DE102012215856B4

DE102012215856B4 - Steuerungsvorrichtung für einen anregungssignal-generator

Info

Publication number: DE102012215856B4
Application number: DE102012215856.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Barth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: DE102012215856A1; WO2014037387A1

Abstract

Steuerungsvorrichtung (10) für einen Anregungssignal-Generator (12), die ausgebildet ist, um den Anregungssignal-Generator (14) so zu steuern, dass der Anregungssignal-Generator (14) n aufeinanderfolgende Anregungssignale (14a, 14b, 14c) in n aufeinanderfolgenden Anregungssignalintervallen Tmit 0 ≤ i < n ausgibt,wobei die Anregungssignalintervalle Tüber die n Anregungssignale (14a, 14b, 14c) hinweg entsprechend einer mathematischen Folge mit einer Vielzahl von Folgengliedern kzeitlich variieren,wobei die mathematische Folge so gewählt ist, dass für jedes ganzzahlige s in einem Intervall [2; m] mit m ≤ n/2 die Folge der Summenfolgengliederüber die Folgenglieder kein Intervall aufspannen, in welchem mindestens 80% der Summenfolgenglieder Smit Distanzen ΔSvoneinander beabstandet verteilt sind, die eine symmetrische Verteilung besitzen.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Steuerungsvorrichtung für einen Anregungssignal-Generator, auf ein Verfahren zur Steuerung eines Anregungssignal-Generators, auf ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens sowie auf ein System zur Objekterfassung.
Ein Anregungssignal-Generator ist dazu ausgebildet, Anregungssignale, z.B. elektromagnetische Strahlungssignale, Schallsignale oder Ultraschallsignale, zu generieren, welche beispielsweise für Radar-, Sonar-Systeme oder für Ultraschallmesstechnik in der zerstörungsfreien Prüfung und der Medizin genutzt werden. Derartige Systeme basieren darauf, dass das Anregungssignal, welches sich in einem Festkörper oder Fluid ausbreitet, nach Reflexion an einem beabstandeten Körper als Antwortsignal detektiert werden kann, wobei der zeitliche Abstand zwischen Aussenden des Anregungssignals und Empfangen des reflektierten Antwortsignals (Laufzeit) Auskunft über die Distanz zu dem jeweiligen Objekt und über die Form des jeweiligen Objekts gibt. Das reflektierte Antwortsignal wird beispielsweise über einen Strahlungssensor, Schall- oder Ultraschallsensor empfangen. Die Anwendungsgebiete derartiger Systeme erstrecken sich von Radarsystemen sowie marinen und geologischen Sonarsystemen über Messtechnik zur zerstörungsfreien Prüfung bis hin zur Medizintechnik. Häufig tritt jedoch das Problem auf, dass das zu messende Antwortsignal schwach gegenüber den Rauschsignalen aus Sensor, Empfangsverstärker oder aus anderen Quellen ist.
Eine gängige Möglichkeit, um das Rauschen zu reduzieren ist, Impulssignale mit einer n-fachen Wiederholung als Anregungssignale zu emittieren, so dass das effektive Antwortsignal über n Antwortsignale gemittelt werden kann. Dies führt zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, da die Rauschsignal-Amplitude auf den Faktor $\frac{1}{\sqrt{n}}$
reduziert wird. Die Wiederholfrequenz kann beispielsweise dann, wenn die ausgesendeten Anregungssignale bzw. Schallwellen nur langsam abklingen, oder wenn die Schallwellenlaufzeit lang ist, nur begrenzt erhöht werden, weil es sonst zu Überlagerung mit dem vorherigen Antwortsignal kommt, so dass die Echosignale (Antwortsignale) nicht eindeutig den Sendeimpulsen (Anregungssignalen) zugeordnet werden können. Falls, beispielsweise wegen des schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses das effektive Antwortsignal durch Mittelung über eine Vielzahl von Antwortsignalen ermittelt werden sollen, kann sich die Gesamtmesszeit deutlich erhöhen, insbesondere dann, wenn an vielen Messorten nacheinander gemessen werden soll.
