(57)【要約】  本実施の形態によれば、送信器と、受信器とを備え、前記送信器と前記受信器間の距離を検出する速度・距離検出システムにおいて、前記送信器は、複合周波信号を送出し、前記受信器は、前記送信器から送出される前記複合周波信号を受信する受信手段と、複数個分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるように演算を行う演算手段と、前記差分が目標精度となった場合の速度を、前記送信器または受信器の速度として推定する速度推定手段と、前記差分が目標精度となった場合の、前記複数個分の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定する距離推定手段と、を備えている。
2011087088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信器と、受信器とを備え、前記送信器と前記受信器間の距離を検出する速度・距離検出システムにおいて、
前記送信器は、複合周波信号を送出し、
前記受信器は、
前記送信器から送出される前記複合周波信号を受信する受信手段と、
複数個分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるように演算を行う演算手段と、
前記差分が目標精度となった場合の速度を、前記送信器または受信器の速度として推定する速度推定手段と、
前記差分が目標精度となった場合の、前記複数個分の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定する距離推定手段と、
を備えたことを特徴とする速度・距離検出システム。 
【請求項２】
前記送信器は、
複数個の周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時刻基準点を決定し、決定した時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の位相を調整した後の前記複数個の周波数信号を合成して得られる前記複合周波信号を送出し、
前記受信器は、
さらに、ドップラー効果および伝搬遅延を伴って前記受信手段で受信した複合周波信号を、前記周波数信号の個数と少なくとも同数の参照角周波数でそれぞれ直交検波し、その検波出力に基づいて、前記参照角周波数の個数分の複素出力を算出する複素出力算出手段を備え、
前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の複素出力に基づく前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出し、
前記距離推定手段は、前記差分が目標精度となった場合の、前記参照角周波数の個数分の複素出力から前記複数個の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定することを特徴とする請求項１に記載の速度・距離検出システム。 
【請求項３】
前記送信器と前記受信器は、所定の時刻同期手法を用いて内部クロックを予め同期させることを特徴とする請求項２に記載の速度・距離検出システム。 
【請求項４】
前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出する場合に、受信素子の周波数特性および前記送信器の速度領域に応じた補正を加えることを特徴とする請求項２に記載の速度・距離検出システム。 
【請求項５】
前記受信手段は、前記送信器から出力された信号を、超音波、電磁波、および光のいずれか１つで受信することを特徴とする請求項１に記載の速度・距離検出システム。 
【請求項６】
送信器から出力される信号を受信して、前記送信器と自装置間の距離を検出する速度・距離検出装置において、
前記送信器から送出される複合周波信号を受信する受信手段と、
複数個分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるように演算を行う演算手段と、
前記差分が目標精度となった場合の速度を、前記送信器または受信器の速度として推定する速度推定手段と、
前記差分が目標精度となった場合の、前記複数個分の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定する距離推定手段と、
を備えたことを特徴とする速度・距離検出装置。
【請求項７】
前記複合周波信号は、複数個の周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時刻基準点を決定し、決定した時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の位相を調整した後の前記複数個の周波数信号を合成した信号であり、
さらに、ドップラー効果および伝搬遅延を伴って前記受信手段で受信した前記複合周波信号を、前記周波数信号の個数と少なくとも同数の参照角周波数でそれぞれ直交検波し、その検波出力に基づいて、前記参照角周波数の個数分の複素出力を算出する複素出力算出手段を備え、
前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の複素出力に基づく前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出し、
前記距離推定手段は、前記差分が目標精度となった場合の、前記参照角周波数の個数分の複素出力から前記複数個の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定することを特徴とする請求項６に記載の速度・距離検出装置。
【請求項８】
さらに、所定の時刻同期手法を用いて、前記送信器と内部クロックを同期させる時刻同期手段を備えたことを特徴とする請求項７に記載の速度・距離検出装置。 
【請求項９】
前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または参照角周波数を算出する場合に、受信素子の周波数特性および前記送信器の速度に応じた補正を加えることを特徴とする請求項７に記載の速度・距離検出装置。 
【請求項１０】
前記受信手段は、前記送信器から出力された信号を、超音波、電磁波、および光のいずれか１つで受信することを特徴とする請求項６に記載の速度・距離検出装置。 
【請求項１１】
送信器から出力される信号を受信して、前記送信器との距離を検出する速度・距離検出方法において、
前記送信器から送出される複合周波信号を受信する受信工程と、
複数個分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるように演算を行う演算工程と、
前記差分が目標精度となった場合の速度を、前記送信器または受信器の速度として推定する速度推定工程と、
前記差分が目標精度となった場合の、前記複数個分の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定する距離推定工程と、
を含むことを特徴とする速度・距離検出方法。
【請求項１２】
前記複合周波信号は、複数個の周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時刻基準点を決定し、決定した時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の位相を調整した後の前記複数個の周波数信号を合成した信号であり、
さらに、ドップラー効果および伝搬遅延を伴って前記受信工程で受信した前記複合周波信号を、前記周波数信号の個数と少なくとも同数の参照角周波数でそれぞれ直交検波し、その検波出力に基づいて、前記参照角周波数の個数分の複素出力を算出する複素出力算出工程を含み、
前記演算工程では、前記参照角周波数の個数分の複素出力に基づく前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出し、
前記距離推定工程では、前記差分が目標精度となった場合の、前記参照角周波数の個数分の複素出力から前記複数個の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定することを特徴とする請求項１１に記載の速度・距離検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度・距離検出システム、速度・距離検出装置、および速度・距離検出方法に関し、詳細には、ドップラーシフトや伝搬遅延を伴った受信信号に基づいて、移動体の速度・距離を、少ない演算量で高精度かつ短時間で計測可能な速度・距離検出システム、速度・距離検出装置、および速度・距離検出方法に関するものである。 
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＧＰＳやモーショントラックのように、物体の座標位置を高精度に計測する技術は工業分野で広く応用可能である。２次元ないし３次元座標の測位システムの基本要素は２点間の距離計測であり、音や電磁波の伝播遅延を計測し、信号伝搬速度を乗じることで距離を得る手法が広く使用されている。例えば、全地球測位システム（ＧＰＳ）等はこの原理を使用している。この際、距離に加えて送受信器の相対速度を知ることができれば、距離情報に速度情報を加えて計算することで、より精密な位置の決定や移動物体の経路を精密に補間・予測するなどの応用が可能となる。 【０００３】
距離計測として、搬送波バーストを送信し、受信器はそれを包括線検波してバースト開始時点を検出して伝搬遅延を得て距離に換算する方法はよく知られている。しかしながら、外来ノイズの影響を強く受け、また狭帯域の伝送路だと包絡線波形に強い変形を受けるため、バースト開始のタイミングがあいまいになるという問題がある。これは位置検出性能の低下につながるため、かかる手法は、高い精度を必要としない簡易応用にのみ用いられる。 【０００４】
ＧＰＳなどでは、受信器は搬送波を別の信号で変調し、受信器は変調信号の位相を抽出し、そのタイミングで伝搬遅延を決定することで高い距離計測精度を得ている。しかしながら、一般に、変調波の位相検出には比較的長い受信時間を要するという欠点がある。ＧＰＳでは、信号の受信開始からその同期のとれるまで、数秒ないし数１０秒以上の信号の継続受信を必要とするため、短時間で距離の検出が必要な場合には不向きである。 【０００５】
速度の計測には、（１）位置計測を定期的に実行し、一定時間における移動距離から算出する方法と、（２）速度に直接関連する物理量を計測することで、位置とは独立に算出する方法とがある。速度情報を位置情報の補正に使用する場合、位置とは独立に計測した速度を得ることができれば有用である。さらに、速度の計測を、高精度で、かつ、移動速度に照らして瞬間的とみなせるほど短時間で完了できるとより有用である。 【０００６】
