DE10106142A1 - Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Multisensor-Arrays - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Multisensor-ArraysInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Multisensor-Arrays insbesondere einer Einparkhilfe eines Kraftfahrzeugs. Das Multisensor-Array weist mindestens zwei entlang dem Umfang des Kraftfahrzeugs angeordneten Sendeeinheiten zum Aussenden von Ultraschallpulsen (3) in einen Überwachungsbereich und mindestens eine Empfangseinheit zum Empfangen von an einem Objekt in dem Überwachungsbereich reflektierten Ultraschallpulsen (4). Mehrere Sendeeinheiten können parallel betrieben werden und zeitgleich zueinander kodierte Ultraschallpulse (3) aussenden. Um auf eine möglichst einfache Weise eine effektive Erhöhung der Empfindlichkeit und der Reichweite der Detektion von Objekten in dem Überwachungsbereich zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass zur Kodierung Trägersignale (6) der Ultraschallpulse (3) für die einzelnen zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten zumindest während der Pulsdauer unterschiedlich frequenzmoduliert werden und dass die empfangenen kodierten Ultraschallpulse (4) von der mindestens einen Empfangseinheit anhand der Kodierung den einzelnen zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten zugeordnet werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb
eines Ultraschall-Multisensor-Arrays insbesondere einer
Einparkhilfe eines Kraftfahrzeugs. Das Ultraschall-
Multisensor-Array weist mindestens zwei entlang dem Umfang des
Kraftfahrzeugs angeordnete Sendeeinheiten zum Aussenden von
Ultraschallpulsen in einen Überwachungsbereich und mindestens
eine Empfangseinheit zum Empfangen von an einem Objekt in dem
Überwachungsbereich reflektierten Ultraschallpulsen auf.
Mehrere Sendeeinheiten können parallel zueinander betrieben
werden. Sie senden zeitgleich zueinander kodierte
Ultraschallpulse aus.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Ultraschall-
Multisensor-Array insbesondere einer Einparkhilfe eines
Kraftfahrzeugs. Das Ultraschall-Multisensor-Array weist
mindestens zwei entlang dem Umfang des Kraftfahrzeugs
angeordnete Sendeeinheiten zum Aussenden von Ultraschallpulsen
in einen Überwachungsbereich und mindestens eine
Empfangseinheit zum Empfangen von an einem Objekt in dem
Überwachungsbereich reflektierten Ultraschallpulsen auf. Die
Sendeeinheiten weisen außerdem mindestens einen Oszillator zur
Erzeugung von Trägersignalen der Ultraschallpulse und erste
Mittel zur Kodierung der Ultraschallpulse mehrerer zeitgleich
betriebener Sendeeinheiten auf.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, bei Ultraschall-
Multisensor-Arrays eine Kodierung von Ultraschallpulsen
vorzusehen, um einen zeitlich parallelen Betrieb von mehreren
Ultraschallsensoren zu ermöglichen. Durch einen zeitgleichen
Betrieb mehrerer Ultraschallsensoren kann die
Systemzykluszeit, die zum Aussenden und Empfangen der
Ultraschallpulse und zum Verarbeiten der empfangenen Signale
sämtlicher Sende-/Empfangseinheiten des Ultraschall-
Multisensor-Arrays benötigt wird, reduziert werden.
Es ist des weiteren bekannt, zur Verbesserung des Signal-
Rauschabstands und zur Erhöhung der Messreichweite eines
Ultraschall-Multisensor-Arrays mehrere aufeinanderfolgende
Ultraschallpulse aufzuintegrieren. Auf Grund der verringerten
Systemzykluszeit können bei einem zeitgleichen Betrieb
mehrerer Ultraschallsensoren mehr Pulse als bei einem zeitlich
sequentiellen (zeitgemultiplexten) Betrieb der Sensoren
aufintegriert werden. Eine zu hohe Systemzykluszeit und ein
geringer Rauschabstand haben bisher den Einsatz von
zeitgemultiplexten Ultraschall-Multisensor-Arrays für größere
Messreichweiten oberhalb etwa drei Meter bei Einparkhilfen für
Kraftfahrzeuge verhindert.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konzept für eine
Pulskodierung der Ultraschallpulse ist die sog.
