(57)【要約】【課題】超音波受信素子が受信した音波信号の立ち上がりを検出方法において、ノイズと音波信号を区別して、簡易的に音波信号の立ち上がりタイミングを検出する。【解決手段】  超音波受信素子により音波信号が受信されると、音波信号を時系列的に記憶する。そして、記憶された信号に対して所定の時間幅を持つウインドウＷを、音波の発信時刻ｔ０を基準として時間軸方向（矢印ａ方向）に、ウインドウ幅ピッチで走査し、走査位置Ｗ１，Ｗ２毎にウインドウＷ内の音波信号の波形１０の積分値を演算する。そして、得られた積分値がしきい値以上であるかどうかを判断し、積分値がしきい値以上であれば、そのウインドウＷが検出された時点でのウインドウ位置Ｗ２に対応する時間ｔ’を立ち上がりタイミングとする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波センサの超音波受信素子が受信した音波信号の立ち上がりを検出する方法であって、
ａ）超音波受信素子が音波信号を受信した際に得られるアナログ信号を時系列的に記憶する信号記憶ステップと、
ｂ）前記により記憶された信号に対して所定の時間幅を持つウインドウを、音波の発信時刻を基準として時間軸方向に走査する走査ステップと、
ｃ）前記所定走査位置毎にウインドウ内の音波信号の特徴量を求める特徴量計測ステップと、
ｄ）前記により求められた特徴量によって音波信号の立ち上がりタイミングを求める立ち上がり検出ステップとを有することを特徴とする音波信号の立ち上がり検出方法。
【請求項２】
前記ｂ）のステップでの走査は、ウインドウをウインドウ幅ピッチで行い、
前記ｃ）のステップでの特徴量は、ウインドウ内の音波信号波形の積分値であり、
前記ｄ）のステップで、前記積分値が所定値以上となるウインドウが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間を立ち上がりタイミングとすることを特徴とする請求項１に記載の音波信号の立ち上がり検出方法。
【請求項３】
前記ｄ）のステップで、ウインドウ内の音波信号波形の積分値が所定値以上となるウインドウについて、所定の分割数で分割し、当該分割ウインドウ内の音波信号波形の積分値が別途設定の所定値以上となるウインドウが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間を立ち上がりタイミングとすることを特徴とする請求項２に記載の音波信号の立ち上がり検出方法。
【請求項４】
前記ｃ）のステップでの特徴量は、ウインドウ内の音波信号に対して周波数分析を行って得られる発信に使用されている音波の周波数成分であり、
前記ｄ）のステップで、前記ｃ）のステップにより求めた周波数成分のレベルが所定値以上となるウインドウが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間を立ち上がりタイミングとすることを特徴とする請求項１に記載の音波信号の立ち上がり検出方法。
【請求項５】
音波の発信周波数ｆが既知で、且つｎ周期目の立ち上がりで受信した音波信号の振幅が最大となることが既知である場合において、
前記ｃ）のステップでの特徴量は、受信した音波信号の振幅であり、
前記ｄ）のステップで、音波信号の振幅が最大となる時間から（ｎ−０．７５）×１／ｆの時間だけ遡った時間を立ち上がり検出タイミングとすることを特徴とする請求項１に記載の音波信号の立ち上がり検出方法。
【請求項６】
前記超音波受信素子が受信した音波信号の包絡線成分を抽出する包絡線抽出ステップをさらに有し、
前記ｃ）のステップでの特徴量は、ウインドウ内の前記包絡線成分の積分値であることを特徴とする請求項１に記載の音波信号の立ち上がり検出方法。
【請求項７】
前記ｄ）のステップで、前記包絡線成分の積分値が所定値以上を示すウインドウ内の積分値から近似曲線を求め、該近似曲線と時間軸の切片を立ち上がりタイミングとすることを特徴とする請求項６に記載の音波信号の立ち上がり検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波信号の立ち上がり検出方法に関し、特に、超音波を利用して検出対象までの距離及び方向を計測する超音波センサにおける音波信号の立ち上がり検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波発信素子より発信された音波が検出対象により反射されて超音波受信素子によって受信されるまでの時間（伝搬時間）を計測し、この伝搬時間と音速とに基づいて検出対象までの距離を計測する方法が一般に知られている。また、複数の超音波受信素子で受信した信号に対して、入射角と素子の位置関係に対応した時間だけ遅延させて演算処理することによって、任意の方向からの入射波だけを選択的に取り出し、機械的な可動部を使用せずに電気的な信号処理のみによって対象物の方向を測定する方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような超音波を利用した距離・方向測定方法においては、超音波受信素子が受信した信号の第１波の立ち上がりタイミングを検出することが必要となるが、超音波受信素子は、音波波形以外にノイズも受信するため、受信した信号の立ち上がりタイミングを誤って検出する虞がある。