JP4173934B2 - 速度計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体、例えば、車両等の速度を計測するための速度計測装置、または、移動体、例えば、船舶等の対地速度を計測するためのドップラソナー等の速度計測装置に関し、一層詳細には、前記車両等または前記船舶等から送信された超音波が路面または水底（海底）に反射して帰来するエコー波のドップラ周波数成分を計測し、このドップラ周波数成分に基づいて、前記車両等または前記船舶等の速度を得る速度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、移動体である車両には、該車両に搭載されたナビゲーションシステム、ＡＢＳ装置、サスペンション制御装置等の外部装置において利用される前記車両の速度を計測するための装置（以下、第１の車速計測装置と記す。）が搭載されている。この第１の車速計測装置は、一般に、車両の各車輪に装着された車輪速センサで計測された前記車輪の回転速度に基づいて、車両の速度を求めるように構成されている。
【０００３】
ところで、第１の車速計測装置によって求められた車両の速度には、車輪の空気圧の変化、車両の積み荷重量の変化、車輪のサイズ、車輪に生じるスリップ等の影響により誤差が生じる場合がある。従って、前記第１の車速計測装置においては、高い計測精度を得ることが困難な場合が生じていた。
【０００４】
そこで、近時、車速計測装置の計測精度をさらに向上させる目的で、超音波ドップラ法を用いて車両の速度を計測する装置（以下、第２の車速計測装置と記す。）の開発・実用化が進められている。
【０００５】
図５に、第２の車速計測装置１の構成を示す。この第２の車速計測装置１は、速度ｖで走行する車両３に装着された超音波送受波器５を有する。この超音波送受波器５は、演算回路７からの信号に基づいて、車両３が走行している路面Ａに対して周波数（以下、基準周波数と記す。）ｆａのトーンバースト波Ｔｗを、前記車両３の前方に所定の俯角θで送信する。
【０００６】
また、超音波送受波器５は、トーンバースト波Ｔｗが前記路面Ａに反射して帰来する反射エコーＲｗを受信する。なお、超音波送受波器５における受波ビームは、メインローブＭＬが俯角θに一致するように設定されている。そして、超音波送受波器５で得られた反射エコーＲｗに基づく受信信号は演算回路７に供給される。演算回路７は、反射エコーＲｗの周波数（以下、標的周波数と記す。）ｆｂを求めるとともに、この標的周波数ｆｂと前記基準周波数ｆａとから、車両３の速度ｖを求める。なお、標的周波数ｆｂと基準周波数ｆａとの差（ｆｂ−ｆａ）をドップラ周波数成分Δｆとも記す。
【０００７】
ここで、車両３の速度ｖは、音速Ｃおよび基準周波数ｆａを用いて、標的周波数ｆｂ（すなわち、ドップラ周波数成分Δｆ）の関数として表される。従って、標的周波数ｆｂを得ることにより、前記関数に基づいて車両３の速度ｖを求めることができる。
【０００８】
なお、船舶の対地速度を計測するための装置であるドップラソナーは、第２の車速計測装置１と同様に構成することができる。すなわち、ドップラソナーは、例えば、船底に装着された超音波送受波器を有し、この超音波送受波器から水底（海底）に向けて送信された超音波（トーンバースト波）が前記海底に反射して帰来した反射エコーを受信する。そして、この反射エコーのドップラ周波数成分に基づいて、船舶の対地速度を計測する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の第２の車速計測装置１においては、雨天時等に使用された場合、計測された速度ｖに誤差が生じるおそれがある。これは、雨天時等のように路面Ａが濡れている状況下では、前記路面Ａが超音波に対して鏡面に近い状態となるためである。この場合、超音波送受波器５から所定の俯角θで送信されたトーンバースト波Ｔｗの大半は路面Ａで正反射してしまい、受波ビームのメインローブＭＬによって前記超音波送受波器５に受信される反射エコーＲｗのレベルが低くなってしまう。従って、超音波送受波器５において反射エコーＲｗを確実に受信することは困難となる。
【００１０】
このような、雨天時等に発生する問題を回避するためには、低いレベルの反射エコーＲｗをも確実に受信すべく、演算回路７を構成する受信回路（図示せず）の利得を大きくする方法が考えられる。
【００１１】
ところで、超音波送受波器５においては、該超音波送受波器５から略真下方向に送信されたトーンバースト波Ｔｗの反射エコーＲｗが、受波ビームのサイドローブＳＬによっても受信されている。従って、受信回路の利得を大きくした場合、サイドローブＳＬによって受信された反射エコーＲｗの影響が受信信号の中で支配的となる。このような受信信号に基づいて車両３の速度ｖが求められた場合には、速度ｖの計測精度が低下してしまう不都合があった。
【００１２】
また、雨天時等に計測された速度ｖに誤差が生じる原因として、車両３の前方を走行している他の車両によって巻き上げられる水飛沫の影響があげられる。車両が、例えば、数１０ｋｍ／ｈ以上の速度で走行した場合、該車両の後方には、大量の水飛沫が巻き上げられることとなる。このように、車両３の前方に大量の水飛沫が存在する状況で速度ｖの計測が行われた場合、上述した濡れた路面Ａによって生じる計測誤差の要因（超音波送受波器５において、メインローブＭＬによって受信される反射エコーＲｗのレベルの低下や、サイドローブＳＬによって受信される反射エコーＲｗの受信信号中における影響の増大）に加えて、さらに、水飛沫に反射して帰来する反射エコーＲｗによる誤差要因が重畳される。
【００１３】
水飛沫からの反射エコーＲｗの周波数は、トーンバースト波Ｔｗの基準周波数ｆａに対して、広い帯域にほぼ均一に分布することが実験的に判っている。このような分布を有する周波数から、路面Ａに反射して帰来し、超音波送受波器５においてメインローブＭＬによって受信された反射エコーＲｗの標的周波数ｆｂを得るための方法としては、超音波送受波器５で受信される反射エコーＲｗの周波数の平均値を標的周波数ｆｂとして算出するゼロクス法や、複素自己相関法等が採用可能であるが、このような方法を用いて速度ｖを求めた場合、計測精度の低下をもたらすおそれがあった。
【００１４】
また、上述のドップラソナーがプランクトンなどの海中浮遊物が多い海域で使用された場合、前記第２の車速計測装置１における水飛沫等による影響と同様に、前記プランクトンに反射して帰来する反射エコーの影響によって、計測される船舶の対地速度に誤差が生じるおそれがあった。
【００１５】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、計測誤差の要因が存在する様々な条件下においても移動体の速度を安定かつ正確に計測することが可能な速度計測装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る速度計測装置は、超音波を用いて移動体である車両又は船舶の速度を計測する速度計測装置であって、
前記移動体の前方に所定の俯角で超音波を送信する送信手段と、
前記超音波がターゲットである路面又は水底に反射して帰来する超音波エコーを受信して受信情報を得る受信手段と、
前記俯角、前記ターゲットまでの鉛直距離及び音速に基づき前記受信手段からの前記受信情報をサンプリングするタイミングを検出するタイミング検出手段と、
前記タイミングに基づいて前記受信情報をサンプリングし、該受信情報にＦＦＴ演算を施すことによりスペクトラム分布を得る第１演算手段と、
前記スペクトラム分布から前記移動体の速度に対応するドップラ周波数成分を抽出する際、大きさが上位２番目までのピークに対応する２つの周波数を求め、高い方の周波数を用いて前記ドップラ周波数成分を抽出する第２演算手段と、
