JPH05341029A

JPH05341029A - ビームフォーマ

Info

Publication number: JPH05341029A
Application number: JP14786192A
Authority: JP
Inventors: 弘 ▲土▼屋; Hiroshi Tsuchiya; Hideo Kano; 英夫加納
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1993-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】ビームフォームにおいて、データに含まれる
誤差を均等化することによって、各々の指向性ビームの
指向性利得の差異を低減させる。【構成】受波器アレイ１０を構成する複数個の受波器
素子１１と、前記受波器素子１１の出力をサンプリング
する手段１２と、前記サンプリング手段１２の出力に時
間遅延補償を行う時間遅延補償器１３とによってビーム
フォームを構成し、前記遅延時間を第２の時間遅延補償
器１５あるいは時間遅延補償器１３によって変更可能と
して時間遅延補償データに含まれる誤差を均等とする。
また、前記第２の時間遅延補償器１３は前記複数個の受
波器素子１１ごとに設けられることも、前記複数個の受
波器素子１１に対して１個とすることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、目標音源からの信号を
受信する受波器アレイにおいて、受波器アレイの指向性
ビームの主軸方向を変化させるビームフォーマに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、受波器アレイのビームフォーマに
おいて受波器アレイの指向性ビームの主軸方向の変更
は、該受波器アレイの出力信号に対して時間遅延補償を
与えることによって行なっている。以下に、従来の受波
器アレイのビームフォーマについて説明する。

【０００３】始めに、時間遅延を補償することによる受
波器アレイの指向性ビームの主軸方向の変更について説
明する。図４は受波器アレイと指向性との関係図であ
る。図において、受波器アレイ１０は受波器素子１１₁
〜１１₄によって構成され、それぞれ等間隔で配置され
て音源Ｏからの信号を受波する。ここで、前記受波器ア
レイ１０の指向性ビーム２０の主軸方向と音源Ｏからの
信号の進行方向とのなす角度を角度θとする。前記指向
性ビーム２０が音源Ｏの方向を向いている場合には、前
記角度θは０度であり、受波器アレイ１０の受波器素子
１１₁〜１１ ₄の列の配列方向と指向性ビーム２０は直
交することになる。

【０００４】図において、白丸は音源Ｏからの信号の受
波器素子１１₁〜１１₄における受波信号を表わし、受
信時刻Ｔ₀，Ｔ_-1，Ｔ_-2，Ｔ_-3における受信信号は各列
上に配列されることになる。角度θの指向性ビーム２０
によって音源Ｏからの信号を受信する場合には、例えば
受波器素子１１₁は受信時刻Ｔ₀の受信信号を用い、受
波器素子１１₂は受信時刻Ｔ_-1の受信信号を用い、受波
器素子１１₃は受信時刻Ｔ_-2の受信信号を用い、受波器
素子１１₄は受信時刻Ｔ_-3の受信信号を用いることによ
って指向性ビーム２０の変更を行う。

【０００５】前記受波器素子の受信信号の受信時刻を異
ならせることは、図４において一点鎖線で示される受波
器アレイ１０の受信面を変更することに対応する。該受
波器素子の受信信号の受信時刻の変更は、基準となる時
刻に対してそれぞれの受波器素子における受信信号を記
憶しておき、該受信信号を時間遅延して時刻を揃えるこ
とによって行われる。

【０００６】したがって、指向性ビーム２０の主軸方向
の角度θは受波器素子の受信信号の遅延時間の量によっ
て変更され、遅延時間が短い場合には指向性ビーム２０
の主軸方向の角度θは小さく概ね音源Ｏの方向を向いて
おり、一方遅延時間が長い場合には指向性ビーム２０の
主軸方向の角度θは大きく音源Ｏから外れた方向を向く
ことになる。

【０００７】図５は図４と同様に受波器アレイと指向性
との関係図である。図５の指向性ビーム２０の主軸方向
の角度θと図４の指向性ビーム２０の主軸方向の角度θ
とは、音源Ｏの方向に対して対称の関係にある。図５に
おいても図４の関係と同様にして、指向性ビーム２０の
主軸方向の角度θは受波器素子の受信信号の遅延時間の
量によって変更される。

