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JP7585870B2 - Adaptive phasing processing device, adaptive phasing system, adaptive phasing processing method, and program for adaptive phasing processing method - Google Patents

Adaptive phasing processing device, adaptive phasing system, adaptive phasing processing method, and program for adaptive phasing processing method Download PDF

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JP7585870B2
JP7585870B2 JP2021029335A JP2021029335A JP7585870B2 JP 7585870 B2 JP7585870 B2 JP 7585870B2 JP 2021029335 A JP2021029335 A JP 2021029335A JP 2021029335 A JP2021029335 A JP 2021029335A JP 7585870 B2 JP7585870 B2 JP 7585870B2
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Description

この技術は、複数の受波器が受波した信号に基づいて整相処理を行う適応整相処理装置、適応整相システム、適応整相処理方法およびこの方法をコンピュータに行わせるプログラムに関するものである。特に処理量の低下をはかるものである。 This technology relates to an adaptive phasing processing device that performs phasing processing based on signals received by multiple receivers, an adaptive phasing system, an adaptive phasing processing method, and a program that causes a computer to perform this method. In particular, it aims to reduce the amount of processing.

音波などの振動波を信号として信号処理を行う際、信号を受けるセンサとなる複数の受波器(アンテナ:以下、受波器または受波器からの信号をCHと表記する場合がある)が受けた信号の位相を整える整相を行って信号処理が行われる。整相処理は、主に、複数の整相方位(待ち受け方位)について、固定した受波器によって受波した信号を用いる「セクタ型整相」と、整相方位に応じて、受波器を変えながらスライドさせて処理を行う「CHスライド型整相」とに分けることができる。 When processing signals using vibration waves such as sound waves as signals, signal processing is performed by phasing the signals received by multiple receivers (antennas: hereafter, receivers or signals from receivers may be referred to as CH) that act as sensors to receive the signals. Phasing processing can be mainly divided into "sector type phasing" that uses signals received by fixed receivers for multiple phasing directions (standby directions), and "CH sliding type phasing" that performs processing by changing and sliding the receiver according to the phasing direction.

CHスライド型整相は、各整相方位に対して正面方向となる受波器の信号を使用して整相処理を行う。CHスライド型整相の場合は、方位毎に使用する受波器の信号が変化する。CHスライド型整相による整相処理を行うことで、探知能力の劣化を抑制することができる。 CH slide type phasing performs phasing processing using the signal from the receiver that is in the front direction for each phasing direction. With CH slide type phasing, the signal from the receiver used changes for each direction. By performing phasing processing using CH slide type phasing, it is possible to suppress deterioration of detection ability.

また、整相処理において、近年、適応整相による処理が広く用いられている。適応整相処理は、受波器が検出した信号と雑音とに関する情報により、適応的に整相処理を行う方法である。適応整相処理を行うことで、所望の方位から到来する信号の感度を保ったまま、所望の方位とは異なる方位から到来する信号を抑制することができる。 In recent years, adaptive phasing has become widely used in phasing processing. Adaptive phasing is a method of adaptively performing phasing processing based on information about the signal and noise detected by the receiver. By performing adaptive phasing, it is possible to suppress signals arriving from a direction different from the desired direction while maintaining the sensitivity of the signal arriving from the desired direction.

適応整相処理として、たとえば、Dominant Mode Rejection(DMR)、Minimum Variance Distortionless Response(MVDR)、Eigenvector/Beam Association and Excision (EBAE)などの処理方法がある。これらの適応整相処理は、いずれも従来の整相処理よりも妨害音の抑制能力に優れた整相方式である。 Examples of adaptive phasing include Dominant Mode Rejection (DMR), Minimum Variance Distortionless Response (MVDR), and Eigenvector/Beam Association and Excision (EBAE). All of these adaptive phasing methods are superior in suppressing interference sounds than conventional phasing methods.

EBAE方式は、センサ出力間の共分散行列の固有値分解を用いて信号部分空間の固有ベクトルをステアリングベクトルに対応付け、対応付けられたステアリングベクトルの方位に対して感度を拘束するものである(たとえば、非特許文献1参照)。 The EBAE method uses eigenvalue decomposition of the covariance matrix between sensor outputs to associate eigenvectors in the signal subspace with steering vectors, and constrains the sensitivity to the orientation of the associated steering vector (see, for example, non-patent document 1).

Stephen M. Kogon, “Experimental results for passive sonar arrays with eigenvector-based adaptive beamformers”, Signal, Systems and Computers, 2002Stephen M. Kogon, “Experimental results for passive sonar arrays with eigenvector-based adaptive beamformers”, Signal, Systems and Computers, 2002

ここで、EBAE方式の適応整相処理を、CHスライド型整相のように用いる信号などを変えながら行う処理に適用させた場合、計算負荷の高い共分散行列の固有値分解を、整相方位毎に行うことになる。したがって、演算などの処理量が増加するといった問題が生じる。このため、CHスライド型整相による処理の方が探知能力は高いものの、一般的には、EBAE方式の適応整相処理を行う場合は、セクタ型整相による処理が採用される。 If the EBAE adaptive phasing process is applied to a process in which the signals used are changed as in CH sliding phasing, the eigenvalue decomposition of the covariance matrix, which is computationally heavy, will be performed for each phasing direction. This will result in a problem of an increased amount of calculations and other processing. For this reason, although CH sliding phasing has higher detection capabilities, sector phasing is generally used when performing EBAE adaptive phasing.

そこで、上述した問題を生じさせずに、EBAE方式の適応整相処理をCHスライド型整相に適用することができる適応整相処理装置、適応整相システム、適応整相処理方法および適応整相処理方法のプログラムの実現が望まれていた。 Therefore, it has been desirable to realize an adaptive phasing processing device, an adaptive phasing system, an adaptive phasing processing method, and a program for the adaptive phasing processing method that can apply EBAE-type adaptive phasing processing to CH slide-type phasing without causing the problems described above.

このため、この開示に係る適応整相処理装置は、複数の受波器により受波され、周波数分割された信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定部と、共分散行列に対して固有値分解を行って固有値および固有ベクトルを算出する固有値分解部と、固有値および固有ベクトルに基づいて、固有ベクトルとステアリングベクトルとを対応付ける対応付け処理を行う対応付け部と、固有ベクトルとステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する適応重み処理を行う重み計算部と、適応重みを正規化する正規化処理を行う正規化部と、正規化された適応重みに基づいて、周波数分割された信号の整相処理を行う整相部と、対応付け部が対応付け処理による対応付けを行う際に演算する重み付けの値である対応付け重みを作成する対応付け重み作成部と、重み計算部が適応重み処理を行う際に演算する、各ステアリングベクトルに対する重み付けの値であるステアリング重みを作成するステアリング重み作成部と、正規化部が正規化処理を行う際に演算する、整相処理を行う信号に対して重み付けを行う値である正規化重みを作成する正規化重み作成部とを備え、共分散行列推定部、固有値分解部、対応付け部および重み計算部は、すべての信号について処理を行い、正規化部は、正規化重みに基づいて整相部が整相処理に用いる信号に係る適応重みを選択して正規化処理を行うものである。 For this reason, the adaptive phasing processing device according to the present disclosure includes a covariance matrix estimation unit that calculates a covariance matrix between frequency-divided signals received by a plurality of receivers, an eigenvalue decomposition unit that performs eigenvalue decomposition on the covariance matrix to calculate eigenvalues and eigenvectors, a matching unit that performs matching processing to match eigenvectors with steering vectors based on the eigenvalues and eigenvectors, a weight calculation unit that performs adaptive weight processing to calculate adaptive weights based on the matching between the eigenvectors and steering vectors, a normalization unit that normalizes the adaptive weights, a phasing unit that performs phasing processing of frequency-divided signals based on the normalized adaptive weights , and the weight calculation unit performs adaptive weighting, and the normalization weight creation unit creates normalization weights that are values for weighting signals for which phasing processing is performed, the normalization unit performs normalization processing. The covariance matrix estimation unit, the eigenvalue decomposition unit, the correspondence unit, and the weight calculation unit perform processing for all signals, and the normalization unit selects adaptive weights for the signals used by the phasing unit for the phasing processing based on the normalization weights, and performs normalization processing.

また、この開示に係る適応整相システムは、複数の受波器が受波した信号を周波数分割する処理を行う周波数分割部と、上記の適応整相処理装置とを備えるものである。 The adaptive phasing system disclosed herein also includes a frequency division unit that performs processing to frequency-divide signals received by multiple receivers, and the adaptive phasing processing device described above.

