JP5279681B2

JP5279681B2 - 超音波強度分布計測方法

Info

Publication number: JP5279681B2
Application number: JP2009246652A
Authority: JP
Inventors: 克己猿渡; 隆幸熊倉; 達芳中島; 奏栗山
Original assignee: Toyota Motor Corp; Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: JP2011094999A

Description

本発明は、被計測空間内の超音波強度分布を計測する超音波強度分布計測方法に関する。

様々な分野において、許可された者以外の者の立入りが禁止されている空間内に不審者が侵入したことを検知して警報を発するなど、様々な安全対策が求められている。例えば、停止中の自動車内に超音波送信機から超音波を送信し超音波受信機で反射超音波を受信して超音波のドプラシフトを検出することにより不審者の侵入を検出するシステムが考えられている。この場合に、自動車の車室内にはシートやその他の様々な物が存在しており、このため超音波が複雑に反射して車室内の超音波強度分布は一様又は滑らかな変化にはならず、車室内で複雑な強度分布を持つ。このためその車室内にどの程度の強度の超音波を送信すればよいか、あるいは受信感度をどの程度に設定すればよいか不明となる。さらには、送信強度や受信感度の如何によらず死角となる領域が存在するときはその領域を認識して死角を最小とするように車室内の設計変更等を行なうことも重要である。

ここで、車室内の超音波の強度分布を測定するにあたり、超音波送信機から超音波を送信させ、車室内の各ポイントに超音波マイクロホンを順次に配置してその超音波マイクロホンでの受信信号の強度から車室内の超音波強度分布を求めることが考えられる。しかしながら、この場合、超音波受信機の指向性を無視することになり、超音波送信機で超音波を送信して超音波受信機で反射超音波を受信するまでのトータルの実効的な強度分布を求めることはできない。

また、別の手段として、上記の超音波マイクロホンに代えて車室内に超音波反射体を置き、その超音波反射体を順次移動させながら超音波送信機から超音波を送信し超音波受信機で反射超音波を受信してその受信強度を調べることが考えられる。しかしこの場合、その超音波反射体のみから超音波が反射する訳ではなく、車室の壁面や、車室内のシートやその他の置き物からも反射するため、その超音波反射体を置いたポイントのみの強度を測定することはできない。

本発明は、上記事情に鑑み、被計測空間内に超音波を送信し反射超音波を受信して受信信号を得るシステムにおける、被計測空間内の、超音波の送信から各反射ポイントで反射した超音波の受信に至るまでの実効的な超音波強度分布を計測する超音波強度分布計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の超音波強度分布計測方法は、被計測空間内に超音波を送信する第１の振動子と、被計測空間内で反射して戻ってきた超音波を受信して受信信号を得る第２の振動子と、上記受信信号に基づいて被計測空間内における移動体の有無を検出する移動体検出部とを備えた移動体検出装置を稼動させたときの、被計測空間内の実効的な超音波強度分布を計測する超音波強度分布計測方法であって、
上記第１の振動子から前記被計測空間内に超音波を送信させその第１の振動子から第１の基準距離離れた第１の基準点と被計測空間内の複数の計測点それぞれに超音波センサを配置し超音波センサに超音波を受信させて第１の基準点の音圧である第１の基準音圧および複数の計測点それぞれの音圧である複数の第１の計測音圧を求める第１ステップと、
上記第２の振動子から被計測空間内に超音波を送信させ第２の振動子から第２の基準距離離れた第２の基準点と被計測空間内の複数の計測点それぞれに超音波センサを配置し超音波センサに超音波を受信させて第２の基準点の音圧である第２の基準音圧および複数の計測点それぞれの音圧である複数の第２の計測音圧を求める第２ステップと、
上記第１ステップで求められた第１の基準音圧に対する複数の計測点それぞれの複数の第１の計測音圧それぞれの第１の比率と、上記第２ステップで求められた第２の基準音圧に対する複数の計測点の複数の第２の計測音圧それぞれの第２の比率とに基づいて、被計測空間内の実効的な超音波強度分布を求める第３ステップとを有することを特徴とする。

