DE10120508A1

DE10120508A1 - Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät und betreffendes Verfahren

Info

Publication number: DE10120508A1
Application number: DE10120508A
Authority: DE
Inventors: Yo Yanagida; Kazuyuki Osada; Terumitsu Sugimoto
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-02-21
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: DE10120508B4; US20010049962A1; JP2001305222A; FR2810741A1

Abstract

Ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 der vorliegenden Erfindung enthält eine Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 zum Erzeugen mehrerer Phasensteuersignale mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen; eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 zum Übertragen von Ultraschallwellen einer wechselseitig unterschiedlichen Übertragungsfrequenz durch mehrere Felder auf der Grundlage der mehreren Phasensteuersignale; eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 zum Empfangen reflektierter Wellen von einem Objekt der Ultraschallwellen mit mehreren Empfangselementen, zum Beurteilen eines Signals der reflektierten Wellen, empfangen durch die Gesamtheit der Empfangselemente, als Hauptbild, um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, sowie zum Beurteilen von Signalen der anderen reflektierten Wellen als Seitenbilder, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; sowie eine Objektdetektionsvorrichtung 5 zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage eines Hauptbildsignals, ausgegeben durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4, und zum Detektieren der Existenz eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät zum Detektieren eines in dem Raum vorliegenden Objekts durch Ultraschallwellen, und insbesondere betrifft es ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät, das eine Fehldetektion aufgrund eines Seitenstrahls vermeiden kann.

Üblicherweise existiert ein Ultraschallfeldsensor, wie in Fig. 1 gezeigt ist (japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 10-224880), und ein Treiberverfahren für eine phasengesteuerte Oszillatoranordnung, wie in Fig. 2 gezeigt (japanische Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 59-34176).

Zunächst enthält der in Fig. 1 gezeigte Ultraschallfeldsensor 101 röhrenförmige Wellenleiter 103 zum Führen von Ultraschallwellen, und Ultraschalloszillatoren 105, die bei einem Endabschnitt 107 der Wellenleiter 103a, 103b und 103c vorgesehen sind, zum Senden von Ultraschallwellen nach außen zu dem anderen Endabschnitt 109 der Wellenleiter 103a, 103b und 103c, derart, dass die mit dem Ultraschalloszillator 105 ausgerüsteten Wellenleiter 103a, 103b und 103c in vielfacher Zahl angeordnet sind. Zudem ist die Form des anderen Endabschnitts 109 jedes Wellenleiters 103a, 103b und 103c im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet, und die jeweils anderen Endabschnitte 109 jedes Wellenleiters 103a, 103b und 103c sind in einer Reihe ausgebildet, derart, dass sich einer der Endabschnitte 107 aneinandergrenzender Wellenleiter bei jedem Wellenleiter 103a, 103b und 103c in Richtungen erstrecken, die sich voneinander unterscheiden.

Weiterhin ist das Abgleichintervall bei dem anderen Endabschnitt 109 der Wellenleiter 103a, 103b und 103c so festgelegt, dass es nicht größer ist als die halbe Wellenlänge der Ultraschallwellen, die durch den Ultraschalloszillator 105 erzeugt werden.

Wie oben beschrieben, ist der Ultraschallfeldsensor 101, wie in Fig. 1 gezeigt, so aufgebaut, dass das Abgleichintervall d bei dem anderen Endabschnitt 109 der Wellenleiter, von dem Ultraschallwellen übertragen werden, so festgelegt ist, dass es kürzer ist als die Halbwelle der Ultraschallwellen, um hierdurch das Auftreten eines sogenannten Subpols (Engl. sub pole)(Seitenstrahl) zu vermeiden.

Zudem sind bei den in Fig. 2 dargestellten phasengesteuerten Oszillatoranordnungs-Treiberverfahren Ultraschall-Messelemente TD₁-TD_n (in diesem Fall, n = 12) entlang einer Linie mit einem Abstand d angeordnet, wie in Fig. 2A gezeigt, und im Zeitpunkt des Wellenempfangs wird die Welle mit sechs abwechselnden Elementen (TD₁, TD₃, TD₅, TD₇, TD₉, TD₁₁, bei einem Abstand von 2d) aus den zwölf Elementen empfangen, wie in Fig. 2C gezeigt. In diesem Fall erscheint eine liegende (engl.: grating) Seitenkeule entlang der Richtung von θ_x und -θ_x (nicht gezeigt), im Hinblick auf den Hauptstrahl, und eine Phasendifferenz von nur einer Wellenlänge tritt zwischen angrenzenden Elementen entlang dieser Richtung auf. Die Empfindlichkeit/Richtfähigkeit in diesem Zeitpunkt ist so, wie in Fig. 3B gezeigt.

Andererseits wird im Zeitpunkt der Wellenübertragung, wie in Fig. 2B gezeigt, eine Klangwelle durch die mittleren sechs Elemente emittiert (TD₄-TD₆, mit einem Abstand von d). Entlang der Richtung von θ_x und -θ_x (nicht gezeigt) tritt die Phasendifferenz der Halbwellenlänge zwischen zwei angrenzenden Elementen auf, und demnach wirken diese Elemente gegeneinander unter Aufweisung einer minimalen Stärke, und die Richtfähigkeit im Zeitpunkt der Wellenübertragung ist so, wie in Fig. 3A gezeigt.

