特開 2024-119191 信号処理装置、音波システム、及び車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024119191

(43)【公開日】2024-09-03

(54)【発明の名称】信号処理装置、音波システム、及び車両

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/537 20060101AFI20240827BHJP

   G01S 7/526 20060101ALI20240827BHJP

   G01S 15/931 20200101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

G01S7/537

G01S7/526 K

G01S15/931

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023025917

(22)【出願日】2023-02-22

(71)【出願人】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001933

【氏名又は名称】弁理士法人 佐野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼村 尚吾

【テーマコード（参考）】

5J083

【Ｆターム（参考）】

5J083AA02

5J083AB12

5J083AC17

5J083AC29

5J083AD04

5J083AE01

5J083AE06

5J083AE08

5J083AF05

5J083BA01

5J083BE25

5J083CA01

5J083CB01

(57)【要約】

【課題】他のシステムから送波された音波（他波）に起因して反射波を誤検知することを簡単な処理で抑制するができる信号処理装置を提供する。
【解決手段】信号処理装置（１Ａ）は、音波の送波のための送波信号を生成するように構成された送波信号生成部（１６１）と、音波の受波に基づく受波信号を出力するように構成された受波信号出力部（１３～１５）と、前記受波信号に基づいて、前記受波に含まれ得る前記送波の反射波を検知するように構成される反射波検知部（１６２～１６７）と、を備える。前記反射波検知部は、前記受波信号のうち、距離減衰換算値以上に設定される上限レベルを超える部分を、前記反射波の検知対象外とする、又は、前記上限レベルに補正するように構成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

音波の送波のための送波信号を生成するように構成された送波信号生成部と、
音波の受波に基づく受波信号を出力するように構成された受波信号出力部と、
前記受波信号に基づいて、前記受波に含まれ得る前記送波の反射波を検知するように構成される反射波検知部と、
を備え、
前記反射波検知部は、前記受波信号のうち、距離減衰換算値以上に設定される上限レベルを超える部分を、前記反射波の検知対象外とする、又は、前記上限レベルに補正するように構成されている、信号処理装置。

【請求項2】

前記上限レベルは前記距離減衰換算値より大きくなるように設定可能であり、
前記反射波検知部は、前記上限レベルを超える部分を、前記反射波の検知対象外とする、請求項１に記載の信号処理装置。

【請求項3】

前記上限レベルは前記距離減衰換算値自体であり、
前記反射波検知部は、
前記受波信号の前記上限レベルを超える各ピーク値が前記距離減衰換算値と一致するように前記受波信号を補正するように構成された補正部と、
前記送波信号の周波数設定に応じた周波数特性を有し、前記補正部によって補正された前記受波信号を受け取るように構成されたバンドパスフィルタと、
を備える、請求項１に記載の信号処理装置。

【請求項4】

前記補正部は、前記受波信号の前記上限レベルを超える各ピーク値及び前記上限レベルに満たない各ピーク値が前記距離減衰換算値と一致するように前記受波信号を補正するように構成されている、請求項３に記載の信号処理装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の信号処理装置と、
前記信号処理装置に直接的又は間接的に接続されるように構成される音波送受信装置と、を備える、音波システム。

【請求項6】

請求項５に記載の音波システムを備える、車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書中に開示されている発明は、音波の送波のための送波信号と音波の受波に基づく受波信号とを処理する信号処理装置、当該信号処理装置を備える音波システム、及び当該音波システムを備える車両に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波を発生させて障害物からの反射波が返ってくるまでの時間ＴＯＦ（Time Of Flight）を計測することにより障害物までの距離を測定する超音波システムが知られている。このような超音波システムは車両に搭載されることが多く、一例として車載用クリアランスソナーが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０２０／００４６０９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば特許文献１に記載されている超音波システムは、受波すると予想される波形データ（参照データ）を用意し、当該参照データと実際に受波した受信信号との相関に基づき反射波を検知する。この反射波の検知手法によって、特許文献１に記載されている超音波システムは、自己の超音波システムから送波した超音波に基づく反射波（自波）を受波したか、他の超音波システムから送波された超音波（他波）を受波したかを区別できる。

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載されている超音波システムで採用されている反射波の検知手法を実現するための処理は複雑になる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書中に開示されている信号処理装置は、音波の送波のための送波信号を生成するように構成された送波信号生成部と、音波の受波に基づく受波信号を出力するように構成された受波信号出力部と、前記受波信号に基づいて、前記受波に含まれ得る前記送波の反射波を検知するように構成される反射波検知部と、を備える。前記反射波検知部は、前記受波信号のうち、距離減衰換算値以上に設定される上限レベルを超える部分を、前記反射波の検知対象外とする、又は、前記上限レベルに補正するように構成されている。