Pulsfolgenzufallskodierung. Diese hat jedoch den Nachteil,
dass die Ultraschallpulse selbst in dem Empfangspfad nicht
voneinander unterscheidbar sind. Die einfachen Konzepte setzen
deshalb verschiedene kodierte Ultraschallpulsfolgen zur
Unterscheidung der Einzelpulse ein.
Die Länge eines Bins dieser Zufallscodes hängt von der minimal
erreichbaren Anschwing- und Abklingzeit des ausgesandten
Ultraschallpuls-Bursts ab. Eine Kodierung mit einem
akzeptablen Störabstand bezüglich einer gegenseitigen
Interferrenz parallel betriebener Sendeeinheiten sowie einem
Mindestgewinn an Empfindlichkeit und Reichweite durch
Pulsintegration mit einem Korrelationsfilter erfordert eine
bestimmte Mindestcodelänge. Mit einer Mindestbinlänge von etwa
einer Millisekunde (Anschwingzeit etwa 330 µs, Abklingzeit
etwa 670 µs) und einem notwendigen Integrationsgewinn von
bspw. 17 dB errechnet sich eine Kodierungszykluszeit von etwa
50 ms. Somit ist mit einer einfachen
Pulsfolgenzufallskodierung hinsichtlich der Systemzykluszeit
nicht viel gewonnen (vgl. Wintzer, Bernhard, "Interference
Cancellation in Ultrasonic Sensor Arrays by Stochastic Coding
and Adaptive Filtering", FH Mannheim, 1998).
Aus dem Stand der Technik ist es des Weiteren bekannt, nicht
nur eine Pulsfolge, sondern die Einzelpulse selbst zu
kodieren. Ein Vorschlag für eine Einzelpulskodierung betrifft
eine diskrete Frequenzkodierung parallel betriebener
Sendeeinheiten. Jeder Sendeeinheit wird also eine
unterschiedliche Trägerfrequenz zugewiesen. Der Abstand der
Trägerfrequenzen zueinander muss mindestens so groß gewählt
werden, dass das Signalnutzband der Sendeeinheit eines Sensors
nicht in die Bandbreite einer Empfangseinheit eines anderen
parallel betriebenen Sensors fällt. Bei den üblichen
Pulslängen von etwa 300 µs errechnet sich so ein
Mindestabstand von etwa 6 kHz. Bei drei Sendeeinheiten eines
Ultraschall-Multisensor-Arrays umfassen die Resonanzfrequenzen
bspw. 32 kHz, 38 kHz und 44 kHz. Dies bedeutet, dass für die
Frequenzkodierung unterschiedlich gefertigte Sensoren mit
verschiedenen Resonanzfrequenzen (z. B. verschiedenen
Wandstärken) hergestellt werden müssen. Diese
Produktkomplexität ist sehr aufwendig und teuer.
Als eine weitere Möglichkeit der Kodierung der
Ultraschallpulse ist aus dem Stand der Technik außerdem eine
Amplitudenmodulation über einen Einzelpuls-Burst oder über
mehrere Ultraschallpulse hinweg bekannt. Die
Amplitudenmodulation stößt in der Praxis jedoch schnell an
ihre Grenzen, da bewegte Objekte ihren Reflektionsquerschnitt
über die Zeit schnell ändern und damit ebenfalls zu einer
Amplitudenmodulation des reflektierten Signals führen.
Außerdem erzeugen mehrere radial benachbarte
Überwachungsbereiche oder auch eine Mehrwegausbreitung der
Signale eine überlagerte Gesamtreflektion mit nicht
vorhersagbarer Amplitudenmodulation.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einem Ultraschall-
Multisensor-Array auf eine möglichst einfache Weise eine
effektive Erhöhung der Empfindlichkeit und der Reichweite der
Detektion von Objekten in einem Überwachungsbereich zu
erzielen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von
dem Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Multisensor-Arrays
der eingangs genannten Art vor, dass zur Kodierung
Trägersignale der Ultraschallpulse für die einzelnen
zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten zumindest während der
Pulsdauer unterschiedlich frequenzmoduliert werden und dass
die empfangenen kodierten Ultraschallpulse von der mindestens
einen Empfangseinheit anhand der Kodierung den einzelnen
zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten zuordnet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft Ultraschall-Multisensor-
Arrays, bei denen die Sendeeinheiten und die Empfangseinheiten
als getrennte Bauteile ausgebildet sind. Die Erfindung
betrifft jedoch auch solche Ultraschall-Multisensor-Arrays,
bei denen jeweils eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit
als ein gemeinsames Wandler-Bauteil (Schallwandler)
ausgebildet ist, das zum Aussenden von Ultraschallpulsen
elektrisch angeregt wird und das beim Empfang von
reflektierten Ultraschallpulsen durch die akkustischen
Schwingungen angeregt wird und ein entsprechendes
Ausgangssignal erzeugt.
