(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号が互いに対して遅延する量を測定する方法であって、
それぞれの信号から、不規則な間隔だけ離れて位置する連続するイベントを導出することと、
それぞれの信号からの前記イベントを使用して、他方の信号のサンプリングをトリガすることと、
前記２つの信号間の異なる遅延に関して前記サンプリングを反復することと、
それぞれの前記遅延について、前記遅延が同じである時に得られる前記２つの信号からのサンプルを合成することであって、それによって、前記サンプリングが、前記サンプリングされた信号の、各イベントに対応する部分と実質的に一致する回数によって影響を受ける値を導出する、合成することと、
最も大きい一致の程度に関連する前記遅延を選択することと
を含む、信号が互いに対して遅延する量を測定する方法。
【請求項２】
信号が互いに対して遅延する量を測定する方法であって、
第１信号から、均一でない間隔だけ離れて位置する連続するイベントを導出することと、
それぞれのイベントを使用して、第２信号の第１および第２サンプルの取得をトリガすることと、
それぞれのイベントによってトリガされた前記第１および第２サンプルの差の総和を表す値であって、前記サンプリングが、前記第２信号の、各イベントに対応する部分と実質的に一致する回数によって影響を受ける値を導出することと、
前記２つの信号の間の異なる遅延に関して前記サンプリングを反復することと、
最も大きい一致の程度に関連する前記遅延を選択することと
を含む、信号が互いに対して遅延する量を測定する方法。
【請求項３】
それぞれのイベントを使用して、前記第２信号の第１および第２サンプルの取得をトリガし、
前記合成するステップにより、それぞれのイベントによってトリガされた前記第１および第２サンプルの差の総和を表す値が導出される
請求項１に記載の信号が互いに対して遅延する量を測定する方法。
【請求項４】
前記連続するイベントは、バイポーラ信号のゼロ交差を検出することによって導出される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の信号が互いに対して遅延する量を測定する方法。
【請求項５】
前記連続するイベントは、レベルの上向き交差およびレベルの下向き交差を検出することによって導出される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の信号が互いに対して遅延する量を測定する方法。
【請求項６】
それぞれの信号は各センサから導出される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の信号が互いに対して遅延する量を測定する方法。
【請求項７】
前記遅延から、前記センサによって検知された信号を発生するか、または、前記信号に影響を与える物体の方位を計算するステップをさらに含む、請求項６に記載の信号が互いに対して遅延する量を測定する方法。
【請求項８】
２つの対応する信号間の遅延を求める装置であって、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法に従って動作するように構成される装置。
【請求項９】
それぞれが物体からの信号を検出するように構成された２つのセンサと、
前記信号間の遅延を求めるための、請求項８に記載の装置と、
前記遅延から前記物体の方位を計算する手段と
を備える物体方位検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の物体方位検出装置を少なくとも２つ備える物体位置決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の背景］
発明の分野
本発明は、２つの広帯域信号間の相対的な時間遅延を求める方法および装置に関し、特に、非協調的な(non-cooperative)音響エネルギー源によって生成され、一対の同じ位置にあるセンサによって捕捉された２つの広帯域信号の複製の間の遅延を求めることによって、その音響エネルギー源の方位線を推定することに適用することが可能であるが、これに限定されない。
【０００２】
従来技術の説明
いくつかの特定の監視エリアにおいて、対象とする非協力的な物体の検出および位置測定を行う必要がある多くの状況がある。このような作業は、こういった物体から反射または放射される信号を協働的に処理することによって有用な情報を抽出することができる、適した能動センサまたは受動センサによって行うことができる。
【０００３】
