距離測定装置用受信機および距離測定装置
【課題】無線信号の送受信によって距離測定目標までの距離を測定する距離測定装置において、距離測定精度を高めることを目的とする。
【解決手段】アンテナで受信された信号に対しローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、マルチパス環境下を伝播し受信された無線信号から所望の信号を分離する処理を直交検波信号に対して施す分離処理部とを備え、距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、分離処理部によって分離された信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機において、ローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、分離処理によって分離された信号に対し、逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、を備えることを特徴とする。
【解決手段】アンテナで受信された信号に対しローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、マルチパス環境下を伝播し受信された無線信号から所望の信号を分離する処理を直交検波信号に対して施す分離処理部とを備え、距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、分離処理部によって分離された信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機において、ローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、分離処理によって分離された信号に対し、逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線信号の送受信により、距離測定目標までの距離を測定する距離測定装置、および距離測定装置に搭載される受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線タグとの間で無線信号を送受信することにより、無線タグまでの距離を測定する距離測定装置が開発されている。距離測定装置は、距離を測定する際に無線パルス信号を送信する。無線タグは無線パルス信号を受信し、無線パルス信号に対する応答信号を生成し送信する。距離測定装置は無線応答信号を受信し、無線パルス信号の送信タイミングと無線応答信号の受信タイミングとの差異、および無線信号の伝播速度に基づいて、無線タグまでの距離を測定する。
【０００３】
ここで、無線パルス信号および無線応答信号は、矩形単発パルス信号等のパルス信号を正弦波信号等に乗じたパルス変調信号である。無線パルス信号の送信タイミングと無線応答信号の受信タイミングとの差異は、これらのパルス変調信号の包絡線変化タイミングの差異、およびこれらのパルス変調信号の位相差に基づいて求めることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４５２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
距離測定装置は、受信された無線応答信号にローカル信号を乗ずることによって、無線応答信号を同相成分信号Ｉおよび直交成分信号ＱからなるベースバンドＩ／Ｑ信号に変換する。そして、ベースバンドＩ／Ｑ信号に基づいて距離測定用信号を生成し、距離測定用信号の生成タイミングおよび無線パルス信号の送信タイミングに基づいて、無線タグまでの距離を測定する。
【０００６】
距離測定を距離測定装置の送信アンテナ位置および受信アンテナ位置を基準として行う場合、無線パルス信号の送信タイミングは、無線パルス信号が送信アンテナから送信されるタイミングとする。そして、無線応答信号の受信タイミングは、無線応答信号が受信アンテナで受信されるタイミングとする。したがって、無線パルス信号の位相と、距離測定用信号の位相との差異に基づいて距離測定を行う場合には、無線パルス変調信号が生成されてから送信アンテナに至るまでの位相変化量、および受信アンテナで無線応答信号が受信されてから距離測定用の信号が生成されるまでの位相変化量を考慮する必要がある。
【０００７】
無線応答信号をベースバンドＩ／Ｑ信号に変換する処理においては、その処理に起因する位相変化量に相当する変化値が、ベースバンドＩ／Ｑ信号の各成分に加えられる。そのため、無線応答信号が受信されてから、距離測定用の信号が生成されるまでの位相変化量には、ベースバンドＩ／Ｑ信号の各成分に加えられた変化値に基づく位相変化量が含まれる。
【０００８】
ところが従来の距離測定装置では、ベースバンド変換処理に基づく位相変化がないものとして距離測定を行っていたため、距離測定結果に誤差が含まれていた。
【０００９】
本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、無線信号の送受信によって距離測定目標までの距離を測定する距離測定装置において、距離測定精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、無線信号を受信するアンテナと、ローカル信号を生成するローカル信号生成部と、前記アンテナで受信された信号に対し前記ローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、マルチパス環境下を伝播し受信された無線信号から所望の信号を分離する処理を、前記直交検波部によって生成された直交検波信号に対して施す分離処理部と、を備え、距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、前記分離処理部によって分離された信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機において、前記ローカル信号生成部が生成したローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、前記分離処理によって分離された信号に対し、前記逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、無線信号をそれぞれが受信する複数の単位アンテナと、ローカル信号を生成するローカル信号生成部と、各単位アンテナに対応して設けられ、対応する単位アンテナで受信された信号に対し前記ローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、各直交検波部に対応して設けられ、前記複数の単位アンテナによる受信指向特性を制御する指向性制御処理を、各直交検波部によって生成された直交検波信号に対して施す指向性制御処理部と、前記指向性制御処理が施された直交検波信号を合成する合成部と、を備え、距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、受信した無線信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機であって、前記ローカル信号生成部が生成したローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、前記合成部が出力する信号に対し、前記逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、無線パルス信号を生成する信号生成部と、前記無線パルス信号を送信する送信部と、前記送信部から送信された信号に対して距離測定目標が応答することにより当該距離測定目標が送信した無線応答信号を受信する、前記距離測定装置用受信機と、前記距離測定用信号の取得タイミングと、前記無線パルス信号の送信タイミングと、に基づいて、前記距離測定目標までの距離を求める距離測定部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、距離測定装置の距離測定精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に本発明の実施形態に係る無線タグ距離測定システムの構成を示す。このシステムは、無線タグ距離測定装置１０が、無線タグとの間の無線信号の送受信によって無線タグまでの距離を測定するものである。無線タグ１２−１〜１２−４には、固有のＰＮ符号（ＰＮはＰｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅの略である。）が割り当てられている。図１では、無線タグ１２−１〜１２−４に対し、固有のＰＮ符号として、それぞれ「０１００１・・・」、「１００１１・・・」、「０１１１１・・・」、および「１０００１・・・」が割り当てられている例を示している。無線タグ距離測定装置１０は、距離測定対象とする無線タグをＰＮ符号によって特定する。
