WO2019229896A1 - 超音波測距装置 - Google Patents

Abstract

送信処理部（４１１）は、送信信号の周波数を変調する。周波数変調後の送信信号は、予め定められた長さＴｂの複数のブロックから構成され、ブロック間の周波数差が１／Ｔｂの整数倍である。超音波センサ（１）は、変調後の送信信号に対応する超音波を送信し、超音波が障害物（７）で反射した反射波を受信してアナログ信号を出力する。Ａ／Ｄ変換部（４０２）は、アナログ信号をアナログデジタル変換して受信信号を出力する。相関関数計算部（４０４）、受信信号と変調後の送信信号との相関関数を計算する。

Description

超音波測距装置

　この発明は、超音波の伝播時間を測定することにより、障害物までの距離を求める超音波測距装置に関するものである。

　超音波は、気体及び液体等の媒体中を伝播する。そのため、障害物に向かって超音波を送信し、障害物において反射した超音波（以下、反射波とも呼ぶ。）を受信することにより、超音波の伝播時間を求めることができる。媒体における超音波の伝播速度は一定であるので、媒体中にある障害物までの距離を求めることができる。超音波測距装置は、この原理により、伝播時間に伝播速度を乗じて超音波が往復する距離を求め、求めた距離の１／２を障害物までの距離として算出する。この超音波測距装置は、その測定原理上、障害物からの反射波が到着した時間を正しく測定することが重要である。

　自動車用等の超音波測距装置に広く用いられるセラミック圧電素子は、超音波の音圧レベルを大きくするために振動の性質を示すＱ値を大きくすると、セラミック圧電素子の共振周波数近傍の狭い帯域でしか超音波を発生させることができない。そこで、特許文献１に係る超音波測距装置は、アクチュエータにより、超音波送信用のセラミック圧電素子をその振動面に対して垂直方向に動作させ、ドプラ効果により超音波の周波数を変調している。送信信号を変調することにより、ピーク波形が鋭くなり、距離分解能が向上する。

特開２００５－３３７８４８号公報

　しかしながら、特許文献１記載の超音波測距装置は、送信信号の変調にアクチュエータが必要となるため、構成が複雑かつ大型になるという課題があった。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構成で送信信号を変調することにより、距離分解能を向上させることを目的とする。

　この発明に係る超音波測距装置は、送信信号の周波数を変調する送信処理部と、変調後の送信信号に対応する超音波を送信し、超音波が障害物で反射した反射波を受信してアナログ信号を出力する超音波センサと、アナログ信号をアナログデジタル変換して受信信号を出力するアナログデジタル変換部と、受信信号と変調後の送信信号との相関関数を計算する相関関数計算部とを備え、変調後の送信信号は、予め定められた長さＴｂの複数のブロックから構成され、ブロック間の周波数差が１／Ｔｂの整数倍であるものである。

　この発明によれば、変調後の送信信号を、予め定められた長さＴｂの複数のブロックで構成し、ブロック間の周波数差が１／Ｔｂの整数倍になるようにしたので、アクチュエータを用いずに送信信号を変調でき、かつ、相関関数のサイドローブを小さくすることができるので距離分解能を向上させることができる。

実施の形態１に係る超音波測距装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る信号処理回路の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る通信処理部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る送信処理部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１における送信信号の周波数変調を説明するグラフである。 実施の形態１における送信素子の等価回路と駆動部のシミュレーションモデルを示す図である。 図７Ａ～図７Ｃは、図６に示されるシミュレーションモデルを用いたシミュレーション結果を示すグラフである。 図８Ａ～図８Ｃは、図６に示されるシミュレーションモデルを用いたシミュレーション結果を示すグラフである。 実施の形態１における４種類の送信パターンを示す図である。 図１０Ａ～図１０Ｄは、実施の形態１の相関関数計算部による相関関数の計算結果を示すグラフである。 実施の形態１において、周波数４８ｋＨｚ、変調なし、及び１６波の送信信号に対し、アナログフィルタ部が出力したアナログ信号の波形を示すグラフである。 実施の形態１において、周波数４８ｋＨｚ、変調なし、５１２波の送信信号に対し、アナログフィルタ部が出力したアナログ信号の波形を示すグラフである。 実施の形態１において、周波数４８ｋＨｚ、１３コード長のバーカ符号、５０７波（バーカ符号１コードあたり３９波）の送信信号に対し、アナログフィルタ部が出力したアナログ信号の波形を示すグラフである。 実施の形態１の相関関数計算部による、図１１に示されるアナログ信号がＡ／Ｄ変換された受信信号と送信信号との相関関数の計算結果を示すグラフである。 実施の形態１の相関関数計算部による、図１２に示されるアナログ信号がＡ／Ｄ変換された受信信号と送信信号との相関関数の計算結果を示すグラフである。 実施の形態１の相関関数計算部による、図１３に示されるアナログ信号がＡ／Ｄ変換された受信信号と送信信号との相関関数の計算結果を示すグラフである。 実施の形態１の対数変換部により、図１４に示される相関関数を対数変換したグラフである。 実施の形態１の対数変換部により、図１５に示される相関関数を対数変換したグラフである。 実施の形態１の対数変換部により、図１６に示される相関関数を対数変換したグラフである。 実施の形態１のピーク検出部及び特徴値抽出部による山側ピークの検出動作例を示すフローチャートである。 実施の形態１におけるピーク検出部の検出感度を変えた場合のピーク検出結果のグラフを示す。 実施の形態１におけるピーク検出部の検出感度を変えた場合のピーク検出結果のグラフを示す。 実施の形態１におけるピーク検出部の検出感度を変えた場合のピーク検出結果のグラフを示す。 図１０Ｄに示される相関関数Ｄ１３，Ｄ１４の拡大図である。 実施の形態２において、障害物で反射される超音波を説明する図であり、図２５Ａは高い障害物、図２５Ｂは低い障害物の場合である。 実施の形態２の相関関数計算部による相関関数の計算結果を示すグラフであり、図２６Ａは高い障害物、図２６Ｂは低い障害物の場合である。 各実施の形態に係る信号処理回路のハードウェア構成例を示す図である。

　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、実施の形態１に係る超音波測距装置１０の構成例を示すブロック図である。図１に示される超音波測距装置１０は、車両に搭載され、この車両と車両周辺の障害物７との距離を測定するものである。超音波測距装置１０は、１つ以上の超音波センサ１を備える。超音波センサ１は、送信素子２、受信素子３、及び信号処理回路４を備える。送信素子２は、送信信号に対応する超音波を送信する。受信素子３は、送信素子２が送信した超音波が障害物７で反射した反射波を受信し、反射波に対応する電圧（以下、アナログ信号と称する。）を出力する。なお、１つの素子が、送信素子２及び受信素子３の両機能を実現してもよい。信号処理回路４は、送信素子２に対して送信信号に対応する電圧を印加すると共に、受信素子３が出力するアナログ信号を信号処理して振幅のピーク値等を検出する。そして、信号処理回路４は、デジタル通信により、ピーク値及びピーク値が検出された時間等の情報を、距離測定ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）５へ送信する。

　距離測定ＥＣＵ５は、信号処理回路４からの情報を受信し、送信素子２が超音波を送信した時間と信号処理回路４においてピーク値が検出された時間とに基づいて、障害物７までの距離を算出する。距離測定ＥＣＵ５は、車載ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）により、算出した障害物７までの距離情報を、車両制御ＥＣＵ６へ送信する。

　車両制御ＥＣＵ６は、距離測定ＥＣＵ５からの距離情報を受信し、障害物７までの距離等に基づいて車両を制御することにより、車両の自動駐車、自動ブレーキ、又は誤発進防止等の機能を実現する。

　図２は、実施の形態１に係る信号処理回路４の構成例を示すブロック図である。信号処理回路４は、アナログフィルタ部４０１、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ　Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部４０２、デジタルフィルタ部４０３、相関関数計算部４０４、ピーク検出部４０６、特徴値抽出部４０７、対数変換部４０８、間引き部４０９、通信処理部４１０、及び送信処理部４１１を含む。アナログフィルタ部４０１、Ａ／Ｄ変換部４０２、及び送信処理部４１１は、アナログ回路である。デジタルフィルタ部４０３、相関関数計算部４０４、ピーク検出部４０６、特徴値抽出部４０７、対数変換部４０８、間引き部４０９、及び通信処理部４１０は、デジタル回路である。

　アナログフィルタ部４０１は、受信素子３からのアナログ信号のうち、送信信号の周波数に対して高い周波数と低い周波数とを同時に遮断する処理、いわゆるバンドパスフィルタリングを行う。また、アナログフィルタ部４０１は、このアナログ信号を増幅する。

　Ａ／Ｄ変換部４０２は、アナログフィルタ部４０１から出力されるアナログ信号を、送信処理部４１１から通知されたサンプリング周波数でサンプリングしてアナログデジタル変換し、デジタル信号（以下、受信信号と称する）を出力する。

　信号処理回路４は、Ａ／Ｄ変換部４０２より後段では、デジタル信号を処理する。デジタル処理では、サンプリング周波数の１／２以上の周波数を除去できないので、アナログフィルタ部４０１がサンプリング周波数の１／２以上の周波数のノイズを除去しておく必要がある。

