CN106170715B - 用于基于声的环境探测的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提出一种用于基于声的环境探测的设备和方法。所述方法包括以下步骤：从接收信号(r(t))中分离潜在地包括有用信号的第一部分信号(sj(t))；从所述接收信号(r(t))中分离潜在地包括干扰信号的、与所述第一部分信号不同的第二部分信号(si1(t))；从所述第一部分信号(sj(t))中减去所述第二部分信号(si1(t))；并且将差值与阈值(L)进行比较。由此得到接收信号的如下评估：所述接收信号的质量是否适用于环境信息的分析处理。

Description

用于基于声的环境探测的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于基于声的环境探测的设备和方法。本发明尤其涉及换能器信号的如下评估：所述换能器信号的质量是否适用于环境信息的分析处理。

背景技术

在声学环境探测时，到达接收器上的期望信号的信号强度、噪声的信号强度与在回波周期期间——也就是说在发送声学测量信号之后直至如下时刻的时间段中：在该时刻不再能够预期有意义的回波信号的到达——可能由外部系统或外部通道输入的能量的信号强度的比例可能改变。这例如可以基于介质的传输特性的短期波动、噪声信号的强度变化或者通过外部系统输入的信号的强度变化或基于噪声信号强度或外部信号信号强度的组合的变化得出。在接收器中，有用信号、外部信号和噪声加性叠加，也就是说，在信号的接收时间段期间接收的能量作为各个能量的总和得出。

普罗科斯(Proakis)的《数字通信(Digital-Communications)》，第三版，McGraw-Hill有限责任公司，1995年国际版在第5-2章并且尤其在第264页阐述：在信号探测时的可信度——也就是说错误率如何与有用信号相对于噪声信号的比例或与有用信号相对于外部信号的比例相关。此外，香农(Shannon)的工作阐述并示出：在高斯噪声的情况下信号探测的可靠性如何与有用信号相对于噪声的比例(SNR，英文Signal-to-Noise-Ratio：信噪比)相关，并且在高斯噪声的情况下的SNR至少必须超出一个值ln2(等于0.69)——所谓的“香农极限”。

DE 10 2004 006 015提出一种高效的方法，其中，在回波周期之前求取干扰性噪声信号的和干扰性外部信号的强度并且相应地在回波周期之内考虑所述强度。在此，前提条件是：在回波周期期间干扰性信号的强度不发生改变。

DE 10 2009 054 667描述一种方法，通过该方法在声学环境探测时确定传输特性并且在随后的信号分析处理时考虑所述传输特性。对于用于声学环境探测(或者基于回波或基于环绕倾听(Rundhorchen))的设备，存在对信号质量的简单的并且计算技术有利的估计的需求。

发明内容

根据本发明，上面提及的任务通过用于基于声的环境探测的方法以及相应的设备来解决。对此提出，从声换能器的接收信号中分离潜在地包括有用信号的第一部分信号。这可以例如通过滤波(模拟的或数字的)实现。重要的仅仅是：基本上完整地检测有用信号并且至少部分地减弱干扰份额。在第二步骤中，从同一接收信号中分离第二部分信号，所述第二部分信号潜在地包括干扰信号。相应地，第一部分信号和第二部分信号互相区分。所述干扰信号例如可以包括噪声和/或外部有用信号。所述外部有用信号显然可以分配给同一系统并且通过同一系统使用，如有用信号那样。仅仅对于所考虑的系统区段或者接收信号的后续分析处理，外部信号不构成用于环境探测的参量。在另一步骤中，从第一部分信号中减去第二部分信号。视所述系统的构型而定，这可以在时域中进行或者在部分信号的优化的整流之后进行。随后，将所求取的差值与预先定义的阈值进行比较。根据所述阈值判断：潜在地包含在第一部分信号中的有用信号是否足够纯净地存在，从而在后续的分析处理步骤中可以在使用所述第一部分信号的有用信号的情况下进行环境探测；或者所包含的干扰是否使这样的使用显得不可取。相对于通常为了求取噪声距离而实施的除法，根据本发明提出的减法能够显著更简单地且更成本有利地实施，从而本发明在基于声的环境探测的情况下能够实现成本优点和性能优点。

