JP2003202368A - センサ配置決定方法及びその装置並びに受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 偽像を最小限に押えることができ、これによ
って到来方位を正確に推定できるセンサ配置決定方法及
びその装置並びに受信装置を提供する。 【解決手段】 複数の入射信号が同時に入射される第１
〜第４アンテナ１１〜１４と、各アンテナ１１〜１４に
おける複数の入射信号の位相応答を行列で表したステア
リングベクトルを生成するベクトル生成部２７と、ベク
トル生成部２７で生成されたステアリングベクトルに基
づいてステアリングベクトルの自己相関量と相互相関量
とからなる自己内相関量を算出する相関量算出部２８
と、相関量算出部２８で算出された相互相関量が所定値
以下になるように第１〜第４アンテナ１１〜１４の配置
を決定するアンテナ配置決定部２９とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のセンサの各
々に入射される複数の入射信号の到来方位を推定する際
に発生する偽像を最小限に押えるように複数のセンサの
配置を決定するセンサ配置決定方法及びその装置並びに
受信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、スーパーレゾリューション（超分
解能）による入射信号の入射方位の測定や、干渉波抑圧
により複数の入射信号から１つの入射信号を分離するヌ
ルステアリングという技術が知られている。特開２００
０−２１６６２０号公報は、このような技術を採用した
「受信装置」を開示している。

【０００３】この従来の受信装置は、スーパーレゾリュ
ーションの１つであるＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Cl
assification）法と、ヌルステアリングの１つであるア
ダプティブアレイ技術といった各々独立した技術を組合
せることにより、複数のアンテナで受信された信号を用
いて、同一周波数の複数の到来波の方位を測定し、且つ
複数の到来波の中から不要波を抑圧して希望波のみを分
離するといった２つの機能を同時に実現している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】また、複数のセンサを
所定間隔で配置したセンサアレイシステムにより、広帯
域の周波数範囲の入射信号を受信しようとした場合に
は、センサ間隔を受信信号の半波長間隔以内に配置する
ことが不可能となる。この場合、入射信号の到来方位を
求めるアルゴリズムを用いたＭＵＳＩＣ法により、到来
角に対するスペクトラムを求め、該スペクトラムに基づ
いて複数の入射信号の到来方位を推定すると、スペクト
ラム上には本来の到来方位に相当する部分にピークを持
つ真像が発生するとともに、本来の到来方位とは異なる
方位に相当する部分にピークを持つ偽像が発生する。こ
のため、この偽像を真像と誤って認識してしまい、信号
の到来していない方位を推定する場合がある。

【０００５】本発明は、入射信号の到来方位を推定する
際に発生する偽像を最小限に押えることができ、これに
よって到来方位を正確に推定できるセンサ配置決定方法
及びその装置並びに受信装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様に係
るセンサ配置決定方法は、上記課題を達成するために、
複数の入射信号が同時に入射される複数のセンサを配置
し、前記各センサにおける前記複数の入射信号の位相応
答を行列で表したステアリングベクトルを生成し、生成
されたステアリングベクトルに基づいて前記ステアリン
グベクトルの自己相関量と相互相関量とからなる自己内
相関量を算出し、算出された前記相互相関量が所定値以
下になるように前記複数のセンサの配置を決定すること
を特徴とする。

【０００７】この本発明の第１の態様に係るセンサ配置
決定方法によれば、ステアリングベクトルに基づいて算
出された自己内相関量の内の相互相関量が所定値以下に
なるように複数のセンサの配置を決定するので、入射信
号の到来方位を推定する際に発生する偽像を最小限に押
えることができ、これによって到来方位を正確に推定で
きる。

【０００８】また、第１の態様に係るセンサ配置決定方
法においては、前記ステアリングベクトルは、仰角を固
定し且つ試験電波を各到来方向から前記各センサに入射
したときに前記各センサにおいて所定の角度毎に測定し
たデータから構成できる。また、生成されたステアリン
グベクトルに基づいて前記ステアリングベクトルの複素
共役転置行列を求め、前記複素共役転置行列と前記ステ
アリングベクトルとを演算することにより前記ステアリ
ングベクトルの前記自己内相関量を求めるように構成で
きる。

【０００９】本発明の第２の態様に係るセンサ配置決定
装置は、上記課題を達成するために、複数の入射信号が
同時に入射される複数のセンサと、前記各センサにおけ
る前記複数の入射信号の位相応答を行列で表したステア
リングベクトルを生成するベクトル生成部と、前記ベク
トル生成部で生成されたステアリングベクトルに基づい
て前記ステアリングベクトルの自己相関量と相互相関量
とからなる自己内相関量を算出する相関量算出部と、前
記相関量算出部で算出された前記相互相関量が所定値以
下になるように前記複数のセンサの配置を決定するセン
サ配置決定部とを備えたことを特徴とする。

【００１０】また、第２の態様に係るセンサ配置決定装
置においては、前記ベクトル生成部は、仰角を固定し且
つ試験電波を各到来方向から前記各センサに入射したと
きに前記各センサにおいて所定の角度毎に測定したデー
タを前記ステアリングベクトルとするように構成でき
る。また、前記相関量算出部は、前記ベクトル生成部で
生成されたステアリングベクトルに基づいて前記ステア
リングベクトルの複素共役転置行列を求め、前記複素共
役転置行列と前記ステアリングベクトルとを演算するこ
とにより前記ステアリングベクトルの前記自己内相関量
を求めるように構成できる。

