JP6659216B2

JP6659216B2 - 信号処理装置及び放射線計測装置

Info

Publication number: JP6659216B2
Application number: JP2014245299A
Authority: JP
Inventors: 貴正浅野; 和裕小泉
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: JP2016111449A

Description

本発明は、微弱信号を検出する信号処理装置及び放射線計測装置に関する。

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、図８に示すように、微弱信号Ｓ（ｔ）を分岐して複数の伝送路に伝搬し、各伝送路を伝搬する微弱信号Ｓ（ｔ）に対して、互いに相関の無いノイズξ_１（ｔ）〜ξ_Ｎ（ｔ）をそれぞれ加算する。さらに、分岐された信号をそれぞれ閾値処理することで複数の閾値処理信号Ｒ_１（ｔ）〜Ｒ_Ｎ（ｔ）に変換し、これらの複数の閾値処理信号Ｒ_１（ｔ）〜Ｒ_Ｎ（ｔ）を合成して、微弱信号Ｒ_Σ（ｔ）を得る方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、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。

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に記載された方法では、互いに相関の無い複数のノイズを生成するためには、複数のノイズ生成回路が必要となり、回路構成の複雑化、回路規模の大型化してしまうといった問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、独立した複数のノイズに対応した数のノイズ生成回路を設ける必要がなく、ノイズ生成回路の数を最小数に抑えることができ、回路構成の簡素化及び小型化を実現できる信号処理装置及び放射線計測装置の提供を目的とする。

本発明の信号処理装置は、少なくとも検出対象の微弱信号の周波数よりも広い帯域において同じ強度となるノイズを発生する１つのノイズ生成手段と、前記１つのノイズ生成手段に対して並列に接続され、前記ノイズ生成手段が生成したノイズに対して異なる遅延時間を与えて遅延させる複数の遅延回路と、前記微弱信号を含む入力信号から分岐された複数の分岐入力信号に対して、前記複数の遅延回路で遅延させた前記各ノイズを加算する複数の加算回路と、前記各加算回路から出力されるノイズ加算された分岐入力信号を閾値処理する複数の閾値処理回路と、前記複数の閾値処理回路から出力される出力信号を合成して前記入力信号に含まれる微弱信号を検出する検出回路と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ノイズ生成手段で生成したノイズに異なる遅延時間を与えることで、複数の独立したノイズを生成する構成としたので、複数の独立したノイズに対応した個数のノイズ生成手段を備える構成に比べてノイズ生成手段の個数を大幅に削減でき、回路構成の簡素化及び回路規模の小型化を実現できる。また、検出対象の微弱信号に加算するノイズは、ノイズ生成手段が発生させた少なくとも検出対象の微弱信号の周波数よりも十分広い帯域において同じ強度となるノイズであるので、検出対象の微弱信号に対して安定して確率共鳴現象を発現でき、高い信号検出精度を実現できる。

また本発明は、上記信号処理装置において、前記複数の遅延回路の出力端に、前記各加算回路へ入力するノイズの振幅をそれぞれ調整する複数の増幅回路を備えてもよい。これにより、検出対象の微弱信号の振幅特性に対応して、適切な信号強度を有するノイズを加算することが可能になり、適用範囲が拡大されるとともに高い信号検出精度を維持可能になる。

また本発明は、上記信号処理装置において、前記ノイズ生成手段のノイズ出力端に、前記ノイズ生成手段が生成したノイズの振幅を調整する増幅回路を備えてもよい。これにより、回路構成を簡素化でき、複数のノイズの振幅を一括して調整できる。

また本発明は、上記信号処理装置において、前記ノイズ生成手段は、疑似ランダムバイナリ信号を用いてノイズを生成する構成としてもよい。これにより、疑似的にホワイトノイズを生成することができる。

