JP5031226B2 - 物体位置検出装置 - Google Patents
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Description
E(θ、φ)=E0(θ、φ)Σexp[j{(2π/λ)×(m×dx×sinθ×cosφ)+θm}]、(m=0、1、・・・、M−1)
なお、数1式中のθ、φは、図30のように空間に原点と基準軸を設けたときの、任意の点における、その任意の点と原点とを結んだ直線と基準軸との角度を表しており、また、E0(θ、φ)は各素子単体の指向性、λは送信波の波長、dxは素子間隔、θmは各素子に入力する送信信号の位相、Mは素子数を示している。
E(θ、φ)=E0(θ、φ)×[1+exp{j(2π/λ)×d×sinθ}]
つまり、この数2式について、各素子間隔d(0.5λ以上)について方位θに対する合成指向性E(θ、φ)を示したものが図29となる。
θth=sin−1{λ/(2×d)}
以上より、アレイ素子を用いて物体の位置を検出する場合には、送信側、受信側ともにアレイ素子の素子間隔dを0.5λ以下にするのが望ましいことになる。
また、請求項2の物体位置検出装置は、外部に送信波を送信する送信手段と、前記送信波の波長以上であってその波長の5/4未満の間隔で配置され、前記送信手段が送信した送信波に対する反射波を受信する複数の素子からなるアレイ素子と、前記アレイ素子の少なくとも1つが反射波を受信した時間と前記送信手段が送信波を送信した時間との差に基づいて物体までの距離を算出する距離算出手段と、前記アレイ素子が受信した反射波から、前記アレイ素子の各素子間の受信時間差を算出する時間差算出手段と、前記アレイ素子が受信した反射波から、前記アレイ素子の各素子間の受信位相差を算出し、当該位相差から物体の方位を算出するものであって、当該位相差から算出される物体の方位が複数候補ある場合は、前記受信時間差の絶対値が所定の時間差基準値より大きいか否か、及び/又は前記各素子の一方を基準とした前記受信時間差の正負に基づいて、前記複数の候補方位の中から前記物体の方位を決定する方位算出手段とを備え、前記方位算出手段は、前記各素子間の受信位相差から算出される物体の候補方位が3つある場合は、前記受信時間差の絶対値が前記所定の時間差基準値より大きいか否かの判断と前記受信時間差の正負の判断とを順番に行って、前記3つの候補方位の中から前記物体の方位を決定することを特徴とする。
ただし、受信時間差の絶対値が時間差基準値よりも大きいか否かによって、物体の方位を決定又は絞り込む場合、位相差及び受信時間差の検出精度によっては誤った方位を決定したり絞り込んでしまう恐れもある。この場合、受信時間差の正負で判断したほうが、物体の方位の決定や絞り込みを正確に行える場合もある。例えば、素子間隔が0.875λにおける、反射波の各素子間の位相差と反射波の到来方向との関係は、図3で示されるが、同図に示すように、位相差の絶対値が大きいほど、−θth1<θ<+θth1の範囲内の曲線は、到来方向のゼロ点(=受信時間差がゼロ)から離れていく。つまり、受信時間差の正負のほうが判断し易くなる。請求項1は、このようなことを鑑みたものであり、これによって正確に物体の方位を決定又は絞り込むことができる。
一方、請求項2では次の効果が得られる。すなわち、各素子間の反射波の受信位相差から算出される物体の方位候補が3つある場合は、先ず受信時間差が所定の時間差基準値より大きいか否かを行うことによって、候補方位を1つ又は2つに絞り込めることができる。ここで、候補方位を1つに絞り込めなかったとしても、次に受信時間差の正負の判断を行うことにより、候補方位を1つに絞り込めることができる。又は、最初に受信時間差の正負の判断を行って、次に受信時間差の絶対値が所定の時間差基準値より大きいか否かの判断を行ってもよい。このように、これらの2つの判断を順番に行うことにより、物体の方位を決定することができる。
Δφ=(2π×d/λ)×sinθ
ここで、位相差Δφ=πとすると、数5の式は、次式のように変形することができる。
d×sinθ=λ/2
