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技術 測距モジュール

出願人 株式会社デンソー
発明者 佐々木光
出願日 2019年3月29日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2019-068006
公開日 2020年10月8日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-165872
状態 未査定
技術分野 光レーダ方式及びその細部 レーダ方式及びその細部
主要キーワード フレーム辺 再切り出し 処理区間 距技術 掃引時間 送信駆動 合波信号 相対速
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

他システムを用いることなく、空間分解能の向上とフレームレートの維持を両立可能な測距モジュールを提供する。

解決手段

測距モジュールは、送信駆動部と、送信部と、走査部と、走査駆動部と、受信部と、信号変換部と、信号処理部から構成され、信号処理部80は、データ保持部81と、第1算出部83と、判定部84と、再切り出し処理部85と、第2算出部86と、を備える。判定部84は、第1算出部83により算出された距離が設定された限界距離と異なるか否か判定する。再切り出し処理部85は、判定部84に異なると判定された場合に、データ保持部81に保存されている処理信号の時系列から、送信波掃引時間に対応する処理区間のデータを、処理区間よりも短い時間ずつずらしながら切り出す。第2算出部86は、再切り出し処理部85により切り出された処理区間のデータのそれぞれから、距離を算出する。

概要

背景

特許文献1に記載の物体検出装置は、カメラによって撮像された画像に基づいて物体の種類を判定している。そして、上記物体検出装置は、物体の種類が歩行者であった場合に、レーダによって通常よりも細かい角度分解能電磁波を走査することにより、空間分解能を上げている。

概要

他システムを用いることなく、空間分解能の向上とフレームレートの維持を両立可能な測距モジュールを提供する。測距モジュールは、送信駆動部と、送信部と、走査部と、走査駆動部と、受信部と、信号変換部と、信号処理部から構成され、信号処理部80は、データ保持部81と、第1算出部83と、判定部84と、再切り出し処理部85と、第2算出部86と、を備える。判定部84は、第1算出部83により算出された距離が設定された限界距離と異なるか否か判定する。再切り出し処理部85は、判定部84に異なると判定された場合に、データ保持部81に保存されている処理信号の時系列から、送信波掃引時間に対応する処理区間のデータを、処理区間よりも短い時間ずつずらしながら切り出す。第2算出部86は、再切り出し処理部85により切り出された処理区間のデータのそれぞれから、距離を算出する。

目的

本開示は、他システムを用いることなく、空間分解能の向上とフレームレートの維持を両立可能な測距モジュールを提供する

効果

実績

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請求項1

周波数掃引された電磁波である送信波を生成するように構成され送信駆動部(10)と、前記送信波を繰り返し送信するように構成された送信部(20)と、前記送信部から送信された送信波を、空間において停止することなく連続的に走査するように構成された走査部(30)と、前記走査部を駆動するように構成された走査駆動部(40)と、前記送信波が物体反射して生じた反射波を受信するように構成された受信部(50)と、1画素ごとに、前記送信波と前記反射波とを合波して生成された合波信号を、電気信号に変換するように構成された信号変換部(60,70)と、前記信号変換部により変換された前記電気信号に基づいた処理信号を、順次保存するように構成されたデータ保持部(81)と、現在の画素に対応する前記処理信号から距離を算出するように構成された第1算出部(83)と、前記第1算出部により算出された前記距離が設定された限界距離と異なるか否か判定するように構成された判定部(84)と、前記判定部により異なると判定された場合に、前記データ保持部に保存されている前記処理信号の時系列であって、前記走査部による走査方向における現在よりも前の画素から現在の画素までに対応する前記処理信号の時系列から、前記送信波の掃引時間に対応する処理区間のデータを、前記処理区間よりも短い時間ずつずらしながら切り出すように構成された再切り出し処理部(85)と、前記再切り出し処理部により切り出された処理区間のデータのそれぞれから、前記距離を算出するように構成された第2算出部(86)と、を備える、測距モジュール

請求項2

前記判定部は、前記第1算出部により算出された前記距離が、前記走査部による走査方向における現在よりも前の画素において前記第1算出部により算出された前記距離に対して、設定された判定閾値以上に変化している場合に、異なると判定するように構成されている、請求項1に記載の測距モジュール。

