(57)【要約】【課題】低周波でも高精度に音源発生位置の検出できるビームフォーミング装置用フィルタの作成方法を提供する。【発明の効果】仮想音源位置からマイクロホンまでの距離と音源の周波数に基づいて複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数を計算する伝達関数計算段階（Ｓ５０４）と、目的方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの伝達関数が互いの位相を合わせるようにフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第一伝達関数和から、非目的方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数がフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が０より大きくなるようにフィルタが構成されてなるフィルタ群を作成するフィルタ群作成段階（Ｓ５０４）と、を有する。【選択図】図５
2012037429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間に設置された複数のマイクロホンによる検出信号がそれぞれ入力される複数のフィルタでそれぞれ演算処理された前記検出信号を互いに加算することで音源の方向と推定した目的方向の前記検出信号を強調するフィルタ群を複数有し、前記目的方向が互いに異なる前記フィルタ群により前記検出信号がそれぞれ演算処理されることで音波の指向特性が得られるフィルタの作成方法であって、
前記音源が存在し得る複数の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの距離と前記音源の周波数とに基づいて前記複数の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの各伝達関数を計算する伝達関数計算段階と、
前記複数の仮想音源位置のうち目的方向の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの前記伝達関数が互いの位相を合わせるように前記フィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第一伝達関数和から、前記複数の仮想音源位置のうち前記目的方向以外の方向の前記仮想音源位置から前記マイクロホンまでの各伝達関数が前記フィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が０より大きくなる第一条件を満たすように前記フィルタが構成されてなる前記フィルタ群を作成するフィルタ群作成段階と、
を有することを特徴とするビームフォーミング装置用フィルタの作成方法。
【請求項２】
前記仮想音源位置のうちの少なくとも一つの仮想音源位置から前記マイクロホンまでのそれぞれの前記伝達関数がいずれか一つの前記フィルタ群で演算処理されて得られる伝達関数和の絶対値が集合してなるビームを計算するビーム計算段階と、
前記ビーム計算段階で計算された前記ビームのサイドローブレベルの最大値が下がるように前記フィルタを調整するフィルタ調整段階と、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成方法。
【請求項３】
前記フィルタ群作成段階は、前記目的方向以外のいずれか一つ以上の方向の前記仮想音源についての前記第二伝達関数和が０となる第二条件をさらに満たすように前記フィルタ群を作成し、
前記フィルタ調整段階は、前記第二条件における前記第二伝達関数和を０とする前記目的方向以外の仮想音源位置を変えるか、前記第一条件における前記第一伝達関数和から前記第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値を小さくするか、の少なくともいずれかによって前記フィルタを調整することを特徴とする請求項２に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成方法。
【請求項４】
前記フィルタ調整段階は、前記第二条件における前記第二伝達関数和を０とする前記目的方向以外の仮想音源位置をランダムに変えることを特徴とする請求項３に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成方法。
【請求項５】
空間に設置された複数のマイクロホンによる検出信号がそれぞれ入力される複数のフィルタでそれぞれ演算処理された前記検出信号を互いに加算することで音源の方向と推定した目的方向の前記検出信号を強調するフィルタ群を複数有し、前記目的方向が互いに異なる前記フィルタ群により前記検出信号がそれぞれ演算処理されることで音波の指向特性が得られる装置用フィルタの作成装置であって、
前記音源が存在し得る複数の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの距離と前記音源の周波数とに基づいて前記複数の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの各伝達関数を計算する伝達関数計算手段と、
前記複数の仮想音源位置のうち目的方向の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの前記伝達関数が互いの位相を合わせるように前記フィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第一伝達関数和から、前記複数の仮想音源位置のうち前記目的方向以外の方向の前記仮想音源位置から前記マイクロホンまでの各伝達関数が前記フィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が０より大きいという第一条件を満たすように前記フィルタが構成されてなる前記フィルタ群を作成するフィルタ群作成手段と、
