JP7846571B2 - 地上子検出装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 令和３年１１月１日にウェブサイト掲載 令和３年１１月１日に論文集ＣＤ発行

本発明は、複数の所定周波数のうちの何れかの周波数を共振周波数として有する地上子を、走行中の鉄道車両から検出する地上子検出装置に関するものである。

例えば、鉄道の保安性向上のために使用されている自動列車停止装置（ＡＴＳ）では、線路に沿って設置された地上子を検出するために、従来、変周式のものが多く採用されている。変周式のＡＴＳでは、車上側において、車上子（二重の巻線が疎結合されたコイル）によって帰還ループを構成した発振回路が常時発振しており、地上子（コイル＋コンデンサ）と車上子とが近接したときに、電磁的な結合が生じる。この際、車上側の発振周波数が、地上子で定まる共振周波数へと変化する原理（変周）を用いて、停止現示などの情報として利用するものである。このような変周式の方法は、アナログ回路を多く用いていることから、部品供給性や設計再現性などに難があり、別の方法が模索されていた。

そこで、特許文献１の装置は、デジタル化を図るために、スペクトラム信号を車上子より送信し、地上子から反射してくる周波数をＦＦＴ解析して、地上子の共振周波数を検知している。また、特許文献２の装置は、特許文献１の装置と類似した方法を採用し、消費電力を抑制しながら地上子の検知精度を向上させるものとなっている。更に、特許文献３の装置は、地上子の共振周波数近辺でスイープさせた送信波を一定周期で繰り返し送信し、その反射を受信する方法を用いており、特許文献４の装置は、検知対象の地上子周波数に加えて、それより低域側及び高域側の地上子周波数の複素相関値を算出することで、耐ノイズ性を高めた検知を行うものである。

特許第４５９６８１９号公報 特許第５９５１２４０号公報 特許第３９５９０１５号公報 特許第４８７９２１９号公報

ここで、上述した特許文献１～３記載の発明は、何れも、地上子の周波数にのみ着目しているため、地上子の周波数と同一周波数のノイズまで誤って検知してしまい、信頼性に難がある。これに対し、特許文献４記載の発明は、耐ノイズ性を高めているものの、検知アルゴリズムが複雑化してしまう課題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡便なアルゴリズムを使用しながら、地上子検出の信頼性を高めることにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）線路に沿って設置された、複数の所定周波数のうちの何れかの周波数を共振周波数として有する地上子を、走行中の鉄道車両から検出する地上子検出装置であって、互いに疎結合する１次コイル及び２次コイルを有し、前記地上子に近接したときに前記地上子と電磁結合する車上子と、前記複数の所定周波数を全て包含する複数の周波数を、前記複数の所定周波数の周波数間隔よりも小さい周波数間隔で含む離散周波数スペクトルの送信波を、前記１次コイルへ注入する送信処理部と、前記２次コイルが受信する受信波から前記離散周波数スペクトルを抽出する周波数弁別部と、該周波数弁別部により抽出された前記離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形から、所定形状を抽出するスペクトル特徴抽出部と、前記所定形状の有無に応じて前記地上子を検出する地上子検出部と、を含む地上子検出装置。

本項に記載の地上子検出装置は、走行中の鉄道車両から地上子を検出するものであり、車上子、送信処理部、周波数弁別部、スペクトル特徴抽出部、及び地上子検出部を含んでいる。車上子は、互いに疎結合する１次コイル及び２次コイルを有してそれらの間で送受信を常時行っており、鉄道車両が走行しているときに、鉄道車両に取り付けられた車上子が線路近傍の地上子に近接すると、地上子と車上子とが電磁結合する。送信処理部は、離散周波数スペクトルを有する送信波を、車上子の１次コイルへと注入するものである。その送信波の離散周波数スペクトルは、検出対象の地上子が共振周波数として有している可能性のある複数の所定周波数の全てを包含する複数の周波数を、複数の所定周波数よりも小さい周波数間隔で含んでいる。

１次コイルへ注入される上記のような送信波は、１次コイルと疎結合している２次コイルにより受信される。周波数弁別部は、２次コイルが受信する受信波から、送信処理部により生成されたものと同じ周波数成分を有する離散周波数スペクトルを抽出する。また、スペクトル特徴抽出部は、そのようにして周波数弁別部により抽出された離散周波数スペクトルから、それらの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形を生成し、更にそのスペクトル波形から、予め定められた所定形状を抽出する。そして、地上子検出部は、スペクトル波形から抽出される所定形状の有無に応じて、地上子を検出するものである。

ここで、上記のように地上子と車上子とが電磁結合すると、各地上子が情報として有する複数の所定周波数のうちの何れかの周波数が、共振周波数として車上子へと伝達される。すなわち、車上子の２次コイルで受信される受信波に共振周波数が影響して、受信波に基づいて生成されるスペクトル波形に、地上子の共振周波数と同じ周波数成分のレベルが大きくなる形状が現れることになる。そこで、スペクトル特徴抽出部によってスペクトル波形から抽出する所定形状として、共振周波数でレベルが大きくなるような形状が設定されることで、その共振周波数を有する地上子に対して車上子が電磁結合したことが検出されるものである。これにより、スペクトル波形に現れる共振周波数が、レベルの大きさではなく波形の形状によって抽出されるため、単にレベルが大きいノイズの誤検出や、様々な要因による絶対レベルの変動の影響などが抑制されるものとなり、地上子検出の信頼性が高められるものである。しかも、スペクトル波形からの所定形状の抽出は、処理データの単純化などの工夫によって、比較的簡便なアルゴリズムが用いられて実現されるものである。

（２）上記（１）項において、前記送信処理部は、前記送信波を一定の電圧で前記１次コイルへ注入し、前記周波数弁別部は、抽出した前記離散周波数スペクトルを、各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、送信処理部が車上子の１次コイルへ送信波を注入する際に、一定の電圧で送信波を注入するものである。そして、周波数弁別部は、２次コイルの受信波から抽出した離散周波数スペクトルを、各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換するものである。このため、スペクトル特徴抽出部は、周波数弁別部によってレベル変換された離散周波数スペクトルに基づいて生成されるスペクトル波形から、所定形状を抽出することになる。これにより、送信波には存在しなかった周波数成分間の電圧差が、地上子との電磁結合によって受信波に現れるようになり、更に所定のレベル変換操作によって電圧差が増大する。従って、そのような電圧差がレベルで反映されたスペクトル波形からの所定形状の抽出が容易になり、地上子の検出精度が向上するものである。

（３）上記（１）項において、前記離散周波数スペクトルは、前記車上子と前記地上子との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数を包含する帯域幅を有する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、送信処理部によって生成される送信波の離散周波数スペクトルや、周波数弁別部によって抽出される離散周波数スペクトルが、車上子と地上子との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数を包含する帯域幅を有するものである。反共振周波数は、車上子と地上子との電磁結合時に、共振周波数よりも低域側にレベルが小さくなる形状で現れるため、地上子が有し得る複数の所定周波数の全てについて、共振周波数（所定周波数）よりも低域側の上記のような領域がカバーされるように、離散周波数スペクトルの帯域幅が設定される。そして、スペクトル特徴抽出部によって抽出される所定形状に、電磁結合時の反共振周波数の影響が現れた形状が含められることで、地上子とノイズとの識別がより明確になるため、地上子検出の信頼性がより高められるものである。

（４）上記（３）項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記所定形状として、前記反共振周波数から周波数高域側へ向かって、前記車上子と前記地上子との電磁結合時の共振周波数までレベルが上昇した後、周波数高域側へ向かってレベルが下降する形状を抽出する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部によってスペクトル波形から抽出される所定形状が、以下のようにより具体的に特定されるものである。すなわち、所定形状として、比較的低レベルの反共振周波数から周波数高域側へ向かって、共振周波数までレベルが上昇した後、周波数高域側へ向かってレベルが下降する形状が設定される。これにより、レベルが反共振周波数から共振周波数まで大きく上昇した後に下降するという、地上子との電磁結合時に現れる特徴的な形状が設定されるため、ノイズとの切り分けが益々容易になり、地上子がより精度よく検出されるものである。

（５）上記（１）項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記スペクトル波形を、周波数高域側へ向かってレベルが上昇する正勾配線分と、周波数高域側へ向かってレベルが下降する負勾配線分と、前記正勾配線分及び前記負勾配線分の何れにも該当しない平坦線分との３種の線分のうち、任意の線分を組み合わせて折れ線状に近似する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、離散周波数スペクトルの周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形を、３種の線分のうち任意の線分を組み合わせて折れ線状に近似するものである。それら３種の線分は、周波数高域側へ向かってレベルが上昇する正勾配線分と、周波数高域側へ向かってレベルが下降する負勾配線分と、正勾配線分及び負勾配線分の何れにも該当しない平坦線分とである。これにより、スペクトル波形がそのまま取り扱われる場合と比較して、後段で処理されるデータ量が圧縮されることになるため、後段処理のプログラム実装が容易になるものである。

（６）上記（５）項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形の各線分について、少なくとも、周波数低域側の端点である始点の周波数及びレベルと、周波数高域側の端点である終点の周波数及びレベルとを、線分１次属性群として算出する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記（５）項に記載したように折れ線状に近似されたスペクトル波形の各線分について、線分１次属性群を算出するものである。この線分１次属性群には、少なくとも、各線分の周波数低域側の端点である始点の周波数及びレベルと、各線分の周波数高域側の端点である終点の周波数及びレベルとが含まれている。これにより、各線分の特徴が、より処理し易いデータ群として表現されるものである。

（７）上記（６）項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形の各線分について、少なくとも、前記始点と前記終点とのレベル差と、前記始点と前記終点との周波数の差である帯域幅とを、線分２次属性群として算出する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記（５）項に記載したように折れ線状に近似されたスペクトル波形の各線分について、更に、上記（６）項に記載した線分１次属性群を利用して線分２次属性群を算出するものである。この線分２次属性群には、少なくとも、各線分の始点と終点とのレベル差と、各線分の始点と終点との周波数の差である帯域幅とが含まれている。これにより、各線分の特徴が、より一層処理し易いデータ群として表現されるものである。

（８）上記（７）項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から、周波数高域側へ向かって前記正勾配線分から前記負勾配線分へと変化する、及び／又は、周波数高域側へ向かって前記正勾配線分から微小帯域幅の前記平坦線分を経て前記負勾配線分へと変化する、ピーク形状を抽出する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記（５）項に記載したように折れ線状に近似されたスペクトル波形から、ピーク形状を抽出するものである。このピーク形状とは、周波数高域側へ向かって正勾配線分から負勾配線分へと変化する部分、及び／又は、周波数高域側へ向かって正勾配線分から微小帯域幅の平坦線分を経て負勾配線分へと変化する部分である。

