DE102011110170B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung von Reflektionssignalen eines Ultraschallsensors - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Abstandssignals durch die Verarbeitung eines Empfangssignals, das durch die Reflektion eines Sendesignals vorgegebener Länge eines Ultraschallsensors gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sendesignal ein sinusähnliches Signal ist,
das Empfangssignal mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und in komplexe Abtastsignale umgewandelt wird,
die Phasenlage der Abtastsignale des Empfangssignals bestimmt wird,
die Differenzphase bei unbekannter Sendefrequenz oder die Phasendrehung bei bekannter Sendefrequenz der Abtastsignale berechnet wird, und
eine komplexe Faltung einer Differenzphasenfunktion über die Länge des Sendesignals zur Ermittlung eines Korrelationssignals erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Auswertung von Reflektionssignalen eines Ultraschallsensors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10.
• Heutige Kraftfahrzeuge werden in immer größerem Maße mit Fahrerassistenzsystemen ausgestattet, um sowohl die Sicherheit im Straßenverkehr zu erhöhen als auch den wachsenden Komfortansprüchen des Kraftfahrers zu genügen. Ein einfaches und weit verbreitetes Beispiel von Assistenzsystemen sind das ABS (Antiblockiersystem) und das ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) die bei vorgegebenen Bedingungen fahrerunabhängig in das Fahrgeschehen eingreifen.
• Andere Fahrerassistenzsysteme unterstützten bedarfsabhängig den Fahrer oder übernehmen ebenfalls bedarfsabhängig bestimmte Fahrfunktionen. Nun stellen derartige Fahrerassistenzsysteme oder Applikationen, wie beispielsweise das unterstützende oder automatische Parken, wachsende Anforderungen an die üblicherweise auf Ultraschall basierende eingesetzte Umfeldsensorik, die zur Bestimmung möglicher Parklücken und zur Überwachung des Ein- oder Ausparkvorgangs notwenig ist. Ein wesentlicher Kritikpunkt ist die verfügbare Reichweite der verwendeten Ultraschallsensoren. Insbesondere bei der Anordnung der Sensorik beispielsweise im oder hinter dem Stoßfänger, was als verdeckte Sensorik bezeichnet wird, wird durch die notwendige Durchdringung des Stoßfängers das ausgesandte Signal und damit auch das Empfangssignal weiter gedämpft und die Reichweite weiter reduziert.
• Es wird daher versucht, eine Reichweitenerhöhung bei Ultraschallsensoren zum Ausgleich von Dämpfungen bei verdeckten Sensoren zu erzielen, wobei letztlich eine generelle Reichweitenerhöhung bei Seriensensoren erreicht werden soll.
• Zur Erhöhung der Reichweite bieten sich beispielsweise zwei Lösungswege an, wobei der erste Lösungsweg in der schlichten Erhöhung der Sendeleistung besteht. Dies hat den Nachteil eines erhöhten Energiebedarfs mit einem vergrößerten Wandlermodul und einer komplexen Leistungselektronik. Ein zweiter Lösungsweg besteht in der Verwendung von pulskomprimierten Signalen, was den Nachteil einer komplexen Signalgenerierung hat. Beide Lösungswege sind daher im Kraftfahrzeug nur bedingt brauchbar.
• Weiter zeigt die Druckschrift DE 197 44 185 A1 eine Einrichtung zur Abstandsmessung mittel Ultraschall, wobei von mehreren Ultraschallwandlern gleichzeitig ein Ultraschallimpuls derart gesendet wird, dass sich die Impulse überlagern. Da die rückstrahlenden Hindernisse groß gegenüber der Wellenlänge sind, wird immer mindestens ein Überlagerungsmaximum der Ultraschallpulse reflektiert und von mindestens einem Ultraschallwandler empfangen. Durch diese Überlagerung der ausgesandten Impulse wird eine Reichweitenerhöhung bewirkt.
• Aus der GB 2 352 294 A ist ein Ultraschalldetektor eines Kraftfahrzeugs zur Detektion von Hindernissen bekannt, wobei der Transmitter frequenzkodierte Signalpakete mit von Paket zu Paket unterschiedlicher Sendefrequenz sendet. Durch eine Frequenzanalyse des Empfangssignals ist eine Zuordnung zu dem jeweiligen Sendesignal möglich und Überlagerungseffekte werden so vermieden. Eine Reichweitenerhöhung kann allerdings auf diese Weise nicht erzielt werden.
• Aus der DE 10 2007 029 959 A1 ist eine Beispiel einer Abstandsmessung mittels Ultraschall zu entnehmen, bei dem die auf einer Trägerwelle ausgesandten Pulse durch eine Modulation der Trägerwelle unterscheidbar gemacht werden, so dass eine höhere Messdichte erreicht werden kann, da aufgrund der unterschiedlichen Modulation eine Unterscheidung zwischen Pulsen jeweiliger Sendezeiten möglich ist. Die höhere Messdichte ergibt eine höhere Auflösung, aber nicht notwendigerweise eine Erhöhung der Reichweite.
• Die Druckschrift DE 601 06 255 T2 beschreibt ein Auswertungsverfahren für die Verbesserung des Störabstands von Breitbandsignalen, die folgendes einschließt:
• - Erfassen eines nach einem Testsignal zurückgesendeten Signals;
• - Verarbeiten des erfassten Signals um seine komplexe Form zu erhalten;
• - Filtern des komplexen Signals mit mehr als einem komplexen Filter, um einen Satz von komplexen, gefilterten Signalen zu generieren;
• - Vergleichen der Phasen des Satzes von komplexen, gefilterten Signalen;
• - Ableiten eines Filterfaktors aus dem Vergleich; und
• - Verarbeiten des erfassten Signals mit dem Filterfaktor.
• Die Druckschrift US 5 732 045 A beschreibt ein Verfahren zum Filtern von Rauschen aus einem Signal, wobei das Rauschen signifikant in Phase mit dem Signal fluktuiert. Dabei wird das Signal abgetastet, um N Glieder einer Zeitreihe zu erzeugen, wobei die Phase jedes Signals in der Form einer Magnitude und eines Phasers extrahiert wird.
