(57)【要約】  互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を選択符号および非選択符号でそれぞれ逆拡散処理し、生成された選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との振幅比を求め、振幅比に基づいて閾値を決定し、非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより干渉信号を生成し、干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成し、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を求め、第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の受波器への到達時間から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位を算出する超音波測定方法。
2009044528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ）と、
第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、前記第１および第２の受信信号について、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成するステップ（Ｂ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求めるステップ（Ｃ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値をそれぞれ決定するステップ（Ｄ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号を生成するステップ（Ｅ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、前記第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｆ）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を得るステップ（Ｇ）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ）と、
を包含し、
前記ステップ（Ｄ）は、前記干渉信号が除去された受信信号のＳ／Ｎ比が所定の値以上となる場合の閾値と前記振幅比との関係をあらかじめ求め、前記あらかじめ求めた関係に基づいて、前記振幅比に対し閾値を決定する超音波測定方法。
【請求項２】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ）と、
第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、前記第１および第２の受信信号について、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成するステップ（Ｂ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求めるステップ（Ｃ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値をそれぞれ決定するステップ（Ｄ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号を生成するステップ（Ｅ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、前記第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｆ）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を得るステップ（Ｇ）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ）と、
を包含し、
前記ステップ（Ｄ）は、少なくとも２つの受波器から得られた前記干渉信号が除去された受信信号の相関値が所定の値以上となる場合の閾値と前記振幅比との関係をあらかじめ求め、前記あらかじめ求めた関係に基づいて、前記振幅比に対し閾値を決定する超音波測定方法。
【請求項３】
前記ステップ（Ｅ）は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、
前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記関係は、
ｙ＝１（０＜ｘ＜０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）
である請求項１に記載の超音波測定方法。
【請求項４】
前記ステップ（Ｅ）は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、
前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記関係は、
【数６】
2009044528.tif 000008
である請求項２に記載の超音波測定方法。
【請求項５】
前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である請求項１または２に記載の超音波測定方法。
【請求項６】
前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる請求項１または２に記載の超音波測定方法。
【請求項７】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の受波器と、
第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の逆拡散部と、
前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める第１および第２の振幅比算出部と、
前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する第１および第２の閾値決定部と、
前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する第１および第２の抽出部と、
前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する第１および第２の拡散部と、
前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記第１および第２の受信信号からそれぞれ除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の干渉信号除去部と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の再逆拡散部と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の前記受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出する距離方位算出部と、
を備え、
前記第１および第２の閾値決定部のそれぞれは、記憶部を含み、あらかじめ求められた前記干渉信号が除去された第１または第２の受信信号のＳ／Ｎ比が所定値以上となる場合の閾値と対応する前記振幅比とが前記記憶部に記憶されており、
前記振幅比を第１および第２の振幅比算出部から受けとり、前記記憶部に記憶された前記振幅比に対応する閾値を出力する超音波測定装置。
【請求項８】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の受波器と、
第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の逆拡散部と、
前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める第１および第２の振幅比算出部と、
前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する第１および第２の閾値決定部と、
前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する第１および第２の抽出部と、
前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する第１および第２の拡散部と、
前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記第１および第２の受信信号からそれぞれ除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の干渉信号除去部と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の再逆拡散部と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の前記受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出する距離方位算出部と、
を備え、
前記第１および第２の閾値決定部はそれぞれ記憶部を含み、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の相関値が所定の値以上となる場合の閾値と対応する前記振幅比とが前記記憶部に記憶されており、
前記振幅比を第１および第２の振幅比算出部から受けとり、前記記憶部に記憶された前記振幅比に対応する閾値を出力する超音波測定装置。
【請求項９】
前記第１および第２の抽出部は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、
前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記記憶部に記憶された前記振幅比および閾値は、
ｙ＝１（０＜ｘ＜０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）
の関係を満たしている請求項７に記載の超音波測定装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の抽出部は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、
前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記記憶部に記憶された前記振幅比および閾値は、
【数７】
2009044528.tif 000009
の関係を満たしている請求項８に記載の超音波測定装置。
【請求項１１】
前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である請求項７または８に記載の超音波測定装置。
【請求項１２】
前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる請求項７または８に記載の超音波測定装置。
【請求項１３】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、受信信号を生成する受波器と、
前記受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する逆拡散部と、
前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める振幅比算出部と、
前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する閾値決定部と、
前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する抽出部と、
前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する拡散部と、
前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された受信信号をそれぞれ生成する干渉信号除去部と、
前記干渉信号が除去された受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された逆拡散信号を生成する再逆拡散部と、
前記干渉信号が除去された逆拡散信号の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離を算出する距離方位算出部と、
を備えた超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した測定装置および測定方法に関する。特に複数の超音波信号が混信し得る環境において、正しく超音波の伝播距離または伝播方向を測定することのできる測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波測定装置は、超音波を送信する送波器と超音波を受信する受波器とを備え、送波器による超音波の送信後、受波器が超音波を受信するまでに要した時間から、送波器と受波器との間の距離を計測する。あるいは、送波器による超音波の送信後、送波器から送信した超音波が対象物に到達し、対象物において反射した超音波を受波器が受信するまでに要した時間から、対象物と超音波測定装置との間の距離を計測する。【０００３】
このような超音波測定装置が複数存在する環境においては、各超音波測定装置から同時に超音波が送信されると、互いに混信し、誤計測が生じ得る。このため、超音波を送信するタイミングを超音波測定装置ごとにずらすことにより（時分割送信）、超音波の混信を防ぐことが考えられる。【０００４】
しかし、超音波測定装置が独立して動作している場合、混信が生じないように各超音波測定装置の超音波信号を送信するタイミングを制御することはできない。そこで、超音波測定装置が使用する超音波を異なる符号で符号化することによって超音波を区別する方法が考えられている。【０００５】
混信した信号から所望の信号の符号を復調して取り出すことを考えると、他の信号は所望の信号とまったく似ていないことが望ましい。このような特性を持つ人為的にある規則に基づいて作られた不規則信号は擬似不規則信号と呼ばれる。取り扱いの簡単さから２値信号（「１」と「０」）が利用されることが多く、Ｍ系列、Ｂａｒｋｅｒ系列、Ｇｏｌａｙ系列などの擬似不規則信号が知られている。【０００６】
その中でもＭ系列は、スペクトラム拡散技術を用いた通信システムで用いられる符号、すなわち伝送される情報に対して、識別可能な雑音状の搬送波として作用する符号である。異なるＭ系列間では、所望の信号に対して他の信号は雑音にしか見えないため、所望の信号を取り出すには非常に有効である。また、所望の信号同士であっても、時間が少しでもずれれば、雑音のようにしか見えないため、混信した受信信号の時系列の中から、どの時刻に存在しているのかがわかると考えられる。【０００７】
したがって、超音波測定装置においても、Ｍ系列の擬似不規則信号を用いて超音波を送受信することにより、複数の超音波測定装置が独立して動作している場合でも、各超音波測定装置は他の超音波測定装置が送信する超音波の影響を受けることなく、正確な測定を行うことができると考えられる。【０００８】
特許文献１は、このようなＭ系列の擬似不規則信号を用いた超音波測定装置を開示している。具体的には、Ｍ系列の擬似不規則信号を超音波で送信し、測定対象物において反射した超音波を受信し、受信信号を得る。送信時刻から所定の時間間隔でシフトさせた擬似不規則信号と受信信号との相関を求めることによって、相関値がピークとなる時刻が超音波の到達時刻として求められる。送信時刻から到達時刻までの時間が超音波の伝播時間であるため、超音波の伝播速度に基づいて測定対象物までの距離を求めることができる。【０００９】
上述したように、Ｍ系列間では、所望の信号に対して他の信号は雑音にしか見えないため、別の超音波測定装置から送信された超音波による受信信号との相関は非常に小さい。このため、相関値のピークが検出されず、別の超音波測定装置から得られた擬似不規則信号を識別することができる。【００１０】
しかし、Ｍ系列離散を用いて符号化を行っても、他の超音波測定装置の送信した超音波と重なる量が多くなると、相互相関に起因した干渉が増大する。干渉が増大すると、相関値のピーク値がなだらかになるため、正確な超音波の受信時刻を決定することができなくなる。その結果、正確な距離の測定を行えなくなる可能性がある。他の超音波測定装置の送信した超音波との重なりが大きくなりすぎると、相関値のピーク値が得られなくなり、全く計測ができなくなる可能性もある。また、他の超音波測定装置が送信した超音波のエネルギーのほうが大きい場合には相関値のピークもあいまいになり、明瞭なピークが得られない可能性もある。【００１１】
電波の分野においては、このような複数電波信号が多く混信する環境においても、良好な通信を行うため、自分以外の信号を受信信号からあらかじめ減算して干渉を除去する方法が知られている。【００１２】
特許文献２は、このような混信防止技術を用いた携帯電話の基地局受信機を開示している。特許文献２の受信機は、Ｎ個（Ｎは自然数）のユーザに対応し、すべてのユーザからの信号に対して干渉を除去することができる。以下、図２２を参照しながら、Ａ、Ｂ、Ｃの３個のユーザの中からユーザＡの信号を取り出す例を説明する。【００１３】
図２２に示すように、受信機８０は、複素マッチドフィルタを含む逆拡散部２２（１）、２２（２）、信号の電力を求める復調部２３（１）、２３（２）、電力から所定比率の電圧値（閾値）を決める振幅比部２５（１）、２５（２）、閾値によって波形を抽出する抽出部２７（１）、２７（２）、再拡散部２８（１）、２８（２）、遅延部３０、および逆拡散部３１を含む。復調部２３（１）、振幅比部２５（１）および抽出部２７（１）ならびに復調部２３（２）、振幅比部２５（２）および抽出部２７（２）を主波抽出部と呼ぶ。【００１４】
各ユーザ（送信機）から、それぞれ異なる符合で拡散された信号が送信される。拡散とは、送信したい情報（「１」または「０」）をＭ系列符号のような擬似不規則符合によって時間的に拡げることである。拡散された情報は、キャリア（搬送波）と呼ばれる正弦波にのせて発信される。正弦波の位相（例えば０度と１８０度）または周波数の違いが、符号化された信号の「１」および「０」に相当している。【００１５】
逆拡散部２２（１）、２２（２）において、取り出したいユーザＡ以外のＢおよびＣの符号で受信信号を逆拡散処理する。逆拡散処理とは、拡散処理によって時間的に広がっている情報を、対応する模擬不規則信号との相関処理によって元に戻す処理である。【００１６】
逆拡散部２２（１）はユーザＢの符号で受信信号を逆拡散し、逆拡散部２２（２）はユーザＣの符号で受信信号を逆拡散する。逆拡散によって生成した信号は、ユーザＢとユーザＣが送信した情報に相当する正弦波である。この正弦波は伝播路における歪みを受けており、また、熱雑音も含んでいる。したがって、時間的にどこからどこまでが本当に送信された情報に相当する正弦波であるかわからない。また、ユーザＢとユーザＣの位置から基地局受信機８０までの伝播経路は異なっている。【００１７】
このため、主波抽出部によって、生成した信号の閾値処理を行う。閾値処理とは、逆拡散された信号から、信号の最大電力に対する所定比率以上の信号を抽出することである。【００１８】
具体的には、復調部２３（１）は、逆拡散部２２（１）から得られる逆拡散された信号の電力（振幅）情報を求める。振幅比部２５（１）は電力情報から最大電力を求め、これに所定の比率をかけた電圧値（閾値）を求める。抽出部２７（１）は、逆拡散部２２（１）によって逆拡散された信号から閾値以上の信号を抽出する。抽出された信号は、再拡散部２８（１）において拡散処理される。閾値処理によって、熱雑音成分は除去されるが、伝播経路における歪みは保持されている。したがって、再拡散された信号は、ユーザＢの送信信号が伝播した伝播路のプロファイルを考慮した信号となる。同様にして、ユーザＣが送信した送信信号も得られる。【００１９】