ノイズには、電波ノイズや外来音波ノイズがあり、電波ノイズはシールドによりある程度は低減できるが完全ではなく、外来音波ノイズについては、超音波受信素子は音波を受信するものなので、防ぐことができない。このようなノイズによる信号の立ち上がりタイミングの誤検出を防止するために、波形の振幅値が所定のしきい値を越えたタイミングを信号の立ち上がりタイミングとする方法や、受信した信号について特定周波数でサンプリングし、得られた複数のピーク値を結ぶ包絡線から立ち上がりタイミングを推定する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１５６４５１号公報
【特許文献２】特開平９−１８４７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献２等に記載されている音波信号の立ち上がり検出方法においては、波形の瞬間値を測定しているため、依然として音波信号とノイズとの区別が課題となる。なお、特許文献１は、小型で組み込みの用途に適した超音波センサを提供するものであって、音波信号の立ち上がり検出方法を提供するものではない。本発明は、上記問題を解消するものであり、音波信号の立ち上がり検出方法において、ノイズと音波信号を区別し、音波信号の立ち上がりタイミングを簡易的に検出することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、超音波センサの超音波受信素子が受信した音波信号の立ち上がりを検出する方法であって、ａ）超音波受信素子が音波信号を受信した際に得られるアナログ信号を時系列的に記憶する信号記憶ステップと、ｂ）前記により記憶された信号に対して所定の時間幅を持つウインドウを、音波の発信時刻を基準として時間軸方向に走査する走査ステップと、ｃ）前記所定走査位置毎にウインドウ内の音波信号の特徴量を求める特徴量計測ステップと、ｄ）前記により求められた特徴量によって音波信号の立ち上がりタイミングを求める立ち上がり検出ステップとを有することを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１記載の音波信号の立ち上がり検出方法において、前記ｂ）のステップでの走査は、ウインドウをウインドウ幅ピッチで行い、前記ｃ）のステップでの特徴量は、ウインドウ内の音波信号波形の積分値であり、前記ｄ）のステップで、前記積分値が所定値以上となるウインドウが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間を立ち上がりタイミングとすることを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項２記載の音波信号の立ち上がり検出方法において、前記ｄ）のステップで、ウインドウ内の音波信号波形の積分値が所定値以上となるウインドウについて、所定の分割数で分割し、当該分割ウインドウ内の音波信号波形の積分値が別途設定の所定値以上となるウインドウが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間を立ち上がりタイミングとすることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１記載の音波信号の立ち上がり検出方法において、前記ｃ）のステップでの特徴量は、ウインドウ内の音波信号に対して周波数分析を行って得られる発信に使用されている音波の周波数成分であり、前記ｄ）のステップで、前記ｃ）のステップにより求めた周波数成分のレベルが所定値以上となるウインドウが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間を立ち上がりタイミングとすることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１記載の音波信号の立ち上がり検出方法において、音波の発信周波数ｆが既知で、且つｎ周期目の立ち上がりで受信した音波信号の振幅が最大となることが既知である場合において、前記ｃ）のステップでの特徴量は、受信した音波信号の振幅であり、前記ｄ）のステップで、音波信号の振幅が最大となる時間から（ｎ−０．７５）×１／ｆの時間だけ遡った時間を立ち上がり検出タイミングとすることを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項１記載の音波信号の立ち上がり検出方法において、前記超音波受信素子が受信した音波信号の包絡線成分を抽出する包絡線抽出ステップをさらに有し、前記ｃ）のステップでの特徴量は、ウインドウ内の前記包絡線成分の積分値であることを特徴とする。