JP7180447B2 - 方位推定装置、方位推定システム、方位推定方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、信号の到来方位を推定する方位推定装置、方位推定システム、方位推定方法、およびその方法をコンピュータに実行させるプログラムに関する。

ＤＩＦＡＲ（Directional Frequency Analysis and Recording）ソノブイが受信した音響信号から狭帯域信号の到来方位を推定する方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に開示された方法では、ＯＭＮＩ指向性受波器出力のレベル、ＮＳ指向性受波器出力のレベルおよびＥＷ指向性受波器出力レベルを入力として、これらのレベル比に基づいて、狭帯域信号の到来方位が推定される。

Abdall Osman, Aboelamgd Nourledin, Naser El-Sheimy, Jim Theriault and Scott Campbell, "Improved target detection and bearing estimation utilizing fast orthogonal search for real-time spectral analysis", Meas.Sci.Technol.20(2009),27 April 2009

しかし、従来の方法では、方位推定処理対象の信号にレベルの大きな広帯域信号とレベルの小さな狭帯域信号とが混在する場合、狭帯域信号の方位を適切に推定できないという問題があった。

本発明に係る方位推定装置は、無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成するビームフォーミング部と、前記３つの音響センサの出力に対して、前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行ってから、狭帯域信号の到来方位を推定する狭帯域信号推定部と、を有するものである。

本発明に係る方位推定システムは、無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサを含むダイファーセンサと、上記の方位推定装置と、を有するものである。

本発明に係る方位推定方法は、無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて狭帯域信号の到来方位を推定する方位推定方法であって、前記３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成し、前記３つの音響センサの出力に対して、生成された前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行った後、前記狭帯域信号の到来方位を推定するものである。

本発明に係るプログラムは、無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて狭帯域信号の到来方位を推定するコンピュータに、前記３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成する手段と、前記３つの音響センサの出力に対して、生成された前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行った後、前記狭帯域信号の到来方位を推定する手段として機能させるものである。

本発明によれば、無指向性音響センサ、第１の指向性音響センサおよび第２の指向性音響センサの各音響センサの出力に対して、広帯域信号の減算および抑制のうち、少なくとも一方が行われるため、狭帯域信号の到来方位の推定能力が向上する。

本発明の実施の形態１に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 ＤＩＦＡＲセンサに含まれる各音響センサの指向性を表す模式図である。 比較例の方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 図３に示す比較例の方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。 図２に示した各音響センサの指向性を示す模式図において、狭帯域信号と広帯域信号とが混在する場合の推定方位の結果を示すイメージである。 図１に示した方位推定装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図１に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る方位推定システムの一構成例を示すブロック図である。 図８に示したＤＩＦＡＲセンサを有するＤＩＦＡＲソノブイの一構成例を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 図１０に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。 図１１に示した周波数分析部の出力の一例を示すイメージである。 図１２に示した周波数分析の出力に対して、周波数方向の正規化処理を適用したときの結果を示すイメージである。 本発明の実施の形態３に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 図１４に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 図１６に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態５に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。

実施の形態１．
本実施の形態１の方位推定装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。図１に示すように、方位推定装置１は、広帯域信号推定部２と、狭帯域信号推定部３とを有する。

方位推定装置１には、図に示さないＤＩＦＡＲ（ダイファー）センサを有するＤＩＦＡＲソノブイから、ＯＭＮＩ指向性（無指向性）音響センサ、ＮＳ指向性音響センサおよびＥＷ指向性音響センサの３つの音響センサの出力が入力される。ＤＩＦＡＲソノブイは、海に投下され、航行する船舶等が発生する音を検出するソナーの一例である。時間をｔとすると、ＯＭＮＩ指向性音響センサの出力波形をＳｏ（ｔ）と表し、ＮＳ指向性音響センサの出力波形をＳｎｓ（ｔ）と表し、ＥＷ指向性音響センサの出力波形をＳｅｗ（ｔ）と表す。

ここで、本実施の形態１の方位推定装置１の構成を詳しく説明する前に、比較例の方位推定装置の構成を説明する。

（比較例の方位推定装置の構成）
図２は、ＤＩＦＡＲセンサに含まれる各音響センサの指向性を表す模式図である。図３は、比較例の方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。図２では、ＯＭＮＩ指向性を実線で示し、ＮＳ指向性を破線で示し、ＥＷ指向性を一点鎖線で示している。図２では、各種センサの指向性の説明のために、ＤＩＦＡＲセンサの基準点と、この基準点を通り、磁北を向くＮＳ軸と、基準点を通り、ＮＳ軸に直交するＥＷ軸とを仮定している。

図２を参照すると、ＯＭＮＩ指向性は、無指向性なので、ＤＩＦＡＲセンサの基準点を中心として円で表されている。ＮＳ指向性は、ＤＩＦＡＲセンサの基準点を接点とし、ＮＳ軸に沿って配置された２つの円で表されている。これらの２つの円はＯＭＮＩ指向性を表す円に内接している。ＥＷ指向性は、ＤＩＦＡＲセンサの基準点を接点とし、ＥＷ軸に沿って配置された２つの円で表されている。これらの２つの円もＯＭＮＩ指向性を表す円に内接している。ＮＳ指向性音響センサは、無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサの一例である。ＥＷ指向性音響センサは、第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサの一例である。

