JP3657063B2 - Speed measuring device - Google Patents

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JP3657063B2
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,受波器により受波された音波が,移動物体や静止物体等により反射された音波からなるときに,移動物体による音波の信号を抽出して当該移動物体の速度を高精度に計測するようにした速度測定装置に関する。
【0002】
従来,移動物体の速度測定にドップラ効果を利用した速度測定装置が用いられる場合がある。図9はかかる速度測定装置の構成を示すブロック図である。以下,説明の便宜から速度測定装置を送波系,受波系及び信号処理系に大別して説明する。
【0003】
送波系は,周波数Foutの基準信号を発生する基準発振器1,基準信号を増幅する出力増幅器2,該出力増幅器2からの信号に基づき超音波を射出する送波器3から構成されている。
【0004】
また,受波系は,周波数Finの超音波を受波して電気信号に変換する受波器4,当該受波器4からの信号を増幅して受信信号として出力する前置増幅器5から構成されている。
【0005】
さらに信号処理系は,基準信号と受信信号とが入力して,これらをミキシングするミキサ6,該ミキサ6からの信号を検波して基準信号と受信信号との差分周波数Fdの信号を差分周波数信号として出力する検波器7,差分周波数信号のうち高周波成分を除去するローパスフィルタ601,ローパスフィルタ601からの信号をドップラ信号として周波数を計測する周波数計測器12,該周波数計測器12からの計測結果に基づき移動物体の速度を,
Fd=2・V・Fout/(C−V)・・・・・・・・(1)
の式に従って演算する演算器13,当該演算器13で演算した移動物体の速度を表示する表示器14から構成されている。なお,式1におけるVは移動物体の速度を示し,Cは音速を示している。
【0006】
また図10は,図9におけるローパスフィルタ601に代えて,検波器7と演算器13の間に,検波器7より出力された差分周波数信号からドップラ周波数帯城の信号を通過させるバンドパスフィルタ801,当該バンドパスフィルタ801からの信号の周波数を計測する周波数計測器12を設け,さらに,検波器7からの差分周波数信号からドップラ周波数より高い周波数成分であるノイズをフィルタリングするノイズ帯バンドパスフィルタ802及び信号検出器901を設けて,計測精度の向上を図っている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,上述した構成では,例えば,ピッチャーが投げるボールの球速を計測する場合,受信信号の周波数Finは単一の周波数でないため後述する理由により正確な速度測定が困難になる問題があった。
【0008】
即ち,送波器3から出射された超音波は,ボール以外に静止物体やピッチャーの身体等のあらゆる部分で反射されて受波器4に受波されると共に,送波器3から射出された超音波の一部が直接受波器4に入射して(以下,直接波という)受波される。
【0009】
従って,受信信号には周波数の異なる複数の信号が含まれ,また静止物体により反射された超音波や直接波による信号は信号レベルが大きいため,ドップラ信号のS/N比(信号対雑音比)が低下したり或は信号波形に歪が生じて,正常な周波数の計測,即ち移動物体の速度測定が困難になる問題があった。
【0010】
そこで,本発明は,受信信号が周波数の異なる複数の信号からなる場合等であっても,ドップラ信号のみを抽出することにより高精度に速度測定が可能な速度測定装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題を解決するために,請求項1にかかる発明は,所定周波数の基準信号に基づき音波を射出する音波射出手段と,音波を受波して受信信号として出力する受波手段と,前記基準信号と受信信号とから移動物体の速度を演算する速度演算手段とを有した速度測定装置において,前記速度演算手段が,前記受信信号と前記基準信号との周波数の差を求めて差分周波数信号として出力する差分周波数検出部と,前記差分周波数信号を,予め設定された2以上の周波数帯域に帯域分離して帯域信号として出力する周波数帯域分離部と,前記帯域信号又は当該帯域信号の検波信号が閾値を越えた時間又は越えたと見なせる時間が,予め設定された第1判断時間継続した場合には,優位レベルの検出信号を出力すると共に,前記閾値を越えた時間又は越えたと見なせる時間が,前記第1判断時間より長い第2判断時間継続した場合には,有効信号を出力する帯域信号判断部と,前記帯域信号及び前記検出信号が入力して,当該検出信号に基づき複数の前記帯域信号から1つの前記帯域信号を選択する帯域信号選択部と,該帯域信号選択部で選択された帯域信号の周波数を計測すると共に,当該計測された周波数が有効か否かを前記有効信号に基づき判断して,有効な周波数に基づき移動物体の速度を演算する計測演算部とを有することを特徴とする。
【0012】
即ち,種々の周波数を含む受信信号から,移動物体により反射された音波による信号のみを処理対象にして移動物体の速度測定を高精度に行うべく,周波数帯域分離部により受信信号を複数の周波数帯域の帯域信号に分離する。
【0013】
そして,帯域信号判断部により帯域信号が閾値より大きい時間が又は大きいと見なされる時間が予め設定された第1判断時間より長い場合には,そのことを示す優位レベルを持つ検出信号を出力し,また帯域信号が閾値を越えた時間が又は越えたと見なせる時間が予め設定された第2判断時間より所定量長い場合には,そのことを示す有効信号を出力する。
【0014】
かかる第1判断時間は,第2判断時間より短く設定されて,帯域信号の開始領域に周波数の乱れ等が生じている場合に当該領域の時間より所定量長く設定する。
【0015】
また第2時間は,帯域信号の終了領域の周波数が乱れている場合に,当該領域を周波数計測から除去して周波数を計測するための判断時間である。
【0016】
そして,帯域信号選択部により優位レベルを持つ複数の検出信号が少なくとも1以上存在する場合には,最も周波数の高い検出信号に対応する帯域信号を選択する。
【0017】
かかる帯域信号の周波数を計測演算手段により計測すると共に,当該周波数計測された帯域信号が有効か否かを有効信号により判断して,有効な場合に当該周波数計測結果に基づき移動物体の速度の演算を行うことを特徴とする。
【0018】
なお,上記優位レベルとは以後の判断処理において有効な信号レベルをいい,例えば帯域信号が閾値より大きい場合に,「High」レベルのパルス信号が出力される場合には,当該「High」レベルが優位レベルとなる。
【0019】
請求項2にかかる発明は,前記周波数帯域分離部が,当該速度測定装置の測定範囲の周波数帯域に対して,2以上の周波数帯域に帯域分割されていることを特徴とする。
【0020】
請求項3にかかる発明は,前記帯域信号選択部が,優位レベルを持つ複数の前記検出信号のうち最も周波数帯域の高い検出信号に対応する帯域信号を選択することを特徴とする。
【0021】
請求項4にかかる発明は,前記周波数帯域分離部が持つ過渡特性により,前記帯域信号の開始領域及び終了領域が少なくとも周波数変調を受けている場合に,前記第1判断時間が当該帯域信号の開始領域の被変調時間より所定量長く設定されると共に,前記第2判断時間が前記計測演算部で当該帯域信号の周波数計測が可能な時間と当該帯域信号の終了領域の被変調時間との和より所定量長く設定されていることを特徴とする。
【0022】
なお,上記被変調時間とは過渡特性により変調を受けている領域の継続時間を言う。
【0023】
請求項5にかかる発明は,所定周波数の基準信号に基づき音波を射出する音波射出手段と,音波を受波して受信信号として出力する受波手段と,前記基準信号と受信信号とから移動物体の速度を演算する速度演算手段とを有した速度測定装置において,前記速度演算手段が,前記受信信号と基準信号との周波数の差を求めて差分周波数信号として出力する差分周波数検出部と,前記差分周波数信号を予め設定された2以上の周波数帯域の帯域信号に帯域分離して,該帯域信号又はその検波信号が予め設定された閾値を越えた時間又は越えたと見なせる時間を求め,当該時間が予め設定された第1判断時間及び当該第1判断時間より長い第2判断時間より長いか否かを判断し,前記第1判断時間より長い帯域信号が複数存在する場合には,当該複数の前記帯域信号から最も周波数帯域の高い前記帯域信号を選択して周波数計測すると共に,当該周波数計測された前記帯域信号が第2判断時間継続した場合にのみ,当該周波数計測した結果に基づき移動物体の速度を演算する信号処理部とを有することを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施の形態を図を参照して説明する。図1は,本実施の形態にかかる速度測定装置のブロック図を示している。速度測定装置は,基準信号に基づき超音波を射出する音波射出手段,移動物体等により反射された超音波等を受波して受信信号を出力する受波手段,受波手段からの受信信号に基づき移動物体の速度を演算して求める速度演算手段からなっている。
【0025】
また当該速度演算手段は,受信信号と基準信号との差分周波数信号を求める差分周波数検出部,差分周波数信号を複数の周波数帯域の帯域信号に分離して出力する周波数帯域分離部,当該帯域信号が所定の条件を満たすか否かを判断して検出信号及び有効信号を出力する帯域信号判断部,複数の優位レベルを持つ検出信号から特定の検出信号に対応する帯域信号を選択する帯域信号選択部,該帯域信号選択部により選択された帯域信号の周波数を計測すると共に,有効信号により周波数計測した帯域信号が有効であるか否かを判断し,有効な場合にのみ当該周波数に基づき移動物体の速度を演算する計測演算部とからなっている。
