JP2005265466A - Beam forming device based on minimax discipline, and its beam forming method - Google Patents

Beam forming device based on minimax discipline, and its beam forming method Download PDF

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Hiroshi Nakajima
弘史 中島
Natsu Tanaka
菜津 田中
Hideo Tsuru
秀生 鶴
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Nittobo Acoustic Engineering Co Ltd
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Nittobo Acoustic Engineering Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein a side lobe sometimes becomes large locally hitherto, when a signal from a sound source is received by a sensor such as a microphone and beam forming is performed so as to acquire an output signal having excellent directivity, and it seems that the sound source exists in the nonexistent direction, when performing direction survey of the sound source by scanning in the beam direction. <P>SOLUTION: This beam forming device has a constitution wherein a plurality of microphones 2 are disposed in an optional space, and a sound X from the sound source 1 is received by the plurality of microphones 2, and operation processing is performed so that the side lobe of the output signal Y in its directivity characteristic becomes minimum in a minimax discipline, and updating processing of a filter coefficient of a linear filter 3 is performed as the operation processing result. Thus, the side lobe does not become large locally, and the magnitude of the side lobe can be suppressed small. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はマイクロホンやアンテナなどのセンサを、指向性を有するものにビームフォーミングする装置に係り、特に、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、その複数の入力センサの信号を演算処理することによって指向特性を向上するビームフォーミング装置に関する。   The present invention relates to a device for beam forming a sensor such as a microphone or an antenna into a directional device, and in particular, a plurality of input sensors are arranged in an arbitrary space, and signals of the plurality of input sensors are processed. It is related with the beam forming apparatus which improves directivity characteristics by doing.

従来、特開2002−48867号公報に記載されたように、入力センサを格子上または円上に等間隔に配設し、その入力信号を遅延および和の演算処理によってマイクロホンやアンテナなどの指向性を向上するビームフォーミング装置は知られている。
さらに、特開2000−162308号公報に記載された、球面上や不等間隔に配置したものを含む任意の空間上に配設した入力センサ信号から、線形フィルタ処理と合成処理によってビームフォーミングを実現する方法も既に知られている。
Conventionally, as described in JP-A-2002-48867, input sensors are arranged at equal intervals on a lattice or a circle, and the directivity of a microphone, an antenna, or the like is calculated by delaying and summing the input signals. A beam forming apparatus for improving the above is known.
Further, beam forming is realized by linear filter processing and synthesis processing from input sensor signals arranged on a spherical surface or any space including those arranged at unequal intervals, as described in JP 2000-162308 A The method of doing is already known.

特開2002−48867号公報JP 2002-48867 A 特開2000−162308号公報JP 2000-162308 A

従来行われている上記従来技術における遅延および和の演算処理によるビームフォーミングでは、鋭い指向性が得られないという課題があり、また、線形フィルタ処理と合成処理によって行うビームフォーミングでは、鋭い指向性が得られるものの、サイドローブの低減が可能なフィルタの設計法は、サイドローブの最小二乗規範に基づくものであり、局所的にサイドローブが大きくなる場合があり、ビーム方向の走査によって出力源の方向探査を行う場合、存在しない方向に出力源があるように見えるという課題がある。   In the conventional beam forming by the delay and sum calculation processing in the prior art, there is a problem that a sharp directivity cannot be obtained, and in the beam forming performed by the linear filter processing and the synthesis processing, there is a sharp directivity. Although obtained, the filter design method that can reduce the side lobe is based on the least-squares criterion of the side lobe, and the side lobe may be locally increased. When exploring, there is a problem that the output source appears to be in a direction that does not exist.

