(57)【要約】【課題】正弦波に三角波を加算した送信波を使用した場合、１〜２センチ程度の変動高さＨを正確に計測することができない。【解決手段】気象要因によって変動する変動表面Ｓと路面Ｒとの変動高さＨを計算するに際して、超音波送信素子２５ａからチャープ波Ｆ１を変動表面Ｓに出力するとともに、このチャープ波Ｆ１の反射波Ｆ２を超音波受信素子２６ａから入力し、同チャープ波Ｆ１の基準波形データＤ１と反射波Ｆ２の入力波形データＤ２との相互相関演算を行って相互相関値を演算するとともに、最大相互相関値が検出されるまでの時間差に基づいて変動高さＨを計算することにより、変動高さＨが１〜２センチ程度であっても、精度良く路面変動高さＨを計測することが可能になる。【選択図】　図１
2004125583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気象要因によって変動した変動表面と路面との変動高さを計測する路面変動高さ計測装置であって、
チャープ波を所定の掃引周波数帯域および所定の掃引時間によって上記変動表面に対して出力するチャープ波出力手段と、
上記変動表面から反射される上記チャープ波の反射波を入力する反射波入力手段と、
上記チャープ波が出力された後、同チャープ波と上記入力した反射波との相互相関値を演算する相互相関演算手段と、
上記演算した相互相関値から最大相互相関値を検出する相互相関検出手段と、上記チャープ波出力手段が上記チャープ波を出力した時点から上記最大相互相関値が演算された時点までの経過時間を測定する経過時間測定手段と、
上記測定された経過時間に基づいて上記変動表面までの距離を算出するとともに、同算出された距離と予め設定されている上記路面までの距離とに基づいて上記変動高さを算出する変動高さ算出手段とを具備することを特徴とする路面変動高さ計測装置。
【請求項２】
当該路面変動高さ計測装置付近の温度を測定可能な温度測定手段を有し、上記変動高さ算出手段は、上記経過時間測定手段にて測定された経過時間および上記温度測定手段にて測定された温度に基づいて上記変動表面までの距離を算出することを特徴とする上記請求項１に記載の路面変動高さ計測装置。
【請求項３】
上記変動高さ算出手段は、上記路面までの距離を変更するに際して、上記チャープ波出力手段に上記チャープ波を上記路面に対して出力させるとともに、上記反射波入力手段に同路面から反射される上記チャープ波の反射波を入力させ、上記変動高さ算出手段は、この路面に対して出力されたチャープ波および路面から反射された反射波とにより測定された経過時間に基づいて上記路面までの距離を算出するとともに、同算出された距離によって上記予め設定されている路面までの距離を変更することを特徴とする上記請求項１または請求項２のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置。
【請求項４】
上記変動高さ算出手段にて算出された上記変動高さを利用者が認識可能に通知する変動高さ通知手段を有することを特徴とする上記請求項１〜請求項３のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置。
【請求項５】
上記変動表面は、積雪表面であることを特徴とする上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置。
【請求項６】
上記チャープ波出力手段は、上記掃引時間を変更可能であることを特徴とする上記請求項１〜請求項５のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置。
【請求項７】
上記チャープ波出力手段は、上記掃引周波数帯域を変更可能であることを特徴とする上記請求項１〜請求項６のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置。
【請求項８】
上記反射波入力手段は、上記入力した反射波の波形データを所定の記憶領域に記憶させるとともに、上記相互相関演算手段は、上記出力されたチャープ波の波形データと、上記記憶領域に記憶された反射波の波形データを上記掃引時間に基づいて区分した波形データとの相互相関値を演算することを特徴とする上記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置。
【請求項９】
気象要因によって変動した変動表面と路面との変動高さを計測する路面変動高さ計測方法であって、
チャープ波を所定の掃引周波数帯域および所定の掃引時間によって上記変動表面に対して出力するチャープ波出力工程と、
上記変動表面から反射される上記チャープ波の反射波を入力する反射波入力工程と、
上記チャープ波が出力された後、同チャープ波と上記入力した反射波との相互相関値を演算する相互相関演算工程と、
上記演算した相互相関値から最大相互相関値を検出する相互相関検出工程と、上記チャープ波出力工程にて上記チャープ波が出力された時点から上記最大相互相関値が演算された時点までの経過時間を測定する経過時間測定工程と、
