CN103797379A - 用于多方向测量的超声测量组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声测量组件(10)和用于执行超声测量的相应方法。意图是，用同时具有多个不同驱动频率的驱动信号来驱动用于发射超声波的超声发射机元件(18)。在本文中，驱动单元(12)为至少一个对应的超声发射机元件(18)生成至少一个驱动信号(20)。作为结果，每个超声发射机元件(18)将生成多方向超声波。附加地，打算以这样的方式来设计驱动信号20，即，总体超声束在不同的空间方向(22)上包括单独的频谱。如果总体超声束的一部分被反射了，则感测信号(30)被感测单元(28)生成。所述感测信号(30)包括单独的频谱。所述感测信号被处理单元接收，所述处理单元确定频谱并且因此能够确定信号被发送到哪一个空间方向(22)或空间区。

Description

用于多方向测量的超声测量组件

技术领域

本发明涉及超声测量组件和用于执行超声测量的方法。本发明还涉及用于超声测量组件的超声发射机，以及涉及用于超声测量组件的感测组件。

背景技术

US 6,549,487 B2描述了一种利用声系统以用于确定目标范围、广度以及方向的车辆占有传感器。该系统由用气室谐振器元件的阵列所形成的超声发射机组成，所述气室谐振器元件以对于彼此的相对相位驱动以产生转向声束。在此，光栅扫描能够通过在不同的空间方向上使声束转向而被提供并且能够在不同的空间方向上执行多个测量。换能器阵列被调谐到单个谐振频率以便发射声束。

光栅扫描是需要的，因为超声束对于提供高的角分辨率是相对窄的。这个方法的缺点是当用窄波束来扫描大的角展度时的延迟，因为声束必须以小步长转向通过整个角展度，其中单独的测量被做出。因此，这个标准光栅扫描方法必须以延迟(latency)作为角分辨率的交换。

发明内容

本发明的目标是提供上面所提到的类型的装置和方法，从而使能用于在观察窗口内进行测量的具有小的延迟的超声测量。

在本发明的第一方面中呈现了超声测量组件，所述超声测量组件包括：超声发射机元件，其用于发射超声波；驱动单元，其用于驱动超声发射机元件，其中驱动单元被适配成用同时具有多个不同驱动频率的驱动信号来驱动超声发射机元件；感测单元，其用于感测超声波并且用于响应于感测到的超声波来生成感测信号；以及处理单元，其用于接收感测信号并且用于确定感测信号的频谱。

在本发明的另一个方面中呈现了用于超声测量组件的超声发射机，所述超声发射机包括：超声发射机元件，其用于发射超声波；以及驱动单元，其用于驱动超声发射机元件，其中驱动单元被适配成用同时具有多个不同驱动频率的驱动信号来驱动超声发射机元件。

在本发明的另一个方面中呈现了用于超声测量组件的感测组件，所述感测组件包括：感测单元，其用于感测超声波并且用于响应于感测到的超声波来生成感测信号；以及处理单元，其用于接收感测信号并且用于确定感测信号的频谱。

在本发明的另一个方面中呈现了用于执行超声测量的方法，所述方法包括以下步骤：提供超声发射机元件以用于发射超声波；生成同时具有多个不同驱动频率的驱动信号；用所述驱动信号来驱动至少一个超声发射机元件；感测超声波；响应于感测到的超声波来生成感测信号；以及确定感测信号的频谱。

本发明基于这样的构思：用同时包括多个不同驱动频率的驱动信号来驱动超声发射机元件。作为结果，具有不同超声频率的多个超声波被用经驱动的超声发射机元件同时地生成。基于物理关系，不同频率的那些超声波被发送到不同的角范围中，使得在任何给定角度上，发射的频谱是不同的。位于相对于超声发射机元件的特定角度处的目标因此将反射具有单独的频率成分的超声信号。这个单独的频率成分能够被处理单元用来识别目标的相对角位置。考虑到反射目标的尺寸还将确定被目标反射的频率的范围，反射目标的空间广度也能够被估计。

这个方法的优点是，延迟鉴于现有技术被大大地降低。发射机元件的整个观察窗口能够在一个发射和一个接收步骤中被扫描。从而，超声测量能够被比采用现有光栅扫描方法快许多倍完成。