• Die Druckschrift DE 10 2007 029 959 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung einer Umgebung, wobei mittels durch wenigstens einen Wandler ausgesandter Trägerwellen in Form von Sendepulsen und Erfassung von Reflexionen der Pulse im Puls-Echo-Verfahren eine größere Messdichte und eine verbesserte Qualität der Messergebnisse dadurch erreicht wird, dass die aufeinanderfolgenden Sendepulse eines Wandlers oder verschiedener gleichzeitig betriebener Wandler durch individuelle Modulation der Signale unterscheidbar sind.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Reichweite von Ultraschallsensoren für Fahrerassistenzsysteme sowie ein entsprechendes Fahrerassistenzsystem zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines Korrelationssignals durch die Verarbeitung eines Empfangssignals, das durch die Reflektion eines Sendesignals vorgegebener Länge eines Ultraschallsensors gebildet wird, umfasst die folgenden Schritte:
• - Senden eines sinusähnlichen Sendesignals,
• - Abtasten des Empfangssignals mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz und Umwandeln in ein komplexes Abtastsignal,
• - Bestimmen der Phasenlage der Abtastsignale des Empfangssignals,
• - Berechnen der Differenzphase bei unbekannter Sendefrequenz oder der Phasendrehung bei bekannter Sendefrequenz der Abtastsignale, und
• - Durchführen einer komplexen Faltung einer Differenzphasenfunktion über die Länge des Sendesignals zur Ermittlung des Korrelationssignals.
• Durch dieses Verfahren erfolgt eine Korrelation des Sendesignals mit dem Empfangssignale, wodurch eine Verbesserung des Signal zu Rauschverhältnisses des Korrelationssignal bewirkt wird.
• Dabei umfassen sinusähnliche Signale beliebige Sinusschwingungen hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Länge. Die sinusähnlichen Signale können zusätzlich einer Modulation unterworfen sein, um deren Robustheit gegenüber Störeinflüssen zu verbessern. Bei einer solchen Modulation werden Parameter wie beispielsweise Amplitude, Frequenz oder Phase des Trägersignals durch eine Codierung variiert. Je nach Modulationsverfahren werden alle Parameter oder nur einzelne Parameter des Trägersignals bzw. des Sinussignals, verändert.
• Vorzugsweise ist die Länge des sinusähnlichen Sendesignals variabel. Sie kann an die benötigte Reichweite oder an das gewünschte Signal- zu Rauschverhältnis angepasst werden. Das bedeutet insbesondere, dass für größere Reichweiten ein längeres sinusähnliches Sendesignal eingesetzt werden kann.
• Vorzugsweise kann die Frequenz des Empfangssignals durch Auswertung der Phase des Korrelationssignals bestimmt werden. Bei bekannter Sendefrequenz kann daraus beispielsweise die Relativgeschwindigkeit zu einem Objekt bestimmt werden, da die Frequenzverschiebung durch den Dopplereffekt bedingt ist.
• Insbesondere kann die Empfangsfrequenz hinsichtlich Signalkodierung und/oder Dopplerverschiebung analysiert werden, wodurch sich die Möglichkeit des störungsfreien Betriebs mehrerer Sensoren mit unterschiedlicher Sendefrequenz ergibt.
• Vorzugsweise weist das Sendesignal eine vorgegebene Frequenz auf, wodurch die Signalverarbeitung sich vereinfacht.
• Weiter bevorzugt entspricht die Abtastfrequenz dem Vierfachen der Sendefrequenz oder einem natürlichzahligen Vielfachen der vierfachen Sendefrequenz. Mit der Wahl dieser Abtastfrequenz ergibt sich ein vereinfachter Algorithmus zur Bestimmung des Korrelationssignals.
• Vorzugsweise erfolgt die Faltung mit einem Rechteckfenster, wobei das Rechteckfenster der Länge des Sendesignals entspricht. Über die Wahl der Abtastfrequenz und der Länge des sinusähnlichen Sendesignals wird ei Anzahl der Abtastpunkte und damit die Anzahl der messwerte bestimmt. Generell kann ausgesagt werden, dass das Signal-zu-Rauschverhältnis des Korrelationssignals sich mit der Anzahl der Messpunkte verbessert.
• Insbesondere werden aus den Abtastsignalen reelle und imaginäre Signalanteile generiert, beispielsweise durch eine quadratische Abtastung, deren bekannte Phasenlage zur Rückdrehung der Signalanteile in den ersten Zeigerquadranten verwendet wird.
• Weiter bevorzugt erfolgt die Faltung mit einem Rechteckfenster der zurückgedrehten Signalanteile durch eine Aufsummierung der zurückgedrehten Signalanteile erfolgt, wodurch sich das Abstandssignal ergibt.
• Aufgrund der genannten Maßnahmen weist der Algorithmus nur Zuweisungen und Additionen auf, so dass zur Berechnung auch Prozessoren mit geringer Leistung verwendet werden können, da keine komplexen Rechenoperationen notwendig sind.
• Insbesondere besteht mit der veränderten Signalverarbeitung neben der Reichweitenverbesserung die Möglichkeit die Empfangsfrequenz festzustellen, was zum einen eine Kodierung unterschiedlichen Sensoren und zum anderen eine Geschwindigkeitsmessung ermöglicht. Dies wiederum ermöglicht eine schnellere Messrate und eine stark verbessertes Verfolgen von Objekten im Umfeld des Fahrzeugs. Das Verfahren kommt bevorzugt zum Einsatz bei Ultraschallsensoren, wie sie in der Automobiltechnik eingesetzt werden. Diese arbeiten üblicherweise in einem Frequenzbereich zwischen 40 KHz und 80KHz
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung eines Korrelationssignals durch die Verarbeitung eines Empfangssignals, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des im Vorangegangenen erläuterten Verfahrens eingerichtet und ausgelegt ist, umfasst:
• - eine Sendeeinrichtung zur Generierung eines sinusähnlichen Sendesignals,
• - eine Empfangseinrichtung zur Bestimmung eines Empfangssignals,
• - eine Einrichtung zur Ermittlung der Phasenlage des Empfangssignals,
• - eine Einrichtung zur Berechnung einer Differenzphasenfunktion, und
• - eine Einrichtung zur Faltung der Differenzphasenfunktion mit einer Rechteckfunktion der Länge des Sendesignals zum Erhalt eines Korrelationssignals.
