JP2006226721A - 表面状態判別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 余分な測定器を用いることなく低コストで路面状態を判別することを目的とする。
【解決手段】 所定の変調信号で周波数変調した周波数変調信号を送信波として被測定物に放射する送信手段と、前記送信波が前記被測定物によって反射した反射波を受信信号として受信する受信手段と、前記周波数変調信号と前記受信信号とをミキシングして得られたビート信号のビート信号電圧と前記被測定物表面の電波反射率との相関関係に基づいて前記被測定物の表面状態を判別する判別演算手段とを具備する、という手段を採用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面状態判別装置に関する。

道路の路面状態を判別することは交通安全を確保するために極めて重要である。特に冬季においては、路面の凍結、積雪を早期に発見することで、ロードヒーティング、除雪、または凍結防止材の散布等の対策を行ったり、道路情報として提供することで運転者が予めスタッドレスタイヤへのタイヤ交換又はチェーンの装着等の措置をとることができ、これにより交通事故の発生確率の減少につながることになる。

例えば、下記特許文献１〜３には路面状態を判別する技術について開示されている。下
記特許文献１の技術は、レーザレーダによって検出した距離、反射強度、走査面座標、路面温度の各情報を使用してファジイ推論に基づき路面状態（乾燥、凍結、湿潤、積雪等）を判別するものである。また、特許文献２の技術は、路面の起伏を検出する路面形状センサ、気温センサ、露点センサ及び路面温度センサからの測定信号に基づいて路面状態を判別するものである。また、特許文献３の技術は、路面にレーザ光を照射して当該レーザ光の反射光を受光することにより路面状態画像データを取得し、当該路面状態画像データに基づいて路面状態を判別するものである。
特開２００２−２６０１５１号公報 特開２００２−１９７５８５号公報 特開２００２−３９８６１号公報

しかしながら、上記従来技術において路面状態を判別するために、特許文献１では路面温度センサ、特許文献２では気温センサ、露点センサ及び路面温度センサ、また特許文献３では画像撮影用カメラ等の様々な測定器が必要であり、コストが増大するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、余分な測定器を用いることなく低コストで路面状態を判別することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、表面状態判別装置に係わる第１の解決手段として、所定の変調信号で周波数変調した周波数変調信号を送信波として被測定物に放射する送信手段と、前記送信波が前記被測定物によって反射した反射波を受信信号として受信する受信手段と、前記周波数変調信号と前記受信信号とをミキシングして得られたビート信号のビート信号電圧と前記被測定物表面の電波反射率との相関関係に基づいて前記被測定物の表面状態を判別する判別演算手段とを具備する、という手段を採用する。

また、表面状態判別装置に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、判別演算手段は、前記ビート信号のビート周波数に基づいて前記被測定物までの距離を算出する、という手段を採用する。

また、表面状態判別装置に係わる第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段において、被測定物は路面であることを特徴とする。

本発明によれば、周波数変調信号と受信信号とをミキシングして得られたビート信号のビート信号電圧と被測定物表面の電波反射率との相関関係に基づいて前記被測定物の表面状態を判別するので、ビート信号電圧を検出するだけで被測定物の表面状態を判別することができる。従って、被測定物が路面である場合、従来技術のように路面状態判別に路面温度センサや大気温度センサ等の余分なセンサを必要とすることなく、低コストにすることが可能である。また、電波を用いて路面状態判別を行うので、天候に左右されず悪天候でも正確な状態判別を行うことができる。さらに、前記ビート信号のビート周波数に基づいて路面までの距離を算出するので、当該距離の変化から積雪量を計測することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る表面状態判別装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態は、路面状態を判別する表面状態判別装置に関する。

図１において、符号１は変調信号発生部、２はＶＣＯ（Voltage Controled
Oscilator）、３は分岐器、４は送信アンテナ、５はミキサ、６は受信アンテナ、７はアンプ、８はＢＰＦ（Band Pass Filter）、９はＡ／Ｄ変換器、１０はビート信号電圧検出部、１１はＦＦＴ（First Fourier Transform）、１２は判別演算部、１３は記憶部、１４は出力部、Ｒは路面である。