【0007】

本明細書中に開示されている音波システムは、上記構成の信号処理装置と、前記信号処理装置に直接的又は間接的に接続されるように構成される音波送受信装置と、を備える構成である。

【0008】

本明細書中に開示されている車両は、上記構成の音波システムを備える構成である。

【発明の効果】

【0009】

本明細書中に開示されている信号処理装置、音波システム、及び車両によれば、他のシステムから送波された音波（他波）に起因して反射波を誤検知することを簡単な処理で抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態に係る超音波システムが搭載された車両と対象物とを模式的に示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る超音波システムの構成を示す図である。

【図3】図３は、エンベロープ部の出力信号の振幅値、距離減衰換算値、下限閾値、及び上限閾値の一例を示す図である。

【図4】図４は、第２実施形態に係る超音波システムの構成を示す図である。

【図5】図５は、補正部による補正が無かったと仮定した場合におけるエンベロープ部の出力信号の振幅値、距離減衰換算値、及び下限閾値の一例を示す図である。

【図6】図６は、エンベロープ部の出力信号の振幅値、距離減衰換算値、及び下限閾値の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する第１実施形態に係る超音波システム及び第２実施形態に係る超音波システムそれぞれは、一例として車両に搭載することを想定しており、車両と対象物との間の距離を測定することによる警報機能、自動ブレーキ機能および自動駐車機能等に利用できる。

【0012】

以下の説明では、第１実施形態に係る超音波システム及び第２実施形態に係る超音波システムをまとめて実施形態に係る超音波システムと称する場合がある。

【0013】

図１は、実施形態に係る超音波システム１００を搭載した車両２００と、対象物（障害物）３００とを示す模式図である。実施形態に係る超音波システム１００から送波された超音波は、対象物３００で反射して反射波として実施形態に係る超音波システム１００により受波される。このとき、超音波システム１００は、環境ノイズＮの受波も行う。環境ノイズＮは、他の超音波システムから送波された超音波（他波）を含む。

【0014】

＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態に係る超音波システム１００Ａ（以下、「超音波システム１００Ａ」と称す）の構成を示す図である。

【0015】

超音波システム１００Ａは、信号処理装置１Ａと、トランスＴｒと、コンデンサＣ１及びＣ２と、超音波送受信装置２と、を備える。超音波送受信装置２は、信号処理装置１に対してトランスＴｒとコンデンサＣ１及びＣ２とを介して外付けに接続される。なお、トランスＴｒとコンデンサＣ１及びＣ２とは、必ずしも設けなくてもよい。

【0016】

信号処理装置１Ａは、半導体集積回路装置である。信号処理装置１Ａは、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１１と、ドライバ１２と、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）１３と、ＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）１４と、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１５と、デジタル処理部１６と、外部端子Ｔ１～Ｔ５と、を備える。

【0017】

ＤＡＣ１１は、デジタル処理部１６に含まれる送波信号生成部１６１から出力される送波信号をデジタル信号からアナログ信号へＤ／Ａ変換し、Ｄ／Ａ変換後の信号をドライバ１２に出力する。

【0018】

ドライバ１２の差動対の出力端は、外部端子Ｔ１及びＴ２を介してトランスＴｒの１次側に接続される。トランスＴｒの２次側には超音波送受信装置２が接続される。ドライバ１２は、ＤＡＣ１１の出力信号に基づき超音波送受信装置２を駆動する。

【0019】

超音波送受信装置２は、不図示の圧電素子を有し、超音波の送波および受波を行う。すなわち、超音波送受信装置２は、音源としても受信部としても機能する。超音波送受信装置２は、送波および受波で共通の圧電素子を有する構成であってもよく、送波専用の圧電素子と受波専用の圧電素子とを有する構成であってもよい。

【0020】

ＬＮＡ１３の差動対の入力端は、外部端子Ｔ３及びＴ４とコンデンサＣ１及びＣ２とを介してトランスＴｒの２次側に接続される。ＬＮＡ１３は、外部端子Ｔ３及びＴ４から受け取った差動信号を増幅するとともにシングルエンドの信号に変換してＰＧＡ１４に出力する。ＰＧＡ１４は、ＬＮＡ１３から受け取った信号を増幅してＡＤＣ１５に出力する。ＡＤＣ１５は、ＰＧＡ１４の出力信号をアナログ信号からデジタル信号へＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の信号をＢＰＦ１６２に出力する。

