JP4384039B2 - ノイズのない測定量の選択方法 - Google Patents

Description

本発明は、ノイズパルス間隔が既知であるパルス状ノイズ信号により品質劣化された測定信号から、ノイズのない測定量を選択する方法に関する。ここでは個別測定値の検出持続時間がノイズパルス持続時間より小さく、複数の個別測定値を測定信号の任意に選択可能な時間間隔で検出する。

従来の技術
外部ノイズが存在する場合に、該当する線路、センサまたは回路部分をシールドするという通常の手段にはしばしばかなりのコストが掛かり、とりわけ磁気的に入力結合される場合には十分に機能しない。またしばしばシールドを原理的に実現できないこともある。これは例えば容量的に動作する位置検出機器の場合であり、この機器は例えば建築物材料の誘電性含有物を見つけ出すのに使用される（場合によりハリ発見器と称される）。ここではセンサの測定コンデンサ電極を原理的にシールドすることはできない。この種のとりわけノイズに脆弱な位置検出機器はＷＯ０２／１４８４７Ａ１およびＤＥ１９９１５０１６Ｃ２に記載されている。

同様に特にノイズに脆弱な機器としてレーダ装置、無線機器、および原理的に高周波ノイズをシールドすることができない場合での適用がある。

しばしば使用される別の方法は平均によりノイズ低減を実現するが、これにより不所望に測定時間が延長される。ノイズ振幅は測定時間の平方根により低下するだけである。

測定システムの有効動作周波数がＧＨｚ領域、例えば１から３GHｚの間の領域にある場合、例えばＤＥＣＴ、ＧＳＭおよびBluetooth規格などの種々の移動無線適用により甚だしいノイズ電位が生じる。いわゆるＴＤＭＡ方式により動作するこの種のノイズ源は周期的間隔（フレーム）で短時間（タイムスロット）のパルス状ノイズ信号を送信し、このノイズ信号は受信される測定信号の周期的ノイズとなる。

しかしＧＨｚ領域で動作しない測定構造体もしばしば影響を受ける。例えば測定回路の電子構成素子における非線形特性は移動電話の高い送信出力により、本来は低周波領域でだけ動作する回路にノイズを引き起こす。本発明の方法はこの場合でも効果を発揮する。

一般的にパルス状ノイズ源の作用は、微弱な電気的測定量が検出される多種多様な測定構造体で観察される。測定信号の品質劣化はとりわけ電磁的輻射により生じ、このことは例えば測定センサおよび評価回路に発生することがある。

発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法において、パルス状の周期的ノイズ信号によって障害を受ける測定信号から、ノイズの影響を受けていない測定量を選択することである。

発明の利点
この課題は請求項1または請求項2記載の構成によって解決される。これによれば、順次連続する個別測定値を少なくとも３つ、時間間隔を以て検出し、該時間間隔はノイズパルス間隔とは異なっており、前記少なくとも３つの個別測定値から、どの個別測定値が、測定された他の半分以上の個別測定値から最も異なっているかを検出し、当該最も異なる個別測定値を破棄し、前記他の個別測定値の平均値を基準にしてノイズのない測定量を選択する。または択一的に、順次連続する個別測定値を少なくとも３つ、時間間隔を以て検出し、該時間間隔はノイズパルス間隔とは異なっており、前記少なくとも３つの個別測定値から、中央値を基準にして、ノイズのない測定量を選択する。

この構成により、障害を受けた個別測定値を抑圧し、測定量の導出のために少なくとも実質的に障害を受けない個別測定値だけを使用することができる。その結果、パルス状の送信ノイズ源から影響を受けない測定量が得られる。

ノイズのない測定量の選択に対しては、ノイズのない信号が検出される個別測定の時間間隔が一定であり、従って個別測定が同じ持続期間により記録されると有利である。

特にコストの小さいノイズのない測定量の選択は、個別測定の時間間隔を次のように選択すると得られる。すなわち順次連続する３つの測定値のうちの１つに最も大きなエラーがあるように選択するのである。個別に障害を受ける測定値は障害を受けない２つの測定値から一般的に大きく異なっている。このような場合、順次連続する３つの測定値に関する中央値の計算の際に、確実に障害を受けない２つの測定値が得られる。ここで中央値検出の方法は３つの個別測定値の適用に制限されるものではなく、３つを越える個別測定にも直接的に拡張される。

有利な改善形態では、どの個別測定値（単数または複数）が他の半分以上の個別測定値から最も大きく異なっているかが検出され、測定量が他の個別測定値の平均値により検出される。

ノイズパルス持続時間および／またはノイズパルス間隔の異なる種々のノイズ源によるノイズは次のようにして簡単に除去される。すなわち１つの測定信号が、ノイズパルス間隔の異なる少なくとも２つの別のノイズ信号から同時に影響を受けないように持続期間を選択するのである。