請求項3

前記現在よりも前の画素は、前記走査方向における現在よりも1つ前の画素である、請求項2に記載の測距モジュール。

請求項4

前記再切り出し処理部は、前記走査部による走査方向における現在よりも1つ前の画素に対応する前記処理信号と、現在の画素に対応する前記処理信号と、の時系列内を起点として、複数の前記処理区間のデータを切り出すように構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の測距モジュール。

技術分野

0001

本開示は、電磁波を用いた測距技術に関する。

背景技術

0002

特許文献1に記載の物体検出装置は、カメラによって撮像された画像に基づいて物体の種類を判定している。そして、上記物体検出装置は、物体の種類が歩行者であった場合に、レーダによって通常よりも細かい角度分解能で電磁波を走査することにより、空間分解能を上げている。

先行技術

0003

特許第5558440号公報

発明が解決しようとする課題

0004

上記物体検出装置は、レーダによる検出の空間分解能を上げるために、レーダ以外の他システム(例えばカメラ)が必要であるため、装置の構成が複雑になる。そこで、常時、細かい角度分解能で電磁波を走査すれば、他システムを用いることなく、レーダによる物体検出の空間分解能を上げることができる。しかしながら、1フレーム辺りの走査時間が長くなり、フレームレートが低下するという問題が生じる。

0005

本開示は、他システムを用いることなく、空間分解能の向上とフレームレートの維持を両立可能な測距モジュールを提供する。

課題を解決するための手段

0006

本開示の1つの局面は、測距モジュールであって、送信駆動部(10)と、送信部(20)と、走査部(30)と、走査駆動部(40)と、受信部(50)と、信号変換部(60)と、データ保持部(81)と、第1算出部(83)と、判定部(84)と、再切り出し処理部(85)と、第2算出部(86)と、を備える。送信駆動部は、周波数掃引された電磁波である送信波を生成する。送信部は、送信波を繰り返し送信する。走査部は、送信部から送信された送信波を、空間において停止することなく連続的に走査する。走査駆動部は、走査部を駆動する。受信部は、送信波が物体に反射して生じた反射波を受信する。信号変換部は、1画素ごとに、送信波と反射波とを合波して生成された合波信号を、電気信号に変換する。データ保持部は、信号変換部により変換された電気信号に基づいた処理信号を、順次保存する。第1算出部は、現在の画素に対応する処理信号から距離を算出する。判定部は、第1算出部により算出された距離が設定された限界距離と異なるか否か判定する。再切り出し処理部は、判定部により異なると判定された場合に、データ保持部に保存されている処理信号の時系列であって、走査部による走査方向における現在よりも前の画素から現在の画素までに対応する処理信号の時系列から、送信波の掃引時間に対応する処理区間のデータを、処理区間よりも短い時間ずつずらしながら切り出す。第2算出部は、再切り出し処理部により切り出された処理区間のデータのそれぞれから、距離を算出する。

0007

本開示の1つの局面によれば、1画素分の処理信号が順次保存される。そして、現在の画素に対応する処理信号から距離が算出される。ここで、物体が存在する場合、算出される距離は限界距離とは異なる値になる。よって、物体が存在するか否か判定するため、算出された距離が限界距離と異なるか否か判定される。そして、限界距離と異なると判定さ
れた場合、保存されている処理信号の時系列から、掃引時間に対応する処理区間のデータが、処理区間よりも短い時間ずつずらしながら切り出される。さらに、切り出された処理区間のデータのそれぞれから、距離が算出される。これにより、他システムを用いることなく、空間分解能を向上とフレームレートの維持を両立させて、物体までの距離を検出することができる。