【００１１】本発明の第３の態様に係る受信装置は、複
数の入射信号が同時に入射される複数のセンサと、前記
各センサにおける前記複数の入射信号の位相応答を行列
で表したステアリングベクトルを生成するベクトル生成
部と、前記ベクトル生成部で生成されたステアリングベ
クトルに基づいて前記ステアリングベクトルの自己相関
量と相互相関量とからなる自己内相関量を算出する相関
量算出部と、前記相関量算出部で算出された前記相互相
関量が所定値以下になるように前記複数のセンサの配置
を決定するセンサ配置決定部と、前記センサ配置決定部
で前記複数のセンサの配置が決定されたときにおける、
前記相関量算出部で算出された前記自己内相関量に基づ
いて到来角に対するスペクトラムを求め、該スペクトラ
ムに基づいて前記複数の入射信号の到来方位を求める到
来方位演算部とを備えたことを特徴とする。

【００１２】この構成によれば、到来方位演算部は、セ
ンサ配置決定部で複数のセンサの配置が決定されたとき
における、相関量算出部で算出された自己内相関量に基
づいて到来角に対するスペクトラムを求め、スペクトラ
ムに基づいて複数の入射信号の到来方位を求めるので、
スペクトラム上における偽像は最小限に押えられるか
ら、複数の入射信号の到来方位を正確に推定できる。

【００１３】また、本発明の第３の態様に係る受信装置
は、複数の入射信号が同時に入射される複数のセンサ
と、前記各センサにおける前記複数の入射信号の位相応
答を行列で表したステアリングベクトルを生成するベク
トル生成部と、前記ベクトル生成部で生成されたステア
リングベクトルに基づいて前記ステアリングベクトルの
自己相関量と相互相関量とからなる自己内相関量を算出
する相関量算出部と、前記相関量算出部で算出された前
記相互相関量が所定値以下になるように前記複数のセン
サの配置を決定するセンサ配置決定部と、前記複数のセ
ンサからの前記複数の入射信号が混合された複数の混合
信号を所定の狭帯域にそれぞれ制限して出力する複数の
帯域制限ろ波器と、前記複数の帯域制限ろ波器からの狭
帯域に制限された複数の信号に基づいて、独立成分分析
の手法により前記複数の入射信号を分離・抽出する独立
成分分析部とを備えたことを特徴とする。

【００１４】この構成によれば、第１の態様に係るセン
サ配置決定方法の作用及び効果と同様な作用及び効果が
得られるとともに、受信した各センサからの混合信号を
狭帯域に帯域制限し、その狭帯域に帯域制限された各ア
ンテナの信号を用いて独立成分分析を行うので、センサ
毎の入射信号の変調成分で見たときに、事実上時間差が
無視できるようになり、センサ毎の信号到達時間の差が
生じる条件下でも一般的なブラインド信号分離の手法に
よりアンテナからの観測信号である混合信号中に含まれ
る原信号を分離・抽出できる。

【００１５】また、本発明の第３の態様に係る受信装置
においては、前記ベクトル生成部は、仰角を固定し且つ
試験電波を各到来方向から前記各センサに入射したとき
に前記各センサにおいて所定の角度毎に測定したデータ
を前記ステアリングベクトルとするように構成できる。
また、前記相関量算出部は、前記ベクトル生成部で生成
されたステアリングベクトルに基づいて前記ステアリン
グベクトルの複素共役転置行列を求め、前記複素共役転
置行列と前記ステアリングベクトルとを演算することに
より前記ステアリングベクトルの前記自己内相関量を求
めるように構成できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。

【００１７】（第１の実施の形態）本発明の第１の実施
の形態に係るセンサ配置決定装置は、センサとしてアン
テナを使用し、複数のアンテナの各々に複数の入射信号
を入射し、広帯域の周波数範囲の信号を受信する上で、
複数のアンテナの配置と入射信号の条件から求められる
ステアリングベクトルの自己内相関量の内の相互相関量
に基づいて、偽像を最小とするように複数のアンテナの
配置を決定する。

【００１８】なお、以下では、説明を簡単にするため
に、アンテナの数を「４」とし、入射信号の数を「ｎ＝
４」として説明するが、アンテナの数及び入射信号の数
はこれらに限定されず任意である。

【００１９】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る
センサ配置決定装置の構成を示すブロック図である。こ
のセンサ配置決定装置は、第１〜第４アンテナ１１〜１
４、第１〜第４帯域制限ろ波器２１〜２４、ベクトル生
成部２７、相関量算出部２８、センサ配置決定部２９か
ら構成されている。

【００２０】第１〜第４アンテナ１１〜１４としては、
バーチカルアンテナ、ダイポールアンテナといった無指
向性のアンテナ、及び任意の指向性を持ったアンテナ等
が用いられ、種々の方位からの電波を受信する。これら
第１〜第４アンテナ１１〜１４を設置する間隔や高さは
任意である。第１〜第４アンテナ１１〜１４は、空中か
らの複数の入射信号（電波）Ｓ_１〜Ｓ_４を受信し、これ
らが混合された混合信号を第１〜第４帯域制限ろ波器２
１〜２４に送る。

【００２１】第１〜第４帯域制限ろ波器２１〜２４は、
第１〜第４アンテナ１１〜１４からの混合信号に含まれ
る所定帯域の周波数成分のみを通過させてベクトル生成
部２７に送る。なお、各第１〜第４帯域制限ろ波器２１
〜２４が通過させる周波数帯域は同じである。