　デジタルフィルタ部４０３は、受信信号のうち、送信信号の周波数近傍の信号を抽出するバンドパスフィルタリングを行うことにより、ノイズを除去する。

　相関関数計算部４０４は、通信処理部４１０からの変調後の送信信号と、デジタルフィルタ部４０３からの受信信号とを畳み込み積分し、相関関数を計算する。

　検波部４０５は、相関関数の計算結果である時系列データにおける隣り合う２サンプルを２乗して加算し、相関関数の振幅の２乗値を求める。以下では、相関関数の振幅２乗値を、相関関数の振幅値として使用する。

　ピーク検出部４０６は、相関関数計算部４０４が計算した相関関数の時系列データにおいて振幅が最大となるピークを検出する。また、ピーク検出部４０６は、ピークが検出された時間及びピークの高さ等を検出する。
　ピーク検出部４０６の詳細は後述する。

　特徴値抽出部４０７は、ピーク検出部４０６により検出されたピークの特徴値として、ピーク幅等を抽出する。また、特徴値抽出部４０７は、抽出した特徴値を用いて、受信信号に含まれる反射波（即ち、送信信号）を識別する。
　特徴値抽出部４０７の詳細は後述する。

　対数変換部４０８は、相関関数計算部４０４が計算した相関関数の時系列データを対数変換する。対数変換により、相関関数を「ｄＢ」で表すことができ、容易にダイナミックレンジを圧縮できる。

　間引き部４０９は、対数変換部４０８により対数変換された相関関数の時系列データを間引いて、データ量を削減する。

　通信処理部４１０は、距離測定ＥＣＵ５との間でデジタル通信を行う。通信処理部４１０は、特徴値抽出部４０７及び間引き部４０９からの情報を、距離測定ＥＣＵ５へ送信する。また、通信処理部４１０は、送信信号の情報を距離測定ＥＣＵ５から受信し、相関関数計算部４０４及び送信処理部４１１へ出力する。
　通信処理部４１０の詳細は後述する。

　送信処理部４１１は、通信処理部４１０からの送信信号の情報を用いて、送信素子２に印加する電圧波形を制御する。その際、送信処理部４１１は、送信信号の周波数又は位相の少なくとも一方を変調し、送信素子２に印加する電圧波形を変形する。
　送信処理部４１１の詳細は後述する。

　図３は、実施の形態１に係る通信処理部４１０の構成例を示すブロック図である。
　通信処理部４１０は、送信部４１０１、受信部４１０２、受信フォーマット解析部４１０３、位相パターン抽出部４１０５、変調周波数シフトレジスタ４１０６、位相パターンシフトレジスタ４１０７、及び分周部４１０８を含む。

　送信部４１０１は、特徴値抽出部４０７及び間引き部４０９からの情報を、距離測定ＥＣＵ５へ送信する。

　受信部４１０２は、距離測定ＥＣＵ５からの情報を受信し、受信フォーマット解析部４１０３へ出力する。

　受信フォーマット解析部４１０３は、距離測定ＥＣＵ５から受信した情報を、所定のフォーマットに従い解析する。そして、受信フォーマット解析部４１０３は、距離測定ＥＣＵ５から受信した情報に含まれる周波数変調データを変調周波数抽出部４１０４へ出力し、位相変調データを位相パターン抽出部４１０５へ出力する。
　周波数変調データは、例えば、後述する図１０において説明する直交信号を構成する３つのブロックの周波数及び波数である。位相変調データは、例えば、後述する図９において説明する送信パターン１～４により構成されるバーカ符号である。

　変調周波数抽出部４１０４は、受信フォーマット解析部４１０３からの周波数変調データを、変調周波数シフトレジスタ４１０６にセットする。また、位相パターン抽出部４１０５は、受信フォーマット解析部４１０３からの位相変調データを位相パターンシフトレジスタ４１０７にセットする。

　分周部４１０８は、送信処理部４１１の比較部４１１３から出力される、送信信号の周波数の４倍の周波数に略同期したパルス波を４分周し、変調周波数シフトレジスタ４１０６及び位相パターンシフトレジスタ４１０７へ出力する。即ち、分周部４１０８から出力されるパルス波は、送信信号の周波数に略同期したパルス波となる。

　変調周波数シフトレジスタ４１０６は、分周部４１０８から出力される送信信号の周波数に略同期したパルス波をトリガとして、周波数変調データを１ビットずつシフトさせ出力する。また、位相パターンシフトレジスタ４１０７は、分周部４１０８から出力される送信信号の周波数に略同期したパルス波をトリガとして、位相変調データを１ビットずつシフトさせ１出力する。送信信号の周波数に略同期したパルス波をトリガとして変調周波数シフトレジスタ４１０６及び位相パターンシフトレジスタ４１０７をシフトさせることで、送信信号を１波ずつ変調できる。

　なお、距離測定ＥＣＵ５は、送信信号の周波数変調のみ行う場合、位相変調データを固定し、位相変調のみ行う場合、周波数変調データを固定すればよい。位相変調データ及び周波数変調データの両方を固定した場合、送信処理部４１１からは、変調がない、一定の周波数の送信信号が出力される。距離測定ＥＣＵ５は、周波数と位相を同時に変調することにより、送信処理部４１１においてより複雑な波形の送信信号を生成させて相関関数の波形を急峻にしてもよいし、反射波を識別するコード（符号）を複雑化した送信信号を生成させてもよい。

　図４は、実施の形態１に係る送信処理部４１１の構成例を示すブロック図である。図５は、実施の形態１における送信信号の周波数変調を説明するグラフである。グラフの縦軸は振幅、横軸は時間である。

　送信処理部４１１は、基本周波数発振部４１１１、周波数変調部４１１２、比較部４１１３、送信パターン生成部４１１４、及び駆動部４１１５を含む。

　基本周波数発振部４１１１は、送信素子２から発する超音波の基本周波数、即ち送信信号の周波数を発振するのこぎり波発振器である。この基本周波数発振部４１１１は、図５に実線で示されるような、基本周波数を持つのこぎり波４１１１Ｓを発振する。また、基本周波数発振部４１１１は、基本周波数を整数倍した値を、サンプリング周波数として、Ａ／Ｄ変換部４０２に通知する。この整数倍の値は、直交検波ができるよう４の倍数としてもよい。

　周波数変調部４１１２は、基本周波数発振部４１１１が発振する基本周波数を変調するための周波数を発振するのこぎり波発振器である。この周波数変調部４１１２は、図５に破線で示されるような、のこぎり波４１１２Ｓを発振する。周波数変調部４１１２が発振する変調周波数及びのこぎり波の傾きは、通信処理部４１０の変調周波数シフトレジスタ４１０６から周波数変調部４１１２へ入力される。

　比較部４１１３は、基本周波数発振部４１１１が発振するのこぎり波４１１１Ｓと、周波数変調部４１１２が発振するのこぎり波４１１２Ｓとの大小関係を比較する比較器である。この比較部４１１３は、のこぎり波４１１１Ｓがのこぎり波４１１２Ｓを超えるタイミングでパルス波４１１３Ｓを出力する。比較部４１１３から出力されるパルス波４１１３Ｓの周波数は、（基本周波数発振部４１１１が発振する基本周波数）－（周波数変調部４１１２が発振する周波数）になる。なお、周波数変調部４１１２がのこぎり波４１１２Ｓの傾きを逆にすると、比較部４１１３から出力されるパルス波の周波数は、（基本周波数発振部４１１１が発振する基本周波数）＋（周波数変調部４１１２が発振する周波数）になる。比較部４１１３が出力するパルス波は、送信パターン生成部４１１４及び通信処理部４１０へ入力される。

　送信パターン生成部４１１４は、比較部４１１３から出力される送信信号の周波数の４倍の周波数に略同期したパルス波をトリガとして、通信処理部４１０の位相パターンシフトレジスタ４１０７からの位相パターンを１ビットずつシフトした送信パターンを、送信信号として出力する。即ち、送信パターン生成部４１１４は、送信信号の周波数の４倍の周波数で、送信信号のハイレベルとローレベルとを切り替えることができる。

　駆動部４１１５は、後述する図６に示されるような駆動回路であり、送信パターン生成部４１１４からの送信信号の送信パターン波形に応じて送信素子２に電圧を印加する。

　次に、位相変調について説明する。
　図６は、実施の形態１における送信素子２の等価回路と駆動部４１１５のシミュレーションモデルを示す図である。送信素子２は、５７ｋＨｚで共振するセラミック圧電素子であり、インダクタＬ１、コンデンサＣ１，Ｃ２及び抵抗Ｒ１からなる等価回路で表される。駆動部４１１５は、インダクタＬ２，Ｌ３、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びスイッチＳ１からなる駆動回路である。インダクタＬ２，Ｌ３はトランスを成し、ＤＣ電源Ｖ１の電圧を昇圧して、送信素子２に印加する。ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成されるスイッチＳ１は、送信パターン生成部４１１４から出力される送信信号によりスイッチング動作する。このスイッチＳ１が５７ｋＨｚでスイッチングすると、送信素子２は共振により強い超音波を発生する。

