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位置推定方法および装置

国内特許コード P07A012822
整理番号 PA14-081
掲載日 2008年1月18日
出願番号 特願2003-057427
公開番号 特開2004-144731
登録番号 特許第3777576号
出願日 平成15年3月4日(2003.3.4)
公開日 平成16年5月20日(2004.5.20)
登録日 平成18年3月10日(2006.3.10)
優先権データ
  • 特願2002-247471 (2002.8.27) JP
発明者
  • 畝田 道雄
  • 石川 憲一
出願人
  • 金沢工業大学
発明の名称 位置推定方法および装置
従来技術、競合技術の概要 一般に、各種構造用材料の信頼性評価、並びに確保を目的として、非破壊検査のひとつである超音波探傷試験が行われている。超音波探傷試験は、材料を壊すことなく、また人体にも無害である利点を有する。従来の超音波探傷試験における基本的な欠陥位置推定原理は以下の通りである。図1は、従来の超音波探傷試験装置を示す。被検査材料の内部に超音波信号を伝播させるために、材料表面に超音波センサである送受信センサ50を取り付け、その送受信センサ50から超音波パルス信号を送信する。材料内部に欠陥が存在する場合、欠陥によって超音波パルス信号が反射される。その第一反射信号は材料表面に取り付けた複数の送受信センサ50、受信センサ52によって電力信号として受信される。送受信センサ50から送信された超音波パルス信号が送受信センサ50と受信センサ52に受信される間の往復伝播時間差により、欠陥の位置が推定される。一方、受信信号より信号の到来方向を推定する高分解能位置推定技術に関する研究開発が行われている。この技術は、移動体通信やレーダのように電波伝搬環境下において、信号の到来方向や位置を推定する場合や、生活環境下における震音発生源の方向や位置を推定する場合に適用される。高分解能位置推定技術には、例えば、受信信号の相関行列を計算し、その固有値解析を行うことを基本原理した到来方向推定方法がある。到来方向推定方法のひとつはMUSIC(MUltiple SIgnal Classification)アルゴリズムである。アレーアンテナにより信号の到来方向を推定する場合、MUSICアルゴリズムは以下の通り適用される。図2は、1次元リニアアレイにおけるアレーアンテナ装置120の構成を示す。これはM素子のアンテナ素子60a~mと無線装置62で構成される。到来する信号数をKとすると、時刻tにおいてアンテナ素子60a~mが受信する信号をベクトルX(t)で表すと、
【数1】ここで、N(t)は時刻tにおける受信信号に含まれる白色雑音ベクトルであり、S(t)およびAは、以下の通り与えられる。
【数2】
【数3】ここで、添え字Tは転置、s(t)は時刻tにおける目標kからの信号の振幅を示す。kは1からKとする。a(θ)は目標kの到来方向を表すモードベクトルであり、M成分により構成される。受信信号Xの相関行列をRとすると、
【数4】である。添え字Hは複素共役転置を示す。相関行列Rを固有値解析し、その固有値をλ、固有ベクトルをeとする。ここでiは1からMとする。到来する信号間に相関がないとすると、固有値は以下の関係を有する。
【数5】上式において、最小固有値に対応した雑音部分空間をEとすると、次式によってMUSICアルゴリズムの評価関数は与えられる。
【数6】ここで、分母はノルムを表す。また、a(θ)はステアリングベクトルであり、ここでは次式で表される。
【数7】MUSICアルゴリズムは、ステアリングベクトルの角度θを掃引し、θに対するMUSIC評価関数のピークを探す。ピークに対応するθが、信号の到来方向を示す。信号の到来方向に加えて信号の発信源までの距離も推定する場合、さらに使用する信号の周波数を掃引する必要がある。
【非特許文献1】菊間信良著,「アレーアンテナによる適応信号処理」,科学技術出版,1998年,p.195-199
