JP2014531589A - 多方向測定のための超音波測定アセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、超音波測定アセンブリ１０、及び超音波測定を実行するための対応する方法に関するものである。超音波を送信するための超音波送信器エレメント１８を、複数の異なる駆動周波数を同時に有する駆動信号により駆動する。この場合、駆動ユニット１２は、少なくとも１つの対応する超音波送信器エレメント１８のための少なくとも１つの駆動信号２０を発生する。その結果、各超音波送信器エレメント１８は多方向性超音波を発生する。更に、駆動信号２０を、全体的な超音波ビームが異なる空間方向２２において個別の周波数スペクトルを有するように設計する。全体の超音波ビームの一部が反射された場合、感知ユニット２８により感知信号３０が発生される。該感知信号３０は個別の周波数スペクトルからなる。該感知信号は処理ユニットにより入力され、該処理ユニットは、上記周波数スペクトルを決定し、従って当該信号が何の空間方向２２又は空間領域に送信されたかを決定することができる。

Description

本発明は、超音波測定アセンブリ及び超音波測定を実行する方法に関する。また、本発明は上記超音波測定アセンブリのための超音波送信器及び超音波測定アセンブリのための感知アセンブリにも関する。

米国特許第6,549,487号公報は、物体の距離、範囲及び方向を決定するために音響システムを用いる車両搭乗者センサを記載している。上記システムは、ステアリングされた音響ビームを生成するために互いに相対的位相で駆動される空気室共振器エレメントのアレイから形成された超音波送信器からなっている。該システムにおいて、上記音響ビームを異なる空間方向にステアリングすることによりラスタスキャンを行うことができ、異なる空間方向の複数の測定を実行する。当該トランスジューサアレイは上記音響ビームを送信するために単一の共振周波数に同調されている。

高い角度分解能を得るために上記超音波ビームは相対的に狭いので、ラスタスキャンが必要とされる。この方法の不利な点は、狭いビームで大きな角度の広がりを走査する場合の遅延である。何故なら、音響ビームを全体の角度範囲にわたり個々の測定がなされる小さなステップでステアリングしなければならないからである。従って、この標準的ラスタスキャン方法は、レイテンシ（待ち時間）に対して角度分解能を取引しなければならない。

本発明の目的は、上述したタイプの装置及び方法であって、観測窓内の測定に対して小さなレイテンシで超音波測定を可能にするような装置及び方法を提供することである。

本発明の第１態様においては、超音波測定アセンブリが提供され、該アセンブリは超音波を送信するための超音波送信器エレメントと、該超音波送信器エレメントを複数の異なる駆動周波数を同時に持つ駆動信号により駆動するように構成された、上記超音波送信器エレメントを駆動するための駆動ユニットと、超音波を感知すると共に感知された超音波に応答して感知信号を発生する感知ユニットと、上記感知信号を入力すると共に該感知信号の周波数スペクトルを決定する処理ユニットとを含む。

本発明の他の態様においては、超音波測定アセンブリのための超音波送信器が提供され、該超音波送信器は超音波を送信するための超音波送信器エレメントと、該超音波送信器エレメントを駆動するための駆動ユニットとを含み、該駆動ユニットは上記超音波送信器エレメントを複数の異なる駆動周波数を同時に持つ駆動信号により駆動するように構成される。

本発明の他の態様においては、超音波測定アセンブリのための感知アセンブリが提供され、該感知アセンブリは超音波を感知すると共に感知された超音波に応答して感知信号を発生する感知ユニットと、上記感知信号を入力すると共に該感知信号の周波数スペクトルを決定する処理ユニットとを含む。

本発明の他の態様においては、超音波測定を実行するための方法が提供され、該方法は、超音波を送信するための超音波送信器エレメントを設けるステップと、複数の異なる駆動周波数を同時に持つ駆動信号を発生するステップと、少なくとも１つの超音波送信器エレメントを上記駆動信号により駆動するステップと、超音波を感知するステップと、感知された超音波に応答して感知信号を発生するステップと、該感知信号の周波数スペクトルを決定するステップとを含む。

本発明は、超音波送信器エレメントを複数の異なる駆動周波数を同時に持つ駆動信号により駆動するというアイデアに基づいている。その効果として、駆動された超音波送信器エレメントにより、異なる超音波周波数を持つ複数の超音波が同時に発生される。物理的関係に基づいて、これらの異なる周波数の超音波は異なる角度範囲へと送信され、かくして、如何なる所与の角度に対しても当該送信の周波数スペクトルは相違する。当該超音波送信器エレメントに対して特定の角度で位置する物体は、従って、特定の周波数組成を持つ超音波信号を反射する。この特定の周波数組成は、前記処理ユニットにより、当該物体の相対角度位置を識別するために使用することができる。反射する物体の大きさが該物体により反射される周波数の範囲を決定するとすれば、該反射物体の空間的広がりも推定することができる。

この方法の利点は、従来技術に対して待ち時間（レイテンシ）が大いに低減されるということである。送信器エレメントの全体の観測窓は、１つの送信及び１つの受信ステップで走査することができる。従って、超音波測定を、既存のラスタ走査方法によるよりも何倍も速く完了することができる。