　図７及び図８は、図６に示されるシミュレーションモデルを用いたシミュレーション結果を示すグラフである。送信素子２の振動をこのシミュレーション結果から確認することはできないため、代わりに、コンデンサＣ１の端子電圧を、送信素子２が発する超音波の音圧レベルを示す値として扱う。図７Ａ及び図８Ａの各グラフは、コンデンサＣ１の端子電圧の波形である。図７Ｂ及び図８Ｂの各グラフは、送信パターン生成部４１１４から駆動部４１１５へ出力される送信信号の送信パターンを模擬したパルス波形である。図７Ｃのグラフは、送信信号の位相をπシフトさせるタイミングを示す信号の波形である。図８Ｃのグラフは、送信信号の位相をπ／２シフトさせるタイミングを示す信号の波形である。各グラフの縦軸は電圧、横軸は時間である。

　図７の各グラフに示されるように、送信信号の位相をπシフトさせると、コンデンサＣ１の端子電圧は急激にほぼ０Ｖまで低下する。これに対し、図８の各グラフに示されるように、送信信号の位相をπ／２シフトさせると、コンデンサＣ１の端子電圧は、図７のように急激に低下せず、穏やかな変化にとどまっている。送信素子２が発する超音波の音圧低下を防ぐため、実施の形態１の送信処理部４１１は、送信信号の位相変調を行う場合、送信信号における隣り合う２波の間で行う位相変化をπ／２以下とする。

　図９は、実施の形態１における４種類の送信パターンを示す図である。送信パターン１～４は、送信信号の１波の長さ、即ち２πの長さである。送信パターン１は、２πのうちの前半のπがハイレベルであり、後半のπがローレベルである。送信パターン２は、送信パターン１をπ／２だけ後側へずらした波形である。送信パターン３は、送信パターン２をπ／２だけ後側へずらした波形である。送信パターン４は、送信パターン３をπ／２だけ後側へずらした波形である。

　例えば、距離測定ＥＣＵ５は、送信パターン１～４を用いて、上述した１３コード長のバーカ符号（１コードあたり３９波）を表す位相変調データを生成し、通信処理部４１０へ送信する。この位相変調データは、通信処理部４１０の位相パターンシフトレジスタ４１０７にセットされ、送信信号の周波数に略同期した分周部４１０８からのパルス波をトリガとして、送信信号の１波ごとに、位相変調データとして指定された送信パターン１～４のいずれかを出力する。送信処理部４１１の送信パターン生成部４１１４は、送信信号の周波数の４倍の周波数に略同期した比較部４１１３からのパルス波をトリガとして、送信信号の１／４波ごとに、位相パターンシフトレジスタ４１０７からの送信パターン１～４のいずれかに対応するハイレベル又はローレベルの送信信号を出力する。これにより、送信パターン生成部４１１４から駆動部４１１５に出力される送信信号は、図８Ｂのパルス波形のようになる。

　次に、周波長変調について説明する。
　図１０Ａ～図１０Ｄは、実施の形態１の相関関数計算部４０４による相関関数の計算結果を示すグラフである。各グラフの縦軸は振幅、横軸は時間である。図１０Ａ～図１０Ｄにおいて、相関関数計算部４０４は、４種類の送信信号を用いた相関関数を計算する。
　１つ目の送信信号は、周波数５８ｋＨｚ及び８７波のバースト信号である。
　２つ目の送信信号は、周波数が５６ｋＨｚ～６０ｋＨｚに変化する、１．５ｍｓｅｃのチャープ信号である。
　３つ目の送信信号は、３つのブロックから構成される非直交信号であり、１つ目のブロックが周波数５５ｋＨｚ及び２８波、２つ目のブロックが周波数５８ｋＨｚ及び２９波、４３つ目のブロックが６１ｋＨｚ及び３０波である。
　４つ目の送信信号は、３つのブロックから構成される直交信号であり、１つ目のブロックが周波数５６ｋＨｚ及び２８波、２つ目のブロックが周波数５８ｋＨｚ及び２９波、４３つ目のブロックが６０ｋＨｚ及び３０波である。

　ここで呼ぶ「直交信号」とは、２つのブロックが重なったときの相関関数の値が「０」になるような周波数を組み合わせた信号である。このような周波数の組み合わせには、（ブロック内の波数）＝（ブロック長［ｓｅｃ］×周波数［Ｈｚ］）が整数になる正弦波の組み合わせがある。上記の直交信号において、１つ目、２つ目、及び３つ目のブロックのブロック長は、すべて、０．５ｍｓｅｃである。これらのブロックは互いに直交しており、２つのブロックが重なったときの相関関数を計算すると「０」になる。

　図１０Ａのグラフは、上記バースト信号と上記４種類の送信信号との相関関数を示す。図１０Ａにおいて、相関関数Ａ１１は、上記バースト信号の自己相関関数である。相関関数Ａ１２は、上記バースト信号と上記チャープ信号との相関関数である。相関関数Ａ１３は、上記バースト信号と上記非直交信号との相関関数である。相関関数Ａ１４は、上記バースト信号と上記直交信号との相関関数である。

　図１０Ｂのグラフは、上記チャープ信号と上記４種類の送信信号との相関関数を示す。図１０Ｂにおいて、相関関数Ｂ１１は、上記チャープ信号と上記バースト信号との相関関数である。相関関数Ｂ１２は、上記チャープ信号の自己相関関数である。相関関数Ｂ１３は、上記チャープ信号と上記非直交信号との相関関数である。相関関数Ｂ１４は、上記チャープ信号と上記直交信号との相関関数である。

　図１０Ｃのグラフは、上記非直交信号と上記４種類の送信信号との相関関数を示す。図１０Ｃにおいて、相関関数Ｃ１１は、上記非直交信号と上記バースト信号との相関関数である。相関関数Ｃ１２は、上記非直交信号と上記チャープ信号との相関関数である。相関関数Ｃ１３は、上記非直交信号の自己相関関数である。相関関数Ｃ１４は、上記非直交信号と上記直交信号との相関関数である。

　図１０Ｄのグラフは、上記直交信号と上記４種類の送信信号との相関関数を示す。図１０Ｄにおいて、相関関数Ｄ１１は、上記直交信号と上記バースト信号との相関関数である。相関関数Ｄ１２は、上記直交信号と上記チャープ信号との相関関数である。相関関数Ｄ１３は、上記直交信号と上記非直交信号との相関関数である。相関関数Ｄ１４は、上記直交信号の自己相関関数である。

　図１０の各グラフに示されるように、バースト信号の自己相関関数である相関関数Ａ１１の外形は、二等辺三角形になる。この相関関数Ａ１１は、他の自己相関関数である相関関数Ｂ１２，Ｃ１３，Ｄ１４に比べて幅が広いため、距離測定に向かない。チャープ信号の自己相関関数である相関関数Ｂ１２は、メインローブピークが鋭く、サイドローブと呼ばれる２番目以降のピークの高さが小さいため、距離測定に向く。ただし、チャープ信号を出力するためには、周波数を連続的に変更するような構造が送信処理部４１１に必要となり、送信処理部４１１の構成が複雑になる。非直交信号の自己相関関数である相関関数Ｃ１３は、相関関数Ｂ１２に比べてサイドローブのピーク高さが大きい。直交信号の自己相関関数である相関関数Ｄ１４は、サイドローブのピーク高さが相関関数Ｂ１２同様に小さく、距離測定に向く。

　上記のことから、実施の形態１の送信処理部４１１は、送信信号の周波数変調を行う場合、送信信号を上記直交信号のように複数のブロックで構成し、１つのブロックの長さを予め定められた長さＴｂ［ｓｅｃ］とし、ブロック間の周波数差を１／Ｔｂの整数倍とする。上記直交信号の場合、Ｔｂは０．５ｍｓｅｃであり、１つ目のブロックと２つ目のブロックとの周波数差は１／０．５の１倍である２ｋＨｚであり、２つ目のブロックと３つ目のブロックとの周波数差は１／０．５の１倍である２ｋＨｚである。

　例えば、距離測定ＥＣＵ５は、上記直交信号を表す周波数変調データを生成し、通信処理部４１０へ送信する。この周波数変調データは、通信処理部４１０の変調周波数シフトレジスタ４１０６にセットされ、送信信号の周波数に略同期した分周部４１０８からのパルス波をトリガとして、送信信号の１波ごとに、周波数変調データとして指定された変調周波数を出力する。送信処理部４１１の周波数変調部４１１２は、変調周波数シフトレジスタ４１０６からの変調周波数を発振する。

　なお、送信処理部４１１が周波数の異なるブロックを組み合わせて送信信号をコード化することにより、特徴値抽出部４０７においてブロックの組み合わせが異なる送信信号を識別することが可能になる。そのため、信号処理回路４は、送信素子２から送信した超音波の反射波が受信素子３に返ってくる前に、次の超音波を送信することが可能となり、距離測定の頻度を高くすることができる。