【0026】
上記構成を詳細に説明すると,送波手段は,周波数Foutの基準信号S1を発生する基準発振器1,基準信号S1を電力増幅する出力増幅器2,増幅された基準信号S1を超音波S2として射出する送波器3から構成されている。
【0027】
受波手段は,超音波S3を受波して電気信号に変換して出力する受波器4,該受波器4からの信号を増幅し,これを受信信号S4として出力する前置増幅器5から構成されている。
【0028】
速度演算手段における差分周波数検出部は,受信信号S4と基準信号S1とをミキシングするミキサ6,ミキサ6から受信信号S4と基準信号S1との周波数の差分を抽出して,これを差分周波数信号S5として出力する検波器7から構成されている。
【0029】
また周波数帯域分離部は,検波器7からの差分周波数信号S5を5個の隣接した狭帯城の周波数成分に分離して帯域信号Se(SeHH〜SeLL)として出力するバンドパスフィルタ8(8a〜8e)から構成されている。なお,バンドパスフィルタ8の分割数は,5個に限定されるものではなく適宜設定することが可能である。
【0030】
帯域信号判断部は,各バンドパスフィルタ8に対応して設けられた信号検出器9(9a〜9e)を有して,各々帯域信号Seが後述する条件1を満たす場合に,優位レベルを持つ検出信号Sf(SfHH〜SfLL)を出力し,また条件2を満たす場合には有効信号Siを出力する。
【0031】
帯域信号選択部は,信号検出部9からの優位レベルを持つ複数の検出信号Sfのうち最も周波数帯域の高い検出信号Sfに対応する帯域信号Seを選択して出力する。なお,当該選択された帯域信号Seを帯域信号Shと記載する。
【0032】
計測演算部は,選択された帯域信号Shの周波数を計測する周波数計測器12,信号検出器9からの有効信号Siに基づき周波数計測器12で計測した周波数が有効である場合にのみ,当該周波数に基づき移動物体の速度の演算を行う演算器13を有している。
【0033】
また,計測演算部には,音速が温度により変化することを考慮して,外気温を計測する温度計測器15が設けられて適宜温度補正を行うと共に,移動物体の速度表示を行う表示部14が設けられている。
【0034】
なお,以下の説明においては,バンドパスフィルタ8(8a〜8e),及び信号検出器9(9a〜9e)等のように同一機能を有する複数の手段からなるものに関しては,個々の構成について言及する場合以外は総括番号を用いて,バンドパスフィルタ8,信号検出器9等のように適宜記載する。
【0035】
図2は各ブロックの出力信号を示したもので,同図を参照して動作説明を行う。基準発振器1からは,周波数Foutの基準信号S1が発振されて出力増幅器2で増幅される。そして,送波器3から超音波S2が射出される。
【0036】
射出された超音波S2は,移動物体により反射されてドップラ効果を受け,これにより周波数Finの反射波S3となって受波器4で受波される。
【0037】
なお,受波器4で受波される超音波S3は,種々の条件の下で反射等した超音波が入射するため,受信信号S4の周波数は単一の周波数でなく,また射出された超音波S2に示すようなきれいな波形でないことに注意を要する。
【0038】
例えば,ピッチャーが投球したボールの球速を計測する場合,受波器4で受波される超音波S3には,ボールからの反射波,ピッチャーの身体等のボール以外の移動物体からの反射波,送波器3から射出された超音波が直接回り込んで受波される直接波及び静止物体により反射された反射波が含まれている。球速を測定する目的からは,ボールで反射された超音波以外の超音波は全てノイズとなる。
【0039】
受波器4からの信号は前置増幅器5で増幅されて受信信号S4となり,その後ミキサ6により基準信号S1とミキシングされ,検波器7で検波されて差分周波数信号S5となってバンドパスフィルタ8に入力する。
【0040】
バンドパスフィルタ8は,高周波側から5つの帯域(HH,HL,M,LH,LL)に分割構成され,入力した差分周波数信号S5を各帯域信号Se(SeHH〜SeLL)に分離して信号検出器9及び信号選択器10に出力する。
【0041】
ところで,バンドパスフィルタ8は過渡特性を持つため,帯域信号Seの開始領域及び終了領域の周波数が本来の周波数と異なる周波数に変調される。従って,この様な帯域信号Seを用いて計測・演算処理を行ったのでは正確な結果を得ることができない。そこで,かかる過渡特性の影響を除去すべく,信号検出器9では種々の判断を行っている。
【0042】
即ち,信号検出器9は,入力した帯域信号Seが当該信号検出器9に予め設定されている閾値よりも大きいか否かを判断して,当該帯域信号が閾値より大きくなった時間又は大きいとみなせる時間が第1判断時間より長く継続した場合に(条件1),優位レベルを持つの検出信号Sf(SfHH〜SfLL)を信号選択器10に出力する。
【0043】
また帯域信号が閾値より大きくなった時間又は大きいとみなせる時間が第2判断時間より大きくなった場合に(条件2),当該帯域信号Seが少なくともノイズ等の本来的でない信号でなく,かつ,上記過渡特性により当該帯域信号Seの終了領域に変調を受けた領域を含まずに周波数計測が可能な信号であることを示す有効信号Siを演算器13に出力する。
【0044】
図3は信号検出器9に入力する帯域信号Seの信号レベルを帯域周波数に対して現したボード線図の一例である。本例の場合には,帯域HL,M,LHの帯域信号SeHL,SeM,SeLHは,信号検出器9に予め設定された閾値より大きな信号レベルを持ち,その中でも帯域LHの帯域信号SeLHが最も大きな信号レベルを持っている。
【0045】
また,帯域HHの帯域信号SeHHは,閾値と略等しい信号レベルであり,帯域LLの帯域信号SeLLは閾値より小さい信号レベルとなっている。かかる帯域HH,LLの帯域信号SeHH,SeLLは,ノイズと判断できる。
【0046】
従って,バンドパスフィルタ8からの各帯域信号Seのうち,信号検出器9に予め設定されている閾値よりも大きな信号レベルを持つ帯域HL,M,LHの帯域信号SeHL,SeM,SeLHが優位レベルを持つ検出信号となる。但し,この場合上述した条件1が満たされていることを前提とする。
【0047】
そして信号選択器10は,優位レベルを持つ検出信号Sfから最も周波数帯城の高い帯域信号Shを判断して周波数計測器12に出力する。
【0048】
なお,複数の帯域信号Seから,周波数の高い帯域信号を選択する理由は,例えば,ピッチャーから反射された超音波とボールから反射された超音波との周波数を比べた場合,ボールから反射された超音波の周波数が高い(ドップラ周波数が大きい)ためである。
【0049】
従って,上述したような関係にない場合には,信号選択器10で選択する基準を適宜設ければよい。
【0050】
演算器13には,周波数計測器12からの信号,信号検出器9からの有効信号Si及び温度計測器15からの外気温信号が入力している。これらに基づき演算器13は,音速Cを外気温tとして,
C=331.5+0.6t・・・・・・・・(2)
の関係式により求め,そして式1にしたがって移動物体の速度Vを演算し,表示器14がこの結果を表示する。
【0051】
次に図4を参照してバンドパスフィルタ8の過渡特性を詳細に説明する。バンドパスフィルタ8に間欠的な差分周波数信号S5が入力すると,当該バンドパスフィルタ8は過渡特性により差分周波数信号S5の開始領域と終了領域に本来の周波数とは異なる周波数に変調して帯域信号Seとして出力する。従って,帯域信号Seの開始領域と終了領域との周波数は,過渡特性により変調されて本来の周波数と異なる周波数になる。
【0052】
以下,バンドパスフィルタ8により過渡変調された信号領域を過渡変調領域と称し,特に信号の開始時における変調領域を開始変調領域,終了時における変調領域を終了変調領域という。また開始変調領域及び終了変調領域の継続時間を,それぞれΔts,Δteと記載する。
【0053】
図4(a)は,検波器7からバンドパスフィルタ8に入力する差分周波数信号S5を示し,図4(b)は当該バンドパスフィルタ8から出力される帯域信号Seを示している。また図4(c)は,過渡変調された帯域信号Seの周波数特性の理解を容易にするために図示したもので,当該帯域信号Seを周波数/電圧変換(F/V変換)した際の波形を示している。
【0054】
いま,バンドパスフィルタ8のある帯域における中心周波数をFcとし,差分周波数信号S5の周波数をFとする。
【0055】
この時,差分周波数信号S5の周波数Fが中心周波数Fcより低い場合(F<Fc),差分周波数信号S5の入力にともない,バンドパスフィルタ8から出力される帯域信号Seの周波数Feは,徐々に中心周波数Fcに近い周波数まで高くなり,その後徐々に差分周波数信号S5の周波数Fに落着く領域が生じる(開始変調領域),そして差分周波数信号S5が終了すると,徐々に中心周波数Fcに近い周波数まで高くなり,その後徐々に出力が終了する(終了変調領域)。
【0056】
従って,F/V変換された帯域信号Seは,図4(c)に示すように信号の両端に山ができるようになる。
【0057】
また,差分周波数信号S5の周波数Fが中心周波数Fcより高い場合F(F>Fc),差分周波数信号S5の入力にともない,帯域信号Seの周波数Feは中心周波数Fcを経て徐々に差分周波数信号S5の周波数Fに達し(開始変調領域),その後差分周波数信号S5が終了すると中心周波数Fcを経て徐々に小さくなり(終了変調領域),そして出力が終了する。
