JP7283628B2 - 軌道推定装置、軌道推定システム、軌道推定方法、およびプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、移動する波源の軌道を推定する軌道推定装置等に関する。
複数のマイクロホンによって構成されるマイクアレイを用いれば、音源から発せられた音波の到達時間差によって音源の方向を推定できる。例えば、一定時間ごとの音源の位置を定常とみなせば、移動する音源の位置を推定できる。一般的なマイクアレイを用いた音源方向の推定では、空間折り返し歪を避けるために、マイクアレイを構成するマイクロホン間の距離を、音波の周波数の２倍で音速を除した値よりも小さくする。音源が移動する場合、このようなマイクアレイを広範囲に複数設置する。
特許文献１には、弾丸等の高速飛翔物体の落下位置等を推定する弾丸位置標定装置について開示されている。特許文献１の装置は、複数のセンサによって観測された弾丸の発射音等の到達時間差に基づいて、高速飛翔物体の落下位置等を推定する。また、特許文献１の手法では、予め計算された最適な弾道計算値を用いて算出されたセンサの位置における弾丸の飛翔音のドップラーシフトを用いて、弾丸発射位置を推定する。
特許文献２には、速度と方向が不明な超音速投射物の軌跡を判定する方法について開示されている。特許文献２の方法では、同一平面上に間隔を空けて配置された少なくとも３つのセンサによって、それらのセンサの近くを通過する超音速投射物により生じる衝撃波を観測する。各センサは、衝撃波に応じて、衝撃波源への単位照準ベクトルの方位角および仰角に関連する信号を出力する。特許文献２の方法では、３つのセンサの単位照準ベクトルから、投射物の局部的な軌跡の方位角および仰角を計算する。
特開２０００－２０５７９４号公報 特表平７－５０５２１９号公報
一般的なマイクアレイを用いた音源方向の推定では、音源が移動する場合、マイクアレイを広範囲に複数設置するため、多数のマイクロホンが必要となりコストがかかる。また、一般的なマイクアレイを用いた音源方向の推定では、音源の位置を定常とみなせる区間が短いため、推定に十分なデータ量が得られず推定精度が低下する。
特許文献１の手法では、正確な弾丸発射位置を推定するために、弾道計算や飛翔音のドップラーシフト値の算出を繰返すことによって、最終的な弾丸発射位置を推定する。特許文献１の手法では、波源の移動に追従して位置を特定できないため、波源の位置の時間変化や速度（以下、軌道と呼ぶ）を推定することはできなかった。
特許文献２の方法は、衝撃波を発生するほどの超音速で移動する移動体の軌道の計算には適用できる。しかしながら、特許文献２の方法は、衝撃波を発生しない速度で移動する波源からの波動に基づいて、その波源の軌道を計算することはできなかった。
本発明の目的は、移動する波源の軌道を推定できる軌道推定装置等を提供することにある。
本発明の一態様の軌道推定装置は、複数のセンサによって検出された波動に基づく波動データを取得する取得部と、波動データを用いてスペクトログラムを生成する生成部と、スペクトログラムからドップラーシフトを抽出する抽出部と、ドップラーシフトに関して予め設定された選択条件を満たす二つのセンサをセンサペアとして選択する選択部と、センサペアを構成するセンサの位置関係と、センサペアを構成する二つのセンサ間のドップラーシフトの関係に基づいて、波動の発生源である波源の軌道を推定する推定部と、を備える。
本発明の一態様の軌道推定方法においては、コンピュータが、複数のセンサによって検出された波動に基づく波動データを取得し、波動データを用いてスペクトログラムを生成し、スペクトログラムからドップラーシフトを抽出し、ドップラーシフトに関して予め設定された選択条件を満たす二つのセンサをセンサペアとして選択し、センサペアを構成するセンサの位置関係と、センサペアを構成する二つのセンサ間のドップラーシフトの関係に基づいて、波動の発生源である波源の軌道を推定する。
本発明の一態様のプログラムは、複数のセンサによって検出された波動に基づく波動データを取得する処理と、波動データを用いてスペクトログラムを生成する処理と、スペクトログラムからドップラーシフトを抽出する処理と、ドップラーシフトに関して予め設定された選択条件を満たす二つのセンサをセンサペアとして選択する処理と、センサペアを構成するセンサの位置関係と、センサペアを構成する二つのセンサ間のドップラーシフトの関係に基づいて、波動の発生源である波源の軌道を推定する処理とをコンピュータに実行させる。
本発明によれば、移動する波源の軌道を推定できる軌道推定装置等を提供することが可能になる。
