JP3730435B2 - 波形信号解析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波形信号にウェーブレット変換を施して時間−周波数解析を行う波形信号解析装置に係り、とりわけ、波形信号の周期性を検出して当該周期で波形信号を分割し、分割された波形信号のウェーブレット変換結果を容易に比較することができる波形信号解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の有力な波形信号解析装置として、波形信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施すＦＦＴアナライザが知られている。これは、入力波形に含まれる周波数成分をフーリエスペクトル強度として解析表示する装置であり、フーリエスペクトルの分布から、入力波形に異常な周波数成分が含まれているかどうかをチェックすることができる。
【０００３】
但し、ＦＦＴは、変換結果に時間（位相）情報を持たない解析方法であるため、入力波形の解析対象時間内に含まれる同じ周波数成分毎の合計値の分布を示すに止まり、各周波数成分の発生時刻情報を得ることはできない。
【０００４】
従来において、周波数成分の時系列の変化を知りたい場合には、窓関数を用いた短時間フーリエ変換によって、解析対象波形を微小時間だけ切り出し各時刻におけるフーリエスペクトルを時間軸方向に時系列に並べて表示させることで、時間−周波数解析を実現させている。
【０００５】
また近年、短時間フーリエ変換と同様に、時間情報と周波数情報の両方を取り扱う事ができる時間−周波数解析の手法として、ウェーブレット変換が提案され、普及が進んでいる。
【０００６】
ウェーブレット変換は、マザーウェーブレットと呼ばれる局在関数のスケールパラメータ（周波数）とシフトパラメータ（時間）とを独立に変えながら、対象波形との内積をとり、対象波形を時間−周波数スペクトルに変換する信号処理方法である。
【０００７】
ウェーブレット変換の利点は、対象波形内に存在する様々な周波数成分について、その発生時刻と強度との両方を求めることができることである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ウェーブレット変換の変換結果の表示方法については、時間−周波数分布を、例えば時間−周波数平面に強度軸を立てた３次元表示や、時間−周波数平面上で強度を段階的に色分けした等高線図状の表示とすることができる。このような表示は、対象波形の特徴成分の検出、判別のために非常に有効である。
【０００９】
ここで、時間−周波数解析の対象とする入力波形が、電源波形などの何らかのパイロット信号に同期した特徴をもつ場合には、この信号の周期で入力波形を分割してウェーブレット変換することで、パイロット信号の位相と解析対象波形との相関を明確に調べることができる。従って、パイロット信号の周期を一区間（一単位）の解析時間範囲として選択して時間−周波数解析をすることが有効である。
【００１０】
そして、解析対象波形内の異常を検出したい場合は、前記のように連続的に分割した解析対象波形をそれぞれウェーブレット変換し、そのウェーブレット変換結果を視覚化して見比べる方法が有効である。視覚化の具体的な手法としては、変換結果（グラフ）のディスプレイ上での並列表記や、印刷物として並べること等が考えられる。
【００１１】
しかし、このような視覚化の態様では、ウェーブレット変換結果の特徴ピークの時系列の連続的変動を捉えることが極めて困難である。また、長時間の時系列変化を連続的に比較する場合には、連続的に結果を並べるための極めて広いスペースが必要である。
【００１２】
また、予めパイロット信号の周期が分かっていない場合には、ウェーブレット変換による時間−周波数解析の対象波形を適切に分割することができず、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列の挙動を調べることが困難である。
【００１３】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、入力波形信号の周期性を見出して当該周期で波形信号を分割し、分割された波形信号のウェーブレット変換結果の時系列的な変動を容易に比較することができる波形信号解析装置を提供することを目的とする。
【００１４】
あるいは本発明は、ウェーブレット変換結果から波形信号の周期性を見出し、当該周期でウェーブレット変換結果を分割して、ウェーブレット変換結果の時系列的な変動を容易に比較することができる波形信号解析装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、波形信号を入力する入力手段と、入力手段により入力された波形信号の周期を検出する周期検出手段と、周期検出手段で検出した周期に基づいて、波形信号を分割する分割手段と、分割された個々の波形信号をウェーブレット変換するためのウェーブレット変換手段と、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果を時系列に連続表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする波形信号解析装置である。
【００１６】
本発明によれば、周期検出手段によって波形信号の周期が検出され、その周期によって波形信号が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。また、本発明によれば、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての比較、検討を容易に行うことができる。
【００１７】
また、本発明は、波形信号を入力する入力手段と、入力手段により入力された波形信号をウェーブレット変換するウェーブレット変換手段と、ウェーブレット変換手段による変換結果の周期を検出する周期検出手段と、周期検出手段で検出した周期に基づいて、変換結果を分割する分割手段と、分割された変換結果を時系列に連続表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする波形信号解析装置である。
【００１８】
