CN101666877A - 用于确定接收阈值的方法及装置和超声波声纳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定接收阈值的方法及装置和超声波声纳。一种用于确定接收阈值(22)的装置，该装置包括一个第一比较器(30)和一个第一计数器(38)以及一个第二比较器(31)和一个第二计数器(39)，所述第一比较器(30)和第一计数器(38)用于检测背景信号(20)越过第一阈值(32)的第一频率(40)，所述第二比较器(31)和第二计数器(39)用于检测所述背景信号(20)越过第二阈值(33)的第二频率(41)，其中，所述第二阈值(33)大于所述第一阈值(32)。一个数据处理装置(42)用于基于所述第一和第二频率(40，41)来确定所述接收阈值(22)。

Description

用于确定接收阈值的方法及装置和超声波声纳

技术领域

本发明涉及一种用于确定接收阈值的方法，一种用于确定接收阈值的装置以及一种超声波声纳。

背景技术

由DE 10 2004 006 020A1公开了一种超声波声纳。所发出的超声波信号的回波被作为输入信号接收和分析处理。将该输入信号的电平与一接收阈值进行比较，以便过滤掉背景信号。可以根据在最后发出的超声波信号之后所流逝的持续时间来确定所述接收阈值。此外，该接收阈值具有一固定的最小值。

超声波声纳可以在具有不同类型的干扰源的各种环境中使用。用于需求控制的交通信号灯的感应线圈和具有电子镇流器的气体放电灯造成例如50Hz范围内的周期性的干扰信号。在街道边缘处的碎石上或者在路边停车位的边缘上的干扰的反射可以导致出现在按照安装位置的、确定的距离区段上的干扰电平(杂波)。

非周期性的或者随机的干扰源可以例如为风噪声或者声源。虽然应当尽可能有效地抑制噪声源，但是同样应当检测到远处物体的微弱的反射回波。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于确定传感器的接收阈值的方法。通过所述传感器接收背景信号。确定所述背景信号越过第一阈值的第一频率以及所述背景信号越过第二阈值的第二频率。所述第二阈值被选择为大于所述第一阈值。根据所述第一和第二频率来确定所述接收阈值。

所述方法使得接收阈值能够自适应地匹配于环境，尤其是最小阈值Th_min可以匹配于随机的自然环境中存在的干扰源。

本发明的一个另外的方面涉及一种用于确定传感器的接收阈值的方法。在监听窗口期间通过传感器接收背景信号。所述背景信号被分类为随机的噪声或者周期性的干扰信号。如果所述背景信号被分类为随机的噪声，那么基于所述背景信号越过第一阈值的第一频率以及所述背景信号越过第二阈值的第二频率来确定接收阈值，其中，所述第二阈值被选择为在数值上大于所述第一阈值。或者，如果所述背景信号被分类为周期性的干扰信号，那么基于所述背景信号的占空比来确定接收阈值，其中，通过借助于第三阈值鉴别背景信号来确定所述占空比。

基于背景信号来确定接收阈值使自适应地匹配于当前存在的干扰信号成为可能。此外，具有两个不同阈值的方法能够将背景信号分类为宽带的白噪声或者窄带的周期性的干扰信号。对于这两种分类而言，可以根据它们与干扰信号的典型的(平均的)依赖性以及基于第一频率，必要时与第二频率一起来确定它们的噪声电平以及特定的、合适的接收阈值。

有利的是，如果第一和第二频率之间的区别小于一较小值或者大于一较大值，则将背景信号分类为周期性的干扰信号，否则将背景信号分类为随机的干扰信号。

本发明的一个另外的方面涉及一种用于确定接收阈值的装置。该装置包括第一比较器和第一计数器，以及第二比较器和第二计数器，第一比较器和第一计数器用于检测背景信号越过第一阈值的第一频率，第二比较器和第二计数器用于检测背景信号越过第二阈值的第二频率，其中，所述第二阈值在数值上大于所述第一阈值。数据处理装置用于根据第一和第二频率确定接收阈值。

