JP5630066B2

JP5630066B2 - 送受信信号相関検出装置及び距離測定装置

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Publication number: JP5630066B2
Application number: JP2010098671A
Authority: JP
Inventors: 雪松毛; 大介井上; 松原　弘幸; 弘幸松原
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: JP2011226978A

Description

本発明は、送受信信号相関検出装置及び距離測定装置に関する。

従来、送信信号発生部で所定チップ長のＰＮ符号（擬似ランダム雑音符号）を発生し、発光部からＰＮ符号に対応したレーザ光を出射させ、その反射波を受光部で受光すると共にコンパレータで２値化し、相関器で２値化後の信号とＰＮ符号との相関計算を行うことで、距離測定を行うスペクトラム拡散方式の距離測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の距離測定装置では、受光部とコンパレータとの間に、受信信号から直流〜低周波信号成分を除去するハイパスフィルタが設けられており、受信信号をこのハイパスフィルタを通過させることにより、受信信号の中心電位を０にシフトし、閾値電位であるグランド電位と比較することでコード認識している。

また、受信信号を２値化する際の閾値を、受信信号の信号パワーに応じて変更する方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００２−３６８７２０号公報

C-J Kim, T-W Hwang, H-J Lee and H-S Lee, "Acquisition of PN code with adaptive threshold for DS/SS communications", Electron. Lett., Vol. 33, Issue 16, pp.1352-1354, Jul. 1977.

しかしながら、特許文献１の距離測定装置では、受信信号の中心電位を０に調整するためにハイパスフィルタのカットオフ周波数をどのような値にすればよいかについては記載されていない。また、受信信号のレベルによっては、受信信号の中心電位を０までシフトさせる必要がない場合があるにも関わらず、特許文献１の距離測定装置では、閾値電位をグランド電位としているため、受信信号の中心電位を０にシフトさせており、必要以上にカットオフ周波数を高く設定する必要がある、という問題がある。

また、非特許文献１の方式は、無線通信などの受信列が長い場合には適用することができるが、収束性の遅いアルゴリズムを受信信号に用いる場合には、受信信号の受信初期部分についてコード認識することができず、ＰＮ符号と受信信号との相関値のピークが低下する、という問題がある。

本発明は、上記問題を解決するために成されたものであり、ローカットオフ周波数を適切に設定して、受信信号の２値化の際のコード認識率の低下を抑制して、高い相関値のピークが得られる送受信信号相関検出装置及び距離測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の送受信信号相関検出装置は、所定のコード列の信号に応じて変調された光パルスを間欠的に送信する送信手段と、前記送信手段により送信され、目標対象物で反射された反射光パルスを受信して受信信号を出力する受信手段と、前記受信手段により出力された受信信号から所定の周波数帯域の信号を除去する除去手段と、前記除去手段により所定の周波数帯域の信号が除去された受信信号を、予め定めた閾値と比較して２値化する２値化手段と、前記所定のコード列の信号と前記２値化手段により２値化された受信信号との相関を検出する相関検出手段と、を含んで構成されている。

また、前記除去手段により除去される低域の周波数帯域を定めるローカットオフ周波数の下限を、前記ローカットオフ周波数に応じた前記除去手段通過後の受信信号の信号レベルが、該受信信号のピーク値の所定割合の値まで低下した状態となるまでの時間であって、前記ローカットオフ周波数が高くなるほど短くなる時間が、前記所定のコード列の信号に対応した受信信号の長さに相当する時間より小さくなる周波数とし、前記ローカットオフ周波数の上限を、前記ローカットオフ周波数に応じた前記除去手段通過後の受信信号のパルスの立上り部分の信号レベルと立下り部分の信号レベルとの差を、前記立上り部分の信号レベルで除算した値で表され、かつ前記ローカットオフ周波数が高くなるほど大きくなるパルスひずみの相対量を１から減算した値が、前記受信信号のピーク値を１とした場合の前記予め定めた閾値と雑音成分の信号レベルとの和より大きくなる周波数としている。

