专利名称：波形检测装置和使用该装置的状态监视系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及波形检测装置和使用该装置的状态监视系统，其中波形检测装置具有这样的信号处理功能将没有周期性反复的过渡状态特征化后检测，或通过对输入波形进行1/f波动变换来获得输出波形。
背景技术：
状态监视系统中，作为从时序数据中探测出迹象的方法，随着计算机的发展，有了采用实用化波形读取技术的方法。波形读取与傅立叶变换相比，在频谱分析精度方面要差些。但是，波形读取与傅立叶变换相比，可以进行动态的分析，具有能更精确地捕捉到时序数据以及图像等的频谱变化的特征。为此，目前，在时序数据迹象的检测以及图像数据的图像识别方面都广泛地使用波形读取技术。
图37、38示出了现有技术的使用波形读取技术的波形检测装置(下面称其为波形读取系统)的结构。如图所示，该波形读取系统由传感器、信号输入部、运算处理部、判断部、输出部构成，可以在运算部中处理输入信号数据，从而进行波形检测。
图37中，信号输入部由用来收集从传感器中输出的数据的变换器、A/D转换器、存储器、数据截断装置构成。来自传感器的测量值在A/D转换器中被变换为数字数据。存储器中将输入信号进行文件转换，与运算处理部进行的处理相配合，截断数据，从运算处理部中产生出测量输入信号数据(Ij)。
运算处理部带有信号处理部、由多个数字滤波器和参数设定装置构成的数字滤波运算装置以及将其输出综合的合成部。在运算处理部中设置的信号处理部不是必需的组成部份，根据需要来设定，在各个部分中，执行输入信号的噪声处理、数据的归一化、多个数据的分配。
参照图39、40来说明上述运算处理部的数据滤波器的结构。如图37所示，数字滤波器带有存储输入信号数据并将其延迟的延迟存储器以及存储乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线存储器。如图38所示，上述参数设定装置带有滤波器参数设定装置和乘法系数特性曲线设定装置。并且，该运算处理部在数字滤波器中设置延迟存储器。
如图40所示，数字滤波器取输入到延迟存储器中的输入信号和预先设定的乘法系数特性曲线之间的乘积之和作为输出。与乘法系数特性曲线的形状模拟的波形混入在输入信号中时，输出值变大。如图39所示，由于输入新的输入信号数据，使延迟存储器内的数据依次被传送，因此，滤波器的输出能够随时间的变化输出其时间点的特征。因此，该输出排列为某个时间的各个成分的强度分布，可以呈现出其信号特征。如果该特征的组合与特定的时序数据的特性曲线以及符号码的形状相关，就能够检测出体现时序数据状态变化的迹象，识别并截出图像的符号和代码，或将信号输入到数字滤波器中，通过强调输入信号的波动成分的一部分来预测输入波形的推移。
图46中示出了用数字滤波运算处理部进行的输入信号处理的例子。对于相同的输入信号。用三种数字滤波器进行乘法运算，取其之和在合成部进行输出的合成。这里，各个滤波器的形状不同，通过获得提取出波形特性的3种输出的和，来执行波形检测。
图37的判断部带有这样的功能将从运输处理部输出的合成输出(数字滤波器的输出)与阈值进行比较来执行大小的判断，从而获得判断结果(Ds·j)。在输出部中，用画面输出来自判断部的判断结果，通过触点输出来启动警报灯等警报装置。
在波形读取系统中将图41这样的多个数字滤波器的乘法系数特性曲线组合在被称之为基本特性曲线的函数特性曲线中。将该特性曲线作为基本特性曲线，以频率成分的强度识别为目的，作出不同的多个短周期的模拟特性曲线。根据基本特性曲线的形状，来决定从信号中提取出哪种成分。使该模拟形特性曲线成为随乘法系数特性曲线的列长度的不同而不同的频带滤波器。如果由于该乘法系数特性曲线决定了积分以及微分等信号处理的性质而确定了基本特性曲线，则带有作为其相似形的乘法系数特性曲线的多个数字滤波器也可以执行仅频带范围不同的相同的信号处理。在波形读取系统中，由于用来捕捉与输入信号相关的乘法系数特性曲线的基本特性曲线的标度(时间轴上的长度)分别为频率的几个波长的长度，因此与需要大量数据的高速傅立叶变换技术相比，可以获得分析比较短时间(短区间)功率谱的能力。
图42是对输入信号使用现有波形读取系统中使用的乘法系数特性曲线来求出数字滤波器输出的例子。波形读取系统通常带有欲进行特征化的最低频率的波长数倍的标度。基准时间处于乘法系数特性曲线的列中央位置处，特性曲线成为在左右处以相同相位展开的形式。为此，使输入信号到达延迟存储器的中央，延迟存储器一边将输入信号依次延迟一边对其进行存储，在获取与乘法系数特性曲线的列中央的系数的内积的时间点处，能够获得某些有效的输出。所以，在用这样的乘法系数特性曲线来识别输入信号数据时，存在与其长度成比例的检测延迟。
另外，波形读取系统由于适合于持续一定时间的具有周期性的信号处理，至今为止，具有某种程度长度的声音、振动、或某种程度的距离中所包含的结构(图像品质、基本的样式)分析中采用波形读取系统。但是，埋藏在时序数据中的迹象往往不伴随振动成分。因此，乘法系数特性曲线的标度越大，整个时序数据和存在迹象部分的结构差别就越小，所以难于捕捉过渡的减小。在重复较少的振动以及小区域内的图像等的非周期性信号处理中使用时，就存在上述的标度大的问题。即，对于波形读取系统，即，波形读取系统很难将图31所示的在输入信号只出现一次的脉冲音特征化。由于着眼于衰减曲线、特定声音的波形，不能利用声音的余韵进行高精度的识别。另外，如图42所示，当输入信号和上升沿以及下降沿的波形形状不同时，由于难于只识别出上升沿部分的波形，因此不能识别出波形(a)正常和波形(b)异常，只强烈反映出波形(c)正常。