図３に示すように、比較例の方位推定装置１００は、周波数分析部３２と、相互相関計算部３３と、方位算出部３５とを有する。周波数分析部３２は、各音響センサの出力に対して周波数を分析する。相互相関計算部３３は、無指向性音響センサの出力とＮＳ指向性音響センサの出力との相互相関である第１相関を算出する。また、相互相関計算部３３は、無指向性音響センサの出力とＥＷ指向性音響センサの出力との相互相関である第２相関を算出する。方位算出部３５は、相互相関計算部３３によって算出された第１相関および第２相関に逆三角関数を用いて、狭帯域信号の到来方位を算出する。方位算出部３５は、例えば、逆三角関数としてａｒｃｔａｎを用いて到来方位を算出する。

（比較例の方位推定方法）
次に、比較例の方位推定装置１００の動作を説明する。方位推定装置１００がＤＩＦＡＲソノブイの各音響センサの出力を用いて、図４に示すフローにしたがって、狭帯域信号の到来方位を推定する。図４は、図３に示す比較例の方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。

周波数分析部３２は、各音響センサ出力の波形に対して，周波数分析処理適用し、各音響センサ出力の周波数領域データＸｏ（ｆ）、Ｘｎｓ（ｆ）、Ｘｅｗ（ｆ）を求める（ステップＳ８０１）。周波数分析処理には、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）およびＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）が用いられる。

ステップＳ８０２において、相互相関計算部３３は、ＯＭＮＩ指向性音響センサの周波数領域データＸｏ（ｆ）およびＮＳ指向性音響センサの周波数領域データＸｎｓ（ｆ）から、これらの相互相関Ｙｎｏ（ｆ）＝Ｅ［Ｘｎｓ（ｆ）Ｘｏ^＊（ｆ）］を計算する。ここで、Ｅ［ ］は期待値演算を表し、一般的には時間平均が適用される。＊は複素共役演算を表す。相互相関Ｙｎｏ（ｆ）が第１相関に相当する。また、相互相関計算部３３は、第１相関Ｙｎｏ（ｆ）の算出と同様の演算を、ＯＭＮＩ指向性音響センサの周波数領域データＸｏ（ｆ）およびＥＷ指向性音響センサの周波数領域データＸｅｗ（ｆ）を用いて行う。つまり、相互相関計算部３３は、第２相関に相当する相互相関Ｙｅｏ（ｆ）＝Ｅ［Ｘｅｗ（ｆ）Ｘｏ^＊（ｆ）］を計算する。このようにして、２つの相互相関の期待値が算出される。

続いて、方位算出部３５は、ステップＳ８０２で算出された第１相関Ｙｎｏ（ｆ）および第２相関Ｙｅｏ（ｆ）にａｒｃｔａｎを用いて、式（１）にしたがって、周波数ごとに到来方位θ＾（ｆ）を推定する（ステップＳ８０３）。キャレット記号（＾）は推定値であることを意味する。

図５は、図２に示した各音響センサの指向性の模式図において、狭帯域信号と広帯域信号とが混在する場合の推定方位の結果を示すイメージである。ＤＩＦＡＲソノブイの各音響センサが受信する信号には、図５に示すように、狭帯域信号だけでなく広帯域信号も含まれるのが一般的である。この場合、比較例の方位推定方法では、レベルの高い信号の影響が大きく反映された方位推定結果が得られることになる。

ここで、ＤＩＦＡＲソノブイが狭帯域信号を１つ受信し、広帯域信号を１つ受信している状況を仮定し、これらの信号が互いに無相関であるとする。このときの、各音響センサの周波数領域データを次の式（２）～（４）のように表す。

ここで、ＢＢ（ｆ）は広帯域信号の周波数領域データであり、ＮＢ（ｆ）は狭帯域信号の周波数領域データである。θ_ＢＢは広帯域信号の真の到来方位であり、θ_ＮＢは狭帯域信号の真の到来方位である。このときのＯＭＮＩ指向性音響センサとＮＳ指向性音響センサとの相互相関の期待値Ｙｎｏ（ｆ）は、式（５）によって求められる。また、ＯＭＮＩ指向性音響センサとＥＷ指向性音響センサとの相互相関の期待値Ｙｅｏ（ｆ）は、式（６）によって求められる。

このとき、式（１）によって推定される信号の到来方位は、広帯域信号のレベル｜ＢＢ（ｆ）｜^２と狭帯域信号のレベル｜ＮＢ（ｆ）｜^２の比によって決まり、θ_ＢＢとθ_ＮＢの中間方位が推定値として得られる。したがって、広帯域信号のレベルが狭帯域信号のレベルより大きい場合、図５に示すように、式（１）によって推定される信号の方位はθ_ＢＢに近づき、狭帯域信号の到来方位を適切に推定できない。

（実施の形態１の構成）
本実施の形態１の方位推定装置１の構成を、図１を参照して説明する。広帯域信号推定部２は、ビームフォーミング部２１と、帯域加算部２２と、最大レベル検出部２３と、方位選択部２４とを有する。

ビームフォーミング部２１は、３つの指向性音響センサの出力波形を入力として、式（７）による計算によって、予め指定された複数の方位へ向けた複数のビーム波形のビームフォーミング出力を得る。

