JP5373339B2

JP5373339B2 - 無線タグ距離測定装置

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Publication number: JP5373339B2
Application number: JP2008215147A
Authority: JP
Inventors: 康史鹿島; 重幸浅見; 国充新井; 政行高橋
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: JP2010048748A

Description

本発明は、無線タグまでの距離を測定する無線タグ距離測定装置に関する。

量産工場等では、生産工程または品種ごとに保管位置が定められ製品管理を行うことが多い。このような製品管理を行うため、無線タグ距離測定システムが広く用いられる。無線タグ距離測定システムでは、管理対象製品に取り付けられた無線タグと距離測定装置との間の無線送受信によって、距離測定装置が無線タグまでの距離を測定する。

無線タグまでの距離を測定する際には、距離測定装置はパルス信号を送信する。パルス信号を受信した無線タグは、固有に割り当てられた符号によって受信パルス信号を変調し、応答パルス信号として送信する。応答パルス信号を受信した距離測定装置は、応答パルス信号を変調した元の符号を識別することにより、応答パルス信号を送信した無線タグを特定する。そして、パルス信号を送信してから応答パルス信号が受信されるまでの時間に基づいて、特定した無線タグまでの距離を測定する。

このような処理によれば、複数の無線タグのうち特定の無線タグまでの距離を測定することができ、距離測定装置から特定の無線タグが付された製品までの距離を測定することができる。

無線タグ距離測定システムは、工場における製品管理の他、日用品、小物等の販売を行う小売店、イベント参加者の居場所を管理する必要があるイベント会場等に用いることができる。

特表２００６−５０５０１８号公報特表２００５−５１３６２９号公報

上記の無線タグ距離測定システムでは、距離測定装置からの距離が等しい無線タグが複数ある場合、これらの無線タグからそれぞれ送信された応答パルス信号が時間的に重なって距離測定装置で受信される。このとき、複数の応答パルス信号が互いに干渉し、各無線タグまでの距離を測定することが困難となるという問題があった。また、無線タグ距離測定装置で検出された応答パルス信号にノイズが含まれていると、測定される距離の誤差が大きくなるという問題があった。

本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、無線タグ距離測定システムにおいて、複数の無線タグからそれぞれ送信される応答信号の干渉を回避すること、および距離測定精度を向上させることを目的とする。

本発明は、目標物距離測定を行うための距離測定信号を送信する無線送信部と、前記距離測定信号の送信後に到来した到来信号を受信する無線受信部と、目標物とする無線タグまでの距離を算出する距離算出部と、を備える無線タグ距離測定装置において、前記無線タグの固有割り当てＰＮ符号に応じた値を有するＰＮ信号を生成し、当該ＰＮ信号に正弦波信号を乗じた正弦波ＰＮ信号を生成し、さらに、前記正弦波ＰＮ信号を搬送波を含む無線信号に変換して、前記距離測定信号を生成する距離測定信号生成部、を備え、前記無線受信部は、前記無線タグによって前記距離測定信号に対して時間圧縮処理が施された時間圧縮信号を前記到来信号として受信し、周波数を低域側にシフトする周波数変換を前記到来信号に対して施し、前記距離算出部は、前記正弦波ＰＮ信号の立ち上がり時刻と前記周波数変換後の信号の立ち上がり時刻との差に基づいて、前記無線タグまでの距離に対応した値を立ち上がり距離として算出し、前記距離測定信号を生成する元となった正弦波信号と前記周波数変換後の信号との位相差、および前記立ち上がり距離に基づいて、前記無線タグまでの距離であって、前記立ち上がり距離の分解能誤差範囲内の距離、に対応した値を基本距離として算出し、前記距離測定信号の搬送波と前記無線受信部で受信された到来信号の搬送波との位相差、および前記基本距離に基づいて、前記無線タグまでの距離であって前記基本距離の分解能誤差範囲内の距離、に対応した値を測定距離として算出し、前記測定距離に基づいて前記無線タグまでの距離を算出することを特徴とする。

本発明に係る無線タグ距離測定装置によれば、複数の無線タグからそれぞれ送信される応答信号の干渉を回避し、各無線タグまでの距離を測定することができる。また、距離測定精度を向上させることができる。

図１に本発明の第１の実施形態に係る無線タグ距離測定システムの構成を示す。このシステムは、無線タグ距離測定装置１０が、無線信号の送受信によって距離測定対象の無線タグまでの距離を測定するものである。無線タグ１２−１〜１２−４には、固有のＰＮ符号（ＰＮはＰｓｅｕｄｏＮｏｉｓｅの略である。）が割り当てられている。図１は、無線タグ１２−１〜１２−４に対し、固有のＰＮ符号として、それぞれ「０１００１・・・」、「１００１１・・・」、「０１１１１・・・」、および「１０００１・・・」が割り当てられている例を示している。無線タグ距離測定装置１０は、距離測定対象とする無線タグをＰＮ符号によって特定する。