除上述之外，另一方面，当前，对输入波形执行1/f波动变换，正在研究实现人更好控制的各种研究。图43中示出了现有的1/f波动波形发生器的例子。该例子是这样一个例子将滤波特性视为一般的低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF)，将其组合从而输出模拟的1/f波动波形。输入随机波形后调整高通滤波器中的所用的系数，就可以输出1/f波动波形。即，通常低通滤波器的特性以-2以上的梯度衰减。作为目的的1/f波动的梯度为-1。将变为该2以上的梯度的高通滤波器乘以系数k后的滤波器并联组合成为滤波器组，通过系数k的调节，获得近似为-1的梯度。为了将该特性扩大为宽的频带，将频带不同的滤波器组串联连接。
但是，该方法虽然可以用电子原件来构成所需滤波器，但是在该情况下，需要有精度高的运算放大器，存在制造成本费用增大的问题。在构成原来的样子时，如果利用上述硬件结构的滤波器作为上述数字滤波器来构成滤波器组，则可以比较简单地实现。例如，在低通滤波器的乘法系数特性曲线中，可以使用后面的说明中所使用的图29所示(A)的现有乘法系数特性曲线。同样，也可以构成高通滤波器。但是，低通滤波器和高通滤波器由于输入和输出的变化时间差即相位偏移不同，因此，合成两者的乘法系数特性曲线使之成为一个乘法系数有困难，并且要做成换算系数k的值的高通滤波器的乘法系数特性曲线后将两者合成，所以需要更加复杂的装置。
现在实行的另一种方法是1/2次积分。是将使用随机函数所获得的随机数列作为输入，将输出的功率谱模拟为1/f波动的方法，在书(共立出版(社)，田中一男著，互联网控制系统(ファジ—·ニロ、通过6A·カオス所获知的控制))中记载了其详细内容。在上述低通滤波器中，积分次数等于1的1次延迟的数字滤波器，其输出的功率谱的梯度为-2。执行梯度为-1的功率谱变换是为了使积分次数减小为1以下，使随机数列平滑。图44是通过8抽头数字滤波器所产生的1/2次积分的乘法系数特性曲线(a)和其变换输出图(b)、(c)。另外，图45也是通过8抽头数字滤波器所产生的1/3次积分的乘法系数特性曲线(a)和其变换输出图(b)、(c)。两者积分次数虽然都是1次以下，但是要获得梯度为-1的平滑的1/f波动特性，抽头数需要取得大，数字滤波器的抽头数一旦变少，则功率谱的曲线就变得不平滑。
因此，本发明的目的在于通过下列方式解决现有的波形读取系统中存在的问题a.与现有的波形读取系统的考虑相反，放弃了频率分离特性，而最大限度地体现相位特性(能了解起伏等的变化的能力)。
b.综合判断多个滤波器的相位延迟(检测时间的偏移)的时序来判断。
目的在于，通过使用数学公式用软件来求出数字滤波器的乘法系数特性曲线的特性曲线设定、特性曲线形状，从而解决上述现有的1/f波动变换的问题。特别是着眼于，将信号输入到数字滤波器中后通过强调输入信号的波动成分的一部分就能够预测并输出输入波形的推移，为了利用数字滤波器来输出1/f波动波形等特定波形，利用了非整数n次积分的式子。
本发明可以执行这些操作识别声音以及振动等时序数据一次波动、单发脉冲(脉冲)的一个个性质，作为结果来进行予诊和商品好坏的判断。或可以以随机波形作为输入，输出带有1/f波动波形等的频率成分分布的特定波形。现有这种技术为用折线波动以及脉冲波形之后，将折线坐标作为输入，用神经元网络来识别特性曲线的区别。但是，该方法由于处理程序和计算负担大，系统成本非常大，并且，虽然能够处理波动的脉冲，但是不能进行实时的处理。对此，本发明可以通过不复杂的处理程序来实现从包含陡峭的高频音频成分的脉冲音，到在非常长的周期内稍微呈现出变化的时序数据的宽范围的波形的特征化。并且，本发明可以通过有效利用组合在上述波形变换装置中的数字滤波器来容易地输出1/f波动波形等特定波形。
发明内容
为此，本发明采用的波形检测装置的特征在于带有传感器、信号输入部、基于来自所述信号输入部的输出信号使信号数据特征化的运算处理部、基于来自运算处理部的输出来判断波形特征的判断部、输出判断部的判断结果的输出部。所述运算处理部带有数字滤波器运算装置、相位匹配参数设定装置、合成部，所述数字滤波器运算装置还带有包含存储并延迟输入信号的延迟存储器、保存乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线存储器的数字滤波器以及参数设定装置，所述参数设定装置带有设定乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线设定装置以及滤波参数设定装置，所述数字滤波器运算装置具有将从信号输入部输入的输入信号数据连接到所述数字滤波器上并算出所述两个存储器内容的乘积之和并输出的功能，用所述数字滤波器运算装置的输出在合成部中融合的合成输出使状态变化的迹象特性化。其特征还在于在所述运算处理部的数字滤波器运算装置中设置多个数字滤波器，将从非整数n次积分式子中推导出的系数特性曲线作为乘法系数特性曲线的素特性曲线，设置一个相位变更装置(相位匹配参数设定装置)，使其至少变更该素特性曲线、输入信号数据、或数字滤波器输出中的某一个相位，在特征提取处理功能的一部分相位产生变化的状态下获得利用素特性曲线的数字滤波器的输出合成。