本発明の超音波強度分布計測方法は、本来は、超音波受信用として用いられる第２の振動子を超音波送信用として用いることで実効的な超音波強度分布を計測するものである。第１の振動子から超音波を送信して超音波センサで受信したときの受信強度と第２の振動子から超音波を送信して超音波センサで受信したときの受信強度とから、超音波センサを配置したポイントの実効的な強度分布を求めることができ、それを同時に又は順次に被計測空間内の各ポイントで行なうことにより、被計測空間全域に亘る実効的な超音波強度分布を計測することができる。

ここで、本発明の超音波強度分布計測方法において、上記第１ステップが前記超音波センサで超音波を受信して得た受信信号から計測対象の周波数の超音波に起因する信号成分を抽出しその信号成分に基づいて第１の基準音圧および複数の第１の計測音圧を求めるステップであり、
上記第２ステップが超音波センサで超音波を受信して得た受信信号から計測対象の周波数の超音波に起因する信号成分を抽出しその信号成分に基づいて第２の基準音圧および複数の第２の計測音圧を求めるステップであることが好ましい。

不審者侵入時に特定の周波数の超音波に基づくドプラシフトを検出するシステムの場合、超音波センサで受信して得た超音波のうちその周波数成分のみを抽出しその周波数成分のみに基づく超音波強度分布を計測することが好ましい。

ここで、本発明の超音波強度分布計測方法は、典型的には、自動車の車室を被計測空間とするものである。

以上説明したように、本発明によれば被計測空間内の実効的な超音波強度分布を計測することができる。

本発明の第１実施形態の超音波強度分布計測方法を示す模式図である。車室内を横から見て示した図である。車室内を上から見て示した図である。第１の振動子から発せられた超音波の周波数分布（Ａ）および第２の振動子から発せられた超音波の周波数分布（Ｂ）を示す図である。車室内の送信側のみの超音波強度分布を示す図である。車室内の本来は受信に使用される側の超音波強度分布を示す図である。送信側と受信側との双方を合わせたときの超音波強度分布を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態の超音波強度分布計測方法を示す模式図である。

被計測空間１０を区画する壁面１１には、この被計測空間１０内に超音波を送信する第１の振動子１２と、被計測空間１０内で反射して戻ってきた超音波を受信する第２の振動子１３が固定されている。また被計測空間１０の内部には、様々な反射物体１４が存在する。被計測空間１０内に不審者等の移動物体が存在すると、その移動物体からの反射超音波はドプラシフトにより周波数が変化する。そこで、第２の振動子１３で受信して得た信号からドプラシフトした成分を抽出することにより被計測空間内に侵入者等の移動物体が存在するか否かが検出される。

侵入者等の検出の場面についての説明はこの程度とし、ここでは被計測空間１０内の実効的な超音波強度分布の計測方法を説明する。

図１には、コンピュータ等で実現した処理回路が示されている。

この処理回路２０は、送信制御部２１、受信部２２、演算部２３、表示部２４、およびそれらの各部を制御する制御部２５から構成されている。

ここでは、被計測空間１０内に超音波マイクロホン３１を持ち込み、被計測空間内で順次移動させながら以下の通りのシーケンスで被計測空間内の各ポイントの超音波強度を計測する。この場合において、第２の振動子１３は、侵入者を検出する場面では反射超音波の受信素子として利用されるが、ここでは、この第２の振動子１３も、第１の振動子１２と同様、超音波送信素子として利用する。

先ず、超音波マイクロホン３１を第１の振動子１２から単位距離（例えば１００ｍｍ）だけ離れた第１の基準点３１Ａに置いて送信制御部２１に第１の振動子１２からの超音波の送信を指示させて第１の振動子１２から超音波を送信させ、超音波マイクロホン３１でピックアップし受信部２２で受信信号を生成する。その生成された受信信号を演算部２３に入力し演算部２３でその受信信号に基づいて第１の基準音圧Ｐ_１０を求める。

次に同様にして、超音波マイクロホン３１を第２の振動子から単位距離（例えば１００ｍｍ）だけ離れた第２の基準点３１Ｂに置いて送信制御部２１に第２の振動子１３からの超音波の送信を指示させて第２の振動子１３から超音波を送信させ、超音波マイクロホン３１でピックアップし受信部２２で受信信号を得て演算部２３でその受信信号に基づく第２の基準音圧Ｐ_２０を求める。