第１の実施形態に係る軌道推定装置の構成の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る軌道推定装置の推定対象の波動を検出するセンサの配置例を示す概念図である。 第１の実施形態に係る軌道推定装置の生成部が生成するスペクトログラムの一例である。 第１の実施形態に係る軌道推定装置の生成部が生成するスペクトログラムの別の一例である。 第１の実施形態に係る軌道推定装置の抽出部が抽出するドップラーシフトの一例を示すグラフである。 第１の実施形態に係る軌道推定装置の抽出部が抽出するドップラーシフトの別の一例を示すグラフである。 第１の実施形態に係る軌道推定装置の選択部が選択するセンサペアの選択条件について説明するためのグラフである。 第１の実施形態に係る軌道推定装置の推定部による波源の軌道の推定方法について説明するための概念図である。 第１の実施形態に係る軌道推定装置によって推定された波源の軌道を表示装置の画面に表示させる一例を示す概念図である。 第１の実施形態に係る軌道推定装置の動作について説明するためのフローチャートである。 第２の実施形態に係る軌道推定装置の構成の一例を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る軌道推定装置の推定部による波源の軌道の推定方法について説明するための概念図である。 第３の実施形態に係る軌道推定装置の構成の一例を示すブロック図である。 各実施形態に係る軌道推定装置を実現するハードウェア構成の一例を示す概念図である。
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る軌道推定装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の軌道推定装置は、複数のセンサによって検出された波動に基づいて、移動する波源の位置の時間変化や速度（以下、軌道と呼ぶ）を推定する。特に、本実施形態の軌道推定装置は、等速直線運動をする波源の軌道を推定する。なお、センサによって検出される波動の周波数帯は、ドップラー効果による変化を検出できる程度に狭い帯域幅であるものとする。また、本実施形態においては、二つのセンサを通る直線と波源の軌道とのなす角の正負が既知であると仮定する。二つのセンサを通る直線と波源の軌道とのなす角の正負が既知でない場合は、二つの軌道の候補が推定される。推定された二つの軌道のうち一つが、推定対象の軌道である。
（構成）
図１は、本実施形態の軌道推定装置１０の構成の一例を示すブロック図である。軌道推定装置１０は、取得部１１、生成部１２、抽出部１３、選択部１４、および推定部１５を備える。
軌道推定装置１０は、間隔を空けて配置された複数のセンサ１００に接続される。例えば、軌道の推定対象である波源が音源である場合、センサ１００はマイクロホンによって実現できる。例えば、軌道の推定対象である波源が振動源である場合、センサ１００は振動センサによって実現できる。軌道推定装置１０と、複数のセンサ１００によって構成されるシステムのことを軌道推定システムとも呼ぶ。
取得部１１は、複数のセンサ１００によって検出された波動に基づく波動データを取得する。取得部１１は、取得した波動データを生成部１２に出力する。取得部１１は、複数のセンサ１００に有線で接続されてもよいし、無線で接続されてもよい。例えば、取得部１１は、図示しないネットワーク経由で複数のセンサ１００に接続される。
図２は、複数のセンサ１００の配置例を示す概念図である。複数のセンサ１００は、推定対象の波源の種別に応じた間隔を空けて配置される。複数のセンサ１００は、各々のセンサ１００の間の距離が特定できれば、どのように配置されてもよい。例えば、複数のセンサ１００は、等間隔に配置されてもよいし、任意の間隔で配置されてもよい。また、複数のセンサ１００は、各々のセンサ１００間の距離を判別できれば、互いに位置関係が変化してもよい。例えば、センサ１００として、ＧＰＳ（Global Positioning System）などによって位置情報を特定できる携帯端末に搭載されたマイクロホンや振動センサなどを用いてもよい。図２の例では、波源１１０は、複数のセンサ１００が配置された空間を、軌道Ｒに沿って等速直線運動で移動するものとする。
以下においては、個々のセンサ１００を区別する際に、センサ１００の符号の末尾に識別番号を付す。例えば、識別番号がｍのセンサ１００は、センサ１００－ｍと記載する（ｍは自然数）。図２において、センサ１００－１～３と表記されたセンサ１００は、識別番号が１～３のセンサ１００を示す。
各々のセンサ１００は、予め設定された間隔で配置される。以下において、センサ１００－ｍとセンサ１００－ｎの間隔はｋmnと表記される（ｋは正の実数、ｎは自然数）。なお、センサ１００－ｍとセンサ１００－ｎの間隔はｋnmと表記されてもよい。図２では、センサ１００－１とセンサ１００－２の間隔はｋ12と表記され、センサ１００－１とセンサ１００－３の間隔はｋ13と表記され、センサ１００－２とセンサ１００－３の間隔をｋ23と表記される。
生成部１２は、複数のセンサ１００によって検出された波動に基づく波動データを取得部１１から取得する。生成部１２は、取得した複数のセンサ１００ごとの波動データを用いて、複数のセンサ１００ごとにスペクトログラムを生成する。スペクトログラムは、各々のセンサ１００によって検出される波動を時間、周波数、および強度等の関係で表した３次元的なグラフである。本実施形態では、スペクトログラムは、時間が横軸に設定され、周波数が縦軸に設定され、強度が濃淡で示される。スペクトログラムは、波動データからサンプリングされた波形の中に、どのような周波数成分がどの程度含まれるのかを表す。なお、強度の替わりに、振幅等を用いてもよい。
図３および図４は、生成部１２が生成するスペクトログラムの一例である。図３および図４では、波動の強度を濃淡で表す。図３の例では、全周波数帯における強度の最大または極大を示すピークが連続的である。図４の例では、全周波数帯における強度の最大または極大を示すピークが離散的である。ただし、図３および図４の例は、生成部１２が生成するスペクトログラムを概念的に示すものであり、実際に検出された波動に基づいて生成されたものではない。