Die Patentschrift US 4,065,744 A zeigt ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Distanz zwischen einem Fahrzeug und einer Referenzoberfläche auf Basis einer Frequenzverschiebung des Echosignals. Die Frequenzverschiebung ergibt sich aus einem Vergleich des ausgesendeten Signals und des empfangenen (reflektierten) Echosignals. Die ausgesendeten Signale werden pulsweise ausgesendet. Die Pulse haben eine konstante Dauer, wobei allerdings die Abstände zwischen den Pulsen variiert werden können.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis ohne Signalmittelung zu verbessern, kann das Anregungssignal entsprechend einer weiteren Möglichkeit mehr Energie enthalten, wobei beispielsweise die Impuls-Amplitude erhöht wird. Lässt sich die Impuls-Amplitude nicht weiter erhöhen, weil sonst der Aktor überlastet wird, findet oft das Verfahren der Impulskompression Anwendung. Dabei wird der Frequenzgehalt des Impulses nicht zu einem kurzen Zeitpunkt gesendet, sondern über eine gewisse Zeitspanne verteilt abgestrahlt. Ein Beispiel hierfür ist ein sog. Chirp-Signal mit ansteigender Frequenz. Das empfangene Antwortsignal wird für die Weiterverarbeitung durch Rückfaltung wieder in ein Impulssignal umgerechnet. Ähnliche Verfahren basieren auf Amplituden- oder Phasen-Modulation. Insgesamt sind derartige Verfahren jedoch technisch aufwendig und dadurch koftenintensiv, da beispielsweise Hochfrequenz-Signalgeneratoren und Hochfrequenz-Leistungsverstärker benötigt werden. Auch die Rückfaltung ist rechenintensiv und kann typischerweise nicht ohne weiteres auf einem Mikrocontroller implementiert werden.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept zur Objekterfassung mittels elektromagnetischer Wellen oder Schallwellen zu schaffen, welches sich durch insgesamt geringen Implementierungsaufwand auszeichnet und für die Auswertung günstige Antwortsignale generiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Steuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein System zur Objekterfassung gemäß Anspruch 9 und Anspruch 13, ein Verfahren zur Steuerung eines Anregungssignal-Generators gemäß Anspruch 18 und ein Computerprogramm gemäß Anspruch 19 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Steuerungsvorrichtung für einen Anregungssignal-Generator, die ausgebildet ist, um den Anregungssignal-Generator so zu steuern, dass der Anregungssignal-Generator n aufeinanderfolgende Anregungssignale in n aufeinanderfolgenden Anregungssignalintervallen T_i mit 0 ≤ i <n ausgibt. (Das 0. Anregungssignalintervall ist bei zyklischem Betrieb von Bedeutung.) Die Anregungssignalintervalle T_i über die n Anregungssignale hinweg variieren zeitlich entsprechend einer mathematischen Folge mit einer Vielzahl von Folgengliedern k_i. Hierbei ist die mathematische Folge so gewählt, dass für jedes ganzzahlige s in einem Intervall [2; m] mit m ≤ n/2 die Folge der Summenfolgenglieder $S_{i} = \sum_{j = 0}^{s - 1} k_{(i + j) m o d n}$
über die Folgenglieder k_i ein Intervall aufspannen, in welchem mindestens 80 % Summenfolgenglieder S_i mit Distanzen ΔS_i voneinander symmetrisch verteilt sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren darauf, dass bei der Objekterfassung mittels Radar oder vergleichbaren Systemen, bei denen die Anregung mittels einer Impulsfolge bzw. mittels einer Anregungssignalfolge erfolgt, ein Signal-Rausch-Verhältnis erhöht werden kann, indem ein zeitlicher Abstand (Anregungssignalintervall T_i) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungssignalen (Impulsen) über alle Anregungssignale (Impulse) hinweg variiert wird, so dass sich dieses Anregungssignalintervall T_i über die Anregung hinweg nicht wiederholt. Durch das ständige Variieren des Anregungssignalintervalls T_i treten die reflektierten Antwortsignale der jeweils vorherigen Anregung an stets unterschiedlichen zeitlichen Positionen relativ zum jeweils letzten Anregungszeitpunkt auf. Bei einer späteren Mittelung, die durch Addieren empfangener Antwortsignale erfolgt, löschen sich unerwünschte Signalteile im Antwortsignal, die beispielsweise durch Echos oder Rauschen entstanden sind, aus, da auch die Antwortsignale entsprechend den Anregungssignalintervallen T_i zeitlich variiert sind. Hintergrund hierzu ist, dass durch die unterschiedlichen Anregungssignalintervalle T_i positive und negative Halbwellen von Antwortsignalen auf jeweils vorangegangene Anregungsimpulse im gemittelten Antwortsignal so überlagert werden, dass es zur Auslöschung kommt. Die erwähnte symmetrische Verteilung der Summenfolgenglieder S_i über die Folgengliedern k_i bzw. indirekt über die Anregungssignalintervalle T_i führt zu einer besonders günstigen Überlagerung. Infolgedessen verbleibt im gemittelten Antwortsignal hauptsächlich das erwünschte rauscharme Antwortsignal (Echosignal), welches aus der Reflexion des ausgesandten Anregungssignals an dem zu erkennenden Objekt resultiert.