その後超音波マイクロホン３１を被計測空間内の各ポイントに移動させ、各ポイントごとに第１の振動子１２から超音波を送信させて超音波マイクロホン３１でピックアップしてそのポイントの第１の計測音圧Ｐ_１ｉ（ｉは計測ポイントの番号）を求め、それに引き続いて第２の振動子１３から超音波を送信させ超音波マイクロホン３１でピックアップしてそのポイントの第２の計測音圧Ｐ_２ｉ（ｉは計測ポイントの番号）を求める。これを各計測ポイントごとに繰り返す。

演算部２３では、このようにして求められた第１の基準音圧Ｐ_１０、第２の基準音圧Ｐ_２０、各計測ポイントごとの第１の計測音圧Ｐ_１ｉおよび第２の計測音圧Ｐ_２ｉに基づいて、各計測ポイントｉごとの超音波減衰率ｒ_ｉを以下の式に従って算出する。

このようにして、実使用時の送信側の第１の振動子１２から超音波を発し超音波マイクロホン３１でピックアップしたときの減衰率ｒ_１ｉ＝Ｐ_１ｉ／Ｐ_１０と、実使用時には受信を担う第２の振動子１３から超音波を発し超音波マイクロホン３１でピックアップしたときの減衰率ｒ_２ｉ＝Ｐ_２ｉ／Ｐ_２０を求め、それらを乗算することにより、第１の振動子１２から発した超音波が計測ポイントに置かれた反射体で反射して第２の振動子１３に戻ってきた超音波を第２の振動子１３で受信したときの減衰率が求められる。この減衰率ｒ_ｉを各計測ポイントごとに算出することにより、被計測空間１０内の実効的な超音波強度分布が求められる。実際には、反射体の反射率によっても減衰率は異なるが、ここでは、被計測空間内の相対的な超音波強度分布を求めれば足り、以上の計測法で十分である。尚、ここでは、上記（１）式に基づいて減衰率ｒ_ｉを算出することを示したが、これは一例である。例えばｄＢ表現の場合は割り算は引き算に、乗算は足し算となり見かけ上の式は異なることになるが本質的には上記（１）式と同等である。

仮に、実使用時と同様にして第１の振動子１２からは超音波を送信し超音波マイクロホン３１で受信して減衰率ｒ_１ｉを求め、今度は超音波マイクロホン３１の代わりに超音波送信機をその計測ポイントｉにおいて超音波を送信して第２の振動子１３で受信して減衰率ｒ_２ｉを求めることも一応考えられるが、超音波送信機は一般にある程度狭い指向性を持ち、したがって超音波マイクロホン３１に代えて超音波送信機を置いて超音波を送信する構成にすると、その超音波送信機の指向性に起因して不正確な計測となってしまうおそれがある。これに対し超音波マイクロホン３１は十分に広い指向性を持つものが存在し、第１および第２の振動子１２，１３の双方を超音波送信素子として利用する上記の計測法の方が高精度の計測が可能となる。

次に、自動車の車室内を被計測空間とする第２実施形態について説明する。

図２は、車室内を横から見て示した図、図３は、車室内を上から見て示した図である。尚、図２，図３では、超音波は複数のビーム形状に示されている。

車室１００内の運転席と助手席との中央の天井部分に、超音波音源として用いられる第１振動子と超音波受信機として用いられる第２振動子が並んで配置されモジュール化された超音波モジュール１０１が設置されている。

この超音波モジュール１０１は、車室内のあらゆる方向に向けて超音波を送信し、反射超音波を受信し、受信信号に基づいて超音波のドプラシフト量を計算し、侵入者の有無を判定し、侵入者が存在する旨判定したときは警報音を発する構成となっている。

ここでは、前述の第１実施形態と同様、超音波音源として用いられる振動子だけでなく本来は超音波受信機として用いられる振動子も超音波音源として用い、前述の第１の実施形態と同様の計測法により車室１００内の各計測ポイントについて減衰率が求められる。この減衰率は送信側の減衰率と、本来は受信側となる側の減衰率との積である（（１）式参照）。尚、ここに示す第２実施形態では、超音波マイクロホン３１を横に４本並べ縦に４本並べた合計１６本使い、１６の計測ポイントについて同時に計測を行なっている。その１６本の超音波マイクロホン３１を上下および前後に移動させながら、車室１００内の全ての計測ポイントについて計測を行なっている。

