WO2024111035A1 - 測距装置、測距システムおよび測距方法 - Google Patents

測距装置、測距システムおよび測距方法 Download PDF

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WO2024111035A1
WO2024111035A1 PCT/JP2022/043085 JP2022043085W WO2024111035A1 WO 2024111035 A1 WO2024111035 A1 WO 2024111035A1 JP 2022043085 W JP2022043085 W JP 2022043085W WO 2024111035 A1 WO2024111035 A1 WO 2024111035A1
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WO
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pulse signal
fitting
processing unit
waveform
rising portion
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浩文 福島
龍平 高橋
將 白石
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三菱電機株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/493—Extracting wanted echo signals

Definitions

  • This disclosure relates to a ranging device, a ranging system, and a ranging method.
  • UWB sensors are sensors that use ultra-wide band (UWB) wireless communication ranging from several hundred MHz to several GHz.
  • UWB ultra-wide band
  • the distance measurement value is calculated using a combination of multiple UWB distance measurement results.
  • the distance measurement value from the UWB sensor to the target is calculated, for example, using information on the time of arrival (TOA) of a pulse signal emitted from the UWB sensor into external space, reflected by the target, and received by the UWB sensor.
  • TOA time of arrival
  • Non-Patent Document 1 describes LEDA (Leading Edge Detection Algorithm), a technology for detecting the timing of the rising edge of a pulse signal waveform.
  • LEDA Leading Edge Detection Algorithm
  • a received pulse signal is sampled at a constant sampling frequency to convert the pulse signal into a digital signal, and the converted digital signal is used to calculate TOA information.
  • the present disclosure aims to solve the above problem by providing a ranging device, ranging system, and ranging method that can reduce the variability in the reception timing of a pulse signal that is emitted into external space and reflected by a target.
  • the distance measuring device is a distance measuring device that measures the distance to a target based on the arrival time of a pulse signal that is emitted into external space, reflected by the target, and received, and includes a moving average processing unit that performs a moving average on the pulse signal in the time direction, a rise extraction unit that extracts the rising portion of the pulse signal smoothed by the moving average, a fitting processing unit that performs fitting of the waveform of the extracted rising portion, and a distance calculation unit that determines the timing at which the pulse signal is received using the value of the intersection between the waveform of the rising portion of the pulse signal obtained by fitting and a threshold value, and calculates the distance to the target based on the arrival time of the pulse signal calculated using the determined timing.
  • the rising portion of a pulse signal smoothed by a moving average in the time direction is extracted, the waveform of the extracted rising portion is fitted, and the timing at which the pulse signal is received is determined using the value of the intersection between the waveform of the rising portion obtained by fitting and a threshold value.
  • the rising portion of the received pulse signal is upsampled. This allows the distance measuring device of the present disclosure to reduce variation in the reception timing of a pulse signal that is emitted into external space and reflected by a target.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a distance measuring system according to a first embodiment
  • 4 is a block diagram showing a configuration of a rising edge extraction unit included in the distance measuring device according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing a waveform of a pulse signal received by a UWB sensor.
  • FIG. 4A to 4C are waveform diagrams showing the waveform of a pulse signal received by a UWB sensor and the fitting result of the waveform.
  • 4 is a waveform diagram showing a waveform of a pulse signal including a multipath wave.
  • FIG. 10 is a graph showing detection results of reception timing of a pulse signal.
  • 4 is a flowchart showing a distance measuring method according to the first embodiment.
  • FIG. 8A and 8B are block diagrams showing a hardware configuration for realizing the functions of the distance measuring device according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of a distance measuring system according to a second embodiment.
  • 13 is a block diagram showing a configuration of a rising edge extraction unit included in a distance measuring device according to a second embodiment.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a distance measuring method according to a second embodiment.
  • Fig. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a distance measuring system 1 according to a first embodiment.
  • the distance measuring system 1 is a system that measures the distance to a target using the arrival time of an RF (radio frequency) pulse signal that is emitted into external space, reflected by the target, and received.
  • the distance measuring system 1 includes an antenna 2, a receiving circuit 3, and a distance measuring device 4.
  • the antenna 2 emits a transmission pulse signal as a radio wave into external space, and receives the radio wave arriving from the external space.
  • the transmission pulse signal is generated by a transmitting circuit not shown in Fig. 1, and is emitted as a radio wave via the antenna 2.
  • the UWB sensor includes an antenna 2, a receiving circuit 3, and the above-mentioned transmitting circuit.
  • the UWB sensor may include only the antenna 2, and the receiving circuit 3 and the above-mentioned transmitting circuit may be included in a transmitting/receiving circuit that generates a pulse signal transmitted and received via the antenna 2.
  • the ranging system 1 is capable of measuring the distance to a target by including at least the antenna 2, receiving circuit 3, and ranging device 4 in FIG. 1.
  • a communication control device connected to the antenna 2 and provided separately from the ranging device 4 may include the receiving circuit 3 and the above-mentioned transmitting circuit.
  • the radio waves arriving at antenna 2 from external space include the above-mentioned transmitted pulse signal, which is reflected by a target in external space and arrives as a reflected pulse signal.
  • the UWB sensor discretely transmits and receives pulse signals (impulse signals) with extremely high time resolution.
  • the transmitted pulse signal has a frequency spectrum distributed over an ultra-wide band by the above-mentioned transmission circuit, and is generated at a fixed pulse repetition period.
  • the receiving circuit 3 receives the pulse signal that is emitted into external space via the antenna 2 and reflected by a target. As shown in FIG. 1, the receiving circuit 3 includes a signal receiving unit 31 and an AD conversion unit 32. The signal receiving unit 31 performs signal processing on the pulse signal received as a radio wave via the antenna 2. The signal processing includes frequency conversion of the pulse signal and gain adjustment using an amplifier or attenuator, etc.
  • the signal receiving unit 31 generates an analog pulse signal by performing various signal processing such as amplification, band-pass (filtering) and frequency conversion on the RF output received via the antenna 2.
  • This analog signal is a complex signal having an in-phase component and a quadrature component, and outputs the output result to the AD conversion unit 32.
  • the AD conversion unit 32 generates a digital pulse signal by performing analog-to-digital conversion (AD conversion) on the pulse signal processed by the signal receiving unit 31.
  • AD conversion analog-to-digital conversion
  • the AD conversion unit 32 generates a pulse signal h 0 [t], which is a digital complex signal, from the analog pulse signal acquired from the signal receiving unit 31.
  • the pulse signal h 0 [t] is output to the distance measuring device 4.
  • the parameter t is time.
  • the distance measuring device 4 measures the distance to the target using the arrival time of the pulse signal. As shown in FIG. 1, the distance measuring device 4 includes a moving average processing unit 41, a rising edge extraction unit 42, a fitting processing unit 43, and a distance calculation unit 44.
  • the rising edge extraction unit 42 extracts the rising edge of the pulse signal smoothed by the moving average.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the rising edge extraction unit 42 provided in the distance measuring device 4. As shown in FIG. 2, the rising edge extraction unit 42 includes a pulse maximum value extraction unit 421 and an index subtraction unit 422.
  • FIG. 3 is a waveform diagram showing the waveform of the pulse signal received by the UWB sensor. As shown in FIG. 3, the rising edge extraction unit 42 extracts only the rising edge B from the waveform A of the pulse signal y[t].
  • the rising portion B is specified as a time range from the start time ts when the waveform A starts to rise to the time tmax when the waveform A rises most.
  • the time tmax when the waveform A rises most is the time when the pulse signal y[t] reaches its maximum value.
  • the time tmax is a time index indicating the end of the rising portion B. If the time range is t ⁇ [ ts , tmax ], the pulse maximum value extraction unit 421 calculates the time tmax in the time range according to the following formula (2) to extract the maximum value of the pulse signal y[t].
  • argmax( ) represents the time t at which the value in parentheses is maximum.
  • the rising portion B specified by the above time range includes ⁇ +1 elements.
  • ⁇ can be expressed by the following formula (4).
  • ⁇ is a constant equal to or greater than 0.5 (0.5 ⁇ ).
  • the rising edge extraction unit 42 calculates a time index t s indicating the start of the rising portion B and a time index t max indicating the end of the rising portion B, thereby extracting the rising portion B in the waveform A of the pulse signal.
  • the rising edge extraction unit 42 outputs the time index t s and the time index t max to the fitting processing unit 43.
  • ⁇ ⁇ T (4)
  • the fitting processing unit 43 performs fitting of the waveform of the rising portion B.
  • the fitting processing unit 43 performs fitting of the waveform of the pulse signal y[t] (t ⁇ [ ts , tmax ]) included in the time range from the time index ts to the time index tmax using a Gaussian distribution of the time index tmax , the maximum value ymax , and the variance value ⁇ according to the following formula (5).
  • tmax is a time index indicating the end of the rising portion B, and indicates the time when an element is maximum among the ⁇ +1 elements included in the rising portion B.
  • ymax is the maximum value of the pulse signal y[t].
  • the variance ⁇ is a variance value calculated using the values of multiple elements until the pulse signal y[t] reaches the maximum value ymax .
  • the variance ⁇ can be calculated using the following formula (6):
  • i is an integer from 1 to ⁇ +1.