呼び掛けエネルギー波形が対象とする監視領域に照射されて、物体の後方散乱リターンを得る、レーダまたはアクティブソナーなどの能動センサを採用する用途とは対照的に、受動センサは物体発生信号（または、別個の信号源からの物体に影響される信号）のみを捕捉する。たとえば、人々、車両、高速モーターボート、または振動する機械類の動きはすべて広帯域音響信号を発生することができ、この広帯域音響信号を物体の検出および位置測定(localisation)に利用することができる。
【０００４】
以下により詳細に述べるように、物体の検出および位置測定が有用な一例は、分散型音響センサネットワークによるセキュリティ監視の例である。車両などの対象とする物体が検出され位置測定されると、セキュリティカメラがこの推定物体位置を照準合わせおよびズームに利用して、記録画像の品質を向上させることができる。このようなシステムは、産業環境において監視目的で、たとえば、送電網、発電所、ガスパイプライン、石油パイプライン、および給水設備を含む重要な基幹設備の改良された常時監視を提供するために設置することができる。
【０００５】
別の用途は、音響センサを採用した浮遊ブイ網によって、対象とする高速モーターボートおよび他の水上艦艇を検出し位置測定することができる沿岸警備または沿岸監視の用途である。
【０００６】
上記監視用途および偵察用途の他に、マルチメディア用途では、分散型マイクロフォン網で、明瞭さの向上およびカメラ照準合わせのキューイングのためにオーディオ信号を改善することが可能である。
【０００７】
物体発生音響信号は、その最低周波数成分に対する最高周波数成分の比率が比較的大きいことから広帯域信号に分類される。たとえば、可聴範囲３０Ｈｚ〜１５ｋＨｚの場合、比率は５００である。電動車両の場合、主周波数成分は２０Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲である可能性があり、結果として比率は１００である。
【０００８】
音響源とセンサの間の距離が離れている場合、波の伝播の方向は各センサでほぼ等しく（遠距離場条件）、伝播場は平面波からなる。したがって遠距離場音響源の場合、異なる位置にあるセンサによって捕捉された信号の相対遅延から、センサ座標系の到来角度（angle of arrival, ＡＯＡ）または到来方向（direction-of-arrival, ＤＯＡ）を直接推定することができる。このような相対遅延は一般に到来時間差(time-difference of arrival)、または単にＴＤＯＡと呼ばれている。
【０００９】
到来角度（ＡＯＡ）測定は、推定到来角度（ＡＯＡ）における線に沿って音響源の位置を限定する。複数の空間的に隔てられたセンサによって複数の到来角度（ＡＯＡ）測定が同時に行われる場合、三角測量法を使用して、これら方位線の交点にある音響源の位置を求めることができる。
【００１０】
図１は、到来時間差（ＴＤＯＡ）から到来角度θを求める方法を概略的に示す。示すように、遠隔の音響源によって生成される平面波は、まず、センサＳＹに、次に、センサＳＸに達する。幾何学的考察によって、到来角度（ＡＯＡ）θは、
θ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｈ／Ｌ）＝ａｒｃｓｉｎ（τ０ｖｓ／Ｌ）
から計算できることになる。式中、Ｌはセンサ間の距離であり、ＨはセンサＳＹを基準にした時のセンサＳＸまでの付加的な経路長を表し、τ０は到来時間差（ＴＤＯＡ）であり、ｖｓは音速である。
【００１１】
到来角度（ＡＯＡ）を求めるために、センサＳＸおよびＳＹによってそれぞれ捕捉される２つの信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）から、必要とされる到来時間差（ＴＤＯＡ）推定値が得られる必要がある。但し、
ｘ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｎｘ（ｔ）    ｙ（ｔ）＝ｓ（ｔ−τ０）＋ｎｙ（ｔ）
であり、ｓ（ｔ）は物体発生信号であり、τ０は到来時間差（ＴＤＯＡ）を示し、波形ｎｘ（ｔ）およびｎｙ（ｔ）は背景ノイズおよび他の干渉を表す。
【００１２】
図１に示す例では、値τ０は、センサによって捕捉された広帯域信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）の相互相関を行う到来時間差プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）によって、すなわち演算：
【００１３】
【数１】
0004675150.tif 000002
【００１４】
を行うことによって与えられる。式中、積分が観察区間期間Ｔおよび対象とする到来時間差（ＴＤＯＡ）値の範囲−｜τｍａｘ｜＜τ＜｜τｍａｘ｜にわたって求められる。相互相関関数Ｒｘｙ（τ）を最大化する変数τの値により、未知の到来時間差（ＴＤＯＡ）の推定値が提供される。
【００１５】
