DE102006048322A1 - Verfahren zur Erfassung einer physikalischen Größe und Vorrichtung hierfür - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer physikalischen Größe, insbesondere eines Abstands, mit den folgenden Schritten: - Senden mindestens eines ersten Sendesignals (u1) mit einer vorgebbaren ersten Signalform über eine erste Übertragungsstecke (110), deren Übertragungsfunktion von der zu erfassenden physikalischen Größe abhängt, wobei ein erstes Empfangssignal (u1') an einem Ausgang der ersten Übertragungsstecke (110) erhalten wird, - Senden mindestens eines ersten Referenzsignals (u2) mit einer vorgebbaren Referenzsignalform über eine Referenzübertragungsstrecke (120), wobei die Referenzübertragungsstecke vorzugsweise eine bekannte Übertragungsfunktion aufweist und wobei ein Referenzempfangssignal (u2'') an einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke (120) erhalten wird, - Analysieren des ersten Empfangssignals (u1') und/oder des Referenzsignals (u2) und/oder des Referenzempfangssignals (u2''), um auf die physikalische Größe zu schließen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer physikalischen Größe, insbesondere eines Abstands sowie eine Vorrichtung hierfür.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • – Senden mindestens eines ersten Sendesignals mit einer vorgebbaren ersten Signalform über eine erste Übertragungsstrecke, deren Übertragungsfunktion von der zu erfassenden physikalischen Größe abhängt, wobei ein erstes Empfangssignal an einem Ausgang der ersten Übertragungsstrecke erhalten wird,
    • – Senden mindestens eines ersten Referenzsignals mit einer vorgebbaren Referenzsignalform über eine Referenzübertragungsstrecke, wobei die Referenzübertragungsstrecke vorzugsweise eine bekannte Übertragungsfunktion aufweist und wobei ein Referenzempfangssignal an einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke erhalten wird,
    • – Analysieren des ersten Empfangssignals und/oder des ersten Referenzsignals und/oder des Referenzempfangssignals, um auf die physikalische Größe zu schließen.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung mindestens eines ersten Sendesignals und mindestens eines ersten Referenzsignals ermöglicht vorteilhaft eine Flexible Analyse der empfangenen Signale, insbesondere auch eine differentielle Analyse, die die Kompensation von Störeinflüssen ermöglicht.
  • Vorteilhaft wird zur Analyse das erste Empfangssignal mit dem Referenzempfangssignal verglichen.
  • Das erste Sendesignal und das Referenzsignal weisen vorteilhaft jeweils von Null verschiedene Frequenzanteile auf, und die Zeitfunktionen der Signale sind so gewählt, dass sie sich zumindest über einen vorgebbaren Zeitbereich hinweg zu einem Gleichsignal addieren. Dadurch ist eine besonders einfache Auswertung möglich, die z.B. eine Ausregelung einer Amplitude eines der Signale oder einer Phasenbeziehung der Signale zueinander umfassen kann, mit dem Ziel, ein Gleichsignal als Summe beider Signale zu erhalten. Die Regelgrößen, die die Änderung der Amplitude bzw. Phasenlage beschreiben, enthalten vorteilhaft gleichzeitig Informationen über die erste Übertragungsstrecke, z.B. über die Dämpfung des ersten Sendesignals oder eine Verzögerung des ersten Sendesignals aufgrund von Laufzeiteffekten des ersten Sendesignals in der ersten Übertragungsstrecke.
  • Vorteilhaft kann das erste Sendesignal und das Referenzsignal z.B. jeweils ein sinusförmiges oder rechteckförmiges Signal sein, wobei das erste Sendesignal eine vorgebbare Phasenverschiebung, insbesondere 180 Grad, zu dem Referenzsignal aufweist. Eine ggf. durch die erste Übertragungsstrecke verursachte Phasendifferenz zwischen den empfangenen Signalen, die von 180 Grad verschieden ist, beinhaltet Informationen über den Signalweg/die Laufzeit des Sendesignals.