【００２２】帯域制限制御器２５は、通過させる周波数
帯域、つまり通過させる周波数成分の範囲を指定するた
めの制御信号を生成する。この帯域制限制御器２５で生
成された制御信号は、第１〜第４帯域制限ろ波器２１〜
２４に送られる。第１〜第４帯域制限ろ波器２１〜２４
は、帯域制限制御器２５からの制御信号に従って、入力
された混合信号に含まれる所定帯域の周波数成分のみを
通過させる。

【００２３】この帯域制限制御器２５は、任意の帯域の
周波数成分を通過させるような制御信号を生成できるよ
うに構成されている。したがって、帯域制限制御器２５
からの制御信号を適宜変更することにより、第１〜第４
帯域制限ろ波器２１〜２４を通過する周波数帯域を任意
に変化させることができる。

【００２４】ベクトル生成部２７は、第１〜第４帯域制
限ろ波器２１〜２４からの信号に基づいて、各アンテナ
１１〜１４における複数の入射信号の位相応答を行列で
表したステアリングベクトルを生成する。相関量算出部
２８は、ベクトル生成部２７で生成されたステアリング
ベクトルに基づいてステアリングベクトルの複素共役転
置行列を求め、複素共役転置行列とステアリングベクト
ルとを演算することによりステアリングベクトルの自己
内相関量を求める。アンテナ配置決定部２９は、相関量
算出部２８で算出された相互相関量が所定値以下になる
ように第１〜第４アンテナ１１〜１４の配置を決定す
る。

【００２５】次に、図３のフローチャートを参照しなが
らセンサ配置決定装置により実現されるセンサ配置決定
方法を説明する。

【００２６】今、ｎ個（ｎは２以上の整数）のアンテナ
のアレイに同時にｍ個（ｍは２以上の整数）の信号が入
射する場合を仮定する。この状態は、下記式（１）で表
すことができる。

【００２７】

【数１】 ここで、Ｘ_１〜ｎは各アンテナで観測される時系列デー
タ、Ａ＝[ａ（θ_１），…ａ（θ_ｍ）]はアンテナの配置
と特性とで決まるｎ行×ｍ列の信号混合の行列、Ｓ
_１〜ｍ（ｔ）はｍ個の入射信号、Ｎ_１〜ｎ（ｔ）は各ア
ンテナにおける雑音である。

【００２８】一般に、スーパーレゾリューションによる
方位測定やヌルステアリングにおいては、上記式（１）
における「Ａ」に相当する情報が直接的又は間接的に推
定される。

【００２９】ここで、[Ａ]をステアリングベクトルａと
する。このステアリングベクトルａは、ステアリングベ
クトル生成部２７で生成される。図２に示すように、仰
角を固定し、試験アンテナ１０を回転させながら試験ア
ンテナ１０から試験電波を第１〜第４アンテナ１１〜１
４に向けて放射し、第１〜第４アンテナ１１〜１４が試
験アンテナ１０から試験電波を各到来方向から入射した
ときに所定の角度毎（例えば１degステップ）にデータ
を測定し、測定されたたデータをステアリングベクトル
ａとする（ステップＳ１１）。このステアリングベクト
ルａは、各アンテナ１１〜１４における複数の入射信号
の位相応答を行列で表したものであり、[４×３６０]の
行列、即ち、式（２）で表される。

【００３０】

【数２】 なお、このステアリングベクトルａは、例えばシュミレ
ーションにより測定しても良い。このステアリングベク
トルａは、アンテナのメインローブの方向を決めるもの
である。

【００３１】次に、相関量算出部２８は、ベクトル生成
部２７で生成されたステアリングベクトルに基づいてス
テアリングベクトルの複素共役転置行列を求め、複素共
役転置行列とステアリングベクトルとを演算することに
よりステアリングベクトルの自己内相関量Ｐを求める
（ステップＳ１３）。

【００３２】この自己内相関量Ｐは、式（３）で表され
る。

【００３３】

【数３】 ここで、上添字Ｈは複素共役転置を表す。そして、自己
内相関量Ｐは、式（４）で示すように[３６０×３６０]
の行列となる。

【００３４】

【数４】 この行列の対角成分が自己相関部分（本発明の自己相関
量に対応）であり、その他の成分が相互相関部分（本発
明の相互相関量に対応）となる。そして、自己内相関量
から相互相関量が抽出される（ステップＳ１５）。この
相互相関量からステアリングベクトルａの相関関係が求
まる。例えば、相互相関量ｐ_４０・２は、ステアリング
ベクトルａの４０degと２degとの成分の相関値を表す。
相関関係が強い場合には、相互相関量ｐ_４０・２の値は
大きくなり、相関関係が弱い場合には、相互相関量ｐ
_４０・２の値は小さくなる。

【００３５】相互相関量ｐ_４０・２が大きい値を示した
場合には、到来波が４０degから到来した場合、４０deg
以外の２degからも到来したという、本来の到来方位以
外にも偽像として方位を示すアンビギュティ（曖昧性）
が発生する。また、相互相関量が大きい場合には、第２
の実施の形態において後述するように、ＭＵＳＩＣスペ
クトラム上の偽像の値も大きくなる。逆に、相互相関量
が小さいほど、ＭＵＳＩＣスペクトラム上の偽像が小さ
い。