到来時間差プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）によって供給される到来時間差（ＴＤＯＡ）の値は、たとえば、読み出し専用メモリに格納される適当なルックアップテーブルの形態で実施することができる角度計算器（ＡＣＲ）によって、対応する到来角度（ＡＯＡ）θに変換される。
【００１６】
対象とする物体によって発せられる音響信号は、広い周波数範囲を占めるだけではなく、識別可能な断続的な遷移を有する非定常的かつカオス的性質も示す。結果として、信号が定常である、またノイズがガウス性を有するという前提に明示的または暗黙的に基づく多くの従来の相互相関技法の実用性は、極めて限られている。さらに、最も実用的な実施態様では離散時間サンプルに対処する必要があるため、連続時間の枠組みで実行される最適化手順およびパフォーマンス解析は十分には適切であり得ない。
【００１７】
米国特許第６，５３９，３２０号明細書は、主基準信号とその時間遅延した複製の間の遅延を求める頑強(robust)な方法を開示する。以下では、開示される方法は、「クロスレーション(crosslation)」と呼ばれ、方法を実施するシステムは、「相互相関器(crosslator)」と呼ばれるであろう。米国特許第６，５３９，３２０号明細書の内容は、参照により本明細書に援用される。クロスレーション技法は、一方の信号からのイベント（たとえば、ゼロ交差(zero crossings）を用いて、他方の信号をサンプリングすることを含む。イベントは、不規則な間隔で起こり、好ましくは、少なくともほぼ非周期的である。サンプルを合成して、サンプリングが、イベントに対応する第２信号の特徴部に一致する（特徴部と同時発生する）程度を表す値が導出される。第１信号と第２信号の間の異なる遅延についてこのプロセスを反復することによって、イベントの最も大きい一致を表す値を生じさせる遅延、すなわち、２つの信号の間の遅延を見つけることが可能である。
【００１８】
先の開示に記載される例では、非決定論的な信号ｘ（ｔ）は、未知の遅延を受けて、信号ｙ（ｔ）を生成し、信号ｘ（ｔ）の基準バージョンは、正の傾斜（上向き交差(upcrossing))か、負の傾斜（下向き交差(downcrossing))のいずれかによってそのレベルがゼロと交差する時間的瞬間を求めるために調べられる。これらの交差イベントの時間瞬間を用いて、信号ｙ（ｔ）のそれぞれのセグメントが得られ、各セグメントは所定の持続期間を有する。ゼロ上向き交差に対応するセグメントは全て加算され、ゼロ下向き交差に対応するセグメントは全て、得られる和から引き算される。こうしたセグメントの合成の表現を次に調べて、Ｓ字型奇関数の形態の特徴部が特定される。以下では、Ｓ字型奇関数は、クロスレーション関数と呼ばれるであろう。
【００１９】
クロスレーション関数の中心のゼロ交差の表現内の位置は、処理される２つの信号の間の相互遅延量を表す。図３は、ランダムバイナリ波形およびその時間遅延した複製を処理することによって実験的に得られたＳ字型クロスレーション関数の例を示す。
【００２０】
図２は、非決定論的信号ｘ（ｔ）およびその時間遅延した複製ｙ（ｔ）の間の遅延を求めることが可能なシステムを構築するために、クロスレーションの概念を利用する１つの可能な例を示す。信号ｙ（ｔ）は、ノイズｎｙ（ｔ）と、係数αで減衰し、τ０だけ遅延した信号ｘ（ｔ）との和である。したがって、
ｙ（ｔ）＝αｘ（ｔ−τ０）＋ｎｙ（ｔ）
である。図２に示すように、信号ｙ（ｔ）は、ハードリミタＨＹによって、タップ付き遅延線ＴＤＹの入力に与えられる対応するバイナリバイポーラ波形に変換される。遅延線ＴＤＹは、縦続接続のＭ個の同じ単位遅延セルＤ１、Ｄ２、…、ＤＪ、…、ＤＭを備える。各セルは、適切に遅延した出力信号、および、同様に、インバータＩＲによって与えられる極性反転した複製を供給する。
【００２１】
タップ付き遅延線ＴＤＹの並列出力は、スイッチのバンクＢＳを通して、タップ付き遅延線ＴＤＹによって供給されるデータを累積する、Ｍ個の平均化または積分ユニットＡＶＧに接続される。スイッチは、通常開いており、ある適した信号が共通制御入力に与えられると閉じる。スイッチが閉じる時間間隔は、それぞれの新しい増分信号サンプルを、最小の損失で取得することができるように十分に長くあるべきである。
【００２２】
スイッチが閉じ、新しいデータが平均化ユニットに供給される時間瞬間は、ゼロ交差検出器ＺＣＤによって求められ、ゼロ交差検出器ＺＣＤは、ハードリミタＨＸによって処理された基準信号ｘ（ｔ）から得られるバイナリ波形のゼロレベルの交差を検出し、得られるバイナリ波形は、次に、一定遅延線ＣＤＸによって遅延される。一定遅延の値は、求められる時間遅延の予想される最大値以上である。平均化ユニットは、遅延した基準信号ｘ（ｔ）のゼロ交差に一致する時間瞬間に、タップ付き遅延線ＴＤＹから増分入力値を不均一に受け取ることが指摘されるべきである。
