JP2020134484A - Azimuth estimation device, azimuth estimation system, azimuth estimation method and program - Google Patents

Abstract

To obtain an azimuth estimation device capable of appropriately estimating the azimuth of a narrow band signal when mixing a broadband signal and the narrow band signal to a signal to be subjected to azimuth estimation processing.SOLUTION: An azimuth estimation device comprises: a beam forming part for forming a plurality of beam waveforms corresponding to a plurality of azimuths using the outputs of three acoustic sensors consisting of a non-directional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having line symmetric directivity to a straight line passing through the center of the non-directional acoustic sensor and a second directional acoustic sensor having directivity orthogonal to the directivity of the first directive acoustic sensor; and a narrow band signal estimation part for estimating the arrival azimuth of the narrow band signal after subtracting and/or suppressing the broadband signal on the basis of the plurality of beam waveforms outputted from the beamforming part to the outputs of the three acoustic sensors.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、信号の到来方位を推定する方位推定装置、方位推定システム、方位推定方法、およびその方法をコンピュータに実行させるプログラムに関する。 The present invention relates to an azimuth estimation device for estimating the direction of arrival of a signal, an azimuth estimation system, an azimuth estimation method, and a program for causing a computer to execute the method.

ＤＩＦＡＲ（Directional Frequency Analysis and Recording）ソノブイが受信した音響信号から狭帯域信号の到来方位を推定する方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に開示された方法では、ＯＭＮＩ指向性受波器出力のレベル、ＮＳ指向性受波器出力のレベルおよびＥＷ指向性受波器出力レベルを入力として、これらのレベル比に基づいて、狭帯域信号の到来方位が推定される。 A method of estimating the arrival direction of a narrowband signal from an acoustic signal received by a DIFAR (Directional Frequency Analysis and Recording) sonobuoy is disclosed (see, for example, Non-Patent Document 1). In the method disclosed in Non-Patent Document 1, the level of the OMNI directional receiver output, the level of the NS directional receiver output and the EW directional receiver output level are used as inputs, and based on these level ratios. , The direction of arrival of the narrowband signal is estimated.

Abdall Osman, Aboelamgd Nourledin, Naser El-Sheimy, Jim Theriault and Scott Campbell, ”Improved target detection and bearing estimation utilizing fast orthogonal search for real-time spectral analysis”, Meas.Sci.Technol.20(2009),27 April 2009Abdall Osman, Aboelamgd Nourledin, Naser El-Sheimy, Jim Theriault and Scott Campbell, "Improved target detection and bearing estimation utilizing fast orthogonal search for real-time spectral analysis", Meas.Sci.Technol.20 (2009), 27 April 2009

しかし、従来の方法では、方位推定処理対象の信号にレベルの大きな広帯域信号とレベルの小さな狭帯域信号とが混在する場合、狭帯域信号の方位を適切に推定できないという問題があった。 However, the conventional method has a problem that the orientation of the narrowband signal cannot be estimated appropriately when the signal to be processed for orientation estimation contains a wideband signal having a large level and a narrowband signal having a small level.

本発明に係る方位推定装置は、無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成するビームフォーミング部と、前記３つの音響センサの出力に対して、前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行ってから、狭帯域信号の到来方位を推定する狭帯域信号推定部と、を有するものである。 The orientation estimation device according to the present invention includes an omnidirectional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having line-symmetrical directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor, and the first directional acoustic sensor. A beam forming unit that generates a plurality of beam waveforms corresponding to a plurality of directions by using the output of three acoustic sensors composed of a second directional acoustic sensor having a directional direction orthogonal to the directionalness of the acoustic sensor. With respect to the outputs of the three acoustic sensors, one or both of subtraction and suppression of the wideband signal are performed based on the plurality of beam waveforms output from the beam forming unit, and then the arrival direction of the narrowband signal is estimated. It has a narrow band signal estimation unit and a narrow band signal estimation unit.

本発明に係る方位推定システムは、無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサを含むダイファーセンサと、上記の方位推定装置と、を有するものである。 The orientation estimation system according to the present invention includes an omnidirectional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having line-symmetric directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor, and the first directivity. It has a differ sensor including a second directional acoustic sensor having a directivity orthogonal to the directivity of the acoustic sensor, and the above-mentioned orientation estimation device.

本発明に係る方位推定方法は、無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて狭帯域信号の到来方位を推定する方位推定方法であって、前記３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成し、前記３つの音響センサの出力に対して、生成された前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行った後、前記狭帯域信号の到来方位を推定するものである。 The orientation estimation method according to the present invention includes an omnidirectional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having line-symmetrical directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor, and the first directional acoustic sensor. This is an azimuth estimation method for estimating the arrival azimuth of a narrow band signal using the outputs of three acoustic sensors consisting of a second directional acoustic sensor having a directional direction orthogonal to the directionalness of the acoustic sensor. The output of the acoustic sensor is used to generate a plurality of beam waveforms corresponding to a plurality of directions, and a wide band signal is subtracted and suppressed from the outputs of the three acoustic sensors based on the generated plurality of beam waveforms. After performing one or both, the arrival direction of the narrow band signal is estimated.

本発明に係るプログラムは、無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて狭帯域信号の到来方位を推定するコンピュータに、前記３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成する手段と、前記３つの音響センサの出力に対して、生成された前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行った後、前記狭帯域信号の到来方位を推定する手段として機能させるものである。 The program according to the present invention includes an omnidirectional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having line-symmetrical directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor, and the first directional acoustic sensor. The outputs of the three acoustic sensors are used in a computer that estimates the arrival direction of a narrow band signal using the outputs of three acoustic sensors consisting of a second directional acoustic sensor having a directional direction orthogonal to the directional of the above. A means for generating a plurality of beam waveforms corresponding to a plurality of directions, and one or both of subtracting and suppressing a wide band signal based on the generated plurality of beam waveforms with respect to the outputs of the three acoustic sensors. After that, it functions as a means for estimating the arrival direction of the narrow band signal.

本発明によれば、無指向性音響センサ、第１の指向性音響センサおよび第２の指向性音響センサの各音響センサの出力に対して、広帯域信号の減算および抑制のうち、少なくとも一方が行われるため、狭帯域信号の到来方位の推定能力が向上する。 According to the present invention, at least one of the subtraction and suppression of the broadband signal is performed with respect to the output of each acoustic sensor of the omnidirectional acoustic sensor, the first directional acoustic sensor, and the second directional acoustic sensor. Therefore, the ability to estimate the arrival direction of the narrow band signal is improved.

本発明の実施の形態１に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the orientation estimation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. ＤＩＦＡＲセンサに含まれる各音響センサの指向性を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows the directivity of each acoustic sensor included in a DIFAR sensor. 比較例の方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one configuration example of the orientation estimation device of a comparative example. 図３に示す比較例の方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation procedure of the direction estimation apparatus of the comparative example shown in FIG. 図２に示した各音響センサの指向性を示す模式図において、狭帯域信号と広帯域信号とが混在する場合の推定方位の結果を示すイメージである。In the schematic diagram showing the directivity of each acoustic sensor shown in FIG. 2, it is an image showing the result of the estimated azimuth when a narrow band signal and a wide band signal are mixed. 図１に示した方位推定装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the hardware composition of the orientation estimation apparatus shown in FIG. 図１に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation procedure of the direction estimation apparatus shown in FIG. 本発明の実施の形態１に係る方位推定システムの一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one configuration example of the orientation estimation system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図８に示したＤＩＦＡＲセンサを有するＤＩＦＡＲソノブイの一構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one configuration example of the DIFAR sonobuoy having the DIFAR sensor shown in FIG. 本発明の実施の形態２に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the orientation estimation apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 図１０に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation procedure of the direction estimation apparatus shown in FIG. 図１１に示した周波数分析部の出力の一例を示すイメージである。It is an image which shows an example of the output of the frequency analysis unit shown in FIG. 図１２に示した周波数分析の出力に対して、周波数方向の正規化処理を適用したときの結果を示すイメージである。It is an image which shows the result when the normalization process in a frequency direction is applied to the output of the frequency analysis shown in FIG. 本発明の実施の形態３に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the orientation estimation apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 図１４に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation procedure of the direction estimation apparatus shown in FIG. 本発明の実施の形態４に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the orientation estimation apparatus which concerns on Embodiment 4 of this invention. 図１６に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation procedure of the direction estimation apparatus shown in FIG. 本発明の実施の形態５に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the orientation estimation apparatus which concerns on Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態６に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the orientation estimation apparatus which concerns on Embodiment 6 of this invention.

実施の形態１．
本実施の形態１の方位推定装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。図１に示すように、方位推定装置１は、広帯域信号推定部２と、狭帯域信号推定部３とを有する。 Embodiment 1.
The azimuth estimation device of the first embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an orientation estimation device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the azimuth estimation device 1 includes a wideband signal estimation unit 2 and a narrowband signal estimation unit 3.

方位推定装置１には、図に示さないＤＩＦＡＲ（ダイファー）センサを有するＤＩＦＡＲソノブイから、ＯＭＮＩ指向性（無指向性）音響センサ、ＮＳ指向性音響センサおよびＥＷ指向性音響センサの３つの音響センサの出力が入力される。ＤＩＦＡＲソノブイは、海に投下され、航行する船舶等が発生する音を検出するソナーの一例である。時間をｔとすると、ＯＭＮＩ指向性音響センサの出力波形をＳｏ（ｔ）と表し、ＮＳ指向性音響センサの出力波形をＳｎｓ（ｔ）と表し、ＥＷ指向性音響センサの出力波形をＳｅｗ（ｔ）と表す。 The orientation estimation device 1 includes three acoustic sensors, from a DIFAR sonobuoy having a DIFA sensor (not shown in the figure), an OMNI directional (omnidirectional) acoustic sensor, an NS directional acoustic sensor, and an EW directional acoustic sensor. The output is input. DIFAR sonobuoy is an example of sonobuoy that detects the sound generated by a ship that is dropped into the sea and sails. When time is t, the output waveform of the OMNI directional acoustic sensor is expressed as So (t), the output waveform of the NS directional acoustic sensor is expressed as Sns (t), and the output waveform of the EW directional acoustic sensor is See (t). ).

ここで、本実施の形態１の方位推定装置１の構成を詳しく説明する前に、比較例の方位推定装置の構成を説明する。 Here, before explaining the configuration of the azimuth estimation device 1 of the first embodiment in detail, the configuration of the azimuth estimation device of the comparative example will be described.