前記ドップラ周波数成分に基づいて、前記移動体の前記ターゲットに対する速度を求める第３演算手段と、
を有することを特徴とする（請求項１記載の発明）。
【００１７】
この場合、前記第３演算手段においては、前記ドップラ周波数成分に基づいて新しい速度を求められ、この新しい速度と、同様の処理において前回求められていた古い速度との差が所定値より小さい場合に、前記新しい速度が前記移動体の現在の速度として採用される（請求項２記載の発明）。
【００１８】
このため、計測誤差の要因が発生する状況下においても、ターゲットからの超音波エコーに基づいて、移動体の速度を正確に求めることが可能である。従って、計測精度および安定性の大幅な向上が図られる。
【００１９】
なお、前記移動体から後方に所定の俯角で超音波を送信する他の送信手段と、該超音波がターゲットに反射して帰来する超音波エコーを受信して受信情報を得る他の受信手段と、をさらに設け、前記前方及び前記後方に所定の俯角でそれぞれ送信した前記超音波のそれぞれの前記超音波エコーに基づいて、前記移動体の前記ターゲットに対するそれぞれの速度を求め、求めたそれぞれの速度の平均値を、前記ターゲットに対する速度とする速度計測装置を構成するようにしてもよい（請求項３記載の発明）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、この発明の一実施の形態が適用された速度計測装置２０の構成を示している。なお、この実施の形態においては、主に、速度計測装置２０が車両に搭載されている場合について説明する。
【００２２】
速度計測装置２０は、該速度計測装置２０全体を制御するとともに、後述する速度ｖを算出する処理を行う中央演算処理部（演算手段）２２と、制御用のプログラムが記憶される記憶手段（メモリ）であるＲＯＭ２４とを有する。中央演算処理部２２は、例えば、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等により構成されている。また、速度計測装置２０は、振動子等を用いて構成された、超音波を送受信するための送受波器ＴＤ１と、該送受波器ＴＤ１を介して、単一周波数の超音波であるトーンバースト波Ｔｗを送信する処理を行う送信系２６と、前記送受波器ＴＤ１を介して、前記トーンバースト波Ｔｗがターゲット｛例えば、車両が走行する路面Ａ（図５参照）｝に反射して帰来する反射エコー（超音波エコー）Ｒｗを受信する処理を行う受信系２８とを有する。送受波器ＴＤ１における送受信の切り換えは、送受切換器３０によって行われる。
【００２３】
この場合、送信系２６と送受波器ＴＤ１とによって、トーンバースト波Ｔｗの送信手段が構成され、受信系２８と前記送受波器ＴＤ１とによって、反射エコーＲｗの受信手段が構成されている。
【００２４】
送受波器ＴＤ１は、前記した第２の車速計測装置１（図５参照）と同様に、移動体である、例えば、車両等に、トーンバースト波Ｔｗの送信方向および受波ビームのメインローブＭＬが、所定の俯角θ（０＜θ＜π／２）で前記車両等の前方を指向するように装着されている。また、送受波器ＴＤ１の路面Ａからの高さをＨとする。
【００２５】
送信系２６は、駆動信号発生回路３２および電力増幅回路３４を備えている。
【００２６】
駆動信号発生回路３２は、カウンタ（図示せず）を内蔵しており、中央演算処理部２２から供給される、例えば、１０ＭＨｚの基準信号Ｓｒを所定の分周比で分周することにより、送信用駆動信号Ｐ１を生成する（図２Ａ参照）。具体的には、駆動信号発生回路３２は、中央演算処理部２２からコントロール信号Ｓｃ１として供給される分周比に基づいて周波数（基準周波数）ｆａ（例えば、ｆａ＝２００ｋＨｚ）の信号を生成し、この信号を基準信号Ｓｒに同期してパルス変調することにより、パルス幅Ｔａ（例えば、Ｔａ＝１ｍｓ）、繰り返し周期Ｔ０（例えば、Ｔ０＝１０ｍｓ）の送信用駆動信号Ｐ１を生成する。なお、繰り返し周期Ｔ０は、中央演算処理部２２からコントロール信号Ｓｃ１が出力されるタイミングに基づいて決定される。
【００２７】
電力増幅回路３４は、駆動信号発生回路３２からの送信用駆動信号Ｐ１を電力増幅して電気信号Ｔｘを生成し、送受切換器３０を介して送受波器ＴＤ１に供給する。送受波器ＴＤ１は、この電気信号Ｔｘによって駆動され、路面Ａ（図５参照）に対してトーンバースト波Ｔｗを送信する。
【００２８】
一方、受信系２８は、図１に示すように、帯域フィルタ４０、増幅回路４２、検波回路４４、レベル比較回路４６およびＡ／Ｄコンバータ４８を備えている。
【００２９】
送受波器ＴＤ１において、路面Ａ（図５参照）に反射して帰来した反射エコーＲｗが受信されると、この送受波器ＴＤ１からは、前記反射エコーＲｗに応じた電気信号Ｒｘが出力される。帯域フィルタ４０は、この電気信号Ｒｘから所定の周波数帯域に属する成分を取り出し（濾波し）、受信信号Ｅ１として出力する（例えば、晴天時における受信信号Ｅ１を示す図２Ｂ参照）。なお、受信信号Ｅ１には、路面Ａ（図５参照）から反射し、送受波器ＴＤ１に受波ビームのメインローブＭＬによって受信された反射エコーＲｗの成分ａとともに、電気信号Ｔｘのもれによる成分ｂが含まれている。受信信号Ｅ１は増幅回路４２で増幅された後、それぞれ、検波回路４４およびＡ／Ｄコンバータ４８に供給される（図１参照）。
【００３０】
検波回路４４は、増幅回路４２からの受信信号Ｅ１を全波整流することにより、直流検波信号Ｓｄに変換する。レベル比較回路４６は、検波回路４４からの直流検波信号Ｓｄの電圧値Ｖ（Ｓｄ）を所定の基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、前記電圧値Ｖ（Ｓｄ）が前記基準電圧Ｖｒｅｆを上回っている間のみハイレベルとなる受波検出ゲート信号Ｇ１（図２Ｃ参照）を中央演算処理部２２に対して出力する。中央演算処理部２２は、コントロール信号Ｓｃ１を出力した時点から受波検出ゲート信号Ｇ１の立ち上がり時点までの時間を計測することにより、送受波器ＴＤ１からトーンバースト波Ｔｗが送信されてから反射エコーＲｗが受信されるまでの時間Ｔ１を求める。なお、受波検出ゲート信号Ｇ１は、受信信号Ｅ１に電気信号Ｔｘのもれによる成分ｂが含まれている場合にもハイレベルとなるが、中央演算処理部２２は、この電気信号Ｔｘのもれに基づく受波検出ゲート信号Ｇ１の変化をコントロール信号Ｓｃ１の出力時点に基づいて予測し、時間Ｔ１を求める処理においては考慮しないようにする。
【００３１】
Ａ／Ｄコンバータ４８は、中央演算処理部２２から供給されるコントロール信号Ｓｃ２に従って、増幅回路４２からの受信信号Ｅ１をデジタルのデータである受信データ（受信情報）Ｄ（Ｅ１）に変換し、中央演算処理部２２に供給する。このコントロール信号Ｓｃ２によって、中央演算処理部２２において受信データＤ（Ｅ１）のサンプリングを開始するタイミングＴ２が指示される（図２Ｄ参照）。すなわち、中央演算処理部２２は、タイミングＴ２を検出するためのタイミング検出手段として機能する。
【００３２】
この場合、タイミングＴ２は、送受波器ＴＤ１の路面Ａからの高さＨと、トーンバースト波Ｔｗを送信する俯角θとに基づいて求められた時間に、送受波器ＴＤ１が装着される、例えば、車両等の上下動の影響による前記時間の変動を考慮した値を加算することにより求められる（図５参照）。
【００３３】
具体的には、タイミングＴ２は、次の（１）式に基づいて求められる。
【００３４】
Ｔ２＝２×Ｈ／（Ｃ×ｓｉｎθ）−０．２５×１０-3［ｓｅｃ］ …（１）
ただし、Ｃは音速であり、送受波器ＴＤ１の周囲温度ｔを用いて次の（２）式に基づいて求められる。
