JP2009075086A - 超音波三次元距離計測装置及び超音波三次元距離計測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波受信素子の中心間距離が送信超音波の半波長より大きくても送信超音波を反射した対象物の3次元的位置と3次元的形状を計測することが可能な超音波三次元距離計測装置及び超音波三次元距離計測方法を提供する。
【解決手段】少なくとも2方向に電子的走査を行なうことにより、超音波W1を反射した物体(対象物T)の3次元的位置と3次元的形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、パルス信号S2により発振信号S1をAM変調する変調手段3を備えた。また、受信信号S4を包絡線検波する包絡線検波手段6と遅延乗算手段8とを備えた。パルス信号S2のパルス幅をτ(s)、電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離のうちの最大値をL(m)、超音波W1の速度をv(m/s)とした場合に、τ<L/vの関係を満たす。電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する超音波受信素子5の中心間距離の少なくとも1つは、超音波W1の波長の半分より大きい。
【選択図】図1
【解決手段】少なくとも2方向に電子的走査を行なうことにより、超音波W1を反射した物体(対象物T)の3次元的位置と3次元的形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、パルス信号S2により発振信号S1をAM変調する変調手段3を備えた。また、受信信号S4を包絡線検波する包絡線検波手段6と遅延乗算手段8とを備えた。パルス信号S2のパルス幅をτ(s)、電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離のうちの最大値をL(m)、超音波W1の速度をv(m/s)とした場合に、τ<L/vの関係を満たす。電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する超音波受信素子5の中心間距離の少なくとも1つは、超音波W1の波長の半分より大きい。
【選択図】図1
Description
本発明は、超音波三次元距離計測装置及び超音波三次元距離計測方法に関する。
従来から、超音波送信素子から送信した超音波が対象物に反射して生成する反射波を超音波受信素子により受信し、得られた受信信号に基づいて対象物までの距離を測る計測技術が知られている。
また、対象物からの反射波を複数の超音波受信素子により受信し、各超音波受信素子で得られた受信信号に対して、所定の処理を行なうことにより反射波の入射角度を検出する技術が知られている(特許文献1参照)。ここで、所定の処理とは、遅延加算において、遅延時間を変化させることである。遅延加算とは、各超音波受信素子で得られた信号に対して、所定の時間を遅延させた後に加算することである。この遅延させる所定の時間のことを遅延時間という。遅延時間は、検出すべき反射波の入射角度と、超音波受信素子の中心間距離より算出されるものである。ここで遅延加算における加算の代わりに乗算を行なう場合もある(以下、この処理を遅延乗算と記す)。この所定の処理により、反射波の走査方向に沿った入射角度の情報を得ることを、以下、「電子的走査」と呼ぶことにする。すなわち、「電子的走査」とは、遅延乗算又は遅延加算において遅延時間を変化させることにより反射波の走査方向に沿った入射角度の情報を得ることを意味する(以下、同じ)。なお、電子的走査の原理から、電子的走査を行なう方向に対して超音波受信素子は少なくとも2つの異なる位置に配列されていなければならない。すなわち、電子的走査を行なう1つの方向を1つの座標軸として考えた場合に、複数の超音波受信素子の位置を示す座標の該座標軸の成分が少なくとも2種類の値をもたなければならない。
電子的走査を一方向に行なえば、一次元的な反射波の入射角度の情報を得ることができる。そのため、互いに異なる方向、例えば互いに直角な方向に電子的走査を行なえば、2次元的な反射波の入射角度の情報を得ることができる。これらの入射角度情報に対象物までの距離情報を加えることにより、超音波を反射した対象物の3次元的位置と3次元的形状を計測できる。
特開2002−156451号公報
ところで、電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する超音波受信素子の中心間距離の少なくとも1つを、送信する超音波の半波長よりも大きくして受信信号の遅延乗算又は遅延加算を行なうと、偏向角を変化させた際の位相変化が大きいため、大きなサイドローブ(不要な指向特性)が現われ、超音波を反射する対象物体の位置と形状の計測ができない。ここで、「隣接する超音波受信素子」とは、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子のことである。また、「電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子」とは、電子的走査を行なう1つの方向を1つの座標軸として考えた場合に、超音波受信素子の位置を示す座標における該座標軸の成分の大きさの順に超音波受信素子を並べた時に隣り合う関係にあるものをいう(以下、同じ)。また、ここでの「超音波受信素子の中心間距離」とは、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の中心間距離のことをいう。「電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の中心間距離」とは、電子的走査を行なう1つの方向を1つの座標軸として考えた場合に、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の位置を示す座標における該座標軸の成分の差をいう(以下、同じ)。
この現象のため、従来の超音波を反射した対象物の3次元的位置と3次元的形状を計測するための装置(以下、超音波三次元距離計測装置と記す)では、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の中心間距離を、送信する超音波の半波長以下で配置する制約があった。これにより、超音波三次元距離計測装置の超音波受信素子は一箇所にまとめて配置することになり、配置する場所に制限があった。