を有することを特徴とするビームフォーミング装置用フィルタの作成装置。
【請求項６】
前記仮想音源位置のうちの少なくとも一つの仮想音源位置から前記マイクロホンまでのそれぞれの前記伝達関数がいずれか一つの前記フィルタ群で演算処理されて得られる伝達関数和の絶対値が集合してなるビームを計算するビーム計算手段と、
前記ビーム計算段階で計算された前記ビームのサイドローブレベルの最大値が下がるように前記フィルタを調整するフィルタ調整手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項５に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成装置。
【請求項７】
前記フィルタ群作成手段は、前記目的方向以外のいずれか一つ以上の方向の前記仮想音源についての前記第二伝達関数和が０という第二条件をさらに満たすように前記フィルタ群を作成し、
前記フィルタ調整手段は、前記第二条件における前記第二伝達関数和を０とする前記目的方向以外の仮想音源位置を変えるか、前記第一条件における前記第一伝達関数和から前記第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値を小さくするか、の少なくともいずれかによって前記フィルタを調整することを特徴とする請求項６に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成装置。
【請求項８】
前記フィルタ調整手段は、前記第二条件における前記第二伝達関数和を０とする前記目的方向以外の仮想音源位置をランダムに変えることを特徴とする請求項７に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームフォーミング装置用フィルタの作成方法およびビームフォーミング装置用フィルタの作成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両や設備において発生した未知の音源に対して、その発生方向（位置）を検出することが行なわれている。
【０００３】
従来技術である遅延和ビームフォーミングは、複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイを使用して音源の方向を検知する方法である。遅延和ビームフォーミングは、各マイクロホンで検出した音波の位相を合わせて和をとることで一定の方向の信号を強調させ、より強調された方向を音源の方向として検知する（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２７９３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、音源から発生する音波の周波数が低い場合、マイクロホンアレイのサイズに対して相対的に音波の波長が長くなり、各マイクロホンで検出される音波の位相差が小さくなるため、音源の方向の検出精度が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、検出しようとする音波が低周波であっても高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために、本発明に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法は、フィルタ群を複数有し、音源の方向と推定した目的方向が互いに異なるフィルタ群により検出信号がそれぞれ演算処理されて音波の指向特性が得られるフィルタの作成方法である。本発明に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法は、伝達関数計算段階とフィルタ群作成段階とを有する。フィルタ群は、空間に設置された複数のマイクロホンによる検出信号がそれぞれ入力される複数のフィルタでそれぞれ演算処理された検出信号を互いに加算することで目的方向の検出信号を強調する。伝達関数計算段階は、音源が存在し得る複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの距離と音源の周波数とに基づいて複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数を計算する。フィルタ群作成段階は、第一伝達関数和から第二伝達関数和または第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が０より大きくなるようにフィルタが構成されてなるフィルタ群を作成する。第一伝達関数和は、複数の仮想音源位置のうち目的方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの伝達関数が互いの位相を合わせるようにフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる。第二伝達関数和は、複数の仮想音源位置のうち目的方向以外の方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数がフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる。
【０００８】
