以下、図面を参照しながら本発明の超音� ��測定装置および超音波測定方法の実施形態� ��説明する。本発明の超音波測定装置は、複� ��の超音波から、所望の選択された超音波の� ��播距離および伝播方位のうち、少なくとも� ��方を計測する。図1は、本発明の超音波測定 装置が使用される環境を模式的に示しており 、超音波測定装置が複数存在している。

 超音波測定装置S1は、伝播経路3を通り物� ��2に向けて超音波を送信し、物体2において� �射する反射波を受信することにより、伝播� �路3の長さあるいは、物体2と超音波測定装置 S1との距離を計測する。また、超音波測定装� ��S1から見た物体2の方位を求めることも可能� ��ある。

 超音波測定装置S2および超音波測定装置S3 は、超音波を送受信することにより、それぞ れ距離や方位を計測している。超音波測定装 置S2が送信する超音波は、伝播経路4を通って 超音波測定装置S1に到達している。一方、超� ��波測定装置S3から送信される超音波は、超� �波測定装置S1へは到達しない。

 超音波測定装置S1、超音波測定装置S2およ び超音波測定装置S3は、それぞれ独立して動� ��しており、お互いに他の超音波測定装置の� ��作に関する情報は送受信していない。

 以下、本実施形態として、超音波測定装� ��S1を説明する。なお、本実施形態では、超� �波測定装置S1は超音波を送信するための送波 器および送波器を駆動する駆動部を備えてい るが、超音波測定装置S1は、送波器および駆� ��部を備えておらず、超音波測定装置S1とは� �立した超音波送波装置から送信される超音� �を受信することによって、超音波送波装置� �超音波測定装置S1との距離を測定したり、超 音波送波装置の方位を測定したりしてもよい 。また、発明が理解しやすいように3つの超� �波測定装置が動作している環境を説明する� �、本発明はより多くの超音波測定装置が動� �している環境において、好適に他の超音波� �定装置からの影響を低減し、正確な距離や� �位の測定を行うことができる。

 図1に示す超音波測定装置S1~S3が送信する� ��音波は、互いに異なるM系列符号によって符 号化され、スペクトラム拡散されている。符 号化のための変調方式には、たとえば、拡散 符号の「1」を100kHz以下の正弦波に対応させ� �拡散符号の「0」を180度位相が反転した100kHz� ��下の正弦波に対応させる2相位相シフト変調 を用いる。なお、この100kHz以下の正弦波のこ とを搬送波と呼ぶ。

 拡散符号の単一の符号内に存在する正弦� ��の波数は、用いる送波器および受波器の帯� ��に応じて決定することが好ましい。帯域が� ��い場合には波数を多くし、逆の場合には少� ��くする。波数が少ないほうが、スペクトラ� ��拡散の拡散率が高くなるので、耐雑音性は� ��上する。M系列の次数(M系列の長さ)は大きい ほど、他のM系列との相関が低くなる。した� �って、M系列の次数は、大きいほど干渉雑音� ��少ないため好ましい。しかし次数が大きく� ��るにつれて、送信する超音波は長くなり、� ��境における変化の影響を受け易くなる。

 これらの点を考慮して、たとえば超音波� ��定器が最大で4台存在する環境においては、 7次のM系列を使用し、最大で10台存在する環� �においては、たとえば、9次のM系列を使用す る。このように、同じ環境に存在する超音波 測定装置の台数によってM系列の長さを変更� �ることが好ましい。たとえば、搬送波の周� �数が40kHzであり、単一の符号内に存在する正 弦波の波数を1とした場合、7次のM系列を用い ると、送信する超音波の長さは、約3ms程度に なる。

 図2は、2相位相シフト変調方式を説明す� �図である。たとえば「1、0、1、1」で表され� ��拡散符号6を用いて正弦波の搬送波を2相位� �シフト変調方式によって拡散した場合、波� �7のランダム波が得られる。波形7では、符号 「0」と符号「1」との境界において、位相が� ��転している。

 図3は、M系列の拡散符号を用い、2相位相� ��フト変調方式によって拡散された信号の一� ��である波形8を示している。波形8を同じ拡� �符号で逆拡散すると、波形9が得られる。拡� ��で用いた符号と逆拡散で用いた符号とが異� ��れば、このように波形が現れることがない� ��したがって、図1の超音波測定装置S1、超音� ��測定装置S2および超音波測定装置S3は、それ ぞれ異なる拡散符合で送信する超音波を拡散 し、受信時に自分の拡散符号で逆拡散するこ とで、自分が送信した波形のみを抽出するこ とができる。

 図4は、別の符号で拡散された信号が干渉 している信号の波形10を示している。干渉し� ��いる信号の符号ではない、正しい拡散符号� ��よって、波形10を逆拡散することによって� �波形11が得られる。図3の波形9と比べて、雑� ��部分と抽出した信号の振幅比(振幅の相対的 な大きさ)が小さくなっていることが分かる� �この振幅比は、干渉している信号数が多く� �るにつれて小さくなる。