• Vorzugsweise sendet die Sendeeinrichtung ein sinusähnliches Signal vorgegebener Länge aus. Durch die Länge des Sendesignals lässt sich die Reichweite des Ultraschallsensors beeinflussen.
• Insbesondere kann die Abtastung des Empfangssignals durch die Empfangseinrichtung mit einer Abtastfrequenz erfolgen, die dem Vierfachen der Sendefrequenz oder einem natürlichzahligen Vielfachen der vierfachen Sendefrequenz entspricht.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie die zum Verständnis nötigen Grundlagen werden im Folgenden erläutert, wobei zur Erläuterung auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Dabei zeigt
• 1 zeigt das Prinzip einer Detektion eines Hindernisses mittels Ultraschall,
• 2 eine Darstellung mehrerer Beispiele der Ermittlung eines Abstandssignals bei steigendem Umgebungsrauschen,
• 3 eine Vorrichtung mit drei Ultraschallsensoren unterschiedlicher Sendefrequenz,
• 4 eine Realisierung des Algorithmus zur Erhöhung der Reichweite,
• 5 eine Darstellung des Blind- und Messbereichs für unterschiedliche Sendesignallängen,
• 6 die Anwendung des Verfahrens auf eine verdeckte Sensorik, und
• 7 die Anwendung des Verfahrens bei offener Sensorik.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung das Empfangssignal am Empfänger eines Ultraschallsensors als Funktion der Zeit t. Das vom Sender des Ultraschallsensors ausgesandte Sendesignal wird vom Empfänger als Abschwingkurve 1 registriert. Nachdem das Sendesignal abgeklungen ist, sieht der Empfänger ein Rauschsignal 2, welches keine Information enthält. Zu einer Zeit t₀ registriert der Empfänger ein Echosignal 3, welches einer Reflektion des Sendesignals an einem Objekt entspricht, und das deutlich über dem Rauschsignal liegt. Um Echosignale 3 von Rauschsignalen 2 diskriminieren zu können, wird üblicherweise ein Schwellwert 4 definiert, wobei Werte über dem Schellwert 4 einem reflektierten Signale entsprechen, während Werte unterhalb des Schwellwerts 4 dem Rauschen zugeordnet werden. In späterer zeitlicher Abfolge sieht der Empfänger weitere Empfangssignale 5, 6, 7 mit kleinerer Amplitude, wobei einige Signale 5, 7 oberhalb der Rauschschwelle 4 angeordnet sind und eines der Signale 6 kleiner als die Rauschschwelle 4 ist. Es zeigt sich jedoch, dass diese Signale 5, 6, 7 ihren Ursprung in Mehrfachreflektionen haben und daher für die Abstandsanalyse ohne Bedeutung sind. Ferner ist natürlich die Amplitude des direkten Echos 3 eine Funktion des Abstandes des Zielobjekts vom Ultraschallsensor, so dass zur Ausmessung größerer Abstände die Amplitude des Sendesignals erhöht werden muss, was nur begrenzt möglich ist. Mit anderen Worten, dass Echosignal 3 wird kleiner mit zunehmender Entfernung mit der Folge, dass das Echosignal unter den Schwellwert 4 sinkt und eine Zielerkennung entfernter Objekte aufgrund des dann schwachen Echosignals nicht möglich ist.
• Um die Reichweite der Detektion von Reflektionssignalen eines Ultraschallsensors zu verbessern wird ein sinusähnliches Signal s(t), im Folgenden allgemein als Sinussignal bezeichnet, als Sendesignal vorgegebener Länge verwendet und es erfolgt die folgende Auswertung des empfangenden Signals:
• - Bestimmung der Phasenlage des Empfangssignals,
• - Berechnung der Differenzphase bei unbekannter Sendefrequenz oder der Phasendrehung bei bekannter Frequenz, und
• - Komplexe Faltung des Signals entsprechend der Länge des Sendesignals.
• Ferner kann eine Anpassung der Signallänge des sinusähnlichen Sendesignals an die benötigte Reichweite erfolgen, wobei für größere Reichweiten ein längeres Sendesignal verwendet wird. Ein längeres Sendesignal ergibt eine größere Anzahl von Messpunkten, wodurch in Verbindung mit einer Faltung unter Verwendung eines Rechteckfensters das Korrelationssignal durch die Addition der Messwerte verbessert wird.
• Im Anschluss können in zwei zusätzlichen Schritten die Frequenz des Empfangssignals bestimmt werden, um hierbei die Kennungen unterschiedlicher Sender und mögliche Differenzgeschwindigkeiten zu Objekten zu erkennen, nämlich:
• - Messung der Empfangsfrequenz durch Auswertung der Phase des gefalteten Signals, und
• - Analyse der Empfangsfrequenz hinsichtlich Signalkodierung und Dopplerverschiebung
• Die Bestimmung der Phasenlage wird über eine Signalverarbeitung im Empfangszweig durchgeführt, wobei das reale Messsignal in das notwendige komplexe Empfangssignal x(t) umgewandelt wird. Dabei wird das reale Messsignal als reelle Komponente des komplexen Empfangssignals betrachte und die imaginäre Komponente kann durch eine Hilbertransformation oder durch eine Verzögerung des realen Messsignals gebildet werden. Ferner ist die Bildung des komplexen Empfangssignals durch quadratische Abtastung ein gängiges Verfahren in der digitalen Signalverarbeitung, dort wird das reelle Empfangssignal durch Multiplikation des abgetasteten Messsignals mit cos(ωt) und das imaginäre Signal durch Multiplikation des abgetasteten Messsignals mit sin(ωt) und nachfolgender Tiefpassfilterung gebildet, wobei ω der Winkelgeschwindigkeit des Sendesignals entspricht.
• Ist die Frequenz des Empfangssignals nicht bekannt, kann für die Berechnung der Differenzphase zwischen den Abtastpunkten im Zeitintervall Δt des gemessenen komplexen Signals x(t) die Differenz der Phasen gebildet werden. Die neue Funktion der Differenzphase Δφ(t) kann damit wie folgt berechet werden: $$\Delta \phi \left(t\right)=\left|x\left(t\right)\right|e^{i\left(a\text{tan2}\left(\frac{imag\left(x\left(t\right)\right)}{real\left(x\left(t\right)\right)}\right)-a\text{tan2}\left(\frac{imag\left(x\left(t-\Delta t\right)\right)}{reak\left(x\left(t-\Delta T\right)\right)}\right)\right)}$$

