JP2017223596A - 方位測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型の方位測定システムを提供すること。【解決手段】方位測定システムＳ１は、被測定対象１００が発信する超音波バースト波１１０を受信装置２００が受信して被測定対象１００の方位を測定する方位測定システムであって、受信装置２００は、所定の距離ｄで離隔配置された少なくとも１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂと、信号処理ユニット２２０と、を有し、信号処理ユニット２２０は、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応し１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの各々から出力される２つの信号波に含まれるピークの値に基づいて、２つの信号波の間の位相差に対応する時間差を取得して、時間差と１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂ間の距離ｄと音速とに基づき被測定対象１００の方位を求めることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、方位測定システムに関するものである。

インターネット技術の普及により、コンピュータなどの情報・通信機器だけでなく私たちの周りに存在する様々な「もの」にもセンサーと通信機能を付帯させて、データ化された識別情報としてインターネットに接続させて利用しようとする動きが加速している。

特に識別情報の１つである位置情報を取得してインターネットに接続する技術として、センサーによる測位技術と無線通信技術が注目されている。

測位技術としては、方位を測定する技術が知られており、特許文献１には、２つの受信アンテナを半波長以上離隔配置する場合に生じる位相折り返し現象に起因した誤検出を回避するために、一直線上に配置された３つ以上の受信アンテナ部を用い、被測定対象から同時に発信された信号がこれら３つ以上の受信アンテナ部のそれぞれに届くまでの到達時間の差から位相の折り返し量を検知し、補正することで被測定対象の方位を誤りなく検出する測位技術が提案されている。

特開２０１０−１７５４３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、例えば、水平方向の方位を測定するためには一直線上に配置された３つ以上の受信アンテナが必要となり、水平方向および鉛直方向の方位を測定するためには一直線上に配置された３つ以上の受信アンテナが２組必要となり、方位測定システムに占める受信アンテナの数が多く、受信アンテナが出力する信号を処理するための信号処理回路の占める面積も広くなるので、小型の方位測定システムができないという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、小型の方位測定システムを提供することを目的とする。

本発明に係る方位測定システムは、被測定対象が発信する超音波バースト波を受信装置が受信して被測定対象の方位を測定する方位測定システムであって、前記受信装置は、所定の距離で離隔配置された少なくとも１対の超音波受信器と、信号処理ユニットと、を有し、前記信号処理ユニットは、前記超音波バースト波の立ち上がり領域に対応し前記１対の超音波受信器の各々から出力される２つの信号波に含まれるピークの値に基づいて、前記２つの信号波の間の位相差に対応する時間差を取得して、前記時間差と前記１対の超音波受信器間の距離と音速とに基づき前記被測定対象の方位を求めることを特徴とする。

本発明によれば、１対の超音波受信器によって受信された２つの超音波バースト波の位相差が１８０°を超える、いわゆる位相の折り返し現象が生じる場合でも、超音波バースト波の立ち上がり領域に対応し一対の超音波受信器の各々から出力される２つの信号波に含まれるピークの値を用いることで、所定の距離だけ離隔配置された１対の超音波受信器のそれぞれで受信された超音波バースト波の信号のうち、どの部分が被測定対象から同時刻に発信された同相の信号に対応しているかを判断することができる。従って、この２つの信号波の間の位相差に対応する時間差と一対の超音波受信器間の距離と音速とに基づき被測定対象の方位を求めることができる。この場合、受信装置において超音波受信器は２個あればよく、信号処理ユニットの占める面積も小さくできるので、本発明によれば、小型の方位測定システムを提供できる。

本発明によれば、小型の方位測定システムを実現できる。

本発明の実施形態に係る方位測定システムを示す構成図である。 本発明の実施形態に係る被測定対象から発信される超音波バースト波を示す図である。 本発明の実施形態に係る増幅器の出力波形を示す図である。 本発明の実施形態に係るＡ／Ｄ変換後の信号波の変位を表す電圧データ列を示す図である。 本発明の実施形態の一例に係るＡ／Ｄ変換前の信号波をオシロスコープで測定した波形を示す図である。 本発明の実施形態の他の例に係るＡ／Ｄ変換前の信号波をオシロスコープで測定した波形を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付すこととする。

