(57)【要約】【課題】直接波よりも反射波が大きくなるような状況であっても反射波の影響を除外して正確に直接波の受信時刻を算出することのできる音波受信時刻算出装置を提供する。【解決手段】音波受信部11は、音波を受信して音波受信データを得る。第一算出部12は、音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、ピークとなる最初の時刻を第一受信時刻として算出する。第二算出部13は、第一受信時刻前の所定範囲を対象としてウィンドウサイズを小さく設定した第二相互相関関数を算出し、ピークとなる時刻が存在すれば当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する。判定部14は、第二受信時刻が算出できた場合は第二受信時刻を、できなかった場合は第一受信時刻を、所定のリファレンス信号の直接波の受信時刻として判定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を受信して音波受信データを得る音波受信部と、
前記音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第一相互相関関数の値が第一閾値を超えてピークとなる最初の時刻を第一受信時刻として算出する第一算出部と、
前記音波受信データにおける前記第一受信時刻以前の所定範囲にあるデータと前記所定のリファレンス信号との第二相互相関関数を、前記第一ウィンドウサイズよりも小さい第二ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第二相互相関関数の値が第二閾値を超えてピークとなる時刻が存在する場合に、当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する第二算出部と、
前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻が、前記第二受信時刻が算出された場合には当該第二受信時刻であるとして、当該算出されなかった場合には前記第一受信時刻であるとして、判定する判定部と、を備えることを特徴とする音波受信時刻算出装置。
【請求項２】
前記判定部はさらに、前記第二受信時刻が算出された場合には、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻として、前記第二受信時刻に代えて、前記第一相互相関関数の値が当該第二受信時刻の周辺の所定範囲において前記第一閾値よりも小さい第三閾値を超えて最初にピークとなる第三受信時刻を採用することを特徴とする請求項１に記載の音波受信時刻算出装置。
【請求項３】
前記第一ウィンドウサイズが、前記所定のリファレンス信号の長さと一致して設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の音波受信時刻算出装置。
【請求項４】
前記第二算出部は、前記第二相互相関関数を、前記所定のリファレンス信号のうち最初の側で前記第二ウィンドウサイズの長さを有する部分を用いて算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の音波受信時刻算出装置。
【請求項５】
親機及び子機を備え、当該親機及び子機の間の距離を推定する距離推定システムであって、
前記親機及び子機の間で双方向又は単方向に所定のリファレンス信号としての音波を送信し、
前記親機及び子機のうち、前記双方向又は単方向に送信された音波を受信する両者又は一方が、請求項１ないし４のいずれかに記載の音波受信時刻算出装置を備えることにより、当該受信した時刻を算出し、
当該算出された受信時刻に基づいて、前記親機及び子機の間の距離を推定することを特徴とする距離推定システム。
【請求項６】
音波を受信して音波受信データを得る音波受信段階と、
前記音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第一相互相関関数の値が第一閾値を超えて最初にピークとなる時刻を第一受信時刻として算出する第一算出段階と、
前記音波受信データにおける前記第一受信時刻以前の所定範囲にあるデータと前記所定のリファレンス信号との第二相互相関関数を、前記第一ウィンドウサイズよりも小さい第二ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第二相互相関関数の値が第二閾値を超えてピークとなる時刻が存在する場合に、当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する第二算出段階と、
前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻が、前記第二受信時刻が算出された場合には当該第二受信時刻であるとして、当該算出されなかった場合には前記第一受信時刻であるとして、判定する判定段階と、を備えることを特徴とする音波受信時刻算出方法。
【請求項７】
前記判定段階はさらに、前記第二受信時刻が算出された場合には、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻として、前記第二受信時刻に代えて、前記第一相互相関関数の値が当該第二受信時刻の周辺の所定範囲において前記第一閾値よりも小さい第三閾値を超えて最初にピークとなる第三受信時刻を採用することを特徴とする請求項６に記載の音波受信時刻算出方法。
【請求項８】
コンピュータを請求項１ないし４のいずれかに記載の音波受信時刻算出装置として機能させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接波よりも反射波が大きくなるような状況であっても反射波の影響を除外して正確に直接波の受信時刻を算出することのできる音波受信時刻算出装置、方法及びプログラム並びに当該装置を備える距離推定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
主に自動車を中心にスマートエントリシステムが普及し始めている。スマートエントリシステムを利用すると、ユーザは鍵を自動車のドアに差し込まなくても、ドアに近づいたりドアノブに触ったりするだけでドアを開錠できる。他にも家のドアやマンションの共用玄関のドアの開錠等への適用が期待されている。
【０００３】