また、本発明の放射線計測装置は、ランダムに入射する放射線のエネルギーに応じてパルス状の微弱信号を出力する放射線検出部と、前記放射線検出部から出力されたパルス状の微弱信号を取り込んで信号処理し当該微弱信号を検出する信号処理部と、前記信号処理部から出力される出力信号に基づいて放射線量を計測する演算部と、を備え、前記信号処理部は、上記信号処理装置で構成され、前記放射線検出部から出力されたパルス状の微弱信号を含む入力信号を分岐して複数の分岐入力信号として取り込むことを特徴とする。これにより、微弱信号が含まれる入力から独立して、１つのノイズに異なる遅延時間を与えて複数の相関の無いノイズを生成するので、後にノイズ加算分岐入力信号を加算する際に各微弱信号の位相ずれを生じることなく加算でき、高い信号検出精度を実現できる。特に、検出対象が放射線検出信号である微弱信号の場合、微弱信号が時間的に近接して発生する可能性があるが、このような場合であっても、微弱信号の位相ずれが無いので正確に計測することができる。

本発明によれば、独立した複数のノイズに対応した数のノイズ生成回路を設ける必要がなく、ノイズ生成回路の数を最小数に抑えることができ、回路構成の簡略化、回路規模の小型化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回路ブロック図である。第１の実施の形態の信号処理装置が備えたローパスフィルタ回路の回路図である。検出対象の微弱信号が含まれた入力信号を示す時間波形図である。検出対象の微弱信号にノイズを加算したノイズ加算信号を示す時間波形図である。第２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２の実施の形態の変形例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３の実施の形態に係る放射線計測装置の全体構成を示す模式図である。図７Ａは２つのパルス信号を含む入力信号の時間波形図、図７Ｂは入力信号をΔｔ遅延させた遅延信号の時間波形図、図７Ｃは入力信号及び遅延信号を合成した合成信号の時間波形図である。確率共鳴を用いた信号検出原理を説明するための概念図である。

以下、本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の実施の形態にかかる信号処理装置の全体構成のブロック図である。

図１に示すように、第１の実施の形態にかかる信号処理装置１０は、１つのノイズから互いに相関の無い複数のノイズを発生するノイズ生成回路１１と、検出対象の微弱信号を含む入力信号Ｖｉｎとホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４とを加算する複数の加算回路１２ａ〜１２ｄと、各ノイズが加算された各ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４を閾値処理する複数の閾値処理回路１３ａ〜１３ｄと、閾値処理回路１３ａ〜１３ｄから並列に出力される閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４を合成して入力信号Ｖｉｎに含まれる検出対象の微弱信号Ｐを検出する検出回路１４とを備える。

ノイズ生成回路１１は、１つのノイズ生成手段１５と、複数の遅延回路１６ａ〜１６ｄとで構成される。ノイズ生成手段１５は、少なくとも検出対象の微弱信号の周波数よりも広い帯域において同じ強度となるノイズ（ホワイトノイズ）を生成する。本実施の形態では、疑似ランダムバイナリ信号を用いてホワイトノイズを生成する。ノイズ生成手段１５は、疑似ランダムバイナリ信号を発生するバイナリ信号発生器及び疑似ランダムバイナリ信号をフィルタリング処理してホワイトノイズ信号を出力するローパスフィルタ回路で構成することができる。ローパスフィルタ回路は、図２に示すようなオペアンプＩＣを用いたアクティブ型のアナログフィルタを用いることができる。オペアンプＯＰの正極は、シリーズ接続された２つの抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を介して疑似ランダムバイナリ信号が入力するとともにコンデンサＣ１を介して接地されている。オペアンプＯＰの出力は負帰還するとともに、コンデンサＣ２を介して２つの抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中間接続点に印加している。これにより、疑似ランダムバイナリ信号をフィルタリングしてホワイトノイズＶｎに変換している。

複数の遅延回路１６ａ〜１６ｄは、抵抗、キャパシタ（コンデンサ）及びインバータＩＣを組み合わせて構成することができる。各遅延回路１６ａ〜１６ｄは、ノイズ生成手段１５から供給されるホワイトノイズを、予め定めた遅延時間だけ遅延し、互いに相関の無いホワイトノイズ信号として並列に出力する。すなわち、遅延回路１６ａ〜１６ｄは、互いに相関の無いホワイトノイズ信号に変換するのに必要な異なる遅延時間に設定される。各遅延回路１６ａ〜１６ｄは、互いに相関の無いホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４を出力する。