抽出部１３は、生成部１２によって生成されたスペクトログラムからドップラーシフトを抽出する。ドップラーシフトは、スペクトログラムにおいて強度が最大または極大を示すピークに基づいて抽出される周波数の時間変化である。
図３の例の場合、抽出部１３は、連続的なピークに沿った曲線をドップラーシフトとして抽出する。例えば、抽出部１３は、同一時刻や同一周波数において強度が最大を示すピークの軌跡をドップラーシフトとして抽出する。
図４の例の場合、抽出部１３は、離散的なピークを補間した曲線をドップラーシフトとして抽出する。例えば、抽出部１３は、離散的なピークを３次関数などの関数でフィッティングした曲線をドップラーシフトとして選択する。波源からの波動の周波数帯がある程度想定できる場合、抽出部１３は、想定される周波数帯における最大または極大のピークを通る曲線をドップラーシフトとして抽出してもよい。また、ピークの数が十分多ければ、抽出部１３は、離散的なピーク間を線分で結んでもよい。
また、事前に波動の周波数が分かっている場合、例えば、抽出部１３は、波動の周波数を一定の周波数幅内でシフトさせた周波数を基底として生成する。例えば、波動の周波数がｆヘルツであり、一定の周波数幅がαヘルツであると仮定する（ｆ、αは実数）。この場合、抽出部１３は、波動の周波数（ｆヘルツ）を±αヘルツの周波数幅内で、ｆ－α、ｆ－α＋１、・・・、ｆ、ｆ＋１、・・・、ｆ＋αにシフトさせた周波数を基底として生成する。抽出部１３は、非負値行列因子分解（ＮＭＦ）によりこれら全基底に対するアクティベーションを求め、アクティベーションが最大値をとる基底を特定する。抽出部１３は、アクティベーションが最大値をとる基底の周波数を時間ごとにプロットした曲線をドップラーシフトとして算出する。また、抽出部１３は、特定された周波数の時間変化を３次関数などの関数でフィッティングして得られる曲線をドップラーシフトとして抽出してもよい。
図５は、波源が単一の場合に、抽出部１３によって抽出されるドップラーシフトの一例を示すグラフである。図５には、センサ１００－１が検出した波動に基づくドップラーシフトを実線で示し、センサ１００－２が検出した波動に基づくドップラーシフトを破線で示し、センサ１００－３が検出した波動に基づくドップラーシフトを一点鎖線で示す。
図６は、複数の波源からの波動が混在している場合に、抽出部１３によって抽出されるドップラーシフトの一例を示すグラフである。複数の波源からの波動が混在している場合、３次関数などの関数にフィッティングし、波源ごとにドップラーシフトを分離して抽出すればよい。図６には、波源１のドップラーシフトを実線、波源２のドップラーシフトを破線、その他の波源のドップラーシフトを一点鎖線で示す。
選択部１４は、抽出部１３によって抽出された複数のセンサ１００のドップラーシフトの関係に基づいて、複数のセンサ１００の中から二つのセンサ１００を選択する。選択部１４は、選択された二つのセンサ１００をセンサペアとする。選択部１４は、予め設定された選択条件を満たす二つのセンサ１００をセンサペアとして選択する。選択条件は、推定部１５が後述する手法を用いて波源の軌道を推定するための条件である。
図７は、センサペアの選択条件について説明するためのグラフであり、抽出部１３によって抽出された複数のセンサ１００のドップラーシフトのうち、２つのセンサのドップラーシフトを示している。選択条件は、第１条件および第２条件を含む。第１条件は、二つのセンサ１００のドップラーシフトの変曲点の周波数が同じまたは閾値以下であるという条件である。第２条件は、二つのセンサ１００のドップラーシフトが交わるという条件である。同じ波源からの同じ波動を検出しており、また二つのセンサ１００を通る直線と波源の軌道とが非平行であり、かつ二つのセンサ１００の間を波源が通過しなければ、第１条件と第２条件がともに満たされる。
図７において、センサ１００－１のドップラーシフトは、時刻ｔ1（第１時刻とも呼ぶ）において変曲点を有する。また、センサ１００－２のドップラーシフトは、時刻ｔ2（第２時刻とも呼ぶ）において変曲点を有する。センサ１００－１およびセンサ１００－２のドップラーシフトの変曲点における周波数はともにｆ0である。すなわち、センサ１００－１およびセンサ１００－２のドップラーシフトは、変曲点における周波数が同じ（ｆ0）であり、第１条件が満たされる。なお、変曲点における周波数は、厳密に同じではなく、波源の軌道の推定に大きな影響を与えない程度の誤差を含んでもよい。
ドップラーシフトの変曲点は、波源がセンサ１００に最近接するタイミングにおいて現れる。ドップラーシフトの変曲点の周波数は、波源から発せられた波動の元の周波数ｆ0に相当する。すなわち、第１条件が満たされ、二つのセンサ１００が検出した波動に基づくドップラーシフトの変曲点の周波数が同じであれば、二つのセンサ１００が同一の波源から発せられた同一の波動を検出したことを示す。
実際には、波源がセンサ１００に最近接したタイミングと、ドップラーシフトの変曲点が観測されたタイミングとの間には、波源の速度に応じた誤差がある。このような誤差は、波源の速度が極端に速くなければ無視できる。例えば、自動車や船舶程度の速度であれば、波源の速度に応じた誤差は無視できる。そのため、本実施形態においては、このような誤差を無視し、波源がセンサ１００に最近接したタイミングと、ドップラーシフトの変曲点が観測されたタイミングとが同じであるとみなす。