超声发射机元件形成超声换能器。典型地，超声发射机元件是被交流信号（例如交流电压）驱动的压电元件。超声发射机元件还可以是另一类型的，例如压电陶瓷元件、压电聚合物元件、静电换能器或磁致伸缩换能器。驱动信号因此优选地是同时地随着不同的频率而交替的交流电压，其中不同的频率是叠加的。替换地，驱动信号可以是交流电流，例如以用于驱动磁致伸缩发射机元件或者用于常规扩音器。从而，超声发射机元件形成具有不同空间范围的超声波。频率典型地是在从20 kHz至100 kHz的范围内的频率。更优选地，它们是在30 kHz至80 kHz的范围内。附加地，优选的是生成具有布置在频率的一个紧凑带中的多个驱动频率的驱动信号。替换地，多个频带能够被使用。

此外，必须考虑超声发射机元件包括什么种类的几何结构和超声波被发射到哪一个介质中。对于其的波长相当于或大于超声发射机元件的尺度的超声频率，基本上全方向的波束图案将被创建。对于其的所发射的超声波的波长比超声发射机元件的尺度短得多的频率，波束图案将在向超声发射机元件的正方向上，更特别地在超声发射机元件的发射表面的轴向(on-axis)方向上形成窄波瓣。因此，通过选择各种各样的频率，一些频率将以全方向辐射特性被发射并且一些频率将在窄波束中被发射。在相对于超声发射机元件的轴向方向的各种角度处，所发射的波束的频率响应因此将看起来大不相同。

在发出超声波之后，在超声发射机元件范围内的目标将反射那些超声波。那些反射的波然后能够被感测单元感测到，所述感测单元生成同样包括多个不同频率的感测信号。频率的实际成分取决于反射超声波的目标相对于超声发射机元件的空间位置。

处理单元能够接收感测信号并且确定感测信号的频谱。通过分析频谱，识别超声波已被从其反射的空间方向或至少空间区是可能的。

从而，装置和方法被获得以用于将一个近似全方向的波束发射到空间区中并且以便确定在一个发射操作和一个接收操作中超声波被从哪一个方向反射。从而，鉴于现有技术，本发明导致延迟的降低，从而提供高的角分辨率。

本发明的优选实施例在从属权利要求中被定义。应当理解，所要求保护的方法具有与所要求保护的装置和与在从属权利要求中所定义的类似和/或相同的优选实施例。

在实施例中，处理单元被适配成将所感测到的信号的频谱与对应于空间方向的至少一个特性频谱相比较以用于识别至少一个方向型信号。

在这个实施例中，特性频谱对于相对于超声发射机元件的不同空间方向来说是已知的。特性频谱能够被象征性地理解为超声波对于特定方向或区的已知“指纹”。在优选实施例中，多个特性频谱被预定义并且存储在处理单元的存储装置中。处理单元在这种情况下被适配成确定感测信号的频谱并且被适配成将这个频谱与所存储的特性频谱相比较。如果最大似然估计量被用于将所感测到的信号的频谱与特性频谱相比较，则其是进一步优选的，因为不太可能在所感测到的信号的频谱与特性频谱之间找到确切匹配。这是例如由超声波被发射通过的行经介质的噪声或改变特性导致的。

从而，获得包括原点的范围和/或空间点的信息的方向信号是可能的。方向型信号然后能够被用于进一步分析。附加地，通过将所述频谱与特性频谱相比较来划分同时地感测到的但具有不同空间原点的多个不同超声波是可能的。同时地感测到的那些超声波导致叠加的感测信号，其能够基于特性频谱的知识被划分以便为与其原点相对应的每个感测到的超声波生成方向型信号。

在另外的实施例中，处理单元被适配成针对至少一个方向型信号执行飞行时间计算。在此，估计反射目标离超声发射机元件的距离是可能的。从而，所述装置和所述方法提供了估计反射元件相对于超声测量组件的空间位置的可能性。

在另外的实施例中，处理单元被适配成将所感测到的信号的频谱与对应于空间范围的至少一个特性频率内容相比较以用于计算原点的至少一个空间区域。在这个实施例中，反射目标的尺寸被计算。因为超声波的频谱遍及角展度而改变（从超声发射机元件来看），所以能够确定什么角截面被反射目标覆盖。基于这个角截面和从反射目标到发射机元件的距离，反射目标的尺寸能够被估计。为了确定角截面，感测信号针对其频谱被分析。如果所述频谱在已知间隔中包括与多个特性频谱有关的频率内容，则能够假定反射目标正覆盖特定角截面。这个尺寸估计能够通过指出在给定距离处小目标比大目标具有更小的角尺寸而被执行。因此，大目标比小目标将更大角展度的信号往回反射到感测单元。较大目标因此将反射与在相同角位置和相同距离处的小目标具有不同的频率内容的信号。使用测距(ranging)数据，在观察窗口内的任何任意位置处的目标的尺寸能够被估计。

