CN103534603B - 具有降低的最小作用距离的超声波测量系统以及用于探测障碍物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声波测量系统，所述超声波测量系统具有用于发送超声波脉冲和用于产生包括由所述障碍物反射的超声波回波脉冲的接收信号的谐振转换器，其中所述转换器元件在发送超声波脉冲后产生具有所述转换器元件的谐振频率的停振信号。所述超声波测量系统包括具有控制装置的分析处理单元，所述控制装置被构造用于，借助由所述控制装置产生的、频率调制的发送信号控制所述用于发送所述超声波脉冲的所述转换器元件，其中借助调制信号如此实现所述频率调制，使得所述超声波脉冲的符号不同于所述停振信号的符号。所述分析处理单元被构造用于，根据借助至少一个相关滤波器产生的相关信号的分析处理来识别回波脉冲，所述相关信号来自由所述谐振转换器元件产生的信号与所述发送信号的相关。此外，提供一种用于借助超声波探测障碍物的相应的方法，以及一种具有所述超声波测量系统的车辆辅助系统。

Description

具有降低的最小作用距离的超声波测量系统以及用于探测障 碍物的方法
技术领域
本发明涉及一种用于探测障碍物的超声波测量系统，所述超声波测量系统具有用于发送超声波脉冲和用于接收由障碍物反射的超声波回波脉冲的谐振转换器元件。本发明也涉及具有这种超声波测量系统的车辆和一种借助超声波探测障碍物的方法。
背景技术
使用基于超声波的测量系统，以便测量与位于传感器前方的对象的间距。所使用的超声波传感器通常基于脉冲回波方法。在运行中，传感器发送超声波脉冲并且测量通过对象引起的超声波脉冲反射（回波）。传感器与对象之间的间距通过所测量的回波传播时间和声波速度计算出。
为了测量间距，如此分析处理模拟的脉冲信号，使得当所测量的回拨脉冲电压在一规定的最小持续时间上超过阈值时，才刚好存在有效的回波。
此外，超声波传感器作为发送与接收单元起作用。传感器包括谐振转换器元件，所述谐振转换器元件的发射频率与转换器的谐振频率调谐。
由于转换器的谐振特性，在发送激励的情况下发生起振与停振（Ausschwingen）。尤其停振过程导致死区时间，在所述死区时间内不能够探测到回波。所述死区时间相当于用于传感器的最小作用距离。现今不可以低于所述最小作用距离。
值得期望的是，降低最小作用距离。
也已知的是：当替代借助转换器的谐振频率激励，有针对性地在谐振之外、尤其是在激励结束时进行特殊的激励时，如何通过频率调制的激励来减小死区时间。尤其是在激励结束时借助恒定的、与谐振频率不同的频率对转换器的这种激励例如由文献DE10103936C2已知。由此，用于停振的输出振幅能够减小并且因此衰减时间同样能够减小。在此，缺点是，这种超声波测量系统被构造用于产生非常特殊的发送方式并且由此限于所述非常特殊的发送方式。
发明内容
根据本发明的、用于借助超声波传感器探测障碍物的超声波测量系统具有用于发送超声波脉冲和用于产生接收信号的谐振转换器元件，所述接收信号包括由障碍物反射的、称作“回波脉冲”的超声波脉冲。所述谐振转换器元件在发送超声波脉冲后继续产生具有所述谐振转换器元件的谐振频率的停振信号。超声波测量系统也包括具有控制装置的分析处理单元，所述控制装置被构造用于借助由控制装置产生的发送信号控制用于发送超声波脉冲的谐振转换器元件。此外，超声波测量系统的控制单元被构造用于借助调制信号如此产生频率调制的发送信号，使得超声波脉冲的符号不同于停振信号的符号。分析处理单元具有至少一个相关滤波器，其中，所述至少一个相关滤波器被构造用于将由谐振转换器产生的信号与发送信号进行相关并且产生相应的相关信号。此外，分析处理单元被构造用于在存在超过阈值的电平或存在相关信号的最大值时，识别由障碍物产生的回波脉冲，并且借助发送的超声波脉冲与接收的回波脉冲之间的时间段计算与障碍物的间距。
此外，根据本发明提供一种用于借助超声波探测障碍物的方法。在根据本发明的方法中，借助谐振转换器元件发送超声波脉冲，借助谐振转换器元件产生包括由障碍物反射的、称作“回波脉冲”的超声波脉冲的接收信号，其中，在由谐振转换器元件发送超声波脉冲后产生具有谐振转换器元件的谐振频率的停振信号，并且产生发送信号，借助所述发送信号控制用于发送超声波脉冲的谐振转换器元件。此外，借助调制信号如此调制发送信号的频率，使得超声波脉冲的符号不同于停振信号的符号。为了得到相应的相关信号，借助相关滤波器的相关函数将由谐振转换器元件产生的信号与发送信号进行相关。在此，在存在超过阈值的电平或存在相关信号的最大值时识别回波脉冲，并且由发送的超声波脉冲与接收的回波脉冲之间的时间段和超声波速度计算与障碍物的间距。
从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。
