專利名稱：位置信息估計(jì)裝置及其方法和程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于根據(jù)使用從信號(hào)源發(fā)射并且接著被混合在一起的信號(hào)的多個(gè)傳感器的觀察來(lái)估計(jì)諸如聲音源和無(wú)線電波源的多個(gè)信號(hào)源的每個(gè)的位置信息的裝置、方法和程序，或者更具體而言，本發(fā)明涉及用于估計(jì)包括至少一個(gè)參數(shù)的信息的裝置、方法和程序，所述參數(shù)指示要用于檢測(cè)信號(hào)的到達(dá)方向和將信號(hào)分離為每個(gè)信號(hào)源以及恢復(fù)信號(hào)中的位置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出使用獨(dú)立的分量分析(以下簡(jiǎn)稱為ICA)來(lái)估計(jì)源信號(hào)的到達(dá)方向和當(dāng)來(lái)自多個(gè)信號(hào)源的信號(hào)在它們到達(dá)傳感器之前在空間中混合的時(shí)候，分離來(lái)自由多個(gè)傳感器觀察的來(lái)臨信號(hào)(oncoming signal)的源信號(hào)。在空間中混合導(dǎo)致卷積式混合，其中某些信號(hào)與多個(gè)時(shí)延混合，因?yàn)閷?duì)于直達(dá)波和對(duì)于由傳播障礙物引起的多個(gè)反射波，從信號(hào)源到傳感器的到達(dá)延遲和衰減系數(shù)具有不同的值。直接確定在時(shí)域中的分向?yàn)V波器的ICA處理在會(huì)聚到最后的解時(shí)很慢，因此將ICA處理應(yīng)用到在頻域中的獨(dú)立頻率的方法更為現(xiàn)實(shí)。
到達(dá)方向(arrival direction)的估計(jì)將參照?qǐng)D1來(lái)簡(jiǎn)述在頻域中使用ICA處理以估計(jì)作為位置信息的信號(hào)源的方向的傳統(tǒng)方法。提供了J個(gè)傳感器11、12、...、1J的線性陣列。由dj來(lái)表示傳感器1j的位置(j＝1，2，...，J)，由xj(t)來(lái)表示由傳感器1j觀察的信號(hào)?？紤]與傳感器11、12、...、1J的陣列的方向成90°垂直的方向，假定源信號(hào)si(t)的到達(dá)方向在0°≤θi≤180°范圍內(nèi)。假定I個(gè)源信號(hào)s1(t)、...、sI(t)的混合信號(hào)由J個(gè)傳感器11到1J檢測(cè)為觀察信號(hào)x1(t)、...、xj(t)。
在頻域中頻繁地進(jìn)行信號(hào)的到達(dá)方向的估計(jì)。在此，所觀察信號(hào)xj(t)進(jìn)行短時(shí)間傅立葉變換以獲得在頻域中的時(shí)間系列信號(hào)Xj(ω，m)，其中ω表示角頻率(ω＝2πf，其中f表示頻率)，并且m是表示時(shí)間的量。假定在頻域中源信號(hào)si(t)(i＝1，...，I)被類似地變換為時(shí)間系列信號(hào)Sj(ω，m)，被觀察信號(hào)Xj(ω，m)可以被表達(dá)為Xj(ω,m)=∑i=1IAji(ω,m)Si(ω,m),]]>其中Aji(ω)表示從信號(hào)si的信號(hào)源到傳感器1j的頻率響應(yīng)。這可以以向量和矩陣來(lái)表達(dá)如下X(ω，m)＝A(ω)S(ω，m) (1)其中X(ω，m)＝[X1(ω，m)，...，XJ(ω，m)]T(2)S(ω，m)＝[S1(ω，m)，...，SI(ω，m)]T(3)是由J個(gè)傳感器觀察的信號(hào)和I個(gè)源信號(hào)的向量表示。A(ω)是以頻率響應(yīng)Aji(ω)作為元素的J×I矩陣，并且被稱為混合矩陣，因?yàn)樗硎拘盘?hào)混合系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。表示[a]T表示向量或矩陣a的轉(zhuǎn)置。
在圖1中，在方向θi中來(lái)臨的源信號(hào)相對(duì)于位于d1＝0的傳感器11早τij＝c-1djcosθi到達(dá)傳感器1j，其中c表示源信號(hào)si的速度。因此，當(dāng)僅僅考慮直達(dá)波的時(shí)候，在角頻率ω的頻率響應(yīng)可以被建模如下Aji(ω)＝exp(jωc-1djcosθi)(4)將具有方向θ的到達(dá)方向向量表示如下a(ω，θ)＝[exp(jωc-1d1cosθ)，exp(jωc-1d2cosθ)，...，exp(jωc-1dJcosθ)]，通過(guò)近似可以將被觀察的信息表達(dá)為X(ω,m)=Σi=1Ia(ω,θi)Si(ω,m).]]>在例如S.Kurita，H.Saruwatari，S.Kajita，K.Takeda and F.Itakura，“Evaluation of blind signal separation method using directivity pattern underreverberant conditions”，in Proc.ICASS2000，2000，pp.3140-3143(S.Kurita，H.Saruwatari，S.Kajita，K.Takeda和F.Itakura，“在反射條件下使用方向性模式的盲信號(hào)分離的估計(jì)方法，ICASS2000會(huì)刊，2000年，第3140-3143頁(yè))(稱為文獻(xiàn)1)。下面簡(jiǎn)述這種方法。
被觀察信號(hào)X(ω，m)等于A(ω)S(ω，m)用于指示源信號(hào)S(ω，m)的混合，因此不是相互獨(dú)立的。當(dāng)獨(dú)立分量分析被應(yīng)用到X(ω，m)時(shí)，Y(ω，m)＝W(ω)X(ω，m) (5)存在獲得的相互獨(dú)立分離的信號(hào)Y(ω，m)＝[Y1(ω，m)，...，YI(ω，m)]T(6)W(ω)是具有元素Wij(ω)的I×J矩陣，被稱為分離矩陣。例如，當(dāng)I＝J＝2的時(shí)候，獨(dú)立分量分析尋找滿足Y1(ω,m)Y2(ω,m)=W11(ω)W12(ω)W21(ω)W22(ω)·X1(ω,m)X2(ω,m)]]>的分離矩陣W(ω)，以便Y1(ω，m)和Y2(ω，m)彼此獨(dú)立。當(dāng)源信號(hào)S1(ω，m)、...、SI(ω，m)彼此獨(dú)立的時(shí)候，獨(dú)立信號(hào)Y1(ω，m)、...、YI(ω，m)應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于源信號(hào)中的某一個(gè)。但是，應(yīng)當(dāng)注意所述獨(dú)立分量分析僅僅是基于信號(hào)的獨(dú)立性的，因此分離信號(hào)的次序和量值保持任意性。換句話說(shuō)，如果相互交換分離矩陣W(ω)的行或如果將W(ω)的行乘以常數(shù)，則它們?nèi)匀槐３譃楠?dú)立分量分析的解。如下所述，次序的任意性導(dǎo)致置換問(wèn)題，量值的任意性導(dǎo)致定標(biāo)問(wèn)題。
考慮分離矩陣W(ω)的第i行wi(ω)＝[WiI(ω)，...，WiJ(ω)]，可以看出wi(ω)建立了分離信號(hào)Yi(ω，m)。因此，wi(ω)重點(diǎn)指定源信號(hào)S1(ω，m)、...、SI(ω，m)之一，同時(shí)抑制其他者。通過(guò)分析由wi(ω)形成的方向性模式(directivity pattern)，可以進(jìn)行分析以看提取來(lái)臨信號(hào)的方向是什么和抑制來(lái)臨信號(hào)的方向是什么。因此，可以依靠這個(gè)分析來(lái)估計(jì)源信號(hào)si(t)的到達(dá)方向。當(dāng)對(duì)于每個(gè)wi(ω)、i＝1，...，I重復(fù)這個(gè)處理的時(shí)候，可以估計(jì)在分離矩陣W(ω)中由每個(gè)wi(ω)提取的源信號(hào)的到達(dá)方向θ＝[θ1(ω)，...，θI(ω)]T。
可以使用到達(dá)方向向量a(ω，θ)將由wi(ω)定義的方向性模式表達(dá)為Bi(ω，θ)＝wi(ω)a(ω，θ)。Bi(ω，θ)被當(dāng)作從位于方向θ的源信號(hào)到分離信號(hào)Yi(ω，θ)的頻率響應(yīng)。圖2示出了在3156Hz的、在獨(dú)立分量分析之后的方向性模式的增益|Bi(ω，θ)|，其中橫坐標(biāo)表示θ，而縱坐標(biāo)表示增益。以實(shí)線示出的曲線表示由分離矩陣的第一行給出的方向性模式|B1(ω，θ)|，以虛線示出的曲線表示由第二行給出的方向性模式|B2(ω，θ)|?？梢钥闯?，實(shí)線曲線在55°具有最小增益，虛線曲線在121°具有最小增益。由此顯然，分離矩陣的第一行提取來(lái)自121°的來(lái)臨信號(hào)，同時(shí)抑制來(lái)自55°的來(lái)臨信號(hào)，分離矩陣的第二行提取從55°來(lái)臨信號(hào)，同時(shí)抑制從121°來(lái)臨信號(hào)。因此，可以提供估計(jì)θ(3156Hz)＝[121°，55°]T。
MUSIC(多信號(hào)分類)方法(例如參見(jiàn)S.Unnikrishna Pillai，“Array SignalProcessing”，Springer-Verlag，1989，ISBN 0-387-96951-9，ISBN 3-540-96951-9(S.Unnikrishna Pillai，“陣列信號(hào)處理”，Springer-Verlag，1989，ISBN0-387-96951-9，ISBN 3-540-96951-9))被公知為使用多個(gè)傳感器來(lái)估計(jì)多個(gè)信號(hào)源的方向和在頻域中轉(zhuǎn)換來(lái)自傳感器的被觀察信號(hào)的方法。使用這種方法可以估計(jì)多達(dá)(J-1)個(gè)——比傳感器的數(shù)量J小1——信號(hào)源的方向。相反，按照包括獨(dú)立分量分析的方法(這樣的方法被簡(jiǎn)稱為ICA方法)，兩個(gè)傳感器可以容納兩個(gè)信號(hào)的混合，因此這種方法在這個(gè)方面比MUSIC方法優(yōu)越。但是，使用這種ICA方法，對(duì)于三個(gè)或更多信號(hào)的混合體的容納有困難，如下所述。另外，方向性模式的最小增益的確定需要高計(jì)算成本的計(jì)算。
以下說(shuō)明將ICA方法應(yīng)用到使用三個(gè)傳感器的三個(gè)信號(hào)的混合體。在這種情況下，ICA可以以與上述類似的方式取代為3×3分離矩陣，但是方向性模式的增益分析有困難。圖3示出了在ICA處理之后的頻率2734Hz的方向性模式的增益|Bi(ω，θ)|。在圖3中，實(shí)線曲線表示由分離矩陣的第一行給出的方向性模式，虛線曲線表示由第二行給出的方向性模式，單點(diǎn)劃線曲線表示由第三行給出的方向性模式。在這種情況下，期望每個(gè)源信號(hào)將由分離矩陣的某個(gè)行加重，并且由剩余的兩行抑制。但是，不總是保證兩行在同一方向抑制信號(hào)。舉例而言，參見(jiàn)圖3，可以看出|B2|和|B3|都假定最小值在45°附近，以指示w1(ω)提取位于45°附近的源信號(hào)，而w2(ω)和w3(ω)抑制這個(gè)源信號(hào)。以類似的方式，|B1|和|B3|都假定最小值在90°附近，以指示w2(ω)提取了位于90°附近的源信號(hào)，而w1(ω)和w3(ω)抑制這個(gè)源信號(hào)。盡管如此，雖然看起來(lái)w3(ω)提取了位于120°附近的源信號(hào)，而w1(ω)和w2(ω)抑制這個(gè)源信號(hào)，但是可以看出，在120°附近的|B1|和|B2|的最小值彼此相差很大。當(dāng)以這種方式來(lái)提高所述差別的時(shí)候，確定在任何方向進(jìn)行的哪個(gè)抑制對(duì)應(yīng)于哪個(gè)源信號(hào)變得不清楚。結(jié)果，可以預(yù)料向涉及三個(gè)或更多的信號(hào)的情形應(yīng)用包括ICA方法的現(xiàn)有技術(shù)是難以實(shí)現(xiàn)的。
盲信號(hào)分離現(xiàn)在說(shuō)明使用ICA的盲信號(hào)分離的現(xiàn)有技術(shù)。所述盲信號(hào)分離表示用于從被觀察的混合信號(hào)估計(jì)一個(gè)或多個(gè)源信號(hào)的技術(shù)。在隨后的說(shuō)明中，將處理一個(gè)示例，其中使用J個(gè)傳感器來(lái)觀察包括I個(gè)源信號(hào)的混合體的混合信號(hào)。
將由信號(hào)源i產(chǎn)生的源信號(hào)表示為si(t)(i＝1，...，I；t表示時(shí)間)并且將由傳感器j觀察的混合信號(hào)表示為xj(t)(j＝1，...，J)，則可以將混合信號(hào)xj(t)表示如下
xj(t)=Σi=1I(aji*si)(t)---(7)]]>其中，aji表示從信號(hào)源i到傳感器j的脈沖響應(yīng)，*是卷積運(yùn)算符。盲信號(hào)分離的目的是按照下列方程僅僅使用被觀察信號(hào)xj(t)確定分離所需要的濾波器wkj和分離信號(hào)yk(t)(k＝1，...，I)yk(t)=Σj=1J(wkj*xj)(t)---(8)]]>在時(shí)域中的卷積混合可以被變換為頻域中的多個(gè)即時(shí)混合。具體地說(shuō)，上述的方程(7)和(8)分別由方程(1)和(5)表示，其中W(ω)是使用ICA計(jì)算的分離矩陣以便Yk(ω，m)和Yk′(ω，m)互相獨(dú)立，并且是ICA的解。