加算器２９は、再拡散によって得られたユーザＢの送信信号およびユーザＣの送信信号を受信信号から減算する。このとき、遅延部３０は、再拡散部２８（１）、２８（２）から信号が出力されるまで、受信信号を遅延させる。【００２０】
このようにして得られた信号を逆拡散部３１において、ユーザＡの符号を用いて逆拡散することによって、ユーザＢ、Ｃからの送信信号による相互相関に起因した干渉を抑制し、品質の高い逆拡散信号を得ることができる。【００２１】
特許文献３も上述の混信防止技術を用いた携帯電話の基地局受信機を開示している。特許文献３によれば、Ｎ個のユーザに対応した基地局受信機は、受信信号をＮ個のマッチドフィルタで処理し、その出力を閾値処理して所定レベル以上の出力を抽出し、抽出された出力を対応する拡散符号で再拡散し、受信信号と再拡散された信号とが同期するように、受信信号を遅延さえ、遅延させた受信信号から再拡散された信号を減じることにより、所望のユーザからの信号を抽出する。
【特許文献１】特開２００４−１０８８２６号公報
【特許文献２】特許第３４７６９８７号公報
【特許文献３】特開平９−２００１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
特許文献２および３は携帯電話の基地局受信機に用いられる技術であり、基地局がカバーする広域のエリアに対して携帯電話を使用しているユーザの相対的移動は小さい。このため、取り出したいユーザの受信信号や他のユーザの受信信号の振幅変動は小さい。つまり、閾値の評価基準である最大電力の変化は比較的小さい。【００２３】
しかし、超音波測定装置では、反射体や自律移動体などの測定対象物の移動速度が超音波測定装置の計測範囲に対して大きいことから、環境によって伝播路のプロファイルが短時間に大きく変化する。このため、測定ごとに閾値を変化さる必要があり、また、その変動幅も大きい。特許文献２に開示された技術によれば、このような超音波測定装置に特有の問題に対して好適に対応することができない。【００２４】
本発明は、このような従来技術の課題を解決し、超音波測定装置が複数存在する環境において、精度の高い計測を行うことのできる超音波測定装置および超音波測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の超音波測定方法は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ）と、第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、前記第１および第２の受信信号について、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成するステップ（Ｂ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求めるステップ（Ｃ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値をそれぞれ決定するステップ（Ｄ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号を生成するステップ（Ｅ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、前記第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｆ）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を得るステップ（Ｇ）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ）とを包含し、前記ステップ（Ｄ）は、前記干渉信号が除去された受信信号のＳ／Ｎ比が所定の値以上となる場合の閾値と前記振幅比との関係をあらかじめ求め、前記あらかじめ求めた関係に基づいて、前記振幅比に対し閾値を決定する。【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｅ）は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記関係は、
ｙ＝１（０＜ｘ＜０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）である。【００２７】
本発明の超音波測定方法は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ）と、第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、前記第１および第２の受信信号について、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成するステップ（Ｂ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求めるステップ（Ｃ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値をそれぞれ決定するステップ（Ｄ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号を生成するステップ（Ｅ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、前記第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｆ）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を得るステップ（Ｇ）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ）とを包含し、前記ステップ（Ｄ）は、少なくとも２つの受波器から得られた前記干渉信号が除去された受信信号の相関値が所定の値以上となる場合の閾値と前記振幅比との関係をあらかじめ求め、前記あらかじめ求めた関係に基づいて、前記振幅比に対し閾値を決定する。【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｅ）は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記関係は、
【数１】
2009044528.tif 000003
である。【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である。【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる。【００３１】
本発明の超音波測定装置は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の受波器と、第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の逆拡散部と、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める第１および第２の振幅比算出部と、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する第１および第２の閾値決定部と、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する第１および第２の抽出部と、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する第１および第２の拡散部と、前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記第１および第２の受信信号からそれぞれ除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の干渉信号除去部と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の再逆拡散部と、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の前記受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出する距離方位算出部とを備え、前記第１および第２の閾値決定部のそれぞれは、記憶部を含み、あらかじめ求められた前記干渉信号が除去された第１または第２の受信信号のＳ／Ｎ比が所定値以上となる場合の閾値と対応する前記振幅比とが前記記憶部に記憶されており、前記振幅比を第１および第２の振幅比算出部から受けとり、前記記憶部に記憶された前記振幅比に対応する閾値を出力する。【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の抽出部は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記記憶部に記憶された前記振幅比および閾値は、
ｙ＝１（０＜ｘ＜０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）
の関係を満たしている。【００３３】
本発明の超音波測定装置は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の受波器と、第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の逆拡散部と、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める第１および第２の振幅比算出部と、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する第１および第２の閾値決定部と、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する第１および第２の抽出部と、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する第１および第２の拡散部と、前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記第１および第２の受信信号からそれぞれ除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の干渉信号除去部と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の再逆拡散部と、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の前記受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出する距離方位算出部とを備え、前記第１および第２の閾値決定部はそれぞれ記憶部を含み、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の相関値が所定の値以上となる場合の閾値と対応する前記振幅比とが前記記憶部に記憶されており、前記振幅比を第１および第２の振幅比算出部から受けとり、前記記憶部に記憶された前記振幅比に対応する閾値を出力する。【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の抽出部は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記記憶部に記憶された前記振幅比および閾値は、
【数２】
2009044528.tif 000004
の関係を満たしている。【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である。【００３６】
ある好ましい実施形態において、前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる。【００３７】
本発明の超音波測定装置は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、受信信号を生成する受波器と、前記受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する逆拡散部と、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める振幅比算出部と、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する閾値決定部と、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する抽出部と、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する拡散部と、前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された受信信号をそれぞれ生成する干渉信号除去部と、前記干渉信号が除去された受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された逆拡散信号を生成する再逆拡散部と、記干渉信号が除去された逆拡散信号の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離を算出する距離方位算出部を備える。
【発明の効果】
【００３８】
このように本発明によれば、干渉信号を除去した受信信号のＳ／Ｎ比が良好になるように干渉信号を生成する際に抽出に用いる閾値を変化させる。この閾値は、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号を用いて受信信号を逆拡散した選択逆拡散信号と、選択しなかった非選択の超音波の拡散に用いられた比選択符号を用いて受信信号を逆拡散した非選択逆拡散信号との振幅比から決定される。振幅比に応じて閾値を決定することにより、非選択逆拡散信号に含まれるノイズの影響を適切に評価することができ、ノイズの影響が少ない正確な干渉信号を再現することができる。したがって、本発明によれば、最適な干渉除去を行うことができ、対象物までの距離や方位を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による超音波測定装置の使用環境の一例を示す図である。
【図２】本発明で用いる２相位相シフト変調を説明する図である。
【図３】拡散された信号を逆拡散することによって得られる波形を説明する図である。
【図４】干渉波が重畳している拡散された信号を逆拡散することによって得られる波形を説明する図である。
【図５】本発明による超音波測定装置の実施形態の基本的な構成を示すブロック図である。
【図６】図５の超音波測定装置の演算部１４で作成される駆動信号１６の一例を示す図である。
【図７】図５の超音波測定装置の受信データ１９を示す図である。
【図８】図５の超音波測定装置の干渉除去器２０の基本的な構成を示すブロック図である。
【図９】本実施形態による超音波測定方法を示すフローチャートである。
【図１０】本実施形態において、干渉信号を除去する前の逆拡散信号の波形を示している。
【図１１】図１０に示す逆拡散信号６１、６２、６２の振幅情報の波形を示している。
【図１２】図１１の振幅情報の波形を正規化した後に設定される閾値を示す図である。
【図１３】図１１に示す閾値を用いて干渉信号から閾値以上の信号を抽出した波形を示す図である。
【図１４】受信信号から図１２に示す干渉信号が除去された信号を逆拡散することによって得られた信号の波形を示す図である。
【図１５】閾値ＬＵＴを作成するための振幅比と閾値との組み合わせによって得られるＳ／Ｎ比を示す図である。
【図１６】（ａ）および（ｂ）は、超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた拡散符号で逆拡散された波形６２の振幅情報６７と閾値ＬＵＴ２６の関係を示している。
【図１７】閾値ＬＵＴとして好ましい振幅比と閾値との範囲を示す図である。
【図１８】図１５の曲線３２を近似する関数を示す図である。
【図１９】図１５の領域３３を近似する関数を示す図である。
【図２０】（ａ）から（ｄ）は、本実施形態による実験結果を示しており、逆拡散前の波形を示している。
【図２１】（ａ）から（ｃ）は、図２０（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示す波形を逆拡散したものをそれぞれ示している。
【図２２】従来の携帯電話の分野における干渉除去装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
２      物体
３、４、５      超音波伝播経路
６      拡散符号
１２    送波器
１３    受波器
１４    送信部
１５    演算部
１７    受信部
１８    窓設定部
２０    干渉除去器
２１    距離方位算出部
２２    逆拡散部
２３    復調部
２５    振幅比算出部
２６    閾値ＬＵＴ
２７    抽出部
２８    拡散部
２９    加算器
３０    遅延部
３１    再逆拡散部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３    超音波測定装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、図面を参照しながら本発明の超音波測定装置および超音波測定方法の実施形態を説明する。本発明の超音波測定装置は、複数の超音波から、所望の選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する。図１は、本発明の超音波測定装置が使用される環境を模式的に示しており、超音波測定装置が複数存在している。【００４２】
超音波測定装置Ｓ１は、伝播経路３を通り物体２に向けて超音波を送信し、物体２において反射する反射波を受信することにより、伝播経路３の長さあるいは、物体２と超音波測定装置Ｓ１との距離を計測する。また、超音波測定装置Ｓ１から見た物体２の方位を求めることも可能である。【００４３】
超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３は、超音波を送受信することにより、それぞれ距離や方位を計測している。超音波測定装置Ｓ２が送信する超音波は、伝播経路４を通って超音波測定装置Ｓ１に到達している。一方、超音波測定装置Ｓ３から送信される超音波は、超音波測定装置Ｓ１へは到達しない。【００４４】
超音波測定装置Ｓ１、超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３は、それぞれ独立して動作しており、お互いに他の超音波測定装置の動作に関する情報は送受信していない。【００４５】
以下、本実施形態として、超音波測定装置Ｓ１を説明する。なお、本実施形態では、超音波測定装置Ｓ１は超音波を送信するための送波器および送波器を駆動する駆動部を備えているが、超音波測定装置Ｓ１は、送波器および駆動部を備えておらず、超音波測定装置Ｓ１とは独立した超音波送波装置から送信される超音波を受信することによって、超音波送波装置と超音波測定装置Ｓ１との距離を測定したり、超音波送波装置の方位を測定したりしてもよい。また、発明が理解しやすいように３つの超音波測定装置が動作している環境を説明するが、本発明はより多くの超音波測定装置が動作している環境において、好適に他の超音波測定装置からの影響を低減し、正確な距離や方位の測定を行うことができる。【００４６】
図１に示す超音波測定装置Ｓ１〜Ｓ３が送信する超音波は、互いに異なるＭ系列符号によって符号化され、スペクトラム拡散されている。符号化のための変調方式には、たとえば、拡散符号の「１」を１００ｋＨｚ以下の正弦波に対応させ、拡散符号の「０」を１８０度位相が反転した１００ｋＨｚ以下の正弦波に対応させる２相位相シフト変調を用いる。なお、この１００ｋＨｚ以下の正弦波のことを搬送波と呼ぶ。【００４７】
