(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのセンサを備え、各センサにおいて検知した波動信号を電気信号に変換して受信信号を得るセンサ部と、
前記センサ部により得た受信信号から任意に選択された第１の受信信号と第２の受信信号間の遅延時間を演算する遅延時間演算部を備え、
前記遅延時間演算部が、
前記第１の受信信号と前記第２の受信信号の差分演算を実行して差分信号を得る差分演算部と、
前記第１の受信信号または前記第２の受信信号いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を得る微分演算部と、
前記差分演算部より得た前記差分信号を、前記微分演算部より得た前記微分信号で除算する除算演算を実行して除算信号を得る除算演算部を備え、
前記除算信号を遅延時間とすることを特徴とする波動信号処理システム。
【請求項２】
さらに、前記遅延時間と、前記波動信号の伝搬速度と、前記第１の受信信号を得たセンサおよび前記第２の受信信号を得たセンサの配置情報とを基に、前記波動信号の波源方向を演算する波源方向演算部を備えることを特徴とする請求項１に記載の波動信号処理システム。
【請求項３】
さらに、前記センサ部の各センサから得た受信信号に対して前記遅延時間または前記波源方向に応じた重み付けを行なう重み付け部を備え、
前記重み付け部における前記第１または第２の受信信号の少なくともいずれか一方への重み付け処理により、不要な信号部分を抑制することを特徴とする請求項１または２に記載の波動信号処理システム。
【請求項４】
前記差分演算部が、前記差分信号を所定フレーム分加算する差分信号加算部、または、前記差分信号を所定フレーム分平均する差分信号平均部を備え、
前記微分演算部が、前記微分信号を所定フレーム分加算する微分信号加算部、または、前記微分信号を所定フレーム分平均する微分信号平均部を備えた請求項１から３のいずれかに記載の波動信号処理システム。
【請求項５】
前記微分演算部より得る前記微分信号が極値近傍である、または、前記第１または第２の受信信号のいずれか一方が、そのレベル値の正負が逆転するゼロクロス近傍である場合においてのみ、前記微分信号演算部ならびに前記差分信号演算部が、前記微分信号ならびに前記差分信号を前記除算演算部に出力する請求項１から４のいずれかに記載の波動信号処理システム。
【請求項６】
さらに、前記遅延時間を平均する遅延時間平均部と、前記波源方向を平均する波源方向平均部の両者、または、いずれか一方を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の波動信号処理システム。
【請求項７】
波動信号をセンサで受信し、
少なくとも２つのセンサから得た受信信号から任意に選択された第１の受信信号と第２の受信信号の差分演算を実行して差分信号を算出し、
前記第１の受信信号または前記第２の受信信号いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を算出し、
前記差分信号を前記微分信号で除算する除算演算を実行して除算信号を算出し、
前記除算信号の値を前記第１の受信信号と前記第２の受信信号間の遅延時間とすることを特徴とする波動信号処理方法。
【請求項８】
センサで受信した波動信号を処理するプログラムであって、
波動信号をセンサで受信する受信処理ステップと、
少なくとも２つのセンサから得た受信信号から任意に選択された第１の受信信号と第２の受信信号の差分演算を実行して差分信号を算出する差分演算処理ステップと、
前記第１の受信信号または前記第２の受信信号いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を算出する微分演算処理ステップと、
前記差分信号を前記微分信号で除算する除算演算を実行して除算信号を算出する除算演算処理ステップと、
前記除算信号の値を前記第１の受信信号と前記第２の受信信号間の遅延時間とする遅延時間算出処理ステップとを備えた波動信号処理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、光、音、超音波、電磁波などに代表される媒質中を伝搬する波動信号の処理に関する。特に、波源から複数のセンサまでの波動信号の伝搬行路差によって生じる到達時間差（以下、遅延時間と記す）および波源の方向を低演算量で検出することができる波動信号処理システムに関するものである。また、本発明の波動信号処理システムは、所望の方向以外から到来する波動信号を抑制することができるものである。なお、ここで言う「媒質」とは、波動が伝搬する媒体、空間、場の全てを包含する概念とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術において、媒質中を伝搬する波動をセンサで受信信号に変換し、波動の伝搬行路差によって生じる受信信号の遅延時間を検出する代表例として、図３１に挙げる相互相関法が知られている。
【０００３】
相互相関法は、以下の手順により、波動信号の伝搬行路差によって生じる受信信号の遅延時間を検出する。
【０００４】
例えば、図３１（ａ）の左側に示すように、センサ９０１とセンサ９０２が、距離ｄ離れて配置されているとする。いま、波源から、波動信号が、センサ９０１とセンサ９０２に対して角度θの方向から到来したとする。波動信号をそれぞれＷ１とＷ２とする。
【０００５】
各センサ９０１とセンサ９０２は、それぞれ波動信号Ｗ１、Ｗ２を検知し、当該波動信号を電気信号に変換し、それぞれ受信信号ｆ1(ｔ)とｆ2(ｔ)を得る。
【０００６】
センサ９０１とセンサ９０２から得た２つの受信信号ｆ1(ｔ)とｆ2(ｔ)は図３１（ａ）の右側のようになる。受信信号ｆ1(ｔ)とｆ2(ｔ)は、同じ波源からの波動信号の受信信号であるので同じ波形であるが、波動信号Ｗ１のセンサ９０１までの伝搬行路と、波動信号Ｗ２のセンサ９０２までの伝搬行路の差により、受信信号ｆ2(ｔ)は受信信号ｆ1(ｔ)に対して遅延時間差Δｔを持つこととなる。
【０００７】
相互相関法は、当該２つの受信信号ｆ1(ｔ)とｆ2(ｔ)の相互相関係数Ｒを（数１）に従って演算する。
【０００８】
【数１】
0003778865.tif 000002
【０００９】
相互相関係数Ｒの値を縦軸にとり、時間を横軸にとったグラフを描けば、例えば、図３１（ｂ）のようにピークを持ったグラフとなる。このピーク位置に相当する時間τを検出することによって２つの受信信号ｆ1(ｔ)とｆ2(ｔ)間の遅延時間Δｔを得るものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の相互相関法には、以下のような問題がある。
【００１１】
第１の問題は、相互相関係数の演算量が大きいことである。相互相関係数Ｒの演算において、乗算を伴う膨大な演算が発生するため、演算処理のための負荷が大きく、リアルタイム処理の実行が難しいという問題がある。
【００１２】
第２の問題は、遅延時間検出の精度向上に伴うコスト増加割合、処理量増加の割合が大きいことである。遅延時間検出の精度を上げるためには相互相関係数のピーク位置を精度良く求める必要がある。そのため、以下の２つの方法があるが、いずれの方法であってもコスト増加割合、処理量増加の割合が大きい。
【００１３】
第１の方法は、受信信号のサンプリングレートを高め、多くのサンプル数を持つようにデジタル化する方法である。しかし、この方法によれば、高速サンプリングが可能なＡＤ変換器は必要となる。当該高速サンプリングが可能なＡＤ変換器は高価なものである。さらに、サンプリングされたデータ量も膨大となることから、当該受信信号の演算処理のために高価な高速処理能力を持つ演算システム（例えば高性能ＣＰＵ、高性能デジタルシグナルプロセッサなど）が必要となる。
【００１４】
第２の方法は、受信信号のサンプリングレートは低く設定してサンプリングし、その後、サンプリングの結果得られたデータの間を補間することにより、受信信号のデータ数を増加し、相互相関係数演算に用いるものである。この方法によれば、ＡＤ変換器は比較的安価なものを用いることができるが、サンプリング後のデータ間を補間するサンプリングデータ補間器が別途必要となり、コストの上昇を招いてしまう。また、補間後の受信信号のデータ量は第１の方法の場合と同様に膨大であるので、当該受信信号の演算処理のために高価な高速処理能力を持つ演算システム（例えば高性能ＣＰＵ、高性能デジタルシグナルプロセッサなど）が必要となる。
【００１５】
したがって、従来技術における、相互相関法を用いた受信信号の遅延時間検出方法は、リアルタイム性に加え、コストパフォーマンスの面においても問題がある。
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明は、相互相関法に比べ、小さい演算量で２つの受信信号の遅延時間検出を実行することができる波動信号処理システムを提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、相互相関法のように高速サンプリングが可能なＡＤ変換器やサンプリングデータ補間器などの特別の演算デバイスの追加を必要とせず、コストパフォーマンスを向上した波動信号処理システムを提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、上記の遅延時間検出に加え、波動信号の波源方向を検出する波動信号処理システムを提供することを目的とする。
【００１９】
さらに、本発明は、所定方向以外の方向から来る波動信号を雑信号として抑制する波動信号処理システムを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の波動信号処理システムは、少なくとも２つのセンサを備え、各センサにおいて検知した波動信号を電気信号に変換して受信信号を得るセンサ部と、前記センサ部により得た受信信号から任意に選択された第１の受信信号と第２の受信信号間の遅延時間を演算する遅延時間演算部を備え、前記遅延時間演算部が、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号の差分演算を実行して差分信号を得る差分演算部と、前記第１の受信信号または前記第２の受信信号いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を得る微分演算部と、前記差分演算部より得た前記差分信号を、前記微分演算部より得た前記微分信号で除算する除算演算を実行して除算信号を得る除算演算部を備え、前記除算信号を遅延時間とすることを特徴とする。
【００２１】
つまり、第１の受信信号をｆ１（ｔ）、第２の受信信号をｆ２（ｔ）とすると、以下の（数２）に従って遅延時間Δｔを求める。
【００２２】
【数２】
0003778865.tif 000003
【００２３】
上記構成により、遅延時間検出のための演算が、２つの受信信号の１回の差分演算と、いずれか一方の受信信号の１回の微分演算と、差分演算結果を微分演算結果で除算する１回の除算演算のみとなるので、演算量が少なくなり、処理速度が向上し、リアルタイム処理も可能となる。また、差分演算、微分演算、除算演算は汎用的な演算であるため、高速サンプリングＡＤ変換器やサンプリングデータ補間器などの特別の演算デバイスの追加が不要となり、高いコストパフォーマンスを実現できる。
【００２４】
また、各センサの感度差に基づく入力信号間の振幅差がある場合、当該入力信号間の振幅差を調整するために、遅延時間演算部の前段にオプションとして、振幅補正部を持つ構成としても良い。各センサから入力された入力信号間に振幅差がある場合、遅延時間検出精度が低下することがあるので、当該振幅補正部を遅延時間演算部の前段として備えておけば、遅延時間検出精度を向上させることができる。
【００２５】
次に、本発明の波動信号処理システムにおいて、さらに、前記遅延時間と、前記波動信号の伝搬速度と、前記第１の受信信号を得たセンサおよび前記第２の受信信号を得たセンサの配置情報とを基に、前記波動信号の波源方向を演算する波源方向演算部を備えることができる。