在頻域中的盲信號(hào)分離期間的事件涉及置換問(wèn)題和定標(biāo)問(wèn)題。
如上所述，在分離矩陣W(ω)中的行的交換也產(chǎn)生獨(dú)立分量分析的解。因此，假定W(ω)是在某個(gè)特定角頻率ω的ICA的解，并且將任意的對(duì)角矩陣表示為D(ω)和將任意的置換矩陣(這個(gè)矩陣與任意矩陣的左乘積產(chǎn)生通過(guò)置換所述任意矩陣的行而獲得的矩陣)表示為P(ω)，則P(ω)D(ω)W(ω)也算ICA的解。這是因?yàn)镮CA僅僅在源信號(hào)之間的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的條件下執(zhí)行源信號(hào)的分離。由D(ω)給出的解的自由度被稱為定標(biāo)模糊性，并且由P(ω)給出的解的自由度被稱為置換模糊性。
因此。為了執(zhí)行適當(dāng)?shù)拿ば盘?hào)分離，必須從ω的所有值的ICA的解中識(shí)別適合于作為分離矩陣的解W(ω)。一般，通過(guò)將通過(guò)適當(dāng)?shù)腄(ω)或P(ω)任意獲得的ICA的一個(gè)解乘以被選擇作為適當(dāng)解W(ω)的結(jié)果來(lái)進(jìn)行對(duì)于適當(dāng)解W(ω)的識(shí)別。以對(duì)于ω的所有值的適當(dāng)方式確定D(ω)被稱為定標(biāo)(scaling)問(wèn)題，并且以適當(dāng)方式確定P(ω)被稱為置換問(wèn)題。置換指的是從{1，2，...，I}到{1，2，...，I}的雙射函數(shù)Z{1，2，...，I}→{1，2，...，I}，并且與置換矩陣具有一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
定標(biāo)自由度等同于在時(shí)域中改變頻率響應(yīng)的濾波器的自由度。因此，為了在時(shí)域中產(chǎn)生無(wú)失真的分離信號(hào)，必須以對(duì)于ω的所有值的適當(dāng)方式來(lái)確定D(ω)?？梢酝ㄟ^(guò)例如選擇D(ω)＝diag(W-1(ω))來(lái)容易地求解這個(gè)定標(biāo)問(wèn)題。diag(α)表示矩陣α的對(duì)角線化(這要使得除了對(duì)角元素之外的所有元素為0)。因此，對(duì)于任意獲得的ICA的解W0(ω)，獲得逆矩陣，并且將其對(duì)角線化以提供矩陣D(ω)，D(ω)W0(ω)被識(shí)別為適當(dāng)?shù)姆蛛x矩陣W(ω)。這在本領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)公知。例如，這在下面的參考文獻(xiàn)中得到說(shuō)明K.Matsuoka and S.Naksshima，“Minimal Distortion Principle of Blind Source Separation”，Proc.ICA2001，pp.722-727(K.Matsuoka和S.Naksshima，“盲源分離的最小失真原理”，ICA(國(guó)際通信協(xié)會(huì))2001會(huì)刊，第722-727頁(yè))。
另一方面，因?yàn)橹脫Q模糊性，有可能作為按照方程(5)計(jì)算結(jié)果，分離信號(hào)Y1(ω，m)被提供作為對(duì)于在某個(gè)角頻率ω1的源信號(hào)S1(ω，m)的估計(jì)，而分離信號(hào)Y1(ω2，m)可以被提供作為在另一個(gè)角頻率ω2的源信號(hào)S2(ω2，m)的估計(jì)。在這樣的情況下，在時(shí)域中的源信號(hào)s1(t)的分量和s2(t)的分量可以以混合體提供在時(shí)域中的輸出y1(t)中，防止不正確地產(chǎn)生分離信號(hào)。因此，為了使得在時(shí)域中的輸出信號(hào)y1(t)正確地成為源信號(hào)s1(t)的估計(jì)，必須正確地確定P(ω)以便Y1(ω，m)成為對(duì)于ω的所有值的S1(ω，m)的估計(jì)。
在所引用的文獻(xiàn)1中公開(kāi)的用于估計(jì)信號(hào)的到達(dá)方向的方法被公知為用于置換問(wèn)題的現(xiàn)有技術(shù)的典型解決方案。具體地說(shuō)，以參照?qǐng)D2(在圖2中示出了僅僅用于f＝3156Hz的方向性模式)上述的方式在每個(gè)頻率確定對(duì)應(yīng)于分離矩陣W(ω)的每行的方向性模式。進(jìn)行配置以便在獨(dú)立頻率的這些方向性模式中，由分離矩陣W(ω)的第一行給出的方向性模式的最小增益發(fā)生在55°，并且由第二行給出的方向性模式的最小增益發(fā)生在121°。因此，如果在某個(gè)角頻率ωn的由分離矩陣W(ωn)的第一行給出的方向性模式的最小增益發(fā)生在121°，并且由第二行提供的方向特性的最小增益發(fā)生在55°，則置換分離矩陣W(ωn)的第一行和第二行。換句話說(shuō)，執(zhí)行這樣的置換的置換矩陣P(ωn)被左乘到W(ωn)。
解決所述置換問(wèn)題的這種方法在如上所述確定的方向性模式的最小增益時(shí)需要高的計(jì)算成本，另外，在信號(hào)源的數(shù)量I等于或大于3的時(shí)候，需要適當(dāng)?shù)刂匦虏贾糜糜谒蓄l率的W(ω)的試錯(cuò)法。另外，如上參照?qǐng)D3所述，不保證當(dāng)W(ω)的行提取在給定方向中的信號(hào)Si(ω，m)時(shí)，W(ω)的剩余行抑制在那個(gè)方向中的信號(hào)Si(ω，m)。
另外，通過(guò)搜索方向性模式的低增益而估計(jì)信號(hào)的到達(dá)方向的精度依賴于信號(hào)源的位置。特別是，當(dāng)一個(gè)信號(hào)的到達(dá)方向接近連接傳感器對(duì)1j和1j′的直線(以下稱為傳感器對(duì)軸)的時(shí)候，誤差的量值提高。這已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明。如圖4A所示，作為麥克風(fēng)的傳感器對(duì)101和102相隔距離2.83厘米，作為聲音源的信號(hào)源對(duì)111和112被布置在距離傳感器101和102之間的中點(diǎn)(原點(diǎn))給定距離(大約150厘米)的位置，并且角度相隔20°。從傳感器101觀看傳感器102的方向被選擇為基準(zhǔn)(0°)，并且聲音源111和112在保持上述距離和角間隔的同時(shí)被移動(dòng)，以便從原點(diǎn)觀看的信號(hào)源111的角度θ從10°改變到150°。
在圖4B中圖解了在以這種方式移動(dòng)聲音源111和112的同時(shí)已經(jīng)進(jìn)行的盲信號(hào)分離，其中縱坐標(biāo)表示信號(hào)干擾比率，并且使用目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)被計(jì)算如下SIR＝10log10(目標(biāo)信號(hào)的功率/干擾信號(hào)的功率)(dB)。圖4B的橫坐標(biāo)表示從原點(diǎn)觀看的聲音源111的角度θ。實(shí)線圖示出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線圖指示當(dāng)對(duì)置換獲得正確解的時(shí)候的SIR。
從圖4B看出，當(dāng)信號(hào)源111接近傳感器對(duì)軸(它是0°或180°)時(shí)，由實(shí)驗(yàn)獲得的SIR與對(duì)于置換的正確解獲得的SIR相比較大大減小。相信這可歸因于當(dāng)信號(hào)源111的方向靠近傳感器對(duì)軸的方向的時(shí)候置換有錯(cuò)。
使用獨(dú)立分量分析來(lái)確定分離矩陣、從分離矩陣的每行獲得方向特征模式、搜索低增益的方向以確定信號(hào)源的方向(到達(dá)信號(hào)方向)和利用其來(lái)實(shí)線盲信號(hào)分離的過(guò)程在確定方向特征模式和搜索低增益的方向時(shí)需要大量的計(jì)算時(shí)間。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于估計(jì)位置信息的裝置、方法和程序，它使得可以降低在通過(guò)獨(dú)立分量分析確定分離矩陣時(shí)和在估計(jì)信號(hào)源的位置信息時(shí)所需要的計(jì)算時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明，計(jì)算用于頻域中的分離矩陣W(ω1)、...、W(ωN)的逆矩陣(或?qū)τ贗＜J的偽逆矩陣)以產(chǎn)生相當(dāng)于定標(biāo)和置換模糊性(scaling and permutationambiguity)的混合矩陣(mix)A(ω1)、...、A(ωN)的估計(jì)H(ω1)、...、H(ωN)。根據(jù)每個(gè)頻率的每個(gè)列H(ωN)(n＝1，...，N)的兩個(gè)元素Hji(ωN)和Hj′i(ωN)之間的比率(其中j和j′是表示傳感器的參數(shù)，i是表示信號(hào)源的參數(shù))，例如計(jì)算諸如其上存在信號(hào)源的錐面或曲面之類的信號(hào)源i的位置信息的參數(shù)之一。
計(jì)算所需要的是按照以矩陣中的元素比率來(lái)表達(dá)的公式的計(jì)算，并且計(jì)算量比當(dāng)確定分離信號(hào)的方向性模式和搜索其最小方位角時(shí)降低。使用元素比率避免了定標(biāo)模糊性的影響。


圖1是圖解在傳感器陣列與來(lái)臨信號(hào)到獨(dú)立傳感器的到達(dá)時(shí)間的差別之間的關(guān)系的圖；圖2圖示了由分離矩陣的各個(gè)行給出的增益指示的方向性模式，所述增益是通過(guò)ICA處理對(duì)于來(lái)自兩個(gè)聲音源的混合信號(hào)計(jì)算的；圖3圖示了由分離矩陣的各個(gè)行給出的增益指示的方向性模式，所述增益是通過(guò)ICA處理對(duì)于來(lái)自三個(gè)聲音源的混合信號(hào)計(jì)算的；圖4A是圖解在用于初步實(shí)驗(yàn)中的傳感器和信號(hào)源之間的關(guān)系的圖；圖4B圖示了初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖4C圖示了在估計(jì)方向和其對(duì)于混合矩陣估計(jì)誤差的敏感度之間的關(guān)系；圖5是示出在估計(jì)信號(hào)到達(dá)方向中應(yīng)用了本發(fā)明的第一實(shí)施例的示范功能配置的方框圖；圖6是用于第一實(shí)施例的示范處理程序的流程圖；圖7是圖5所示的角度計(jì)算器的具體示例的方框圖；圖8是在圖6中所示的步驟S4的具體示例的流程圖；圖9圖示了按照第一實(shí)施例進(jìn)行的用于估計(jì)方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖10A圖示了對(duì)于兩個(gè)聲音源和三個(gè)麥克風(fēng)的組合的、按照第一實(shí)施例估計(jì)方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖10B圖示了在與用于圖10A的實(shí)驗(yàn)的相同條件下按照MUSIC方法進(jìn)行方向估計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖11A圖示了對(duì)于兩個(gè)聲音源和三個(gè)麥克風(fēng)的組合的、按照第一實(shí)施例的方向估計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖11B圖示了在與用于圖11A的實(shí)驗(yàn)的相同條件下按照MUSIC方法的方向估計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖12是按照其中向盲信號(hào)分離應(yīng)用本發(fā)明的第二實(shí)施例的功能配置的方框圖；圖13是用于第二實(shí)施例的示范處理程序的流程圖；圖14是用于圖13所示的步驟S14的處理程序的具體示例的方框圖；圖15是圖解對(duì)于多個(gè)錐面公用的直線的方向圖；圖16是圖12所示的到達(dá)方向確定單元16的另一個(gè)示例的方框圖；圖17是按照其中向盲信號(hào)分離應(yīng)用本發(fā)明的第三實(shí)施例的功能配置的方框圖；圖18是用于第三實(shí)施例的示范處理程序的流程圖；圖19是圖18所示的步驟S35的具體示例的流程圖；圖20是圖解在傳感器的布置、信號(hào)源的位置和估計(jì)的曲面之間的關(guān)系的圖；圖21是估計(jì)的球面的一個(gè)示例的圖解；圖22是用在實(shí)驗(yàn)中的房間及其相對(duì)于麥克風(fēng)和聲音源的關(guān)系的圖；圖23是通過(guò)使用近距麥克風(fēng)對(duì)獲得的估計(jì)方向的直方圖；圖24圖示了相對(duì)于頻率繪制的估計(jì)方向；圖25圖示了相對(duì)于頻率繪制的聲音源24和25的估計(jì)球面的半徑的分布；圖26是列出使用各種方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表；圖27是本發(fā)明的第四實(shí)施例的必要部分的功能配置的方框圖；圖28是其中將本發(fā)明應(yīng)用到盲信號(hào)分離的第五實(shí)施例的示范處理程序的流程圖；圖29圖示了對(duì)于第五實(shí)施例進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖30A是用于確定對(duì)于多個(gè)錐面共用的直線的方向以求解分離矩陣的置換的處理程序的必要部分的流程圖；圖30B是通過(guò)使用錐面的估計(jì)和球面的估計(jì)來(lái)求解分離矩陣的置換的處理程序的必要部分的流程圖；圖30C是通過(guò)使用錐面的估計(jì)和球面的估計(jì)來(lái)求解分離矩陣的置換的另一個(gè)處理程序的必要部分的流程圖。
