JP5634404B2 - 超音波検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物に向けてパルサから超音波パルスを送波し、レシーバで受波される反射信号に混入したノイズをパルス時間幅で弁別する、超音波検知装置に関する。

上述した超音波検知装置は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、ノイズが混入した反射信号を増幅した後、波形整形し、その波形整形した波形をゲートとしてクロックをカウントすることによりパルス時間幅を計測して一旦記憶する。次に、同様の処理によって順次パルス時間幅を計測し、前後のパルス時間幅が所定値以上になった場合に、そのときの波形はノイズと判断する。

特開昭６２−２２０８８９号公報

しかしながら上特許文献１に開示された技術によれば、一定の閾値で波形整形するため、全波整流された反射信号およびノイズの波形が矩形波でない、例えば、三角形状のパルスの場合、振幅が変動することによりパルス時間幅の計測値も変動するため、安定したノイズ弁別が出来なくなる。

これを解決するために、波形整形に用いられる閾値をさらに下げると、不安定なバックグランドノイズ成分を含めて判定するため誤動作する可能性が高い。また、量子化データからパルス時間幅を求める場合、最大でサンプリング周期の２倍の時間幅誤差が発生する問題がある。

本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、安定してパルス時間幅を求めることが出来、信頼性の高い弁別処理が可能な、超音波検知装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、対象物に向けてパルサから超音波パルスを送波し、レシーバで受波される反射信号に混入したノイズをパルス時間幅で弁別する超音波検知装置であって、反射信号およびノイズの波形を、連続して振幅閾値を超える区間において求められる各振幅値から振幅閾値を減じた値の積分値を面積とし、かつ当該区間における最大振幅値から振幅閾値を減じた値を高さとする二等辺三角形で近似した後、当該二等辺三角形の底辺部分に相当するパルス時間幅を算出し、当該パルス時間幅がパルス幅弁別閾値を超えるか否かにより反射信号とノイズとを弁別する弁別処理を実行する弁別処理手段、を備えたものである。

本発明によれば、弁別処理手段が、反射信号およびノイズの波形を、連続して振幅閾値を超える区間において求められる各振幅値から振幅閾値を減じた値の積分値を面積とし、かつ当該区間における最大振幅値から振幅閾値を減じた値を高さとする二等辺三角形で近似した後、当該二等辺三角形の底辺長に相当するパルス時間幅を算出し、当該パルス時間幅がパルス幅弁別閾値を超えるか否かにより反射信号とノイズとを弁別するため、全波整流された反射信号およびノイズ波形が矩形波でない場合であっても安定してパルス時間幅を求めることが出来、信頼性の高い弁別処理が可能な、超音波検知装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る超音波検知装置のノイズ弁別の原理を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波検知装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る超音波検知装置のノイズ弁別の原理を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る超音波検知装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る超音波検知装置のノイズ弁別の原理を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る超音波検知装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３の変形例に係る超音波検知装置のノイズ弁別の原理を示す図である。 本発明の実施の形態３の変形例に係る超音波検知装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１〜３に係る超音波検知装置において、パルス時間幅を計算する際に必要な最大振幅値の求め方を波形上に模式して示した図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る超音波検知装置のノイズ弁別の原理を示す図であり、図１（ａ）に、本実施の形態１に係る超音波検知装置が有するパルサ／レシーバによる送受信波形を、図１（ｂ）に、パルス時間幅ｔｗ１を演算するときに使用するパラメータである面積Ｓ、最大振幅値Ｖｐ、振幅閾値Ｖｔｈが、反射波信号とノイズ波形上にそれぞれ示されている。

例えば、車両のコーナーセンサとして使用される本実施の形態１に係る超音波検知装置は、パルサから対象物に向かって超音波パルスを送波し、対象物からの反射信号をレシーバで受波する。この反射信号には、電磁ノイズ、風切り音ノイズ、雨滴ノイズ、タイヤでの水切りノイズ等のノイズ成分が含まれることが知られている。

図１（ａ）には、縦軸を振幅Ｖとした時間軸（時間ｔ）上に、送信信号である超音波パルスｐの他、レシーバが受波した信号を全波整流して得られるノイズｎ、反射信号Ｓがそれぞれ時系列に示されている。
ここで、反射信号Ｓは、図１（ｂ）の斜線部分を除く面積である。
また、反射信号Ｓ、ノイズｎにおけるそれぞれのパルス時間幅、ｔｓ、ｔｎは、ｔｓ＞ｔｎの関係にあり、反射信号Ｓとノイズｎが同じタイミングで出現することは稀である。

