(57)【要約】【課題】等方性雑音の環境下においても、本来の信号方位に鋭いピークを持つ整相処理結果を出力する適応整相システムを得る。【解決手段】アレイを構成する複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行う周波数分割部と、周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定部と、共分散行列に対して固有値分解を行う固有値分解部と、アレイの自由度を算出する自由度計算部と、固有値分解による固有値および算出された自由度に基づいて信号数を推定する信号数推定部と、固有値分解による固有値および固有値ベクトルと算出された信号数とに基づいて、固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行う対応付け部と、対応付けに基づいて適応重みを算出する重み計算部と、周波数分割された出力信号に対して適応重みを用いて整相処理を行う整相部と、を有するものである。【選択図】図１
2020034412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイを構成する複数のセンサの出力信号に基づいて適応整相処理を行う適応整相システムであって、
前記複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行う周波数分割部と、
前記周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定部と、
算出された共分散行列に対して固有値分解を行う固有値分解部と、
前記アレイの自由度を算出する自由度計算部と、
前記固有値分解で算出された固有値および前記自由度計算部で算出された自由度に基づいて信号数を推定する信号数推定部と、
前記固有値分解で算出された前記固有値および固有値ベクトルと前記信号数推定部で算出された信号数とに基づいて、前記固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行う対応付け部と、
前記固有値と前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する重み計算部と、
前記周波数分割された出力信号に対して前記適応重みを用いて整相処理を行う整相部と、
を有する適応整相システム。
【請求項２】
前記信号数推定部は、前記信号数を推定する際、推定に用いる前記固有値の数を前記自由度で制限する、請求項１に記載の適応整相システム。
【請求項３】
前記アレイがラインアレイである場合、前記自由度計算部は、［前記アレイの開口部の長さ／｛（到来する信号の波長）／２｝］の式にしたがって前記自由度を算出する、請求項１または２に記載の適応整相システム。
【請求項４】
アレイを構成する複数のセンサの出力信号に基づいて適応整相処理を行う適応整相装置であって、
前記複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行う周波数分割部と、
前記周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定部と、
算出された共分散行列に対して固有値分解を行う固有値分解部と、
前記アレイの自由度を算出する自由度計算部と、
前記固有値分解で算出された固有値および前記自由度計算部で算出された自由度に基づいて信号数を推定する信号数推定部と、
前記固有値分解で算出された前記固有値および固有値ベクトルと前記信号数推定部で算出された信号数とに基づいて、前記固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行う対応付け部と、
前記固有値と前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する重み計算部と、
前記周波数分割された出力信号に対して前記適応重みを用いて整相処理を行う整相部と、
を有する適応整相装置。
【請求項５】
アレイを構成する複数のセンサの出力信号に基づく適応整相処理方法であって、
前記複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行い、
前記周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出し、
算出された共分散行列に対して固有値分解を行い、
前記アレイの自由度を算出し、
前記固有値分解で算出された固有値および算出された自由度に基づいて信号数を推定し、
前記固有値分解で算出された前記固有値および固有値ベクトルと算出された信号数とに基づいて、前記固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行い、
