JPH0552922A - 方位推定方法 - Google Patents

方位推定方法

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JPH0552922A
JPH0552922A JP3235566A JP23556691A JPH0552922A JP H0552922 A JPH0552922 A JP H0552922A JP 3235566 A JP3235566 A JP 3235566A JP 23556691 A JP23556691 A JP 23556691A JP H0552922 A JPH0552922 A JP H0552922A
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Masato Yamashita
正人 山下
Shinji Yanai
伸治 屋内
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 不明確な、あるいは刻々と変化する周波数の
信号を発する信号源の方位を得ることのできる方位推定
方法を提供すること。 【構成】 複数のセンサS1,S2,・・・,SNから
成るセンサアレイ1によって受波した信号からCSDM
を推定し、該推定結果に基づき信号源の方位を推定する
方法において、目標信号源の発する信号の周波数の近傍
の複数の周波数に基づくCSDMを推定し、各々の雑音
部分空間を推定し、この雑音部分空間と整相ベクトルと
の内積の絶対値の極小値を求め、この極小値を用いて信
号の周波数を推定し、この周波数に基づくCSDMを用
いて目標信号源の方位を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、センサアレイで受波さ
れた受波信号を用いて、固有値分解法(Eigenvalue Dec
omposition Method、以下「DEM」という)に基づき信号
源の方位推定を行う方位推定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えばS.Y.Kung、外2名編「ブイエルエスアイ アンド
モダン シグナル プロセッシング(VLSI and Moder
n Signal Processing)」(1985)Prentice Hall(米)G.Bi
envenu、H.Mermoz著“プリンシプルズ オブ ハイレゾ
リュ−ション アレイ プロセッシング(Principles of
High-Resolusion Array Processing)"P.83-105に記載さ
れるものがあった。
【0003】前記文献に記載されている方位推定方法
は、例えば複数の音響受波センサから成るセンサアレイ
により、音源である目標信号源からの信号を受波し、そ
の受波信号を用いてEDMに基づき目標信号源の方位を
推定する。以下、そのEDMによる方位推定方法につい
て説明する。
【0004】いま、N個のセンサs1,…,sNから成る
センサアレイがあり、これを用いて、周波数fの狭帯域
成分を含む信号を発している目標信号源の方位推定を行
いたいとする。各センサから得られる時間領域デ−タに
対してフ−リエ変換を施し、観測する周波数fの成分を
抽出すると、センサsnに関する狭帯域周波数分析デ−
タSn(f,t)(但し、t:時刻)が得られる。な
お、時刻は離散値を考えてti(ただし、i:整数)と
書く。
【0005】このときセンサアレイ全体の周波数デ−タ
を列ベクトルで表わすと、次式(1)のようになる。
【数1】 次に、クロススペクトラル密度行列(Cross-Spectral De
nsity Matrix、以下「CSDM」という)Γ(f)を、次式
(2)のように定義する。
【数2】
【0006】信号源からの信号を含まない雑音信号のみ
によるCSDMの形は既知であるとし、これをJ(f)
とおく。また、信号源はK個あり、その方位はそれぞれ
θi,…,θK、その信号のパワ−はそれぞれτ
i(f),…,τK(f)であるとする。すると、センサ
アレイのCSDMは式(3)のようになる。
【数3】 ここで、ベクトルd(f,θK)は整相ベクトルであ
る。すなわち方位θKから到来する周波数fの信号がセ
ンサアレイ中の各センサに与える位相差を、並べて列ベ
クトルとしたものである。
【0007】INをN次の単位行列としたとき、次式
(4)で定義される行列Cを、「雑音を白色化する行
列」と呼ぶ。
【数4】 この行列を用いて(5)式のCSDMΓを変換すると、
次のようになる。
【数5】
【0008】ところで、任意の複素正方行列Xについ
て、複素数λと、零でないベクトルvとが次式(6)を
満たすとき、λをXの固有値、vをλに対応するXの固
有ベクトルと呼ぶ。 Xv=λv (6) 特に、N次のエルミ−ト行列は、N個の実数の固有値を
持ち、N個の固有値すべて互いに直交するようにとれ
る。
【0009】さて、雑音による成分を含まないCSDM
Γa(f)を行列Cで変換した行列C(f)Γa(f)C
(f)Hの固有値を求めると、信号源の個数Kと等しい
個数の固有値は正の実数となり、その他のものは零とな
る。すなわちC(f)Γa(f)C(f)Hの固有値を λ1(f),…,λK(f),0,…,0 とおける。また、C(f)Γ(f)C(f)H=C
(f)Γa(f)C(f)H+σINの固有値は次のよう
になる。 λ1(f)+σ,…,λK(f)+σ,σ,…,σ ただし、σ,…,σの個数はN−K個
【0010】この固有値に対応するC(f)Γ(f)C
(f)Hの固有ベクトルを v1(f),…,v(f)N (但し、|vN(f)|=1であり、各vn(f)
は互いに直交する。)とする。固有値λ1(f)+σ,
…,λK(f)+σに対応する固有ベクトルv1(f),
…,vk(f)の張る空間を信号部分空間(signal subsp
ace)と呼びvK+1(f),…,vN(f)の張る空間を雑
音部分空間(noise subspace)と呼ぶ。これについて、次
の(i),(ii)が言える。
【0011】(i)信号部分空間と雑音部分空間は直交
する。すなわち、ベクトルaが信号部分空間に属し、ベ
