JP3140899B2 - 信号入射方向推定装置 - Google Patents
信号入射方向推定装置Info
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- JP3140899B2 JP3140899B2 JP05305018A JP30501893A JP3140899B2 JP 3140899 B2 JP3140899 B2 JP 3140899B2 JP 05305018 A JP05305018 A JP 05305018A JP 30501893 A JP30501893 A JP 30501893A JP 3140899 B2 JP3140899 B2 JP 3140899B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数のセンサを配列し
たセンサアレイによって音声等の狭帯域信号を受信し、
そのセンサアレイにより出力された受信信号の周波数分
析、周波数領域整相等を行うことにより、狭帯域信号の
入射方向を推定する入射方向推定装置に関するものであ
る。
たセンサアレイによって音声等の狭帯域信号を受信し、
そのセンサアレイにより出力された受信信号の周波数分
析、周波数領域整相等を行うことにより、狭帯域信号の
入射方向を推定する入射方向推定装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】周波数領域整相は、注目する方位から到
来する音波に対して、センサアレイの各センサに入力す
る波の位相が見かけ上等しくなるように、各センサより
出力された音波信号に対して周波数分析を行い、周波数
分析結果に位相補償を施すことである。この周波数領域
整相を行うことにより、例えば、センサが平面上に直線
アレイ上に並べられた時、このアレイの軸が入射面に対
してあたかも平行に置かれるようにすることで、入射波
に対して各センサ出力の和を最大にする方位を求めて入
射方向を推定するものである。従来、この周波数領域整
相の原理を用いて狭帯域信号の入射方向を推定する信号
入射方向推定装置としては、例えば、図２に示すような
信号入射方向推定装置の構成が知られている。図２は、
従来の信号入射方向推定装置の一構成例を示す機能ブロ
ック図である。この信号入射方向推定装置は、個別回路
あるいはプログラムで動作するプロセッサ等で構成さ
れ、センサアレイ１を備えている。センサアレイ１の出
力側には周波数分析器２が接続されている。センサアレ
イ１は、第１のセンサ１1 、第２のセンサ１2 、…、及
び第Ｋのセンサ１K （ｋ＝１，２，…，Ｋ）を有し、そ
の第ｋのセンサ１k の出力側には周波数分析器２の第ｋ
の周波数分析器２k がそれぞれ接続されている。周波数
分析器２の各周波数分析器２k の出力側には、各センサ
１k の受信信号の位相を揃えるために位相補償を施す周
波数領域整相器３が接続されている。周波数領域整相器
３の出力側には、周波数分析器２で割り当てられたＶ個
の周波数ビンの各周波数に対して詳細な周波数分析を行
うＶ個の周波数分析器４v （ｖ＝１，２，…，Ｖ）が接
続されている。各周波数分析器４v の出力側には、瞬時
パワーを算出するパワー算出器５が接続され、更に、そ
のパワー算出器５の出力側には、長時間積分パワーを算
出する積分器６が接続されている。積分器６の出力側に
は、ピークを検出するピーク検出器７が接続されてい
る。次に、図２の装置の動作を説明する。各センサ１k
（ｋ＝１，２，…，Ｋ）は、３次元空間の適当な位置に
配置され、狭帯域信号源とセンサアレイ１との距離が十
分に大であるので入射波を平面波とみなせる。時刻ｔに
センサアレイ１の各センサ１kで受信された信号ｘk(ｔ)
は、各センサ１k に接続された周波数分析器２kに出力
される。周波数分析器２kでは、所定の周波数幅でＶ個
の周波数ビン（ｆv，ｖ＝１，２，…，Ｖ)に分割して、
各周波数ビン(ｆv）毎に、次式(４)で表されるＸk(ｆv)
(ｖ＝１，２，…，Ｖ)を求める。
来する音波に対して、センサアレイの各センサに入力す
る波の位相が見かけ上等しくなるように、各センサより
出力された音波信号に対して周波数分析を行い、周波数
分析結果に位相補償を施すことである。この周波数領域
整相を行うことにより、例えば、センサが平面上に直線
アレイ上に並べられた時、このアレイの軸が入射面に対
してあたかも平行に置かれるようにすることで、入射波
に対して各センサ出力の和を最大にする方位を求めて入
射方向を推定するものである。従来、この周波数領域整
相の原理を用いて狭帯域信号の入射方向を推定する信号
入射方向推定装置としては、例えば、図２に示すような
信号入射方向推定装置の構成が知られている。図２は、
従来の信号入射方向推定装置の一構成例を示す機能ブロ
ック図である。この信号入射方向推定装置は、個別回路
あるいはプログラムで動作するプロセッサ等で構成さ
れ、センサアレイ１を備えている。センサアレイ１の出
力側には周波数分析器２が接続されている。センサアレ
イ１は、第１のセンサ１1 、第２のセンサ１2 、…、及
び第Ｋのセンサ１K （ｋ＝１，２，…，Ｋ）を有し、そ
の第ｋのセンサ１k の出力側には周波数分析器２の第ｋ
の周波数分析器２k がそれぞれ接続されている。周波数
分析器２の各周波数分析器２k の出力側には、各センサ
１k の受信信号の位相を揃えるために位相補償を施す周
波数領域整相器３が接続されている。周波数領域整相器