【００２６】
上記構成とすれば、本発明の波動信号処理システムにより、波動信号の波源方向を検出することが可能となる。
【００２７】
次に、本発明の波動信号処理システムにおいて、さらに、前記センサ部の各センサから得た受信信号に対して前記遅延時間または波源方向に応じた重み付けを行なう重み付け部を備え、前記重み付け部における前記第１または第２の受信信号の少なくともいずれか一方への重み付け処理により、不要な信号部分を抑制することが好ましい。
【００２８】
上記構成とすれば、本発明の波動信号処理システムにより、所望の信号源の方向以外の方向から来る波動信号を雑波動信号として抑制したり、除去すべき雑波動信号源の方向から来る波動信号を抑制することが可能となる。
【００２９】
なお、一定フレームにわたって遅延時間検出、波源方向検出、不要信号抑制を行なう場合は、本発明の波動信号処理システムにおいて、前記差分演算部が、前記差分信号を所定フレーム分加算する差分信号加算部、または、前記差分信号を所定フレーム分平均する差分信号平均部を備え、前記微分演算部が、前記微分信号を所定フレーム分加算する微分信号加算部、または、前記微分信号を所定フレーム分平均する微分信号平均部を備える構成とする。
【００３０】
上記構成により、一定期間フレームにわたって得られたデータを用いて演算処理を実行し、特に、除算演算は、フレーム全体でまとめて１回のみ実行するだけで良いので、さらなる演算処理の高速化が可能となる。
【００３１】
次に、本発明の波動信号処理システムにおいて、さらに、前記遅延時間を平均する遅延時間平均部と、前記波源方向を平均する波源方向平均部の両者、または、いずれか一方を備えるものとすれば、さらに、遅延時間の推定精度、波源方向の推定精度を向上することができる。
【００３２】
なお、前記微分演算部より得る前記微分信号が極値近傍である、または、前記第１または第２の受信信号のいずれか一方が、そのレベル値の正負が逆転するゼロクロス近傍である場合においてのみ、前記微分信号演算部ならびに前記差分信号演算部が、前記微分信号ならびに前記差分信号を前記除算演算部に出力する構成としても良い。
【００３３】
遅延時間は、分母の微分信号が極値近傍または入力信号がそのレベル値の正負が反転するゼロクロス近傍である場合において最も近似精度が高いからである。
【００３４】
なお、本発明は、アナログデータ処理の場合も、デジタルデータ処理の場合にも適用することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の波動信号処理システムおよび波動信号処理方法の実施形態を説明する。
【００３６】
（実施形態１）
実施形態１として、遅延時間検出処理を実行する波動信号処理システムの構成例を説明する。
【００３７】
まず、遅延時間検出処理の原理を説明する。ここでは、２つのセンサを用いた場合の例を挙げて説明する。
【００３８】
図１は、２つのセンサにおける受信信号間の遅延時間を説明する図である。
【００３９】
図１（ａ）に示すように、センサ１とセンサ２が、距離ｄ離れて配置されているとする。いま、波源から、波動信号が、センサ１とセンサ２に対して角度θの方向から到来したとする。波動信号をそれぞれＷ１とＷ２とする。センサ１とセンサ２はそれぞれ検知した波動信号を電気信号に変換し、２つの受信信号を得る。ここでは、便宜上、第１の受信信号ｆ１（ｔ）と第２の受信信号ｆ２（ｔ）とする。
【００４０】
センサ１とセンサ２の配置と波源方向の関係から、図１（ａ）に示すように、波動信号Ｗ１がセンサ１に到達するまでの伝搬行路と、波動信号Ｗ２がセンサ２に到達するまでの伝搬行路には行路差Ｌが存在する。この行路差Ｌのために、第１の受信信号ｆ１（ｔ）と第２の受信信号ｆ２（ｔ）の間には遅延時間Δｔが生じる。ここで、両者の波形は同じであるので、第１の受信信号ｆ１（ｔ）と第２の受信信号ｆ２（ｔ）は、時間軸を揃えて表現すると、ｆ（ｔ）とｆ（ｔ＋Δｔ）と表現でき、図１（ｂ）のような関係にある。
【００４１】
ここで、第２の受信信号ｆ（ｔ＋Δｔ）に注目すると、第２の受信信号ｆ（ｔ＋Δｔ）は（数３）のようにテーラー展開することが可能である。
【００４２】
【数３】
0003778865.tif 000004
【００４３】
波動信号の速度が十分速く、センサ１とセンサ２の間が十分小さいものであれば、遅延時間Δｔは極めて小さい値であるので、Δｔの高次項、つまり、（数３）の第３項以降を無視して（数４）のように近似しても、（数３）の値の精度は高く保たれる。
【００４４】
【数４】
0003778865.tif 000005
【００４５】
（数４）を変形すると（数５）が得られる。
【００４６】
【数５】
0003778865.tif 000006
【００４７】
（数５）により、近似遅延時間Δｔは、ｆ（ｔ＋Δｔ）−ｆ（ｔ）をｆ’（ｔ）で除算したもの、つまり、第１の受信信号と第２の受信信号の差分信号を、第１の受信信号の微分信号で除算したものとなる。つまり、書き換えれば（数６）のように表現できる。
【００４８】
【数６】
0003778865.tif 000007
【００４９】
なお、上記演算では、便宜上、遅延受信信号（Δｔの遅延がある受信信号）を第２の受信信号としたが、遅延受信信号（Δｔの遅延がある受信信号）を第１の受信信号としても良い。さらに、微分信号を第１の受信信号の微分演算により求めたが、第２の受信信号の微分演算により求めても良い。
【００５０】
以上、上記（数６）による遅延時間検出演算によれば、演算処理が、第１の受信信号および第２の受信信号間の１回の差分演算と、第１の受信信号の１回の微分演算と、差分演算結果を微分演算結果で除算する１回の除算演算のみとなるので、演算量が少なく高速処理が可能となることが分かる。また、差分演算、微分演算、除算演算は汎用的な演算であるため、通常のＣＰＵを用いても十分に高速に演算でき、もし、差分演算器、微分演算器、除算演算器の専用デバイスを用いても規模の小さい安価なデバイスで良いというメリットも生じる。
【００５１】
図２は、上記の遅延時間検出処理を実行する本発明の実施形態１にかかる波動信号処理システムの基本構成を示す図である。
【００５２】
図２において、１０はセンサ部、２０は遅延時間演算部である。遅延時間演算部２０は、差分演算部２１、微分演算部２２、除算演算部２３を備えている。
【００５３】
センサ部１０は、少なくとも２つのセンサを備えており、各センサにおいて検知した波動信号を電気信号に変換して受信信号を得る部分である。
【００５４】
遅延時間演算部２０は、センサ部１０１により得た受信信号のうちから２つの受信信号を選び、一方を第１の受信信号とし、他方を第２の受信信号とし、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号間の遅延時間を演算する部分である。ここでは、便宜上、受信信号のうちから選んだ２つの受信信号のうち一方を第１の受信信号ｆ１（ｔ）とし、他方を第２の受信信号ｆ２（ｔ）とする。遅延時間の演算は、上記に説明した本発明の遅延時間演算処理の基本原理により行なう。当該遅延時間演算処理実行のため、遅延時間演算部２０は以下の要素を備えている。
【００５５】
差分演算部２１は、センサ部１０により得た受信信号のうちから選ばれた第１の受信信号と第２の受信信号の差分演算を実行する部分である。第１の受信信号ｆ１（ｔ）と第２の受信信号ｆ２（ｔ）の差分演算は、ｆ１（ｔ）−ｆ２（ｔ）となる。差分演算部２１は、例えば、オペアンプの差分回路によって簡単に構成することができる。
【００５６】
微分演算部２２は、第１の受信信号ｆ１（ｔ）または第２の受信信号ｆ２（ｔ）いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を得る部分である。ここでは、便宜上、第１の受信信号ｆ１（ｔ）の微分信号ｆ１’（ｔ）を得るものとする。微分演算部２２は、例えば、オペアンプの微分回路によって簡単に構成することができる。
【００５７】
除算演算部２３は、差分演算部２１より得た差分信号を、微分演算部２２より得た微分信号で除算する除算演算を実行し、除算信号を得る部分である。つまり、（数６）の演算結果を得る。
【００５８】
本実施形態１の波動信号処理システムは、除算演算部２３の除算信号を出力信号とする。当該出力信号は、第１の受信信号と第２の受信信号間の近似遅延時間Δｔとなる。
【００５９】
なお、各センサ部１０の感度差に基づく入力信号間の振幅差がある場合、当該入力信号間の振幅差を調整するために、遅延時間演算部２０の前段にオプションとして、振幅補正部（図示せず）を持つ構成としても良い。各センサから入力された入力信号間に振幅差がある場合、遅延時間検出精度が低下することがあるので、当該振幅補正部を遅延時間演算部の前段として備えておけば、遅延時間検出精度を向上させることができる。
【００６０】
以上、実施形態１にかかる本発明の波動信号処理システムによれば、従来の相互相関方式に比して低演算量で近似的に２つの受信信号間の遅延時間を計算でき、高速処理とリアルタイム処理を実現できる。更に、ハードウェア構成も簡略なものとすることができ、コストパフォーマンス向上にも寄与することができる。
【００６１】
（実施形態２）
実施形態２として、近似波源方向検出処理を実行する波動信号処理システムの構成例を説明する。本実施形態２の波動信号処理システムは、実施形態１で求めた近似遅延時間と、波動信号の伝搬速度と、センサの配置情報とを基に、波動信号の近似波源方向を演算するものである。
【００６２】
まず、波源方向検出処理の原理を説明する。ここでは、２つのセンサを用いた場合の例を挙げて説明する。
【００６３】
実施形態１で用いた図１（ａ）より、波源方向θは、波動信号Ｗ１とＷ２の伝搬行路差Lと、センサ１とセンサ２の距離ｄを用いて（数７）で示される。
【００６４】
【数７】
0003778865.tif 000008
【００６５】
ここで、波動信号の伝搬速度ｖとセンサ距離ｄは固定値なので、遅延時間Δｔが与えられれば波源方向θも検出できることが分かる。
【００６６】
実施形態１で説明した近似遅延時間Δｔを用いれば、（数７）に代え、（数８）により近似波源方向θ（ｔ）を求めることが可能となる。
【００６７】
【数８】
0003778865.tif 000009
【００６８】
以上、上記（数８）による波源方向検出演算によれば、近似遅延時間Δｔを用いて演算するので、実施形態１と同様、遅延時間検出演算の演算量が少なく、高速処理が可能となることが分かる。
【００６９】
図３は、上記の波源方向検出処理を実行する本発明の実施形態２にかかる波動信号処理システムの基本構成を示す図である。
【００７０】
図３において、センサ部１０、遅延時間演算部２０、差分演算部２１、微分演算部２２、除算演算部２３は実施形態１で説明した図２と同様であり、ここでの説明は省略する。
【００７１】
３０は、波源方向演算部である。波源方向演算部３０には、波動信号の伝搬速度ｖとセンサ距離ｄが既知の値として与えられており、（数８）の演算を実行するアルゴリズムが内蔵されている。除算演算部２３からの出力信号を受け、（数８）に従って近似波源方向θ（ｔ）を演算する。
【００７２】
本実施形態２の波動信号処理システムは、波源方向演算部３０の演算結果を出力信号とする。当該出力信号は、近似波源方向θ（ｔ）となる。
【００７３】
以上、実施形態２の波動信号処理システムによれば、近似遅延時間Δｔを用いて近似波源方向を演算するので演算量が少なくなり、高速に近似波源方向を検出することができる。
【００７４】
（実施形態３）
実施形態３として、検出した遅延時間または波源方向に応じた重み付けを行ない、不要な信号部分を抑制する波動信号処理システムを説明する。本実施形態３の波動信号処理システムは、それら不要な信号部分を雑波動信号とみなし、抑制するものである。ここでは、２つのセンサを用いた場合の例を挙げて説明する。
【００７５】
まず、不要な信号部分を抑制する原理を説明する。
【００７６】
不要な信号部分とは、大別して以下の２つがある。