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing waveform A of a pulse signal y[t] received by a UWB sensor and fitting result C of waveform A.
  • Fitting result C is the waveform of rising portion B represented by a fitting function.
  • the fitting processing unit 43 calculates fitting result C by fitting the waveform of rising portion B of pulse signal y[t] according to the above formula (6).
  • rising portion B before fitting is composed of multiple points that are discretely sampled according to the sampling frequency.
  • the fitting processing unit 43 performs fitting processing using a Gaussian function to calculate a fitting result C in which the rising portion B, which is composed of multiple discretely sampled points, is complemented, as shown in FIG. 4.
  • the fitting result C is equivalent to the result of upsampling only the rising portion B of the pulse signal y[t].
  • FIG. 5 is a waveform diagram showing waveform A of a pulse signal including multipath waves.
  • peak A1 in waveform A is a waveform component of a pulse signal that has been reflected from a target and arrived directly at antenna 2 (direct wave).
  • Peak A2 is a waveform component of a pulse signal that has arrived at antenna 2 via multiple paths including reflections from sources other than the target (multipath wave). As shown in FIG. 5, peak A2 of the multipath wave arrives with a delay from peak A1 of the direct wave.
  • the fitting processing unit 43 performs fitting of only the rising portion B of the pulse signal, and is therefore less susceptible to the influence of peak A2 caused by multipath waves, which occurs with a delay from peak A1 of the direct wave. In other words, the fitting processing unit 43 is capable of upsampling only the rising portion B of the pulse signal y[t], even if the pulse signal contains signal components caused by multipath waves.
  • the fitting result C is output to the distance calculation unit 44.
  • the distance calculation unit 44 determines the timing at which the pulse signal is received using the value of the intersection between the waveform of the rising portion B of the pulse signal obtained by fitting and the threshold value. The distance calculation unit 44 then calculates the distance to the target based on the arrival time of the pulse signal calculated using the determined timing. For example, the distance calculation unit 44 calculates an analytical solution of the time index at the intersection between the function obtained by fitting and the threshold value, and determines the timing at which the pulse signal is received using the calculated analytical solution.
  • the reception timing t1 of a pulse signal is determined by two parameters, namely, the variance value ⁇ of the pulse signal and the constant ⁇ .
  • the variance value ⁇ is determined based on the above formula (6) each time a pulse signal is received. Therefore, compared to a conventional LEDA in which the values of parameters set for detecting the reception timing of a pulse signal are fixed, the detection of the reception timing of a pulse signal by the distance measuring device 4 has robust characteristics against temporal changes in the pulse signal.
  • Figure 6 is a graph showing the detection results of the reception timing of a pulse signal.
  • count result D1 shown in a dark color is the count number of rising timings determined by the distance measuring device 4 each time a pulse signal is received.
  • Count result D2 shown in a light color is the count number of rising timings determined by the conventional LEDA each time a pulse signal is received.
  • the distance measuring device 4 can detect the true rising timing more accurately and stably than the conventional LEDA.
  • the sampling frequency for sampling the pulse signal is not high enough relative to the pulse time width, there is a possibility that the so-called off-grid state will occur, in which there are no points among the multiple sampled points from the pulse signal to compare with a threshold value.
  • conventional detection methods such as LEDA, even a slight deviation in the time position of the sample point from its original position causes unnecessary comparison with a threshold value, resulting in a large change in the reception timing of the pulse signal.
  • the distance measuring device 4 can reduce the above-mentioned off-grid effect by performing fitting using a function such as the above-mentioned formula (5) on the rising portion of the pulse signal.
  • a function such as the above-mentioned formula (5)
  • fitting is performed only on the rising portion of the pulse signal, it is possible to reduce the calculation load required for fitting.
  • the parameters to be set in advance in the distance measuring method of the distance measuring device 4 are only three: N ave , ⁇ , and ⁇ .
  • FIG. 7 is a flowchart showing a distance measuring method according to the first embodiment.
  • the moving average processing unit 41 acquires a pulse signal, which is a digital complex signal, from the receiving circuit 3 (step ST1).
  • the moving average processing unit 41 performs a moving average in the time direction on the acquired pulse signal (step ST2).
  • the rising edge extraction unit 42 extracts the rising edge of the pulse signal smoothed by the moving average (step ST3).
  • the fitting processing unit 43 performs Gaussian function fitting on the waveform of the extracted rising edge (step ST4).
  • the distance calculation unit 44 calculates a time index indicating the timing at which the pulse signal was received using the value of the intersection between the waveform of the rising part of the pulse signal obtained by fitting and a threshold value (step ST5).
  • the distance calculation unit 44 calculates the arrival time of the pulse signal from the difference between the time index indicating the timing at which the pulse signal was received and the emission time of the radio wave from which the pulse signal was emitted, and calculates the distance measurement value to the target based on the calculated arrival time (step ST6).
  • the distance measuring device 4 includes a processing circuit for executing the processes of steps ST1 to ST6 shown in Fig. 7.
  • the processing circuit may be dedicated hardware, or may be a CPU (Central Processing Unit) that executes a program stored in a memory.
  • the processing circuit may be a single processor or multiple processors.
  • FIG. 8A is a block diagram showing a hardware configuration that realizes the functions of the distance measuring device 4.
  • FIG. 8B is a block diagram showing a hardware configuration that executes software that realizes the functions of the distance measuring device 4.
  • the input interface 100 is an interface that relays the pulse signal (digital complex signal) that the moving average processing unit 41 acquires from the receiving circuit 3 via an input line that connects the AD conversion unit 32 and the moving average processing unit 41.
  • the output interface 101 is an interface that relays the distance measurement result output from the distance calculation unit 44 to an external device connected downstream of the distance measuring device 4 via an output line that connects the distance calculation unit 44 to the external device.
  • the processing circuit 102 corresponds to, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination of these.
  • the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42, the fitting processing unit 43, and the distance calculation unit 44 provided in the distance measuring device 4 may be realized by separate processing circuits, or these functions may be realized together by a single processing circuit.
  • the processing circuit is the processor 103 shown in FIG. 8B
  • the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42, the fitting processing unit 43, and the distance calculation unit 44 provided in the distance measuring device 4 are realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • the software or firmware is written as a program and stored in the memory 104.
  • the processor 103 reads out and executes the program stored in the memory 104 to realize the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42, the fitting processing unit 43, and the distance calculation unit 44 included in the distance measuring device 4.
  • the distance measuring device 4 includes the memory 104 for storing a program that, when executed by the processor 103, results in the processing of steps ST1 to ST6 shown in FIG. These programs cause a computer to execute the procedures or methods of processing performed by the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42, the fitting processing unit 43, and the distance calculation unit 44.
  • the memory 104 may be a computer-readable storage medium having stored therein programs for causing a computer to function as the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42, the fitting processing unit 43, and the distance calculation unit 44.
  • Memory 104 may be, for example, a non-volatile or volatile semiconductor memory such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM (Electrically-EPROM) (registered trademark), a magnetic disk, a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, a DVD, etc.
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • flash memory EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)
  • EEPROM Electrical-EPROM
  • the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42, the fitting processing unit 43, and the distance calculation unit 44 provided in the distance measuring device 4 may be realized by dedicated hardware, and the other parts may be realized by software or firmware.
  • the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42, and the fitting processing unit 43 may be realized by the processing circuit 102, which is dedicated hardware, and the function of the distance calculation unit 44 may be realized by the processor 103 reading and executing a program stored in the memory 104. In this way, the processing circuit can realize the above functions by hardware, software, firmware, or a combination of these.
  • the distance measuring device 4 includes a moving average processing unit 41 that performs a moving average on the pulse signal in the time direction, a rising edge extraction unit 42 that extracts the rising edge of the pulse signal smoothed by the moving average, a fitting processing unit 43 that performs fitting of the waveform of the rising edge, and a distance calculation unit 44 that determines the timing at which the pulse signal is received using the value of the intersection between the waveform of the rising edge of the pulse signal obtained by fitting and a threshold value, and calculates the distance to the target based on the arrival time of the pulse signal based on the determined reception timing.
  • the rising edge of the pulse signal is upsampled. This allows the distance measuring device 4 to reduce the variation in the reception timing of a pulse signal that is emitted into space and reflected by a target.
  • the fitting processing unit 43 performs fitting of the waveform of the rising part of the pulse signal by a Gaussian function.
  • the distance calculation unit 44 calculates an analytical solution of the time index at the intersection of the function obtained by the fitting and a threshold value, and determines the timing at which the pulse signal is received by using the calculated analytical solution.
  • the parameters that need to be set in advance are only three: N ave , ⁇ , and ⁇ . Furthermore, since fitting is required only for the rising portion of the waveform, the computation load is reduced, and the hardware scale required for the computation can also be reduced.
  • the fitting processing unit 43 calculates a Gaussian function to perform fitting using the maximum value in the waveform of the rising part of the pulse signal, an index corresponding to the maximum value, and the variance value of the pulse signal calculated using multiple signal points up to the maximum value.
  • the number of parameters to be set in advance is limited to three: N ave , ⁇ , and ⁇ . Furthermore, since fitting is required only for the rising portion of the waveform, the computation load is reduced, and the scale of the hardware required for the computation can also be reduced.