前記のように、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子の中心間距離を狭めるとサイドローブは低減される。しかしながら、この場合は分解能が低減するという問題がある。すなわち、中心間距離を狭くするとサイドローブは小となる一方で分解能が低くなり、中心間距離を広くすると分解能が高くなる一方、サイドローブが大となる。このように、サイドローブと分解能とはトレード・オフの関係にあり、サイドローブを小としつつ分解能を高くすることができなかった。
また、超音波受信素子も単価の安い大きな幅のものが使用できず、コスト削減ができなかった。例えば、送信超音波の周波数が40kHzの場合、超音波の速度が340m/sとすると超音波の半波長は4.25mmであるので、素子の幅が4.25mm以下の超音波受信素子を使用しなければならない。
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、超音波受信素子の中心間距離が送信超音波の半波長より大きくても送信超音波を反射した対象物の3次元的位置と3次元的形状を計測することが可能な超音波三次元距離計測装置及び超音波三次元距離計測方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため請求項1の発明は、発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも2方向のそれぞれに対して少なくとも2つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、前記発振信号をパルス信号によりAM変調する変調手段と、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波手段と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算手段又は遅延加算する遅延加算手段とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ(s)、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての前記超音波受信素子の中心間距離の最大値をL(m)、前記超音波の速度をv(m/s)とした場合に、τ<L/vの関係を満たすと共に、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する前記超音波受信素子の中心間距離の少なくとも1つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする。
ここで、空間形状とは、3次元的位置及び3次元的形状を意味する(以下、同じ)。
電子的走査を行なう方向に沿った超音波受信素子の中心間距離とは、電子的走査を行なう1つの方向を1つの座標軸として考えた場合に、2つの超音波受信素子の位置を示す座標における該座標軸の成分の差を意味する(以下、同じ)。
ここで、隣接する超音波受信素子とは、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子のことである。
請求項1の発明によれば、前記電子的走査を行なう方向に沿って隣接する前記超音波受信素子の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものがある場合でも、サイドローブを抑えることができて、前記超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。
請求項2の発明は、発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも2方向のそれぞれに対して少なくとも2つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子からなる超音波受信素子群とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、前記発振信号をパルス信号によりAM変調する変調手段と、受信信号を遅延加算する遅延加算手段と、遅延加算により得られた遅延加算信号を包絡線検波する包絡線検波手段と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算手段又は遅延加算する遅延加算手段とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ1(s)、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子群の中心間距離の最大値をL1(m)、前記超音波の速度をv1(m/s)とした場合に、τ1<L1/v1の関係を満たすと共に、各超音波受信素子群に配置される超音波受信素子の中心間距離を前記超音波の波長の半分以下とし、かつ、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離の少なくとも1つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする。
請求項2の発明によれば、複数の超音波素子が複数配列された超音波受信素子群を分散させることができる。すなわち、前記電子的走査を行なう方向に沿って隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものがある場合でも、サイドローブを抑えることができて、前記超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。
請求項3の発明は、発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも2方向のそれぞれに対して少なくとも2つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測方法において、前記発振信号をパルス信号によりAM変調する変調工程と、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波工程と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算工程又は遅延加算する遅延加算工程とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ(s)、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての前記超音波受信素子の中心間距離の最大値をL(m)、前記超音波の速度をv(m/s)とした場合に、τ<L/vの関係を満たすと共に、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する前記超音波受信素子の中心間距離の少なくとも1つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする。