ここでの微小帯域幅の平坦線分とは、帯域幅が比較的小さい平坦線分であり、微小帯域幅の平坦線分であるか否かは、その前後の正勾配線分及び負勾配線分の帯域幅の大きさや、実験結果などが考慮されて判断される。このようなピーク形状が用いられて処理が行われることで、折れ線状に近似されたスペクトル波形の全体が取り扱われる場合と比較して、後段で処理されるデータ量が圧縮されることになるため、スペクトル特徴抽出部や地上子検出部などの処理を行うアルゴリズムの簡略化が図られ、ＣＰＵの負荷が低減されるものである。なお、スペクトル波形から抽出されるピーク形状の数は、ピーク形状に相当する部分がなければゼロであってもよく、ピーク形状に相当する部分が複数あれば複数であってもよい。

（９）上記（８）項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状を構成する前記正勾配線分をピーク正勾配線分とし、前記ピーク形状を構成する前記負勾配線分をピーク負勾配線分としたときに、前記ピーク形状の各々について、少なくとも、前記ピーク正勾配線分の前記レベル差の絶対値と前記ピーク負勾配線分の前記レベル差の絶対値との合計である正規化ピークレベルと、前記ピーク正勾配線分の前記帯域幅と前記ピーク負勾配線分の前記帯域幅との合計である正規化ピーク帯域幅と、前記ピーク正勾配線分の前記終点の周波数と前記ピーク負勾配線分の前記始点の周波数との平均である正規化ピーク周波数とを、正規化ピーク１次属性群として算出し、前記地上子検出部は、前記正規化ピーク１次属性群を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定する地上子検出装置。

本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記（８）項に記載したように抽出されたピーク形状の各々について、ピーク形状を構成する正勾配線分をピーク正勾配線分とし、ピーク形状を構成する負勾配線分をピーク負勾配線分としたときに、以下のような正規化ピーク１次属性群を算出するものである。すなわち、正規化ピーク１次属性群には、少なくとも、正規化ピークレベル、正規化ピーク帯域幅、及び正規化ピーク周波数が含まれており、正規化ピークレベルとは、ピーク正勾配線分のレベル差の絶対値とピーク負勾配線分のレベル差の絶対値との合計である。また、正規化ピーク帯域幅とは、ピーク正勾配線分の帯域幅とピーク負勾配線分の帯域幅との合計であり、ピーク形状に微小帯域幅の平坦線分が含まれている場合はそれも加味して算出する。更に、正規化ピーク周波数とは、ピーク正勾配線分の終点の周波数とピーク負勾配線分の始点の周波数との平均である。

そして、地上子検出部は、上記のような各ピーク形状の正規化ピーク１次属性群を利用して、そのピーク形状が地上子を示すものであるか否か、すなわち、地上子と車上子とが電磁結合して現れたピーク形状であるか否かを判定するものである。このように、正規化ピーク１次属性群が利用されることで、車上子と地上子との間の距離によって刻々と変化する、共振周波数及び反共振周波数を含む特徴的なピーク形状が、ソフトウェアなどで容易に抽出されるものとなる。また、正規化ピーク１次属性群に含まれる属性は何れも単純な指標であるから、地上子を示すピーク形状を判定するソフトウェア処理はシンプルであり、低速なＣＰＵなどで処理されるものとなる。

更に、正規化ピーク１次属性群の１つである正規化ピークレベルは、正勾配線分と負勾配線分とが統合されて算出されるため、ＦＦＴなどの単純なスペクトル解析から検出された極大値のみの従来のピークレベルと比較して、大きなＳ／Ｎ比が得られる。これにより、耐ノイズ性に優れた信頼性の高い地上子の検出方式が実現されるものとなり、また、送信処理部で用いられる送信アンプの電力が従来方式より小さくて済むため、装置の小型化や低コスト化に寄与するものとなる。しかも、正規化ピークレベルは、正勾配線分のレベル差と負勾配線分のレベル差とが統合された相対レベルであるため、絶対レベルが相殺されており、絶対レベルの変動の要因である回路ゲイン、車上子結合度などの影響が表出しない。このため、地上子検出の信頼性がより一層向上するものである。

（１０）上記（９）項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状の各々について、前記正規化ピークレベルと前記正規化ピーク帯域幅との比である正規化勾配を、正規化ピーク２次属性群として算出し、前記地上子検出部は、前記正規化勾配を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記（８）項に記載したように抽出されたピーク形状の各々について、更に正規化ピーク２次属性群を算出するものであり、この正規化ピーク２次属性群には、正規化ピークレベルと正規化ピーク帯域幅との比である正規化勾配が含まれている。そして、地上子検出部は、スペクトル特徴抽出部により算出された各ピーク形状の正規化勾配を利用して、そのピーク形状が地上子を示すものであるか否かを判定するものである。

すなわち、正規化ピークレベルと正規化ピーク帯域幅との比である正規化勾配は、例えば正規化ピークレベルを正規化ピーク帯域幅で除して算出すると、地上子結合の方が単一周波数ノイズよりも小さくなる（傾きが緩い）傾向にある。このため、ノイズ周波数と地上子周波数とが同一だとしても、正規化勾配が比較されたときの上記のような大きさの関係から、単一周波数ノイズが地上子であると誤検出されることなく、これによって地上子が精度よく検出されるものとなる。

（１１）上記（１０）項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状の各々について、前記ピーク正勾配線分の前記レベル差の絶対値と前記ピーク負勾配線分の前記レベル差の絶対値との比である正規化勾配レベル分配比を、更に前記正規化ピーク２次属性群として算出し、前記地上子検出部は、前記正規化勾配レベル分配比を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、ピーク形状の各々について、正規化ピーク２次属性群として更に正規化勾配レベル分配比を算出するものである。この正規化勾配レベル分配比は、ピーク正勾配線分のレベル差の絶対値とピーク負勾配線分のレベル差の絶対値との比である。そして、地上子検出部は、スペクトル特徴抽出部により算出された各ピーク形状の正規化勾配レベル分配比を利用して、そのピーク形状が地上子を示すものであるか否かを判定するものである。

ここで、車上子と地上子との電磁結合時には、磁束の影響により、検出するべきメインローブの前後のタイミングで、検出するべきではないサイドローブが発生する。メインローブでは反共振周波数が共振周波数よりも小さくなるピーク形状が発生するのに対し、サイドローブでは反共振周波数が共振周波数よりも大きくなるピーク形状が発生する。すなわち、メインローブのピーク形状では、反共振周波数から共振周波数までの正勾配線分のレベル差の絶対値の方が、負勾配線分のレベル差の絶対値よりも大きくなる。これに対し、サイドローブのピーク形状では、正勾配線分のレベル差の絶対値よりも、共振周波数から反共振周波数までの負勾配線分のレベル差の絶対値の方が大きくなる。このため、正規化勾配レベル分配比が利用されて、ピーク正勾配線分のレベル差の絶対値とピーク負勾配線分のレベル差の絶対値との大小が比較されることで、不要なサイドローブの検出が安定的に抑制されるものである。

（１２）上記（８）項において、前記地上子検出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から同時に抽出された前記ピーク形状の数に応じて、前記地上子の有無を判定する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部により折れ線状に近似されたスペクトル波形から同時に抽出されたピーク形状の数に応じて、地上子検出部が地上子の有無を判定するものである。ここで、車両機器や軌道回路機器からのノイズは一般的に電源系から生じるパルスノイズが多く、短時間ではあるが広帯域な成分が生じるため、このような場合にピーク形状が同時に複数抽出される。従って、ピーク形状の数が地上子の検出に利用されることで、ノイズがより効率よく排除されることになるため、ＣＰＵの処理負荷が軽減されつつ、地上子の検出精度が高められるものである。

（１３）上記（１１）項において、前記地上子検出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から同時に抽出された前記ピーク形状の数と、前記同時に抽出された前記ピーク形状の中から、前記正規化ピーク１次属性群及び前記正規化ピーク２次属性群を利用して判定される、前記地上子の候補としてカウントされた前記ピーク形状の数とに応じて、当該地上子検出装置の機器異常の発生及び環境異常の発生を推定する地上子検出装置。

本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部により折れ線状に近似されたスペクトル波形から同時に抽出されたピーク形状の数と、そのように同時に抽出されたピーク形状の中から地上子の候補としてカウントされたピーク形状の数とに応じて、地上子検出部が機器異常及び環境異常を推定するものである。地上子の候補としてカウントされるピーク形状は、正規化ピーク１次属性群及び正規化ピーク２次属性群を利用して判定される。すなわち、スペクトル波形から複数のピーク形状が同時に抽出された場合は、上記（１２）項に記載したようにノイズの影響である可能性が高いため、これが利用されてノイズなどの環境異常の推定が行われる。また、地上子の候補としてカウントされたピーク形状が複数ある場合は、地上子検出装置の機器異常である可能性が高いため、これが利用されて故障などの機器異常の推定が行われる。これにより、地上子の高精度な検出と共に、機器監視やノイズ監視が実現されるものである。

（１４）線路に沿って設置された、複数の所定周波数のうちの何れかの周波数を共振周波数として有する地上子を、走行中の鉄道車両から検出する地上子検出方法であって、互いに疎結合する１次コイル及び２次コイルを有し、前記地上子に近接したときに前記地上子と電磁結合する車上子を、前記鉄道車両へ設置し、前記複数の所定周波数を全て包含する複数の周波数を、前記複数の所定周波数の周波数間隔よりも小さい周波数間隔で含む離散周波数スペクトルの送信波を、前記１次コイルへ注入し、前記２次コイルが受信する受信波から前記離散周波数スペクトルを抽出し、抽出した前記離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形から、所定形状を抽出し、前記所定形状の有無に応じて前記地上子を検出する地上子検出方法。
本項に記載の地上子検出方法は、上記（１）項の地上子検出装置により実行されることで、上記（１）項の地上子検出装置と同様の作用を奏するものである。

本発明は上記のような構成であるため、簡便なアルゴリズムを使用しながら、地上子検出の信頼性を高めることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る地上子検出装置の構成を概略的に示す配置イメージ図である。 本発明の実施の形態に係る地上子検出装置の構成及び機能を概略的に示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態に係る地上子検出装置による地上子検出方法の基本概念を説明するためのスペクトル波形のイメージ図である。 離散周波数スペクトルの一例を示している。 スペクトル波形を折れ線状に近似する様子を示している。 ピーク形状を正規化する様子を示すイメージ図である。 地上子候補となるピーク形状を判定する方法の一例を示すフロー図である。 地上子の最終判定方法の一例を示すフロー図である。 正規化勾配を利用して地上子とノイズとを判別する方法を説明するためのイメージ図である。 正規化勾配レベル分配比を利用してメインローブとサイドローブとを判別する方法を説明するためのイメージ図である。 ピーク形状の数を利用して地上子とノイズとを判別する方法を説明するためのイメージ図である。 スペクトル波形の絶対レベルが変動する様子を示している。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面に基づいて説明する。ここで、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略することとし、また、図面の全体にわたって、同一部分又は対応する部分は、同一符号で示している。
図１は、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０の構成の一例を、地上子検出装置１０が自動列車停止装置（ＡＴＳ）に用いられた場合を例にして概略的に示している。図示のように、地上子検出装置１０は、鉄道車両８６に設置される車上装置２０及び車上子１２を含み、鉄道車両８６が走行して線路８４の近傍に設置された地上子８０に対して車上子１２が近接したときに、地上子８０を検出するものである。