Um eine zu große Produktkomplexität bei der Fertigung der
Schallwandler zu vermeiden, bewegt sich die
Frequenzmodulationsbandbreite in einer Größenordnung der
Bandbreite herkömmlicher Schallwandler.
Erfindungsgemäß wird also eine Frequenzmodulation zur
Einzelpulskodierung von zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten
vorgeschlagen. Die Frequenzmodulation wird nicht durch die
Amplitudenmodulation der Objektreflektion beeinflusst. Die
Auswirkung einer Frequenzmodulation durch bewegte Objekte
(Doppler-Shift) auf das Empfangssignal ist bei den zu
erwartenden Objektgeschwindigkeiten und dem
Frequenzmodulationshub vernachlässigbar klein. Falls jedoch
die Auswirkung der Frequenzmodulation durch bewegte Objekte
bei der Detektion der Objekte in dem Überwachungsbereich
Berücksichtigung finden soll, kann eine an die verschiedenen
Objektgeschwindigkeiten angepasste Filterbank mit mehreren
Dopplergates im Empfangspfad eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß wird eine analoge Frequenzmodulation mit einem
moderaten Hub vorgesehen, die in dem Frequenz und Phasengang
des Sendepulses keine Unstetigkeiten vorsieht. Ein
Schallwandler zur Erzeugung der Ultraschallsendepulse kann
trotz seiner Trägheit einer entsprechenden Anregungsfunktion
folgen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Frequenz des
Trägersignals einer ersten Sendeeinheit aufmoduliert und die
Frequenz des Trägersignals einer zweiten Sendeeinheit
abmoduliert wird. Die Frequenz des Trägersignals der ersten
Sendeeinheit wird also während der Pulsdauer erhöht und die
Frequenz des Trägersignals der zweiten Sendeeinheit während
der Pulsdauer verringert. Vorteilhafterweise werden die
Frequenzen der Trägersignale linear aufmoduliert und
abmoduliert. In Abhängigkeit von der realen Pulsform der
Ultraschallpulse kann sich eine von dem linearen Verlauf
abweichende Form der Auf- oder Abmodulation, insbesondere
hinsichtlich des Störabstands, als vorteilhaft erweisen.
Als eine mögliche Alternative zu einer linearen Auf- bzw.
Abmodulation ist insbesondere an eine exponentielle Auf- und
Abmodulation der Frequenzen der Trägersignale gedacht.
Vorzugsweise endet sowohl die Auf- als auch die Abmodulation
bei der Resonanzfrequenz des Sensors bzw. des Schallwandlers.
Dadurch ist eine Frequenzmodulation in einer nicht mehr
zwangsgeführten Abklingphase des Ultraschallpulses nicht zu
erwarten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Frequenz des
Trägersignals einer dritten Sendeeinheit konstant gehalten
wird. Gemäß dieser Ausführungsform können also bis zu drei
Sendeeinheiten zeitgleich zueinander betrieben werden. Die
mindestens eine Empfangseinheit kann die empfangenen
Ultraschallpulse an Hand der unterschiedlichen
Frequenzmodulation (ansteigende, abfallende oder konstante
Frequenz des Trägersignals) den drei Sendeeinheiten problemlos
zuordnen. Die Empfangseinheit nimmt dabei eine Klassifikation
in aufmoduliertes, konstantes oder abmoduliertes Trägersignal
vor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
empfangenen Ultraschallpulse von der mindestens einen
Empfangseinheit gefiltert werden, um sie den einzelnen
Sendeeinheiten zuzuordnen. Die Realisierung der notwendigen
frequenzabhängigen Laufzeitfilter kann durch Kombination von
analogen Band- und Allpässen im Empfangspfad erfolgen. Dabei
kann in einem weiteren Pfad, der parallel zu einem bereits
vorhandenen Auswertepfad mit Bandpass und Komparator
vorgesehen ist, ein Ausgangssignal generiert werden, das eine
Aussage darüber ermöglicht, ob die Trägerfrequenz eines
empfangenen Ultraschallpulses bei seiner Aussendung aufwärts
oder abwärts frequenzmoduliert oder konstant gehalten wurde.