在根据本发明的超声波测量系统中，如此选择控制频率，使得发送信号包含适当地频率调制的编码、即符号。已经根据本发明如此选择频率调制的编码，使得发送信号与停振信号之间存在尽可能大的差异。
在本发明的一种特别有利的实施方式中，借助调制信号调制发送信号，在所述调制信号中频率在包括分别不同于谐振转换器元件的谐振频率的一些频率值的频域中变化。此外，优选地，调制信号具有随时间连续变化的频率。与借助恒定频率的控制相比，在本发明的所述优选实施方式中如此运行超声波传感器，使得独特的频率混合（Frequenzgemisch）被发射。此外，优选使用调频信号、尤其是线性的或非线性的调频信号作为调制信号。
在本发明的一种非常有利的实施方式中，至少一个相关滤波器被构造为数字的相关滤波器，并且分析处理单元包括一个模拟/数字转换器或至少一个用于将由谐振转换器元件产生的信号转换成数字信号并且将该数字信号传输给数字的相关滤波器的比较器。
根据本发明，在接收信号中通过适当的数字处理、尤其是通过使用数字的相关滤波器来探测发送信号的编码并且将其与具有转换器的本征频率（谐振频率）的停振信号分离。
模拟的接收信号（A/D：模拟/数字）转换成数字信号并且随后通过信号匹配的数字滤波器。所述滤波器实现为数字的相关滤波器、尤其实现为互相关滤波器或最优滤波器。
当发送信号与包含接收信号的、由谐振转换器产生的信号之间的相关值最大或超过确定的阈时，才刚好存在回波脉冲。由此，也可以将相对较小的回波脉冲从停振信号的明显更大的振幅中分离。信号频率作为回波脉冲和停振信号之间的差别特征。回波脉冲的频率反映调制的发送频率，转换器的停振在其本征频率上实现。
借助根据本发明的超声波测量系统也能够探测与转换器的停振叠加的回波。因此，死区时间范围进一步减小。通过在此提出的在谐振转换器的残余震荡区域（Nachschwingbereich）中的测量，超声波传感器的最小作用距离能够进一步减小。
能够与所选择的发送脉冲持续时间和发送振幅无关地应用本发明。本发明在任何情形中导致停振窗口的缩小。
在本发明的一个有利的实施中，如此选择频率调制的发送信号，使得截止频率尽可能远离谐振频率，以便减小最初的衰减振幅并且因此振荡更快地衰减。
在本发明的一种特别优选的、其中使用调频信号作为发送信号的调制信号的实施方式中，根据本发明的超声波测量系统被构造用于在在超声波测量系统和障碍物之间存在以至少一个相对速度进行的相对运动时探测障碍物。此外，分析处理单元被构造用于借助由至少一个用作相关滤波器的最优滤波器产生的相关信号识别回波脉冲。
如果发送方和/或可选地存在的、反射信号的对象和/或接收方相对彼此运动，则发生称为术语“多普勒效应”的信号频谱变化。多普勒偏移也发生在使用调频信号作为调制信号的情况下，所述调制信号的载波频率与时间不成比例地变化。因此，所述调频信号被称为非线性的调频信号。当使用非线性的调频信号作为调制信号时，需要多个与相应的相对速度对应的最优滤波器（匹配滤波器）用于可靠地探测相关最大值。当使用线性的调频信号作为调制信号时，尽管多普勒偏移，还是可以在同一数字的最优滤波器（匹配滤波器）中确定相关最大值，这使得这种发送信号方式的应用在这特殊的观点下是特别有利的。
优选地，分析处理单元包括用于放大由谐振转换器产生的信号的放大器，其中所述放大器被构造用于在谐振转换器的衰减窗中产生由谐振转换器产生的信号的如此的放大、尤其是由谐振转换器产生的信号的如此减小了的恒定的放大、或者由谐振转换器产生的信号的如此随时间增加的放大、优选如此随时间而线性增加的放大，使得由谐振转换器产生的并且放大的信号在谐振转换器的衰减窗中不出现过调，或使得由谐振转换器产生的并且放大的信号在谐振转换器的停振窗中以减小了的振幅出现过调，或使得由谐振转换器产生的并且放大的信号在谐振转换器的衰减窗中在一较小的持续时间上出现过调。
在一些实现中选择恒定的放大。根据放大器设计或模拟/数字转换器（模拟/数字转换器设计）的构造，这可能导致在衰减窗中饱和或者过调。信号分析由此受到干扰。本发明的一个有利的实施或者通过在衰减窗中选择恒定的但减小了的放大，或者通过选择与运行时间有关的放大、尤其是随时间而线性增加的放大。根据本发明如此选择所述放大，使得避免或至少在振幅方面减小过调或将过调限制在一较小的持续时间上。
本发明的另一个有利的效果是，在所谓的测量窗中信号背景比的改善，即在衰减窗之外信号背景比也得到改善。因此不仅可以改善弱反射的对象的识别，而且可以提高最大的作用距离。
根据本发明，尤其提供具有一种车辆辅助系统的车辆，所述车辆辅助系统具有根据本发明的超声波测量系统。这种车辆的驾驶员然后在识别障碍物时能够及早被警告。根据本发明的车辆辅助系统尤其被构造用于在识别障碍物时干预车辆动态性。由此，根据本发明的车辆尤其在泊车时的碰撞危险得到明显减小。