具體實(shí)施例方式
將首先說(shuō)明一個(gè)實(shí)施例，其中本發(fā)明被應(yīng)用到表示信號(hào)源的位置信息的方向信息的估計(jì)中。在隨后的說(shuō)明中，在全部附圖中相同或?qū)?yīng)的部分被指定類似的附圖標(biāo)號(hào)，以便避免重復(fù)說(shuō)明。
第一實(shí)施例在這個(gè)第一實(shí)施例中，確定信號(hào)源的方向或從信號(hào)源發(fā)出的源信號(hào)的到達(dá)方向。
圖5示出了第一實(shí)施例的功能配置，圖6示出了其處理程序的部分流程圖。
在數(shù)量上等于或大于信號(hào)源的數(shù)量I的J個(gè)傳感器11、12、...、1J被布置在圖1所示的陣列中。在相鄰傳感器之間的間隔通常等于或小于源信號(hào)的最短波長(zhǎng)的一半。由傳感器1j(j＝1、2、...、J)觀察的信號(hào)xj(t)通過(guò)在相應(yīng)的頻域變換器11j中的短時(shí)間傅立葉變換變換為頻域信號(hào)Xj(ω，m)(步驟S1，圖6)。通過(guò)在分離矩陣計(jì)算器12中的獨(dú)立分量分析處理來(lái)計(jì)算關(guān)于這些頻域信號(hào)Xj(ω，m)的每個(gè)角頻率ωn的分離矩陣W(ωn)(n＝1，2，...，N)(步驟S2，圖6)。
W(ω)＝(W(ω1)，W(ω2)，...，W(ωN))在逆矩陣計(jì)算器13中計(jì)算每個(gè)頻率的分離矩陣W(ωn)的逆矩陣，因此確定逆矩陣H(ωn)(步驟S3，圖6)H(ω)＝(H(ω1)，H(ω2)，...，H(ωN))應(yīng)當(dāng)注意逆矩陣的計(jì)算被改變?yōu)閷?duì)于J＞I的偽逆矩陣的計(jì)算。偽逆矩陣可以是例如Moore-Penrose廣義逆矩陣。
在這個(gè)實(shí)施例中，在角度計(jì)算器14中從用于至少一個(gè)頻率的逆矩陣H(ωn)的每個(gè)列i的兩個(gè)元素Hji(ωn)和Hj′i(ωn)的比率的幅角來(lái)計(jì)算源信號(hào)的到達(dá)方向(步驟S4，圖6)。將參照?qǐng)D7和8來(lái)說(shuō)明用于角度計(jì)算器14的具體功能配置和示范處理程序。選擇器14a在關(guān)于還未被選擇的角頻率ωn的逆矩陣H(ωn)中選擇一列i(步驟S4A，圖8)，并且從第i列選擇兩個(gè)元素Hji(ωn)和Hj′i(ωn)(步驟S4B，圖8)。
幅角計(jì)算器14b計(jì)算在所選擇的元素Gi(ωn)＝arg[Hji(ωn)/Hj′i(ωn)]之間的比率的幅角，并且間隔計(jì)算器14c從傳感器信息存儲(chǔ)器15得到傳感器1j和1j′的位置信息dj和dj′，以確定在傳感器1j和1j之間的間隔dj-dj′(步驟S4c，圖8)。應(yīng)當(dāng)注意每單位距離的相位旋轉(zhuǎn)的數(shù)量ωn/c對(duì)于例如f＝680Hz的聲音波(具有等于340米/秒的速度c)將是每米2π·2的相位旋轉(zhuǎn)。
確定單元14f確定除法器14e的除法結(jié)果Gi(ωn)是否具有等于或小于1的絕對(duì)量值(步驟S4e，圖8)。如果絕對(duì)量值等于或小于1，則在反余弦計(jì)算器14g中計(jì)算Gi(ωn)的反余弦θi(ωn)＝cos-1Gi(ωn)(步驟S4f，圖8)。因此，在角度計(jì)算器中進(jìn)行下列的計(jì)算Gi(ωn)＝arg[Hji(ωn)/Hj′i(ωn)]/ω(dj-dj′)cθi(ωn)＝cos-1Gi(ωn)對(duì)于|Gi(ωn)|≤1 (9)如果在步驟S4e中|Gi(ωn)|不等于或小于1，則角度θi(ωn)將是虛數(shù)，導(dǎo)致選擇另一個(gè)組合。為此，由確定單元14f進(jìn)行確定以查看是否已經(jīng)選擇了在第i列中的元素的每個(gè)組合(步驟S4g，圖8)。如果存在任何未選擇的組合，則操作返回步驟S4b。另一方面，當(dāng)已經(jīng)選擇了每個(gè)組合的時(shí)候，確定單元14f確定是否已經(jīng)選擇了每個(gè)列(步驟S4h，圖8)。如果存在任何未選擇的列，則操作返回步驟S4a。當(dāng)已經(jīng)選擇了每個(gè)列的時(shí)候，結(jié)束角度計(jì)算的處理操作。應(yīng)當(dāng)注意，圖7所示的間隔計(jì)算器14c由角度計(jì)算器14共同地用于每個(gè)頻率。
以對(duì)應(yīng)于以所選擇的次序的H(ω)中的所選擇的角頻率ωn的逆矩陣H(ωn)的每個(gè)列的方式來(lái)從角度計(jì)算器14提供方程(7)的計(jì)算結(jié)果，即，I個(gè)信號(hào)源的方向(信號(hào)到達(dá)方向)θ(ωn)＝(θ1(ωn)，θ2(ωn)，...，θI(ωn))。具體地說(shuō)，如果以第一列開(kāi)始依次進(jìn)行選擇，則以那個(gè)順序?？梢钥闯?，θ1(ωn)、θ2(ωn)、...、θI(ωn)應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于源信號(hào)s1(t)、s2(t)、...、sI(t)的到達(dá)方向(信號(hào)源1、2、...、I的方向)的任何一個(gè)。
現(xiàn)在說(shuō)明在本實(shí)施例中用于允許估計(jì)信號(hào)到達(dá)方向的機(jī)制。如果通過(guò)獨(dú)立分量分析(ICA)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)分離，則由ICA處理計(jì)算的分離矩陣W(ω)和真(true)混合矩陣A(ω)相關(guān)聯(lián)，以便P(ω)D(ω)W(ω)A(ω)＝I，其中D(ω)表示指示定標(biāo)模糊性的對(duì)角矩陣，P(ω)是指示置換模糊性的置換矩陣，I是單位矩陣。如果使用ICA處理，則一般不能計(jì)算混合矩陣A(ω)本身。但是，當(dāng)計(jì)算W(ω)的逆矩陣或H(ω)＝W-1(ω)＝A(ω)P(ω)D(ω)的時(shí)候，獲得包括定標(biāo)模糊性或置換模糊性的混合矩陣的估計(jì)。因此，逆矩陣H(ω)包括混合矩陣A(ω)，其列按照P(ω)置換并且乘以D(ω)的對(duì)角元素。
在這個(gè)實(shí)施例中，從逆矩陣H(ω)的同一列i取兩個(gè)元素Hji(ωn)和Hj′i(ωn)，并且確定比率Hji(ωn)/Hj′i(ωn)以消除由不能計(jì)算的D(ω)引起的定標(biāo)模糊性。因此Hji(ω)Hj'i(ω)=[A(ω)P(ω)D(ω)]ji[A(ω)P(ω)D(ω)]j'i=Ajz(i)(ω)Aj′z(i)(ω)---(21)]]>其中Z表示對(duì)應(yīng)于置換矩陣P(ω)從右乘的乘積的置換。當(dāng)對(duì)于逆矩陣H(ω)的每個(gè)列i進(jìn)行按照方程(2)的計(jì)算的時(shí)候，可以與通過(guò)P(ω)的置換Z無(wú)關(guān)地估計(jì)所有信號(hào)的到達(dá)方向。
在背景技術(shù)的說(shuō)明中，混合矩陣A(ω)的一個(gè)元素已經(jīng)被建模為Aji(ω)＝exp(jωc-1djcosθi)。但是，這樣的簡(jiǎn)單模型不足以用于本實(shí)施例的目的，因?yàn)槭褂梅蛛x矩陣W(ω)的逆矩陣H(ω)來(lái)計(jì)算相當(dāng)于定標(biāo)模糊性(scalingambiguity)和置換模糊性(permutation ambiguity)的混合矩陣A(ω)的一個(gè)估計(jì)。因此，使用在原點(diǎn)的幅度衰減因子αji(實(shí)數(shù))和相差exp(jφi)，可以使用差模型Aji(ω)＝αjiexp(jφi)exp(jωc-1djcosθi)。當(dāng)使用這個(gè)模型來(lái)計(jì)算AjZ(i)(ω)/Aj′z(ω)的時(shí)候，從方程(21)得出Hji(ω)Hj'i(ω)=Ajz(i)(ω)Aj'z(i)(ω)=αjz(i)αj'z(i)exp(jωc-1(dj-dj')cosθz(i))---(22)]]>結(jié)果，我們有Gi(ω)＝arg[Hji(ω)/Hj′i(ω)]/(Hj′i(ω)c-1(dj-dj'))＝cosθZ(i)。如果|Gi(ω)|≤1，則θZ(i)＝cos-1Gi(ω)表示實(shí)數(shù)，使得可以估計(jì)到達(dá)方向。按照置換Z的自由度正確地重新布置或置換的所有I方向θ(ω)＝[θZ(i)(ω)，...，θZ(I)(ω)]對(duì)應(yīng)于信號(hào)s1、...、sI的方向。
或者，可以以上述的方式對(duì)于在H(ω)中的多個(gè)頻率或每個(gè)頻率的每個(gè)列和每個(gè)逆矩陣H(ωn)(n＝1，...，N)確定角θi(ωn)，并且可以根據(jù)這些角的整體組合來(lái)確定獨(dú)立的到達(dá)方向。具體地說(shuō)，由角度計(jì)算器14估計(jì)的獨(dú)立頻率的到達(dá)方向在圖5所示的分類器32中分類為不同的角度(步驟S5，圖6)。例如，這些方向可以以角度的降序布置?？梢砸越敌?θ1(ω1)，θ2(ω1)，...θI(ω1))來(lái)布置角頻率ω1的分量θ(ω1)；可以以降序(θ1(ω2)，θ2(ω2)，...θ2(ω2))來(lái)布置角頻率ω2的分量θ(ω2)...可以以降序(θ1(ωN)，θ2(ωN)，...θI(ωN))來(lái)布置角頻率ωN的分量θ(ω1)。當(dāng)以這種方式以降序分類時(shí)，角度可能從頻率到頻率不同，即使它們?cè)诮敌蛏项愃?。換句話說(shuō)，角度θi(ω1)、θi(ω2)、...、θi(ωN)(i＝1，...，I)是分散的。
因此，分類角度θi(ω1)、θi(ω2)、...、θi(ωN)在統(tǒng)一單元33中被統(tǒng)一到單個(gè)角度θi中，并且這個(gè)角度θi被作為到達(dá)方向(步驟S6，圖6)。為了統(tǒng)一的目的，可以選擇分類角度(θi(ω1)、θi(ω2)、...、θi(ωN))的平均值作為統(tǒng)一角度θi，或者可以選擇在分類角度(θi(ω1)、θi(ω2)、...、θi(ωN))中具有最高頻率的值或中間值作為統(tǒng)一角θi。當(dāng)分類角度被統(tǒng)一成單個(gè)角度的時(shí)候，有可能比當(dāng)僅僅根據(jù)單個(gè)頻率的逆矩陣H(ωn)估計(jì)到達(dá)方向的時(shí)候更準(zhǔn)確地估計(jì)到達(dá)方向。
在圖8所示的角度計(jì)算和估計(jì)中，如果甚至對(duì)于一個(gè)所選擇的列不能確定角度θi(ωn)，則對(duì)于那個(gè)逆矩陣H(ωn)的處理操作在那個(gè)點(diǎn)終止，并且處理操作轉(zhuǎn)向不同頻率的逆矩陣H(ωn)。如果在初始嘗試期間對(duì)于每個(gè)列成功地完成了角度(方向)計(jì)算，則那個(gè)計(jì)算結(jié)果可以被選擇作為估計(jì)的(方向)θ1、...、θI。或者，在用于各個(gè)頻率的所有逆矩陣H(ωn)中，可以分類和統(tǒng)一能夠已經(jīng)對(duì)于每個(gè)列成功地進(jìn)行的角度計(jì)算結(jié)果。作為另一個(gè)替代方式，如果對(duì)于一個(gè)列出現(xiàn)計(jì)算角度θi(ωn)的失敗，則可以在第一次出現(xiàn)這樣的失敗的時(shí)候終止隨后的處理操作，并且可以在確定觀察信號(hào)時(shí)重新開(kāi)始處理操作以便增強(qiáng)估計(jì)結(jié)果的可靠性。
現(xiàn)在說(shuō)明第一實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)示例。三個(gè)麥克風(fēng)在具有190毫秒的混響時(shí)間的房間中以56.6毫米的間距排列在一行中，并且三個(gè)聲音源被以相對(duì)于所述陣列的方向48°、73°和119°的角度布置。來(lái)自聲音源的聲音信號(hào)被混合在一起達(dá)6秒，并且以8kHz的采樣頻率和3kHz的最大頻率以及1024個(gè)采樣的一個(gè)短時(shí)間傅立葉變換幀來(lái)采樣被觀察信號(hào)，在所述3kHz的最大頻率下，防止了空間混疊。在圖9中示出了對(duì)于每個(gè)頻率計(jì)算的角度，其中橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示方向。在圖9中，◇、+、□指示對(duì)于三個(gè)聲音源的方向的所計(jì)算的估計(jì)值。當(dāng)所獲得的結(jié)果分類為三個(gè)角度范圍的時(shí)候，分類角度的平均值是45°、74°和123°。雖然在MUSIC方法不能估計(jì)使用三個(gè)麥克風(fēng)的三個(gè)聲音源的方向，但可以看出，利用這個(gè)實(shí)施例可將聲音源的方向估計(jì)到相當(dāng)高的精度。
