JP5562810B2 - 距離測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定方法に関する。

従来、超音波を用いた距離測定方法が知られている。この方法では、既知の超音波の伝播速度と、距離を測定するために送受信した超音波の受信器における到達時刻とに基づいて、送信器と受信器との間の距離を測定する。すなわち、送受信器との間の超音波の伝搬時間により距離を測定するため、この方法において距離の測定精度を高めるには、受信器における超音波の到達時刻を高精度で特定することが必要となる。

超音波の到達時刻を精度良く特定するための方法の１つとして、相互相関値の計算に基づく方法が知られている。この方法では、測定のために送受信した測定波の形状と、予め測定しておいた参照波の形状とを比較し、これら測定波と参照波の位相が一致する時刻から、測定波の到達時刻を特定する。ここで、２つの波の位相が一致する時刻は、測定波の波形データと参照波の波形データとの相関値のピークを検索することにより特定される（特許文献１参照）。この方法によれば、波形形状のみにより到達時刻を特定できるため、送信器や受信器などの特性による位相遅延の影響が小さい、という利点がある。

国際公開第２００８／０９１０１２号公報

ところで、このような相互相関値の計算に基づく距離測定方法において、測定波の到達時刻を高い精度で特定するためには、波形データのサンプリング周波数を大きくする必要がある。より具体的には、波形データのサンプリング周波数を例えば５００ｋＨｚとした場合、超音波の伝播速度を３００ｍ／ｓｅｃとすると、その分解能は０．６ｍｍ程度となる。

しかしながら、サンプリング周波数を大きくし波形データのデータ量が大きくなると、相関値の演算に時間がかかってしまい、結果として距離の測定に時間がかかることとなる。このため、この方法を、生産ラインに設けられる産業機器などの即応性が要求される機器の制御に適用するのは困難であった。

本発明は、相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定方法であって、精度を落とすことなく短時間で距離を測定することが可能な距離測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、中心において周波数が最大となるように周波数変調された波形形状の超音波を送信する送信器（例えば、後述の送信器２）と、当該送信器から送信された超音波を受信する受信器（例えば、後述の受信器３）と、当該受信器からの出力信号を所定のサンプリング周波数の下でサンプリングし波形データ（例えば、後述の複数の相関用データや測定データなど）を生成する信号処理装置（例えば、後述の信号処理装置４）と、を備えた距離測定システム（例えば、後述の距離測定システム１）において、相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定方法（例えば、後述の図３に示す処理）を提供する。前記距離測定方法は、前記送信器および前記受信器により超音波である参照波を送受信し、前記受信器で受信した参照波について、所定の第１サンプリング周波数ｆａ´（例えば、後述のサンプリング周波数ｆａ´）の下でサンプリングすることで標本データ（例えば、後述の標本データＦ［ｉ］又はＦ２［ｊ］）を生成し、当該標本データを前記第１サンプリング周波数ｆａ´よりも小さい第２サンプリング周波数ｆｂ（例えば、後述のｆｂ）のデータにダウンサンプリングするとともに互いに位相の異なる複数の相関用データ（例えば、後述の複数の相関用データｆ［ｋ，ｍ］）を生成する準備工程（例えば、後述の図３中Ｓ２１に示す処理、および図４に示す処理）と、前記送信器および前記受信器により超音波である測定波を送受信し、前記受信器で受信した測定波について、前記第２サンプリング周波数ｆｂの下でサンプリングすることで測定データ（例えば、後述の測定データｇ［ｍ］）を生成する測定工程（例えば、後述の図３中Ｓ２２に示す処理、および図６に示す処理）と、前記測定データと前記複数の相関用データのそれぞれとの相対位置（例えば、後述の図７に示す処理における変数ｉ）をずらしながら、これらデータの相互相関値（例えば、後述の図７に示す処理における相互相関値Ｓ）のピークを検索し、当該相互相関値が最大となる相関用データの種類Ｓ＿ｍａｘ＿ｋおよび相対位置Ｓ＿ｍａｘ＿ｉを特定するピーク検索工程（例えば、後述の図３中Ｓ２３に示す処理、および図７中Ｓ７１およびＳ７２に示す処理）と、前記ピーク検索工程で特定された相対位置Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ（例えば、後述の相関最大位置Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ）に基づいて算出される時間Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ／ｆｂ（例えば、後述のＳ＿ｍａｘ＿ｉ／ｆｂ）と、前記ピーク検索工程で特定された相関用データの種類Ｓ＿ｍａｘ＿ｋにより指定される相関用データの前記標本データに対する位相差Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ×ｆｂ／ｆａ´（例えば、後述のＳ＿ｍａｘ＿ｋ／２０）に比例した時間（Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ×ｆｂ／ｆａ´）／ｆｂ（例えば、後述の（Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ／２０）／ｆｂ）と、前記相関用データの始点から周波数が最大となる中心点までの間隔であるオフセット量Ｎｏｆｆに比例した時間Ｎｏｆｆ／ｆｂ（例えば、後述のＮｏｆｆ／ｆｂ）と、に基づいて、下記式、
距離＝ｖ×（Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ＋Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ×ｆｂ／ｆａ´＋Ｎｏｆｆ）／ｆｂ
により距離を算出する距離算出工程（例えば、後述の図３中Ｓ２３に示す処理、および図７中Ｓ７３に示す処理）と、を含むことを特徴とする。

