(57)【要約】【課題】ドップラ効果を利用して速度を計測するドップラ式速度計において正確な速度を得る。【解決手段】所定周波数の送信波を送信する送信手段１１０と、送信波の反射波を受信する受信手段１２０と、反射波に基づくドップラ信号の周波数スペクトルを検出するスペクトル検出手段１４１と、を備え、検出した周波数スペクトルを用いて速度を計測するドップラ式速度計１であって、速度に対するドップラ信号の基準周波数スペクトルと検出した周波数スペクトルとの相関から基準周波数スペクトルを特定するスペクトル特定手段１４２と、特定した基準周波数スペクトルに対応する速度を反射波に基づいて検出した速度として出力する速度出力手段１４３と、を備える。【選択図】図２
2013044697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数の送信波を送信する送信手段と、
前記送信波の反射波を受信する受信手段と、
前記反射波に基づくドップラ信号の周波数スペクトルを検出するスペクトル検出手段と、
を備え、前記検出した周波数スペクトルを用いて速度を計測するドップラ式速度計であって、
速度に対応するドップラ信号の基準周波数スペクトルと前記検出した周波数スペクトルとの相関から基準周波数スペクトルを特定するスペクトル特定手段と、
前記特定した基準周波数スペクトルに対応する速度を前記反射波に基づいて検出した速度として出力する速度出力手段と、
を備えることを特徴とするドップラ式速度計。
【請求項２】
請求項１に記載のドップラ式速度計であって、
前記スペクトル特定手段は、速度毎に求められた複数の前記基準周波数スペクトルから前記検出した周波数スペクトルに最も近似する基準周波数スペクトルを特定することを特徴とするドップラ式速度計。
【請求項３】
請求項１または２に記載のドップラ式速度計であって、
前記基準周波数スペクトルは、前記送信手段及び前記受信手段に含まれるアンテナの強度分布、前記アンテナと前記反射波を反射する照射対象物との幾何学的な配置、並びに、速度とドップラ周波数との関係から生成されることを特徴とするドップラ式速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドップラ効果を利用して速度を計測するドップラ式速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波やマイクロ波を用いたドップラ式速度計では、反射波の周波数スペクトルにおける強度がピーク値となったときのドップラ周波数から測定対象物の速度を求めることが一般的である（特許文献１参照）。例えば、移動体にドップラ式速度計を搭載して対地速度を計測したり、上方に設置したドップラ式速度計によってベルトコンベア等の移動速度を計測したりする利用態様がある。
【０００３】
また、従来のドップラ式速度計では、速度の計測精度を高めるためにホーンアンテナが適用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２８０９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ドップラ式速度計の小型化や製造コストの低減を考慮し、大きくて重さのあるホーンアンテナの代りに小さくて軽いパッチアンテナ等を用いることが要求されている。
【０００６】
しかしながら、パッチアンテナには、ホーンアンテナに比べて、「ビーム幅が広い（指向性が広い）」という特性がある。そのため、パッチアンテナは、速度計測の際に広範囲から反射してきた信号を受信することになる。その結果、計測して得られる信号には様々な方向からの信号が混ざり合い、ドップラ信号の周波数スペクトルはブロードになり、周波数スペクトルのピークが埋もれて検出が困難になるおそれがある。
【０００７】
したがって、受信信号の周波数スペクトルにおけるピークからドップラ周波数を特定する方法では、パッチアンテナのようなビーム幅が広いアンテナを使用して正確な速度を計測することが困難であった。
【０００８】
また、測定対象物の速度が高速になるとドップラ信号の周波数スペクトルはブロードになってしまうため、ピークの検出が困難となり、正確な速度の計測ができなくなるおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明は、周波数スペクトルにおけるピーク値からドップラ周波数を特定しない方法で速度を計測できるドップラ式速度計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】
【００１０】
本発明の１つの態様は、所定周波数の送信波を送信する送信手段と、前記送信波の反射波を受信する受信手段と、前記反射波に基づくドップラ信号の周波数スペクトルを検出するスペクトル検出手段と、を備え、前記検出した周波数スペクトルを用いて速度を計測するドップラ式速度計であって、速度に対応するドップラ信号の基準周波数スペクトルと前記検出した周波数スペクトルとの相関から基準周波数スペクトルを特定するスペクトル特定手段と、前記特定した基準周波数スペクトルに対応する速度を前記反射波に基づいて検出した速度として出力する速度出力手段と、を備えることを特徴とするドップラ式速度計である。
