(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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップと、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散された第１および第２の受信信号から、複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する干渉信号を生成するステップと、第１および第２の受信信号から拡散処理した干渉信号を除去するステップと、閾値ごとに、逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップと、最大相関値の最大値が得られた閾値を、干渉除去用の閾値として選択するステップと、第１および第２の受信信号の到達時間から、所望の超音波の伝播距離または伝播方位を算出するステップとを包含する超音波測定方法。
2008010306.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、所望の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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ１）と、
前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ１）と、
前記逆拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成するステップ（Ｃ１）と、
前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた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、前記閾値ごとに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（Ｄ１）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ１）と、
前記閾値ごとに、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ１）と、
前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を決定するステップ（Ｇ１）と、
前記決定した閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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（Ｈ１）と、
を包含する超音波測定方法。
【請求項２】
前記ステップ（Ｃ１）から（Ｆ１）は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、複数の閾値に対する各ステップの処理を並列に行う請求項１に記載の超音波測定方法。
【請求項３】
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、所望の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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ２）と、
前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ２）と、
前記逆拡散信号から閾値を用いて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、干渉信号を生成するステップ（Ｃ２）と、
前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた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の受信信号を生成するステップ（Ｄ２）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ２）と、
前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ２）と、
前記閾値の値を変化させてステップ（Ｂ２）から（Ｆ２）を実行するステップ（Ｇ２）と、
前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になるまで、前記ステップ（Ｇ２）を繰り返すステップ（Ｈ２）と、
前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になった際の閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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（Ｉ２）と、
を包含する超音波測定方法。
【請求項４】
前記ステップ（Ｈ２）において、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて、前記閾値の値を決定する請求項３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から４のいずれか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から５のいずれかに記載の超音波測定方法。
【請求項７】
前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値は、複素数の相関を求めることにより算出する請求項１から６のいずれかに記載の超音波測定方法。
【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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、
前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、
前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、
前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を選択する選択部と、
前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部と、
を備える超音波測定装置。
【請求項９】
前記第１および第２の干渉除去部は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を並列して生成する請求項８に記載の超音波測定装置。
【請求項１０】
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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、
指令に基づき閾値を更新して逐次生成する閾値変更部と、
前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記閾値が更新されるたびに、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から前記閾値を用いて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、干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、
前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、
前記最大相関値と直前に求めた最大相関値との差を求め、前記差が所定の値以下である場合には、そのとき閾値を選択し、前記差が所定の値より大きい場合には、前記閾値変更部へ前記閾値を更新するように指令を出力する相関ピーク値判定部と、
前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部と、
を備える超音波測定装置。
【請求項１１】
前記相関ピーク値判定部は、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて前記閾値の値を変更するよう前記閾値変更部に指令を出力する請求項１０に記載の超音波測定装置。
【請求項１２】
前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である請求項８から１１のいずれかに記載の超音波測定装置。
【請求項１３】
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８から１２のいずれかに記載の超音波測定装置。
【請求項１４】
前記相関部は、複素数の相関を求めることにより、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を算出する請求項８から１３のいずれかに記載の超音波測定装置。
【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位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】  超音波測定装置が複数存在する環境においては、各超音波測定装置が送信する超音波信号が混信するため、そのままでは誤計測が生じうる。このため、超音波測定装置の超音波信号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、超音波信号の混信を防ぐ方法や、各超音波測定装置が使用する超音波信号を異なる符号で符号化することによって超音波信号を区別する方法が考えられている。【０００４】  前者の方法は、時分割送信と呼ばれており、簡易な方法として用いられている。しかし、各超音波測定装置が独立している場合、他の超音波測定装置が超音波信号を送信するタイミングを知ることが出来ないため、混信が生じないように超音波信号を送信するタイミングを調節することは困難である。【０００５】  後者の方法を採用した従来の超音波測定装置は、たとえば、特許文献１に開示されている。図２２は、特許文献１に開示された従来の超音波測定装置のブロック図を示している。以下、この従来の超音波測定装置１０１の基本的な動作を説明する。超音波測定装置１０１は、送波器８、受波器９、相関器１０３、ピーク検出器１０４およびパルス発生器１０５を備えている。【０００６】  パルス発生器１０５は、送波器８の駆動信号を生成し、送波器８は超音波信号を空間に送信する。送信された超音波信号は、超音波伝播経路７を通って物体２に到達し、反射する。反射された超音波信号は超音波伝播経路７を通って受波器９に到達する。【０００７】  駆動信号は、各超音波測定装置の超音波信号が混信しても区別できるように、超音波測定装置ごとに異なる符号で符号化されている。混信した信号から所望の信号の符号を解読して取り出すことを考慮すると、他の信号は所望の信号とはまったく似ていないことが望ましい。このような特性を有し、所定の規則に基づいて人為的に作成された不規則な信号は、擬似不規則信号と呼ばれる。【０００８】  取り扱いの簡単さから擬似不規則信号には２値信号（「１」と「０」）が利用されることが多い。２値で構成される擬似不規則信号には、Ｍ系列、Ｂａｒｋｅｒ系列、Ｇｏｌａｙ系列が知られている。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、雑音状であるが、識別可能な搬送波として作用する。異なるＭ系列間では、相手が雑音にしかみえないため、自分自身の信号を取り出すには非常に有効である。また、自分自身どうしでも、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。【０００９】  パルス発生器１０５が発生する駆動信号は、スペクトラム拡散（Ｍ系列離散）によるランダム波である。特許文献１におい��は、符号「１」に対応する周波数と、符号「０」に対応する周波数を異ならせた２進周波数シフトキーイング方式によってこのような特性を有する擬似不規則信号を実現している。【００１０】  送波器８から送信され、超音波伝播経路７を通って受波器９に到達した超音波は、相関器１０３により、パルス発生器１０５が生成した擬似不規則信号との相関が求められる。ピーク検出器１０４は、相関値のピークを求める。相関値のピークの時刻が、送波器８から送信された超音波の受波器９への到達時刻を示す。超音波を送信した時刻から相関値のピークの時刻までの時間が、物体２までの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、超音波測定装置１０１から物体２までの距離を求めることができる。【００１１】  スペクトラム拡散（Ｍ系列離散）による擬似不規則信号は、超音波測定装置ごとに異なる固有の信号であるため、別の超音波測定装置から送信された超音波が受波器９に到達しても、パルス発生器１０５において生成する擬似不規則信号との相関は非常に小さい。このため、相関器１０３において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超音波測定装置１０１は識別することができる。【００１２】  一方、無線通信の分野においては、多くの信号が混信している環境においても良好な通信を行うため、送信する信号の符号を冗長にし、エラー訂正に用いたり、自分以外の信号を受信信号から減算して干渉を除去したりする方法などが知られている。特に、携帯電話の分野では、ユーザごとに異なる符号で符号化された信号間の干渉を、基地局において除去するために、種々の干渉キャンセラ装置が提案されている。たとえば、特許文献２は、携帯電話の基地局で使用される干渉キャンセラ装置を開示している。【００１３】  図２３は、特許文献２に開示される干渉キャンセラ装置のブロック図を示している。特許文献２の干渉キャンセラ装置は、干渉キャンセラブロック１０６および復調処理部１０７を備える。干渉キャンセラブロック１０６は、受信信号に遅延を加える遅延処理部１０８（１）〜１０８（Ｎ）および受信信号から所望の信号以外の信号を抽出する干渉除去部１０９（１）〜１０９（Ｎ）により構成されている。【００１４】  干渉キャンセラブロック１０６において、干渉除去部１０９（１）〜１０９（Ｎ）は、所望の信号に用いられている符号以外すべて（Ｎ個）の符号を用いて、所望の信号以外の信号の複製信号を生成する。そして、受信された入力信号１１０から所望の信号以外の複製信号をそれぞれ減じる。このとき、遅延処理部１０８（１）〜１０８（Ｎ）は、干渉除去部１０９（１）〜１０９（Ｎ）から出力が得られるまで、各干渉除去部１０９（１）〜１０９（Ｎ）の出力と受信信号１１０が減算処理の際、同期がとれるように、受信信号２２０を遅延させる。【００１５】  復調処理部１０７は、この出力信号を用いて所望の信号の復調処理を行う。これにより、所望の信号以外の信号による干渉が除去され、干渉キャンセラブロック１０６が無い復調結果より、信号品質が向上する。この干渉キャンセラブロック１０６を多段構成にして一連の処理を複数回繰り返すことによって、さらに干渉除去特性が改善される。【０��１６】  携帯電話から送られる情報は、Ｍ系列符号のような擬似不規則信号と掛け合わせることによって符号化されている。この処理を拡散処理と呼ぶ。符号化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する。その場合、正弦波の位相（例えば０度と１８０度）が、符号化された情報の「１」と「０」に相当する。【００１７】  基地局では、携帯電話からの信号から情報を取り出すために、拡散処理の逆の処理である逆拡散処理を行う。逆拡散処理された信号の位相情報から、「１」に相当するのか「０」に相当するのかを決定する。この処理を特に復調と呼ぶことがある。【００１８】  図２４は干渉除去部１０９（Ｎ）の動作を示すブロック図である。干渉除去部１０９（Ｎ）は、マルチパス伝播路に対応したＫ（Ｋ≧１の整数）個の逆拡散ブロック１１１（１）〜１１１（Ｋ）および拡散ブロック１１７（１）〜１１７（Ｋ）と、判定器１１６とを含む。マルチパス伝播路の情報は、あらかじめどんなマルチパスがあるのか予測して用意しておく。逆拡散ブロック１１１（１）は、逆拡散部１１２（１）、複素共役部１１３（１）、伝播路推定部１１４（１）、乗算器１１５（１）を含んでいる。また、拡散ブロック１１７（１）は、乗算器１１９（１）および拡散部１１８（１）を含んでいる。他の逆拡散ブロック１１１（２）〜１１１（Ｋ）および拡散ブロック１１７（２）〜１１７（Ｋ）も同様に構成されている。【００１９】  逆拡散部１１２（ｋ）は、マルチパス伝播路の第ｋパス（１≦ｋ≦Ｋの整数）に同期したタイミングで第ｎユーザ（１≦ｎ≦Ｎの整数）の拡散符号を用いて受信信号を逆拡散する。逆拡散部１１２（ｋ）の出力は、乗算器１１５（ｋ）に入力される。乗算器１１５（ｋ）は、伝播路推定部１１４（ｋ）から出力される伝送路特性を複素共役部１１３（ｋ）を介して受け取り、逆拡散部１１２（ｋ）の出力と掛け合せる。伝送路推定部１１４は、伝送路特性を出力する前にパイロット信号とよばれる既知の情報（例えば１０１０１０の繰り返し）を出力する。このため、逆拡散後、伝播路によってどれだけ信号の大きさが変化したか、また信号がどれだけ遅延したかを推定することができる。推定値は複素数である。この値を使って、マルチパス伝播路すべての時間的ずれを調整する。【００２０】  乗算器１１５は、同時にこの複素共役部１１３（ｋ）の出力により逆拡散部１１２の出力に対してレイク合成（最大比合成）のための振幅重み付けを行う。各パスを伝播してきた電波は、それぞれのパス長の違いによって、時間的にずれて到達する。、この時間的ずれをなくし、各パスを伝播してきた電波を加算することにより、受信感度を向上させる手法をレイク合成という。【００２１】  その後、Ｋ個のパスのそれぞれの乗算器１１５の出力である重み付けされた検波出力はレイク合成され、判定器１１６へ出力される。判定器１１６は、最も確からしい送信シンボル（「１」なのか「０」なのか）を判定する。【００２２】  拡散ブロック１１７は、Ｋ個のパスそれぞれに対して直列に接続される。判定器１１６の出力は、伝播路推定部１１４の出力である伝播路特性とパス単位で乗算器１１９（Ｋ）にて乗算される。拡散部１１８は、乗算器の各パス（第ｋパス）に同期したタイミングで第ｎユーザの拡散符号を用いて乗算器１１９（Ｋ）から得られる出力を拡散する。拡散部１１８のＫ個の出力である各パスの複製信号が合成し、第ｎユーザの複製信号を得られる。【００２３】  干渉キャンセラ装置では、予め全ユーザの受信レベルランキングを作成し、各段ではレベルの大きな順に復調及び干渉除去処理を行う。受信レベルランキングは、受信信号を用いて一度だけ行う場合と各段で干渉除去信号から逐次行う場合とがある。
【特許文献１】特開２００４−１０８８２６号公報
