JP3411431B2 - 速度計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は速度計測装置に関
し、特に媒質中の一定方向に音波を発射し、反射エコー
に含まれる媒質の移動速度によってもたらされるドプラ
ー周波数に基づいて媒質の移動速度を求める速度計測装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】媒質中の一定方向に音波を発射し、一定
距離からの反射エコーに含まれるドプラー周波数を抽出
し、このドプラー周波数をもたらす媒質の移動速度を求
める従来の速度計測装置にあっては、高速フーリェ変換
（Fast Fourier's Transform、以下ＦＦＴとも略称す
る）による周波数分析を利用してドプラー周波数を抽出
している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】時間領域信号を周波数
領域信号に変換するＦＦＴによる周波数分析でドプラー
周波数を抽出し、抽出したドプラー周波数に基づいて、
このドプラー周波数をもたらした媒質の速度を求める場
合には、分析して得られるデータの周波数精度と、時間
精度すなわち距離精度とは互いに反比例の関係にある。

【０００４】このことは、フーリェ逆変換が時間領域信
号となることからも明らかである。つまり、周波数精度
を上げると距離精度が悪化し、逆に距離精度を上げると
周波数精度が悪化するという問題点がある。

【０００５】本発明の目的は、上述した問題点を解決
し、距離精度の低下を招くことなく周波数精度を著しく
向上しうる速度計測装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的
を達成するため、次の手段構成を有する。即ち、本発明
の速度計測装置は、媒質中の定方向に発射した音波の反
射エコーの含むドプラー周波数に基づいて媒質の移動速
度を求める速度計測装置であって、高速フーリェ変換に
よる周波数分析に基づいて反射エコーの含むドプラー周
波数を求めると共に、この高速フーリェ変換における反
射エコーの切り出し単位時間としての分析フレームＴ₀
をＴ₀ ×２^m(ｍは正の整数）に拡大し、かつ分析フレー
ム中の拡大された時間領域Ｔ₁ においては信号レベルを
零もしくは無視しうるレベルとして高速フーリェ変換を
施して分析フレームの拡大に伴う距離精度の低下を招く
ことなくドプラー周波数の計測精度を実効的に２^m 倍と
する手段を備える。

【０００７】また、本発明の速度計測装置は、前記高速
フーリェ変換を、前記反射エコーをアナログ−ディジタ
ル変換したディジタルデータを対象として行う手段を備
える。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、前記の如く構成される本発
明について説明する。空気、水等の媒質中の一定方向に
音波を発射し、反射エコーに含まれるドプラー周波数を
ＦＦＴによって抽出して、このドプラー周波数に基づい
て媒質の移動速度を求める場合には、周波数精度と時間
精度すなわち距離精度とが本質的に相反する反比例関係
にある。

【０００９】本発明では、ＦＦＴにおける分析フレー
ム、即ちＦＦＴにおける時間領域データの切り出し周期
Ｔ₀ をＴ₀ ×２^m(ｍは正の整数）とし、これによって拡
大したＴ₀ 以外の時間領域Ｔ₁ の期間は信号レベルを零
もしくは無視できる程度に設定して処理する。つまり、
拡大したＴ₁ の期間は無信号のダミー期間としてＦＦＴ
処理周期のみ拡大する。

【００１０】これにより、分析フレーム周期を２^m と
し、基本周波数は１／２^m となるので周波数精度は２^m
に改善され、しかも距離精度は周期Ｔ₀ が同じなので変
わらない。こうして、距離精度を劣化させることなく、
周波数精度の著しい改善が図れる。

【００１１】

【実施例】次に、図面を参照して本発明を説明する。図
１は、本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。図１に示す実施例は、媒質中の一定方向に音波を放
射し、反射エコーを受波する送受波器１と、送信信号を
送出する送信部２と、受信信号を増幅・出力する受信増
幅部４と、Ａ／Ｄコンバータ６と、Ａ／Ｄコンバータ６
におけるＡ／Ｄ変換でのエイリアシング（aliasing）を
抑圧するためＡ／Ｄコンバータ６の入力がＡ／Ｄ変換の
標本化周波数の１／２以下となるようにするＬＰＦ（Lo
w Pass Filter)を備えたアナログ処理部５と、Ａ／Ｄコ
ンバータの出力に対してディジタルＦＦＴを施すＦＦＴ
演算器７と、送信部２，Ａ／Ｄコンバータ６およびＦＦ
Ｔ演算器７の動作を制御する制御部３とを備える。

【００１２】送信部２から送出した送信信号は、送受波
器１によって電気／音響変換され、送信音波１０１とし
て媒質中に放射される。媒質から反射される反射エコー
１０２は、送受波器１で音響／電気変換され、受信信号
として受信増幅部４に送出される。

【００１３】受信増幅部４は、入力した受信信号を増幅
し、アナログ処理部５に送出する。アナログ増幅部５
は、Ａ／Ｄコンバータ６におけるエイリアシング抑圧の
ため、受信増幅部４の出力に対しＡ／Ｄコンバータ６に
おける標本化周波数の１／２以下とする低域フィルタリ
ングを施す。

