(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インパルスＵＷＢ信号（Ｔ）を受信して距離を算出するＵＷＢ計測システムに於て、
受信した上記ＵＷＢ信号（Ｔ）を包絡線検波して、該包絡線検波にて得た検波波形（Ｓ）の立ち上がりの波形スロープの緩急を、パルス幅（Ｗ）の長短に変換した後に、該パルス幅（Ｗ）の長短を大小とした電圧値（Ｖａ）に変換して、該電圧値（Ｖａ）をデジタルデータに変換して波形スロープデータ（Ｉｂ）とし、該波形スロープデータ（Ｉｂ）に応じた補正値を有する補正値データベース（Ｚ）と、上記波形スロープデータ（Ｉｂ）と、を照合して補正値を抽出し、該抽出した補正値を加味して距離を計算することを特徴とするＵＷＢ計測システム。
【請求項２】
インパルスＵＷＢ信号（Ｔ）を受信して距離を算出するＵＷＢ計測システムに於て、
上記ＵＷＢ信号（Ｔ）を受信するためのアンテナ部（11）と、受信した上記ＵＷＢ信号（Ｔ）を包絡線検波して検波波形（Ｓ）として検出するための包絡線検波部（13）と、高閾値をもった高値用コンパレータ（52ａ）を有すると共に低閾値をもった低値用コンパレータ（52ｂ）を有する二値コンパレータ部（52）と、該二値コンパレータ部（52）に接続された波形スロープパルス作成部（53）と、を備え、
上記波形スロープパルス作成部（53）は、上記低値用コンパレータ（52ｂ）による上記検波波形（Ｓ）の立ち上がりで低閾値に達した検出結果と、上記高値用コンパレータ（52ａ）による上記検波波形（Ｓ）の立ち上がりで高閾値に達した検出結果とを、合成して、低閾値到達時を立ち上がりとし高閾値到達時を立ち下がりとしたパルス幅（Ｗ）をもったパルス信号を作成し、
さらに、上記波形スロープパルス作成部（53）から出力されたパルス信号の上記パルス幅（Ｗ）の時間だけ充電するコンデンサ（Ｃ）を有すると共に該コンデンサ（Ｃ）の充電量に基づいた電圧値（Ｖａ）を出力する電圧値検出回路部（54）と、該電圧値検出回路部（54）からの上記電圧値（Ｖａ）をデジタルデータに変換して波形スロープデータ（Ｉｂ）として出力するＡＤ変換部（56）と、上記波形スロープデータ（Ｉｂ）に応じた補正値を有する補正値データベース（Ｚ）と、上記波形スロープデータ（Ｉｂ）と上記補正値データベース（Ｚ）とを照合して抽出した補正値を加味して距離を計算する距離演算処理部（20）と、を備えたことを特徴とするＵＷＢ計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＷＢ計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）信号を送受信して距離を計算する計測システムが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
このような計測システムは、ＵＷＢ送受信間の電波伝搬時間を計測して距離を計算していた。具体的な回路動作としては、図５に示すように、受信したインパルスＵＷＢ信号Ｔを包絡線検波部91にて包絡線検波し、所定のスレッシュホールド値に設定した比較器92でパルス変換を行う。得られたパルスの到来時間をデジタル回路で計測し、その結果を基に距離を算出していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−８０９４６号公報
【特許文献２】特開２０１４−６５５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先ず、従来技術の問題点を説明する。図６に於て、理想的なＵＷＢ信号Ｔを包絡線検波した検波波形（基準検波波形）Ｓａと、障害物や電波伝搬距離等の影響を受けて基準検波波形Ｓａよりも信号レベルが弱い（波高さＨが小さくなった）検波波形Ｓｂと、を重ねて図示している。
また、図７に於ては、反射波等の影響を受けて波形が変化して、スレッシュホールド値に到達するまでの立ち上がりの波形スロープ（傾き）が基準検波波形Ｓａよりも緩やかになった検波波形Ｓｃと、基準検波波形Ｓａと、を重ねて図示している。
【０００５】