本発明の送受信信号相関検出装置によれば、送信手段が、所定のコード列の信号に応じて変調された光パルスを間欠的に送信し、受信手段が、送信手段により送信され、目標対象物で反射された反射光パルスを受信して受信信号を出力する。そして、除去手段が、受信手段により出力された受信信号から所定の周波数帯域の信号を除去し、２値化手段が、除去手段により所定の周波数帯域の信号が除去された受信信号を、予め定めた閾値と比較して２値化し、相関検出手段が、所定のコード列の信号と２値化手段により２値化された受信信号との相関を検出する。

ここで、除去手段通過後の受信信号の信号レベルはマイナス方向へシフトされて定常状態となるが、この定常状態となるまでの時間は除去手段におけるローカットオフ周波数により変化する。そこで、除去手段により除去される低域の周波数帯域を定めるローカットオフ周波数の下限を、ローカットオフ周波数に応じた除去手段通過後の受信信号の信号レベルが、受信信号のピーク値の所定割合の値まで低下した状態となるまでの時間が、所定のコード列の信号に対応した受信信号の長さに相当する時間より小さくなる周波数とし、ローカットオフ周波数の上限を、ローカットオフ周波数に応じた前記除去手段通過後の受信信号のパルスの立上り部分の信号レベルと立下り部分の信号レベルとの差を、立上り部分の信号レベルで除算した値で表されるパルスひずみの相対量を１から減算した値が、受信信号のピーク値を１とした場合の予め定めた閾値と雑音成分の信号レベルとの和より大きくなる周波数としている。

これにより、ローカットオフ周波数が最適範囲内の値に設定され、受信信号の２値化の際のコード認識率の低下を抑制して、高い相関値のピークが得られる。

また、前記受信信号のピーク値を１とした場合に、前記ピーク値の所定割合の値を、１−１／ｅ（ｅは自然対数の底）とすることができる。

また、本発明の距離測定装置は、上記送受信信号相関検出装置と、前記相関検出手段により相関が検出された前記所定のコード列の信号と前記２値化手段により２値化された受信信号との位相差に基づいて、前記目標対象物までの距離を算出する算出手段と、を含んで構成されている。

本発明によれば、ローカットオフ周波数を適切に設定して、受信信号の２値化の際のコード認識率の低下を抑制して、高い相関値のピークが得られる、という効果を奏する。

本実施の形態に係る距離測定装置の概略構成図である。バンドパスフィルタ通過後の受信信号を示す図である。ＳＮＲと相関値のピークとの関係について、バンドパスフィルタを設けた場合と設けていない場合との比較結果を示す図である。ローカットオフ周波数と相関値のピークとの関係を示す図である。バンドパスフィルタ通過後の受信信号が定常状態になるまでの時間を説明するための図である。ＰＮコードのコード幅に対する受信信号が定常状態になるまでの時間（Δｔ／コード幅）とローカットオフ周波数との関係を示す図である。受信信号のパルスに生じるひずみを説明するための図である。ローカットオフ周波数とパルスひずみの相対量との関係を示す図である。ローカットオフ周波数とコード認識エラー率との関係を示す図である。本実施の形態に適用した送受信信号相関検出装置の実験装置の概略図である。実験装置による実験結果とシミュレーションの結果との比較を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、本発明の送受信信号相関検出装置を、目標対象物までの距離を測定する距離測定装置に適用した例について説明する。

図１は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の概略構成図である。本実施の形態の距離測定装置１０は、所定のコード列に応じて変調された光パルスを間欠的に送信する送信部２０と、送信部２０から送信され、目標対象物で反射された反射光パルスを受信する受信部３０と、所定のコード列と受信信号との相関を検出して目標対象物までの距離を算出する処理を行う信号処理部４０と、を含んで構成されている。

送信部２０は、所定のコード列として、ＰＮコード（擬似ランダム雑音符号）を発生するＰＮコード発生回路２２と、光パルスを射出するレーザ光源（ＬＤ）２６と、ＰＮコード発生回路２２で発生されたＰＮコードに応じてレーザ光源２６がオン・オフするように駆動するＬＤ駆動回路２４と、を含んで構成されている。

受信部３０は、目標対象物で反射された反射光パルスを受信し、受信した反射光パルスを電気信号に変換した受信信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ）３２と、フォトダイオード３２から出力された受信信号から所定の周波数帯域の信号成分を除去するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３４と、バンドパスフィルタ３４を通過した受信信号を、予め定めた閾値と比較して２値化（コード認識）するエンコーダ３６と、を含んで構成されている。