自動車における一般的なスマートエントリシステムは、ユーザが携帯する専用キーと、自動車に取り付けられた送受信機で構成される。非特許文献1では、送受信機の送信信号を専用キーが受信した際、応答信号を送信する。送受信機が応答信号を受信した際にドアロックの解除を行う。送受信機の無線信号の通信範囲は1m程度の短距離に制限されている。これにより、自動車から離れているユーザが誤ってドアロックを解除し、第三者が自動車内に侵入できてしまうなどのセキュリティ問題を解決している。無線信号の周波数帯は自動車メーカによって異なるが、125kHzや300MHzなどが使用される。
【０００４】
専用キーの代わりに、携帯電話やスマートフォン等の携帯端末を利用できれば、ユーザの利便性が向上できる。携帯端末の普及により、多くの人々が携帯端末を普段身に着けているため、専用キーを携帯する必要がなくなる。携帯端末にはBluetooth（登録商標）やWi-Fi（登録商標）などの様々な無線通信デバイスが具備されている。しかしながら、これらを使った無線信号の通信範囲は5m〜100m程度と広範囲であること、スマートフォンや携帯電話の機種によって通信範囲が異なる場合があることから、セキュリティ問題が浮上する。
【０００５】
このような問題に対して、非特許文献1では、携帯電話に専用ハードウェアを搭載している。自動車と携帯電話間の通信には125kHzと300MHz帯の電波を使用しており、電波の通信範囲は1m程度に制限されている。
【０００６】
一方、上記のように携帯電話に追加で専用ハードウェアを搭載することによるコスト増加を避ける観点から、広範囲な通信範囲を有する通常の無線通信デバイス（電波や音波）を用いて距離推定を行い、セキュリティ等も考慮できるようにするというアプローチが存在する。この場合、距離推定には高精度が要求される。
【０００７】
従来、距離推定の代表的な方法として、端末間で電波や音波などの無線を交換する際の受信信号強度に基づいて距離を推定する方法がある。しかしながら、無線デバイスの感度や周辺雑音、遮蔽物によって受信信号強度は変化するため、推定精度は十分ではなかった。
【０００８】
また、距離推定の代表的な手法として、伝搬時間を利用する方法では、無線デバイスの感度や雑音による影響は少なく、伝搬時間を高精度に推定できるのであれば、距離推定も高精度に実現可能である。
【０００９】
特に、電磁波と比較して伝搬時間が遅い音波(超音波)を利用した非特許文献2では、誤差数10cmの精度を実現している。具体的には、親端末と子端末間で音波を送受信し、子端末が親端末に音波の送受信時刻の情報を通知することで、距離を推定する。受信時刻の算出には、相互相関関数を利用している。送信音波の波形を事前に両端末間で共有し、リファレンス信号を生成する。受信した音とリファレンス信号の相互相関関数を計算し、ピークとなる点を音波の受信時刻と決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2006-337279号公報（直接波反射波判定方法）
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】日産・ドコモ・シャープによる「インテリジェントキー搭載ケータイ」http://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/0810/02/news094.html
【非特許文献２】Beepbeep: a high accuracy acoustic ranging system using cots mobile devices(国際会議Sensys 2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、反射波や人体遮蔽の影響により、直接波より反射波の相互相関関数の値が大きい場合、音波の受信時刻を誤り、距離推定結果が実際より大きくなってしまう課題があった。特に、直接波と反射波が時間的に重なって受信される場合、音波の受信時刻を誤ることが多い。
【００１３】
図１に、当該課題となる状況を模式的に示す。図１では、音波を発生する音源S100と、当該音波を受信する受信機R100とが存在し、これらを結ぶ直線上（すなわち、音源S100から受信機R100への最短経路上）に遮蔽物O100が存在し、その傍らに壁W100が存在している。
【００１４】
当該状況においては、[1]に示す音源S100から受信機R100へと真っすぐに向かう音波(直接波)は、遮蔽物O100によって減衰し、[2]に示すように弱い直接波となって受信機R100に到達してしまう。一方、[3]に示す遮蔽物O100で減衰されない別方向への直接波は、反射面としての壁W100で反射され、[4]に示すように強いまま反射波となって、受信機R100に到達してしまう。この結果、受信機R100においては[2]の弱い直接波ではなく、[4]の強い反射波の方を、音源S100から真っすぐに到達してきた直接波であるとして誤って検出してしまう。そして、当該誤って検出された受信時刻に基づいて音源S100と受信機R100との間の距離を算出すると、本来の直接波による最短経路ではなく反射波の経路の距離を算出することになり、本来の距離よりも大きな値となってしまう。
【００１５】
図１のような状況が発生してしまう具体的な例を図2に示す。図２では、音源S100はユーザの携帯端末に備わり、受信機R100はユーザのクルマに備わることで、音波受信時刻を利用して携帯端末を有するユーザとクルマとの間の距離を算出するスマートエントリシステムの例である。このような状況において、ユーザは携帯端末を自分の背側にあるポケットに入れ、ユーザ自身は真っすぐにクルマの方向を向いているとすると、ポケット内から発せられた直接波に対してユーザ自身が遮蔽物となり、図１のような状況が生まれてしまう。あるいは、ユーザは携帯端末をポケットには入れておらず、手に持っているが、クルマとは反対を向いている場合も、ユーザ自身が遮蔽物となり、図１のような状況が生まれてしまう。
【００１６】
なお、直接波と反射波とを分離する従来技術として、特許文献１では、アレーアンテナを活用し、受信波の到来角度を推定することで、直接波と反射波を分離する手法が提案されている。しかしながら、当該手法では、アレーアンテナの利用が前提であり、携帯電話やスマートフォン等の汎用的な携帯端末では利用できないという課題があった。
【００１７】