本発明によれば、周期検出手段によってウェーブレット変換結果の周期が検出され、その周期によってウェーブレット変換結果が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。また、本発明によれば、分割されたウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、分割された各ウェーブレット変換結果についての比較、検討を容易に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施の形態による波形信号解析装置を示す構成概略図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の波形信号解析装置１は、波形信号を入力する入力手段１０と、入力手段１０により入力された波形信号の周期性を検出する周期検出手段２０と、周期検出手段２０で検出した周期によって波形信号を分割する分割手段３０とを備えている。
【００２１】
本実施の形態の周期検出手段２０は、入力手段１０により入力された波形信号にフーリエ変換を施してフーリエスペクトルを得るフーリエ変換部２１と、フーリエ変換部２１により得られたフーリエスペクトルから、その強度の最も大きいピーク間隔を波形信号の周期として識別する周期識別部２２とを有している。
【００２２】
また、本実施の形態の分割手段３０は、周期検出手段２０で検出した周期を整数倍して分割周期とする周期設定部３１を有している。この「整数倍」のための「整数」は、操作者によって適宜に選択されるようになっている。
【００２３】
分割手段３０には、分割された個々の波形信号をウェーブレット変換するためのウェーブレット変換手段４０が接続され、ウェーブレット変換手段４０には、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果を時系列に連続表示する表示手段５０が接続されている。
【００２４】
本実施の形態のウェーブレット変換手段４０は、マザーウェーブレットの種類を指定するマザーウェーブレット選択部４１と、ウェーブレット変換の対象とする時間領域を指定するウェーブレット変換範囲指定部４２と、ウェーブレット変換のスケールパラメータ及びシフトパラメータを設定する変換パラメータ設定部４３と、ウェーブレット係数を計算するウェーブレット演算部４４と、ウェーブレット変換結果を出力する出力部４５とを有している。
【００２５】
本実施の形態の表示手段５０は、ウェーブレット変換結果の強度について、設定数値範囲毎に異なる色で分けて表示するようになっている。設定数値範囲は、操作者によって適宜に複数が設定され、結果として等高線図状の表示が得られるようになっている。
【００２６】
また、本実施の形態の表示手段５０は、複数のウェーブレット変換結果を、指定した周波数領域毎に統合して表示可能となっている。
【００２７】
また、本実施の形態の表示手段５０は、表示画面５１と、表示画面中の任意の位置を指定するためのマーカー操作部５２とを有している。そして、マーカー操作部５２によって表示画面５１中に表示されたウェーブレット変換結果が指定された場合、その指定されたウェーブレット変換結果についての時刻、周波数及び強度が表示画面５１中に表示されるようになっている。
【００２８】
また、本実施の形態の表示手段５０は、時系列の異なるウェーブレット変換結果の差分、変化率及び全変換結果の平均を計算する演算部５３を有している。そして、演算部５３による計算結果は、表示画面５１中に表示されるようになっている。
【００２９】
さらに本実施の形態の表示手段５０は、ウェーブレット変換結果の周波数軸での断面である「指定する周波数におけるピーク強度の時間変化」もしくは、時間軸での断面である「指定する時刻での各周波数成分のピーク強度分布」を表示可能となっている。
【００３０】
その他、本実施の形態の波形信号解析装置１は、表示手段５０に、診断手段６０が接続されている。診断手段６０は。診断対象種毎に定められている診断アルゴリズムが記憶された記憶部６２と、記憶部６２に記憶された診断アルゴリズムを用いて表示手段５０の出力状態を判定する状態判定部６１とを有している。状態判定部６１は、具体的には、例えば解析対象信号の発信源の異常度等を判定することができる。また、判定結果についても、記憶部６２に記憶可能である。
【００３１】
次に、このような構成からなる本実施の形態の波形信号解析装置の作用について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態の波形信号解析装置１の作用の一例を説明する図である。
【００３２】
まず、入力手段１０において、解析対象となる波形信号ｆ（ｔ）が入力される。
【００３３】
次に周期検出手段２０において、フーリエ変換部２１が入力波形信号をフーリエ変換し、周期識別部２２がフーリエ変換部２１により得られたフーリエスペクトルから、その強度の最も大きいピーク間隔を周期として識別する。図２に示す例では、波形信号ｆ（ｔ）が電源波形などのパイロット信号と同期する特徴を有しており、パイロット信号の周期ｔ１ が波形信号ｆ（ｔ）の周期として識別される。
【００３４】
次に、分割手段３０の周期設定部３１が、周期識別部２２によって設定された周期の整数倍で分割周期を定義する。この「整数倍」のための「整数」は、操作者によって適宜に選択される。分割周期が定義された後、その分割周期によって解析対象波形が分割される。図２に示す例では、識別された周期ｔ１ の等倍（１倍）に分割周期が定義され、波形信号ｆ（ｔ）が周期ｔ１ 毎に分割される。
【００３５】
分割された個々の波形信号は、ウェーブレット変換手段４０によって、それぞれウェーブレット変換が施される。ウェーブレット変換式を以下に示す。
【００３６】
【数１】
ウェーブレット変換手段４０においては、まずマザーウェーブレット選択部４１が、入力波形の特徴を検出し易いマザーウェーブレットψ* （（ｔ−ｂ）／ａ）を選択する。変換範囲指定部４２は、分割された各々の入力波形を指定する。変換パラメータ設定部４３は、ウェーブレット変換のスケールパラメータ及びシフトパラメータを適宜に設定する。そして、ウェーブレット演算部４４が、ウェーブレット係数を計算し、出力部４５からこれを表示手段５０に出力する。これにより、それぞれの分割領域毎の時間−周波数解析が実現される。
【００３７】
出力部４５から出力される各ウェーブレット変換結果、すなわち、それぞれの分割領域毎の時間−周波数解析結果は、図２に示すように、表示手段５０によって時系列に連続に動画表示される。
【００３８】
本実施の形態の表示手段５０は、図２に示すように、３次元情報である時間−周波数解析結果を、時間−周波数２次元平面において、強度について設定数値範囲毎に異なる色で分けて等高線図状に表示する。
【００３９】
ここで、本実施の形態による表示手段５０の各種の機能について、図３乃至図６を用いて説明する。
【００４０】
