JP4780497B2 - 信号受信装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、到来してくる信号を受信する受信装置及び方法に関し、詳しくは、コンサートホール等の所定位置における音場情報の抽出を行う受信装置及び方法に関する。
本出願は、日本国において２００３年１１月１７日に出願した日本特許出願番号２００３−３８７０１９を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。

信号が到来する音場の所定位置において、所定の方向から到来してくる信号を受信（受音）する際に、一般的に、所定の間隔で配置された複数の無指向性マイクロホンからなるマイクロホンアレイ装置を用いる。
無指向性マイクロホンが所定の間隔を経て配置されることにより、鋭い指向特性（超指向性）を得ることができる。このように、超指向特性を有するマイクロホンアレイ装置によれば、所定の方向から到来してくる信号を受信することができる。
しかし、到来してくる信号が低周数波領域（１００Ｈｚ程度）の場合には、波長が長波長となるため、マイクロホンの間隔を大きくとる必要がある。したがって、低周波数領域の信号を受信するためには、マイクロホンアレイ装置のサイズが大型化してしまい、小規模な空間領域しか有さない音場に持ち込むことが困難なため、小規模な音場における情報収集ができない問題がある。

本発明の目的は、装置サイズの大型化を伴うことなく、所定の方向から到来してくる高周波数領域の信号から低周波数領域の信号までを受信する信号受信装置及び方法を提供することにある。
本願発明に係る信号受信装置は、信号源から到来してくる信号を受信する所定の指向特性を有する受信手段と、上記受信手段により受信された信号として得られる方向別時間波形について、時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の影響を含む受信信号の方向別伝達関数を求める第１のフーリエ変換手段と、上記受信手段の指向特性関数を時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の方向別伝達関数を求める第２のフーリエ変換手段と、上記第１のフーリエ変換手段により得られた上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号の方向別伝達関数と、上記第２のフーリエ変換手段により得られた上記受信手段の指向特性の方向別伝達関数と上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号の方向別伝達関数とに基づき、空間デコンボリューション演算を行うことにより、上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号から上記受信手段の指向特性の影響を除いた上記受信信号の方向別伝達関数を求める第１の空間デコンボリューション演算手段と、上記第１の空間デコンボリューション演算手段により得られた上記受信信号の方向別伝達関数を逆フーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の影響を除いた上記受信信号の方向別時間波形を出力する逆フーリエ変換手段とを備えることを特徴とする。
また、本願発明に係る信号受信方法は、信号源から到来してくる信号を所定の指向特性を有する受信手段により受信する受信工程と、上記受信手段により受信された信号として得られる方向別時間波形について、時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の影響を含む受信信号の方向別伝達関数を求める第１のフーリエ変換工程と、上記受信手段の指向特性関数を時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の方向別伝達関数を求める第２のフーリエ変換工程と、上記第１のフーリエ変換手段により得られた上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号の方向別伝達関数と、上記第２のフーリエ変換手段により得られた上記受信手段の指向特性の方向別伝達関数と上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号の方向別伝達関数とに基づき、空間デコンボリューション演算を行うことにより、上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号から上記受信手段の指向特性の影響を除いた上記受信信号の方向別伝達関数を求める空間デコンボリューション演算工程と、上記第１の空間デコンボリューション演算工程により得られた上記受信信号の方向別伝達関数を逆フーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の影響を除いた上記受信信号の方向別時間波形を出力する逆フーリエ変換工程とを有することを特徴とする。