Eine Entscheidung darüber erfolgt mittels eines Vergleichers,
so dass in dem Ausgangssignal Störfaktoren, insbesondere
Amplitudenverzerrungen des Empfangssignals an einem Reflektor
der Sende-/Empfangseinheiten, eliminiert sind.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
wird ausgehend von dem Ultraschall-Multisensor-Array der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Sendeeinheiten
einen gemeinsamen Oszillator aufweisen und die ersten Mittel
den Oszillator zumindest während der Pulsdauer derart
ansteuern, dass die Trägersignale für die einzelnen zeitgleich
betriebenen Sendeeinheiten unterschiedlich frequenzmoduliert
werden, und dass die mindestens eine Empfangseinheit zweite
Mittel zur Zuordnung der empfangenen kodierten
Ultraschallpulse den einzelnen zeitgleich betriebenen
Sendeeinheiten anhand der Kodierung aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Oszillator derart
ansteuerbar ist, dass die Frequenz des Trägersignals einer
ersten Sendeeinheit aufmoduliert und die Frequenz des
Trägersignals einer zweiten Sendeeinheit abmoduliert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Oszillator derart
ansteuerbar ist, dass die Frequenz des Trägersignals einer
dritten Sendeeinheit konstant gehalten wird.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweiten
Mittel als Filter zur Filterung der empfangenen
Ultraschallpulse ausgebildet sind. Die Realisierung der
notwendigen frequenzabhängigen Laufzeitfilter kann durch
Kombination von analogen Band- und Allpässen im Empfangspfad
erfolgen.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung
dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder
dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer
Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren
Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw.
Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Sende-/Empfangseinheit eines
erfindungsgemäßen Ultraschall-Multisensor-
Arrays;
Fig. 2 einen Ultraschallburst mit einer konstanten
Anregungsfrequenz von 38,5 kHz;
Fig. 3a eine ansteigende Frequenzmodulation des
Trägersignals gemäß einem erfindungsgemäßen
Verfahren;
Fig. 3b eine abfallende Frequenzmodulation des
Trägersignals gemäß einem erfindungsgemäßen
Verfahren;
Fig. 4a einen Ultraschallburst mit einer nach Fig. 3a
ansteigenden Anregungsfrequenz des
Trägersignals;
Fig. 4b einen Ultraschallburst mit einer nach Fig. 3b
abfallenden Anregungsfrequenz des
Trägersignals;
Fig. 5a ein Betragsspektrum (oben) und einen Phasengang
(unten) eines Ultraschallbursts mit einer
konstanten Anregungsfrequenz des Trägersignals;
Fig. 5b ein Betragsspektrum (oben) und einen Phasengang
(unten) eines Ultraschallbursts mit einer nach
Fig. 3a linear ansteigenden Anregungsfrequenz
des Trägersignals;
Fig. 5c ein Betragsspektrum (oben) und einen Phasengang
(unten) eines Ultraschallburst mit einer nach
Fig. 3b linear abfallenden Anregungsfrequenz
des Trägersignals;
Fig. 6a eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer konstanten Anregungsfrequenz des
Trägersignals für ein Chirp-UP-matched-Filter;
Fig. 6b eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3a linear ansteigenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp UP-matched-Filter;
Fig. 6c eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3b linear abfallenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp UP-matched-Filter;
Fig. 7a eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer konstanten Anregungsfrequenz des
Trägersignals für ein Chirp-DOWN-matched-
Filter;
Fig. 7b eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3a linear ansteigenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp-DOWN-matched-Filter;
Fig. 7c eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3b linear abfallenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp-DOWN-matched-Filter;
Fig. 8a eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer konstanten Anregungsfrequenz des
Trägersignals für ein Chirp-FIX-matched-Filter;
Fig. 8b eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3a linear ansteigenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp-FIX-matched-Filter;
Fig. 8c eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3b linear abfallenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp-FIX-matched-Filter;
Fig. 9a eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3a linear ansteigenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp-DOWN-matched-Filter für farbiges
Rauschen;
Fig. 9b eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3b linear abfallenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp-DOWN-matched-Filter für farbiges
Rauschen;
Fig. 10a eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3a linear ansteigenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp-UP-matched-Filter für farbiges Rauschen;
und
Fig. 10b eine Signalantwort eines Ultraschallbursts mit
einer nach Fig. 3b linear abfallenden
Anregungsfrequenz des Trägersignals für ein
Chirp-UP-matched-Filter für farbiges Rauschen.