所述装置的一个构型方案设置了第三比较器、状态控制的第三计数器以及节拍脉冲发生器。第三比较器用于将背景信号与第三阈值进行比较。状态控制的第三计数器的控制输入端与第三比较器相耦合，用于根据背景信号与第三阈值的比较来激活和禁用第三计数器。节拍脉冲发生器与状态控制的第三计数器的计数器输入端相耦合，用于在第三计数器的激活阶段对节拍脉冲的数量进行计数。状态控制的第三计数器的输出端与数据处理装置相耦合，用于基于已计数的节拍脉冲的数量求得接收阈值。由已计数的节拍脉冲的数量可以鉴别周期性信号的占空比。关于较低的阈值，可以由占空比来确定周期性信号的振幅，这是在假设的信号波形，例如正弦信号的情况下进行的。

一个另外的方面涉及一种超声波声纳，该超声波声纳包括用于比较输入信号与接收阈值的比较器以及根据以上用于确定接收阈值的方面中的任一方面的阈值发生器。

附图说明

以下借助优选的实施形式和附图对本发明进行说明。在附图中示出：

图1：超声波声纳的框图；

图2：接收阈值的时间变化曲线；

图3：用于操作超声波声纳的方法的流程图；

图4：阈值发生器的框图；

图5：一个示例性的周期性的干扰信号；

图6：阈值发生器的一部分的框图。

具体实施方式

图1以电路框图的形式示出了超声波声纳1的一个例子。

超声波转换器2用于输出一系列超声波信号3、接收该超声波信号3的回波4以及将回波4转换为电信号5。

通过振荡器7对超声波转换器2进行激励。振荡器7可以由基本振荡器8和分频器级9构成。此外，可以设有电流驱动器级10和变压器11。超声波转换器2的激励频率可以位于25kHz至100kHz的范围内，例如48kHz。

可以在时间上控制超声波转换器2的激励，从而使得在用于发送超声波信号3的阶段之后是用于接收回波4的接收阶段。为此，在示意性的框图中，在振荡器7和超声波转换器2之间的电路径中示例性地连接了开关元件12。开关元件12由控制装置14触发。控制装置14输出脉冲15，在该脉冲15的持续时间内，开关元件12被切换到导电状态中。超声波转换器2在脉冲15的持续时间内发出超声波信号3。脉冲15的持续时间以及超声波信号3的持续时间可以位于100μs至1ms的范围内。

由超声波转换器2接收的回波4被转换为电信号5。电信号5被放大和被滤波，并且可以为此通过放大级17和带通滤波器18。带通滤波器18的中频位于振荡器7的振荡频率的范围内。带宽可以位于1kHz至10kHz的范围内，例如5kHz。约80dB的放大可以应用在电信号5上。

解调器19对已放大和已滤波的信号20进行解调。已解调的信号被输入到比较器21。比较器21将已解调的信号的信号电平与接收阈值22进行比较。以下分别深入地说明接收阈值22的数值、该数值的确定以及接收阈值22的时间依赖性。

如果在比较器21处的已解调的信号在数值上小于当前的接收阈值22，那么在比较器21的输出端上施加具有第一逻辑电平的信号22，如果已解调的信号20大于当前的接收阈值22，那么在比较器21的输出端上施加第二逻辑电平。

比较器21的输出信号22例如传输给计时器23。计时器23可以如所示的那样集成在控制装置14中或者是独立的单元。如果超声波信号3被发出，那么计时器23从控制装置14接收一开始信号，例如信号15。由开始信号与比较器21的输出信号22的出现之间的时间间隔确定超声波信号3的飞行时间以及到反射超声波信号3的物体的距离。在超声波声纳1中可以设置其他的数据处理装置24用于分析处理所求得的时间间隔。