従来、ドップラーシフトを用いた速度計測としては、ミリ波電磁波によるドップラーレーダーや医療用のエコー診断機などがある。これらは、精度が計測速度範囲の１／１００程度であり、また、非接触で視野内の物体の厳密な１点の速度を計測することはできない。 【０００７】
また、空間超音波による速度計測は精密測定器では気象観測用の超音波風速計が実用になっている。その計測速度は、１０〜１００ミリ秒間の平均であり、歩行する人間など数メートル／秒で移動する物体と照らした場合、瞬間的に速度を得ているとは言い難い。 【０００８】
超音波をマイクロホンで受信して電気信号に変換する場合、ドップラー速度検出とは、すなわち電気信号の精密な周波数計測にほかならない。電気信号の周波数計測法は各種の方法が知られている。例えば、１０００分の１秒間のゲート信号を発生させ、この時間内に受信信号の波形立ち上がりゼログロスが何回発生するかを計数すれば、その値は信号の周波数をｋＨｚ単位で計測したものとなる。   【０００９】
しかしながら、かかる方法では、ゲート信号と受信信号の位相関係により、例えば、４０．０ｋＨｚの信号について立ち上がりを４０回計測する場合、４１回計測する場合があり、周波数は真値４０ｋＨｚに対して、−０〜＋１ｋＨｚの誤差（不確定性）をもつ。これは２５℃の空気中の代表音速３４０，０００ｍｍ／ｓに照らして考察すれば、８５００ｍｍ／ｓ程度の速度計測誤差となり、多くの応用要求に対して不満足なものである。   【００１０】
ゲート時間を１０００倍にして、１秒間に設定すれば、精度は１０００倍すなわち８．５ｍｍ／ｓ程度となって、多くの応用についての計測精度は満たされるが、この場合の速度はその１秒間の平均値になってしまう。運動を追跡するため特定時刻の速度（瞬時値）を知りたい場合に不充分である。   【００１１】
周波数計測法には、このほかに、受信信号の立ち上がりゼロクロス１〜数周期分の時間をゲート信号とし、この間に１００ＭＨｚなど高い既知の周波数パルスを計数して、逆数をとることで得る方法もある。しかしながら、通常みられるように、信号にホワイトノイズ雑音の重畳している場合、微細に見た場合のゼロクロスの発生時刻は不安定で、望ましい精度でドップラーシフト計測をすることは困難である。   【００１２】
また、受信信号に対して局部発振周波数を掃引させて周波数混合で変換し、高精度なフィルタを介して検波し、掃引時間から周波数を知ることができる。しかしながら、鋭利なフィルタは信号の通過に長い群遅延時間を持つことから、この方法での所要計測時間が長くなる。また、高速計測のため周波数掃引を高速にすれば、それは受信信号に周波数変調をかけることになり、計測をあいまいにして精度は低下する。このように、これらの方法でも、物体速度検出のためのドップラーシフト計測を高精度かつ短時間に行うことはできない。 【００１３】
外来ノイズのある環境で、伝送帯域も制限されている場合、短い計測時間でも高精度に距離を計測する方法として、本願出願人は特許文献１を提案した。かかる特許文献１では、位相一致法と呼ばれる方法を使用しており、比較的接近した２つ以上の周波数の搬送波を同時に重畳した複合周波数搬送波の超音波を送信器で送信し、受信器でそれを受信して、各搬送波の位相が特定関係になる時刻から伝搬遅延を算出する。これによれば、４０ｋＨｚの空間超音波を使用して計測した場合、距離計測誤差は１ｍｍを下回ることが確認されている。また、計測に必要な信号受信時間は１ｍｓ程度である。 【００１４】
しかしながら、特許文献１では、受信信号の厳密な周波数をあらかじめ知っておく必要があり、送受信器が相互に運動し搬送波がドップラーシフトを伴って受信される場合には誤差が大きくなるという課題が残されていた。また、特許文献１の方法では、送受信器の相対速度を得ることができない。 【００１５】
本願出願人は、外来ノイズのある環境で、短い搬送波バーストからドップラーシフトを検出し、送受信器の相対速度を計測する方法として、非特許文献１を発表している。
非特許文献１では、超音波を使用して、人の歩行速度程度（１ｍ／ｓ程度）の移動物体の速度を計測して、±１０ｍｍ／ｓ程度の計測精度を得られることが確認されている。しかしながら、非特許文献１は、速度計測法であるので、位置計測は別波形で別時刻に行う必要があるので、距離と速度を厳密に同時（短時間）には計測することができない。 【００１６】
また、距離と速度を同時（短時間）に計測する方法として、特許文献１と同様の２周波以上の複合周波数搬送波を重畳させたうなり波を使用して、距離と速度を同時（短時間）に計測する方法を特願２００９−２７２７０７号（本願出願時、未公開）で出願している。かかる特願２００９−２７２７０７号では、物体の位置と速度を同時（短時間）に計測ができるが、距離計測は、受信周波数が既知である際の手法を適用することになるので、毎回の速度計測値に基づいて演算データを準備しなおして距離計測を実施する必要があるため、演算量が増加し、高速な繰り返し計測を行う場合には必ずしも向いていない。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００６／１１２４７５
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】佐藤哲也、杉本雅則、橋爪宏達、「高精度超音波移動体測位のための位相一致法の拡張手法」、電子情報通信学会論文誌、ｖｏｌ．Ｊ９２−Ａ，Ｎｏ．１２，２００９年１２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、移動体の速度および距離を、少ない演算量で、高精度かつ短時間で計測することが可能な速度・距離検出システム、速度・距離検出装置、および速度・距離検出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】
【００２０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、送信器と、受信器とを備え、前記送信器と前記受信器間の距離を検出する速度・距離検出システムにおいて、前記送信器は、複合周波信号を送出し、前記受信器は、前記送信器から送出される前記複合周波信号を受信する受信手段と、複数個分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるように演算を行う演算手段と、前記差分が目標精度となった場合の速度を、前記送信器または受信器の速度として推定する速度推定手段と、前記差分が目標精度となった場合の、前記複数個分の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定する距離推定手段と、を備えたことを特徴とする。【００２１】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記送信器は、複数個の周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時刻基準点を決定し、決定した時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の位相を調整した後の前記複数個の周波数信号を合成して得られる前記複合周波信号を送出し、前記受信器は、さらに、ドップラー効果および伝搬遅延を伴って前記受信手段で受信した複合周波信号を、前記周波数信号の個数と少なくとも同数の参照角周波数でそれぞれ直交検波し、その検波出力に基づいて、前記参照角周波数の個数分の複素出力を算出する複素出力算出手段を備え、前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の複素出力に基づく前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出し、前記距離推定手段は、前記差分が目標精度となった場合の、前記参照角周波数の個数分の複素出力から前記複数個の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定することが望ましい。【００２２】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記送信器と前記受信器は、所定の時刻同期手法を用いて内部クロックを予め同期させることが望ましい。【００２３】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出する場合に、受信素子の周波数特性および前記送信器の速度領域に応じた補正を加えることが望ましい。【００２４】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記受信手段は、前記送信器から出力された信号を、超音波、電磁波、および光のいずれか１つで受信することが望ましい。【００２５】
また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、送信器から出力される信号を受信して、前記送信器と自装置間の距離を検出する速度・距離検出装置において、前記送信器から送出される複合周波信号を受信する受信手段と、複数個分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるように演算を行う演算手段と、前記差分が目標精度となった場合の速度を、前記送信器または受信器の速度として推定する速度推定手段と、前記差分が目標精度となった場合の、前記複数個分の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定する距離推定手段と、を備えたことを特徴とする。【００２６】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記複合周波信号は、複数個の周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時刻基準点を決定し、決定した時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の位相を調整した後の前記複数個の周波数信号を合成した信号であり、さらに、ドップラー効果および伝搬遅延を伴って前記受信手段で受信した前記複合周波信号を、前記周波数信号の個数と少なくとも同数の参照角周波数でそれぞれ直交検波し、その検波出力に基づいて、前記参照角周波数の個数分の複素出力を算出する複素出力算出手段を備え、前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の複素出力に基づく前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出し、前記距離推定手段は、前記差分が目標精度となった場合の、前記参照角周波数の個数分の複素出力から前記複数個の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定することを特徴とする。【００２７】