【００１１】
ここで、前記スペクトル特定手段は、速度毎に求められた複数の前記基準周波数スペクトルから前記検出した周波数スペクトルに最も近似する基準周波数スペクトルを特定することが好適である。
【００１２】
また、前記基準周波数スペクトルは、前記送信手段及び前記受信手段に含まれるアンテナの強度分布、前記アンテナと前記反射波を反射する照射対象物との幾何学的な配置、並びに、速度とドップラ周波数との関係から生成されることが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、周波数スペクトルにおいてピーク値を特定し難い場合であっても速度を正確に計測することができる。特に、ホーンアンテナに比べてビーム幅が広いパッチアンテナを用いた場合であっても速度を正確に計測できるので、小型で安価なパッチアンテナを利用してドップラ式速度計を実現することができる。
【００１４】
また、速度が高速になった場合であっても正確な速度の計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態におけるドップラ式速度計の使用状況を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるドップラ式速度計の全体構造を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるドップラ式速度計の構造を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるドップラ式速度計と路面との幾何学的配置を説明する図である。
【図５】本発明の実施に形態におけるドップラプロファイルの例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における速度計測方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態における周波数スペクトルのマッチング処理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態におけるドップラ式速度計１は、図１に示すように、車両２に搭載され、路面３に対して角度φで設置される。ドップラ式速度計１からは路面３に対して角度φで送信波４が送信され、路面３から反射された反射波５を受信する。本実施の形態では、車両２と路面３との相対速度を計測する態様について説明する。以下では、車両２を測定対象物、路面３を照射対象物と示す。
【００１７】
ドップラ式速度計１は、図２及び図３の構成ブロック図に示すように、送信部１１０、受信部１２０、記憶部１３０及び信号処理部１４０から構成される。
【００１８】
送信部１１０は、図３に示すように、マイクロ波を発生する発信器１１１、マイクロ波の逆流を防ぐと共にマイクロ波を送信アンテナ１１３とミキサ１２２とに分配する方向性結合器１１２、及びマイクロ波を監視空間に放射する送信アンテナ１１３で構成される。放射されるマイクロ波は、周波数ｆｓの連続的なマイクロ波とすることができる。
【００１９】
受信部１２０は、図３に示すように、反射波を受信する受信アンテナ１２１、反射波と方向性結合器１１２からのマイクロ波とをミキシングして反射波に含まれるドップラ成分のみを抽出し、ドップラ信号として出力するミキサ１２２、ドップラ信号を増幅するアンプ１２３及び増幅されたドップラ信号をアナログ／デジタル変換を行って信号処理部１４０へ出力するＡ／Ｄ変換器１２４で構成される。
【００２０】
送信部１１０から送信されたマイクロ波は、路面３から反射され、反射波５として受信部１２０で受信される。車両２が移動している場合には路面３からの反射波５にはドップラ成分が含まれ、受信部１２０は反射波５を受信し、反射波５に含まれるドップラ成分を抽出したドップラ信号をデジタル信号に変換して信号処理部１４０へ出力する。
【００２１】
記憶部１３０は、速度毎のドップラのドップラ信号の周波数スペクトル（以下、ドップラプロファイル１３１と呼ぶ。）を記憶する。記憶部１３０は、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶手段を含んで構成することができる。
【００２２】
ドップラプロファイル１３１は、測定対象物である車両２に搭載された送信アンテナ１１３及び受信アンテナ１２１と照射対象物である路面３との幾何学的な配置（相対的距離、相対的角度等）と、送信アンテナ１１３及び受信アンテナ１２１の空間的強度分布と、によって得られる反射波５の受信強度の分布と車両２の速度の関係式から算出することができる。
【００２３】
図４に示すように、送信アンテナ１１３及び受信アンテナ１２１の仰角φ、アンテナ面から垂直方向に路面３に向かって伸ばした距離ｒ、アンテナ面から垂線方向を基準とした角度θ、の幾何学的関係を有する場合について考察する。マイクロ波は、送信アンテナ１１３及び受信アンテナ１２１からの距離の４乗に比例して振幅が減衰することから、角度θ＝０のときの受信強度で正規化した受信強度Ｓ（θ）は数式（１）で表される。なお、Ｇは、送信アンテナ１１３及び受信アンテナ１２１全体としての角度θの対する強度分布であり、最大強度で正規化した値とする。