本発明の請求項1に係る発明の要旨は、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、前記複数の入力センサからの入力信号を演算処理することによって指向特性を形成するビームフォーミング装置において、前記複数の入力センサからの前記入力信号に基づき前記指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるように演算処理する演算装置と、前記演算装置の演算結果に基づき前記複数の入力センサ毎に設けられたフィルタのフィルタ係数を更新する手段を備え、前記フィルタ係数が更新されることにより可及的にサイドローブがミニマックス規範で最小となることを特徴とするビームフォーミング装置に存する。
また、本発明の請求項2に係る発明の要旨は、ビームフォーミングを線形フィルタにより実現するビームフォーミング装置において、目的方向のメインローブの利得が0でない任意のフィルタを初期値として、それにより形成される指向特性の非目的方向のサイドローブの利得が1つ以上の方向で低くなるように演算する演算装置と、前記演算装置の演算結果に基づきフィルタのフィルタ係数を更新する処理を1回または複数回行う手段を備えたことを特徴とするビームフォーミング装置に存する。
また、本発明の請求項3に係る発明の要旨は、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、前記複数の入力センサからの入力信号を演算処理することによって指向特性を形成する方法であって、前記指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるようにフィルタ係数を更新することを特徴とするビームフォーミング方法に存する。
また、本発明の請求項4に係る発明の要旨は、ビームフォーミングを線形フィルタにより実現するものであって、目的方向のメインローブの利得が0でない任意のフィルタを初期値として、それにより形成される指向特性の非目的方向のサイドローブの利得が1つ以上の方向で低くなるフィルタに更新する処理を1回または複数回行うことを特徴とするビームフォーミング方法に存する。
The gist of the invention according to claim 1 of the present invention is that a plurality of input sensors are arranged in an arbitrary space, and a beam forming apparatus that forms directional characteristics by processing input signals from the plurality of input sensors. An arithmetic device that performs arithmetic processing based on the input signals from the plurality of input sensors so that a side lobe in the directivity characteristic is minimized according to a minimax standard, and the plurality of input sensors based on a calculation result of the arithmetic device The beam forming apparatus includes means for updating a filter coefficient of a filter provided for each filter, and the side lobe is minimized by the minimax standard as much as possible by updating the filter coefficient.
The gist of the invention according to claim 2 of the present invention is that a beam forming apparatus that realizes beam forming by a linear filter is formed by setting an arbitrary filter whose main lobe gain in the target direction is not 0 as an initial value. One or a plurality of processing units for calculating the gain of the side lobes in the non-target direction of the directional characteristics to be low in one or more directions, and updating the filter coefficient of the filter based on the calculation result of the processing unit The present invention resides in a beam forming apparatus including means for performing rotation.
The gist of the invention according to claim 3 of the present invention is a method of forming a directional characteristic by arranging a plurality of input sensors in an arbitrary space and performing arithmetic processing on input signals from the plurality of input sensors. The beam forming method is characterized in that the filter coefficient is updated so that the side lobe in the directivity is minimized according to the minimax standard.
The gist of the invention according to claim 4 of the present invention is that the beam forming is realized by a linear filter, and an arbitrary filter whose main lobe gain in the target direction is not 0 is set as an initial value. The beam forming method is characterized in that the process of updating to a filter in which the sidelobe gain in the non-target direction of the directional characteristic is reduced in one or more directions is performed once or a plurality of times.

本発明は、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、それらの複数の入力センサ信号を演算処理することによってサイドローブがミニマックス規範で最小となる指向特性をもつビームフォーミングを実現することを可能とするものであり、局所的にサイドローブの値が大きくなることがないため、ビーム方向の走査によって出力源の方向探査を行う場合、出力音源(あるいは電波源、光源など)の方向を正しく探査することが可能となるものである。   The present invention realizes beam forming having a directional characteristic in which a side lobe is minimized by the minimax standard by arranging a plurality of input sensors in an arbitrary space and processing the signals of the plurality of input sensors. Since the side lobe value does not increase locally, the direction of the output sound source (or radio wave source, light source, etc.) is used when searching the direction of the output source by scanning in the beam direction. It will be possible to correctly explore.

本発明は、任意の空間上に複数の入力センサを配設し、それらの複数の入力センサ信号を演算処理することによってサイドローブがミニマックス規範で最小となる指向特性をもつビームフォーミングを実現することを可能とするものである。   The present invention realizes beam forming having a directional characteristic in which a side lobe is minimized by the minimax standard by arranging a plurality of input sensors in an arbitrary space and processing the signals of the plurality of input sensors. It is possible to do that.

