DD289346A5 - Verfahren zur unterdrueckung von stoerungen bei der auswertung von ultraschall-echos - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, fuer US-Meszsysteme zur Entfernungs- oder Objekterkennung, die nach der Impuls-Echo-Methode arbeiten, ein Verfahren zu entwickeln, das zur Unterdrueckung von akustischen Stoersignalen dient. Das Verfahren verwendet US-Bursts, die eine definierte Anzahl von Schwingungen der Sendefrequenz enthalten. Das Verfahren ist in der Lage, unter unguenstigen akustischen Bedingungen, oder bei Auftreten von US-Stoerquellen, wie z. B. Hammerschlaege, Abblasgeraeusche von Druckluftbremsen oder Drucklufthaemmern stammen, zu arbeiten. Voraussetzung dafuer ist, dasz der Stoerschalldruckpegel am Empfaenger im Arbeitsfrequenzbereich nicht den Pegel des vom Objekt flektierten Nutzsignals (Echos) uebersteigt. Das verstaerkte, durch einen Bandpaszfilter selektierte, mit einem Komparator, der als Amplitudenschwelle wirkt, digitalisierte nicht demodulierte Empfangssignal wird in einer Schaltungsanordnung einer Pruefung unterzogen. Es werden 4 Kriterien geprueft. Fig. 1{Ultraschall-Empfaenger; Impuls-Echo-Methode; US-Sendeburst; US-Stoerquellen; Objekterkennung; US-Echos; Bandpaszfilter; Komparator; Amplitudenschwelle; Schaltungsanordnung}

Description

Hierzu 7 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet in Ultraschallempfänger-Schaltungen Anwendung, deren Eingangssignal mit Störsignalen z. B. Ultraschallecho überlagert ist. Die Ultraschall-Empfänger-Schaltung wird vorwiegend zur Entfernungsmessung oder Objekterkennung eingesetzt. Den Vorrang hat dabei des Erkennen von Personen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Es sind zahlreiche technische Lösungen zur Störunterdrückung in Ultraschall-Empfängern bekannt. In der Patentschrift DD - 240081 wird ein Verfahren zur Eliminierung von Störsignalen in einem Ultraschallsystem zur Entfernungsmessung beschrieben. Der Abstandsmesser empfängt das vom Meßobjekt reflektierte Signal und Störsignale, die

von Fremdschall ausgehen, beziehungsweise Sendejignale der übrigen Abstandssensoren sind. Es findet eine auf die

Verminderung des Störschalles gerichtete Regelung Anwendung. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß als Regelgröße eine Differenz zwischen der Echosignalamplitude und der Störsignalamplitude vorgesehen und zu Beginn jeder Messung im Sensor die Empfängerverstärkung dem aktuellen Störsignal

angepaßt und abhängig davon die Sendesignalamplitude nachgestellt wird.

Die DE - 3513270 beschreibt eine Abstandsmessung für Kraftfahrzeuge. Bei geringer Sendeleistung klingen die Schwingungen

des Wendlers nach der Sendezeit schneller ab, so daß schon sehr bald Echos empfangen werden können, ohne durch das

Nachschwingen des Wandlers gestört zu werden. Damit lassen sich auch kleine Abstände messen. Die DD - 266857 beinhaltet eine Schaltungsanordnung zum Auswerten von Echosignalen, auch bei Störeinflüssen, nach dem Laufzeitverfahren. Es wird ein Hüllkurvensignal zum Echosignal eingesetzt. Die Anordnung stellt anhand der Dauer eines Auswerteimpulses fest, ob die vorbestimmte Halbwelle, oder infolge von Störeinflüssen fehlerhaft, eine vorhergehende Halbwelle erfaßt wurde. Bei der DE - 3620783 handelt es sich um ein Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen bei Ultraschallgeräten. Dabei

werden die einlaufenden Impulse der Laufzeit so zugeordnet und gespeichert, daß die zeitliche Verteilung der eingelaufenen

Impulse auf der Zeitachse erkennbar wird. Die Auswertung erfolgt über eine Logikschaltung oder einen Mikroprozessor. In der DD - 211259 wird eine Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen berührungslosen Entfernungsmessung beschrieben,

die auch bei hoher Einwirkung von Störschall zuverlässige Meßergebnisse liefert. Ein Taktgenerator, ein Tiefpaß, ein Summiererund ein piezokeramischer Ultraschallgeber sind hintereinander angeordnet. Auf der Empfängerseite sind Verstärker,

Gleichrichter, Komparator, Differentiator sowie eine Auswertelogik und ein Mikrorechner nachgeschaltet.