【００７７】
第１の不要な信号部分とは、センサにより受信信号を得たいターゲットとなる波源が存在する場合における当該波源方向以外から伝搬する波動信号部分である。例えば、音声認識システムなどで、音声を認識するターゲットとなる人物を波源として想定した場合、当該人物の存在する方向以外からの音信号は、他人の音声信号や他の機械音信号など不要な音信号と言える。これら、当該人物の方向以外から伝搬する波動信号部分が第１の不要な信号部分である。
【００７８】
第２の不要な信号部分とは、センサの周囲に雑波動信号源が存在する場合における、当該雑波動信号源の方向から伝搬する波動信号部分である。例えば、音声認識システムなどで、センサ（マイクロフォン）の周囲に雑音源が存在する場合、当該雑音源の音信号は不要な音信号と言える。この当該雑音源の方向から伝搬する波動信号部分が第２の不要な信号部分である。
【００７９】
本実施形態３は、受信信号に対して重み付け処理を行なうことにより、不要な信号部分の抑制処理を実行する。つまり、受信信号のうち、必要な信号部分には大きな重み付け処理を施し、不要な信号部分に対して小さな重み付け処理を施し、受信信号中の不要な信号部分の大きさを相対的に小さくする処理を行なう。
【００８０】
図４は、実施形態３にかかる、近似遅延時間Δｔを利用して不要な信号部分を抑制する処理の原理を説明する図である。ここで、近似遅延時間Δｔは、実施形態１に示した演算処理により求められるものである。
【００８１】
いま、センサの周囲に、受信のターゲットとなる波動信号を発生している１つの波源と、不要な波動信号を発生している１つの雑信号源がある場合を例に説明する。また、センサが２つある場合を想定する。
【００８２】
上記雑信号源から各センサにおいて得た不要な受信信号間の近似遅延時間Δｔ１は、実施形態１に説明した演算処理により求めることができる。また、同様に、上記波源から各センサにおいて得た受信信号間の近似遅延時間Δｔ２も、実施形態１に説明した演算処理により求めることができる。
【００８３】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、２つの受信信号のうち遅延している受信信号には、近似遅延時間Δｔ１を持つ信号部分と、近似遅延時間Δｔ２を持つ信号部分がある。
【００８４】
ここで、図４（ａ）に示すように、近似遅延時間Δｔ１を持つ信号部分には小さな重み付け（例えばＷｇ１＝０．２）を施し、近似遅延時間Δｔ２を持つ信号部分には大きな重み付け（例えばＷｇ＝１．０）を施す重み付け処理を実行すると、不要な信号部分のみが抑制された信号が得られることが分かる。
【００８５】
また、図４（ｂ）に示すように、重み付けを１か０の２値とすれば、必要な信号部分のみが残り、不要な信号部分は除去された信号が得られることが分かる。
【００８６】
なお、上記例では、波源および雑信号源が１つずつである場合を説明したが、複数ある場合、それぞれに対して異なる重み係数を与えても良い。
【００８７】
上記のように、近似遅延時間Δｔを利用して受信信号のいずれかに対して重み付け処理を行なうことにより、不要な信号部分の抑制処理を実行することができる。なお、実施形態１で説明したように近似遅延時間Δｔは、少ない演算量で高速に求めることができるので、リアルタイム処理により不要な波動信号の抑制処理を実行できる。
【００８８】
次に、図５は、近似波源方向θ（ｔ）を利用して不要な信号部分を抑制する処理の原理を説明する図である。ここで、近似波源方向θ（ｔ）は、実施形態２に示した演算処理により求められるものである。
【００８９】
ここでも、センサの周囲に、受信のターゲットとなる波動信号を発生している１つの波源と、不要な波動信号を発生している１つの雑信号源がある場合を例に説明する。また、センサが２つある場合を想定する。
【００９０】
上記雑信号源の近似波源方向θ１（ｔ）は、実施形態２に説明した演算処理により求めることができる。また、同様に、上記近似波源方向θ２（ｔ）も、実施形態２に説明した演算処理により求めることができる。
【００９１】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、受信信号には、近似波源方向θ１（ｔ）から得られた信号部分と、近似波源方向θ２（ｔ）から得られた信号部分がある。この近似波源方向θ１（ｔ）から得られた信号部分と、近似波源方向θ２（ｔ）から得られた信号部分は、波源方向とセンサの配置情報に依存して決まる信号部分の遅延量から特定することができる。
【００９２】
ここで、図５（ａ）に示すように、近似波源方向θ１（ｔ）を持つ信号部分には小さな重み付け（例えばＷｇ１＝０．２）を施し、近似波源方向θ２（ｔ）を持つ信号部分には大きな重み付け（例えばＷｇ＝１．０）を施す重み付け処理を実行すると、不要な信号部分のみが抑制された信号が得られることが分かる。
【００９３】
また、図５（ｂ）に示すように、重み付けを“１”か“０”の２値とすれば、必要な信号部分のみが残り、不要な信号部分は除去された信号が得られることが分かる。
【００９４】
なお、上記例では、波源および雑信号源が１つずつである場合を説明したが、複数ある場合、それぞれに対して異なる重み係数を与えても良く、複数の受信信号のうち選択したいずれかの受信信号に対してのみ重み付けを行なっても良い。
【００９５】
図６は、上記の不要信号部分の抑制処理を実行する波動信号処理システムの基本構成を示す図である。
【００９６】
図６において、センサ部１０、遅延時間演算部２０、差分演算部２１、微分演算部２２、除算演算部２３は実施形態１で説明した図２と同様であり、ここでの説明は省略する。
【００９７】
４０は、重み付け処理部であり、必要な信号部分に対する重み付け処理や、不要な信号部分に対する重み付け処理を実行する部分である。センサ部１０から第１または第２の受信信号のいずれか一方と、遅延時間演算部２０の出力である近似遅延時間Δｔとを入力とし、受信信号の必要な信号部分に対する重み付け処理および受信信号の不要な信号部分に対する重み付け処理を、図４に示した原理で実行する。
【００９８】
なお、重み付け処理部４０が、必要な信号部分に対する重み係数、不要な信号部分に対する重み係数を設定する重み係数決定部４１を持つ構成でも良い。重み係数決定部４１に対してあらかじめ必要な信号部分に対する重み係数の値、不要な信号部分に対する重み係数の値を与えても良く、また、波動信号の大きさにより動的に重み係数を変えても良い。例えば、雑波動信号の大きさに反比例して重み係数を小さくしたり、雑波動信号の大きさが一定以上であれば重み係数を０に調整したりする。逆に、波源の波動信号の大きさが一定以下であれば重み係数を１より大きくして、信号強調処理を行なっても良い。
【００９９】
重み付け処理部４０の出力が、不要な信号成分が抑制された信号出力となる。
【０１００】
次に、図７は、上記の不要信号部分の抑制処理を実行する波動信号処理システムの他の基本構成を示す図である。
【０１０１】
図７において、センサ部１０、遅延時間演算部２０、差分演算部２１、微分演算部２２、除算演算部２３、波源方向演算部３０は実施形態２で説明した図３と同様であり、ここでの説明は省略する。
【０１０２】
重み付け処理部４０は図６の重み付け処理部４０と同様、必要な信号部分に対する重み付け処理、不要な信号部分に対する重み付け処理を実行する部分であるが、図７の構成では、センサ部１０から第１または第２の受信信号のいずれか一方と、波源方向演算部３０の出力である近似波源方向θ（ｔ）とを入力とし、受信信号の必要な信号部分に対する重み付け処理および受信信号の不要な信号部分に対する重み付け処理を、図５に示した原理で実行する。
【０１０３】
なお、図６の構成と同様、重み付け処理部４０が、必要な信号部分に対する重み係数、不要な信号部分に対する重み係数を設定する重み係数決定部４１を持つ構成でも良い。
【０１０４】
重み付け処理部４０の出力が、不要な信号成分が抑制された信号出力となる。
【０１０５】
上記のように、本実施形態３の波動信号処理システムは、近似波源方向θ（ｔ）を利用して受信信号に対して重み付け処理を行なうことにより、不要な信号部分の抑制処理を実行することができる。なお、実施形態１および実施形態２で説明したように、近似遅延時間Δｔを利用して計算する近似波源方向θ（ｔ）は、少ない演算量で高速に求めることができるので、リアルタイム処理により不要な波動信号の抑制処理を実行できる。
【０１０６】
（実施形態４）
実施形態４として、受信信号中に含まれるノイズによる影響を除去する工夫を施した波動信号処理システムを説明する。
【０１０７】
通常、受信信号中には、不規則、不定期なノイズ成分が含まれることがある。もし、受信信号にノイズが重畳している場合、当該受信信号から得られる差分信号や微分信号にもノイズによる誤差を含まれることとなる。このようなノイズが含まれる信号部分を用いて遅延時間検出や波源方向検出を行なった場合、ノイズによる誤差の影響が大きく現れてしまう場合がある。そこで、ノイズの影響を除去することにより、遅延時間検出精度や波源方向検出精度を高く維持する。
【０１０８】
第１のノイズによる影響の除去方法は、ノイズが混入しているおそれのある信号の平均化を行ない、ノイズによる影響を低減する方法である。所定フレーム、または所定サンプル数にわたって信号の平均をとることにより相対的にノイズによる影響が小さくする。なお、ノイズが背景雑音のように常時存在するものであれば、平均化処理のみでは、信号に対するバイアスとしてノイズ成分が残存するので、実施形態３で説明した不要信号成分抑制処理が有効である。
【０１０９】
図８は、実施形態４にかかる波動信号処理システムの基本構成図である。
【０１１０】
図８の構成は、遅延時間演算部２０が、差分演算部２１、微分演算部２２に加え、差分信号平均部２４、微分信号平均部２５を備えている。
【０１１１】
差分信号平均部２４は、差分演算部２１の出力Ｓｂ（ｔ）を平均化し、平均差分信号＜Ｓｂ（ｔ）＞を演算する部分である。
【０１１２】
微分信号平均部２５は、微分演算部２２の出力Ｄｆ（ｔ）を平均化し、平均微分信号＜Ｄｆ（ｔ）＞を演算する部分である。
【０１１３】
また、除算演算部２３は、差分信号平均部２４から得た平均差分信号、微分信号平均部２５から得た平均微分信号を用いて除算演算を行い、（数６）に従って近似遅延時間Δｔを求める。
【０１１４】
第２のノイズによる影響の除去方法は、ノイズが混入しているおそれのある信号の加算を行なうことによりノイズによる影響を低減する方法である。つまり、所定フレーム、または所定サンプル数にわたって信号の加算を行なって、相対的にノイズによる影響を小さくする。しかし、ノイズが背景雑音のように常時存在するものであれば、加算処理のみでは、信号に対するバイアスとしてノイズ成分が残存するので、実施形態３で説明した不要信号成分抑制処理が有効である。
【０１１５】
図９は、実施形態４にかかる波動信号処理システムの他の基本構成図である。
【０１１６】
図９の構成は、遅延時間演算部２０が、差分演算部２１、微分演算部２２に加え、差分信号加算部２６、微分信号加算部２７を備えている。
【０１１７】
差分信号加算部２６は、差分演算部２１の出力Ｓｂ（ｔ）を加算し、加算差分信号ΣＳｂ（ｔ）を演算する部分である。
【０１１８】
微分信号加算部２７は、微分演算部２２の出力Ｄｆ（ｔ）を加算し、加算微分信号ΣＳｂ（ｔ）を演算する部分である。
【０１１９】
また、除算演算部２３は、差分信号加算部２６から得た加算差分信号ΣＳｂ（ｔ）、微分信号加算部２７から得た加算微分信号ΣＤｆ（ｔ）を用いて除算演算を行い、ΣＳｂ（ｔ）／ΣＤｆ（ｔ）を近似遅延時間とする。これは、結果的に、差分信号平均部２４および微分信号平均部２５を用いた図８の構成の場合と同じ演算となる。つまり、加算差分信号と加算微分信号の除算演算により正しく遅延時間が得られることがわかる。
【０１２０】