また、この開示に係る適応整相処理方法は、複数の受波器により受波され、周波数分割された信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定工程と、共分散行列に対して固有値分解を行って固有値および固有ベクトルを算出する固有値分解工程と、固有値および固有ベクトルに基づいて、固有ベクトルとステアリングベクトルとを対応付ける対応付け処理を行う対応付け工程と、固有ベクトルとステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する適応重み処理を行う重み計算工程と、適応重みを正規化する正規化処理を行う正規化工程と、正規化された適応重みに基づいて、周波数分割された信号の整相処理を行う整相工程とを有し、また、対応付け工程、重み計算工程および正規化工程をそれぞれ行う前に、対応付け工程において対応付け処理による対応付けを行う際に演算する重み付けの値である対応付け重みを作成する対応付け重み作成工程と、重み計算工程において適応重み処理を行う際に演算する、各ステアリングベクトルに対する重み付けの値であるステアリング重みを作成するステアリング重み作成工程と、正規化工程において正規化処理を行う際に演算する、整相処理を行う信号に対して重み付けを行う値である正規化重みを作成する正規化重み作成工程とを有し、共分散行列推定工程、固有値分解工程、対応付け工程および重み計算工程は、すべての信号について処理を行い、正規化工程は、正規化重みに基づいて整相工程が整相処理に用いる信号に係る適応重みを選択して正規化処理を行うものである。 The adaptive phasing method according to the present disclosure includes a covariance matrix estimation step of calculating a covariance matrix between frequency-divided signals received by a plurality of receivers, an eigenvalue decomposition step of performing eigenvalue decomposition on the covariance matrix to calculate eigenvalues and eigenvectors, a matching step of performing matching processing to match eigenvectors with steering vectors based on the eigenvalues and eigenvectors, a weight calculation step of performing adaptive weight processing to calculate adaptive weights based on the matching between eigenvectors and steering vectors, a normalization step of performing normalization processing to normalize the adaptive weights, and a phasing step of performing phasing processing of frequency-divided signals based on the normalized adaptive weights. the weighting process includes a correspondence weight creation step of creating correspondence weights which are weighting values calculated when performing correspondence by correspondence processing in the correspondence step, a steering weight creation step of creating steering weights which are weighting values for each steering vector which are calculated when performing adaptive weight processing in the weight calculation step, and a normalization weight creation step of creating normalization weights which are values used for weighting signals for which phasing processing is performed which are calculated when performing normalization processing in the normalization step, and the covariance matrix estimation step, eigenvalue decomposition step, correspondence step, and weight calculation step process all signals, and the normalization step selects adaptive weights related to the signals used for phasing processing in the phasing step based on the normalization weights , and performs normalization processing.

また、この開示に係る適応整相処理方法のプログラムは、複数の受波器により受波され、周波数分割された信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定工程と、共分散行列に対して固有値分解を行って固有値および固有ベクトルを算出する固有値分解工程と、固有値および固有ベクトルに基づいて、固有ベクトルとステアリングベクトルとを対応付ける対応付け処理を行う対応付け工程と、固有ベクトルとステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する適応重み処理を行う重み計算工程と、適応重みを正規化する正規化処理を行う正規化工程と、正規化された適応重みに基づいて、周波数分割された信号の整相処理を行う整相工程とを有し、また、対応付け工程、重み計算工程および正規化工程をそれぞれ行う前に、対応付け工程において対応付け処理による対応付けを行う際に演算する重み付けの値である対応付け重みを作成する対応付け重み作成工程と、重み計算工程において適応重み処理を行う際に演算する、各ステアリングベクトルに対する重み付けの値であるステアリング重みを作成するステアリング重み作成工程と、正規化工程において正規化処理を行う際に演算する、整相処理を行う信号に対して重み付けを行う値である正規化重みを作成する正規化重み作成工程とを有し、共分散行列推定工程、固有値分解工程、対応付け工程および重み計算工程は、すべての信号について処理を行い、正規化工程は、正規化重みに基づいて整相工程が整相処理に用いる信号に係る適応重みを選択して正規化処理を行うことをコンピュータに行わせるものである。 The program for the adaptive phasing processing method according to the present disclosure includes a covariance matrix estimation step of calculating a covariance matrix between frequency-divided signals received by a plurality of receivers, an eigenvalue decomposition step of calculating eigenvalues and eigenvectors by performing eigenvalue decomposition on the covariance matrix, a matching step of performing a matching process to match eigenvectors with steering vectors based on the eigenvalues and eigenvectors, a weight calculation step of performing adaptive weight processing to calculate adaptive weights based on the matching between eigenvectors and steering vectors, a normalization step of performing a normalization process to normalize the adaptive weights, and a phasing step of performing phasing processing of frequency-divided signals based on the normalized adaptive weights, and further includes a correspondence calculation step before performing each of the correspondence step, the weight calculation step, and the normalization step. the weighting process includes a correspondence weight creation step of creating correspondence weights which are weighting values calculated when performing correspondence by the correspondence process in the correspondence step, a steering weight creation step of creating steering weights which are weighting values for each steering vector which are calculated when performing adaptive weighting in the weight calculation step, and a normalization weight creation step of creating normalization weights which are values used for weighting signals for which phasing processing is performed which are calculated when performing normalization processing in the normalization step, and the covariance matrix estimation step, eigenvalue decomposition step, correspondence step, and weight calculation step process all signals, and the normalization step causes the computer to select adaptive weights related to the signals used for phasing processing in the phasing step based on the normalization weights , and perform normalization processing.

この開示によれば、共分散行列推定部、固有値分解部、対応付け部および重み計算部は、すべての信号について処理を行い、正規化部は、整相部が整相処理に用いる信号を選択して処理を行う。このため、整相処理に用いる信号を変えることによる処理量の増加を抑えつつ、正規化部が整相方位に選択した信号により処理を行うことで、能力を高めることができる。したがって、EBAE方式の適応整相処理を適用した整相処理を行うことができる。 According to this disclosure, the covariance matrix estimation unit, eigenvalue decomposition unit, matching unit, and weight calculation unit process all signals, and the normalization unit selects and processes the signal used by the phasing unit for phasing processing. Therefore, it is possible to improve performance by performing processing using the signal selected by the normalization unit for the phasing direction while suppressing an increase in the amount of processing caused by changing the signal used for phasing processing. Therefore, it is possible to perform phasing processing using adaptive phasing processing of the EBAE method.

実施の形態1に係る適応整相処理装置40を含む適応整相システム100の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of an adaptive phasing system 100 including an adaptive phasing processing device 40 according to a first embodiment. 実施の形態1に係る受波器アレイ200の種別例を示す図である。3A to 3C are diagrams showing examples of types of a receiver array 200 according to the first embodiment. 実施の形態1に係る適応整相システム100のハードウェア構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the adaptive phasing system 100 according to the first embodiment. 実施の形態1に係る対応付け重み作成部26の処理について説明する図である。10 is a diagram illustrating the processing of an association weight generation unit 26 according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1に係る正規化重み作成部28の処理について説明する図である。5 is a diagram illustrating the process of a normalization weight generating unit 28 according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1に係る適応整相システム100が行う適応整相処理方法の手順の一例を説明する図である。3 is a diagram for explaining an example of the procedure of an adaptive phasing processing method performed by the adaptive phasing system 100 according to the first embodiment. FIG.

以下、適応整相処理装置などに係る実施の形態について、図面を参照しつつ、説明する。ここで、以下の説明に係る図面における図は、概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略または構成の簡略化がなされる場合がある。また、図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。また、明細書全文に示されている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。特に構成要素の組み合わせは、その実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適宜、適用することができる。また、添字で区別などしている複数の同種の機器などについて、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字などを省略して記載する場合がある。 The following describes embodiments of the adaptive phasing processing device with reference to the drawings. The figures in the drawings in the following description are schematic, and may omit or simplify the configuration as appropriate for the sake of convenience. In addition, in the drawings, the same reference numerals are used to denote the same or equivalent parts, and are common throughout the embodiments described below. The forms of the components shown in the entire specification are merely examples and are not limited to these descriptions. In particular, the combination of components is not limited to the combination in the embodiment, and components described in other embodiments may be applied to other embodiments as appropriate. In addition, when multiple similar devices are distinguished by subscripts, etc., and there is no need to distinguish or identify them, the subscripts may be omitted.

実施の形態1.
<実施の形態1における適応整相システムの概要>
図1は、実施の形態1に係る適応整相処理装置40を含む適応整相システム100の構成を示す図である。実施の形態1における適応整相システム100は、受波器アレイ200を構成する複数の受波器201-1~受波器201-M(Mは2以上の整数)からの信号に基づいて処理を行う。
Embodiment 1.
<Outline of the adaptive phasing system in the first embodiment>
1 is a diagram showing the configuration of an adaptive phasing system 100 including an adaptive phasing processing device 40 according to embodiment 1. The adaptive phasing system 100 in embodiment 1 performs processing based on signals from a plurality of receivers 201-1 to 201-M (M is an integer equal to or greater than 2) that constitute a receiver array 200.

図2は、実施の形態1に係る受波器アレイ200の種別例を示す図である。ここでは、適応整相システム100に信号を送る受波器アレイ200について説明する。図2(a)は、円筒状のシリンダアレイ(CA:Cylindrical Array)を示す。また、図2(b)は、曲面形状を有するコンフォーマルアレイ(CfA:ConFormal Array)を示す。実施の形態1では、これらの受波器アレイ200を用いて、目標音の全周捜索を行う信号処理を行う。ここで、実施の形態1における受波器アレイ200は、シリンダアレイまたはコンフォーマルアレイであるものとする。 Figure 2 shows an example of the type of receiver array 200 according to the first embodiment. Here, the receiver array 200 that sends signals to the adaptive phasing system 100 will be described. Figure 2(a) shows a cylindrical cylinder array (CA: Cylindrical Array). Also, Figure 2(b) shows a conformal array (CfA: ConFormal Array) having a curved surface shape. In the first embodiment, these receiver arrays 200 are used to perform signal processing for a full-circle search for a target sound. Here, the receiver array 200 in the first embodiment is assumed to be a cylinder array or a conformal array.