Hier wird, wenn die Zeit der Wellenübertragung und die Zeit des Wellenempfangs zusammengefügt werden, die Richtfähigkeit für die Synthetisierung jeder Übertragungs- und Empfangsrichtung erhalten, und demnach verläuft die Richtfähigkeit (engl.: directivity) so, wie in Fig. 3C gezeigt, und es ist zu erkennen, dass die Richtfähigkeit so verläuft, dass sie die liegende Seitenkeule unterdrückt.

Jedoch wird mit dem Ultraschallfeldsensor 101, wie oben beschrieben, das Klangquellintervall zum Bilden des Felds nicht größer als die Halbwellenlänge ausgebildet, um hierdurch im wesentlichen das Auftreten des Seitenkolbens zu unterdrücken. Da jedoch der Durchmesser des Ultraschalloszillators 105 wirklich größer als die Halbwellenlänge ist, wird das Klangquellintervall so ausgebildet, dass es nicht größer als die Halbwellenlänge ist, indem der Wellenleiter von dem Element erstreckt wird. Demnach erhöht sich der Sensorquerschnitt, was nicht praktisch ist.

Weiterhin ist bei dem Treiberverfahren für die phasengesteuerte Oszillatoranordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, die Empfindlichkeit lediglich entlang der Hauptstrahlrichtung begrenzt, durch unterschiedliches Ausbilden der Richtfähigkeit des Übertragungsfelds und der Fähigkeit des Empfangsfelds. In diesem Fall ist jedoch eine komplizierte Schaltungsstruktur sowohl bei der Phasensteuerschaltung der Signaleingabe zu dem Übertragungsfeld als auch der Detektionssignal-Verarbeitungsschaltung in dem Empfangsfeld erforderlich.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obige Situation abgeschlossen, und ein technisches Problem der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts und eines betreffenden Verfahrens mit der Fähigkeit zum Vermeiden einer Fehldetektion aufgrund eines Seitenstrahls und der Verringerung der Größe des Sensorabschnitts ohne komplizierte Ausbildung der Schaltungsstruktur eines Empfangsabschnitts.

Als Gerät zum Erzielen des obigen technischen Problems ist ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät, das die Erfindung gemäß dem Anspruch 1 darstellt, ein elektronisches Ultraschall-Objektdetektionsgerät zum Detektieren einer Position eines Objekts durch Senden von Ultraschallwellen enthalten: Eine Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen mehrerer Phasensteuersignale mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen; eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Ultraschallwellen, die wechselseitig unterschiedliche Frequenzen aufweisen, durch eine Vielzahl von Feldern, auf der Grundlage der Vielzahl von Phasensteuersignalen, die durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung generiert werden; eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung zum Empfangen reflektierter Wellen von einem Objekt der Ultraschallwellen, die von der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung übertragen werden, mit einer Vielzahl von Empfangselementen sowie zum Beurteilen eines Signals der reflektierten Wellen, empfangen durch sämtliche Empfangselemente als Post- bzw. Hauptbild (engl.: mail image), um hierdurch ein Haupt- bzw. Postbildsignal (engl.: mail image signal) auszugeben, und zum Beurteilen von Signalen der anderen reflektierten Wellen als Seitenbilder, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; sowie eine Objektdetektionsvorrichtung zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage des Haupt- bzw. Postbildsignals, ausgegeben durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung, und zum Detektieren der Existenz des Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals.

Gemäß dem Patentanspruch 1 der Erfindung lässt sich ein Hauptbild und ein Seitenbild getrennt erkennen, wodurch das Vermeiden einer Fehldetektion eines Objekts ermöglicht wird.

Die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 2 betrifft ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät gemäß dem Patentanspruch 1, derart, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Übertragen der reflektierten Wellen zu Pulssignalen, und hiernach zum gemeinsamen Berechnen der Pulssignale.

Ferner betrifft die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 3 ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach dem Anspruch 1, derart, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren der Signale dienen die von der Übertragung bis zu dem Empfang erforderliche Zeit gleich derjenigen ist wie bei einem Hauptbildpuls, von den Pulssignalen.

Zusätzlich betrifft die Erfindung gemäß dem Anspruch 4 ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät, derart, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren der Signale, für die die Zeit, die von der Übertragung bis zum Empfang erforderlich ist, sich unterscheidet, und zwar als Seitenbildpuls, zwischen Pulssignalen.

Gemäß den Ansprüchen 2, 3 und 4 der Erfindung können, nachdem die reflektierten Wellen in Pulssignale transformiert werden, mehrere Empfangssignale gemeinsam durch eine einfache Logikschaltung verarbeitet werden, die eine einfache Kombination einer logischen Multiplikation und einer logischen Addition darstellt, wodurch die Miniaturisierung der Konstruktion der Empfangsschaltung ermöglicht wird, und ebenso die Beurteilung des Vorliegens eines "Seitenbilds" ermöglicht wird.