【特許文献２】特開平１０−５１３５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】  特許文献１の超音波測定装置が複数動作する環境では、他の超音波測定装置の送信した超音波と区別するためにＭ系列離散を用いて送信する超音波を符号化する。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。【００２５】  また、上述したように、送信した信号と他の信号とが干渉した環境において、他の信号を排除して、送信した信号を得るために、無線通信の分野では、特許文献２に開示された干渉キャンセラ装置のように、あらかじめ伝送路のプロファイルを推定し、推定したプロファイルを利用することによって、干渉する信号を排除して通信を行っている。このような干渉信号の伝播路のプロファイルの推定は、たとえば、携帯電話の基地局における電波の受信のような無線通信分野では、干渉する信号のプロファイルが地形に応じて概ね定まっていることにより実現が可能となる。これに対し、超音波測定装置は、さまざまな環境において使用されるため、干渉する超音波の影響をあらかじめ推定することは困難である。【００２６】  本発明は、このような従来技術の課題の少なくとも１つを解決し、超音波測定装置が複数存在する環境においても正確に距離を計測する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】
【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、所望の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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ１）と、前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ１）と、前記逆拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成するステップ（Ｃ１）と、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた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、前記閾値ごとに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（Ｄ１）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ１）と、前記閾値ごとに、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ１）と、前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を決定するステップ（Ｇ１）と、前記決定した閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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（Ｈ１）とを包含する。【００２８】  ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｃ１）から（Ｆ１）は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、複数の閾値に対する各ステップの処理を並列に行う。【００２９】  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、所望の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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ２）と、前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ２）と、前記逆拡散信号から閾値を用いて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、干渉信号を生成するステップ（Ｃ２）と、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた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の受信信号を生成するステップ（Ｄ２）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ２）と、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ２）と、前記閾値の値を変化させてステップ（Ｂ２）から（Ｆ２）を実行するステップ（Ｇ２）と、前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になるまで、前記ステップ（Ｇ２）を繰り返すステップ（Ｈ２）と、前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になった際の閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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（Ｉ２）とを包含する。【００３０】  ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｈ２）において、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて、前記閾値の値を決定する。【００３１】  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。【００３２】  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。【００３３】  ある好ましい実施形態において、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値は、複素数の相関を求めることにより算出する。【００３４】  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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を選択する選択部と、前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部とを備える。【００３５】  ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の干渉除去部は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を並列して生成する。【００３６】  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、所望の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、それぞれ受信信���を生成する第１および第２の受波器と、指令に基づき閾値を更新して逐次生成する閾値変更部と、前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記閾値が更新されるたびに、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から前記閾値を用いて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、干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、前記最大相関値と直前に求めた最大相関値との差を求め、前記差が所定の値以下である場合には、そのとき閾値を選択し、前記差が所定の値より大きい場合には、前記閾値変更部へ前記閾値を更新するように指令を出力する相関ピーク値判定部と、前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部とを備える。【００３７】  ある好ましい実施形態において、前記相関ピーク値判定部は、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて前記閾値の値を変更するよう前記閾値変更部に指令を出力する。【００３８】  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。【００３９】  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。【００４０】  ある好ましい実施形態において、前記相関部は、複素数の相関を求めることにより、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を算出する。
【発明の効果】
【００４１】  本発明によれば、超音波測定装置が複数存在する環境においても、お互いの干渉を最適に除去することにより、精度の高い距離計測をすることができる。【００４２】  また、所望以外の符号で逆拡散した波形から、複数の受波器間受信した受信信号の相関値に基づいて決定した閾値で干渉信号を抽出し、抽出した信号を直接拡散し、受信信号から除去することにより、伝播路のプロファイルを用いずに正確な干渉信号の除去処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【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２Ａ】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２Ｂ】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２Ｃ】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３】超音波測定装置の第１の実施形態の基本的な構成を示すブロック図である。
【図４】本発明による超音波測定方法の手順の概略を示すフローチャートである。
【図５】第１の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６】第１の実施形態における最適干渉除去処理器１１の基本的な構成を示すブロック図である。
【図７】図６の干渉除去部１７の構成を示すブロック図である。
【図８】第１の実施形態の記憶部１５に記憶された受信信号の波形を示している。
【図９】第１の実施形態において、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１０】図９に示す信号の逆拡散信号３３、３４および３５の最大振幅値で正規化された振幅情報の波形を示している。
【図１１】抽出部２３にて閾値４２Ｃを使って抽出された干渉信号の波形を示している。
【図１２】干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の波形およびこれらの受信信号の相関を示す波形である。
【図１３】２つの拡散符合が異なる超音波が混信している場合において、干渉信号を抽出するための閾値と、２つの受信信号の最大相関値との関係を示している。
【図１４】３つの拡散符合が異なる超音波が混信している場合において、干渉信号を抽出するための閾値と、２つの受信信号の最大相関値との関係を示している。
【図１５】４つの拡散符合が異なる超音波が混信している場合において、干渉信号を抽出するための閾値と、２つの受信信号の最大相関値との関係を示している。
【図１６】干渉信号を抽出するための閾値の違いによる、干渉信号を除去した受信信号の波形の変化を示している。
【図１７】第２の実施形態における最適干渉除去処理器１１の基本的な構成を示すブロック図である。
【図１８】（ａ）は、第２の実施形態における閾値と２つの受信信号の最大相関値との関係を示し、（ｂ）は、除去すべき干渉信号の振幅情報を示す波形である。
【図１９】第２の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２０】（ａ）から（ｄ）は、第１の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】従来の超音波測定装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【図２３】携帯電話の分野における従来の干渉除去装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【図２４】図２３の干渉除去装置における干渉除去部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４  超音波測定装置
２  物体
３  壁
４、５、６、７  超音波伝播経路
８  送波器
９  受波器
１０  演算部
１１  最適干渉除去処理器
１２  距離方位算出器
１３  送信部
１４  受信部
１５  記憶部
１６  窓設定部
１７  干渉除去部
１８  相関部
１９  相関ピーク値比較部
２０  選択部
２１  逆拡散部
２２  復調部
２３  抽出部
２４  拡散部
２５  遅延部
２６  加算器
２７  逆拡散部
２８  記憶部
３０  拡散符号
３１  変調波
３２  受信データ
８０  閾値変更部
８１  相関ピーク値判定部
１０２  従来の超音波測定装置
１０３  相関器
１０４  ピーク検出器
１０５  パルス発生器
１０６  干渉キャンセラブロック
１０７  復調処理部
１０８  遅延処理部
１０９  干渉除去部
１１０  受信された入力信号
１１１  逆拡散ブロック
１１２  逆拡散部
１１３  複素共役部
１１４  伝播路推定部
１１５  乗算器
１１６  判定器
１１７  拡散ブロック
１１８  拡散部
１１９  乗算器
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】（第１の実施形態）
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第１の実施形態を説明する。【００４６】  本発明の超音波測定装置は、複数の超音波から、所望の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、超音波測定装置が複数存在する環境を説明する図である。【００４７】  超音波測定装置Ｓ１は、伝播経路４に沿って超音波を物体２に向けて送信し、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４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。【００４８】  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５を通って超音波測定装置Ｓ１に到達している。また、壁３において反射し、超音波測定装置Ｓ１に到達する伝播経路６も存在する。同様に超音波測定装置Ｓ３から送信される超音波は伝播経路７を通って超音波測定装置Ｓ１に到達する。超音波測定装置Ｓ４から送信された超音波が、超音波測定装置Ｓ１に到達する伝播経路は存在しない。【００４９】  超音波測定装置Ｓ１、超音波測定装置Ｓ２、超音波測定装置Ｓ３、および超音波測定装置Ｓ４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。【００５０】  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。【００５１】  図１に示す超音波測定装置Ｓ１〜Ｓ４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。【００５２】  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。【００５３】  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��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。【００５４】  図２Ａ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３０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３１が得られる。波形３１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。【００５５】  図２Ｂ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３０１を示している。波形３０１を同じ拡散符号で逆拡散すると、波形３０２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、超音波測定装置Ｓ３、および超音波測定装置Ｓ４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。【００５６】  図２Ｃ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３０３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３０３を逆拡散することによって、波形３０４が得られる。図２Ｂの波形３０２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。【００５７】  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。【００５８】  なお、波形３０３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。【００５９】  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、物体２によって反射して超音波測定装置Ｓ１に戻る（伝播経路４）。これに対して、超音波測定装置Ｓ２から伝播経路５に沿って超音波測定装置Ｓ１に到達する超音波、および、超音波測定装置Ｓ３から伝播経路７に沿って超音波測定装置Ｓ１に到達する超音波は、直接超音波測定装置Ｓ１に到達する。このため、干渉する信号として受信される超音波測定装置Ｓ２およびＳ３からの超音波のエネルギーのほうが大きく、これらの超音波を除去しないと、超音波測定装置Ｓ１は、送信した超音波の伝播時間を正確に測定することは困難となる。【００６０】  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。【００６１】  図３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���器８、第１の受波器９（１）、第２の受波器９（２）、演算部１０、最適干渉除去処理器１１、距離方位算出器１２、送信部１３、第１の受信部１４（１）、および、第２の受信部１４（２）を備えている。最適干渉除去処理器１１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。第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）は、距離ａを隔てて隣接して配置されている。