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項６記載の音波信号の立ち上がり検出方法において、前記ｄ）のステップで、前記包絡線成分の積分値が所定値以上を示すウインドウ内の積分値から近似曲線を求め、該近似曲線と時間軸の切片を立ち上がりタイミングとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の音波信号の立ち上がり検出方法によれば、超音波受信素子が受信した音波信号を時系列的に記憶し、この音波信号列に対して所定の時間幅を持つウインドウを音波の発信時刻を基準として時間軸方向に走査させ、ウインドウ内の音波信号の積分値等の特徴量によって音波信号の立ち上がりタイミングを求めるようにしたので、ノイズと音波信号を区別して、簡易的に音波信号の立ち上がりタイミングを求めることができる。さらに、音波信号の包絡線成分を抽出し、この包絡線成分を用いて音波信号の立ち上がりタイミングを求めることで、さらに、ノイズの影響を受けにくくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態による音波信号の立ち上がり検出方法について、図面を参照して説明する。図１に示されるように、超音波センサ１は、音波の発信動作を制御する超音波発信制御部２と、超音波発信制御部２の制御に基づいて超音波発信素子４を駆動するための信号を出力する信号発生部３と、音波を発信する超音波発信素子４と、超音波発信素子４により発信され、検出対象５で反射された音波を受信する超音波受信素子６と、超音波受信素子６で受けたアナログ信号を処理する信号処理距離換算部７とから構成されている。なお、超音波発信素子４及び超音波受信素子６は、単素子でもアレイ状の素子でも構わない。単素子の場合は、距離測定のみが可能となり、アレイ状素子の場合は、距離及び方向の測定が可能となる。また、超音波発信素子4が発信する信号の波形は、単パルスでもバースト波でもよい。
【００１４】
まず、超音波センサ１において、検出対象５までの距離と方向を計測する手順を説明する。超音波発信制御部２から電源（図示せず）に対して発信開始トリガーが出力されると、信号発生部３は超音波発信素子４を駆動するための信号を出力する。超音波発信素子４はこの信号に基づいて所定周波数（例えば、２０〜１００ｋＨｚ程度）の音波を発信し、発信された音波は、検出対象５により反射され、超音波受信素子６によって受信される。受信された信号は、後述する音波信号の立ち上がり検出手順によりその立ち上がりタイミングが検出され、反射波到達時間、及び複数の超音波受信素子６間での音波信号の遅延時間からその角度方向における検出対象５までの距離を求めることができる。
【００１５】
次に、音波信号の立ち上がり検出手順について図２及び図３を参照して説明する。超音波受信素子６により音波信号が受信されると、信号処理距離換算部７は、音波信号を時系列的に記憶する（＃２１）。そして、記憶された信号に対して所定の時間幅を持つウインドウＷを、音波の発信時刻ｔ０を基準として時間軸方向（矢印ａ方向）に、ウインドウ幅ピッチで走査し（＃２２）、走査位置毎にウインドウＷ内の音波信号の波形１０の積分値（特徴量）を演算する（＃２３）。そして、得られた積分値がしきい値以上であるかどうかを判断し（＃２４）、積分値がしきい値以上であれば（＃２４でＹＥＳ）、そのウインドウＷが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間ｔ’を立ち上がりタイミングとする（＃２５）。図３の例では、ウインドウ位置Ｗ１では、ノイズ成分のみの積分なのでその値は小さくなるが、ウインドウ位置Ｗ２では、音波信号の一部（黒色部）を積分するため値は大きくなる。この値が所定のしきい値を超えていた場合、ウインドウ位置Ｗ２に対応する時間ｔ’を立ち上がりタイミングとする。
【００１６】
このように、ウインドウＷ内の波形１０の積分値により信号の立ち上がりタイミングの検出を行うようにしたので、波形１０の瞬間値を利用する場合と異なり、信号とノイズの区別が容易となり、簡易な方法で音波信号の立ち上がりタイミングを検出することができる。
【００１７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。第２の実施形態は、ウインドウＷ内の音波信号の波形１０の積分値を利用して音波信号の立ち上がりタイミングを検出する点で第１の実施形態と同様であるが、さらに、ウインドウＷを所定の分割数で分割した分割ウインドウ（例えば、ｗ１〜ｗ６）を利用する点で第１の実施形態と異なる。信号処理距離換算部７は、音波信号を時系列的に記憶し（＃４１）、記憶された信号に対してウインドウＷを走査して（＃４２）、ウインドウＷ内の音波信号の波形１０の積分値を演算し（＃４３）、積分値がしきい値以上であるかどうかを判断する（＃４４）。そして、ウインドウＷ内の音波信号の波形１０の積分値がしきい値以上となる場合（＃４４でＹＥＳ）、ウインドウＷを所定の分割数で分割する（＃４５）。図５（ａ）は、ウインドウ位置Ｗ１において積分値がしきい値を超えた状態を示し、図５（ｂ）は、ウインドウ位置Ｗ１においてウインドウＷを６分割して分割ウインドウｗ１〜ｗ６を形成した状態を示している。そして、分割ウインドウｗ１〜ｗ６内の音波信号の波形１０の積分値が別途設定のしきい値以上となる分割ウインドウｗ２を検出し（＃４６）、検出された分割ウインドウｗ２の位置に対応する時間ｔ’を立ち上がりタイミングとする（＃４７）。この構成においても、ウインドウＷ内の特徴量を利用して信号の立ち上がりタイミングの検出を行うようにしたので、信号とノイズの区別が容易となり、簡易な方法で音波信号の立ち上がりタイミングを検出することができる。また、分割ウインドウｗ１〜ｗ６を利用することにより精度よく音波信号の立ち上がりを検出することができる。