  
• Ist die Sendefrequenz f_s des Sendesignals bekannt, so kann exemplarisch diese direkt abgezogen werden: $$\Delta \phi \left(t\right)=\left|x\left(t\right)\right|e^{i\left(a\text{ tan2}\left(\frac{imag\left(x\left(t\right)\right)}{real\left(x\left(t\right)\right)}\right)-2\pi f_s\cdot \Delta t\right)}$$

  
• Um das gesuchte Signal aus einem möglicherweise stark verrauschten Empfangssignal zu erkennen, wird dieses mit einem Rechteckfester rect(t) gefaltet bzw. korreliert, wobei das Fenster der Signallänge des Sendesignals s(t) entspricht. Es ergibt sich daher das folgende Korrelationssignal: $$E\left(t\right)=\Delta \phi \left(t\right)\ast rect\left(t\right)$$

  
• Aus dem Maximum der Funktion E(t) lassen sich - je nach Länge des Sendesignals s(t) - Signale deutlich unterhalb des Rauschens erkennen. Weiter kann die Frequenz des Signals - so fern nicht vorher bekannt - aus der Phasenlage des komplexen Korrelationssignals E(t) abgelesen werden.
• Die 2 zeigt drei Beispiele a) bis c) der Bestimmung eines Korrelationssignals aus einem verrauschten Empfangssignal. Dargestellt ist in der jeweiligen oberen Graphik jedes Teilbildes das ideale Empfangssignal, wie es ohne den Einfluss eines Systemrauschens aussehen würde, nämlich ein Sinussignal vorbestimmter Länge entsprechend dem sinusförmigen Sendesignal. Ein- und Ausschwingvorgänge sind bei dieser prinzipiellen Betrachtung ausgeschlossen.
• In der mittleren Graphik ist das tatsächliche empfangene Signal dargestellt, wobei das Systemrauschen für das Beispiel a) am geringsten und für das Beispiel c) am stärksten ist. So ist im Beispiel a) das Empfangssignal innerhalb des Rauschens noch deutlich zu erkennen, im Beispiel b) kann das Empfangssignal im Rauschen eventuell noch vermutet werden, während es im Beispiel c) im Rauschsignal völlig untergeht.
• In der unteren Graphik jedes Beispiels a) bis c) ist das aus dem verrauschten Empfangssignal extrahierte Korrelationssignal E(t) als Funktion der Zeit t dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass selbst im Beispiel c) ein eindeutiges, dem idealen Empfangssignal zuordenbares Korrelationssignal (E(t) extrahiert werden kann, wobei das Maximum des Korrelationssignals jedes Beispiels dem gesuchten Signal des Ultraschallsensors zur Bestimmung eines Objektabstandes entspricht.
• Ferner besteht die Möglichkeit auf Basis der Phase des gefalteten Korrelationssignals E(t) die empfangene Frequenz zu ermitteln.
• Ist die Sendefrequenz bekannt, so besteht die Möglichkeit die Empfangsfrequenz in Relation zu der bekannten Sendefrequenz zu bestimmen. Stimmt die Sende und die Empfangsfrequenz direkt überein, ist die Phasenlage des Signals unabhängig von der Zeit t. Mit anderen Worten, bei einer Subtraktion gleichen sich die beiden Phasengeschwindigkeiten des gemessenen Signals x(t) und des bekannten Sendesignals s(t) aus, und ergeben einen konstanten Wert K: $$\Delta \phi \left(t\right)=\left|x\left(t\right)\right|e^{i\left(a\text{ tan2}\left(\frac{imag\left(x\left(t\right)\right)}{real\left(x\left(t\right)\right)}\right)-2\pi f_s\cdot \Delta t\right)}=\left|x\left(t\right)\right|e^{i\left(K\right)}$$