ノイズ源の動作を、ノイズのない測定量の選択の実行前に識別するためには、例えばノイズの影響を受けた測定信号とノイズの影響を受けない測定信号とを区別するために測定信号を連続的に検出し、測定信号の振幅を時間について一次微分または高次微分するのである。択一的に測定信号の振幅関数の一次微分または高次微分を評価のために使用することができる。これは例えば振幅の絶対二乗値である。

図面
本発明を以下、実施例に基づき図面を参考にして詳細に説明する。
図１ａ，ｂ，ｃは、印加される測定信号のサンプリングにより電圧信号を検出するための概略的線図である。
図２ａ，ｂ，ｃは、検出値の獲得およびノイズのない測定信号の導出のための概略的線図である。

実施例
すでに前に述べたように、原理的に十分なシールドを実現することのできない適用例で無線ノイズの影響を受ける。これは例えば建築物材料に隠された対象物を見つけ出す位置検出機器の場合である。センサとしてそこではプレートコンデンサが使用され、その漂遊電界が建築物材料に入り込む。センサコンデンサの漂遊電解の領域にある誘電性媒体が変化すると容量が変化し、この容量変化が電気的に測定される。有利にはこの容量変化は、このセンサコンデンサを含む電気的共振回路が形成されるようにして測定される。共振回路の励起後の減衰曲線からセンサコンデンサの容量が推定され、これにより建築物材料に隠された対象物が推定される。

適切なセンサコンデンサの容量は非常に小さいから、実際には１〜３ＧＨｚのオーダーにある非常に高い固有周波数が得られる。従って測定されたセンサ信号は入力側測定信号として、移動無線適用により障害を受ける危険性がある。図１に示すように、ＧＨｚ領域にある共振回路の減衰特性が同期サンプリングにより測定される。このサンプリングでは測定電極に印加される電圧Ｕ_ＨＦ（ｔ）が異なる時点ｔ_ＨＦ（ｎ）
ｔ_ＨＦ（ｎ）＝ｎ×Δｔ_ＨＦ
により時点ｔ_ＨＦ（０）＝０での共振回路の励起後に検出される。ただしΔｔ_ＨＦはそれぞれの時間間隔、ｎは所属の時間指数である。時間間隔ないしステップ幅Δｔ_ＨＦは２GHｚ領域の発振周波数の場合、有利には５０ｐｓのオーダーにある。（ここでΔｔ_ＨＦは後で説明する検出値により定義される１００ｍｓのオーダーにある時間ステップΔｔ_Ｅとは異なることに注意すべきである。）所定の時間指数ないしサンプリング指数ｎと所属の時点ｔ_ＨＦ（ｎ）に対して共振回路の励起後に電圧U_ＨＦ（ｔ_ＨＦ（ｎ））がサンプリングされ、いわゆるサンプリング＆ホールド素子に記憶される。このサンプリング＆ホールド素子の出力端には後で説明する電圧信号Ｕ（ｎ）が出力される。

電圧信号Ｕ（ｎ）を検出するために個々のサンプリングを行うことができる。択一的に共振回路を例えばＭＨｚ領域にある反復周波数により繰り返し励起し、サンプリング＆ホールド素子の出力端に印加される電圧信号Ｕ（ｎ）について平均化を実行することができる。この手段は、個々の電圧信号値Ｕ（ｎ）ないし個別測定値Ｅの検出に対して十分に長い時間間隔Δｔ_Ｅが得られる場合、ノイズ検出のためには特に有利である。

この種のサンプリング回路自体は例えばオシロスコープから公知である。サンプリング指数ｎは例えばデジタル電子回路により前もって選択することができる。図１ａはサンプリング過程の時間ランプを示し、図１ｂはその一部を拡大してステップｍと共に示す。

電圧信号Ｕ（ｎ）の測定がパルス状ノイズの存在するときに実行されると、所属の個別測定値Ｅおよびひいてはそこから検出される測定量Ｍには潜在的にノイズが含まれる。

この実施例ではサンプリング指数ｎが、例えば１００ｍｓのオーダーにある時間間隔Δｔ_Ｅでそれぞれ１だけ上昇され、最大値Nに達する。指数ｎが時点ｔ＝０でゼロであったなら、ｎに対して時間関係
ｎ（ｔ）＝ｎ×Δｔ_Ｅ
が得られる。従ってサンプリングされた測定信号Ｕ（ｎ）＝Ｕ（ｎ（ｔ））に対しては時間的に変化する信号Ｕ（ｔ）得られ、この信号Ｕ（ｔ）はサンプリング指数ｎの変化に従う（図１参照）。その結果、元は高周波領域に存在する測定信号U_ＨＦ（この信号は共振回路の減衰特性を規定する）を同期サンプリングによりシーケンシャルに可聴周波数領域の測定信号U（ｎ（ｔ））にマッピングすることができる。