【００３５】
Ｃ＝３３１．６＋０．６１×ｔ［ｍ／ｓ］ …（２）
なお、周囲温度ｔは、送受波器ＴＤ１の近傍に設けられたサーミスタ５０によって計測される（図１参照）。具体的には、サーミスタ５０で得られた周囲温度ｔに基づく温度信号（電圧）Ｓｔは、Ａ／Ｄコンバータ５２を介して温度データＤ（ｔ）として中央演算処理部２２に供給される。なお、サーミスタ５０の一方の端子は、該サーミスタ５０にバイアスを与えるための抵抗器Ｒを介して電源に接続されており、他方の端子は接地されている。
【００３６】
中央演算処理部２２は、温度データＤ（ｔ）に基づいて周囲温度ｔを求める。この場合、中央演算処理部２２に温度データＤ（ｔ）を取り込むタイミングは、該中央演算処理部２２からＡ／Ｄコンバータ５２に供給されるコントロール信号Ｓｃ３によって指示される。
【００３７】
また、中央演算処理部２２からＡ／Ｄコンバータ４８に供給されるコントロール信号Ｓｃ２によって、前記中央演算処理部２２における受信データＤ（Ｅ１）のサンプリング間隔ΔＴ（この実施の形態においては、ΔＴ＝１．５μｓ）と、サンプリングポイント数Ｎ（例えば、Ｎ＝１０２４ポイント）が指示される（図２Ｄ参照）。サンプリングポイント数Ｎは、サンプリング間隔ΔＴに基づいて設定される。
【００３８】
中央演算処理部２２は、これらタイミングＴ２、サンプリング間隔ΔＴおよびサンプリングポイント数Ｎに基づいて、受信データＤ（Ｅ１）のサンプリングを行う。このようにタイミングＴ２、サンプリング間隔ΔＴおよびサンプリングポイント数Ｎを設定することにより、送受波器ＴＤ１に受波ビームのメインローブＭＬによって受信される路面Ａからの反射エコーＲｗを、受信データＤ（Ｅ１）として確実にサンプリングすることができる（図２Ｂおよび図２Ｄ参照）。
【００３９】
中央演算処理部２２は、サンプリングした受信データＤ（Ｅ１）にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理（ＦＦＴ演算とも記す。）を施すことにより、図３Ａに示すスペクトラム分布を求める。このスペクトラム分布は、０．６５１ｋＨｚ｛＝１／（１０２４×１．５×１０-6）ｋＨｚ｝の間隔で、０〜３３３ｋＨｚ（＝５１２×０．６５１ｋＨｚ）の周波数帯域にわたって分布するように設定される。
【００４０】
例えば、晴天時におけるスペクトラム分布には、受信信号Ｅ１の成分ａ（図２Ｂ参照）に対応するピークＰａが存在する。このため、このピークＰａにおける周波数ｆ１を求めることにより、路面Ａ（図５参照）から反射し、送受波器ＴＤ１に受波ビームのメインローブＭＬによって受信された反射エコーＲｗの周波数（標的周波数）ｆｂがｆｂ＝ｆ１として得られる。
【００４１】
ところで、雨天時等の路面Ａが濡れている状況下では、トーンバースト波Ｔｗの大半は前記路面Ａで正反射してしまう（図５参照）。このため、図２Ｅに示すように、受信信号Ｅ１に含まれる、路面Ａ（図５参照）から反射し、送受波器ＴＤ１に受波ビームのメインローブＭＬ（図５参照）によって受信された反射エコーＲｗの成分ａのレベルが低下してしまう。また、これとは相対的に、送受波器ＴＤ１に受波ビームのサイドローブＳＬ（図５参照）によって受信される反射エコーＲｗの成分ｃのレベルが上昇する。
【００４２】
この場合、反射エコーＲｗのスペクトラム分布には、図３Ｂに示すように、成分ａ（図２Ｅ参照）に対応するピークＰａに加えて、成分ｃ（図２Ｅ参照）に対応するピークＰｃが存在する。ピークＰｃにおける周波数ｆ０は、トーンバースト波Ｔｗの基準周波数ｆａとほぼ同じ値（ｆ０＝ｆａ）となる。このように、スペクトラム分布に複数のピークＰａ、Ｐｃが存在する場合には、大きさが最大のピークＰａまたはＰｃに基づいて標的周波数ｆｂを得ることは困難である。
【００４３】
また、送受波器ＴＤ１の前方を走行する車両によって水飛沫が巻き上げられている状況下では、トーンバースト波Ｔｗは前記水飛沫によって反射されてしまう。このため、受信信号Ｅ１には、前記水飛沫に反射して帰来する反射エコーＲｗの成分ｄが含まれる（図２Ｆ参照）。水飛沫に反射して帰来する反射エコーＲｗの周波数は広い帯域に分布するため、図３Ｃに示す反射エコーＲｗのスペクトラム分布には、成分ｄ（図２Ｆ参照）に対応する複数のピークＰｄ１、Ｐｄ２等が存在する。この場合にも、大きさが最大のピークＰａ、ＰｃまたはＰｄ１、Ｐｄ２等に基づいて標的周波数ｆｂを得ることは困難である。
【００４４】
以下、中央演算処理部２２において、図３Ａ（晴天時）、図３Ｂまたは図３Ｃ（雨天時）に示したスペクトラム分布から、標的周波数ｆｂとしてピークＰａにおける周波数ｆ１を抽出するとともに、この標的周波数ｆｂに基づいて移動体（車両）の速度ｖを算出するための処理方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００４５】
まず、ステップＳ１において、コントロール信号Ｓｃ２で設定したタイミングＴ２、サンプリング間隔ΔＴおよびサンプリングポイント数Ｎに基づいて、受信データＤ（Ｅ１）のサンプリングが行われる。続いて、ステップＳ２において、サンプリングした受信データＤ（Ｅ１）に対してＦＦＴ演算を施すことにより、反射エコーＲｗのスペクトラム分布（図３Ａ〜図３Ｃ参照）が得られる。
【００４６】
次いで、ステップＳ３において、スペクトラム分布から、大きさが上位２番目までのピークＰａ、Ｐｃ等が抽出され、このピークＰａ、Ｐｃ等における周波数ｆ１、ｆ０等が求められる。そして、ステップＳ４において、このうち、値が大きい（高い）方の周波数（この場合、ｆ１）を標的周波数ｆｂの第１候補と判定し（ｆｂ＝ｆ１）、次の（３）式に基づいて、速度計測装置２０が搭載される車両等の推定速度ｖ０を算出する。
【００４７】
ｖ０＝Δｆ×Ｃ／｛（２×ｆａ＋Δｆ）×ｃｏｓθ｝ …（３）
ここで、Δｆはドップラ周波数成分を示し、Δｆ＝ｆａ−ｆｂで求められる。また、Ｃは音速であり、前記（２）式に基づいて求められる。
【００４８】
前記ステップＳ４で求められた推定速度ｖ０は、ステップＳ５において、新しい速度ｖ（ｎｅｗ）として中央演算処理部２２の、例えば、図示しないメモリに格納される｛ｖ（ｎｅｗ）←ｖ０｝。これに先だって、前回の処理において求められていた新しい速度ｖ（ｎｅｗ）は、古い速度ｖ（ｏｌｄ）としてメモリに格納される｛ｖ（ｏｌｄ）←ｖ（ｎｅｗ）｝。
【００４９】
次に、ステップＳ６において、新しい速度ｖ（ｎｅｗ）と古い速度ｖ（ｏｌｄ）との差Δｖ｛Δｖ＝ｖ（ｎｅｗ）−ｖ（ｏｌｄ）｝が求められる。続いて、ステップＳ７において、ステップＳ６で求められた差Δｖと所定値ｖｒ（例えば、ｖｒ＝５ｋｍ／ｈ）との比較を行い、Δｖ＜ｖｒである場合には、ステップＳ８において、新しい速度ｖ（ｎｅｗ）が移動体（車両）の現在の速度ｖとして採用される｛ｖ←ｖ（ｎｅｗ）｝。ステップＳ７において、Δｖ≧ｖｒであると判定された場合には、新しい速度ｖ（ｎｅｗ）を現在の速度ｖとしては採用せず、ステップＳ１の処理に戻る。
【００５０】
上記のステップＳ１〜Ｓ８で求められた速度ｖは、図１に示すように、速度データＤ（ｖ）として中央演算処理部２２から出力され、車両に搭載されたナビゲーションシステム、ＡＢＳ装置、サスペンション制御装置等の外部装置に供給される。
【００５１】
上記したように、この実施の形態においては、速度ｖを得るためのステップＳ１〜Ｓ８の処理は、スペクトラム分布から、車両の速度ｖに対応する標的周波数ｆｂ（すなわち、ドップラ周波数成分Δｆ）を抽出するための、一種の周波数フィルタとして機能している。従って、ドップラ周波数成分Δｆに基づいて、車両の速度ｖを正確に求めることができる。
【００５２】