【００１８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。第３の実施形態は、ウインドウＷ内の音波信号に対して周波数分析を行って得られる周波数成分（特徴量）を利用して音波信号の立ち上がりタイミングを検出する点で他の実施形態と異なる。信号処理距離換算部７は、音波信号を時系列的に記憶し（＃６１）、記憶された信号に対してウインドウＷを走査して（＃６２）、ウインドウＷ内の音波信号に対して周波数分析を行う（＃６３）。図７（ａ）において、ウインドウ位置Ｗ１，Ｗ２に対して周波数分析を行うと、図７（ｂ）に示されるように、ウインドウ位置Ｗ１ではノイズ成分のみであるために周波数分析した波形には特徴はないが、図７（ｃ）に示されるように、ウインドウ位置Ｗ２では音波信号を含んでいるために周波数分析した波形には発信に使用されている音波の周波数ｆにピークＰを示す。そして、この周波数成分レベルがしきい値以上となるかどうかを判断し（＃６４）、周波数成分レベルがしきい値以上であれば（＃６４でＹＥＳ）、ウインドウが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間を立ち上がりタイミングとする（＃６５）。この構成においても、ウインドウＷ内の特徴量を利用して信号の立ち上がりタイミングの検出を行うようにしたので、信号とノイズの区別が容易となり、簡易な方法で音波信号の立ち上がりタイミングを検出することができる。
【００１９】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。第４の実施形態は、音波の発信周波数ｆが既知で、且つｎ周期目の立ち上がりで受信した音波信号の振幅が最大となることが既知である場合において、受信した音波信号の振幅（特徴量）を利用して音波信号の立ち上がりタイミングを検出する点で他の実施形態と異なる。以下、音波の発信周波数ｆが既知で、且つｎ周期目の立ち上がりで受信した音波信号の振幅が最大となることが既知である場合について説明する。信号処理距離換算部７は、音波信号を時系列的に記憶し（＃８１）、記憶された信号に対してその振幅が最大となるウインドウ位置及びその時間ｔが検出されるまで（＃８３でＹＥＳ）、ウインドウＷを走査する（＃８２）。そして、検出された音波信号の振幅が最大となる時間ｔから（ｎ−０．７５）×１／ｆの時間だけ遡った時間を演算し（＃８４）、得られた時間ｔ’を音波信号の立ち上がり検出タイミングとする（＃８５）。図９に示されるように、３周期目の立ち上がりで受信した音波信号の振幅が最大となることが既知である場合においては、受信した音波信号の振幅が最大となる時間ｔから（３−０．７５）×１／ｆの時間だけ遡った時間を音波信号の立ち上がりタイミングとする。ここで、（３−０．７５）×１／ｆは、（３−０．７５）に周期あたりの時間である（１／ｆ）を乗じた時間である。この構成においても、ウインドウＷ内の特徴量を利用して信号の立ち上がりタイミングの検出を行うようにしたので、信号とノイズの区別が容易となり、簡易な方法で音波信号の立ち上がりタイミングを検出することができる。
【００２０】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。第５の実施形態は、上述した他の実施形態と比較して、超音波受信素子６が受信した音波信号の波形１０の包絡線成分２０を抽出し、この包絡線成分２０（特徴量）を利用して音波信号の立ち上がりタイミングを検出する点で他の実施形態と異なる。まず、信号処理距離換算部７は、音波信号を時系列的に記憶し（＃１０１）、記憶した信号に対してその波形１０の包絡線成分２０を抽出する（＃１０２）。そして、包絡線成分２０に対してウインドウＷを走査し（＃１０３）、ウインドウＷ内の包絡線成分２０の積分値を求める（＃１０４）。そして、その積分値がしきい値以上となるかどうかを判断し（＃１０５）、積分値がしきい値以上であれば（＃１０５でＹＥＳ）、そのウインドウＷが検出された時点でのウインドウ位置に対応する時間を立ち上がりタイミングとする（＃１０６）。この構成においても、ウインドウＷ内の特徴量を利用して信号の立ち上がりタイミングの検出を行うようにしたので、信号とノイズの区別が容易となり、簡易な方法で音波信号の立ち上がりタイミングを検出することができる。また、音波信号の立ち上がりを検出する際に、包絡線成分２０の積分値を利用することにより、各ウインドウＷの積分値がなだらかに変化するため、音波信号の挙動を追跡しやすく、ノイズの影響を受けにくくすることができる。