本発明では、先ず準備工程では、一旦、第１サンプリング周波数の下で比較的細かくサンプリングすることで標本データを生成した後、この標本データから、互いに位相の異なる複数の相関用データを第１サンプリング周波数より低い第２サンプリング周波数のデータにダウンサンプリングすることで生成する。次に、測定工程では、上記複数の相関用データと同じ周波数である第２サンプリング周波数の下で測定データを生成する。次に、ピーク検索工程では、測定データと複数の相関用データのそれぞれの相対位置をずらしながら、これらデータの相互相関値のピークを検索し、相互相関値が最大となる相関用データの種類と相対位置とを特定し、距離算出工程では、特定した相対位置と相関用データの標本データに対する位相差などに基づいて、距離を算出する。
ここで、特に本発明では、測定データとの相互相関値を算出する相関用データとして、比較的細かくサンプリングして生成された標本データをダウンサンプリングすることにより、互いに位相の異なるものを複数準備する。このように、互いに位相の異なる複数の相関用データと測定データとの相互相関値のピークを検索することにより、測定データおよび相関用データのサンプリング周波数より実質的に高い精度で距離を算出することができる。すなわち、本発明によれば、単純に単一の測定データと相関用データとに基づいて測定波の到達時刻、ひいては距離を算出する従来の方法と比較して、測定精度を落とすことなくサンプリング周波数を小さくすることができる。したがって、従来と比較して、測定精度を落とすことなく測定データおよび相関用データのデータ量を減らし、相互相関値の計算量を減らすことができるので、短時間での距離の測定が可能となる。

この場合、前記ピーク検索工程では、相互相関値のピークを検索する際、前記測定データおよび前記相関用データそれぞれの波形の傾きの符号が同じであるか否かに基づいて前記測定データと前記相関用データとの明らかな相関の有無を判定し、前記それぞれの波形の傾きの符号が同じで明らかに相関があると判定された場合にのみ相互相関値を算出することが好ましい。

本発明では、ピーク検索工程において相互相関値のピークを検索する際、測定データおよび相関用データそれぞれの波形の傾きに基づいて測定データと相関用データとの明らかな相関の有無を判定し、明らかに相関があると判定された場合にのみ相互相関値を算出する。これにより、不必要な相互相関値の計算を省くことができるので、さらに短時間での距離の測定が可能となる。

本発明の一実施形態に係る距離測定方法が適用された距離測定システムの模式的な構成を示す図である。 上記実施形態に係る送信器から送信される超音波の波形形状の具体例を示す図である。 上記実施形態に係る距離測定方法の手順を示すフローチャートである。 複数の相関用データ生成の具体的な手順を示すフローチャートである。 標本データから複数の相関用データを生成する手順を模式的に示す図である。 測定データ生成の具体的な手順を示すフローチャートである。 送受信器間距離算出の具体的な手順を示すフローチャートである。 相互相関値のピークを検索する手順を模式的に示す図である。 測定データと相関用データとの間に略半波長分の位相差があり、これらデータの間に明らかに相関がない状態を示す図である。 測定データと相関用データとの位相が略一致しており、これら測定データおよび相関用データの間に相関があると考えられる図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る距離測定方法が適用された距離測定システム１の構成を示す模式図である。
距離測定システム１は、超音波を送信する送信器２と、送信器２から送信された超音波を受信する受信器３と、受信器３からの出力信号を処理する信号処理装置４と、信号処理装置４から送信されたデータに基づいて各種演算を行う演算装置５と、を含んで構成される。この距離測定システム１では、送信器２から所定のタイミングで送信された超音波を受信器３で受信するとともに、信号処理装置４および演算装置５により受信器３における超音波の到達時刻を相互相関値の計算に基づいて特定し、この到達時刻と既知の超音波の伝播速度から送信器２と受信器３との間の距離を測定する。

