JP6829801B2

JP6829801B2 - 超音波アレイセンサシステム

Info

Publication number: JP6829801B2
Application number: JP2016215481A
Authority: JP
Inventors: 三千雄西村; 俊博笹井
Original assignee: Proassist Ltd
Current assignee: Proassist Ltd
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: JP2018072266A

Description

本発明は、複数の超音波受波素子を一次元または二次元に配列した超音波アレイセンサを備え、超音波の受信により所定範囲に存在する物体の距離や方位を検出する超音波アレイセンサシステムに関する。
特に、本発明は、受波素子の使用数を減らした場合でも、受波素子を多く使用したシステムと同等の検出精度が得られる「強調フィルタ部」を備えた超音波アレイセンサシステムに関する。

超音波発信手段と、複数の超音波受信素子を二次元配列した超音波アレイセンサとを備え、超音波発信手段から発信した超音波が物体によって反射した反射超音波を超音波アレイセンサで受信し、物体の方位と距離を求めて物体の距離画像を生成する装置が知られている（例えば特許文献１）。また、送波素子と受波素子を一体型にした超音波物体検知装置も知られている（特許文献２）。

このような超音波画像生成装置または超音波物体検知装置では、超音波アレイセンサの各受波素子で受信した信号に対し、超音波の入射角と各受波素子の位置関係に対応した時間だけ遅延させて演算処理することによって、任意の方位からの反射波だけを選択的に取り出す技術が利用されている（特許文献３）。この遅延演算処理によると、機械的な走査を行うことなく、電気的な信号処理によって方位を走査することが可能となり、超音波を反射した対象物の距離と方位に関する情報を取得できる。

図１７は、従来の超音波アレイセンサシステムの構成を示したブロック図である。従来の超音波アレイセンサシステム１００は、超音波受波素子部１０１と、ＡＤ変換部１０２と、遅延加算演算部１０３とで構成される。超音波受波素子部１０１は、複数の受波素子が例えば二次元に配置された構造部で、超音波１０４を入力し、アナログ信号１０５を出力する。ＡＤ変換部１０２は、超音波受波素子部１０１からのアナログ信号１０５を入力し、デジタル信号１０６に変換する。遅延加算演算部１０３は、ＡＤ変換部１０２から入力されたデータを記憶する記憶部を内部に備え、この記憶部に記憶されたデータに対し、例えば特許文献３で説明されている遅延加算演算を行うものである。従来の超音波画像生成装置や超音波物体検知装置は、この遅延加算演算部１０３からの最終結果出力１０７を利用して、画像生成や物体検知を行っている。

このような遅延加算演算を利用した従来の超音波アレイセンサシステム１００では、超音波受波素子部１０１に並べる受波素子の数によって、センサの角度分解能が決まることが知られている（特許文献１の図６、段落００３４〜００３５の説明を参照）。

例えば、図１８（ａ）は、受波素子１０１ａを、使用する超音波周波数の半波長間隔で５個並べた場合を、図１８（ｂ）は、受波素子１０１ｂを同様に１１個並べた場合を示している。これらのケースについて、超音波アレイセンサの正面位置（０°の位置）に検出対象物を配置し、超音波を発信するとともに反射波を受信し、±５０°の走査範囲で５°きざみに遅延加算演算した結果を、図１９〜図２０に示すようにグラフ化した。これらのセンサの指向性を示すグラフは、横軸が走査角度であり、縦軸が超音波アレイセンサの相対感度を示している。走査角度は、超音波アレイセンサの正面方向を角度ゼロとし、Ｘ方向に電子的に受信信号を走査する場合の走査角である。

受波素子の数が５個の場合の結果は、図１９に示すとおりであり、ピーク信号Ｘ１は、その両どなりの信号Ｙ１，Ｚ１との値の差が小さく、ピークの部分がなだらかな形状となる。一方、受波素子の数が１１個の場合の結果は、図２０に示すとおりであり、ピーク信号Ｘ２は、その両どなりの信号Ｙ２，Ｚ２との値の差が大きく、ピークの部分が鋭利な形状となる。

つまり、図１９と図２０のグラフを対比すれば、受波素子の数が少ないほど、ピーク形状が訛り、ピーク位置とその両どなりの位置との遅延加算結果値の差が小さくなることが理解できる。超音波アレイセンサシステムでは、遅延加算した後のピーク位置が捉えたい物体の位置となるため、ピーク位置を誤ることは、検出精度を低下させることに繋がる。また、超音波アレイセンサの角度分解能は、相対感度が一定程度低下する角度として定義できる。図１９と図２０のグラフを対比すれば、５素子の場合よりも１１素子の場合の方が角度分解能が高いこと、すなわち、より細かな角度まで正確に位置検出できることが理解できる。

