CN114646963A - 用于声换能器的控制器、停车辅助控制系统和操作基于压电的传感器的方法 - Google Patents

用于声换能器的控制器、停车辅助控制系统和操作基于压电的传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于声换能器的控制器、停车辅助控制系统和操作基于压电的传感器的方法。本公开提供了一种例示性控制器，该控制器包括：发射器，该发射器驱动声换能器以产生声脉冲串；接收器，该接收器感测该声换能器对回波的响应；和处理电路，该处理电路耦接到该发射器和该接收器，该处理电路被配置为通过以下方式将所接收到的响应转换成输出数据：使所述响应与驱动信号相关以获得相关响应；将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；基于所述相关响应的一部分内的非峰区推导所述部分中的噪声水平；计算该部分内的峰信号的信噪比(SNR)作为该峰信号的峰值与所述相关响应的所述部分中的噪声水平的比率；以及仅当所述峰信号的该SNR超过预先确定的阈值时，接受该峰信号作为回波。

Description

用于声换能器的控制器、停车辅助控制系统和操作基于压电 的传感器的方法
技术领域
本公开总体上涉及用于声换能器的控制器、停车辅助控制系统和操作基于压电的传感器的方法，具体地涉及适于监测车辆周围的环境的超声波传感器，并且更具体地涉及采用具有基于背景噪声的屏蔽的回波检测的传感器。
背景技术
现代汽车配备有大量种类繁多的传感器。例如，汽车现在通常配备有超声波传感器的阵列，以监测汽车与附近任何人员、宠物、车辆或障碍物之间的距离。由于环境“噪声”和安全问题，可要求传感器中的每个在汽车运动时每秒提供数十次测量。即使在以复杂方式改变的环境中，可靠地执行此类传感器阵列也很重要。明显的小差异(诸如，存在或不存在路边，或甚至铺筑表面和砾石表面之间的差异)可显著改变杆、柱或其他细小障碍物的特征反射。
已知停车辅助传感器遇到的噪声具有不同的来源，并且包括例如气动噪声，例如源自附近运行的其他车辆的振动；来自其他来源的超声波，例如其他汽车上的传感器、停车场占用检测器和交通灯控制系统；不同频带之间的互相关噪声；等。因此，在检测和评估任何接收到的超声波信号中，需要充分处理此类噪声。
发明内容
因此，本发明公开了用于声换能器的控制器、停车辅助控制系统以及提供具有基于背景噪声的屏蔽的回波检测的方法。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于声换能器的控制器，其特征在于，该控制器包括：发射器，该发射器利用驱动信号驱动该声换能器以生成声脉冲串；接收器，该接收器感测该声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；处理电路，该处理电路耦接到该发射器和该接收器，该处理电路被配置为通过以下方式将所述接收到的响应转换成输出数据：使所述响应与所述驱动信号相关以获得相关幅值信号；将所述相关幅值信号中的峰区与非峰区区分开；基于所述相关幅值信号的一部分内的非峰区中的相关幅值信号推导所述部分中的噪声水平；计算所述部分内的峰信号的SNR(信噪比)作为所述峰信号的峰值与所述相关幅值信号的所述部分中的噪声水平的比率；和仅当所述峰信号的该SNR超过预先确定的阈值时，接受该峰信号作为回波。
在一个实施方案中，用于声换能器的控制器的特征在于该处理电路被进一步配置为：根据该相关幅值信号确定导数信号；仅当对应于所述峰信号的该导数信号超过导数阈值时，接受所述峰信号作为回波。
在一个实施方案中，用于声换能器的控制器的特征在于，该导数阈值是根据应用于该导数信号的CFAR(连续虚警率)算法确定的CFAR阈值。
在一个实施方案中，用于声换能器的控制器的特征在于，所述将该峰区与该非峰区区分开包括使用CFAR算法计算CFAR阈值，以及将该相关幅值信号与所述CFAR阈值进行比较，其中该处理电路被进一步配置为：仅当该峰信号处于所述峰区之一内时，才接受该峰信号作为回波。
根据另一方面，提供了一种停车辅助控制系统，其特征在于，该系统包括微控制器、用于声换能器的至少一个控制器，以及耦接该微控制器和所述至少一个控制器的通信总线，所述控制器包括：发射器，该发射器利用驱动信号驱动该声换能器以产生声脉冲串；接收器，该接收器感测该声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；处理电路，所述处理电路耦接到该接收器以将所述接收到的响应转换成输出数据；和接口，该接口通过该通信总线传送所述输出数据，其中该处理电路和该微控制器中的至少一者被配置为：使所述响应与脉冲模式相关以获得相关响应；将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；仅使用所述相关响应的一部分内的所述非峰区推导所述部分中的噪声水平；计算所述部分内的峰信号的SNR(信噪比)作为所述峰信号的峰值与所述噪声水平的比率；以及仅当所述峰信号的该SNR超过预先确定的阈值时，接受该峰信号作为回波。