送信器２は、信号処理装置４からのトリガ信号を受信したことに応じて、所定の波形形状の超音波を、受信器３へ向けて送信する。
図２は、送信器により送信される超音波の波形形状の具体例を示す図であり、受信器で受信した超音波から生成した後述の波形データをプロットした図である。本実施形態では、図２に示すように略中心において周波数が最大となるように周波数変調された波形形状の超音波を用いるが、本発明はこの形状に限るものではない。

図１に戻って、受信器３は、送信器２から送信された超音波を受信し、電気信号に変換する。
信号処理装置４は、所定のタイミングでトリガ信号を送信器２に送信し、送信器２から超音波を送信させる。また、信号処理装置４は、受信器３からの出力信号を所定のサンプリング周波数の下でサンプリングし、受信器３で受信した超音波の波形を数値化した波形データを生成し、演算装置５に送信する。
演算装置５は、信号処理装置４から送信された波形データに基づいて、以下に示す各種演算処理を行うことにより距離を算出する。

図３は、上記距離測定システムにより距離を測定する距離測定方法の手順を示すフローチャートである。
先ずＳ２１では、Ｓ２２およびＳ２３に示す本測定工程に先立つ準備工程として、複数の相関用データを生成する。より具体的には、送信器および受信器により超音波である参照波を送受信し、受信器で受信した参照波に基づいて複数の相関用データを生成する。ここで送受信する参照波の波形形状としては、上述の図２に示すものが用いられる。なお、これら複数の相関用データ生成の詳細な手順については、後に図４および図５を参照して説明する。

Ｓ２２では、送信器および受信器により超音波である測定波を送受信し、受信器で受信した測定波に基づいて測定データを生成する。ここで送受信する測定波の波形形状としては、上述のＳ２１において送受信される参照波と同じものが用いられる。なお、測定データ生成の詳細な手順については、後に図６を参照して説明する。

Ｓ２３では、Ｓ２１で生成した複数の相関用データおよびＳ２２で生成した測定データに基づいて、送受信器間の距離を算出する。なお、送受信器間の距離算出の詳細な手順については、後に図７から図１０を参照して説明する。

図４は、複数の相関用データ生成の具体的な手順を示すフローチャートである。
先ず、Ｓ４１では、複数の相関用データの元となる波形データを生成し、Ｓ４２に移る。より具体的には、このＳ４１では、送信器および受信器により参照波を送受信し、受信器で受信した参照波について第１サンプリング周波数ｆａの下でサンプリングし、波形データを生成する。本実施形態では、例えば、第１サンプリング周波数ｆａを２００ＭＨｚとし、参照波の周波数最大となる中心を含むように４００００００点にわたって波形データを生成する。

Ｓ４２では、Ｓ４１で生成した波形データのうち周波数が最大となる中心付近を切り出すことにより標本データを生成し、Ｓ４３に移る。より具体的には、Ｓ４１で生成した波形データに対し、図２において破線で示すように周波数が最大となる点を中心とした所定の幅の区間にわたってデータを切り出し、これを標本データＦ［ｉ］とする。ここで“ｉ”は、第１サンプリング周波数ｆａの下で離散化した時間におけるサンプリング時刻を示す。

本実施形態では、Ｓ４１で生成した波形データから２０００００点のデータを切り出すことにより、標本データＦ［ｉ］（ｉ＝０〜１９９９９９）を生成する。また、このステップＳ４２においてデータを切り出した区間の始点、すなわち標本データの始点から周波数が最大となる中心点までの間隔をオフセット量という。

Ｓ４３では、Ｓ４２で生成した標本データＦ［ｉ］に含まれるノイズを除去した後、Ｓ４５に移る。より具体的には、ノイズを含んだ元の標本データＦ［ｉ］に対し、所定のデータ数にわたる平均値を算出することにより、高周波数成分のノイズが除去された標本データＦ２［ｊ］を生成する。ここで“ｊ”は、第１サンプリング周波数ｆａより小さなサンプリングｆａ´の下で離散化した時間におけるサンプリング時刻を示す。

本実施形態では、ノイズを除去するために平均するデータ数を２１点とする。これにより、１００００点のデータからなる標本データＦ２［ｊ］（ｊ＝０〜９９９９）が生成される。またこの場合、標本データＦ２［ｊ］のサンプリング周波数ｆａ´は、第１サンプリング周波数ｆａの１／２０、すなわち１０ＭＨｚとなる。