また、図７において、センサ１００－１のドップラーシフトと、センサ１００－２のドップラーシフトとは、時刻Ｔにおいて互いに交わる。すなわち、センサ１００－１のドップラーシフトと、センサ１００－２のドップラーシフトとは、時刻Ｔにおける周波数が同じ（ｆT）であり、第２条件が満たされる。
第２条件が満たされれば、二つのセンサ１００の位置を通る直線と波源の軌道とが非平行かつ、音源が２センサの間を通過しない。二つのセンサ１００の位置を通る直線と波源の軌道とが非平行であれば、二つのセンサ１００の位置を通る直線上を波源が通過する。二つのセンサ１００の位置を通る直線上を波源が通過するタイミングにおいてその波源から発せられた波動は、二つのセンサ１００にとって、波源の方向が同じであり、同一の周波数ｆ0として検出される。
推定部１５は、選択部１４によって選択された二つのセンサ１００（センサペア）によって検出された波動に基づく波動データを用いて、波源の軌道を推定する。
図８は、推定部１５が波源の軌道を推定する一例について説明するための概念図である。図８は、センサ１００－１とセンサ１００－２がマイクペアとして選択された例である。波源は、軌道Ｒに沿って、矢印の向きに速度ｖで等速直線運動するものとする。波源は、時刻Ｔ、時刻ｔ1、および時刻ｔ2の各々において、図８に示すＴ、ｔ1、およびｔ2の各々の位置を通過するものとする。時刻Ｔは、センサ１００－１とセンサ１００－２とを通る直線と波源の軌道Ｒとの交点を波源が通過する時刻である。時刻ｔ1は、センサ１００－１と波源とが最近接する時刻である。時刻ｔ2は、センサ１００－２と波源とが最近接する時刻である。
図８において、センサ１００－１と波源が最近接する時刻におけるセンサ１００－１と波源との距離はａ1である。センサ１００－２と波源が最近接する時刻におけるセンサ１００－２と波源との距離はａ2である。センサ１００－１とセンサ１００－２との距離はｋである。センサ１００－１とセンサ１００－２とを通る直線と波源の軌道Ｒとのなす角はφである。ただし、図８において、φ、ａ1、ａ2は、センサ１００－１とセンサ１００－２とを通る直線上を０として、時計回りの向きを正とする。本実施形態においては、φの正負は既知であると仮定する。ａ1、ａ2もφの符号と同じとなるため、正負は既知であると仮定する。また、波源が発する波動の速度をＶ、波源の速度をｖと表記する。波源の速度ｖは、Ｔの位置からｔ1の位置（またはｔ2の位置）に向かう向きを正とする。波源の速度ｖの符号は、Ｔ、ｔ1、ｔ2の大小関係で決まる。
例えば、推定部１５は、以下の式１～４を用いて、数値的に軌道Ｒを推定する。
（ａ2－ａ1）2＋｛ｖ（ｔ2－ｔ1）｝2＝ｋ2・・・（１）
ｖ（ｔ1－Ｔ）／ａ1＝１／tanφ・・・（２）
ｖ（ｔ2－Ｔ）／ａ2＝１／tanφ・・・（３）
ｆT／ｆ0＝Ｖ／（Ｖ－ｖcosφ）・・・（４）
式１は、図８の斜線部分の直角三角形に関して、直角を挟む二辺の長さと斜辺の長さとの間に成り立つ関係（三平方の定理）を示す。式２は、時刻Ｔにおける波源の位置と、時刻ｔ1における波源の位置と、センサ１００－１の位置とを頂点とする三角形において成り立つ関係式である。式３は、時刻Ｔにおける波動の位置と、時刻ｔ2における波動の位置と、センサ１００－２の位置とを頂点とする三角形において成り立つ関係式である。式４は、ドップラー効果に関する関係式である。
例えば、推定部１５は、上記の式１～４を用いて、速度ｖ、距離ａ1、距離ａ2、および角度φを算出する。速度ｖ、距離ａ1、距離ａ2、および角度φが算出されれば、既知であるセンサ１００－１およびセンサ１００－２の位置関係に基づいて、波源の軌道Ｒを推定できる。
図９は、軌道推定装置１０によって推定された波源１１０の軌道Ｒを表示装置１２０の画面に表示させる一例を示す概念図である。図９は、複数のセンサ１００が配置された地区の路上を、自動車や自転車などの波源１１０が移動する例である。例えば、波源１１０の軌道Ｒは、波源１１０が移動する経路を含む地図上に表示される。例えば、波源１１０の軌道Ｒは、自動車や船舶などの波源１１０の種別に応じて、それらの波源１１０の航路上に表示される。
（動作）
次に、本実施形態の軌道推定装置１０の動作について図面を参照しながら説明する。図１０は、軌道推定装置１０の動作について説明するためのフローチャートである。図１０のフローチャートに沿った処理は、軌道推定装置１０を動作の主体として説明する。
図１０において、まず、軌道推定装置１０は、複数のセンサ１００によって検出された波動に基づく波動データを取得する（ステップＳ１１）。
次に、軌道推定装置１０は、複数のセンサ１００ごとの波動データを用いて、複数のセンサ１００ごとのスペクトログラムを生成する（ステップＳ１２）。
次に、軌道推定装置１０は、複数のセンサ１００ごとのスペクトログラムのピークに基づいて、複数のセンサ１００ごとにドップラーシフトを抽出する（ステップＳ１３）。
次に、軌道推定装置１０は、ドップラーシフトの変曲点の周波数が同じであり、かつドップラーシフトが互いに交わる二つのセンサ１００をセンサペアとして選択する（ステップＳ１４）。
次に、軌道推定装置１０は、選択されたセンサペアのドップラーシフトを用いて、波源の軌道を推定する（ステップＳ１５）。
