JP3164552B2 - マイクロ波/ミリメートル波放射塗料並びに道路標識検出の方法及びシステム - Google Patents

マイクロ波/ミリメートル波放射塗料並びに道路標識検出の方法及びシステム

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は新しい道路標識シス
テムに関し、詳しく述べれば、マイクロ波/ミリメート
ル波放射周波数で見た時に、道路標識を隣接する及び/
または下に横たわる舗床から区別できるように道路標識
塗料を強化することに関する。本発明は、電子制御及び
/または警告システム内に受動的な放射エネルギ感応検
査装置を組み込むことによって、道路標識及びこれらの
標識内に符号化されている情報の存在を確かめる方法に
も関する。
【0002】
【従来の技術】道路標識システムは長年にわたって、道
路標識の媒体を通して適切な情報を車両機器オペレータ
に提供してきた。例えば、一般の人々に良く知られてい
るように、一時停止標識の前の道路上に塗装された白線
は、それに接近中の車両が一時停止標識に従って完全停
止しようとする時、越えるべきではない物理的限界また
は境界を車両オペレータ、即ち運転手に知らせるもので
ある。複数のレーンがある道路では、レーンは道路標識
によって画されている。また、主要空港のサービス道路
及び航空機専用道路は、信号灯の他に、パイロットに可
視案内を提供するためにサービス道路の広さをマークす
る塗装された線によって区別されていることが多い。
【0003】より近年に至って、道路標識が車両案内及
び制御システムの一部にも採用されてきた。道路標識に
よって与えられる情報は、運動する車両に警報または舵
取り及び/または位置取りを自動的に発行するのに使用
される。車両上のセンサは道路に沿ってマークされた通
路を検出し、車両がマークされた通路から逸脱している
ことをセンサが検出すると、車両上の関連制御機器は車
両の舵取りを自動的に補正することができる。高速道路
に沿う車両の走行を自動的に制御して案内し、運転手の
関与を完全に排除するような実験的自動車制御システム
が時折新聞に掲載されている。上述したような例が、次
の特許明細書に開示されている。Frank らの米国特許第
5,202,742号は、道路に沿う反射性標識(マーカ)を検
出するために、車両に搭載されるレーザレーダを記述し
ている。レーザビームが道路を走査し、車載関連制御機
器は道路標識から反射する光を受信する関連検出器を使
用して車両を道路標識に対して案内する。別のシステム
が Dyer らの米国特許第 4,947,094号に開示されてい
る。 Dyer らのシステムでは、フォークリフトのような
産業倉庫車両に搭載される線形電荷結合デバイス(CC
D)が、道路の上の倉庫天井に塗装された線によって形
成されるトラックの位置を監視する。CCDはその線を
イメージし、そのイメージングによってシステム内の制
御機器は産業車両をトラックに沿って舵取りする。
【0004】白線を塗装することが屡々使用されるが、
より良い道路標識は製造業者から微小粒子またはビーズ
として供給されている熱可塑性材料で形成されるもので
あり、これは加熱することによって液体の形状になり、
流動させることができる。液体の一部として成分内に小
さい回転楕円体硝子粒子を混入させることが多い。この
熱い液体を道路表面上に被膜するか、または薄いストリ
ップに押し出し、そこで可塑性材料を硬化させ、凝固さ
せ、そして固めることができる。可塑性材料は、セメン
ト及びアスファルトのような舗装材料の特徴である粗い
表面及び孔内にしみ込み、舗装道路をしっかりとつか
む、またはそれと結合して硬化するように設計されてい
る。このような標識は比較的耐磨耗性があり、自動車タ
イヤの重い打撃及び摩擦に耐える。これは、雪及び雨の
効果にも耐える。更にこれは、紫外放射によるものを含
む太陽光の有害効果にも耐える。これは、長年にわたっ
てその色を維持し、道路の表面と対照的に見ることがで
きる。道路に塗装されるものを熱可塑性フィルムである
として家庭用塗料と同じように単に「塗料」と呼んでい
るが、以下に説明を進めるに従って道路標識が苛酷な努
力分野であることが理解されるであろう。
【0005】本願出願人は、舗装標識応用に適する種々
の熱可塑性成分材料の正確な組成は知らないが、道路標
識技術に精通している者にとっては公知であることに注
目されたい。これらの詳細は本発明を理解する上で必要
はなく、従って更に説明する必要がないことが明白にな
るであろう。この件に関して更に学習することに興味を
抱く人々は、この分野の技術論文を参照されたい。上述
した標識及び制御システムは、反射光、即ち電磁エネル
ギスペクトルの可視領域を使用しており、この光は環境
内で自然に発するか、または検出システム内の光源によ
って生成されたものである。人の感覚によって直接知覚
できない他の形状のエネルギが知られており、これらも
検出計画に適用されてきた。科学論文に見出されるよう
に、電磁エネルギスペクトルは、少なくとも紫外領域及
びそれ以下の最短波長から、赤外領域の最長波長を超え
る波長まで広範囲の波長にわたって広がっている。この
スペクトル内の可視光、即ち人の目が検出でき、我々の
ビジョンを可能にする領域、及び無線波もこの範囲内に
入る。マイクロ波スペクトルは無線スペクトルの一部分
であり、マイクロ波スペクトルの端部分はミリメートル
波領域に連なっている。
【0006】マイクロ波及びミリメートル波は、全ての
物体から自然に放出される。またこれは外部宇宙から、
及びガス状物体である地球の大気から我々の地球上に注
がれており、特に我々が走行する道路を照射する。外部
宇宙は極めて冷たくほぼ4°Kであり、また放出される
エネルギの量は放出中の物体の物理温度に比例するか
ら、外部宇宙から入射するエネルギは極めて僅かであ
る。道路上に入射するマイクロ波/ミリメートル波の大
部分は大気自体からのものであり、おおよそで言えば、
これは 94 GHzの周波数における 40 °Kの放出器の
ように役立つ、または動作する。このエネルギは、それ
が入射する材料(道路、及び道路上の標識を含む)から
部分的に反射される。これらの材料も同種のエネルギを