【0021】

ＬＮＡ１３、ＰＧＡ１４、及びＡＤＣ１５は、超音波の受波に基づく受波信号を出力するように構成される受波信号出力部の一例である。

【0022】

デジタル処理部１６は、送波信号生成部１６１と、ＢＰＦ（Band Pass Filter）１６２と、ＡＢＳ（Absolute value処理部）１６３と、エンベロープ部１６４と、下限閾値判定部１６５と、上限閾値判定部１６６と、ＴＯＦ計測部１６７と、インタフェース１６８と、を備える。

【0023】

送波信号生成部１６１は、超音波の送波のための送波信号を生成するように構成される。より詳細には、送波信号生成部１６１は、車両２００（図１参照）に搭載される不図示のＥＣＵ（Electronic Control Unit）からインタフェース１６８を介して送波命令を受けると、所定の波数を含む送波信号を生成し、当該送波信号をＤＡＣ１１に出力する。

【0024】

ＢＰＦ１６２は、ＡＤＣ１５の出力信号に対して、所定の周波数帯域のみを通過させ、当該所定の周波数帯域以外の周波数帯域は減衰させる。ＢＰＦ１６２は、前記送波信号の周波数設定に応じた周波数特性を有する。例えば、当該所定の周波数帯域は、送波信号の周波数帯域と一致するように設定される。環境ノイズＮの周波数帯域は送波信号の周波数帯域と一致しない蓋然性が高いため、基本的にはＢＰＦ１６２によって環境ノイズＮを取り除くことができる。

【0025】

ＡＢＳ１６３は、ＢＰＦ１６２の正負に揺れる出力信号に対して、絶対値処理を行う。すなわち、ＡＢＳ１６３は、ＢＰＦ１６２の負の出力信号に対して反転処理を行って正の信号に変換する。

【0026】

エンベロープ部１６４は、ＡＢＳ１６３の出力信号を包絡線検出した信号を出力する。

【0027】

下限閾値判定部１６５は、エンベロープ部１６４の出力信号と下限閾値とを比較する。下限閾値判定部１６５は、エンベロープ部１６４の出力信号が下限閾値より大きくなったときに対象物３００での反射による反射波を検知する。

【0028】

上限閾値判定部１６６は、エンベロープ部１６４の出力信号と上限閾値とを比較する。上限閾値判定部１６６は、エンベロープ部１６４の出力信号が上限閾値より大きくなったときに、下限閾値判定部１６５での反射波の検知が無効であることをＴＯＦ計測部１６７に通知する。これにより、受波信号のうち、エンベロープ部１６４の出力信号が上限閾値より大きくなる部分は、反射波の検知対象外になる。

【0029】

上限閾値は、下限閾値より大きい値であって、距離減衰換算値以上に設定される上限レベルである。距離減衰換算値は、以下のように導出することができる。

【0030】

超音波送受信装置２から距離ｄ０離れた基準地点に標準形状（例えば所定の直径及び高さを有する円柱形状）の障害物が設置され、当該障害物による反射での受波信号の振幅がＡ（ｄ０）で表される場合、超音波送受信装置２から距離ｄ１離れた地点に位置する障害物による反射での受波信号の振幅Ａ（ｄ１）は下記の式で表される。
Ａ（ｄ１）＝Ａ（ｄ０）／（ｄ１／ｄ０）^２

【0031】

ここで、距離ｄ０を１［ｍ］にすると、振幅Ａ（ｄ１）は下記の式で表され、この振幅Ａ（ｄ１）が距離減衰換算値になる。
Ａ（ｄ１）＝Ａ（１［ｍ］）×（ｄ１^２）

【0032】

そして、上限閾値ＴＨ２は、下記の式で表される。
ＴＨ２＝ａ×Ａ（１［ｍ］）×（ｄ１^２）＋ｂ

【0033】

定数ａ、定数ｂの少なくとも一つを調整可能とすることで、上限閾値ＴＨ２を距離減衰換算値より大きくなるように設定することができる。上限閾値ＴＨ２を距離減衰換算値より大きくすることで、対象物（障害物）３００が壁などであって反射係数が大きい場合であっても反射波の検出漏れが発生しなくなる。

【0034】

図３は、エンベロープ部１６４の出力信号Ｓ０の振幅値、距離減衰換算値Ｖ１、下限閾値ＴＨ１、及び上限閾値ＴＨ２の一例を示す図である。図３の横軸は送波からの経過時間を示し、図３の縦軸はエンベロープ部１６４の出力信号Ｓ０の振幅値、距離減衰換算値、下限閾値、及び上限値を示している。図３に示されているエンベロープ部１６４の出力信号Ｓ０のピークＰＫ１及びピークＰＫ２においては、下限閾値ＴＨ１より大きく、上限閾値ＴＨ２以下であるため、反射波が検知される。一方、図３に示されているエンベロープ部１６４の出力信号Ｓ０のピークＰＫ３においては、上限閾値ＴＨ２より大きいため、反射波の検知対象外となる。このように、信号処理装置１Ａは、他のシステムから送波された音圧の大きい音波（他波）に起因して反射波を誤検知することを抑制することができる。