以上のように、本実施形態の軌道推定装置は、取得部、生成部、抽出部、選択部、および推定部を備える。取得部は、複数のセンサによって検出された波動に基づく波動データを取得する。生成部は、波動データを用いてスペクトログラムを生成する。抽出部は、スペクトログラムからドップラーシフトを抽出する。選択部は、ドップラーシフトに関して予め設定された選択条件を満たす二つのセンサをセンサペアとして選択する。推定部は、センサペアを構成するセンサの位置関係と、センサペアを構成する二つのセンサ間のドップラーシフトの関係に基づいて、波動の発生源である波源の軌道を推定する。
本実施形態の軌道推定装置は、複数のセンサによって検出された波動に基づいて抽出されるドップラーシフトを用いて、予め設定された選択条件を満たす二つのセンサをセンサペアとして選択する。そして、本実施形態の軌道推定装置は、センサペアを構成するセンサの位置関係と、センサペアを構成するセンサによって波動が検出されるタイミングとに基づいて、波動の発生源である波源の軌道を推定する。そのため、本実施形態の軌道推定装置によれば、移動する波源からの波動に基づいて、その波源の軌道を推定できる。
本実施形態の一態様において、選択条件は、ドップラーシフトの変曲点の周波数が同じであるという第１条件と、ドップラーシフトが交わるという第２条件とを含む。第１条件が満たされ、二つのセンサ１００が検出した波動に基づくドップラーシフトの変曲点の周波数が同じであれば、同一の波源から発せられた同一の波動を二つのセンサによって検出されたことになる。第２条件が満たされ、二つのセンサの位置を通る直線と波源の軌道とが非平行であれば、二つのセンサの位置を通る直線上を波源が通過するタイミングで波源から発せられた同一の周波数の波動が二つのセンサによって検出されたことになる。本態様によれば、波源の軌道を推定するためのセンサペアを選択するための基準が明確になる。
本実施形態の一態様において、抽出部は、スペクトログラムにおいて連続的なピークに沿った曲線をドップラーシフトとして抽出する。本態様によれば、スペクトログラムにおいて連続的なピークがあれば、そのピークに基づいてドップラーシフトを抽出できる。
本実施形態の一態様において、抽出部は、スペクトログラムにおいて離散的なピークを補間した曲線をドップラーシフトとして抽出する。本態様によれば、スペクトログラムにおいて連続的なピークがなくても、それらのピークに基づいてドップラーシ+フトを抽出できる。
本実施形態の一態様において、抽出部は、波動の周波数が既知の場合、スペクトログラムから既知の周波数に基づく基底を用いて、非負値行列因子分解によりアクティベーションが大きい周波数を特定する。抽出部は、特定された周波数を結ぶ曲線をドップラーシフトとして抽出する。本態様によれば、波動の周波数が既知の場合、スペクトログラムにおけるピークが明確ではなくても、ドップラーシフトを抽出できる。
本実施形態の一態様において、推定部は、センサペアを構成する二つのセンサの間の距離、二つのセンサの位置を通る直線上を波源が通過する第１時刻および第１時刻における周波数、二つのセンサの各々と波源の距離が最短になる第２時刻および第２時刻における周波数の関係に基づいて、波源の軌道を推定する。具体的には、推定部は、波源の速度、二つのセンサの各々と波源の最短距離、二つのセンサの位置を通る直線と波源の軌道との成す角度を算出して波源の軌道を推定する。本態様によれば、移動する波源からの波動に基づいて、その波源の軌道を数値計算によって推定できる。
また、本実施形態の一態様の軌道推定システムは、上述の軌道推定装置に加えて、波源からの波動を検出し、検出された波動に基づく波動データを軌道推定装置に出力する少なくとも一つのセンサを備える。
例えば、本実施形態では、波源の種別が自動車などの車両の場合、複数のセンサを数十メートル間隔で配置する。本実施形態の複数のセンサは、複数のマイクロホンがアレイ状に配置されたマイクアレイではなく、単一のマイクロホンによって構成できる。マイクアレイを用いた手法では、複数のマイクロホンが数センチメートル間隔で配置されたマイクアレイを数１０メートル間隔で配置する。それに対し、本実施形態の手法では、単一のマイクロホンを数１０メートル間隔で配置すればよい。そのため、本実施形態によれば、マイクアレイを用いる場合と比較して、センサの設置コストを低く抑えることができる。
また、マイクアレイを用いた手法では、一定時間ごとの波源の位置を定常とみなして、波源の位置を推定する。波源の速度が大きいほど、波源方向を推定するための時間間隔（時間窓とも呼ぶ）を狭く設定する必要があるが、時間窓内のデータ量が少なくなるため、推定に十分なデータ量が得られず推定精度が低下する。それに対し、本実施形態では、スペクトログラムから抽出されるドップラーシフトを用いて波源の軌道を推定する。そのため、本実施形態によれば、波源の軌道を高精度に推定できる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る軌道推定装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の軌道推定装置は、センサペアを二つ以上選択し、選択された二つ以上のセンサペアのドップラーシフトの関係に基づいて、波源の軌道を推定する。本実施形態においては、複数のセンサに対する波源の方向が既知でなくてもよい。