放出し、これらの材料が典型的には「室温」( 300°
K)にあることから、主として「冷たい空」を反射する
材料よりは温かく、高い温度に見える。
【0007】事実、プランクの放射則によれば、完全吸
収体はエネルギスペクトルの全ての周波数で放射を放出
する。我々の環境内の殆どの自然物体の場合には、この
ような放射はエネルギスペクトルの赤外領域内で比較的
高く、物体の物理温度の4乗に比例する。マイクロ波/
ミリメートル波周波数におけるエネルギは遙かに小さ
く、温度に一次比例して変化する。強度は小さいが、こ
のマイクロ波/ミリメートル波エネルギは、適切に設計
されたマイクロ波/ミリメートル波放射計を用いて検出
可能であり、測定することができる。マイクロ波/ミリ
メートル波放射検出器はマイクロ波/ミリメートル波受
信機であり、受信した合計電力を検出する。マイクロ波
/ミリメートル波放射計は、本質的には、高度に鋭敏な
合計電力受信機である。受信機は、その受信「足跡」即
ち視野を、観測すべき要素または領域に向けたマイクロ
波/ミリメートル波ホーンアンテナのような指向性アン
テナから信号を受信する。放射計によって受信される信
号の大きさは、アンテナの足跡内の物体のパーセンテー
ジ及び型、及び物体の放射率ε(ρを物体の反射率とし
て(1−ρ)に等しい)に依存して、観測中の物体の温
度及び/または物体によって反射される温度に比例す
る。電波天文学者は、惑星本体及び恒星を検出するため
に天空を走査するための放射計検出器を長い間使用して
きた。
【0008】便宜上、以下にマイクロ波/ミリメートル
波のことを、MMWという略語で呼ぶことにする。従っ
て、放射計という語を限定するために使用する時には、
この略語は本発明に関連して説明する放射計を、赤外放
射計のような他の公知の放射計とは区別する。また電波
天文学者は、 30 乃至 300GHzの範囲内の周波数のミ
リメートル波エネルギについて、大気を通る「伝播窓」
が存在することを早くから発見していた。この窓におい
ては、晴天であっても霧が発生していても、減衰は比較
的僅かである。即ち、地上の電波望遠鏡が雲に覆われて
いても、これらの「窓」周波数を通る外部宇宙からのミ
リメートル波エネルギは、その周波数のミリメートル波
領域の上下に隣接する高めの、または低めの周波数ほど
大きく減衰しない。同様に、大気はこれらの窓内ではそ
れ程多くのエネルギを放出せず、従って宇宙からの信号
を「流失」させる、即ちそれに打ち勝つことはない。こ
れらの窓は、35GHz、94GHz、140 GHz、及び 2
20GHzに発生する。
【0009】従来から、MMW放射エネルギ、及びMM
W放射検出器を使用する飛行機の誘導路(ランウェイ)
を含む地上物体のイメージングが提唱されている。 Car
usoの米国特許第 3,725,930号は、マイクロ波放射計を
使用して誘導路上の放射エネルギ反射標識のパターンを
検出する。鉄のような金属は良好なMMW放射反射体と
して知られており、つまり高ρである。 Caruso のシス
テムにおいては、標識として直径2フィート乃至 20 フ
ィートのサイズのくさび形金属板が走路上に配置され、
誘導路表面から斜めに持ち上がった表面を作って接近す
る飛行機に傾斜(ランプ)を提示する。冷たい空の一部
からのマイクロ波エネルギが、タキシング中の飛行機に
搭載されている放射検出器に向かって反射され、従って
これらの標識は冷たい外観の周囲風景から際立って見え
る。
【0010】Carusoは、このように使用される金属ラン
プの高さを特に記述していないが、どのようであれ誘導
路表面からの突起物が、誘導路をタクシング中の定期旅
客機及び他の空港車両に妨害を与えることは明白であ
る。最低でも、これらの障害物は飛行機に一連の衝撃を
与えて乗客を驚かせ、そしてもし高さが充分に大きけれ
ば、障害物は Caruso のシステムを実際に応用できなく
してしまう。誘導路上に配置された大きい金属板は目で
見ることができ、ストライプは塗装されていない。これ
は路面から容易に除去することができる。従って金属板
は、金属を取り外してスクラップとして売ってしまうよ
うな悪者または不埒者の関心を引き、標識システムのキ
ー要素ではなくされてしまう。それが見えることが、実
際的には不幸な欠点になる。
【0011】更に、本発明の譲渡人によって刊行された
論文、" Passive Millimeter-WaveImaging ", Yujiri e
t al, Ouest Magazine, TRW, Inc. 1990/1991, Vol.13,
No. 2 において本発明の発明者を含む著者は、 94 G
Hzの周波数のエネルギを受信するように同調させた放
射検出器を含む実験装置を用いて得た空港、港湾、及び
他のシーンの放射イメージの二次元ピクチャを記述して
いる。これらのイメージは低分解能ではあるが、雨及び
霧の天候条件にも拘わらず放射検査が技術的に実行可能
であり、シーンのイメージを得るために即時に実現さる
べき手段であると主張している。この論文は付加的な技
術的開発を予測し、そして放射イメージングに関する示
唆を与えているが、道路標識システムを改善する案内に
は言及していない。
【0012】
【発明の概要】従って、本発明の目的は、MMW放射計
を使用して道路標識を検出するための新しい方法を提供
する。本発明の別の目的は、受動的であり、電磁エネル
ギを放出する送信装置を必要としない道路標識検出及び
制御システムを提供することである。本発明のさらなる
目的は、MMW放射周波数において、隣接する路面と強
調されたコントラストを有する道路標識塗料、即ち真の
「マイクロ波/ミリメートル波放射」塗料を提供するこ
とである。本発明の更に別の目的は、既存の塗料のため
の塗装装置を変更しないで使用して、路面に塗装するこ
とができる強化放射塗料を提供することである。
【0013】上記目的に従って、改良された道路標識検
出方法は、道路表面に沿って運動することができる車両
または他の車輪付き載物台を使用する。車両は道路上の
短い距離を斜めに見下ろす放射計を支持している。車両
が道路に沿って移動すると、車両の前進につれて路面の
いろいろなパッチから反射及び/または放出されるMM