また、本発明に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置は、フィルタ群を複数有し、音源の方向と推定した目的方向が互いに異なるフィルタ群により検出信号がそれぞれ演算処理されて音波の指向特性が得られるフィルタの作成装置である。本発明に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置は、伝達関数計算手段とフィルタ群作成手段とを有する。フィルタ群は、空間に設置された複数のマイクロホンによる検出信号がそれぞれ入力される複数のフィルタでそれぞれ演算処理された検出信号を互いに加算することで目的方向の検出信号を強調する。伝達関数計算手段は、音源が存在し得る複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの距離と音源の周波数とに基づいて複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数を計算する。フィルタ群作成手段は、第一伝達関数和から第二伝達関数和または第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が０より大きくなるようにフィルタが構成されてなるフィルタ群を作成する。第一伝達関数和は、複数の仮想音源位置のうち目的方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの伝達関数が互いの位相を合わせるようにフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる。第二伝達関数和は、複数の仮想音源位置のうち目的方向以外の方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数がフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる。
【発明の効果】
【０００９】
位相を合わせた目的方向からの伝達関数の和から、目的方向以外の方向の伝達関数の和またはその絶対値を差し引いた値を０より大きくするフィルタを作成する。これにより、ビームのメインローブの幅を細くでき、かつ、目的方向で必ずピークを持たせることができるとともに、ビームの幅とサイドローブの大きさを最適化することができる。その結果、検出しようとする音波が低周波であっても高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法および作成装置の原理を説明するための説明図である。
【図２】マイクロホンアレイを構成する複数のマイクロホンの配置例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置のブロック図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置のブロック図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るビーミフォーミング装置用フィルタの作成方法のフローチャートを示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法により作成したフィルタを用いたビームフォーミング装置と従来のビームフォーミング装置とによるビームフォーミング特性の評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法およびビームフォーミング装置用フィルタの作成装置について詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法および作成装置の原理を説明するための説明図である。
【００１２】
本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法においては、音源Ｘ（ω）（ωは角周波数）が存在し得る位置（仮想音源位置）からマイクロホンアレイ２０を構成する各マイクロホン２０ａまでの各伝達関数Ｈ（ω）を計算する。そして、フィルタ１０ａの作成において、計算による伝達関数Ｈ（ω）使用する。後述するように、伝達関数Ｈ（ω）は、仮想音源位置から各マイクロホン２０ａまでの距離と音波の周波数に基づいて計算することができる。
【００１３】
フィルタ１０ａは、各マイクロホン２０ａにおける各伝達関数Ｈ（ω）を演算処理する。フィルタ群１０は、マイクロホン２０ａごとに設けたフィルタ１０ａを含み、各フィルタ１０ａで演算処理された伝達関数Ｈ（ω）を互いに加算する。フィルタ群１０は、マイクロホンアレイ２０に対する仮想音源の方向のうち音源の方向と推定した方向（目的方向）に関する伝達関数Ｈ（ω）の値を強調する。ここで、仮想音源とは、仮想音源位置にある仮想的な音源である。
【００１４】
フィルタ群１０は、目的方向が異なるものを複数作成する。これにより、ビームフォーミング時に、問題となる音源からの音波を目的方向の異なるフィルタ群１０で演算処理し出力Ｙ（ω）の大きさを比較することで問題となる音源の方向を検出することができる。すなわち、目的方向の異なるフィルタ群１０を複数作成することにより、問題となる音源からの音波をより強調する方向を特定することができ、これにより、音波の指向特性を得ることができる。
【００１５】
本実施形態においては、目的方向からの各伝達関数Ｈ（ω）の位相を合わせるようにフィルタ群１０を作成する。さらに、位相を合わせた目的方向からの伝達関数Ｈ（ω）の和から、目的方向以外の方向（以下、「非目的方向」と称する）の伝達関数の和またはその絶対値を差し引いた値が０より大きくなるようにフィルタ群１０を作成する。
【００１６】
図２は、マイクロホンアレイ２０を構成する複数のマイクロホン２０ａの配置例を示す図である。
【００１７】
図２に示すように、マイクロホンアレイ２０は３２個のマイクロホン２０ａにより構成することができる。しかし、マイクロホン２０ａの間隔および数量は、推定される音源１の周波数、音量、対象範囲等に基づいて音源１の方向の検出感度の観点から最適化することができる。