一般に、ＰＮ符号は１および０による擬似雑音パターンを示す。ＰＮ符号の値「１」および「０」に対し信号値「１」および「−１」をそれぞれ対応付けることで、ＰＮ符号のパターンで値が変化するＰＮ信号を生成することができる。

同一のＰＮ符号に基づく２つのＰＮ信号の間で畳み込み演算を行うと、１符号分の時間長を有する時間圧縮信号が得られる。ここで、畳み込み演算は、相関演算、またはコンボリューションとも称され、２つの信号の波形の近似度を求める演算である。一方、異なるＰＮ符号に基づく２つのＰＮ信号の間で畳み込み演算を行ったとしても、得られる信号の時間長は元のままとなる。このような時間圧縮に関する性質は、ＰＮ信号に他の信号が乗ぜられていても維持することができる。本発明の実施形態に係る無線タグ距離測定システムは、このようなＰＮ符号の直交性を利用するものである。

距離測定対象とする無線タグまでの距離を測定する際には、無線タグ距離測定装置１０は、距離測定対象の無線タグの固有割り当てＰＮ符号によってＰＮ信号を生成する。そして、そのＰＮ信号を基準正弦波信号に乗じた信号を無線信号に変換した拡散パルス変調信号を生成し送信する。

拡散パルス変調信号を受信した複数の無線タグのうち、拡散パルス変調信号の生成に用いられたＰＮ符号と自らの固有割り当てＰＮ符号とが一致する無線タグは、受信した拡散パルス変調信号に対して時間圧縮処理を施した圧縮パルス変調信号を送信する。

無線タグ距離測定装置１０は、圧縮パルス変調信号を受信すると、拡散パルス変調信号を送信してから圧縮パルス変調信号が受信されるまでの時間に基づいて、距離測定対象の無線タグまでの距離を算出する。

このような処理を実行するための無線タグ距離測定装置１０の構成を図２に示す。無線タグ距離測定装置１０は、ＰＮ信号に基準正弦波信号を乗じた正弦波ＰＮ信号を無線信号に変換し、拡散パルス変調信号として送信する。正弦波ＰＮ信号を用いることで、無線タグから送信される圧縮パルス変調信号は基準正弦波信号によって変調を受けた信号となる。無線タグ距離測定装置１０は、圧縮パルス変調信号に含まれる基準正弦波信号の位相を用いて精度の高い距離測定を行う。

ＰＮ符号記憶部１４には、無線タグ距離測定システムで用いられる無線タグの固有割り当てＰＮ符号が記憶されている。符号選択部１６は、ユーザの操作または別に設けられた装置等によって距離測定対象の無線タグが指定されると、指定された無線タグの固有割り当てＰＮ符号をＰＮ符号記憶部１４から読み込む。そして、読み込んだＰＮ符号に基づいてＰＮ信号を生成し乗算部２０に出力する。

正弦波信号生成部１８は、基準正弦波信号を乗算部２０および正弦波距離算出部３６に出力する。乗算部２０は、ＰＮ信号に基準正弦波信号を乗じた正弦波ＰＮ信号を無線送信部２２および立ち上がり距離算出部３４に出力する。

図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に、それぞれ、符号選択部１６が出力するＰＮ信号、基準正弦波信号、および正弦波ＰＮ信号を示す。ただし、これらの図が示す時間波形は、説明のための一つの例である。図３の縦軸は信号値を示し横軸は時間を示す。ＰＮ信号は、ＰＮ符号の符号変化に従って極性が変化する矩形信号である。正弦波ＰＮ信号は、ＰＮ信号の値に応じて極性が変化する正弦波信号である。なお、基準正弦波信号の周波数の設定については後述する。

無線送信部２２は、ローカル信号発生器２４から出力されるローカル信号によって正弦波ＰＮ信号を無線信号に変換し、拡散パルス変調信号を生成する。拡散パルス変調信号は、正弦波ＰＮ信号によってローカル信号に変調が施された信号であり、元のＰＮ信号の時間長と同一のパルス時間長を有する。無線送信部２２は、拡散パルス変調信号を搬送波位相差検出部４０に出力すると共に、拡散パルス変調信号を測定装置アンテナ２６を介して送信する。