信号処理部４０は、ＰＮコード発生回路２２で発生されたＰＮコードとエンコーダ３６で２値化された受信信号との相関値を算出し、相関値のピークを検出し、相関値がピークとなるＰＮコードの送信時刻と受信信号の受信時刻との位相差を出力する相関器４２と、相関器４２から出力された位相差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する距離算出部４４と、を含んで構成されている。相関器４２は、ＰＮコード発生回路２２で発生したＰＮコードを保存するレジスタ、受信信号を受け取るシフトレジスタ、及び受信信号を１ビットずつシフトさせながらＰＮコードと受信信号との相関値を算出し、相関値がピークとなるＰＮコードと受信信号との位相差を出力する論理回路で構成されている。

次に、本実施の形態の距離測定装置１０の作用について説明する。

まず、ＰＮコード発生回路２２で、所定のチップ幅及びコード長のＰＮコードを発生し、ＬＤ駆動回路２４で、発生されたＰＮコードに応じてレーザ光源２６がオン・オフするように駆動して、ＰＮコードに応じた光パルスを射出する。ＰＮコード１回分の光パルスと次の１回分の光パルスとは所定時間間隔をあける。すなわち、光パルスは間欠的に射出される。なお、所定時間は一定でもよいし変化してもよい。また、一方で、発生したＰＮコードを相関器４２のレジスタに保存する。

レーザ光源２６により射出された光パルスが目標対象物に反射して、反射光パルスが受信部３０で受信されると、フォトダイオード３２で、受光した反射光パルスを電気信号に変換し、受信信号を出力する。出力された受信信号はバンドパスフィルタ３４を通過することにより、所定の周波数帯域の信号成分が除去されると共に、図２に示すように、信号レベルがマイナス方向へシフトされる。バンドパスフィルタ３４を通過した受信信号は、エンコーダ３６で、予め定めた閾値と比較されて、信号レベルが閾値以上の場合には”１”、閾値より小さい場合には”０”として２値化される。

２値化された受信信号は、相関器４２のシフトレジスタに順次格納され、１ビットずつシフトしながら、レジスタに保存されているＰＮコードとの相関値が算出される。そして、相関値のピークが検出され、相関値がピークとなるＰＮコードと受信信号との位相差を出力し、距離算出部４４で、相関器４２から出力された位相差に基づいて、目標対象物までの距離を算出し、算出結果を出力する。

ここで、本実施の形態において、エンコーダ３６に設定される２値化のための閾値について説明する。

ＰＮコードのチップ幅を５ｎｓ、コード長を１２８とし、バンドパスフィルタ３４のローカットオフ周波数を１ＭＨｚ、ハイカットオフ周波数を１．６ＧＨｚに設定した場合でシミュレーションを行った。エンコーダ３６に設定される閾値はグランド電位ではなく、雑音の平均パワーの２／３に設定する。雑音のレベルは、装置の回路構成等により定まる。

図３に、信号雑音比ＳＮＲが−０．２７ｄＢ〜１８ｄＢの範囲におけるＳＮＲと相関値のピークとの関係について、バンドパスフィルタを設けた場合と設けていない場合との比較結果を示す。相関値のピークは、１つのＳＮＲについて算出した１０，０００回分の相関値のピークの平均値である。同図から分かるように、ＳＮＲが１．５ｄＢを超えると、バンドパスフィルタを設けた場合の方が、相関値のピークの平均値が高い。さらに弱い信号（ＳＮＲが小さい信号）を検出したい場合には、閾値を０方向へ調整する必要があるが、調整後の相関値のピークは調整前の相関値のピークと比べて高くならない。すなわち、閾値をグランド電位に固定する必要はなく、検出しようとする最弱のＳＮＲに基づいて計算する。例えば、最弱のＳＮＲを１．５ｄＢとする場合、１０ｌｏｇ_１０Ｓ／Ｎ＝１．５より計算した最適な閾値は０．０５９４２σとなる。ここで、σは雑音の平均パワーである。バンドパスフィルタ通過後の受信信号のシフト量を考慮して、閾値は０．０５９４２σより高い値で任意に設定できる。例えば、上記シミュレーションで設定したように、２／３σとすることができる。