　次に、図１１～図１９を参照して、送信信号の変調が相関関数に及ぼす影響を説明する。
　図１１は、実施の形態１において、周波数４８ｋＨｚ、変調なし、及び１６波の送信信号に対し、アナログフィルタ部４０１が出力したアナログ信号の波形を示すグラフである。グラフの縦軸は振幅、横軸は時間である。図１１の例では、送信素子２から８ｍ離れた位置に障害物Ａ、３ｍ離れた位置に障害物Ｃが配置されているものとし、送信素子２は１６波の正弦波を送信する。アナログ信号の振幅に基づく閾値を設定して障害物を検出する方式では、図１１のアナログ信号において障害物Ａ，Ｃの位置では振幅の変化が確認できず、障害物Ａ，Ｃを検出できない。

　図１２は、実施の形態１において、周波数４８ｋＨｚ、変調なし、５１２波の送信信号に対し、アナログフィルタ部４０１が出力したアナログ信号の波形を示すグラフである。グラフの縦軸は振幅、横軸は時間である。図１２の例では、送信素子２から１０ｍ離れた位置に障害物Ａが移動され、５ｍ離れた位置に新たに障害物Ｂが配置されているものとし、送信素子２は５１２波の正弦波を送信する。図１２のアナログ信号において障害物Ｂ，Ｃの位置では振幅の変化を確認でき、障害物Ｂ，Ｃを検出できるが、障害物Ａの位置では振幅の変化を確認できず、障害物Ａを検出できない。

　図１３は、実施の形態１において、周波数４８ｋＨｚ、１３コード長のバーカ符号、５０７波（バーカ符号１コードあたり３９波）の送信信号に対し、アナログフィルタ部４０１が出力したアナログ信号の波形を示すグラフである。グラフの縦軸は振幅、横軸は時間である。図１３の例では、図１２と同様に、送信素子２から１０ｍ離れた位置に障害物Ａ、５ｍ離れた位置に障害物Ｂ、３ｍ離れた位置に障害物Ｃが配置されているものとする。１３コード長のバーカ符号は、［－１，－１，－１，－１，－１，１，１，－１，－１，１，－１，１，－１］である。送信信号は、バーカ符号［１］を正位相、［－１］を逆位相の波とし、１コード３９波ずつ位相の正逆を変化させた波形となる。このような送信信号に対応する超音波を送信素子２が送信した場合、アナログフィルタ部４０１からは図１３に示されるような波形のアナログ信号が出力される。図１３のアナログ信号において障害物Ｂ，Ｃの位置では振幅の変化を確認でき、障害物Ｂ，Ｃを検出できるが、障害物Ａの位置では振幅の変化を確認できず、障害物Ａを検出できない。

　図１４～図１６は、実施の形態１の相関関数計算部４０４による、図１１～図１３に示されるアナログ信号がＡ／Ｄ変換された受信信号と送信信号との相関関数の計算結果を示すグラフである。各グラフの縦軸は振幅、横軸は時間である。図１１～図１３に示されるアナログ信号に比べて図１４～図１６に示される相関関数のほうが、反射波とノイズとの識別が容易になる。

　例えば、図１１のアナログ信号では３ｍ先の障害物Ｃ及び１０ｍ先の障害物Ａを検出できないが、図１４の相関関数では障害物Ｃの位置で振幅の変化をしっかり確認でき、障害物Ｃを検出できる。その一方で、図１４の相関関数を用いても８ｍ先の障害物Ａは検出できない。図１５の相関関数では、３ｍ先の障害物Ｃ、５ｍ先の障害物Ｂ、及び１０ｍ先の障害物Ａの全てを検出できる。しかし、図１５で用いられたような単純な正弦波の送信信号では、相関関数のピーク幅が広がり、距離分解能が低下する。図１６の相関関数でも、３ｍ先の障害物Ｃ、５ｍ先の障害物Ｂ、及び１０ｍ先の障害物Ａの全てを検出できる。また、図１６で用いられたようなバーカ符号で位相変調された送信信号では、相関関数のピーク幅が狭く（即ち、ピークが鋭く）、距離分解能が低下しない。

　図１７～図１９は、実施の形態１の対数変換部４０８により、図１４～図１６に示される相関関数を対数変換したグラフである。各グラフの縦軸は「ｄＢ」表示の振幅であり、横軸は時間である。各グラフにおいて、ピーク検出部４０６により検出されたピークが、十字で示される。

　次に、ピーク検出部４０６及び特徴値抽出部４０７の動作を説明する。
　図２０は、実施の形態１のピーク検出部４０６及び特徴値抽出部４０７による山側ピークの検出動作例を示すフローチャートである。

　ステップＳＴ１において、ピーク検出部４０６は、相関関数の計算結果である時系列データｙ（ｉ）のうち、ピークか否かをチェックする対象であるサンプリング番号ｉｃから、サンプリング番号ｉｃにピーク後側傾きを検出するサンプリング幅Δｉａを加えたサンプリング番号ｉｃ＋Δｉａまでのサンプリング値を読み込む。

　ステップＳＴ２において、ピーク検出部４０６は、相関関数の計算結果である時系列データｙ（ｉ）のうち、サンプリング番号ｉｃの前側サンプリング幅Δｉｐのサンプリング値の傾きをｓｌｐとし、後側サンプリング幅Δｉａのサンプリング値の傾きをｓｌａとする。

　ステップＳＴ３において、ピーク検出部４０６は、前側傾きｓｌｐが、予め定められた前側傾き閾値Ｔｈｓｌｐより大きい場合（ステップＳＴ３“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ４へ進み、それ以外の場合（ステップＳＴ３“ＮＯ”）、ステップＳＴ９へ進む。

　ステップＳＴ４において、ピーク検出部４０６は、後側傾きｓｌａが、予め定められた後側傾き閾値Ｔｈｓｌａより小さい場合（ステップＳＴ４“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ５へ進み、それ以外の場合（ステップＳＴ４“ＮＯ”）、ステップＳＴ９へ進む。

　ステップＳＴ５に到達するのは、正から負への傾きの変化が大きく、ピークである可能性があるサンプリング番号ｉｃである。以下、このサンプリング番号ｉｃを、今回のピーク候補のサンプリング番号とする。

　このステップＳＴ５において、ピーク検出部４０６は、前回のピーク候補のサンプリング番号ｉｔｐと、今回のピーク候補のサンプリング番号ｉｃとの差を求める。そして、ピーク検出部４０６は、求めた差が、予め定められたサンプリング幅ｐｗｄ未満である場合（ステップＳＴ５“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ６へ進み、サンプリング幅ｐｗｄ以上である場合（ステップＳＴ５“ＮＯ”）、ステップＳＴ７へ進む。サンプリング幅ｐｗｄは、前回のピーク候補のサンプリング番号ｉｔｐと、今回のピーク候補のサンプリング番号ｉｃとが同一ピークか否かを判定するための閾値である。

　ステップＳＴ６において、ピーク検出部４０６は、（ｉｃ－ｉｔｐ）がサンプリング幅ｐｗｍ以上である場合、前回のピーク候補のサンプリング値Ｉｔｐと、今回のピーク候補のサンプリング値ｙ（ｉｃ）とを比較する。ピーク検出部４０６は、サンプリング値Ｉｔｐよりサンプリング値ｙ（ｉｃ）が大きい場合（ステップＳＴ６“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ８へ進み、それ以外の場合（ステップＳＴ６“ＮＯ”）、ステップＳＴ９へ進む。

　ステップＳＴ７において、ピーク検出部４０６は、（ｉｃ－ｉｔｐ）がサンプリング幅ｐｗｄ以上である場合、今回のピーク候補のサンプリング番号ｉｃが新たなピークであると判定する。そして、ピーク検出部４０６は、ピーク番号ｊをインクリメントし、ステップＳＴ８へ進む。

　ステップＳＴ８において、ピーク検出部４０６は、今回のピーク候補のサンプリング番号ｉｃ及びサンプリング値ｙ（ｉｃ）を、ピーク位置ｉｐ（ｊ）及びピーク高さＩｐ（ｊ）とする。また、ピーク検出部４０６は、今回のピーク候補のサンプリング番号ｉｃ及びサンプリング値ｙ（ｉｃ）を、次回用いるピーク候補のサンプリング番号ｉｔｐ及びサンプリング値Ｉｔｐとする。

　ステップＳＴ９において、ピーク検出部４０６は、ピークか否かをチェックする対象であるサンプリング番号ｉｃをインクリメントする。

　ステップＳＴ１０において、ピーク検出部４０６は、新たなサンプリング番号ｉｃに、ピーク後側傾きを検出するサンプリング幅Δｉａを加えたサンプリング番号ｉｃ＋Δｉａが、相関関数の時系列データの最終サンプリング番号ｉｅ以下である場合（ステップＳＴ１０“ＮＯ”）、ステップＳＴ１へ戻り、それ以外の場合（ステップＳＴ１０“ＹＥＳ”）、相関関数の時系列データ全てのピークを検出し終えたため、ステップＳＴ１１へ進む。

　ステップＳＴ１１において、特徴値抽出部４０７は、特徴値を抽出する対象であるピーク番号ｊをピーク番号ｊｊとする。まず、特徴値抽出部４０７は、ピーク番号ｊｊを「１」に初期化する。

