JP7205949B2 - 音波センサの質問 - Google Patents
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Description
本発明は、音波タイプの受動センサ、特に、受動表面音波又はバルク音波センサの質問に関する。
センサはますます重要になり、日常生活の中でますます遍在するようになっている。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、サイズとコストの削減に加えて、センサの性能向上の要求に応える魅力的な選択肢である。表面音波（ＳＡＷ）センサ、及び程度は低いがバルク音波（ＢＡＷ）センサ、ラム（Ｌａｍｂ）波又はラブ（Ｌｏｖｅ）波音響センサは、例えば温度、圧力、ひずみ、トルクなど、さまざまな測定可能な周囲パラメータにより、特に有利な選択肢を提供する。
音波センサは、圧電効果を利用して電気信号を機械的／音波に変換する。ＳＡＷベースのセンサは、石英（ＳｉＯ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ランガサイト（ＬＧＳ）などの単結晶圧電材料、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの多結晶圧電材料上に構築され、特に、ケイ素上、又はさらには圧電材料、特に、例えば、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムなどの単結晶材料の層を含むピエゾオンインシュレータ（ＰＯＩ）複合材料上に堆積され、必要に応じて、例えば酸化ケイ素層などの結合層によって、例えばケイ素のように支持基板に結合される（一般に、単結晶圧電材料と非圧電基板の任意の組み合わせは、熱安定性や音響品質などの特定の特性のために使用される）。表面音波センサの場合、変換器、インターデジタル変換器（ＩＤＴ）は、電気信号の電気エネルギーを音波エネルギーに変換する。音波は、いわゆる遅延線を介してデバイス基板の表面（又はバルク）を横切って別の変換器、特にＩＤＴに伝わり、ＩＤＴは音波を検出可能な電気信号に変換する。一部のデバイスでは、干渉パターンを防止し、挿入損失を低減するために、機械的吸収体及び／又は反射器が提供される。一部のデバイスでは、他の（出力）ＩＤＴが、生成された音波を反射して（入力）ＩＤＴに戻す反射器に置き換えられる。この反射器は、センサデバイスのリモート質問用にアンテナに結合できる。測定は完全に受動的に実行することができ、すなわち、センサは電源によって電力を供給される必要がないことが有利である。
特定のクラスの音響センサは、さまざまな周囲条件に応じて変化する共振周波数を示す共振器を備えている。例えば、従来の表面波共振器は、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）ミラーの間に配置されたインターデジタル櫛を備えた電気音響変換器を備えている。共振周波数では、反射器間の同期条件が満たされ、反射器の下で発生するさまざまな反射のコヒーレントな加算を得ることができる。次に、最大の音響エネルギーが共振空洞内で観察され、電気的な観点から、変換器によって許容される電流の最大振幅が観察される。差動音波センサは、異なる共振周波数を示す２つ以上の共振器、又はマルチモード（いくつかの共振周波数）で動作する共振器を含み得、測定された周波数の差は、例えば、温度又はひずみなどの周囲パラメータの変動を反映する。
しかし、最近のエンジニアリングプロセスにもかかわらず、質問器が受信アンテナを介して音波センサによって受信され、変換器によって表面音波（又はバルク波、バルク音波センサタイプのデバイスの場合）に変換され、放射アンテナを介して再送信され、質問器によって受信及び分析される無線周波数信号に変換される遅延線に沿って伝播する適切な無線周波数信号を送信する質問プロセス全体は、依然として厳しい技術的問題を提起する。特に、一般的に使用されるＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｍｅｄｉｃａｌ（産業、科学、医療））帯域、例えば、中心周波数が４３４ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚの帯域に存在する無線周波数ノイズは、センサデバイスによって提供される応答スペクトルの生成と分析の品質に影響を与える読み取り／解釈エラーを引き起こす。
したがって、本発明の目的は、当技術分野と比較して信号対ノイズ比が増加した音波センサに質問するための手段及び方法を提供することである。
本発明は、質問無線周波数信号を音波センサに送信するように構成された送信アンテナと、音波センサから応答無線周波数信号を受信するように構成された受信アンテナと、感知されるべき周囲パラメータを決定するために、応答無線周波数信号を処理／分析するための処理手段を含む、音波センサに質問するための質問デバイスを提供することによって、上記の目的に取り組む。周囲パラメータは、例えば、監視されるべきいくつかの標的サンプルの温度、圧力、又はひずみレベルであり得る。
処理手段（例えば、標準のＣＰＵ、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラを含み得る）は、応答無線周波数信号のＮ個の連続するフレーム（第１フレーム、第２フレーム、．．、Ｎ番目のフレーム）のそれぞれにおける受信された応答無線周波数信号の同相成分Ｉ（Ｉ＝Ｙｃｏｓφ）及び直交成分Ｑ（Ｑ＝Ｙｓｉｎφ）を決定するように構成され、Ｎは１より大きい整数であり、Ｎ個のフレームのそれぞれは、Ｘ個のサンプリングポイントを含む（サンプリングポイントは、例えば、特定の周波数で信号の実数部と虚数部を測定するポイントである）。代替アプローチによれば、１）決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの各対の係数（絶対振幅）は、ノルムと重み関数によってさらに処理される。又は２）決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑは、それぞれＩノルム及びＱノルム並びにＩ重み関数及びＱ重み関数によってさらに処理される。両方の代替案による処理は、一般に、少なくとも部分的に時間領域又は周波数領域で実行できることにも留意されたい。