在一个实施方案中，该停车辅助控制系统的特征在于，该微控制器被配置为使用CFAR(连续虚警率)阈值将该相关响应中的峰区与非峰区区分开。
在一个实施方案中，该停车辅助控制系统的特征在于，该微控制器进一步根据所述相关响应确定导数信号，并且仅当对应于所述峰信号的该导数信号超过导数阈值时，接受该峰信号作为回波。
根据另一方面，提供了一种操作基于压电的传感器的方法，其特征在于，该方法包括：驱动压电换能器以生成声能的脉冲串；从该压电换能器获得响应；使所述响应相对于所述驱动信号相关以获得相关响应；将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；仅使用所述相关响应的一部分内的所述非峰区推导所述部分中的噪声水平；计算所述部分内的峰信号的SNR(信噪比)作为所述峰信号的峰值与所述噪声水平的比率；以及仅当所述峰信号的该SNR超过预先确定的阈值时，接受该峰信号作为回波。
在一个实施方案中，操作基于压电的传感器的该方法的特征在于，该方法还包括如果该SNR低于该预先确定的阈值，则将该峰信号报告为地面反射。
根据另一方面，提供了一种用于声换能器的控制器，其特征在于，该控制器包括：发射器，该发射器利用驱动信号驱动该声换能器以生成声脉冲串；接收器，该接收器感测该声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；处理电路，该处理电路耦接到该发射器和该接收器，该处理电路被配置为通过以下方式将所述接收到的响应转换成输出数据：使所述响应与所述驱动信号相关以获得相关响应；将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；使用所述相关响应的一部分中的所述非峰区来推导噪声水平；计算所述部分内的峰信号的SNR(信噪比)作为所述峰信号的峰值与所述噪声水平的比率；以及如果该SNR低于预先确定的阈值，则将该峰信号识别为地面反射。
附图说明
图1为配备有停车辅助传感器的示例性车辆的俯视图。
图2为示例性停车辅助系统的框图。
图3为示例性停车辅助传感器的电路示意图。
图4A和图5A示出了参考技术的例示性信号曲线的图表。
图4B和图5B示出了本技术的例示性信号曲线的图表。
图6是第一例示性处理电路的框图。
图7是第二例示性处理电路的框图。
图8是第三例示性处理电路的框图。
图9是第四例示性处理电路的框图。
图10是第五例示性处理电路的框图。
具体实施方式
本申请要求提交于2020年12月18日的名称为“Ultrasonic Sensor System”、发明人为M.Hustava,P.Kostelnik和D.Bartos的美国临时申请63/127,599的优先权。本申请进一步涉及提交于2019年8月2日名称为“Ultrasonic Sensor Having Edge-Based EchoDetection”、发明人为M.Hustava和J.Kantor的美国申请16/530,654。前述申请两者均据此以引用方式并入本文。
应当理解，附图和以下描述并不限制本公开，而是相反，它们为本领域普通技术人员理解落在权利要求语言范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式提供基础。
作为例示性使用上下文，图1示出了配备有一组超声停车辅助传感器104的车辆102。传感器布置中的传感器的数量和配置各不相同，而且在每个保险杆上具有六个传感器并不罕见，其中，每一侧上有两个额外的传感器用作盲点检测器。一些设想的传感器布置包括布置在车辆周围的24个超声波传感器。车辆可在可能使用传感器进行单独测量以及协作测量(例如，三角测量、多接收器)测量的情况下采用该传感器布置检测和测量到各种检测区域内的物体的距离。
超声波传感器为收发器，意指每个传感器可发射和接收超声波声音的脉冲串。所发射的脉冲串从车辆向外传播，直至其遇到物体或者某一其他形式的声阻抗失配并由其反射。反射脉冲串作为发射脉冲串的“回波”返回到车辆。发射脉冲串和接收到的回波之间的时间指示到反射点的距离。在许多系统中，一次只有一个传感器发射，但所有传感器均可被配置成测量所产生的回波。然而，通过使用正交波形或到非重叠检测区域的发射，可以支持多个同时发射。
虽然本文中使用停车辅助系统上下文作为示例，但本公开的概念可以应用于任何类型的障碍物监测，并且可以特别适合于优先考虑可靠性和快速响应的那些监测。为了减轻可靠性与扩展检测范围之间的任何权衡，可以将适当的调制添加到发射脉冲以解决增加发射脉冲的长度的缺点。随后，可以使用相关器来缩短或压缩较长的经调制的发射脉冲的回波。
在各种实施方案中，使用啁啾调制信号。啁啾是一种在发射期间改变频率的发射脉冲。发射脉冲的一种调制形式是例如线性频率调制(“LFM”)啁啾。上啁啾是在发射期间频率增加的啁啾，并且下啁啾是在发射期间频率减少的啁啾。为了清楚起见，本文使用的示例将考虑线性增加或减少，然而在各种实施方案中，该增加或减少并非线性的。可变速率啁啾在脉冲期间以不同速率在频率方面增加和减少。相关器可以在不引入大量或任何相关噪声的情况下压缩啁啾的回波。因此，在不降低时间分辨率的情况下，有利于回波的峰值检测。另外，LFM啁啾可承受多普勒频移，而不存在相关噪声增加或者存在最低限度的相关噪声增加。LFM啁啾可用作用于测量到位于传感器系统前方的障碍物或物体的距离的发射脉冲。