ここで、ビーム数Ｓｂ＝Ｍとすると、ｍは予め指定された方位に対応するビーム番号（ｍ＝１，・・・，Ｍ）である。ｗ_ｏ（ｍ）、ｗ_ｎｓ（ｍ）、ｗ_ｅｗ（ｍ）は各指向性音響センサに与える重みである。ビームフォーミングに用いられる重みの計算方法として、大きく分けて、従来型ビームフォーミング（ＣＢＦ：Conventional Beam Forming）方式と適応型ビームフォーミング（ＡＢＦ：Adaptive Beam Forming）方式との２方式がある。本実施の形態１では、これら２方式のうち、どちらの方式も適用することができる。ビームフォーミングの方式については、本実施の形態１の方位推定方法において、主題ではないので、詳細な説明を省略する。

帯域加算部２２は、ビームフォーミング部２１が生成した各ビーム波形出力のパワー値を計算する。帯域加算部２２において、パワー値計算の前にバンドパスフィルタなどのフィルタ部が設けられていてもよい。この場合、フィルタ部が所定の周波数帯域の成分のみを抽出した後に帯域加算部２２がビーム波形のパワー値を計算する。図１では、帯域加算部２２がビーム波形毎に帯域加算処理を行うことを模式的に示している。

最大レベル検出部２３は、帯域加算部２２の出力を用いて、ビーム波形のパワー値が最大となる方位を検出し、その方位を広帯域信号の推定方位θ_ＢＢとして出力する。方位選択部２４は、ビームフォーミング部２１の出力から、広帯域信号の推定方位に対応するビーム波形を抽出し、抽出した波形を狭帯域信号推定部３に出力する。

図１に示した狭帯域信号推定部３は、ＤＩＦＡＲセンサの各音響センサの出力から狭帯域信号の到来方位を推定する装置である。狭帯域信号推定部３は、図３に示した周波数分析部３２相互相関計算部３３および方位算出部３５の他に、減算処理部３１を有する。減算処理部３１は、ＯＭＮＩ指向性音響センサの出力から広帯域信号を減算する減算処理（ＯＭＮＩ）、ＮＳ指向性音響センサの出力から広帯域信号を減算する減算処理（ＮＳ）およびＥＷ指向性音響センサの出力から広帯域信号を減算する減算処理（ＥＷ）を行う。

方位選択部２４が出力する広帯域信号の抽出波形をＳ_ＢＢ（ｔ）と表す。減算処理部３１は、減算処理（ＯＭＮＩ）として、式（８）の計算を行うことで、ＯＭＮＩ指向性音響センサの出力から広帯域信号の波形を減算した推定値Ｓｏ＾（ｔ）を出力する。

ここで、記号＊は畳み込み演算を表し、ｈｏ（ｔ）は広帯域信号の抽出波形Ｓ_ＢＢ（ｔ）に適用するフィルタのインパルス応答である。式（８）の計算は、ＯＭＮＩ指向性音響センサの出力から、広帯域信号の成分を除去するためのものである。ここで、フィルタｈｏ（ｔ）は、固定的なものであってもよく、広帯域信号の成分を効果的に除去するために適応的なものであってもよい。

減算処理部３１は、減算処理（ＯＭＮＩ）と同様に、減算処理（ＮＳ）として式（９）の計算を行うことで、ＮＳ指向性音響センサの出力から広帯域信号の波形を減算した推定値Ｓｎｓ＾（ｔ）を出力する。

また、減算処理部３１は、減算処理（ＥＷ）について、式（１０）の計算を行うことで、ＥＷ指向性音響センサの出力から広帯域信号の波形を減算した推定値Ｓｅｗ＾（ｔ）を出力する。

ここで、ｈｎｓ（ｔ）およびｈｅｗ（ｔ）のそれぞれは、広帯域信号の抽出波形Ｓ_ＢＢ（ｔ）に適用するフィルタのインパルス応答である。

周波数分析部３２、相互相関計算部３３および方位算出部３５の構成は、図３を参照して説明した構成と同様になるため、ここでは、その詳細な説明を省略する。減算処理部３１は、３つの減算処理により、Ｓｏ＾（ｔ）、Ｓｎｓ＾（ｔ）およびＳｅｗ＾（ｔ）を出力する。減算処理部３１の出力に対して、周波数分析部３２が周波数分析を行い、周波数分析部３２の出力に対して、相互相関計算部３３が相互相関の期待値演算を行う。方位算出部３５は、算出された相互相関の期待値に対して、ａｒｃｔａｎによる到来方位推定を適用し、狭帯域信号の推定方位を求める。

図６は、図１に示した方位推定装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。方位推定装置１は、例えば、コンピュータを含む情報処理装置である。記憶部１１は、制御部１２が実行する演算処理の結果を記憶する。記憶部１１は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）装置である。制御部１２は、プログラムを記憶するメモリ１４と、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）１３とを有する。ＣＰＵ１３がプログラムを実行することで、図１に示した広帯域信号推定部２および狭帯域信号推定部３が構成される。

なお、広帯域信号推定部２および狭帯域信号推定部３が備える機能のうち、一部または全部が専用回路で構成されてもよい。専用回路は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）である。信号処理の一部または全部を専用回路で構成することで、信号処理の高速化を図ることができる。