　ステップＳＴ１２において、特徴値抽出部４０７は、ピーク番号ｊｊのピーク高さＩｐ（ｊｊ）を「１」に正規化し、ピーク高さ「１」に対する高さの比率である高さ比率の番号を示す高さ比率番号ｋを「１」に初期化する。例えば、高さ比率が０．０５刻みに増える値である場合、高さ比率「０．０５」はｋ＝１、高さ比率「０．１０」はｋ＝２、高さ比率「０．１５」はｋ＝３等となる。

　ステップＳＴ１３において、特徴値抽出部４０７は、ピーク番号ｊｊのピークについて、高さ比率番号ｋにおけるピーク位置ｉｃ（ｊｊ）より前側の幅ｗｄｐｐ（ｊｊ，ｋ）、及び後側の幅ｗｄｐａ（ｊｊ，ｋ）を検出する。

　ステップＳＴ１４において、特徴値抽出部４０７は、高さ比率番号ｋをインクリメントする。

　ステップＳＴ１５において、特徴値抽出部４０７は、高さ比率番号ｋが、予め定められた最後の高さ比率番号ｋｅ以下である場合（ステップＳＴ１５“ＮＯ”）、ステップＳＴ１３へ戻り、それ以外の場合（ステップＳＴ１５“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ１６へ進む。

　ステップＳＴ１６において、特徴値抽出部４０７は、ｋ＝１からｋ＝ｋｅまでの幅ｗｄｐｐ（ｊｊ，ｋ），ｗｄｐａ（ｊｊ，ｋ）を用いて、ピーク番号ｊｊのピークの面積ａｐ（ｊｊ）を求める。

　ステップＳＴ１７において、特徴値抽出部４０７は、ピーク番号ｊｊをインクリメントする。

　ステップＳＴ１８において、特徴値抽出部４０７は、ピーク番号ｊｊが、最後のピーク番号ｊｅ以下である場合（ステップＳＴ１８“ＮＯ”）、ステップＳＴ１２へ戻り、それ以外の場合（ステップＳＴ１８“ＹＥＳ”）、図２０のフローチャートに示される動作を終了する。

　相関関数の谷側ピークを検出する場合、ピーク検出部４０６は、図２０のフローチャートにおいて傾き判定の正負を逆にすればよい。

　ピークの検出感度は、Δｉｐ、Δｉａ、Ｔｈｓｌｐ、及びＴｈｓｌａの値を変更することにより、調整可能である。
　ここで、図２１～図２３に、実施の形態１におけるピーク検出部４０６の検出感度を変えた場合のピーク検出結果のグラフを示す。各グラフの縦軸は「ｄＢ」表示の振幅であり、横軸は時間である。各グラフにおいて、ピーク検出部４０６により検出されたピークが、十字で示される。また、各グラフの相関関数の計算に用いられた送信信号は、図１１に示された送信信号と同じ、周波数４８ｋＨｚ、変調なし、及び１６波の送信信号である。ピーク検出感度を比較するため、図１１では送信素子２から８ｍ離れた距離に配置されていた障害物Ａに代えて、図２１～図２３では１０ｍ離れた位置に障害物Ａより大きな障害物Ｄが配置されている。図２１～図２３では、ピーク検出の傾き判定に用いられるΔｉｐ及びΔｉａは「１００」に設定されている。一方、Ｔｈｓｌｐ及びＴｈｓｌａは、図２１では「５００」、図２２では「２５０」、図２３では「１２５」に設定されている。Ｔｈｓｌｐ及びＴｈｓｌａの値が大きくなるにつれ、ピーク検出感度が高くなり、検出されたピークの数が増えている。特徴値抽出部４０７は、検出された多数のピークをピーク列とし、ピーク列から突出したピークを障害物（即ち、反射波）として識別することにより、反射波とノイズとを容易に識別できる。

　なお、ピーク検出部４０６は、送信素子２が超音波を送信した後、反射波が受信素子３に返ってくるまでの時間に応じて、検出感度を調整してもよい。反射波の強度は、伝播距離が長くなるほど低下する。そのため、ピーク検出部４０６は、送信素子２が超音波を送信した時点から時間が経過するほど、検出感度を高くする。これにより、障害物７までの距離に応じて、適切にノイズの影響を低減できる。

　次に、相関関数の形状による波形識別について説明する。
　図２４は、図１０Ｄに示される相関関数Ｄ１３，Ｄ１４の拡大図である。上述したように、相関関数Ｄ１３は、送信信号が直交信号であり、受信信号が非直交信号である。この相関関数Ｄ１３は、ノイズ若しくは干渉波等により受信信号の波形が送信信号の波形とは異なる場合、又は、送信信号の識別コードとは異なる識別コードを持つ受信信号である場合に相当する。相関関数Ｄ１４は、送信信号及び受信信号が直交信号である。相関関数Ｄ１４は、送信信号の波形と受信信号の波形が一致した場合に相当する。

　相関関数Ｄ１３と相関関数Ｄ１４とを比較すると、受信信号と送信信号とが一致しない相関関数Ｄ１３は、メインローブの山側ピークに対する最初のサイドローブの山側ピークが高く、かつ、メインローブとサイドローブの間の谷側ピーク（即ち、谷底）が高くなっている。受信信号と送信信号とが一致する相関関数Ｄ１４は、最初のサイドローブの山側ピークが低く、かつ、メインローブとサイドローブの間の谷側ピークがほぼ「０」になっている。メインローブに対するサイドローブのピーク高さ及びピーク位置等の特徴値は、送信信号の波形に応じて変化するものであるため、既知である。特徴値抽出部４０７には、送信信号の波形に応じた相関関数の特徴値を含む標準モデルが、予め与えられているものとする。そして、特徴値抽出部４０７は、メインローブのピーク位置前後の傾きの変化（即ち、鋭さ）、サイドローブのピーク高さ及びピーク位置、又は、メインローブのピーク高さに対するある高さ比率（例えば、２５％、５０％及び７５％）における幅のうちの少なくとも１つの特徴値を検出し、標準モデルの特徴値と比較することにより、送信信号と受信信号との波形の一致度を判定できる。メインローブのピーク高さに対するある高さ比率とは、後述する実施の形態２における「第一の比率」に相当する。

　図２０のフローチャートでは、ピーク検出部４０６は、ピーク位置前後の傾きを検出している。この傾きを検出するためのサンプリング幅Δｉｐ，Δｉａとして、予め算出した、メインローブの山側ピークと、高さがほぼ「０」になる谷側ピークのうちの上記メインローブの山側ピークに最も近い谷側ピークとの時間幅を設定してもよい。この時間幅は、ブロック数が奇数のバーカ符号においては、１ブロックの時間幅と等しく、ブロック数が偶数のバーカ符号においては、｛１ブロックの時間幅×ブロック数÷（１＋ブロック数）｝と等しい。周波数変調においては、この時間幅は符号の構成によって変わるが、例えば第一のブロックに５６ｋＨｚの正弦波を２８波、第二のブロックに５８ｋＨｚの正弦波を２９波、第三のブロックに６０ｋＨｚの正弦波を３０波配置した３ブロックから成る送信信号であった場合は、約０．１８５ｍｓとなる。この時間幅をΔｉｐ，Δｉａとして設定すると、送信信号と受信信号とで波形が一致する場合、傾きは鋭くなり、メインローブのピーク挟み角は狭くなる。これに対し、送信信号と受信信号とで波形が一致しない場合、傾きがなだらかになり、メインローブのピーク挟み角は広くなる。従って、特徴値抽出部４０７は、相関関数の波形の傾きに基づいて、送信信号に一致する受信信号を識別できる。または、特徴値抽出部４０７は、ピーク挟み角に基づいて、即ちある高さ比率におけるピーク幅に基づいて、送信信号に一致する受信信号を識別してもよい。

　また、上述のように、受信信号と送信信号とが一致する場合と一致しない場合とで谷側ピーク位置のピーク高さが異なる。そのため、ピーク検出部４０６が、予め算出した、高さがほぼ「０」になる谷側ピークのうちのメインローブの山側ピークに最も近い谷側ピークが現れる時間における高さを検出し、特徴値抽出部４０７が、検出された高さに基づいて、送信信号に一致する受信信号を識別してもよい。
　または、特徴値抽出部４０７は、山側ピーク位置から前後どちらか一方の谷側ピーク位置までの長さが、予め算出した、高さがほぼ「０」になる谷側ピークのうちのメインローブの山側ピークに最も近い谷側ピークが現れる時間と一致する場合に、送信信号と受信信号とが一致すると判定してもよい。

　以上のように、実施の形態１に係る超音波測距装置１０は、送信処理部４１１と、超音波センサ１と、Ａ／Ｄ変換部４０２と、相関関数計算部４０４とを備える。送信処理部４１１は、送信信号の周波数を変調する。超音波センサ１は、変調後の送信信号に対応する超音波を送信し、超音波が障害物で反射した反射波を受信してアナログ信号を出力する。Ａ／Ｄ変換部４０２は、アナログ信号をアナログデジタル変換して受信信号を出力する。相関関数計算部４０４は、受信信号と変調後の送信信号との相関関数を計算する。ここで、周波数変調後の送信信号は、予め定められた長さＴｂ［ｓｅｃ］の複数のブロックから構成され、ブロック間の周波数差が１／Ｔｂの整数倍である。これにより、相関関数のサイドローブを小さくすることができ、距離分解能を向上させることができる。また、超音波測距装置１０は、周波数の異なる複数のブロックを組み合わせて送信信号をコード化することにより、送信信号に一致する受信信号を識別できる。また、超音波測距装置１０は、従来必要であったアクチュエータを用いずに送信信号を変調できる。