まず、本発明の実施形態の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る方位測定システムを示す構成図である。方位測定システムＳ１は、図１に示されるように、被測定対象１００と、受信装置２００を有し、被測定対象１００が発信する超音波バースト波を受信装置２００が受信して被測定対象１００の方位を測定するものである。この方位測定システムＳ１では、被測定対象１００から受信装置２００に向けて、超音波バースト波１１０が送信されることとなる。ここでは、方位測定システムＳ１を屋内閉空間に設置して、受信装置２００から見た被測定対象１００の方位を測定する方位測定システムＳ１の例を用いて説明する。

被測定対象１００は、一例として、図１に示すように超音波発信回路１２０と、信号処理器１３０と、を有する。

超音波発信回路１２０は、一例として、抵抗素子と、スイッチング素子と、パルストランスと、超音波振動子と、パルス整形用回路を有し、可聴域外周波数（２０ｋＨｚ以上の周波数、ここでは一例として３０ｋＨｚの周波数）の超音波バースト波を発信する。パルストランスの１次側コイルの一方の端子は、直列に接続されたスイッチング素子を介してＧＮＤに接続され、他方の端子は直列に接続された抵抗素子を介して電源に接続される。パルストランスの２次側の両端子は、超音波振動子とパルス整形用回路とに直列に接続される。後述の信号処理器１３０が出力する矩形波バースト信号（一例として、周波数３０ｋＨｚ、幅４００ｕｓｅｃ、繰り返し周期１００ｍｓｅｃ）によってスイッチング素子をＯＮ−ＯＦＦさせてパルストランスの１次コイルを駆動させ、パルストランスの２次コイルで昇圧されたパルス電圧により、圧電振動子を金属振動板に密着させた超音波振動子を駆動させることにより、超音波発信回路１２０が超音波バースト波１１０を発信する。

信号処理器１３０は、メモリ１３１と、デジタル信号出力器１３２と、コントローラ１３３と、を有する。

メモリ１３１には、矩形波バースト信号の周波数、バースト幅、繰り返し周期に係るデータがあらかじめ設定されている。

コントローラ１３３は、メモリ１３１に設定されたデータに基づき、デジタル信号出力器１３２に指令を出して、矩形波バースト信号を出力させる。

デジタル信号出力器１３２は、コントローラ１３３の指令に基づき、矩形波バースト信号を出力する。

この矩形波バースト信号が超音波発信回路１２０に入力されて、超音波発信回路１２０から超音波バースト波１１０が発信される。

受信装置２００は、所定の距離ｄで離隔配置された１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂと信号処理ユニット２２０を有する。

超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂは、被測定対象１００から発信された超音波バースト波１１０を受信して電気信号に変換し、それぞれが信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂとして出力する。超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの例としては、小型で高感度特性のＭＥＭＳマイクロフォンが挙げられる。１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂは、同一平面上に距離ｄだけ離隔されたＡ点、Ｂ点に、それぞれが配置されている。Ａ点の超音波受信器２１０Ａが出力する信号波Ｒ_Ａを基準波とし、Ｂ点の超音波受信器２１０Ｂが出力する信号波Ｒ_Ｂを比較波とする。超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂとしては、超音波バースト波を受信して電気信号に変換するものであれば特に制限されず、例えば、ＭＥＭＳマイクロフォンの代替として、圧電マイクロフォン、ムービングコイルマイクロフォン、またはコンデンサマイクロフォンなどでもよい。