本来、電波伝搬時間は距離に比例し、受信信号の信号強度や立ち上がりの波形スロープといった波形特性には依存しないが、図６及び図７に示すように、信号レベルや立ち上がりの波形スロープといった波形特性によって所定のスレッシュホールド値まで到達する時間に差が生じるため、上記影響を受けていない検波波形Ｓａの変換パルスの立ち上がりタイミング（本来あるべき立ち上がりタイミング）Ｅａと、上記影響を受けた検波波形Ｓｂ，Ｓｃの変換パルスの立ち上がりタイミングＥｂ，Ｅｃと、の間に時間的誤差εが発生する。このような時間的誤差εをもったパルス信号に基づいて計測されたパルス到来時間は誤差を含んでいる。
つまり、従来技術では、受信信号強度や波形スロープ等の波形特性の差による影響を受けて、実距離と測距値との間に誤差が生じるといった問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、受信信号強度や波形スロープ等の波形特性の差による影響を排除して高精度に距離を計測可能なＵＷＢ計測システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、インパルスＵＷＢ信号を受信して距離を算出するＵＷＢ計測システムに於て、受信した上記ＵＷＢ信号を包絡線検波して、該包絡線検波にて得た検波波形の立ち上がりの波形スロープの緩急を、パルス幅の長短に変換した後に、該パルス幅の長短を大小とした電圧値に変換して、該電圧値をデジタルデータに変換して波形スロープデータとし、該波形スロープデータに応じた補正値を有する補正値データベースと、上記波形スロープデータと、を照合して補正値を抽出し、該抽出した補正値を加味して距離を計算するシステムである。
また、インパルスＵＷＢ信号を受信して距離を算出するＵＷＢ計測システムに於て、上記ＵＷＢ信号を受信するためのアンテナ部と、受信した上記ＵＷＢ信号を包絡線検波して検波波形として検出するための包絡線検波部と、高閾値をもった高値用コンパレータを有すると共に低閾値をもった低値用コンパレータを有する二値コンパレータ部と、該二値コンパレータ部に接続された波形スロープパルス作成部と、を備え、上記波形スロープパルス作成部は、上記低値用コンパレータによる上記検波波形の立ち上がりで低閾値に達した検出結果と、上記高値用コンパレータによる上記検波波形の立ち上がりで高閾値に達した検出結果とを、合成して、低閾値到達時を立ち上がりとし高閾値到達時を立ち下がりとしたパルス幅をもったパルス信号を作成し、さらに、上記波形スロープパルス作成部から出力されたパルス信号の上記パルス幅の時間だけ充電するコンデンサを有すると共に該コンデンサの充電量に基づいた電圧値を出力する電圧値検出回路部と、該電圧値検出回路部からの上記電圧値をデジタルデータに変換して波形スロープデータとして出力するＡＤ変換部と、上記波形スロープデータに応じた補正値を有する補正値データベースと、上記波形スロープデータと上記補正値データベースとを照合して抽出した補正値を加味して距離を計算する距離演算処理部と、を備えたシステムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、受信信号の強度や波形スロープ等の波形特性の差の影響による測距誤差が含まれない、高精度な測距や測位を行うことができる。比較的簡素な構成をもって、高精度な測距・測位結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のＵＷＢ計測システムの実施の一形態を示すブロック図である。
【図２】参考例を示し、波高さ検出回路部の一例を示す回路図である。
【図３】波形スロープ検出回路部の一例を示す回路図である。
【図４】作用説明図であって、（ａ）は波形スロープが緩やかな検波波形を説明するための作用説明図であり、（ｂ）は波形スロープパルスの一例を説明するための作用説明図であり、（ｃ）はコンデンサの充電量を説明するための作用説明図である。
【図５】従来技術の一例を示す回路図である。
【図６】従来技術の問題点を説明するための説明図であって、（ａ）は検波波形の一例を説明するための説明図であり、（ｂ）は基準検波波形の変換パルスの一例を示す説明図であり、（ｃ）は信号レベルが弱い検波波形の変換パルスの一例を示す説明図である。