上記超音波送信器エレメントは超音波トランスジューサを形成する。典型的に、超音波送信器エレメントは交流信号（例えば交流電圧）により駆動される圧電エレメントである。超音波送信器エレメントは、例えば圧電セラミックエレメント、圧電ポリマエレメント、静電トランスジューサ又は磁歪トランスジューサ等の他のタイプのものでもあり得る。従って、上記駆動信号は同時に異なる周波数で交互に変化し、これら異なる周波数が重畳された交流電圧であることが好ましい。他の例として、上記駆動信号は、例えば磁歪送信器エレメントを駆動するための又は通常のスピーカのための交流電流とすることもできる。従って、超音波送信器エレメントは前記超音波を異なる空間範囲で形成している。上記周波数は、典型的には２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲内の周波数である。より好ましくは、これら周波数は３０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの範囲内である。更に、上記駆動信号を１つの小さな周波数帯内に配置された複数の駆動周波数で発生することが好ましい。代わりに、複数の周波数帯を使用することもできる。

更に、当該超音波送信器エレメントが如何なる種類の幾何学的構造を有しているか、及び当該超音波が如何なる媒体へと送信されるかを考慮に入れなければならない。波長が当該超音波送信器エレメントの寸法と同等であるか又は大きい超音波周波数に対しては、実質的に全方向性（無指向性）のビームパターンが生成される。送信される超音波の波長が当該超音波送信器エレメントの寸法より大幅に短い周波数に対しては、ビームパターンは当該超音波送信器エレメントに対して前方向に（更に特定的には当該超音波送信器エレメントの放射面の軸上の方向に）狭いローブを形成する。このように、種々の周波数を選択することにより、幾つかの周波数は全方向的放射特性で送信される一方、幾つかの周波数は狭いビームで送信される。従って、当該超音波送信器エレメントの軸方向に対する種々の角度において、送信されるビームの周波数応答は大幅に相違して見える。

超音波を送出した後、当該超音波送信器エレメントの範囲内の物体は、これら超音波を反射する。これらの反射された波は前記感知ユニットにより感知することができ、該感知ユニットは複数の異なる周波数を有する感知信号を発生する。これら周波数の実際の組成は当該超音波送信器エレメントに対する超音波を反射する物体の空間位置に依存する。

前記処理ユニットは上記感知信号を入力し、該感知信号の周波数スペクトルを決定することができる。該周波数スペクトルを分析することにより、当該超音波が反射されてきた空間方向又は少なくとも空間領域を識別することが可能である。

従って、１つの略全方向性ビームを空間領域へと送信すると共に、超音波がどの方向から反射されたかを１つの送信及び１つの受信動作で決定する装置並びに方法が得られる。かくして、本発明は高角度分解能を提供する従来技術と比較してレイテンシの低減につながる。

本発明の好ましい実施態様は従属請求項に記載されている。請求項に記載された方法は装置の請求項及び従属請求項に記載されたものと同様の及び／又は同一の好ましい実施態様を有するものと理解されたい。

一実施態様において、上記処理ユニットは少なくとも１つの方向信号を識別するために、感知された信号の周波数スペクトルを或る空間方向に対応する少なくとも１つの特性周波数スペクトルと比較するように構成される。

この実施態様において、上記特性周波数スペクトルは当該超音波送信器エレメントに対し異なる空間方向に関して分かっている。該特性周波数スペクトルは、特定の方向又は領域に対する超音波の既知の“指紋”として比喩的に理解することができる。好ましい実施態様においては、複数の特性周波数スペクトルが予め定められ、上記処理ユニットの記憶手段に記憶される。この場合、該処理ユニットは感知信号の周波数スペクトルを決定し、この周波数スペクトルを上記の記憶された特性周波数スペクトルと比較するように構成される。感知された信号の周波数スペクトルを特性周波数スペクトルと比較するために最大尤度推定器が使用されると更に好ましい。何故なら、感知された信号の周波数スペクトルと特性周波数スペクトルとの間の正確な一致を見出すことはありそうもないからである。このことは、例えば当該超音波が伝達される進行媒体の変化する特性及びノイズにより生じる。

従って、源（オリジン）の空間点及び／又は範囲の情報を含む方向信号を得ることができる。この方向信号は、次いで、更なる分析のために使用することができる。更に、同時に感知されたが異なる空間的オリジンを持つ複数の異なる超音波を、当該周波数スペクトルを特性周波数スペクトルと比較することにより分離することができる。これらの同時に感知される超音波は重畳された感知信号となり、斯かる信号は、オリジンに対応する感知された各超音波に関する方向信号を発生するために前記特性周波数スペクトルの知識に基づいて分離することができる。

他の実施態様において、上記処理ユニットは少なくとも１つの方向信号に対して飛行時間計算を実行するよう構成される。即ち、当該超音波送信器エレメントからの反射物体の距離を推定することができる。従って、当該装置及び方法は、当該超音波測定アセンブリに対する反射エレメントの空間位置を推定する可能性を提供する。

他の実施態様において、上記処理ユニットは、オリジンの少なくとも１つの空間領域を計算するために、感知された信号の周波数スペクトルを或る空間領域に対応する少なくとも１つの特性周波数成分と比較するように構成される。この実施態様では、反射する物体の大きさが計算される。超音波の周波数スペクトルは（当該超音波送信器エレメントから見た）角度範囲にわたって変化するので、当該反射物体によりどの角度区域がカバーされるかを決定することができる。この角度区域及び当該反射物体から当該送信器エレメントまでの距離に基づいて、該反射物体の大きさ（寸法）を推定することができる。上記角度区域を決定するために、感知信号は周波数スペクトルに関して分析される。該周波数スペクトルが既知の区間内の複数の特性周波数スペクトルに関する周波数成分を有している場合、当該反射物体は特定の角度区域をカバーしていると推定することができる。この寸法推定は、所与の距離においては小さな物体が大きな物体よりも小さな角度寸法を有するということに留意することにより実行することができる。従って、大きな物体は感知ユニットに対して小さな物体よりも大きな角度範囲の信号を反射して戻す。従って、より大きな物体は、同一の角度位置及び同一の距離における小さな物体とは異なる周波数成分の信号を反射する。測距データを用いて、観測窓内の如何なる任意の位置における物体の寸法も推定することができる。