【００１５】
一般に、ＰＮ符号は１および０による擬似雑音パターンを示す。ＰＮ符号の値「１」および「０」に対し信号値「１」および「−１」をそれぞれ対応付けることで、ＰＮ符号のパターンで値が変化するＰＮ信号を生成することができる。このようなＰＮ信号と処理対象信号との畳み込み演算を行う拡散処理を行うと、処理対象信号の時間長はＰＮ信号の時間長に応じて拡散される。このような拡散信号に対しては、拡散処理に用いられたＰＮ信号との畳み込み演算を行う逆拡散処理を施すことで元の信号を再現することができる。また、互いに異なるＰＮ符号によって拡散処理が施された複数の拡散信号を足し合わせた信号からは、逆拡散処理によって元の信号を抽出することができる。本実施形態に係る無線タグ距離測定システムは、このようなＰＮ符号の直交性を利用するものである。
【００１６】
距離測定対象とする無線タグまでの距離を測定する際には、無線タグ距離測定装置１０は、矩形単発パルス信号等のパルス信号を正弦波信号に乗じたパルス変調信号を生成する。そして、距離測定対象の無線タグの固有割り当てＰＮ符号によって、パルス変調信号に対して拡散処理を施し、拡散パルス変調信号を送信する。
【００１７】
拡散パルス変調信号を受信した複数の無線タグのうち、拡散パルス変調信号の拡散処理に用いられたＰＮ符号と自らの固有割り当てＰＮ符号とが一致する無線タグは、受信した拡散パルス変調信号に対して逆拡散処理を施した応答パルス変調信号を送信する。
【００１８】
無線タグ距離測定装置１０は、応答パルス変調信号を受信すると、拡散パルス変調信号を送信してから応答パルス変調信号が受信されるまでの時間に基づいて、距離測定対象の無線タグまでの距離を算出する。
【００１９】
このような処理を実行するための無線タグ距離測定装置１０の構成を図２に示す。また、無線タグ距離測定装置１０の一構成部である送信部１４の構成を図３に示す。無線タグ距離測定装置１０の構成部のうち、Ａ／Ｄ変換器３４よりも後段の構成部は、処理対象信号をディジタルサンプリングしたディジタル信号を処理するものであるとする。また、送信部１４の構成部のうち、Ｄ／Ａ変換器２４よりも前段の構成部は、ディジタル信号を処理するものであるとする。
【００２０】
ローカル信号発生部４０は、ローカル信号をパルス変調信号生成部１６に出力する。パルス変調信号生成部１６は、ローカル信号にパルス信号を乗じたパルス変調信号を生成し拡散処理部１８および距離算出部４８に出力する。
【００２１】
ＰＮ符号記憶部２０には、無線タグ距離測定システムで用いられる無線タグの固有割り当てＰＮ符号が記憶されている。符号選択部２２は、ユーザの操作または別に設けられた装置等によって距離測定対象の無線タグが指定されると、指定された無線タグの固有割り当てＰＮ符号をＰＮ符号記憶部２０から読み込む。そして、読み込んだＰＮ符号に基づいてＰＮ信号を生成し拡散処理部１８に出力する。
【００２２】
拡散処理部１８は、符号選択部２２から出力されたＰＮ信号によってパルス変調信号に対し拡散処理を施した拡散パルス変調信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器２４に出力する。Ｄ／Ａ変換器２４は、拡散処理部１８から出力された拡散パルス変調信号をアナログ信号に変換し無線送信部２６に出力する。無線送信部２６は、拡散パルス変調信号を無線信号に変換し、送信アンテナ２８を介して送信する。
【００２３】
このような処理によって、ローカル信号の位相に基づいて位相が定まり、符号選択部２２によって指定されたＰＮ符号によって拡散処理が施された拡散パルス変調信号が、無線タグ距離測定装置１０から送信される。
【００２４】
無線タグ距離測定装置１０から送信された拡散パルス変調信号は各無線タグで受信される。図４（ａ）に無線タグ１２の構成を示す。無線タグアンテナ５４で受信された拡散パルス変調信号は、分波器５６に入力される。分波器５６はパルス変調信号を相関処理デバイス５８に出力する。分波器５６は、サーキュレータ、方向性結合器等を用いて構成することができる。
【００２５】
無線タグ１２の相関処理デバイス５８には、無線タグ１２に固有に割り当てられたＰＮ符号によって、入力信号に対して畳み込み演算を施し出力するものを用いる。このようなデバイスとしては、ＳＡＷデバイス、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）マッチドフィルタ、ディジタルマッチドフィルタ等を用いることができる。ＳＡＷデバイスには電源電力を供給する必要があるもの（ＳＡＷコンボルバ等）と、電源電力を供給する必要がないものとがある。電源電力を供給する必要がないＳＡＷデバイスを用いた場合には、無線タグ１２に電力供給源を搭載する必要がなくなる。
【００２６】
また、ディジタルマッチドフィルタ、ＳＡＷコンボルバ等は、畳み込み演算を行う際のＰＮ符号を任意に設定することができる。この場合の構成を図４（ｂ）に示す。ここでは、ディジタルマッチドフィルタ５８Ａを用いた場合を示している。ＳＡＷコンボルバを用いる場合には、ディジタルマッチドフィルタ５８ＡをＳＡＷコンボルバに置き換えた構成とすればよい。無線タグ１２には、ＰＮ符号を記憶するＰＮ符号記憶部６０およびＰＮ符号設定回路６２を設ける。ＰＮ符号記憶部６０には、複数の異なるＰＮ符号を予め記憶させておく。ＰＮ符号設定回路６２は、ＰＮ符号記憶部６０からＰＮ符号を読み込み、そのＰＮ符号に基づいてディジタルマッチドフィルタ５８Ａが処理を実行するよう、ディジタルマッチドフィルタ５８Ａの動作状態を設定する。また、ＰＮ符号記憶部６０およびＰＮ符号設定回路６２を設ける代わりに、無線タグ１２の外部の装置によって、ディジタルマッチドフィルタ５８ＡにＰＮ符号を設定する構成としてもよい。ディジタルマッチドフィルタ５８Ａを用いる無線タグ１２の構成によれば、異なるＰＮ符号が与えられた複数の無線タグ１２に対し、ハードウエアを共通化することができる。
【００２７】
相関処理デバイス５８は、分波器５６から出力された信号に対し、無線タグ１２の固有割り当てＰＮ符号によって畳み込み演算を施して分波器５６に出力する。分波器５６は、相関処理デバイス５８から出力された信号を無線タグアンテナ５４に出力する。無線タグアンテナ５４からは分波器５６から出力された信号が送信される。
【００２８】
相関処理デバイス５８に入力された信号が、固有割り当てＰＮ符号による拡散処理が施された信号である場合には、相関処理デバイス５８からは、入力信号に対し逆拡散処理が施された拡散処理前の信号が出力される。一方、相関処理デバイス５８に入力された信号が、固有割り当てＰＮ符号とは異なる符号による拡散処理が施された信号である場合には、相関処理デバイス５８からは、拡散処理前の信号は出力されない。
【００２９】
したがって、無線タグアンテナ５４で受信された拡散パルス変調信号が、固有割り当てＰＮ符号によって拡散処理が施された信号である場合、相関処理デバイス５８からは、拡散パルス変調信号に対し逆拡散処理を施した拡散処理前の信号が出力される。これによって、複数の無線タグのうち、受信した拡散パルス変調信号に拡散処理を施した元のＰＮ符号と、自らの固有割り当てＰＮ符号とが一致する無線タグからは、その拡散パルス変調信号に対して逆拡散処理が施された信号が応答パルス変調信号として送信される。
【００３０】
次に、無線タグ距離測定装置１０が、無線タグから送信された応答パルス変調信号に対して実行する処理について説明する。無線タグ距離測定装置１０は、アダプティブアレイアンテナを構成する複数の単位アンテナ３０を備える。各単位アンテナ３０は応答パルス変調信号を受信し、対応する無線受信部３２に入力する。各無線受信部３２は、単位アンテナ３０で受信された応答パルス変調信号を所定の信号レベルとなるまで増幅し、対応するＡ／Ｄ変換器３４に出力する。各Ａ／Ｄ変換器３４は無線受信部３２から出力された信号をディジタル信号に変換し、対応する直交検波器３６に出力する。
【００３１】
ローカル信号発生部４０は、パルス変調信号生成部１６の他、各直交検波器３６にもローカル信号を出力する。各直交検波器３６は、Ａ／Ｄ変換器３４から出力された信号から、ローカル信号によって同相成分信号Ｉおよび直交成分信号Ｑを抽出し、ウェイト乗算部３８に出力する。同相成分信号Ｉは、ローカル信号と同位相の関係にある成分をＡ／Ｄ変換器３４の出力信号から抽出した信号であり、直交成分信号Ｑは、ローカル信号との位相差が９０°である成分をＡ／Ｄ変換器３４の出力信号から抽出した信号である。
