JPS61254870A

JPS61254870A - 方向推定装置

Info

Publication number: JPS61254870A
Application number: JP9607285A
Authority: JP
Inventors: Masao Igarashi; 正夫五十嵐
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1985-05-08
Filing date: 1985-05-08
Publication date: 1986-11-12
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPH06105289B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、アレイと該アレイ出力信号に対するビーム
・フォーマを用いて信号源又は反射源の方向推定におけ
る方向推定誤差の補正方式に関する。

（従来の技術）ンーナーや音響測位及びレーダでは、空間的に配列され
た複数の受波器素子（以下、アレイ素子という）からな
るアレイと時間遅延補償と加算からなるいわゆる遅延−
加算（ｄｅｌａｙ−ｓｕｍ　）方式のビーム・フォーマ
と空間上の方向領域における該ビーム・フォーマ出力の
最大点を求めるための最大点検出手段とを用いる信号源
又は反射ヰ方向の推定方法が・ンツシブソーナーや音響
測位（信号源方向の推定）及びアクティブンーナーやレ
ーダ（反射体方向の推定）に広く利用されている。

このような方向推定装置においては、方向はアレイ各素
子の出力信号がもつ時間差情報に基づいて推定され、ま
た該時間差情報はアレイ各素子の位置と該アレイを基準
とした信号源又は反射源の方位とによって決まるので、
アレイ各素子の位置に定格値に対する差異すなわち素子
位置誤差が存在する場合には、該時間差情報にも誤差を
生じ、従って方向の推定に誤差を生ずることになる。

このため、このような推定誤差が推定系にとって無視で
きない場合には、該推定誤差の補正手段が必要となる。

従来、このような補正方法には、各アレイ素子の位置誤
差によって生ずる各周波数ｆの成分の位相誤差を直接取
り除く位相誤差の補正器を各素子チャネル毎に付加する
方式が用いられてきた。

以下、この発明の対象となる方向推定装置を第７図ない
し第１０図を参照して説明し、次に上記推定誤差の補正
手段を具備する方向推定装置を第１１図を参照して説明
する。

第７図は、ビーム・フォーマと最大点検出器を用いる信
号源方向推定装置の例である。なお、方向を推定する対
象が信号源の場合と反射体の場合との差は、アレイに入
力される信号波形が未知であるか既知であるかの違いだ
けであり、この発明の内容に関しては基本的な差はない
から、以下信号源に対する方向推定装置のみを説明の対
象とする。

第７図において、’ｌ＋１２＋・・・＋　ＬＭは各々ア
レイ素子、２１＋　２２＋・・・＋　２Ｍは各々増幅器
、３　Ｌ　＋３□、・・・、３Ｍは各々帯域制限フィル
タ、４はビーム・フォーマ、５は２乗器、６は平滑器、
７は最大点検出器、８は角度変換器、９は方向推定値の
出力端子、又Ｘ　１　（ｔ）　＋　Ｘ　２　（ｊ）　＋
　”’　＋　ｘＭ（ｔ）はアレイ素子１１＋１２＋・・
・＋　ＬＭの入力信号、ｙ　ｔ　（ｔ）　＋　ｙ　ｚ　
（ｔ）　＋・・・。

ｙＭ（ｔ）　　は帯域制限フィルタ３ｔ＋３２．・・・
、　３Ｍの出力信号、ｉ（α）はビーム・フォーマ４の
出力で、ビーム主軸の方向の方向余弦がαのときの出力
信号、ｔ（α）は前記２乗器５の出力信号でｔ（α）＝
！（α）、Ｌ（α）は平滑器６の出力で前記ｔ（α）の
期待値、αは最大点検出器７の出力でＬ（α）が最大値
をとるα値、ｔは角度変換器８の出力で前記方向余弦ａ
に対応した方向であシ、前記信号源方向の推定値である
。

第７図において、アレイ素子１１，１□、・・・＋　Ｌ
Ｍの入力信号Ｘ　１　（ｔ）　ｒ　Ｘ　２　（ｊ）　ｒ
　”’　＋　ＸＭ（ｊ）は素子により電気信号へ変換さ
れ、増幅器２１　＋　２２１・・・１２Ｍで適正なレベ
ルまで増幅、帯域制限フィルタ３１＋３２＋・、・・＋
　３Ｍで適正な周波数帯域内に帯域制限されて、信号ｙ
ｔ（ｔ）、ｙｚ（ｔ）、・・・、　ｙｉａ（ｔ）として
ビーム・フォーマ４に入力される。ビーム・フォーマ４
は該入力信号ｙ　１（ｔ）　、　ｙ　ｚ　（ｔｌ　ｓ　
−ｓ　ＹＭ（ｔｌに対して時間遅延補償Ｐｏ１α／Ｃ２
ＰＯ２α／　Ｃｒ　”’　ｔ　ｐＯＭα／Ｃと重みｂｌ
、ｂ２＠・・・ｒｂＭを付加することにより（（α）＝Σｂｉ　ｙｉ　（ｔ＋Ｐｏｉα／Ｃ）　　　
　　　　（１）ｉ＝１を算出し、α方向のビーム出力ζ（α）として出力する
。ここで、Ｐｏ４：ｉ＝１．２．・・・２Ｍは前記第１
番目素子１ｉの定格位置ベクトル、Ｃは信号の伝搬速度
を表わし、添字Ｔはベクトルの転置を表わす。ビーム・
フォーマ４の出力！（α）は２乗器５で２乗されてｔ（
α）＝ζ（α）が出力され、該出力Ｌ（α）は平滑器６
で平均化操作を施されてｔ（α）の期待値しくα）が最
大点検出器７に入力される。