以下、本発明の、ミニマックス規範に基づいてサイドローブを最小化するビームフォーミング装置、およびビームフォーミング方法について、実施の形態の図面によって具体的に説明する。
図1〜図3は、線形フィルタを用いたビームフォーミング装置の実施の形態の複数の入力センサとしてマイクロホンを利用した場合の指向特性処理系を説明する図である。
Hereinafter, the beam forming apparatus and the beam forming method for minimizing the side lobe based on the minimax standard of the present invention will be specifically described with reference to the drawings of the embodiments.
FIGS. 1 to 3 are diagrams for explaining a directivity processing system when microphones are used as a plurality of input sensors according to an embodiment of a beam forming apparatus using a linear filter.

図1において、1は音源、2はマイクロホン、3は伝達特性Gn(ω)をもつ線形フィルタ、4は加算器を示している。
また、図2は本発明のミニマックス規範でサイドローブが最小となるフィルタの設計のアルゴリズムを説明するフロー図である。
In FIG. 1, 1 is a sound source, 2 is a microphone, 3 is a linear filter having a transfer characteristic G n (ω), and 4 is an adder.
FIG. 2 is a flowchart for explaining an algorithm for designing a filter that minimizes the side lobe according to the minimax standard of the present invention.

また、図3はミニマックス規範でサイドローブが最小となるフィルタの2次元の指向特性を説明する図であり、利得の大きさが明るさで表現されて示されている。(a)は従来の遅延と和の演算によりビームを形成した特性、(b)は従来の最小二乗規範でサイドローブが最小となる線形フィルタによりビームを形成した特性、(c)は本発明のミニマックス規範でサイドローブが最小となる線形フィルタによりビームを形成した特性を示している。中心の円形に明るくなっている部分はメインローブによるものであり、その周辺に多少明るくなったサイドローブによるものが映像化されている。   FIG. 3 is a diagram for explaining the two-dimensional directivity characteristic of the filter having the minimum side lobe according to the minimax standard, and the magnitude of the gain is represented by brightness. (A) is a characteristic in which a beam is formed by a conventional calculation of delay and sum, (b) is a characteristic in which a beam is formed by a linear filter that minimizes a side lobe according to the conventional least square criterion, and (c) is a characteristic of the present invention. It shows the characteristic that the beam is formed by the linear filter that minimizes the side lobe according to the minimax standard. The bright part in the center circle is due to the main lobe, and the brighter side lobe is imaged around it.

即ち、図1に示す通り、距離r,方位角θ,仰角φにある音源1の特性をX(ω)、音源1からマイクロホン2(Mic.1〜Mic.NのN個のマイクが配置されている)までの伝達関数をHr,θ,φ,1(ω)〜Hr,θ,φ, n(ω)、(ここでn = 1, 2, ..., N)、線形フィルタ3の伝達特性をG(ω)〜Gn(ω)とすれば、音源1の特性X(ω)と、加算器4で加算されて出力される出力信号Y(ω)の比から、この処理系の距離方向を含む指向特性D(r,θ,φ)は, That is, as shown in FIG. 1, the characteristic of the sound source 1 at the distance r, the azimuth angle θ, and the elevation angle φ is X (ω), and the sound source 1 to the microphone 2 (N microphones from Mic.1 to Mic.N are arranged. Hr, θ, φ, 1 (ω) to H r, θ, φ, n (ω) (where n = 1, 2, ..., N), linear filter 3 is G 1 (ω) to G n (ω), the ratio between the characteristic X (ω) of the sound source 1 and the output signal Y (ω) that is added by the adder 4 and output. The directivity characteristic D (r, θ, φ) including the distance direction of this processing system is

Figure 2005265466
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となる。
さらに、方向を対象範囲で離散化したものを添字m(m=1, 2, ..., M)で表し、この離散化された伝達系に対し、指向特性ベクトルd、伝達関数行列H、フィルタベクトルgを考え(Tは転置行列)、
It becomes.
Further, the discretized direction in the target range is represented by a subscript m (m = 1, 2,..., M). For this discretized transfer system, a directional characteristic vector d, a transfer function matrix H, Consider a filter vector g (T is a transpose matrix),

Figure 2005265466
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とすれば、 given that,