【００３２】
各ウェイト乗算部３８は、直交検波器３６から出力された同相成分信号Ｉおよび直交成分信号Ｑのそれぞれに、指向性制御部４２によって同相成分信号Ｉおよび直交成分信号Ｑのそれぞれに対して求められたウェイト係数を乗じて合成部４４に出力する。
【００３３】
合成部４４は、各ウェイト乗算部３８によって処理が施された同相成分信号を加算合計したウェイト処理後同相成分信号Ｉｗ、および各ウェイト乗算部３８によって処理が施された直交成分信号を加算合計したウェイト処理後直交成分信号Ｑｗを距離算出部４８、逆回転直交変調器５０および指向性制御部４２に出力する。
【００３４】
このような処理によれば、総ての単位アンテナ３０によって定まる総合指向特性は、指向性制御部４２が出力するウェイト係数によって決定される。そして、合成部４４から出力されるウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗは、その総合指向特性を以て受信された信号となる。
【００３５】
指向性制御部４２は、指向特性最大方向が応答パルス変調信号の到来方向と一致するようウェイト係数を算出し、算出したウェイト係数を各ウェイト乗算部３８に出力する。この処理は、例えば、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗのそれぞれのノイズに対する比が最も大きくなるようウェイト係数を収束させる適応アルゴリズムによって行うことができる。
また、ウェイト係数を算出する処理には、所望信号の到来方向を推定する適応信号処理を用いてもよい。このような適応信号処理としては、ＭＭＳＥ、ＭＵＳＩＣ等が広く知られている。無線タグ距離測定装置１０と無線タグとの間にマルチパスが存在する場合、無線タグから無線タグ距離測定装置１０に至るまでの経路が複数通り存在する。このようなマルチパス環境下で無線タグまでの距離を測定する場合には、到来方向が異なる複数の信号から、無線タグから送信され直接到来する応答パルス変調信号を分離して用いることが好ましい。そこで、直接到来する応答パルス変調信号の到来方向をＭＭＳＥ、ＭＵＳＩＣ等によって推定し、指向特性最大方向がその到来方向と一致するようウェイト係数を算出する処理を実行することが好適である。これによって、到来方向が異なる複数の信号から、距離測定に好適な信号を分離することができる。本実施形態に到来方向を推定する適応信号処理を用いることで、応答パルス変調信号がマルチパス環境によって受ける影響を低減し、無線タグまでの距離の測定精度を向上させることができる。
【００３６】
指向性制御部４２は、さらに、ウェイト係数乗算処理によって生じるウェイト位相変化量を求め、距離算出部４８に出力する。ウェイト位相変化量は、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗの値を横軸にとりウェイト処理後直交成分信号Ｑｗの値を縦軸とった場合のＩｗ／Ｑｗ平面ベクトル位相角に、ウェイト係数乗算処理によって生ずる位相変化量を示す。
【００３７】
ローカル信号発生部４０は、パルス変調信号生成部１６および各直交検波器３６の他、逆回転処理部４６にもローカル信号を出力する。逆回転処理部４６は、ローカル信号の位相時間変化の極性を反転した逆回転ローカル信号を生成し、逆回転直交変調器５０に出力する。例えば、ローカル信号の振幅をＡ、角周波数をω、時間をｔ、初期位相をφとした場合、ローカル信号は、複素表現でＡｅｘｐ［ｊ（ωｔ＋φ）］と表される。このとき、逆回転ローカル信号は、Ａｅｘｐ［−ｊ（ωｔ＋φ）］と表される。ローカル信号としてディジタル信号化された複素信号を用いた場合には、ローカル信号の共役複素数を求めることで 、逆回転ローカル信号を生成することができる。
【００３８】
逆回転直交変調器５０は、逆回転ローカル信号によって、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗ、およびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗに対して直交変調処理を施すことで位相差距離測定用信号を生成し、距離算出部４８に出力する。
【００３９】
本実施形態に係る無線タグ距離測定装置１０では、各Ａ／Ｄ変換器３４の出力信号から、ローカル信号を用いて同相成分信号Ｉおよび直交成分信号Ｑを抽出する。ローカル信号をＡｅｘｐ［ｊ（ωｔ＋φ）］とし、各直交検波器３６から出力された同相成分信号Ｉを横軸にとり、各直交検波器３６から出力された直交成分信号Ｑを縦軸にとると、Ｉ／Ｑ平面ベクトル位相角には初期位相φが加算される。これによって、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号ＱｗのＩｗ／Ｑｗ平面ベクトル位相角にもまた、初期位相φが加算される。
【００４０】
従来の方式では、直交検波後のＩ／Ｑベクトル位相角にローカル信号の初期位相φが加わることにより、測定距離に誤差が生じることが問題となっていた。そこで、本実施形態では、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗに対し、逆回転ローカル信号を用いた直交変調処理を施し、位相差距離測定用信号を生成する。これによって、Ｉｗ／Ｑｗ平面ベクトル位相角に含まれる初期位相から、逆回転ローカル信号の初期位相を減算することができる。各構成部の処理精度が十分であれば、Ｉｗ／Ｑｗ平面ベクトル位相角に含まれる初期位相を、逆回転ローカル信号の初期位相によって相殺することができる。これによって、ローカル信号の初期位相が位相差距離測定用信号に与える影響を低減することができ、次に説明する処理によって測定される測定距離に誤差が生じることを回避することができる。
【００４１】
次に、距離算出部４８が、パルス変調信号、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗ、ならびに位相差距離測定信号を用いて無線タグまでの距離を求める処理について説明する。
【００４２】
距離算出部４８は、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗの自乗和を求め、さらに、その自乗和の平方根の包絡線を受信包絡線信号として求める。また、距離算出部４８は、パルス変調信号生成部１６から出力されたパルス変調信号の包絡線を送信包絡線信号として求める。
【００４３】
距離算出部４８は、送信包絡線信号の立ち上がり時間と、受信包絡線信号の立ち上がり時間との差を測定する。そして、測定した時間差に基づいて、無線タグ距離測定装置１０と無線タグとの間を無線信号が往復するときの往復伝播時間を求め、往復伝播時間と無線信号の伝播速度とに基づいて無線タグとの間の往復距離（無線タグまでの距離の２倍）を往復包絡線距離として算出する。
【００４４】
距離算出部４８は、往復伝播時間を算出するときは、信号がパルス変調信号生成部１６から出力されてから送信アンテナ２８に至るまでの遅延時間、無線タグの受送信応答時間、ならびに、信号が単位アンテナ３０で受信されてから合成部４４より出力されるまでの遅延時間を、送信包絡線信号立ち上がり時間と受信包絡線信号立ち上がり時間との差から減算する。これによって、送信アンテナ２８および単位アンテナ３０の位置を基準とした往復距離を算出することができる。これらの遅延時間は、無線タグ距離測定装置１０および無線タグに固有の時間であり、予め設計の段階で求めておくことができる。
【００４５】
このようにして求められた往復包絡線距離には、測定分解能に応じた分解能誤差が含まれる。すなわち真の往復距離は、往復包絡線距離から分解能誤差を減じた距離と、往復包絡線距離に分解能誤差を加算した距離との間にある。この分解能誤差は、パルス変調信号を生成する元となった正弦波信号の周波数とパルス変調信号のパルス時間長との関係、無線タグ距離測定装置１０の構成部の特性、無線タグの特性等によって定まる値であり、設計の段階で求めることができる。
【００４６】
したがって、このような処理によれば、往復包絡線距離を中心とし、プラス側およびマイナス側にそれぞれ分解能誤差分の誤差が見込まれる往復距離を求めることができる。距離算出部４８は、往復包絡線距離の半分を測定距離とし、その情報を表示部５２に出力し、表示部５２に測定距離を表示させてもよい。
【００４７】