複数の加算回路１２ａ〜１２ｄは、検出対象の微弱信号Ｐを含む入力信号Ｖｉｎが並列に供給される。検出器などの信号供給源から供給される入力信号Ｖｉｎは複数の伝搬路Ｌａ〜Ｌｄに分岐される。伝搬路Ｌａ〜Ｌｄには、それぞれ加算回路１２ａ〜１２ｄが設けられている。各加算回路１２ａ〜１２ｄは、遅延回路１６ａ〜１６ｄから入力するホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４と分岐された入力信号Ｖｉｎとを加算する。ここで、各加算回路１２ａ〜１２ｄは、オペアンプを用いたアナログ加算回路としてもよい。この場合、オペアンプは、微弱信号Ｐ及びホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４が使用する周波数と比べて、十分広い周波数域を有することが好ましい。各加算回路１２ａ〜１２ｄの出力段には複数の閾値処理回路１３ａ〜１３ｄが並列に接続される。

各閾値処理回路１３ａ〜１３ｄは、コンパレータ１７ａ〜１７ｄで構成されている。コンパレータ１７ａ〜１７ｄの一方の入力端子には対応する加算回路１２ａ〜１２ｄの出力端が接続され、他方の入力端には基準電圧（以下、閾値という）Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４を発生する電圧源１８ａ〜１８ｄが接続される。コンパレータ１７ａ〜１７ｄは、加算回路１２ａ〜１２ｄから出力されたノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４と対応する閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４とを比較し、ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４の電圧が、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４より大きい場合にハイレベル信号を出力し、ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４の電圧が、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４より小さい場合にローレベル信号を出力する。これにより、ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４はハイレベル信号とローレベル信号から成る２値化された閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４として出力される。

ここで、各閾値処理回路１３ａ〜１３ｄの各閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４の電圧値は、入力信号Ｖｉｎの電圧の実効値と、加えられるホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の電圧の実効値との合計以上となることが好ましい。

また、各閾値処理回路１３ａ〜１３ｄの各閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４は、全て同じ値に設定してもよいし、異なる値に設定してもよい。各閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４を異なる値に設定し、さらにホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４がガウスノイズである場合、確率共鳴現象を発現させるために適した条件となる。また、閾値としてそれぞれ１つの閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４を定める場合を説明したが、閾値はそれ以外の数であっても構わない。例えば、閾値を２つ定める場合、閾値は上限閾値、下限閾値の２つとなる。これは、閾値がヒステリシスを有する場合の構成となる。閾値がヒステリシスを有する場合、生成される閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４のパルス幅が大きくなるため、波形再生回路２０が波形再生する際の負荷を軽減することができる。

検出回路１４は、複数の閾値処理回路１３ａ〜１３ｄから並列に出力される閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４を加算する信号加算回路１９と、信号加算回路１９から出力される加算信号Ｖｓｕｍを波形成形して入力信号Ｖｉｎに含まれる微弱信号Ｐを再生する波形再生回路２０とで構成される。波形再生回路２０は、例えばオペアンプを用いたローパスフィルタにより構成することができる。ローパスフィルタは、次数が高い方が波形再生性能は向上するが、波形が歪まないように周波数特性がフラットなバターワース特性となるよう設計することが望ましい。

次に、第１の実施の形態に係る信号処理装置１０の動作について説明する。

ノイズ生成手段１５において、疑似ランダムバイナリ信号を図２に示したローパスフィルタ回路に入力してホワイトノイズＶｎが生成される。疑似ランダムバイナリ信号は、Ｍ系列疑似ランダムバイナリ信号を用いてもよい。この時、系列信号の発生には、ハードウェアを用いてもよいし、ソフトウェアを用いてもよい。ノイズ生成手段１５で発生させたホワイトノイズＶｎは、上記した通り、検出対象の微弱信号Ｐの周波数よりも広い帯域において同じ強度となり、ノイズ強度の発生頻度がガウス分布に従うガウスノイズである。