図面の簡単な説明

0008

本実施形態に係る測距モジュールの構成を示すブロック図である。
レーザ光を連続的に走査する様子を示す図である。
本実施形態に係るライダーの構成を示すブロック図である。
信号処理部の詳しい構成を示すブロック図である。
3画素分の送信光受信光とを示す図である。
連続的に走査された複数の画素から、所定時間ずらしつつ複数の画素を切り出す様子を示す概念図である。
物体が存在すると判定された画素及びその一つ前の画素の両画素内を起点として、所定時間ずらしつつ複数の画素を切り出す様子を示す概念図である。
物体が存在すると判定された処理区間及びその一つ前の処理区間の区間内を起点として、所定時間ずらしつつ複数の処理区間を切り出す様子を示す図である。
物体の検出処理処理手順を示すフローチャートである。
シミュレーション条件を示す図である。
通常測距のシミュレーション結果を示す図である。
再切り出し処理を適用した測距のシミュレーション結果を示す図である。
第2実施形態に係るミリ波レーダの構成を示すブロック図である。

実施例

0009

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態を説明する。
(第1実施形態)
<1.構成>
まず、測距モジュール100の機能的な構成について、図1を参照して説明する。本実施形態では、図2に示すように、測距モジュール100は、車両200に搭載される。

0010

測距モジュール100は、送信駆動部10と、信号送信部20と、走査部30と、走査駆動部40と、信号受信部50と、合波部60と、信号変換部70と、信号処理部80と、検出結果送信部90と、の機能を備える。

0011

送信駆動部10は、周波数が掃引された電磁波を生成する駆動信号を信号送信部20へ出力する。周波数が掃引された電磁波は、周波数が連続的に上昇及び/又は周波数が連続的に下降するように変調された電磁波である。本実施形態では、図2に示すように、アップ掃引された後にダウン掃引された電磁波を送信する。すなわち、測距モジュール100は、Frequency Modulated Continuous Wave(以下、FMCW)式のセンサである。本実
施形態では、アップ掃引の開始からダウン掃引の終了までの期間、すなわち1画素分の電磁波の送信期間を掃引時間TMと称する。

0012

信号送信部20は、送信駆動部10から出力された駆動信号に基づいて、周波数が掃引された電磁波(以下、送信波)を繰り返し送信する。
走査部30は、走査駆動部40に駆動されることにより、信号送信部20から送信された送信波を、空間において停止することなく連続的に走査する。図2は、送信波を水平方向に走査する様子を示す。走査部30は、所定領域の走査を終えると、走査した領域よりも上また下の領域を再度水平方向に走査する。なお、走査部30は、送信波を鉛直方向に走査してもよい。その場合、走査部30は、所定領域の走査を終えると、走査した領域の
左又は右の領域を再度鉛直方向に走査する。

0013

信号受信部50は、送信波が物体に反射して生じた反射波を受信する。合波部60は、送信波と反射波とを合波して合波信号を生成する。合波信号は、送信波と反射波との周波数差信号に相当する。信号変換部70は、合波部60により生成された合波信号を電気信号である処理信号に変換する。

0014

信号処理部80は、信号変換部70により変換された電気信号に基づいて、車両200から物体までの距離、及び車両200に対する物体の相対速度(以下、速度と称する)、及び車両200に対する物体の角度を算出する。信号処理部80の詳細は後述する。

0015

検出結果送信部90は、信号処理部80により算出された距離、速度、及び角度を、車両制御装置300へ送信する。車両制御装置300は、例えば、走行支援制御自動走行制御を実行する。

0016

次に、測距モジュール100をライダー(すなわちレーザレーダ)により構成した例について、図3を参照して説明する。
ライダー100は、レーザ駆動回路110と、レーザダイオード210と、分波器215と、光フェーズドアレイ(以下、OPA)310と、移相器410と、拡散レンズ315と、集光レンズ515と、受光アンテナ510と、合波器610と、フォトダイオード710と、トランスインピーダンスアンプ(以下、TIA)715と、信号処理回路810と、検出結果送信回路910と、を備える。

0017

レーザ駆動回路110は、送信駆動部10に相当し、レーザダイオード210へ駆動信号を出力する。レーザダイオード210は、信号送信部20に相当し、レーザ駆動回路110から出力された駆動信号に基づいた周波数及び強度の送信光を投射する。

0018

分波器215は、例えば光導波路分岐するカプラによって構成されており、レーザダイオード210から投射された送信光が入力される。分波器215に入力された送信光の一部は、走査部30に相当するOPA310に入射し、他の部分は合波器610に入射する。