車上装置２０は、送信処理部２２、受信処理部３２、及び制御部７０を含み、車上子１２は、互いに疎結合する１次コイル１４及び２次コイル１６から構成され、それらの間で常に送受信を行うものであり、変周式のＡＴＳと同一のものが用いられてよい。１次コイル１４及び２次コイル１６は、これに限定されるものではないが、同一の断面積及び巻数を標準としている。詳しくは後述するが、車上子１２の１次コイル１４には、送信処理部２２で生成された送信波が注入され、２次コイル１６には車上子１２周囲との電磁作用が反映された電圧が現れ、その電圧が受信波として受信処理部３２に取り込まれる。なお、「１次コイル」及び「２次コイル」という名称は便宜上のものであり、それらの使用方法が上記と反対になっていてもよい。

受信処理部３２は、車上子１２と電磁結合した地上子８０の周波数の特定を行うものである。制御部７０は、車上装置２０の全体の制御を担うものであって、受信処理部３２によって特定された地上子８０の周波数に基づいて列車制御信号を送出したり、鉄道車両８６の速度情報を受信したりする。また、制御部７０は、受信した速度情報に基づいて速度超過などの判定を実施してもよい。なお、車両制御部７８は、地上子検出装置１０を構成するものではなく、鉄道車両８６の走行を制御するものであり、制御部７０から送出された列車制御信号などに基づいて、鉄道車両８６のブレーキ、速度制御などを実施する。

一方、地上子検出装置１０が検出対象とする地上子８０は、変周式のＡＴＳで使用されているものと同じ構造であり、ループコイルをインダクタとして、ループコイルに直列接続されたコンデンサと直列共振し、その共振周波数自体を情報として有している。共振周波数は、仕様として予め設定された複数の所定周波数のうちの何れかの周波数に一致するように、コンデンサの値が選定されている。また、地上子８０において、複数の所定周波数のうちの２つ以上の周波数が、切り替え可能に共振周波数として設定されるようになっていてもよい。それら複数の所定周波数（例えば図３の上方に示されるｆ１～ｆ８）の各々に対して、停止現示や速度現示などの諸情報が定義されており、その定義内容、利用される所定周波数の数、所定周波数の周波数値などは、鉄道事業者によって異なっている。

地上子８０のインダクタ（ループコイル）とコンデンサとの間には、リレー８２が挿入されている。このリレー８２は、通常時は開放されており、上記のような情報を鉄道車両８６へ通知する場合に、リレー８２が動作して接点が構成されることで、ＬＣ共振回路が有効化される。リレー８２の動作制御は、前方列車在線状態などを示す、地上子８０の外部からの制御入力によって実施される。例えば、前方に列車が在線しておらずブレーキ指令が不要の場合は、地上子８０のコイルがリレー８２で開放され、車上子１２が地上子８０と近接しても電磁結合は発生しないため、車上にて停止現示が認識されることはない。

次に、図２には、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０の機能ブロック図を示しており、この機能ブロック図に沿って、地上子検出装置１０による具体的な地上子検出方法について説明する。図１に示された送信処理部２２及び車上子１２が図２にも示されており、図２の前段処理部３４、周波数弁別部４０、スペクトル特徴抽出部５２、及び地上子検出部６０が、図１の受信処理部３２を構成するものであって、図２の指令出力部７２及び出力制御部７４が、図１の制御部７０を構成するものである。なお、図２の機能ブロック図の構成は一例であって、図２の機能ブロックの一部が変更、削除、分割された構成や、別の機能ブロックが追加された構成であってもよい。また、各機能ブロックを具体的に構成するハードウェア及びソフトウェアの構成は、図２を参照して下記で説明する構成に限定されるものではなく、各機能を実現できる範囲で任意の構成であってよい。

まず、地上子検出装置１０による地上子検出方法の基本概念を説明すると、地上子検出装置１０では、車上子１２の２次コイル１６で受信した受信波から、後述するような離散周波数スペクトルを受信処理部３２において抽出し、更に各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換して、離散周波数スペクトルの包絡線である図３のようなスペクトル波形ＳＷ（ＳＷ１、ＳＷ２）を得る。そしてそのようなスペクトル波形ＳＷから、車上子１２と地上子８０とが電磁結合したときに共振周波数において極大値ｍａｘとなり反共振周波数において極小値ｍｉｎとなるような波形形状に着目して、その波形形状を含むような所定形状（ピーク形状ＰＳ）を抽出することで、地上子８０及びその共振周波数を検出するものである。

図２に戻り、送信処理部２２は、波形テーブル２４、Ｄ／Ａ変換部２６、及び電力増幅部２８を含み、波形テーブル２４は、複数の周波数が重畳した離散周波数スペクトルの送信波データを有している。その複数の周波数は、検出対象の地上子８０が有し得る複数の所定周波数の全てを含むと共に、複数の所定周波数よりも小さい周波数間隔で設定されている。本実施形態では、複数の所定周波数として図３の上部に示されたｆ１～ｆ８（７３ｋＨｚ、８０ｋＨｚ、８５ｋＨｚ、９０ｋＨｚ、９５ｋＨｚ、１０３ｋＨｚ、１２０ｋＨｚ、１３０ｋＨｚ）を含むように、７０ｋＨｚ～１３９ｋＨｚの帯域で１ｋＨｚ又は２ｋＨｚ間隔の６４波の周波数が、複数の周波数として設定される。このような波形テーブル２４は、フラッシュメモリなどの各種メモリに格納される。なお、離散周波数スペクトルの帯域幅は、地上子８０が有し得る共振周波数の全て（複数の所定周波数ｆ１～ｆ８）について、車上子１２と地上子８０との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数が含まれるように、特に周波数低域側に余裕を持って設定されてもよい。

波形テーブル２４から読み出された送信波データは、Ｄ／Ａ変換部２６においてデジタルデータからアナログへと変換され、更に電力増幅部２８において電力が増幅された状態で、送信波として車上子１２の１次コイル１４へ入力される。このとき、送信波の離散周波数スペクトルの各周波数成分は、一定の電圧レベルで入力されるようになっている。図４（ａ）には、そのような一定の電圧レベルで入力される、上記のような離散周波数スペクトルを有する送信波が、周波数低域側について示されており、図示の周波数帯域には複数の所定周波数ｆ１～ｆ８のうちｆ１及びｆ２が含まれている。なお、Ｄ／Ａ変換部２６には任意のＤ／Ａコンバータが用いられ、電力増幅部２８にはアンプなどの既知の増幅器が利用される。

図４（ａ）に図示されている複数の周波数の周波数間隔Δｆの大きさは、地上子８０の周波数誤差Δｅを含んだ共振周波数での極大値ｍａｘ（図３参照）を精度よく検出することや、受信処理部３２での負荷などが考慮されて、適切な値に設定される。例えばΔｆは、これに限定されるものではないが、「０．５Δｅ≦Δｆ≦Δｅ」の関係を目安として設定される。またΔｆは、離散周波数スペクトル内で同一値である必要はなく、検出対象の各地上子８０の周波数誤差Δｅや、複数の所定周波数ｆ１～ｆ８の間隔などに応じて、任意の異なる値が設定されてもよい。これらに基づいて、本実施形態では周波数間隔Δｆが、上述したように１ｋＨｚ又は２ｋＨｚに設定されている。

図２に戻り、車上子１２の２次コイル１６は、上記のように送信波が入力される１次コイル１４との電磁的疎結合の影響を含む、車上子１２周囲との電磁作用が反映された受信波を受信し、その受信波が前段処理部３４に取り込まれる。前段処理部３４は、増幅器３６及びＡ／Ｄ変換部３８を含み、取り込まれた受信波が増幅器３６において電力増幅され、更にＡ／Ｄ変換部３８においてアナログ波形からデジタルデータへと変換される。前段処理部３４で処理された受信波データは、周波数弁別部４０へと送信される。なお、増幅器３６にはアンプなどの任意の増幅器が利用され、Ａ／Ｄ変換部３８には任意のＡ／Ｄコンバータが用いられる。

周波数弁別部４０は、直交同期検波部４２及びｄＢ極座標変換部４４を含んでいる。そして、直交同期検波部４２において、同期検波（直交検波）を利用して、前段処理部３４で処理された受信波データから、送信処理部２２の波形テーブル２４に格納されている波形データと同じ離散周波数スペクトルを抽出する。すなわち、本実施形態では、７０ｋＨｚ～１３９ｋＨｚの帯域で周波数間隔Δｆが１ｋＨｚ又は２ｋＨｚである、６４波の周波数成分を有する離散周波数スペクトルを抽出する。このとき、各周波数成分の平均電圧レベルと位相とが得られる。直交同期検波部４２において抽出された離散周波数スペクトルの各周波数成分の電圧レベルは、更にｄＢ極座標変換部４４によってｄＢ値へと変換される。このような処理を行う周波数弁別部４０は、例えばＦＰＧＡなどで実現される。なお、周波数弁別部４０では、同期検波とは別のＦＦＴなどの手法を利用して離散周波数スペクトルを抽出してもよい。

ここで、図４（ｂ）及び（ｃ）には、周波数弁別部４０で処理された離散周波数スペクトルの例が示されており、図４（ｂ）が地上子８０との結合が発生していない状態、図４（ｃ）が地上子８０との結合が発生している状態である。なお、図４（ｂ）及び（ｃ）では、一部の周波数成分の図示を省略している。図４（ｂ）を参照すると、周波数が大きくなるにつれてレベルが単調に直線的に増加していることが分かり、これは、非結合レベル包絡線ＵＥに準じた単調増加特性のためである。そして、離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形ＳＷは、非結合レベル包絡線ＵＥに沿った、主に車上子１２のコイルのインピーダンス周波数特性が主体となった形状となる。但し、非結合レベル包絡線ＵＥやスペクトル波形ＳＷの全体的なレベルには、静的要因（回路ゲイン、車上子１２の結合度、車上子１２までのケーブル）と、鉄道車両８６の走行時に発生する動的要因（線路８４間の金属構造物など）とが合わさって影響する。このため、非結合レベル包絡線ＵＥやスペクトル波形ＳＷの全体的なレベル変動は、図４（ｂ）に矢印で示されているように、およそ４５ｄＢにもなる。