本実施形態に係る無線タグ距離測定装置１０では、逆回転直交変調器５０から出力される位相差距離測定信号を用いることで、距離測定精度を向上させることができる。ただし、位相差距離測定信号を用いた測定精度向上処理は、パルス変調信号を生成した元の正弦波信号の周波数を有する電磁波の伝播波長よりも分解能誤差の２倍が短くなるよう、無線タグ距離測定システムが設計されていることが好ましい。本実施形態ではこのような設計がなされているものとする。図５に位相差距離測定信号を用いる処理のフローチャートを示す。
【００４８】
距離算出部４８は、パルス変調信号生成部１６から出力されたパルス変調信号と、位相差距離測定用信号との位相差を測定位相差として求める（Ｓ１０１）。距離算出部４８は、さらに、パルス変調信号生成部１６からパルス変調信号が出力され、送信アンテナ２８に至るまでの位相変化量、無線タグの受送信応答に基づく位相変化量、応答パルス変調信号が単位アンテナ３０で受信され、位相差距離測定用信号として距離算出部４８に至るまでの、ウェイト位相変化量を除いた位相変化量、およびウェイト位相変化量を、測定位相差から減算した距離測定用位相差Ｐを求める（Ｓ１０２）。
【００４９】
ウェイト位相変化量を除くこれらの位相変化量は、無線タグ距離測定装置１０および無線タグに固有の量であり、予め設計の段階で求めておくことができる。また、ウェイト位相変化量は、上述のウェイト係数を求める処理に応じて指向性制御部４２から出力される。
【００５０】
距離算出部４８は、往復包絡線距離から分解能誤差を減算した下限値ｄ１、および往復包絡線距離に分解能誤差を加算した上限値ｄ２を求める（Ｓ１０３）。また、距離算出部４８は、下限値ｄ１を正弦波波長λで除した値の小数点以下を切り捨てた整数（整数部分）をｍとして求める（Ｓ１０４）。そして、Ｄ１＝λ（２ｍπ＋Ｐ）／（２π）に従って求められる値を第１推定往復距離Ｄ１とする（Ｓ１０５）。ここで、正弦波波長λは、パルス変調信号を生成した元の正弦波信号の周波数を有する電磁波の伝播波長である。
【００５１】
距離算出部４８は、上限値ｄ２を正弦波波長λで除した値の小数点以下を切り捨てた整数をｎとして求める（Ｓ１０６）。そして、Ｄ２＝λ（２ｎπ＋Ｐ）／（２π）に従って求められる値を第２推定往復距離Ｄ２とする（Ｓ１０７）。
【００５２】
距離算出部４８は、第１推定往復距離Ｄ１と第２推定往復距離Ｄ２が等しいか否かを判定する（Ｓ１０８）。そして、これらの値が等しいときは、第１推定往復距離Ｄ１の半分または第２推定往復距離Ｄ２の半分を無線タグまでの測定距離として決定し（Ｓ１０９）、測定距離情報を表示部５２に出力する（Ｓ１１１）。表示部５２は測定距離を表示する。
【００５３】
距離算出部４８は、第１推定往復距離Ｄ１と第２推定往復距離Ｄ２とが異なるときには、これらの往復距離のうち下限値ｄ１と上限値ｄ２との間にある方の半分の距離を無線タグまでの測定距離として決定し（Ｓ１１０）、表示部５２に出力する（Ｓ１１１）。表示部５２は測定距離を表示する。
【００５４】
ステップＳ１０１およびＳ１０２によれば、送信アンテナ２８から送信されたパルス変調信号の位相と、各単位アンテナ３０で受信された応答パルス変調信号の位相との差を距離測定用位相差Ｐとして求めることができる。距離測定用位相差Ｐは０から２πまでの値をとる。この値は、無線タグとの間の往復距離を波長単位で表したときの小数点部分に対応する伝播位相変化量を表す。したがって、無線タグとの間の往復距離を波長単位で表したときの整数部分が何波長であるかを往復包絡線距離に基づいて求めることにより、距離測定用位相差Ｐを用いて無線タグとの間の往復距離を求めることができる。
【００５５】
無線タグとの間の往復距離は、当該往復距離を正弦波波長λで除した値の小数点以下を切り捨てた整数をｊとして、位相換算で２πｊ＋Ｐとして表すことができる。これを、距離単位に換算すると、λ（２πｊ＋Ｐ）／（２π）である。
【００５６】
この整数ｊは、整数ｍまたは整数ｎのいずれかとなる。ここで、ステップＳ１０４で求められる整数ｍは、下限値ｄ１を波長単位で表したときの整数部分であり、ステップＳ１０６で求められる整数ｎは、上限値ｄ２を波長単位で表したときの整数部分である。上述のように無線タグ距離測定システムは、分解能誤差の２倍が正弦波信号周波数の電磁波の伝播波長よりも短くなるよう設計されている。そのため、これらの整数は等しいか、または１違いであり、ｎ＝ｍまたはｎ＝ｍ＋１のうちいずれかが成立する。したがって、無線タグとの間の往復距離は、ｎ＝ｍのときはＤ１＝Ｄ２となり、ｎ＝ｍ＋１のときはＤ１またはＤ２のうちいずれか一方となる。
【００５７】
無線タグとの間の往復距離は、下限値ｄ１と上限値ｄ２との間にある。そのため、ｎ＝ｍ＋１のとき、すなわち、第１推定往復距離Ｄ１と第２推定往復距離Ｄ２とが異なるときは、これらの値のうち、下限値ｄ１と上限値ｄ２との間にある方を選択することで無線タグまでの距離を決定すればよい。ステップＳ１０８〜Ｓ１１０は、このような原理に基づいて無線タグまでの距離を決定するものである。
【００５８】
本実施形態に係る無線タグ距離測定装置１０では、直交検波処理によってＩｗ／Ｑｗ平面ベクトルの位相角に加えられたローカル信号初期位相から、逆回転ローカル信号の初期位相を減算することができる。これによって、ローカル信号の初期位相φの値を含まない距離測定用位相差Ｐを求めることができ、距離測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】無線タグ距離測定システムの構成を示す図である。
【図２】無線タグ距離測定装置の構成を示す図である。
【図３】送信部の構成を示す図である。
【図４】無線タグの構成を示す図である。
【図５】位相差距離測定信号を用いる処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 無線タグ距離測定装置、１２−１〜１２−４ 無線タグ、１４ 送信部、１６ パルス変調信号生成部、１８ 拡散処理部、２０，６０ ＰＮ符号記憶部、２２ 符号選択部、２４ Ｄ／Ａ変換器、２６ 無線送信部、２８ 送信アンテナ、３０ 単位アンテナ、３２ 無線受信部、３４ Ａ／Ｄ変換器、３６ 直交検波器、３８ ウェイト乗算部、４０ ローカル信号発生部、４２ 指向性制御部、４４ 合成部、４６ 逆回転処理部、４８ 距離算出部、５０ 逆回転直交変調器、５２ 表示部、５４ 無線タグアンテナ、５６ 分波器、５８ 相関処理デバイス、５８Ａ ディジタルマッチドフィルタ、６２ ＰＮ符号設定回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線信号の送受信により、距離測定目標までの距離を測定する距離測定装置、および距離測定装置に搭載される受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線タグとの間で無線信号を送受信することにより、無線タグまでの距離を測定する距離測定装置が開発されている。距離測定装置は、距離を測定する際に無線パルス信号を送信する。無線タグは無線パルス信号を受信し、無線パルス信号に対する応答信号を生成し送信する。距離測定装置は無線応答信号を受信し、無線パルス信号の送信タイミングと無線応答信号の受信タイミングとの差異、および無線信号の伝播速度に基づいて、無線タグまでの距離を測定する。
【０００３】
ここで、無線パルス信号および無線応答信号は、矩形単発パルス信号等のパルス信号を正弦波信号等に乗じたパルス変調信号である。無線パルス信号の送信タイミングと無線応答信号の受信タイミングとの差異は、これらのパルス変調信号の包絡線変化タイミングの差異、およびこれらのパルス変調信号の位相差に基づいて求めることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４５２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
距離測定装置は、受信された無線応答信号にローカル信号を乗ずることによって、無線応答信号を同相成分信号Ｉおよび直交成分信号ＱからなるベースバンドＩ／Ｑ信号に変換する。そして、ベースバンドＩ／Ｑ信号に基づいて距離測定用信号を生成し、距離測定用信号の生成タイミングおよび無線パルス信号の送信タイミングに基づいて、無線タグまでの距離を測定する。
【０００６】
距離測定を距離測定装置の送信アンテナ位置および受信アンテナ位置を基準として行う場合、無線パルス信号の送信タイミングは、無線パルス信号が送信アンテナから送信されるタイミングとする。そして、無線応答信号の受信タイミングは、無線応答信号が受信アンテナで受信されるタイミングとする。したがって、無線パルス信号の位相と、距離測定用信号の位相との差異に基づいて距離測定を行う場合には、無線パルス変調信号が生成されてから送信アンテナに至るまでの位相変化量、および受信アンテナで無線応答信号が受信されてから距離測定用の信号が生成されるまでの位相変化量を考慮する必要がある。