第１代替案によると、Ｎ個のフレームのそれぞれのＸ個のサンプリングポイントについての係数
は、処理手段によって計算される。第１ノルムは、計算された係数に基づいて計算される。決定された第１ノルムＭと決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第１重み関数Ｗが決定される。受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレーム（例えば、Ｎ番目のフレームの直後）の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑが決定され、Ｎ＋１番目のフレームは、受信された応答無線周波数信号のＸ個のサンプリングポイントを含む。Ｎ＋１番目のフレームの決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの対のそれぞれの係数｜Ｙ｜が決定され、第１重み関数Ｗが、Ｎ＋１番目のフレームで受信された応答無線周波数信号の決定された係数｜Ｙ｜に適用され、Ｎ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の加重係数｜Ｙ｜ｗを取得する。例えば、共振周波数、したがって周囲パラメータは、加重係数に基づいて決定することができる。
は、処理手段によって計算される。第１ノルムは、計算された係数に基づいて計算される。決定された第１ノルムＭと決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第１重み関数Ｗが決定される。受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレーム（例えば、Ｎ番目のフレームの直後）の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑが決定され、Ｎ＋１番目のフレームは、受信された応答無線周波数信号のＸ個のサンプリングポイントを含む。Ｎ＋１番目のフレームの決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの対のそれぞれの係数｜Ｙ｜が決定され、第１重み関数Ｗが、Ｎ＋１番目のフレームで受信された応答無線周波数信号の決定された係数｜Ｙ｜に適用され、Ｎ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の加重係数｜Ｙ｜ｗを取得する。例えば、共振周波数、したがって周囲パラメータは、加重係数に基づいて決定することができる。
したがって、第１代替案によれば、音波センサに質問するための質問デバイスが提供され、質問無線周波数信号を音波センサに送信するように構成された送信アンテナと、音波センサからの応答無線周波数信号を受信するように構成された受信アンテナと、処理手段であって、応答無線周波数信号のＮ個の連続するフレームのそれぞれにおける受信された応答無線周波数信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを決定することであって、Ｎは１より大きい整数であり、Ｎ個のフレームのそれぞれは、Ｘ個のサンプリングポイントを含む、ことと、決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの対のそれぞれの係数｜Ｙ｜を決定することと、決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第１ノルムＭを決定することと、決定された第１ノルムＭと決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第１重み関数Ｗを決定することと、受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレームの同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを決定することであって、Ｎ＋１番目のフレームは、受信された応答無線周波数信号のＸ個のサンプリングポイントを含む、ことと、Ｎ＋１番目のフレームの決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの対のそれぞれの係数｜Ｙ｜を決定することと、第１重み関数ＷをＮ＋１番目のフレームで受信された応答無線周波数信号の決定された係数｜Ｙ｜に適用して、Ｎ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の加重係数｜Ｙ｜ｗを取得することとを行うように構成された、処理手段と、を含む。
第２代替案によれば、音波センサに質問するための質問デバイスが提供され、質問無線周波数信号を音波センサに送信するように構成された送信アンテナと、音波センサからの応答無線周波数信号を受信するように構成された受信アンテナと、処理手段であって、応答無線周波数信号のＮ個の連続するフレームのそれぞれにおける受信された応答無線周波数信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを決定することであって、Ｎは１より大きい整数であり、Ｎ個のフレームのそれぞれは、Ｘ個のサンプリングポイントを含む、ことと、決定された同相成分Ｉに基づいて第１ＩノルムＭＩを決定することと、決定された直交成分Ｑに基づいて第１ＱノルムＭＱを決定することと、決定された第１ＩノルムＭＩ及び決定された同相成分Ｉに基づいて第１Ｉ重み関数ＷＩを決定することと、決定された第１ＱノルムＭＱ及び決定された直交成分Ｑに基づいて第１Ｑ重み関数ＷＱを決定することと、受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレームの同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを決定することであって、Ｎ＋１番目のフレームは、受信された応答無線周波数信号のＸ個のサンプリングポイントを含む、ことと、第１Ｉ重み関数ＷＩを、Ｎ＋１番目のフレームで受信された応答無線周波数信号の決定された同相成分Ｉに適用して、Ｎ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の加重同相成分Ｉｗを取得することと、第１Ｑ重み関数ＷＱを、Ｎ＋１番目のフレームで受信された応答無線周波数信号の決定された直交成分Ｑに適用して、Ｎ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の加重直交成分Ｑｗを取得することとを行うように構成された、処理手段と、を含む。