一方、図４（ｃ）を参照すると、離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形ＳＷが、図３に示したスペクトル波形ＳＷ２と類似した形状で、非結合レベル包絡線ＵＥに準じたレベルで現れていることが分かる。すなわち、車上子１２と地上子８０とが電磁結合すると、等価回路上、車上子コイルと地上子コイルとの直・並列回路となり、スペクトル波形ＳＷが図示のような特徴を持った形状となる。具体的には、地上子８０の発振周波数を共振点（極大点ｍａｘ）として、それよりも低域側の反共振点（極小点ｍｉｎ）を有する電圧スペクトルが発生する。このとき、車上子１２と地上子８０との結合が強いほど、共振点（極大点ｍａｘ）のレベル値は増大するが、周波数は一定のままである。これに対し、反共振点（極小点ｍｉｎ）は、車上子１２と地上子８０との結合が強いほど、レベルがより小さくなると同時に低域側にシフトする。このような様子が、図３において、スペクトル波形ＳＷ１とスペクトル波形ＳＷ２との間の矢印で示されている。

なお、図４（ｂ）を参照して説明した非結合レベル包絡線ＵＥやスペクトル波形ＳＷの全体的なレベル変動は、図４（ｃ）の地上子８０との結合状態でも発生し得るものである。例えば、図３には３本の非結合レベル包絡線ＵＥが示されており、このように非結合レベル包絡線ＵＥのレベルが変動することで、スペクトル波形ＳＷの全体レベルも変動する。図３のスペクトル波形ＳＷ１、ＳＷ２は、３本のうちの真ん中の非結合レベル包絡線ＵＥに準じたものである。更に図１２にも、最大で４５ｄＢ程度のレベル変動が発生する様子が図示されている。

図２に戻り、周波数弁別部４０で処理された離散周波数スペクトルのデータは、スペクトル特徴抽出部５２へ伝達される。本実施形態では、受信処理部３２の一部であるスペクトル特徴抽出部５２及び地上子検出部６０と、制御部７０の一部である指令出力部７２及び出力制御部７４とが、ＣＰＵ５０により実行されるソフトウェアで実現される。ここで、ＣＰＵ５０での処理時間単位は、ＣＰＵ５０の処理負荷などが考慮されて、周波数弁別部４０までの処理時間単位より大きくてもよい。この場合は、ＣＰＵ５０の１回の処理時間単位の間に、周波数弁別部４０で処理された複数の離散周波数スペクトルのデータが、１度に読み込まれてＣＰＵ５０で処理されることになる。

スペクトル特徴抽出部５２は、スペクトル形状認識部５４とピーク正規化部５６とから構成される。スペクトル形状認識部５４は、周波数弁別部４０から得た離散周波数スペクトルのスペクトル波形ＳＷを、正勾配線分と負勾配線分と平坦線分との３種の線分を用いて、折れ線状に近似する。例えば図５には、図４（ｃ）のスペクトル波形ＳＷと類似した形状のスペクトル波形ＳＷを、折れ線状のスペクトル波形ＳＷ´へと近似する様子が示されている。すなわち、正勾配線分Ｐとは、高域側（図中右側）へ向かってレベルが上昇する線分であり、負勾配線分Ｍとは、高域側へ向かってレベルが下降する線分であり、平坦線分Ｆとは、正勾配線分Ｐや負勾配線分Ｍに該当しない比較的水平に近い線分である。

図５では、スペクトル波形ＳＷが点Ｄ１～点Ｄ８の間の７本の線分で近似されており、６４波の周波数成分を有する離散周波数スペクトルから規定されるスペクトル波形ＳＷの状態と比較して、データ量が圧縮されている。なお、スペクトル波形ＳＷの近似に用いられる線分の種類や線分の数などは、スペクトル波形ＳＷの形状や非結合レベル包絡線ＵＥの単調増加特性などが考慮されて決定される。また、図５や、後述する図６、図９上部の図、図１０（ｂ）及び（ｃ）、図１１、図１２では、縦軸及び横軸の図示を省略しているが、それらは何れも、縦軸がレベル（上側へ向かって大）であり、横軸が周波数（右側へ向かって高域）である。

また、スペクトル形状認識部５４は、折れ線状のスペクトル波形ＳＷ´を構成する全ての線分（図５の例では７本の線分）の各々について、線分１次属性群を算出する。本実施形態の線分１次属性群には、各線分の始点（周波数低域側の端点）の周波数、レベル、及び位相と、各線分の終点（周波数高域側の端点）の周波数、レベル、及び位相とが含まれている。周波数及びレベルは、各線分の始点又は終点が位置している周波数及びレベルであり、位相は、周波数弁別部４０において離散周波数スペクトルを抽出する際に得られた、各線分の始点又は終点の周波数成分における位相である。例えば、図５の左から３本目に位置する正勾配線分Ｐは、始点がＤ３で終点がＤ４であって、その始点Ｄ３の周波数、レベル、及び位相と、その終点Ｄ４の周波数、レベル、及び位相とが、上記のように算出される。

更に、スペクトル形状認識部５４は、折れ線状のスペクトル波形ＳＷ´を構成する全ての線分の各々について、線分１次属性群を利用して線分２次属性群を算出する。本実施形態の線分２次属性群には、レベル差、帯域幅、及び位相差が含まれており、レベル差とは、各線分の始点のレベルと終点のレベルとの差である。また、帯域幅とは、各線分の始点の周波数と終点の周波数との差であり、位相差とは、各線分の始点の位相と終点の位相との差である。例えば、図５の右から２本目に位置する負勾配線分Ｍについては、終点Ｄ７のレベルから始点Ｄ６のレベルが減算されてレベル差が算出され、終点Ｄ７の周波数から始点Ｄ６の周波数が減算されて帯域幅が算出され、終点Ｄ７の位相から始点Ｄ６の位相が減算されて位相差が算出される。スペクトル形状認識部５４で算出された各属性は、以降の処理などのために保持される。

続いて、ピーク正規化部５６は、スペクトル形状認識部５４で折れ線状に近似されたスペクトル波形ＳＷ´を読み取って、図６に示されるようなピーク形状ＰＳを抽出する。すなわち、ピーク形状ＰＳとは、図６（ａ）に示されるように、周波数高域側（図中右側）へ向かって正勾配線分Ｐから負勾配線分Ｍへと変化する部分である。更に、ピーク形状ＰＳは、図６（ｂ）に示されるように、周波数高域側（図中右側）へ向かって正勾配線分Ｐから平坦線分Ｆを経て負勾配線分Ｍへと変化する部分であって、その平坦線分Ｆの帯域幅（図中左右方向の長さ）が比較的小さい微小帯域幅となっている部分であってもよい。なお、ピーク形状ＰＳとは、図３を参照して言及した所定形状の候補と見なせるものである。

また、上記のようなピーク形状ＰＳの抽出に先立ち、折れ線状に近似されたスペクトル波形ＳＷ´に、正勾配線分Ｐと正勾配線分Ｐとの間に帯域幅が比較的小さい（微小帯域幅）平坦線分Ｆが含まれている部分が存在する場合は、それら２本の正勾配線分Ｐと平坦線分Ｆとを統合して１本の正勾配線分Ｐとして扱ってもよい。同様に、負勾配線分Ｍと負勾配線分Ｍとの間に帯域幅が比較的小さい（微小帯域幅）平坦線分Ｆが含まれている部分が存在する場合は、それら２本の負勾配線分Ｍと平坦線分Ｆとを統合して１本の負勾配線分Ｍとして扱ってもよい。

例えば図５の例では、左から４本目の平坦線分Ｆの帯域幅が比較的小さいものとして、点Ｄ３から点Ｄ６までを１本の正勾配線分Ｐとして統合して、点Ｄ３から点Ｄ７までをピーク形状ＰＳとして抽出する。図６（ｂ）のようなピーク形状ＰＳに含めるために微小帯域幅とする平坦線分Ｆの判断や、２本の正勾配線分Ｐ或いは２本の負勾配線分Ｍと統合するために微小帯域幅とする平坦線分Ｆの判断は、実験結果などに応じたパラメータを使用して行うものとする。なお、折れ線状のスペクトル波形ＳＷ´から、複数のピーク形状ＰＳが同時に抽出されてもよく、条件が満たされなければピーク形状ＰＳが抽出されなくてもよい。折れ線状のスペクトル波形ＳＷ´から抽出されたピーク形状ＰＳの数は、後段の処理のために保持される。

また、ピーク正規化部５６は、折れ線状のスペクトル波形ＳＷ´から抽出された全てのピーク形状ＰＳの各々について、正規化ピーク１次属性群を算出する。本実施形態の正規化ピーク１次属性群には、正規化ピークレベル、正規化ピーク帯域幅、正規化ピーク周波数、正規化ピーク絶対レベル、及び正規化ピーク位相差が含まれている。図６に示されるように、正規化ピークレベルＮＬは、各ピーク形状ＰＳを構成する正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値と、各ピーク形状ＰＳを構成する負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値との合計である。図６（ａ）では、理解を容易にするために、点Ｄ１１から点Ｄ１２までの負勾配線分Ｍの正負を反転（絶対値のため）して、点Ｄ１１から点Ｄ１２´までの負勾配線分Ｍ´として破線で示しており、点Ｄ１０から点Ｄ１２´までのレベルが正規化ピークレベルＮＬに相当する。同様に、図６（ｂ）では、点Ｄ１７から点Ｄ１８までの負勾配線分Ｍの正負を反転したものを、点Ｄ１７から点Ｄ１８´までの負勾配線分Ｍ´として破線で示しており、点Ｄ１５から点Ｄ１８´までのレベルが正規化ピークレベルＮＬに相当する。

正規化ピーク帯域幅ＮＢは、図６（ａ）に示されるように、各ピーク形状ＰＳを構成する正勾配線分Ｐの帯域幅と、各ピーク形状ＰＳを構成する負勾配線分Ｍの帯域幅との合計である。また、ピーク形状ＰＳに微小帯域幅の平坦線分Ｆが含まれる場合は、正規化ピーク帯域幅ＮＢは、図６（ｂ）に示されるように、正勾配線分Ｐの帯域幅と平坦線分Ｆの帯域幅と負勾配線分Ｍの帯域幅との合計である。正規化ピーク周波数ＮＦは、各ピーク形状ＰＳを構成する正勾配線分Ｐの終点の周波数と、各ピーク形状ＰＳを構成する負勾配線分Ｍの始点の周波数との平均であり、例えばそれら２つの周波数を合計して２で除した数値である。