拡散符号の単一の符号内に存在する正弦波の波数は、用いる送波器および受波器の帯域に応じて決定することが好ましい。帯域が狭い場合には波数を多くし、逆の場合には少なくする。波数が少ないほうが、スペクトラム拡散の拡散率が高くなるので、耐雑音性は向上する。Ｍ系列の次数（Ｍ系列の長さ）は大きいほど、他のＭ系列との相関が低くなる。したがって、Ｍ系列の次数は、大きいほど干渉雑音が少ないため好ましい。しかし次数が大きくなるにつれて、送信する超音波は長くなり、環境における変化の影響を受け易くなる。【００４８】
これらの点を考慮して、たとえば超音波測定器が最大で４台存在する環境においては、７次のＭ系列を使用し、最大で１０台存在する環境においては、たとえば、９次のＭ系列を使用する。このように、同じ環境に存在する超音波測定装置の台数によってＭ系列の長さを変更することが好ましい。たとえば、搬送波の周波数が４０ｋＨｚであり、単一の符号内に存在する正弦波の波数を１とした場合、７次のＭ系列を用いると、送信する超音波の長さは、約３ｍｓ程度になる。【００４９】
図２は、２相位相シフト変調方式を説明する図である。たとえば「１、０、１、１」で表される拡散符号６を用いて正弦波の搬送波を２相位相シフト変調方式によって拡散した場合、波形７のランダム波が得られる。波形７では、符号「０」と符号「１」との境界において、位相が反転している。【００５０】
図３は、Ｍ系列の拡散符号を用い、２相位相シフト変調方式によって拡散された信号の一例である波形８を示している。波形８を同じ拡散符号で逆拡散すると、波形９が得られる。拡散で用いた符号と逆拡散で用いた符号とが異なれば、このように波形が現れることがない。したがって、図１の超音波測定装置Ｓ１、超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３は、それぞれ異なる拡散符合で送信する超音波を拡散し、受信時に自分の拡散符号で逆拡散することで、自分が送信した波形のみを抽出することができる。【００５１】
図４は、別の符号で拡散された信号が干渉している信号の波形１０を示している。干渉している信号の符号ではない、正しい拡散符号によって、波形１０を逆拡散することによって、波形１１が得られる。図３の波形９と比べて、雑音部分と抽出した信号の振幅比（振幅の相対的な大きさ）が小さくなっていることが分かる。この振幅比は、干渉している信号数が多くなるにつれて小さくなる。【００５２】
これは、拡散符号が完全にはランダムではないため、異なる符号間でも多少の相互相関あり、相関値に応じて干渉している信号の振幅成分が重畳するからである。図４の波形１０では、干渉する信号の振幅が、自信号の振幅とほぼ同じである場合を示しているが、干渉する信号の振幅が自信号の振幅値よりも大きくなると、雑音部分の振幅はさらに大きくなり、所望の信号を抽出することが困難となる。【００５３】
図１に示された環境の場合、超音波測定装置Ｓ１が物体２までの距離や方位の測定に用いる超音波は、伝播経路３を通って物体２によって反射し、再び伝播経路３を通って超音波測定装置Ｓ１に戻る。これに対して、超音波測定装置Ｓ２から伝播経路４を通る超音波は、物体２などに反射せず、超音波測定装置Ｓ１に直接到達する。このため、超音波測定装置Ｓ２から超音波測定装置Ｓ１に到達する超音波は、超音波測定装置Ｓ１が送信し、物体２から反射する超音波よりもエネルギーが大きい。つまり、超音波測定装置Ｓ１では、自信号よりも干渉信号のほうが大きく、干渉信号を除去しないと、自信号の伝播時間を正確に測定することは困難となる。【００５４】
本発明の超音波測定装置は、干渉する信号を除去することによって、干渉による影響のない受信信号を生成し、得られた受信信号を用いて、超音波の伝播時間を正確に測定することによって、正確な距離あるいは方位の測定を行うことができる。ただし、超音波測定装置Ｓ１〜Ｓ３が、たとえば自走するロボットのような移動体に搭載されている場合、超音波測定装置Ｓ１〜Ｓ３の位置は常に変化する。このため、他の超音波測定装置から到達する超音波の方向や強度も大きく変化し、干渉する信号の強度も大きく変化する。したがって、本発明の超音波測定装置は、所望の超音波による信号と干渉する超音波による信号との強度比に基づいて干渉信号を正確に再現する。【００５５】
図５は、本発明による超音波測定装置Ｓ１の基本構成を示すブロック図である。超音波測定装置は、送波器１２、第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）、送信部１４、演算部１５、第１の受信部１７（１）、第２の受信部（２）、窓設定部１８、干渉除去器２０および距離方位算出部２１を備えている。干渉除去器２０など、超音波測定装置を構成する各構成要素あるいはその構成要素の果たす機能の一部は、ソフトウエアによって実現してもよい。【００５６】
本実施形態では、超音波を第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）で受信し、それぞれの受信器で受信した超音波の伝播時間を求める。伝播時間の差から超音波が伝播してきた方位を算出する。以下、第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）をまとめて参照する場合には、受波器１３と呼ぶこともある。【００５７】
超音波測定装置の最大測定距離（測定限界）を５ｍ〜１０ｍと設定した場合、最大測定距離と大気中における超音波の減衰特性とを考慮することにより、使用する超音波の周波数を決定することができる。超音波の周波数が高ければ波長が短くなるので、伝播時間測定における時間分解能は向上する。しかし、周波数が高いと、大気中での超音波の減衰も大きくなる。送波器１２および受波器１３の駆動も考慮し、例えば最大測定距離５ｍに設定する場合、１００ｋＨｚ以下の超音波が適している。本実施形態では、４０ｋＨｚの超音波を計測に用いる。【００５８】
送波器１２および受波器１３には圧電セラミックのたわみ振動子を用いた超音波振動子、あるいは、ＰＶＤＦ圧電高分子膜を振動子とした送波器および受波器などを用いることができる。第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）は、距離Ｌを隔てて隣接して配置されている。最大測定距離５ｍである場合、距離Ｌは超音波の波長以下（４０ｋＨｚの場合８．５ｍｍ）であることが好ましい。第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）として同じ規格の超音波振動子等を用いる限り、受波器の特性のばらつきは、計測精度にほとんど影響を与えない。【００５９】
演算部１５はマイコンなどによって構成され、駆動信号を生成し、また、干渉除去器２０、窓設定部１８および距離方位算出部２１を制御する。演算部１５で生成する駆動信号の一例を図６において、波形７で示す。演算部１５で生成する駆動信号は、Ｍ系列の拡散符号６により拡散処理されたランダム波７の振幅の頂点で送信器１２を駆動する。演算部１０で作成された駆動信号のサンプリング周期は、搬送波の周波数の４倍とする。演算部１０から出力された駆動信号は、送信部１４で増幅され送信器１２を駆動する。これにより超音波が送信される。【００６０】
第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）は、物体２において反射した超音波をそれぞれ受信し、受信した超音波を電気的な受信信号に変換する。第１の受信部１７（１）、第２の受信部１７（２）は、それぞれ受信信号を増幅し、Ａ−Ｄ変換する。Ａ−Ｄ変換のサンプリング周波数は、搬送波の周波数の４倍以上であることが好ましい。【００６１】
演算部１５は、第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）によってそれぞれ受信され、デジタルデータに変換された受信信号から、送信開始時刻より一定時間経過した後の一定時間分を切り出し、切り出された受信信号のデータが干渉除去器２０へ出力される。ここで、一定時間分とは、送信し超音波が第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）へ最も早く超音波が到達する時刻をＴ１とし、最も遅く超音波が到達する時刻をＴ２とした場合、Ｔ２−Ｔ１である。受信信号データを切り出すための時間の設定は、超音波測定装置の計測可能な測定距離および、計測に用いる超音波の長さに基づいて設定される。【００６２】
例えば測定範囲が１ｍ〜５ｍである場合、超音波は測定範囲内にある物体と超音波測定装置との間を往復するため、伝播距離は２ｍ〜１０ｍとなる。超音波の空気中での音速は約３４０ｍ／ｓｅｃであるので、２ｍおよび１０ｍを伝播時間に換算すると、それぞれ約６ｍｓｅｃおよび約３０ｍｓｅｃとなる。また、７次のＭ系列の信号の長さは、搬送波の周波数を４０ｋＨｚとし、単一の符号内に存在する正弦波の波数を３とすると、約９．５ｍｓｅｃである。したがって、最も早く超音波が到達する時刻Ｔ１は、６ｍｓであり、最も遅く超音波が到達する時刻Ｔ２は、３９．５ｍｓｅｃとなる。したがって、窓設定部１６は、超音波の送信を開始した時刻をゼロとして、時刻Ｔ１＝６ｍｓから時刻Ｔ２＝３９．５ｍｓまでの期間を含むように受信データを切り出す窓を設定する。【００６３】
図７は、第１の受波器１３（１）に受信され、切り出された受信データ１９の波形を示している。同様の波形のデータが第２の受波器１３（２）からも得られる。これらのデータは干渉除去器２０へ入力される。【００６４】
図５に示すように、干渉除去器２０は、第１の干渉除去部２０（１）および第２の干渉除去部２０（２）を含む。第１の干渉除去部２０（１）および第２の干渉除去部２０（２）は、第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）によってそれぞれ受信され、切り出された受信信号から除去すべき干渉信号を生成し、受信信号から干渉信号を除去する。本実施形態では図１に示すように超音波測定装置Ｓ２からの超音波を最適に取り除く干渉除去処理を行う。干渉除去器２０の動作は以下において詳しく説明する。【００６５】
干渉除去処理が施された２つの受信信号は距離方位算出器２１に入力される。距離方位算出器２１は、干渉除去処理が施された２つの受信信号、つまり、送信器１２から送信され、物体２において反射した超音波のみが第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）により受信され、生成した受信信号の到達時刻を求め、到達時刻の差および送信開始からの経過時間を求めることにより、物体２との距離と方位が算出される。受信信号から波形の時間的位置を直接求めてもよいし、２つの受信信号を振幅情報に変換し、振幅情報のピーク値の時間的位置を求めてもよい。たとえば、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．４３，  Ｎｏ．５Ｂ，２００４，  ｐｐ．３１６９−３１７５に記載される方法によって求めることができる。【００６６】
また、十分に遠い音源からの超音波を二つの超音波受波器で検出した時間差をΔＴ、超音波の音速をｖとすると、二つの超音波受波器間の距離Ｌを用いて、物体２の方向を示す角度θは、次式より求められる。
【数３】
2009044528.tif 000005
【００６７】
また、干渉信号が除去された２つの受信信号の位相差より方位を求めてもよい。超音波の搬送波の周波数が４０ｋＨｚである場合、１波長が２５μｓ（＝１／４０ｋＨｚ）となる。この１波長分の位相２πが２５μｓに相当することから、位相差を時間差に換算することができ、式（１）を用いることにより、さらに方位を求めることができる。【００６８】
次に干渉除去器２０の構成および動作を説明する。図８は、干渉除去器２０に含まれる第１の干渉除去部２０（１）および２０（２）の基本的な構成を示すブロック図である。第１の干渉除去部２０（１）および２０（２）のそれぞれは、逆拡散部２２（１）〜２２（３）、復調部２３（１）〜２３（３）、振幅比算出部２５（１）〜２５（３）、抽出部２７（１）、２７（２）、閾値ＬＵＴ（ルックアップテーブル）２６、拡散部２８（１）、２８（２）、干渉信号除去部２９、遅延部３０および再逆拡散部３１を含む。閾値ＬＵＴ２６は、メモリなどの記憶部に記憶された値である。【００６９】
本実施形態では、図１に示すように、超音波測定装置Ｓ１のほかに除去すべき超音波を送信する超音波測定装置Ｓ２およびＳ３が存在する。つまり３つの異なる拡散符号で拡散された超音波を取り扱う。このため、第１の干渉除去部２０（１）および２０（２）には、それぞれ３つの逆拡散部２２（１）〜２２（３）、復調部２３（１）〜２３（３）、振幅比算出部２５（１）〜２５（３）が設けられている。また、３つの異なる拡散符号で拡散された超音波のうち２つによる受信信号は干渉信号として除去すべきであるので、２つの抽出部２７（１）、２７（２）および拡散部２８（１）、２８（２）が設けられている。これらの構成要素は、測定環境中における、異なる符号で拡散された超音波の数に応じて設けられる。本願明細書では、第１の干渉除去部２０（１）の逆拡散部２２（１）〜２２（３）、復調部２３（１）〜２３（３）、振幅比算出部２５（１）〜２５（３）、抽出部２７（１）、２７（２）、拡散部２８（１）、２８（２）、干渉信号除去部２９および再逆拡散部３１を、それぞれ、第１の逆拡散部２２、第１の復調部２３、第１の振幅比算出部２５、第１の抽出部２７、第１の拡散部２８、第１の干渉信号除去部２９および第１の再逆拡散部３１と呼ぶ場合がある。同様に、第２の干渉除去部２０（２）の逆拡散部２２（１）〜２２（３）、復調部２３（１）〜２３（３）、振幅比算出部２５（１）〜２５（３）、抽出部２７（１）、２７（２）、拡散部２８（１）、２８（２）、干渉信号除去部２９および再逆拡散部３１を、それぞれ、第２の逆拡散部２２、第２の復調部２３、第２の振幅比算出部２５、第２の抽出部２７、第２の拡散部２８第２の干渉信号除去部２９および第２の再逆拡散部３１と呼ぶ場合がある。【００７０】
図９は、干渉除去器２０を中心とした超音波測定装置の動作を説明するフローチャートである。以下、図１、図５、図８および図９を参照しながら、順に超音波測定装置の動作を説明する。なお、以下の説明では、第１の受波器１３（１）で受信される超音波を説明するが、第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）によって受信される受信信号は、まったく同様の手順で処理される。【００７１】
また、図１に示すように、本実施形態では、超音波測定装置Ｓ１が送信する超音波が物体２までの距離を測定するための所望の超音波である。以下、Ｓ１が送信する超音波を「選択された超音波」と呼び、選択された超音波に関する符号や逆拡散信号などを「選択符号」、「選択拡散符号」などと呼ぶ場合がある。また、所望の超音波以外の超音波を「非選択の超音波」、「非選択符号」「非選択拡散信号」などと呼ぶ場合がある。【００７２】
（ステップＳ４１）
ステップＳ４１はステップＡに対応する。まず、第１の受波器１３（１）によって超音波を受信し、第１の受信部１７（１）により第１の受信信号をデジタル信号に変換する。【００７３】
（ステップＳ４２）
ステップＳ４２はステップＢに対応する。上述したように、窓設定部１８により、第１の受信信号から検出すべき超音波による信号が含まれている範囲のデータを切り出し、拡散除去器２０の第１の拡散除去部２０（１）へ入力する。【００７４】
（ステップＳ４３）
ステップＳ４３はステップＢに対応する。切り出された第１の受信信号は、第１の拡散除去部２０（１）の逆拡散部２２（１）〜２２（３）により、すべての符号で逆拡散処理される。逆拡散部２２（１）は超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号、つまり、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号で逆拡散処理し、選択逆拡散信号を生成する。逆拡散部２２（２）および２２（３）は、それぞれ超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り振られた拡散符号、つまり非選択の超音波の拡散に用いられた非選択符号で逆拡散処理し、非選択逆拡散信号を生成する。【００７５】
図１０は、これらの逆拡散信号の一例であり、超音波測定装置Ｓ１、Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号６１、６２、および６３を示している。【００７６】
逆拡散信号６１および６２には、それぞれ１００ｋＨｚ以下の正弦波６４、６５が含まれるが、逆拡散信号６３には正弦波は含まれていない。これは、超音波測定装置Ｓ１が、超音波測定装置Ｓ１および超音波測定装置Ｓ２から送信された超音波を受信し、超音波測定装置Ｓ３から送信された超音波は受信していないことを示している。また、正弦波６４および６５は、それぞれ伝播経路３および４（図１）による固有の影響を受けるため、送信直後の波形とは異なっている。つまり、この正弦波６４および６５は伝播経路の特性を反映している。さらに正弦波６５は正弦波６４よりも早い時刻に到達している。しかし、逆拡散信号６１には正弦波６５は含まれていないように見える。これは、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号を用いて逆拡散することにより得られる逆拡散信号６１では、他の拡散符号で拡散された超音波はノイズ程度の影響しか与えないからである。しかし、他の拡散符号で拡散された超音波の数が増えると上述したように相互相関に起因したピークが現れるようになる。このため、他の拡散符号で拡散された超音波による信号を干渉信号として除去する。【００７７】
（ステップＳ４４）
ステップＳ４４はステップＣに対応する。第１の逆拡散部２２によって得られた逆拡散信号を、図８に示す第１の復調部２３において、振幅情報に変換する。図１１は、得られた逆拡散信号の波形の振幅情報を示している。波形６６、６７および６８は、それぞれ超音波測定装置Ｓ１、Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号の振幅情報である。【００７８】
（ステップＳ４５、Ｓ４６）
ステップＳ４５、Ｓ４６はステップＣに対応する。第１の振幅比算出部２５の振幅比算出部２５（１）は、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり選択逆拡散信号の振幅情報６６より、最大ピーク値６９と、Ｓ／Ｎ比７０を求める。そして、Ｓ／Ｎ比７０から、窓設定部１８によって切り出された受信データ１９（図７）の中に、超音波測定装置Ｓ１から送信された超音波、つまり選択された超音波による信号が含まれているかどうかを判断する。Ｓ／Ｎ比７０が所定の値よりも小さければ、超音波測定装置Ｓ１から送信された超音波が含まれていないか、超音波測定装置Ｓ１から送信された超音波は含まれているが他の超音波の強度が強すぎ、正しく超音波測定装置Ｓ１から送信された超音波を検出できないと考えられる。したがって、この場合は、その後の処理を中止する。【００７９】
（ステップＳ４７）
ステップＳ４７はステップＣに対応する。選択逆拡散信号のＳ／Ｎ比が所定の値より大きい場合、第１の振幅比算出部２５の振幅比算出部２５（２）および２５（３）は、超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散信号の振幅情報６７および６８から最大ピーク値を求め、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との最大ピークの振幅比をそれぞれ求める。【００８０】
（ステップＳ４９）
ステップＳ４９はステップＤに対応する。振幅比算出部２５（２）および２５（３）は、求めた振幅比から、超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散信号に含まれるノイズを除去するための閾値をそれぞれ決定する。これは閾値ＬＵＴ２６を参照することにより行われる。閾値ＬＵＴ２６には、干渉信号が除去された受信信号のＳ／Ｎ比が所定の値以上となる場合の閾値と振幅比との関係があらかじめ求められ記憶されている。閾値ＬＵＴ２６の求め方については、以下において詳細に説明する。【００８１】
（ステップＳ５０）
