JP4243829B2 - ブロードバンド信号検出方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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 (8)

1. 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。
2. 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記載のブロードバンド信号検出方法。
3. 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２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。
4. 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３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。
5. 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。
6. 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５記載のブロードバンド信号検出装置。
7. 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５ないし６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。
8. 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５ないし７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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