JPH02280075A - 受波器の指向性合成方法 - Google Patents

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） 本発明は、例えば音源標定装置におけるマイクロホンや
ハイドロホン等の受波器の指向性合成方法に関するもの
である。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術としては例えば、海洋音響
研究会編「海洋音響−基礎と応用」　（昭５９−３−１
）Ｐ、１６６−１６７に記載されるものがあった。以下
、その構成を図を用いて説明する。

第２図は前記文献に記載された３６０°ソーナーの水平
方向ビームスキャニングにおける指向性合成方法を示す
概略図である。

図において、送受波装置１の円周部には多数の送受波器
２が配置されている。これらの送受波器２は、受信時に
は受波器２として機能するように設定されている。受信
時において、音波が入射した各受波器２からの出力信号
は、アナ口グスイッチ群３により切換えられ、ずれなが
ら遅延回路４に導かれる。遅延回路４は、各受波器２が
円周に沿って配置されているために生じる各受波器２の
出力信号の位相遅れを補償し、指向性が広がったり、サ
イドローブが大きくなるのを防止する。位相遅れを補償
された各出力信号は、加算回路５で加算されて出力され
る。

このように、この指向性合成方法は、入射音波の到来方
向が正面となる受波器２と他の受波器２との入力波の位
相を一致させることにより、入射音波の信号強度を上げ
ようとするものである。

前記方法にならい、例えば３５個の受波器２を半径２ｍ
の半円周上に角度５°の間隔で配置し、波長３０ｃｍの
音波を受信した場合の合成指向性特性例を第３図（ａ）
、（ｂ）に示す。ここに、第３図（ａ）は受波器２に対
して音源を回転させ、前記合成方法に従って得られた合
成出力のフィールドパターンであり、第３図（ｂ）はフ
ィールドパターンの上部半円の合成出力を対数表示した
合成出力レベル曲線である。図より、例えば尖鋭な主ロ
ーブ６形状を有することが分かる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の受波器の指向性合成方法にお
いては、合成指向性特性が受波器２の配置位置及び配置
個数により決定されてしまうという問題があり、その解
決が困難であった。

例えば第３図（ａ）に示すように主ローブ６形状が固定
され、半値幅の値も固定されるので、種々の音源に対す
る使用目的上の支障を生じたり、もしくは受波器２の配
置上の問題を生じるおそれがあった。

本発明は、前記従来技術がもっていた課題として、複数
の受波器による合成指向性特性が受波器の配置位置及び
個数で決定されてしまうという点について解決した受波
器の指向性合成方法を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するために、第１の発明では、任意の位
置に設置された複数の音波受波器に対し、その受波器の
設置位置及び設置個数と指向性特性関数と入射波の波数
ベクトルの大きさとを初期値として設定し、前記初期値
に基づき前記各受波器に対するそれぞれの重み係数を空
間逆フーリエ変換により算出し、前記各受波器から出力
された各信号と前記各型み係数とのそれぞれ積の総和を
出力することにより、受波器の指向性合成方法を構成し
たものである。

また、第２の発明では、請求項１記載の受波器の指向性
合成方法において、前記音波受波器に代えて電波受波器
を用いるようにしたものである。

さらに、第３の発明では、請求項１又は２記載の受波器
の指向性合成方法において、前記指向性特性関数に周波
数帯域制限フィルタ用伝達関数を用いるようにしたもの
である。

（作用） 第１の発明によれば、以上のように受波器の指向性合成
方法を構成したので、各受波器に対する重み係数を空間
逆フーリエ変換により求め、これを各受波器からの出力
信号に掛は合わせることは、各受波器の配置位置や個数
に拘束されず、任意の合成指向性特性を得ることを可能
ならしめる働きをする。

また、第２の発明では、第１の音波受波器を電波受波器
に代えることにより、電波に対しても各受波器の配置や
個数に拘束されない任意の合成指向性特性を取得せしめ
る働きをする。

さらに、第３の発明では、指向性特性関数に周波数帯域
制限フィルタ用伝達関数を用いることにより、重み係数
の算出を適切かつ確実に行なわしめ、所望の合成指向性
特性の取得を容易にさせる。

従って、前記課題を解決することができる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例における受波器の指向性合成方
法を示すブロック図である。

図において、信号入力部１１には無指向性の複数の音波
受波器１２が任意の位置に設置されている。初期値設定
部１３は受波器１２等に関する初期値を設定するための
ものであり、係数算出部１４に接続されている。