他の実施態様において、前記超音波測定アセンブリは少なくとも１つのアレイに配列された複数の超音波送信器エレメントを含む。この実施態様において、該超音波測定アセンブリは複数の超音波送信器エレメントを備えた超音波トランスジューサを有する。好ましくは、上記超音波送信器エレメントの全ては、複数の異なる駆動周波数を同時に有する少なくとも１つの駆動信号により駆動される。超音波送信器エレメントのアレイを使用することにより、二次元超音波走査を実行することができる。超音波の多次元的特性に基づいて、二次元走査を非常に迅速に行うことができる。更に、上記超音波トランスジューサは複数のアレイを有することができ、その場合において、超音波送信器エレメントは好ましくはマトリクス構造に配列される。かくして、三次元超音波測定を高解像度及び短待ち時間で実行することができる。

他の実施態様において、前記駆動ユニットは各超音波送信器エレメントを個別に駆動するように構成される。この実施態様において、各超音波送信器エレメントは個別に駆動される。このことは、各超音波送信器エレメントから超音波を個別に送信するという利点をもたらす。従って、空間測定解像度を向上させることができる。また、前記複数の異なる駆動周波数を同時に有する駆動信号の使用を位相シフト方法と組み合わせることも可能である。即ち、多方向性超音波ビームを、必要な場合に、更に収束（合焦）させ及び／又はステアリングすることができる。

他の実施態様において、上記駆動ユニットは各超音波送信器エレメントに対して個別の駆動信号を発生するように構成され、これら個別の駆動信号の各々は異なる駆動周波数の個々の組成を有する。異なる駆動周波数の個々の組成を持つ異なる駆動信号を発生することにより、超音波送信器エレメントアレイ又は超音波送信器エレメントマトリクスの結果的超音波ビームを非対称的に形成することができ、好ましくは、結果としての全体的超音波ビームが、該ビームが送信される各空間方向へ非対称に形成されるようにする。上記“形成する”なる用語は、空間方向に対して周波数の組成を個別に作成することに関するものである。従って、前記処理ユニットは、何の空間方向から又は何の空間領域から超音波信号が反射されたかを非常に正確に且つ高い確実性で決定することができる。異なる駆動周波数の個々の組成を備える個別の駆動信号の使用の結果、個々のアプリケーションに対して必要に応じて、異なる空間領域において複数の超音波波長及び特性周波数組成を持つ全体的超音波ビームを生成することに関して非常に高い設計自由度が得られる。従って、不必要な空間領域を使わないで済ますと共に、関心領域内の解像度を向上させることができる。更に、上記複数の超音波送信器エレメントを、特定の空間領域を非常に高い解像度でカバーするグループに分割することができる。

他の実施態様において、上記個別の駆動信号は対応する超音波送信器エレメントを少なくとも２つの異なる空間方向に超音波を送信するように駆動するよう構成される。従って、この実施態様は送信器エレメントの１つのアレイ又はマトリクスにより異なる空間領域を個別にカバーする可能性を提供する。

更に他の実施態様において、上記駆動ユニットは複数の異なる駆動周波数を持つ基本信号を入力すると共に該基本信号をフィルタして上記個別の駆動信号のうちの少なくとも１つを発生する少なくとも１つの周波数フィルタを有する。即ち、複数の周波数フィルタを設計することにより超音波送信器エレメントの全体的超音波ビームを形成することができる。これら周波数フィルタはＦＩＲフィルタであることが好ましい。ＦＩＲフィルタは駆動信号の位相及び周波数応答が簡単な方法で制御されることを可能にする。１つの基本広帯域幅入力信号が発生され、各周波数フィルタにより入力され得ることが有利である。各周波数フィルタは、望ましくない周波数を減衰させ、及び／又は特定の周波数若しくは周波数群において駆動信号の位相角を変化させて、対応する超音波送信器エレメントのための所望の複数の駆動周波数及び位相角を有する駆動信号を発生する。更に、上記周波数フィルタは、測定を実行している間に又は当該超音波測定アセンブリを使用している間に、自身の周波数濾波又は位相変更特性を変化させることができることが好ましい。かくして、超音波送信器エレメントアレイ又はマトリクスの放射パターンを、当該超音波測定アセンブリを使用しながら適合させることができる。従って、望むならば関心領域の測定解像度を向上させることができ、その場合において、能動的方法が得られ、動的測定が得られる。

他の実施態様において、前記感知ユニットは少なくとも１つのマイクロフォンである。この実施態様においては、１つのマイクロフォンが感知ユニットとして使用される。好ましくは、該マイクロフォンは前記少なくとも１つの超音波送信器エレメントの近傍に配置される。上述した本発明の方法に基づいて、異なる空間方向の複数の反射超音波を１つのマイクロフォンで感知することができる。該マイクロフォンは、前記感知信号として、１つの超音波送信器エレメントから又は複数の超音波送信器エレメントからの広帯域信号を発生する。従って、異なる空間方向からの超音波を測定するために１つのマイクロフォンしか必要としない装置及び方法が得られる。