また、本発明の好ましい態様によれば、さらに、所定の時刻同期手法を用いて、前記送信器と内部クロックを同期させる時刻同期手段を備えることが望ましい。【００２８】
また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または参照角周波数を算出する場合に、受信素子の周波数特性および前記送信器の速度に応じた補正を加えることが望ましい。【００２９】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記受信手段は、前記送信器から出力された信号を、超音波、電磁波、および光のいずれか１つで受信することが望ましい。【００３０】
また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、送信器から出力される信号を受信して、前記送信器との距離を検出する速度・距離検出方法において、前記送信器から送出される複合周波信号を受信する受信工程と、複数個分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるように演算を行う演算工程と、前記差分が目標精度となった場合の速度を、前記送信器または受信器の速度として推定する速度推定工程と、前記差分が目標精度となった場合の、前記複数個分の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定する距離推定工程と、を含むことを特徴とする。【００３１】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記複合周波信号は、複数個の周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時刻基準点を決定し、決定した時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の位相を調整した後の前記複数個の周波数信号を合成した信号であり、さらに、ドップラー効果および伝搬遅延を伴って前記受信工程で受信した前記複合周波信号を、前記周波数信号の個数と少なくとも同数の参照角周波数でそれぞれ直交検波し、その検波出力に基づいて、前記参照角周波数の個数分の複素出力を算出する複素出力算出工程を含み、前記演算工程では、前記参照角周波数の個数分の複素出力に基づく前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出し、前記距離推定工程では、前記差分が目標精度となった場合の、前記参照角周波数の個数分の複素出力から前記複数個の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定することが望ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、送信器と、受信器とを備え、前記送信器と前記受信器間の距離を検出する速度・距離検出システムにおいて、前記送信器は、複合周波信号を送出し、前記受信器は、前記送信器から送出される前記複合周波信号を受信する受信手段と、複数個分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるように演算を行う演算手段と、前記差分が目標精度となった場合の速度を、前記送信器または受信器の速度として推定する速度推定手段と、前記差分が目標精度となった場合の、前記複数個分の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定する距離推定手段と、を備えているので、移動体の速度および距離を、少ない演算量で、高精度かつ短時間で計測することが可能な速度・距離検出システムを提供することが可能になるという効果を奏する。 【００３３】
また、本発明によれば、前記送信器は、複数個の周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時刻基準点を決定し、決定した時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の位相を調整した後の前記複数個の周波数信号を合成して得られる前記複合周波信号を送出し、前記受信器は、さらに、ドップラー効果および伝搬遅延を伴って前記受信手段で受信した複合周波信号を、前記周波数信号の個数と少なくとも同数の参照角周波数でそれぞれ直交検波し、その検波出力に基づいて、前記参照角周波数の個数分の複素出力を算出する複素出力算出手段を備え、前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の複素出力に基づく前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出し、前記距離推定手段は、前記差分が目標精度となった場合の、前記参照角周波数の個数分の複素出力から前記複数個の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、前記送信器と前記受信器間の前記複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、前記送信器と前記受信器間の距離を推定することとしたので、移動体の速度および距離を、少ない演算量で、高精度かつ短時間で計測することが可能な速度・距離検出システムを提供することが可能になるという効果を奏する。 【００３４】
また、本発明によれば、前記送信器と前記受信器は、所定の時刻同期手法を用いて内部クロックが予め同期しているので、伝搬遅延時間を簡易な演算で算出することが可能となる。 【００３５】
また、本発明によれば、前記演算手段は、前記参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出する場合に、受信素子の周波数特性および前記送信器の速度領域に応じた補正を加えるとしたので、電力推定値または振幅推定値の差分を高精度に算出することが可能となる。 【００３６】
また、本発明によれば、前記受信手段は、前記送信器から出力された信号を、超音波、電磁波、および光のいずれか１つで受信することとしたので、一般の線形波動で表現できるものに本発明を適用することができるという効果を奏する。 
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明にかかる計測システムの構成例を示す概念図である。
【図２】図２は、本発明にかかる距離・速度検出法の概略を説明するためのフローチャートである。
【図３】図３は、時刻基準点の定義の一例を説明するための図である。
【図４】図４は、複合周波ビート波形の一例を示す図である。
【図５】図５は、複合周波ビート信号の電力による周波数（速度）推定を説明するための図である。
【図６Ａ】図６Ａは、速度推定シミュレーションの結果の一例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、速度推定シミュレーションの結果の一例を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、速度推定の評価実験結果の一例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、速度推定の評価実験結果の一例を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、速度推定の評価実験結果の一例を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、速度推定の評価実験結果の一例を示す図である。
【図９】図９は、図１の送信器の概略の構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、図１の受信器の概略の構成例を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０の推定部が送信器の速度ｖｒを算出する処理を説明するためのフローチャートである（その１）。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０の推定部が送信器の速度ｖｒを算出する処理を説明するためのフローチャートである（その２）。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の応用例を説明するための図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の応用例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に、本発明にかかる速度・距離検出システム、速度・距離検出装置、および速度・距離検出方法を適用した計測システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。国際公開番号ＷＯ２００６／１１２４７５（特願２００７−５２８１６８）の時刻基準点情報伝送システムおよび受信器の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。本発明は、超音波、電磁波、光等の一般の線形波動で表現できるものに適用可能であるが、以下では、超音波を例示して説明する。本発明にかかる速度・距離検出システム、速度・距離検出装置、および速度・距離検出方法は、ハードウェアモジュール、または、ソフトウェアモジュール、または、その組み合わせで実現することができる。例えば、以下のフローチャートに示す処理や構成図で示される部位は、ハードウェア、または、ソフトウェア、または、その組み合わせで実現することができる。 
【００３９】
（本発明の原理）
まず、本発明にかかる速度・距離検出法の原理について、図１〜図７を参照して説明する。図１は、本発明にかかる計測システムの概略構成を示す概念図、図２は、本発明にかかる速度・距離検出法の概略を説明するためのフローチャートである。 
【００４０】
まず、ドップラー効果の概略を説明する。図１において、計測システム１は、超音波を送信する送信器２と、超音波を受信し、速度・距離検出装置を構成する受信器３とで構成されている。送信器２と受信器３は、時刻同期しており、これらの相対的な位置を極座標系で取得することができる。送信器２と受信器３間での超音波の伝播遅延時間ｄを計測し、伝搬遅延時間ｄに、空気中の音速ｃを乗じることにより、送信器２を装着した物体と、受信器３を装着した物体間の距離Ｌを得ることができる。 