【0058】
従って,F/V変換された帯域信号Seは,図4(c)に示すように信号の両端がなだらかな山型の信号となる。
【0059】
一方,差分周波数信号S5の周波数Fが中心周波数と等しいときは,帯域信号Seは徐々に中心周波数Fcになり(開始変調領域),差分周波数信号S5の終了と共に徐々に周波数が小さくなって(終了変調領域)出力されなくなる。
【0060】
このようにバンドパスフィルタ8が過渡特性を持つため,過渡変調された開始変調領域,終了変調領域が発生し,これらの変調領域が含まれる信号領域を用いて周波数計測等を行ったのでは正確な周波数計測が行えない。従って,移動物体の速度の誤差が大きくなり信頼性が著しく低下してしまう。
【0061】
そこで,信号検出器9においては,過渡特性の影響を除外して信号処理が可能か否かを判断している。このことを図5を参照して説明する。
【0062】
図5(a)は当該信号検出器9の概略構成を示すブロック図であり,帯域信号Seを予め設定された閾値Vthと比較して所定のパルス信号(判断信号)S11を出力する比較ブロック9Aと当該比較ブロック9Aからの判断信号に基づき,帯域信号Seが条件1を満たした時に優位レベルの検出信号Sfを出力し,条件2を満たした時に有効信号Siを出力する判断ブロック9Bから構成されている。
【0063】
また図5(b)は,比較ブロック9Aにおける各信号波形を示し,図5(c)は判断ブロック9Bにおける各信号波形を示している。
【0064】
比較ブロック9Aは,帯域信号Seと閾値Vthとが入力し,帯域信号Seが閾値Vthより大きくなったときトリガ信号S10を出力するコンパレータ9a,このトリガ信号S10に対応して所定幅の判断信号S11を出力する再トリガ形回路(リトリガブルワンショット回路)9bから構成されている。
【0065】
なお再トリガ形回路9bは,当該再トリガ形回路9bが準安定状態の時に入力したトリガ信号S10に対しても応答し,そのつど当該再トリガ形回路9bは新たな準安定状態となる。従って,もし再トリガ形回路9bの準安定状態内の間隔ごとに連続して複数のトリガ信号S10が入力すると,幅の広い1個の方形波のパルス信号S11が出力される。この準安定状態は,時定数τにより特徴付けられ,当該時定数は,各バンドパスフィルタ8の下側カットオフ周波数の周期より所定量大きくなるように設定されている。
【0066】
このようにして得られた判断信号S11は,判断ブロック9Bに入力する。判断ブロック9Bは,第1判断系と第2判断系とからなり,それぞれの動作は同じであるが,設定値が異なるため最終的に異なる作用を得る。
【0067】
これら第1,2判断系は,判断信号S11を積分した積分信号S15(S15a,S15b)を第1,2シュミットトリガ回路9d(9da,9db)に出力する第1,2積分器9c(9ca,9cb),第1,2シュミットトリガ回路9dからのトリガ信号S16(S16a,S16b)により所定幅のパルスを出力する第1,2ワンショット回路9e(9ea,9eb)から構成されている。
【0068】
上記構成において,第1積分器9caは判断信号S11を積分して積分信号S15aを出力する。この積分信号S15aが所定のレベルV1以上になると,第1シュミットトリガ回路9daはトリガ信号S16aを出力し,当該トリガ信号S16aの立上がりをトリガとして第1ワンショット回路9eaが検出信号Sfを出力する。
【0069】
この検出信号Sfの時間幅はt2であり,この時間は周波数計測器12が帯域信号Seの周波数を計測するのに必要な時間である(以下,周波数計測時間という)。
【0070】
無論,第1積分器9caの出力がレベルV1に達しない場合には,第1シュミットトリガ回路9daからトリガ信号S16aが出力されないので,検出信号Sfは無位レベルの信号となる。
【0071】
積分信号S15aが所定のレベルV1になるまでの時間t1は,開始変調領域の継続時間Δtsよりわずかに大きな時間になるように,第1積分器9caの積分定数が設定されている。
【0072】
従って,第1シュミットトリガ回路9daから出力されるトリガ信号S16は,帯域信号Seが入力してから開始変調領域が経過した後に出力されることになる。依って,周波数計測器12で周波数計測する際には,少なくとも開始変調領域の信号を除外することが可能になる。
【0073】
しかし,この場合,周波数計測時間t2に終了変調領域が含まれる恐れがある。そこで第2判断系では,当該周波数計測時間t2に終了変調領域が含まれるか否かを判断し,含まれないならば有効信号Siを出力するようにしている。
【0074】
即ち,第2積分器9cbは判断信号S11を積分して積分信号S15bを出力する。この積分信号S15bが,所定のレベルV2以上になると第2シュミットトリガ回路9dbはトリガ信号S16bを出力する。当該トリガ信号S16bの立上がりをトリガとして第2ワンショット回路9ebが所定幅の有効信号Siを出力する。
【0075】
そして検出信号Sfが終了してから積分信号S15bが所定のレベルV2に達するまでの時間t3は,終了変調領域の継続時間Δteより僅かに長くなるように設定されている。
【0076】
従って,帯域信号Seの時間幅t0の間に当該時間t3が確保できるならば,周波数計測時間t2には,終了変調領域は含まれないことになる。
【0077】
以上をまとめると,t0≧t1の時は(条件1),時間幅t2の優位レベルを持つ検出信号sfが出力され,t0≧t1+t2+t3の時は(条件2),有効信号Siが出力される。
【0078】
次に,信号選択器10を図6を参照して詳細に説明する。信号選択器10はプライオリティを持つ入力端子D1〜D5を備えて,当該入力端子D1〜D5に検出信号Sfが入力するプライオリティエンコーダ10A,該プライオリティエンコーダ10Aからの信号に基づき特定の帯域信号Seを選択して出力するアナログマルチプレクサ10Bから構成されている。
【0079】
そして,信号検出器9からの検出信号Sfは,高い周波数帯域の検出信号Sfから順に高いプライオリティの入力端子に入力するように構成されている。
【0080】
例えば,検出信号SfHHは最も周波数帯域が高いので,プライオリティの最も高い入力端子D5に入力し,検出信号SfLLは最も周波数帯域が低いのでプライオリティの最も低い入力端子D1に入力するようになっている。
【0081】
このように優先度を持つ入力に対して,出力は図6(b)に示す論理表に従ってアナログマルチプレクサ10Bに制御信号として出力され,アナログマルチプレクサ10Bは当該制御信号に基づき複数の帯域信号Seから特定の帯域信号を選択して出力させる。図6(b),(c)においては,優位レベルを「H」としている。
【0082】
以上説明したように,静止物体等からの本来的な反射波以外の反射波が受波器に入力しても,目的とする移動物体からの反射波の信号を抽出して高精度の移動物体の速度を求めることが可能になる。
【0083】
なお,バンドパスフィルタ8の過渡特性を回避する方法として,遅延回路やワンショット回路等を用いて回避手段を構成しているが,本実施の形態にかかる方法によれば,例えば,図3における帯域信号SeHHのように信号レベルが信号検出器9の閾値Vthと略等しく,この結果検出信号SfHHのパルス幅が狭くノイズ的になる場合でも(図2において点線で示している),検出信号Sfとして出力されない特徴がある。
【0084】
また,バンドパスフィルタ8において分割した各帯域の周波数は,基準発振器1の基準周波数Foutと装置の計測速度範囲に依存して適宜設定されるが,例えば基準信号の周波数Foutを40kHz,速度範囲を20〜150km/hとするなら,移動物体により反射された反射波の周波数は約41.3〜50.93kHzであり,差分周波数信号S5の周波数は1.3〜10.93kHzとなる。
【0085】
このような場合には,差分周波数信号の周波数範囲を5個のバンドパスフィルタ8(8a〜8e)で均等に分割すれば,当該各帯城の周波数幅は約2kHzとなるので,バンドパスフィルタ8a〜8eの中心周波数を2.3kHz,4.2kHz,6.1kHz,8.0kHz,10.0kHzとすればよい。
【0086】
また,信号検出器9における比較ブロック9Aとして,例えば図7に示すような検波器9fとコンパレータ9gとからなるものであってもよい。図7(a)は,当該信号検出器9の概略ブロック図であり,図7(b)はその時の各信号波形を例示したものである。
【0087】
検波器9fは,バンドパスフィルタ8からの帯域信号Seを検波して得た包絡線信号S13をコンパレータ9gに出力する。コンパレータ9gは,包絡線信号S13を予め設定された閾値Vth’と比較して,当該包絡線信号S13が閾値Vth’より大きくなった時間をパルス幅とする判断信号S11を出力する。
【0088】
これにより,図5に示す比較ブロック9Aと同様の判断信号を得ることが可能になる。
【0089】
次に本発明の第2の実施の形態を図を参照して説明する。図8は,本実施の形態にかかる速度測定装置の構成を示すブロック図である。なお,第1の実施の形態と同一構成部分については同一符号を用いて説明を省略する。
【0090】
本実施の形態にかかる速度測定装置は,図1に示す第1の実施の形態にかかる速度測定装置のバンドパスフィルタ8,信号検出器9,信号選択器10,周波数計測器12及び演算器13をディジタル信号処理器20により置換えたものである。
【0091】
かかるディジタル信号処理器20としては,アナログ/ディジタル変換器を含んだマイコンやDSPなどが適用可能である。
【0092】