ステップＳ５０は、ステップＥに対応する。抽出部２７は、決定した閾値を用いて、超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出する。具体的には、抽出部２７は、非選択逆拡散信号において、閾値以上の波形が存在する時間帯を「１」とし、その他の時間を「０」とするパルス波形を生成し、図１０に示す各逆拡散信号と掛け合わせることによって、非選択逆拡散信号からノイズを除去する。これにより超音波測定装置Ｓ２およびＳ３から送信された超音波に対応する干渉信号が生成する。図１２は、超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散信号の振幅情報６７および６８に設定された閾値７１、および７２を示している。図１２に示すように振幅情報６７には強いピークが見られるため、ピークに対してノイズレベルを除去するような閾値７１が設定される。これに対し、振幅情報６８には強いピークはなく、ノイズ成分のみを含んでいる。したがって、ノイズ成分全体が除去されるように閾値７２が設定される。【００８２】
図１３は、抽出された干渉信号の波形７３、７４を示している。波形７３には超音波測定装置Ｓ２が送信した超音波に対応する信号波形が含まれており、ノイズ成分は完全に除去されている。波形７４には超音波測定装置Ｓ３が送信した超音波に対応する信号波形もノイズ成分も含まれていない。【００８３】
（ステップＳ５１）
ステップＳ５１はステップＦに対応する。第１の拡散部２８は生成した干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理する。具体的には、拡散部２８（１）は超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた拡散符号で、波形７３の干渉信号を拡散処理する。同様に拡散部２８（２）は、超音波測定装置Ｓ３に割り当てられた拡散符号で、波形７４の干渉信号を拡散処理する。【００８４】
（ステップ５２）
ステップＳ５２はステップＦに対応する。加算器２９は、第１の受信信号から非選択符号で拡散処理された干渉信号を減算する。このとき、第１の受信信号は、拡散処理された干渉信号の生成のタイミングと同期させるため、遅延部３０においてタイミングが調整され、加算器２９に入力される。これにより、干渉信号が除去された第１の受信信号が得られる。【００８５】
（ステップＳ５３）
ステップＳ５３はステップＧに対応する。再逆拡散部３１は、干渉信号が除去された第１の受信信号を選択符号で逆拡散する。つまり、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号で干渉信号が除去された第１の受信信号を選択符号で逆拡散し、第１の逆拡散信号を得る。図１４は、再逆拡散部３１から得られる第１の逆拡散信号の波形７５を示している。干渉信号を除去することなく、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号で受信信号を逆拡散することにより得られた図１０の波形６１に比べて、Ｓ／Ｎ比が向上している。【００８６】
（ステップＳ５４）
ステップＳ５４はステップＨに対応する。ステップＳ４１からＳ５３の手順で第１の受信器１３（１）および第２の受信器１３（２）から得られた受信信号を処理し、第１のおよび第２の逆拡散信号を得た後、距離方位算出部２１は、第１および第２の逆拡散信号の第１の受信器１３（１）および第２の受信器１３（２）への到達時間をそれぞれ算出する。これにより、上述したように伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも１つを算出する。【００８７】
次に閾値ＬＵＴ２６の求め方を説明する。超音波は、空中を伝播することで減衰する。減衰率は周波数によって異なり、周波数が高いほど減衰率は大きい。よって、伝播路が長いほど、高い周波数成分が先に減少していくことになる。図３のように拡散された信号では、符号「１」、「０」がそれぞれ「０」、「１」に変化する部分が高い周波数成分によって構成されている。伝播路が長いほど、この符号が変化する部分があいまいになっていく。これによって雑音は大きくなっていく。【００８８】
また、干渉している信号のエネルギーは、それぞれの伝播経路によって異なる。さらに空気のゆらぎによって、超音波は時間的にも変化の影響をうけている（フェージング）。これらのことから、干渉している信号に重畳しているノイズ成分を除去するための閾値を一義的に決めることはできない。【００８９】
本実施形態では、干渉除去器２０で除去する信号は、他の超音波測定装置（ここでは超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３）からどこにも反射せず、自超音波測定装置（ここでは超音波測定装置Ｓ１）に直接伝播してきた超音波（直接音）によるもののみとする。【００９０】
対象物までの相対距離や相対方位を測定するためには、対象物において反射した超音波を検出する必要がある。しかし、反射波は対象物における反射によって拡散するため、反射波のエネルギーは、他の超音波測定装置から直接伝播する超音波と比較して非常に小さい。【００９１】
一方、反射せずに直接伝播する超音波は、大きなエネルギーを有するため、伝播経路による波形の変形が小さい。さらに空気のゆらぎによる時間的な変化の影響も少ない。このため、超音波の逆拡散に用いた次数が既知であれば、理想的な自己相関値、つまり、信号が干渉していない場合のピーク値と雑音の比、および、干渉があった場合の相互相関値が予測できる（図３および図４参照）。言い換えれば、図１１に示す逆拡散された波形の振幅情報があれば、その波形のＳ／Ｎ比が予測でき、したがって、ノイズを除去する閾値が容易に推定できる。【００９２】
本実施例では、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との振幅比およびその振幅比における最適な閾値を閾値ＬＵＴ２６としてあらかじめ用意し、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との振幅比からルックアップテーブルを参照して閾値を決定する。【００９３】
図１５は、超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、直接超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比、つまり、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号の振幅比と非選択逆拡散信号に含まれるノイズを除去するために最適な閾値との関係を示している。この関係は、シミュレーションおよび実験によって求める。【００９４】
図１５において、振幅比を横軸にとり、閾値を縦軸にとっている。閾値は、正規化された非選択逆拡散信号の振幅情報に対して適用するように決定されている。したがって、閾値の最大値は１であり、この場合、すべての信号を除去する。また、図１５において、濃淡は、干渉除去処理を行ったあとの信号のＳ／Ｎ比を表している。濃淡が濃いほど、Ｓ／Ｎ比が高い。図１５から分かるように、振幅比を決定すれば、最もＳ／Ｎ比が高い閾値を選ぶことができる。図１５において、曲線３２は、最もＳ／Ｎ比が高くなる振幅比と閾値と関係を示している。また、領域３３は、Ｓ／Ｎ比が約１８ｄＢ以上となる振幅比と閾値と範囲を示している。【００９５】
したがって、図１５の最もＳ／Ｎ比が高くなる振幅比と閾値と関係を示す曲線３２上の振幅比と閾値とを閾値ＬＵＴ２６の値とすれば、最も適切に干渉信号を除去できる。あるいは、領域３３を満たす振幅比と閾値とを閾値ＬＵＴ２６の値としてもよい。さらに、閾値ＬＵＴ２６から閾値を１つ決めるのではなく、ある範囲たとえば領域３３から複数の閾値を選択し、それぞれの閾値を用いて生成した干渉信号を除去した受信信号のＳ／Ｎ比を比較し、最もＳ／Ｎが一番高いものを干渉信号が除去された受信信号としてもよい。図１５によれば、最適閾値を示す曲線３２より少しでも低い値閾値を選択すると、Ｓ／Ｎ比は極端に悪くなる（濃淡が薄い）ことがわかる。しかし、最適閾値を示す曲線３２より少し高めの閾値、つまり、領域３３内ではＳ／Ｎ比の極端な変化がない。【００９６】
例えば、超音波測定装置Ｓ１から送信され、物体２に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比が０．４だった場合、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号を取り除くために、超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号の振幅情報を正規化した信号における閾値は、０．４１が最適である。【００９７】
次に、シミュレーションおよび実験にて求められた閾値ＬＵＴ２６が、なぜこのような結果を示すのかを説明する。図１６（ａ）および（ｂ）は、超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた拡散符号で逆拡散された波形６２の振幅情報６７と閾値ＬＵＴ２６の関係を示している。超音波測定装置Ｓ１から送信され、物体２に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比が１６（ｂ）における直線３４に相当するとする。【００９８】
振幅情報６７を閾値でスライスした場合の時間幅３５は、閾値を１から小さくしていくと、最初は急激に拡がるが、その後ゆるやかになることがわかる。時間幅３５が急激にひろがる閾値の範囲を範囲３６とし、ゆるやかになる閾値の範囲を範囲３７とする。閾値の範囲３６の中で閾値を変化させると、抽出される超音波測定装置Ｓ２からの信号の幅が変化する。時間幅３５が広いほうがそれだけ超音波測定装置Ｓ２からの信号を抽出できるので、除去率が向上し、干渉除去処理後のＳ／Ｎ比が高くなる。これが図１６（ｂ）における直線３４上の範囲３６に相当する。【００９９】
図１６（ａ）の範囲３７の中で閾値を変化させると、抽出される超音波測定装置Ｓ２からの信号の幅はほとんど変化しない。よって、除去率もほとんど変化せず、干渉除去処理後のＳ／Ｎ比もほとんど変化しない。これが図１６（ｂ）の直線３４上の範囲３７に相当する。【０１００】
図１６（ａ）の範囲３７より下の範囲３８に閾値を設定した場合、超音波測定装置Ｓ２からの信号以外の雑音も同時に抽出してしまうことになる。よって干渉除去処理後のＳ／Ｎ比は悪化する。これが図１６（ｂ）の直線３４上の範囲３８に相当する。範囲３８はノイズフロアの領域である。【０１０１】
よって、範囲３８は、超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比に、基本的には比例する。しかし超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号に対して、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅が十分に大きい場合には、超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号の大きさに依存しない雑音が支配的になるため、範囲３８はほぼ固定された広さになる。これが図１６（ｂ）の振幅比領域３９に相当する。【０１０２】
超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比が図１６（ｂ）の振幅比領域４０は、超音波測定装置Ｓ２に割り振られた拡散符号で逆拡散された波形の振幅情報は雑音にまぎれてしまう範囲であり、少しの閾値の変化で急激に干渉除去処理後のＳ／Ｎ比が変化する。干渉除去処理後のＳ／Ｎ比が急激に変化するというのは、閾値を０から１まで変化させたときの、干渉除去処理後のＳ／Ｎ比の変化を１００％としたときの変化であって、実際にはそれほど変化しない。なぜならもともと超音波測定装置Ｓ２からの信号が小さいからである。【０１０３】
つまり、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号が所望信号に比べて十分に小さい場合には、干渉除去をしてもしなくても結果はほとんどかわらない。【０１０４】
以上のことから、閾値ＬＵＴ２６を簡略化するために、図１７に示すように直線４１に固定してもよい。超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比が振幅比領域３９の値では固定の閾値で抽出処理を行い、振幅比領域４０では干渉除去自体を行わない。それ以外の振幅比領域では直線近似から閾値を求める。例えば、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との振幅の比（［非選択逆拡散信号］／［選択逆拡散信号］）をｘとし、閾値をｙとした場合、以下の式（２）を満たすように閾値ＬＵＴ２６の振幅比と閾値を定めることができる。
ｙ＝１（０＜ｘ≦０．３）
ｙ＝−ｘ／３＋０．６（０．３＜ｘ≦１．２）
ｙ＝０．２（１．２＜ｘ）
・・・・・・（２）【０１０５】
あるいは、図１７において斜線で示す領域内にある振幅比と閾値とを閾値ＬＵＴ２６としてもよい。斜線の領域は以下の不等式で定められる。
ｙ＝１（０＜ｘ≦０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）
・・・・・（３）【０１０６】
図１８は、図１５の曲線３２の近似曲線の一例である曲線１０１を示している。曲線３２を４次の近似曲線で表した場合、最もＳ／Ｎ比が高くなる振幅比ｙと閾値ｘは以下の式（４）によって表される。
【数４】
2009044528.tif 000006
【０１０７】
図１９は、振幅比と閾値との最適な組み合わせの評価として、第１の受信器１３（１）および第２の受信器１３（２）で受信した第１および第２の受信信号を用い、干渉信号を除去した後の第１の受信信号および第２の受信信号の相関値を用いた結果を示している。図１９において、ハッチングで示す領域は、相関値が０．７以上となった振幅比および閾値の組み合わせを示している。Ｓ／Ｎ比が高ければ、干渉信号を除去した後の第１の受信信号および第２の受信信号の波形は、計測すべき超音波の到達時刻が異なることを除けば理想的には一致し高い相関値が得られる。したがって、Ｓ／Ｎ比の代わりに、相関値によって、最適な振幅比と閾値との関係を求めることができる。【０１０８】
図１９に示すように、相関値が０．７以上となる領域は折れ線１０３と曲線１０２とによって挟まれる領域になる。具体的には、以下の不等式（５）によって規定される。
【数５】
2009044528.tif 000007
【０１０９】
このように本発明によれば、干渉信号を除去した受信信号のＳ／Ｎ比が良好になるように干渉信号を生成する際に抽出に用いる閾値を変化させる。この閾値は、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号を用いて受信信号を逆拡散した選択逆拡散信号と、選択しなかった非選択の超音波の拡散に用いられた比選択符号を用いて受信信号を逆拡散した非選択逆拡散信号との振幅比から決定される。振幅比に応じて閾値を決定することにより、非選択逆拡散信号に含まれるノイズの影響を適切に評価することができ、ノイズの影響が少ない正確な干渉信号を再現することができる。したがって、本発明によれば、最適な干渉除去を行うことができ、対象物までの距離や方位を正確に測定することができる。【０１１０】
また、干渉信号を除去した受信信号のＳ／Ｎ比が良好となる閾値と振幅比との関係をあらかじめ求めておき、求めた関係あるいは求めた関係を満たす閾値と振幅比との組み合わせに基づいて、振幅比から閾値を決定することにより、計測中に最適な閾値を短時間で決定することができる。【０１１１】
（実験例）
本実施形態の構成によって、干渉信号がどのように除去できるかを実験した結果を示す。【０１１２】
図２０（ａ）は、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で拡散した超音波の波形を示しており、図２０（ｂ）は、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で拡散した超音波と超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた符号で拡散した超音波とを合わせた超音波の波形を示している。【０１１３】
また、図２０（ｃ）は、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で拡散した超音波と超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた符号で拡散した超音波とを合わせた超音波（図２０（ｂ）に示す波形の超音波）を超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で逆拡散することにより、超音波測定装置Ｓ２の超音波を干渉波として除去した波形を示している。図２０（ｄ）は、本実施形態の装置を用いて、超音波測定装置Ｓ２の超音波を干渉波として除去した波形を示している。【０１１４】
図２１（ａ）、図２１（ｂ）、図２１（ｃ）は、それぞれ図２０（ａ）、図２０（ｃ）、図２０（ｄ）に示す波形の信号を超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で逆拡散し、得られた信号の一部を切り出すことによって得られた波形をそれぞれ示している。【０１１５】
図２１（ａ）から明らかなように、干渉する超音波がない場合、逆拡散によってＳＮ比の高い波形が得られる。【０１１６】
これに対し、図２１（ｂ）および図２１（ｃ）に示すように干渉する超音波が存在する場合、逆拡散によって得られる波形のＳＮ比は低下する。しかし、図２１（ｂ）におけるＰ部分と図２１（ｃ）におけるＱ部分を比較すれば明らかなように、ｔ＝０．３ミリ秒付近以外のノイズの振幅は、本実施形態によるほうが小さくなっており、ＳＮ比が向上していることが分かる。【０１１７】
なお、本発明の超音波測定装置および超音波測定方法で用いる干渉信号の除去方法は、超音波を用いた距離、方位計測以外にも好適に用いることができる。具体的には、超音波を搬送波として、情報を伝達する室内音源定位、超音波タグなどに本発明で用いた干渉信号の除去方法を適用してもよい。また、本実施形態では、２つの受波器で超音波を受信することにより方位を測定することが可能であるが、方位の測定が不要であれば、超音波測定装置は、１つの受波器および１つの干渉除去部を備えていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の超音波測定装置および超音波測定方法は、超音波測定装置が複数存在する環境においても、最適な干渉除去を行うことによって、高精度に距離や方位の測定をすることができる。特に、測定環境に変化が生じても高い精度での計測が可能であり、自走するロボットに搭載される測距計や方位計に好適に用いられる。たとえば、鉄道駅や空港などの室内環境における搬送用ロボット等に好適に用いられる。
【図１】
2009044528.tif 000010
【図２】
2009044528.tif 000011
【図３】
2009044528.tif 000012
【図４】
2009044528.tif 000013
【図５】
2009044528.tif 000014
【図６】
2009044528.tif 000015
【図７】
2009044528.tif 000016
【図８】
2009044528.tif 000017
【図９】
2009044528.tif 000018
【図１０】
2009044528.tif 000019
【図１１】
2009044528.tif 000020
【図１２】
2009044528.tif 000021
【図１３】
2009044528.tif 000022
【図１４】
2009044528.tif 000023
【図１５】
2009044528.tif 000024
【図１６】
2009044528.tif 000025
【図１７】
2009044528.tif 000026
【図１８】
2009044528.tif 000027
【図１９】
2009044528.tif 000028
【図２０】
