JP6997589B2 - 方位推定装置、方位推定方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、方位推定装置、方位推定方法及びプログラムに関する。

電波や音波などの波源の方位を特定するさまざまな手法が研究されている。
特許文献１には、関連する技術として、受信信号についての受信相関行列の固有値及び固有ベクトルを算出し、算出した固有値及び固有ベクトルに基づいて推定された到来方向に対応する信号成分をそれぞれ抽出する技術が記載されている。

特開２００６－３４５１１３号公報

ところで、波源の方位を特定する手法としては、例えば、ある基準線とセンサから波源への方位とのなす角度（以下、「到来角度」と記載）と、波源から送信される信号のスペクトラムとを高精度に算出することのできる手法（ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、ビーム走査など）と、到来角度を容易に算出することのできる手法（ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ、ＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）など）とが挙げられる。到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムとを高精度に算出することのできる手法は、到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムの両方を高精度に算出することができるが、一方演算時間は長い。また、センサから波源への方位を容易に算出することのできる手法は、演算時間が短いが、一方波源から送信される信号のスペクトラムが得られない。
そのため、到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムの両方を容易な処理によって得ることのできる技術が求められている。

本発明は、上記の課題を解決することのできる方位推定装置、方位推定方法及びプログラムを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様によれば、方位推定装置は、複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力する波源数入力部と、前記波源数入力部が入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出する角度算出部と、前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出するスペクトラム算出部と、前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとに基づいて、前記波源方向を推定する推定部と、を備える。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様における方位推定装置は、前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとのしきい値を記憶部に記憶させるしきい値設定部、を備え、前記推定部は、前記到来角度ごとの強度スペクトラム、および前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムのうち前記しきい値よりも高い強度スペクトラムに対応する前記波源方向を推定するものであってもよい。

本発明の第３の態様によれば、第２の態様における方位推定装置は、前記到来角度として可能性の低い角度について前記スペクトラム算出部が算出した強度スペクトラムと、前記到来角度ごとに算出された強度スペクトラムのうちの最大の強度スペクトラムとに基づいて、前記しきい値を算出するしきい値算出部、を備えるものであってもよい。

本発明の第４の態様によれば、第２の態様における方位推定装置は、前記しきい値を算出するしきい値算出部、を備えるものであってもよい。

本発明の第５の態様によれば、第４の態様における方位推定装置において、前記しきい値算出部は、前記到来角度ごとに算出された強度スペクトラムのうち最大の強度スペクトラムと最小の強度スペクトラムとの差が所定の差よりも小さい場合、再度前記しきい値を算出するものであってもよい。

本発明の第６の態様によれば、第１の態様から第５の態様の何れか１つにおける方位推定装置おいて、前記角度算出部は、前記複数のセンサを所定の範囲のセンサによって構成されるサブアレイごとの標本相間行列の総和をサブアレイ数で除算することによりアレイ全体の標本相間行列を算出するものであってもよい。

本発明の第７の態様によれば、第６の態様における方位推定装置おいて、前記角度算出部は、前記標本相間行列の固有ベクトルに基づいて、前記到来角度を算出するものであってもよい。

本発明の第８の態様によれば、方位推定方法は、複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力することと、入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出することと、前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出することと、算出した前記強度スペクトラムに基づいて、前記波源方向を推定することと、を含む。

本発明の第９の態様によれば、プログラムは、コンピュータに、複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力することと、入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出することと、算出した前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出することと、算出した前記強度スペクトラムに基づいて、波源の方位を推定することと、を実行させる。

本発明の実施形態による方位推定装置によれば、ある基準線とセンサから波源への方位とのなす角度と波源から送信される信号のスペクトラムの両方を容易な処理によって得ることができる。