ここで、隣接する超音波受信素子とは、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子のことである。
請求項3の発明によれば、前記電子的走査を行なう方向に沿って隣接する前記超音波受信素子の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものがある場合でも、サイドローブを抑えることができて、前記超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。
請求項4の発明は、発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも2方向のそれぞれに対して少なくとも2つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子からなる超音波受信素子群とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、前記発振信号をパルス信号によりAM変調する変調工程と、前記受信信号を超音波受信素子群ごとに遅延加算する遅延加算工程と、前記遅延加算工程により得られた遅延加算信号を包絡線検波する包絡線検波工程と、前記包絡線検波により得られた検波信号を超音波受信素子群間で遅延乗算する遅延乗算工程又は遅延加算する遅延加算工程とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ1(s)、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った前記超音波受信素子が複数配置された超音波受信素子群の中心間距離の最大値をL1(m)、前記超音波の速度をv1(m/s)とした場合に、τ1<L1/v1の関係を満たすと共に、各超音波受信素子群に配置される超音波受信素子の中心間距離を前記超音波の波長の半分以下とし、かつ、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離の少なくとも1つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする。
請求項4の発明によれば、前記電子的走査を行なう方向に沿って隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものがある場合でも、サイドローブを抑えることができて、前記超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。
本発明によれば、前記電子的走査を行なう方向に対して隣接する超音波受信素子の中心間距離が送信超音波の半波長より大きい場合でも、サイドローブを抑えることができ、送信超音波を反射した対象物の空間形状を計測することができる。そのため、超音波受信素子を分散配置できるため、超音波受信素子の配置の自由度が飛躍的に向上する。これにより、自動車のバンパー、小型移動ロボット、絵画のフレーム等への超音波受信素子の埋め込みが可能になる。また、単価の安い大きな幅の超音波受信素子が使用可能になり、コスト削減ができる。
また、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離が前記超音波の波長の半分より大きいものとすると、サイドローブを抑えることができ、しかも角度分解能の向上を可能とすることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超音波三次元距離計測装置の基本構成及び信号の流れを模式的に示したものである。この超音波三次元距離計測装置の構成は、超音波送信手段と超音波受信手段に分けられる。
超音波送信手段は、発振信号生成手段1、パルス信号生成手段2、変調手段3及び超音波送信素子4から構成されている。発振信号生成手段1は、送信超音波に相当する周波数、例えば40kHzの図2(a)に示すような発振信号S1(電気信号)を生成する。パルス信号生成手段2は、図2(b)に示すようにピークが山型形状であるパルス幅τ(s)のパルス信号S2(電気信号)を生成する。パルス幅τ(s)は、ピークの半値幅である。即ち、ピークの信号強度の最大値をhとすると、ピークが立ち上がって信号強度が1/2hになる時刻taと、ピークが立ち下がって信号強度が1/2hになる時刻tbとの間の時間tb−ta(s)で定義している。パルス幅τについては後で詳述するが、例えば0.4msである。
変調手段3は、発振信号S1をパルス信号S2によりAM変調する。これにより図2(c)に示すような複数のピークから成るピーク群の包絡線(図中の点線)がパルス信号S2の形状及びパルス信号S2を上下に反転させた形状である変調発振信号S3(電気信号)が生成する。1個の超音波送信素子4が、変調発振信号S3に基づいて超音波W1を送信する。
送信された超音波W1は、送信された範囲に物体(以下、対象物Tと記す)が存在すれば、その対象物Tに当たり反射する。
超音波三次元距離計測装置の超音波受信手段は、超音波受信素子5、包絡線検波手段6、補正手段7、遅延乗算手段8及び空間形状情報算出手段9から構成される。超音波受信素子5、包絡線検波手段6及び補正手段7はそれぞれが1つずつで1セットになっており、このセットが本実施形態では8セット設置されている。
超音波受信素子5は、超音波W1が前記の対象物に反射して生成する反射波W2を受信し、当該反射波W2に基づき図3(a)に示すような変調発振信号S3に類似した複数のピークから成るピーク群を有する受信信号S4(電気信号)を生成する。包絡線検波手段6は、図3(a)に点線で示した受信信号S4における信号強度0より上側のピークについて包絡線を検知(以下、包絡線検波と記す)し、その形状を有する図3(b)の示すような山型形状のピークを有する検波信号S5を生成する。
図3(a)の受信信号S4のピーク群及び図3(b)の検波信号S5のピークの数は、実際の測定では、対象物Tの数や大きさにより変動するが、本実施形態では1つとした。
図3(b)では、検波信号S5のピークは、パルス信号S2のピークと同じ形状で、検波信号S5のパルス幅τ’は、パルス信号S2のパルス幅τと同じとした。しかし、実際の測定では、検波信号S5のピーク形状、パルス幅τ’は、パルス信号S2のピーク形状、パルス幅τに対して、対象物Tの距離や方位により変化する。尚、パルス幅τ’(s)の定義は、パルス幅τと同様である。
補正手段7は、検波信号S5におけるピークの信号強度の最大値を一定にする補正を行ない、補正検波信号S6を生成する。遅延乗算手段8は8個の補正検波信号S6に対して遅延乗算処理を行ない、その結果に基づき結果データDを生成する。空間形状情報算出手段9は結果データDに基づいて空間形状情報を算出する。