被測定対象１００と受信装置２００との間の距離が離隔距離ｄよりも十分大きい場合には、図１に示すように、被測定対象１００から発せられた超音波バースト波１１０は、一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂにほぼ平行に入射する。超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂが実装された平面に直交する垂直軸の方向を０°とし、垂直軸を基準とした入射角αが０°の場合には、被測定対象１００から同時刻に発信された同相の超音波バースト波１１０が、超音波受信器２１０Ａに到達する到達時刻ｔ１と超音波受信器２１０Ｂに到達する到達時刻ｔ２とは、同時刻となる。α≠０°の場合には、到達時刻ｔ１と到達時刻ｔ２とは異なる時刻となり、（ｔ２−ｔ１）で与えられる時間差ｔ_αは、被測定対象１００の方位である入射角αと離隔距離ｄと音速ν_ｓによって以下の式（１）で表される。
ｔ_α＝｛ｄ×ｓｉｎ（α）｝／ν_ｓ ・・・式（１）

超音波バースト波１１０は、図２に示すように 、その振幅が時間と共に増大する立ち上がり領域を有する。一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの各々から出力される２つの信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂも、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応した、その振幅が時間と共に増大する立ち上がり領域を有する。信号処理ユニット２２０は、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応し一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの各々から出力される２つの信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂ（信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂの立ち上がり領域部分）に含まれるピークの値に基づいて、２つの信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂの間の位相差に対応する時間差ｔ_αを取得して、時間差ｔ_αと距離ｄと音速ν_ｓとに基づき被測定対象１００の方位を求める。

信号処理ユニット２２０について、具体的な例で説明する。信号処理ユニット２２０は、増幅器２２１と信号処理器２２２を有している。

増幅器２２１は、超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂが超音波バースト波１１０を電気信号に変換して出力した信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂを、その立ち上がり領域内の信号波（振幅が時間と共に増大する正弦波）が半波長以上含まれるように増幅し、それぞれ信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１として出力する。信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１も、信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂの立ち上がり領域（超音波バースト波１１０の立ち上がり領域）に対応した、その振幅が時間と共に増大する立ち上がり領域を有する。具体的には、増幅器２２１が、超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂが出力した信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂを増幅し、出力した信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１に、その立ち上がり領域内の信号波（振幅が時間と共に増大する正弦波）が半波長以上含まれるように、後述の信号処理器２２２によって増幅器２２１の増幅度が設定される。

図３は、増幅器２２１が出力する信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１の時間軸ｔに対する波形を表す。縦軸が、信号波の変位を表す電圧値であり、横軸は、経過時間を示す。図３に示すように、信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１の立ち上がり領域内には、振幅が時間と共に増大する信号波が半波長以上含まれており、或る時間が経過すると、増幅器からの出力が飽和して同一振幅の矩形波に変わっている。

増幅器２２１の例としては、図１には示さないが、初段に固定増幅度の差動オペアンプ増幅器、中段にアクティブバンドパスフィルタ回路、最終段に後述の信号処理器２２２によって増幅度を変更できるプログラマブル・ゲイン・アンプ、を有するものが挙げられる。増幅器２２１は、固定増幅度の増幅器とアクティブバンドパスフィルタ回路のみで構成されたものであってもよい。なお、アクティブバンドパスフィルタ回路は、所望の超音波バースト波の周波数のみを通過させ、それ以外の環境雑音を抑制することによって、信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１の位相ばらつきを低減するための回路である。

増幅器２２１は、固定増幅度の増幅器、アクティブバンドパスフィルタ回路およびプログラマブル・ゲイン・アンプを、信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂ毎に備えることが望ましい。

受信装置２００には、増幅器２２１の出力が所定の閾値以上になった場合にトリガー信号を発するコンパレータ回路が、後述するＡ／Ｄ変換器２２３と電気的に並列に接続されていてもよい。このコンパレータ回路の入力側は増幅器２２１の出力側のそれぞれに接続され、コンパレータ回路は、増幅器２２１の出力する信号波のいずれか１つが所定の閾値以上になった場合にトリガー信号を発する。コンパレータ回路の出力側であるトリガー信号発信端子は、後述する信号処理器２２２に接続されているものとする。