本実施の形態の表示手段５０は、図３に示すように、複数のウェーブレット変換結果を、指定した周波数領域毎に統合して表示することが可能である（複数変換結果統合表示機能）。この複数変換結果統合表示機能は、同時に測定した複数の入力波形信号をすべて等しい周期で分割して、それぞれのウェーブレット変換結果を統合して表示する場合に有効である。
【００４１】
図３を用いて、複数変換結果統合表示機能を具体的に説明する。図３（ａ）に示すように、例えばある対象物にセンサ１〜４が取り付けられ、その対象物が発生する波形信号が各センサ１〜４で同時に測定されると、図３（ｂ）に示すように、それぞれのセンサ信号のウェーブレット変換結果が各々別個に演算される。
【００４２】
表示手段５０は、例えばセンサ１〜４の時刻０〜ｔ及び時刻ｔ〜２ｔにおけるウェーブレット変換結果を、２００Ｈｚ〜４００Ｈｚの周波数領域と４００Ｈｚ〜８００Ｈｚの周波数領域とに分け、図３（ｃ）に示すように、それぞれを統合して表示する。この場合、２００Ｈｚ〜４００Ｈｚの周波数領域では特徴的な等高線表示が得られ、４００Ｈｚ〜８００Ｈｚの周波数領域では何のピークも見られない。また、時刻０〜ｔの結果と時刻ｔ〜２ｔの結果は連続動画表示されるが、２００Ｈｚ〜４００Ｈｚの周波数領域についての等高線図表示はその表示位置が変化する一方、４００Ｈｚ〜８００Ｈｚの周波数領域について何の変化も現れない。
【００４３】
このように、複数信号のウェーブレット変換結果を統合表示することにより、複数信号の表示情報をあたかも一つの表示情報として認識し、対象毎の状態比較や特徴抽出をより容易に行うことが可能となる。また、対象物について空間的な情報をとらえることができたり、不必要な情報の効率的な省略化なども可能となる。さらには、複数の入力波形信号の時間−周波数分布の相対的変動を調べることもでき、入力波形間の相関も分かる。
【００４４】
また本実施の形態の表示手段５０は、図４に示すように、マーカー操作部５２によって表示画面５１中に表示されたウェーブレット変換結果が指定された場合、そのウェーブレット変換結果の時刻、周波数及び強度を表示画面５１中に表示することができる（マーカー機能）。
【００４５】
このマーカー機能は、表示画面５１中のウェーブレット変換結果やその他の数値情報を速やかに表示させる機能である。図４に示す例では、数値情報を知りたい表示画面５１中の点をマーカー操作部５２の操作により矢印形のポインタによってマークすると、矢印形のポインタが示す位置に表示されている情報についての詳細（座標や強度など）が速やかに表示画面５１中に表示される。
【００４６】
このマーカー機能により、ウェーブレット変換で求めた時間−周波数分布の各ピークの数値情報、例えばピーク間の時間差（位相差）や強度差などを容易に得ることができる。
【００４７】
さらに表示手段５０は、図５に示すように、時系列のウェーブレット変換結果の差分、変化率、さらには全変換結果の平均等を演算部５３により計算して、表示画面５１中に表示させることができる（演算機能）。
【００４８】
この演算機能は、ウェーブレット変換結果の異なる２画像間の差分や変化率、各ウェーブレット変換結果の絶対値、全変換結果の平均などを計算して表示する機能である。図５に示す例では、２つの時間−周波数分布画像のピーク強度の差をとって差分を表示したり、２つの画像の差分を時系列的に早い画像の強度で割ることで変化率を演算、表示している。
【００４９】
この演算機能により、ウェーブレット変換結果の時間変化分等の特徴等を抽出して表示することができるので、時間−周波数分布の傾向解析がより容易になる。
【００５０】
また表示手段５０は、図６に示すように、ウェーブレット変換結果の周波数軸での断面である「指定する周波数におけるピーク強度の時間変化」もしくは、時間軸での断面である「指定する時刻での各周波数成分のピーク強度分布」を表示することも可能である（断面表示機能）。
【００５１】
この断面表示機能は、ウェーブレット変換結果の周波数軸での断面や時間軸での断面を表示する機能である。図６に示す例では、「指定周波数νＨｚ成分強度の時間変化」や「指定時刻ｔ1 ｓｅｃ（位相θｒａｄ）における周波数成分のピーク強度分布」を表示している。
【００５２】
この断面表示機能も、時間−周波数分布の傾向解析にとって効果的である。
【００５３】
表示手段５０に表示された解析結果に基づいて、診断手段６０が波形信号の発信源の異常等を判定する。具体的には、記憶部６２に記憶された診断対象種毎に定められている診断アルゴリズムを用いて、状態判定部６１が表示手段５０に出力された解析結果を判定する。判定結果は、記憶部６２に記憶される。
【００５４】
以上のように本実施の形態によれば、周期検出手段２０によって波形信号の周期が検出され、その周期によって波形信号ｆ（ｔ）が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果が表示手段５０によって時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての比較、検討を容易に行うことができる。
【００５６】
また本実施の形態によれば、周期設定部３１によって、一度に表示する時間領域を周期性を保ちながら拡大できるので、解析時間周波数分布の時系列変化を大まかに解析することも可能である。
【００５７】
また本実施の形態によれば、マザーウェーブレット変換手段４０によって、解析対象波形の時間−周波数解析にもっとも有効なマザーウェーブレット関数を選択することができるので、時間−周波数分布内の特徴成分の抽出感度を上げることができる。また、変換時間範囲とスケールパラメータ及びシフトパラメータを自由に変えられるので、ウェーブレット係数の演算における計算量の効率化を図ることができる。
【００５８】
また本実施の形態の表示手段５０には、前述のような種々の便利な機能が付加されており、ウェーブレット変換結果のピークの特徴抽出や傾向解析を容易に行うことができ、解析波形に含まれる異常などを判断しやすい表示が実現できる。
【００５９】
また本実施の形態の波形信号解析装置１は、診断装置６０により、波形信号の状態の正常あるいは異常の判定、異常モードの特定、異常の度合い判定などが可能である。また、必要なデータベースを記憶部６２内に取り揃えることにより、波形信号による異常診断対象を拡張することができる。
【００６０】
なお、周期検出手段２０は、フーリエ変換部２１を有する代わりに、入力波形信号のピーク値を検出する等の機能を有していてもよい。この場合、ピーク値の間隔から、ウェーブレット変換結果を動画表示するのに最適な分割周期を設定することができる。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施の形態の波形信号解析装置について図７を用いて説明する。図７は、第２の実施の形態の波形信号解析装置の概略構成図である。