【０００８】図６は従来のビームフォーマの一構成例を
示すブロック図である。１０は、受波器アレイ、１
１₁，１１₂，…１１_K，…１１_Nは受波器素子、１２
₁，１２ ₂，…１２_K，…１２_Nはアナログ／デジタル
変換器（以後、Ａ／Ｄ変換器という）、１３₁，１
３₂，…１３_K，…１３_Nは時間遅延補償器、１４は加
算器である。

【０００９】次に、前記のように構成された従来のビー
ムフォーマの動作を説明する。図６において、受波器ア
レイ１０の受波器素子１１_Kで受信された信号はＡ／Ｄ
変換器１２_Kにおいて、サンプリング周期に基づきデジ
タル化されると共に離散化される。離散化された信号は
時間遅延補償器１３_Kに蓄積される。時間遅延補償器１
３_Kでは、指向性ビームの主軸方向を変化させるのに適
当な時間遅延したデータを選択し、加算器１４に出力す
る。加算器１４は全受波器素子の出力結果を加算する。

【００１０】次に、時間遅延補償の方法につい説明す
る。図７は指向性ビームの主軸方向と補償時間との関係
図である。図において、Ｌは受波器アレイ１０の受波器
素子１１₁と受波器素子１１_Kとの距離、ｔは補償時
間、ｓは音速である。時間遅延によって電気的に形成さ
れる受波器アレイの素子の列は一点鎖線によって示され
ており、指向性ビームの主軸方向に対して直交する。そ
して、図の一点鎖線間の距離に相当する時間が補償時間
となる。

【００１１】補償時間ｔは次式（１）によって表され
る。補償時間ｔ＝Ｌ×ｓｉｎθ／ｓ … （１）ここで、Ｌは受波器素子１１₁₁と１１_Kの距離、θは変
化させようとする指向性ビームの主軸方向であり、受波
器アレイに垂直の場合には前記角度θは０度となる。ま
た、ｓは音速である。

【００１２】図８及び図９は従来の時間遅延補償の概念
図である。前記時間遅延補償器１３_Kにおいて補償すべ
き時間は前記式（１）によって求められる。時間遅延補
償は、補償時間に相当する時間さかのぼったデータを前
記時間遅延補償器１３_Kに蓄積しておいたデータから選
択し、それらを加算器１３において加算することによっ
て行う。

【００１３】図８おいて、指向性ビームの主軸方向を図
の符号２０の矢印の方向とするには、一点鎖線上の受波
器素子１１のデータを用いる。該受波器素子１１のデー
タは、前記時間遅延補償によって補償時間に相当する時
間さかのぼったデータを選択することによって行う。し
かしながら、蓄積したデータは離散化しているので、求
めるべきデータが蓄積したデータ内に存在する場合と、
存在しない場合がある。図８において求めるべきデータ
が存在する場合を黒丸によって示し、求めるべきデータ
が存在しない場合を白丸によって示している。データが
存在する場合には、該当するデータをそのまま選択す
る。一方、求めるべきデータが存在しない場合には、補
償時間相当のデータを補間等の方法によって求めるべき
時刻前後のデータを用いて作成し、時間遅延補償データ
としている。

【００１４】図９において、使用するデータが現在時刻
のサンプルデータＤ₀と、補償時間１のｔ₁以前のデー
タのＤと、補償時間２のｔ₂以前のデータのＤ_-2の場合
を示している。前記データの内、データＤ_-2はサンプル
データが存在するのに対して、データＤは求めるべきサ
ンプルデータが存在しない。したがって、データＤはサ
ンプルデータＤ_-2とサンプルデータＤ_-1等の他のサンプ
リングデータを用いて補間するなどの操作によって求め
ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の構成では、時間遅延補償器１３_Kにおいて選択すべ
きデータが存在する場合と存在しない場合とがある。選
択すべきデータが存在する場合にはサンプルデータをそ
のまま使用するので、時間遅延補償データに誤差は生じ
ない。一方選択すべきデータが存在しない場合、時間遅
延補償データは補間等の方法によって求めなければなら
ないため、時間遅延補償データに誤差が生じる。