所述波形检测装置是带有具有使信号数据特性化功能的运算处理部和参数输入部的波形检测装置；所述运算处理部带有数字滤波器运算装置和参数输入部；所述数字滤波器运算装置带有包含存储并延迟输入信号的延迟存储器和保存乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线存储器的数字滤波器以及参数设定装置；所述参数设定装置带有通过参数输入部来设定乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线设定装置以及滤波参数设定装置；所述数字滤波器运算装置具有将从信号输入部输入的输入信号数据连接到所述数字滤波器上并算出所述两个存储器内容的乘积之和并输出的功能，使用具有在所述乘法系数特性曲线中单调减少或单调增加梯度的特性曲线，使数字滤波器运算装置的输出为变换输出；对于以上述内容为特征的波形检测装置，其特征在于对于所述乘法系数特性曲线而言，将从非整数n次积分式中推导出的特性曲线作为乘法系数特性曲线的素特性曲线，能够使用积分次数n调整数字滤波器的输出，以便于对应于频率的功率谱的梯度在部分频带中为1或为-1的梯度。
一种状态监视系统，其特征在于，利用由上述结构组成的波形检测装置，从来自信号输入部的输入信号数据中提取出波形特征，根据所述特征化的波形判断出输入信号的状态，并显示判断结果。
附图简述
图1是本发明实施例的波形检测装置的结构图；图2是图1的波形检测装置的参数设定装置的结构图；图3(a)是构成运算处理部的一般的数字滤波器功能图，图3(b)是利用图3(a)中所示的数字滤波器来构成运算处理部的图，图3(c)是将相位存储器设置在数字滤波器的输入侧的图；图4是示出了现有乘法系数特性曲线的设定顺序的图；图5是从本发明的n次积分式子中生成素特性曲线的方法说明图；
图6是说明本发明的通过n次积分所产生的素特性曲线形状差别的图；图7是将图4(f)的特性曲线作为乘法系数特性曲线而做成的例子的图；图8是将图4(g)的特性曲线作为乘法系数特性曲线而做成的例子的图；图9是检测用的输入信号数据三种波形图。
图10是使用图9的检测输入信号数据来显示具有图7、图8积分特性曲线的两种类型的数字滤波器的输出的图；图11是现有技术和本发明的检测乘法系数特性曲线图；图12是对图9的检测用输入信号使用现有的乘法系数特性曲线和本发明的乘法系数特性曲线时的数字滤波器的输出图；图13是用两个素特性曲线的合成来实现图11所示的乘法系数特性曲线的说明图；图14是预先合成素特性曲线的情况与将输出合成的情况的说明图；图15是乘法系数特性曲线(积分P-1)的例子。
图16是使用合成特性曲线将脉冲形状的输入信号波形形状特性化的过程的说明图；图17是继续将图16绘制的图；图18是负的积分特性曲线图；图19是特殊形状的微分特性曲线图；图20是示出了四个检测输入波形的图；图21是使用图19的微分特性曲线来求出图20的输入信号的数字滤波器输出的结果图；图22是示出三个特性曲线输出区别的图；图23是为了识别图20的输入波形1将图22的积分P-2的输出进行符号翻转后合成的图；图24是为了识别图20的输入波形2而将微分P的输出延迟8，将微分P的负峰值的符号翻转后合成的结果图；图25是为了识别图19的输入波形3将积分P-1的输出延迟8，将微分P的负峰值的符号翻转后合成的结果图；图26是波形检测功能的结构图；图27是实现合成输出时的加权平均求法的说明图；图28是示出了判断部的一个例子的图；图29是对相同输入信号，比较由现有乘法系数特性曲线所产生的数字滤波器的输出和通过本发明的乘法系数特性曲线所产生的数字滤波器的输出的例子；图30是将本发明的波形检测装置用于状态监视系统的结构图；图31是用于上述状态监视系统的检测波形比较图；图32是为了与使用图41所示的现有波形读取系统的乘法系数特性曲线求出的数字滤波器的输出进行比较，而示出的使用本发明乘法系数特性曲线而求出的数字滤波器的输出；图33是构成其它数字滤波器运算装置的数字滤波器功能图；图34是构成其它数字滤波器运算装置的数字滤波器功能图；图35(a)是使用素特性曲线合成的乘法系数特性曲线，图35(b)、(c)是其输出变换图；图36是实现本发明乘法系数特性曲线的流程图；图37是由现有的波形读取系统的波形检测装置的结构图；图38是现有的参数设定装置结构图；图39是作为波形读取系统运算基本的一般的数字滤波器结构图；图40是说明数字滤波器运算方法的图；图41是现有的波形读取系统的说明图；图42是使用现有波形读取系统中所用的乘法系数特性曲线来求出数字滤波器输出的例子；图43是现有的1/f波动波形发生器的大致结构图；图44是由8抽头数字滤波器所产生的1/2次积分的乘法系数特性曲线(a)和其变换输出图(b)、(c)；图45是与图44相同的由8抽头数字滤波器所产生的1/3次积分的乘法系数特性曲线(a)和其变换输出图(b)、(c)；图46是说明数字滤波器中的乘积之和运算和合成方法的图。
最佳实施例下面进行具有本发明信号处理功能的波形检测装置以及利用该装置的状态监测系统的最佳实施例的说明。图1是波形检测装置中所用的本实施例的结构图。如图所示，波形检测装置由传感器、信号输入部、运算处理部、判断部、输出部组成，这些硬件中使用与所述波形读取系统的波形检测装置相同的硬件。下面，重新说明各组成部分的特征结构。
信号输入部由用来收集传感器输出数据的变换器、A/D转换器、存储器组成，并且具有以下功能将来自传感器的测量值变换为数字数据，在存储器中将输入信号文件化，配合运算处理部处理的进行，截断数据，给运算处理部产生输入(测量)信号数据(Ij)。另外，在对信号进行实时处理时，所述存储器不是必需的。在这种情况下，将实时测量到的数据数字化，直接送到运算处理部。
运算处理部由信号处理部、利用多个数字滤波器和参数设定装置构成的数字滤波器运算装置、综合其输出的合成部、相位匹配参数设定装置构成。信号处理部不是必需的，可以根据需要而设置，用来执行输入信号的噪声处理和数据归一化以及多个数据的分配。
此外，所述数字滤波器带有存储并延迟输入信号的延迟存储器和保存乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线存储器，所述参数设定装置如图2所示，带有滤波参数设定装置和乘法系数特性曲线设定装置。该运算处理部在数字滤波器中设置相位存储器，通过相位匹配参数设定装置来确定相位存储器的延迟时间操作。然后，分别将多个数字滤波器的输出延迟，匹配相位，在合成部中合成波形(Dt·j)。