なお、平均処理を用いた第１のノイズによる影響の除去方法によれば、差分信号平均部２４、微分信号平均部２５においても除算が行われ、さらに、除算演算部２３でも除算が行われるが、加算処理を用いた第２のノイズによる影響の除去方法によれば、遅延時間演算部２０全体でも除算は除算演算部２３における１回のみであり、加算処理を用いた第２のノイズによる影響の除去方法の方が全体として除算の演算回数が少なくて済むというメリットがある。
【０１２１】
なお、上記は、遅延時間検出処理におけるノイズの影響を除去する方法を中心に説明したが、図８または図９の構成に対して、実施形態２の図３で説明した波源方向演算部３０、実施形態３の図６、図７で説明した重み付け処理部４０を備える構成とすることができる。ノイズの影響が除去された波源方向検出処理または不要信号成分抑制処理を行なうことができる。
【０１２２】
（実施形態５）
実施形態５として、センサ部から得た受信信号に対してＡＤ変換を行ない、デジタルデータ処理により、遅延時間検出、波源方向検出、不要信号抑制処理を行なう波動信号処理システムを説明する。ここでは、２つのセンサを用いた場合の例を挙げて説明する。
【０１２３】
図１０は、実施形態５にかかる、デジタルデータ処理により遅延時間検出を行なう波動信号処理システムの基本構成図である。
【０１２４】
センサ部１０は、実施形態１で説明したものと同様であり、少なくとも２つのセンサを備え、各センサにおいて検知した波動信号を電気信号（アナログ信号）に変換して受信信号ｆ（ｔ）を得る部分である。この例では簡単にセンサを２つとしているが、３つ以上にしても良い。
【０１２５】
実施形態５の波動信号処理システムは、センサ部１０の後段にＡＤ変換器１１を備えている。ＡＤ変換器１１は、センサ部１０から得たアナログ信号である受信信号ｆ（ｔ）をデジタル信号ｆ[ｉ]に変換する。ＡＤ変換器１１のサンプリング周波数は高周波であることが好ましいが、波動信号の帯域に対してナイキスト定理を満たすサンプリング周波数以上であれば良い。
【０１２６】
遅延時間演算部２０ａは、ＡＤ変換器１１により得たデジタル信号である受信信号のうちから２つの受信信号を選び、一方を第１の受信信号とし、他方を第２の受信信号とし、第１の受信信号と第２の受信信号間の遅延時間を演算する部分である。ここでは、便宜上、受信信号のうちから選んだ２つの受信信号のうち一方を第１の受信信号ｆ１［ｉ］とし、他方を第２の受信信号ｆ２［ｉ］とする。
【０１２７】
差分演算部２１ａは、デジタル化された受信信号ｆ１［ｉ］、ｆ２［ｉ］の差分演算を実行する部分である。差分信号Ｓｂ［ｉ］は（数９）のようになる。
【０１２８】
【数９】
0003778865.tif 000010
【０１２９】
微分演算部２２ａは、デジタル化された第１の受信信号ｆ１［ｉ］または第２の受信信号ｆ２［ｉ］いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を得る部分である。ここでは、便宜上、第１の受信信号ｆ１［ｉ］の微分信号Ｄｆ［ｉ］を以下の（数１０）に従って計算する。
【０１３０】
【数１０】
0003778865.tif 000011
【０１３１】
（数１０）において、Ｔはサンプリング周期を表す。また、ｆ１［ｉ＋１］は現サンプルｉの１サンプル後の受信信号、ｆ１［ｉ−１］は現サンプルｉの１サンプル前の受信信号を意味する。
【０１３２】
除算演算部２３ａは、差分演算部２１ａより得た差分信号Ｓｂ［ｉ］を、微分演算部２２ａより得た微分信号Ｄｆ［ｉ］で除算する除算演算を実行し、除算信号Ｔｍ［ｉ］を得る部分である。つまり、（数１１）により除算信号Ｔｍ［ｉ］を得る。
【０１３３】
【数１１】
0003778865.tif 000012
【０１３４】
本実施形態５の波動信号処理システムは、除算演算部２３ａの除算信号を出力信号とする。当該除算信号Ｔｍ［ｉ］が、時刻ｔにおける受信信号ｆ１［ｉ］、ｆ２［ｉ］間の近似遅延時間Δｔ［ｉ］となる。
【０１３５】
以上の構成によれば、デジタル演算処理によって、デジタル化された２つの受信信号ｆ１［ｉ］、ｆ２［ｉ］間に生じるサンプルｉの遅延時間Δｔ［ｉ］を得ることができる。従来の相互相関法に比して演算量が少ないので、演算処理時間が短縮され、リアルタイム処理が実現できる。
【０１３６】
なお、ＡＤ変換器１１のサンプリング周波数は波動信号の帯域に対してナイキスト定理を満たすサンプリング周波数以上であれば良く、低サンプリング時においても補間回路などが不要となるので、補間回路を必要とする従来の低周波サンプリングの相互相関法に比してコストパフォーマンスに優れる。
【０１３７】
次に、図１１は、デジタルデータ処理により波源方向検出を行なう波動信号処理システムの基本構成図である。図１１の構成は、図１０の構成に対して、さらに、波源方向演算部３０ａを追加した構成となっている。
【０１３８】
波源方向演算部３０ａには、波動信号の伝搬速度ｖとセンサ距離ｄが既知の値として与えられており、（数１２）の演算を実行するアルゴリズムが内蔵されている。遅延時間演算部２０ａからの出力信号である近似遅延時間Δｔ［ｉ］を受け、（数１２）に従って近似波源方向θ［ｉ］を演算する。
【０１３９】
【数１２】
0003778865.tif 000013
【０１４０】
図１１の構成の波動信号処理システムは、波源方向演算部３０ａの演算結果を出力信号とする。当該出力信号は、近似波源方向θ［ｉ］となる。
【０１４１】
以上、実施形態５の波動信号処理システムによれば、近似遅延時間Δｔ［ｉ］を用いて近似波源方向θ［ｉ］を演算するので演算量が少なくなり、高速に近似波源方向を検出することができる。
【０１４２】
次に、図１２および図１３は、デジタル化された受信信号における不要信号抑制処理を実行する波動信号処理システムの基本構成図である。
【０１４３】
図１２は、実施形態３の図６に相当する構成であり、図１３は実施形態３の図７に相当する構成である。
【０１４４】
図１２における重み付け処理部４０ａは、必要な信号部分に対する重み付け処理や、不要な信号部分に対する重み付け処理を実行する部分である。ＡＤ変換器１１から第１の受信信号ｆ１［ｉ］または第２の受信信号ｆ２［ｉ］のいずれか一方と、遅延時間演算部２０ａの出力である近似遅延時間Δｔ［ｉ］とを入力とし、近似遅延時間Δｔ［ｉ］に応じて、例えば、第１の受信信号ｆ１［ｉ］のサンプルｉにおけるデータに対して重み係数Ｗｇ[ｉ]を乗算する。
【０１４５】
実施形態３で説明した図５と同様に、受信信号の必要な信号部分に対する重み係数Ｗｇ[ｉ]を大きくし、受信信号の不要な信号部分に対する重み係数Ｗｇ[ｉ]を小さくする。
【０１４６】
なお、上記では第１の受信信号ｆ１［ｉ］に対して重み付け処理を実行する例であるが、第２の受信信号ｆ２［ｉ］に対して重み付け処理を実行するものでも良く、第１の受信信号ｆ１［ｉ］と第２の受信信号ｆ２［ｉ］の両者に対して重み付け処理を実行するものでも良い。
【０１４７】
また、実施形態３と同様、重み付け処理部４０ａが、必要な信号部分に対する重み係数Ｗｇ[ｉ]、不要な信号部分に対する重み係数Ｗｇ[ｉ]を設定する重み係数決定部４１ａを持つ構成でも良い。
【０１４８】
さらに、実施形態３と同様、重み係数Ｗｇ[ｉ]を０と１の２値としても良い。
【０１４９】
次に、図１３における重み付け処理部４０ａは、ＡＤ変換器１１から第１の受信信号ｆ１［ｉ］または第２の受信信号ｆ２［ｉ］のいずれか一方と、波源方向演算部３０ａの出力である近似波源方向θ［ｉ］とを入力とし、近似波源方向θ［ｉ］に応じて、例えば、第１の受信信号ｆ１［ｉ］のサンプルｉにおけるデータに対して重み係数Ｗｇ[ｉ]を乗算する。
【０１５０】
なお、図１３の構成においても、重み付け処理部４０ａが重み係数決定部４１ａを含む構成も可能である。
【０１５１】
次に、図１４および図１５は、デジタル化された受信信号に含まれるノイズによる影響を除去する工夫を施した波動信号処理システムの基本構成図である。
【０１５２】
図１４は、実施形態４の図８に相当する構成であり、図１５は実施形態４の図９に相当する構成である。
【０１５３】
図１４の構成は、遅延時間演算部２０ａが、差分演算部２１ａ、微分演算部２２ａに加え、差分信号平均部２４ａ、微分信号平均部２５ａを備えている。
【０１５４】
差分信号平均部２４ａは、差分演算部２１ａの出力Ｓｂ［ｉ］を平均化し、平均差分信号＜Ｓｂ［ｉ］＞を演算する部分である。サンプル数をＮとすると平均差分信号＜Ｓｂ［ｉ］＞は（ΣＳｂ［ｉ］）／Ｎとなる。
【０１５５】
微分信号平均部２５ａは、微分演算部２２ａの出力Ｄｆ［ｉ］を平均化し、平均微分信号＜Ｄｆ［ｉ］＞を演算する部分である。サンプル数をＮとすると平均微分信号＜Ｄｆ［ｉ］＞は（ΣＤｆ［ｉ］）／Ｎとなる。
【０１５６】
また、除算演算部２３ａは、差分信号平均部２４ａから得た平均差分信号、微分信号平均部２５ａから得た平均微分信号を用いて除算演算を行い、（数１１）に従って近似遅延時間を求める。
【０１５７】
第２のノイズによる影響の除去方法は、ノイズが混入しているおそれのある信号の加算を行なうことによりノイズによる影響を低減する方法である。つまり、所定サンプル数にわたって信号の加算を行なって、相対的にノイズによる影響を小さくする。しかし、ノイズが背景雑音のように常時存在するものであれば、加算処理のみでは、信号に対するバイアスとしてノイズ成分が残存するので、上記に説明した不要信号成分抑制処理が有効である。
【０１５８】
図１５は、実施形態５にかかる波動信号処理システムの他の基本構成図である。
【０１５９】
図１５の構成は、遅延時間演算部２０ａが、差分演算部２１ａ、微分演算部２２ａに加え、差分信号加算部２６ａ、微分信号加算部２７ａを備えている。
【０１６０】
差分信号加算部２６ａは、差分演算部２１ａの出力Ｓｂ［ｉ］を加算し、加算差分信号ΣＳｂ［ｉ］を演算する部分である。
【０１６１】
微分信号加算部２７ａは、微分演算部２２ａの出力Ｄｆ［ｉ］を加算し、加算微分信号ΣＳｂ［ｉ］を演算する部分である。
【０１６２】
また、除算演算部２３ａは、差分信号加算部２６ａから得た加算差分信号ΣＳｂ［ｉ］、微分信号加算部２７ａから得た加算微分信号ΣＤｆ［ｉ］を用いて除算演算を行い、ΣＳｂ［ｉ］／ΣＤｆ［ｉ］を近似遅延時間とする。これは、結果的に、差分信号平均部２４ａおよび微分信号平均部２５ａを用いた図１４の構成の場合と同じ演算となる。つまり、加算差分信号と加算微分信号の除算演算により正しく遅延時間が得られることがわかる。
【０１６３】
なお、平均処理を用いた第１のノイズによる影響の除去方法によれば、差分信号平均部２４ａ、微分信号平均部２５ａにおいても除算が行われ、さらに、除算演算部２３ａでも除算が行われるが、加算処理を用いた第２のノイズによる影響の除去方法によれば、遅延時間演算部２０ａ全体でも除算は除算演算部２３ａにおける１回のみであり、加算処理を用いた第２のノイズによる影響の除去方法の方が全体として除算の演算回数が少なくて済むというメリットがある。
【０１６４】
なお、上記は、遅延時間検出処理におけるノイズの影響を除去する方法を中心に説明したが、図１４または図１５の構成に対して、本実施形態５の図１１で説明した波源方向演算部３０ａ、図１２、図１３で説明した重み付け処理部４０ａを備える構成とすることができる。ノイズの影響が除去された波源方向検出処理または不要信号成分抑制処理を行なうことができる。
【０１６５】
以上、本実施形態５の波動信号処理システムによれば、受信信号をＡＤ変換し、上記アルゴリズムにより、少ない演算量で高速にデジタル処理を行ない、近似遅延時間Δｔ［ｉ］、近似波源方向θ［ｉ］の検出、受信信号に対する重み付け処理、受信信号に含まれるノイズによる影響の除去処理を行なうことができる。
【０１６６】
（実施形態６）
実施形態６として、遅延時間検出処理において、近似精度を高く保つため、遅延時間検出処理区間を制限する工夫を施した波動信号処理システムを説明する。
【０１６７】
図１６は、遅延時間検出処理において、近似精度を高く保つために、遅延時間検出処理を制限する区間を説明する図である。
【０１６８】
図１６の上段は、２つの受信信号ｆ１（ｔ）、ｆ２（ｔ）をプロットしたものである。図１６の中段は、差分信号Ｓｂ（ｔ）、微分信号Ｄｆ（ｔ）をプロットしたものである。図１６の下段は、近似遅延時間Δｔ（ｔ）をプロットしたものである。