このような処理によって、符号選択部１６によって指定されたＰＮ符号に基づく正弦波ＰＮ信号が生成され、正弦波ＰＮ信号を無線信号に変換した拡散パルス変調信号が、無線タグ距離測定装置１０から送信される。

なお、正弦波信号生成部１８から正弦波距離算出部３６に出力された基準正弦波信号、乗算部２０から立ち上がり距離算出部３４に出力された正弦波ＰＮ信号、および無線送信部２２から搬送波位相差検出部４０に出力された拡散パルス変調信号は、後述のように、無線タグまでの距離の測定に用いられる。

拡散パルス変調信号は各無線タグで受信される。図４（ａ）に無線タグ１２の構成を示す。無線タグアンテナ４４で受信された拡散パルス変調信号は、分波器４６に入力される。分波器４６はパルス変調信号を相関処理デバイス４８に出力する。分波器４６は、サーキュレータ、方向性結合器等を用いて構成することができる。

無線タグ１２の相関処理デバイス４８には、無線タグ１２に固有に割り当てられたＰＮ符号によって、入力信号に対して畳み込み演算を施し出力するものを用いる。このようなデバイスとしては、ＳＡＷデバイス、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）マッチドフィルタ、ディジタルマッチドフィルタ等を用いることができる。ＳＡＷデバイスには電源電力を供給する必要があるもの（ＳＡＷコンボルバ等）と、電源電力を供給する必要がないものとがある。電源電力を供給する必要がないＳＡＷデバイスを用いた場合には、無線タグ１２に電力供給源を搭載する必要がなくなる。

また、ディジタルマッチドフィルタ、ＳＡＷコンボルバ等は、畳み込み演算を行う際のＰＮ符号を任意に設定することができる。この場合の構成を図４（ｂ）に示す。ここでは、ディジタルマッチドフィルタ４８Ａを用いた場合を示している。ＳＡＷコンボルバを用いる場合には、ディジタルマッチドフィルタ４８ＡをＳＡＷコンボルバに置き換えた構成とすればよい。無線タグ１２には、ＰＮ符号を記憶するＰＮ符号記憶部５２およびＰＮ符号設定回路５０を設ける。ＰＮ符号記憶部５２には、複数の異なるＰＮ符号を予め記憶させておく。ＰＮ符号設定回路５０は、ＰＮ符号記憶部５２からＰＮ符号を読み込み、そのＰＮ符号に基づいてディジタルマッチドフィルタ４８Ａが処理を実行するよう、ディジタルマッチドフィルタ４８Ａの動作状態を設定する。また、ＰＮ符号記憶部５２およびＰＮ符号設定回路５０を設ける代わりに、無線タグ１２の外部の装置によって、ディジタルマッチドフィルタ４８ＡにＰＮ符号を設定する構成としてもよい。ディジタルマッチドフィルタ４８Ａを用いる無線タグ１２の構成によれば、異なるＰＮ符号が与えられた複数の無線タグ１２に対し、ハードウエアを共通化することができる。

相関処理デバイス４８は、分波器４６から出力された信号に対し、無線タグ１２の固有割り当てＰＮ符号によって畳み込み演算を施して分波器４６に出力する。分波器４６は、相関処理デバイス４８から出力された信号を無線タグアンテナ４４に出力する。無線タグアンテナ４４からは分波器４６から出力された信号が送信される。

相関処理デバイス４８に入力された信号が、固有割り当てＰＮ符号が乗ぜられた信号である場合には、相関処理デバイス４８からは、入力信号に対し時間圧縮処理が施された信号が出力される。一方、相関処理デバイス４８に入力された信号が、固有割り当てＰＮ符号とは異なる符号が乗ぜられた信号である場合には、相関処理デバイス４８からは、入力信号に対し時間圧縮処理が施された信号は出力されない。

したがって、無線タグアンテナ４４で受信された拡散パルス変調信号が、固有割り当てＰＮ符号が乗ぜられた信号である場合、相関処理デバイス４８からは、拡散パルス変調信号に対し時間圧縮処理を施した信号が出力される。これによって、複数の無線タグのうち、受信した拡散パルス変調信号に乗ぜられている元のＰＮ符号と、自らの固有割り当てＰＮ符号とが一致する無線タグからは、その拡散パルス変調信号に対して時間圧縮処理が施された信号が圧縮パルス変調信号として送信される。