【００６２】  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を考慮して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８および受波器９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。【００６３】  送波器８および受波器９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９（１）および第２の受波器９（２）は、距離ａ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ａ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９（１）および第２の受波器９（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。【００６４】  演算部１０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、最適干渉除去処理器１１および距離方位算出器１２を制御する。演算部１０で生成する駆動信号の一例を図２Ａにおいて、波形３０５で示す。演算部１０で生成する駆動信号は、パルス波形であり、Ｍ系列の拡散符号３０により拡散処理されている。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。拡散符号３０によって拡散されたランダム波３１の振幅の頂点にて駆動する。【００６５】  演算部１０から出力された駆動信号は、送波器８に出力され、送波器８は、駆動信号に駆動され、超音波を送信する。【００６６】  第１の受波器９（１）、第２の受波器９（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１４（１）、第２の受信部１４（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。【００６７】  最適干渉除去処理器１１は、第１の受信部１４（１）から第１の受信信号を受け取り、除去すべき干渉信号を第１の受信信号から生成する。本実施形態では、干渉信号は、超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３からの超音波に基づく信号成分である。生成した干渉信号を第１の受信信号から除去することによって、超音波測定装置Ｓ１が送信した超音波のみが第１の受信信号として得られる。同様に、最適干渉除去処理器１１���、第２の受信部１４（２）から第２の受信信号を受け取り、除去すべき干渉信号を生成し、生成した干渉信号を第２の受信信号から除去する。これにより、２つの干渉のない第１および第２の受信信号を得る。【００６８】  このように生成した干渉のない第１および第２の受信信号が、どの程度、正確に超音波測定装置Ｓ１の送波器８から送信された超音波のみを再現しているかは、いかに正確に除去すべき干渉信号を生成するかに依存する。【００６９】  本発明では、異なる条件を用いて干渉信号を生成し、条件ごとに干渉のない第１の受信信号および第２の受信信号を生成する。そして、条件ごとに、干渉のない第１の受信信号と第２の受信信号との相関値を求め、最も相関値の高い条件で得られた干渉のない第１および第２の受信信号を決定する。【００７０】  受波器９（１）、９（２）は、隣接して配置されており、ほぼ同じ環境にあるといえるので、受波器９（１）、９（２）が受け取る超音波の波形は、理想的には等しいと考えられる。したがって、生成した干渉信号の波形が正確であるほど、得られる干渉のない第１および第２の受信信号の波形は良く一致し、第１および第２の受信信号の相関値は高くなる。【００７１】  距離方位算出器１２は、このようにして決定された干渉のない第１および第２の受信信号を受け取り、第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）における超音波の到着時刻を求める。到着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。【００７２】  次に、図４を参照しながら本発明の超音波測定装置Ｓ１の動作の概略を説明する。前述したように、超音波測定装置Ｓ１はまず、超音波を受信し、受信信号を生成する（ステップＳ１１）。次に、受信信号から干渉信号を生成する（Ｓ１２）。【００７３】  前述したように、スペクトラム拡散技術を用いることによって、互いに干渉し、混信している信号であっても、拡散符号を用いて逆拡散すれば、任意の信号成分のみを得ることができる。つまり、除去すべき信号の拡散に用いられた拡散符号を用いて逆拡散を行うことにより、受信信号から除去すべき信号のみを生成、あるいは、抽出することができる。しかし、図２Ｃを参照して説明したように、多く信号が干渉している場合には、逆拡散を行っても雑音部分の振幅が大きくなってしまう。このため、本発明では、閾値を設定して、雑音部分を干渉信号に含めないようにする。この際、閾値を複数設定する。【００７４】  次に、受信信号から干渉信号を除去する（ステップＳ１３）。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を、複数設定した各閾値について求めることにより、干渉信号の再現性を評価する。本実施形態では、干渉信号を生成する際、あらかじめ決定した複数の閾値を用いて複数の干渉信号を生成し、それぞれの干渉信号が除去された受信信号について、第１および第２の受信信号の相関値を求め、最も高い相関値が得られた第１および第２の受信信号を決定する。決定した第１および第２の受信信号を用いて距離または方位を求める（Ｓ１５）。【００７５】  閾値の設定は、たとば、ステップＳ１２において、あらかじめ設定された複数の閾値を用いて干渉信号を複数生成し、ステップＳ１４において、閾値ごとに、干渉のない第１および第２の受信信号の相関値を並列に処理して求め、最も相関値の高い条件で得られた干渉のない第１および第２の受信信号を決定してもよい。本実施形態では、この手順を用いる超音波測定装置を説明する。【００７６】  あるいは、図４において、破線で示すように、閾値を順次生成しながら、干渉のない第１および第２の受信信号の相関値を評価することにより、ステップＳ１２からＳ１４を繰り返し、最適な閾値を探索によって求めてもよい。第２の実施形態では、この手順を用いる超音波測定装置を説明する。【００７７】  以下、最適干渉除去処理器１１の構造および動作を詳細に説明しながら、本実施形態による超音波測定装置および超音波測定方法を説明する。【００７８】  図５は、第１受信部１４（１）および第２の受信部１４（２）が受信信号を生成した後、距離方位算出器１２が距離および方位のうち少なくとも一方を算出するまでの手順を示すフローチャートである。また、図６は、最適干渉除去処理器１１の基本的な構成を示すブロック図である。最適干渉除去処理器１１は、第１の記憶部１５（１）、第２の記憶部１５（２）、窓設定部１６、第１の干渉除去ユニット１７（１）、第２の干渉除去ユニット１７（２）、相関部１８、相関ピーク値比較部１９および選択部２０を含んでいる。【００７９】  第１の干渉除去ユニット１７（１）および第２の干渉除去ユニット１７（２）は、それぞれ、干渉信号を生成するために設定する閾値の数だけ干渉除去部を含んでいる。本実施形態では、４つの閾値を設定するため、干渉除去部Ａ〜Ｄを含んでいる。閾値の数は多いほどより正しい干渉信号を再現できる。しかし、閾値の数が多くなると演算量も増えるため、最適干渉除去処理器１１の演算能力に応じた数を設定することが好ましい。【００８０】  図７は、第１の干渉除去ユニット１７（１）に含まれる干渉除去部Ａ〜Ｄの１つの構造を示している。干渉除去部Ａ〜Ｄのそれぞれは、逆拡散部２１（１）〜２１（３）、復調部２２（１）〜２２（３）、抽出部２３（１）〜２３（３）、拡散部２４（１）〜２４（３）、遅延部２５、加算器２６、逆拡散部２７、および記憶部２８を含んでいる。【００８１】  図１に示すように、本実施形態では、除去すべき干渉信号は超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４から送信されうる超音波である。このため、３つの干渉信号を生成し得るように逆拡散部２１（１）〜２１（３）、復調部２２（１）〜２２（３）、抽出部２３（１）〜２３（３）および拡散部２４（１）〜２４（３）がそれぞれ３セット用意されている。超音波測定装置Ｓ１が使用される環境において、想定される干渉信号以上の数のセットが用意されていることが好ましい。【００８２】  以下、図５に示すフローチャートのステップごと図３、図６および図７を参照しながら、最適干渉除去処理器１１の動作を詳細に説明する。【００８３】  （ステップＳ６１）
ステップＳ６１はステップＡ１、Ａ３に対応する。まず、第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）によって、超音波を受信し、第１の受信部１４（１）および第２の受信部１４（２）により、受信信号を増幅し、Ａ−Ｄ変換して、受信信号を生成する。【００８４】  （ステップＳ６２）
ステップＳ６２はステップＡ１、Ａ３に対応する。演算部１０により決定した送信開始時刻から一定時間経過した後、一定時間分の受信データを切り出し、第１の記憶部１５（１）および第２の記憶部１５（２）において記憶する。受信データを切り出すための時間の設定は、窓設定部１６において行う。受信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。【００８５】  例えば測定範囲が１ｍ〜５ｍである場合、超音波の空気中での音速は約３４０ｍ／ｓｅｃであるので、１ｍおよび５ｍを伝播時間に換算すると、それぞれ約３ｍｓｅｃおよび約１５ｍｓｅｃ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、約４０ｍｓｅｃ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＝３６．５ｍｓ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。【００８６】  図８は、第１の記憶部１５（１）に記憶された受信信号３２の波形を示している。同様の波形のデータが第２の記憶部１５（２）にも記憶される。記憶されたデータは、それぞれ、第１の干渉除去ユニット１７（１）の干渉除去部Ａ〜Ｄおよび第１２の干渉除去ユニット１７（２）の干渉除去部Ａ〜Ｄに出力される。【００８７】  （ステップＳ６３）
ステップＳ６３はステップＢ１、Ｂ３に対応する。図６に示す干渉除去部の各逆拡散部２１は、受信信号を所望以外の符号で逆拡散処理し、逆拡散信号を求める。ここで、所望以外の符号とは、超音波測定装置Ｓ１と物体２との距離および方位を計測する本実施の形態では、超音波測定装置Ｓ２、超音波測定装置Ｓ３、および超音波測定装置Ｓ４に割り当てられた拡散符号である。つまり、干渉信号として除去すべき超音波の拡散符号である。【００８８】  図９は、逆拡散信号の例を示しており、超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３およびＳ４に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号３３、３４および３５を示している。【００８９】  逆拡散信号３３および３４には、それぞれ１００ｋＨｚ以下の正弦波３６、３７が含まれるが、逆拡散信号３５には正弦波は含まれていない。これは超音波測定装置Ｓ４から送信された超音波を受信していないことを示している。また、逆拡散信号３３には正弦波３８も含まれている。これは壁３の反射による超音波伝播経路６によって到達した超音波である。また、正弦波３６、３７および３８は、それぞれ伝播経路５、６、７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３６、３７および３８は伝播経路の特性を反映している。【００９０】  図９に示す逆拡散信号３３および３４に含まれる正弦波３６、３７および３８が干渉信号として除去すべき超音波である。しかし、逆拡散信号３３および３４の正弦波３６、３７および３８以外部分には、正弦波３６、３７および３８の振幅と比較して十分には小さくない雑音成分が含まれている。したがって、正弦波３６、３７および３８のみを抽出する処理を行う。【００９１】  （ステップＳ６４）
ステップＳ６４はステップＣ１、Ｃ３に対応する。復調部２２は、各逆拡散信号を振幅情報に変換する。この時、振幅情報は逆拡散信号３３、３４および３５の最大振幅値で正規化される。図１０は、逆拡散信号３３、３４および３５を振幅情報に変換した波形３９、４０、４１を示している。【００９２】  （ステップＳ６５）
ステップＳ６５はステップＣ１、Ｃ３に対応する。抽出部２３は、各振幅情報の波形において、一定の閾値以上の波形が存在する時間帯を決定する。抽出部２３が設定する閾値は、図６に示す干渉除去部Ａ〜Ｄによって異なっている。具体的には、干渉除去部Ａ〜Ｄの抽出部２３が設定する閾値は、図１０において、４２Ａ〜４２Ｄで示される。【００９３】  超音波の逆拡散に用いた次数が既知であるので、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、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も予測できる。したがって、図１０に示すように、逆拡散された波形の正規化された振幅情報があれば、閾値が容易に求められるように思われる。【００９４】  しかし、超音波は空中を伝播することにより減衰する。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。図３Ａに示す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るため、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。【００９５】  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受ける（フェージング）。これらの理由から、閾値を一義的に決めることはできない。【００９６】  本実施形態では、閾値を複数用意し、処理を並行して行う。そして、どの閾値で処理した結果がよいかを、以下で説明する選択部２０において決定する。【００９７】  抽出部２３は、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９に示す各逆拡散信号と掛け合わせることによって、受信信号から除去すべき干渉信号を生成する。【００９８】  図１１は、閾値４２Ｃを用いて抽出部２３がパルス波形を生成し、逆拡散信号と掛け合わせることによって得られた干渉信号４３、４４、４５を示している。図９と図１１を比較すれば明らかなように、適切な閾値４２Ｃを用いることにより、逆拡散信号３３および３４に含まれる正弦波３６、３７および３８のみが正しく抽出された干渉信号４３、４４、４５が得られることが分かる。また、逆拡散信号３５には除去すべき超音波は含まれないため、干渉信号４５の振幅はゼロになっている。【００９９】  （ステップＳ６６）
ステップＳ６６はステップＤ１、Ｄ３に対応する。このようにして得られた干渉信号４３、４４、４５は、逆拡散されているため、拡散された状態の受信信号３２から直接除去することはできない。このため拡散部２４は、各干渉信号に割り当てられた拡散符号によって干渉信号を拡散処理する。【０１００】  本発明では、従来の携帯電話の分野において用いられている干渉除去方式のように、符号が「１」か「０」かを判定してから、伝播路の特性を反映させ、その後拡散するのではなく、逆拡散で得られた伝播路の特性が反映された波形の一部をそのまま使って拡散する。これにより、伝播経路の特性を推定することなく、伝播経路の特性が反映された干渉信号を除去することができる。【０１０１】  携帯電話は、超音波と比較して高い周波数を利用するため、逆拡散後の波形を用いることは非常に難しい。なぜなら、使用する周波数の４倍以上のＡ−Ｄ変換器が必要であることと、Ｍ系列の次数が大きいため、結果として膨大な情報量となるからである。この膨大な情報量を処理するために高速なＤＳＰを複数用意する必要がある。こうした理由から、携帯電話の分野では、逆拡散後の受信波をそのまま拡散に用いることはしない。このように、受信波を拡散することは本発明の特徴の１つであり、周波数が低い超音波の特性を利用したものである。【０１０２】  （ステップＳ６７）
ステップＳ６７はステップＤ１、Ｄ３に対応する。加算器２６は、拡散された干渉信号を元の受信信号から除去する。加算器２６における干渉信号の除去は、受信信号から干渉信号を減算することによって行ってもよいし、干渉信号を符号を反転させて受信信号に加算してもよい。このとき、元の受信信号は、拡散された干渉信号と同期させるために、遅延部２５を介して加算器２６に入力される。これにより、干渉信号が除去された受信信号が得られる。ただし、この受信信号は拡散されている。【０１０３】  （ステップＳ６８）
ステップＳ６８はステップＥ１、Ｅ３に対応する。拡散部２７は、干渉信号が除去された受信信号を、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号、つまり所望の符号で逆拡散する。【０１０４】  （ステップＳ６９）
ステップＳ６９はステップＦ１、Ｆ３に対応する。記憶部２８は拡散された受信信号を記憶する。これにより、第１の干渉除去ユニット１７（１）、および、第２の干渉除去ユニット１７（２）の干渉除去部Ａ〜Ｄから、異なる閾値４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄを用いて生成した干渉信号が除去された第１および第２の受信信号が得られる。【０１０５】  （ステップＳ７０）
ステップＳ７０はステップＦ１、Ｆ３に対応する。相関部１８は、異なる閾値４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄごとに、干渉信号が除去された第１受信信号と第２の受信信号の相関値を求める。この相関値は、第１の受信信号と第２の受信信号との間の類似度を表しており、相関値が高いと類似度が高く、相関値が低いと類似度が低いことを示している。図１２は、閾値４２Ａを用いて生成された干渉信号が除去された第１の受信信号４６および第２の受信信号４７と、第１の受信信号４６および第２の受信信号４７を示している。【０１０６】  この２つの信号を以下の式（１）および式（２）を用いて処理する。【０１０７】
【数１】
2008010306.tif 000003
【０１０８】
【数２】
2008010306.tif 000004
【０１０９】  ここで受信信号４６および４７をａ１（ｎ＝１）およびａ２（ｍ＝２）とおく。また、Ｔは記憶部が設定したＴ２−Ｔ１に相当する。ｔは時間であり、ａ＊はａの複素共役を意味している。【０１１０】  図１２は、式（２）で規定される相関値Ｒを示している。相関値の波形４８は最大値４９を有している。【０１１１】  （ステップＳ７１）
ステップＳ７１はステップＧ１、Ｇ３に対応する。相関ピーク値比較部１９は閾値ごとに求めた相関値の最大値を比較し、最も、最大値の大きい閾値が得られた第１および第２の受信信号つまり、最も相関値が高い第１および第２の受信信号を出力する干渉除去部Ａ〜Ｄを決定する。【０１１２】  （ステップＳ７２）