（実施の形態１の方位推定方法）
次に、本実施の形態１の方位推定装置１が実行する方位推定方法を説明する。図７は、図１に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。図７に示すステップＳ１０５～Ｓ１０７は図４に示したステップＳ８０１～Ｓ８０３と同様な処理になるため、その詳細な説明を省略する。

ビームフォーミング部２１は、３つの指向性音響センサ出力波形を入力として、式（７）による計算を行うことで、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成するビームフォーミング出力を行う（ステップＳ１０１）。帯域加算部２２は、ビームフォーミング部２１が生成した各ビーム波形出力のパワー値を計算する。

最大レベル検出部２３は、帯域加算部２２の出力を用いて、ビーム波形のパワー値が最大となる方位を検出し、その方位を広帯域信号の推定方位θ_ＢＢとして出力する（ステップＳ１０２）。方位選択部２４は、ビームフォーミング部２１の出力から、広帯域信号の推定方位に対応するビーム波形を抽出し、抽出した波形を狭帯域信号推定部３に出力する（ステップＳ１０３）。

減算処理部３１は、減算処理（ＯＭＮＩ）、減算処理（ＮＳ）および減算処理（ＥＷ）として式（８）～（１０）による計算を行うことで（ステップＳ１０４）、Ｓｏ＾（ｔ）、Ｓｎｓ＾（ｔ）およびＳｅｗ＾（ｔ）を出力する。減算処理部３１の出力に対して、周波数分析部３２が周波数分析を行い（ステップＳ１０５）、周波数分析部３２の出力に対して、相互相関計算部３３が相互相関の期待値演算を行う（ステップＳ１０６）。方位算出部３５は、算出された相互相関の期待値に対して、ａｒｃｔａｎによる到来方位推定を適用し、狭帯域信号の推定方位を求める（ステップＳ１０７）。

（実施の形態１の効果）
本実施の形態１の方位推定方法では、式（８）～（９）の処理によって広帯域信号が除去される。そのため、式（２）～（４）で表現されていたＯＭＮＩ指向性音響センサ出力の周波数領域データＸｏ（ｆ）、ＮＳ指向性音響センサ出力の周波数領域データＸｎｓ（ｆ）およびＥＷ指向性音響センサ出力の周波数領域データＸｅｗ（ｆ）は、式（１１）～（１３）のようになる。

これらの結果を用いて、方位算出部３５が式（１）によるａｒｃｔａｎによる到来方位推定の処理を行うことで、広帯域信号の影響が抑制され、狭帯域信号の到来方位θ_ＮＢが適切に推定される。３つの音響センサの各音響センサの出力に対して、広帯域信号が減算されるため、狭帯域信号の到来方位の推定能力が向上する。

なお、本実施の形態１では、方位推定装置１について説明したが、方位推定装置１を有する方位推定システムにおいても、本実施の形態１と同様な効果が得られる。図８は、本発明の実施の形態１に係る方位推定システムの一構成例を示すブロック図である。図８に示すように、方位推定システム５は、ＤＩＦＡＲセンサ６０と、方位推定装置１とを有する。ＤＩＦＡＲセンサ６０は、ＯＭＮＩ指向性音響センサ６１、ＮＳ指向性音響センサ６２およびＥＷ指向性音響センサ６３を有する。

図９は、図８に示したＤＩＦＡＲセンサを有するＤＩＦＡＲソノブイの一構成例を示す模式図である。ＤＩＦＡＲソノブイ６５は、ＤＩＦＡＲセンサ６０と、送信部６７を含むフローティング部６６とを有する。ＤＩＦＡＲセンサ６０および送信部６７は、防水性のケーブル６８で通信接続されている。フローティング部６６は、浮力を有し、ＤＩＦＡＲソノブイ６５が海に投下されると、送信部６７の一部を海面の上に出した状態で浮く。ＤＩＦＡＲセンサ６０の各音響センサは検出した信号を、ケーブル６８を介して送信部６７に送る。送信部６７は、ＤＩＦＡＲセンサ６０の各音響センサから受信した信号を無線信号に変換して出力する。送信部６７は、例えば、方位推定装置１を備えた航空機に無線信号を出力する。

実施の形態２．
実施の形態１は、３つの指向性音響センサの出力波形から、広帯域信号の成分を波形として除去することによって、ａｒｃｔａｎによる到来方位推定を用いて狭帯域信号の到来方位を推定するものである。本実施の形態２は、実施の形態１とは異なる方法で、広帯域信号の成分を抑制して、狭帯域信号の到来方位を推定するものである。

本実施の形態２の方位推定装置の構成を説明する。本実施の形態２では、実施の形態１で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図１０は、本発明の実施の形態２に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。

図１０に示すように、方位推定装置１ａは、ビームフォーミング部２１と、狭帯域信号推定部３ａとを有する。ビームフォーミング部２１が生成するビーム数ＳｂをＭとする。狭帯域信号推定部３ａは、周波数分析部４１、正規化処理部４２、抽出部４３および方位変換部４４を有する。本実施の形態２においても、方位推定装置１ａは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ａが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。

周波数分析部４１は、ビームフォーミング部２１で出力されるＭ個のビーム出力波形に対して周波数分析処理を適用し、１～Ｂ番の合計Ｂ個の周波数に分割した結果を得る。周波数分析で用いる具体的な方式として、例えば、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）など種々の方式がある。本実施の形態２では、周波数分析に用いられる方式は限定されない。周波数分析の方式については、本実施の形態２の主題ではないので、詳細な説明を省略する。