他の実施態様において、前記超音波測定アセンブリは少なくとも１つのアレイに配列された複数のマイクロフォンを含む。この実施態様において、上記感知ユニットは複数のマイクロフォンを含む。これらマイクロフォンは１つの直線アレイに又は複数のアレイに（例えばマイクロフォンのマトリクスを形成する）配列することができる。複数のマイクロフォンは、異なる方向信号を識別する処理及び前記感知ユニットの空間測定分解能を向上させる。複数のマイクロフォンアレイは、好ましくは、前記送信器エレメントの近傍に配置される。このことは、前記少なくとも１つの超音波送信器エレメントの軸上の角度に対応する空間角度が同一又は少なくとも非常に類似するから有利である。従って、位置推定を相対的空間角度により直接行うことができる。

本発明の更に他の態様においては、本発明による超音波測定アセンブリ及び前記感知信号の決定された周波数スペクトルを評価する評価ユニットを有するシステムが提案される。

好ましくは、該システムは、上記評価の結果に基づいて、特には照明装置、警報装置、測距装置、案内装置、オーディオ及び／又はビデオ再生装置、又は車両等の電気装置を制御するための制御ユニットを更に有する。

本発明の上記及び他の態様は、後述する実施態様から明らかとなり、斯かる実施態様を参照して解説されるであろう。

図１は、本発明による超音波測定アセンブリの第１実施態様を概略図示する。 図２は、超音波を発生するピストン音源を示す。 図３は、図２によるピストン音源に関する音響強度の、角度及び周波数の関数としてのグラフを示す。 図４は、図２による超音波ピストン音源に対する異なる角度での周波数応答のグラフを示す。 図５は、複数の周波数フィルタを有する駆動ユニットを示す。 図６は、超音波送信器エレメントアレイに関する超音波の強度の角度及び周波数の関数としてのグラフを示す。 図７は、本発明によるシステムを概略図示する。

図１は、超音波測定アセンブリ１０を概略図で示す。該アセンブリは駆動ユニット１２を有し、該駆動ユニットは超音波トランスジューサを形成する超音波送信器エレメント１８のアレイ１６にライン１４を介して接続されている。駆動ユニット１２は駆動信号２０を発生しており、該駆動信号はライン１４を介して超音波送信器エレメントアレイ１６に伝送される。超音波送信器エレメント１８は上記駆動信号２０により駆動され、これら超音波送信器エレメントは同時に複数の方向２２に向けられた超音波ビームを発生する。該超音波ビームは、駆動信号２０の駆動周波数に対応する異なる波長の複数の超音波を有する。後に例示的に説明されるように、上記の異なる波は当該波長と各超音波送信器エレメント１８の寸法との間の比に従って異なる方向２２に広がる。従って、異なる方向２２には、異なる周波数スペクトルの超音波が送信される。

発生された超音波ビームは、物体により反射されるまで送出される。反射する物体として、人２４が図示されている。人は反射物体の一例であって、ここでは如何なる超音波反射物体も使用することができると理解されるべきである。人２４は超音波を方向２６へと単一のマイクロフォン２８の形態の感知ユニットに反射している。マイクロフォン２８は、反射された超音波を感知して感知信号３０を発生し、該信号はライン３２を介して処理ユニット３４へ伝送される。処理ユニット３４は上記感知信号３０を入力すると共に該感知信号３０の周波数スペクトルを決定する第１部分３５を有している。更に、該第１部分３５は、異なる所定の特性周波数スペクトルを参照するデータを記憶している記憶手段３６を有している。更に、第１部分３５は上記特性周波数スペクトルを感知信号３０の周波数スペクトルと比較して、発生された超音波がマイクロフォン２８へと反射される前に何の空間方向２２に送信されたかを識別する。最大尤度推定器に基づいて、該比較が行われ、方向が識別される。該最大尤度推定器は、物体の数、これら物体への角度、これら物体の寸法、及びこれら物体までの距離を１つのステップで推定することができる。

次いで、対応する方向信号３８が発生される。該方向信号３８は、感知信号３０の空間方向２２に対応する情報及び何の空間方向２２に対応しているかについての情報を含んでいる。更に、該方向信号は他の情報、例えば前記最大尤度推定器により得られた情報の全て又は一部を有することができる。更に、該方向信号３８はライン４０を介して処理ユニット３４の第２部分４２に伝送される。この第２部分４２は上記方向信号３８を分析するように構成されている。特に、該第２部分は前記反射された超音波により進行された距離を決定するために飛行時間計算を実行する。かくして、方向２２及び当該超音波により進行された距離の知識に基づいて、人２４の超音波測定アセンブリ１０に対する位置を計算することができる。

更に、処理ユニット３４は感知信号３０の周波数スペクトルを複数の特性周波数成分と比較する。これらの特性周波数成分も、記憶手段３６内に記憶されている。この周波数成分に基づいて、アレイ１６から送信された超音波の何の角度範囲が方向２６へと反射されたかを決定することができる。反射する人２４の位置及び該反射された角度範囲の情報に基づいて、少なくとも１つの空間方向における人２４の広がりが計算される。この情報も、更なる分析及び／又は出力目的で、ライン４０を介して処理ユニット３４の第２部分４２に伝送される。

要約すると、人２４により反射された超音波を分析することにより、測距、角度位置及び寸法の推定が可能にされる。これらのフィーチャを正しく解決することができるように、マイクロフォン２８（又は対応するマイクロフォンアレイ）はアレイ１６と並置されることが好ましい。測距は、処理ユニット３４内で標準的飛行時間技術により実行することができる。角度位置推定は、当該反射超音波の周波数スペクトルを記憶手段３６の特性周波数スペクトルと照合することにより実行することができる。最も近い合致が、反射する人２４の最もありそうな角度位置を示す。好ましい実施態様では、推定される角度位置の角度的分解能を増加させるために補間方法及び統計処理を使用することにより一層高い分解能が得られる。寸法推定は、所与の距離では一層小さな対象が一層大きな物体よりも小さな角度寸法を有することに留意することにより実行することができる。かくして、より大きな物体は小さな対象２４よりも一層大きな角度的広がりの超音波をマイクロフォン２４に向かって反射して戻す。従って、大きな物体は、同一の角度位置及び同一の距離における小さな物体と比較して異なる周波数成分を持つ信号を反射する。測距データを用いて、当該観測窓内の如何なる任意の位置における物体又は対象の寸法も推定することができる。