上記測定された経過時間に基づいて上記変動表面までの距離を算出するとともに、同算出された距離と予め設定されている上記路面までの距離とに基づいて上記変動高さを算出する変動高さ算出工程とを具備することを特徴とする路面変動高さ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、路面変動高さ計測装置および路面変動高さ計測方法に関し、特に、気象要因によって変動した変動表面と路面との変動高さを精度良く計測することが可能な路面変動高さ計測装置および路面変動高さ計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の路面変動高さ計測装置として、搬送波の正弦波に三角波を加算して送信波を形成し、この送信波をＦＭ変調するとともに、送信機よりこのＦＭ変調した超音波の送信波を積雪表面に放射する。そして、受信機にて積雪表面から当該送信波の反射波を入力して、ＦＭ復調するとともに、送信波の形成時に加算した三角波を除去し、送信波の正弦波を求める。次に、反射波と送信波との正弦波のずれ、つまり、位相差を計測し、この計測した位相差に基づいて、送信機から積雪表面までの距離を計算する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３１７６７７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の路面変動高さ計測装置においては、以下に示す課題があった。１．連続波を用いることから積雪面以外の反射面による多重反射による影響を受け易い。
２．送信波は、積雪表面のような柔らかい面で反射する場合には、著しく減衰して反射波が小さくなる。その結果、減衰した反射波のパルスの立ち上がりが正確に計測できないため、送信波のパルスと反射波のパルスを基に計測した時間差に誤差が生じる。
３．正弦波に三角波を加算した後、ＦＭ変調やＦＭ復調といった処理を行わなければならないため、回路構成が複雑になる。
４．連続波を用いるため、消費電力が多くなる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、簡易な構成で容易に気象要因によって変動する変動表面と路面との変動高さを正確に計測することが可能な路面変動高さ計測装置および路面変動高さ計測方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明は、気象要因によって変動した変動表面と路面との変動高さを計測する路面変動高さ計測装置であって、チャープ波を所定の掃引周波数帯域および所定の掃引時間によって上記変動表面に対して出力するチャープ波出力手段と、上記変動表面から反射される上記チャープ波の反射波を入力する反射波入力手段と、上記チャープ波が出力された後、同チャープ波と上記入力した反射波との相互相関値を演算する相互相関演算手段と、上記演算した相互相関値から最大相互相関値を検出する相互相関検出手段と、上記チャープ波出力手段が上記チャープ波を出力した時点から上記最大相互相関値が演算された時点までの経過時間を測定する経過時間測定手段と、上記測定された経過時間に基づいて上記変動表面までの距離を算出するとともに、同算出された距離と予め設定されている上記路面までの距離とに基づいて上記変動高さを算出する変動高さ算出手段とを具備する構成としてある。
【０００７】
上記のように構成した請求項１にかかる発明においては、気象要因によって変動した変動表面と路面との変動高さを計測する路面変動高さ計測装置を提供する。かかる機能を実現するにあたり、チャープ波出力手段にて所定の掃引周波数帯域および所定の掃引時間によって形成したチャープ波を変動表面に対して出力する。そして、反射波入力手段は、変動表面から反射されるチャープ波の反射波を入力する。ここで、相互相関演算手段は、チャープ波が出力された後に、このチャープ波と入力した反射波との相互相関値を演算し、相互相関検出手段にて演算した相互相関値から最大相互相関値を検出する。最大相互相関値が検出されると、経過時間測定手段にてチャープ波出力手段がチャープ波を出力した時点から最大相互相関値が演算された時点までの経過時間を測定し、変動高さ算出手段によってこの測定された経過時間に基づいて変動表面までの距離を算出するとともに、この算出された距離と予め設定されている路面までの距離とに基づいて、路面から変動表面までの変動高さを算出する。
【０００８】
このように、変動表面に対して出力する信号としてチャープ波を適用するとともに、出力したチャープ波と反射波との相互相関演算を行うことにより、簡易な構成で気象要因によって変動する変動表面と路面との変動高さを精度良く計測することが可能になる。
【０００９】
経過時間に基づいて変動表面までの距離を算出する場合、音速が利用される。この音速は、温度に依存して変化するため、より精度の高い変動高さを算出するためには、算出時の温度を考慮することができると好適である。そこで、請求項２にかかる発明は、上記請求項１に記載の路面変動高さ計測装置において、チャープ波を出力する当該路面変動高さ計測装置付近の温度を測定可能な温度測定手段を有し、上記変動高さ算出手段は、上記経過時間測定手段にて測定された経過時間および上記温度測定手段にて測定された温度に基づいて上記変動表面までの距離を算出する構成としてある。