正規化処理部４２は、ビーム波形ごとの周波数分析結果に対して周波数方向の正規化処理によって、周波数－パワー値の関係を、周波数－ＳＮＲの関係に変換する。この正規化処理は、広帯域信号を抑制し、狭帯域信号を浮き上がらせる。周波数方向の正規処理で用いる方式として、例えば、ＯＴＡ（Order Truncate Average）、ＳＡＸＡ（Split Average eXclude Average）など種々の方式がある。本実施の形態２では、正規化処理に用いられる方式は限定されない。周波数方向の正規化処理の方式については、本実施の形態２の主題ではないので、詳細な説明を省略する。

抽出部４３は、周波数方向の正規化された出力について、周波数ごとに値が最大となるビーム番号を抽出し、抽出したビーム番号を出力する。方位変換部４４は、抽出部４３から出力されたビーム番号を用いて、周波数ごとにビーム番号を方位に変換する。例えば、方位変換部４４は、ビーム番号に対応して、方位角０度～３６０度の範囲において角度ｘｘ単位で方位に変換する。変換後の方位が狭帯域信号の推定方位となる。

次に、本実施の形態２の方位推定装置１ａが実行する方位推定方法を説明する。図１１は、図１０に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ２０１のビームフォーミングは、図７で説明したステップＳ１０１と同様な処理になるため、ここではその詳細な説明を省略する。

ステップＳ２０２において、周波数分析部４１は、ビームフォーミング部２１から出力されるＭ個のビーム出力波形に対して周波数分析処理を適用し、１～Ｂ番の合計Ｂ個の周波数に分割する。続いて、正規化処理部４２が、ビーム波形ごとの周波数分析結果に対して周波数方向の正規化処理を行うことで（ステップＳ２０３）、周波数－パワー値の関係を、周波数－ＳＮＲの関係に変換する。その結果、広帯域信号が抑制され、狭帯域信号が浮き上がる。

その後、抽出部４３が、周波数方向の正規化された出力について、周波数ごとに値が最大となるビーム番号を抽出し（ステップＳ２０４）、抽出したビーム番号を出力する。方位変換部４４は、抽出部４３が抽出したビーム番号を用いて、周波数ごとにビーム番号を方位角０度～３６０度の範囲において角度ｘｘ刻みの方位に変換する（ステップＳ２０５）。この変換後の方位が狭帯域信号の推定方位となる。

本実施の形態２の方位推定方法の効果を、図を参照して説明する。図１２は、図１１に示した周波数分析部の出力の一例を示すイメージである。図１２は、レベルの大きな広帯域信号と、広帯域信号の方位とは異なる方位にレベルの小さな狭帯域信号が存在している場合を示す。ここで注目すべきは、狭帯域信号の周波数に対する方位推定の能力である。図１２に示した状況で、比較例の方位推定では、式（５）および（６）において広帯域信号の成分が支配的となるため、レベルの大きな広帯域信号の到来方位に偏った推定方位が得られることになってしまう。

そこで、本実施の形態２では、周波数分析処理の出力に対して、周波数方向の正規化処理の出力を用いて狭帯域信号の方位を推定する。図１３は、図１２に示した周波数分析の出力に対して、周波数方向の正規化処理を適用したときの結果を示すイメージである。図１３に示すように、周波数方向の正規化処理によって、広帯域信号が抑制され、その結果、狭帯域信号のみが浮き上がっている。

さらに、図１３に示すような結果を入力として、正規化出力最大のビーム番号抽出の処理において、抽出部４３が、ビーム番号１～Ｍのうち、周波数ごとに正規化出力が最大となるビーム番号を見つける。このようにして出力されるビーム番号を、周波数ｆの関数としてｉｎｄｅｘ（ｆ）と表す。図１３から明らかなように、狭帯域信号が存在している周波数について、正規化処理の結果が最大となる方位は、狭帯域信号が実際に到来する方位である。このことから、比較例による、狭帯域信号の方位推定結果と比べて、本実施の形態２では、より正確に方位推定できることがわかる。

最終的には、ビーム番号ｉｎｄｅｘ（ｆ）を入力として、方位変換部４４は、方位変換の処理として、次の式（１４）で周波数ごとの推定方位ｔｈｅｔａ（ｆ）を計算する。

ここで、Ｍはビーム数であり、Ｒはビームを形成している方位範囲［ｄｅｇ］であり、ｔｈｅｔａ_０はビーム形成のオフセットである。全方位に渡ってビーム形成する場合は、Ｒ＝３６０、ｔｈｅｔａ_０＝０となる。本実施の形態２では、３つの音響センサの各音響センサの出力に対して、正規化処理により広帯域信号が抑制されるため、狭帯域信号の到来方位の推定能力が向上する。

実施の形態３．
本実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態２とを組み合わせたものである。本実施の形態３では、例えば、方位推定処理対象の信号に広帯域信号が複数個存在し、方位推定処理対象の信号から複数個の広帯域信号の成分を除去仕切れないような場合に有効である。

本実施の形態３の方位推定装置の構成を説明する。本実施の形態３では、実施の形態１および２で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図１４は、本発明の実施の形態３に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。