特に、雨天時等のように計測誤差の要因が発生する状況下においても、速度ｖを正確に求めることが可能であるため、ゼロクス法や、複素自己相関法等の計測方法を用いた場合に比べて、計測精度および安定性の大幅な向上が図られる。
【００５３】
なお、この発明は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採用することができる。
【００５４】
例えば、車両の前方に対して超音波（トーンバースト波Ｔｗ、反射エコーＲｗ）を送受信する送受波器ＴＤ１に加えて、車両の後方に対して超音波を送受信する他の送受波器を設けるようにした、いわゆる、２ビーム方式を採用するようにしてもよい。前記他の送受波器は、車両の後方に所定の俯角（例えば、θ）でトーンバースト波を送信するとともに、該トーンバースト波が路面に反射して帰来する反射エコーを受信する。
【００５５】
そして、送受波器ＴＤ１および他の送受波器のそれぞれにおいて受信された反射エコーＲｗに基づいて速度ｖ１、ｖ２を求め、これら速度ｖ１、ｖ２の平均値を算出することにより、車両の速度ｖが得られる。この場合、車両の傾きや上下動により発生する計測誤差の要因を大幅に削減することができる。このような効果は、後述するように、速度計測装置２０が船舶等に搭載されている場合にも同様に得ることができる。
【００５６】
また、送受波器ＴＤ１の路面Ａからの高さＨ（図５参照）が既知でない場合には、中央演算処理部２２において、受波検出ゲート信号Ｇ１に基づいて求められた時間Ｔ１を用いて学習処理を行うことにより、前記高さＨを求めるようにしてもよい。なお、学習処理を行うにあたっては、路面Ａが乾燥したアスファルトである場合に求められた時間Ｔ１を用いることが好ましい。
【００５７】
さらに、前記ステップＳ７、Ｓ８において、（３）式で求められた推定速度ｖ０の新しい値｛新しい速度ｖ（ｎｅｗ）｝と古い値｛古い速度ｖ（ｏｌｄ）｝との差Δｖに基づいて現在の速度ｖを得る処理に代えて、車両の車輪に設けられた車輪速センサで計測された車両の速度ｖ′と、前記（３）式で求められた推定速度ｖ０との差分Δｖ′をとり、この差分Δｖ′が前記速度ｖ′または前記推定速度ｖ０に対して１５％以内である場合に、前記推定速度ｖ０を現在の速度ｖと判定する処理を行うようにしてもよい。この場合、速度計測装置２０には、前記車輪速センサからの信号を入力するための手段が設けられる。
【００５８】
なお、前記ステップＳ７、Ｓ８における処理に加えて、現在の速度ｖの確定／非確定を前記速度ｖ′に基づいて選択する処理を行うようにしてもよい。
【００５９】
さらにまた、ステップＳ３における処理、すなわち、スペクトラム分布から大きさが上位２番目までのピークを抽出し、これらのピークにおける周波数を求める処理に代えて、大きさが上位ｎ番目（ｎ≧３、ｎ：整数）までのピークを抽出し、これらのピークにおける周波数を求める処理を行うようにしてもよい。この場合、ステップＳ４においては、各ピークにおける周波数のうち、値が大きい（高い）方の周波数を標的周波数ｆｂの第１候補として求め、推定速度ｖ０を算出する処理に代えて、前記各ピークにおける周波数を標的周波数ｆｂの第１〜第ｎの候補として算出された候補としての推定速度ｖ０のうち、例えば、車輪速センサで計測された前記速度ｖ′に最も近いものを該ステップＳ４で求めるべき推定速度ｖ０として選択する処理が行われる。
【００６０】
この実施の形態では、主に、速度計測装置２０が車両に搭載されている場合について説明しているが、この車両としては、自動車の他、鉄道車両等も含まれる。また、この速度計測装置２０は、船舶等に搭載することも可能である。
【００６１】
この場合、送受波器ＴＤ１から送信されたトーンバースト波Ｔｗは、水底（海底）に反射して反射エコーＲｗとして帰来し、前記送受波器ＴＤ１に受信される。すなわち、速度計測装置２０においては、速度ｖとして、該速度計測装置２０が搭載される船舶等の対地速度が求められる。
【００６２】
また、海中にプランクトンなどの浮遊物が多い海域で対地速度の計測が行われた場合には、帯域フィルタ４０からの受信信号Ｅ１の波形は、図２Ｅに示した波形に類似する。さらに、スペクトラム分布は、図３Ｃに示した分布に類似する。すなわち、速度計測装置２０においては、プランクトンなどの海中浮遊物を路面Ａ上の水飛沫と同様に計測誤差の要因として処理し、船舶等の対地速度を正確に計測することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る速度計測装置によれば、超音波エコーを受信して得られた受信情報にＦＦＴ演算を施すことによって得られたスペクトラム分布から、移動体の速度に対応するピークにおける周波数を抽出し、この周波数に基づいて前記速度を求めるようにしている。従って、計測誤差の要因が存在する様々な条件下においても移動体の速度を安定かつ正確に計測することが可能な速度計測装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態が適用された速度計測装置を示すブロック図である。
【図２】図２Ａは、図１に示した速度計測装置を構成する送受波器から送信されるトーンバースト波に対応する送信用駆動信号を示す波形図であり、
図２Ｂは、前記送受波器で受信された反射エコーに対応する受信信号を示す波形図であり、
図２Ｃは、前記送受波器において反射エコーが受信されたことを表す受波検出ゲート信号を示す波形図であり、
図２Ｄは、前記速度計測装置を構成する中央演算処理部において、受信データをサンプリングするタイミングを示す波形図であり、
図２Ｅは、路面が濡れている状況下における前記受信信号を示す波形図であり、
図２Ｆは、トーンバースト波の送信方向に水飛沫が存在する状況下における前記受信信号を示す波形図である。
【図３】図３Ａは、図２Ｂに示した受信信号に対応するスペクトラム分布を示す図であり、
図３Ｂは、図２Ｅに示した受信信号に対応するスペクトラム分布を示す図であり、
図３Ｃは、図２Ｆに示した受信信号に対応するスペクトラム分布を示す図である。
【図４】図１に示した速度計測装置を構成する中央演算処理部において、送受波器で受信された反射エコーの受信データに基づいて移動体の速度を求めるための処理を示すフローチャートである。
【図５】従来の技術に係る第２の車速計測装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
２０…速度計測装置 ２２…中央演算処理部（演算手段）
３０…送受切換器 ３２…駆動信号発生回路
３４…電力増幅回路 ４０…帯域フィルタ
４２…増幅回路 ４４…検波回路
４６…レベル比較回路 ４８、５２…Ａ／Ｄコンバータ
ＴＤ１…送受波器 Ｔｗ…トーンバースト波
Ｒｗ…反射エコー Ｐ１…送信用駆動信号
Ｅ１…受信信号
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体、例えば、車両等の速度を計測するための速度計測装置、または、移動体、例えば、船舶等の対地速度を計測するためのドップラソナー等の速度計測装置に関し、一層詳細には、前記車両等または前記船舶等から送信された超音波が路面または水底（海底）に反射して帰来するエコー波のドップラ周波数成分を計測し、このドップラ周波数成分に基づいて、前記車両等または前記船舶等の速度を得る速度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、移動体である車両には、該車両に搭載されたナビゲーションシステム、ＡＢＳ装置、サスペンション制御装置等の外部装置において利用される前記車両の速度を計測するための装置（以下、第１の車速計測装置と記す。）が搭載されている。この第１の車速計測装置は、一般に、車両の各車輪に装着された車輪速センサで計測された前記車輪の回転速度に基づいて、車両の速度を求めるように構成されている。