为了清楚起见，如本文所用，术语“脉冲”是指一系列驱动信号中的单个驱动信号。与幅度调制(AM)信号相比，这种啁啾脉冲可具有长的持续时间，例如大于1毫秒，诸如在2毫秒至3毫秒的范围内。
图2示出了耦接至各种超声波传感器204作为星形拓扑结构中心的电子控制单元(ECU)202。当然，包括串行、并行和分层(树)拓扑结构在内的其他拓扑结构也是适合的，并且设想这些拓扑结构根据本文公开的原理使用。为了提供自动停车辅助，ECU 202可以进一步连接到一组致动器，诸如转弯信号致动器206、转向致动器208、制动致动器210和节气门致动器212。ECU 202可以进一步耦接到用户交互式接口214以接受用户输入并且提供各种测量结果和系统状态的显示。使用所述界面、传感器和致动器，ECU 202可提供自动停车、辅助停车、车道变换辅助、障碍物和盲点检测以及其他期望的特征。
现在参考图3描述一种可能的传感器配置，其示出了具有用于电力的两个端子和用于I/O的一个端子的三端子配置。其他通信和电源技术，诸如DSI3、LIN和CAN标准中提供的技术也是适合的，并且设想这些技术根据本文公开的原理使用。除了图3的实施方案中所示的两个功率端子(Vbat和GND)之外，例示性超声波传感器中的每一个仅通过单个输入/输出(“I/O”或“IO”)线连接到ECU 202。当未通过ECU 202或通过传感器控制器302将I/O线有源驱动为低(“生效”状态)时，可以通过上拉电阻器将该I/O线偏压到供电电压(“解除生效”状态)。通信协议被设计为在任何给定时间上均仅令两个控制器中的一者(ECU 202或传感器控制器302)使I/O线生效。
传感器控制器302包括I/O接口303，该接口在被置于隐性模式下时监测I/O线的由ECU 202引起的生效，并且在被置于显性模式下时驱动I/O线的状态。ECU通过使I/O线生效向传感器传送命令，不同命令由不同长度的生效表示。命令可包括“发送和接收”命令、“只接收”命令以及“数据模式”命令。
传感器控制器302包括核心逻辑304，该核心逻辑根据存储在非易失性存储器305中的固件和参数来操作，以解析来自ECU的命令并且进行适当操作，包括超声波脉冲串的发射和接收。为了发射超声波脉冲串，将核心逻辑304耦接到发射器306，该发射器利用来自电压控制振荡器307的适当调制的本地振荡器信号来驱动传感器控制器302上的一组发射端子。发射器端子经由变压器M1耦接到压电元件PZ。变压器M1使来自传感器控制器的电压(例如，12伏)逐步提高至用于驱动压电元件的合适电平(例如，数十伏)。压电元件PZ具有利用外部部件(诸如利用并联电容器C3)被调谐的谐振频率，并且具有可类似地例如利用并联电阻器R1被调谐的谐振品质因数(Q)。
如本文所用，术语“压电换能器”不仅包括压电元件，而且还包括用于调谐、驱动以及感测压电元件的支持电路元件。在示例性实施方案中，这些支持元件是变压器M1、调谐电阻器和调谐电容器、以及DC隔离电容器。任选地，还可分别包括发射器306和放大器308的输出和输入电容，作为被认为是换能器的一部分的支持电路元件的寄生特性。然而，术语“压电换能器”的使用不一定需要存在任何支持电路元件，因为压电元件可在没有此类支持元件的情况下单独采用。在例示的实施方案中，一对DC隔离电容器C1、C2将压电元件耦接到传感器控制器的一对接收端子以防止高电压。通过接收端子上的内部电压钳提供进一步保护。对于压电元件正在进行发射的间隔而言可能期望这样的保护。
经由I/O线接收的命令触发核心逻辑304来操作发射器和接收器，并且经由I/O线将测量结果提供给ECU 202，该I/O线在本文中也称为通信总线。测量结果在本文中也称为输出数据。优选的通信总线是DSI3总线，但不排除诸如LIN、SENT、CAN等其他通信总线。核心逻辑304可监测其他传感器状态，诸如在发射超声波脉冲串的同时使供电电压“欠电压”或“过电压”、发射器的热关停、硬件错误、不完整的电源接通复位等。核心逻辑304可检测并分类多个这样的换能器故障状态和错误状况，将适当的故障代码存储在内部寄存器或非易失性存储器305中。
由于接收的回波信号通常在毫伏或微伏范围内，因此前端放大器308将来自接收端子的信号放大。混频器309使放大的接收信号与本地振荡器信号相乘，以将调制信号降频转换到基带，然后由模数转换器(ADC)数字化并在数字信号处理器(DSP)310中处理。另选地，接收信号可以在降频转换之前进行数字化，在这种情况下，混频器309可以是同相/正交(I/Q)数字混频器309，从而提供零中频(ZIF)IQ数据作为其输出。(尽管本文使用术语“ZIF”，但降频转换信号在实施过程中可能是低中频或“近基带”信号。)
DSP 310应用可编程方法在脉冲串发射期间监测压电换能器，并且检测任何回波并测量其参数，诸如飞行时间(ToF)、持续时间和峰值振幅。此类方法可采用阈值比较、最小间隔、峰值检测、过零检测和计数、噪声电平确定以及为了提高可靠性和准确性而定制的其他可定制技术。DSP 310可进一步处理放大的接收信号以分析换能器的特性，诸如谐振频率和品质因数，并且可进一步检测换能器故障状态。