0019

OPA310に入射した送信光は、複数の光導波路に分岐して入射する。移相器410は、走査駆動部40に相当し、複数の光導波路のそれぞれに設けられており、図示しない制御回路から入力される電気信号に応じて、各光導波路を通る送信光の位相を変化させる。これにより、各光導波路から出射される送信光の指向性が変化し、送信光が水平方向に走査される。

0020

なお、OPA310及び移相器410の代わりに、ミラー及びミラー駆動回路を備えていてもよい。この場合、分波器215に入射された送信光の一部はミラーへ入射し、ミラーで反射される。そして、ミラーがミラー駆動回路によって回動することにより、ミラーで反射された送信光は、水平方向に走査される。

0021

拡散レンズ315は、照射された送信光を拡散されてラインビームを形成する。
集光レンズ515は、送信光が物体により反射されて生じた反射光集光して、受光アンテナ510へ照射する。受光アンテナ510は、信号受信部50に相当し、回折格子によって構成されている。受光アンテナ510の上には、図示しないバンドパスフィルタ偏光フィルタとが積層されており、受光アンテナ510は、不要なノイズ成分の光が除去され、所定の向きに偏光した所定の周波数帯域の反射光を受光する。

0022

合波器610は、合波部60に相当し、入力された送信光と受信光とを合波し、光信号である合波信号を生成する。フォトダイオード710及びTIA715は、信号変換部70に相当する。フォトダイオード710は、合波器610から入力された合波信号を電流信号に変換して出力する。TIA715は、フォトダイオード710から入力された電流信号を電圧信号に変換して出力する。

0023

信号処理回路810は、信号処理部80に相当し、AD変換回路高速フーリエ変換回路等を備えている。信号処理回路810は、入力された電圧信号をデジタル信号である処理信号に変換し、変換したデジタル信号を周波数解析して、物体の距離及び速度を算出する。また、信号処理回路810は、送信光の走査方向に基づいて、物体の角度を算出する。

0024

検出結果送信回路910は、検出結果送信部90に相当し、信号処理回路810から入力された物体の距離、速度及び角度を、車両制御装置300へ送信する。
次に、信号処理部80の機能的な構成について、図4を参照して説明する。信号処理部80は、データ保持部81と、切り出し処理部82と、第1算出部83と、判定部84と、再切り出し処理部85と、第2算出部86と、の機能を備える。

0025

データ保持部81は、1画素ごとの処理信号を順次保存する。
切り出し処理部82は、図5に示すように、データ保持部81に保存されている処理信号の時系列から、現在の画素に対応する処理区間Aのデータを切り出す。

0026

第1算出部83は、切り出し処理部82により切り出された処理区間Aのデータ、すなわち、現在の画素に対応する処理信号を周波数解析して、物体の距離及び速度を算出する。また、第1算出部83は、走査方向から物体の角度を算出する。

0027

判定部84は、第1算出部83により算出された距離が、限界距離と異なるか否か判定する。限界距離は、予め設定された測距可能な最大距離であり、限界距離までの範囲に物体が存在しない場合、第1算出部83により算出される距離は限界距離になる。すなわち、判定部84は、物体が存在するか否か判定する。

0028

詳しくは、判定部84は、第1算出部83により算出された現在の距離が、第1算出部83により算出された1つ前の距離に対して、判定閾値以上変化している場合に、現在の距離が限界距離と異なると判定する。すなわち、判定部84は、現在の距離と前の距離との差分が、判定閾値以上である場合に、現在の距離が限界距離と異なると判定する。現在の距離は、現在の画素の処理信号から第1算出部83により算出された距離である。また、前の距離は、送信光の走査方向における現在よりも前の画素(具体的には1つ前の画素)の処理信号から第1算出部83により算出された距離である。