 これは、拡散符号が完全にはランダムで� ��ないため、異なる符号間でも多少の相互相� ��あり、相関値に応じて干渉している信号の� ��幅成分が重畳するからである。図4の波形10� ��は、干渉する信号の振幅が、自信号の振幅� ��ほぼ同じである場合を示しているが、干渉� ��る信号の振幅が自信号の振幅値よりも大き� ��なると、雑音部分の振幅はさらに大きくな� ��、所望の信号を抽出することが困難となる� ��

 図1に示された環境の場合、超音波測定装 置S1が物体2までの距離や方位の測定に用いる 超音波は、伝播経路3を通って物体2によって� ��射し、再び伝播経路3を通って超音波測定装 置S1に戻る。これに対して、超音波測定装置S 2から伝播経路4を通る超音波は、物体2などに 反射せず、超音波測定装置S1に直接到達する� ��このため、超音波測定装置S2から超音波測� �装置S1に到達する超音波は、超音波測定装置 S1が送信し、物体2から反射する超音波よりも エネルギーが大きい。つまり、超音波測定装 置S1では、自信号よりも干渉信号のほうが大� ��く、干渉信号を除去しないと、自信号の伝� ��時間を正確に測定することは困難となる。

 本発明の超音波測定装置は、干渉する信� ��を除去することによって、干渉による影響� ��ない受信信号を生成し、得られた受信信号� ��用いて、超音波の伝播時間を正確に測定す� ��ことによって、正確な距離あるいは方位の� ��定を行うことができる。ただし、超音波測� ��装置S1~S3が、たとえば自走するロボットの� �うな移動体に搭載されている場合、超音波� �定装置S1~S3の位置は常に変化する。このため 、他の超音波測定装置から到達する超音波の 方向や強度も大きく変化し、干渉する信号の 強度も大きく変化する。したがって、本発明 の超音波測定装置は、所望の超音波による信 号と干渉する超音波による信号との強度比に 基づいて干渉信号を正確に再現する。

 図5は、本発明による超音波測定装置S1の� ��本構成を示すブロック図である。超音波測� ��装置は、送波器12、第1の受波器13(1)、第2の� ��波器13(2)、送信部14、演算部15、第1の受信部 17(1)、第2の受信部(2)、窓設定部18、干渉除去� ��20および距離方位算出部21を備えている。干 渉除去器20など、超音波測定装置を構成する� ��構成要素あるいはその構成要素の果たす機� ��の一部は、ソフトウエアによって実現して� ��よい。

 本実施形態では、超音波を第1の受波器13( 1)および第2の受波器13(2)で受信し、それぞれ� ��受信器で受信した超音波の伝播時間を求め� ��。伝播時間の差から超音波が伝播してきた� ��位を算出する。以下、第1の受波器13(1)およ� ��第2の受波器13(2)をまとめて参照する場合に� ��、受波器13と呼ぶこともある。

 超音波測定装置の最大測定距離(測定限界 )を5m~10mと設定した場合、最大測定距離と大� �中における超音波の減衰特性とを考慮する� �とにより、使用する超音波の周波数を決定� �ることができる。超音波の周波数が高けれ� �波長が短くなるので、伝播時間測定におけ� �時間分解能は向上する。しかし、周波数が� �いと、大気中での超音波の減衰も大きくな� �。送波器12および受波器13の駆動も考慮し、� ��えば最大測定距離5mに設定する場合、100kHz� �下の超音波が適している。本実施形態では� �40kHzの超音波を計測に用いる。

 送波器12および受波器13には圧電セラミッ クのたわみ振動子を用いた超音波振動子、あ るいは、PVDF圧電高分子膜を振動子とした送� �器および受波器などを用いることができる� �第1の受波器13(1)および第2の受波器13(2)は、� �離Lを隔てて隣接して配置されている。最大� ��定距離5mである場合、距離Lは超音波の波長� ��下(40kHzの場合8.5mm)であることが好ましい。� ��1の受波器13(1)および第2の受波器13(2)として� ��じ規格の超音波振動子等を用いる限り、受� ��器の特性のばらつきは、計測精度にほとん� ��影響を与えない。

 演算部15はマイコンなどによって構成さ� �、駆動信号を生成し、また、干渉除去器20、 窓設定部18および距離方位算出部21を制御す� �。演算部15で生成する駆動信号の一例を図6� �おいて、波形7で示す。演算部15で生成する� �動信号は、M系列の拡散符号6により拡散処理 されたランダム波7の振幅の頂点で送信器12を 駆動する。演算部10で作成された駆動信号の� ��ンプリング周期は、搬送波の周波数の4倍と する。演算部10から出力された駆動信号は、� ��信部14で増幅され送信器12を駆動する。これ により超音波が送信される。

 第1の受波器13(1)、第2の受波器13(2)は、物� ��2において反射した超音波をそれぞれ受信し 、受信した超音波を電気的な受信信号に変換 する。第1の受信部17(1)、第2の受信部17(2)は、 それぞれ受信信号を増幅し、A-D変換する。A-D 変換のサンプリング周波数は、搬送波の周波 数の4倍以上であることが好ましい。