【図７】従来技術の問題点を説明するための説明図であって、（ａ）は検波波形の他例を説明するための説明図であり、（ｂ）は基準検波波形の変換パルスの他例を示す説明図であり、（ｃ）は波形スロープが緩やかな検波波形の変換パルスの他例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図示の実施形態と参考例に基づき本発明のＵＷＢ計測システムを詳説する。
本発明は、インパルスＵＷＢ信号Ｔを受信して距離を算出するＵＷＢ計測システムであって、図１に示すように、ＵＷＢ信号Ｔを受信するためのアンテナ部11と、受信したＵＷＢ信号Ｔを増幅するための第１の増幅部12と、受信したＵＷＢ信号Ｔを包絡線検波して検波波形Ｓとして検出するための包絡線検波部13と、包絡線検波部13からの検波波形Ｓを増幅させる第２の増幅部14と、検波波形Ｓを所定のスレッシュホールド値（所定閾値）にてパルス信号に変換するためのパルス変換部15と、を備えている。
【００１１】
さらに、第２の増幅部14から入力された検波波形Ｓの波形特性を検出すると共に検出した波形特性（波形特性データＩ）を出力する波形特性検出回路部17と、波形特性に応じた補正値を有する補正値データベースＺが予め記憶されている記憶部18と、を備えている。
【００１２】
補正値データベースＺは、複数の波形特性データＩと、各波形特性データＩに夫々関連付けた補正値データＱと、を有している。
【００１３】
そして、20は、距離演算処理部であり、この距離演算処理部20は、波形特性検出回路部17にて検出した波形特性と補正値データベースＺとを照合して対応する補正値（補正値データＱ）を抽出する補正値決定処理を行い、さらに、パルス変換部15からのパルスをデジタル回路で計測して得た到来時間に基づいて距離を計算する際に、上記補正値決定処理にて抽出した補正値を加味して（補正値で修正して）計算する距離計算処理を行う。
【００１４】
つまり、距離演算処理部20は、入力された波形特性データＩと、補正値データベースＺ内の波形特性データＩとを照合し、一致した波形特性データＩに関連付けられている補正値データＱを抽出する。抽出した補正値データＱとパルス到来時間（到来時間データ）と、に基づいて距離を計算して測距値データＬとして出力する。
【００１５】
例えば、補正値データＱを正負の距離値（補正用距離値）とし、距離演算処理部20にて、先ず補正値を加味せず（従来技術のように）パルス到来時間に基づいて距離（仮測距値）を計算し、その後、仮測距値に補正用距離値を加減算して距離（測距値）を求める。
【００１６】
または、補正値データＱを正負の時間値（補正用時間値）とし、距離演算処理部20にて、パルス到来時間に補正用時間値を加減算した後、距離を求める。
【００１７】
また、補正値データＱを、係数（補正用係数）としても良い。そして、上記仮測距値に補正値用係数を乗除算して距離を求める。或いは、パルス到来時間に補正用係数を乗除算した後に距離を計算してもよい。
【００１８】
図２に示す参考例では、波形特性検出回路部17を、検波波形Ｓの波高さＨ（図６参照）を波形特性として検出する波高さ検出回路部17Ａをもって構成している。
検波波形Ｓが入力される検出用増幅部（ＡＭＰ）31と、検出用増幅部31からの検波波形Ｓを整流して波高さＨを電圧値（又は電流値）のピーク値として検出するピーク値検出回路部32と、検出したピーク値をデジタルデータに変換して波高さデータＩａ（波形特性データＩ）として出力するＡＤ変換部33と、を備えている。
つまり、実際に検波されている信号レベルの強弱の把握を行って、検波波形Ｓの波高さＨの高低を、電圧値の大小に変換してデジタル出力するための回路である。
【００１９】
補正値データベースＺは、複数の波高さデータＩａと、各波高さデータＩａに夫々関連付けた波高さ用距離補正値データＱａと、を有している。
例えば、図６の基準検波波形Ｓａよりも波高さが小さいことを意味する波高さデータＩａには、負の補正用距離値、又は、正の補正用到来時間値を意味する波高さ用補正値データＱａを対応させている。
【００２０】
次に、図３に示す実施形態では、波形特性検出回路部17を、検波波形Ｓの波形スロープを波形特性として検出する波形スロープ検出回路部17Ｂをもって構成している。