W放射エネルギを見て、監視して、そして表示すること
ができる。道路に沿うどのような道路標識に遭遇して
も、それらは「冷たい」空から見るエネルギの結果とし
てエネルギが大幅に減少して検出され、放射計によって
受信される。従来のシステムとは異なり、本方法は雨ま
たは霧、日中または夜間、湿ったまたは雪に覆われた道
路においても標識を識別する。標識は受動的に検出され
る。それは、それを検出するために環境内に電磁放射を
放出する必要はなく、職員に対する危険を最小にし、そ
して他のエレクトロニクス機器への考え得る干渉を回避
する。更に、人工的な照明は不要であるから、道路の基
礎構造に対する要求は簡易化される。
【0014】本発明の別の面によれば、新しい道路標識
塗料は、通常の道路標識塗料の熱可塑性材料内に金属粒
子及び/または高誘電体粒子を混入することによって得
られる強化されたMMW放射エネルギ反射特性を有して
いる。強化放射塗料の好ましい実施例は、サイズ数 20
または 30 すなわち直径20ミルまたは30ミル(約20×2
5.4μmまたは約30×25.4μm)の鉄の小球(ショッ
ト)を含み、この鉄の小球は塗料混合体の約 30 体積%
からなっている。このように構成された標識を検査した
結果、アスファルトのような若干の表面の場合には同一
表面の検出温度は前よりも大きく低下するが、コンクリ
ートの場合には変化はそれ程大きくない。これは、標識
と、隣接する舗装との間の放射コントラストが増加して
いることを証明している。便利なことに、この新しい放
射塗料は、既存塗料の塗装装置を使用して道路に塗装す
ることができる。標識の放射エネルギ反射特性と、道路
のそれとの間のコントラストが増加することによって、
検出のためにより明確な測定を使用することができる。
信号が増加することにより、信号対雑音比が改善され、
もし検出器の感度が経年的に低下したとしても検出が可
能になる。
【0015】本発明の上述した、及び付加的な目的及び
長所、並びに以上の説明ではその概要に触れただけのそ
の構造特徴は、以下の添付図面に基づく本発明の好まし
い実施例の詳細な説明から明白になるであろう。
【0016】
【実施例】図1は、道路標識を観測するための新しい方
法を絵画的に示している。図1に示すように、MMW放
射計組立体、即ち放射計1は車輪付きカート3の前端
に、そして道路5上の所定の高さに取付けられている。
所定の幅の標識7は、少なくとも部分的の道路を横切っ
て、紙面に垂直な方向に伸びるストライプを形成してい
る。市場で入手可能な公知構造の何れかであるMMW放
射計は 94 GHzに同調され、ほぼ1GHzまたはそれ
以下の帯域幅であり、小開口受信アンテナ即ちホーン2
が取付けられている。アンテナ2は、「ホーン」タイプ
のマイクロ波アンテナであり、しばしば「フィードアン
テナ」または「ホーン」と称される。アンテナ2は路面
に対して鋭い角度、最適なのは垂線からの角度αを約 2
0 °として下向きに配向する。放射計の垂直位置はトラ
ック取付け具9または同等部材によって調整可能であ
り、好ましくは、道路から約8インチ上に位置決めされ
ているアンテナ2の前端に位置決めする。
【0017】所与の材料から反射し、MMW放射計にお
いて感知されるMMW放射エネルギは、限定するもので
はないが、反射表面からの距離、アンテナ入力が表面に
対して配向されている角度、感知されるエネルギの水平
または垂直偏波、及び電磁スペクトル内のエネルギの周
波数を含む多くの変数の支配下にあることが理解されよ
う。これらは、これらの変数として現在好ましいものを
表している。図2は、システムエレクトロニクスのブロ
ック線図であって、MMW放射計1及びその関連アンテ
ナ2、並びにメーターまたは陰極線管モニタであること
ができるディスプレイ11を示している。MMW放射計
は、ある電圧をディスプレイに出力する。他の形状の出
力を、要望に応じて独立的に、または集合的に使用する
ことができる。出力を受け、チャートが所定の経路に沿
って運動するにつれて値を連続的にプロットするチャー
トレコーダ18を接続することができる。視覚モニタ回
路20は、MMW放射計が標識を検出した時のように、
温度が所定のレベルまで低下した時に視覚的に知覚可能
な指示を与える、ランプ点灯のような出力を供給するよ
うに較正することができる。
【0018】MMW放射計1は公知の型の何れかであ
る。これは給電式の無線受信デバイスであり、カートに
搭載されている電池(図示してない)その他の普通の電
源によってMMW放射計を付勢するための必要電流を供
給することができる。例えは、マサチュセッツ州サウス
ディアフィールドの Millitech companyから市販されて
いるMMW放射計が、この手順に適している。マイクロ
波/ミリメートル波モノリシック集積回路技術に基づい
て小型化され、40GHzで動作するMMW放射計“MM
IC”が本願の譲渡人である TRW companyから卸売業者
を通して販売されており、近い将来に 94 MHzで動作
できるようになることが期待されている。特に以下に説
明する本発明の特定実施例のためには、小型放射計が好
ましい。MMW放射計からの出力は、関連付けられた陰
極線管ディスプレイ、またはディジタルまたはアナログ
信号モニタ11に接続され、アンテナ2において感知さ
れた放射温度をオペレータが見ることができるようにし
ている。
【0019】動作を説明する。MMW放射計が付勢さ
れ、動作中に、カートが図で右方向へ押されるか、また
は自己推進電動構造が前方へ運動すると、その車輪4が
前方へ転がる。破線2b及び2aで図示してあるよう
に、カートが前進するとアンテナは水平に運動する。下
向きのアンテナは、路面から放出され、反射したMMW
放射エネルギλを感知する。発明の背景において説明し
たように、他の惑星、恒星、及び大気から発したMMW
放射エネルギと呼ぶマイクロ波/ミリメートル波エネル
ギは、道路5及び標識7を含む地球に入射する。このM
MW放射エネルギは頭上の天空の全方向から、正確には
頭上の天空の半球から到達する。唯一の例外は、カート
及びそのカートに搭載されている装置によって閉塞また
は減衰され得る天空の部分である。入射MMW放射エネ
ルギは標識及び路面に突入する。全ての材料は(若干の