（比較例の方位推定装置の構成）
図２は、ＤＩＦＡＲセンサに含まれる各音響センサの指向性を表す模式図である。図３は、比較例の方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。図２では、ＯＭＮＩ指向性を実線で示し、ＮＳ指向性を破線で示し、ＥＷ指向性を一点鎖線で示している。図２では、各種センサの指向性の説明のために、ＤＩＦＡＲセンサの基準点と、この基準点を通り、磁北を向くＮＳ軸と、基準点を通り、ＮＳ軸に直交するＥＷ軸とを仮定している。 (Configuration of azimuth estimation device in comparative example)
FIG. 2 is a schematic diagram showing the directivity of each acoustic sensor included in the DIFAR sensor. FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the orientation estimation device of the comparative example. In FIG. 2, the OMNI directivity is indicated by a solid line, the NS directivity is indicated by a broken line, and the EW directivity is indicated by a dashed line. In FIG. 2, for the purpose of explaining the directivity of various sensors, it is assumed that the reference point of the DIFAR sensor, the NS axis passing through the reference point and facing magnetic north, and the EW axis passing through the reference point and orthogonal to the NS axis. are doing.

図２を参照すると、ＯＭＮＩ指向性は、無指向性なので、ＤＩＦＡＲセンサの基準点を中心として円で表されている。ＮＳ指向性は、ＤＩＦＡＲセンサの基準点を接点とし、ＮＳ軸に沿って配置された２つの円で表されている。これらの２つの円はＯＭＮＩ指向性を表す円に内接している。ＥＷ指向性は、ＤＩＦＡＲセンサの基準点を接点とし、ＥＷ軸に沿って配置された２つの円で表されている。これらの２つの円もＯＭＮＩ指向性を表す円に内接している。ＮＳ指向性音響センサは、無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサの一例である。ＥＷ指向性音響センサは、第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサの一例である。 With reference to FIG. 2, since the OMNI directivity is omnidirectional, it is represented by a circle centered on the reference point of the DIFAR sensor. The NS directivity is represented by two circles arranged along the NS axis with the reference point of the DIFAR sensor as a contact point. These two circles are inscribed in the circle representing OMNI directivity. The EW directivity is represented by two circles arranged along the EW axis with the reference point of the DIFAR sensor as a contact point. These two circles are also inscribed in the circle representing OMNI directivity. The NS directional acoustic sensor is an example of a first directional acoustic sensor having a line-symmetric directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor. The EW directional acoustic sensor is an example of a second directional acoustic sensor having a directivity orthogonal to the directivity of the first directional acoustic sensor.

図３に示すように、比較例の方位推定装置１００は、周波数分析部３２と、相互相関計算部３３と、方位算出部３５とを有する。周波数分析部３２は、各音響センサの出力に対して周波数を分析する。相互相関計算部３３は、無指向性音響センサの出力とＮＳ指向性音響センサの出力との相互相関である第１相関を算出する。また、相互相関計算部３３は、無指向性音響センサの出力とＥＷ指向性音響センサの出力との相互相関である第２相関を算出する。方位算出部３５は、相互相関計算部３３によって算出された第１相関および第２相関に逆三角関数を用いて、狭帯域信号の到来方位を算出する。方位算出部３５は、例えば、逆三角関数としてａｒｃｔａｎを用いて到来方位を算出する。 As shown in FIG. 3, the azimuth estimation device 100 of the comparative example has a frequency analysis unit 32, a cross-correlation calculation unit 33, and an azimuth calculation unit 35. The frequency analysis unit 32 analyzes the frequency with respect to the output of each acoustic sensor. The cross-correlation calculation unit 33 calculates the first correlation, which is the cross-correlation between the output of the omnidirectional acoustic sensor and the output of the NS directional acoustic sensor. Further, the cross-correlation calculation unit 33 calculates a second correlation which is a cross-correlation between the output of the omnidirectional acoustic sensor and the output of the EW directional acoustic sensor. The azimuth calculation unit 35 calculates the arrival azimuth of the narrow band signal by using an inverse trigonometric function for the first correlation and the second correlation calculated by the cross-correlation calculation unit 33. The azimuth calculation unit 35 calculates the azimuth of arrival by using arctan as an inverse trigonometric function, for example.

（比較例の方位推定方法）
次に、比較例の方位推定装置１００の動作を説明する。方位推定装置１００がＤＩＦＡＲソノブイの各音響センサの出力を用いて、図４に示すフローにしたがって、狭帯域信号の到来方位を推定する。図４は、図３に示す比較例の方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。 (Azimuth estimation method for comparative example)
Next, the operation of the azimuth estimation device 100 of the comparative example will be described. The azimuth estimation device 100 estimates the arrival azimuth of the narrowband signal according to the flow shown in FIG. 4 using the output of each acoustic sensor of the DIFAR sonobuoy. FIG. 4 is a flowchart showing an operation procedure of the orientation estimation device of the comparative example shown in FIG.

周波数分析部３２は、各音響センサ出力の波形に対して，周波数分析処理適用し、各音響センサ出力の周波数領域データＸｏ（ｆ）、Ｘｎｓ（ｆ）、Ｘｅｗ（ｆ）を求める（ステップＳ８０１）。周波数分析処理には、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）およびＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）が用いられる。 The frequency analysis unit 32 applies frequency analysis processing to the waveform of each acoustic sensor output, and obtains frequency domain data Xo (f), Xns (f), and Xew (f) of each acoustic sensor output (step S801). .. For the frequency analysis process, for example, FFT (Fast Fourier Transform) and DFT (Discrete Fourier Transform) are used.

ステップＳ８０２において、相互相関計算部３３は、ＯＭＮＩ指向性音響センサの周波数領域データＸｏ（ｆ）およびＮＳ指向性音響センサの周波数領域データＸｎｓ（ｆ）から、これらの相互相関Ｙｎｏ（ｆ）＝Ｅ［Ｘｎｓ（ｆ）Ｘｏ^＊（ｆ）］を計算する。ここで、Ｅ［ ］は期待値演算を表し、一般的には時間平均が適用される。＊は複素共役演算を表す。相互相関Ｙｎｏ（ｆ）が第１相関に相当する。また、相互相関計算部３３は、第１相関Ｙｎｏ（ｆ）の算出と同様の演算を、ＯＭＮＩ指向性音響センサの周波数領域データＸｏ（ｆ）およびＥＷ指向性音響センサの周波数領域データＸｅｗ（ｆ）を用いて行う。つまり、相互相関計算部３３は、第２相関に相当する相互相関Ｙｅｏ（ｆ）＝Ｅ［Ｘｅｗ（ｆ）Ｘｏ^＊（ｆ）］を計算する。このようにして、２つの相互相関の期待値が算出される。 In step S802, the cross-correlation calculation unit 33 obtains the cross-correlation Yno (f) = E from the frequency domain data Xo (f) of the OMNI directional acoustic sensor and the frequency domain data Xns (f) of the NS directional acoustic sensor. Calculate [Xns (f) Xo ^* (f)]. Here, E [] represents an expected value operation, and a time average is generally applied. * Represents a complex conjugate operation. The cross-correlation Yno (f) corresponds to the first correlation. Further, the cross-correlation calculation unit 33 performs the same calculation as the calculation of the first correlation Yno (f) in the frequency domain data Xo (f) of the OMNI directional acoustic sensor and the frequency domain data Xew (f) of the EW directional acoustic sensor. ) Is used. That is, the cross-correlation calculation unit 33 calculates the cross-correlation Yeo (f) = E [Xew (f) Xo ^* (f)] corresponding to the second correlation. In this way, the expected value of the two cross-correlation is calculated.

続いて、方位算出部３５は、ステップＳ８０２で算出された第１相関Ｙｎｏ（ｆ）および第２相関Ｙｅｏ（ｆ）にａｒｃｔａｎを用いて、式（１）にしたがって、周波数ごとに到来方位θ＾（ｆ）を推定する（ステップＳ８０３）。キャレット記号（＾）は推定値であることを意味する。 Subsequently, the azimuth calculation unit 35 uses arctan for the first correlation Yno (f) and the second correlation Yeo (f) calculated in step S802, and according to the equation (1), the arrival azimuth θ ^ for each frequency. (F) is estimated (step S803). The caret symbol (^) means that it is an estimated value.

図５は、図２に示した各音響センサの指向性の模式図において、狭帯域信号と広帯域信号とが混在する場合の推定方位の結果を示すイメージである。ＤＩＦＡＲソノブイの各音響センサが受信する信号には、図５に示すように、狭帯域信号だけでなく広帯域信号も含まれるのが一般的である。この場合、比較例の方位推定方法では、レベルの高い信号の影響が大きく反映された方位推定結果が得られることになる。 FIG. 5 is an image showing the result of the estimated azimuth when the narrow band signal and the wide band signal are mixed in the schematic diagram of the directivity of each acoustic sensor shown in FIG. As shown in FIG. 5, the signal received by each acoustic sensor of the DIFAR sonobuoy generally includes not only a narrow band signal but also a wide band signal. In this case, in the azimuth estimation method of the comparative example, the azimuth estimation result that largely reflects the influence of the high-level signal can be obtained.

ここで、ＤＩＦＡＲソノブイが狭帯域信号を１つ受信し、広帯域信号を１つ受信している状況を仮定し、これらの信号が互いに無相関であるとする。このときの、各音響センサの周波数領域データを次の式（２）〜（４）のように表す。 Here, it is assumed that the DIFARS sonobuoy receives one narrowband signal and one wideband signal, and these signals are uncorrelated with each other. The frequency domain data of each acoustic sensor at this time is expressed by the following equations (2) to (4).

ここで、ＢＢ（ｆ）は広帯域信号の周波数領域データであり、ＮＢ（ｆ）は狭帯域信号の周波数領域データである。θ_ＢＢは広帯域信号の真の到来方位であり、θ_ＮＢは狭帯域信号の真の到来方位である。このときのＯＭＮＩ指向性音響センサとＮＳ指向性音響センサとの相互相関の期待値Ｙｎｏ（ｆ）は、式（５）によって求められる。また、ＯＭＮＩ指向性音響センサとＥＷ指向性音響センサとの相互相関の期待値Ｙｅｏ（ｆ）は、式（６）によって求められる。 Here, BB (f) is the frequency domain data of the wideband signal, and NB (f) is the frequency domain data of the narrowband signal. θ _BB is the true direction of arrival of the wideband signal, and θ _NB is the true direction of arrival of the narrowband signal. The expected value Yno (f) of the cross-correlation between the OMNI directional acoustic sensor and the NS directional acoustic sensor at this time is obtained by the equation (5). Further, the expected value Yeo (f) of the cross-correlation between the OMNI directional acoustic sensor and the EW directional acoustic sensor is obtained by the equation (6).

このとき、式（１）によって推定される信号の到来方位は、広帯域信号のレベル｜ＢＢ（ｆ）｜^２と狭帯域信号のレベル｜ＮＢ（ｆ）｜^２の比によって決まり、θ_ＢＢとθ_ＮＢの中間方位が推定値として得られる。したがって、広帯域信号のレベルが狭帯域信号のレベルより大きい場合、図５に示すように、式（１）によって推定される信号の方位はθ_ＢＢに近づき、狭帯域信号の到来方位を適切に推定できない。 At this time, the arrival direction of the signal estimated by the equation (1) is determined by the ratio of the wideband signal level | BB (f) | ² and the narrowband signal level | NB (f) | ² , and is determined by θ _BB and θ. The intermediate orientation of the _NB is obtained as an estimated value. Therefore, when the level of the wideband signal is higher than the level of the narrowband signal, the azimuth of the signal estimated by Eq. (1) approaches θ _BB, and the arrival azimuth of the narrowband signal is appropriately estimated, as shown in FIG. Can not.