次に、無線タグ距離測定装置１０が、無線タグから送信された圧縮パルス変調信号に対して実行する処理について説明する。無線受信部２８は、圧縮パルス変調信号を測定装置アンテナ２６を介して受信する。受信増幅部３０は、受信した信号を所定の信号レベルとなるまで増幅し、周波数変換部３２および搬送波位相差検出部４０に出力する。周波数変換部３２は、ローカル信号発生器２４から出力されるローカル信号によって、圧縮パルス変調信号の周波数を低域側にシフトする周波数変換を行い、周波数変換後の信号を立ち上がり距離算出部３４および正弦波距離算出部３６に出力する。

立ち上がり距離算出部３４は、圧縮パルス変調信号の包絡線を受信包絡線信号として求める。また、立ち上がり距離算出部３４は、乗算部２０から出力された正弦波ＰＮ信号の包絡線を送信包絡線信号として求める。

立ち上がり距離算出部３４は、送信包絡線信号の立ち上がり時刻と、受信包絡線信号の立ち上がり時刻との差を測定する。そして、測定した時間差に基づいて、無線タグ距離測定装置１０と無線タグとの間を無線信号が往復するときの往復伝播時間を求める。立ち上がり距離算出部３４は、往復伝播時間と無線信号の伝播速度とに基づいて無線タグとの間の往復距離（無線タグまでの距離の２倍）を往復立ち上がり距離Ｄ０として算出し、正弦波距離算出部３６に出力する。

立ち上がり距離算出部３４は、往復伝播時間を算出するときは、信号が乗算部２０から出力されてから測定装置アンテナ２６に至るまでの遅延時間、無線タグの受送信応答時間、および、信号が測定装置アンテナ２６で受信されてから立ち上がり距離算出部３４に至るまでの遅延時間を、送信包絡線信号立ち上がり時刻と受信包絡線信号立ち上がり時刻との差から減算する。これによって、測定装置アンテナ２６の位置を基準とした往復立ち上がり距離Ｄ０を算出することができる。これらの遅延時間は、無線タグ距離測定装置１０および無線タグに固有の時間であり、予め設計またはキャリブレーションの段階で求めておくことができる。

このようにして求められた往復立ち上がり距離Ｄ０には、測定分解能に応じた分解能誤差が含まれる。すなわち真の往復距離は、往復立ち上がり距離Ｄ０から分解能誤差を減じた距離と、往復立ち上がり距離Ｄ０に分解能誤差を加算した距離との間にある。この分解能誤差δＲは、圧縮パルス変調信号の信号対雑音比ＳＮＲ、ＰＮ符号の１符号当たりの時間長τ、送受信する信号の波形等によって定まる値であり、次の（数１）で与えられることが知られている。
（数１） δＲ≒（１／２）・ｋ・ｃ・τ／√ＳＮＲ

ここで、ｃは無線信号の伝播速度（３×１０⁸）、ｋは送受信する信号の波形等に基づいて定まる係数であり、図３（ｃ）に示されるような正弦波ＰＮ信号を用いる場合には、１としてよい。分解能誤差δＲは、設計の段階で求めておくことができる。

このような処理によれば、往復立ち上がり距離Ｄ０を中心とし、プラス側およびマイナス側にそれぞれ分解能誤差δＲの誤差が見込まれる往復距離を求めることができる。

ここで、立ち上がり距離算出部３４は、往復立ち上がり距離Ｄ０を表示部４２に出力し、往復立ち上がり距離Ｄ０の半分を測定距離として表示部４２に表示させてもよい。

本実施形態に係る無線タグ距離測定装置１０では、正弦波信号生成部１８から出力される基準正弦波信号と、圧縮パルス変調信号に含まれる応答正弦波信号との位相差を用いることで、距離測定精度を向上させる。正弦波信号の位相差を用いた測定精度向上処理は、基準正弦波信号の周波数ｆを有する電磁波の伝播波長λ＝ｃ／ｆよりも分解能誤差δＲの２倍が短くなるよう、無線タグ距離測定システムが設計されている場合に高い効果を得ることができる。すなわち、次の（数２）の関係が成立するよう、システム設計がなされていることが好ましい。
（数２）２δＲ＜ｃ／ｆ

分解能誤差δＲが先に定められている場合には、正弦波信号生成部１８が生成する基準正弦波信号の周波数ｆは、ｃ／（２δＲ）よりも小さくなるよう、すなわち、基準正弦波信号の波長λは２δＲよりも長くなるよう決定すればよい。すなわち、（数１）を用いれば次の（数３）の関係を得ることができる。
（数３）ｆ＜ｃ／（２δＲ）＝√ＳＮＲ／（ｋ・τ）

ここで、例えば、ＳＮＲ＝２０ｄＢ＝１００、ｋ＝１、τ＝１００ｎｓとすれば、基準正弦波信号の周波数ｆを１００ＭＨｚ未満とするという設計条件、すなわち、波長λを３ｍより長くするという設計条件を得ることができる。