為了相對(duì)于MUSIC方法來(lái)比較這個(gè)實(shí)施例的方法，已經(jīng)通過(guò)布置具有在48°和119°的聲音源方向的兩個(gè)聲音源來(lái)進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，因此在其間具有較大的角度偏移。圖10A示出了使用本實(shí)施例的方法獲得的結(jié)果，而圖10B中示出了使用MUSIC方法獲得的結(jié)果?？梢钥闯觯魏我环N方法都以相當(dāng)高的精度估計(jì)了方向。當(dāng)按照本實(shí)施例的結(jié)果分類為兩個(gè)方向范圍的時(shí)候，作為結(jié)果的平均角是45°和123°，而按照MUSIC方法的對(duì)應(yīng)平均值分別是45°和122°。已經(jīng)重復(fù)了當(dāng)兩個(gè)聲音源在角度上彼此接近而具有在105°和119°方向的時(shí)候的類似實(shí)驗(yàn)。圖11A和11B分別示出了按照所述實(shí)施例的方法獲得的結(jié)果和按照MUSIC方法獲得的結(jié)果。對(duì)于多數(shù)頻率，不能使用MUSIC方法來(lái)進(jìn)行聲音源的方向估計(jì)，但是按照用于多數(shù)頻率的實(shí)施例，角度計(jì)算是可能的。另外，當(dāng)所獲得的角度分類為多個(gè)范圍的時(shí)候，在各個(gè)范圍內(nèi)的平均值等于105°和124°，可以看出這比作為94°和128°的按照MUSIC方法的對(duì)應(yīng)平均值更準(zhǔn)確。
如上所述，按照本實(shí)施例，將值代入方程(9)中使得可以確定所估計(jì)的方向，因此按照所述實(shí)施例的計(jì)算時(shí)間比傳統(tǒng)的方法少得多，所述傳統(tǒng)方法搜索方向性模式的增益低的方向。由ICA處理獲得的分離矩陣W(ω)包括如上所述的定標(biāo)自由度和置換自由度，因此，可以考慮計(jì)算其中解決了自由度問(wèn)題的分離矩陣W′(ω)的逆矩陣，或者計(jì)算真混合矩陣A(ω)，并且根據(jù)用于混合矩陣A(ω)的每個(gè)列的兩個(gè)元素的比率來(lái)估計(jì)到達(dá)方向。但是，不能不使用例如信號(hào)源的信號(hào)si(t)的平均功率被選擇為1的限制而確定所述真混合矩陣A(ω)本身。對(duì)于一個(gè)信號(hào)源使用這樣的限制在無(wú)線通信領(lǐng)域中是可能的，但是當(dāng)信號(hào)源的信號(hào)si(t)是由人直接發(fā)出的語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)候，不能使用所述種類的限制。另一方面，按照第一實(shí)施例，通過(guò)形成包括定標(biāo)和置換模糊性的分離矩陣W(ω)的逆矩陣H(ω)的每列的兩個(gè)元素的比率來(lái)解決定標(biāo)自由度的問(wèn)題，并且這樣的方法適用于任何信號(hào)源。另外，這避免了計(jì)算解決了所述兩個(gè)問(wèn)題的分離矩陣的必要，因此減少了計(jì)算時(shí)間。另外，一旦以預(yù)定的次序分類對(duì)于獨(dú)立頻率獲得的估計(jì)方向，則也可以以簡(jiǎn)單的方式來(lái)解決置換問(wèn)題。如果信號(hào)源的數(shù)量等于傳感器的數(shù)量J，則可以估計(jì)每個(gè)信號(hào)源的方向。如果某些信號(hào)源的方向彼此接近，則可以以相當(dāng)高的精度來(lái)進(jìn)行估計(jì)。
第二實(shí)施例第二實(shí)施例針對(duì)獲得作為信號(hào)源的一項(xiàng)位置信息的方向信息。按照第二實(shí)施例，被布置在至少兩維中的至少三個(gè)傳感器使得每當(dāng)定向信號(hào)源時(shí)可以估計(jì)信號(hào)源的方向，因此使得可以以較簡(jiǎn)單的方式來(lái)解決涉及盲信號(hào)分離的置換問(wèn)題。具體地說(shuō)，估計(jì)基于方向信息的錐面，并且估計(jì)低于多個(gè)錐面共用的直線以確定方向信息。
圖12示出了被應(yīng)用到盲信號(hào)分離系統(tǒng)的第二實(shí)施例的功能配置，圖13示出了其中使用的處理程序。舉例而言，四個(gè)傳感器11、12、13和14等間隔布置在一個(gè)圓周上，所述間隔被選擇為等于或小于源信號(hào)的最小波長(zhǎng)的一半。在隨后的說(shuō)明中，假定傳感器的數(shù)量是J，其中J≥3。以與在第一實(shí)施例中類似的方式，由每個(gè)傳感器j(j＝1，...，J)觀察的被觀察信號(hào)xj(t)在可以包括例如短時(shí)間傅立葉變換的頻域變換器11中被變換為在頻域中的信號(hào)Xj(ωn)(步驟S11)。
分離矩陣計(jì)算器12通過(guò)獨(dú)立分量分析來(lái)從在頻域中的信號(hào)Xj(ωn)計(jì)算每個(gè)頻率的分離矩陣(步驟S12)
W(ω)=W11(ω)…W1J(ω).........WI1(ω)…WIJ(ω)]]>逆矩陣計(jì)算器13計(jì)算每個(gè)頻率的每個(gè)分離矩陣W(ω)的逆矩陣H(ω)(步驟S13)H(ω)=H11(ω)…H1I(ω).........HJ1(ω)…HJI(ω)]]>在第二實(shí)施例中，錐面估計(jì)器14根據(jù)多個(gè)元素對(duì)的元素的比率來(lái)估計(jì)其上存在一些信號(hào)源的錐面，所述多個(gè)元素對(duì)對(duì)于每個(gè)頻率的逆矩陣H(ω)的每個(gè)列不同，并且具有由連接對(duì)應(yīng)于所述元素的兩個(gè)傳感器的傳感器對(duì)軸限定的中心軸。以這種方式估計(jì)多個(gè)錐面，其中每個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)混合矩陣H(ω)的每個(gè)列(步驟S14)。
錐面估計(jì)器14的功能配置與圖15所示的角度計(jì)算器實(shí)質(zhì)上類似，并且用于錐面估計(jì)器的處理程序類似于圖8所示的程序。將參照?qǐng)D14來(lái)說(shuō)明對(duì)于確定頻率的逆矩陣H(ω)的、在錐面估計(jì)器14內(nèi)發(fā)生的、在步驟S14的處理操作的一個(gè)具體示例。
首先，初始化被存儲(chǔ)在錐面估計(jì)器14內(nèi)的寄存器中的控制參數(shù)i和p(步驟S20)。其中i對(duì)應(yīng)于每個(gè)信號(hào)源的編號(hào)，p表示已經(jīng)對(duì)于i的每個(gè)值估計(jì)的錐面的數(shù)量。
i以1遞增(步驟S21)，g以1遞增(步驟S22)，例如隨機(jī)選擇作為等于或小于j的相互不同的自然數(shù)的控制參數(shù)j、j′(j≠j′)(步驟S23)。被選擇一次的控制參數(shù)對(duì)j、j′不再次對(duì)于同一i值被選擇。例如，如果對(duì)于i＝1選擇一次(j，j′)＝(1，2)，則不在步驟S23再次選擇(j，j′)＝(1，2)，直到對(duì)于i＝1的處理操作結(jié)束。(期望進(jìn)行這個(gè)選擇以便傳感器對(duì)軸、即通過(guò)由所選擇的j和j′指定的傳感器j和j′的直線與在這個(gè)例程期間先前選擇的j、j′指定的傳感器對(duì)軸不對(duì)齊。隨后，錐面估計(jì)器14將估計(jì)多個(gè)錐面，它們具有在給定誤差范圍內(nèi)不重疊的中心軸?？梢岳缤ㄟ^(guò)下列方式來(lái)確定是否幾個(gè)傳感器對(duì)軸對(duì)齊通過(guò)在傳感器信息存儲(chǔ)器15內(nèi)存儲(chǔ)指示傳感器的位置的向量，并且通過(guò)檢索用于表示指示傳感器的位置的向量的信息。)從傳感器信息存儲(chǔ)器15檢索向量dj，指示對(duì)應(yīng)于在S23中選擇的參數(shù)j的第j個(gè)傳感器j的位置；以及向量dj′，用于指示對(duì)應(yīng)于參數(shù)j′的第j′個(gè)傳感器j′的位置(步驟S24)。指定檢索第j行第i列元素Hji(ω)和第j′行第i列元素Hj′i(ω)(步驟S25)。通過(guò)圖7中所示的選擇器14a來(lái)執(zhí)行這些操作。因此，應(yīng)當(dāng)明白，選擇器14a包括寄存器，用于存儲(chǔ)所指定的i、p、j和j′。
使用所檢索的信息，按照下列方程來(lái)進(jìn)行計(jì)算(步驟S26) 其中‖dj-dj′‖表示在傳感器1j和1j′之間的間距或距離。在第二實(shí)施例中，多個(gè)傳感器被布置成二或三維。因此，獨(dú)立傳感器的位置信息被兩個(gè)或三個(gè)元素坐標(biāo)向量表示，所述坐標(biāo)向量具有原點(diǎn)在傳感器11-14所位于的圓周的中心?？梢曰貞洠匠?9)是針對(duì)指示當(dāng)傳感器被布置為線性陣列時(shí)信號(hào)的到達(dá)方向的二維角展開(kāi)的，但是方程(9′)是方程(9)的擴(kuò)展，其擴(kuò)展在于傳感器可以被布置在二或三維空間中，并且指示信號(hào)到達(dá)方向的角度可以在三維空間中。因此，可以明白，方程(9′)包含方程(9)。按照方程(9′)和相關(guān)聯(lián)的參數(shù)i、j和j′估計(jì)的角度 被暫時(shí)存儲(chǔ)在錐面估計(jì)器14內(nèi)的寄存器(存儲(chǔ)器)中作為錐面信息(步驟S27)。如圖12a中的虛線所示，用于每個(gè)頻率的間隔計(jì)算器14c共用。按照方程(9)計(jì)算的角度θi(ω)估計(jì)傳感器對(duì)軸(連接傳感器1j和1j′的直線)的角度等于θi(ω)的三維空間中的一組不可數(shù)條直線，或者在錐面上的信號(hào)源i的存在。擴(kuò)展方程(9′)的計(jì)算結(jié)果被表示為 而不是θi(ω)。使用圖7所示的幅角計(jì)算器14b、間隔計(jì)算器14c、相位旋轉(zhuǎn)計(jì)算器14d、除法器14e、確定單元14f和反余弦計(jì)算器14g來(lái)在圖8中的步驟S4c、S4d、S4e和S4f進(jìn)行在步驟S26發(fā)生的計(jì)算。
進(jìn)行確定以查看是否p＝P(步驟S28)。P是對(duì)于每個(gè)i值要估計(jì)的錐面的數(shù)量，這個(gè)步驟確定是否已經(jīng)對(duì)于特定的i估計(jì)了P個(gè)錐面。如果p不等于P，則進(jìn)行確定以查看是否i＝I(步驟S29)。因此，進(jìn)行確定以看是否已經(jīng)對(duì)于i的所有值完成了錐面的估計(jì)。如果i不等于I，則操作返回步驟S21，但是如果i＝I，則處理操作被完成(這完成了步驟S14的具體示例的說(shuō)明)。在第一實(shí)施例中，當(dāng)對(duì)于特定的i值估計(jì)角度θi(ω)的一個(gè)值的時(shí)候，操作轉(zhuǎn)到對(duì)于下一個(gè)i值的角度的估計(jì)。但是，在第二實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)i值估計(jì)多個(gè)角度(錐面) 通過(guò)確定單元14f來(lái)執(zhí)行步驟S28和S29的操作。
圖12所示的到達(dá)方向確定單元16根據(jù)關(guān)于在錐面估計(jì)器14中估計(jì)的多個(gè)錐面(它們是圖12的步驟S15的i、j、j′和 (i＝1，...，I))的信息確定源信號(hào)的到達(dá)方向ui(ω)＝(方位角θi(ω)和仰角φi(ω))(i＝1，...，I)。具體地說(shuō)，舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于特定i值估計(jì)的多個(gè)錐面可以彼此線連接以產(chǎn)生公用的直線，其方向被看作對(duì)應(yīng)于信號(hào)源i的信號(hào)的到達(dá)方向ui(ω)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D15來(lái)說(shuō)明用于估計(jì)信號(hào)的到達(dá)方向ui(ω)的方法。傳感器13被布置在與由傳感器11和12形成的陣列的方向垂直的方向中，并且假定在傳感器11和12之間的間距與在傳感器12和13之間的間距相等。對(duì)于表示i＝2的信號(hào)源22，11和12的組合估計(jì)具有傳感器對(duì)軸312作為中心軸的錐面412 12和13的組合估計(jì)具有傳感器對(duì)軸323作為中心軸的錐面423 11和13的組合估計(jì)具有傳感器對(duì)軸313作為中心軸的錐面413 在這些錐面中，錐面412和413被當(dāng)作以公用直線52彼此線連接。公用直線52的方向u2(ω)被當(dāng)作從信號(hào)源22輻射的信號(hào)的到達(dá)方向u2或者信號(hào)源22的方向。雖然當(dāng)錐面423進(jìn)行平移時(shí)總是與錐面412和413實(shí)質(zhì)性地線連接的時(shí)候，但按照如下所述的第四實(shí)施例將其丟棄。
現(xiàn)在說(shuō)明用于確定在圖12所示的到達(dá)方向確定單元16內(nèi)發(fā)生的公用直線5i的方向θi(ω)的方法的一個(gè)具體示例。對(duì)于在角頻率ω的信號(hào)源2i的存在而估計(jì)的多個(gè)錐面被表示為4jj′(1)、...、4jj′(P)，在錐面4jj′(p)(p＝1，...，P)的估計(jì)中使用的傳感器對(duì)的位置信息被表示為dj(p)和dj′(p)，對(duì)應(yīng)于對(duì)于角頻率ω估計(jì)的錐面4jj′(p)的角度被表示為 并且用于表示錐面4jj′(p)的向量被表示為u。
