JP7039323B2 - 路面状態判別装置、路面状態判別方法および路面状態判別プログラム - Google Patents

Description

本発明は、路面上に存在する物体を判別する路面状態判別装置、路面状態判別方法および路面状態判別プログラムに関する。

従来、送信波が路面にて反射した反射波を受信アンテナで受信し、当該反射波の反射量に基づいて路面の凍結を判断する技術が知られている（特許文献１、参照）。特許文献１において、路面と受信アンテナとの距離（Ａ点と路面までの距離）を固定し、当該受信アンテナが出力する電圧が変化した場合に、路面における反射率が変化し、乾燥状態から湿潤状態へと変化したと判断することが開示されている（図２，段落００１９）。

特開２００１－２３５５５５号公報

特許文献１のような計測形態においては、送信波と反射波の合成電界を計測することになる。計測される合成電界は、路面状態に応じて、反射波の振幅変化だけではなく定在波の位相変化の影響を同時に受ける。そのため、特許文献１のような固定されたセンサによる離散的な計測では、反射波の振幅変化と定在波の位相変化の影響を切り分けられないため、高精度に路面状態を判別できない。

本発明は、前記の問題を解決せんとするもので、未知の路面状態を高精度に判別できる技術を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の路面状態判別装置は、路面に電波を送信し、かつ路面からの電波の反射により生じる反射波を受信する送受信共用のアンテナと、予め決められた移動区間内において、路面に対するアンテナの高さが変化するようにアンテナを移動させる移動部と、移動区間を移動する際にアンテナが受信した反射波の振幅に基づいて路面状態を判別する判別部と、を備える。

前記の構成において、アンテナが送受信共用で、サーキュレータが送受信信号を分離する機能を持っているが、送受信間の分離は完全でなく、送信波が受信回路に回り込む成分が存在する。そのため、反射波を受信すると回り込み信号と合成され、その合成電界の振幅は反射波の振幅変化だけではなく、電波の伝搬方向軸上の位置（定在波の位相）によって増減する。このような状況において、路面状態が未知である場合でも、移動区間内においてアンテナを移動させて連続した計測を行うことで、反射波と回り込み信号の合成電界の振幅の最大値と最小値を得ることができる。さらに、この合成電界の振幅の最大値と最小値の差の変化は、反射波の振幅変化に比例しており、定在波の位相による振幅変化に依存しない（空間定在波法）。すなわち、反射波と回り込み信号の合成電界の振幅の最大値と最小値の差の増減から、反射波の振幅変化を計測することができるため、未知の路面状態を高精度に判別できる。

移動区間の長さは、アンテナが送信した電波の波長の１／２以上であればよい。ここで、反射波と回り込み信号の合成電界の振幅の最大値が連続する空間周期、最小値が連続する空間周期は、アンテナが送信した電波の波長の１／２となり、最大値と最小値が交互に連続する空間周期は電波の波長の１／４となる。そのため、移動区間の長さをアンテナが送信した電波の波長の１／２以上とすることにより、合成電界の振幅が最大値となる位置と最小値となる位置とを、アンテナが少なくとも１回ずつは通過するようにすることができる。

また、移動区間の長さは、アンテナが送信した電波の波長の１／２であってもよい。これにより、反射波と回り込み信号の合成電界の振幅が最大値となる位置と最小値となる位置とを、アンテナが１回ずつ通過し、かつ、移動区間の長さを最小限に留めることができる。従って、路面状態を判別するのに要する所要期間を抑制することができる。

また、判別部は、アンテナが送信した電波と、反射波と回り込み信号の合成電界との乗算によって得られる差周波数成分（低周波数成分）に基づいて路面状態を判別してもよい（ヘテロダイン検波方式）。特に、送信した電波と反射波に周波数変化がない状況では、合成電界の振幅を直流電圧として取り出すことができる。また、周波数変化がある状況では、路面状態だけでなく、ドップラー効果により路面上における車両を検知でき、路面状態判別装置が車両検知装置を兼ねるようにすることができる。そのため、一般的な車両検知装置に使用されるドップラセンサを路面状態判別装置に流用できる。

