JP5371038B2 - 伝搬時間測定装置、伝搬時間測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、波動の伝搬時間を測定する伝搬時間測定装置、伝搬時間測定方法に関する。

超音波による伝搬時間測定の基本原理は、超音波の直進性及び定速性を利用し、送波子により送信されたパルス超音波が物体に当たって反射し、受波子により受信されるまでに要する時間を測定する。例えば、Ｍ系列信号を用いた送信信号と受信信号との相互相関処理を行うことにより伝搬時間を測定する技術がある。（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。この技術は、Ｍ系列信号の自己相関特性を用いることで、チャープ波などを用いる方法と比較して、ＳＮ比を改善させている。

T. Tanzawa, N. Kiyohiro, S. Kotani, H. Mori, "The ultrasonic range finder for outdoor mobile robots," International Conference on Intelligent Robots and Systems-Volume 3, pp. 3368, 1995. T. Yamamoto, R. Kijima, "Ultrasonic distance measurement system using Direct Sequence Spread Spectrum," Proceedings of the Virtual Reality Society of Japan Annual Conference (CD-ROM), pp. 3B3-3, 2006.

しかしながら、高精度の測定や長距離の測定を実現するためには、雑音の影響を低減するために、信号の繰り返し測定による平均化や、多くの送受波子による同時多点計測が必要である。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、波動の伝搬時間の測定において、少ない送受波子数及び少ない測定回数で高精度の測定を実現する伝搬時間測定装置、伝搬時間測定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、波動の伝搬時間を測定する伝搬時間測定装置であって、互いに異なるＮ（Ｎは２以上の整数）個の長さＭの所定のベクトルＶ１とＮ次の直交行列Ｕ１の各行ベクトルとのクロネッカ積に基づくＮ個のベクトルＶ２同士を加算して、１個のベクトルＶ３を生成するベクトル生成部と、ベクトルＶ３と搬送波に基づいて変調を行う変調部と、変調部の出力が伝搬路を伝搬した信号を復調してベクトルＶ４とする復調部と、直交行列Ｕ１に基づくＮ次の直交行列Ｕ２の各行ベクトルとＭ次の単位行列とのクロネッカ積により得られるＮ個の行列Ｕ３を用い、ベクトルＭ３及び行列Ｕ３の乗算に基づいてＮ個のベクトルＶ５を算出するベクトル算出部と、Ｎ個のベクトルＶ５の夫々とＮ個のベクトルＶ１の夫々との相関演算を行ってＮ個のベクトルＶ６を算出する相関演算部と、Ｎ個のベクトルＶ６同士を加算して１個のベクトルＶ７を算出する加算部と、ベクトルＶ７内のピークに基づいて伝搬時間を検出する検出部とを有する。

また、本発明の一態様は、波動の伝搬時間を測定する伝搬時間測定方法であって、互いに異なるＮ（Ｎは２以上の整数）個の長さＭの所定のベクトルＶ１とＮ次の直交行列Ｕ１の各行ベクトルとのクロネッカ積に基づくＮ個のベクトルＶ２同士を加算して、１個のベクトルＶ３を生成し、ベクトルＶ３と搬送波に基づいて変調を行い、変調の結果が伝搬路を伝搬した信号を復調してベクトルＶ４とし、直交行列Ｕ１に基づくＮ次の直交行列Ｕ２の各行ベクトルとＭ次の単位行列とのクロネッカ積により得られるＮ個の行列Ｕ３を用い、ベクトルＭ３及び行列Ｕ３の乗算に基づいてＮ個のベクトルＶ５を算出し、Ｎ個のベクトルＶ５の夫々とＮ個のベクトルＶ１の夫々との相関演算を行ってＮ個のベクトルＶ６を算出し、Ｎ個のベクトルＶ６同士を加算して１個のベクトルＶ７を算出する加算部と、ベクトルＶ７内のピークに基づいて伝搬時間を検出することを実行する。