在一个实施方案中，DSP包括数字滤波器，该数字滤波器被配置为与存储器协作以存储有限脉冲响应(FIR)滤波器系数。如上所述，在一个实施方案中，混频器309是正交混频器。此I/Q数字混频器309具有连接到模数转换器的输出的输入、用于接收混合信号FTX的输入，以及分别用于提供同相信号和正交信号的第一输出和第二输出，该同相信号和正交信号对应于从复平面中的声换能器输入的信号的振幅和相位。
如上所述，在一个具体实施中，混频器309是正交混频器。此I/Q数字混频器309具有连接到模数转换器(未示出)的输出的输入、用于接收混合信号FTX的输入，以及分别用于提供同相信号和正交信号的第一输出和第二输出，该同相信号和正交信号对应于从复平面中的声换能器输入的信号的振幅和相位。DSP可以包括一个或多个数字滤波器，这些数字滤波器被配置为检索和使用存储在存储器中的滤波器系数以用于对ZIF-IQ信号进行操作。更具体地，数字过滤器可以包括低通滤波器和相关器。甚至更具体地，至少一个相关滤波器具有与在基带处的发射脉冲的形状匹配的系数，使得过滤器输出在降频转换接收信号中出现回波的位置处表现出峰值。
DSP可以进一步包括用于其他操作的可编程模块或专用电路，包括相位推导、幅值测量、下采样、振幅定标(衰减控制)、噪声抑制、峰值检测、混响监测和换能器诊断，以及用于主机通信的接口。幅值检测器模块或电路对数字化和降频转换接收信号进行操作，将同相信号分量和正交信号分量组合以输出幅值信号。
在一个例示性具体实施的操作中，如果物体对发射脉冲进行反射，则压电换能器提供接收信号，该接收信号包括作为I/Q数字混频器309处的输入信号的啁啾信号的回波。一旦来自发射脉冲的任何残余混响完成，就可以检测用于近距离物体检测的啁啾回波信号。I/Q数字混频器309将接收信号转换为和频以及差频，其中差频处于基带(零频)。I/Q数字混频器309输出接收信号的同相信号分量和正交相位信号分量两者。一个或多个相关器接收同相信号分量和正交信号分量，并且产生具有峰值的相关信号，其中接收信号包含发射脉冲的回波。两个相关器可以用于双通道操作，其中高通道相关器用于检测高通道啁啾并且低通道相关器用于检测低通道啁啾。
在实施过程中，接收和数字化的响应不仅包括来自由声换能器发射的测距信号的任何反射，而且还包括噪声。此类噪声源自各种潜在来源。噪声的部分随测量顺序呈周期性，因此作为响应的一部分反复获得。这种周期性噪声可以是电气噪声、声学噪声、结构噪声或处理噪声。处理噪声的示例包括自相关噪声(即，在单个通道内，如啁啾和AM)和互相关噪声(在不同测量通道之间)。干扰噪声的一个来源是由于声脉冲串的地面反射而导致的噪声，即，来自汽车(其中结合有传感器)停放或行驶所在的地面、土壤或道路的反射。此类地面反射往往在残余混响消失之后相对较短时间内就被接收。然而，接收的时刻、反射次数和地面反射的信号强度每一者似乎都取决于地面的类型。此外，可能存在隐藏在地面反射之间的真实回波信号，这些回波信号不应被移除。发现干扰噪声的另一来源出现在采用数据压缩以将传感器信号传送到ECU以供处理的系统中。此噪声可以被归类为压缩噪声，并且可能再次产生假回波，即信号强度与表示回波的信号相当或甚至更大但仍只是由于噪声所致的信号。
图4A和图5A示出了已如并入的美国申请16/530,654(“Ultrasonic SensorHaving Edge-Based Echo Detection”)中所述进行处理以执行基于边缘的回波检测的两个例示性相关幅值曲线(“幅值”)。更具体地，处理器已处理了相关幅值以检测幅值超过CFAR阈值并且(负)导数超过阈值的下降边缘，从而产生标记为“边缘”的曲线。在通过相关幅值高于时间依赖性阈值检测到下降边缘的情况下，处理器断言回波检测信号(“回波”)将作为脉冲输出信号发射到ECU或作为其他编码的回波信息。
在这些附图中检测到的回波包括地面反射(即，在16毫秒之前检测到的回波)，这对于大多数停车辅助系统可能是不期望的。当然，来自真实障碍物的反射也可能在此出现，因此期望将此类反射与地面反射区分开。因此，本文提供了用于区分真实回波与假回波的改进方法，以及具有被配置为执行此类方法的处理电路的改进控制器。所述方法和对应的控制器可以被配置为提供指示地面反射的存在和/或类型的信号。此类信号可以以任何合适的格式从控制器提供到ECU。
图6是根据本技术的第一实施方案的处理电路的框图。图7至图10示出了根据本技术的另外的实施方案的对应处理电路。这些附图中的同样附图标记对应于相同或对应的部分。据观察，框图本质上是示意性的，并且被简化以省略与公开本技术不直接相关的特征。例如，本文未指定对诸如啁啾通道等通道的具体处理。指定啁啾通道的处理的框图的示例例如公开于2019年4月9日提交并且标题为“Acoustic distance measuring circuit andmethod for low frequency modulation(LFM)chirp signals”、发明人为Marek Hustava和Tomas Suchy的美国专利申请16/378,722中，其据此以引用的方式并入本文。然而，典型的处理电路可以包括更多功能，例如在图4以及2019年12月23日提交并且标题为“Piezoelectric transducer controller having model-based sideband balancing”、发明人为Tomas Suchy、Jiri Kantor和Marek Hustava的美国专利申请16/724,783的对应描述中阐明，该申请据此以引用的方式并入本文。