【０１６９】
図１６の波形、また、実施形態１で述べた（数６）からも明らかなように、近似遅延時間Δｔ（ｔ）は、分母である微分信号Ｄｆ（ｔ）が０付近の値になる時に急激に増加または減少し、０になる時に正または負の無限大に発散してしまう。つまり、実施形態１で述べた（数６）による近似遅延時間Δｔ（ｔ）を用いる場合、分母である微分信号Ｄｆ（ｔ）が０付近の範囲で算出した遅延時間には他の範囲に比べて誤差が大きいことが分かる。そこで、本実施形態６の波動信号処理システムでは、近似精度を高く保つために、遅延時間検出処理区間を制限する工夫を施し、微分信号Ｄｆ（ｔ）が０付近の範囲では遅延時間演算を停止し、微分信号Ｄｆ（ｔ）が０付近の範囲以外の範囲にあるときに遅延時間演算を実行することとしている。
【０１７０】
本実施形態６では、具体例として、以下の２つの遅延時間検出処理区間の制限方法を説明する。
【０１７１】
第１の遅延時間検出処理区間の制限方法は、微分演算部の出力Ｄｆ（ｔ）の値が所定の範囲にある場合に遅延時間検出処理を停止するものである。
【０１７２】
図１７（ａ）は、図１６と同様、２つの受信信号ｆ１（ｔ）とｆ２（ｔ）を上段に、差分信号Ｓｂ（ｔ）と微分信号Ｄｆ（ｔ）を中段に、近似遅延時間Δｔ（ｔ）を下段にプロットしたものである。図１７（ａ）中段の微分信号Ｄｆ（ｔ）に重ねて表示したように、一定の閾値±Ｄｔｈを設け、微分信号Ｄｆ（ｔ）の値と閾値±Ｄｔｈを比較し、−Ｄｔｈ≦Ｄｆ（ｔ）≦Ｄｔｈの関係を満たす場合、除算演算部による除算を停止するように制御する。
【０１７３】
図１７（ｂ）は、第１の遅延時間検出処理区間の制限方法を用いた波動信号処理システムの基本構成を示す図である。
【０１７４】
図１７（ｂ）の構成は、実施形態図２の構成に加え、比較部２８を備えている。比較部２８にはあらかじめ閾値±Ｄｔｈが与えられており、微分演算部２２から入力される微分信号Ｄｆ（ｔ）の値と閾値±Ｄｔｈを比較し、−Ｄｔｈ≦Ｄｆ（ｔ）≦Ｄｔｈの関係を満たす場合、除算演算部２３に対して除算処理を停止するように制御信号を送る。
【０１７５】
上記構成によれば、微分信号Ｄｆ（ｔ）が０付近の値になる範囲で遅延時間検出処理を停止し、大きな近似誤差を除去することで近似精度の良い遅延時間検出を実行できる。また、近似誤差が大きい範囲の演算を省略できるので演算量も低減することが可能となる。
【０１７６】
次に、第２の遅延時間検出処理区間の制限方法は、微分演算部の出力Ｄｆ（ｔ）が極値近傍にある場合、または、第１または第２の受信信号のいずれか一方（例えばｆ１（ｔ））が、レベル値の正負が逆転するゼロクロス点の近傍にある場合においてのみ、除算演算部による除算演算を実行し、遅延時間検出処理を実行するものである。
【０１７７】
図１８（ａ）は、図１６と同様、２つの受信信号ｆ１（ｔ）とｆ２（ｔ）を上段に、差分信号Ｓｂ（ｔ）と微分信号Ｄｆ（ｔ）を中段に、近似遅延時間Δｔ（ｔ）を下段にプロットしたものである。図１８（ａ）に示したように、微分信号Ｄｆ（ｔ）が極値である場合、近似遅延時間Δｔ（ｔ）は、波形のなだらか変曲点にあり、近似精度がもっとも良くなる。そこで、微分演算部の出力Ｄｆ（ｔ）が極値にある場合にのみ遅延時間検出処理を実行する。
【０１７８】
微分信号Ｄｆ（ｔ）が極値である場合に近似遅延時間Δｔ（ｔ）の近似精度がもっとも良くなることは、近似遅延時間Δｔ（ｔ）を示した（数６）をさらに以下のように変形すると明らかである。
【０１７９】
まず、（数６）は（数１３）のように変形できる。
【０１８０】
【数１３】
0003778865.tif 000014
【０１８１】
（数１３）の（Ｂ）項が時間（ｔ）に依存して変化する成分であり、（Ａ）項が（Ｂ）項の傾きを決める係数である。（Ｃ）項は近似遅延時間曲線のオフセット、つまり本アルゴリズムによって得られる遅延時間である。なぜならば（Ｃ）項は、（数１４）に示すように変形でき、テーラー展開近似条件として、Δｔは非常に小さいとしているので、Ｘも非常に小さいと考えれば、（数１５）の関係が成立するので、（Ｃ）項は、近似遅延時間Δｔを表わしている。
【０１８２】
【数１４】
0003778865.tif 000015
【０１８３】
【数１５】
0003778865.tif 000016
【０１８４】
つまり、（Ｃ）項のみが遅延時間を表すものであり、（Ａ）項と（Ｂ）項は遅延時間からの誤差を表していると言える。つまり、近似遅延時間Δｔ（ｔ）の誤差成分は、ｔａｎ関数の波形で変化することが分かり、近似遅延時間Δｔ（ｔ）の誤差成分が０になる点は、（Ｂ）項が０、つまり、Ｓｉｎ（ωｔ）＝０の場合であり、これは受信信号が０の点、つまり、受信信号の微分信号Ｄｆ（ｔ）の極大または極小の点である。
【０１８５】
なお、上記の微分演算部の出力Ｄｆ（ｔ）が極値にある場合とは、第１または第２の受信信号のいずれか一方（例えばｆ１（ｔ））が、レベル値の正負が逆転するゼロクロス点の近傍である場合である。
【０１８６】
以上から、微分演算部の出力Ｄｆ（ｔ）が極値にある場合、または、第１または第２の受信信号のいずれか一方（例えばｆ１（ｔ））が、レベル値の正負が逆転するゼロクロス点の近傍である場合においてのみ、除算演算部２３による除算演算を実行し、遅延時間検出処理を実行すれば、（数６）により求めた近似遅延時間Δｔ（ｔ）の近似精度がもっとも良くなる。
【０１８７】
図１８（ｂ）は、第２の遅延時間検出処理区間の制限方法を用いた波動信号処理システムの基本構成を示す図である。特に、微分演算部の出力Ｄｆ（ｔ）が極値にある場合を検出する仕組みを備えている。
【０１８８】
図１８（ｂ）の構成は、実施形態１の図２の構成に加え、極値検出部２９を備えている。極値検出部２９は、微分演算部２２の出力Ｄｆ（ｔ）をモニタし、Ｄｆ（ｔ）が極値、つまり、増減の反転を検知すれば、除算演算部２３に対して除算処理を実行するように制御信号を送る。
【０１８９】
図１９（ｂ）は、第１または第２の受信信号のいずれか一方（例えばｆ１（ｔ））が、レベル値の正負が逆転するゼロクロス点の近傍である場合を検出する仕組みを備えている。
【０１９０】
図１９（ｂ）の構成は、実施形態１の図２の構成に加え、ゼロクロス検出部２９−１を備えている。ゼロクロス検出部２９−１は、第１または第２の受信信号のいずれか一方、例えばｆ１（ｔ）をモニタし、ｆ１（ｔ）がゼロ、つまり、正負の逆転を検知すれば、除算演算部２３に対して除算処理を実行するように制御信号を送る。
【０１９１】
上記構成によれば、微分信号Ｄｆ（ｔ）が極値である場合、または第１または第２の受信信号のいずれか一方が、そのレベル値の正負が逆転するゼロクロス点の近傍である場合のみ、遅延時間検出処理を実行し、最も高い近似精度を持つ遅延時間検出処理が実行できる。また、微分信号または受信信号が上記条件を満たす場合のみ除算演算部２３による除算演算を実行するので演算量も低減することが可能となる。なお、除算演算部２３により得られる除算信号結果である遅延時間をフレーム内で平均すれば、フレーム内で平均的な１つの遅延時間Δｔを求めることができる。
【０１９２】
なお、上記の図１８（ｂ）や図１９（ｂ）の構成例では、極値検出部２９、ゼロクロス検出部２９−１による所定条件の検出により、除算演算部２３の実行を制御する構成としたが、実施形態４において図８を用いて説明した、差分信号平均部２４、微分信号平均部２５を設ける構成では、極値検出部２９、ゼロクロス検出部２９−１による所定条件の検出により、差分信号平均部２４、微分信号平均部２５の実行を制御する構成とすることができる。つまり、極値検出部２９、ゼロクロス検出部２９−１により、微分信号が極値近傍である、または、前記第１または第２の受信信号のいずれか一方が、そのレベル値の正負が逆転するゼロクロス近傍であることが検知された場合においてのみ、差分信号平均部２４ならびに微分信号平均部２５に対して演算の実行を指示し、差分信号を所定フレーム分平均した差分信号＜Ｓｂ（ｔ）＞ならびに微分信号信号を所定フレーム分平均した微分信号＜Ｄｆ（ｔ）＞を得て、除算演算部２３に出力する構成とすることができる。この場合、フレーム内で平均的な１つの遅延時間Δｔを求めることができ、上記図１８（ｂ）や図１９（ｂ）のように除算演算部２３による除算演算を制御する場合に比べ、除算演算部２３による除算演算回数が１回で良いので演算量の低減、演算処理の高速化を図ることができる。
【０１９３】
また、同じく実施形態４において図９を用いて説明した、差分信号加算部２６、微分信号加算部２７を設ける構成においても、極値検出部２９、ゼロクロス検出部２９−１による所定条件の検出により、差分信号加算部２６、微分信号加算部２７の実行を制御する構成とすることができる。つまり、極値検出部２９、ゼロクロス検出部２９−１により、微分信号が極値近傍である、または、前記第１または第２の受信信号のいずれか一方が、そのレベル値の正負が逆転するゼロクロス近傍であることが検知された場合においてのみ、差分信号加算部２６ならびに微分信号加算部２７に対して演算の実行を指示し、差分信号を所定フレーム分加算した差分信号ΣＳｂ（ｔ）ならびに微分信号信号を所定フレーム分加算した微分信号ΣＤｆ（ｔ）を得て、除算演算部２３に出力する構成とすることができ、上記上記図１８（ｂ）や図１９（ｂ）のように除算演算部２３による除算演算を制御する場合に比べ、除算演算部２３による除算演算回数が１回で良いので演算量の低減、演算処理の高速化を図ることができる。
【０１９４】
なお、上記説明は、アナログ処理による遅延時間検出処理を例として説明したが、実施形態２〜５で説明した、波源方向検出処理、不要信号成分抑制処理、サンプリングによるデジタル処理においても、同様に適用することができ、近似誤差が大きい範囲で演算を停止し、大きな近似誤差を除去することで近似精度を向上することができる。
【０１９５】
（実施形態７）
実施形態７として、受信信号に対して帯域制限を設け、所定の帯域の受信信号のみ入力する、または、所定の帯域の受信信号を除去する工夫を施した波動信号処理システムを説明する。
【０１９６】
例えば、センサ部１０の周囲に、複数の中心周波数が異なる波源が存在する場合、その複数の波源の中から必要な中心周波数を持つ波源からの受信信号のみを選択的に入力することができれば、遅延時間検出や波源方向検出精度を向上することができる。また、逆に、複数の波源の中から不要な中心周波数を持つ波源からの受信信号を選択的に除去できれば、遅延時間検出や波源方向検出精度を向上することができる。したがって、本実施形態７の波動信号処理システムは、受信信号に対して帯域制限を設け、所定の帯域の受信信号のみ入力する、または、所定の帯域の受信信号を除去する工夫を施す。
【０１９７】
図２０は、受信信号に対して帯域制限を設ける実施形態７の波動信号処理システムの基本構成を示す図である。
【０１９８】
図２０の構成は、図２の構成に加え、センサ部１０の後段に帯域制限部１２を備えている。帯域制限部１２として、所定の帯域幅にある受信信号のみを通過させ、それ以外は遮断するバンドパスフィルタの働きを行なうものを使用すれば、必要な中心周波数を持つ波源からの受信信号のみを選択的に入力することができる。同様に、帯域制限部１２として、所定の帯域幅にある受信信号のみを遮断する遮断フィルタの働きを行なうものを使用すれば、不要な中心周波数を持つ波源からの受信信号を選択的に除去できる。
【０１９９】
なお、上記説明では、一例として、センサ部１０の後段に帯域制限部１２を設け、受信信号ｆ１(ｔ)、ｆ２(ｔ)に対して帯域制限をかけたが、差分演算部２１の後段に帯域制限部１２を設け、差分信号出力Ｓｂ(ｔ)に対して帯域制限をかける構成も可能であり、また、微分演算部２２の後段に帯域制限部１２を設け、微分信号出力Ｄｆ(ｔ)に対して帯域制限をかける構成も可能である。
【０２００】
また、上記説明は、アナログ処理による遅延時間検出処理を例として説明したが、上記の帯域制限部を設ける構成は、実施形態４〜５で説明した、サンプリングによるデジタル処理においても同様に適用することができる。
【０２０１】
（実施形態８）