係数算出部１４は各受波器１２の出力信号に掛けるべき
重み係数を算出するためのものである。

信号合成部１５は信号入力部１１から送られてきた各出
力信号と係数算出部１４から出力された各重み係数との
積を求め、それらの総和を出力するためのものである。

上記のように構成された指向性合成装置による指向性合
成は次のように行なわれる。

先ず初期値設定部１３において、所望の指向性特性関数
Ｆ（ｋｏ）、各受波器１２の設置位置（ｒ、θ）、受波
器１２の総数ｎ、及び入射波の波数ベクトルの大きさｋ
　　＝２π／λ（λ：波長）を設定する。指向性特性関
数Ｆ　（Ｋ、）には、周波数帯域制限フィルタ用伝達関
数例えばバターワースの式等を用いるとよい。

次いで係数算出部４は、初期値設定部１３からの入力に
基づき、下記のようにして重み係数を算出する。

合成受波器の指向性特性Ｆ（ｋＸ、ｋｙ）は、空間フィ
ルタＳ　（ｘ、ｙ）をフーリエ変換することにより求め
られる。いま、同一平面上の指向性の場合は、２次元フ
ーリエ変換を考えればよいから、 Ｆ（ｋＸ、ｋｙ） ・・・・・・（１） となる。よって求める空間フィルタＳ（ｘ、ｙ）は、指
向性特性の逆フーリエ変換となり、Ｓ　（ｘ、ｙ） ＝ｆ　　ｆ　　Ｆ　（ｋｘ、　ｋｙ） −ω−ω −Ｊ　（Ｘｋ×＋Ｙｋｙ） Ｘｄｋ　　ｄｋ 　　　　ｙ ・・・・・（２） で与えられる。この（２）式を極座標表示にすれば、次
式のようになる。

Ｓ　（ｒ、θ） ×に、　ｄＫ、　ｄ　Ｋθ ・・・・・・（３） 但し ｘ＝ｒｃｏｓθ、ｙ＝ｒｓｉｎθ ここに、初期値設定部１３から送られてきた波数ベクト
ルの大きさｋｒにより、Ｋｒについて積分すれば次式を
得る。

Ｓ　（ｒ、　θ） ＝に、δ（Ｋ、　−に、　） 空間フィルタを構成する各重み係数を全重み係数の総和
で正規化、することにより、各受波器１２が受渡する入
力信号パワーの総和と、本方法によって得られる合成信
号パワーとを等しくすることができる。

例えば、半径ｒの同一円周上に等間隔の角度で配置され
た各受波器１２のうち、角度θ、の位置に配置された受
波器１２に掛ける重み係数Ｗ、は、次式で示される。

ｋ、δ（Ｋ、　−に、　） このようにして、（５）式による演算を行なうことによ
り、係数算出部１４は各重み係数Ｗを算・・・・・・（
４） 出し、これを信号合成部１５に出力する。一方、信号入
力部１１には、初期値設定部１３で入力された位置に各
受波器１２が配置されており、これらの各受波器１２は
独自に音波を受信して、その信号を信号合成部１５に送
る。

信号合成部１５は、信号入力部１１から送られてきた各
信号と、係数算出部１４から出力された各重み係数Ｗと
を掛は合わせ、さらにその総和を求めてこれを出力する
。この出力が、本指向性合成方法における出力信号とな
る。

上記のように構成された指向性合成方法を用いた場合の
合成指向性特性例を第４図（ａ）、（ｂ）及び第５図（
ａ）、（ｂ）に示す。第４図（ａ）。

（ｂ）はある指向性特性関係Ｆ　（Ｋ、？）を用いた場
合の合成指向性特性例を示し、同図（ａ）は合成出力の
フィールドパターン及び同図（ｂ）はフィールドパター
ンの上部半円の合成出力を対数表示した合成出力レベル
曲線である。また第５図（ａ）、（ｂ）は、他の指向性
特性関数Ｆ　（Ｋｅ）を用いた場合の合成指向性特性例
を第４図（ａ）。

（ｂ）と同様のフィールドパターン及び合成出力レベル
曲線で示したものである。

第４図（ａ＞、（ｂ）及び第５図（ａ）、（ｂ）のいず
れも、半径２ｍの半円周上に３５個の受波器１２を角度
５°の間隔で配置し、波長３０ｍの音波を受波した場合
について示すものである。

先ず、第４図（ａ＞、（ｂ）の合成指向性特性は、初期
値設定部１３に与える指向性特性関数Ｆ　（Ｋｏ）を とし、ＫＬ＝−５，ＫＨ＝５とした場合の結果を示すも
のである。受波器１２に対して音源を回転させ、得られ
た信号の出力を示している。