【００６２】
図７に示すように、本実施の形態の波形信号解析装置１’は、ウェーブレット変換手段４０’が直接入力手段１０に接続され、入力手段１０により入力された波形信号をそのままウェーブレット変換するようになっており、周期検出手段２０’は、入力波形信号ではなくウェーブレット変換手段４０’による変換結果の周期性を検出するようになっており、分割手段３０’は、周期検出手段２０’で検出した周期によって、入力波形信号ではなく変換結果を分割するようになっている。
【００６３】
その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同様の構成である。第２の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６４】
周期検出手段２０’は、例えば、ウェーブレット変換結果にフーリエ変換を施してフーリエスペクトルを得るフーリエ変換部２１’と、フーリエ変換部２１’により求められたフーリエスペクトルから、その強度の最も大きいピーク間隔を分割周期として識別する周期識別部２２’とを有する。具体的には、図８に示すように、フーリエ変換部２１’がウェーブレット変換結果に基づいて特徴的な指定周波数νＨｚ（例えば、ピークが多く出現していると思われる周波数）を指定し、その時間変化に対してフーリエ変換（ＦＦＴ）を施し、その結果から周期識別部２２’が分割周期を識別する。
【００６５】
あるいは周期検出手段２０’は、ウェーブレット変換結果において、図９に示すように、指定した時間−周波数領域、例えばピーク強度が指定したしきい値を超える時間周波数領域（危険領域）内の最大値ｔb や最小値、重心ｔc 、指定領域開始時刻ｔa または指定領域終了時刻ｔd を検出し、これから分割周期を求めても良い。この場合、分割周期は不定周期となる場合がある。
【００６６】
本実施の形態によれば、周期検出手段２０’によってウェーブレット変換結果の周期が検出され、その周期によってウェーブレット変換結果が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、分割されたウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての検討を容易に行うことができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、周期検出手段によって波形信号の周期性が検出され、その周期によって波形信号が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。また、本発明によれば、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての検討を容易に行うことができる。
【００６９】
あるいは本発明によれば、周期検出手段によってウェーブレット変換結果の周期性が検出され、その周期によってウェーブレット変換結果が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。また、本発明によれば、分割されたウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての検討を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波形信号解析装置の第１の実施の形態を示す構成概略図。
【図２】図１の波形信号解析装置の作用を説明する図。
【図３】図１の表示手段の複数変換結果統合表示機能を説明する図。
【図４】図１の表示手段のマーカー機能を説明する図。
【図５】図１の表示手段の演算機能を説明する図。
【図６】図１の表示手段の断面表示機能を説明する図。
【図７】本発明による波形信号解析装置の第２の実施の形態を示す構成概略図。
【図８】図７の周期検出手段の一例の作用を説明する図。
【図９】図７の周期検出手段の他の例の作用を説明する図。
【符号の説明】
１、１’ 波形信号解析装置
１０ 入力手段
２０、２０’ 周期検出手段
２１、２１’ フーリエ変換部
２２、２２’ 周期識別部
３０、３０’ 分割手段
３１、３１’ 周期設定部
４０、４０’ ウェーブレット変換手段
４１ マザーウェーブレット選択部
４２ 変換範囲指定部
４３ 変換パラメータ設定部
４４ ウェーブレット演算部
４５ 出力部
５０ 表示手段
５１ 表示画面
５２ マーカー操作部
５３ 演算部
６０ 診断手段
６１ 状態判定部
６２ 記憶部
【発明の属する技術分野】
本発明は、波形信号にウェーブレット変換を施して時間−周波数解析を行う波形信号解析装置に係り、とりわけ、波形信号の周期性を検出して当該周期で波形信号を分割し、分割された波形信号のウェーブレット変換結果を容易に比較することができる波形信号解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の有力な波形信号解析装置として、波形信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施すＦＦＴアナライザが知られている。これは、入力波形に含まれる周波数成分をフーリエスペクトル強度として解析表示する装置であり、フーリエスペクトルの分布から、入力波形に異常な周波数成分が含まれているかどうかをチェックすることができる。
【０００３】
但し、ＦＦＴは、変換結果に時間（位相）情報を持たない解析方法であるため、入力波形の解析対象時間内に含まれる同じ周波数成分毎の合計値の分布を示すに止まり、各周波数成分の発生時刻情報を得ることはできない。
【０００４】
従来において、周波数成分の時系列の変化を知りたい場合には、窓関数を用いた短時間フーリエ変換によって、解析対象波形を微小時間だけ切り出し各時刻におけるフーリエスペクトルを時間軸方向に時系列に並べて表示させることで、時間−周波数解析を実現させている。
【０００５】
また近年、短時間フーリエ変換と同様に、時間情報と周波数情報の両方を取り扱う事ができる時間−周波数解析の手法として、ウェーブレット変換が提案され、普及が進んでいる。
【０００６】
ウェーブレット変換は、マザーウェーブレットと呼ばれる局在関数のスケールパラメータ（周波数）とシフトパラメータ（時間）とを独立に変えながら、対象波形との内積をとり、対象波形を時間−周波数スペクトルに変換する信号処理方法である。