ここで、図2に示す受波器アレイ200は、アレイを固定する架台が存在する。このような受波器アレイ200では、また、整相方位の逆側の方位から到来する雑音を抑制することを目的として、後方バッフルの設置およびカージオイド指向性の受波器201を用いていることが多い。このため、受波器アレイ200において、目標音の到来方位とは逆方位に設置されている受波器201では、目標音が受波されないようにしている。仮に、すべての受波器201が目標音を受波するとして整相処理を行うと、振幅の劣化や各受波器201の間における位相関係が崩れるといった問題がある。このため、受波器アレイ200が有するすべての受波器201が受波した信号を用いて、セクタ型整相の処理を行うと、整相処理の利得が想定よりも悪くなってしまい、探知能力の劣化につながる可能性がある。これに対し、CHスライド型整相による処理により、各整相方位に対して正面方向の受波器201の信号を用いた整相処理を行うことで、探知能力の劣化を抑制することができる。 Here, the receiver array 200 shown in FIG. 2 has a mount to which the array is fixed. In such a receiver array 200, a rear baffle is often installed and a cardioid receiver 201 is used in order to suppress noise coming from the direction opposite to the phasing direction. For this reason, in the receiver array 200, the receiver 201 installed in the direction opposite to the direction from which the target sound arrives is designed not to receive the target sound. If phasing processing is performed assuming that all receivers 201 receive the target sound, there are problems such as deterioration of the amplitude and the collapse of the phase relationship between each receiver 201. For this reason, if sector-type phasing processing is performed using signals received by all receivers 201 of the receiver array 200, the gain of the phasing processing may be worse than expected, which may lead to a deterioration of the detection ability. In response to this, CH slide-type phasing processing can be used to perform phasing processing using the signal from the receiver 201 in the front direction for each phasing direction, thereby suppressing the deterioration of detection capabilities.

適応整相システム100は、受波器アレイ200が有する各受波器201が出力する信号を、周波数分割処理および整相処理するシステムである。適応整相システム100は、入力端子k、周波数分割装置10、適応整相処理装置40および出力端子Routを有する。入力端子kには、受波器アレイ200の各受波器201から送られた信号が入力される。したがって、入力端子kは、入力端子k-1~入力端子k-MのM個の端子を有する。また、出力端子Routは、適応整相処理装置40が整相処理した信号が出力される。 The adaptive phasing system 100 is a system that performs frequency division processing and phasing processing on the signals output by each receiver 201 in the receiver array 200. The adaptive phasing system 100 has an input terminal k, a frequency division device 10, an adaptive phasing processing device 40, and an output terminal Rout. Signals sent from each receiver 201 in the receiver array 200 are input to the input terminal k. Therefore, the input terminal k has M terminals, input terminal k-1 to input terminal k-M. Furthermore, the output terminal Rout outputs a signal that has been phased by the adaptive phasing processing device 40.

また、周波数分割装置10は、周波数分割部11を有する。周波数分割部11は、入力端子k-1~入力端子k-Mから入力されたM個の信号に対して、周波数分割処理を行う。実施の形態1における適応整相処理装置40は、EBAE方式を用いた適応整相処理方法を行う。ここで、適応整相処理装置40は、EBAE処理部20および整相部30を有する。そして、EBAE処理部20は、共分散行列推定部21、固有値分解部22、対応付け部23、重み計算部24、正規化部25、対応付け重み作成部26、ステアリング重み作成部27、正規化重み作成部28を有する。 Furthermore, the frequency division device 10 has a frequency division unit 11. The frequency division unit 11 performs frequency division processing on M signals input from input terminals k-1 to k-M. The adaptive phasing processing device 40 in the first embodiment performs an adaptive phasing processing method using the EBAE method. Here, the adaptive phasing processing device 40 has an EBAE processing unit 20 and a phasing unit 30. The EBAE processing unit 20 has a covariance matrix estimation unit 21, an eigenvalue decomposition unit 22, a matching unit 23, a weight calculation unit 24, a normalization unit 25, a matching weight creation unit 26, a steering weight creation unit 27, and a normalization weight creation unit 28.

図3は、実施の形態1に係る適応整相システム100のハードウェア構成の一例を示す図である。適応整相システム100は、たとえば、コンピュータを含む情報処理装置である。適応整相システム100は、記憶部60および制御部50を有する。記憶部60は、制御部50が実行する演算処理の結果を記憶する。記憶部60は、たとえば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)などの記録装置である。制御部50は、プログラムにしたがって処理を実行するCPU(Central Processing Unit)などの制御処理装置51を有する。また、制御部50は、プログラムを記憶するリードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリなどのメモリ52を有する。制御部50は、周波数分割装置10および適応整相処理装置40が行う処理を実現する。 FIG. 3 is a diagram showing an example of a hardware configuration of the adaptive phasing system 100 according to the first embodiment. The adaptive phasing system 100 is, for example, an information processing device including a computer. The adaptive phasing system 100 has a storage unit 60 and a control unit 50. The storage unit 60 stores the results of the arithmetic processing performed by the control unit 50. The storage unit 60 is, for example, a recording device such as a hard disk drive (HDD) or a solid state drive (SSD). The control unit 50 has a control processing device 51 such as a central processing unit (CPU) that executes processing according to a program. The control unit 50 also has a memory 52 such as a read-only memory or random access memory that stores a program. The control unit 50 realizes the processing performed by the frequency division device 10 and the adaptive phasing processing device 40.

ここで、周波数分割装置10および適応整相処理装置40が行う処理機能のうち、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、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)などである。また、専用回路は、これらの回路を組み合わせてもよい。専用回路が信号処理の一部または全部を行うことで、信号処理の高速化をはかることができる。また、適応整相システム100の各装置および各部における機能を、複数の情報処理装置が分担して処理するようにしてもよい。 Here, some or all of the processing functions performed by the frequency division device 10 and the adaptive phasing processing device 40 may be configured with dedicated circuits. The dedicated circuits may be single circuits, composite circuits, programmed processors, ASICs (Application Specific Integrated Circuits), FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), etc. The dedicated circuits may also be combinations of these circuits. By having the dedicated circuits perform some or all of the signal processing, it is possible to speed up the signal processing. Also, the functions of each device and each part of the adaptive phasing system 100 may be shared and processed by multiple information processing devices.

周波数分割部11は、前述したように、M個の信号に対して、信号の成分を周波数毎に分割する周波数分割処理を行う。周波数分割部11は、周波数分割処理を、M個の信号に対してそれぞれ行う。周波数分割部11は、周波数分割処理した信号に係るデータを、適応整相処理装置40の整相部30および共分散行列推定部21に出力する。 As described above, the frequency division unit 11 performs frequency division processing on the M signals to divide the signal components by frequency. The frequency division unit 11 performs frequency division processing on each of the M signals. The frequency division unit 11 outputs data related to the signals that have undergone frequency division processing to the phasing unit 30 and the covariance matrix estimation unit 21 of the adaptive phasing processing device 40.

適応整相処理装置40のEBAE処理部20において、共分散行列推定部21は、周波数分割部11からのデータに基づいて、複数の信号間の共分散行列Rを計算する処理を行う。共分散行列Rは、式(1)で表すことができる。式(1)において、Tは、共分散行列Rの積分時間である。また、xは、各信号における値であり、x=[x,x,…,xである。共分散行列推定部21は、信号間の共分散行列Rをデータとして、固有値分解部22に出力する。 In the EBAE processing unit 20 of the adaptive phasing processing device 40, the covariance matrix estimating unit 21 performs processing to calculate the covariance matrix R between a plurality of signals based on the data from the frequency dividing unit 11. The covariance matrix R can be expressed by equation (1). In equation (1), T is the integral time of the covariance matrix R. Furthermore, x i is a value for each signal, and x i = [x 1 , x 2 , ..., x M ] T. The covariance matrix estimating unit 21 outputs the covariance matrix R between the signals as data to the eigenvalue decomposition unit 22.

Figure 0007585870000001
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固有値分解部22は、共分散行列推定部21からの共分散行列Rに基づいて、固有値分解する固有値分解処理を行う。ここで、固有値分解部22が算出する固有値行列Λ、固有ベクトルeの行列Eおよび固有ベクトルeは、式(2)~式(4)で定義することができる。 The eigenvalue decomposition unit 22 performs eigenvalue decomposition processing to perform eigenvalue decomposition based on the covariance matrix R from the covariance matrix estimation unit 21. Here, the eigenvalue matrix Λ, the matrix E of the eigenvector e, and the eigenvector e calculated by the eigenvalue decomposition unit 22 can be defined by equations (2) to (4).

