WO2013128878A1

WO2013128878A1 - 信号処理装置、物体検知装置、物体検知機能付き装置および物体検知方法

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Publication number: WO2013128878A1
Application number: PCT/JP2013/001072
Authority: WO
Inventors: 宝珠山　治; 亮平齊藤; 洋之竹内
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2013-09-06
Also published as: JPWO2013128878A1; US9945945B2; US20150016224A1; JP6354582B2

Abstract

　本発明は、より精度良く物体を検知することができる技術を提供する。　信号処理装置１は、生成部２と、検知部３とを有する。生成部２は、周波数が非反復的に変化する変調波を送信信号として生成する機能を備えている。検知部３は、前記送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な受信手段によって受信された受信信号と、前記送信信号とを取り込む機能を備えている。さらに、検知部３は、それら受信信号と送信信号との相関関係に基づいて、前記物体の存在と、前記物体までの距離と、前記物体の移動速度とのうちの少なくとも一つを検知する機能を備えている。

Description

信号処理装置、物体検知装置、物体検知機能付き装置および物体検知方法

　本発明は、物体を検知する技術に関する。

　非特許文献１は、物体までの距離を測定する技術を提案している。この非特許文献1に表されている技術では、物体までの距離を測定する装置（距離測定装置）は、音波を送信し、また、物体で反射された音波を受信し、その受信した音波の波形と送信した音波の波形との相互相関関数を利用して距離を測定する。

佐藤友治、平田慎之介、黒澤実、片桐崇、「Ｍ系列符号を用いた超音波距離計測におけるパルス圧縮の多チャンネル化」、音響学会講演論文集、２００８年９月、ｐ．１５２７－１５２８

　しかしながら、非特許文献１にて提案されている技術では、距離測定装置から送信する音波の波形は、周期的に同様な波形を持つ。このため、前記相互相関関数において、波形が似ている区間同士の相関に起因して、メインのピーク以外に、サイドローブ（side lobe）あるいはグレーティングローブ（grating lobe）と呼ばれるピーク（以下、このようなピークをサブピークと記す）が発生する。非特許文献１の技術では、距離測定装置は、相互相関関数におけるメインピークを利用する。環境雑音などがある環境では、サブピークがメインピークに匹敵する高さとなる場合がある。このような場合に、メインピークを利用する距離測定装置は、サブピークに因って不正確な結果を出力する虞がある。つまり、非特許文献１の技術を利用した距離測定装置には、相関関係におけるサブピークに起因して検知精度が低下するという問題がある。

　本発明は上記課題を解決するためになされている。すなわち、本発明の主な目的は、より精度良く物体を検知する技術を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明の信号処理装置は、
　周波数が非反復的に変化する変調波を送信信号として生成する生成手段と、
　前記送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な受信手段によって受信された受信信号と、前記送信信号との相関関係に基づいて、前記物体の存在と、前記物体までの距離と、前記物体の移動速度とのうちの少なくとも一つを検知する検知手段と
を備える。

　本発明の物体検知装置は、
　上記本発明の信号処理装置と、
　前記信号処理装置の生成手段により生成された送信信号を送信する送信手段と、
　前記送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な受信手段と
を備える。

　本発明の物体検知機能付き装置は、
　上記本発明の物体検知装置と、
　当該物体検知装置による物体検知結果を利用して、自装置の動作を制御する制御装置と
を有する。

　本発明の物体検知方法は、
　周波数が非反復的に変化する変調波を送信信号として生成し、
　前記送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な受信手段によって受信された受信信号と、前記送信信号との相関関係に基づいて、前記物体の存在と、前記物体までの距離と、前記物体の移動速度とのうちの少なくとも一つを検知する。

　本発明は、より精度良く物体を検知することができる。

本発明に係る第１実施形態の信号処理装置の構成を表すブロック図である。本発明に係る第１実施形態の物体検知装置の構成を表すブロック図である。本発明に係る物体検知機能付き装置の一実施形態の構成を表すブロック図である。本発明に係る第２実施形態の物体検知装置の構成を表すブロック図である。ＳＦＭ（Sinusoidal　Frequency　Modulation）のスペクトログラムに基づいて、そのＳＦＭの周波数が時間によりどのように変化するかの一例を表す図である。ＳＦＭの曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて相関関数の値の大きい部分を表す図である。図５に示されるＳＦＭよりも周波数変化を３倍高速にした場合のＳＦＭの周波数を表す図である。図７に示される周波数変化をもつＳＦＭの曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて相関関数の値の大きい部分を表す図である。具体例１の送信信号のスペクトログラムに基づいて、そのＳＦＭの周波数が時間によりどのように変化するかの一例を表す図である。具体例１の送信信号の曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて相関関数の値の大きい部分を表す図である。具体例２の送信信号のスペクトログラムに基づいて、そのＳＦＭの周波数が時間によりどのように変化するかの一例を表す図である。具体例２の送信信号の曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて相関関数の値の大きい部分を表す図である。具体例３の送信信号のスペクトログラムに基づいて、そのＳＦＭの周波数が時間によりどのように変化するかの一例を表す図である。具体例３の送信信号の曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて相関関数の値の大きい部分を表す図である。具体例４の送信信号のスペクトログラムに基づいて、そのＳＦＭの周波数が時間によりどのように変化するかの一例を表す図である。具体例４の送信信号の曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて相関関数の値の大きい部分を表す図である。具体例５の送信信号のスペクトログラムに基づいて、そのＳＦＭの周波数が時間によりどのように変化するかの一例を表す図である。具体例５の送信信号の曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて相関関数の値の大きい部分を表す図である。