平滑器６には通常積分器が用いられる。

最大点検出器７は前記Ｌ（α）が最大となる方向余弦α
の値αを検出し、該αを信号源方向の方向余弦推定値と
して出力する。変換器８は該αを方向余弦角７に変換す
る変換器であシ、ａから変換された該７を信号源方向の
推定値として出力端子９に出力する。

第８図には、前記素子定格位置ベクトルＰｏｔ、方向余
弦α、方向θの説明のための図である。第８図ではアレ
イが平面アレイの場合を示しており、１０はアレイ素子
１１，１２．、゛・・＋　ＬＭが配列された平面アレイ
、ｘ、ｙ、ｚはＸ、Ｙ軸を平面アレイ１０の面上に置く
直角座標、θ８．θア、θ２はビーム。フォーマ４によ
り形成されるビームの主軸方向を示す角度で各々ｘ、ｙ
、ｚ軸に関する方向余弦角、θＸＯｌ　θア。、θ、０
は信号源方向を示す角度で前記θ工、θア、θ２と同様
各々ｘ、ｙ、ｚ軸に関する方向余弦角、又Ｐ。ｉは第ｉ
番目素子の定格位置ベクトルであ！ｌ　、Ｐｏｉ　、α
、θは一般に次のように与えられる３次元ベクトルであ
る。

Ｐｏｉ　＝［ｘｏｉ＋ｙｏｌ＋Ｏ］　　：　ｉ＝１．２
．−°Ｍ（２）α　＝〔部θ工、。θア、。θ２〕 θ　＝〔θ工、θア、θＺ）”　　　　　　　　　（４
）ただし、方向余弦に関しては部２θＸ　＋　ａｌ１５
２θア＋ａｌＩｇ２θ２＝１の関係が成シ立つので、第
８図における■θ２は、回θアと■θ工から μｓθ２＝１−ｃａｇ２θニーｃｏｓ２θｙ（５）で求
められる。従って第８図のような平面アレイでは゛基本
的には。θ工、。θアのみを求めればよい。

第７図に示すような信号源方向推定装置において、ビー
ム・フォーマ４の出力ζ（α）の２乗値ｔ（α）の期待
値をとる平滑器６の出力Ｌ（α）を最大とするαから、
信号源の方向余弦の真値α。＝〔。θ工。、ｃ、θア。

Ｉａ’ｓθ２゜〕１の推定値ａ　”　（ＣｏｇＢｚ　＋
　。も、。

へ丁 ■θ２〕　を求め、該αから前記角度変換器８により信
号源方向の推定値７１　ｘ　（夫、　ｙｙ、　’１．）
”を求めるものである。

第８図では平面アレイの場合を示したが、Ｘ軸上に配列
された直線アレイの場合はＰ。ｉ　＝ＸＯｉ　：　ｉ−
１，２，・・・２Ｍ、α＝■θ８，０＝θ工とき、又３
次元、アレイの場合はＰＯｉ　＝（ｘＯｉ　＋　３’Ｏ
ｉ　ｒ　ＺＯｉ　）　　＊　１＝１．２．・・・１Ｍ、
とし、αとθを各々前記式（３）と（４）で与えれば基
本的に平面アレイと同じに扱えるので、以下では第８図
に示す平面アレイの場合のみについて説明する。また、
アレイと信号源間の耐難はアレイの幅（開口）と比較し
て充分に長く、座標系ｘ、ｙ、ｚの原点における信号ｘ
、（ｔ）とすると、第ｉ番目素子の入力信号ｘｉ（ｔ）
はｘｉ（ｔ）＝ｘ□（ｔ−Ｐｉαｏ／Ｃ）、すなわち時
間遅延Ｐ、α。／Ｃを受けると仮定できるものとする。

第９図はビーム・フォーマ４の詳細な説明図である。第
９図において１１１，１１□、・・・、１１Ｍはビーム
・フォーマ４の入力端子、１２１　ｒ　１２２＋・・・
。

１２Ｍは時間遅延補償器、１３１　＋　１３　ｚ　＋・
・・、１３Ｍは重み付加器、１４は加算器、１５はビー
ム・フォーマ４の出力端子である。

入力信号ｙ　ｔ　（ｔＬ　ｙ　２　（ｔＬ・・・Ｉ　ｙ
Ｍ（ｔ）は時間遅延補償器１２１，１２□、・・・、１
２Ｍにおいて、ビーム主軸方向θの方向余弦αに対応し
た遅延時間補償Ｐ。ｉＱ／Ｃ：　１　＝１　ｔ　２　ｒ
・・・２Ｍ、を受ゆた後、重み付加器１３１，１３２．
・・・、１３Ｍで重み係数ｂｌ＋ｂ２．・・・。