本発明は、以上のような従来技術の課題に鑑み、アレーアンテナ等の特殊デバイスを必要とせずに、人体遮蔽等の影響を受けて減衰する直接波に対して減衰しない反射波が存在する等の状況によって直接波よりも反射波が大きくなってしまう場合であっても、直接波の受信時刻を正確に算出することのできる音波受信時刻算出装置、方法及びプログラムを提供することを目的とする。また、当該装置を備える距離推定システム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】
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明は、音波受信時刻算出装置であって、音波を受信して音波受信データを得る音波受信部と、前記音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第一相互相関関数の値が第一閾値を超えてピークとなる最初の時刻を第一受信時刻として算出する第一算出部と、前記音波受信データにおける前記第一受信時刻以前の所定範囲にあるデータと前記所定のリファレンス信号との第二相互相関関数を、前記第一ウィンドウサイズよりも小さい第二ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第二相互相関関数の値が第二閾値を超えてピークとなる時刻が存在する場合に、当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する第二算出部と、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻が、前記第二受信時刻が算出された場合には当該第二受信時刻であるとして、当該算出されなかった場合には前記第一受信時刻であるとして、判定する判定部と、を備えることを第一の特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、音波受信時刻算出方法であって、音波を受信して音波受信データを得る音波受信段階と、前記音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第一相互相関関数の値が第一閾値を超えてピークとなる最初の時刻を第一受信時刻として算出する第一算出段階と、前記音波受信データにおける前記第一受信時刻以前の所定範囲にあるデータと前記所定のリファレンス信号との第二相互相関関数を、前記第一ウィンドウサイズよりも小さい第二ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第二相互相関関数の値が第二閾値を超えてピークとなる時刻が存在する場合に、当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する第二算出段階と、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻が、前記第二受信時刻が算出された場合には当該第二受信時刻であるとして、当該算出されなかった場合には前記第一受信時刻であるとして、判定する判定段階と、を備えることを第二の特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、プログラムであって、コンピュータを前記音波受信時刻算出装置として機能させることを第三の特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、親機及び子機を備え、当該親機及び子機の間の距離を推定する距離推定システムであって、前記親機及び子機の間で双方向又は単方向に所定のリファレンス信号としての音波を送信し、前記親機及び子機のうち、前記双方向又は単方向に送信された音波を受信する両者又は一方が、上記音波受信時刻算出装置を備えることにより、当該受信した時刻を算出し、当該算出された受信時刻に基づいて、前記親機及び子機の間の距離を推定することを第四の特徴とする。
【００２２】
さらに、本発明は、前記音波受信時刻算出装置において前記判定部がさらに、前記第二受信時刻が算出された場合には、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻として、前記第二受信時刻に代えて、前記第一相互相関関数の値が当該第二受信時刻の周辺の所定範囲において前記第一閾値よりも小さい第三閾値を超えて最初にピークとなる第三受信時刻を採用することを第五の特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
前記第一ないし第四の特徴によれば、反射波の影響がない場合には第一相互相関関数のピーク時刻としての第一受信時刻を直接波の受信時刻として判定し、反射波の影響があり直接波と重複している場合には、第一受信時刻以前の所定範囲において第一相互相関関数よりもウィンドウサイズを小さくした第二相互相関関数を算出し、そのピーク時刻としての第二受信時刻を直接波の受信時刻として判定する。ここで、第二受信時刻は、ウィンドウサイズを小さくすることで反射波の重複部分の影響を減らして算出されるので、適切に直接波の受信時刻を算出することができる。
【００２４】
前記第五の特徴によれば、第二受信時刻の周辺で再度、閾値を小さい値としたうえで第一相互相関関数のピークを探索することにより、精度をさらに高めた第三受信時刻として、反射波の影響を除外した受信時刻を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】課題となる状況を模式的に示す図である。
【図２】図１のような状況が発生してしまう具体的な例を示す図である。
【図３】一実施形態に係る音波受信時刻算出装置を含む音波受信時刻算出システムの機能ブロック図である。
【図４】第一類型として、直接波のみが到達する場合を示す図である。
【図５】第二類型として、減衰した直接波の後に強い反射波が到達する場合を示す図である。
【図６】第三類型として、減衰した直接波に重複して強い反射波が到達する場合を示す図である。
【図７】第一〜第三類型におけるそれぞれの相互相関関数と判定される本来の直接波の受信時刻とをまとめて模式的に示す図である。
【図８】一実施形態に係る距離推定システムの機能ブロック図である。
【図９】図８の距離推定システムによる距離推定のフローチャートである。
【図１０】４種類の送受時刻を説明するための図である。
【図１１】別の一実施形態に係る距離推定システムの機能ブロック図である。