 演算部15は、第1の受波器13(1)、第2の受波� ��13(2)によってそれぞれ受信され、デジタル� �ータに変換された受信信号から、送信開始� �刻より一定時間経過した後の一定時間分を� �り出し、切り出された受信信号のデータが� �渉除去器20へ出力される。ここで、一定時間 分とは、送信し超音波が第1の受波器13(1)、第 2の受波器13(2)へ最も早く超音波が到達する時 刻をT1とし、最も遅く超音波が到達する時刻� ��T2とした場合、T2-T1である。受信信号データ を切り出すための時間の設定は、超音波測定 装置の計測可能な測定距離および、計測に用 いる超音波の長さに基づいて設定される。

 例えば測定範囲が1m~5mである場合、超音� �は測定範囲内にある物体と超音波測定装置� �の間を往復するため、伝播距離は2m~10mとな� �。超音波の空気中での音速は約340m/secである ので、2mおよび10mを伝播時間に換算すると、� ��れぞれ約6msecおよび約30msecとなる。また、7� ��のM系列の信号の長さは、搬送波の周波数を 40kHzとし、単一の符号内に存在する正弦波の� ��数を3とすると、約9.5msecである。したがっ� �、最も早く超音波が到達する時刻T1は、6msで あり、最も遅く超音波が到達する時刻T2は、3 9.5msecとなる。したがって、窓設定部16は、超 音波の送信を開始した時刻をゼロとして、時 刻T1=6msから時刻T2=39.5msまでの期間を含むよう に受信データを切り出す窓を設定する。

 図7は、第1の受波器13(1)に受信され、切り 出された受信データ19の波形を示している。� ��様の波形のデータが第2の受波器13(2)からも� ��られる。これらのデータは干渉除去器20へ� �力される。

 図5に示すように、干渉除去器20は、第1の 干渉除去部20(1)および第2の干渉除去部20(2)を� ��む。第1の干渉除去部20(1)および第2の干渉除 去部20(2)は、第1の受波器13(1)、第2の受波器13( 2)によってそれぞれ受信され、切り出された� ��信信号から除去すべき干渉信号を生成し、� ��信信号から干渉信号を除去する。本実施形� ��では図1に示すように超音波測定装置S2から� ��超音波を最適に取り除く干渉除去処理を行� ��。干渉除去器20の動作は以下において詳し� �説明する。

 干渉除去処理が施された2つの受信信号は 距離方位算出器21に入力される。距離方位算� ��器21は、干渉除去処理が施された2つの受信� ��号、つまり、送信器12から送信され、物体2� ��おいて反射した超音波のみが第1の受波器13( 1)および第2の受波器13(2)により受信され、生� ��した受信信号の到達時刻を求め、到達時刻� ��差および送信開始からの経過時間を求める� ��とにより、物体2との距離と方位が算出され る。受信信号から波形の時間的位置を直接求 めてもよいし、2つの受信信号を振幅情報に� �換し、振幅情報のピーク値の時間的位置を� �めてもよい。たとえば、Japanese Journal of App lied Physics Vol.43, No.5B,2004, pp.3169-3175に記載� �れる方法によって求めることができる。

 また、十分に遠い音源からの超音波を二つ� ��超音波受波器で検出した時間差をδT、超音� ��の音速をvとすると、二つの超音波受波器間 の距離Lを用いて、物体2の方向を示す角度θ� �、次式より求められる。

 また、干渉信号が除去された2つの受信信 号の位相差より方位を求めてもよい。超音波 の搬送波の周波数が40kHzである場合、1波長が 25μs(=1/40kHz)となる。この1波長分の位相2πが25 μsに相当することから、位相差を時間差に換 算することができ、式(1)を用いることにより 、さらに方位を求めることができる。

 次に干渉除去器20の構成および動作を説� �する。図8は、干渉除去器20に含まれる第1の� ��渉除去部20(1)および20(2)の基本的な構成を示 すブロック図である。第1の干渉除去部20(1)お よび20(2)のそれぞれは、逆拡散部22(1)~22(3)、� �調部23(1)~23(3)、振幅比算出部25(1)~25(3)、抽出� ��27(1)、27(2)、閾値LUT(ルックアップテーブル)2 6、拡散部28(1)、28(2)、干渉信号除去部29、遅� �部30および再逆拡散部31を含む。閾値LUT26は� �メモリなどの記憶部に記憶された値である� �

 本実施形態では、図1に示すように、超音 波測定装置S1のほかに除去すべき超音波を送� ��する超音波測定装置S2およびS3が存在する。 つまり3つの異なる拡散符号で拡散された超� �波を取り扱う。このため、第1の干渉除去部2 0(1)および20(2)には、それぞれ3つの逆拡散部22 (1)~22(3)、復調部23(1)~23(3)、振幅比算出部25(1)~2 5(3)が設けられている。また、3つの異なる拡� ��符号で拡散された超音波のうち2つによる受 信信号は干渉信号として除去すべきであるの で、2つの抽出部27(1)、27(2)および拡散部28(1)� �28(2)が設けられている。これらの構成要素は 、測定環境中における、異なる符号で拡散さ れた超音波の数に応じて設けられる。本願明 細書では、第1の干渉除去部20(1)の逆拡散部22( 1)~22(3)、復調部23(1)~23(3)、振幅比算出部25(1)~25 (3)、抽出部27(1)、27(2)、拡散部28(1)、28(2)、干� ��信号除去部29および再逆拡散部31を、それぞ れ、第1の逆拡散部22、第1の復調部23、第1の� �幅比算出部25、第1の抽出部27、第1の拡散部28 、第1の干渉信号除去部29および第1の再逆拡� �部31と呼ぶ場合がある。同様に、第2の干渉� �去部20(2)の逆拡散部22(1)~22(3)、復調部23(1)~23(3 )、振幅比算出部25(1)~25(3)、抽出部27(1)、27(2)� �拡散部28(1)、28(2)、干渉信号除去部29および� �逆拡散部31を、それぞれ、第2の逆拡散部22、 第2の復調部23、第2の振幅比算出部25、第2の� �出部27、第2の拡散部28第2の干渉信号除去部29 および第2の再逆拡散部31と呼ぶ場合がある。

 図9は、干渉除去器20を中心とした超音波� ��定装置の動作を説明するフローチャートで� ��る。以下、図1、図5、図8および図9を参照し ながら、順に超音波測定装置の動作を説明す る。なお、以下の説明では、第1の受波器13(1) で受信される超音波を説明するが、第1の受� �器13(1)および第2の受波器13(2)によって受信さ れる受信信号は、まったく同様の手順で処理 される。

 また、図1に示すように、本実施形態では 、超音波測定装置S1が送信する超音波が物体2 までの距離を測定するための所望の超音波で ある。以下、S1が送信する超音波を「選択さ� ��た超音波」と呼び、選択された超音波に関� ��る符号や逆拡散信号などを「選択符号」、� ��選択拡散符号」などと呼ぶ場合がある。ま� ��、所望の超音波以外の超音波を「非選択の� ��音波」、「非選択符号」「非選択拡散信号� ��などと呼ぶ場合がある。

 (ステップS41)
 ステップS41はステップAに対応する。まず、 第1の受波器13(1)によって超音波を受信し、第 1の受信部17(1)により第1の受信信号をデジタ� �信号に変換する。

 (ステップS42)
 ステップS42はステップBに対応する。上述し たように、窓設定部18により、第1の受信信号 から検出すべき超音波による信号が含まれて いる範囲のデータを切り出し、拡散除去器20� ��第1の拡散除去部20(1)へ入力する。

 (ステップS43)
 ステップS43はステップBに対応する。切り出 された第1の受信信号は、第1の拡散除去部20(1 )の逆拡散部22(1)~22(3)により、すべての符号で 逆拡散処理される。逆拡散部22(1)は超音波測� ��装置S1に割り当てられた拡散符号、つまり� �選択された超音波の拡散に用いられた選択� �号で逆拡散処理し、選択逆拡散信号を生成� �る。逆拡散部22(2)および22(3)は、それぞれ超� ��波測定装置S2およびS3に割り振られた拡散符 号、つまり非選択の超音波の拡散に用いられ た非選択符号で逆拡散処理し、非選択逆拡散 信号を生成する。

 図10は、これらの逆拡散信号の一例であ� �、超音波測定装置S1、S2およびS3に割り当て� �れた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号61、 62、および63を示している。

 逆拡散信号61および62には、それぞれ100kHz 以下の正弦波64、65が含まれるが、逆拡散信� �63には正弦波は含まれていない。これは、超 音波測定装置S1が、超音波測定装置S1および� �音波測定装置S2から送信された超音波を受信 し、超音波測定装置S3から送信された超音波� ��受信していないことを示している。また、� ��弦波64および65は、それぞれ伝播経路3およ� �4(図1)による固有の影響を受けるため、送信� ��後の波形とは異なっている。つまり、この� ��弦波64および65は伝播経路の特性を反映して いる。さらに正弦波65は正弦波64よりも早い� �刻に到達している。しかし、逆拡散信号61に は正弦波65は含まれていないように見える。� ��れは、超音波測定装置S1に割り当てられた� �散符号を用いて逆拡散することにより得ら� �る逆拡散信号61では、他の拡散符号で拡散さ れた超音波はノイズ程度の影響しか与えない からである。しかし、他の拡散符号で拡散さ れた超音波の数が増えると上述したように相 互相関に起因したピークが現れるようになる 。このため、他の拡散符号で拡散された超音 波による信号を干渉信号として除去する。

 (ステップS44)
 ステップS44はステップCに対応する。第1の� �拡散部22によって得られた逆拡散信号を、図 8に示す第1の復調部23において、振幅情報に� �換する。図11は、得られた逆拡散信号の波形 の振幅情報を示している。波形66、67および68 は、それぞれ超音波測定装置S1、S2およびS3に 割り当てられた拡散符号で逆拡散された逆拡 散信号の振幅情報である。

