JP2022021012A - 信号処理方法及び信号処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】包絡線処理を行わずに処理対象の信号に含まれる周期性を有する信号成分を検出することを可能とする信号処理方法を提供すること。【解決手段】対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号を生成する処理対象信号生成工程と、前記源信号に基づいて生成された時系列信号であるテンプレート信号と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号を生成する相関信号生成工程と、を含む、信号処理方法。【選択図】図１

Description

本発明は、信号処理方法及び信号処理装置に関する。
対象とする定常的な繰り返し波形とは非同期な成分を低減する手法として同期加算が知られている。しかしながら、この手法では、繰り返し波形と相関があるが同期加算タイミングと同期していない波形成分も低減してしまうという問題がある。この問題に対処する方法として、非特許文献１では、対象とする定常的な繰り返し時系列波形に対し包絡線処理を行い、得られた波形に対してスペクトル分析する方法が提案されている。
Pete Sopcik and Dara O'Sullivan, "How Sensor Performance Enables Condition-Based Monitoring Solutions", Analog Dialogue 53-06, June 2019.
しかしながら、包絡線処理では、時系列波形を整流した後に平滑化処理する必要があり、所望の信号成分が適切に抽出されるように平滑化フィルターのカットオフ周波数を適切に選択する必要があるため、非特許文献１に記載の方法では演算が複雑になってしまう。
本発明に係る信号処理方法の一態様は、
対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号を生成する処理対象信号生成工程と、
前記源信号に基づいて生成された時系列信号であるテンプレート信号と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号を生成する相関信号生成工程と、を含む。
本発明に係る信号処理装置の一態様は、
対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号を生成する処理対象信号回路と、
前記源信号に基づいて生成された時系列信号であるテンプレート信号を記憶する記憶回路と、
前記テンプレート信号と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号を生成する相関信号生成回路と、を含む。
第１実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート図。 第１実施形態におけるテンプレート信号生成工程の手順の一例を示すフローチャート図。 第１実施形態における処理対象信号生成工程の手順の一例を示すフローチャート図。 第１実施形態における相関信号生成工程の手順の一例を示すフローチャート図。 対象物及び源信号の具体例を示す図。 源信号から切り出された第１期間の信号の一例を示す図。 テンプレート信号の一例を示す図。 処理対象信号の波形の一例を示す図。 相関信号の波形の一例を示す図。 図８に示した処理対象信号の波形を拡大した図。 図９に示した相関信号の波形を拡大した図。 第１実施形態の信号処理装置の構成例を示す図。 第２実施形態におけるテンプレート信号生成工程の手順の一例を示すフローチャート図。 第２実施形態における処理対象信号生成工程の手順の一例を示すフローチャート図。 第３実施形態におけるテンプレート信号生成工程の手順の一例を示すフローチャート図。 第３実施形態における相関信号生成工程の手順の一例を示すフローチャート図。 第４実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート図。 第５実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート図。 第５実施形態の信号処理方法の他の手順を示すフローチャート図。 第５実施形態における波形分析工程の手順の一例を示すフローチャート図。 相関信号に対してＦＦＴを行って得られる周波数スペクトルの一例を示す図。 比較例の周波数スペクトルの一例を示す図。 相関信号に対してＦＦＴを行って得られる周波数スペクトルの他の一例を示す図。 比較例の周波数スペクトルの他の一例を示す図。 第５実施形態の信号処理装置の構成例を示す図。 第６実施形態における波形分析工程の手順の一例を示すフローチャート図。 図１１に示した相関信号の波形を拡大した図。 第７実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート図。 第７実施形態の信号処理方法の他の手順を示すフローチャート図。 第７実施形態の信号処理装置の構成例を示す図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１．第１実施形態
１－１．信号処理方法
図１は、第１実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート図である。
図１に示すように、第１実施形態の信号処理方法は、テンプレート信号生成工程Ｓ１と、処理対象信号生成工程Ｓ２と、相関信号生成工程Ｓ３と、を含む。本実施形態の信号処理方法は、例えば、信号処理装置１によって行われる。
まず、信号処理装置１は、テンプレート信号生成工程Ｓ１において、対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号であるテンプレート信号を生成する。対象物は、信号処理の対象となる物であり、その種類は特に
限定されず、例えば、回転機構や振動機構を有するモーター等の各種の装置であってもよいし、外力によって振動する橋梁やビル等の構造物であってもよいし、周期性を有する信号を発生させる電気回路であってもよい。対象物の定常状態とは、対象物が所定の動作を繰り返している状態であり、例えば、対象物である装置や構造物が回転又は振動をしている状態、対象物である電気回路が周期性を有する信号を発生させている状態等であってもよい。物理量の種類は特に限定されず、例えば、物理量は、加速度、角速度、圧力、電流、電圧等であってもよい。
次に、信号処理装置１は、処理対象信号生成工程Ｓ２において、源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号を生成する。
次に、信号処理装置１は、相関信号生成工程Ｓ３において、工程Ｓ１で生成されたテンプレート信号と工程Ｓ２で生成された処理対象信号との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号を生成する。
そして、信号処理が終了するまで（工程Ｓ４のＮ）、信号処理装置１は、工程Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を繰り返し行う。
このように、本実施形態では、信号処理が終了するまで、テンプレート信号及び処理対象信号は更新される。テンプレート信号が更新されることにより、対象物の経時変化によって処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分の周期が変化しても当該信号成分が含まれる相関信号を生成することができる。
図２は、図１のテンプレート信号生成工程Ｓ１の手順の一例を示すフローチャート図である。
図２に示すように、信号処理装置１は、テンプレート信号生成工程Ｓ１において、まず、源信号から長さｔ１の第１期間の信号を切り出す（工程Ｓ１１）。
次に、信号処理装置１は、第１期間の信号に窓関数を掛けてテンプレート信号を生成し（工程Ｓ１２）、テンプレート信号生成工程Ｓ１を終了する。
このように、本実施形態では、テンプレート信号は、源信号から切り出された第１期間の信号に基づく信号であり、その時間長は第１期間の長さｔ１と等しい。また、テンプレート信号は、源信号から切り出された信号に窓関数を掛けた信号である。これにより、テンプレート信号の最初のサンプル値と最後のサンプル値の不連続性に起因するノイズの相関信号への影響を低減することができる。窓関数の種類は特に限定されず、窓関数としては、例えば、ハニング窓関数、矩形窓関数、ガウス窓関数、ハミング窓関数、ブラックマン窓関数、カイザー窓関数等が挙げられる。