本発明によれば、波動の伝搬時間の測定において、少ない送受波子数及び少ない測定回数で高精度の測定を実現することができる。

超音波伝搬時間測定装置の構成を示すブロック図である。 変調部の構成を示すブロック図である。 復調部の構成を示すブロック図である。 超音波伝搬時間測定装置による測定結果の一例を示す波形図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

以下の実施の形態においては、本発明の伝搬時間測定装置を適用した超音波伝搬時間測定装置について説明する。

本実施の形態の超音波伝搬時間測定装置は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の信号を１つの信号に重畳させる超多次元信号重畳を行うことにより、一対の素子及び一回の送受信で、Ｎ回分の音波伝搬時間計測を行う。

本実施の形態においては、測定信号としてＺＣＺ（Zero Correlation Zone）系列を用い、チップインターリーブ処理のための直交系列としてＩＤＦＴ（inverse discrete Fourier transform：逆離散フーリエ変換）行列を用いる。

測定信号として、Ｍ系列（maximal length sequences）、Ｇｏｌｄ系列、完全相補系列など自己相関特性に優れた系列を用いても良い。ここで、自己相関特性に優れた系列は、例えば、自己相関関数のピークレベルに対するピーク以外のレベルの比率が所定の比率以下となる系列である。所定のチップインターリーブ処理のための直交系列としてＩＤＦＴ（discrete Fourier transform：離散フーリエ変換）行列、ＤＦＴ行列、ユニタリ行列、完全相補系列などを用いても良い。

本実施の形態における超音波伝搬時間測定装置の構成について以下に説明する。

図１は、超音波伝搬時間測定装置１の構成を示すブロック図である。本実施の形態における超音波伝搬時間測定装置１は、変調部２、送波子３（Transmitter）、受波子４（Receiver）、復調部５を有する。

図２は、変調部２の構成を示すブロック図である。変調部２は、ＺＣＺ系列出力部１１（ZCZ Sequences）、ＩＤＦＴ行列出力部１２（IDFT Matrix）、乗算部１３（Kronecker Product）、加算部１４、ガードインターバル付加部１５（Add Guard Interval）、直交変調部１６（Quadrature modulation）を有する。

図３は、復調部５の構成を示すブロック図である。復調部５は、直交検波部２２（Quadrature detection）、マッチドフィルタ２３（Matched Filter）、ＺＣＺ系列出力部２４（ZCZ Sequences）、Ｎ個の相関演算部２５（Correlation）、平均化演算部２６、伝搬時間検出部２７（Propagation Time Detection）を有する。

超音波伝搬時間測定装置１による超音波伝搬時間測定処理について以下に説明する。

ＺＣＺ系列出力部１１は、予め記憶された長さＭ（Ｍは２以上の整数）のＺＣＺ系列のベクトルｘ_i（ｉ＝１，２，．．．Ｎ）を出力する。ＩＤＦＴ行列出力部１１は、予め記憶されたＮ次ＩＤＦＴ行列の各行のベクトルｆ_i（ｉ＝１，２，．．．Ｎ）を出力する。

次に、乗算部１３は、ｆ_iとｘ_iのクロネッカ積である長さＭＮのベクトルｓ_i（ｉ＝１，２，．．．Ｎ）を算出する。この乗算部１３の処理により、ｘ_iのスペクトラムは、拡散される。ｓ_iは、次式（１）で表される。

即ち、ｓ_iは、ｆ_iとｘ_iのクロネッカ積で表される。

次に、加算部１４は、ｉが１からＮまでのｓ_i同士を加算することにより多重化して長さＭＮのベクトルｕとする。

次に、ガードインターバル付加部１５は、ｕにガードインターバル（サイクリックプレフィックス）を付加してｕ’とすることにより、擬周期性を持たせる擬周期化を行う。

次に、直交変調部１６は、ｕ’の実数部をＩチャネルとして搬送波ｃｏｓ（ωｔ）を乗算すると共に、ｕ’の虚数部をＱチャネルとして搬送波ｓｉｎ（ωｔ）を乗算し、Ｉチャネルの乗算結果とＱチャネルの乗算結果を加算する。