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Unterdrückung von Störungen in Ultraschall-Echoc, das vorwiegend zur Entfernungsmessung, besonders zur Objekterkennung, z.B. beim Rückwärtsfahren von Fahrzeugen, eingesetzt wird. Den Vorrang hat dabei das Erkennen von Personen, die sich hinter rückwärtsfahrenden Fahrzeugen befinden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Meßsysteme zur Objekterkennung, die nach der Impuls-Echo-Methode arbeiten, ein Verfahren zu entwickeln, das zur Unterdrückung von Störungen in Ultraschall(US)-Echos durch Ultraschall-Empfänger dient. Das Verfahren verwendet US-Sendebursts, die eine definierte Anzahl von Einzelimpulsen der US-Sendefrequenz enthalten. Das Verfahren Ist in der Lage, unter ungünstigen akustischen Bedingungen oder bei Auftreten von US-Störquellen wie: Hammerschläge, Abblasgeräusche von Druckluftbremsen oder Drucklufthämmern zu arbeiten. Voraussetzung dafür ist, daß die Intensität der Schalldruckpegel der Störquelle am Empfänger im Arbeitsfrequenzbereich nicht die vom Objekt reflektierten US-Echos übersteigt.

Das nicht demodulierte Empfangssignal wird verstärkt, durch ein Bandpaßfilter selektiert, mit einem Komparator, der als Amplitudenschwelle wirkt, digitalisiert und in einer Schaltungsanordnung einer Prüfung unterzogen. Die Prüfung erfolgt in 4 Schritten:

1. Prüfung des Eingangssignals auf die untere zulässige Frequenz (Impulsabstand)

2. Prüfung des Eingangssignals auf die obere zulässige Frequenz (Impulsabstand)

3. Prüfung des Eingangssignals auf seine Dauer T, das heißt, es muß den Bedingungen 1 und 2 genügen und für eine Minimaldauer Tm von 0,3 bis 0,6 T des ausgesendeten US-Burst entsprechen.

4. Prüfung des Eingangssignals auf seine Dauer T, das heißt, es muß den Bedingungen 1 und 2 genügen und für eine Maximaldauer Tm von 1 bis 1,2 T des ausgesendeten US-Burst entsprechen. (Abschwingverhalten)

Erfindungsgemäß wird das Verfahren durch eine Schaltungsanordnung, bestehend aus diskreten Bauelementen, wie sie im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden oder durch Emulierung auf einer Mikrorechnerkonfiguration mit entsprechender Software realisiert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem ausgeführten Beispiel näher erläutert werden.

Fig. 1: Blockschaltbild

Fig. 2: Ausführlicher Impulsablauf für ein US-Echo ohne Störanteile

Fig. 3: Impulsablaufeines ungestörten US-Echo

Fig. 4: Impulsablauf eines gestörten US-Echo

Fig. 5: Impulsablauf für ein zu langes/zu kurzes US-Echo oder Störsignal

Fig. 6: Impulsablauf einer niederfrequenten Impulsstörquelle

Fig. 7: Impulsablauf einer hochfrequenten Impulsstörquelle.

Auf das Ausführungsbeispiel bezogen besagen die Punkte 1-4 des Wesens der Erfindung:

Der Sender strahlt Sinusschwingungen ab. Der US-Sendeimpuls (Burst) hat eine Länge von 1 ms. Das empfangene gefilterte und digitalisierte US-Echo hat eine Frequenz von 52 kHz. Der Arbeitsbereich der Störausblendung liegt bei einer unterer Grenzfrequenz von 48kHz bzw. einer oberen Grenzfrequenz von 56kHz, da sich die Frequenz des Echos durch Temperaturänderungen und den Dopplereffekt verändert.

Das Empfangssignal muß einer Minimaldauer von 600ps bzw. einer Maximajdauer von 1,2 ms entsprechen.

Bei Nichterfüllung der Punkte 1 und 2 wird die Prüfung neu eingeleitet. Ist die Überprüfung erfolgreich, wird ein Ausgangsimpuls abgegeben.