  • the distance calculation unit 44 calculates an analytical solution using the maximum value in the waveform of the rising portion of the pulse signal, the time at which the pulse signal reaches the maximum value, and the variance value of the pulse signal.
  • the number of parameters to be set in advance is limited to three: N ave , ⁇ , and ⁇ . Furthermore, since fitting is required only for the rising portion of the waveform, the computation load is reduced, and the scale of the hardware required for the computation can also be reduced.
  • the ranging system 1 also includes an antenna 2, a receiving circuit 3, and a ranging device 4. This makes it possible to provide a ranging system 1 that can reduce the variation in the reception timing of a pulse signal that has been reflected by a target and arrived.
  • the ranging method includes a step in which a moving average processing unit 41 performs a moving average of the pulse signal in the time direction, a step in which a rising edge extraction unit 42 extracts the rising edge portion of the pulse signal smoothed by the moving average, a step in which a fitting processing unit 43 performs fitting of the waveform of the extracted rising edge portion, and a step in which a distance calculation unit 44 determines the timing at which the pulse signal is received using the value of the intersection between the waveform of the rising edge portion of the pulse signal obtained by fitting and a threshold value, and calculates the distance to the target based on the arrival time of the pulse signal based on the determined reception timing.
  • the distance measuring device 4 can reduce variations in the reception timing of a pulse signal that has been reflected by a target and arrived therefrom.
  • the fitting processing unit 43 performs fitting of the waveform of the rising part of the pulse signal by a Gaussian function.
  • the distance calculation unit 44 calculates an analytical solution of the time index at the intersection of the function obtained by the fitting and a threshold value, and determines the timing at which the pulse signal is received by using the calculated analytical solution.
  • the number of parameters to be set in advance is limited to three: N ave , ⁇ , and ⁇ . Furthermore, since fitting is required only for the rising portion of the waveform, the computation load is reduced, and the scale of the hardware required for the computation can also be reduced.
  • Fig. 9 is a block diagram showing a configuration example of a distance measuring system 1A according to a second embodiment.
  • the distance measuring system 1A is a system that measures the distance to a target using the arrival time of an RF (radio frequency) pulse signal that is emitted into external space, reflected by the target, and received.
  • the distance measuring system 1A includes an antenna 2, a receiving circuit 3, and a distance measuring device 4A.
  • the antenna 2 emits a transmission pulse signal as a radio wave into external space, and receives the radio wave arriving from the external space.
  • the transmission pulse signal is generated by a transmitting circuit not shown in Fig. 9, and is emitted as a radio wave via the antenna 2.
  • the UWB sensor includes an antenna 2, a receiving circuit 3, and the above-mentioned transmitting circuit.
  • the UWB sensor may include only the antenna 2, and the receiving circuit 3 and the above-mentioned transmitting circuit may be included in a transmitting/receiving circuit that generates a pulse signal transmitted and received via the antenna 2.
  • the ranging system 1A can measure the distance to a target by including at least the antenna 2, receiving circuit 3, and ranging device 4A in FIG. 9.
  • a communication control device connected to the antenna 2 and provided separately from the ranging device 4A may include the receiving circuit 3 and the above-mentioned transmitting circuit.
  • the distance measuring device 4A measures the distance to the target using the arrival time of the pulse signal. As shown in FIG. 9, the distance measuring device 4 includes a moving average processing unit 41, a rising edge extraction unit 42A, a fitting processing unit 43A, and a distance calculation unit 44A.
  • the moving average processing unit 41 acquires the pulse signal h0 [t] converted into a digital complex signal, and performs a moving average on the pulse signal h0 [t] in the time direction. For example, the moving average processing unit 41 calculates the absolute value of the pulse signal h0 [t] according to the following formula (1), and performs a moving average of N ave points in the time direction on the absolute value of the pulse signal h0 [t]. A pulse signal y[t] smoothed by this moving average is generated.
  • the rising edge extraction unit 42A calculates an inflection point of the pulse signal using the secondary difference value of the pulse signal, and extracts a rising portion of the pulse signal using the calculated value of the inflection point.
  • the time index tmax at which the pulse signal reaches its maximum peak ( ymax ) is used as a reference, and a time range of a certain time index ⁇ in the negative direction from the time of the maximum peak is extracted as the rising portion.
  • the rising edge extraction unit 42A extracts the rising edge of the pulse signal using information indicating the inflection point of the waveform of the rising edge of the pulse signal. By processing in this manner, it is possible to determine the extent of the range that should be extracted as the rising edge, even if there is no prior information on the pulse signal's pulse time width, etc.
  • Fig. 10 is a block diagram showing a configuration of a rising edge extraction unit 42A included in a distance measuring device 4A according to embodiment 2.
  • the rising edge extraction unit 42A includes a pulse maximum value extraction unit 421, a secondary difference value calculation unit 423, and an inflection point calculation unit 424.
  • the pulse maximum value extraction unit 421 calculates the time t max in the above time range according to the above formula (2), thereby extracting the maximum value of the pulse signal y[t].
  • the secondary difference value f i two dot is output to the inflection point calculation unit 424.
  • the inflection point calculation section 424 obtains the minimum point of the secondary difference value f i two-dot calculated by the secondary difference value calculation section 423, thereby extracting a location corresponding to the inflection point of the rising portion of the pulse signal.
  • the index k of a point that satisfies the following formula (11) is located in a negative position in time relative to the time index at which the waveform of the pulse signal has its maximum peak, and is close to the time index at which the maximum peak occurs is obtained.
  • the inflection point calculation unit 424 uses the index k obtained as described above and the time index tmax at which the pulse signal calculated according to the above equation (2) takes on a maximum value to calculate a start time index ts of the rising portion of the pulse signal according to the following equation (12).
  • (t max -k) in the above formula (12) is formulated by noting that it corresponds to the variance value ⁇ .
  • the above formula (12) means that from the peak value of the pulse signal to about 3 ⁇ ' is extracted during fitting.
  • the above formula (12) may be expressed as the following formula (13) by using an appropriate variable p:
  • the inflection point calculation unit 424 outputs the calculated values of t s and t max to the fitting processing unit 43A.
  • the fitting processing unit 43A calculates parameters so that the sum of squared errors between multiple points in the rising portion of the pulse signal and multiple point data representing a preset fitting function is minimized, and determines the function indicated by the calculated parameters as the function representing the rising portion of the pulse signal.
  • the fitting processing unit 43A is not limited to Gaussian functions and can perform fitting using any function.
  • the fitting processing unit 43A uses ts and tmax acquired from the rising edge extraction unit 42A to perform fitting processing in y[t] (t ⁇ [ ts , tmax ]) using a preset arbitrary function.
  • f(w,t) can be calculated by solving the following equation (14), with w as w hat.
  • the fitting processing unit 43A calculates the parameters w and t so that the sum of squared errors between a plurality of points in the rising portion of the pulse signal shown in the following formula (14) and a plurality of point data representing a preset fitting function f(w, t) is minimized.
  • the function represented by the parameters w and t calculated using the following formula (14) is determined as the function representing the rising portion of the pulse signal.
  • the fitting processing unit 43A determines a fitting function having w and t as parameters using the following formula (14), it outputs information representing the determined fitting function to the distance calculation unit 44A.
  • argmax( ) represents selection of the parameter that maximizes the value in the brackets
  • argmin( ) represents selection of the parameter that minimizes the value in the brackets.
  • the distance calculation unit 44A numerically determines the reception timing t1 of the pulse signal based on the following equation (15).
  • the time index t1 is a numerical solution based on the following equation (15).
  • the distance calculation unit 44A uses information indicating the timing t0 at which the radio wave of the transmission pulse signal was emitted to calculate the distance d to the target according to the above equation (8), and outputs the result.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a distance measuring method according to the second embodiment.
  • the moving average processing unit 41 acquires a pulse signal, which is a digital complex signal, from the receiving circuit 3 (step ST1A).
  • the moving average processing unit 41 performs a moving average in the time direction on the acquired pulse signal (step ST2A).
  • the rising edge extraction unit 42A extracts the rising edge of the pulse signal smoothed by the moving average (step ST3A).
  • the fitting processing unit 43A fits an arbitrary function to the waveform of the extracted rising edge (step ST4A).
  • the distance calculation unit 44A calculates a time index indicating the timing at which the pulse signal was received using the numerical solution of the intersection between the waveform of the rising part of the pulse signal obtained by fitting and the threshold value (step ST5A). Next, the distance calculation unit 44A calculates the arrival time of the pulse signal from the difference between the time index indicating the timing at which the pulse signal was received and the emission time of the radio wave from which the pulse signal was emitted, and calculates the distance measurement value to the target based on the calculated arrival time (step ST6A).
  • the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42A, the fitting processing unit 43A, and the distance calculation unit 44A included in the distance measuring device 4A may be realized by a dedicated hardware processing circuit 102 shown in Fig. 8A.
  • the processing circuit 102 corresponds to, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC, an FPGA, or a combination of these.
  • the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42A, the fitting processing unit 43A, and the distance calculation unit 44A included in the distance measuring device 4A may be realized by separate processing circuits, or these functions may be realized together by a single processing circuit.