次に、本実施の形態において、バンドパスフィルタ３４に設定されるローカットオフ周波数について説明する。

ＰＮコードのチップ幅を５ｎｓ、コード長を１２８とし、バンドパスフィルタ３４のハイカットオフ周波数を１．６ＧＨｚとし、エンコーダ３６の閾値を２／３σに設定した場合で、バンドパスフィルタ３４のローカットオフ周波数を０〜４．６ＭＨｚの範囲の値としてシミュレーションを行った。

図４に、ＳＮＲを３．４６ｄＢ、６．９９ｄＢ、９．４９ｄＢ、１１．４２ｄＢ、１３．０１ｄＢとした場合の各々について、ローカットオフ周波数と相関値のピークとの関係を示す。同図からわかるように、ローカットオフ周波数が０．０４ＭＨｚより低い場合には、相関値のピークが急激に低下する。また、ローカットオフ周波数が１．１ＭＨｚより高い場合においても、相関値のピークが低下する。この結果より、ローカットオフ周波数の最適値は、０．０４ＭＨｚ〜１．１ＭＨｚの範囲であることがわかった。

次に、ローカットオフ周波数が上記の範囲で最適となることの理論的根拠を説明する。まず、ローカットオフ周波数の最適範囲の下限について説明する。

図５に示すように、受信信号をバンドパスフィルタ３４を通過させると、受信信号の信号レベルがマイナス方向にシフトする。信号レベルのピーク値を１とし、信号レベルが１−１／ｅ（ｅは自然対数の底）まで低下した状態（定常状態）となるまでの所要時間をΔｔと定義する。ΔｔがＰＮコード１回分に対応する受信信号の幅（受信信号１回分の長さに相当する時間。以下、受信信号の１周期という）に対して小さいほど、すなわち、定常状態となってからの時間に含まれるパルスが多いほど、エンコーダ３６において安定してコード認識することができる。Δｔが受信信号の１周期より長い場合には、バンドパスフィルタ３４通過後の受信信号があまりマイナス方向へシフトされないため、エンコーダ３６におけるコード認識率が低下する。

そこで、下記（１）式の関係を満たすローカットオフ周波数を最適範囲の下限とすればよいことが分かる。

受信信号の信号レベルが１−１／ｅまで低下するまでの所要時間
＜受信信号の１周期・・・（１）

また、受信信号の１周期とＰＮコードのコード幅（チップ幅×コード長）が同じ場合には、（１）式は、下記（２）式のように置き換えてもよい。

受信信号の信号レベルが１−１／ｅまで低下するまでの所要時間
＜ＰＮコードのコード幅・・・（２）

図６に、受信信号の１周期とＰＮコードのコード幅が同じ場合において、ＰＮコードのコード幅に対するΔｔ（Δｔ／コード幅）と、ローカットオフ周波数との関係を示す。（１）式または（２）式を満たすΔｔ／コード幅を０．８とすると、ローカットオフ周波数の下限は０．０４ＭＨｚとすればよいことが分かる。

次に、ローカットオフ周波数の最適範囲の上限について説明する。

受信信号をバンドパスフィルタ３４に通過させると、図７に示すように、パルスにひずみが生じる。パルスの立上り部分の信号レベルをｙ１、立下り部分の信号レベルをｙ２として、パルスひずみの相対量を下記（３）式のように定義する。

パルスひずみの相対量＝（ｙ１−ｙ２）／ｙ１・・・（３）

このパルスひずみの相対量が大きいほどパルスが傾く。このようにひずんだパルスに対するコード認識においては、サンプリング時刻がパルスの立下り部分に近づくほど、コード認識エラーが多くなる。サンプリング時刻がパルスの真中で発生するとした場合のコード認識エラー率は、下記（４）式となる。

ここで、ｔｈｒｅｓｈｏｌｄはエンコーダ３６の閾値である。

図８に、ローカットオフ周波数とパルスひずみの相対量との関係を示す。また、図９に、図８において測定されたパルスひずみの相対量を（４）式に代入して得たコード認識エラー率を示す。ローカットオフ周波数０．１〜５ＭＨｚの範囲において、ローカットオフ周波数が高くなるほどパルスひずみの相対量は大きくなり、コード認識エラー率も増加することが分かる。