Figure 2005265466
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と簡潔な式として表現できるものである。
ここで、伝達特性Gn(ω)をもつ線形フィルタ3は、具体的にはデジタルフィルタまたはアナログフィルタにより構成される。線形フィルタ3をデジタルフィルタで構成する場合は、そのフィルタ係数が伝達特性Gn(ω)の逆離散フーリエ変換によって得られる。また、線形フィルタ3をアナログ回路によって構成する場合は、jωの分数多項式などで近似したのち、部分分数展開などを用いて2次以下の分数多項式に分解しすれば、各分数多項式はLCRによるアナログフィルタで実現でき、それらの合成として伝達特性Gn(ω)が実現できるものである。
It can be expressed as a simple expression.
Here, the linear filter 3 having the transfer characteristic G n (ω) is specifically constituted by a digital filter or an analog filter. When the linear filter 3 is configured by a digital filter, the filter coefficient is obtained by inverse discrete Fourier transform of the transfer characteristic G n (ω). Further, when the linear filter 3 is configured by an analog circuit, each fractional polynomial is converted into an analog by LCR if it is approximated by a fractional polynomial of jω and then decomposed into a fractional polynomial of second order or less using partial fraction expansion or the like. It can be realized by a filter, and a transfer characteristic G n (ω) can be realized as a combination thereof.

次いで目的方向kで利得(伝達関数行列Hとフィルタベクトルgの積)が1で、目的方向近傍でのピークが目的方向に一致するフィルタgkは、目的方向において指向特性ベクトルdのr,θ,φ各成分が極値を持つことに着目すると、drhk,dθhk,dφhkをそれぞれHr,θ,φ n(ω)のr,θ,φでの微分値を要素とするベクトルとして Next, the filter g k having a gain (product of the transfer function matrix H and the filter vector g) of 1 in the target direction k and a peak in the vicinity of the target direction coincides with the target direction, , Φ each component has an extreme value, drh k , dθh k , dφh k are respectively expressed as vectors having differential values of H r, θ, φ n (ω) at r, θ, φ as elements.

Figure 2005265466
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の解として表現できる。
この解はN>4で一般に無数に存在するものであり、任意の[3]の式を満たす解g~と、任意のベクトルy、のゼロ空間を張る独立なベクトルからなる行列Zを用いて
It can be expressed as a solution of
This solution is generally innumerable with N> 4, and uses a matrix Z composed of independent vectors spanning a zero space of solutions g to k satisfying an arbitrary expression [3] and an arbitrary vector y. The

Figure 2005265466
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として表現できるものであり、g~はたとえば最小ノルム解を利用し+を擬似逆行列として、 G ~ k are, for example, using the minimum norm solution and + as a pseudo inverse matrix,

Figure 2005265466
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で計算できるものであり、ZはHkの特異値分解 Z is the singular value decomposition of H k

Figure 2005265466
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を行い,特異値0に対応するVの列ベクトルとして得られるものである。
これより、任意のベクトルyの調整により、目的方向の利得とピークを保ったまま非目的方向の利得(すなわち、サイドローブの利得)を調整することが可能であり、非目的方向の指向特性ベクトルをu、非目的方向の伝達関数行列Uを
Is obtained as a column vector of V corresponding to singular value 0.
As a result, by adjusting the arbitrary vector y, it is possible to adjust the gain in the non-target direction (that is, the gain of the side lobe) while maintaining the gain and peak in the target direction. U, transfer function matrix U in non-target direction

Figure 2005265466
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とすると If

Figure 2005265466
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となる。
既に提案されているサイドローブの大きさの二乗和を最小とするフィルタ(最小二乗規範に基づくフィルタ)は、[9]の式=0の最小二乗解によって求めたy~を用いて設計できるものであり、そのy~は
It becomes.
The already proposed filter that minimizes the sum of squares of the sidelobe size (filter based on the least-squares criterion) can be designed using y ~ obtained by the least-squares solution of Equation = 0 in [9] And y ~

Figure 2005265466
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で求められ、このy~を[5]の式に代入すればサイドローブの大きさの二乗和が最小となるフィルタが得られるものである。 By substituting y˜ into the equation [5], a filter that minimizes the sum of squares of the side lobe sizes can be obtained.