【０００７】
ウェーブレット変換の利点は、対象波形内に存在する様々な周波数成分について、その発生時刻と強度との両方を求めることができることである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ウェーブレット変換の変換結果の表示方法については、時間−周波数分布を、例えば時間−周波数平面に強度軸を立てた３次元表示や、時間−周波数平面上で強度を段階的に色分けした等高線図状の表示とすることができる。このような表示は、対象波形の特徴成分の検出、判別のために非常に有効である。
【０００９】
ここで、時間−周波数解析の対象とする入力波形が、電源波形などの何らかのパイロット信号に同期した特徴をもつ場合には、この信号の周期で入力波形を分割してウェーブレット変換することで、パイロット信号の位相と解析対象波形との相関を明確に調べることができる。従って、パイロット信号の周期を一区間（一単位）の解析時間範囲として選択して時間−周波数解析をすることが有効である。
【００１０】
そして、解析対象波形内の異常を検出したい場合は、前記のように連続的に分割した解析対象波形をそれぞれウェーブレット変換し、そのウェーブレット変換結果を視覚化して見比べる方法が有効である。視覚化の具体的な手法としては、変換結果（グラフ）のディスプレイ上での並列表記や、印刷物として並べること等が考えられる。
【００１１】
しかし、このような視覚化の態様では、ウェーブレット変換結果の特徴ピークの時系列の連続的変動を捉えることが極めて困難である。また、長時間の時系列変化を連続的に比較する場合には、連続的に結果を並べるための極めて広いスペースが必要である。
【００１２】
また、予めパイロット信号の周期が分かっていない場合には、ウェーブレット変換による時間−周波数解析の対象波形を適切に分割することができず、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列の挙動を調べることが困難である。
【００１３】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、入力波形信号の周期性を見出して当該周期で波形信号を分割し、分割された波形信号のウェーブレット変換結果の時系列的な変動を容易に比較することができる波形信号解析装置を提供することを目的とする。
【００１４】
あるいは本発明は、ウェーブレット変換結果から波形信号の周期性を見出し、当該周期でウェーブレット変換結果を分割して、ウェーブレット変換結果の時系列的な変動を容易に比較することができる波形信号解析装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、波形信号を入力する入力手段と、入力手段により入力された波形信号の周期を検出する周期検出手段と、周期検出手段で検出した周期に基づいて、波形信号を分割する分割手段と、分割された個々の波形信号をウェーブレット変換するためのウェーブレット変換手段と、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果を時系列に連続表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする波形信号解析装置である。
【００１６】
本発明によれば、周期検出手段によって波形信号の周期が検出され、その周期によって波形信号が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。また、本発明によれば、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての比較、検討を容易に行うことができる。
【００１７】
また、本発明は、波形信号を入力する入力手段と、入力手段により入力された波形信号をウェーブレット変換するウェーブレット変換手段と、ウェーブレット変換手段による変換結果の周期を検出する周期検出手段と、周期検出手段で検出した周期に基づいて、変換結果を分割する分割手段と、分割された変換結果を時系列に連続表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする波形信号解析装置である。
【００１８】
本発明によれば、周期検出手段によってウェーブレット変換結果の周期が検出され、その周期によってウェーブレット変換結果が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。また、本発明によれば、分割されたウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、分割された各ウェーブレット変換結果についての比較、検討を容易に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施の形態による波形信号解析装置を示す構成概略図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の波形信号解析装置１は、波形信号を入力する入力手段１０と、入力手段１０により入力された波形信号の周期性を検出する周期検出手段２０と、周期検出手段２０で検出した周期によって波形信号を分割する分割手段３０とを備えている。
【００２１】
本実施の形態の周期検出手段２０は、入力手段１０により入力された波形信号にフーリエ変換を施してフーリエスペクトルを得るフーリエ変換部２１と、フーリエ変換部２１により得られたフーリエスペクトルから、その強度の最も大きいピーク間隔を波形信号の周期として識別する周期識別部２２とを有している。
【００２２】
また、本実施の形態の分割手段３０は、周期検出手段２０で検出した周期を整数倍して分割周期とする周期設定部３１を有している。この「整数倍」のための「整数」は、操作者によって適宜に選択されるようになっている。
【００２３】
分割手段３０には、分割された個々の波形信号をウェーブレット変換するためのウェーブレット変換手段４０が接続され、ウェーブレット変換手段４０には、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果を時系列に連続表示する表示手段５０が接続されている。
【００２４】
本実施の形態のウェーブレット変換手段４０は、マザーウェーブレットの種類を指定するマザーウェーブレット選択部４１と、ウェーブレット変換の対象とする時間領域を指定するウェーブレット変換範囲指定部４２と、ウェーブレット変換のスケールパラメータ及びシフトパラメータを設定する変換パラメータ設定部４３と、ウェーブレット係数を計算するウェーブレット演算部４４と、ウェーブレット変換結果を出力する出力部４５とを有している。