図４中、Ｓ４３１〜Ｓ４３６には、標本データＦ［ｉ］から、標本データＦ２［ｊ］を生成する具体的な手順を示す。これらＳ４３１〜Ｓ４３６に示す手順によれば、サンプリング時刻が“０”、すなわち第０番目の標本データＦ２［０］のみ、第０番目の標本データＦ［０］と等しいものと定義される（下記式（１）参照）。また、第ｊ番目（ｊ＝１〜９９９９）の標本データＦ２［ｊ］は、それぞれ第２０×ｊ番目の標本データＦ［２０×ｊ］を中心とした前後１０点にわたる合計２１個の標本データＦ［２０×ｊ−１０］，Ｆ［２０×ｊ−９］，…，Ｆ［２０×ｊ＋１０］の平均値により定義される（下記式（２）参照）。
Ｆ２［ｊ］＝Ｆ［ｊ］ （ｊ＝０） （１）
Ｆ２［ｊ］＝（Ｆ［２０×ｊ−１０］＋…＋Ｆ［２０×ｊ＋１０］）／２１
（ｊ＝１〜９９９９） （２）

Ｓ４５では、標本データＦ２［ｊ］から複数の相関用データを生成した後、図３のＳ２２に移る。図５は、標本データＦ２［ｊ］から複数の相関用データを生成する手順を模式的に示す図である。
このＳ４５では、ノイズが除去された標本データＦ２［ｊ］を第１サンプリング周波数ｆａおよび上記サンプリング周波数ｆａ´よりも小さい第２サンプリング周波数ｆｂのデータにダウンサンプリングし互いに位相の異なる複数の相関用データを生成する。より具体的には、相関用データの種類ごとに位相をずらしながら第２サンプリング周波数ｆｂの下で標本データＦ２［ｊ］を間引くことにより、位相の異なる複数の相関用データｆ［ｋ，ｌ］を生成する。ここで、“ｋ”は、相関用データの種類を示す指数であり、“ｌ”は、第２サンプリング周波数ｆｂの下で離散化した時間におけるサンプリング時刻を示す。

本実施形態では、第２サンプリング周波数ｆｂを、標本データＦ２［ｊ］のサンプリング周波数ｆａ´よりさらに２０倍小さいｆａ´／２０（＝ｆａ／４００）とし、さらに相関用データの種類ごとに、標本データＦ２のサンプリング周期１／ｆａ´だけ位相をずらしながら、単一の標本データＦ２［ｊ］から合計２０種類の相関用データを生成する。これにより、５００点のデータからなる２０種類の相関用データｆ［ｋ，ｌ］（ｋ＝０〜１９，ｌ＝０〜４９９）が生成される。また、第２サンプリング周波数ｆｂは５００ｋＨｚとなる。

図４中、Ｓ４５１〜Ｓ４５７には、単一の標本データＦ２［ｊ］から、２０種類の相関用データｆ［ｋ，ｌ］を生成する具体的な手順を示す。
先ず、Ｓ４５１では、以下の処理により生成する相関用データの種類に相当する変数ｋを“０”にセットする。その後は、Ｓ４５７において変数ｋが２０以上となるまで、Ｓ４５２〜Ｓ４５５に示す第ｋ番目の相関用データの生成と、Ｓ４５６に示す変数ｋのインクリメントと、を繰り返し実行する。

Ｓ４５２では、以下の処理により生成する相関用データの要素数（第２サンプリング周波数ｆｂの下で離散化したサンプリング時刻に相当）に相当する変数ｌを“０”にセットする。その後は、Ｓ４５５において変数ｌが５００以上となるまで、Ｓ４５３に示す処理と、Ｓ４５４に示す変数ｌのインクリメントと、を繰り返し実行する。
Ｓ４５３では、サンプリング時刻ｌにおける第ｋ番目の相関用データｆ［ｋ，ｌ］を、下記式（３）に示すように、相関用データの種類ごとに、標本データＦ２のサンプリング周期１／ｆａ´だけ位相をずらしながら、２０点に１つの間隔で間引くことにより定義する。
ｆ［ｋ，ｌ］＝Ｆ２［２０×ｌ＋ｋ］ （３）

図６は、測定データ生成の具体的な手順を示すフローチャートである。
Ｓ６１では、信号処理装置からトリガ信号を送信器に送信し、送信器から測定波を送信させ、Ｓ６２に移る。

Ｓ６２では、受信器により測定波を受信し、受信した測定波について、上述の各相関用データｆ［ｋ，ｌ］のサンプリング周波数と同じである第２サンプリング周波数ｆｂの下でサンプリングし、測定データｇ［ｍ］を生成し、図３のＳ２３に移る。ここで“ｍ”は、第２サンプリング周波数ｆｂの下で離散化した時間におけるサンプリング時刻を示す。本実施形態では、測定波の周波数最大となる中心を含むように、１００００点にわたって測定データｇ［ｍ］（ｍ＝０〜９９９９）を生成する。