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel spannen die Folgenglieder k_i, die ein Maß für die Anregungssignalintervalle T_i sind, das Intervall so auf, dass mindestens 80 % der Summenfolgenglieder S_i mit Distanzen ΔS_i voneinander gleichverteilt auftreten.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein System zur Objekterfassung mittels Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen, welches die oben beschriebene Steuerungsvorrichtung und einen Anregungssignal-Generator umfasst, wobei der Anregungssignal-Generator ausgebildet ist, bei Steuerung mit einem Triggersignal von der Steuerungsvorrichtung einen Impuls als Anregungssignal auszugeben. Auch bei diesem System werden unerwünschte Echos und unerwünschtes Rauschen durch das oben beschriebene Verfahren herausgefiltert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein System zur Objekterfassung mittels Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen mit der oben beschriebenen Steuerungsvorrichtung und einer Auswertevorrichtung. Diese Auswertevorrichtung ist ausgebildet, um mindestens zwei Antwortsignalperioden aus einer Vielzahl zeitlich aufeinanderfolgender Antwortsignale, die auf Basis einer Reflexion der Vielzahl der Anregungssignale empfangen und aufgenommen sind, auszuwählen und für die Auswertung zu kombinieren. Beim Kombinieren bzw. Rückfalten der empfangenen Antwortsignale kommt effektiv das geringe Signal-Rausch-Verhältnis zum Tragen, auch wenn die Grundlage hierfür durch die Variation des Anregungssignalintervalls T_i gelegt ist.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Anregungssignal-Generators mit den Schritten des Ausgebens eines Triggersignals, das den Anregungssignal-Generator so steuert, dass der Anregungssignal-Generator n aufeinanderfolgende Anregungssignale in n aufeinanderfolgenden Anregungssignalintervallen T_i mit 0 ≤ i < n ausgibt. Die Anregungssignalintervalle T_i variieren über die n Anregungssignale hinweg entsprechend einer mathematischen Folge mit einer Vielzahl von Folgengliedern k_i. Die mathematische Folge ist so gewählt, dass für jedes ganzzahlige s in einem Intervall [2; m] mit m ≤ n/2 die Folge der Summenglieder $S_{i} = \sum_{j = 0}^{s - 1} k_{(i + j) m o d n}$
über die Folgenglieder k_i ein Intervall aufspannen, in welchem mindestens 80 % der Summenfolgenglieder S_i mit Distanzen ΔS_i voneinander verteilt sind, die eine symmetrische Verteilung besitzen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Computerprogramm zur Durchführung des genannten Verfahrens.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Steuerungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a-2d schematische Diagramme von Anregungs- und Antwortsignalen zur Illustration des Prinzips der Anregungssignalintervallvariation gemäß Ausführungsbeispielen;
2e-2h schematische Diagramme von Antwortsignalen zur Illustration des Prinzips der Artefaktreduktion gemäß Ausführungsbeispielen;
3a, 3b ein schematisches Histogramm und Histogramm-Spektrum einer Gauß-Folge (Pseudozufallsfolge mit Gaußverteilung);
3c, 3d ein schematisches Histogramm und Histogramm-Spektrum einer LFSR-Folge (Pseudozufallsfolge aus einem „Linear Feedback Shift Register“, gleichverteilt);
3e-3g schematische Histogramme und ein Histogramm-Spektrum von Summenfolgen gemäß Ausführungsbeispielen; und
4a, 4b schematische Blockschaltbilder von Systemen mit einer Steuerungsvorrichtung, einem Anregungssignal-Generator und einer Auswertevorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1 zeigt eine Steuerungsvorrichtung 10 für einen optional dargestellten Anregungssignal-Generator 12, von welchem zum Beispiel mittels einer Sendeeinrichtung ein Gesamtanregungssignal 14 in einen Festkörper oder in die Umgebung emittiert wird, so dass auf Basis eines empfangenen Gesamtantwortsignals (nicht dargestellt) z.B. ein Objekt bzw. eine relative Lage des Objekts gegenüber der Sende-/Empfangseinrichtung detektiert werden kann oder andere Informationen über das Ausbreitungsmedium gesammelt werden.