【図１２】図１１の距離推定システムによる距離推定のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図３は、一実施形態に係る音波受信時刻算出装置を含む音波受信時刻算出システムの機能ブロック図である。音波受信時刻算出システム100は、音波受信時刻算出装置10及び音波送信端末20を備える。音波受信時刻算出装置10は、音波受信部11、第一算出部12、第二算出部13及び判定部14を備える。音波送信端末20は、音波送信部21を備える。各部11〜14,21の処理内容は以下の通りである。なお、以下では処理内容そのものをまず形式的に説明した後に、その実質的な技術的意義ないし意味合いの説明を行うこととする。
【００２７】
音波受信部11は、マイク等の音波を受信する機能を有するデバイスを含んで構成され、当該受信した音波を録音してそのデータを記録し、当該記録された音波受信データrec(i)(iは1≦i≦rec_lengthの整数、rec_lengthは音波受信データの長さ)を第一算出部12及び第二算出部13に提供する。なお、以下本発明の説明においては音波受信データ等の言及に際して、このように整数iによって時間軸上のサンプル番号を表すものとする。（整数iに所定のサンプリング間隔を乗じたものが実時間の値となるが、説明が煩雑となるため、整数iにより言及する。iではなくj,k等の別の文字を用いる場合も同様である。）
【００２８】
ここで、当該音波受信データrec(i)内より、音波送信端末20における音波送信部21の送信した音波の受信時刻を検出することとなるが、当該検出対象の音波についてはその送信波形がリファレンス信号ref(i)(iは1≦i≦ref_lengthの整数、ref_lengthはリファレンス信号の長さ)として、音波受信時刻算出装置10側において既知であるものとする。
【００２９】
音波送信部21は、スピーカ等の音波（超音波を含む）を送信する機能を有するデバイスを含んで構成され、当該リファレンス信号ref(i)を送信する。
【００３０】
第一算出部12は、音波受信データrec(i)とリファレンス信号ref(i)との第一相互相関関数cor1(j)を、以下の式(1)のように第一ウィンドウサイズWS1を用いて計算し、当該第一相互相関関数cor1(j)の値が第一閾値TH1を通過する最初のピークとなる時刻j（ピーク位置の時刻jであって且つ、当該ピーク位置jにおける値cor1(j)が初めて第一閾値TH1を超えている時刻j）を、第一受信時刻j=Tmax1として算出する。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
ここで、WS1=ref_lengthとすればよい。すなわち、第一ウィンドウサイズWS1は、リファレンス信号の長さref_lengthと等しい値とすればよい。この場合、リファレンス信号ref(k)の全て(1≦k≦ref_length)を相互相関関数の計算に使うことになる。一般的に、ウィンドウサイズを大きくすると、雑音との相互相関値が減少し、検出対象としての音波との相互相関値が増大し、雑音に対する音波検出のロバスト性が向上する。式(1)にて分母の項で除算することで、相互相関関数の絶対値は1以下に正規化される。
【００３３】
第二算出部13は、上記算出された第一受信時刻Tmax1が、本来の直接波の受信時刻であるか、あるいは、反射波の影響を受けた誤った受信時刻となっているかを検証すべく、音波受信データとリファレンス信号との第二相互相関関数を、第一受信時刻Tmax1以前の所定時間範囲内において再計算し、算出可能な場合は第二受信時刻Tmax2を算出する。なお、検証処理そのものは、第二算出部13の結果を受けて後述する判定部14が行う。
【００３４】
ここで、第一受信時刻Tmax1が反射波の影響を受けて誤ったものであった場合、本来の直接波の受信時刻はTmax1よりも前（すなわち過去）であるので、第一受信時刻Tmax1以前の所定時間範囲{j|Tmax1-Range1≦j≦Tmax1}内が第二の相互相関関数を再計算する対象となる。
【００３５】
ここで、Range1は反射波のピークより手前に直接波のピークが含まれている範囲を指定するパラメタである。そのため、リファレンス信号長と同程度とすればよい。例えば、Range1=ref_lengthのように等しい値とすればよい。なお、当該反射波と直接波とのピークの関係については、図６を参照して後述する。
【００３６】
さらに、第二算出部13が当該範囲において第二相互相関関数cor2(j)を再計算するに際しては、第一算出部12での第一相互相関関数cor1(j)の計算とは条件を変えて計算を行う。
【００３７】
具体的には、第二算出部13では第二ウィンドウサイズWS2を用いて第二相互相関関数cor2(j)を計算し、第二相互相関関数cor2(j)の値が第二閾値TH2を通過する最初のピークとなるような時刻jを第二受信時刻j=Tmax2として算出する。ここで、以下の式(2),(3)に示すように、第二ウィンドウサイズWS2には第一ウィンドウサイズWS1よりも小さい所定値を用い、また、第二閾値TH2には第一閾値TH1以下の所定値を用いる。（なお、当該所定値を用いることの意味については図６を参照して後述する。）
WS2＜WS1        …(2)
TH2≦TH1        …(3)
【００３８】
従って、第二算出部13の算出する第二相互相関関数cor2(j)は以下の式(4)となる。すなわち、リファレンス信号ref(k)は、その全体(1≦k≦ref_length)ではなく、最初の一部分のみ(1≦k≦WS2＜WS1=ref_length)が用いられることとなる。
【００３９】
【数２】
2015232502.tif 000004
【００４０】
第二算出部13では、上記算出した第二相互相関関数cor2(j)より第二受信時刻Tmax2の算出を試みるが、計算範囲(Tmax1-Range1≦j≦Tmax1)内において第二相互相関関数cor2(j)の値が第二閾値TH2を超えることがなければ、第二受信時刻Tmax2の満たすべき条件に該当するものが存在しないので、第二受信時刻Tmax2は算出不可能であるという結果を得る。
【００４１】
判定部14は、上記第二受信時刻Tmax2が算出された場合には、第一受信時刻Tmax1は反射波の受信時刻の影響を受けて誤って算出したものであり、第二受信時刻Tmax2が本来の直接波の受信時刻であるものとして判定し、一方、上記第二受信時刻Tmax2が算出不可能であった場合は、第一受信時刻Tmax1が、誤りなく本来の直接波の受信時刻であったものとして判定する。
【００４２】