図７は、送受信器間距離算出の具体的な手順を示すフローチャートである。
Ｓ７１では、測定データｇ［ｍ］のうち周波数最大となるサンプリング時刻ｇ＿ｍａｘ＿ｍを抽出する。以下、この周波数最大となるサンプリング時刻ｇ＿ｍａｘ＿ｍを中心時刻という。図７中、Ｓ７１１〜Ｓ７１５には、測定データｇ［ｍ］から中心時刻ｇ＿ｍａｘ＿ｍを抽出する具体的な手順を示す。先ず、Ｓ７１１では、変数ｍを“０”にセットする。その後、Ｓ７１５において、変数ｍが１００００以上となるまで、Ｓ７１２およびＳ７１３に示す処理と、Ｓ７１４に示す変数ｍのインクリメントとを、繰り返し実行する。Ｓ７１２およびＳ７１３では、時刻ｍにおける測定データの傾きｇ［ｍ＋１］−ｇ［ｍ］を演算し、この傾きが最大となる時刻を中心時刻ｇ＿ｍａｘ＿ｍとして抽出する。
このようにして、測定データｇ［ｍ］の中心時刻ｇ＿ｍａｘ＿ｍを予め抽出しておくことにより、周波数が最大となる中心付近において測定データと相関用データとの相互相関値の計算を行うことができるのでピークの検索にかかる計算回数を減らすことができる。

Ｓ７２では、測定データｇ［ｍ］と複数の相関用データｆ［ｋ，ｌ］のそれぞれとの相対位置をずらしながら、これら測定データｇ［ｍ］および相関用データｆ［ｋ，ｌ］の相互相関値のピークを検索することにより、後述の２つのパラメータＳ＿ｍａｘ＿ｉ，Ｓ＿ｍａｘ＿ｋを特定する。以下、この処理の手順について具体的に説明する。

先ず、Ｓ７２１では、以下の処理において、測定データとの相互相関値の計算の対象となる相関用データの種類を示す変数ｋを“０”にセットする。その後、Ｓ７３６において変数ｋが２０以上となるまで、Ｓ７２２〜Ｓ７３４に示す処理と、Ｓ７３５に示す変数ｋのインクリメントとを、繰り返し実行する。

図８は、相互相関値のピークを検索する手順を模式的に示す図である。
Ｓ７２２〜Ｓ７３４に示す処理では、測定データと第ｋ番目の相関用データとの相対位置を、１サンプリング周期（１／ｆｂ）ずつずらしながら、これら相関用データと測定データとの相互相関値を計算し、そのピークを検索する。
先ずＳ７２２では、以下の処理において、第ｋ番目の相関用データと測定データとの相対位置を指定する変数ｉを、ｇ＿ｍａｘ＿ｍ−５０−Ｎｏｆｆにセットする。その後、Ｓ７３４において変数ｉがｇ＿ｍａｘ＿ｍ＋５０−Ｎｏｆｆより大きくなるまで、Ｓ７２３〜Ｓ７３２に示す処理と、Ｓ７３３に示す変数ｉのインクリメントとを、繰り返し実行する。すなわち、本実施形態では、測定データの時刻を１００サンプリング周期分の範囲内で第ｋ番目の相関用データとの相互相関値のピークを検索する。なお、変数Ｎｏｆｆは、上記Ｓ４２において定義したオフセット量に相当する正の整数である。

Ｓ７２３〜Ｓ７３２に示すピークを検索する処理は、Ｓ７２３〜７２９に示す明らかな相関の有無を判定する処理と、Ｓ７３０に示す相互相関値の計算処理と、Ｓ７３１、Ｓ７３２に示す最大値の格納処理と、に分けられる。以下、これらの処理を順に説明する。

図９および図１０を参照して、Ｓ７２３〜７２９に示す明らかな相関の有無を判定する処理について説明する。
図９は、測定データと相関用データとの間に略半波長分の位相差があり、これらデータの間に明らかに相関がない状態を示す図である。図１０は、測定データと相関用データとの位相が略一致しており、これら測定データおよび相関用データの間に相関があると考えられる図である。これら図９および図１０において、四角印は測定データを示し、三角印は相関用データを示す。

図９に示すように、測定データと相関用データとの間に明らかに相関が無い場合には、任意の時刻における測定データの傾きと、同じ時刻における相関用データの傾きは、逆になっているのに対し、図１０に示すように、測定データと相関用データとの間に相関があると考えられる場合には、任意の時刻における測定データの傾きの符号と、同じ時刻における相関用データの傾きの符号とは同じになっていると考えられる。