本発明の第１の実施形態による受信システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態による方位推定装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態による方位推定装置の処理フローを示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるしきい値を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態におけるサブアレイを示す図である。 本発明の第２の実施形態による方位推定装置の処理フローを示す図である。 本発明の第３の実施形態による方位推定装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態におけるしきい値を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態において推定部が推定する方位推定結果の評価を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態による方位推定装置の処理フローを示す図である。 本発明の第６の実施形態においてスペクトラム算出部が算出するスペクトラムを説明するための図である。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
本発明の第１の実施形態による受信システム１は、波源数を指定することによってセンサから波源への方位を容易に算出することのできる手法（ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ、ＥＳＰＲＩＴなど）を用いて、基準線とセンサから各波源への方位とのなす角度（以下、「到来角度」と記載）を算出する。受信システム１は、センサが検出する波源から送信される信号の到来角度と強度を示すスペクトラム（強度スペクトラム）（以下、「スペクトラム」と記載）とを高精度に算出することのできる手法（ＭＵＳＩＣ、ビーム走査など）に算出した到来角度を適用する。こうすることによって、受信システム１は、各到来角度と各波源が送信する信号のスペクトラムとを算出して、波源の方位（すなわち、センサから波源へ向かうベクトルが示す方向）を推定する。本発明の第１の実施形態による受信システム１では、波源数を指定することによって到来角度を容易に算出することのできる手法としてｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法を用い、到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムとを高精度に算出することのできる手法としてＭＵＳＩＣ手法を用いる場合を例に説明する。

受信システム１は、図１に示すように、複数のセンサ１０、方位推定装置２０を備える。
複数のセンサ１０のそれぞれは、各波源が送信した信号を受信する。図１に示す複数のセンサ１０の例では、受信システム１には、Ｍ個のセンサ１０が備えられ、アレイセンサを構成する。
方位推定装置２０は、図２に示すように、波源数入力部２０１、角度算出部２０２、スペクトラム算出部２０３、推定部２０４、しきい値設定部２０５、記憶部２０６を備える。

波源数入力部２０１は、複数のセンサ１０が受信する受信信号に基づいて、想定する波源数Ｌ’を入力する。ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法は、設定した波源数と同数の到来角度を算出するものである。設定した波源数が実際の波源数に比べて少ない場合、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法では、すべての到来角度を算出することができない。そのため、波源数入力部２０１は、真の波源数Ｌ以上の想定した波源数Ｌ’を入力する必要がある。例えば、受信信号の波形に最も近い過去の受信信号の波形を特定し、その過去の受信信号の波源について実際に方位推定を行ったときの過去の実績の波源数（すなわち真の波源数Ｌに最も近いと思われる波源数）に、真の波源数Ｌを超えると思われる分の波源数を上乗せした波源数Ｌ’を入力する。なお、上乗せする波源数は、例えば、過去の実績の波源数の０．２倍の波源数、３つなどの一定の数を示す波源数である。また、想定した波源数Ｌ’は、真の波源数Ｌと同数であってもよい。

角度算出部２０２は、波源数入力部２０１が入力した波源数Ｌ’と同数の到来角度を算出する。
スペクトラム算出部２０３は、角度算出部２０２が算出した到来角度ごとにスペクトラムを算出する。

推定部２０４は、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムに基づいて、各波源の方位を推定する。具体的には、推定部２０４は、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムと、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値とを比較する。そして、推定部２０４は、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムの中からしきい値以上のスペクトラムを特定する。推定部２０４は、センサ１０を通る基準線に対して特定したスペクトラムに対応する到来角度をなすセンサ１０から離れる向きのベクトルが示す方向を波源の方位と推定する。また、推定部２０４は、推定した波源の方位に向かって、スペクトラムが示す値に応じた距離だけ離れた位置を波源と特定する。ここで、スペクトラムが示す値に応じた距離は、過去の実績おける特定されるセンサ１０から波源までの距離であってよい。また、スペクトラムが示す値に応じた距離は、シミュレーションや実験に基づいて算出されるセンサ１０から波源までの距離であってもよい。

しきい値設定部２０５は、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を記憶部２０６に記憶させる。
記憶部２０６は、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値など、方位推定装置２０が行う処理に必要な種々の情報を記憶する。

次に、図３に示す方位推定装置２０の処理について説明する。
ここでは、方位推定装置２０の処理の一例として、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法及びＭＵＳＩＣ手法を用いて波源の方位を推定する場合の処理について説明する。
なお、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法では、各センサ１０が等間隔で配置されているという想定の下で到来角度が算出される。そのため、ここで説明する複数のセンサ１０として、Ｍ個のセンサ１０が等間隔で配置されているものとする。また、波源数入力部２０１は、複数のセンサ１０が受信する受信信号に基づいて、予め想定する波源数Ｌ’を入力し、記憶部２０６に記憶させているものとする。