しかし、一方では、低コスト化や小型化の要請があるため、超音波アレイセンサシステムを設計する際、受波素子の数は簡単には増やせないという事情がある。

特開２００６−１０５６４７号公報特開２００７−１２１０４５号公報特開２００２−１５６４５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、遅延加算演算を利用した超音波アレイセンサシステムにおいて、従来は、低コスト化及び小型化の要請（より少ない受波素子で構成すること）と、高分解能化の要請（より鋭いピーク特性が得られること）を両立させることは困難であった点である。

本発明は、受波素子の使用数を減らした場合であっても、受波素子を多く使用したシステムと同等の検出精度が得られる超音波アレイセンサシステムを提供することを目的としてなされたものである。

本発明の超音波アレイセンサシステムは、
複数の受波素子が一次元または二次元に配置された超音波アレイセンサで超音波を受波し、アナログ信号を出力する超音波受波素子部と、
前記超音波受波素子部から出力されるアナログ信号を入力し、デジタル信号に変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部から出力されるデジタル信号のデータを入力し、遅延加算演算を行う遅延加算演算部と、
前記遅延加算演算部から出力される遅延加算結果値のデータを入力し、検出対象物が存在する位置のピーク信号の角度分解能が向上するように前記ピーク信号を強調する強調フィルタ部を備え、
前記強調フィルタ部は、前記遅延加算演算部から出力される各遅延加算結果値のデータを二乗し、その結果を強調後の遅延加算結果値とする二乗演算部と、対象部および周辺部の遅延加算結果値から平均値を算出し、その結果を前記対象部の強調後の遅延加算結果値とする周辺平均演算部とで構成されることを最も主要な特徴としている。

上記本発明では、遅延加算演算部から出力される遅延加算結果値のデータは、そのまま利用するのではなく、強調フィルタ部を通した後に、画像生成や物体検知等に利用するようにした。そして、本発明の強調フィルタ部では、超音波アレイセンサの走査角度と相対感度の関係をグラフで示したときに、検出対象物が存在する位置のピーク信号の角度分解能が向上するようにピーク信号を強調する処理、つまり、ピーク位置のグラフの山の形状を鋭利にする処理が行われる。

よって、本発明では、低コスト化及び小型化のために受波素子の数を減らした場合でも強調フィルタ部の作用によって鋭利なピーク形状が保たれるので、検出精度を低下させることがない。

本発明によれば、より少ない受波素子で構成するという「低コスト化及び小型化」の要請と、より鋭いピーク特性を得るという「高分解能化」の要請の両立が可能となる。

本発明の超音波アレイセンサシステムの構成を示すブロック図である。二乗演算部と周辺平均演算部からなる本発明の強調フィルタ部の構成の一例を示す図である。周辺平均演算の演算順序の一例を示す図である。本発明の強調フィルタ部の周辺平均演算部の説明図である。本発明の強調フィルタ部の出力エリア抽出部の説明図である。従来方式の超音波アレイセンサシステムの構成及び出力（ｉ１）を示すブロック図である。本発明の超音波アレイセンサシステムの構成及び出力（ｎ１〜ｎ４）を示すブロック図である。（ａ）は受波素子を、使用する超音波周波数の半波長間隔で一列に５つ配置した一軸アレイセンサの図、（ｂ）は受波素子を一列に２つ配置した一軸アレイセンサの図である。受波素子を一列に５つ配置した従来方式の超音波アレイセンサシステム（ｉ１）における遅延加算演算の結果を示すグラフである。受波素子を一列に２つ配置した従来方式の超音波アレイセンサシステム（ｉ１）における遅延加算演算の結果を示すグラフである。本発明の超音波アレイセンサシステム（ｎ１〜ｎ４）における遅延加算演算の結果を示すグラフである。計測範囲の端近辺から超音波が送波されるケースを説明する図である。図１２の計測範囲（０〜±７）において、出力エリア抽出部の有無によって、ピーク位置の演算結果の期待値である「理想値」と、ピーク位置の実際の演算結果である「計測値」が、どのように変化するかを示したグラフである。強調フィルタ部に用いるＦＩＲフィルタの構成を示す図である。受波素子を一列に２つ配置した一軸アレイセンサに対し、ＦＩＲフィルタを用いた場合の遅延加算演算の結果を示すグラフである。受波素子を一列に５つ配置した一軸アレイセンサに対し、ＦＩＲフィルタを用いた場合の遅延加算演算の結果を示すグラフである。従来の超音波アレイセンサシステムの構成を示すブロック図である。（ａ）は、受波素子を、使用する超音波周波数の半波長間隔で一列に５個並べた場合の図、（ｂ）は、同様に一列に１１個並べた場合の図である。受波素子の数が５個の場合において、±５０°の範囲で５°きざみに遅延加算演算した場合のピーク信号の指向性を示すグラフである。受波素子の数が１１個の場合において、±５０°の範囲で５°きざみに遅延加算演算した場合のピーク信号の指向性を示すグラフである。