ｂＭを掛けられ、加算器１４で当該信号の総和！（α）
＝Σｔ）ｉ）’ｉ　（ｔ＋Ｐｏｉ”α／Ｃ）ｉ＝１＝、Σｂｔｙｔ（ｔ＋Ｐｏｔ　（α−α。）／Ｃ）　　
　　（６）ｌ＝１が算出され、ビーム・フォーマ４の出力ζ（α）として
出力される。

第１０図は、平滑器６の出力しくα）、最大点検出器７
で求められる信号源方向の方向余弦推定値α、及び信号
源方向の方向余弦の真値α。の説明図であり、図の横軸
は方向余弦α、縦軸は平滑器出力Ｌ（α）を示す。各α
に対して求められるしくα）。

に対して、最大点検出器７はＬ（α）が最大となるα値
αを求める。すなわち、最大点検出器７の機能は平滑器
出力しくα）のαに関する微分値ａＬ（ψ／ａαがＯと
なるα値を求めていることと等価である。

なお、ビーム・フォーマ４．２乗器５、及び平滑器６で
求められる出力Ｌ（α）は一般にαの連続値に対しては
求められず、補間定理の成シ立つ間隔の離散値α１．α
２．・・・、αＮに対してのみ求められる。しかし、こ
のような場合ｒ）も補間操作により、αｌ、α２．・・
・、αＮにおけるしくα１）　、Ｌ（α２）、・・・。

Ｌ（αＮ）からαの連続値におけるＬ（α）を算出する
ことができるので、以下平滑器６の出力としてはαの連
続値におけるＬ（α）のみ゛を説明の対象とする。

さて、信号ｙ１（ｔ）　、ｙｚ（ｔ）　＋・・・、　ｙ
Ｍ（ｔ）に雑音がなく、また入力信号ｘ　ｒ　（ｔ）　
＋　ｘ　ｚ（ｔ）　＋　−＋　ｘＭ（ｔ）に対するアレ
イ素子１１＋１２＋・・・＋　ＬＭ及び付加される電子
回路素子２□、２２．・・・＋２Ｍや３！、３□＋　”
’　＋　３Ｍ等の応答特性に各チャネル毎の差異がなく
、かつアレイ素子１１，１□、・・・＋　ＩＭの各位置
座標に位置誤差がなければ、式（１）から、＃（α）の
２乗値の期待値しくα）＝＜１２（α）　＞　＝　＜　
１＜α）〉はα＝α。で最大値をとり、従って第７図の
推定値ａはα。と一致し、よって７はθ。に一致する。

ただし、く・〉は期待値をとる操作を表わす。しかし、
ｙ　ｔ　（ｔ）　、　ｙ　ｚ（ｔ）。

・・・、ｙｘ（ｔ）の間に時間遅延の差異Δτｌ、Δτ
２．・・・。

３１Ｍが存在する場合には、前記式（２）で与えられる
ｔ（α）の２乗値の期待値しくα）は一般にα＝α。で
最大点をとらず、前記第７囚の推定値ａには誤差Δαが
含まれることになり、従って方向推定値ｔにも誤差が生
ずることになる。一方、第８図のアレイ素子１１＋　１
２ｔ・・・ｒ　ＬＭの実際の位置ベクトルをＰｌ　＋　
ＰＺ　＋・・・＋ＰＭで表わし、該ｐｉ　：　１＝１１
２　ｐ・・・９Ｍ、には前記定格位置ベクトルＰ。ｉ：
１＝Ｌ２、・・・２Ｍに対する位置誤差 ΔＰ・＝Ｐｉ−ＰｏｉＴ　　　　。

＝（ΔＸｉ　、ΔＹｉｔΔＺｉ　）　　　：　１＝１　
＋　２　＋”’＋　’　　　（７）が存在する場合には
、各信号ｙ＋（ｔ）、　ｙｚ（ｔ）　＋・・・。

ｙｉｉ（ｔ）に遅延時間の差異 Δτｉ＝ΔＰｉα。　　：　ｉ　＋＝ａ　１．２　、・
・・、　Ｍ　　　　　　（８）が生じたと考えた場合に
等価である。ただし、該時間遅延の差異は信号源方向の
方向余弦α。の関数であシ、α。によシ変化するから、
通常の固定的な時間遅延の差異とは異なる。

よって、第８図のアレイ素子１１，１□、・・・、　Ｌ
Ｍの各実際の位置ベクトルＰ　１　＊　Ｐ　２　＊・・
・、ＰＭに、前記定格誤差Ｐ。１　ｒ　ＰＯ２＋・・・
、ＰＯＭに対する位置誤差ΔＰ１ｒΔＰ２．・・・、Δ
Ｐ、が存在する場合、前記信号ｙｔ（ｔ）、ｙｚ（ｔＬ
・・・、　ｙｖ（ｔ）に式（８）で与えられる時間遅延
の差異Δτｌ、Δτ２．・・・、３１Ｍが存在する場合
と等価な方向推定誤差を生ずることになる。