クトルbが雑音部分空間に属するならば、その内積aH
bは零である。 (ii)音源の方位整相ベクトルを行列Cで交換したもの C(f)d(f,θK) (k=1,・・・,K) は、信号部分空間に属する。これにより、方位φがいず
れかの信号源の方位θKと一致しているとき、その整相
ベクトルを行列C(f)で変換したものC(f)d
(f,φ)は、雑音部分空間と直交する。そこで、方位
に関する関数G(f,φ)を
【数6】 と定義すると、方位φがあるθKに等しいとき、G
(f,φ)=0となる。以上より、G(f,φ)に極小
値を与える方位φを、信号源の方位の推定値とする。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
べた従来の方位推定方法では、信号源の発する信号の周
波数が明確でない場合、あるいは周波数が刻々と変化す
る場合には、信号の周波数と観測する周波数との間にず
れが生じ、これが方位推定精度を劣化させて、満足な方
位推定を行うことができないという問題点があった。
【0013】この発明は、かかる問題点を解決するため
になされたもので、不明確な、あるいは刻々と変化する
周波数の信号を発する信号源の方位を得ることのできる
方位推定方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】この発明にかかる方位推
定方法は、複数のセンサから成るセンサアレイによって
受波した信号からCSDMを推定し、該推定結果に基づ
き信号源の方位を推定する方法において、前記目標信号
源の発する信号の周波数の近傍の複数の周波数に基づく
CSDMを推定し、おのおのの雑音部分空間を推定し、
この雑音部分空間と整相ベクトルとの内積の絶対値の極
小値を求め、この極小値を用いて前記信号の周波数を推
定し、この周波数に基づくCSDMを用いて前記目標信
号源の方位を推定するものである。
【0015】
【作用】本発明によれば、以上のように方位推定方法を
構成したので、目標信号源の発する信号の周波数を推定
し、その周波数のCSDMを用いて目標信号源の方位を
推定する。これにより、信号の周波数が不明確、あるい
は刻々と変化する場合に、信号の周波数と観測する周波
数とのずれに基づく方位推定精度の劣化を低減すること
ができる。従って、前記課題を解決できるのである。
【0016】
【実施例】以下に本発明の実施例として、N個のセン
サ、例えば圧電素子等を用いた音響センサから成るセン
サアレイを用いて、音源の方位を推定する方法について
述べる。図1は本発明の実施例の動作を説明する説明図
である。1は音響センサs1,…,sNから成るセンサア
レイ、Tは方位を推定しようとする音源である。また、
Tの発する音響信号の周波数は刻々と変化するものとす
る。
【0017】次に実施例の動作を説明する。音源Tの発
する信号の概略の周波数fMは他の方法で得られている
とする。ここで、各センサs1,…,sNによって受波し
た信号からfMを中心とする複数個の周波数 fM-m,・・・fM-1,fM,fM+1,・・・,fM+m について狭帯域成分を抽出し、各々のCSDM Γ(fM-m),…,Γ(fM+m) を推定する。
【0018】次に、各CSDMを、雑音を白色化する行
列C(fX)で変換したもの
【数7】 を、固有値分解し、各々の固有ベクトル v1(fM-m),…,vN(fM-m) …… v1(fM-m),…,vN(fM+m) を得る。
【0019】ここで音源の個数Kは既知であるとする
と、各周波数ごとに、小さい方からN−K個の固有値に
対応する固有ベクトルが雑音部分空間を張る。そこで、
各周波数fX=fM-m,・・・,fM+mに関して、方位φ
に関する関数G(fX,φ)を下記の(8)式で定義
し、これを極小にするφを求めてθ(fX)とする。
【数8】
【0020】ここで、各G(fx,θ(fx))(fx
M-m,…,fM+m)を用いて目標信号の周波数の推定値
μを求める。これには、fxが真の信号の周波数に近
ければG(fx,θ(fx))が零に近づくという現象が
利用でき、例えば、最小のG(fx,θ(fx))を与え
るfxをもってfμとすればよい。この周波数の推定値
μは、処理の初段にフィ−ドバックされ、次回にCS
DMを求める際の中心周波数として用いられる。
【0021】最後に、周波数fμのCSDMを用いた方
位の推定値θ(fx)をもって、求める信号の推定値と
する。なお、本発明は図示の実施例に限定されず、種々
の変形が可能である。その変形例としては、次のような
ものがある。
【0022】(i)方位推定を1度のみ行う場合には、
目標信号の周波数を推定した後に該周波数に基づいた方
位推定を行えばよい。一方、時間的に連続して方位推定
を行う場合には、上記実施例に示したように、推定した
周波数をフィ−ドバックし、次回には該周波数を中心と
した複数個の周波数に基づくCSDMを求めることとし
てもよい。 (ii)上記実施例では、信号源を音源としたが、本発明
はこれに限定されない。たとえば、マイクロ波や光等
を、スロットアレイアンテナや受光素子アレイ等により
受波し、図1と同一の方位推定方法により、信号処理に
よってマイクロ波発生源や光源等の方位を推定すること
ができる。従って、信号源は、信号の周波数成分を検出
できるセンサアレイがあれば、どのようなエネルギ−発
生源であってもよい。 (iii)図1の各ステップは、個別回路、あるいはコン
ピュ−タを用いたプログラムにより実現してもよい。
【0023】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、目標信号源の発する信号の周波数を推定し、その
周波数のCSDMを用いて目標信号源の方位を推定する
こととしたので、従来では不可能であった、信号の周波
数が刻々と変化する場合に、目標信号源の方位推定が高
精度に行えるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の動作説明図である。
【符号の説明】 1 センサアレイ T 目標信号源 fM-m,…,fM,…,fM-m CSDMを推定する複
数個の周波数 fμ 目標信号の周波数の推定値 θ 目標信号の帆へ方位の推定値