【００１６】したがって、加算器１４において加算され
たデータは誤差を含む場合と含まない場合とがある。さ
らに、時間遅延補償において選択すべきデータが存在し
ない場合、使用するデータを他のデータを用いて作成し
ているため、補償時間によってデータに含まれる誤差の
度合いが異なる。そのため、前記データを加算器１４で
加算して得られるビームフォーミングの結果において
も、補償時間によって誤差の度合いが異なる。

【００１７】したがって、前記従来の構成では各々の指
向性ビームの指向性利得に差異が生じ、特に誤差の生じ
ない受波器アレイに垂直な方向のビームに関しては、他
の方向のビームと比較して指向性利得が良いという問題
点がある。したがって、該指向性利得の相違のため指向
性どうしを比較するためには、前記の誤差を考慮した利
得補正が必要である。

【００１８】本発明は、前記の問題点を解決して、デー
タに含まれる誤差の分布を均等にし、前記の各々の指向
性ビームの指向性利得に差異が生じるという問題点を除
去し、各々の指向性ビームの指向性利得の差異を低減し
た装置を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明においては、受波器アレイを構成する複数
個の受波器素子と、前記受波器素子の出力をサンプリン
グする手段と、前記サンプリング手段の出力に時間遅延
補償を行う時間遅延補償器とからなり、前記遅延時間は
変更可能であるものであり、前記遅延時間の変更は第２
の時間遅延補償器によって行ったり、時間遅延補償器に
よって行うことができる。また、前記第２の時間遅延補
償器は前記複数個の受波器素子ごとに設けられること
も、前記複数個の受波器素子に対して１個とすることも
できる。

【００２０】

【作用】本発明においては、目標音源からの信号を受波
器アレイで受信し、該受波器アレイの出力信号に対し
て、時間遅延補償を与えることによって指向性ビームの
主軸方向を変化させるビームフォーマにおいて、遅延時
間を変化することのできる第２の時間遅延補償器を設
け、時間遅延補償データの遅延時間を変化させることに
よって、時間遅延補償データに含まれる誤差を均等にし
て各々の指向性ビームの指向性利得の差異を低減するこ
とができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は本発明の実施例のブロッ
ク図である。１０は、受波器アレイ、１１₁，１１₂，
…１１_K，…１１_Nは受波器素子、１２₁，１２₂，…
１２_K，…１２ _Nはアナログ／デジル変換器、１３₁，
１３₂，…１３_K，…１３_Nは時間遅延補償器、１
５₁，１５₂，…１５_K，…１５_Nは時間遅延補償器、
１４は加算器である。

【００２２】図１において、受波器アレイ１０の受波器
素子１１_Kで受信された信号はアナログ／デジル変換器
（以後Ａ／Ｄ変換器という）１２_Kにおいて、サンプリ
ング周期に基づきデジタル化されると共に離散化され
る。離散化された信号は時間遅延補償器１３_Kに蓄積さ
れる。時間遅延補償器１３_Kでは、指向性ビームの主軸
方向を変化させるのに適当な遅延時間と第２の時間遅延
補償器１５_Kが与える遅延時間との和を遅延時間とし、
該時間だけ遅延させたデータを選択し、加算器１５に出
力する。加算器１５は全受波器素子出力結果を加算す
る。第２の時間遅延補償器１５_Kの遅延時間は、時間遅
延したデータに含まれる誤差を均等にするためのもので
ある。

【００２３】次に、時間遅延補償の方法につい説明す
る。図２及び図３は本発明の時間遅延補償の概念図であ
る。図２において、指向性ビームの主軸方向を図の符号
２０の矢印の方向とするには、一点鎖線上の受波器素子
１１のデータを用いる。該受波器素子１１のデータは、
前記時間遅延補償によって補償時間に相当する時間さか
のぼったデータを選択することによって行う。

【００２４】本発明の時間遅延補償においては、第１の
補償時間ｔ₁と第２の補償時間ｔ₂の二つの補償時間を
用いるものであり、時間遅延補償１５_Kにおいて補償す
べき時間は次式（２）によって求められる。補償時間ｔ＝第１の補償時間ｔ₁＋第２の補償時間ｔ₂ …（２）第２の補償時間ｔ₂を加算することによって各時間補償
データに含まれる誤差の比率が均等になり、結果として
指向性利得が均等になる。