３の出力側には、周波数分析器２で割り当てられたＶ個
の周波数ビンの各周波数に対して詳細な周波数分析を行
うＶ個の周波数分析器４v （ｖ＝１，２，…，Ｖ）が接
続されている。各周波数分析器４v の出力側には、瞬時
パワーを算出するパワー算出器５が接続され、更に、そ
のパワー算出器５の出力側には、長時間積分パワーを算
出する積分器６が接続されている。積分器６の出力側に
は、ピークを検出するピーク検出器７が接続されてい
る。次に、図２の装置の動作を説明する。各センサ１k
（ｋ＝１，２，…，Ｋ）は、３次元空間の適当な位置に
配置され、狭帯域信号源とセンサアレイ１との距離が十
分に大であるので入射波を平面波とみなせる。時刻ｔに
センサアレイ１の各センサ１kで受信された信号ｘk(ｔ)
は、各センサ１k に接続された周波数分析器２kに出力
される。周波数分析器２kでは、所定の周波数幅でＶ個
の周波数ビン（ｆv，ｖ＝１，２，…，Ｖ)に分割して、
各周波数ビン(ｆv）毎に、次式(４)で表されるＸk(ｆv)
(ｖ＝１，２，…，Ｖ)を求める。
【数２】 狭帯域信号源と各センサ１k の距離は、夫々異なるた
め、各センサ１k で受信された信号ｘk （ｔ）の位相が
違ってくる。従って、周波数領域整相器３では、この位
相を原点に置かれたセンサでの受信信号の位相に合わせ
るために、Ｍ個の予め決められた整相方向ベクトルｎm
（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対して、次式（５）で表され
る位相補償量Ｙ（ｎm ，ｆv ，ｒk ）を求めて、周波数
分析器２kから出力されたＸk （ｆv ）を掛け合わせ
る。 Ｙ（ｎm ，ｆv ，ｒk ）＝EXP(−ｊ（２πｆv ／ｃ）ｎm ・ｒk ）・・（５） 但し、 ｃ；波の速さ ｎm ；整相方向の単位ベクトル ｒk ；ｋ番目のセンサ１k の位置ベクトル ｎm ・ｒk ; ベクトルｎm とベクトルｒk との内積 更に、周波数領域整相器３では、整相方向及び周波数ビ
ン毎に、和をとり式（６）で示されるＰ（ｎm ，ｆv ）
を求めて、周波数分析器４v に出力する。
め、各センサ１k で受信された信号ｘk （ｔ）の位相が
違ってくる。従って、周波数領域整相器３では、この位
相を原点に置かれたセンサでの受信信号の位相に合わせ
るために、Ｍ個の予め決められた整相方向ベクトルｎm
（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対して、次式（５）で表され
る位相補償量Ｙ（ｎm ，ｆv ，ｒk ）を求めて、周波数
分析器２kから出力されたＸk （ｆv ）を掛け合わせ
る。 Ｙ（ｎm ，ｆv ，ｒk ）＝EXP(−ｊ（２πｆv ／ｃ）ｎm ・ｒk ）・・（５） 但し、 ｃ；波の速さ ｎm ；整相方向の単位ベクトル ｒk ；ｋ番目のセンサ１k の位置ベクトル ｎm ・ｒk ; ベクトルｎm とベクトルｒk との内積 更に、周波数領域整相器３では、整相方向及び周波数ビ
ン毎に、和をとり式（６）で示されるＰ（ｎm ，ｆv ）
を求めて、周波数分析器４v に出力する。
【０００３】
【数３】 式（５）の（２πｆv ／ｃ）ｎm ・ｒk は、整相方向ベ
クトルｎm 、周波数ｆv の狭帯域信号を、原点に置かれ
たセンサでの受信信号とセンサ１k での受信信号との間
の位相のずれであり、位相補償を施し原点での位相が揃
った整相方向ベクトルｎ0及び周波数ｆ0が最大のパワー
となる。従って、この周波数ｆ0 が周波数ビンｆv （ｖ
＝１，２，…，Ｖ）の中で最適な周波数、整相方向ベク
トルｎ0が整相方向ベクトルｎm の中で狭帯域信号源の
最適な整相方向となる。周波数分析器４v では、Ｐ（ｎ
m，ｆv）をさらに詳細な周波数分析を行い、１周波数あ
たりＱ個の周波数ビンｆvq（ｑ＝１，２，…，Ｑ）を抽
出し、Ｚ（ｎm，ｆvq）をパワー算出器５に出力する。
パワー算出器５では、周波数分析器４vの出力の瞬時パ
ワー｜Ｚ（ｎm，ｆvq）｜2を求めて、積分器６に出力す
る。積分器６では、瞬時パワー｜Ｚ（ｎm，ｆvq）｜2を
積分することにより、各周波数ビン（ｆvq）の長時間積
分パワー｜Ｚs（ｎm，ｆvq）｜2 を算出し、ピーク検出
器７に出力する。ピーク検出器７では、積分器６の｜Ｚ
s（ｎm，ｆvq）｜2 に対して、整相方向ｎm 及び周波数
ｆvqの２次元でのピーク検出処理を行い、極大値をとる
方向ベクトルｎ0 を狭帯域信号の入射方向の推定値とし
て、周波数ｆ00を信号の周波数の推定値として出力す
る。
クトルｎm 、周波数ｆv の狭帯域信号を、原点に置かれ
たセンサでの受信信号とセンサ１k での受信信号との間
の位相のずれであり、位相補償を施し原点での位相が揃
った整相方向ベクトルｎ0及び周波数ｆ0が最大のパワー
となる。従って、この周波数ｆ0 が周波数ビンｆv （ｖ
＝１，２，…，Ｖ）の中で最適な周波数、整相方向ベク
トルｎ0が整相方向ベクトルｎm の中で狭帯域信号源の
最適な整相方向となる。周波数分析器４v では、Ｐ（ｎ
m，ｆv）をさらに詳細な周波数分析を行い、１周波数あ
たりＱ個の周波数ビンｆvq（ｑ＝１，２，…，Ｑ）を抽
出し、Ｚ（ｎm，ｆvq）をパワー算出器５に出力する。
パワー算出器５では、周波数分析器４vの出力の瞬時パ
ワー｜Ｚ（ｎm，ｆvq）｜2を求めて、積分器６に出力す
る。積分器６では、瞬時パワー｜Ｚ（ｎm，ｆvq）｜2を
積分することにより、各周波数ビン（ｆvq）の長時間積