【００２３】
ゼロ上向き交差が起こるたびに、平均化ユニットの入力に、一時的に、信号ｙ（ｔ）から得られるバイナリ波形の各セグメントの複製が現れる。同様に、ゼロ下向き交差が起こるたびに、平均化ユニットの入力に、一時的に、信号ｙ（ｔ）から得られるバイナリ波形の各セグメントの極性反転した複製が現れる。よって平均化ユニットは、これらのセグメントの２つのグループを合成して、図３のような合成波形の表現を作成する。
【００２４】
平均化ユニットＡＶＧの出力で得られる信号は、データプロセッサによって使用される。データプロセッサによって実施される動作は、得られるＳ字型クロスレーション関数によって示される２つの反対極性の主ピークの間にあるゼロ交差の場所を求めるように規定され、構築される。このゼロ交差の場所は、信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）の間の時間遅延に対応する。適した動作およびそのシーケンスのセットは、当業者であれば誰でも構成されることができる。
【００２５】
相互相関器システムの構造を簡略化するために、上向き交差と下向き交差の両方を用いる代わりに、広帯域非決定論的信号ｘ（ｔ）の基準バージョンを調べて、ゼロ上向き交差（または、下向き交差）のみの時間瞬間を求めることができる。しかしながら、使用される特定の配置にかかわらず、クロスレーションベースの技法は、基準信号が所定の閾値と交差する時間瞬間を求めるステップを常に含む。これらの特定の時間瞬間は、有意イベントとも呼ばれる。クロスレーションのハードウェア実施態様では、有意イベントは、適したトリガパルスが生成される時間瞬間を規定する。
【００２６】
時間遅延を求めるための、米国特許第６，５３９，３２０号明細書のクロスレーション技法は、頑強であり、非ガウス信号を処理するのに特に有用である。しかしながら、開示した形態のクロスレーションは、到来時間差（ＴＤＯＡ）を求めるのにあまり適していない。
【００２７】
したがって、従来技術の技法によって提供される方法よりも効率的な方法で、到来時間差（ＴＤＯＡ）を求める方法および装置を提供することが望ましいことになる。
【００２８】
ノイズの影響をあまり受けず、従来技術の装置に比べて到来角度を検出するのに適した、時間遅延測定技法を提供することが望ましいことにもなる。
【００２９】
［発明の概要］
本発明の態様は、添付の特許請求の範囲に述べられる。
【００３０】
本発明のさらなる態様によれば、２つの信号間の遅延は、第１信号から導出される（不均一な間隔で起こる）有意イベントを用いて、第２信号がサンプリングされる第１のクロスレーション動作と、第２信号から導出される（同様に不均一な間隔で起こる）有意イベントを用いて、第１信号がサンプリングされる第２のクロスレーション動作とを実施することによって求められる。両方の信号から導出されたサンプルは、値を得るように合成され、全プロセスが、第１信号と第２信号の間に導入される異なる遅延について反復される。こうして得られる異なる値を調べて、サンプリングをトリガさせるイベント、および、それらのイベントに対応するサンプルの間で最も大きい一致の程度を生じさせる遅延が見つけられる。
【００３１】
２つの同時クロスレーション動作（それぞれの信号に対して１つの動作）を実施することによって、２つの信号のノイズ成分が互いに無相関である限りにおいて、各信号のノイズの作用を緩和することが可能である。したがって、本技法は、２つの信号がノイズの影響を受ける状況下で、たとえば、物体が発生する信号か、または、物体によって影響を受ける信号を検知する２つ（または３つ以上）のセンサが存在し、したがって、呼び掛け信号を利用できない受動システムにおいて特に有用である。本発明は、２つのセンサが到来角度を求めるために互いに対して固定の場所にあるデバイス内などで、２つのセンサが比較的近接している状況下でも特に有用である。
【００３２】
本発明のさらなる、独立した態様によれば、クロスレーション技法は、一方の信号の有意イベントを使用して、他方の信号から、２つの時間的に離れたサンプルの取得をトリガすることを伴う。２つのサンプルの差が取られ、それぞれのイベントに対応する差の総和が計算される。得られる値は、サンプリングイベントと、これらのイベントに対応するサンプリングされた信号の一部との間に有意の対応が存在するかどうかに応じて変わる。一致の程度が最も大きい遅延を求めるために、プロセスは、第１信号と第２信号の間に導入される異なる遅延の値について反復される。
【００３３】
本技法は、「クロスレーション関数」の、絶対値ではなく、相対的変化を調べることを伴い、それは、クロスレーション関数の時間導関数を調べることとほぼ同じである。こうした技法は、クロスレーション関数の、求められる時間遅延に対応する部分を強調する。したがって、この未知の時間遅延を、より都合がよく、正確な方法で求めることができる。