上記のように構成した請求項２にかかる発明においては、温度測定手段にて路面変動高さ計測装置付近の温度を測定し、変動高さ算出手段は、経過時間測定手段にて測定された経過時間およびこの温度測定手段にて測定された温度に基づいて変動表面までの距離を算出する。
【００１０】
路面までの距離は手動にて変更しても良いし、本路面変動高さ計測装置が有する構成を利用して変更するようにしても良い。そこで、請求項３にかかる発明は、上記請求項１または請求項２のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置において、上記変動高さ算出手段は、上記路面までの距離を変更するに際して、上記チャープ波出力手段に上記チャープ波を上記路面に対して出力させるとともに、上記反射波入力手段に同路面から反射される上記チャープ波の反射波を入力させ、上記変動高さ算出手段は、この路面に対して出力されたチャープ波および路面から反射された反射波とにより測定された経過時間に基づいて上記路面までの距離を算出するとともに、同算出された距離によって上記予め設定されている路面までの距離を変更する構成としてある。
上記のように構成した請求項３にかかる発明においては、変動高さ算出手段にて路面までの距離を変更する場合、チャープ波出力手段からチャープ波を路面に対して出力させるとともに、反射波入力手段にて路面から反射されるチャープ波の反射波を入力させる。そして、この路面に対して出力されたチャープ波と、路面から反射される反射波との相互相関に基づいて路面までの距離を算出し、この算出した路面までの距離によって、予め設定されている路面までの距離を変更し、以後は、この変更した路面までの距離に基づいて変動高さを算出する。
【００１１】
算出された変動高さを利用者が認識可能に通知することができると、利用者は通知された変動高さに応じて、適宜適切な処置を行うことができるので好適である。そこで、請求項４にかかる発明は、上記請求項１〜請求項３のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置において、上記変動高さ算出手段にて算出された上記変動高さを利用者が認識可能に通知する変動高さ通知手段を有する構成としてある。
上記のように構成した請求項４にかかる発明においては、変動高さ通知手段にて変動高さ算出手段が算出した変動高さを認識可能に通知する。
【００１２】
路面が変動表面へ変動する原因となる気象要因は特に限定されるものではないが、本発明にかかる路面変動高さ計測装置を適用して好適な気象要因の一例として、請求項５にかかる発明は、上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置において、上記変動表面は、積雪表面である構成としてある。上記のように構成した請求項５にかかる発明においては、積雪によって変動した変動表面と路面との変動高さを計測する。本発明のようにチャープ波を使用して積雪表面までの変動高さを計測した場合、１〜２センチ程度の積雪を精度良く計測することが可能である。このように、１〜２センチ程度の積雪時において、自動車のスリップ事故が多発することが知られている。これは、１〜２センチ程度の少ない積雪の場合、運転手の対応が遅れ事故につながることが原因と考えられる。そこで、本発明をこのような場面に適用すれば、スリップ事故の防止に貢献できるといった社会的意義がある。
【００１３】
上述したようにチャープ波を形成するためには掃引時間がパラメータに含まれる。この掃引時間を適宜状況に合わせて変更できると好適である。そこで、請求項６にかかる発明は、上記請求項１〜請求項５のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置において、上記チャープ波出力手段は、上記掃引時間を変更可能である構成としてある。
上記のように構成した請求項６にかかる発明においては、チャープ波出力手段にて掃引時間を変更にする。
【００１４】
同様に、チャープ波を形成するためには掃引周波数帯域がパラメータに含まれる。この掃引周波数帯域を適宜状況に合わせて変更できると好適である。そこで、さらに、請求項７にかかる発明は、上記請求項１〜請求項６のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置において、上記チャープ波出力手段は、上記掃引周波数帯域を変更可能である構成としてある。
上記のように構成した請求項７にかかる発明においては、チャープ波出力手段にて掃引周波数帯域を変更可能にする。
【００１５】
出力したチャープ波と反射波との相互相関を算出する具体的手法の一例として、請求項８にかかる発明は、上記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の路面変動高さ計測装置において、上記反射波入力手段は、上記入力した反射波の波形データを所定の記憶領域に記憶させるとともに、上記相互相関演算手段は、上記出力されたチャープ波の波形データと、上記記憶領域に記憶された反射波の波形データを上記掃引時間に基づいて区分した波形データとの相互相関値を演算する構成としてある。