【００１８】
本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法および作成装置について、従来のビームフォーミング装置用フィルタの作成方法と比較してより詳細に説明する。
【００１９】
図１に示すように、マイクロホンアレイ２０から、方位角θ、仰角φにある音源１の特性をＸ（ω）、音源１から距離ｒの各マイクロホン２０ａまでの伝達関数をＨｒ，θ，φ，ｎ（ω）（ここで、ｎ＝１，２，・・・，Ｎ（Ｎはマイクロホンアレイをなすマイクロホンの数））とする。フィルタの伝達特性をＧｎ（ω）とする。そうすると、音源１の特性Ｘ（ω）と、加算器で加算されて出力される出力信号Ｙ（ω）との比から、この処理系の指向特性Ｄ（θ，φ）は、下記式（１）で表すことができる。
【００２０】
ここで、音源１を仮想音源とすると、伝達関数Ｈｒ，θ，φ，ｎ（ω）は、仮想音源から各マイクロホン２０ａまでの距離ｒと音源１の周波数ｆ（＝ω／２π）とから計算することができる。すなわち、仮想音源から発生する音波を正弦波と仮定し、伝達関数Ｈｒ，θ，φ，ｎ（ω）の振幅は距離ｒに反比例し、位相ｐ（＝ωｒ／Ｃ、ここでＣは音速である）は距離ｒに比例することを考慮して伝達関数Ｈｒ，θ，φ，ｎ（ω）を計算することができる（式（１））。
【００２１】
【数１】
2012037429.tif 000003
【００２２】
さらに、方向を対象範囲で離散化したものを添字ｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）で表し、この離散化された伝達系に対し、指向特性ベクトルｄ、伝達関数行列Ｈ、フィルタベクトルｇを考える。これらは下記式（２）で与えられる（Ｔは転置行列）。
【００２３】
ここで、対象範囲とは仮想音源位置が存在する範囲である。
【００２４】
【数２】
2012037429.tif 000004
【００２５】
式（２）を用いると、指向特性ベクトルｄは下記式（３）で簡易に表現できる。
【００２６】
【数３】
2012037429.tif 000005
【００２７】
また、式（３）は式（４）に変形することができる（＋は擬似逆行列）。
【００２８】
【数４】
2012037429.tif 000006
【００２９】
ビームフォーミングを実施するためのフィルタ群１０は、式（４）を解くことにより作成することができる。
【００３０】
式（２）、式（４）に示すように、フィルタ１０ａは、Ｎ個のフィルタ１０ａからなるフィルタ群１０に目的方向に対する指向性をもたせるように作成する。そして、目的方向の異なるフィルタ群１０を対象範囲で離散化した方向の数（Ｍ個）作成する。
【００３１】
ビームフォーミング時は、それぞれマイクロホンアレイ２０で検出した音波信号をデジタルフーリエ変換して周波数領域にし、各フィルタ１０ａで演算し、演算結果の和をとることで利得を得る。得られた各方向ｍの利得はコンターマップに表示する。すなわち、コンターマップに、各方向についての利得の集合をビームとして表示する。これにより、最も利得が大きい方向、すなわち、ビームの頂点の方向を音源１の方向として検出することができる。
【００３２】
一般的なビームフォーミング方法である遅延和ビームフォーミングのフィルタベクトルｇは、目的方向からの音波の位相を一致させるように各方向ｍの伝達関数Ｈｍ，ｎを遅延させる演算要素のみからなる。すなわち、遅延和ビームフォーミングは、音源１からマイクロホンアレイ２０の各マイクロホン２０ａまでの距離ｒの差に起因する音波の位相ｐと音源１の位置との関係を利用し、目的方向からの音波の位相を揃えて加算するいわゆる同期加算により目的方向からの音波が強調されるようにフィルタ１０ａを構成する。
【００３３】
しかし、遅延和ビームフォーミングは、音源１から発生する音波の周波数が低い場合、マイクロホンアレイアレイ２０のサイズ（すなわち、マイクロホン１０ａの間隔）に対して音波の波長が相対的に長くなり、各マイクロホン２０ａで検出される音波の位相差が小さくなるため、音源の方向の検出精度が低下するという問題がある。
【００３４】
このような問題に対し、非目的方向からの伝達関数の和を０にする方法が考えられる。
【００３５】
ｍ＝１を目的方向、ｍ＝２，３，・・・，Ｍを非目的方向と考え、指向特性ベクトルｄの要素のうち非目的方向の要素を０と置くと、フィルタベクトルｇを下記式（５）で求めることができる。
【００３６】
【数５】
2012037429.tif 000007
【００３７】
式（５）により作成したフィルタは、伝達関数がフィルタ１０ａで処理され互いに加算されて得られる和（以下、「伝達関数和」と称する）のうち非目的方向からの伝達関数和を強制的に０にする。この方法はいわゆるＮＵＬＬ法と呼ばれている。
【００３８】
式（５）によるフィルタによれば、音源１が発生する音波が低周波数であっても、コンターマップに表示させたビームのメインローブの幅を細くすることができるため、探査精度を向上させることができる。しかし、式（５）によるフィルタを用いたビームフォーミングは、指向特性ベクトルｄの非目的方向の伝達関数和を強制的に０とするためビームのサイドローブが大きくなるという問題がある。
【００３９】
図３は、本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置のブロック図である。
【００４０】
本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置３は、コンピュータおよびプログラムにより構成することができる。しかし、ビームフォーミング装置用フィルタの作成装置３は、一部または全部を電子回路により構成することができる。
【００４１】