在另外的实施例中，超声测量组件包括布置在至少一个阵列中的多个超声发射机元件。在这个实施例中，超声测量组件包括具有多个超声发射机元件的超声换能器。优选地，全部超声发射机元件都被同时具有多个不同驱动频率的至少一个驱动信号驱动。通过使用超声发射机元件的阵列，执行二维超声扫描是可能的。基于超声波的多维特征，二维扫描能够被非常迅速地提供。进一步地，超声换能器能够包括多个阵列，其中超声发射机元件被优选地布置在矩阵结构中。从而，执行具有高分辨率和低延迟的三维超声测量是可能的。

在另外的实施例中，驱动单元被适配成单独地驱动每个超声发射机元件。在这个实施例中，每个超声发射机元件被单独地驱动。这给出了从每个超声发射机元件单独地发射超声波的优点。从而，空间测量分辨率能够被增强。将同时具有多个不同驱动频率的驱动信号的使用与相移方法组合也是可能的。在此，当需要时，多方向超声波束能够附加地被聚焦和/或转向。

在另外的实施例中，驱动单元被适配成为每个超声发射机元件生成单独的驱动信号，每个单独的驱动信号具有不同驱动频率的单独成分。通过生成具有它们的不同驱动频率的单独成分的不同驱动信号，以不对称的方式使超声发射机元件阵列或超声发射机元件矩阵的结果得到（resulting）的超声束成形是可能的，优选地结果得到的总体超声束被不对称地成形到它被发射到的每个空间方向中。术语“成形”涉及针对空间方向单独地制造频率的成分。从而，处理单元能够非常确切地并且高度确定地确定超声信号从哪一个空间方向或者从哪一个空间区被反射。具有不同驱动频率的单独成分的单独的驱动信号的使用导致非常高的设计自由度，以便在如对于单独的应用所需要的不同空间区中产生具有多个超声波长和特性频率成分的总体超声束。从而，节约不必要的空间区并且增强感兴趣区内的分辨率是可能的。附加地，将所述多个超声发射机元件划分成以非常高的分辨率覆盖特定空间区的组是可能的。

在另外的实施例中，单独的驱动信号被适配成驱动对应的超声发射机元件以便在至少两个不同的空间方向上发射超声波。从而，这个实施例提供了用发射机元件的一个阵列或矩阵单独地覆盖不同的空间区的可能性。

在再一个实施例中，驱动单元包括至少一个频率滤波器以用于接收具有多个不同驱动频率的基本信号并且以用于对基本信号进行滤波，从而生成所述单独的驱动信号中的至少一个。在此，通过设计多个频率滤波器使超声发射机元件的总体超声束成形是可能的。如果频率滤波器是FIR滤波器，则其是优选的。FIR滤波器允许驱动信号的相位和频率响应被以简单方式控制。有利的是，一个基本的宽频带输入信号能够被生成并且能够被每个频率滤波器接收。每个频率滤波器衰减不需要的频率，和/或变更驱动信号在特定频率或频率组处的相角以便为它对应的超声发射机元件生成具有所期望的多个不同驱动频率和相角的驱动信号。此外，在执行测量或者在使用超声测量组件时，如果频率滤波器能够在它们的频率滤波或相位变更特性中被改变，则其是优选的。从而，当使用超声发射机组件时，超声发射机元件阵列或矩阵的辐射图案能够被适配。因此，视需要，感兴趣的区在它们的测量分辨率方面能够被增强，其中导致动态测量的主动方法被获得。

在另外的实施例中，感测单元是至少一个麦克风。在这个实施例中，一个麦克风被用作为感测单元。优选地，麦克风被布置在至少一个超声发射机元件附近。基于上面所描述的发明方法，用一个麦克风来感测不同空间方向的多个反射的超声波是可能的。麦克风将来自一个超声发射机元件或者同样来自多个超声发射机元件的宽带信号生成为感测信号。从而，仅需要一个麦克风以用于测量来自不同空间方向的超声波的装置和方法被获得。

在另外的实施例中，超声测量组件包括布置在至少一个阵列中的多个麦克风。在这个实施例中，感测单元包括所述多个麦克风。它们能够被布置在一个线性阵列中或在多个阵列中，例如形成麦克风的矩阵。所述多个麦克风增强了感测单元的空间测量分辨率以及识别不同方向型信号的过程。多个麦克风阵列被优选地靠近发射元件布置。这是有利的，因为与至少一个超声发射机元件的轴向角度相对应的空间角度是相同的或至少非常类似的。从而，位置估计能够被直接地用相对空间角度做出。