  
• Besteht beispielsweise eine Abweichung der Sende- und Empfangsfrequenz von 1%, so dreht sich die Phasenlage in Abhängigkeit der Abweichung über die Zeit: $$\Delta \phi \left(t\right)=\left|x\left(t\right)\right|e^{i\left(a\text{ tan2}\left(\frac{imag\left(x\left(t\right)\right)}{real\left(x\left(t\right)\right)}\right)-2\pi f_s\cdot \Delta t+\frac{1}{100}2\pi f_s\cdot \Delta t\right)}=\left|x\left(t\right)\right|e^{i\left(K+\frac{1}{100}2\pi \cdot \Delta t\right)}$$

  
• Die Annäherung eines beispielhaften Objekts mit einer Relativgeschwindigkeit v_rel = 3m/s (~10km/h) verursacht hierbei eine Verschiebung zwischen der Sendefrequenz f_s und einer Empfangsfrequenz f_e von 487Hz bei einer Sendefrequenz von f_s = 50kHz und einer Schallgeschwindigkeit von c = 341 m/s von: $$f_e=\frac{f_s}{\left(1-\frac{v_{rel}}{c}\right)}=\frac{50KHz}{\left(1-\frac{3m/s}{341m/s}\right)}=\mathrm{50,487}KHz$$