可以动态地确定接收阈值22，例如通过控制装置14或者阈值发生器25。在此，如此调节接收阈值22，使得一方面以小的概率将干扰识别为回波4，另一方面仍保证了对微弱的反射回波4的高灵敏度。接收阈值22可以由最小阈值Th_min和一个在时间上变化的部分组成，例如在图2中在时间t上所示出的那样。因为最后到达的、来自远距离的物体的回波4的信号强度小于近处的物体的最先到达的回波4，所以时间上可变的部分可以在接收阶段的持续时间期间减小。接收阈值22的时间依赖性可以例如以表的形式存储在阈值发生器25中。因此，仍然可以检测到远处的物体的回波4，但以较高的信噪比检测到近处的物体的回波4。阈值发生器25可以在考虑最小阈值Th_min的情况下借助接收阈值22的、在时间上变化的部分输出接收阈值22。

阈值发生器25的输出端26与比较器21的信号输入端27相耦合，用于传输接收阈值22。接收阈值22可以作为模拟信号或者数字信号传输。阈值发生器25例如被实现在控制装置14中。

以下概述在反复地重新确定接收阈值22的最小阈值Th_min的情况下用于操作超声波声纳1的方法的一个示例性实施形式(图3)。最小阈值Th_min用于抑制在接收阶段期间有效的干扰源。此外，由于机动车的运动以及超声波声纳1的运动，可能加入新的、在空间上受限的干扰源或者干扰源可能会消失。在超声波声纳1的运行期间，最小阈值Th_min可以动态地匹配于当前的噪声源。

为了通过超声波转换器2接收电信号20的背景信号，运行周期开始于一个几毫秒的，例如1ms-5ms的监听窗口(S1)。在上述周期中，监听窗口与发出超声波信号3之间的足够的时间间隔，例如200ms，确保了在监听窗口期间不会接收到具有显著信号强度的回波4。因此，在监听窗口期间基本上仅接收背景信号20。可以例如通过控制装置14进行同步。

所接收到的背景信号20如同所接收到的回波4的电信号20一样经过相同的滤波器17和放大级18。因此，在背景信号20上外加的接收级的电子噪声源与在回波4上外加的接收级的电子噪声源相同。阈值发生器25的信号输入端28与带通滤波器18的输出端相耦合，并且接收已放大和已滤波的、超声波转换器2的背景信号20。

对背景信号20进行分析(S2)，以便确定背景信号20包含一个占主导地位的随机的噪声部分还是包含一个占主导地位的周期性的干扰信号。一方面，如果存在占优先地位的随机的噪声(S3)，那么根据以下所描述的方法借助第一和第二阈值分析处理噪声电平或者直接确定最小阈值Th_min(S4)。另一方面，如果存在占主导地位的周期性的干扰信号(S5)，那么基于背景信号20的、关于第三比较器的阈值被定义的占空比如以下所述地确定周期性的干扰信号的振幅或者直接确定所对应的最小阈值Th_min(S6)。根据所述方法之一求得的最小阈值Th_min被传输到阈值发生器25或者控制装置14(S7)。

因此，在监听窗口期间，对背景信号20的干扰电平进行分类，对干扰电平进行估计以及基于所估计的干扰电平来确定最小阈值Th_min。

在监听窗口之后是用于发送超声波信号3的发送阶段(S8)以及必要时的衰减阶段(S9)，在衰减阶段期间，超声波转换器2仍在过渡振荡。随后进行用于检测回波的接收阶段(S10)。在接收阶段期间，可以根据一个时间上可变的部分以及之前求得的最小阈值Th_min来调节接收阈值。对于基于接收阈值22来鉴别所接收的回波4可以参考上述的实施方式。

在所述周期内可以进行多个连续的发送阶段和接收阶段(S8-S10)(S11)。然后，重复所述周期(S12)，其方式是通过检测背景信号20来重新确定最小阈值Th_min。

所述用于求得接收阈值22的方法可以考虑背景信号20中的随机的噪声和周期性的干扰噪声。在解释方法如何将背景信号20归为所述两个类型中的一个类型之前，先分别针对这两个类型解释用于分析处理背景信号20的方法步骤。

