JP2008039693A - 方向探知システム及び信号抽出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】観測信号から周期的に分離された信号それぞれの到来方位を求めつつ、分離信号を精度よく連結して抽出する。
【解決手段】ブラインド信号分離部２０は、独立成分分析等のアルゴリズムを用いてサンプリング部１０からの入力信号をもとに、センサ数と同数までの入射信号を分離し抽出する。方位演算部３０は、ブラインド信号分離部２０の出力結果である分離ベクトルをもとに、センサによる信号の混合特性を表す混合ベクトルを求め、混合ベクトルとセンサの応答特性を示すステアリングベクトルとの乗算波形に基づいて分離信号の到来方位を求める。連結処理部４０は、この方位情報に基づいて同一方位の信号を連結するように端子選択スイッチ部５０の入出力端子間を切替制御する。これにより、分離処理毎の分離信号は連結され、連続する信号として分離信号出力部６０から出力される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、観測信号に含まれる信号を分離し、分離された信号の到来方位を求めると共に、所望の信号を抽出する方向探知システム及び信号抽出方法に関する。

従来の方向探知システムにあっては、ＩＣＡ（Independent Component Analysis：独立成分分析）の手法に基づくブラインド信号分離法を利用しており、複数のセンサから得られる観測信号をサンプリング周期でそれぞれ独立した成分を分析することで信号数を推定し、観測信号から推定した個数の信号を分離し、サンプリング周期で得られる分離信号を連結するようにしている。

ところが、上記ＩＣＡの手法に基づくブラインド信号分離法には、分離処理毎に得られる分離信号の順序が不定であるという問題があり、分離信号間の連結が困難であった。この問題の解決策として、分離波形間の相関を判定し、この判定結果から所望の信号を連続的に抽出する手法が報告されている（例えば特許文献１参照）が、相関の判定に誤りが発生する場合があり、動作を安定させる必要があった。

また、上記ブラインド信号分離法では、信号数推定にも誤りが生じやすいため、雑音のみの波形が出力されてしまったり、分離が不完全な出力を１つの独立した信号として扱ってしまったりする問題があった。さらに、分離処理だけでは信号の到来方位が得られないため、分離信号それぞれの到来方位を個別に探知しなければならず、システム全体の構成が複雑になるという問題もあった。
特開２００６−１７８３１４公報

以上述べたように、従来の方向探知システムでは、観測信号について周期的に独立した成分を分析して信号を分離し連結する際の不安定動作、判定誤りの問題が指摘されており、また、分離信号それぞれについて別個到来方位を探知する必要があるため、システムの複雑化が問題視されている。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、観測信号から周期的に分離された信号それぞれの到来方位を求めつつ、分離信号を精度よく連結して抽出することが可能な方向探知システム及び信号抽出方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に係わる方向探知システムは、到来する信号を互いに独立して観測する複数のセンサと、前記複数のセンサの観測信号をそれぞれ周期的にサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリングされた信号をブラインド信号分離法に基づいて分離し、前記センサ数に対応する分離波形と分離ベクトルとを出力する分離手段と、前記出力された分離ベクトルをもとに前記複数のセンサによる信号の混合特性を表す混合ベクトルをそれぞれ求め、各混合ベクトルの方位特性に基づいて前記分離波形の到来方位をそれぞれ求める方位演算手段と、前記求められた到来方位に基づいて前記周期毎に出力される分離波形を連結する連結手段とを具備することを特徴とする。

また、この発明に係わる信号抽出方法は、複数のセンサにより互いに独立して観測された信号から所望の信号と到来方位を検出する方向探知システムに用いられる信号抽出方法であって、前記複数のセンサの観測信号をそれぞれ周期的にサンプリングし、前記サンプリングされた信号をブラインド信号分離法に基づいて分離し、前記センサ数に対応する分離波形と分離ベクトルとを出力し、前記出力された分離ベクトルをもとに前記複数のセンサによる信号の混合特性を表す混合ベクトルをそれぞれ求め、各混合ベクトルの方位特性に基づいて前記分離波形の到来方位をそれぞれ求め、前記求められた到来方位に基づいて前記周期毎に出力される分離波形を連結することを特徴とする。

上記構成では、分離結果ごとに分離波形の到来方位をそれぞれ求め、求められた到来方位に基づいて分離波形を連結し、連続する信号として出力するようにしている。つまり、同一方位の信号同士を連結することで、連続する信号を的確に抽出することが可能となる。