すなわち、測定データｇと第ｋ番目の相関用データｆとの間の明らかな相関の有無は、相関値の演算を経ずとも、任意のサンプリング時刻ｔにおいて下記式（４）が成立するか否かによって簡易に判定することができる。
（ｆ［ｋ，ｔ］−ｆ［ｋ，ｔ＋１］）／（ｇ［ｔ］−ｇ［ｔ＋１］）＞０ （４）

なお、上記式（４）に示すような、測定データおよび相関用データのそれぞれの波形の傾きに基づく明らかな相関の有無の判定は、測定データおよび相関用データがそれぞれ一定の周期関数であることから、図１０に示すように、高々半周期分にわたって計算すればよい。したがって、本実施形態では、上記式（４）に示す相関の有無の判定を、７点にわたって行えばよい。図７に戻って、その具体的な手順について説明する。

Ｓ７２３ではサンプリング時刻０における相関用データと測定データの傾きの符号が同じであるか否かを判定し（下記式（５）参照）、符号が同じである場合にはＳ７２４に移る。
（ｆ［ｋ，０］−ｆ［ｋ，１］）／（ｇ［ｉ］−ｇ［ｉ＋１］）＞０ （５）

Ｓ７２４ではサンプリング時刻１における相関用データと測定データの傾きの符号が同じであるか否かを判定し（下記式（６）参照）、符号が同じである場合にはＳ７２５に移る。
（ｆ［ｋ，１］−ｆ［ｋ，２］）／（ｇ［ｉ＋１］−ｇ［ｉ＋２］）＞０ （６）

Ｓ７２５ではサンプリング時刻２における相関用データと測定データの傾きの符号が同じであるか否かを判定し（下記式（７）参照）、符号が同じである場合にはＳ７２６に移る。
（ｆ［ｋ，２］−ｆ［ｋ，３］）／（ｇ［ｉ＋２］−ｇ［ｉ＋３］）＞０ （７）

Ｓ７２６ではサンプリング時刻３における相関用データと測定データの傾きの符号が同じであるか否かを判定し（下記式（８）参照）、符号が同じである場合にはＳ７２７に移る。
（ｆ［ｋ，３］−ｆ［ｋ，４］）／（ｇ［ｉ＋３］−ｇ［ｉ＋４］）＞０ （８）

Ｓ７２７ではサンプリング時刻４における相関用データと測定データの傾きの符号が同じであるか否かを判定し（下記式（９）参照）、符号が同じである場合にはＳ７２８に移る。
（ｆ［ｋ，４］−ｆ［ｋ，５］）／（ｇ［ｉ＋４］−ｇ［ｉ＋５］）＞０ （９）

Ｓ７２８ではサンプリング時刻５における相関用データと測定データの傾きの符号が同じであるか否かを判定し（下記式（１０）参照）、符号が同じである場合にはＳ７２９に移る。
（ｆ［ｋ，５］−ｆ［ｋ，６］）／（ｇ［ｉ＋５］−ｇ［ｉ＋６］）＞０ （１０）

Ｓ７２９ではサンプリング時刻６における相関用データと測定データの傾きの符号が同じであるか否かを判定し（下記式（１１）参照）、符号が同じである場合にはＳ７３０に移る。
（ｆ［ｋ，６］−ｆ［ｋ，７］）／（ｇ［ｉ＋６］−ｇ［ｉ＋７］）＞０ （１１）

これらＳ７２３〜Ｓ７２９の何れかにおいて１つでも傾きの符号が異なると判定された場合、すなわち測定データの第ｉ番目の位置に相関用データの始点を一致させたときにおけるこれら測定データと相関用データの間に明らかな相関が無いと判定された場合、Ｓ７３０に示す相互相関値の計算を行うことなくＳ７３３に移り、変数ｉをインクリメントする。これらＳ７２３〜Ｓ７２９の全てで傾きの符号が同じであると判定された場合にのみ、すなわち測定データと相関用データの間に明らかな相関が有ると判定された場合にのみ、Ｓ７３０に移り相互相関値の計算を行う。

Ｓ７３０では、測定データと相関用データとの相互相関値Ｓを計算する。ここで、相互相関値Ｓは、例えば下記式（１２−１）に示すように、測定データの第ｉ番目の位置に第ｋ番目の相関用データの始点を一致させて算出する。なお、下記式（１２−１）におけるｆ＿ａｖｅ［ｋ］は、下記式（１２−２）に示すように相関用データの第０成分ｆ［ｋ，０］から第４９９成分ｆ［ｋ，４９９］にわたる平均値であり、ｇ＿ａｖｅ［ｉ＋ｎ］は、下記式（１２−３）に示すように測定データの第ｉ＋ｎ成分ｇ［ｉ＋ｎ］から第ｉ＋ｎ＋４９９成分ｇ［ｉ＋ｎ＋４９９］にわたる平均値である。式（１２−１）で定義される相互相関値Ｓを用いることにより、受信波形の倍率の変動によらない値を得ることができる。