上記のように構成した請求項８にかかる発明において、上記反射波入力手段は、上記入力した反射波の波形データを所定の記憶領域に記憶させるとともに、上記相互相関演算手段は、上記出力されたチャープ波の波形データと、上記記憶領域に記憶された反射波の波形データを上記掃引時間に基づいて区分した波形データとの相互相関値を演算する。
【００１６】
このように、気象要因によって変動した変動表面と路面との変動高さを計測する手法は必ずしも実体のある路面変動高さ計測装置に限られる必要はなく、その方法としても機能することは容易に理解できる。
このため、請求項９にかかる発明は、気象要因によって変動した変動表面と路面との変動高さを計測する路面変動高さ計測方法であって、チャープ波を所定の掃引周波数帯域および所定の掃引時間によって上記変動表面に対して出力するチャープ波出力工程と、上記変動表面から反射される上記チャープ波の反射波を入力する反射波入力工程と、上記チャープ波が出力された後、同チャープ波と上記入力した反射波との相互相関値を演算する相互相関演算工程と、上記演算した相互相関値から最大相互相関値を検出する相互相関検出工程と、上記チャープ波出力工程にて上記チャープ波が出力された時点から上記最大相互相関値が演算された時点までの経過時間を測定する経過時間測定工程と、上記測定された経過時間に基づいて上記変動表面までの距離を算出するとともに、同算出された距離と予め設定されている上記路面までの距離とに基づいて上記変動高さを算出する変動高さ算出工程とを具備する構成としてある。
すなわち、必ずしも実体のある路面変動高さ計測装置に限らず、路面変動高さ計測方法としても有効であることに相違はない。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、簡易な構成で容易に気象要因によって変動する変動表面と路面との距離である変動高さを精度良く計測することが可能な路面変動高さ計測装置を提供することができる。
また、請求項２にかかる発明によれば、より精度の高い変動高さを算出することができる。
さらに、請求項３にかかる発明によれば、自動的に予め設定されている路面までの距離を状況に応じて正確に変更することができる。
さらに、請求項４にかかる発明によれば、算出された変動高さを認識することが可能になる。
【００１８】
さらに、請求項５にかかる発明によれば、本路面変動高さ計測装置にて計測して好適な変動表面の一例を提示することができる。
さらに、請求項６にかかる発明によれば、外部状況に適したチャープ波を形成することができる。
さらに、請求項７にかかる発明によれば、外部状況に適したチャープ波を形成することができる。
さらに、請求項８にかかる発明によれば、相互相関値を演算する手法の一例を提示することができる。
さらに、請求項９にかかる発明によれば、簡易な構成で容易に気象要因によって変動する変動表面と路面との距離である変動高さを精度良く計測することが可能な路面変動高さ計測方法を提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
（１）路面変動高さ計測装置の構成：
（２）路面変動高さ計測処理の処理内容：
（３）まとめ：
【００２０】
（１）路面変動高さ計測装置の構成：
図１は、本発明にかかる路面変動高さ計測装置の構成を示した構成図である。同図において、路面変動高さ計測装置１０は、気象要因によって路面Ｒより変動した変動表面Ｓと、同路面Ｒとの変動高さＨを計測するものである。かかる機能を実現させるに際して、路面変動高さ計測装置１０にチャープ波生成部１１と、出力部１２と、入力部１３と、信号処理部１４と、結果表示部１５とを備えさせる構成を採用している。チャープ波生成部１１は、線形ＦＭ波であるチャープ波を生成可能になっている。ここで、チャープ波生成部１１は、チャープ波の波形長を示す掃引時間と、チャープ波の中心周波数および掃引周波数帯域とを設定可能となっている。
【００２１】
そして、この設定された掃引時間、中心周波数、掃引周波数帯域に基づいてチャープ波を生成する。出力部１２は、チャープ波生成部１１にて生成されたチャープ波を入力し、この入力したチャープ波に基づいたチャープ波Ｆ１を路面Ｒ方向に向けて出力する。このように、出力部１２から路面Ｒ方向に向けて出力されたチャープ波Ｆ１は、変動表面Ｓにて反射して反射波Ｆ２となる。そして、入力部１３は、反射波Ｆ２を入力する。この入力部１３にて入力された反射波Ｆ２は、信号処理部１４に出力され、同信号処理部１４は、出力されたチャープ波Ｆ１のチャープ波形と、入力部１３にて入力された反射波Ｆ２の反射波形との相互相関を演算し、最大相互相関値を検出する。信号処理部１４は、出力部１２からチャープ波Ｆ１が出力された時点および最大相互相関値を検出した時点を認識可能になっており、この２つの時点からチャープ波Ｆ１が出力されてから最大相互相関値を検出した反射波Ｆ２を入力するまでの時間を計測する。
【００２２】