従来、アレイ素子や増幅器及び帯域制限フィルタ等で生
ずる時間遅延の差異による生ずる方向推定誤差を取り除
く方法としては、第１１図に示すような方法がとられて
きた。第１１図において１６１＋１６２＋・・・、１６
Ｍは時間遅延差異補正器である。時間遅延差異補正器１
６１．１６□、・・・、１６Ｍは前記信号ｙｔ（ｔ）、
　ｙｚ（ｔ）、・・・、　ｙＭ（ｔ）の時間遅延の差異
Δτｌ、Δτ２．・・・、３１Ｍを取シ除く補正器であ
り、該補正後の信号ｚ　１　（ｔ）　、　Ｚ　２　（ｔ
）　、−、ｚＨ（ｔ）をビーム・フォーマ４に出力する
。

なお、第１１図では時間遅延差異補正器の個数をチャネ
ル数に同じＭ個としたが、差異のみが問題となるので一
般にはＭ−１個で充分である。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、等測的に前記式（８）で与えられるよう
な時間遅延の差異により生ずる信号源方向の方向推定誤
差を取り除く方法に、第１１図に示すような時間遅延差
異補正器１６１＋１６ｚｔ・・・、１６Ｍを用いる従来
方式は次のような欠点を有する。

■　アレイの素子数Ｍ（実際はＭ−１）に等しい数だけ
の時間遅延差異補正器１５１，１６２＋・・・。

１６Ｍを必要とするので装置が複雑化するとともに・・
−ドウエア規模も大きくなる。

■　従来の時間遅延差異補正器では、信号ｙ、（ｔ）。

ｙｚ（ｔ）、・・・ｔ　ｙＭ（ｔ）の時間遅延の差異Δ
τ１．Δτ２．・・・。

３１Ｍが信号源の方向α。に無関係に一定であるという
仮定をおいておシ、Δτ１．Δτ２　ｒ　”’　＋Δτ
いが前記式（８）で与えられるように、方向α。ととも
に変化するような場合にはたとえアレイ素子の位置誤差
ΔＰ１．ΔＰ２．・・・、ΔＰ、が予め与えられた場合
でも有効な補正を行うことは困難である。

■　アレイの経年変化や素子の交換等によって、アレイ
素子の位置誤差ΔＰｌ、ΔＰ　２　＋・・・、３２Ｍに
変化を生じた場合には、そのつど変化した数だけの時間
遅延差異補正器の補正値を再設定しなければならない。

従って、この発明の目的は、従来の時間遅延差異補正器
によっては実現が困難であったアレイ素子の位置誤差に
よって生ずる信号源方向の推定誤差の補正を容易に実現
するところにあり、かつ信号源が広帯域信号源であって
も適用できる補正方式を得るところにおる。

（問題点を解決するための手段）この発明は、空間上に配列された複数の受波器素子から
なるアレイと、前記アレイの各受波器素子の出力信号を
遅延させて加算する遅延−加算方式のビーム・フォーマ
と、該ビーム・フォーマの出力が最大となる方向又は方
向余弦を求める最大点検出手段とを有し、該最大点検出
手段で求めたビーム・フォーマ出力の最大点から信号源
又は反射源の方向を推定する方向推定装置を対象とする
・この発明は、上記方向推定装置において、前記アレイ
の受波器素子の定格値に対する位置の誤差によって生ず
る前記信号源又は反射源方向の推定誤差を、前記受波器
素子の位置の誤差と前記受波器素子の位置座標と前記ビ
ーム・フォーマの重み係数と前記信号源又は反射源の近
傍方向のビーム出力の・ぞワースベクトルの推定値とか
ら求め、算出された推定誤差を前記最大点検出手段の出
力から差し引くことにある。

（作用）アレイの各受波器素子の定格値に対する位置の誤差によ
って生ずる信号源又は反射源方向の推定誤差は、上記４
つのパラメータによって得ることができる。従って、こ
の発明によれば、この推定誤差を最大点検出手段の出力
から差し引くことによシ、受波器素子の位置の誤差によ
って生ずる信号源又は反射源方向の推定誤差を取り除く
ことができる。

（実施例）はじめに、この発明の原理について説明する。

この発明は、アレイ素子の位置誤差ΔＰｌ＋ΔＰ２　＋
６．・、２８Ｍと、アレイ素子の定格位置ベクトルＰ。

１゜Ｐｏ２　、・・・ＩＰＯＭ、ビーム・フォーマの重
ミ係数ｂｌ）　ｂ２＋・・・＋ｂＭ、及び信号源近傍方
向のビーム出力の・セワースペクトルの推定値から、信
号源方向余弦の推定誤差Δαを算出し、該推定誤差の算
出値Δαを時間遅延差異補正器等を用いない第７図に示
すような従来方式で求めた推定値αから差し引くことに
よって真の推定値室を求め、アレイ素子の位置誤差ΔＰ
　１　ｒΔＰ２．・・・、２８Ｍによって生ずる信号源
方向の推定誤差を取り除くものである。