ノイズ生成手段１５で発生したホワイトノイズＶｎは、遅延回路１６ａ〜１６ｄに分配される。ここで、複数の遅延回路１６ａ〜１６ｄに対して、遅延ノイズが互いに無相関となる遅延時間が設定されているので、各遅延回路１６ａ〜１６ｄは、互いに相関関係の無い複数のホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４を出力する。すなわち、１つのノイズ生成手段１５により、互いに相関関係の無い４つのホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４を得ることができる。

図１に示すように、入力信号Ｖｉｎは、４つに分岐されて伝送路Ｌａ〜Ｌｄに並列に分配される。伝送路Ｌａ〜Ｌｄに分配された入力信号Ｖｉｎは、伝送路Ｌａ〜Ｌｄに設けられた加算回路１２ａ〜１２ｄによって、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４と加算され、ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４として出力される。ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４は、閾値処理回路１３ａ〜１３ｄに入力され、閾値処理回路１３ａ〜１３ｄを構成するコンパレータ１７ａ〜１７ｄによって、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４と比較される。例えば、ノイズ加算信号Ｖａ１が閾値Ｖｔｈ１を超えていればハイレベル信号を出力し、ノイズ加算信号Ｖａ１が閾値Ｖｔｈ１を超えなければローレベル信号を出力する。このように、各閾値処理回路１３ａ〜１３ｄから２値信号である閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４が出力され、検出回路１４に入力される。複数の閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４は、検出回路１４の入力段に設けられた信号加算回路１９により加算されて、１つの加算信号Ｖｓｕｍとして出力される。さらに、検出回路１４の出力段に設けられた波形再生回路２０に入力され、波形再生された出力信号Ｖｏｕｔとして出力される。すなわち、加算信号Ｖｓｕｍは、波形再生回路２０から、検出された微弱信号Ｐを再現した波形を有する出力信号Ｖｏｕｔとして出力される。なお、本実施の形態において、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４（電圧源１８ａ〜１８ｄの電圧）の値は変更可能である。

ここで、閾値処理回路１３ａ〜１３ｄに設定する閾値と微弱信号Ｐの波形再生の関係について説明する。図３は、入力信号Ｖｉｎの時間波形を示す図であり、横軸が時間を、縦軸が信号レベルを示す。同図に示す入力信号Ｖｉｎは、微弱信号Ｐに背景ノイズが重畳した状態である。なお、入力信号Ｖｉｎが背景ノイズを含まない信号であっても同様に本発明を適用可能である。入力信号Ｖｉｎは背景ノイズのレベルが高いため、ＳＮ（Signal to Noise）比が低い。検出対象の微弱信号Ｐは期間ｔａに存在している。微弱信号Ｐの信号レベル（電圧）は、各閾値処理回路１３ａ〜１３ｄに設定される閾値（図３には閾値Ｖｔｈ１のみを例示）に満たないため、このままでは閾値処理回路１３ａ〜１３ｄでは検出されない。そこで、いわゆる確率共鳴現象を利用するために、加算回路１２ａ〜１２ｄで入力信号Ｖｉｎにホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４を加算してから閾値処理している。

図４は、入力信号Ｖｉｎにホワイトノイズ信号Ｖｄ１を加算したノイズ加算信号Ｖａ１の波形図である。図４には、ノイズ加算信号Ｖａ１と比較される閾値としてＶｔｈ１が例示されているが、それ以外の閾値Ｖｔｈ２〜Ｖｔｈ４についても同様である。ホワイトノイズ信号Ｖｄ１のみが存在する期間では、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１の値はランダムに変化するため、時間波形はランダムなものとなり、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１が閾値Ｖｔｈ１を超える確率はランダムである。一方、微弱信号Ｐが存在する期間ｔａでは、微弱信号Ｐがホワイトノイズ信号Ｖｄ１に加算され、ノイズ加算信号Ｖａ１が閾値Ｖｔｈ１を超える確率は微弱信号Ｐの強さに応じて変動する。ノイズ加算信号Ｖａ２〜Ｖａ４についても同様である。

入力信号Ｖｉｎに加算される複数のホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４は互いに相関がないので、出力される閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４はそれぞれ異なる時間波形となる。