【００４１】
同様に、超音波の受信角周波数ωｒと送信角周波数ωｔの差を検出することにより、送信器２ないし受信器３の運動速度を得ることができる。例えば、空気と受信器３は静止しているものとして、送信器２のみが速度ｖで運動している状態では、送信器２から送出される超音波の送信角周波数ωｔは、受信器３では、それとは異なる受信角周波数ωｒになって計測される。送信角周波数ωｔと受信角周波数ωｒは、下式（１）のような関係になる。ただし、ω＝２πｆであり、ｆは一般の周波数である。 
【００４２】
ωｒ＝（ｃ／（ｃ−ｖ））ωｔ・・・（１）
ただし、ｖは受信器３への接近方向を正としている。 
【００４３】
これはドップラー効果の名称でよく知られた現象であり、また、この周波数偏移をドップラーシフトという。受信器３が運動している場合または音波の媒質も運動している場合はこれとは少し異なる関係式になるが、周波数シフトの起こることは共通している。以下では、説明の簡単のため特に断らない限り、送信器２のみが運動し、音波の媒質および受信器３は静止している場合を説明する。   
【００４４】
送信角周波数ωｔが既知で、受信角周波数ωｒを知ることができれば、送信器２の速度ｖは上式（１）の関係式より、下式（２）のように表すことができる。 
【００４５】
ｖ＝ｃ（１−ωｔ／ωｒ）・・・（２） 
【００４６】
特定の気温、湿度、気圧環境下での音速ｃは詳しく知られているので、上式（２）による速度計測を高精度に行うためには、受信角周波数ωｒを高精度で検出できればよい。ここで、運動物体の速度瞬時値を得るためには、この周波数検出はできるだけ短時間に遂行できることが望ましい。 
【００４７】
上記のような測定を、１つの被測定物体に対し２組以上行えば、物体の２次元位置と２次元速度ベクトルを、３組以上行えば物体の３次元位置と３次元速度ベクトルを得ることができる。１つの送信波に対してこの測定をすれば、速度と距離の厳密な同時計測が可能となる。 
【００４８】
以下、本発明にかかる速度・距離検出法により、速度および距離を、少ない演算量で高精度かつ同時（短時間で）に検出する方法を説明する。図１の計測システムの速度・距離検出方法を、図２のフローチャートを参照して説明する。 
【００４９】
図２において、予め、送信器２と受信器３の時計（時刻）を同期させておく（ステップＳ１）。送信器２と受信器３の時計（時刻）を同期させる方法として、例えば、本願出願人の特許第４０４１８９９号に記載された方法を使用することができる。送信器３は、伝搬遅延時間ｄを計測するため、定められた時刻に、複合周波ビート信号（複合周波信号）の超音波を送出する（ステップＳ２）。なお、伝搬遅延時間ｄを計測するため、国際公開番号ＷＯ２００６／１１２４７５のように、超音波による計測では、その測定のタイミングを電気や光の信号にして、別途、送信器２から受信器３へ送出し、あるいは、逆に、受信器３からの電気信号等の指示で送信器２が測定波形を発生することにしてもよい。 
【００５０】
かかる複合周波ビート信号は、複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数信号の位相を調整した後、複数の周波信号を合成したものである。 
【００５１】
図３は、時刻基準点の定義の一例を説明するための図である。図３は、２つの周波数信号（周波数ｆ１＝３９．７５ｋＨｚ、周波数ｆ２＝４０．２５ｋＨｚ）を生成した場合の一例である。２つの周波数搬送波（図３のａおよびｂ）を重ね合わせて送信するとビート（うなり）が生じる（図３のｃ）。なお、この場合、当該ビートの周期は、「ｆ２−ｆ１＝０．５ｋＨｚ」の周波数信号の周期、つまり２ｍｓとなる。そこで、周波数ｆ１の搬送波の位相φ１と周波数ｆ２の搬送波の位相φ２に注目した場合、当該ビートの節から節までの時間である２ｍｓを取り出せば、位相φ１および位相φ２は−πラジアンからπラジアンの間を何度も往復する（図３のｄおよびｅ）。そして、位相差「φ２−φ１」は、−πラジアンからπラジアンの範囲を一度だけ通過し、「φ２−φ１＝０」となるタイミング（時刻）は、取り出した２ｍｓの間に一度だけ発生する（図３のｆ）。そこで、「φ２−φ１＝０」となるタイミングを時刻基準点として定義する。 
【００５２】
図４は、合成した複合周波ビート波形の一例を示している。図４に示す複合周波ビート波形は、２つの近接した周波数の波形を合成した２周波ビート信号となっている。距離計測で使用する２周波ビート信号と同じ波形を使用し、ビートの２つのキャリアの位相、振幅、周波数偏移を決定し、位置と速度を同時に計測する。複合周波ビート信号は、例えば、下式（３）で表すことができる。
ｓ（ｔ）＝ａ１ｓｉｎ（ω１ｔ＋φ１）＋ａ２ｓｉｎ（ω２ｔ＋φ２）・・・（３） 
【００５３】
ここでａ１、ａ２，ω１，ω２，φ１，φ２は、それぞれ信号の振幅，角周波数，初期位相である。ω１，ω２は、互いに近接した角周波数であり、上述したように、例えば、ω１＝２π×３９．７５０ｋＨｚ，ω２＝２π×４０．２５０ｋＨｚとすることができる。送信波は送信器２から一定の広がりをもつ球面波として発生させることができ、その送信開口内に固定した受信器３を置いて検出できる。ビート（うなり）の節から節までの時間は差周波数により決まり、この例では、１／（４０．２５０−３９．７５０）ｋＨｚ＝２ミリ秒である。この２周波ビート信号は、上述した時刻基準点と呼ばれるもとの２つキャリアの位相差ゼロ点を１つ持ち，これが距離計測で使用される受信時刻の基準点となる。移動する送信器２は、この節から節までの波形、もしくはその一部を単発の波束の複合周波ビート信号として送出する。 
【００５４】
送信器２から送出される複合周波ビート信号は、伝搬遅延およびドップラー効果を伴って、受信器３により、下式（４）のような信号として受信される（ステップＳ３）。 
【００５５】
ｕ（ｔ）＝ａｐｓｉｎ（ωｐｔ＋φｐ）＋ａｑｓｉｎ（ωｑｔ＋φｑ）・・・（４） 
【００５６】
受信波形は、送信器２の速度ｖによりドップラーシフトを受け、ω１はωｐ＝（ｃ／（ｃ−ｖ））ω１に、ω２はωｑ＝（ｃ／（ｃ−ｖ））ω２に移行する。ここで、ｃはこの計測実行時の音速、ｖは運動物体の速度ベクトルの受信器３方向への成分である（送信器２の速度ベクトルをｖ→，送信器２から受信器３方向へとった単位長のベクトルをｒ→とすればｖ＝ｖ→・ｒ→）。また、受信波形は、伝搬遅延により、位相φ１はφｐに、φ２はφｑに移行する。振幅については、ａ１＝ａ２ならａｐ＝ａｑであると期待されるが、送受信素子が振幅周波数特性をもてばその分変動することもあり、補正を要する。 
【００５７】
受信信号（式（４））を窓幅Ｔの矩形窓（ｔ＝０は窓中央）で切り出し、参照角周波数ΩＡ（＝２π×３９．７５ｋＨｚ）の複素正弦波ｅｘｐ（ｊΩＡｔ）を用いて直交検波すると、実部ＩＡ，虚部ＱＡの検波出力を得ることができる（ステップＳ４）。同様に、もう一つの参照各周波数ΩＢ＝２π×４０．２５ｋＨｚを用いて直交検波すると、実部ＩＢ，虚部ＱＢの検波出力を得ることができる。検波出力（ＩＡ，ＱＡ），（ＩＢ，ＱＢ）は、下式（５）のように表すことができる。 
【００５８】
ＩＡ＝（１／２）・｛ｓｉｎｃ（ωｐ−ΩＡ）・（Ｔ／２）＋ｓｉｎｃ（ωｐ＋ΩＡ）・(Ｔ／２）｝・ａｐｓｉｎφｐ＋（１／２）・｛ｓｉｎｃ（ωｑ−ΩＡ）・（Ｔ／２）＋ｓｉｎｃ（ωｑ＋ΩＡ）・（Ｔ／２）｝・ａｑｓｉｎφｑ
≡ｒＡ（ωｐ）ａｐｓｉｎφｐ＋ｒＡ（ωｑ）ａｑｓｉｎφｑ
ＱＡ＝（１／２）・｛−ｓｉｎｃ（ωｐ−ΩＡ）・（Ｔ／２）＋ｓｉｎｃ（ωｐ＋ΩＡ）・（Ｔ／２）｝・ａｐｃｏｓφｐ＋（１／２）・｛−ｓｉｎｃ（ωｑ−ΩＡ）・（Ｔ／２）＋ｓｉｎｃ（ωｑ＋ΩＡ）・（Ｔ／２）｝・ａｑｃｏｓφｑ
≡ｉＡ（ωｐ）ａｐｃｏｓφｐ＋ｉＡ（ωｑ）ａｑｃｏｓφｑ
ＩＢ＝（１／２）・｛ｓｉｎｃ（ωｐ−ΩＢ）・（Ｔ／２）＋ｓｉｎｃ（ωｐ＋ΩＢ）・（Ｔ／２）｝・ａｐｓｉｎφｐ＋（１／２）・｛ｓｉｎｃ（ωｑ−ΩＢ）・（Ｔ／２）＋ｓｉｎｃ（ωｑ＋ΩＢ）・（Ｔ／２）｝・ａｑｓｉｎφｑ
≡ｒＢ（ωｐ）ａｐｓｉｎφｐ＋ｒＢ（ωｑ）ａｑｓｉｎφｑ
ＱＢ＝（１／２）・｛−ｓｉｎｃ（ωｐ−ΩＢ）・（Ｔ／２）＋ｓｉｎｃ（ωｐ＋ΩＢ）・（Ｔ／２）｝・ａｐｃｏｓφｐ＋（１／２）・｛−ｓｉｎｃ（ωｑ−ΩＢ）・（Ｔ／ ２）＋ｓｉｎｃ（ωｑ＋ΩＢ）・（Ｔ／２）｝・ａｑｃｏｓφｑ
≡ｉＢ（ωｐ）ａｐｃｏｓφｐ＋ｉＢ（ωｑ）ａｑｃｏｓφｑ        ・・・（５）
ただし、ｓｉｎｃは、標本化関数である。 
【００５９】
つぎに、上式（５）の検波出力（ＩＡ，ＱＡ）、（ＩＢ，ＱＢ）から複素出力（振幅・位相推定量）ａｐｅｘｐ（ｊφｐ），ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）を算出する（ステップＳ５）。具体的には、上記式（５）において、ａｐ，ａｑ，φｐ，φｑは、参照角周波数ΩＡ，ΩＢのとり方によらない量であり、４本の式を連立方程式と見なして解くことで、下式（６）、（７）のような複素出力で表すことができる。 
【００６０】
ａｐｅｘｐ（ｊφｐ）＝（ｉＢ（ωｑ）ＱＡ−ｉＡ（ωｑ）ＱＢ）／（ｉＡ（ωｐ）ｉＢ（ωｑ）−ｉＡ（ωｑ）ｉＢ（ωｐ））＋ｊ（ｒＢ（ωｑ）ＩＡ−ｒＡ（ωｑ）ＩＢ）／（ｒＡ（ωｐ）ｒＢ（ωｑ）−ｒＡ（ωｑ）ｒＢ（ωｐ））・・・（６）
ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）＝（−ｉＢ（ωｐ）ＱＡ＋ｉＡ（ωｐ）ＱＢ）／（ｉＡ（ωｐ）ｉＢ（ωｑ）−ｉＡ（ωｑ）ｉＢ（ωｐ））＋ｊ（−ｒＢ（ωｐ）ＩＡ＋ｒＡ（ωｐ）ＩＢ）／（ｒＡ（ωｐ）ｒＢ（ωｑ）−ｒＡ（ωｑ）ｒＢ（ωｐ））・・・（７） 
【００６１】
本発明は、複素出力ａｐｅｘｐ（ｊφｐ）、ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）を使用して、ａｐ２＝ａｑ２の条件から速度ｖｒを算出し、φｐ−φｑから距離Ｌを算出し、速度と距離の同時計測を少ない演算量で実現する。 
【００６２】
上式（６）、（７）において、未知数となった角周波数ωｐ、ωｑは，既知である元の角周波数ω１，ω２を用いれば，ドップラーの上式（２）によって速度ｖに変換される。したがって，式（６），（７）の右辺は速度ｖのみの関数として表現できる。式（６）、（７）の複素出力の二乗から，次式（８）、（９）の受信電力ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２と、ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２を得ることができる。但し、周波数から速度への変数変換に伴い，式中の関数を、ωｐ→ωｐ（ｖ）、ωｑ→ωｑ（ｖ）と表記している。 