  
• Daher kann über eine Differenzmessung von zwei (oder mehreren) Punkten der Phase des Korrelationssignals E(t) die Abweichung der Frequenz direkt gemessen werden, wobei durch die Korrelationstechniken die Frequenzabweichungen auch in verrauschten Empfangssignalen messbar ist.
• Ist die Sendefrequenz unbekannt, so besteht die Möglichkeit einer differenziellen Betrachtung der Phasenwinkel. Das sich daraus ergebende Korrelationssignal E(t) hat im Falle eines vorhandenen Signals stets einen konstanten Wert φ_K, welcher sich jedoch aus der Empfangsfrequenz des Empfangssignals f_e bei bekannter Abtastfrequenz f_abtast bestimmen lässt.
• Ferner kann eine Analyse der Empfangsfrequenz hinsichtlich Signalkodierung und Dopplerverschiebung durchgeführt werden. Die Empfangsfrequenz hängt im Wesentlichen von zwei Parametern ab, nämlich der Sendefrequenz und der relativen Geschwindigkeit zu den reflektierenden Objekten (=Dopplerfrequenz)
• Durch die Verwendung von unterschiedlichen Sendefrequenzen für unterschiedliche Ultraschallsensoren ist es möglich, eine Zuordnung von Empfangssignal und Sender zu ermöglichen. Parallel dazu wird die Frequenz über die Dopplerverschiebung beeinflusst.
• Daher ist es möglich eine Sensorvorrichtung mit mehreren Ultraschallsensoren zu schaffen, welche eine Separation beider Effekte ermöglicht. Exemplarisch wird hierbei die Dopplerverschiebung in Parkvorgängen auf maximal 10m/s geschätzt. Woraus sich eine maximale Verschiebung von 1,61 kHz ergibt. Wie nun in 3 am Beispiel dreier Sensoren gezeigt wird, ist hierbei eine ideale Signaltrennung exemplarisch möglich. Dabei wird im Beispiel der erste Sensor mit einer Sendefrequenz f_S1 von 50KHz, der zweite Sensor mit einer Sendefrequenz f_S2 von 53,5 KHz und der dritte Sensor mit einer Sendefrequenz f_S3 von 57KHz betrieben. Bei einer angenommenen maximalen Dopplerverschiebung von 10 m/s entsprechend 1,61 KHz bleibt ein Sicherheitsabstand von 280 Hz zwischen den möglichen Dopplerbereichen D1, D2 und D3 der Sensoren S1, S2, S3. Dargestellt in 3 sind nun die Sendefrequenzen der verschiedenen Sensoren zusammen mit den zugehörigen Dopplerbereichen D1, D2 und D3 als Funktion der Frequenz f. Da in heutigen Systemen komplexe Triangulationsalgorithmen, Umfeldkarten, etc. verwendet werden, ist eine deutlich engere Platzierung der Sendefrequenzen denkbar, da diese sich als Offset bei einer Mehrfachmessung auf ein Objekt bestimmen lassen. Weiter könnte beispielsweise die Dopplerverschiebung über eine Mehrfachmessung oder ein Tracking geschätzt und kompensiert werden. Dieses würde sich vorteilhaft auf die Bandbreitenanforderungen des Sensors auswirken, und damit den Sensoraufbau vereinfachen.
• 4 zeigt eine praktische Umsetzung eines rechenzeitoptimierten Algorithmus in prinzipieller Zeigerdarstellung. Im oberen Teil a) der 4 ist ein komplexes abgetastetes Signal zu den Zeitpunkten t₀ bis t₃ graphisch in der komplexen Ebene dargestellt. Wesentlich ist, dass die Abtastfrequenz an die Sendefrequenz angepasst und pro Wellenlänge eine 4-fache Abtastung erfolgt. Dies führt zu der im Teil a) der 4 dargestellten Situation mit vier Abtastwerten und zu einer Phasendifferenz von 90° zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastwerten. Es kann auch eine n*4-fache Abtastung erfolgen, wobei n ein Element der natürlichen Zahlen ist. Dies würde beispielsweise für n=2 zu 8 Werten pro Wellenlänge führen (nicht dargestellt). Eine Erhöhung der Abtastfrequenz führt analog zur Erhöhung der Sendesignallänge allgemein auch zu einer Erhöhung der Anzahl der Messpunkte und damit zu einer Erhöhung der Qualität des Korrelationssignals.
• Anschließend erfolgt eine Zuordnung von imaginären und reellen Signalanteilen bei 4-facher Abtastung pro Wellenlänge dergestalt, dass der Messwert von x(to) dem reellen Signalanteil und der Messwert von x(t_-1) dem imaginären Signalanteil entspricht. Dann erfolgt eine Rückdrehung der in 4 dargestellten Zeiger durch Zuweisung und Vorzeichenwechsel. Dies ist bei 4-facher Abtastung berechtigt, da zwischen zwei komplexen Werten, beispielsweise t₀ und t₁ , der Zeiger um 90° rotiert. Betrachtet man daher den komplexen Wert für den Zeitpunkt t₁: (Re(t₁)/ Im(t₁)), so lässt sich der der Wert zum Abtastzeitpunkt t₀ zurückdrehen: $$(\text{Re}\left({\text{t}}_0\right)/\left(\text{lm}\left({\text{t}}_0\right)\right)=\left(-\text{lm}\left({\text{t}}_1\right)/\text{Re}\left({\text{t}}_1\right)\right).$$