材料が他の材料よりも大きいにしても)MMW放射エネ
ルギを反射するから、MMW放射エネルギの若干は受信
機アンテナ2内に反射、または「後方散乱」する。
【0020】物体の放射率εと、物体の真の物理温度と
の積は、その輝きの温度、換言すればその放射温度に等
しい。完全吸収体の放射率は 1.0であって黒体として知
られており、完全反射体の放射率は0である。偏波に依
存する物体の放射率は、垂直または水平の各偏波毎に、
誘電定数、ボディの表面粗さ、及び観測の角度の関数で
ある。表面に対して 90 °の角度、即ち真下を見た時の
測定では、 94 GHzの周波数における物体の放射率
は、裸金属が 0.040、乾燥砂利が 0.921、乾燥アスファ
ルトが 0.914、乾燥コンクリートが 0.905、泥が 1.0で
ある。物体によって放射される見掛けの温度は3つの源
の組合わせであり、以下の式によって表すことができ
る。 T=εTa +ρTs +τTb ここにε、ρ及びτはそれぞれ放射率、反射率、及び透
過率であり、Ta 、Ts、及びTb はそれぞれ材料の周
囲温度、反射した天空温度、及び物体の後の背景の温度
である。金属材料の場合にはτTb は極く僅かであり、
無視することができる。
【0021】アンテナ2は、アンテナの視野内に入る表
面の部分、即ちパッチから上述したようにして反射した
MMW放射エネルギを受信する。地上8インチ( 20 c
m)に位置する直径が約1インチ( 2.54 cm)のよう
な小開口アンテナの場合、視野はほぼ3平方インチ(
7.6平方cm)の面積である。カートが前進すると、ア
ンテナ及びMMW放射計装置によって見られる、即ち感
知される表面の特定のパッチは連続的に変化する。この
ようにして測定される路面は、ある放射温度にあるよう
に見える。アンテナが標識7の一部分を見るようにカー
トがアンテナを位置定めすると、観測される放射温度が
低下する。アンテナの視野が標識7と一致するように更
に運動すると、観測されるMMW放射温度が更に低下す
る。アンテナが標識7の位置を越えて右に更に運動する
と、観測される温度は最初に観測されたレベル(再び路
面を表す)まで上昇する。以上の観測から、観測される
温度レベルの下方への移行が標識7の存在を表し、温度
レベルが低めに安定している場合には標識が未だに存在
していることを表す。温度の上方への移行は、標識の右
側端を表す。
【0022】カートの前縁に対するアンテナの位置は既
知であり、路面上のアンテナの高さは既知であり、そし
てアンテナが路面に対して傾斜している角度βも既知で
あるから、簡単な三角法計算によって、標識を探知する
カートの前の正確な位置を決定することができる。当分
野に精通していれば、道路と標識との間の移行の鋭さは
部分的にアンテナ2の視野のサイズに依存し、視野が小
さいほど鋭い移行がもたらされ、本質的には観測表面の
分解能が増加することが理解されよう。この方法の場
合、視野が小さい程、カート3の運動中に標識7の縁と
遭遇した時に前縁及び後縁をより正確に特定することが
できる。図3のチャートは、塗料を塗装することによっ
て形成されたストライプ状の道路標識12a及び12b
を含む駐車場道路5’を車両が左から右へ横切った時の
MMW放射計の出力を示しており、これらのストライプ
は駐車場道路の絵画的イメージ上に塗装されている。ス
トライプ12aは本明細書で説明した強化MMW放射塗
料の成分のものであり、ストライプ12bは通常の白い
道路標識塗料で形成され、これらのストライプはコンク
リート表面を有する道路の一部分の上に形成されてい
る。同じような結果がアスファルト表面上でも得られ
る。
【0023】MMW放射測定を 15 °Cの気温で、路面
から 12.5 インチ上の位置において垂線からの角度α=
45 °で(曲線20)、及び 19.5 インチ上の位置にお
いて垂線からの角度α= 22.5 °で(曲線22)、道路
からの水平偏波放射を感知する 94 GHz放射計によっ
て測定した。図3では縦座標は方向が逆になっていて低
下する値を表しており、従って低い温度が上方に示され
ている。曲線20及び22から、コンクリートがある基
底温度を発生し、MMW放射計がストライプ12a及び
12b上を通過すると測定された温度が降下しているこ
とが分かる。図示のように、ストライプ12a上での降
下がストライプ12b上での降下よりも大きい。図3は
更に、MMW放射計の高さを上昇させたことによる効果
も示している。温度降下は前ほど顕著ではない。後述す
るように、使用した特定のアンテナ2の場合のMMW放
射計アンテナ入力の好ましい高さは8インチであり、好
ましい垂線からの角度αは 70 °である。
【0024】公知のように、反射MMW放射エネルギは
偏波している。これは水平偏波成分と、別の垂直偏波成
分とを含んでいる。MMW放射計装置は何れかの偏波を
選択し、測定することができるから、測定結果を得るに
は2つの成分の一方を選択するだけでよい。水平偏波成
分で受信されたエネルギが垂直成分で反射したものとは
大きく異なるが、異なる材料から得られる同種測定間の
関係は適切に相関していることを見出した。従って、1
つの材料からの反射と別の材料からの反射とを比較する
には、測定の際に必然的に同一の偏波を使用することに
なる。上述した例では、水平(即ち、H)偏波を選択し
ている。検出感度が、部分的にアンテナの視野に依存す
ることは理解されよう。図4に示すように、もしアンテ
ナの視野が破線14で表されるものであれば、カバーさ
れる表面の面積、即ちパッチは、それによって包み込ま
れる金属標識7’のサイズよりもかなり大きくなる。従
って標識が検出される放射温度への影響は最小になる。
しかしながら、視野が破線16によって表されるようで
あれば、パッチは前よりも小さくなり、標識の面積はそ
の領域のより大きいパーセンテージ(その領域の少なく
とも 30 乃至 50 %、またはそれ以上)を占めるように
なる。従って、後者の場合に検出されるMMW放射温度
は、大部分が標識によって決定される。可能な場合、視
野のサイズは、理想的には、最小サイズの道路標識と同
一のサイズにするべきである。このようにすれば、検出
されるMMW放射温度は標識のそれによって支配される