【００１４】Ａ／Ｄコンバータ６は、入力信号のアナロ
グ−ディジタル変換を行い、変換されたディジタル信号
をＦＦＴ分析する。ＦＦＴ演算器７は、入力信号をＦＦ
Ｔ分析する。ＦＦＴの基になるフーリェ級数は、入力信
号をｘ（ｔ）とすると、Ｔ秒で１周期すなわち１／Ｔ
（Ｈｚ）の周波数成分と、その整数倍の周波数成分であ
る｛２／Ｔ，３／Ｔ，……，ｎ／Ｔ（Ｈｚ）｝（ｎ→
∞）との無限和として表現される。すなわち、ｘ（ｔ）
は、次の式１として表される。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、ａ₀ はｘ（ｔ）の直流成分、また
cos(２πｔ／Ｔ）およびsin(２πｔ／Ｔ）が基本波成分
となる。

【００１７】ところで、ＦＦＴのアルゴリズムは、デー
タ点数（標本化数）Ｎが２のべき乗とした場合、極めて
処理が容易となるので、殆どの場合にデータ数は２のべ
き乗としている。

【００１８】今、数値例で示すと、データ数Ｎ＝２⁹ ＝
５１２とし、かつＡ／Ｄコンバータ６の標本化周波数が
ナイキスト標本化周波数以上を配慮した５ＫＨｚである
とすると、前述したＦＦＴの演算で切り出される周期Ｔ
₀ の分析フレーム長Ｌについては、Ｔ₀ ＝｛１／（５×
１０³)｝×５１２＝０．１０２４（ｓ）となり、かつＬ
＝１７．４ｍで、Ｔ₀ の逆数として得られる基本周波数
ｆ₀ ＝１／Ｔ₀ は、約９．８Ｈｚである。この基本周波
数は、すなわち、周波数精度を意味する。

【００１９】図３において、矢印で示す送信音波１０１
が２ＫＨｚのバースト波であるとし、その軸方向に風速
１ｍの風が吹いたとすると、この風速に対応したドプラ
ー周波数Δｆは、次の式２のように示される。尚、式２
のｆは音波の周波数、ｖは媒質空気の速度、ｃは空中音
速である。

【００２０】

【数２】 Δｆ＝２ｆｖ／ｃ＝２×２×１０³ ×１／３４０

【００２１】Δｆは、約１１．８Ｈｚとなる。つまり、
音波の軸方向に対して送受波器１から見て向い風の時は
２０１１．８Ｈｚ、追い風の時は１９８８．２Ｈｚとな
るドプラー効果を生ずる。

【００２２】周波数精度つまりＦＦＴ分析における分解
能を向上するにはｆ₀ を小さくすればよく、従ってＴ₀
を長くすればよい。この目的に対して、データ数Ｎ＝２
¹¹＝２０４８と設定すると、Ｔ₀ ＝｛１／（５×１
０³)｝×２０４８＝０．４０９６（ｓ）で、Ｌは約７０
ｍ、ｆ₀ は約２．４ＨｚとなってＮ＝２⁹ ＝５１２の場
合に比して周波数分解能が約４倍改善される。

【００２３】尚、図３において、媒質が空気であるとし
て、測定距離Ｄの計測時間ｔ₁ は、ｔ₁ ＝（ｌ×２）／
３４０で、測定範囲Ｌを計測時間Ｔ₀ で表現すると、Ｔ
₀ ＝（Ｌ×２）／３４０となる。

【００２４】図４は送信周波数が２ＫＨｚかつ風速１ｍ
の追い風で、標本化周波数５ＫＨｚとした時のデータ数
Ｎ＝５１２におけるＦＦＴ演算結果、図５は送信周波数
が２ＫＨｚ、かつ風速１ｍの追い風で、標本化周波数５
ＫＨｚとした時のデータ数Ｎ＝２０４８におけるＦＦＴ
演算結果を示す電力スペクトル特性図である。

【００２５】図４、図５ともＸ軸はＨｚ表現のＦＲＥＱ
（周波数）を、またＹ軸は量子化ステップ数で生起化し
たＬＥＶＥＬ（電力レベル）をそれぞれ表現し、データ
数Ｎによる周波数精度と、最大電力レベルを示す周波数
の相違がよく判る。図４、図５とも送信周波数が２ＫＨ
ｚ、かつ風速１ｍの追い風を受けた時で、従って入力信
号の周波数は前述した如く１９８８．２Ｈｚである。

【００２６】ところで、ＦＦＴ分析におけるデータ数Ｎ
を４倍に増大しただけでは、ドプラー周波数を検出すべ
き測定範囲も４倍となって距離分解能が１／４に低下し
てしまう。

【００２７】このように、ＦＦＴ分析によるドプラー周
波数の分析精度は、周波数精度と距離精度とが相反関係
にある。そこで、本実施例では、データ点数のみを増加
することで周波数精度と距離精度の両立を確保してい
る。