以上、各部11〜14の処理内容を形式的な観点から説明した。以下ではその意味合いについて説明する。すなわち、本来の直接波の受信時刻が第一受信時刻Tmax1として算出される場合、あるいは第二受信時刻Tmax2として算出される場合の類型を、図４〜６のシミュレーション波形を参照してそれぞれ説明する。なお、図４〜６の例は互いに対応しており、送信波形（リファレンス信号ref(i)）は共通である。また、それぞれ欄C51〜C53で示す送受信信号の関係の説明においては、図１と共通の符号（音源S100や受信機R100など）を用いる。
【００４３】
図４は、第一類型として、欄C51に送受信信号の関係を示すように、音源S100（すなわち、音波送信部21）から受信機R100(すなわち、音波受信時刻算出装置10)へ直接波のみが到達し、反射波が存在しない場合を示す図である。
【００４４】
当該第一類型の場合、第一算出部12が第一受信時刻Tmax1を算出し、第二算出部13は第二受信時刻Tmax2を算出することはできず、判定部14は第一受信時刻Tmax1を直接波の受信時刻として判定する。
【００４５】
当該第一類型の場合の送信波形(すなわち、リファレンス信号ref(i))の例が欄C100に、受信信号(すなわち、音波受信データrec(i))及び第一相互相関関数cor1(j)の例が欄C101に示されている。欄C100に示すように送信波形ref(i)は、その所定の長さが0.01秒(10ミリ秒)の所定波形である。なお、設定されるサンプリング周波数を44.1kHzとすると、当該10ミリ秒のリファレンス信号ref(i)におけるサンプル数ref_length=441となる。以下、サンプル数に言及する際は、サンプリング周波数は当該設定であるものとする。
【００４６】
これに対して、0.02秒の範囲(サンプル数rec_length=882)での受信信号rec(i)及び第一相互相関関数cor1(j)が欄C101に示されている。なお、欄C102上段側における受信信号には、現実環境を模すために、受信する直接波と同音圧の雑音(ホワイトノイズ)が加えられている。当該受信信号と送信信号とから欄C101下段側の第一相互相関関数を算出し、横線L101に示すように第一閾値TH1（ここではTH1=0.3）を用いて当該閾値を超える最初のピークが縦線T101で示すように得られ、当該時刻が第一受信時刻Tmax1となる。上段側の波形と比較して明らかなように、適切に直接波の時刻が第一受信時刻として算出されている。
【００４７】
図５は、第二類型として、欄C52に送受信信号の関係を示すように、音源S100から受信機R100へ直接波が到達するものの遮蔽物O100によって減衰され、一方、壁W100によって当該減衰した直接波よりも強い反射波もまた、受信機R100に到達する状況において、到達時間の関係として、減衰した直接波の方が強い反射波よりも先に受信機R100に到達し、直接波と反射波の重複は存在しない関係にある場合を示す図である。
【００４８】
当該第二類型の場合も、第一算出部12が第一受信時刻Tmax1を算出し、第二算出部13は第二受信時刻Tmax2を算出することはできず、判定部14は第一受信時刻Tmax1を直接波の受信時刻として判定する。
【００４９】
当該第二類型の場合に、送信波形を図４の欄C100に示す例と同一として、欄C201に0.03秒の範囲(サンプル数rec_length=1323)における受信信号rec(i)及び第一相互相関関数cor1(j)の例が示されている。欄C201上段側に示すように、受信信号rec(i)においては、現実環境を模すため、受信する減衰した直接波と同音圧の雑音(ホワイトノイズ)が加えられ、当該減衰した直接波の3倍の音圧の反射波が、伝播経路帳の差が3.5ｍ程度（すなわち、受信時刻差が10ミリ秒程度）を持って到達している。当該10ミリ秒は送信波形の長さであるので、受信信号rec(i)において直接波と反射波とは重複していない。
【００５０】
欄C201下段側に示すように、算出される第一相互相関関数cor1(j)において、横線L201に示すように第一閾値TH1（図４と同様にTH1=0.3）を用いて、当該閾値を超える最初のピークが縦線T201で示すように得られ、当該時刻が第一受信時刻Tmax1となる。なお、第一閾値TH1(=0.3)を超える2回目のピークも縦線T202で示すように存在するが、これは反射波の受信時刻に対応するものである。こうして、上段側の波形と比較して明らかなように、第一閾値TH1(=0.3)によって、反射波と間違えることなく適切に直接波の受信時刻が第一受信時刻として算出されている。
【００５１】
図６は、第三類型として、欄C53に送受信信号の関係を示すように、第二類型の場合と同様に音源S100から受信機R100へと遮蔽物O100によって減衰された直接波が到達し、これより強い反射波もまた到達する状況において、第二類型の場合とは異なり、到達時間の関係として、減衰した直接波と強い反射波との両者が重複部分を有して受信機R100に到達してしまう関係にある場合を示す図である。
【００５２】
当該第三類型の場合、第一算出部12が第一受信時刻Tmax1を算出するが、当該時刻は反射波の影響を受けて本来の直接波の到達時刻ではないものとなってしまっている。そして、これを修正するものとして、第二算出部13が第二受信時刻Tmax2の算出に成功し、判定部14は第二受信時刻Tmax2を直接波の受信時刻として判定する。
【００５３】
当該第三類型の場合に、送信波形を図４の欄C100に示す例（長さ10ミリ秒）と同一として、欄C301に0.02秒の範囲(サンプル数rec_length=882)における受信信号rec(i)並びに第一相互相関関数cor1(j)及び第二相互相関関数cor2(j)の例が示されている。なお、第二相互相関関数cor2(j)は、その算出手法を式(4)で説明したように実際には当該0.02秒の全範囲で算出する必要はないが、欄C301下段側に示す例においては、上段及び中段との対比による理解促進の観点から、全範囲で算出したものが示されている。
【００５４】
欄C301上段側に示すように、受信信号rec(i)においては、現実環境を模すため、受信する減衰した直接波と同音圧の雑音が加えられ、当該減衰した直接波の3倍の音圧の反射波が、伝播経路長の差として1ｍ程度（すなわち、受信時刻差が3ミリ秒程度）を持って到達している。すなわち、図６の例では直接波、反射波、雑音の音圧関係は図５の例と共通であり、到達時間の関係が図５の例よりも縮まっており、図５の例では存在しなかった直接波及び反射波の重複が存在している。こうして、受信信号rec(i)においては、長さ10ミリ秒の減衰した直接波のうち、後ろ側の7ミリ秒程度の部分が、強い反射波と重なってしまうこととなる。