【０００３】
ところで、第１の車速計測装置によって求められた車両の速度には、車輪の空気圧の変化、車両の積み荷重量の変化、車輪のサイズ、車輪に生じるスリップ等の影響により誤差が生じる場合がある。従って、前記第１の車速計測装置においては、高い計測精度を得ることが困難な場合が生じていた。
【０００４】
そこで、近時、車速計測装置の計測精度をさらに向上させる目的で、超音波ドップラ法を用いて車両の速度を計測する装置（以下、第２の車速計測装置と記す。）の開発・実用化が進められている。
【０００５】
図５に、第２の車速計測装置１の構成を示す。この第２の車速計測装置１は、速度ｖで走行する車両３に装着された超音波送受波器５を有する。この超音波送受波器５は、演算回路７からの信号に基づいて、車両３が走行している路面Ａに対して周波数（以下、基準周波数と記す。）ｆａのトーンバースト波Ｔｗを、前記車両３の前方に所定の俯角θで送信する。
【０００６】
また、超音波送受波器５は、トーンバースト波Ｔｗが前記路面Ａに反射して帰来する反射エコーＲｗを受信する。なお、超音波送受波器５における受波ビームは、メインローブＭＬが俯角θに一致するように設定されている。そして、超音波送受波器５で得られた反射エコーＲｗに基づく受信信号は演算回路７に供給される。演算回路７は、反射エコーＲｗの周波数（以下、標的周波数と記す。）ｆｂを求めるとともに、この標的周波数ｆｂと前記基準周波数ｆａとから、車両３の速度ｖを求める。なお、標的周波数ｆｂと基準周波数ｆａとの差（ｆｂ−ｆａ）をドップラ周波数成分Δｆとも記す。
【０００７】
ここで、車両３の速度ｖは、音速Ｃおよび基準周波数ｆａを用いて、標的周波数ｆｂ（すなわち、ドップラ周波数成分Δｆ）の関数として表される。従って、標的周波数ｆｂを得ることにより、前記関数に基づいて車両３の速度ｖを求めることができる。
【０００８】
なお、船舶の対地速度を計測するための装置であるドップラソナーは、第２の車速計測装置１と同様に構成することができる。すなわち、ドップラソナーは、例えば、船底に装着された超音波送受波器を有し、この超音波送受波器から水底（海底）に向けて送信された超音波（トーンバースト波）が前記海底に反射して帰来した反射エコーを受信する。そして、この反射エコーのドップラ周波数成分に基づいて、船舶の対地速度を計測する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の第２の車速計測装置１においては、雨天時等に使用された場合、計測された速度ｖに誤差が生じるおそれがある。これは、雨天時等のように路面Ａが濡れている状況下では、前記路面Ａが超音波に対して鏡面に近い状態となるためである。この場合、超音波送受波器５から所定の俯角θで送信されたトーンバースト波Ｔｗの大半は路面Ａで正反射してしまい、受波ビームのメインローブＭＬによって前記超音波送受波器５に受信される反射エコーＲｗのレベルが低くなってしまう。従って、超音波送受波器５において反射エコーＲｗを確実に受信することは困難となる。
【００１０】
このような、雨天時等に発生する問題を回避するためには、低いレベルの反射エコーＲｗをも確実に受信すべく、演算回路７を構成する受信回路（図示せず）の利得を大きくする方法が考えられる。
【００１１】
ところで、超音波送受波器５においては、該超音波送受波器５から略真下方向に送信されたトーンバースト波Ｔｗの反射エコーＲｗが、受波ビームのサイドローブＳＬによっても受信されている。従って、受信回路の利得を大きくした場合、サイドローブＳＬによって受信された反射エコーＲｗの影響が受信信号の中で支配的となる。このような受信信号に基づいて車両３の速度ｖが求められた場合には、速度ｖの計測精度が低下してしまう不都合があった。
【００１２】
また、雨天時等に計測された速度ｖに誤差が生じる原因として、車両３の前方を走行している他の車両によって巻き上げられる水飛沫の影響があげられる。車両が、例えば、数１０ｋｍ／ｈ以上の速度で走行した場合、該車両の後方には、大量の水飛沫が巻き上げられることとなる。このように、車両３の前方に大量の水飛沫が存在する状況で速度ｖの計測が行われた場合、上述した濡れた路面Ａによって生じる計測誤差の要因（超音波送受波器５において、メインローブＭＬによって受信される反射エコーＲｗのレベルの低下や、サイドローブＳＬによって受信される反射エコーＲｗの受信信号中における影響の増大）に加えて、さらに、水飛沫に反射して帰来する反射エコーＲｗによる誤差要因が重畳される。
【００１３】
水飛沫からの反射エコーＲｗの周波数は、トーンバースト波Ｔｗの基準周波数ｆａに対して、広い帯域にほぼ均一に分布することが実験的に判っている。このような分布を有する周波数から、路面Ａに反射して帰来し、超音波送受波器５においてメインローブＭＬによって受信された反射エコーＲｗの標的周波数ｆｂを得るための方法としては、超音波送受波器５で受信される反射エコーＲｗの周波数の平均値を標的周波数ｆｂとして算出するゼロクス法や、複素自己相関法等が採用可能であるが、このような方法を用いて速度ｖを求めた場合、計測精度の低下をもたらすおそれがあった。
【００１４】
また、上述のドップラソナーがプランクトンなどの海中浮遊物が多い海域で使用された場合、前記第２の車速計測装置１における水飛沫等による影響と同様に、前記プランクトンに反射して帰来する反射エコーの影響によって、計測される船舶の対地速度に誤差が生じるおそれがあった。
【００１５】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、計測誤差の要因が存在する様々な条件下においても移動体の速度を安定かつ正確に計測することが可能な速度計測装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る速度計測装置は、超音波を用いて移動体である車両又は船舶の速度を計測する速度計測装置であって、
前記移動体の前方に所定の俯角で超音波を送信する送信手段と、
前記超音波がターゲットである路面又は水底に反射して帰来する超音波エコーを受信して受信情報を得る受信手段と、
前記俯角、前記ターゲットまでの鉛直距離及び音速に基づき前記受信手段からの前記受信情報をサンプリングするタイミングを検出するタイミング検出手段と、
前記タイミングに基づいて前記受信情報をサンプリングし、該受信情報にＦＦＴ演算を施すことによりスペクトラム分布を得る第１演算手段と、
前記スペクトラム分布から前記移動体の速度に対応するドップラ周波数成分を抽出する際、大きさが上位２番目までのピークに対応する２つの周波数を求め、高い方の周波数を用いて前記ドップラ周波数成分を抽出する第２演算手段と、
前記ドップラ周波数成分に基づいて、前記移動体の前記ターゲットに対する速度を求める第３演算手段と、
を有することを特徴とする（請求項１記載の発明）。
【００１７】
この場合、前記第３演算手段においては、前記ドップラ周波数成分に基づいて新しい速度を求められ、この新しい速度と、同様の処理において前回求められていた古い速度との差が所定値より小さい場合に、前記新しい速度が前記移動体の現在の速度として採用される（請求項２記載の発明）。
【００１８】
このため、計測誤差の要因が発生する状況下においても、ターゲットからの超音波エコーに基づいて、移動体の速度を正確に求めることが可能である。従って、計測精度および安定性の大幅な向上が図られる。
【００１９】