変調信号発生部１は、所定周期Ｔｍ（周波数ｆｍ＝１／Ｔｍ）のノコギリ波信号ａ１を発生してＶＣＯ２に出力するものである。ＶＣＯ２は、ノコギリ波信号をコントロール信号として発振周波数が制御される電圧制御型発振器、つまりノコギリ波信号を変調信号とする周波数変調器であり、周波数変調信号ａ２を分岐器３に出力するものである。分岐器３は、上記周波数変調信号ａ２を送信アンテナ４とミキサ５とに分岐出力するものである。送信アンテナ４は、周波数変調信号ａ２を送信波Ｓとして路面Ｒに放射するものである。受信アンテナ６は、上記送信波Ｓが路面Ｒによって反射されて得られた反射波Ｔを受信し、受信信号ｂ１としてミキサ５に出力するものである。

ミキサ５は、上記周波数変調信号ａ２と受信信号ｂ１とをミキシング（乗算）し、周波数変調信号ａ２と受信信号ｂ１との位相差に起因するビート信号ｃ１を生成し、アンプ７へ出力する。アンプ７は、上記ビート信号ｃ１を増幅してビート信号ｃ２としてＢＰＦ８に出力するものである。ＢＰＦ８は、ビート信号ｃ２の帯域を制限し、ビート信号ｃ３としてＡ／Ｄ変換器９に出力するものである。Ａ／Ｄ変換器９は、ＢＰＦ８によって帯域制限されたビート信号ｃ３をＡ／Ｄ変換し、デジタルデータであるビート信号データｄ１としてビート信号電圧検出部１０及びＦＦＴ１１に出力する。

ビート信号電圧検出部１０は、ビート信号データｄ１からビート信号電圧Ｖｂを検出し、判別演算部１２へ出力する。詳細は後述するが、このビート信号電圧Ｖｂは、路面Ｒの電波反射率に応じて変化するものであり、該電波反射率は路面Ｒの各状態（乾燥、湿潤、凍結、積雪）によって固有の値を持っている。

ＦＦＴ１１は、ビート信号データｄ１を高速フーリエ変換し、これによって得られたビート信号データｄ１の周波数スペクトルを判別演算部１２へ出力するものである。

判別演算部１２は、路面Ｒの状態固有の電波反射率とビート信号電圧Ｖｂとの相関関係とに基づいて路面Ｒの状態を判別するものである。記憶部１３には、予め路面Ｒの各状態（乾燥、湿潤、凍結、積雪）固有の電波反射率とビート信号電圧Ｖｂとの相関関係が記憶されており、判別演算部１２はビート信号電圧検出部１０からビート信号電圧Ｖｂを取得すると、記憶部１３に記憶されている路面Ｒの各状態（乾燥、湿潤、凍結、積雪）固有の電波反射率とビート信号電圧Ｖｂとの相関関係に基づいて路面Ｒの状態を判別し、判別結果を出力部１４へ出力する。

さらに、判別演算部１２は、ＦＦＴ１１から得られるビート信号データｄ１の周波数スペクトルからビート信号ｃ３のビート周波数ｆｂを求め、このビート周波数ｆｂに基づいて路面Ｒまでの距離を算出し、当該路面Ｒまでの距離が変化していれば積雪量として出力部１４へ出力する。

出力部１４は、路面Ｒの状態の判別結果及び積雪していれば積雪量を道路情報として交通関連機関に出力するものである。

なお、上記の本表面状態判別装置は、道路の路側帯に設置されているポール等の上部に取り付けられているものである。

次に、このように構成された本表面状態判別装置の動作について説明する。

まず、ＶＣＯ２によって生成された周波数変調信号ａ２は、分岐器３及び送信アンテナ４を介して送信波Ｓとして路面Ｒに放射される。この周波数変調信号ａ２は、変調信号発生部１から出力されたノコギリ波信号ａ１を変調信号として周波数変調して生成されたものであり、図２（ａ）に示すように周波数変調幅△Ｆ及び周期Ｔｍのノコギリ波状の信号である。