  • Erfindungsgemäß weist die Analyse vorteilhaft folgende Schritte auf:
    • – Addieren oder Multiplizieren des ersten Empfangssignals mit dem Referenzempfangssignal, um ein Empfangssignal zu erhalten,
    • – Auswerten vorgebbarer Zeitbereiche des Empfangssignals, um auf eine Dämpfung und/oder Phasenverschiebung des Sendesignals durch die erste Übertragungsstrecke zu schließen,
    • – Rückschließen auf die physikalische Größe aus der Dämpfung und/oder Phasenverschiebung.
  • Das Auswerten vorgebbarer Zeitbereiche umfasst vorteilhaft das Integrieren des Empfangssignals über mehrere vorgebbare Zeitbereiche bzw. das Addieren der des Empfangssignals über mehrere vorgebbare Zeitbereiche. Zeitbereiche im Sinne dieser Erfindung können hierbei im Falle periodischer Signale Periodendauern oder Teile hiervon sein; ganz allgemein sind auch beliebige Zeitbereiche zur Auswertung verwendbar, von denen vermutet wird, dass entsprechende Empfangssignale interessierende Informationen enthalten.
  • Bevorzugt werden bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils unterschiedliche Zeitbereiche des Empfangssignals ausgewertet, um auf die Dämpfung und/oder Phasenverschiebung des Sendesignals durch die erste Übertragungsstrecke zu schließen.
  • Beispielsweise ist bei rechteckförmigen Sende- bzw. Referenzsignalen insbesondere derjenige Zeitbereich der empfangenen Signale bzw. des Empfangssignals zur Gewinnung von Phaseninformationen interessant, in dem die Signale einen Zustandswechsel, d.h. z.B. von High nach Low oder invers hierzu erfahren, während Informationen über Differenzen in der Amplitude empfangener Signale auch in anderen Zeitbereichen erhalten werden können.
  • Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren auch mit kapazitiven oder akustischen Signalen bzw. Übertragungsstrecken durchführbar ist, wird bevorzugt ein als optisches Signal ausgebildetes erstes Sendesignal (u1) verwendet. Das Referenzsignal kann ebenfalls optisch oder auch ein rein elektrisch Signal sein.
  • Im Rahmen der erfindungsgemäßen Analyse des ersten Empfangssignals bzw. des Empfangssignals kann vorteilhaft auf einen Abstand von einem Sender des ersten Sendesignals zu einem Hindernis geschlossen werden.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich auch eine Auswertung von statistischen Eigenschaften des Empfangssignals und/oder der physikalischen Größe, insbesondere eines Abstands, erwiesen. Sofern ein mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelter Abstand von dem Sender zu einem Hindernis spezielle statistische Eigenschaften aufweist, kann hieraus beispielsweise auf das Vorhandensein eines Aerosols wie z.B. Nebel oder Gischt in der ersten Übertragungsstrecke geschlossen werden, weil die Wassertröpfchen des Nebels die Übertragungsfunktion der ersten Übertragungsstrecke und damit auch einen hieraus ermittelten Abstand statistisch beeinflussen.
  • Zumindest ein Teil der ersten Übertragungsstrecke verläuft bevorzugt im Freiraum, insbesondere in der Umgebung eines Kraftfahrzeugs, und aus den statistischen Eigenschaften von ermittelten Abstandswerten kann auf das Vorhandensein von Aerosolen wie z.B. Nebel in dem Freiraum geschlossen werden. Ein System zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dementsprechend vergleichbar zu an sich bekannten Ultraschall-Abstandssensoren und dergleichen z.B. in einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs integriert sein.
  • Vorteilhaft können auch Bordsysteme des Kraftfahrzeugs, insbesondere Beleuchtungssysteme und/oder Fahrsicherheitssysteme in Abhängigkeit der statistischen Eigenschaften von ermittelten Abstandswerten angesteuert bzw. betrieben werden.
  • Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren 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 beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2 eine Detailansicht der Vorrichtung aus 1,
  • 3 einen Zeitverlauf eines erfindungsgemäß erhaltenen Empfangssignals,
  • 4 ein erstes Szenario, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, und
  • 5 ein weiteres Szenario, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Erfassung einer physikalischen Größe, die vorliegend in der nachfolgend beschriebenen Weise zur Abstandsmessung zwischen einem Sender 180 (4) und einem Hindernis (4, 5) eingesetzt wird.
  • Die Vorrichtung 100 weist eine erste Übertragungsstrecke 110 auf, über die ein erstes Sendesignal u1 übertragen wird. An dem Ausgang der ersten Übertragungsstrecke 110 wird dementsprechend ein erstes Empfangssignal u1' erhalten. Das Sendesignal u1 ist vorliegend ein optisches Signal.
  • Die Vorrichtung 100 weist ferner eine in 1 gestrichelt dargestellte Referenzübertragungsstrecke 120 auf, über die ein Referenzsignal u2 bzw. u2' übertragen wird. An dem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke 120 wird dementsprechend ein Referenzempfangssignal u2'' erhalten.
  • In dem Referenzzweig der Vorrichtung 100 sind zusätzlich vorzugsweise aktiv ausgebildete Filtermittel 140 vorgesehen, die eine Amplitude und/oder Phasenlage des Signals u2 bezüglich des Sendesignals u1 beeinflussen können.
  • Bevorzugt weist das Sendesignal u1 und das Referenzsignal u2 eine rechteckförmige Signalform auf, und die Signale u1, u2' besitzen eine Phasenverschiebung von 180 Grad, so dass sie sich bei gleichen Amplituden zu einem Gleichsignal ergänzen würden.
  • Das erste Sendesignal u1 wird in der ersten Übertragungsstrecke 110 jedoch in Abhängigkeit der zu erfassenden physikalischen Größe beeinflusst, insbesondere hinsichtlich seiner Amplitude und/oder seine Phasenlage bezogen auf das Referenzsignal u2 bzw. u2'.
  • Beispielsweise kann die Übertragungsstrecke 110 in dem Freiraum, z.B. zwischen einem Sender 180 (4) und einem Hindernis 200 verlaufen, so dass das erste Sendesignal u1 von dem Sender 180 ausgesandt wird und ein entsprechend an dem Hindernis 200 reflektiertes Signal als erstes Empfangssignal u1' (1) an dem Ausgang der Übertragungsstrecke 110 erhalten wird. Aufgrund des Abstands zwischen dem Sender 180 und dem Hindernis 200 ergibt sich u.a. eine Dämpfung des ersten Empfangssignals u1' und eine Phasenverschiebung zu dem Referenzempfangssignal u2'', das z.B. einen kürzeren, bekannten Signalweg, vgl. die Referenzübertragungsstrecke 120 durchläuft.
  • Die Addition der empfangenen Signale u1', u2'' in dem Addierer 131 gemäß 2 führt daher auf ein Empfangssignal u3, das beispielsweise den in 3 abgebildeten zeitlichen Verlauf aufweist.
  • In den Zeitbereichen T1, T2, T3, T4 sind deutliche Impulse erkennbar, die sich durch Laufzeiteffekte des Sendesignals u1 in der ersten Übertragungsstrecke und der damit einhergehenden Phasenverschiebung ergeben. Die Phasenverschiebung ist proportional zu dem Abstand zwischen dem Sender 180 und dem Hindernis 200.
  • Das Empfangssignal u3 wird neben einer geeigneten Verstärkung durch den Verstärker 132 bevorzugt nur in den Zeitbereichen T1, T2, T3, T4 ausgewertet, um Informationen über die Phasendifferenz zu erhalten. Die Auswertung kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass mehrere Impulse aus aufeinanderfolgenden Zeitbereichen T1, T2, T3, T4 integriert bzw. Addiert werden. Das entsprechend erhaltene integrierte Signal ist Untersuchungen der Anmelderin zufolge bei einer Auswertung z.B. einiger zehn Impulse – trotz verhältnismäßig kleiner Phasendifferenzen aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit – durch herkömmliche CMOS-Auswerteschaltungen, vgl. die Elemente 133, 134, auswertbar.