図３は、図１の処理対象信号生成工程Ｓ２の手順の一例を示すフローチャート図である。
図３に示すように、信号処理装置１は、処理対象信号生成工程Ｓ２において、まず、源信号から第１期間と重複しない長さｔ２の第２期間の信号を切り出す（工程Ｓ２１）。
次に、信号処理装置１は、第２期間の信号に窓関数を掛けて処理対象信号を生成し（工程Ｓ２２）、処理対象信号生成工程Ｓ２を終了する。
このように、本実施形態では、処理対象信号は、源信号から切り出された第１期間と重
複しない第２期間の信号に基づく信号であり、その時間長は第２期間の長さｔ２と等しい。したがって、テンプレート信号と処理対象信号がまったく同じ信号を含む期間が存在しないので、相関フィルター処理によってノイズ等のエルゴード性を持つ信号成分を効果的に低減される。
また、処理対象信号は、源信号から切り出された信号に窓関数を掛けた信号である。これにより、処理対象信号の最初のサンプル値と最後のサンプル値の不連続性に起因するノイズの相関信号への影響を低減することができる。窓関数の種類は特に限定されず、窓関数としては、例えば、ハニング窓関数、矩形窓関数、ガウス窓関数、ハミング窓関数、ブラックマン窓関数、カイザー窓関数等が挙げられる。
また、本実施形態では、源信号は、一定のサンプリングレートのデジタル信号であり、ともに源信号から切り出されたテンプレート信号と処理対象信号とは、サンプリング周期Δｔが同じである。これにより、相関フィルター処理において、周波数の異なる信号成分のそれぞれの直交性が担保され、同一周波数の信号成分が正しく抽出される。ただし、テンプレート信号と処理対象信号とは、サンプリング周期が異なっていてもよく、この場合は、信号処理装置１は、相関信号生成工程Ｓ３の前に、テンプレート信号及び処理対象信号のサンプリング周期が同じになるように、テンプレート信号及び処理対象信号の少なくとも一方を時間軸に対して線形変換すればよい。
また、本実施形態では、テンプレート信号は、処理対象信号よりも短い。すなわち、ｔ１＜ｔ２である。
図４は、図１の相関信号生成工程Ｓ３の手順の一例を示すフローチャート図である。
図４に示すように、信号処理装置１は、相関信号生成工程Ｓ３において、まず、ｔ＝０として（工程Ｓ３１）、テンプレート信号と処理対象信号とを時間ｔだけずらして積和演算し、相関信号の時刻ｔのサンプル値とする（工程Ｓ３２）。
次に、信号処理装置１は、ｔ＝ｔ＋Δｔとして（工程Ｓ３３）、ｔ＞ｔ２－ｔ１となるまで（工程Ｓ３４のＮ）、工程Ｓ３２，Ｓ３３を繰り返し行う。そして、ｔ＞ｔ２－ｔ１となると（工程Ｓ３４のＹ）、相関信号生成工程Ｓ３を終了する。
このように、本実施形態では、相関フィルター処理は、テンプレート信号と処理対象信号との積和演算処理であり、信号処理装置１は、処理対象信号の時間長ｔ２とテンプレート信号の時間長ｔ１との差と一致するまで時間ｔをずらしながらテンプレート信号と処理対象信号との積和演算処理を行って相関信号を生成する。そして、相関フィルター処理によって生成される相関信号の包絡線と、処理対象信号の包絡線とは非線形である。すなわち、本実施形態では、相関フィルター処理の前後における包絡線の線形性の保持に制約が設けられないので、処理対象信号に含まれるエルゴード性を持つ雑音が効率よく低減される。
積和演算処理は、処理対象信号に対するＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルター処理であってもよい。この場合、ＦＩＲフィルター処理の係数は、テンプレート信号に基づいて定義される。例えば、テンプレート信号に含まれるｎ１個のサンプル値をｎ１個の係数値とするｎ１タップのＦＩＲフィルターに、処理対象信号に含まれるｎ２個のサンプル値を順番に入力することにより、ＦＩＲフィルターの出力信号として相関信号が得られる。なお、ｎ１＝ｔ１／Δｔであり、ｎ２＝ｔ２／Δｔである。このように、積和演算処理をＦＩＲフィルター処理とすることで、相関フィルター処理を簡便に実現することができる。
また、本実施形態では、源信号は、周期性を有する複数の信号成分を含み、当該複数の信号成分は、互いに周期が異なる。これにより、対象物が動作周波数の異なる複数の機構を備えることができる。そして、テンプレート信号の時間長は、当該複数の信号成分のうちの第１の信号成分の周期よりも長く、処理対象信号の時間長とテンプレート信号の時間長との差ｔ２－ｔ１は、当該第１の信号成分の周期よりも長い。これにより、相関信号には第１の信号成分が１周期以上含まれることになるので、第１の信号成分を分析対象とすることができる。
図５は、対象物及び源信号の具体例を示す図である。図５の例では、対象物はドライポンプ２００であり、ドライポンプ２００は、ブースターポンプ２１０とメインポンプ２２０とを備えている。ブースターポンプ２１０は、第１ポンプ室２１１を備え、内蔵する不図示のモーター、ギア、ベアリング等の作用によって、第１ポンプ室２１１に収容された不図示のローターを高速回転させる。これにより、第１ポンプ室２１１は、ドライポンプ２００の外部から空気を吸入して排出する。
メインポンプ２２０は、第２ポンプ室２２１を備え、内蔵する不図示のモーター、ギア、ベアリング等の作用によって、第２ポンプ室２２１に収容された不図示のローターを高速回転させる。これにより、第２ポンプ室２２１は、第１ポンプ室２１１から排出された空気を吸入し、ドライポンプ２００の外部に排出する。
ドライポンプ２００の定常状態において、ブースターポンプ２１０に内蔵されているモーター、ギア、ベアリング、ローター等や、メインポンプ２２０に内蔵されているモーター、ギア、ベアリング、ローター等が動作しているので、これらの動作によって様々な周波数の振動が発生する。この振動が伝わる位置にセンサー２０が設置されている。センサー２０は振動を検出可能なセンサーであればよく、例えば、加速度センサーや角速度センサーであってもよい。センサー２０は、これらの振動をわずかでも検出できればよく、設置場所の制約が小さい。
センサー２０の出力信号は、アナログフロントエンド３０に入力される。アナログフロントエンド３０は、センサー２０の出力信号に対して増幅処理やＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換処理を行ってデジタル時系列信号である源信号を出力する。
図６～図９は、図５に示した源信号から得られる各種の信号波形の一例を示す。図６～図９において、横軸は時間であり、縦軸はサンプル値である。なお、センサー２０のサンプリングレートは１ｋＨｚである。
図６は、源信号から切り出された第１期間の信号の一例を示す図である。また、図７は、図６に示した第１期間の信号にハニング窓関数を掛けて生成されたテンプレート信号の一例を示す図である。図７の例では、テンプレート信号の時間長ｔ１は８．１９２秒であり、テンプレート信号は８１９２個のサンプルを含む。なお、図６の信号をテンプレート信号として用いてもよい。
図８は、処理対象信号の波形の一例を示す図である。処理対象信号の時間長ｔ２は２４．５７６秒（＝１６．３８４秒＋８．１９２秒）であり、処理対象信号は２４５７６個のサンプルを含む。図８ではそのうち最初の１６．３８４秒間の信号を切り出したものを示している。
図９は、図７に示したテンプレート信号と図８に示した処理対象信号との相関フィルター処理後の相関信号の波形の一例を示す図である。図９の例では、相関信号の時間長は、
処理対象信号の時間長ｔ２とテンプレート信号の時間長ｔ１との差に等しい１６．３８４秒であり、相関信号は１６３８４個のサンプルを含む。
図１０は、図８に示した処理対象信号の０秒～０．５秒の波形を拡大した図である。また、図１１は、図９に示した相関信号の０秒～０．５秒の波形を拡大した図である。ドライポンプ２００が定常状態であるので、源信号には、ブースターポンプ２１０に内蔵されているモーター、ギア、ベアリング、ローター等や、メインポンプ２２０に内蔵されているモーター、ギア、ベアリング、ローター等の動作に起因する様々な周波数の信号成分が含まれる。図７に示したテンプレート信号及び図８に示した処理対象信号は、ともに源信号から切り出された信号に基づいて生成されるので、様々な周波数の信号成分を共通に含んでいる。相関フィルター処理により、テンプレート信号と処理対象信号に含まれる同じ周波数の信号成分は増幅される。一方、ドライポンプ２００の動作と相関のない信号成分のうち、エルゴード性を持つ雑音は、相関フィルター処理によって減衰される。そのため、ドライポンプ２００の動作と相関のある信号成分が、図１０に示した処理対象信号では不明瞭であるのに対して、図１１に示した相関信号では明瞭になっている。
１－２．信号処理装置