　以下に、本発明に係る実施形態を図面を参照しながら説明する。

　[[　第１実施形態　]]
　図１は、本発明に係る第１実施形態の信号処理装置の構成を簡略化して表すブロック図である。第１実施形態の信号処理装置１は、例えばＣＰＵ（central　processing　unit）等を含むコンピュータ装置により実現される。この信号処理装置１は、生成部（生成手段）２と、検知部（検知手段）３とを有する。

　生成部２は、周波数が非反復的に変化する変調波を送信信号として生成する機能を備えている。検知部３は、前記送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な受信手段によって受信された受信信号と、前記送信信号とを取り込む機能を備えている。さらに、検知部３は、それら受信信号と送信信号との相関関係に基づいて、前記物体の存在と、前記物体までの距離と、前記物体の移動速度とのうちの少なくとも一つを検知する機能を備えている。

　この第１実施形態の信号処理装置１は、送信信号として、周波数が非反復的に変化する変調波を生成している。このため、その送信信号と受信信号との相関関係を利用する信号処理における不要なデータ（例えばサブピーク）が抑制されることとなる。これにより、信号処理装置１は、その不要なデータ（サブピーク）に起因して検知精度が低下する問題を抑制できる。換言すれば、この第１実施形態の信号処理装置１は、より精度良く物体を検知できる。

　図２は、信号処理装置１を組み込んだ本発明に係る物体検知装置の一実施形態の構成を簡略化して表すブロック図である。この物体検知装置５は、信号処理装置１に加えて、送信部（送信手段）７と、受信部（受信手段）８とを有している。送信部７は、信号処理装置１の生成部２により生成された送信信号を送信する機能を備えている。受信部８は、送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な機能を備えている。この物体検知装置５は、信号処理装置１を備えていることから、信号処理装置１の構成により得られる効果（つまり、精度良く物体を検知できるという効果）を得ることができる。

　図３は、本発明に係る物体検知機能付き装置の一実施形態の構成を簡略化して表すブロック図である。この物体検知機能付き装置１０は、物体検知装置５と、当該物体検知装置５による物体検知結果を利用して、自装置１０の動作を制御する制御装置１１とを備えている。この物体検知機能付き装置１０は、この第１実施形態の信号処理装置１を備える物体検知装置５を有していることから、物体検知装置５によって精度良く検知された物体検知結果に基づいて精度良く動作することができる。

　[[　第２実施形態　]]
　以下に、本発明に係る第２実施形態を説明する。

　図４は、第２実施形態の物体検知装置の構成を簡略化して表すブロック図である。この第２実施形態の物体検知装置２０は、信号処理装置２１と、送信部（送信手段）２２と、受信部（受信手段）２３と、報知部（報知手段）２４と、記憶装置２５とを有している。

　送信部２２は、送信器であり、当該送信器は、変換素子（例えばトランスデューサ）を含む。この変換素子は、気体、液体、固体を問わず、弾性体を伝播する弾性振動波を発生する機能を備える。ここで、弾性振動波としては、音波（可聴周波数で振動する弾性振動波）、超音波（人間の耳には聞こえない高い周波数で振動する弾性振動波）または超低周波音波（人間の耳には聞こえない低い周波数で振動する弾性振動波）のいずれであってもよい。送信部２２は、信号処理装置２１により生成された送信信号（電気信号）に基づいて前記変換素子が駆動することにより、その送信信号を弾性振動波に変換し、当該弾性振動波を送信信号として送信（出力）する機能を備える。

　受信部２３は、受信器であり、当該受信器は、送信部２２から送信された送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能なアンテナ機能を備えている。

　記憶装置２５は、コンピュータプログラム（略してプログラムと記すこともある）や、各種データを記憶する機能を備えている。この記憶装置２５は、信号処理装置２１に送信信号を生成させるためのプログラムを記憶している。