在本发明的再一个方面，提出了包括根据本发明的超声测量组件和用于评估所确定的感测信号的频谱的评估单元的系统。

优选地，所述系统进一步包括用于基于所述评估的结果来控制电气装置，特别是照明装置、告警装置、测距装置、引导装置、音频和/或视频回放装置或车辆的控制单元。

附图说明

本发明的这些和其它方面从在下文中所描述的(一个或多个)实施例将是明显的，并且将参考在下文中所描述的(一个或多个)实施例而被阐明。在以下附图中

图1示意性地示出了根据本发明的超声测量组件的第一实施例，

图2示出了用于生成超声波的活塞（piston）源，

图3示出了针对根据图2的活塞源的作为角度和频率的函数的声强的图，

图4示出了在不同角度下对于根据图2的超声活塞源的频率响应的图，

图5示出了包括多个频率滤波器的驱动单元，

图6示出了针对超声发射机元件阵列的作为角度和频率的函数的超声波的强度的图，以及

图7示意性示出了根据本发明的系统。

具体实施方式

图1以示意图示出了超声测量组件10。它包括驱动单元12，驱动单元12经由线路14被连接到超声发射机元件18的阵列16，其形成超声换能器。驱动单元12正在生成驱动信号20，所述驱动信号20经由线路14被发射到超声发射机元件阵列16。超声发射机元件18被驱动信号20驱动，其中它们生成同时地定向到多个方向22中的超声束。超声束包括与驱动信号20的驱动频率相对应的不同波长的多个超声波。如后面将被示范性地解释的那样，不同的波根据波长和每个超声发射机元件18的尺度之间的比率扩展到不同的方向22中。从而，在不同的空间方向22上，不同频谱的超声波被发射。

所生成的超声束被发出直到它被目标反射为止。人24被作为反射对象示出。应当理解，人是反射对象的例子，但在本文中任何超声反射目标能够被使用。人24正将超声波反射在方向26中到达形式为单个麦克风28的感测单元。麦克风28正在感测经反射的超声波并且生成感测信号30，所述感测信号30经由线路32被发射到处理单元34。处理单元34包括用于接收感测信号30并且用于确定感测信号30的频谱的第一部分35。附加地，第一部分35包括正在存储涉及不同的预定义特性频谱的数据的存储装置36。进一步地，第一部分35将特性频谱与所感测到的信号30的频谱相比较以便识别发起的超声波在被反射到麦克风28之前被发送到哪一个空间方向22中。基于最大似然估计量，比较被做出并且方向被识别。最大似然估计量还能够在一个步骤中估计许多目标、到这些目标的角度、目标的尺寸以及到这些目标的距离。

然后对应的方向型信号38被生成。方向型信号38包括与其空间方向22相对应的感测信号30的信息和关于它对应于哪一个空间方向22的信息。附加地，它能够包括另外的信息，例如由最大似然估计量所获得的信息的全部或部分。进一步地，方向型信号38经由线路40被发送到处理单元34的第二部分42。这个第二部分42被适配成分析方向型信号38。特别地，它执行飞行时间计算以便确定由经反射的超声波所行经的距离。从而，基于方向22和由超声波所经过的距离的知识，人24相对于超声测量组件10的位置能够被计算。

附加地，处理单元34将所感测到的信号30的频谱与多个特性频率内容相比较。这些特性频率内容被同样存储在存储装置36内。基于这个频率内容，能够确定从阵列16发射的什么角展度的超声波已经被反射到方向26中。基于被反射的角展度和反射人24的位置的信息，人24在至少一个空间方向上的广度（extent）被计算。这个信息通过线路40被同样发射到处理单元34的第二部分42以用于进一步分析和/或输出目的。

总之，测距（ranging）、角位置以及尺寸估计通过分析被人24反射的超声波而成为可能的。为了能够正确地解析这些特征，优选的是，麦克风28 (或对应的麦克风阵列)被与阵列16并置。测距能够在处理单元34内通过标准飞行时间技术来执行。角位置估计通过使经反射的超声波的频谱与存储装置36的特性频谱相匹配而被执行。最接近匹配给出反射人24的最可能的角位置。在优选实施例中，较高的分辨率通过使用内插法和统计过程来提高所估计的角位置的角分辨率而被获得。尺寸估计能够通过指出（noting that）在给定距离处小对象24比较大目标具有更小的角尺寸而被执行。因此，较大目标比小对象24将更大的角展度的超声波往回反射到麦克风24。与在相同角位置和相同距离处的小目标相比，大目标因此将反射具有不同频率内容的信号。使用测距数据，在观察窗口内的任何任意位置处的目标或对象的尺寸能够被估计。