そして、この時間に基づいて路面変動高さ計測装置１０と変動表面Ｓとの距離ｈ１を計算する。この距離ｈ１の計算に際しては、音速を考慮する必要がある。音速は温度に依存するため、信号処理部１４は、当該路面変動高さ計測装置１０付近の気温を測定可能に設置された温度測定部１６から気温を入力し、この気温を使用して上述した距離ｈ１を計算する。ここで、路面変動高さ計測装置１０は、路面Ｒに対して所定位置に設置されることから、当該路面変動高さ計測装置１０と路面Ｒとの距離ｈ２は、予め設定可能である。そこで、信号処理部１４は、距離ｈ２と、距離ｈ１とに基づいて変動表面Ｓと路面Ｒとの距離である変動高さＨを計算する。このように、計算された変動高さＨは、結果表示部１５によって表示され、ユーザは信号処理部１４において計算された変動高さＨを認識することが可能になる。
【００２３】
本実施形態においては、一つの温度測定部１６を配置し、同温度測定部１６にて路面変動高さ計測装置１０付近の気温を計測する構成を採用した。むろん、温度測定部１６の数は一つに限定されるものではなく、例えば、上下に複数配置する構成を採用しても良い。この場合、各温度測定部にて測定した気温の平均値を計算に利用すれば、正確な気温を計測することが可能となる。
【００２４】
ここで、上述したチャープ波生成部１１および出力部１２が本発明にかかるチャープ波出力手段を構成し、入力部１３が本発明にかかる反射波入力手段を構成する。そして、信号処理部１４が本発明にかかる相互相関演算手段、相互相関検出手段、経過時間測定手段、変動高さ算出手段を構成する。また、温度測定部１６が本発明にかかる温度測定手段を構成し、結果表示部１５が本発明にかかる変動高さ通知手段を構成する。
【００２５】
図２は、上述した路面変動高さ計測装置１０を適用可能なコンピュータの構成を示した構成図である。同図において、コンピュータ２０は、概略、ＣＰＵ２１と、ＲＯＭ２２と、ＲＡＭ２３と、ＨＤＤ２４と、超音波出力回路２５と、超音波入力回路２６と、ディスプレイドライバ２７と、アナログ／デジタル変換回路２８とを有するとともに、これらの各構成２１〜２８はバス２９を介して相互にデータ送受信可能に接続されている。また、超音波出力回路２５には超音波送信素子２５ａが接続されるとともに、超音波入力回路２６には超音波受信素子２６ａが接続され、ディスプレイドライバ２７にはディスプレイ２７ａが接続され、アナログ／デジタル変換回路２８には温度センサ２８ａが接続される。かかる構成において、ＣＰＵ２１がバス２９を介して各構成２２〜２８を制御することによって、当該コンピュータ２０を路面変動高さ計測装置１０として機能させることが可能になっている。
【００２６】
ここで、ＲＯＭ２２もしくはＨＤＤ２４には、当該コンピュータ２０を路面変動高さ計測装置１０として機能させることが可能な路面変動高さ計測実行プログラムが格納されており、ＣＰＵ２１は、この路面変動高さ計測実行プログラムをＲＡＭ２３をワークエリアとしつつ適宜同ＲＡＭ２３に読み出して実行する。ＣＰＵ２１は、同路面変動高さ計測実行プログラムに従って上述したチャープ波を生成するとともに、超音波出力回路２５および超音波送信素子２５ａを介してチャープ波Ｆ１を出力する。このとき、チャープ波Ｆ１の波形に基づく基準波形データをＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４の所定領域に記憶する。また、反射波Ｆ２を超音波受信素子２６ａおよび超音波入力回路２６を介して入力し、この入力した反射波Ｆ２の波形に基づく入力波形データをＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４の所定領域に記憶する。そして、この記憶した基準波形データと入力波形データとに基づいて上述した相互相関を演算し、変動高さＨを計算する。このとき、温度センサ２８ａおよびアナログ／デジタル変換回路２８を介して上述した気温を取得する。このように、変動高さＨを計算すると、ディスプレイドライバ２７を駆動して、ディスプレイ２７ａにこの変動高さＨを視認可能に表示する。
【００２７】
本実施形態においては、チャープ波Ｆ１の出力側として超音波出力回路２５、超音波送信素子２５ａを構成するとともに、反射波Ｆ２の入力側として超音波入力回路２６、超音波受信素子２６ａを構成する態様を採用したが、むろん、入力側と出力側とを個別に構成する態様に限定されるものではなく、出力側と入力側とを一体に構成した超音波センサを用いる態様を採用しても良いことは言うまでもない。
【００２８】
ここで、上述したコンピュータ２０にて実行される路面変動高さ計測プログラムの処理内容を図３に示したフローチャートを用いて説明する。同図において、所定の操作によって路面変動高さ計測プログラムが起動されると、先ず最初にチャープ波を生成する（ステップＳ１００）。このチャープ波生成処理については後述する。チャープ波を生成すると、このチャープ波に基づいてチャープ波Ｆ１を超音波送信素子２５ａから変動表面Ｓに対して出力する（ステップＳ１０５）。このとき、チャープ波Ｆ１の波形を図４に示すように基準波形データＤ１として、ＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４に記憶するとともに（ステップＳ１１０）、超音波受信素子２６ａから反射波Ｆ２の入力を開始し（ステップＳ１１５）、この入力した反射波Ｆ２の波形を入力波形データとして、ＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４に記憶する（ステップＳ１１６）。