前記固有値と前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出し、
前記周波数分割された出力信号に対して前記適応重みを用いて整相処理を行う、
適応整相処理方法。
【請求項６】
アレイを構成する複数のセンサの出力信号が入力されるコンピュータに、
前記複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行う手段と、
前記周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出する手段と、
算出された共分散行列に対して固有値分解を行う手段と、
前記アレイの自由度を算出する手段と、
前記固有値分解で算出された固有値および算出された自由度に基づいて信号数を推定する手段と、
前記固有値分解で算出された前記固有値および固有値ベクトルと算出された信号数とに基づいて、前記固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行う手段と、
前記固有値と前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する手段と、
前記周波数分割された出力信号に対して前記適応重みを用いて整相処理を行う手段として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセンサの出力に基づいて整相処理を行う適応整相システム、適応整相装置、適応整相処理方法、およびこの方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
適応整相は、アレイを構成するセンサから出力された信号と雑音の情報により適応的に整相することで、所望の方位から到来する信号の感度を保ったまま、所望の方位と異なる方位から到来する信号を抑制する整相方式である。
【０００３】
適応整相処理として、例えば、Dominant Mode Rejection（ＤＭＲ）、Minimum Variance Distortionless Response（ＭＶＤＲ）、Eigenvector/Beam Association and Excision (ＥＢＡＥ)などがある。これらの適応整相処理は、いずれも従来の整相処理よりも妨害音の抑制能力に優れた整相方式である。
【０００４】
ＥＢＡＥ方式を用いた適応整相処理が、非特許文献１および特許文献１に開示されている。ＥＢＡＥ方式は、センサ出力間の共分散行列の固有値分解を用いて信号部分空間の固有ベクトルをステアリングベクトルに対応付け、対応付けられたステアリングベクトルの方位に対して感度を拘束することを特徴とする適応整相処理である。固有値を用いて信号数を推定する方法として、ＡＩＣ（Akaike Information Criterion）およびＭＤＬ（Minimum Description Length）が知られている。また、Nadakuditi and Edelman AIC（Ｎ／Ｅ  ＡＩＣ）も知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
また、不要波を含む雑音から所望波を特定できるようにするために、センサアレイの自由度Ｋと環境推定可能な自由度Ｊとの差の自由度（Ｋ−Ｊ）を、不要波除去の自由度に利用する受信装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Stephen M. Kogon, “Experimental results for passive sonar arrays with eigenvector-based adaptive beamformers”, Signal, Systems and Computers, 2002
【非特許文献２】Kathleen E. Wage and John R. Buck. “Performance Analysis of Dominant Mode Rejection Beamforming”, Proceedings of 20th international Congress on Acoustics, ICA 2010, 23-27 August 2010, Sydney, Australia
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−１３８２６０号公報