次に、素子3A、3Bが反射波を受信したときの、物体から各素子3A、3Bまでの経路差(d×sinθ)による遅延時間Δt(受信時間差)は、次式で表される。なお、次式においてCは反射波の伝播速度を表している。
(数7)
Δt=d×sinθ/C
ここで、数6の式を用いると、数7の式は次式のように変形することができる。
Δt=λ/(2×C)
ここで、送信波(反射波)の周期をTとすると、1/T=C/λより、数8の式は次式のように変形することができる。
Δt=T/2
同様にして、位相差Δφ=−πのとすると、遅延時間Δt(受信時間差)は、次式で表される。
Δt=−T/2
以上の各式で示したことをまとめると、受信時間差Δtの絶対値がT/2のときは、位相差Δφが±π(±180°)となる。そして、そのときの反射波の到来方向は、位相差が180°から−180°に反転する方向(±θth1)となる。なお、この反転する方向θth1は、上記数6式を変形して、次式で表される。
θth1=sin−1{λ/(2×d)}
(反射波)の方位候補とが近い場合が起こりうる。この場合、受信時間差の精度によっては、その受信時間差の絶対値と時間差基準値との大小の判定が間違ってしまうことが予想される。つまりこの場合、間違った物体の方位を算出してしまうことになる。請求項6の物体位置検出装置は、各素子間の反射波の位相差に応じて、受信時間差の絶対値と時間差基準値との大小の判定が間違わないような複数の時間差基準値を設定している。これによって、どの各素子間の位相差によっても正確に物体の方位を算出することができる。
以下、本発明に係る物体位置検出装置の第1の実施形態について説明する。本実施形態の物体位置検出装置100は、外部に送信波を送信する際には、ヌル点を補完するため、また広範囲に送信波を送信するために、アレイ素子の各素子に入力する送信信号間の位相差を同相と逆相に交互に切り替える。
(数4)
E(θ、φ)=E 0 (θ、φ)×[1+exp{j(2π/λ)×d×sinθ+Δθ m }]
なお、この数4式は、数1式において、各素子に入力する位相差をΔθmとするために、θ1=0、θ2=Δθmとすることで得られる式である。
Δφ=(2π×d/λ)×sin(θ)
上式より位相差がΔφになりうるすべてのθ(−90°≦θ≦90°)を算出する。
上記実施形態では、送信波を送信する際には、各素子40A、40Bに入力する送信信号間の位相を同相と逆相に交互に切り替えていた。しかし、送信波のヌル点を補完できるのであれば、各送信信号間の位相関係をどのように切り替えてもよい。
上記実施形態では、送信波を外部に送信する素子と、反射波を受信する素子とを共用としていたが、それぞれ別に設けてもよい。
上記実施形態では、特に素子間隔dがλ/2より大きくλ未満とλ以上5λ/4未満の2つの場合について、物体の方位の算出方法を説明した。しかし、素子間隔dがこれらの範囲外(5λ/4以上)であっても、各素子40A、40Bが反射波を受信した時間差の符号とその時間差の絶対値が基準値(T/2)より大きいか否かの判断を適宜組み合わせることによって、物体の方位を一意に算出することができる。
上記実施形態では、物体の方位を算出する際に、反射波の各素子40A、40Bにおける位相差Δφの絶対値がπ/2未満か否かによって、受信時間差の符号の判断を行うか受信時間差の絶対値が時間差基準値(T/2)以上か否かの判断を行うかを判断していた。このπ/2は、受信時間差の符号の判断が正確に行えるか否かによって決められた値であるので、その趣旨を逸脱しないのであれば、他の値を用いてもよい。
上記実施形態では、物体の方位を算出するために、受信時間差の絶対値が時間差基準値(T/2)より大きいか否かの判断を行っていた。この時間差基準値としてT/2を用いているのは、位相差Δφが±180°に対応する物体の方位±θth1を境界として方位候補を絞り込むことができるためである。しかし、方位候補を絞り込むことができるのであれば、その時間差基準値にどの値を採用してもよい。