Ein Verfahren zum Erzielen des obigen technischen Problems betrifft ein elektronisches Ultraschallabtast-Detektionsverfahren, das die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 5 darstellt, und es handelt sich um ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren zum Detektieren einer Position eines Objekts durch Übertragen von Ultraschallwellen, enthaltend: Einen Phasensteuersignal-Erzeugungsschritt zum Erzeugen einer Vielzahl von Phasensteuersignalen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen; einen Ultraschallwellen-Übertragungsschritt zum Übertragen von Ultraschallwellen mit einer wechselseitig unterschiedlichen Übertragungsfrequenz durch eine Vielzahl von Feldern auf der Grundlage der mehreren Phasensteuersignale, die im Rahmen des Phasensteuersignals-Erzeugungsschritts erzeugt werden; einen Ulttaschallwellen-Empfangsschritt zum Empfangen einer reflektierten Welle von einem Objekt der Ultraschallwelle, die im Rahmen des Ultraschallwellen-Übertragungsschritts übertragen wird, mit einer Vielzahl von Empfangselementen, sowie zum Beurteilen eines Signals der reflektierten Wellen, empfangen durch sämtliche Empfangselemente, als Bild- bzw. Hauptbild, um hierdurch ein Haupt- bzw. Postbildsignal auszugeben, sowie zum Beurteilen der Signale anderer reflektierter Wellen als Seitenbilder, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; und ein Objektdetektionsschritt zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage eines Haupt- bzw. Postbildsignals, ausgegeben im Rahmen des Ultraschallwellen-Übertragungsschritts, sowie zum Detektieren der Existenz eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals.

Gemäß dem Patentanspruch 5 der Erfindung lassen sich ein Hauptbild und ein Seitenbild separiert erkennen, wodurch das Vermeiden einer Fehldetektion eines Objekts ermöglicht wird.

Die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 6 betrifft ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren gemäß dem Patentanspruch 5, wobei der Ultraschallwellen- Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt umfasst, für das Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach für das gemeinsame Berechnen der Pulssignale.

Ferner betrifft die Erfindung gemäß dem Anspruch 7 ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 5, wobei der Ultraschallwellen-Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt aufweist, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren der Signale, bei denen die Zeit, die von Übertragung bis zu dem Empfang erforderlich ist, dieselbe ist wie bei einem Hauptbildpuls, aus den Pulssignalen.

Zusätzlich betrifft die Erfindung gemäß dem Anspruch 8 ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren gemäß Anspruch 5, bei dem Ultraschallwellen-Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt umfasst, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren der Signale, bei denen die Zeit, die von der Übertragung bis zu dem Empfang erforderlich ist, sich unterscheidet, und zwar als ein Seitenbildpuls, aus den Pulssignalen.

Gemäß Anspruch 6, 7 und 8 der Erfindung lassen sich, nachdem die reflektierten Wellen in Pulssignale transformiert sind, mehrere Empfangssignale durch eine einfache Logikschaltung gemeinsam berechnen und verarbeiten, die eine Kombination einer logischen Multiplikation und einer logischen Addition darstellen, wodurch die Miniaturisierung des Aufbaus der Empfangsschaltung ermöglicht wird, und ebenso die Beurteilung des Vorliegens eines "Seitenbilds" ermöglicht wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zum Darstellen der Konstruktion eines üblichen Ultraschallfeldsensors;

Fig. 2 ein Diagramm zum Erläutern des Prinzips eines üblichen phasengesteuerten Feldoszillator-Treiberverfahrens;

Fig. 3 ein Diagramm zum Darstellen der Empfindlichkeit/Richtfähigkeit des üblichen Treiberverfahrens für die phasengesteuerte Oszillatoranordnung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zum Darstellen der Konstruktion einer Ausführungsform eines elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild zum Darstellen der Konstruktion einer Ausführungsform einer Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 in dem in Fig. 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

Fig. 6 ein Schaltbild zum Darstellen einer Schaltungsstruktur der üblichen Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 in dem in Fig. 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

Fig. 7 ein Schaltbild zum Darstellen einer Schaltungsstruktur einer Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 in dem in Fig. 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

Fig. 8 ein Diagramm zum Darstellen eines Strahlprofilmodells der durch das Feld übertragenen Ultraschallwellen;

Fig. 9 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 in dem in Fig. 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts 1;

Fig. 10 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels einer Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 in dem in Fig. 5 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

Fig. 11 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels des in Fig. 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts 1;

Fig. 12 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Objektdetektionsverarbeitung mittels des in Fig. 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts 1;

Fig. 13 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels einer Phasensteuersignaleingabe zu der in Fig. 4 gezeigten Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3;

Fig. 14 ein Diagramm zum Erläutern des Prinzips der Hauptstrahl-Richtfähigkeitssteuerung mittels der in Fig. 4 gezeigten Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3;

Fig. 15 ein Diagramm zum Erläutern des Prinzip für das Erzeugen eines Seitenstrahls durch die in Fig. 4 gezeigte Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3;

Fig. 16 ein Diagramm zum Erläutern eines Beispiels für die Erzeugung der Richtungen des Hauptstrahls und des Seitenstrahls;

Fig. 17 ein Diagramm zum Darstellen eines Empfangssignals mittels der reflektierten Welle von einem Objekt empfangen von der in Fig. 4 gezeigten Ultraschallenwellen-Empfangsvorrichtung 4;

Fig. 18 ein Diagramm zum Erläutern eines Beispiels eines Empfangssignals mittels der reflektierten Welle von einem Objekt empfangen durch die in Fig. 4 gezeigte Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4.