【００２９】
ここで、このステップＳ１１５，Ｓ１１６における反射波Ｆ２の入力と、入力波形データの記憶とを所定時間αについて実行する（ステップＳ１２０，Ｓ１２５）。これによって、ＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４には、図５に示すように所定時間αにおける入力波形データＤ２が記憶されることになる。入力波形データＤ２の記憶が終了すると、当該入力波形データＤ２および基準波形データＤ１に基づいて相互相関演算を実行し、最大相互相関値となる時点を検出する（ステップＳ１３０）。この相互相関演算処理については後述する。そして、ステップＳ１３０にて最大相互相関値となる時点を検出すると、チャープ波Ｆ１が出力された時点から最大相互相関値が検出された時点までの時間差を計算し（ステップＳ１３５）、温度センサ２８ａを介して取得した気温を利用しつつ、この時間差に基づいて変動高さＨを計算する（ステップＳ１４０）。この変動高さ計算処理については後述する。そして、計算した変動高さＨをディスプレイドライバ２７を介してディスプレイ２７ａに表示する（ステップＳ１４５）。
【００３０】
図６は、上述した路面変動高さ計測プログラムのステップＳ１００にて実行されるチャープ波生成処理の処理内容を示したフローチャートである。また、図７は、生成されたチャープ波の概略波形を示した波形構成図である。ここで、チャープ波を生成する場合、掃引時間と中心周波数および掃引周波数帯域の各種パラメータを決定する必要がある。本実施形態においては、ＨＤＤ２４の所定領域にこれらの各種パラメータのデータを予め記憶しておいて取得可能にしておく。図において、先ず最初にＨＤＤ２４に設定されている掃引時間データを取得する（ステップＳ２００）。次に、ＨＤＤ２４に設定されている中心周波数データを取得するとともに（ステップＳ２０５）、ＨＤＤ２４に設定されている掃引周波数帯域データを取得する（ステップＳ２１０）。そして、これらのデータに基づいてチャープ波Ｆ１を生成する（ステップＳ２１５）。
【００３１】
本実施形態においては、中心周波数を３０ｋＨｚとし、掃引周波数帯域を２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚとし、掃引時間をｔ０としている。ここで、ＨＤＤ２４の所定領域に記憶した各種パラメータは、計測する変動表面Ｓの反射状態や、周囲状況（反射物等の有無）に応じて適宜変更可能にすると好適である。このとき、ディスプレイ２７ａに所定のインターフェース画面を表示し、ユーザに直接、掃引時間等を設定入力させるようにしても良いし、反射状態や表面状況を間接的にユーザに指定させることにより、この指定に基づいて適切な掃引時間等を設定するようにしても良い。（例えば、反射状態を「雪」「雨」等の気象要因を表現した選択肢によって間接的に指定させたり、「平面」「凸凹面」等という選択肢によって間接的に指定させたりする。）
【００３２】
図８は、上述した路面変動高さ計測プログラムのステップＳ１３０にて実行される相互相関演算処理の処理内容を示したフローチャートである。同図において、先ず最初にＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４の所定領域に記憶された基準波形データＤ１を読み出す（ステップＳ３００）。ここで、以降にて使用するパラメータｎ，βを０に設定することにより初期化する（ステップＳ３０５）。次に、ＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４の所定領域（区間Ｘ：０＋ｎβ≦Ｘ＜ｔ０＋ｎβ）に記憶された入力波形データＤ２を読み出す（ステップＳ３１０）。そして、基準波形データＤ１および入力波形データＤ２の相互相関値を演算する。図９に示す演算した相互相関値は、ＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４の所定領域に記憶する。ここで、この相互相関値の演算は既知の演算方法を利用するものであり、本実施形態においては特に言及しない（ステップＳ３１５）。
【００３３】