Ｎ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の得られた加重同相成分ＩｗとＮ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の加重直交成分Ｉｗから加重係数が計算できる。
両方の代替案にノルム（複数可）と重み関数（複数可）を適用することにより、当技術分野と比較して信号対ノイズ比を向上させることができる。これは特に、上記の操作を次のフレームに再帰的に適用する場合に当てはまり、次のフレーム（Ｎ＋２番目のフレーム、Ｎ＋３番目のフレーム、．．）のそれぞれについて、ノルム（複数可）と重み関数（複数可）を決定するときに、それぞれの第１フレーム（つまり、Ｎ＋２番目のフレームを処理するときの第１フレーム、Ｎ＋３番目のフレームを処理するときの第２フレーム（及び第１フレーム）など）は無視される。以て、最新の周囲条件を考慮に入れた効率的な適応型重みプロセスが提供される。
したがって、処理手段は、（第１代替案に従って）、応答無線周波数信号のＮ＋２番目（例えば、Ｎ＋１番目のフレームの直後）のフレームにおける受信された応答無線周波数信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを決定することであって、Ｎ＋２番目のフレームは、受信された応答無線周波数信号のＸ個のサンプリングポイントを含む、ことと、Ｎ＋２番目のフレームの決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの対のそれぞれの係数｜Ｙ｜を決定することと、Ｎ個のフレームの第１フレームの決定された係数｜Ｙ｜を使用せずに、第２～Ｎ＋１番目のフレームの決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第２ノルムＭを決定することと、Ｎ個のフレームの第１フレームの決定された係数｜Ｙ｜を使用せずに、第２～Ｎ＋１番目のフレームの決定された第２ノルムＭと決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第２重み関数Ｗを決定することと、Ｎ＋２番目のフレームで受信された応答無線周波数信号の決定された係数｜Ｙ｜に第２重み関数Ｗを適用して、Ｎ＋２番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の加重係数｜Ｙ｜ｗを取得することとを行うように構成され得る。
第２代替案によれば、処理手段は、応答無線周波数信号のＮ＋２番目のフレームにおける受信された応答無線周波数信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを決定することであって、Ｎ＋２番目のフレームは、受信された応答無線周波数信号のＸ個のサンプリングポイントを含む、ことと、Ｎ個のフレームの第１フレームの決定された同相成分Ｉを使用せずに、第２～Ｎ＋２番目のフレームの決定された同相成分Ｉに基づいて第２ＩノルムＭＩを決定することと、Ｎ個のフレームの第１フレームの決定された直交成分Ｑを使用せずに、第２～Ｎ＋２番目のフレームの決定された直交成分Ｑに基づいて第２ＱノルムＭＱを決定することと、Ｎ個のフレームの第１フレームの決定された同相成分Ｉを使用せずに、第２～Ｎ＋２番目のフレームの決定された第２ＩノルムＭＩ及び決定された同相成分Ｉに基づいて第２Ｉ重み関数ＷＩを決定することと、Ｎ個のフレームの第１フレームの決定された直交成分Ｑを使用せずに、第２～Ｎ＋２番目のフレームの決定された第２ＱノルムＭ及び決定された直交成分Ｑに基づいて第２Ｑ重み関数ＷＱを決定することと、第２Ｑ重み関数ＷＱを、Ｎ＋２番目のフレームで受信された応答無線周波数信号の決定された直交成分Ｑに適用して、Ｎ＋２番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の加重直交成分Ｑｗを取得することとを行うように構成することができる。
すでに述べたように、これらの手順は、次のＮ＋３番目、Ｎ＋４番目などのフレームに対して再帰的に実行できる。
以下では、ノルム（複数可）と重み関数（複数可）を計算するための具体的な非限定的な例を両方の代替案について示す。第１代替案（Ｎ個のフレームの決定された係数に基づく第１ノルム及び第１重み関数の計算）によれば、処理手段は、方程式
に従って第１ノルムＭを決定するように構成され得る。
に従って第１ノルムＭを決定するように構成され得る。
ここで、｜Ｙｎ（ωｘ）｜は、ｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの係数を示す。この場合、処理手段は、方程式
に従って第１重み関数を決定するように構成され得る。
に従って第１重み関数を決定するように構成され得る。
それは、各サンプリングポイントｘ（ｘ＝１、．．、Ｘ）のＮ個のフレームにわたる係数Ｙｎ（ωｎ）の平均
を含む。
を含む。
処理手段は、信号対ノイズ比をさらに増加させるために、得られた加重係数｜Ｙ｜ｗにガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）密度関数を適用するようにさらに構成され得る。
第２代替案によれば（決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑは、それぞれＩノルム及びＱノルム並びにＩ重み関数及びＱ重み関数によってさらに処理される）、処理手段は、方程式
に従って第１ＩノルムＭＩを決定するように構成することができる。
に従って第１ＩノルムＭＩを決定するように構成することができる。
ここで、Ｉｎ（ωｘ）は、ｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの同相成分を示し、処理手段はさらに、方程式