【００２５】始めに、第１の補償時間ｔ₁について説明
する。第１の補償時間ｔ₁は前記従来の補償時間ｔと同
様である。図７は指向性ビームの主軸方向と補償時間と
の関係図である。図において、Ｌは受波器アレイ１０の
受波器素子１１₁と受波器素子１１_Kとの距離、ｔは補
償時間、ｓは音速である。指向性ビームの主軸方向に対
して擬似的に直交する受波器アレイ１０の素子の列は一
点鎖線によって示されており、該一点鎖線間の距離に相
当する時間が第１の補償時間ｔ₁となる。

【００２６】第１の補償時間ｔ₁は次式（３）によって
表される。第１の補償時間ｔ₁＝Ｌ×ｓｉｎθ／ｓ …（３）ここで、Ｌは受波器素子１１₁₁と１１_Kの距離、θは変
化させようとする指向性ビームの主軸方向であり受波器
アレイに垂直の場合には前記角度θは０度となる。ま
た、ｓは音速である。

【００２７】次に、第２の補償時間ｔ₂について説明す
る。第２の補償時間ｔ₂は図２において破線の矢印によ
って表され、各時刻の受波器素子のデータをそれぞれの
第１の補償時間ｔ₁だけ時間遅延したものにさらに第２
の補償時間ｔ₂時間だけ遅延して時刻Ｔ₀におけるデー
タに揃えるものである。

【００２８】各受波器素子のデータは前記した従来の時
間遅延補償で説明したように、選択するデータは指向性
ビームの主軸方向の方向に応じて時間遅延補償を行う
が、該遅延時間によってデータに加わる誤差の程度は、
サンプリング時刻に該データが有るか否かによって異な
る。本発明の第２の補償時間ｔ₂は、前記第１の補償時
間ｔ₁にさらに一定の遅延時間を追加することによっ
て、前記第１の補償時間ｔ ₁のみの遅延時間ではサンプ
リング時刻に存在しているデータをずらして、選択する
データがサンプリング時刻に存在しないようにするもの
である。図３において、サンプリング時刻のデータは
それぞれＤ_-1、Ｄ_-2であるのに対して、選択するデータ
はサンプリング時刻に存在しないＤ_-1´、Ｄ_-2´であ
る。そして、それぞれのデータＤ_-1´、Ｄ_-2´の第１の
補償時間はｔ₁₁とｔ₁₂であり、第２の補償時間はｔ₂で
ある。図３及び図９によって、本発明の時間遅延補償と
従来の時間遅延補償とを比較する。本発明のデータＤ_-2
に対応する従来のデータは、サンプリング時刻に存在し
ており補償時間ｔ₁₂による時間補償による誤差は０であ
る。一方、本発明のデータＤ_-2はサンプリング時刻に存
在しておらず補償時間ｔ₁₂及び第２の補償時間ｔ₂によ
る時間補償による誤差は０とならず、ある誤差を有する
ことになる。

【００２９】前記第２の時間遅延補償器１５において設
定される第２の補償時間ｔ₂は、時間遅延補償器１３に
おいて設定される補償時間ｔ_1Kとの和の補償時間ｔが現
在時刻となるように設定される。また、補償時間ｔ_1Kは
指向性ビームの主軸方向に応じて設定され、第２の補償
時間ｔ₂は任意に設定する時間間隔とすることができ
る。時間遅延補償器１３は前記補償時間ｔ_1Kと第２の補
償時間ｔ₂の和の補償時間ｔを演算し、該補償時間ｔと
現在時刻とから選択するデータのデータの時刻を演算す
る。さらに該データの時刻とサンプルデータの時刻との
関係及びサンプルデータから、選択するデータの時刻に
おけるデータ値を補間等に手段によって求める。