【００３６】このため、アンテナ配置決定部２９は、相
関量算出部２８で算出された相互相関量が所定値以下か
否かを判定し（ステップＳ１７）、相互相関量が所定値
以下になっていない場合には、第１〜第４アンテナ１１
〜１４の配置を変更し（ステップＳ１９）、ステップＳ
１１に戻って、再度、ステップＳ１１〜ステップＳ１７
までの処理を繰り返し行う。そして、相互相関量が所定
値以下になった場合には、そのときの第１〜第４アンテ
ナ１１〜１４の配置を最適な配置として決定する（ステ
ップＳ２１）。

【００３７】このように第１の実施の形態に係るセンサ
配置決定方法及びその装置によれば、生成されたステア
リングベクトルに基づいてステアリングベクトルの自己
相関量と相互相関量とからなる自己内相関量を算出し、
算出された相互相関量が所定値以下になるように複数の
アンテナの配置を決定するので、所望の周波数範囲にお
いて、入射信号の到来方位を推定する際に発生する偽像
を最小限に押えることができる。また、複数のアンテナ
の最適な配置としては、一直線上に所定間隔で配置され
る場合、円周上に所定間隔で配置される場合、あるい
は、円弧上に所定間隔で配置される場合等が挙げられ
る。

【００３８】なお、一例として、ＭＵＳＩＣ法の場合を
説明したが、ＭＵＳＩＣ法以外の他のアルゴリズムでも
同様な関係を求めることができる。また、アンテナ配置
決定部２９は、例えば、相互相関量が自己相関量の１／
ｎ（ｎ＞１で例えばｎ＝７）以下になるように第１〜第
４アンテナ１１〜１４の配置を決定しても良く、同様な
効果が得られる。

【００３９】（第２の実施の形態）図４に示す第２の実
施の形態に係る受信装置は、図１に示す第１の実施の形
態に係るセンサ配置決定装置を備えた受信装置であり、
第１の実施の形態のセンサ配置決定装置に対して、さら
にサンプリング部３０及び到来方位演算部４７を追加し
た点が異なる。なお、図４に示す部分において、図１に
示す部分と同一部分には同一符号を付し、その説明は省
略する。ここでは、異なる部分についてのみ説明する。

【００４０】サンプリング部３０は、第１〜第４中間周
波数変換器３１〜３４、局部発振器３５、第１〜第４Ａ
／Ｄ変換器４１〜４４及び発振器４５から構成されてい
る。

【００４１】局部発振器３５は、受信電波を中間周波数
に変換するために必要とする発信周波数を有する信号を
生成する。この局部発振器３５で生成された信号は、第
１〜第４中間周波数変換器３１〜３４に送られる。

【００４２】第１〜第４中間周波数変換器３１〜３４の
各々は、何れも図示を省略するが、高周波増幅器、周波
数混合器及び中間周波数増幅器から構成されている。

【００４３】高周波増幅器は、受信周波数帯の高周波
を、次段の周波数混合器の入力電圧として適当な大きさ
になるように増幅する。周波数混合器は、高周波増幅器
で増幅された信号と局部発振器３５の出力信号とを混合
し、それらの和又は差の周波数を作ることにより中間周
波数の信号に変換する。中間周波数増幅器は、受信電波
の周波数を、より低い中間周波数に変換して増幅する。
これにより、安定で高利得の増幅を行うことができ、感
度を向上させることができる。

【００４４】上記のように構成される第１〜第４中間周
波数変換器３１〜３４から出力される信号は、第１〜第
４Ａ／Ｄ変換器４１〜４４にそれぞれ送られる。

【００４５】発振器４５は、第１〜第４中間周波数変換
器３１〜３４からの信号をサンプリングするためのサン
プリングクロックを生成する。この発振器４５で生成さ
れたサンプリングクロックは第１〜第４Ａ／Ｄ変換器４
１〜４４に送られる。

【００４６】第１〜第４Ａ／Ｄ変換器４１〜４４は、発
振器４５からの信号をサンプリングクロックとして、第
１〜第４中間周波数変換器３１〜３４からのアナログ信
号をサンプリングすることにより、デジタル信号にそれ
ぞれ変換する。第１〜第４Ａ／Ｄ変換器４１〜４４の各
々から出力されるデジタル信号は、到来方位演算部４７
及びベクトル生成部２７に供給される。

【００４７】ベクトル生成部２７は、第１〜第４Ａ／Ｄ
変換器４１〜４４からの信号に基づいて、各アンテナ１
１〜１４における複数の入射信号の位相応答を行列で表
らしたステアリングベクトルを生成する。

【００４８】このような構成の受信装置によれば、ベク
トル生成部２７、相関量算出部２８及びアンテナ配置決
定部２９を設けたので、第１の実施の形態に係るセンサ
配置決定装置の効果と同様な効果が得られる。即ち、入
射信号の到来方位を推定する際に発生する偽像を最小限
に押えることができる。

【００４９】また、到来方位演算部４７は、第１〜第４
Ａ／Ｄ変換器４１〜４４からの信号と相関量算出部２８
で算出された自己内相関量とに基づいて、ＭＵＳＩＣ等
のアルゴリズムを用いて入射信号の到来方位を測定す
る。この到来方位演算部４７の処理を図５を参照して詳
細に説明する。

【００５０】ＭＵＳＩＣ法は相関行列の固有値と固有ベ
クトルとを用いた推定法である。図５のようにアンテナ
間隔ｄのＭ素子等間隔リニアアレーに平面波がＫ波到来
していて、各到来波の信号波形と到来角がＦｋ（ｔ），
θ_ｋ（ｋ＝１，２…Ｋ）と表されるとき、各アンテナに
おける各到来波の位相応答を表す方向ベクトルａ
（θ _ｋ）は、式（５）で与えられる。