【００６３】
ａｐ２＝（ｉＢ（ωｑ（ｖ））ＱＡ−ｉＡ（ωｑ（ｖ））ＱＢ）／（ｉＡ（ωｐ（ｖ））ｉＢ（ωｑ（ｖ））−ｉＡ（ωｑ（ｖ））ｉＢ（ωｐ（ｖ）））＋（ｒＢ（ωｑ（ｖ））ＩＡ−ｒＡ（ωｑ（ｖ））ＩＢ）／（ｒＡ（ωｐ（ｖ））ｒＢ（ωｑ（ｖ））−ｒＡ（ωｑ（ｖ））ｒＢ（ωｐ（ｖ）））≡ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２・・・（８）
ａｑ２＝（−ｉＢ（ωｐ（ｖ））ＱＡ＋ｉＡ（ωｐ（ｖ））ＱＢ）／（ｉＡ（ωｐ（ｖ））ｉＢ（ωｑ（ｖ））−ｉＡ（ωｑ（ｖ））ｉＢ（ωｐ（ｖ）））＋（−ｒＢ（ωｐ（ｖ））ＩＡ＋ｒＡ（ωｐ（ｖ））ＩＢ）／（ｒＡ（ωｐ（ｖ））ｒＢ（ωｑ（ｖ））−ｒＡ（ωｑ（ｖ））ｒＢ（ωｐ（ｖ）））≡ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２・・・（９） 
【００６４】
上式（８）、（９）の左辺は一定値の受信電力である。一方，右辺は送信器２の移動速度がｖであると仮定して定義した電力の関数である。式（８），（９）を連立方程式としてみなすと，未知数は受信電力ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２，ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２，速度ｖの３つである。この連立方程式は，受信振幅が等しくａｐ＝ａｑであれば解くことができるため，送信器２の速度ｖｒは次式（１０）の解として得られる。 
【００６５】
ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２＝ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２｜ｖ＝ｖｒ・・・（１０） 
【００６６】
一方，実環境においては，送信波形の送出時に振幅をａ１＝ａ２と設定しても，受信センサの振幅−周波数特性によって受信時にはａｐ≠ａｑとなる。しかし，この振幅の不一致はセンサの周波数特性を知っておけば解消できるため，実環境においてもｖｒを決定することが可能となる。 
【００６７】
ここでは，一般に受信信号の振幅ａｐ，ａｑは未知数であるが、もとの送信信号で振幅ａ１，ａ２を等しくしておけば、その比η（ｖ）＝ａｐ／ａｑは受信素子の個体の周波数特性と送信器２の速度ｖで決まる関数である。そのため、速度の小さい領域では、多くの受信素子で、η（ｖ）は速度によってあまり変化せず、η（ｖ）＝ηなる定数とみなしてよいことが実験的にわかっている。上式（１０）は、下式（１１）で書き換えられ，実環境において送信器２の移動速度ｖｒを得ることが可能となる。この方程式は解析的に解くことができないため、ｖｒは数値的に決定される。この求解には例えば、２分法を使用することができる。 
【００６８】
ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２＝η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２｜ｖ＝ｖｒ・・（１１） 
【００６９】
なお、η（ｖ）の速度による変動が無視できない場合は、まず、ｖ＝０と仮定して、η０＝η（０）を使用して上記２分法を使用して速度推定値ｖ１を求める。次に、η１＝η（ｖ１）を使用して速度推定値ｖ２を求め、これを繰り返し、速度推定値の変化｜ｖ＿ｎ−ｖ＿（ｎ−１）｜が十分小さくなるまでこの手順を反復することで、より精度の高い速度推定値を得ることができる。 
【００７０】
本発明の速度・距離検出法では、２つの異なる参照角周波数ΩＡとΩＢの直交検波出力から推定した受信電力ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２と、補正した受信電力η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２が正しい受信角周波数の推定値ω＝ωｒ（正しい速度の推定値ｖ＝ｖｒ）で一致することを利用している。受信角周波数ωｒを正しく推定していれば、積和演算（直交検波）で使用した参照角周波数ΩＡとΩＢによらずに、受信電力ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２と、補正した受信電力η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２が一致しなければならない、という性質を使用している。 
【００７１】
図５は、複合周波ビート信号の電力による周波数（速度）推定を説明するための図であり、速度がｖであると仮定した場合の受信電力の関数を示す図である。横軸は、推定速度ｖ［ｍ／ｓ］、縦軸は受信電力［Ｗ］を示しており、送信器２の速度ｖを変化させ，ドップラーシフトの影響を加えた場合のａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２，ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２，η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２ａｐ（ｖ）２をプロットしたものである。同図において、送信器２の速度ｖｒ＝−１ｍ／ｓで受信器３方向に移動（送信器２はｖｒ＝１ｍ／ｓで受信器３方向と反対方向に移動）しているものとし、受信器３は静止しているものとする。参照角周波数ΩＡ，ΩＢはそれぞれ２π×３９．７５ｋＨｚ，２π×４０．２５ｋＨｚである。 
【００７２】
正解の速度ｖｒ＝−１ｍ／ｓにおいて，ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２と、η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２の推定値が一致していることがわかる。この関係から速度ｖｒないしドップラーシフトした受信角周波数ωｒを求めることができる。 
【００７３】
送信波形は３９．７５ｋＨｚ，４０．２５ｋＨｚの正弦波で構成されているため，占有帯域が非常に狭い。歩行速度程度（約１．５ｍ／ｓ）の速度域におけるドップラー効果による周波数シフト量は２００Ｈｚ以下であり，各正弦波の周波数成分は周波数シフト後も狭い帯域に分布する。したがって，この受信電力比による補正法は，送信波形の各周波数をセンサの周波数特性のピーク付近に選ばない限り有用である。本実施の形態では、この補正法を適用しており，送信波形の各振幅を一致させる比によって受信電力の不一致を解消している。また，振幅−周波数特性が非線形であるセンサにおいては，その特性を分析し，各振幅を一致させるように特性をキャンセルするフィルタを用意することで速度の検出が可能となる。 
【００７４】
ΩＡとΩＢによる電力推定値の差Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））は、式（１２）のようになる。 
【００７５】
Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））＝ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２−η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２・・・（１２） 
【００７６】
式（１２）を評価関数とし，Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））が目標精度（閾値以下）となる（望ましくは、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））＝０となる）速度ｖまたは受信角周波数ωを算出する（ステップＳ６）。 
【００７７】
つぎに、送信器２の速度ｖｒと、送信器２と受信器３間の距離Ｌの同時（短時間での）推定を行う（ステップＳ７）。具体的には、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））が目標精度（閾値以下）となる（望ましくは、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））＝０となる）速度ｖを送信器２の速度ｖｒとして推定する。 
【００７８】
上記式（６）、（７）には、送信波形の各位相が含まれている。速度ｖｒが決定されればこれらの式は位相φｐ，φｑを未知数とする方程式となるため，複素正弦波の偏角を求めることでこれらが算出できる。この演算により送信波形の位相一致点が理論どおり正しく求められる。具体的には、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））が目標精度（望ましくは、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））＝０）の条件が成立した際の上記式（６）、（７）の複素出力ａｐｅｘｐ（ｊφｐ），ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）の偏角を取り出して（位相部φｐ，φｑを抽出して）、下式（１３）に示す位相推定量φｐ，φｑを得ることができる。 
【００７９】
φｐ＝Ａｒｇ（ａｐｅｘｐ（ｊφｐ））
φｑ＝Ａｒｇ（ａｑｅｘｐ（ｊφｑ））・・・（１３） 
【００８０】
位相φｐ，φｑは、伝搬遅延により生じ、受信器３の内部時計は、送信器２の内部時計と同期しているので、送受信器間の伝搬にｄ秒かかれば、φｐ＝−ωｐｄ，φｑ＝−ωｑｄである。この関係から、送信器２と受信器３間での超音波の伝搬遅延時間ｄを、上式（１３）の位相推定量に基づいて下式（１４）により算出することができる。ただし、送受信素子が位相周波数特性を持てば受信位相はその分変動することがあり、その場合は補正を要する。 
【００８１】
ｄ＝−（φｐ−φｑ）／（ωｐ−ωｑ）・・・（１４） 
【００８２】
つぎに、下式（１５）を使用して、伝搬遅延時間ｄと音速ｃに基づいて、送信器２と受信器３間の距離Ｌを推定する。 
【００８３】
Ｌ＝ｃ×ｄ・・・（１５） 
【００８４】