分パワー｜Ｚs（ｎm，ｆvq）｜2 を算出し、ピーク検出
器７に出力する。ピーク検出器７では、積分器６の｜Ｚ
s（ｎm，ｆvq）｜2 に対して、整相方向ｎm 及び周波数
ｆvqの２次元でのピーク検出処理を行い、極大値をとる
方向ベクトルｎ0 を狭帯域信号の入射方向の推定値とし
て、周波数ｆ00を信号の周波数の推定値として出力す
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
信号入射方向推定装置では、次のような問題があった。
式（５）で示される位相補償量Ｙ（ｎm ，ｆv ，ｒk ）
の算出に用いられている周波数ｆv は、狭帯域信号の周
波数ではなく、周波数分析器２による周波数分割の際の
周波数ビンの代表周波数であり、誤差を含んでいる。従
って、位相補償量Ｙ（ｎm ，ｆv ，ｒk ）を用いて推定
された入射方向も誤差の影響を受け、精度の高い推定が
行えなかった。特に、狭帯域信号の周波数が周波数分割
の境界値付近の場合は、その誤差は最も大きなものにな
り、問題である。本発明は、前記従来技術が持っていた
課題として、推定された入射方向が位相補償量の誤差に
よる影響を受けて、精度の高い推定が行えなかったとい
う点について解決した信号入射方向推定装置を提供する
ものである。
信号入射方向推定装置では、次のような問題があった。
式（５）で示される位相補償量Ｙ（ｎm ，ｆv ，ｒk ）
の算出に用いられている周波数ｆv は、狭帯域信号の周
波数ではなく、周波数分析器２による周波数分割の際の
周波数ビンの代表周波数であり、誤差を含んでいる。従
って、位相補償量Ｙ（ｎm ，ｆv ，ｒk ）を用いて推定
された入射方向も誤差の影響を受け、精度の高い推定が
行えなかった。特に、狭帯域信号の周波数が周波数分割
の境界値付近の場合は、その誤差は最も大きなものにな
り、問題である。本発明は、前記従来技術が持っていた
課題として、推定された入射方向が位相補償量の誤差に
よる影響を受けて、精度の高い推定が行えなかったとい
う点について解決した信号入射方向推定装置を提供する
ものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のうちの第１の発明は、信号入射方向推定装
置において、任意の位置に配置され、信号源からの信号
を受信する複数のセンサと、前記センサで受信した受信
信号に対して複数の第１の周波数で周波数分析する第１
の周波数分析手段と、前記受信信号の位相を揃えるため
に、前記第１の周波数分析手段の前記第１の周波数での
各出力に、複数の信号入射推定方向の各信号入射推定方
向と前記第１の周波数とにおける前記センサでの位相補
償量を掛け合わせ、その結果を前記複数のセンサ分加算
する位相補償手段と、前記位相補償手段の出力に基づ
き、前記第１の各周波数を詳細な複数の第２の周波数で
周波数分析を行う第２の周波数分析手段と、前記第２の
周波数分析手段の出力に基づき、前記信号入射推定方向
及び前記第２の周波数の中から第１の信号入射推定方向
及び最適な第２の周波数を求める算出手段と、推定方向
誤差補正手段とを備えている。 前記推定方向誤差補正手
段は、前記第１の信号入射推定方向と前記最適な第２の
周波数が前記第１の周波数から得られた場合のその第１
の周波数における前記センサでの位相補償量、及び任意
の信号入射方向と前記最適な第２の周波数とにおける前
記センサでの位相補償量に基づき、前記任意の信号入射
方向の中から最適な第２の信号入射推定方向を求めて、
該最適な第２の信号入射方向を前記信号源の方向として
出力するものである。第２の発明は、第１の発明の信号
入射方向推定装置において、前記推定方向誤差補正手段
は、前記複数のセンサの各位置ベクトルをｒk （ｒk1，
ｒk2，ｒk3 ）（但し、ｋ＝１，…，Ｋ）、前記最適な第
２の周波数をｆ00、該第２の周波数ｆ00が得られた第１
の周波数をｆ0 、信号入射方向ベクトルをｎ、式（１）
で示される行列Ａ、及び式（２）で示されるベクトルを
ｂ（ｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 ）とし、式（３）を満たす信号入
射方向ベクトルｎを求めて該信号入射方向を前記信号源
の方向として出力する構成にしている。
に、本発明のうちの第１の発明は、信号入射方向推定装
置において、任意の位置に配置され、信号源からの信号
を受信する複数のセンサと、前記センサで受信した受信
信号に対して複数の第１の周波数で周波数分析する第１
の周波数分析手段と、前記受信信号の位相を揃えるため
に、前記第１の周波数分析手段の前記第１の周波数での
各出力に、複数の信号入射推定方向の各信号入射推定方
向と前記第１の周波数とにおける前記センサでの位相補
償量を掛け合わせ、その結果を前記複数のセンサ分加算
する位相補償手段と、前記位相補償手段の出力に基づ
き、前記第１の各周波数を詳細な複数の第２の周波数で
周波数分析を行う第２の周波数分析手段と、前記第２の
周波数分析手段の出力に基づき、前記信号入射推定方向
及び前記第２の周波数の中から第１の信号入射推定方向
及び最適な第２の周波数を求める算出手段と、推定方向
誤差補正手段とを備えている。 前記推定方向誤差補正手
段は、前記第１の信号入射推定方向と前記最適な第２の
周波数が前記第１の周波数から得られた場合のその第１
の周波数における前記センサでの位相補償量、及び任意