2009044528.tif 000029
【図２１】
2009044528.tif 000030
【図２２】
2009044528.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月16日(2009.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ）と、
第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、前記第１および第２の受信信号について、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成するステップ（Ｂ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求めるステップ（Ｃ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値をそれぞれ決定するステップ（Ｄ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号を生成するステップ（Ｅ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、前記第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｆ）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を得るステップ（Ｇ）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ）と、
を包含し、
前記ステップ（Ｄ）は、前記干渉信号が除去された受信信号のＳ／Ｎ比が所定の値以上となる場合の閾値と前記振幅比との関係をあらかじめ求め、前記あらかじめ求めた関係に基づいて、前記振幅比に対し閾値を決定する超音波測定方法。
【請求項２】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ）と、
第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、前記第１および第２の受信信号について、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成するステップ（Ｂ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求めるステップ（Ｃ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値をそれぞれ決定するステップ（Ｄ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号を生成するステップ（Ｅ）と、
前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、前記第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｆ）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を得るステップ（Ｇ）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ）と、
を包含し、
前記ステップ（Ｄ）は、少なくとも２つの受波器から得られた前記干渉信号が除去された受信信号の相関値が所定の値以上となる場合の閾値と前記振幅比との関係をあらかじめ求め、前記あらかじめ求めた関係に基づいて、前記振幅比に対し閾値を決定する超音波測定方法。
【請求項３】
前記ステップ（Ｅ）は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、
前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記関係は、
ｙ＝１（０＜ｘ＜０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）
である請求項１に記載の超音波測定方法。
【請求項４】
前記ステップ（Ｅ）は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、
前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記関係は、
【数６】
2009044528.tif 000032
である請求項２に記載の超音波測定方法。
【請求項５】
前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である請求項１または２に記載の超音波測定方法。
【請求項６】
前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる請求項１または２に記載の超音波測定方法。
【請求項７】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の受波器と、
第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の逆拡散部と、
前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める第１および第２の振幅比算出部と、
前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する第１および第２の閾値決定部と、
前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する第１および第２の抽出部と、
前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する第１および第２の拡散部と、
前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記第１および第２の受信信号からそれぞれ除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の干渉信号除去部と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の再逆拡散部と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の前記受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出する距離方位算出部と、
を備え、
前記第１および第２の閾値決定部のそれぞれは、記憶部を含み、あらかじめ求められた前記干渉信号が除去された第１または第２の受信信号のＳ／Ｎ比が所定値以上となる場合の閾値と対応する前記振幅比とが前記記憶部に記憶されており、
前記振幅比を第１および第２の振幅比算出部から受けとり、前記記憶部に記憶された前記振幅比に対応する閾値を出力する超音波測定装置。
【請求項８】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の受波器と、
第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の逆拡散部と、
前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める第１および第２の振幅比算出部と、
前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する第１および第２の閾値決定部と、
前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する第１および第２の抽出部と、
前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する第１および第２の拡散部と、
前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記第１および第２の受信信号からそれぞれ除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の干渉信号除去部と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の再逆拡散部と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の前記受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出する距離方位算出部と、
を備え、
前記第１および第２の閾値決定部はそれぞれ記憶部を含み、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の相関値が所定の値以上となる場合の閾値と対応する前記振幅比とが前記記憶部に記憶されており、
前記振幅比を第１および第２の振幅比算出部から受けとり、前記記憶部に記憶された前記振幅比に対応する閾値を出力する超音波測定装置。
【請求項９】
前記第１および第２の抽出部は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、
前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記記憶部に記憶された前記振幅比および閾値は、
ｙ＝１（０＜ｘ＜０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）
の関係を満たしている請求項７に記載の超音波測定装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の抽出部は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、
前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記記憶部に記憶された前記振幅比および閾値は、
【数７】
2009044528.tif 000033
の関係を満たしている請求項８に記載の超音波測定装置。
【請求項１１】
前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である請求項７または８に記載の超音波測定装置。
【請求項１２】
前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる請求項７または８に記載の超音波測定装置。
【請求項１３】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、受信信号を生成する受波器と、
前記受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する逆拡散部と、
前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める振幅比算出部と、
前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する閾値決定部と、
前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する抽出部と、
前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する拡散部と、
前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された受信信号をそれぞれ生成する干渉信号除去部と、
前記干渉信号が除去された受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された逆拡散信号を生成する再逆拡散部と、
前記干渉信号が除去された逆拡散信号の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離を算出する距離方位算出部と、
を備えた超音波測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した測定装置および測定方法に関する。特に複数の超音波信号が混信し得る環境において、正しく超音波の伝播距離または伝播方向を測定することのできる測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波測定装置は、超音波を送信する送波器と超音波を受信する受波器とを備え、送波器による超音波の送信後、受波器が超音波を受信するまでに要した時間から、送波器と受波器との間の距離を計測する。あるいは、送波器による超音波の送信後、送波器から送信した超音波が対象物に到達し、対象物において反射した超音波を受波器が受信するまでに要した時間から、対象物と超音波測定装置との間の距離を計測する。
【０００３】
このような超音波測定装置が複数存在する環境においては、各超音波測定装置から同時に超音波が送信されると、互いに混信し、誤計測が生じ得る。このため、超音波を送信するタイミングを超音波測定装置ごとにずらすことにより（時分割送信）、超音波の混信を防ぐことが考えられる。
【０００４】
しかし、超音波測定装置が独立して動作している場合、混信が生じないように各超音波測定装置の超音波信号を送信するタイミングを制御することはできない。そこで、超音波測定装置が使用する超音波を異なる符号で符号化することによって超音波を区別する方法が考えられている。
【０００５】
混信した信号から所望の信号の符号を復調して取り出すことを考えると、他の信号は所望の信号とまったく似ていないことが望ましい。このような特性を持つ人為的にある規則に基づいて作られた不規則信号は擬似不規則信号と呼ばれる。取り扱いの簡単さから２値信号（「１」と「０」）が利用されることが多く、Ｍ系列、Ｂａｒｋｅｒ系列、Ｇｏｌａｙ系列などの擬似不規則信号が知られている。
【０００６】
その中でもＭ系列は、スペクトラム拡散技術を用いた通信システムで用いられる符号、すなわち伝送される情報に対して、識別可能な雑音状の搬送波として作用する符号である。異なるＭ系列間では、所望の信号に対して他の信号は雑音にしか見えないため、所望の信号を取り出すには非常に有効である。また、所望の信号同士であっても、時間が少しでもずれれば、雑音のようにしか見えないため、混信した受信信号の時系列の中から、どの時刻に存在しているのかがわかると考えられる。
【０００７】
したがって、超音波測定装置においても、Ｍ系列の擬似不規則信号を用いて超音波を送受信することにより、複数の超音波測定装置が独立して動作している場合でも、各超音波測定装置は他の超音波測定装置が送信する超音波の影響を受けることなく、正確な測定を行うことができると考えられる。
【０００８】
特許文献１は、このようなＭ系列の擬似不規則信号を用いた超音波測定装置を開示している。具体的には、Ｍ系列の擬似不規則信号を超音波で送信し、測定対象物において反射した超音波を受信し、受信信号を得る。送信時刻から所定の時間間隔でシフトさせた擬似不規則信号と受信信号との相関を求めることによって、相関値がピークとなる時刻が超音波の到達時刻として求められる。送信時刻から到達時刻までの時間が超音波の伝播時間であるため、超音波の伝播速度に基づいて測定対象物までの距離を求めることができる。
【０００９】
上述したように、Ｍ系列間では、所望の信号に対して他の信号は雑音にしか見えないため、別の超音波測定装置から送信された超音波による受信信号との相関は非常に小さい。このため、相関値のピークが検出されず、別の超音波測定装置から得られた擬似不規則信号を識別することができる。
【００１０】
しかし、Ｍ系列離散を用いて符号化を行っても、他の超音波測定装置の送信した超音波と重なる量が多くなると、相互相関に起因した干渉が増大する。干渉が増大すると、相関値のピーク値がなだらかになるため、正確な超音波の受信時刻を決定することができなくなる。その結果、正確な距離の測定を行えなくなる可能性がある。他の超音波測定装置の送信した超音波との重なりが大きくなりすぎると、相関値のピーク値が得られなくなり、全く計測ができなくなる可能性もある。また、他の超音波測定装置が送信した超音波のエネルギーのほうが大きい場合には相関値のピークもあいまいになり、明瞭なピークが得られない可能性もある。
【００１１】
電波の分野においては、このような複数電波信号が多く混信する環境においても、良好な通信を行うため、自分以外の信号を受信信号からあらかじめ減算して干渉を除去する方法が知られている。
【００１２】
特許文献２は、このような混信防止技術を用いた携帯電話の基地局受信機を開示している。特許文献２の受信機は、Ｎ個（Ｎは自然数）のユーザに対応し、すべてのユーザからの信号に対して干渉を除去することができる。以下、図２２を参照しながら、Ａ、Ｂ、Ｃの３個のユーザの中からユーザＡの信号を取り出す例を説明する。
【００１３】
図２２に示すように、受信機８０は、複素マッチドフィルタを含む逆拡散部２２（１）、２２（２）、信号の電力を求める復調部２３（１）、２３（２）、電力から所定比率の電圧値（閾値）を決める振幅比部２５（１）、２５（２）、閾値によって波形を抽出する抽出部２７（１）、２７（２）、再拡散部２８（１）、２８（２）、遅延部３０、および逆拡散部３１を含む。復調部２３（１）、振幅比部２５（１）および抽出部２７（１）ならびに復調部２３（２）、振幅比部２５（２）および抽出部２７（２）を主波抽出部と呼ぶ。
【００１４】
各ユーザ（送信機）から、それぞれ異なる符合で拡散された信号が送信される。拡散とは、送信したい情報（「１」または「０」）をＭ系列符号のような擬似不規則符合によって時間的に拡げることである。拡散された情報は、キャリア（搬送波）と呼ばれる正弦波にのせて発信される。正弦波の位相（例えば０度と１８０度）または周波数の違いが、符号化された信号の「１」および「０」に相当している。
【００１５】
逆拡散部２２（１）、２２（２）において、取り出したいユーザＡ以外のＢおよびＣの符号で受信信号を逆拡散処理する。逆拡散処理とは、拡散処理によって時間的に広がっている情報を、対応する模擬不規則信号との相関処理によって元に戻す処理である。
【００１６】
逆拡散部２２（１）はユーザＢの符号で受信信号を逆拡散し、逆拡散部２２（２）はユーザＣの符号で受信信号を逆拡散する。逆拡散によって生成した信号は、ユーザＢとユーザＣが送信した情報に相当する正弦波である。この正弦波は伝播路における歪みを受けており、また、熱雑音も含んでいる。したがって、時間的にどこからどこまでが本当に送信された情報に相当する正弦波であるかわからない。また、ユーザＢとユーザＣの位置から基地局受信機８０までの伝播経路は異なっている。
【００１７】
このため、主波抽出部によって、生成した信号の閾値処理を行う。閾値処理とは、逆拡散された信号から、信号の最大電力に対する所定比率以上の信号を抽出することである。
【００１８】
具体的には、復調部２３（１）は、逆拡散部２２（１）から得られる逆拡散された信号の電力（振幅）情報を求める。振幅比部２５（１）は電力情報から最大電力を求め、これに所定の比率をかけた電圧値（閾値）を求める。抽出部２７（１）は、逆拡散部２２（１）によって逆拡散された信号から閾値以上の信号を抽出する。抽出された信号は、再拡散部２８（１）において拡散処理される。閾値処理によって、熱雑音成分は除去されるが、伝播経路における歪みは保持されている。したがって、再拡散された信号は、ユーザＢの送信信号が伝播した伝播路のプロファイルを考慮した信号となる。同様にして、ユーザＣが送信した送信信号も得られる。
【００１９】
加算器２９は、再拡散によって得られたユーザＢの送信信号およびユーザＣの送信信号を受信信号から減算する。このとき、遅延部３０は、再拡散部２８（１）、２８（２）から信号が出力されるまで、受信信号を遅延させる。
【００２０】
このようにして得られた信号を逆拡散部３１において、ユーザＡの符号を用いて逆拡散することによって、ユーザＢ、Ｃからの送信信号による相互相関に起因した干渉を抑制し、品質の高い逆拡散信号を得ることができる。
【００２１】