　信号処理装置２１は、ＣＰＵを含むコンピュータ装置であり、記憶装置２５に記憶されているコンピュータプログラムに基づいて信号処理を実行する。この第２実施形態では、信号処理装置２１は、コンピュータプログラムに基づいた機能部として、生成部（生成手段）３０と、検知部（検知手段）４０とを有している。

　生成部３０は、周波数が非反復的に変化する変調波を送信信号として生成する機能を備えている。この生成部３０は、例えば、正弦波生成部（正弦波生成手段）３１と、周波数制御部（周波数制御手段）３２とを備える。正弦波生成部３１は、正弦波を生成する機能を備えている。周波数制御部３２は、正弦波生成部３１により生成される正弦波の周波数が非反復的に変化するように正弦波生成部３１を制御する機能を備える。具体例としては、周波数制御部３２は、正弦波の周波数変化を表わす波形が反復しない形状となるように、正弦波生成部３１により生成される正弦波の周波数を制御する。

　検知部４０は、送信部２２から送信された送信信号と、受信部２３により受信された受信信号との相関関係に基づいて、物体を検知する機能を備える。ここでは、物体を検知する機能とは、物体の存在（有無）を検知する機能と、物体までの距離を検知（測定）する機能と、物体の移動速度を検知（測定）する機能との少なくとも一つを含む。

　この第２実施形態では、検知部４０は、相関計算部４１と、分析部４２と、算出部４３とを有する。相関計算部４１は、正弦波生成部３１により生成された送信信号を送信部２２から送信された送信信号として取り込み、当該取り込んだ送信信号と、受信部２３により受信された受信信号との相互相関関数を算出する機能を備えている。具体的には、相関計算部４１は、期待受信波形と、受信信号の波形との同一度を定量評価することにより、相互相関関数を計算する。期待受信波形とは、送信信号の波形に基づいて想定される、期待される受信信号の波形である。この期待受信波形は、送信信号を反射する物体が静止しており、かつ、送信部２２および受信部２３における信号の歪みが十分に小さい場合には、正弦波生成部３１により生成される送信信号の波形と同一とする。

　分析部４２は、相関計算部４１により算出された相互相関関数に基づいて、送信信号が反射された反射位置（反射波の発生位置）を求める機能を備えている。例えば、分析部４２は、相互相関関数の絶対値が最大となる時間差から伝播遅延を算出し、この算出結果と音速に基づいて、反射位置を求めることができる。

　算出部４３は、分析部４２により求められた反射位置を利用して、物体を検知する機能を備えている。具体的には、算出部４３は、物体の存在（有無）を検知する機能を備えている場合には、前記求められた反射位置と、所定位置（無限遠または物体が存在していると想定される場所よりも遠い例えば壁の位置など）とを比較する。そして、算出部４３は、前記求められた反射位置が所定位置よりも近いと判定した場合には、物体が存在すると判定する。また、分析部４２が相互相関関数におけるピーク数をカウントする機能を持つ構成とすることにより、算出部４３は、そのピーク数により、存在している物体の数を検知（測定）することができる。

　算出部４３は、物体までの距離を検知（測定）する機能を備えている場合には、前記求められた反射位置に基づいて、検知された物体までの距離を測定する。

　さらに、算出部４３は、物体の移動速度を検知（測定）する機能を備えている場合には、次のようにして物体の移動速度を検知する。この場合には、物体の移動速度が複数仮定され、その仮定された速度毎に、ドップラー効果を考慮した期待受信波形が計算され、当該期待受信波形の情報が物体検知装置２０に与えられる。また、相関計算部４１は、各速度毎の期待受信波形と受信波形との相互相関関数を計算する。分析部４２は、それら相互相関関数を比較し、相互相関関数のピークが最も強くなる期待受信波形を見つける。算出部４３は、その期待受信波形を算出する際に利用した速度を、物体の移動速度として検知（測定）する。

　算出部４３は、上記したような、物体の存在と、物体までの距離と、物体の移動速度とのうちの少なくとも一つを検知（測定）する機能を備えている。

　報知部２４は、算出部４３により検知（測定）された結果を報知する機能を備えている。例えば、報知部２４は、ディスプレイとスピーカとの一方あるいは両方により構成される。

　この第２実施形態の物体検知装置２０は、周波数が非反復的に変化する変調波を送信信号として生成する構成を備えることにより、特有な効果を得ることができる。ここで、その特有な効果を説明する前に、物体検知における信号送受信に関連する技術について説明する。