このように、本発明の速度・距離検出方法によれば、複数周波数キャリアによる短いビート信号波形を使用して、効率のよい計算法でドップラーシフト影響下の移動物体の距離と速度を厳密に同時計測することが可能となる。なお、ここでは、２つの参照角周波数ΩＡ、ΩＢを使用することとしたが、３つ以上の参照角周波数を使用してもよい。すなわち、参照角周波数の個数は、送信波の周波数信号の個数以上とすればよい。また、電力推定値の差分ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２−η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２が目標精度となるように演算したが、振幅推定値の差分ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））−η×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））が目標精度となるように演算することにしてもよい。また、電力推定値の差分ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２−η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２を算出する場合に、速度ｖを変数としたが、受信角周波数ωを変数としてもよい。 
【００８５】
［計測精度］  
本発明にかかる速度・距離検出方法の性能を評価するために、速度推定シミュレーションを行なった。 
【００８６】
図６Ａ，Ｂは、速度推定シミュレーションの結果を示しており、特に、図６Ａは速度ｖの標準偏差、図６Ｂは、速度ｖの誤差を示している。速度推定シミュレーションでは，ドップラー効果を再現するために，−１．５〜１．５ｍ／ｓの間で０．１ｍ／ｓ毎に設定した速度をドップラーの式に代入し，周波数シフトを起こした。これを元に送信波形を生成し，ＳＮ比＝３０ｄＢとなるようにノイズを加えた。また，周波数特性がなく（ａ１＝ａ２），伝播距離による信号の減衰が無い計測システムを仮定した。各設定速度に対して３０回ずつ送信波形を生成し，速度推定を実行した。 
【００８７】
図６Ａ，Ｂに示すように、１．５ｍ／ｓで移動するノードの速度を数ｍｍ／ｓ程の精度で推定可能であることが確認できており、設定した速度との誤差も小さく，ノイズ環境下でも優れた速度推定性能を発揮することが検証された。 
【００８８】
本発明にかかる速度・距離検出法の性能を評価するために、性能評価実験を行った。性能評価実験では，ｓｙｎｃ  ｐａｔｔｅｒｎにドップラー効果を与えるために，Ｏｒｉｅｎｔａｌ  ｍｏｔｏｒ社の電動スライダＳＰｖＬ８Ｍ１５０ＵＡ  を使用して超音波送信素子を１  次元往復運動させた．受信器には２つの受信センサを基線長Ｌ＝７６．２ｍｍの間隔で配置し，ｓｙｎｃ  ｐａｔｔｅｒｎをステレオ受信する．送信素子には日本セラミック社のＴ４０−１６，受信センサにはＫｎｏｗｌｅｓ  Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ  社のＭＥＭＳ  マイクを用いた超音波センサＳＰＭ０４０４ＵＤ５を利用した。信号処理基板にはＡＤコンバータ，ＳＲＡＭ，ＦＰＧＡ，ＭＰＵ等を搭載しており，アナログ受信信号はＡＤ変換された後にルネサステクノロジ社のＭＰＵ（ＳＨ２／７１４５，  ４８ＭＨｚ）で直交検波される．送受信器間の同期信号は，直交検波終了後にＭＰＵから送信器に送信される。送信素子を設置した電動スライダは，受信器の前方１８００ｍｍに設置され，送受信器間距離１０００〜１８００ｍｍの範囲で往復運動する。動作速度は−１．５〜１．５ｍ／ｓの間を０．１ｍ／ｓ毎に設定できる。この速度の定義は，送信器が受信器に近づくときを正，遠ざかるときを負としている。 
【００８９】
各速度において１００回の計測結果を取得し，シミュレーションと同様に検出速度の標準偏差，設定速度との誤差を求めた。図７Ａ，Ｂは、速度推定の評価実験結果を示しており、特に、図７Ａは速度ｖの標準偏差、図７Ｂは、速度ｖの誤差を示している。シミュレーションと同様に評価実験結果でも、誤差が小さいことが確認された。図８Ａ，Ｂは、移動体の距離推定結果を示しており、特に、図８Ａはドップラー効果を考慮しない場合（ドップラー効果を無視した場合）、図８Ｂはドップラー効果を考慮した本発明の場合（ドップラー効果を補償した場合）を示しており、各設定速度で４００回以上の計測を行い，一度の計測で得られた速度と距離を（速度，距離）のセットとし，全計測データをプロットした。縦軸に検出された距離、横軸にそのときの速度を示している。 
【００９０】
図８Ａに示すように、ドップラー効果を考慮しない場合は、高速になるにつれて距離推定誤差が増大していることがわかる。これに対して、図８Ｂに示すように、推定速度によってドップラー効果を考慮した本発明の計測結果からは，速度増加に伴う距離推定誤差は大きく低減されていることが確認できる。 
【００９１】
本発明の速度・距離検出方法によれば、送信器２は、複数個の周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時刻基準点を決定し、決定した時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の位相を調整した後の複数個の周波数信号を合成して得られる複合周波信号を送出し、受信器３は、送信器２から送出される複合周波信号を受信し、ドップラー効果および伝搬遅延を伴って受信した複合周波信号を、周波数信号の個数と少なくとも同数の参照角周波数でそれぞれ直交検波し、その検波出力に基づいて、参照角周波数の個数分の複素出力を算出し、参照角周波数の個数分の複素出力に基づく参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出し、差分が目標精度となった場合の速度を、送信器２または受信器３の速度として推定し、また、差分が目標精度となった場合の、参照角周波数の個数分の複素出力から複数個の周波数信号の位相をそれぞれ抽出し、抽出した各位相に基づいて、送信器２と受信器３間の複数周波信号の伝搬遅延時間を算出し、算出した伝搬遅延時間に基づいて、送信器２と受信器３間の距離を推定することとしたので、移動体の速度および距離を、少ない演算量で、高精度かつ短時間で計測することが可能となる。付言すると、複合周波信号の短いビート信号波形を使用して、効率のよい演算法でドップラーシフト影響下の移動物体の距離と速度を厳密に同時計測することが可能となる。 
【００９２】
また、送信器２と受信器３は、所定の時刻同期手法を用いて内部クロックが予め同期しているので、伝搬遅延時間を簡易な演算で算出することが可能となる。 
【００９３】
また、受信器３は、参照角周波数の個数分の電力推定値または振幅推定値の差分が目標精度となるような速度または受信角周波数を算出する場合に、受信素子の周波数特性および送信器の速度領域に応じた補正を加えるとしたので、電力推定値または振幅推定値の差分を高精度に算出することが可能となる。 
【００９４】
また、受信器３は、送信器２から出力された信号を、超音波、電磁波、および光のいずれか１つで受信することとしたので、一般の線形波動で表現できるものに本発明を適用することが可能となる。 
【００９５】
以下、本発明にかかる速度・距離検出方法を適用したシステムの実施の形態について説明する。本発明の構成要素は、本明細書の図面に一般に示してあるが、様々な構成で広く多様に配置し設計してもよいことは容易に理解できる。したがって、本発明の装置、システムおよび方法の実施形態についての以下のより詳細な説明は、特許請求の範囲に示す本発明の範囲を限定するものではなく、単に本発明の選択した実施形態の一例を示すものであって、本明細書の特許請求の範囲に示す本発明と矛盾無く装置、システムおよび方法についての選択した実施形態を単に示すものである。当業者は、実施の形態に示す一部要素の１つ以上が無くても、または他の方法、部品、材料でも本発明を実現できることが理解できる。   
【００９６】
（実施の形態）
本発明にかかる速度・距離検出方法を適用した計測システムの実装例を説明する。図９は、図１の送信器２の概略の構成例を示す図である。送信器２は、主に、複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成し、合成した複数の周波数信号を複合周波ビート信号として超音波で送信する。 
【００９７】
図９に示すように、送信器２は、波形記憶部（波形ＲＯＭ）１０１と，Ｄ／Ａ変換部１０２と、増幅部１０３と、超音波送信素子（超音波スピーカ）１０４と、時刻同期機構１０５と、内部時計１０６とを備えており、各部は伝送路を介して互いに接続されている。 
【００９８】
波形記憶部１０１は、複数個の周波数信号に対応する各波形の位相を予め調整して（揃えて）合成した複合周波ビート波形ｓ（ｔ）のデジタル信号を記憶する。複合周波ビート波形ｓ（ｔ）は、例えば、上記図４に示すような波形とすることができ、複合周波ビート信号は、下式（３）で表すことができる。例えば、ω１＝２π×３９．７５０ｋＨｚ，ω２＝２π×４０．２５０ｋＨｚである。 
【００９９】
ｓ（ｔ）＝ａ１ｓｉｎ（ω１ｔ＋φ１）＋ａ２ｓｉｎ（ω２ｔ＋φ２）・・・（３） 
【０１００】
時刻同期機構１０５は、受信器３の時刻同期機構２１６（図１０参照）と時刻の同期を取り、内部時計１０６の内部クロックを、受信器３の内部時計２１７（図１０参照）の内部クロックと同期させる。送信器２と受信器３間で時刻を同期させる方法は、例えば、本願出願人の特許第４０４１８９９号の方法を使用することができる。内部時計１０６は、所定時刻に、波形記憶部１０１から複合周波ビート波形ｓ（ｔ）を読み出して送信を開始する。Ｄ／Ａ変換部１０２は、波形記憶部１０１から読み出された複合周波ビート波形ｓ（ｔ）のデジタル信号をアナログ信号に変換して、増幅部１０３に出力する。増幅部１０３はアナログ信号を増幅して、超音波送信素子１０４に出力する。超音波送信素子１０４は、アナログ信号を超音波に変換して外部に出力する。 
【０１０１】
超音波送信素子１０４は、具体的には市販の圧電型セラミック振動体である。ここで、素子は共振器であるため、当該素子において、通信感度や信号雑音比は良好であるが、通信帯域は狭く概ね３９．０〜４１．０ｋＨｚである。なお、当該通信帯域内でも振幅・位相伝搬特性は強い周波数依存性をもつ。 
【０１０２】
図１０は、図１の受信器３の概略の構成例を示す図である。図１０に示すように、受信器３は、超音波受信素子（超音波マイクロフォン）２０１と、増幅部２０２と、Ａ／Ｄ変換部２０３と、波形記憶部（波形メモリ）２０４と、信号検出部２０５と、信号抽出部２０６と、参照波形記憶部２０７Ａ、２０７Ｂと、直交検波部２０８Ａ、２０８Ｂと、推定部２０９と、伝搬遅延推定部２１１と、ドップラーシフト音速補正部２１２と、距離推定部２１３と、音速補正部２１４と、環境センサ２１５と、時刻同期機構２１６と、内部時計２１７とを備えており、各部は伝送路を介して互いに接続されている。 
【０１０３】