【００２１】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について、図１２及び図１３を参照して説明する。第６の実施形態は、包絡線成分２０を利用して音波信号の立ち上がりタイミングを検出する点で第５の実施形態と同様であるが、包絡線成分２０の積分値が所定値以上を示すウインドウＷ内の積分値から求められた近似曲線３０を利用して音波信号の立ち上がりタイミングを検出する点で第５の実施形態と異なる。信号処理距離換算部７は、音波信号を時系列的に記憶し（＃１２１）、その波形１０の包絡線成分２０を抽出する（＃１２２）。そして、包絡線成分２０に対しウインドウＷを走査し（＃１２３）、ウインドウＷ内の積分値を求める（＃１２４）。そして、その積分値がしきい値以上となるかどうかを判断し（＃１２５）、積分値がしきい値以上であれば（＃１２５でＹＥＳ）、その積分値を時間軸に対してプロットする（＃１２６）。同様の手順を積分値が所定点以上プロットされる（＃１２７でＹＥＳ）まで繰り返し、その近似曲線３０を得る（＃１２８）。例えば、図１３（ａ）に示されるように、ウィンドウ位置Ｗ１〜Ｗ５の積分値３１がしきい値以上である場合、これらを時間軸に対してプロットし、カーブフィッティングを行って近似曲線３０を得る。そして、近似曲線３０と時間軸との切片を算出し（＃１２９）、切片の時間ｔ’を立ち上がりタイミングとする（＃１３０）。この構成においても、ウインドウＷ内の特徴量を利用して信号の立ち上がりタイミングの検出を行うようにしたので、信号とノイズの区別が容易となり、簡易な方法で音波信号の立ち上がりタイミングを検出することができる。また、音波信号の立ち上がりを検出する際に、包絡線成分２０の積分値を利用することにより、各ウインドウＷの積分値がなだらかに変化するため、音波信号の挙動を追跡しやすく、ノイズの影響を受けにくくすることができる。
【００２２】
なお、本発明は、上記構成に限られることがなく種々の変形が可能であり、例えば、ウインドウの走査ピッチは、ウインドウ幅に限られることはない。また、超音波受信素子６が受信した音波信号に対し、バンドパスフィルタを用いて超音波受信素子６の共振周波数周辺の成分のみを抽出するようにしてもよい。バンドパスフィルタを利用することで、ノイズの影響を受けにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の方法が適用される超音波センサの構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態による音波信号の立ち上がり検出手順を示すフローチャート。
【図３】同実施形態による音波信号の立ち上がりを検出する方法の説明図。
【図４】第２の実施形態による音波信号の立ち上がり検出手順を示すフローチャート。
【図５】同実施形態による音波信号の立ち上がりを検出する方法の説明図であって、（ａ）は走査ステップを示す図、（ｂ）は分割ウインドウの説明図。
【図６】第３の実施形態による音波信号の立ち上がり検出手順を示すフローチャート。
【図７】同実施形態による音波信号の立ち上がりを検出する方法の説明図であって、（ａ）は走査ステップを示す図、（ｂ）はウインドウ位置Ｗ１の周波数分析結果を示す図、（ｃ）はウインドウ位置Ｗ２の周波数分析結果を示す図。
【図８】第４の実施形態による音波信号の立ち上がり検出手順を示すフローチャート。
【図９】同実施形態による音波信号の立ち上がりを検出する方法の説明図。
【図１０】第５の実施形態による音波信号の立ち上がり検出手順を示すフローチャート。
【図１１】同実施形態による音波信号の立ち上がりを検出する方法の説明図。
【図１２】第６の実施形態による音波信号の立ち上がり検出手順を示すフローチャート。
【図１３】同実施形態による音波信号の立ち上がりを検出する方法の説明図であって、（ａ）走査ステップを示す図、（ｂ）は近似曲線の説明図。
【符号の説明】
【００２４】
１    超音波センサ
６    超音波受信素子
７    信号処理距離換算部（信号記憶ステップ、走査ステップ、特徴量計測ステップ、立ち上がり検出ステップ、包絡線抽出ステップ）
１０    音波信号の波形
２０    音波信号の包絡線成分
３０    近似曲線
Ｗ    ウインドウ
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５    ウインドウ位置
ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４，ｗ５，ｗ６    分割ウインドウ
【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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