【００３０】あるいは、第２の補償時間ｔ₂を補償時間
ｔ_1Kとサンプルデータの時刻との関係から設定すること
もできる。この場合には、第２の補償時間ｔ₂を指向性
ビームの主軸方向に応じて設定された補償時間ｔ_1Kによ
るデータの時刻がサンプルデータの時刻と一致しないよ
うに設定することもできる。また、遅延時間補償による
選択データに含まれる誤差の割合を演算し、該誤差の割
合が均等となるように第２の補償時間ｔ₂を設定するこ
ともできる。

【００３１】したがって、本発明の時間遅延補償によれ
ば、選択されたデータは全て時間遅延補償後においてそ
のデータの中に誤差を有して、全く誤差を有しないデー
タを除くことができ、時間遅延したデータに含まれる誤
差を均等化することができる。データに含まれる誤差の
前記均等化によって、従来必要であった指向性の特性の
均等化のための利得補正の必要がない。

【００３２】図１における第２の時間遅延補償器は、必
ずしも各受波器素子ごとに必要ではなく、全受波器素子
に対して１つだけであってもよい。また、前記実施例に
おいては、第２の補償時間を第２の時間遅延補償器１５
によって行なっているが、各時間遅延補償器１３の補償
時間に含めてもよい。前記の場合には、前記時間遅延補
償器１３による時間遅延補償の中に第２の補償時間を含
める場合における補償すべき補償時間は前記式（３）に
よって求められる。時間遅延補償は、前記補償時間に相
当する時間さかのぼったデータを前記時間遅延補償器１
３_Kに蓄積しておいたデータから選択して加算器１４に
出力することによって行う。

【００３３】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００３４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、目標音源からの信号を受波器アレイで受信し、
該受波器アレイの出力信号に対して時間遅延補償を与え
ることによって指向性ビームの主軸方向を変化させるビ
ームフォーマにおいて、（１）遅延時間を変化できる第２の時間遅延補償器を設
け、時間遅延補償データの遅延時間を変化させることに
よって、時間遅延補償データに含まれる誤差を均等に
し、各々の指向性ビームの指向性利得の差異を低減する
ことができる。（２）前記指向性ビームの指向性利得の均等化によっ
て、特定の指向性ビームの指向性の指向性利得だけが良
くなることがなくなり、指向性ビームの指向性利得の均
等化のための利得補正の必要性がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のブロック図である。

【図２】本発明の時間遅延補償の概念図である。

【図３】本発明の時間遅延補償の概念図である。

【図４】受波器アレイと指向性との関係図である。

【図５】受波器アレイと指向性との関係図である。

【図６】従来のビームフォーマの一構成例を示すブロッ
ク図である。

【図７】指向性ビームの主軸方向と補償時間との関係図
である。

【図８】従来の時間遅延補償の概念図である。

【図９】従来の時間遅延補償の概念図である。

【符号の説明】

１０受波器アレイ１１₁，１１₂，〜１１_K，〜１１_N 受波器素子１２₁，１２₂，〜１２_K，〜１２_N Ａ／Ｄ変換器１３₁，１３₂，〜１３_K，〜１３_N 時間遅延補償器１４加算器１５₁，１５₂，〜１５_K，〜１５_N 時間遅延補償器２０指向性ビームの主軸方向Ｌ受波器素子間距離Ｏ音源ｓ音速ｔ補償時間ｔ₁₁ 補償時間１ｔ₁₂ 補償時間２ｔ₂ 第２の補償時間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）受波器アレイを構成する複数個の
受波器素子と、（ｂ）前記受波器素子の出力をサンプリ
ングする手段と、（ｃ）前記サンプリング手段の出力に
時間遅延補償を行う時間遅延補償器とからなり、（ｄ）
前記遅延時間は変更可能であることを特徴とするビーム
フォ−マ。
【請求項２】前記遅延時間の変更は第２の時間遅延補
償器によって行う請求項１記載のビームフォ−マ。
【請求項３】前記遅延時間の変更は前記時間遅延補償
器によって行う請求項１記載のビームフォ−マ。
【請求項４】前記第２の時間遅延補償器は前記複数個
の受波器素子ごとに設けられる請求項２記載のビームフ
ォ−マ。
【請求項５】前記第２の時間遅延補償器は前記複数個
の受波器素子に対して１個である請求項２記載のビーム
フォ−マ。