  • the processing circuit is the processor 103 shown in FIG. 8B
  • the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42A, the fitting processing unit 43A, and the distance calculation unit 44A provided in the distance measuring device 4A are realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • the software or firmware is written as a program and stored in the memory 104.
  • the processor 103 reads out and executes the programs stored in the memory 104 to realize the functions of the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42A, the fitting processing unit 43A, and the distance calculation unit 44A of the distance measuring device 4A.
  • the distance measuring device 4A includes a memory 104 for storing a program that, when executed by the processor 103, results in the processing of steps ST1A to ST6A shown in FIG. 11 being executed.
  • These programs cause a computer to execute the procedures or methods of the processing performed by the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42A, the fitting processing unit 43A, and the distance calculation unit 44A.
  • the memory 104 may be a computer-readable storage medium that stores programs for causing a computer to function as the moving average processing unit 41, the rising edge extraction unit 42A, the fitting processing unit 43A, and the distance calculation unit 44A.
  • the rising edge extraction unit 42A calculates the inflection point of the pulse signal using the secondary difference value of the pulse signal, and extracts the rising portion of the pulse signal using the value of the inflection point. Even if there is no prior information on the pulse signal, such as the pulse time width, it is possible to determine the range that should be extracted as the rising portion.
  • the fitting processing unit 43A calculates parameters so that the sum of squared errors between multiple points in the rising portion of the pulse signal and multiple point data representing a preset fitting function is minimized, and determines the function indicated by the calculated parameters as the function representing the rising portion of the pulse signal. This makes it possible to use any function for fitting the waveform of the rising portion.
  • the rising edge extraction unit 42A calculates the inflection point of the pulse signal using the secondary difference value of the pulse signal, and extracts the rising portion of the pulse signal using the calculated inflection point value. Even if there is no prior information on the pulse signal's pulse time width, etc., it is possible to determine the range that should be extracted as the rising portion.
  • the fitting processing unit 43A calculates parameters so that the sum of squared errors between multiple points in the rising portion of the pulse signal and multiple point data representing a preset fitting function is minimized, and determines the function indicated by the calculated parameters as the function representing the rising portion of the pulse signal. This makes it possible to use any function for fitting the waveform of the rising portion.
  • the distance measuring device disclosed herein can be used, for example, in train control systems, communication systems, distance measuring systems, or vehicle-mounted radar systems.
  • 1, 1A Distance measurement system, 2: Antenna, 3: Receiving circuit, 4, 4A: Distance measurement device, 31: Signal receiving section, 32: AD conversion section, 41: Moving average processing section, 42, 42A: Rising edge extraction section, 43, 43A: Fitting processing section, 44, 44A: Distance calculation section, 100: Input interface, 101: Output interface, 102: Processing circuit, 103: Processor, 104: Memory, 421: Pulse maximum value extraction section, 422: Index subtraction section, 423: Secondary difference value calculation section, 424: Inflection point calculation section.

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Abstract

測距装置（４）は、パルス信号に対して時間方向に移動平均を行う移動平均処理部（４１）と、移動平均により平滑化されたパルス信号の立上り部分を抽出する立上り抽出部（４２）と、立上り部分の波形のフィッティングを行うフィッティング処理部（４３）と、フィッティングにより求められたパルス信号の立上り部分の波形と閾値との交点の値を用いてパルス信号が受信されたタイミングを決定し、決定したタイミングを用いて算出した当該パルス信号の到達時間に基づいて目標との間の距離を算出する距離算出部（４４）とを備える。

Description

測距装置、測距システムおよび測距方法
　本開示は、測距装置、測距システムおよび測距方法に関する。
　ＵＷＢセンサは、数百ＭＨｚから数ＧＨｚという超広帯域（Ｕｌｔｒａ　Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄ；以下、ＵＷＢと記載する。）の無線通信を用いたセンサである。ＵＷＢセンサを用いた測位では、複数のＵＷＢによる測距結果の組み合わせを用いて、最終的な目標との間の距離（以下、測距値と記載する。）が算出される。
　ＵＷＢセンサから目標までの測距値は、例えば、ＵＷＢセンサから外部空間に放射され目標で反射して当該ＵＷＢセンサに受信されるまでのパルス信号の到達時間（Ｔｉｍｅ　Ｏｆ　Ａｒｒｉｖａｌ；以下、ＴＯＡと記載する。）に関する情報を用いて算出される。ＴＯＡに関する情報を抽出するためには、上記の受信パルス信号が受信されたタイミングを正確に検出する必要がある。
　例えば、非特許文献１には、パルス信号の波形の立上りのタイミングを検出する技術である、ＬＥＤＡ（Ｌｅａｄｉｎｇ　Ｅｄｇｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）が記載されている。ＬＥＤＡでは、受信されたパルス信号を一定のサンプリング周波数でサンプリングすることにより当該パルス信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を用いてＴＯＡ情報を算出している。