以上が、本発明の実施形態に係る超音波三次元距離計測装置の基本構成であるが、この構成に加えて、目的に応じて次のような構成を加えることができる。例えば、空間形状情報算出手段9の算出した空間形状情報に基づいて、モニター等の画像表示手段に空間形状情報を表示する画像化手段を加えることができる。この場合、画像表示手段に単に数値を表示するだけでなく、対象物の方向を画像表示手段上の位置に対応させ、対象物までの距離を画像表示手段上の濃淡で示す等の方法がある(例えば、特開2005−49303号公報記載の方法)。また、空間形状情報より特定領域で物体(例えば、侵入者)の存在を判定し、存在の判定結果が「存在有り」の場合に、ブザーなどの報知手段を作動させる判定手段も加えることができる。
前述のパルス信号S2のパルス幅τ(s)は、τ<L/vの関係を満たさなければならない。ここで、超音波受信素子5の配置において、電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離の最大値をL(m)、超音波W1の速度をv(m/s)とする。このパルス幅τの条件は、角度分解能の角度だけ2つの物体が離れている場合に、その2つの物体からの反射波W2が区別され得るための条件である。尚、電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離の最大値が等しい場合は、その値をLとする。
パルス信号S2のパルス幅τが、τ<L/vの関係を満たしていれば、電子的走査の方向に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離は、超音波W1の半波長以下でなければならないという規定に制約されない。即ち、電子的走査の方向に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離を超音波W1の半波長より大きくすることができる。また、超音波受信素子5の数が同じであっても、電子的走査の方向に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離を大きくすることにより、L/vの値を大きくすることができる。このため、パルス幅τの範囲が広くなり、パルス幅τ<L/vの関係を満たすパルス信号S2を生成することが容易になるという効果が得られる。
パルス幅τの下限値は、対象物Tからの反射波W2を超音波受信素子5で受信が可能な最小値である。これは、超音波受信素子5の受信感度とS/N比、超音波送信素子4の出力、対象物Tからの反射波W2の強度で決まる。
第1実施形態における超音波受信素子5の配置を図4(a)に示す。図4(b)〜(d)は第1実施形態における超音波受信素子5の配置の変形例である。図4において横方向をX方向、縦方向をY方向とする。図4(a)〜(c)については、電子的走査はこのX方向とY方向(互いに直角な方向)に沿って行なうものとする。超音波受信素子5がX方向に沿って直線状に配列されてできる列をX列Lx、Y方向に沿って直線状に配列されてできる列をY列Lyとする。
図4(a)では超音波受信素子5が正方形状の辺々に沿って等間隔に配置されている。X列Lxが3列、Y列Lyが3列である。両端のX列Lx、両端のY列Lyに対して、中央のX列Lx、中央のY列Lyにおける隣接する超音波受信素子5の中心間距離は2倍である。しかし、電子的走査を行なうX、Y方向に沿った超音波受信素子5の中心間距離の最大値が等しいので、この値が関係式τ<L/vにおけるLとなる。
図4(b)では超音波受信素子5が格子状に等間隔に配置されている。X列Lxが3列、Y列Lyが3列である。電子的走査を行なうX、Y方向に沿った超音波受信素子5の中心間距離の最大値が等しいので、この値がLとなる。図4(c)では超音波受信素子5が十字状に等間隔に配置されている。X列Lxが1列、Y列Lyが1列である。列の中心の超音波受信素子5は各列共通になっている。電子的走査を行なうX、Y方向に沿った超音波受信素子5の中心間距離の最大値が等しいので、この値がLとなる。
図4(d)では超音波受信素子5が放射状に等間隔に配置されている。詳しくは、5個の超音波受信素子5を等間隔に直線状に配列して成る列が、3列互いに60度の角度を成して交差しており、列の中心の超音波受信素子5は各列共通になっている。電子的走査はこの列に沿って行なう。互いに異なる三方向の3列で電子的走査を行なうので、互いに異なる二方向の2列で電子的走査を行なう図4(c)の場合より、精度の良い空間形状情報が得られる。電子的走査を行なう互いに異なる三方向に沿った超音波受信素子5の中心間距離の最大値が等しいので、この値がLとなる。
図4(a)及び(b)においてX列Lx、Y列Lyがそれぞれ複数形成されている。このように、電子的走査の方向に複数の列を形成すると、精度の良い空間形状情報が得られると考えられる。図4(b)は、(a)よりも素子数が多いため、(a)より精度の良い空間形状情報が得られると考えられる。
超音波受信素子5の配列についての別の変形例を図5に示す。図5において横方向をX方向、縦方向をY方向とする。図5については、電子的走査はこのX方向とY方向(互いに直角な方向)に沿って行なうものとする。
図5では、7個の超音波受信素子5がランダムに配置されている。詳述すれば、X方向に沿って隣接する超音波受信素子5について、X方向に沿って測定した中心間距離dx1〜dx6の値は互いに異なる。また、Y方向に沿って隣接する超音波受信素子5について、Y方向に沿って測定した中心間距離dy1〜dy6の値も互いに異なる。X方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離の最大値はLxであり、Y方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離の最大値はLyである。LyよりLxの方が大きいので、LxがLとなる。
超音波受信素子5の配列についての別の変形例を図6に示す。図6においては、極座標表示の角度である方位角、極角を使用した電子的走査を行なうものとする(特許文献1段落[0018]参照)。超音波受信素子5の反射波W2の受信面を含む平面を基準面とし、原点をOとする。半直線OX(極座標軸)に対しての方位角をφ、原点Oを通る基準面に対して垂直な軸からの極角をαとする。この場合、電子的走査は、次のように行なう。(1)方位角φを変化させ所定の値に固定する。(2)極角αを変化させて走査する。(3)(1)と(2)を所定回数繰り返す。(2)は、方位角により決定される方向に電子的走査を行なうことと同義であり、(1)と(2)を繰り返すことは、互いに異なる方向に電子的走査を行なうことを意味する。