信号処理器２２２は、Ａ／Ｄ変換器２２３と、メモリ２２４と、コントローラ２２５と、を有し、増幅器２２１の増幅度の制御と、増幅器２２１が出力した信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１をデジタル信号に変換して、デジタル信号の解析・判断等を行う。

Ａ／Ｄ変換器２２３は、増幅器２２１が出力した信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１を、その立ち上がり領域内の信号波を半波長以上含むように、信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１のそれぞれの変位を表す電圧データ列Ｄ_Ａ、Ｄ_Ｂとしてデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器２２３には、信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１毎に、一例として変換スピード３Ｍｓ／ｓのＡ／Ｄ変換器が１チャンネルずつ備えられる。Ａ／Ｄ変換器２２３は、後述のコントローラ２２５によって、変換動作の開始・停止が制御される。Ａ／Ｄ変換器２２３は、変換スピードが１波長あたり１００サンプル程度のものであれば特に制限されない。

メモリ２２４には、電圧データ列Ｄ_Ａ、Ｄ_Ｂが時系列で格納される。

コントローラ２２５は、被測定対象１００から発せられた超音波バースト波１１０が受信装置２００に到達する前のあらかじめ決められた時刻ｔｓでＡ／Ｄ変換器２２３の変換動作の開始を行い、あらかじめ決められた時刻ｔｅでＡ／Ｄ変換器２２３の変換動作の停止を行う。

受信装置２００が上述したコンパレータ回路を備える場合には、コントローラ２２５は、トリガー信号の受信を受けて、Ａ／Ｄ変換器２２３の変換動作の開始を行い、あらかじめ決められた時刻ｔｅ２でＡ／Ｄ変換器２２３の変換動作の停止を行ってもよい。

なお、あらかじめ決められた時刻ｔｅは、増幅器２２１が出力した信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１の立ち上がり領域内の信号波を半波長以上含むようにデジタル信号に変換するのに要する時間が時刻ｔｓから経過した時刻である。

ここで、コントローラ２２５は、メモリ２２４に格納された時系列の電圧データ列Ｄ_Ａ、Ｄ_Ｂのうち、信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１の立ち上がり領域内の信号波に対応するデータ列に対して、時系列の電圧データ列が時間と共に振幅が増大する正弦波に近似するようにデータ補完処理を行い、新たな時系列の電圧データ列をＤ_Ａ１、Ｄ_Ｂ１としてメモリ２２４に格納する。

図４は、Ａ／Ｄ変換器２２３でデジタル信号に変換された時系列の電圧データ列Ｄ_Ａ、Ｄ_Ｂと、データ補完処理後の時系列の電圧データ列Ｄ_Ａ１、Ｄ_Ｂ１を模式的に示した図である。縦軸は電圧値を示し、横軸は時刻を示す。図４では、時系列の電圧データ列Ｄ_Ａ、Ｄ_Ｂについては、離散的時刻に対応する電圧値の大きさが線の長さで表されている。データ補完処理後の時系列の電圧データ列Ｄ_Ａ１、Ｄ_Ｂ１については、間隔の狭められた離散的時刻に対応する電圧値の大きさが、図４において点線で表されている。