図１は、本発明を適用した信号受信装置の構造を示すブロック図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、受信部のマイクロホンの第１の構成を示す図である。 図３は、受信部のマイクロホンの指向特性を示す図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、ターンテーブルによりマイクロホンを回転させる際の説明に供する図である。 図５は、受信部を構成する他の例を示す図である。 図６は、受信部のマイクロホンで受信した２次元の音場の方向情報を示す図である。 図７は、受信部のマイクロホンで受信した３次元の音場の方向情報を示す図である。 図８は、水平面（２次元）のマイクロホンの指向特性を示す図である。 図９は、３次元のマイクロホンの指向特性を示す図である。 図１０は、マイクロホンの指向特性の影響を含まない２次元の音場の方向情報を示す図である。 図１１は、マイクロホンの指向特性の影響を含まない３次元の音場の方向情報を示す図である。 図１２は、本発明に係る信号受信装置の配置例を示す図である。 図１３は、各方向に到来してくる信号を受信した場合の信号波形図である。 図１４は、受信部で得られた信号を各方向に抽出し、抽出した信号の方向情報に基づく関数の波形図である。 図１５は、発信部Ａのみが存在する場合において、受信部で得られた信号を各方向に抽出し、抽出した信号の方向情報に基づく関数の波形図である。 図１６は、発信部Ｂのみが存在する場合において、受信部で得られた信号を各方向に抽出し、抽出した信号の方向情報に基づく関数の波形図である。 図１７は、マイクロホンの指向特性に基づき、方向情報の指向特性関数の波形図である。 図１８は、空間デコンボリューション演算後の方向情報に基づく関数の波形図である。 図１９は、空間デコンボリューション演算後の方向情報に基づく各方向の出力波形図である。 図２０は、任意の方向の指向特性関数の波形図である。 図２１は、本発明に係る信号受信装置により方向別インパルス応答の測定を行う際の説明に供する図である。 図２２Ａ及び図２２Ｂは、図２１を用いて説明した測定方法によって得られたマイクロホンの指向特性を示す図である。 図２３は、サイドローブを減衰するための指向特性を示す図である。 図２４Ａ及び図２４Ｂは、空間フィルタリングによる効果を示す図である。 図２５は、任意の形の指向特性を示す図である。 図２６Ａ及び図２６Ｂは、本発明に係る信号受信装置により図２５に示す任意の指向特性に基づいて演算を行い、得られた指向特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、例えば、図１に示すような構造の信号受信装置１に適用される。信号受信装置１は、音場の所定位置において、到来してくる信号を受信（受音）する受信部２と、受信部２で受信された信号に所定の信号処理を行う処理部３を備えている。
受信部２は、例えば、図２Ａに示すように、８つのマイクロホン２ａ〜２ｈが、それぞれの指向方向をａ方向〜ｈ方向に向くように配置されている。なお、マイクロホン２ａ〜２ｈは、例えば、図３に示すような指向特性Ｄを有している。しかし、指向特性Ｄによって他方向の信号も、所定方向の信号に混在してしまう。本発明は、混在した他方向の信号を取り除くことを目的とする。また、受信部２は、上述した構成に限られず、マイクロホンが複数個、水平方向に任意の間隔で点対称となるように配置され、及び／又は当該マイクロホンが複数個、垂直方向に任意の間隔で点対称となるように配置、つまり３次元的に配置されていても良い。
また、受信部２は、図２Ｂに示すように、１つのマイクロホン２ａをターンテーブル２０上に配置し、駆動部２１によりターンテーブル２０を回転させる構成であっても良い。また、ターンテーブル２０によりマイクロホン２ａを回転させる際に、音響中心が問題となるが、図４に示すように、マイクロホン２ａの中心をターンテーブル２０の回転軸Ａと一致させて、水平方向に回転しても良いし（図４Ａ）、マイクロホン２ａの中心をターンテーブル２０の回転軸Ａから一定距離保ちながら、水平方向に回転しても良い（図４Ｂ）。
また、予め、おおよその信号の到来方向が分かっている場合、又は任意の方向のみから到来してくる信号のみを受信する場合には、全方向にマイクロホンを向けずに、ある特定の方向範囲のみに複数のマイクロホンを配置、又はターンテーブルを回転させるように制御しても良い。例えば、前方方向を０度とした場合、左方向に３０度（−３０度）から右方向に３０度（＋３０度）の範囲のみに、点対称にマイクロホンを配置する。
また、受信部２は、図５に示すように、マイクロホン２ａを水平方向に回転駆動する水平方向回転駆動部２０と、マイクロホン２ａを垂直方向に回転駆動する垂直方向回転駆動部２１と、水平方向回転駆動部２０及び垂直方向回転駆動部２１を制御する制御部２２からなる構成であっても良い。
水平方向回転駆動部２０は、制御部２２の制御に応じてマイクロホン２ａを水平方向に任意の角度回転駆動する。垂直方向回転駆動部２１は、制御部２２の制御に応じてマイクロホン２ａを垂直方向に任意の角度回転駆動する。
このような構成によれば、マイクロホン２ａを３次元方向に駆動することが可能となる。
つぎに、処理部３の構成について以下に説明する。処理部３は、図１に示すように、受信部２で受信された信号を方向情報に関してフーリエ変換するフーリエ変換部１１と、受信部２のマイクロホンの指向特性を関数化し、該関数を記憶するデータベース１２と、データベース１２から読み出されたマイクロホンの指向特性関数をフーリエ変換するフーリエ変換部１３と、フーリエ変換部１１によりフーリエ変換された関数Ｍ１と、フーリエ変換部１３によりフーリエ変換された関数Ｍ２とに基づき、空間デコンボリューション演算を行う空間デコンボリューション部１４と、空間デコンボリューション部１４により空間デコンボリューション演算された関数Ｓ１を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部１５と、任意の方向に関する指向特性関数を記憶するデータベース１６と、データベース１６から読み出された任意方向指向特性関数をフーリエ変換するフーリエ変換部１７と、空間デコンボリューション部１４により空間デコンボリューション演算された関数Ｓ１と、フーリエ変化部１７によりフーリエ変換された関数Ｍ３とに基づき空間コンボリューション演算を行う空間コンボリューション部１８と、空間コンボリューション部１８により空間コンボリューション演算された関数Ｓ２を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部１９とを備えている。
フーリエ変換部１１は、受信部２から供給された信号に基づき、受信方向における方向情報を抽出する。そして、フーリエ変換部１１は、抽出した方向情報に基づき信号をフーリエ変換し、方向情報関数を生成する。
フーリエ変換部１１は、例えば、受信部２から、図６に示す、２次元の音場の方向情報ＤＩが得られた場合、（１）式のように、方向θ_ｈの方向別時間波形ｒ（θ_ｈ、ｔ）を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式１