Ｍ．　Ｊ．　Ｋｕｈｎ，　Ｊ．　Ｔｕｒｎｍｉｒｅ，　Ｍ．　Ｒ．　Ｍａｈｆｏｕｚ　ａｎｄ　Ａ．　Ｅ．　Ｆａｔｈｙ，　"　Ａｄａｐｔｉｖｅ　ｌｅａｄｉｎｇ－ｅｄｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ＵＷＢ　ｉｎｄｏｏｒ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　，"　２０１０　ＩＥＥＥ　Ｒａｄｉｏ　ａｎｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　（ＲＷＳ），　２０１０，　ｐｐ．　２６８－２７１．
　ＬＥＤＡを採用した従来の測距装置は、ＵＷＢセンサに設定されたサンプリング周波数が、パルス時間幅に対して十分に高くない場合、パルス信号のサンプリングタイミングがわずかにずれても、受信されたパルス信号の波形が大きく変化してしまい、パルス信号の受信タイミングがばらつくという課題があった。
　本開示は上記課題を解決するものであり、外部空間に放射され目標で反射して到来したパルス信号の受信タイミングのばらつきを低減できる測距装置、測距システムおよび測距方法を得ることを目的とする。
　本開示に係る測距装置は、外部空間に放射され目標で反射して受信されるまでのパルス信号の到達時間に基づいて目標との間の距離を測定する測距装置であって、パルス信号に対して時間方向に移動平均を行う移動平均処理部と、移動平均により平滑化されたパルス信号の立上り部分を抽出する立上り抽出部と、抽出された立上り部分の波形のフィッティングを行うフィッティング処理部と、フィッティングにより求められたパルス信号の立上り部分の波形と閾値との交点の値を用いてパルス信号が受信されたタイミングを決定し、決定したタイミングを用いて算出した当該パルス信号の到達時間に基づいて目標との間の距離を算出する距離算出部と、を備える。
　本開示によれば、時間方向の移動平均により平滑化されたパルス信号の立上り部分を抽出し、抽出した立上り部分の波形のフィッティングを行い、フィッティングにより求められた立上り部分の波形と閾値との交点の値を用いてパルス信号が受信されたタイミングが決定される。このように、パルス信号の立上り部分の波形のフィッティングを行うことにより、受信されたパルス信号の立上り部分がアップサンプリングされた状態となる。これにより、本開示に係る測距装置は、外部空間に放射され目標で反射して到来したパルス信号の受信タイミングのばらつきを低減できる。
実施の形態１に係る測距システムの構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る測距装置が備える立上り抽出部の構成を示すブロック図である。 ＵＷＢセンサに受信されたパルス信号の波形を示す波形図である。 ＵＷＢセンサに受信されたパルス信号の波形と当該波形のフィッティング結果を示す波形図である。 マルチパス波を含むパルス信号の波形を示す波形図である。 パルス信号の受信タイミングの検出結果を示すグラフである。 実施の形態１に係る測距方法を示すフローチャートである。 図８Ａおよび図８Ｂは、実施の形態１に係る測距装置の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る測距システムの構成例を示すブロック図である。 実施の形態２に係る測距装置が備える立上り抽出部の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る測距方法を示すフローチャートである。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る測距システム１の構成例を示すブロック図である。図１において、測距システム１は、外部空間に放射され、目標で反射されて受信されるまでＲＦ（高周波）のパルス信号の到達時間を用いて上記目標との間の距離を測定するシステムである。測距システム１は、図１に示すように、アンテナ２、受信回路３および測距装置４を備える。アンテナ２は、送信パルス信号を電波として外部空間に放射し、外部空間から到来した電波を受信する。送信パルス信号は、図１で図示を省略した送信回路により生成され、アンテナ２を介して電波として放射される。
　ＵＷＢセンサは、アンテナ２、受信回路３および上記送信回路を備える。また、ＵＷＢセンサがアンテナ２のみを備え、受信回路３および上記送信回路は、アンテナ２を介して送受信されるパルス信号を生成する送受信回路が備えてもよい。測距システム１は、図１におけるアンテナ２、受信回路３および測距装置４を少なくとも備えることにより、目標までの距離を測定することができる。また、アンテナ２と接続され、測距装置４とは別に設けられた通信制御装置が受信回路３および上記送信回路を備えてもよい。
　外部空間からアンテナ２に到来する電波には、上記送信パルス信号が、外部空間に存在する目標で反射し反射パルス信号として到来したものが含まれる。ＵＷＢセンサは、時間分解能が非常に高いパルス信号（インパルス信号）を、離散的に送受信するものである。送信パルス信号は、上記送信回路によって、周波数スペクトルが超広帯域に分布し、一定のパルス繰り返し周期のタイミングで生成される。
　受信回路３は、アンテナ２を介して外部空間に放射され目標で反射されて到来してきたパルス信号を受信する。受信回路３は、図１に示すように、信号受信部３１およびＡＤ変換部３２を備える。信号受信部３１は、アンテナ２を介して電波として受信されたパルス信号に信号処理を行う。信号処理には、パルス信号に対する周波数変換、および、アンプまたはアッテネータ等を用いた利得調整が含まれる。
　信号受信部３１は、アンテナ２を介して受信されたＲＦ出力に対して、増幅処理、帯域通過処理（フィルタ処理）および周波数変換処理などの各種の信号処理を実行することにより、アナログ信号のパルス信号を生成する。このアナログ信号は、同相成分および直交成分を有する複素信号であり、出力結果をＡＤ変換部３２へ出力する。
　ＡＤ変換部３２は、信号受信部３１が信号処理したパルス信号をアナログデジタル変換（ＡＤ変換）することにより、デジタル形式のパルス信号を生成する。例えば、ＡＤ変換部３２は、信号受信部３１から取得したアナログ信号のパルス信号を、デジタル形式の複素信号である、パルス信号ｈ０［ｔ］を生成する。パルス信号ｈ０［ｔ］は測距装置４に出力される。ここで、パラメータｔは時間である。
　測距装置４は、上記パルス信号の到達時間を用いて目標との間の距離を測定する。図１に示すように、測距装置４は、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３および距離算出部４４を備える。
　移動平均処理部４１は、デジタル形式の複素信号に変換されたパルス信号ｈ０［ｔ］を取得し、パルス信号ｈ０［ｔ］に対し時間方向に移動平均を行う。例えば、移動平均処理部４１は、下記式（１）に従って、パルス信号ｈ０［ｔ］の絶対値を算出し、パルス信号ｈ０［ｔ］の絶対値に対して時間方向にＮａｖｅ点の移動平均を行う。この移動平均により平滑化されたパルス信号ｙ［ｔ］が生成される。
　なお、下記式（１）において、ａｖｅｒａｇｅｗｉｎｄｏｗ（ｘ，ｎ）は、入力ｘのｎ点での移動平均を表し、ａｂｓ（　）は、絶対値を表している。パルス信号ｙ［ｔ］は、立上り抽出部４２に出力される。
　ｙ［ｔ］＝ａｖｅｒａｇｅｗｉｎｄｏｗ（ａｂｓ（ｈ０［ｔ］），Ｎａｖｅ）　　（１）
　立上り抽出部４２は、移動平均により平滑化された上記パルス信号の立上り部分を抽出する。図２は、測距装置４が備える立上り抽出部４２の構成を示すブロック図である。立上り抽出部４２は、図２に示すように、パルス最大値抽出部４２１およびインデックス減算部４２２を備える。また、図３は、ＵＷＢセンサに受信されたパルス信号の波形を示す波形図である。立上り抽出部４２は、図３に示すように、パルス信号ｙ［ｔ］の波形Ａにおける立上り部分Ｂのみを抽出する。
　立上り部分Ｂは、波形Ａの立上りが開始される開始時間ｔｓから、波形Ａが最も立ち上がる時間ｔｍａｘまでの時間範囲で特定される。波形Ａが最も立ち上がる時間ｔｍａｘとは、パルス信号ｙ［ｔ］が最大値をとる時間である。すなわち、時間ｔｍａｘは、立上り部分Ｂの終了を示す時間インデックスである。上記時間範囲をｔ∈［ｔｓ，ｔｍａｘ］とすると、パルス最大値抽出部４２１は、下記式（２）に従って、上記時間範囲における時間ｔｍａｘを算出することにより、パルス信号ｙ［ｔ］が最大値を抽出する。なお、下記式（２）において、ａｒｇｍａｘ（　）は、括弧内が最大となる時間ｔを表している。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　インデックス減算部４２２は、波形Ａの立上りが開始される時間ｔｓを算出する。例えば、インデックス減算部４２２は、下記式（３）に従って、パルス最大値抽出部４２１が算出した時間ｔｍａｘから、特定の時間インデックスβを減算することにより、時間ｔｓを算出する。なお、時間ｔｓは、立上り部分Ｂの開始を示す時間インデックスである。
　ｔｓ＝ｔｍａｘ－β　　　（３）
　上記式（２）および上記式（３）から明らかなように、上記時間範囲により特定される立上り部分Ｂにはβ＋１個の要素が含まれる。パルス幅ΔＴが既知である場合に、βは、下記式（４）で表すことができる。なお、下記式（４）において、γは０．５以上の定数（０．５≦γ）である。立上り抽出部４２は、立上り部分Ｂの開始を示す時間インデックスｔｓと、立上り部分Ｂの終了を示す時間インデックスｔｍａｘとを算出することにより、パルス信号の波形Ａにおける立上り部分Ｂを抽出する。立上り抽出部４２は、時間インデックスｔｓおよび時間インデックスｔｍａｘをフィッティング処理部４３に出力する。
　β＝γΔＴ　　　（４）
　フィッティング処理部４３は、立上り部分Ｂの波形のフィッティングを行う。例えば、フィッティング処理部４３は、時間インデックスｔｓから時間インデックスｔｍａｘまでの時間範囲に含まれるパルス信号ｙ［ｔ］（ｔ∈［ｔｓ，ｔｍａｘ］）の波形を、下記式（５）に従い、時間インデックスｔｍａｘ、最大値ｙｍａｘ、および分散値σのガウス分布を用いてフィッティングを行う。下記式（５）において、ｔｍａｘは、立上り部分Ｂの終了を示す時間インデックスであり、立上り部分Ｂに含まれるβ＋１個の要素のうち、要素が最大となる時間を示している。ｙｍａｘは、パルス信号ｙ［ｔ］の最大値である。分散σは、パルス信号ｙ［ｔ］が最大値ｙｍａｘに達するまでの複数の要素の値を用いて算出された分散値である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　パルス信号ｙ［ｔ］の立上り部分Ｂにおけるβ＋１個の要素を用いて、分散σは、下記式（６）を用いて算出することができる。下記式（６）において、ｉは１からβ＋１までの整数である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　図４は、ＵＷＢセンサに受信されたパルス信号ｙ［ｔ］の波形Ａと、波形Ａのフィッティング結果Ｃを示す波形図である。フィッティング結果Ｃは、フィッティング関数により表された、立上り部分Ｂの波形である。フィッティング処理部４３は、上記式（６）に従って、パルス信号ｙ［ｔ］の立上り部分Ｂの波形のフィッティングを行うことにより、フィッティング結果Ｃを算出する。図４に示すように、フィッティングを行う前の立上り部分Ｂは、サンプリング周波数に応じて離散的にサンプリングされた複数の点で構成されている。