の信号入射方向と前記最適な第２の周波数とにおける前
記センサでの位相補償量に基づき、前記任意の信号入射
方向の中から最適な第２の信号入射推定方向を求めて、
該最適な第２の信号入射方向を前記信号源の方向として
出力するものである。第２の発明は、第１の発明の信号
入射方向推定装置において、前記推定方向誤差補正手段
は、前記複数のセンサの各位置ベクトルをｒk （ｒk1，
ｒk2，ｒk3 ）（但し、ｋ＝１，…，Ｋ）、前記最適な第
２の周波数をｆ00、該第２の周波数ｆ00が得られた第１
の周波数をｆ0 、信号入射方向ベクトルをｎ、式（１）
で示される行列Ａ、及び式（２）で示されるベクトルを
ｂ（ｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 ）とし、式（３）を満たす信号入
射方向ベクトルｎを求めて該信号入射方向を前記信号源
の方向として出力する構成にしている。
【０００６】
【数４】
【０００７】
【作用】第１の発明によれば、以上のように信号入射方
向推定装置を構成したので、任意の位置に配置された複
数のセンサが信号源からの信号を受信し、第１の周波数
分析手段がセンサで受信した受信信号に対して複数の第
１の周波数で周波数分析する。位相補償手段が前記第１
の周波数分析手段の前記第１の周波数での各出力と、複
数の信号入射推定方向の各信号入射推定方向と前記第１
の周波数とにおける前記センサでの位相補償量とを掛け
合わせ、その結果を前記複数のセンサ分加算する。第２
の周波数分析手段は位相補償手段の出力に基づき、前記
第１の各周波数を詳細な複数の第２の周波数で周波数分
析を行い、算出手段が第２の周波数分析手段の出力に基
づき、前記信号入射推定方向及び前記第２の周波数の中
から第１の信号入射推定方向及び最適な第２の周波数を
求める。推定方向誤差補正手段は、算出手段により出力
された最適な第１の信号入射推定方向と最適な第２の周
波数が第１の周波数から得られた場合のその第１の周波
数における前記センサでの位相補償量、及び任意の信号
入射方向と前記最適な第２の周波数における前記センサ
での位相補償量に基づき、前記任意の信号入射方向の中
から最適な第２の信号入射推定方向を求める。第２の発
明によれば、推定方向誤差補正手段は、式（１）で示さ
れる連立方程式を満たす信号入射方向ベクトルｎを求め
る。この信号入射方向ベクトルｎが、第１の信号入射推
定方向を補正した信号源の信号入射推定方向となる。従
って、前記課題を解決することができるのである。
向推定装置を構成したので、任意の位置に配置された複
数のセンサが信号源からの信号を受信し、第１の周波数
分析手段がセンサで受信した受信信号に対して複数の第
１の周波数で周波数分析する。位相補償手段が前記第１
の周波数分析手段の前記第１の周波数での各出力と、複
数の信号入射推定方向の各信号入射推定方向と前記第１
の周波数とにおける前記センサでの位相補償量とを掛け
合わせ、その結果を前記複数のセンサ分加算する。第２
の周波数分析手段は位相補償手段の出力に基づき、前記
第１の各周波数を詳細な複数の第２の周波数で周波数分
析を行い、算出手段が第２の周波数分析手段の出力に基
づき、前記信号入射推定方向及び前記第２の周波数の中
から第１の信号入射推定方向及び最適な第２の周波数を
求める。推定方向誤差補正手段は、算出手段により出力
された最適な第１の信号入射推定方向と最適な第２の周
波数が第１の周波数から得られた場合のその第１の周波
数における前記センサでの位相補償量、及び任意の信号
入射方向と前記最適な第２の周波数における前記センサ
での位相補償量に基づき、前記任意の信号入射方向の中
から最適な第２の信号入射推定方向を求める。第２の発
明によれば、推定方向誤差補正手段は、式（１）で示さ
れる連立方程式を満たす信号入射方向ベクトルｎを求め
る。この信号入射方向ベクトルｎが、第１の信号入射推
定方向を補正した信号源の信号入射推定方向となる。従
って、前記課題を解決することができるのである。
【０００８】
【実施例】図１は、本発明の実施例を示す信号入射方向
推定装置の機能ブロック図であり、従来の信号入射方向
推定装置を示す図２中の要素と共通の要素には共通の符
号が付されている。この信号入射方向推定装置は、個別
回路あるいはプログラムで動作するプロセッサ等で構成
され、従来のものと異なる点は、推定方向誤差補正手段
である推定方向誤差補正器８を新たに設けたことであ
る。図３は、図１中の推定方向誤差補正器８の構成例を
示す機能ブロック図である。この推定方向誤差補正器８
は、任意の位置に配置された複数のセンサ１ 1 ，…，１
K からなるセンサアレイ１の第ｋのセンサ１k （ｋ＝
１，２，…，Ｋ）の座標ベクトルｒk の各座標（ｒk1，
ｒk2，ｒk3）を記憶するレジスタ（ＲＥＧ）１０を備
え、その出力側には第ｋのセンサ１k のベクトルｒk と
ピーク検出器７から出力される推定入射方向ベクトルｎ
0 との内積をとる内積算出手段１１、及び掛算器１２が
接続されている。内積算出手段１１の出力側には、掛算
器１２及び加算器１３が接続されている。掛算器１２の
出力側には、加算器１４が接続され、更にその加算器１
４の出力側には、掛算器１５が接続されている。この掛
算器１５は、センサアレイ１のセンサの個数Ｋを記憶す
るレジスタ（ＲＥＧ）１６の出力側にも接続されてい
る。加算器１３の出力側には、掛算器１７が接続されて
いる。この掛算器１７は、次式（７）で示されるセンサ