複数の閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４が一つの加算信号Ｖｓｕｍに変換されるが、各々の閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４において微弱信号Ｐの存在する期間ｔａの部分は、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４のみが存在する期間と比べ、ハイレベル信号が出力される可能性が高い。その結果、加算信号Ｖｓｕｍは、微弱信号Ｐの存在する期間ｔａでハイレベル信号が出力される可能性が高くなる。一方で、微弱信号Ｐが存在しない期間では、複数の閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４がハイレベル信号になる確率は低く、そのため、複数の閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４で同時にハイレベル信号になる確率は低い。したがって、複数の閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４を加算することにより、微弱信号Ｐの存在する時間に信号が検出される確率が高くなり、微弱信号Ｐの存在しない期間にハイレベル信号が検出される確率は低くなる。これらのことにより、信号加算回路１９で加算される（多重される）閾値処理信号の数が増えるほど、微弱信号Ｐの再現性が高くなる。

以上述べてきたように、本実施の形態によれば、一つのノイズ生成手段１５から生成したホワイトノイズＶｎに対して、遅延回路１６ａ〜１６ｄが異なる遅延時間を与えることにより、ノイズ生成手段１５を複数保持することなく、互いに相関の無い複数のホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４を発生させることができる。この結果、ノイズ生成手段の数を削減でき、回路構成の簡素化及び小型化を図ることができる。

さらに、本実施の形態によれば、入力信号Ｖｉｎに対して、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４を加算するため、入力信号Ｖｉｎの背景ノイズに依存せず、安定して確率共鳴現象を発現させることが可能となる。これにより、入力信号Ｖｉｎの種類によらない信号検出を行うことができる。

さらに、本実施の形態によれば、入力信号Ｖｉｎに加算するホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４がガウシアン性を有するため、入力信号Ｖｉｎの信号強度に大きな影響を受けることなく確率共鳴現象の発現が可能となる。これにより、入力信号Ｖｉｎの信号強度によらない信号検出を行うことができる。

本実施の形態では、入力信号Ｖｉｎを４つに分岐して、４つの閾値処理信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４を多重した場合について説明したが、入力信号Ｖｉｎを５つ以上に分岐して、さらに多くの閾値処理信号を多重するように構成してもよい。

（第２の実施の形態）
図５Ａ及び図５Ｂを参照して第２の実施の形態を説明する。図５Ａに示すように、第２の実施の態様に係る信号処理装置３０は、複数の遅延回路１６ａ〜１６ｄの出力端にそれぞれ増幅回路２１ａ〜２１ｄが設けられ、各加算回路１２ａ〜１２ｄへ入力するホワイトノイズＶｎの振幅を個々に調整可能に構成されている。増幅回路２１ａ〜２１ｄに設定される増幅率については後述する。ホワイトノイズＶｎの振幅を個々に調整可能にしている点を除いて、第１の実施の形態と同様に構成されており、同一機能を有する部分には同一符号を付している。

図５Ａに示すように、ノイズ生成手段１５で発生したホワイトノイズＶｎが、遅延回路１６ａ〜１６ｄを経由して、複数の増幅回路２１ａ〜２１ｄに並列に入力され、各増幅回路２１ａ〜２１ｄで独立に増幅された後、各加算回路１２ａ〜１２ｄに入力される。複数の増幅回路２１ａ〜２１ｄが備えられる場合、入力するホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４を、任意の振幅に増幅することができ、これにより複数のホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の振幅を異なるものに任意に調整できる。

図５Ｂに示すように、ノイズ生成手段１５で発生したホワイトノイズＶｎを、１つの増幅回路２１ｅで増幅した後、各遅延回路１６ａ〜１６ｄに並列に入力するように構成してもよい。１つの増幅回路２１ｅが備えられる場合、入力するホワイトノイズＶｎを一括して任意の振幅に増幅することができ、これにより、全てのホワイトノイズＶｎの振幅を同一とすることができる。