定在波の発生に関する説明図である。 路面状態判別装置のブロック図である。 ドップラセンサの模式図である。 図４Ａ～図４Ｃはドップラセンサの出力電圧のグラフである。 路面状態判別処理のフローチャートである。 図６Ａ～図６Ｃはドップラセンサの出力電圧のグラフである。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）定在波の発生に関する説明：
（２）路面状態判別装置の構成：
（３）路面状態判別処理：
（４）車両検知：

（１）定在波の発生に関する説明：
はじめに、送信アンテナ１と受信アンテナ２の高さＬと定在波との関係について説明する。図１のように送信波（電界）と反射波（電界）をそれぞれＥ_i，Ｅ_rと表し、路面Ｒの反射係数をΓと表し、高さ方向における送信波の波長をλと表す。ｋ₀は送信波の波数を表し、ｋ₀＝２π／λである。送信アンテナ１と受信アンテナ２の位置を原点とした高さ方向の任意の位置Ｚにおける送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rの合成電界Ｅは下記の（１）式のように任意の位置Ｚの関数で表すことができる。

前記の（１）式により、送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rの合成電界Ｅの受信アンテナ２の位置（Ｚ＝０）における振幅（絶対値）は下記の（２）式によって表すことができる。φは初期位相を表す。

前記の（２）式に示すように、送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rの合成電界Ｅの振幅は高さＬ方向において波長λの１／２の長さの空間周期を持つこととなる。すなわち、送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rの合成電界Ｅの振幅が最大値となる位置の間隔は送信波の波長λの１／２となり、最小値となる位置の間隔も送信波の波長λの１／２となる。また、最大値となる位置と最小値となる位置との間隔は、送信波の波長λの１／４となる。このことから、送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rの合成電界Ｅは定在波であることが分かる。

（２）路面状態判別装置の構成：
図２は、本実施形態にかかる路面状態判別装置１０の概略構成を示している。同図において、路面状態判別装置１０は、制御部２０と記録媒体３０と駆動装置４０とドップラセンサ５０と通信部６０と支持部７０とを備えている。

支持部７０は、路面Ｒ上に駆動装置４０とドップラセンサ５０とを支持するための構造体である。支持部７０は、車両が走行する走行車線上に駆動装置４０とドップラセンサ５０とを支持する。駆動装置４０は、支持部７０とドップラセンサ５０との間に介在し、ドップラセンサ５０を鉛直方向上下に移動させる。駆動装置４０がドップラセンサ５０を移動させるための機構は特に限定されない。通信部６０は、外部のサーバ等と通信を行うための通信回路である。例えば、通信部６０は、制御部２０が判別した路面状態を示すデータ等を、道路情報を管理するサーバに送信する。

図３は、ドップラセンサ５０の模式図である。ドップラセンサ５０は、発振器５１と分配器５２とサーキュレータ５３と送受信共用のアンテナ５４（以下、単にアンテナ５４と呼ぶ。）と乗算器５５と増幅器５６とを備える。発振器５１は、予め決められた周波数で周期振動する送信波Ｅ_iを生成するオシレータである。本実施形態において、発振器５１は、２４．１５ＧＨｚの送信波Ｅ_iを生成する。分配器５２は、送信波Ｅ_iをアンテナ５４と乗算器５５に分配する。サーキュレータ５３は、アンテナ５４から電波の送信と受信の切替えを行う。アンテナ５４は、路面Ｒに対して垂直に送信波Ｅ_iを送信し、路面Ｒにて反射した反射波Ｅ_rを受信する。乗算器５５は分配器５２から分配された送信波Ｅ_iとアンテナ５４にて受信した反射波Ｅ_rとを乗算し、それらの差周波数信号を出力する。増幅器５６は、乗算器５５の出力を増幅するとともに、高周波数信号成分をフィルタする役割を持つ。これにより、増幅器５６からは乗算器５５が出力した差周波数信号成分のうち、低周波信号成分が出力されることとなる。この時、反射対象である路面が静止しており送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rに周波数変化がない場合は、反射波Ｅ_rの振幅が直流信号成分として出力される。

本実施形態において、サーキュレータ５３が送受信信号を分離する機能を持っているが、送受信信号の分離は完全でなく、送信波Ｅ_iが受信回路に回り込む成分（回り込み信号Ｅ_c）が存在する。すなわち、実施形態のドップラセンサ５０の乗算器５５には反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mが入力されるため、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅が乗算器５５から出力される。