Figure 0007585870000002
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Figure 0007585870000003
Figure 0007585870000003

Figure 0007585870000004
Figure 0007585870000004

以下の説明では、便宜上、式(2)を、式(5)のように変形させる。具体的には、固有値行列Λを変形させて、式(5)のように固有値ベクトルλを定義する。 For the sake of convenience, in the following explanation, we will transform equation (2) into equation (5). Specifically, we will transform the eigenvalue matrix Λ to define the eigenvalue vector λ as in equation (5).

Figure 0007585870000005
Figure 0007585870000005

式(5)において、diagは、行列に対する対角要素の取得を意味する。固有値分解部22は、固有値の並び替えに伴い、固有値に対応する固有ベクトルeの並び替えも行う。固有値分解部22が固有値および固有ベクトルeを計算することにより、M個の信号が信号成分と雑音成分とに分解される。固有値分解部22は、算出した固有値および固有ベクトルeをデータとして、対応付け部23に出力する。 In equation (5), diag means obtaining diagonal elements for a matrix. In addition to rearranging the eigenvalues, the eigenvalue decomposition unit 22 also rearranges the eigenvectors e corresponding to the eigenvalues. The eigenvalue decomposition unit 22 calculates the eigenvalues and eigenvectors e, thereby decomposing the M signals into signal components and noise components. The eigenvalue decomposition unit 22 outputs the calculated eigenvalues and eigenvectors e as data to the association unit 23.

図4は、実施の形態1に係る対応付け重み作成部26の処理について説明する図である。図4はカージオイド指向性を有する受波器201を用いた場合における対応付け重みのイメージを示す図である。図4(a)は、受波器アレイ200がシリンダアレイである場合を示す。また、図4(b)は、受波器アレイ200がコンフォーマルアレイである場合を示す。対応付け重み作成部26は、後述する実施の形態1における対応付け部23が対応付け処理を行う際に、各対応付けに重み付けする値を、対応付け重みとして計算し、作成する処理を行う。実施の形態1における対応付け重み作成部26は、整相方位に応じた各受波器201に関する指向性係数aの値を計算し、指向性係数aを要素とする指向性係数行列Aを作成する処理を行う。ここで、指向性係数行列Aは、式(6)および式(7)で表すことができる。式(6)において、Bは、待ち受けビーム数である。対応付け重み作成部26は、さらに、行列全体としての大きさが1になるように正規化した指向性係数aを対応付け重みとする指向性係数行列Aを作成し、対応付け部23に出力する。 FIG. 4 is a diagram for explaining the processing of the correspondence weight creation unit 26 according to the first embodiment. FIG. 4 is a diagram showing an image of the correspondence weight when the receiver 201 having cardioid directivity is used. FIG. 4(a) shows a case where the receiver array 200 is a cylinder array. Also, FIG. 4(b) shows a case where the receiver array 200 is a conformal array. The correspondence weight creation unit 26 performs a process of calculating and creating a value to be weighted for each correspondence as a correspondence weight when the correspondence unit 23 in the first embodiment described later performs the correspondence processing. The correspondence weight creation unit 26 in the first embodiment performs a process of calculating the value of the directivity coefficient a b for each receiver 201 according to the phasing direction and creating a directivity coefficient matrix A having the directivity coefficient a b as an element. Here, the directivity coefficient matrix A can be expressed by Equation (6) and Equation (7). In Equation (6), B is the number of waiting beams. The correspondence weight creating unit 26 further creates a directivity coefficient matrix A in which the directivity coefficients a b normalized so that the size of the entire matrix becomes 1 are used as correspondence weights, and outputs the directivity coefficient matrix A to the correspondence unit 23 .

Figure 0007585870000006
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Figure 0007585870000007
Figure 0007585870000007

対応付け部23は、固有ベクトルeとステアリングベクトルνとを対応付ける対応付け処理を行う。ステアリングベクトルνとは、想定される信号到来方位に応じた位相差を持ったベクトルを意味する。ここで、実施の形態1では、対応付け部23の対応付け処理を行う際、対応付けに先立ち、対応付け重み作成部26が作成した正規化した指向性係数aを対応付け重みとして乗じる処理が行われる。対応付け部23による指向性係数aでの重み付けは、後述する正規化部25が行う処理におけるデータの選択に間接的に反映される。対応付け部23は、対応付け処理において、式(8)~式(10)に基づいて、信号部分空間として判定された信号数N*に対し、固有ベクトルeとステアリングベクトルνとの内積ESを計算する。ここで、ステアリングベクトル行列Vは、式(8)で定義される。また、ステアリングベクトルνは、式(9)で定義される。式(8)において、Bは、待ち受けビーム数である。また、式(9)において、b=1,2,…,Bである。 The correspondence unit 23 performs a correspondence process for associating the eigenvector e with the steering vector v. The steering vector v means a vector having a phase difference according to the expected signal arrival direction. Here, in the first embodiment, when the correspondence unit 23 performs the correspondence process, a process of multiplying the normalized directivity coefficients a 1 b created by the correspondence weight creation unit 26 as correspondence weights is performed prior to the correspondence. The weighting by the directivity coefficients a 1 b by the correspondence unit 23 is indirectly reflected in the selection of data in the process performed by the normalization unit 25 described later. In the correspondence process, the correspondence unit 23 calculates the inner product ES of the eigenvector e and the steering vector v for the number of signals N* determined as the signal subspace based on equations (8) to (10). Here, the steering vector matrix V is defined by equation (8). Also, the steering vector v is defined by equation (9). In equation (8), B is the number of waiting beams. Also, in equation (9), b=1, 2, ..., B.

Figure 0007585870000008
Figure 0007585870000008

Figure 0007585870000009
Figure 0007585870000009

式(8)および式(9)から、信号部分空間として判定された信号数N*に対し、固有ベクトルeとステアリングベクトルνとの内積ESは、次の式(10)で表される。 From equations (8) and (9), for the number of signals N* determined as the signal subspace, the inner product ES of the eigenvector e and the steering vector ν is expressed by the following equation (10).

Figure 0007585870000010
Figure 0007585870000010

対応付け部23は、式(10)により算出した、信号部分空間の信号数N*に対する固有ベクトルeとステアリングベクトルνとの内積ESのピーク方位を、固有ベクトルeとステアリングベクトルνの対応付け方位のデータとして、重み計算部24に出力する。 The correspondence unit 23 outputs the peak direction of the inner product ES of the eigenvector e and the steering vector ν for the number of signals N* in the signal subspace, calculated using equation (10), to the weight calculation unit 24 as data on the correspondence direction between the eigenvector e and the steering vector ν.

ステアリング重み作成部27は、後述する重み計算部24が適応重みに用いるステアリングベクトルνの重み付けを行うために、ステアリングベクトルνに乗じるステアリング重みを作成する。実施の形態1におけるステアリング重み作成部27は、対応付け重み作成部26と同様に、指向性係数aの値を計算し、指向性係数aを要素とする指向性係数行列Aを作成する処理を行う。そして、ステアリング重み作成部27は、指向性係数行列Aのデータを、重み計算部24に出力する。 The steering weight creation unit 27 creates steering weights to be multiplied with the steering vector v in order for the weight calculation unit 24, which will be described later, to weight the steering vector v used for adaptive weights. The steering weight creation unit 27 in the first embodiment performs a process of calculating the values of directivity coefficients a b and creating a directivity coefficient matrix A having the directivity coefficients a b as elements, in the same manner as the association weight creation unit 26. Then, the steering weight creation unit 27 outputs data of the directivity coefficient matrix A to the weight calculation unit 24.

重み計算部24は、対応付け部23からの対応付け方位に基づいて、適応重みを要素とする適応重み行列Wを算出する適応重み処理を行う。ここで、実施の形態1では、重み計算部24の適応重み処理を行う際、ステアリング重み作成部27が作成した指向性係数aを対応付け重みとして乗じる処理が行われる。重み計算部24による指向性係数aでの重み付けは、後述する正規化部25が行う処理におけるデータの選択に間接的に反映される。適応重み行列Wは、次の式(11)および式(12)で表される。 The weight calculation unit 24 performs adaptive weight processing to calculate an adaptive weight matrix W having adaptive weights as elements based on the corresponding direction from the correspondence unit 23. Here, in the first embodiment, when the weight calculation unit 24 performs adaptive weight processing, a process of multiplying the directivity coefficients a b created by the steering weight creation unit 27 as corresponding weights is performed. The weighting by the weight calculation unit 24 using the directivity coefficients a b is indirectly reflected in the selection of data in the process performed by the normalization unit 25, which will be described later. The adaptive weight matrix W is expressed by the following equations (11) and (12).