そして、このような周波数変調信号ａ２が送信波Ｓとして路面Ｒに放射され、反射波Ｔが受信アンテナ６に捉えられ、受信信号ｂ１としてミキサ５に出力される。この受信信号ｂ１は、図２（ａ）に示すように周波数変調信号ａ２に対して時間△ｔだけ遅れている。この遅延時間△ｔは、周波数変調信号ａ２が送信アンテナ４から放射されて路面Ｒに到達するまでの伝搬時間と反射波Ｔが路面Ｒから受信アンテナ６に到達するまでの伝搬時間とを加算した時間である。

図２（ａ）のように遅延時間Δｔ（位相差）を持つ周波数変調信号ａ２と受信信号ｂ１とがミキサ５によってミキシングされると、図２（ｂ）に示すような振幅特性を持つビート信号ｃ１が生成される。図２（ｂ）において、振幅Ｖｂがビート信号電圧Ｖｂである。このようなビート信号ｃ１は、アンプ７及びＢＰＦ８を介してＡ／Ｄ変換器９へ入力され、Ａ／Ｄ変換されてビート信号データｄ１としてビート信号電圧検出部１０に出力される。ビート信号電圧検出部１０は、ビート信号データｄ１に基づきビート信号電圧Ｖｂを検出する。

ここで、ビート信号電圧Ｖｂと受信電力Ｐｒとの間には下記関係式（１）が成立する。

さらに受信電力Ｐｒは、波長λ、アンテナ利得Ｇ、送信電力Ｐｔ、有効反射面積σ、電波反射率Ｋ、路面Ｒまでの距離Ｌとすると、周知のようにレーダ方程式として下記（２）式で与えられる。

上記（２）式において、電波反射率Ｋは、路面Ｒの状態によって変化するものである。例えば、路面Ｒが乾燥、湿潤、凍結、積雪の各状態において各々固有の電波反射率Ｋを持つことになる。これは、路面Ｒの状態によって誘電率が変化するためである。また、上記（１）、（２）式より電波反射率Ｋが変化すると、ビート信号電圧Ｖｂも変化することがわかる。従って、上記のような電波反射率Ｋとビート信号電圧Ｖｂとの相関関係を予め求めておけば、ビート信号電圧Ｖｂを検出することにより、路面Ｒの状態を判別することが可能になる。

例として、表１に路面Ｒの状態が湿潤、積雪（積雪量：約１５ｃｍ）、乾燥の場合の電波反射率Ｋと受信電力Ｐｒ及びビート信号電圧Ｖｂとの関係を示す。ここで、上記（２）式において、波長λ＝１２．４・１０^−３ｍ、アンテナ利得Ｇ＝１９ｄＢ、送信電力Ｐｔ＝５ｍＷ、有効反射面積σ＝４．５・１０^５ｍ^２、路面Ｒまでの距離Ｌ＝１０ｍとしている。

表１に示すように、路面Ｒの状態によって電波反射率Ｋが変化し、それに対応してビート信号電圧Ｖｂも変化していることがわかる。このように、予め路面Ｒの各状態（乾燥、
湿潤、凍結、積雪）における電波反射率Ｋを調査し、上記（１）、（２）式に基づいて路面Ｒの各状態の電波反射率Ｋに対応するビート信号電圧Ｖｂを算出して、路面Ｒの各状態の電波反射率Ｋとそれに対応するビート信号電圧Ｖｂとを記憶部１３に記憶しておく。

判別演算部１２は、ビート信号電圧検出部１０からビート信号電圧Ｖｂを取得すると、記憶部１３からビート信号電圧Ｖｂに対応する電波反射率Ｋを持つ路面Ｒの状態を読み出して、路面Ｒの状態を判別する。この時、ビート信号電圧Ｖｂに誤差が生じる場合を考慮し、ビート信号電圧Ｖｂがある一定の誤差内の値であれば、当該ビート信号電圧Ｖｂに対応する路面Ｒの状態であると判別するようにする。