サイドローブの最大値を最小にするフィルタ(ミニマックス規範に基づくフィルタ)は,サイドローブ方向領域中の非目的方向の利得uの各要素の絶対値の最大値umaxを最小にするyを求めることで実現できるものであるが、umaxはyに対し非線形の関数となるため、線形逆演算により最適解を得る事はできないものであり、本発明では図2に示すアルゴリズムの通り、繰り返し処理でumaxを逐次的に低減しこれを実現するものである。 A filter that minimizes the maximum value of the side lobe (a filter based on the minimax criterion) obtains y that minimizes the maximum absolute value u max of each element of the gain u in the non-target direction in the side lobe direction region. However, since u max is a non-linear function with respect to y, an optimal solution cannot be obtained by linear inverse operation. In the present invention, iterative processing is performed according to the algorithm shown in FIG. In order to achieve this, u max is successively reduced.

図2において、サイドローブは通常複数存在するので、はじめに複数存在するサイドローブのうち利得が最大のサイドローブの方向に着目してこれを着目方向miとして、着目方向miにおける利得が減少するように解を更新する(図2におけるステップS1〜S6を1巡する)。   In FIG. 2, since there are usually a plurality of side lobes, first, pay attention to the direction of the side lobe with the maximum gain among the plurality of side lobes, and use this as the direction of interest mi so that the gain in the direction of interest mi decreases. The solution is updated (one round of steps S1 to S6 in FIG. 2).

ステップS1〜S6を説明すると、まず、ステップS1では、サイドローブが最大となる方向mを検索する。ステップS2では、ステップS1で検索された方向mを着目方向miに追加する。ステップS3では、着目方向miの利得を全て0にするようにyを算出する。ステップS4では、着目方向miの利得が全て減ったかどうかをチェックする。着目方向miの利得が全て減っていればステップS5へ進み、g=gold+WZy(W:0〜1)のWを代えてgを計算し、サイドローブの最大値が最小となるWoptを検索する。ステップS6において、g=gold+WoptZyで解を更新する。 Steps S1 to S6 will be described. First, in step S1, a direction m in which the side lobe is maximum is searched. In step S2, the direction m searched in step S1 is added to the direction of interest mi. In step S3, y is calculated so that the gains in the direction of interest mi are all zero. In step S4, it is checked whether or not all the gains in the direction of interest mi have been reduced. If all the gains in the direction of interest mi have decreased, the process proceeds to step S5, where g is calculated by replacing W of g = g old + WZy (W: 0 to 1), and W opt that minimizes the maximum value of the side lobe. Search for. In step S6, the solution is updated with g = g old + W opt Zy.

ステップS6のWoptは、着目方向miの利得を完全に0にした場合、その他の方向mの利得が増加するために、この他の方向mのサイドローブの利得が、減少する方向miのサイドローブの利得より大きくならない所まで解を更新するために調整を行うパラメータである。 W opt in step S6, when completely 0 the gain of interest direction mi, to gain other direction m is increased, the gain of the side lobes of the other direction m is decreasing directions mi Side This is a parameter that is adjusted to update the solution to a point that does not become larger than the lobe gain.

以下、図2におけるステップS1〜S6を繰り返す。
このようにして、着目方向miのサイドローブの利得と、次に大きいサイドローブの利得がほぼ同じになったら、次に大きいサイドローブの方向mを着目方向miに加えて複数の方向を含む着目方向miとし、同様に着目方向miの利得が減少するように解を繰り返し更新していく。このようにすると、着目方向miのサイドローブが低減するとともに、その他の方向mも順次着目方向に加わる結果となるので、サイドローブ全体としてその利得を小さくすることができる。
Thereafter, steps S1 to S6 in FIG. 2 are repeated.
In this way, when the gain of the side lobe in the direction of interest mi and the gain of the next largest side lobe are substantially the same, the direction m of the next largest side lobe is added to the direction of interest mi and the focus includes a plurality of directions. Similarly, the solution is repeatedly updated so that the gain in the direction of interest mi decreases in the direction mi. In this way, side lobes in the direction of interest mi are reduced and other directions m are sequentially added to the direction of interest, so that the gain of the side lobe as a whole can be reduced.

また、ステップS4において、解の更新によりmiの利得が全て減っているかをみて、減っていないときには着目方向miの利得が全て同じであるかをチェックする(ステップS7)。着目方向miの利得が全て同じであれば、サイドローブの利得の最小化が図れたので終了する。ステップS7において、着目方向miの利得が全て同じにならないときは、着目方向miが適切でなかったことが考えられるので着目方向miの見直し行う(ステップS8)。   In step S4, it is checked whether all the gains of mi have been reduced by updating the solution. If not, it is checked whether all the gains in the direction of interest mi are the same (step S7). If all the gains in the direction of interest mi are the same, the side lobe gain is minimized, and the process ends. In step S7, when all the gains in the direction of interest mi are not the same, it is considered that the direction of interest mi was not appropriate, so the direction of interest mi is reviewed (step S8).