图6的例示性框图示出了混频器602和相关滤波器604，该混频器用于将从压电换能器(RECV)接收的信号降频转换到基带，该相关滤波器将降频转换信号与发射脉冲形状卷积以产生相关信号。(可使用多个滤波器或多组滤波器系数来提供用于上边带信号和下边带信号的单独相关信号)。幅值元件606确定相关信号的绝对值，或在一些另选的实施方案中，对相关信号进行平方，产生相关幅值或能量信号，该相关幅值或能量信号被提供给各种其他元件以供处理以检测指示来自障碍物的发射脉冲能量(回波)的反射的峰值。
CFAR元件608对相关幅值或能量信号进行操作，以根据恒虚警率(CFAR)算法提供CFAR阈值(CT)信号。文献中描述了各种CFAR算法，包括先前并入的2019年8月2日提交并且其标题为“Ultrasonic Sensor Having Edge-Based Echo Detection”、发明人为M.Hustava和J.Kantor的美国专利申请16/530,654(引用美国专利5793326(“Hofele”))。合适的CFAR算法变型包括例如CASH-CFAR(单位平均统计Hofele CFAR)和有序统计CFAR(OS-CFAR)。简而言之，CFAR算法在移动窗口内执行统计处理以确定表示背景“杂波”的阈值，该处理操作以从阈值确定中排除可能表示有效回波的任何强峰值。CFAR变型在统计处理的精确性质方面有所不同，例如，是否使用最小-最大-总和、排序或平均操作以及合适的加权或缩放来实现有效回波与背景噪声之间的充分区分。可以调整算法的各种参数(例如，块大小、窗口大小)以优化阈值的自适应性。可将CFAR偏移值存储在存储器中并且添加到基于算法的阈值以提供CT信号的进一步调谐。
CFAR元件608可以对相关性幅值信号的“当前”样本周围的对称或非对称窗口进行操作。相应地，延迟元件609可以用于提供介于提供给CFAR元件608的“先前”相关幅值信号与提供给处理电路的其他元件的“当前”相关幅值信号之间的合适的时间偏移。比较器610将当前相关幅值信号与CFAR阈值信号进行比较，断言用于多路复用器612的选择信号以指示相关幅值信号何时高于阈值(“峰区”)，并且取消断言选择信号以指示相关幅值信号何时低于阈值(“非峰区”)。噪声平均块614在反相使能(/EN)输入(也称为禁用输入)处接收选择信号，该输入在比较器输出被断言时禁用噪声平均块614的操作。以这种方式，平均块对信号的非峰区进行操作，并且忽略相关幅值信号的非峰区。
根据本技术，基于相关幅值信号中仅在峰区之外的信号，在噪声水平计算器614中计算噪声水平。噪声平均块614计算非峰值相关幅值信号的给定部分或移动窗口内的平均值。作为一个示例，针对幅值信号的每个部分计算单独的平均值。信号部分或移动窗口的长度例如在微控制器(ECU)的控制下适当地预定义和/或为可控的。噪声平均块614可以设置有时钟信号，以便限定幅值信号部分的长度。例如，在一个有利的具体实施中，信号部分的长度为0.1ms至10ms，或者例如0.5ms至5ms，诸如1ms至4ms或2.5ms至3.0ms。平均块可以例如被配置为对信号部分中非峰区的信号求和并且将其除以信号部分的非峰区的持续时间。虽然本申请是指平均值，但是应当理解，所得的平均值可以是本领域技术人员已知的任何类型的平均值，包括中值、算术平均值(均值)、模、几何均值和/或加权平均值，以及指数滚动平均值。
对于当前相关幅值信号中的每个峰，峰测量元件618通过识别峰值(局部最大值)来确定信号强度。信噪比(SNR)块616接受来自峰测量元件618的每个峰值，并且使用来自噪声平均块的对应噪声平均值来计算该峰的SNR值。在此我们注意到，块616不限于任何定义公式，诸如SNR＝20log10(信号/噪声)。实际上，考虑到通常与对数计算相关联的硬件复杂性，可能优选使用与感兴趣区域中的定义公式单调相关的简单比率或其他计算。比较器620将SNR值与预先确定的SNR阈值(ST)值进行比较，仅当峰的SNR值超过该阈值时才断言回波检测信号。尽管这里未示出，但当回波检测信号被断言时，峰测量元件618的输出也可以从传感器输出。
在需要关于地面反射的信息的情况下，可以将此类信息作为识别的峰信号而获得，而无需断言回波检测信号。不排除特定的另选具体实施，包括用于关于地面反射的信息的单独比较器。