増幅回路２１ａ〜２１ｄ（又は増幅回路２１ｅ）は、例えば事前に入力信号Ｖｉｎの信号電圧と、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４に応じて、ホワイトノイズＶｎの振幅を調整される。すなわち、入力信号Ｖｉｎに微弱信号Ｐが存在する期間では、ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４が閾値処理回路１３ａ〜１３ｄの閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４を超え、入力信号に微弱信号Ｐが存在しない期間では、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４を超えないように調整される。これにより、入力信号Ｖｉｎが確率共鳴現象を発現するようにホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の振幅は調整される。この時、各閾値処理回路１３ａ〜１３ｄに閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４として設定される各電圧値は、入力される入力信号Ｖｉｎの電圧実効値と、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の電圧実効値との合計以上となるようにしてもよい。これにより、増幅回路２１ａ〜２１ｄ（又は増幅回路２１ｅ）が配置されない場合と比較して、より広い強度範囲の入力信号Ｖｉｎに対応して確率共鳴現象を発現させることが可能になる。

増幅回路２１ａ〜２１ｄ（又は増幅回路２１ｅ）の増幅率と、閾値処理回路１３ａ〜１３ｄの閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４との関係は上述した例に限られない。例えば、増幅回路２１ａ〜２１ｄ（又は増幅回路２１ｅ）でホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の振幅が一定となるように調整し、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４の値をランダム化することも可能である。また、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の振幅を一定にし、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４が定められた上限値と下限値の間で、一定の間隔幅をとるように決定される構成にすることも可能である。また、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の振幅と、閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４をともにランダム化する構成も可能である。ホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の振幅と閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４の双方を変化できる構成とすることで、ホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４の振幅のみを変化させる場合と比べて、より広い強度範囲の入力信号Ｖｉｎに対して、確率共鳴現象を発現させることが可能となる。また、設定の調整によって、確率共鳴現象をより効果的に起こすことが可能となり、信号をより正確に検出することが可能になる。

（第３の実施の形態）
次に、上述した実施の形態にかかる信号処理装置１０（３０）を放射線計測装置に適用した実施の形態について説明する。図６は本実施の形態にかかる放射線計測装置１０１の全体構成を説明する。図６に示すように、放射線計測装置１０１は、ランダムに入射する放射線を検出する放射線検出部１０２と、放射線検出部１０２から出力されたパルス状の微弱信号を取り込んで信号処理し当該微弱信号を検出する信号処理装置１０７と、信号処理装置１０７から出力される出力信号に基づいて放射線量を計測する演算部１０８とを備える。信号処理装置１０７は、上述した第１の実施の形態にかかる信号処理装置１０又は第２の実施の形態にかかる信号処理装置３０で構成される。

放射線検出部１０２は、入射する放射線Ｒに応じた光を発生するシンチレータ１０４、シンチレータ１０４で発生した光を反射させるライトガイド１０５、及び入射した光に応じた信号を発生する受光素子１０６を有する。シンチレータ１０４は、外部から放射線Ｒが入射すると、放射線Ｒがシンチレータ１０４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、シンチレータ１０４を支えるライトガイド１０５に対して、シンチレーション光を入射する。ライトガイド１０５は、テーパ状であり、面積の広い一端面にシンチレータ１０４が配置され、面積の狭い他端面に受光素子１０６が配置される。ライトガイド１０５に入射したシンチレーション光は、ライトガイド１０５内で反射を繰り返し受光素子１０６に到達する。受光素子１０６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電気信号を出力し、この電気信号を入力信号Ｖｉｎとして、信号処置装置１０７に入力する。

信号処理装置１０７は、放射線検出部１０２から入力する入力信号Ｖｉｎに対して上述した第１又は第２の実施の形態と同様の処理を行う。ここで、入力信号Ｖｉｎに含まれる微弱信号Ｐは、放射線Ｒによって生じたパルス状の放射線検出信号であり、入力信号Ｖｉｎに確率共鳴現象を発現させることで得られる出力信号Ｖｏｕｔもパルス状の信号である。信号処理装置１０７から出力された出力信号Ｖｏｕｔは、演算部１０８に入力される。演算部１０８においては、出力信号Ｖｏｕｔの振幅、数をもとに放射線量を計測する演算を行う。なお、演算結果である放射線量は、図示されない、表示部や通信部などに出力される構成としてもよい。