図１１は、本実施形態の軌道推定装置２０の構成の一例を示すブロック図である。軌道推定装置２０は、取得部２１、生成部２２、抽出部２３、選択部２４、および推定部２５を備える。
軌道推定装置２０は、間隔を空けて配置された複数のセンサ２００に接続される。軌道推定装置２０は、選択部２４および推定部２５の処理の一部が異なる点以外は、第１の実施形態の軌道推定装置１０とほぼ同様である。そのため、本実施形態においては、第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、相違点に焦点を当てて説明する。
図１２は、選択部２４によって選択された二組のセンサペアのドップラーシフトの関係に基づいて波源の軌道を推定する例について説明するための概念図である。選択部２４によるセンサペアの選択条件は、第１の実施形態と同様である。
選択部２４は、センサ２００－１とセンサ２００－２からなる第１センサペアを選択する。センサ２００－１とセンサ２００－２の間隔はｋ12である。波源がセンサ２００－１に最近接するタイミングは時刻ｔ1である。波源がセンサ２００－２に最近接するタイミングは時刻ｔ2である。センサ２００－１およびセンサ２００－２の位置を通る直線と、波源の軌道とが交わるタイミングは時刻Ｔ12である。センサ２００－１およびセンサ２００－２の位置を通る直線と、波源の軌道とのなす角はφ12である。
また、選択部２４は、センサ２００－２とセンサ２００－３からなる第２センサペアを選択する。センサ２００－２とセンサ２００－３の間隔はｋ23である。波源がセンサ２００－２に最近接するタイミングは時刻ｔ2である。波源がセンサ２００－３に最近接するタイミングは時刻ｔ3である。センサ２００－２およびセンサ２００－３の位置を通る直線と、波源の軌道とが交わるタイミングは時刻Ｔ23である。センサ２００－２およびセンサ２００－３の位置を通る直線と、波源の軌道とのなす角はφ23である。
推定部２５は、選択部２４によって選択された二つのセンサペアの各々に関して波源の軌道を推定する。推定部２５は、センサペアごとに二つの軌道候補を算出する。センサペアごとに算出される二つの軌道候補は、センサペアを構成する二つのセンサ２００を通る直線との成す角度が同じであり、正負の符号が異なる。図１２の例では、推定部２５は、センサ２００－１とセンサ２００－２によって構成される第１センサペアに関して、二つの軌道候補（軌道候補Ｒ12A、軌道候補Ｒ12B）を推定する。また、推定部２５は、センサ２００－２とセンサ２００－３によって構成される第２センサペアに関して、軌道候補（軌道候補Ｒ23A、軌道候補Ｒ23B）を推定する。
推定部２５は、第１センサペアおよび第２センサペアの各々に関して推定された軌道候補のうち一致するものを波源の軌道として推定する。図１２の例では、第１センサペアに関して推定された軌道候補Ｒ12Aと、第２センサペアに関して推定された軌道候補Ｒ23Aとが共通する。そのため、推定部２５は、これらの軌道候補（軌道候補Ｒ12A、軌道候補Ｒ2 3A）を波源の軌道として推定する。なお、第１センサペアによって選択された軌道候補と、第２センサペアによって選択された軌道候補とは、完全に一致するとは限らない。そのため、推定部２５は、第１センサペアによって選択された軌道候補と、２センサペアによって選択された軌道候補とのうち、最も類似する軌道候補のうちいずれか一方を波源の軌道として推定してもよい。また、推定部２５は、第１センサペアによって選択された軌道候補と、２センサペアによって選択された軌道候補とのうち、最も類似する軌道候補を平均化したものを波源の軌道として推定してもよい。
以上のように、本実施形態の軌道推定装置の選択部は、少なくとも二組のセンサペアを選択する。選択部は、選択された少なくとも二組のセンサペアに関して推定された波源の軌道候補のうち、一致する軌道候補に基づいて波源の軌道を推定する。本実施形態によれば、センサに対する波源の方向が既知でなくても、移動する波源からの波動に基づいて、その波源の軌道を推定できる。
本実施形態においては、センサペアを二組選択し、波動の軌道を推定する例を示した。センサペアを二組選択する場合、波動の軌道を二次元的に推定できる。また、センサペアを三組以上選択し、全センサペアに関して推定された軌道候補が一致する軌道（または類似する軌道候補を平均化したもの）を推定してもよい。波動の軌道を三次元的に推定する場合は、センサペアを三組以上選択すればよい。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る軌道推定装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態の軌道推定装置は、第１および第２の実施形態に係る軌道推定装置を簡略化した構成である。
図１３は、本実施形態の軌道推定装置３０の構成の一例を示すブロック図である。軌道推定装置３０は、取得部３１、生成部３２、抽出部３３、選択部３４、および推定部３５を備える。一例として、軌道推定装置３０が備える各構成要素は、第１の実施形態の軌道推定装置１０または第２の実施形態の軌道推定装置２０と同様である。
取得部３１は、複数のセンサによって検出された波動に基づく波動データを取得する。生成部３２は、波動データを用いてスペクトログラムを生成する。抽出部３３は、スペクトログラムからドップラーシフトを抽出する。選択部３４は、ドップラーシフトに関して予め設定された選択条件を満たす二つのセンサをセンサペアとして選択する。推定部３５は、センサペアを構成するセンサの位置関係と、センサペアを構成するセンサによって波動が検出されるタイミングとに基づいて、波動の発生源である波源の軌道を推定する。