本発明は、受波素子の使用数を減らした場合であっても、受波素子を多く使用したシステムと同等の検出精度が得られる超音波アレイセンサシステムを提供するという目的を、遅延加算演算部から出力される遅延加算結果値のデータを入力し、検出対象物が存在する位置のピーク信号の角度分解能が向上するように前記ピーク信号を強調する強調フィルタ部を設けることによって実現した。

以下、本発明の実施例を、図１〜図１６を用いて詳細に説明する。図１は本発明の超音波アレイセンサシステムの構成を示すブロック図である。

超音波アレイセンサシステム１は、超音波受波素子部２と、ＡＤ変換部３と、遅延加算演算部４と、強調フィルタ部５と、出力エリア抽出部６とで構成される。超音波受波素子部２は、複数の受波素子が一次元または二次元に配置された超音波アレイセンサで、超音波１１を入力し、アナログ信号１２を出力する。ＡＤ変換部３は、超音波受波素子部２からのアナログ信号１２を入力し、デジタル信号１３に変換する。遅延加算演算部４は、ＡＤ変換部３から入力されたデータを記憶する記憶部を内部に備え、この記憶部に記憶されたデータに対し、遅延加算演算を行うものである。

強調フィルタ部５は、遅延加算演算部４から出力される遅延加算結果値のデータ１４を入力し、検出対象物が存在する位置のピーク信号の角度分解能が向上するようにピーク信号を強調し、出力エリア抽出部６に強調演算結果１５を出力するものである。強調フィルタ部５の具体的構成の一例は、図２〜図５に示すとおりである。

図２の実施例の強調フィルタ部５は、延加算演算部４から出力される遅延加算結果値のデータ１４を入力し、二乗演算部５１ａ、周辺平均演算部５１ｂ、二乗演算部５２ａ、周辺平均演算部５２ｂ、二乗演算部５３ａ、周辺平均演算部５３ｂ、二乗演算部５４ａの順に実行し、強調演算結果１５を出力するものである。二乗演算部５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａは、下記式に示すように、遅延加算演算部４から出力された各遅延加算結果値のデータや、直前の周辺平均演算部５１ｂ、５２ｂ、５３ｂからのデータを二乗し、その結果を強調後の遅延加算結果値とするものである（x，yは二次元の位置）。

一方、周辺平均演算部５１ｂ，５２ｂ，５３ｂは、その演算順序の一例は図３に示すとおりであり、図４（ａ）に示すように、検出対象物の位置を示す対象部「ｅ」およびその周辺部「ａ」「ｂ」「ｃ」「ｄ」「ｆ」「ｇ」「ｈ」「ｉ」の遅延加算結果値から平均値を算出し、その結果を図４（ｂ）に示すように、前記対象部「ｅ」の強調後の遅延加算結果値「ｅ’」とするものである。

この周辺平均演算部が行う平均値の算出については、種々の計算方法が考えられるが、本発明は計算方法は特に限定するものではなく、所望の方法を用いることができる。例えば、二次元アレイセンサの場合、図４中で説明しているように、「ｅ」の位置の変換後のデータ「ｅ’」は、「ｅ」自身とその周囲にある「ａ」「ｂ」「ｃ」「ｄ」「ｆ」「ｇ」「ｈ」「ｉ」のデータを足し算し、下記式に示すように、全体を「９」で割る単純平均としても良いし、あるいは重みづけをしても良い。