コントローラ２２５は、データ補完処理された電圧データ列Ｄ_Ａ１、Ｄ_Ｂ１を選び取り、基準波とした電圧データ列Ｄ_Ａ１の中から、所定の閾値を超えている時系列的に最初の電圧ピークの値と、その電圧ピークに対応する時刻データ値を第一のピーク点として選び取り、メモリ２２４のメモリエリアである第一ピーク点レジスタに格納する。更に電圧データ列Ｄ_Ａ１の中から第一のピーク点に続く最初のゼロクロス点を第一の時刻ｔ１として演繹的に取得し、メモリ２２４のメモリエリアである第一ゼロクロス点レジスタに時刻ｔ１の値を格納する。演繹的な取得方法の１つには、電圧データ値がゼロクロスする前後の電圧データ値に対応する時刻データ値を選び取り、それぞれの時刻データ値の平均値をｔ１として取得する方法がある。更に好ましい別の演繹的な取得方法としては、電圧データ値がゼロクロスする前後の電圧データ値Ｖ１０、Ｖ１１に対応する時刻データ値ｔ１０、ｔ１１を選び取り、時刻データ値ｔ１０、ｔ１１における電圧値のゼロクロス点からの大きさを表す値｜Ｖ１０｜、｜Ｖ１１｜に応じて式（２）で示すように重みづけしたゼロクロス時刻ｔ１を取得する方法が挙げられる。但し、電圧データ値Ｖ１０とＶ１１はゼロクロス点を挟んで符号が逆符号であり、時刻データ値ｔ１０、ｔ１１および時刻ｔ１の大小関係は、ｔ１１≧ｔ１≧ｔ１０である。
ｔ１＝（ｔ１１×｜Ｖ１０｜＋ｔ１０×｜Ｖ１１｜）／（｜Ｖ１０｜＋｜Ｖ１１｜） ・・・式（２）

また、コントローラ２２５は、電圧データ列Ｄ_Ｂ１の中から、第一ピーク点レジスタに格納された電圧ピーク値とほぼ等しい（一例として後述する例においては、第一ピーク点レジスタに格納された電圧ピーク値に対する差異が、第一ピーク点レジスタに格納された電圧ピーク値の±１０％以内の）電圧ピークとその電圧ピークに対する時刻データ値を第二のピーク点として選び取り、メモリ２２４のメモリエリアである第二ピーク点レジスタに格納する。更に、第一の時刻ｔ１を取得する場合と同様にして、電圧データ列Ｄ_Ｂ１の中から第二のピーク点に続く最初のゼロクロス点を第二の時刻ｔ２として演繹的に取得し、メモリ２２４のメモリエリアである第二ゼロクロス点レジスタに時刻ｔ２の値を格納する。このように取得された第一の時刻ｔ１と第２の時刻ｔ２に対応する信号の部分（２つのゼロクロス点）は、被測定対象１００から同時刻に発信された同相の超音波バースト波１１０の信号に対応している。その後コントローラ２２５は、メモリ２２４の第一ゼロクロス点レジスタと第二ゼロクロス点レジスタに格納された時刻ｔ１、ｔ２を呼び出し、差分ｔ_α＝ｔ２−ｔ１を計算して、差分ｔ_αと一対の超音波受信器２１０の間の距離ｄと音速ν_ｓとを式（１）に代入して被測定対象１００の方位を求める。

つまり、この例では、信号処理ユニット２２０は、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応し一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの各々から出力される２つの信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂから、その値が互いにほぼ等しい、 一方の超音波受信器２１０Ａから出力された信号波Ｒ_Ａのピーク点と他方の超音波受信器２１０Ｂから出力された信号波Ｒ_Ｂのピーク点との位相差に対応する時間差ｔ_αを取得して、時間差ｔ_αと距離ｄと音速ν_ｓとに基づき被測定対象１００の方位を求めている。

方位測定システムＳ１によれば、１対の超音波受信器２１０Ａ，２１０Ｂによって受信された２つの超音波バースト波の位相差が１８０°を超える、いわゆる位相の折り返し現象が生じる場合でも、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応し１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの各々から出力される２つの信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂに含まれるピークの値は、被検出対象１００から発信された元の超音波バースト信号１１０の位相に応じて異なる値となるので、１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂのそれぞれで受信された超音波バースト波１１０の信号のうち、どの部分が被測定対象１００から同時刻に発信された同相の信号に対応しているものであるかを判断することができる。