図6では、4個の超音波受信素子5がランダムに配置されている。電子的走査は、方位角φa、φb、φcについて行なった場合を示す。この場合、電子的走査を行なう方向は方位角φa、φb、φcにより決定され、それぞれ直線OA、OB、OCに沿った方向である。直線OA方向に沿って隣接する超音波受信素子5について、直線OA方向に沿って測定した中心間距離da1〜da3の値は互いに異なる。また、直線OB方向に沿って隣接する超音波受信素子5について、直線OB方向に沿って測定した中心間距離db1〜db3の値は互いに異なる。また、直線OC方向に沿って隣接する超音波受信素子5について、直線OC方向に沿って測定した中心間距離dc1〜dc3の値も互いに異なる。直線OA方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離の最大値はLaであり、直線OB方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離の最大値はLbであり、直線OC方向に沿った全ての超音波受信素子5の中心間距離の最大値はLcである。La、Lb及びLcのうちLaが最も大きいので、LaがLとなる。
超音波送信素子4が配置される場所は、超音波受信素子5の配置されている領域に近いほど良く、更に超音波受信素子5の配置されている領域内である方が良く、更には超音波受信素子5の配置されている領域の中央に近いほど良い。これは、超音波送信素子4から送信された超音波W1が対象物Tに反射して生成する反射波W2が超音波受信素子5に受信される時の強度が大きくなるからである。
次に、本発明の第1の実施形態に係る超音波三次元距離計測方法を、図7のフローチャートに基づいて説明する。
図7の信号生成工程P1で、発振信号S1とパルス信号S2が生成される。変調工程P2で、発振信号S1をパルス信号S2によりAM変調し、変調発振信号S3を生成する。超音波送信工程P3で、変調発振信号S3に基づき1個の超音波送信素子4から超音波W1を送信する。
超音波受信工程P4で、超音波受信素子5は超音波W1が対象物に反射して生成した反射波W2を受信し、当該反射波W2に基づき受信信号S4を生成する。包絡線検波工程P5は、受信信号S4における信号強度0より上側のピークについて包絡線検波し、その形状のピークを有する検波信号S5を生成する。補正工程P6は、検波信号S5におけるピークの強度を一定にする補正を行ない、補正検波信号S6を生成する。
超音波受信工程P4、包絡線検波工程P5及び補正工程P6の処理は、本実施形態では8個の超音波受信素子5のそれぞれに対して行なわれる。
遅延乗算工程P7では、8個の補正検波信号S6に対して遅延乗算処理を行ない、その結果に基づき結果データDを生成する。空間形状情報算出工程P8で、結果データDに基づいて空間形状情報を算出する。
以上が、本発明の第1の実施形態に係る超音波三次元距離計測方法の基本構成であるが、この構成に加えて、目的に応じて次のような構成を加えることができる。例えば、空間形状情報算出手段9の算出した空間形状情報に基づいて、モニター等の画像表示手段に空間形状情報を表示する画像化方法を加えることができる。この場合、画像表示手段に単に数値を表示するだけでなく、対象物の方向を画像表示手段上の位置に対応させ、対象物までの距離を画像表示手段上の濃淡で示す等の方法がある(例えば、特開2005−49303号公報記載の方法)。また、空間形状情報より特定領域で物体(例えば、侵入者)の存在を判定し、存在の判定結果が「存在有り」の場合に、ブザーなどの報知手段を作動させる判定方法も加えることができる。
上記実施形態では、遅延乗算手段8及び遅延乗算工程P7で8個の補正検波信号S6に対して遅延乗算処理を行なっているが、これに限定されない。例えば、遅延乗算手段8の代わりに遅延加算手段で、8個の補正検波信号S6に対して遅延加算処理を行なってもよい。また、遅延乗算工程P7の代わりに遅延加算工程で、8個の補正検波信号S6に対して遅延加算処理を行なってもよい。
上記実施形態では、包絡線検波手段6及び包絡線検波工程P5では、図3(a)に点線で示した受信信号S4における信号強度0より上側のピークについて包絡線検波したが、包絡線検波の方法はこれに限定されない。例えば、受信信号S4において信号強度0の下側のピークを上側に反転させ、元の上側のピークと共に包絡線検波を行なっても良い。
上記実施形態では、補正手段7及び補正工程P6において、検波信号S5のピークを検出する方法として、次に示す(1)から(4)を行なっている。(1)検波信号S5における信号強度において最大値を検出する。(2)その最大値の前後で、信号強度が減少から増大に転ずる一対の極小点を検出し、その間の信号を1つのピークとして記憶手段に記憶する。(3)その記憶した部分を除いた検波信号S5の中で信号強度の最大値を検出する。(4)その後(3)において検出した信号強度の最大値が所定の閾値未満になるまで(2)(3)を繰り返す。この方法により、精度良くピークを検出して記憶手段に記憶することができる。しかし、ピークの検出方法はこれに限定されず、別の方法でもよい。また、精度が不要な場合等は補正手段7及び補正工程P6を省略してもよい。
上記実施形態において、一回の超音波W1の送信について、遅延乗算手段8及び遅延乗算工程P7で8個全ての超音波受信素子5に由来する補正検波信号S6に対して遅延乗算処理を行なっているが、これに限定されない。例えば、図4(d)の超音波受信素子5の配置を用いた場合、一回の超音波W1の送信につき、1列分の超音波受信素子5に由来する補正検波信号S6に対して遅延乗算処理を行ない、三回の超音波W1の送信で遅延乗算処理を完了するようにしてもよい。
図8は、本発明の効果をシミュレーションにより確かめたものである。このシミュレーションでは、図9(a)に示すように、超音波受信素子5の数が7、隣接する超音波受信素子5の中心間距離が0.1(m)の条件で、超音波受信素子5を一列に配置した。このシミュレーションは、図9(b)に示すように、超音波受信素子5の受信面を含む平面F1に垂直であり、且つ超音波受信素子5の中心を通る平面F2上のみを対象としたものである。平面F1に垂直な方向に対して、反射波W2の入射角度のうち鋭角なものをθ(度)とした。
また、このシミュレーションでは、電子的走査は行なわず、入射角度θ=20度の反射波W2を検出する場合の遅延時間に固定して遅延乗算を行ない、反射波W2の入射角度θを変化させた。反射波W2の周波数は40kHzとし、図2(c)に示した変調発振信号S3と同様のピーク形状を有するとした。超音波W1の周波数を40kHz、超音波W1の速度v=340m/sとした場合、L/vは1.8msとなり、超音波W1の半波長は4.25mmとなる。