　これに対し、フィッティング処理部４３は、ガウス関数を用いたフィッティング処理を施すことにより、図４に示すように、離散的にサンプリングされた複数の点で構成される立上り部分Ｂが補完されたフィッティング結果Ｃを算出する。フィッティング結果Ｃは、パルス信号ｙ［ｔ］の立上り部分Ｂのみをアップサンプリングした結果と等価である。
　図５は、マルチパス波を含むパルス信号の波形Ａを示す波形図である。図５において、波形ＡにおけるピークＡ１は、目標で反射してアンテナ２に直接到達したパルス信号の波形成分である（直接波）。ピークＡ２は、目標以外の反射を含むマルチパスでアンテナ２に到達したパルス信号の波形成分である（マルチパス波）。図５に示すように、マルチパス波のピークＡ２は、直接波のピークＡ１から遅れて到来する。
　フィッティング処理部４３は、パルス信号における立上り部分Ｂのみのフィッティングを行うので、直接波のピークＡ１から遅れて生じる、マルチパス波に起因したピークＡ２の影響を受けにくい。すなわち、フィッティング処理部４３は、マルチパス波に起因した信号成分を含むパルス信号であっても、パルス信号ｙ［ｔ］の立上り部分Ｂのみをアップサンプリングすることが可能である。フィッティング結果Ｃは、距離算出部４４に出力される。
　距離算出部４４は、フィッティングにより求められたパルス信号の立上り部分Ｂの波形と閾値との交点の値を用いて、パルス信号が受信されたタイミングを決定する。そして、距離算出部４４は、決定したタイミングを用いて算出したパルス信号の到達時間に基づいて、目標との間の距離を算出する。例えば、距離算出部４４は、フィッティングにより求められた関数と閾値との交点における時間インデックスの解析解を算出し、算出した解析解を用いてパルス信号が受信されたタイミングを決定する。
　距離算出部４４は、フィッティング処理部４３よりフィッテイングされた関数と、閾値との交点における時間インデックスの解析解を用いて、パルス信号の受信タイミングｔ１を算出する。パルス信号の受信タイミングを検出するための閾値Ｔｈを、定数αを用いてＴｈ＝ｙｍａｘ／αと表すと、下記式（７）に従って、パルス信号の受信タイミングｔ１は解析的に表すことができる。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　距離算出部４４は、送信パルス信号の電波を送信したタイミングｔ０を示す情報を上記送信回路から取得し、取得したタイミングｔ０を示す情報と、算出したパルス信号の受信タイミングｔ１とを用いて、下記式（８）に従い目標との間の測距値ｄを算出する。下記式（８）において、ｃは光速である。
　ｄ＝ｃ（ｔ１－ｔ０）　　　（８）
　上記式（７）に示すように、パルス信号の受信タイミングｔ１は、当該パルス信号の分散値σと定数αといった二つのパラメータによって決定される。分散値σは、パルス信号が受信される度に、上記式（６）に基づいて決定される。このため、パルス信号の受信タイミングを検出するために設定されるパラメータの値が固定的である、従来のＬＥＤＡに比べて、測距装置４によるパルス信号の受信タイミングの検出は、パルス信号の時間的な変化に対してロバストな特性を有する。
　図６は、パルス信号の受信タイミングの検出結果を示すグラフである。図６において、濃い色で示すカウント結果Ｄ１は、パルス信号が受信される度に測距装置４によって決定された立上りタイミングのカウント数である。薄い色で示すカウント結果Ｄ２は、パルス信号が受信される度に従来のＬＥＤＡによって決定された立上りタイミングのカウント数である。図６から明らかなように、測距装置４は、従来のＬＥＤＡよりも真の立上りタイミングを正確にかつ安定的に検出できている。
　パルス信号のサンプリングを行うサンプリング周波数が、パルス時間幅に対して十分に高くない場合、パルス信号からサンプリングされた複数の点のうち、閾値と比較する相手の点が存在しない、いわゆるオフグリッドの状態になる可能性がある。
　この場合、従来のＬＥＤＡ等の検出方法では、サンプル点の時間的な位置が本来の位置から少しでもずれると、不要な閾値との比較が発生して、パルス信号の受信タイミングが大きく変化してしまう。
　これに対して、測距装置４は、上記式（５）のような関数を用いたフィッティングを、パルス信号の立上り部分に施すことにより、上述したオフグリッドの影響を低減することができる。また、パルス信号の立上り部分のみにフィッティングを行うので、フィッティングに要する演算負荷を抑えることが可能である。
　さらに、測距装置４の測距方法において事前に設定すべきパラメータは、Ｎａｖｅ、α、およびβの３つでよい。
　図７は、実施の形態１に係る測距方法を示すフローチャートである。
　移動平均処理部４１が、受信回路３から、デジタル形式の複素信号であるパルス信号を取得する（ステップＳＴ１）。移動平均処理部４１は、取得したパルス信号に対して時間方向に移動平均を行う（ステップＳＴ２）。
　立上り抽出部４２が、移動平均により平滑化された前記パルス信号の立上り部分を抽出する（ステップＳＴ３）。フィッティング処理部４３が、抽出された立上り部分の波形についてガウス関数のフィッティングを行う（ステップＳＴ４）。
　距離算出部４４が、フィッティングにより求められたパルス信号の立上り部分の波形と閾値との交点の値を用いてパルス信号が受信されたタイミングを示す時間インデックスを算出する（ステップＳＴ５）。距離算出部４４は、パルス信号が受信されたタイミングを示す時間インデックスと、当該パルス信号が放射された電波の発射時間との差分により、当該パルス信号の到達時間を算出し、算出した到達時間に基づいて目標との間の測距値を算出する（ステップＳＴ６）。
　次に、測距装置４の機能を実現するハードウェア構成について説明する。
　測距装置４が備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３および距離算出部４４の機能は、処理回路により実現される。すなわち、測距装置４は、図７に示したステップＳＴ１からステップＳＴ６の処理を実行するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）であってもよい。処理回路は、単数または複数のプロセッサであってもよい。
　図８Ａは、測距装置４の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図８Ｂは、測距装置４の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図８Ａおよび図８Ｂにおいて、入力インタフェース１００は、ＡＤ変換部３２と移動平均処理部４１との間を接続する入力線を介して、移動平均処理部４１が、受信回路３から取得するパルス信号（デジタル形式の複素信号）を中継するインタフェースである。出力インタフェース１０１は、距離算出部４４と、測距装置４の後段に接続された外部装置との間を接続する出力線を介して、距離算出部４４から当該外部装置へ出力される測距結果を中継するインタフェースである。
　処理回路が図８Ａに示す専用のハードウェアの処理回路１０２である場合、処理回路１０２は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、または、これらを組み合わせたものが該当する。測距装置４が備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３および距離算出部４４の機能を別々の処理回路で実現してもよく、これらの機能をまとめて一つの処理回路で実現してもよい。
　処理回路が図８Ｂに示すプロセッサ１０３である場合、測距装置４が備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３および距離算出部４４の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。なお、ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ１０４に記憶される。
　プロセッサ１０３は、メモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、測距装置４が備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３および距離算出部４４の機能を実現する。例えば、測距装置４は、プロセッサ１０３によって実行されるときに、図７に示したステップＳＴ１からステップＳＴ６までの処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１０４を備える。
　これらのプログラムは、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３および距離算出部４４が行う処理の手順または方法を、コンピュータに実行させるものである。また、メモリ１０４は、コンピュータを、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３および距離算出部４４として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。
　メモリ１０４は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ－ＥＰＲＯＭ）（登録商標）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどが該当する。
　測距装置４が備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３および距離算出部４４の機能の一部を、専用のハードウェアで実現し、他の一部は、ソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２、フィッティング処理部４３の機能は、専用のハードウェアである処理回路１０２により実現し、距離算出部４４の機能は、プロセッサ１０３がメモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより実現してもよい。このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせにより上記機能を実現することが可能である。
　以上のように、実施の形態１に係る測距装置４は、パルス信号に対して時間方向に移動平均を行う移動平均処理部４１と、移動平均により平滑化されたパルス信号の立上り部分を抽出する立上り抽出部４２と、立上り部分の波形のフィッティングを行うフィッティング処理部４３と、フィッティングにより求められたパルス信号の立上り部分の波形と閾値との交点の値を用いてパルス信号が受信されたタイミングを決定し、決定した受信タイミングに基づく当該パルス信号の到達時間に基づいて目標との間の距離を算出する距離算出部４４とを備える。パルス信号の立上り部分の波形のフィッティングを行うことにより、パルス信号の立上り部分がアップサンプリングされた状態となる。これにより、測距装置４は、空間に放射され、目標で反射して到来したパルス信号の受信タイミングのばらつきを低減できる。
　実施の形態１に係る測距装置４において、フィッティング処理部４３は、ガウス関数によるパルス信号の立上り部分の波形のフィッティングを行う。距離算出部４４は、フィッティングにより求められた関数と閾値との交点における時間インデックスの解析解を算出し、算出した解析解を用いてパルス信号が受信されたタイミングを決定する。