对随机的噪声的分析处理

随机的噪声可以包括所有这样的背景信号20，其本身不具有规律性，例如电流电平的热噪声，或者其规律性在监听窗口内不可以被检测到。因此，对于一个单独的时刻，不可以预测随机的干扰信号的电平，但是通过一段时间的观察可以得到所接收的电平的频率分布。瞬时振幅的频率分布的泛函是通过噪声的种类确定的。可以借助实验来求得和记录所述频率分布。还可以基于模型来求得所述频率分布。频率分布可以在一个电平处具有一个唯一的最大值并且单调地下降到更小的和更大的电平。

噪声源的信号强度确定频率分布的最大值的位置，必要时确定频率分布的曲线形状或者频率分布的其他参数。频率分布对信号强度的依赖性可以被记录和被存储在表中。取代以频率分布来记录信号强度，也可以记录对于信号强度而言适当的最小阈值Th_min，借助该最小阈值Th_min充分地抑制噪声源。

借助两个阈值来确定频率分布。在此进行如下假设，即已经通过两个点确定了(标准化的)频率分布。所述两个阈值在数值上是不同的并且具有例如2至5的倍数关系。记录所述频率，已放大和已滤波的背景信号20以所述频率达到较低的第一阈值32和较高的第二阈值33。

以下绘出用于借助阈值发生器25来分析处理随机的背景信号20的示例性结构的略图(图4)。背景信号20可以被输入到两个阈值比较器30、31。

第一阈值比较器30将输入信号20与第一阈值32进行比较。可以通过电压源34将第一阈值32输入到第一阈值比较器30。如果输入信号20在数值上超过第一阈值32，那么第一阈值比较器30输出计数脉冲36。连接在后面的计数器38检测到计数脉冲36并且增加第一计数器值40。

第二阈值比较器31将输入信号20与第二阈值33进行比较。第二阈值33的数值大于第一阈值32的数值。可以由第二电流源35提供第二阈值33。如果输入信号20在数值上超过了第二阈值33，那么第二阈值比较器31输出计数脉冲37。连接在后面的第二计数器39检测到计数脉冲37并且增加第二计数器值41。

如果输入信号20的信号电平超过了对应于所述较低阈值的较低电平，那么就增加第一计数器值40，如果输入信号20超过了对应于所述较高阈值的较高电平，那么就增加第二计数器值41。

第一计数器值40和第二计数器值41被输入到数据处理装置42，该数据处理装置42根据这两个计数器值40、41来估计输入信号20的噪声电势。这两个计数器值40、41代表了频率，输入信号20以所述频率达到对应于较低的第一阈值32和较高的第二阈值33的两个不同的电平。数据处理装置42由所述频率例如基于所存储的、用于频率分布以及所对应的最小值Th_min的表来确定最小阈值Th_min。

对周期性的干扰信号的分析

周期性的干扰信号可以例如由具有电子镇流器的气体放电灯或者需求控制的交通信号灯装置的感应线圈产生。

周期性的干扰信号具有(在很大程度上)恒定的振幅。由于带通，所以可以作如下假设，即周期性的干扰信号的重要相关的部分是正弦形的并且必要时高次谐波被抑制。此外，因为其他干扰信号视电路情况而定被大大地衰减，所以所述干扰信号的频率或者周期性位于带通滤波器18的带通范围内。

在图5中示出了一个示例性的背景信号20，其仅具有周期性的干扰信号。背景信号20具有振幅，该振幅或者一直位于较高的第二阈值33以下，或者该振幅超过较高的第二阈值33的频率和它超过较低的第一阈值32的频率相同。可以如此选择较低的第一阈值32，使得具有可忽略的振幅的干扰信号不超过较低的第一阈值32。第一阈值32以及必要时第二阈值33被达到的次数仅取决于监听窗口的持续时间和干扰信号的频率，而不取决于振幅。