本実施の形態１によれば、超音波検知装置は、図１（ａ）に示されるように、反射信号Ｓとノイズｎとが混在する場合、図１（ｂ）に示される振幅閾値Ｖｔｈ以上の反射信号Ｓ、またはノイズｎが連続して発生した区間（パルス時間幅ｔｗ１）中におけるそれぞれの振幅の積分値Ｓ、および最大振幅値Ｖｐを演算により算出するものとする。このため、本実施の形態１に係る超音波検知装置は、反射信号Ｓとノイズｎの形状を二等辺三角形に近似し、上述した積分値Ｓと、最大振幅値Ｖｐとから、二等辺三角形の底辺長であるパルス時間幅ｔｗ１を、以下の演算式（１）により算出し、パルス幅弁別閾値Ｔｔｈを超えるか否かで、反射波Ｓとノイズｎを仕分けるノイズ弁別処理を実行する。
ｔｗ１＝２・Ｓ／（Ｖｐ−Ｖｔｈ）… （１）

このように、本実施の形態１に係る超音波検知装置は、レシーバで受波した信号を全波整流して得られる反射信号Ｓ、およびノイズｎの波形形状が矩形でない場合に、反射信号Ｓとノイズｎの波形を三角形状に近似した場合の底辺長を用いて弁別することで、ノイズ弁別の信頼性を高めるものである。

図２は、本実施の形態１に係る超音波検知装置の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施の形態１に係る超音波検知装置は、超音波センサ１１と、パルサ／レシーバ１２と、時間幅検知部１３と、パルス幅弁別部１４と、を含み構成される。
超音波センサ１１は、例えば、圧電セラミック素子で構成される振動子であり、素子に加わった機械的な力により電極間に力に応じた起電力が発生し、逆に、電極間に電圧を印加すればその大きさに応じて機械的な変位を生じる。このため、パルサ／レシーバ１２により電気エネルギーを印加して超音波を発生させ、又は反射により得た超音波エネルギーを電気信号に変換して時間幅検知部１３へ供給する。

時間幅検知部１３は、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換器１３１と、振幅比較器１３２と、最大値検知部１３３と、積分処理部１３４と、時間幅演算部１３５とを含み構成される。

Ａ／Ｄ変換器１３１は、パルサ／レシーバ１２で受信されるノイズを含む反射波を所定のサンプリング間隔で量子化（全波整流）して振幅比較器１３２の一方の入力端子へ供給する。振幅比較器１３２の他方の入力端子には振幅値相当の閾値Ｖｔｈが供給されており、振幅比較器１３２は、全波整流後のノイズｎを含む反射波Ｓと振幅閾値Ｖｔｈとを比較してこの閾値Ｖｔｈを超えるデータは、積分処理部１３４および最大値検知部１３３へ供給する。
積分処理部１３４は、振幅閾値Ｖｔｈ以上の反射信号Ｓまたはノイズｎが連続して発生したときの時間長であるｔｗ１区間中相当における振幅の積分値（面積Ｓ＝ΣＶｉ）を求めて時間幅演算部１３５へ供給する。時間幅演算部１３５には、最大値検知部１３３からｔｗ１区間中における最大振幅値Ｖｐが供給されており、ここで、上述した演算式（１）によりパルス時間幅ｔｗ１を算出してパルス幅弁別部１４へ出力する。

パルス幅弁別部１４は、時間比較器１４１を含み、この時間比較器１４１には、上述した時間幅検知部１３の時間幅演算部１３５によるｔｗ１の演算結果の他に、パルス幅弁別閾値Ｔｔｈが供給されている。
時間比較器１４１は、両入力を比較し、時間幅演算部１３５により演算出力されるｔｗ１の値がパルス幅弁別閾値Ｔｔｈを超える場合に反射信号Ｓ、時間幅演算部１３５により演算出力されるｔｗ１の値がパルス幅弁別閾値Ｔｔｈより小さい場合にノイズｎと判定する。