　時間インデックスの解析解を用いることにより、事前に設定すべきパラメータがＮａｖｅ、α、およびβの３つでよくなる。さらに、立上り部分の波形のみのフィッティングでよいため、演算負荷が低減され、演算に要するハードウェア規模も低減できる。
　実施の形態１に係る測距装置４において、フィッティング処理部４３は、パルス信号の立上り部分の波形における最大値と、最大値に対応するインデックスと、最大値に達するまでの複数の信号点を用いて算出されたパルス信号の分散値とを用いて、フィッティングを行うガウス関数を算出する。
　事前に設定すべきパラメータがＮａｖｅ、α、およびβの３つでよくなる。さらに、立上り部分の波形のみのフィッティングでよいため、演算負荷が低減され、演算に要するハードウェア規模も低減できる。
　実施の形態１に係る測距装置４において、距離算出部４４は、パルス信号の立上り部分の波形における最大値と、パルス信号が最大値をとる時間と、パルス信号の分散値とを用いて、解析解を算出する。
　事前に設定すべきパラメータがＮａｖｅ、α、およびβの３つでよくなる。さらに、立上り部分の波形のみのフィッティングでよいため、演算負荷が低減され、演算に要するハードウェア規模も低減できる。
　また、実施の形態１に係る測距システム１は、アンテナ２、受信回路３および測距装置４を備える。これにより、目標で反射して到来したパルス信号の受信タイミングのばらつきを低減できる測距システム１を提供することができる。
　さらに、実施の形態１に係る測距方法は、移動平均処理部４１がパルス信号を時間方向に移動平均を行うステップと、立上り抽出部４２が移動平均により平滑化されたパルス信号の立上り部分を抽出するステップと、フィッティング処理部４３が、抽出された立上り部分の波形のフィッティングを行うステップと、距離算出部４４が、フィッティングにより求められたパルス信号の立上り部分の波形と閾値との交点の値を用いてパルス信号が受信されたタイミングを決定し、決定した受信タイミングに基づく当該パルス信号の到達時間に基づいて目標との間の距離を算出するステップと、を備える。
　この方法を実行することにより、測距装置４は、目標で反射して到来したパルス信号の受信タイミングのばらつきを低減できる。
　さらに、実施の形態１に係る測距方法は、フィッティング処理部４３が、ガウス関数によるパルス信号の立上り部分の波形のフィッティングを行う。距離算出部４４は、フィッティングにより求められた関数と閾値との交点における時間インデックスの解析解を算出し、算出した解析解を用いてパルス信号が受信されたタイミングを決定する。
　事前に設定すべきパラメータがＮａｖｅ、α、およびβの３つでよくなる。さらに、立上り部分の波形のみのフィッティングでよいため、演算負荷が低減され、演算に要するハードウェア規模も低減できる。
実施の形態２．
　図９は、実施の形態２に係る測距システム１Ａの構成例を示すブロック図である。図９において、測距システム１Ａは、外部空間に放射され、目標で反射されて受信されるまでＲＦ（高周波）のパルス信号の到達時間を用いて上記目標との間の距離を測定するシステムである。測距システム１Ａは、図９に示すように、アンテナ２、受信回路３および測距装置４Ａを備える。アンテナ２は、送信パルス信号を電波として外部空間に放射し、外部空間から到来した電波を受信する。送信パルス信号は、図９で図示を省略した送信回路により生成され、アンテナ２を介して電波として放射される。
　ＵＷＢセンサは、アンテナ２、受信回路３および上記送信回路を備える。ＵＷＢセンサがアンテナ２のみを備え、受信回路３および上記送信回路は、アンテナ２を介して送受信されるパルス信号を生成する送受信回路が備えてもよい。測距システム１Ａは、図９におけるアンテナ２、受信回路３および測距装置４Ａを少なくとも備えることにより、目標までの距離を測定することができる。また、アンテナ２と接続され、測距装置４Ａとは別に設けられた通信制御装置が受信回路３および上記送信回路を備えてもよい。
　測距装置４Ａは、パルス信号の到達時間を用いて目標との間の距離を測定する。図９に示すように、測距装置４は、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２Ａ、フィッティング処理部４３Ａおよび距離算出部４４Ａを備える。
　移動平均処理部４１は、実施の形態１と同様に、デジタル形式の複素信号に変換されたパルス信号ｈ０［ｔ］を取得し、パルス信号ｈ０［ｔ］に対し時間方向に移動平均を行う。例えば、移動平均処理部４１は、下記式（１）に従い、パルス信号ｈ０［ｔ］の絶対値を算出し、パルス信号ｈ０［ｔ］の絶対値に対して時間方向にＮａｖｅ点の移動平均を行う。この移動平均により平滑化されたパルス信号ｙ［ｔ］が生成される。
　立上り抽出部４２Ａは、パルス信号の二次差分値を用いて、パルス信号の変曲点を算出し、算出した変曲点の値を用いてパルス信号の立上り部分を抽出する。
　実施の形態１では、パルス信号の立上り部分を抽出する際に、パルス信号が最大ピーク（ｙｍａｘ）となる時間インデックスｔｍａｘを基準とし、最大ピークの時間から負の方向に一定の時間インデックスβ分の時間範囲を立上り部分として抽出していた。
　これに対し、立上り抽出部４２Ａは、パルス信号における立上り部分の波形の変曲点を示す情報を使用して、パルス信号の立上り部分を抽出する。このように処理することで、パルス信号のパルス時間幅等の事前情報が無い場合であっても、どの程度の範囲を立上り部分として抽出すべきかを判断することが可能である。
　図１０は、実施の形態２に係る測距装置４Ａが備える立上り抽出部４２Ａの構成を示すブロック図である。立上り抽出部４２Ａは、図１０に示すように、パルス最大値抽出部４２１、二次差分値算出部４２３および変曲点算出部４２４を備える。パルス最大値抽出部４２１は、上記式（２）に従って、上記時間範囲における時間ｔｍａｘを算出することで、パルス信号ｙ［ｔ］が最大値を抽出する。
　二次差分値算出部４２３は、パルス信号を構成する第i番目のサンプル値をｆｉ＝ｙ［ｉ］とすることで、下記式（９）および下記式（１０）に従い、一次差分値ｆｉドットおよび二次差分値ｆｉツードットを算出する。二次差分値ｆｉツードットは、変曲点算出部４２４へ出力される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　変曲点算出部４２４は、二次差分値算出部４２３が算出した二次差分値ｆｉツードットの極小点を求めることで、パルス信号の立上り部分の変曲点に相当する箇所を抽出する。
具体的には、下記式（１１）を満たす点で、かつパルス信号の波形が最大ピークとなる時間インデックスよりも時間的に負の位置にあり、かつ最大ピークとなる時間インデックスに近い点のインデックスｋを求める。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　変曲点算出部４２４は、上述のように求めたインデックスｋと、上記式（２）に従って算出されたパルス信号が最大値を取る時間インデックスｔｍａｘとを用いて、パルス信号の立上り部分の開始時間インデックスｔｓを、下記式（１２）に従って算出する。
　ｔｓ＝ｔｍａｘ－３（ｔｍａｘ－ｋ）＝３ｋ－２ｔｍａｘ　　　（１２）
　パルス信号の立上り部分がガウス関数で近似できる場合、上記式（１２）における（ｔｍａｘ－ｋ）は、分散値σに相当することに注目して定式化している。すなわち、（ｔｍａｘ－ｋ）に相当する分散値をσ’とすると、上記式（１２）は、パルス信号のピーク値から３σ’程度までを、フィッテイングの際に抽出することを意味する。
　また、上記式（１２）は、適当な変数ｐを用いることにより、下記式（１３）のように表現してもよい。変曲点算出部４２４は、算出したｔｓおよびｔｍａｘの値をフィッティング処理部４３Ａへ出力する。
　ｔｓ＝ｔｍａｘ－ｐ（ｔｍａｘ－ｋ）＝ｐｋ－（１－ｐ）ｔｍａｘ　　　（１３）
　フィッティング処理部４３Ａは、パルス信号の立上り部分における複数の点と、予め設定されたフィッティング用の関数を表す複数の点データとの二乗誤差の和が最小となるようにパラメータを算出し、算出したパラメータが示す関数を、パルス信号の立上り部分を表す関数として決定する。これにより、フィッティング処理部４３Ａは、ガウス関数に限定されず、任意の関数を用いたフィッティングが可能である。
　フィッティング処理部４３Ａは、立上り抽出部４２Ａから取得したｔｓおよびｔｍａｘを用いて、ｙ［ｔ］（ｔ∈［ｔｓ，ｔｍａｘ］）におけるフィッテイング処理を、事前に設定した任意の関数を用いて行う。この任意の関数は、ｎ個のパラメータｗ＝［ｗ１，ｗ２，ｗ３，・・・，ｗｎ］で記述され、ｆ（ｗ，ｔ）と表現できるものとする。ｆ（ｗ，ｔ）は、下記式（１４）を解くことにより、ｗをｗハットとして算出することができる。
　例えば、フィッティング処理部４３Ａは、下記式（１４）に示すパルス信号の立上り部分における複数の点と予め設定されたフィッティング用の関数ｆ（ｗ，ｔ）を表す複数の点データとの二乗誤差の和が最小となるようにパラメータｗハットおよびｔを算出する。下記式（１４）を用いて算出されたパラメータｗハットおよびｔが示す関数が、パルス信号の立上り部分を表す関数として決定される。フィッティング処理部４３Ａは、下記式（１４）を用いて、ｗハットとｔをパラメータとするフィッテイング関数を決定すると、決定したフィッティング関数を示す情報を距離算出部４４Ａへ出力する。
　なお、下記式（１４）において、ａｒｇｍａｘ（　）は、括弧内が最大になるパラメータを選択することを表しており、ａｒｇｍｉｎ（　）は、括弧内が最小となるパラメータを選択することを表している。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　距離算出部４４Ａは、下記式（１５）に基づいて、パルス信号の受信タイミングｔ１を数値的に決定する。時間インデックスｔ１は、下記式（１５）に基づく数値解である。距離算出部４４Ａは、送信パルス信号の電波が放射されたタイミングｔ０を示す情報を用いて、目標との間の測距値ｄを、上記式（８）に従い算出した結果を出力する。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　図１１は、実施の形態２に係る測距方法を示すフローチャートである。
　移動平均処理部４１が、受信回路３から、デジタル形式の複素信号であるパルス信号を取得する（ステップＳＴ１Ａ）。移動平均処理部４１は、取得したパルス信号に対して時間方向に移動平均を行う（ステップＳＴ２Ａ）。
　立上り抽出部４２Ａが、移動平均により平滑化された前記パルス信号の立上り部分を抽出する（ステップＳＴ３Ａ）。フィッティング処理部４３Ａが、抽出された立上り部分の波形について任意の関数のフィッティングを行う（ステップＳＴ４Ａ）。
　距離算出部４４Ａが、フィッティングにより求められたパルス信号の立上り部分の波形と閾値との交点の数値解を用いてパルス信号が受信されたタイミングを示す時間インデックスを算出する（ステップＳＴ５Ａ）。続いて、距離算出部４４Ａは、パルス信号が受信されたタイミングを示す時間インデックスと、当該パルス信号が放射された電波の発射時間との差分により、当該パルス信号の到達時間を算出し、算出した到達時間に基づいて目標との間の測距値を算出する（ステップＳＴ６Ａ）。