なお、ｔは、時間（sec）を示し、θ_ｈは、方位角（rad）を示し、θ_ｖは、上方向からの角度（rad）を示し、ｒ（θ_ｈ、ｔ）は、受信部２のマイクロホンの指向特性の影響を含んだ方向のθ_ｈの方向別時間波形を示し、Ｒ（ω_ｈ、ω）は、受信部２のマイクロホンの指向特性の影響を含んだ水平方向情報のフーリエ係数をそれぞれ示している。
また、フーリエ変換部１１は、図７に示すように、受信部２から３次元の音場の方向情報（実際の方向情報）を取得した場合、例えば、（２）式のように、方向（θ_ｈ、θ_ｖ）の方向別時間波形ｒ（θ_ｈ、θ_ｖ、ｔ）を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式２

なお、ｒ（θ_ｈ、θ_ｖ、ｔ）は、受信部２のマイクロホンの指向特性の影響を含んだ方位角θ_ｈ、θ_ｖの方向別時間波形を示し、Ｒ（ω_ｈ、ω_ｖ、ω）は、受信部２のマイクロホンの指向特性の影響を含んだ３次元方向情報のフーリエ係数をそれぞれ示している。また、（２）式は、指向性マイクロホンで測定した３次元方向情報のフーリエ変換の一例に過ぎず、例えば（３）式、（４）式又は（５）式であっても良く、その他の式でも良い。

式３

式４

式５

フーリエ変換部１１は、フーリエ変換した関数Ｍ１（（１）式又は（２）式）を空間デコンボリューション部１４に供給する。
データベース１２は、受信部２のマイクロホンの指向特性の方向別感度に基づき、指向特性関数を記憶している。データベース１２は、例えば、図示しない、受信部２のマイクロホンに応じて所定の指向特性関数を選択する選択部を有し、選択部により選択された指向特性関数をフーリエ変換部１３に供給する。
データベース１２は、例えば、マイクロホン２ａ〜２ｈの指向特性として、図３に示すような、カーディオイド状の指向特性を記憶している。
フーリエ変換部１３は、データベース１２から供給されたマイクロホンの指向特性関数をフーリエ変換する。フーリエ変換部１３は、例えば、データベース１２から図８に示すような指向特性Ｄに基づく指向特性関数が供給された場合、（６）式のように、方向θ_ｈの方向別波形で表されるマイクロホン指向特性ｍ（θ_ｈ、ｔ）を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式６

なお、Ｍ（ω_ｈ、ω）は、水平面マイクロホン指向特性のフーリエ係数を示す。
また、図９に示すように、データベース１２から３次元のマイクロホン指向特性関数（本来の関数）が供給された場合、（７）式のように、方向（θ_ｈ、θ_ｖ）の方向別波形で表されるマイクロホン指向特性ｍ（θ_ｈ、θ_ｖ、ｔ）を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式７

なお、Ｍ（ω_ｈ、ω_ｖ、ω）は、３次元マイクロホン指向特性のフーリエ係数を示す。
フーリエ変換部１３は、フーリエ変換した関数Ｍ２（（６）式又は（７）式）を空間デコンボリューション部１４に供給する。また、（７）式は、指向性マイクロホンで測定した３次元方向情報のフーリエ変換の一例に過ぎず、例えば（８）式、（９）式又は（１０）式であっても良く、その他の式でも良い。

式８

式９

式１０

空間デコンボリューション部１４は、フーリエ変換部１１から供給された関数Ｍ１（（１）式）と、フーリエ変換部１３から供給された関数Ｍ２（（６）式）に基づき空間デコンボリューション演算を行う。なお、本願明細書では、「/」を空間デコンボリューション演算を表す記号とする。

式１１

なお、Ｓ（ω_ｈ、ω）は、受信部２のマイクロホンの指向特性の影響を含まない水平面方向情報のフーリエ係数を示している。
また、空間デコンボリューション部１４は、フーリエ変換部１１から供給された関数Ｍ１（（２）式）と、フーリエ変換部１３から供給された関数Ｍ２（（７）式）に基づき空間デコンボリューション演算を行う。