【００３４】
ここで、本発明を具体化する装置が、添付図面を参照して例として述べられるであろう。
【００３５】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
図４は、本発明を利用することができる可能な監視シナリオの例を示す。この特定の場合、監視ネットワークは、３つのユニットを利用する。各ユニットはセキュリティカメラＣを備える。セキュリティカメラＣは角度計算器／アクチュエータＡによって駆動される。角度計算器／アクチュエータＡは、到来時間差プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）からの到来時間差（ＴＤＯＡ）情報を受け取る。到来時間差プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）は、一対の音響センサＳＸおよびＳＹによって供給される２つの信号を一緒に処理する、音響源は場所Ｓに位置すると仮定する。
【００３６】
車両などの対象とする物体が、監視下の領域で検出されると、各セキュリティカメラが推定された到来角度（方位線）を照準合わせおよびズームに利用して、記録画像の品質を向上させることができる。さらに、監視ユニットから得られる到来角度についての情報が一緒に処理されて、物体の場所が求められる。この場合、監視ユニットを、高位のデータ融合センターへ情報を供給する分散センサネットワークのノードと考えることができる。監視ユニットとデータ融合センターの間での情報交換に利用できる、有線または無線リンクの形態の通信チャネルが設けられていることが仮定される。
【００３７】
一部の用途では、物体は、マルチユーザ環境において、検出および位置測定を容易にするように「設計された(engineered)」広帯域信号源をそれ自体が保持する場合がある。たとえば、車両、船舶、貨物容器、または人などの対象とする物体を識別し、位置測定するために実施される秘密(covert)動作に、適切な超音波信号源が使用可能である。
【００３８】
第１の好ましい実施形態
図６は、本発明に従って動作するように構成され、図４のネットワークで使用するのに適した到来時間差（ＴＤＯＡ）プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）のブロック図である。プロセッサは、２つのハ−ドリミタ、すなわちＨＸおよびＨＹ、２つの相互接続された相互相関器、すなわちＸＬＸおよびＸＬＹ、同じ差分回路Ｒの２つのアレイ、および、データプロセッサＤＰＲを備える。
【００３９】
相互相関器ＸＬＸは、Ｍ個の単位遅延セルＤの縦続接続部ＤＬＸ、スイッチのバンクＢＳＸ、（Ｍ＋１）個の同じ平均化（または積分）回路ＡＸ、および、ゼロ交差検出器ＣＤＸを備える。各遅延セルＤは、信号とその極性反転した複製の両方を供給することができる。
【００４０】
同様に、相互相関器ＸＬＹは、Ｍ個の単位遅延セルＤの縦続接続部ＤＬＹ、スイッチのバンクＢＳＹ、（Ｍ＋１）個の同じ平均化（または積分）回路ＡＹ、および、ゼロ交差検出器ＣＤＹを備える。各遅延セルＤは、信号とその極性反転した複製の両方を供給することができる。
【００４１】
到来時間差プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）によって一緒に処理される２つの入力信号、すなわちｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）は、最初に、各ハードリミタ、すなわちＨＸおよびＨＹにおいて、対応するバイポーラバイナリ波形に変換され、次に、得られるバイナリ波形が、各遅延縦続接続部、すなわちＤＬＸおよびＤＬＹを通って、対向する方向に伝播する。
【００４２】
相互相関器ＸＬＸおよびＸＬＹは相互連結されている。すなわち、相互相関器ＸＬＸの検出器ＣＤＸは、相互相関器ＸＬＹのスイッチのバンクＢＳＹにトリガパルスＳＹを供給し、相互相関器ＸＬＹの検出器ＣＤＹは、相互相関器ＸＬＸのスイッチのバンクＢＳＸにトリガパルスＳＸを供給する。
【００４３】
トリガパルスは、それぞれのゼロ交差検出器、ＣＤＸおよびＣＤＹによって生成される。ゼロ交差検出器（ＣＤＸまたはＣＤＹ）の動作は、図７を参照して説明されるであろう。検出器が使用する遅延セルＤを通って伝播するバイナリ波形に変化が存在しない時、入力電圧レベルＶ１は出力電圧レベルＶ２と同じである。したがって、Ｖ１およびＶ２によって駆動される差動増幅器ＤＡの出力は、ゼロレベルのままである。しかしながら、セルＤの入力に急峻な立ち上がりエッジが現れると、Ｖ１＝＋１かつＶ２＝−１となる短い時間間隔（単位遅延Ｄに等しい）が存在し、結果として、ピーク値２の正の変化パルスが増幅器ＤＡの出力に現れる。同様に、セルＤの入力に急峻な立ち下がりエッジが現れると、Ｖ１＝−１かつＶ２＝＋１となる短い時間間隔Ｄが存在し、負のピーク値−２の変化パルスが増幅器ＤＡの出力に現れる。好ましくは、各ハードリミタ、すなわちＨＸおよびＨＹは、スイッチング時間がセルＤの単位遅延時間より短い（または、最大でもこれに等しい）状態で、バイナリ波形を生成するであろう。