アレイ１のセンサの座標の座標軸ごとの総和Ｓ1 ，Ｓ
2 ，Ｓ3 を記憶するレジスタ（ＲＥＧ）１９の出力側に
も接続されている。
推定装置の機能ブロック図であり、従来の信号入射方向
推定装置を示す図２中の要素と共通の要素には共通の符
号が付されている。この信号入射方向推定装置は、個別
回路あるいはプログラムで動作するプロセッサ等で構成
され、従来のものと異なる点は、推定方向誤差補正手段
である推定方向誤差補正器８を新たに設けたことであ
る。図３は、図１中の推定方向誤差補正器８の構成例を
示す機能ブロック図である。この推定方向誤差補正器８
は、任意の位置に配置された複数のセンサ１ 1 ，…，１
K からなるセンサアレイ１の第ｋのセンサ１k （ｋ＝
１，２，…，Ｋ）の座標ベクトルｒk の各座標（ｒk1，
ｒk2，ｒk3）を記憶するレジスタ（ＲＥＧ）１０を備
え、その出力側には第ｋのセンサ１k のベクトルｒk と
ピーク検出器７から出力される推定入射方向ベクトルｎ
0 との内積をとる内積算出手段１１、及び掛算器１２が
接続されている。内積算出手段１１の出力側には、掛算
器１２及び加算器１３が接続されている。掛算器１２の
出力側には、加算器１４が接続され、更にその加算器１
４の出力側には、掛算器１５が接続されている。この掛
算器１５は、センサアレイ１のセンサの個数Ｋを記憶す
るレジスタ（ＲＥＧ）１６の出力側にも接続されてい
る。加算器１３の出力側には、掛算器１７が接続されて
いる。この掛算器１７は、次式（７）で示されるセンサ
アレイ１のセンサの座標の座標軸ごとの総和Ｓ1 ，Ｓ
2 ，Ｓ3 を記憶するレジスタ（ＲＥＧ）１９の出力側に
も接続されている。
【０００９】
【数５】 掛算器１５及び掛算器１７の出力側には、加算器１８が
接続され、更に、その出力側には掛算器２０が接続され
ている。掛算器２０は、除算器２１の出力側に接続され
ている。除算器２１は、ピーク検出器７の出力側に接続
されている。掛算器２０の出力側には、式（３）の連立
方程式を解く方程式解法手段２１が接続され、この方程
式解法手段２１は、係数行列Ａを記憶するレジスタ（Ｒ
ＥＧ）２２の出力側に接続されている。次に、本実施例
の原理を説明する。ベクトルｎの方向に置かれた狭帯域
信号源から周波数ｆ、振幅１の正弦波がセンサアレイ１
に到来したとし、ピーク検出器７より代表周波数ｆ0 及
び推定方向ｎ0 が出力されたとする。式（３）のＸk を
狭帯域信号の式EXP(j(2 πf/c)ｎ・ｒk ）で置き換えれ
ば、次式（８）で表されるP(ｎ，ｆ) が得られる。
接続され、更に、その出力側には掛算器２０が接続され
ている。掛算器２０は、除算器２１の出力側に接続され
ている。除算器２１は、ピーク検出器７の出力側に接続
されている。掛算器２０の出力側には、式（３）の連立
方程式を解く方程式解法手段２１が接続され、この方程
式解法手段２１は、係数行列Ａを記憶するレジスタ（Ｒ
ＥＧ）２２の出力側に接続されている。次に、本実施例
の原理を説明する。ベクトルｎの方向に置かれた狭帯域
信号源から周波数ｆ、振幅１の正弦波がセンサアレイ１
に到来したとし、ピーク検出器７より代表周波数ｆ0 及
び推定方向ｎ0 が出力されたとする。式（３）のＸk を
狭帯域信号の式EXP(j(2 πf/c)ｎ・ｒk ）で置き換えれ
ば、次式（８）で表されるP(ｎ，ｆ) が得られる。
【数６】 式(８)の(2πf/c)ｎ・ｒk は、狭帯域信号源からの周波
数ｆ、振幅１の正弦波のセンサ１k での受信信号と原点
に置かれたセンサの受信信号との間の位相のずれである
(以下、第１のずれと呼ぶ)。(2πｆ0/c)ｎ0・ｒkは、信
号方向ベクトルｎ0、周波数ｆ0の正弦波をセンサ１k の
受信信号と原点に置かれたセンサの受信信号との間の位
相のずれ(以下、第２のずれと呼ぶ)であり、EXP(-j(2π
ｆ0/c)ｎ0・ｒk）はその位相補償量である。従って、式
（８）の右辺の各項は、第１のずれと第２のずれの違い
を複素数で表現したものである。式（８）のパワー｜Ｐ
｜2 は、次式（９）で表される。
数ｆ、振幅１の正弦波のセンサ１k での受信信号と原点
に置かれたセンサの受信信号との間の位相のずれである
(以下、第１のずれと呼ぶ)。(2πｆ0/c)ｎ0・ｒkは、信
号方向ベクトルｎ0、周波数ｆ0の正弦波をセンサ１k の
受信信号と原点に置かれたセンサの受信信号との間の位
相のずれ(以下、第２のずれと呼ぶ)であり、EXP(-j(2π
ｆ0/c)ｎ0・ｒk）はその位相補償量である。従って、式
（８）の右辺の各項は、第１のずれと第２のずれの違い
を複素数で表現したものである。式（８）のパワー｜Ｐ
｜2 は、次式（９）で表される。
【数７】 このパワー｜Ｐ｜2 が最大になる方位ベクトルｎを求め
る。ここで、適当な３次元空間上の座標系をとり、ベク
トルｎ＝（ｎ1 ，ｎ2 ，ｎ3 ）、ｎ0 ＝（ｎ0 1 ，ｎ0
2 ，ｎ0 3 ）、ｒk ＝（ｒk1，ｒk2，ｒk3）とし、式
（９）をｎi （ｉ＝１，２，３）で偏微分すると次式
（１０）が得られる。 ｄ｜Ｐ｜2 ／ｄｎi ＝−２・Ｆ×Ｈ＋２・Ｇ×Ｉ ・・・（１０） 但し、
る。ここで、適当な３次元空間上の座標系をとり、ベク
トルｎ＝（ｎ1 ，ｎ2 ，ｎ3 ）、ｎ0 ＝（ｎ0 1 ，ｎ0
2 ，ｎ0 3 ）、ｒk ＝（ｒk1，ｒk2，ｒk3）とし、式
（９）をｎi （ｉ＝１，２，３）で偏微分すると次式
（１０）が得られる。 ｄ｜Ｐ｜2 ／ｄｎi ＝−２・Ｆ×Ｈ＋２・Ｇ×Ｉ ・・・（１０） 但し、