图46示出了通过数字滤波器运算处理部进行的输入信号处理的例子。对于相同的输入信号，取出三种数字滤波器中的乘积之和运算以及它们之和在合成部进行输出的合成。这里，各个滤波形状不同，通过获得提取出波形特性的三种输出的和，来进行波形检测。
此外，使用上述多个数字滤波器，以便作到在各个数字滤波器的乘法系数特性曲线中使用规定为素的特性曲线(以下称其为素特性曲线)。以该素特性曲线的相位、抽头数以及系数的和值作为参数来确定乘法系数特性曲线的形状。下列方法是可能的在上述合成部中将使用该素特性曲线的多个数字滤波器的输出合成为波形，或合成素特性曲线的波形，形成一个新的乘法系数特性曲线之后，设定一种数字滤波器，这两者可以获得完全相同的波形变换效果的固有特性曲线，因为，如此预先合成素特性曲线后使用的变换装置，已经组装在由相位匹配处理和波形合成处理合成的新乘法特性曲线中，所以，两者是必须的结构。判断部比较从运算处理部输出的合成输出和阈值并执行大小判断，获得判断结果(Ds·j)。输出部用画面输出来自判断部的判断结果，通过触点启动报警灯等报警装置。
参照图36的流程图说明上述合成特性曲线的实现方法。
该流程图是这样的方法输入素特性曲线(JK1)的参数，通过运算求出素特性曲线，产生由输入的素特性曲线合成的合成特性曲线(jk0)。
步骤S1将JK0(合成特性曲线)清为0(零)。
步骤S2重复①的循环，直至素特性曲线的指定结束为止。
步骤S3指定是否要进行文件输入。但在存储器中有素特性曲线的情况下也可进行存储器的指定。
步骤S4输入作为后述的图7的素特性曲线参数的底边(抽头数)。
步骤S5输入作为相同图7的素特性曲线参数的积分次数n。
步骤S6输入作为相同图7的素特性曲线参数的极性(+，-)。
步骤S7输入实现合成特性曲线之时的偏移。
步骤S8根据步骤S4～步骤S7中指定的素特性曲线的参数进行直线模拟，从而算出素特性曲线，对JK1进行设定。
步骤S9从文件中读取素特性曲线对JK1进行设定。或将其它存储器中的素特性曲线复制在JK1中。
步骤S10判断是否i＝1。
步骤S11在JK0(合成特性曲线)中加从步骤S4到步骤S9中指定或作成的素特性曲线(JK2)。
步骤S12将计数器I加1。
步骤S13如果需要，将在步骤S1～步骤S12中作成的JKΦ保存在文件中。
如此可以得到合成特性曲线。
详细说明有关上述运算处理部的内部结构，图3(a)是构成数字滤波运算处理部的数字滤波器功能图、图3(b)(c)是利用图3(a)中所示的数字滤波器来构成运算处理部的例子。
在数字滤波器Dfl中输入并处理输入信号数据Ij、乘法系数特性曲线P1、滤波参数、时钟信号，然后输出数字滤波器的输出(O1·j)。
输入信号Ij是象时序数据那样带有排列的数据，乘法系数特性曲线是通过后述方法求出的特性曲线信号，滤波参数是由上述滤波参数设定装置设定的数据输入，由各个数字滤波器的滤波抽头数、乘法系数特性曲线数据以及提供给合成部的合成重合特性曲线数据等组成。此外，本实施例除了滤波参数之外，还从相位匹配参数设定装置中提供相位匹配参数。
相位匹配参数对各个数字滤波器指示除了数字滤波器的延迟存储器之外的其它附带的相位存储器DI的延迟时间。简单的方法是以相位存储器的抽头数作为参数。利用参数来设定抽头数时，设置将时钟计数的计数器，暂时存储数字滤波器的输出，如果与时钟计数器设定抽头数相同，则将暂时存储的输出作为延迟输出而输出。
数字滤波器的特性由于仅由乘法系数特性曲线决定，因此输入信号在时间上延迟的情况与不延迟的情况相比，滤波器的输出仅延迟该延迟时间，而能够获得相同的输出。为此，如图3(b)所示，即便将上述相位存储器DI设置在数字滤波器Df的输出一侧，或如图3(c)所示，将其设置在输入一侧，在功能上也都没有差别。
在上述硬件中，所有结构都与现有波形读取系统的波形检测装置的部件完全相同。
接着，说明作为本发明特征的数字滤波器的乘法系数特性曲线的设定方法。本发明的特征在于，使用数学表达式将乘法系数特性曲线模拟化，通过软件进行乘法系数特性曲线的设定。
下面作为一个例子来说明乘法系数特性曲线的设定，该设定是为了将无周期性反复的过渡的状态变动特征化。乘法系数特性曲线可用来将预先输入到图1运算处理部的参数设定装置中的数列传送到各个数字滤波器的乘法系数特性曲线存储器中。由于参数的变更会改变数字滤波器的特性，因此通常可以在系统运转时将其更新或在半固定状态时使用。
图4示出了乘法系数特性曲线的设定顺序。图4中，横轴为时间t轴，右侧对应于更加新的时间状态。图4(a)是将现有的数字滤波器作为带通滤波器使用时所用的代表性特性曲线作为连续图形所体现的图形。实际上，如果将数字滤波器的抽头数设定为n个，则将图4(a)在时间方向上n分割后的位置上的值作为数列取出，以此作为乘法系数特性曲线。图4(a)中示出的1个循环的周期tc确定滤波器频率特性。使用图4(a)的特性曲线时，变为有选择地提取出f＝tc/2π的频率波形的滤波器。