以上のように、本実施形態の軌道推定装置は、複数のセンサによって検出された波動に基づいて抽出されるドップラーシフトを用いて、予め設定された選択条件を満たす二つのセンサをセンサペアとして選択する。そして、本実施形態の軌道推定装置は、センサペアを構成するセンサの位置関係と、センサペアを構成するセンサによって波動が検出されるタイミングとに基づいて、波動の発生源である波源の軌道を推定する。そのため、本実施形態の軌道推定装置によれば、移動する波源からの波動に基づいて、その波源の軌道を推定できる。
（ハードウェア）
ここで、各実施形態に係る軌道推定装置の処理を実行するハードウェア構成について、図１４の情報処理装置９０を一例として挙げて説明する。なお、図１４の情報処理装置９０は、各実施形態の軌道推定装置の処理を実行するための構成例であって、本発明の範囲を限定するものではない。
図１４のように、情報処理装置９０は、プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インターフェース９５、通信インターフェース９６、およびドライブ装置９７を備える。図１４においては、インターフェースをＩ／Ｆ（Interface）と略して表記する。プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インターフェース９５、通信インターフェース９６、およびドライブ装置９７は、バス９８を介して互いにデータ通信可能に接続される。また、プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３および入出力インターフェース９５は、通信インターフェース９６を介して、インターネットやイントラネットなどのネットワークに接続される。また、図１４には、データを記録可能な記録媒体９９を示す。
プロセッサ９１は、補助記憶装置９３等に格納されたプログラムを主記憶装置９２に展開し、展開されたプログラムを実行する。本実施形態においては、情報処理装置９０にインストールされたソフトウェアプログラムを用いる構成とすればよい。プロセッサ９１は、本実施形態に係る軌道推定装置による処理を実行する。
主記憶装置９２は、プログラムが展開される領域を有する。主記憶装置９２は、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリとすればよい。また、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）などの不揮発性メモリを主記憶装置９２として構成・追加してもよい。
補助記憶装置９３は、種々のデータを記憶する。補助記憶装置９３は、ハードディスクやフラッシュメモリなどのローカルディスクによって構成される。なお、種々のデータを主記憶装置９２に記憶させる構成とし、補助記憶装置９３を省略することも可能である。
入出力インターフェース９５は、情報処理装置９０と周辺機器とを接続するためのインターフェースである。通信インターフェース９６は、規格や仕様に基づいて、インターネットやイントラネットなどのネットワークを通じて、外部のシステムや装置に接続するためのインターフェースである。入出力インターフェース９５および通信インターフェース９６は、外部機器と接続するインターフェースとして共通化してもよい。
情報処理装置９０には、必要に応じて、キーボードやマウス、タッチパネルなどの入力機器を接続するように構成してもよい。それらの入力機器は、情報や設定の入力に使用される。なお、タッチパネルを入力機器として用いる場合は、表示機器の表示画面が入力機器のインターフェースを兼ねる構成とすればよい。プロセッサ９１と入力機器との間のデータ通信は、入出力インターフェース９５に仲介させればよい。
また、情報処理装置９０には、情報を表示するための表示機器を備え付けてもよい。表示機器を備え付ける場合、情報処理装置９０には、表示機器の表示を制御するための表示制御装置（図示しない）が備えられていることが好ましい。表示機器は、入出力インターフェース９５を介して情報処理装置９０に接続すればよい。
ドライブ装置９７は、バス９８に接続される。ドライブ装置９７は、プロセッサ９１と記録媒体９９（プログラム記録媒体）との間で、記録媒体９９からのデータやプログラムの読み込み、情報処理装置９０の処理結果の記録媒体９９への書き込みなどを仲介する。なお、記録媒体９９を用いない場合は、ドライブ装置９７を省略してもよい。
記録媒体９９は、例えば、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの光学記録媒体で実現できる。また、記録媒体９９は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリやＳＤ（Secure Digital）カードなどの半導体記録媒体や、フレキシブルディスクなどの磁気記録媒体、その他の記録媒体によって実現してもよい。プロセッサが実行するプログラムが記録媒体９９に記録されている場合、その記録媒体９９はプログラム記録媒体に相当する。