に従って第１ＱノルムＭＱを決定するように構成することができる。
に従って第１ＱノルムＭＱを決定するように構成することができる。
ここで、Ｑｎ（ωｘ）は、ｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの直交成分を示す。
この場合、処理手段は、方程式
に従って第１Ｉ重み関数ＷＩを決定するように、及び方程式
に従って第１Ｑ重み関数ＷＱを決定するように構成され得る。
に従って第１Ｉ重み関数ＷＩを決定するように、及び方程式
に従って第１Ｑ重み関数ＷＱを決定するように構成され得る。
第１代替案と同様に、信号対ノイズ比は、ガウス密度関数を適用することによってさらに強化することができる。したがって、処理手段は、Ｎ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の得られた加重同相成分Ｉｗ及びＮ＋１番目のフレームの受信された応答無線周波数信号の得られた加重直交成分Ｑｗの加重係数｜Ｙ｜ｗを計算し、計算された加重係数｜Ｙ｜ｗにガウス密度関数を適用するようにさらに構成され得る。第１代替案と同様に、上記の再帰的手順内のガウス密度関数は次のフレームＮ＋２、Ｎ＋３などに適用できる。
上記の実施形態の動作の効率及び信頼性は、欠陥のあるフレームを無視することによってさらに高めることができる。したがって、上記の実施形態のいずれかによる質問デバイスは、フィルタリング手段（処理手段の一部であり得る）をさらに含み得、これは、第１ノルムＭ又は第１ＩノルムＭＩと第１ＱノルムＭＱのいずれかを決定する前に、受信された応答無線周波数信号をフィルタリングするように構成されて、Ｎ個のフレームのうち、所定の分散閾値又は標準偏差閾値を超える、それぞれのフレーム全体にわたる同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの分散又は標準偏差を示すフレームを排除する。欠陥フレームを排除するための任意選択的なフィルタリングが実行されるとき、Ｎ個のフレーム、上記のＮ＋１番目及びＮ＋２番目のフレームは、それぞれ、欠陥のないフレーム及び対応する後続の欠陥のないフレームを表すことを理解されたい。
実施形態による、分散又は標準偏差の閾値化は、以下のように実現することができる。Ｎ個のフレームの特定のフレーム全体、例えば第１フレームにわたる同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの分散又は標準偏差が計算され、初期閾値を表す。次のフレームについても、それぞれのフレーム全体にわたる同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの分散又は標準偏差が計算される。次のフレームの分散又は標準偏差が減少している場合、閾値は次のフレームの分散又は標準偏差によって更新される。次のフレームの分散又は標準偏差が前のフレームの分散又は標準偏差よりも大きい場合、前のフレームの分散又は標準偏差が閾値として使用される。
さらに、周囲パラメータ、例えば、温度、ひずみレベル、圧力、又は回転軸線のトルクレベルを監視／測定するためのシステムが提供され、上記の実施形態の１つによる質問デバイス、質問デバイスに通信可能に結合された音波センサデバイスを備える。音波センサデバイスは、例えば、受動表面音波センサデバイスである。
さらに、上記の処理ステップが実行される、音波センサに質問する方法が本明細書で提供される。さらに、処理手段（処理手段上で実行される場合）に上記の処理ステップを実行させる命令を含むコンピュータプログラム製品が本明細書で提供される。
すでに述べたように、処理は少なくとも部分的に時間又は周波数領域で実行できる。上記の方程式はすべて、周波数領域の対応する式に直接変換でき、時間領域のノルムと重み関数の適切な表現は、請求項に係る発明によってカバーされることが理解されるべきである。
本発明の追加の特徴及び利点は、図面を参照して説明される。説明では、本発明の好ましい実施形態を説明することを意図した添付の図を参照する。そのような実施形態は、本発明の全範囲を表すものではないことが理解される。
本発明は、受動音波センサ、特にＳＡＷセンサのリモート質問のための技術を提供し、この技術は、高い信号対ノイズ比によって特徴付けられる。この技術は、質問音波センサからの応答スペクトルを決定するように構成された任意の質問器に適用することができる。質問音波センサは、例えば、共振器デバイス、例えば、差動ＳＡＷセンサであり得る。図１は、実施形態による本発明を実装することができる、例示的な比較的単純なシステム（すなわち、空洞共振条件を満たすいくつかのモードを示す共振器）を示す。言うまでもなく、本発明は、音波センサ又は誘電体共振器、ＲＬＣ回路などを使用する任意のデバイスに実装することができる。使用される質問デバイスには、例えば、ネットワークアナライザの信号取得／処理モードでＩＱ検出器を使用して動作する任意のリーダーを含めることができる。
図１に示されるシステムは、共振器１、質問無線周波数信号を受信し、応答無線周波数信号を送信するためのアンテナ１１を含む音波（ＳＡＷ）センサデバイス１０、アンテナ１１に接続され、インターデジタル電極を含む櫛形変換器１２及び２つの一連の反射器を含むＳＡＷ共振空洞１３を備える。センサデバイス１０は、石英（ＳｉＯ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ランガサイト（ＬＧＳ）などの単結晶圧電材料又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの多結晶圧電材料上に構築され、特にケイ素上、又はさらには圧電材料、特に、例えば、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムなどの単結晶材料の層を含むピエゾオンインシュレータ（ＰＯＩ）複合材料上に堆積され、必要に応じて、例えば酸化ケイ素層などの結合層によって、例えばケイ素などの支持基板に結合されているＳＡＷベースのセンサを含み得る。変換器１２は、アンテナ１１によって受信された質問無線周波数信号を音波に変換し、それは、共振空洞１３の反射器によって反射され、無線周波数信号に変換され、過程では、応答無線周波数信号としてアンテナ１１によって送信される。