0029

再切り出し処理部85は、判定部84により限界距離と異なると判定された場合に、図6〜8に示すように、データ保持部81に保存されている処理信号の時系列から、処理区間Bのデータを、時間TSずつずらして複数切り出す。処理区間Bは、処理区間Aと同様に、掃引時間TMに対応する区間である。すなわち、処理区間Bは、1画素分の区間である。時間TSは、処理区間Bよりも短い時間である。すなわち、処理区間Aがアップ掃引の開始からダウン掃引の終了までの期間だけあったのに対して、処理区間Bは、アップ掃引又はダウン掃引の途中から1画素分の区間も含む。

0030

ここで、図8を参照して、再切り出し処理について具体的に説明する。図8は、3つの連続する処理区間A0,A1,A2のうちの処理区間A1において算出された距離が、処理区間A0において算出された距離よりも判定閾値以上変化している例を示す。この場合
、再切り出し処理部85は、処理区間A1の1つ前の処理区間A0のデータと、処理区間A1のデータとの時系列内を起点として、時間TSずつずらしながら複数の処理区間B0,B1,B2…を切り出す。すなわち、処理区間A0の開始時点から処理区間A1の終了時点までの間において、起点を時間TSずつずらしながら複数の処理区間B0,B1,B2…を切り出す。

0031

第2算出部86は、再切り出し処理部85により切り出された複数の処理区間Bのデータのそれぞれから、物体の距離と速度と角度とを算出する。第1算出部83により、掃引時間TMに対応する空間分解能で距離が算出される。一方、第2算出部86により、時間TSに対する空間分解能で距離が算出される。なお、本実施形態では、第1算出部83と第2算出部86とを分けているが、1つの算出部が、処理区間Aから距離等を算出するとともに、処理区間Bから距離等を算出してもよい。

0032

<2.処理>
次に、信号処理部80が実行する物体の検出処理について、図9のフローチャートを参照して説明する。信号処理部80は1画素ごとに本処理を実行する。

0033

まず、S10では、送信光を連続走査させて通常の測距処理を行い、処理区間Aのデータから、物体の距離と速度と角度とを算出する。
続いて、S20では、現在の画素において算出された距離が、1つ前の画素において算出された距離から判定閾値以上の変化があるか否か判定する。判定閾値以上の変化があると判定した場合は、S30の処理へ進み、判定閾値以上の変化がないと判定した場合は、S50の処理へ進む。

0034

S30では、走査方向において現在よりも1つ前の画素に対応する処理信号と、現在の画素に対応する処理信号と、の時系列内を起点として、時間TSずつずらして、複数の処理区間Bのデータを切り出す。

0035

S40では、S30で切り出した処理区間Bのデータから、物体の距離と速度と角度とを算出する。
S50では、算出された物体の距離と速度と角度とを、車両制御装置300へ送信する。以上で本処理を終了する。

0036

<3.シミュレーション>
次に、本実施形態を適用したシミュレーション結果について、図10〜12を参照して説明する。図10は、シミュレーション条件を示す。物体は、2mの幅と7mの長さを有し、ライダー100から100mの距離に存在する。送信光の掃引時間TMは32μsecで、時間TSは8μsecである。また、送信光は左から右へ走査され、走査速度は20frames per second(fps)である。また、限界距離は120m、判定閾値は0.1
mである。

0037

図11は、図10に示すシミュレーション条件において、通常の測距処理を実行した結果を示す。すなわち、処理区間Aのデータから距離を算出した結果を示す。破線で囲まれている部分において、判定閾値を超える距離の変化が検出されている。図12は、図11において破線で囲まれた部分について、再切り出し処理を実行し、処理区間Bのデータから距離を算出した結果を示す。図12において、丸印は、処理区間Aのデータから算出された距離を示し、バツ印は処理区間Bのデータから算出された距離を示す。再切り出し処理を実行することにより、通常の測距処理よりも高い空間分解能で物体の距離が算出され、物体の輪郭が高精度に検出されている。

0038

<4.効果>
以上説明した第1実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1)1画素分の処理信号が順次、データ保持部81に保存され、現在の画素に対応する処理信号から距離が算出される。そして、算出された距離が、1つ前の画素において算出された距離と比べて、判定閾値以上変化していると判定された場合、保存されている処理信号の時系列から、時間TSずつずらされて複数の処理区間Bのデータが切り出される。さらに、切り出された複数の処理区間Bのデータのそれぞれから、距離が算出される。これにより、フレームレートを低下させることなく、空間分解能を向上させて物体までの距離を検出することができる。