式１２

なお、Ｓ（ω_ｈ、ω_ｖ、ω）は、マイクロホンの指向特性の影響を含まない３次元方向情報のフーリエ係数を示している。
空間デコンボリューション部１４は、空間デコンボリューション演算した関数Ｓ１（（１１）式又は（１２）式）を逆フーリエ変換部１５と、空間コンボリューション部１８に供給する。
逆フーリエ変換部１５は、空間デコンボリューション部１４から供給された関数Ｓ１（（１１）式）を逆フーリエ変換する。

式１３

なお、ｓ（θ_ｈ、ｔ）は、図１０に示すように、２次元におけるマイクロホンの指向特性の影響を含まない方向θ_ｈの音場の方向情報ＤＩを示している。
また、逆フーリエ変換部１５は、空間デコンボリューション部１４から供給された関数Ｓ１（（１２）式）を３次元指向特性について逆フーリエ変換する。なお、下記の（１４）式は、上述した（２）式、（３）式に対応するものである。

式１４

また、積分区分が０乃至πのときには、例えば、下記の（１５）式となる（下記式以外の場合であってもよい。）。なお、（１５）式は、上述した（４）式、（５）式に対応するものである。

式１５

なお、ｓ（θ_ｈ、θ_ｖ、ｔ）は、図１１に示すように、３次元におけるマイクロホンの指向特性の影響を含まない方向θ_ｈ、θ_ｖの方向別波形を示す。
逆フーリエ変換部１５から出力される信号は、各方向において、受信部２の一のマイクロホンが受信した信号から、マイクロホンの指向特性の影響によって混在していた他方向の信号を取り除いて得られた任意方向のみの信号である。
データベース１６は、任意の方向についての指向特性関数を有している。データベース１６は、例えば、図示しない、データベース１６から一の指向特性関数を選択する選択部を有し、選択部により選択された指向特性関数をフーリエ変換部１７に供給する。データベース１６に格納されている指向特性関数は、任意の関数であるので、例えば、物理的な制約のために現実のマイクロホンでは困難な形式の指向特性関数を指定することが可能である。具体例については後述する。なお、データベース１６は、任意の方向についての指向特性関数を生成する機能を有していても良い。
フーリエ変換部１７は、データベース１６から供給された２次元の任意の方向に関する指向特性関数（以下「重み関数」という。）に基づき、（１６）式のように、指向特性ｗ（φ、ｔ）を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式１６

なお、Ｗ（ω_ｈ、ω）は、方向θ_ｈ、θ_ｖの水平面方向別重み関数のフーリエ係数を示している。
また、フーリエ変換部１７は、データベース１６から供給された３次元の重み関数に基づき、（１７）式のように、指向特性ｗ（θ_ｈ、θ_ｖ、ｔ）を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式１７

なお、Ｗ（ω_ｈ、ω_ｖ、ω）は、方向θ_ｈ、θ_ｖの３次元方向別重み関数のフーリエ係数を示している。また、（１７）式は、指向性マイクロホンで測定した３次元方向情報のフーリエ変換の一例に過ぎず、例えば（１８）式、（１９）式又は（２０）式であっても良く、その他の式でも良い。

式１８

式１９

式２０

フーリエ変換部１７は、フーリエ変換した関数Ｍ３（（１６）式又は（１７）式）を空間コンボリューション部１８に供給する。
空間コンボリューション部１８は、空間デコンボリューション部１４から供給された関数Ｓ１（（１１）式）と、フーリエ変換部１７から供給された関数Ｍ３（（１６）式）に基づき、（２１）式に示すように、２次元の空間コンボリューション演算を行う。

式２１

なお、本願明細書では、「＊」を空間コンボリューション演算を表す記号とする。また、ＳＷ（ω_ｈ、ω）は、受信部２で用いられたマイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた方向θ_ｈのフーリエ係数を示している。
また、空間コンボリューション部１８は、空間デコンボリューション部１４から供給された関数Ｓ１（（１２）式）と、フーリエ変換部１７から供給された関数Ｍ３（（１７）式）に基づき、３次元の空間コンボリューション演算を行う。

式２２

なお、ＳＷ（ω_ｈ、ω_ｖ、ω）は、受信部２で用いられたマイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた３次元方向情報のフーリエ係数を示している。
空間コンボリューション部１８は、フーリエ変換した関数Ｓ２（（２１）式又は（２２）式）を逆フーリエ変換部１９に供給する。
逆フーリエ変換部１９は、空間コンボリューション部１８から供給された関数Ｓ２（（２１）式）を逆フーリエ変換する。

式２３

なお、ｓｗ（θ_ｈ、ｔ）は、受信部２で用いられたマイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた方向θ_ｈの方向別波形を示し、ＳＷ（ω_ｈ、ω）は、受信部２で用いられたマイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた方向θ_ｈのフーリエ係数を示している。
また、逆フーリエ変換部１９は、空間コンボリューション部１８から供給された関数Ｓ２（（２２）式）を３次元指向特性について逆フーリエ変換する。なお、下記の（２４）式は、上述した（１７）式、（１８）式に対応するものである。