次に、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cとの合成によって得られる反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mについて説明する。ヘテロダイン方式のドップラセンサ５０で得られるアンテナ位置（Ｌ＝０）における反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mは、図１のように送信アンテナ１と受信アンテナ２とが独立して備えられる場合の上記の送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rとの合成電界Ｅと異なり、アンテナ５４に反射波Ｅ_rが入力されると回り込み信号Ｅ_cと合成され、Ｅ_ｍ＝Ｅ_c＋Ｅ_rの反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mが計測されることとなる。そこで、アンテナ５４の位置（Ｌ＝０）における反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mは次の式によって表される。

また、前記の（３）式により、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅（絶対値）は、次の式によって求めることができる。

よって、（４）式のように、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅は、送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rの合成電界Ｅと同様の空間周期を持つ関数で表すことができる。このことから、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mは定在波の性質を持つことが分かる。

図３に示すように、駆動装置４０がドップラセンサ５０を移動させることにより、アンテナ５４の路面Ｒに対する高さＬが可変となっている。駆動装置４０は、下限高さＬ２から上限高さＬ１までの間の区間である移動区間Ｗ内にて高さＬが変化するように、アンテナ５４を移動させる。上限高さＬ１となるときのドップラセンサ５０を実線で示し、下限高さＬ２となるときのドップラセンサ５０を破線で示している。移動区間Ｗの長さＭは、上限高さＬ１から下限高さＬ２を減算した長さである。上限高さＬ１からの下降量ｍによって、アンテナ５４の高さＬを表すこととする。

図２に示す制御部２０は、図示しないＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭで構成されるコンピュータであり、記録媒体３０に記録された各種情報を用いて路面状態の判別に必要な処理を実行する。図２に示すように、制御部２０は、路面状態判別プログラム２１を実行する。路面状態判別プログラム２１のソフトウェア構成については後述する。制御部２０は、ドップラセンサ５０と駆動装置４０と接続されている。

記録媒体３０は、計測データ３０ａと閾値データ３０ｂとを記録する。計測データ３０ａは、制御部２０が計測した値を一時的に記録したデータである。閾値データ３０ｂは、路面状態を判別するための判別閾値を示すデータである。

路面状態判別プログラム２１は、移動モジュール２１ａと判別モジュール２１ｂとを含む。移動モジュール２１ａと判別モジュール２１ｂとを実行する制御部２０は、本発明の移動部と判別部とを構成する。

移動モジュール２１ａの機能により制御部２０は、予め決められた移動区間Ｗ内において、路面Ｒに対するアンテナ５４の高さＬが変化するようにアンテナ５４を移動させる。具体的に、移動モジュール２１ａの機能により制御部２０は、アンテナ５４の上限高さＬ１からの下降量ｍが微少量Δｍずつ増加するように駆動装置４０を制御する。そして、制御部２０は、アンテナ５４の上限高さＬ１からの下降量ｍが移動区間Ｗの長さＭと等しくなった場合に、ドップラセンサ５０の移動を終了する。

次に、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dについて考察する。上述したように、ドップラセンサ５０は、乗算器５５と増幅器５６とを備えるヘテロダイン方式の検波器であり、増幅器５６からは乗算器５５が出力した差周波数信号成分のうち、低周波信号成分が出力されることとなる。この時、反射対象である路面が静止しており送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rに周波数変化がない場合は、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅を増幅した直流電圧が出力電圧Ｅ_dとして出力される。従って、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを計測することで、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅を計測することが可能である。

図４Ａ～図４Ｃは、任意の高さＬにおけるドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示すグラフである。図４Ａ～図４Ｃにおいて横軸は高さＬを示し、縦軸はドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示す。図４Ａ～図４Ｃに示すように、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dは高さＬの周期関数となり、その空間周期は送信波Ｅ_iの波長λの１／２となる。図４Ａ～図４Ｃは、実験的に、上限高さＬ１よりも高い位置において出力電圧Ｅ_dを調査した結果をプロットしたものである。