そして,当該ディジタル信号処理機20においては,例えば検波器7からの信号を高利得増幅し,当該増幅された信号に対してアナログ/ディジタル変換を行う。その後,フーリエ変換等のディジタルフィルタ処理を行うことでバンドパスフイルタ8と同様の作用を得ることができる。
【0093】
このようなフイルタ処理を行なった信号から,上記条件1,2を満たす信号に対して周波数を求めて式1,2に従って移動物体の速度Vを演算することができる。
【0094】
なお,本実施の形態では,ディジタル信号処理器20に置き換える範囲を前述の範囲としたが,ディジタル信号処理器20の処理能力にあわせ範囲を適宜選択することは云うまでもない。
【0095】
【発明の効果】
本発明によれば差分周波数検出部により差分周波数信号を複数の帯域信号とし,この帯域信号から一つの帯域信号を選択して,当該帯域信号を移動物体の速度演算の信号としたので,S/N比が向上すると共に,信号波形の歪みが軽減され,移動物体の速度の計測を高い精度で行うことが可能になった。
【0096】
また,複数の帯域信号から一つの帯域信号を選択する際に,最大の周波数帯域の帯域信号を選択するようにしたので,周波数の異なる種々の音波が受波された場合であっても,低周波(低速度)成分に埋もれた高周波(高速度)成分を抽出することが可能になり,例えば,ピッチャーの投げるボールを計測するときのように,ボール以外にピッチャーの身体のあらゆる部分から反射される音波が存在しても,高精度にボールの速度計測が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施の形態の説明に適用される速度測定装置のブロック図である。
【図2】速度測定装置の各ブロックからの出力波形を示したタイミング図である。
【図3】帯域信号の周波数分布の一例を示すボード線図である。
【図4】バンドパスフィルタの過渡特性を説明する図で,(a)は差分周波数信号,(b)は帯域信号,(c)はF/V波形を示す図である。
【図5】信号検出器の説明に適用される図で,(a)はブロック図,(b)は比較ブロックの信号波形,(c)は判断ブロックの信号波形を示す図である。
【図6】信号選択器の説明に適用される図で,(a)はブロック図,(b)はプライオリティエンコーダの論理表,(c)はアナログマルチプレクサの論理表である。
【図7】信号検出器の他の構成例を示す図で,(a)はブロック図,(b)は信号波形を示す図である。
【図8】本発明の第2実施の形態の説明に適用される速度測定装置のブロック図である。
【図9】従来の技術の説明に適用される速度測定装置のブロック図である。
【図10】従来の技術の説明に適用される速度測定装置のブロック図である。
【符号の説明】
1 基準発振器
2 出力増幅器
3 送波器
4 受波器
5 前置増幅器
6 ミキサ
7 検波器
8 バンドパスフィルタ
9 信号検出器
10 信号選択器
12 周波数計測器
13 演算器
14 表示器
15 温度計測器
20 ディジタル信号処理器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, when the sound wave received by the receiver is a sound wave reflected by a moving object or a stationary object, the sound wave signal from the moving object is extracted and the speed of the moving object is accurately determined. The present invention relates to a speed measuring device that measures.
[0002]
Conventionally, there is a case where a speed measuring device using the Doppler effect is used for measuring the speed of a moving object. FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the speed measuring device. In the following, for convenience of explanation, the speed measuring device is roughly classified into a transmission system, a reception system, and a signal processing system.
[0003]
The transmission system includes a reference oscillator that generates a reference signal having a frequency Fout, an output amplifier that amplifies the reference signal 2, and a transmitter 3 that emits ultrasonic waves based on the signal from the output amplifier 2.
[0004]
The wave receiving system includes a wave receiver 4 that receives an ultrasonic wave of frequency Fin and converts it into an electric signal, and a preamplifier 5 that amplifies the signal from the wave receiver 4 and outputs the amplified signal as a received signal. Has been.
[0005]
Further, the signal processing system receives the reference signal and the received signal, detects the signals from the mixer 6 and the mixer 6 that mix them, and outputs the signal of the difference frequency Fd between the reference signal and the received signal as the difference frequency signal. A frequency detector 12 that outputs a signal as a Doppler signal, and a measurement result from the frequency meter 12 Based on the velocity of the moving object
Fd = 2 · V · Fout / (C−V) (1)
And a display 14 for displaying the speed of the moving object calculated by the calculator 13. In Equation 1, V indicates the speed of the moving object, and C indicates the speed of sound.
[0006]
FIG. 10 shows a band-pass filter 801 for passing a signal of the Doppler frequency band from the differential frequency signal output from the detector 7 between the detector 7 and the arithmetic unit 13 instead of the low-pass filter 601 in FIG. , A frequency measuring device 12 for measuring the frequency of the signal from the bandpass filter 801 is provided, and a noise band bandpass filter 802 for filtering noise that is a frequency component higher than the Doppler frequency from the difference frequency signal from the detector 7. In addition, a signal detector 901 is provided to improve measurement accuracy.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described configuration, for example, when measuring the ball speed of the ball thrown by the pitcher, the frequency Fin of the received signal is not a single frequency, so that there is a problem that accurate speed measurement is difficult for the reason described later.