（実施の形態１の構成）
本実施の形態１の方位推定装置１の構成を、図１を参照して説明する。広帯域信号推定部２は、ビームフォーミング部２１と、帯域加算部２２と、最大レベル検出部２３と、方位選択部２４とを有する。 (Structure of Embodiment 1)
The configuration of the azimuth estimation device 1 of the first embodiment will be described with reference to FIG. The wideband signal estimation unit 2 includes a beamforming unit 21, a band addition unit 22, a maximum level detection unit 23, and an azimuth selection unit 24.

ビームフォーミング部２１は、３つの指向性音響センサの出力波形を入力として、式（７）による計算によって、予め指定された複数の方位へ向けた複数のビーム波形のビームフォーミング出力を得る。 The beamforming unit 21 receives the output waveforms of the three directional acoustic sensors as inputs, and obtains beamforming outputs of a plurality of beam waveforms directed to a plurality of predetermined directions by calculation according to the equation (7).

ここで、ビーム数Ｓｂ＝Ｍとすると、ｍは予め指定された方位に対応するビーム番号（ｍ＝１，・・・，Ｍ）である。ｗ_ｏ（ｍ）、ｗ_ｎｓ（ｍ）、ｗ_ｅｗ（ｍ）は各指向性音響センサに与える重みである。ビームフォーミングに用いられる重みの計算方法として、大きく分けて、従来型ビームフォーミング（ＣＢＦ：Conventional Beam Forming）方式と適応型ビームフォーミング（ＡＢＦ：Adaptive Beam Forming）方式との２方式がある。本実施の形態１では、これら２方式のうち、どちらの方式も適用することができる。ビームフォーミングの方式については、本実施の形態１の方位推定方法において、主題ではないので、詳細な説明を省略する。 Here, assuming that the number of beams Sb = M, m is a beam number (m = 1, ..., M) corresponding to a predetermined direction. _{w o (m), w ns} (m), w ew (m) is the weight given to each directional acoustic sensor. The weight calculation method used for beamforming is roughly divided into two methods: a conventional beamforming (CBF: Conventional Beamforming) method and an adaptive beamforming (ABF: Adaptive Beam Forming) method. In the first embodiment, either of these two methods can be applied. The beamforming method is not the subject of the orientation estimation method of the first embodiment, and therefore detailed description thereof will be omitted.

帯域加算部２２は、ビームフォーミング部２１が生成した各ビーム波形出力のパワー値を計算する。帯域加算部２２において、パワー値計算の前にバンドパスフィルタなどのフィルタ部が設けられていてもよい。この場合、フィルタ部が所定の周波数帯域の成分のみを抽出した後に帯域加算部２２がビーム波形のパワー値を計算する。図１では、帯域加算部２２がビーム波形毎に帯域加算処理を行うことを模式的に示している。 The band addition unit 22 calculates the power value of each beam waveform output generated by the beamforming unit 21. In the band addition unit 22, a filter unit such as a bandpass filter may be provided before the power value calculation. In this case, the band addition unit 22 calculates the power value of the beam waveform after the filter unit extracts only the components of a predetermined frequency band. FIG. 1 schematically shows that the band addition unit 22 performs band addition processing for each beam waveform.

最大レベル検出部２３は、帯域加算部２２の出力を用いて、ビーム波形のパワー値が最大となる方位を検出し、その方位を広帯域信号の推定方位θ_ＢＢとして出力する。方位選択部２４は、ビームフォーミング部２１の出力から、広帯域信号の推定方位に対応するビーム波形を抽出し、抽出した波形を狭帯域信号推定部３に出力する。 The maximum level detection unit 23 uses the output of the band addition unit 22 to detect the azimuth at which the power value of the beam waveform is maximum, and outputs the azimuth as the estimated azimuth θ _BB of the broadband signal. The azimuth selection unit 24 extracts a beam waveform corresponding to the estimated azimuth of the wideband signal from the output of the beamforming unit 21, and outputs the extracted waveform to the narrowband signal estimation unit 3.

図１に示した狭帯域信号推定部３は、ＤＩＦＡＲセンサの各音響センサの出力から狭帯域信号の到来方位を推定する装置である。狭帯域信号推定部３は、図３に示した周波数分析部３２相互相関計算部３３および方位算出部３５の他に、減算処理部３１を有する。減算処理部３１は、ＯＭＮＩ指向性音響センサの出力から広帯域信号を減算する減算処理（ＯＭＮＩ）、ＮＳ指向性音響センサの出力から広帯域信号を減算する減算処理（ＮＳ）およびＥＷ指向性音響センサの出力から広帯域信号を減算する減算処理（ＥＷ）を行う。 The narrowband signal estimation unit 3 shown in FIG. 1 is a device that estimates the arrival direction of the narrowband signal from the output of each acoustic sensor of the DIFAR sensor. The narrowband signal estimation unit 3 has a subtraction processing unit 31 in addition to the frequency analysis unit 32 cross-correlation calculation unit 33 and the orientation calculation unit 35 shown in FIG. The subtraction processing unit 31 includes a subtraction process (OMNI) for subtracting a wideband signal from the output of the OMNI directional acoustic sensor, a subtraction process (NS) for subtracting a wideband signal from the output of the NS directional acoustic sensor, and an EW directional acoustic sensor. A subtraction process (EW) is performed to subtract the wideband signal from the output.

方位選択部２４が出力する広帯域信号の抽出波形をＳ_ＢＢ（ｔ）と表す。減算処理部３１は、減算処理（ＯＭＮＩ）として、式（８）の計算を行うことで、ＯＭＮＩ指向性音響センサの出力から広帯域信号の波形を減算した推定値Ｓｏ＾（ｔ）を出力する。 The extracted waveform of the wideband signal output by the azimuth selection unit 24 is represented by _SBB (t). The subtraction processing unit 31 outputs the estimated value So ^ (t) obtained by subtracting the waveform of the wideband signal from the output of the OMNI directional acoustic sensor by performing the calculation of the equation (8) as the subtraction processing (OMNI).

ここで、記号＊は畳み込み演算を表し、ｈｏ（ｔ）は広帯域信号の抽出波形Ｓ_ＢＢ（ｔ）に適用するフィルタのインパルス応答である。式（８）の計算は、ＯＭＮＩ指向性音響センサの出力から、広帯域信号の成分を除去するためのものである。ここで、フィルタｈｏ（ｔ）は、固定的なものであってもよく、広帯域信号の成分を効果的に除去するために適応的なものであってもよい。 Here, the symbol * represents the convolution operation, ho (t) is the impulse response of the filter to be applied to the wide-band signal extracted waveform S _{BB (t).} The calculation of equation (8) is for removing the component of the wideband signal from the output of the OMNI directional acoustic sensor. Here, the filter ho (t) may be fixed or adaptive in order to effectively remove components of the broadband signal.

減算処理部３１は、減算処理（ＯＭＮＩ）と同様に、減算処理（ＮＳ）として式（９）の計算を行うことで、ＮＳ指向性音響センサの出力から広帯域信号の波形を減算した推定値Ｓｎｓ＾（ｔ）を出力する。 Similar to the subtraction process (OMNI), the subtraction processing unit 31 performs the calculation of the equation (9) as the subtraction process (NS), thereby subtracting the waveform of the broadband signal from the output of the NS directional acoustic sensor. Output ^ (t).

また、減算処理部３１は、減算処理（ＥＷ）について、式（１０）の計算を行うことで、ＥＷ指向性音響センサの出力から広帯域信号の波形を減算した推定値Ｓｅｗ＾（ｔ）を出力する。 Further, the subtraction processing unit 31 outputs an estimated value See ^ (t) obtained by subtracting the waveform of the wideband signal from the output of the EW directional acoustic sensor by performing the calculation of the equation (10) for the subtraction processing (EW). To do.

ここで、ｈｎｓ（ｔ）およびｈｅｗ（ｔ）のそれぞれは、広帯域信号の抽出波形Ｓ_ＢＢ（ｔ）に適用するフィルタのインパルス応答である。 Here, each of the hns (t) and hew (t), is the impulse response of the filter to be applied to the wide-band signal extracted waveform _S BB (t).

周波数分析部３２、相互相関計算部３３および方位算出部３５の構成は、図３を参照して説明した構成と同様になるため、ここでは、その詳細な説明を省略する。減算処理部３１は、３つの減算処理により、Ｓｏ＾（ｔ）、Ｓｎｓ＾（ｔ）およびＳｅｗ＾（ｔ）を出力する。減算処理部３１の出力に対して、周波数分析部３２が周波数分析を行い、周波数分析部３２の出力に対して、相互相関計算部３３が相互相関の期待値演算を行う。方位算出部３５は、算出された相互相関の期待値に対して、ａｒｃｔａｎによる到来方位推定を適用し、狭帯域信号の推定方位を求める。 Since the configurations of the frequency analysis unit 32, the cross-correlation calculation unit 33, and the orientation calculation unit 35 are the same as those described with reference to FIG. 3, detailed description thereof will be omitted here. The subtraction processing unit 31 outputs So ^ (t), Sns ^ (t), and Sw ^ (t) by three subtraction processes. The frequency analysis unit 32 performs frequency analysis on the output of the subtraction processing unit 31, and the cross-correlation calculation unit 33 performs cross-correlation expected value calculation on the output of the frequency analysis unit 32. The azimuth calculation unit 35 applies the arrival azimuth estimation by arctan to the calculated expected value of the cross-correlation, and obtains the estimated azimuth of the narrow band signal.

図６は、図１に示した方位推定装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。方位推定装置１は、例えば、コンピュータを含む情報処理装置である。記憶部１１は、制御部１２が実行する演算処理の結果を記憶する。記憶部１１は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）装置である。制御部１２は、プログラムを記憶するメモリ１４と、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）１３とを有する。ＣＰＵ１３がプログラムを実行することで、図１に示した広帯域信号推定部２および狭帯域信号推定部３が構成される。 FIG. 6 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the orientation estimation device shown in FIG. The azimuth estimation device 1 is, for example, an information processing device including a computer. The storage unit 11 stores the result of the arithmetic processing executed by the control unit 12. The storage unit 11 is, for example, an HDD (Hard Disk Drive) device. The control unit 12 has a memory 14 for storing a program and a CPU (Central Processing Unit) 13 for executing processing according to the program. When the CPU 13 executes the program, the wideband signal estimation unit 2 and the narrowband signal estimation unit 3 shown in FIG. 1 are configured.