【特許文献２】特開平８−６２３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＥＢＡＥ方式の適応整相処理は、センサ間で無相関な雑音を仮定している。しかし、実環境の雑音は、センサ間で相関性のある雑音成分を含む等方性雑音である。この場合、適応整相処理の整相出力において、実際の信号到来方位以外の方位に複数のピークが発生してしまうことがある。特許文献２に開示された受信装置では、環境推定可能な自由度Ｊは環境推定アルゴリズムによって異なるため、算出精度が十分でない場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る適応整相システムは、アレイを構成する複数のセンサの出力信号に基づいて適応整相処理を行う適応整相システムであって、前記複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行う周波数分割部と、前記周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定部と、算出された共分散行列に対して固有値分解を行う固有値分解部と、前記アレイの自由度を算出する自由度計算部と、前記固有値分解で算出された固有値および前記自由度計算部で算出された自由度に基づいて信号数を推定する信号数推定部と、前記固有値分解で算出された前記固有値および固有値ベクトルと前記信号数推定部で算出された信号数とに基づいて、前記固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行う対応付け部と、前記固有値と前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する重み計算部と、前記周波数分割された出力信号に対して前記適応重みを用いて整相処理を行う整相部と、を有するものである。
【００１０】
本発明に係る適応整相装置は、アレイを構成する複数のセンサの出力信号に基づいて適応整相処理を行う適応整相装置であって、前記複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行う周波数分割部と、前記周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定部と、算出された共分散行列に対して固有値分解を行う固有値分解部と、前記アレイの自由度を算出する自由度計算部と、前記固有値分解で算出された固有値および前記自由度計算部で算出された自由度に基づいて信号数を推定する信号数推定部と、前記固有値分解で算出された前記固有値および固有値ベクトルと前記信号数推定部で算出された信号数とに基づいて、前記固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行う対応付け部と、前記固有値と前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する重み計算部と、前記周波数分割された出力信号に対して前記適応重みを用いて整相処理を行う整相部と、を有するものである。
【００１１】
本発明に係る適応整相処理方法は、アレイを構成する複数のセンサの出力信号に基づく適応整相処理方法であって、前記複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行い、前記周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出し、算出された共分散行列に対して固有値分解を行い、前記アレイの自由度を算出し、前記固有値分解で算出された固有値および算出された自由度に基づいて信号数を推定し、前記固有値分解で算出された前記固有値および固有値ベクトルと算出された信号数とに基づいて、前記固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行い、前記固有値と前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出し、前記周波数分割された出力信号に対して前記適応重みを用いて整相処理を行うものである。
【００１２】
本発明に係るプログラムは、アレイを構成する複数のセンサの出力信号が入力されるコンピュータに、前記複数のセンサから入力される複数の出力信号に対して周波数分割を行う手段と、前記周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出する手段と、算出された共分散行列に対して固有値分解を行う手段と、前記アレイの自由度を算出する手段と、前記固有値分解で算出された固有値および算出された自由度に基づいて信号数を推定する手段と、前記固有値分解で算出された前記固有値および固有値ベクトルと算出された信号数とに基づいて、前記固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行う手段と、前記固有値と前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する手段と、前記周波数分割された出力信号に対して前記適応重みを用いて整相処理を行う手段として機能させるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固有値をアレイの自由度に制限することで、雑音部分空間の固有値のレベルが一定の特性になる。そのため、等方性雑音の環境下であっても、整相出力の結果に、本来の信号方位と異なる複数の方位にピークが形成されることを抑制し、本来の信号方位に鋭いピークを形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る適応整相システムの一構成例を示す図である。