0039

(2)走査方向において判定閾値以上に距離が変化した場合には、物体が存在することを判定できる。
(3)現在の画素において算出された距離と、1つ前の画素において算出された距離とを比較することにより、距離の急激な変化を検出することができる。ひいては、精度良く物体が存在することを判定できる。

0040

(4)距離が変化して物体が存在すると判定された場合に、物体が存在する近辺取得済み処理信号から、複数の処理区間Bのデータが切り出される。そして、切り出された複数の処理区間Bのデータのそれぞれから、距離が算出される。よって、物体が存在すると判定された周辺の空間分解能を向上させて、物体までの距離を検出することができる。

0041

(第2実施形態)
<1.第1実施形態との相違点
第2実施形態は、基本的な構成は第1実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第1実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

0042

前述した第1実施形態では、測距モジュール100をライダーにより構成した。これに対し、第2実施形態では、測距モジュール100をミリ波レーダにより構成する点で、第1実施形態と相違する。

0043

次に、ミリ波レーダ100の構成について、図13を参照して説明する。ミリ波レーダ100は、発振器120と、分配器225と、フェーズドアレイアンテナ320と、移相器420と、複数の受信アンテナ520と、ミキサ720と、信号処理回路820と、検出結果送信回路920と、を備える。

0044

発振器120は、送信駆動部10に相当し、周波数が掃引されたミリ波帯の送信波を生成する。分配器225は、発振器120から出力された送信波を電力分配する。分配器225に入力された送信波の一部は、フェーズドアレイアンテナ320へ入力され、他の部分はミキサ720に入力される。

0045

フェーズドアレイアンテナ320は、走査部30に相当し、複数の送信アンテナ220を備える。移相器420は、走査駆動部40に相当し、図示しない制御回路から入力される電気信号に応じて、各送信アンテナ220に入力される送信波の位相を変化させる。複数の送信アンテナ220は、信号送信部20に相当し、移相器420により移相が制御された送信波を放射する。これにより、各送信アンテナ220から放射される送信波の指向性が変化し、送信波が水平方向に走査される。

0046

複数の受信アンテナ520は、信号受信部50に相当し、送信波が物体により反射された生じた反射波を受信する。ミキサ720は、合波部60に相当し、入力された送信波と
受信波とを合波して合波信号を生成し、生成した合波信号を電気信号である処理信号に変換する。

0047

信号処理回路820は、信号処理部80に相当し、AD変換回路、高速フーリエ変換回路等を備えている。信号処理回路820は、入力された処理信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を周波数解析して、物体の距離及び速度を算出する。また、信号処理回路820は、Multiple Signal Classification(MUSIC)等の到来方向推定アルゴリズムを用いて、物体の方位(すなわち、物体の角度)を推定する。

0048

検出結果送信回路920は、検出結果送信部90に相当し、信号処理回路820から入力された物体の距離、速度及び角度を、車両制御装置300へ送信する。
<2.効果>
以上説明した第2実施形態によれば、前述した第1実施形態の効果と同様の効果を奏する。

0049

(他の実施形態)
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

0050

(a)上記実施形態では、信号処理部80が、処理区間Aのデータを切り出す切り出し処理部82の機能を備えていたが、切り出し処理部82の機能を備えていなくてもよい。第1算出部83は、信号変換部70から出力された現在の画素の処理信号を、データ保持部81を経由せずに受け取り、物体の距離等を算出してもよい。

0051

(b)上記実施形態における1つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、1つの構成要素が有する1つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、1つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される1つの機能を、1つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

0052

(c)上述した測距モジュールの他、当該測距モジュールを構成要素とするシステム、測距方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

0053

10…送信駆動部、20…信号送信部、30…走査部、40…走査駆動部、50…信号受信部、60…合波部、70…信号変換部、81…データ保持部、83…第1算出部、84…判定部、85…再切り出し処理部、86…第2算出部。

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