ステップＳ７２はステップＨ１、Ｈ３に対応する。選択部２０は、相関ピーク値比較部１９が決定した最も相関値の高い第１および第２の受信信号を選択し、距離方位算出部１２へ出力する。【０１１３】  距離方位算出部１２は、受け取った第１および第２の受信信号から、超音波の伝播時間を求める。【０１１４】  選択部２０から受け取る干渉信号が除去された第１および第２の受信信号から直接波形の時間的位置を求めてもよいし、第１および第２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。【０１１５】  方位は干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の到達時間の差によって求められる。十分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ａ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。【０１１６】
【数３】
2008010306.tif 000005
【０１１７】  また、干渉信号が除去された第１および第２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（３）を用いることにより、さらに方位を求めることができる。【０１１８】  このように、本発明によれば、閾値を選択することによって、より正確な除去すべき干渉信号を生成することができる。以下に、干渉信号が除去された第１の受信信号と第２の受信信号との相関値が高い閾値を選択する理由について詳細に説明する。【０１１９】  図１３から図１５は、干渉除去部Ａ〜Ｄの抽出部２３（１）〜２３（３）において用いられる閾値（図１０参照）と干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の最大相関値４９（図１２参照）との関係を示している。【０１２０】  図１３は、超音波測定装置Ｓ１における計測において、超音波測定装置Ｓ２からの超音波が干渉波として混信している場合における、閾値と最大相関値との関係を示す曲線５０を表している。つまり、１つの干渉信号が混信している場合における閾値と最大相関値との関係を示している。【０１２１】  図１４は、超音波測定装置Ｓ１における計測において、超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３からの超音波が干渉波として混信している場合における、閾値と最大相関値との関係を示す曲線５１を表している。つまり、２つの干渉信号が混信している場合における閾値と最大相関値との関係を示している。本実施形態では、超音波測定装置Ｓ４は超音波を送信していないため、本実施形態は、図１３に示す条件に該当する。【０１２２】  図１５は、超音波測定装置Ｓ１における計測において、超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４からの超音波が干渉波として混信している場合における、閾値と最大相関値との関係を示す曲線５２を表している。つまり、３つの干渉信号が混信している場合における閾値と最大相関値との関係を示している。【０１２３】  図１３から図１５の曲線５０、５１、５２からわかるように、閾値と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の最大値との間には一定の傾向がある。【０１２４】  干渉信号が存在しない場合、つまり、超音波測定装置Ｓ１の第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）が、超音波測定装置Ｓ１が送信した超音波のみを受信する場合、第１および第２の受信信号の相関値は非常に高い。しかし、曲線５０、５１、５２と干渉信号の数が増大するにつれて、相関値の最大値は、小さくなる傾向を示す。また、干渉信号の数が増大するにつれて、相関値の最大値が得られる閾値は大きくなる。【０１２５】  図１６は、図１４の曲線５１が得られる条件つまり、超音波測定装置Ｓ１における計測において、超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３からの超音波が干渉波として混信している場合において、異なる閾値を用いて生成した干渉信号を除去することにより得られた受信信号の波形を示している。図１６はそれぞれ閾値を、０．８、０．６、０．４、０．２に設定して干渉信号を抽出し、得られた干渉信号を受信信号から除去することによって得られた信号５３、５４、５５、５６の波形を示している。【０１２６】  図１６から明らかなように、閾値０．４を用いて干渉信号を生成し、受信信号から除去した信号５５が最も高いＳＮ比を有しており、干渉信号がよく除去されていることが分かる。信号５５のＳＮ比は、閾値０．８を用いて得られる信号５３のＳＮ比に比べ７ｄＢ程度改善している。【０１２７】  図１４の曲線５１から明らかなように、閾値０．４のとき、２つの受信信号の相関値は最大値を取っている。したがって、２つの受信信号の相関値が最大となる閾値を用いることによって、最も干渉信号を正確に除去することができ、干渉の影響が最も少ない受信信号を得ることができる。【０１２８】  また、閾値４２の選択を干渉信号が除去された受信信号の相関値に基づいて判断することにより、単純なＳＮ比による閾値決定に比べて、より正確な干渉信号を再現でき、そのような正確な干渉信号を受信信号から除去することによって、干渉信号の影響が十分に除去された受信信号を得ることができる。たとえば、図８の逆拡散信号３３において、波形３８のように雑音の影響かどうかわからない情報でも正しく、干渉信号として抽出できる。したがって、干渉信号が伝播経路でうけた影響を正しく評価して干渉信号として再現し、受信信号から除去することができる。【０１２９】  これは本発明の特徴の１つであり、この干渉除去後の受信信号を２つの受波器間で比較して、干渉除去処理のパラメータを学習することにより、最適な干渉除去処理を実現することができる。【０１３０】  以上の処理により、符号の異なる超音波が多数干渉した場合でも、２つの超音波受波器どうしの干渉除去処理後の受信信号の相関値を評価することにより、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推定できる。【０１３１】  なお、本実施例では、超音波の送波器と受波器とを備え、これらが固定された超音波測定装置を例に挙げたが、超音波測定装置は送波器を備えていなくてもよい。また、超音波送波器と超音波受波器を別の場所に設置し、超音波送波器と超音波受波器の間の距離を測定するような場合にも適用できる。【０１３２】（第２の実施形態）
図１７は、本発明による超音波測定装置および超音波測定方法の第２の実施形態における最適干渉除去処理器１１の基本的な構成を示すブロック図である。【０１３３】  第２の実施形態の超音波測定装置および超音波測定方法も第１の実施形態と同様、超音波測定装置が複数存在する環境において、干渉する超音波の影響を排除し、距離や方位の計測を行う。第１の実施形態では、あらかじめ設定された複数の閾値を用いて干渉信号を並列的に生成するが、本実施形態では相互相関値の変化を評価しながら最適な閾値を探索する。【０１３４】  第２の実施形態の超音波測定装置において、最適干渉除去処理器１１以外の構成は第１の実施形態の超音波測定装置と同じである。【０１３５】  図１７に示すように、本実施形態における最適干渉除去処理器１１は、窓設定部１６、第１の記憶部１５（１）、第２の記憶部１５（２）、第１の干渉除去部１１７（１）、第２の干渉部１１７（２）、相関部１８、閾値変更部８０および相関ピーク値判定部８１を備えている。【０１３６】  窓設定部１６、第１の記憶部１５（１）、第２の記憶部１５（２）および相関部１８は第１の実施形態と同様に機能する。【０１３７】  第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉部１１７（２）は、第１の実施形態で説明した図７の干渉除去部Ａ〜Ｄと同様に構成されており、受信信号から干渉信号を生成し、干渉信号が除去された受信信号を求める。ただし、第１の実施形態では抽出部２３（１）〜２３（３）において、あらかじめ設定された閾値を用いて干渉信号を生成していたが、本実施形態では閾値変更部８０が閾値を決定し、決定された閾値を用いて、第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉除去部１１７（２）が干渉信号を生成する。【０１３８】  相関ピーク値判定部８１は、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の最大相関値を評価し、最大相関値が低い場合には、閾値変更部８０に閾値を変更する指令を出力する。閾値変更部８０は新しい閾値を設定し、第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉部１１７（２）は新しい閾値を用いて干渉信号を生成する。このループを最大相関値が最大となるまで、閾値を変更して繰り返す。【０１３９】  最も大きい最大相関値が得られれば、相関ピーク値判定部８１は、距離方位算出部１２へ、そのときの第１および第２の受信信号を出力する。距離方位算出部１２は、第１の実施形態と同様に距離および方位の少なくとも一方を算出する。【０１４０】  以下、最適干渉除去処理器１１における閾値の探索を説明する。【０１４１】  図１８（ａ）は、閾値変更部８０で設定する閾値と相関ピーク値判定部８１において検出される相関値との関係を示す曲線５１を表している。また、図１８（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の正規化された振幅情報の波形３９を示している。波形３９は、干渉信号として除去すべき干渉信号の振幅情報の波形である。【０１４２】  閾値と干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の最大相関値の関係を示す曲線５１は、図１８（ａ）に示すように範囲８２、範囲８３、範囲８４の３つに分類できる。図１８（ａ）に示した範囲８２、範囲８３、範囲８４に対応する閾値は、���１８（ｂ）にも示している。【０１４３】  図１８（ｂ）から明らかなように、範囲８４は、干渉信号として除去すべき超音波測定装置Ｓ２から送信された超音波（壁からの反射波も含む）が閾値によって選択される範囲である。範囲８３は雑音成分（超音波測定装置Ｓ２以外からの超音波および受信系の雑音）のエネルギーの高い部分のみ含まれる範囲である。また、範囲８２はすべての受信データが含まれる範囲である。【０１４４】  範囲８２と範囲８３の境界に閾値を設定した場合、雑音成分のエネルギーの高い部分のみ抽出される。このため、雑音成分をすべて抽出するより、相関値が低下する。図１３、図１４、図１５の曲線５０、５１、５２から明らかなように、相関値が最低となる閾値は干渉している信号の数によって変化するが、閾値が０よりも大きい値において相関値は最小となる。したがって、０から１までのすべての範囲で閾値を探索しなくてもよく、相関値が最小となる時の閾値以上において最適な閾値を探索すればよい。したがって、このような特性を利用することによって、数回閾値を変更することにより、最適な閾値を推定することが可能となる。【０１４５】  次に閾値の探索方法を図１９のフローチャートを用いて説明する。【０１４６】  閾値の探索を行う前に、まず第１および第２の受信信号に第１の実施形態で説明したように処理を施す。具体的には、第１の実施形態と同様、図３に示すように、第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）によって、超音波を受信し、第１の受信部１４（１）および第２の受信部１４（２）により、第１および第２の受信信号を増幅し、Ａ−Ｄ変換する（ステップＡ２）。続いて図１７に示すように、窓設定部１６を用いて、第１および第２の受信信号を切り出し、データを第１および第２の記憶部１５（１）、１５（２）に記憶する。続いて受信信号を所望以外の符号で逆拡散処理し、逆拡散信号を求める（ステップＢ２）。【０１４７】  閾値の探索は以下のように行う。まず、閾値変更部８０は、高めの閾値、たとえば０．８を設定する（ステップＳ９１、Ｃ２）。第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉除去部１１７（２）は、第１の実施形態で説明したように、設定した閾値を用いてそれぞれ干渉信号を生成し、第１および第２の受信信号から干渉信号を除去した信号を生成する（ステップＳ９２、Ｄ２、Ｅ２）。相関部１８は２つの信号の最大相関値を求める（ステップＳ９３、Ｆ２）。【０１４８】  次に、判定ステップ８１に進む。相関ピーク値判定部８１は、求めた最大相関値を記憶する。最初のループでは、前回の最大相関値が記憶されていないので、今回取得した値がよい値であるかどうかを判定できない。このため、最初のループでは、判定を行わず、閾値変更ステップ８８に進む。つまり、最初のループでは（ステップＳ９４）、少し低めの閾値、たとえば０．６を設定するように、閾値変更部８０に指令を出力する（ステップＳ９５、Ｇ２）。【０１４９】  第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉除去部１１７（２）は、設定した閾値を用いてそれぞれ干渉信号を生成し、第１および第２の受信信号から干渉信号を除去した信号を生成する（ステップＳ９２、Ｈ２）。相関部１８は２つの信号の最��相関値を求める（ステップＳ９３、Ｈ２）。【０１５０】  相関ピーク値判定部８１は、最初のループではないので（ステップＳ９４）、前回と今回との最大相関値とを比較する（ステップＳ９６、Ｈ２）。前回と今回との最大相関値との差が所定の値より小さい場合、図１８の曲線５１における相関値の最大値付近に閾値を設定していることになるため、最も大きい相関値が得られたと判断し、探索を終了して距離および方位を求める（ステップＳ１００、Ｉ２）。【０１５１】  一方、前回と今回との最大相関値との差が所定の値より小さくない場合、今回の最大相関値が前回よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ９７）。今回の最大相関値のほうが前回より大きい場合には、相関ピーク値判定部８１は、前回の閾値よりもさらに低い閾値を設定するように閾値変更部８０に指令を出力する。また、今回の最大相関値のほうが前回より大きくない場合には、相関ピーク値判定部８１は、前回の閾値より高めに閾値を設定するように閾値変更部８０に指令を出力する。【０１５２】  このようにして、最大相関値の算出、判定ステップ８９および閾値変更ステップ８８（ステップＨ２）を繰り返し、前回と今回との最大相関値との差が所定の値より小さくなった場合、上述したように図１８の曲線５１における相関値の最大値付近に閾値を設定していることになるため、最も大きい相関値が得られたと判断し、探索を終了して距離および方位を求める（ステップＳ１００、Ｉ２）。【０１５３】  このように、本実施形態によれば、２つの受波器で受信した受信信号から干渉信号を除去した信号の相関値を評価しながら、干渉信号を生成するための最適な閾値を探索することによって、受信信号に最適な干渉除去を施すことができる。この方法によれば、計測を行う環境によって干渉する超音波の波形や影響の度合いが変化しても、最も干渉信号の影響を排除した受信信号を得ることができる。したがって、どのような環境でも、距離や方位を精度よく測定することができる。【０１５４】（実験例）
第１の実施形態の構成により、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。【０１５５】  図２０（ａ）は、符号Ａで拡散した超音波の波形を示しており、図２０（ｂ）は、符号Ａで拡散した超音波と符号Ｂ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。【０１５６】  また、図２０（ｃ）は、符号Ａで拡散した超音波と符号Ｂ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）を符号Ａで逆拡散することにより、符号Ｂ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、第１の実施形態の装置を用いて符号Ｂの超音波を干渉波として除去した波形を示している。【０１５７】  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符号Ａで逆拡散し、得られた信号の一部を切り出しすことによって得られた波形をそれぞれ示している。【０１５８】  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。【０１５９】  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、ノイズの振幅は、第１の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。【０１６０】  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。【０１６１】  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。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】  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】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月27日(2007.8.27)
【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、所望の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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ１）と、
前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ１）と、
前記逆拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成するステップ（Ｃ１）と、
前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた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、前記閾値ごとに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（Ｄ１）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ１）と、
前記閾値ごとに、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ１）と、
前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を決定するステップ（Ｇ１）と、
前記決定した閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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（Ｈ１）と、