次に、第５図（ａ）、（ｂ）の合成指向性特性は、初期
値設定部１３に与える指向性特性関数Ｆ（ＫＯ）を下記
（７）式の如くバターワース多項式とし、 Ｋｔ、：＝−７，Ｋｎ　＝７．ｍ＝２とした場合の結果
を示すものである。

第４図（ａ）、（ｂ）及び第５図（ａ）、（ｂ）を比較
すれば明らかなように、双方の合成指向性特性は著しく
異なる。即ち、第４図（ａ）の主ローブ１６の形状に対
し、第５図（ａ）の主ローブ１７形状は大きな広がりを
有し、特に先端部における広がりが大きく、半値幅も異
なる。また、それぞれのサイドローブの現われ方も異な
る。従って、第４図（ｂ）と第５図（ｂ）の合成出力レ
ベル曲線には、顕著な差異が認められる。

このように本実施例によれば、任意の位置に配置された
マイクロホンやハイドロホン等の音波受波器１２に対し
、指向性特性間数Ｆ（Ｋｅ）を変えることによって任意
の合成指向性をもたせることが可能となる。

以上の実施例においては、音波に対する受波器の指向性
合成方法について説明したが、本発明は電波に対しても
同様に利用することができる。

即ち、前記音波受波器１２に代えて電波受波器を用い、
信号入力部１１、初期値設定部１３、係数算出部１４及
び信号合成部１５等を電波受波器に対応したものとすれ
ばよい。このようにすることにより、任意の位置に配置
された電波受波器、例えばアレイアンテナで受信した電
波に対しても、音波と同様に任意の合成指向性をもたせ
ることが可能となる。

なお、本発明は図示の実施例に限定されず、種々の変形
が可能であり、例えば次のような変形例が挙げられる。

（ｉ）　第１図の受波器１２に代えて送受波器を用いて
もよい。この場合において、送受切換回路によって受信
に切換えられた送受波器に対し、本発明が適用される。

（ｉｉ）　　指向性特性関数Ｆ　（Ｋ＃　）に用いられ
る周波数帯域制限フィルタ用伝達関数は、前記バターワ
ースの式のみならず、例えばチエビシエフの式等、種々
の伝達関係を用いることが可能である。

（ｉｉｉ　）　　第１図の受波器１２が受信する音波は
広義の音波を意味する。従って、超音波に対しても本発
明の適用が可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、第１の発明によれば、任意
の位置に設置された複数の音波受波器に対し、各重み係
数を逆フーリエ変換により算出し、これを各受波器の出
力信号に掛は合わせるようにしたので、任意の合成指向
性特性を得ることができる。これにより、受波器の配置
位置や個数に束縛されることなく、種々の音源や多様な
用途に対応することが可能となる。

第２の発明によれば、音波受波器を電波受波器に代える
ことにより、電波に対しても音波と同様の効果が得られ
る。

第３の発明によれば、周波数帯域制限フィルタ用伝達関
数を用いることにより、指向性特性関数の導入が円滑か
つ効果的に図られ、種々の合成指向性特性を容易に得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における受波器の指向性合成方
法を示すためのブロック図、第２図は従来の受波器の指
向性合成方法を示す概略図、第３図（ａ）、（ｂ）は従
来の方法による合成指向性特性例を示し、同図（ａ）は
合成出力のフィールドパターン及び同図（ｂ）は合成出
力レベル曲線図、第４図（ａ）、（ｂ）は本発明の実施
例の方法による合成指向性特性例を示し、同図（ａ）は
合成出力のフィールドパターン及び同図（ｂ）は合成出
力レベル曲線図、第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の実施
例の方法による他の合成指向性特性例を示し、同図（ａ
）、（ｂ）はそれぞれ合成出力のフィールドパターン及
び合成出力レベル曲線図である。 １１・・・・・・信号入力部、１２・・・・・・音波受
波器、１３・・・・・・初期値設定部、１４・・・・・
・係数算出部、１５・・・・・・信号合成部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、任意の位置に設置された複数の音波受波器に対し、
   その受波器の設置位置及び設置個数と指向性特性関数と
   入射波の波数ベクトルの大きさとを初期値として設定し
   、 前記初期値に基づき前記各受波器に対するそれぞれの重
   み係数を空間逆フーリエ変換により算出し、 前記各受波器から出力された各信号と前記各重み係数と
   のそれぞれの積の総和を出力することを特徴とする受波
   器の指向性合成方法。 ２、請求項１記載の受波器の指向性合成方法において、
   前記音波受波器に代えて電波受波器を用いる受波器の指
   向性合成方法。 ３、請求項１又は２記載の受波器の指向性合成方法にお
   いて、前記指向性特性関数に周波数帯域制限フィルタ用
   伝達関数を用いる受波器の指向性合成方法。