角度算出部２０２は、時刻ｋにおいて、Ｍ個のセンサ１０を介して信号を受信する（ステップＳ１）。角度算出部２０２は、受信した信号を記憶部２０６に記憶させる（ステップＳ２）。Ｍ個のセンサ１０が受信する受信信号は、次の式（１）で示す受信信号として表すことができる。

式（１）が示す受信信号ｘ（ｋ）は、真の波源数がＬの場合には、次の式（２）のように表すことができる。

式（２）において、記号ｓ_ｌ（ｋ）は、波源信号である。また、記号ｎ（ｋ）は、白色ガウスの観測雑音である。また、記号ａ（θ）は、方向ベクトル（アレイ素子配置に応じて定まる位相差を表現するベクトル）である。方向ベクトルａ（θ）は、次の式（３）のように表すことができる。

ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法では（ＭＵＳＩＣ手法でも）、受信信号ベクトルの空間自己相関行列の固有ベクトルが必要である。角度算出部２０２は、相関点数をＰとおき、時刻ｋにおける標本相関行列Ｒ_ｘ（ｋ）を、次の式（４）のように計算する（ステップＳ３）。相間点数Ｐとは、標本相関行列を計算するのに使用する信号のサンプル数のことである。

式（４）において、記号Ｈはエルミート転置を表す。角度算出部２０２は、記憶部２０６から想定した波源数Ｌ’を読み出す（ステップＳ４）。標本相関行列Ｒ_ｘ（ｋ）の固有値をλ_１＞λ_２＞・・・＞λ_Ｍとする（ステップＳ４）。また、角度算出部２０２は、標本相関行列Ｒ_ｘ（ｋ）の固有ベクトルをｅ_１、ｅ_２、・・・、ｅ_Ｍとする（ステップＳ４）。なお、理論上は、λ_１≧λ_２≧・・・≧λ_Ｌ＞λ_Ｌ＋１＝λ_Ｌ＋２＝・・・＝λ_Ｍとなるが、角度算出部２０２は、相間行列の計算誤差などの影響を考慮して、固有値を上記のようにする。
ここで、ＭＵＳＩＣスペクトラム関数Ｐ_Ｍ（θ）は、次の式（５）のように表すことができる。

式（５）において、記号Ｌ’は想定した波源数である。なお、一般にはＬ≠Ｌ’である。
ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法では、スペクトラムを算出しない。そのため、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法では、式（５）で表されるＭＵＳＩＣスペクトラム関数Ｐ_Ｍ（θ）の分母が０となる角度θが直接算出される。
角度算出部２０２は、方向ベクトルａ（θ）を記号ｐ（ｚ）と定義し、ｐ^Ｈ（ｚ）の代わりにｐ^Ｔ（ｚ^－１）を用いることで、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ多項式Ｑ（ｚ）を、次の式（６）とする。

角度算出部２０２は、式（６）で表されるｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ多項式Ｑ（ｚ）の係数α_０、α_１・・・、α_{２（Ｍ－１）}を導出する。角度算出部２０２は、導出した係数α_０、α_１・・・、α_{２（Ｍ－１）}を用いて、次の式（７）で表される多項方程式を導出する。

角度算出部２０２は、式（７）を解き、複素数の解ｚ_ｑ、ｑ＝１、２、・・・、２（Ｍ－１）を求める。複素数の解ｚ_ｑ、ｑ＝１、２、・・・、２（Ｍ－１）のうち、大きさが１となる２重解をｚ_ｌ、ｌ＝１、２、・・・、Ｌ’とおくと、角度算出部２０２は、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法による方位推定結果である到来角度θ_ｌを、次の式（８）のように算出する（ステップＳ５）。

式（８）において、記号ｌは各波源、記号λは波長、記号ｄはセンサ１０どうしの間隔である。

上記のように、角度算出部２０２は、各波源ｌ（ｌ＝１、２、・・・、Ｌ’）について対応する到来角度θ_ｌを算出することができる。
なお、想定した波源数Ｌ’は、真の波源数Ｌと同数であればすべての真の波源を特定することができる。しかしながら、真の波源数Ｌは未知であり、想定した波源数Ｌ’が真の波源数Ｌを下回った数に設定する可能性があり、その場合、特定できない真の波源が出てしまう。そのため、ここでは、特定できない真の波源が出ない例として、想定した波源数Ｌ’を真の波源数Ｌよりも大きいと思われる波源数に設定している。したがって、このとき、角度算出部２０２がｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法を用いて算出した到来角度θ_ｌには、（Ｌ’－Ｌ）個の誤った到来角度が含まれている。