式２４

また、積分区分が０乃至πのときには、例えば、下記の（２５）式となる（下記式以外の場合であってもよい。）。なお、（２５）式は、上述した（１９）式、（２０）式に対応するものである。

式２５

なお、ｓｗ（θ_ｈ、θ_ｖ、ｔ）は、受信部２で用いられたマイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた方向θ_ｈ、θ_ｖの方向別波形を示し、ＳＷ（ω_ｈ、ω_ｖ、ω）は、マイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた３次元方向情報のフーリエ係数を示している。
逆フーリエ変換部１９から出力される信号は、任意の方向において、任意の指向特性で受信した信号である。
ここで、信号受信装置１の具体的な動作について以下に説明する。なお、信号受信装置１は、図１２に示すように、部屋の中央に配置され、かつ、受信部２のマイクロホン２ａ〜２ｈがそれぞれａ方向〜ｈ方向に指向方向を向けて配置されているものとし、また、ａ方向には、音楽信号を発信する発信部Ａがあり、ｃ方向には、ノイズを発生する発信部Ｂがあるものとする。
受信部２は、図１３（Ａ）〜１３（Ｈ）に示すように、方向ａ〜方向ｈから到来してくる信号をマイクロホン２ａ〜２ｈでそれぞれ受信する。なお、図１３は、受信開始から約７秒間の波形表示である。図１３（Ａ）〜図１３（Ｈ）から分かるように、各マイクロホン２ａ〜２ｈは、それ自身の指向特性によって、所定方向の信号に他方向の信号も混ざってしまうことになり、全体的にｃ方向に配置されている発信部Ｂから発信されたノイズが重畳された信号を、それぞれの指向方向に応じて受信している。なお、図１３（Ａ）は、マイクロホン２ａにより方向ａから到来してくる信号を受信しようとしたときの信号波形であり、図１３（Ｂ）は、マイクロホン２ｂにより方向ｂから到来してくる信号を受信しようとしたときの信号波形であり、図１３（Ｃ）は、マイクロホン２ｃにより方向ｃから到来してくる信号を受信しようとしたときの信号波形であり、図１３（Ｄ）は、マイクロホン２ｄにより方向ｄから到来してくる信号を受信しようとしたときの信号波形であり、図１３（Ｅ）は、マイクロホン２ｅにより方向ｅから到来してくる信号を受信しようとしたときの信号波形であり、図１３（Ｆ）は、マイクロホン２ｆにより方向ｆから到来してくる信号を受信しようとしたときの信号波形であり、図１３（Ｇ）は、マイクロホン２ｇにより方向ｇから到来してくる信号を受信しようとしたときの信号波形であり、図１３（Ｈ）は、マイクロホン２ｈにより方向ｈから到来してくる信号を受信しようとしたときの信号波形である。
フーリエ変換部１１は、受信部２で得られた信号を各方向（各マイクロホン）に抽出し、抽出した信号の方向情報に基づく関数を生成する（図１４）。この関数は、発信部Ａのみが存在する場合における各マイクロホン２ａ〜２ｈで受信した楽音信号の方向情報に基づく関数（図１５）と、発信部Ｂのみが存在する場合における各マイクロホン２ａ〜２ｈで受信したノイズの方向情報に基づく関数（図１６）とが重ね合わさったものである。
また、フーリエ変換部１３は、データベース１２に記憶されている受信部２のマイクロホンの指向特性に基づき、図１７に示すように、方向情報の指向特性関数を生成する。
空間デコンボリューション部１４は、フーリエ変換部１１で生成した図１４に示す方向関数をフーリエ変換した関数と、フーリエ変換部１３で生成した図１７に示す方向関数をフーリエ変換した関数とに基づき空間デコンボリューション演算を行い、図１８に示すような関数を生成する。図１８は、受信部２から見て、信号源（発信部）が方向ａと方向ｃだけに存在することを意味している。
また、図１９（Ａ）〜図１９（Ｈ）に、空間デコンボリューション演算及び逆フーリエ変換を施した後の各方向ａ〜方向ｈの出力波形を示す。図１９（Ａ）に示す信号波形から、方向ａにある信号源から到来する信号（楽音信号）の振幅、音量、残響、音色、減衰等の情報を知ることができ、また、図１９（Ｃ）に示す信号波形から、方向ｃにある信号源から到来する信号（ノイズ）の振幅、音量、残響、音色、減衰等の情報を知ることができる。また、図１９（Ｂ）、図１９（Ｄ）〜図１９（Ｈ）に示す信号波形から、方向ｂ、方向ｄ〜方向ｈには信号源が存在しないことが分かる。