下述说明中示出本发明的优选的扩展方案。

优选地，可以在减法之前对第一部分信号进行整流。对此，可以使用全部在现有技术中已知的电路和方法。由此，简化了信号处理并且所述两个部分信号相对于彼此的相位(Phasenlage)不再如此巨大。

为了使电平或差值匹配于所述阈值，可以在所述减法之前对第一部分信号和/或第二部分信号进行加权。换言之，使部分信号或部分信号中的一个乘以恒定的因子。优选地，潜在地包括干扰信号的第二部分信号乘以<1的一个因子，以便降低所述第二部分信号的电平并且使所述第二部分信号的能量或功率密度匹配于时常窄带的、经分离的、潜在的有用信号。

还可以在所述减法之前对所述第二部分信号或者经加权的所述第二部分信号进行整流，由此，部分信号的相位信息失去其对减法结果的影响。如果从不同份额的信号出发——这在声学环境探测中是接近现实的，所述整流可以仅仅限于正或负的信号时间区段上，由此能够非常简单地且成本有利地(例如借助二极管)实施整流。

有用信号可以构型为所发送的测量信号的回波。尤其在超声范围中，测量信号的发送和通过测量信号激发的回波的分析处理是通常的且被证实的途径，所述途径可以根据本发明来改善。

所述第一部分信号的和/或所述第二部分信号的所述分离可以包括所述接收信号的经匹配的滤波。在此，视所预期的有用信号的性质(Natur)而定，在此，时间变化的频带为了分离线性调频(Chirp)可以产生第一部分信号。然而，原则上也能够实现更复杂的滤波过程或分离过程。两个原理上的可能性涉及待研究信号的领域。换言之，有用信号或接收信号在时域中被处理和/或作为信号的经转换的信号在频域中被处理。对于变换例如可以使用沃尔什变换或傅里叶变换。

以上讨论的步骤能够如下实现接收信号的预先处理：求取接收信号的对于在基于声的环境探测中的使用的适用性并且可以决定接收信号的使用。即如果求取到接收信号的强烈干扰，则不能够确保关于可能存在的环境对象的可靠的分析处理，并且接收信号的丢弃比有错误的探测或不探测的容忍更可取。

在此，对于所述差值小于所述阈值的情形，输出预先定义的信号和/或完全不输出信号。所述预先定义的信号或者信号的不存在可以由后续的探测单元归类为无效的输入信号分类并且被丢弃。响应于此，可以基于其他接收信号来实施探测或者以如下输出错误报告：所述系统的按照规定的功能被折衷(kompromittiert)。

优选地，所述方法可以包括：求取第一部分信号的和/或第二部分信号的和/或两个部分信号的差值的与电平相关的参量的时间变化过程。这样的与电平相关的参量例如可以构型为接收信号的包络或构造为经整流的接收信号。在第二步骤中，可以响应于所述与电平相关的一个或多个参量的求取地匹配第一回波周期与优选地紧跟随所述第一回波周期的第二回波周期之间的持续时间。即视部分信号的与电平相关的参量的时间变化过程而定，可以估计相对于可能存在的对象的距离并且使周期持续时间匹配于在所述对象的研究中待估算的信号传播时间。

例如可以在用于环境探测的一个唯一的回波周期内实施上述步骤。作为回波周期，通常应理解为在测量信号的发送与以下预先定义的时刻之间的持续时间：在所述预先定义的时刻不应再预期能够合理地分析处理的回波。因此，本发明也可以理解为“周期内SNR估计及阈值跟踪”。

