JP3973902B2 - センサ配置決定方法及びその装置並びに受信装置 - Google Patents
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Description
【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２０００−２１６６２０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 Classification）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、同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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か否かを判定し、相互相関量が所定値以下になっていない場合には複数のセンサの配置を変更するので、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、同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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、同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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、同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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１１〜１４、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）Ｓ１〜Ｓ４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２１〜２４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、Ｘ１〜ｎは各アンテナで観測される時系列データ、Ａ＝[ａ（θ１），…ａ（θｍ）]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、Ｓ１〜ｍ（ｔ）はｍ個の入射信号、Ｎ１〜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１１〜１４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ｐ４０・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ｐ４０・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ｐ４０・２の値は小さくなる。
【００３５】
相互相関量ｐ４０・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Ｓ１１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４１〜４４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１１〜１４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４Ａ／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），θｋ（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（θｋ）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σ２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Ｒｘｘ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λｉ（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σ２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λｉ（ｉ＝１，２…，Ｍ）に対応する固有ベクトルをｅｉ（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,…eK}と雑音空間span{eＫ＋ 1,…eＭ}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,…eK}はベクトルｅｉ（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（θ１），…，ａ（θｋ）｝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θｋ（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ＭＵＳＩＣ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Ｐ１のみが現れる。このため、ピークＰ１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Ｓ１，・・・，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６０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Ｓ１〜Ｓ４）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Ｏ１〜Ｏ４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Ｓ１，・・・，ｎの混合信号ｘ１，・・・，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ｘ１，・・・，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ｘ１（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ｘ１（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Ｘ１（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ｘ２，３，４（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Ｘ２，３，４（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Ｓ１，・・・，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Ｘ１，・・・，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Ｘ１，・・・，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（１５）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ＩＣＡ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ｓｉ（ｔ）が（強）定常でガウシアン（Gaussian）でないという仮定のもとで、ｙｉ（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（ｙｉ）をｐ（ｙ）のｙｉ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-Leibler 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（Ｙｉ；Ｂ）は周辺分布ｐ（ｙｉ）のエントロピーである。
【００７７】
これは｛Ｙｉ｝（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（ｙｉ）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（ＢＴ）−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、ＢＴＢ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Ｂｔ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（ｙｉ）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（ｙｉ）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ｙ１，・・・，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ｙ１，・・・，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ｙ１（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Ｏ１として外部に送出される。同様に、信号ｙ２，３，４（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Ｏ２〜Ｏ４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
【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２０００−２１６６２０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 Classification）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、同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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か否かを判定し、相互相関量が所定値以下になっていない場合には複数のセンサの配置を変更するので、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、同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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、同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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、同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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１１〜１４、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）Ｓ１〜Ｓ４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２１〜２４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】
【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１１〜１４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】
【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】
【００３４】
【数４】
【００３５】
相互相関量ｐ４０・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Ｓ１１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４１〜４４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１１〜１４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４Ａ／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），θｋ（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（θｋ）は、式（５）で与えられる。
【００５１】
【数５】
【００５２】
【数６】
【００５３】
【数７】
【００５４】
【数８】
【００５５】
span{e1,…eK}はベクトルｅｉ（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（θ１），…，ａ（θｋ）｝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】
【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ＭＵＳＩＣ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Ｐ１のみが現れる。このため、ピークＰ１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Ｓ１，・・・，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６０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Ｓ１〜Ｓ４）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Ｏ１〜Ｏ４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Ｓ１，・・・，ｎの混合信号ｘ１，・・・，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ｘ１，・・・，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ｘ１（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ｘ１（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Ｘ１（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ｘ２，３，４（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Ｘ２，３，４（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Ｓ１，・・・，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Ｘ１，・・・，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Ｘ１，・・・，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（１５）のベクトルで与えられるとする。
【００７１】
【数１０】
【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】
【００７３】
単純なＩＣＡの問題では、ｓ（ｔ）とｘ（ｔ）との間に、
【数１２】
【００７４】
即ち、あるｎ×ｎの実数行列を求めることにより、
【数１３】
【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ｓｉ（ｔ）が（強）定常でガウシアン（Gaussian）でないという仮定のもとで、ｙｉ（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】
【数１５】
【００７６】
同時分布と周辺分布の積との間Kullback-Leibler 発散（divergence）は、
【数１６】
【００７７】
これは｛Ｙｉ｝（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（ｙｉ）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】
【００７９】
一方、周辺分布のエントロピーは、
【数１８】
【数１９】
【数２０】
【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、ＢＴＢ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】
【００８１】
【数２２】
【００８２】
【数２３】
【００８３】
大雑把な考え方を示すと、もしｐ（ｙｉ）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ｙ１，・・・，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ｙ１，・・・，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ｙ１（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Ｏ１として外部に送出される。同様に、信号ｙ２，３，４（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Ｏ２〜Ｏ４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)
- 同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更することを特徴とするセンサ配置決定方法。 - 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。
- 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。
- 同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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。 - 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。
- 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。
- 同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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。 - 同一帯域内に複数の入射信号が混信している場合に、同一帯域内の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か否かを判定し、前記相互相関量が所定値以下になっていない場合には前記複数のセンサの配置を変更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。 - 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。
- 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。
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