【００２５】
本実施の形態の表示手段５０は、ウェーブレット変換結果の強度について、設定数値範囲毎に異なる色で分けて表示するようになっている。設定数値範囲は、操作者によって適宜に複数が設定され、結果として等高線図状の表示が得られるようになっている。
【００２６】
また、本実施の形態の表示手段５０は、複数のウェーブレット変換結果を、指定した周波数領域毎に統合して表示可能となっている。
【００２７】
また、本実施の形態の表示手段５０は、表示画面５１と、表示画面中の任意の位置を指定するためのマーカー操作部５２とを有している。そして、マーカー操作部５２によって表示画面５１中に表示されたウェーブレット変換結果が指定された場合、その指定されたウェーブレット変換結果についての時刻、周波数及び強度が表示画面５１中に表示されるようになっている。
【００２８】
また、本実施の形態の表示手段５０は、時系列の異なるウェーブレット変換結果の差分、変化率及び全変換結果の平均を計算する演算部５３を有している。そして、演算部５３による計算結果は、表示画面５１中に表示されるようになっている。
【００２９】
さらに本実施の形態の表示手段５０は、ウェーブレット変換結果の周波数軸での断面である「指定する周波数におけるピーク強度の時間変化」もしくは、時間軸での断面である「指定する時刻での各周波数成分のピーク強度分布」を表示可能となっている。
【００３０】
その他、本実施の形態の波形信号解析装置１は、表示手段５０に、診断手段６０が接続されている。診断手段６０は。診断対象種毎に定められている診断アルゴリズムが記憶された記憶部６２と、記憶部６２に記憶された診断アルゴリズムを用いて表示手段５０の出力状態を判定する状態判定部６１とを有している。状態判定部６１は、具体的には、例えば解析対象信号の発信源の異常度等を判定することができる。また、判定結果についても、記憶部６２に記憶可能である。
【００３１】
次に、このような構成からなる本実施の形態の波形信号解析装置の作用について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態の波形信号解析装置１の作用の一例を説明する図である。
【００３２】
まず、入力手段１０において、解析対象となる波形信号ｆ（ｔ）が入力される。
【００３３】
次に周期検出手段２０において、フーリエ変換部２１が入力波形信号をフーリエ変換し、周期識別部２２がフーリエ変換部２１により得られたフーリエスペクトルから、その強度の最も大きいピーク間隔を周期として識別する。図２に示す例では、波形信号ｆ（ｔ）が電源波形などのパイロット信号と同期する特徴を有しており、パイロット信号の周期ｔ１ が波形信号ｆ（ｔ）の周期として識別される。
【００３４】
次に、分割手段３０の周期設定部３１が、周期識別部２２によって設定された周期の整数倍で分割周期を定義する。この「整数倍」のための「整数」は、操作者によって適宜に選択される。分割周期が定義された後、その分割周期によって解析対象波形が分割される。図２に示す例では、識別された周期ｔ１ の等倍（１倍）に分割周期が定義され、波形信号ｆ（ｔ）が周期ｔ１ 毎に分割される。
【００３５】
分割された個々の波形信号は、ウェーブレット変換手段４０によって、それぞれウェーブレット変換が施される。ウェーブレット変換式を以下に示す。
【００３６】
【数１】
【００３７】
出力部４５から出力される各ウェーブレット変換結果、すなわち、それぞれの分割領域毎の時間−周波数解析結果は、図２に示すように、表示手段５０によって時系列に連続に動画表示される。
【００３８】
本実施の形態の表示手段５０は、図２に示すように、３次元情報である時間−周波数解析結果を、時間−周波数２次元平面において、強度について設定数値範囲毎に異なる色で分けて等高線図状に表示する。
【００３９】
ここで、本実施の形態による表示手段５０の各種の機能について、図３乃至図６を用いて説明する。
【００４０】
本実施の形態の表示手段５０は、図３に示すように、複数のウェーブレット変換結果を、指定した周波数領域毎に統合して表示することが可能である（複数変換結果統合表示機能）。この複数変換結果統合表示機能は、同時に測定した複数の入力波形信号をすべて等しい周期で分割して、それぞれのウェーブレット変換結果を統合して表示する場合に有効である。
【００４１】
図３を用いて、複数変換結果統合表示機能を具体的に説明する。図３（ａ）に示すように、例えばある対象物にセンサ１〜４が取り付けられ、その対象物が発生する波形信号が各センサ１〜４で同時に測定されると、図３（ｂ）に示すように、それぞれのセンサ信号のウェーブレット変換結果が各々別個に演算される。
【００４２】
表示手段５０は、例えばセンサ１〜４の時刻０〜ｔ及び時刻ｔ〜２ｔにおけるウェーブレット変換結果を、２００Ｈｚ〜４００Ｈｚの周波数領域と４００Ｈｚ〜８００Ｈｚの周波数領域とに分け、図３（ｃ）に示すように、それぞれを統合して表示する。この場合、２００Ｈｚ〜４００Ｈｚの周波数領域では特徴的な等高線表示が得られ、４００Ｈｚ〜８００Ｈｚの周波数領域では何のピークも見られない。また、時刻０〜ｔの結果と時刻ｔ〜２ｔの結果は連続動画表示されるが、２００Ｈｚ〜４００Ｈｚの周波数領域についての等高線図表示はその表示位置が変化する一方、４００Ｈｚ〜８００Ｈｚの周波数領域について何の変化も現れない。
【００４３】
このように、複数信号のウェーブレット変換結果を統合表示することにより、複数信号の表示情報をあたかも一つの表示情報として認識し、対象毎の状態比較や特徴抽出をより容易に行うことが可能となる。また、対象物について空間的な情報をとらえることができたり、不必要な情報の効率的な省略化なども可能となる。さらには、複数の入力波形信号の時間−周波数分布の相対的変動を調べることもでき、入力波形間の相関も分かる。
【００４４】
また本実施の形態の表示手段５０は、図４に示すように、マーカー操作部５２によって表示画面５１中に表示されたウェーブレット変換結果が指定された場合、そのウェーブレット変換結果の時刻、周波数及び強度を表示画面５１中に表示することができる（マーカー機能）。
【００４５】
このマーカー機能は、表示画面５１中のウェーブレット変換結果やその他の数値情報を速やかに表示させる機能である。図４に示す例では、数値情報を知りたい表示画面５１中の点をマーカー操作部５２の操作により矢印形のポインタによってマークすると、矢印形のポインタが示す位置に表示されている情報についての詳細（座標や強度など）が速やかに表示画面５１中に表示される。