ようになる。またそれ故、検出器が道路のパッチから標
識へ運動する時の道路の温度と、標識の温度との間の移
行、または変化がより顕著になる。
【0025】道路上の白く塗装されているストライプ、
または道路上の熱可塑性塗料のより典型的なストライプ
から反射するMMW放射温度は、隣接する道路(それが
アスファルトであろうとコンクリートであろうと)の温
度とは異なり、また互いに異なっている。これらの差は
小さいが、測定可能である。しかしながら、差が小さい
ために、検出は困難である。MMW放射計を含む全ての
エレクトロニクスは、電子雑音を受信するか、または電
子雑音を内部的に生成する。雑音は、暗に測定に干渉す
る。その雑音は、関心信号と同一レベルであり得る。そ
の結果、信号は屡々雑音の中に「失われ」始める。もし
可能ならば、より高感度の選択性MMW放射計装置を使
用すべきである。しかしながら、このような装置は極め
て高価であり、普通の車両での使用は実現不可能であ
る。次善の策は、プロセスにより強い信号を与え、それ
によって信号対雑音比を増加させることである。例え
ば、入射MMW放射エネルギを、熱可塑性塗料標識より
も強く反射させる標識は、説明している道路標識システ
ムにとって明らかに有利である。この目的のために、本
発明は強化MMW放射塗料を包含し、これはより強い反
射と、隣接道路とより大きい「MMW放射」コントラス
トとを発生するものである。
【0026】人の目は、紙面上に見られる白黒アートワ
ークの明と暗との間の異なる等級を区別することができ
る。多くの異なる影、またはグレイの等級の間のコント
ラストを肉眼で識別することができる。異なる材料、及
びこれらの材料によって放出され、反射されるMMW放
射エネルギの相対強度(MMW放射エネルギに露出中に
MMW放射計によって観測される)に関しても類似の特
性が見出される。若干の材料は入射MMW放射エネルギ
を、他の材料よりも大きい強度で反射する。1つの材料
の反射率を、別の材料と比較した時のこの等級または差
を、本明細書では「MMW放射コントラスト」という。
塗料は、顔料と適当な液体との混合体として限定され、
表面上に薄い膜として噴霧した時に付着性の被膜を形成
することが多い。この液体は粘性であることができ、顔
料を保持すると共に、それを通して顔料を分散させる結
合剤または母材として役立つ。液体自体はある色を反射
することができるが、顔料から反射される色が支配的で
ある。同じように、塗料自体はMMW放射エネルギを反
射させるが、強化MMW放射塗料は、MMW放射反射特
性が担体液体単独のそれよりもかなり良好な材料の粒状
物質を含んでいる。強化MMW放射塗料は、道路がコン
クリートまたはアスファルト、または類似のものであっ
ても、標識と、隣接路面との間のMMW放射コントラス
トを改善する。
【0027】本発明による強化MMW放射塗料の第1の
例は以下の通りである。ビニールのような熱可塑性材料
のペレットまたはビーズ、硝子ビーズ、及び鉄小球をそ
れぞれ 50 %、 25 %、及び 25 %の体積比で含む混合
体を準備する。これらの成分を完全に混合して均質な混
合体を作る。硝子ビーズは、直径が 10 ミルの中空の球
である。鉄小球はサイズ数が 20 乃至 30 のものであ
る。この混合体を、Sterndall Industriesが使用してい
る「ハイウェイ・ストライパ」のような普通の道路塗装
装置の混合用ポット内に配置してポットを加熱し、温度
を熱可塑性材料を液化するのに通常使用される必要温度
まで上昇させる。この液化温度は、硝子ビーズ、または
鉄小球を軟化、または液化させるのに必要な温度よりも
遙かに低いことに注目されたい。熱可塑性材料が液化し
ても、硝子ビーズ及び鉄小球は不変である。これでMM
W放射塗料は、アスファルトまたはコンクリートで適当
に形成された路面に塗装する準備が整う。
【0028】このように液化させてから、標識を塗装す
べき道路に沿う位置まで付加装置を移動させる。次いで
オペレータは、装置を移動させながら液体を解放し、装
置オペレータの制御の下に、熱い液体材料を、典型的に
は予め選択された長さ及び幅の幅広のストリップに分配
する。カリフォルニア州では、縦方向のラインは典型的
に 80 ミルの厚さであり、横方向ラインは 125ミルの厚
さである。塗装装置の分配及び運動は、MMW放射塗料
の 1/8インチ厚の層が堆積するようにすることが適当で
ある。好ましくは、微小な4乃至 20 ミル直径の硝子ビ
ーズの7ミル層を未だ柔らかい標識の上面に振りかけて
標識の光反射特性を強化させるが、これは普通に行われ
ていることである。このように道路上に塗装してから熱
可塑性材料を硬化させ、薄い熱可塑性結合剤内に包み込
まれた硝子ビーズ及び鉄小球を有する恒久的な耐磨耗性
標識を形成させることができる。上記応用手順では、塗
装装置のオペレータは、普通の道路標識に使用されるも
のと同一の手順を遂行する。鉄小球を含ませても応用手
順に何等の変更も必要としない。
【0029】図5に、道路に塗装した本発明によるMM
W放射塗料を部分断面図で示す。塗料13はアスファル
トまたはコンクリート道路5の上面に結合され、 80 ミ
ル乃至 1/8インチ厚である。硝子球15及び鉄小球粒子
17は熱可塑性母材19の全体に分散している。塗料の
上面は、熱可塑性道路標識において普通に行われている
ように、約7ミル厚の微小硝子ビーズの薄い層21を含
んでいる。これは、道路上の定位置に標識7’を形成し
ている。図6は、気温 17 °Cの曇った日中に、 94 M
HzのMMW放射計を使用し、垂線からの角度α=33°
で得た放射温度のバーチャートである。図示のように、
周囲のコンクリート道路に対する強化塗料から観測され
た放射計温度の変化は、主として熱可塑性材料で形成さ
れた標識からの放射計温度の変化(これらは、これらの
下のコンクリートの放射計温度の変化よりもかなり大き
い)よりも実質的に大きい。図には、路面が濡れている
時に得られた結果も示されている。測定された温度は、
前よりもかなり低い。しかし、それでも、被膜してない
コンクリートと、強化された標識との間の増分差は大き
い。
【0030】代替実施例では、上述した実施例の金属小