実施形態８として、受信信号に対してミキシングを行い、受信信号の周波数を下げる工夫を施した波動信号処理システムを説明する。特に、波動信号が超音波信号、光信号、電磁波信号など高い中心周波数を持つ信号である場合に有効である。
【０２０２】
図２１（ａ）は、受信信号に対してミキシングを行い、信号全体の周波数を下げる基本原理を説明した図である。
【０２０３】
一般に、超音波信号、光信号、電磁波信号は高い中心周波数を持つため、デジタル信号に変換する際にはそのままの周波数でデジタル化するとサンプリング周波数が高いものとなり処理量が増大してしまう。そこで、それら周波数の波動信号（中心周波数：ｆｃ）に対して、中心周波数ｆｒの参照信号をミキシングすることにより信号の周波数を下げる工夫を施す。中心周波数ｆｃの信号に対して中心周波数ｆｒの参照信号をミキシングすれば、中心周波数（ｆｃ−ｆｒ）を持つ信号と、中心周波数（ｆｃ＋ｆｒ）を持つ２つの信号部分が生成される。ここで、ローパスフィルタによって中心周波数（ｆｃ−ｆｒ）の信号のみを抽出することで、信号の周波数低減を図る。
【０２０４】
図２１（ｂ）は、受信信号に対してミキシングを行い、信号全体の周波数を下げる工夫を施した波動信号処理システムの基本構成を示す図である。
【０２０５】
図２１（ｂ）の構成は、図２の構成に加え、センサ部１０の後段にミキシング部１３を備えている。ミキシング部１３は、ミキサ１４とローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５を備えている。ミキサ１４にはあらかじめ中心周波数ｆｒを持つ参照信号ｆｒ（ｔ）が組み込まれている。
【０２０６】
センサ部１０から、中心周波数ｆｃの受信信号ｆ１(ｔ)、ｆ２(ｔ)がミキシング部１３に入力されると、ミキサ１４において、当該入力信号ｆ１(ｔ)、ｆ２(ｔ)はそれぞれ参照波信号ｆｒ（ｔ）でミキシングされ、中心周波数（ｆｃ−ｆｒ）を持つ信号と、中心周波数（ｆｃ＋ｆｒ）を持つ２つの信号部分が生成される。ミキシングされた信号は、ミキサ１４からＬＦＰ１５に渡され、ＬＰＦ１５は、中心周波数（ｆｃ−ｆｒ）の信号のみを抽出する。
【０２０７】
上記構成によれば、超音波信号、光信号、電磁波信号などに高い周波数を持つ受信信号に対し、ミキシング処理を施すことによって周波数を下げる工夫を施しているので、デジタル化する場合に高速サンプリング能力を持つＡＤ変換器を用いる必要はなくなり、安価な低速サンプリング能力を持つＡＤ変換器を利用することが可能となる。また、信号周波数が下げられるので、処理すべきデジタルデータ量も低減できるため、演算処理時間も短縮でき、処理速度が向上する。
【０２０８】
（実施形態９）
実施形態９として、波動信号の基本周波数を用いる誤差補正を行なって遅延時間の推定精度を向上する工夫を施した波動信号処理システムを説明する。
【０２０９】
本発明の波動信号処理システムでは、第１の受信信号と第２の受信信号間の差分信号を、第１の受信信号または第２の受信信号いずれか一方の微分信号により除算することによって遅延時間を推定するので、推定誤差を小さくするために差分信号及び微分信号の精度が要求される。
【０２１０】
いま、センサで受信された第１の受信信号を周波数ωの単一正弦波と仮定する。センサで受信した第１の受信信号とその微分信号は（数１６）と（数１７）で与えられる。
【０２１１】
【数１６】
0003778865.tif 000017
【０２１２】
【数１７】
0003778865.tif 000018
【０２１３】
理論的には微分信号は（数１７）により得られるが、デジタルフィルタを用いて微分信号を得る場合、（数１８）に従って演算される。
【０２１４】
【数１８】
0003778865.tif 000019
【０２１５】
ここで、Ｔはサンプリング時間である。
【０２１６】
（数１７）と（数１８）の比較から、実際にデジタルフィルタによって得られる微分信号（数１８）には、（数１９）に示す誤差係数αが含まれることが分かる。
【０２１７】
【数１９】
0003778865.tif 000020
【０２１８】
（数１９）に示すように、デジタルフィルタにより得られる微分信号は、波源の周波数ωとサンプリング時間Ｔに依存する。ここで、波源の周波数ωとサンプリング時間Ｔが極めて小さい場合、誤差係数αはほぼ１となって誤差は小さいが、逆に、波源の周波数ωが大きい場合やサンプリング時間Ｔが大きい場合、誤差係数αは誤差係数αは１より小さくなり、（数１８）で得られる微分信号が（数１７）より小さく見積もられ、その結果、遅延時間Δｔ［ｉ］は過大に見積もられることとなる。
【０２１９】
サンプリング時間Ｔは制御可能であり、サンプリング時間Ｔはを細かく設定しておくこととすれば、波源の周波数ωにより誤差係数αを制御することが可能となる。
【０２２０】
以上から、波源の周波数ωが推定できれば（数１９）の誤差係数αが求められ、αの逆数を補正係数とする（数２０）により誤差補正を施した微分信号を得ることができる。誤差補正を施した遅延時間Δｔｃ［ｉ］は（数２１）により求められる。
【０２２１】
【数２０】
0003778865.tif 000021
【０２２２】
【数２１】
0003778865.tif 000022
【０２２３】
ここで、波動信号は正弦波とは限らないので波動信号の基本周波数ω0を用いる。基本周波数ω0は波動信号全体のマクロ周期を表わす周波数である。
【０２２４】
以下に本実施形態９の波動信号処理システムの基本構成、基本周波数演算部による基本周波数ω0の推定方法、誤差補正を施した遅延時間について説明する。
【０２２５】
図２２は、本実施形態９の波動信号処理システムの第１の構成を示す図である。
【０２２６】
図２２の構成は、実施形態５で説明した図１０の波動信号処理システムの構成に対して、さらに、遅延時間演算部２０ｂ1が、基本周波数演算部５０ｂ1と遅延時間補正部６０を備えている。他の構成部分は図１０の構成部分と同様である。
【０２２７】
第１の基本周波数ω0の演算方法は、波動信号の所定フレーム区間の微分信号の極点総数Ｐｎと、所定フレーム区間の時間長から、所定フレーム区間の基本周波数ω0を演算する方法である。
【０２２８】
基本周波数演算部５０ｂ1は、第１の受信信号と第２の受信信号のうち、微分演算を実行した受信信号の所定フレーム区間における基本周波数ω0を求める部分である。
【０２２９】
基本周波数演算部５０ｂ1は、微分演算部２２ａからの微分信号Ｄｆ［ｉ］を入力とする。基本周波数演算部５０ｂ1は、極値検出部２９によって微分信号Ｄｆ［ｉ］が微分信号の極大あるいは極小の近傍点であるか否か判定する。極値検出部２９の判定アルゴリズムは、例えば（数２２）である。基本周波数演算部５０ｂ1は、当該（数２２）を満たすＤｆ［ｉ］を微分信号の極値の近傍点と判断する。
【０２３０】
【数２２】
0003778865.tif 000023
【０２３１】
次に、基本周波数演算部５０ｂ1は、極値検出部２９によって検出した極値近傍点の総数Ｐｎを所定のフレーム長時間ＴFの区間においてカウントし、（数２３）によって所定フレーム区間の基本周波数ω0を得る。
【０２３２】
【数２３】
0003778865.tif 000024
【０２３３】
図２３は、一般的な音声の波動信号を模式的に示す図である。現実の音声信号の波動信号は図２３（ａ）のように細かい高調波成分が多数含まれているので、フィルタによりスムージングを行なった図２３（ｂ）を用いることが好ましい。
【０２３４】
第１の基本周波数ω0の演算方法では波動信号の山と谷の数をカウントすることとなる。この例では極値検出部２９は、Ｐ１〜Ｐ８をカウントすることができる。
【０２３５】
遅延時間補正部６０は、基本周波数演算部５０ｂ1が求めた基本周波数ω0を用いて除算演算部２３ａが演算した遅延時間に含まれる誤差を補正する部分である。遅延時間補正部６０は、差分演算部２１ａによる差分演算、微分演算部２２ａによる微分演算、除算演算部２３ａによる除算演算をデジタルフィルタにより実行する場合に生じる誤差を基本周波数ω0を用い、上記の（数２１）に従って補正し、誤差補正した遅延時間Δｔｃ［ｉ］を得る。
【０２３６】
以上の構成によれば、所定フレーム長時間内の微分信号の極値点の数から基本周波数を得ることが可能となる。波動信号処理システムは基本周波数ω0を用いて遅延時間の誤差を補正し、遅延時間検出精度を向上することができる。
【０２３７】
次に、第２の基本周波数ω0の演算方法は、波動信号の所定フレーム区間の第１または第２の受信信号のいずれか一方のゼロクロス点（レベル０の横軸と交わる点）総数と所定フレーム区間の時間長から所定フレーム区間の基本周波数ω0を演算する方法である。
【０２３８】
図２４は、実施形態９の波動信号処理システムの第２の構成を示す図である。
【０２３９】
図２４の構成は、遅延時間演算部２０ｂ2が基本周波数演算部５０ｂ2と遅延時間補正部６０を備えている。基本周波数演算部５０ｂ2は、第１の受信信号ｆ１［ｉ］を入力とし、ゼロクロス検出部２９−１によって入力された第１の受信信号ｆ１［ｉ］のゼロクロス点を検出し、その総数をカウントする。ゼロクロス検出部２９−１の検出アルゴリズムは、例えば（数２４）の条件を満たす個所を検出するものとなる。基本周波数演算部５０ｂ2は、当該（数２４）を満たすｆ１［ｉ］を第１の受信信号のゼロクロス近傍点と判断し、次のサンプルデータにおいて（数２４）が満たされない場合、ゼロクロスが発生したと判定する。
【０２４０】
【数２４】
0003778865.tif 000025
【０２４１】
次に、基本周波数演算部５０ｂ2は、ゼロクロス検出部２９−１によってゼロクロス点と検出された総数Ｚｎを所定のフレーム長時間ＴFの区間においてカウントし、（数２５）によって所定フレーム区間の基本周波数ω0を得る。
【０２４２】
【数２５】
0003778865.tif 000026
【０２４３】
ゼロクロス点とはレベルが０で横軸と交わる点であり、図２３（ａ）の例では、所定フレーム区間ＴF秒間のゼロクロス点総数ＺｎはＺ１からＺ９の９つである。
【０２４４】
以上の構成によれば，所定フレーム長時間内の第１の受信信号のゼロクロス点の数から基本周波数ω0を得ることが可能となる。波動信号処理システムは基本周波数ω0を用いて遅延時間の誤差を補正し、遅延時間検出精度を向上することができる。
【０２４５】
次に、第３の基本周波数ω0の演算方法は、所定フレーム区間の第１または第２の受信信号のいずれか一方の相関関数周期から、所定フレーム区間の基本周波数ω0を演算する方法である。
【０２４６】
図２５は、実施形態９の波動信号処理システムの第３の構成を示す図である。
【０２４７】
図２５の構成では、遅延時間演算部２０ｂ3は、基本周波数演算部５０ｂ3と遅延時間補正部６０を備えている。基本周波数演算部５０ｂ3は、第１の受信信号ｆ１［ｉ］を入力とし、自己相関演算部２９−２によって所定のフレーム長時間ＴFの区間における第１の受信信号ｆ１［ｉ］の自己相関関数Ｃ（τ）を（数２６）より求める。
【０２４８】
【数２６】
0003778865.tif 000027
【０２４９】
次に、基本周波数演算部５０ｂ3は、自己相関演算部２９−２によって得られた第１の受信信号の自己相関関数から相関周期を算出し、基本周波数ω0を得る。
【０２５０】
以上の構成によれば、所定フレーム長時間内の第１の受信信号の自己相関関数から基本周波数ω0を得ることが可能となる。波動信号処理システムは基本周波数ω0を用いて遅延時間の誤差を補正し、遅延時間検出精度を向上することができる。
【０２５１】
なお、他の基本周波数ω0の演算方法としては、基本周波数演算部が、あらかじめ定めておく所定周波数を基本周波数ω0とする方法も可能である。
【０２５２】
以上、本実施形態９の波動信号処理システムは、基本周波数演算部により求めた基本周波数ω0を用いて遅延時間に含まれる誤差を補正し、遅延時間の推定精度を向上することができる。
【０２５３】
次に、上記（数２１）により推定した遅延時間Δｔｃ［ｉ］を用いて、波源方向推定精度を向上する波動信号処理システムの構成例を説明する。