  
• Ähnliche Beziehungen ergeben sich für den dritten und vierten Quadranten. Auf diese Weise lässt sich bei der 4-fachen Abtastfrequenz durch einfache Zuweisung und Vorzeichenwechsel die komplexen Werte in den ersten Quadranten zurückdrehen, wie dies symbolisch in Teil b der 4 dargestellt ist. Beträgt die Abtastfrequenz das 8-fache der Sendefrequenz, so muss auf die Versetzung der Zeiger auf 45° abgestellt werden. Insgesamt lässt sich für eine Abtastfrequenz, die das n*4-Fache der Sendefrequenz beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist, die Rückdrehung der Abtastsignale in den ersten Quadranten immer auf eine Zuweisung mit entsprechenden Vorzeichenwahl zurückführen, so dass keine komplexen arithmetischen Rechenoperationen notwendig sind.
• Als nächster Schritt erfolgt eine Mittelwertbildung der Signalwerte, was für die Abtastsignale der Faltung mit einem Rechteckfenster entspricht. Es erfolgt eine Aufsummierung der komplexen Zeiger durch eine reine Addition der realen und imaginären Anteile, wie dies im Teil c) der 4 dargestellt ist. Es ist ersichtlich, dass das der Betrag des Korrelationssignals, d.h. die Summe der zurückgedrehten Zeiger, sich bei Vorhandensein eines Empfangssignals bei einer vierfachen Abtastung gegenüber nur einem Abtastwert vergrößert. Um eine weitere Steigerung des Betrags des Korrelationssignals zu erhalten, kann die Abtastfrequenz erhöht und/oder die Länge des Sendesignals vergrößert werden. Auch im letzteren Fall der Verwendung einer größeren Sendesignallänge werden anschaulich mehr Abtastpunkte „zurückgedreht“ und aufsummiert, was zu einer Vergrößerung des Korrelationssignals führt.
• 5 zeigt die Wirkung der Anpassung der Signallänge an die benötigte Reichweite. Dargestellt ist im linken Teil sowie rechten Teil der 5 jeweils ein schematisch dargestellter Ultraschallsensor mit einem Blindbereich 12 sowie dem maximalen Erfassungsbereich 13. Durch die Möglichkeit einer Verlängerung des Sendesignals lässt sich die Reichweite weiter erhöhen. Es verbessert sich der Signal- zu Rausch-Abstand und damit die sichere Erkennung des Sendesignals proportional zu der Länge des Sendesignals. Vergleichbare Effekte lassen sich in Abhängigkeit der Rauschbandbreite auch über eine erhöhte Abtastrate erreichen.
• Wird das Sendesignal s(t) verlängert, so erhöht sich ebenfalls proportional der Blindbereich 12 des Sensors im Nahbereich. Daher können unterschiedliche angepasste Signale s(t) für unterschiedliche Reichweiten definiert werden, wie dies in 5 beispielhaft dargestellt ist.
• 6 zeigt ein Beispiel einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reichweitenerhöhung auf verdeckte Ultraschallsensoren. Dargestellt ist im oberen Teil der 6 die Amplitude A (beliebige Einheiten) des Empfangssignal als Funktion der Entfernung d in Meter für einen Ultraschallsensor, wie er derzeit im Automobilbau verwendet wird. Es ist offensichtlich, dass ein Abstandsignal zu einem Zielobjekt aus dem Empfangssignal nicht direkt mittels des üblichen, in 1 geschilderten Schwellwertverfahrens nicht ersichtlich ist. Dies gilt insbesondere in dem markierten Bereich B, in dem ein an einem Objekt reflektiertes Signal sichtbar sein sollte. Der untere Teil der 6 zeigt das Ergebnis nach der Anwendung des erläuterten Korrelationsverfahrens. Im markierten Bereich B ist ein deutliches Korrelationssignal sichtbar, dessen Maximum den Abstand zu einem Zielobjekt darstellt. Die anderen Signalanteile des untersuchten Empfangssignals werden durch die Faltung mit dem Rechteckfenster im wesentlichen zu Null summiert, da dort keine Reflexion eines sinusförmigen Sendesignal vorliegt und daher die Abtastwerte keinen phasenmäßigen Zusammenhang aufgrund der Abtastung aufweisen.
• 7 zeigt ein Beispiel der Anwendung des Verfahrensalgorithmus bei einer nicht verdeckten Sensorik. Im oberen Teil der 7 ist die Amplitude des an einem nicht verdeckt eingebauten Ultraschallsensor empfangenen Signals dargestellt. In einem Abstand von 3m zum Ultraschallsensor ist ein Objekt angeordnet, welches im Bereich B des Empfangssignals erkennbar sein müsste. Offensichtlich ist das vom Objekt stammende reflektierte Signal im Bereich B aus dem Rauschen nicht extrahierbar. Im Gegensatz dazu ist im unteren Teil der 7 ein deutliches Korrelationssignal im Bereich B erkennbar, nach dem das im oberen Teil dargestellte Empfangssignal abgetastet und den oben erläuterten Algorithmus durchlaufen hat. Die reinen Rauschanteile haben sich auch hier durch die Faltung mit dem Rechteckfenster aufgrund der fehlenden Phasenbeziehungen zu Null summiert.
• Bezugszeichenliste