次に、相互相関値を演算するための区間Ｘを移動させるためにパラメータｎをインクリメント（ｎ←ｎ＋１）するとともに、移動幅に対応するパラメータβをｎ倍する（ステップＳ３２０）。すなわち、図１０に示すように、所定時間αにおいて、移動幅に対応するパラメータβをパラメータｎにて乗算しつつ区間Ｘを移動させ、各区間Ｘにおいて基準波形データＤ１および当該移動させた各区間Ｘにおける入力波形データＤ２の相互相関値を演算する。次に、（ｔ０＋ｎβ）が所定時間α以上であるか否かを判別し（ステップＳ３２５）、（ｔ０＋ｎβ）が所定時間α以上で無い場合は、ステップＳ３１０に戻り、パラメータβを順次ｎ倍して規定された区間Ｘについての相互相関値を演算する。一方、（ｔ０＋ｎβ）が所定時間α以上になった場合は、相互相関値を演算する処理を終了し、ステップＳ３１５にてＲＡＭ２３もしくはＨＤＤ２４の所定領域に記憶された相互相関値から最大相互相関値を検出する（ステップＳ３３０）。本実施形態においては、図９に示すように、時間ｔ１にて最大相互相関値が検出され、この時間ｔ１が上述したステップＳ１３５にて計算される時間差となる。
【００３４】
次に、上述した路面変動高さ計測プログラムのステップＳ１４０にて実行される変動高さ計算処理の処理内容を図１１のフローチャートに示して説明する。先ず最初に図２に示した温度センサ２８ａおよびアナログ／デジタル変換回路２８を介してデジタルデータにて表現される気温Ｔを取得する（ステップＳ４００）。そして、この気温Ｔを使用し、次の式（１）に基づいて、音速ｃを計算する（ステップＳ４０５）。
ｃ＝３３１．４５＋０．０６０７＊Ｔ　　　　　・・・（１）
音速ｃが計算されると、時間差ｔ１およびこの音速ｃを使用し、次の式（２）に基づいて、変動表面Ｓまでの距離ｈ１を計算する（ステップＳ４１０）。
ｈ１＝ｃ＊ｔ１／２　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
ここで、ＲＯＭ２２もしくはＨＤＤ２４に予め設定記憶されている路面Ｒまでの距離ｈ２を示す距離データを読み出して（ステップＳ４１５）、次の式（３）に基づいて、変動高さＨを計算する（ステップＳ４２０）。
Ｈ＝ｈ２−ｈ１　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）
路面変動高さ計測プログラムは、以上の処理によって、気象要因によって変動した路面Ｒから変動表面Ｓの変動高さＨを計算し、ステップＳ１４５にて表示することによって、ユーザは、この変動高さＨを認識することが可能になる。
【００３５】
また、本実施形態においては、変動高さＨを計算するにあたって、チャープ波を使用している。ここで、チャープ波は、基準波形データＤ１と入力波形データＤ２とに基づいて相互相関演算し、パルス圧縮した場合、遅延時間に応じた時刻にピークを有する単パルスを生成することができる。また、チャープ波では送信パワーを大きく設定することができるため、従来の単パルスを使用した場合に比較してＳ／Ｎ比を向上させることが可能になる。さらに、チャープ波の掃引時間等の各種パラメータを適切に設定すると、当該チャープ波の自己相関関数において、極めて鋭いパルスを生成することが可能になる。例えば、掃引周波数帯域を２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚおよび中心周波数を３０ｋＨｚに設定し、掃引時間を約０．３ｍｓｅｃに設定した場合、０秒付近の負の相関に見られる２つのパルスの時間間隔は０．８５ｍｍ、つまり、１ｍｍより短くなる。このように、チャープ波は、パルス圧縮することができるため変動高さＨを精度良く計測することを可能にする。
【００３６】
ここで、上述してきた実施形態においては、路面変動高さ計測装置１０にて計測する変動高さＨの変動原因となる気象要因について、特に言及しなかった。この気象要因は、特に限定されるものではなく、積雪であったり、雨や越波による路面冠水であったりする。すなわち、気象要因によってもたらされた対象物が路面Ｒ上に積み上がり、この積み上がった表面を変動表面Ｓとすれば良い。そして、本実施形態にて説明してきた路面変動高さ計測装置１０は、この変動表面Ｓの路面Ｒからの距離である変動高さＨを精度良く計測するものである。
【００３７】
上述してきた実施形態においては、チャープ波Ｆ１を利用して変動高さＳ（例えば、積雪深）を精度良く測定可能にする構成および作用の説明と、その効果を定性的に説明した。ここで、この効果を定量的に把握するために実施した実験について説明する。本実験の構成を図１２に示す。ここでは、現況に即するように、超音波送信素子５０ａの真横３０ｃｍ離して超音波受信素子５０ｂを設置する。また、反射板５１は、６０＊６０ｃｍの合板にて形成するとともに、本実験においては、当該反射板５１を積雪面として模擬するために、表面にウレタン材が貼り付ける。
【００３８】
そして、この反射板５１を超音波送信素子５０ａおよび超音波受信素子５０ｂからＬ＝５．０９ｃｍ離して精密ステージ５２上に配置する。この精密ステージ５２は、パルスモータを備え、その位置を高精度にて移動可能に形成されている。本実験では、チャープ波Ｆ１の中心周波数を３０ｋＨｚ、掃引周波数帯域を２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの範囲とするとともに、正弦波２０波とし、掃引時間を０．８ｍｓに設定した。この掃引時間は、距離に換算しておよそ２８ｃｍである。ここで、実験時の風速は平均して１ｍ／ｓであり、気温は、２６．５℃であった。かかる構成において、精密ステージ５２を移動制御することによって、反射板５１を５．０９ｍからおよそ５ｍｍずつ超音波送信素子５０ａおよび超音波受信素子５０ｂ側に移動させながら、チャープ波Ｆ１を出力するとともに、反射波Ｆ２を入力し、相互相関演算を実行し、超音波センサ５０から反射板５１までの距離を算出した。