図１４に示すように、方位推定装置１ｂは、広帯域信号推定部２と、狭帯域信号推定部３ｂとを有する。狭帯域信号推定部３ｂは、図１０に示した狭帯域信号推定部３ａと比較すると、減算処理部３１および補助ビームフォーミング部４０が追加された構成である。補助ビームフォーミング部４０は、減算処理部３１の出力Ｓｏ＾（ｔ）、Ｓｎｓ＾（ｔ）およびＳｅｗ＾（ｔ）を入力として、式（７）による計算によって、予め指定された複数の方位へ向けた複数のビーム波形のビームフォーミング出力を得る。ビーム数Ｓｂ＝Ｍとする。補助ビームフォーミング部４０の構成は、ビームフォーミング部２１と比較して入力が異なるだけで、ビームフォーミング部２１と同様なため、ここでは、その詳細な説明を省略する。本実施の形態３においても、方位推定装置１ｂは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ｂが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。

図１５は、図１４に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。図１５に示すステップＳ３０１～Ｓ３０４の処理は図７を参照して説明したステップＳ１０１～Ｓ１０４と同様な処理である。また、図１５に示すステップＳ３０５～Ｓ３０９の処理は図１１を参照して説明したステップＳ２０１～Ｓ２０５と同様な処理である。そのため、本実施の形態３では、方位推定方法の動作についての詳細な説明を省略する。

本実施の形態３の方位推定方法の効果を説明する。図１に示した方位推定装置１において、減算処理部３１による減算処理（ＯＭＮＩ）、減算処理（ＮＳ）および減算処理（ＥＷ）までの処理によって、最も強い広帯域信号が除去されるが、別の方位から到来する広帯域信号が残る可能性がある。このような場合、実施の形態１では、狭帯域信号の到来方位を推定する際に、方位推定処理対象の信号が減算処理部３１で除去できなかった広帯域信号の影響を受けてしまうことがある。

一方、実施の形態２では、強い広帯域信号の到来方位と弱い狭帯域信号の到来方位が近接している場合、周波数方向の正規化処理の時点で狭帯域信号が検出できず、その狭帯域信号の到来方位が推定できない場合がある。

これに対して、本実施の形態３によれば、３つの指向性音響センサ出力から強い広帯域信号の成分を波形として除去する処理を適用することによって、強い広帯域信号でマスクされるような近接した狭帯域信号を浮き上がらせる効果がある。さらに、周波数方向の正規化処理を適用することによって、除去仕切れなかった広帯域信号が抑制され、狭帯域信号の到来方位の推定精度の向上を図ることができる。

実施の形態４．
本実施の形態４は、実施の形態３と同様に方位推定処理対象の信号に広帯域信号が複数個存在する場合に有効であるが、実施の形態３とは別の構成である。本実施の形態４では、実施の形態１～３で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態４の方位推定装置の構成を説明する。図１６は、本発明の実施の形態４に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。

図１６に示す方位推定装置１ｃは、図１０に示した方位推定装置１ｂと比較すると、抽出部４３の代わりに２次関数フィッティング部４５が設けられた構成である。２次関数フィッティング部４５は、正規化処理部４２から周波数ごとに出力される複数の正規化処理の結果を２次関数にフィッティングすることで、最大の正規化出力のビーム番号を抽出する。２次関数フィッティング部４５の動作の詳細は、後述する。本実施の形態４においても、方位推定装置１ｃは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ｃが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。

次に、本実施の形態４の方位推定装置１ｃが実行する方位推定方法を説明する。図１７は、図１６に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。図１７に示すステップＳ４０１～Ｓ４０３の処理は図１１を参照して説明したステップＳ２０１～Ｓ２０３と同様になるため、その詳細な説明を省略する。ここでは、図１７に示すステップＳ４０４およびＳ４０５の処理について詳細に説明する。

ステップＳ４０４において、２次関数フィッティング部４５には、正規化処理部４２から周波数方向の正規化処理の結果が入力される。図１３に示したイメージは、周波数方向の正規化処理の結果の一例である。ここでは、狭帯域信号が存在している周波数ｆ_０に対する処理を例として、２次関数フィッティング部４５が行う処理を説明する。

２次関数フィッティング部４５は、周波数ｆの正規化出力に対して、出力が最大となるビーム番号をｉｎｄｅｘ（ｆ）とすると、正規化出力の大きさＳＮＲ（ｆ，ｉｎｄｅｘ（ｆ））を抽出する。このとき、２次関数フィッティング部４５は、ビーム番号ｉｎｄｅｘ（ｆ）の前後のビーム番号ｉｎｄｅｘ（ｆ）－１およびｉｎｄｅｘ（ｆ）＋１と、各ビーム番号に対応する正規化出力ＳＮＲ（ｆ，ｉｎｄｅｘ（ｆ）－１）およびＳＮＲ（ｆ，ｉｎｄｅｘ（ｆ）＋１）も抽出する。これにより、３組のビーム番号と正規化出力が得られたことになる。

続いて、２次関数フィッティング部４５は、この３組のデータが２次関数上の３点であるとして、次の式（１５）～（２１）を用いて正規化出力が最大となるビーム番号（整数とは限らない）を計算する。

ステップＳ４０５において、方位変換部４４は、式（１５）で計算されたビーム番号ｉｎｄｅｘ２（ｆ）を入力として、次の式（２２）によって、周波数ごとの推定方位ｔｈｅｔａ（ｆ）を計算する。