【００４６】
このマーカー機能により、ウェーブレット変換で求めた時間−周波数分布の各ピークの数値情報、例えばピーク間の時間差（位相差）や強度差などを容易に得ることができる。
【００４７】
さらに表示手段５０は、図５に示すように、時系列のウェーブレット変換結果の差分、変化率、さらには全変換結果の平均等を演算部５３により計算して、表示画面５１中に表示させることができる（演算機能）。
【００４８】
この演算機能は、ウェーブレット変換結果の異なる２画像間の差分や変化率、各ウェーブレット変換結果の絶対値、全変換結果の平均などを計算して表示する機能である。図５に示す例では、２つの時間−周波数分布画像のピーク強度の差をとって差分を表示したり、２つの画像の差分を時系列的に早い画像の強度で割ることで変化率を演算、表示している。
【００４９】
この演算機能により、ウェーブレット変換結果の時間変化分等の特徴等を抽出して表示することができるので、時間−周波数分布の傾向解析がより容易になる。
【００５０】
また表示手段５０は、図６に示すように、ウェーブレット変換結果の周波数軸での断面である「指定する周波数におけるピーク強度の時間変化」もしくは、時間軸での断面である「指定する時刻での各周波数成分のピーク強度分布」を表示することも可能である（断面表示機能）。
【００５１】
この断面表示機能は、ウェーブレット変換結果の周波数軸での断面や時間軸での断面を表示する機能である。図６に示す例では、「指定周波数νＨｚ成分強度の時間変化」や「指定時刻ｔ1 ｓｅｃ（位相θｒａｄ）における周波数成分のピーク強度分布」を表示している。
【００５２】
この断面表示機能も、時間−周波数分布の傾向解析にとって効果的である。
【００５３】
表示手段５０に表示された解析結果に基づいて、診断手段６０が波形信号の発信源の異常等を判定する。具体的には、記憶部６２に記憶された診断対象種毎に定められている診断アルゴリズムを用いて、状態判定部６１が表示手段５０に出力された解析結果を判定する。判定結果は、記憶部６２に記憶される。
【００５４】
以上のように本実施の形態によれば、周期検出手段２０によって波形信号の周期が検出され、その周期によって波形信号ｆ（ｔ）が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果が表示手段５０によって時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての比較、検討を容易に行うことができる。
【００５６】
また本実施の形態によれば、周期設定部３１によって、一度に表示する時間領域を周期性を保ちながら拡大できるので、解析時間周波数分布の時系列変化を大まかに解析することも可能である。
【００５７】
また本実施の形態によれば、マザーウェーブレット変換手段４０によって、解析対象波形の時間−周波数解析にもっとも有効なマザーウェーブレット関数を選択することができるので、時間−周波数分布内の特徴成分の抽出感度を上げることができる。また、変換時間範囲とスケールパラメータ及びシフトパラメータを自由に変えられるので、ウェーブレット係数の演算における計算量の効率化を図ることができる。
【００５８】
また本実施の形態の表示手段５０には、前述のような種々の便利な機能が付加されており、ウェーブレット変換結果のピークの特徴抽出や傾向解析を容易に行うことができ、解析波形に含まれる異常などを判断しやすい表示が実現できる。
【００５９】
また本実施の形態の波形信号解析装置１は、診断装置６０により、波形信号の状態の正常あるいは異常の判定、異常モードの特定、異常の度合い判定などが可能である。また、必要なデータベースを記憶部６２内に取り揃えることにより、波形信号による異常診断対象を拡張することができる。
【００６０】
なお、周期検出手段２０は、フーリエ変換部２１を有する代わりに、入力波形信号のピーク値を検出する等の機能を有していてもよい。この場合、ピーク値の間隔から、ウェーブレット変換結果を動画表示するのに最適な分割周期を設定することができる。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施の形態の波形信号解析装置について図７を用いて説明する。図７は、第２の実施の形態の波形信号解析装置の概略構成図である。
【００６２】
図７に示すように、本実施の形態の波形信号解析装置１’は、ウェーブレット変換手段４０’が直接入力手段１０に接続され、入力手段１０により入力された波形信号をそのままウェーブレット変換するようになっており、周期検出手段２０’は、入力波形信号ではなくウェーブレット変換手段４０’による変換結果の周期性を検出するようになっており、分割手段３０’は、周期検出手段２０’で検出した周期によって、入力波形信号ではなく変換結果を分割するようになっている。
【００６３】
その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同様の構成である。第２の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６４】
周期検出手段２０’は、例えば、ウェーブレット変換結果にフーリエ変換を施してフーリエスペクトルを得るフーリエ変換部２１’と、フーリエ変換部２１’により求められたフーリエスペクトルから、その強度の最も大きいピーク間隔を分割周期として識別する周期識別部２２’とを有する。具体的には、図８に示すように、フーリエ変換部２１’がウェーブレット変換結果に基づいて特徴的な指定周波数νＨｚ（例えば、ピークが多く出現していると思われる周波数）を指定し、その時間変化に対してフーリエ変換（ＦＦＴ）を施し、その結果から周期識別部２２’が分割周期を識別する。
【００６５】
あるいは周期検出手段２０’は、ウェーブレット変換結果において、図９に示すように、指定した時間−周波数領域、例えばピーク強度が指定したしきい値を超える時間周波数領域（危険領域）内の最大値ｔb や最小値、重心ｔc 、指定領域開始時刻ｔa または指定領域終了時刻ｔd を検出し、これから分割周期を求めても良い。この場合、分割周期は不定周期となる場合がある。
【００６６】