 (ステップS45、S46)
 ステップS45、S46はステップCに対応する。第 1の振幅比算出部25の振幅比算出部25(1)は、超� ��波測定装置S1に割り当てられた拡散符号で� �拡散された逆拡散信号、つまり選択逆拡散� �号の振幅情報66より、最大ピーク値69と、S/N� ��70を求める。そして、S/N比70から、窓設定部 18によって切り出された受信データ19(図7)の� �に、超音波測定装置S1から送信された超音波 、つまり選択された超音波による信号が含ま れているかどうかを判断する。S/N比70が所定� ��値よりも小さければ、超音波測定装置S1か� �送信された超音波が含まれていないか、超� �波測定装置S1から送信された超音波は含まれ ているが他の超音波の強度が強すぎ、正しく 超音波測定装置S1から送信された超音波を検� ��できないと考えられる。したがって、この� ��合は、その後の処理を中止する。

 (ステップS47)
 ステップS47はステップCに対応する。選択逆 拡散信号のS/N比が所定の値より大きい場合、 第1の振幅比算出部25の振幅比算出部25(2)およ� ��25(3)は、超音波測定装置S2およびS3に割り当� ��られた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号� ��つまり非選択逆拡散信号の振幅情報67およ� �68から最大ピーク値を求め、選択逆拡散信号 と非選択逆拡散信号との最大ピークの振幅比 をそれぞれ求める。

 (ステップS49)
 ステップS49はステップDに対応する。振幅比 算出部25(2)および25(3)は、求めた振幅比から� �超音波測定装置S2およびS3に割り当てられた� ��散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり� ��選択逆拡散信号に含まれるノイズを除去す� ��ための閾値をそれぞれ決定する。これは閾� ��LUT26を参照することにより行われる。閾値LU T26には、干渉信号が除去された受信信号のS/N 比が所定の値以上となる場合の閾値と振幅比 との関係があらかじめ求められ記憶されてい る。閾値LUT26の求め方については、以下にお� ��て詳細に説明する。

 (ステップS50)
 ステップS50は、ステップEに対応する。抽出 部27は、決定した閾値を用いて、超音波測定� ��置S2およびS3に割り当てられた拡散符号で逆 拡散された逆拡散信号、つまり非選択逆拡散 信号から閾値以上の振幅を有する信号を抽出 する。具体的には、抽出部27は、非選択逆拡� ��信号において、閾値以上の波形が存在する� ��間帯を「1」とし、その他の時間を「0」と� �るパルス波形を生成し、図10に示す各逆拡散 信号と掛け合わせることによって、非選択逆 拡散信号からノイズを除去する。これにより 超音波測定装置S2およびS3から送信された超� �波に対応する干渉信号が生成する。図12は、 超音波測定装置S2およびS3に割り当てられた� �散符号で逆拡散された逆拡散信号、つまり� �選択逆拡散信号の振幅情報67および68に設定� ��れた閾値71、および72を示している。図12に� ��すように振幅情報67には強いピークが見ら� �るため、ピークに対してノイズレベルを除� �するような閾値71が設定される。これに対し 、振幅情報68には強いピークはなく、ノイズ� ��分のみを含んでいる。したがって、ノイズ� ��分全体が除去されるように閾値72が設定さ� �る。

 図13は、抽出された干渉信号の波形73、74� ��示している。波形73には超音波測定装置S2が 送信した超音波に対応する信号波形が含まれ ており、ノイズ成分は完全に除去されている 。波形74には超音波測定装置S3が送信した超� �波に対応する信号波形もノイズ成分も含ま� �ていない。

 (ステップS51)
 ステップS51はステップFに対応する。第1の� �散部28は生成した干渉信号を対応する非選択 符号で拡散処理する。具体的には、拡散部28( 1)は超音波測定装置S2に割り当てられた拡散� �号で、波形73の干渉信号を拡散処理する。同 様に拡散部28(2)は、超音波測定装置S3に割り� �てられた拡散符号で、波形74の干渉信号を拡 散処理する。

 (ステップ52)
 ステップS52はステップFに対応する。加算器 29は、第1の受信信号から非選択符号で拡散処 理された干渉信号を減算する。このとき、第 1の受信信号は、拡散処理された干渉信号の� �成のタイミングと同期させるため、遅延部30 においてタイミングが調整され、加算器29に� ��力される。これにより、干渉信号が除去さ� ��た第1の受信信号が得られる。

 (ステップS53)
 ステップS53はステップGに対応する。再逆拡 散部31は、干渉信号が除去された第1の受信信 号を選択符号で逆拡散する。つまり、超音波 測定装置S1に割り当てられた拡散符号で干渉� ��号が除去された第1の受信信号を選択符号で 逆拡散し、第1の逆拡散信号を得る。図14は、 再逆拡散部31から得られる第1の逆拡散信号の 波形75を示している。干渉信号を除去するこ� ��なく、超音波測定装置S1に割り当てられた� �散符号で受信信号を逆拡散することにより� �られた図10の波形61に比べて、S/N比が向上し� ��いる。