【０２５４】
図２６は、基本周波数ω0を用いて誤差補正を行なった遅延時間Δｔｃ［ｉ］を用いて波源方向推定を行なう波動信号処理システムの一構成例を示す図である。
【０２５５】
図２６の構成において、センサ部１０、遅延時間演算部２０ｂ1は、図２２のセンサ部１０、遅延時間演算部２０ｂ1と同様のものであり、図２６の構成は、図２２の構成に対して波源方向演算部３０ａを設けたものとなっている。
【０２５６】
波源方向演算部３０ａは、遅延時間演算部２０ｂ1より誤差補正を行なった遅延時間Δｔｃ［ｉ］を入力とし、実施形態５の波源方向演算部３０ａと同様、（数２７）により波源方向θｃ［ｉ］を推定するものである。
【０２５７】
【数２７】
0003778865.tif 000028
【０２５８】
ここで、ｖは波動信号の伝搬速度、ｄはマイクロホンの間隔である。
【０２５９】
以上の構成によれば、誤差補正を行なった遅延時間Δｔｃ［ｉ］を用いて波源方向θｃ［ｉ］を精度良く推定することができる。波動信号の周波数が時間的に変化する場合であっても波源方向θｃ［ｉ］を精度良く求めることができる。
【０２６０】
次に、上記（数２１）により推定した遅延時間Δｔｃ［ｉ］を用いて、不要波成分抑制精度を向上する波動信号処理システムの構成を説明する。
【０２６１】
図２７は、基本周波数ω0を用いて誤差補正を行なった遅延時間Δｔｃ［ｉ］を用いて不要波成分抑制を行なう波動信号処理システムの一構成例を示す図である。
【０２６２】
図２７の構成は、図２６の構成に対して、さらに、重み付け部演算部４０ａを設けたものとなっている。
【０２６３】
重み付け部演算部４０ａは、実施形態５の重み付け部演算部４０ａと同様に、必要な信号部分に対する重み付け処理や、不要な信号部分に対する重み付け処理を実行する部分であり、ＡＤ変換器１１から第１の受信信号ｆ１［ｉ］または第２の受信信号ｆ２［ｉ］のいずれか一方と、波源方向演算部３０ａの出力である誤差補正を行なった波源方向θｃ［ｉ］とを入力とし、当該波源方向θｃ［ｉ］に応じて、例えば、（数２８）に示すように、第１の受信信号ｆ１［ｉ］のサンプルｉにおけるデータに対して重み係数Ｗｇ[ｉ]を乗算して不要波抑制信号ｆNR［ｉ］を求める。
【０２６４】
【数２８】
0003778865.tif 000029
【０２６５】
ここでは実施形態３で説明した図５と同様に、受信信号の必要な信号部分に対する重み係数Ｗｇ[ｉ]を大きくし、受信信号の不要な信号部分に対する重み係数Ｗｇ[ｉ]を小さくすることにより不要波成分を抑制する。
【０２６６】
なお、上記では第１の受信信号ｆ１［ｉ］に対して重み付け処理を実行する例であるが、第２の受信信号ｆ２［ｉ］に対して重み付け処理を実行するものでも良く、第１の受信信号ｆ１［ｉ］と第２の受信信号ｆ２［ｉ］の両者に対して重み付け処理を実行するものでも良い。
【０２６７】
また、実施形態３と同様、重み付け処理部４０ａが、必要な信号部分に対する重み係数Ｗｇ[ｉ]、不要な信号部分に対する重み係数Ｗｇ[ｉ]を設定する重み係数決定部４１ａを持つ構成でも良い。
【０２６８】
さらに、実施形態３と同様、重み係数Ｗｇ[ｉ]を０と１の２値としても良い。
【０２６９】
次に、上記（数２１）により推定した遅延時間Δｔｃ［ｉ］を用い、さらに、デジタル化された受信信号に含まれるノイズによる影響を除去する工夫を施した波動信号処理システムを説明する。
【０２７０】
図２８は差分信号、微分信号をそれぞれ平均化することでノイズの影響を除去する工夫を施した構成を示す図であり、実施形態５の図１４に相当する。図２８の構成は、遅延時間演算部２０ｂ4が、差分演算部２１ａ、微分演算部２２ａに加え、差分信号平均部２４ａ、微分信号平均部２５ａを備えている。
【０２７１】
差分信号平均部２４ａは、差分演算部２１ａの出力Ｓｂ［ｉ］を平均化し、平均差分信号＜Ｓｂ［ｉ］＞を演算する部分である。サンプル数をＮとすると平均差分信号＜Ｓｂ［ｉ］＞は（ΣＳｂ［ｉ］）／Ｎとなる。
【０２７２】
微分信号平均部２５ａは、微分演算部２２ａの出力Ｄｆ［ｉ］を平均化し、平均微分信号＜Ｄｆ［ｉ］＞を演算する部分である。サンプル数をＮとすると平均微分信号＜Ｄｆ［ｉ］＞は（ΣＤｆ［ｉ］）／Ｎとなる。
【０２７３】
除算演算部２３ａは、差分信号平均部２４ａから得た平均差分信号、微分信号平均部２５ａから得た平均微分信号を用いて除算を行なう。遅延補正部６０の誤差補正演算は図２２の場合と同様で良い。
【０２７４】
図２９は差分信号、微分信号をそれぞれ加算することでノイズの影響を除去する工夫を施した構成を示す図であり、実施形態５の図１５に相当する。図２９の構成は、遅延時間演算部２０ｂ1が、差分演算部２１ａ、微分演算部２２ａに加え、差分信号加算部２６ａ、微分信号加算部２７ａを備えている。
【０２７５】
差分信号加算部２６ａは、差分演算部２１ａの出力Ｓｂ［ｉ］を加算し、差分信号の総和ΣＳｂ［ｉ］を演算する部分である。
【０２７６】
微分信号加算部２７ａは、微分演算部２２ａの出力Ｄｆ［ｉ］を加算し、微分信号の総和ΣＳｂ［ｉ］を演算する部分である。
【０２７７】
除算演算部２３ａは、差分信号加算部２６ａから得た差分信号の総和ΣＳｂ［ｉ］、微分信号加算部２７ａから得た微分信号の総和ΣＤｆ［ｉ］を用いて除算を行なう。遅延補正部６０の誤差補正演算は図２２の場合と同様で良い。
【０２７８】
なお、図２８および図２９は、遅延時間検出処理におけるノイズの影響を除去する方法を中心に説明したが、図２８または図２９の構成に対して、本実施形態９の図２２、図２４、図２５で説明した波源方向演算部３０ａ、図２６、図２７で説明した重み付け処理部４０ａを備える構成とすることができる。
【０２７９】
なお本実施形態９では、センサ部のセンサを２つとしているが３つ以上にしても良い。また、微分演算部２０ａへの入力を第１の受信信号ｆ１［ｉ］としているが、第２の受信信号ｆ２［ｉ］としても良い。また、重み付け演算部４０ａの入力を第１の受信信号ｆ１［ｉ］としているが、第２の受信信号ｆ２［ｉ］としても良く、かつ第１の受信信号ｆ１［ｉ］と第２の受信信号ｆ２［ｉ］の２入力・２出力としても良い。
【０２８０】
また、遅延時間演算部に関して、図２６、図２７、図２８、図２９の構成は一例であって、これら図では、遅延時間演算部２０ｂ1が図２２の遅延時間演算部２０ｂ1と同様のものとしたが、遅延時間演算部２０ｂ1に代えて、図２４の遅延時間演算部２０ｂ2を用いることができ、また、図２５の遅延時間演算部２０ｂ3を用いることも可能である。
【０２８１】
更に、図示しないが、重み付け演算部４０は、波源方向演算部３０ｂ1の出力である波源方向をもとに重み係数を決定しているが、波源方向演算部３０ｂ1を構成から除去し、誤差補正後の遅延時間Δｔｃ［ｉ］をもとに重み係数を決定する構成にしても良い。
【０２８２】
（実施形態１０）
本発明の波動信号処理は、上記に説明した処理を実現するステップを記述したプログラムとして記述することができ、当該プログラムをコンピュータに読み取らせることにより、本発明の波動信号処理を実行することができる。本発明の波動信号処理システムを実現する処理ステップを備えたプログラムは、図３０に図示した例のように、ＣＤ−ＲＯＭ１００２やフレキシブルディスク１００３等の可搬型記録媒体１００１だけでなく、ネットワーク上にある記録装置内の記録媒体１０００や、コンピュータのハードディスクやＲＡＭ等の記録媒体１００５に格納して提供することができ、ネットワークからダウンロードすることもできる。プログラム実行時には、プログラムはコンピュータ１００４上にローディングされ、主メモリ上で実行される。
【０２８３】
なお、上記実施形態１から８において、各センサ部１０の感度差に基づく入力信号間の振幅差がある場合、当該入力信号間の振幅差を調整するために、遅延時間演算部２０の前段にオプションとして、振幅補正部（各図において図示せず）を持つ構成としても良い。各センサから入力された入力信号間に振幅差がある場合、遅延時間検出精度が低下することがあるので、当該振幅補正部を遅延時間演算部の前段として備えておけば、遅延時間検出精度を向上させることができる。実施形態５で説明したデジタル処理の場合は、当該振幅補正部を設ける部分はＡＤ変換器の前段であっても後段であっても良い。
【０２８４】
（付記）
本発明の波動信号処理システムについてさらに以下の項を開示する。
【０２８５】
（付記１）  少なくとも２つのセンサを備え、各センサにおいて検知した波動信号を電気信号に変換して受信信号を得るセンサ部と、
前記センサ部により得た受信信号から任意に選択された第１の受信信号と第２の受信信号間の遅延時間を演算する遅延時間演算部を備え、
前記遅延時間演算部が、
前記第１の受信信号と前記第２の受信信号の差分演算を実行して差分信号を得る差分演算部と、
前記第１の受信信号または前記第２の受信信号いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を得る微分演算部と、
前記差分演算部より得た前記差分信号を、前記微分演算部より得た前記微分信号で除算する除算演算を実行して除算信号を得る除算演算部を備え、
前記除算信号を遅延時間とすることを特徴とする波動信号処理システム（１）。
【０２８６】
（付記２）  さらに、前記遅延時間と、前記波動信号の伝搬速度と、前記第１の受信信号を得たセンサおよび前記第２の受信信号を得たセンサの配置情報とを基に、前記波動信号の波源方向を演算する波源方向演算部を備え、前記波動信号の波源方向を検出することを特徴とする付記１に記載の波動信号処理システム（２）。
【０２８７】
（付記３）  さらに、前記センサ部の各センサから得た受信信号に対して前記遅延時間または波源方向に応じた重み付けを行なう重み付け部を備え、
前記重み付け部における前記第１または第２の受信信号の少なくとも一方への重み付け処理により、不要な信号部分を抑制することを特徴とする付記１または２に記載の波動信号処理システム（３）。
【０２８８】
（付記４）  前記重み付け部が、重み係数決定部を含み、重み係数を調整する付記３に記載の波動信号処理システム。
【０２８９】
（付記５）  前記重み係数が、１と０の２値であり、不要な信号部分を除去する付記３または４に記載の波動信号処理システム。
【０２９０】
（付記６）  前記差分演算部が、前記差分信号を所定フレーム分加算する差分信号加算部を備え、
前記微分演算部が、前記微分信号を所定フレーム分加算する微分信号加算部を備えた付記１から５のいずれかに記載の波動信号処理システム（４）。
【０２９１】
（付記７）  前記差分演算部が、前記差分信号を所定フレーム分平均する差分信号平均部を備え、
前記微分演算部が、前記微分信号を所定フレーム分平均する微分信号平均部を備えた付記１から５のいずれかに記載の波動信号処理システム（４）。
【０２９２】
（付記８）  前記微分演算部より得る前記微分信号が極値近傍である、または、前記第１または第２の受信信号のいずれか一方が、そのレベル値の正負が逆転するゼロクロス近傍である場合においてのみ、前記差分信号演算部ならびに前記微分信号演算部が、前記差分信号ならびに前記微分信号を前記除算演算部に出力する付記１から７のいずれかに記載の波動信号処理システム。（５）。
【０２９３】
（付記９）前記微分演算部より得る前記微分信号が極値近傍である、または、前記第１または第２の受信信号のいずれか一方が、そのレベル値の正負が逆転するゼロクロス近傍である場合においてのみ、前記差分信号加算部ならびに前記微分信号加算部が、前記差分信号を所定フレーム分加算した差分信号ならびに前記微分信号信号を所定フレーム分加算した微分信号を出力する付記６に記載の波動信号処理システム。
【０２９４】
（付記１０）前記微分演算部より得る前記微分信号が極値近傍である、または、前記第１または第２の受信信号のいずれか一方が、そのレベル値の正負が逆転するゼロクロス近傍である場合においてのみ、前記差分信号平均部ならびに前記微分信号平均部が、前記差分信号を所定フレーム分平均した差分信号ならびに前記微分信号信号を所定フレーム分平均した微分信号を出力する付記７に記載の波動信号処理システム。