信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂ（電圧データ列Ｄ_Ａ１、Ｄ_Ｂ１）に含まれる２つのピーク値をほぼ等しいと判断するピーク値の差異の閾値については、ピーク値が互いにほぼ等しいと判断される２つのピーク点が、被検出対象１００から同時刻に発信された同相の信号のピーク点に対応するものとなるように、距離ｄ、受信装置の設置箇所および超音波バースト波１１０の立ち上がり特性に応じて適切な値を設定するようにすればよい。

ここで、超音波バースト波１１０の周波数が３０ｋＨｚであり、被測定対象１００と超音波受信器２１０Ａとの距離Ｒが１ｍと８．３ｍの場合の例について説明する。これらの例においては、電圧データ列Ｄ_Ａ１（基準波）の電圧ピーク値と電圧データ列Ｄ_Ｂ１（比較波）の電圧ピーク値を比較して、これらの電圧ピーク値の差異が電圧データ列Ｄ_Ａ１の電圧ピーク値の±１０％以内であれば、これらのピーク値が互いにほぼ等しいと判断し、値が互いにほぼ等しいと判断した２つのピーク点が、被検出対象１００から同時刻に発信された同相の超音波バースト波１１０の信号に対応するものとする。この理由は、以下の通りである。

表１は、超音波バースト波１１０の周波数が３０ｋＨｚであり、基準波に対する比較波の振幅の減衰率が最も大きくなるα＝９０°（図１参照）の場合であって、距離ｄを超音波バースト波１１０の波長に対して、半波長、１波長、２波長、３波長、４波長、・・・とし、被測定対象１００と超音波受信器２１０Ａとの距離Ｒを０．１ｍ、０．２ｍ、０．５ｍ、１ｍ、２ｍ、・・・とした場合の、基準波に対する比較波の振幅の比率を％で示した表である。

ここで、α≠０°の場合に、基準波と比較波の振幅が異なる理由は、２つある。第一に、媒質である空気が振動して超音波を伝える場合、超音波のエネルギーの一部は熱などに変わるため、減衰する。これを空気吸収減衰と呼び、媒質中の伝搬距離が長いほど大きくなる。第二に、球面波である超音波は、音源からの距離が離れるほど拡がるため、エネルギーは音源からの距離の逆２乗に比例して減衰する。これを拡散減衰と呼び、近距離で単位距離当たりの減衰の差異が大きく、遠方で小さくなる。α≠０°の場合には、被測定対象１００から発信された同相の信号波が、超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂに到達するまでの伝搬距離には、わずかながら違いが生じる。その伝搬距離の差異ｒは、式（３）で表され、α＝９０°で最大となる。
ｒ＝ｄ×ｓｉｎ（α） ・・・式（３）
表１は、α＝９０°で最大となる伝搬距離の差異ｒ（超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの離隔距離ｄに等しい）に基づく２つの減衰要因で生じた振幅の差異を、基準波に対する比較波の振幅の比率として示した表である。

表１に示すように、距離ｄが大きいほど、基準波に対する比較波の振幅の比率は小さくなるが、距離ｄが超音波バースト波１１０の波長の４倍の長さまでの範囲であれば、受信装置２００から見た被測定対象１００の最近接距離が０．５ｍであっても、基準波に対する比較波の振幅の変化率は１０％未満となる。また、受信装置２００から見た被測定対象１００が１ｍ以上遠方にある場合には、距離ｄを超音波バースト波１１０の波長の８倍としても、基準波に対する比較波の振幅の変化率の大きさは１０％未満である。従って、これらの場合においては、被測定対象１００から同時刻に発信された同相の超音波バースト波１１０の信号に対応した、電圧データ列Ｄ_Ａ１（基準波）のピーク値と電圧データ列Ｄ_Ｂ１（比較波）のピーク値との差異は、電圧データ列Ｄ_Ａ１の電圧ピーク値の±１０％以内となる。