図２は、超音波送信器エレメント４４の簡単な例を示す。該超音波送信器エレメント４４は超音波のためのピストン音源４４である。該ピストン音源は直径が約８ｍｍの円形送信面４６を有している。該ピストン音源４４は圧電材料からなり、駆動ユニット４８により駆動される。他の実施態様において、該ピストン音源は、例えば静電超音波送信器エレメント、磁歪超音波送信器エレメント又は超音波を送信するのに適した何らかの他のトランスジューサ等の異なるタイプのものであり得る。駆動ユニット４８は、複数の異なる駆動周波数を同時に有する駆動信号としての交流電圧を発生する。この駆動信号はライン５０を介して該ピストン音源４４に伝送される。ライン５０を介して伝送された上記交流電圧の周波数に基づいて、該圧電エレメントは収縮及び膨張する。これにより、送信面４６において超音波５２が発生される。

図３は、図２に示したピストン音源の指向性パターンを概略図示している。図３は、送信面４６から見た送信角を参照する横軸５６を持つグラフ５４を示し、該横軸における値ゼロは送信面４６に対する軸方向角を示す。更に、グラフ５４は、ライン５０を経る前記駆動信号の異なる周波数を示す縦軸５８を有している。横軸５６は測定単位の度を示し、縦軸５８は測定値、ヘルツを示している。該グラフ内には、音圧レベルの一定値を示す複数のラインが図示されている。より良い視覚化のために、特定の値間隔の値は同じように図示されている。これらのラインの間の値は実際には連続的に変化する勾配で変化していると理解されるべきである。従って、グラフ５４には値の連続的且つ非線形な変化が示されている。

ライン６０は−５ｄＢなる音圧レベルを持つ最高点の値を示している。ライン６０から始まって、音圧レベルは他のライン６２における−４０ｄＢの値まで減少する。次いで、次の局部的最大値が−２５ｄＢの値を持つライン６４で生じる。この位置から、値は−３４ｄＢの値を持つライン６６まで減少し、低下する。図示されたように、ライン６０は、ピストン音源４４の音送信面４６の軸方向角に対して異なる側の音響強度に関する対称軸でもある。

ピストン音源４４の寸法と超音波周波数との間の物理的関係に基づいて、ビームパターンは実質的に全方向的となる。このことは、特に該グラフの上部の１０ｋＨｚの周波数に関して見ることができる。この周波数においては、強度は−９０度〜＋９０度の全角度範囲にわたって余り大きく相違しない。送信される超音波の波長がピストン音源の寸法より大幅に短い周波数に対しては、ビームパターンは軸方向において狭いローブを形成する。このことは、特に横軸５６において、特に９０ｋＨｚの周波数に対して見られる。更に、この周波数では、２つのサイドローブが発生される。

このように、ピストン音源４４の動作周波数範囲にわたり、幾つかの周波数は全方向的放射特性で送信される一方、幾つかの周波数は狭いビームで送信される。従って、ピストン音源４４の軸方向に対する種々の角度においては、送信されたビーム５２の周波数応答は大幅に異なる。しかしながら、或る角度から隣接する角度へと周波数スペクトルが一層大きく相違するほど、一層高い測定分解能が達成される。

図４は、異なる角度に対する周波数応答を示す。特に、図４は横軸７０及び縦軸７２を有するグラフ６８を示す。このグラフ６８において、横軸７０は図３の縦軸５８による周波数を示す。縦軸７２は音圧レベルを示し、該音圧は図３では図示された複数のラインにより示されている。ここでも、音圧レベルは単位ｄＢで示されている。グラフ６８内には、第１の曲線７４が示されている。該第１曲線７４は、０度における音圧レベルの進展を示す。０度においては、音圧レベルが全ての周波数に対して一定であることが分かる。

更に、第２の曲線７６が示されており、該第２曲線は４０度（及び−４０度）の角度におけるピストン音源４４の音圧レベルの進展を示している。最後に、第３の曲線７８が示されており、該第２曲線は８０度（又は−８０度）の角度におけるピストン音源４４の音圧レベルの進展を示している。図示されたように、ピストン音源４４の角度的観測窓内に配置された如何なる物体も、該ピストン音源４４に対する該反射物体の角度位置に依存して、個々の周波数スペクトルを持つ実質的に（大幅に）相違した周波数応答を有する信号を反射する。

この例は基本原理を説明するものであるから、周波数場は前記送信面４６の軸に対して回転対称性を有すると理解されるべきである。この対称性の結果、音場には周波数応答が同一となる複数の位置が生じる。このことは、反射された超音波がエレメント間で小さな時間差を伴って到達するようなマイクロフォンアレイを使用することにより克服することができる。これらの差は、特定の条件下での該曖昧さを解決するのに十分である。この場合、如何なるアナログ／デジタル変換器のサンプリングレートも、超音波伝送の回転対称に関する曖昧さを除去するほど十分に細かい角度差を分解するのに十分なレートに設定することが有利である。