このため、上述した時間幅検知部１３とパルス幅弁別部１４とが協働して動作することにより、「反射信号とノイズ信号の波形を二等辺三角形で近似し、当該近似した二等辺三角形の底辺長に相当するパルス時間幅を算出し、ここで算出されたパルス時間幅が、所定のパルス幅弁別閾値を超えるか否かにより反射信号とノイズ信号とを弁別する弁別処理を実行する」弁別処理手段として機能する。
具体的に、弁別処理手段は、時間幅検知部１３にて、反射信号Ｓとノイズｎが混在した受波信号において、所定の振幅閾値Ｖｔｈ以上のデータが連続して発生したときの時間長区間（ｔｗ１）における各振幅の積分値（面積Ｓ）、および最大振幅値Ｖｐを求め、反射信号Ｓとノイズｎ波形を二等辺三角形に近似し、積分値Ｓと最大振幅値Ｖｐとから三角形の底辺長とするパルス時間幅ｔｗ１を算出し、パルス幅弁別部１４にて、そのパルス時間幅ｔｗ１が所定のパルス幅弁別閾値Ｔｔｈを超えるか否かでノイズを弁別するものである。

上述したように、本実施の形態１に係る超音波検知装置によれば、全波整流して得られる反射波Ｓおよびノイズｎの波形が矩形でない場合でも、同波形の形状を二等辺三角形で近似し、当該近似した二等辺三角形の底辺長に相当するパルス時間幅ｔｗ１を算出することにより、反射波Ｓとノイズｎの弁別が可能となり、信頼性が向上する。なお、サンプリング時間間隔が荒い場合、パルス時間幅ｔｗ１の計測値にバラツキが大きくなるが、二等辺三角形の面積Ｓから底辺長ｔｗ１を求めることにより計測時間の重みが小さくなるため、時間計測のバラツキが小さくなり弁別判定が安定化する。

実施の形態２．
図３は、本実施の形態２に係る超音波検知装置のノイズ弁別の原理を示す図であり、図４は、本実施の形態２に係る超音波検知装置の構成を示すブロック図である。

図３から明らかなように、図１（ｂ）に示す実施の形態１との差異は、実施の形態１同様、反射波Ｓ（ノイズｎ）の波形を二等辺三角形に近似した後、更に、その二等辺三角形の相似式から相似二等辺三角形を求め、その底辺長、すなわち、反射信号Ｓおよびノイズｎのパルス時間幅ｔｗ２を、以下の演算式（２）で求めることにある。このパルス時間幅ｔｗ２が、パルス幅弁別閾値Ｔｔｈを超えるか否かで、反射波Ｓとノイズｎを仕分けるノイズ弁別処理を実行することは実施の形態１と同様である。
ｔｗ２＝ｔｗ１×Ｖｐ／（Ｖｐ−Ｖｔｈ） …（２）

このため、超音波検知装置は、図４に示されるように、実施の形態１の時間幅検知部１３が有する構成に、更に、最底辺時間幅演算部１３６が付加される。最底辺時間幅演算部１３６は、上述した演算式（２）により相似三角形の底辺のパルス時間幅ｔｗ２を算出してパルス幅弁別部１４へ出力する。他の構成は、図２に示す実施の形態１と同様である。

本実施の形態２に係る超音波検知装置によれば、弁別処理手段は、反射波Ｓおよびノイズｎの波形を近似した二等辺三角形の相似式から相似二等辺三角形を求め、この相似二等辺三角形の底辺長であるパルス時間幅を算出するものであり、上述した実施の形態１と同様の効果が得られる他、パルス時間幅において、ｔｗ１＜ｔｗ２の関係が成り立つため、パルス時間幅の計測誤差がｔｗ１に比べてｔｗ２の方がはるかに低減され、一層、信頼性の向上がはかれる。

実施の形態３．
図５は、本実施の形態３に係る超音波検知装置のノイズ弁別の原理を示す図であり、図６は、本実施の形態３に係る超音波検知装置の構成を示すブロック図である。

図５（ａ）〜（ｃ）には、本実施の形態３に係る超音波検知装置において、パルサ／レシーバ１２により送信される超音波パルスに同期して所定のタイミング（Ｅｎ０、Ｅｎ１、Ｅｎ２）で受信される反射信号Ｓ１〜３がそれぞれ時系列に示されている。図５（ｄ）は、Ｅｎ０、Ｅｎ１、Ｅｎ２の各タイミングで受信した反射信号Ｓ１〜３を合成（加算）して得られる信号成分Ｓｔを示す。図５（ｄ）において、ｔｗ１ｉは、反射信号Ｓ１〜３を合成（加算）して得られる反射信号Ｓｔのパルス時間幅である。