あるいは、受波素子が横方向に並んだ一軸センサの場合は、下記式に示すように、左右両どなりのデータを参照して、全体を「３」で割る単純平均とすれば良い。

上記のように、二乗演算部５１ａ、５２ａ、５３ａ、５４ａおよび周辺平均演算部５１ｂ，５２ｂ，５３ｂは、入力されるデータの全領域について演算を行い、次の演算部へ渡す。

図１のブロック図の説明に戻ると、出力エリア抽出部６は、超音波アレイセンサシステム１が最終的に必要とする遅延加算演算エリアよりも大きなエリアに対して遅延加算演算部４および強調フィルタ部５を実行した後に、最終的に必要とする遅延加算演算エリアを抽出するものである。

すなわち、図５（ａ）に示すように、本発明では、最終的に必要とするエリアが中央の点線枠のようなサイズであったとしても、そのエリアだけに強調フィルタを実行するのではなく、その周囲も含めて強調フィルタ５を実行する。そして、最終的に必要とするエリアよりも大きなエリアで演算した結果から、図５（ｂ）に示すように、必要なエリア事後的に抽出するものである。そして、この出力エリア抽出部６からの出力データ１６を利用し、画像生成や物体検知を行うものである。

次に、受波素子を横方向に並べた一軸センサを例とし、従来方式で遅延加算演算をした結果と、本発明方式でピーク強調を行った結果の違いについて、詳しく説明する。

図６は、図１７とほぼ同様の図であり、従来方式の超音波アレイセンサシステムの構成をブロック図で示したものである。図６中に記載のとおり、この従来方式で得られる最終結果出力を「ｉ１」と称する。

図７は、図２とほぼ同様の図で、本発明の超音波アレイセンサシステムの構成をブロック図で示したものである。図７中に記載のとおり、遅延加算演算部４から出力される遅延加算結果値のデータ１４を入力し、二乗演算部５１ａ、周辺平均演算部５１ｂを１回実行した後のデータを「ｎ１」、更に二乗演算部５２ａ、周辺平均演算部５２ｂを実行し、二乗演算と周辺平均演算を計２回実行した後のデータを「ｎ２」、更に二乗演算部５３ａ、周辺平均演算部５３ｂを実行し、二乗演算と周辺平均演算を計３回実行した後のデータを「ｎ３」、更に二乗演算部５４ａを実行した後のデータを「ｎ４」と称する。

図８（ａ）は、受波素子を５個並べた一軸アレイセンサを、図８（ｂ）は、受波素子を２個並べた一軸アレイセンサを示している。これらについて、一軸アレイセンサの正面位置（０°の位置）に検出対象物を配置し、超音波を発信するとともに反射波を受信し、遅延加算演算した結果を図９〜図１０に示す。これらの指向性を示すグラフは、横軸が走査角度で、縦軸が一軸アレイセンサの相対感度（ピーク値を１．０としたもの）を示している。

受波素子を５個並べた従来方式の一軸アレイセンサの最終結果出力「ｉ１」は図９、受波素子を２個並べた従来方式の一軸アレイセンサの最終結果出力「ｉ１」は図１０に示すとおりである。図９及び図１０から理解されるとおり、従来方式の超音波アレイセンサシステムは、受波素子が２個の場合、角度分解能はかなり低い状態となってしまい、ピーク信号Ｘ３を、その両どなりの信号Ｙ３，Ｚ３と区別して誤りなく検出することは困難である。

これに対し、強調フィルタ部５を設けた本発明の超音波アレイセンサシステム１を使用した場合は、受波素子を２個並べた一軸アレイセンサであっても、受波素子を５個並べた一軸アレイセンサと同等の検出精度を得ることができる。

すなわち、図１１は、受波素子を２個並べた従来方式の一軸アレイセンサの最終結果出力のデータ「ｉ１」の指向性を示すグラフに、本発明の超音波アレイセンサシステムにおける途中結果のデータ「ｎ１」乃至「ｎ３」、及び、最終結果出力データ「ｎ４」の各指向性を示すグラフを追記したものである。図１１より、二乗演算部と周辺平均演算部の実行回数を増やすごとに、ピーク信号が強調され、角度分解能が向上していることが明らかである。

ところで、以上の実施例では、検出対象物が正面位置に存在し、反射波も正面から送波されるケースについて述べたが、計測範囲の端近辺から超音波が送波される場合は、歪みが起きやすいため、強調フィルタ部５に加え、出力エリア抽出部６を通すことにより歪みを少なくすることができる。