Figure 0007585870000011
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Figure 0007585870000012
Figure 0007585870000012

適応重み行列Wにおける列ベクトルとなる適応重みベクトルwは、次の式(13)で表される。ν’は、指向性係数aが乗算されたステアリングベクトルν’=νである。重み計算部24は、対応付け部23のように、正規化した指向性係数aを乗算せず、指向性の感度を示す指向性係数aそのものをステアリングベクトルνに乗算し、適応重みに係る計算を行う。ここで、βは、固有値から求められる係数であり、式(14)および式(15)で表される。式(14)におけるDLは、Diagonal Loading項である。また、式(15)におけるδは除外係数である。除外係数δは、対応付け部23が行う信号処理において対応付けられた方位ではδ=0であり、それ以外の方位ではδ=1になるように働く係数である。重み計算部24は、算出した適応重み行列Wをデータとして正規化部25に出力する。 The adaptive weight vector w, which is a column vector in the adaptive weight matrix W, is expressed by the following formula (13 ) . v'b is a steering vector v'b = vb ab multiplied by the directivity coefficient ab . The weight calculation unit 24 does not multiply the normalized directivity coefficient ab as in the association unit 23, but multiplies the steering vector v by the directivity coefficient ab itself, which indicates the sensitivity of the directivity, to perform calculations related to the adaptive weight. Here, β is a coefficient obtained from the eigenvalue and is expressed by formulas (14) and (15). DL in formula (14) is a diagonal loading term. Also, δ in formula (15) is an exclusion coefficient. The exclusion coefficient δ is a coefficient that works so that δ=0 in the direction associated in the signal processing performed by the association unit 23 and δ=1 in other directions. The weight calculation unit 24 outputs the calculated adaptive weight matrix W to the normalization unit 25 as data.

Figure 0007585870000013
Figure 0007585870000013

Figure 0007585870000014
Figure 0007585870000014

Figure 0007585870000015
Figure 0007585870000015

正規化重み作成部28は、後述する正規化部25が正規化処理を行う際、整相方位によって、使用する受波器201の信号に係るデータが演算に用いられるようにする正規化重みベクトルcを計算し、作成する処理を行う。ここで、正規化重みベクトルcは、c=[c,c,…cである。 The normalization weight generation unit 28 performs a process of calculating and generating a normalization weight vector cb that allows data related to the signal of the receiver 201 to be used to be used in the calculation depending on the phasing direction when the normalization unit 25 described later performs a normalization process. Here, the normalization weight vector cb is cb = [ c1 , c2 , ... cM ] T .

図5は、実施の形態1に係る正規化重み作成部28の処理について説明する図である。正規化重みベクトルcの各要素は、0以上1以下の値をとる。正規化重みは整相方位に対してカージオイド指向性による感度劣化、バッフルなどによる影響がない範囲の信号が選択されるようにする。たとえば、受波器アレイ200における架台の影響がない範囲の信号を選択する場合、整相方位に対し、±90度または±60度などの範囲の信号が用いられるようにする。図5(a)は、整相方位に対して±90度としたときに用いられる受波器201の範囲を示す。正規化重みは、図5(b)に示すように、使用する受波器201の信号に対する重み付けを1とし、使用しない受波器201の信号に対する重み付けを0とする。そして、その間の受波器201の信号に対しては、三角関数のcosなど、0と1との間に連続的なつながりを持つ関数に基づく重み付けを行って、重み値を滑らかにつなげる。 FIG. 5 is a diagram for explaining the processing of the normalization weight creation unit 28 according to the first embodiment. Each element of the normalization weight vector c b has a value between 0 and 1. The normalization weight is set so that signals in a range that is not affected by sensitivity degradation due to cardioid directivity or baffles in the phasing direction are selected. For example, when selecting signals in a range that is not affected by the mount in the receiver array 200, signals in a range of ±90 degrees or ±60 degrees in the phasing direction are used. FIG. 5(a) shows the range of the receivers 201 used when the phasing direction is ±90 degrees. As shown in FIG. 5(b), the normalization weight is set so that the weighting of the signal of the receiver 201 to be used is 1, and the weighting of the signal of the receiver 201 not to be used is 0. Then, the signals of the receivers 201 in between are weighted based on a function having a continuous connection between 0 and 1, such as the trigonometric function cos, to smoothly connect the weight values.

正規化部25は、正規化重み作成部28からの正規化重みベクトルcに基づいて、重み計算部24からの適応重み行列Wの各要素に重み付けをする。重み付けにより、適応重み行列Wにおいて、整相処理に使用する受波器201の信号に関する要素の値と使用しない受波器201の信号に関する要素の値との差が大きくなる。これにより、整相処理に使用する受波器201の信号に係るデータが直接的に選択および処理に反映されやすくなる。そして、正規化部25は、重み付けした適応重み行列Wのデータに基づいて、正規化処理を行う。正規化部25は、式(16)を用いて正規化処理を行う。正規化部25は、適応重み行列Wを正規化処理した各成分のデータを、整相部30に出力する。 The normalization unit 25 weights each element of the adaptive weight matrix W from the weight calculation unit 24 based on the normalization weight vector cb from the normalization weight creation unit 28. The weighting increases the difference between the element values related to the signals of the receivers 201 used in the phasing process and the element values related to the signals of the receivers 201 not used. This makes it easier for the data related to the signals of the receivers 201 used in the phasing process to be directly reflected in the selection and processing. Then, the normalization unit 25 performs normalization based on the weighted data of the adaptive weight matrix W. The normalization unit 25 performs normalization using equation (16). The normalization unit 25 outputs data of each component obtained by normalizing the adaptive weight matrix W to the phasing unit 30.

Figure 0007585870000016
Figure 0007585870000016

整相部30は、周波数分割装置10における周波数分割部11からの出力および正規化部25からの出力に係るデータに基づいて、整相処理を行う。適応重み行列Wを正規化したデータを用いて整相処理を行うことで、本来の方位と異なる方位から到来する信号成分を抑圧することができる。周波数分割された1binのセンサ出力信号をxとした場合、整相部30から出力される整相出力yは、次の式(17)で表される。その結果、出力端子Routからの待ち受けビーム出力において、本来の方位から到来する信号に対して鋭いピークが形成される。 The phasing unit 30 performs phasing processing based on data related to the output from the frequency division unit 11 in the frequency division device 10 and the output from the normalization unit 25. By performing phasing processing using data obtained by normalizing the adaptive weight matrix W, it is possible to suppress signal components arriving from a direction different from the original direction. If the frequency-divided 1-bin sensor output signal is x, the phasing output y output from the phasing unit 30 is expressed by the following equation (17). As a result, a sharp peak is formed in the standby beam output from the output terminal Rout for signals arriving from the original direction.

Figure 0007585870000017
Figure 0007585870000017

図6は、実施の形態1に係る適応整相システム100が行う適応整相処理方法の手順の一例を説明する図である。図6を参照して、上述した実施の形態1における適応整相処理方法の概要について説明する。周波数分割装置10の周波数分割部11は、受波器アレイ200が有する複数の受波器201からの信号が入力されると、周波数分割工程を行う(ステップS101)。 Figure 6 is a diagram for explaining an example of the procedure of the adaptive phasing processing method performed by the adaptive phasing system 100 according to the first embodiment. An overview of the adaptive phasing processing method according to the first embodiment described above will be explained with reference to Figure 6. When signals are input from the multiple receivers 201 of the receiver array 200, the frequency division unit 11 of the frequency division device 10 performs a frequency division process (step S101).

適応整相処理装置40の共分散行列推定部21は、周波数分割された出力信号間の共分散行列Rを算出する共分散行列推定工程を行う(ステップS102)。固有値分解部22は、算出された共分散行列Rに対して固有値分解を行って、固有値および固有ベクトルeを算出する固有値分解工程を行う(ステップS103)。 The covariance matrix estimation unit 21 of the adaptive phasing processing device 40 performs a covariance matrix estimation step to calculate the covariance matrix R between the frequency-divided output signals (step S102). The eigenvalue decomposition unit 22 performs an eigenvalue decomposition step to perform eigenvalue decomposition on the calculated covariance matrix R to calculate the eigenvalues and eigenvectors e (step S103).

対応付け重み作成部26は、対応付け重みを作成する対応付け重み作成工程を行う(ステップS104)。そして、対応付け部23は、固有ベクトルeとステアリングベクトルνとを対応付ける対応付け工程を行う(ステップS105)。ここで、対応付け部23は、対応付けを行う際、対応付け重みによる重み付けを行う。 The correspondence weight creation unit 26 performs a correspondence weight creation step of creating correspondence weights (step S104). Then, the correspondence unit 23 performs a correspondence step of matching the eigenvector e with the steering vector v (step S105). Here, when performing the correspondence, the correspondence unit 23 performs weighting using the correspondence weights.

ステアリング重み作成部27は、ステアリング重みを作成するステアリング重み作成工程を行う(ステップS106)。そして、重み計算部24は、固有値とステアリングベクトルνとの対応付けに係る対応付け方位に基づいて適応重み行列Wを算出する重み計算工程を行う(ステップS107)。ここで、重み計算部24は、適応重み行列Wを算出する際、ステアリング重みをステアリングベクトルνに乗算して重み付けを行う。 The steering weight creation unit 27 performs a steering weight creation step to create steering weights (step S106). Then, the weight calculation unit 24 performs a weight calculation step to calculate an adaptive weight matrix W based on the correspondence direction related to the correspondence between the eigenvalue and the steering vector ν (step S107). Here, when calculating the adaptive weight matrix W, the weight calculation unit 24 performs weighting by multiplying the steering weight by the steering vector ν.