この発明は、次の関係に基づいて導かれるものである。

■　第７図のビーム・フォーマ４への入力信号として中
心周波数ｆｋの狭帯域信号が入力されたとし、ｆｋにお
ける該信号間の位相応答差異をΔφ１（ｋ）。

Δφ２　（ｋ）　、・・・、ΔφＭ（ｋ）とすると、前
記第７図の平滑器６の出力しｋ（α）のαに関する微分
は、ラジアン単位で表わした前記位相差異が充分に小さ
く、１Δφｔ（ｋ）ｌ＜＜　１　；　ｔ　＝　１．２　
、・・・９Ｍ、のときαがα０の近傍において近似的に
次式で与えられる。

ここで、αがｍ次元ベクトルのとき、Ｈはｍｚｍ次行列
、Ｐｏはｍ次元ベクトルであシ各々、で与えられ、アレ
イ素子の位置ベクトルＰｔ（幾可的形状）とビーム・フ
ォーマの重み係数ｂｉのみで決まる定数である。またＬ
ｋはα＝α。の近傍におけるＬｋ（α）を表わし、ωに
＝２πｆｋを表わす。

尚、上記（９）〜α力の各式は公知であって、例えば次
の文献に記載がある二五十嵐正夫、位相誤差による５Ｓ
ＢＬ音響測音響側定誤差、電子通信学会、Ｓ硫８２−１
５、ＰＰＩ　−ＰＰ８．１９８２゜■　信号ｙ１ｆｔ）
、　ｙｚ（ｔ）、・・・、ｙＭ（ｔ）の帯域幅をＷとし
、Ｗを適当な間隔Δｆで分割することにより得られる周
波数をｆｔ　＋　ｆ２１・・・ｗｆｘとすると、前記式
（８）の時間遅延の差異Δτｉによって生ずる周波数ｆ
ｉにおける位相差異への換算値Δφｔ（）ｃ）は次式で
与えられる。

Δφ１（ｋ）＝ωｋ・Δτｉ＝ωにΔｐｉα。／Ｃ：ｉ＝１＋２＋・・・９Ｍ　　　
（ロ）ただし、アレイ素子の位置誤差による時間遅延の
差異Δτｊ　；　Ｉ　”　’　＋　２＋・・・２Ｍは充
分に小さく、１ωＫ・Δτｉ　ｌ　＜＜　１　：　ｉ＝
　’　＋　２＋・・・９Ｍ、が成り立つとする。

■　信号ｙｔ（ｔ）＊　ｙｚ（ｔ）、・・・、　ｙｓｄ
ｔ）を前記周波数ｆ　ｔ　ｔ　ｆ　ｚ　＋・・・、ｆｘ
を中心周波数とする狭帯域成分に分割し、該各成分の前
記第７図における平滑器６の出力を各々Ｌｒ（ｋ）、　
Ｌｚ（ｋ）、・・・、ＬＭ（ｋ）　：　ｋ＝　１゜２、
・・・、Ｋ、とすると信号ｙｔ（ｔＬ　ｙｚ（ｔＬ・・
・、　ｙＭ（ｔ）の全帯域にわたる出力しくα）は近似
的に次式で与えられる。

Ｌ（α）夕Ａ、ＵＬｋ（α）　　；Ａは定数　　　　　
　　　　（６）ｋ＝１通常前記周波数ｆｔ　＋　ｆ　ｚ　＋・・・＋ｆｘにお
ける狭帯域成分は信号ｙｔ（ｔ）、　ｙｚ（ｔ）、・・
・＋　ｙＭ（ｔ）のディジタルフーリエ変換によって求
められ、該変換に用いる信号ｙｔ（ｔ）、ｙｚ（ｔ）、
・・・、　ｙＭ（ｔ）の時間長をτとすると前記間隔Δ
ｆはΔｆ　＝　１／２τに選ばれる。

■　前記式（至）から、平滑器６の出力しくα）のαに
関する微分は次式で与えられる。

■　前記第１０図に示すように、信号源方向の方向余弦
の推定値αは、Ｌ（α）を最大とするα値であるから、
αは次式を満すα値として与えられる。

■　前記式（９）、（６）及びα→から、ａＬ（α）／
ａαとして次式が得られる。

■　前記式（至）、αＱから推定値ａは次式で与えられ
る。

α＝α。

■　前記式αのから、推定値ａの誤差Δα＝ａ−（！。

は次式で与えられる。

すなわち、本発明は時間遅延差異補正器１６！。

１６２、・・・、１６Ｍを用いない、前記第７図に示す
ような信号源方向の推定方式における方向余弦推定誤差
が前記式α樟で与えられること、すなわち該誤差Δαは
アレイ素子の位置誤差ΔＰ１＋ΔＰ２ｔ・・・、３８Ｍ
が予め与えられていれば、アレイの幾可的形状ＰＩ　＋
　Ｐｉｌ　＋・・・、　ＰＭ　トビーム・フォーマ４の
重ミ係数ｂｌ　ｒ　ｂｚ　＋”’＋　ｂＭ　（前記Ｈ，
Ｐｃも該Ｐ、とｂｉのみから前記式αＯ２αカで決まる
）、信号源方向α。。