標(biāo)準(zhǔn)化軸向量計(jì)算器16a將連接傳感器對(duì)的位置的軸向量(dj(p)-dj′(p))標(biāo)準(zhǔn)化為長(zhǎng)度l。換句話說(shuō)，計(jì)算vp＝(dj(p)-dj′(p))/‖dj(p)-dj′(p)‖。
假定vp和錐面向量的內(nèi)積是在這些向量之間形成的角度的余弦。因此，應(yīng)用 因?yàn)槲覀円赖膬H僅是公用直線5i的方向，因此錐面向量u被表示為單位向量或‖u‖＝1。為了確定對(duì)于所有錐面公用的直線的方向，表示V＝(v1...vP)T， 可以對(duì)于u求解下面的聯(lián)立方程。
對(duì)于該聯(lián)立方程的解，一般不存在或不能被唯一地確定。因此，最小化 的u被確定，并且被使得作為聯(lián)立方程的解或公用直線5i的方向ui(ω)。在計(jì)算器16b中執(zhí)行用于確定最小化這個(gè)誤差的u的計(jì)算。因?yàn)榉较騯i(ω)表示在三維中的方向，因此以方位角θi(ω)和仰角φi(ω)的形式的極坐標(biāo)來(lái)給出方向。
可以使用下面的方法來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。如圖16所示，確定用于每個(gè)傳感器對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)化的軸向量vp(p＝1，...，P)，它用于在標(biāo)準(zhǔn)化軸向量計(jì)算器16a中估計(jì)錐面，在逆矩陣計(jì)算器16c中計(jì)算對(duì)于V＝(vl，...，vP)T的Moore-Penrose型廣義逆矩陣V+，并且使用V+和余弦向量 來(lái)確定作為最小范數(shù)型或獲得最小二乘誤差的解，并且標(biāo)準(zhǔn)化該量值以提供近似解。換句話說(shuō)，在計(jì)算器16d中計(jì)算 以這種方式，對(duì)于每個(gè)頻率和對(duì)于每個(gè)信號(hào)源確定被當(dāng)作對(duì)于多個(gè)被估計(jì)的錐面公用的直線的方向。
圖12所示的置換解算器17使用由到達(dá)方向確定單元16確定的到達(dá)方向ui＝(θi，φi)執(zhí)行在分離矩陣計(jì)算器12中計(jì)算的分離矩陣W(ω)中的行置換，因此產(chǎn)生已經(jīng)求解了置換問(wèn)題的分離矩陣。
為了給出由置換解算器17執(zhí)行的內(nèi)容的一個(gè)具體示例，以下述的方式來(lái)按照到達(dá)方位角θi執(zhí)行置換，并且對(duì)于不能求解所述問(wèn)題的一個(gè)列或多個(gè)列，以類似的方式按照到達(dá)仰角φi(ω)來(lái)執(zhí)行置換。具體地說(shuō)，在置換矩陣產(chǎn)生器17a中產(chǎn)生一個(gè)置換矩陣，其中在逆矩陣H(ω)中的列被置換，以便已經(jīng)被計(jì)算和確定的到達(dá)方位角(θi，ω)采用給定的次序，諸如用于任何頻率的升序θ1、θ2、...、θI，并且以便仰角φi對(duì)于置換失敗的那些列類似地以升序。在逆矩陣產(chǎn)生器17b中產(chǎn)生置換矩陣的逆矩陣P(ω)。在置換器17c中，將逆矩陣P(ω)左乘分離矩陣W(ω)。置換矩陣產(chǎn)生器和逆矩陣產(chǎn)生器17b一起形成一個(gè)置換矩陣產(chǎn)生器。
將具體地說(shuō)明在置換矩陣產(chǎn)生器17a中發(fā)生的處理操作。在這個(gè)示例中，假定按照方程(9′)，對(duì)于逆矩陣H(ω)的第一列計(jì)算(θ1(ω)，φ1(ω))，對(duì)于第二列計(jì)算(θ2(ω)，φ2(ω))...對(duì)于第I列計(jì)算(θI(ω)，φI(ω))。從到達(dá)方向確定單元161輸入的到達(dá)方向被表示為具有上標(biāo)“′”的θ和φ或表示為(θ1′(ω)，φ1′(ω))、(θ2′(ω)，φ2′(ω))、...、(θI′(ω)，φI′(ω))，以便將它們與以升序置換的角度區(qū)別開(kāi)，并且它們以例如θi′(ω)的升序排列。如果結(jié)果使得(θ3′(ω)，φ3′(ω))＞(θI′(ω)，φI′(ω))＞(θ2′(ω)，φ2′(ω))＞...，則移動(dòng)發(fā)生，以便逆矩陣H(ω)的第三列采用第一列，第一列采用第二列，第二列采用第三列，并且剩余的列類似地移動(dòng)。對(duì)于采用θi′(ω)的相同值的列，移動(dòng)列以便φi′(ω)采用升序。以這種方式移動(dòng)或置換列置換矩陣被產(chǎn)生。操作執(zhí)行這樣的置換的矩陣是本領(lǐng)域內(nèi)公知的。使用對(duì)于每個(gè)頻率獲得的到達(dá)方向(θ1(ω)，φ1(ω))、...、(θ1(ω)，φ2(ω))產(chǎn)生置換矩陣，并且計(jì)算其逆矩陣或置換矩陣P(ω)(圖13的步驟S16)。
以這種方式計(jì)算的置換矩陣P(ω)在置換器單元(17c)中被左乘到分離矩陣W(ω)，并且產(chǎn)生的矩陣W′(ω)＝P(ω)W(ω)被提供作為已經(jīng)求解了置換問(wèn)題的分離矩陣(步驟S17)。因此，對(duì)于任何頻率，在分離矩陣W′(ω)中，第一行包括從信號(hào)源21分離信號(hào)的元素，第二行包括從信號(hào)源22分離信號(hào)的元素，并且類似地在一個(gè)公用行中的元素是從同一信號(hào)源分離信號(hào)的元素。
分離矩陣W′(ω)在時(shí)域變換器18中通過(guò)例如逆傅立葉變換被變換為在信號(hào)分離器19中建立的時(shí)域分離系數(shù)庫(kù)W11···W1J·········WI1···WIJ.]]>信號(hào)分離器19使用來(lái)自傳感器的被觀察信號(hào)x1(t)、...、xJ(t)和分離濾波系數(shù)庫(kù)執(zhí)行按照方程(8)的計(jì)算以提供分離信號(hào)y1(t)、...、yJ(t)。
如圖12中的虛線所示，使用來(lái)自置換解算器17的置換的分離矩陣W′(ω)和來(lái)自頻域變換器11的頻域觀察信號(hào)X(ω，m)來(lái)在頻域分離信號(hào)產(chǎn)生器19′中進(jìn)行按照方程(5)的計(jì)算，并且產(chǎn)生的頻域分離信號(hào)Y(ω，m)＝W′(ω)X(ω，m)可以被應(yīng)用到時(shí)域信號(hào)變換器18′以產(chǎn)生時(shí)域信號(hào)y1(t)、...、yI(t)?；蛘?，由到達(dá)方向確定單元16確定的每個(gè)頻率的到達(dá)方向(θ1(ω)，φ1(ω))、...、(θI(ω)，φI(ω))可以以與在第一實(shí)施例中類似的方式，即在圖5所示的分類器32中分類為多個(gè)方向范圍，并且每個(gè)分類范圍的整個(gè)頻率上的到達(dá)方向可以在統(tǒng)一單元33中被統(tǒng)一。
如上所述，再次在這種實(shí)施例中，按照方程(9′)的計(jì)算估計(jì)錐面信息 而不搜索在方向性模式中的低增益的方向，因此，減少了計(jì)算量。另外，因?yàn)閷?duì)于單個(gè)信號(hào)源估計(jì)多個(gè)錐面，并且根據(jù)期間的公用直線來(lái)確定信號(hào)的到達(dá)方向，因此有可能唯一地估計(jì)信號(hào)源3i的方向而不管所述信號(hào)源位于從0°到360°的范圍內(nèi)的任何位置。在置換矩陣P(ω)的確定中使用所估計(jì)的方向，因此，可以正確地解決置換問(wèn)題而不管信號(hào)源的位置如何。
第三實(shí)施例在第三實(shí)施例中，其上存在信號(hào)源的曲面被用作基于傳感器對(duì)和一個(gè)單個(gè)信號(hào)源之間的距離的比率的位置信息。在第一和第二實(shí)施例中，進(jìn)行假定信號(hào)源遠(yuǎn)離傳感器，因此來(lái)自所述信號(hào)源的信號(hào)作為平面波到達(dá)傳感器。但是，當(dāng)在信號(hào)源和傳感器之間的距離較短的時(shí)候，信號(hào)作為球面波到達(dá)傳感器?？紤]到此，當(dāng)按照球面波(近距離場(chǎng))模型來(lái)解釋混合矩陣A(ω)的元素的比率Aji(ω)/Aj′i(ω)的時(shí)候，可以估計(jì)除了信號(hào)源的方向之外的信息。
具體地說(shuō)，使用近距離場(chǎng)模型，頻率響應(yīng)Aji(ω)可以被表達(dá)如下Aji(ω)＝(1/‖qi-dj‖)exp(jωc-1(‖qi-dj‖))其中，qj是指示信號(hào)源i的位置的向量。
使用以上述方式表達(dá)的頻率響應(yīng)來(lái)形成在混合矩陣的公用列中的兩個(gè)元素的比率Aji(ω)/Aj′i(ω)，并且所述比率的絕對(duì)量值被計(jì)算如下‖qi-dj′‖/‖qi-dj‖＝|Aji(ω)/Aj′i(ω)| (10)其中|β|表示β的絕對(duì)量值。
滿足方程(10)的一組不可數(shù)個(gè)點(diǎn)qj限定了其上存在信號(hào)源i的曲面，并且使得可以當(dāng)與使用遠(yuǎn)距離場(chǎng)(平面波模型)估計(jì)的方向(或錐面)組合使用的時(shí)候估計(jì)從傳感器到信號(hào)源i的距離。因此，如果兩個(gè)或更多的信號(hào)源位于同一方向或相互鄰近的方向中的時(shí)候，如果在所述距離上有差別，則它們可以被區(qū)分，使得可以正確地解決置換問(wèn)題。
在在此圖解的第三實(shí)施例中，表示其上存在信號(hào)源的曲面的位置信息和如上處理的方向信息被用于解決分離矩陣的置換問(wèn)題。
圖17示出了第三實(shí)施例的功能配置，在圖18中示出了處理程序。三個(gè)或更多的傳感器被布置在二維或三維中，但是在這個(gè)實(shí)施例中，在傳感器12和13之間的間距被選擇為例如在圖20所示的傳感器11和12之間的間距的10-20倍，最好在大約15倍。以與在前面的實(shí)施例中類似的方式，被觀察信號(hào)x1(t)、...、xJ(t)被轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)X1(ω，m)、...、XJ(ω，m)(步驟S11)。隨后，使用獨(dú)立分量分析處理來(lái)計(jì)算每個(gè)頻率的分離矩陣W(ω)(步驟S12)，并且計(jì)算作為分離矩陣W(ω)的逆矩陣的矩陣H(ω)(步驟S13)。在所示的示例中，使用與在第二實(shí)施例中類似的方式，使用從每個(gè)頻率的逆矩陣H(ω)的每列選擇的一對(duì)元素來(lái)估計(jì)一個(gè)或最好多個(gè)錐面(步驟S14)。在第三實(shí)施例中，距離比率計(jì)算器31使用對(duì)于每個(gè)頻率的逆矩陣H(ω)的每列選擇的元素對(duì)來(lái)計(jì)算在對(duì)應(yīng)的傳感器和單個(gè)信號(hào)源i之間的距離的比率，因此使用方程(10)和(21)來(lái)得出下面的方程(10′)(步驟S35)‖qz(i)-dj′‖/‖qz(i)-dj‖＝|Ajz(i)(ω)/Aj′z(i)(ω)|＝|Hji(ω)/Hj′i(ω)|＝DRi，jj′(10′)將參照?qǐng)D19來(lái)說(shuō)明在距離比率計(jì)算器31中發(fā)生的步驟35的距離示例。這個(gè)處理操作實(shí)質(zhì)上類似于圖14所示的處理操作。參數(shù)i被初始化為0(步驟S20)，并且然后遞增1(步驟S21)，等于或小于J的自然數(shù)被例如隨機(jī)選擇作為j、j′(j≠j′)，并且被選擇一次的對(duì)不再被選擇(步驟S23)。檢索傳感器j的位置向量dj和傳感器j′的位置向量j′(步驟S24)，并且從逆矩陣H(ω)的第i列選擇元素Hji(ω)和Hj′(ω)(步驟S25)。
在這個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算所選擇的兩個(gè)元素的比率DRi，jj′(ω)(步驟S41)。然后進(jìn)行確定以看是否i＝I(步驟S29)，并且除非i＝I，操作返回步驟S21，但是如果i＝2，則完成處理操作。
由距離比率計(jì)算器31計(jì)算的距離比率信息DRi，jj′(ω)被提供到置換解算器17，置換解算器17使用在到達(dá)方向確定單元16中估計(jì)的方向信息ui(ω)和由距離比率計(jì)算器31計(jì)算的距離比率信息DRi，jj′(ω)來(lái)解算對(duì)于由分離矩陣計(jì)算器12計(jì)算的分離矩陣的置換問(wèn)題。
通過(guò)執(zhí)行在W(ω)中的行置換來(lái)解決置換問(wèn)題。例如，使用方向信息和距離比率信息，距離估計(jì)器17d計(jì)算信號(hào)源2i的距離‖qi(ω)‖(步驟S36)。
將參照?qǐng)D20來(lái)說(shuō)明計(jì)算距離‖qi(ω)‖的方法。信號(hào)源21和22位于與從傳感器11和12觀看的相同的方向B。在這種情況下，傳感器11和12和按照遠(yuǎn)距離場(chǎng)模型估計(jì)的信號(hào)源21和22的方向u1和u2限定相同的直線。另一方面，如果存在信號(hào)源21，則可以使用大間距的傳感器12和13和近距離場(chǎng)模型從所述距離比率DR1，23(ω)＝|H21(ω)/H31(ω)|＝‖q1-d3‖/‖q1-d2‖來(lái)估計(jì)曲面61。以這種方式，可以估計(jì)‖qi(ω)‖。如果存在信號(hào)源22，則可以從距離比率DR2，23(ω)＝|H22(ω)/H32(ω)|＝‖q2-d3‖/‖q2-d2‖估計(jì)其上存在信號(hào)源22的曲面62。因此可以估計(jì)‖q2(ω)‖。