図１２は、前述の信号処理方法を実現する信号処理装置１の構成例を示す図である。図１２に示すように、信号処理装置１は、処理回路１０、センサー２０、アナログフロントエンド３０、記憶回路４０、操作部５０、表示部６０、音出力部７０、通信部８０を含む。なお、信号処理装置１は、図１２の構成要素の処理回路１０、センサー２０以外の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
センサー２０は、対象物の定常状態において生じる物理量を検出し、検出した物理量に応じた大きさの信号を出力する。センサー２０の出力信号は、アナログフロントエンド３０に入力される。
アナログフロントエンド３０は、センサー２０の出力信号に対して増幅処理やＡ／Ｄ変換処理等を行ってデジタル時系列信号を出力する。
処理回路１０は、アナログフロントエンド３０から出力されるデジタル時系列信号を源信号として、源信号に対する信号処理を行う。具体的には、処理回路１０は、記憶回路４０に記憶されている信号処理プログラム４１を実行し、源信号に対する各種の計算処理を行う。その他、処理回路１０は、操作部５０からの操作信号に応じた各種の処理、表示部６０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理、音出力部７０に各種の音を発生させるための音信号を送信する処理、外部装置とデータ通信を行うために通信部８０を制御する処理等を行う。処理回路１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）によって実現される。
処理回路１０は、信号処理プログラム４１を実行することにより、テンプレート信号生成回路１１、処理対象信号生成回路１２及び相関信号生成回路１３として機能する。すなわち、信号処理装置１は、テンプレート信号生成回路１１と、処理対象信号生成回路１２と、相関信号生成回路１３とを含む。
テンプレート信号生成回路１１は、対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号であるテンプレート信号４２を生成する。すなわち、テンプレート信号生成回路１１は、図１のテンプレート信号生成工程Ｓ１、具体的には図２の工程Ｓ１１，Ｓ１２を実行する。テンプレート信号生成回路１１が生成したテンプレート信号４２は記憶回路４０に記憶される。
処理対象信号生成回路１２は、源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号４３を生成する。すなわち、処理対象信号生成回路１２は、図１の処理対象信号生成工程Ｓ２、具体的には図３の工程Ｓ２１，Ｓ２２を実行する。処理対象信号生成回路１２が生成した処理対象信号４３は記憶回路４０に記憶される。
相関信号生成回路１３は、テンプレート信号生成回路１１が生成したテンプレート信号４２と処理対象信号生成回路１２が生成した処理対象信号４３との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号４４を生成する。すなわち、相関信号生成回路１３は、図１の相関信号生成工程Ｓ３、具体的には図４の工程Ｓ３１～Ｓ３６を実行する。相関信号生成回路１３が生成した相関信号４４は記憶回路４０に記憶される。
記憶回路４０は、不図示のＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を有している。ＲＯＭは、信号処理プログラム４１等の各種プログラムやあらかじめ決められたデータを記憶し、ＲＡＭは、テンプレート信号４２、処理対象信号４３及び相関信号４４等の処理回路１０が生成した信号やデータを記憶する。ＲＡＭは、処理回路１０の作業領域としても用いられ、ＲＯＭから読み出されたプログラムやデータ、操作部５０から入力されたデータ、処理回路１０が一時的に生成した信号やデータを記憶する。
操作部５０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号を処理回路１０に出力する。
表示部６０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、処理回路１０から出力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部６０には操作部５０として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。例えば、表示部６０は、処理回路１０から出力される表示信号に基づいて、相関信号４４の波形画像を表示してもよい。
音出力部７０は、スピーカー等によって構成され、処理回路１０から出力される音信号に基づいて各種の音を発生させる。例えば、音出力部７０は、処理回路１０から出力される音信号に基づいて、信号処理の開始や終了を示す音を発生させてもよい。
通信部８０は、処理回路１０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。例えば、通信部８０は、相関信号４４を外部装置に送信してもよい。
なお、テンプレート信号生成回路１１、処理対象信号生成回路１２及び相関信号生成回路１３の少なくとも一部が、専用のハードウエアで実現されてもよい。また、信号処理装置１は、単体の装置であってもよいし、複数の装置によって構成されてもよい。例えば、センサー２０及びアナログフロントエンド３０が第１の装置に含まれ、処理回路１０、記憶回路４０、操作部５０、表示部６０、音出力部７０及び通信部８０が第１の装置とは別体の第２の装置に含まれていてもよい。また、例えば、処理回路１０及び記憶回路４０がクラウドサーバー等の装置で実現され、当該装置が相関信号４４を生成し、生成した相関信号４４を、通信回線を介して操作部５０、表示部６０、音出力部７０及び通信部８０を含む端末に送信してもよい。
１－３．作用効果
以上に説明した第１実施形態によれば、源信号に基づいて生成されたテンプレート信号及び処理対象信号には、信号処理の対象となる対象物の定常状態において生じる物理量と相関のある周期性を有する信号成分が共通に含まれる。そのため、テンプレート信号と処理対象信号との相関フィルター処理によって、当該周期性を有する信号成分は強め合い、包絡線処理を行わずに処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分を検出することが
できる。
また、当該物理量とは相関のない信号成分のうち、エルゴード性を持つ雑音は弱め合う。そのため、テンプレート信号に含まれる周期性を有する信号成分をその周期の数だけ同期加算したのと同等の効果が得られ、処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分の振幅が小さい場合でも、高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られる。したがって、第１実施形態によれば、対象物や物理量の取得部の設置場所に対する制約が緩和される。
さらに、第１実施形態によれば、対象物が定常状態にあるときに信号処理を行うことができるので、対象物の動作状態を変更することなく所望の相関信号を得ることができる。
２．第２実施形態
以下、第２実施形態について、第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、第１実施形態と重複する説明は省略または簡略し、主に第１実施形態と異なる内容について説明する。
第２実施形態の信号処理方法の手順は図１と同じであるので、その図示を省略する。第２実施形態の信号処理方法では、テンプレート信号生成工程Ｓ１の手順及び処理対象信号生成工程Ｓ２の手順が第１実施形態と異なり、相関信号生成工程Ｓ３の手順は第１実施形態と同じである。
図１３は、第２実施形態におけるテンプレート信号生成工程Ｓ１の手順の一例を示すフローチャート図である。
図１３に示すように、信号処理装置１は、テンプレート信号生成工程Ｓ１において、まず、源信号から長さｔ１の第１期間の信号を切り出す（工程Ｓ１０１）。
次に、信号処理装置１は、第１期間の信号に窓関数を掛け、直流成分を除去してテンプレート信号を生成（工程Ｓ１０２）、テンプレート信号生成工程Ｓ１を終了する。例えば、信号処理装置１は、第１期間の信号に窓関数を掛けた信号にハイパスフィルター処理を行って直流成分を除去してもよい。
図１４は、第２実施形態における処理対象信号生成工程Ｓ２の手順の一例を示すフローチャート図である。
図１４に示すように、信号処理装置１は、処理対象信号生成工程Ｓ２において、まず、源信号から第１期間と重複しない長さｔ２の第２期間の信号を切り出す（工程Ｓ２０１）。
次に、信号処理装置１は、第２期間の信号に窓関数を掛け、直流成分を除去して処理対象信号を生成し（工程Ｓ２０２）、処理対象信号生成工程Ｓ２を終了する。