図５に正弦波信号の位相差を用いた測定精度向上処理のフローチャートを示す。正弦波距離算出部３６は、ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）等の演算法を用い、圧縮パルス変調信号から周波数ｆの成分を応答正弦波信号として抽出する（Ｓ１０１）。正弦波距離算出部３６は、基準正弦波信号と応答正弦波信号との位相差を測定位相差として求める（Ｓ１０２）。正弦波距離算出部３６は、さらに、乗算部２０から信号が出力されてから測定装置アンテナ２６に至るまでの位相変化量、無線タグの受送信応答に基づく位相変化量、および信号が測定装置アンテナ２６で受信されてから正弦波距離算出部３６に至るまでの位相変化量を、測定位相差から減算した距離測定用位相差Ｐを求める（Ｓ１０３）。

これらの位相変化量は、無線タグ距離測定装置１０および無線タグに固有の量であり、予め設計またはキャリブレーションの段階で求めておくことができる。

正弦波距離算出部３６は、往復立ち上がり距離Ｄ０から分解能誤差δＲを減算した下限値ｄ１、および往復立ち上がり距離Ｄ０に分解能誤差δＲを加算した上限値ｄ２を求める（Ｓ１０４）。また、正弦波距離算出部３６は、下限値ｄ１を基準正弦波信号の波長λで除した値の小数点以下を切り捨てた値（整数部分）をｍとして求める（Ｓ１０５）。そして、Ｄ１＝λ（２ｍπ＋Ｐ）／（２π）に従って求められる値を第１推定往復距離Ｄ１とする（Ｓ１０６）。

正弦波距離算出部３６は、上限値ｄ２を基準正弦波信号波長λで除した値の小数点以下を切り捨てた値をｎとして求める（Ｓ１０７）。そして、Ｄ２＝λ（２ｎπ＋Ｐ）／（２π）に従って求められる値を第２推定往復距離Ｄ２とする（Ｓ１０８）。

正弦波距離算出部３６は、第１推定往復距離Ｄ１と第２推定往復距離Ｄ２が等しいか否かを判定する（Ｓ１０９）。そして、これらの値が等しいときは、第１推定往復距離Ｄ１または第２推定往復距離Ｄ２を基本往復距離Ｅ０として決定し（Ｓ１１０）、詳細距離算出部３８に出力する（Ｓ１１２）。

正弦波距離算出部３６は、第１推定往復距離Ｄ１と第２推定往復距離Ｄ２とが異なるときには、これらの往復距離のうち下限値ｄ１と上限値ｄ２との間にある方を選択する。そして、選択した往復距離を基本往復距離Ｅ０として決定し（Ｓ１１１）、詳細距離算出部３８に出力する（Ｓ１１２）。

ここで、正弦波距離算出部３６は、基本往復距離Ｅ０を表示部４２に出力し、基本往復距離Ｅ０の半分を測定距離として表示部４２に表示させてもよい。

ステップＳ１０１〜Ｓ１０３によれば、測定装置アンテナ２６の位置を基準として、基準正弦波信号の位相と圧縮パルス変調信号に含まれる基準正弦波信号の位相との差が距離測定用位相差Ｐとして求められる。距離測定用位相差Ｐは０から２πまでの値をとる。この値は、無線タグとの間の往復距離を波長単位で表したときの小数点以下に対応する伝播位相変化量を表す。したがって、無線タグとの間の往復距離を波長単位で表したときの整数部分ｊを求め、その整数部分に２πを乗じて求まる位相に距離測定用位相差Ｐを加算した位相値２πｊ＋Ｐを用い、無線タグとの間の往復距離をλ（２πｊ＋Ｐ）／（２π）として求めることができる。

ステップＳ１０５およびＳ１０７は、それぞれ、往復距離の下限値ｄ１および上限値ｄ２を波長単位で表したときの整数部分として、整数ｍおよびｎを求める処理である。上記の整数ｊは、整数ｍまたはｎのいずれか一方であり、往復距離は、ステップＳ１０６およびＳ１０８においてそれぞれ求められる推定往復距離Ｄ１またはＤ２のうちいずれか一方となる。