なお、広帯域信号推定部２および狭帯域信号推定部３が備える機能のうち、一部または全部が専用回路で構成されてもよい。専用回路は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）である。信号処理の一部または全部を専用回路で構成することで、信号処理の高速化を図ることができる。 Note that some or all of the functions provided by the wideband signal estimation unit 2 and the narrowband signal estimation unit 3 may be configured by a dedicated circuit. The dedicated circuit is, for example, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit). By configuring part or all of the signal processing with a dedicated circuit, the speed of signal processing can be increased.

（実施の形態１の方位推定方法）
次に、本実施の形態１の方位推定装置１が実行する方位推定方法を説明する。図７は、図１に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。図７に示すステップＳ１０５〜Ｓ１０７は図４に示したステップＳ８０１〜Ｓ８０３と同様な処理になるため、その詳細な説明を省略する。 (Azimuth estimation method of the first embodiment)
Next, the azimuth estimation method executed by the azimuth estimation device 1 of the first embodiment will be described. FIG. 7 is a flowchart showing an operation procedure of the azimuth estimation device shown in FIG. Since steps S105 to S107 shown in FIG. 7 are the same processes as steps S801 to S803 shown in FIG. 4, detailed description thereof will be omitted.

ビームフォーミング部２１は、３つの指向性音響センサ出力波形を入力として、式（７）による計算を行うことで、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成するビームフォーミング出力を行う（ステップＳ１０１）。帯域加算部２２は、ビームフォーミング部２１が生成した各ビーム波形出力のパワー値を計算する。 The beamforming unit 21 receives three directional acoustic sensor output waveforms as inputs and performs a calculation according to the equation (7) to perform beamforming output for generating a plurality of beam waveforms corresponding to a plurality of directions (step S101). ). The band addition unit 22 calculates the power value of each beam waveform output generated by the beamforming unit 21.

最大レベル検出部２３は、帯域加算部２２の出力を用いて、ビーム波形のパワー値が最大となる方位を検出し、その方位を広帯域信号の推定方位θ_ＢＢとして出力する（ステップＳ１０２）。方位選択部２４は、ビームフォーミング部２１の出力から、広帯域信号の推定方位に対応するビーム波形を抽出し、抽出した波形を狭帯域信号推定部３に出力する（ステップＳ１０３）。 The maximum level detection unit 23 uses the output of the band addition unit 22 to detect the azimuth at which the power value of the beam waveform is maximum, and outputs the azimuth as the estimated azimuth θ _BB of the broadband signal (step S102). The azimuth selection unit 24 extracts a beam waveform corresponding to the estimated azimuth of the wideband signal from the output of the beamforming unit 21, and outputs the extracted waveform to the narrowband signal estimation unit 3 (step S103).

減算処理部３１は、減算処理（ＯＭＮＩ）、減算処理（ＮＳ）および減算処理（ＥＷ）として式（８）〜（１０）による計算を行うことで（ステップＳ１０４）、Ｓｏ＾（ｔ）、Ｓｎｓ＾（ｔ）およびＳｅｗ＾（ｔ）を出力する。減算処理部３１の出力に対して、周波数分析部３２が周波数分析を行い（ステップＳ１０５）、周波数分析部３２の出力に対して、相互相関計算部３３が相互相関の期待値演算を行う（ステップＳ１０６）。方位算出部３５は、算出された相互相関の期待値に対して、ａｒｃｔａｎによる到来方位推定を適用し、狭帯域信号の推定方位を求める（ステップＳ１０７）。 The subtraction processing unit 31 performs calculations according to the equations (8) to (10) as the subtraction process (OMNI), the subtraction process (NS), and the subtraction process (EW) (step S104), So ^ (t), Sns. Outputs ^ (t) and See ^ (t). The frequency analysis unit 32 performs frequency analysis on the output of the subtraction processing unit 31 (step S105), and the cross-correlation calculation unit 33 calculates the expected value of the cross-correlation on the output of the frequency analysis unit 32 (step S105). S106). The azimuth calculation unit 35 applies the arrival azimuth estimation by arctan to the calculated expected value of the cross-correlation to obtain the estimated azimuth of the narrowband signal (step S107).

（実施の形態１の効果）
本実施の形態１の方位推定方法では、式（８）〜（９）の処理によって広帯域信号が除去される。そのため、式（２）〜（４）で表現されていたＯＭＮＩ指向性音響センサ出力の周波数領域データＸｏ（ｆ）、ＮＳ指向性音響センサ出力の周波数領域データＸｎｓ（ｆ）およびＥＷ指向性音響センサ出力の周波数領域データＸｅｗ（ｆ）は、式（１１）〜（１３）のようになる。 (Effect of Embodiment 1)
In the orientation estimation method of the first embodiment, the broadband signal is removed by the processing of the equations (8) to (9). Therefore, the frequency domain data Xo (f) of the OMNI directional acoustic sensor output, the frequency domain data Xns (f) of the NS directional acoustic sensor output, and the EW directional acoustic sensor expressed by the equations (2) to (4). The output frequency domain data Xew (f) is as shown in equations (11) to (13).

これらの結果を用いて、方位算出部３５が式（１）によるａｒｃｔａｎによる到来方位推定の処理を行うことで、広帯域信号の影響が抑制され、狭帯域信号の到来方位θ_ＮＢが適切に推定される。３つの音響センサの各音響センサの出力に対して、広帯域信号が減算されるため、狭帯域信号の到来方位の推定能力が向上する。 Using these results, the azimuth calculation unit 35 processes the arrival azimuth estimation by arctan according to the equation (1), thereby suppressing the influence of the wideband signal and appropriately estimating the arrival azimuth θ _NB of the narrowband signal. To. Since the wideband signal is subtracted from the output of each acoustic sensor of the three acoustic sensors, the ability to estimate the arrival direction of the narrowband signal is improved.

なお、本実施の形態１では、方位推定装置１について説明したが、方位推定装置１を有する方位推定システムにおいても、本実施の形態１と同様な効果が得られる。図８は、本発明の実施の形態１に係る方位推定システムの一構成例を示すブロック図である。図８に示すように、方位推定システム５は、ＤＩＦＡＲセンサ６０と、方位推定装置１とを有する。ＤＩＦＡＲセンサ６０は、ＯＭＮＩ指向性音響センサ６１、ＮＳ指向性音響センサ６２およびＥＷ指向性音響センサ６３を有する。 Although the azimuth estimation device 1 has been described in the first embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained in the azimuth estimation system having the azimuth estimation device 1. FIG. 8 is a block diagram showing a configuration example of the orientation estimation system according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the azimuth estimation system 5 includes a DIFAR sensor 60 and an azimuth estimation device 1. The DIFR sensor 60 includes an OMNI directional acoustic sensor 61, an NS directional acoustic sensor 62, and an EW directional acoustic sensor 63.

図９は、図８に示したＤＩＦＡＲセンサを有するＤＩＦＡＲソノブイの一構成例を示す模式図である。ＤＩＦＡＲソノブイ６５は、ＤＩＦＡＲセンサ６０と、送信部６７を含むフローティング部６６とを有する。ＤＩＦＡＲセンサ６０および送信部６７は、防水性のケーブル６８で通信接続されている。フローティング部６６は、浮力を有し、ＤＩＦＡＲソノブイ６５が海に投下されると、送信部６７の一部を海面の上に出した状態で浮く。ＤＩＦＡＲセンサ６０の各音響センサは検出した信号を、ケーブル６８を介して送信部６７に送る。送信部６７は、ＤＩＦＡＲセンサ６０の各音響センサから受信した信号を無線信号に変換して出力する。送信部６７は、例えば、方位推定装置１を備えた航空機に無線信号を出力する。 FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration example of a DIFAR sonobuoy having the DIFFAR sensor shown in FIG. The DIFAR sonobuoy 65 has a DIFAR sensor 60 and a floating unit 66 including a transmission unit 67. The DIFAR sensor 60 and the transmitter 67 are communicated and connected by a waterproof cable 68. The floating portion 66 has buoyancy, and when the DIFAR sonobuoy 65 is dropped into the sea, the floating portion 66 floats with a part of the transmitting portion 67 exposed above the sea surface. Each acoustic sensor of the DIFAR sensor 60 sends the detected signal to the transmission unit 67 via the cable 68. The transmission unit 67 converts the signal received from each acoustic sensor of the DIFAR sensor 60 into a wireless signal and outputs the signal. The transmission unit 67 outputs a radio signal to, for example, an aircraft equipped with the azimuth estimation device 1.

実施の形態２．
実施の形態１は、３つの指向性音響センサの出力波形から、広帯域信号の成分を波形として除去することによって、ａｒｃｔａｎによる到来方位推定を用いて狭帯域信号の到来方位を推定するものである。本実施の形態２は、実施の形態１とは異なる方法で、広帯域信号の成分を抑制して、狭帯域信号の到来方位を推定するものである。 Embodiment 2.
In the first embodiment, the arrival direction of the narrow band signal is estimated by using the arrival direction estimation by arctan by removing the component of the wide band signal as a waveform from the output waveforms of the three directional acoustic sensors. The second embodiment is different from the first embodiment in that the component of the wideband signal is suppressed and the arrival direction of the narrowband signal is estimated.

本実施の形態２の方位推定装置の構成を説明する。本実施の形態２では、実施の形態１で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図１０は、本発明の実施の形態２に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 The configuration of the azimuth estimation device according to the second embodiment will be described. In the second embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those described in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of the orientation estimation device according to the second embodiment of the present invention.

図１０に示すように、方位推定装置１ａは、ビームフォーミング部２１と、狭帯域信号推定部３ａとを有する。ビームフォーミング部２１が生成するビーム数ＳｂをＭとする。狭帯域信号推定部３ａは、周波数分析部４１、正規化処理部４２、抽出部４３および方位変換部４４を有する。本実施の形態２においても、方位推定装置１ａは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ａが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。 As shown in FIG. 10, the azimuth estimation device 1a includes a beamforming unit 21 and a narrow band signal estimation unit 3a. Let M be the number of beams Sb generated by the beamforming unit 21. The narrowband signal estimation unit 3a includes a frequency analysis unit 41, a normalization processing unit 42, an extraction unit 43, and an orientation conversion unit 44. Also in the second embodiment, the azimuth estimation device 1a may be the information processing device shown in FIG. 6, and all or part of the functions included in the azimuth estimation device 1a may be configured by a dedicated circuit.

周波数分析部４１は、ビームフォーミング部２１で出力されるＭ個のビーム出力波形に対して周波数分析処理を適用し、１〜Ｂ番の合計Ｂ個の周波数に分割した結果を得る。周波数分析で用いる具体的な方式として、例えば、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）など種々の方式がある。本実施の形態２では、周波数分析に用いられる方式は限定されない。周波数分析の方式については、本実施の形態２の主題ではないので、詳細な説明を省略する。 The frequency analysis unit 41 applies frequency analysis processing to the M beam output waveforms output by the beamforming unit 21, and obtains the result of dividing into a total of B frequencies 1 to B. As a specific method used in frequency analysis, there are various methods such as DFT (Discrete Fourier Transform) and FFT (Fast Fourier Transform). In the second embodiment, the method used for frequency analysis is not limited. Since the frequency analysis method is not the subject of the second embodiment, detailed description thereof will be omitted.