なお、前記移動体から後方に所定の俯角で超音波を送信する他の送信手段と、該超音波がターゲットに反射して帰来する超音波エコーを受信して受信情報を得る他の受信手段と、をさらに設け、前記前方及び前記後方に所定の俯角でそれぞれ送信した前記超音波のそれぞれの前記超音波エコーに基づいて、前記移動体の前記ターゲットに対するそれぞれの速度を求め、求めたそれぞれの速度の平均値を、前記ターゲットに対する速度とする速度計測装置を構成するようにしてもよい（請求項３記載の発明）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、この発明の一実施の形態が適用された速度計測装置２０の構成を示している。なお、この実施の形態においては、主に、速度計測装置２０が車両に搭載されている場合について説明する。
【００２２】
速度計測装置２０は、該速度計測装置２０全体を制御するとともに、後述する速度ｖを算出する処理を行う中央演算処理部（演算手段）２２と、制御用のプログラムが記憶される記憶手段（メモリ）であるＲＯＭ２４とを有する。中央演算処理部２２は、例えば、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等により構成されている。また、速度計測装置２０は、振動子等を用いて構成された、超音波を送受信するための送受波器ＴＤ１と、該送受波器ＴＤ１を介して、単一周波数の超音波であるトーンバースト波Ｔｗを送信する処理を行う送信系２６と、前記送受波器ＴＤ１を介して、前記トーンバースト波Ｔｗがターゲット｛例えば、車両が走行する路面Ａ（図５参照）｝に反射して帰来する反射エコー（超音波エコー）Ｒｗを受信する処理を行う受信系２８とを有する。送受波器ＴＤ１における送受信の切り換えは、送受切換器３０によって行われる。
【００２３】
この場合、送信系２６と送受波器ＴＤ１とによって、トーンバースト波Ｔｗの送信手段が構成され、受信系２８と前記送受波器ＴＤ１とによって、反射エコーＲｗの受信手段が構成されている。
【００２４】
送受波器ＴＤ１は、前記した第２の車速計測装置１（図５参照）と同様に、移動体である、例えば、車両等に、トーンバースト波Ｔｗの送信方向および受波ビームのメインローブＭＬが、所定の俯角θ（０＜θ＜π／２）で前記車両等の前方を指向するように装着されている。また、送受波器ＴＤ１の路面Ａからの高さをＨとする。
【００２５】
送信系２６は、駆動信号発生回路３２および電力増幅回路３４を備えている。
【００２６】
駆動信号発生回路３２は、カウンタ（図示せず）を内蔵しており、中央演算処理部２２から供給される、例えば、１０ＭＨｚの基準信号Ｓｒを所定の分周比で分周することにより、送信用駆動信号Ｐ１を生成する（図２Ａ参照）。具体的には、駆動信号発生回路３２は、中央演算処理部２２からコントロール信号Ｓｃ１として供給される分周比に基づいて周波数（基準周波数）ｆａ（例えば、ｆａ＝２００ｋＨｚ）の信号を生成し、この信号を基準信号Ｓｒに同期してパルス変調することにより、パルス幅Ｔａ（例えば、Ｔａ＝１ｍｓ）、繰り返し周期Ｔ０（例えば、Ｔ０＝１０ｍｓ）の送信用駆動信号Ｐ１を生成する。なお、繰り返し周期Ｔ０は、中央演算処理部２２からコントロール信号Ｓｃ１が出力されるタイミングに基づいて決定される。
【００２７】
電力増幅回路３４は、駆動信号発生回路３２からの送信用駆動信号Ｐ１を電力増幅して電気信号Ｔｘを生成し、送受切換器３０を介して送受波器ＴＤ１に供給する。送受波器ＴＤ１は、この電気信号Ｔｘによって駆動され、路面Ａ（図５参照）に対してトーンバースト波Ｔｗを送信する。
【００２８】
一方、受信系２８は、図１に示すように、帯域フィルタ４０、増幅回路４２、検波回路４４、レベル比較回路４６およびＡ／Ｄコンバータ４８を備えている。
【００２９】
送受波器ＴＤ１において、路面Ａ（図５参照）に反射して帰来した反射エコーＲｗが受信されると、この送受波器ＴＤ１からは、前記反射エコーＲｗに応じた電気信号Ｒｘが出力される。帯域フィルタ４０は、この電気信号Ｒｘから所定の周波数帯域に属する成分を取り出し（濾波し）、受信信号Ｅ１として出力する（例えば、晴天時における受信信号Ｅ１を示す図２Ｂ参照）。なお、受信信号Ｅ１には、路面Ａ（図５参照）から反射し、送受波器ＴＤ１に受波ビームのメインローブＭＬによって受信された反射エコーＲｗの成分ａとともに、電気信号Ｔｘのもれによる成分ｂが含まれている。受信信号Ｅ１は増幅回路４２で増幅された後、それぞれ、検波回路４４およびＡ／Ｄコンバータ４８に供給される（図１参照）。
【００３０】
検波回路４４は、増幅回路４２からの受信信号Ｅ１を全波整流することにより、直流検波信号Ｓｄに変換する。レベル比較回路４６は、検波回路４４からの直流検波信号Ｓｄの電圧値Ｖ（Ｓｄ）を所定の基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、前記電圧値Ｖ（Ｓｄ）が前記基準電圧Ｖｒｅｆを上回っている間のみハイレベルとなる受波検出ゲート信号Ｇ１（図２Ｃ参照）を中央演算処理部２２に対して出力する。中央演算処理部２２は、コントロール信号Ｓｃ１を出力した時点から受波検出ゲート信号Ｇ１の立ち上がり時点までの時間を計測することにより、送受波器ＴＤ１からトーンバースト波Ｔｗが送信されてから反射エコーＲｗが受信されるまでの時間Ｔ１を求める。なお、受波検出ゲート信号Ｇ１は、受信信号Ｅ１に電気信号Ｔｘのもれによる成分ｂが含まれている場合にもハイレベルとなるが、中央演算処理部２２は、この電気信号Ｔｘのもれに基づく受波検出ゲート信号Ｇ１の変化をコントロール信号Ｓｃ１の出力時点に基づいて予測し、時間Ｔ１を求める処理においては考慮しないようにする。
【００３１】
Ａ／Ｄコンバータ４８は、中央演算処理部２２から供給されるコントロール信号Ｓｃ２に従って、増幅回路４２からの受信信号Ｅ１をデジタルのデータである受信データ（受信情報）Ｄ（Ｅ１）に変換し、中央演算処理部２２に供給する。このコントロール信号Ｓｃ２によって、中央演算処理部２２において受信データＤ（Ｅ１）のサンプリングを開始するタイミングＴ２が指示される（図２Ｄ参照）。すなわち、中央演算処理部２２は、タイミングＴ２を検出するためのタイミング検出手段として機能する。
【００３２】
この場合、タイミングＴ２は、送受波器ＴＤ１の路面Ａからの高さＨと、トーンバースト波Ｔｗを送信する俯角θとに基づいて求められた時間に、送受波器ＴＤ１が装着される、例えば、車両等の上下動の影響による前記時間の変動を考慮した値を加算することにより求められる（図５参照）。
【００３３】
具体的には、タイミングＴ２は、次の（１）式に基づいて求められる。
【００３４】
Ｔ２＝２×Ｈ／（Ｃ×ｓｉｎθ）−０．２５×１０-3［ｓｅｃ］ …（１）
ただし、Ｃは音速であり、送受波器ＴＤ１の周囲温度ｔを用いて次の（２）式に基づいて求められる。
【００３５】
Ｃ＝３３１．６＋０．６１×ｔ［ｍ／ｓ］ …（２）
なお、周囲温度ｔは、送受波器ＴＤ１の近傍に設けられたサーミスタ５０によって計測される（図１参照）。具体的には、サーミスタ５０で得られた周囲温度ｔに基づく温度信号（電圧）Ｓｔは、Ａ／Ｄコンバータ５２を介して温度データＤ（ｔ）として中央演算処理部２２に供給される。なお、サーミスタ５０の一方の端子は、該サーミスタ５０にバイアスを与えるための抵抗器Ｒを介して電源に接続されており、他方の端子は接地されている。
【００３６】
中央演算処理部２２は、温度データＤ（ｔ）に基づいて周囲温度ｔを求める。この場合、中央演算処理部２２に温度データＤ（ｔ）を取り込むタイミングは、該中央演算処理部２２からＡ／Ｄコンバータ５２に供給されるコントロール信号Ｓｃ３によって指示される。
【００３７】