次に、送波子３は、変調部２により出力された電気信号を超音波に変換して伝搬路６へ送信する。ここでの伝搬路６は、マルチパス環境（Multipath Environment）とする。次に、受波子４は、伝搬路６から受信した超音波を電気信号に変換して復調部５へ入力する。

次に、直交検波部２２は、ＢＰＦにより受波子４出力から不要な周波数成分を除去して２つに分配する。次に、直交検波部２２は、分配した一方に搬送波ｃｏｓ（ωｔ）を乗算しＬＰＦにより不要な高周波成分を除去してＩチャネルとすると共に、分配した他方に搬送波ｓｉｎ（ωｔ）を乗算しＬＰＦにより不要な高周波成分を除去してＱチャネルとし、Ｉチャネルを実数部としＱチャネルを虚数部とした長さＭＮのベクトルｒを得る。

マッチドフィルタ２３は、予め記憶されたＮ行ＭＮ列の行列Ｚ_iにおけるＮ個の各行ベクトルのマッチドフィルタであり、ｒとＺ_i（ｉ＝１，２，．．．Ｎ）を乗算してベクトルｙ_i’を算出し、ｙ_i’の中央の長さＭのベクトルをｙ_iとする。Ｎ次ＤＦＴ行列Ｇ_Nにおけるｉ番目の行ベクトルをｇ_i（ｉ＝１，２，．．．Ｎ）とすると、Ｚ_iは、ｇ_iとＭ次の単位行列Ｉ_Mを用いて、次式（２）で表される。

即ち、Ｚ_iは、ｇ_iとＩ_Mのクロネッカ積で表される。

このマッチドフィルタ２３によれば、受信された信号のスペクトラムが逆拡散されると共に多重化されていたＮ個の信号に分離される。即ち、Ｎ個の長さＭのベクトルｘ_iにそれぞれ伝搬路６のインパルス応答Ｈが重畳されたＮ個の長さＭのベクトルｙ_iが算出される。これは、互いにｉが異なる２つのｘ_iは、周期相互相関がすべてのシフトで０になるという性質を持つためである。

次に、ＺＣＺ系列出力部２４は、ＺＣＺ系列出力部１１と同じく、予め記憶された長さＭのＺＣＺ系列のベクトルｘ_i（ｉ＝１，２，．．．Ｎ）を出力する。

次に、相関演算部２５は、ｙ_iとｘ_iとの相関演算を行って周期自己相関ｃ_i（ｉ＝１，２，．．．Ｎ）を得る。ここで、ｃ_iは、伝搬路６のインパルス応答Ｈに相当する。

次に、平均化演算部２６は、ｉが１からＮまでのｃ_i同士を加算することにより平均化し、平均化結果を伝搬路６のインパルス応答を示すベクトルｄとして出力する。

次に、伝搬時間検出部２７は、ｄの波形から直接波のピークを検出し、直接波の遅延時間である伝搬時間を算出する。

測定結果における直接波と反射波の分離精度（時間分解能）は、単位時間当たりに送信されるビット数により決まる。

図４は、超音波伝搬時間測定装置１による測定結果の一例を示す波形図である。この図は、上から順に、ｃ₁，ｃ₂，ｃ_N、及びｄの波形を示す。この図において、横軸はサンプル番号（Sample Number）を表し、縦軸はピークレベルを１とした相対振幅を表す。

ｃ₁，ｃ₂，．．．ｃ_Nは、同じ伝搬路６のインパルス応答を示す波形であり、それぞれ直接波（Direct Path）のピーク、反射波（Reflected Path）のピーク、雑音成分を含む。雑音成分は、ランダム性を持つことから、ｃ₁，ｃ₂，．．．ｃ_Nにおける雑音成分は、互いに異なる。一方、ｄは、ｃ₁，ｃ₂，．．．ｃ_Nの各サンプルが平均化された波形である。ｄにおける直接波のピークから伝搬時間Δｔが検出される。従って、ｄにおいて雑音成分の影響は低減されている。例えば、シミュレーション及び実測が十分可能な値としてＮを６４とすると、平均化を行わない場合の測定結果と比較すると、本実施の形態の平均化により、ＳＮ比が約１０ｄＢ改善することが期待できる。