Zunächst wird auf der Grundlage von Fig. 4 der Aufbau eines elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts in dieser Ausführungsform beschrieben.

Wie in Fig. 4 gezeigt, enthält das elektronische Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 dieser Ausführungsform: eine Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 zum Erzeugen einer Vielzahl von Phasensteuersignalen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen; eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 zum Übertragen von Ultraschallwellen mit einer wechselseitig unterschiedlichen Übertragungsfrequenz durch mehrere Felder auf der Grundlage der Vielzahl von Phasensteuersignalen, erzeugt durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2; eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 zum Empfangen einer reflektierten Welle von einem Objekt der Ultraschallwelle, übertragen von der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3, mit einer Vielzahl von Empfangselementen, sowie zum Beurteilen eines Signals der reflektierten Welle, empfangen durch die Gesamtheit der Empfangselemente, als Post- bzw. Hauptbild, um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, sowie zum Beurteilen der Signale anderer reflektierter Wellen als Seitenbilder, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; sowie eine Objektdetektionsvorrichtung 5 zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage des Haupt- bzw. Postbildsignals ausgegeben durch die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 4 und zum Detektieren der Existenz eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals.

Das wie oben beschrieben aufgebaute elektronische Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 überträgt Ultraschallwellen mit denselben Übertragungsfrequenzen von der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3, auf der Grundlage der durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 erzeugten Phasensteuersignale, und es empfängt reflektierte Wellen der Ultraschallwellen von dem Objekt durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4, um hierdurch einen Hauptbildpuls und einen Seitenbildpuls (engl.: mail image pulse) zu trennen. Anschließend erfolgt auf der Grundlage des Hauptbildpulses und des Seitenbildpulses die Berechnung einer Information wie "Richtung, entlang der ein Objekt vorliegt", "Distanz zu dem Objekt", "Vorliegen eines Seitenbilds" und dergleichen, sowie eine Ausgabe durch die Objektdetektionsvorrichtung 5.

Hier ist die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 so, wie in Fig. 5 gezeigt, ausgebaut, durch Anordnung mehrerer Felder, in denen mehrere Übertragungselemente B linear oder mit gleichen Intervallen angeordnet sind.

In Fig. 5 ist eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 gezeigt, mit einem Feld A₁, gebildet von N Übertragungselementen B₁₁, B₁₂, . . . , B_1N, sowie durch ein Feld A₂, gebildet durch N Übertragungselemente B₂₁, B₂₂, . . . , B_2N, und ein Feld A_M, gebildet von N Übertragungselementen B_M1, B_M2, . . . , B_MN. Hier ist das Ausrichtungsintervall d der Übertragungselemente in allen Feldern A₁ bis A_M das gleiche.

Ferner wird unter Bezug auf die Fig. 6 die Schaltungsstruktur der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 beschrieben.

Wie in Fig. 6 gezeigt, werden M Phasensteuersignale S₁, S₂, . . . , S_M erzeugt durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2, bei der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 eingegeben. Von diesen Phasensteuersignalen wird das Phasensteuersignal S₁ - eingegeben bei dem Feld A₁ - bei jedem Übertragungselement B₁₁, B₁₂, . . . , B_1M angegeben, mit einer spezifizierten Phasendifferenz ϕ₁, bereitgestellt durch einen Phasenschieber 31. Diese Phasendifferenz ϕ₁ wird bestimmt durch die Übertragungsfrequenz und durch die Hauptstrahlrichtung.

Anschließend überträgt jedes Übertragungselement B₁₁, B₁₂, . . . , B_1N jeweils Ultraschallwellen auf der Grundlage der Phasensteuersignale S₁, S₂, . . . , S_M, die mit der Phasendifferenz bereitgestellt sind. Demnach muss jedes Übertragungselement B₁₁, B₁₂, . . . , B_1N Ultraschallwellen mit einer Phasendifferenz von ϕ₁ jeweils zwischen aneinandergrenzenden Übertragungselementen übertragen.

Ähnlich werden jeweils in dem Feld A₂, . . . , A_M Ultraschallwellen mit einer Phasendifferenz von ϕ₂, . . . , ϕ_M, übertragen.

Weiterhin ist die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 aus einer Vielzahl von Empfangselementen C₁, C₂, . . . , C_M gebildet, und die von dem Objekt reflektierten Wellen, die von diesen Empfangselementen empfangen werden, werden als Post- bzw. Hauptbild oder Seitenbild mit einer in Fig. 7 gezeigten Schaltung identifiziert.

Wie in Fig. 7 gezeigt, empfangen M-Empfangselemente C₁, D₂, . . . , C_M zum Empfangen reflektierter Wellen jeweils mit einer Frequenz F₁ bis F_M die reflektierten Wellen von dem Objekt der Ultraschallwellen, die zur selben Zeit von Übertragungselementen B₁₁, B₁₂, . . . , B_1M, B₂₁, . . . , B_2M, B_M1, . . . , B_MN übertragen werden, mit einer Übertragungsfrequenz von jeweils f₁ bis f_M bei derselben Zeit.