システムはさらに、質問無線周波数信号を音波（ＳＡＷ）センサデバイス１０に送信するための送信アンテナ２１と、音波（ＳＡＷ）センサデバイス１０から応答無線周波数信号を受信するための受信アンテナ２２と、を含む質問デバイス２０を備える。送信アンテナ２１によって送信される質問無線周波数信号は、無線周波数合成器又は発振器、並びに任意選択で、送信アンテナ２１によって送信される信号の適切な周波数転置及び／又は増幅を提供するいくつかの信号整形モジュールを含み得る信号発生器２３によって生成される。信号発生器２３によって生成される質問無線周波数信号は、音響センサデバイス１０の共振周波数に従って選択された周波数を有するパルス信号又はバースト信号であり得る。
さらに、質問デバイス２０は、受信アンテナ２２に接続された処理手段２４を備える。処理手段２４は、フィルタリング及び／又は増幅手段を含み得、受信アンテナ２２によって受信された応答無線周波数信号を分析するように構成され得る。例えば、センサデバイス１０は、４３４ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚの共振周波数で動作する。質問デバイス２０は、長い無線周波数パルスを送信することができ、送信が停止された後、共振空洞１３は、Ｑｆ／πＦに等しい時定数τを有するその共振固有周波数で放電する。ここで、Ｆは中心周波数であり、Ｑｆは品質係数Ｑｆであり、それは、中心周波数と、質問プロセスで使用されるバンドパスの最大値の半分の幅との比率に対応する。質問デバイス２０の処理手段２４によって実行されるスペクトル分析は、共振器周波数を計算することを可能にし、周囲パラメータの感知を可能にする。受信された応答無線周波数信号は、当技術分野で知られているいわゆるＩＱプロトコルに従って、処理手段によって質問無線周波数信号と混合されて、次に、係数及び位相を導出できる実数部と虚数部（同相Ｉ及び直交Ｑ）を抽出することができる。
本発明によれば、信号対ノイズ比を増加させるために、ノルム及び重み関数による受信された応答無線周波数信号の処理が実行される。処理は、原則として、少なくとも部分的に時間領域又は周波数（スペクトル）領域で実行できる。例示的な目的のために、以下のスペクトル領域での処理が考慮される。図２は、本発明の実施形態による処理、例えば、図１に示される質問デバイス２０の処理手段２４によって実行され得る一種の処理を示す流れ図を示す。
手順の第１ステップにおいて、質問無線周波数信号は、質問デバイス、例えば、図１に示される質問デバイス２０によって、音波センサデバイス、例えば、図１に示される音響センサデバイス１０に送信される１０１。質問デバイスは、応答無線周波数信号１０２を受信する。受信された応答無線周波数信号は、質問デバイス、例えば、図１に示される質問デバイス２０の処理手段２４によって処理／分析される。
特に、応答無線周波数信号のＮ個の連続するフレーム（１、．．、Ｎ）のそれぞれにおける受信された応答無線周波数信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑ（Ｎは１より大きい整数であり、Ｎ個のフレームのそれぞれは、Ｘ個のサンプリング（周波数）ポイントを含む）は、例えばＩＱプロトコルを使用することによって決定される１０３。例えば、Ｘは１００～１０００の範囲にあり得、Ｎは２０～１００の範囲にあり得る。
決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑに基づいて、ノルムが決定される１０４。特定の実施形態によれば、受信された応答無線周波数信号のＮ個のフレームの決定された同相成分Ｉと直交成分Ｑの対の係数
が計算される。第１ノルムは、方程式
に従って計算される１０４。ここで、｜Ｙｎ（ωｘ）｜は、ｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの係数を示す。
が計算される。第１ノルムは、方程式
に従って計算される１０４。ここで、｜Ｙｎ（ωｘ）｜は、ｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの係数を示す。
第１ノルムに基づいて、第１重み関数
が計算される１０５。この重み関数は、Ｎ番目のフレームに直接続く可能性のある受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレーム（Ｘ個のサンプリングポイントも含む）に適用される１０６（関数を理解するために、Ｎ＋１番目のフレームのデータ系列に適用される一意の値又は単一の値はないが、重みは各サンプリングポイントで記録された信号に依存することを意味し、各サンプリングポイントでの重みにＮ＋１番目のフレーム内のそのサンプリングポイントの値を乗算することにより、重み操作が実現される）。受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレームの同相成分Ｉ及び直交成分Ｑが決定され、Ｎ＋１番目のフレームの決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの対のそれぞれの係数｜Ｙ｜が決定される。優れた信号対ノイズ比を示す加重係数を取得するために、重み関数が係数に適用される。加重係数から、データを適切なフィッティング関数、特に以下でより詳細に説明するガウスフィッティングにフィッティングすることによって共振周波数を決定することができ、決定された共振周波数に基づいて周囲パラメータを監視することができる。
が計算される１０５。この重み関数は、Ｎ番目のフレームに直接続く可能性のある受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレーム（Ｘ個のサンプリングポイントも含む）に適用される１０６（関数を理解するために、Ｎ＋１番目のフレームのデータ系列に適用される一意の値又は単一の値はないが、重みは各サンプリングポイントで記録された信号に依存することを意味し、各サンプリングポイントでの重みにＮ＋１番目のフレーム内のそのサンプリングポイントの値を乗算することにより、重み操作が実現される）。受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレームの同相成分Ｉ及び直交成分Ｑが決定され、Ｎ＋１番目のフレームの決定された同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの対のそれぞれの係数｜Ｙ｜が決定される。優れた信号対ノイズ比を示す加重係数を取得するために、重み関数が係数に適用される。加重係数から、データを適切なフィッティング関数、特に以下でより詳細に説明するガウスフィッティングにフィッティングすることによって共振周波数を決定することができ、決定された共振周波数に基づいて周囲パラメータを監視することができる。