[0008]
That is, the ultrasonic wave emitted from the transmitter 3 is reflected by any part such as a stationary object or the body of the pitcher other than the ball and received by the receiver 4 and emitted from the transmitter 3. A part of the ultrasonic wave directly enters the receiver 4 (hereinafter referred to as a direct wave) and is received.
[0009]
Therefore, the received signal includes a plurality of signals having different frequencies, and the signal level of the ultrasonic wave or direct wave reflected by the stationary object has a high signal level. Therefore, the S / N ratio (signal-to-noise ratio) of the Doppler signal is high. As a result, the signal waveform is distorted or the waveform of the signal is distorted, making it difficult to measure the normal frequency, that is, to measure the velocity of the moving object.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a speed measuring device capable of measuring speed with high accuracy by extracting only the Doppler signal even when the received signal is composed of a plurality of signals having different frequencies. To do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 includes a sound wave emitting means for emitting a sound wave based on a reference signal having a predetermined frequency, a wave receiving means for receiving a sound wave and outputting it as a received signal, In a speed measuring device having speed calculating means for calculating the speed of a moving object from a reference signal and a received signal, the speed calculating means obtains a difference in frequency between the received signal and the reference signal to obtain a difference frequency signal. A differential frequency detection unit that outputs the differential frequency signal as a band signal by band-separating the differential frequency signal into two or more preset frequency bands, and a detection signal of the band signal or the band signal When the time exceeds the threshold or the time that can be considered to have exceeded the preset first judgment time, a detection signal of a superior level is output and the threshold is exceeded. If the second judgment time longer than the first judgment time continues for a time that can be regarded as being between or exceeded, a band signal judgment unit that outputs a valid signal, and the band signal and the detection signal are input and the detection is performed. A band signal selection unit that selects one band signal from a plurality of band signals based on a signal, and measures the frequency of the band signal selected by the band signal selection unit, and whether or not the measured frequency is valid And a measurement calculation unit for calculating the speed of the moving object based on the effective frequency.
[0012]
That is, from the received signal including various frequencies, only the signal from the sound wave reflected by the moving object is processed and the received signal is divided into a plurality of frequency bands by the frequency band separation unit in order to measure the speed of the moving object with high accuracy. Is separated into a band signal.
[0013]
When the time that the band signal is determined to be greater than or greater than the threshold by the band signal determination unit is longer than the preset first determination time, a detection signal having a superiority level indicating that is output, If the time when the band signal exceeds the threshold or the time when it can be considered to exceed the threshold is longer than the preset second determination time by a predetermined amount, an effective signal indicating that is output.
[0014]
The first determination time is set shorter than the second determination time, and is set to be longer by a predetermined amount than the time in the region when a frequency disturbance or the like occurs in the start region of the band signal.
[0015]
The second time is a determination time for measuring the frequency by removing the region from the frequency measurement when the frequency of the end region of the band signal is disturbed.
[0016]
When at least one or more detection signals having a superior level are present by the band signal selection unit, the band signal corresponding to the detection signal with the highest frequency is selected.
[0017]
The frequency of the band signal is measured by the measurement calculation means, and whether or not the band signal measured by the frequency is valid is judged from the valid signal. When the frequency signal is valid, the speed of the moving object is calculated based on the frequency measurement result. It is characterized by performing.
[0018]
The above-described superior level refers to an effective signal level in the subsequent determination processing. For example, when a pulse signal of “High” level is output when the band signal is larger than the threshold value, the “High” level is It becomes a superior level.
[0019]
The invention according to claim 2 is characterized in that the frequency band separation unit is divided into two or more frequency bands with respect to the frequency band of the measurement range of the speed measuring device.
[0020]
The invention according to claim 3 is characterized in that the band signal selection unit selects a band signal corresponding to a detection signal having the highest frequency band among the plurality of detection signals having a superiority level.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, when the start region and the end region of the band signal are at least frequency modulated due to the transient characteristic of the frequency band separation unit, the first determination time is the start of the band signal. The second determination time is set to be a predetermined amount longer than the modulation time of the region, and the sum of the time during which the measurement calculation unit can measure the frequency of the band signal and the modulation time of the end region of the band signal It is characterized by being set longer by a predetermined amount.
[0022]
The modulated time is the duration of a region that is modulated by transient characteristics.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a sound wave emitting means for emitting a sound wave based on a reference signal having a predetermined frequency, a wave receiving means for receiving a sound wave and outputting it as a received signal, and a moving object from the reference signal and the received signal. A speed measuring device having a speed computing means for computing the speed of the differential frequency detector, wherein the speed computing means obtains a frequency difference between the received signal and a reference signal and outputs the difference as a differential frequency signal; The differential frequency signal is band-separated into two or more preset frequency band signals, and the time when the band signal or its detection signal exceeds or exceeds the preset threshold is obtained. It is determined whether or not a first determination time set in advance and a second determination time longer than the first determination time are longer, and when there are a plurality of band signals longer than the first determination time, The frequency measurement is performed by selecting the band signal having the highest frequency band from a number of the band signals and moving based on the frequency measurement result only when the band signal measured for the frequency continues for the second determination time. And a signal processing unit that calculates the velocity of the object.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a block diagram of a speed measuring device according to the present embodiment. The velocity measuring device includes a sound wave emitting means for emitting ultrasonic waves based on a reference signal, a wave receiving means for receiving ultrasonic waves reflected by a moving object, etc., and outputting a received signal, and a received signal from the wave receiving means. Based on the speed calculation means for calculating the speed of the moving object based on this.
[0025]
In addition, the speed calculation means includes a difference frequency detection unit that obtains a difference frequency signal between the received signal and the reference signal, a frequency band separation unit that separates the difference frequency signal into band signals of a plurality of frequency bands, and outputs the band signal. A band signal determination unit that determines whether or not a predetermined condition is satisfied and outputs a detection signal and a valid signal, and a band signal selection unit that selects a band signal corresponding to a specific detection signal from detection signals having a plurality of superior levels The frequency of the band signal selected by the band signal selection unit is measured, and it is determined whether the band signal measured by the effective signal is valid. Only when the band signal is valid, the frequency of the moving object is determined. It consists of a measurement calculator that calculates speed.
[0026]
The above configuration will be described in detail. The wave transmitting means emits a reference oscillator 1 that generates a reference signal S1 having a frequency Fout, an output amplifier that amplifies the reference signal S1, and an amplified reference signal S1 as an ultrasonic wave S2. It consists of a transmitter 3.
[0027]
The wave receiving means receives the ultrasonic wave S3, converts it into an electric signal and outputs it, a receiver 4, a preamplifier 5 that amplifies the signal from the wave receiver 4 and outputs it as a received signal S4. It is composed of
[0028]
The differential frequency detector in the speed calculation means extracts the frequency difference between the received signal S4 and the reference signal S1 from the mixer 6 and the mixer 6 that mix the received signal S4 and the reference signal S1, and uses this to extract the difference frequency signal S5. As shown in FIG.
[0029]
The frequency band separation unit separates the differential frequency signal S5 from the detector 7 into five adjacent narrowband frequency components and outputs the band signal Se (SeHH to SeLL) as a bandpass filter 8 (8a to 8a). 8e). Note that the number of divisions of the bandpass filter 8 is not limited to five and can be set as appropriate.
[0030]
The band signal determination unit has signal detectors 9 (9a to 9e) provided corresponding to the respective bandpass filters 8, and has a superior level when each band signal Se satisfies a condition 1 described later. The detection signal Sf (SfHH to SfLL) is output, and if the condition 2 is satisfied, the valid signal Si is output.
[0031]
The band signal selection unit selects and outputs the band signal Se corresponding to the detection signal Sf having the highest frequency band among the plurality of detection signals Sf having the superiority level from the signal detection unit 9. The selected band signal Se is referred to as a band signal Sh.
[0032]
The measurement calculation unit only measures the frequency measured by the frequency measuring instrument 12 based on the effective signal Si from the frequency measuring instrument 12 and the signal detector 9 that measures the frequency of the selected band signal Sh. And an arithmetic unit 13 for calculating the speed of the moving object.