ここでは、所定のタイミングで送波される超音波パルスｐ(pno、pn1、pn2・・・)に同期して、ノイズｎが重畳された反射信号Ｓを所定回数（Ｅｎ０、Ｅｎ１、Ｅｎ２の３回のタイミング）加算して得られる反射信号Ｓ１〜３、とノイズｎ１〜３に対して、実施の形態１もしくは実施の形態２で説明したノイズ弁別処理を実行するものとする。ここでは、振幅の小さい反射信号が増幅され拡大するため、反射面が小さな障害物（対象物）、あるいは遠方に位置する対象物の検知が可能になる。

このため、超音波検知装置は、図６に示されるように、図２で示す実施の形態１の時間幅検知部１３が有する構成に、同期加算処理部１３７と、演算増幅器１３８と、アンド回路（Ａ１３９）とが付加される。他の構成は実施の形態１と同様である。

図６において、同期加算処理部１３７は、図５で説明したように、Ｅｎ０、Ｅｎ１、Ｅｎ２の各タイミングでＡ／Ｄ変換器１３１を介して出力される反射信号Ｓ１〜３を合成（加算）してその時系列データを蓄積する処理部であり、その出力は、振幅比較器１３２の一方の入力端子、最大値検知部１３３、および積分処理部１３４のそれぞれに供給される。また、加算数比較器１３８には、パルサ／レシーバ１２から加算回数Ｎ、および加算回数の閾値（以下、加算閾値Ｃという）が供給されている。また、アンド回路１３９の一方の入力端子には、加算数比較器１３８の出力である加算回数と加算閾値との比較結果が、他方の入力端子には、パルサ／レシーバ１２の送信パルス（pno、pn1、pn2・・・）出力が供給されており、ここで論理積演算が行われた結果は、加算指令として同期加算処理部１３７に出力される。このため、同期加算処理部１３７による同期加算は、加算回数が加算閾値になるまで繰り返し実行される。すなわち、同期加算処理部１３７は、Ｎ＞Ｃとなったときに同期加算処理を停止する。

本実施の形態３に係る超音波検知装置によれば、弁別処理手段が、超音波パルスｐに同期して、ノイズｎが混入された反射信号Ｓを所定回数加算して得られる反射信号Ｓｔに対して弁別処理を実行することにより、弁別処理の対象となる振幅の小さい反射信号Ｓ１〜３が増幅され、拡大された反射信号Ｓｔを弁別することになるため、反射面が小さな障害物（対象物）、あるいは遠方に位置する対象物の検知が可能になる。
なお、弁別処理は、実施の形態１又は実施の形態２で説明したように、全波整流して得られる反射波Ｓおよびノイズｎの波形形状が矩形でない場合でも、同波形の形状を二等辺三角形で近似し、該近似した二等辺三角形の底辺部分に相当するパルス時間幅を算出することにより、あるいは、更に、その二等辺三角形の相似式から相似二等辺三角形を求め、相似二等辺三角形の底辺長であるパルス時間幅を算出するものである。

なお、上述した実施の形態３では、超音波パルスｐに同期して、ノイズｎが混入した反射信号Ｓを所定回数加算して得られる反射信号Ｓｔに対して弁別処理を実行することとしたが、超音波パルスｐに同期して、ノイズｎが混入した反射信号Ｓを複数回加算し、所定の振幅閾値を超えた反射信号に対して弁別処理を実行しても同様の効果が得られる。これを実施の形態３の変形例として以下に説明する。この変形例によるノイズ弁別の原理を図７に、超音波検知装置の構成を図８にそれぞれ示す。

図７（ｄ）に示されるように、本実施の形態３の変形例では、Ｅｎ０、Ｅｎ１、Ｅｎ２の各タイミングで得られる反射信号Ｓ１〜３を加算し、閾値ｔｗ１ｉを超えた反射信号Ｓｔに対して弁別処理を行うことで、上述した実施の形態３同様、反射面が小さな障害物（対象物）、あるいは遠方に位置する対象物の検知が可能になり、障害物検知の感度が向上する。