検波波形Ｓが入力される検出用増幅部（ＡＭＰ）51と、検出用増幅部51からの検波波形Ｓが入力される高低二値（高閾値と低閾値）をもった二値コンパレータ部52と、二値コンパレータ部52からの２つのパルス信号に基づいたパルスを出力するための波形スロープパルス作成部53と、波形スロープパルス作成部53が出力したパルス信号を電圧値として検出するための電圧値検出回路部54と、検出した電圧値を増幅させる検出電圧用増幅部（ＡＭＰ）55と、検出して増幅させた電圧値をデジタルデータに変換して波形スロープデータＩｂ（波形特性データＩ）として出力するＡＤ変換部56と、を備えている。
検波波形Ｓの波形スロープの緩急を、電圧値の大小に変換してデジタル出力するための回路である。
【００２１】
二値コンパレータ部52は、検波波形Ｓを高閾値（高スレッシュホールド値）でパルス変換する高値用コンパレータ52ａと、検波波形Ｓを低閾値（低スレッシュホールド値）でパスル変換する低値用コンパレータ52ｂと、を有している。
【００２２】
波形スロープパルス作成部53は、高値用コンパレータ52ａの出力パルスと低値用コンパレータ52ｂの出力パルスを合成したパルスを出力するためのＸＯＲ回路部を有している。
図４（ａ）に示すように、二値コンパレータ部52に検波波形Ｓ（波形スロープが緩やかな検波波形Ｓｃ）が入力されると、検波波形Ｓの立ち上がりで低閾値に達した（低値用コンパレータ52ｂによる）検出結果がＸＯＲ回路部の一方の入力部に入力されると共に、検波波形Ｓの立ち上がりで高閾値に達した（高値用コンパレータ52ａによる）検出結果がＸＯＲ回路の他方の入力部に入力される。
【００２３】
したがって、図４（ｂ）に示すように、低閾値到達時を立ち上がりとし高閾値到達時を立ち下りとしたパルス幅Ｗをもった、パルス信号が得られる。
このパルス信号を、波形スロープパルス作成部53は、検波波形Ｓの立ち上がりの波形スロープパルス信号（作成結果）として、出力するように構成している。
【００２４】
波形スロープが急勾配になるにつれ、検波波形Ｓの立ち上がりが低閾値から高閾値に達する時間が短くなり、パルス幅Ｗが短いものとなる。また、波形スロープが緩やかになるにつれ、検波波形Ｓの立ち上がりが低閾値から高閾値に達する時間が長くなり、パルス幅Ｗが長いものとなる。波形スロープの緩急を、パルス幅Ｗの長短に変換している。
高閾値及び低閾値は、検波波形Ｓが図１のパルス変換部15にて所定スレッシュホールド値に到達するまでの範囲において、所定スレッシュホールド値の立ち上がりスロープを検出するように設定するのが望ましい。
【００２５】
図３と図４に示すように、電圧値検出回路部54は、波形スロープパルス作成部53から出力されたパルスのパルス幅Ｗの時間だけ充電するためのコンデンサＣを有している。
パルス幅Ｗが短いほど、充電量が少なくコンデンサＣの電圧値Ｖａが小さくなり、パルス幅Ｗが長いほど、充電量が大きくなってコンデンサＣの電圧値Ｖａが大きくなる。
つまり、波形スロープが急勾配である場合は電圧値Ｖａが小さく、波形スロープが緩やかであると場合は電圧値Ｖａが大きくなる。波形スロープの緩急を、電圧値の大小に変換している。
【００２６】
電圧値検出回路部54で得た電圧値Ｖａを、検出電圧用増幅部55を介して、ＡＤ変換部56に入力してデジタルデータに変換する。変換された電圧値Ｖａは波形スロープデータＩｂ）として出力される。
【００２７】
補正値データベースＺは、複数の波形スロープデータＩｂと、各波形スロープデータＩｂに夫々関連付けた波形スロープ用距離補正値データＱｂと、を有している。
例えば、図６の基準検波波形Ｓａよりも波形スロープが緩やかなことを意味する波形スロープデータＩｂに、負の補正用距離値又は正の補正用時間値を意味する波形スロープ用補正値データＱｂを対応させている。
【００２８】
距離演算処理部20は、入力された波形スロープデータＩｂと、補正値データベースＺ内の波形スロープデータＩｂとを照合し、一致した波形スロープデータＩｂに関連付けられている波形スロープ用距離補正値データＱｂを抽出する。
【００２９】
また、波形スロープ検出回路部17Ｂは、波形スロープパルス作成部53から出力されたパルスがＡＤ変換部56にて取り込み（読み取り）が終了するまで、波形スロープパルス作成部53から出力される後続のパルスによってコンデンサＣが充電（チャージ）されないようにチャージマスキング信号を出力して、スイッチＳＷをＯＦＦにするチャージマスキング処理を行うように構成している（チャージマスキング用制御回路部を有している）。