Anschliessend werden die empfangenen reflektierten Wellen durch einen Verstärker AMP sämtlich auf einmal verstärkt und einer Pulstransformation durch eine selbstregelnde Einrichtung AGC und einer Spitzenhalteschaltung 41 unterzogen.

Als nächstes bewirkt eine logische Betriebsvorrichtung 42 eine logische Multiplikation von M Pulssignalen, die auf diese Weise generiert werden, um hierdurch Signale zu detektieren, bei denen die Zeit von der Übertragung bis zum Empfang dieselbe ist, d. h., einen Haupt(Post)Bildpuls.

Ähnlich bewirkt die logische Betriebsvorrichtung 42 eine logische Addition der M Pulssignale um hierdurch Signale zu detektieren, bei denen sich die Zeit von der Übertragung bis zum Empfang unterscheidet, d. h. ein Seitenbildpuls.

Hier wird, wie in Fig. 8 gezeigt, ein Fall als Beispiel beschrieben, wo das Gerät aus zwei Feldern gebildet ist, d. h. einem Feld A₁ mit einer Übertragungsfrequenz von F₁ und einem Feld A₂ mit einer Übertragungsfrequenz von F₂.

Die Fig. 8 zeigt Strahlprofilmodelle, die jeweils durch die Felder A₁ und A₂ gebildet sind, und das Ausrichtungsintervall der Übertragungselemente beträgt d, und die Hauptstrahlrichtung ist α₀, und zwar in den beiden Feldern A₁ und A₂.

Diese Felder A₁ und A₂ sind so ausgebildet, wie in Fig. 9 gezeigt, um hierdurch die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 zu bilden.

Hier ist ein Beispiel der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3, gebildet durch die zwei Felder, in Fig. 10 gezeigt. In Fig. 10 sind acht Übertragungselemente mit einer Übertragungsfrequenz von 40 kHz in dem Feld A₁ installiert, gebildet an der oberen Stufe, und acht Übertragungselemente mit einer Übertragungsfrequenz von 50 kHz sind in dem Feld A₂, gebildet an der unteren Stufe, installiert.

In diesen Feldern A₁ und A₂ beträgt der Durchmesser des Übertragungselements 10 mm, und das Ausrichtungsintervall zwischen den Übertragungselementen ist zu 12 mm festgelegt.

Weiterhin ist ein Beispiel eines elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts unter Verwendung der in Fig. 10 gezeigten Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung in Fig. 11 gezeigt. Wie in Fig. 11 gezeigt, ist ein Personal-Computer, versehen mit einem D/A-Board, mit der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3, gezeigt in Fig. 10, verbunden, um hierdurch ein Phasensteuersignal auszugeben, und das Empfangssignal wird durch einen FFT-Analysator und ein Oszilloskop beobachtet.

Als nächstes wird eine Objektdetektionsverarbeitung mittels dem elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 in dieser Ausführungsform beschrieben, auf der Grundlage des in Fig. 12 gezeigten Flussdiagramms.

Zunächst wird ein Phasensteuersignal im Hinblick auf ein Feld erzeugt, durch die Phasensteuer-Signalerzeugungsvorrichtung 2 (S901). In diesem Zeitpunkt wird ein Phasensteuersignal S₁ von 40 kHz erzeugt im Hinblick auf das Feld A₁, und ein Phasensteuersignal S₂ von 50 kHz wird im Hinblick auf das Feld A₂ erzeugt.

Diese Phasensteuersignale S₁, S₂ werden jeweils zu Feldern A₁ und A₂ übertragen, und zur selben Zeit bei jedem Feld eingegeben (S902).

Danach wird in jedem Feld A₁, A₂, das das Phasensteuersignal empfangen hat, eine spezifische Phasendifferenz bereitgestellt, zwischen den angrenzenden Übertragungselementen, und zwar durch den in Fig. 6 gezeigten Phasenschieber 31 (S903). Diese Phasendifferenz wird durch die Übertragungsfrequenz und die Hauptstrahlrichtung bestimmt.

Hier ist ein Beispiel eines Phasensteuersignals, bereitgestellt mit einer Phasendifferenz, in Fig. 13 gezeigt.

Wie in Fig. 13 gezeigt, erfolgt die Eingabe bei dem Feld A₁ von Phasensteuersignalen S₁₁, S₁₂, S_1N mit einer Übertragungsfrequenz von 40 kHz und bereitgestellt mit einer spezifizierten Phasendifferenz lediglich für die Zeit T₁ und die Abtastperiode T₂ im Hinblick auf N Übertragungselemente B₁₁, B₁₂, B_1N. Ein derartiges Phasensteuersignal wird jeweils bei N Übertragungselementen B₁₁, B₁₂, B_1N fortlaufend und wiederholt eingegeben.

In derselben Weise werden die Phasensteuersignale S₂₁, S₂₂, . . . , S_2N mit einer Übertragungsfrequenz von 50 kHz bei dem Feld A₂ eingegeben.