したがってこの発明によれば、観測信号から周期的に分離された信号それぞれの到来方位を求めつつ、分離信号を精度よく連結して抽出することが可能な方向探知システム及び信号抽出方法を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、この発明に係わる方向探知システムの一実施形態を示すブロック構成図である。
この方向探知システムは、ｎ個のセンサ１−１〜１−ｎと、サンプリング部１０と、ブラインド信号分離部２０と、方位演算部３０と、連結処理部４０と、端子選択スイッチ部５０と、分離信号出力部６０とを備える。

センサ１−１〜１−ｎはアレイ状に配列され、到来する信号を互いに独立して観測するもので、各センサ１−１〜１−ｎが同時に到来する複数の信号（例えば図中Ｓ１〜Ｓ３）を受信する。各センサ１−１〜１−ｎで受信された観測信号は、例えば信号Ｓ１〜Ｓ３を含む混合信号であり、それぞれサンプリング部１０に供給される。サンプリング部１０は、各センサ１−１〜１−ｎから入力された観測信号をそれぞれサンプリング周期で区切り、その連続するサンプリング期間ごとにサンプリングする。サンプリングされた各センサ１−１〜１−ｎの観測信号はブラインド信号分離部２０に供給される。

上記ブラインド信号分離部２０は、サンプリング部１０でサンプリングされた各観測信号についてＩＣＡ等のアルゴリズムを用いて分析し、各観測信号からセンサ数と同数（ｎ個）までの信号を分離して、その分離ベクトルを求めると共に、このベクトルを観測信号の波形に乗算して分離された信号の波形データを得る。ここで得られたｎ個の分離信号（分離ベクトル及び波形データ）は方位演算部３０に供給されると共に、端子選択スイッチ部５０に供給される。

上記方位演算部３０は、ｎ個の分離信号それぞれの分離ベクトル及び波形データを受け取り、その分離ベクトルに基づいて各分離信号（波形データ）の方位を求めるもので、ここで得られたｎ個の分離信号の方位データは、波形データと共に連結処理部４０に供給される。

上記連結処理部４０は、方位演算部３０で得られた方位データに基づいて、サンプリング期間ごとに同一方位の分離信号の波形データを選別して、同一方位の分離信号が連続するように、上記端子選択スイッチ部５０の入出力端子間を切替制御する。端子選択スイッチ部５０から出力されるｎ個の分離信号は分離信号出力部６０に供給される。
上記分離信号出力部６０は、端子選択スイッチ部５０で得られたｎ個の分離信号の中から指定される方位の分離信号を波形整形して、連続信号として出力する。

上記構成による方向探知システムにおいて、以下にその特徴となる処理動作について説明する。
今、雑音の存在を無視すると、入力信号をＸ、センサ１−１〜１−ｎの配置による混合特性を表す混合行列をＡとすれば、センサ出力として得られる信号Ｙは、
Ｙ＝Ａ・Ｘ
で表される。

これに対して、ＩＣＡの手法に基づくブラインド信号分離法では、Ａの逆行列に相当する分離行列Ｖを求め、
Ｖ・Ｙ＝Ａ^−１・Ｙ＝Ａ^−１（Ａ・Ｘ）＝Ｘ
の関係式からＸ（混合前の個々の波形）を求める。

ここで問題となるのがＡの次元であり、この次元は到来する信号数に対応する。通常、信号数の推定は固有値解析を行い、その固有値の分布から行われるが、実際の信号伝搬環境では誤る場合が多い。誤った場合は、Ａの次元を実際より多くあるいは少なく見積もることとなり、多い場合は信号以外の雑音成分が出力され、少ない場合は所望信号が欠落する。一般的に、信号数推定においては所望信号が欠落しないように、信号数を多めに選択する場合が多い。また、ブラインド信号分離部２０から出力される分離波形は、分離処理毎の順番が不定であるため、連続する信号同士を的確に検索して連結する必要がある。

そこで、本実施形態では、方位演算部３０により分離波形の方位をそれぞれ求め、この方位情報をもとに連結処理部４０で余分な雑音成分を排除しつつ連続する信号同士を的確に判断し、この判断結果に基づいて端子選択スイッチ部５０で連続する信号同士を連結させる。このようにして、信号数を多めに推定した場合でも所望信号と雑音成分とを的確に判別し、連続性を有する分離信号を精度よく判別して連結する。以下に、個々の処理について具体的に説明する。