正規化処理部４２は、ビーム波形ごとの周波数分析結果に対して周波数方向の正規化処理によって、周波数−パワー値の関係を、周波数−ＳＮＲの関係に変換する。この正規化処理は、広帯域信号を抑制し、狭帯域信号を浮き上がらせる。周波数方向の正規処理で用いる方式として、例えば、ＯＴＡ（Order Truncate Average）、ＳＡＸＡ（Split Average eXclude Average）など種々の方式がある。本実施の形態２では、正規化処理に用いられる方式は限定されない。周波数方向の正規化処理の方式については、本実施の形態２の主題ではないので、詳細な説明を省略する。 The normalization processing unit 42 converts the frequency-power value relationship into the frequency-SNR relationship by the frequency direction normalization processing for the frequency analysis result for each beam waveform. This normalization process suppresses the wideband signal and makes the narrowband signal stand out. As a method used for normal processing in the frequency direction, there are various methods such as OTA (Order Truncate Average) and SAXA (Split Average eXclude Average). In the second embodiment, the method used for the normalization process is not limited. Since the method of the frequency direction normalization processing is not the subject of the second embodiment, detailed description thereof will be omitted.

抽出部４３は、周波数方向の正規化された出力について、周波数ごとに値が最大となるビーム番号を抽出し、抽出したビーム番号を出力する。方位変換部４４は、抽出部４３から出力されたビーム番号を用いて、周波数ごとにビーム番号を方位に変換する。例えば、方位変換部４４は、ビーム番号に対応して、方位角０度〜３６０度の範囲において角度ｘｘ単位で方位に変換する。変換後の方位が狭帯域信号の推定方位となる。 The extraction unit 43 extracts the beam number having the maximum value for each frequency with respect to the normalized output in the frequency direction, and outputs the extracted beam number. The azimuth conversion unit 44 converts the beam number into an azimuth for each frequency by using the beam number output from the extraction unit 43. For example, the azimuth conversion unit 44 converts the azimuth in units of angles xx in the range of azimuth angles 0 to 360 degrees according to the beam number. The azimuth after conversion is the estimated azimuth of the narrowband signal.

次に、本実施の形態２の方位推定装置１ａが実行する方位推定方法を説明する。図１１は、図１０に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ２０１のビームフォーミングは、図７で説明したステップＳ１０１と同様な処理になるため、ここではその詳細な説明を省略する。 Next, the azimuth estimation method executed by the azimuth estimation device 1a of the second embodiment will be described. FIG. 11 is a flowchart showing an operation procedure of the azimuth estimation device shown in FIG. Since the beamforming in step S201 is the same process as in step S101 described with reference to FIG. 7, detailed description thereof will be omitted here.

ステップＳ２０２において、周波数分析部４１は、ビームフォーミング部２１から出力されるＭ個のビーム出力波形に対して周波数分析処理を適用し、１〜Ｂ番の合計Ｂ個の周波数に分割する。続いて、正規化処理部４２が、ビーム波形ごとの周波数分析結果に対して周波数方向の正規化処理を行うことで（ステップＳ２０３）、周波数−パワー値の関係を、周波数−ＳＮＲの関係に変換する。その結果、広帯域信号が抑制され、狭帯域信号が浮き上がる。 In step S202, the frequency analysis unit 41 applies frequency analysis processing to the M beam output waveforms output from the beamforming unit 21, and divides the frequencies into a total of B frequencies 1 to B. Subsequently, the normalization processing unit 42 performs frequency direction normalization processing on the frequency analysis result for each beam waveform (step S203), thereby converting the frequency-power value relationship into the frequency-SNR relationship. To do. As a result, the wideband signal is suppressed and the narrowband signal emerges.

その後、抽出部４３が、周波数方向の正規化された出力について、周波数ごとに値が最大となるビーム番号を抽出し（ステップＳ２０４）、抽出したビーム番号を出力する。方位変換部４４は、抽出部４３が抽出したビーム番号を用いて、周波数ごとにビーム番号を方位角０度〜３６０度の範囲において角度ｘｘ刻みの方位に変換する（ステップＳ２０５）。この変換後の方位が狭帯域信号の推定方位となる。 After that, the extraction unit 43 extracts the beam number having the maximum value for each frequency with respect to the normalized output in the frequency direction (step S204), and outputs the extracted beam number. The azimuth conversion unit 44 uses the beam number extracted by the extraction unit 43 to convert the beam number for each frequency into azimuths in azimuth increments of 0 to 360 degrees (step S205). The orientation after this conversion is the estimated orientation of the narrowband signal.

本実施の形態２の方位推定方法の効果を、図を参照して説明する。図１２は、図１１に示した周波数分析部の出力の一例を示すイメージである。図１２は、レベルの大きな広帯域信号と、広帯域信号の方位とは異なる方位にレベルの小さな狭帯域信号が存在している場合を示す。ここで注目すべきは、狭帯域信号の周波数に対する方位推定の能力である。図１２に示した状況で、比較例の方位推定では、式（５）および（６）において広帯域信号の成分が支配的となるため、レベルの大きな広帯域信号の到来方位に偏った推定方位が得られることになってしまう。 The effect of the orientation estimation method of the second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 12 is an image showing an example of the output of the frequency analysis unit shown in FIG. FIG. 12 shows a case where a wide band signal having a large level and a narrow band signal having a small level exist in a direction different from the direction of the wide band signal. Of note here is the ability to estimate the bearing for the frequency of the narrowband signal. In the situation shown in FIG. 12, in the azimuth estimation of the comparative example, since the component of the wideband signal is dominant in the equations (5) and (6), the estimated azimuth biased to the arrival azimuth of the wideband signal with a large level is obtained. Will be done.

そこで、本実施の形態２では、周波数分析処理の出力に対して、周波数方向の正規化処理の出力を用いて狭帯域信号の方位を推定する。図１３は、図１２に示した周波数分析の出力に対して、周波数方向の正規化処理を適用したときの結果を示すイメージである。図１３に示すように、周波数方向の正規化処理によって、広帯域信号が抑制され、その結果、狭帯域信号のみが浮き上がっている。 Therefore, in the second embodiment, the orientation of the narrowband signal is estimated by using the output of the normalization process in the frequency direction with respect to the output of the frequency analysis process. FIG. 13 is an image showing the result when the normalization process in the frequency direction is applied to the output of the frequency analysis shown in FIG. As shown in FIG. 13, the wideband signal is suppressed by the frequency direction normalization processing, and as a result, only the narrowband signal is raised.

さらに、図１３に示すような結果を入力として、正規化出力最大のビーム番号抽出の処理において、抽出部４３が、ビーム番号１〜Ｍのうち、周波数ごとに正規化出力が最大となるビーム番号を見つける。このようにして出力されるビーム番号を、周波数ｆの関数としてｉｎｄｅｘ（ｆ）と表す。図１３から明らかなように、狭帯域信号が存在している周波数について、正規化処理の結果が最大となる方位は、狭帯域信号が実際に到来する方位である。このことから、比較例による、狭帯域信号の方位推定結果と比べて、本実施の形態２では、より正確に方位推定できることがわかる。 Further, with the result as shown in FIG. 13 as an input, in the process of extracting the beam number having the maximum normalized output, the extraction unit 43 has the beam number having the maximum normalized output for each frequency among the beam numbers 1 to M. Find out. The beam number output in this way is expressed as index (f) as a function of the frequency f. As is clear from FIG. 13, with respect to the frequency in which the narrow band signal exists, the direction in which the result of the normalization processing is maximized is the direction in which the narrow band signal actually arrives. From this, it can be seen that in the second embodiment, the azimuth can be estimated more accurately than the azimuth estimation result of the narrow band signal according to the comparative example.

最終的には、ビーム番号ｉｎｄｅｘ（ｆ）を入力として、方位変換部４４は、方位変換の処理として、次の式（１４）で周波数ごとの推定方位ｔｈｅｔａ（ｆ）を計算する。 Finally, with the beam number index (f) as an input, the azimuth conversion unit 44 calculates the estimated azimuth theta (f) for each frequency by the following equation (14) as the azimuth conversion process.

ここで、Ｍはビーム数であり、Ｒはビームを形成している方位範囲［ｄｅｇ］であり、ｔｈｅｔａ_０はビーム形成のオフセットである。全方位に渡ってビーム形成する場合は、Ｒ＝３６０、ｔｈｅｔａ_０＝０となる。本実施の形態２では、３つの音響センサの各音響センサの出力に対して、正規化処理により広帯域信号が抑制されるため、狭帯域信号の到来方位の推定能力が向上する。 Here, M is the number of beams, R is the azimuth range [deg] forming the beam, and theta ₀ is the offset of the beam formation. When the beam is formed in all directions, R = 360 and theta ₀ = 0. In the second embodiment, since the wideband signal is suppressed by the normalization processing for the output of each acoustic sensor of the three acoustic sensors, the ability to estimate the arrival direction of the narrowband signal is improved.

実施の形態３．
本実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態２とを組み合わせたものである。本実施の形態３では、例えば、方位推定処理対象の信号に広帯域信号が複数個存在し、方位推定処理対象の信号から複数個の広帯域信号の成分を除去仕切れないような場合に有効である。 Embodiment 3.
The third embodiment is a combination of the first embodiment and the second embodiment. The third embodiment is effective, for example, when a plurality of wideband signals exist in the signal to be processed for azimuth estimation and the components of the plurality of broadband signals cannot be completely removed from the signal to be processed for azimuth estimation.

本実施の形態３の方位推定装置の構成を説明する。本実施の形態３では、実施の形態１および２で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図１４は、本発明の実施の形態３に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 The configuration of the azimuth estimation device according to the third embodiment will be described. In the third embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those described in the first and second embodiments, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 14 is a block diagram showing a configuration example of the orientation estimation device according to the third embodiment of the present invention.

図１４に示すように、方位推定装置１ｂは、広帯域信号推定部２と、狭帯域信号推定部３ｂとを有する。狭帯域信号推定部３ｂは、図１０に示した狭帯域信号推定部３ａと比較すると、減算処理部３１および補助ビームフォーミング部４０が追加された構成である。補助ビームフォーミング部４０は、減算処理部３１の出力Ｓｏ＾（ｔ）、Ｓｎｓ＾（ｔ）およびＳｅｗ＾（ｔ）を入力として、式（７）による計算によって、予め指定された複数の方位へ向けた複数のビーム波形のビームフォーミング出力を得る。ビーム数Ｓｂ＝Ｍとする。補助ビームフォーミング部４０の構成は、ビームフォーミング部２１と比較して入力が異なるだけで、ビームフォーミング部２１と同様なため、ここでは、その詳細な説明を省略する。本実施の形態３においても、方位推定装置１ｂは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ｂが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。 As shown in FIG. 14, the azimuth estimation device 1b includes a wideband signal estimation unit 2 and a narrowband signal estimation unit 3b. The narrowband signal estimation unit 3b has a configuration in which a subtraction processing unit 31 and an auxiliary beamforming unit 40 are added as compared with the narrowband signal estimation unit 3a shown in FIG. The auxiliary beamforming unit 40 takes the outputs So ^ (t), Sns ^ (t), and Sw ^ (t) of the subtraction processing unit 31 as inputs, and performs a calculation according to the equation (7) to a plurality of predetermined directions. Obtain beamforming outputs of multiple beam waveforms directed. Let the number of beams Sb = M. Since the configuration of the auxiliary beamforming unit 40 is the same as that of the beamforming unit 21 except that the input is different from that of the beamforming unit 21, detailed description thereof will be omitted here. Also in the third embodiment, the azimuth estimation device 1b may be the information processing device shown in FIG. 6, and all or part of the functions included in the azimuth estimation device 1b may be configured by a dedicated circuit.