【００４４】
別々に、２つの相互相関器、すなわちＸＬＸおよびＸＬＹは、米国特許第６，５３９，３２０号明細書に開示される方法と同じ方法で動作する。しかしながら、以下で述べる理由によって、差分回路Ｒを用いて、隣接するセルの出力間の差が導出される。こうして、回路Ｒの適切な動作のために、各遅延セルＤの入力と出力の両方が、対応するスイッチのバンク（ＢＳＸまたはＢＳＹ）を介して各平均化回路（ＡＸまたはＡＹ）に接続される。したがって、相互相関器はそれぞれ、Ｍ個の単位遅延セルを使用するが、平均化回路（および、各バンクのスイッチ）の数は、（Ｍ＋１）に等しい。
【００４５】
差分回路Ｒを使用することによって、各クロスレーション関数は、ユニポーラインパルス状関数に変換される。こうした変換の利点は、図５ａ〜図５ｃを参照してより詳細に説明されるであろう。
【００４６】
理論的なクロスレーション関数の例が図５ａに示される。この特定の形状は、ガウス関数の形状のローパス周波数スペクトルを有するガウスノイズのゼロ交差から得られるバイナリ波形の場合に対応する。ランダムバイナリ波形を特徴付けるクロスレーション関数の特性は、その内容が参照によって本明細書に援用される、W.J. SzajnowskiおよびP.A. Ratliff著「Implicit Averaging and Delay Determination of Random Binary Waveforms」IEEE Signal Processing Letters. 9, 193-195（2002）に、より詳細に述べられる。
【００４７】
先の刊行物に示されるように、２つのレベル間でのスイッチング時間がゼロである理想的なバイナリ波形の場合、クロスレーション関数は、バイナリ波形の特性にかかわらず、遅延瞬間に対応するステップを常に有する。したがって、クロスレーション関数の導関数は、ディラックのデルタ関数の形態の支配的な成分を常に有する。実用的な実施態様では、時間導関数を、好都合には、クロスレーション関数と、適切に時間シフトしたその複製との差によって置き換えることができる。
【００４８】
図５ｂおよび図５ｃは、図５ａのクロスレーション関数と、０．００１の時間単位だけシフトしたその複製との差を（異なるスケールに対して）示す。見るとわかるが、未知の遅延に対応する差のピーク値は２に等しく、ピークをはずれた（図５ｃに詳細に示される）負のサイドローブの大きさは、０．００３２の値を超えない。したがって、この場合、ピーク対サイドローブの比は６２５より大きい。この比の値は、差を求める手法に使用される遅延がゼロに近づくにつれて、無限大に近づく。それに応じて、時間遅延を表す時点の厳密な検出がより容易になる。
【００４９】
バイナリ波形の対向する方向への伝播と、成分相互相関器の相互結合とが組み合わされた作用の結果として、２つの入力信号、すなわちｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）が、共通信号ｓ（ｔ）の歪無しで時間遅延した複製である時、２つのそれぞれのクロスレーション関数のステップは、平均化回路の２つの列に沿う、同じ「幾何学的」場所に現れることになる。すなわち、ステップは、互いに「面する」ことになる。より具体的には、この記述は、ステップ自体ではなく、クロスレーションステップを規定する２つの極値に当てはまる。
【００５０】
図６に示すように、差分回路Ｒは、隣接する平均化回路の出力に対して動作するため、クロスレーションステップに対応するインパルスは、差分回路Ｒの２つのそれぞれのアレイに沿う、同じ「幾何学的」場所に現れることになる。したがって、これらのインパルスが一致する場所は、未知の到来時間差（ＴＤＯＡ）の値を決めることになる。
【００５１】
たとえば、２つの入力信号、すなわちｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）が、相互遅延がゼロで同じである時、クロスレーションステップに対応するインパルスは、図６に示す、中心場所ＣＸおよびＣＹに同時に現れることになる。ｘ（ｔ）がｙ（ｔ）に対して遅延する、すなわち、ｙ（ｔ）がｘ（ｔ）に対して進む時、差分回路のアレイの左側の特定の場所において、インパルス一致が起こることになる。たとえば、インパルス一致は、上側のアレイの出力（Ｍ−１）と、下側のアレイの対応する出力２で起こる場合がある。同様に、ｙ（ｔ）がｘ（ｔ）に対して遅延する、すなわち、ｘ（ｔ）がｙ（ｔ）に対して進む時、差分回路のアレイの右側の特定の場所において、インパルス一致が起こることになる。たとえば、インパルス一致は、上側のアレイの出力１と、下側のアレイの対応する出力Ｍで起こる場合がある。