容易理解的“干扰者”类型是由自身系统发送的信号，如其在以下情况出现的那样：当同时或在同样的回波周期中发送多个彼此不同的声学测量信号时。这样的信号产生回波，所述回波通常通过相应地设计的、不同的滤波器来探测。在能够容易控制的介质——例如线缆的情况下，对此愿意使用所谓的正交调制(例如在DSL情况下的OFDM(orthogonalfrequency divided modulation：正交频分调制))。在此，传输通道——也就是说测量信号和所属的接收滤波器分别如此构型，使得它们在同时发送的其他测量信号的传输通道中不产生本质的输出信号。在声学环境探测中，基于多个可能的反射点且因此基于信号强度和回波传播时间实际上几乎不能够实现这样的正交设计。该问题尤其存在于使用窄带高谐振超声换能器的情况下。然而，因为根据已知的环境条件例如借助在DE 10 2009 054 667中描述的方法、借助通常时不变的相应的传输函数可以描述多个测量通道之间的传输特性，所以根据在一个通道上的信号的强度可以推断出在第二通道中的信号的强度。如果对所考虑的有用信号的干扰作用过大，则可以推断出信号决定的品质。尤其在回波传播时间期间变化的信号强度的情况下——如其在借助脉冲测量的环境检测的情况下普遍的那样，在这样的根据香农的基础研究和根据普罗科斯的阐述的品质评估时，两个参量“有用信号”和“外部信号”的比例是决定性的。因此，在一种构型中，可以从所述接收信号中分离潜在地包括第二有用信号的第三部分信号。根据关于第一部分信号和关于第二部分信号的实施能够实现所述第三部分信号的可选的加权。同样能够实现这些部分信号的与1不同的加权的每种组合。此外提出，从第一部分信号中减去第三部分信号，如这之前对于通常的干扰信号或噪声描述的那样。随后，将差值与预先定义的阈值进行比较。

相应地，可以从接收信号中分离在另一通道上预期的有用信号(后续“第三有用信号”)并且将其用于干扰距离研究。例如可以在进行通道自身的有用信号的根据本发明的减法之前首先汇总通道外部的有用信号。这可以包括外部信号的最大值形成或者“或”运算(oder-Verknüpfung)。以这种方式，在进行根据本发明的用于评估SNR的减法之前实施现存的干扰参量的与电平相关的选择。

根据本发明的第二方面，提出一种用于基于声的环境探测的设备，所述设备设置用于实现上述方法的优点。为此，所述设备具有声换能器(例如超声换能器)、第一滤波器(模拟的或数字的)以及减法机构。第一滤波器也可以理解为“分离机构”，借助所述第一滤波器避免其功能范围的可能被限定到频域上的解读。此外设有评估单元，所述评估单元例如可以实施通过减法机构产生的差值与参考值(阈值)的比较。所述声换能器设置用于接收(必要时也用于发送)用于环境探测的声学信号。所述声换能器实施到电领域中的转换以及用于第一滤波器的对应的电信号的提供。根据本发明的设备的工作方式如此显而易见地根据关于根据本发明的方法得出，使得为了避免重复，参考上述实施。

可选地，所述设备也可以包括加权机构，所述加权机构以与1不同的因子实施第二部分信号的和/或第一部分信号的可选的加权。由此，可以实现不同的部分信号的能量匹配，并且例如通过使用分压器，可以一方面将合适的值用于所述减法，另一方面将合适的值用于与参考值或阈值的比较。

通过使用附加的滤波器可以从接收信号中分离其他有用信号。尤其在空间上汇总的系统(例如具有用于基于声的环境探测的系统的运动工具)内使用不同有用信号的情况下，可以识别并且根据本发明考虑外部通道的有用信号对所考虑的通道的声换能器的串扰

对于本发明的全部方面可以设置输入滤波器，通过所述输入滤波器将输入信号的理论上无限的功率限制到总带宽上。置于输入滤波器后面的用于分离一个或多个有用信号的滤波器优选地根据所预期的信号来匹配(英文：“matched”)并且以其带宽处于输入滤波器的通带内。在用于分离的滤波器后面分别连接有用于确定有用信号的或接收信号的强度的装置。为了简单的示意性说明，所述装置可选地分别由一个整流装置和一个低通滤波器组成。借助阈值预给定来生成参考信号并且借助阈值开关来求取由两个信号构成的差值。作为用于信号评估的设备的示例例如可以使用简单的开关，所述开关仅当有用信号处于最低品质中时——即具有最小值时，才在距离求取单元的输入端上输出所接收的信号。否则输出预先定义的或预先调节的值(例如0)。根据本发明，可以借助阈值预给定来在品质判断中相对简单地考虑最小信噪比并且相应地做出使用或不使用的决定。在借助高谐振且因此窄带的换能器进行超声-环境监视时，可以不用单独实现的输入端滤波器，因为换能器本身具有窄的通带范围。