次に、更に具体的に図2の処理を説明していく。始めにサイドローブのピークが0になるようにし、その結果、他の位置でサイドローブが高くなるので、新しくピークとして成長してきた位置と元のピークの位置の利得がほぼ同じレベルになる所まで更新するものであり、その結果2つのサイドローブのピークがほぼ同じレベルで、元のピークよりは低い値となるフィルタが得られるものである。   Next, the process of FIG. 2 will be described more specifically. First, the side lobe peak is set to 0, and as a result, the side lobe becomes higher at other positions, so that the gain at the position where the new peak has grown and the position of the original peak are almost at the same level. As a result, a filter is obtained in which the peaks of the two side lobes are approximately at the same level and lower than the original peak.

以上は、始めの1回の更新についての具体的説明であり、2回目はピークとなっている2つのサイドローブの位置で利得が0になるようにフィルタを更新し、その結果、その2つとは別の位置でサイドローブが高くなるので、新しくピークとなる位置と元の2つのピーク位置の利得がほぼ同じレベルになる所まで更新するものであり、その結果3つのサイドローブのレベルがほぼ同じレベルで、元の2つのピークよりは低い値となるフィルタが得られるものである。   The above is a specific explanation of the first update, and the second time the filter is updated so that the gain becomes zero at the position of the two side lobes that are peaked. Since the side lobe becomes higher at another position, the gain is updated until the gain of the new peak position and the original two peak positions are almost the same level. As a result, the levels of the three side lobes are almost equal. At the same level, a filter having a lower value than the original two peaks is obtained.

以下同様に、上記処理を繰り返して行うことにより、複数の位置でサイドローブのピークがほぼ同じレベルで低くなるフィルタが得られるものであるが、同時にピークを0にするフィルタへ更新が実現できるのは、マイクロホンの数から4を引いた数までであり(3次元フィルタの場合)、有限回の繰り返しによって、それ以上どのように係数を更新してもサイドローブのピークが低減できないフィルタが得られるものであり、これが即ち、最大値が最小となるフィルタが得られる原理である。   Similarly, by repeating the above processing, a filter can be obtained in which the sidelobe peaks are lowered at substantially the same level at a plurality of positions. However, the filter can be updated to a peak at the same time. Is a number obtained by subtracting 4 from the number of microphones (in the case of a three-dimensional filter), and by repeating a finite number of times, a filter in which the side lobe peak cannot be reduced no matter how the coefficient is updated is obtained. This is the principle by which a filter with a minimum maximum value can be obtained.

上記の繰り返し処理は、サイドローブの最大値が低減されなくなるまで行う事で、サイドローブの最大値が最小となるフィルタが設計できるが、この場合メインローブは、サイドローブの大きさの二乗和が最小となるフィルタと比べると広がるものである。したがって、初期値としてメインローブの狭いフィルタを用いて、サイドローブの最大値の値とメインローブの大きさの二乗和の値のバランスを考えて、サイドローブの大きさの二乗和が予め定めた基準になったら繰り返し処理を停止することにより、メインローブとサイドローブのバランスがとれたフィルタを設計することも可能である。   By performing the above iterative process until the maximum value of the side lobe is not reduced, a filter that minimizes the maximum value of the side lobe can be designed, but in this case, the main lobe has a sum of squares of the size of the side lobe. Compared to the smallest filter, it spreads out. Therefore, using a filter with a narrow main lobe as an initial value, considering the balance between the value of the maximum value of the side lobe and the value of the sum of squares of the size of the main lobe, the sum of squares of the side lobe size is predetermined. It is also possible to design a filter in which the main lobe and the side lobe are balanced by stopping the processing repeatedly when it becomes the reference.