一方、ビート信号データｄ１がＦＦＴ１１に入力されると、高速フーリエ変換によって図２（ｃ）のような周波数スペクトルが得られる。このスペクトル強度が最も高い周波数
がビート周波数ｆｂである。ここで、送信波Ｓ（及び反射波Ｔ）の伝搬速度をｃ、送信アンテナ４（及び受信アンテナ６）と路面Ｒとの距離をＬ、送信波Ｓが路面Ｒに反射し受信されるまでの遅延時間△ｔ、周波数変調幅△Ｆ、変調信号の周波数をＦｍ（＝１／Ｔｍ）とすると、ビート周波数ｆｂは下式に基づいて与えられる。すなわち、ビート周波数ｆｂは、路面Ｒまでの距離Ｌに比例するので、当該ビート周波数ｆｂを検出することにより路面Ｒまでの距離Ｌを算出することができる。
△ｔ＝２Ｌ/ｃ （３）
ｆｂ＝（△Ｆ/Ｔｍ）・△ｔ
＝（２Ｌ・△Ｆ・Ｆｍ）/ｃ （４）

上記（４）式から路面Ｒまでの距離Ｌの変化を求めることによって積雪量を計測することができる。しかしながら、上記のような距離Ｌの変化は積雪によって生じるだけでなく、例えば、車輌からの落下物や倒木、動物の死骸等が原因で生じる場合がある。従って、まず、判別演算部１２はビート信号電圧Ｖｂに基づいて路面Ｒの状態判別を行い、路面Ｒの状態が積雪であると判断した場合にのみ上記周波数スペクトルからビート周波数ｆｂを検出して上記（４）式から路面Ｒまでの距離Ｌを算出し、当該距離Ｌの変化を積雪量として出力部１４へ出力する。

以上のように、本表面状態判別装置によれば、ビート信号電圧Ｖｂと路面Ｒの状態固有の電波反射率Ｋとの相関関係に基づいて路面Ｒの状態判別を行うので、従来技術のような
路面温度センサや大気温度センサ等の余分なセンサを必要とせず、低コストにすることが可能である。また、電波を用いて路面Ｒの状態判別を行うので、天候に左右されず悪天候でも正確な状態判別を行うことができる。さらにビート周波数ｆｂから路面Ｒまでの距離を算出することで積雪量を計測することができる。

なお、上記実施形態では路面Ｒの状態を判別する場合を説明したが、被測定物はこれに限らず、被測定物表面固有の電波反射率Ｋとビート信号電圧Ｖｂとの相関関係がわかっていればどのような被測定物の表面状態でも判別することが可能である。また、表面状態だけでなく、その被測定物がどのような物質であるかについても判別できる。

本発明の一実施形態に係る表面状態判別装置のブロック構成図である。 本発明の一実施形態の表面状態判別原理を示す説明図である。

符号の説明

１…変調信号発生部、２…ＶＣＯ、３…分岐器、４…送信アンテナ、５…ミキサ、６…受信アンテナ、７…アンプ、８…ＢＰＦ、９…Ａ／Ｄ変換器、１０…ビート信号電圧検出部、１１…ＦＦＴ、１２…判別演算部、１３…記憶部、１４…出力部、Ｒ…路面

Claims (3)

1. 所定の変調信号で周波数変調した周波数変調信号を送信波として被測定物に放射する送信手段と、
   前記送信波が前記被測定物によって反射した反射波を受信信号として受信する受信手段と、
   前記周波数変調信号と前記受信信号とをミキシングして得られたビート信号のビート信号電圧と前記被測定物表面の電波反射率との相関関係に基づいて前記被測定物の表面状態を判別する判別演算手段と
   を具備することを特徴とする表面状態判別装置。
2. 判別演算手段は、前記ビート信号のビート周波数に基づいて前記被測定物までの距離を
   算出することを特徴とする請求項１記載の表面状態判別装置。
3. 被測定物は路面であることを特徴とする請求項１または２記載の表面状態判別装置。
   
   
   
   
   
   
   

Images