特許文献３も上述の混信防止技術を用いた携帯電話の基地局受信機を開示している。特許文献３によれば、Ｎ個のユーザに対応した基地局受信機は、受信信号をＮ個のマッチドフィルタで処理し、その出力を閾値処理して所定レベル以上の出力を抽出し、抽出された出力を対応する拡散符号で再拡散し、受信信号と再拡散された信号とが同期するように、受信信号を遅延さえ、遅延させた受信信号から再拡散された信号を減じることにより、所望のユーザからの信号を抽出する。
【特許文献１】特開２００４−１０８８２６号公報
【特許文献２】特許第３４７６９８７号公報
【特許文献３】特開平９−２００１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
特許文献２および３は携帯電話の基地局受信機に用いられる技術であり、基地局がカバーする広域のエリアに対して携帯電話を使用しているユーザの相対的移動は小さい。このため、取り出したいユーザの受信信号や他のユーザの受信信号の振幅変動は小さい。つまり、閾値の評価基準である最大電力の変化は比較的小さい。
【００２３】
しかし、超音波測定装置では、反射体や自律移動体などの測定対象物の移動速度が超音波測定装置の計測範囲に対して大きいことから、環境によって伝播路のプロファイルが短時間に大きく変化する。このため、測定ごとに閾値を変化さる必要があり、また、その変動幅も大きい。特許文献２に開示された技術によれば、このような超音波測定装置に特有の問題に対して好適に対応することができない。
【００２４】
本発明は、このような従来技術の課題を解決し、超音波測定装置が複数存在する環境において、精度の高い計測を行うことのできる超音波測定装置および超音波測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の超音波測定方法は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ）と、第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、前記第１および第２の受信信号について、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成するステップ（Ｂ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求めるステップ（Ｃ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値をそれぞれ決定するステップ（Ｄ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号を生成するステップ（Ｅ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、前記第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｆ）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を得るステップ（Ｇ）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ）とを包含し、前記ステップ（Ｄ）は、前記干渉信号が除去された受信信号のＳ／Ｎ比が所定の値以上となる場合の閾値と前記振幅比との関係をあらかじめ求め、前記あらかじめ求めた関係に基づいて、前記振幅比に対し閾値を決定する。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｅ）は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記関係は、
ｙ＝１（０＜ｘ＜０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）である。
【００２７】
本発明の超音波測定方法は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ）と、第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、前記第１および第２の受信信号について、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成するステップ（Ｂ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求めるステップ（Ｃ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値をそれぞれ決定するステップ（Ｄ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号を生成するステップ（Ｅ）と、前記第１および第２の受信信号のそれぞれについて、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理した後、前記第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｆ）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号でそれぞれ逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号を得るステップ（Ｇ）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ）とを包含し、前記ステップ（Ｄ）は、少なくとも２つの受波器から得られた前記干渉信号が除去された受信信号の相関値が所定の値以上となる場合の閾値と前記振幅比との関係をあらかじめ求め、前記あらかじめ求めた関係に基づいて、前記振幅比に対し閾値を決定する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｅ）は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記関係は、
【数１】
2009044528.tif 000034
である。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる。
【００３１】
本発明の超音波測定装置は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の受波器と、第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の逆拡散部と、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める第１および第２の振幅比算出部と、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する第１および第２の閾値決定部と、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する第１および第２の抽出部と、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する第１および第２の拡散部と、前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記第１および第２の受信信号からそれぞれ除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の干渉信号除去部と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の再逆拡散部と、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の前記受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出する距離方位算出部とを備え、前記第１および第２の閾値決定部のそれぞれは、記憶部を含み、あらかじめ求められた前記干渉信号が除去された第１または第２の受信信号のＳ／Ｎ比が所定値以上となる場合の閾値と対応する前記振幅比とが前記記憶部に記憶されており、前記振幅比を第１および第２の振幅比算出部から受けとり、前記記憶部に記憶された前記振幅比に対応する閾値を出力する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の抽出部は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記記憶部に記憶された前記振幅比および閾値は、
ｙ＝１（０＜ｘ＜０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）
の関係を満たしている。
【００３３】
本発明の超音波測定装置は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の受波器と、第１および第２の受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の逆拡散部と、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める第１および第２の振幅比算出部と、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する第１および第２の閾値決定部と、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する第１および第２の抽出部と、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する第１および第２の拡散部と、前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記第１および第２の受信信号からそれぞれ除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する第１および第２の干渉信号除去部と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号をそれぞれ生成する第１および第２の再逆拡散部と、前記干渉信号が除去された第１および第２の逆拡散信号の第１および第２の前記受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出する距離方位算出部とを備え、前記第１および第２の閾値決定部はそれぞれ記憶部を含み、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の相関値が所定の値以上となる場合の閾値と対応する前記振幅比とが前記記憶部に記憶されており、前記振幅比を第１および第２の振幅比算出部から受けとり、前記記憶部に記憶された前記振幅比に対応する閾値を出力する。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の抽出部は、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号の正規化された振幅情報に基づいて、前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出し、前記振幅比および閾値をそれぞれｘおよびｙとしたとき、前記記憶部に記憶された前記振幅比および閾値は、
【数２】
2009044528.tif 000035
の関係を満たしている。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる。
【００３７】
本発明の超音波測定装置は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、受信信号を生成する受波器と、前記受信信号を、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号および少なくとも１つの前記複数の超音波から選択されなかった非選択の超音波の拡散に用いられた対応する非選択符号でそれぞれ逆拡散処理することにより、選択逆拡散信号および少なくとも１つの非選択逆拡散信号をそれぞれ生成する逆拡散部と、前記選択逆拡散信号と前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号との振幅比をそれぞれ求める振幅比算出部と、前記振幅比に基づいて、前記少なくとも１つの閾値を決定する閾値決定部と、前記閾値を用いて、前記少なくとも１つの非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、少なくとも１つの干渉信号をそれぞれ生成する抽出部と、前記少なくとも１つの干渉信号を対応する非選択符号でそれぞれ拡散処理する拡散部と、前記少なくとも１つの拡散された干渉信号を前記受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された受信信号をそれぞれ生成する干渉信号除去部と、前記干渉信号が除去された受信信号を前記選択符号で逆拡散することにより、前記干渉信号が除去された逆拡散信号を生成する再逆拡散部と、記干渉信号が除去された逆拡散信号の受波器への到達時間から、前記選択された超音波の伝播距離を算出する距離方位算出部を備える。
【発明の効果】
【００３８】
このように本発明によれば、干渉信号を除去した受信信号のＳ／Ｎ比が良好になるように干渉信号を生成する際に抽出に用いる閾値を変化させる。この閾値は、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号を用いて受信信号を逆拡散した選択逆拡散信号と、選択しなかった非選択の超音波の拡散に用いられた比選択符号を用いて受信信号を逆拡散した非選択逆拡散信号との振幅比から決定される。振幅比に応じて閾値を決定することにより、非選択逆拡散信号に含まれるノイズの影響を適切に評価することができ、ノイズの影響が少ない正確な干渉信号を再現することができる。したがって、本発明によれば、最適な干渉除去を行うことができ、対象物までの距離や方位を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、図面を参照しながら本発明の超音波測定装置および超音波測定方法の実施形態を説明する。本発明の超音波測定装置は、複数の超音波から、所望の選択された超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する。図１は、本発明の超音波測定装置が使用される環境を模式的に示しており、超音波測定装置が複数存在している。
【００４０】
超音波測定装置Ｓ１は、伝播経路３を通り物体２に向けて超音波を送信し、物体２において反射する反射波を受信することにより、伝播経路３の長さあるいは、物体２と超音波測定装置Ｓ１との距離を計測する。また、超音波測定装置Ｓ１から見た物体２の方位を求めることも可能である。
【００４１】
超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３は、超音波を送受信することにより、それぞれ距離や方位を計測している。超音波測定装置Ｓ２が送信する超音波は、伝播経路４を通って超音波測定装置Ｓ１に到達している。一方、超音波測定装置Ｓ３から送信される超音波は、超音波測定装置Ｓ１へは到達しない。
【００４２】
超音波測定装置Ｓ１、超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３は、それぞれ独立して動作しており、お互いに他の超音波測定装置の動作に関する情報は送受信していない。
【００４３】
以下、本実施形態として、超音波測定装置Ｓ１を説明する。なお、本実施形態では、超音波測定装置Ｓ１は超音波を送信するための送波器および送波器を駆動する駆動部を備えているが、超音波測定装置Ｓ１は、送波器および駆動部を備えておらず、超音波測定装置Ｓ１とは独立した超音波送波装置から送信される超音波を受信することによって、超音波送波装置と超音波測定装置Ｓ１との距離を測定したり、超音波送波装置の方位を測定したりしてもよい。また、発明が理解しやすいように３つの超音波測定装置が動作している環境を説明するが、本発明はより多くの超音波測定装置が動作している環境において、好適に他の超音波測定装置からの影響を低減し、正確な距離や方位の測定を行うことができる。
【００４４】
図１に示す超音波測定装置Ｓ１〜Ｓ３が送信する超音波は、互いに異なるＭ系列符号によって符号化され、スペクトラム拡散されている。符号化のための変調方式には、たとえば、拡散符号の「１」を１００ｋＨｚ以下の正弦波に対応させ、拡散符号の「０」を１８０度位相が反転した１００ｋＨｚ以下の正弦波に対応させる２相位相シフト変調を用いる。なお、この１００ｋＨｚ以下の正弦波のことを搬送波と呼ぶ。
【００４５】
拡散符号の単一の符号内に存在する正弦波の波数は、用いる送波器および受波器の帯域に応じて決定することが好ましい。帯域が狭い場合には波数を多くし、逆の場合には少なくする。波数が少ないほうが、スペクトラム拡散の拡散率が高くなるので、耐雑音性は向上する。Ｍ系列の次数（Ｍ系列の長さ）は大きいほど、他のＭ系列との相関が低くなる。したがって、Ｍ系列の次数は、大きいほど干渉雑音が少ないため好ましい。しかし次数が大きくなるにつれて、送信する超音波は長くなり、環境における変化の影響を受け易くなる。
【００４６】
これらの点を考慮して、たとえば超音波測定器が最大で４台存在する環境においては、７次のＭ系列を使用し、最大で１０台存在する環境においては、たとえば、９次のＭ系列を使用する。このように、同じ環境に存在する超音波測定装置の台数によってＭ系列の長さを変更することが好ましい。たとえば、搬送波の周波数が４０ｋＨｚであり、単一の符号内に存在する正弦波の波数を１とした場合、７次のＭ系列を用いると、送信する超音波の長さは、約３ｍｓ程度になる。
【００４７】
図２は、２相位相シフト変調方式を説明する図である。たとえば「１、０、１、１」で表される拡散符号６を用いて正弦波の搬送波を２相位相シフト変調方式によって拡散した場合、波形７のランダム波が得られる。波形７では、符号「０」と符号「１」との境界において、位相が反転している。
【００４８】
図３は、Ｍ系列の拡散符号を用い、２相位相シフト変調方式によって拡散された信号の一例である波形８を示している。波形８を同じ拡散符号で逆拡散すると、波形９が得られる。拡散で用いた符号と逆拡散で用いた符号とが異なれば、このように波形が現れることがない。したがって、図１の超音波測定装置Ｓ１、超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３は、それぞれ異なる拡散符合で送信する超音波を拡散し、受信時に自分の拡散符号で逆拡散することで、自分が送信した波形のみを抽出することができる。
【００４９】
図４は、別の符号で拡散された信号が干渉している信号の波形１０を示している。干渉している信号の符号ではない、正しい拡散符号によって、波形１０を逆拡散することによって、波形１１が得られる。図３の波形９と比べて、雑音部分と抽出した信号の振幅比（振幅の相対的な大きさ）が小さくなっていることが分かる。この振幅比は、干渉している信号数が多くなるにつれて小さくなる。
【００５０】
これは、拡散符号が完全にはランダムではないため、異なる符号間でも多少の相互相関あり、相関値に応じて干渉している信号の振幅成分が重畳するからである。図４の波形１０では、干渉する信号の振幅が、自信号の振幅とほぼ同じである場合を示しているが、干渉する信号の振幅が自信号の振幅値よりも大きくなると、雑音部分の振幅はさらに大きくなり、所望の信号を抽出することが困難となる。
【００５１】
図１に示された環境の場合、超音波測定装置Ｓ１が物体２までの距離や方位の測定に用いる超音波は、伝播経路３を通って物体２によって反射し、再び伝播経路３を通って超音波測定装置Ｓ１に戻る。これに対して、超音波測定装置Ｓ２から伝播経路４を通る超音波は、物体２などに反射せず、超音波測定装置Ｓ１に直接到達する。このため、超音波測定装置Ｓ２から超音波測定装置Ｓ１に到達する超音波は、超音波測定装置Ｓ１が送信し、物体２から反射する超音波よりもエネルギーが大きい。つまり、超音波測定装置Ｓ１では、自信号よりも干渉信号のほうが大きく、干渉信号を除去しないと、自信号の伝播時間を正確に測定することは困難となる。
【００５２】