なお、図１９（Ａ）は、方向ａのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図１９（Ｂ）は、方向ｂのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図１９（Ｃ）は、方向ｃのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図１９（Ｄ）は、方向ｄのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図１９（Ｅ）は、方向ｅのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図１９（Ｆ）は、方向ｆのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図１９（Ｇ）は、方向ｇのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図１９（Ｈ）は、方向ｈのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形である。
また、信号受信装置１は、例えば、図２０に示すような方向ａと方向ｅのみから到来する信号を抽出する任意方向指向特性関数をデータベース１６の中から選択し、選択した任意方向指向特性関数をフーリエ変換部１７でフーリエ変換する。そして、空間コンボリューション部１８により、図１８に示す関数と図２０に示す関数とに基づき空間コンボリューション演算を行い、方向ａと方向ｅのみから到来する信号のみを抽出する。すなわち、データベース１６に任意の指向特性パターンの関数を格納することにより、受信部２を構成しているマイクロホンの指向特性に依存せずに、様々なパターンの指向特性に基づく信号受信が可能となる。
また、図２１に示すように、任意の方向にスピーカＳＰを配置し、当該スピーカＳＰから発せられる信号を本発明に係る信号受信装置１によって方向別インパルス応答を測定したときの実験結果を以下に示す。なお、信号受信装置１は、図２Ｂに示す受信部２（マイクロホン２ａをターンテーブル２０上で回転させる）を採用し、マイクロホン２ａを水平６４方向（５．６２５度ステップ）に回転させながら、それぞれの方向におけるインパルス応答の測定を行った。また、実験では、スピーカＳＰから５００Ｈｚのトーンバースト信号と２ｋＨｚのトーンバースト信号を出力させ、それぞれの測定を行った。また、すべてのデータは、時間的な同期をとっている。
本発明に係る信号受信装置１によって、５００Ｈｚのトーンバースト信号について測定した結果を図２２Ａに示し、２ｋＨｚのトーンバースト信号について測定した結果を図２２Ｂに示す。図２２Ａ、図２２Ｂから分かるように、スピーカＳＰ方向（図２２中「１」の方向）に対してすぐ隣の方向（図２２中「６５」の方向及び「２」の方向）でさえ、１０〜１５ｄＢの測定レベルの抑制効果が得られており、非常にシャープな指向特性を得ることに成功している。なお、図２２Ａでは、処理前のカーディオイド指向特性を「Ａ」で示し、処理後の指向特性を「Ａ'」で示す。また、図２２Ｂも同様に、処理前のカーディオイド指向特性を「Ａ」で示し、処理後の指向特性を「Ａ'」で示す。
また、−１０ｄＢ付近に発生している鋭いサイドローブは、空間デコンボリューション部１４で行った空間デコンボリューション演算の解が発散したものと考えられる。そこで、図２３に示すような指向特性を有する空間的なローパスフィルタによって鋭いサイドローブを減衰する方法を説明する。なお、以下では、２次元のモデルで説明を行う。
データベース１６に図２３に示す指向特性関数が格納されており、図示しない選択部により当該指向特性関数が選択され、選択された当該指向特性関数がデータベース１６からフーリエ変換部１７に供給される。
フーリエ変換部１７は、データベース１６から供給された指向特性関数に基づき、（１６）式のように、指向特性ｗ（φ、ｔ）を時間及び方向に関してフーリエ変換する。フーリエ変換部１７は、フーリエ変換によって得られた関数Ｍ３を空間コンボリューション部１８に供給する。
空間コンボリューション部１８は、空間デコンボリューション部１４から供給された関数Ｓ１（図２２に示すような鋭いサイドローブが発生している関数）と、フーリエ変換部１７から供給された関数Ｍ３に基づき、（２１）式に示すように、２次元の空間コンボリューション演算を行う。空間コンボリューション部１８は、２次元の空間コンボリューション演算後の関数Ｓ２を逆フーリエ変換部１９に供給する。