サンプリングレートｆｓ（ヘルツ）は、１秒間に収集されるサンプルの数である。かくして、サンプリング間の時間間隔Ｔは１／ｆｓ（秒）により表される。従って、当該システムにより測定することが可能な最短の時間間隔はＴ秒である。マイクロフォン間隔がｄである場合、簡単な三角測量法は１対のマイクロフォンに関して最小感知角が、
θ＝arcsin(cＴ/d)
と決定されることを可能にし、ここで、θはラジアンでの最小感知角であり、ｃは当該媒体における音速（標準温度圧力の空気中で、約３４３ｍ／ｓ）である。逆に、或る最小感知角が必要とされることが既に分かっている場合、当該システムにより必要とされるサンプリングレートを決定するために上記式を、
ｆｓ＝１／Ｔ＝ｃ／(d sin(θ))
と変形することができる。

図５は、図１の駆動ユニット１２及び図１の超音波送信器エレメントアレイ１６を一層詳細に示している。アレイ１６に配列された複数の超音波送信器エレメント１８を使用する結果、音場に所要の特性を付与するために送信器アレイ１６の指向性パターンを積極的に制御することにより高空間測定解像度が得られる。言い換えると、音場を、当該観測窓の各空間方向が個別の組成の超音波周波数を有するように、非対称に設計することができる。従って、反射された超音波は固有に識別可能となる。超音波送信器エレメントアレイ１６は超音波を異なる空間方向に曖昧さ無く送出し、当該超音波測定アセンブリの角度分解能を極めて高くすることができる。

駆動ユニット１２は信号源８０を有している。該信号源８０は広帯域幅入力信号を発生し、該入力信号はライン８２を介してフィルタブロック８４に伝送される。該フィルタブロック８４は複数のＦＩＲフィルタ８６を有している。各フィルタ８６は、個々の態様で、個々の組成の異なる駆動周波数を備えた第１信号を発生するように設計されている。各フィルタは自身の第１信号を対応するライン８８を介してマルチチャンネル増幅器９０へ伝送する。該マルチチャンネル増幅器９０は複数の個別の増幅器９２を有している。これら増幅器９２は、対応するラインから到来する第１信号を個別に増幅する。これら増幅器９２から到来する増幅された信号は、超音波送信器エレメントアレイ１６の対応する送信器エレメント１８にライン９４を介して伝送される個別の駆動信号である。

上記ＦＩＲフィルタ８６は、超音波送信器エレメントアレイ１６により発生される超音波ビームの非対称な指向性パターンをもたらすように設計することができる。結果として、超音波送信器エレメントアレイ１６からの各角度方向は、固有の周波数スペクトルと組み合わされた超音波を送信する。更に、角度の変化に伴って、周波数スペクトルの迅速な変化が与えられることを保証することができる。角度の変化に伴う該迅速な変化は高い角度分解能をもたらし、小さな物体が非常に正確に解像されることを可能にする。このようなアレイによれば、従来技術で述べたシステムにとり特に問題であり得たエイリアシング問題を、この発明の角度分解能を向上させるために使用することができる。

他の実施態様においては、立体角を描く観測窓に対して三次元測距及び位置特定を可能にするために、音場を三次元内で非対称にさせ得ることも考えられる。このことは、二次元トランスジューサマトリクスを使用することにより達成することができる。例えば、８ｘ８の超音波トランスジューサエレメントからなるトランスジューサ格子を、水平及び垂直面において非常に高い角度分解能を提供するために使用することができる。

前記ＦＩＲフィルタの設計は、当該超音波測定アセンブリの性能に対して極めて重要である。これらＦＩＲフィルタの設計目標は、周波数応答が角度に伴い急速に変化する非対称な指向性パターンを形成することである。これらＦＩＲフィルタの斯かる設計は数値最適化処理を用いて達成することができる。各関心角度における所望の周波数応答を表す目標関数Ｔは、例えば最小自乗平均最適化等の数値最適化問題に対する入力として形成することができる。伝達行列Ｍ(n,t)は、超音波送信器エレメントアレイ１６における超音波送信器エレメント１８の各々から目標関数において指定される測定点の各々までの伝達関数を指定する。この伝達関数は、数学的方法から導出することができるか、又は測定を行うことにより指定することができる。各送信器エレメント１８における所要の複雑な位相応答を見付けるためには、周波数ベクトルｘに関する下記の行列式：
Ｍｘ＝Ｔ
を解かなければならない。

この行列式は数値法によって解くこともできる。Ｍｘ＝Ｔとなる正確なベクトルｘが存在しない場合は、最適化手順が、目標関数Ｔに対して最も近い数学的一致をもたらす最適な周波数ベクトルｘ’を選択する。この手順は、個々の関心周波数に対して行わなければならない。全周波数範囲にわたり完全な周波数ベクトルｘ’を構築することが、ＦＩＲフィルタ８６の設計を計算することを可能にする。例えば、時間ドメインのフィルタカーネルは、周波数ドメインデータに対して逆フーリエ変換を実行することにより導出することができる。

多周波数ビーム形成は、前記信号源８０からの広帯域入力信号をＦＩＲフィルタ８６によりフィルタ処理することにより達成することができる。これは、時間ドメインにおいて又は周波数ドメインにおいての何れかで実施することができる。

更に、上記フィルタは、超音波送信器エレメントにおける故障を防止するために全超音波送信器エレメントが安全な動作限界内で駆動されることを保証するように設計されるべきである。このことは、各トランスジューサにおける電力レベルが決して定格を越えないことを保証するために前記最適化方法に境界条件を適用することにより実施することができる。