【００５１】

【数５】 ここで、上添字Ｔは転置を表す。よって、入力ベクトル
は式（６）〜式（１０）で表される。

【００５２】

【数６】 上式においてＮ（ｔ）は熱雑音ベクトルであり、その成
分は平均が０で分散（電力）がσ^２の独立な複素ガウス
過程である。このとき、アンテナ間の相関特性を表す相
関行列は式（１１）〜式（１２）で与えられる。

【００５３】

【数７】 ここで、上添字Ｈは複素共役転置を表す。到来波が互い
に無関係であれば信号相関行列ＳのランクはＫとなる。
また、方向行列ＡもランクはＫである。従って、この場
合の相関行列Ｒ_ｘｘはランクＫの非負定値エルミート行
列となる。この行列の固有値λ_ｉ（ｉ＝１，２…，Ｍ）
は実数となり、下記の式（１３）の関係を有する。

【００５４】

【数８】 従って、相関行列の固有値を求め、熱雑音電力σ^２より
大きい固有値の数から到来波数Ｋを推定することができ
る。また、固有値λ_ｉ（ｉ＝１，２…，Ｍ）に対応する
固有ベクトルをｅ_ｉ（ｉ＝１，２…，Ｍ）とすると、Ｍ
次元のエルミート空間の正規直交基底ベクトルとして扱
われる。この空間は信号空間span{e₁,…e_K}と雑音空間s
pan{e_Ｋ＋1,…e_Ｍ}との二つの部分空間にわけることが
でき、信号空間と雑音空間とは互いに直交補空間の関係
にある。

【００５５】span{e₁,…e_K}はベクトルｅ_ｉ（ｉ＝１，
２…，Ｍ）で張られる空間とする。また、信号空間は方
向ベクトルを用いて、span{ａ（θ_１），…，ａ
（θ_ｋ）｝と表すことができる。従って、熱雑音電力に
等しい固有値に対応する固有ベクトルは全て到来波の方
向ベクトルと直交することになる。そこで、式（１４）
のような評価関数を定義する。

【００５６】

【数９】 これはＭＵＳＩＣスペクトラムと呼ばれ、到来角θに対
するスペクトラムのＫ個のピークが到来方位θ_ｋ（ｋ＝
１，２…Ｋ）となる。なお、式（１３）からもわかるよ
うに、熱雑音電力に等しい最小固有値が少なくとも一つ
必要なので、アレーのセンサ数はＭ≧Ｋ＋１が必要条件
となる。

【００５７】ここで、式（１４）の分子の部分が、式
（３）の自己内相関量Ｐとなる。このため、到来方位演
算部４７は、アンテナ配置決定部２７で第１〜第４アン
テナ１１〜１４の配置が決定されたときにおける、相関
量算出部２８で算出された自己内相関量Ｐを用いて式
（１４）に示すＭＵＳＩＣスペクトラムを求め、該ＭＵ
ＳＩＣスペクトラムに基づいて複数の入射信号の到来方
位を求める。

【００５８】即ち、第１〜第４アンテナ１１〜１４の配
置が決定されたときにおける自己内相関量Ｐの内の相互
相関量は、所定値以下に設定されているので、図６に示
すように、ＭＵＳＩＣスペクトラム上における偽像は最
小限に押えらて、該スペクトラム上には所望信号（複数
の入射信号）のみのピークＰ_１のみが現れる。このた
め、ピークＰ_１における方位が複数の入射信号の到来方
位となり、複数の入射信号の到来方位を正確に推定でき
る。

【００５９】（第３の実施の形態）本発明の第３の実施
の形態に係る受信装置は、センサとしてアンテナを使用
し、複数のアンテナに入射された複数の入射信号の混合
信号から原信号を分離して出力することを特徴とし、入
射信号Ｓ_{１，・・・，ｎ}をブラインド信号分離の手法に
より求めるものである。ブラインド信号分離とは、セン
サの応答性や信号の性質、入射信号の予備知識なしでセ
ンサ数と同数までの入射信号を分離するアルゴリズムで
ある。このアルゴリズムは、ブラインド信号分離や独立
成分分析（ＩＣＡ：Independent Component Analysis）
と呼ばれ、多くの公知文献が発表されている。

【００６０】図７に示す本発明の第３の実施の形態に係
る受信装置は、図１に示す第１の実施の形態に係るセン
サ配置決定装置を備えた受信装置であり、図４に示す第
２の実施の形態に係る受信装置に対して、到来方位演算
部４７に代えて、独立成分分析部５０及び出力処理部６
０を設けた点が異なる。図７に示す部分において、図４
に示す部分と同一部分には同一符号を付し、その説明は
省略する。ここでは、異なる部分についてのみ説明す
る。

【００６１】独立成分分析部５０は、ブラインド信号分
離の手法により、第１〜第４Ａ／Ｄ変換器４１〜４４か
らの原信号（入射信号Ｓ_１〜Ｓ_４）が混合されてなる観
測信号から原信号を分離・抽出する。この独立成分分析
部５０の詳細は後述する。この独立成分分析部５０で抽
出された信号は出力処理部６０に送られる。

【００６２】出力処理部６０は、第１〜第４Ｄ／Ａ変換
器６１〜６４から構成されている。第１〜第４Ｄ／Ａ変
換器６１〜６４は、独立成分分析部５０からのデジタル
信号をアナログ信号にそれぞれ変換し、分離信号Ｏ_１〜
Ｏ_４としてそれぞれ出力する。