本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置３は、伝達関数計算部（伝達関数計算手段）３００とフィルタ群作成部（フィルタ群作成手段）３０１とを有する。ビームフォーミング装置用フィルタの作成装置３は、コンピュータの入力装置から対象範囲、距離ｒ、音源の周波数ｆの入力を受け、演算によりフィルタ群１０を生成してこれをコンピュータの出力装置から出力することができる。
【００４２】
伝達関数計算部３００は、対象範囲、距離ｒ、音源の周波数ｆの入力を受け、式（１）により、対象範囲のすべての仮想音源位置に関して伝達関数Ｈ（ω）を計算する。対象範囲は、例えば、マイクロホンアレイ２０の中心に対して半径が１ｍとなる点で、仰角が−３０度〜３０度、方位角が−４５度〜４５度とすることができる。仮想音源は、対象範囲において各３度ごとに設定することができる。
【００４３】
フィルタ群作成部３０１は、伝達関数計算部３００が計算した伝達関数Ｈ（ω）の入力を受け、対象範囲のすべての仮想音源位置に関し、仮想音源位置を目的方向とするフィルタ群１０を演算により作成し出力する。
【００４４】
フィルタ群作成部３０１は、次のようにフィルタ群１０を作成する。すなわち、目的方向に関する各伝達関数Ｈ（ω）の位相を合わせ、かつ、位相を合わせた目的方向からの伝達関数和から、非目的方向の伝達関数和またはその絶対値を差し引いた値が０より大きくなるようにフィルタ群１０を作成する。
【００４５】
下記式（６）は、本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置がフィルタ群１０を作成するための式である。
【００４６】
【数６】
2012037429.tif 000008
【００４７】
ここで、ｈ（ω）は目的方向の伝達関数、ｈｄ（ω，ｄ１）〜ｈｄ（ω，ｄ８）は、非目的方向ｄ１〜ｄ８の伝達関数和を目的方向の伝達関数和から差し引いた値（すなわち、目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和との差）である。
【００４８】
式（６）においては、目的方向の伝達関数和（第一伝達関数和）を１に設定している。このことは、目的方向の仮想音源位置からマイクロホン２０ａまでの各伝達関数の位相を合わせるようにフィルタ１０ａを作成していることを意味する。
【００４９】
本実施形態に係るビームフォーミング装置のフィルタ群１０は、それぞれマイクロホンアレイ２０における目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和（第二伝達関数和）との差ｈｄが所定値になるように作成する。ここで、目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和との差は１以下となる。
【００５０】
ここで、目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和との差ｈｄが所定値ａ１〜ａ８になるように作成することに替え、目的方向の伝達関数和（式（６）では１）と非目的方向の伝達関数和の絶対値との差が所定値になるように作成してもよい。ここで、目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和の絶対値との差は１以下となる。
【００５１】
目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和またはこれの絶対値との差（以下、「加算伝達関数差ｈｄ」と称する）は、非目的方向の伝達関数和等が目的方向の伝達関数和より小さくなるように設定する。すなわち、加算伝達関数差ｈｄは０より大きくなるように設定する。加算伝達関数差ｈｄは、例えば０．５に設定することができる。また、加算伝達関数差ｈｄは、対応する非目的方向が目的方向と離れるにしたがって大きな値としてもよい。
【００５２】
非目的方向ｄ１〜ｄ８は目的方向の近傍の方向とすることが望ましい。加算伝達関数差ｈｄが所定値より大きくなるように非目的方向の伝達関数和を抑えることにより、コンターマップに表示したビームの幅を細くすることができる。さらに、目的方向で必ずピークを持たせることができる。したがって、検出しようとする音波が低周波であっても高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
【００５３】
さらに、加算伝達関数差を適切な値に設定することで、ビームの幅が細く、かつ、ビームのサイドローブが小さくなるように最適化することができる。
【００５４】
式（６）は、具体的には、下記式（７）のように表現することができる。ここで、式（６）における非目的方向ｄ１〜ｄ８は２〜９に、加算伝達関数差ｈｄは具体的な伝達関数の式にそれぞれ置き替えて表現している。
【００５５】
【数７】
2012037429.tif 000009
【００５６】
式（７）に示す連立方程式を解いてフィルタベクトルＧ１〜ＧＮを求めてフィルタ群１０を作成することにより本実施形態に係るビームフォーミング装置を製造することができる。
【００５７】
本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法およびビームフォーミング装置用フィルタの作成装置は以下の効果を奏する。
・ビームのメインローブの幅を細くでき、かつ、目的方向で必ずピークを持たせることができるとともに、ビームの幅とサイドローブの大きさを最適化することができる。その結果、検出しようとする音波が低周波であっても高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法およびビームフォーミング装置用フィルタの作成装置について詳細に説明する。なお、第１実施形態の説明と重複する説明は省略する。
【００５８】