また、中央演算処理部２２からＡ／Ｄコンバータ４８に供給されるコントロール信号Ｓｃ２によって、前記中央演算処理部２２における受信データＤ（Ｅ１）のサンプリング間隔ΔＴ（この実施の形態においては、ΔＴ＝１．５μｓ）と、サンプリングポイント数Ｎ（例えば、Ｎ＝１０２４ポイント）が指示される（図２Ｄ参照）。サンプリングポイント数Ｎは、サンプリング間隔ΔＴに基づいて設定される。
【００３８】
中央演算処理部２２は、これらタイミングＴ２、サンプリング間隔ΔＴおよびサンプリングポイント数Ｎに基づいて、受信データＤ（Ｅ１）のサンプリングを行う。このようにタイミングＴ２、サンプリング間隔ΔＴおよびサンプリングポイント数Ｎを設定することにより、送受波器ＴＤ１に受波ビームのメインローブＭＬによって受信される路面Ａからの反射エコーＲｗを、受信データＤ（Ｅ１）として確実にサンプリングすることができる（図２Ｂおよび図２Ｄ参照）。
【００３９】
中央演算処理部２２は、サンプリングした受信データＤ（Ｅ１）にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理（ＦＦＴ演算とも記す。）を施すことにより、図３Ａに示すスペクトラム分布を求める。このスペクトラム分布は、０．６５１ｋＨｚ｛＝１／（１０２４×１．５×１０-6）ｋＨｚ｝の間隔で、０〜３３３ｋＨｚ（＝５１２×０．６５１ｋＨｚ）の周波数帯域にわたって分布するように設定される。
【００４０】
例えば、晴天時におけるスペクトラム分布には、受信信号Ｅ１の成分ａ（図２Ｂ参照）に対応するピークＰａが存在する。このため、このピークＰａにおける周波数ｆ１を求めることにより、路面Ａ（図５参照）から反射し、送受波器ＴＤ１に受波ビームのメインローブＭＬによって受信された反射エコーＲｗの周波数（標的周波数）ｆｂがｆｂ＝ｆ１として得られる。
【００４１】
ところで、雨天時等の路面Ａが濡れている状況下では、トーンバースト波Ｔｗの大半は前記路面Ａで正反射してしまう（図５参照）。このため、図２Ｅに示すように、受信信号Ｅ１に含まれる、路面Ａ（図５参照）から反射し、送受波器ＴＤ１に受波ビームのメインローブＭＬ（図５参照）によって受信された反射エコーＲｗの成分ａのレベルが低下してしまう。また、これとは相対的に、送受波器ＴＤ１に受波ビームのサイドローブＳＬ（図５参照）によって受信される反射エコーＲｗの成分ｃのレベルが上昇する。
【００４２】
この場合、反射エコーＲｗのスペクトラム分布には、図３Ｂに示すように、成分ａ（図２Ｅ参照）に対応するピークＰａに加えて、成分ｃ（図２Ｅ参照）に対応するピークＰｃが存在する。ピークＰｃにおける周波数ｆ０は、トーンバースト波Ｔｗの基準周波数ｆａとほぼ同じ値（ｆ０＝ｆａ）となる。このように、スペクトラム分布に複数のピークＰａ、Ｐｃが存在する場合には、大きさが最大のピークＰａまたはＰｃに基づいて標的周波数ｆｂを得ることは困難である。
【００４３】
また、送受波器ＴＤ１の前方を走行する車両によって水飛沫が巻き上げられている状況下では、トーンバースト波Ｔｗは前記水飛沫によって反射されてしまう。このため、受信信号Ｅ１には、前記水飛沫に反射して帰来する反射エコーＲｗの成分ｄが含まれる（図２Ｆ参照）。水飛沫に反射して帰来する反射エコーＲｗの周波数は広い帯域に分布するため、図３Ｃに示す反射エコーＲｗのスペクトラム分布には、成分ｄ（図２Ｆ参照）に対応する複数のピークＰｄ１、Ｐｄ２等が存在する。この場合にも、大きさが最大のピークＰａ、ＰｃまたはＰｄ１、Ｐｄ２等に基づいて標的周波数ｆｂを得ることは困難である。
【００４４】
以下、中央演算処理部２２において、図３Ａ（晴天時）、図３Ｂまたは図３Ｃ（雨天時）に示したスペクトラム分布から、標的周波数ｆｂとしてピークＰａにおける周波数ｆ１を抽出するとともに、この標的周波数ｆｂに基づいて移動体（車両）の速度ｖを算出するための処理方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００４５】
まず、ステップＳ１において、コントロール信号Ｓｃ２で設定したタイミングＴ２、サンプリング間隔ΔＴおよびサンプリングポイント数Ｎに基づいて、受信データＤ（Ｅ１）のサンプリングが行われる。続いて、ステップＳ２において、サンプリングした受信データＤ（Ｅ１）に対してＦＦＴ演算を施すことにより、反射エコーＲｗのスペクトラム分布（図３Ａ〜図３Ｃ参照）が得られる。
【００４６】
次いで、ステップＳ３において、スペクトラム分布から、大きさが上位２番目までのピークＰａ、Ｐｃ等が抽出され、このピークＰａ、Ｐｃ等における周波数ｆ１、ｆ０等が求められる。そして、ステップＳ４において、このうち、値が大きい（高い）方の周波数（この場合、ｆ１）を標的周波数ｆｂの第１候補と判定し（ｆｂ＝ｆ１）、次の（３）式に基づいて、速度計測装置２０が搭載される車両等の推定速度ｖ０を算出する。
【００４７】
ｖ０＝Δｆ×Ｃ／｛（２×ｆａ＋Δｆ）×ｃｏｓθ｝ …（３）
ここで、Δｆはドップラ周波数成分を示し、Δｆ＝ｆａ−ｆｂで求められる。また、Ｃは音速であり、前記（２）式に基づいて求められる。
【００４８】
前記ステップＳ４で求められた推定速度ｖ０は、ステップＳ５において、新しい速度ｖ（ｎｅｗ）として中央演算処理部２２の、例えば、図示しないメモリに格納される｛ｖ（ｎｅｗ）←ｖ０｝。これに先だって、前回の処理において求められていた新しい速度ｖ（ｎｅｗ）は、古い速度ｖ（ｏｌｄ）としてメモリに格納される｛ｖ（ｏｌｄ）←ｖ（ｎｅｗ）｝。
【００４９】
次に、ステップＳ６において、新しい速度ｖ（ｎｅｗ）と古い速度ｖ（ｏｌｄ）との差Δｖ｛Δｖ＝ｖ（ｎｅｗ）−ｖ（ｏｌｄ）｝が求められる。続いて、ステップＳ７において、ステップＳ６で求められた差Δｖと所定値ｖｒ（例えば、ｖｒ＝５ｋｍ／ｈ）との比較を行い、Δｖ＜ｖｒである場合には、ステップＳ８において、新しい速度ｖ（ｎｅｗ）が移動体（車両）の現在の速度ｖとして採用される｛ｖ←ｖ（ｎｅｗ）｝。ステップＳ７において、Δｖ≧ｖｒであると判定された場合には、新しい速度ｖ（ｎｅｗ）を現在の速度ｖとしては採用せず、ステップＳ１の処理に戻る。
【００５０】
上記のステップＳ１〜Ｓ８で求められた速度ｖは、図１に示すように、速度データＤ（ｖ）として中央演算処理部２２から出力され、車両に搭載されたナビゲーションシステム、ＡＢＳ装置、サスペンション制御装置等の外部装置に供給される。
【００５１】
上記したように、この実施の形態においては、速度ｖを得るためのステップＳ１〜Ｓ８の処理は、スペクトラム分布から、車両の速度ｖに対応する標的周波数ｆｂ（すなわち、ドップラ周波数成分Δｆ）を抽出するための、一種の周波数フィルタとして機能している。従って、ドップラ周波数成分Δｆに基づいて、車両の速度ｖを正確に求めることができる。
【００５２】
特に、雨天時等のように計測誤差の要因が発生する状況下においても、速度ｖを正確に求めることが可能であるため、ゼロクス法や、複素自己相関法等の計測方法を用いた場合に比べて、計測精度および安定性の大幅な向上が図られる。
【００５３】
なお、この発明は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採用することができる。
【００５４】
例えば、車両の前方に対して超音波（トーンバースト波Ｔｗ、反射エコーＲｗ）を送受信する送受波器ＴＤ１に加えて、車両の後方に対して超音波を送受信する他の送受波器を設けるようにした、いわゆる、２ビーム方式を採用するようにしてもよい。前記他の送受波器は、車両の後方に所定の俯角（例えば、θ）でトーンバースト波を送信するとともに、該トーンバースト波が路面に反射して帰来する反射エコーを受信する。
【００５５】