 (ステップS54)
 ステップS54はステップHに対応する。ステッ プS41からS53の手順で第1の受信器13(1)および第 2の受信器13(2)から得られた受信信号を処理し 、第1のおよび第2の逆拡散信号を得た後、距� ��方位算出部21は、第1および第2の逆拡散信号 の第1の受信器13(1)および第2の受信器13(2)への 到達時間をそれぞれ算出する。これにより、 上述したように伝播距離および伝播方位のう ち、少なくとも1つを算出する。

 次に閾値LUT26の求め方を説明する。超音� �は、空中を伝播することで減衰する。減衰� �は周波数によって異なり、周波数が高いほ� �減衰率は大きい。よって、伝播路が長いほ� �、高い周波数成分が先に減少していくこと� �なる。図3のように拡散された信号では、符� ��「1」、「0」がそれぞれ「0」、「1」に変化 する部分が高い周波数成分によって構成され ている。伝播路が長いほど、この符号が変化 する部分があいまいになっていく。これによ って雑音は大きくなっていく。

 また、干渉している信号のエネルギーは� ��それぞれの伝播経路によって異なる。さら� ��空気のゆらぎによって、超音波は時間的に� ��変化の影響をうけている(フェージング)。� �れらのことから、干渉している信号に重畳� �ているノイズ成分を除去するための閾値を� �義的に決めることはできない。

 本実施形態では、干渉除去器20で除去す� �信号は、他の超音波測定装置(ここでは超音� ��測定装置S2および超音波測定装置S3)からど� �にも反射せず、自超音波測定装置(ここでは� ��音波測定装置S1)に直接伝播してきた超音波( 直接音)によるもののみとする。

 対象物までの相対距離や相対方位を測定� ��るためには、対象物において反射した超音� ��を検出する必要がある。しかし、反射波は� ��象物における反射によって拡散するため、� ��射波のエネルギーは、他の超音波測定装置� ��ら直接伝播する超音波と比較して非常に小� ��い。

 一方、反射せずに直接伝播する超音波は� ��大きなエネルギーを有するため、伝播経路� ��よる波形の変形が小さい。さらに空気のゆ� ��ぎによる時間的な変化の影響も少ない。こ� ��ため、超音波の逆拡散に用いた次数が既知� ��あれば、理想的な自己相関値、つまり、信� ��が干渉していない場合のピーク値と雑音の� ��、および、干渉があった場合の相互相関値� ��予測できる(図3および図4参照)。言い換えれ ば、図11に示す逆拡散された波形の振幅情報� ��あれば、その波形のS/N比が予測でき、した� ��って、ノイズを除去する閾値が容易に推定� ��きる。

 本実施例では、選択逆拡散信号と非選択� ��拡散信号との振幅比およびその振幅比にお� ��る最適な閾値を閾値LUT26としてあらかじめ� �意し、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号� �の振幅比からルックアップテーブルを参照� �て閾値を決定する。

 図15は、超音波測定装置S1から送信され、 壁に反射した信号を受信した受信信号と、超 音波測定装置S2から送信され、直接超音波測� ��装置S1にて受信した受信信号の振幅比、つ� �り、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信号の� �幅比と非選択逆拡散信号に含まれるノイズ� �除去するために最適な閾値との関係を示し� �いる。この関係は、シミュレーションおよ� �実験によって求める。

 図15において、振幅比を横軸にとり、閾� �を縦軸にとっている。閾値は、正規化され� �非選択逆拡散信号の振幅情報に対して適用� �るように決定されている。したがって、閾� �の最大値は1であり、この場合、すべての信� ��を除去する。また、図15において、濃淡は� �干渉除去処理を行ったあとの信号のS/N比を� �している。濃淡が濃いほど、S/N比が高い。� �15から分かるように、振幅比を決定すれば、 最もS/N比が高い閾値を選ぶことができる。図 15において、曲線32は、最もS/N比が高くなる� �幅比と閾値と関係を示している。また、領� �33は、S/N比が約18dB以上となる振幅比と閾値� �範囲を示している。

 したがって、図15の最もS/N比が高くなる� �幅比と閾値と関係を示す曲線32上の振幅比と 閾値とを閾値LUT26の値とすれば、最も適切に� ��渉信号を除去できる。あるいは、領域33を� �たす振幅比と閾値とを閾値LUT26の値としても よい。さらに、閾値LUT26から閾値を1つ決める のではなく、ある範囲たとえば領域33から複� ��の閾値を選択し、それぞれの閾値を用いて� ��成した干渉信号を除去した受信信号のS/N比� ��比較し、最もS/Nが一番高いものを干渉信号� ��除去された受信信号としてもよい。図15に� �れば、最適閾値を示す曲線32より少しでも低 い値閾値を選択すると、S/N比は極端に悪くな る(濃淡が薄い)ことがわかる。しかし、最適� ��値を示す曲線32より少し高めの閾値、つま� �、領域33内ではS/N比の極端な変化がない。