　（関連技術の説明）
　送信した信号が物体で反射されることによって戻ってきた反射信号を受信する性能は、送信信号の波形によって大きく異なる。また、送信器に内蔵される送信信号を発生する素子（トランスデューサ）と、受信器に内蔵される受信素子（アンテナ）との特性によっても異なる。特に共振を利用する送信素子は、発生できる周波数範囲に制限がある。また、当該送信素子は、送信できる信号の振幅と電力に限界がある。この限界を超えると、送信信号の波形が所望の波形から著しく変形したり、あるいは、負担増に因り送信素子が破損する虞がある。一方、環境の雑音（ノイズ）に比する受信信号（物体で反射して戻ってきた反射信号）の大きさの比（ＳＮ（Signal-Noise）比）を高めることを考慮すると、送信器は、大きな電力でもって信号を送信することが望ましい。前記制限と要求を両立させることは難しい。

　例えば、送信信号の波形として白色ガウス雑音を利用した場合には、送信素子の特性を考慮しなければ、その送信信号と受信信号（反射信号）とに基づいた鋭い相関関数が得られ、かつ、物体が移動していることを検知することが容易である。しかし、送信信号における波形の振幅の最大値に対して波形全体の電力が小さいため、雑音が大きい環境では、ＳＮ比が悪化し、これにより、物体を検知する性能が著しく低下する。

　送信信号の波形として、トーンバーストと呼ばれる波形がある。この波形は正弦波を一定時間切り取った波形である。正弦波の周波数を送信素子の共振周波数に合わせておくことにより、送信素子は効率良く送信信号を発生することができる。しかし、正弦波は部分的にも相関があるため、送信信号と受信信号（反射信号）とに基づいた相関関数において鋭いピークが得られない。このため、その相関関数を利用して物体の位置を精度高く検知することは難しい。

　送信素子の特性を考慮した送信信号の波形として、ＳＦＭ（Sinusoidal　Frequency　Modulation）がある。ＳＦＭは、正弦波で正弦波を周波数変調した波形である。送信素子の共振周波数をキャリア周波数とし、キャリア周波数と比較して低い周波数の正弦波で周波数変調する。周波数変調の範囲は、送信素子の共振周波数を大きく外れないように設定される。送信信号の波形としてＳＦＭを利用することは、送信素子への負担を少なくできるため、信号の大きさを大きくできる。

　ＳＦＭを生成するプログラムの例をここに示す。
＝　ＳＦＭを生成するプログラム（プログラム１）　＝

　ここで、ｔｉはサンプル番号（つまり時間）を表わす。ｌｅｎは信号の長さを表わす。ｐｈｉは位相を表わす。ｓｉｇ（ｔｉ）は送信信号の波形を表わす。ｐｉは円周率を表わす。ｆ１は変調正弦波（送信信号）の周波数を表わす。ｂｅｔａは帯域幅を表わす。＊は乗算記号である。これらについては、以下に表すプログラムでも同様である。

　図５は、上記プログラム１で生成されたＳＦＭのスペクトログラムに基づいた図である。すなわち、図５では、シミュレーションにより得られたスペクトログラムに、説明を分かり易くするために実線Ａが追加されている。実線Ａは、プログラム１で生成されたＳＦＭの周波数が時間によりどのように変化するかを表している。ここでは、例示的に、中心周波数は４０ｋHzとし、変調の帯域幅はプラスマイナス２ｋHzとし、波形長は５０mSec（ミリ秒）とした。図５に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は周波数である。図５に示されるように、ＳＦＭは、周波数が時間により正弦波を描いくように変化していることが分かる。なお、この実施形態の説明において、図５以外にもスペクトログラムに基づいた図面を利用する。これら図面においても、図５と同様に、説明を分かり易くするためにスペクトログラムに線が追加されている。

　ＳＦＭを利用した送信信号と、その反射信号（受信信号）とに基づいた相関関数は鋭いピークをもつ。このために、ＳＦＭを利用した送信信号と、その反射信号（受信信号）とに基づいて物体の位置を検知する物体検知の精度は高い。また、ドップラー効果を利用した物体の速度を検知する物体検知（速度検知）の精度も低くない。そのため、ＳＦＭを送信信号として利用する技術は、レーダーなどで使用されている（例えば、米国特許ＵＳ４２７１４１２を参照）。

　ただし、周波数変調波形が似ている区間では相関をもつため、相関関数において、メインピーク以外にもサブピークが発生する。このサブピークは、環境雑音などが有る環境では、メインピークに匹敵する高さとなる場合がある。この場合には、サブピークは、物体検知における誤検知（物体の存在の有無を誤ったり、物体までの距離や物体の移動速度が不正確な検知結果を出力してしまう事態）を招く虞がある。

　サブピークは、曖昧度関数（ambiguity function）により確認される。曖昧度関数は、「横田康成　講義資料　信号処理　第三部　非定常信号解析・ケプストラム解析http://www1.gifu-u.ac.jp/~yktlab/sp3.pdf」に記載されているように、例えば式（１）で定義される。