【図２】図１に示した適応整相システムのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【図３】比較例の適応整相システムの構成を示す図である。
【図４】固有値および固有ベクトルについて信号部分空間および雑音部分空間の区分けを示す模式図である。
【図５】信号が１個の場合と信号が２個の場合の待ち受けビーム出力の一例を示す図である。
【図６】図３に示した固有値分解部が図５に示す信号を計算に用いた場合の固有値を示す図である。
【図７】図１に示した適応整相システムにおいて、図６（ｂ）に示した固有値をアレイの自由度で制限した場合を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る適応整相処理方法の手順の一例を示すフロー図である。
【図９】図１に示した適応整相システムにおいて、雑音が等方性雑音の場合に固有値をアレイの自由度までに制限した場合の出力結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
本実施の形態１の適応整相システムは、アレイを構成する複数のセンサの出力信号に基づいて適応整相処理を行う適応整相システムである。本実施の形態１では、ＥＢＡＥ方式を用いた適応整相処理を行う場合で説明する。
【００１６】
（実施の形態１の適応整相システムの概要）
図１は、本発明の実施の形態１に係る適応整相システムの一構成例を示す図である。図１に示すように、適応整相システム１は、周波数分割部１１と、適応整相処理部４０とを有する。適応整相処理部４０は、ＥＢＡＥ処理部２０と、整相部３０とを有する。ＥＢＡＥ処理部２０は、共分散行列推定部１２と、固有値分解部１３と、対応付け部１５と、重み計算部１６と、自由度計算部１７と、信号数推定部１８とを有する。
【００１７】
適応整相システム１には、図１に示していないが、アレイを構成する複数のセンサが接続されている。複数のセンサは到来する信号を検出するセンサである。本実施の形態１では、センサの数をＭ個とする。Ｍは２以上の整数である。適応整相システム１は、Ｍ個のセンサの出力であるセンサ出力信号が入力端子ｋ１〜ｋＭを介して入力され、センサ出力信号に対する整相処理を行い、その結果を出力端子Ｒｏｕｔから出力する。
【００１８】
図２は、図１に示した適応整相システムのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。適応整相システム１は、例えば、コンピュータを含む情報処理装置である。適応整相システム１は、記憶部６０および制御部５０を有する。記憶部６０は、制御部５０が実行する演算処理の結果を記憶する。記憶部６０は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）である。制御部５０は、プログラムを記憶するメモリ５２と、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）５１とを有する。ＣＰＵ５１がプログラムを実行することで、図１に示した、周波数分割部１１および適応整相処理部４０が適応整相システム１に構成される。
【００１９】
なお、周波数分割部１１、共分散行列推定部１２、固有値分解部１３、対応付け部１５、重み計算部１６、自由度計算部１７、信号数推定部１８および整相部３０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。また、適応整相システム１は、周波数分割部１１、共分散行列推定部１２、固有値分解部１３、対応付け部１５、重み計算部１６、自由度計算部１７、信号数推定部１８および整相部３０の機能を複数の情報処理装置が分担して処理する構成であってもよい。
【００２０】
本実施の形態１の適応整相システム１を詳細に説明する前に、比較例の適応整相システムの構成および動作を説明する。
【００２１】
（比較例の適応整相システムの構成と動作）
図３は、比較例の適応整相システムの構成を示す図である。比較例の適応整相システムもＥＢＡＥ方式である。適応整相システム１００は、周波数分割部１１と、適応整相処理部１４０とを有する。適応整相処理部１４０は、ＥＢＡＥ処理部１２０と、整相部３０とを有する。ＥＢＡＥ処理部１２０は、共分散行列推定部１２と、固有値分解部１３と、対応付け部１５と、重み計算部１６と、信号数推定部１４とを有する。適応整相システム１００は、Ｍ個のセンサからのセンサ出力信号が入力端子ｋ１〜ｋＭを介して入力され、センサ出力信号に対する整相処理を行い、その結果を出力端子Ｒｏｕｔから出力する。