ここで、第１又は第２の実施の形態に係る信号処理装置１０（３０）が、放射線計測装置１０１の信号処理装置に適していることについて説明する。図７Ａは、パルス信号（検出対象の微弱信号に相当する）が近接して２つ存在する入力信号Ｖｉｎの時間波形を示す図であり、図７Ｂは、図７Ａの入力信号Ｖｉｎを時間Δｔ遅延した遅延信号の時間波形を示す図であり、図７Ｃは、図７Ａの入力信号Ｖｉｎと図７Ｂの遅延信号が重畳された合成信号の時間波形を示す図である。図７Ａ〜図７Ｃにおいて各図間の時間は同期している。

第１の実施の形態に係る信号処理装置１０（図１）は、４つに分岐された入力信号Ｖｉｎは、同一位相のまま（位相遅延を伴うことなく、又は伝搬路で同一の位相遅延を受けて）、加算回路１２ａ〜１２ｄへ入力される一方、一つのノイズ生成回路１１で生成されたホワイトノイズＶｎは異なる遅延時間を与えられたホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４として加算回路１２ａ〜１２ｄに入力される。この場合、加算回路１２ａ〜１２ｄから出力されるノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４に含まれる入力信号Ｖｉｎの位相は、各ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４間で異ならない。そのため、各ノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４に含まれる入力信号Ｖｉｎの位相は揃っているため、複数のノイズ加算信号Ｖａ１〜Ｖａ４を加算したとしても、パルスは合成信号上の同じ位置に加算されることとなる。その結果、図７Ａに示す信号波形が再生されることとなり、近接して２つ存在するパルス信号を正確に検出することができる。

一方、放射線検出部１０２から入力する入力信号Ｖｉｎを複数に分岐した後に、複数の分岐入力信号Ｖｉｎ間で異なる遅延時間を与える回路構成の場合は、次のような不具合が生じる。たとえば、放射線検出部１０２から入力する入力信号Ｖｉｎに同一のホワイトノイズＶｎを加算してから、各々異なる遅延時間で遅延する場合を比較例として考察する。比較例においては、入力信号ＶｉｎとホワイトノイズＶｎを一緒に遅延する回路構成とする。複数の分岐入力信号Ｖｉｎは異なる遅延時間で遅延されるので、ノイズ生成手段は１つで済むが、分岐入力信号Ｖｉｎ間の位相が揃わなくなる。このとき、図７Ａに示す遅延時間がない入力信号Ｖｉｎと、図７Ｂに示す遅延時間Δｔを与えた入力信号Ｖｉｎとを加算すると、図７Ｃに示す合成信号のように遅延していない入力信号Ｖｉｎに含まれたパルス信号と、遅延させた入力信号Ｖｉｎに含まれた本来同一のパルス信号とが時間軸上で重ならずにずれた位置に別々に現れた状態となる。合成前の図７Ａの入力信号Ｖｉｎ、図７Ｂの遅延時間Δｔの入力信号Ｖｉｎでは、入力信号Ｖｉｎにパルス信号が２つ含まれているが、図７Ｃに示す合成信号ではパルス信号が４つ含まれている状態になっていることが判る。これでは、誤って４つのパルス信号として計数する可能性が高くなる不都合が生じる。つまり、ノイズ生成手段の個数を削減するために、入力信号Ｖｉｎを異なる遅延時間で遅延させる方式を採用すると、時間遅延された複数の入力信号Ｖｉｎが異なる位相で加算されることにより、本来の入力信号Ｖｉｎが再現されなくなるといった不具合が生じることになる。

また、入力信号Ｖｉｎに複数のパルス信号が隣接して存在する場合に、各入力信号Ｖｉｎ（パルス信号を含む）に異なる遅延時間を与えられて合成すると、各パルス信号間で遅延信号が合成されて１つのブロードな信号波形として再生される可能性がある。これでは、隣接する２つのパルス信号を１つのパルス信号として誤検出する可能性が高くなる。