可以將信號(hào)源21的位置估計(jì)為存在于在直線u1＝u2和曲面61之間的公用區(qū)域上，并且可以將信號(hào)源22的位置估計(jì)為存在于在直線u1＝u2和曲面62之間的公用區(qū)域上。例如，可以使用表示直線u1＝u2的方程和表示曲面61和62的方程作為聯(lián)立方程，它們可以被求解來(lái)確定‖q1(ω)‖和‖q2(ω)‖。以這種方式，如果信號(hào)源的方向是相同的或緊密相關(guān)的，則有可能區(qū)別信號(hào)源的位置。
置換解算器17執(zhí)行在分離矩陣W(ω)中的行置換，以便以上述方式獲得的每個(gè)頻率的信號(hào)源‖qi(ω)‖的距離是在給定的次序，例如以升序。在此，計(jì)算置換矩陣P(ω)(步驟S37)?？梢允褂门c在第二實(shí)施例中的置換解算器計(jì)算置換矩陣類似的方式來(lái)計(jì)算置換矩陣P(ω)。所計(jì)算的置換矩陣P(ω)被左乘到置換矩陣W(ω)，并且產(chǎn)生的矩陣W′(ω)＝P(ω)W(ω)被提供作為分離矩陣(步驟S38)。
所提供的分離矩陣W′(ω)被提供到時(shí)域變換器18，在此它用于信號(hào)分離。
可以從圖20明白，考慮傳感器12和13，在信號(hào)源21和傳感器12之間的距離與在信號(hào)源21和傳感器13之間的距離之間存在大差別，而在信號(hào)源22和傳感器12之間的距離與在信號(hào)源22和傳感器13之間的距離之間的差別較小。因此，在DR1，23＝‖q1-d3‖/‖q1-d2‖和數(shù)字1之間的差具有較大的絕對(duì)量值，而在DR2，23＝‖q2-d3‖/‖q2-d2‖和數(shù)字1之間的差具有小的絕對(duì)量值。在傳感器12和13之間的間距越大，則在距離比率DR1，23(ω)和DR2，23(ω)之間的差越大。在此使用期間具有大間距的傳感器對(duì)，在這個(gè)示例中是12和13。
在置換解算器17中，如在圖8的步驟S37所示，可以使用所計(jì)算的距離比率DRi，jj′(ω)產(chǎn)生置換矩陣，其中所確定的DRi，jj′(ω)以每個(gè)頻率的逆矩陣H(ω)的第一列、第二列、第三列、...、第I列的次序的升序，并且可以產(chǎn)生置換矩陣P(ω)。在這種情況下，省略圖17所示的距離估計(jì)器17d?？梢杂?jì)算距離比率DRi，jj′(ω)，其中不能在到達(dá)方向確定單元16內(nèi)計(jì)算方向信息ui(ω)，或者不能僅僅對(duì)于已經(jīng)對(duì)于逆矩陣H(ω)的多個(gè)列計(jì)算了相等值的ui(ω)的信號(hào)源i和傳感器ij′計(jì)算方向信息ui(ω)，并且這本身或與進(jìn)一步確定的‖qi(ω)‖組合用于置換在分離矩陣W(ω)中的行。具體地說(shuō)，可以使用方向信息ui(ω)來(lái)置換在分離矩陣W(ω)中的行，其后，可以使用不能成功地進(jìn)行使用ui(ω)的置換的行的距離比率DRi，jj′(ω)或‖qi(ω)‖來(lái)進(jìn)一步執(zhí)行W(ω)的行置換。實(shí)際上，產(chǎn)生同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)置換的置換矩陣P(ω)。
距離比率DRi，jj′(ω)被初始地確定，執(zhí)行在分離矩陣W(ω)中的行置換，并且當(dāng)還不能確定距離比率DRi，jj′(ω)的時(shí)候，可以使用方向信息ui(ω)來(lái)繼續(xù)分離矩陣W(ω)的置換。再一次，產(chǎn)生同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)置換的置換矩陣P(ω)。一般，可以以比DRi，jj′(ω)更高的精度來(lái)使用ui(ω)，因此，優(yōu)選的是，主要進(jìn)行按照ui(ω)的置換，并且當(dāng)這不可能時(shí)，執(zhí)行按照DRi，jj′(ω)的置換。
當(dāng)由距離DRi，jj′(ω)表示方程(10′)的右側(cè)并且對(duì)于qi求解所述方程的時(shí)候，獲得具有由下列方程(11)和(12)給出的中心Oi，jj′(ω)和半徑Ri，jj′(ω)的球面Oi，jj′(ω)＝dj-(dj′-dj)/(DR2i，jj′(ω)-1)(11)Ri，jj′(ω)＝‖DRi，jj′(ω)·(dj′-dj)/(DR2i，jj′(ω)-1)‖(12)舉例而言，當(dāng)定位傳感器1j′和1j使得單位是米的dj＝(0，0.15，0)和dj′＝(0，-0.15，0)的時(shí)候，在Ri，jj′(ω)被用作參數(shù)的時(shí)候，由方程(9)確定的球面將如圖21所示。
這意味著在用作位置信息的由方程(11)和(12)給出的球面上存在信號(hào)源i。因此，圖17所示的置換解算器17的距離估計(jì)器17d可以被當(dāng)作曲面估計(jì)器(如在括號(hào)中所示)，以便計(jì)算在還不能確定方向信息ui(ω)的、對(duì)于參數(shù)i和jj′的曲面估計(jì)器17d中的方程(11)中出現(xiàn)的半徑Ri，jj′(ω)和中心Oi，jj′(ω)(如圖18中所示的步驟S36的括號(hào)中所示)?？梢源_定置換矩陣P(ω)，以便對(duì)于任何頻率的任何逆矩陣H(ω)，Ri，jj′(ω)和中心Oi，jj′(ω)采用相同的序列。
在如果與球面信息DRi，jj′(ω)或Ri，jj′(ω)組合地使用錐面信息 或方向信息ui(ω)則不能確定置換矩陣P(ω)的情況下，傳統(tǒng)的相關(guān)性方法(參見(jiàn)例如H.Sawada et al“A robust and precise method for solving the permutation problemof frequency-domain blind source separation”，in Proc.Intl.Symp.on IndependentComponent Analysis and Blind Signal Separation(ICA2003)，2003，pp.505-510(H.Sawada等，“用于解決頻域盲源分離的置換問(wèn)題的強(qiáng)壯和精確的方法”，獨(dú)立分量分析和盲信號(hào)分離(ICA2003)國(guó)際研討會(huì)會(huì)刊，2003，第505-510頁(yè)))可以被應(yīng)用到這樣的一個(gè)或多個(gè)頻率。如在圖17中的虛線所示，由信號(hào)分離器19分離的輸出信號(hào)yi(t)、...、yI(t)可以像例如在頻域變換器11一樣在頻域變換器33中被變換為頻域信號(hào)Y1(ω，m)、...、YI(ω，m)，并且相關(guān)性計(jì)算器34可以計(jì)算置換解算器17未能產(chǎn)生置換矩陣的、對(duì)應(yīng)于頻率分量fank的頻域信號(hào)Y1(ω，m)、...、YI(ω，m)的一個(gè)分量和接近fank并且已經(jīng)成功地獲得置換矩陣的頻域信號(hào)的頻率分量之間的相關(guān)性。置換解算器17執(zhí)行對(duì)于頻率fank的分離矩陣的行置換，以便提高相關(guān)性。對(duì)于基于行置換的分離矩陣的分離輸出信號(hào)yi(t)、...、yI(t)中的fank分量，在相關(guān)性計(jì)算器33中再次計(jì)算相關(guān)性。這個(gè)處理被重復(fù)，直到所計(jì)算的相關(guān)性到達(dá)最大值。如果相關(guān)性的最大值不能達(dá)到給定的值，則在相關(guān)性計(jì)算器34中計(jì)算在所述fank分量和已經(jīng)獲得置換矩陣并且與fank具有基波或諧波關(guān)系(一般選擇諧波關(guān)系)的那些頻率分量之間的相關(guān)性的和，并且在修改器17e中重復(fù)在fank的分離矩陣中的行置換，以便相關(guān)性的和提高直到相關(guān)性的和達(dá)到最大值。當(dāng)分離矩陣W(ω)被應(yīng)用到頻域信號(hào)X(ω，m)以如上結(jié)合第二實(shí)施例所述來(lái)確定頻域分離信號(hào)Y(ω，m)的時(shí)候，這個(gè)Y(ω，m)可以用于相關(guān)性計(jì)算器34的計(jì)算中。
現(xiàn)在說(shuō)明第三實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)示例，其中已經(jīng)使用混合語(yǔ)音作為信號(hào)源進(jìn)行了分離實(shí)驗(yàn)，在所述信號(hào)源中卷積了在房間中實(shí)際測(cè)量的脈沖響應(yīng)。如圖22所示，傳感器包括非定向麥克風(fēng)11到14，它們被等距布置在具有4厘米直徑的圓周上的水平面上，以便它們的中心位于355厘米×445厘米×250厘米(高)和具有130毫秒的回響時(shí)間的房間中的135厘米高度處(在這個(gè)附圖的左上部分，所述麥克風(fēng)11到14被放大示出)，并且非定向麥克風(fēng)15到18被等距布置在具有30厘米直徑的圓周上，以便使得麥克風(fēng)11、13、15、17形成線性陣列，麥克風(fēng)12、14、16、18形成線性陣列。從麥克風(fēng)11到麥克風(fēng)15選擇一個(gè)方向作為基準(zhǔn)(0°)并且選擇麥克風(fēng)的布置的中心作為原點(diǎn)，聲音源21被布置在-30°方向，聲音源22在+30°方向，聲音源23在+90°方向，聲音源26在-150°方向，它們都與原點(diǎn)相隔120厘米，聲音源24被布置在150°方向，并且在與原點(diǎn)180厘米的間距處。使用采樣頻率kHz、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度6秒、幀長(zhǎng)度2048個(gè)采樣(256毫秒)和幀位移512個(gè)采樣(64毫秒)。
使用對(duì)應(yīng)于麥克風(fēng)對(duì)11和13、12和14、11和12、12和13的頻域分離矩陣W(ω)的行來(lái)進(jìn)行聲音源(錐面)的方向的估計(jì)。圖22中示出了所估計(jì)的直方圖，其中橫坐標(biāo)表示估計(jì)的方向，縱坐標(biāo)表示信號(hào)的數(shù)量。可以看出，估計(jì)的方向分在5個(gè)簇，位于150°附近的簇是其他簇的兩倍。這允許六個(gè)聲音源的兩個(gè)從同一方向(150°附近)來(lái)臨的估計(jì)。對(duì)于4個(gè)聲音源，已經(jīng)根據(jù)估計(jì)的方向而求解了置換問(wèn)題，結(jié)果如圖24所示，其中橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示方向(以度為單位)。
對(duì)于兩個(gè)剩余的聲音源，已經(jīng)使用寬間距的麥克風(fēng)對(duì)17和15、17和18、16和15、16和18按照其上可以存在聲音源的球面的半徑來(lái)識(shí)別來(lái)臨信號(hào)。圖25示出了使用麥克風(fēng)對(duì)17和15估計(jì)的球面的半徑，其中橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示半徑(米)。
由于回響的影響和估計(jì)的誤差，不可能單獨(dú)根據(jù)位置信息來(lái)完全地求解置換問(wèn)題。因此，對(duì)于可以根據(jù)所估計(jì)的位置信息無(wú)矛盾地分類信號(hào)的頻率，根據(jù)這樣的信息產(chǎn)生置換矩陣，并且對(duì)于剩余的頻率，使用基于相關(guān)性的方法用于求解置換問(wèn)題。最后，當(dāng)在時(shí)域中確定分離濾波系數(shù)的時(shí)候已經(jīng)進(jìn)行了頻譜平滑化。對(duì)于頻譜平滑化，參見(jiàn)例如H.Sawada et al，“Special smoothingfor frequency-domain blind source separation”，in Proc.IWAENC 2003，2003，pp.311-314(H.Sawada等，“用于頻域盲源分離的頻譜平滑”，IWAENC會(huì)刊，2003，第311-314頁(yè))。圖26中指示了分離性能(SIR)的估計(jì)結(jié)果，其中數(shù)字是以dB為單位，并且在這個(gè)表格中，C表示單獨(dú)使用相關(guān)性方法來(lái)解決置換問(wèn)題，D+C表示使用方向(錐面)的估計(jì)來(lái)求解置換問(wèn)題，同時(shí)使用相關(guān)性方法來(lái)用于求解置換問(wèn)題的失敗，而D+S+C指示使用方向(錐面)的估計(jì)和球面的估計(jì)來(lái)解決置換問(wèn)題，同時(shí)使用相關(guān)性方法來(lái)用于還未解決置換問(wèn)題的頻率。通過(guò)使用后一種方法，可以分離所有六種聲音源，并且在輸入的SIR上的SIR的改進(jìn)被計(jì)算為平均的17.1dB。
在第二實(shí)施例中，傳感器被布置在二維中，但是因?yàn)橛蓚鞲衅鲗?duì)估計(jì)的球面相對(duì)于傳感器的二等分線對(duì)稱出現(xiàn)，當(dāng)在三維上存在信號(hào)源的時(shí)候，不能使用在二維中布置的傳感器來(lái)確定，需要傳感器也被布置在三維中。