正規化ピーク絶対レベルＮＡＬは、各ピーク形状ＰＳを構成する正勾配線分Ｐの終点のレベルと、各ピーク形状ＰＳを構成する負勾配線分Ｍの始点のレベルとの平均であり、例えばそれら２つのレベルを合計して２で除した数値である。正規化ピーク位相差は、各ピーク形状ＰＳを構成する正勾配線分Ｐの位相差と、各ピーク形状ＰＳを構成する負勾配線分Ｍの位相差との合計である。また、図６（ｂ）のようにピーク形状ＰＳに微小帯域幅の平坦線分Ｆが含まれる場合は、正規化ピーク位相差は、正勾配線分Ｐの位相差と平坦線分Ｆの位相差と負勾配線分Ｍの位相差との合計である。

例えば図５の例において、点Ｄ３～点Ｄ７までがピーク形状ＰＳとして抽出された場合は、このピーク形状ＰＳについて、上記のように正規化ピーク１次属性群の各属性を算出する。なお、正規化ピークレベルＮＬの算出で使用される各線分のレベル差と、正規化ピーク帯域幅ＮＢの算出で使用される各線分の帯域幅と、正規化ピーク位相差の算出で使用される各線分の位相差とは、スペクトル形状認識部５４で算出された線分２次属性群に含まれている。また、正規化ピーク周波数ＮＦの算出で使用される、正勾配線分Ｐの終点の周波数及び負勾配線分Ｍの始点の周波数と、正規化ピーク絶対レベルＮＡＬの算出で使用される、正勾配線分Ｐの終点のレベル及び負勾配線分Ｍの始点のレベルとは、スペクトル形状認識部５４で算出された線分１次属性群に含まれている。

更に、ピーク正規化部５６は、折れ線状のスペクトル波形ＳＷ´から抽出された全てのピーク形状ＰＳの各々について、正規化ピーク２次属性群を算出する。本実施形態の正規化ピーク２次属性群には、正規化勾配及び正規化勾配レベル分配比が含まれている。正規化勾配ＮＳは、正規化ピーク１次属性群に含まれる正規化ピークレベルＮＬと正規化ピーク帯域幅ＮＢとの比であって、例えば正規化ピークレベルＮＬを正規化ピーク帯域幅ＮＢで除した値が算出される（図９の下部参照）。正規化勾配レベル分配比は、各ピーク形状ＰＳを構成する正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値ＰＬ（図１０（ｂ）及び（ｃ）参照）と、各ピーク形状ＰＳを構成する負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値ＭＬ（図１０（ｂ）及び（ｃ）参照）との比であって、各線分のレベル差は、スペクトル形状認識部５４で算出された線分２次属性群に含まれている。例えば正規化勾配レベル分配比は、正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値を、正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値と負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値との合計で除して算出される。

図２を参照して、上記のようにスペクトル特徴抽出部５２で算出された正規化ピーク１次属性群及び正規化ピーク２次属性群は、地上子検出部６０へ伝達される。地上子検出部６０は、車上子１２が地上子８０と電磁結合したこと、及び電磁結合した地上子８０の共振周波数を検出するものであって、地上子候補判定部６２及び地上子最終判定部６４を含んでいる。地上子候補判定部６２は、スペクトル特徴抽出部５２で抽出されたピーク形状ＰＳから、地上子８０との結合が発生したことを示すピーク形状ＰＳの候補を選定するものである。また、地上子最終判定部６４は、地上子８０との結合を示す候補として選定されたピーク形状ＰＳが、本当に地上子８０との結合を示すものであるか否かの最終判定と、機器異常や環境異常が発生しているか否かの推定とを行うものである。

図７には、地上子候補判定部６２の具体的な動作を示すフロー図が示され、図８には、地上子最終判定部６４の具体的な動作を示すフロー図が示されており、ここからはこれらのフロー図に沿って説明する。なお、図７及び図８に示すフロー図は、具体的な動作の一例を示したものであって、地上子候補判定部６２及び地上子最終判定部６４の動作を限定するものではない。従って、例えば地上子検出装置１０の構成や状況などに応じて、図７及び図８に示したステップの一部が削除、変更、ないし適宜追加されたフローであってもよいものである。

まずは図７を参照して、地上子候補判定部６２の動作について説明する。
Ｓ１０（データ取得）：ピーク正規化部５６において抽出されたピーク形状ＰＳの数と、各ピーク形状ＰＳの正規化ピーク１次属性群及び正規化ピーク２次属性群とを、ピーク正規化部５６から取得する。
Ｓ２０（カウンタリセット）：地上子８０との結合が発生したことを示すピーク形状ＰＳの候補をカウントするための地上子候補カウンタと、後述する地上子判定処理を繰り返した回数をカウントするための処理カウンタとをリセットする。ここでは、地上子候補カウンタをＷＣＣ、処理カウンタをｉとして地上子候補カウンタＷＣＣにゼロを代入し、処理カウンタｉに１を代入する。

Ｓ３０（処理カウンタ判定）：処理カウンタｉがピーク形状ＰＳの数以下であるか否かを判定する。その結果、処理カウンタｉがピーク形状ＰＳの数以下であると判定した場合（ＹＥＳ）は、後述する地上子判定処理が行われていないピーク形状ＰＳが残っているため、Ｓ４０へ移行する。また、処理カウンタｉがピーク形状ＰＳの数以下でないと判定した場合（ＮＯ）は、抽出された全てのピーク形状ＰＳについて後述する地上子判定処理が終わっている、或いはピーク形状ＰＳが抽出されていないため、地上子候補判定部６２による処理が終了となる。

Ｓ４０（正規化ピークレベル判定）：抽出されたピーク形状ＰＳのうち、ｉ番目のピーク形状ＰＳの正規化ピークレベルＮＬが、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子８０との電磁結合により発生したピーク形状ＰＳの正規化ピークレベルＮＬが取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化ピークレベルＮＬが所定の範囲内であると判定した場合（ＹＥＳ）は、地上子候補の判定を続行するためにＳ５０へ移行し、正規化ピークレベルＮＬが所定の範囲内でないと判定した場合（ＮＯ）はＳ１１０へ移行する。

Ｓ５０（正規化ピーク帯域幅判定）：抽出されたピーク形状ＰＳのうち、ｉ番目のピーク形状ＰＳの正規化ピーク帯域幅ＮＢが、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子８０との電磁結合により発生したピーク形状ＰＳの正規化ピーク帯域幅ＮＢが取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化ピーク帯域幅ＮＢが所定の範囲内であると判定した場合（ＹＥＳ）は、地上子候補の判定を続行するためにＳ６０へ移行し、正規化ピーク帯域幅ＮＢが所定の範囲内でないと判定した場合（ＮＯ）はＳ１１０へ移行する。

Ｓ６０（正規化勾配判定）：抽出されたピーク形状ＰＳのうち、ｉ番目のピーク形状ＰＳの正規化勾配ＮＳが、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子８０との電磁結合により発生したピーク形状ＰＳの正規化勾配ＮＳが取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化勾配ＮＳが所定の範囲内であると判定した場合（ＹＥＳ）は、地上子候補の判定を続行するためにＳ７０へ移行し、正規化勾配ＮＳが所定の範囲内でないと判定した場合（ＮＯ）はＳ１１０へ移行する。

ここで、図９を参照すると、図９の上部の波形には、左側にノイズが要因のピーク形状ＰＳが図示され、右側に地上子結合によるピーク形状ＰＳが図示されている。これによれば、ノイズによるピーク形状ＰＳの正規化ピーク絶対レベルＮＡＬの方が、地上子結合によるピーク形状ＰＳの正規化ピーク絶対レベルＮＡＬよりも、大きくなっていることが分かる。このように、ノイズによるピーク形状ＰＳの方が地上子結合によるピーク形状ＰＳよりも、レベルの絶対値が大きくなることも考えられる。そこで、図９の下部に示されるように、双方のピーク形状ＰＳの正規化ピークレベルＮＬ、正規化ピーク帯域幅ＮＢ、及び正規化勾配ＮＳを比較する。ここでの正規化勾配ＮＳは、正規化ピークレベルＮＬを正規化ピーク帯域幅ＮＢで除したものである。すると、ノイズによる正規化ピークレベルＮＬ及び正規化ピーク帯域幅ＮＢよりも、地上子結合による正規化ピークレベルＮＬ及び正規化ピーク帯域幅ＮＢの方が大きくなっている。更に、正規化勾配ＮＳについては、ノイズの方が地上子結合よりも大きくなっており、地上子結合の方がノイズよりも傾きが緩くなっている。上記のＳ４０、Ｓ５０、Ｓ６０では、このような関係を利用して、ノイズなどと地上子結合との切り分けを行なうものである。

Ｓ７０（正規化勾配レベル分配比判定）：抽出されたピーク形状ＰＳのうち、ｉ番目のピーク形状ＰＳの正規化勾配レベル分配比が、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子８０との電磁結合により発生したピーク形状ＰＳの正規化勾配レベル分配比が取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化勾配レベル分配比が所定の範囲内であると判定した場合（ＹＥＳ）は、地上子候補の判定を続行するためにＳ８０へ移行し、正規化勾配レベル分配比が所定の範囲内でないと判定した場合（ＮＯ）はＳ１１０へ移行する。

ここで、図１０（ａ）を参照すると、鉄道車両８６の走行に伴って車上子１２が地上子８０に接近するとき、それらの位置関係に応じた磁束の影響でメインローブ９０及びサイドローブ９２が発生する。メインローブ９０は、地上子８０との結合を検出するために検知すべきものであって、このときに発生するピーク形状ＰＳは、図１０（ｂ）に示すように、極大点ｍａｘとなる共振周波数よりも低域側に、極小点ｍｉｎとなる反共振周波数が位置している。このため、図示のように、正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値ＰＬの方が、負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値ＭＬよりも大きくなる。従って、それらの２値の比である正規化勾配レベル分配比は、「ＰＬ／（ＰＬ＋ＭＬ）」により算出すると、０．５よりも大きくなる。

一方、サイドローブ９２は、メインローブ９０の前後のタイミングで２回発生するが、地上子８０との結合として検知すべきものではない。サイドローブ９２で発生するピーク形状ＰＳは、図１０（ｃ）に示すように、極大点ｍａｘとなる共振周波数よりも高域側に、極小点ｍｉｎとなる反共振周波数が位置しており、磁束の向きの影響で、共振周波数と反共振周波数との大小関係がメインローブ９０と逆になっている。このため、図示のように、正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値ＰＬよりも、負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値ＭＬの方が大きくなる。従って、それらの２値の比である正規化勾配レベル分配比は、「ＰＬ／（ＰＬ＋ＭＬ）」により算出すると、０．５以下になる。上記のＳ７０では、このような正規化勾配レベル分配比の特性を利用して、メインローブ９０とサイドローブ９２との切り分けなどを行なうものである。