[0033]
In addition, the measurement calculation unit is provided with a temperature measuring device 15 that measures the outside air temperature in consideration of the change in sound speed depending on the temperature, and performs a temperature correction as appropriate, and a display unit 14 that displays the speed of the moving object. Is provided.
[0034]
In the following description, with regard to a device comprising a plurality of means having the same function, such as the bandpass filter 8 (8a to 8e) and the signal detector 9 (9a to 9e), individual configurations are referred to. Unless otherwise specified, general numbers are used to appropriately describe the bandpass filter 8, the signal detector 9, and the like.
[0035]
FIG. 2 shows the output signal of each block, and the operation will be described with reference to FIG. A reference signal S1 having a frequency Fout is oscillated from the reference oscillator 1 and amplified by the output amplifier 2. Then, the ultrasonic wave S <b> 2 is emitted from the transmitter 3.
[0036]
The emitted ultrasonic wave S2 is reflected by a moving object and is subjected to the Doppler effect, thereby being reflected by the receiver 4 as a reflected wave S3 having a frequency Fin.
[0037]
Note that the ultrasonic wave S3 received by the wave receiver 4 is reflected by an ultrasonic wave reflected under various conditions, so that the frequency of the received signal S4 is not a single frequency, and the emitted ultrasonic wave Note that it is not a clean waveform as shown in the sound wave S2.
[0038]
For example, when measuring the ball speed of the ball thrown by the pitcher, the ultrasonic wave S3 received by the wave receiver 4 includes a reflected wave from the ball, a reflected wave from a moving object other than the ball, such as the pitcher's body, The direct wave that the ultrasonic wave emitted from the transmitter 3 directly wraps around and receives and the reflected wave reflected by the stationary object are included. For the purpose of measuring the ball speed, all the ultrasonic waves reflected by the ball become noise.
[0039]
The signal from the receiver 4 is amplified by a preamplifier 5 to be a received signal S4, then mixed with a reference signal S1 by a mixer 6, detected by a detector 7 and converted to a differential frequency signal S5, and a bandpass filter 8 To enter.
[0040]
The band-pass filter 8 is divided into five bands (HH, HL, M, LH, LL) from the high frequency side, and the input differential frequency signal S5 is separated into each band signal Se (SeHH to SeLL) to detect signals. Output to the device 9 and the signal selector 10.
[0041]
Incidentally, since the bandpass filter 8 has transient characteristics, the frequency of the start region and the end region of the band signal Se is modulated to a frequency different from the original frequency. Therefore, if measurement / calculation processing is performed using such a band signal Se, an accurate result cannot be obtained. Therefore, the signal detector 9 makes various judgments in order to eliminate the influence of such transient characteristics.
[0042]
That is, the signal detector 9 determines whether or not the input band signal Se is larger than a threshold value set in advance in the signal detector 9, and if the time or the time when the band signal becomes larger than the threshold value is larger. When the time that can be considered continues for longer than the first determination time (condition 1), the detection signal Sf (SfHH to SfLL) having the superiority level is output to the signal selector 10.
[0043]
In addition, when the time when the band signal is larger than the threshold or the time when it can be regarded as larger than the second determination time (condition 2), the band signal Se is not at least a non-original signal such as noise, and the above The effective signal Si indicating that the frequency measurement is possible without including the modulated region in the end region of the band signal Se due to the transient characteristics is output to the calculator 13.
[0044]
FIG. 3 is an example of a Bode diagram showing the signal level of the band signal Se input to the signal detector 9 with respect to the band frequency. In the case of this example, the band signals SeHL, SeM, SeLH of the bands HL, M, LH have a signal level larger than a threshold value preset in the signal detector 9, and among these, the band signal SeLH of the band LH is the most. Have a large signal level.
[0045]
The band signal SeHH in the band HH has a signal level substantially equal to the threshold value, and the band signal SeLL in the band LL has a signal level smaller than the threshold value. The band signals SeHH and SeLL of the bands HH and LL can be determined as noise.
[0046]
Therefore, among the band signals Se from the band pass filter 8, the band signals SeHL, SeM, SeLH of the bands HL, M, LH having a signal level larger than the threshold value preset in the signal detector 9 are the dominant levels. This is a detection signal having However, in this case, it is assumed that the condition 1 described above is satisfied.
[0047]
Then, the signal selector 10 determines the band signal Sh having the highest frequency band from the detection signal Sf having the superior level and outputs it to the frequency measuring device 12.
[0048]
The reason for selecting a high-frequency band signal from a plurality of band signals Se is, for example, when the frequencies of the ultrasonic wave reflected from the pitcher and the ultrasonic wave reflected from the ball are compared, This is because the ultrasonic frequency is high (the Doppler frequency is high).
[0049]
Therefore, if the relationship is not as described above, a criterion for selection by the signal selector 10 may be appropriately set.
[0050]
A signal from the frequency measuring device 12, an effective signal Si from the signal detector 9, and an outside air temperature signal from the temperature measuring device 15 are input to the calculator 13. Based on these, the calculator 13 sets the sound speed C as the outside temperature t,
C = 331.5 + 0.6t (2)
And the velocity V of the moving object is calculated according to Equation 1, and the display 14 displays this result.
[0051]
Next, the transient characteristics of the bandpass filter 8 will be described in detail with reference to FIG. When the intermittent difference frequency signal S5 is input to the bandpass filter 8, the bandpass filter 8 modulates the band signal Se to a frequency different from the original frequency in the start region and the end region of the difference frequency signal S5 due to transient characteristics. Output as. Therefore, the frequency of the start region and the end region of the band signal Se is modulated by the transient characteristic and becomes a frequency different from the original frequency.
[0052]
Hereinafter, the signal region transiently modulated by the bandpass filter 8 is referred to as a transient modulation region, and in particular, the modulation region at the start of the signal is referred to as a start modulation region, and the modulation region at the end is referred to as an end modulation region. The durations of the start modulation area and the end modulation area are denoted as Δts and Δte, respectively.
[0053]
4A shows the differential frequency signal S5 input from the detector 7 to the band pass filter 8, and FIG. 4B shows the band signal Se output from the band pass filter 8. FIG. FIG. 4C is a diagram for facilitating understanding of the frequency characteristics of the transiently modulated band signal Se, and shows a waveform when the band signal Se is subjected to frequency / voltage conversion (F / V conversion). Is shown.
[0054]
Now, let Fc be the center frequency in a certain band of the bandpass filter 8, and F be the frequency of the differential frequency signal S5.
[0055]
At this time, when the frequency F of the differential frequency signal S5 is lower than the center frequency Fc (F <Fc), the frequency Fe of the band signal Se output from the bandpass filter 8 gradually increases with the input of the differential frequency signal S5. A region that gradually increases to a frequency close to the center frequency Fc and then gradually settles down to the frequency F of the differential frequency signal S5 (start modulation region), and when the differential frequency signal S5 ends, gradually reaches a frequency that is close to the center frequency Fc. After that, the output ends gradually (end modulation area).
[0056]
Accordingly, the F / V converted band signal Se has peaks at both ends of the signal as shown in FIG.
[0057]
When the frequency F of the difference frequency signal S5 is higher than the center frequency Fc (F> Fc), the frequency Fe of the band signal Se gradually passes through the center frequency Fc as the difference frequency signal S5 is input. Frequency F (start modulation region), and thereafter, when the differential frequency signal S5 ends, it gradually decreases through the center frequency Fc (end modulation region), and the output ends.
[0058]
Accordingly, the F / V-converted band signal Se becomes a mountain-shaped signal where both ends of the signal are gentle as shown in FIG.
[0059]
On the other hand, when the frequency F of the difference frequency signal S5 is equal to the center frequency, the band signal Se gradually becomes the center frequency Fc (start modulation region), and gradually decreases with the end of the difference frequency signal S5 (end). (Modulation region) is not output.
[0060]
Since the bandpass filter 8 has a transient characteristic in this way, a transient modulation start modulation region and an end modulation region are generated, and it is accurate to perform frequency measurement using a signal region including these modulation regions. Frequency measurement is not possible. Therefore, the speed error of the moving object becomes large and the reliability is significantly lowered.
[0061]
Therefore, the signal detector 9 determines whether or not signal processing is possible by excluding the influence of transient characteristics. This will be described with reference to FIG.