時刻同期機構２１６は、送信器２の時刻同期機構１０５（図９参照）と時刻の同期を取り、内部時計２１７の内部クロックを、送信器２の内部時計１０６（図９参照）の内部クロックと同期させる。内部時計２１７は、内部クロックを各部に供給する。 
【０１０４】
受信器３での受信波形は、送信器２の速度ｖによりドップラーシフトを受け、ω１はωｐに、ω２はωｑに移行し、また、伝搬遅延により、φ１はφｐに、φ２はφｑに移行し、下式（４）に示すような信号になる。   
【０１０５】
ｕ（ｔ）＝ａｐｓｉｎ（ωｐｔ＋φｐ）＋ａｑｓｉｎ（ωｑｔ＋φｑ）・・・（４）
ただし、ａｐ，ａｑ，ωｐ，ωｑはｖの関数なので、ａｐ（ｖ），ａｑ（ｖ），ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ）と表記してもよい。 
【０１０６】
ａｐ，ａｑは受信振幅であり、送信時は等しく揃えていても、受信素子の周波数特性により一般には異なった値となる。ωｐ，ωｑは送信角周波数がドップラーシフトを受けたものであり、これを精密に計測できれば、送信器２の精密な速度計測値を得ることができる。φｐ，φｑは受信位相であり、受信器３の時刻設定と受信素子の位相周波数特性により付加される。 
【０１０７】
超音波受信素子２０１は、送信器２から送出される超音波を受信して、アナログ信号に変換し受信信号として増幅部２０２に出力する。超音波受信素子２０１は、具体的には市販の圧電型セラミック振動体である。増幅部２０２は、超音波受信素子２０１から入力される受信信号を増幅して、Ａ／Ｄ変換部２０３に出力する。   
【０１０８】
Ａ／Ｄ変換部２０３は、増幅部２０２から入力される受信信号をＡ／Ｄ変換して、波形記憶部２０４に出力する。Ａ／Ｄ変換部２０３では、例えば、サンプリング速度１×１０６回／秒、量子化長１４ビット（直線量子化）とすることができる。サンプリング速度は、サンプリング定理より受信角周波数４０ｋＨｚの２倍を超える必要があるが、直交検波を高精度に行うためには、高いサンプリング周波数を採用するのが望ましい。波形記憶部２０４は、Ａ／Ｄ変換された受信信号を記憶する。波形記憶部２０４は、例えば、所定量以上の容量を有するリングバッファで構成することができ、新しいデータを古いデータに上書きしていく。   
【０１０９】
信号検出部２０５は、波形記憶部２０４を常時、監視しており、ノイズレベルを超えるＴｓｅｃ以上（Ｔは窓関数の時間幅）の継続時間の信号到来を検出した場合に、周波数検出工程を起動するための起動信号を信号抽出部２０６、直交検波器２０８Ａ、Ｂおよびくり返し制御部２２４に出力して、速度・位相検出工程を実行させる。 
【０１１０】
信号抽出部２０６は、起動信号が入力されると、波形記憶部２０４から正確にＴ秒の有効な受信信号を読み出し、後段の直交検波器２０８Ａおよび直交検波器２０８Ｂに出力する。 
【０１１１】
直交検波器２０８Ａは、Ｔ秒の受信波形に、ωｔから僅かに離れた参照角周波数ΩＡ（たとえば、２π×４０．２５０×１０３Ｈｚ）のｃｏｓ波形および−ｓｉｎ波形を乗じると共に、受信波形を積分して検波出力（ＩＡ，ＱＡ）を得て、振幅・位相推定部２２１に出力する。 
【０１１２】
具体的には、ＩＡ，ＱＡは、受信波形をｕ（ｔ）とすると、下式（１６）のようになる。
ＩＡ＝（１／Ｔ）∫［−Ｔ／２，Ｔ／２］ｕ（ｔ）ｃｏｓΩＡｔｄｔ
ＱＡ＝−（１／Ｔ）∫［−Ｔ／２，Ｔ／２］ｕ（ｔ）ｓｉｎΩＡｔｄｔ・・・（１６） 
【０１１３】
上式（１６）において、ｔ＝０の時刻原点はＴ秒間の受信波形の中央にとっている。ｃｏｓΩＡｔ，−ｓｉｎΩＡｔは、予め波形記憶部２０７Ａに記憶されており、直交検波器２０８Ａは、波形記憶部２０７ＡからｃｏｓΩＡｔ，−ｓｉｎΩＡｔを読み出して、検波出力（ＩＡ，ＱＡ）を算出する。 
【０１１４】
かかる検波出力（ＩＡ，ＱＡ）は、サンプルされた離散時間の受信波形に対し積和計算により得ることができる。ただし、数学的には連続時間関数の積分を離散時間の信号サンプル値から近似する数値積分であるので、計算精度を高めるため、必要に応じ高次の積分近似、例えば、台形則やシンプソン則を併用することにしてもよい。この場合も予め係数をｃｏｓΩＡｔ，−ｓｉｎΩＡｔの数表に掛け合わせておけば、単純な積和計算の中で行うことができる。本実施の形態では、シンプソン則を使用している。 
【０１１５】
直交検波器２０８Ｂは、直交検波器２０８Ａと同様の処理を別の参照角周波数ＱＢ（例えば、２π×３９．７５０×１０３Ｈｚ）について行い、検波出力（ＩＢ，ＱＢ）を得て、推定部２０９の振幅・位相推定部２２１に出力する。ｃｏｓΩＢｔ，−ｓｉｎΩＢｔは、予め波形記憶部２０７Ｂに記憶されており、直交検波器２０８Ｂは、波形記憶部２０７ＢからｃｏｓΩＢｔ，−ｓｉｎΩＢｔを読み出して、検波出力（ＩＢ，ＱＢ）を算出して、推定部２０９の振幅・位相推定部２２１に出力する。 
【０１１６】
検波出力（ＩＡ，ＱＡ），（ＩＢ，ＱＢ）は、下式（５）のように表すことができる。
ＩＡ＝ｒＡ（ωｐ）ａｐｓｉｎφｐ＋ｒＡ（ωｑ）ａｑｓｉｎφｑ
ＱＡ＝ｉＡ（ωｐ）ａｐｃｏｓφｐ＋ｉＡ（ωｑ）ａｑｃｏｓφｑ
ＩＢ＝ｒＢ（ωｐ）ａｐｓｉｎφｐ＋ｒＢ（ωｑ）ａｑｓｉｎφｑ
ＱＢ＝ｉＢ（ωｐ）ａｐｃｏｓφｐ＋ｉＢ（ωｑ）ａｑｃｏｓφｑ・・・（５） 
【０１１７】
推定部２０９は、検波出力（ＩＡ，ＱＡ），（ＩＢ，ＱＢ）に基づいて、参照角周波数の個数分の複素出力ａｐｅｘｐ（ｊφｐ），ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）を算出し、電力推定値の差分｜ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２−η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２｜が目標精度（閾値以下）となるように速度ｖを演算し、その場合の速度ｖを速度推定値ｖｒとしてドップラーシフト音速補正部２１２に出力すると共に、その場合の位相推定値φｐ，φｑを伝搬遅延推定部２１１に出力する。 
【０１１８】
推定部２０９は、振幅・位相推定部２２１と、減算器２２２と、ラッチ回路２２３と、くり返し制御部２２４とを備えている。 
【０１１９】
振幅・位相推定部２２１は、検波出力（ＩＡ，ＱＡ），（ＩＢ，ＱＢ）に基づいて、下式（６）、（７）に示す複素出力ａｐｅｘｐ（ｊφｐ），ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）を算出する。そして、複素出力ａｐｅｘｐ（ｊφｐ），ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）に基づいて受信電力ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２と、η（ｖ）２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２を算出して、減算器２２２に出力する。また、下式（１３）を使用して、ａｐｅｘｐ（ｊφｐ），ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）の偏角を取り出して、φｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））φｑ（ωｐ（ｖ）、ωｑ（ｖ））をラッチ回路２２３に出力する。 
【０１２０】
ａｐｅｘｐ（ｊφｐ）＝（ｉＢ（ωｑ）ＱＡ−ｉＡ（ωｑ）ＱＢ）／（ｉＡ（ωｐ）ｉＢ（ωｑ）−ｉＡ（ωｑ）ｉＢ（ωｐ））＋ｊ（ｒＢ（ωｑ）ＩＡ−ｒＡ（ωｑ）ＩＢ）／（ｒＡ（ωｐ）ｒＢ（ωｑ）−ｒＡ（ωｑ）ｒＢ（ωｐ）・・・（６）
ａｑｅｘｐ（ｊφｑ）＝（−ｉＢ（ωｐ）ＱＡ＋ｉＡ（ωｐ）ＱＢ）／（ｉＡ（ωｐ）ｉＢ（ωｑ）−ｉＡ（ωｑ）ｉＢ（ωｐ））＋ｊ（−ｒＢ（ωｐ）ＩＡ＋ｒＡ（ωｐ）ＩＢ）／（ｒＡ（ωｐ）ｒＢ（ωｑ）−ｒＡ（ωｑ）ｒＢ（ωｐ）・・・（７） 
【０１２１】
φｐ＝Ａｒｇ（ａｐｅｘｐ（ｊφｐ））
φｑ＝Ａｒｇ（ａｑｅｘｐ（ｊφｑ））・・・（１３） 
【０１２２】
減算器２２２は、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｐ（ｖ））＝ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２−η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２を算出して、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｐ（ｖ））をくり返し制御部２２４に出力する。 
【０１２３】
くり返し制御部２２４は、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｐ（ｖ））が目標精度（閾値以下）であるか否かを判断し、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｐ（ｖ））が目標精度となる速度ｖを、送信器２の速度推定値ｖｒとしてドップラーシフト音速補正部２１２に出力し、また、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｐ（ｖ））が目標精度となった場合に、一致信号をラッチ回路２２３に出力する。くり返し制御部２２４は、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｐ（ｖ））が目標精度でない場合には、振幅・位相推定部２２１および伝搬遅延推定部２１１に、変更したωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ）を出力して、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））が目標精度となるまで繰り返し処理を実行する。 
【０１２４】
振幅・位相推定部２２１は、くり返し制御部２２４からフィードバックされるωｐ（ｖ），ωｐ（ｖ）を使用して、ａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ）），η（ｖ）２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２，φｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ）），φｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））を再演算して、減算器２２２およびラッチ回路２２３に出力する。 
【０１２５】