【数８】 ところで、一般にsin θ及びcos θを０の近傍でTaylor
展開すれば、次式（１１）、（１２）が得られる。 sin θ＝θ＋Ｏ(θ3 ） ・・・（１１） cos θ＝１＋Ｏ(θ2 ） ・・・（１２） ｆ0 及びｎ0 は、ｆ及びｎを推定したものであるから、
θ＝2 π/c（ｒK ・（ｆｎ−ｆ0 ｎ0 ）として、式（１
１）及び（１２）の１次の項までを式（１０）に代入す
ると、次式（１３）が得られる。
展開すれば、次式（１１）、（１２）が得られる。 sin θ＝θ＋Ｏ(θ3 ） ・・・（１１） cos θ＝１＋Ｏ(θ2 ） ・・・（１２） ｆ0 及びｎ0 は、ｆ及びｎを推定したものであるから、
θ＝2 π/c（ｒK ・（ｆｎ−ｆ0 ｎ0 ）として、式（１
１）及び（１２）の１次の項までを式（１０）に代入す
ると、次式（１３）が得られる。
【００１０】
【数９】 ｜Ｐ｜2 がｎで極大値をとるので次式（１４）が得られ
る。 ｄ｜Ｐ｜2 ／ｄｎi ＝０ ・・・（１４） 但し ｉ＝１，２，３ 従って、式（１４）を満たすｎを求めれば、狭帯域信号
源の方位がより正確に求められる。式（１３）により、
次式（１５）が得られる。 ＡｎT ＝（ｆ0 ／ｆ）ｂT ・・・（１５） 但し、 ｎT ；ベクトルｎの転値行列 ｂT ；ベクトルｂ（ｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 ）の転値行列 ベクトルｂの成分ｂi は、式（２）で表され、係数行列
Ａは式（１）で表される。
る。 ｄ｜Ｐ｜2 ／ｄｎi ＝０ ・・・（１４） 但し ｉ＝１，２，３ 従って、式（１４）を満たすｎを求めれば、狭帯域信号
源の方位がより正確に求められる。式（１３）により、
次式（１５）が得られる。 ＡｎT ＝（ｆ0 ／ｆ）ｂT ・・・（１５） 但し、 ｎT ；ベクトルｎの転値行列 ｂT ；ベクトルｂ（ｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 ）の転値行列 ベクトルｂの成分ｂi は、式（２）で表され、係数行列
Ａは式（１）で表される。
【００１１】
【数１０】 式（１５）にＡの逆行列を掛けることにより、方位ベク
トルｎが求められる。周波数分析器４の詳細な周波数分
析により、狭帯域信号源の周波数ｆ00が推定周波数とし
て出力されるので、式（１５）のｆに推定周波数ｆ00を
代入し、その連立方程式の解の方向べクトルｎ1 を求め
る。この方向べクトルｎ1 は、方向べクトルｎ0 の誤差
が補正されたものとなり、狭帯域信号源の推定方向の精
度が向上する。
トルｎが求められる。周波数分析器４の詳細な周波数分
析により、狭帯域信号源の周波数ｆ00が推定周波数とし
て出力されるので、式（１５）のｆに推定周波数ｆ00を
代入し、その連立方程式の解の方向べクトルｎ1 を求め
る。この方向べクトルｎ1 は、方向べクトルｎ0 の誤差
が補正されたものとなり、狭帯域信号源の推定方向の精
度が向上する。
【００１２】次に、このような原理を用いた図３の推定
方向誤差補正器８の動作を説明する。内積算出手段１１
では、次式（１６）で示されるピーク検出器７から出力
される狭帯域信号源の推定方向ｎ0 とレジスタ１０から
出力されるセンサ１k の位置ベクトルとの内積を算出
し、掛算器１２及び加算器１３に出力する。 ｄ1 ＝（ｒ1 ・ｎ0 ），…，ｄK ＝（ｒK ・ｎ0 ） ・・・（１６） 掛算器１２では、レジスタ１０から出力されるセンサ１
k の位置ベクトルｒkの各成分に、内積算出手段１１の
出力ｄk を掛け、ｄk ｒki（ｋ＝１，…，Ｋ，ｉ＝１，
２，３）を加算器１４に出力する。加算器１４では、次
式（１７）で示される、掛算器１２の出力のセンサごと
の総和を求め、掛算器１５に出力する。
方向誤差補正器８の動作を説明する。内積算出手段１１
では、次式（１６）で示されるピーク検出器７から出力
される狭帯域信号源の推定方向ｎ0 とレジスタ１０から
出力されるセンサ１k の位置ベクトルとの内積を算出
し、掛算器１２及び加算器１３に出力する。 ｄ1 ＝（ｒ1 ・ｎ0 ），…，ｄK ＝（ｒK ・ｎ0 ） ・・・（１６） 掛算器１２では、レジスタ１０から出力されるセンサ１
k の位置ベクトルｒkの各成分に、内積算出手段１１の
出力ｄk を掛け、ｄk ｒki（ｋ＝１，…，Ｋ，ｉ＝１，
２，３）を加算器１４に出力する。加算器１４では、次
式（１７）で示される、掛算器１２の出力のセンサごと
の総和を求め、掛算器１５に出力する。
【００１３】
【数１１】 掛算器１５では、加算器１４の出力の各要素にレジスタ
（ＲＥＧ）１６から出力されるセンサの個数Ｋを掛け、
次式（１８）で示されるＴ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 を加算器１８
に出力する。
（ＲＥＧ）１６から出力されるセンサの個数Ｋを掛け、
次式（１８）で示されるＴ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 を加算器１８
に出力する。
【００１４】
【数１２】 一方、加算器１３では、次式（１９）で示される内積算
出手段１１の出力の総和Ｄを求めて、掛算器１７に出力
する。
出手段１１の出力の総和Ｄを求めて、掛算器１７に出力
する。
【００１５】
【数１３】 掛算器１７では、レジスタ（ＲＥＧ）１９から出力され