【０２９５】
（付記１１）  前記微分信号が所定のしきい値内にある場合、前記遅延時間演算部の遅延時間演算処理を停止する付記１から６のいずれかに記載の波動信号処理システム。
【０２９６】
（付記１２）  さらに、前記遅延時間を平均する遅延時間平均部と、前記波源方向を平均する波源方向平均部の両者、または、いずれか一方を備えることを特徴とする付記１から１１のいずれかに記載の波動信号処理システム（６）。
【０２９７】
（付記１３）  前記センサ部の後段、前記差分演算部の後段、前記微分演算部の後段のうち、少なくとも１つ以上の箇所に帯域制限部を備え、前記帯域制限部において信号の帯域制限を行う付記１から１２のいずれかに記載の波動信号処理システム。
【０２９８】
（付記１４）  前記センサ部の後段にミキシング部を備え、前記ミキシング部において前記センサ部から得た受信信号を中間周波数へシフトする付記１から１２のいずれかに記載の波動信号処理システム。
【０２９９】
（付記１５）  前記遅延時間演算部が、さらに、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号のうち、前記微分演算を実行した受信信号の所定フレーム区間における基本周波数を求める基本周波数演算部と、前記基本周波数を用いて前記遅延時間に含まれる誤差を補正する遅延時間補正部を備えた付記１に記載の波動信号処理システム。
【０３００】
（付記１６）  前記遅延時間演算部が、前記遅延時間の演算処理を実行するデジタル演算回路を備え、前記差分演算部による差分演算、前記微分演算部による微分演算、前記除算演算部による除算演算を前記デジタル演算回路により実行し、
前記遅延時間補正部が、前記基本周波数を用いて前記遅延時間に含まれる前記デジタル演算回路による演算に起因する誤差を補正する付記１５に記載の波動信号処理システム。
【０３０１】
（付記１７）  さらに、前記遅延時間と、前記波動信号の伝搬速度と、前記第１の受信信号を得たセンサおよび前記第２の受信信号を得たセンサの配置情報とを基に、前記波動信号の波源方向を演算する波源方向演算部を備え、前記波動信号の波源方向を検出することを特徴とする付記１５または１６に記載の波動信号処理システム。
【０３０２】
（付記１８）  さらに、前記センサ部の各センサから得た受信信号に対して前記遅延時間または波源方向に応じた重み付けを行なう重み付け部を備え、
前記重み付け部における前記第１または第２の受信信号の少なくとも一方への重み付け処理により、不要な信号部分を抑制することを特徴とする付記１５または１６に記載の波動信号処理システム。
【０３０３】
（付記１９）  波動信号をセンサで受信し、
少なくとも２つのセンサから得た受信信号から任意に選択された第１の受信信号と第２の受信信号の差分演算を実行して差分信号を算出し、
前記第１の受信信号または前記第２の受信信号いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を算出し、
前記差分信号を前記微分信号で除算する除算演算を実行して除算信号を算出し、
前記除算信号の値を前記第１の受信信号と前記第２の受信信号間の遅延時間とすることを特徴とする波動信号処理方法（７）。
【０３０４】
（付記２０）  センサで受信した波動信号を処理するプログラムであって、
波動信号をセンサで受信する受信処理ステップと、
少なくとも２つのセンサから得た受信信号から任意に選択された第１の受信信号と第２の受信信号の差分演算を実行して差分信号を算出する差分演算処理ステップと、
前記第１の受信信号または前記第２の受信信号いずれか一方の微分演算を実行して微分信号を算出する微分演算処理ステップと、
前記差分信号を前記微分信号で除算する除算演算を実行して除算信号を算出する除算演算処理ステップと、
前記除算信号の値を前記第１の受信信号と前記第２の受信信号間の遅延時間とする遅延時間算出処理ステップとを備えた波動信号処理プログラム（８）。
【０３０５】
【発明の効果】
本発明の波動信号処理システムによれば、遅延時間検出のための演算量が少なくなり、処理速度が向上し、リアルタイム処理も可能となる。また、差分演算、微分演算、除算演算は汎用的な演算であるため、高速サンプリングＡＤ変換器やサンプリングデータ補間器などの特別の演算デバイスの追加が不要となり、高いコストパフォーマンスを実現できる。
【０３０６】
更に、本発明の波動信号処理システムによれば、近似遅延時間検出結果を利用し、波源の方向を検出する波源方向検出処理を高速かつリアルタイムに行うことができる。
【０３０７】
さらに、本発明の波動信号処理システムによれば、近似遅延時間検出結果を利用し、波源方向に応じて受信信号に重み付けを行い、高速かつリアルタイムに、所望の信号源の方向以外の方向から来る波動信号を雑波動信号として抑制したり、除去すべき雑波動信号源の方向から来る波動信号を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ２つのセンサにおける受信信号間の遅延時間を説明する図
【図２】  本発明の実施形態１の波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図３】  本発明の実施形態２にかかる波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図４】  実施形態３にかかる、近似遅延時間Δｔを利用して不要な信号部分を抑制する処理の原理を説明する図
【図５】  本発明の実施形態３にかかる、近似波源方向θ（ｔ）を利用して不要な信号部分を抑制する処理の原理を説明する図
【図６】  本発明の実施形態３にかかる、不要信号部分の抑制処理を実行する波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図７】  本発明の実施形態３にかかる、不要信号部分の抑制処理を実行する波動信号処理システムの他の基本構成を示す図
【図８】  実施形態４にかかる波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図９】  実施形態４にかかる波動信号処理システムの他の基本構成を示す図
【図１０】  実施形態５にかかる、デジタルデータ処理により遅延時間検出を行なう波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図１１】  実施形態５にかかる、デジタルデータ処理により波源方向検出を行なう波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図１２】  実施形態５にかかる、デジタル化された受信信号における不要信号抑制処理を実行する波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図１３】  実施形態５にかかる、デジタル化された受信信号における不要信号抑制処理を実行する波動信号処理システムの他の基本構成を示す図
【図１４】  実施形態５にかかる波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図１５】  実施形態５にかかる波動信号処理システムの他の基本構成を示す図
【図１６】  遅延時間検出処理において、近似精度を高く保つために、遅延時間検出処理を制限する区間を説明する図
【図１７】  第１の遅延時間検出処理区間の制限方法を用いた波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図１８】  第２の遅延時間検出処理区間の制限方法を用いた波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図１９】  第２の遅延時間検出処理区間の制限方法を用いた波動信号処理システムの他の構成を示す図
【図２０】  実施形態７にかかる、受信信号に対して帯域制限を設ける波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図２１】  （ａ）は実施形態８にかかる、受信信号に対してミキシングを行い、信号全体の周波数を下げる基本原理を説明した図、（ｂ）は実施形態８にかかる波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図２２】  本実施形態９の波動信号処理システムの第１の構成を示す図
【図２３】  一般的な音声の波動信号を模式的に示す図
【図２４】  実施形態９の波動信号処理システムの第２の構成を示す図
【図２５】  実施形態９の波動信号処理システムの第３の構成を示す図
【図２６】  基本周波数ω0を用いて誤差補正を行なった遅延時間Δｔｃ［ｉ］を用いて波源方向推定を行なう波動信号処理システムの一構成例を示す図
【図２７】  基本周波数ω0を用いて誤差補正を行なった遅延時間Δｔｃ［ｉ］を用いて不要波成分抑制を行なう波動信号処理システムの一構成例を示す図
【図２８】  基本周波数ω0を用いて誤差補正を行なう場合の図１４に相当する波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図２９】  基本周波数ω0を用いて誤差補正を行なう場合の図１５に相当する波動信号処理システムの基本構成を示す図
【図３０】  実施形態１０にかかる、本発明の波動信号処理システムを実現する処理ステップを記録した記録媒体の例を示す図
【図３１】  従来技術における、波動信号の伝搬行路差によって生じる受信信号の遅延時間を検出する相互相関法を説明する図
【符号の説明】
１０  センサ部
１１  ＡＤ変換器
１２  帯域制限部
１３  ミキシング部
１４  ミキサ
１５  ＬＰＦ
２０，２０ａ  遅延時間演算部
２１，２１ａ  差分演算部
２２，２２ａ  微分演算部
２３，２３ａ  除算演算部
２４，２４ａ  差分信号平均部
２５，２５ａ  微分信号平均部
２６，２６ａ  差分信号加算部
２７，２７ａ  微分信号加算部
２８，２８ａ  比較部
２９  極値検出部
２９−１  ゼロクロス検出部
３０，３０ａ  波源方向演算部
４０，４０ａ  重み付け処理部
４１，４１ａ  重み係数決定部
１０００  回線先のハードディスク等の記録媒体
１００１  ＣＤ−ＲＯＭやフレキシブルディスク等の可搬型記録媒体
１００２  ＣＤ−ＲＯＭ
１００３  フレキシブルディスク
１００４  コンピュータ
１００５  コンピュータ上のＲＡＭ／ハードディスク等の記録媒体
【図１】
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【図２】
0003778865.tif 000031
【図３】
0003778865.tif 000032
【図４】
0003778865.tif 000033
【図５】
0003778865.tif 000034
【図６】
0003778865.tif 000035
【図７】
0003778865.tif 000036
【図８】
0003778865.tif 000037
【図９】
0003778865.tif 000038
【図１０】
0003778865.tif 000039
【図１１】
0003778865.tif 000040
【図１２】
0003778865.tif 000041
【図１３】
0003778865.tif 000042
【図１４】
0003778865.tif 000043
【図１５】
0003778865.tif 000044
【図１６】
0003778865.tif 000045
【図１７】
0003778865.tif 000046
【図１８】
0003778865.tif 000047
【図１９】
0003778865.tif 000048
【図２０】
0003778865.tif 000049
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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