第２実施形態における信号処理装置１の構成例は、図１２と同様であるため、その図示を省略する。ただし、テンプレート信号生成回路１１は、図１３の工程Ｓ１０１，Ｓ１０２を実行する。また、処理対象信号生成回路１２は、図１４の工程Ｓ２０１，Ｓ２０２を実行する。第２実施形態における信号処理装置１のその他の構成及び機能は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
このように、図１３の手順及び図１４の手順によれば、テンプレート信号及び処理対象信号は、直流成分が除去された信号である。ただし、テンプレート信号及び処理対象信号
の一方のみが、直流成分が除去された信号であってもよい。すなわち、本実施形態では、テンプレート信号及び処理対象信号の少なくとも一方は、直流成分が除去された信号である。そのため、相関フィルター処理により得られる相関信号は、テンプレート信号や処理対象信号に含まれる直流成分の相関分だけバイアスされるが、当該バイアスが低減されるため、相関信号の最大値が小さくなり、相関信号のデータ量が小さくなる。したがって、第２実施形態によれば、信号処理装置１において、相関信号を記憶するための記憶回路４０のサイズを低減することができる。
３．第３実施形態
以下、第３実施形態について、第１実施形態又は第２実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、第１実施形態又は第２実施形態と重複する説明は省略または簡略し、主に第１実施形態及び第２実施形態と異なる内容について説明する。
第３実施形態の信号処理方法の手順は図１と同じであるので、その図示を省略する。第３実施形態の信号処理方法では、テンプレート信号生成工程Ｓ１の手順及び相関信号生成工程Ｓ３の手順が第１実施形態及び第２実施形態と異なり、処理対象信号生成工程Ｓ２の手順は第１実施形態又は第２実施形態と同じである。
図１５は、第３実施形態におけるテンプレート信号生成工程Ｓ１の手順の一例を示すフローチャート図である。
図１５に示すように、信号処理装置１は、テンプレート信号生成工程Ｓ１において、まず、整数ｉ＝０として（工程Ｓ１１１）、源信号から長さｔ１の第１期間の信号を切り出す（工程Ｓ１１２）。
次に、信号処理装置１は、第１期間の信号に窓関数を掛け、直流成分を除去して第ｉのテンプレート信号を生成する（工程Ｓ１１３）。
次に、信号処理装置１は、ｉ＝Ｎとなるまで（工程Ｓ１１４のＮ）、ｉ＝ｉ＋１として（工程Ｓ１１５）、工程Ｓ１１２，Ｓ１１３を繰り返し行う。そして、ｉ＝Ｎとなると（工程Ｓ１１４のＹ）、信号処理装置１は、テンプレート信号生成工程Ｓ１を終了する。
このように、本実施形態では、信号処理装置１は、テンプレート信号生成工程Ｓ１において、源信号に基づいて第１～第Ｎのテンプレート信号を生成する。
図１６は、第３実施形態における相関信号生成工程Ｓ３の手順の一例を示すフローチャート図である。
図１６に示すように、信号処理装置１は、相関信号生成工程Ｓ３において、まず、整数ｉ＝１（工程Ｓ３１１）として、さらに、ｔ＝０として（工程Ｓ３１２）、第ｉのテンプレート信号と処理対象信号とを時間ｔだけずらして積和演算し、第ｉの相関信号の時刻ｔのサンプル値とする（工程Ｓ３１３）。
次に、信号処理装置１は、ｔ＝ｔ＋Δｔとして（工程Ｓ３１４）、ｔ＞ｔ２－ｔ１となるまで（工程Ｓ３１５のＮ）、工程Ｓ３１３，Ｓ３１４を繰り返し行う。そして、ｔ＞ｔ２－ｔ１となると（工程Ｓ３１５のＹ）、信号処理装置１は、ｉ＝Ｎでなければ（工程Ｓ３１６のＮ）、ｉ＝ｉ＋１として（工程Ｓ３１７）、工程Ｓ３１２以降の処理を再び行う。なお、Ｎは、あらかじめ決められた２以上の整数である。
信号処理装置１は、ｉ＝Ｎとなるまで（工程Ｓ３１６のＮ）、ｉ＝ｉ＋１として（工程
Ｓ３１７）、工程Ｓ３１２～Ｓ３１５を繰り返し行う。そして、ｉ＝Ｎとなると（工程Ｓ３１６のＹ）、信号処理装置１は、第１～第Ｎの相関信号を加算、平均又は加重平均して相関信号を生成し（工程Ｓ３１８）、相関信号生成工程Ｓ３を終了する。
このように、本実施形態では、信号処理装置１は、相関信号生成工程Ｓ３において、それぞれ前記源信号に基づいて生成された時系列信号である第１～第Ｎのテンプレート信号の各々と処理対象信号との相関フィルター処理を行って第１～第Ｎの相関信号を生成し、第１～第Ｎの相関信号を加算、平均又は加重平均して相関信号を生成する。
第３実施形態における信号処理装置１の構成例は、図１２と同様であるため、その図示を省略する。ただし、テンプレート信号生成回路１１は、図１５の工程Ｓ１１１～Ｓ１１５を実行する。また、相関信号生成回路１３は、図１６の工程Ｓ３１１～Ｓ３１９を実行する。第３実施形態における信号処理装置１のその他の構成及び機能は、第１実施形態又は第２実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
以上に説明した第３実施形態によれば、相関フィルター処理により、第１～第Ｎの相関信号に含まれるエルゴード性を持つ雑音が低減され、さらに、第１～第Ｎの相関信号を加算、平均又は加重平均することでエルゴード性を持つ雑音がさらに低減される。したがって、より高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られる。
４．第４実施形態
以下、第４実施形態について、第１実施形態～第３実施形態のいずれかと同様の構成要素には同じ符号を付し、第１実施形態～第３実施形態のいずれかと重複する説明は省略または簡略し、主に第１実施形態～第３実施形態のいずれとも異なる内容について説明する。
図１７は、第４実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート図である。
図１７に示すように、信号処理装置１は、まず、第１実施形態～第３実施形態のいずれかと同様に、テンプレート信号生成工程Ｓ１、処理対象信号生成工程Ｓ２及び相関信号生成工程Ｓ３を行う。
そして、信号処理が終了するまで（工程Ｓ４のＮ）、信号処理装置１は、工程Ｓ２，Ｓ３を繰り返し行う。
このように、本実施形態では、信号処理が終了するまで、処理対象信号は更新されるが、テンプレート信号は更新されない。
第４実施形態の信号処理方法では、テンプレート信号生成工程Ｓ１の手順、相関信号生成工程Ｓ３の手順及び処理対象信号生成工程Ｓ２の手順は、第１実施形態～第３実施形態のいずれかと同じである。
なお、信号処理装置１は、あらかじめ生成されたテンプレート信号を用いて処理対象信号生成工程Ｓ２を行ってもよい。すなわち、本実施形態において、テンプレート信号生成工程Ｓ１はなくてもよい。
第４実施形態における信号処理装置１の構成例は、図１２と同様であるため、その図示を省略する。ただし、処理回路１０は、図１７の工程Ｓ１～Ｓ４を実行する。第４実施形態における信号処理装置１のその他の構成及び機能は、第１実施形態～第３実施形態のいずれかと同様であるため、その説明を省略する。
以上に説明した第４実施形態によればでは、テンプレート信号が更新されないので、対象物の経時変化によって処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分の周期や強度が変化すると、相関信号に含まれる当該信号成分の強度が変化する。したがって、第４実施形態によれば、対象物の経時変化やその原因等を捉えやすくすることができる。
５．第５実施形態
以下、第５実施形態について、第１実施形態～第４実施形態のいずれかと同様の構成要素には同じ符号を付し、第１実施形態～第４実施形態のいずれかと重複する説明は省略または簡略し、主に第１実施形態～第４実施形態のいずれとも異なる内容について説明する。
図１８は、第５実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート図である。
図１８に示すように、信号処理装置１は、まず、第１実施形態～第３実施形態のいずれかと同様に、テンプレート信号生成工程Ｓ１、処理対象信号生成工程Ｓ２及び相関信号生成工程Ｓ３を行う。
次に、信号処理装置１は、相関信号の波形を分析する波形分析工程Ｓ５を行う。
そして、信号処理が終了するまで（工程Ｓ６のＮ）、信号処理装置１は、工程Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５を繰り返し行う。
図１８の手順では、信号処理が終了するまで、テンプレート信号及び処理対象信号は更新される。
図１９は、第５実施形態の信号処理方法の他の手順を示すフローチャート図である。
図１９に示すように、信号処理装置１は、まず、第４実施形態と同様に、テンプレート信号生成工程Ｓ１、処理対象信号生成工程Ｓ２及び相関信号生成工程Ｓ３を行う。