Schaltungsbeschreibung Fig. 1

Das digitalisierte Eingangssignal wird nach der UND1-Verknüpfung mit der Meßdauer in drei monostabilen nachtriggerbaren Multivibratoren (MM1-3) auf seine Zeitstruktur untersucht. Der Eingang des MM1 (21 [is) und des MM2 (18 us) ist mit dem Ausgang des UND1 verbunden. MM1 prüft die untere Grenzfrequenz. Solange die Eingangsimpulsfolge eine Frequenz von 48kHz (Impulsabstand = 21 ps) unterschreitet, wird die Nachtriggerzeit unterschritten. Der MM1 schaltet mit einer Impulslänge von 21 μβ entsprechend der Eingangsfrequenz. Der MM2 verhält sich adäquat nur mit einer Impulslänge von 18 ms. Am Q-Ausgang des MM2 ist Eingang des MM3 (21 ps) als nachtriggerbarer MM angeschlossen. Ist die Eingangsimpulsfolge kleiner (Frequenz >48kHz) als die Nachtriggerzeit des MM1, wird der MM nachgetriggert und sein Q-Ausgang nimmt High-Pegel solange an, wie die Nachtriggerbedingung erfüllt ist. Der MM2 erreicht seine Nachtriggerbedingung erst bei 56kHz (18ms) und steuert solange den MM3 (21 ps) an. Dieser hat seine Nachtriggerbedingung bereits bei 48 kHz erreicht und hat seinen Q-Ausgang auf High-Pegel geschaltet. Er behält diesen Zustand solange bei, wie der MM2 Impulse liefert. Dieses tritt erst bei Erreichen einer Eingangsfrequenz von 56kHz (18ps) auf. Die Ausgänge des MM1 und MM3 sind mit je einem Eingang des UND2-Gatters verbunden. Solange die Q-Ausgänge des MM1 und des MM3 auf High-Pegel liegen, ist das Eingangssignal gültig. Durch diesen High-Pegel werden die dem UND2 ff, jenden zwei weiteren monostabilen Multivibratoren MM4 (1 Ops) und MM5 (1 Ομβ) und der Eingang CE (Clock enable) des Dezimalzählers CT10 angesteuert. MM4 und MM5 werden als monostabile Multivibratoren betrieben und sprechen auf die Rück- bzw. Vorderflanke des Ausgangsimpulses der UND2-Verknüpfung an. Die

Ausgangssignale von MM3 und MM4 sind ein Kriterium für Beginn und Ende eines den Bedingungen des MM1 oder des MM3

genügen Eingangssignals. Die Ausgangsimpulse von MM4-MM5 werden durch ein ODER1 auf eine Signalleitung gelegt, die

den seriellen Übernahmeeingang eines 4 Bit-Schieberegisters RG ansteuert. An den Ausgängen QA-QD des RG kann dieses

Signal, entsprechend dem Schiebetakt (502,4kHz) verzögert entnommen werden. Der Dezimalzähler CT10 (Taktfrequenz

104,8kHz) legt zusammen mit dem MM6, der den Überbetragsausgang ansteuert, den unteren und oberen zulässigen Zeitbereichfür das gültige US-Eingangssignal fest. Der Zählvorgang wird durch das High-Ausgangssignal des UND2 am Eingang CE des

CT10 gesteuert. Somit wird nur für die Dauer von gültigen Eingangssignalen das Entstehen eines Zeitfensters ermöglicht. Das Zeitfenster stellt zusammen mit dem verzögerten Endimpuls des MM4 (QA des RG) das Kriterium für ein den oben genannten Bedingungen entsprechendes richtiges Eingangssignal dar. Der abgegebene Impuls wird in einen bistabilen Multivibrator FF1

zwischengespeichert. Jede neue Messung setzt den FF1 zurück. Durch den QD-Ausgang des RG erfolgt ein Rücksetzen der

Auswerteschaltung. Schaltungsfunktion bei Empfang eines gültigen US-Echos Fig. 2. Die in O gesetzten Zahlen beziehen sich auf das Blockschaltbild Fig. 1. Das reflektierte Signal besteht aus einem Impulspaket von maximal 50 Einzelimpulsen einer Impulsdauer von 19,15 ps

(entsprechend dem Eingangssignal). Die eintreffenden digitalisierten Eingangssignale (1) steuern die monostabilen

Multivibratoren MM1 und MM2 an. MM1 (21 με) wird von dem Eingangssignal nachgetriggert (2). MM2 (18μβ) wird nicht

nachgetriggert. Die Ausgangsimpulse steuern den MM3 (21 ps), der nachgetriggert wird (4), an. Die Ausgangssignale von MM1und MM3 (2 u. 4) werden in dem UND1 verknüpft (5) und geben über den CE des CT10 den Takteingang frei. Der CT10 beginntmit 1C4,8kHzzu zählen. Die Vorderflanke des UND2 Ausgangssignals (5) startet den MM5 (6), der über die Verzögerung des RGden CT10 am Eingang R mit Beginn des Zählvorganges rücksetzt. Wenn keine Störung des Eingangssignals auftritt, gibt der