図１５は、図１４に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。図１５に示すステップＳ３０１〜Ｓ３０４の処理は図７を参照して説明したステップＳ１０１〜Ｓ１０４と同様な処理である。また、図１５に示すステップＳ３０５〜Ｓ３０９の処理は図１１を参照して説明したステップＳ２０１〜Ｓ２０５と同様な処理である。そのため、本実施の形態３では、方位推定方法の動作についての詳細な説明を省略する。 FIG. 15 is a flowchart showing an operation procedure of the azimuth estimation device shown in FIG. The processing of steps S301 to S304 shown in FIG. 15 is the same processing as that of steps S101 to S104 described with reference to FIG. 7. Further, the processing of steps S305 to S309 shown in FIG. 15 is the same processing as that of steps S201 to S205 described with reference to FIG. Therefore, in the third embodiment, detailed description of the operation of the orientation estimation method will be omitted.

本実施の形態３の方位推定方法の効果を説明する。図１に示した方位推定装置１において、減算処理部３１による減算処理（ＯＭＮＩ）、減算処理（ＮＳ）および減算処理（ＥＷ）までの処理によって、最も強い広帯域信号が除去されるが、別の方位から到来する広帯域信号が残る可能性がある。このような場合、実施の形態１では、狭帯域信号の到来方位を推定する際に、方位推定処理対象の信号が減算処理部３１で除去できなかった広帯域信号の影響を受けてしまうことがある。 The effect of the azimuth estimation method of the third embodiment will be described. In the orientation estimation device 1 shown in FIG. 1, the strongest wideband signal is removed by the subtraction process (OMNI), the subtraction process (NS), and the subtraction process (EW) by the subtraction processing unit 31, but another Broadband signals coming from the bearing may remain. In such a case, in the first embodiment, when estimating the arrival direction of the narrowband signal, the signal to be processed for direction estimation may be affected by the wideband signal that could not be removed by the subtraction processing unit 31. ..

一方、実施の形態２では、強い広帯域信号の到来方位と弱い狭帯域信号の到来方位が近接している場合、周波数方向の正規化処理の時点で狭帯域信号が検出できず、その狭帯域信号の到来方位が推定できない場合がある。 On the other hand, in the second embodiment, when the arrival direction of the strong wideband signal and the arrival direction of the weak narrowband signal are close to each other, the narrowband signal cannot be detected at the time of the frequency direction normalization processing, and the narrowband signal is not detected. It may not be possible to estimate the direction of arrival.

これに対して、本実施の形態３によれば、３つの指向性音響センサ出力から強い広帯域信号の成分を波形として除去する処理を適用することによって、強い広帯域信号でマスクされるような近接した狭帯域信号を浮き上がらせる効果がある。さらに、周波数方向の正規化処理を適用することによって、除去仕切れなかった広帯域信号が抑制され、狭帯域信号の到来方位の推定精度の向上を図ることができる。 On the other hand, according to the third embodiment, by applying the process of removing the component of the strong wideband signal as a waveform from the three directional acoustic sensor outputs, the proximity is masked by the strong wideband signal. It has the effect of raising a narrow band signal. Further, by applying the normalization process in the frequency direction, the wideband signal that has not been completely removed can be suppressed, and the accuracy of estimating the arrival direction of the narrowband signal can be improved.

実施の形態４．
本実施の形態４は、実施の形態３と同様に方位推定処理対象の信号に広帯域信号が複数個存在する場合に有効であるが、実施の形態３とは別の構成である。本実施の形態４では、実施の形態１〜３で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。 Embodiment 4.
The fourth embodiment is effective when a plurality of wideband signals are present in the signal to be subjected to the azimuth estimation processing as in the third embodiment, but has a different configuration from the third embodiment. In the fourth embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those described in the first to third embodiments, and detailed description thereof will be omitted.

本実施の形態４の方位推定装置の構成を説明する。図１６は、本発明の実施の形態４に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。 The configuration of the azimuth estimation device according to the fourth embodiment will be described. FIG. 16 is a block diagram showing a configuration example of the orientation estimation device according to the fourth embodiment of the present invention.

図１６に示す方位推定装置１ｃは、図１０に示した方位推定装置１ｂと比較すると、抽出部４３の代わりに２次関数フィッティング部４５が設けられた構成である。２次関数フィッティング部４５は、正規化処理部４２から周波数ごとに出力される複数の正規化処理の結果を２次関数にフィッティングすることで、最大の正規化出力のビーム番号を抽出する。２次関数フィッティング部４５の動作の詳細は、後述する。本実施の形態４においても、方位推定装置１ｃは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ｃが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。 Compared with the orientation estimation device 1b shown in FIG. 10, the orientation estimation device 1c shown in FIG. 16 has a configuration in which a quadratic function fitting unit 45 is provided instead of the extraction unit 43. The quadratic function fitting unit 45 extracts the beam number of the maximum normalized output by fitting the results of a plurality of normalized processes output from the normalized processing unit 42 for each frequency to the quadratic function. The details of the operation of the quadratic function fitting unit 45 will be described later. Also in the fourth embodiment, the azimuth estimation device 1c may be the information processing device shown in FIG. 6, and all or part of the functions included in the azimuth estimation device 1c may be configured by a dedicated circuit.

次に、本実施の形態４の方位推定装置１ｃが実行する方位推定方法を説明する。図１７は、図１６に示した方位推定装置の動作手順を示すフローチャートである。図１７に示すステップＳ４０１〜Ｓ４０３の処理は図１１を参照して説明したステップＳ２０１〜Ｓ２０３と同様になるため、その詳細な説明を省略する。ここでは、図１７に示すステップＳ４０４およびＳ４０５の処理について詳細に説明する。 Next, the azimuth estimation method executed by the azimuth estimation device 1c of the fourth embodiment will be described. FIG. 17 is a flowchart showing an operation procedure of the orientation estimation device shown in FIG. Since the processing of steps S401 to S403 shown in FIG. 17 is the same as that of steps S201 to S203 described with reference to FIG. 11, detailed description thereof will be omitted. Here, the processing of steps S404 and S405 shown in FIG. 17 will be described in detail.

ステップＳ４０４において、２次関数フィッティング部４５には、正規化処理部４２から周波数方向の正規化処理の結果が入力される。図１３に示したイメージは、周波数方向の正規化処理の結果の一例である。ここでは、狭帯域信号が存在している周波数ｆ_０に対する処理を例として、２次関数フィッティング部４５が行う処理を説明する。 In step S404, the result of the normalization process in the frequency direction is input from the normalization processing unit 42 to the quadratic function fitting unit 45. The image shown in FIG. 13 is an example of the result of the normalization process in the frequency direction. Here, the processing performed by the quadratic function fitting unit 45 will be described by taking as an example the processing for the frequency f ₀ in which the narrow band signal exists.

２次関数フィッティング部４５は、周波数ｆの正規化出力に対して、出力が最大となるビーム番号をｉｎｄｅｘ（ｆ）とすると、正規化出力の大きさＳＮＲ（ｆ，ｉｎｄｅｘ（ｆ））を抽出する。このとき、２次関数フィッティング部４５は、ビーム番号ｉｎｄｅｘ（ｆ）の前後のビーム番号ｉｎｄｅｘ（ｆ）−１およびｉｎｄｅｘ（ｆ）＋１と、各ビーム番号に対応する正規化出力ＳＮＲ（ｆ，ｉｎｄｅｘ（ｆ）−１）およびＳＮＲ（ｆ，ｉｎｄｅｘ（ｆ）＋１）も抽出する。これにより、３組のビーム番号と正規化出力が得られたことになる。 The quadratic function fitting unit 45 extracts the magnitude SNR (f, index (f)) of the normalized output, where index (f) is the beam number that maximizes the output with respect to the normalized output of frequency f. To do. At this time, the quadratic function fitting unit 45 has beam numbers index (f) -1 and index (f) +1 before and after the beam number index (f), and the normalized output SNR (f, index) corresponding to each beam number. (F) -1) and SNR (f, index (f) +1) are also extracted. As a result, three sets of beam numbers and normalized outputs are obtained.

続いて、２次関数フィッティング部４５は、この３組のデータが２次関数上の３点であるとして、次の式（１５）〜（２１）を用いて正規化出力が最大となるビーム番号（整数とは限らない）を計算する。 Subsequently, the quadratic function fitting unit 45 assumes that the three sets of data are three points on the quadratic function, and uses the following equations (15) to (21) to maximize the normalized output of the beam number. Calculate (not necessarily an integer).

ステップＳ４０５において、方位変換部４４は、式（１５）で計算されたビーム番号ｉｎｄｅｘ２（ｆ）を入力として、次の式（２２）によって、周波数ごとの推定方位ｔｈｅｔａ（ｆ）を計算する。 In step S405, the azimuth conversion unit 44 takes the beam number index2 (f) calculated by the equation (15) as an input, and calculates the estimated azimuth theta (f) for each frequency by the following equation (22).

ここで、Ｍはビーム数Ｓｂであり、Ｒはビームを形成している方位範囲［ｄｅｇ］、ｔｈｅｔａ_０はビーム形成のオフセットである。 Here, M is the number of beams Sb, R is the azimuth range [deg] forming the beam, and theta ₀ is the offset of the beam formation.

本実施の形態４の方位推定方法の効果を説明する。実施の形態２で説明した方位推定装置１ａにおいて、ビーム数Ｓｂ＝Ｍが十分に多い場合には、推定方位の刻みを細かく設定できる。しかしながら、例えば、Ｍ＝４の場合には、推定方位の刻みが９０［ｄｅｇ］であり、ＤＩＦＡＲセンサに求められる狭帯域信号の推定方位刻みとしては粗すぎる。 The effect of the azimuth estimation method of the fourth embodiment will be described. In the azimuth estimation device 1a described in the second embodiment, when the number of beams Sb = M is sufficiently large, the step of the estimated azimuth can be finely set. However, for example, in the case of M = 4, the step of the estimated azimuth is 90 [deg], which is too coarse as the step of the estimated azimuth of the narrow band signal required for the DIFAR sensor.