附图说明
以下参考附图详细描述本发明的实施例。其中：
图1：根据本发明第一实施方式的、具有谐振转换器的超声波系统的分析处理单元的框图，其中，分析处理单元包括控制装置、放大器、互相关滤波器，
图2：由根据本发明的第一实施方式的超声波系统产生的发送信号，其具有相应的停振阶段，
图3：由根据本发明第一实施方式的超声波系统产生的发送信号连同在停振阶段具有叠加的、包括回波脉冲的接收信号的示意图，
图4：由根据本发明第一实施方式的超声波系统的相关滤波器产生的相关信号，所述相关信号表示由谐振转换器元件产生的在与发送信号进行相关之后的信号。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施方式的、具有谐振转换器元件（未示出）的超声波测量系统（未示出）的分析处理单元10的框图，所述分析处理单元包括控制装置20、放大器30、模拟/数字转换器40和互相关滤波器50，其中，在控制装置中存储频率调制的发送脉冲的模式（Muster）。
超声波测量系统的超声波传感器（未示出）借助谐振转换器元件发送超声波脉冲，所述超声波脉冲在障碍物（未示出）上反射并且作为回波脉冲由超声波传感器接收。在此，谐振转换器元件产生包括回波脉冲的接收信号。由于在发送发送脉冲之后超声波传感器处于具有其谐振频率的停振阶段中并且产生相应的停振信号，因此包括回波脉冲的接收信号与谐振转换器的停振信号叠加。由谐振转换器产生的信号借助存在于回波路径中的放大器30（AMP：放大器）放大并且然后经过也存在于回波路径中的模拟/数字转换器（ADC：模拟/数字转换器），所述模拟/数字转换器将由谐振转换器元件产生的模拟信号转换成数字信号。替代ADC40，可以设置一个或多个比较器，以便将由谐振转换器元件产生的模拟信号转换成数字信号。数字化的信号然后到达数字的互相关滤波器50，由互相关滤波器50将所述数字化的信号与频率调制的发送脉冲相关。
谐振转换器具有如下缺点：其具有相当长的停振阶段并且根据现有技术在所述停振阶段期间不能接收信号。通过现有放大器电路尤其将测量的振幅在停振阶段饱和，也即将其切削。通过选择具有不同于谐振符号的符号的发送信号，并且通过在接收路径上使用适当的相关滤波器50（最优滤波器）可以在饱和区中纯粹测量，从而尽管使用相对于背景技术已知的脉冲更长的脉冲，最小作用距离明显改善。由背景技术已知具有300μs的脉冲持续时间及20cm的最小作用距离的超声波传感器。已经在根据本发明的超声波传感器上证明了500μs的脉冲持续时间及15cm的最小作用距离。
图2示出由根据本发明第一实施方式的超声波测量系统产生的具有相应停振阶段的发送信号25的时间相关性。此外，借助调频信号调制发送信号25，所述调频信号具有在包括分别不同于谐振转换器的谐振频率的频率值的频域中的随时间连续变化的频率。
发送信号25连同相应的停振信号26表示为与时间t相关的电压U。在时间段Δt1期间发送发送信号25。停振信号26在时间段Δt2上延伸。
图3以示意图示出由根据本发明第一实施方式的超声波系统产生的发送信号25和停振信号26连同叠加的、包括回波脉冲的接收信号27。发送信号25连同相应的停振信号26如图1中那样表示为与时间t相关的电压U。在时间段Δt1期间发送发送信号25。停振信号26在时间段Δt2期间延伸。在处于时间段Δt2内的时间段Δt3期间，包括回波脉冲的接收信号27与停振信号26叠加并且因此产生由转换器产生的信号28。
图4中示出由根据本发明的第一实施方式的超声波系统的相关滤波器50产生的相关信号55，所述相关信号相应于由谐振转换器产生的在与发送信号25相关之后的信号28。
由谐振转换器产生的信号28包括：包括回波脉冲的接收信号27和停振信号26。
图4中，相关信号55（K）表示为时间t的函数。相关信号55示出两个最大值点。在第一最大值点处可以发现信号25，在第二最值点处可以发现包括回波脉冲的接收信号27。两个最大值点之间的时间间距Δt表示发送的超声波脉冲与接收的回波脉冲之间经历的时间。
除上述的书面公开以外，在此对于本发明的其他公开，补充地参考图1至4中的示图。

Claims (22)

1.一种用于借助超声波传感器探测障碍物的超声波测量系统，所述超声波测量系统具有用于发送超声波脉冲和用于产生接收信号(27)的谐振转换器元件，所述接收信号包括由所述障碍物反射的、称作回波脉冲的超声波脉冲，其中，所述谐振转换器元件在发送所述超声波脉冲之后继续产生具有所述谐振转换器元件的谐振频率的停振信号(26)，所述超声波测量系统具有分析处理单元(10)，所述分析处理单元具有控制装置(20)，所述控制装置被构造用于借助由所述控制装置(20)产生的发送信号(25)控制用于发送所述超声波脉冲的所述谐振转换器元件，其特征在于，所述控制装置(20)被构造用于借助调制信号产生频率调制的发送信号(25)，使得所述超声波脉冲的符号不同于所述停振信号的符号，所述分析处理单元包括至少一个相关滤波器(50)，其中，所述至少一个相关滤波器(50)被构造用于将由所述谐振转换器元件产生的信号(28)与所述发送信号(25)进行相关并且在此产生相应的相关信号(55)，并且所述分析处理单元(10)被构造用于在存在超过阈值的电平或所述相关信号(55)的最大值时识别所述回波脉冲以及由所述发送的超声波脉冲与所述接收的回波脉冲之间的时间段(Δt)和超声波速度计算与所述障碍物的间距。