この場合、超音波検知装置は、図８に示されるように、図６の時間幅検知部１３における振幅比較器１３８が振幅比較器１４０で代替され、この振幅比較器１４０は、一方の入力端子に同期加算処理部１３７出力が、他方の入力端子に振幅閾値Ｖｔｈが供給され、同期加算処理部１３７出力が振幅閾値Ｖｔｈを超えたときに加算停止指令をアンド回路１３９に出力する構成になっている。他の構成は同様である。

本実施の形態３の変形例によれば、弁別処理手段が、超音波パルスｐに同期してノイズｎが混入した反射信号Ｓを複数回加算して閾値を超えた反射信号Ｓｔに対して弁別処理を実行することにより、弁別処理の対象となる振幅の小さい反射信号Ｓ１〜３が増幅され、拡大された反射信号Ｓｔとなるため、反射面が小さな障害物（対象物）、あるいは遠方に位置する対象物の検知が可能になり、障害物検知の感度が向上する。

なお、上述した実施の形態１〜実施の形態３に係る超音波検知装置において、最大振幅値Ｖｐの変動が大きいと二等辺三角形の面積から、あるいは相似二等辺三角形の面積から底辺長であるパルス時間幅ｔｗ１、ｔｗ２を求めるときに誤差が重畳するため、平均化処理した方が好ましい。図９は、パルス時間幅を計算する際に必要な最大振幅値Ｖｐの求め方を波形上に模式して示した図である。

図９に示されるように、反射信号Ｓおよびノイズｎの振幅の最大値Ｖｐは、所定の振幅閾値Ｖｔｈを超える振幅値の最上位値、または上位ｎ個（但し、ｎは正の整数）の振幅値の平均値、あるいは最上位値を除いた平均値とするのが好適である。この措置により、最大振幅値Ｖｐの変動が緩和され、最大振幅値Ｖｐの変動がパルス時間幅の計算に与える影響を少なくすることができる。

本発明の超音波検知装置は、例えば、車両のコーナーセンサに適用され、反射信号に重畳するノイズをパルス信号の時間幅で弁別するものである。詳しくは、受波された反射信号ｓとノイズｎの形状を二等辺三角形に近似し、これら信号の所定の振幅閾値Ｖｔｈ以上の連続した値の最大振幅値Ｖｐと、蓄積した値（面積Ｓ）とを求め、このＶｐとＳの値から三角形状の底辺長であるパルス時間幅を求め、このパルス時間幅を用いて反射信号からノイズを弁別するものである。量子化データの場合、一定の振幅閾値Ｖｔｈ以上の面積Ｓを求めることにより、振幅閾値Ｖｔｈ近傍のデータの重みを低くし、サンプリング周期の誤差を低減する。また、相似二等辺三角形の最底辺長であるパルス時間幅を求めることにより安定したパルス時間幅を求めることが出来る。このため、コーナーセンサは勿論のこと、障害物（対象物）の有無、あるいは対象物との距離を測定する用途全般に適用が可能である。

Claims (3)

1. 対象物に向けてパルサから超音波パルスを送波し、レシーバで受波される反射信号に混入したノイズをパルス時間幅で弁別する超音波検知装置であって、
   前記反射信号および前記ノイズの波形を、連続して振幅閾値を超える区間において求められる各振幅値から前記振幅閾値を減じた値の積分値を面積とし、かつ前記区間における最大振幅値から前記振幅閾値を減じた値を高さとする二等辺三角形で近似した後、前記二等辺三角形の底辺長に相当するパルス時間幅を算出し、前記パルス時間幅がパルス幅弁別閾値を超えるか否かにより前記反射信号と前記ノイズとを弁別する弁別処理を実行する弁別処理手段、
   を備えたことを特徴とする超音波検知装置。
2. 前記弁別処理手段は、前記超音波パルスに同期して、前記ノイズが重畳された反射信号を所定回数加算して得られる反射信号、又は複数回加算して前記振幅閾値を超えた反射信号に対し前記弁別処理を実行することを特徴とする請求項１項記載の超音波検知装置。
3. 前記弁別処理手段は、前記最大振幅値を、前記振幅閾値を超える振幅のうちの最上位値、上位ｎ個（但し、ｎは任意の正の整数）の振幅の平均値、もしくは前記最上位値を除く上位ｎ個の振幅の平均値として前記弁別処理を実行することを特徴とする請求項１項記載の超音波検知装置。

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