次に、信号処理装置１は、相関信号の波形を分析する波形分析工程Ｓ５を行う。
そして、信号処理が終了するまで（工程Ｓ６のＮ）、信号処理装置１は、工程Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５を繰り返し行う。
図１９の手順では、信号処理が終了するまで、処理対象信号は更新されるが、テンプレート信号は更新されない。
図１８及び図１９に示すように、本実施形態では、信号処理装置１は、相関信号の波形を分析する波形分析工程Ｓ５を行う。信号処理装置１は、波形分析工程Ｓ５において、相関信号に含まれる周期性を有する信号の周波数又は周期に注目して分析してもよい。
図２０は、図１８又は図１９の波形分析工程Ｓ５の手順の一例を示すフローチャート図である。
図２０に示すように、まず、信号処理装置１は、相関信号を周波数解析する（工程Ｓ５１）。周波数解析は、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）、ウェーブレット変換、自己相関解析等であってもよい。
次に、信号処理装置１は、工程Ｓ５１の周波数解析結果に基づいて、相関信号に含まれる周期性を有する信号の周波数と強度を算出し（工程Ｓ５２）、波形分析工程Ｓ５の処理を終了する。
このように、本実施形態では、信号処理装置１は、波形分析工程Ｓ５において、相関信号を周波数解析して、相関信号に含まれる周期性を有する信号の周波数を算出する。
図２１は、稼働時間が数か月程度である比較的新しいドライポンプ２００を対象物として、波形分析工程Ｓ５において相関信号に対してＦＦＴを行って得られた周波数スペクトルの一例を示す図である。また、図２２は、比較例として、仮に、処理対象信号に対して直接的にＦＦＴを行った場合に得られる周波数スペクトルの一例を示す図である。図２１及び図２２において、横軸は周波数であり、縦軸は強度である。
図２１と図２２とを比較すると、図２１の方が図２２よりも各種の周波数の信号成分のピークが明瞭であり、処理対象信号に対して相関フィルター処理を行うことによってノイズが大きく低減されたＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）の高い相関信号が得られることがわかる。したがって、信号処理装置１は、図２１の周波数スペクトルに基づいて、各種の信号成分の周波数と強度を算出することができる。
例えば、メインポンプ２２０においてベアリングの内輪が回転する周波数である内輪回転周波数ｆｒｍの設計値は既知であり、図２１において、この設計値に近くで強度がピークとなる信号成分が内輪回転周波数ｆｒｍの基本波に相当する。同様に、ブースターポンプ２１０においてベアリングの内輪が回転する周波数である内輪回転周波数ｆｒｂの設計値は既知であり、図２１において、この設計値に近くで強度がピークとなる信号成分が内輪回転周波数ｆｒｍの基本波に相当する。しったがって、信号処理装置１は、図２１の周波数スペクトルにおいて、メインポンプ２２０の内輪回転周波数ｆｒｍの基本波及びその２次～５次の高調波の各周波数や、ブースターポンプ２１０の内輪回転周波数ｆｒｂの基本波及びその２次～５次の高調波の各周波数と対応する強度を算出することができる。
奇数の高調波が強いのか偶数の高調波が強いのかによってベアリングの回転や振動のバランスがわかる。奇数の高調波の強度が高い場合は回転や振動は対称的であり、偶数の高調波の強度が高い場合は回転や振動が非対称であることを表している。したがって、各高調波の強度や経時変化から、回転や振動の対称性の変化、すなわち、ベアリングの劣化等を判断することができるため、多くの高調波を検出できることが好ましい。例えば、メインポンプ２２０の内輪回転周波数ｆｒｍの５次高調波やブースターポンプ２１０の内輪回転周波数ｆｒｂの５次高調波は、図２２では不明瞭であるのに対して図２１では非常に明瞭である。したがって、信号処理装置１は、相関フィルター処理を行うことによってこれらの５次高調波も確実に検出することができる。
他の一例として、図２３に、稼働時間が１０年に近い比較的古いドライポンプ２００を対象物として、波形分析工程Ｓ５において相関信号に対してＦＦＴを行って得られた周波数スペクトルを示す。また、図２４に、比較例として、仮に、処理対象信号に対して直接的にＦＦＴを行った場合に得られる周波数スペクトルの一例を示す。図２３及び図２４において、横軸は周波数であり、縦軸は強度である。
図２３と図２４とを比較すると、例えば、メインポンプ２２０の内輪回転周波数ｆｒｍの５次高調波やブースターポンプ２１０の内輪回転周波数ｆｒｂの５次高調波は、図２４では非常に不明瞭であるのに対して図２３では非常に明瞭である。したがって、信号処理装置１は、相関フィルター処理を行うことによってこれらの５次高調波も確実に検出することができる。
また、図２１と図２３とを比較すると、メインポンプ２２０の内輪回転周波数ｆｒｍの基本波及びその２次～５次の高調波の強度と、ブースターポンプ２１０の内輪回転周波数ｆｒｂの基本波及びその２次～５次の高調波の強度とが、図２１と図２３では大きく異なっている。また、メインポンプ２２０の内輪回転周波数ｆｒｍの基本波の周波数も図２１と図２３ではわずかに異なっている。これは、比較的古いドライポンプ２００は、経時変化によってメインポンプ２２０やブースターポンプ２１０が劣化していることを示している。図２１と図２３とでは対象物であるドライポンプ２００が異なるが、信号処理装置１は、１つのドライポンプ２００に対して定期的に波形分析を行うことにより、当該ドライポンプ２００の経時的な劣化を判断することができる。
図２５は、第５実施形態の信号処理方法を実現する信号処理装置１の構成例である。図２５に示すように、信号処理装置１は、処理回路１０、センサー２０、アナログフロントエンド３０、記憶回路４０、操作部５０、表示部６０、音出力部７０、通信部８０を含む。なお、信号処理装置１は、図２５の構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
センサー２０、アナログフロントエンド３０、記憶回路４０、操作部５０、表示部６０、音出力部７０及び通信部８０の構成及び機能は第１実施形態～第４実施形態のいずれかと同様であるため、その説明を省略する。
処理回路１０は、信号処理プログラム４１を実行することにより、テンプレート信号生成回路１１、処理対象信号生成回路１２、相関信号生成回路１３及び波形分析回路１４として機能する。すなわち、信号処理装置１は、テンプレート信号生成回路１１と、処理対象信号生成回路１２と、相関信号生成回路１３と、波形分析回路１４とを含む。
テンプレート信号生成回路１１、処理対象信号生成回路１２及び相関信号生成回路１３の機能は第１実施形態～第４実施形態のいずれかと同様であるため、その説明を省略する。
波形分析回路１４は、相関信号生成回路１３が生成した相関信号４４の波形を分析する。波形分析回路１４は、相関信号４４に含まれる周期性を有する信号の周波数又は周期に注目して分析してもよい。本実施形態では、波形分析回路１４は、相関信号４４を周波数解析して、相関信号４４に含まれる周期性を有する信号の周波数と強度を算出する。すなわち、波形分析回路１４は、図１８又は図１９の波形分析工程Ｓ５、具体的には図２０の工程Ｓ４１，Ｓ４２を実行する。
表示部６０は、処理回路１０から出力される表示信号に基づいて、波形分析回路１４による分析結果の情報を表示してもよい。また、音出力部７０は、処理回路１０から出力される音信号に基づいて、波形分析回路１４による分析の開始や終了を示す音を発生させてもよい。また、通信部８０は、波形分析回路１４による分析結果の情報を外部装置に送信してもよい。波形分析回路１４による分析結果の情報は、相関信号４４に含まれる周期性を有する信号の周波数等の情報である。
以上に説明した第５実施形態によれば、相関フィルター処理によって高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られるので、相関信号の波形分析を精度よく行うことができる。特に、第５実施形態によれば、相関フィルター処理によって周期性を有する信号が強調されるため、相関信号の周波数スペクトルによって周波数領域での波形分析を精度よく行うことができる。
６．第６実施形態
以下、第６実施形態について、第１実施形態～第５実施形態のいずれかと同様の構成要素には同じ符号を付し、第１実施形態～第５実施形態のいずれかと重複する説明は省略または簡略し、主に第１実施形態～第５実施形態のいずれとも異なる内容について説明する。