ここで、Ｍはビーム数Ｓｂであり、Ｒはビームを形成している方位範囲［ｄｅｇ］、ｔｈｅｔａ_０はビーム形成のオフセットである。

本実施の形態４の方位推定方法の効果を説明する。実施の形態２で説明した方位推定装置１ａにおいて、ビーム数Ｓｂ＝Ｍが十分に多い場合には、推定方位の刻みを細かく設定できる。しかしながら、例えば、Ｍ＝４の場合には、推定方位の刻みが９０［ｄｅｇ］であり、ＤＩＦＡＲセンサに求められる狭帯域信号の推定方位刻みとしては粗すぎる。

これに対して、本実施の形態４によれば、例えば、Ｍ＝４の場合であっても、２次関数フィッティング処理によって、９０［ｄｅｇ］以下の刻みで推定方位を計算することができる。そのため、狭帯域信号の到来方位の推定精度の向上を図ることができる。

実施の形態５．
実施の形態２では、ビームフォーミングで生成されるビーム数Ｓｂ＝Ｍで、ビーム数Ｓｂが固定の場合である。本実施の形態５は、ビームフォーミング部の後段にビーム補間処理部を設け、補間処理によってビーム数を増加させるものである。本実施の形態５では、実施の形態１～４で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態５の方位推定装置の構成を説明する。図１８は、本発明の実施の形態５に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。図１８に示す方位推定装置１ｄは、図１０に示した方位推定装置１ｂと比較すると、ビームフォーミング部２１と狭帯域信号推定部３ａとの間にビーム補間部５０が設けられた構成である。ビーム補間部５０は、ビームフォーミング部２１から入力される複数のビーム波形のビーム数に対して、ビーム数を増加させる補間処理を行う。例えば、ビーム補間部５０は、入力される複数のビーム波形に対して、方位角が近接する２つのビーム波形の間を補間するビーム波形を補充する。図１８は、ビーム補間部５０がビーム数ＳｂをＭからＭ_２に増加させた場合を示す。Ｍ_２とＭは、Ｍ_２＞Ｍの関係である。本実施の形態５においても、方位推定装置１ｄは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ｄが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。

本実施の形態５の方位推定方法は、図１１を参照して説明した手順において、ステップＳ２０１とＳ２０２との間でビーム数を増加させる補間処理を行うことを除いて、同様な処理になるため、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態５のメリットは、ＤＩＦＡＲソノブイの各指向性音響センサ出力を用いて、ＡＢＦを実施するときに顕著になる。一般的には、ＡＢＦはビーム形成の計算コストが大きく、ビームフォーミングで多くのビーム形成をすることが難しい場合がある。このような場合であっても、本実施の形態５では、ビーム数を増加させることができる。その結果、より細かい刻みで狭帯域信号の方位推定を行うことができる。

実施の形態６．
実施の形態４では、ビームフォーミングで生成されるビーム数Ｓｂ＝Ｍで、ビーム数Ｓｂが固定の場合である。本実施の形態６は、実施の形態５と同様に、ビームフォーミング部の後段にビーム補間処理部を設け、補間処理によってビーム数を増加させるものである。本実施の形態６では、実施の形態１～５で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態６の方位推定装置の構成を説明する。図１９は、本発明の実施の形態６に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。図１９に示す方位推定装置１ｅは、図１６に示した方位推定装置１ｃと比較すると、ビームフォーミング部２１と狭帯域信号推定部３ｃとの間にビーム補間部５０が設けられた構成である。本実施の形態６においても、方位推定装置１ｅは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ｅが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。

本実施の形態６の方位推定方法は、図１７を参照して説明した手順において、ステップＳ４０１とＳ４０２との間でビーム数を増加させる補間処理を行うことを除いて、同様な処理になるため、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態６は、ＤＩＦＡＲソノブイの各指向性音響センサ出力を用いてＡＢＦを実施するときにメリットが顕著となり、実施の形態５と同様な効果が得られる。ビームフォーミングで多くのビーム形成をすることが難しい場合であっても、本実施の形態６では、ビーム数を増加させることができる。その結果、より細かい刻みで狭帯域信号の方位推定を行うことができる。

なお、実施の形態５では、実施の形態２の方位推定装置１ａにビーム補間部５０を設ける場合について説明し、実施の形態６では、実施の形態４の方位推定装置１ｃにビーム補間部５０を設ける場合について説明したが、これらの場合に限らない。例えば、実施の形態３の方位推定装置１ｂにおいて、補助ビームフォーミング部４０と周波数分析部４１との間にビーム補間部５０を設けてもよい。また、実施の形態３の方位推定装置１ｂにおいて、抽出部４３の代わりに２次関数フィッティング部４５が設けられていてもよい。

１、１ａ～１ｅ 方位推定装置
２ 広帯域信号推定部
３、３ａ～３ｃ 狭帯域信号推定部
５ 方位推定システム
１１ 記憶部
１２ 制御部
１３ ＣＰＵ
１４ メモリ
２１ ビームフォーミング部
２２ 帯域加算部
２３ 最大レベル検出部
２４ 方位選択部
３１ 減算処理部
３２ 周波数分析部
３３ 相互相関計算部
３５ 方位算出部
４０ 補助ビームフォーミング部
４１ 周波数分析部
４２ 正規化処理部
４３ 抽出部
４４ 方位変換部
４５ ２次関数フィッティング部
５０ ビーム補間部
６０ ＤＩＦＡＲセンサ
６１ ＯＭＮＩ指向性音響センサ
６２ ＮＳ指向性音響センサ
６３ ＥＷ指向性音響センサ
６５ ＤＩＦＡＲソノブイ
６６ フローティング部
６７ 送信部
６８ ケーブル
１００ 方位推定装置