【００５５】
このように、弱い直接波が強い反射波と重なってしまっているため、第一相互相関関数における直接波の部分は、反射波の部分による影響を大きく受けて、そのピーク値が本来の値より小さくなってしまう。すなわち、欄C301中段部に示す第一相互相関関数cor1(j)において、横線L301に示すように第一閾値TH1(=0.3)を用いて、当該閾値を超える最初のピークを縦線T302で示すように得て、当該時刻を第一受信時刻Tmax1として算出しても、当該第一受信時刻Tmax1は上段側の受信信号の波形と比較して明らかなように、本来の直接波の到達時刻ではなく、反射波の到達時刻の影響を受けたものとなっている。本来の直接波の到達時刻は縦線T301で示すピーク位置の時刻(あるいは当該時刻の付近)であるが、反射波が重なることの影響でそのピーク値が小さくなってしまっており、当該ピーク時刻は横線L301に示す第一閾値TH1(=0.3)では検出されない。
【００５６】
そこで、欄C301下段側に示すように第二相互相関関数cor2(j)を算出し、横線L401で示すように、第一相互相関関数の第一閾値TH1(=0.3)以下の第二閾値TH2(=0.25)を用いて、第一受信時刻Tmax1（=縦線T302の位置=縦線T402の位置）よりも前方の所定範囲(=式(4)のRange1の長さの範囲)を解析することで、当該範囲内において最初に第二閾値TH2(=0.25)を超えるピーク位置として、縦線T401に示すように第二受信時刻Tmax2が算出される。上段側の受信信号の波形と比較して明らかなように、以上のような第二相互相関関数cor2(j)の解析により、第一相互相関関数cor1(j)では反射波に埋もれてしまっていた直接波の到達時刻を、適切に第二受信時刻として算出することができる。
【００５７】
図６の例より明らかなように、第一相互相関関数の解析に用いた第一ウィンドウサイズWS1よりも小さい第二ウィンドウサイズWS2を第二相互相関関数の解析において用いるのは、直接波の後半側の相当部分が反射波と重なり、埋もれてしまう状況において、直接波の当該重なりが存在せず埋もれていない最初の側の部分のみを検出に利用するためである。また、第二閾値TH2を第一閾値TH1以下として設定するのは、一般にウィンドウサイズを小さくするとロバスト性が下がるという関係があるので、より確実な検出を達成するためである。「以下」であるので、TH2=TH1と設定してもよい。
【００５８】
なお、具体的な数値例として、図６の欄C301の例では、第一ウィンドウサイズWS1=ref_size=441サンプル(=10ミリ秒)であり、第二ウィンドウサイズWS2=100サンプル(≒2.3ミリ秒)である。当該第二ウィンドウサイズWS2は、直接波が反射波に埋もれていない部分の長さである3ミリ秒よりも短いため、当該埋もれていない部分の直接波を適切に検出することが可能となる。
【００５９】
なおまた、図４，５の第一、第二類型の場合においては、第一受信時刻Tmax1が既に直接波の本来の受信時刻であり、(偶然、類似の音源が他にも存在していたというような例外的事態が発生していない限り、)これより前の所定部分(Range1の長さの部分)には意味ある信号は存在しないので、第二相互相関関数cor2(j)を算出しても第二閾値TH2を超えるようなピーク位置としての第二受信時刻Tmax2が算出されることはない。従って、第一受信時刻Tmax1が直接波の受信時刻であると判定される。
【００６０】
図７は、以上図４〜６で説明した第一〜第三類型におけるそれぞれの相互相関関数と判定される本来の直接波の受信時刻とをまとめて模式的に示す図である。[1]に示す第一類型では、減衰したあるいは減衰していない直接波のみが到達し、第一相互相関関数が第一閾値TH1を初めて超える位置として第一受信時刻Tmax1が算出され、これがそのまま直接波の受信時刻と判定される。[2]に示す第二類型では、減衰した直接波の到達後に強い直接波が到達するが、時間軸上の重複はないため、やはり同じく第一受信時刻Tmax1が直接波の受信時刻と判定される。[3]に示す第三類型では、減衰した直接波の後半側が強い反射波に埋もれる形で音波受信が行われ、第一受信時刻Tmax1ではなく、第二相互相関関数に対する第二閾値TH2（及び第二ウィンドウサイズWS2）による第二受信時刻Tmax2が、直接波の受信時刻と判定される。
【００６１】
以上のように、本発明によれば、第一及び第二相互相関関数の双方を解析することにより、第一、第二類型のように、第一受信時刻Tmax1において正常に直接波の受信時刻が算出されている場合には当該結果をそのまま採用し、第三類型のように反射波の影響で誤った受信時刻が算出されている場合には、当該結果を第二受信時刻Tmax2へと修正することで、本来の直接波の受信時刻へと修正することが可能となる。
【００６２】
すなわち、本発明によれば、測距等の用途において特に精度が要求される音波受信時刻の算出において、人体遮蔽や反射の影響により直接波が自身より受信音圧の強い反射波に埋もれてしまった場合でも、相互相関関数のウィンドウサイズを調整することで直接波の受信時刻の算出を図り、音波受信時刻の誤差増大を低減することができる。
【００６３】
なお、当該修正され求まった第二受信時刻Tmax2の精度をさらに高めるために、判定部14において次の追加処理により求められる第三受信時刻Tmax3を、第二受信時刻Tmax2に代わる最終的な直接波の受信時刻とするようにしてもよい。
【００６４】
すなわち、Tmax2-Range2からTmax2+Range2の範囲において、第一ウィンドウサイズWS1を用いた場合の相互相関関数（すなわち、第一算出部12にて既に算出されている第一相互相関関数cor1(j)）が第三閾値TH3を最初に超過するピークの位置を、直接波の第三受信時刻Tmax3として算出し、第二受信時刻Tmax2に代わる最終的な結果とする。
【００６５】
第三閾値TH3はTH3<TH1として設定しておく。第三閾値TH3を第一閾値TH1より小さく設定することで、反射波の影響で埋もれている直接波のピークを検出する。探索範囲を定めるRange2の値については、例えばRange2=ref_length/2（すなわち2*Range2=ref_length）として、第二相互相関関数cor2(j)の確認範囲であるRange1の場合と同様に、リファレンス信号の長さと同程度の範囲を設定すればよい。
【００６６】