附图说明

后续参照附图阐述本发明的实施例。附图示出：

图1示出方框图，所述方框图直观表示根据本发明的设备的一个实施例；

图2示出根据本发明的设备的一种替代实施例的方框图；以及

图3示出流程图，所述流程图直观表示根据本发明的方法的一个实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的设备1的一个实施例的方框图。通过作为声换能器的超声换能器5，作为接收信号r(t)的环境噪声到达输入端2。在输入端2后面连接输入端滤波器3，借助所述输入端滤波器发生接收信号r(t)的通过前滤波的预处理。经预处理的信号到达经匹配的多个滤波器10、11、12，所述多个滤波器分别与接收信号的不同的部分信号相协调。经匹配的第一滤波器10设置用于从接收信号r(t)中分离第一有用信号Sj(t)。经匹配的第二滤波器11设置用于从接收信号r(t)中分离第一外部通道有用信号Si1(t)(有用信号，所述有用信号针对与所考虑的通道不同的通道被确定)。经匹配的第三滤波器12设置用于从接收信号r(t)中分离第二外部通道有用信号Si2(t)。在本例中，将经匹配的滤波器10、11、12的输出被引导到相应的加权机构20、21、22上。在此，并非全部加权机构20、21、22必须使用与1不同的加权因子或者必须一般而言存在。附加地，加权机构20、21、22实施部分信号Sj(t)、Si1(t)、Si2(t)的整流。关于外部通道有用信号Si1(t)、Si2(t)，在连接在后面的汇总单元70中进行包含外部通道有用信号的部分信号Si1(t)、Si2(t)的最大值考虑。换言之，将电平最强的部分信号Si1(t)、Si2(t)分别提供到连接在后面的减法机构302上并且从经加权的第一部分信号Sj(t)中减去。在比较器305中将差值与阈值L进行比较将结果转发到评估单元59上。响应于预先确定的比较结果地，评估单元59将第一部分信号Sj(t)转发到输出端60上，从而仅仅考虑包含适合用于随后的环境探测的有用信号。

图2示出与已在图1中示出的电路对应的一个实施例的模拟的构型。在此，经匹配的滤波器10、11、12构型为模拟的带通滤波器，其中，通带范围Bs1分别仅部分地与经匹配的滤波器11、12的通带范围Bs2和Bs3重叠(见谐振频率位置f₀的相应位置)。在经匹配的第一滤波器10后面连接有加权机构20，所述加权机构包括作为整流器的桥电路200和用于对经整流的信号进行平滑的低通滤波器RC。在其余的经匹配的滤波器11、12后面也连接有加权机构21、22，所述加权机构具有桥电路210或220和低通RC。为了进行加权，在后面连接有分压器30、40、50，并且在用于外部通道有用信号的信号路径的情况下还在后面连接有用于对输出取“或”的二极管D。二极管D的输出端通过欧姆电阻3接地。通过二极管D实现用于外部通道有用信号输出的最大值函数。通过作为减法机构的运算放大器302从在其正输入端上存在的经加权的第一部分信号Sj(t)中减去所述最大值信号。运算放大器302通过欧姆电阻301和欧姆电阻303反馈。该运算放大器的输出信号通过开关304的控制来决定：所述电路的输出端60是否获得预先定义的输出值0或第一部分信号Sj(t)。

图3示出根据本发明的方法的一个实施例的方法步骤。在步骤100中，借助用于环境探测的系统的超声换能器接收接收信号。换能器将接收信号转换到电领域(elektrische

)中，并且在步骤200中实施输入端滤波，借助所述输入端滤波伴随着接收信号的频带限界。在步骤300中，将部分信号从接收信号中分离，在所述接收信号中，第一部分信号潜在地包含有用声，第二部分信号包含相对于第一部分信号增加的干扰声份额，第三部分信号和第四部分信号分别包含外部通道的潜在的有用信号(外部通道有用信号)。在步骤400中进行部分信号的整流，并且在步骤500中进行外部信号的加权，以便随后的减法根据本发明导致一个结果：所述结果与用于求取信噪比的除法等值。对此，在步骤600中将第三和第四部分信号通过最大值函数汇总，并且在步骤700中将所述结果从第一部分信号中减去。在步骤800中进行所述差值与预先定义的阈值的比较，其中，求取：根据本发明确定的信噪比是否适合于本目的。随后，在步骤900中，求取所述第一部分信号的和/或所述第二部分信号的和/或所述两个部分信号的差值的与电平相关的参量的时间变化过程并且响应于此地在步骤1000中匹配第一回波周期的开始与紧跟随所述第一回波周期的第二回波周期的开始之间的持续时间。随后，在步骤1100中，响应于所述差值与所述阈值之间的比较结果地提供用于基于声的环境探测的第一部分信号或者将预先定义的固定的信号转发到连接在后面的用于距离求取的系统上。