また、ＡＤ変換部56による取り込みが終了すると、リセット信号を出力して、コンデンサＣのディスチャージ処理を行い、また、チャージマスキング信号の出力を停止してスイッチＳＷをＯＮにして、コンデンサＣへのチャージが可能となるように構成している。
【００３０】
なお、図１に於て、アンテナ部11はアンテナ素子を有するアンテナ部材であり、第１の増幅部12は高周波増幅器（ＬＮＡ:Low Noise Amplifier）であり、包絡線検波部13は検波器（包絡線検波回路）であり、第２の増幅部14はアンプ（ＡＭＰ）であり、パルス変換部15は所定閾値（所定のスレッシュホールド値）に設定したコンパレータ（比較器）であり、距離演算処理部20はＣＰＵや集積回路等の演算処理器或いは、ベースバンド回路部やデジタル処理回路であり、記憶部18は、集積回路の記憶部や、ＲＡＭやＲＯＭ、ＨＤ（ハードディスク）或いはフラッシュメモリ等の記憶器である。
【００３１】
本発明は、インパルスＵＷＢ信号を送受信して送受信間の電波到来時間を計測して距離を算出するシステムに適用でき、例えば、固定送信器からＵＷＢ信号を移動受信器に送信し、ＵＷＢ信号を受信した移動受信器と固定送信器の間を測距し、移動受信器の位置を検出するシステムに適用できる。例えば、倉庫内に固定送受信器を設け、フォークリフトや搬送物等の移動体に送受信器付き移動タグを設けて、フォークリフトや搬送物を測距・測位するシステムとして適用できる。また、送受信器からＵＷＢ信号を送信し、測定対象物からの応答信号を送受信器にて受信して、測定対象物までの距離を計測するシステムや、所定位置に固設した複数の送受信器にて測定対象物までの距離を計算し、各送受信器の測距値に基づいて、測定対象物の位置を３次元的に検出（測位）するシステムである。また、測定対象物にＵＷＢ信号を当てて、反射信号を受信して距離を計測する測距レーダシステム等に適用可能である。
【００３２】
なお、本発明及び参考例は、設計変更可能であって、波高さ検出回路部17Ａは、検波波形Ｓの波高さＨの違いをデジタルデータとしてできれば、図示の回路以外の構成であっても良い。また、波形スロープ検出回路部17Ｂは、検波波形Ｓの波形スロープの違いをデジタルデータとして出力できれば、図示の回路以外の構成であっても良い。また、補正値を加味して距離を計算するとは、上述した以外の四則演算の組合せで、測距値を求めても良い。
【００３３】
以上のように、本発明のＵＷＢ計測システムは、インパルスＵＷＢ信号Ｔを受信して距離を算出するＵＷＢ計測システムに於て、受信したＵＷＢ信号Ｔを包絡線検波して、包絡線検波にて得た検波波形Ｓの波形特性を検出し、波形特性に応じた補正値を有する補正値データベースＺと、検出した波形特性と、を照合して補正値を抽出し、抽出した補正値を加味して距離を計算するので、受信信号の強度や波形スロープ等の波形特性の差による影響を排除でき、測距誤差が含まれない、高精度な測距や測位を行うことができる。
【００３４】
参考例において、波形特性は、検波波形Ｓの波高さＨであるので、信号強度によって生じる距離誤差が含まれない正確な距離を出力できる。
【００３５】
本発明において、波形特性は、検波波形Ｓの立ち上がりの波形スロープであるので、検波波形Ｓの立ち上がりスロープ差の影響を排除した正確な距離を出力できる。
【符号の説明】
【００３６】
11 アンテナ部
13 包絡線検波部
20 距離演算処理部
52 二値コンパレータ部
52ａ 高値用コンパレータ
52ｂ 低値用コンパレータ
53 波形スロープパルス作成部
54 電圧値検出回路部
56 ＡＤ変換部
Ｃ コンデンサ
Ｈ  波高さ
Ｉｂ 波形スロープデータ
Ｓ  検波波形
Ｔ  ＵＷＢ信号
Ｖａ 電圧値
Ｗ パルス幅
Ｚ  補正値データベース
【図１】
0006571502.tif 000002
【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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