図8(a)では、比較のため、パルス幅τは無限大とし、包絡線検波は省略した。図8(b)では、本発明に則して、パルス幅τはτ<L/vの関係を満たす0.4msとし、包絡線検波を行なった。
比較のための条件の図8(a)では、θ=20度でのピーク以外に、多数のピークが形成されている。この状態であると、実際の測定においてθ=20度の反射波W2が無い場合でも、他の大きなピークのあるθ、例えばθ=0度の反射波W2がある場合に、θ=20度の反射波W2が検出されるという誤った結果となる。これに対して、本発明に則した条件の図8(b)では、θ=20度でのみピークが形成されている。この状態であれば、実際の測定においてθ=20度の反射波W2がある場合にのみ、θ=20度の反射波W2が検出される。
尚、図8は、一列の超音波受信素子5に対してシミュレーションを行なったものであるが、直交する二列、例えば、図4(c)のような十字状の列を成す受信素子について行なった場合にも、同様の結果となる。すなわち、XYZ座標系でX、Y軸が入射角度を示し、Z軸が信号強度を示すとすると、図8(a)に対応した条件の場合には、多数のピークが形成され、図8(b)に対応した条件の場合には、1つのピークが形成される。従って、図8(a)に対応した条件では、反射波W2の入射角を誤って検出することがあるが、図8(b)に対応した条件では、反射波W2の入射角の検出を誤ることがない。
次に、第2実施形態における超音波受信素子5の配置を図10に示す。この場合、1枚の基板11上に複数(図示例では4つ)の超音波受信素子5を配置したものを1つの超音波受信素子群10としている。そして、X列に2つの超音波受信素子群10を配置し、Y列に2つの超音波受信素子群10を配置している。すなわち、超音波受信素子群10が格子状に等間隔に配置されており、X列Lx´が2列、Y列Ly´が2列となっている。電子的走査を行なうX、Y方向に沿った超音波受信素子群10の中心間距離Lx´、Ly´が等しいので、この値(Lx´及びLy´)がL1となる。また、超音波受信素子群10の中央に超音波送信素子4が配置されている。
図11では、X方向に沿った超音波受信素子群10の中心間距離の最大値はLx´であり、Y方向に沿った超音波受信素子群10の中心間距離の最大値はLy´である。LyよりLxの方が大きいので、LxがL1となる。
超音波三次元距離計測装置の超音波受信手段は、図12に示すように、超音波受信素子5、遅延加算手段12、包絡線検波手段6、補正手段7、遅延乗算手段8及び空間形状情報算出手段9から構成される。超音波受信素子5、包絡線検波手段6及び補正手段7はそれぞれが1つずつで1セットになっており、このセットが本実施形態では16セット設置されている。
遅延加算手段12は、超音波受信素子群10ごとに遅延加算を行ない、遅延加算信号S7を生成するものである。遅延乗算手段8は、補正検波信号S9に対して、超音波受信素子群10間で遅延乗算処理を行ない、その結果に基づき結果データDを生成するものである。
前記第2の実施形態に係る超音波三次元距離計測方法を、図13のフローチャートに基づいて説明する。図13の信号生成工程P1で、発振信号S1とパルス信号S2が生成される。変調工程P2で、発振信号S1をパルス信号S2によりAM変調し、変調発振信号S3を生成する。超音波送信工程P3で、変調発振信号S3に基づき1個の超音波送信素子4から超音波W1を送信する。
超音波受信工程P4で、超音波受信素子5は超音波W1が対象物に反射して生成した反射波W2を受信し、当該反射波W2に基づき受信信号S4を生成する。そして、遅延加算工程P10で、超音波受信素子群10ごとに遅延加算を行なって、遅延加算信号S7を生成する。その後、包絡線検波工程P11は、遅延加算信号S7における信号強度0より上側のピークについて包絡線検波し、その形状のピークを有する検波信号S8を生成する。補正工程P12は、検波信号S8におけるピークの強度を一定にする補正を行ない、補正検波信号S9を生成する。
超音波受信工程P4、包絡線検波工程P11及び補正工程P12の処理は、本実施形態では16個の超音波受信素子5のそれぞれに対して行なわれ、遅延加算工程P10の処理は、超音波受信素子群10ごとに行われる。
遅延乗算工程P13では、補正検波信号S9に対して、超音波受信素子群10間で遅延乗算処理を行ない、その結果に基づき結果データDを生成する。空間形状情報算出工程P14で、結果データDに基づいて空間形状情報を算出する。
このように、本発明の第2実施形態に係る超音波三次元距離計測装置でも前記第1実施形態と同様の作用効果を奏する。特に、隣接する前記超音波受信素子群10の中心間距離が超音波の波長の半分より大きいものとすると、サイドローブを抑えることができ、しかも角度分解能の向上を可能とすることができる。なお、図10〜図13の超音波三次元距離計測装置について、図1〜図9の超音波三次元距離計測装置と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
なお、第2実施形態の超音波三次元距離計測装置において、超音波受信素子群10同士の間隔は、実施形態のものに限られず種々設定できる。また、1つの超音波受信素子群10に配置する超音波受信素子5の数は4つに限られず、1つの基板上に複数個あればよい。
図14に、上記の第1実施形態の超音波三次元距離計測装置を用いた計測実験の様子を模式的に示す。ただし、超音波送信素子4及び超音波受信素子5以外の装置は、省略している。超音波受信素子5は8個使用し、図4(a)に示したような正方形状の辺々に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離が0.1mになるように配置した。超音波送信素子4は1個使用し、超音波受信素子5の正方形状の配置における中央に配置した。
超音波送信素子4及び超音波受信素子5の前方に、同じ大きさの3つの風船1〜3を固定配置した。座標系はXYZ座標系で方向は図10に示した通りである。風船の座標は風船の中心を基準にして風船1が(0,0,100)、風船2が(−60,−25,100)、風船3が(60,0,130)である(単位:cm、原点は超音波送信素子4の中心)。各風船の直径は30cmである。
電子的走査は、X方向とY方向に沿って行なった。超音波受信素子5の配置の正方形における各辺もX方向とY方向に沿っている。超音波W1(発振信号S1)の周波数は40kHzである。超音波W1の速度v=340(m/s)とした場合、L/vは0.6msとなり、超音波W1の半波長は4.25mmとなる。パルス幅τは0.4msとした。すなわち、パルス幅τはτ<L/vの関係を満たし、X、Y方向のそれぞれに沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離(=0.1、0.2m)は超音波W1の半波長より大きい。