Claims (18)

1.一种用于基于声的环境探测的方法，所述方法包括以下步骤：

从接收信号(r(t))中分离潜在地包括有用信号的第一部分信号(Sj(t))；并且

从所述接收信号(r(t))中分离潜在地包括干扰信号的、与所述第一部分信号不同的第二部分信号(Si1(t))；

其特征在于，包括下述步骤：

从所述第一部分信号(Sj(t))中减去所述第二部分信号(Si1(t))；

将差值与阈值(L)比较，

从所述接收信号(r(t))中分离潜在地包括一外部通道的第二有用信号的第三部分信号(Si2(t))；

从所述第一部分信号(Sj(t))中减去(700)所述第三部分信号(Si2(t))；并且

将该差值与所述阈值(L)进行比较(800)。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

对所述第一部分信号(Sj(t))或第二部分信号(Si1(t))进行整流(400)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括：

对所述第一部分信号(Sj(t))和/或所述第二部分信号(Si1(t))进行加权(500)。

4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括：

对经加权的所述第二部分信号(Si1(t))进行整流(400)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

所述有用信号是所发送的测量信号的回波，和/或

所述第一部分信号(Sj(t))的和/或所述第二部分信号(Si1(t))的所述分离包括所述接收信号(r(t))的经匹配的滤波。

6.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

如果所述差值大于所述阈值(L)，则使用(1100)所述第一部分信号(Sj(t))用于分析处理基于声的环境探测。

7.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

如果所述差值小于所述阈值(L)，则输出预先定义的固定的信号和/或不输出信号。

8.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

求取(900)所述第一部分信号(Sj(t))的和/或所述第二部分信号(Si1(t))的和/或所述第一部分信号(Sj(t))与所述第二部分信号(Si1(t))的差值的与电平相关的参量的时间变化过程；

响应于所述与电平相关的一个或多个参量的求取地匹配(1000)第一回波周期与跟随所述第一回波周期的第二回波周期之间的持续时间。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在用于环境探测的共同回波周期之内实施全部步骤。

10.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括：

从所述接收信号(r(t))中分离潜在地包括一外部通道的第三有用信号的第四部分信号；

汇总(600)所述第三部分信号(Si2(t))的和所述第四部分信号的最大值。

11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述测量信号在超声范围中。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二回波周期紧跟随所述第一回波周期。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述汇总(600)包括比较或构造所述第三部分信号(Si2(t))的和所述第四部分信号的最大值。

14.一种用于基于声的环境探测的设备，所述设备包括：

声换能器(5)；

第一滤波器(10)；

减法机构(302)；和

评估单元(59)；其中，

所述声换能器(5)设置用于接收用于环境探测的声学信号；

所述第一滤波器(10)设置用于分离所述声换能器(5)的接收信号(r(t))的潜在地包括有用信号的第一部分信号(Sj(t))；其中，以及

其特征在于，

第二滤波器(11)；其中，

所述第二滤波器(11)设置用于从所述接收信号(r(t))分离潜在地包括一外部通道的第二有用信号的第三部分信号(Si2(t))；以及

所述减法机构(302)设置用于从所述第一部分信号(Sj(t))中减去潜在地包括干扰信号的、与所述第一部分信号不同的第二部分信号(Si1(t))或所述第三部分信号(Si2(t))。

15.根据权利要求14所述的设备，所述设备还包括：

加权机构(21)，其设置用于以与1不同的因子对所述第二部分信号(Si1(t))进行加权(500)。

16.根据权利要求14所述的设备，其中，

所述减法机构(302)设置用于从所述第一部分信号(Sj(t))中减去经加权的所述第二部分信号(Si1(t))或所述第三部分信号(Si2(t))。

17.根据权利要求16所述的设备，所述设备还包括：

第二加权机构(22)；

所述第二加权机构(22)设置用于以与1不同的第二因子对所述第二部分信号(Si1(t))进行加权。

18.根据权利要求14所述的设备，其中，所述声换能器(5)也设置用于发送用于环境探测的声学信号。

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