スペクトラム算出部２０３は、角度算出部２０２が算出した到来角度θ_ｌごとにスペクトラムを算出する（ステップＳ６）。

ここで、しきい値設定部２０５は、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を、図４に示すように、ステップＳ６の処理においてスペクトラム算出部２０３が算出したスペクトラムの最大値と最小値との間の値に決定し、記憶部２０６に記憶させる。

推定部２０４は、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムと、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値とを比較する（ステップＳ７）。そして、推定部２０４は、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムの中からしきい値以上のスペクトラムを特定する。推定部２０４は、センサ１０を通る基準線に対して特定したスペクトラムに対応する到来角度をなすセンサ１０から離れる向きのベクトルが示す方向を波源の方位と推定する（ステップＳ８）。また、推定部２０４は、推定した方位に向かって、スペクトラムが示す値に応じた距離だけ離れた位置を波源と特定する。推定部２０４は、時間を更新して（ステップＳ９）、ステップＳ１へと戻す。
なお、スペクトラム算出部２０３が角度算出部２０２が算出した到来角度ごとに算出するスペクトラムは、最大のスペクトルが０ｄＢとなるように正規化するものであってもよい。

以上、本発明の第１の実施形態による受信システム１について説明した。
受信システム１の方位推定装置２０において、角度算出部２０２は、波源数入力部２０１が入力した波源数Ｌ’と同数の到来角度を算出する。スペクトラム算出部２０３は、角度算出部２０２が算出した到来角度ごとにスペクトラムを算出する。波源数Ｌ’の波源には真の波源数Ｌ以外の波源が含まれている可能性が高い。推定部２０４は、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムと、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値とを比較して、真の波源の方位を推定する。
このようにすれば、方位推定装置２０は、ある基準線とセンサから波源への方位とのなす角度（すなわち、到来角度）と波源から送信される信号のスペクトラムの両方を容易な処理によって得ることができる。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態による受信システム１について説明する。
本発明の第２の実施形態による受信システム１は、複数のセンサ１０について、例えば、図５に示すように、すべてのセンサ１０のうちのある部分のセンサ１０から成り、センサ１つ分ずつずらしたサブアレイ（図５に示す例では、２つのセンサ１０から成るサブアレイ）を定義し、サブアレイごとに、標本相関行列を計算する。そして、受信システム１は、計算したサブアレイごとの標本相関行列を用いて、全体の標本相関行列を算出する。

次に、図６に示す方位推定装置２０の処理について説明する。
角度算出部２０２は、時刻ｋにおいて、Ｍ個のセンサ１０を介して信号を受信する（ステップＳ１）。このとき、角度算出部２０２は、サブアレイごとの標本関数行列を算出する（ステップＳ１０）。すべてのセンサ１０の数をＭとし、サブアレイの数をＭよりも小さいＭ_ｓとすると、サブアレイ数Ｎ_ｓは（Ｍ－Ｍ_ｓ＋１）となる。このとき、角度算出部２０２は、第ｑサブアレイの標本相関行列を、次の式（９）のように算出する。

式（９）において、次の式（１０）で示される部分は、アレイ受信信号ベクトルｘ（ｋ）の第ｑ～第（ｑ＋Ｍ_ｓ－１）成分までを抽出した、サブアレイの受信信号ベクトルである。

角度算出部２０２は、サブアレイの標本相関行列の平均を、次の式（１１）のようにアレイ全体の標本相関行列を算出する（ステップＳ１１）。この式（１１）のようにアレイ全体の標本相関行列を算出する手法は、空間平均法の１つであり、平均化手法の一例である。