図15に8個の超音波受信素子5のそれぞれについて得られた検波信号S5と補正検波信号S6を示す。それぞれのグラフにおいて、太い実線が検波信号S5であり、細い実線が補正検波信号S6である。なお、比較のため、風船1に対応する検波信号S5と補正検波信号S6のピークが同じになるように、検波信号S5と補正検波信号S6の全体の信号強度を調整して表示している。
図15の補正検波信号S6に基づいて遅延乗算して得られた信号強度をXY座標平面上に濃淡で表したものを図16に示す。風船1、風船2および風船3の全ての風船に対応する遅延乗算後の信号が表示されている。
このように、本発明によれば、X方向に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離(=0.1、0.2m)、及びY方向に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離(=0.1、0.2m)が、超音波W1の半波長(=4.25mm)より大きくても、精度の良い乗算演算結果を得ることが可能である。
上記実施形態及び実施例において、電子的走査を行なう方向に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離の全てが超音波W1の波長の半分より大きい。しかし、これに限定されず、電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する超音波受信素子5の中心間距離の少なくとも1つが超音波W1の波長の半分より大きい場合も本発明の適用範囲である。例えば、図5において、X方向に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離dx2のみが超音波W1の波長の半分より大きく、その他のX、Y方向に沿って隣接する超音波受信素子5の中心間距離dx1、dx3〜dx6、dy1〜dy6が超音波W1の波長の半分以下の場合である。
次に、図17に、上記の第2実施形態の超音波三次元距離計測装置を用いた計測実験の様子を模式的に示す。ただし、超音波送信素子4及び超音波受信素子群10以外の装置は、省略している。1つの超音波受信素子群10につき超音波受信素子5は8個使用し、4つの超音波受信素子群10を、図10に示したような正方形状の辺々に沿って配設した。また、隣接する超音波受信素子5の中心間距離を0.1mとした。超音波送信素子4は1個使用し、超音波受信素子群10の正方形状の配置における中央に配置した。
超音波送信素子4及び超音波受信素子群10の前方に、1つの風船及びアルミ板を固定配置した。座標系はXYZ座標系で方向は図17に示した通りである。風船の座標は(−50,40,50)、アルミ板が(0,0,200)である(単位:cm)。風船の直径は40cmであり、アルミ板は10cm×15cmである。
図18に4つの超音波受信素子群10のそれぞれについて得られた包絡線検波後の信号を示す。これにより、アルミ板からの反射信号が大きいが、風船の反射信号も見られる。
図18のデータから遅延乗算を行った結果を図19に示す。図19に示すように、アルミ板からの反射が大きく出ているが、風船からの反射も大きい。図20に、最終的な3次元測定結果を示す。風船、およびアルミ板に対応する遅延乗算後の信号が表示されている。このように、本発明の第2実施形態の超音波三次元距離計測装置においても、精度の良い乗算演算結果を得ることが可能である。
次に、図21に、上記の第2実施形態について、超音波受信素子群10の数Nを変化させた場合の指向性の変化を示す。偏向角は0、φ=0、超音波受信素子群10同士の間隔は30cm、1つの超音波受信素子群10に配置される超音波受信素子5の数は9個、物体から超音波受信素子群10までの距離は2mとして、図21(a)は、超音波受信素子群10の数N=2、図21(b)はN=6、図21(c)はN=10、図21(d)はN=20である。これにより、超音波受信素子群10の数が増えると指向性は良くなることがわかった。
図22に、超音波受信素子群10同士の間隔を変化させた場合の指向性の変化を示す。偏向角は0、φ=0、超音波受信素子群10の数は2×2個、1つの超音波受信素子群10に配置される超音波受信素子5の数は9個、物体から超音波受信素子群10までの距離は2mとして、図22(a)は、超音波受信素子群10同士の間隔が10cm、図22(b)は30cm、図22(c)は50cm、図22(d)は70cm、図22(e)は90cmである。これにより、超音波受信素子群10同士の間隔を広くすると指向性は良くなることがわかった。
図23に、偏向角を変化させた場合の指向性の変化を示す。φ=0、超音波受信素子群10同士の間隔は30cm、超音波受信素子群10の数は2×2個、1つの超音波受信素子群10に配置される超音波受信素子5の数は9個、物体から超音波受信素子群10までの距離は2mとして、図23(a)は、偏向角が0度、図23(b)は20度、図23(c)は40度である。これにより、横に行くほど指向性は悪くなることがわかった。
図24に、物体から超音波受信素子群10までの距離を変化させた場合の指向性の変化を示す。偏向角は0、φ=0、超音波受信素子群10同士の間隔は30cm、超音波受信素子群10の数は2×2個、1つの超音波受信素子群10に配置される超音波受信素子5の数は9個、として、図24(a)は、物体から超音波受信素子群10までの距離が10cm、図24(b)は30cm、図24(c)は50cm、図24(d)は70cmである。これにより、遠くへ行っても指向性の大きな変化が見られないことがわかった。
以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されること無く、本発明の技術的思想の範囲内であれば、種々の変形が可能である。
1 発振信号生成手段
2 パルス信号生成手段
3 変調手段
4 超音波送信素子
5 超音波受信素子
6 包絡線検波手段
7 補正手段
8 遅延乗算手段
9 空間形状情報算出手段
10 超音波受信素子群
P1 信号生成工程
P2 変調工程
P3 超音波送信工程
P4 超音波受信工程
P5、P11 包絡線検波工程
P6、P12 補正工程
P7、P13 遅延乗算工程
P8、P14 空間形状情報算出工程
P10 遅延加算工程
S1 発振信号
S2 パルス信号
S3 変調発振信号
S4 受信信号
S5、S8 検波信号
S6、S9 補正検波信号
S7 遅延加算信号
D 結果データ
W1 送信超音波
W2 反射波(超音波)
T 対象物
τ、τ1 パルス幅
L、L1 電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子の中心間距離の最大値
v、v1 送信超音波の速度