【０００７】
無線応答信号をベースバンドＩ／Ｑ信号に変換する処理においては、その処理に起因する位相変化量に相当する変化値が、ベースバンドＩ／Ｑ信号の各成分に加えられる。そのため、無線応答信号が受信されてから、距離測定用の信号が生成されるまでの位相変化量には、ベースバンドＩ／Ｑ信号の各成分に加えられた変化値に基づく位相変化量が含まれる。
【０００８】
ところが従来の距離測定装置では、ベースバンド変換処理に基づく位相変化がないものとして距離測定を行っていたため、距離測定結果に誤差が含まれていた。
【０００９】
本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、無線信号の送受信によって距離測定目標までの距離を測定する距離測定装置において、距離測定精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、無線信号を受信するアンテナと、ローカル信号を生成するローカル信号生成部と、前記アンテナで受信された信号に対し前記ローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、マルチパス環境下を伝播し受信された無線信号から所望の信号を分離する処理を、前記直交検波部によって生成された直交検波信号に対して施す分離処理部と、を備え、距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、前記分離処理部によって分離された信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機において、前記ローカル信号生成部が生成したローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、前記分離処理によって分離された信号に対し、前記逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、無線信号をそれぞれが受信する複数の単位アンテナと、ローカル信号を生成するローカル信号生成部と、各単位アンテナに対応して設けられ、対応する単位アンテナで受信された信号に対し前記ローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、各直交検波部に対応して設けられ、前記複数の単位アンテナによる受信指向特性を制御する指向性制御処理を、各直交検波部によって生成された直交検波信号に対して施す指向性制御処理部と、前記指向性制御処理が施された直交検波信号を合成する合成部と、を備え、距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、受信した無線信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機であって、前記ローカル信号生成部が生成したローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、前記合成部が出力する信号に対し、前記逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、無線パルス信号を生成する信号生成部と、前記無線パルス信号を送信する送信部と、前記送信部から送信された信号に対して距離測定目標が応答することにより当該距離測定目標が送信した無線応答信号を受信する、前記距離測定装置用受信機と、前記距離測定用信号の取得タイミングと、前記無線パルス信号の送信タイミングと、に基づいて、前記距離測定目標までの距離を求める距離測定部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、距離測定装置の距離測定精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に本発明の実施形態に係る無線タグ距離測定システムの構成を示す。このシステムは、無線タグ距離測定装置１０が、無線タグとの間の無線信号の送受信によって無線タグまでの距離を測定するものである。無線タグ１２−１〜１２−４には、固有のＰＮ符号（ＰＮはＰｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅの略である。）が割り当てられている。図１では、無線タグ１２−１〜１２−４に対し、固有のＰＮ符号として、それぞれ「０１００１・・・」、「１００１１・・・」、「０１１１１・・・」、および「１０００１・・・」が割り当てられている例を示している。無線タグ距離測定装置１０は、距離測定対象とする無線タグをＰＮ符号によって特定する。
【００１５】
一般に、ＰＮ符号は１および０による擬似雑音パターンを示す。ＰＮ符号の値「１」および「０」に対し信号値「１」および「−１」をそれぞれ対応付けることで、ＰＮ符号のパターンで値が変化するＰＮ信号を生成することができる。このようなＰＮ信号と処理対象信号との畳み込み演算を行う拡散処理を行うと、処理対象信号の時間長はＰＮ信号の時間長に応じて拡散される。このような拡散信号に対しては、拡散処理に用いられたＰＮ信号との畳み込み演算を行う逆拡散処理を施すことで元の信号を再現することができる。また、互いに異なるＰＮ符号によって拡散処理が施された複数の拡散信号を足し合わせた信号からは、逆拡散処理によって元の信号を抽出することができる。本実施形態に係る無線タグ距離測定システムは、このようなＰＮ符号の直交性を利用するものである。
【００１６】
距離測定対象とする無線タグまでの距離を測定する際には、無線タグ距離測定装置１０は、矩形単発パルス信号等のパルス信号を正弦波信号に乗じたパルス変調信号を生成する。そして、距離測定対象の無線タグの固有割り当てＰＮ符号によって、パルス変調信号に対して拡散処理を施し、拡散パルス変調信号を送信する。
【００１７】
拡散パルス変調信号を受信した複数の無線タグのうち、拡散パルス変調信号の拡散処理に用いられたＰＮ符号と自らの固有割り当てＰＮ符号とが一致する無線タグは、受信した拡散パルス変調信号に対して逆拡散処理を施した応答パルス変調信号を送信する。
【００１８】
無線タグ距離測定装置１０は、応答パルス変調信号を受信すると、拡散パルス変調信号を送信してから応答パルス変調信号が受信されるまでの時間に基づいて、距離測定対象の無線タグまでの距離を算出する。
【００１９】
このような処理を実行するための無線タグ距離測定装置１０の構成を図２に示す。また、無線タグ距離測定装置１０の一構成部である送信部１４の構成を図３に示す。無線タグ距離測定装置１０の構成部のうち、Ａ／Ｄ変換器３４よりも後段の構成部は、処理対象信号をディジタルサンプリングしたディジタル信号を処理するものであるとする。また、送信部１４の構成部のうち、Ｄ／Ａ変換器２４よりも前段の構成部は、ディジタル信号を処理するものであるとする。
【００２０】
ローカル信号発生部４０は、ローカル信号をパルス変調信号生成部１６に出力する。パルス変調信号生成部１６は、ローカル信号にパルス信号を乗じたパルス変調信号を生成し拡散処理部１８および距離算出部４８に出力する。
【００２１】
ＰＮ符号記憶部２０には、無線タグ距離測定システムで用いられる無線タグの固有割り当てＰＮ符号が記憶されている。符号選択部２２は、ユーザの操作または別に設けられた装置等によって距離測定対象の無線タグが指定されると、指定された無線タグの固有割り当てＰＮ符号をＰＮ符号記憶部２０から読み込む。そして、読み込んだＰＮ符号に基づいてＰＮ信号を生成し拡散処理部１８に出力する。
【００２２】
拡散処理部１８は、符号選択部２２から出力されたＰＮ信号によってパルス変調信号に対し拡散処理を施した拡散パルス変調信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器２４に出力する。Ｄ／Ａ変換器２４は、拡散処理部１８から出力された拡散パルス変調信号をアナログ信号に変換し無線送信部２６に出力する。無線送信部２６は、拡散パルス変調信号を無線信号に変換し、送信アンテナ２８を介して送信する。
【００２３】
このような処理によって、ローカル信号の位相に基づいて位相が定まり、符号選択部２２によって指定されたＰＮ符号によって拡散処理が施された拡散パルス変調信号が、無線タグ距離測定装置１０から送信される。
【００２４】