また、図５、６に、増幅器２２１が出力した信号波Ｒ_Ａ１（Ａ／Ｄ変換前の信号波）をオシロスコープで測定した波形を示す。図５は、被測定対象１００と超音波受信器２１０Ａとの距離Ｒが１ｍの場合の図であり、図６は被測定対象１００と超音波受信器２１０Ａとの距離Ｒが８．３ｍである場合の図である。図５、６において、縦軸は信号波Ｒ_Ａ１の変位を表す電圧値であり、横軸は経過時間を示す。図５と図６の縦軸は１Ｖ／ＤＩＶ、図５の横軸は５０ｕｓｅｃ／ＤＩＶ、図６の横軸は、１００ｕｓｅｃ／ＤＩＶである。

図５、６に示すように、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応する領域おいて、信号波Ｒ_Ａ１の１波長当りの振幅（ピーク値）の変化率は、距離Ｒが１ｍの場合に１００％を超えており、距離Ｒが８．３ｍの場合に３０％を超えている。従って、電圧データ列Ｄ_Ａ１（基準波）の電圧ピーク値と電圧データ列Ｄ_Ｂ１（比較波）の電圧ピーク値を比較して、これらの電圧ピーク値の差異が電圧データ列Ｄ_Ａ１の電圧ピーク値の±１０％以内であれば、被測定対象１００から別時刻に発信された異相の超音波バースト波１１０の信号を、被測定対象１００から同時刻に発信された同相の超音波バースト波１１０の信号とみなしてしまうことが無い。

これらの例では、信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂ（電圧データ列Ｄ_Ａ１、Ｄ_Ｂ１）に含まれる２つのピーク値をほぼ等しいと判断するピーク値の差異の閾値を±１０％以下としたが、上述のように、距離Ｒが少なくとも１〜８．３ｍの範囲において、超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの離隔距離ｄが超音波バースト波１１０の波長の１０倍以下であれば、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応する領域おいて、常に、（信号波Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１の１波長当りの振幅の変化率）＞２×（基準波に対する比較波の振幅の減衰率（≦１２．２％））であるので、信号波Ｒ_Ｂ（電圧データ列Ｄ_Ｂ１）から、信号波Ｒ_Ａ（電圧データ列Ｄ_Ａ１）に含まれる第一のピーク点の値に最も近い値のピーク点を、第一のピーク点の値とほぼ等しいピーク値をもつ第二のピーク点として選び出すようにしてもよい。

また、表２は、超音波バースト波１１０の周波数が４０ｋＨｚであり、基準波に対する比較波の振幅の減衰率が最も大きくなるα＝９０°（図１参照）の場合であって、距離ｄを超音波バースト波１１０の波長に対して、半波長、１波長、２波長、３波長、４波長・・・とし、被測定対象１００と超音波受信器２１０Ａの距離Ｒを０．１ｍ、０．２ｍ、０．５ｍ、１ｍ、２ｍ、・・・とした場合の、基準波に対する比較波の振幅の比率を％で示した表である。表１と比較して分かることは、距離ｄが同じでも、超音波バースト波１１０の周波数が４０ｋＨｚの場合の方が、基準波に対する比較波の振幅の変化率（振幅の減衰率）が小さいということである。このように、超音波バースト波１１０の周波数が３００ｋＨｚ以下の範囲では、超音波バースト波１１０の周波数が大きいほど、基準波に対する比較波の振幅の変化率（振幅の減衰率）は小さくなる。

このように、方位測定システムＳ１は、被測定対象１００が発信する超音波バースト波１１０を受信装置２００が受信して被測定対象１００の方位を測定する方位測定システムであり、受信装置２００は、所定の距離ｄで離隔配置された少なくとも１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂと、信号処理ユニット２２０と、を有し、信号処理ユニット２２０は、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応し１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの各々から出力される２つの信号波（電圧データ列Ｄ_Ａ１、Ｄ_Ｂ１に対応した信号波）に含まれるピークの値に基づいて、２つの信号波の間の位相差に対応する時間差ｔ_αを取得して、時間差ｔ_αと一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂ間の距離ｄと音速ν_ｓとに基づき被測定対象１００の方位を求めている。