以上、本発明の第２の実施形態による受信システム１について説明した。
受信システム１の方位推定装置２０において、角度算出部２０２は、サブアレイごとの標本相関行列を算出し、サブアレイごとの標本相関行列を平均化することで、アレイ全体の標本相関行列を算出する。
このようにすれば、方位推定装置２０は、本発明の第１の実施形態における相関点数Ｐよりも少ない相関点数で、各波源から送信される信号どうしの相関関係を算出することができ、本発明の第１の実施形態における方位推定装置２０と同等に波源の方位推定を行うことができる。
なお、角度算出部２０２は、Ｆｏｒｗａｒｄ－Ｂａｃｋｗａｒｄ空間平均法（各波源同士の相関を低減する公知技術であり、平均化手法の一例である）を用いて、サブアレイの標本相関行列の平均を算出するものであってもよい。
なお、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法を用いる場合には、各サブアレイの配置が同一であるため、空間平均法を適用できる条件が成立しているため、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法と空間平均法とは相性がよい。

＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態による受信システム１について説明する。
本発明の第３の実施形態による受信システム１は、本発明の第１の実施形態による受信システム１と同様に、波源数を指定することによって到来角度を容易に算出することのできる手法としてｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法を用い、到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムとを高精度に算出することのできる手法としてＭＵＳＩＣ手法を用いるシステムである。
本発明の第３の実施形態による受信システム１は、図７に示すように、方位推定装置２０が波源数入力部２０１、角度算出部２０２、スペクトラム算出部２０３、推定部２０４、しきい値設定部２０５、記憶部２０６に加えて、しきい値算出部２０７を備える。そして、しきい値設定部２０５は、しきい値算出部２０７が算出したしきい値を記憶部２０６に記憶させ、推定部２０４は、しきい値算出部２０７が算出したしきい値を用いて真の波源の方位を推定する点が本発明の第１の実施形態による受信システム１と異なる。

しきい値算出部２０７は、スペクトラム算出部２０３が波源の方向として可能性の低い角度（例えば、到来角度の－９０度、９０度など）についてスペクトラムを算出する。しきい値算出部２０７が算出したこのスペクトラムは、波源ではない方位からの信号のスペクトラムであるため、スペクトラムの最小値に近い値であると考えられる。
しきい値算出部２０７は、スペクトラム算出部２０３が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラムと、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最大のスペクトラムとに基づいて、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する。例えば、しきい値算出部２０７は、図８に示すように、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最大のスペクトラムと、スペクトラム算出部２０３が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラムとの差ΔＰを算出する。しきい値算出部２０７は、差ΔＰに所定の値βを乗算した値を、スペクトラム算出部２０３が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラムに加算することによって、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する。
しきい値設定部２０５は、しきい値算出部２０７が算出したしきい値を記憶部２０６に記憶させる。
推定部２０４は、記憶部２０６からしきい値算出部２０７が算出したしきい値を読み出す。推定部２０４は、しきい値算出部２０７が算出したしきい値と、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムとを比較する。

以上、本発明の第３の実施形態による受信システム１について説明した。
受信システム１の方位推定装置２０において、しきい値算出部２０７は、スペクトラム算出部２０３が波源の方向として可能性の低い角度についてスペクトラムを算出する。しきい値算出部２０７は、スペクトラム算出部２０３が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラムと、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最大のスペクトラムとに基づいて、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する。しきい値設定部２０５は、しきい値算出部２０７が算出したしきい値を記憶部２０６に記憶させる。推定部２０４は、記憶部２０６からしきい値算出部２０７が算出したしきい値を読み出す。推定部２０４は、しきい値算出部２０７が算出したしきい値と、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムとを比較する。
このようにすれば、方位推定装置２０は、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を適切に算出することができ、方位推定装置２０は、正しく波源の方位推定を行うことができる。
なお、本発明の第３の実施形態では、本発明の第１の実施形態による受信システム１について、しきい値算出部２０７が算出したしきい値を適用する例を示した。しかしながら、本発明の別の実施形態では、本発明の第２の実施形態による受信システム１について、しきい値算出部２０７が算出したしきい値を適用するものであってもよい。