【００２２】
なお、周波数分割部１１、共分散行列推定部１２、固有値分解部１３、信号数推定部１４、対応付け部１５、重み計算部１６および整相部３０の各部が行う信号処理は、非特許文献１および特許文献１に開示されているため、その詳細な説明を省略する。
【００２３】
周波数分割部１１は、Ｍ個のセンサから出力信号が入力されると、入力されたセンサ出力信号に対して、周波数分割を行う。説明を簡単にするために、以下では、１つのセンサ出力信号に対して周波数分割する場合を説明するが、Ｍ個のセンサの出力信号に対して１ｂｉｎ毎に信号処理が行われる。
【００２４】
周波数分割部１１で周波数分割されたセンサ出力信号は共分散行列推定部１２に入力される。共分散行列推定部１２は、センサ出力信号間の共分散行列を計算する。共分散行列推定部１２で算出された、センサ出力信号間の共分散行列は固有値分解部１３に出力される。
【００２５】
固有値分解部１３は、センサ出力信号間の共分散行列に対して、固有値分解を行う。固有値分解部１３が算出する固有値行列Λ、固有ベクトルの行列Ｅおよび固有ベクトルｅを、以下のように定義する。
【数１】
2020034412.tif 000003
【数２】
2020034412.tif 000004
【数３】
2020034412.tif 000005
【００２６】
以下の説明では、便宜上、式（１）を次の式（４）のように変形させる。具体的には、固有値行列Λを変形させて、式（４）のように固有値ベクトルλを定義する。
【数４】
2020034412.tif 000006
【００２７】
式（４）において、ｄｉａｇは行列に対する対角要素の取得を意味する。固有値分解部１３は、固有値の並び替えに伴い固有値に対応する固有ベクトルの並び替えも行う。固有値分解部１３が固有値および固有ベクトルを計算することにより、Ｍ個のセンサ出力信号が信号成分と雑音成分とに分解される。
【００２８】
固有値分解部１３が算出した固有値は信号数推定部１４に出力される。また、固有値分解部１３が算出した、固有値および固有ベクトルは、固有ベクトルとステアリングベクトルとを対応付ける対応付け部１５に出力される。ステアリングベクトルとは、想定される信号到来方位に応じた位相差を持ったベクトルを意味する。
【００２９】
信号数推定部１４は、固有値分解部１３から出力される固有値を用いて信号数を推定する。固有値を用いて信号数を推定する方法として、ＡＩＣおよびＭＤＬなどがあるが、ここでは、Ｎ／Ｅ  ＡＩＣを用いる場合で説明する。
【００３０】
Ｎ／Ｅ  ＡＩＣによる信号数
【数５】
2020034412.tif 000007
の推定は、次の式（５）により計算される。
【数６】
2020034412.tif 000008
【００３１】
また、ｔｄは、ｄの変数として、次の式（６）で与えられる。
【数７】
2020034412.tif 000009
式（６）において、ＳＰは固有値分解を求めるための共分散行列推定時のスナップショット数である。ここでは、スナップショット数ＳＰは、共分散行列推定時の独立サンプル数である。λｉは降順に並び替えられた固有値であり、Ｍはセンサ数である。また、ｃはセンサ数Ｍとスナップショット数ＳＰとの比から求められ、次の式（７）で表される。
【数８】
2020034412.tif 000010
【００３２】
信号数推定部１４が推定した信号数
【数９】
2020034412.tif 000011
は対応付け部１５に出力される。
【００３３】
対応付け部１５には、固有値分解部１３から出力される固有値および固有ベクトルと、信号数推定部１４から出力される信号数とが入力される。図４は、固有値および固有ベクトルについて信号部分空間および雑音部分空間の区分けを示す模式図である。図４（ａ）に示すように、対応付け部１５は、信号数推定部１４から入力される信号数
【数１０】
2020034412.tif 000012
をもとに、固有値が大きい方から順に信号数だけの固有値を信号成分として判定し、それ以外を雑音成分の固有値として判定する。また、図４（ｂ）に示すように、対応付け部１５は、固有値が大きい方から順に信号数だけの固有ベクトルによって構成される空間を信号部分空間として判定し、それ以外を雑音部分空間として判定する。
【００３４】
その後、対応付け部１５は、式（８）〜式（１０）にしたがって、信号部分空間として判定された固有ベクトルとステアリングベクトルとの内積ＥＳを計算する。ステアリングベクトル行列Ｖは式（８）で定義され、ステアリングベクトルνは式（９）で定義される。式（８）におけるＢは待ち受けビーム数である。