実施形態と第１実施形態とで異なる点は次の点である。すなわち、第１実施形態は、そのフィルタ群１０の作成において、マイクロホンアレイ２０で検出した信号の目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和との差が所定値になるという条件を満たすフィルタを作成する。一方、本実施形態は、フィルタの作成において、さらに、非目的方向のいずれかについて伝達関数和を０とする条件を付加する。加えて、作成したフィルタ群１０によって伝達関数の演算処理により得られた計算によるビームをモニタしビームのサイドローブレベルの最大値（以下、「最大サイドローブレベル」と称する）を下げるようにフィルタ群を調整する。
【００５９】
図４は、本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置のブロック図である。
【００６０】
本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置３は、伝達関数計算部３００、フィルタ群作成部（フィルタ群生成部、フィルタ調整手段）３０１、ビーム計算部（ビーム計算手段）３０２、乱数生成部（フィルタ調整手段）３０３、を有する。ビームフォーミング装置用フィルタの作成装置３は、対象範囲、距離ｒ、音源の周波数ｆ、最大サイドローブレベルＳＬＬの初期値、加算伝達関数差ｈｄの初期値、最大ループ回数、の入力を受け、演算によりフィルタ群１０を生成してこれを出力する。
【００６１】
フィルタ群生成部３０１は、伝達関数計算部３００が計算した伝達関数Ｈ（ω）の入力を受け、対象範囲のすべての仮想音源位置に関し、仮想音源位置を目的方向とするフィルタ群１０を演算により作成し出力する。
【００６２】
フィルタ群作成部３０１は、次のようにフィルタ群１０を作成する。目的方向からの各伝達関数Ｈ（ω）の位相を合わせ、かつ、位相を合わせた目的方向からの伝達関数和から、非目的方向の伝達関数和またはその絶対値を差し引いた値が０より大きくなるように（第一条件）フィルタ群１０を作成する。さらに、他の非目的方向の伝達関数和が０となるように（第二条件）フィルタ群１０を作成する。このとき、フィルタ群生成部３０１は、乱数生成部３０１に乱数を生成させ、乱数生成部３０３が生成した乱数に基づいて前記他の非目的方向を決定することができる。
【００６３】
また、フィルタ群作成部３０１は、生成したフィルタ群１０をビーム計算部３０２に送信し、ビーム計算部３０２に伝達関数Ｈ（ω）を用いてビームを計算させる。そして、ビーム計算部４０２が計算したビームをモニタしビームの最大サイドローブレベルＳＬＬが下がるようにフィルタ群１０を調整する。フィルタ群１０の調整は、乱数生成部３０３に再生成させて更新した乱数に基づいて伝達関数和を０にする非目的方向を再設定するか、設定した加算伝達関数差ｈｄの初期値を変えることにより行なうことができる。フィルタ群の調整は、例えば、入力した最大ループ回数以下の回数内で行うようにしてもよい。
【００６４】
ビーム計算部３０２は、フィルタ群生成部３０１からフィルタ群１０を受信し、伝達関数計算部３００から伝達関数Ｈ（ω）を受信する。そして、次のようにビームを計算する。すなわち、フィルタ群生成部３０１が生成したフィルタ群１０の目的方向を（０，０）に固定し、対象範囲のすべての仮想音源位置から各マイクロホン２０ａまでの伝達関数Ｈ（ω）を目的方向が（０，０）であるフィルタ群１０で演算処理する。そして、演算処理後の伝達関数和の絶対値を仮想音源位置の各方向について計算する。計算によるビームは、このようにして計算した伝達関数和の絶対値の集合として求めることができる。
【００６５】
乱数生成部３０３は、伝達関数和を０にする非目的方向を決定するための乱数を生成する。
【００６６】
下記式（８）は、本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法および作成装置がフィルタを作成するための式である。
【００６７】
【数８】
2012037429.tif 000010
【００６８】
ここで、ｈ（ω）は目的方向の伝達関数、ｈｄ（ω，ｄ１）〜ｈｄ（ω，ｄ８）は、加算伝達関数差である。また、ｈ（ω，ｓｍ１）〜ｈ（ω，ｓｍｍ）は非目的方向のうちＮＵＬＬ点を当てる（すなわち、伝達関数和を０とする）方向の伝達関数である。
【００６９】
式（８）においても、第１実施形態と同様に、目的方向の伝達関数和を１に設定している。このことは、目的方向の仮想音源位置からマイクロホン２０ａまでの各伝達関数の位相を合わせるようにフィルタ１０ａを作成していることを意味する。
【００７０】
また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、フィルタ群１０の作成において、加算伝達関数差ｈｄを所定値ａ１〜ａ８に設定する。さらに、本実施形態においては、非目的方向の少なくともいずれか一方向について伝達関数和が０となる（ＮＵＬＬ点を当てる）ようにフィルタを作成する。
【００７１】
ＮＵＬＬ点を当てる方向は、乱数を発生させて決定することができる。式（８）による方程式は、通常、マイクロホン２０ａの本数分立てることができる。したがって、ＮＵＬＬ点を当てる方向の数は、マイクロホン２０ａの本数から目的方向の伝達関数を制御する項（１個）と、目的方向との伝達関数の差を制御する項（８個）と、を差し引いた数とすることができる。ただし、式（８）による方程式の数が求めようとするフィルタの伝達特性Ｇｎ（ω）の数より少なくしても、最小ノルム解を求めることでフィルタの伝達特性Ｇｎ（ω）の解を求めることができる。
【００７２】
式（８）は、具体的には、下記式（９）のように表現することができる。ここで、目的方向以外の方向ｄ１〜ｄ８は２〜９に、加算伝達関数差ｈｄは具体的な伝達関数の式にそれぞれ置き替えている。
【００７３】
【数９】
2012037429.tif 000011