　また、実施の形態１によれば、送信処理部４１１が送信信号の位相を変調する場合、位相変調後の送信信号は、１波の長さを２πとし、隣り合う２波間の位相変化がπ／２以下とすることができる。これにより、超音波測距装置１０は、従来必要であったアクチュエータを用いずに送信信号を変調できる。また、超音波測距装置１０は、上記のように送信信号の位相を変調することにより、相関関数のサイドローブを小さくすることができ、距離分解能を向上させることができる。また、超音波測距装置１０は、送信信号を位相変調したことによる超音波の音圧レベルの減衰を抑制することができる。

　また、実施の形態１によれば、送信信号を位相変調する場合、超音波センサ１が備える送信素子２及び受信素子３のうち、少なくとも送信素子２にセラミック圧電素子を用いる。セラミック圧電素子は、Ｑ値が大きいため、共振周波数からずれた周波数で振動させると、超音波の音圧レベルが大きく減衰する。これに対し、位相変調する場合、周波数は共振周波数を使用できるので、Ｑ値が大きいセラミック圧電素子を用いても超音波の音圧レベルは減衰しない。

　また、実施の形態１の送信処理部４１１は、１波２πのうちの連続したπがハイレベルであり残りがローレベルであるパターンを、π／２ずつずらした４パターンを用いて、位相変調する。これにより、超音波測距装置１０は、簡単な構成で送信信号を位相変調できる。

　また、実施の形態１に係る超音波測距装置１０は、相関関数の山側のピーク又は谷側のピークの少なくとも一方についてピーク位置及びピーク高さを検出するピーク検出部４０６と、ピーク検出部４０６により検出されたピーク高さに対するピーク幅を検出する特徴値抽出部４０７とを備える。これにより、超音波測距装置１０は、相関関数の波形の外形を正確に検出できる。

　また、実施の形態１の特徴値抽出部４０７は、変調後の送信信号に応じた相関関数の特徴値を含む標準モデルを有し、標準モデルと相関関数計算部４０４により計算された相関関数とを比較することにより、受信信号に含まれる変調後の送信信号を識別する。これにより、超音波測距装置１０は、受信信号に含まれる送信信号、即ち反射波を識別できると共に、ノイズ又は干渉波等を分離できる。また、超音波測距装置１０は、送信信号をコード化した場合に、送信信号に一致する受信信号を識別できる。

　また、実施の形態１のピーク検出部４０６は、相関関数のメインローブのピーク及びサイドローブのピークを検出する。即ち、上記直交信号を送信信号に用いることにより、ピーク検出部４０６においてメインローブのピークとサイドローブのピークを容易に検出できる。これにより、超音波測距装置１０は、相関関数のサイドローブのピーク位置とピーク高さに基づいて、送信信号の波形を識別できる。

　また、実施の形態１のピーク検出部４０６は、傾き検出幅における相関関数の波形の傾きを予め定められた傾き閾値と比較してピークを検出する場合、傾き検出幅を、予め算出された、高さがほぼ「０」になる谷側ピークのうちのメインローブの山側ピークに最も近い谷側ピークから上記メインローブの山側ピークまでの時間幅とする。これにより、特徴値抽出部４０７は、相関関数の波形の傾きに基づいて、受信信号に含まれる変調後の送信信号を識別できる。

　また、実施の形態１のピーク検出部４０６は、相関関数の山側のピーク位置より前側又は後側のいずれか一方、かつ、山側のピーク位置から傾き検出幅の長さの位置における高さを検出する。これにより、特徴値抽出部４０７は、ピーク検出部４０６により検出された高さに基づいて、受信信号に含まれる変調後の送信信号を識別できる。

　なお、実施の形態１の特徴値抽出部４０７は、相関関数の山側のピーク位置から前側又は後側のいずれか一方の谷側のピーク位置までの長さを、予め算出しておいた理論値又は解析値と比較することにより、変調後の送信信号に一致する受信信号を識別してもよい。理論値又は解析値とは、例えば、予め算出された、相関関数の値が「０」となる位置のうちのメインローブのピークに隣接している位置から上記メインローブがピーク値となる位置までの長さ、又は、予め算出された、相関関数の値が「０」となる位置のうちのメインローブのピークに隣接している位置において検出される高さである。

　また、実施の形態１のピーク検出部４０６は、超音波センサ１の送信素子２が超音波を送信した時点から時間が経過するほど、ピークの検出感度を高くする。これにより、超音波測距装置１０は、ノイズの影響を低減できる。

　また、実施の形態１に係る超音波測距装置１０は、相関関数計算部４０４による相関関数の計算結果を間引く間引き部４０９と、ピーク検出部４０６により検出されたピークの情報及び間引き部４０９により間引かれた相関関数の計算結果を通信する通信処理部４１０とを備える。これにより、超音波測距装置１０は、信号処理回路４から距離測定ＥＣＵ５へ通信するデータ量を削減できる。

　また、実施の形態１に係る超音波測距装置１０は、相関関数計算部４０４による相関関数の計算結果を対数変換する対数変換部４０８を備える。これにより、超音波測距装置１０は、信号処理回路４から距離測定ＥＣＵ５へ通信するデータ量をさらに削減できる。

実施の形態２．
　実施の形態２に係る超音波測距装置１０は、障害物７の距離に加えて高さを判定する。なお、実施の形態２に係る超音波測距装置１０の構成は、実施の形態１の図１～図３に示された構成と図面上は同一であるため、以下では図１～図３を援用する。

　図２５は、実施の形態２において、障害物７で反射される超音波を説明する図である。図２６は、実施の形態２の相関関数計算部４０４による相関関数の計算結果を示すグラフである。

　図２５Ａに示される障害物７Ｈは、車両に設置された超音波センサ１の高さｈよりも背が高い障害物である。超音波センサ１は、地面１１からの高さｈ、障害物７Ｈからの距離ｌの位置に、地面１１と水平に設置されている。超音波センサ１から送信された超音波は、障害物７Ｈで反射すると共に、地面１１でも反射する。障害物７Ｈの超音波センサ１に対向する面を正面と呼ぶこととすると、虚像１２Ｈは、障害物７Ｈの正面を対称面とした超音波センサ１の虚像である。虚像１３は、地面１１を対称面とした虚像１２Ｈの虚像である。

　図２５Ａにおいて、超音波センサ１から送信された超音波のうち、直接反射波として超音波センサ１に返ってくるのは、超音波センサ１から障害物７Ｈの正面に下ろした垂線の足で反射したものであり、第一の反射波１４Ｈとして示される経路を往復するものだけである。この第一の反射波１４Ｈの伝播距離（又は伝播時間）は、虚像１２Ｈから送信されて超音波センサ１が受信する超音波の伝播距離（又は伝播時間）と同じになる。

　図２５Ａにおいて、超音波センサ１から送信された超音波のうち、障害物７Ｈと地面１１の双方に反射して超音波センサ１に返ってくる二重反射波を考える。二重反射波は、障害物７Ｈの正面下辺と超音波センサ１とを往復する第二の反射波１５である。この第二の反射波１５の伝播距離（又は伝播時間）は、虚像１３から送信されて超音波センサ１が受信する超音波の伝播距離（又は伝播時間）と同じになる。この虚像１３は、地面１１及び障害物７Ｈの正面を対称面として、超音波センサ１とは面対称の位置にある。

　第一の反射波１４Ｈは、最短で障害物７Ｈに達する経路を往復するため、第二の反射波１５の伝播時間に比べて、第一の反射波１４Ｈの伝播時間が短い。また、反射波の強度も、第二の反射波１５に比べて、第一の反射波１４Ｈが強い。以上の結果から、超音波センサ１に到達する反射波から計算された相関関数をグラフ化すると、図２６Ａのようになる。図２６Ａのグラフでは、相関関数は、ピーク高さが「１」になるよう正規化されているが、対数変換されていてもよい。

　図２５Ｂに示される障害物７Ｌは、車両に設置された超音波センサ１の高さｈよりも背が低い障害物である。超音波センサ１から地面１１と水平な方向に送信された超音波は、障害物７Ｌより上方を通過するため、超音波センサ１に返ってこない無反射波１４Ｌである。直接反射波として超音波センサ１に返ってくるのは、障害物７Ｌの上辺と正面との境界で反射したものであり、第一の反射波１６として示される経路を往復するものである。よって、虚像１２Ｌは、障害物７Ｌの上辺と正面との境界を対称軸とする線対称の位置に現れる。第一の反射波１６の伝播距離（又は伝播時間）は、第二の反射波１５の伝播距離（又は伝播時間）より短い。また、実測結果上、第一の反射波１６の強度は第二の反射波１５の強度より低いことが分かっている。以上の結果から、超音波センサ１に到達する反射波から計算された相関関数をグラフ化すると、図２６Ｂのようになる。図２６Ｂのグラフでは、図２６Ａと同様にピーク高さが「１」になるよう正規化されているが、対数変換されていてもよい。