【００２８】図２は、図１の実施例の動作を説明するた
めの波形図である。図２の（ａ）に示す送信音波１０１
は、媒質自体の反射、残響を含み図２の（ｂ）に示す反
射エコー１０２として戻ってくる。図２の（ｂ）には測
定距離Ｄならびにその計測時間ｔ₁ 、測定範囲Ｌならび
にその計測時間Ｔ₀ を併記して示す。図２の（ｃ）は図
２の（ｂ）の測定範囲Ｌ並びにその近傍の拡大表現であ
る。

【００２９】図２の（ｄ）に、本実施例におけるＦＦＴ
処理領域を示す。本実施例にあっては、時間領域で示す
測定範囲Ｔ₀(Ｌ）の後にレベルが零か無視できる程度の
ダミー時間領域Ｔ₁ を設定する。即ち、ＦＦＴ分析にお
けるデータ数Ｎの処理時間領域をＴ₀ ＋Ｔ₁ ＝Ｔ₀ ×２
^m に拡大する。

【００３０】仮に、ｍ＝２とすると、Ｎ＝２０４８とな
り、この場合の基本周波数は図５にも示す如く、約２．
４Ｈｚとなり、４倍の周波数分解能が得られる。一方、
ダミー時間領域Ｔ₁ での信号は零或いは無視できる程小
さいので、対象とする信号は時間領域Ｔ₀ の信号のみを
扱えばよく、従って距離精度は１７．４ｍとなり、Ｎ＝
５１２の時と同じであり、周波数精度と距離精度とを両
立させることができる。

【００３１】図６は図５と同じくデータ数Ｎ＝２０４８
であるが、Ｔ₀ ×２^m ＝４０９．６ｍの内、０．１０２
４ｓ（Ｔ₀ の時間、５１２ポイント）の時間だけＡ／Ｄ
変換したデータを取り込み、残りの時間はデータをすべ
て０もしくは無視できるレベルに設定してＦＦＴ演算し
た結果を示す。また、入力信号１９８８．２Ｈｚに対し
て、図４では１９９２．１９Ｈｚで、図６では図５と同
じ１９８７．３Ｈｚを示している。

【００３２】図６は、入力信号の取り込み時間はＴ₀
で、図４の場合と同じ短時間であるにもかかわらず、周
波数精度は図５の場合と同じ高精度が得られることを示
している。こうして、ＦＦＴによる周波数分析におい
て、周波数精度と距離精度とを相制約することなく確保
することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は媒質中に
発射した音波の反射エコーのドプラー周波数を反射エコ
ーのＦＦＴ分析に基づいて算定し、媒質の速度を求める
場合に、ＦＦＴ分析における反射エコーの切り出し単位
時間としての分析フレームを拡大し、かつ拡大した時間
領域の信号は零もしくは無視しうるレベルとして処理す
ることにより、周波数精度と距離精度とを相反すること
なく確保しうる速度計測が可能となる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１の実施例の動作を説明するための波形図で
ある。

【図３】送信音波の一例を示す図である。

【図４】送信周波数２ＫＨｚ、風速１ｍの追い風時、標
本化周波数５ＫＨｚ、データ数５１２におけるＦＦＴ演
算結果を示す電力スペクトル特性図である。

【図５】送信周波数２ＫＨｚ、風速１ｍの追い風時、標
本化周波数５ＫＨｚ、データ数２０４８におけるＦＦＴ
演算結果を示す電力スペクトル特性図である。

【図６】送信周波数２ＫＨｚ、風速１ｍの追い風時、標
本化周波数５ＫＨｚ、データ数２０４８における図１の
実施例によるＦＦＴ演算結果を示す電力スペクトル特性
図である。

【符号の説明】

１ 送受波器 ２ 送信部 ３ 制御部 ４ 受信増幅部 ５ アナログ処理部 ６ Ａ／Ｄコンバータ ７ ＦＦＴ演算器

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 媒質中の定方向に発射した音波の反射エ
   コーの含むドプラー周波数に基づいて媒質の移動速度を
   求める速度計測装置であって、高速フーリェ変換による
   周波数分析に基づいて反射エコーの含むドプラー周波数
   を求めると共に、この高速フーリェ変換における反射エ
   コーの切り出し単位時間としての分析フレームＴ₀ をＴ
   ₀ ×２^m(ｍは正の整数）に拡大し、かつ分析フレーム中
   の拡大された時間領域Ｔ₁ においては信号レベルを零も
   しくは無視しうるレベルとして高速フーリェ変換を施し
   て分析フレームの拡大に伴う距離精度の低下を招くこと
   なくドプラー周波数の計測精度を実効的に２^m 倍とする
   手段を備えることを特徴とする速度計測装置。
2. 【請求項２】 前記高速フーリェ変換を、前記反射エコ
   ーをアナログ−ディジタル変換したディジタルデータを
   対象として行う手段を備えることを特徴とする請求項１
   記載の速度計測装置。