上述のように、基準正弦波信号の波長λは、分解能誤差δＲの２倍よりも長くなるよう設定されている。そのため、上限値ｄ２と下限値ｄ１との差異（＝２δＲ）は波長λより短くなり、ｎ＝ｍが成立する場合と、ｎ＝ｍ＋１が成立する２つの場合がある。ここで、真の往復距離は、下限値ｄ１〜上限値ｄ２の範囲内にあるため、ｎ＝ｍ＋１が成立する場合には、λ（２πｍ＋Ｐ）／（２π）およびλ（２πｎ＋Ｐ）／（２π）のうち下限値ｄ１〜上限値ｄ２の範囲内にあるものを最終的な基本往復距離Ｅ０として採用すればよい。他方、ｎ＝ｍが成立する場合には、λ（２πｍ＋Ｐ）／（２π）＝λ（２πｎ＋Ｐ）／（２π）が最終的な基本往復距離Ｅ０となることはいうまでもない。

したがって、基本往復距離Ｅ０は、ｎ＝ｍのときはＤ１（またはＤ２）となり、ｎ＝ｍ＋１のときはＤ１またはＤ２のうち下限値ｄ１〜上限値ｄ２の範囲内にある方となる。ステップＳ１０９〜Ｓ１１１は、このような原理に基づいて無線タグまでの往復距離を求めるものである。

本実施形態に係る無線タグ距離測定装置１０では、無線送信部２２から出力される拡散パルス変調信号の搬送波と、受信増幅部３０から出力される圧縮パルス変調信号の搬送波との位相差を用いることで、基本往復距離Ｅ０についての距離測定精度よりも更に精度を向上させる。搬送波の位相差を用いた測定精度向上処理は、搬送波の周波数ｆ０を有する電磁波の伝播波長λ０＝ｃ／ｆ０よりも、基本往復距離Ｅ０の分解能誤差２δｒが短くなるよう、無線タグ距離測定システムが設計されている場合に高い効果を得ることができる。すなわち、次の（数４）の関係が成立するよう、システム設計がなされていることが好ましい。
（数４）２δｒ＜ｃ／ｆ０

分解能誤差２δｒが先に定められている場合には、搬送波の周波数ｆ０は、ｃ／（２δｒ）よりも小さくなるよう、すなわち、搬送波の波長λ０は２δｒよりも長くなるよう決定すればよい。すなわち、（数４）を用いれば次の（数５）の関係を得ることができる。
（数５）ｆ０＜ｃ／（２δｒ）

ここで、基本往復距離Ｅ０の分解能誤差の２δｒは、基準正弦波信号の波長λの５０分の１以下に抑えることができることが確かめられている。したがって、基準正弦波信号の周波数を１０ＭＨｚとして波長を３０ｍとした場合、基本往復距離Ｅ０の分解能誤差は２δｒ＝６０ｃｍとなり、基本往復距離Ｅ０に基づく距離測定誤差は３０ｃｍ（±３０ｃｍ）となる。この場合、搬送波の周波数は、（数４）に基づき５００ＭＨｚ未満とすればよい。

図６に搬送波の位相差を用いた測定精度向上処理のフローチャートを示す。この処理は、図５に示す処理と同様の原理に基づき測定精度を向上するものである。図５に示す処理と重複する内容については説明を省略する。

搬送波位相差検出部４０は、拡散パルス変調信号の搬送波と、圧縮パルス変調信号の搬送波との位相差を測定位相差として求める（Ｓ２０１）。搬送波位相差検出部４０は、信号が無線送信部２２から出力されてから測定装置アンテナ２６に至るまでの位相変化量、無線タグの受送信応答に基づく位相変化量、および信号が測定装置アンテナ２６で受信されてから搬送波位相差検出部４０に至るまでの位相変化量を、測定位相差から減算した距離測定用位相差Ｑを求め、詳細距離算出部３８に出力する（Ｓ２０２）。この位相変化量は、無線タグ距離測定装置１０および無線タグに固有の量であり、予め設計またはキャリブレーションの段階で求めておくことができる。

詳細距離算出部３８は、正弦波距離算出部３６から出力された基本往復距離Ｅ０から分解能誤差δｒを減算した下限値ｅ１、および基本往復距離Ｅ０に分解能誤差δｒを加算した上限値ｅ２を求める（Ｓ２０３）。また、詳細距離算出部３８は、下限値ｅ１を搬送波信号の波長λ０で除した値の小数点以下を切り捨てた値をＭとして求める（Ｓ２０４）。そして、Ｅ１＝λ０（２Ｍπ＋Ｑ）／（２π）に従って求められる値を第１推定往復距離Ｅ１とする（Ｓ２０５）。

詳細距離算出部３８は、上限値ｅ２を搬送波波長λ０で除した値の小数点以下を切り捨てた値をＮとして求める（Ｓ２０６）。そして、Ｅ２＝λ０（２Ｎπ＋Ｑ）／（２π）に従って求められる値を第２推定往復距離Ｅ２とする（Ｓ２０７）。