周期性的干扰信号对噪声电平的贡献是周期性的干扰信号的振幅的函数。不能如对于随机的噪声源那样由第一和第二频率的比较确定振幅。

然而，可以借助占空比来确定振幅，对于所述占空比，振幅大于较低的第一阈值和/或较高的第二阈值。以下与一个示例性的分析处理装置一起来说明示例性的占空比。

参照图5来说明周期性的背景信号20的振幅的确定。在时间t上记录具有振幅A的示例性的、周期性的干扰信号20的电平I。具有电平P的第三阈值52在时刻t1被超过并且在时刻t4被低于。干扰信号20在第一时间间隔dt1＝t4-t1期间高于第三阈值52。

可以通过时间间隔dt1与周期的持续时间T的比定义占空比，对于该时间间隔dt1，电平在数值上高于第三阈值52。等效地，可以在监听窗口期间对时间间隔dt1进行累加并且将其与该监听窗口的持续时间相比。在假设正弦形的背景信号20的情况下，可以由第三阈值52的电平P1和占空比估计出振幅A。

在图6中以框图的形式示出了阈值发生器的分析处理装置50，该分析处理装置50可以确定周期性的干扰信号20的振幅A。背景信号20被输入到第三比较器51，该第三比较器51从第一电压源53接收第三阈值52。第三比较器51的输出信号57取决于背景信号20的当前电平小于还是大于第三阈值52。输出信号57启动或者停止连接在后面的、状态控制的第三计数器59。第三计数器59的一个输入端61与节拍脉冲发生器70相耦合。因此，第三计数器59或者在背景信号20大于第三阈值52期间或者在背景信号20小于第三阈值52期间对节拍脉冲进行计数，并且因此确定相位段的持续时间或者占空比的持续时间，在该持续时间内背景信号20的电平高于或者低于第三阈值52。第三计数器59的第三计数器值63相应于持续时间dt1并且被传输到用于求得干扰信号20的振幅以及估计干扰电平的数据处理装置42。

可以在多个周期上在监听窗口期间对持续时间dt1进行累加，以便得到一个平均值。由此算出噪声影响以及量化误差。第三阈值52可以被选择为与第一或者第二阈值32、33相同。

可替代地，可以确定周期性的干扰信号20的一个另外的相位段的持续时间，例如在超过第三阈值52和超过在数值上更大的第四阈值之间的持续时间。第四比较器将背景信号与第四阈值进行比较并且输出一个相应的、另外的输出信号。所述第三和第四比较器的输出信号经过逻辑运算被输入到第三计数器。

对背景信号20的分析

通过如下方式可以识别周期性的干扰信号，即或者该周期性的干扰信号的电平一直位于较高的第二阈值33以下，或者该周期性的干扰信号超过较高的第二阈值33的频率与超过较低的第一阈值32的频率相同。

用于确定接收阈值22或者最小阈值Th_min的方法的实施形式比较第一和第二频率，较低的或者较高的阈值32、33以所述频率被超过。如果第二频率接近于零，即第二频率小于一最小值，或者第二频率与第一频率大致相等，即第二频率与第一频率的差别小于一确定的差值，那么就假设具有一占主导地位的周期性的干扰源的背景信号20。借助背景信号20的振幅来确定接收阈值22，基于上述用于对周期性的干扰信号进行分析处理的方法中的一个方法描述接收阈值22。否则，基于上述用于对随机的噪声进行分析处理的方法中的一个方法来确定接收阈值22。

也可以基于第一频率的数值区别所述两种噪声类型。重要相关的周期性的干扰信号具有一个取决于带通滤波器的已知的、例如在40～60kHz范围内的频率。因此，取决于周期性的干扰信号的频率被向下限定为例如在监听窗口为2ms的情况下至少80个事件。如果检测到更小的频率，那么就假设为占主导地位的随机的噪声。相应地选择分析方法。

在一个实施形式中，较高的第二阈值33和较低的第一阈值32可以是确定的。较低的第一阈值32例如可以为较高的阈值33的三分之一。在一个另外的实施形式中，动态地根据前一周期确定所述阈值。这样例如可以将较高的阈值33设置为与之前确定的最小阈值Th_min相等。于是，较低的第一阈值32可以是较高的第二阈值33的固定的、预先确定的一部分(Bruchteil)，例如一半、三分之一。