如上所述，在第三實(shí)施例中，按照方程(9′)來(lái)估計(jì)錐面信息，并且按照方程(10′)來(lái)估計(jì)曲面信息，因此減少了計(jì)算量。另外，因?yàn)橥ㄟ^(guò)錐面和球面的距離比率DRi，jj′(ω)或距離‖qi(ω)‖或半徑Ri，jj′(ω)之一的組合來(lái)解決置換問(wèn)題，如果兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)源位于同一方向或緊密鄰近的方向，則可以區(qū)別它們。當(dāng)增加相關(guān)性方法的時(shí)候，有可能實(shí)現(xiàn)更可靠的分離?？梢钥闯?，DRi，jj′(ω)最好作為球面信息，因?yàn)檫@簡(jiǎn)化了計(jì)算。
第四實(shí)施例在第四實(shí)施例中，驗(yàn)證被估計(jì)的錐面的可靠性，并且已經(jīng)被確定為具有高可靠性的錐面用于解決分離矩陣的置換。如圖27所示，例如，在錐面驗(yàn)證器41中根據(jù)從可允許的角度信息存儲(chǔ)器42提供的可允許角度信息來(lái)驗(yàn)證由錐面估計(jì)器14估計(jì)的錐面信息 以看是否它具有可靠性。具體地說(shuō)，按照方程(9′)確定的角度 表示相對(duì)于在獲得這個(gè)角度中使用的傳感器1j和1j′的陣列的方向的相對(duì)角度，并且如上參照?qǐng)D4B所述，當(dāng)角度 為大約0°和180°時(shí)，假定不能正確進(jìn)行置換。
為此，被估計(jì)為允許置換正確進(jìn)行的最小值θmin和最大值θmax在可允許角度存儲(chǔ)器42中被存儲(chǔ)為可允許角度信息。如果估計(jì)的錐面信息 位于θmin和θmax之間，則在要提供的錐面驗(yàn)證器41中確定它是可靠的錐面，即可以使用它來(lái)解決置換問(wèn)題。但是，如果它不位于θmin和θmax之間，則將那個(gè) 作為缺少可靠性而丟棄，并且不使用它來(lái)解決置換。例如，丟棄圖15所示的錐面413。
由錐面驗(yàn)證器41驗(yàn)證為可靠的錐面信息 被提供到圖12所示的到達(dá)方向確定單元16，或者被直接提供到如上參照?qǐng)D17所述的置換解算器17。作為由在圖13和18中所示的處理程序中從步驟S14擴(kuò)展的虛線所示的步驟S100，進(jìn)行驗(yàn)證以看是否被估計(jì)的錐面 具有可靠性，并且僅當(dāng)確定它具有可靠性的時(shí)候才發(fā)生向下一個(gè)步驟的轉(zhuǎn)移。將按照方程(9′)計(jì)算的在arg(Hji/Hj′i)中包括的誤差表示為 并且將在估計(jì)的角度 中包括的誤差表示為 可以通過(guò)求方程(9′)的偏導(dǎo)數(shù)來(lái)將其間的比率 近似如下 已經(jīng)對(duì)于幾個(gè)頻率計(jì)算了方程(13)，并且圖4C示出了結(jié)果。可以從圖4C看出，如果由估計(jì)的角度 指示的估計(jì)方向接近在傳感器1j和1j′之間的傳感器對(duì)軸，則在arg(Hji/Hj′i)中包括的誤差 引起相對(duì)于所估計(jì)的角度 產(chǎn)生大的誤差。換句話說(shuō)，當(dāng)使用靠近傳感器對(duì)軸的估計(jì)角度 來(lái)解決分離矩陣W(ω)的置換問(wèn)題的時(shí)候，存在不同提供正確的解的高可能性。可以從圖4B和4C看出，例如，θmin在大約20°，θmax在大約160°?？梢詮膱D4C明白， 相當(dāng)依賴于頻率， 對(duì)于在低頻率的到達(dá)方向的誤差具有大的影響。因此，對(duì)于低頻，期望可以使用信息DRi，jj、‖qi‖、Ri，jj或通過(guò)相關(guān)性方法來(lái)解決置換問(wèn)題，所述信息DRi，jj、‖qi‖、Ri，jj基于其上存在信號(hào)源的球面的估計(jì)。
在第四實(shí)施例中，丟棄了缺少可靠性的被估計(jì)的錐面信息，因此，可以正確地估計(jì)到達(dá)方向使得它不受非可靠信息的負(fù)面影響，因此，可以產(chǎn)生正確的置換矩陣P(ω)以改善分離信號(hào)的SIR(性能)。
第五實(shí)施例第五實(shí)施例使用距離比率或從其估計(jì)的球面信息作為位置信息。其功能配置被示出在圖17中。圖28示意性地示出了第五實(shí)施例的處理程序。在這種情況下，傳感器被較寬地相隔，例如當(dāng)圖22所示的信號(hào)源包括聲音源的時(shí)候可以相隔30厘米，并且被布置在至少二維上。
使用與前面的實(shí)施例類似的方式，時(shí)域觀察信號(hào)被變換為如圖17所示的頻域信號(hào)，并且分離矩陣產(chǎn)生器12產(chǎn)生分離矩陣W(ω)(步驟S51)，由此在逆矩陣產(chǎn)生器13中產(chǎn)生逆矩陣H(ω)(步驟S52)。對(duì)于每個(gè)頻率的逆矩陣H(ω)的每列估計(jì)球面信息(步驟S53)。以結(jié)合第三實(shí)施例的上述類似方式來(lái)計(jì)算這樣的球面信息。因此，球面信息包括由距離計(jì)算器31計(jì)算的距離比率DRi，jj′(ω)、由距離估計(jì)器或曲面估計(jì)器17d計(jì)算的‖qi‖或半徑Ri，jj′(ω)和中心Oi，jj′(ω)。
使用這樣的球面信息來(lái)產(chǎn)生要對(duì)于分離矩陣W(ω)操作的置換矩陣，以便這樣的信息出現(xiàn)的次序采取預(yù)定的次序，并且進(jìn)行置換矩陣W(ω)的行號(hào)的置換(步驟S54)。在第三實(shí)施例中，這個(gè)處理操作已經(jīng)發(fā)生在置換解算器17中，但是在第五實(shí)施例中，僅僅使用球面信息。如果存在單獨(dú)使用球面信息不能解決置換問(wèn)題的頻率，則按照用于這樣的頻率的上述的相關(guān)性方法來(lái)解決置換問(wèn)題。
已經(jīng)對(duì)于12種組合的混合語(yǔ)音進(jìn)行了分離實(shí)驗(yàn)，所述混合語(yǔ)音是在實(shí)驗(yàn)房間中被測(cè)量的脈沖響應(yīng)，它們被使用四個(gè)壓縮器的語(yǔ)音卷積，其中使用以圖22所示的方式在房間中布置的麥克風(fēng)16和18以及被布置在分別距離原點(diǎn)60厘米和150厘米的、在120°方向的聲音源24和25。已經(jīng)通過(guò)彼此比較所估計(jì)的半徑R4，68(ω)和R5，68(ω)和進(jìn)行選擇以使得R4，68(ω)≤R5，68(ω)成立而解決了置換問(wèn)題。依靠聲音源的位置的一種方法被應(yīng)用到下述頻率，對(duì)于所述頻率，根據(jù)按照聲音源(R4，68(ω)，R5，68(ω))的位置的置換問(wèn)題的解是可靠的確定，在R4，68(ω)和R5，68(ω)中的最大值等于或大于在R4，68(ω)和R5，68(ω)中的最小值乘以門限值A(chǔ)th，或者對(duì)于它，滿足max(R4，68(ω)，R5，68(ω))≥Ath·min(R4，68(ω)，R5，68(ω))，并且按照相關(guān)的方法被應(yīng)用到其他頻率。因此，當(dāng)Ath＝1.0的時(shí)候，按照聲音源的位置的方法被應(yīng)用到每個(gè)頻率，并且當(dāng)Ath無(wú)限的時(shí)候，按照相關(guān)性的方法被應(yīng)用到每個(gè)頻率。在改變門限值A(chǔ)th的同時(shí)對(duì)于不同的語(yǔ)音組合繪制分離性能或SIR(信號(hào)干擾比)，如圖29所示。從圖29所示的結(jié)果可以看出，按照聲音源的位置的方法單獨(dú)導(dǎo)致整體上的性能，而按照相關(guān)性的方法單獨(dú)產(chǎn)生變化，而上述兩種方法的組合提供穩(wěn)定的高性能?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于門限值A(chǔ)th，較高的值是優(yōu)選的，當(dāng)在從8-16的范圍中選擇它的時(shí)候，按照聲音源的位置的方法對(duì)于整個(gè)頻率的1/5到1/10是有效的。
在圖26中在行(D+C)中示出了在圖22所示的條件下組合使用按照聲音源的位置的方法和按照相關(guān)性的方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)組合使用兩個(gè)方法的時(shí)候，分離可以獲得良好的性能。這個(gè)結(jié)果顯示了與當(dāng)組合使用利用方程(9′)的按照到達(dá)方向(錐面信息)的方法和按照相關(guān)性的方法時(shí)類似的趨勢(shì)。在按照相關(guān)性的方法的說(shuō)明引用的文獻(xiàn)中指示了當(dāng)組合使用按照到達(dá)方向的方法和按照相關(guān)性的方法而獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
使用第五實(shí)施例，按照方程(10′)來(lái)確定球面信息，因此，減少了計(jì)算量。距離比率DRi，jj′(ω)最好作為球面信息。
第六實(shí)施例第六實(shí)施例意欲根據(jù)例如單個(gè)所估計(jì)的錐面來(lái)解決置換問(wèn)題。在錐面估計(jì)器14中估計(jì)的錐面 、...、 被直接輸入到在圖12中的虛線所示的置換解算器17，并且在計(jì)算置換矩陣P(ω)中通過(guò)跳過(guò)圖13中的虛線所示的步驟S15而在步驟S16中使用在步驟S14估計(jì)的被估計(jì)錐面 (n＝1，...，N)，以便 對(duì)于任何頻率采用例如升序。
在這種情況下，可以在步驟S14中對(duì)于每個(gè)信號(hào)源i估計(jì)單個(gè)錐面。雖然未示出，但當(dāng)行置換失敗的時(shí)候，可以按照如上所述的相關(guān)性方法來(lái)執(zhí)行行置換。
按照第六實(shí)施例，通過(guò)在逆矩陣H(ω)的每列中形成兩個(gè)元素的比率來(lái)簡(jiǎn)單地消除定標(biāo)問(wèn)題，并且所需要的是按照方程(9′)的計(jì)算，由此可以減少計(jì)算時(shí)間。
信號(hào)分離的總結(jié)在用于在產(chǎn)生逆矩陣后發(fā)生的處理操作的圖30A、30B和30C中圖解了在盲信號(hào)分離期間已經(jīng)解決置換問(wèn)題后產(chǎn)生分離矩陣的方法。在圖30A中，根據(jù)來(lái)自逆矩陣的每列的元素的比率來(lái)估計(jì)錐面(步驟S61)，按照需要來(lái)消除不可靠的錐面(步驟S62)，確定對(duì)于多個(gè)錐面共用的一條直線的方向(步驟S63)，使用所述公用直線的方向產(chǎn)生置換矩陣P(ω)以執(zhí)行分離矩陣的置換(步驟S64)，并且按照用于還未解決置換問(wèn)題的頻率的相關(guān)性方法來(lái)執(zhí)行分離矩陣的行置換(步驟S65)。如圖30A中的虛線所示，也有可能從步驟S6向S64直接過(guò)渡，直接使用錐面產(chǎn)生置換矩陣P(ω)。
在圖30B中，在步驟S61估計(jì)錐面，并且在步驟S62按照需要來(lái)丟棄一個(gè)錐面或多個(gè)錐面，在周邊S63估計(jì)公用直線的方向，使用公用直線的這樣的方向來(lái)執(zhí)行逆矩陣的列置換(步驟S66)。在這種情況下，如在附圖中的虛線所示，可以在步驟S66的處理操作中直接使用在步驟S61估計(jì)的錐面或在S62后保持的錐面。如果錐面的估計(jì)或公用直線的方向的確定失敗或如果錐面或公用直線的方向不確定或采用與其他相同者，則根據(jù)在逆矩陣的列中的元素的比率來(lái)估計(jì)球面信息(步驟S67)，使用所估計(jì)的球面信息執(zhí)行逆矩陣置換以產(chǎn)生置換矩陣P(ω)用于在分離矩陣中的行置換(步驟S64)。對(duì)于還未形成置換矩陣P(ω)的一個(gè)或多個(gè)頻率，應(yīng)用按照相關(guān)性的方法(步驟S65)。
在圖30C中，從逆矩陣的每列的元素的比率來(lái)初始地估計(jì)球面信息(步驟S68)，使用所述球面信息來(lái)執(zhí)行在逆矩陣中的列置換(步驟S69)，如果列置換失敗或球面信息不確定，則根據(jù)在逆矩陣的列中的元素的比率來(lái)估計(jì)錐面(步驟S70)。確定對(duì)于多個(gè)錐面公用的直線的方向(步驟S71)，并且直接使用這樣來(lái)確定的方向或在步驟S70估計(jì)的一個(gè)錐面或多個(gè)錐面來(lái)執(zhí)行在逆矩陣中的列置換以產(chǎn)生置換矩陣P(ω)，并且執(zhí)行在分離矩陣中的置換(步驟S64)。對(duì)于還未形成置換的一個(gè)或多個(gè)頻率，應(yīng)用相關(guān)性方法(步驟S65)。
另外，存在圖28所示的方法。
可以使用頻域分離矩陣W(ω)和所觀察信號(hào)X(ω)來(lái)進(jìn)行信號(hào)分離，隨后，在第三、第五和第六實(shí)施例中以如上結(jié)合第二實(shí)施例所述的類似方式，分離的頻域信號(hào)Y(ω)可以被變換為時(shí)域信號(hào)y(t)。
在第一實(shí)施例中的說(shuō)明中，進(jìn)行在二維中的信號(hào)的到達(dá)方向的估計(jì)，但是這也適用于如上結(jié)合第二實(shí)施例所述的三維中的信號(hào)的到達(dá)方向的估計(jì)。第二到第六實(shí)施例適用于在二維中的信號(hào)分離。在這種情況下，估計(jì)的錐面 采用相對(duì)于在估計(jì)中使用的傳感器對(duì)的傳感器軸對(duì)稱布置的兩個(gè)方向，并且被估計(jì)的球面Ri，jj′(ω)或DRi，jj′(ω)將是圓周的半徑或其實(shí)質(zhì)等同者。