1

Abschwingkurve

2

Rauschen

3

direktes Echosignal

4

Schwelle

5

Mehrfachreflexion

6

Mehrfachreflexion

7

Mehrfachreflexion

10

Ultraschallsensor

11

Blindbereich

12

Maximale Reichweite

A

Amplitude

B

Bereich

d

Entfernung

t

Zeit

f

Frequenz

f_S1

Sendefrequenz Sensor 1

f_S2

Sendefrequenz Sensor 2

f_S3

Sendefrequenz Sensor 3

D1

Dopplerbereich Sensor 1

D2

Dopplerbereich Sensor 2

D3

Dopplerbereich Sensor 3

Claims (12)

1. Verfahren zur Ermittlung eines Abstandssignals durch die Verarbeitung eines Empfangssignals, das durch die Reflektion eines Sendesignals vorgegebener Länge eines Ultraschallsensors gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal ein sinusähnliches Signal ist, das Empfangssignal mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und in komplexe Abtastsignale umgewandelt wird, die Phasenlage der Abtastsignale des Empfangssignals bestimmt wird, die Differenzphase bei unbekannter Sendefrequenz oder die Phasendrehung bei bekannter Sendefrequenz der Abtastsignale berechnet wird, und eine komplexe Faltung einer Differenzphasenfunktion über die Länge des Sendesignals zur Ermittlung eines Korrelationssignals erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des sinusähnlichen Sendesignals an die benötigte Reichweite variabel anpassbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Empfangssignals durch Auswertung der Phase des Korrelationssignals bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsfrequenz hinsichtlich Signalkodierung und/oder Dopplerverschiebung analysiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal eine vorgegebene Frequenz aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz dem vierfachen der Sendefrequenz oder einem natürlichzahligen Vielfachen der vierfachen Sendefrequenz entspricht.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltung mit einem Rechteckfenster erfolgt, wobei das Rechteckfenster der Länge des Sendesignals entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Abtastsignalen reelle und imaginäre Signalanteile generiert werden, mittels deren bekannte Phasenlage die Signalanteile in den ersten Zeigerquadranten zurückgedreht werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltung durch eine Aufsummierung der zurückgedrehten Signalanteile durchgeführt wird, wodurch sich das Korrelationssignal ergibt.
10. Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstandssignals durch die Verarbeitung eines Empfangssignals, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet und ausgelegt ist, mit einer Sendeeinrichtung zur Generierung eines sinusähnlichen Sendesignals, einer Empfangseinrichtung zur Bestimmung eines Empfangssignals, einer Einrichtung zur Ermittlung der Phasenlage des Empfangssignals, einer Einrichtung zur Berechnung einer Differenzphasenfunktion, und einer Einrichtung zur Faltung der Differenzphasenfunktion mit einer Rechteckfunktion der Länge des Sendesignals zum Erhalt eines Korrelationssignals.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vielzahl von jeweiligen Sende- und Empfangseinrichtungen aufweist, wobei die Sendefrequenzen der unterschiedlichen Sendeeinrichtungen unterschiedlich sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenzen so gewählt sind, dass sich die jeder Sendefrequenz zugeordneten Bereiche einer möglichen Dopplerverschiebung aufgrund einer Relativbewegung zwischen einem zu detektierenden Objekts und den Sende- und Empfangseinrichtungen nicht überschneiden.

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