図２は、方位演算部３０の処理手順とその内容を示すフローチャートである。
図２において、方位演算部３０は、先ず、ブラインド信号分離部２０から出力される分離ベクトルから混合ベクトルの生成を行う（ステップＳ２ａ）。この処理は、Ｖとして求められた分離行列の逆行列としてＡを再現する処理であり、Ａを混合ベクトルとして使用する。次に、分離ベクトルにステアリングベクトルを乗算し、分離ベクトルの方位特性を表す乗算波形を求める（ステップＳ２ｂ）。ステアリングベクトルとは、対象とする到来方位範囲、仰角範囲に対するセンサの応答特性を示すものである。図３に、分離ベクトルとステアリングベクトルの乗算波形の一例を示す。

次に、この乗算波形からピークをサーチし（ステップＳ２ｃ）、そのピーク値と予め設定された閾値とを比較する（ステップＳ２ｄ）。図３に、閾値の一例を示す。この閾値は、実際に用いる信号環境において決定する。この比較において、全ての分離ベクトルＶに対するピーク値がいずれも閾値を超えている場合は、ステップＳ２ｅに移行し、混合ベクトルＡとステアリングベクトルとを乗算し、混合ベクトルの方位特性を表す乗算波形を求め、この乗算波形のピークを検出する。図４に、混合ベクトルとステアリングベクトルの乗算波形の一例を示す。

最終的に、方位演算部３０は、上記検出されたピークに対応する方位を信号の到来方位として採用する（ステップＳ２ｆ）。例えば、図５に示すように、分離ベクトルの方位特性において全てのピーク値が閾値を超えている場合、混合ベクトルの方位特性から求められるピークをその信号の到来方位として採用する。同図の場合、信号の到来方位は、２００度、１００度、３００度とそれぞれ推定される。

一方、ステップＳ２ｄの比較において、全ての分離ベクトルとステアリングベクトルの乗算波形のピーク値の中に閾値以下のものがある場合は、ステップＳ２ｇに移行して、先ず、混合ベクトルとステアリングベクトルとの乗算波形からピークを検出する。そして、検出されたピークに対応する方位が重複するか否かを判定する（ステップＳ２ｈ）。この判定において、図６に示すように、混合ベクトルの方位特性において方位の重複がない場合は、ステップＳ２ｆに移行して、このまま混合ベクトルの乗算波形のピークに対応する方位を信号の到来方位として採用する。図６の場合では、信号の到来方位が２００度、３００度、１００度とそれぞれ推定される。

また、ステップＳ２ｈの判定において、図７に示すように、混合ベクトルの方位特性から求められた方位が重複する場合には、ステップＳ２ｉに移行し、分離ベクトルの方位特性のピークが重複しているか否かを判定する。図７において、混合ベクトルの方位特性において２番目と３番目の信号の方位が１００度で重複しているが、分離ベクトルの方位特性によれば、２番目の信号は方位２００度でピークを検出できる。このため、２番目の信号の方位を２００度とし、３番目の信号を方位１００度と採用する（ステップＳ２ｊ）。

さらに、ステップＳ２ｉの判定において、分離ベクトルとステアリングベクトルの乗算波形において、方位が重複する場合、ステップＳ２ｋにおいて、分離波形に対応する時間軸波形を周波数スペクトラムに変換し、周波数スペクトラムの分散を求めて比較する。この分散の値が大きい方が真の信号を表し、分散の値が小さい方が雑音成分と見なされる。例えば、図８に示すように、分離ベクトルの方位特性から方位を求めるのが困難な場合、分離波形のスペクトラムの分散を求めることにより、３番目の信号が不要な分離信号（信号数推定で多めに見積もった信号）として除外される。なお、方位が極めて接近している信号に対しては、さらに時間軸波形間の相関を判定する方法を併用するのが有効である。

方位演算部３０は、分離処理毎に上記処理を実行し、求められた各信号の到来方位を表す方位情報を連結処理部４０に出力する（ステップＳ２ｌ）。連結処理部４０は、この方位情報に基づいて同一方位の信号を連結するための切替信号を生成して端子選択スイッチ部５０に送る。この切替信号に従って端子選択スイッチ部５０の入出力端子間の接続が切り替えられ、分離処理毎の分離信号が連結され、分離信号出力部６０から連続信号として出力される。

