JPS6349829B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は実時間相関計の信号処理方法のつき、
回路構成を簡単化できかつ分解能を高くできると
共に計算実行時間を短縮することができるもの
で、信号の相関関数を求め所望の出力を得る方法
に関する。

例えば、流量計につき流量計算の流速を求める
場合、原理としては次のようになる。流体を導く
管路の上流と下流とに距離Ｌだけ離してセンサを
配置し、流体組成、圧力又は流れなどのゆらぎを
測定し信号ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）を得る。この信号は
距離Ｌが大きくないときｙ（ｔ）ｘ（ｔ−Ｌ／
ｖ）の関係がある。ただし、ｖは流体の流速であ
る。ここで、信号ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）の相互相関関
数Cxy（τ）を求めると次式となる。

Cxy（τ）＝lim Ｔ→∞１／Ｔ∫^T ₀ｘ（ｔ）・ｙ（ｔ＋τ）dt ＝lim Ｔ→∞１／Ｔ∫^T ₀ｘ（ｔ）・ｘ（ｔ−Ｌ／ｖ＋τ）dt ＝Cxx（τ−Ｌ／ｖ）＝Cxx（τ′） ここで、Cxx（τ′）は信号ｘ（ｔ）の自己相関関
数であり、ｘ（ｔ）がランダム信号の場合τ′＝０
で最大値をとる。Cxy（τ）が最大値をとるτを
τmとすると、τ′＝τm−Ｌ／ｖ＝０となり、ｖ＝
Ｌ／τmを得ることができる。

以上の原理に基づき回路の一例につき述べると
Ｎ個の記憶容量を持つシフトレジスタ（クロツク
周波数をｆとする）２個にｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）を入
力し、データＸ（Ｉ）、Ｙ（Ｉ）とする。このデー
タ例Ｘ（Ｉ）、Ｙ（Ｉ）を演算器に入力して相互相
関関数Cxy（Ｊ）を次式から得る。

Cxy（Ｊ）＝１／Ｎ_N=1 〓^I=0 Ｘ（Ｉ）・Ｙ（Ｉ＋Ｊ） ついで、Ｍ個のCxy（Ｊ）から判別回路で最大
値を探す。Cxy（Ｊ）最大値のＪ即ちτmから流速
ｖに当る出力を得る。ところが、この場合の計算
はＮ・Ｍ回必要であり、例えばＮ＝Ｍ＝500とし
ても掛算の実行時間を100μsとするとき、25秒も
かかり、早い応答を必要とする相関式流量計の実
現が困難である。

この応答を改善したものとして、信号ｘ（ｔ）
をクロツクで遅延させたｘ（ｔ−τ）と、信号ｙ
（ｔ）を微分して得たdy（ｔ）／dtとを掛算し、
ついで積分する。すなわち、∫x（ｔ−τ）・
dy（ｔ）／dt・dtとなる。ここで、相関関数Cxy（τ） がτ＝τmで最大値となるので、dCxy／dτ＝０と
なつて∫x（ｔ−τ）dy／dtdt＝０となるようクロツ ク周波数ｆを調整する。すなわち、 dCxy（τ）／dt＝ｄ／dτ・lim Ｔ→∞１／Ｔ∫^T ₀ｘ（ｔ）・ｙ（ｔ＋τ）dt＝lim Ｔ→∞１／Ｔ∫^T ₀ｘ（ｔ−τ）・dy（ｔ）／dt・dt よつて、前述にも示す∫x（ｔ−τ_n）・dy（ｔ）／dt
・ dt＝０の結果、遅延量τmが求まり、τm∝１／ｆ
の関係からｖ∝ｆとなり、出力周波数ｆから流速
ｖが得られる。この方式の場合、信号処理が実時
間で行なえ、回路構成が簡単となるが、dCxy／
dτ＝０は最大のみならず極大、極小にも当ては
まり、電源投入時動作不明で誤追従の可能性があ
り、ｖ＝０の場合出力は不定となる。これはCxy
（τ）を唯一のτについてのみ求めることに起因
する。

次の発展段階として実時間処理を行ない記憶容
量の節約を図りしかもCxy（τ）を多くのτにつ
き求める回路構成を第１図に示す。シフトレジス
タなどからなる順送り回路１に信号ｘ（ｔ）を入
力する。この順送り回路１の各段は掛算器２ａ〜
２ｚに接続されて、ｘ（ｔ−Ｉ△τ）が入力され
ると共にｙ（ｔ）が入力されて掛算が行なわれる。
ここで、Ｉは自然数で各段を表わして、△τは順
送り回路のクロツクにより決まる時間幅である。
掛算器２ａ〜２ｚは対応するローパスフイルタ３
ａ〜３ｚに接続され、このローパスフイルタ３ａ
〜３ｚでは次式によりCxy（Ｉ△τ）の近似が得
られる。