上記実施形態では、物体の方位を算出する際に、反射波の各素子40A、40Bにおける位相差Δφの絶対値がπ/2未満のときは、最初に受信時間差の絶対値が時間差基準値(T/2)より大きいか否かの判断を行っていた。これは、位相差Δφの絶対値がπ/2未満のときには、位相差Δφに対応する物体の方位候補のひとつが0°方向に近くなる場合、つまり受信時間差もゼロに近くになる場合があり、受信時間差の検出精度によっては、受信時間差の符号が間違って検出される場合もあり得るためである。反対に、位相差Δφの絶対値がπ/2以上のときは、最初に受信時間差の符号の判断を行っていた。これは、位相差Δφの絶対値がπ/2以上のときには、位相差Δφに対応する物体の方位候補のひとつが、時間差基準値(T/2)に対応する方位±θth1に近くなる場合があるため、受信時間差の検出精度によっては、時間差基準値との大小の判断を誤ってしまう場合もあり得るためである。このことから、受信時間差を精度よく検出できるのであれば、どちらの判断を先に行ってもよい。
上記実施形態では、物体の距離を算出する際に、各素子で受信した反射波の振幅がともに閾値を越えたタイミングの中間の時間を用いていた(図12参照)。しかし、例えば、どちらか一方の素子が受信した反射波の振幅が超えたときの時間を用いて、物体の距離を算出してもよい。なお、この場合、その一方の素子を基準とした物体までの距離が算出されることになる。
上記実施形態のように、2つの素子をアレイ状に配置することにより、物体の位置を、その2素子が属している平面上の2次元位置として算出することができる。ところで、通常物体は地表面に対して水平及び垂直に位置しているので、図19(a)、(b)に示すように、各素子を地表面に対して水平又は垂直に配置するのが望ましい。これによって、地表面に対して水平方向又は垂直方向の物体の位置を検出することができる。
上記実施形態では、物体の方位を算出するために、各素子40A、40Bが反射波を受信した時間差の絶対値がある1つの基準値(T/2)より大きいか否かの判断を行っていた。例えば、素子間隔dが5λ/4≦d≦3λ/2の場合、図5に示すように(d=1.375λ)、位相差の絶対値がπ/2以上の範囲内に対応する反射波の到来方向と、受信時間差が送信波の周期の半分に対応する反射波の到来方向(±θth1)とが近くなっている。したがって、受信時間差の検出精度によっては、最初に受信時間差の符号によって方位候補を絞り込んだとしても、次いで受信時間差の絶対値が時間差基準値(T/2)以上か否かの判断を行うと、例えば本当の物体方位θが−θth1<θ<+θth1であるのに、物体の方位θをθ≦−θth1、+θth1≦θと判定してしまう恐れもある。そこで、その基準値として、位相差Δφに応じて異なる値に設定してもよい(図6参照)。
上記実施形態では、位相差算出部33は、反射波の振幅が素子40A、40Bのうち遅く閾値を越えたタイミングで、各素子40A、40Bに対応する反射波の位相から位相差Δφを算出している(図11参照)。しかし、素子40A、40Bが受信した反射波の振幅がともに閾値を越えている複数のポイントにおいて(図24参照)、例えば次式で定義される各反射波の振幅を反映した位相差ベクトルDefを求め、それら位相差ベクトルDefを合成した位相差ベクトルSum_Defに基づいて、位相差Δφを算出してもよい。なお、次式中、A、Bは各素子40A、40Bで受信した反射波の振幅を示しており、Δφnは任意のポイントにおける各素子40A、40Bの反射波の位相差を示している。以下、詳細に説明する。
Def=A×B×exp(jΔφn)
先ず、位相差ベクトルDefの算出方法について説明する。上述したように、直交復調部31A、31Bで復調された各反射波は、ある正弦波の位相に対して、同相成分(I)と直交成分(Q)とに分けられる。これを複素平面(IQ平面)に表すと、図25(a)に示すように、所定の大きさ、位相をもつベクトルRx_A、Rx_Bとして表すことができる。なお、同図の、φAn、φBnは、それぞれ各復調信号の任意のポイントにおける位相を表しており、Δφnは各復調信号の任意のポイントにおける位相差(φAn―φBn)を表している。また、各ベクトルRx_A、Rx_Bの大きさは、それぞれ各素子40A、40Bが受信した反射波の大きさA、Bを表している。よって、上記数13式は、次式のように変形することができる。