可是，本发明人提出将在特开平10-260066中示出的方法作为乘法系数特性曲线的实现方法。该乘法系数特性曲线的作成方法在计算机画面上如图4(a)的波形至图4(b)的波形所示，从中心截出左半部分波形，削掉右侧波形，即留下过去的部分。然后，留下到和相当于图4(c)的(1/4)tc的时间轴的交点为止的部分，去掉其它部分(图4(d))。图4(d)是仅剩余基本波形1个周期的1/4部分的波形，虽然没有剩余周期性的振动部分，但是剩余了基本波形上升的形状。该波形的右端(图的中心)变为时间上最新的部分，将测量数据作为输入信号提供时，在与最新数据的运算中使用。将图4(d)的上升形状作为数字滤波器的乘法系数特性曲线来使用时，输入信号的波形如果与基本波形的上升形状相同，则输出即匹配结果变为最大，如果与基本波形的上升形状不同，则输出值降低。因为输出值随上升形状而变化，所以设定这种形状特性曲线的数字滤波器可以称之为从基本波形中检测出相位差后输出的滤波器。虽然可以原样使用图4(d)的特性曲线形状，但是在特开平10-260066中，如图4(f)所示由底边为ta(＝1/4tc)的一条直线来确定特性曲线，将其作为素特性曲线，作成更加抽象化，简单化的素特性曲线通过这多个相位的组合，来进行所需的相位检测。
但是，在如上所述的计算机画面上截出图形并设定如图4(f)(g)那样的乘法系数特性曲线的方法中，在通过获得多个素特性曲线的线性来将数字滤波器的输出在合成部中进行波形合成时，下列两种缺点a.涉及在设定时所用的素特性曲线形状的参数需要2×(素特性曲线的数)，最少也要使用4个参数，操作者在制作滤波器特性曲线时，尝试错误的次数多。
b.即使确定决定数字滤波器主频率特性的抽头长，也由于多个参数的组合使形状变化，因此不容易推测和确定滤波器形状即数字滤波器的特性。
为此，本发明通过使用以下数学表达式来简单地得到适合于各种检测波形的乘法系数特性曲线。参照图5说明该方法。
本发明通过非整数n次积分式来计算并导出乘法系数特性曲线的素特性曲线。
将非整数n次积分的式子表示如下。
In(φ(t))=(1/Γ(n))∫φ(t-τ)τ^(n-1)dτ---(1)]]>(积分范围0≤τ(∞)这里，可表示如下φ(t)输入波形Γ(n)已知的n次Γ函数，Γ(n)=∫e^-(t-τ)τ^(n-1)dτ]]>(积分范围0≤τ(∞).....(2)在式(1)的右边的挨着φ(t)的系数 (n-1)相当于以τ作为时间的变量，对输入波形取内积的乘法系数特性曲线的大致形状y0=τ^(n-1)···(3)]]>其大致形状如图5所示，积分次数n为n＜1时为单调减少并且下部突出的形状。在图5中，积分次数n为0.5。
并且为在n＝1时，在积分区间为1，在此之外的区间为0值的阶梯函数形状。
至今为止的进行1/f波动变换的数字滤波器中存在下列课题。即，通过非整数积分的数字滤波器若要在FFT谱中获得斜度为-1的平滑的1/f波动特性，必须使抽头数取得大。
并且，在以降低数字滤波器输出的延迟时间、减小运算处理负担为目的而减小抽头数时，接近0的那侧端点不能平滑地接近于0，而在端点处急剧地变为0。这种情况下，产生数字滤波器特有的偏移衰减。为此，功率谱的曲线就变得不平滑。为了解决该问题，取图5中所示的端点处理1次式y1＝1-(1/L)(τ-1).......(4)和y0之积y＝y0*y1........(5)，其中L为滤波器抽头数，如图5所示，使y1平滑地接近0，从而能够获得符合式(2)的带有下凸形状的函数y。通过将式(5)的函数y的时间轴上各点的值代入乘法系数特性曲线来获得素特性曲线。
n＜0时，虽然在数学上没有意义，但是能够使数字滤波器的形状更加急剧地接近于0，因此在本发明中是有效的。
图6中示出了素特性曲线的形状随积分次数n的变化。虽然示出了n从0到-1范围内的例子，但是n的值从根本上决定滤波系数特性曲线的形状，通过改变n和滤波器抽头数这两个值就能够容易地对所要检测的波形，进行形状以及频率特性的调整，减少由于操作者而导致的调整试行错误次数。如果进行了使(3)式中的发散侧逐渐地接近于0的处理，则对于数字滤波器的系数特性曲线的形状方面，对n的值没有限制。
该素特性曲线仅仅通过极性的+(正)侧来构成。作为数字滤波器的输入信号，若输入从某个时间点开始其值从0变为1，然后不变的阶梯状的输入信号波形，则该素特性曲线的乘积之和为这样的值输入信号持续一定时间I之后，输出为有限的值，将所有系数乘以1并取其和，并且该值持续。
因此，上述素特性曲线可以说是在数字滤波器的长度(＝区间)范围内执行一种部分积分(积分特性曲线)。同样，带有相反斜度的特性曲线或其极性为负的特性曲线，也会成为相同的素特性曲线，其特性带有与上述相同的积分特性。要想带有输入相同时输出为0的微分特性，例如，如图4(g)那样，对比来配置素特性曲线，使全体系数的总和等于0(微分特性)即可。此时，(-)侧的负载特性曲线表现为下降特性，如果其长度同样为ta，则可作为能检测与上升沿和下降沿都是用ta来确定的基本频率之间的相位差的滤波器。
图7、8由于示出了图4(f)和(g)的特性曲线作为乘法系数特性曲线来设定时的特性曲线顺序，图左侧为对应于新时间的部分。图7是具有积分特性的乘法系数特性曲线，图8是具有微分特性的乘法系数特性曲线。图9是三种用于检测的输入信号数据波形。三个采样波形使幅度增大，同时使上升沿和下降沿的斜度变缓。此外，上述乘法系数特性曲线的设定使用上述那些公式用软件来执行。
图10为具有图7、8的积分特性曲线的两种数字滤波器的输出波形，其输入为图9的用于检测的输入信号数据。带有积分特性曲线的滤波器输出相对于输入波形，伴随着时间延迟而上升，达到一定值并持续，对于输入波形的下降，同样带有时间延迟，缓慢地下降。波形的时间延迟在一段时间内与输入信号的一部分存储到了数字滤波器的作用相同，意味着部分积分。这样的作用具有与电子电路中所使用的低通型(低通)滤波器相同的特性，能够用于噪声消除以及输入信号的平滑处理。
其次，带有微分特性曲线的滤波器输出，响应输入信号的上升，具有尖锐的脉冲输出，在输入下降时为负的尖锐的脉冲输出。具有带有下列微分特性的斜度检测作用如果输入持续一定，则输出变为零，如果使输入的上升下降倾斜度变大，则输出也变大。为了使图4(a)的现有乘法系数特性曲线和本发明特性曲线之间的差别明显，使用图11中所示的用于检测的乘法系数特性曲线。从图中可知，现有的例子虽然比图4(a)简单，数字滤波器的抽头数却需要29个，而本发明只需其1/4即7个抽头就可以工作。