次に、図４Ａ～図４Ｃを比較する。図４Ａ～図４Ｃにおいて、厚さ２ｍｍの金属板（黒実線）と水膜（グレー実線）と氷膜（黒破線）のそれぞれに対して送信波Ｅ_iを送信した場合のドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示す。図４Ａは、下方に金属板が敷かれたアクリル容器上における金属板と水膜と氷膜のそれぞれに対して送信波Ｅ_iを送信した場合のドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示す。図４Ｂは、下方に金属板が敷かれていないアクリル容器上における金属板と水膜と氷膜のそれぞれに対して送信波Ｅ_iを送信した場合のドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示す。図４Ｃは、下方に金属板が敷かれていないアスファルト片上における金属板と水膜と氷膜のそれぞれに対して送信波Ｅ_iを送信した場合のドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示す。なお、図４Ｃが実際の路面Ｒに最も近い状況での出力電圧Ｅ_dを示す。

図４Ａ～図４Ｃから、反射係数Γに応じて、出力電圧Ｅ_dは最大値と最小値の大きさだけでなく、それらの位置（位相）もずれていることが分かる。しかし、出力電圧Ｅ_dの空間周期は反射係数Γに依存せず、送信波Ｅ_iの波長λの１／２ごとに、出力電圧Ｅ_dの最大値と最小値とがそれぞれ出現することには変わりはない。

本実施形態において、移動区間Ｗの長さＭを、送信波Ｅ_iの波長λの１／２の長さとしている。つまり、移動区間Ｗの長さＭは、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dとしての反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの空間周期と同じ長さとなっている。本実施形態のように、送信波Ｅ_iの周波数が２４．１５ＧＨｚである場合、移動区間Ｗの長さＭは約６．２ｍｍとなる。

上述したように、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの空間周期は反射係数Γに依存しないため、路面Ｒの反射係数Γが未知であっても移動区間Ｗの長さＭを設定できる。なお、図４Ａ～図４Ｃに示された高さＬのうち、高さＬが最も低い区間が移動区間Ｗとして設定されており、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが最も減衰していない区間が移動区間Ｗとして設定されている。移動区間Ｗは、路面Ｒに近いほど望ましいが、路面Ｒ上を走行し得る車両の最大車高よりも高い位置に設けられる。

判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、移動区間Ｗを移動する際にアンテナ５４が受信した定在波Ｅ_ｍの強度の最大値と最小値に基づいて路面状態を判別する。以下、判別モジュール２１ｂの機能を、路面状態判別処理のフローチャートを用いて説明する。

（３）路面状態判別処理：
図５は、路面状態判別処理のフローチャートである。まず、移動モジュール２１ａの機能により制御部２０は、下降量ｍを０にリセットする（ステップＳ１００）。すなわち、図３にて実線で示すように、制御部２０は、アンテナ５４の高さＬが上限高さＬ１となるように下降量ｍをリセットする。次に、移動モジュール２１ａの機能により制御部２０は、ドップラセンサ５０を移動させる（ステップＳ１０５）。すなわち、制御部２０は、アンテナ５４の高さＬが下降量ｍに対応する高さとなるように、駆動装置４０を駆動させる。制御部２０は、アンテナ５４の高さＬが下降量ｍに対応する高さとなると、ドップラセンサ５０の移動を停止させる。

次に、判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、送信波Ｅ_iの送信を開始する（ステップＳ１１０）。すなわち、制御部２０は、路面Ｒに対して送信波Ｅ_iを送信するようにドップラセンサ５０を制御する。次に、判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、反射波Ｅ_rを受信する（ステップＳ１２０）。すなわち、制御部２０は、ドップラセンサ５０のアンテナ５４にて反射波Ｅ_rを受信させる。それにより、送信波Ｅ_iと、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mとを乗算して得られた差周波数信号成分のうち、低周波信号成分を増幅したものがドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dとして出力される。

次に、判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを取得する（ステップＳ１３０）。上述したように、反射対象である路面が静止しており送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rに周波数変化がない場合は、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dは、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅に比例した大きさの直流電圧である。

次に、判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを記録する（ステップＳ１４０）。すなわち、制御部２０は、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを記録媒体３０の計測データ３０ａに記録する。