可以通過(guò)計(jì)算機(jī)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)圖5、12和17所示的裝置以及在第五實(shí)施例中所示的裝置。在這種情況下，可以將對(duì)應(yīng)的處理程序、即在圖6、13和18中所示的步驟的流程圖從磁盤、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、CD-ROM等——它存儲(chǔ)用于使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行這樣的步驟的程序——安裝到在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器中，或者可以通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)向計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器中下載所述程序以使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述程序。
權(quán)利要求
1.一種用于估計(jì)信號(hào)源的位置信息的裝置，其中從I個(gè)信號(hào)源輻射的信號(hào)被J個(gè)傳感器檢測(cè)以確定信號(hào)源的位置信息，其中I是等于或大于2的整數(shù)，J是等于或大于I的整數(shù)，所述裝置包括頻域變換部件，用于將來(lái)自各個(gè)傳感器的觀察信號(hào)變換為頻域信號(hào)；分離矩陣計(jì)算部件，用于計(jì)算第一分離矩陣，所述第一分離矩陣從頻域信號(hào)通過(guò)獨(dú)立分量分析將來(lái)自每個(gè)頻率的信號(hào)源的信號(hào)分離出來(lái)；逆矩陣計(jì)算部件，用于計(jì)算每個(gè)第一分離矩陣的逆矩陣，所述逆矩陣包括偽逆矩陣；以及位置信息計(jì)算部件，用于根據(jù)在相應(yīng)頻率的逆矩陣的至少一個(gè)的每列中的兩個(gè)元素的比率來(lái)計(jì)算信號(hào)源之一的位置信息。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述位置信息計(jì)算部件是用于通過(guò)根據(jù)相應(yīng)頻率的多個(gè)逆矩陣的每一列的元素的比率計(jì)算位置信息來(lái)確定每個(gè)信號(hào)源的位置信息的部件，所述部件包括置換矩陣產(chǎn)生部件，用于根據(jù)相應(yīng)頻率的信號(hào)源的位置信息產(chǎn)生置換矩陣，所述置換矩陣執(zhí)行在分離矩陣中的行置換，以便用于對(duì)應(yīng)于多個(gè)逆矩陣的頻率的、在分離矩陣中的、對(duì)應(yīng)于位置信息的行采取預(yù)定的次序；以及置換部件，用于將置換矩陣和第一分離矩陣一起相乘以獲得行被置換的第二分離矩陣。
3.按照權(quán)利要求2的裝置，其中所述J等于或大于3，并且J個(gè)傳感器被布置在至少二維中，并且其中所述位置信息是包括從所述傳感器到所述信號(hào)源的方向并在其上存在信號(hào)源的錐面，所述位置信息計(jì)算部件包括用于根據(jù)來(lái)自多組兩個(gè)元素的每列的元素的比率來(lái)執(zhí)行錐面的計(jì)算的部件；到達(dá)方向確定部件，用于估計(jì)對(duì)于相應(yīng)頻率的多個(gè)錐面公用的直線的方向作為位置信息。
4.按照權(quán)利要求2的裝置，其中所述J等于或大于3，并且所述位置信息包括其上存在一個(gè)信號(hào)源的錐面和其上存在一個(gè)信號(hào)源的曲面，并且包括從傳感器對(duì)觀看的所述信號(hào)源的方向，所述位置信息計(jì)算部件包括用于根據(jù)兩個(gè)元素的比率來(lái)執(zhí)行錐面的計(jì)算的部件；對(duì)應(yīng)于具有比對(duì)應(yīng)于在錐面的計(jì)算中使用的兩個(gè)元素的傳感器間距大的傳感器間距的傳感器的部件，用于計(jì)算在所述傳感器和所述信號(hào)源之間的距離的比率；用于根據(jù)距離的比率來(lái)計(jì)算曲面的部件，所述置換矩陣產(chǎn)生部件是用于根據(jù)每個(gè)頻率的錐面和曲面產(chǎn)生置換矩陣的部件。
5.按照權(quán)利要求2、3和4之一的裝置，其中所述J等于或大于3，并且J個(gè)傳感器被布置在至少二維上，其中所述位置信息涉及其上存在信號(hào)源的錐面，并且包括從傳感器觀看的信號(hào)源的方向，還包括確定部件，用于確定在第一和第二預(yù)定角之間是否有限定錐面的角，所述確定部件使得具有在第一和第二角之間的角的錐面有效。
6.按照權(quán)利要求2的裝置，其中所述J等于或大于3，并且J個(gè)傳感器被布置在至少二維上，其中所述位置信息表示其上存在信號(hào)源的球面的半徑，并且其中所述位置信息計(jì)算部件是用于根據(jù)兩個(gè)元素的比率來(lái)計(jì)算距離的比率的部件。
7.按照權(quán)利要求2的裝置，其中所述位置信息涉及其上存在信號(hào)源的錐面，并且包括從傳感器觀看的信號(hào)源的方向。
8.按照權(quán)利要求2、3、4、6和7之一的裝置，還包括相關(guān)性計(jì)算部件，用于計(jì)算在來(lái)自置換矩陣產(chǎn)生部件未能產(chǎn)生置換矩陣的被觀察信號(hào)的、使用第二分離矩陣分離的那些信號(hào)的頻域信號(hào)中的頻率分量和已經(jīng)產(chǎn)生置換矩陣的頻率分量之間的相關(guān)性，以及修改部件，它置換所述置換矩陣產(chǎn)生部件未能產(chǎn)生置換矩陣的頻率的分離矩陣中的行，以便增加相關(guān)性。
9.按照權(quán)利要求1的裝置，其中位置信息表示指示從傳感器觀看的信號(hào)源的方向的方向信息，所述位置信息計(jì)算部件包括用于計(jì)算所述比率的幅角的部件；用于計(jì)算每單位距離的相位旋轉(zhuǎn)和在對(duì)應(yīng)于所述兩個(gè)元素的傳感器之間的距離的乘積的部件；用于將所述幅角除以所述乘積的部件；用于計(jì)算除法結(jié)果的反余弦以提供方向信息的部件。
10.按照權(quán)利要求9的裝置，其中所述位置信息計(jì)算部件是用于計(jì)算每個(gè)頻率的一個(gè)信號(hào)源的方向信息的部件，并且包括統(tǒng)一部件，用于統(tǒng)一對(duì)于每個(gè)信號(hào)源和對(duì)于每個(gè)頻率計(jì)算的方向信息以固定方向信息。
11.一種用于估計(jì)信號(hào)源的位置信息的方法，其中從I個(gè)信號(hào)源輻射的信號(hào)被J個(gè)傳感器檢測(cè)以確定信號(hào)源的位置信息，其中I是等于或大于2的整數(shù)，J是等于或大于I的整數(shù)，所述方法包括步驟將來(lái)自各傳感器的觀察信號(hào)變換為頻域信號(hào)；計(jì)算第一分離矩陣，所述第一分離矩陣通過(guò)獨(dú)立分量分析從所述頻域信號(hào)將來(lái)自每個(gè)頻率的信號(hào)源的信號(hào)分離出來(lái)；計(jì)算每個(gè)第一分離矩陣的逆矩陣，所述逆矩陣包括偽逆矩陣；以及根據(jù)在相應(yīng)頻率的逆矩陣的至少一個(gè)的一列中的兩個(gè)元素的比率來(lái)計(jì)算所述信號(hào)源之一的位置信息，所述來(lái)自一列的兩個(gè)元素與來(lái)自不同列的兩個(gè)元素不同。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其中對(duì)于每個(gè)信號(hào)源的所述位置信息計(jì)算步驟包括根據(jù)相應(yīng)頻率的多個(gè)逆矩陣的每列的元素的比率來(lái)計(jì)算位置信息的步驟，所述步驟包括從每個(gè)信號(hào)源和每個(gè)頻率的位置信息產(chǎn)生置換矩陣，所述置換矩陣以在對(duì)應(yīng)于多個(gè)逆矩陣和對(duì)應(yīng)于所述位置信息的分離矩陣中的行采取預(yù)定次序的方式來(lái)置換行，以及將所述置換矩陣和所述第一分離矩陣一起相乘以提供行被置換的第二分離矩陣。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中所述J等于或大于3，并且J個(gè)傳感器被布置在至少二維中，所述位置信息包括從所述傳感器觀看所述信號(hào)源的方向，并且是其上存在信號(hào)源的錐面，所述位置信息計(jì)算步驟包括根據(jù)來(lái)自多個(gè)不同組的兩個(gè)元素的每列的元素的比率來(lái)執(zhí)行錐面的計(jì)算；并且估計(jì)對(duì)于每個(gè)頻率的多個(gè)錐面公用的直線的方向作為位置信息。
14.按照權(quán)利要求12的方法，其中所述J等于或大于3，并且所述位置信息包括從傳感器對(duì)觀看的信號(hào)源的方向，并且是其上存在一個(gè)信號(hào)源的錐面和其上存在一個(gè)信號(hào)源的曲面，所述位置信息計(jì)算步驟包括根據(jù)兩個(gè)元素的比率來(lái)計(jì)算錐面；從對(duì)應(yīng)于具有比對(duì)應(yīng)于在錐面的計(jì)算中使用的兩個(gè)元素的傳感器對(duì)的間距大的其間距的傳感器對(duì)的兩個(gè)元素的比率，來(lái)計(jì)算在傳感器對(duì)和一個(gè)信號(hào)源之間的距離的比率；并且根據(jù)距離的比率來(lái)計(jì)算曲面，所述置換矩陣產(chǎn)生步驟根據(jù)每個(gè)頻率的錐面和曲面產(chǎn)生置換矩陣。
15.按照權(quán)利要求14的方法，其中置換矩陣產(chǎn)生步驟包括執(zhí)行以下步驟根據(jù)錐面和球面之一來(lái)執(zhí)行計(jì)算位置信息，并且根據(jù)對(duì)于錐面和球面之一獲得的位置信息來(lái)產(chǎn)生第一置換矩陣，所述第一置換矩陣將其列置換，以便對(duì)應(yīng)于每個(gè)頻率的逆矩陣的每列的、所述錐面和球面之一的位置信息采用預(yù)定的次序；以及根據(jù)產(chǎn)生第一置換矩陣的步驟未能置換列的列的另一錐面和球面來(lái)計(jì)算位置信息，并且根據(jù)對(duì)于所述另一錐面和球面獲得的位置信息來(lái)修改第一置換矩陣以置換逆矩陣的列，以便提供第二置換矩陣，并且計(jì)算第二置換矩陣的逆矩陣以提供置換矩陣。
16.按照權(quán)利要求12-15之一的方法，其中所述J等于或大于3，并且J個(gè)傳感器被布置在至少二維上，其中所述位置信息包括從傳感器觀看的信號(hào)源的方向，并且表示其上存在信號(hào)源的錐面，并且還包括步驟確定是否表示錐面的角度位于第一和第二預(yù)定角之間；以及當(dāng)所述角度不位于第一和第二角度之間的時(shí)候消除所述錐面。
17.按照權(quán)利要求12的方法，其中所述J等于或大于3，并且J個(gè)傳感器被布置在至少二維上，其中所述位置信息表示其上存在信號(hào)源的球面的半徑，并且其中所述位置信息計(jì)算步驟是用于根據(jù)兩個(gè)元素的比率來(lái)計(jì)算距離的比率的步驟。
18.按照權(quán)利要求12的方法，其中所述位置信息包括從傳感器觀看的信號(hào)源的方向，并且表示其上存在信號(hào)源的錐面。
19.按照權(quán)利要求12-15、17和18之一的方法，其中在置換矩陣產(chǎn)生步驟未能產(chǎn)生用于一個(gè)或多個(gè)頻率的置換矩陣的情況下，還包括步驟計(jì)算在由已經(jīng)成功地產(chǎn)生置換矩陣的第二分離矩陣從觀察信號(hào)分離的信號(hào)的頻域信號(hào)的頻率分量和置換矩陣產(chǎn)生步驟未能產(chǎn)生置換矩陣的頻率分量之間的相關(guān)性；以及對(duì)還未產(chǎn)生置換矩陣的、一個(gè)或多個(gè)頻率的分離矩陣產(chǎn)生置換矩陣，以便所計(jì)算的相關(guān)性提高。
20.按照權(quán)利要求11的方法，其中位置信息表示指示從傳感器觀看的信號(hào)源的方向的信息，位置信息計(jì)算步驟包括將所述比率的幅角除以每個(gè)單位距離的相位旋轉(zhuǎn)和在對(duì)應(yīng)于所述兩個(gè)元素的傳感器之間的距離的乘積，并且得出由除法結(jié)果表示的反余弦以作為位置信息提供。
21.按照權(quán)利要求20的方法，其中位置信息計(jì)算步驟是計(jì)算每個(gè)頻率的一個(gè)信號(hào)源的方向信息的步驟，并且包括統(tǒng)一步驟，用于統(tǒng)一對(duì)于每個(gè)信號(hào)源和對(duì)于每個(gè)頻率計(jì)算的方向信息以固定方向信息。
22.一種程序，用于使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行在權(quán)利要求11-19之一中定義的估、計(jì)信號(hào)源的位置信息的方法的每個(gè)步驟。
全文摘要
來(lái)自排列在二維中的多個(gè)傳感器的觀察信號(hào)x
文檔編號(hào)G01S3/46GK1697981SQ200480000100
公開(kāi)日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2004年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月4日
發(fā)明者澤田宏, 向井良, 荒木章子, 牧野昭二 申請(qǐng)人:日本電信電話株式會(huì)社