以上の説明で、上記図2のミニマックス規範でサイドローブが最小となるフィルタの設計のアルゴリズムは、本発明によるビームフォーミング装置内に備わるマイクロコンピュータにより実行される。このマイクロコンピュータはミニマックス規範でサイドローブが最小となるフィルタの設計のアルゴリズムを演算実行すると共に、フィルタのフィルタ係数を演算結果で更新するものである。   In the above description, the algorithm for designing the filter that minimizes the side lobe according to the minimax rule of FIG. 2 is executed by the microcomputer provided in the beam forming apparatus according to the present invention. This microcomputer executes a filter design algorithm that minimizes the side lobe according to the minimax standard, and updates the filter coefficient of the filter with the calculation result.

また、上記フィルタは、具体的には線形フィルタ3としてデジタルフィルタまたはアナログフィルタにより構成され、線形フィルタ3のフィルタ係数を本発明による演算結果で更新することにより、上記線形フィルタ3は伝達特性G(ω)〜Gn(ω)をミニマックス規範でサイドローブを最小にできるフィルタとなり、これによりサイドローブ全体の利得を小さく抑えることのできるビームフォーミング装置を具体的に実現できるものとなる。 In addition, the filter is specifically configured by a digital filter or an analog filter as the linear filter 3, and the linear filter 3 is updated with the calculation result according to the present invention, so that the linear filter 3 has a transfer characteristic G 1. (ω) to G n (ω) are filters capable of minimizing the side lobe according to the minimax standard, and thereby a beam forming apparatus capable of suppressing the gain of the entire side lobe to be small can be specifically realized.

図3は、半径130[mm]の球の埋め込みアレイ(Spherical Microphone Array)にマイクロホンを31個を配設して2次元的ビームフォーミングを実現した例である。伝達関数Hr ,θ,φ n(ω)については、球の理論式から計算し距離r=1[m]として計算し、また目的方向(θ,φ)=(0,0)、音源周波数は1000[Hz]として計算したものである。(a)は従来の遅延和演算、(b)は従来のサイドローブの大きさの二乗和が最小となる線形フィルタを用いた演算、(c)は本発明のサイドローブがミニマックス規範で最小となる線形フィルタを用いた演算によりビームフォーミングを実現した場合における2次元指向特性を示している。 FIG. 3 shows an example in which two-dimensional beam forming is realized by arranging 31 microphones in a spherical microphone array having a radius of 130 [mm]. The transfer function H r, θ, φ n (ω) is calculated from the theoretical formula of the sphere and calculated as the distance r = 1 [m], and the target direction (θ, φ) = (0,0), the sound source frequency Is calculated as 1000 [Hz]. (A) is a conventional delay-sum operation, (b) is a conventional operation using a linear filter that minimizes the sum of squares of the side lobe size, and (c) is a minimum of the side lobe according to the present invention in the minimax standard. The two-dimensional directivity characteristics in the case where beam forming is realized by calculation using a linear filter is shown.

横軸は方位角、縦軸は仰角、色は指向利得を示している。(a)の遅延和演算では、メインローブが広く、(b)のサイドローブの大きさの二乗和が最小となる線形フィルタ演算ではメインローブが狭く指向性が少ないもののサイドローブが虚音源として観測されている。これに対し、本発明の実施の形態である(c)のサイドローブの最大値が最小となる線形フィルタ演算では、メインローブは(b)と比較して広がるものの(a)よりも狭く、(a)および(b)に見られる虚音源が観測されず、音源探査を目的としたビームフォーミングでは有効であることが明らかである。   The horizontal axis represents the azimuth angle, the vertical axis represents the elevation angle, and the color represents the directivity gain. In the delay-sum operation of (a), the main lobe is wide, and in the linear filter operation (b) where the sum of squares of the side lobe size is the minimum, the side lobe is observed as an imaginary sound source although the main lobe is narrow and the directivity is small. Has been. On the other hand, in the linear filter operation in which the maximum value of the side lobe of (c) according to the embodiment of the present invention is minimized, the main lobe is wider than (b), but is narrower than (a). The imaginary sound source seen in a) and (b) is not observed, and it is clear that the beam forming for the purpose of sound source exploration is effective.

上記実施の形態では、入力センサとして音源を対象としたマイクロホンを例にとって説明したが、本発明は電波を対象としたアンテナ、あるいは光源を対象とした受光センサであっても、これらのサイドローブを低減するビームフォーミング装置として同様に適用することができる。   In the above-described embodiment, the microphone for the sound source is described as an example of the input sensor. However, the present invention does not include these side lobes even in the case of the antenna for the radio wave or the light receiving sensor for the light source. The present invention can be similarly applied as a beam forming device for reduction.