産業上の利用分野 本発明は、信号の発信源の位置を受信した信号より推定する技術に関する。特に、受信装置近傍に信号発信源が存在する場合における発信源の位置推定技術に関する。また、材料内部の欠陥位置を受信した信号より推定する技術に関する。また、信号を受信した位置を推定する技術に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 位置が推定対象となる信号発信源からの信号を複数の受信センサにおいて受信するステップと、 複数の受信センサにおいて受信した信号をベクトルにて示した場合、受信した信号の複素共役転置と受信した信号との乗算によって相関行列を導出してから、当該相関行列を固有値解析するステップと、 直交座標系でのパラメータの座標と、複数の受信センサの位置における座標のちがいをもとに定まる関数で与えられるステアリングベクトルと、前記固有値解析の結果を含む評価関数に対して、前記評価関数を前記パラメータの座標で掃引し、その結果から特徴点を検出することによって、信号発信源の位置を推定するステップと、 を含むことを特徴とする位置推定方法。
【請求項2】 位置が特定された信号発信源からの信号を複数の受信センサにおいて受信するステップと、 複数の受信センサにおいて受信した信号をベクトルにて示した場合、受信した信号の複素共役転置と受信した信号との乗算によって相関行列を導出してから、当該相関行列を固有値解析するステップと、 前記信号発信源の位置における座標とパラメータの座標のちがいをもとに定まる関数で与えられるステアリングベクトルと、前記固有値解析の結果を含む評価関数に対して、前記評価関数を前記パラメータの座標で掃引し、その結果から特徴点を検出することによって、前記信号の受信位置を推定するステップと、 を含むことを特徴とする位置推定方法。
【請求項3】 推定対象であり、かつパラメータとされた座標と既知の座標とのちがいをもとに定まる関数で与えられるステアリングベクトルを含んだ評価関数について、前記パラメータとされた座標の掃引による結果から特徴点を検出し、前記推定対象の座標を導出することを特徴とする位置推定方法。
【請求項4】 位置が推定対象となる信号発信源からの信号を複数の受信センサにおいて受信する受信部と、 複数の受信センサにおいて受信した信号をベクトルにて示した場合、受信した信号の複素共役転置と受信した信号との乗算によって相関行列を計算する相関行列計算部と、 前記相関行列の固有値と固有ベクトルを計算する固有値計算部と、 直交座標系でのパラメータの座標と、複数の受信センサの位置における座標のちがいをもとに定まる関数で与えられるステアリングベクトルと、前記固有ベクトルを含む評価関数に対して、前記評価関数を前記パラメータの座標で掃引し、その結果から特徴点を検出することによって、信号発信源の位置を推定する関数処理部と、 前記推定結果を出力する出力部と、 を含むことを特徴とする位置推定装置。
【請求項5】 信号送信中において固定された周波数を有する信号を出力する送信部をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の位置推定装置。
【請求項6】 推定された信号発生源からの受信信号の強度が、所定のしきい値を超えない場合に、前記受信信号に対する信号発生源を有意な検出対象から除外する処理を実行する強度判断部をさらに含むことを特徴とする請求項4または5に記載の位置推定装置。
【請求項7】 位置が特定された信号発信源からの信号を複数の受信センサにおいて受信する受信部と、 複数の受信センサにおいて受信した信号をベクトルにて示した場合、受信した信号の複素共役転置と受信した信号との乗算によって相関行列を計算する相関行列計算部と、 前記相関行列の固有値と固有ベクトルを計算する固有値計算部と、 前記固有値、前記固有ベクトルと前記信号発信源の位置にもとづいて、前記信号発信源の位置における座標とパラメータの座標のちがいをもとに定まる関数で与えられるステアリングベクトルと、前記固有ベクトルを含む評価関数に対して、前記評価関数を前記パラメータの座標で掃引し、その結果から特徴点を検出することによって、前記信号の受信位置を推定する関数処理部と、 前記推定結果を出力する出力部と、 を含むことを特徴とする位置推定装置。
産業区分
  • 試験、検査
  • 工業用ロボット
  • その他通信
  • 測定
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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