　ここでA(τ,ν)は曖昧度関数を表す。τは時間差を表す。νは周波数偏移量（ドップラー効果）を表す。U(t)は波形を時刻tについて表す。＊は複素共役を表す。eは対数の底を表す。iは虚数単位を表す。πは円周率を表す。

　図６は、ＳＦＭの曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて相関関数の値の大きい部分を表す図である。図６に示すグラフの縦軸は周波数偏移（移動速度に対応）を表し、横軸は時間差（距離に対応）を表す。横線Ｂは、物体の移動速度がゼロである場合における送信信号と受信信号との相関関数の値に対応する位置を表す。

　この図６において、色の濃さが濃い程（灰色から黒に近づくにつれ）、相関関数の値が大きい。また、理想的には、中央部（速度ゼロ、かつ、時間ゼロである部分）にのみ相関関数の値の高い部分があり、それ以外の相関関数の値は低いことが望ましい。ＳＦＭは、横線Ｂに、中央部以外にもいくつかのピーク（相関関数の値が大きい部分）がある。これらのピークがサブピークである。サブピークがメインピーク（この図では中央部）として間違って検知されてしまう場合がある。物体の移動速度を検知する場合には、サブピークに起因して物体の移動速度を誤って測定する虞がある。

　下記のプログラムは、プログラム１により生成されるＳＦＭよりも周波数の時間変化が３倍高速であるＳＦＭを生成させるプログラムである。
＝　ＳＦＭを生成するプログラム（プログラム２）　＝

　図７は、上記プログラム２によるＳＦＭのスペクトログラムに基づいて、そのＳＦＭの周波数が時間によりどのように変化するかを実線Ｃにより表す図である。

　図８は、プログラム２で生成されたＳＦＭに関する曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて、そのＳＦＭ（送信信号）と反射信号（受信信号）との相関関数の値の大きい部分を表す図である。この図８に基づくと、プログラム１によるＳＦＭよりも周波数の時間変化が３倍高速であるＳＦＭを送信信号として利用する場合には、その送信信号と反射信号（受信信号）との相関関数において、メインピーク以外にサブピークが２ヶ所あることが分かる。このサブピークは、送信信号に部分的に同じ波形があることにより生じるピークである。このサブピークをメインピークとして検知されてしまうと、前述したような誤検知を招く虞がある。

　これに対し、この第２実施形態では、送信信号は、周波数が非反復的に変化する変調波である。このため、送信信号は、受信信号（反射信号）との相関関数におけるサブピークを抑制でき、これにより、上記のような誤検知の問題を防止できる。

　以下に、この第２実施形態における送信信号の具体例を述べる。

　すなわち、上記のような問題を防止するためには、送信信号の周波数は滑らかに、かつ、非反復的に変化することが、より望ましい。このことから、送信信号における周波数の非反復的な変化としては、周波数の変化の速度を徐々に速くすること、周波数の変化の速度を徐々に遅くすること、周波数の変化の速度を徐々に速くした後に遅くすること、周波数の変化の速度を徐々に遅くした後に速くすることなどが考えられる。

　次に示すプログラムは、送信信号の具体例１として、周波数の変化の速度が徐々に速くなる送信信号を発生させるプログラムである。
＝　具体例１の送信信号を発生させるプログラム（プログラム３）　＝

　図９は、上記プログラム３による送信信号のスペクトログラムに基づいて、その送信信号の周波数が時間によりどのように変化するかを実線Ｄにより表す図である。図９に示されるように、具体例１の送信信号における周波数の変化は、徐々に速くなっている。つまり、具体例１の送信信号は、正弦波の周波数変調ｆ１を表す角周波数を時間ｔｉｌｅｎに対して二次関数（ｔｉｌｅｎ＋５×（Ｔｉｌｅｎ）^２）で変化させることによって生成されている。

　図１０は、具体例１の送信信号に関する曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて、その送信信号と反射信号（受信信号）との相関関数の値の大きい部分を表す図である。図１０からも分かるように、具体例１の送信信号とその反射信号（受信信号）との相関関数において、メインピーク（図１０に示される中央部分）は見られるが、物体の速度がゼロである場合（横線Ｂ参照）、サブピークは抑制されている。また、時間がゼロである縦線Ｆにおいても、相関関数の値が大きい部分は少ない。これらのことにより、具体例１の送信信号によって、物体検知における誤検知を防止することができる効果が得られることが分かる。

　すなわち、具体例１の送信信号は、正弦波の周波数を連続的かつ一方向（ここでは周波数変化が速くなる方向）に変化させることによって、反射信号（受信信号）との相関関数におけるサブピークを抑えることができている。

