ディジタル相関器を用いた超音波距離計に関する研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750380
• Research Institution: Mie University
• Principal Investigator: 児玉 哲司 三重大学, 工学部, 助教授 (50262861)
• Keywords: 超音波 / 距離計 / パルス圧縮 / ディジタル相関器

Research Abstract

超音波は電波、光などに比べて反射し易く、伝播速度も遅いので、距離計などに広く用いられている。比較的簡単な電子回路でできるので、自律移動ロボットなどでも多用されているが、他のシステムなどが出すノイズで誤った作動をし易く、多重反射があると検出精度が悪くなるといった問題がある。そこで、レーダ信号処理で開発されたパルス圧縮という技術が、超音波距離計にも適用されるようになってきた。パルス圧縮は、送信波に信号波形の瞬時周波数が時間で単調に変化するチャープ波形などを用いて、送信波と受信波の相関関数を計算すると、反射波が到達した時点で出力に大きな相関ピークを生じる作用である。それは、雑音を伴う特定の入力信号に対して、ある限られた時間領域において出力のSN比を最大とするマッチトフィルタであるが、非常に沢山の電子部品を必要とする。そこで、本研究では、超音波距離計のパルス圧縮を用いた信号処理に、polarity correlatorを用いることを提案する。polarity correlatorは、光子計数相関などの実験用に発達してきた。JakemanとPikeによって導入されたclippingという概念によって、相関関数の計算で全てが二値化されるので、複雑な演算回路無しに相関を測定する論理回路を構成できる。ここで、clippingとはサンプリング間隔の間に検出される光子数が、ある設定された光子数よりも大きいとき1、それ以下は0と単純化することである。超音波距離計にも、polarity correlatorが適用できれば、センサアレーのパルス圧縮を用いた信号処理も、一つのプログラマブル・ロジック・デバイスに実現できる。本研究では、超音波距離計に最適な、polarity correlatorの構造とパルス圧縮に用いる波形を明らかにする目的で、polarity correlatorをFPGAで実現し、その有効性を実験で検証した。超音波距離計に用いる場合、相関関数の計算は1ビットで十分であり、チャープ波形だけでなく、帯域幅の狭い周波数変調とすれば、Barker Codeなども有効であるのを明らかにした。

Research Products

• [Publications] K.Nakahira, T.Kodama, S.Morita, S.Okuma: "Distance measurement by an ultrasonic system consisting of hardware digital correlators"IEEE Trans.Instrum.Meas.(accepted).
• [Publications] 森田新, 中平健治, 児玉哲司, 大熊繁, 古橋武, 前田宏: "2ビットディジタル相関器を用いた超音波距離計の開発"計測自動制御学会第40回学術講演会予稿集. 301. A-6 (2001)
• [Publications] 中平健治, 森田新, 大熊繁, 児玉哲司, 古橋武, 前田宏: "2ビットディジタル相関器を用いた超音波距離計"平成13年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集. 230 (2001)