Def=A×B×exp(jΔφn)=A×B×exp(j(φAn―φBn))=A×B×expj(φAn)÷expj(φBn)
ここで、各復調信号Rx_A、Rx_Bをそれぞれ次式のように、同相成分(I)と直交成分(Q)の和で表す(図25(a)参照)。なお、次式中、a+jb、c+jdは単位ベクトルである。
Rx_A→A×exp(jφAn)=A×(a+jb)=(A×a)+j(A×b)
(数16)
Rx_B→B×exp(jφBn)=B×(c+jd)=(B×c)+j(B×d)
これらの数式を上記数14式に代入し、位相差ベクトルDefの同相成分Def_Iと直交成分Def_Qはそれぞれ次式のように表される。
Def_I=(A×a)×(B×c)+(A×b)×(B×d)
(数18)
Def_Q=(A×b)×(B×c)―(A×a)×(B×d)
したがって、各復調信号の成分を上記数式17、18に代入することにより、位相差ベクトルDefを算出することができる(図25(b)参照)。そして、各サンプルポイントにおいて算出した位相差ベクトルを加算して、合成位相差ベクトルSum_Defを算出し(図25(c)参照)、この合成位相差ベクトルSum_Defの位相から、物体の方位を算出するための、各復調信号の位相差Δφを算出する。このように、反射波の振幅を反映した位相差ベクトルを合成することで、反射波の振幅を重みとしてもつ位相差の平均が可能となり、正確に位相差Δφを算出することができる。
次に、本発明に係る物体位置検出装置の第2の実施形態について、上記第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。上記第1実施形態では、反射波から物体の方位を算出する際には、各素子40A、40Bが反射波を受信した時間差の符号及び、その時間差が時間差基準値(T/2又はT)より大きいか否かの判断を組み合わせて、物体の方位を一意に決定していた。しかし、物体の方位の候補が多い場合には、この受信時間差に関する2つの判断の組み合わせだけでは、物体の方位を一意に決定できない場合も起こりうる。そこで、本実施形態では、その受信時間差の値を直接使用して、物体の方位を決定する。具体的には、図26のフローチャートを用いて説明する。なお、装置構成は、第1実施形態と同じなので、説明は省略する。また、図26に示す処理は、方位算出部34が行う。
θ’= sin−1(Δt×C/d)
ここで、Cは送信波(反射波)の伝播速度、dは素子間隔である。
10 ECU
20 送信制御部
30 受信制御部
40A、40B 素子
Claims (13)
- 外部に送信波を送信する送信手段と、
前記送信波の波長の半分より大きく且つその波長未満の間隔で配置され、前記送信手段が送信した送信波に対する反射波を受信する複数の素子からなるアレイ素子と、
前記アレイ素子の少なくとも1つが反射波を受信した時間と前記送信手段が送信波を送信した時間との差に基づいて物体までの距離を算出する距離算出手段と、
前記アレイ素子が受信した反射波から、前記アレイ素子の各素子間の受信時間差を算出する時間差算出手段と、
前記アレイ素子が受信した反射波から、前記アレイ素子の各素子間の受信位相差を算出し、当該位相差から物体の方位を算出するものであって、当該位相差から算出される物体の方位が複数候補ある場合は、前記受信時間差の絶対値が所定の時間差基準値より大きいか否か、及び/又は前記各素子の一方を基準とした前記受信時間差の正負に基づいて、前記複数の候補方位の中から前記物体の方位を決定する方位算出手段とを備え、
前記方位算出手段は、前記反射波の各素子間の受信位相差の絶対値が、位相差基準値以上のときは、最初に前記受信時間差の正負の判断を行って、前記複数の候補方位の中から前記物体の方位を決定することを特徴とする物体位置検出装置。 - 外部に送信波を送信する送信手段と、
前記送信波の波長以上であってその波長の5/4未満の間隔で配置され、前記送信手段が送信した送信波に対する反射波を受信する複数の素子からなるアレイ素子と、
前記アレイ素子の少なくとも1つが反射波を受信した時間と前記送信手段が送信波を送信した時間との差に基づいて物体までの距離を算出する距離算出手段と、
前記アレイ素子が受信した反射波から、前記アレイ素子の各素子間の受信時間差を算出する時間差算出手段と、