  • D.h., das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Auswertung von Lichtlaufzeiten des ersten Sendesignals u1 mit wenig aufwändigen Schaltungen und bei einer Präzision, die eine Abstandsmessung im Bereich zwischen etwa einigen Zentimetern und etwa mehreren zehn Metern.
  • Analog zu der Auswertung der Phaseninformationen kann die Auswertung der Amplituden der empfangenen Signale u1', u2'' bzw. des daraus gebildeten Empfangssignals u3 z.B. nur in vorgebbaren Zeitbereichen T5, T6, T7, T8 erfolgen. Das Empfangssignal u1' unterliegt aufgrund seines größeren Signalwegs von dem Sender 180 zu dem Hindernis 200 einer stärkeren Dämpfung, die sich in der Abweichung des Empfangssignals u3 von einer Referenzamplitude (gestrichelte Zeitachse t in 3) darstellt, und die in den Zeitbereichen T5, T6, T7, T8, z.B. mittels Integration über mehrere Zeitbereiche T5, T6, T7, T8 ausgewertet wird.
  • Bei der Auswertung kann der Filter 140 (1) so angepasst werden, dass sich das Signal u2'' und das Signal u1' trotz unterschiedlicher Signalwege wieder zu einem Gleichsignal ergänzen. Die hierzu entsprechenden Filterparameter enthalten Informationen über die Übertragungsfunktion der ersten Übertragungsstrecke 110 und damit z.B. über den Abstand zu einem Hindernis 200.
  • Anstelle rechteckförmiger Signale u1, u2 können auch sinusförmige Signale oder sonstige vorzugsweise periodische Signale verwendet werden, die sich in einem ausgeregelten Zustand zu einem Gleichsignal ergänzen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und System kann vorteilhaft in Kraftfahrzeugen zur optischen Abstandsmessung eingesetzt werden.
  • Z.B. kann bei einer Auswertung statistischer Eigenschaften von mehreren nacheinander ermittelten Abstandswerten auch auf das Vorhandensein eines Aerosols wie z.B. Nebel in der Übertragungsstrecke 110 geschlossen werden, weil die Wassertröpfchen die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke 110 statistisch beeinflussen. Ein entsprechendes Szenario ist in 5 wiedergegeben, bei dem ein Sender 180 das optische Sendesignal u1 (1) auf eine Nebelbank 300 aussendet und ein entsprechend reflektiertes Signal u1' empfängt.
  • Das erfindungsgemäß erkannte Vorhandensein von Nebel bzw. dessen Dichte usw. können zur Steuerung von Bordsystemen des Kraftfahrzeugs wie z.B. einer Beleuchtungsanlage oder eines Fahrsicherheitssystems verwendet werden.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Erfassung einer physikalischen Größe, insbesondere eines Abstands, mit den folgenden Schritten: – Senden mindestens eines ersten Sendesignals (u1) mit einer vorgebbaren ersten Signalform über eine erste Übertragungsstrecke (110), deren Übertragungsfunktion von der zu erfassenden physikalischen Größe abhängt, wobei ein erstes Empfangssignal (u1') an einem Ausgang der ersten Übertragungsstrecke (110) erhalten wird, – Senden mindestens eines ersten Referenzsignals (u2) mit einer vorgebbaren Referenzsignalform über eine Referenzübertragungsstrecke (120), wobei die Referenzübertragungsstrecke vorzugsweise eine bekannte Übertragungsfunktion aufweist und wobei ein Referenzempfangssignal (u2'') an einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke (120) erhalten wird, – Analysieren des ersten Empfangssignals (u1') und/oder des ersten Referenzsignals (u2) und/oder des Referenzempfangssignals (u2''), um auf die physikalische Größe zu schließen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Analyse das erste Empfangssignal (u1') mit dem Referenzempfangssignal (u2'') verglichen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sendesignal (u1) und das Referenzsignal (u2) jeweils von Null verschiedene Frequenzanteile aufweisen, und dass sich die Zeitfunktionen der Signale (u1, u2) zumindest über einen vorgebbaren Zeitbereich hinweg zu einem Gleichsignal addieren.