正規化重み作成部28は、正規化重みを作成する正規化重み作成工程を行う(ステップS108)。そして、正規化部25は、適応重み行列Wを正規化する正規化工程を行う(ステップS109)。ここで、正規化を行う際、正規化重みを適応重み行列Wに乗算して、重み付けを行って正規化する。整相部30は、周波数分割された出力信号に対して正規化された適応重みを用いて整相処理する整相工程を行う(ステップS110)。 The normalization weight creation unit 28 performs a normalization weight creation step to create normalization weights (step S108). Then, the normalization unit 25 performs a normalization step to normalize the adaptive weight matrix W (step S109). When performing normalization, the adaptive weight matrix W is multiplied by the normalization weights to perform weighting and normalization. The phasing unit 30 performs a phasing process to perform phasing processing on the frequency-divided output signal using the normalized adaptive weights (step S110).

以上のように、実施の形態1における適応整相システム100によれば、適応整相処理装置40において、共分散行列推定部21、固有値分解部22、対応付け部23および重み計算部24が行う処理は、すべての受波器201からの信号に基づいて処理を行う。そして、正規化部25において、整相方位毎に基づいて正規化処理を行う。したがって、重み計算部24までの処理については、整相方位毎に信号を変化させた処理を行う必要がない。このため、方位毎に変化する信号に基づいて固有値分解などを処理しなくてもよく、CHスライド型整相にEBAE方式の適応整相処理を適用しても処理量の増加を抑えることができる。したがって、リアルタイム処理を行うことができる。 As described above, according to the adaptive phasing system 100 in the first embodiment, in the adaptive phasing processing device 40, the covariance matrix estimator 21, eigenvalue decomposition unit 22, matching unit 23, and weight calculation unit 24 perform processing based on signals from all receivers 201. Then, in the normalization unit 25, normalization processing is performed based on each phasing direction. Therefore, for the processing up to the weight calculation unit 24, it is not necessary to perform processing that changes the signal for each phasing direction. For this reason, it is not necessary to perform eigenvalue decomposition and the like based on signals that change for each direction, and even if EBAE-type adaptive phasing processing is applied to CH slide-type phasing, an increase in the amount of processing can be suppressed. Therefore, real-time processing can be performed.

たとえば、共分散行列推定部21の処理において、受波器201の数をMとする。また、CHスライド型の整相処理に使用する受波器201の数をM/2とし、ビーム数をBとすると、CHスライド型整相の処理において、共分散行列Rの演算量は、M/2×M/2×B=(M・B)/4となる。一方、実施の形態1における適応整相システム100では、共分散行列Rの演算量は、M×M(M)になる。両者の演算量を比較すると、ビーム数Bが4より多い場合には、実施の形態1における適応整相システム100の方が、演算量の優位性がある。一般的に、全周監視する場合のビーム数Bは4よりも多くなる場合がほとんどである。このため、実施の形態1における適応整相システム100を用いることで、多くの場合に、演算量の削減を期待することができる。 For example, in the processing of the covariance matrix estimation unit 21, the number of receivers 201 is M. In addition, if the number of receivers 201 used in the CH slide type phasing processing is M/2 and the number of beams is B, the amount of calculation of the covariance matrix R in the processing of the CH slide type phasing is M/2×M/2×B=(M 2 ·B)/4. On the other hand, in the adaptive phasing system 100 in the first embodiment, the amount of calculation of the covariance matrix R is M×M (M 2 ). Comparing the amount of calculation of both, when the number of beams B is more than 4, the adaptive phasing system 100 in the first embodiment has an advantage in the amount of calculation. Generally, the number of beams B in the case of full-circle monitoring is more than 4 in most cases. Therefore, by using the adaptive phasing system 100 in the first embodiment, it is possible to expect a reduction in the amount of calculation in many cases.

ただし、受波器201がカージオイド指向性を有するなどの状態で、すべての受波器201の信号で、共分散行列推定処理および固有値分解処理を行うと、固有ベクトルeとステアリングベクトルνとを対応付ける対応付け部23からの出力に劣化が生じる。このため、受波した信号中に含まれる妨害音などの除去能力が劣化してしまう。たとえば、CHスライド型整相を行うと、隣り合うビーム間でCH数および開口面積が若干異なることで、ビーム出力が方位方向に不連続になる。ビーム出力が不連続になると、その後の信号処理において、補間処理の精度および方位精度の劣化につながってしまう。処理量の問題であれば、受波器アレイ200を複数のサブアレイに分割して構成し、それぞれのサブアレイで担当する視野角を決め、セクタ型整相処理を行う方法もある。しかしながら、CHスライド型整相と比較して性能が劣化してしまう。また、サブアレイの間でも方位方向の不連続が発生してしまう。 However, when the receiver 201 has cardioid directivity, for example, and the covariance matrix estimation process and eigenvalue decomposition process are performed on the signals of all the receivers 201, the output from the matching unit 23 that matches the eigenvector e with the steering vector ν deteriorates. This deteriorates the ability to remove interference sounds and the like contained in the received signal. For example, when CH slide type phasing is performed, the number of CHs and the aperture area differ slightly between adjacent beams, causing the beam output to become discontinuous in the azimuth direction. When the beam output becomes discontinuous, this leads to deterioration in the accuracy of the interpolation process and the azimuth accuracy in the subsequent signal processing. If the problem is the amount of processing, there is also a method of dividing the receiver array 200 into multiple subarrays, determining the viewing angle for each subarray, and performing sector type phasing. However, the performance deteriorates compared to CH slide type phasing. Also, discontinuity in the azimuth direction occurs between the subarrays.

そこで、実施の形態1における適応整相システム100では、対応付け重み作成部26およびステアリング重み作成部27を有する。対応付け重み作成部26は、整相方位に応じた指向性係数aを計算する。対応付け部23において固有ベクトルeと対応付けが行われるステアリングベクトルνは、到来する信号の伝達関数として扱うことができる。そのため、対応付け重み作成部26が作成した対応付け重みである、整相方位に応じた指向性係数aを乗じ、バッフルおよびカージオイド処理の影響を、伝達関数となるステアリングベクトルνに対して設定する。このとき、対応付け重み作成部26は、全体としての大きさが1となるように正規化した指向性係数aを対応付け重みとすることで、対応付け部23が出力するデータの劣化を抑えることができる。 Therefore, the adaptive phasing system 100 in the first embodiment has a correspondence weight creation unit 26 and a steering weight creation unit 27. The correspondence weight creation unit 26 calculates a directivity coefficient a b according to the phasing direction. The steering vector v, which is associated with the eigenvector e in the association unit 23, can be treated as a transfer function of the arriving signal. Therefore, the correspondence weight created by the correspondence weight creation unit 26 is multiplied by the directivity coefficient a b according to the phasing direction, and the influence of the baffle and cardioid processing is set for the steering vector v, which is the transfer function. At this time, the correspondence weight creation unit 26 uses the directivity coefficient a b normalized so that the overall magnitude is 1 as the correspondence weight, thereby suppressing the deterioration of the data output by the association unit 23.

一方、重み計算部24は、式(11)における通常のステアリングベクトルνの項(分母分子第一項)と削除項(分母分子第二項)とのバランスをとるために、大きさを1に正規化せず、ステアリング重み作成部27からの指向性係数aをそのまま用いる。このため、重み計算部24は、指向性係数aを取り入れた適応重み計算を行っても、ロバストな計算を行うことができる。 On the other hand, in order to balance the normal steering vector v term (first term in the numerator and denominator) and the deletion term (second term in the numerator and denominator) in equation (11), the weight calculation unit 24 does not normalize the magnitude to 1, and uses the directivity coefficients a and b directly from the steering weight creation unit 27. For this reason, the weight calculation unit 24 can perform robust calculations even when performing adaptive weight calculations that incorporate the directivity coefficients a and b .

そして、正規化部25が処理に用いる受波器201を制限したことによる入出力レベルの無歪性も確保しながら、後方バッフルおよびカージオイド処理による性能劣化を抑制しつつ、正規化部25は、CHスライド型整相を行うことができる。また、正規化重み作成部28が、整相処理に使用する受波器201の信号に係る重み値と使用しない受波器201の信号に係る重み値との間の重み値について、cosなどの三角関数などで過渡幅を持たせる重み値を決定し、滑らかに移行するように連続的につなぐ。このため、整相処理の結果であるビーム出力について、方位方向の連続性を確保することができる。 The normalization unit 25 can perform CH slide-type phasing while suppressing performance degradation due to rear baffle and cardioid processing, while also ensuring that there is no distortion in the input/output levels due to the limiting of the receivers 201 used by the normalization unit 25 for processing. In addition, the normalization weight creation unit 28 determines weight values that provide a transition width for the weight values related to the signals of the receivers 201 used in the phasing process and the weight values related to the signals of the receivers 201 not used, using trigonometric functions such as cos, and connects them continuously to ensure a smooth transition. This ensures azimuth continuity for the beam output that is the result of the phasing process.

これらのことから、実施の形態1における適応整相システム100の適応整相処理装置40において、EBAE方式によるCHスライド型整相による処理を実現することができる。 For these reasons, the adaptive phasing processing device 40 of the adaptive phasing system 100 in embodiment 1 can realize processing using CH slide type phasing using the EBAE method.