第６実施形態の信号処理方法の手順は図１８又は図１９と同じであるので、その図示を省略する。第６実施形態の信号処理方法では、テンプレート信号生成工程Ｓ１の手順及び処理対象信号生成工程Ｓ２の手順及び相関信号生成工程Ｓ３の手順は第１実施形態～第５実施形態のいずれかと同じである。
第５実施形態と同様、第６実施形態でも、信号処理装置１は、相関信号の波形を分析する波形分析工程Ｓ５を行う。信号処理装置１は、波形分析工程Ｓ５において、相関信号に含まれる周期性を有する信号の周波数又は周期に注目して分析してもよい。ただし、第６実施形態では、波形分析工程Ｓ５の手順が第５実施形態と異なる。
図２６は、第６実施形態における波形分析工程Ｓ５の手順の一例を示すフローチャート図である。
図２６に示すように、まず、信号処理装置１は、相関信号に含まれる周期性を有する信号の複数の特徴点を抽出する（工程Ｓ５０１）。特徴点は、極大点、極小点、変曲点、ゼロクロス点等であってもよい。
次に、信号処理装置１は、工程Ｓ５０１で抽出した複数の特徴点の時間間隔に基づいて、相関信号に含まれる周期性を有する信号の周期を算出し（工程Ｓ５０２）、波形分析工程Ｓ５の処理を終了する。
このように、本実施形態では、信号処理装置１は、波形分析工程Ｓ５において、相関信号に含まれる周期性を有する信号の複数の特徴点の時間間隔に基づいて、当該周期性を有する信号の周期を算出する。
図２７は、図１１に示した相関信号の０秒～０．１秒の波形を拡大した図である。例えば、信号処理装置１は、波形分析工程Ｓ５において、相関信号に含まれる主信号成分の１０周期分離れた２つの極大点Ｐ１，Ｐ２の時間間隔Ｔ１を算出し、主信号成分の周期Ｔ＝Ｔ１×１／１０を計算してもよい。また、信号処理装置１は、相関信号に含まれる主信号成分の１０周期分離れた２つのゼロクロス点Ｐ３，Ｐ４の時間間隔Ｔ２を算出し、主信号成分の周期Ｔ＝Ｔ２×１／１０を計算してもよい。さらに、信号処理装置１は、主信号成分の周波数ｆ＝１／Ｔを計算してもよい。例えば、信号処理装置１は、当該主信号成分の周波数ｆを設計値と比較してドライポンプ２００の劣化を判断してもよい。
第６実施形態における信号処理装置１の構成例は、図２５と同様であるため、その図示を省略する。ただし、波形分析回路１４は、図２６の工程Ｓ５０１，Ｓ５０２を実行する。第６実施形態における信号処理装置１のその他の構成及び機能は、第１実施形態～第５実施形態のいずれかと同様であるため、その説明を省略する。
以上に説明した第６実施形態によれば、相関フィルター処理によって高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られるので、相関信号の波形分析を精度よく行うことができる。特に、第６実施形態によれば、相関フィルター処理によって周期性を有する信号が強調されるため、時間領域での波形分析を精度よく行うことができる。
７．第７実施形態
以下、第７実施形態について、第１実施形態～第６実施形態のいずれかと同様の構成要素には同じ符号を付し、第１実施形態～第６実施形態のいずれかと重複する説明は省略または簡略し、主に第１実施形態～第６実施形態のいずれとも異なる内容について説明する。
図２８は、第７実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート図である。
図２８に示すように、信号処理装置１は、まず、第１実施形態～第６実施形態のいずれかと同様に、テンプレート信号生成工程Ｓ１、処理対象信号生成工程Ｓ２及び相関信号生成工程Ｓ３を行う。
次に、信号処理装置１は、第５実施形態又は第６実施形態と同様に、相関信号の波形を分析する波形分析工程Ｓ５を行う。
次に、信号処理装置１は、波形分析工程Ｓ５の分析結果に基づいて、対象物の異常の有無を判定する異常判定工程Ｓ７を行う。
そして、信号処理が終了するまで（工程Ｓ８のＮ）、信号処理装置１は、工程Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７を繰り返し行う。
図２８の手順では、信号処理が終了するまで、テンプレート信号及び処理対象信号は更新される。
図２９は、第７実施形態の信号処理方法の他の手順を示すフローチャート図である。
図２９に示すように、信号処理装置１は、まず、第１実施形態～第６実施形態のいずれかと同様に、テンプレート信号生成工程Ｓ１、処理対象信号生成工程Ｓ２及び相関信号生成工程Ｓ３を行う。
次に、信号処理装置１は、第５実施形態又は第６実施形態と同様に、相関信号の波形を分析する波形分析工程Ｓ５を行う。
次に、信号処理装置１は、波形分析工程Ｓ５の分析結果に基づいて、対象物の異常の有無を判定する異常判定工程Ｓ７を行う。
そして、信号処理が終了するまで（工程Ｓ８のＮ）、信号処理装置１は、工程Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７を繰り返し行う。
図２９の手順では、信号処理が終了するまで、処理対象信号は更新されるが、テンプレート信号は更新されない。
図２８及び図２９に示すように、本実施形態では、信号処理装置１は、波形分析工程Ｓ５の分析結果に基づいて、対象物の異常の有無を判定する異常判定工程Ｓ７を行う。信号処理装置１は、異常判定工程Ｓ７において、例えば、波形分析工程Ｓ５において算出した、相関信号に含まれる周期性を有する信号の周期又は周波数が所定の範囲に含まれる場合は対象物が正常であると判定し、当該周期又は周波数が所定の範囲に含まれない場合は対象物が異常であると判定してもよい。また、信号処理装置１は、対象物の初期稼働時からの当該周期又は周波数の変化量が所定の範囲に含まれる場合は対象物が正常であると判定し、当該変化量が所定の範囲に含まれない場合は対象物が異常であると判定してもよい。
図３０は、第７実施形態の信号処理方法を実現する信号処理装置１の構成例である。図３０に示すように、信号処理装置１は、処理回路１０、センサー２０、アナログフロントエンド３０、記憶回路４０、操作部５０、表示部６０、音出力部７０、通信部８０を含む。なお、信号処理装置１は、図３０の構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
センサー２０、アナログフロントエンド３０、記憶回路４０、操作部５０、表示部６０、音出力部７０及び通信部８０の構成及び機能は第１実施形態～第６実施形態のいずれかと同様であるため、その説明を省略する。
処理回路１０は、信号処理プログラム４１を実行することにより、テンプレート信号生成回路１１、処理対象信号生成回路１２、相関信号生成回路１３、波形分析回路１４及び異常判定回路１５として機能する。すなわち、信号処理装置１は、テンプレート信号生成回路１１と、処理対象信号生成回路１２と、相関信号生成回路１３と、波形分析回路１４と、異常判定回路１５とを含む。
テンプレート信号生成回路１１、処理対象信号生成回路１２、相関信号生成回路１３の機能は第１実施形態～第４実施形態のいずれかと同様であるため、その説明を省略する。また、波形分析回路１４の機能は第５実施形態又は第６実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
異常判定回路１５は、波形分析回路１４による分析結果に基づいて、対処物の異常の有無を判定する。異常判定回路１５は、例えば、波形分析回路１４が算出した、相関信号４４に含まれる周期性を有する信号の周期又は周波数が所定の範囲に含まれる場合は対象物が正常であると判定し、当該周期又は周波数が所定の範囲に含まれない場合は対象物が異常であると判定してもよい。また、異常判定回路１５は、対象物の初期稼働時からの当該周期又は周波数の変化量が所定の範囲に含まれる場合は対象物が正常であると判定し、当該変化量が所定の範囲に含まれない場合は対象物が異常であると判定してもよい。すなわち、異常判定回路１５は、図２８又は図２９の異常判定工程Ｓ７を実行する。
表示部６０は、処理回路１０から出力される表示信号に基づいて、異常判定回路１５による判定結果の情報を表示してもよい。また、音出力部７０は、処理回路１０から出力される音信号に基づいて、異常判定回路１５による判定結果を示す音を発生させてもよい。また、通信部８０は、異常判定回路１５による判定結果の情報を外部装置に送信してもよい。
以上に説明した第７実施形態によれば、相関フィルター処理によって高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られるので相関信号の波形分析を精度よく行うことができ、精度よく行われた相関信号の波形分析の結果に基づき、対象物の異常の有無を精度よく判定することができる。
８．変形例
上記の各実施形態では、テンプレート信号は、源信号から切り出された信号に窓関数を掛けた信号であるが、源信号から切り出された信号そのものであってもよい。