従って、１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂによって受信された２つの超音波バースト波１１０の位相差が１８０°を超える、いわゆる位相の折り返し現象が生じる場合でも、超音波バースト波１１０の立ち上がり領域に対応し一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂの各々から出力される２つの信号波に含まれるピークの値を用いることで、所定の距離ｄだけ離隔配置された１対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂのそれぞれで受信された超音波バースト波１１０の信号のうち、どの部分が被測定対象１００から同時刻に発信された同相の信号に対応しているかを判断することができる。従って、この２つの信号波の間の位相差に対応する時間差ｔ_αと一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂ間の距離ｄと音速ν_ｓとに基づき被測定対象１００の方位を求めることができる。この場合、受信装置２００において超音波受信器は２個あればよく、信号処理ユニット２２０の占める面積も小さくできるので、方位測定システムＳ１によれば、小型の方位測定システムを提供できる。

なお、上述した実施形態の方位測定システムＳ１では、受信装置２００が一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂを有する例で説明しているが、受信装置２００が２対以上の超音波受信器を有していても良い。例えば、同一平面上の直交する２軸の交点をＡ点とし、Ａ点と、Ａ点から距離ｄ１だけ離隔された一方の軸上のＢ点と、Ａ点から距離ｄ２だけ離隔された一方の軸上のＣ点との３か所に、それぞれ超音波受信器が配置された構成でも良い。ここで、距離ｄ１と距離ｄ２は同じであっても、互いに異なっていても良い。この場合、Ａ点の超音波受信器が出力する信号波を基準波とし、Ｂ点、Ｃ点の超音波受信器が出力する信号波を基準波に対する比較波とする。Ａ点の超音波受信器とＢ点の超音波受信器とで一対の超音波受信器であり、Ａ点の超音波受信器とＣ点の超音波受信器とでもう一対の超音波受信器となる。この場合、一方の対の超音波受信器を水平方向の方位測定に用い、他方の対の超音波受信器を鉛直方向の方位測定に用いることができる。２対の超音波受信器のそれぞれの機能は、方位測定システムＳ１における一対の超音波受信器２１０Ａ、２１０Ｂと同じである。信号処理ユニット２２０は、上述の実施形態の信号波Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂと同様に、Ｃ点の超音波受信器が出力する信号波を処理し、上述の実施形態と同様にして、Ａ点の超音波受信器とＣ点の超音波受信器が出力する信号波の間の位相差に対応する時間差を取得する。

１００・・・被測定対象、１１０・・・超音波バースト波、１２０・・・超音波発信回路、１３０・・・信号処理器、１３１・・・メモリ、１３２・・・デジタル信号出力器、１３３・・・コントローラ、２００・・・受信装置、２１０Ａ、２１０Ｂ・・・超音波受信器、２２０・・・信号処理ユニット、２２１・・・増幅器、２２２・・・信号処理器、２２３・・・Ａ／Ｄ変換器、２２４・・・メモリ、２２５・・・コントローラ、Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂ・・・超音波受信器の出力信号波、Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ｂ１・・・超音波受信器の出力信号波を増幅器で増幅した後の信号波、Ｄ_Ａ、Ｄ_Ｂ、Ｄ_Ａ１、Ｄ_Ｂ１・・・電圧データ列、Ｓ１・・・方位測定システム

Claims (1)

1. 被測定対象が発信する超音波バースト波を受信装置が受信して被測定対象の方位を測定する方位測定システムであって、
   前記受信装置は、所定の距離で離隔配置された少なくとも１対の超音波受信器と、信号処理ユニットと、を有し、
   前記信号処理ユニットは、前記超音波バースト波の立ち上がり領域に対応し前記１対の超音波受信器の各々から出力される２つの信号波に含まれるピークの値に基づいて、前記２つの信号波の間の位相差に対応する時間差を取得して、前記時間差と前記１対の超音波受信器間の距離と音速とに基づき前記被測定対象の方位を求めることを特徴とする方位測定システム。