 例えば、超音波測定装置S1から送信され� �物体2に反射した信号を受信した受信信号と� ��超音波測定装置S2から送信され、超音波測� �装置S1にて受信した受信信号の振幅比が0.4だ った場合、超音波測定装置S2から送信され、� ��音波測定装置S1にて受信した受信信号を取� �除くために、超音波測定装置S2に割り当てら れた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号の振 幅情報を正規化した信号における閾値は、0.4 1が最適である。

 次に、シミュレーションおよび実験にて� ��められた閾値LUT26が、なぜこのような結果� �示すのかを説明する。図16(a)および(b)は、超 音波測定装置S2に割り当てられた拡散符号で� ��拡散された波形62の振幅情報67と閾値LUT26の� ��係を示している。超音波測定装置S1から送� �され、物体2に反射した信号を受信した受信� ��号と、超音波測定装置S2から送信され、超� �波測定装置S1にて受信した受信信号の振幅比 が16(b)における直線34に相当するとする。

 振幅情報67を閾値でスライスした場合の� �間幅35は、閾値を1から小さくしていくと、� �初は急激に拡がるが、その後ゆるやかにな� �ことがわかる。時間幅35が急激にひろがる閾 値の範囲を範囲36とし、ゆるやかになる閾値� ��範囲を範囲37とする。閾値の範囲36の中で閾 値を変化させると、抽出される超音波測定装 置S2からの信号の幅が変化する。時間幅35が� �いほうがそれだけ超音波測定装置S2からの信 号を抽出できるので、除去率が向上し、干渉 除去処理後のS/N比が高くなる。これが図16(b)� ��おける直線34上の範囲36に相当する。

 図16(a)の範囲37の中で閾値を変化させると 、抽出される超音波測定装置S2からの信号の� ��はほとんど変化しない。よって、除去率も� ��とんど変化せず、干渉除去処理後のS/N比も� ��とんど変化しない。これが図16(b)の直線34上 の範囲37に相当する。

 図16(a)の範囲37より下の範囲38に閾値を設� ��した場合、超音波測定装置S2からの信号以� �の雑音も同時に抽出してしまうことになる� �よって干渉除去処理後のS/N比は悪化する。� �れが図16(b)の直線34上の範囲38に相当する。� �囲38はノイズフロアの領域である。

 よって、範囲38は、超音波測定装置S1から 送信され、壁に反射した信号を受信した受信 信号と、超音波測定装置S2から送信され、超� ��波測定装置S1にて受信した受信信号の振幅� �に、基本的には比例する。しかし超音波測� �装置S1から送信され、壁に反射した信号を受 信した受信信号に対して、超音波測定装置S2� ��ら送信され、超音波測定装置S1にて受信し� �受信信号の振幅が十分に大きい場合には、� �音波測定装置S1から送信され、壁に反射した 信号を受信した受信信号の大きさに依存しな い雑音が支配的になるため、範囲38はほぼ固� ��された広さになる。これが図16(b)の振幅比� �域39に相当する。

 超音波測定装置S1から送信され、壁に反� �した信号を受信した受信信号と、超音波測� �装置S2から送信され、超音波測定装置S1にて� ��信した受信信号の振幅比が図16(b)の振幅比� �域40は、超音波測定装置S2に割り振られた拡� ��符号で逆拡散された波形の振幅情報は雑音� ��まぎれてしまう範囲であり、少しの閾値の� ��化で急激に干渉除去処理後のS/N比が変化す� ��。干渉除去処理後のS/N比が急激に変化する� ��いうのは、閾値を0から1まで変化させたと� �の、干渉除去処理後のS/N比の変化を100%とし� ��ときの変化であって、実際にはそれほど変� ��しない。なぜならもともと超音波測定装置S 2からの信号が小さいからである。

 つまり、超音波測定装置S2から送信され� �超音波測定装置S1にて受信した受信信号が所 望信号に比べて十分に小さい場合には、干渉 除去をしてもしなくても結果はほとんどかわ らない。

 以上のことから、閾値LUT26を簡略化するた� �に、図17に示すように直線41に固定してもよ� ��。超音波測定装置S1から送信され、壁に反� �した信号を受信した受信信号と、超音波測� �装置S2から送信され、超音波測定装置S1にて� ��信した受信信号の振幅比が振幅比領域39の� �では固定の閾値で抽出処理を行い、振幅比� �域40では干渉除去自体を行わない。それ以外 の振幅比領域では直線近似から閾値を求める 。例えば、選択逆拡散信号と非選択逆拡散信 号との振幅の比([非選択逆拡散信号]/[選択逆� ��散信号])をxとし、閾値をyとした場合、以下 の式(2)を満たすように閾値LUT26の振幅比と閾� ��を定めることができる。
y=1(0<x≦0.3)
y=-x/3+0.6(0.3<x≦1.2)
y=0.2(1.2<x)
                     ・・・・・・ (2)