ｃ₁，ｃ₂，．．．ｃ_Nは、同時に送波子３から送信され、同じマルチパスの伝搬路６を通って、同時に受波子４に到達するため、ｃ₁，ｃ₂，．．．ｃ_Nは、互いに完全に同期している。繰り返し測定を行う方式においては同期誤差が発生する場合があるが、本実施の形態においては同期誤差が発生しない。

水中音響計測において、音波伝搬時間の精密測定は、主に深海域で多数のアレイを用いて行われている。それは、マルチパスの分離がしやすいためと、精度確保のために多くの機器を設置する必要があるためである。本実施の形態の方式によれば、シンプルな測定系であらゆる環境下での精密音響測定が可能になる。また、本実施の形態の方式は、音響通信の分野に応用することができる。例えば、チャネル等化のためのチャネル推定に用いることができる。

本実施の形態によれば、一対の素子及び一回の送受信で、Ｎ回分の音波伝搬時間計測を行うことができる。また、本実施の形態によれば、あらゆる場所における温度や流速などを精度良く測定することができる。これにより、本実施の形態は、河口などにおける複雑な流れ場、空気中における温度や風向、混相流における流れ場、などの解明に寄与することができる。

なお、ＺＣＺ系列出力部１１，２４は、算出式からＺＣＺ系列を生成しても良い。ＩＤＦＴ行列出力部１２は、算出式からＩＤＦＴ行列を生成しても良い。変調部２は、乗算部１３、加算部１４、ガードインターバル付加部１５、直交変調部１６のいずれかの出力において、予め記憶した波形を出力する構成としても良い。

超音波伝搬時間測定装置の各機能は、ハードウェアにより実現されても良いし、ソフトウェアにより実現されても良い。ソフトウェアにより実現される場合、超音波伝搬時間測定装置は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサと記憶部を有し、プロセッサが記憶部に格納されたプログラムを実行することにより超音波伝搬時間測定装置の各機能を実現する。

本実施の形態では、伝搬させる波動として、超音波を用いたが、他の帯域の音波、振動、光、電磁波等を用いても良い。

ベクトル生成部は、実施の形態におけるＺＣＺ系列出力部１１、ＩＤＦＴ行列出力部１２、乗算部１３、加算部１４、ガードインターバル付加部１５に対応する。変調部は、実施の形態における直交変調部１６に対応する。復調部は、実施の形態における直交検波部２２に対応する。ベクトル算出部は、実施の形態におけるマッチドフィルタ２３に対応する。加算部は、実施の形態における平均化演算部２６に対応する。検出部は、実施の形態における伝搬時間検出部２７に対応する。

ベクトルＶ１は、実施の形態におけるｘ_iに対応する。直交行列Ｕ１は、実施の形態におけるＮ次ＩＤＦＴ行列（Ｎ個の行ベクトルｆ_i）に対応する。ベクトルＶ２は、実施の形態におけるｓ_iに対応する。ベクトルＶ３は、実施の形態におけるｕに対応する。ベクトルＶ４は、実施の形態におけるｒに対応する。直交行列Ｕ２は、実施の形態におけるＮ次ＤＦＴ行列（Ｎ個の行ベクトルｇ_i）に対応する。行列Ｕ３は、実施の形態におけるＺ_iに対応する。ベクトルＶ５は、実施の形態におけるｙ_iに対応する。ベクトルＶ６は、実施の形態におけるｃ_iに対応する。ベクトルＶ７は、実施の形態におけるｄに対応する。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。