次に、移動モジュール２１ａの機能により制御部２０は、下降量ｍが移動区間Ｗの長さＭと等しいか否かを判定する（ステップＳ１５０）。すなわち、制御部２０は、アンテナ５４の高さＬが下限高さＬ２まで下降したか否かを判定する。

下降量ｍが移動区間Ｗの長さＭと等しいと判定しなかった場合（ステップＳ１５０：Ｎ）、移動モジュール２１ａの機能により制御部２０は、下降量ｍに微少量Δｍを加算する（ステップＳ１６０）。ここで、微少量Δｍは、移動区間Ｗの長さＭを予め決められた自然数（例えば１０～２０）で除算した長さである。

次に、制御部２０は、ステップＳ１０５に戻る。以上のループ処理（ステップＳ１０５～Ｓ１６０）を行うことにより、移動区間Ｗ内における微少量Δｍごとの位置のそれぞれにて得られた反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅を計測データ３０ａに蓄積していくことができる。

図６Ａ～図６Ｃは、移動区間Ｗにおけるドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示すグラフである。図６Ａ～図６Ｃにおいて横軸は高さＬを示し、縦軸はドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示す。計測データ３０ａには、図６Ａ～図６Ｃに示すドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが記録されている。図６Ａ～図６Ｃは、それぞれ図４Ａ～図４Ｃと同じ条件におけるドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを示す。

しかし、移動区間Ｗの長さＭを送信波Ｅ_iの波長λの１／２の長さとすることにより、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの最大値と最小値を計測データ３０ａに記録することができる。つまり、計測データ３０ａに記録されている出力電圧Ｅ_dの最大値・最小値が計測された際に、アンテナ５４はそれぞれの位置に存在していたことになる。路面状態が未知であるため、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅が最大値・最小値になる位置は未知であるが、移動区間Ｗの長さＭだけアンテナ５４を移動させることにより、出力電圧Ｅ_dの最大値・最小値とそれらの位置を得ることができる。

例えば、最も実際の路面Ｒの状況に近い図６Ｃにおいて、グレー実線で示す水膜でのドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの位相と、黒破線で示す氷膜でのドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの位相とがずれている。しかし、移動区間Ｗの長さＭを送信波Ｅ_iの波長λの１／２の長さだけ確保することにより、水膜でのドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの最大値（白四角）と最小値（黒四角）とを得ることができる。また、水膜が凍結して氷膜に変化したとしても、氷膜でのドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの最大値（白三角）と最小値（黒三角）とを得ることができる。

下降量ｍが移動区間Ｗの長さＭと等しいと判定した場合（ステップＳ１５０：Ｙ）、移動モジュール２１ａの機能により制御部２０は、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの最大値と最小値との差分Ｅ_difを算出する（ステップＳ１７０）。

前記の（２）式から差分Ｅ_difを導出すると、差分Ｅ_difは下記の（５）式で表すことができる。なお、前記の（２）式において、ｃｏｓ（２ｋ₀Ｌ－φ）が１となるときに、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅が最大値となり、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが最大値となる。一方、ｃｏｓ（２ｋ₀Ｌ－φ）が－１となるときに、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅が最小値となり、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが最小値となる。また、αは増幅器５６による増幅率を表す係数である。

前記の（５）式に示すように、差分Ｅ_difは、反射係数Γに比例した値となっている。

次に、判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、差分Ｅ_difが判別閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１８０）。そして、差分Ｅ_difが判別閾値以上であると判定した場合（ステップＳ１８０：Ｙ）、判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、路面Ｒ上に水膜が存在すると判別する（ステップＳ１９０）。一方、差分Ｅ_difが判別閾値以上であると判定しなかった場合（ステップＳ１８０：Ｎ）、判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、路面Ｒ上に氷膜が存在すると判別する（ステップＳ２００）。なお、判別閾値は、予め実験等によって水膜と氷膜とが存在する状況での差分Ｅ_difを測定することにより設定しておくことができる。また、差分Ｅ_difを閾値判定することで、実質的に反射係数Γを閾値判定することができる。