詳細距離算出部３８は、第１推定往復距離Ｅ１と第２推定往復距離Ｅ２が等しいか否かを判定する（Ｓ２０８）。そして、これらの値が等しいときは、第１推定往復距離Ｅ１または第２推定往復距離Ｅ２の半分を無線タグまでの測定距離として決定し（Ｓ２０９）、測定距離情報を表示部４２に出力する（Ｓ２１１）。表示部４２は測定距離を表示する。

詳細距離算出部３８は、第１推定往復距離Ｅ１と第２推定往復距離Ｅ２とが異なるときには、これらの往復距離のうち下限値ｅ１と上限値ｅ２との間にある方を選択する。そして、選択した往復距離の半分を無線タグまでの測定距離として決定し（Ｓ２１０）、測定距離情報を表示部４２に出力する（Ｓ２１１）。表示部４２は測定距離を表示する。

このような構成および処理によれば、距離測定対象とする無線タグを指定し、無線タグ距離測定装置１０から無線タグまでの距離を測定することができる。例えば、図１に示される符号割り当てにおいて、距離測定対象として無線タグ１２−２を指定した場合、乗算部２０には無線タグ１２−２の固有割り当てＰＮ符号「１００１１・・・」に基づくＰＮ信号が出力される。これによって、無線タグ距離測定装置１０からは、無線タグ１２−２のＰＮ符号「１００１１・・・」に基づく拡散パルス変調信号が送信される。そして、拡散パルス変調信号を受信した無線タグ１２−１〜１２−４のうち、固有割り当てＰＮ符号「１００１１・・・」と同一の固有割り当てＰＮ符号が割り当てられた無線タグ１２−２が、圧縮パルス変調信号を送信する。したがって、無線タグ距離測定装置１０は、無線タグ１２−２までの距離を算出することができる。

本実施形態に係る無線タグ距離測定システムによれば、上述のＰＮ符号の直交性により、距離測定対象の無線タグのみが時間圧縮処理を行い圧縮パルス変調信号を送信する。そして、距離測定対象でない無線タグからは圧縮パルス変調信号は送信されない。したがって、無線タグ距離測定装置１０からの距離の差異が小さい複数の無線タグがある場合であっても、複数の無線タグからそれぞれ送信される信号が干渉することがなく、距離測定対象の無線タグまでの距離を算出することができる。

また、本実施形態に係る無線タグ距離測定システムでは、送信信号の立ち上がり時刻と受信信号の立ち上がり時刻との差に基づいて求められた往復立ち上がり距離を求め、さらに、送信信号の生成に用いる基準正弦波信号と受信信号に含まれる応答正弦波信号との位相差に基づいて無線タグまでの往復距離を基本往復距離として求める。そして、基本往復距離、および送信搬送波と受信搬送波との位相差に基づいて、距離測定精度を更に向上させる。これによって、信号の立ち上がり時刻のみに基づいて距離測定を行う場合に比して、距離測定精度を向上させることができる。

さらに、本実施形態に係る無線タグ距離測定システムでは、無線タグ距離測定装置１０が拡散パルス変調信号を送信する。拡散パルス変調信号は、ＰＮ符号の１符号分の時間長を有するパルス信号に比して、ＰＮ信号の時間長にわたってエネルギーが時間拡散されている。

無線タグ距離測定装置１０の無線送信部２２は、その飽和レベルまたは規格に定められた値を超える信号を送信することができない。しかし、本実施形態では、送信するパルス信号を時間拡散しているため、送信する信号のレベルを大きくすることなく、送信可能な総合電力量を大きくすることができる。

そして、本実施形態では、無線タグから無線タグ距離測定装置１０に送信される信号は、無線タグによって時間圧縮処理が施される。時間圧縮処理が施されて得られる信号のレベルは、時間圧縮処理を施す前の信号の総合電力量が大きい程大きくなる。したがって、時間拡散処理および時間圧縮処理を行わない測位システムに比して、無線タグ距離測定装置１０で受信される信号のレベルを大きくすることができ、測定可能な最大距離を大きくすることができる。

次に、無線タグ距離測定システムを応用した無線タグ測位システムについて図７を参照して説明する。無線タグ測位システムは、複数の無線タグ距離測定装置１０を配置することにより無線タグの位置を測定するものである。図７は４台の無線タグ距離測定装置１０を配置した例を示す。