图7是根据本技术的处理电路的第二实施方案的框图。该第二实施方案与图6中所示的第一实施方案的不同之处在于应用了另外的标准以便排除假回波。该另外的标准基于对来自相关响应的导数信号的评估。求导块722确定相关幅值信号的时间导数。一个可能的具体实施在例如并入的申请16/530,654(“Ultrasonic sensor having edge-based echodetection”)中有所描述。比较器724将导数信号与预先确定的导数阈值(DT)值进行比较。在本示例中，阈值从存储器获取，但可以另选地基于存储器中的一个或多个值来计算。输出信号被传输到逻辑和块726，其仅在导数超过DT并且峰值SNR超过ST(由比较器620的输出的断言指示)时才断言回波检测信号。第二延迟元件709包含在导数计算路径内以提供将CFAR元件延迟和SNR确定延迟考虑在内的合适时间偏移，使得逻辑和块726的输入对应于相关幅值信号的相同给定样本。
因此，如果导数信号超过比较器块724中的阈值，则仅接受来自比较器620的任何脉冲输出。该第二标准基于观察到有效回波峰的上升边缘和/或下降边缘很容易辨别，从而使得回波的边界能够更为精确地被识别。因此，当导数信号升高至超过预定义的边缘阈值时，可以检测回波起点。当导数信号下降到低于另一预定义的边缘阈值时，将检测回波终点。因此，峰值水平高于SNR比阈值但缺乏适当形状相关幅值峰的任何信号仍会被拒绝。尽管在附图中的一个中未示出，但不排除替代比较器610和/或除此之外，也可使用上升边缘和下降边缘来将峰区域与其他区域区分开来。
图8是根据本技术的处理电路的第三实施方案的框图。它类似于图6的实施方案，但比较器610进一步连接到主信号路径上的多路复用器812，以抑制相关幅值信号的非峰值部分并且仅将相关幅值信号的峰值部分传递到峰测量块616。因此，由峰测量块618所提供的峰测量结果，以及相应地，由框616生成的SNR测量结果仅针对超过CFAR阈值的那些峰值。如前所述，仅当计算的SNR超过SNR阈值时，比较器620才断言回波检测信号。
图9示出了根据本技术的处理电路的第四实施方案的框图。与先前的实施方案一样，当相关幅值信号超过CFAR阈值时，比较器610禁用噪声平均块614。与图7的实施方案一样，求导块722确定相关幅值信号的时间导数，并且比较器724检测(上升或下降)边缘导数何时超过阈值。然而，不同于对比较器620的输出进行门控，导数比较器724控制主路径多路复用器912，以仅当满足导数标准时才传递相关幅值信号并且还抑制相关幅值信号。可能适当的是，比较器724的结果首先被转换为脉冲，以便指定回波峰的持续时间。峰测量块618，以及相应地，SNR计算块616，仅对具有必要的上升边缘和/或下降边缘定义的峰进行操作。当计算的SNR值超过SNR阈值时，比较器620断言回波检测信号。
虽然图7和图9指示在块722中从相关幅值信号计算导数，但不排除导数信号作为单独输入提供，例如从单独的相关器或其单独计算中提供。优选地，比较器724中使用的导数阈值源自适于确定合适的导数阈值的CFAR算法。
图10示出了将图8和图9的特征组合的第五实施方案。主信号路径包括由比较器810控制以仅传递信号的峰区的多路复用器812，并且进一步包括由导数比较器724控制以仅传递满足导数标准的那些峰的多路复用器912。因此，峰测量块618以及从而SNR块616仅对满足CFAR和导数标准的那些峰进行操作，并且比较器620仅当满足SNR标准时才断言回波检测信号。
图4B和图5B示出了使用CFAR、导数和SNR标准的回波检测结果，其指示对在参考技术中未被抑制的(大多数)假回波的抑制。因此，采用SNR标准的感测方法和控制器提供更可靠的输出。此外，通过减少假回波的数量(可能减少至零)，检测到的回波的总数减少，减少了可能需要通过有限带宽总线从传感器传输到ECU的数据量。数据量减少可以有利地减少测量延迟，以及测量重复时间和延迟的相应增加。此类优点可以在支持多个传感器的较高带宽总线中放大。
还应注意，本技术有利地屏蔽了可能归因于压缩噪声的假回波。更具体地，应注意，一些停车辅助感测系统压缩了原始数据，例如零中频(ZIF)IQ数据、相关幅值数据和/或飞行时间(ToF)数据，用于从传感器控制器传送到微控制器或ECU。压缩可能导致噪声，一些系统将这些噪声不正确解释为回波。SNR标准，任选地与CFAR和导数标准组合，实现了对此类假回波的屏蔽。
需注意，本发明所公开的处理和处理电路可以在传感器控制器中实施，并且替代地，本发明所公开的处理和处理电路中的至少一些可以在从传感器控制器接收原始数据的ECU或微控制器中实施。在处理由传感器控制器实施的情况下，可设想到可能表示地面反射的被排除峰仍然可以至少间歇性地被传送到ECU。另选地，可以将可能表示地面反射的被排除峰与存储的参考信号进行比较，并且如果找到合适的匹配，则可以将指示地面反射的存在和/或类型的合适信号传送到ECU。传送到ECU的其他数据可以包括指定噪声水平的数据，和/或指定下降边缘和上升边缘的位置的数据，诸如通过基于导数的处理在分析中获得的。
本发明技术的另一潜在优点是可以减少控制器上或连接到控制器的存储器的必要尺寸。单独移除地面反射使得CFAR算法能够在存储器缓冲与原本需要的情况相比降低的情况下执行。CFAR存储器缓冲至少部分地取决于需存储在所述存储器中的回波峰的数量。已发现，需存储的回波峰的数量可以低于30，优选地低于25，或更优选地20或更小，或者甚至15或更小。即使利用10个存储的回波峰或更少，也可以实现可接受的结果。