【数１】
2013044697.tif 000003
【００２４】
また、一般に仰角φ及び速度Ｖで車両２が移動するときの角度θ方向のドップラ周波数ｆｄは、送信波４が周波数ｆｓであるとすると、数式（２）で表される。
【数２】
2013044697.tif 000004
【００２５】
ここで、数式（１）及び（２）から角度θを除去すると、数式（３）として表される。なお、ｃは光速である。
【数３】
2013044697.tif 000005
【００２６】
数式（３）から速度Ｖ毎のドップラプロファイル１３１を算出することができる。図５は、ドップラプロファイル１３１を図示したものである。ドップラプロファイル１３１は、数式（３）において固定値でないドップラ周波数ｆｄ及び速度Ｖに値を代入することによって算出される。例えば、速度Ｖの値を代入し、ドップラ周波数ｆｄの値を変化させながら代入することによって、代入したドップラ周波数ｆｄに対応する信号強度Ｓが求まり、予め定められた速度Ｖ毎にドップラ周波数ｆｄに対する信号強度のプロファイルがドップラプロファイル１３１として算出される。算出するドップラプロファイル１３１において、速度Ｖの範囲は、測定対象である車両２が出しうる速度範囲に応じて定めればよく、速度Ｖのステップは、速度計測に必要な精度に応じて定めればよい。また、ドップラ周波数ｆｄの算出ステップは、計測の分解能に応じて設定すればよい。
【００２７】
例えば、図５では、速度Ｖは０．２ｍ／ｓｅｃ，０．６ｍ／ｓｅｃ及び１．０ｍ／ｓｅｃについてドップラプロファイル１３１（ａ），（ｂ），（ｃ）が求められている。
【００２８】
本実施の形態では、ドップラプロファイル１３１は、数式（３）から算出したが、これに限定されるものではない。速度Ｖを別の方法で測定できる状態において車両２を実際に走行させ、ドップラ信号の周波数スペクトルを計測し、別の方法で測定された車両２の移動速度毎に計測された周波数スペクトルを対応付けてドップラプロファイル１３１として記憶部１３０に予め記憶させてもよい。
【００２９】
信号処理部１４０は、スペクトル検出手段１４１、スペクトル特定手段１４２及び速度出力手段１４３を含んで構成される。信号処理部１４０は、後述する処理によってスペクトル検出手段１４１、スペクトル特定手段１４２及び速度出力手段１４３として機能するようにプログラムされたコンピュータや論理回路により実現することができる。信号処理部１４０は、送信部１１０及び受信部１２０で計測されたドップラ信号と記憶部１３０に予め記憶されているドップラプロファイル１３１とを用いて車両２の速度を決定する。以下、図６のフローチャートを参照しつつ、信号処理部１４０における処理を説明する。
【００３０】
ステップＳＴ１では、送信部１１０及び受信部１２０を用いてドップラ信号が取得される。送信部１１０から路面３に対してマイクロ波を照射する。路面３から反射したマイクロ波を受信部１２０で受信し、受信した反射波からドップラ信号を取得する。
【００３１】
ステップＳＴ２では、取得されたドップラ信号から周波数スペクトルを得る。すなわち、信号処理部１４０のスペクトル検出手段１４１は、受信部１２０で得られたドップラ信号に対してＦＦＴ等の周波数変換を行い、ドップラ信号の周波数スペクトルを得る。
【００３２】
ステップＳＴ３では、ステップＳＴ２において得られたドップラ信号の周波数スペクトルに前段処理を施す。例えば、信号処理部１４０のスペクトル検出手段１４１において、ドップラ信号の周波数スペクトルにおける高周波成分を取り除くために周波数スペクトルに対して所定の透過周波数帯域を有するローパスフィルタ処理を施す。また、必要に応じて周波数スペクトルに対してその他のノイズ除去処理等を施すことも好適である。例えば、図７（ａ）に示すようなドップラ信号の周波数スペクトル（ｘ）が得られる。
【００３３】
ステップＳＴ４では、ステップＳＴ３で得られた周波数スペクトルとドップラプロファイル１３１とのマッチング処理を行う。例えば、信号処理部１４０のスペクトル特定手段１４２は、記憶部１３０に予め記憶されているドップラプロファイル１３１を順次読み出し、ステップＳＴ３で得られた周波数スペクトルと読み出された速度Ｖ毎のドップラプロファイル１３１との正規化相互相関を算出する。正規化相互相関は、例えば、ステップＳＴ３で得られた周波数スペクトルの波形をフリップした信号と、速度Ｖ毎のドップラプロファイル１３１とで畳み込みを行い、それぞれの標準偏差の積で除算する。そして、各速度Ｖに対する結果の最大値を、各速度Ｖにおける正規化相互関数の値とする。この処理は、記憶部１３０に記憶されている総ての速度Ｖに対するドップラプロファイル１３１について行うことが好適である。
【００３４】