【００５２】
こうして、相互相関器ＸＬＹのアレイ出力はそれぞれ、信号ｙ（ｔ）に対して、所定量だけ信号ｘ（ｔ）のゼロ交差を遅延させることによって導出され、信号ｘ（ｔ）に対して、その所定量の負の量だけ信号ｙ（ｔ）のゼロ交差を遅延させることによって導出される相互相関器ＸＬＸからの出力のうちの対応する１つの出力と合成される。すなわち、対応するアレイ出力は、ｙ（ｔ）に対するｘ（ｔ）の同じ遅延に関連する。
【００５３】
ノイズおよび他の干渉の存在下で、また、物理的回路機構の不完全性のために、クロスレーション関数は、中心部において、急峻ステップではなくゼロでない変化領域を常に示すことになる。それに応じて、得られる差は、単一のインパルスとは異なることになり、隣接するいくつかの差分回路に現れる場合がある。この作用は、選択された、一部の実験結果を示す図８ａおよび図８ｂに示される。
【００５４】
図８ａは、経験的クロスレーション関数の離散的な表現の例であり、図８ｂは、単位ステップ（単一セル）だけシフトした経験的クロスレーション関数の２つの複製の差を示す。見るとわかるが、支配的な主ピーク以外に、そのいずれかの側に、一部の正のサイドローブも存在する。しかしながら、主ピークの場所を、計算された差の値に対して適切な決定閾値を適用することによって求めることができる。
【００５５】
本発明のさらなる態様によれば、差分回路Ｒの２つのアレイによって生成される値は、データプロセッサＤＰＲに供給され、データプロセッサＤＰＲは、所定の検出閾値を用いて、入力信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）内の共通成分信号の存在を宣言する。次に、プロセッサＤＰＲは、差分回路のアレイに沿うインパルスの場所を求めて、到来時間差（ＴＤＯＡ）の値を計算する。インパルスの中心の場所を、ピーク値、インパルスの「重心」または中央値から求めることができる。こうしたタスクを実施するのに必要とされる作業を、当業者であれば誰でも実施することができる。
【００５６】
クロスレーションベースの到来時間差（ＴＤＯＡ）プロセッサの基本パラメータを求めるために、以下の例を考える。
【００５７】
例
図１に示すセンサ幾何形状を考慮し、また、センサＳＸとＳＹの距離Ｌが５ｃｍに等しく、各センサの角度視野（angular field of view, ＦＯＶ）が、−６０°＜θ＜６０°で制限されると仮定し、同様に、ゼロ方位（θ＝０）での必要とされる角度分解能βがβ＝１°に等しいと仮定する。したがって、到来時間差（ＴＤＯＡ）の最大値を、センサの幾何形状から以下のように求めることができる。
｜τ最大｜＝Ｌｓｉｎ６０°／ｖｓ≒１２７．４μｓ
式中、ｖｓ＝３４０ｍ／ｓは音速であり、必要とされる時間分解能Δτは、
Δτ＝Ｌｓｉｎ１°／ｖｓ≒２．６μｓ
である。
【００５８】
したがって、設計のために、Δτ＝２．５μｓであると仮定することができる。その結果、各遅延線は、１０３個の遅延セルからなることになり、それぞれが、２．５μｓの遅延を導入し、全体で２５７．５μｓの遅延をもたらす。
【００５９】
セル番号５２が中心セルであるように選択される時、利用可能な遅延の範囲は±１２７．５μｓとなる。最適なシステム動作のためには、ハードリミタによって生成されるバイナリ波形の立ち上がり時間および立ち下り時間は、２．５μｓより小さくあるべきである。
【００６０】
開示された到来時間差（ＴＤＯＡ）プロセッサは、
−信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）のうちの一方から得られるトリガパルスを利用して、他方の信号の解析を同期化することと、他方の信号から得られるトリガパルスを利用して、一方の信号の解析を同期化することとを同時に行う（成分相互相関器の相互結合）。これによって、２つの信号の無相関ノイズの作用が大幅に減る。
−各遅延線に沿ってタイミング情報を伝え、伝播させるために、パルスではなくバイナリ波形を使用する。
−同じ種類の交差の作用と反対の種類の交差の作用とを均衡させるように、処理された信号の上向き交差と下向き交差を合成し、それによって、２つの純粋にランダムな、独立した入力信号についてゼロ出力を生成する。
−各トリガパルスを用いて、短い間隔だけ時間が離れた２つのサンプルを取得し、次に、これらのサンプルの差を計算し、それに応じて、プロセッサが、実質的にクロスレーション関数の時間導関数である出力を導出する。
【００６１】
第２の好ましい実施形態
クロスレーション関数の２つの遅延した複製の差を、２つのゼロ交差検出器のそれぞれの後段に続く付属回路の使用によって、また、明示的な差分回路を使用することなく得ることができる。
【００６２】