Es erfolgt jeweils die Übertragung von Ultraschallwellen versehen mit einer spezifizierten Phasendifferenz zwischen Ultraschallwellen, die von angrenzenden Übertragungselementen übertragen werden, von dem Übertragungselement B, bei dem ein derartiges phasengesteuertes Signal eingegeben wurde (S904).

Hier wird das Prinzip der Richtfähigkeitssteuerung von Ultraschallstrahlen, die von der oben beschriebenen Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 übertragen werden, auf der Grundlage von Fig. 14 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform steht das elektronische Abtastverfahren für ein Verfahren zum Verwenden eines Interferenzphänomens der Wellenbewegung, d. h. ein Verfahren zum "Erzeugen eines starken Strahls in der beabsichtigten Richtung durch adäquates Steuern von Phasen der Wellen, die von mehreren Wellenquellen erzeugt werden".

Hier wird davon ausgegangen, dass die Phasensteuersignale S₁₁, S₁₂, . . . , S₁₄, die durch den in Fig. 6 gezeigten Phasenschieber 31 mit einer Phasendifferenz versehen sind, bei den Übertragungselementen B₁₁, B₁₂, . . . , B₁₄ in dem Feld A₁ eingegeben werden, und dann wird, sofern die Phasen für jedes Phasensteuersignal S₁₁, S₁₂, . . . , S₁₄, sämtlich gleich sind, ein starker Ultraschallstrahl entlang der Richtung von θ = 0° erzeugt. Dieser "starke Ultraschallstrahl" wird hier nachfolgend als "Hauptstrahl" bezeichnet.

Hier nimmt unter Berücksichtigung eines Falls, bei dem ein Hauptstrahl entlang der Richtung von θ = α in Fig. 14 erzeugt wird, eine Phasendifferenz L der Übertragungselemente B₁₁ bis B₁₄ in Fig. 14 einen Wert an zu:

L = d.sinα (1).

Eine Phasendifferenz ϕ[deg], die zwischen jeweiligen Steuersignalen erforderlich ist, wird ausgehend von der Zeit bestimmt, wenn die Ultraschallwellen die Distanz L fortschreiten.

Wird die Schallgeschwindigkeit durch V bezeichnet, und wird die Übertragungsfrequenz mit f bezeichnet, so werden aufgrund der Tatsache, dass die Distanz (Wellenlänge λ), die fortgeschritten wird, während sich die Welle einer Frequenz f für einen Zyklus verschiebt, den Wert V/f aufweist, folgende Ausdrücke erhalten:

ϕ/360 = d.sinα/(V/f) (2)

∴ϕ = (360.f.d.sinα)/V[deg] (3).

Wird ϕ, erhalten in der Gleichung (3), jeweils bereitgestellt als eine Phasendifferenz zwischen den Phasensteuersignalen S₁₁-S₁₂, S₁₂-S₁₃ und S₁₃-S₁₄, so kann der Hauptstrahl entlang der Richtung von α mittels des Felds A₁ erzeugt werden.

Jedoch wird aufgrund der Tatsache, dass der Hauptstrahl das "Interferenzphänomen der Wellenbewegung" verwendet, jedes Mal, wenn es gegenüber dem Hauptstrahl um eine ganzzahlige Wellenlänge verschoben wird, ein starker Strahl getrennt von dem Hauptstrahl erzeugt. Dieser "starke Ultraschallstrahl, verschoben gegenüber dem Hauptstrahl um eine ganzzahlige Wellenlänge", wird als ein "Seitenstrahl" bezeichnet.

Hier wird das Prinzip zum Erzeugen des Seitenstrahls unter Bezug auf die Fig. 15 beschrieben.

Wird angenommen, dass die Richtung des erzeugten Seitenstrahls β ist, so wird die Pfaddifferenz L_ß in Fig. 15:

L_ß = d.sinß (4).

Im Ergebnis ist ein Seitenstrahl entlang der Richtung von β zu bilden, wobei auf den folgenden Ausdruck zu schließen ist:

|d.sinβ - d.sinα| = n.λ(n = 1, 2, 3, 4 . . .) (5).

Anhand des Ausdrucks (5) wird die Richtung β, bei der der Seitenstrahl auftritt, wie folgt:

β = sin^-1{sinα ± n.(λ/d)} (n = 1, 2, 3, 4 . . .) (6).

Die einschränkenden Bedingungen für α, β, λ und d sind:

-90° ≦ α ≦ +90°,
-90° ≦ β ≦ +90°,
λ < 0 und
d < 0 (7),

und demnach wird bei Schlussfolgerung des Ausdrucks (6) unter diesen Bedingungen ein Seitenstrahl entlang der Richtung von β geformt.

Wird die Bedingung, gemäß der β existiert, ausgehend von den Ausdrücken (6) und (7) bestimmt, so gilt d ≧ λ/2. Umgekehrt ausgedrückt, sofern gilt

0 < d < λ/2 (8),

wird dann ein Seitenstrahl in dem Raum nicht geformt.

Ursprünglich sollte die Distanz zwischen den Wellenquellen (Ausrichtungsintervall zwischen Elementen) d so festgelegt sein, dass der Ausdruck (8) erfüllt ist.