　なお、上記例では、第二の反射波が１つの経路しか通過しない場合を説明したが、複数の第二の反射波が複数の経路を通過してもかまわない。その場合、第一の反射波と第二の反射波から成る反射波は、二重反射波ではなく多重反射波となる。

　次に、障害物７の高さを検出する方法を説明する。
　実施の形態１の図２０に示されるフローチャートのステップＳＴ１３において、特徴値抽出部４０７は、ピーク番号ｊｊのピークについて、高さ比率番号ｋにおけるピーク位置ｉｃ（ｊｊ）より前側の幅ｗｄｐｐ（ｊｊ，ｋ）、及び後側の幅ｗｄｐａ（ｊｊ，ｋ）を検出する。

　図２０に示されるフローチャートの動作が終了した後、特徴値抽出部４０７は、予め定められた第一の高さ比率番号ｋ１における前側の幅ｗｄｐｐ（ｊｊ，ｋ１）、及び後側の幅ｗｄｐａ（ｊｊ，ｋ１）と、予め定められた第二の高さ比率番号ｋ２における前側の幅ｗｄｐｐ（ｊｊ，ｋ２）、及び後側の幅ｗｄｐａ（ｊｊ，ｋ２）とを抽出する。

　第一の高さ比率番号ｋ１は、例えば第一の高さ比率「０．４０」であり、第二の高さ比率番号ｋ２は、例えば第二の高さ比率「０．１０」である。第一の高さ比率は、ピークの比較的高い位置に設定され、実施の形態１で説明したように相関関数の波形の外形を検出するために用いられる。第二の高さ比率は、第一の高さ比率より低い位置に設定され、障害物７の高さを判定するために用いられる。

　障害物７が超音波センサ１の高さｈより背の高い障害物７Ｈである場合、図２６Ａに示されるように、第二の高さ比率「０．１０」におけるピーク位置より前側の幅が、後側の幅より小さくなる。一方、障害物７が超音波センサ１の高さｈより背の低い障害物７Ｌである場合、図２６Ｂに示されるように、第二の高さ比率「０．１０」におけるピーク位置より前側の幅が、後側の幅より大きくなる。従って、特徴値抽出部４０７は、第二の高さ比率「０．１０」における前側の幅ｗｄｐｐ（ｊｊ，ｋ２）と後側の幅ｗｄｐａ（ｊｊ，ｋ２）との大小関係を比較することにより、障害物７の高さを判定できる。

　なお、特徴値抽出部４０７は、第一の反射波１４Ｈ，１６及び第二の反射波１５から成る多重反射波を１つのピークとみなして高さ判定に用いるために、ピーク位置の前後方向にのびる高さ判定幅を設定してもよい。高さ判定幅は、超音波センサ１が設置された高さｈ及び反射波のドップラシフト量等に基づいて設定される。特徴値抽出部４０７は、高さ比率「０」におけるピーク幅が高さ判定幅未満となるピーク波形のみを用いて、障害物７の高さを判定する。これにより、高さ判定幅の外に別のピークが存在したとしても、障害物７の高さ判定に影響しないため、判定精度が向上する。

　また、障害物７が超音波センサ１の高さｈより背の高い障害物７Ｈである場合、図２６Ａに示されるように、多重反射波のピークは、ピーク位置より前側のピーク幅が後側のピーク幅より小さいので、ピーク位置より前側の傾きが後側の傾きより鋭くなる。一方、障害物７が超音波センサ１の高さｈより背の低い障害物７Ｌである場合、図２６Ｂに示されるように、ピーク位置より前側の傾きが、後側の傾きよりなだらかになる。従って、特徴値抽出部４０７は、ピーク位置より前側の傾きと後側の傾きとの大小関係を比較することにより、障害物７の高さを判定できる。

　図２５Ａ及び図２５Ｂでは、超音波センサ１が地面１１と水平な方向に超音波を送信するよう設置されていたため、特徴値抽出部４０７は、超音波センサ１の高さｈを高さ判定の基準高さとし、障害物７がこの高さｈより高いか低いかを判定した。ただし、超音波センサ１の地面１１に対する角度及び超音波の指向性等が変化すると、第二の反射波１５の強度も変化するため、障害物７の高さ判定の基準を高さｈから上下方向に変更可能である。

　なお、特徴値抽出部４０７は、第一の反射波１４Ｈ，１６のピーク位置及び第二の反射波１５のピーク位置を用いて、下記の式（１）及び式（２）を計算することにより、障害物７の高さを判定してもよい。この場合、第一の反射波１４Ｈ，１６のピークと第二の反射波１５のピークとが異なるピークとして検出されるよう、ピーク検出部４０６のピーク検出感度が調整されているものとする。

　図２５Ａ及び図２６Ａにおいて、下式（１）が成り立つ。式（１）において、ｈは超音波センサ１の高さ、Ｌ１は第一の反射波１４Ｈの伝播距離の１／２、Ｌ２は第二の反射波１５の伝播距離の１／２である。特徴値抽出部４０７は、式（１）が成立することを確認できた場合、障害物７が超音波センサ１の高さｈよりも高い障害物７Ｈであると判定する。特徴値抽出部４０７は、式（１）が成立しない場合、式（２）を計算する。

　　Ｌ２^２＝Ｌ１^２＋ｈ^２　　　（１）

　図２５Ｂ及び図２６Ｂにおいて、超音波センサ１の高さｈより低い障害物７Ｌの高さｈＬは、式（２）より求まる。式（２）において、ｈは超音波センサ１の高さ、ｌは超音波センサ１から障害物７Ｌまでの水平距離、Ｌ１は第一の反射波１６の伝播距離の１／２、Ｌ２は第二の反射波１５の伝播距離の１／２である。特徴値抽出部４０７は、式（２）を計算することにより、障害物７Ｌの高さｈＬを求め、障害物７が超音波センサ１の高さｈよりも低い障害物７Ｌであると判定する。

　なお、式（１）及び式（２）のような数式により高さを判定する場合、高い距離分解能が要求される。送信信号を変調して受信信号との相関関数を計算して測距する方法は、変調の無い連続波を用いて測距する方法と比較して、距離分解能が高く、高性能である。

　以上のように、実施の形態２の特徴値抽出部４０７は、ピーク検出部４０６により検出された山側のピークについて、ピーク高さに対する第一の比率におけるピーク幅に基づいて受信信号に含まれる送信信号を識別すると共に、第一の比率より小さい第二の比率におけるピーク幅に基づいて障害物７の高さを判定する。送信信号の波形の特徴はピークのより高い部分に現れる傾向があるので、特徴値抽出部４０７は、ピーク波形の上部のピーク幅に基づいて送信信号の識別を行う。一方、多重反射波の波形の特徴はピークのより低い部分に現れる傾向があるので、特徴値抽出部４０７は、ピーク波形の下部のピーク幅に基づいて障害物７の高さを判定する。これにより、超音波測距装置１０は、受信信号に含まれる送信信号の識別に加え、障害物７の高さ判定を行うことができる。

　また、実施の形態２の特徴値抽出部４０７は、ピーク検出部４０６により検出された山側のピークのうち、高さ比率「０」におけるピーク幅が予め定められた高さ判定幅未満であるピークについて、障害物７の高さを判定する。これにより、超音波測距装置１０は、相関関数における多重反射波を正しく抽出でき、高さの判定精度を向上させることができる。

　なお、実施の形態２の特徴値抽出部４０７は、ピーク検出部４０６により検出された山側のピークについて、ピーク位置より前側の傾き及び後側の傾きに基づいて、障害物７の高さを判定してもよい。これにより、超音波測距装置１０は、障害物７の高さ判定を行うことができる。

　また、実施の形態２の特徴値抽出部４０７は、上式（１）及び上式（２）に基づいて、障害物７の高さを判定してもよい。即ち、ピーク検出部４０６は、超音波が障害物７で反射して超音波センサ１に返ってくる第一の反射波１４Ｈ，１６のピーク、及び超音波が障害物７で反射した後に別の物体（例えば、地面１１）で反射して超音波センサ１に返ってくる第二の反射波１５のピークを検出する。そして、特徴値抽出部４０７は、ピーク検出部４０６により検出された第一の反射波１４Ｈ，１６のピーク位置と第二の反射波１５のピーク位置とに基づいて、障害物７の高さを判定する。これにより、超音波測距装置１０は、障害物７の高さ判定を行うことができる。

　最後に、各実施の形態に係る信号処理回路４のハードウェア構成を説明する。
　図２７は、各実施の形態に係る信号処理回路４のハードウェア構成例を示す図である。信号処理回路４におけるアナログフィルタ部４０１は、アナログフィルタ回路１０００である。信号処理回路４におけるＡ／Ｄ変換部４０２は、Ａ／Ｄ変換回路１００１である。信号処理回路４における送信処理部４１１の駆動部４１１５は、送信素子２に電圧を印加する駆動回路１００２である。図示は省略するが、送信処理部４１１は、駆動回路１００２以外にも、基本周波数発振部４１１１である発振器、周波数変調部４１１２である発振器、比較部４１１３である比較器、及び送信パターン生成部４１１４であるシフトレジスタ等を有する。