In Fig. 1 ist eine Sende-/Empfangseinheit eines
erfindungsgemäßen Ultraschall-Multisensor-Arrays für eine
Einparkhilfe eines Kraftfahrzeugs in ihrer Gesamtheit mit dem
Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Ultraschall-Multisensor-Array
umfasst mindestens zwei entlang dem Umfang des Kraftfahrzeugs
angeordnete Sende-/Empfangseinheiten 1. Vorzugsweise sind z. B.
vier Sende-/Empfangseinheiten 1 eines ersten Ultraschall-
Multisensor-Arrays im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs und
vier Sende-/Empfangseinheiten 1 eines weiteren Ultraschall-
Multisensor-Arrays im hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs
angeordnet. Auf diese Weise kann beim Einparken ein vorderer
Überwachungsbereich und ein hinterer Überwachungsbereich
zuverlässig auf Objekte überwacht werden.
Die Sende-/Empfangseinheit 1 umfasst einen Schallwandler 2,
der zum Aussenden von Ultraschallpulsen 3 durch ein
elektrisches Signal Tx angeregt wird und der beim Empfang von
reflektierten Ultraschallpulsen 4 durch die akkustischen
Schwingungen angeregt wird und ein entsprechendes
Ausgangssignal (Rv) liefert. Die Sende-/Empfangseinheit 1
weist einen Oszillator 5 zur Erzeugung von Trägersignalen 6
der Ultraschallpulse 3, 4 auf. Außerdem umfasst sie einem
Auswertepfad mit einem Bandpass 7 und einem Komparator 8 zur
Auswertung der empfangenen Ultraschallpulse 4. Mit Hilfe des
Bandpasses 7 und des Komparators 8 wird eine
Schwellenauswertung ausgeführt. Eine digitale Implementierung
der Bauelemente 5, 7, 8 ist ebenfalls denkbar.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Sende-/Empfangseinheit
1 sendet Ultraschallpulse 3 mit einer konstanten Frequenz des
Trägersignals 6 aus. Ein solcher Ultraschallburst mit einer
konstanten Anregungsfrequenz von 38,5 kHz und einer normierten
Amplitude ist in Fig. 2 dargestellt. Die Dauer des
Ultraschallpulses 3 liegt bei etwa 35 ms, die Zeitkonstante
ist 50 µs.
Erfindungsgemäß wird die Frequenz des Trägersignals 6 der
Sende-/Empfangseinheit 1 zumindest während der Dauer des
Ultraschallpulses 3 linear ansteigend (vgl. Fig. 3a)
moduliert. Ein solcher Ultraschallburst mit einer linear
ansteigenden Anregungsfrequenz und einer normierten Amplitude
ist in Fig. 4a dargestellt. Die Frequenz des Trägersignals
einer weiteren Sende-/Empfangseinheit des Ultraschall-
Multisensor-Arrays kann parallel dazu linear abfallenden (vgl.
Fig. 3b) moduliert werden. Ein solcher Ultraschallburst mit
einer linear abfallenden Anregungsfrequenz und einer
normierten Amplitude ist in Fig. 4b dargestellt. Sowohl die
Aufmodulation als auch die Abmodulation endet bei der
Resonanzfrequenz der Sende/Empfangseinheit von 38,5 kHz (vgl.
Fig. 3a, 3b). Den Fig. 4a und 4b ist zu entnehmen, dass
sich die ansteigenden und abfallenden Ultraschallbursts im
Zeitbereich nur unwesentlich voneinander unterscheiden. Nach
etwa 13 Wellenzügen wird die Zwangsanregung beendet und der
Schallwandler 2 schwingt auf seiner Resonanzfrequenz aus.