【0035】

ＴＯＦ計測部１６７は、カウンタ１６７Ａを用いて、超音波を送波してから対象物３００での反射による反射波を受波するまでの時間（ＴＯＦ）を計測する。

【0036】

ＢＰＦ１６２、ＡＢＳ１６３、エンベロープ部１６４、下限閾値判定部１６５、上限閾値判定部１６６、及びＴＯＦ計測部１６７は、受波信号に基づいて、受波に含まれ得る送波の反射波を検知するように構成される反射波検知部の一例である。

【0037】

インタフェース１６８は、一例としてＬＩＮ（Local Interconnect Network）に準拠し、外部端子Ｔ５を介して車両２００（図１参照）に搭載される不図示のＥＣＵとの間で通信を行う。

【0038】

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態に係る超音波システム１００Ｂ（以下、「超音波システム１００Ｂ」と称す）の構成を示す図である。第２実施形態において、第１実施形態と同様である部分については適宜説明を省略する。

【0039】

超音波システム１００Ｂは、信号処理装置１Ｂと、トランスＴｒと、コンデンサＣ１及びＣ２と、超音波送受信装置２と、を備える。

【0040】

信号処理装置１Ｂと第１実施形態で用いられる信号処理装置１Ａとは、デジタル処理部１６の内部構成が異なる。

【0041】

信号処理装置１Ｂのデジタル処理部１６は、送波信号生成部１６１と、補正部１６９と、ＢＰＦ１６２と、ＡＢＳ１６３と、エンベロープ部１６４と、下限閾値判定部１６５と、ＴＯＦ計測部１６７と、インタフェース１６８と、を備える。

【0042】

補正部１６９は、受波信号（ＡＤＣ１５の出力信号）のうち、送波前に予め測定されたノイズフロアよりも振幅の大きい信号に対してのみピーク検出を行い、距離減衰換算値を超える各ピークの絶対値及び距離減衰換算値に満たない各ピークの絶対値が距離減衰換算値と一致するように受波信号を補正する。図５は、補正部１６９による補正が無かったと仮定した場合におけるエンベロープ部１６４の出力信号Ｓ１の振幅値、距離減衰換算値Ｖ１、及び下限閾値ＴＨ１の一例を示す図である。図６は、エンベロープ部１６４の出力信号Ｓ２の振幅値、距離減衰換算値Ｖ１、及び下限閾値ＴＨ１の一例を示す図である。図５及び図６の横軸は送波からの経過時間を示し、図５及び図６の縦軸は受波信号の振幅値、距離減衰換算値、及び下限閾値を示している。

【0043】

ＢＰＦ１６２は、補正部１６９の出力信号に対して、所定の周波数帯域のみを通過させ、当該所定の周波数帯域以外の周波数帯域は減衰させる。ＢＰＦ１６２は、前記送波信号の周波数設定に応じた周波数特性を有する。例えば、当該所定の周波数帯域は、送波信号の周波数帯域と一致するように設定される。環境ノイズＮの周波数帯域は送波信号の周波数帯域と一致しない蓋然性が高いため、基本的にはＢＰＦ１６２によって環境ノイズＮを取り除くことができる。

【0044】

環境ノイズＮの音圧が大きい場合、受波信号の環境ノイズＮに対応する部分がたとえＢＰＦ１６２によって減衰されたとしても減衰が十分でないことが懸念される。しかしながら、信号処理装置１Ｂによると、受波信号の距離減衰換算値を超える各ピーク値が距離減衰換算値と一致するように受波信号が補正されるので、このような懸念は払拭される。つまり、信号処理装置１Ｂは、他のシステムから送波された音圧の大きい音波（他波）に起因して反射波を誤検知することを抑制することができる。

【0045】

一方、反射波の音圧が小さい場合、受波信号の反射波に対応する部分がたとえＢＰＦ１６２を通過したとしても受波信号の反射波に対応する部分が下限閾値以下になってしまい反射波の検出漏れが発生することが懸念される。しかしながら、信号処理装置１Ｂによると、受波信号の距離減衰換算値に満たない各ピーク値が距離減衰換算値と一致するように受波信号が補正されるので、このような懸念は払拭される。つまり、信号処理装置１Ｂは、反射波の検出漏れを抑制することができる。