　信号処理回路４におけるデジタルフィルタ部４０３、相関関数計算部４０４、検波部４０５、ピーク検出部４０６、特徴値抽出部４０７、対数変換部４０８、間引き部４０９、通信処理部４１０、及び送信処理部４１１の機能は、メモリ１００３に格納されるプログラムを実行するプロセッサ１００４により実現される。即ち、デジタルフィルタ部４０３、相関関数計算部４０４、検波部４０５、ピーク検出部４０６、特徴値抽出部４０７、対数変換部４０８、間引き部４０９、通信処理部４１０、及び送信処理部４１１の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア又はファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１００３に格納される。プロセッサ１００４は、メモリ１００３に格納されたプログラムを読みだして実行することにより、各部の機能を実現する。即ち、信号処理回路４は、プロセッサ１００４により実行されるときに、上記の処理が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ１００３を備える。また、このプログラムは、デジタルフィルタ部４０３、相関関数計算部４０４、検波部４０５、ピーク検出部４０６、特徴値抽出部４０７、対数変換部４０８、間引き部４０９、通信処理部４１０、及び送信処理部４１１の手順又は方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。

　ここで、プロセッサ１００４とは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、処理装置、演算装置、又はマイクロプロセッサ等のことである。
　メモリ１００３は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、又はフラッシュメモリ等の不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリである。

　なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、又は各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

　この発明に係る超音波測距装置は、簡単な構成にしたので、自動車用の超音波測距装置などに用いるのに適している。

　１　超音波センサ、２　送信素子、３　受信素子、４　信号処理回路、５　距離測定ＥＣＵ（距離測定部）、６　車両制御ＥＣＵ、７，７Ｈ，７Ｌ，Ａ～Ｄ　障害物、１１　地面、１２Ｈ，１２Ｌ，１３　虚像、１４Ｈ，１６　第一の反射波、１４Ｌ　無反射波、１５　第二の反射波、１０　超音波測距装置、４０１　アナログフィルタ部、４０２　Ａ／Ｄ変換部、４０３　デジタルフィルタ部、４０４　相関関数計算部、４０５　検波部、４０６　ピーク検出部、４０７　特徴値抽出部、４０８　対数変換部、４０９　間引き部、４１０　通信処理部、４１１　送信処理部、１０００　アナログフィルタ回路、１００１　Ａ／Ｄ変換回路、１００２　駆動回路、１００３　メモリ、１００４　プロセッサ、４１０１　送信部、４１０２　受信部、４１０３　受信フォーマット解析部、４１０４　変調周波数抽出部、４１０５　位相パターン抽出部、４１０６　変調周波数シフトレジスタ、４１０７　位相パターンシフトレジスタ、４１０８　分周部、４１１１　基本周波数発振部、４１１２　周波数変調部、４１１３　比較部、４１１４　送信パターン生成部、４１１５　駆動部、Ａ１１～Ａ１４，Ｂ１１～Ｂ１４，Ｃ１１～Ｃ１４，Ｄ１１～Ｄ１４　相関関数、Ｃ１～Ｃ３　コンデンサ、Ｌ１～Ｌ３　インダクタ、Ｒ１～Ｒ３　抵抗、Ｓ１　スイッチ、Ｖ１　ＤＣ電源。

Claims (17)

1. 　送信信号の周波数を変調する送信処理部と、
   　変調後の前記送信信号に対応する超音波を送信し、前記超音波が障害物で反射した反射波を受信してアナログ信号を出力する超音波センサと、
   　前記アナログ信号をアナログデジタル変換して受信信号を出力するアナログデジタル変換部と、
   　前記受信信号と変調後の前記送信信号との相関関数を計算する相関関数計算部とを備え、
   　変調後の前記送信信号は、予め定められた長さＴｂの複数のブロックから構成され、ブロック間の周波数差が１／Ｔｂの整数倍であることを特徴とする超音波測距装置。
2. 　送信信号の位相を変調する送信処理部と、
   　変調後の前記送信信号に対応する超音波を送信し、前記超音波が障害物で反射した反射波を受信してアナログ信号を出力する超音波センサと、
   　前記アナログ信号をアナログデジタル変換して受信信号を出力するアナログデジタル変換部と、
   　前記受信信号と変調後の前記送信信号との相関関数を計算する相関関数計算部とを備え、
   　変調後の前記送信信号は、１波の長さを２πとし、隣り合う２波間の位相変化がπ／２以下であることを特徴とする超音波測距装置。
3. 　前記超音波センサは、セラミック圧電素子であることを特徴とする請求項２記載の超音波測距装置。
4. 　前記送信処理部は、１波２πのうちの連続したπがハイレベルであり残りがローレベルであるパターンを、π／２ずつずらした４パターンを用いて、位相変調することを特徴とする請求項２記載の超音波測距装置。
5. 　前記相関関数の山側のピーク又は谷側のピークの少なくとも一方についてピーク位置及びピーク高さを検出するピーク検出部と、
   　前記ピーク検出部により検出されたピーク高さに対するピーク幅を検出する特徴値抽出部とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波測距装置。
6. 　前記特徴値抽出部は、変調後の前記送信信号に応じた相関関数の特徴値を含む標準モデルを有し、前記標準モデルと前記相関関数計算部により計算された相関関数とを比較することにより、前記受信信号に含まれる変調後の前記送信信号を識別することを特徴とする請求項５記載の超音波測距装置。
7. 　前記ピーク検出部は、前記相関関数のメインローブのピーク及びサイドローブのピークを検出することを特徴とする請求項５記載の超音波測距装置。
8. 　前記ピーク検出部は、傾き検出幅における前記相関関数の波形の傾きを予め定められた傾き閾値と比較してピークを検出する場合、予め算出された、相関関数の値が「０」となる位置のうちのメインローブのピークに隣接している位置の時間と前記メインローブがピーク値となる時間との間を前記傾き検出幅とすることを特徴とする請求項７記載の超音波測距装置。
9. 　前記ピーク検出部は、前記相関関数の山側のピーク位置より前側又は後側のいずれか一方、かつ、予め算出された、相関関数の値が「０」となる位置のうちの前記山側のピーク位置に隣接している位置における高さを検出し、
   　前記特徴値抽出部は、前記ピーク検出部により検出された高さに基づいて、前記受信信号に含まれる変調後の前記送信信号を識別することを特徴とする請求項５記載の超音波測距装置。
10. 　前記特徴値抽出部は、前記相関関数の山側のピーク位置から前側又は後側のいずれか一方の谷側のピーク位置までの長さと、予め算出された、相関関数の値が「０」となる位置のうちのメインローブのピークに隣接している位置から前記メインローブがピーク値となる位置までの長さとを比較することにより、前記受信信号に含まれる変調後の前記送信信号を識別することを特徴とする請求項５記載の超音波測距装置。
11. 　前記ピーク検出部は、前記超音波センサが超音波を送信した時点から時間が経過するほど、ピークの検出感度を高くすることを特徴とする請求項５記載の超音波測距装置。
12. 　前記特徴値抽出部は、前記ピーク検出部により検出された山側のピークについて、ピーク高さに対する第一の比率におけるピーク幅に基づいて前記受信信号に含まれる前記送信信号を識別すると共に、前記第一の比率より小さい第二の比率におけるピーク幅に基づいて前記障害物の高さを判定することを特徴とする請求項５記載の超音波測距装置。
13. 　前記特徴値抽出部は、前記ピーク検出部により検出された山側のピークのうち、ピーク高さに対する比率「０」におけるピーク幅が予め定められた高さ判定幅未満であるピークについて、前記障害物の高さを判定することを特徴とする請求項１２記載の超音波測距装置。
14. 　前記特徴値抽出部は、前記ピーク検出部により検出された山側のピークについて、ピーク位置より前側の傾き及び後側の傾きに基づいて、前記障害物の高さを判定することを特徴とする請求項５記載の超音波測距装置。
15. 　前記ピーク検出部は、前記超音波センサが送信した超音波が前記障害物で反射して前記超音波センサに返ってくる第一の反射波のピーク、及び前記超音波が前記障害物で反射した後に別の経路で反射して前記超音波センサに返ってくる第二の反射波のピークを検出し、
    　前記特徴値抽出部は、前記ピーク検出部により検出された前記第一の反射波のピーク位置と前記第二の反射波のピーク位置とに基づいて、前記障害物の高さを判定することを特徴とする請求項５記載の超音波測距装置。
16. 　前記相関関数計算部による前記相関関数の計算結果を間引く間引き部と、
    　前記間引き部により間引かれた前記相関関数の計算結果を通信する通信処理部とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波測距装置。
17. 　前記相関関数計算部による前記相関関数の計算結果を対数変換する対数変換部を備えることを特徴とする請求項１６記載の超音波測距装置。

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