ディジタル相関器を用いた超音波距離計に関する研究

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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。