【数１１】
2020034412.tif 000013
【数１２】
2020034412.tif 000014
式（８）および式（９）から、信号部分空間として判定された固有ベクトルとステアリングベクトルとの内積ＥＳは、次の式（１０）で表される。
【数１３】
2020034412.tif 000015
【００３５】
対応付け部１５は、式（１０）により算出した、信号部分空間の固有ベクトルとステアリングベクトルとの内積のピーク方位を、固有ベクトルとステアリングベクトルの対応付け方位として、重み計算部１６に出力する。
【００３６】
重み計算部１６は、対応付け部１５から対応付け方位が入力されると、適応重みＷを算出して出力する。適応重み行列Ｗは、次の式（１１）および式（１２）で表される。
【数１４】
2020034412.tif 000016
【数１５】
2020034412.tif 000017
【００３７】
ここで、適応重みベクトルｗは、次の式（１３）で算出される。
【数１６】
2020034412.tif 000018
βは、固有値から求められる係数であり、次の式（１４）および式（１５）で表される。
【数１７】
2020034412.tif 000019
【数１８】
2020034412.tif 000020
【００３８】
式（１４）におけるＤＬはＤｉａｇｏｎａｌ  Ｌｏａｄｉｎｇ項である。式（１３）におけるδは除外係数である。除外係数δは、対応付け部１５が行う信号処理において対応付けられた方位ではδ＝０であり、それ以外の方位ではδ＝１になるように働く係数である。
【００３９】
整相部３０は、周波数分割されたセンサ出力信号が周波数分割部１１から入力され、入力されるセンサ出力信号に対して適応重みＷを用いて整相処理を行う。重み計算部１６が算出した適応重みＷを用いて整相処理を行うことで、本来の方位と異なる方位から到来する信号成分を抑圧することができる。周波数分割された１ｂｉｎのセンサ出力信号をｘとした場合、整相部３０から出力される整相出力ｙは、次の式（１６）で表される。
【数１９】
2020034412.tif 000021
その結果、待ち受けビーム出力において、本来の方位から到来する信号に対して鋭いピークが形成される。
【００４０】
比較例の適応整相システム１００が行う適応整相処理は、センサ間で無相関な雑音を仮定している。しかし、実環境の雑音は、センサ間で相関性のある雑音成分を含む等方性雑音である。この場合、適応整相処理の整相出力において信号到来方位以外の方位に複数のピークが発生してしまうという問題がある。この問題を、図５を参照して説明する。
【００４１】
図５は、信号が１個の場合と信号が２個の場合の待ち受けビーム出力の一例を示す図である。実線矢印は、信号が１個の場合であり、信号方位は０°である。破線矢印は、信号が２個の場合であり、信号方位は＋５°および−５°である。図５（ａ）は無相関雑音の待ち受けビーム出力を示す図であり、図５（ｂ）は等方性雑音の待ち受けビーム出力を示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）の縦軸は信号レベルを示し、横軸は整相方位を示す。
【００４２】
図５（ａ）を参照すると、信号到来方位に鋭いピークを持ち、副極が抑制されていることがわかる。これに対して、図５（ｂ）を参照すると、信号の到来方位以外の方位に複数のピークが現れていることがわかる。待ち受けビーム出力において信号方位以外の方位にピークが現れると、信号の到来方位を特定することが困難になってしまう。等方性雑音の場合、適応整相において複数のピークが発生してしまう原因は、図３に示した信号数推定部１４が信号数を正しく推定できないことに起因する。
【００４３】
図６は、図３に示した固有値分解部が図５に示す信号を計算に用いた場合の固有値を示す図である。図６（ａ）は無相関雑音の固有値であり、図６（ｂ）は等方性雑音の固有値である。図６（ａ）および図６（ｂ）の縦軸は固有値を示し、横軸は固有値番号を示す。図６（ａ）および図６（ｂ）の横軸について、値の大きい順に固有値を並べている。図６（ａ）および（ｂ）において、実線は信号が１個の場合を示し、破線は信号が２個の場合を示す。実線は×印のプロットを結ぶ線であり、破線は○印のプロットを結ぶ線である。
【００４４】
図６（ａ）を参照すると、信号部分の固有値のレベルが高くなり、それ以外の雑音部分の固有値のレベルはほぼ一定になっている。そのため、図６（ａ）に示す固有値を用いてＮ／Ｅ  ＡＩＣにより信号数を推定した結果、正しい信号数が推定される。
【００４５】
一方、図６（ｂ）を参照すると、等方性雑音の場合の固有値の特性は、雑音部分の固有値のレベルが一定にはならず、固有値番号が１０番目辺りの固有値からレベルが極端に落ちる特性である。この固有値を用いて、Ｎ／Ｅ  ＡＩＣにより信号数を推定すると、信号数は、１５〜１９個と推定され、到来した信号数と異なり、過大に推定されてしまう。信号数推定の方法として、Ｎ／Ｅ  ＡＩＣ以外にもＡＩＣおよびＭＤＬなど複数の方法があるが、いずれの方法も無相関雑音を仮定しているため、同様の現象が起こり得る。