虽然出于说明的目的将上面所示和所述的操作视为顺次发生，但在实践当中，可通过多个集成电路部件来进行该方法，该集成电路部件同时并且甚至可能推测性地操作以实现无序操作。该顺次论述并不旨在构成限制。此外，前述说明已假定使用I/O线总线，但可设想包括LIN、CAN和DSI3的其他总线实施方案。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说这些和许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。例如，可以通过对相关滤波器输出进行平方或通过丢弃二进制数表示的符号位来确定相关幅值信号。旨在使以下权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式。
概括地说，一种例示性控制器包括：发射器，该发射器利用驱动信号驱动声换能器以产生声脉冲串；接收器，该接收器感测该声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；和处理电路，该处理电路耦接到该发射器和该接收器，该处理电路被配置为通过以下方式将所述接收到的响应转换成输出数据：使所述响应与所述驱动信号相关以获得相关幅值信号；将所述相关幅值信号中的峰区与非峰区区分开；基于所述相关幅值信号的一部分内的非峰区中的所述相关幅值信号推导所述部分中的噪声水平；计算所述部分内的峰信号的信噪比(SNR)作为所述峰信号的峰值与所述相关幅值信号的所述部分中的噪声水平的比率；和仅当所述峰信号的该SNR超过预先确定的阈值时，接受该峰信号作为回波。
一种例示性停车辅助控制系统，包括微控制器、用于声换能器的至少一个控制器，以及耦接所述微控制器和所述至少一个控制器的通信总线。该控制器包括：发射器，该发射器利用驱动信号驱动声换能器以产生声脉冲串；接收器，该接收器感测该声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；处理电路，该处理电路耦接到该接收器以将所述接收到的响应转换成输出数据；和接口，该接口通过该通信总线传送所述输出数据。该处理电路和该微控制器中的至少一者被配置为：使所述响应与脉冲模式相关以获得相关响应；将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；仅使用所述相关响应的一部分内的所述非峰区推导所述部分中的噪声水平；计算所述部分内的峰信号的信噪比(SNR)作为所述峰信号的峰值与所述噪声水平的比率；和仅当所述峰信号的该SNR超过预先确定的阈值时，接受该峰信号作为回波。
一种操作基于压电的传感器的例示性方法包括：驱动压电换能器以产生声能脉冲串；从该压电换能器获得响应；使所述响应相对于所述驱动信号相关以获得相关响应；将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；仅使用所述相关响应的一部分内的所述非峰区推导所述部分中的噪声水平；计算所述部分内的峰信号的信噪比(SNR)作为该峰信号的峰值与该噪声水平的比率；和仅当所述峰信号的该SNR超过预先确定的阈值时，接受该峰信号作为回波。
另一种用于声换能器的例示性控制器包括：发射器，该发射器利用驱动信号驱动声换能器以产生声脉冲串；接收器，该接收器感测该声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；处理电路，该处理电路耦接到该发射器和该接收器，该处理电路被配置为通过以下方式将所述接收到的响应转换成输出数据：使所述响应与所述驱动信号相关以获得相关响应；将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；使用该相关响应的一部分中的该非峰区来推导噪声水平；计算该部分内的峰信号的信噪比(SNR)作为该峰信号的峰值与该噪声水平的比率；以及如果该SNR低于预先确定的阈值，则将该峰信号识别为地面反射。
前述示例中的每一者可以单独使用或结合使用，并且可以以任何合适的组合包括以下一个或多个特征：1.使用处理电路或微控制器来根据相关幅值信号确定导数信号，并且仅当对应于所述峰信号的该导数信号超过导数阈值时，接受该峰信号作为回波。2.导数阈值是根据应用于导数信号的连续虚警率(CFAR)算法确定的CFAR阈值。3.用于存储导数阈值的存储器。4.使用连续虚警率(CFAR)算法计算CFAR阈值，并将相关幅值信号与所述CFAR阈值进行比较以区分峰区与非峰区。5.仅当峰信号处于所述峰区之一内时，接受该峰信号作为回波。6.处理电路包括用于检测所述峰值的峰测量元件。7.提供指示地面反射的存在的输出。8.指示地面反射的输出基于所计算的SNR比。
虽然在某些国家，作为权利要求起草规定的问题，将从属权利要求写下来以引用单个权利要求，但据观察，本发明人可以预见从属权利要求与其前述权利要求中的任一项的任何组合，并且被视为包含在本申请的完整公开内容中。此外，应理解，指定用于一个权利要求类别的从属权利要求也适用于另一权利要求类别，但只是出于限制权利要求的总数和可能由其带来的应付的任何权利要求费用的考虑而被省略。

Claims (10)