図４は、第１の振動子から発せられた超音波の周波数分布（Ａ）および第２の振動子から発せられた超音波の周波数分布（Ｂ）を示す図である。

いずれも４０ｋＨｚの周波数に大きなピークを持つ。実際の侵入者検出の場面で４０ｋＨｚの超音波を利用している。そこで、ここでは、フーリエ変換により４０ｋＨｚを中心とした狭い帯域の信号のみを抽出し、その抽出した４０ｋＨｚの周波数の超音波の音圧を求め、車室内の超音波強度分布を求めている。このように実際に使用される周波数の信号のみを抽出し、その周波数の信号に基づいて超音波強度分布を求めることにより、実際に即した超音波強度分布が求められる。

図５は、車室内の送信側のみの超音波強度分布を示す図、図６は車室内の本来は受信に使用される側の超音波強度分布を示す図、図７は、送信側と受信側との双方を合わせたときの（すなわち、（１）式に従った）超音波強度分布を示す図である。

超音波強度分布は送信側(図５)と受信側(図６)とではかなりの相違点があり、それらを統合した図７も図５，図６とは分布が異なっていることが分かる。

このように、上記の各実施形態では、本来は受信側として使用される振動子から超音波を送信させることにより、被計測空間内の実効的な超音波強度分布を高精度に求めている。この超音波強度分布を、侵入者警報システムや被計測空間内のレイアウトなどの最適設計に反映させることができる。

１０被計測空間
１１壁面
１２，１３振動子
１４反射物体
２０処理回路
２１送信制御部
２２受信部
２３演算部
２４表示部
２５制御部
３１超音波マイクロホン
３１Ａ基準点
１００車室
１０１超音波モジュール

Claims

被計測空間内に超音波を送信する第１の振動子と、前記被計測空間内で反射して戻ってきた超音波を受信して受信信号を得る第２の振動子と、前記受信信号に基づいて前記被計測空間内における移動体の有無を検出する移動体検出部とを備えた移動体検出装置を稼動させたときの、前記被計測空間内の実効的な超音波強度分布を計測する超音波強度分布計測方法であって、
前記第１の振動子から前記被計測空間内に超音波を送信させ該第１の振動子から第１の基準距離離れた第１の基準点と該被計測空間内の複数の計測点それぞれに超音波センサを配置し該超音波センサに超音波を受信させて該第１の基準点の音圧である第１の基準音圧および該複数の計測点それぞれの音圧である複数の第１の計測音圧を求める第１ステップと、
前記第２の振動子から前記被計測空間内に超音波を送信させ該第２の振動子から第２の基準距離離れた第２の基準点と該被計測空間内の前記複数の計測点それぞれに超音波センサを配置し該超音波センサに超音波を受信させて該第２の基準点の音圧である第２の基準音圧および該複数の計測点それぞれの音圧である複数の第２の計測音圧を求める第２ステップと、
前記第１ステップで求められた前記第１の基準音圧に対する前記複数の計測点それぞれの前記複数の第１の計測音圧それぞれの第１の比率と、前記第２ステップで求められた前記第２の基準音圧に対する前記複数の計測点の前記複数の第２の計測音圧それぞれの第２の比率とに基づいて、前記被計測空間内の実効的な超音波強度分布を求める第３ステップとを有することを特徴とする超音波強度分布計測方法。
前記第１ステップが前記超音波センサで超音波を受信して得た受信信号から計測対象の周波数の超音波に起因する信号成分を抽出し該信号成分に基づいて前記第１の基準音圧および前記複数の第１の計測音圧を求めるステップであり、
前記第２ステップが前記超音波センサで超音波を受信して得た受信信号から計測対象の周波数の超音波に起因する信号成分を抽出し該信号成分に基づいて前記第２の基準音圧および前記複数の第２の計測音圧を求めるステップであることを特徴とする請求項１記載の超音波強度分布計測方法。
当該超音波強度分布計測方法が、自動車の車室を前記被計測空間とするものであることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波強度分布計測方法。