　次に、送信信号の具体例２を説明する。この具体例２では、送信信号の周波数の変化は、徐々に遅くなった後に徐々に速くなる。

　次に示すプログラムは、具体例２の送信信号を発生させるプログラムである。
＝　具体例２の送信信号を発生させるプログラム（プログラム４）　＝

　図１１は、上記プログラム４による具体例２の送信信号のスペクトログラムに基づいて、その送信信号の周波数が時間によりどのように変化するかを実線Ｅにより表す図である。図１１に示されるように、具体例２の送信信号における周波数の変化は、徐々に遅くなった後に徐々に速くなっている。つまり、具体例２の送信信号は、正弦波の周波数変調ｆ１を表す角周波数を時間ｔｉｌに対して三次関数（２×ｔｉｌ＋５×（Ｔｉｌｅｎ）^３）で変化させることによって生成されている。

　図１２は、具体例２の送信信号に関する曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて、その送信信号と反射信号（受信信号）との相関関数の値の大きい部分を表す図である。図１２からも分かるように、具体例２の送信信号とその反射信号（受信信号）との相関関数において、メインピーク（図１２に示される中央部分）は見られるが、物体の速度がゼロである場合（横線Ｂ参照）も、時間がゼロである場合（縦線Ｆ）も、サブピークは抑制されている。つまり、図１２に示される状態は、物体の存在を検知することの誤検知が少なく、かつ、物体までの距離を測定する場合の測定誤差を小さくできることを表している。

　すなわち、具体例２の送信信号は、正弦波の周波数を連続的（ここでは周波数変化が遅くなった後に速くなる）に変化させることによって、反射信号（受信信号）との相関関数におけるサブピークを抑えることができている。

　次に示すプログラムは、具体例３の送信信号を発生させるプログラムである。
＝　具体例３の送信信号を発生させるプログラム（プログラム５）　＝

　図１３は、上記プログラム５による具体例３の送信信号のスペクトログラムに基づいて、その送信信号の周波数が時間によりどのように変化するかを実線Ｇにより表す図である。図１３に示されるように、具体例３の送信信号における周波数変化は、徐々に速くなっている。この具体例３の送信信号の周波数変化は、具体例１よりも遅いが、具体例１と同様に非反復的である。つまり、具体例３の送信信号は、正弦波の周波数変調ｆ１を表す角周波数を時間ｔｉｌｅｎに対して二次関数（ｔｉｌｅｎ＋（Ｔｉｌｅｎ）^２）で変化させることによって生成されている。

　図１４は、具体例３の送信信号に関する曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて、その送信信号と反射信号（受信信号）との相関関数の値の大きい部分を表す図である。図１４からも分かるように、具体例３の送信信号とその反射信号（受信信号）との相関関数において、メインピーク（図１４に示される中央部分）は見られるが、物体の速度がゼロである場合（横線Ｂ参照）も、時間がゼロである場合（縦線Ｆ）も、サブピークは抑制されている。つまり、図１４に示される状態は、具体例１，２と同様に、物体の存在を検知することの誤検知が少なく、かつ、物体までの距離を測定する場合の測定誤差を小さくできることを表している。

　すなわち、具体例３の送信信号は、正弦波の周波数を連続的かつ一方向（ここでは周波数変化が速くなる方向）に変化させることによって、反射信号（受信信号）との相関関数におけるサブピークを抑えることができている。

　次に示すプログラムは、具体例４の送信信号を発生させるプログラムである。
＝　具体例４の送信信号を発生させるプログラム（プログラム６）　＝

　図１５は、上記プログラム６による具体例４の送信信号のスペクトログラムに基づいて、その送信信号の周波数が時間によりどのように変化するかを実線Ｈにより表す図である。図１５に示されるように、具体例４の送信信号における周波数変化は、徐々に速くなっている。この具体例４の送信信号の周波数変化は、具体例１よりも遅いが、具体例３よりは速く、具体例１－３と同様に非反復的である。つまり、具体例４の送信信号は、正弦波の周波数変調ｆ１を表す角周波数を時間ｔｉｌｅｎに対して二次関数（ｔｉｌｅｎ＋２．５×（Ｔｉｌｅｎ）^２＋２×（Ｔｉｌｅｎ）^３）で変化させることによって生成されている。

　図１６は、具体例４の送信信号に関する曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて、その送信信号と反射信号（受信信号）との相関関数の値の大きい部分を表す図である。図１６からも分かるように、具体例４の送信信号とその反射信号（受信信号）との相関関数において、メインピーク（図１６に示される中央部分）は見られるが、物体の速度がゼロである場合（横線Ｂ参照）も、時間がゼロである場合（縦線Ｆ）も、サブピークは抑制されている。つまり、図１６に示される状態は、具体例１－３と同様に、物体の存在を検知することの誤検出が少なく、かつ、物体までの距離を測定する場合の測定誤差を小さくできることを表している。