図９は、本発明に従って動作するように構成され、図４のネットワークで使用するのにも適した改良型到来時間差（ＴＤＯＡ）プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）のブロック図である。プロセッサは、２つのハ−ドリミタ、すなわちＨＸおよびＨＹ、２つの相互結合された改良型相互相関器、すなわちＤＸＸおよびＤＸＹ、および、データプロセッサＤＰＲを備える。ゼロ交差検出器、すなわちＣＤＸおよびＣＤＹはそれぞれ、後段に付属遅延ユニットＵおよび加算器Ｓを有する。
【００６３】
立ち上がりエッジ（ゼロ上向き交差）が検出されると、ゼロ交差検出器の出力に正のパルスが生成される。このパルスは、付属遅延ユニットＵによって遅延し、反転するため、加算器Ｓは、正の主パルスと、その直後に続く、負の複製を含むパルス対(doublet)を生成することになる。同様に、立ち下がりエッジ（ゼロ下向き交差）が検出されると、ゼロ交差検出器の出力に生成される負のパルスは、付属遅延ユニットＵによって遅延し、反転し、その結果、加算器Ｓは、負の主パルスと、その直後に続く、正の複製を含むパルス対を生成することになる。
【００６４】
それに応じて、単一のゼロ交差の検出に応答して、各スイッチのバンクは、バイナリ波形のサンプリングされた表現と、それに続く、遅延し、反転したその表現の複製を、平均化回路に伝えることになる。結果として、平均化回路（ＡＸおよびＡＹ）のそれぞれのアレイは、それぞれのクロスレーション関数と、付属遅延ユニットＵによって導入された量だけ遅延したその複製との差を直接生成することになる。
【００６５】
改良型到来時間差プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）によって実施される他の機能および動作は、図６の到来時間差プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）のものと等価である。
【００６６】
図９の改良型到来時間差プロセッサ（ＴＤＯＡＰ）は、以下の特定の利点を提供することができる。
−差分回路を必要としない。
−付属遅延ユニットＵによって導入される遅延は、遅延セルＤの単位遅延と異なる場合があり、それに応じて、付属遅延について、セルＤの導関数より優れた導関数の近似を得ることができる。
【００６７】
上述した装置は、ゼロの上向き交差および下向き交差を検知することによってイベントを検出する。代わりに、他のレベルで起こるイベント（上向き交差および／または下向き交差）を検出することが可能であろう。マルチタップ付き遅延線ＤＬＸおよびＤＬＹは、デジタル（たとえば、バイナリ）データまたはアナログデータを送信することができる。
【００６８】
本発明の好ましい実施形態の上述した説明は、例示および説明の目的のために提示した。それは、網羅的であるようにも、本発明を開示した厳密な形態に限定するようにも、意図されていない。上述した説明に鑑みて、多くの代替形態、変更形態および変形形態により、当業者が、企図される特定の使用に適したあらゆる実施形態において本発明を利用することができる、ということが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】従来の相関ベースプロセッサＴＤＯＡＰによって供給される到来時間差τ０から到来角度θを求める方法を概略的に示す図である。
【図２】２つの入力信号間の遅延を求めるのに使用される相互相関器の例を示す図である。
【図３】ランダムバイナリ波形およびその時間シフトした複製を処理することによって実験的に得られたクロスレーション関数の例を示す図である。
【図４】本発明を利用する監視装置の例を示す図である。
【図５ａ】理論的なクロスレーション関数を示す図である。
【図５ｂ】図５ａのクロスレーション関数と、０．００１の時間単位だけシフトしたその複製との差を拡大した図である。
【図５ｃ】図５ａのクロスレーション関数と、０．００１の時間単位だけシフトしたその複製との差を拡大した図である。
【図６】本発明に従って動作するように構成されたクロスレーションベースの到来時間差（ＴＤＯＡ）プロセッサのブロック図である。
【図７】クロスレーションベースのプロセッサＴＤＯＡＰで使用されるゼロ交差検出器の構造および動作を示す図である。
【図８ａ】経験的クロスレーション関数の離散表現の例を示す図である。
【図８ｂ】単位ステップだけシフトした経験的クロスレーション関数の２つの複製の差を示す図である。
【図９】本発明に従って動作するように構成されたクロスレーションベースの改良型到来時間差（ＴＤＯＡ）プロセッサのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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