルス信号）のパルス数及びパルス波形形状は既知であるとする。信号処理装置６０は、受光信号のパルス波形をパルス波形条件に設定し、受光信号のパルス数を所望パルス数に設定する。

コントローラ３０は、第１の実施の形態と同様のチューニング動作を行い、受光部４０３から入力される微弱信号に対応する信号のパルスカウント部１６におけるパルス信号数が、所望値（所望パルス数）と一致するように、ノイズ生成部１１のノイズ強度を決定してノイズ生成部１１に設定する。また、コントローラ３０は、ノイズ印加量調整信号を用いて、ノイズ生成部１１のノイズ強度を設定する。これにより、第４の実施形態に係る距離測定装置４００においても最適なノイズ強度にチューニング可能である。

このように、第４の実施の形態によれば、確率共鳴によって検出対象の微弱信号（受光信号）に対するＳＮ比（測定感度）の向上を図ることができる。本実施の形態では、検出対象の微弱信号に対する測定感度が向上するため、測定対象となる発光部４０１と受光部４０３の間の長距離化が可能となる。

なお、以上の説明では受光部４０３を測距目標位置に配置する方式について説明したが、反射型の距離測定装置にも適用可能である。例えば、発光部４０１から送信する発光信号を、測距目標位置に設けられた反射鏡などによって反射することで、発光部４０１と同じ位置に配置された受光部４０３が受光する構成にしてもよい。例えば、図１１における受光部４０３の位置に鏡を配置し、発光部４０１と同じ位置に受光部４０３を配置してもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

１、４０、５０、６０ 信号処理装置
１０、１０ａ−１０ｃ 確率共鳴部
１１、１１ａ−１１ｃ ノイズ生成部
１２、１２ａ−１２ｃ ノイズ加算部
１３、１３ａ−１３ｃ 閾値処理回路
１４ 波形再生部
１５ パルス分別部
１６ パルスカウント部
１７ カウント評価部
１８ 加算部
２０ 評価部
３０ コントローラ
２００ 放射線測定装置
２０１ 基準放射線源
２０２ シンチレータ
２０３ ライトガイド
２０４ 光検出器
３００ パーティクルセンサ装置
３０１ ノズル
３０２ エア吸引口
３０３ ファンモータ
３０４ エア
３０５ 流量センサ
３０６ 半導体レーザ
３０７ レーザ光
３０８ レンズ
３０９ 凹鏡
３１０ ホトダイオード
３１１ 粒子発生装置
３１２ 駆動回路
３２０ 光機器
４００ 距離測定装置
４０１ 発光部
４０２ 発光信号
４０３ 受光部
４０４ 駆動回路
Ｖｉｎ 入力信号

Claims (6)

1. ノイズ強度を設定可能に構成され、設定されたノイズ強度を有するノイズを出力するノイズ生成部と、
   測定対象の微弱信号を含む入力信号に前記ノイズを加算してノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、
   前記ノイズ加算信号を閾値処理する閾値処理回路と、
   前記閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形条件を満たすパルス信号成分を抽出して抽出パルス信号を評価する評価部と、
   前記評価部における評価結果が所望値を示すノイズ強度を前記ノイズ生成部に設定する強度設定部と、
   を具備したことを特徴とする信号処理装置。
2. 前記評価部は、前記閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形条件に基づいて所定波形のパルス信号成分を抽出するパルス分別部と、前記パルス分別部で抽出されたパルス信号数をカウントするパルスカウント部と、を有することを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
3. 前記強度設定部は、既知のパルス波形形状を有する微弱信号が前記ノイズ加算部に入力されている状態で、前記ノイズ生成部に設定するノイズ強度を所定範囲において変化させて、前記パルスカウント部から各ノイズ強度に対応したパルス信号成分のカウント数を取得し、所望のＳＮ比に対応したカウント数を示したときのノイズ強度を信号測定用として前記ノイズ生成部に設定することを特徴とする請求項２記載の信号処理装置。
4. ノイズ強度を設定可能に構成され、設定されたノイズ強度を有するノイズを出力するノイズ生成部と、
   測定対象信号を含む入力信号に前記ノイズを加算してノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、
   前記ノイズ加算信号を閾値処理する閾値処理回路と、を具備し、
   既知のパルス波形形状を有する微弱信号の前記ノイズ加算部への入力に対応して前記閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形形状条件を満たすパルス信号成分を抽出した結果に基づいて決定されたノイズ強度が、前記ノイズ生成部に設定されることを特徴とする信号処理装置。
5. 前記強度設定部は、装置設置後に測定場所でのバックグラウンドノイズが重畳した前記入力信号に対して前記評価部から出力される評価結果に応じて前記ノイズ強度を最適化することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の信号処理装置。
6. ノイズ強度を設定可能に構成され、設定されたノイズ強度を有するノイズを出力するノイズ生成部と、測定対象の微弱信号を含む入力信号に前記ノイズを加算してノイズ加算信号を生成するノイズ加算部と、前記ノイズ加算信号を閾値処理する閾値処理回路と、を具備した信号処理装置におけるノイズ強度決定方法において、
   前記閾値処理回路から出力される出力信号からパルス波形条件を満たすパルス信号成分を抽出して前記ノイズ強度を評価する評価ステップと、
   前記評価ステップで評価結果が所望値を示すノイズ強度を前記ノイズ生成部に設定するステップと、
   を具備したことを特徴とするノイズ強度決定方法。

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