及びビーム・フォーマ４のα。の近傍における出力ζ（
α）の・切−スペクトル、すなわちｆ　ｔ　＋　ｆｚ　
＋・・・、ｆＫにおける前記”１　＋　Ｌｉｔ　＋・・
・、ＬＫとから解析的に算出できることに基づくもので
ある。

実際には、信号源方向α。は未知であシ、前記式（１１
でα。を用いることは出来ない。しかし、式α枠でα。

をαにおき代えたとしても、その差Δαの与える影響は
２次的であシ充分に小さいので、式α枠においてα。の
代りに、平滑器６の出力しくα）を最大とするａを用い
ても充分である。すなわち、方向余弦の推定誤差Δαは
近似的に次式で与えられる。

次に、第９図に示すビーム・フォーマが均−重みのビー
ム°フォーマでｂｉ＝ｂ　：　ｉ　＝　１　＊　２＋・
・・。

ｙ、である場合を考えると、前記式（至）からΔαは次
式で与えられることになる。

以上のとおシ、この発明は、位置誤差ΔＰ１．ΔＰ２＋
・・・、３８Ｍによって生ずる信号源方向推定装置の推
定誤差Δαを、第１１図に示すような時間遅延差異補正
器１６１　＋　１６２　、・・・、１６Ｍを用いること
なく、アレイの幾可的形状とビーム・フォーマの重み係
数、信号源方向のおおまかな推定値、及び信号源近傍の
ビーム・フォーマ出力のパワースペクトルとから予め算
出し、該算出値Δαを、従来の信号源方向推定装置の推
定値αから差し引くことによって、アレイ素子の位置誤
差による推定誤差を取り除くところにある。

以下、この発明を実施例に基づき図面を参照して詳細に
説明する。

第１図は、この発明の第１の実施例である。第１図にお
いて、２０は加算器、２１は方向余弦誤差算出器、２２
はパワースペクトルレジスタ、詔は素子座標レジスタ、
２４は重み係数レジスタ、２５は素子位置誤差レジスタ
、２６はアレイ定数レジスタである。尚、第１図中、第
６図に示した構成要素と同一のものには同一の参照番号
を付しである。

パワース（クトルレジスタ２２は、信号源方向α。の近
傍における前記パワースペクトルＬ１＋Ｌ　２゜・・・
、ＬＫを、前記周波数ｆ　ｌ＊　ｆ　ｚ　＋・・・＋ｆ
ｘとともに記憶するレジスタ、素子座標レジスタ２３は
前記アレイ素子の位置座標（位置ベクトル）　Ｐｌ、Ｐ
ｚ。

・・・、ＰＭを記憶するレジスタ、重み係数レジスタ２
４は、ビーム・フォーマ５の重み係数ｂｌ＋ｂｚ。

・・・、ｂＭを記憶するレジスタ、素子位置誤差レジス
タ２５は前記周波数ｆｔ　ｒ　ｆｚ　＋・・・＋ｆｘに
おける前記の各素子位置誤差ΔＰｉｅΔＰ２．・・・、
３８Ｍを記憶するレジスタ、アレイ定数レジスタ２６は
前記定数ＰｅとＨを記憶するレジスタである。また、方
向余弦誤差算出器２１は、レジスタ２２．２３，２４゜
２５及び２６から与えられる定数及びデータから、前記
式（至）に基づいて方向余弦推定誤差Δαを求める算出
器、加算器２１は、前記最大点検出器７の出力から、前
記方向余弦誤差算出２１の出力Δαを差し引くための加
算器である。

なお、前記アレイ定数ＰｃとＨは、前記式αＱとαめで
示されるように、アレイ素子の位置座標ＰｉｅＰ２．・
・・、ＰＭとビーム・フォーマ５０重み係数１）ｌｅｔ
）２ｔ・・・、ｂＭから算出できるから、該アレイ定数
算出器を付加すれば前記アレイ定数レジスタ２６は不用
である。

この実施、例は、信号源方向α。の近傍におけるパワー
スペクトルＬ１　＃　Ｌ２　＋・・・＋　Ｌｘが予め与
えられているような場合、例えばアクティプソーナーや
レーダのように波形の既知な反射体からの信号を受信す
るような場合などに適用できるもので１）、れを信号源
方向の方向余弦誤差算出とし、該宣から信号源方向１を
算出して、該０を信号源方向推定器の出力とするので、
従来用いられてきた、時間遅延差異補正器１６１　、１
６□、・・・、１６Ｍを用いることなく、前記素子の位
置誤差ΔＰｌｙΔＰ２．・・・。

３８Ｍによシ生ずる信号源方向の推定誤差を取り除くこ
とができる。

この結果、ハードウェアが小型かつ単純化されるととも
に、経年変化や交換等によるアレイ素子の位置誤差の変
化に対しては、単にレジスタ２５の記憶内容を変更すれ
ばよいので、容易に修正することができる。