∫^T ₀ｘ（ｔ−Ｉ△τ）・ｙ（ｔ）dt∫^T ₀ｘ（ｔ）・ ｙ（ｔ＋Ｉ△τ）＝C_xy（Ｉ△τ） ローパスフイルタ３ａ〜３ｚの次段にある判別
回路４では各ローパスフイルタ３ａ〜３ｚから入
力される相互相関関数C_xy（Ｉ△τ）の最大値を与
えるＩを求め、出力回路５に伝える。出力回路５
ではｖ＝Ｌ／Ｉ△τより流速を求め出力とする。

ところが、この第１図においてもなお順送り回
路１の段数すなわち記憶回路の記憶容量が多く、
従つて掛算器２ａ〜２ｚ、ローパスフイルタ３ａ
〜３ｚが多く必要となり、更にこの多数のデータ
数が必要なため計算実行時間を長く要する欠点が
ある。すなわち、回路構成の簡略化、計算実行時
間の短縮が要求されている。

ここで、分解能の概念を導入して別の計算を試
みる。相関式流量計は２信号ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）の
相互相関関数Cxy（τ）を求めて、最大値を与え
るτすなわちτ_nによりｖ＝Ｌ／τ_nを得るのである
が、この場合要求される流速の最大値v_nax、最小
値v_nio、分解能δvとするとき、流速計算に必要な
Cxy（τ）のデータ数を考える。

τ_nio＝Ｌ／v_nax τ_nax＝Ｌ／v_nio δτ＝（Ｌ／v²）δv≧（Ｖ／v² _nax）δv 上記不等式はδτ＝一定とすると等式となる。こ
の場合、必要なCxy（Ｊ）のデータ数Ｍは次式と
なる。

Ｍ＝τ_nax−τ_nio／δτ この式よりＭが実現可能な値か否か調べる。こ
こで、δv＝v_nio＝v_nax／Ｎとした場合、Ｍ＝Ｎ（Ｎ
−１）N²の式が成立する。通常分解能として
Ｎ＝200程が必要であるので、Ｍ４×10⁴もの数
となり実現は困難となる。また、δτを不等間隔に
して、v_I＝Ｉ・δv（１≦Ｉ≦Ｎ）、Ｉ番目の時間幅
δτ_Iを δτ_I＝Ｌ／Iδv−Ｌ／（Ｉ−１）δv＝Ｌ／Ｉ（Ｉ−
１）δvと すると、 Ｍ＝Ｎの関係が成立するので、実現可能であ
る。しかしながら、順送り回路１の段数はＮ（Ｎ
−１）だけ必要なので、この回路の記憶容量が多
く必要である。また、上記δτ_Iの式よりこのδτ_Iを
求め対応する順送り回路の位置決めに計算が必要
で、実行時間がかかり過ぎる。

かくして、本発明は上述の欠点に鑑み、記憶容
量が少なく従つて回路構成が簡単で、計算実行時
間を短縮した実時間相関計の信号処理方法の提供
を目的とする。

かかる目的を達成するため本発明としては、変
位に対し変位方向に離間して配置された複数のセ
ンサから得られた信号の相関値を求めるものにお
いて、一の上記信号を、一定のクロツクに基づく
順送り回路の各段に接続された移動端子を介して
他の上記信号と掛算し、この掛算値に基づき、相
互相関関数を求めて判別し上記移動端子を次第に
狭範囲に選択・制御したことを特徴とする。

ここで、第２図および第３図を参照して本発明
の実施例を説明する。第２図中第１図と同部分に
は同符号を付す。シフトレジスタなどからなる順
送り回路１の各段は移動端子６ａ〜６ｚを介して
掛算器２ａ〜２ｚに接続される。掛算器２ａ〜２
ｚの出力側はローパスフイルタ３ａ〜３ｚに接続
され、このローパスフイルタ３ａ〜３ｚは判別回
路４に接続される。判別回路４の次段は出力回路
５が存在する。判別回路４からは別に移動端子６
ａ〜６ｚの移動を制御する制御信号７が送出され
る。