以上述べたように、上記実施形態では、ブラインド信号分離部２０は、独立成分分析等のアルゴリズムを用いてサンプリング部１０からの入力信号をもとに、センサ数と同数までの入射信号を分離し抽出する。方位演算部３０は、ブラインド信号分離部２０の出力結果である分離ベクトルをもとに、センサによる信号の混合特性を表す混合ベクトルを求め、混合ベクトルとセンサの応答特性を示すステアリングベクトルとの乗算波形に基づいて分離信号の到来方位を求める。連結処理部４０は、この方位情報に基づいて同一方位の信号を連結するように端子選択スイッチ部５０の入出力端子間を切替制御する。これにより、端子選択スイッチ部５０にて分離処理毎の分離信号が連結され、連続する信号として分離信号出力部６０から出力されるようになる。

したがって上記実施形態によれば、分離結果毎に分離波形の方位をそれぞれ求め、この方位情報をもとに連続する信号同士が的確に連結される。さらに、分離波形の周波数スペクトラムの分散を求めることにより、信号数を多めに推定した場合でも所望信号と雑音成分とを的確に判別し、連続性を有する分離信号を精度よく判別して連結することが可能となる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

この発明に係わる方向探知システムの一実施形態を示すブロック構成図。 図１に示す方位演算部の処理手順とその処理内容を示すフローチャート。 分離ベクトルとステアリングベクトルとの乗算波形を示す図。 混合ベクトルとステアリングベクトルとの乗算波形を示す図。 方位演算処理方法を説明する図。 方位演算処理方法を説明する図。 方位演算処理方法を説明する図。 方位演算処理方法を説明する図。

符号の説明

１−１〜１−ｎ…センサ、１０…サンプリング部、２０…ブラインド信号分離部、３０…方位演算部、４０…連結処理部、５０…端子選択スイッチ部、６０…分離信号出力部。

Claims (6)

1. 到来する信号を互いに独立して観測する複数のセンサと、
   前記複数のセンサの観測信号をそれぞれ周期的にサンプリングするサンプリング手段と、
   前記サンプリングされた信号をブラインド信号分離法に基づいて分離し、前記センサ数に対応する分離波形と分離ベクトルとを出力する分離手段と、
   前記出力された分離ベクトルをもとに前記複数のセンサによる信号の混合特性を表す混合ベクトルをそれぞれ求め、各混合ベクトルの方位特性に基づいて前記分離波形の到来方位をそれぞれ求める方位演算手段と、
   前記求められた到来方位に基づいて前記周期毎に出力される分離波形を連結する連結手段と
   を具備することを特徴とする方向探知システム。
2. 前記方位演算手段は、前記混合ベクトルの方位特性に基づいて求められた到来方位が重複する場合に、前記分離ベクトルの方位特性に基づいて前記分離波形の到来方位をそれぞれ求めることをさらに特徴とする請求項１記載の方向探知システム。
3. 前記方位演算手段は、前記混合ベクトルの方位特性に基づいて求められた到来方位が重複する場合に、前記分離波形の時間軸波形を周波数スペクトラムに変換して、この周波数スペクトラムの分散を算出し、算出された分散の値に基づいて前記分離波形の到来方位をそれぞれ求めることをさらに特徴とする請求項１記載の方向探知システム。
4. 複数のセンサにより互いに独立して観測された信号から所望の信号と到来方位を検出する方向探知システムに用いられる信号抽出方法であって、
   前記複数のセンサの観測信号をそれぞれ周期的にサンプリングし、
   前記サンプリングされた信号をブラインド信号分離法に基づいて分離し、前記センサ数に対応する分離波形と分離ベクトルとを出力し、
   前記出力された分離ベクトルをもとに前記複数のセンサによる信号の混合特性を表す混合ベクトルをそれぞれ求め、各混合ベクトルの方位特性に基づいて前記分離波形の到来方位をそれぞれ求め、
   前記求められた到来方位に基づいて前記周期毎に出力される分離波形を連結することを特徴とする信号抽出方法。
5. 前記混合ベクトルの方位特性に基づいて求められた到来方位が重複する場合に、前記分離ベクトルの方位特性に基づいて前記分離波形の到来方位をそれぞれ求めることをさらに特徴とする請求項４記載の信号抽出方法。
6. 前記混合ベクトルの方位特性に基づいて求められた到来方位が重複する場合に、前記分離波形の時間軸波形を周波数スペクトラムに変換して、この周波数スペクトラムの分散を算出し、算出された分散の値に基づいて前記分離波形の到来方位をそれぞれ求めることをさらに特徴とする請求項４記載の信号抽出方法。

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