　すなわち、具体例４の送信信号は、正弦波の周波数を連続的かつ一方向（ここでは周波数変化が速くなる方向）に変化させることによって、反射信号（受信信号）との相関関数におけるサブピークを抑えることができている。

　次に示すプログラムは、具体例５の送信信号を発生させるプログラムである。
＝　具体例５の送信信号を発生させるプログラム（プログラム７）　＝

　図１７は、上記プログラム７による具体例５の送信信号のスペクトログラムに基づいて、その送信信号の周波数が時間によりどのように変化するかを実線Ｉにより表す図である。図１７に示されるように、具体例５の送信信号における周波数は、中心周波数４０ｋＨｚ、変化幅プラスマイナス２ｋＨｚの範囲内で複雑に変化している。つまり、具体例５の送信信号も周波数が非反復的に変化する信号である。

　図１８は、具体例５の送信信号に関する曖昧度関数を表すスペクトログラムに基づいて、その送信信号と反射信号（受信信号）との相関関数の値の大きい部分を表す図である。図１８からも分かるように、具体例５の送信信号とその反射信号（受信信号）との相関関数において、メインピーク（図１８に示される中央部分）は見られるが、物体の速度がゼロである場合（横線Ｂ参照）も、時間がゼロである場合（縦線Ｆ）も、サブピークは抑制されている。つまり、図１８に示される状態は、具体例１－４と同様に、物体の存在を検知することの誤検出が少なく、かつ、物体までの距離を測定する場合の測定誤差を小さくできることを表している。

　[[　その他の実施形態　]]
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　例えば、第２実施形態で述べている送信信号の具体例１－５は、送信信号の周波数変化を徐々に遅くしてから速くする具体例と、徐々に速くする具体例である。これに対し、本発明に係る装置あるいは方法は、周波数が非反復的に変化する送信信号であれば、周波数の変化が徐々に速くなった後に遅くなる送信信号を生成してもよいし、周波数の変化が徐々に遅くなる送信信号を生成してもよい。

　第２実施形態で述べた具体例の送信信号の周波数は、正弦波の周波数変調を表わす角周波数が時間に対してｎ次関数（ｎは２以上の整数）で変化している。その変化を表す式は、時間ｔｉ，ｔｉｌ，ｔｉｌｅｎに関する多項式で表すことができる。これに対し、本発明に係る装置あるいは方法が生成する送信信号の周波数の変化は、指数関数、対数関数あるいは三角関数などを用いて表される変化であってもよい。

　また、本発明に係る装置あるいは方法が生成する送信信号の周波数の変化は、滑らかな変化ではなく、滑らかでない変化であってもよい。ただし、この場合、スペクトルが広がり、送信素子の負担になる場合があるので注意が必要である。スペクトルの広がりを抑えるためには、例えば、帯域制限フィルターを通す。または、波形開始時、終了時のスペクトル広がりを抑えるための窓がけ（テーパー処理、Raised Cosine処理）などを用いてもよい。

　さらに、第２実施形態で述べた送信信号は、ＳＦＭが変形した波形を有している。これに対し、本発明に係る装置あるいは方法が生成する送信信号は、前記曖昧度関数において、中央部以外に高いピークが発生しないように周波数が変化する信号であれば、ＳＦＭが変形した波形を持つ信号以外の信号であってもよい。なお、送信素子に負担をかけないためには、電力および波形振幅と、周波数が、送信素子が正常に信号を生成する範囲内に収まっていることが望ましい。

　さらに、第１と第２の実施形態では、物体を検知する手法（物体の存在、物体までの距離および物体の移動速度を検知する手法）は、受信波形と期待受信波形との相互相関関数を利用している。これに対し、例えば、本発明に係る物体を検知する手法は、期待受信波形と受信波形の合致度を表す別の指標を利用する手法であってもよい。このような手法を利用した信号処理装置と物体検知装置も、上記第１と第２の実施形態で示した送信信号を生成することによって、第１と第２の実施形態で述べた効果と同様の効果を得ることができる。

　さらに、第１と第２の実施形態では、物体検知装置から送信される送信信号は、音波または超音波であるが、例えば、音波と超音波以外の電磁波（例えば電波）であってもうよい。

　音波あるいは超音波を利用して物体を検知する技術は、ロボット同士がぶつからずに（衝突せずに）すれ違う技術や、車両の衝突を回避する技術に採用することができる。本発明は、そのような衝突を回避する技術以外にも、オフィスなどでの侵入者を監視する技術や、体育館での人の動きを検知する技術や、水中での障害物を監視する技術などにも採用することが可能である。なお、港湾など水中の監視では、超音波はすぐに減衰してしまうため使用できない場合が多いが、アクティブソーナー（Active Sonar）と呼ばれる音波を利用することにより、物体の存在を検知すること、物体までの距離を測定することおよび物体の移動速度を測定することができる。