１ 超音波伝搬時間測定装置
２ 変調部
３ 送波子
４ 受波子
５ 復調部
１１ ＺＣＺ系列出力部
１２ ＩＤＦＴ行列出力部
１３ 乗算部
１４ 加算部
１５ ガードインターバル付加部
１６ 直交変調部
２２ 直交検波部
２３ マッチドフィルタ
２４ ＺＣＺ系列出力部
２５ 相関演算部
２６ 平均化演算部
２７ 伝搬時間検出部

Claims (6)

1. 波動の伝搬時間を測定する伝搬時間測定装置であって、
   互いに異なるＮ（Ｎは２以上の整数）個の長さＭの所定のベクトルＶ１とＮ次の直交行列Ｕ１の各行ベクトルとのクロネッカ積に基づくＮ個のベクトルＶ２の要素同士を加算して、１個のベクトルＶ３を生成するベクトル生成部と、
   ベクトルＶ３と搬送波に基づいて変調を行う変調部と、
   前記変調部の出力が伝搬路を伝搬した信号を復調してベクトルＶ４とする復調部と、
   直交行列Ｕ１に基づくＮ次の直交行列Ｕ２の各行ベクトルとＭ次の単位行列とのクロネッカ積により得られるＮ個の行列Ｕ３を用い、ベクトルＭ３及び行列Ｕ３の乗算に基づいてＮ個のベクトルＶ５を算出するベクトル算出部と、
   Ｎ個のベクトルＶ５の夫々とＮ個のベクトルＶ１の夫々との相関演算を行ってＮ個のベクトルＶ６を算出する相関演算部と、
   Ｎ個のベクトルＶ６の要素同士を加算して１個のベクトルＶ７を算出する加算部と、
   ベクトルＶ７内のピークに基づいて伝搬時間を検出する検出部と
   を備える伝搬時間測定装置。
2. ベクトルＶ１は、自己相関関数のピークレベルに対するピーク以外のレベルの比率が所定の比率以下となる系列である、
   請求項１に記載の伝搬時間測定装置。
3. ベクトルＶ１は、ＺＣＺ系列、Ｍ系列、Ｇｏｌｄ系列、完全相補系列のいずれかである、
   請求項２に記載の伝搬時間測定装置。
4. 直交行列Ｕ１は、逆離散フーリエ変換行列、離散フーリエ行列、ユニタリ行列、完全相補系列のいずれかであり、
   直交行列Ｕ２は、逆離散フーリエ変換行列、離散フーリエ行列、ユニタリ行列、完全相補系列のいずれかである、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の伝搬時間測定装置。
5. ベクトルＶ６は、ベクトルＶ１の自己相関関数と前記伝搬路のインパルス応答とが重畳された波形を表し、
   Ｎ個のベクトルＶ６は、互いに同期している、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の伝搬時間測定装置。
6. 波動の伝搬時間を測定する伝搬時間測定方法であって、
   互いに異なるＮ（Ｎは２以上の整数）個の長さＭの所定のベクトルＶ１とＮ次の直交行列Ｕ１の各行ベクトルとのクロネッカ積に基づくＮ個のベクトルＶ２の要素同士を加算して、１個のベクトルＶ３を生成し、
   ベクトルＶ３と搬送波に基づいて変調を行い、
   前記変調の結果が伝搬路を伝搬した信号を復調してベクトルＶ４とし、
   直交行列Ｕ１に基づくＮ次の直交行列Ｕ２の各行ベクトルとＭ次の単位行列とのクロネッカ積により得られるＮ個の行列Ｕ３を用い、ベクトルＭ３及び行列Ｕ３の乗算に基づいてＮ個のベクトルＶ５を算出し、
   Ｎ個のベクトルＶ５の夫々とＮ個のベクトルＶ１の夫々との相関演算を行ってＮ個のベクトルＶ６を算出し、
   Ｎ個のベクトルＶ６の要素同士を加算して１個のベクトルＶ７を算出し、
   ベクトルＶ７内のピークに基づいて伝搬時間を検出する、
   ことを実行する伝搬時間測定方法。

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