ラッチ回路２２３は、振幅・位相推定部２２１から入力される位相φｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ）），φｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））を、くり返し制御部２２４の一致信号が入力した際にラッチして、位相推定値として、伝搬遅延推定部２１１に出力する。すなわち、ラッチ回路２２３は、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））が目標精度となる場合の位相φｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ）），φｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））を位相推定値として伝搬遅延推定部２１１に出力する。 
【０１２６】
音速補正部２１４には、温度センサ２１５Ａ、湿度センサ２１５Ｂ、および気圧センサ２１５Ｃ等の環境センサ２１５で検出される環境情報（温度情報、湿度情報、および気圧情報等）が入力される。音速補正部２１４は、環境情報に基づいて音速ｃを算出して、距離推定部２１３およびドップラーシフト音速補正部２１２に出力する。 
【０１２７】
ドップラーシフト音速補正部２１２は、上式（２）を使用して、推定部２０９で推定された速度ｖｒを音速補正部２１０から入力される音速ｃで補正して、補正した速度ｖを出力する。 
【０１２８】
伝搬遅延推定部２１１は、ラッチ回路２２３から入力される位相推定量φｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ）），φｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））に基づいて、伝搬遅延時間ｄを算出し、距離推定部２１３に出力する。受信器３の内部時計２１７は、送信器２の内部時計１０６と同期しているので、下式（１４）を使用して、伝搬遅延時間ｄを算出することができる。ここで使用するωｐ，ωｑは、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））が目標精度となった場合のωｐ，ωｑである。 
【０１２９】
ｄ＝−（φｐ−φｑ）／（ωｐ−ωｑ）・・・（１４） 
【０１３０】
距離推定部２１３は、下式（１５）を使用して、伝搬遅延推定部２１１から入力される伝搬遅延時間ｄと音速補正部２１４から入力される音速ｃに基づいて送受信器間の距離Ｌを算出して、出力する。 
【０１３１】
Ｌ＝ｃ×ｄ・・・（１５） 
【０１３２】
このようにして、少ない演算量で距離と速度を同時に検出することが可能となる。図１１Ａおよび図１１Ｂ は、推定部２０９で送信器２の速度ｖｒを算出する処理の一例を説明するためのフローチャートである。同図に示すフローチャートは、２分法を使用して、必要な精度で、Ｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））＝０、すなわちａｐ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２＝η２×ａｑ（ωｐ（ｖ），ωｑ（ｖ））２を得て、速度ｖｒを算出するものである。   
【０１３３】
図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて、まず、音速ｃを仮定する（ステップＳ４１）。例えば、ｃ＝３４０ｍ／ｓとすることができる。つぎに、検出速度の下限ｖ１および上限ｖ２を設定する（ステップＳ４２）。例えば、ｖ１＝−１．０ｍ／ｓ、ｖ２＝１．０ｍ／ｓとすることができる。   
【０１３４】
つぎに、｜ｖ１−ｖ２｜≦閾値（目標精度）であるか否かを判断する（ステップＳ４３）。｜ｖ１−ｖ２｜≦閾値（目標精度）の場合には（ステップＳ４３の「Ｙｅｓ」）、ｖｒ＝ｖ１  ｏｒ  ｖｒ＝ｖ２とする（ステップＳ５２）。
【０１３５】
他方、｜ｖ１−ｖ２｜≦閾値（目標精度）でない場合には（ステップＳ４３の「Ｎｏ」）、（ｖ１＋ｖ２）／２をｖ３と設定する（ステップＳ４４）。（ωｐ１，ωｑ１）＝｛ｃ／（ｃ−ｖ１）｝（ωａ，ωｂ），（ωｐ２，ωｑ２）＝｛ｃ／（ｃ−ｖ２）｝（ωａ，ωｂ），（ωｐ３，ωｑ３）＝｛ｃ／（ｃ−ｖ３）｝（ωａ，ωｂ）を算出する（ステップＳ４５）。上式（８）、（９）より、振幅｛ａＡ（ωｐ１，ωｑ１），ａＢ（ωｐ１，ωｑ１）｝，｛ａＡ（ωｐ２，ωｑ２），ａＢ（ωｐ２，ωｑ２）｝，｛ａＡ（ωｐ３，ωｑ３），ａＢ（ωｐ３，ωｑ３）｝を推定する（ステップＳ４６）。 
【０１３６】
この後、ａＡ（ωｐ１，ωｑ１）２−η２×ａＢ（ωｐ１，ωｑ１）２＞０  ａｎｄ  ａＡ（ωｐ２，ωｑ２）２−η２×ａＢ（ωｐ２，ωｑ２）２＜０であるか否かを判断する（ステップＳ４７）。ここで、ηは受信素子の周波数特性に基づく感度補正値である。ａＡ（ωｐ１，ωｑ１）２−ａＢ（ωｐ１，ωｑ１）２＞０  ａｎｄ  ａＡ（ωｐ２，ωｑ２）２−η２×ａＢ（ωｐ２，ωｑ２）２＜０である場合には（ステップＳ４７の「Ｙｅｓ」）、ａＡ（ωｐ３，ωｑ３）２−η２×ａＢ（ωｐ３，ωｑ３）２＞０であるか否かを判断する（ステップＳ４８）。   
【０１３７】
ａＡ（ωｐ３，ωｑ３）２−η２×ａＢ（ωｐ３，ωｑ３）２＞０である場合には（ステップＳ４８の「Ｙｅｓ」）、ｖ３をｖ１と設定し（ステップＳ５０）、ａＡ（ωｐ３，ωｑ３）２−η２×ａＢ（ωｐ３，ωｑ３）２＞０でない場合には（ステップＳ４８の「Ｎｏ」）、ｖ３をｖ２と設定して（ステップＳ５１）、ステップＳ４３に戻る。 
【０１３８】
他方、ステップＳ４７において、ａＡ（ωｐ１，ωｑ１）２−η２×ａＢ（ωｐ１，ωｑ１）２＞０  ａｎｄ  ａＡ（ωｐ２，ωｑ２）２−η２×ａＢ（ωｐ２，ωｑ２）２＜０でない場合には（ステップＳ４７の「Ｎｏ」）、ａＡ（ωｐ３，ωｑ３）２−η２×ａＢ（ωｐ３，ωｑ３）２＞０であるか否かを判断する（ステップＳ４９）。ａＡ（ωｐ３，ωｑ３）２−η２×ａＢ（ωｐ３，ωｑ３）２＞０である場合には（ステップＳ４９の「Ｙｅｓ」）、ｖ３をｖ２に設定し（ステップＳ５１）、ａＡ（ωｐ３，ωｑ３）２−η２×ａＢ（ωｐ３，ωｑ３）２＞０でない場合には（ステップＳ４９の「Ｎｏ」）、ｖ３をｖ１と設定して（ステップＳ５０）、ステップＳ４３に戻る。 
【０１３９】
ステップＳ４３では、再び、｜ｖ１−ｖ２｜≦閾値（目標精度）であるか否かを判断し、｜ｖ１−ｖ２｜≦閾値（目標精度）となるまで同じ処理を繰り返し実行する（ステップＳ４３〜Ｓ５１）。 
【０１４０】
上記実施の形態によれば、位置計測に使用する複合周波信号だけを使用して、速度を計測することができ、特に新要素をつけ加えることなく位置と速度の同時計測を高精度かつ短時間で行うことが可能となる。ここでは、２周波信号を使用した場合について説明したが、３周波数以上の信号を使用することにしてもよい。この場合は、周波数信号の個数分の参照角周波数で直交検波を行う。 
【０１４１】
なお、複合周波信号を使用して位置と速度を同時計測する方法は、信号の振幅比も誤差要因に加わるため、一般に単周波信号で速度を計測する方法より精度は悪化するが、受信素子に周波数特性のよい広帯域素子を使用するなどして、ほぼ単周波信号を使用した場合に匹敵する速度検出精度を確認している。 
【０１４２】
（本発明の応用例）
上記説明では、送信器２のみが移動し、音の媒質である空気や受信器３は固定しているものとして説明したが、それらの動いている場合のドップラーシフトについても関係式を導くことができる。送信器２の速度をｖｔ，受信器３の速度をｖｅ，媒質の速度をｖｍとすれば、送信角周波数ωｔは、受信角周波数ωｒ＝（（ｃ−ｖｅ＋ｖｍ）／（ｃ−ｖｔ＋ｖｍ））ωｔになって受信器３で受信される。したがって、受信器３が移動している場合、ないし媒質が移動している場合も、受信角周波数ωｒを決定し、その量を知ることができる。例えば、送信器２、受信器３を固定すれば、これは媒質の速度すなわち風速の計測法として使用することができる。 
【０１４３】
上記説明では、図１２Ａに示すように、移動体４に送信器２を装着し、１台の受信器３で一次元的な速度測定について説明したが、２次元的および３次元的な速度測定も可能である。 
【０１４４】
超音波の送信器２および受信器３は一定の有効開口を有しており、その中に複数台を設置できる。例えば、図１２Ｂに示すように、３次元的移動を行う移動体４に装着した一台の送信器２の有効開口内に、３台の受信器３を設置すれば、送信器２の速度ベクトルｖ→の各方向Ｘ、Ｙ、Ｚの速度成分を知ることができ、別途、送受信器の位置関係が分かっていれば、そこから速度ベクトルｖ→をＴ＝１ｍｓなどと求めることができる。これにより、運動物体の空間における瞬間的な移動方向を精密に計測することができる。 
【０１４５】
また、送信器２から発せられた超音波を受信器３で受信して、送信器２の速度および距離を計測する場合について説明したが、受信器３が超音波を発し、移動体からのその反射波を受信して、移動体４の速度および距離を計測することにしてもよい。 
【０１４６】
本発明にかかる計測装置、計測システム、および計測方法は、例えば、超音波風速計や流速計に好適に利用できる。また、仮想現実感のモーショントラックや工作機械の誘導、ロボットの誘導に好適に利用でき、この場合、位置計測と相俟ってそれとは独立に得た各点の速度情報があれば、位置を含めた方程式を解くことで、より高精度な制御が可能となる。 
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明にかかる計測装置、計測システム、および計測方法は、超音波風速計、流速計仮想現実感のモーショントラック、工作機械の誘導、ロボットの誘導等に広く利用可能である。 
【符号の説明】
【０１４８】
１  計測システム
２  送信器
３  受信器
４  移動体
１０１  波形記憶部（波形ＲＯＭ）
１０２  Ｄ／Ａ変換部
１０３  増幅部
１０４  超音波送信素子（超音波スピーカ）
１０５  時刻同期機構
１０６  内部時計
２０１  超音波受信素子（超音波マイクロフォン）
２０２  増幅部
２０３  Ａ／Ｄ変換部
２０４  波形記憶部（波形メモリ）
２０５  信号検出部
２０６  信号抽出部
２０７Ａ、２０７Ｂ  直交検波部
２０８Ａ、２０８Ｂ  参照波形記憶部
２０９  推定部
２１１  伝搬速度推定部
２１２  ドップラーシフト音速補正部
２１３  距離推定部
２１４  音速補正部
２１５  環境センサ
２１６  時刻同期機構
２１７  内部時計
２２１  振幅・位相推定部
２２２  減算部
２２３  ラッチ回路
２２４  くり返し制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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