Ｓ７３１では、Ｓ７３０で算出した相互相関値Ｓと、これまでの処理における相互相関値の最大値Ｓ＿ｍａｘとを比較し、算出した相互相関値Ｓが過去の最大値Ｓ＿ｍａｘより大きい場合にはＳ７３２に移り、小さい場合にはＳ７３３に移る。Ｓ７３２では、過去の最大値Ｓ＿ｍａｘを今回算出した相互相関値Ｓで更新し、さらにこのときの測定データと相関用データとの相対位置を示す変数ｉをＳ＿ｍａｘ＿ｉとし、相関用データの種類を示す変数ｋをＳ＿ｍａｘ＿ｋとする。
以上のような処理を繰り返すことにより、相互相関値の最大値Ｓ＿ｍａｘと、相互相関値のピークにおける測定データと相関用データとの相対位置（以下、「相関最大位置」という）Ｓ＿ｍａｘ＿ｉと、相互相関値のピークにおける相関用データの種類を示す指数Ｓ＿ｍａｘ＿ｋと、が特定される。

次に、Ｓ７４では、Ｓ７２で相互相関値のピークを検索することで特定された相関最大位置Ｓ＿ｍａｘ＿ｉに基づいて算出される時間Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ／ｆｂと、特定された相関用データの標本データに対する位相差Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ／２０に比例した時間（Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ／２０）／ｆｂと、相関用データのオフセット量Ｎｏｆｆに比例した時間Ｎｏｆｆ／ｆｂと、測定波の伝播速度ｖと、に基づいて、下記式（１３）により距離を算出する。
距離＝ｖ×（Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ＋Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ／２０＋Ｎｏｆｆ）／ｆｂ （１３）

上記式（１３）中、“（Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ＋Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ／２０＋Ｎｏｆｆ）／ｆｂ”は、測定データｇ［ｍ］の測定を開始（測定データｇ［０］を記録した時刻）してから、受信器により測定波の中心を検出するまでの時間に相当する。

特に、上記式（１３）中、“（Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ／２０）／ｆｂ”は、指数Ｓ＿ｍａｘ＿ｋにより指定される相関用データｆ［Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ，ｌ］と、標本データＦ２［ｊ］との位相差に比例した時間に相当する。上述のように、複数の相関用データのそれぞれのサンプリング周期は１／ｆｂであるが、これら相関用データの標本データＦ２［ｊ］に対する位相は、上記サンプリング周波数１／ｆｂよりも短いサンプリング周期１／ｆａ´分ずつ異なる。したがって、距離の算出においてこのような項を加えることにより、測定データおよび相関用データのサンプリング周波数ｆｂよりも実質的に高い精度で距離を測定することが可能となる。

なお、上記式（１３）で算出される距離は、上述のように、測定データｇ［０］を記録した時刻から受信器により周波数最大となる中心を検出するまでの時間に相当する。したがって、例えば、送信器から測定波を送信させるトリガ信号の送信時刻から、受信器から送信する測定波の周波数最大となる時刻を特定し、この時刻と、上記測定データｇ［０］を記録する時刻とを同期することにより、上記式（１３）で算出される距離を送信器と受信器との間の距離とすることができる。

以上、詳述した本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）上記実施形態では、先ず図４に示す準備工程では、一旦、第１サンプリング周波数ｆａの下で比較的細かくサンプリングすることで標本データＦ［ｉ］を生成し、さらにこの標本データＦ［ｉ］からノイズを除去し標本データＦ２［ｊ］を生成した後、この標本データＦ２［ｊ］から、互いに位相の異なる複数の相関用データｆ［ｋ，ｌ］を第１サンプリング周波数ｆａより低い第２サンプリング周波数ｆｂのデータにダウンサンプリングすることで生成する。次に、図６に示す測定工程では、上記複数の相関用データｆ［ｋ，ｌ］と同じ周波数である第２サンプリング周波数ｆｂの下で測定データｇ［ｍ］を生成する。次に、図７中Ｓ７１，Ｓ７２に示すピーク検索工程では、測定データｇ［ｍ］と複数の相関用データｆ［ｋ，ｌ］のそれぞれの相対位置を示す変数ｉをずらしながら、これらデータの相互相関値Ｓのピークを検索し、相互相関値Ｓが最大となる相関用データの種類を示す指数Ｓ＿ｍａｘ＿ｋと相関最大位置Ｓ＿ｍａｘ＿ｉとを特定し、図７中Ｓ７３に示す距離算出工程では、特定した指数Ｓ＿ｍａｘ＿ｋで指定される相関用データｆ［Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ，ｌ］の標本データＦ２［ｍ］に対する位相差などに基づいて、距離を算出する。
ここで、特に本実施形態では、測定データｇ［ｍ］との相互相関値Ｓを算出する相関用データｆ［ｋ，ｌ］として、比較的細かくサンプリングして生成された標本データＦ２［ｊ］をダウンサンプリングすることにより、互いに位相の異なるものを複数準備する。このように、互いに位相の異なる複数の相関用データｆ［ｋ，ｌ］と測定データｇ［ｍ］との相互相関値Ｓのピークを検索することにより、測定データｇ［ｍ］および相関用データｆ［ｋ，ｌ］のサンプリング周波数ｆｂより実質的に高い精度で距離を算出することができる。すなわち、本実施形態によれば、単純に単一の測定データと相関用データとに基づいて測定波の到達時刻、ひいては距離を算出する従来の方法と比較して、測定精度を落とすことなくサンプリング周波数を小さくすることができる。したがって、従来と比較して、測定精度を落とすことなく測定データｇ［ｍ］および相関用データｆ［ｋ，ｌ］のデータ量を減らし、相互相関値Ｓの計算量を減らすことができるので、短時間での距離の測定が可能となる。