＜第４の実施形態＞
以下、本発明の第４の実施形態による受信システム１について説明する。
本発明の第４の実施形態では、本発明の第１～３の実施形態における受信システム１おいて、推定部２０４が推定した方位推定結果を評価する方法について説明する。
推定部２０４が推定した方位推定結果が、例えば、図９（ｂ）に示すように、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最大のスペクトラムと、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最小のスペクトラム（本発明の第３の実施形態の場合、スペクトラム算出部２０３が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラム）との差ΔＰ_Ｍが、図９（ａ）に示す正しく推定された場合の差ΔＰ_Ｍに比べて小さい場合には、推定部２０４が推定した方位推定結果が適切ではないことが考えられる。
そのため、図１０に示すように、推定部２０４は、最大のスペクトラムと最小のスペクトラムとの差ΔＰ_Ｍを計算する（ステップＳ１２）。
推定部２０４は、差ΔＰ_Ｍが所定の差よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１３）。
推定部２０４は、差ΔＰ_Ｍが所定の差以下であると判定した場合する（ステップＳ１３においてＮＯ）、ステップＳ９の処理に戻す。
また、推定部２０４が差ΔＰ_Ｍが所定の差よりも大きいと判定した場合（ステップＳ１３においてＹＥＳ）、しきい値算出部２０７は、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する（ステップＳ１４）。そして、しきい値算出部２０７は、ステップＳ７の処理に進める。

以上、本発明の第４の実施形態による受信システム１について説明した。
受信システム１の方位推定装置２０において、推定部２０４は、最大のスペクトラムと最小のスペクトラムとの差ΔＰ_Ｍを計算する。推定部２０４は、差ΔＰ_Ｍが所定の差よりも大きいか否かを判定する。推定部２０４は、差ΔＰ_Ｍが所定の差以下であると判定した場合する、データを取得し直す。推定部２０４が差ΔＰ_Ｍが所定の差よりも大きいと判定した場合には、しきい値算出部２０７は、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する。そして、しきい値算出部２０７は、推定部２０４は、しきい値算出部２０７が算出したしきい値と、スペクトラム算出部２０３が算出した到来角度ごとのスペクトラムとを比較する。
このようにすれば、方位推定装置２０は、正しく波源の方位推定を行うことができる。

＜第５の実施形態＞
以下、本発明の第５の実施形態による受信システム１について説明する。
本発明の第５の実施形態における受信システム１おいて、波源数に変化がないアプリケーションの場合には、波源数入力部２０１が入力する想定する波源数Ｌ’として、前回算出した推定部２０４が推定した真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値以上のスペクトラムの数、すなわち、前回、推定部２０４が真の波源と推定した波源数Ｌを採用する。つまり、推定部２０４は、想定する波源数Ｌ’（ｋ＋１）として真の波源数Ｌ（ｋ）を採用する。
または、本発明の第５の実施形態における受信システム１おいて、常に波源数が変化するアプリケーションの場合には、波源数入力部２０１が入力する想定する波源数Ｌ’として、前回算出した推定部２０４が推定した真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値以上のスペクトラムの数Ｌに、波源数の変化による増大分の波源数ΔＬを上乗せした波源数を採用する。つまり、推定部２０４は、想定する波源数Ｌ’（ｋ＋１）として真の波源数Ｌ（ｋ）に増大分の波源数ΔＬを加算した波源数を採用する。なお、ΔＬは、正の整数である。

以上、本発明の第５の実施形態による受信システム１について説明した。
受信システム１の方位推定装置２０において、波源数に変化がないアプリケーションの場合には、波源数入力部２０１は、想定する波源数Ｌ’（ｋ＋１）として真の波源数Ｌ（ｋ）を採用する。また、常に波源数が変化するアプリケーションの場合には、推定部２０４は、想定する波源数Ｌ’（ｋ＋１）として真の波源数Ｌ（ｋ）に増大分の波源数ΔＬを加算した波源数を採用する。
このようにすれば、方位推定装置２０は、不要な演算を低減することができ、演算時間を短縮することができる。

＜第６の実施形態＞
以下、本発明の第６の実施形態による受信システム１について説明する。
角度算出部２０２がｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法を用いて算出した到来角度の精度が悪い場合には、その到来角度に対応するスペクトラムが極大となるスペクトラムからずれてしまい、場合によっては、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を下回る可能性がある。
そのため、本発明の第６の実施形態では、スペクトラム算出部２０３は、角度算出部２０２がｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法を用いて算出した到来角度と、その角度の前後の所定の範囲の角度について、スペクトラムを算出する。例えば、スペクトラム算出部２０３は、図１１に示すように、角度算出部２０２がｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法を用いて算出した到来角度θ_１、θ_２、θ_３、θ_４のそれぞれに対応するスペクトラムと、到来角度θ_１、θ_２、θ_３、θ_４のそれぞれの前後±Δθに対応するスペクトラムとを計算する。なお、Δθは、スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな値とする。