[0062]
FIG. 5A is a block diagram showing a schematic configuration of the signal detector 9, and compares the band signal Se with a preset threshold value Vth and outputs a predetermined pulse signal (determination signal) S11. And a determination block 9B that outputs a detection signal Sf having a superior level when the band signal Se satisfies the condition 1, and outputs a valid signal Si when the condition 2 is satisfied, based on the determination signal from the comparison block 9A. ing.
[0063]
FIG. 5B shows each signal waveform in the comparison block 9A, and FIG. 5C shows each signal waveform in the decision block 9B.
[0064]
The comparison block 9A receives the band signal Se and the threshold value Vth, and outputs a trigger signal S10 when the band signal Se becomes larger than the threshold value Vth. A determination signal S11 having a predetermined width corresponding to the trigger signal S10. Is constituted by a retrigger type circuit (retriggerable one-shot circuit) 9b.
[0065]
The retrigger type circuit 9b also responds to the trigger signal S10 input when the retrigger type circuit 9b is in a metastable state, and each time the retrigger type circuit 9b enters a new metastable state. Therefore, if a plurality of trigger signals S10 are continuously input at intervals within the metastable state of the retrigger type circuit 9b, one wide square wave pulse signal S11 is output. This metastable state is characterized by a time constant τ, which is set to be a predetermined amount larger than the period of the lower cut-off frequency of each bandpass filter 8.
[0066]
The determination signal S11 obtained in this way is input to the determination block 9B. The determination block 9B is composed of a first determination system and a second determination system, and the respective operations are the same, but since the set values are different, finally different operations are obtained.
[0067]
These first and second determination systems output first and second integrators 9c (9ca, 9ca, 9db) that output an integration signal S15 (S15a, S15b) obtained by integrating the determination signal S11 to the first and second Schmitt trigger circuits 9d (9da, 9db). 9cb) and first and second one-shot circuits 9e (9ea, 9eb) for outputting a pulse having a predetermined width in response to a trigger signal S16 (S16a, S16b) from the first and second Schmitt trigger circuits 9d.
[0068]
In the above configuration, the first integrator 9ca integrates the determination signal S11 and outputs an integration signal S15a. When the integration signal S15a becomes equal to or higher than a predetermined level V1, the first Schmitt trigger circuit 9da outputs the trigger signal S16a, and the first one-shot circuit 9ea outputs the detection signal Sf with the rising of the trigger signal S16a as a trigger.
[0069]
The time width of the detection signal Sf is t2, and this time is a time required for the frequency measuring device 12 to measure the frequency of the band signal Se (hereinafter referred to as a frequency measurement time).
[0070]
Of course, when the output of the first integrator 9ca does not reach the level V1, since the trigger signal S16a is not output from the first Schmitt trigger circuit 9da, the detection signal Sf becomes a signal of an insignificant level.
[0071]
The integration constant of the first integrator 9ca is set so that the time t1 until the integration signal S15a reaches the predetermined level V1 is slightly longer than the duration Δts of the start modulation region.
[0072]
Accordingly, the trigger signal S16 output from the first Schmitt trigger circuit 9da is output after the start modulation region has elapsed since the band signal Se was input. Therefore, at the time of frequency measurement by the frequency measuring device 12, it is possible to exclude at least signals in the start modulation region.
[0073]
However, in this case, the end modulation region may be included in the frequency measurement time t2. Therefore, in the second determination system, it is determined whether or not the end modulation region is included in the frequency measurement time t2, and if it is not included, the valid signal Si is output.
[0074]
That is, the second integrator 9cb integrates the determination signal S11 and outputs an integration signal S15b. When the integration signal S15b becomes equal to or higher than a predetermined level V2, the second Schmitt trigger circuit 9db outputs a trigger signal S16b. The second one-shot circuit 9eb outputs a valid signal Si having a predetermined width, triggered by the rise of the trigger signal S16b.
[0075]
The time t3 from when the detection signal Sf ends until the integration signal S15b reaches the predetermined level V2 is set to be slightly longer than the duration Δte of the end modulation region.
[0076]
Therefore, if the time t3 can be secured during the time width t0 of the band signal Se, the end modulation region is not included in the frequency measurement time t2.
[0077]
In summary, when t0 ≧ t1 (condition 1), the detection signal sf having the superiority level of the time width t2 is output, and when t0 ≧ t1 + t2 + t3 (condition 2), the valid signal Si is output.
[0078]
Next, the signal selector 10 will be described in detail with reference to FIG. The signal selector 10 has priority input terminals D1 to D5, and selects a specific band signal Se based on a signal from the priority encoder 10A to which the detection signal Sf is input to the input terminals D1 to D5 and the priority encoder 10A. And an analog multiplexer 10B for output.
[0079]
The detection signal Sf from the signal detector 9 is configured to be input to an input terminal having a higher priority in order from the detection signal Sf in the higher frequency band.
[0080]
For example, since the detection signal SfHH has the highest frequency band, it is input to the input terminal D5 having the highest priority, and the detection signal SfLL has the lowest frequency band and is input to the input terminal D1 having the lowest priority.
[0081]
With respect to the input having the priority as described above, the output is output as a control signal to the analog multiplexer 10B according to the logic table shown in FIG. Select the band signal for output. In FIGS. 6B and 6C, the superiority level is “H”.
[0082]
As described above, even if a reflected wave other than the original reflected wave from a stationary object or the like is input to the receiver, the reflected wave signal from the target moving object is extracted and a highly accurate moving object is extracted. Can be obtained.
[0083]
As a method of avoiding the transient characteristics of the bandpass filter 8, the avoiding means is configured using a delay circuit, a one-shot circuit, or the like. According to the method according to the present embodiment, for example, in FIG. Even when the signal level is substantially equal to the threshold value Vth of the signal detector 9 as in the band signal SeHH, and as a result, the pulse width of the detection signal SfHH is narrow and noise-like (shown by a dotted line in FIG. 2), the detection signal Sf There is a feature that is not output as.
[0084]
The frequency of each band divided by the bandpass filter 8 is appropriately set depending on the reference frequency Fout of the reference oscillator 1 and the measurement speed range of the apparatus. For example, the frequency Fout of the reference signal is 40 kHz, and the speed range is If the speed is 20 to 150 km / h, the frequency of the reflected wave reflected by the moving object is about 41.3 to 50.93 kHz, and the frequency of the differential frequency signal S5 is 1.3 to 10.93 kHz.
[0085]
In such a case, if the frequency range of the differential frequency signal is equally divided by the five bandpass filters 8 (8a to 8e), the frequency width of each band is about 2 kHz. The center frequencies of 8a to 8e may be 2.3 kHz, 4.2 kHz, 6.1 kHz, 8.0 kHz, 10.0 kHz.
[0086]
Further, the comparison block 9A in the signal detector 9 may be composed of, for example, a detector 9f and a comparator 9g as shown in FIG. FIG. 7 (a) is a schematic block diagram of the signal detector 9, and FIG. 7 (b) illustrates each signal waveform at that time.
[0087]
The detector 9f outputs an envelope signal S13 obtained by detecting the band signal Se from the bandpass filter 8 to the comparator 9g. The comparator 9g compares the envelope signal S13 with a preset threshold value Vth ′, and outputs a determination signal S11 having a pulse width as a time when the envelope signal S13 becomes larger than the threshold value Vth ′.
[0088]
This makes it possible to obtain a determination signal similar to that of the comparison block 9A shown in FIG.
[0089]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the speed measuring apparatus according to the present embodiment. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0090]
The speed measuring device according to the present embodiment includes a bandpass filter 8, a signal detector 9, a signal selector 10, a frequency measuring device 12, and a computing unit 13 of the speed measuring device according to the first embodiment shown in FIG. Is replaced by the digital signal processor 20.
[0091]
As the digital signal processor 20, a microcomputer or DSP including an analog / digital converter can be applied.
[0092]
In the digital signal processor 20, for example, the signal from the detector 7 is amplified by high gain, and analog / digital conversion is performed on the amplified signal. Thereafter, by performing digital filter processing such as Fourier transform, the same action as the bandpass filter 8 can be obtained.
[0093]
The frequency V of the moving object can be calculated according to the equations 1 and 2 by obtaining the frequency of the signal satisfying the above conditions 1 and 2 from the signal subjected to such filter processing.