本発明の超音波測定装置は、干渉する信号を除去することによって、干渉による影響のない受信信号を生成し、得られた受信信号を用いて、超音波の伝播時間を正確に測定することによって、正確な距離あるいは方位の測定を行うことができる。ただし、超音波測定装置Ｓ１〜Ｓ３が、たとえば自走するロボットのような移動体に搭載されている場合、超音波測定装置Ｓ１〜Ｓ３の位置は常に変化する。このため、他の超音波測定装置から到達する超音波の方向や強度も大きく変化し、干渉する信号の強度も大きく変化する。したがって、本発明の超音波測定装置は、所望の超音波による信号と干渉する超音波による信号との強度比に基づいて干渉信号を正確に再現する。
【００５３】
図５は、本発明による超音波測定装置Ｓ１の基本構成を示すブロック図である。超音波測定装置は、送波器１２、第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）、送信部１４、演算部１５、第１の受信部１７（１）、第２の受信部（２）、窓設定部１８、干渉除去器２０および距離方位算出部２１を備えている。干渉除去器２０など、超音波測定装置を構成する各構成要素あるいはその構成要素の果たす機能の一部は、ソフトウエアによって実現してもよい。
【００５４】
本実施形態では、超音波を第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）で受信し、それぞれの受信器で受信した超音波の伝播時間を求める。伝播時間の差から超音波が伝播してきた方位を算出する。以下、第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）をまとめて参照する場合には、受波器１３と呼ぶこともある。
【００５５】
超音波測定装置の最大測定距離（測定限界）を５ｍ〜１０ｍと設定した場合、最大測定距離と大気中における超音波の減衰特性とを考慮することにより、使用する超音波の周波数を決定することができる。超音波の周波数が高ければ波長が短くなるので、伝播時間測定における時間分解能は向上する。しかし、周波数が高いと、大気中での超音波の減衰も大きくなる。送波器１２および受波器１３の駆動も考慮し、例えば最大測定距離５ｍに設定する場合、１００ｋＨｚ以下の超音波が適している。本実施形態では、４０ｋＨｚの超音波を計測に用いる。
【００５６】
送波器１２および受波器１３には圧電セラミックのたわみ振動子を用いた超音波振動子、あるいは、ＰＶＤＦ圧電高分子膜を振動子とした送波器および受波器などを用いることができる。第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）は、距離Ｌを隔てて隣接して配置されている。最大測定距離５ｍである場合、距離Ｌは超音波の波長以下（４０ｋＨｚの場合８．５ｍｍ）であることが好ましい。第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）として同じ規格の超音波振動子等を用いる限り、受波器の特性のばらつきは、計測精度にほとんど影響を与えない。
【００５７】
演算部１５はマイコンなどによって構成され、駆動信号を生成し、また、干渉除去器２０、窓設定部１８および距離方位算出部２１を制御する。演算部１５で生成する駆動信号の一例を図６において、波形７で示す。演算部１５で生成する駆動信号は、Ｍ系列の拡散符号６により拡散処理されたランダム波７の振幅の頂点で送信器１２を駆動する。演算部１０で作成された駆動信号のサンプリング周期は、搬送波の周波数の４倍とする。演算部１０から出力された駆動信号は、送信部１４で増幅され送信器１２を駆動する。これにより超音波が送信される。
【００５８】
第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）は、物体２において反射した超音波をそれぞれ受信し、受信した超音波を電気的な受信信号に変換する。第１の受信部１７（１）、第２の受信部１７（２）は、それぞれ受信信号を増幅し、Ａ−Ｄ変換する。Ａ−Ｄ変換のサンプリング周波数は、搬送波の周波数の４倍以上であることが好ましい。
【００５９】
演算部１５は、第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）によってそれぞれ受信され、デジタルデータに変換された受信信号から、送信開始時刻より一定時間経過した後の一定時間分を切り出し、切り出された受信信号のデータが干渉除去器２０へ出力される。ここで、一定時間分とは、送信し超音波が第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）へ最も早く超音波が到達する時刻をＴ１とし、最も遅く超音波が到達する時刻をＴ２とした場合、Ｔ２−Ｔ１である。受信信号データを切り出すための時間の設定は、超音波測定装置の計測可能な測定距離および、計測に用いる超音波の長さに基づいて設定される。
【００６０】
例えば測定範囲が１ｍ〜５ｍである場合、超音波は測定範囲内にある物体と超音波測定装置との間を往復するため、伝播距離は２ｍ〜１０ｍとなる。超音波の空気中での音速は約３４０ｍ／ｓｅｃであるので、２ｍおよび１０ｍを伝播時間に換算すると、それぞれ約６ｍｓｅｃおよび約３０ｍｓｅｃとなる。また、７次のＭ系列の信号の長さは、搬送波の周波数を４０ｋＨｚとし、単一の符号内に存在する正弦波の波数を３とすると、約９．５ｍｓｅｃである。したがって、最も早く超音波が到達する時刻Ｔ１は、６ｍｓであり、最も遅く超音波が到達する時刻Ｔ２は、３９．５ｍｓｅｃとなる。したがって、窓設定部１６は、超音波の送信を開始した時刻をゼロとして、時刻Ｔ１＝６ｍｓから時刻Ｔ２＝３９．５ｍｓまでの期間を含むように受信データを切り出す窓を設定する。
【００６１】
図７は、第１の受波器１３（１）に受信され、切り出された受信データ１９の波形を示している。同様の波形のデータが第２の受波器１３（２）からも得られる。これらのデータは干渉除去器２０へ入力される。
【００６２】
図５に示すように、干渉除去器２０は、第１の干渉除去部２０（１）および第２の干渉除去部２０（２）を含む。第１の干渉除去部２０（１）および第２の干渉除去部２０（２）は、第１の受波器１３（１）、第２の受波器１３（２）によってそれぞれ受信され、切り出された受信信号から除去すべき干渉信号を生成し、受信信号から干渉信号を除去する。本実施形態では図１に示すように超音波測定装置Ｓ２からの超音波を最適に取り除く干渉除去処理を行う。干渉除去器２０の動作は以下において詳しく説明する。
【００６３】
干渉除去処理が施された２つの受信信号は距離方位算出器２１に入力される。距離方位算出器２１は、干渉除去処理が施された２つの受信信号、つまり、送信器１２から送信され、物体２において反射した超音波のみが第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）により受信され、生成した受信信号の到達時刻を求め、到達時刻の差および送信開始からの経過時間を求めることにより、物体２との距離と方位が算出される。受信信号から波形の時間的位置を直接求めてもよいし、２つの受信信号を振幅情報に変換し、振幅情報のピーク値の時間的位置を求めてもよい。たとえば、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．４３，  Ｎｏ．５Ｂ，２００４，  ｐｐ．３１６９−３１７５に記載される方法によって求めることができる。
【００６４】
また、十分に遠い音源からの超音波を二つの超音波受波器で検出した時間差をΔＴ、超音波の音速をｖとすると、二つの超音波受波器間の距離Ｌを用いて、物体２の方向を示す角度θは、次式より求められる。
【数３】
2009044528.tif 000036
【００６５】
また、干渉信号が除去された２つの受信信号の位相差より方位を求めてもよい。超音波の搬送波の周波数が４０ｋＨｚである場合、１波長が２５μｓ（＝１／４０ｋＨｚ）となる。この１波長分の位相２πが２５μｓに相当することから、位相差を時間差に換算することができ、式（１）を用いることにより、さらに方位を求めることができる。
【００６６】
次に干渉除去器２０の構成および動作を説明する。図８は、干渉除去器２０に含まれる第１の干渉除去部２０（１）および２０（２）の基本的な構成を示すブロック図である。第１の干渉除去部２０（１）および２０（２）のそれぞれは、逆拡散部２２（１）〜２２（３）、復調部２３（１）〜２３（３）、振幅比算出部２５（１）〜２５（３）、抽出部２７（１）、２７（２）、閾値ＬＵＴ（ルックアップテーブル）２６、拡散部２８（１）、２８（２）、干渉信号除去部２９、遅延部３０および再逆拡散部３１を含む。閾値ＬＵＴ２６は、メモリなどの記憶部に記憶された値である。
【００６７】
本実施形態では、図１に示すように、超音波測定装置Ｓ１のほかに除去すべき超音波を送信する超音波測定装置Ｓ２およびＳ３が存在する。つまり３つの異なる拡散符号で拡散された超音波を取り扱う。このため、第１の干渉除去部２０（１）および２０（２）には、それぞれ３つの逆拡散部２２（１）〜２２（３）、復調部２３（１）〜２３（３）、振幅比算出部２５（１）〜２５（３）が設けられている。また、３つの異なる拡散符号で拡散された超音波のうち２つによる受信信号は干渉信号として除去すべきであるので、２つの抽出部２７（１）、２７（２）および拡散部２８（１）、２８（２）が設けられている。これらの構成要素は、測定環境中における、異なる符号で拡散された超音波の数に応じて設けられる。本願明細書では、第１の干渉除去部２０（１）の逆拡散部２２（１）〜２２（３）、復調部２３（１）〜２３（３）、振幅比算出部２５（１）〜２５（３）、抽出部２７（１）、２７（２）、拡散部２８（１）、２８（２）、干渉信号除去部２９および再逆拡散部３１を、それぞれ、第１の逆拡散部２２、第１の復調部２３、第１の振幅比算出部２５、第１の抽出部２７、第１の拡散部２８、第１の干渉信号除去部２９および第１の再逆拡散部３１と呼ぶ場合がある。同様に、第２の干渉除去部２０（２）の逆拡散部２２（１）〜２２（３）、復調部２３（１）〜２３（３）、振幅比算出部２５（１）〜２５（３）、抽出部２７（１）、２７（２）、拡散部２８（１）、２８（２）、干渉信号除去部２９および再逆拡散部３１を、それぞれ、第２の逆拡散部２２、第２の復調部２３、第２の振幅比算出部２５、第２の抽出部２７、第２の拡散部２８第２の干渉信号除去部２９および第２の再逆拡散部３１と呼ぶ場合がある。
【００６８】
図９は、干渉除去器２０を中心とした超音波測定装置の動作を説明するフローチャートである。以下、図１、図５、図８および図９を参照しながら、順に超音波測定装置の動作を説明する。なお、以下の説明では、第１の受波器１３（１）で受信される超音波を説明するが、第１の受波器１３（１）および第２の受波器１３（２）によって受信される受信信号は、まったく同様の手順で処理される。
【００６９】
また、図１に示すように、本実施形態では、超音波測定装置Ｓ１が送信する超音波が物体２までの距離を測定するための所望の超音波である。以下、Ｓ１が送信する超音波を「選択された超音波」と呼び、選択された超音波に関する符号や逆拡散信号などを「選択符号」、「選択拡散符号」などと呼ぶ場合がある。また、所望の超音波以外の超音波を「非選択の超音波」、「非選択符号」「非選択拡散信号」などと呼ぶ場合がある。
【００７０】
（ステップＳ４１）
ステップＳ４１はステップＡに対応する。まず、第１の受波器１３（１）によって超音波を受信し、第１の受信部１７（１）により第１の受信信号をデジタル信号に変換する。
【００７１】
（ステップＳ４２）
ステップＳ４２はステップＢに対応する。上述したように、窓設定部１８により、第１の受信信号から検出すべき超音波による信号が含まれている範囲のデータを切り出し、拡散除去器２０の第１の拡散除去部２０（１）へ入力する。
【００７２】
（ステップＳ４３）
ステップＳ４３はステップＢに対応する。切り出された第１の受信信号は、第１の拡散除去部２０（１）の逆拡散部２２（１）〜２２（３）により、すべての符号で逆拡散処理される。逆拡散部２２（１）は超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号、つまり、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号で逆拡散処理し、選択逆拡散信号を生成する。逆拡散部２２（２）および２２（３）は、それぞれ超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り振られた拡散符号、つまり非選択の超音波の拡散に用いられた非選択符号で逆拡散処理し、非選択逆拡散信号を生成する。
【００７３】
図１０は、これらの逆拡散信号の一例であり、超音波測定装置Ｓ１、Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号６１、６２、および６３を示している。
【００７４】
逆拡散信号６１および６２には、それぞれ１００ｋＨｚ以下の正弦波６４、６５が含まれるが、逆拡散信号６３には正弦波は含まれていない。これは、超音波測定装置Ｓ１が、超音波測定装置Ｓ１および超音波測定装置Ｓ２から送信された超音波を受信し、超音波測定装置Ｓ３から送信された超音波は受信していないことを示している。また、正弦波６４および６５は、それぞれ伝播経路３および４（図１）による固有の影響を受けるため、送信直後の波形とは異なっている。つまり、この正弦波６４および６５は伝播経路の特性を反映している。さらに正弦波６５は正弦波６４よりも早い時刻に到達している。しかし、逆拡散信号６１には正弦波６５は含まれていないように見える。これは、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号を用いて逆拡散することにより得られる逆拡散信号６１では、他の拡散符号で拡散された超音波はノイズ程度の影響しか与えないからである。しかし、他の拡散符号で拡散された超音波の数が増えると上述したように相互相関に起因したピークが現れるようになる。このため、他の拡散符号で拡散された超音波による信号を干渉信号として除去する。
【００７５】
（ステップＳ４４）
ステップＳ４４はステップＣに対応する。第１の逆拡散部２２によって得られた逆拡散信号を、図８に示す第１の復調部２３において、振幅情報に変換する。図１１は、得られた逆拡散信号の波形の振幅情報を示している。波形６６、６７および６８は、それぞれ超音波測定装置Ｓ１、Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号の振幅情報である。
【００７６】
（ステップＳ４５、Ｓ４６）
ステップＳ４５、Ｓ４６はステップＣに対応する。第１の振幅比算出部２５の振幅比算出部２５（１）は、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり選択逆拡散信号の振幅情報６６より、最大ピーク値６９と、Ｓ／Ｎ比７０を求める。そして、Ｓ／Ｎ比７０から、窓設定部１８によって切り出された受信データ１９（図７）の中に、超音波測定装置Ｓ１から送信された超音波、つまり選択された超音波による信号が含まれているかどうかを判断する。Ｓ／Ｎ比７０が所定の値よりも小さければ、超音波測定装置Ｓ１から送信された超音波が含まれていないか、超音波測定装置Ｓ１から送信された超音波は含まれているが他の超音波の強度が強すぎ、正しく超音波測定装置Ｓ１から送信された超音波を検出できないと考えられる。したがって、この場合は、その後の処理を中止する。
【００７７】
（ステップＳ４７）
ステップＳ４７はステップＣに対応する。選択逆拡散信号のＳ／Ｎ比が所定の値より大きい場合、第１の振幅比算出部２５の振幅比算出部２５（２）および２５（３）は、超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散信号の振幅情報６７および６８から最大ピーク値を求め、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との最大ピークの振幅比をそれぞれ求める。
【００７８】
（ステップＳ４９）
ステップＳ４９はステップＤに対応する。振幅比算出部２５（２）および２５（３）は、求めた振幅比から、超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散信号に含まれるノイズを除去するための閾値をそれぞれ決定する。これは閾値ＬＵＴ２６を参照することにより行われる。閾値ＬＵＴ２６には、干渉信号が除去された受信信号のＳ／Ｎ比が所定の値以上となる場合の閾値と振幅比との関係があらかじめ求められ記憶されている。閾値ＬＵＴ２６の求め方については、以下において詳細に説明する。
【００７９】
（ステップＳ５０）
ステップＳ５０は、ステップＥに対応する。抽出部２７は、決定した閾値を用いて、超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出する。具体的には、抽出部２７は、非選択逆拡散信号において、閾値以上の波形が存在する時間帯を「１」とし、その他の時間を「０」とするパルス波形を生成し、図１０に示す各逆拡散信号と掛け合わせることによって、非選択逆拡散信号からノイズを除去する。これにより超音波測定装置Ｓ２およびＳ３から送信された超音波に対応する干渉信号が生成する。図１２は、超音波測定装置Ｓ２およびＳ３に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散信号の振幅情報６７および６８に設定された閾値７１、および７２を示している。図１２に示すように振幅情報６７には強いピークが見られるため、ピークに対してノイズレベルを除去するような閾値７１が設定される。これに対し、振幅情報６８には強いピークはなく、ノイズ成分のみを含んでいる。したがって、ノイズ成分全体が除去されるように閾値７２が設定される。
【００８０】
図１３は、抽出された干渉信号の波形７３、７４を示している。波形７３には超音波測定装置Ｓ２が送信した超音波に対応する信号波形が含まれており、ノイズ成分は完全に除去されている。波形７４には超音波測定装置Ｓ３が送信した超音波に対応する信号波形もノイズ成分も含まれていない。
【００８１】
（ステップＳ５１）
ステップＳ５１はステップＦに対応する。第１の拡散部２８は生成した干渉信号を対応する非選択符号で拡散処理する。具体的には、拡散部２８（１）は超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた拡散符号で、波形７３の干渉信号を拡散処理する。同様に拡散部２８（２）は、超音波測定装置Ｓ３に割り当てられた拡散符号で、波形７４の干渉信号を拡散処理する。
【００８２】
（ステップＳ５２）
ステップＳ５２はステップＦに対応する。加算器２９は、第１の受信信号から非選択符号で拡散処理された干渉信号を減算する。このとき、第１の受信信号は、拡散処理された干渉信号の生成のタイミングと同期させるため、遅延部３０においてタイミングが調整され、加算器２９に入力される。これにより、干渉信号が除去された第１の受信信号が得られる。
【００８３】
（ステップＳ５３）
ステップＳ５３はステップＧに対応する。再逆拡散部３１は、干渉信号が除去された第１の受信信号を選択符号で逆拡散する。つまり、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号で干渉信号が除去された第１の受信信号を選択符号で逆拡散し、第１の逆拡散信号を得る。図１４は、再逆拡散部３１から得られる第１の逆拡散信号の波形７５を示している。干渉信号を除去することなく、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号で受信信号を逆拡散することにより得られた図１０の波形６１に比べて、Ｓ／Ｎ比が向上している。
【００８４】
（ステップＳ５４）
ステップＳ５４はステップＨに対応する。ステップＳ４１からＳ５３の手順で第１の受信器１３（１）および第２の受信器１３（２）から得られた受信信号を処理し、第１のおよび第２の逆拡散信号を得た後、距離方位算出部２１は、第１および第２の逆拡散信号の第１の受信器１３（１）および第２の受信器１３（２）への到達時間をそれぞれ算出する。これにより、上述したように伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも１つを算出する。