Ｓ８０（正規化ピーク周波数判定）：抽出されたピーク形状ＰＳのうち、ｉ番目のピーク形状ＰＳの正規化ピーク周波数ＮＦが、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子８０との電磁結合により発生したピーク形状ＰＳの正規化ピーク周波数ＮＦが取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化ピーク周波数ＮＦが所定の範囲内であると判定した場合（ＹＥＳ）は、図７のフロー図での地上子判定処理を全て満たしたものとしてＳ９０へ移行し、正規化ピーク周波数ＮＦが所定の範囲内でないと判定した場合（ＮＯ）はＳ１１０へ移行する。

Ｓ９０（地上子候補決定）：抽出されたピーク形状ＰＳのうち、ｉ番目のピーク形状ＰＳが地上子８０との結合を示す候補であると判定し、ｉ番目のピーク形状ＰＳにそのようなフラグをセットする。
Ｓ１００（地上子候補カウンタインクリメント）：地上子候補カウンタＷＣＣをインクリメントして１増加させる。
Ｓ１１０（地上子候補否定）：抽出されたピーク形状ＰＳのうち、ｉ番目のピーク形状ＰＳが地上子８０との結合を示す候補ではないと判定する。
Ｓ１２０（処理カウンタインクリメント）：処理カウンタｉをインクリメントして１増加させる。そして、地上子判定処理の続行を判断するために上記Ｓ３０へ復帰する。すなわち、検出された全てのピーク形状ＰＳについての判定処理が終了するまで、上記Ｓ４０～Ｓ１２０を繰り返し実行する。

次に図８を参照して、地上子最終判定部６４の動作について説明する。
Ｓ２００（ピーク形状数判定）：図７のＳ１０で取得したピーク形状ＰＳの数が、予め設定された所定の数以上であるか否かを判定する。ここでの所定の数とは、複数のピーク形状ＰＳを同時に発生させるノイズと地上子結合との切り分けを行なうための適切な値であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、ピーク形状ＰＳの数が所定の数以上であると判定した場合（ＹＥＳ）はＳ２１０へ移行し、ピーク形状ＰＳの数が所定の数より小さいと判定した場合（ＮＯ）はＳ２２０へ移行する。

ここで、図１１には、ノイズが原因と考えられる複数のピーク形状ＰＳが例示されている。特に電源系から生じるパルスノイズは、短時間ながらも広帯域で発生する傾向にあるため、図示のように複数のピーク形状ＰＳが同時に抽出される。その中で、例えば左から２番目のピーク形状ＰＳのように、地上子結合時と類似した形状のピーク形状ＰＳが得られる可能性もある。しかしながら、それと同時に他の周波数で複数のピーク形状ＰＳが抽出された場合は、同時に抽出された全てのピーク形状ＰＳがノイズに起因するものである確率が高く、地上子候補の排除対象と見なせる。上記のＳ２００では、これを利用してノイズと地上子結合との切り分けを行なうものである。

Ｓ２１０（地上子無し及び環境異常有り）：上記Ｓ２００において、ノイズが要因と考えられる数以上の複数のピーク形状ＰＳが同時に抽出されたと判定されたため、抽出されたピーク形状ＰＳに地上子結合を示すものはないと判定する。また、ノイズが発生しているため、環境異常有りと判定する。
Ｓ２２０（地上子候補カウンタ第１判定）：地上子候補カウンタＷＣＣが３以上であるか否かを判定する。そして、地上子候補カウンタＷＣＣが３以上である場合（ＹＥＳ）はＳ２３０へ移行し、地上子候補カウンタＷＣＣが２以下である場合（ＮＯ）はＳ２６０へ移行する。

Ｓ２３０（地上子候補カウンタ第２判定）：地上子候補カウンタＷＣＣが３以上である状態が、長時間継続しているか否かを判定する。ここでの長時間継続とは、受信処理部３２において車上子１２の２次コイル１６から新たな受信波を読み取り、そこから離散周波数スペクトルやピーク形状ＰＳなどを抽出する処理を、何回か行っているにも関わらず、その間に地上子候補カウンタＷＣＣが３以上の状態がずっと続いている状況を示している。この判定に用いられる時間（処理回数）は、実験などに基づいて設定される。そして、上記の状態が長時間継続していると判定された場合（ＹＥＳ）はＳ２４０へ移行し、長時間継続していないと判定された場合（ＮＯ）はＳ２５０へ移行する。なお、上記Ｓ２２０や本ステップＳ２３０で地上子候補カウンタＷＣＣの判定に用いている「３」という値は一例であって、別の値であってもよい。

Ｓ２４０（地上子無し及び機器異常有り）：地上子候補カウンタＷＣＣが３以上の状態が長時間継続しているため、これは地上子検出装置１０の何れかの部位で故障などが発生していることが原因と推定し、機器異常が発生していると判定する。また、地上子候補カウンタＷＣＣでのカウント結果は、機器異常によるものであり、地上子結合を示すピーク形状ＰＳによるものではないと判断して、地上子結合はないと判定する。
Ｓ２５０（地上子無し及び環境異常有り）：地上子候補カウンタＷＣＣが３以上の状態が長時間継続してはいないものの、地上子結合の候補とされるピーク形状ＰＳが３つ以上あるのは、異常であると判断する。このため、ノイズなどの環境異常が発生していると判定し、また、地上子結合は検出されていないと判定する。

Ｓ２６０（地上子候補カウンタ第３判定）：地上子候補カウンタＷＣＣが２であるか否かを判定する。そして、地上子候補カウンタＷＣＣが２である場合（ＹＥＳ）はＳ２７０へ移行し、地上子候補カウンタＷＣＣが１以下である場合（ＮＯ）はＳ２８０へ移行する。
Ｓ２７０（地上子検出）：図７のＳ９０において地上子結合を示す候補としてのフラグがセットされた２つのピーク形状ＰＳのうち、正規化ピークレベルＮＬが大きい方のピーク形状ＰＳを、地上子８０との結合を示すものであると判定する。

Ｓ２８０（地上子候補カウンタ第４判定）：地上子候補カウンタＷＣＣが１であるか否かを判定する。そして、地上子候補カウンタＷＣＣが１である場合（ＹＥＳ）はＳ２９０へ移行し、地上子候補カウンタＷＣＣが１ではない、すなわちゼロである場合（ＮＯ）はＳ３００へ移行する。
Ｓ２９０（地上子検出）：図７のＳ９０において地上子結合を示す候補としてのフラグがセットされた１つのピーク形状ＰＳを、地上子８０との結合を示すものであると判定する。

Ｓ３００（地上子無し）：図７のＳ９０において地上子結合を示す候補としてフラグがセットされたピーク形状ＰＳが存在しないため、地上子８０は検出されなかったと判定する。
Ｓ３１０（情報送信）：本ステップに至る１つ前のステップで判定された内容を、制御部７０へ送信する。すなわち、地上子８０が検出されたこと或いは検出されなかったこと、検出された場合はその地上子８０の所定周波数、環境異常の有無、機器異常の有無、各ピーク形状ＰＳ（特にノイズや機器異常によるものとされたピーク形状ＰＳ）の正規化ピーク１次属性群や正規化ピーク２次属性群などを送信する。ここまでの処理により、地上子最終判定部６４による処理が終了となる。

再度図２へと戻り、制御部７０の指令出力部７２は、地上子検出部６０から取得した情報や速度照査などに基づいて、出力制御部７４へ列車制御情報を出力する。すなわち、地上子検出部６０から地上子８０が検出されたことが通知された場合は、検出された地上子８０の共振周波数を取得し、その共振周波数が示す情報（停止現示や速度現示など）を特定して、列車制御情報へ反映する。また、出力制御部７４は、指令出力部７２からの列車制御情報に基づいて、車両制御部７８（図１参照）による具体的なブレーキ制御や速度制御を行なうための制御信号を、Ｉ／Ｆ回路７６へと出力する。

なお、制御部７０は、スペクトル特徴抽出部５２で算出された各種の属性、すなわち、線分１次属性群、線分２次属性群、正規化ピーク１次属性群、及び正規化ピーク２次属性群に含まれる属性や、抽出されたピーク形状ＰＳの数、地上子候補としてカウントされたピーク形状ＰＳの数などを利用して、既存の機能の補助や高機能化などを目的とした任意の処理を行ってもよい。例えば、制御部７０は、図８のＳ２１０及びＳ２５０でノイズによるものと判定されたピーク形状ＰＳの、正規化ピーク１次属性群及び正規化ピーク２次属性群などを利用して、ノイズの解析を行ってもよい。同様に、制御部７０は、図８のＳ２４０で機器異常が発生していると判定されたときの各種の属性を利用して、機器異常の解析を行ってもよい。

ここで、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、図１～図１２に示された構成に限定されるものではなく、別の構成であってもよい。例えば、地上子検出装置１０は、ＡＴＳの地上子８０に限定されず、他の鉄道装置の地上子８０を検出するものであってよい。また、地上子８０が共振周波数として有し得る複数の所定周波数は、図３のｆ１～ｆ８に限定されるものではなく、別の周波数、より多くの周波数、より少ない周波数であってもよい。それに応じて、送信処理部２２で発生する送信波の離散周波数スペクトルも、７０ｋＨｚ～１３９ｋＨｚの帯域、１ｋＨｚ又は２ｋＨｚの周波数間隔、及び６４波の周波数に限定されるものではなく、別の帯域、別の周波数間隔、及び別の数の周波数であってよい。更に、線分１次属性群、線分２次属性群、正規化ピーク１次属性群、及び正規化ピーク２次属性群の各々の構成は、上述したものに限定されることはなく、上述の何れかの属性が含まれない構成や、別の属性が含まれる構成であってもよい。また、各属性の算出方法が、上記と異なっていてもよい。

さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、図１及び図２に示すように、走行中の鉄道車両８６から地上子８０を検出するものであって、車上子１２、送信処理部２２、前段処理部３４、周波数弁別部４０、スペクトル特徴抽出部５２、及び地上子検出部６０を含んでいる。車上子１２は、互いに疎結合する１次コイル１４及び２次コイル１６を有してそれらの間で送受信を常時行っており、鉄道車両８６が走行しているときに、鉄道車両８６に取り付けられた車上子１２が線路８４近傍の地上子８０に近接すると、地上子８０と車上子１２とが電磁結合する。送信処理部２２は、離散周波数スペクトルを有する送信波を、車上子１２の１次コイル１４へと注入するものである。その送信波の離散周波数スペクトルは、検出対象の地上子８０が共振周波数として有している可能性のある複数の所定周波数（例えば図３のｆ１～ｆ８）の全てを包含する複数の周波数を、複数の所定周波数よりも小さい周波数間隔Δｆ（図４（ａ）参照）で含んでいる。