[0094]
In the present embodiment, the range to be replaced with the digital signal processor 20 is the above-described range, but it goes without saying that the range is appropriately selected according to the processing capability of the digital signal processor 20.
[0095]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the differential frequency signal is converted into a plurality of band signals by the differential frequency detection unit, one band signal is selected from the band signals, and the band signal is used as the speed calculation signal of the moving object. As the N ratio is improved, the distortion of the signal waveform is reduced, and the speed of the moving object can be measured with high accuracy.
[0096]
In addition, when selecting one band signal from a plurality of band signals, the band signal of the maximum frequency band is selected, so even if various sound waves with different frequencies are received, It is possible to extract a high-frequency (high-speed) component buried in a frequency (low-speed) component, and it is reflected from any part of the pitcher's body other than the ball, for example, when measuring a ball thrown by the pitcher. The ball speed can be measured with high accuracy even in the presence of sound waves.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a speed measuring device applied to the description of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart showing output waveforms from each block of the speed measuring device.
FIG. 3 is a Bode diagram showing an example of a frequency distribution of a band signal.
4A and 4B are diagrams illustrating transient characteristics of a bandpass filter, where FIG. 4A is a difference frequency signal, FIG. 4B is a band signal, and FIG. 4C is a diagram illustrating an F / V waveform.
5A and 5B are diagrams applied to the description of the signal detector, where FIG. 5A is a block diagram, FIG. 5B is a signal waveform of a comparison block, and FIG. 5C is a diagram illustrating a signal waveform of a determination block;
6A and 6B are diagrams applied to the description of the signal selector, where FIG. 6A is a block diagram, FIG. 6B is a logic table of a priority encoder, and FIG. 6C is a logic table of an analog multiplexer.
7A and 7B are diagrams showing another configuration example of the signal detector, where FIG. 7A is a block diagram and FIG. 7B is a diagram showing signal waveforms.
FIG. 8 is a block diagram of a speed measuring device applied to the description of the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of a speed measuring device applied to the description of the prior art.
FIG. 10 is a block diagram of a speed measuring device applied to the description of the prior art.
[Explanation of symbols]
1 Reference oscillator
2 Output amplifier
3 Transmitter
4 Receiver
5 Preamplifier
6 Mixer
7 Detector
8 Bandpass filter
9 Signal detector
10 Signal selector
12 Frequency measuring instrument
13 Calculator
14 Display
15 Temperature measuring instrument
20 Digital signal processor

Claims (5)

所定周波数の基準信号に基づき音波を射出する音波射出手段と,音波を受波して受信信号として出力する受波手段と,前記基準信号と受信信号とから移動物体の速度を演算する速度演算手段とを有した速度測定装置において,
前記速度演算手段が,前記受信信号と前記基準信号との周波数の差を求めて差分周波数信号として出力する差分周波数検出部と,
前記差分周波数信号を,予め設定された2以上の周波数帯域に帯域分離して帯域信号として出力する周波数帯域分離部と,
前記帯域信号又は当該帯域信号の検波信号が閾値を越えた時間又は越えたと見なせる時間が,予め設定された第1判断時間継続した場合には,優位レベルの検出信号を出力すると共に,前記閾値を越えた時間又は越えたと見なせる時間が,前記第1判断時間より長い第2判断時間継続した場合には,有効信号を出力する帯域信号判断部と,
前記帯域信号及び前記検出信号が入力して,当該検出信号に基づき複数の前記帯域信号から1つの前記帯域信号を選択する帯域信号選択部と,
該帯域信号選択部で選択された帯域信号の周波数を計測すると共に,当該計測された周波数が有効か否かを前記有効信号に基づき判断して,有効な周波数に基づき移動物体の速度を演算する計測演算部とを有することを特徴とする速度測定装置。
Sound wave emitting means for emitting a sound wave based on a reference signal of a predetermined frequency, wave receiving means for receiving a sound wave and outputting it as a received signal, and speed calculating means for calculating the speed of a moving object from the reference signal and the received signal In a speed measuring device having
A differential frequency detector that calculates a frequency difference between the received signal and the reference signal and outputs the difference as a differential frequency signal;
A frequency band separating unit that band-separates the differential frequency signal into two or more preset frequency bands and outputs the band signal as a band signal;
When the time when the band signal or the detection signal of the band signal exceeds the threshold or the time that can be regarded as exceeding the threshold continues for the first determination time set in advance, a detection signal of a superior level is output and the threshold is set. A band signal determination unit that outputs a valid signal when the time exceeds or the time that can be regarded as exceeding has continued for a second determination time longer than the first determination time;
A band signal selector that receives the band signal and the detection signal and selects one band signal from the plurality of band signals based on the detection signal;
The frequency of the band signal selected by the band signal selection unit is measured, whether the measured frequency is valid is determined based on the valid signal, and the speed of the moving object is calculated based on the valid frequency. A speed measuring device having a measurement calculation unit.
前記周波数帯域分離部が,当該速度測定装置の測定範囲の周波数帯域に対して,2以上の周波数帯域に帯域分割されていることを特徴とする請求項1記載の速度測定装置。The speed measuring device according to claim 1, wherein the frequency band separation unit is divided into two or more frequency bands with respect to a frequency band in a measurement range of the speed measuring device. 前記帯域信号選択部が,優位レベルを持つ複数の前記検出信号のうち最も周波数帯域の高い検出信号に対応する帯域信号を選択することを特徴とする請求項1又は2記載の速度測定装置。The speed measuring device according to claim 1, wherein the band signal selecting unit selects a band signal corresponding to a detection signal having the highest frequency band among the plurality of detection signals having a superiority level. 前記周波数帯域分離部が持つ過渡特性により,前記帯域信号の開始領域及び終了領域が少なくとも周波数変調を受けている場合に,前記第1判断時間が当該帯域信号の開始領域の被変調時間より所定量長く設定されると共に,前記第2判断時間が前記計測演算部で当該帯域信号の周波数計測が可能な時間と当該帯域信号の終了領域の被変調時間との和より所定量長く設定されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の速度測定装置。When the start region and the end region of the band signal undergo at least frequency modulation due to the transient characteristics of the frequency band separation unit, the first determination time is a predetermined amount from the modulated time of the start region of the band signal. The second determination time is set longer by a predetermined amount than the sum of the time during which the measurement calculation unit can measure the frequency of the band signal and the modulation time of the end region of the band signal. The speed measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein 所定周波数の基準信号に基づき音波を射出する音波射出手段と,音波を受波して受信信号として出力する受波手段と,前記基準信号と受信信号とから移動物体の速度を演算する速度演算手段とを有した速度測定装置において,
前記速度演算手段が,前記受信信号と基準信号との周波数の差を求めて差分周波数信号として出力する差分周波数検出部と,
前記差分周波数信号を予め設定された2以上の周波数帯域の帯域信号に帯域分離して,該帯域信号又はその検波信号が予め設定された閾値を越えた時間又は越えたと見なせる時間を求め,当該時間が予め設定された第1判断時間及び当該第1判断時間より長い第2判断時間より長いか否かを判断し,前記第1判断時間より長い帯域信号が複数存在する場合には,当該複数の前記帯域信号から最も周波数帯域の高い前記帯域信号を選択して周波数計測すると共に,当該周波数計測された前記帯域信号が第2判断時間継続した場合にのみ,当該周波数計測した結果に基づき移動物体の速度を演算する信号処理部とを有することを特徴とする速度測定装置。
Sound wave emitting means for emitting a sound wave based on a reference signal of a predetermined frequency, wave receiving means for receiving a sound wave and outputting it as a received signal, and speed calculating means for calculating the speed of a moving object from the reference signal and the received signal In a speed measuring device having
A differential frequency detector that calculates a frequency difference between the received signal and a reference signal and outputs the difference as a differential frequency signal;
The differential frequency signal is band-separated into band signals of two or more preset frequency bands, and a time when the band signal or its detection signal exceeds or exceeds a preset threshold is obtained. Is longer than a preset first determination time and a second determination time longer than the first determination time, and when there are a plurality of band signals longer than the first determination time, The band signal having the highest frequency band is selected from the band signal and frequency is measured, and only when the band signal that has been frequency-measured continues for the second determination time, based on the frequency measurement result, A speed measuring device comprising: a signal processing unit that calculates a speed.
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