球の代わりに、誘電定数が約2乃至3である結合材に比
して、少なくとも 10 の高い誘電特性を有する材料であ
るチタン酸化物を使用する。この材料は、金属と同様
に、回転楕円体、ペレット、円筒形、等々に形成して金
属と置換することができる。誘電定数が高い材料程、高
いMMW放射反射率を発生する。本発明による強化MM
W放射塗料を広義に特徴付けるには、そのMMW放射反
射特性を固定された視角及び偏波、及び日中の時刻によ
って与えるべきである。MMW放射塗料は、乾燥した平
らな表面に被膜または層として塗装した時に、晴天日の
午後の中頃に、94GHzに同調し、水平偏波エネルギだ
けを感知するようになっているMMW放射計を使用し、
垂線から 20 °の角度を有するMMW放射計の入力アン
テナを垂線から 20 °に配向して測定した時に、塗料が
被膜されていないコンクリート道路よりも少なくとも 2
4 °C低い放射温度を呈するものである。
【0031】30乃至 300GHzの範囲内のマイクロ波/
ミリメートル波エネルギを反射する内部粒子によって強
化され、道路上に塗装されて空に露出された標識は、M
MW放射計によって観測された時、特に垂線から約 70
°の鋭い角度でMMW放射装置によって見られた時に、
道路を形成する隣接アスファルトまたは舗装よりも冷た
い温度に見える。この温度のコントラストが、標識の存
在の特徴として役立つ。種々の材料によって放出される
ものと、それらが反射するものとの間の差引の結果とし
て、塗料は冷たく見える。垂直に近い鋭い観測角におい
ては、強化塗料は、道路を形成しているアスファルト及
び/またはコンクリートに比してそれが放出するよりも
多くを反射する。標識の信頼性、本質的には熱可塑性材
料の物理特性に悪影響する可能性を最小にするために、
熱可塑性材料に添加されるMMW放射粒子の量は、理想
的には所望の結果を達成するための必要最小限に保つべ
きである。このようにすると、混合体の費用も最低に維
持され、費用効率が向上する。
【0032】実験によれば、体積の約 0.1の割合の時
に、検出可能な最適「後方散乱」断面が最大プラトーに
到達する。即ち、MMW放射粒子が、混合体の 10 体積
%の時である。この最適値は、垂線から10°乃至 80 °
のどの角度にも適用される。換言すれば、MMW放射粒
子のパーセンテージを 10 %以上(例えば、 20 %)に
増加させても、MMW放射計によって検出される反射M
MW放射エネルギの強度は増加させる前より良くはなら
ない。粒子の密度を増加させた結果として、1つの粒子
から反射されたエネルギは、母材から検出器に向かって
放射される代わりに、中実の母材内で上に横たわる粒子
に衝突してしまう。我々の調査では、1/8 インチ( 0.1
25インチ)の層厚の時に、最小の層厚でほぼ最適の後方
散乱が得られることが分かった。上述した最適の体積の
割合は、厚みが 0.125インチ( 0.32 cm)の標識の場
合である。より薄い標識の場合には、MMW放射粒子の
相対体積を高めにすると最適値が得られる。最適体積パ
ーセンテージは、本発明を適用するためのパラメータを
更に調査すれば決定されるもとの期待される。
【0033】標識は路面上に薄いフィルムまたは層を形
成する。路面から僅かに高くなってはいるが、この高さ
の層は自動車及び車両のタイヤサイズに較べれば問題に
はならない。典型的なタイヤの直径に対して1:200 程
度の比にしか過ぎない。従って、層の厚みは取るに足ら
ないものである。即ち、層は、標識上に載った自動車タ
イヤにごつんと当たったり、知覚できる程の衝撃を与え
ることはない。従って実際上の問題として、標識は路面
と同一の面であると見做され、本明細書では「面一」で
あると呼んでいるのである。
【0034】混合体に添加される粒子材料は、短期間で
熱可塑性材料との重大な化学反応を意図しているのでは
なく、また化学反応しない。これらは化学的に、これら
の物質に対して比較的不活性である。粒子は、硬化した
プラスチック内に懸濁しており、中実の母材内に閉じ込
められて保持されている。強化MMW放射塗料を使用す
ると、本明細書の前半に記載した新しい方法を使用する
改善された道路標識システムがより実際的になる。即
ち、図7に絵画的に示すように、1組のMMW放射計セ
ンサ31及び33が貨物トラック30の右側及び左側に
取付けられている。各MMW放射計センサは、1組4個
の個々のMMW放射計を含み、それらの視野は4つの細
長い長円によって示されている。これらの長円視野は、
本質的に、車両の側に直角な線に沿って次々に横並びに
されている。運転手から見てトラックの右側のMMW放
射計センサ31はトラックと、道路レーンの一方の側の
単一の道路標識35との間の相対位置を監視する。トラ
ックの左側のMMW放射計センサ33は、トラックの左
側の1組2つの道路標識37を監視する。
【0035】図8のブロック線図に示すように、センサ
31を形成している、及びセンサ33を形成している4
つずつの放射計は、それぞれの共通集束素子(例えば、
それぞれ1つのレンズ38及び39)を通して大地に向
けられている。各MMW放射計システムは、道路上で遭
遇する標識から放出され、反射されたMMW放射エネル
ギを検出する。各放射計の出力信号は、普通の電子装置
によって受信され、処理される。各MMW放射計からの
出力信号は、8:1マルチプレクサ44を介して信号デ
ィジタイザ45へ送られる。ディジタル化された信号は
プログラムされたプロセッサ46に順次に格納される。
プロセッサは、放射計によって検出された標識の位置を
監視し、トラックが道路レーンの中心にあるか、または
右または左に寄っていないかを決定するようにプログラ
ムされている。トラックがレーンの一方の側に寄ってい
れば、プロセッサは適切な警報を発して、ディスプレイ
47を介して運転手に知らせる。
【0036】代替として、車両の舵取りを自動制御する
ための付加的な装置を含んでいるようなシステムでは、
プロセッサからの出力信号は車両の舵取りを補正する装
置へ送給することができる。上述した電子システムは、
従来のレーダ型及び光電型制御システムにおいて早くか
ら示唆されている型であり、詳細な説明は省略する。セ
ンサとしての「フロント・エンド」MMW放射計装置、