Claims (10)

1. 無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成するビームフォーミング部と、
   前記３つの音響センサの出力に対して、前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行ってから、狭帯域信号の到来方位を推定する狭帯域信号推定部と、
   を有する方位推定装置。
2. 前記ビームフォーミング部を含み、前記複数のビーム波形から前記広帯域信号の到来方位を推定し、推定した到来方位に基づいて前記広帯域信号の波形を抽出する広帯域信号推定部をさらに有し、
   前記狭帯域信号推定部は、
   前記各音響センサの出力から前記広帯域信号の波形を減算する減算処理部と、
   前記減算処理部による前記各音響センサの出力の減算結果に対して周波数を分析する周波数分析部と、
   前記無指向性音響センサの出力と前記第１の指向性音響センサの出力との相互相関である第１相関、および前記無指向性音響センサの出力と前記第２の指向性音響センサの出力との相互相関である第２相関を算出する相互相関計算部と、
   前記相互相関計算部によって算出された前記第１相関および前記第２相関に逆三角関数を用いて前記狭帯域信号の到来方位を算出する方位算出部と、
   を有する、請求項１に記載の方位推定装置。
3. 前記狭帯域信号推定部は、
   前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形ごとに周波数を分析する周波数分析部と、
   前記周波数分析部が分析した周波数ごとに前記ビーム波形を周波数方向に正規化処理する正規化処理部と、
   前記正規化処理部から前記周波数ごとに出力される複数の正規化処理の結果のうち、最大の正規化出力を抽出する抽出部と、
   前記抽出部によって抽出された最大の正規化出力の方位を前記狭帯域信号の方位に変換する方位変換部と、
   を有する、請求項１に記載の方位推定装置。
4. 前記ビームフォーミング部を含み、前記複数のビーム波形から前記広帯域信号の到来方位を推定し、推定した到来方位に基づいて前記広帯域信号の波形を抽出する広帯域信号推定部をさらに有し、
   前記狭帯域信号推定部は、
   前記各音響センサの出力から前記広帯域信号推定部によって抽出された前記広帯域信号の波形を減算する減算処理部と、
   前記減算処理部による前記各音響センサの出力の減算結果を用いて複数のビーム波形を生成する補助ビームフォーミング部と、
   前記補助ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形ごとに周波数を分析する周波数分析部と、
   前記周波数分析部が分析した周波数ごとに周波数方向に正規化処理を行う正規化処理部と、
   前記正規化処理部から前記周波数ごとに出力される複数の正規化処理の結果のうち、最大の正規化出力を抽出する抽出部と、
   前記抽出部によって抽出された最大の正規化出力の方位を前記狭帯域信号の方位に変換する方位変換部と、
   を有する、請求項１に記載の方位推定装置。
5. 前記狭帯域信号推定部は、
   前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形ごとに周波数を分析する周波数分析部と、
   前記周波数分析部が分析した周波数ごとに周波数方向に前記ビーム波形を正規化処理する正規化処理部と、
   前記正規化処理部から前記周波数ごとに出力される複数の正規化処理の結果を２次関数にフィッティングすることで最大の正規化出力を抽出する２次関数フィッティング部と、
   前記２次関数フィッティング部によって抽出された最大の正規化出力の方位を前記狭帯域信号の方位に変換する方位変換部と、
   を有する、請求項１に記載の方位推定装置。
6. 前記ビームフォーミング部と前記狭帯域信号推定部との間に設けられたビーム補間部をさらに有し、
   前記ビーム補間部は、前記ビームフォーミング部から入力される複数のビーム波形のビーム数に対して、前記ビーム数を増加させる補間処理を行う、請求項３または５に記載の方位推定装置。
7. 前記広帯域信号推定部は、
   前記ビームフォーミング部と、
   前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形のパワー値を算出する帯域加算部と、
   前記帯域加算部で算出された前記複数のビーム波形のパワー値のうち、最大のパワー値となる方位を検出し、検出した方位を前記広帯域信号の推定方位として出力する最大レベル検出部と、
   前記広帯域信号の推定方位に対応するビーム波形を抽出し、抽出したビーム波形を前記狭帯域信号推定部に出力する方位選択部と、
   を有する、請求項２または４に記載の方位推定装置。
8. 無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサを含むダイファーセンサと、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の方位推定装置と、
   を有する方位推定システム。
9. 無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて狭帯域信号の到来方位を推定する方位推定方法であって、
   前記３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成し、
   前記３つの音響センサの出力に対して、生成された前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行った後、前記狭帯域信号の到来方位を推定する、
   方位推定方法。
10. 無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて狭帯域信号の到来方位を推定するコンピュータに、
    前記３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成する手段と、
    前記３つの音響センサの出力に対して、生成された前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行った後、前記狭帯域信号の到来方位を推定する手段として機能させるためのプログラム。

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