Jedoch ist es praktisch aufgrund der Tatsache, dass momentan verfügbare Ultraschallelemente eine Frequenz aufweisen von: f = 40 kHz - 60 kHz (Wellenlänge λ = 8,5 mm - 5,7 mm), und ein Durchmesser des Elements minimal 10 mm beträgt, ziemlich schwierig, die Distanz zwischen den Wellenquellen d schmaler als λ/2 auszubilden.

Demnach beträgt bei Betrachtung der Erzeugungsrichtungen des Hauptstrahls und des Seitenstrahls zum Trennen des "Hauptbilds" und des "Seitenbilds" unter Verwendung der momentan verfügbaren Ultraschallelemente, ausgehend von dem Ausdruck (3), die Hauptstrahl-Erzeugungsrichtung

α = sin^-1{(V.ϕ)/(360.f.d)} (9).

Andererseits beträgt, ausgehend von dem Ausdruck (6), die Seitenstrahl-Erzeugungsrichtung β:

β = sin^-1{sinα ± n.(λ/d)},
∴β = sin^-1{sinα ± n.V/(f.d)} (n = 1, 2, 3, 4, . . .) (10).

Hierbei ändern sich, wenn d konstant ausgebildet wird, und wenn f geändert wird, sowohl α als auch β.

Jedoch ändert sich β aufgrund einer Änderung von f, jedoch kann α konstant ausgebildet werden, durch Ändern der Phasendifferenz ϕ mit einer Veränderung von f.

Dies bedeutet, dass dann, wenn eine Übertragungsfrequenz f des Übertragungselements für jedes Feld geändert wird, und die Phasendifferenz ϕ zwischen dem Übertragungselement im Zusammenhang mit der Frequenzänderung geändert wird, lediglich die Erzeugungsrichtung β des Seitenstrahls geändert werden kann, während die Hauptsteuerrichtung α konstant gehalten werden kann.

Im Ergebnis sind dann, wenn Ultraschallwellen mit einer voneinander unterschiedlichen Übertragungsfrequenz von M Feldern zur selben Zeit übertragen werden, selbst dann, wenn die Erzeugungsrichtung des Hauptstrahls insgesamt α₀ ist, die Erzeugungsrichtung des Seitenstrahls, übertragen von den jeweiligen Feldern, unterschiedlich.

D. h., es gilt:

α₁ = α₂ = α₃ = . . . = α_M = α₀,
β_i ≠ β_j i ≠ j, i, j = 1, 2, . . . , M.

Im Ergebnis werden der Hauptstrahl und der Seitenstrahl übertragen von den M Feldern, entlang der Richtung erzeugt, wie in Fig. 16 gezeigt.

Hier wird in dem Fall, in dem der Hauptstrahl entlang der Richtung α₀ erzeugt wird, wie in Fig. 16 gezeigt, der Seitenstrahl entlang der Richtung von β₁, β₂, β₃, . . . , β_M erzeugt, und Objekte A, B und C existieren, wenn reflektierte Wellen bei den Empfangselementen empfangen werden, und M Empfangssignale, wie in Fig. 17 gezeigt, können empfangen werden.

Bei Heranziehung einer logischen Multiplikation gibt dieser M Pulssignale, gibt es Signale, bei denen die Zeit von Übertragung zu dem Empfang dieselbe ist, d. h. lediglich ein Hauptbildpuls, lässt sich als das Ausgangsergebnis detektieren, und lässt sich von dem Seitenbildpuls separieren.

Weiterhin gibt es bei Heranziehung einer logischen Addition dieser M-Pulssignale, Signale, bei denen die Zeit von Übertragung zum Empfang unterschiedlich ist, d. h. lediglich ein Seitenbildpuls lässt sich ebenso detektieren.

Mit einem derartigen Prinzip kann das elektronische Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 dieser Ausführungsform den Hauptbildpuls und den Seitenbildpuls (engl.: mail image pulse) separieren.

In dem Fall, in dem ein Objekt in zwei Feldern A₁, A₂ gezeigt in Fig. 9, detektiert wird auf der Grundlage des oben beschriebenen Prinzips werden dann, wenn die Felder A₁, A₂ Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen übertragen (S904) und die Ultraschallwellen durch das Objekt (S905) reflektiert werden, die reflektierten Wellen durch die in Fig. 9 gezeigten Empfangselemente C empfangen (Schritt S906). Ein Beispiel dieses Empfangssignals ist in Fig. 18 gezeigt.

Das in Fig. 18 gezeigte Empfangssignal wird identifiziert und in ein Hauptbild und in ein Seitenbild durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 mit der in der Fig. 7 gezeigten Schaltungsstruktur separiert.

Zunächst werden dann, wenn das Empfangselement C₁ eine reflektierte Welle einer Frequenz von 40 kHz empfängt und das Empfangselement C2 eine reflektierte Welle einer Frequenz von 50 kHz empfängt, die empfangenen reflektierten Wellen durch den Verstärker AMP zur selben Zeit verstärkt (S907), und sie werden einer Pulstransformation mittels der selbstregelnden Einrichtung (engl.: automatic gain control device (AGD) und der Spitzenwerthalteschaltung 41 unterzogen (S908).