 あるいは、図17において斜線で示す領域内� �ある振幅比と閾値とを閾値LUT26としてもよい 。斜線の領域は以下の不等式で定められる。
y=1(0<x≦0.3)
1>y≧0.4(0.3≦x≦0.7)
y≧-x/3+0.6かつy≦-x/3+0.8(0.7<x<1.2)
0.2≦y≦0.4(1.2≦x)
                      ・・・・・( 3)

 図18は、図15の曲線32の近似曲線の一例であ� ��曲線101を示している。曲線32を4次の近似曲� ��で表した場合、最もS/N比が高くなる振幅比y と閾値xは以下の式(4)によって表される。

 図19は、振幅比と閾値との最適な組み合� �せの評価として、第1の受信器13(1)および第2� ��受信器13(2)で受信した第1および第2の受信信 号を用い、干渉信号を除去した後の第1の受� �信号および第2の受信信号の相関値を用いた� ��果を示している。図19において、ハッチン� �で示す領域は、相関値が0.7以上となった振� �比および閾値の組み合わせを示している。S/ N比が高ければ、干渉信号を除去した後の第1� ��受信信号および第2の受信信号の波形は、計 測すべき超音波の到達時刻が異なることを除 けば理想的には一致し高い相関値が得られる 。したがって、S/N比の代わりに、相関値によ って、最適な振幅比と閾値との関係を求める ことができる。

 図19に示すように、相関値が0.7以上となる� �域は折れ線103と曲線102とによって挟まれる� �域になる。具体的には、以下の不等式(5)に� �って規定される。

 このように本発明によれば、干渉信号を� ��去した受信信号のS/N比が良好になるように� ��渉信号を生成する際に抽出に用いる閾値を� ��化させる。この閾値は、選択された超音波� ��拡散に用いられた選択符号を用いて受信信� ��を逆拡散した選択逆拡散信号と、選択しな� ��った非選択の超音波の拡散に用いられた比� ��択符号を用いて受信信号を逆拡散した非選� ��逆拡散信号との振幅比から決定される。振� ��比に応じて閾値を決定することにより、非� ��択逆拡散信号に含まれるノイズの影響を適� ��に評価することができ、ノイズの影響が少� ��い正確な干渉信号を再現することができる� ��したがって、本発明によれば、最適な干渉� ��去を行うことができ、対象物までの距離や� ��位を正確に測定することができる。

 また、干渉信号を除去した受信信号のS/N� ��が良好となる閾値と振幅比との関係をあら� ��じめ求めておき、求めた関係あるいは求め� ��関係を満たす閾値と振幅比との組み合わせ� ��基づいて、振幅比から閾値を決定すること� ��より、計測中に最適な閾値を短時間で決定� ��ることができる。

 (実験例)
 本実施形態の構成によって、干渉信号がど� ��ように除去できるかを実験した結果を示す� ��

 図20(a)は、超音波測定装置S1に割り当てら れた符号で拡散した超音波の波形を示してお り、図20(b)は、超音波測定装置S1に割り当て� �れた符号で拡散した超音波と超音波測定装� �S2に割り当てられた符号で拡散した超音波と を合わせた超音波の波形を示している。

 また、図20(c)は、超音波測定装置S1に割り 当てられた符号で拡散した超音波と超音波測 定装置S2に割り当てられた符号で拡散した超� ��波とを合わせた超音波(図20(b)に示す波形の� ��音波)を超音波測定装置S1に割り当てられた� ��号で逆拡散することにより、超音波測定装� ��S2の超音波を干渉波として除去した波形を� �している。図20(d)は、本実施形態の装置を用 いて、超音波測定装置S2の超音波を干渉波と� ��て除去した波形を示している。

 図21(a)、図21(b)、図21(c)は、それぞれ図20(a )、図20(c)、図20(d)に示す波形の信号を超音波� ��定装置S1に割り当てられた符号で逆拡散し� �得られた信号の一部を切り出すことによっ� �得られた波形をそれぞれ示している。

 図21(a)から明らかなように、干渉する超� �波がない場合、逆拡散によってSN比の高い波 形が得られる。

 これに対し、図21(b)および図21(c)に示すよ うに干渉する超音波が存在する場合、逆拡散 によって得られる波形のSN比は低下する。し� ��し、図21(b)におけるP部分と図21(c)におけるQ� ��分を比較すれば明らかなように、t=0.3ミリ� �付近以外のノイズの振幅は、本実施形態に� �るほうが小さくなっており、SN比が向上して いることが分かる。

 なお、本発明の超音波測定装置および超� ��波測定方法で用いる干渉信号の除去方法は� ��超音波を用いた距離、方位計測以外にも好� ��に用いることができる。具体的には、超音� ��を搬送波として、情報を伝達する室内音源� ��位、超音波タグなどに本発明で用いた干渉� ��号の除去方法を適用してもよい。また、本� ��施形態では、2つの受波器で超音波を受信す ることにより方位を測定することが可能であ るが、方位の測定が不要であれば、超音波測 定装置は、1つの受波器および1つの干渉除去� ��を備えていてもよい。