及びそのMMW放射計を使用する方法だけが新規であ
る。同一の要素に対しては図7と同一の番号を付してあ
る図9に絵画的に示すように、道路標識システムは、4
1及び43のようなトラックに対して直角に向いて走行
レーンを横切って伸びる複数組のMMW放射標識も組み
込むことができる。標識の間隔及び幅は、規定された方
式で、及び情報を担持するように変化する。これらの標
識は、それらが一時停止線の前で道路を横切る白線、ま
たはレーンの分割線のような何等かの可視命令、または
何等かの境界の示唆を与えるものではないから、隠蔽す
ることができる。横方向のMMW放射標識の各組は一緒
になって、食品雑貨店の箱に見出されるUPCコード、
及び郵便封筒上に使用される郵便バーコードに良く似た
バーコードを表している。当分野に精通していれば、こ
れらの線の幅及び線間の間隔は、デコーディング装置に
よって使用される同期信号を与える最初の線のそれから
変化させ得ることは理解されよう。トラック30が情報
標識を横切って運動すると、バーコードを表す信号の列
が全てのMMW放射計によってほぼ同時に検出される。
これらのMMW放射計に接続され、トラックに搭載され
ている電子翻訳装置は、これらの信号を受信し、デコー
ドして運転手が見ることができる翻訳された情報をディ
スプレイ上に発生する。
【0037】上述した図9の電子装置は、図8のブロッ
ク線図にも表されているので、それを参照する。MMW
放射計31及び33の出力は、マルチプレックスされ、
ディジタル化され、そしてプログラムされたプロセッサ
によって処理される。プロセッサ46はバーコード翻訳
器を含み、バーコード翻訳器はストライプ41及び43
によって表されているコード化された情報を翻訳し、翻
訳されたメッセージを生成してディスプレイ47上に表
示する。このようなバーコードコーディング及びバーコ
ード翻訳装置は公知であり、統一商品コードUPCバー
コード、及び郵便コードのような他のシステムで使用さ
れている。翻訳器は、受信したインパルスを、格納され
ている翻訳辞書を使用して、それらによって表されてい
る英語メッセージに変換する。以上のように、検出され
たバーコードは、車両運転手に警戒情報に関係する「前
方にカーブあり」のように翻訳し、翻訳された情報をメ
ッセージディスプレイ47上に表示することができる。
【0038】バーコードパターンは、例えば、「危
険」、「前方の橋冬季氷結」、「前方に踏切有り」、
「前方にカーブあり」、「トラック 35 mphに減
速」、「脇道にガソリンスタンド及び食料店」のような
重要な情報を車両の運転手に知らせるために道路上に塗
装することができる。これらの可能性は数多くある。M
MW放射計は、レーダ装置に較べてある長所を有してい
る。即ち、MMW放射計は送信機を必要とせず、それに
よって製造、調整、及び保守に要する部品が少なくて済
む。レーダとは異なり、MMW放射計は観測する領域、
またはその領域内にいる人を照射することがない。天然
に発する放射を使用するだけである。従って、放射源及
び人を照射することに関して、公衆衛生問題及び不確実
性が回避される。曇天または霧の天候の日中、夜間、及
び雨水に濡れた道路でもMMW放射検出は機能する。
【0039】MMW放射強化は安価である。既存道路標
識塗装装置を使用して強化塗料を塗装することができ
る。装置を変更する必要はない。金属小球のような添加
成分は容易に入手可能であり、且つ安価である。この新
しい塗料は、当業者ならば理解されるように、MMW周
波数におけるその強化された「見え方」の故に、以上に
説明した新しい道路標識検出システムに特に有利であ
る。またこの新しい塗料は、本明細書の従来の技術にお
いて参照した Questの論文の空港誘導路の光景を得るた
めの撮像システム、及び前記 Caruso の特許に記載のシ
ーン走査放射システムに対して類似の便益を与える。本
発明の好ましい実施例の以上の説明は、当分野に精通し
ている者にとって本発明を実現し、使用するのに充分詳
細である。しかしながら、上述した目的のために記載し
た要素の詳細が本発明の範囲を制限することを意図する
ものではなく、これらの要素の同等品及び他の変更は全
て本発明の範囲内にあることは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】道路標識を検出し、質問する新しい方法を遂行
する装置を絵画的に示す図である。
【図2】図1の方法を遂行するのに使用される電子装置
のブロック線図である。
【図3】新しい方法で図1の装置を使用して道路上で行
った放射測定を示すチャートである。
【図4】道路標識と、異なるアンテナ視野との間の関係
を示す図である。
【図5】路面に塗装した本発明の強化MMW放射塗料の
断面図である。
【図6】改良された塗料で得られた強化された結果を、
同一条件の下で得た他の材料と比較して示すバーチャー
トである。
【図7】トラックを道路レーン内に位置決めするのを援
助するために新しい道路標識システムを使用するMMW
放射検出器をトラックに装着した様を絵画的に示す図で
ある。
【図8】車両の運転手にレーン位置決め情報を与える図
7のトラックの電子システムのブロック線図である。
【図9】図7のように受動的MMW放射レーン追尾シス
テムの他に、図8に示すものと同一の電子システムを使
用するバーコード情報システムを装備した車両を絵画的
に示す図である。
【符号の説明】
1 放射計 2 ホーン 3 カート 4 車輪 5 道路 7 標識 9 トラック取付け具 11 ディスプレイ 13 塗料 15 硝子球 17 鉄小球 18 チャートレコーダ 19 熱可塑性母材 20 視覚モニタ回路 21 硝子ビーズ 30 貨物トラック 31、33 センサ 35、37 道路標識 38、39 レンズ 41、43 標識 44 マルチプレクサ 45 ディジタイザ 46 プロセッサ 47 ディスプレイ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース アイ ハウッス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90049 ロサンゼルス サウス ベント リー アベニュー 263 (72)発明者 ビル エイチ クオン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92656 アリソ ヴィエホ サンダーリ ング レーン 3 (72)発明者 ジェームズ イー エニンガー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90503 トーランス アンダルース ア ベニュー 5909 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) E01F 9/04 C09D 5/00 G08G 1/16