反射する対象２４の大きさは、感知された信号２６の周波数スペクトルを分析することにより推定することができる。感知された信号のスペクトルを前記特性周波数スペクトルと比較することは、該感知信号の周波数スペクトルを目標関数ｔ又は一層適切にはＴ’と比較することにより実施することができ、この場合、
Ｍｘ’＝Ｔ’
である。

ここで、ｘ’は最適化されたフィルタセット（組）である。超音波送信器エレメントアレイ１６の位置に対して、当該物体の観測される角度幅内での角度位置を導出することができる。

前記方向信号に関する処理ユニット３４からの飛行時間情報を用いて、対象２４までの距離を計算することができる。基本的な三角法により当該反射する対象２４までの距離及び該対象の角度幅を使用して、該反射する対象２４の概略寸法を計算することができる。このことは、追跡目的にとり特に有効であり、例えば人は特徴的な大きさを有し、容易に追跡することができる。人より大きな又は小さな物体は、当該超音波測定アセンブリを使用する制御システムにより無視することができる。

感知信号の周波数スペクトルを前記目標関数と比較することは、最大尤度推定器を用いて完全自動化することができる。この場合、観測されるデータΓは：
Γ＝Ｘ(Θ)＋η
である。

ここで、Θは推定されるべき全てのパラメータ（例えば、角度位置、距離、大きさ等）のベクトルである。更に、ηは当該測定システムのノイズ推定値であり、Ｘは実際の無雑音システムデータを形成するためにΘに対して作用する関数である。ノイズη及び所与の組の実際のシステムデータＸ(Θ)が与えられたとして、データΓをどの程度観測しそうであるかの目安を与える尤度関数を発生することができる。該尤度を最大化することにより、又は対数尤度関数を用いて、最もありそうな組の実際のシステムデータを導出することができる。このことは、パラメータΘが、実際のシステムデータＸ(Θ)及びノイズ推定値が、測定されたデータΓに対して最良の合致を示すように選択された場合に達成される。これを最小自乗平均型の最適化を介して得ることが好ましい。更に、Θにおけるパラメータの数は、観測窓内の反射物体の数、これら物体の角度位置及び大きさ、並びにこれら物体の送信器からの距離を反映するように選択することができる。この場合、当該最大尤度最適化は、これら全ての量に対する最良の推定値を与える。

図６は他のグラフ９６を示し、該グラフは８エレメントのトランスジューサアレイの軸方向に対する角度を度で示す横軸９８を有している。該グラフは、周波数をＨｚで示す縦軸１００も有している。図示されたように、該８エレメントのアレイには、第１超音波ビーム１０２及び第２超音波ビーム１０４を生じさせる駆動信号が供給されている。第１超音波ビーム１０２は軸方向に対して−９０度〜約−１０度の範囲内で送信されている。第２超音波ビーム１０４は、軸方向に対して大凡−２０〜８０度の間で送信されている。従って、両ビーム１０２及び１０４は異なる空間方向に向けられている。更に、これらのビームと共に生じるサイドローブは小さな音圧レベルのものであり、ビーム１０２及び１０４は関係のある形では干渉していない。従って、該８エレメントのアレイの各超音波送信器エレメントに対して駆動信号を設計することにより、特定の空間範囲を個々のビームにより排他的にカバーすることができる。

図７は、本発明によるシステム２００の一実施態様を概略図示する。該システム２００は、上述した本発明による超音波測定アセンブリ１０と、感知信号３０の決定された周波数スペクトルを評価する評価ユニット２１０とを有している。評価ユニット２１０は、処理ユニット３４（図１参照）から分離されたユニットとすることができるか、又は処理ユニット３４の第２部分４２に対応するものとすることができる。更に、好ましくは、当該システム２００は電気装置２３０（特には、照明装置、警報装置、測距装置、案内装置、オーディオ及び／又はビデオ再生装置、又は車両）を上記評価ユニット２１０で実行された上記評価の結果に基づいて制御する制御ユニット２２０を有する。システム２００の好ましい実施態様を、幾つかの特定の例示的（限定するものでない）応用例を参照して説明する。

好ましい応用例は、所与の空間内の人、物体及び／又は動物の検出である。高い精度及び小さな待ち時間は、例えば相対的に少ないセンサで大きなオフィス空間を観察することを可能にする。占有レベルを局所毎に決定することができ、知的エネルギ節約照明制御システムが光を必要とされる場所に、言わば人が居る又は向かっている場所にのみ向けることを可能にする。このように、本発明によるシステムは照明システムにフィードバックを供給して、誰かが存在するかを知るのみならず、人が部屋の何処にいるかを知り、これら人にその地点において最適な照明が供給されるようにし、必要とされない場所では照明レベルを低下させることによりエネルギ消費を低減するために使用することができる。

存在検出は、警報システム等の多くの領域において重要であり得る。提案されたシステムは物体の大きさ及び位置を正確に追跡することができるので、猫／野生動物と実際の人の侵入者との間を区別することができる。

他の応用例として、テレビジョンの前の人の存在を検出することができる。視聴者がいない場合、テレビジョンは自動的にオフされ得る。更に、年齢を推定するために異なる視聴者の大きさの間を区別することも有利であろう。これは、ユーザが例えば子供のように小さいと推定された場合にパレンタル制御を起動するために使用することができる。

他の応用例として、ユーザまでの距離及びユーザの角度位置、及び／又はユーザの数を、サウンドシステムの出力を制御するために使用して、例えば家庭映画設備における音再生の最適化を可能にするために使用することもできる。