2.根据权利要求1所述的超声波测量系统，其特征在于，所述调制信号的频率在包括分别不同于所述谐振转换器元件的谐振频率的一些频率值的频域内变化。
3.根据权利要求1或2所述的超声波测量系统，其特征在于，所述调制信号的频率随时间连续变化。
4.根据权利要求1或2所述的超声波测量系统，其特征在于，至少一个相关滤波器(50)被构造为数字的相关滤波器(50)，并且所述分析处理单元(10)此外包括一个模拟/数字转换器(40)或至少一个比较器，其中，所述模拟/数字转换器(40)或者所述至少一个比较器被构造用于将由所述 谐振转换器元件产生的信号(28)转换成数字信号并且将所述数字信号传输给所述数字的相关滤波器(50)。
5.根据权利要求1或2所述的超声波测量系统，其特征在于，至少一个相关滤波器(50)是互相关滤波器。
6.根据权利要求1或2所述的超声波测量系统，其特征在于，所述控制装置(20)被构造用于借助作为调制信号的调频信号产生频率调制的发送信号(25)。
7.根据权利要求6所述的超声波测量系统，其特征在于，所述分析处理单元(10)被构造用于当在所述超声波测量系统与所述障碍物之间存在以至少一个相对速度进行的相对运动时借助由至少一个相关滤波器(50)产生的相关信号(55)探测所述障碍物。
8.根据权利要求1或2所述的超声波测量系统，其特征在于，所述分析处理单元(10)包括用于放大由所述谐振转换器元件产生的信号(28)的放大器(30)，其中，所述放大器(30)被构造用于在谐振转换器的衰减窗(Δt2)中产生由所述谐振转换器元件产生的信号(28)的放大，使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的衰减窗(Δt2)中不出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中以减小了的振幅出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中在一较小的持续时间上出现过调。
9.根据权利要求1或2所述的超声波测量系统，其特征在于，至少一个相关滤波器(50)是最优滤波器。
10.根据权利要求8所述的超声波测量系统，其特征在于，所述放大器(30)被构造用于在所述谐振转换器的衰减窗(Δt2)中产生由所述谐振转 换器元件产生的信号(28)的减小了的恒定的放大，使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的衰减窗(Δt2)中不出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中以减小了的振幅出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中在一较小的持续时间上出现过调。
11.根据权利要求8所述的超声波测量系统，其特征在于，所述放大器(30)被构造用于在所述谐振转换器的衰减窗(Δt2)中产生由所述谐振转换器元件产生的信号(28)的随时间增加的放大，使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的衰减窗(Δt2)中不出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中以减小了的振幅出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中在一较小的持续时间上出现过调。
12.根据权利要求8所述的超声波测量系统，其特征在于，所述放大器(30)被构造用于在所述谐振转换器的衰减窗(Δt2)中产生由所述谐振转换器元件产生的信号(28)的随时间线性增加的放大，使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的衰减窗(Δt2)中不出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中以减小了的振幅出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中在一较小的持续时间上出现过调。