そして、送受波器ＴＤ１および他の送受波器のそれぞれにおいて受信された反射エコーＲｗに基づいて速度ｖ１、ｖ２を求め、これら速度ｖ１、ｖ２の平均値を算出することにより、車両の速度ｖが得られる。この場合、車両の傾きや上下動により発生する計測誤差の要因を大幅に削減することができる。このような効果は、後述するように、速度計測装置２０が船舶等に搭載されている場合にも同様に得ることができる。
【００５６】
また、送受波器ＴＤ１の路面Ａからの高さＨ（図５参照）が既知でない場合には、中央演算処理部２２において、受波検出ゲート信号Ｇ１に基づいて求められた時間Ｔ１を用いて学習処理を行うことにより、前記高さＨを求めるようにしてもよい。なお、学習処理を行うにあたっては、路面Ａが乾燥したアスファルトである場合に求められた時間Ｔ１を用いることが好ましい。
【００５７】
さらに、前記ステップＳ７、Ｓ８において、（３）式で求められた推定速度ｖ０の新しい値｛新しい速度ｖ（ｎｅｗ）｝と古い値｛古い速度ｖ（ｏｌｄ）｝との差Δｖに基づいて現在の速度ｖを得る処理に代えて、車両の車輪に設けられた車輪速センサで計測された車両の速度ｖ′と、前記（３）式で求められた推定速度ｖ０との差分Δｖ′をとり、この差分Δｖ′が前記速度ｖ′または前記推定速度ｖ０に対して１５％以内である場合に、前記推定速度ｖ０を現在の速度ｖと判定する処理を行うようにしてもよい。この場合、速度計測装置２０には、前記車輪速センサからの信号を入力するための手段が設けられる。
【００５８】
なお、前記ステップＳ７、Ｓ８における処理に加えて、現在の速度ｖの確定／非確定を前記速度ｖ′に基づいて選択する処理を行うようにしてもよい。
【００５９】
さらにまた、ステップＳ３における処理、すなわち、スペクトラム分布から大きさが上位２番目までのピークを抽出し、これらのピークにおける周波数を求める処理に代えて、大きさが上位ｎ番目（ｎ≧３、ｎ：整数）までのピークを抽出し、これらのピークにおける周波数を求める処理を行うようにしてもよい。この場合、ステップＳ４においては、各ピークにおける周波数のうち、値が大きい（高い）方の周波数を標的周波数ｆｂの第１候補として求め、推定速度ｖ０を算出する処理に代えて、前記各ピークにおける周波数を標的周波数ｆｂの第１〜第ｎの候補として算出された候補としての推定速度ｖ０のうち、例えば、車輪速センサで計測された前記速度ｖ′に最も近いものを該ステップＳ４で求めるべき推定速度ｖ０として選択する処理が行われる。
【００６０】
この実施の形態では、主に、速度計測装置２０が車両に搭載されている場合について説明しているが、この車両としては、自動車の他、鉄道車両等も含まれる。また、この速度計測装置２０は、船舶等に搭載することも可能である。
【００６１】
この場合、送受波器ＴＤ１から送信されたトーンバースト波Ｔｗは、水底（海底）に反射して反射エコーＲｗとして帰来し、前記送受波器ＴＤ１に受信される。すなわち、速度計測装置２０においては、速度ｖとして、該速度計測装置２０が搭載される船舶等の対地速度が求められる。
【００６２】
また、海中にプランクトンなどの浮遊物が多い海域で対地速度の計測が行われた場合には、帯域フィルタ４０からの受信信号Ｅ１の波形は、図２Ｅに示した波形に類似する。さらに、スペクトラム分布は、図３Ｃに示した分布に類似する。すなわち、速度計測装置２０においては、プランクトンなどの海中浮遊物を路面Ａ上の水飛沫と同様に計測誤差の要因として処理し、船舶等の対地速度を正確に計測することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る速度計測装置によれば、超音波エコーを受信して得られた受信情報にＦＦＴ演算を施すことによって得られたスペクトラム分布から、移動体の速度に対応するピークにおける周波数を抽出し、この周波数に基づいて前記速度を求めるようにしている。従って、計測誤差の要因が存在する様々な条件下においても移動体の速度を安定かつ正確に計測することが可能な速度計測装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態が適用された速度計測装置を示すブロック図である。
【図２】図２Ａは、図１に示した速度計測装置を構成する送受波器から送信されるトーンバースト波に対応する送信用駆動信号を示す波形図であり、
図２Ｂは、前記送受波器で受信された反射エコーに対応する受信信号を示す波形図であり、
図２Ｃは、前記送受波器において反射エコーが受信されたことを表す受波検出ゲート信号を示す波形図であり、
図２Ｄは、前記速度計測装置を構成する中央演算処理部において、受信データをサンプリングするタイミングを示す波形図であり、
図２Ｅは、路面が濡れている状況下における前記受信信号を示す波形図であり、
図２Ｆは、トーンバースト波の送信方向に水飛沫が存在する状況下における前記受信信号を示す波形図である。
【図３】図３Ａは、図２Ｂに示した受信信号に対応するスペクトラム分布を示す図であり、
図３Ｂは、図２Ｅに示した受信信号に対応するスペクトラム分布を示す図であり、
図３Ｃは、図２Ｆに示した受信信号に対応するスペクトラム分布を示す図である。
【図４】図１に示した速度計測装置を構成する中央演算処理部において、送受波器で受信された反射エコーの受信データに基づいて移動体の速度を求めるための処理を示すフローチャートである。
【図５】従来の技術に係る第２の車速計測装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
２０…速度計測装置 ２２…中央演算処理部（演算手段）
３０…送受切換器 ３２…駆動信号発生回路
３４…電力増幅回路 ４０…帯域フィルタ
４２…増幅回路 ４４…検波回路
４６…レベル比較回路 ４８、５２…Ａ／Ｄコンバータ
ＴＤ１…送受波器 Ｔｗ…トーンバースト波
Ｒｗ…反射エコー Ｐ１…送信用駆動信号
Ｅ１…受信信号
Claims (3)
- 超音波を用いて移動体である車両又は船舶の速度を計測する速度計測装置であって、
前記移動体の前方に所定の俯角で超音波を送信する送信手段と、
前記超音波がターゲットである路面又は水底に反射して帰来する超音波エコーを受信して受信情報を得る受信手段と、
前記俯角、前記ターゲットまでの鉛直距離及び音速に基づき前記受信手段からの前記受信情報をサンプリングするタイミングを検出するタイミング検出手段と、
前記タイミングに基づいて前記受信情報をサンプリングし、該受信情報にＦＦＴ演算を施すことによりスペクトラム分布を得る第１演算手段と、
前記スペクトラム分布から前記移動体の速度に対応するドップラ周波数成分を抽出する際、大きさが上位２番目までのピークに対応する２つの周波数を求め、高い方の周波数を用いて前記ドップラ周波数成分を抽出する第２演算手段と、
前記ドップラ周波数成分に基づいて、前記移動体の前記ターゲットに対する速度を求める第３演算手段と、
を有することを特徴とする速度計測装置。 - 請求項１記載の装置において、
前記第３演算手段は、前記ドップラ周波数成分に基づいて新しい速度を求め、この新しい速度と、同様の処理において前回求められていた古い速度との差が所定値より小さい場合に、前記新しい速度を前記移動体の現在の速度として採用することを特徴とする速度計測装置。 - 請求項１または２記載の装置において、
前記移動体から後方に所定の俯角で超音波を送信する他の送信手段と、該超音波がターゲットに反射して帰来する超音波エコーを受信して受信情報を得る他の受信手段と、をさらに設け、
前記前方及び前記後方に所定の俯角でそれぞれ送信した前記超音波のそれぞれの前記超音波エコーに基づいて、前記移動体の前記ターゲットに対するそれぞれの速度を求め、求めたそれぞれの速度の平均値を、前記ターゲットに対する速度とする
ことを特徴とする速度計測装置。
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