【００４６】
その結果、図５（ｂ）に示したように、出力端子Ｒｏｕｔからの出力結果において、信号方位以外にも複数のピークが形成されてしまう。比較例では、等方性雑音の環境下においては、信号数推定部１４による信号数推定処理が正しい信号数を推定できないため、固有値分解を用いた適応整相が正常に動作しないという問題がある。
【００４７】
この問題に対して、本実施の形態１の適応整相システム１は、等方性雑音の環境下においても出力端子Ｒｏｕｔにおいて信号方位のみが鋭いピークとなるように改善するものである。
【００４８】
（実施の形態１の適応整相システムの構成）
図１を参照して、本実施の形態１の適応整相システム１の構成を説明する。ここでは、図３を参照して説明した構成と同様な構成についての詳細な説明を省略する。図１に示す適応整相システム１は、図３に示した比較例の構成と比較すると、自由度計算部１７が追加され、信号数推定部１４の代わりに信号数推定部１８が設けられている。
【００４９】
自由度計算部１７は、アレイの開口長からアレイの自由度を算出する。信号数推定部１８は、固有値分解部１３が算出する固有値および自由度計算部１７が算出する自由度に基づいて信号数を推定する。適応整相システム１における共分散行列推定部１２、固有値分解部１３、対応付け部１５および重み計算部１６のそれぞれは、図３に示した共分散行列推定部１２、固有値分解部１３、対応付け部１５および重み計算部１６のそれぞれと同様な構成である。また、適応整相システム１における周波数分割部１１および整相部３０のそれぞれは、図３に示した周波数分割部１１および整相部３０のそれぞれと同様な構成である。
【００５０】
（実施の形態１の適応整相システムの動作）
次に、本実施の形態１の適応整相システム１の動作を、図１を参照して説明する。比較例の適応整相システム１００の動作と同様な動作についての詳細な説明を省略する。
【００５１】
図１に示す自由度計算部１７は、アレイの開口長からアレイの自由度を計算し、アレイの自由度を信号数推定部１８に出力する。アレイの自由度とは、アレイが捉えることのできる信号数の限界値のことである。単純なラインアレイの場合、アレイの開口部の長さをＬ［ｍ］とし、 到来する信号の波長をＬ’［ｍ］とすると、アレイの自由度Ｆ＿ｌｉｍは、次の式（１７）で算出される。
【数２０】
2020034412.tif 000022
【００５２】
信号数推定部１８は、固有値分解部１３から出力された固有値と自由度計算部１７から出力されたアレイの自由度とを入力とし、信号数の推定を行い、推定した信号数を対応付け部１５に出力する。信号数の推定にＮ／Ｅ  ＡＩＣを用いる場合、Ｎ／Ｅ  ＡＩＣの方法にアレイの自由度を適用すると、式（５）は次の式（１８）に変換される。
【数２１】
2020034412.tif 000023
【００５３】
式（１８）におけるｃは式（１９）で求められ、式（１８）におけるｔｄは式（２０）で求められる。
【数２２】
2020034412.tif 000024
【数２３】
2020034412.tif 000025
【００５４】
式（５）と式（１８）との違いは、式（１８）では、信号数推定部１８が信号数の推定に用いる固有値の数がアレイの自由度の数（Ｆ＿ｌｉｍ）以下に制限されることである。図７は、図１に示した適応整相システムにおいて、図６（ｂ）に示した固有値をアレイの自由度で制限した場合を示す図である。
【００５５】
図７（ａ）は自由度が１０の場合の固有値を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）に示した自由度までに制限した固有値を示す。図７（ａ）および図７（ｂ）の縦軸は固有値を示し、横軸は固有値番号を示す。図７（ａ）および図７（ｂ）の横軸について、値の大きい順に固有値を並べている。図７（ａ）および図７（ｂ）において、実線は信号が１個の場合を示し、破線は信号が２個の場合を示す。実線は×印のプロットを結ぶ線であり、破線は○印のプロットを結ぶ線である。
【００５６】
等方性雑音の場合、図７（ａ）のようにアレイの自由度以降の固有値のレベルが極端に低くなっていることがわかる。図７（ａ）では、アレイの自由度以降の固有値を模様パターンで覆って、固有値番号が１１以降の固有値を制限していることを示している。アレイの自由度という制限を設けることにより、図７（ｂ）のように極端にレベルの低い固有値の影響を除去することができるため、正しい信号数
【数２４】
2020034412.tif 000026
が推定される。
【００５７】
上述した本実施の形態１の適応整相処理方法の概要を、図８を参照して説明する。図８は、本発明の実施の形態１に係る適応整相処理方法の手順の一例を示すフロー図である。