第２図は、本発明の第２の実施例であり、前記第１図に
示す第１の実施例と同様、信号源方向先の近傍における
ノ９ワースベクトルＬｌ　ａ　Ｌ２　＋・・・。

ＬＫが予め与えられているとともに、ビーム・フォー７
４の重み係数が全て等しく　、　ｂ　ｉ　”　ｂ　：　
１　＝’　＋２、・・・２Ｍ、である場合の実施例であ
る。

第２の実施例は第１の実施例から重み係数レジスタ２４
を取り除き、方向余弦誤差算出器２１において方向余弦
推定誤差Δαを前記式翰により算出するようにするもの
である。

第３図は、この発明の第３の実施例であり、３０はノ９
ワースベクトル推定器、３１はビーム出力選択器である
。ビーム出力選択器３１は、最大点検出器７の出力ａに
対応するビーム・フォーマ４の出力ｋ　（ａ）を選択し
て・ぐワースベクトル推定器３０に出力し、パワースペ
クトル推定器３０は該ｋ　（′ａ＞から信号源方向α。

の近傍における・ぐワースベクトルＬ１１　Ｉｊ２　ｒ
・・・、　ＬＫを推定し、方向余弦誤差算出器２１に出
力する。第４図はパワースペクトル推定器３０の第１の
具体例であり、４０は前記＃（ａ）が入力される入力端
子、４１はフーリエ変換器、４２１　ｐ　４２ｚ　＃・
・・、４２にはエンベローゾ算出器、４３ｔ＋４３２ｓ
・・・、４３には平滑器、４４１　。

４４２、・・・、４４には平滑器４３Ｂ　、４３ｚ　＋
・・・、４３Ｋを出力する出力端子である。フーリエ変
換器４１１ｄ前記入力ｇ　（ａ）の時系列から前記周波
数ｆｔ　＋　ｆ　２１・・・ｒｆＫにおけるフーリエ変
換値η１（ｄＪ、η２（ψ、・・・。

ηＫ（■を算出し、エンベロープ算出器４２１，４２□
。

・・・、４２には該フーリエ変換値の絶対値の２乗値ｌ
　７７１　（ａ）　ｌ　、ｌ　ηｚ（ａ）ｌ　、−、ｌ
ηＫ（鴫１　　を算出する。また、平滑器４３１　ｒ　
４３２　＋・・・、４３には該絶対値の２乗値を時間積
分等によシ平均化することによって、ａ方向のビーム・
フォーマ４の出力ｔ（ａ）のパワース（クトルＬ’　ｌ
　＋　ＩＪ２　＋・・・＋ＬＫを求め、出力端子４４、
　、４４□、・・・、４４Ｋに出力する。

第５図はパワースペクトル推定器３０の第２の具体例で
あシ、４５１＋　４５２　＋・・・、４５にはバンドパ
スフィルタ、４６１　＋　４６ｚ　＋・・・、４６には
エンペローゾ検波器である。バンドパスフィルタはその
中心周波数を各々ｆ１ｒ　ｆｚ　＋・・・＋ｆｘとする
フィルタであり、前記入力！　（ａ）を中心周波数ｆ！
＋ｆｚ＋・・・。

ｆＫの狭帯域成分に分割し、エンペローゾ検波器４６、
．４６２．・・・、４６には該狭帯域成分のエンベロー
プの２乗値を求め、平滑器４３ｔ　、４３．　、・・・
、４３Ｋに出力する。なお、ノＥワース硬りトル推定器
３０におけるパワー推定値ＬＩ＋　Ｌ２　＋・・・、　
ＬＫとしては、前記式α傷の関係から、相対値のみが問
題であるから、前記第４図と第５図におけるパワースペ
クトルの推定においては、各ｆ’ｔ　＋　ｆｚ　＋・・
・＋ｆｘにおけるパワースペクトルの相対値が求まれば
充分である。

位相応答差異による方向余弦推定誤差が小さい場合には
、最大点検出器７の出力αは、信号源方向α。に充分近
いので、・ぐワースベクトル推定器３１に、前記第４図
又は第５図に示すような方法を用い、信号源方向α。の
ビーム・フォーマ４の出力８（α。）のパワースペクト
ルの代りにａ方向のビーム・フォーマ５の出力ｔ　（ａ
）のノにワースベクトルを用いても充分である。

このように、信号源方向α。の近傍におけるパワースペ
クトルＬ１１　Ｌ２１・・・＋ＬＫが推定されて前記方
向余弦誤差算出器２１に入力されれば、以下前記第１の
実施例と同じ原理に基づく本発明の実施例となる。

第６図はこの発明の第４の実施例であり、前記第３図に
示す第３の実施例と同様、信号源方向α。

の近傍におけるツヤワース波りトルＬｌ　ｌ　Ｌ２１・
・・。

ＬＫを・ぐワースベクトル推定器３０で推定するもので
あるが、ビーム・フォーマ４の重み係数が全て等しく、
ｂｉ＝ｂ　：　ｔ　＝　１　ｇ　２　ｇ・・・９Ｍ、で
ある場合の実施例である。第４の実施例は第３の実施例
から重み係数レジスタ２４を取り除き、方向余弦誤差算
出器２１において方向余弦推定誤差Δαを前記式翰によ
り算出するものである。