他の実施の形態.
上述した実施の形態1における適応整相システム100では、対応付け重み作成部26が作成する対応付け重みとして、指向性係数aを用いる説明をしたが、これに限定するものではない。整相処理を行う信号が大きくなるように重み付けすることができるなど、目標音の到来方向とは逆の受波器201の信号による影響を低減し、固有ベクトルeとステアリングベクトルνとの対応付けを正しく行うことができる係数を対応付け重みとすることができる。
Other embodiments.
In the adaptive phasing system 100 in the above-mentioned first embodiment, the directivity coefficients a and b are used as the correspondence weights created by the correspondence weight creation unit 26, but the present invention is not limited to this. The correspondence weights can be coefficients that can reduce the influence of the signal of the receiver 201 in the opposite direction to the arrival direction of the target sound and can correctly associate the eigenvector e with the steering vector v, such as weighting the signal to be subjected to phasing so as to be larger.

また、上述した実施の形態1における適応整相システム100では、ステアリング重み作成部27が作成するステアリング重みとして、指向性係数aを用いる説明をしたが、これに限定するものではない。対応付け重みと同様に、整相処理を行う信号が大きくなるように重み付けすることができるなど、目標音の到来方向とは逆の受波器201の信号による影響を低減し、適応重みを正しく行うことができる係数をステアリング重みとすることができる。 In the adaptive phasing system 100 in the first embodiment described above, the directivity coefficients a and b are used as the steering weights created by the steering weight creation unit 27, but the present invention is not limited to this. As with the correspondence weights, the steering weights can be weighted so that the signal to be subjected to phasing processing is increased, and the steering weights can be coefficients that can reduce the influence of the signal of the receiver 201 in the opposite direction to the arrival direction of the target sound and can correctly perform adaptive weighting.

また、上述した実施の形態1における適応整相システム100では、正規化重み作成部28が作成する正規化重みについて、整相処理に使用する信号に係る重み値と使用しない信号に係る重み値との間の重み値に、三角関数に基づく値で過渡幅を持たせた。ただし、これに限定するものではない。他の係数または関数などの値により過渡幅を持たせることができる。 In addition, in the adaptive phasing system 100 in the first embodiment described above, for the normalization weights created by the normalization weight creation unit 28, the weight values between the weight values related to the signals used in the phasing process and the weight values related to the signals not used are given a transient width based on a trigonometric function. However, this is not limited to this. The transient width can be given by values of other coefficients or functions, etc.

また、上述した実施の形態1における適応整相システム100では、正規化重み作成部28が作成する正規化重みについて、整相処理に使用する信号に係る重み値と使用しない信号に係る重み値との間の重み値に、過渡幅を持たせるようにしたが、これに限定しない。整相処理された結果において、方位方向の不連続性が問題にならない場合には、過渡幅を持たない正規化重みであってもよい。 In addition, in the adaptive phasing system 100 in the first embodiment described above, the normalization weights created by the normalization weight creation unit 28 are configured to have a transient width between the weight values related to the signals used in the phasing process and the weight values related to the signals not used, but this is not limited to this. If discontinuity in the azimuth direction does not pose a problem in the results of the phasing process, the normalization weights may have no transient width.

また、上述した実施の形態1における適応整相システム100では、正規化重み作成部28が作成する正規化重みによる重み付けを行って、正規化部25が整相処理に使用する信号に基づく正規化処理を行ったが、これに限定するものではない。たとえば、整相処理された結果において、方位方向の不連続性が問題にならない場合には、正規化重みを用いずに、正規化部25が整相処理に使用する信号を抽出し、選択して、正規化処理を行うようにしてもよい。 In addition, in the adaptive phasing system 100 in the first embodiment described above, weighting is performed using the normalization weights created by the normalization weight creation unit 28, and normalization processing is performed based on the signals used by the normalization unit 25 for phasing processing, but this is not limited to this. For example, if discontinuity in the azimuth direction is not a problem in the results of the phasing processing, the normalization unit 25 may extract and select the signals to be used for phasing processing without using normalization weights, and perform normalization processing.

また、上述した実施の形態1における適応整相システム100では、正規化重み作成部28は、使用する受波器201の信号に対する重み付けを1とし、使用しない受波器201の信号に対する重み付けを0とする正規化重みを作成した。ただし、これに限定するものではない。たとえば、正規化重み作成部28が作成する正規化重みにおいて、対応付け重み作成部26およびステアリング重み作成部27が作成したように、指向性係数aに基づく正規化重みを作成し、正規化部25が重み付けを行ってもよい。 In the adaptive phasing system 100 in the above-described first embodiment, the normalization weight creation unit 28 creates normalization weights that weight the signal of the receiver 201 in use by setting the weight to 1 and weight the signal of the receiver 201 not in use by setting the weight to 0. However, this is not limited to this. For example, in the normalization weights created by the normalization weight creation unit 28, normalization weights based on the directivity coefficients a b may be created as created by the association weight creation unit 26 and the steering weight creation unit 27, and the normalization unit 25 may perform weighting.

また、上述した実施の形態1における適応整相システム100は、CHスライド型整相に係る処理を行う場合に適用したが、これに限定するものではない。たとえば、周波数毎に使用する信号が異なる整相方式にも適用することができる。 The adaptive phasing system 100 in the first embodiment described above is applied to a case where processing related to CH slide type phasing is performed, but is not limited to this. For example, it can also be applied to a phasing method in which different signals are used for each frequency.

また、上述した実施の形態1では、受波器アレイ200がシリンダアレイまたはコンフォーマルアレイである場合について説明したが、これに限定するものではない。たとえば、球形状アレイ(SA:Spherical Array)などの受波器アレイ200についても適用することができる。 In the above-mentioned first embodiment, the receiver array 200 is described as a cylindrical array or a conformal array, but this is not limited to this. For example, the present invention can also be applied to a receiver array 200 such as a spherical array (SA).

10 周波数分割装置
11 周波数分割部
20 EBAE処理部
21 共分散行列推定部
22 固有値分解部
23 対応付け部
24 重み計算部
25 正規化部
26 対応付け重み作成部
27 ステアリング重み作成部
28 正規化重み作成部
30 整相部
40 適応整相処理装置
50 制御部
51 制御処理装置
52 メモリ
60 記憶部
100 適応整相システム
200 受波器アレイ
201,201-1~201-M 受波器
k-1~k-M 入力端子
Rout 出力端子
REFERENCE SIGNS LIST 10 Frequency division device 11 Frequency division section 20 EBAE processing section 21 Covariance matrix estimation section 22 Eigenvalue decomposition section 23 Correspondence section 24 Weight calculation section 25 Normalization section 26 Correspondence weight creation section 27 Steering weight creation section 28 Normalization weight creation section 30 Phasing section 40 Adaptive phasing processing device 50 Control section 51 Control processing device 52 Memory 60 Storage section 100 Adaptive phasing system 200 Receiver array 201, 201-1 to 201-M Receivers k-1 to k-M Input terminal Rout Output terminal

Claims (10)