更に他の応用例では、小さなシステム待ち時間（レイテンシ）は、拡大された観察窓内での複数の物体のリアルタイムでの追跡を可能にする。これは、作業環境内で個々人を追跡するために使用することができる。当該システムは、誰かが立ち入り禁止区域（例えば、機械の危険な作業領域）に近付くことが検出されたら、警報を行うために使用することもできる。

他の応用例として、上記短待ち時間追跡はマシンを制御するための入力として使用することもできる。例えば、照明制御を、当該超音波測定アセンブリにより追跡される簡単なジェスチャにより調光可能にすることができる。また、当該システムは、自身でパーソナルコンピュータ及び／又はビデオゲームコンソールに対する入力装置として、又はビデオカメラに基づく所与のビデオゲームコントローラ等の他の技術、若しくは赤外線追跡技術と併せて使用することもできる。これらの制御を、意図する超音波測定アセンブリと組み合わせることにより、一層堅実な制御システムが一層高い精度及び小さな待ち時間で得られる。

更に、当該システムは、ロボットシステムのための測距及び案内システムとして使用することができる。本発明の短待ち時間（小レイテンシ）は、この用途に理想的に適していることを意味する。最後に、提案されたシステムは、自動車のための駐車センサとして設けることができ、その場合、障害物（即ち、壁又は車止め等）の大きさ及び距離を高信頼度で識別することができる。

以上、本発明を図面及び上記記載において詳細に図示及び説明したが、このような図示及び説明は解説的又は例示的であって限定するものではないと見なされるべきである。即ち、本発明は開示された実施態様に限定されるものではない。開示された実施態様に対する他の変形例は、当業者であれば、請求項に記載された本発明を実施する際に、図面、開示内容及び添付請求項の精査から理解し、実施することができる。

尚、請求項において“有する”なる文言は他の構成要素又はステップを排除するものではなく、単数形は複数を排除するものではない。また、単一のエレメント又は他のユニットは、請求項に記載された幾つかの品目の機能を満たすことができる。また、特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。

また、請求項における如何なる符号も、当該範囲を限定するものと見なしてはならない。

Claims (15)

1. 超音波を送信する超音波送信器エレメントと、
   複数の異なる駆動周波数を同時に有する駆動信号により前記超音波送信器エレメントを駆動する駆動ユニットと、
   超音波を感知すると共に、該感知された超音波に応答して感知信号を発生する感知ユニットと、
   前記感知信号を入力すると共に、該感知信号の周波数スペクトルを決定する処理ユニットと、
   を有する超音波測定アセンブリ。
2. 前記処理ユニットが、少なくとも１つの方向信号を識別するために、前記感知信号の周波数スペクトルを空間方向に対応する少なくとも１つの特性周波数スペクトルと比較する請求項１に記載の超音波測定アセンブリ。
3. 前記処理ユニットが、前記少なくとも１つの方向信号に関して飛行時間計算を実行する請求項２に記載の超音波測定アセンブリ。
4. 前記処理ユニットが、少なくとも１つのオリジンの空間領域を計算するために、前記感知信号の周波数スペクトルを空間範囲に対応する少なくとも１つの特性周波数成分と比較する請求項２に記載の超音波測定アセンブリ。
5. 少なくとも１つのアレイに配列された複数の超音波送信器エレメントを有する請求項１に記載の超音波測定アセンブリ。
6. 前記駆動ユニットが各超音波送信器エレメントを個別に駆動する請求項５に記載の超音波測定アセンブリ。
7. 前記駆動ユニットが各超音波送信器エレメントに対して個別の駆動信号を発生し、各個別の駆動信号が異なる駆動周波数の個別の組成を有する請求項６に記載の超音波測定アセンブリ。
8. 前記個別の駆動信号が、少なくとも２つの異なる空間方向に超音波を送信するために、対応する超音波送信器エレメントを駆動する請求項７に記載の超音波測定アセンブリ。
9. 前記駆動ユニットが、複数の異なる駆動周波数を有する基本信号を入力すると共に該基本信号をフィルタ処理して前記個別の駆動信号のうちの少なくとも１つを発生する少なくとも１つの周波数フィルタを有する請求項７に記載の超音波測定アセンブリ。
10. 前記感知ユニットが、少なくとも１つのマイクロフォン、特には少なくとも１つのアレイに配列された複数のマイクロフォンを有する請求項１に記載の超音波測定アセンブリ。
11. 超音波を送信する超音波送信器エレメントと、
    複数の異なる駆動周波数を同時に有する駆動信号により前記超音波送信器エレメントを駆動する駆動ユニットと、
    を有する超音波測定アセンブリのための超音波送信器。
12. 超音波を感知すると共に、該感知された超音波に応答して感知信号を発生する感知ユニットと、
    前記感知信号を入力すると共に、該感知信号の周波数スペクトルを決定する処理ユニットと、
    を有する超音波測定アセンブリのための感知アセンブリ。
13. 超音波を送信する超音波送信器エレメントを設けるステップと、
    複数の異なる駆動周波数を同時に有する駆動信号を発生するステップと、
    該駆動信号により少なくとも１つの超音波送信器エレメントを駆動するステップと、
    超音波を感知するステップと、
    該感知された超音波に応答して感知信号を発生するステップと、
    前記感知信号の周波数スペクトルを決定するステップと、
    を有する超音波測定を実行する方法。
14. 請求項１に記載の超音波測定アセンブリと、
    前記感知信号の決定された周波数スペクトルを評価する評価ユニットと、
    を有するシステム。
15. 電気装置、特には照明装置、警報装置、測距装置、案内装置、オーディオ及び／又はビデオ再生装置、又は車両を前記評価の結果に基づいて制御する制御ユニットを更に有する請求項１４に記載のシステム。

Images