【００７４】
式（９）に示す連立方程式を解いてフィルタベクトルＧ１〜ＧＮを求めることにより、フィルタ群１０を作成することができる。
【００７５】
ここで、ＮＵＬＬ点を当てる方向は、コンターマップに表示させた伝達関数を用いた計算によるビームのサイドローブをモニタし、最大サイドローブレベルが所定値となるように選択することができる。
【００７６】
図５は、本実施形態に係るビーミフォーミング装置用フィルタの作成方法のフローチャートを示す図である。本フローチャートは、例えば、コンピュータおよびコンピュータプログラムにより実施することができる。しかし、電子回路によりその一部または全部を実施してもよい。
【００７７】
以下、図５のフローチャートにより本実施形態に係るビーミフォーミング装置の製造方法について説明する。
【００７８】
最大サイドローブレベルＳＬＬの初期値を入力する（Ｓ５００）。最大サイドローブレベルＳＬＬの初期値は、例えば、メインローブの利得（０ｄＢ）に対し−１０ｄＢとすることができる。最大サイドローブレベルＳＬＬの初期値の入力は、コンピュータの入力装置に入力することで行なう。ここで入力するのは最大サイドローブレベルＳＬＬの初期値であり、最大サイドローブレベルＳＬＬの設定値は、後述するように、必要に応じて緩和する。
【００７９】
最大サイドローブレベルＳＬＬを設定する（Ｓ５０１）。最大サイドローブレベルＳＬＬを設定は、ステップＳ５００で入力した最大サイドローブレベルＳＬＬの初期値をコンピュータプログラムに反映させることで行なう。
【００８０】
加算伝達関数差ｈｄの初期値を入力する（Ｓ５０２）。目的方向近傍の非目的方向ｄ１〜ｄ８のそれぞれについて、加算伝達関数差ｈｄの初期値をコンピュータの入力装置から入力する。ここで入力するのは加算伝達関数差ｈｄの初期値であり、加算伝達関数差ｈｄの設定値は、後述するように、必要に応じて緩和する。
【００８１】
加算伝達関数差ｈｄを設定する（Ｓ５０３）。加算伝達関数差ｈｄの設定は、ステップＳ５０２で入力した加算伝達関数差ｈｄの初期値をコンピュータプログラムに反映させることで行なう。
【００８２】
対象範囲のすべての仮想音源位置に関する伝達関数を計算し、ＮＵＬＬ点を乱数で発生させてフィルタ郡１０の生成に適用し、式（８）によりフィルタ群１０を生成する（Ｓ５０４、伝達関数計算段階、フィルタ群作成段階）。ここで、非目的方向のうちＮＵＬＬ点を当てる方向を乱数により発生させ、フィルタ群１０を生成するための方程式（式（８））に適用し、演算によりフィルタ群１０を生成する。対象範囲におけるすべての仮想音源の方向についてその方向を目的方向とする各フィルタ群１０を生成する。
【００８３】
ステップＳ５０４で生成したフィルタ群１０を使用してビームを計算し、計算したビームの最大サイドローブレベルＳＬＬを抽出する（Ｓ５０５、ビーム計算段階）。ここで、ビームの計算は、次のように行なう。
【００８４】
計算により伝達関数Ｈ（Ω）を求め、ステップＳ５０４で生成したフィルタ群１０に関するフィルタベクトルｇのうち、目的方向（θ、φ）を（０，０）とするフィルタ群１０を用いて、式（３）により指向特性ベクトルｄを計算する。指向特性ベクトルｄを構成する各方向（Ｍ個の仮想音源の方向）の指向特性Ｄについて、該指向特性Ｄの和の絶対値をそれぞれ計算する。これにより、各方向の指向特性Ｄの絶対値の集合であるビームを計算することができる。
【００８５】
実際のビームフォーミング時は、検知しようとする音源１からの音波信号を各マイクロホン２０ａで検出し、目的方向を異にする複数のフィルタ群１０によりそれぞれ演算処理されることで各方向の利得の集合からなるビームを得る。しかし、ステップＳ５０５において得る計算によるビームは、複数の仮想音源から各マイクロホン２０ａまでのそれぞれの伝達関数Ｈ（Ω）を、目的方向を（０，０）とする一のフィルタ群１０で演算処理することで得た計算によるビームでこれに代替する。
【００８６】
なお、計算によるビームを得るために用いるフィルタ群１０は、（０，０）以外の方向を目的方向とするフィルタ群１０であってもよい。
【００８７】
ステップＳ５０５で抽出したサイドローブレベルＳＬＬがステップＳ５０１で設定した最大サイドローブレベルＳＬＬ以下かどうかを判断する（Ｓ５０６、フィルタ調整段階）。抽出したサイドローブレベルＳＬＬが設定した最大サイドローブレベルＳＬＬ以下である場合は、フィルタ群１０の生成は完了し、フローチャートは終了する。一方、抽出したサイドローブレベルＳＬＬが設定した最大サイドローブレベルＳＬＬより大きい場合は、ステップＳ５０７に移行する。
【００８８】
ループ回数があらかじめ設定した最大ループ回数以下かどうかを判断し（Ｓ５０７、フィルタ調整段階）、ループ回数が設定した最大ループ回数以下であると判断したときは、新たに乱数で発生させたＮＵＬＬ点をフィルタ郡１０の生成に適用する（Ｓ５０４、フィルタ調整段階）。そして、計算によるビームの最大サイドローブレベルＳＬＬを抽出し（Ｓ５０５、フィルタ調整段階）、抽出したサイドローブレベルＳＬＬが設定した最大サイドローブレベルＳＬＬ以下かどうかを判断する（Ｓ５０６、フィルタ調整段階）。最大ループ回数は、例えば、２０００回とすることができる。
【００８９】
ステップＳ５０５〜ステップＳ５０７のループを行った結果、抽出したサイドローブレベルＳＬＬが設定した最大サイドローブレベルＳＬＬ以下となった場合は（Ｓ５０６，ＹＥＳ）、フィルタ群１０の生成は完了し、フローチャートは終了する。
【００９０】
設定した最大ループ回数を超えても抽出したサイドローブレベルＳＬＬが設定した最大サイドローブレベルＳＬＬ以下とならない場合は（Ｓ５０６,ＮＯ）、設定した加算伝達関数差ｈｄの値をより小さい値に緩和して更新する（Ｓ５０８、フィルタ調整段階）。
【００９１】