图2示出了超声发射机元件44的简单版本。超声发射机元件44是针对超声波的活塞源44。它包括直径近似8 mm的圆形发射表面46。活塞源44由压电材料制成，所述压电材料被驱动单元48驱动。在替换的实施例中，活塞源还能够是不同类型的，例如静电超声发射机元件、磁致伸缩超声发射机元件或适合于发射超声波的任何其它换能器。驱动单元48生成交流电压作为同时具有多个不同驱动频率的驱动信号。这个驱动信号经由线路50被发送到活塞源44。基于通过线路50所发射的交流电压的频率，压电元件收缩和膨胀。从而超声波52在发射表面46处被生成。

图3示意性地示出了在图2中所示出的活塞源的方向性图案。图3示出了包括横坐标56的图54，所述横坐标指的是从发射表面46所看到的发射角度，其中值零描述轴向到发射表面46的角度。附加地，图54包括纵坐标58，其描述通过线路50的驱动信号的不同频率。横坐标56指的是测量单位度数并且纵坐标58指的是测量值赫兹(Hertz)。在该图内，显示声压级中的常数值的多条线被示出。为了更好的可视化，特定的值间隔的值被以相同的方式来描绘。必须理解，在诸线之间的值实际上随着连续地变化的梯度而改变。从而，值的连续且非线性的改变在图54中被给出。

线60表示具有-5 dB的声压级的值的最高点。起源于线60，声压级在另一条线62处减少至-40 dB的值。然后下一个局部最大值在线64处被给出，其具有-25 dB的值。从那里，值不断减少至具有值为-34 dB的线66并且不断下降。如所示，对于轴向到活塞源44的发声表面46的角度而言，线60也是对于不同侧的声强的对称轴。

基于超声频率与活塞源44的尺度之间的物理关系，波束图案将是基本上全方向的。这个能够特别针对在图顶部上的10 kHz的频率被看到。在这个频率处，遍及从-90至+90度的整个角展度，强度相差不多。对于其中所发射的超声的波长比活塞源的尺度短得多的频率来说，波束图案将在轴向方向上形成窄波瓣。这个能够特别针对特别是在横坐标56处的90 kHz的频率被看到。进一步地，在这个频率处，两个旁波瓣（side lobe）被生成。

因此，在活塞源44的操作频率范围上，一些频率将以全方向辐射特性被发射并且一些频率将在窄波束中被发射。在相对于活塞源44的轴向方向的各种角度处，所发射的波束52的频率响应因此将是大不相同的。然而，频谱从一个角度到附近角度的差异幅度越大，实现的测量分辨率将越高。

图4示出了对于不同角度的频率响应。特别地，图4示出了包括横坐标70和纵坐标72的图68。在这个图68中，横坐标70描述了根据图3中的纵坐标58的频率。纵坐标72描述声压级，其在图3中由所示出的多条线来描述。声压级在这里同样被用单位dB给出。在图68内，第一曲线74被示出。这个第一曲线74表示在0度处的声压级的进展。示出的是，在0度处声压级对于所有频率来说是恒定的。

附加地，第二曲线76被示出，第二曲线76描述了在40度(以及同样地-40度)的角度下活塞源44的声压级的进展。最后，第三曲线78被示出，其描述了在80度(相应地-80度)的角度下针对活塞源44的声压级的进展。如所示，位于活塞源44的角观察窗口内的任何反射目标取决于目标相对于活塞源44的角位置将反射具有大不相同的频率响应的信号，其具有单独的频谱。

因为这个例子描述了基本原理，所以必须理解，频率场包括相对于发射表面46的轴向的旋转对称。这个对称在声场中导致其中频率响应是相同的多个位置。这能够通过使用麦克风阵列来克服，其中经反射的超声波在元件之间以小时间差到达。那些差在特定条件下足以解析这个含糊。在这种情况下有利的是，任何模拟至数字转换器的抽样速率被设置成足够高来解析角差的速率，所述角差足够精细以便去除与超声发射的旋转对称有关的含糊。

抽样速率fs (赫兹)表示在一秒中采集到的样本的数目。因此样本之间的时间间隔T由1/fs (秒)来给出。能够被系统测量到的最短时间间隔因此是T秒。对于给出麦克风间距d的一对麦克风，简单三角学允许最小感测角度被确定

，

其中

是以弧度为单位的最小感测角度，并且c是声音在介质中的速度(在S.T.P.下在空气中近似343 m/s)。相反地，如果已经知道最小感测角是需要的，则等式能够被重新布置成确定被系统所需要的抽样速率fs