　また、第２実施形態では、複数種の送信信号を示している。本発明に係る信号処理装置および物体検知装置は、１種類の送信信号を送信する機能を備えることに限定されず、例えば、複数種の送信信号を生成するプログラムを保持し、それら複数種の中から選択された送信信号を生成する構成としてもよい。

　さらに、本発明に係るその他の実施形態としての信号処理装置は、
　送信信号として送信するため、周波数が非反復的に変化する変調波を生成する生成手段と、
　前記送信信号が対象物体で反射することによって得られた反射信号と前記送信信号との相関を計算および分析することにより、前記対象物体の存在、前記対象物体までの距離および前記対象物体の移動速度の少なくともいずれか一つを検出する検出手段と、
　を備えている。

　さらに、本発明に係るその他の実施形態としての物体検知方法は、
　周波数が非反復的に変化する変調波を生成する生成ステップと、
　前記変調波を送信信号として送信する送信ステップと、
　前記送信信号が対象物体で反射することによって得られた反射信号を受信する受信ステップと、
　前記送信信号と前記反射信号との相関を計算および分析することにより、前記対象物体の存在、前記対象物体までの距離、および前記対象物体の移動速度の少なくともいずれか一つを検出する検出ステップと、
　を含む。

　さらにまた、本発明に係るその他の実施形態としての信号処理装置、物体検知装置および物体検知機能付き装置に含まれるプログラムは、
　周波数が非反復的に変化する変調波を生成する生成ステップと、
　前記変調波を送信信号として送信する送信ステップと、
　前記送信信号が対象物体で反射することによって得られた反射信号を受信する受信ステップと、
　前記送信信号と前記反射信号との相関を計算および分析することにより、前記対象物体の存在、前記対象物体までの距離、および前記対象物体の移動速度の少なくともいずれか一つを検出する検出ステップと、
　をコンピュータに実行させる制御手順が表されている。

　なお、この出願は、２０１２年２月２８日に出願された日本出願特願２０１２－０４１４５５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　本発明は、物体を検知する技術を利用する様々な分野で利用することができる。

　１，２１　信号処理装置
　２，３０　生成部
　３，４０　検知部
　５，２０　物体検知装置
　７，２２　送信部
　８，２３　受信部
　３１　正弦波生成部
　３２　周波数制御部

Claims

　周波数が非反復的に変化する変調波を送信信号として生成する生成手段と、
　前記送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な受信手段によって受信された受信信号と、前記送信信号との相関関係に基づいて、前記物体の存在と、前記物体までの距離と、前記物体の移動速度とのうちの少なくとも一つを検知する検知手段と
を備える信号処理装置。
　前記生成手段は、
　正弦波を生成する正弦波生成手段と、
　前記正弦波の周波数を変化させることによって、前記正弦波に基づいた前記変調波を生成する周波数制御手段と
を有する請求項１記載の信号処理装置。
　前記周波数制御手段は、前記正弦波の角周波数を連続的に変化させることによって、前記正弦波に基づいた前記変調波を生成する請求項2記載の信号処理装置。
　前記周波数制御手段は、前記正弦波の角周波数を連続的かつ一方向に変化させることによって、前記正弦波に基づいた前記変調波を生成する請求項３記載の信号処理装置。
　前記周波数制御手段は、前記正弦波の角周波数を時間に対してｎ次関数（ｎは2以上の整数）で変化させることによって、前記正弦波に基づいた前記変調波を生成する請求項２乃至請求項４の何れか一つに記載の信号処理装置。
　前記周波数制御手段は、前記正弦波の角周波数を時間に対して指数関数又は対数関数又は三角関数で変化させることによって、前記正弦波に基づいた前記変調波を生成する請求項２乃至請求項４の何れか一つに記載の信号処理装置。
　前記検知手段は、前記送信信号から生成した期待受信波形と前記受信信号の波形との同一度を定量評価する請求項1乃至請求項６の何れか一つに記載の信号処理装置。
　請求項1乃至請求項７の何れか一つに記載の信号処理装置と、
　前記信号処理装置の生成手段により生成された送信信号を送信する送信手段と、
　前記送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な受信手段と
を備える物体検知装置。
　請求項８記載の物体検知装置と、
　当該物体検知装置による物体検知結果を利用して、自装置の動作を制御する制御装置と
を有する物体検知機能付き装置。
　周波数が非反復的に変化する変調波を送信信号として生成し、
　前記送信信号が物体で反射したことによる反射信号を受信可能な受信手段によって受信された受信信号と、前記送信信号との相関関係に基づいて、前記物体の存在と、前記物体までの距離と、前記物体の移動速度とのうちの少なくとも一つを検知する物体検知方法。