これに対して、本実施の形態４によれば、例えば、Ｍ＝４の場合であっても、２次関数フィッティング処理によって、９０［ｄｅｇ］以下の刻みで推定方位を計算することができる。そのため、狭帯域信号の到来方位の推定精度の向上を図ることができる。 On the other hand, according to the fourth embodiment, for example, even in the case of M = 4, the estimated azimuth can be calculated in increments of 90 [deg] or less by the quadratic function fitting process. Therefore, it is possible to improve the estimation accuracy of the arrival direction of the narrow band signal.

実施の形態５．
実施の形態２では、ビームフォーミングで生成されるビーム数Ｓｂ＝Ｍで、ビーム数Ｓｂが固定の場合である。本実施の形態５は、ビームフォーミング部の後段にビーム補間処理部を設け、補間処理によってビーム数を増加させるものである。本実施の形態５では、実施の形態１〜４で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。 Embodiment 5.
In the second embodiment, the number of beams Sb = M generated by beamforming and the number of beams Sb is fixed. In the fifth embodiment, a beamforming processing unit is provided after the beamforming unit, and the number of beams is increased by the interpolation processing. In the fifth embodiment, the same components as those described in the first to fourth embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施の形態５の方位推定装置の構成を説明する。図１８は、本発明の実施の形態５に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。図１８に示す方位推定装置１ｄは、図１０に示した方位推定装置１ｂと比較すると、ビームフォーミング部２１と狭帯域信号推定部３ａとの間にビーム補間部５０が設けられた構成である。ビーム補間部５０は、ビームフォーミング部２１から入力される複数のビーム波形のビーム数に対して、ビーム数を増加させる補間処理を行う。例えば、ビーム補間部５０は、入力される複数のビーム波形に対して、方位角が近接する２つのビーム波形の間を補間するビーム波形を補充する。図１８は、ビーム補間部５０がビーム数ＳｂをＭからＭ_２に増加させた場合を示す。Ｍ_２とＭは、Ｍ_２＞Ｍの関係である。本実施の形態５においても、方位推定装置１ｄは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ｄが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。 The configuration of the azimuth estimation device according to the fifth embodiment will be described. FIG. 18 is a block diagram showing a configuration example of the orientation estimation device according to the fifth embodiment of the present invention. The azimuth estimation device 1d shown in FIG. 18 has a configuration in which a beam interpolation unit 50 is provided between the beamforming unit 21 and the narrowband signal estimation unit 3a as compared with the azimuth estimation device 1b shown in FIG. The beam interpolation unit 50 performs an interpolation process for increasing the number of beams with respect to the number of beams of a plurality of beam waveforms input from the beamforming unit 21. For example, the beam interpolation unit 50 replenishes a plurality of input beam waveforms with a beam waveform that interpolates between two beam waveforms having close azimuth angles. FIG. 18 shows a case where the beam interpolation unit 50 increases the number of beams Sb from M to M ₂ . M ₂ and M have a relationship of M ₂ > M. Also in the fifth embodiment, the azimuth estimation device 1d may be the information processing device shown in FIG. 6, and all or part of the functions included in the azimuth estimation device 1d may be configured by a dedicated circuit.

本実施の形態５の方位推定方法は、図１１を参照して説明した手順において、ステップＳ２０１とＳ２０２との間でビーム数を増加させる補間処理を行うことを除いて、同様な処理になるため、その詳細な説明を省略する。 Since the azimuth estimation method of the fifth embodiment is the same process except that the interpolation process for increasing the number of beams is performed between steps S201 and S202 in the procedure described with reference to FIG. , The detailed description thereof will be omitted.

本実施の形態５のメリットは、ＤＩＦＡＲソノブイの各指向性音響センサ出力を用いて、ＡＢＦを実施するときに顕著になる。一般的には、ＡＢＦはビーム形成の計算コストが大きく、ビームフォーミングで多くのビーム形成をすることが難しい場合がある。このような場合であっても、本実施の形態５では、ビーム数を増加させることができる。その結果、より細かい刻みで狭帯域信号の方位推定を行うことができる。 The merit of the fifth embodiment becomes remarkable when ABF is performed by using each directional acoustic sensor output of DIFAR sonobuoy. In general, ABF has a high calculation cost of beam formation, and it may be difficult to form many beams by beamforming. Even in such a case, the number of beams can be increased in the fifth embodiment. As a result, the orientation of the narrowband signal can be estimated in finer steps.

実施の形態６．
実施の形態４では、ビームフォーミングで生成されるビーム数Ｓｂ＝Ｍで、ビーム数Ｓｂが固定の場合である。本実施の形態６は、実施の形態５と同様に、ビームフォーミング部の後段にビーム補間処理部を設け、補間処理によってビーム数を増加させるものである。本実施の形態６では、実施の形態１〜５で説明した構成と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。 Embodiment 6.
In the fourth embodiment, the number of beams Sb = M generated by beamforming, and the number of beams Sb is fixed. In the sixth embodiment, similarly to the fifth embodiment, a beamforming processing unit is provided after the beamforming unit, and the number of beams is increased by the interpolation processing. In the sixth embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those described in the first to fifth embodiments, and detailed description thereof will be omitted.

本実施の形態６の方位推定装置の構成を説明する。図１９は、本発明の実施の形態６に係る方位推定装置の一構成例を示すブロック図である。図１９に示す方位推定装置１ｅは、図１６に示した方位推定装置１ｃと比較すると、ビームフォーミング部２１と狭帯域信号推定部３ｃとの間にビーム補間部５０が設けられた構成である。本実施の形態６においても、方位推定装置１ｅは、図６に示した情報処理装置でもよく、方位推定装置１ｅが備える機能の全部または一部が専用回路で構成されてもよい。 The configuration of the azimuth estimation device according to the sixth embodiment will be described. FIG. 19 is a block diagram showing a configuration example of the orientation estimation device according to the sixth embodiment of the present invention. The azimuth estimation device 1e shown in FIG. 19 has a configuration in which a beam interpolation unit 50 is provided between the beamforming unit 21 and the narrowband signal estimation unit 3c as compared with the azimuth estimation device 1c shown in FIG. Also in the sixth embodiment, the azimuth estimation device 1e may be the information processing device shown in FIG. 6, and all or part of the functions included in the azimuth estimation device 1e may be configured by a dedicated circuit.

本実施の形態６の方位推定方法は、図１７を参照して説明した手順において、ステップＳ４０１とＳ４０２との間でビーム数を増加させる補間処理を行うことを除いて、同様な処理になるため、その詳細な説明を省略する。 Since the azimuth estimation method of the sixth embodiment is the same process except that the interpolation process for increasing the number of beams is performed between steps S401 and S402 in the procedure described with reference to FIG. , The detailed description thereof will be omitted.

本実施の形態６は、ＤＩＦＡＲソノブイの各指向性音響センサ出力を用いてＡＢＦを実施するときにメリットが顕著となり、実施の形態５と同様な効果が得られる。ビームフォーミングで多くのビーム形成をすることが難しい場合であっても、本実施の形態６では、ビーム数を増加させることができる。その結果、より細かい刻みで狭帯域信号の方位推定を行うことができる。 In the sixth embodiment, the merit becomes remarkable when the ABF is carried out by using each directional acoustic sensor output of the DIFAR sonobuoy, and the same effect as in the fifth embodiment can be obtained. Even when it is difficult to form many beams by beamforming, the number of beams can be increased in the sixth embodiment. As a result, the orientation of the narrowband signal can be estimated in finer steps.

なお、実施の形態５では、実施の形態２の方位推定装置１ａにビーム補間部５０を設ける場合について説明し、実施の形態６では、実施の形態４の方位推定装置１ｃにビーム補間部５０を設ける場合について説明したが、これらの場合に限らない。例えば、実施の形態３の方位推定装置１ｂにおいて、補助ビームフォーミング部４０と周波数分析部４１との間にビーム補間部５０を設けてもよい。また、実施の形態３の方位推定装置１ｂにおいて、抽出部４３の代わりに２次関数フィッティング部４５が設けられていてもよい。 In the fifth embodiment, the case where the beam interpolation unit 50 is provided in the azimuth estimation device 1a of the second embodiment will be described, and in the sixth embodiment, the beam interpolation unit 50 will be provided in the azimuth estimation device 1c of the fourth embodiment. Although the case of providing the device has been described, the case is not limited to these cases. For example, in the azimuth estimation device 1b of the third embodiment, the beam interpolation unit 50 may be provided between the auxiliary beamforming unit 40 and the frequency analysis unit 41. Further, in the orientation estimation device 1b of the third embodiment, a quadratic function fitting unit 45 may be provided instead of the extraction unit 43.

１、１ａ〜１ｅ 方位推定装置
２ 広帯域信号推定部
３、３ａ〜３ｃ 狭帯域信号推定部
５ 方位推定システム
１１ 記憶部
１２ 制御部
１３ ＣＰＵ
１４ メモリ
２１ ビームフォーミング部
２２ 帯域加算部
２３ 最大レベル検出部
２４ 方位選択部
３１ 減算処理部
３２ 周波数分析部
３３ 相互相関計算部
３５ 方位算出部
４０ 補助ビームフォーミング部
４１ 周波数分析部
４２ 正規化処理部
４３ 抽出部
４４ 方位変換部
４５ ２次関数フィッティング部
５０ ビーム補間部
６０ ＤＩＦＡＲセンサ
６１ ＯＭＮＩ指向性音響センサ
６２ ＮＳ指向性音響センサ
６３ ＥＷ指向性音響センサ
６５ ＤＩＦＡＲソノブイ
６６ フローティング部
６７ 送信部
６８ ケーブル
１００ 方位推定装置 1, 1a to 1e Azimuth estimation device 2 Wideband signal estimation unit 3, 3a to 3c Narrowband signal estimation unit 5 Azimuth estimation system 11 Storage unit 12 Control unit 13 CPU
14 Memory 21 Beamforming unit 22 Band addition unit 23 Maximum level detection unit 24 Direction selection unit 31 Subtraction processing unit 32 Frequency analysis unit 33 Mutual correlation calculation unit 35 Direction calculation unit 40 Auxiliary beamforming unit 41 Frequency analysis unit 42 Normalization processing unit 43 Extraction unit 44 Orientation conversion unit 45 Secondary function fitting unit 50 Beam interpolation unit 60 DIFAR sensor 61 OMNI directional acoustic sensor 62 NS directional acoustic sensor 63 EW directional acoustic sensor 65 DEFAR sonobuoy 66 Floating unit 67 Transmission unit 68 Cable 100 Orientation estimator

Claims (10)