る座標軸ごとの要素に加算器１３の出力を掛けＳ1 Ｄ，
Ｓ2 Ｄ，Ｓ3 Ｄを加算器１８に出力する。加算器１８で
は、対応する成分ごとに、掛算器１７の出力から掛算器
１５の出力を減じ、次式（２０）で示されるベクトルｂ
（ｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 ）の各成分を掛算器２０に出力す
る。 ｂi ＝Ｓi Ｄ−Ｔi ・・・（２０） ｉ＝１，２，３ 割算器２１では、ピーク検出器７の出力の推定周波数ｆ
0 をｆ00で割り、その結果ｆ0 ／ｆ00を掛算器２０に出
力する。掛算器２０では、加算器１８の出力であるベク
トルｂの各成分に、掛算器２０の出力ｆ0 ／ｆ00を掛
け、定数項ベクトルとして（ｆ0 ／ｆ00）ｂを方程式解
法手段２１に出力する。方程式解法手段２１では、掛算
器２０からの定数項ベクトル及びレジスタ（ＲＥＧ）２
２からの係数行列Ａとをもとに、次式（１７）で示され
る連立方程式の解を数値計算により求め、得られた解、
ベクトルｎ（ｎ1 ，ｎ2 ，ｎ3 ）を補正された狭帯域信
号源の入射方向の推定値として出力する。
る座標軸ごとの要素に加算器１３の出力を掛けＳ1 Ｄ，
Ｓ2 Ｄ，Ｓ3 Ｄを加算器１８に出力する。加算器１８で
は、対応する成分ごとに、掛算器１７の出力から掛算器
１５の出力を減じ、次式（２０）で示されるベクトルｂ
（ｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 ）の各成分を掛算器２０に出力す
る。 ｂi ＝Ｓi Ｄ−Ｔi ・・・（２０） ｉ＝１，２，３ 割算器２１では、ピーク検出器７の出力の推定周波数ｆ
0 をｆ00で割り、その結果ｆ0 ／ｆ00を掛算器２０に出
力する。掛算器２０では、加算器１８の出力であるベク
トルｂの各成分に、掛算器２０の出力ｆ0 ／ｆ00を掛
け、定数項ベクトルとして（ｆ0 ／ｆ00）ｂを方程式解
法手段２１に出力する。方程式解法手段２１では、掛算
器２０からの定数項ベクトル及びレジスタ（ＲＥＧ）２
２からの係数行列Ａとをもとに、次式（１７）で示され
る連立方程式の解を数値計算により求め、得られた解、
ベクトルｎ（ｎ1 ，ｎ2 ，ｎ3 ）を補正された狭帯域信
号源の入射方向の推定値として出力する。
【００１６】以上のように、本実施例では、以下の利点
がある。（ｉ）任意の位置に配置された複数のセンサ１
1 ，…，１ K からなるセンサアレイ１によって受信した
信号を用い、信号の入射方向を推定し、さらに推定方向
誤差補正器８によってその入射方向の誤差を補正するよ
うにしたので、センサ１ 1 ，…，１ K の配置に依存せず
に、信号源の入射方向をより精度よく推定することがで
きる。即ち、方程式解法手段２１により求められた狭帯
域信号源の入射推定方向ベクトルｎは、誤差を含んだ周
波数ｆ0 より推定された入射推定方向ベクトルｎ0 の誤
差を補正し、精度の高い狭帯域信号源の入射推定方向を
求めることができる。 （ii）１次連立方程式を解くことによって入射推定方向
ベクトルｎ0 の誤差を補正できるので、簡単に誤差補正
することができる。なお、本発明は上記実施例に限定さ
れず、種々の変形が可能である。その変形例としては、
例えば次のようなものがある。 （１）レジスタ２２には係数行列Ａの逆行列Ａ-1を記憶
し、方程式解法手段２１が、次式（２１）の連立方程式
を解いてもよい。 ｎ＝（ｆ0 ／ｆ00）Ａ-1ｂ ・・・（２１）
がある。（ｉ）任意の位置に配置された複数のセンサ１
1 ，…，１ K からなるセンサアレイ１によって受信した
信号を用い、信号の入射方向を推定し、さらに推定方向
誤差補正器８によってその入射方向の誤差を補正するよ
うにしたので、センサ１ 1 ，…，１ K の配置に依存せず
に、信号源の入射方向をより精度よく推定することがで
きる。即ち、方程式解法手段２１により求められた狭帯
域信号源の入射推定方向ベクトルｎは、誤差を含んだ周
波数ｆ0 より推定された入射推定方向ベクトルｎ0 の誤
差を補正し、精度の高い狭帯域信号源の入射推定方向を
求めることができる。 （ii）１次連立方程式を解くことによって入射推定方向
ベクトルｎ0 の誤差を補正できるので、簡単に誤差補正
することができる。なお、本発明は上記実施例に限定さ
れず、種々の変形が可能である。その変形例としては、
例えば次のようなものがある。 （１）レジスタ２２には係数行列Ａの逆行列Ａ-1を記憶
し、方程式解法手段２１が、次式（２１）の連立方程式
を解いてもよい。 ｎ＝（ｆ0 ／ｆ00）Ａ-1ｂ ・・・（２１）
【００１７】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の発明
によれば、任意の位置に配置された複数のセンサによっ
て受信した信号を用い、信号の入射方向を推定し、さら
に推定方向誤差補正手段によってその入射方向の誤差を
補正するようにしたので、センサの配置に依存せずに、
信号源の入射方向をより精度よく推定することができ
る。第２の発明によれば、推定方向誤差補正手段が１次
の連立方程式を解くことにより、信号入射推定方向の誤
差を補正するので、信号源の信号入射方向を容易にかつ
精度よく推定することができる。
によれば、任意の位置に配置された複数のセンサによっ
て受信した信号を用い、信号の入射方向を推定し、さら
に推定方向誤差補正手段によってその入射方向の誤差を
補正するようにしたので、センサの配置に依存せずに、