信号ｘ（ｔ）は順送り回路１内に入りｘ（ｔ−
τ）となる。この値ｘ（ｔ−τ）は移動端子６ａ
〜６ｚにより順送り回路１の各出力端子から選択
される。

この選択に当り、第３図ａ，ｂ，ｃに示す操作
を行なう。最初第３図ａに示すように、移動端子
６ａ〜６ｚのうち最も広範囲のものに接続されて
いる。この状態で掛算器２ａ〜２ｚ、ローパスフ
イルタ３ａ〜３ｚ、判別回路４によつてτ_nの近似
値τ_n ¹を求める。

つぎに、判別回路４から制御信号７が送出され
移動端子６ａ〜６ｚをτ_n ¹前後のものτ₁〜τ₂に移
動させ分解能を上げて相互相関関数Cxy（τ）を
τ₁〜τ₂の範囲につき求め、τ² _nを得る。

（第３図ｂ）。

更に、制御信号７により第３図ｃの如く移動端
子６ａ〜６ｚをτ² _n前後のものτ₃〜τ₄に移動させ最
も分解能の上つた状態でτ⁰ _nを求め、このτ⁰ _nから出
力回路５により流速ｖを出力する。この場合、最
も分解能の上つた状態では、相関関数Cxy（τ）
は流速の変化速度に追従できる程度の範囲（τ₃〜
τ₄）だけを求める。また、第３図ｃ中、τ⁰ _nがτ軸
上を例えば右方向に移動していつたとき左端の相
互相関関数を求めるのをやめ、掛算器２ａ〜２ｚ
の移動端子６ａ〜６ｚを右端に相当して選択す
る。

こうして、τ⁰ _nが常に求める範囲の中央付近にあ
るようにすれば、データ数Ｍ10〜100位で充分
な分解能が得られる。以上分解能を３段階に分け
て計算する方法について述べたが、この段数は３
に限らない。

第４図はマイクロコンピユータを適用した例で
ある。信号ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）はＡ／Ｄコンバータ
１０，１１によつてデイジタル化され、バスライ
ン１２を介してCPU１３に順に入力される。順
送り回路はメモリ１４内に形成されると共に掛算
器及びローパスフイルタはプログラムにより形成
される。更に、CPUは判定回路を兼ね、結果を
出力回路１５に出力する。

なお、上述の例において高分解能時に求める相
互相関関数Cxy（τ⁰ _n）がある値より小さな場合分
解能を下げて誤追従か否か調べることもできる。

上記実施例は流量計を基本に置き説明してきた
のであるが、速度計や回転計にも適用できる。こ
の場合、速度計にあつては移動体、回転体にあつ
ては回転体を対象とする。

なお、順送り回路として直列２段のシフトレジ
スタを用い検出２信号の差信号をこに入力し、相
関関数演算のクロツクを最初長くし、ついて短か
くすることで相関関数のピーク値を検出し分解能
を変更できるのであるが、このクロツク周期の変
更は耐ノズル性や回路の周波数応答の点で望まし
くなく、また分解能の切換え直後からこの２段の
シフトレジスタにデータが満たされるまでの時間
中新たな相関関数値を求めることができず、分解
能切換後測定出力の空白期間を生じ、この間にτ_n
の位置が動く可能性もあるのに対し、本実施例は
クロツク周波数の変更は行なわず順送り回路に信
号が常に満たされているので、選択端子の切換え
直後から相関関数計算が可能となる。

以上説明したように本発明によれば、一方の信
号の順送りに当り遅延時間軸上で分解能を変える
ようにしたことにより、実際の流速や移動速度、
回転速度など移動変位の周辺だけ相互相関関数を
求めれば良く、従つて順送り容量が少なくて済み
掛算器やローパスフイルタの数も少なく、分解能
が高くでき、計算実行時間を短縮できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の実時間相関計の一例を示す回路
図、第２図ないし第４図は本発明による実時間相
関計の信号処理方法の実施例で、第２図は一例の
回路図、第３図ａ，ｂ，ｃは分解能変化の説明
図、第４図はマイコンによるプログラム制御説明
のブロツク図である。 図面中、１は順送り回路、２ａ〜２ｚは掛算
器、３ａ〜３ｚはローパスフイルタ、４は判別回
路、５は出力回路、６ａ〜６ｚは移動端子、８は
クロツク発生器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定物に対してその移動方向に難間して配
   置された複数のセンサから得られた信号の相関値
   を求めるものにおいて、一の上記信号を、一定の
   クロツクに基づく順送り回路の各段に接続された
   移動端子を介して他の上記信号と掛算し、この掛
   算値に基づき相互相関関数を求めて判別し上記移
   動端子を次第に狭範囲に選択・制御したことを特
   徴とする実時間相関計の信号処理方法。