以上が、各実施形態に係る軌道推定装置を可能とするためのハードウェア構成の一例である。なお、図１４のハードウェア構成は、各実施形態に係る軌道推定装置の演算処理を実行するためのハードウェア構成の一例であって、本発明の範囲を限定するものではない。また、各実施形態に係る軌道推定装置に関する処理をコンピュータに実行させるプログラムも本発明の範囲に含まれる。さらに、各実施形態に係るプログラムを記録したプログラム記録媒体も本発明の範囲に含まれる。
各実施形態の軌道推定装置の構成要素は、任意に組み合わせることができる。また、各実施形態の軌道推定装置の構成要素は、ソフトウェアによって実現してもよいし、回路によって実現してもよい。
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
１０、２０、３０ 軌道推定装置
１１、２１、３１ 取得部
１２、２２、３２ 生成部
１３、２３、３３ 抽出部
１４、２４、３４ 選択部
１５、２５、３５ 推定部
１００、２００ センサ
１１０ 波源

Claims (10)

  1. 複数のセンサによって検出された波動に基づく波動データを取得する取得手段と、
    前記波動データを用いてスペクトログラムを生成する生成手段と、
    前記スペクトログラムからドップラーシフトを抽出する抽出手段と、
    前記ドップラーシフトに関して予め設定された選択条件を満たす二つの前記センサをセンサペアとして選択する選択手段と、
    前記センサペアを構成する前記センサの位置関係と、前記センサペアを構成する二つの前記センサ間の前記ドップラーシフトの関係に基づいて、前記波動の発生源である波源の軌道を推定する推定手段と、を備える軌道推定装置。
  2. 前記選択条件は、
    前記ドップラーシフトの変曲点の周波数が同じであるという第１条件と、前記ドップラーシフトが交わるという第２条件とを含む請求項１に記載の軌道推定装置。
  3. 前記抽出手段は、
    前記スペクトログラムにおいて連続的なピークに沿った曲線を前記ドップラーシフトとして抽出する請求項１または２に記載の軌道推定装置。
  4. 前記抽出手段は、
    前記スペクトログラムにおいて離散的なピークを補間した曲線を前記ドップラーシフトとして抽出する請求項１または２に記載の軌道推定装置。
  5. 前記抽出手段は、
    前記波動の周波数が既知の場合、前記スペクトログラムから既知の周波数に基づく基底を用いて、非負値行列因子分解によりアクティベーションが大きい周波数を特定し、特定された周波数を結ぶ曲線を前記ドップラーシフトとして抽出する請求項１または２に記載の軌道推定装置。
  6. 前記推定手段は、
    前記センサペアを構成する二つの前記センサの間の距離、前記センサペアを構成する二つの前記センサの位置を通る直線上を前記波源が通過する第１時刻および前記第１時刻における周波数、前記センサペアを構成する二つの前記センサの各々と前記波源の距離が最短になる第２時刻および前記第２時刻における周波数の関係に基づいて、
    前記波源の速度、前記センサペアを構成する二つの前記センサの各々と前記波源の最短距離、前記センサペアを構成する二つの前記センサの位置を通る直線と前記波源の軌道との成す角度を算出して前記波源の軌道を推定する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の軌道推定装置。
  7. 前記選択手段は、
    少なくとも二組の前記センサペアを選択し、
    前記推定手段は、
    選択された前記少なくとも二組の前記センサペアに関して推定された前記波源の軌道候補のうち一致する前記軌道候補に基づいて前記波源の軌道を推定する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の軌道推定装置。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の軌道推定装置と、
    前記複数のセンサと、を備える軌道推定システム。
  9. コンピュータが、
    複数のセンサによって検出された波動に基づく波動データを取得し、
    前記波動データを用いてスペクトログラムを生成し、
    前記スペクトログラムからドップラーシフトを抽出し、
    前記ドップラーシフトに関して予め設定された選択条件を満たす二つの前記センサをセンサペアとして選択し、
    前記センサペアを構成する前記センサの位置関係と、前記センサペアを構成する二つの前記センサ間の前記ドップラーシフトの関係に基づいて、前記波動の発生源である波源の軌道を推定する軌道推定方法。
  10. 複数のセンサによって検出された波動に基づく波動データを取得する処理と、
    前記波動データを用いてスペクトログラムを生成する処理と、
    前記スペクトログラムからドップラーシフトを抽出する処理と、
    前記ドップラーシフトに関して予め設定された選択条件を満たす二つの前記センサをセンサペアとして選択する処理と、
    前記センサペアを構成する前記センサの位置関係と、前記センサペアを構成する二つの前記センサ間の前記ドップラーシフトの関係に基づいて、前記波動の発生源である波源の軌道を推定する処理とをコンピュータに実行させるプログラム。
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