ステップＳＴ５では、ステップＳＴ４でのマッチングの結果から車両２の速度Ｖに該当するドップラプロファイル１３１を抽出する。信号処理部１４０のスペクトル特定手段１４２は、ステップＳＴ４で得られた正規化相互相関の値が最大である速度Ｖに対応するドップラプロファイル１３１を記憶部１３０から選択して読み出す。例えば、ＳＴ３で得られた周波数スペクトル（ｘ）と、図５に示したドップラプロファイル（ａ），（ｂ），（ｃ）との正規化相互相関の値がそれぞれ０．５，０．８，０．６であったとすると、その最大値は０．８であるのでドップラプロファイル（ｂ）を抽出する（図７（ｂ））。
【００３５】
ステップＳＴ６では、信号処理部１４０の速度出力手段１４３は、ステップＳＴ５で抽出されたドップラプロファイル１３１に対応する速度Ｖを車両２の速度として出力する。例えば、速度の値を表示部６に出力させる（図２）。
【００３６】
以上のように、本実施の形態によれば、周波数スペクトルの波形に基づいて測定対象物である車両２の速度を計測することができる。ドップラ信号の周波数スペクトルにおけるピーク値に依らず、周波数スペクトルの波形に基づいて計測を行うことによって、周波数スペクトルにおいてピーク値を特定し難い場合であっても速度を正確に計測することができる。特に、パッチアンテナのようにビーム幅が広いアンテナを用いた場合であっても速度を正確に計測できる。また、速度が高速になった場合であっても正確な速度の計測が可能となる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、計測された周波数スペクトル及びドップラプロファイル１３１の全帯域を用いてマッチングを行うものとしたが、これに限定されるものではなく、一部の周波数帯域のみを用いてマッチングを行うものとしてもよい。例えば、ステップＳＴ３で得られた周波数スペクトルについて、受信強度が所定の閾値以上の周波数帯域内における最大の周波数を抽出する。一方、記憶部１３０に記憶されている各速度Ｖに対するドップラプロファイル１３１からも同様に受信強度が所定の閾値以上の周波数帯域内における最大の周波数を抽出し、ステップＳＴ３で得られた周波数スペクトルから抽出された最大周波数に最も近い最大周波数を有するドップラプロファイル１３１を選択する。このドップラプロファイル１３１に対応する速度Ｖを車両２の速度と決定する。
【００３８】
ドップラプロファイル１３１を予め算出して記憶部１３０に記憶させておく代わりに、数式（３）を用いてマッチングの都度、各速度Ｖに対するドップラプロファイル１３１を算出してもよい。
【００３９】
また、マイクロ波の代わりに超音波等を用いたドップラ式速度計においてもドップラ信号の周波数スペクトルの波形に基づいて計測を行うことができる。この場合、送信部１１０に超音波を出力する送信アンテナと、受信部１２０に超音波の反射波を受信する受信アンテナを備えればよい。
【００４０】
また、ドップラ式速度計の構造を図２及び図３に示したが、送信部１１０及び受信部１２０の構造はこれに限定されるものではない。例えば、送信アンテナ、受信アンテナをそれぞれ備えるものでなく、送受信を１つのアンテナで行うものであってもよい。
【００４１】
また、ドップラプロファイル１３１は、複数でなくてもよい。例えば、特定の速度のドップラプロファイルのみを設定しておき、ステップＳＴ５では、ステップＳＴ４で得られた正規化相互相関の値が所定の閾値以上である場合に、ステップＳＴ６にて速度を出力してもよい。
【００４２】
また、本実施の形態では、車両２にドップラ式速度計１を搭載し、対地速度を計測する態様について説明したが、これに限定されるものではない。ドップラ式速度計１は、車両以外の他の移動体に対しても同様に適用できる。例えば、自走式のロボットにドップラ式速度計１を搭載し、対地速度を計測する。このような自走式ロボットにおいて、自己位置を推定する精度を上げるためには正確な対地速度を得る必要がある。ドップラ式速度計１を用いることにより、車輪のエンコーダを用いて対地速度を計測するものに比べて、車輪のスリップやタイヤ径の変化による誤差を生じることなく正確な対地速度を計測することが可能である。また、ベルトコンベア等の移動体に対して角度をもってドップラ式速度計１を設置することによっても同様に速度を計測することができる。さらに、互いが相対的に移動する物体同士の速度の計測についても、いずれか一方の移動体にドップラ式速度計１を搭載することによって同様に相対速度を計測することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  ドップラ式速度計、２  車両、３  路面、４  送信波、５  反射波、１１０  送信部、１１１  発信器、１１２  方向性結合器、１１３  送信アンテナ、１２０  受信部、１２１  受信アンテナ、１２２  ミキサ、１２３  アンプ、１２４  Ａ／Ｄ変換器、１３０  記憶部、１３１  ドップラプロファイル、１４０  信号処理部、１４１  スペクトル検出手段、１４２  スペクトル特定手段、１４３  速度出力手段。
【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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