逆フーリエ変換部１９は、空間コンボリューション部１８から供給された関数Ｓ２について逆フーリエ変換を行う。逆フーリエ変換部１９によって得られた結果を図２４Ａ、図２４Ｂに示す。なお、図２４Ａでは、処理前のカーディオイド指向特性を「Ａ」で示し、処理後の指向特性を「Ａ'」で示す。また、図２４Ｂも同様に、処理前のカーディオイド指向特性を「Ａ」で示し、処理後の指向特性を「Ａ'」で示す。
このような空間フィルタリングにより得られる指向特性は、フィルタリング前の指向特性（図２２）に比べてシャープさは劣るが、空間デコンボリューション演算による解の発散と考えられるサイドローブのシャープさを抑えることができる。特に、２ｋＨｚのトーンバースト信号を測定した場合（図２４Ｂ）のサイドローブは、空間フィルタリングを行うことにより、ほとんどサイドローブが消失している。
また、空間フィルタリングを応用すると、マイクロホンの指向特性を自在に制御することができる。以下に具体例について説明する。なお、陸では、２次元のモデルで説明を行う。
例えば、データベース１６には、図２５に示す４５度の指向特性関数Ｆ１と、９０度の指向特性関数Ｆ２と、１８０度の指向特性関数Ｆ３が格納されているものとする。図示しない選択部により任意の角度の指向特性関数が選択され、選択された指向特性関数がデータベース１６からフーリエ変換部１７に供給される。
フーリエ変換部１７は、データベース１６から供給された指向特性関数に基づき、（１６）式のように、指向特性ｗ（φ、ｔ）を時間及び方向に関してフーリエ変換する。フーリエ変換部１７は、フーリエ変換によって得られた関数Ｍ３を空間コンボリューション部１８に供給する。
空間コンボリューション部１８は、空間デコンボリューション部１４から供給された関数Ｓ１と、フーリエ変換部１７から供給された関数Ｍ３に基づき、（２１）式に示すように、２次元の空間コンボリューション演算を行う。空間コンボリューション部１８は、２次元の空間コンボリューション演算後の関数Ｓ２を逆フーリエ変換部１９に供給する。
逆フーリエ変換部１９は、空間コンボリューション部１８から供給された関数Ｓ２について逆フーリエ変換を行う。逆フーリエ変換部１９によって得られた結果を図２６Ａ、図２６Ｂに示す。
図２６Ａは、スピーカＳＰから５００Ｈｚのトーンバースト信号が出力されている場合の測定結果を示しており、４５度の指向特性関数Ｆ１は、Ｆ１'となり、９０度の指向特性関数Ｆ２は、Ｆ２'となり、１８０度の指向特性関数Ｆ３は、Ｆ３'となる。
また、図２６Ｂは、スピーカＳＰから２ｋＨｚのトーンバースト信号が出力されている場合の測定結果を示しており、４５度の指向特性関数Ｆ１は、Ｆ１''となり、９０度の指向特性関数Ｆ２は、Ｆ２''となり、１８０度の指向特性関数Ｆ３は、Ｆ３''となる。
このようにして、本発明に係る信号受信装置１は、受信部２により受信した信号を方向情報に関してフーリエ変換した関数と、受信部２を構成するマイクロホンの指向特性の方向別感度に基づきフーリエ変換した関数とを空間デコンボリューション演算するので、各方向に到来する信号を抽出し、抽出した信号に基づき、所定の観測点における種々の音場の情報（信号振幅、音量、残響、音色、減衰等）を得ることができ、また、抽出した信号の周波数ごとの指向特性の違いをキャンセルして各周波数で同一の指向特性を得ることができる。
また、本発明に係る信号受信装置１は、受信部２を構成しているマイクロホンの数を多くするか、若しくは、図２Ｂに示すターンテーブル２０の角度を細かく設定することにより、マイクロホンが受信する範囲を限定するとことで例えば、超指向特性を実現し、極めて精密に、信号の発信方向を抽出することができる。したがって、本願発明に係る信号受信装置１を応用すれば、所定の場所において、特定の信号（ノイズ）が発せられている発信源を突き止めることができる。また、多くの音源が混在する場合、例えば、オーケストラ演奏の中から特定の楽器の音だけを抽出して、録音することが可能である。すなわち、本発明に係る信号受信装置１は、音源探査装置及び集音装置として応用することが可能である。
また、本発明に係る信号受信装置１は、低周波数帯域の信号を受信する場合においても、従来のように装置のサイズの大型化が伴わないので、小規模な場所にも配置することができ、あらゆる場所における音場情報を収集することができる。
また、本発明に係る信号受信装置１では、図２１乃至図２６に示したように、任意の形状に指向特性を制御することができる。
なお、上述した本発明を実施するための最良の形態では、受信部２が受信する信号を可聴周波数帯としたが、可聴周波数帯域外の周波数帯であっても良く、電波等の様々な信号に適用ができる。