Der Anregungssignal-Generator 12, beispielsweise ein digital triggerbarer Impulsgenerator mit einer hohen Impuls-Wiederholfrequenz, wird von der Steuerungsvorrichtung 10 so gesteuert, dass durch diesen das Gesamtanregungssignal 14, das eine Vielzahl von Einzelanregungssignalen 14a, 14b und 14c aufweist, hinsichtlich Signalform, Frequenz, Amplitude, Anregungssignalzahl n und/oder Anregungssignalintervall T_i vorgegeben wird. Diese Steuerung kann beispielsweise mittels eines Gesamttriggersignals 16, das einzelne Triggersignale 16a, 16b und 16c umfasst, erfolgen. Hierbei emittiert der Anregungssignal-Generator 12 die Anregungssignale 14a, 14b, 14c, wie zum Beispiel Anregungsimpulse, als Antwort auf die Triggersignale 16a, 16b und 16c, die von der Steuerungsvorrichtung 10 ausgegeben werden. Die Triggersignale 16a, 16b und 16c und somit die Anregungssignale 14a, 14b und 14c sind mit Anregungssignalintervallen T_i (zeitlichen Abstand zwischen den einzelnen Anregungssignalen 14a, 14b und 14c) angeordnet, wobei der Index i ≥ 0 und kleiner als die absolute Anzahl n der Anregungssignale 14a, 14b und 14c ist. Jedes Anregungssignal 14a, 14b und 14c der n Anregungssignale weist typischerweise die gleiche Form, also z.B. die Form eines Impulssignals oder eines Chirpsignals, auf, was dazu führt, dass aus jedem Anregungssignal 14a, 14b und 14c ein vergleichbares Echo durch Überlagerung mit sich selbst oder durch Überlagerung mit einem anderen Anregungssignal der Signale 14a, 14b oder 14c resultiert. Bei der oben angesprochen Auswertung mittels Mittelung (Addition der einzelnen Antwortsignale auf die Vielzahl der Anregungssignale 14a, 14b und 14c) würde dieses Echo zwar zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses führen, allerdings wären bei konstantem Anregungsintervall (T₀=T₁=T₂...), das kürzer als die Ausklingzeit eines Antwortsignals ist, störende Antwortsignale der vorangegangenen Anregungssignale enthalten.
Um die störenden Antwortsignale der vorangegangenen Anregungssignale zu unterdrücken, werden die Anregungssignalintervalle T_i variiert. Eine solche Variation der Anregungssignalintervalle T_i ist also insbesondere hinsichtlich der Auswertung der reflektierten Anregungssignale vorteilhaft ist. Hier erfolgt die Variation nicht zufällig, sondern entsprechend einem vorgegebenen Schema, das im Folgenden diskutiert wird. Ein optimales Ergebnis kann dann erzielt werden, wenn die Anregungssignalintervalle T_i über die n Anregungssignale hinweg entsprechend einer mathematischen Folge mit einer Vielzahl von Folgengliedern k_i zeitlich variiert werden, wobei die Folgenglieder k_i die Variation der Anregungssignalintervalle T_i vorgeben. Hierbei ist die Folge über die Folgenglieder k_i so gewählt, dass die Summenfolgenglieder S_i über die Folgenglieder k_i ein Intervall aufspannen, in welchem sie möglichst symmetrisch verteilt sind. Die Summenfolgenglieder S_i sind in den Intervallen für alle natürlichen Zahlen s im Intervall [2, m] mit m ≤ n/2 nach folgender Formel definiert: $S_{i} = {\sum_{j = 0}^{s - 1} k_{(i + j) mod n}}_{.}$
Der Modulus über n im Index dient dazu, dass der Index bei Erreichen des Folge-Endes am Anfang wieder fortgesetzt wird. Da, wie oben bereits erwähnt, die Anregungssignalintervalle T_i von der Steuerungsvorrichtung 10 vorgegeben werden, ist diese dazu ausgebildet, die Folgenglieder k_i auf Basis der genannten Berechnungsvorschrift so zu ermitteln, dass die Bedingungen hinsichtlich Symmetrie der Summenfolgenglieder-Verteilung eingehalten werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die möglichst gleichmäßige Symmetrie dadurch definiert, dass mindestens 80 % der Summenfolgenglieder S_i mit Distanzen ΔS_i voneinander symmetrisch verteilt sind. Somit stimmen zum Beispiel näherungsweise 80 % aller Distanzen ΔS_i der ersten Hälfte hinsichtlich einer betragsmäßigen Verschiebung gegenüber eines Symmetrie-Index innerhalb des aufgespannten Intervalls mit den jeweiligen Distanzen ΔS_i der zweiten Hälfte überein.