　次に、測距装置４の機能を実現するハードウェア構成について説明する。
　また、測距装置４Ａが備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２Ａ、フィッティング処理部４３Ａおよび距離算出部４４Ａの機能は、図８Ａに示した専用のハードウェアの処理回路１０２が実現してもよい。処理回路１０２は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。測距装置４Ａが備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２Ａ、フィッティング処理部４３Ａおよび距離算出部４４Ａの機能を別々の処理回路で実現してもよく、これらの機能をまとめて一つの処理回路で実現してもよい。
　処理回路が図８Ｂに示したプロセッサ１０３である場合、測距装置４Ａが備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２Ａ、フィッティング処理部４３Ａ、および距離算出部４４Ａの機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。なお、ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ１０４に記憶される。
　プロセッサ１０３は、メモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、測距装置４Ａが備える、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２Ａ、フィッティング処理部４３Ａおよび距離算出部４４Ａの機能を実現する。例えば、測距装置４Ａは、プロセッサ１０３により実行されるときに、図１１に示したステップＳＴ１ＡからステップＳＴ６Ａまでの処理が結果的に実行される、プログラムを記憶するためのメモリ１０４を備える。これらのプログラムは、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２Ａ、フィッティング処理部４３Ａおよび距離算出部４４Ａが行う処理の手順または方法を、コンピュータに実行させるものである。メモリ１０４は、コンピュータを、移動平均処理部４１、立上り抽出部４２Ａ、フィッティング処理部４３Ａおよび距離算出部４４Ａとして機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。
　以上のように、実施の形態２に係る測距装置４Ａにおいて、立上り抽出部４２Ａは、パルス信号の二次差分値を用いてパルス信号の変曲点を算出し、変曲点の値を用いてパルス信号の立上り部分を抽出する。パルス信号のパルス時間幅等の事前情報が無い場合であっても、どの程度の範囲を立上り部分として抽出すべきかを判断することが可能である。
　実施の形態２に係る測距装置４Ａにおいて、フィッティング処理部４３Ａは、パルス信号の立上り部分における複数の点と、予め設定されたフィッティング用の関数を表す複数の点データとの二乗誤差の和が最小となるようにパラメータを算出し、算出したパラメータが示す関数を、パルス信号の立上り部分を表す関数として決定する。これにより、立上り部分の波形のフィッティングに任意の関数を用いることができる。
　実施の形態２に係る測距方法において、立上り抽出部４２Ａは、パルス信号の二次差分値を用いてパルス信号の変曲点を算出し、算出した変曲点の値を用いてパルス信号の立上り部分を抽出する。パルス信号のパルス時間幅等の事前情報が無い場合であっても、どの程度の範囲を立上り部分として抽出すべきかを判断することが可能である。
　実施の形態２に係る測距方法において、フィッティング処理部４３Ａは、パルス信号の立上り部分における複数の点と、予め設定されたフィッティング用の関数を表す複数の点データとの二乗誤差の和が最小となるようにパラメータを算出し、算出したパラメータが示す関数を、パルス信号の立上り部分を表す関数として決定する。これにより、立上り部分の波形のフィッティングに任意の関数を用いることができる。
　なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。
　本開示に係る測距装置は、例えば、列車制御システム、通信システム、測距システム、または車載用レーダシステム等に利用可能である。
　１，１Ａ　測距システム、２　アンテナ、３　受信回路、４，４Ａ　測距装置、３１　信号受信部、３２　ＡＤ変換部、４１　移動平均処理部、４２，４２Ａ　立上り抽出部、４３，４３Ａ　フィッティング処理部、４４，４４Ａ　距離算出部、１００　入力インタフェース、１０１　出力インタフェース、１０２　処理回路、１０３　プロセッサ、１０４　メモリ、４２１　パルス最大値抽出部、４２２　インデックス減算部、４２３　二次差分値算出部、４２４　変曲点算出部。

Claims (12)

  1. 　外部空間に放射され目標で反射して受信されるまでのパルス信号の到達時間に基づいて前記目標との間の距離を測定する測距装置であって、
    　前記パルス信号に対して時間方向に移動平均を行う移動平均処理部と、
    　移動平均により平滑化された前記パルス信号の立上り部分を抽出する立上り抽出部と、
    　抽出された立上り部分の波形のフィッティングを行うフィッティング処理部と、
    　フィッティングで求められた前記パルス信号の立上り部分の波形と閾値との交点の値を用いて前記パルス信号が受信されたタイミングを決定し、決定したタイミングを用いて算出した当該パルス信号の到達時間に基づいて前記目標との間の距離を算出する距離算出部と、を備えた
    　ことを特徴とする測距装置。
  2. 　前記フィッティング処理部は、ガウス関数による前記パルス信号の立上り部分の波形のフィッティングを行い、
    　前記距離算出部は、フィッティングにより求められた関数と前記閾値との交点における時間インデックスの解析解を算出し、算出した前記解析解を用いて前記パルス信号が受信されたタイミングを決定する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
  3. 　前記フィッティング処理部は、前記パルス信号の立上り部分の波形における最大値と、当該最大値に対応するインデックスと、前記最大値に達するまでの複数の信号点を用いて算出された前記パルス信号の分散値とを用いて、フィッティングを行うガウス関数を算出する
    　ことを特徴とする請求項２に記載の測距装置。
  4. 　前記距離算出部は、前記パルス信号の立上り部分の波形における前記最大値と、前記パルス信号が前記最大値をとる時間と、前記パルス信号の分散値とを用いて、前記解析解を算出する
    　ことを特徴とする請求項３に記載の測距装置。
  5. 　前記フィッティング処理部は、任意の関数による前記パルス信号の立上り部分の波形のフィッティングを行い、
    　前記距離算出部は、フィッティングにより求められた関数と前記閾値との交点における時間インデックスの数値解を算出し、算出した前記数値解を用いて前記パルス信号が受信されたタイミングを決定する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
  6. 　前記立上り抽出部は、前記パルス信号の二次差分値を用いて前記パルス信号の変曲点を算出し、算出した変曲点の値を用いて前記パルス信号の立上り部分を抽出する
    　ことを特徴とする請求項５に記載の測距装置。
  7. 　前記フィッティング処理部は、前記パルス信号の立上り部分における複数の点と、予め設定されたフィッティング用の関数を表す複数の点データとの二乗誤差の和が最小となるようにパラメータを算出し、算出したパラメータが示す関数を、前記パルス信号の立上り部分を表す関数として決定する
    　ことを特徴とする請求項６に記載の測距装置。
  8. 　アンテナと、
    　前記アンテナを介して前記外部空間に放射されて前記目標で反射して到来してきた前記パルス信号を受信する受信回路と、
    　前記受信回路が受信した前記パルス信号を取得し、取得した前記パルス信号が受信されるまでの到達時間に基づいて前記目標との間の距離を測定する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の測距装置と、を備えた
    　ことを特徴とする測距システム。
  9. 　外部空間に放射され目標で反射して受信されるまでのパルス信号の到達時間に基づいて前記目標との間の距離を測定する測距装置の測距方法であって、
    　移動平均処理部が、前記パルス信号に対して時間方向に移動平均を行うステップと、
    　立上り抽出部が、移動平均により平滑化された前記パルス信号の立上り部分を抽出するステップと、
    　フィッティング処理部が、抽出された立上り部分の波形のフィッティングを行うステップと、
    　距離算出部が、フィッティングにより求められた前記パルス信号の立上り部分の波形と閾値との交点の値を用いて前記パルス信号が受信されたタイミングを決定し、決定したタイミングを用いて算出した当該パルス信号の到達時間に基づいて前記目標との間の距離を算出するステップと、を備えた
    　ことを特徴とする測距方法。
  10. 　前記フィッティング処理部は、ガウス関数による前記パルス信号の立上り部分の波形のフィッティングを行い、
    　前記距離算出部は、フィッティングにより求められた関数と前記閾値との交点における時間インデックスの解析解を算出し、算出した前記解析解を用いて前記パルス信号が受信されたタイミングを決定する
    　ことを特徴とする請求項９に記載の測距方法。
  11. 　前記立上り抽出部は、前記パルス信号の二次差分値を用いて前記パルス信号の変曲点を算出し、算出した変曲点の値を用いて前記パルス信号の立上り部分を抽出する
    　ことを特徴とする請求項１０に記載の測距方法。
  12. 　前記フィッティング処理部は、前記パルス信号の立上り部分における複数の点と、予め設定されたフィッティング用の関数を表す複数の点データとの二乗誤差の和が最小となるようにパラメータを算出し、算出したパラメータが示す関数を、前記パルス信号の立上り部分を表す関数として決定する
    　ことを特徴とする請求項１１に記載の測距方法。
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YOSHITSUGU NAKAGAWA, CHISATO MURAKAMI, KAZUYUKI MORI, HARUHIKO SATO : "Method of simple screening Measurement for Radiation Wireless Monitoring by Applying Non-linear Estimation", IEICE TECHNICAL REPORT, ASN, IEICE, JP, vol. 116, no. 407 (ASN2016-74), 15 February 2017 (2017-02-15), JP, pages 31 - 36, XP009555178 *

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