【００８５】
次に閾値ＬＵＴ２６の求め方を説明する。超音波は、空中を伝播することで減衰する。減衰率は周波数によって異なり、周波数が高いほど減衰率は大きい。よって、伝播路が長いほど、高い周波数成分が先に減少していくことになる。図３のように拡散された信号では、符号「１」、「０」がそれぞれ「０」、「１」に変化する部分が高い周波数成分によって構成されている。伝播路が長いほど、この符号が変化する部分があいまいになっていく。これによって雑音は大きくなっていく。
【００８６】
また、干渉している信号のエネルギーは、それぞれの伝播経路によって異なる。さらに空気のゆらぎによって、超音波は時間的にも変化の影響をうけている（フェージング）。これらのことから、干渉している信号に重畳しているノイズ成分を除去するための閾値を一義的に決めることはできない。
【００８７】
本実施形態では、干渉除去器２０で除去する信号は、他の超音波測定装置（ここでは超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３）からどこにも反射せず、自超音波測定装置（ここでは超音波測定装置Ｓ１）に直接伝播してきた超音波（直接音）によるもののみとする。
【００８８】
対象物までの相対距離や相対方位を測定するためには、対象物において反射した超音波を検出する必要がある。しかし、反射波は対象物における反射によって拡散するため、反射波のエネルギーは、他の超音波測定装置から直接伝播する超音波と比較して非常に小さい。
【００８９】
一方、反射せずに直接伝播する超音波は、大きなエネルギーを有するため、伝播経路による波形の変形が小さい。さらに空気のゆらぎによる時間的な変化の影響も少ない。このため、超音波の逆拡散に用いた次数が既知であれば、理想的な自己相関値、つまり、信号が干渉していない場合のピーク値と雑音の比、および、干渉があった場合の相互相関値が予測できる（図３および図４参照）。言い換えれば、図１１に示す逆拡散された波形の振幅情報があれば、その波形のＳ／Ｎ比が予測でき、したがって、ノイズを除去する閾値が容易に推定できる。
【００９０】
本実施例では、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との振幅比およびその振幅比における最適な閾値を閾値ＬＵＴ２６としてあらかじめ用意し、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との振幅比からルックアップテーブルを参照して閾値を決定する。
【００９１】
図１５は、超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、直接超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比、つまり、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号の振幅比と非選択逆拡散信号に含まれるノイズを除去するために最適な閾値との関係を示している。この関係は、シミュレーションおよび実験によって求める。
【００９２】
図１５において、振幅比を横軸にとり、閾値を縦軸にとっている。閾値は、正規化された非選択逆拡散信号の振幅情報に対して適用するように決定されている。したがって、閾値の最大値は１であり、この場合、すべての信号を除去する。また、図１５において、濃淡は、干渉除去処理を行ったあとの信号のＳ／Ｎ比を表している。濃淡が濃いほど、Ｓ／Ｎ比が高い。図１５から分かるように、振幅比を決定すれば、最もＳ／Ｎ比が高い閾値を選ぶことができる。図１５において、曲線３２は、最もＳ／Ｎ比が高くなる振幅比と閾値と関係を示している。また、領域３３は、Ｓ／Ｎ比が約１８ｄＢ以上となる振幅比と閾値と範囲を示している。
【００９３】
したがって、図１５の最もＳ／Ｎ比が高くなる振幅比と閾値と関係を示す曲線３２上の振幅比と閾値とを閾値ＬＵＴ２６の値とすれば、最も適切に干渉信号を除去できる。あるいは、領域３３を満たす振幅比と閾値とを閾値ＬＵＴ２６の値としてもよい。さらに、閾値ＬＵＴ２６から閾値を１つ決めるのではなく、ある範囲たとえば領域３３から複数の閾値を選択し、それぞれの閾値を用いて生成した干渉信号を除去した受信信号のＳ／Ｎ比を比較し、最もＳ／Ｎが一番高いものを干渉信号が除去された受信信号としてもよい。図１５によれば、最適閾値を示す曲線３２より少しでも低い値閾値を選択すると、Ｓ／Ｎ比は極端に悪くなる（濃淡が薄い）ことがわかる。しかし、最適閾値を示す曲線３２より少し高めの閾値、つまり、領域３３内ではＳ／Ｎ比の極端な変化がない。
【００９４】
例えば、超音波測定装置Ｓ１から送信され、物体２に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比が０．４だった場合、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号を取り除くために、超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号の振幅情報を正規化した信号における閾値は、０．４１が最適である。
【００９５】
次に、シミュレーションおよび実験にて求められた閾値ＬＵＴ２６が、なぜこのような結果を示すのかを説明する。図１６（ａ）および（ｂ）は、超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた拡散符号で逆拡散された波形６２の振幅情報６７と閾値ＬＵＴ２６の関係を示している。超音波測定装置Ｓ１から送信され、物体２に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比が１６（ｂ）における直線３４に相当するとする。
【００９６】
振幅情報６７を閾値でスライスした場合の時間幅３５は、閾値を１から小さくしていくと、最初は急激に拡がるが、その後ゆるやかになることがわかる。時間幅３５が急激にひろがる閾値の範囲を範囲３６とし、ゆるやかになる閾値の範囲を範囲３７とする。閾値の範囲３６の中で閾値を変化させると、抽出される超音波測定装置Ｓ２からの信号の幅が変化する。時間幅３５が広いほうがそれだけ超音波測定装置Ｓ２からの信号を抽出できるので、除去率が向上し、干渉除去処理後のＳ／Ｎ比が高くなる。これが図１６（ｂ）における直線３４上の範囲３６に相当する。
【００９７】
図１６（ａ）の範囲３７の中で閾値を変化させると、抽出される超音波測定装置Ｓ２からの信号の幅はほとんど変化しない。よって、除去率もほとんど変化せず、干渉除去処理後のＳ／Ｎ比もほとんど変化しない。これが図１６（ｂ）の直線３４上の範囲３７に相当する。
【００９８】
図１６（ａ）の範囲３７より下の範囲３８に閾値を設定した場合、超音波測定装置Ｓ２からの信号以外の雑音も同時に抽出してしまうことになる。よって干渉除去処理後のＳ／Ｎ比は悪化する。これが図１６（ｂ）の直線３４上の範囲３８に相当する。範囲３８はノイズフロアの領域である。
【００９９】
よって、範囲３８は、超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比に、基本的には比例する。しかし超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号に対して、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅が十分に大きい場合には、超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号の大きさに依存しない雑音が支配的になるため、範囲３８はほぼ固定された広さになる。これが図１６（ｂ）の振幅比領域３９に相当する。
【０１００】
超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比が図１６（ｂ）の振幅比領域４０は、超音波測定装置Ｓ２に割り振られた拡散符号で逆拡散された波形の振幅情報は雑音にまぎれてしまう範囲であり、少しの閾値の変化で急激に干渉除去処理後のＳ／Ｎ比が変化する。干渉除去処理後のＳ／Ｎ比が急激に変化するというのは、閾値を０から１まで変化させたときの、干渉除去処理後のＳ／Ｎ比の変化を１００％としたときの変化であって、実際にはそれほど変化しない。なぜならもともと超音波測定装置Ｓ２からの信号が小さいからである。
【０１０１】
つまり、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号が所望信号に比べて十分に小さい場合には、干渉除去をしてもしなくても結果はほとんどかわらない。
【０１０２】
以上のことから、閾値ＬＵＴ２６を簡略化するために、図１７に示すように直線４１に固定してもよい。超音波測定装置Ｓ１から送信され、壁に反射した信号を受信した受信信号と、超音波測定装置Ｓ２から送信され、超音波測定装置Ｓ１にて受信した受信信号の振幅比が振幅比領域３９の値では固定の閾値で抽出処理を行い、振幅比領域４０では干渉除去自体を行わない。それ以外の振幅比領域では直線近似から閾値を求める。例えば、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号との振幅の比（［非選択逆拡散信号］／［選択逆拡散信号］）をｘとし、閾値をｙとした場合、以下の式（２）を満たすように閾値ＬＵＴ２６の振幅比と閾値を定めることができる。
ｙ＝１（０＜ｘ≦０．３）
ｙ＝−ｘ／３＋０．６（０．３＜ｘ≦１．２）
ｙ＝０．２（１．２＜ｘ）
・・・・・・（２）
【０１０３】
あるいは、図１７において斜線で示す領域内にある振幅比と閾値とを閾値ＬＵＴ２６としてもよい。斜線の領域は以下の不等式で定められる。
ｙ＝１（０＜ｘ≦０．３）
１＞ｙ≧０．４（０．３≦ｘ≦０．７）
ｙ≧−ｘ／３＋０．６かつｙ≦−ｘ／３＋０．８（０．７＜ｘ＜１．２）
０．２≦ｙ≦０．４（１．２≦ｘ）
・・・・・（３）
【０１０４】
図１８は、図１５の曲線３２の近似曲線の一例である曲線１０１を示している。曲線３２を４次の近似曲線で表した場合、最もＳ／Ｎ比が高くなる振幅比ｙと閾値ｘは以下の式（４）によって表される。
【数４】
2009044528.tif 000037
【０１０５】
図１９は、振幅比と閾値との最適な組み合わせの評価として、第１の受信器１３（１）および第２の受信器１３（２）で受信した第１および第２の受信信号を用い、干渉信号を除去した後の第１の受信信号および第２の受信信号の相関値を用いた結果を示している。図１９において、ハッチングで示す領域は、相関値が０．７以上となった振幅比および閾値の組み合わせを示している。Ｓ／Ｎ比が高ければ、干渉信号を除去した後の第１の受信信号および第２の受信信号の波形は、計測すべき超音波の到達時刻が異なることを除けば理想的には一致し高い相関値が得られる。したがって、Ｓ／Ｎ比の代わりに、相関値によって、最適な振幅比と閾値との関係を求めることができる。
【０１０６】
図１９に示すように、相関値が０．７以上となる領域は折れ線１０３と曲線１０２とによって挟まれる領域になる。具体的には、以下の不等式（５）によって規定される。
【数５】
2009044528.tif 000038
【０１０７】
このように本発明によれば、干渉信号を除去した受信信号のＳ／Ｎ比が良好になるように干渉信号を生成する際に抽出に用いる閾値を変化させる。この閾値は、選択された超音波の拡散に用いられた選択符号を用いて受信信号を逆拡散した選択逆拡散信号と、選択しなかった非選択の超音波の拡散に用いられた比選択符号を用いて受信信号を逆拡散した非選択逆拡散信号との振幅比から決定される。振幅比に応じて閾値を決定することにより、非選択逆拡散信号に含まれるノイズの影響を適切に評価することができ、ノイズの影響が少ない正確な干渉信号を再現することができる。したがって、本発明によれば、最適な干渉除去を行うことができ、対象物までの距離や方位を正確に測定することができる。
【０１０８】
また、干渉信号を除去した受信信号のＳ／Ｎ比が良好となる閾値と振幅比との関係をあらかじめ求めておき、求めた関係あるいは求めた関係を満たす閾値と振幅比との組み合わせに基づいて、振幅比から閾値を決定することにより、計測中に最適な閾値を短時間で決定することができる。
【０１０９】
（実験例）
本実施形態の構成によって、干渉信号がどのように除去できるかを実験した結果を示す。
【０１１０】
図２０（ａ）は、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で拡散した超音波の波形を示しており、図２０（ｂ）は、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で拡散した超音波と超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた符号で拡散した超音波とを合わせた超音波の波形を示している。
【０１１１】
また、図２０（ｃ）は、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で拡散した超音波と超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた符号で拡散した超音波とを合わせた超音波（図２０（ｂ）に示す波形の超音波）を超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で逆拡散することにより、超音波測定装置Ｓ２の超音波を干渉波として除去した波形を示している。図２０（ｄ）は、本実施形態の装置を用いて、超音波測定装置Ｓ２の超音波を干渉波として除去した波形を示している。
【０１１２】
図２１（ａ）、図２１（ｂ）、図２１（ｃ）は、それぞれ図２０（ａ）、図２０（ｃ）、図２０（ｄ）に示す波形の信号を超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた符号で逆拡散し、得られた信号の一部を切り出すことによって得られた波形をそれぞれ示している。
【０１１３】
図２１（ａ）から明らかなように、干渉する超音波がない場合、逆拡散によってＳＮ比の高い波形が得られる。
【０１１４】
これに対し、図２１（ｂ）および図２１（ｃ）に示すように干渉する超音波が存在する場合、逆拡散によって得られる波形のＳＮ比は低下する。しかし、図２１（ｂ）におけるＰ部分と図２１（ｃ）におけるＱ部分を比較すれば明らかなように、ｔ＝０．３ミリ秒付近以外のノイズの振幅は、本実施形態によるほうが小さくなっており、ＳＮ比が向上していることが分かる。
【０１１５】
なお、本発明の超音波測定装置および超音波測定方法で用いる干渉信号の除去方法は、超音波を用いた距離、方位計測以外にも好適に用いることができる。具体的には、超音波を搬送波として、情報を伝達する室内音源定位、超音波タグなどに本発明で用いた干渉信号の除去方法を適用してもよい。また、本実施形態では、２つの受波器で超音波を受信することにより方位を測定することが可能であるが、方位の測定が不要であれば、超音波測定装置は、１つの受波器および１つの干渉除去部を備えていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明の超音波測定装置および超音波測定方法は、超音波測定装置が複数存在する環境においても、最適な干渉除去を行うことによって、高精度に距離や方位の測定をすることができる。特に、測定環境に変化が生じても高い精度での計測が可能であり、自走するロボットに搭載される測距計や方位計に好適に用いられる。たとえば、鉄道駅や空港などの室内環境における搬送用ロボット等に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明による超音波測定装置の使用環境の一例を示す図である。
【図２】本発明で用いる２相位相シフト変調を説明する図である。
【図３】拡散された信号を逆拡散することによって得られる波形を説明する図である。
【図４】干渉波が重畳している拡散された信号を逆拡散することによって得られる波形を説明する図である。
【図５】本発明による超音波測定装置の実施形態の基本的な構成を示すブロック図である。
【図６】図５の超音波測定装置の演算部１４で作成される駆動信号１６の一例を示す図である。
【図７】図５の超音波測定装置の受信データ１９を示す図である。
【図８】図５の超音波測定装置の干渉除去器２０の基本的な構成を示すブロック図である。
【図９】本実施形態による超音波測定方法を示すフローチャートである。
【図１０】本実施形態において、干渉信号を除去する前の逆拡散信号の波形を示している。
【図１１】図１０に示す逆拡散信号６１、６２、６２の振幅情報の波形を示している。
【図１２】図１１の振幅情報の波形を正規化した後に設定される閾値を示す図である。
【図１３】図１１に示す閾値を用いて干渉信号から閾値以上の信号を抽出した波形を示す図である。
【図１４】受信信号から図１２に示す干渉信号が除去された信号を逆拡散することによって得られた信号の波形を示す図である。
【図１５】閾値ＬＵＴを作成するための振幅比と閾値との組み合わせによって得られるＳ／Ｎ比を示す図である。
【図１６】（ａ）および（ｂ）は、超音波測定装置Ｓ２に割り当てられた拡散符号で逆拡散された波形６２の振幅情報６７と閾値ＬＵＴ２６の関係を示している。
【図１７】閾値ＬＵＴとして好ましい振幅比と閾値との範囲を示す図である。
【図１８】図１５の曲線３２を近似する関数を示す図である。
【図１９】図１５の領域３３を近似する関数を示す図である。
【図２０】（ａ）から（ｄ）は、本実施形態による実験結果を示しており、逆拡散前の波形を示している。
【図２１】（ａ）から（ｃ）は、図２０（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示す波形を逆拡散したものをそれぞれ示している。
【図２２】従来の携帯電話の分野における干渉除去装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１８】
２      物体
３、４、５      超音波伝播経路
６      拡散符号
１２    送波器
１３    受波器
１４    送信部
１５    演算部
１７    受信部
１８    窓設定部
２０    干渉除去器
２１    距離方位算出部
２２    逆拡散部
２３    復調部
２５    振幅比算出部
２６    閾値ＬＵＴ
２７    抽出部
２８    拡散部
２９    加算器
３０    遅延部
３１    再逆拡散部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３    超音波測定装置
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009044528.tif 000039
【図２】
2009044528.tif 000040
【図３】
2009044528.tif 000041
【図４】
2009044528.tif 000042
【図５】
2009044528.tif 000043
【図６】
2009044528.tif 000044
【図７】
2009044528.tif 000045
【図８】
2009044528.tif 000046
【図９】
2009044528.tif 000047
【図１０】
2009044528.tif 000048
【図１１】
2009044528.tif 000049
【図１２】
2009044528.tif 000050
【図１３】
2009044528.tif 000051
【図１４】
2009044528.tif 000052
【図１５】
2009044528.tif 000053
【図１６】
2009044528.tif 000054
【図１７】
2009044528.tif 000055
【図１８】
2009044528.tif 000056
【図１９】
2009044528.tif 000057
【図２０】
2009044528.tif 000058
【図２１】
2009044528.tif 000059
【図２２】
2009044528.tif 000060
【国際調査報告】
2009044528.tif 000061
2009044528.tif 000062
2009044528.tif 000063
2009044528.tif 000064