位置検出機器に対して所望のデータに対しては１つの測定値Eで十分である、すなわち固定の所定指数ｍに対する１つの電圧信号U（ｍ）で十分であることも考えられる。さらに個別測定値Ｅを例えば周波数変換により得ることも考えられる。

実施例では、潜在的に障害を受けたパラメータＵ（ｎ）の測定を任意の頻度で繰り返すことができる。図２に示した例では、所定の指数ｍに対して周期的にそれぞれ時間間隔Ｔ_ＥによってU（ｍ）の測定が行われる。

パルス状のノイズ源がU（ｍ）の個々の測定に及ぼす影響が図２ｂに示されている。指数ｍに所属する個々の個別測定値はＥ１，Ｅ２，Ｅ３により示されている。それぞれ長さないしノイズパルス持続時間Δｔ_ＳＴの３つの時間窓の間で、測定された信号U（ｎ）はノイズと重畳される。U（ｎ（ｔ））ないしU（ｔ）の図示の経過（図２）でこのノイズは強い雑音として識別される。図２に示した実施例ではこのノイズはそれぞれ時間間隔ないしノイズパルス間隔Ｔ_ＳＴを以て周期的に繰り返される。ここで固定的なノイズパルス持続時間Δｔ_ＳＴ並びにノイズパルス間隔Ｔ_ＳＴによる固定的なノイズ反復周波数の特性は種々の移動無線適用に対して特徴的なものである。移動無線適用はいわゆるＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）方式に従い動作し、周期的な間隔（フレーム）で短時間（タイムスロット）の間、周期的なパルス間隔のノイズパルスを発生する。図２ｂから、順次連続する３つの測定Ｕ（ｍ）のうち、第２の個別測定値Ｅ２だけがノイズにより品質劣化していることが分かる。ここでノイズパルスΔｔ_ＳＴの持続時間は、個別測定値Ｅの検出のために使用される持続時間Δｔ_Ｅよりも格段に長い。

以下、測定信号Ｓ_Ｍの獲得を簡単に説明する。というのも個の測定信号はノイズ除去の方法ステップに対しては重要ではないからである。重要なことは測定信号Ｓ_Ｍの潜在的にノイズのある個別測定値Ｅを検出し、これらの個別測定値Ｅの間の時間間隔Ｔ_Ｅを適切に選択することである。

さらにここでは、個別測定値Eが、図２から分かるようにパルス状ノイズ源のノイズ信号ｓ_ｓｔにより記録された測定信号Ｓ_Ｍへの作用によって測定システムの入力端で重畳され、個別測定値Ｅ（図２の例では第２の個別測定値Ｅ2）が格段に品質劣化していることが重要である。この種のノイズ源は、例えばＤＥＣＴ規格による種々の移動無線適用、またはいわゆるＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）方式に従い動作するＧＳＭ網またはBluetoothで存在し、規則的間隔（フレーム）で短時間（タイムスロット）の間、周期的パルス間隔Ｔ_ＳＴのノイズパルスを放射する。ここでノイズパルスの持続時間Δｔ_ｓｔは個別測定値Ｅの検出持続時間Δｔ_Ｅよりも格段に長い。従って個別測定値Eの導出のために使用される信号はノイズ信号ｓ_ｓｔの雑音に埋もれる。

図２からさらに分かるように、この種のパルス状ノイズ信号に起因するノイズを除去するためにさらに少なくとも２つの別の測定が個別値Ｅの検出のために、記録された測定信号Ｓ_Ｍの相応の時間位置で実行される。ここでさらなる検出の時間間隔Ｔ_Ｅは、これがノイズパルス間隔Ｔ_ＳＴとは異なるように選択される。

このことにより、例えば個別測定値Eを３つ検出する場合には少なくとも２つの個別測定値Ｅが、すなわちいずれの場合でも個別測定値Ｅの半分以上がノイズ信号ｓ_ｓｔのインターバル内に入り込み、これによりノイズパルスにより重畳されなくなる。

別の方法では個別測定値Ｅの適切な評価が行われる。これは例えばどの個別測定値（単数または複数）Ｅが他の個別測定値から有意に異なっているかという決定が行われる。さらなる評価の際に、この個別測定値は破棄され、数において優勢である他の個別測定値Ｅから平均値が形成され、平均された個別測定値からノイズのない測定量Ｍが得られる（図２ｃ参照）。択一的な有利な評価では、個別測定値Ｅから中央値が形成され、ここから非常に簡単かつ確実に測定量Ｍが得られる。