本発明は、サイドローブの大きさを抑えた、指向特性の良好なマイクロホン、アンテナ、あるいは受光センサのビームフォーミング装置として適用することができる。   The present invention can be applied as a beam forming apparatus for a microphone, an antenna, or a light receiving sensor having a good directivity characteristic with a suppressed side lobe size.

図1は本発明の実施の形態を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention. 図2は本発明の実施の形態におけるフィルタの設計のアルゴリズムを説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining an algorithm for designing a filter in the embodiment of the present invention. 図3は本発明の実施の形態、及び従来技術による特性を比較した図である。FIG. 3 is a diagram comparing the characteristics of the embodiment of the present invention and the prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・音源
2・・・マイクロホン
3・・・線形フィルタ
4・・・加算器
1 ... Sound source
2 ... Microphone
3 Linear filter
4 ... Adder

Claims (4)

任意の空間上に複数の入力センサを配設し、前記複数の入力センサからの入力信号を演算処理することによって指向特性を形成するビームフォーミング装置において、
前記複数の入力センサからの前記入力信号に基づき前記指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるように演算処理する演算装置と、
前記演算装置の演算結果に基づき前記複数の入力センサ毎に設けられたフィルタのフィルタ係数を更新する手段を備え、
前記フィルタ係数が更新されることにより可及的にサイドローブがミニマックス規範で最小となることを特徴とするビームフォーミング装置。
In a beam forming apparatus in which a plurality of input sensors are arranged in an arbitrary space, and directivity characteristics are formed by computing input signals from the plurality of input sensors.
An arithmetic device that performs arithmetic processing based on the input signals from the plurality of input sensors so that the side lobe in the directivity characteristic is minimized by the minimax standard;
Means for updating a filter coefficient of a filter provided for each of the plurality of input sensors based on a calculation result of the calculation device;
The beam forming apparatus characterized in that the side lobe is minimized by the minimax standard as much as possible by updating the filter coefficient.
ビームフォーミングを線形フィルタにより実現するビームフォーミング装置において、
目的方向のメインローブの利得が0でない任意のフィルタを初期値として、それにより形成される指向特性の非目的方向のサイドローブの利得が1つ以上の方向で低くなるように演算する演算装置と、
前記演算装置の演算結果に基づきフィルタのフィルタ係数を更新する処理を1回または複数回行う手段を備えたことを特徴とするビームフォーミング装置。
In a beam forming apparatus that realizes beam forming by a linear filter,
An arithmetic unit for calculating an arbitrary filter whose target lobe main lobe gain is not 0 as an initial value so that the gain of the side lobe in the non-target direction of the directional characteristic formed thereby becomes lower in one or more directions; ,
A beam forming apparatus comprising: means for performing a process of updating a filter coefficient of a filter once or a plurality of times based on a calculation result of the calculation apparatus.
任意の空間上に複数の入力センサを配設し、前記複数の入力センサからの入力信号を演算処理することによって指向特性を形成する方法であって、前記指向特性におけるサイドローブがミニマックス規範で最小となるようにフィルタ係数を更新することを特徴とするビームフォーミング方法。   A method of forming a directional characteristic by arranging a plurality of input sensors in an arbitrary space and processing input signals from the plurality of input sensors, wherein the side lobe in the directional characteristic is a minimax standard. A beam forming method, wherein the filter coefficient is updated so as to be minimized. ビームフォーミングを線形フィルタにより実現するものであって、目的方向のメインローブの利得が0でない任意のフィルタを初期値として、それにより形成される指向特性の非目的方向のサイドローブの利得が1つ以上の方向で低くなるフィルタに更新する処理を1回または複数回行うことを特徴とするビームフォーミング方法。
The beam forming is realized by a linear filter, and an arbitrary filter whose main lobe gain in the target direction is not zero is set as an initial value, and the gain of the side lobe in the non-target direction of the directional characteristic formed thereby is one. A beam forming method, wherein the process of updating to a filter that decreases in the above direction is performed once or a plurality of times.
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