【００３９】
ここで、この実験の結果を図１３に示す。同図において、横軸は精密ステージ５２を利用して実際に移動させた距離である。すなわち、本路面変動高さ計測装置１０を積雪深の計測に適用した場合、この距離が積雪深に対応することになる。一方、縦軸は本発明にかかるチャープ波方式を採用した場合に算出された変動高さＨと、従来のパルス方式によって算出された変動高さとを示す算出距離である。図において、●点のプロットが本発明にかかるチャープ波方式における算出距離の測定データを示し、△点のプロットが従来のパルス方式における算出距離の測定データを示している。ここで、反射波Ｆ２は、風や微小な温度変動の影響を受けて測定ごとに波形、特に振幅が大きく変動する。この変動は、超音波受信素子５０ｂが受けた電圧振幅で見ると、０．５Ｖを中心として最大±０．１５Ｖ程度である。
【００４０】
このとき、従来のパルス方式では、ノイズレベル（反射板５１以外の床や天井などからの反射も含めて）が最大０．１Ｖあったので、本実験においては、０．２Ｖをトリガレベルに採用する。そして、本発明にかかるチャープ波方式では、相互相関値が最大になる時間を超音波の往復時間とする。なお、チャープ波方式、パルス方式ともに、基準信号は超音波送信素子５０ａに加えた駆動電圧信号とする。この実験結果から、本発明にかかるチャープ波方式では、積雪深に対応する０〜１５０ｍｍまで（超音波送信素子５０ａおよび超音波受信素子５０ｂから反射板５１までの距離に換算すれば、５．０９ｍ〜４．９４ｍまで）における●点のプロットにて形成される線図がリニアに変化することから、当該範囲にて距離計測を高精度で行えることがわかる。
【００４１】
一方、従来のパルス方式では、いくつかの測定データに、実際の距離（積雪深）よりも１ｃｍほど（１波長程度）短く（浅く）見積もられているが、これは設定したトリガレベルよりも低い瞬時電圧値が現れた結果であって、パルス方式では避けられない欠点である。これに対して、本発明にかかるチャープ波方式では、このような誤差が現れないことが分かる。本実験では、両方式とも、反射板５１の移動ごとに１回の測定から距離の算出までを行ったが、数回の測定の平均を取るようにすれば、測定精度のさらなる向上を図ることが可能になることは言うまでもない。
【００４２】
（３）まとめ：
このように、気象要因によって変動する変動表面Ｓと路面Ｒとの変動高さＨを計算するに際して、超音波送信素子２５ａからチャープ波Ｆ１を変動表面Ｓに出力するとともに、このチャープ波Ｆ１の反射波Ｆ２を超音波受信素子２６ａから入力し、同チャープ波Ｆ１の基準波形データＤ１と反射波Ｆ２の入力波形データＤ２との相互相関演算を行って相互相関値を演算するとともに、最大相互相関値が検出されるまでの時間差に基づいて変動高さＨを計算することにより、より精度良く路面変動高さＨを計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる路面変動高さ計測装置の構成を示した構成図である。
【図２】路面変動高さ計測装置１０を適用可能なコンピュータの構成を示した構成図である。
【図３】路面変動高さ計測プログラムの処理内容を示したフローチャートである。
【図４】基準波形データのデータ構成を示した図である。
【図５】入力波形データのデータ構成を示した図である。
【図６】チャープ波生成処理の処理内容を示したフローチャートである。
【図７】チャープ波の概略波形構成を示した図である。
【図８】相互相関演算処理の処理内容を示したフローチャートである。
【図９】相互相関値の変移を示した図である。
【図１０】相互相関演算する場合の手法を示した図である。
【図１１】変動高さ計算処理の処理内容を示したフローチャートである。
【図１２】実験に使用した構成の実験構成図である。
【図１３】実験結果を示した図である。
【符号の説明】
１０…路面変動高さ計測装置
１１…チャープ波生成部
１２…出力部
１３…入力部
１４…信号処理部
１５…結果表示部
１６…温度測定部
Ｈ…変動高さ
Ｒ…路面
Ｓ…変動表面
２０…コンピュータ
２１…ＣＰＵ
２２…ＲＯＭ
２３…ＲＡＭ
２４…ＨＤＤ
２５…超音波出力回路
２５ａ…超音波送信素子
２６…超音波入力回路
２６ａ…超音波受信素子
２７…ディスプレイドライバ
２７ａ…ディスプレイ
２８…アナログ／デジタル変換回路
２８ａ…温度センサ
２９…バス
Ｓ１００…チャープ波生成
Ｓ１０５…チャープ波出力
Ｓ１１０…基準波形データの記憶
Ｓ１１５…反射波入力
Ｓ１１６…入力波形データの記憶
Ｓ１２０…所定時間の判別
Ｓ１２５…入力波形データの記憶終了
Ｓ１３０…相互相関演算
Ｓ１３５…時間差計算
Ｓ１４０…変動高さ計算
Ｓ１４５…結果表示
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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