对于图9的用于检测的输入信号，在图12中示出了使用现有乘法系数特性曲线和本发明的乘法系数特性曲线时的数字滤波器的输出。每一个时钟进行一次时间运算，每进行一次时间运算，输入信号就在延迟存储器上移动一个抽头部分。现有的例子的输出波形反复振动，而本发明对于变化的输入只输出一种脉冲波形。
如上所述，本发明具有下列优点能够大幅度减少数字滤波器的抽头数，能够减轻信息处理负担，改善相对于输入变化的检测延迟，而且由于变为单一脉冲输出，因此容易进行判断。图11所示的本发明的乘法系数特性曲线可以按下列方法用两个素特性曲线的合成来制作。如果将图13(a)、(b)的两个素特性曲线移动时间(＝抽头数)ta后合成，就能够实现图13(c)的微分特性曲线。同样地，如果移动比ta小的值，则变为如图13(d)所示的那样。所谓的将时间(抽头数)移动某个值的操作具有与下列操作相同的含义通过相位存储器存储一定时间后输出。
这里，参照图14说明预先合成素特性曲线的情况和将输出合成的情况。
一方面，如图14(a)所示，可以预先合成素特性曲线来设定一个乘法系数特性曲线。还可以如图14(b)、(c)所示，在带有素特性曲线的数字滤波器的输入或输出中的任何一个中设置相位存储器，从而在输出端获得合成输出，上述(a)、(b)、(c)方法的结果都相同。图15的乘法系数特性曲线是基于图13中所示的合成方法合成斜度为0.5长度为8，17的两个特性曲线新的乘法系数特性曲线。
图16说明了使用上述合成特性曲线将脉冲上的输入信号波形的形状特征化的过程。图中t1、t2不是实际存在的波形，而是在每个时间经过时将乘法系数特性曲线投影在两个图上而绘制的图。在数字滤波器中依次取入输入信号相当于图16上乘法系数特性曲线依次向右移动。特性曲线右端的位置为数字滤波器的最新输入。t1时间点上输入信号为零，为不执行乘法运算的状态。在t2时间点处，在四个位置上进行乘法运算，其总和为输出220。
图17是将图16的输出连续绘制的图。在该乘法系数特性曲线和输入信号的关系中，由于输入上升区间短，所以与乘法系数特性曲线的乘积之和为最大的点为稍微超过输入峰值时的那一点。同样，能够实现负的积分特性曲线(图18)、特殊形状的微分特性曲线(图19)。下面示出了使用以上被合成的三种特性曲线，来识别图20的4个波形的例子。各个特性曲线的性质对于输入波形的形状显示出不同的响应。哪一种特性曲线在输入上升陡峭时变大，应该把握的这些特性后进行用于识别的组合。
在图21中示出了使用图19所示的微分特性曲线执行将图20的输入信号特征化的结果。从图21中明显看出，上升，下降都陡峭时输出又尖又强，且斜度越大输出越尖越强。图22示出了用三个特性曲线试验这种输出不同的情况。将三种特性曲线的输出分别称之为积分P-1(特性曲线)、积分P-2、微分p。这里所考虑的组合方法或是在时间上错开的方法或是将波形符号变反的方法。符号变反与将相位移动180°的含义相同，都是在相位上的操作。
由图22可知若要识别输入波形1，则将使上升特征化的微分P的使用时间延迟10(10抽头的时间)，再将在缓慢的下降中具有大的输出的积分P-2符号变反后合成即可。其结果如图23所示，对输入波形1可以获得最大的输出。若要识别输入波形2，则将微分P延迟8(8抽头的时间)，再将微分P的负峰值的符号变反后合成即可。在图24中示出了其结果。另外，若要识别输入波形3，则将积分P-1延迟8(8抽头的时间)，再将微分P的负峰值的符号变反后合成即可。在图25中示出了其结果。
在图26中示出了执行上述输入信号波形1、2、3、4识别功能的结构。数字滤波器的输出(正)是正规的输出，输出(反)是符号变反的输出。
另外，在没有除了波形1、2、3、4以外的识别波形时，不需要图26中的波形4检测功能。以上说明是将合成部中的合成作为两个数字滤波器输出或延迟输出的1∶1的合成。
各个数字滤波器的特性差分为能够很好地识别特征的特性曲线和不能很好地识别特征的特性曲线时，乘以与其成正比的加权值后合成即可。参照图27进行说明。也可以将所有特性曲线返回素特性曲线后，执行素特性曲线的乘法系数特性曲线带有的多个滤波器组的输出延迟以及反转等的相位匹配和合成。为了获得各个数字滤波器输出或其延迟处理之后的延迟输出Odj·j的加权平均而使用合成加权特性曲线。在延迟输出Odj·j上乘以加权值wi之后，取总和，用加权值总和w1+w2+w3+w4--＝∑(wn)(n＝1～i除以其总和。
随着系统应用种类的不同，加权使用方法也不同，还可以在只乘以加权求和的总和运算以及其它相乘平均等处理中使用。
如图28所示，在判断部中判断合并后的合成输出之前，可以采用设置用于分别判断各个数字滤波器输出O1、j～Oj、j的判断功能的方法。输入信号的波形与象声音的音素和电波信号那样有含义的信号相关时，将其音素和电波信号特征化，进行与阈值之间的大小判断，确定音素，在相位存储器中暂时存储其结果，在随后的音素和信号的判断结果出现时，合成后进行综合判断。对于这样的应用，插入相位存储器的位置即使设在数字滤波器运算装置的输入部也可以获得相同效果。
本发明的波形检测装置如上所述那样构成，随后说明该波形检测装置和现有的波形读取系统的波形检测的比较例子。在图29中，乘法系数特性曲线(图中(A))是通过现有波形读取系统得到的乘法系数特性曲线，图中(B)是涉及本发明的乘法系数特性曲线。使用通过现有波形读取系统得到的乘法系数特性曲线(A)和乘法系数特性曲线(B)，对于相同的输入信号，示出了求出其输出的曲线1、2。最初的曲线是检测出电波的输入信号。接近中央的陡峭处峰值强的脉冲是不需要的噪音。位于左右的峰值小的波形是想要提取出的波形。无视噪音而强调检测目标波形是检测器的功能。