以上、この発明を実施例に基づき説明した。尚、アレイ
としては平面アレイの他、直線アレイや３次元アレイを
用いることができる。

（発明の効果）この発明は以上説明したように、アレイ素子の位置誤差
により生ずる広帯域信号源又は反射体方向の推定誤差を
、予め与えられるアレイ素子の位置誤差と、アレイの長
汀学的形状すなわちアレイ素子位置座標と、ビーム・フ
ォーマの重み係数と、信号源のおおよその方向と、信号
源の近傍方向の・にワースベクトルとから解析的な方法
で算出することにより取り除くので、はぼアレイ素子数
Ｍに比例した数だけ必要としかつ信号源の方向により変
化する時間遅延差異を充分な精度で補正する必要のある
時間遅延差異補正器を必要とせず、装置を大幅に小型化
・単純化できるとともに、アレイ経年変化及び交換等に
伴うアレイ素子の位置誤差の変化に容易に対応できる利
点があり、遅延−加算方式のビーム・フォーマを用いる
ンーナー、音響測位、レーダ等における信号源方向の推
定装置に利用することができる。更に、この発明によれ
ば、推定誤差の補正をソフトウェアで行えるという効果
も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示すブロック図、第
２図はこの発明の第２の実施例を示すブロック図、第３
図はこの発明の第３の実施例を示すブロック因、第４図
及び第５図はそれぞれパワースペクトル推定器の具体例
を示すブロック図、第６図はこの発明の第４の実施例を
示すプロック図、第７図はビーム・フォーマと最大点検
出器を用いる信号源方向推定装置の構成例を示す図、第
８図はアレイが平面アレイのときのアレイ素子位置座標
と信号源方向及びビーム形成方向の長汀的関係を示す図
、第９図は遅延−加算方式のビーム・フォーマを示すブ
ロック図、第１０図はビーム・フォーマ出力の２乗値に
対する平滑器出力と信号源方向の方向余弦値及び方向余
弦推定値の関係を示す図、及び第１１図は時間遅延差異
補正器を用いた従来の方向推定誤差の補正方向の構成を
示すブロック図である。１１．１゜、・・・＋　ＩＭ・・・アレイ素子、２１，
２□、・・・。２Ｍ・・・増幅器、３１，３□、・・・＋３Ｍ・・・帯
域制限フィルタ、４・・・ビーム・フォーマ、５・・・
２乗器、６・・・平滑器、７・・・最大点検出器、８・
・・角度変換器、９・・・方向推定値出力端子、１０・
・・平面アレイ、１１１゜１１２、・・・、１１Ｍ・・
・時間遅延補償器、１２１，１２□。・・・、１２Ｍ・・・重み付加器、１４・・・加算器、
１６１゜１６２、・・・、１６Ｍ・・・時間応答差異補
正器、２０・・・加算器、２１・・・方向余弦誤差算出
器、２２・・・パワース４クトルレジスタ、２３・・・
素子座標レジスタ、２４・・・重み係数レジスタ、２５
・・・素子位置誤差レジスタ、２６・・・アレイ定数レ
ジスタ、３０・・・パワースペクトル推定器、３１・・
・ビーム出力選択器、４１・・・フーリエ変換器、４２
１＋　４２ｚ　ｒ・・・、４２Ｋ・・・エンペローノ算
出器、４３１．４３□、・・・、４３Ｋ・・・平滑器、
４５１　＋　４５　ｚ　＊・・・、４５Ｋ・・・バンド
パスフィルタ、４６１．４６２１・・・、４６Ｋ・・・
エンペローゾ検波器。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）空間上に配列された複数の受波器素子からなるア
レイと、前記アレイの各受波器素子の出力信号を遅延さ
せて加算する遅延−加算方式のビーム、フォーマと、該
ビーム・フォーマの出力が最大となる方向又は方向余弦
を求める最大点検出手段とを有し、該最大点検出手段で
求めたビーム・フォーマ出力の最大点から信号源又は反
射源の方向を推定する方向推定装置において、前記アレ
イの受波器素子の定格値に対する位置の誤差によつて生
ずる前記信号源又は反射源方向の推定誤差を、前記受波
器素子の位置の誤差と前記受波器素子の位置座標と前記
ビーム・フォーマの重み係数と前記信号源又は反射源の
近傍方向のビーム出力のパワースペクトルの推定値とか
ら求め、算出された推定誤差を前記最大点検出手段の出
力から差し引くことによつて、前記受波器素子の位置の
誤差によつて生ずる信号源又は反射源方向の推定誤差を
取り除くことを特徴とする方向推定誤差の補正方式。
（２）前記ビーム・フォーマに重み係数の均一なビーム
・フォーマを用い、前記算出された推定誤差を、前記受
波器素子の位置の誤差と前記受波器素子の位置座標と前
記信号源又は反射源の近傍方向のビーム出力のパワース
ペクトルの推定値とから求めることを特徴とする特許請
求の範囲第１項に記載の方向推定誤差の補正方式。