を包含する超音波測定方法。
【請求項２】
前記ステップ（Ｃ１）から（Ｆ１）は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、複数の閾値に対する各ステップの処理を並列に行う請求項１に記載の超音波測定方法。
【請求項３】
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、所望の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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ２）と、
前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ２）と、
前記逆拡散信号から閾値を用いて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、干渉信号を生成するステップ（Ｃ２）と、
前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた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の受信信号を生成するステップ（Ｄ２）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ２）と、
前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ２）と、
前記閾値の値を変化させてステップ（Ｂ２）から（Ｆ２）を実行するステップ（Ｇ２）と、
前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になるまで、前記ステップ（Ｇ２）を繰り返すステップ（Ｈ２）と、
前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になった際の閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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（Ｉ２）と、
を包含する超音波測定方法。
【請求項４】
前記ステップ（Ｈ２）において、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて、前記閾値の値を決定する請求項３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から４のいずれか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から５のいずれかに記載の超音波測定方法。
【請求項７】
前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値は、複素数の相関を求めることにより算出する請求項１から６のいずれかに記載の超音波測定方法。
【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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、
前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、
前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、
前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を選択する選択部と、
前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部と、
を備える超音波測定装置。
【請求項９】
前記第１および第２の干渉除去部は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を並列して生成する請求項８に記載の超音波測定装置。
【請求項１０】
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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、
指令に基づき閾値を更新して逐次生成する閾値変更部と、
前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記閾値が更新されるたびに、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から前記閾値を用いて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、干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、
前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、
前記最大相関値と直前に求めた最大相関値との差を求め、前記差が所定の値以下である場合には、そのとき閾値を選択し、前記差が所定の値より大きい場合には、前記閾値変更部へ前記閾値を更新するように指令を出力する相関ピーク値判定部と、
前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部と、
を備える超音波測定装置。
【請求項１１】
前記相関ピーク値判定部は、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて前記閾値の値を変更するよう前記閾値変更部に指令を出力する請求項１０に記載の超音波測定装置。
【請求項１２】
前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である請求項８から１１のいずれかに記載の超音波測定装置。
【請求項１３】
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８から１２のいずれかに記載の超音波測定装置。
【請求項１４】
前記相関部は、複素数の相関を求めることにより、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を算出する請求項８から１３のいずれかに記載の超音波測定装置。
【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位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】
超音波測定装置が複数存在する環境においては、各超音波測定装置が送信する超音波信号が混信するため、そのままでは誤計測が生じうる。このため、超音波測定装置の超音波信号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、超音波信号の混信を防ぐ方法や、各超音波測定装置が使用する超音波信号を異なる符号で符号化することによって超音波信号を区別する方法が考えられている。
【０００４】
前者の方法は、時分割送信と呼ばれており、簡易な方法として用いられている。しかし、各超音波測定装置が独立している場合、他の超音波測定装置が超音波信号を送信するタイミングを知ることが出来ないため、混信が生じないように超音波信号を送信するタイミングを調節することは困難である。
【０００５】
後者の方法を採用した従来の超音波測定装置は、たとえば、特許文献１に開示されている。図２２は、特許文献１に開示された従来の超音波測定装置のブロック図を示している。以下、この従来の超音波測定装置１０１の基本的な動作を説明する。超音波測定装置１０１は、送波器８、受波器９、相関器１０３、ピーク検出器１０４およびパルス発生器１０５を備えている。
【０００６】
パルス発生器１０５は、送波器８の駆動信号を生成し、送波器８は超音波信号を空間に送信する。送信された超音波信号は、超音波伝播経路７を通って物体２に到達し、反射する。反射された超音波信号は超音波伝播経路７を通って受波器９に到達する。
【０００７】
駆動信号は、各超音波測定装置の超音波信号が混信しても区別できるように、超音波測定装置ごとに異なる符号で符号化されている。混信した信号から所望の信号の符号を解読して取り出すことを考慮すると、他の信号は所望の信号とはまったく似ていないことが望ましい。このような特性を有し、所定の規則に基づいて人為的に作成された不規則な信号は、擬似不規則信号と呼ばれる。
【０００８】
取り扱いの簡単さから擬似不規則信号には２値信号（「１」と「０」）が利用されることが多い。２値で構成される擬似不規則信号には、Ｍ系列、Ｂａｒｋｅｒ系列、Ｇｏｌａｙ系列が知られている。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、雑音状であるが、識別可能な搬送波として作用する。異なるＭ系列間では、相手が雑音にしかみえないため、自分自身の信号を取り出すには非常に有効である。また、自分自身どうしでも、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。
【０００９】
パルス発生器１０５が発生する駆動信号は、スペクトラム拡散（Ｍ系列離散）によるランダム波である。特許文献１においては、符号「１」に対応する周波数と、符号「０」に対応する周波数を異ならせた２進周波数シフトキーイング方式によってこのような特性を有する擬似不規則信号を実現している。
【００１０】
送波器８から送信され、超音波伝播経路７を通って受波器９に到達した超音波は、相関器１０３により、パルス発生器１０５が生成した擬似不規則信号との相関が求められる。ピーク検出器１０４は、相関値のピークを求める。相関値のピークの時刻が、送波器８から送信された超音波の受波器９への到達時刻を示す。超音波を送信した時刻から相関値のピークの時刻までの時間が、物体２までの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、超音波測定装置１０１から物体２までの距離を求めることができる。
【００１１】
スペクトラム拡散（Ｍ系列離散）による擬似不規則信号は、超音波測定装置ごとに異なる固有の信号であるため、別の超音波測定装置から送信された超音波が受波器９に到達しても、パルス発生器１０５において生成する擬似不規則信号との相関は非常に小さい。このため、相関器１０３において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超音波測定装置１０１は識別することができる。
【００１２】
一方、無線通信の分野においては、多くの信号が混信している環境においても良好な通信を行うため、送信する信号の符号を冗長にし、エラー訂正に用いたり、自分以外の信号を受信信号から減算して干渉を除去したりする方法などが知られている。特に、携帯電話の分野では、ユーザごとに異なる符号で符号化された信号間の干渉を、基地局において除去するために、種々の干渉キャンセラ装置が提案されている。たとえば、特許文献２は、携帯電話の基地局で使用される干渉キャンセラ装置を開示している。
【００１３】
図２３は、特許文献２に開示される干渉キャンセラ装置のブロック図を示している。特許文献２の干渉キャンセラ装置は、干渉キャンセラブロック１０６および復調処理部１０７を備える。干渉キャンセラブロック１０６は、受信信号に遅延を加える遅延処理部１０８（１）〜１０８（Ｎ）および受信信号から所望の信号以外の信号を抽出する干渉除去部１０９（１）〜１０９（Ｎ）により構成されている。
【００１４】
干渉キャンセラブロック１０６において、干渉除去部１０９（１）〜１０９（Ｎ）は、所望の信号に用いられている符号以外すべて（Ｎ個）の符号を用いて、所望の信号以外の信号の複製信号を生成する。そして、受信された入力信号１１０から所望の信号以外の複製信号をそれぞれ減じる。このとき、遅延処理部１０８（１）〜１０８（Ｎ）は、干渉除去部１０９（１）〜１０９（Ｎ）から出力が得られるまで、各干渉除去部１０９（１）〜１０９（Ｎ）の出力と受信信号１１０が減算処理の際、同期がとれるように、受信信号２２０を遅延させる。
【００１５】
復調処理部１０７は、この出力信号を用いて所望の信号の復調処理を行う。これにより、所望の信号以外の信号による干渉が除去され、干渉キャンセラブロック１０６が無い復調結果より、信号品質が向上する。この干渉キャンセラブロック１０６を多段構成にして一連の処理を複数回繰り返すことによって、さらに干渉除去特性が改善される。
【００１６】
携帯電話から送られる情報は、Ｍ系列符号のような擬似不規則信号と掛け合わせることによって符号化されている。この処理を拡散処理と呼ぶ。符号化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する。その場合、正弦波の位相（例えば０度と１８０度）が、符号化された情報の「１」と「０」に相当する。
【００１７】
基地局では、携帯電話からの信号から情報を取り出すために、拡散処理の逆の処理である逆拡散処理を行う。逆拡散処理された信号の位相情報から、「１」に相当するのか「０」に相当するのかを決定する。この処理を特に復調と呼ぶことがある。
【００１８】
図２４は干渉除去部１０９（Ｎ）の動作を示すブロック図である。干渉除去部１０９（Ｎ）は、マルチパス伝播路に対応したＫ（Ｋ≧１の整数）個の逆拡散ブロック１１１（１）〜１１１（Ｋ）および拡散ブロック１１７（１）〜１１７（Ｋ）と、判定器１１６とを含む。マルチパス伝播路の情報は、あらかじめどんなマルチパスがあるのか予測して用意しておく。逆拡散ブロック１１１（１）は、逆拡散部１１２（１）、複素共役部１１３（１）、伝播路推定部１１４（１）、乗算器１１５（１）を含んでいる。また、拡散ブロック１１７（１）は、乗算器１１９（１）および拡散部１１８（１）を含んでいる。他の逆拡散ブロック１１１（２）〜１１１（Ｋ）および拡散ブロック１１７（２）〜１１７（Ｋ）も同様に構成されている。
【００１９】
逆拡散部１１２（ｋ）は、マルチパス伝播路の第ｋパス（１≦ｋ≦Ｋの整数）に同期したタイミングで第ｎユーザ（１≦ｎ≦Ｎの整数）の拡散符号を用いて受信信号を逆拡散する。逆拡散部１１２（ｋ）の出力は、乗算器１１５（ｋ）に入力される。乗算器１１５（ｋ）は、伝播路推定部１１４（ｋ）から出力される伝送路特性を複素共役部１１３（ｋ）を介して受け取り、逆拡散部１１２（ｋ）の出力と掛け合せる。伝送路推定部１１４は、伝送路特性を出力する前にパイロット信号とよばれる既知の情報（例えば１０１０１０の繰り返し）を出力する。このため、逆拡散後、伝播路によってどれだけ信号の大きさが変化したか、また信号がどれだけ遅延したかを推定することができる。推定値は複素数である。この値を使って、マルチパス伝播路すべての時間的ずれを調整する。
【００２０】
乗算器１１５は、同時にこの複素共役部１１３（ｋ）の出力により逆拡散部１１２の出力に対してレイク合成（最大比合成）のための振幅重み付けを行う。各パスを伝播してきた電波は、それぞれのパス長の違いによって、時間的にずれて到達する。この時間的ずれをなくし、各パスを伝播してきた電波を加算することにより、受信感度を向上させる手法をレイク合成という。
【００２１】
その後、Ｋ個のパスのそれぞれの乗算器１１５の出力である重み付けされた検波出力はレイク合成され、判定器１１６へ出力される。判定器１１６は、最も確からしい送信シンボル（「１」なのか「０」なのか）を判定する。
【００２２】
拡散ブロック１１７は、Ｋ個のパスそれぞれに対して直列に接続される。判定器１１６の出力は、伝播路推定部１１４の出力である伝播路特性とパス単位で乗算器１１９（Ｋ）にて乗算される。拡散部１１８は、乗算器の各パス（第ｋパス）に同期したタイミングで第ｎユーザの拡散符号を用いて乗算器１１９（Ｋ）から得られる出力を拡散する。拡散部１１８のＫ個の出力である各パスの複製信号が合成し、第ｎユーザの複製信号を得られる。
【００２３】
干渉キャンセラ装置では、予め全ユーザの受信レベルランキングを作成し、各段ではレベルの大きな順に復調及び干渉除去処理を行う。受信レベルランキングは、受信信号を用いて一度だけ行う場合と各段で干渉除去信号から逐次行う場合とがある。
【特許文献１】特開２００４−１０８８２６号公報
【特許文献２】特開平１０−５１３５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
特許文献１の超音波測定装置が複数動作する環境では、他の超音波測定装置の送信した超音波と区別するためにＭ系列離散を用いて送信する超音波を符号化する。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。
【００２５】
また、上述したように、送信した信号と他の信号とが干渉した環境において、他の信号を排除して、送信した信号を得るために、無線通信の分野では、特許文献２に開示された干渉キャンセラ装置のように、あらかじめ伝送路のプロファイルを推定し、推定したプロファイルを利用することによって、干渉する信号を排除して通信を行っている。このような干渉信号の伝播路のプロファイルの推定は、たとえば、携帯電話の基地局における電波の受信のような無線通信分野では、干渉する信号のプロファイルが地形に応じて概ね定まっていることにより実現が可能となる。  これに対し、超音波測定装置は、さまざまな環境において使用されるため、干渉する超音波の影響をあらかじめ推定することは困難である。
【００２６】
本発明は、このような従来技術の課題の少なくとも１つを解決し、超音波測定装置が複数存在する環境においても正確に距離を計測する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】
【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、所望の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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ１）と、前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ１）と、前記逆拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成するステップ（Ｃ１）と、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた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、前記閾値ごとに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（Ｄ１）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ１）と、前記閾値ごとに、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ１）と、前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を決定するステップ（Ｇ１）と、前記決定した閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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（Ｈ１）とを包含する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｃ１）から（Ｆ１）は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、複数の閾値に対する各ステップの処理を並列に行う。