【００６３】次に、このように構成された第３の実施の
形態に係る受信装置の動作を説明する。

【００６４】各アンテナ１１〜１４で観測される入射信
号Ｓ_{１，・・・，ｎ}の混合信号ｘ_{１ ，・・・，ｎ}（ｔ）
は、第１〜第４帯域制限ろ波器２１〜２４にそれぞれ送
られる。第１〜第４帯域制限ろ波器２１〜２４は、混合
信号ｘ_{１，・・・，ｎ}（ｔ）の所定帯域の周波数成分の
みをそれぞれ通過させ、サンプリング部３０に送る。

【００６５】サンプリング部３０の第１中間周波数変換
器３１は、第１帯域制限ろ波器２１からの混合信号ｘ_１
（ｔ）を入力して中間周波数の信号に変換する。詳しく
は、第１中間周波数変換器３１内の高周波増幅器は混合
信号ｘ_１（ｔ）を高周波増幅する。この高周波増幅され
た信号は、局部発振器３５からの信号と混合されてそれ
らの和又は差の周波数が作られることにより中間周波数
の信号に変換される。中間周波数の信号は中間周波数増
幅器により増幅されて第１Ａ／Ｄ変換器４１に送られ
る。

【００６６】第１Ａ／Ｄ変換器４１は、第１中間周波数
変換器３１からのアナログ信号を、発振器４５からのサ
ンプリングクロックを用いてサンプリングすることによ
りデジタル信号に変換し、観測信号Ｘ_１（ｔ）として出
力する。

【００６７】同様に、第２〜第４中間周波数変換器３２
〜３４は、第２〜第４帯域制限ろ波器２２〜２４からの
混合信号ｘ_{２，３，４}（ｔ）をそれぞれ入力して中間周
波数の信号に変換し、第２〜第４Ａ／Ｄ変換器４１にそ
れぞれ送る。

【００６８】第２〜第４Ａ／Ｄ変換器４２〜４４は、第
２〜第４中間周波数変換器３２〜３４からのアナログ信
号を、発振器４５からのサンプリングクロックを用いて
サンプリングすることによりデジタル信号に変換し、観
測信号Ｘ_{２，３，４}（ｔ）として出力する。この際、サ
ンプリング間隔（サンプリングクロックの周波数）は、
各アンテナ１１〜１４に到達する入射信号Ｓ
_{１，・・・，ｎ}の時間差の影響が出ない値に調整され
る。このようにしてサンプリング部３０で生成された観
測信号Ｘ_{１，・・・，ｎ}（ｔ）は、独立成分分析部５０
に送られる。

【００６９】独立成分分析部５０は、観測信号Ｘ
_{１，・・・，ｎ}（ｔ）として送られてくるｎ個のサンプ
リング時系列を用いて、ブラインド信号分離のアルゴリ
ズムにより、選択された帯域内の信号ｙ（ｔ）を分離・
抽出する。以下、分離・抽出の手順を詳細に説明する。

【００７０】この第３の実施の形態におけるブラインド
信号分離は、時間遅れなく混合された信号の分離に対し
て用いられる。先ず、その基本となるブラインド信号分
離の問題についてここで定義する。信号源が下記式（１
５）のベクトルで与えられるとする。

【００７１】

【数１０】 但し、ｓ（ｔ）は、ｎ個の入射信号であり、平均「０」
であって、互いに独立であるとする。また、Ｔは転置を
表す。

【００７２】観測は、各アンテナ１１〜１４で観測され
帯域制限された時系列データを意味しており、

【数１１】 で表すものとする。これは、１，・・・，ｎの各アンテ
ナ１１〜１４で観測された信号であると考えることがで
きる。一般には、アンテナの数と信号源の数とは必ずし
も一致しないが、ここでは一致しているものとする。

【００７３】単純なＩＣＡの問題では、ｓ（ｔ）とｘ
（ｔ）との間に、

【数１２】 なる単純な線形関係を仮定する。Ａは、各アンテナ１１
〜１４の配置と特性で決まる信号混合行列（ｎ行×ｎ
列）の実数行列である。ｓ（ｔ）やＡに関する知識を持
たずｘ（ｔ）を独立な信号成分に分離する。

【００７４】即ち、あるｎ×ｎの実数行列を求めること
により、

【数１３】 で求まる互いに独立なｙ（ｔ）を再構成することがＩＣ
Ａの目的である。Ｂは理想的にはＡ^−１となればよいわ
けだが、そうはならず順番の入れ違い（permutation）
と大きさ（amplitude）の任意性は残ってしまう。

【００７５】この問題の解法の１つとして、確率分布の
独立性に基づく分離法がある。各ｓ _ｉ（ｔ）が（強）定
常でガウシアン（Gaussian）でないという仮定のもと
で、ｙ _ｉ（ｔ）が互いに独立になるようにＢを求める手
法がさまざまに提案されているが、それらの多くは次の
ようにまとめることができる。ｙ（ｔ）を強定常過程と
して、その同時分布の密度関数を、

【数１４】 とすると、独立性の定義はｐ（ｙ_ｉ）をｐ（ｙ）のｙ_ｉ
についての周辺分布として、

【数１５】 とかける。

【００７６】同時分布と周辺分布の積との間Kullback-L
eibler 発散（divergence）は、

【数１６】 となる。但し、Ｈ（Ｙ；Ｂ）は同時分布ｐ（ｙ）のエン
トロピー、Ｈ（Ｙ_ｉ；Ｂ）は周辺分布ｐ（ｙ_ｉ）のエン
トロピーである。

【００７７】これは｛Ｙ_ｉ｝（ｉ＝１，・・・，ｎ）の
相互情報量である。信号源が正規分布でないという仮定
からＫＬ（Ｂ）はｐ（ｙ_ｉ）が互いに独立な場合に限り
「０」となる。これらはｐ（ｘ）とＢによって定まるも
のである。