图中，曲线1是用现有的波形读取方法检测的结果，曲线2是用本发明的方法检测的结果。虽然两者都能在噪音的干扰下检测出目标波形，但是比较图可以理解，现有方式的检测时间被大幅度延迟。替代现有乘法系数特性曲线(A)，而使用仅模拟想要识别的波形的斜度的乘法系数特性曲线(B)求出的数字滤波器的输出时，检测的延迟变为(A)的一半左右。还是这种形状简单的乘法系数特性曲线可以加快运算处理。另外，改变乘法系数特性曲线的抽头数和积分参数n，使特性曲线(B)的斜度变更时其输出误差变小，就可以实现能够容易地自动进行调整的各种系统。很显然，特性曲线(A)不容易进行形状变更和调整。
随后，使用图30说明在状态监视系统中使用上述波形检测装置的例子。该状态监视系统的结构如图所示，来自传感器的检测信号通过放大器和AD变换器输入到波形检测装置中，并对其进行运算处理。该系统能够对例如因放射性物质而有可能引起堵塞的导压管的压力波形执行预先的诊断，用波形检测装置捕捉压力波形的变化，从而能够监视导压管的堵塞。在图31中，输入信号是压力波形，峰值1是正常时的波形，峰值2是变为异常前兆的波形。如曲线1所示，现有乘法系数特性曲线A对于峰值1和峰值2，其数字滤波器输出显示出相同程度的强度，所以不能通过阈值判断识别出峰值1和峰值2。
曲线2和曲线3分别是将上升特性和下降特性用乘法系数特性曲线检测的结果。上升特性由于和正常、预兆波形相同，因此其结果没有差别。只有下降特性会产生明显的差别。若将曲线2延迟时间td后与曲线3相加，则正常波形的检测结果全部都是负值，而预兆波形向正方向，因此能够检测出预兆波形。将如此对波形进行延迟并对峰位进行匹配的过程称为相位匹配，这也是本发明的特征。通过常用的显示装置来显示检测结果，从而能够了解导压管是否存在堵塞。
图32中示出了着眼于波形起伏的特征化例子。图32显示了使用本发明乘法系数特性曲线的数字滤波器的输出，目的是为了和使用图40的现有波形读取系统中使用的乘法系数特性曲线来求出数字滤波器输出的例子进行对比。乘法系数特性曲线在微分特性曲线中使数字滤波器的抽头数为7。由图32可知，与图42相比，对应于输入信号的起伏的(a)正常、(b)异常、(c)正常，能够获得单一的脉冲形状的输出，并且(c)正常变为负输出，对于(b)异常可获得最大的输出。如果将判断部的阈值设在130和200之间，就可以检测出异常。如图所示，检测的延迟与图42的10-20抽头的时间延迟相比，本发明基本上没有时间延迟，能够实现早期的异常检测。
接着，说明实现现有常用的1/f波动滤波器的波形变换装置的结构。该波形变换装置的硬件使用现有常用的硬件。
图33是显示使用波形检测装置的数字滤波器来执行1/f波动变换的基本结构图。图33中示出了使用图1波形检测装置结构中的运算处理部来执行波形检测的方法。图33中所示的数字滤波器不是图1所示的合成部所必须的结构。通过参数设定装置来设定数字滤波器的乘法系数特性曲线，也可以设定从外部通过参数输入部传送的乘法系数特性曲线。
图33是构成数字滤波器运算装置的数字滤波器功能图，该数字滤波器功能使用与先前说明的图3(a)相同的功能。此外，图34是图33的概念图，图中Pa表示数字滤波器，用下式求出PaPa＝P1+P2+P3+...+Pi........(6)图中Pi是设定在个别数字滤波器中的乘法系数特性曲线，该乘法系数特性曲线也可以使用上式求出。
使图34的各个数字滤波器的输出合成的结果所得到的输出波形与使图34的Pa作为乘法系数特性曲线的数字滤波器的输出相同。并且通过上述波形变换装置还可以用除本发明之外的方法实现用于1/f波动滤波器的乘法系数特性曲线。说明顺序，1/f波动滤波器或是将带有两个以上素特性曲线的数字滤波器组后将输出合成，或是将素特性曲线组合后产生新的乘法系数特性曲线。但是在这种情况下，需要在滤波器制作过程中设定多个乘法系数特性曲线的设定参数，操作者在制作滤波特性曲线时要花费功夫。
在本发明素特性曲线的实现方法中，使用上述数学公式，设定数字滤波器抽头数L和积分次数n这两个参数即可，并具有如下特征a.因为在乘法系数特性曲线设定过程中操作参数少，所以试行错误的次数少。
b.因为数字滤波器的形状可以从根本上由积分次数n来决定，所以能够容易地推测和确定形状即滤波器的特性。
图35(a)是使用该素特性曲线合成的乘法系数特性曲线，图35(b)是通过使用该特性曲线的数字滤波器所获得的功率谱图。如果将该功率谱图与图44所示的现有技术中的功率谱图相比较，图35(b)的功率谱图的倾斜度比现有技术中的光滑，成为最接近1/f波动斜度的-1。
如上所述，在本发明的波形检测装置中，数字滤波器的乘法系数特性曲线的形状与所谓的波形读取系统的考虑相反，放弃了频率分离特性，设法能够最大限度地体现出相位特性(觉察出起伏等的变化的能力)，同时，由于能够将多个滤波器的相位延迟(被检测出的)时间匹配后判断，因此能够进行从包含了陡峭的高频音域成分的脉冲声音到在非常长的周期内只出现一点变化的时序数据为止的广阔范围内的波形特征化。另外，使用本发明的波形检测装置时，能够容易地输出1/f波动波形等的特定波形。并且，上述实施例与现有波形读系统取所使用的运算处理一样，是利用计算机来执行的，但是，也可以组合带有各种功能的硬件来构成，上述实施例仅仅是本发明的一个例子，本发明在不脱离其精神以及必须带有的特征的条件下，还可以用其它各种方法来实施。
工业实用性根据以上详细描述的本发明，与现有技术的波形读取系统相比，在提高高速响应的同时，还由于能够将波形检测装置内置在传感器放大器或监测器中，因此能将装置紧凑化。另外，因为能够容易地检测出低频、起伏、陡峭的脉冲，容易地制作乘法系数特性曲线，因此能够简单地适用于各种系统。此外，可以容易地输出1/f波动波形等的特定波形。