【００２９】
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、所望の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、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ２）と、前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ２）と、前記逆拡散信号から閾値を用いて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、干渉信号を生成するステップ（Ｃ２）と、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた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の受信信号を生成するステップ（Ｄ２）と、前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ２）と、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ２）と、前記閾値の値を変化させてステップ（Ｂ２）から（Ｆ２）を実行するステップ（Ｇ２）と、前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になるまで、前記ステップ（Ｇ２）を繰り返すステップ（Ｈ２）と、前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になった際の閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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（Ｉ２）とを包含する。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｈ２）において、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて、前記閾値の値を決定する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値は、複素数の相関を求めることにより算出する。
【００３４】
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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を選択する選択部と、前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部とを備える。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の干渉除去部は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を並列して生成する。
【００３６】
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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、指令に基づき閾値を更新して逐次生成する閾値変更部と、前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記閾値が更新されるたびに、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から前記閾値を用いて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、干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、前記最大相関値と直前に求めた最大相関値との差を求め、前記差が所定の値以下である場合には、そのとき閾値を選択し、前記差が所定の値より大きい場合には、前記閾値変更部へ前記閾値を更新するように指令を出力する相関ピーク値判定部と、前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部とを備える。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記相関ピーク値判定部は、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて前記閾値の値を変更するよう前記閾値変更部に指令を出力する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記相関部は、複素数の相関を求めることにより、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を算出する。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、超音波測定装置が複数存在する環境においても、お互いの干渉を最適に除去することにより、精度の高い距離計測をすることができる。
【００４２】
また、所望以外の符号で逆拡散した波形から、複数の受波器間受信した受信信号の相関値に基づいて決定した閾値で干渉信号を抽出し、抽出した信号を直接拡散し、受信信号から除去することにより、伝播路のプロファイルを用いずに正確な干渉信号の除去処理を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
（第１の実施形態）
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第１の実施形態を説明する。
【００４４】
本発明の超音波測定装置は、複数の超音波から、所望の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、超音波測定装置が複数存在する環境を説明する図である。
【００４５】
超音波測定装置Ｓ１は、伝播経路４に沿って超音波を物体２に向けて送信し、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４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。
【００４６】
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５を通って超音波測定装置Ｓ１に到達している。また、壁３において反射し、超音波測定装置Ｓ１に到達する伝播経路６も存在する。同様に超音波測定装置Ｓ３から送信される超音波は伝播経路７を通って超音波測定装置Ｓ１に到達する。超音波測定装置Ｓ４から送信された超音波が、超音波測定装置Ｓ１に到達する伝播経路は存在しない。
【００４７】
超音波測定装置Ｓ１、超音波測定装置Ｓ２、超音波測定装置Ｓ３、および超音波測定装置Ｓ４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。
【００４８】
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。
【００４９】
図１に示す超音波測定装置Ｓ１〜Ｓ４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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
図２Ａ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３０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３１が得られる。波形３１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。
【００５３】
図２Ｂ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３０１を示している。波形３０１を同じ拡散符号で逆拡散すると、波形３０２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、超音波測定装置Ｓ３、および超音波測定装置Ｓ４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。
【００５４】
図２Ｃ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３０３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３０３を逆拡散することによって、波形３０４が得られる。図２Ｂの波形３０２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。
【００５５】
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。
【００５６】
なお、波形３０３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。
【００５７】
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、物体２によって反射して超音波測定装置Ｓ１に戻る（伝播経路４）。これに対して、超音波測定装置Ｓ２から伝播経路５に沿って超音波測定装置Ｓ１に到達する超音波、および、超音波測定装置Ｓ３から伝播経路７に沿って超音波測定装置Ｓ１に到達する超音波は、直接超音波測定装置Ｓ１に到達する。このため、干渉する信号として受信される超音波測定装置Ｓ２およびＳ３からの超音波のエネルギーのほうが大きく、これらの超音波を除去しないと、超音波測定装置Ｓ１は、送信した超音波の伝播時間を正確に測定することは困難となる。
【００５８】
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。
【００５９】
図３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８、第１の受波器９（１）、第２の受波器９（２）、演算部１０、最適干渉除去処理器１１、距離方位算出器１２、送信部１３、第１の受信部１４（１）、および、第２の受信部１４（２）を備えている。最適干渉除去処理器１１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。第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）は、距離ａを隔てて隣接して配置されている。
【００６０】
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を考慮して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８および受波器９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。
【００６１】
送波器８および受波器９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９（１）および第２の受波器９（２）は、距離ａ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ａ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９（１）および第２の受波器９（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。
【００６２】
演算部１０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、最適干渉除去処理器１１および距離方位算出器１２を制御する。演算部１０で生成する駆動信号の一例を図２Ａにおいて、波形３０５で示す。演算部１０で生成する駆動信号は、パルス波形であり、Ｍ系列の拡散符号３０により拡散処理されている。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。拡散符号３０によって拡散されたランダム波３１の振幅の頂点にて駆動する。
【００６３】
演算部１０から出力された駆動信号は、送波器８に出力され、送波器８は、駆動信号に駆動され、超音波を送信する。
【００６４】
第１の受波器９（１）、第２の受波器９（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１４（１）、第２の受信部１４（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。
【００６５】
最適干渉除去処理器１１は、第１の受信部１４（１）から第１の受信信号を受け取り、除去すべき干渉信号を第１の受信信号から生成する。本実施形態では、干渉信号は、超音波測定装置Ｓ２および超音波測定装置Ｓ３からの超音波に基づく信号成分である。生成した干渉信号を第１の受信信号から除去することによって、超音波測定装置Ｓ１が送信した超音波のみが第１の受信信号として得られる。同様に、最適干渉除去処理器１１は、第２の受信部１４（２）から第２の受信信号を受け取り、除去すべき干渉信号を生成し、生成した干渉信号を第２の受信信号から除去する。これにより、２つの干渉のない第１および第２の受信信号を得る。
【００６６】
このように生成した干渉のない第１および第２の受信信号が、どの程度、正確に超音波測定装置Ｓ１の送波器８から送信された超音波のみを再現しているかは、いかに正確に除去すべき干渉信号を生成するかに依存する。
【００６７】
本発明では、異なる条件を用いて干渉信号を生成し、条件ごとに干渉のない第１の受信信号および第２の受信信号を生成する。そして、条件ごとに、干渉のない第１の受信信号と第２の受信信号との相関値を求め、最も相関値の高い条件で得られた干渉のない第１および第２の受信信号を決定する。
【００６８】
受波器９（１）、９（２）は、隣接して配置されており、ほぼ同じ環境にあるといえるので、受波器９（１）、９（２）が受け取る超音波の波形は、理想的には等しいと考えられる。したがって、生成した干渉信号の波形が正確であるほど、得られる干渉のない第１および第２の受信信号の波形は良く一致し、第１および第２の受信信号の相関値は高くなる。
【００６９】
距離方位算出器１２は、このようにして決定された干渉のない第１および第２の受信信号を受け取り、第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）における超音波の到着時刻を求める。到着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。
【００７０】
次に、図４を参照しながら本発明の超音波測定装置Ｓ１の動作の概略を説明する。前述したように、超音波測定装置Ｓ１はまず、超音波を受信し、受信信号を生成する（ステップＳ１１）。次に、受信信号から干渉信号を生成する（Ｓ１２）。
【００７１】
前述したように、スペクトラム拡散技術を用いることによって、互いに干渉し、混信している信号であっても、拡散符号を用いて逆拡散すれば、任意の信号成分のみを得ることができる。つまり、除去すべき信号の拡散に用いられた拡散符号を用いて逆拡散を行うことにより、受信信号から除去すべき信号のみを生成、あるいは、抽出することができる。しかし、図２Ｃを参照して説明したように、多く信号が干渉している場合には、逆拡散を行っても雑音部分の振幅が大きくなってしまう。このため、本発明では、閾値を設定して、雑音部分を干渉信号に含めないようにする。この際、閾値を複数設定する。
【００７２】
次に、受信信号から干渉信号を除去する（ステップＳ１３）。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を、複数設定した各閾値について求めることにより、干渉信号の再現性を評価する。本実施形態では、干渉信号を生成する際、あらかじめ決定した複数の閾値を用いて複数の干渉信号を生成し、それぞれの干渉信号が除去された受信信号について、第１および第２の受信信号の相関値を求め、最も高い相関値が得られた第１および第２の受信信号を決定する。決定した第１および第２の受信信号を用いて距離または方位を求める（Ｓ１５）。
【００７３】
閾値の設定は、たとえば、ステップＳ１２において、あらかじめ設定された複数の閾値を用いて干渉信号を複数生成し、ステップＳ１４において、閾値ごとに、干渉のない第１および第２の受信信号の相関値を並列に処理して求め、最も相関値の高い条件で得られた干渉のない第１および第２の受信信号を決定してもよい。本実施形態では、この手順を用いる超音波測定装置を説明する。
【００７４】
あるいは、図４において、破線で示すように、閾値を順次生成しながら、干渉のない第１および第２の受信信号の相関値を評価することにより、ステップＳ１２からＳ１４を繰り返し、最適な閾値を探索によって求めてもよい。第２の実施形態では、この手順を用いる超音波測定装置を説明する。
【００７５】
以下、最適干渉除去処理器１１の構造および動作を詳細に説明しながら、本実施形態による超音波測定装置および超音波測定方法を説明する。
【００７６】
図５は、第１受信部１４（１）および第２の受信部１４（２）が受信信号を生成した後、距離方位算出器１２が距離および方位のうち少なくとも一方を算出するまでの手順を示すフローチャートである。また、図６は、最適干渉除去処理器１１の基本的な構成を示すブロック図である。最適干渉除去処理器１１は、第１の記憶部１５（１）、第２の記憶部１５（２）、窓設定部１６、第１の干渉除去ユニット１７（１）、第２の干渉除去ユニット１７（２）、相関部１８、相関ピーク値比較部１９および選択部２０を含んでいる。
【００７７】
第１の干渉除去ユニット１７（１）および第２の干渉除去ユニット１７（２）は、それぞれ、干渉信号を生成するために設定する閾値の数だけ干渉除去部を含んでいる。本実施形態では、４つの閾値を設定するため、干渉除去部Ａ〜Ｄを含んでいる。閾値の数は多いほどより正しい干渉信号を再現できる。しかし、閾値の数が多くなると演算量も増えるため、最適干渉除去処理器１１の演算能力に応じた数を設定することが好ましい。
【００７８】
図７は、第１の干渉除去ユニット１７（１）に含まれる干渉除去部Ａ〜Ｄの１つの構造を示している。干渉除去部Ａ〜Ｄのそれぞれは、逆拡散部２１（１）〜２１（３）、復調部２２（１）〜２２（３）、抽出部２３（１）〜２３（３）、拡散部２４（１）〜２４（３）、遅延部２５、加算器２６、逆拡散部２７、および記憶部２８を含んでいる。
【００７９】
図１に示すように、本実施形態では、除去すべき干渉信号は超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４から送信されうる超音波である。このため、３つの干渉信号を生成し得るように逆拡散部２１（１）〜２１（３）、復調部２２（１）〜２２（３）、抽出部２３（１）〜２３（３）および拡散部２４（１）〜２４（３）がそれぞれ３セット用意されている。超音波測定装置Ｓ１が使用される環境において、想定される干渉信号以上の数のセットが用意されていることが好ましい。