この実施形態による上記の手順は、次のフレームＮ＋２、Ｎ＋３などに対して再帰的に実行される。ここで、各再帰ループでは、前のループで使用された第１フレームを無視して、ノルム（したがって、重み関数）が計算される。したがって、次のループ１０７では、第１（最も古い）フレーム１が考慮から除外され、第２（更新された）ノルムが、第２～Ｎ＋１番目のフレームを使用して計算される。
したがって、次のループ１０７では、（第２）重み関数は
で与えられ、Ｎ＋２番目のフレームなどに適用される。
で与えられ、Ｎ＋２番目のフレームなどに適用される。
図３は、強化された信号対ノイズ比に関するこの種の処理の効果を示す。図３は、Ｉ成分とＱ成分の生データと、生データに対して得られた係数（グラフａ）を示す。比較すると、図３のグラフｂは、上記の手順で得られた加重係数を示す。図３から明らかなように、この例では、信号対ノイズ比を１桁増やすことができる。
上記の実施形態では、ノルム及び重み関数が決定され、Ｉ及びＱ成分の係数に適用されるのに対して、或いは、ノルム及び重み関数は、Ｉ及びＱ成分に対して別々に決定され得、こうして得られた重み関数をそれぞれの次のフレームのＩ及びＱ成分に適用できる。この代替案によれば、方程式
に従って第１ＩノルムＭＩが計算される。ここで、Ｉｎ（ωｘ）はｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの同相成分を示し、第１ＱノルムＭＱは方程式
に従って計算される。ここで、Ｑｎ（ωｘ）は、ｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの直交成分を示す。
に従って第１ＩノルムＭＩが計算される。ここで、Ｉｎ（ωｘ）はｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの同相成分を示し、第１ＱノルムＭＱは方程式
に従って計算される。ここで、Ｑｎ（ωｘ）は、ｘ番目のサンプリングポイントとｎ番目のフレームの直交成分を示す。
したがって、第１Ｉ重み関数ＷＩは、方程式
に従って計算され、第１Ｑ重み関数ＷＱは、方程式
に従って計算される。
に従って計算され、第１Ｑ重み関数ＷＱは、方程式
に従って計算される。
次に、第１Ｉ重み関数ＷＩがＮ＋１番目のフレームのＩ成分に適用され、第１Ｑ重み関数ＷＱがＮ＋１番目のフレームのＱ成分に適用される。これに対応して、第２ＩノルムＭＩと第２ＱノルムＭＱが計算される。
それによって、第２Ｉ重み関数ＷＩと第２Ｑ重み関数ＷＱ
が決定され、これらは、加重Ｉ及びＱ成分を取得するために、Ｎ＋１番目のフレームのＩ及びＱ成分にそれぞれ適用される。加重係数は、加重Ｉ及びＱ成分から簡単に計算できる。さらに再帰的なループ（Ｎ＋２番目のフレーム、Ｎ＋３番目のフレームなど）が単純な方法で続く（各ループは前のループのそれぞれの第１フレームを無視する）。
それによって、第２Ｉ重み関数ＷＩと第２Ｑ重み関数ＷＱ
が決定され、これらは、加重Ｉ及びＱ成分を取得するために、Ｎ＋１番目のフレームのＩ及びＱ成分にそれぞれ適用される。加重係数は、加重Ｉ及びＱ成分から簡単に計算できる。さらに再帰的なループ（Ｎ＋２番目のフレーム、Ｎ＋３番目のフレームなど）が単純な方法で続く（各ループは前のループのそれぞれの第１フレームを無視する）。
特定の実施形態によれば、図２の流れ図のステップ１０４は、欠陥のあるフレームを排除するためのプレフィルタリングのステップが先行する。実際、Ｎ個のフレームのうち、所定の分散閾値を超える、それぞれのフレーム全体にわたって同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの分散を示すフレームを排除することができる。閾値処理は適応可能である。例えば、分散閾値は、Ｎ個のフレームのうちの特定の１つにおける同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの分散として初期閾値を設定し、閾値が特定のフレームの分散よりも小さい場合、又は初期閾値を維持する場合、特定のフレームの直後のフレームにおける同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの分散として閾値を決定することによって動的に決定され得る。このプロセスは、次のフレームに対して再帰的に実行できる。つまり、次のフレームについても、再度、それぞれのフレーム全体にわたる同相成分Ｉ及び直交成分Ｑの分散が計算され、次のフレームの分散が減少している場合、閾値は次のフレームの分散によって更新される。次のフレームの分散が前のフレームの分散よりも大きい場合、前のフレームの分散が閾値として使用される。
さらに、ガウス密度関数～ｅｘｐ（－０，５（｜ｂ－ｘ｜／ｃ）２）は、ｘは時間又は周波数変数を示し、ｃは分散を示し、ｂはｘの最大値を示し、上記の両方の代替アプローチで、結果の加重係数に適用できる。例えば、図１に示すような共振器デバイスの共振周波数を確実に抽出することができる。処理された信号をこのような密度関数にフィッティングさせると、変数ｂに対応する共振周波数に直接アクセスできる。
得られた高い信号対ノイズ比のために、当技術分野で必要とされるいくつかの後処理の文脈でのデータの平滑化はもはや必要ではない。特に、ノイズレベルに近い振幅を示す任意の信号成分は、確実に最小化又は排除することができる。
本明細書に開示される技術によって、周囲パラメータは、音波センサデバイス及び音波センサに質問する質問デバイスを使用して感知することができ、ノルム及び重み関数を使用することによって、増強された信号対ノイズ比を達成することができる。特に、例えば、温度、ひずみ、圧力、又は回転軸線のトルクなどの周囲パラメータの測定の安定性により、堅牢で信頼性の高い監視が可能になる。
