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(In Japanese)信号到来方向推定装置、信号到来方向推定方法、および信号到来方向推定用プログラム

Patent code P09S000322
File No. P2004-074-JP02
Posted date Feb 19, 2010
Application number P2006-535177
Patent number P4660773
Date of filing Sep 14, 2005
Date of registration Jan 14, 2011
International application number JP2005016956
International publication number WO2006030834
Date of international filing Sep 14, 2005
Date of international publication Mar 23, 2006
Priority data
  • P2004-267380 (Sep 14, 2004) JP
Inventor
  • (In Japanese)田中 章
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人北海道大学
Title (In Japanese)信号到来方向推定装置、信号到来方向推定方法、および信号到来方向推定用プログラム
Abstract (In Japanese)入力信号間の相関行列や雑音相関行列が特異である場合でも、信号到来方向を推定することができる信号到来方向推定装置。本装置では、まず、観測手段(1)で、雑音のみが存在する状況と到来方向推定対象の音が入力されている状態とのそれぞれを観測し、短時間フーリエ変換手段(2)で、短時間フーリエ変換を行った後、相関行列算出手段(3)で、雑音相関行列および入力信号相関行列を算出する。得られた相関行列は、雑音相関行列保持手段(4)および入力信号相関行列保持手段(5)にそれぞれ保持される。次に、真固有値・真固有ベクトル・偽固有ベクトル算出手段(6)で、これらの相関行列を用いて、入力信号相関行列に対する雑音相関行列の真固有値と真固有ベクトルと偽固有ベクトルを算出し、補空間成分行列算出手段(7)で、得られた真固有値と真固有ベクトルと偽固有ベクトルとに基づいて、信号部分空間の補空間成分を求める行列を算出した後、到来方向探索手段(8)で、その信号部分空間の補空間成分を求める行列を用いて、音の到来方向を探索する。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来の信号到来方向推定方式として、MUSIC(Multiple Signal Classification)法やESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)法等がよく知られている。


MUSIC法は、アレーアンテナ等に同時に到来する複数の電波等の信号の方向を測定するアルゴリズムであり、到来信号とは関係ない雑音の成分を用いて到来信号のパラメータを推定する方法である。MUSIC法による電波到来方向測定では、例えば、受信信号から得られる相関行列の固有値を求め、得られた固有値が到来波数によって信号固有値と雑音固有値とに分けられるため、雑音固有値に対応する雑音固有ベクトルを求め、得られた雑音固有ベクトルから角度スペクトルを求め、それらを角度(つまり、周波数)で平均してMUSICスペクトルを求めることにより、到来信号の到来方向を推定する。また、ESPRIT法は、基本原理はMUSIC法と同様であるが、平行なアレー面を有する複数のアレー対を配置することにより、MUSIC法において要請されるアレーの幾何学的な情報や計算量を緩和する手法である。


また、その改良手法として、例えば、特許文献1、特許文献2、および特許文献3に記載の技術が提案されている。


特許文献1記載の技術は、固有値展開を用いる代わりに、入力信号相関行列の逆行列を利用することにより、少ない計算量での到来方向推定を実現している。また、特許文献2記載の技術は、一つ目の受信器とその他の受信器の相関ベクトルのみからテブリッツ(Toeplitz)行列を構成し、これを入力信号相関行列の代わりに用いることにより、計算量の削減を実現している。また、特許文献3記載の技術は、アレーを物理的に回転させることにより、アレー間隔決定時に想定していなかった周波数の信号源が存在する場合でも到来方向推定を実現している。これらの技術は、いずれも、入力信号相関行列が正則(逆行列を持つこと)であることを前提として、計算量の削減や性能の向上を実現するものである。
【特許文献1】
特開2002-148324号公報
【特許文献2】
特開平11-133130号公報
【特許文献3】
特開2001-108734号公報

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、電波や音等の信号の到来方向を推定する信号到来方向推定装置、信号到来方向推定方法、および信号到来方向推定用プログラムに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
  信号の到来方向を推定する信号到来方向推定装置であって、
到来方向推定対象の信号が存在しない雑音のみが存在する状況下における雑音相関行列と、到来方向推定対象の信号および雑音が存在する状況下における入力信号相関行列とを算出する相関行列算出手段と、
前記雑音相関行列および前記入力信号相関行列を用いて、前記入力信号相関行列に対する前記雑音相関行列の真固有値と真固有ベクトルと偽固有ベクトルとを算出する真固有値・真固有ベクトル・偽固有ベクトル算出手段と、
前記真固有値と前記真固有ベクトルと前記偽固有ベクトルとに基づいて、前記信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、
を有する信号到来方向推定装置。
【請求項2】
  前記真固有値・真固有ベクトル・偽固有ベクトル算出手段は、
前記真固有ベクトルから、前記真固有値に基づいて、信号部分空間に対応する真固有ベクトルと、雑音部分空間に対応する真固有ベクトルとを算出し、
当該信号到来方向推定装置は、
前記偽固有ベクトルと、前記信号部分空間に対応する真固有ベクトルと、前記雑音部分空間に対応する真固有ベクトルとを用いて、前記信号部分空間の補空間成分を求める行列を算出する補空間成分行列算出手段をさらに有し、
前記到来方向推定手段は、
前記信号部分空間の補空間成分を求める行列を用いて、前記真固有値と前記真固有ベクトルと前記偽固有ベクトルとに基づいて、前記信号の到来方向を推定する、
請求項1記載の信号到来方向推定装置。
【請求項3】
  前記信号部分空間の補空間を求める行列を、MUSIC(Multiple Signal Classification)法における、雑音部分空間の基底からなる行列の代わりに用いる、
請求項2記載の信号到来方向推定装置。
【請求項4】
  前記到来方向推定対象の信号は、電波または音である、請求項1記載の信号到来方向推定装置。
【請求項5】
  信号の到来方向を推定する信号到来方向推定方法であって、
到来方向推定対象の信号が存在しない雑音のみが存在する状況下における雑音相関行列と、到来方向推定対象の信号および雑音が存在する状況下における入力信号相関行列とを算出する工程と、
前記雑音相関行列および前記入力信号相関行列を用いて、前記入力信号相関行列に対する前記雑音相関行列の真固有値と真固有ベクトルと偽固有ベクトルとを算出する工程と、
前記真固有値と前記真固有ベクトルと前記偽固有ベクトルとに基づいて、前記信号の到来方向を推定する工程と、
を有する信号到来方向推定方法。
【請求項6】
  信号の到来方向を推定させるための信号到来方向推定用プログラムであって、コンピュータに、
到来方向推定対象の信号が存在しない雑音のみが存在する状況下における雑音相関行列と、到来方向推定対象の信号および雑音が存在する状況下における入力信号相関行列とを算出する工程と、
前記雑音相関行列および前記入力信号相関行列を用いて、前記入力信号相関行列に対する前記雑音相関行列の真固有値と真固有ベクトルと偽固有ベクトルとを算出する工程と、
前記真固有ベクトルと前記偽固有ベクトルとに基づいて、前記信号の到来方向を推定する工程と、
を実行させるための信号到来方向推定用プログラム。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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24887_13SUM.gif
State of application right Registered
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