（３）車両検知：
次に、車両検知について説明する。判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、出力電圧Ｅ_dの周波数に基づいて路面Ｒ上における車両を検知する。具体的に、判別モジュール２１ｂの機能により制御部２０は、ドップラセンサ５０を一定の高さＬに固定した状態で、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを一定期間取得し、その期間内において出力電圧Ｅ_dが変動したか否かを判定する。送信波Ｅ_iが移動体としての車両に反射した場合、ドップラー効果によって反射波Ｅ_rの周波数が送信波Ｅ_iの周波数から変化し、乗算器５５の出力が直流ではなく、送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rとの差周波数成分（低周波数成分）となる。つまり、出力電圧Ｅ_dは、増幅器５６のフィルタでは除去できない周波数成分を有することとなる。

そのため、制御部２０は、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが変動していることをもって、路面Ｒ上を移動する車両を検知できる。なお、図５に示す路面状態判別処理のステップＳ１４０にて取得したドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが変動している場合、車両の通過が完了し、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが一定となるまで待機してもよい。

以上説明した本実施形態において、路面状態が未知であり、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの最大値と最小値となる位置が未知である状況においても、移動区間内においてアンテナ５４を移動させて連続した計測を行うことで、出力電圧Ｅ_dの最大値と最小値を得ることができる。出力電圧Ｅ_dの最大値と最小値の差は、反射波Ｅ_rの振幅変化に比例しており、定在波の位相の影響を受けない。すなわち、出力電圧Ｅ_dの最大値と最小値の差の増減から、反射波Ｅ_rの振幅の増減を検知できるため、未知の路面状態を高精度に判別できる。

また、移動区間Ｗの長さＭは、送信波Ｅ_iの波長λの１／２である。これにより、出力電圧Ｅ_dの最大値となる位置と最小値になる位置を、アンテナ５４が１回通過し、かつ、移動区間Ｗの長さＭを最小限に留めることができる。従って、路面状態を判別するのに要する所要期間を抑制することができる。

また、制御部２０は、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dから求めた差分Ｅ_difに基づいて路面状態を判別するとともに、出力電圧Ｅ_dの周波数に基づいて路面Ｒ上における車両を検知している。これにより、路面状態だけでなく、路面Ｒ上における車両を検知でき、路面状態判別装置１０が車両検知装置を兼ねるようにすることができる。また、一般的な車両検知装置に使用されるドップラセンサ５０を路面状態判別装置１０に流用できる。

（４）他の実施形態：
前記実施形態において、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dから求めた差分Ｅ_difに基づいて路面状態を判別したが、前記の（５）式に基づいて反射係数Γを算出してもよい。そして、制御部２０は、算出した反射係数Γを閾値判定することにより路面状態を判別してもよい。さらに、制御部２０は、水膜か氷膜かを判別するに留まらず、乾燥状態を判別してもよい。むろん、路面状態判別装置１０は、上述した実施形態の構成のみを備るものに限定されず、例えば赤外光によって乾燥状態であるか否かを判別するための構成が追加されてもよい。

また、必ずしも移動区間Ｗの長さＭは送信波Ｅ_iの波長λの１／２でなくてもよく、駆動装置４０の位置制御の誤差を考慮して波長λの１／２よりも長く確保されてもよい。また、必ずしもドップラセンサ５０を用いて車両を検知しなくてもよく、路面状態判別装置１０は、路面状態を判別する機能のみを有してもよい。さらに、路面状態判別装置１０は、ドップラセンサ５０を用いて車両の有無を検知するだけでなく、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dの周波数に基づいて車両の速度も検知してもよい。また、車両の速度を検知する際に、送信波Ｅ_iの送信方向が水平方向に近くなるようにドップラセンサ５０が回転可能に構成されてもよい。

前記実施形態では、ステップＳ１４０にてドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dを記録したが、出力電圧Ｅ_dと、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mの振幅は比例の関係にあるために、反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界Ｅ_mを記録してもよい。

送信波Ｅ_iの周波数は、必ずしも２４．１５ＧＨｚでなくてもよく、７６．５ＧＨｚや７９．５ＧＨｚ等の他のミリ波の周波数を採用してもよい。さらに、送信波Ｅ_iの周波数は、必ずしもミリ波の周波数でなくてもよい。なお、送信波Ｅ_iの周波数に応じて移動区間Ｗの長さＭを設定すればよく、例えば駆動装置４０の位置制御の分解能（最小移動距離）に応じて送信波Ｅ_iの周波数が選択されてもよい。また、判別対象の路面Ｒ上の物質の誘電率に応じて反射係数Γが大きく変化する送信波Ｅ_iの周波数が選択されてもよい。