無線タグ距離測定装置１０から送信された拡散パルス変調信号は各無線タグで受信される。図４（ａ）に無線タグ１２の構成を示す。無線タグアンテナ５４で受信された拡散パルス変調信号は、分波器５６に入力される。分波器５６はパルス変調信号を相関処理デバイス５８に出力する。分波器５６は、サーキュレータ、方向性結合器等を用いて構成することができる。
【００２５】
無線タグ１２の相関処理デバイス５８には、無線タグ１２に固有に割り当てられたＰＮ符号によって、入力信号に対して畳み込み演算を施し出力するものを用いる。このようなデバイスとしては、ＳＡＷデバイス、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）マッチドフィルタ、ディジタルマッチドフィルタ等を用いることができる。ＳＡＷデバイスには電源電力を供給する必要があるもの（ＳＡＷコンボルバ等）と、電源電力を供給する必要がないものとがある。電源電力を供給する必要がないＳＡＷデバイスを用いた場合には、無線タグ１２に電力供給源を搭載する必要がなくなる。
【００２６】
また、ディジタルマッチドフィルタ、ＳＡＷコンボルバ等は、畳み込み演算を行う際のＰＮ符号を任意に設定することができる。この場合の構成を図４（ｂ）に示す。ここでは、ディジタルマッチドフィルタ５８Ａを用いた場合を示している。ＳＡＷコンボルバを用いる場合には、ディジタルマッチドフィルタ５８ＡをＳＡＷコンボルバに置き換えた構成とすればよい。無線タグ１２には、ＰＮ符号を記憶するＰＮ符号記憶部６０およびＰＮ符号設定回路６２を設ける。ＰＮ符号記憶部６０には、複数の異なるＰＮ符号を予め記憶させておく。ＰＮ符号設定回路６２は、ＰＮ符号記憶部６０からＰＮ符号を読み込み、そのＰＮ符号に基づいてディジタルマッチドフィルタ５８Ａが処理を実行するよう、ディジタルマッチドフィルタ５８Ａの動作状態を設定する。また、ＰＮ符号記憶部６０およびＰＮ符号設定回路６２を設ける代わりに、無線タグ１２の外部の装置によって、ディジタルマッチドフィルタ５８ＡにＰＮ符号を設定する構成としてもよい。ディジタルマッチドフィルタ５８Ａを用いる無線タグ１２の構成によれば、異なるＰＮ符号が与えられた複数の無線タグ１２に対し、ハードウエアを共通化することができる。
【００２７】
相関処理デバイス５８は、分波器５６から出力された信号に対し、無線タグ１２の固有割り当てＰＮ符号によって畳み込み演算を施して分波器５６に出力する。分波器５６は、相関処理デバイス５８から出力された信号を無線タグアンテナ５４に出力する。無線タグアンテナ５４からは分波器５６から出力された信号が送信される。
【００２８】
相関処理デバイス５８に入力された信号が、固有割り当てＰＮ符号による拡散処理が施された信号である場合には、相関処理デバイス５８からは、入力信号に対し逆拡散処理が施された拡散処理前の信号が出力される。一方、相関処理デバイス５８に入力された信号が、固有割り当てＰＮ符号とは異なる符号による拡散処理が施された信号である場合には、相関処理デバイス５８からは、拡散処理前の信号は出力されない。
【００２９】
したがって、無線タグアンテナ５４で受信された拡散パルス変調信号が、固有割り当てＰＮ符号によって拡散処理が施された信号である場合、相関処理デバイス５８からは、拡散パルス変調信号に対し逆拡散処理を施した拡散処理前の信号が出力される。これによって、複数の無線タグのうち、受信した拡散パルス変調信号に拡散処理を施した元のＰＮ符号と、自らの固有割り当てＰＮ符号とが一致する無線タグからは、その拡散パルス変調信号に対して逆拡散処理が施された信号が応答パルス変調信号として送信される。
【００３０】
次に、無線タグ距離測定装置１０が、無線タグから送信された応答パルス変調信号に対して実行する処理について説明する。無線タグ距離測定装置１０は、アダプティブアレイアンテナを構成する複数の単位アンテナ３０を備える。各単位アンテナ３０は応答パルス変調信号を受信し、対応する無線受信部３２に入力する。各無線受信部３２は、単位アンテナ３０で受信された応答パルス変調信号を所定の信号レベルとなるまで増幅し、対応するＡ／Ｄ変換器３４に出力する。各Ａ／Ｄ変換器３４は無線受信部３２から出力された信号をディジタル信号に変換し、対応する直交検波器３６に出力する。
【００３１】
ローカル信号発生部４０は、パルス変調信号生成部１６の他、各直交検波器３６にもローカル信号を出力する。各直交検波器３６は、Ａ／Ｄ変換器３４から出力された信号から、ローカル信号によって同相成分信号Ｉおよび直交成分信号Ｑを抽出し、ウェイト乗算部３８に出力する。同相成分信号Ｉは、ローカル信号と同位相の関係にある成分をＡ／Ｄ変換器３４の出力信号から抽出した信号であり、直交成分信号Ｑは、ローカル信号との位相差が９０°である成分をＡ／Ｄ変換器３４の出力信号から抽出した信号である。
【００３２】
各ウェイト乗算部３８は、直交検波器３６から出力された同相成分信号Ｉおよび直交成分信号Ｑのそれぞれに、指向性制御部４２によって同相成分信号Ｉおよび直交成分信号Ｑのそれぞれに対して求められたウェイト係数を乗じて合成部４４に出力する。
【００３３】
合成部４４は、各ウェイト乗算部３８によって処理が施された同相成分信号を加算合計したウェイト処理後同相成分信号Ｉｗ、および各ウェイト乗算部３８によって処理が施された直交成分信号を加算合計したウェイト処理後直交成分信号Ｑｗを距離算出部４８、逆回転直交変調器５０および指向性制御部４２に出力する。
【００３４】
このような処理によれば、総ての単位アンテナ３０によって定まる総合指向特性は、指向性制御部４２が出力するウェイト係数によって決定される。そして、合成部４４から出力されるウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗは、その総合指向特性を以て受信された信号となる。
【００３５】
指向性制御部４２は、指向特性最大方向が応答パルス変調信号の到来方向と一致するようウェイト係数を算出し、算出したウェイト係数を各ウェイト乗算部３８に出力する。この処理は、例えば、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗのそれぞれのノイズに対する比が最も大きくなるようウェイト係数を収束させる適応アルゴリズムによって行うことができる。
また、ウェイト係数を算出する処理には、所望信号の到来方向を推定する適応信号処理を用いてもよい。このような適応信号処理としては、ＭＭＳＥ、ＭＵＳＩＣ等が広く知られている。無線タグ距離測定装置１０と無線タグとの間にマルチパスが存在する場合、無線タグから無線タグ距離測定装置１０に至るまでの経路が複数通り存在する。このようなマルチパス環境下で無線タグまでの距離を測定する場合には、到来方向が異なる複数の信号から、無線タグから送信され直接到来する応答パルス変調信号を分離して用いることが好ましい。そこで、直接到来する応答パルス変調信号の到来方向をＭＭＳＥ、ＭＵＳＩＣ等によって推定し、指向特性最大方向がその到来方向と一致するようウェイト係数を算出する処理を実行することが好適である。これによって、到来方向が異なる複数の信号から、距離測定に好適な信号を分離することができる。本実施形態に到来方向を推定する適応信号処理を用いることで、応答パルス変調信号がマルチパス環境によって受ける影響を低減し、無線タグまでの距離の測定精度を向上させることができる。
【００３６】
指向性制御部４２は、さらに、ウェイト係数乗算処理によって生じるウェイト位相変化量を求め、距離算出部４８に出力する。ウェイト位相変化量は、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗの値を横軸にとりウェイト処理後直交成分信号Ｑｗの値を縦軸とった場合のＩｗ／Ｑｗ平面ベクトル位相角に、ウェイト係数乗算処理によって生ずる位相変化量を示す。
【００３７】
ローカル信号発生部４０は、パルス変調信号生成部１６および各直交検波器３６の他、逆回転処理部４６にもローカル信号を出力する。逆回転処理部４６は、ローカル信号の位相時間変化の極性を反転した逆回転ローカル信号を生成し、逆回転直交変調器５０に出力する。例えば、ローカル信号の振幅をＡ、角周波数をω、時間をｔ、初期位相をφとした場合、ローカル信号は、複素表現でＡｅｘｐ［ｊ（ωｔ＋φ）］と表される。このとき、逆回転ローカル信号は、Ａｅｘｐ［−ｊ（ωｔ＋φ）］と表される。ローカル信号としてディジタル信号化された複素信号を用いた場合には、ローカル信号の共役複素数を求めることで 、逆回転ローカル信号を生成することができる。
【００３８】