以上詳細に説明したように、本発明に係る信号受信装置及び方法は、空間デコンボリューション演算により周波数ごとの指向特性の違いがキャンセルされるので、各周波数で同一の指向特性が得られる。
また、本発明に係る信号受信装置及び方法は、使用した元の指向性マイクロホンの指向特性を超える鋭い指向特性を実現できる。
また、本発明に係る信号受信装置及び方法は、音場の任意の一点から方向情報を測定するので空間的な大きさは必要なくなり、小規模なサイズ構成により、特に低周波数領域を対象とした鋭い指向特性を得ることができる。
さらに、本発明に係る信号受信装置及び方法は、空間デコンボリューション結果に対して所望の指向特性を空間コンボリューション演算することにより、所望の指向特性を任意に制御することができる。

Claims (10)

1. 信号源から到来してくる信号を受信する所定の指向特性を有する受信手段と、
   上記受信手段により受信された信号として得られる方向別時間波形について、時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の影響を含む受信信号の方向別伝達関数を求める第１のフーリエ変換手段と、
   上記受信手段の指向特性関数を時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の方向別伝達関数を求める第２のフーリエ変換手段と、
   上記第１のフーリエ変換手段により得られた上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号の方向別伝達関数と、上記第２のフーリエ変換手段により得られた上記受信手段の指向特性の方向別伝達関数と上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号の方向別伝達関数とに基づき、空間デコンボリューション演算を行うことにより、上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号から上記受信手段の指向特性の影響を除いた上記受信信号の方向別伝達関数を求める第１の空間デコンボリューション演算手段と、
   上記第１の空間デコンボリューション演算手段により得られた上記受信信号の方向別伝達関数を逆フーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の影響を除いた上記受信信号の方向別時間波形を出力する逆フーリエ変換手段と
   を備えることを特徴とする信号受信装置。
2. 任意の方向についての指向特性関数を生成する任意方向指向特性関数生成手段と、
   上記任意方向指向特性関数生成手段で生成された任意方向指向特性関数を時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記任意の方向についての指向特性の方向別伝達関数を求める第３のフーリエ変換手段と、
   上記第１の空間デコンボリューション演算手段により得られた上記受信信号の方向別伝達関数と、上記第３のフーリエ変換手段により得られた上記任意の方向についての指向特性の方向別伝達関数とに基づき、空間デコンボリューション演算を行うことにより、上記受信手段の指向特性の影響を含まず、上記任意の方向についての指向特性を付与した上記受信信号の方向別時間波形を出力する第２の逆フーリエ変換手段とを
   さらに備えることを特徴とする請求項１記載の信号受信装置。
3. 上記受信手段は、到来してくる可聴周波数帯域の信号を受信するマイクロホンであることを特徴とする請求項１記載の信号受信装置。
4. 上記受信手段は、所定の指向特性を有する一個のマイクロホンからなっており、
   到来してくる信号を受信すべく、上記マイクロホンを回転する駆動する回転駆動手段を備えることを特徴とする請求項３記載の信号受信装置。
5. 上記回転駆動手段は、上記マイクロホンを水平方向に回転駆動する水平方向回転駆動部と、上記マイクロホンを垂直方向に回転駆動する垂直方向回転駆動部と、上記水平方向回転駆動部及び上記垂直方向回転駆動部を制御する制御部からなり、
   上記水平方向回転駆動部は、上記制御部の制御に応じて上記マイクロホンを水平方向に任意の角度回転駆動し、
   上記垂直方向回転駆動部は、上記制御部の制御に応じて上記マイクロホンを垂直方向に任意の角度回転駆動することを特徴とする請求項４記載の信号受信装置。
6. 上記回転駆動手段は、上記マイクロホンの中心を回転軸と一致させ、又は上記マイクロホンの中心を回転軸から一定距離保ちながら回転することを特徴とする請求項４記載の信号受信装置。
7. 上記受信手段は、所定の指向特性を有する複数のマイクロホンからなっており、到来してくる信号を受信すべく、上記複数のマイクロホンが所定の間隔で配列されていることを特徴とする請求項３記載の信号受信装置。
8. 上記受信手段は、所定の指向特性を有する複数のマイクロホンからなっており、上記複数のマイクロホンが水平方向に任意の間隔で点対称となるように配置され、及び／ 又は当該マイクロホンが複数個、垂直方向に任意の間隔で点対称となるように配置されていることを特徴とする請求項３記載の信号受信装置。
9. 上記マイクロホンは、中心が同一となるように複数個配置されている、又は、任意の半径の円周上に複数個配置されていることを特徴とする請求項３記載の信号受信装置。
10. 信号源から到来してくる信号を所定の指向特性を有する受信手段により受信する受信工程と、
    上記受信手段により受信された信号として得られる方向別時間波形について、時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の影響を含む受信信号の方向別伝達関数を求める第１のフーリエ変換工程と、
    上記受信手段の指向特性関数を時間及び方向に関してフーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の方向別伝達関数を求める第２のフーリエ変換工程と、
    上記第１のフーリエ変換手段により得られた上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号の方向別伝達関数と、上記第２のフーリエ変換手段により得られた上記受信手段の指向特性の方向別伝達関数と上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号の方向別伝達関数とに基づき、空間デコンボリューション演算を行うことにより、上記受信手段の指向特性の影響を含む上記受信信号から上記受信手段の指向特性の影響を除いた上記受信信号の方向別伝達関数を求める空間デコンボリューション演算工程と、
    上記第１の空間デコンボリューション演算工程により得られた上記受信信号の方向別伝達関数を逆フーリエ変換することにより、上記受信手段の指向特性の影響を除いた上記受信信号の方向別時間波形を出力する逆フーリエ変換工程と
    を有することを特徴とする信号受信方法。

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