In den Fig. 5a, 5b und 5c sind die Betragsspektren (oben)
und der Phasengang (unten) der Ultraschallbursts aus der Fig.
2 (konstante Frequenz des Trägersignals; Chirp_FIX), der Fig.
4a (ansteigende Frequenz des Trägersignals; Chirp_UP) und
Fig. 4b (abfallende Frequenz des Trägersignals; Chirp_DOWN)
dargestellt. Es fällt auf, dass durch die Frequenzmodulation
die Nullstellen des Betragsspektrums mit fester Frequenz
verschliffen werden. Interassanter ist jedoch das Verhalten
der Phase über die Frequenz (unten).
Bei dem Chirp_FIX ist die Ableitung der Phase (Fig. 5a,
unten) konstant, also auch die Gruppenlaufzeit konstant über
die Frequenz. Dies entspricht dem Verhalten eines
Totzeitgliedes, das bis auf eine konstante Totzeit die Form
eines Signals nicht verändert.
Die Phase von Chirp_UP (Fig. 5b, unten) zeigt, dass die
Gruppenlaufzeit über die Frequenz zunimmt. Signaleanteile mit
höheren Frequenzen passieren ein Filter mit entsprechender
Übertragungsfunktion also langsamer als Signalanteile mit
niedrigeren Frequenzen. Für den Chirp_DOWN (Fig. 5c, unten)
gelten genau die umgekehrten Aussagen.
Erfindungsgemäß ist in der Sende-/Empfangseinheit gemäß Fig.
1 parallel zu dem Auswertepfad ein weiterer Pfad vorgesehen,
in dem ein Ausgangssignal UP, DOWN generiert wird. Dazu sind
in dem weiteren Pfad frequenzabhängige Laufzeitfilter
vorgesehen, die durch Kombination von analogen Band- und
Allpässen realisiert sind. Das Ausgangssignal UP, DOWN
ermöglicht eine Aussage darüber, ob die Frequenz des
Trägersignals 6 eines empfangenen Ultraschallpulses 4 bei
seiner Aussendung aufwärts oder abwärts frequenzmoduliert
wurde. Eine Entscheidung darüber erfolgt mittels eines
Vergleichers 9, so dass in dem Ausgangssignal UP, DOWN
Störfaktoren, insbesondere Amplitudenverzerrungen der
empfangenen Ultraschallpulse 4 an einem Reflektor der Sende-/
Empfangseinheit 1, eliminiert sind. Zur Detektion einer
aufmodulierten Trägerfrequenz sind in dem weiteren Pfad in
einem ersten Block 10 ein sog. matched-Filter-Chirp-UP, in
einem zweiten Block 11 ein Tiefpass-Filter und in einem
dritten Block 12 Mittel zum Halten des Amplitudenpeaks
vorgesehen. Zur Detektion einer abmodulierten Trägerfrequenz
sind in dem weiteren Pfad in einem vierten Block 13 ein sog.
matched-Filter-Chirp-DOWN, in einem fünften Block 14 ein
Tiefpass-Filter und in einem sechsten Block 15 Mittel zum
halten des Amplitudenpeaks vorgesehen. Die Tiefpass-Filter 11,
14 extrahieren die Einhüllende der gefilterten Signalantwort
eines empfangenen Ultraschallpulses 4.
Die Funktionsweise der matched Filter wird im Folgenden anhand
der drei Signale Chirp_FIX, Chirp_UP und Chirp_DOWN im
Empfangspfad näher erläutert. Matched Filter haben als
Übertragungsfunktion das konjugiert komplexe Spektrum des
Signals, das sie mit optimiertem Signalrauschabstand bei
angenommenem weißem Rauschen übertragen sollen. Bspw. wird für
einen Chirp-UP-matched-Filter die Phase des Chirp_UP Spektrums
mit einem negativem Vorzeichen belegt. Ein Chirp_UP Signal
über diesen matched Filter erzeugt am Filterausgang das
Betragsquadrat des Signalspektrums.