無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成するビームフォーミング部と、
前記３つの音響センサの出力に対して、前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行ってから、狭帯域信号の到来方位を推定する狭帯域信号推定部と、
を有する方位推定装置。 An omnidirectional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having a line-symmetric directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor, and a directivity orthogonal to the directivity of the first directional acoustic sensor. A beam forming unit that generates a plurality of beam waveforms corresponding to a plurality of directions by using the output of three acoustic sensors composed of a second directional acoustic sensor having a property.
With respect to the outputs of the three acoustic sensors, one or both of subtraction and suppression of the wideband signal are performed based on the plurality of beam waveforms output from the beamforming unit, and then the arrival direction of the narrowband signal is estimated. Narrowband signal estimation unit and
Azimuth estimator with. 前記ビームフォーミング部を含み、前記複数のビーム波形から前記広帯域信号の到来方位を推定し、推定した到来方位に基づいて前記広帯域信号の波形を抽出する広帯域信号推定部をさらに有し、
前記狭帯域信号推定部は、
前記各音響センサの出力から前記広帯域信号の波形を減算する減算処理部と、
前記減算処理部による前記各音響センサの出力の減算結果に対して周波数を分析する周波数分析部と、
前記無指向性音響センサの出力と前記第１の指向性音響センサの出力との相互相関である第１相関、および前記無指向性音響センサの出力と前記第２の指向性音響センサの出力との相互相関である第２相関を算出する相互相関計算部と、
前記相互相関計算部によって算出された前記第１相関および前記第２相関に逆三角関数を用いて前記狭帯域信号の到来方位を算出する方位算出部と、
を有する、請求項１に記載の方位推定装置。 The beamforming unit is included, and further includes a broadband signal estimation unit that estimates the arrival direction of the broadband signal from the plurality of beam waveforms and extracts the waveform of the broadband signal based on the estimated arrival direction.
The narrowband signal estimation unit
A subtraction processing unit that subtracts the waveform of the broadband signal from the output of each acoustic sensor, and
A frequency analysis unit that analyzes the frequency of the subtraction result of the output of each acoustic sensor by the subtraction processing unit,
The first correlation, which is a cross-correlation between the output of the omnidirectional acoustic sensor and the output of the first directional acoustic sensor, and the output of the omnidirectional acoustic sensor and the output of the second directional acoustic sensor. The cross-correlation calculation unit that calculates the second correlation, which is the cross-correlation of
An azimuth calculation unit that calculates the arrival direction of the narrowband signal by using an inverse trigonometric function for the first correlation and the second correlation calculated by the cross-correlation calculation unit.
The orientation estimation device according to claim 1. 前記狭帯域信号推定部は、
前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形ごとに周波数を分析する周波数分析部と、
前記周波数分析部が分析した周波数ごとに前記ビーム波形を周波数方向に正規化処理する正規化処理部と、
前記正規化処理部から前記周波数ごとに出力される複数の正規化処理の結果のうち、最大の正規化出力を抽出する抽出部と、
前記抽出部によって抽出された最大の正規化出力の方位を前記狭帯域信号の方位に変換する方位変換部と、
を有する、請求項１に記載の方位推定装置。 The narrowband signal estimation unit
A frequency analysis unit that analyzes frequencies for each of the plurality of beam waveforms output from the beamforming unit, and
A normalization processing unit that normalizes the beam waveform in the frequency direction for each frequency analyzed by the frequency analysis unit, and a normalization processing unit.
An extraction unit that extracts the maximum normalization output from a plurality of normalization processing results output from the normalization processing unit for each frequency, and an extraction unit.
An azimuth conversion unit that converts the azimuth of the maximum normalized output extracted by the extraction unit into the azimuth of the narrowband signal, and
The orientation estimation device according to claim 1. 前記ビームフォーミング部を含み、前記複数のビーム波形から前記広帯域信号の到来方位を推定し、推定した到来方位に基づいて前記広帯域信号の波形を抽出する広帯域信号推定部をさらに有し、
前記狭帯域信号推定部は、
前記各音響センサの出力から前記広帯域信号推定部によって抽出された前記広帯域信号の波形を減算する減算処理部と、
前記減算処理部による前記各音響センサの出力の減算結果を用いて複数のビーム波形を生成する補助ビームフォーミング部と、
前記補助ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形ごとに周波数を分析する周波数分析部と、
前記周波数分析部が分析した周波数ごとに周波数方向に正規化処理を行う正規化処理部と、
前記正規化処理部から前記周波数ごとに出力される複数の正規化処理の結果のうち、最大の正規化出力を抽出する抽出部と、
前記抽出部によって抽出された最大の正規化出力の方位を前記狭帯域信号の方位に変換する方位変換部と、
を有する、請求項１に記載の方位推定装置。 The beamforming unit is included, and further includes a broadband signal estimation unit that estimates the arrival direction of the broadband signal from the plurality of beam waveforms and extracts the waveform of the broadband signal based on the estimated arrival direction.
The narrowband signal estimation unit
A subtraction processing unit that subtracts the waveform of the broadband signal extracted by the broadband signal estimation unit from the output of each acoustic sensor, and a subtraction processing unit.
An auxiliary beamforming unit that generates a plurality of beam waveforms using the subtraction result of the output of each acoustic sensor by the subtraction processing unit, and
A frequency analysis unit that analyzes frequencies for each of the plurality of beam waveforms output from the auxiliary beamforming unit, and
A normalization processing unit that performs normalization processing in the frequency direction for each frequency analyzed by the frequency analysis unit,
An extraction unit that extracts the maximum normalization output from a plurality of normalization processing results output from the normalization processing unit for each frequency, and an extraction unit.
An azimuth conversion unit that converts the azimuth of the maximum normalized output extracted by the extraction unit into the azimuth of the narrowband signal, and
The orientation estimation device according to claim 1. 前記狭帯域信号推定部は、
前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形ごとに周波数を分析する周波数分析部と、
前記周波数分析部が分析した周波数ごとに周波数方向に前記ビーム波形を正規化処理する正規化処理部と、
前記正規化処理部から前記周波数ごとに出力される複数の正規化処理の結果を２次関数にフィッティングすることで最大の正規化出力を抽出する２次関数フィッティング部と、
前記２次関数フィッティング部によって抽出された最大の正規化出力の方位を前記狭帯域信号の方位に変換する方位変換部と、
を有する、請求項１に記載の方位推定装置。 The narrowband signal estimation unit
A frequency analysis unit that analyzes frequencies for each of the plurality of beam waveforms output from the beamforming unit, and
A normalization processing unit that normalizes the beam waveform in the frequency direction for each frequency analyzed by the frequency analysis unit, and a normalization processing unit.
A quadratic function fitting unit that extracts the maximum normalized output by fitting the results of a plurality of normalization processes output from the normalization processing unit for each frequency into a quadratic function.
An orientation conversion unit that converts the orientation of the maximum normalized output extracted by the quadratic function fitting unit into the orientation of the narrowband signal, and an orientation conversion unit.
The orientation estimation device according to claim 1. 前記ビームフォーミング部と前記狭帯域信号推定部との間に設けられたビーム補間部をさらに有し、
前記ビーム補間部は、前記ビームフォーミング部から入力される複数のビーム波形のビーム数に対して、前記ビーム数を増加させる補間処理を行う、請求項３または５に記載の方位推定装置。 It further has a beam interpolating unit provided between the beamforming unit and the narrowband signal estimation unit.
The azimuth estimation device according to claim 3 or 5, wherein the beam interpolation unit performs an interpolation process for increasing the number of beams with respect to the number of beams of a plurality of beam waveforms input from the beamforming unit. 前記広帯域信号推定部は、
前記ビームフォーミング部と、
前記ビームフォーミング部から出力される前記複数のビーム波形のパワー値を算出する帯域加算部と、
前記帯域加算部で算出された前記複数のビーム波形のパワー値のうち、最大のパワー値となる方位を検出し、検出した方位を前記広帯域信号の推定方位として出力する最大レベル検出部と、
前記広帯域信号の推定方位に対応するビーム波形を抽出し、抽出したビーム波形を前記狭帯域信号推定部に出力する方位選択部と、
を有する、請求項２または４に記載の方位推定装置。 The broadband signal estimation unit
With the beamforming section
A band addition unit that calculates the power values of the plurality of beam waveforms output from the beamforming unit, and a band addition unit.
A maximum level detection unit that detects the azimuth that is the maximum power value among the power values of the plurality of beam waveforms calculated by the band addition unit and outputs the detected azimuth as an estimated azimuth of the broadband signal.
An azimuth selection unit that extracts a beam waveform corresponding to the estimated azimuth of the wideband signal and outputs the extracted beam waveform to the narrowband signal estimation unit.
The orientation estimation device according to claim 2 or 4. 無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサを含むダイファーセンサと、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の方位推定装置と、
を有する方位推定システム。 An omnidirectional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having a line-symmetric directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor, and a directivity orthogonal to the directivity of the first directional acoustic sensor. A differ sensor that includes a second directional acoustic sensor with the ability to
The orientation estimation device according to any one of claims 1 to 7,
Azimuth estimation system with. 無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて狭帯域信号の到来方位を推定する方位推定方法であって、
前記３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成し、
前記３つの音響センサの出力に対して、生成された前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行った後、前記狭帯域信号の到来方位を推定する、
方位推定方法。 An omnidirectional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having a line-symmetric directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor, and a directivity orthogonal to the directivity of the first directional acoustic sensor. It is an azimuth estimation method that estimates the arrival azimuth of a narrow band signal using the outputs of three acoustic sensors consisting of a second directional acoustic sensor having directivity.
Using the outputs of the three acoustic sensors, a plurality of beam waveforms corresponding to a plurality of directions are generated.
After performing one or both of subtraction and suppression of the wideband signal based on the generated plurality of beam waveforms with respect to the outputs of the three acoustic sensors, the arrival direction of the narrowband signal is estimated.
Azimuth estimation method. 無指向性音響センサ、前記無指向性音響センサの中心を通る直線に線対称の指向性を備えた第１の指向性音響センサ、および前記第１の指向性音響センサの指向性と直交する指向性を備えた第２の指向性音響センサからなる３つの音響センサの出力を用いて狭帯域信号の到来方位を推定するコンピュータに、
前記３つの音響センサの出力を用いて、複数の方位に対応する複数のビーム波形を生成する手段と、
前記３つの音響センサの出力に対して、生成された前記複数のビーム波形に基づいて広帯域信号を減算および抑制の一方または両方を行った後、前記狭帯域信号の到来方位を推定する手段として機能させるためのプログラム。 An omnidirectional acoustic sensor, a first directional acoustic sensor having a line-symmetric directivity in a straight line passing through the center of the omnidirectional acoustic sensor, and a directivity orthogonal to the directivity of the first directional acoustic sensor. For a computer that estimates the arrival direction of a narrow band signal using the output of three acoustic sensors consisting of a second directional acoustic sensor with directivity.
A means for generating a plurality of beam waveforms corresponding to a plurality of directions by using the outputs of the three acoustic sensors, and
It functions as a means for estimating the arrival direction of the narrowband signal after subtracting and suppressing one or both of the wideband signals based on the generated plurality of beam waveforms with respect to the outputs of the three acoustic sensors. Program to let you.

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