。

图5更详细地示出了图1的驱动单元12和图1的超声发射机元件阵列16。布置在阵列16中的多个超声发射机元件18的使用通过主动地控制发射机阵列16的方向性图案以便将所需要的属性给予（impart）到声场中而导致高的空间测量分辨率。换句话说，声场能够被以这样的方式不对称地设计，即，观察窗口的每个空间方向包括超声频率的单独成分。反射的超声波因此是唯一地可识别的。超声发射机元件阵列16在不同的空间方向上没有含糊地发送超声波，并且超声测量组件的角分辨率能够被制成极其高的。

驱动单元12包括信号源80。信号源80生成经由线路82被发射到滤波器块84的宽频带输入信号。滤波器块84包括多个FIR滤波器86。每个滤波器86被以单独的方式设计以便生成具有不同驱动频率的单独成分的第一信号。每个滤波器通过对应线路88将其第一信号发射到多通道放大器90。多通道放大器90包括多个单独的放大器92。放大器92单独地放大来自对应线路88的第一信号。来自放大器92的经放大的信号是经由线路94发射到超声发射机元件阵列16的对应发射机元件18的单独的驱动信号。

这些FIR滤波器86能够被设计成提供由超声发射机元件阵列16所生成的超声束的不对称方向性图案。作为结果，来自超声发射机元件阵列16的每个角方向发送具有唯一频谱的经组合的超声波。附加地，确保频谱的快速改变随着角度的改变而被给出是可能的。具有改变的角度的这个快速改变提供高的角分辨率，从而允许小目标被非常确切地解析。采用这样的阵列，对于在现有技术中所描述的系统而言可能是特别成问题的混淆问题能够被用来增强本发明的角分辨率。

在另外的实施例中可以想象的是，声场能够被使得在三个维度上是不对称的以便允许在观察窗口上的三维测距和定位，从而描述立体角。这能够通过使用二维换能器矩阵来实现。例如，由8乘8个超声换能器元件构成的换能器栅格能够被用来在水平平面和垂直平面中提供非常高的角分辨率。

FIR滤波器的设计对于超声测量组件的性能而言是至关重要的。FIR滤波器的设计目的是提供其频率响应随着角度迅速地变化的不对称方向性图案。这些FIR滤波器的这种设计能够使用数值优化过程来实现。描绘在感兴趣的每个角度下的所期望的频率响应的目标函数T能够作为数值优化问题（例如，最小均方优化）的输入被提供。转移矩阵M (n, t)规定了从超声发射机元件阵列16的超声发射机元件18中的每一个到在该目标函数中所规定的t个测量点中的每一个的转移函数。这个转移函数能够得自数学方法或者能够通过做测量而被规定。为了找到在每个发射机元件18处所需要的复杂相位响应（complex phase responds），针对频率向量x的以下矩阵等式必须被求解：

Mx = T。

这个矩阵等式还能够通过数值方法被求解。在没有对于其来说Mx = T的确切向量x存在的情况下，优化过程选择将最接近数学匹配提供给目标函数T的最佳频率向量x'。这个过程必须针对感兴趣的每个单独的频率被完成。在整个频率范围之上建立完整的频率向量x'允许计算FIR滤波器86的设计。例如，时域滤波器核心可以通过对频域数据执行逆傅里叶(Fourier)变换而被得到。

多频率聚束(beaming)能够通过用FIR滤波器86对来自信号源80的宽带输入信号进行滤波来实现。这个能够在时域中或者在频域中被完成。

附加地，滤波器应该被设计成确保所有超声发射机元件在它们的安全操作限制内被驱动以便防止在超声发射机元件处的故障。这能够通过对优化方案应用边界条件以便确保在每个换能器处的功率水平决不超过等级来被完成。

反射对象24的尺寸能够通过分析所感测到的信号26的频谱被估计。将所感测到的信号的谱与特性频谱相比较能够通过将所感测到的信号的频谱与目标函数t或更适当地T'相比较来完成，其中：

Mx' = T'。

在本文中x'是经优化的滤波器设置。得到目标的相对于超声发射机元件阵列16的位置的在被观察角宽度中的角位置是可能的。

对于方向型信号使用来自处理单元34的飞行时间信息，到对象24的距离能够被计算。与基本三角法一起使用到反射目标24的距离和反射对象24的角宽度，反射对象24的近似尺寸能够被计算。这对于跟踪目的来说是特别有用的，例如人类将具有特性尺寸并且将容易地被跟踪。比人类更大或更小的目标能够被使用超声测量组件的控制系统忽略。