フィルタ群１０の生成に適用した加算伝達関数差ｈｄがあらかじめ設定した最小加算伝達関数差ｈｄｍｉｎより大きいかどうかを判断し（Ｓ５０９、フィルタ調整段階）、加算伝達関数差ｈｄが最小加算伝達関数差ｈｄｍｉｎより大きい場合は（Ｓ５０９,ＹＥＳ）、ステップＳ５０８で更新した値に加算伝達関数差ｈｄを再設定する（Ｓ５０３、フィルタ調整段階）。そして、再設定した加算伝達関数差ｈｄと新たに発生させたＮＵＬＬ点とをフィルタ郡１０の生成に適用し（Ｓ５０４）、計算によるビームの最大サイドローブレベルＳＬＬを再抽出する（Ｓ５０５）。再抽出したサイドローブレベルＳＬＬが設定した最大サイドローブレベルＳＬＬ以下となった場合は（Ｓ５０６，ＹＥＳ）、フィルタ１０ａの生成は完了し、フローチャートは終了する。
【００９２】
一方、加算伝達関数差ｈｄが最小加算伝達関数差ｈｄｍｉｎ以下の場合は（Ｓ５０９,ＮＯ）、設定した最大サイドローブレベルＳＬＬの値を大きな値に緩和して更新する（Ｓ５１０、フィルタ調整段階）。そして、ステップＳ５０１（フィルタ調整段階）、ステップＳ５０２（フィルタ調整段階）、ステップＳ５０３〜ステップＳ５０５を実施し、更新した最大サイドローブレベルＳＬＬとステップＳ５０５で再抽出したサイドローブレベルＳＬＬとを比較する（Ｓ５０６）。再抽出したサイドローブレベルＳＬＬが設定した最大サイドローブレベルＳＬＬ以下となった場合は（Ｓ５０６，ＹＥＳ）、フィルタ群１０の生成は完了し、フローチャートは終了する。再抽出したサイドローブレベルＳＬＬが設定した最大サイドローブレベルＳＬＬ以下となった場合は（Ｓ５０６，ＮＯ）、ステップＳ５０７〜ステップＳ５０７のループを繰り返し実施する。
【００９３】
本実施形態に係るビームフォーミング装置の製造方法およびビームフォーミング装置によれば、第１実施形態が奏する効果に加え、以下の効果を奏する。
・計算によるビームの最大サイドローブレベルが下がるようにフィルタ群を調整する。これにより、実際の音源を使用せず、計算のみでビームの幅とビームのサイドローブとを最適化することができるため、より高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
・また、フィルタ群の調整は、フィルタ群の生成においてＮＵＬＬ点を当てる位置を変えるか、加算伝達関数差の大きさを変えるかの少なくともいずれかによって行なう。これにより、サイドローブの大きさをさらに低減することができるため、より高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
・さらに、非目的方向のＮＵＬＬ点を当てる位置をランダムに変えることによって、効率的にフィルタ群の調整をすることができる。
【実施例】
【００９４】
図６は、本発明の第２実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法により作成したフィルタを用いたビームフォーミング装置と従来のビームフォーミング装置とによるビームフォーミング特性の評価結果を示す図である。図６のＡは従来のビームフォーミング方法によるビームフォーミング特性のコンターマップ、図６のＢは本実施形態に係るビームフォーミング方法によるビームフォーミング特性のコンターマップを示すものである。
【００９５】
ビームフォーミング特性の評価は次のように行なった。すなわち、コンターマップ上の方向（θ，φ）に対応して周波数５００Ｈｚの音源を移動させ、すべての方向について同じ目的方向（０，０）のフィルタ群により演算処理し加算して得られた利得を音源の方向ごとに表示した。
【００９６】
上述したように、通常、ビームフォーミングは、検知しようとする音源からの音波信号を、目的方向を異にする複数のフィルタ群によりそれぞれ演算処理されて得られた利得をビームとしてコンターマップに表示する。しかし、ビームのメインローブの幅およびサイドローブの評価については、本実施例で用いた評価方法で代替することができる。
【００９７】
フィルタ群による演算においては、従来のビームフォーミング装置と本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法により作成したフィルタを用いたビームフォーミング装置とを同条件で比較するため次のように行なった。すなわち、本実施形態においては式（７）のマトリックスの１〜９行目でフィルタの一般解を求め、１０〜３２行目までについて不定項にて解くという従来のビームフォーミング装置における演算手法を踏襲した。また、この際の特異値分解の打ち切り条件も同一とした。
【００９８】
図６に示すように、本実施形態に係るビームフォーミング装置の製造方法によれば、検出しようとする音波が低周波（５００Ｈｚ）であっても、コンターマップ上のビームのメインローブの幅を細くすることができ、かつ、目的方向で必ずピークを持たせることができることが実証された。また、サイドローブが抑えられていることから、ビームのメインローブの幅を細く、かつ、サイドローブの大きさを小さく最適化することができることが実証された。
【符号の説明】
【００９９】
１０  フィルタ群、
１０ａ  フィルタ、
２０  マイクロホンアレイ、
２０ａ  マイクロホン、
３００  伝達関数計算部（伝達関数計算手段）、
３０１  フィルタ群作成部（フィルタ群作成手段、フィルタ調整手段）、
３０２  ビーム計算部（ビーム計算手段）、
３０３  乱数生成部（フィルタ調整手段）。
【図１】
2012037429.tif 000012
【図３】
2012037429.tif 000013
【図４】
2012037429.tif 000014
【図５】
2012037429.tif 000015
【図２】
2012037429.tif 000016
【図６】
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