また、上記の第１実施形態及び第３～第７実施形態では、テンプレート信号の更新頻度と処理対象信号の更新頻度が同じであるが、互いに異なっていてもよい。テンプレート信号の更新頻度が処理対象信号の更新頻度よりも少なくてもよく、例えば、Ｍを２以上の整数として、テンプレート信号の更新頻度が処理対象信号の更新頻度の１／Ｍであってもよ
い。
また、上記の第１実施形態及び第３～第７実施形態では、信号処理装置１がテンプレート信号を生成しているが、信号処理装置１とは異なる装置がテンプレート信号を生成し、信号処理装置１の記憶回路４０に書き込んでもよい。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
上述した実施形態および変形例から以下の内容が導き出される。
信号処理方法の一態様は、
対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号を生成する処理対象信号生成工程と、
前記源信号に基づいて生成された時系列信号であるテンプレート信号と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号を生成する相関信号生成工程と、を含む。
この信号処理方法では、源信号に基づいて生成されたテンプレート信号及び処理対象信号には、信号処理の対象となる対象物の定常状態において生じる物理量と相関のある周期性を有する信号成分が共通に含まれる。そのため、テンプレート信号と処理対象信号との相関フィルター処理によって、当該周期性を有する信号成分は強め合い、包絡線処理を行わずに処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分を検出することができる。
また、当該物理量とは相関のない信号成分のうち、エルゴード性を持つ雑音は弱め合う。そのため、テンプレート信号に含まれる周期性を有する信号成分をその周期の数だけ同期加算したのと同等の効果が得られ、処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分の振幅が小さい場合でも、高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られる。したがって、この信号処理方法によれば、対象物や物理量の取得部の設置場所に対する制約が緩和される。
さらに、この信号処理方法によれば、対象物が定常状態にあるときに信号処理を行うことができるので、対象物の動作状態を変更することなく所望の相関信号を得ることができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記源信号は、周期性を有する複数の信号成分を含み、
前記複数の信号成分は、互いに周期が異なってもよい。
この信号処理方法によれば、対象物が動作周波数の異なる複数の機構を備えることができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記テンプレート信号は、前記複数の信号成分のうちの第１の信号成分の周期よりも長
く、かつ、前記処理対象信号よりも短く、
前記処理対象信号と前記テンプレート信号との長さの差は、前記第１の信号成分の周期よりも長くてもよい。
この信号処理方法によれば、相関信号には第１の信号成分が１周期以上含まれることになるので、第１の信号成分を分析対象とすることができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記テンプレート信号は、前記源信号から切り出された信号に窓関数を掛けた信号であってもよい。
この信号処理方法によれば、テンプレート信号の最初のサンプル値と最後のサンプル値の不連続性に起因するノイズの相関信号への影響を低減することができる。
前記信号処理方法の一態様は、
前記源信号に基づいて、前記テンプレート信号を生成するテンプレート信号生成工程を含んでもよい。
前記信号処理方法の一態様において、
前記テンプレート信号は更新されてもよい。
この信号処理方法によれば、対象物の経時変化によって処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分の周期が変化しても当該信号成分が含まれる相関信号を生成することができる。また、テンプレート信号は更新間隔が短いほど、相関信号に含まれる当該信号成分の強度を大きくすることができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記テンプレート信号は更新されなくてもよい。
この信号処理方法によれば、対象物の経時変化によって処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分の周期や強度が変化すると、相関信号に含まれる当該信号成分の強度が変化するため、対象物の経時変化やその原因等を捉えやすくすることができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記テンプレート信号は、前記源信号から切り出された第１期間の信号に基づく信号であり、
前記処理対象信号は、前記源信号から切り出された前記第１期間と重複しない第２期間の信号に基づく信号であってもよい。
この信号処理方法によれば、テンプレート信号と処理対象信号がまったく同じ信号を含む期間が存在しないので、相関フィルター処理によってノイズ等のエルゴード性を持つ信号成分を効果的に低減される。
前記信号処理方法の一態様において、
前記テンプレート信号と前記処理対象信号とは、サンプリング周期が同じであってもよい。
この信号処理方法によれば、相関フィルター処理において、周波数の異なる信号成分のそれぞれの直交性が担保され、同一周波数の信号成分を正しく抽出することができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記テンプレート信号及び前記処理対象信号の少なくとも一方は、直流成分が除去された信号であってもよい。
この信号処理方法では、相関フィルター処理により得られる相関信号は、テンプレート信号や処理対象信号に含まれる直流成分の相関分だけバイアスされるが、当該バイアスが低減されるため、相関信号の最大値が小さくなり、相関信号のデータ量が小さくなる。したがって、この信号処理方法によれば、相関信号を保持するためのメモリーのサイズを低減することができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記相関フィルター処理は、前記テンプレート信号と前記処理対象信号との積和演算処理であり、
前記相関信号の包絡線と、前記処理対象信号の包絡線とは非線形であってもよい。
この信号処理方法によれば、相関フィルター処理の前後における包絡線の線形性の保持に制約が設けられないので、処理対象信号に含まれるエルゴード性を持つ雑音を効率よく低減することができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記積和演算処理は、前記処理対象信号に対するＦＩＲフィルター処理であり、
前記ＦＩＲフィルター処理の係数は、前記テンプレート信号に基づいて定義されてもよい。
この信号処理方法によれば、相関フィルター処理を簡便に実現することができる。
前記信号処理方法の一態様において、
２以上の整数Ｎに対して、
前記相関信号生成工程では、
前記テンプレート信号を第１のテンプレート信号として、それぞれ前記源信号に基づいて生成された時系列信号である第１～第Ｎのテンプレート信号の各々と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って第１～第Ｎの相関信号を生成し、前記第１～第Ｎの相関信号を加算、平均又は加重平均して前記相関信号を生成してもよい。
この信号処理方法によれば、相関フィルター処理により、第１～第Ｎの相関信号に含まれるエルゴード性を持つ雑音を低減し、さらに、第１～第Ｎの相関信号を加算、平均又は加重平均することでエルゴード性を持つ雑音をさらに低減することができる。したがって、より高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られる。
前記信号処理方法の一態様は、
前記相関信号の波形を分析する波形分析工程を含んでもよい。
この信号処理方法によれば、相関フィルター処理によって高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られるので、相関信号の波形分析を精度よく行うことができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記波形分析工程では、前記相関信号に含まれる周期性を有する信号の周波数又は周期に注目して分析してもよい。