权利要求
1.一种波形检测装置，其中包括传感器、信号输入部、带有基于来自所述信号输入部的输出信号使信号数据特征化功能的运算处理部、基于来自运算处理部的输出来判断波形特征的判断部、输出判断部的判断结果的输出部，所述运算处理部带有数字滤波器运算装置、相位匹配参数设定装置、合成部，所述数字滤波器运算装置带有包含存储并延迟输入信号的延迟存储器和保存乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线存储器的数字滤波器和参数设定装置，所述参数设定装置带有设定乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线设定装置和滤波参数设定装置，所述数字滤波器运算装置具有将从信号输入部输入的输入信号数据连接到所述数字滤波器上并算出所述两个存储器内容的乘积之和后输出的功能，该波形检测装置的特征在于将所述数字滤波器运算装置的输出在合成部合成后获得合成输出，以此来将状态变化特征化，在所述运算处理部的数字滤波器运算装置中设置多个数字滤波器，将从非整数n次积分式中推导出的系数特性曲线作为乘法系数特性曲线的素特性曲线，设置至少变更该素特性曲线、输入信号数据或数字滤波器输出中之一的相位的变更装置(相位匹配参数设定装置)，使利用素特性曲线的数字滤波器的输出的合成在特征提取处理功能的一部分的相位变化的状态下获得。
2.如权利要求1所记载的波形检测装置，其特征在于，设置将所述数字滤波器的输入或输出延迟一定时间的相位存储器，通过上述相位匹配参数设定装置来设定与别的数字滤波器的输出和相位匹配的延迟时间，合成各个数字滤波器的输出并传送给判断部。
3.如权利要求2所记载的波形检测装置，其特征在于，将所述数字滤波器输出的最大值或最小值在所述相位存储器中存储一段时间，将多个数字滤波器的输出组合后进行判断。
4.如权利要求3所记载的波形检测装置，其特征在于，将判断数字滤波器输出的输出值的判断功能和其值在所述相位存储器中存储一段时间，匹配该判断结果的相位后获得合成输出。
5.如权利要求1所记载的波形检测装置，其特征在于，通过将所述运算处理部的相位变更的变更装置(相位匹配参数设定装置)，替代进行上述数字滤波器输入输出延迟等相位匹配，将参数从所述相位匹配参数设定装置传送到所述参数设定装置的乘法系数特性曲线设定装置中，改变乘法系数特性曲线的相位，生成合成了多个乘法系数特性曲线的新的乘法系数特性曲线，并将其设定在数字滤波器中。
6.一种波形检测装置，带有具有使信号数据特性化功能的运算处理部和参数输入部，所述运算处理部带有数字滤波器运算装置和参数输入部，所述数字滤波器运算装置带有包含存储并延迟输入信号的延迟存储器和保存乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线存储器的数字滤波器和参数设定装置，所述参数设定装置带有通过参数输入部来设定乘法系数特性曲线的乘法系数特性曲线设定装置和滤波参数设定装置，所述数字滤波器运算装置具有将从信号输入部输入的输入信号数据连接到所述数字滤波器上并算出所述两个存储器内容的乘积之和后输出的功能，使用在所述乘法系数特性曲线中具有单调减少或单调增加梯度的特性曲线，使该数字滤波器运算装置的输出为变换输出，该波形检测装置的特征在于，对于所述乘法系数特性曲线而言，将从非整数n次积分式子中推导出的系数特性曲线作为乘法系数特性曲线的素特性曲线，能够使用积分次数n来调整数字滤波器的输出使对应于频率的功率谱的斜度在部分频带中为1或为-1。
7.如权利要求6记载的波形检测装置，其特征在于，选择所述乘法系数特性曲线的素特性曲线1，然后选择与素特性曲线1符号相反的相似的素特性曲线2，改变与所述特性曲线1符号相反的素特性曲线2的开始位置，添加相同位置的系数值，算出新的乘法系数特性曲线，在所述数字滤波器中使用该特性曲线，使对于输入信号的输出信号频率响应中的功率谱的斜度变为2(f二次方波动变换)。
8.如权利要求7记载的波形检测装置，其特征在于，将从所述非整数n次积分算式中导出的系数特性曲线与变为所述f二次方波动变换的乘法系数特性曲线相加，作成新的乘法系数特性曲线，将该特性曲线用在所述数字滤波器中，使对于输入信号的输出信号功率谱的斜度变为1(f波动变换)，且可通过输出值来预测将要发生的输入值。
9.如权利要求7或8中记载的波形检测装置，其特征在于，修正所述乘法系数特性曲线的值接近于0(零)一侧的乘法系数特性曲线的一端，使其阶段性地接近零，从而防止在数字信息处理中特有的偏移衰减。
10.一种状态监视系统，其特征在于，利用如权利要求1至9中任意一项所记载的波形检测装置，从来自信号输入部的输入信号数据中提取出波形特征，根据所述特征化的波形判断出输入信号的状态，显示判断结果。
全文摘要
本发明提供一种波形检测装置和使用该装置的状态监视系统，其中波形检测装置具有这样的信号处理功能特征化并检测出无周期性反复的过渡状态变化，或执行对输入波形进行1/f波动变换来获得输出波形。为此，本发明的特征在于，将状态变化的征兆特征化，且在运算处理部的数字滤波器中设置多个数字滤波器，将从非整数n次积分式子中推导出的系数特性曲线作为乘法系数特性曲线的素特性曲线，设置至少变更该素特性曲线、输入信号数据或数字滤波器输出中的其中之一的相位的变更装置(相位匹配参数设定装置)，使利用素特性曲线的数字滤波器的输出的合成在特征提取处理功能的一部分的相位变化的状态下获得。
文档编号H03H17/08GK1441906SQ01812775
公开日2003年9月10日 申请日期2001年5月15日 优先权日2001年5月15日
发明者上石阳一, 和田哲行 申请人:新克罗株式会社