在一个实施形式中，仅根据随机的噪声来分析处理背景信号。不检验是否存在周期性的干扰信号。

Claims (10)

1.用于确定一传感器(1)的接收阈值(22)的方法，该方法包括以下步骤：通过所述传感器(1)接收一背景信号(20)；

确定所述背景信号(20)越过一第一阈值(32)的一第一频率(40)；

确定所述背景信号(20)越过一第二阈值(33)的一第二频率(41)，其中，所述第二阈值(33)被选择为在数值上大于所述第一阈值(32)，以及基于所述第一和第二频率(40，41)确定所述接收阈值(22)。

2.用于确定一传感器(1)的接收阈值(22)的方法，该方法包括以下步骤：

在一监听窗口期间通过所述传感器(1)接收一背景信号(20)；

将所述背景信号(20)分类为随机的噪声或者周期性的干扰信号；

如果所述背景信号(20)被分类为随机的噪声，那么基于所述背景信号(20)越过一第一阈值(32)的第一频率(40)以及所述背景信号(20)越过一第二阈值(33)的第二频率(41)来确定一接收阈值(22)，其中，所述第二阈值(33)被选择为在数值上大于所述第一阈值(32)；

如果所述背景信号(20)被分类为周期性的干扰信号，那么基于所述背景信号(20)的占空比来确定所述接收阈值(22)，其中，通过在一第三阈值(32，33)上鉴别所述背景信号(20)来确定所述占空比。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，如果所述第一和第二频率(40，41)之间的区别小于一较小值或者大于一较大值，则将所述背景信号(20)分类为周期性的干扰信号，否则将所述背景信号(20)分类为随机的干扰信号。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，由一时间间隔(dt1)与所述监听窗口的持续时间的比确定所述占空比，在该时间间隔(dt1)上，所述背景信号(20)的电平在数值上高于所述第三阈值(32)。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，基于所述背景信号(20)来确定所述接收阈值的一最小阈值(Th_min)。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，从一表中读取一接收阈值，所述第一和第二频率分别对应于一个接收阈值。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，周期性地重复用于确定所述接收阈值的所述方法步骤，并且其中，对于一个周期，将所述第二阈值设置为在之前的周期中所确定的接收阈值并且将所述第一阈值确定为所述第二阈值的、一预先确定的一部分。

8.用于确定一接收阈值(22)的装置，该装置包括：

一第一比较器(30)和一第一计数器(38)，用于检测一背景信号(20)越过一第一阈值(32)的一第一频率(40)，

一第二比较器(31)和一第二计数器(39)，用于检测所述背景信号(20)越过一第二阈值(33)的一第二频率(41)，其中，所述第二阈值(33)在数值上大于所述第一阈值(32)，

以及一数据处理装置(42)，用于基于所述第一和第二频率(40，41)来确定所述接收阈值(22)。

9.根据权利要求8所述的装置，该装置进一步包括：

一第三比较器，用于将所述背景信号(20)与一第三阈值进行比较，一状态控制的第三计数器(59)，该第三计数器(59)的控制输入端与所述第三比较器(51)相耦合，用于根据所述背景信号与所述第三阈值的比较来激活和禁用所述第三计数器(59)，以及

一节拍脉冲发生器(70)，该节拍脉冲发生器(70)与所述状态控制的第三计数器(59)的一计数器输入端相耦合，用于在所述第三计数器的一激活阶段期间对节拍脉冲的数量进行计数；

其中，所述状态控制的第三计数器(59)的一输出端与所述数据处理装置(42)相耦合，用于基于已计数的节拍脉冲的数量来求得一接收阈值(22)。

10.超声波声纳，其包括：

一比较器(14)，用于将一输入信号(20)与一接收阈值(22)进行比较，以及

一根据权利要求8或9所述的接收阈值发生器(20)，用于确定所述接收阈值(22)。

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