信号源の入射方向をより精度よく推定することができ
る。第２の発明によれば、推定方向誤差補正手段が１次
の連立方程式を解くことにより、信号入射推定方向の誤
差を補正するので、信号源の信号入射方向を容易にかつ
精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す信号入射方向推定装置の
機能ブロック図である。
機能ブロック図である。
【図２】従来の信号入射方向推定装置の機能ブロック図
である。
である。
【図３】図１の推定方向誤差補正器の機能ブロック図で
ある。
ある。
１k （ｋ＝１，２，・・・，Ｋ）； センサ ２k （ｋ＝１，２，・・・，Ｋ）； 周波数分析器 ３； 周波数領域整相
器 ４v （ｖ＝１，２，・・・，Ｖ）； 周波数分析器 ５； パワー算出器 ６； 積分器 ７； ピーク検出器 ８； 推定方向誤差補
正器
器 ４v （ｖ＝１，２，・・・，Ｖ）； 周波数分析器 ５； パワー算出器 ６； 積分器 ７； ピーク検出器 ８； 推定方向誤差補
正器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−60851（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−105289（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平６−93014（ＪＰ，Ｂ２) 特許2763819（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96
Claims (2)
- 【請求項１】 任意の位置に配置され、信号源からの信
号を受信する複数のセンサと、 前記センサで受信した受信信号に対して複数の第１の周
波数で周波数分析する第１の周波数分析手段と、 前記受信信号の位相を揃えるために、前記第１の周波数
分析手段の前記第１の周波数での各出力に、複数の信号
入射推定方向の各信号入射推定方向と前記第１の周波数
とにおける前記センサでの位相補償量を掛け合わせ、そ
の結果を前記複数のセンサ分加算する位相補償手段と、 前記位相補償手段の出力に基づき、前記第１の各周波数
を詳細な複数の第２の周波数で周波数分析を行う第２の
周波数分析手段と、 前記第２の周波数分析手段の出力に基づき、前記信号入
射推定方向及び前記第２の周波数の中から第１の信号入
射推定方向及び最適な第２の周波数を求める算出手段
と、 前記第１の信号入射推定方向と前記最適な第２の周波数
が前記第１の周波数から得られた場合のその第１の周波
数とにおける前記センサでの位相補償量及び任意の信号
入射方向と前記最適な第２の周波数とにおける前記セン
サでの位相補償量に基づき、前記任意の信号入射方向の
中から最適な第２の信号入射推定方向を求めて、該最適
な第２の信号入射方向を前記信号源の方向として出力す
る推定方向誤差補正手段と、 を備え たことを特徴とする信号入射方向推定装置。 - 【請求項２】 前記推定方向誤差補正手段は、前記複数
のセンサの各位置ベクトルをｒk （ｒk1，ｒk2，
ｒk3）、（ｋ＝１，…，Ｋ）、前記最適な第２の周波数
をｆ00、該第２の周波数ｆ00が得られた第１の周波数を
ｆ0 、信号入射方向ベクトルをｎ、式（１）で示される
行列Ａ、及び式（２）で示されるベクトルをｂ（ｂ1 ，
ｂ2 ，ｂ2 ）とし、式（３）を満たす信号入射方向ベク
トルｎを求めて該信号入射方向ベクトルを前記信号源の
方向として出力する構成にしたことを特徴とする請求項
１記載の信号入射方向推定装置。 【数１】
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05305018A JP3140899B2 (ja) | 1993-12-06 | 1993-12-06 | 信号入射方向推定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05305018A JP3140899B2 (ja) | 1993-12-06 | 1993-12-06 | 信号入射方向推定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07159505A JPH07159505A (ja) | 1995-06-23 |
| JP3140899B2 true JP3140899B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=17940104
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05305018A Expired - Fee Related JP3140899B2 (ja) | 1993-12-06 | 1993-12-06 | 信号入射方向推定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3140899B2 (ja) |
-
1993
- 1993-12-06 JP JP05305018A patent/JP3140899B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07159505A (ja) | 1995-06-23 |
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