Die Fig. 6a, 6b, 6c zeigen die Signalantworten eines
Ultraschallbursts mit einer konstanten Anregungsfrequenz
(Fig. 6a), einer ansteigenden Frequenz (Fig. 6b) und einer
abfallenden Frequenz (Fig. 6c) des Trägersignals für ein
Chirp-UP-matched-Filter. Die Fig. 7a, 7b, 7c zeigen die
Signalantworten eines Ultraschallbursts mit einer konstanten
Anregungsfrequenz (Fig. 7a), einer ansteigenden Frequenz
(Fig. 7b) und einer abfallenden Frequenz (Fig. 7c) des
Trägersignals für ein Chirp-DOWN-matched-Filter. Die Fig.
8a, 8b, 8c zeigen die Signalantworten eines Ultraschallbursts
mit einer konstanten Anregungsfrequenz (Fig. 8a), einer
ansteigenden Frequenz (Fig. 8b) und einer abfallenden
Frequenz (Fig. 8c) des Trägersignals für ein Chirp-FIX-
matched-Filter. Bei dem Chirp-UP-matched-Filter und dem Chirp-
DOWN-matched-Filter ist deutlich zu erkennen, dass sich die
Amplitude der Filterantworten für Chirp_UP und Chirp_DOWN um
etwa 0,7 zu 0,5, also 2,9 dB, unterscheiden. Das gleiche
Verhältnis gilt für die Pulsbreiten.
Der Unterschied von Chirp_UP oder Chirp_DOWN in allen matched
Filtern zum unmodulierten Chirp_FIX fällt gering aus (0,7 zu
0,65, also etwa nur 0,6 dB) und ist nicht sehr signifikant.
Das ergibt sich zwangsläufig aus der in allen Fällen
unmodulierten Burstabklingzeit. Darum empfiehlt es sich u. U.,
die Kodierung der Trägerfrequenzen auf die linear ansteigende
und linear abfallende Frequenzmodulation zu beschränken und
auf einen parallen Betrieb einer weiteren Sende-/
Empfangseinheit mit einem Trägersignal einer konstanten
Frequenz zu verzichten.
Zur weiteren Optimierung der Unterscheidbarkeit von Chirp_UP
und Chirp_DOWN im Empfangspfad kann man den Entwurf eines
matched Filters für farbiges Rauschen heranziehen. Dieser hat
die Übertragungsfunktion S.f/|N(f)|2. Dabei zieht man als
Leistungssprektrum des farbigen Rauschens das Betragsquadrat
des Spektrums des jeweils zu unterdrückenden Chirps heran.
(|N(f)|2 für Chirp-UP-matched-Filter = |S|2 für Chirp_DOWN)
In den Fig. 9a, 9b ist eine Signalantwort eines
Ultraschallbursts mit einer ansteigenden Anregungsfrequenz
(Fig. 9a) und einer abfallenden Frequnez (Fig. 9b) des
Trägersignals für ein Chirp-DOWN-matched-Filter für farbiges
Rauschen dargestellt. In den Fig. 10a, 10b ist eine
Signalantwort eines Ultraschallbursts mit einer ansteigenden
Anregungsfrequenz (Fig. 10a) und einer abfallenden Frequnez
(Fig. 10b) des Trägersignals für ein Chirp-UP-matched-Filter
für farbiges Rauschen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass
sich die Unterscheidbarkeit mit diesen sog. colored Filtern
deutlich verbessert, im vorliegenden Fall um den Faktor 3 auf
etwa 9,5 dB.
Zur Realisierung der Verläufe der gewünschten Filterphasen ist
es notwendig, die Filterübertragungsfunktionen mit einem
Totzeitverhalten (T_t < 0,5 ms) zu belegen, damit die
Übertragungsfunktion regulär wird.
In Tietze, Ulrich: Halbleiter-Schaltungstechnik, 9. Aufl.,
1989, Kapitel 14 sind sog. Allpässe zweiter Ordnung
ausführlich beschrieben. Dort ist außerdem ein Ausdruck der
Gruppenlaufzeit in Abhängigkeit der normierten Frequenz
angegeben. Durch eine Kette von Allpässen und Bandpässen und
deren entsprechende Auslegung kann dann obiges Idealverhalten
der colored Filter approximiert werden. Auf das Kapitel 14 in
dem angegebenen Fachbuch wird ausdrücklich Bezug genommen.
Durch die symmetrische Auslegung wird ein Burst ohne
Modultaion in den obigen farbigen Chirp-UP- bzw. Chirp-DOWN-
matched-Filtern zu keinem signifikanten Amplitudenunterschied
zwischen den Kanälen führen. Damit lassen sich also
unmodulierte Nachklingeffekte (z. B. durch Bürstenbildung an
der Kontaktlitze) als Fehlersignale aussortieren.