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sendesignal (u1) und das Referenzsignal (u2) jeweils ein sinusförmiges oder rechteckförmiges Signal ist, und dass das erste Sendesignal (u1) eine vorgebbare Phasenverschiebung, insbesondere 180 Grad, zu dem Referenzsignal (u2) aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse folgende Schritte aufweist: – Addieren oder Multiplizieren des ersten Empfangssignals (u1') mit dem Referenzempfangssignal (u2''), um ein Empfangssignal (u3) zu erhalten, – Auswerten vorgebbarer Zeitbereiche des Empfangssignals (u3), um auf eine Dämpfung und/oder Phasenverschiebung des Sendesignals (u1) durch die erste Übertragungsstrecke (110) zu schließen, – Rückschließen auf die physikalische Größe aus der Dämpfung und/oder Phasenverschiebung.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten vorgebbarer Zeitbereiche das Integrieren des Empfangssignals (u3) über mehrere vorgebbare Zeitbereiche bzw. das Addieren der des Empfangssignals (u3) über mehrere vorgebbare Zeitbereiche umfasst.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils unterschiedliche Zeitbereiche (T1, T2, T3, T4; T5, T6, T7, T8) des Empfangssignals (u3) ausgewertet werden, um auf die Dämpfung und/oder Phasenverschiebung des Sendesignals (u1) durch die erste Übertragungsstrecke (110) zu schließen.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sendesignal (u1) ein optisches Signal ist.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Analyse auf einen Abstand von einem Sender (180) des ersten Sendesignals (u1) zu einem Hindernis (200, 300) geschlossen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Eigenschaften des Empfangssignals (u3) und/oder der physikalischen Größe, insbesondere eines Abstands, ausgewertet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der ersten Übertragungsstrecke (110) im Freiraum, insbesondere in der Umgebung eines Kraftfahrzeugs verläuft, und dass aus statistischen Eigenschaften von ermittelten Abstandswerten auf das Vorhandensein von Aerosolen wie z.B. Nebel in dem Freiraum geschlossen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Bordsysteme des Kraftfahrzeugs, insbesondere Beleuchtungssysteme und/oder Fahrsicherheitssysteme in Abhängigkeit der statistischen Eigenschaften von ermittelten Abstandswerten angesteuert bzw. betrieben werden.
  13. Vorrichtung (100) zur Erfassung einer physikalischen Größe, insbesondere eines Abstands, mit – einem Sender (180) zum Senden mindestens eines ersten Sendesignals (u1) mit einer vorgebbaren ersten Signalform über eine erste Übertragungsstrecke (110), deren Übertragungsfunktion von der zu erfassenden physikalischen Größe abhängt, – einem Empfänger zum Empfangen eines ersten Empfangssignals (u1') an einem Ausgang der ersten Übertragungsstrecke (110), – einem Referenzsender zum Senden mindestens eines ersten Referenzsignals (u2) mit einer vorgebbaren Referenzsignalform über eine Referenzübertragungsstrecke (120), wobei die Referenzübertragungsstrecke vorzugsweise eine bekannte Übertragungsfunktion aufweist, – einem Empfänger zum Empfangen eines ersten Referenzempfangssignals (u2'') an einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke (120) erhalten wird, und mit einer – Auswerteinheit (130) zum Analysieren des ersten Empfangssignals (u1') und/oder des ersten Referenzsignals (u2) und/oder des Referenzempfangssignals (u2''), um auf die physikalische Größe zu schließen.
  14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
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