1.一种用于声换能器的控制器，其特征在于，所述控制器包括：
发射器，所述发射器利用驱动信号来驱动所述声换能器以产生声脉冲串；
接收器，所述接收器感测所述声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；
处理电路，所述处理电路耦接到所述发射器和所述接收器，所述处理电路被配置为通过以下方式将所接收到的响应转换成输出数据：
使所述响应与所述驱动信号相关以获得相关幅值信号；
将所述相关幅值信号中的峰区与非峰区区分开；
基于所述相关幅值信号的一部分内的非峰区中的相关幅值信号推导所述部分中的噪声水平；
计算所述部分内的峰信号的信噪比SNR作为所述峰信号的峰值与所述相关幅值信号的所述部分中的噪声水平的比率；以及
仅当所述峰信号的所述SNR超过预先确定的阈值时，接受所述峰信号作为回波。
2.根据权利要求1所述的用于声换能器的控制器，其特征在于，所述处理电路被进一步配置为：
根据所述相关幅值信号确定导数信号；
仅当对应于所述峰信号的所述导数信号超过导数阈值时，接受所述峰信号作为回波。
3.根据权利要求2所述的用于声换能器的控制器，其特征在于，所述导数阈值是根据应用于所述导数信号的连续虚警率CFAR算法确定的CFAR阈值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于声换能器的控制器，其特征在于，所述将所述峰区与所述非峰区区分开包括使用CFAR算法计算CFAR阈值，以及将所述相关幅值信号与所述CFAR阈值进行比较，其中所述处理电路被进一步配置为：仅当所述峰信号处于所述峰区中的一个峰区内时，接受所述峰信号作为回波。
5.一种停车辅助控制系统，其特征在于，所述系统包括微控制器、用于声换能器的至少一个控制器，以及耦接所述微控制器和所述至少一个控制器的通信总线，所述控制器包括：
发射器，所述发射器利用驱动信号来驱动所述声换能器以产生声脉冲串；
接收器，所述接收器感测所述声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；
处理电路，所述处理电路耦接到所述接收器以将所接收到的响应转换成输出数据；和
接口，所述接口通过所述通信总线传送所述输出数据，
其中，所述处理电路和所述微控制器中的至少一者被配置为：
使所述响应与脉冲模式相关以获得相关响应；
将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；
仅使用所述相关响应的一部分内的非峰区推导所述部分中的噪声水平；
计算所述部分内的峰信号的信噪比SNR作为所述峰信号的峰值与所述噪声水平的比率；以及
仅当所述峰信号的所述SNR超过预先确定的阈值时，接受所述峰信号作为回波。
6.根据权利要求5所述的停车辅助控制系统，其特征在于，所述微控制器被配置为使用连续虚警率CFAR阈值将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开。
7.根据权利要求5或6所述的停车辅助控制系统，其特征在于，所述微控制器进一步根据所述相关响应确定导数信号，并且仅当对应于所述峰信号的所述导数信号超过导数阈值时，接受所述峰信号作为回波。
8.一种操作基于压电的传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：
驱动压电换能器以生成声能的脉冲串；
从所述压电换能器获得响应；
使所述响应相对于所述驱动信号相关以获得相关响应；
将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；
仅使用所述相关响应的一部分内的非峰区推导所述部分中的噪声水平；
计算所述部分内的峰信号的信噪比SNR作为所述峰信号的峰值与所述噪声水平的比率；以及
仅当所述峰信号的所述SNR超过预先确定的阈值时，接受所述峰信号作为回波。
9.根据权利要求8所述的操作基于压电的传感器的方法，其特征在于，所述方法还包括：如果所述SNR低于所述预先确定的阈值，则将所述峰信号报告为地面反射。
10.一种用于声换能器的控制器，其特征在于，所述控制器包括：
发射器，所述发射器利用驱动信号来驱动所述声换能器以产生声脉冲串；
接收器，所述接收器感测所述声换能器对每个声脉冲串的回波的响应；
处理电路，所述处理电路耦接到所述发射器和所述接收器，所述处理电路被配置为通过以下方式将所接收到的响应转换成输出数据：
使所述响应与所述驱动信号相关以获得相关响应；
将所述相关响应中的峰区与非峰区区分开；
使用所述相关响应的一部分中的非峰区来推导噪声水平；
计算所述部分内的峰信号的信噪比SNR作为所述峰信号的峰值与所述噪声水平的比率；以及
如果所述SNR低于预先确定的阈值，则将所述峰信号识别为地面反射。
CN202111539280.XA 2020-12-18 2021-12-15 用于声换能器的控制器、停车辅助控制系统和操作基于压电的传感器的方法 Pending CN114646963A (zh)

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