Claims (11)
1. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Multisensor-
Arrays insbesondere einer Einparkhilfe eines
Kraftfahrzeugs, mit mindestens zwei entlang dem Umfang
des Kraftfahrzeugs angeordneten Sendeeinheiten zum
Aussenden von Ultraschallpulsen (3) in einen
Überwachungsbereich und mindestens einer Empfangseinheit
zum Empfangen von an einem Objekt in dem
Überwachungsbereich reflektierten Ultraschallpulsen (4),
wobei mehrere Sendeeinheiten parallel betrieben werden
und zeitgleich zueinander kodierte Ultraschallpulse (3)
aussenden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kodierung
Trägersignale (6) der Ultraschallpulse (3) für die
einzelnen zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten zumindest
während der Pulsdauer unterschiedlich frequenzmoduliert
werden und dass die empfangenen kodierten
Ultraschallpulse (4) von der mindestens einen
Empfangseinheit anhand der Kodierung den einzelnen
zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten zuordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Frequenz des Trägersignals (6) einer ersten
Sendeeinheit aufmoduliert (Chirp_UP) und die Frequenz des
Trägersignals (6) einer zweiten Sendeeinheit abmoduliert
(Chirp_DOWN) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Frequenz des Trägersignals (6) einer dritten
Sendeeinheit konstant gehalten wird (Chirp_FIX).
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Frequenzen der Trägersignale (6) linear aufmoduliert
und abmoduliert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Frequenzen der Trägersignale (6) exponentiell
aufmoduliert und abmoduliert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die empfangenen Ultraschallpulse (4)
von der mindestens einen Empfangseinheit gefiltert
werden, um sie den einzelnen Sendeeinheiten zuzuordnen.
7. Ultraschall-Multisensor-Array insbesondere einer
Einparkhilfe eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens zwei
entlang dem Umfang des Kraftfahrzeugs angeordneten
Sendeeinheiten zum Aussenden von Ultraschallpulsen (3) in
einen Überwachungsbereich und mindestens einer
Empfangseinheit zum Empfangen von an einem Objekt in dem
Überwachungsbereich reflektierten Ultraschallpulsen (4),
wobei die Sendeeinheiten mindestens einen Oszillator (5)
zur Erzeugung von Trägersignalen (6) der Ultraschallpulse
(3, 4) und erste Mittel zur Kodierung der
Ultraschallpulse (3) mehrerer zeitgleich betriebener
Sendeeinheiten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sendeeinheiten einen gemeinsamen Oszillator (5)
aufweisen und die ersten Mittel den Oszillator (5)
zumindest während der Pulsdauer derart ansteuern, dass
die Trägersignale (6) für die einzelnen zeitgleich
betriebenen Sendeeinheiten unterschiedlich
frequenzmoduliert werden, und dass die mindestens eine
Empfangseinheit zweite Mittel zur Zuordnung der
empfangenen kodierten Ultraschallpulse (4) den einzelnen
zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten anhand der
Kodierung aufweist.
8. Ultraschall-Multisensor-Array nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Oszillator (5) derart
ansteuerbar ist, dass die Frequenz des Trägersignals (6)
einer ersten Sendeeinheit aufmoduliert (Chirp_UP) und die
Frequenz des Trägersignals (6) einer zweiten Sendeeinheit
abmoduliert (Chirp_DOWN) wird.
9. Ultraschall-Multisensor-Array nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Oszillator (5) derart
ansteuerbar ist, dass die Frequenz des Trägersignals (6)
einer dritten Sendeeinheit konstant gehalten wird
(Chirp_FIX).
10. Ultraschall-Multisensor-Array nach einem der Ansprüche 7
bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine
Sendeeinheit und eine Empfangseinheit zu einer
gemeinsamen Sende-/Empfangseinheit (1) mit einem
Schallwandler (2) zusammengefasst sind.
11. Ultraschall-Multisensor-Array nach einem der Ansprüche 7
bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel
als Filter (10, 11; 13, 14) zur Filterung der empfangenen
Ultraschallpulse (4) ausgebildet sind.
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