なお、以上の第三受信時刻Tmax3を第二受信時刻Tmax2の代わりの結果として用いる実施形態は、図６の例であれば、欄C301に示す第二相互相関関数のピーク位置としてT401を見つけた後に、当該位置の周辺を第一相互相関関数において第三閾値TH3を用いて確認することで、第一閾値TH1を用いた当初においては発見できなかったピーク位置T301を最終的な結果として採用することに相当する。
【００６７】
なおまた、判定部14において以上の追加処理により第三受信時刻Tmax3の算出を試みたが、条件に該当するものが見つからなかった場合には、第二受信時刻Tmax2を最終結果としての直接波の受信時刻として採用すればよい。
【００６８】
以上、図３の音波受信時刻算出装置10は、その用途上において波形が既知の音波の直接波の受信時刻を正確に算出する必要があるような任意のシステムに適用可能であり、第三類型における反射波の影響を除外することにより、直接波の正確な受信時刻の算出に寄与することができる。以下、音波受信時刻算出装置10の適用が好適なシステムの例として、距離推定システムを紹介する。
【００６９】
図８は、一実施形態に係る距離推定システム200の機能ブロック図である。距離推定システム200は、親機P10及び子機C10を備え、前述の非特許文献２(Beepbeep)の手法を用いて距離推定部15Pが当該親機P10、子機C10間の距離を推定する。親機P10は、制御信号送受部5P、音波受信時刻算出装置10P、音波送信部21P及び距離推定部15Pを備える。子機C10は、制御信号送受部5C、音波受信時刻算出装置10C及び音波送信部21Cを備える。
【００７０】
制御信号送受部5P,5C間では、互いに無線信号を送受することにより、親機P10、子機C10間でBeepbeep手法において必要となる制御信号(音波送受タイミング設定のための時刻同期など)や、距離算出に必要な情報(送受する音波信号データの情報や双方における音波の送受時刻)の送受が行われる。当該無線信号にはWi-FiやBluetooth等の電波、あるいは3GやLTE等の基地局経由の通信が利用できる。また、情報送受が可能な所定規格の音波／超音波を当該無線信号に利用してもよい。
【００７１】
音波受信時刻算出装置10P,10Cと、音波送信部21P,21Cとはそれぞれ、図３で説明した音波受信時刻算出装置10及び音波送信部21と共通であり、Beepbeepの手法の枠組みの中で反射波の影響を除外した受信時刻が算出される。すなわち、子機C10から親機P10側へ送信される音波に関して、音波送信部21Cが送信した音波を音波受信時刻算出装置10Pが受信し、反射波の影響を除外してその受信時刻を算出する。同様に、親機P10から子機C10側へ送信される音波に関して、音波送信部21Pが送信した音波を音波受信時刻算出装置10Cが受信し、反射波の影響を除外してその受信時刻を算出する。
【００７２】
図９は、距離推定システム200による距離推定のフローチャートである。ステップS1では、制御信号送受部5P,5C間において通信チャネルを確立し、後述のステップS3で互いに送受する音波の情報(リファレンス信号ref(i)の情報)を親機P10及び子機C10間で互いに共有し、また互いに所定精度で時計合わせを行ってから、ステップS2へ進む。当該ステップS1では、距離推定システム200の用途に応じて、認証等を実施してもよい。なお、親機P10が送信する音波を音波P、子機C10が送信する音波を音波Cとする。
【００７３】
ステップS2では、次のステップS3におけるBeepbeep方式での音波送受を開始する旨の合図を、親機P10の制御信号送受部5Pより子機C10の制御信号送受部5Cへと通知してから、ステップS3へ進む。なお、当該合図に従って親機P10及び子機C10では録音を開始することで、前述の受信信号rec(i)を所定長rec_lengthを有するものとして、双方において用意することが可能となる。
【００７４】
ステップS3では、親機P10及び子機C10の間でBeepbeep方式による音波の送受信を行い、互いにその送受時刻を求めてから、ステップS4へと進む。ここで図示しているように、親機P10においては、自身による音波Pの送信時刻TP_Sと、子機C10側から送信された音波Cの受信時刻TP_Rと、を求める。子機C10においても同様に、自身による音波Cの送信時刻TC_Sと、親機P10側から送信された音波Pの受信時刻TC_Rと、を求める。
【００７５】
図１０は、当該４種類の送受時刻を説明するための図である。親機P10は、音波Pを送信するスピーカPSと、音波P,Cを録音するマイクPMとを備え、子機C10は、音波Cを送信するスピーカCSと、音波P,Cを録音するマイクCMとを備えている。図示するように、親機P10において、自身による音波Pの送信時刻TP_Sとは、自身のスピーカPSの送信した音波Pを自身のマイクPMが受信した時刻であり、子機C10側から送信された音波Cの受信時刻TP_Rとは、相手側のスピーカCSの送信した音波Cを自身のマイクPMが受信した時刻である。同様に、子機C10において、自身による音波Cの送信時刻TC_Sとは、自身のスピーカCSの送信した音波Cを自身のマイクCMが受信した時刻であり、親機P10側から送信された音波Pの受信時刻TC_Rとは、相手側のスピーカPSの送信した音波Pを自身のマイクCMが受信した時刻である。
【００７６】
従って、送信時刻TP_S及び受信時刻TP_Rは親機P10の録音において管理されている時計に基づく時刻であり、送信時刻TC_S及び受信時刻TC_Rは子機C10の録音において管理されている時計に基づく時刻である。Beepbeep方式によれば、当該双方の時計に所定のズレがあっても、当該ズレを吸収して高精度に距離を推定することが可能である。
【００７７】
ここで特に、受信時刻TP_R及びTC_Rを算出する際に、音波受信時刻算出装置10P及び10Cによって、反射波の影響を除外した形での直接波の受信時刻として算出することが可能となる。一般に親機P10及び子機C10の双方においてマイク及びスピーカは筐体内で十分に近接していると考えられるので、送信時刻TP_S及びTC_Sの算出の際には反射波の影響があることは想定され難いが、当該送信時刻を求める際にも音波受信時刻算出装置10P及び10Cによって、反射波の影響を除外するようにしてよい。
【００７８】
なお、明らかなように、図１０で説明したスピーカとは、図８では音波送信部21P,21Cに相当する。また、図１０で説明したマイクとは、図８では音波受信時刻算出装置10P,10C内の機能ブロックとしての、図３における音波受信部11に相当する。
【００７９】