Zähler CT10 nach 6 Zählschritten (βΟΟμβ) am Ausgang 7(12) ein Ausgangssignal ab. Das gleiche wiederholt sich bei den Zählschritten 8 und 9 (13,14). Der Übertragsausgang startet den MM6(200ps) (15). Die Ausgangssignale der Ausgänge 7 bis9

und dos Q-Ausganges MM6 werden ODER3-verknüpft (16) und steuern die UND3-Verknüp.'<ing an. Hier erfolgt eine

Verknüpfung des mit der Rückflanke des Eingangssignals erzeugten Ausgangssignals des MM4 i4ps), das durch das RG um 2ms

verzögert wurde, mit dem durch den CT10 zusammen mit dem MM6 gebildeten Zeitfenster (16). Wenn das Eingangssignal eine

Länge von 600 ps bis 1,2 ms hat, wird es als richtig erkannt (17). Das erkannte Signal wird in dem FF1 zwischengespeichert (18)

und mit Beginn eines jeden neuen Meßzyklus gelöscht. Das Ende des Eingangssignals bewirkt durch den MM4 (6) in jedem Fallein Reset des gesamten Meßsystems.

Impulsdiagramm gestörtes US-Echo (Auszug schematisch) Fig.4. Tritt in der Zeit eines empfangenen Signals eine Störung auf (sie entspricht nicht den Zeitbedingungen des MM1 bis 3), wird über

die MM4 und 5 das Zeitfenster zurückgesetzt und eine neue Messung eingeleitet.

Impulsablauf für ein zu langes/zu kurzen US-Echo oder Störsignal (Auszug schanktisch) Fig. 5 Bei auftretenden Störungen, bei denen das US-Echo oder Störsignal zu lang oder zu kurz ist, wird, bedingt durch das von dem Zähler CT10 erzeugte Zeitfenster, das Ausgangssignal blockiert. Bei zu langem Echo oder Störsignal liegt der Endimpuls des MM4 (Rückflanke des Eingangssignals) hinter dem Zeitfenster. Bei

zu kurzem US-Echo oder Störungen wird das Zeitfenster nicht mehr erreicht. Der Zähler wird vorzeitig rückgesetzt.

Impulsdiagramm einer niederfrequenten (<48kHz) Fig.6 bzw. hochfrequenten (>56kHz) Fig. 7 Impulsstörquelle und eines

ungestörten US-Echos (Auszug schematisch)

Treten nieder- oder höherfrequente Impulsstörungen (<48 oder > 56kHz) auf, die von externen Störquellen stammen, werden

sie durch die Zeitanalyse der Störunterdrückung bestehend aus den MM1 bis 3 und deren UND1 -Verknüpfung, blockiert. Der

Zähler wird ständig zurückgesetzt (9).

Claims (5)

1. Verfahren zur Unterdrückung von Störungen in Ultraschall-Echos, dadurch gekennzeichnet, daß die Störunterdrückung in einer Schaltungsanordnung, bestehend aus diskreten Bauelementen, realisiert ist, die folgende Schritte beinhalten:

- Prüfung des Eingangssignals auf die untere zulässige Frequenz (Impulsabstand)

- Prüfung des Eingangssignals auf die obere zulässige Frequenz (Impulsabstand)

- Prüfung des Eingangssignals auf seine Dauer T, das heißt, es muß den Bedingungen 1 und 2 genügen und für eine Minimaldauer Tm von 0,3 bis 0,6 T des ausgesendeten US-Burst entsprechen.

- Prüfung des Eingangssignals auf seine Dauer T, das heißt, es muß den Bedingungen 1 und 2 genügen und für eine Maximaldauer Tm von 1 bis 1,2 T des ausgesendeten US-Burst entsprechen. (Abschwingverhalten)

2. Verfahren zur Unterdrückung von Störungen in Ultraschall-Echos nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung durch Emulierung mittels Mikrorechnerkonfiguration mit entsprechender Software realisiert wird.

3. Verfahren zur Unterdrückung von Störungen in Ultraschall-Echos nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene US-Echo-Signal nicht demoduliert wird.

4. Verfahren zur Unterdrückung von Störungen in Ultraschall-Echos nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene US-Echo-Signal durch ein Filter mit Bandpaßverhalten selektiert wird.

5. Verfahren zur Unterdrückung von Störungen in Ultraschall-Echos nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 3,4, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene US-Echo-Signal durch einen Komparator digitalisiert wird.