この信号処理方法によれば、相関フィルター処理によって周期性を有する信号が強調さ
れるため、周期性を有する信号の周期又は周波数に注目した波形分析を精度よく行うことができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記波形分析工程では、前記相関信号を周波数解析して前記周波数を算出してもよい。
この信号処理方法によれば、周波数領域での波形分析を精度よく行うことができる。
前記信号処理方法の一態様において、
前記波形分析工程では、前記周期性を有する信号の複数の特徴点の時間間隔に基づいて前記周期を算出してもよい。
この信号処理方法によれば、時間領域での波形分析を精度よく行うことができる。
前記信号処理方法の一態様は、
前記波形分析工程の分析結果に基づいて、前記対象物の異常の有無を判定する異常判定工程を含んでもよい。
この信号処理方法によれば、精度よく行われた相関信号の波形分析の結果に基づき、対象物の異常の有無を精度よく判定することができる。
信号処理装置の一態様は、
対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号を生成する処理対象信号回路と、
前記源信号に基づいて生成された時系列信号であるテンプレート信号を記憶する記憶回路と、
前記テンプレート信号と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号を生成する相関信号生成回路と、を含む。
この信号処理装置では、源信号に基づいて生成されたテンプレート信号及び処理対象信号には、信号処理の対象となる対象物の定常状態において生じる物理量と相関のある周期性を有する信号成分が共通に含まれる。そのため、テンプレート信号と処理対象信号との相関フィルター処理によって、当該周期性を有する信号成分は強め合い、包絡線処理を行わずに処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分を検出することができる。
また、当該物理量とは相関のない信号成分のうち、エルゴード性を持つ雑音は弱め合う。そのため、テンプレート信号に含まれる周期性を有する信号成分をその周期の数だけ同期加算したのと同等の効果が得られ、処理対象信号に含まれる周期性を有する信号成分の振幅が小さい場合でも、高いＳ／Ｎ比を有する相関信号が得られる。したがって、この信号処理装置によれば、対象物や物理量の取得部の設置場所に対する制約が緩和される。
さらに、この信号処理装置によれば、対象物が定常状態にあるときに信号処理を行うことができるので、対象物の動作状態を変更することなく所望の相関信号を得ることができる。
１…信号処理装置、１０…処理回路、１１…テンプレート信号生成回路、１２…処理対象信号生成回路、１３…相関信号生成回路、１４…波形分析回路、１５…異常判定回路、２０…センサー、３０…アナログフロントエンド、４０…記憶回路、４１…信号処理プログラム、４２…テンプレート信号、４３…処理対象信号、４４…相関信号、５０…操作部、
６０…表示部、７０…音出力部、８０…通信部、２００…ドライポンプ、２１０…ブースターポンプ、２１１…第１ポンプ室、２２０…メインポンプ、２２１…第２ポンプ室

Claims (19)

  1. 対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号を生成する処理対象信号生成工程と、
    前記源信号に基づいて生成された時系列信号であるテンプレート信号と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号を生成する相関信号生成工程と、を含む、信号処理方法。
  2. 請求項１において、
    前記源信号は、周期性を有する複数の信号成分を含み、
    前記複数の信号成分は、互いに周期が異なる、信号処理方法。
  3. 請求項２において、
    前記テンプレート信号は、前記複数の信号成分のうちの第１の信号成分の周期よりも長く、かつ、前記処理対象信号よりも短く、
    前記処理対象信号と前記テンプレート信号との長さの差は、前記第１の信号成分の周期よりも長い、信号処理方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
    前記テンプレート信号は、前記源信号から切り出された信号に窓関数を掛けた信号である、信号処理方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
    前記源信号に基づいて、前記テンプレート信号を生成するテンプレート信号生成工程を含む、信号処理方法。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記テンプレート信号は更新される、信号処理方法。
  7. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
    前記テンプレート信号は更新されない、信号処理方法。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一項において、
    前記テンプレート信号は、前記源信号から切り出された第１期間の信号に基づく信号であり、
    前記処理対象信号は、前記源信号から切り出された前記第１期間と重複しない第２期間の信号に基づく信号である、信号処理方法。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項において、
    前記テンプレート信号と前記処理対象信号とは、サンプリング周期が同じである、信号処理方法。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一項において、
    前記テンプレート信号及び前記処理対象信号の少なくとも一方は、直流成分が除去された信号である、信号処理方法。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一項において、
    前記相関フィルター処理は、前記テンプレート信号と前記処理対象信号との積和演算処理であり、
    前記相関信号の包絡線と、前記処理対象信号の包絡線とは非線形である、信号処理方法
    。
  12. 請求項１１において、
    前記積和演算処理は、前記処理対象信号に対するＦＩＲフィルター処理であり、
    前記ＦＩＲフィルター処理の係数は、前記テンプレート信号に基づいて定義される、信号処理方法。
  13. 請求項１乃至１２のいずれか一項において、
    ２以上の整数Ｎに対して、
    前記相関信号生成工程では、
    前記テンプレート信号を第１のテンプレート信号として、それぞれ前記源信号に基づいて生成された時系列信号である第１～第Ｎのテンプレート信号の各々と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って第１～第Ｎの相関信号を生成し、前記第１～第Ｎの相関信号を加算、平均又は加重平均して前記相関信号を生成する、信号処理方法。
  14. 請求項１乃至１３のいずれか一項において、
    前記相関信号の波形を分析する波形分析工程を含む、信号処理方法。
  15. 請求項１４において、
    前記波形分析工程では、前記相関信号に含まれる周期性を有する信号の周波数又は周期に注目して分析する、信号処理方法。
  16. 請求項１５において、
    前記波形分析工程では、前記相関信号を周波数解析して前記周波数を算出する、信号処理方法。
  17. 請求項１５において、
    前記波形分析工程では、前記周期性を有する信号の複数の特徴点の時間間隔に基づいて前記周期を算出する、信号処理方法。
  18. 請求項１４乃至１７のいずれか一項において、
    前記波形分析工程の分析結果に基づいて、前記対象物の異常の有無を判定する異常判定工程を含む、信号処理方法。
  19. 対象物の定常状態において生じる物理量に応じた時系列信号である源信号に基づいて、時系列信号である処理対象信号を生成する処理対象信号回路と、
    前記源信号に基づいて生成された時系列信号であるテンプレート信号を記憶する記憶回路と、
    前記テンプレート信号と前記処理対象信号との相関フィルター処理を行って、時系列信号である相関信号を生成する相関信号生成回路と、を含む、信号処理装置。
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