制御部２０は、必ずしも高さＬが順に低くなるようにアンテナ５４を移動させなくてもよく、高さＬが順に高くなるようにアンテナ５４を移動させてもよい。また、制御部２０は、必ずしも移動区間Ｗの全体にわたってアンテナ５４を移動させなくてもよく、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが減少から増加に転じることと、ドップラセンサ５０の出力電圧Ｅ_dが増加から減少に転じること、とが双方とも生じた時点でアンテナ５４の移動を終了させてもよい。従って、必ずしも移動区間Ｗの全体にわたってアンテナ５４を移動させなくても、路面状態を高精度に判別できる。

１０…路面状態判別装置、２０…制御部、２１…路面状態判別プログラム、２１ａ…移動モジュール、２１ｂ…判別モジュール、３０…記録媒体、３０ａ…計測データ、３０ｂ…閾値データ、４０…駆動装置、５０…ドップラセンサ、５１…発振器、５２…分配器、５３…サーキュレータ、５４…アンテナ、５５…乗算器、５６…増幅器、６０…通信部、７０…支持部、Ｅ_i…送信波，Ｅ_r…反射波，Ｅ…送信波Ｅ_iと反射波Ｅ_rの合成電界、Ｅ_c…回り込み信号、Ｅ_m…反射波Ｅ_rと回り込み信号Ｅ_cの合成電界、Ｅ_d…出力電圧、Ｅ_dif…差分、Ｌ…高さ、Ｌ１…上限高さ、Ｌ２…下限高さ、Ｒ…路面、Ｗ…移動区間、Ｍ…移動区間の長さ、Ｚ…送信アンテナ１と受信アンテナ２（またはアンテナ５４）を原点とした高さ方向の任意の位置、ｍ…下降量、Γ…反射係数、Δｍ…微少量

Claims (6)

1. 路面に電波を送信し前記路面からの前記電波の反射による反射波を受信する送受信共用のアンテナと、
   予め決められた移動区間内において、前記路面に対する前記アンテナの高さが変化するように前記アンテナを移動させる移動部と、
   前記移動区間を移動する際に前記アンテナが受信した前記反射波の振幅の最大値と最小値に基づいて路面状態を判別する判別部と、
   を備える路面状態判別装置。
2. 前記移動区間の長さは、前記アンテナが送信した前記電波の波長の１／２以上である、
   請求項１に記載の路面状態判別装置。
3. 前記移動区間の長さは、前記アンテナが送信した前記電波の波長の１／２である、
   請求項１に記載の路面状態判別装置。
4. 前記判別部は、
   前記アンテナが送信した前記電波の回り込み信号と前記反射波との合成電界と、前記アンテナが送信した前記電波とが乗算された差周波数成分（低周波数成分）を入力し、当該差周波数成分（低周波数成分）の最大値と最小値との差分に基づいて路面状態を判別するとともに、
   前記差周波数成分（低周波数成分）の周波数に基づいて前記路面上における車両を検知する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の路面状態判別装置。
5. 路面に電波を送信し前記路面からの前記電波の反射による反射波を受信する送受信共用のアンテナを用いて路面状態を判別する路面状態判別方法であって、
   予め決められた移動区間内において、前記路面に対する前記アンテナの高さが変化するように前記アンテナを移動させる移動工程と、
   前記移動区間を移動する際に前記アンテナが受信した前記反射波の振幅の最大値と最小値に基づいて路面状態を判別する判別工程と、
   を含む路面状態判別方法。
6. 路面に電波を送信し前記路面からの前記電波の反射による反射波を受信する送受信共用のアンテナを用いて路面状態を判別する機能をコンピュータに実現させる路面状態判別プログラムであって、
   予め決められた移動区間内において、前記路面に対する前記アンテナの高さが変化するように前記アンテナを移動させる移動機能と、
   前記移動区間を移動する際に前記アンテナが受信した前記反射波の振幅の最大値と最小値に基づいて路面状態を判別する判別機能と、
   をコンピュータに実現させる路面状態判別プログラム。

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