本実施の形態によれば、周期検出手段２０’によってウェーブレット変換結果の周期が検出され、その周期によってウェーブレット変換結果が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、分割されたウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての検討を容易に行うことができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、周期検出手段によって波形信号の周期性が検出され、その周期によって波形信号が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。また、本発明によれば、分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての検討を容易に行うことができる。
【００６９】
あるいは本発明によれば、周期検出手段によってウェーブレット変換結果の周期性が検出され、その周期によってウェーブレット変換結果が分割されるため、ウェーブレット変換結果における特徴ピークの時系列な挙動を調べることが容易である。また、本発明によれば、分割されたウェーブレット変換結果が時系列に連続表示されるため、ウェーブレット変換結果についての検討を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波形信号解析装置の第１の実施の形態を示す構成概略図。
【図２】図１の波形信号解析装置の作用を説明する図。
【図３】図１の表示手段の複数変換結果統合表示機能を説明する図。
【図４】図１の表示手段のマーカー機能を説明する図。
【図５】図１の表示手段の演算機能を説明する図。
【図６】図１の表示手段の断面表示機能を説明する図。
【図７】本発明による波形信号解析装置の第２の実施の形態を示す構成概略図。
【図８】図７の周期検出手段の一例の作用を説明する図。
【図９】図７の周期検出手段の他の例の作用を説明する図。
【符号の説明】
１、１’ 波形信号解析装置
１０ 入力手段
２０、２０’ 周期検出手段
２１、２１’ フーリエ変換部
２２、２２’ 周期識別部
３０、３０’ 分割手段
３１、３１’ 周期設定部
４０、４０’ ウェーブレット変換手段
４１ マザーウェーブレット選択部
４２ 変換範囲指定部
４３ 変換パラメータ設定部
４４ ウェーブレット演算部
４５ 出力部
５０ 表示手段
５１ 表示画面
５２ マーカー操作部
５３ 演算部
６０ 診断手段
６１ 状態判定部
６２ 記憶部
Claims (12)
- 波形信号を入力する入力手段と、
入力手段により入力された波形信号の周期を検出する周期検出手段と、
周期検出手段で検出した周期に基づいて、波形信号を分割する分割手段と、
分割された個々の波形信号をウェーブレット変換するためのウェーブレット変換手段と、
分割された個々の波形信号のウェーブレット変換結果を時系列に連続表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする波形信号解析装置。 - ウェーブレット変換手段は、
マザーウェーブレットの種類を指定するマザーウェーブレット選択部と、
ウェーブレット変換の対象とする時間領域を指定する変換範囲指定部と、
ウェーブレット変換のスケールパラメータ及びシフトパラメータを設定する変換パラメータ設定部と、
ウェーブレット係数を計算するウェーブレット演算部と、
ウェーブレット変換結果を出力する出力部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の波形信号解析装置。 - 周期検出手段は、
入力手段により入力された波形信号にフーリエ変換を施してフーリエスペクトルを得るフーリエ変換部と、
フーリエ変換部により得られたフーリエスペクトルから波形信号の周期を識別する周期識別部と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波形信号解析装置。 - 分割手段は、周期検出手段で検出した周期の整数倍に分割周期を設定する周期設定部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波形信号解析装置。
- 表示手段は、ウェーブレット変換結果の強度について、設定数値範囲毎に異なる色で分けて表示するようになっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波形信号解析装置。
- 表示手段は、複数のウェーブレット変換結果を指定した周波数領域毎に統合して表示可能となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の波形信号解析装置。
- 表示手段は、表示画面と、表示画面中の任意の位置を指定するためのマーカー操作部とを有し、
マーカー操作部によって表示画面中のウェーブレット変換結果が指定された場合に、そのウェーブレット変換結果の時刻、周波数及び強度を表示画面中に表示するようになっていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の波形信号解析装置。 - 表示手段は、異なるウェーブレット変換結果の差分、変化率及び全変換結果の平均を計算する演算部を有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の波形信号解析装置。
- 表示手段は、
ウェーブレット変換結果の周波数軸での断面である、指定する周波数におけるピーク強度の時間変化、もしくは、
時間軸での断面である、指定する時刻での各周波数成分のピーク強度分布を表示可能となっていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の波形信号解析装置。 - 波形信号を入力する入力手段と、
入力手段により入力された波形信号をウェーブレット変換するウェーブレット変換手段と、
ウェーブレット変換手段による変換結果の周期を検出する周期検出手段と、
周期検出手段で検出した周期に基づいて、変換結果を分割する分割手段と、
分割された変換結果を時系列に連続表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする波形信号解析装置。 - 周期検出手段は、
ウェーブレット変換結果にフーリエ変換を施してフーリエスペクトルを得るフーリエ変換部と、
フーリエ変換部により得られたフーリエスペクトルからウェーブレット変換結果の周期を識別する周期識別部と、
を有することを特徴とする請求項１０に記載の波形信号解析装置。 - 周期検出手段は、
ウェーブレット変換結果において、指定した時間周波数領域内の最大値や最小値、重心、指定領域開始時刻または指定領域終了時刻を検出するようになっていることを特徴とする請求項１０に記載の波形信号解析装置。
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