情報処理装置５４は、距離測定対象の無線タグを指定する指定情報を各無線タグ距離測定装置１０の符号選択部１６に出力する。各無線タグ距離測定装置１０の符号選択部１６は、指定情報によって指定された無線タグの固有割り当てＰＮ符号をＰＮ符号記憶部１４から読み込む。そして、読み込んだＰＮ符号に基づいて距離測定を行う。これによって、各無線タグ距離測定装置１０は、情報処理装置５４によって指定された無線タグまでの距離を算出し、算出した距離を情報処理装置５４に出力する。

情報処理装置５４には、各無線タグ距離測定装置１０が設置されている位置を示す設置位置情報が記憶されている。情報処理装置５４は、各無線タグ距離測定装置１０から出力された距離算出結果と、各無線タグ距離測定装置１０の設置位置情報とに基づいて、指定した無線タグの位置を求める。

無線タグ１２の位置は次のようにして求めることができる。情報処理装置５４は、各無線タグ距離測定装置１０について、無線タグ距離測定装置１０の位置を中心とし、算出距離を半径の長さとする算出距離球面５６を表す式を求める。情報処理装置５４は、各無線タグ距離測定装置１０について求められた算出距離球面５６が交わる交点５８の位置を無線タグ１２の位置として算出する。

無線タグ距離測定装置１０を平面上に配置し、その平面上にある無線タグの位置を測定する場合には、同一直線上にない３台以上の無線タグ距離測定装置１０を配置すれば、１点の交点５８を求めることができ、これを無線タグの位置として求めることができる。また、３次元空間で無線タグの位置を測定する場合には、同一平面上にない４台以上の無線タグ距離測定装置１０を配置すればよい。

本発明の実施形態に係る無線タグ距離測定システムを応用した無線タグ測位システムは、工場における製品管理、日用品、小物等の販売を行う小売店、イベント参加者の居場所を管理する必要があるイベント会場等に用いることができる。

実施形態に係る無線タグ距離測定システムの構成を示す図である。実施形態に係る無線タグ距離測定装置の構成を示す図である。ＰＮ信号、基準正弦波信号、および正弦波ＰＮ信号を示す図である。無線タグの構成を示す図である。正弦波信号の位相差を用いた測定精度向上処理のフローチャートである。搬送波の位相差を用いた測定精度向上処理のフローチャートである。無線タグ測位システムの構成を示す図である。

符号の説明

１０無線タグ距離測定装置、１２，１２−１〜１２−４無線タグ、１４，５２ＰＮ符号記憶部、１６符号選択部、１８正弦波信号生成部、２０乗算部、２２無線送信部、２４ローカル信号発生器、２６測定装置アンテナ、２８無線受信部、３０受信増幅部、３２周波数変換部、３４立ち上がり距離算出部、３６正弦波距離算出部、３８詳細距離算出部、４０搬送波位相差検出部、４２表示部、４４無線タグアンテナ、４６分波器、４８相関処理デバイス、４８Ａディジタルマッチドフィルタ、５０ＰＮ符号設定回路、５４情報処理装置、５６算出距離球面、５８交点。

Claims

目標物距離測定を行うための距離測定信号を送信する無線送信部と、
前記距離測定信号の送信後に到来した到来信号を受信する無線受信部と、
目標物とする無線タグまでの距離を算出する距離算出部と、
を備える無線タグ距離測定装置において、
前記無線タグの固有割り当てＰＮ符号に応じた値を有するＰＮ信号を生成し、当該ＰＮ信号に正弦波信号を乗じた正弦波ＰＮ信号を生成し、さらに、前記正弦波ＰＮ信号を搬送波を含む無線信号に変換して、前記距離測定信号を生成する距離測定信号生成部、
を備え、
前記無線受信部は、
前記無線タグによって前記距離測定信号に対して時間圧縮処理が施された時間圧縮信号を前記到来信号として受信し、周波数を低域側にシフトする周波数変換を前記到来信号に対して施し、
前記距離算出部は、
前記正弦波ＰＮ信号の立ち上がり時刻と前記周波数変換後の信号の立ち上がり時刻との差に基づいて、前記無線タグまでの距離に対応した値を立ち上がり距離として算出し、
前記距離測定信号を生成する元となった正弦波信号と前記周波数変換後の信号との位相差、および前記立ち上がり距離に基づいて、前記無線タグまでの距離であって、前記立ち上がり距離の分解能誤差範囲内の距離、に対応した値を基本距離として算出し、
前記距離測定信号の搬送波と前記無線受信部で受信された到来信号の搬送波との位相差、および前記基本距離に基づいて、前記無線タグまでの距離であって前記基本距離の分解能誤差範囲内の距離、に対応した値を測定距離として算出し、
前記測定距離に基づいて前記無線タグまでの距離を算出することを特徴とする無線タグ距離測定装置。