このように、入力信号Ｖｉｎに近接したパルス信号が含まれる可能性がある放射線計測装置１０１には、第１又は第２の実施の形態に係る信号処理装置１０（３０）を適用することは放射線検出精度を改善する上で極めて有効であることが判る。本願の信号処理装置１０（３０）における、入力信号Ｖｉｎは遅延させず、ホワイトノイズＶｎのみを遅延させ、入力信号Ｖｉｎとホワイトノイズ信号Ｖｄ１〜Ｖｄ４を加算することで、確率共鳴現象を発現させる方法は、信号Ｖｉｎに含まれる微弱信号Ｐが近接する複数のパルス状の信号となる場合、つまりランダムに放射線が入射する放射線検出装置１０１に用いられる場合に、特に有効である。これにより、入力信号Ｖｉｎの微弱信号Ｐが隣接する複数のパルス状の信号であっても、パルスの数や、パルスの強度を正確に計測する可能性が向上する。

これらのことにより、放射線検出器１０１においては、検出対象の放射線に対して安定して確率共鳴現象を発現でき、高い信号検出精度を実現できる。さらに、計測対象の放射線（α線、β線、γ線、Ｘ線等）が、近接した時間に複数個連続で入力した場合であっても、パルスの数、パルスの幅及びパルスの強度を正確に計測する可能性が向上する。

上述した放射線検出器１０１では、放射線検出部１０２のシンチレータ１０４で入射した放射線Ｒをシンチレーション光に変換し、放射線検出部１０２の受光素子１０６でシンチレーション光を電気信号に変換する。しかし、構成はこれに限られるものではなく、放射線検出部１０２は、入射した放射線Ｒの強度に応じた信号を外部に出力するものであればよい。例えば、シンチレータ１０４を用いず、放射線Ｒを直接検出する放射線検出素子を用いることで、パルス状の放射線検出信号を放射線検出信号として外部に出力する構成としてもよい。

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。

１０信号処理装置
１１ノイズ生成回路
１２ａ〜１２ｄ加算回路
１３ａ〜１３ｄ閾値処理回路
１４検出回路
１５ノイズ生成手段
１６ａ〜１６ｄ遅延回路
１７ａ〜１７ｄコンパレータ
１８ａ〜１８ｄ電圧源
１９信号加算回路
２０波形再生回路
２１ａ〜２１ｅ増幅回路
３０信号処理装置
１０１放射線計測装置
１０２放射線検出部
１０７信号処理装置
１０８演算部
Ｖｉｎ入力信号
Ｐ検出対象の微弱信号
Ｖｏｕｔ出力信号

Claims

少なくとも検出対象の微弱信号の周波数よりも広い帯域において同じ強度となるノイズを発生する１つのノイズ生成手段と、
前記１つのノイズ生成手段に対して並列に接続され、前記ノイズ生成手段が生成したノイズに対して異なる遅延時間を与えて遅延させる複数の遅延回路と、
前記微弱信号を含む入力信号から分岐された複数の分岐入力信号に対して、前記複数の遅延回路で遅延させた前記各ノイズを加算する複数の加算回路と、
前記各加算回路から出力されるノイズ加算された分岐入力信号を閾値処理する複数の閾値処理回路と、
前記複数の閾値処理回路から出力される出力信号を合成して前記入力信号に含まれる微弱信号を検出する検出回路と、
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
前記複数の遅延回路の出力端に、前記各加算回路へ入力するノイズの振幅をそれぞれ調整する複数の増幅回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
前記ノイズ生成手段のノイズ出力端に、前記ノイズ生成手段が生成したノイズの振幅を調整する増幅回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
前記ノイズ生成手段は、
疑似ランダムバイナリ信号を用いて前記ノイズを生成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の信号処理装置。
ランダムに入射する放射線のエネルギーに応じてパルス状の微弱信号を出力する放射線検出部と、
前記放射線検出部から出力されたパルス状の微弱信号を取り込んで信号処理し当該微弱信号を検出する信号処理部と、
前記信号処理部から出力される出力信号に基づいて放射線量を計測する演算部と、を備え、
前記信号処理部は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の信号処理装置で構成され、前記放射線検出部から出力されたパルス状の微弱信号を含む入力信号を分岐して複数の分岐入力信号として取り込むことを特徴とする放射線計測装置。