【００８０】
以下、図５に示すフローチャートのステップごと図３、図６および図７を参照しながら、最適干渉除去処理器１１の動作を詳細に説明する。
【００８１】
（ステップＳ６１）
ステップＳ６１はステップＡ１、Ａ３に対応する。まず、第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）によって、超音波を受信し、第１の受信部１４（１）および第２の受信部１４（２）により、受信信号を増幅し、Ａ−Ｄ変換して、受信信号を生成する。
【００８２】
（ステップＳ６２）
ステップＳ６２はステップＡ１、Ａ３に対応する。演算部１０により決定した送信開始時刻から一定時間経過した後、一定時間分の受信データを切り出し、第１の記憶部１５（１）および第２の記憶部１５（２）において記憶する。受信データを切り出すための時間の設定は、窓設定部１６において行う。受信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。
【００８３】
例えば測定範囲が１ｍ〜５ｍである場合、超音波の空気中での音速は約３４０ｍ／ｓｅｃであるので、１ｍおよび５ｍを伝播時間に換算すると、それぞれ約３ｍｓｅｃおよび約１５ｍｓｅｃ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、約４０ｍｓｅｃ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＝３６．５ｍｓ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。
【００８４】
図８は、第１の記憶部１５（１）に記憶された受信信号３２の波形を示している。同様の波形のデータが第２の記憶部１５（２）にも記憶される。記憶されたデータは、それぞれ、第１の干渉除去ユニット１７（１）の干渉除去部Ａ〜Ｄおよび第１２の干渉除去ユニット１７（２）の干渉除去部Ａ〜Ｄに出力される。
【００８５】
（ステップＳ６３）
ステップＳ６３はステップＢ１、Ｂ３に対応する。図６に示す干渉除去部の各逆拡散部２１は、受信信号を所望以外の符号で逆拡散処理し、逆拡散信号を求める。ここで、所望以外の符号とは、超音波測定装置Ｓ１と物体２との距離および方位を計測する本実施の形態では、超音波測定装置Ｓ２、超音波測定装置Ｓ３、および超音波測定装置Ｓ４に割り当てられた拡散符号である。つまり、干渉信号として除去すべき超音波の拡散符号である。
【００８６】
図９は、逆拡散信号の例を示しており、超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３およびＳ４に割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号３３、３４および３５を示している。
【００８７】
逆拡散信号３３および３４には、それぞれ１００ｋＨｚ以下の正弦波３６、３７が含まれるが、逆拡散信号３５には正弦波は含まれていない。これは超音波測定装置Ｓ４から送信された超音波を受信していないことを示している。また、逆拡散信号３３には正弦波３８も含まれている。これは壁３の反射による超音波伝播経路６によって到達した超音波である。また、正弦波３６、３７および３８は、それぞれ伝播経路５、６、７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３６、３７および３８は伝播経路の特性を反映している。
【００８８】
図９に示す逆拡散信号３３および３４に含まれる正弦波３６、３７および３８が干渉信号として除去すべき超音波である。しかし、逆拡散信号３３および３４の正弦波３６、３７および３８以外部分には、正弦波３６、３７および３８の振幅と比較して十分には小さくない雑音成分が含まれている。したがって、正弦波３６、３７および３８のみを抽出する処理を行う。
【００８９】
（ステップＳ６４）
ステップＳ６４はステップＣ１、Ｃ３に対応する。復調部２２は、各逆拡散信号を振幅情報に変換する。この時、振幅情報は逆拡散信号３３、３４および３５の最大振幅値で正規化される。図１０は、逆拡散信号３３、３４および３５を振幅情報に変換した波形３９、４０、４１を示している。
【００９０】
（ステップＳ６５）
ステップＳ６５はステップＣ１、Ｃ３に対応する。抽出部２３は、各振幅情報の波形において、一定の閾値以上の波形が存在する時間帯を決定する。抽出部２３が設定する閾値は、図６に示す干渉除去部Ａ〜Ｄによって異なっている。具体的には、干渉除去部Ａ〜Ｄの抽出部２３が設定する閾値は、図１０において、４２Ａ〜４２Ｄで示される。
【００９１】
超音波の逆拡散に用いた次数が既知であるので、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、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も予測できる。したがって、図１０に示すように、逆拡散された波形の正規化された振幅情報があれば、閾値が容易に求められるように思われる。
【００９２】
しかし、超音波は空中を伝播することにより減衰する。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。図３Ａに示す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るため、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。
【００９３】
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受ける（フェージング）。これらの理由から、閾値を一義的に決めることはできない。
【００９４】
本実施形態では、閾値を複数用意し、処理を並行して行う。そして、どの閾値で処理した結果がよいかを、以下で説明する選択部２０において決定する。
【００９５】
抽出部２３は、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９に示す各逆拡散信号と掛け合わせることによって、受信信号から除去すべき干渉信号を生成する。
【００９６】
図１１は、閾値４２Ｃを用いて抽出部２３がパルス波形を生成し、逆拡散信号と掛け合わせることによって得られた干渉信号４３、４４、４５を示している。図９と図１１を比較すれば明らかなように、適切な閾値４２Ｃを用いることにより、逆拡散信号３３および３４に含まれる正弦波３６、３７および３８のみが正しく抽出された干渉信号４３、４４、４５が得られることが分かる。また、逆拡散信号３５には除去すべき超音波は含まれないため、干渉信号４５の振幅はゼロになっている。
【００９７】
（ステップＳ６６）
ステップＳ６６はステップＤ１、Ｄ３に対応する。このようにして得られた干渉信号４３、４４、４５は、逆拡散されているため、拡散された状態の受信信号３２から直接除去することはできない。このため拡散部２４は、各干渉信号に割り当てられた拡散符号によって干渉信号を拡散処理する。
【００９８】
本発明では、従来の携帯電話の分野において用いられている干渉除去方式のように、符号が「１」か「０」かを判定してから、伝播路の特性を反映させ、その後拡散するのではなく、逆拡散で得られた伝播路の特性が反映された波形の一部をそのまま使って拡散する。これにより、伝播経路の特性を推定することなく、伝播経路の特性が反映された干渉信号を除去することができる。
【００９９】
携帯電話は、超音波と比較して高い周波数を利用するため、逆拡散後の波形を用いることは非常に難しい。なぜなら、使用する周波数の４倍以上のＡ−Ｄ変換器が必要であることと、Ｍ系列の次数が大きいため、結果として膨大な情報量となるからである。この膨大な情報量を処理するために高速なＤＳＰを複数用意する必要がある。こうした理由から、携帯電話の分野では、逆拡散後の受信波をそのまま拡散に用いることはしない。このように、受信波を拡散することは本発明の特徴の１つであり、周波数が低い超音波の特性を利用したものである。
【０１００】
（ステップＳ６７）
ステップＳ６７はステップＤ１、Ｄ３に対応する。加算器２６は、拡散された干渉信号を元の受信信号から除去する。加算器２６における干渉信号の除去は、受信信号から干渉信号を減算することによって行ってもよいし、干渉信号を符号を反転させて受信信号に加算してもよい。このとき、元の受信信号は、拡散された干渉信号と同期させるために、遅延部２５を介して加算器２６に入力される。これにより、干渉信号が除去された受信信号が得られる。ただし、この受信信号は拡散されている。
【０１０１】
（ステップＳ６８）
ステップＳ６８はステップＥ１、Ｅ３に対応する。拡散部２７は、干渉信号が除去された受信信号を、超音波測定装置Ｓ１に割り当てられた拡散符号、つまり所望の符号で逆拡散する。
【０１０２】
（ステップＳ６９）
ステップＳ６９はステップＦ１、Ｆ３に対応する。記憶部２８は拡散された受信信号を記憶する。これにより、第１の干渉除去ユニット１７（１）、および、第２の干渉除去ユニット１７（２）の干渉除去部Ａ〜Ｄから、異なる閾値４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄを用いて生成した干渉信号が除去された第１および第２の受信信号が得られる。
【０１０３】
（ステップＳ７０）
ステップＳ７０はステップＦ１、Ｆ３に対応する。相関部１８は、異なる閾値４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄごとに、干渉信号が除去された第１受信信号と第２の受信信号の相関値を求める。この相関値は、第１の受信信号と第２の受信信号との間の類似度を表しており、相関値が高いと類似度が高く、相関値が低いと類似度が低いことを示している。図１２は、閾値４２Ａを用いて生成された干渉信号が除去された第１の受信信号４６および第２の受信信号４７と、第１の受信信号４６および第２の受信信号４７を示している。
【０１０４】
この２つの信号を以下の式（１）および式（２）を用いて処理する。
【数１】
2008010306.tif 000032
【数２】
2008010306.tif 000033
【０１０５】
ここで受信信号４６および４７をａ１（ｎ＝１）およびａ２（ｍ＝２）とおく。また、Ｔは記憶部が設定したＴ２−Ｔ１に相当する。ｔは時間であり、ａ*はａの複素共役を意味している。
【０１０６】
図１２は、式（２）で規定される相関値Ｒを示している。相関値の波形４８は最大値４９を有している。
【０１０７】
（ステップＳ７１）
ステップＳ７１はステップＧ１、Ｇ３に対応する。相関ピーク値比較部１９は閾値ごとに求めた相関値の最大値を比較し、最も、最大値の大きい閾値が得られた第１および第２の受信信号つまり、最も相関値が高い第１および第２の受信信号を出力する干渉除去部Ａ〜Ｄを決定する。
【０１０８】
（ステップＳ７２）
ステップＳ７２はステップＨ１、Ｈ３に対応する。選択部２０は、相関ピーク値比較部１９が決定した最も相関値の高い第１および第２の受信信号を選択し、距離方位算出部１２へ出力する。
【０１０９】
距離方位算出部１２は、受け取った第１および第２の受信信号から、超音波の伝播時間を求める。
【０１１０】
選択部２０から受け取る干渉信号が除去された第１および第２の受信信号から直接波形の時間的位置を求めてもよいし、第１および第２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。
【０１１１】
方位は干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の到達時間の差によって求められる。十分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ａ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】
2008010306.tif 000034
【０１１２】
また、干渉信号が除去された第１および第２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（３）を用いることにより、さらに方位を求めることができる。
【０１１３】
このように、本発明によれば、閾値を選択することによって、より正確な除去すべき干渉信号を生成することができる。以下に、干渉信号が除去された第１の受信信号と第２の受信信号との相関値が高い閾値を選択する理由について詳細に説明する。
【０１１４】
図１３から図１５は、干渉除去部Ａ〜Ｄの抽出部２３（１）〜２３（３）において用いられる閾値（図１０参照）と干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の最大相関値４９（図１２参照）との関係を示している。
【０１１５】
図１３は、超音波測定装置Ｓ１における計測において、超音波測定装置Ｓ２からの超音波が干渉波として混信している場合における、閾値と最大相関値との関係を示す曲線５０を表している。つまり、１つの干渉信号が混信している場合における閾値と最大相関値との関係を示している。
【０１１６】
図１４は、超音波測定装置Ｓ１における計測において、超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３からの超音波が干渉波として混信している場合における、閾値と最大相関値との関係を示す曲線５１を表している。つまり、２つの干渉信号が混信している場合における閾値と最大相関値との関係を示している。本実施形態では、超音波測定装置Ｓ４は超音波を送信していないため、本実施形態は、図１３に示す条件に該当する。
【０１１７】
図１５は、超音波測定装置Ｓ１における計測において、超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４からの超音波が干渉波として混信している場合における、閾値と最大相関値との関係を示す曲線５２を表している。つまり、３つの干渉信号が混信している場合における閾値と最大相関値との関係を示している。
【０１１８】
図１３から図１５の曲線５０、５１、５２から分かるように、閾値と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の最大値との間には一定の傾向がある。
【０１１９】
干渉信号が存在しない場合、つまり、超音波測定装置Ｓ１の第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）が、超音波測定装置Ｓ１が送信した超音波のみを受信する場合、第１および第２の受信信号の相関値は非常に高い。しかし、曲線５０、５１、５２と干渉信号の数が増大するにつれて、相関値の最大値は、小さくなる傾向を示す。また、干渉信号の数が増大するにつれて、相関値の最大値が得られる閾値は大きくなる。
【０１２０】
図１６は、図１４の曲線５１が得られる条件つまり、超音波測定装置Ｓ１における計測において、超音波測定装置Ｓ２、Ｓ３からの超音波が干渉波として混信している場合において、異なる閾値を用いて生成した干渉信号を除去することにより得られた受信信号の波形を示している。図１６はそれぞれ閾値を、０．８、０．６、０．４、０．２に設定して干渉信号を抽出し、得られた干渉信号を受信信号から除去することによって得られた信号５３、５４、５５、５６の波形を示している。
【０１２１】
図１６から明らかなように、閾値０．４を用いて干渉信号を生成し、受信信号から除去した信号５５が最も高いＳＮ比を有しており、干渉信号がよく除去されていることが分かる。信号５５のＳＮ比は、閾値０．８を用いて得られる信号５３のＳＮ比に比べ７ｄＢ程度改善している。
【０１２２】
図１４の曲線５１から明らかなように、閾値０．４のとき、２つの受信信号の相関値は最大値を取っている。したがって、２つの受信信号の相関値が最大となる閾値を用いることによって、最も干渉信号を正確に除去することができ、干渉の影響が最も少ない受信信号を得ることができる。
【０１２３】
また、閾値４２の選択を干渉信号が除去された受信信号の相関値に基づいて判断することにより、単純なＳＮ比による閾値決定に比べて、より正確な干渉信号を再現でき、そのような正確な干渉信号を受信信号から除去することによって、干渉信号の影響が十分に除去された受信信号を得ることができる。たとえば、図８の逆拡散信号３３において、波形３８のように雑音の影響かどうかわからない情報でも正しく、干渉信号として抽出できる。したがって、干渉信号が伝播経路でうけた影響を正しく評価して干渉信号として再現し、受信信号から除去することができる。
【０１２４】
これは本発明の特徴の１つであり、この干渉除去後の受信信号を２つの受波器間で比較して、干渉除去処理のパラメータを学習することにより、最適な干渉除去処理を実現することができる。
【０１２５】
以上の処理により、符号の異なる超音波が多数干渉した場合でも、２つの超音波受波器どうしの干渉除去処理後の受信信号の相関値を評価することにより、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推定できる。
【０１２６】
なお、本実施例では、超音波の送波器と受波器とを備え、これらが固定された超音波測定装置を例に挙げたが、超音波測定装置は送波器を備えていなくてもよい。また、超音波送波器と超音波受波器を別の場所に設置し、超音波送波器と超音波受波器の間の距離を測定するような場合にも適用できる。
【０１２７】
（第２の実施形態）
図１７は、本発明による超音波測定装置および超音波測定方法の第２の実施形態における最適干渉除去処理器１１の基本的な構成を示すブロック図である。
【０１２８】
第２の実施形態の超音波測定装置および超音波測定方法も第１の実施形態と同様、超音波測定装置が複数存在する環境において、干渉する超音波の影響を排除し、距離や方位の計測を行う。第１の実施形態では、あらかじめ設定された複数の閾値を用いて干渉信号を並列的に生成するが、本実施形態では相互相関値の変化を評価しながら最適な閾値を探索する。
【０１２９】
第２の実施形態の超音波測定装置において、最適干渉除去処理器１１以外の構成は第１の実施形態の超音波測定装置と同じである。
【０１３０】
図１７に示すように、本実施形態における最適干渉除去処理器１１は、窓設定部１６、第１の記憶部１５（１）、第２の記憶部１５（２）、第１の干渉除去部１１７（１）、第２の干渉部１１７（２）、相関部１８、閾値変更部８０および相関ピーク値判定部８１を備えている。
【０１３１】
窓設定部１６、第１の記憶部１５（１）、第２の記憶部１５（２）および相関部１８は第１の実施形態と同様に機能する。
【０１３２】
第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉部１１７（２）は、第１の実施形態で説明した図７の干渉除去部Ａ〜Ｄと同様に構成されており、受信信号から干渉信号を生成し、干渉信号が除去された受信信号を求める。ただし、第１の実施形態では抽出部２３（１）〜２３（３）において、あらかじめ設定された閾値を用いて干渉信号を生成していたが、本実施形態では閾値変更部８０が閾値を決定し、決定された閾値を用いて、第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉除去部１１７（２）が干渉信号を生成する。
【０１３３】