前述のすべての実施形態は、制限として意図されているのではなく、本発明の特徴及び利点を説明する例として役立つ。上記の機能の一部又はすべてを異なる方法で組み合わせることもできることを理解されたい。
Claims (12)
- 音波センサ（１０）に質問するための質問デバイス（２０）であって、
質問無線周波数信号を前記音波センサ（１０）に送信（１０１）するように構成された送信アンテナ（２１）と、
前記音波センサ（１０）から応答無線周波数（１０２）信号を受信するように構成された受信アンテナ（２２）と、
処理手段（２４）であって、
前記応答無線周波数信号（１０２）のＮ個の連続するフレームのそれぞれにおいて、前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを決定する（１０３）ことであって、Ｎは１より大きい整数であり、前記Ｎ個のフレームのそれぞれは、Ｘ個のサンプリングポイントを含む、ことと、
前記決定された同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑの対のそれぞれの係数｜Ｙ｜を決定することと、
前記決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第１ノルムＭを決定する（１０４）することと、
前記決定された第１ノルムＭ及び前記決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第１重み関数Ｗを決定（１０５）することと、
前記受信された応答無線周波数信号のＮ＋１番目のフレームの前記同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑを決定することであって、前記Ｎ＋１番目のフレームは、前記受信された応答無線周波数信号（１０２）のＸ個のサンプリングポイントを含む、ことと、
前記Ｎ＋１番目のフレームの前記決定された同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑの対のそれぞれの前記係数｜Ｙ｜を決定することと、
前記第１重み関数Ｗを前記Ｎ＋１番目のフレームで前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記決定された係数｜Ｙ｜に適用（１０６）して、前記Ｎ＋１番目のフレームの前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の加重係数｜Ｙ｜ｗを取得することとを行うように構成された、処理手段（２４）と、を含む、質問デバイス（２０）。 - 音波センサ（１０）に質問するための質問デバイス（２０）であって、
質問無線周波数信号を前記音波センサ（１０）に送信（１０１）するように構成された送信アンテナ（２２）と、
前記音波センサ（１０）から応答無線周波数信号（１０２）を受信するように構成された受信アンテナ（２１）と、
処理手段（２４）であって、
前記応答無線周波数信号（１０２）のＮ個の連続するフレームのそれぞれにおける前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑを決定（１０３）することであって、Ｎは１より大きい整数であり、前記Ｎ個のフレームのそれぞれは、Ｘ個のサンプリングポイントを含む、ことと、
前記決定された同相成分Ｉに基づいて第１ＩノルムＭＩを決定することと、
前記決定された直交成分Ｑに基づいて第１ＱノルムＭＱを決定することと、
前記決定された第１ＩノルムＭＩ及び前記決定された同相成分Ｉに基づいて第１Ｉ重み関数ＷＩを決定することと、
前記決定された第１ＱノルムＭＱ及び前記決定された直交成分Ｑに基づいて第１Ｑ重み関数ＷＱを決定することと、
前記受信された応答無線周波数信号（１０２）のＮ＋１番目のフレームの前記同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑを決定することであって、前記Ｎ＋１番目のフレームは、前記受信された応答無線周波数信号（１０２）のＸ個のサンプリングポイントを含む、ことと、
前記Ｎ＋１番目のフレームで前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記決定された同相成分Ｉに前記第１Ｉ重み関数ＷＩを適用して、前記Ｎ＋１番目のフレームの前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の加重同相成分Ｉｗを取得することと、
前記Ｎ＋１番目のフレームで前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記決定された直交成分Ｑに前記第１Ｑ重み関数ＷＱを適用して、前記Ｎ＋１番目のフレームの前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の加重直交成分Ｑｗを取得することとを行うように構成された、処理手段（２４）と、を含む、質問デバイス（２０）。 - 前記処理手段（２４）は、
前記応答無線周波数信号（１０２）のＮ＋２番目のフレームにおける前記受信された応答無線周波数信号の前記同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑを決定することであって、前記Ｎ＋２番目のフレームは、前記受信された応答無線周波数信号（１０２）のＸ個のサンプリングポイントを含む、ことと、
前記Ｎ＋２番目のフレームの前記決定された同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑの対のそれぞれの前記係数｜Ｙ｜を決定することと、
前記Ｎ個のフレームの第１フレームの前記決定された係数｜Ｙ｜を使用せずに、第２～Ｎ＋１番目のフレームの前記決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第２ノルムＭを決定することと、
前記Ｎ個のフレームの前記第１フレームの前記決定された係数｜Ｙ｜を使用せずに、前記第２～Ｎ＋１番目のフレームの前記決定された第２ノルムＭと前記決定された係数｜Ｙ｜に基づいて第２重み関数Ｗを決定することと、