Wird eine logische Multiplikation der in dieser Weise erzeugten Pulssignale berechnet, so lassen sich die Signale, in denen die Zeit von der Übertragung bis zum Empfang übereinstimmt, d. h. das Empfangssignal nach der Zeit T₁ in Fig. 18 als "Post- bzw. Hauptbild" detektieren. Weiterhin können Empfangssignale, die sich von diesem Signal unterscheiden, als ein "Seitenbild" detektiert werden durch Berechnen einer logischen Addition (S909).

In dieser Weise lassen sich nach der Transformierung der reflektierten Welle in ein Pulssignal mehrere Empfangssignale gemeinsam durch die Logikkonstruktion verarbeiten. Im Ergebnis kann die Konstruktion der Empfangsschaltung klein ausgebildet sein, und das Vorliegen eines "Seitenbilds" lässt sich bewerten.

Auf der Grundlage dieses Hauptbildpulses wird die Distanz und die Richtung des Objekts berechnet, und das Vorliegen eines Seitenbilds wird auf der Grundlage des Seitenbildpulses detektiert (S910).

Insbesondere kann die Distanz zu dem Objekt gemessen werden, durch eine Zeit, die von der Übertragungszeit der Ultraschallwellen bis zur Empfangszeit der reflektierten Wellen erforderlich ist, und die Richtung kann ausgehend von der Hauptstrahlrichtung bekannt sein.

Anschließend lässt sich die Positionsinformation (Winkel und Distanz) eines in dem Raum existierenden Objekts detektieren, durch Ausführung der oben beschriebenen Detektion des Objekts in dem Bereich der Hauptstrahlrichtung von -90° ≦ α₀ ≦ 90°.

Claims

1. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät zum Detektieren einer Position eines Objekts zur Übertragung von Ultraschallwellen, enthaltend:
eine Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen mehrerer Phasensteuersignale mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen;
eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Ultraschallwellen mit einer jeweils sich unterscheidenden Übertragungsfrequenz durch mehrere Felder, auf der Grundlage der mehreren Phasensteuersignale, die durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung erzeugt werden;
eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung zum Empfangen der reflektierten Wellen von einem Objekt der Ultraschallwellen, die durch die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung übertragen werden, mit mehreren Empfangselementen, ferner zum Beurteilen eines Signals der reflektierten Welle, empfangen durch die Gesamtheit der Empfangselemente, als ein Hauptbild, um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, und zum Beurteilen von Signalen anderer reflektierter Wellen als Seitenbilder, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; und
eine Objektdetektionsvorrichtung zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage des Hauptbildsignals, ausgegeben durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung, und zum Detektieren der Existenz eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals.

2. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum gemeinsamen Berechnen der Pulssignale.

3. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, um hiernach zum Detektieren von Signalen für die die Zeit, die für die Übertragung zum Empfang erforderlich ist, dieselbe ist, wie bei einem Hauptbildpuls, aus den Pulssignalen.

4. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellenimpulssignale, und hiernach zum Detektieren von Signalen, bei denen die Zeit, die von der Übertragung bis zu dem Empfang erforderlich ist, sich unterscheidet, und zwar als Seitenbildpuls, aus den Pulssignalen.

5. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren zum Detektieren einer Position eines Objekts zum Übertragen von Ultraschallwellen, enthaltend:
einen Phasensteuersignal-Erzeugungsschritt zum Erzeugen mehrerer Phasensteuersignale mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen;
einen Ultraschallwellen-Übertragungsschritt zum Übertragen von Ultraschallwellen mit einer wechselseitig unterschiedlichen Übertragungsfrequenz durch mehrere Felder, auf der Grundlage der mehreren Phasensteuersignale, erzeugt durch den Phasensteuersignal-Erzeugungsschritt;
einen Ultraschallwellen-Empfangsschritt zum Empfangen reflektierter Wellen von einem Objekt der Ultraschallwellen, übertragen in dem Ultraschallwellen-Übertragungsschritt, mit mehreren Empfangselementen, sowie zum Beurteilen eines Signals der reflektierten Wellen, empfangen durch die Gesamtheit der Empfangselemente, als ein Hauptbild, um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, sowie zum Beurteilen von Signalen anderer reflektierter Wellen als Seitenbilder, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; und
einen Objekt-Detektionsschritt zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage des Haupt- bzw. Postbildsignals, ausgegeben durch den Ultraschallwellen-Übertragungsschritt, sowie zum Detektieren der Existenz eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals.

6. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwellen-Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt umfasst zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum kollektiven Berechnen der Pulssignale.

7. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwellen-Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt zum Transformieren der reflektierten Wellenimpulssignale aufweist, und hiernach das Detektieren von Signalen, bei denen die Zeit, die von der Übertragung bis zum Empfang erforderlich ist, dieselbe ist, und zwar als Hauptbildpuls, (als ein Hauptbildpuls), aus den Pulssignalen.

8. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwellen-Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt umfasst, zum Transformieren der reflektierten Wellenimpulssignale und hiernach zum Detektieren von Signalen, bei denen sich die zwischen der Übertragung bis zu dem Empfang erforderliche Zeit unterscheidet, als Seitenpulssignale, aus den Pulssignalen.