【００５８】
ステップＳ１０１において、周波数分割部１１は、アレイを構成する複数のセンサから出力信号が入力されると、複数の出力信号に対して周波数分割を行う。ステップＳ１０２において、共分散行列推定部１２は、周波数分割された出力信号間の共分散行列を算出する。ステップＳ１０３において、固有値分解部１３は、算出された共分散行列に対して固有値分解を行って、固有値および固有値ベクトルを算出する。ステップＳ１０４において、自由度計算部１７はアレイの自由度を算出する。
【００５９】
ステップＳ１０５において、信号数推定部１８は、固有値分解で算出された固有値および自由度計算部１７で算出された自由度に基づいて信号数を推定する。ステップＳ１０６において、対応付け部１５は、固有値および固有値ベクトルと信号数推定部１８で算出された信号数とに基づいて、固有値とステアリングベクトルとの対応付けを行う。ステップＳ１０７において、重み計算部１６は、固有値とステアリングベクトルとの対応付け情報に基づいて適応重みを算出する。ステップＳ１０８において、整相部３０は、周波数分割された出力信号に対して適応重みを用いて整相処理を行う。
【００６０】
本実施の形態１の適応整相処理方法によれば、固有値をアレイの自由度に制限することで、無相関雑音と同様に、雑音部分空間の固有値のレベルが一定の特性になる。そのため、レベルが極端に低い固有値を除去でき、信号数推定処理において正しい信号数を推定できる。
【００６１】
図９は、図１に示した適応整相システムにおいて、雑音が等方性雑音の場合に固有値をアレイの自由度までに制限した場合の出力結果を示す図である。図９の縦軸は信号レベルを示し、横軸は整相方位を示す。実線矢印は、信号が１個の場合であり、信号方位は０°である。破線矢印は、信号が２個の場合であり、信号方位は＋５°および−５°である。図９に示すように、信号数が正しく推定されているため、信号方位のみに鋭いピークが形成される。本実施の形態１の適応整相処理方法によれば、ＥＢＡＥ方式で等方性の雑音に対応することができる。
【００６２】
本実施の形態１の適応整相システム１は、複数のセンサで構成されるアレイの自由度を算出する自由度計算部１７と、固有値分解で算出された固有値および自由度計算部１７で算出された自由度に基づいて信号数を推定する信号数推定部１８とを有するものである。
【００６３】
本実施の形態１によれば、固有値をアレイの自由度に制限することで、雑音部分空間の固有値のレベルが一定の特性になる。そのため、レベルが極端に低い固有値を除去でき、信号数推定処理において正しい信号数を推定できる。その結果、等方性雑音の環境下において、整相出力の結果に、本来の信号方位と異なる複数の方位にピークが形成されることを抑制し、本来の信号方位に鋭いピークが形成されるように改善できる。
【００６４】
本実施の形態１では、信号数推定の方法としてＮ／Ｅ  ＡＩＣを用いる場合で説明したが、ＡＩＣおよびＭＤＬなどの方法も本実施の形態１に適用することができる。また、本実施の形態１では、適応整相処理としてＥＢＡＥ方式の場合を説明したが、他の固有値分解を用いた適応整相処理にも適用することができる。
【００６５】
また、本実施の形態１では、図１に示す各部の処理を複数の情報処理装置に分担させることができるシステムの場合で説明したが、図１に示す各部の処理を単体で行う適応整相装置が本実施の形態１の適応整相処理を行ってもよい。さらに、本実施の形態１の適応整相処理方法の手順が記述されたプログラムをコンピュータにインストールし、コンピュータに本実施の形態１の適応整相処理方法を実行させてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１    適応整相システム
１１  周波数分割部
１２  共分散行列推定部
１３  固有値分解部
１４  信号数推定部
１５  対応付け部
１６  重み計算部
１７  自由度計算部
１８  信号数推定部
２０  ＥＢＡＥ処理部
３０  整相部
４０  適応整相処理部
５０  制御部
５１  ＣＰＵ
５２  メモリ
６０  記憶部
１００  適応整相システム
１２０  ＥＢＡＥ処理部
１４０  適応整相処理部
ｋ１〜ｋＭ  入力端子
Ｒｏｕｔ    出力端子
【図１】
2020034412.tif 000027
【図２】
2020034412.tif 000028
【図３】
2020034412.tif 000029
【図４】
2020034412.tif 000030
【図５】
2020034412.tif 000031
【図６】
2020034412.tif 000032
【図７】
2020034412.tif 000033
【図８】
2020034412.tif 000034
【図９】
2020034412.tif 000035