13.一种用于借助超声波探测障碍物的方法，其中，借助谐振转换器元件发送超声波脉冲，借助所述谐振转换器元件产生包括由所述障碍物反射的、称作回波脉冲的超声波脉冲的接收信号(27)，其中，在由所述谐振转换器元件发送所述超声波脉冲之后产生具有所述谐振转换器元件的谐振频率的停振信号(26)，并且产生发送信号(25)，借助所述发送信号控制用 于发送所述超声波脉冲的所述谐振转换器元件，其特征在于，借助调制信号调制所述发送信号(25)，使得所述超声波脉冲的符号不同于所述停振信号的符号，将由所述谐振转换器元件产生的信号(28)与所述发送信号进行相关，以便得到相应的相关信号(55)，并且在存在超过阈值的电平或者存在所述相关信号的最大值时识别所述回波脉冲并且由所述发送的超声波脉冲与所述接收的回波脉冲之间的时间段(Δt)和超声波速度计算与所述障碍物的间距。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述调制信号的频率在包括分别不同于所述谐振转换器元件的谐振频率的一些频率值的频域内变化。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述调制信号的频率随时间连续变化。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，频率调制的发送信号(25)借助作为调制信号的调频信号产生。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，当在超声波测量系统与所述障碍物之间存在以至少一个相对速度进行的相对运动时，根据借助至少一个相关滤波器(50)的相关函数产生的相关信号(55)探测所述障碍物。
18.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，借助放大来放大由所述谐振转换器元件产生的信号(28)，使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的衰减窗(Δt2)中不出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中以减小了的振幅出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中在一较小的持续时间上出现过调。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，借助减小了的恒定的放大来放大由所述谐振转换器元件产生的信号(28)，使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的衰减窗(Δt2)中不出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中以减小了的振幅出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中在一较小的持续时间上出现过调。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，借助随时间增大的放大来放大由所述谐振转换器元件产生的信号(28)，使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的衰减窗(Δt2)中不出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中以减小了的振幅出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中在一较小的持续时间上出现过调。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，借助随时间线性增大的放大来放大由所述谐振转换器元件产生的信号(28)，使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的衰减窗(Δt2)中不出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中以减小了的振幅出现过调，或使得由所述谐振转换器元件产生的并且放大的信号在所述谐振转换器元件的所述衰减窗(Δt2)中在一较小的持续时间上出现过调。
22.一种车辆，其具有车辆辅助系统，所述车辆辅助系统具有根据权利要求1至12中任一项所述的超声波测量系统。
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