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数のセンサからなるセンサアレイによっ
    て受波した受波信号から、目標信号源の発する信号の周
    波数のクロススペクトラル密度行列を推定し、このクロ
    ススペクトラル密度行列の固有値と固有ベクトルとから
    雑音部分空間を推定し、この雑音部分空間と整相ベクト
    ルとの内積の絶対値を極小にするような方位をもって前
    記目標信号源の方位の推定値とする方位推定方法におい
    て、 前記目標信号源の発する信号の周波数の近傍の複数の周
    波数に基づくクロススペクトラル密度行列を推定し、 各々の雑音部分空間を推定し、 この雑音部分空間と整相ベクトルとの内積の絶対値の極
    小値を求め、 この極小値を用いて前記信号の周波数を推定し、 この周波数に基づくクロルスペクトラル密度行列を用い
    て得た方位をもって、前記目標信号源の方位とすること
    を特徴とする方位推定方法。
  2. 【請求項2】請求項1の方位推定を繰返して行う場合に
    おいて、 前記目標信号の前記推定周波数をフィ−ドバックし、次
    回以降にこの推定周波数を中心とする複数の周波数につ
    いてクロススペクトラル密度行列を推定して、前記目標
    信号源の方位推定を行うことを特徴とする方位推定方
    法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113138367A (zh) * 2020-01-20 2021-07-20 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种目标定位方法、装置、电子设备及存储介质

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CN113138367A (zh) * 2020-01-20 2021-07-20 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种目标定位方法、装置、电子设备及存储介质

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