図９の説明に戻り、ステップS4では、子機C10の制御信号送受部5Cより親機P10の制御信号送受部5Pへと、子機C10におけるステップS3での送受時刻(送信時刻TC_S及び受信時刻TC_R)を通知してから、ステップS5へ進む。
【００８０】
ステップS5では、距離推定部15Pが親機P10及び子機C10間の距離を推定する。当該推定は、以下の式(5)〜(8)のように、親機P10側の送受間隔TPと子機C10側での送受間隔TCとを算出したうえで、当該両間隔の差の平均として音波の伝搬時間ToFを算出し、音速cを乗ずることで、距離Dが推定される。
【００８１】
TP=TP_R-TP_S      …(5)
TC=TC_S-TC_R      …(6)
ToF=(TP -TC)/2    …(7)
D=ToF*c        …(8)
【００８２】
なお、上記により親機P10と子機C10との間の距離Dが算出される原理については、前述の非特許文献２(Beepbeep)その他において開示され周知であるので、その説明は省略する。なお、当該原理は周知のNTP(ネットワークタイムプロトコル)における時計合わせの原理とも共通である。
【００８３】
以上、図８，９の実施形態による距離推定システム200によれば、Beepbeepの手法により、親機P10及び子機C10の間で高精度に時計が合っていなくとも、当該両者の間の距離Dを推定することができる。この際、音波受信時刻算出装置10P,10Cにより、反射波の影響を除外して正確に直接波の受信時刻を算出することで、送受時刻に基づいて算出される距離Dも正確に推定することが可能となる。
【００８４】
次に、親機P10及び子機C10の間で高精度な時計合わせを行う前提で、当該両者の間の距離Dを推定する、別の一実施形態に係る距離推定システム300を説明する。図８は、当該別の一実施形態に係る距離推定システム300の機能ブロック図である。距離推定システム300は親機P10及び子機C10を備える。親機P10は、制御信号送受部5P、音波送信部21P及び距離推定部15Pを備える。子機C10は、制御信号送受部5C及び音波受信時刻算出装置10Cを備える。
【００８５】
図１１に示す距離推定システム300においては、図８の距離推定システム200と異なり、高精度な時計合わせを前提とするので、音波は双方向ではなく単方向のみに送受すればよい。当該単方向の送受を担うのが音波送信部21P及び音波受信時刻算出装置10Cであり、その機能は図３に示した音波送信部21及び音波受信時刻算出装置10と共通である。図１１に示す制御信号送受部5P,5Cは図８に示したのと共通の無線信号を送受するが、当該実施形態に応じた情報が送受される。図１１に示す距離推定部15Pは、当該実施形態に応じた手法で距離Dを推定する。
【００８６】
図１２は、距離推定システム300による距離推定のフローチャートである。ステップS11では、制御信号送受部5P,5C間において通信チャネルを確立し、後述のステップS13で親機P10から子機C10へと単方向に送信する音波の情報(リファレンス信号ref(i)の情報)を送信側の子機C10に通知し、また互いに高精度の時計合わせを行ってから、ステップS12へ進む。当該ステップS11では、距離推定システム300の用途に応じて、認証等を実施してもよい。
【００８７】
ステップS12では、単方向の音波の送信を開始する旨の合図を、親機P10の制御信号送受部5Pより子機C10の制御信号送受部5Cへと通知してから、ステップS13へ進む。当該合図を受けて子機C10では録音を開始し、前述の受信信号rec(i)を所定長rec_lengthを有するものとして用意することができる。
【００８８】
ステップS13では、親機P10において音波送信部21Pが音波を送信すると共にその送信時刻TSを求め、子機C10において音波受信時刻算出装置10Cが当該音波を受信してその受信時刻TRを求めてから、ステップS14へ進む。ステップS14では、子機C10の制御信号送受部5Cより親機P10の制御信号送受部5Pへと、ステップS3での受信時刻TRを通知してから、ステップS15へ進む。
【００８９】
ステップS15では、距離推定部15Pが、以下の式(9)により親機P10及び子機C10の間の距離Dを推定する。前述のステップS11において高精度に時計合わせが行われる前提であるので、親機P10側の時計における送信時刻TRと子機C10側の時計における受信時刻TCとの差をそのまま音波の伝搬時間として用い、音速cを乗じたのが式(9)である。
D=(TR-TS)*c      …(9)
【００９０】
以下、本発明における補足的事項を説明する。
【００９１】
（１）図８，１１で説明した距離推定システム200,300においては、距離推定部15Pを親機P10の側に設けるものとして説明したが、子機C10側に距離推定部15Cとして設けるようにしてもよいし、親機P10及び子機C10の両者に設けるようにしてもよい。
【００９２】
（２）図８，１１で説明した距離推定システム200,300においては、距離推定部15Pが推定した距離Dに基づいて、親機P10及び／又は子機C10が所定機能を実行するようにしてもよい。例えば、親機P10がユーザのクルマに設置され、子機C10がユーザの携帯端末として実現されている場合、距離Dが閾値以下である場合に、クルマのドア等を開錠し、閾値より大きい場合は施錠するようにして、スマートエントリシステムとして機能させてもよい。この場合、距離Dは所定間隔で定期的に推定することが好ましい。
【００９３】
（３）本発明における音波受信時刻算出装置10、音波送信端末20、親機P10及び子機C10等はそれぞれ、CPU(中央演算装置)、メモリ及び各種の入出力インタフェースといった周知のハードウェア構成によるコンピュータで実現可能である。この場合、当該コンピュータが当該各装置等として機能する。また、当該各装置等としてコンピュータを機能させるプログラムとしても、本発明は提供することができる。この場合、当該プログラムを読み込んでコンピュータが図３、図８及び図１１の各機能部に対応する命令を実行することとなる。
【符号の説明】
【００９４】
10…音波受信時刻算出装置、11…音波受信部、12…第一算出部、13…第二算出部、14…判定部、21…音波送信部、200,300…距離推定システム、P10…親機、C10…子機
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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