以上、本発明の第６の実施形態による受信システム１について説明した。
受信システム１の方位推定装置２０において、スペクトラム算出部２０３は、角度算出部２０２がｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ手法を用いて算出した到来角度と、その角度の前後の所定の範囲の角度について、スペクトラムを算出する。
このようにすれば、方位推定装置２０は、正しく波源の方位推定を行うことができる。

なお、本発明の実施形態における処理は、適切な処理が行われる範囲において、処理の順番が入れ替わってもよい。

本発明の実施形態における記憶部２０６、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲においてどこに備えられていてもよい。また、記憶部２０６、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲において複数存在しデータを分散して記憶していてもよい。

本発明の実施形態について説明したが、上述の受信システム１、方位推定装置２０、その他の制御装置は内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。コンピュータの具体例を以下に示す。
図１２は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ５は、図１２に示すように、ＣＰＵ６、メインメモリ７、ストレージ８、インターフェース９を備える。
例えば、上述の受信システム１、方位推定装置２０、その他の制御装置のそれぞれは、コンピュータ５に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ８に記憶されている。ＣＰＵ６は、プログラムをストレージ８から読み出してメインメモリ７に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ６は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ７に確保する。

ストレージ８の例としては、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ８は、コンピュータ５のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インターフェース９または通信回線を介してコンピュータ５に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ５に配信される場合、配信を受けたコンピュータ５が当該プログラムをメインメモリ７に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ８は、一時的でない有形の記憶媒体である。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現してもよい。さらに、上記プログラムは、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるファイル、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例であり、発明の範囲を限定しない。これらの実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、省略、置き換え、変更を行ってよい。

１・・・受信システム
５・・・コンピュータ
６・・・ＣＰＵ
７・・・メインメモリ
８・・・ストレージ
９・・・インターフェース
１０・・・センサ
２０・・・方位推定装置
２０１・・・波源数入力部
２０２・・・角度算出部
２０３・・・スペクトラム算出部
２０４・・・推定部
２０５・・・しきい値設定部
２０６・・・記憶部
２０７・・・しきい値算出部

Claims (9)

1. 複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力する波源数入力部と、
   前記波源数入力部が入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出する角度算出部と、
   前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出するスペクトラム算出部と、
   前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとに基づいて、前記波源方向を推定する推定部と、
   を備える方位推定装置。
2. 前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとのしきい値を記憶部に記憶させるしきい値設定部、
   を備え、
   前記推定部は、
   前記到来角度ごとの強度スペクトラム、および前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムのうち前記しきい値よりも高い強度スペクトラムに対応する前記波源方向を推定する、
   請求項１に記載の方位推定装置。
3. 前記到来角度として可能性の低い角度について前記スペクトラム算出部が算出した強度スペクトラムと、前記到来角度ごとに算出された強度スペクトラムのうちの最大の強度スペクトラムとに基づいて、前記しきい値を算出するしきい値算出部、
   を備える請求項２に記載の方位推定装置。
4. 前記しきい値を算出するしきい値算出部、
   を備える請求項２に記載の方位推定装置。
5. 前記しきい値算出部は、
   前記到来角度ごとに算出された強度スペクトラムのうち最大の強度スペクトラムと最小の強度スペクトラムとの差が所定の差よりも小さい場合、再度前記しきい値を算出する、
   請求項４に記載の方位推定装置。
6. 前記角度算出部は、
   前記複数のセンサを所定の範囲のセンサによって構成されるサブアレイごとの標本相間行列の総和をサブアレイ数で除算することによりアレイ全体の標本相間行列を算出する、
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載の方位推定装置。
7. 前記角度算出部は、
   前記標本相間行列の固有ベクトルに基づいて、前記到来角度を算出する、
   請求項６に記載の方位推定装置。
8. 複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力することと、
   入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出することと、
   前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出することと、
   算出した前記強度スペクトラムに基づいて、前記波源方向を推定することと、
   を含む方位推定方法。
9. コンピュータに、
   複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力することと、
   入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出することと、
   算出した前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出することと、
   算出した前記強度スペクトラムに基づいて、波源の方位を推定することと、
   を実行させるプログラム。

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