【００７８】ここで、ｐ（ｙ）ｄｙ＝ｐ（ｘ）ｄｘ、ｐ
（ｙ）＝ｐ（ｘ）／｜Ｂ｜（｜Ｂ｜はＢの行列式）であ
ることに注意すると、

【数１７】 となる。

【００７９】一方、周辺分布のエントロピーは、

【数１８】 である。よって、

【数１９】 となり、

【数２０】 のようにすれば最急降下法として正しいＢを求めること
ができる。上記式（２５）の中で問題となるのは逆行列
（Ｂ^Ｔ）^−１を計算している点である。

【００８０】収束性に関しては、これにいかなる正定値
行列を掛けても構わないことから、Ｂ^ＴＢを掛ければ
（これは正則な行列の多様体上でのリーマン（Rieman）
計量に対応している）、

【数２１】 が新たな学習則となる。定常性の仮定よりｐ（ｓ）、ｐ
（ｘ）とｐ（ｙ）は時間的に独立である。この仮定のも
と、アンサンブル平均を時間平均に置き換えることがで
きる。

【００８１】

【数２２】 したがって、ηを正の定数とし、データが観測される毎
に下記式（２８）に従ってパラメータを更新すればＢ_ｔ
が得られる。

【００８２】

【数２３】 ここで、当然問題になるのは、上記式（２４）のｐ（ｙ
_ｉ）或いはψ（ｙ）をいかに定義するかである。通常、
これはパラメトリックな非線形関数や統計的な展開法が
用いられる。

【００８３】大雑把な考え方を示すと、もしｐ（ｙ_ｉ）
が正規分布ならはψ（ｙ）は線形関数となる。一方、正
規分布より裾が”重い”場合（sub-Gaussian）多項式な
どで近似するのがよく、正規分布より裾が”軽い”場合
（super-Gaussian）シグモイド（Sigmoid）関数などで
近似するのがよいとされている。音声信号などは裾が”
軽い”ので、シグモイド関数などがうまく働く。

【００８４】以上のようにして独立成分分析部５０で分
離・抽出された信号ｙ_{１，・・・， ｎ}（ｔ）は出力処理
部６０に送られる。出力処理部６０では、独立成分分析
部５０からのデジタル信号として送られてくる信号ｙ
_{１，・・・，ｎ}（ｔ）をアナログ信号に変換する。より
詳しくは、出力処理部６０から出力される信号ｙ
_１（ｔ）は、第１Ｄ／Ａ変換器６１でデジタル信号に変
換され、分離信号Ｏ_１として外部に送出される。同様
に、信号ｙ_{２，３，４}（ｔ）は、第２〜第４Ｄ／Ａ変換
器６２〜６４でデジタル信号にそれぞれ変換され、分離
信号Ｏ_２〜Ｏ_４として外部にそれぞれ送出される。

【００８５】このように、第３の実施の形態に係る受信
装置によれば、ベクトル生成部２７、相関量算出部２８
及びアンテナ配置決定部２９を設けたので、第１の実施
の形態に係るセンサ配置決定装置の効果と同様な効果が
得られる。即ち、入射信号の到来方位を推定する際に発
生する偽像を最小限に押えることができる。

【００８６】また、受信した各アンテナの受信信号を各
アンテナの信号の到達時間に差がなくなる狭帯域信号に
まで帯域制限を行い、その狭帯域に帯域制限された各ア
ンテナの信号を用いて独立成分分析を行うようにしたの
で、各アンテナの信号到達時間の差が生じる条件下でも
一般的なブラインド信号分離の手法によりアンテナから
の観測信号である混合信号中に含まれる原信号を分離・
抽出できる。

【００８７】なお、上述した実施の形態では、センサと
して、アンテナを用いた例を説明したが本発明はこれに
限定されるものではない。例えば、センサとして、音声
を検知するマイクロフォン、生体の種々の状態を検知す
るセンサ等を用いることができる。また、本発明は、第
２の実施の形態に係る受信装置と第３の実施の形態に係
る受信装置とを組み合わせた受信装置にも適用可能であ
るのは勿論である。

【００８８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ステアリングベクトルに基づいて算出された自己内相関
量の内の相互相関量が所定値以下になるように複数のセ
ンサの配置を決定するので、入射信号の到来方位を推定
する際に発生する偽像を最小限に押えることができ、こ
れによって到来方位を正確に推定できるセンサ配置決定
方法及びその装置並びに受信装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るセンサ配置決
定装置の構成を示すブロック図である。

【図２】試験電波を用いてステアリングベクトルを測定
する例を示す図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係るセンサ配置決
定方法を説明するフローチャートである。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る受信装置の構
成を示すブロック図である。

【図５】ＭＵＳＩＣによる到来方位推定を説明するため
の図である。

【図６】到来角に対するＭＵＳＩＣスペクトラムを示す
図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態に係る受信装置の構
成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１１〜１４ 第１〜第４アンテナ ２１〜２４ 第１〜第４帯域制限ろ波器 ２５ 帯域制限制御器 ２７ ベクトル生成部 ２８ 相関量算出部 ２９ アンテナ配置決定部 ３１〜３４ 第１〜第４中間周波数変換器 ３５ 局部発振器 ４１〜４４ 第１〜第４Ａ／Ｄ変換器 ４５ 発振器 ４７ 到来方位演算部 ５０ 独立成分分析部 ６０ 出力処理部 ６１〜６４ 第１〜第４Ｄ／Ａ変換器