有利には個別値Ｅを検出するための時間間隔は固定的な持続期間Ｔ_Ｅに選択され、ノイズ信号ｓ_ｓｔのインターバルないし空隙に適切に適合される。ここでは異なる時間窓が設定され、この時間窓は種々の一般的パルス状ノイズ源が異なるノイズパルス持続時間Δｔ_ｓｔおよび／または異なるノイズパルス間隔Ｔ_ｓｔを有していても前記のノイズ除去が作用するように選択することができる。ＤＥＣＴ移動無線およびＧＳＭ移動無線によるノイズに対して、個別測定値Ｅを検出するための適切な持続期間Ｔ_Ｅ（時間窓）は１０４１７μｓと１１２４９μｓの間である。ここでこの時間までの中央は１０８３３μｓである。別の時間窓が以下の表から得られる。

個別測定値Ｅを検出するための時間間隔Ｔ_Ｅ（測定インターバル）を適合することもできる。このためにはノイズパルス間隔Ｔ_ｓｔとノイズパルス持続時間Δｔ_ｓｔを測定システムの相応のプログラミングにより検出しなければならない。この手段はフレキシブルであるが、比較的面倒である。

前記の手段と類似の別のノイズ除去では、まずノイズ信号が存在するか否かを検出し、ノイズ信号が存在しないときに測定信号Ｓ_Ｍないし個別測定値Ｅを記録する。

パルス状に放射するノイズ源によるノイズが存在するか否かを検出するために、受信された測定信号Ｓ_Ｍの一次微分または高次微分、または測定信号Ｓ_Ｍの適切な変換パラメータ、とりわけ振幅の二乗和の一次微分または高次微分を時間について計算する。前記の形式のノイズ源は測定信号中に比較的急峻なエッジによる変化を引き起こす。この急峻なエッジによる変化は、通常の探索過程における測定対象物と測定機器との間の相対的位置変化により発生する測定信号の比較的平坦な変化とは異なるものであり、微分によって確実に検出することができる。この種の識別により、ノイズ源の動作を確実に識別することができ、この情報を評価の際に考慮することができる。

図１ａ，ｂ，ｃは、印加される測定信号のサンプリングにより電圧信号を検出するための概略的線図である。

図２ａ，ｂ，ｃは、検出値の獲得およびノイズのない測定信号の導出のための概略的線図である。

Claims (4)

1. ノイズパルス間隔（Ｔ_st）が既知であるパルス状ノイズ信号（ｓ_st）により品質劣化された測定信号（Ｓ_M）から、ノイズのない測定量（Ｍ）を選択する方法であって、
   個別測定値（Ｅ）の検出持続時間（Δｔ_E）がノイズパルス持続時間（Δｔ_st）より小さく、
   複数の個別測定値（Ｅ）を測定信号（Ｓ_M）の任意に選択可能な時間間隔（Ｔ_E）で検出する形式の方法において、
   順次連続する個別測定値（Ｅ）を少なくとも３つ、時間間隔（Ｔ_E）を以て検出し、該時間間隔は前記既知のノイズパルス間隔（Ｔ_st）とは異なっており、
   前記少なくとも３つの個別測定値（Ｅ）から、どの個別測定値（Ｅ）が、測定された他の半分以上の個別測定値から最も異なっているかを検出し、
   当該最も異なる個別測定値を破棄し、前記他の個別測定値の平均値を基準にしてノイズのない測定量（Ｍ）を選択する、
   ことを特徴とするノイズのない測定量の選択方法。
2. ノイズパルス間隔（Ｔ_st）が既知であるパルス状ノイズ信号（ｓ_st）により品質劣化された測定信号（Ｓ_M）から、ノイズのない測定量（Ｍ）を選択する方法であって、
   個別測定値（Ｅ）の検出持続時間（Δｔ_E）がノイズパルス持続時間（Δｔ_st）より小さく、
   複数の個別測定値（Ｅ）を測定信号（Ｓ_M）の任意に選択可能な時間間隔（Ｔ_E）で検出する形式の方法において、
   順次連続する個別測定値（Ｅ）を少なくとも３つ、時間間隔（Ｔ_E）を以て検出し、該時間間隔は前記既知のノイズパルス間隔（Ｔ_st）とは異なっており、
   前記少なくとも３つの個別測定値（Ｅ）から、中央値を基準にして、ノイズのない測定量（Ｍ）を選択する、
   ことを特徴とするノイズのない測定量の選択方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、
   前記時間間隔（Ｔ_E）は一定であり、個別測定値を固定の持続期間により検出する、ことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の方法において、
   前記時間間隔（Ｔ_E）を、異なるノイズパルス間隔（Ｔ_st）を有する少なくとも２つの別のノイズ信号が測定信号（Ｓ_M）に入り込まないように選択する、ことを特徴とする方法。

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