将所感测到的信号的频谱与目标函数相比较能够使用最大似然估计量被完全自动化。在这种情况下所观察到的数据Γ：

。

在其中，Θ是要被估计的所有参数的向量，所述参数例如角位置、距离、尺寸等。进一步地，η是测量系统的噪声估计并且X是对Θ操作以便提供实际的无噪声系统数据的函数。似然函数能够被生成，所述似然函数给出了给定噪声η和给定的一组实际的系统数据X(Θ)的条件下它将观察到数据Γ的可能性有多大的量度。通过使似然性最大化，或者使用对数似然函数，最可能的一组实际的系统数据能够被得到。这个在参数Θ被选择使得实际的系统数据X(Θ)和噪声估计提供针对所测量到的数据Γ的最佳匹配时被实现。优选的是经由最小均方型优化来获得这个。附加地，Θ中参数的数目能够被选择来反映观察窗口中反射目标的数目、这些目标的角位置和尺寸以及这些目标离发射机的距离。最大似然优化然后给出对于所有这些量的最佳估计。

图6示出了具有横坐标98的另外的图96，所述横坐标用度数来描述相对于8元件换能器阵列的轴向方向的角度。它同样包括具有以Hz为单位的频率的纵坐标100。如所示，8元件阵列已提供有导致第一超声束102和第二超声束104的驱动信号。第一超声束102在相对于轴向方向-90至大约-10度内被发射。第二超声束104大约在相对于轴向方向-20至80度之间被发射。超声束102和104两者因此被定向在不同的空间方向上。附加地，随着那些束出现的旁波瓣具有小声压级，其中束102和104不以相关方式干涉。从而，通过为8元件阵列的每个超声发射机元件设计驱动信号，特定空间范围能够被单独的束排他地覆盖。

图7示意性地示出了根据本发明的系统200的实施例。系统200包括如上面所描述的根据本发明的超声测量组件10和用于评估感测信号30的所确定的频谱的评估单元210。评估单元210可以是与处理单元34(见图1)分离的单元或者可以对应于处理单元34的第二部分42。进一步地，优选地，所述系统200包括用于基于在所述评估单元210中所执行的所述评估的结果来控制电气装置230，特别是控制照明装置、告警装置、测距装置、引导装置、音频和/或视频回放装置或车辆的控制单元220。将参考几个特定的示范性(非限制性)应用来解释系统200的优选实施例。

优选应用是在给定空间内的人类、目标和/或动物的检测。高准确性和低延迟允许例如从相对少的传感器观察大的办公室空间。占用水平能够在局部基础上被确定，从而允许智能节能照明控制系统仅将光导向到其被需要的地方，也就是说人存在或前往的地方。因此，本发明的系统能够被用来将反馈提供给照明系统以便不仅知道是否有人存在，而且知道人在房间里的地方以便他们在那时能够被提供有最佳照明，并且以便通过在它不被需要的地方降低光水平来降低能量消耗。

存在检测在诸如告警系统等之类的许多领域中可能是重要的。因为所提出的系统能够准确地跟踪目标的尺寸和位置，所以区分猫/野生动物和实际的人类闯入者可能是能够的。

作为另外的应用，人的存在能够在电视前面被检测到。在不存在观众的情况下，电视将被自动地关闭。附加地，区分不同观众的大小以便估计它们的年龄将是有利的。如果用户被估计为小的（例如小孩），则这能够被用来激活家长控制。

作为另外的应用，到用户的范围以及用户的角位置和/或用户的数目也能够被用来控制声音系统的输出，从而允许声音重放例如在家庭影院设定中的优化。

在又一个应用中，低的系统延迟允许在扩展的观察窗口中实时地跟踪多个目标。这能够被用于跟踪工作环境中的个体。系统还能够被用来在某人被检测到接近越限的区域（例如机器的危险工作区域）的条件下提供警报。

作为另外的应用，延迟跟踪还能够被用作为输入以便控制机器。例如照明控制能够通过被用超声测量组件跟踪的简单手势而成为可调光的。系统还能够本身被用作为针对个人计算机和/或视频游戏控制台的输入装置，或者与诸如基于视频相机或红外线跟踪技术的给定视频游戏控制器之类的其它技术相结合地使用。通过将那些控制装置与预定的超声测量组件组合，具有较高的准确性和较低的延迟的更鲁棒的控制系统被获得。

更进一步地，对于机器人系统来说，所述系统能够被用作为测距和引导系统。本发明的低延迟意味着它能够理想地适于这个应用。最后，所提出的系统能够作为用于汽车的停车传感器被提供，其中障碍物的尺寸以及距离能够被可靠地识别，所述障碍物即墙壁或系船柱等。