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 路面上の道路標識、及び車両に搭載され
    ていて上記道路標識のMMW放射を検出するMMW放射
    検出器を含む道路標識検出システムにおいて、上記MM
    W放射検出器は上記車両に近接する路面の小領域からの
    MMW放射エネルギを感知する手段を含み、上記路面は
    第1のMMW放射温度特性を有し、上記道路標識は上記
    第1のMMW放射温度特性とは明確に異なる第2のMM
    W放射温度特性を有し、上記道路標識のMMW放射エネ
    ルギ反射特性を上記第2のMMW放射温度特性より低い
    第3のMMW放射温度特性に増すための改良であって、
    上記道路標識が、 熱可塑性材料と固体粒状材料との固体混合体からなり、
    上記固体粒状材料は上記熱可塑性材料内に均質に分散
    し、上記熱可塑性材料は上記第2のMMW放射温度特性
    を有し、上記固体粒状材料は上記第3のMMW放射温度
    特性を有していることを特徴とする道路標識検出システ
    ム。
  2. 【請求項2】 上記固体粒状材料は、球状のジオメトリ
    を備えている請求項1に記載の道路標識検出システム。
  3. 【請求項3】 上記球状粒子は、鉄小球からなる請求項
    2に記載の道路標識検出システム。
  4. 【請求項4】 上記固体粒状材料は、上記熱可塑性材料
    の誘電定数とは明確に異なる高誘電定数を有する材料か
    らなる請求項1に記載の道路標識検出システム。
  5. 【請求項5】 上記固体粒状材料は、チタン酸化物から
    なる請求項4に記載の道路標識検出システム。
  6. 【請求項6】 上記固体粒状材料の体積は、上記熱可塑
    性材料が占める体積の 10 %である請求項1に記載の道
    路標識検出システム。
  7. 【請求項7】 道路が空に露出されているような地理的
    領域内の道路上で車両を運転中の車両運転手に、近くの
    上記道路上に道路標識ストリップが存在することを連絡
    するための道路標識検出システムであって、 上記車両に搭載され、前方に、且つ鋭い角度で上記道路
    に向けて下方に配向されているアンテナ手段を含むMM
    W放射エネルギを検出するMMW放射計手段と、 MMW放射エネルギ反射性材料からなり、上記道路に付
    着され、且つ上記道路と本質的に面一に形成されている
    道路標識と、 を備え、 上記道路標識は、上記道路のMMW放射温度特性とは明
    確に異なり、且つそれとの間に検出可能なMMW放射コ
    ントラストをなすMMW放射温度特性を有していること
    を特徴とする道路標識検出システム。
  8. 【請求項8】 路面上の道路標識、及び車両に搭載され
    ていて上記道路標識のMMW放射を検出するMMW放射
    検出器を含む道路標識検出システムであって、上記MM
    W放射検出器は上記車両の下の路面の小領域からのMM
    W放射エネルギの放出及び反射を感知する手段を含み、
    上記道路は第1のMMW放射温度特性を有し、上記道路
    標識は上記第1のMMW放射温度特性とは明確に異なる
    第2のMMW放射温度特性を有していることを特徴とす
    る道路標識検出システム。
  9. 【請求項9】 空に露出されている道路上の道路標識を
    検出する方法であって、 上記道路上の所定の位置にMMW放射検出器を位置決め
    し、上記MMW放射検出器の受信アンテナを路面に対し
    て垂線から 45 °またはそれ以上であるが 90°よりは
    小さい所定の角度に配向するステップと、 上記MMW放射検出器を上記道路に沿って、且つ上記道
    路上を一定の高さで運動させ、上記道路上の何等かの道
    路標識を横切らせるステップと、 上記検出器の出力の変化を監視するステップと、 を備えていることを特徴とする道路標識検出方法。
  10. 【請求項10】 上記所定の角度は垂線から 70 °であ
    り、上記MMW放射検出器は検出される電磁エネルギを
    約 94 GHzの周波数を有する電磁エネルギに制限する
    同調手段を備えている請求項に記載の道路標識検出方
    法。
  11. 【請求項11】 結合材内の粒状固体からなり、ある表
    面に塗装するためのMMW放射塗料であって、上記結合
    材は上記粒状固体材を懸濁させて保持し、且つある表面
    に付着するようになっており、上記粒状固体材料は上記
    結合材及び上記表面のMMW放射温度より低いMMW放
    射温度を有し、上記塗料は晴天の午後の中頃に、94GH
    zに同調し、上記塗料から放出、反射された水平偏波エ
    ネルギを感知するようになっていて、且つ入力アンテナ
    が上記表面への垂線から 20 °に配向されたMMW放射
    計を用いて上記表面を見た時の上記表面のMMW放射温
    度より少なくとも 24 °C低いMMW放射温度を呈する
    ことを特徴とするMMW放射塗料。
JP13334898A 1997-05-28 1998-05-15 マイクロ波/ミリメートル波放射塗料並びに道路標識検出の方法及びシステム Expired - Fee Related JP3164552B2 (ja)

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