図１２は、計測範囲を±７分割、中心をあわせて合計１５分割した図である。計測範囲を±４９°とすると、この例では１分割あたりの角度は７°となる。つまり、図中Ａの符号が示している「０」は正面位置を、Ｂの符号が示している「７」は４９°の位置を意味する。

図１３は、図１２の計測範囲（０〜±７）において、ピーク位置の演算結果の期待値である「理想値」と、ピーク位置の実際の演算結果である「計測値」の関係を示したグラフである。（１）は、受波素子を１３個有した従来方式の比較例、（２）は、受波素子を４個有し、出力エリア抽出部６は有さない本発明の超音波アレイセンサシステムの実施例、（３）は、受波素子を４個有し、出力エリア抽出部６を有する本発明の超音波アレイセンサシステムの実施例である。

図１３より、対象物が「０」から「４」、すなわち、０°から２８°の範囲にあるときは、出力エリア抽出部６の有無にかかわらず、理想値と計測値は一致しており、正確な検出を行っている。次に、対象物が「５」、すなわち、３５°の位置になると、歪みが大きくなるため、受波素子４個で強調フィルタをかける本発明の方式では、「５」の位置あると正確に検出することは困難になる。

しかし、出力エリア抽出部６が存在する場合は、（３）のグラフに示すように、その誤差は１単位（７°）にとどまり、計測値は「６」であるのに対し、出力エリア抽出部６が存在しない場合は、（２）のグラフに示すように、その誤差は２単位（１４°）となり、計測値は「７」となっている。

つまり、本発明では、計測範囲の端近辺から超音波が送波される場合は、歪みが起きやすいが、強調フィルタ部５に加え、出力エリア抽出部６を設ければ、歪みを少なくすることができる。

図１４は、強調フィルタ部５を、ディジタルフィルタで実装した実施例の図で、具体的にはＦＩＲフィルタを使用した例である。図７に示した入力データ「ｉ１」に対し、ピーク強調結果「ｎ４」と同等の結果を得るＦＩＲフィルタは、タップ数が５、各係数（a0,a1,a2,a3,a4）は（3,5,6,5,3）であり、その結果は、図１５及び１６に示すとおりである。

図１５は、受波素子を２個並べた一軸アレイセンサ、図１６は、受波素子を５個並べた一軸アレイセンサのデータである。何れのグラフも「ｉ１」は、従来方式の一軸アレイセンサの最終結果出力を示している。

これに対し、上記ＦＩＲフィルタを実装した強調フィルタ部５を設けた本発明の超音波アレイセンサシステム１を使用した場合は、受波素子が２個の一軸アレイセンサであっても、図１５の「ｎ４」のグラフに示すように、受波素子が５個の一軸アレイセンサとほぼ同等の検出精度を得ることができる。また、受波素子が５個の一軸アレイセンサに、上記ＦＩＲフィルタを実装した強調フィルタ部５を適用した場合も、図１６の「ｎ４」のグラフに示すように、ピーク信号の角度分解能を更に向上することができる。

本発明は、前記の実施例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

１超音波アレイセンサシステム
２超音波受波素子部
３ＡＤ変換部
４遅延加算演算部
５強調フィルタ部
５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ二乗演算部
５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ周辺平均演算部
６出力エリア抽出部

Claims

複数の受波素子が一次元または二次元に配置された超音波アレイセンサで超音波を受波し、アナログ信号を出力する超音波受波素子部と、
前記超音波受波素子部から出力されるアナログ信号を入力し、デジタル信号に変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部から出力されるデジタル信号のデータを入力し、遅延加算演算を行う遅延加算演算部と、
前記遅延加算演算部から出力される遅延加算結果値のデータを入力し、検出対象物が存在する位置のピーク信号の角度分解能が向上するように前記ピーク信号を強調する強調フィルタ部を備え、
前記強調フィルタ部は、前記遅延加算演算部から出力される各遅延加算結果値のデータを二乗し、その結果を強調後の遅延加算結果値とする二乗演算部と、対象部および周辺部の遅延加算結果値から平均値を算出し、その結果を前記対象部の強調後の遅延加算結果値とする周辺平均演算部とで構成されることを特徴とする超音波アレイセンサシステム。
最終的に必要とする遅延加算演算エリアよりも大きなエリアに対して前記強調フィルタ部を実行した後に、最終的に必要とする遅延加算演算エリアを抽出する出力エリア抽出部を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波アレイセンサシステム。