前記Ｎ＋２番目のフレームで前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記決定された係数｜Ｙ｜に前記第２重み関数Ｗを適用して、前記Ｎ＋２番目のフレームの前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の加重係数｜Ｙ｜ｗを取得することとを行うようにさらに構成される、請求項１に記載の質問デバイス（２０）。 - 前記処理手段（２４）は、
前記応答無線周波数信号（１０２）のＮ＋２番目のフレームにおける前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑを決定することであって、前記Ｎ＋２番目のフレームは、前記受信された応答無線周波数信号のＸ個のサンプリングポイントを含む、ことと、
前記Ｎ個のフレームの第１フレームの前記決定された同相成分Ｉを使用せずに、第２～Ｎ＋２番目のフレームの前記決定された同相成分Ｉに基づいて第２ＩノルムＭＩを決定することと、
前記Ｎ個のフレームの前記第１フレームの前記決定された直交成分Ｑを使用せずに、前記第２～Ｎ＋２番目のフレームの前記決定された直交成分Ｑに基づいて第２ＱノルムＭＱを決定することと、
前記Ｎ個のフレームの前記第１フレームの前記決定された同相成分Ｉを使用せずに、前記第２～Ｎ＋２番目のフレームの前記決定された第２ＩノルムＭＩ及び前記決定された同相成分Ｉに基づいて第２Ｉ重み関数ＷＩを決定することと、
前記Ｎ個のフレームの前記第１フレームの前記決定された直交成分Ｑを使用せずに、前記第２～Ｎ＋２番目のフレームの前記決定された第２ＱノルムＭ及び前記決定された直交成分Ｑに基づいて第２Ｑ重み関数ＷＱを決定することと、
前記Ｎ＋２番目のフレームで前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記決定された同相成分Ｉに前記第２Ｉ重み関数ＷＩを適用して、前記Ｎ＋２番目のフレームの前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の加重同相成分Ｉｗを取得することと、
前記Ｎ＋２番目のフレームで前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記決定された直交成分Ｑに前記第２Ｑ重み関数ＷＱを適用して、前記Ｎ＋２番目のフレームの前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の加重直交成分Ｑｗを取得することと、を行うようにさらに構成される、請求項２に記載の質問デバイス（２０）。 - 前記処理手段（２４）は、次の方程式に従って前記第１ノルムＭを決定（１０４）するように構成され、
ここで、｜Ｙｎ（ωｘ）｜は、前記ｘ番目のサンプリングポイントと前記ｎ番目のフレームの前記同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑの係数を示す、請求項１又は３に記載の質問デバイス（２０）。 - 前記処理手段（２４）は、前記得られた加重係数｜Ｙ｜ｗにガウス密度関数を適用するようにさらに構成される、請求項１、３、及び５のいずれか一項に記載の質問デバイス（２０）。
- 前記処理手段（２４）は、次の方程式に従って前記第１ＩノルムＭＩを決定（１０４）するように構成され、
ここで、Ｉｎ（ωｘ）は、前記ｘ番目のサンプリングポイントと前記ｎ番目のフレームの前記同相成分を示し、前記処理手段（２４）はさらに、次の方程式に従って前記第１ＱノルムＭＱを決定するように構成され、
ここで、Ｑｎ（ωｘ）は、前記ｘ番目のサンプリングポイントと前記ｎ番目のフレームの前記直交成分を示す、請求項２又は４に記載の質問デバイス（２０）。 - 前記処理手段（２４）は、次の方程式
に従って前記第１Ｉ重み関数ＷＩを決定するように、及び、次の方程式
に従って前記第１Ｑ重み関数ＷＱを決定するように構成される、請求項７に記載の質問デバイス（２０）。 - 前記処理手段（２４）は、
前記Ｎ＋１番目のフレームの前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記得られた加重同相成分Ｉｗ及び前記Ｎ＋１番目のフレームの前記受信された応答無線周波数信号（１０２）の前記得られた加重直交成分Ｑｗの加重係数｜Ｙ｜ｗを計算することと、前記計算された加重係数｜Ｙ｜ｗにガウス密度関数を適用することとを行うようにさらに構成される、請求項２、４、７及び８のいずれか一項に記載の質問デバイス（２０）。 - 前記Ｎ個のフレームのうち、所定の分散又は標準偏差の閾値を超える、それぞれのフレーム全体にわたる前記同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑの分散又は標準偏差を示すフレームを排除するために、前記第１ノルムＭ又は前記第１ＩノルムＭＩ及び第１ＱノルムＭＱのいずれかを決定する前に、前記受信された応答無線周波数信号（１０２）をフィルタリングするように構成されたフィルタリング手段をさらに含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の質問デバイス（２０）。
- 前記フィルタリング手段は、前記Ｎ個のフレームのうちの特定の１つにおける前記同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑの前記分散又は標準偏差として初期閾値を決定し、前記閾値が前記特定のフレームの前記分散又は標準偏差よりも小さい場合、前記特定のフレームに直接続くフレーム内の前記同相成分Ｉ及び前記直交成分Ｑの前記分散又は標準偏差として前記閾値を決定することによって、前記分散又は標準偏差或いは対応する閾値を動的に決定するように構成される、請求項１０に記載の質問デバイス（２０）。
- 周囲パラメータを監視するためのシステムであって、
請求項１～１１のいずれか一項に記載の質問デバイス（２０）と、
前記質問デバイスに通信可能に結合された音波センサデバイス（１０）と、を含み、前記音波センサデバイス（１０）は、特に、受動表面音波センサデバイスであり、前記周囲パラメータは、特に、温度、ひずみ、圧力、又は回転軸線のトルクである、システム。
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