１次コイル１４へ注入される上記のような送信波は、１次コイル１４と疎結合している２次コイル１６により受信される。周波数弁別部４０は、２次コイル１６が受信して前段処理部３４で前処理された受信波から、送信処理部２２により生成されたものと同じ周波数成分を有する離散周波数スペクトルを抽出する。また、スペクトル特徴抽出部５２は、そのようにして周波数弁別部４０により抽出された離散周波数スペクトルから、それらの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形ＳＷ（図３及び図４参照）を生成し、更にそのスペクトル波形ＳＷから、予め定められた所定形状を抽出する。そして、地上子検出部６０は、スペクトル波形ＳＷから抽出される所定形状の有無に応じて、地上子８０を検出するものである。

ここで、上記のように地上子８０と車上子１２とが電磁結合すると、各地上子８０が情報として有する複数の所定周波数のうちの何れかの周波数が、共振周波数として車上子１２へと伝達される。すなわち、車上子１２の２次コイル１６で受信される受信波に共振周波数が影響して、受信波に基づいて生成されるスペクトル波形ＳＷに、地上子８０の共振周波数と同じ周波数成分のレベルが大きくなる形状が現れることになる。そこで、スペクトル特徴抽出部５２によってスペクトル波形ＳＷから抽出する所定形状として、共振周波数でレベルが大きくなるような形状を設定することで、その共振周波数を有する地上子８０に対して車上子１２が電磁結合したことを検出することができる。これにより、スペクトル波形ＳＷに現れる共振周波数を、レベルの大きさではなく波形の形状によって抽出することができるため、単にレベルが大きいノイズの誤検出や、様々な要因による絶対レベルの変動の影響（図１２参照）などを抑制することができ、地上子検出の信頼性を高めることが可能となる。しかも、スペクトル波形ＳＷからの所定形状の抽出は、処理データの単純化などの工夫によって、比較的簡便なアルゴリズムを用いて実現することが可能なものである。

また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、送信処理部２２が車上子１２の１次コイル１４へ送信波を注入する際に、一定の電圧で送信波を注入するものである。そして、周波数弁別部４０は、２次コイル１６の受信波から抽出した離散周波数スペクトルを、各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換するものである。このため、スペクトル特徴抽出部５２は、周波数弁別部４０によってレベル変換された離散周波数スペクトルに基づいて生成されるスペクトル波形から、所定形状を抽出することになる。これにより、送信波には存在しなかった周波数成分間の電圧差が、地上子８０との電磁結合によって受信波に現れるようになり、更にそれを所定のレベル変換操作によって増大させることができる。従って、そのような電圧差がレベルで反映されたスペクトル波形からの所定形状の抽出が容易になり、地上子８０の検出精度を向上させることができる。

また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、送信処理部２２によって生成される送信波の離散周波数スペクトルや、周波数弁別部４０によって抽出される離散周波数スペクトルが、車上子１２と地上子８０との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数を包含する帯域幅を有するものである。反共振周波数は、車上子１２と地上子８０との電磁結合時に、共振周波数よりも低域側にレベルが小さくなる形状で現れるため、地上子８０が有し得る複数の所定周波数の全てについて、共振周波数（所定周波数）よりも低域側の上記のような領域がカバーされるように、離散周波数スペクトルの帯域幅が設定される。図３の例では、ｆ１（７３ｋＨｚ）～ｆ８（１３０ｋＨｚ）の共振周波数に対応する反共振周波数を包含するように、帯域幅が設定される。そして、スペクトル特徴抽出部５２によって抽出される所定形状に、電磁結合時の反共振周波数の影響が現れた形状を含めることで、地上子８０とノイズとの識別がより明確になるため、地上子検出の信頼性をより高めることができる。

また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２によってスペクトル波形ＳＷから抽出する所定形状を、以下のようにより具体的に特定するものである。すなわち、所定形状として、図３にピーク形状ＰＳとして示されるような、比較的低レベルの反共振周波数から周波数高域側へ向かって、共振周波数までレベルが上昇した後、周波数高域側へ向かってレベルが下降する形状を設定する。これにより、レベルが反共振周波数から共振周波数まで大きく上昇した後に下降するという、地上子８０との電磁結合時に現れる特徴的な形状を設定することができるため、ノイズとの切り分けを益々容易にすることができ、地上子８０をより精度よく検出することが可能となる。

更に、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２が、図５に示すように、離散周波数スペクトルの周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形ＳＷを、３種の線分のうち任意の線分を組み合わせて折れ線状のスペクトル波形ＳＷ´へと近似するものである。それら３種の線分は、周波数高域側へ向かってレベルが上昇する正勾配線分Ｐと、周波数高域側へ向かってレベルが下降する負勾配線分Ｍと、正勾配線分Ｐ及び負勾配線分Ｍの何れにも該当しない平坦線分Ｆとである。これにより、スペクトル波形ＳＷをそのまま取り扱う場合と比較して、後段で処理するデータ量を圧縮することができるため、後段処理のプログラム実装を容易にすることができる。

また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２が、折れ線状に近似したスペクトル波形ＳＷ´の各線分について、線分１次属性群及び線分２次属性群を算出するものである。線分１次属性群には、少なくとも、各線分の周波数低域側の端点である始点の周波数及びレベルと、各線分の周波数高域側の端点である終点の周波数及びレベルとが含まれている。また、線分２次属性群には、少なくとも、各線分の始点と終点とのレベル差と、各線分の始点と終点との周波数の差である帯域幅とが含まれている。これにより、各線分の特徴を、より処理し易いデータ群として表現することができる。

更に、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２が、折れ線状に近似されたスペクトル波形ＳＷ´から、図６に示すようなピーク形状ＰＳを抽出するものである。このピーク形状ＰＳとは、図６（ａ）のように、周波数高域側へ向かって正勾配線分Ｐから負勾配線分Ｍへと変化する部分、及び／又は、図６（ｂ）のように、周波数高域側へ向かって正勾配線分Ｐから微小帯域幅の平坦線分Ｆを経て負勾配線分Ｍへと変化する部分である。ここでの微小帯域幅の平坦線分Ｆとは、帯域幅が比較的小さい平坦線分Ｆであり、微小帯域幅の平坦線分Ｆであるか否かは、その前後の正勾配線分Ｐ及び負勾配線分Ｍの帯域幅の大きさや、実験結果などが考慮されて判断される。このようなピーク形状ＰＳを用いて処理を行うことで、折れ線状に近似されたスペクトル波形ＳＷ´の全体を取り扱う場合と比較して、後段で処理するデータ量を圧縮することができるため、スペクトル特徴抽出部５２や地上子検出部６０などの処理を行うアルゴリズムの簡略化を図ることができ、ＣＰＵ５０の負荷を低減することが可能となる。

また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２が、抽出されたピーク形状ＰＳの各々について、ピーク形状ＰＳを構成する正勾配線分Ｐをピーク正勾配線分Ｐとし、ピーク形状ＰＳを構成する負勾配線分Ｍをピーク負勾配線分Ｍとしたときに、以下のような正規化ピーク１次属性群を算出するものである。すなわち、正規化ピーク１次属性群には、少なくとも、図６に示すように、正規化ピークレベルＮＬ、正規化ピーク帯域幅ＮＢ、及び正規化ピーク周波数ＮＦが含まれており、正規化ピークレベルＮＬとは、ピーク正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値とピーク負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値との合計である。また、正規化ピーク帯域幅ＮＢとは、ピーク正勾配線分Ｐの帯域幅とピーク負勾配線分Ｍの帯域幅との合計であり、ピーク形状ＰＳに微小帯域幅の平坦線分Ｆが含まれている場合はそれも加味して算出する。更に、正規化ピーク周波数ＮＦとは、ピーク正勾配線分Ｐの終点の周波数とピーク負勾配線分Ｍの始点の周波数との平均である。

そして、地上子検出部６０は、上記のような各ピーク形状ＰＳの正規化ピーク１次属性群を利用して、そのピーク形状ＰＳが地上子８０を示すものであるか否か、すなわち、地上子８０と車上子１２とが電磁結合して現れたピーク形状ＰＳであるか否かを判定するものである（図７のＳ４０、Ｓ５０、Ｓ８０参照）。このように、正規化ピーク１次属性群を利用することで、車上子１２と地上子８０との間の距離によって刻々と変化する、共振周波数及び反共振周波数を含む特徴的なピーク形状ＰＳを、ソフトウェアなどで容易に抽出することが可能となる。また、正規化ピーク１次属性群に含まれる属性は何れも単純な指標であるから、地上子８０を示すピーク形状ＰＳを判定するソフトウェア処理はシンプルであり、低速なＣＰＵ５０などで処理することができる。

しかも、正規化ピーク１次属性群の１つである正規化ピークレベルＮＬを、正勾配線分Ｐと負勾配線分Ｍとを統合して算出するため、ＦＦＴなどの単純なスペクトル解析から検出された極大値のみの従来のピークレベルと比較して、大きなＳ／Ｎ比を得ることができる。これにより、耐ノイズ性に優れた信頼性の高い地上子８０の検出方式を実現することができ、また、送信処理部２２で用いる電力増幅部２８の電力を従来方式より小さくすることができるため、装置の小型化や低コスト化に寄与することができる。更に、正規化ピークレベルＮＬは、正勾配線分Ｐのレベル差と負勾配線分Ｍのレベル差とを統合した相対レベルであるため、絶対レベルが相殺されており、絶対レベルの変動の要因である回路ゲイン、車上子結合度などの影響が表出しない（図１２参照）。このため、地上子検出の信頼性をより一層向上させることが可能となる。

また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２が、抽出されたピーク形状ＰＳの各々について、更に正規化ピーク２次属性群を算出するものであり、この正規化ピーク２次属性群には、正規化ピークレベルＮＬと正規化ピーク帯域幅ＮＢとの比である正規化勾配ＮＳ（図９参照）が含まれている。そして、地上子検出部６０は、スペクトル特徴抽出部５２により算出された各ピーク形状ＰＳの正規化勾配ＮＳを利用して、そのピーク形状ＰＳが地上子８０を示すものであるか否かを判定するものである（図７のＳ６０参照）。

すなわち、図９に示すように、正規化ピークレベルＮＬと正規化ピーク帯域幅ＮＢとの比である正規化勾配ＮＳは、正規化ピークレベルＮＬを正規化ピーク帯域幅ＮＢで除して算出すると、地上子結合の方が単一周波数ノイズよりも小さくなる（傾きが緩い）傾向にある。このため、ノイズ周波数と地上子周波数とが同一だとしても、正規化勾配ＮＳを比較したときの上記のような大きさの関係から、単一周波数ノイズを地上子８０であると誤検出することなく、これによって地上子８０を精度よく検出することができる。