逆回転直交変調器５０は、逆回転ローカル信号によって、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗ、およびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗに対して直交変調処理を施すことで位相差距離測定用信号を生成し、距離算出部４８に出力する。
【００３９】
本実施形態に係る無線タグ距離測定装置１０では、各Ａ／Ｄ変換器３４の出力信号から、ローカル信号を用いて同相成分信号Ｉおよび直交成分信号Ｑを抽出する。ローカル信号をＡｅｘｐ［ｊ（ωｔ＋φ）］とし、各直交検波器３６から出力された同相成分信号Ｉを横軸にとり、各直交検波器３６から出力された直交成分信号Ｑを縦軸にとると、Ｉ／Ｑ平面ベクトル位相角には初期位相φが加算される。これによって、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号ＱｗのＩｗ／Ｑｗ平面ベクトル位相角にもまた、初期位相φが加算される。
【００４０】
従来の方式では、直交検波後のＩ／Ｑベクトル位相角にローカル信号の初期位相φが加わることにより、測定距離に誤差が生じることが問題となっていた。そこで、本実施形態では、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗに対し、逆回転ローカル信号を用いた直交変調処理を施し、位相差距離測定用信号を生成する。これによって、Ｉｗ／Ｑｗ平面ベクトル位相角に含まれる初期位相から、逆回転ローカル信号の初期位相を減算することができる。各構成部の処理精度が十分であれば、Ｉｗ／Ｑｗ平面ベクトル位相角に含まれる初期位相を、逆回転ローカル信号の初期位相によって相殺することができる。これによって、ローカル信号の初期位相が位相差距離測定用信号に与える影響を低減することができ、次に説明する処理によって測定される測定距離に誤差が生じることを回避することができる。
【００４１】
次に、距離算出部４８が、パルス変調信号、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗ、ならびに位相差距離測定信号を用いて無線タグまでの距離を求める処理について説明する。
【００４２】
距離算出部４８は、ウェイト処理後同相成分信号Ｉｗおよびウェイト処理後直交成分信号Ｑｗの自乗和を求め、さらに、その自乗和の平方根の包絡線を受信包絡線信号として求める。また、距離算出部４８は、パルス変調信号生成部１６から出力されたパルス変調信号の包絡線を送信包絡線信号として求める。
【００４３】
距離算出部４８は、送信包絡線信号の立ち上がり時間と、受信包絡線信号の立ち上がり時間との差を測定する。そして、測定した時間差に基づいて、無線タグ距離測定装置１０と無線タグとの間を無線信号が往復するときの往復伝播時間を求め、往復伝播時間と無線信号の伝播速度とに基づいて無線タグとの間の往復距離（無線タグまでの距離の２倍）を往復包絡線距離として算出する。
【００４４】
距離算出部４８は、往復伝播時間を算出するときは、信号がパルス変調信号生成部１６から出力されてから送信アンテナ２８に至るまでの遅延時間、無線タグの受送信応答時間、ならびに、信号が単位アンテナ３０で受信されてから合成部４４より出力されるまでの遅延時間を、送信包絡線信号立ち上がり時間と受信包絡線信号立ち上がり時間との差から減算する。これによって、送信アンテナ２８および単位アンテナ３０の位置を基準とした往復距離を算出することができる。これらの遅延時間は、無線タグ距離測定装置１０および無線タグに固有の時間であり、予め設計の段階で求めておくことができる。
【００４５】
このようにして求められた往復包絡線距離には、測定分解能に応じた分解能誤差が含まれる。すなわち真の往復距離は、往復包絡線距離から分解能誤差を減じた距離と、往復包絡線距離に分解能誤差を加算した距離との間にある。この分解能誤差は、パルス変調信号を生成する元となった正弦波信号の周波数とパルス変調信号のパルス時間長との関係、無線タグ距離測定装置１０の構成部の特性、無線タグの特性等によって定まる値であり、設計の段階で求めることができる。
【００４６】
したがって、このような処理によれば、往復包絡線距離を中心とし、プラス側およびマイナス側にそれぞれ分解能誤差分の誤差が見込まれる往復距離を求めることができる。距離算出部４８は、往復包絡線距離の半分を測定距離とし、その情報を表示部５２に出力し、表示部５２に測定距離を表示させてもよい。
【００４７】
本実施形態に係る無線タグ距離測定装置１０では、逆回転直交変調器５０から出力される位相差距離測定信号を用いることで、距離測定精度を向上させることができる。ただし、位相差距離測定信号を用いた測定精度向上処理は、パルス変調信号を生成した元の正弦波信号の周波数を有する電磁波の伝播波長よりも分解能誤差の２倍が短くなるよう、無線タグ距離測定システムが設計されていることが好ましい。本実施形態ではこのような設計がなされているものとする。図５に位相差距離測定信号を用いる処理のフローチャートを示す。
【００４８】
距離算出部４８は、パルス変調信号生成部１６から出力されたパルス変調信号と、位相差距離測定用信号との位相差を測定位相差として求める（Ｓ１０１）。距離算出部４８は、さらに、パルス変調信号生成部１６からパルス変調信号が出力され、送信アンテナ２８に至るまでの位相変化量、無線タグの受送信応答に基づく位相変化量、応答パルス変調信号が単位アンテナ３０で受信され、位相差距離測定用信号として距離算出部４８に至るまでの、ウェイト位相変化量を除いた位相変化量、およびウェイト位相変化量を、測定位相差から減算した距離測定用位相差Ｐを求める（Ｓ１０２）。
【００４９】
ウェイト位相変化量を除くこれらの位相変化量は、無線タグ距離測定装置１０および無線タグに固有の量であり、予め設計の段階で求めておくことができる。また、ウェイト位相変化量は、上述のウェイト係数を求める処理に応じて指向性制御部４２から出力される。
【００５０】
距離算出部４８は、往復包絡線距離から分解能誤差を減算した下限値ｄ１、および往復包絡線距離に分解能誤差を加算した上限値ｄ２を求める（Ｓ１０３）。また、距離算出部４８は、下限値ｄ１を正弦波波長λで除した値の小数点以下を切り捨てた整数（整数部分）をｍとして求める（Ｓ１０４）。そして、Ｄ１＝λ（２ｍπ＋Ｐ）／（２π）に従って求められる値を第１推定往復距離Ｄ１とする（Ｓ１０５）。ここで、正弦波波長λは、パルス変調信号を生成した元の正弦波信号の周波数を有する電磁波の伝播波長である。
【００５１】
距離算出部４８は、上限値ｄ２を正弦波波長λで除した値の小数点以下を切り捨てた整数をｎとして求める（Ｓ１０６）。そして、Ｄ２＝λ（２ｎπ＋Ｐ）／（２π）に従って求められる値を第２推定往復距離Ｄ２とする（Ｓ１０７）。
【００５２】
距離算出部４８は、第１推定往復距離Ｄ１と第２推定往復距離Ｄ２が等しいか否かを判定する（Ｓ１０８）。そして、これらの値が等しいときは、第１推定往復距離Ｄ１の半分または第２推定往復距離Ｄ２の半分を無線タグまでの測定距離として決定し（Ｓ１０９）、測定距離情報を表示部５２に出力する（Ｓ１１１）。表示部５２は測定距離を表示する。
【００５３】
距離算出部４８は、第１推定往復距離Ｄ１と第２推定往復距離Ｄ２とが異なるときには、これらの往復距離のうち下限値ｄ１と上限値ｄ２との間にある方の半分の距離を無線タグまでの測定距離として決定し（Ｓ１１０）、表示部５２に出力する（Ｓ１１１）。表示部５２は測定距離を表示する。
【００５４】
ステップＳ１０１およびＳ１０２によれば、送信アンテナ２８から送信されたパルス変調信号の位相と、各単位アンテナ３０で受信された応答パルス変調信号の位相との差を距離測定用位相差Ｐとして求めることができる。距離測定用位相差Ｐは０から２πまでの値をとる。この値は、無線タグとの間の往復距離を波長単位で表したときの小数点部分に対応する伝播位相変化量を表す。したがって、無線タグとの間の往復距離を波長単位で表したときの整数部分が何波長であるかを往復包絡線距離に基づいて求めることにより、距離測定用位相差Ｐを用いて無線タグとの間の往復距離を求めることができる。
【００５５】
無線タグとの間の往復距離は、当該往復距離を正弦波波長λで除した値の小数点以下を切り捨てた整数をｊとして、位相換算で２πｊ＋Ｐとして表すことができる。これを、距離単位に換算すると、λ（２πｊ＋Ｐ）／（２π）である。
【００５６】
この整数ｊは、整数ｍまたは整数ｎのいずれかとなる。ここで、ステップＳ１０４で求められる整数ｍは、下限値ｄ１を波長単位で表したときの整数部分であり、ステップＳ１０６で求められる整数ｎは、上限値ｄ２を波長単位で表したときの整数部分である。上述のように無線タグ距離測定システムは、分解能誤差の２倍が正弦波信号周波数の電磁波の伝播波長よりも短くなるよう設計されている。そのため、これらの整数は等しいか、または１違いであり、ｎ＝ｍまたはｎ＝ｍ＋１のうちいずれかが成立する。したがって、無線タグとの間の往復距離は、ｎ＝ｍのときはＤ１＝Ｄ２となり、ｎ＝ｍ＋１のときはＤ１またはＤ２のうちいずれか一方となる。