複数の受波器により受波され、周波数分割された信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定部と、
前記共分散行列に対して固有値分解を行って固有値および固有ベクトルを算出する固有値分解部と、
前記固有値および前記固有ベクトルに基づいて、前記固有ベクトルとステアリングベクトルとを対応付ける対応付け処理を行う対応付け部と、
前記固有ベクトルと前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する適応重み処理を行う重み計算部と、
前記適応重みを正規化する正規化処理を行う正規化部と、
正規化された前記適応重みに基づいて、前記周波数分割された信号の整相処理を行う整相部と
前記対応付け部が前記対応付け処理による対応付けを行う際に演算する重み付けの値である対応付け重みを作成する対応付け重み作成部と、
前記重み計算部が前記適応重み処理を行う際に演算する、各ステアリングベクトルに対する重み付けの値であるステアリング重みを作成するステアリング重み作成部と、
前記正規化部が前記正規化処理を行う際に演算する、前記整相処理を行う信号に対して重み付けを行う値である正規化重みを作成する正規化重み作成部と
を備え、
前記共分散行列推定部、前記固有値分解部、前記対応付け部および前記重み計算部は、すべての前記信号について処理を行い、前記正規化部は、前記正規化重みに基づいて前記整相部が前記整相処理に用いる前記信号に係る前記適応重みを選択して前記正規化処理を行う適応整相処理装置。
A covariance matrix estimator that calculates a covariance matrix between signals received by a plurality of receivers and divided into frequencies;
an eigenvalue decomposition unit that performs eigenvalue decomposition on the covariance matrix to calculate eigenvalues and eigenvectors;
a matching unit that performs a matching process for matching the eigenvector with a steering vector based on the eigenvalue and the eigenvector;
a weight calculation unit that performs adaptive weight processing to calculate adaptive weights based on the correspondence between the eigenvectors and the steering vectors;
a normalization unit that performs a normalization process to normalize the adaptive weights;
a phasing unit that performs phasing processing of the frequency-divided signal based on the normalized adaptive weights ;
an association weight creation unit that creates association weights, which are weighting values calculated by the association unit when performing association by the association process;
a steering weight generation unit that generates a steering weight, which is a weighting value for each steering vector, calculated by the weight calculation unit when the adaptive weight processing is performed;
a normalization weight generation unit that generates a normalization weight, which is a value that is used to weight the signal that is subjected to the phasing process and is calculated when the normalization unit performs the normalization process;
Equipped with
The covariance matrix estimator, the eigenvalue decomposition unit, the matching unit, and the weight calculation unit perform processing for all of the signals, and the normalization unit selects the adaptive weight for the signal used by the phasing unit for the phasing processing based on the normalization weight, and performs the normalization processing.
前記対応付け重み作成部は、
前記整相処理に用いる前記信号に係る値が大きくなるように重み付けする前記対応付け重みを作成する請求項に記載の適応整相処理装置。
The association weight generation unit
The adaptive phasing processing device according to claim 1 , wherein the corresponding weights are generated so as to weight the signals used in the phasing processing so that the values related to the signals are large.
前記対応付け重み作成部は、
整相方位に応じて、各信号における指向性係数を決定し、前記指向性係数を正規化して前記対応付け重みとする請求項または請求項に記載の適応整相処理装置。
The association weight generation unit
3. The adaptive phasing processing device according to claim 1 , further comprising: determining a directivity coefficient for each signal in accordance with a phasing direction; and normalizing the directivity coefficient to obtain the corresponding weight.
前記ステアリング重み作成部は、
前記整相処理に用いる前記信号に係る値が大きくなるように重み付けする前記ステアリング重みを作成する請求項~請求項のいずれか一項に記載の適応整相処理装置。
The steering weight generation unit is
The adaptive phasing processing device according to claim 1 , wherein the steering weight is generated to weight the signal used in the phasing processing so that a value related to the signal is large.
前記ステアリング重み作成部は、
整相方位に応じて、各信号における指向性係数を決定し、前記ステアリング重みとする請求項~請求項のいずれか一項に記載の適応整相処理装置。
The steering weight generation unit is
The adaptive phasing processing device according to any one of claims 1 to 4 , wherein a directivity coefficient for each signal is determined according to a phasing direction and used as the steering weight.
前記正規化部は、
前記整相処理に用いる前記信号が大きくなるように重み付けする前記正規化重みを作成する請求項~請求項のいずれか一項に記載の適応整相処理装置。
The normalization unit is
The adaptive phasing processing device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the normalization weight is generated to weight the signal used in the phasing processing so as to increase the signal.
前記正規化部は、
整相方位に応じて、各信号における指向性係数を決定し、前記正規化重みとする請求項~請求項のいずれか一項に記載の適応整相処理装置。
The normalization unit is
The adaptive phasing processing device according to any one of claims 1 to 6 , wherein a directivity coefficient for each signal is determined according to a phasing direction and used as the normalization weight.
複数の受波器が受波した信号を周波数分割する処理を行う周波数分割部と、
請求項1~請求項のいずれか一項に記載の適応整相処理装置と
を備える適応整相システム。
A frequency division unit that performs processing to divide the frequency of signals received by a plurality of receivers;
An adaptive phasing system comprising the adaptive phasing processing device according to any one of claims 1 to 7 .
複数の受波器により受波され、周波数分割された信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定工程と、
前記共分散行列に対して固有値分解を行って固有値および固有ベクトルを算出する固有値分解工程と、
前記固有値および前記固有ベクトルに基づいて、前記固有ベクトルとステアリングベクトルとを対応付ける対応付け処理を行う対応付け工程と、
前記固有ベクトルと前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する適応重み処理を行う重み計算工程と、
前記適応重みを正規化する正規化処理を行う正規化工程と、
正規化された前記適応重みに基づいて、前記周波数分割された信号の整相処理を行う整相工程とを有し、
また、前記対応付け工程、前記重み計算工程および前記正規化工程をそれぞれ行う前に、
前記対応付け工程において前記対応付け処理による対応付けを行う際に演算する重み付けの値である対応付け重みを作成する対応付け重み作成工程と、
前記重み計算工程において前記適応重み処理を行う際に演算する、各ステアリングベクトルに対する重み付けの値であるステアリング重みを作成するステアリング重み作成工程と、
前記正規化工程において前記正規化処理を行う際に演算する、前記整相処理を行う信号に対して重み付けを行う値である正規化重みを作成する正規化重み作成工程と
を有し、
前記共分散行列推定工程、前記固有値分解工程、前記対応付け工程および前記重み計算工程は、すべての前記信号について処理を行い、前記正規化工程は、前記正規化重みに基づいて前記整相工程が前記整相処理に用いる前記信号に係る前記適応重みを選択して前記正規化処理を行う適応整相処理方法。
A covariance matrix estimation step of calculating a covariance matrix between signals received by a plurality of receivers and divided into frequencies;
an eigenvalue decomposition step of performing eigenvalue decomposition on the covariance matrix to calculate eigenvalues and eigenvectors;
a matching process for matching the eigenvector with a steering vector based on the eigenvalue and the eigenvector;
a weight calculation step of performing an adaptive weight processing to calculate adaptive weights based on the correspondence between the eigenvectors and the steering vectors;
a normalization step of performing a normalization process on the adaptive weights;
and a phasing step of performing phasing processing of the frequency-divided signal based on the normalized adaptive weights,
Also, before performing the association step, the weight calculation step, and the normalization step,
a correspondence weight creation step of creating a correspondence weight which is a weighting value calculated when performing correspondence by the correspondence process in the correspondence step;
a steering weight creation step of creating a steering weight, which is a weighting value for each steering vector, to be calculated when performing the adaptive weighting process in the weight calculation step;
a normalization weight creation step of creating a normalization weight which is a value for weighting the signal subjected to the phasing process, the normalization weight being calculated when the normalization process is performed in the normalization step;
having
an adaptive phasing processing method in which the covariance matrix estimation step, the eigenvalue decomposition step, the matching step, and the weight calculation step perform processing for all of the signals, and the normalization step selects the adaptive weights related to the signals used in the phasing processing by the phasing step based on the normalization weights, and performs the normalization processing.
複数の受波器により受波され、周波数分割された信号間の共分散行列を算出する共分散行列推定工程と、
前記共分散行列に対して固有値分解を行って固有値および固有ベクトルを算出する固有値分解工程と、
前記固有値および前記固有ベクトルに基づいて、前記固有ベクトルとステアリングベクトルとを対応付ける対応付け処理を行う対応付け工程と、
前記固有ベクトルと前記ステアリングベクトルとの対応付けに基づいて適応重みを算出する適応重み処理を行う重み計算工程と、
前記適応重みを正規化する正規化処理を行う正規化工程と、
正規化された前記適応重みに基づいて、前記周波数分割された信号の整相処理を行う整相工程とを有し、
また、前記対応付け工程、前記重み計算工程および前記正規化工程をそれぞれ行う前に、
前記対応付け工程において前記対応付け処理による対応付けを行う際に演算する重み付けの値である対応付け重みを作成する対応付け重み作成工程と、
前記重み計算工程において前記適応重み処理を行う際に演算する、各ステアリングベクトルに対する重み付けの値であるステアリング重みを作成するステアリング重み作成工程と、
前記正規化工程において前記正規化処理を行う際に演算する、前記整相処理を行う信号に対して重み付けを行う値である正規化重みを作成する正規化重み作成工程と
を有し、
前記共分散行列推定工程、前記固有値分解工程、前記対応付け工程および前記重み計算工程は、すべての前記信号について処理を行い、前記正規化工程は、前記正規化重みに基づいて前記整相工程が前記整相処理に用いる前記信号に係る前記適応重みを選択して前記正規化処理を行うことをコンピュータに行わせる適応整相処理方法のプログラム。
A covariance matrix estimation step of calculating a covariance matrix between signals received by a plurality of receivers and divided into frequencies;
an eigenvalue decomposition step of performing eigenvalue decomposition on the covariance matrix to calculate eigenvalues and eigenvectors;
a matching process for matching the eigenvector with a steering vector based on the eigenvalue and the eigenvector;
a weight calculation step of performing an adaptive weight processing to calculate adaptive weights based on the correspondence between the eigenvectors and the steering vectors;
a normalization step of performing a normalization process on the adaptive weights;
and a phasing step of performing phasing processing of the frequency-divided signal based on the normalized adaptive weights,
Furthermore, before performing the association step, the weight calculation step, and the normalization step,
a correspondence weight creation step of creating a correspondence weight which is a weighting value calculated when performing correspondence by the correspondence process in the correspondence step;
a steering weight creation step of creating a steering weight, which is a weighting value for each steering vector, to be calculated when performing the adaptive weighting process in the weight calculation step;
a normalization weight creation step of creating a normalization weight which is a value for weighting the signal subjected to the phasing process, the normalization weight being calculated when the normalization process is performed in the normalization step;
having
a program for an adaptive phasing processing method, the program causing a computer to perform the covariance matrix estimation step, the eigenvalue decomposition step, the matching step, and the weight calculation step for processing all of the signals, and the normalization step for selecting the adaptive weights for the signals used in the phasing processing by the phasing step based on the normalization weights, and performing the normalization processing.
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