（２）上記実施形態では、Ｓ７１およびＳ７２に示すピーク検索工程において相互相関値Ｓのピークを検索する際、Ｓ７２３〜Ｓ７２９において測定データおよび相関用データそれぞれの波形の傾きに基づいて測定データと相関用データとの明らかな相関の有無を判定し、明らかに相関があると判定された場合にのみ相互相関値Ｓを算出する。これにより、不必要な相互相関値Ｓの計算、すなわちピークとはなり得ない相互相関値Ｓの計算を省くことができるので、さらに短時間での距離の測定が可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態で挙げたサンプリング周波数ｆａ，ｆｂやデータ数などの具体的な値は一例であり、本発明はこれに限るものではない。

１…距離測定システム
２…送信器
３…受信器
４…信号処理装置
５…演算装置

Claims (2)

1. 中心において周波数が最大となるように周波数変調された波形形状の超音波を送信する送信器と、
   当該送信器から送信された超音波を受信する受信器と、
   当該受信器からの出力信号を所定のサンプリング周波数の下でサンプリングし波形データを生成する信号処理装置と、を備えた距離測定システムにおいて、相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定方法であって、
   前記送信器および前記受信器により超音波である参照波を送受信し、前記受信器で受信した参照波について、所定の第１サンプリング周波数ｆａ´の下でサンプリングすることで標本データを生成し、当該標本データを前記第１サンプリング周波数ｆａ´よりも小さい第２サンプリング周波数ｆｂのデータにダウンサンプリングするとともに互いに位相の異なる複数の相関用データを生成する準備工程と、
   前記送信器および前記受信器により超音波である測定波を送受信し、前記受信器で受信した測定波について、前記第２サンプリング周波数ｆｂの下でサンプリングすることで測定データを生成する測定工程と、
   前記測定データと前記複数の相関用データのそれぞれとの相対位置をずらしながら、これらデータの相互相関値のピークを検索し、当該相互相関値が最大となる相関用データの種類Ｓ＿ｍａｘ＿ｋおよび相対位置Ｓ＿ｍａｘ＿ｉを特定するピーク検索工程と、
   前記ピーク検索工程で特定された相対位置Ｓ＿ｍａｘ＿ｉに基づいて算出される時間Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ／ｆｂと、前記ピーク検索工程で特定された相関用データの種類Ｓ＿ｍａｘ＿ｋにより指定される相関用データの前記標本データに対する位相差Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ×ｆｂ／ｆａ´に比例した時間（Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ×ｆｂ／ｆａ´）／ｆｂと、前記相関用データの始点から周波数が最大となる中心点までの間隔であるオフセット量Ｎｏｆｆに比例した時間Ｎｏｆｆ／ｆｂと、に基づいて、下記式、
   距離＝ｖ×（Ｓ＿ｍａｘ＿ｉ＋Ｓ＿ｍａｘ＿ｋ×ｆｂ／ｆａ´＋Ｎｏｆｆ）／ｆｂ
   により距離を算出する距離算出工程と、を含むことを特徴とする距離測定方法。
2. 前記ピーク検索工程では、相互相関値のピークを検索する際、前記測定データおよび前記相関用データそれぞれの波形の傾きの符号が同じであるか否かに基づいて前記測定データと前記相関用データとの明らかな相関の有無を判定し、前記それぞれの波形の傾きの符号が同じで明らかに相関があると判定された場合にのみ相互相関値を算出することを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。

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