更に、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２が、ピーク形状ＰＳの各々について、正規化ピーク２次属性群として更に正規化勾配レベル分配比を算出するものである。この正規化勾配レベル分配比は、図１０（ｂ）及び（ｃ）に示されるような、ピーク正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値ＰＬとピーク負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値ＭＬとの比である。そして、地上子検出部６０は、スペクトル特徴抽出部５２により算出された各ピーク形状ＰＳの正規化勾配レベル分配比を利用して、そのピーク形状ＰＳが地上子８０を示すものであるか否かを判定するものである（図７のＳ７０参照）。

ここで、車上子１２と地上子８０との電磁結合時には、図１０（ａ）に示すように、磁束の影響により、検出するべきメインローブ９０の前後のタイミングで、検出するべきではないサイドローブ９２が発生する。図１０（ｂ）に示すようにメインローブ９０では、反共振周波数が共振周波数よりも小さくなるピーク形状ＰＳが発生するのに対し、図１０（ｃ）に示すようにサイドローブ９２では、反共振周波数が共振周波数よりも大きくなるピーク形状ＰＳが発生する。すなわち、メインローブ９０のピーク形状ＰＳでは、反共振周波数から共振周波数までの正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値ＰＬの方が、負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値ＭＬよりも大きくなる。これに対し、サイドローブ９２のピーク形状ＰＳでは、正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値ＰＬよりも、共振周波数から反共振周波数までの負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値ＭＬの方が大きくなる。このため、正規化勾配レベル分配比を利用して、ピーク正勾配線分Ｐのレベル差の絶対値ＰＬとピーク負勾配線分Ｍのレベル差の絶対値ＭＬとの大小を比較することで、不要なサイドローブ９２の検出を安定的に抑制することが可能となる。

また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２により折れ線状に近似されたスペクトル波形ＳＷ´から同時に抽出されたピーク形状ＰＳの数に応じて、地上子検出部６０が地上子８０の有無を判定するものである（図８のＳ２００参照）。ここで、車両機器や軌道回路機器からのノイズは一般的に電源系から生じるパルスノイズが多く、短時間ではあるが広帯域な成分が生じるため、このような場合に図１１に示すようにピーク形状ＰＳが同時に複数抽出される。従って、ピーク形状ＰＳの数を地上子８０の検出に利用することで、ノイズをより効率よく排除することができるため、ＣＰＵ５０の処理負荷を軽減しつつ、地上子８０の検出精度を高めることが可能となる。

更に、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、スペクトル特徴抽出部５２により折れ線状に近似されたスペクトル波形ＳＷ´から同時に抽出されたピーク形状ＰＳの数と、そのように同時に抽出されたピーク形状ＰＳの中から地上子８０の候補としてカウントされたピーク形状ＰＳの数とに応じて、地上子検出部６０が機器異常及び環境異常を推定するものである（図８のＳ２００～Ｓ２５０参照）。地上子８０の候補としてカウントされるピーク形状ＰＳは、正規化ピーク１次属性群及び正規化ピーク２次属性群を利用して判定される（図７のＳ３０～Ｓ１１０参照）。すなわち、スペクトル波形ＳＷ´から複数のピーク形状ＰＳが同時に抽出された場合は、上述したようにノイズの影響である可能性が高いため、これを利用してノイズなどの環境異常を推定することができる。また、地上子８０の候補としてカウントされたピーク形状ＰＳが複数ある場合は、地上子検出装置１０の機器異常である可能性が高いため、これを利用して故障などの機器異常を推定することができる。これにより、地上子８０の高精度な検出と共に、機器監視やノイズ監視を実現することが可能となる。

しかも、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０は、従来の変周式のＡＴＳなどと異なり、図２に示された周波数弁別部４０以降の処理を、汎用的なデジタル回路及びソフトウェアによるデジタル信号処理をベースとして実現することができる。また、スペクトル特徴抽出部５２で算出する各種の属性は、スペクトル分析で実施する一般的な指標を含むものであるため、スペクトル分析や様々な判定に使用することができ、そのためにスペクトル特徴抽出部５２で実行する正規化ピーク処理は汎用性の高い技術である。更に、正規化ピーク処理によって情報量が圧縮されるため、正規化ピークのみを記録することとすれば、スペクトルでの記録よりもデータ量を低減することができ、ログ記録装置などを低コスト化することが可能となる。
なお、本発明の実施の形態に係る地上子検出方法は、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０により実行されることで、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置１０と同様の作用効果を奏することができる。

１０：地上子検出装置、１２：車上子、１４：１次コイル、１６：２次コイル、２２：送信処理部、４０：周波数弁別部、５２：スペクトル特徴抽出部、６０：地上子検出部、８０：地上子、８４：線路、８６：鉄道車両、ｆ１～ｆ８：複数の所定周波数、Δｆ：周波数間隔、ＳＷ（ＳＷ１、ＳＷ２）：スペクトル波形、ＳＷ´：折れ線状に近似されたスペクトル波形、ＰＳ：ピーク形状、Ｐ：正勾配線分、Ｍ：負勾配線分、Ｆ：平坦線分、ＮＬ：正規化ピークレベル、ＮＢ：正規化ピーク帯域幅、ＮＦ：正規化ピーク周波数、ＮＳ：正規化勾配、ＰＬ：正勾配線分のレベル差の絶対値、ＭＬ：負勾配線分のレベル差の絶対値

Claims (14)

1. 線路に沿って設置された、複数の所定周波数のうちの何れかの周波数を共振周波数として有する地上子を、走行中の鉄道車両から検出する地上子検出装置であって、
   互いに疎結合する１次コイル及び２次コイルを有し、前記地上子に近接したときに前記地上子と電磁結合する車上子と、
   前記複数の所定周波数を全て包含する複数の周波数を、前記複数の所定周波数の周波数間隔よりも小さい周波数間隔で含む離散周波数スペクトルの送信波を、前記１次コイルへ注入する送信処理部と、
   前記２次コイルが受信する受信波から前記離散周波数スペクトルを抽出する周波数弁別部と、
   該周波数弁別部により抽出された前記離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形から、所定形状を抽出するスペクトル特徴抽出部と、
   前記所定形状の有無に応じて前記地上子を検出する地上子検出部と、を含むことを特徴とする地上子検出装置。
2. 前記送信処理部は、前記送信波を一定の電圧で前記１次コイルへ注入し、
   前記周波数弁別部は、抽出した前記離散周波数スペクトルを、各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換することを特徴とする請求項１記載の地上子検出装置。
3. 前記離散周波数スペクトルは、前記車上子と前記地上子との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数を包含する帯域幅を有することを特徴とする請求項１記載の地上子検出装置。
4. 前記スペクトル特徴抽出部は、前記所定形状として、前記反共振周波数から周波数高域側へ向かって、前記車上子と前記地上子との電磁結合時の共振周波数までレベルが上昇した後、周波数高域側へ向かってレベルが下降する形状を抽出することを特徴とする請求項３記載の地上子検出装置。
5. 前記スペクトル特徴抽出部は、前記スペクトル波形を、周波数高域側へ向かってレベルが上昇する正勾配線分と、周波数高域側へ向かってレベルが下降する負勾配線分と、前記正勾配線分及び前記負勾配線分の何れにも該当しない平坦線分との３種の線分のうち、任意の線分を組み合わせて折れ線状に近似することを特徴とする請求項１記載の地上子検出装置。
6. 前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形の各線分について、少なくとも、周波数低域側の端点である始点の周波数及びレベルと、周波数高域側の端点である終点の周波数及びレベルとを、線分１次属性群として算出することを特徴とする請求項５記載の地上子検出装置。
7. 前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形の各線分について、少なくとも、前記始点と前記終点とのレベル差と、前記始点と前記終点との周波数の差である帯域幅とを、線分２次属性群として算出することを特徴とする請求項６記載の地上子検出装置。
8. 前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から、周波数高域側へ向かって前記正勾配線分から前記負勾配線分へと変化する、及び／又は、周波数高域側へ向かって前記正勾配線分から微小帯域幅の前記平坦線分を経て前記負勾配線分へと変化する、ピーク形状を抽出することを特徴とする請求項７記載の地上子検出装置。
9. 前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状を構成する前記正勾配線分をピーク正勾配線分とし、前記ピーク形状を構成する前記負勾配線分をピーク負勾配線分としたときに、前記ピーク形状の各々について、少なくとも、前記ピーク正勾配線分の前記レベル差の絶対値と前記ピーク負勾配線分の前記レベル差の絶対値との合計である正規化ピークレベルと、前記ピーク正勾配線分の前記帯域幅と前記ピーク負勾配線分の前記帯域幅との合計である正規化ピーク帯域幅と、前記ピーク正勾配線分の前記終点の周波数と前記ピーク負勾配線分の前記始点の周波数との平均である正規化ピーク周波数とを、正規化ピーク１次属性群として算出し、
   前記地上子検出部は、前記正規化ピーク１次属性群を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定することを特徴とする請求項８記載の地上子検出装置。
10. 前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状の各々について、前記正規化ピークレベルと前記正規化ピーク帯域幅との比である正規化勾配を、正規化ピーク２次属性群として算出し、
    前記地上子検出部は、前記正規化勾配を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定することを特徴とする請求項９記載の地上子検出装置。
11. 前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状の各々について、前記ピーク正勾配線分の前記レベル差の絶対値と前記ピーク負勾配線分の前記レベル差の絶対値との比である正規化勾配レベル分配比を、更に前記正規化ピーク２次属性群として算出し、
    前記地上子検出部は、前記正規化勾配レベル分配比を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定することを特徴とする請求項１０記載の地上子検出装置。
12. 前記地上子検出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から同時に抽出された前記ピーク形状の数に応じて、前記地上子の有無を判定することを特徴とする請求項８記載の地上子検出装置。
13. 前記地上子検出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から同時に抽出された前記ピーク形状の数と、前記同時に抽出された前記ピーク形状の中から、前記正規化ピーク１次属性群及び前記正規化ピーク２次属性群を利用して判定される、前記地上子の候補としてカウントされた前記ピーク形状の数とに応じて、当該地上子検出装置の機器異常の発生及び環境異常の発生を推定することを特徴とする請求項１１記載の地上子検出装置。
14. 線路に沿って設置された、複数の所定周波数のうちの何れかの周波数を共振周波数として有する地上子を、走行中の鉄道車両から検出する地上子検出方法であって、
    互いに疎結合する１次コイル及び２次コイルを有し、前記地上子に近接したときに前記地上子と電磁結合する車上子を、前記鉄道車両へ設置し、
    前記複数の所定周波数を全て包含する複数の周波数を、前記複数の所定周波数の周波数間隔よりも小さい周波数間隔で含む離散周波数スペクトルの送信波を、前記１次コイルへ注入し、
    前記２次コイルが受信する受信波から前記離散周波数スペクトルを抽出し、
    抽出した前記離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形から、所定形状を抽出し、
    前記所定形状の有無に応じて前記地上子を検出することを特徴とする地上子検出方法。