虽然已经在附图和前面的描述中详细地说明并且描述了本发明，但是这样的说明和描述将被认为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。所公开的实施例的其它变例能够被本领域的技术人员在实践所要求保护的发明时从对附图、公开以及所附权利要求的研究来理解和实现。

在权利要求中，词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。特定手段被记载在相互不同的从属权利要求中的仅有事实不指示这些手段的组合不能够被用来获利。

权利要求中的任何附图标记不应该被解释为限制范围。

Claims (15)

1. 超声测量组件(10)，包括：

- 超声发射机元件(18, 44)，其用于发射超声波，

- 驱动单元(12, 48)，其用于驱动所述超声发射机元件(18)，其中所述驱动单元(12, 48)被适配成用同时具有多个不同驱动频率的驱动信号(20)来驱动所述超声发射机元件(18, 44)，

- 感测单元(28)，其用于感测超声波(52)并且用于响应于感测到的超声波(52)来生成感测信号(30)，以及

- 处理单元(34)，其用于接收所述感测信号(30)并且用于确定所述感测信号(30)的频谱。

2. 如权利要求1中所要求保护的超声测量组件(10)，其中所述处理单元(34)被适配成将所感测到的信号(30)的频谱与对应于空间方向(22)的至少一个特性频谱相比较以用于识别至少一个方向型信号(38)。

3. 如权利要求2中所要求保护的超声测量组件(10)，其中所述处理单元(12, 48)被适配成针对所述至少一个方向型信号(38)执行飞行时间计算。

4. 如权利要求2中所要求保护的超声测量组件(10)，其中所述处理单元(12)被适配成将所感测到的信号(30)的频谱与对应于空间范围的至少一个特性频率内容相比较以用于计算原点的至少一个空间区域。

5. 如权利要求1中所要求保护的超声测量组件(10)，其包括布置在至少一个阵列(16)中的多个超声发射机元件(18, 44)。

6. 如权利要求5中所要求保护的超声测量组件(10)，其中所述驱动单元(12)被适配成单独地驱动每个超声发射机元件(18, 44)。

7. 如权利要求6中所要求保护的超声测量组件(10)，其中所述驱动单元(12, 48)被适配成为每个超声发射机元件(18, 44)生成单独的驱动信号，每个单独的驱动信号具有不同驱动频率的单独成分。

8. 如权利要求7中所要求保护的超声测量组件(10)，其中所述单独的驱动信号被适配成驱动所述相应的超声发射机元件(18, 44)以便在至少两个不同的空间方向(22)上发射超声波。

9. 如权利要求7中所要求保护的超声测量组件(10)，其中所述驱动单元(12, 48)包括至少一个频率滤波器(86)以用于接收具有多个不同驱动频率的基本信号并且以用于对基本信号进行滤波，从而生成所述单独的驱动信号中的至少一个。

10. 如权利要求1中所要求保护的超声测量组件(10)，其中所述感测单元(28)包括至少一个麦克风(28)，特别地包括布置在至少一个阵列中的多个麦克风(28)。

11. 用于超声测量组件(10)的超声发射机，包括：

- 超声发射机元件(18, 44)，其用于发射超声波，以及

- 驱动单元(12, 48)，其用于驱动所述超声发射机元件(18)，其中所述驱动单元(12, 48)被适配成用同时具有多个不同驱动频率的驱动信号(20)来驱动所述超声发射机元件(18,44)。

12. 用于超声测量组件(10)的感测组件，包括：

- 感测单元(28)，其用于感测超声波(52)并且用于响应于感测到的超声波(52)来生成感测信号(30)，以及

- 处理单元(34)，其用于接收所述感测信号(30)并且用于确定所述感测信号(30)的频谱。

13. 用于执行超声测量的方法，包括以下步骤：

- 提供超声发射机元件(18)以用于发射超声波，

- 生成同时具有多个不同驱动频率的驱动信号(20)，

- 用所述驱动信号(20)来驱动所述至少一个超声发射机元件(18)，

- 感测超声波(52)，

- 响应于感测到的超声波(52)来生成感测信号(30)，以及

- 确定所述感测信号(30)的频谱。

14. 系统，其包括：

- 如权利要求1中所要求保护的超声测量组件(10)，以及

- 用于评估所确定的所述感测信号(30)的频谱的评估单元(210)。

15. 如权利要求14中所要求保护的系统，其进一步包括控制单元(220)，所述控制单元用于基于所述评估的结果来控制电气装置(230)，特别是控制照明装置、告警装置、测距装置、引导装置、音频和/或视频回放装置或车辆。

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