相関ピーク値判定部８１は、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の最大相関値を評価し、最大相関値が低い場合には、閾値変更部８０に閾値を変更する指令を出力する。閾値変更部８０は新しい閾値を設定し、第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉部１１７（２）は新しい閾値を用いて干渉信号を生成する。このループを最大相関値が最大となるまで、閾値を変更して繰り返す。
【０１３４】
最も大きい最大相関値が得られれば、相関ピーク値判定部８１は、距離方位算出部１２へ、そのときの第１および第２の受信信号を出力する。距離方位算出部１２は、第１の実施形態と同様に距離および方位の少なくとも一方を算出する。
【０１３５】
以下、最適干渉除去処理器１１における閾値の探索を説明する。
【０１３６】
図１８（ａ）は、閾値変更部８０で設定する閾値と相関ピーク値判定部８１において検出される相関値との関係を示す曲線５１を表している。また、図１８（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の正規化された振幅情報の波形３９を示している。波形３９は、干渉信号として除去すべき干渉信号の振幅情報の波形である。
【０１３７】
閾値と干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の最大相関値の関係を示す曲線５１は、図１８（ａ）に示すように範囲８２、範囲８３、範囲８４の３つに分類できる。図１８（ａ）に示した範囲８２、範囲８３、範囲８４に対応する閾値は、図１８（ｂ）にも示している。
【０１３８】
図１８（ｂ）から明らかなように、範囲８４は、干渉信号として除去すべき超音波測定装置Ｓ２から送信された超音波（壁からの反射波も含む）が閾値によって選択される範囲である。範囲８３は雑音成分（超音波測定装置Ｓ２以外からの超音波および受信系の雑音）のエネルギーの高い部分のみ含まれる範囲である。また、範囲８２はすべての受信データが含まれる範囲である。
【０１３９】
範囲８２と範囲８３の境界に閾値を設定した場合、雑音成分のエネルギーの高い部分のみ抽出される。このため、雑音成分をすべて抽出するより、相関値が低下する。図１３、図１４、図１５の曲線５０、５１、５２から明らかなように、相関値が最低となる閾値は干渉している信号の数によって変化するが、閾値が０よりも大きい値において相関値は最小となる。したがって、０から１までのすべての範囲で閾値を探索しなくてもよく、相関値が最小となる時の閾値以上において最適な閾値を探索すればよい。したがって、このような特性を利用することによって、数回閾値を変更することにより、最適な閾値を推定することが可能となる。
【０１４０】
次に閾値の探索方法を図１９のフローチャートを用いて説明する。
【０１４１】
閾値の探索を行う前に、まず第１および第２の受信信号に第１の実施形態で説明したように処理を施す。具体的には、第１の実施形態と同様、図３に示すように、第１の受波器９（１）および第２の受波器９（２）によって、超音波を受信し、第１の受信部１４（１）および第２の受信部１４（２）により、第１および第２の受信信号を増幅し、Ａ−Ｄ変換する（ステップＡ２）。続いて図１７に示すように、窓設定部１６を用いて、第１および第２の受信信号を切り出し、データを第１および第２の記憶部１５（１）、１５（２）に記憶する。続いて受信信号を所望以外の符号で逆拡散処理し、逆拡散信号を求める（ステップＢ２）。
【０１４２】
閾値の探索は以下のように行う。まず、閾値変更部８０は、高めの閾値、たとえば０．８を設定する（ステップＳ９１、Ｃ２）。第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉除去部１１７（２）は、第１の実施形態で説明したように、設定した閾値を用いてそれぞれ干渉信号を生成し、第１および第２の受信信号から干渉信号を除去した信号を生成する（ステップＳ９２、Ｄ２、Ｅ２）。相関部１８は２つの信号の最大相関値を求める（ステップＳ９３、Ｆ２）。
【０１４３】
次に、判定ステップ８１に進む。相関ピーク値判定部８１は、求めた最大相関値を記憶する。最初のループでは、前回の最大相関値が記憶されていないので、今回取得した値がよい値であるかどうかを判定できない。このため、最初のループでは、判定を行わず、閾値変更ステップ８８に進む。つまり、最初のループでは（ステップＳ９４）、少し低めの閾値、たとえば０．６を設定するように、閾値変更部８０に指令を出力する（ステップＳ９５、Ｇ２）。
【０１４４】
第１の干渉除去部１１７（１）および第２の干渉除去部１１７（２）は、設定した閾値を用いてそれぞれ干渉信号を生成し、第１および第２の受信信号から干渉信号を除去した信号を生成する（ステップＳ９２、Ｈ２）。相関部１８は２つの信号の最大相関値を求める（ステップＳ９３、Ｈ２）。
【０１４５】
相関ピーク値判定部８１は、最初のループではないので（ステップＳ９４）、前回と今回との最大相関値とを比較する（ステップＳ９６、Ｈ２）。前回と今回との最大相関値との差が所定の値より小さい場合、図１８の曲線５１における相関値の最大値付近に閾値を設定していることになるため、最も大きい相関値が得られたと判断し、探索を終了して距離および方位を求める（ステップＳ１００、Ｉ２）。
【０１４６】
一方、前回と今回との最大相関値との差が所定の値より小さくない場合、今回の最大相関値が前回よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ９７）。今回の最大相関値のほうが前回より大きい場合には、相関ピーク値判定部８１は、前回の閾値よりもさらに低い閾値を設定するように閾値変更部８０に指令を出力する。また、今回の最大相関値のほうが前回より大きくない場合には、相関ピーク値判定部８１は、前回の閾値より高めに閾値を設定するように閾値変更部８０に指令を出力する。
【０１４７】
このようにして、最大相関値の算出、判定ステップ８９および閾値変更ステップ８８（ステップＨ２）を繰り返し、前回と今回との最大相関値との差が所定の値より小さくなった場合、上述したように図１８の曲線５１における相関値の最大値付近に閾値を設定していることになるため、最も大きい相関値が得られたと判断し、探索を終了して距離および方位を求める（ステップＳ１００、Ｉ２）。
【０１４８】
このように、本実施形態によれば、２つの受波器で受信した受信信号から干渉信号を除去した信号の相関値を評価しながら、干渉信号を生成するための最適な閾値を探索することによって、受信信号に最適な干渉除去を施すことができる。この方法によれば、計測を行う環境によって干渉する超音波の波形や影響の度合いが変化しても、最も干渉信号の影響を排除した受信信号を得ることができる。したがって、どのような環境でも、距離や方位を精度よく測定することができる。
【０１４９】
（実験例）
第１の実施形態の構成により、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。
【０１５０】
図２０（ａ）は、符号Ａで拡散した超音波の波形を示しており、図２０（ｂ）は、符号Ａで拡散した超音波と符号Ｂ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。
【０１５１】
また、図２０（ｃ）は、符号Ａで拡散した超音波と符号Ｂ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）を符号Ａで逆拡散することにより、符号Ｂ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、第１の実施形態の装置を用いて符号Ｂの超音波を干渉波として除去した波形を示している。
【０１５２】
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符号Ａで逆拡散し、得られた信号の一部を切り出しすことによって得られた波形をそれぞれ示している。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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、ノイズの振幅は、第１の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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
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】
【０１５８】
【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２Ａ】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２Ｂ】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２Ｃ】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３】超音波測定装置の第１の実施形態の基本的な構成を示すブロック図である。
【図４】本発明による超音波測定方法の手順の概略を示すフローチャートである。
【図５】第１の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６】第１の実施形態における最適干渉除去処理器１１の基本的な構成を示すブロック図である。
【図７】図６の干渉除去部１７の構成を示すブロック図である。
【図８】第１の実施形態の記憶部１５に記憶された受信信号の波形を示している。
【図９】第１の実施形態において、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１０】図９に示す信号の逆拡散信号３３、３４および３５の最大振幅値で正規化された振幅情報の波形を示している。
【図１１】抽出部２３にて閾値４２Ｃを使って抽出された干渉信号の波形を示している。
【図１２】干渉信号が除去された第１および第２の受信信号の波形およびこれらの受信信号の相関を示す波形である。
【図１３】２つの拡散符合が異なる超音波が混信している場合において、干渉信号を抽出するための閾値と、２つの受信信号の最大相関値との関係を示している。
【図１４】３つの拡散符合が異なる超音波が混信している場合において、干渉信号を抽出するための閾値と、２つの受信信号の最大相関値との関係を示している。
【図１５】４つの拡散符合が異なる超音波が混信している場合において、干渉信号を抽出するための閾値と、２つの受信信号の最大相関値との関係を示している。
【図１６】干渉信号を抽出するための閾値の違いによる、干渉信号を除去した受信信号の波形の変化を示している。
【図１７】第２の実施形態における最適干渉除去処理器１１の基本的な構成を示すブロック図である。
【図１８】（ａ）は、第２の実施形態における閾値と２つの受信信号の最大相関値との関係を示し、（ｂ）は、除去すべき干渉信号の振幅情報を示す波形である。
【図１９】第２の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２０】（ａ）から（ｄ）は、第１の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】従来の超音波測定装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【図２３】携帯電話の分野における従来の干渉除去装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【図２４】図２３の干渉除去装置における干渉除去部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１５９】
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４  超音波測定装置
２  物体
３  壁
４、５、６、７  超音波伝播経路
８  送波器
９  受波器
１０  演算部
１１  最適干渉除去処理器
１２  距離方位算出器
１３  送信部
１４  受信部
１５  記憶部
１６  窓設定部
１７  干渉除去部
１８  相関部
１９  相関ピーク値比較部
２０  選択部
２１  逆拡散部
２２  復調部
２３  抽出部
２４  拡散部
２５  遅延部
２６  加算器
２７  逆拡散部
２８  記憶部
３０  拡散符号
３１  変調波
３２  受信データ
８０  閾値変更部
８１  相関ピーク値判定部
１０２  従来の超音波測定装置
１０３  相関器
１０４  ピーク検出器
１０５  パルス発生器
１０６  干渉キャンセラブロック
１０７  復調処理部
１０８  遅延処理部
１０９  干渉除去部
１１０  受信された入力信号
１１１  逆拡散ブロック
１１２  逆拡散部
１１３  複素共役部
１１４  伝播路推定部
１１５  乗算器
１１６  判定器
１１７  拡散ブロック
１１８  拡散部
１１９  乗算器
【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】
2008010306.tif 000035
【図２Ａ】
2008010306.tif 000036
【図２Ｂ】
2008010306.tif 000037
【図２Ｃ】
2008010306.tif 000038
【図３】
2008010306.tif 000039
【図４】
2008010306.tif 000040
【図５】
2008010306.tif 000041
【図６】
2008010306.tif 000042
【図７】
2008010306.tif 000043
【図８】
2008010306.tif 000044
【図９】
2008010306.tif 000045
【図１０】
2008010306.tif 000046
【図１１】
2008010306.tif 000047
【図１２】
2008010306.tif 000048
【図１３】
2008010306.tif 000049
【図１４】
2008010306.tif 000050
【図１５】
2008010306.tif 000051
【図１６】
2008010306.tif 000052
【図１７】
2008010306.tif 000053
【図１８】
2008010306.tif 000054
【図１９】
2008010306.tif 000055
【図２０】
2008010306.tif 000056
【図２１】
2008010306.tif 000057
【図２２】
2008010306.tif 000058
【図２３】
2008010306.tif 000059
【図２４】
2008010306.tif 000060
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月2日(2008.5.2)
【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】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、
前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記逆拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、
前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、
前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を選択する選択部と、
前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部と、
を備える超音波測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、
指令に基づき閾値を更新して逐次生成する閾値変更部と、
前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記閾値が更新されるたびに、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記逆拡散信号から前記閾値を用いて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、干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、
前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、
前記最大相関値と直前に求めた最大相関値との差を求め、前記差が所定の値以下である場合には、そのとき閾値を選択し、前記差が所定の値より大きい場合には、前記閾値変更部へ前記閾値を更新するように指令を出力する相関ピーク値判定部と、
前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部と、
を備える超音波測定装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記逆拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を選択する選択部と、前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部とを備える。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
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、所望の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、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、指令に基づき閾値を更新して逐次生成する閾値変更部と、前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記閾値が更新されるたびに、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記逆拡散信号から前記閾値を用いて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、干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、前記最大相関値と直前に求めた最大相関値との差を求め、前記差が所定の値以下である場合には、そのとき閾値を選択し、前記差が所定の値より大きい場合には、前記閾値変更部へ前記閾値を更新するように指令を出力する相関ピーク値判定部と、前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の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決定する距離方位算出部とを備える。
【国際調査報告】
2008010306.tif 000061
2008010306.tif 000062
2008010306.tif 000063
2008010306.tif 000064