【0046】

ＡＢＳ１６３は、ＢＰＦ１６２の出力信号に対して、絶対値処理を行う。すなわち、ＡＢＳ１６３は、ＢＰＦ１６２の負の出力信号に対して反転処理を行って正の信号に変換する。

【0047】

エンベロープ部１６４は、ＡＢＳ１６３の出力信号を包絡線検出した信号を出力する。

【0048】

下限閾値判定部１６５は、エンベロープ部１６４の出力信号と下限閾値とを比較する。下限閾値判定部１６５は、エンベロープ部１６４の出力信号が下限閾値より大きくなったときに対象物３００での反射による反射波を検知する。

【0049】

ＴＯＦ計測部１６７は、カウンタ１６７Ａを用いて、超音波を送波してから対象物３００での反射による反射波を受波するまでの時間（ＴＯＦ）を計測する。

【0050】

＜その他＞
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

【0051】

上記第１実施形態及び第２実施形態では、超音波（可聴音を超える高い振動数の音波）を送波する超音波システム１００について説明したが、超音波以外の音波を送波する音波システムに対しても本発明を適用することができる。

【0052】

上記第２実施形態では、受波信号の距離減衰換算値を超える各ピーク値及び距離減衰換算値に満たない各ピーク値が距離減衰換算値と一致するように受波信号が補正されたが、受波信号の距離減衰換算値を超える各ピーク値のみが距離減衰換算値と一致するように受波信号が補正されてもよい。

【0053】

＜付記＞
上述の実施形態にて具体的構成例が示された本開示について付記を設ける。

【0054】

本開示の信号処理装置（１Ａ、１Ｂ）は、音波の送波のための送波信号を生成するように構成された送波信号生成部（１６１）と、音波の受波に基づく受波信号を出力するように構成された受波信号出力部（１３～１５）と、前記受波信号に基づいて、前記受波に含まれ得る前記送波の反射波を検知するように構成される反射波検知部（１６２～１６６７、１６９）と、を備え、前記反射波検知部は、前記受波信号のうち、距離減衰換算値以上に設定される上限レベルを超える部分を、前記反射波の検知対象外とする、又は、前記上限レベルに補正するように構成されている構成（第１の構成）である。

【0055】

上記第１の構成の信号処理装置において、前記上限レベルは前記距離減衰換算値より大きくなるように設定可能であり、前記反射波検知部は、前記上限レベルを超える部分を、前記反射波の検知対象外とする構成（第２の構成）であってもよい。

【0056】

上記第１の構成の信号処理装置において、前記上限レベルは前記距離減衰換算値自体であり、前記反射波検知部は、前記受波信号の前記上限レベルを超える各ピーク値が前記距離減衰換算値と一致するように前記受波信号を補正するように構成された補正部（１６９）と、前記送波信号の周波数設定に応じた周波数特性を有し、前記補正部によって補正された前記受波信号を受け取るように構成されたバンドパスフィルタ（１６２）と、を備える構成（第３の構成）であってもよい。

【0057】

上記第３の構成の信号処理装置において、前記補正部は、前記受波信号の前記上限レベルを超える各ピーク値及び前記上限レベルに満たない各ピーク値が前記距離減衰換算値と一致するように前記受波信号を補正するように構成されている構成（第４の構成）であってもよい。

【0058】

本開示の音波システム（１００Ａ、１００Ｂ）は、上記第１～第４いずれかの構成の信号処理装置と、前記信号処理装置に直接的又は間接的に接続されるように構成される音波送受信装置（２）と、を備える構成（第５の構成）である。

【0059】

本開示の車両（２００）は、上記第５の構成の音波システムを備える構成（第６の構成）である。

【符号の説明】

【0060】

１Ａ、１Ｂ 信号処理装置
２ 超音波送受信装置
１１ ＤＡＣ
１２ ドライバ
１３ ＬＮＡ
１４ ＰＧＡ
１５ ＡＤＣ
１６ デジタル処理部
１６１ 送波信号生成部
１６２ ＢＰＦ
１６３ ＡＢＳ
１６４ エンベロープ部
１６５ 下限閾値判定部
１６６ 上限閾値判定部
１６７ ＴＯＦ計測部
１６７Ａ カウンタ
１６８ インタフェース
１６９ 補正部
１００ 実施形態に係る超音波システム
１００Ａ 第１実施形態に係る超音波システム
１００Ｂ 第１実施形態に係る超音波システム
２００ 車両
３００ 対象物（障害物）
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｔ１～Ｔ５ 外部端子
Ｔｒ トランス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】