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の入射信号が同時に入射される複数
   のセンサを配置し、 前記各センサにおける前記複数の入射信号の位相応答を
   行列で表したステアリングベクトルを生成し、 生成されたステアリングベクトルに基づいて前記ステア
   リングベクトルの自己相関量と相互相関量とからなる自
   己内相関量を算出し、 算出された前記相互相関量が所定値以下になるように前
   記複数のセンサの配置を決定することを特徴とするセン
   サ配置決定方法。
2. 【請求項２】 前記ステアリングベクトルは、仰角を固
   定し且つ試験電波を各到来方向から前記各センサに入射
   したときに前記各センサにおいて所定の角度毎に測定し
   たデータであることを特徴とする請求項１に記載のセン
   サ配置決定方法。
3. 【請求項３】 前記生成されたステアリングベクトルに
   基づいて前記ステアリングベクトルの複素共役転置行列
   を求め、前記複素共役転置行列と前記ステアリングベク
   トルとを演算することにより前記ステアリングベクトル
   の前記自己内相関量を求めることを特徴とする請求項１
   又は請求項２に記載のセンサ配置決定方法。
4. 【請求項４】 複数の入射信号が同時に入射される複数
   のセンサと、 前記各センサにおける前記複数の入射信号の位相応答を
   行列で表したステアリングベクトルを生成するベクトル
   生成部と、 前記ベクトル生成部で生成されたステアリングベクトル
   に基づいて前記ステアリングベクトルの自己相関量と相
   互相関量とからなる自己内相関量を算出する相関量算出
   部と、 前記相関量算出部で算出された前記相互相関量が所定値
   以下になるように前記複数のセンサの配置を決定するセ
   ンサ配置決定部と、を備えたことを特徴とするセンサ配
   置決定装置。
5. 【請求項５】 前記ベクトル生成部は、仰角を固定し且
   つ試験電波を各到来方向から前記各センサに入射したと
   きに前記各センサにおいて所定の角度毎に測定したデー
   タを前記ステアリングベクトルとすることを特徴とする
   請求項４に記載のセンサ配置決定装置。
6. 【請求項６】 前記相関量算出部は、前記ベクトル生成
   部で生成されたステアリングベクトルに基づいて前記ス
   テアリングベクトルの複素共役転置行列を求め、前記複
   素共役転置行列と前記ステアリングベクトルとを演算す
   ることにより前記ステアリングベクトルの前記自己内相
   関量を求めることを特徴とする請求項４又は請求項５に
   記載のセンサ配置決定装置。
7. 【請求項７】 複数の入射信号が同時に入射される複数
   のセンサと、 前記各センサにおける前記複数の入射信号の位相応答を
   行列で表したステアリングベクトルを生成するベクトル
   生成部と、 前記ベクトル生成部で生成されたステアリングベクトル
   に基づいて前記ステアリングベクトルの自己相関量と相
   互相関量とからなる自己内相関量を算出する相関量算出
   部と、 前記相関量算出部で算出された前記相互相関量が所定値
   以下になるように前記複数のセンサの配置を決定するセ
   ンサ配置決定部と、 前記センサ配置決定部で前記複数のセンサの配置が決定
   されたときにおける、前記相関量算出部で算出された前
   記自己内相関量に基づいて到来角に対するスペクトラム
   を求め、該スペクトラムに基づいて前記複数の入射信号
   の到来方位を求める到来方位演算部と、を備えたことを
   特徴とする受信装置。
8. 【請求項８】 複数の入射信号が同時に入射される複数
   のセンサと、 前記各センサにおける前記複数の入射信号の位相応答を
   行列で表したステアリングベクトルを生成するベクトル
   生成部と、 前記ベクトル生成部で生成されたステアリングベクトル
   に基づいて前記ステアリングベクトルの自己相関量と相
   互相関量とからなる自己内相関量を算出する相関量算出
   部と、 前記相関量算出部で算出された前記相互相関量が所定値
   以下になるように前記複数のセンサの配置を決定するセ
   ンサ配置決定部と、 前記複数のセンサからの前記複数の入射信号が混合され
   た複数の混合信号を所定の狭帯域にそれぞれ制限して出
   力する複数の帯域制限ろ波器と、 前記複数の帯域制限ろ波器からの狭帯域に制限された複
   数の信号に基づいて、独立成分分析の手法により前記複
   数の入射信号を分離・抽出する独立成分分析部と、を備
   えたことを特徴とする受信装置。
9. 【請求項９】 前記ベクトル生成部は、仰角を固定し且
   つ試験電波を各到来方向から前記各センサに入射したと
   きに前記各センサにおいて所定の角度毎に測定したデー
   タを前記ステアリングベクトルとすることを特徴とする
   請求項７又は請求項８に記載の受信装置。
10. 【請求項１０】 前記相関量算出部は、前記ベクトル生
    成部で生成されたステアリングベクトルに基づいて前記
    ステアリングベクトルの複素共役転置行列を求め、前記
    複素共役転置行列と前記ステアリングベクトルとを演算
    することにより前記ステアリングベクトルの前記自己内
    相関量を求めることを特徴とする請求項７乃至請求項９
    のいずれか１項に記載の受信装置。