そこで、下記（５）式の関係を満たすローカットオフ周波数を最適範囲の上限とすればよいことが分かる。

ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＋雑音の平均パワー
＜受信信号のピーク値−パルスひずみの相対量・・・（５）
図９に示すように、ローカットオフ周波数が１．１Ｍｈｚより小さい場合には、コード認識エラー率はほとんど無視できるが、ローカットオフ周波数が１．１ＭＨｚを超えるとコード認識エラー率は急激に増加するため、１．１ＭＨｚをローカットオフ周波数の上限とすればよいことが分かる。

なお、上記で求めたローカットオフ周波数の下限及び上限は一例であり、ＰＮコードのコード幅や装置に求める精度等により異なる。

図１０に、本実施の形態に適用した送受信信号相関検出装置の実験装置の概略図を示す。ＦＰＧＡを用いて、チップ幅５ｎｓのＰＮコードを発生させ、ＰＮコードに対応して変調し、レーザ光源ＬＤにより変調した光パルスをフォトダイオードＰＤに向けて送信した。フォトダイオードＰＤで受信された光パルスは、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）により電気信号に変換した。ＴＩＡは、１ＭＨｚ〜１．６ＧＨｚの帯域を持つ。すなわち、本実験装置では、ローカットオフ周波数が１ＭＨｚに設定されている。ＴＩＡで電気信号に変換された受信信号をオシロスコープで取り込み、パーソナルコンピュータにより相関値の解析を行った。

図１１に、上記実験装置による実験結果とシミュレーションの結果との比較を示す。実験結果とシミュレーションとの結果が合致しており、本発明の効果が理論と実験の両面から確認できた。

以上説明したように、本実施の形態の距離計測装置によれば、バンドパスフィルタのローカットオフ周波数を最適範囲内の値に設定することにより、コード認識率の低下を抑制して、高い相関値のピークを得ることができる。高い相関値のピークが得られることにより、ＰＮコードと受信信号との位相差が精度良く得られるため、この位相差に基づいて、目標対象物までの距離も精度良く算出することができる。

１０距離測定装置
２０送信部
２２ＰＮコード発生回路
２４ＬＤ駆動回路
２６レーザ光源
３０受信部
３２フォトダイオード
３４バンドパスフィルタ
３６エンコーダ
４０信号処理部
４２相関器
４４距離算出部

Claims

所定のコード列の信号に応じて変調された光パルスを間欠的に送信する送信手段と、
前記送信手段により送信され、目標対象物で反射された反射光パルスを受信して受信信号を出力する受信手段と、
前記受信手段により出力された受信信号から所定の周波数帯域の信号を除去する除去手段と、
前記除去手段により所定の周波数帯域の信号が除去された受信信号を、予め定めた閾値と比較して２値化する２値化手段と、
前記所定のコード列の信号と前記２値化手段により２値化された受信信号との相関を検出する相関検出手段と、を含み、
前記除去手段により除去される低域の周波数帯域を定めるローカットオフ周波数の下限を、前記ローカットオフ周波数に応じた前記除去手段通過後の受信信号の信号レベルが、該受信信号のピーク値を１とした場合に、該受信信号のレベルが１−１／ｅ（ｅは自然対数の底）まで低下した状態となるまでの時間であって、前記ローカットオフ周波数が高くなるほど短くなる時間が、前記所定のコード列の信号に対応した受信信号の長さに相当する時間より小さくなる周波数とし、前記ローカットオフ周波数の上限を、前記ローカットオフ周波数に応じた前記除去手段通過後の受信信号のパルスの立上り部分の信号レベルと立下り部分の信号レベルとの差を、前記立上り部分の信号レベルで除算した値で表され、かつ前記ローカットオフ周波数が高くなるほど大きくなるパルスひずみの相対量を１から減算した値が、前記受信信号のピーク値を１とした場合の前記予め定めた閾値と雑音成分の信号レベルとの和より大きくなる周波数とした
送受信信号相関検出装置。
請求項１記載の送受信信号相関検出装置と、
前記相関検出手段により相関が検出された前記所定のコード列の信号と前記２値化手段により２値化された受信信号との位相差に基づいて、前記目標対象物までの距離を算出する算出手段と、
を含む距離測定装置。