【００５７】
無線タグとの間の往復距離は、下限値ｄ１と上限値ｄ２との間にある。そのため、ｎ＝ｍ＋１のとき、すなわち、第１推定往復距離Ｄ１と第２推定往復距離Ｄ２とが異なるときは、これらの値のうち、下限値ｄ１と上限値ｄ２との間にある方を選択することで無線タグまでの距離を決定すればよい。ステップＳ１０８〜Ｓ１１０は、このような原理に基づいて無線タグまでの距離を決定するものである。
【００５８】
本実施形態に係る無線タグ距離測定装置１０では、直交検波処理によってＩｗ／Ｑｗ平面ベクトルの位相角に加えられたローカル信号初期位相から、逆回転ローカル信号の初期位相を減算することができる。これによって、ローカル信号の初期位相φの値を含まない距離測定用位相差Ｐを求めることができ、距離測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】無線タグ距離測定システムの構成を示す図である。
【図２】無線タグ距離測定装置の構成を示す図である。
【図３】送信部の構成を示す図である。
【図４】無線タグの構成を示す図である。
【図５】位相差距離測定信号を用いる処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 無線タグ距離測定装置、１２−１〜１２−４ 無線タグ、１４ 送信部、１６ パルス変調信号生成部、１８ 拡散処理部、２０，６０ ＰＮ符号記憶部、２２ 符号選択部、２４ Ｄ／Ａ変換器、２６ 無線送信部、２８ 送信アンテナ、３０ 単位アンテナ、３２ 無線受信部、３４ Ａ／Ｄ変換器、３６ 直交検波器、３８ ウェイト乗算部、４０ ローカル信号発生部、４２ 指向性制御部、４４ 合成部、４６ 逆回転処理部、４８ 距離算出部、５０ 逆回転直交変調器、５２ 表示部、５４ 無線タグアンテナ、５６ 分波器、５８ 相関処理デバイス、５８Ａ ディジタルマッチドフィルタ、６２ ＰＮ符号設定回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線信号を受信するアンテナと、
ローカル信号を生成するローカル信号生成部と、
前記アンテナで受信された信号に対し前記ローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、
マルチパス環境下を伝播し受信された無線信号から所望の信号を分離する処理を、前記直交検波部によって生成された直交検波信号に対して施す分離処理部と、
を備え、
距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、前記分離処理部によって分離された信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機において、
前記ローカル信号生成部が生成したローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、
前記分離処理によって分離された信号に対し、前記逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、
を備えることを特徴とする距離測定装置用受信機。
【請求項２】
無線信号をそれぞれが受信する複数の単位アンテナと、
ローカル信号を生成するローカル信号生成部と、
各単位アンテナに対応して設けられ、対応する単位アンテナで受信された信号に対し前記ローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、
各直交検波部に対応して設けられ、前記複数の単位アンテナによる受信指向特性を制御する指向性制御処理を、各直交検波部によって生成された直交検波信号に対して施す指向性制御処理部と、
前記指向性制御処理が施された直交検波信号を合成する合成部と、
を備え、
距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、受信した無線信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機であって、
前記ローカル信号生成部が生成したローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、
前記合成部が出力する信号に対し、前記逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、
を備えることを特徴とする距離測定装置用受信機。
【請求項３】
無線パルス信号を生成する信号生成部と、
前記無線パルス信号を送信する送信部と、
前記送信部から送信された信号に対して距離測定目標が応答することにより当該距離測定目標が送信した無線応答信号を受信する、請求項１または請求項２に記載の距離測定装置用受信機と、
前記距離測定用信号の取得タイミングと、前記無線パルス信号の送信タイミングと、に基づいて、前記距離測定目標までの距離を求める距離測定部と、
を備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項１】
無線信号を受信するアンテナと、
ローカル信号を生成するローカル信号生成部と、
前記アンテナで受信された信号に対し前記ローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、
マルチパス環境下を伝播し受信された無線信号から所望の信号を分離する処理を、前記直交検波部によって生成された直交検波信号に対して施す分離処理部と、
を備え、
距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、前記分離処理部によって分離された信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機において、
前記ローカル信号生成部が生成したローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、
前記分離処理によって分離された信号に対し、前記逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、
を備えることを特徴とする距離測定装置用受信機。
【請求項２】
無線信号をそれぞれが受信する複数の単位アンテナと、
ローカル信号を生成するローカル信号生成部と、
各単位アンテナに対応して設けられ、対応する単位アンテナで受信された信号に対し前記ローカル信号によって直交検波処理を施す直交検波部と、
各直交検波部に対応して設けられ、前記複数の単位アンテナによる受信指向特性を制御する指向性制御処理を、各直交検波部によって生成された直交検波信号に対して施す指向性制御処理部と、
前記指向性制御処理が施された直交検波信号を合成する合成部と、
を備え、
距離測定目標までの距離を測定する装置に搭載され、受信した無線信号に基づいて距離測定用信号を生成する距離測定装置用受信機であって、
前記ローカル信号生成部が生成したローカル信号に対し、その位相変化の極性を反転する処理を施し、逆回転ローカル信号を生成する逆回転処理部と、
前記合成部が出力する信号に対し、前記逆回転ローカル信号によって直交変調処理を施し、距離測定用信号として出力する逆回転直交変調部と、
を備えることを特徴とする距離測定装置用受信機。
【請求項３】
無線パルス信号を生成する信号生成部と、
前記無線パルス信号を送信する送信部と、
前記送信部から送信された信号に対して距離測定目標が応答することにより当該距離測定目標が送信した無線応答信号を受信する、請求項１または請求項２に記載の距離測定装置用受信機と、
前記距離測定用信号の取得タイミングと、前記無線パルス信号の送信タイミングと、に基づいて、前記距離測定目標までの距離を求める距離測定部と、
を備えることを特徴とする距離測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２５０７０４（Ｐ２００９−２５０７０４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９６９３８（Ｐ２００８−９６９３８）
【出願日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
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