前記アレイ素子が受信した反射波から、前記アレイ素子の各素子間の受信位相差を算出し、当該位相差から物体の方位を算出するものであって、当該位相差から算出される物体の方位が複数候補ある場合は、前記受信時間差の絶対値が所定の時間差基準値より大きいか否か、及び/又は前記各素子の一方を基準とした前記受信時間差の正負に基づいて、前記複数の候補方位の中から前記物体の方位を決定する方位算出手段とを備え、
前記方位算出手段は、前記各素子間の受信位相差から算出される物体の候補方位が3つある場合は、前記受信時間差の絶対値が前記所定の時間差基準値より大きいか否かの判断と前記受信時間差の正負の判断とを順番に行って、前記3つの候補方位の中から前記物体の方位を決定することを特徴とする物体位置検出装置。 - 前記所定の時間差基準値は、前記送信波の1周期の半分であることを特徴とする請求項1または2に記載の物体位置検出装置。
- 前記方位算出手段は、前記反射波の各素子間の受信位相差の絶対値が、前記位相差基準値よりも小さいときは、最初に前記受信時間差の絶対値が前記時間差基準値より大きいか否かの判断を行って、前記複数の候補方位の中から前記物体の方位を決定することを特徴とする請求項1に記載の物体位置検出装置。
- 前記位相差基準値は、π/2であることを特徴とする請求項1または4に記載の物体位置検出装置。
- 前記所定の時間差基準値は、前記各素子の間隔によっては、前記各素子間の受信位相差に応じて異なる複数の値が設定されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の物体位置検出装置。
- 前記方位算出手段は、前記アレイ素子の各素子が受信した反射波の振幅をそれぞれ閾値判定し、当該各反射波の振幅がともに閾値を超えたときに各反射波から対応する反射波の位相を求め、さらにそれらの位相から前記反射波の各素子間の受信位相差を算出することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の物体位置検出装置。
- 前記方位算出手段は、前記アレイ素子の各素子が受信した反射波の振幅をそれぞれ閾値判定し、当該各反射波の振幅がすべて閾値を超えていない場合には、前記反射波の各素子間における位相差の算出を中止することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の物体位置検出装置。
- 前記距離算出手段は、前記アレイ素子の各素子が受信した反射波の振幅をそれぞれ閾値判定し、当該各反射波の振幅が閾値を超えた瞬間における各時間を平均した時間を、前記アレイ素子が反射波を受信した時間とすることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の物体位置検出装置。
- 前記距離算出手段は、前記アレイ素子の各素子が受信した反射波の振幅をそれぞれ閾値判定し、当該各反射波の振幅がすべて閾値を超えていない場合には、前記物体までの距離の算出を中止することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の物体位置検出装置。
- 前記送信手段は、複数の素子からなるアレイ素子を備え、当該素子に送信信号を入力して、外部に送信波を送信するものであって、前記送信波の各素子の合成出力がゼロとなるヌル点を補完するように、前記アレイ素子の各素子に入力する各送信信号間の位相関係を切り替えて前記送信波を送信することを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の物体位置検出装置。
- 前記送信手段が備えたアレイ素子と前記反射波を受信するアレイ素子は、共通のアレイ素子であることを特徴とする請求項11に記載の物体位置検出装置。
- 前記送信波は、超音波パルスであることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の物体位置検出装置。
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