2 パルス信号生成手段
3 変調手段
4 超音波送信素子
5 超音波受信素子
6 包絡線検波手段
7 補正手段
8 遅延乗算手段
9 空間形状情報算出手段
10 超音波受信素子群
P1 信号生成工程
P2 変調工程
P3 超音波送信工程
P4 超音波受信工程
P5、P11 包絡線検波工程
P6、P12 補正工程
P7、P13 遅延乗算工程
P8、P14 空間形状情報算出工程
P10 遅延加算工程
S1 発振信号
S2 パルス信号
S3 変調発振信号
S4 受信信号
S5、S8 検波信号
S6、S9 補正検波信号
S7 遅延加算信号
D 結果データ
W1 送信超音波
W2 反射波(超音波)
T 対象物
τ、τ1 パルス幅
L、L1 電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子の中心間距離の最大値
v、v1 送信超音波の速度
Claims (4)
- 発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも2方向のそれぞれに対して少なくとも2つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、
前記発振信号をパルス信号によりAM変調する変調手段と、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波手段と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算手段又は遅延加算する遅延加算手段とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ(s)、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての前記超音波受信素子の中心間距離の最大値をL(m)、前記超音波の速度をv(m/s)とした場合に、τ<L/vの関係を満たすと共に、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する前記超音波受信素子の中心間距離の少なくとも1つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする超音波三次元距離計測装置。 - 発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも2方向のそれぞれに対して少なくとも2つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子からなる超音波受信素子群とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測装置において、
前記発振信号をパルス信号によりAM変調する変調手段と、受信信号を遅延加算する遅延加算手段と、遅延加算により得られた遅延加算信号を包絡線検波する包絡線検波手段と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算手段又は遅延加算する遅延加算手段とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ1(s)、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての超音波受信素子群の中心間距離の最大値をL1(m)、前記超音波の速度をv1(m/s)とした場合に、τ1<L1/v1の関係を満たすと共に、各超音波受信素子群に配置される超音波受信素子の中心間距離を前記超音波の波長の半分以下とし、かつ、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離の少なくとも1つを前記超音波の波長の半分より大きくすることを可能としたことを特徴とする超音波三次元距離計測装置。 - 発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも2方向のそれぞれに対して少なくとも2つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測方法において、
前記発振信号をパルス信号によりAM変調する変調工程と、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波工程と、前記包絡線検波により得られた検波信号を遅延乗算する遅延乗算工程又は遅延加算する遅延加算工程とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ(s)、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った全ての前記超音波受信素子の中心間距離の最大値をL(m)、前記超音波の速度をv(m/s)とした場合に、τ<L/vの関係を満たすと共に、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った隣接する前記超音波受信素子の中心間距離の少なくとも1つを前記超音波の波長の半分より大きくしたことを特徴とする超音波三次元距離計測方法。 - 発振信号に基づいて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波が対象物に反射して生成する反射波を受信すると共に、電子的走査を行なう少なくとも2方向のそれぞれに対して少なくとも2つの異なる位置に配列された複数の超音波受信素子からなる超音波受信素子群とを備え、前記超音波受信素子で得られた受信信号に基づいて前記対象物の空間形状を計測する超音波三次元距離計測方法において、
前記発振信号をパルス信号によりAM変調する変調工程と、前記受信信号を超音波受信素子群ごとに遅延加算する遅延加算工程と、前記遅延加算工程により得られた遅延加算信号を包絡線検波する包絡線検波工程と、前記包絡線検波により得られた検波信号を超音波受信素子群間で遅延乗算する遅延乗算工程又は遅延加算する遅延加算工程とを備え、前記パルス信号のパルス幅をτ1(s)、前記電子的走査を行なう全ての方向に沿った前記超音波受信素子が複数配置された超音波受信素子群の中心間距離の最大値をL1(m)、前記超音波の速度をv1(m/s)とした場合に、τ1<L1/v1の関係を満たすと共に、各超音波受信素子群に配置される超音波受信素子の中心間距離を前記超音波の波長の半分以下とし、かつ、隣接する前記超音波受信素子群の中心間距離の少なくとも1つを前記超音波の波長の半分より大きくすることを可能としたことを特徴とする超音波三次元距離計測方法。
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