Die entsprechend den oben beschriebenen Bedingungen durchgeführte Variation des Anregungssignalintervalls T_i erfolgt entsprechend folgender Formel: $T_{i} = T_{min} + k_{i} \cdot Δ T,$
mit T_min als minimales Anregungssignal und mit ΔT_i als Diskretisierungsintervall, welches beispielsweise frei wählbar ist. Anhand dieser Formel 2 ist zu erkennen, dass durch das ständig variierende k_i sich das betreffende Anregungssignalintervall T_i ständig ändert. Infolgedessen verschieben sich systematische (aber nicht genau vorhersagbare) Effekte, wie z.B. Echos der vorangegangenen Anregungen relativ zu den Echos aus der jeweils letzten Anregung, wobei durch die symmetrische Verteilung diese Effekte herausgefiltert bzw. herausgemittelt werden können. Im Vergleich dazu würde die Formel 2 für das klassische Mitteln mit konstanten Anregungssignalintervallen T_i zu einem Wert 0 für die Folgenglieder k_i und damit zu einem Wert 0 für die Summenfolgenglieder S_i führen. Also fallen die Abtastzeitpunkte, die relativ zu dem jeweils letzten Anregungszeitpunkt in jeder Einzelmessung dieselbe zeitliche Position haben, auch stets auf dieselbe zeitliche Position relativ zu dem vorangegangenen Anregungszeitpunkt. Das hat zur Folge, dass zwar wie gewünscht das statistisch verteilte Signalrauschen reduziert wird, aber lange nachhallende Echos der vorangegangenen Anregungssignale das gewünschte Antwortsignal überlagern.
Das Abtasten des Gesamtantwortsignals an verschiedenen Positionen und das anschließende Aufsummieren der Abtastwerte zur Mittelung der Antwortsignale entspricht der Berechnung eines Signalwerts in einem digitalen FIR-Filter (finite Impulsantwort), wobei der FIR-Filter indirekt realisiert ist, da die Filterkoeffizienten im Gesamtanregungssignal 14 (also bei der Anregung) und nicht bei der Auswertung des Gesamtantwortsignals festgelegt werden. Aus der Formel 1 ergibt sich für die Werte aller Summenfolgenglieder S_i (z.B. s=2) der Filterkoeffizient des indirekt realisierten FIR-Filters für die Echosignale der vorherigen Signalanregung. Einfach vorhandene Werte von Summenfolgengliedern S_i bilden einen Filterkoeffizienten mit dem Wert 1, mehrfach vorhandene Werte von Summenfolgengliedern S_i ergeben einen entsprechend höheren Filterkoeffizientenwert. Befinden sich die Summenfolgenglieder S_i lückenlos besetzt und je nur einfach vorhanden nebeneinander, liegt ein Tiefpass-FIR-Filter vor, das den gleitenden Mittelwert bildet. Ist in dem Intervall nur jeweils jeder zweite Wert von einem oder mehreren Summenfolgenglieder S_i besetzt, handelt es sich praktisch um einen breitbandigen Bandsperr-Filter, d.h. sehr tiefe Frequenzen und Frequenzen nahe der Nyquist-Frequenz werden durchgelassen. Sind die Lücken zwischen den von Summenfolgenglieder S_i besetzten Werten größer, ergeben sich Multi-Bandsperrfilter, die in schmalen Frequenzbändern verringerte Dämpfungen haben.
Die normale Länge des durch die Folgenglieder k_i aufgespannten Intervalls liegt in einem Bereich von n bis n/2 x s. In einem derartigen Intervall sind die Lücken von nicht in den Summenfolgengliedern S_i vorkommenden möglichst klein, wenn das aufgespannte Intervall gleichmäßig mit den Werten der Summenfolgenglieder S_i gefüllt ist. Folglich treten auch wenige Mehrfachbesetzungen von mehrfach vorkommenden Summenfolgengliedern S_i auf. Also können entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel die Folgen dieser k_i so gewählt sein, dass die Summenfolgenglieder S_i eine möglichst gleichmäßige bzw. dichte Verteilung aufweisen. Hierbei sind beispielsweise die Summenfolgenglieder S_i bzw. mindestens 80 % dieser in dem aufgespannten Intervall mit gleichmäßig voneinander beabstandeten Distanzen ΔS_i verteilt. Hier gilt eine Distanz ΔS_i als gleichmäßig, wenn eine Standardabweichung s bezogen auf den Mittelwert aller Distanzen ΔS_i kleiner als 0,5 x ΔS_i ist.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel können die einzelnen Folgenglieder k_i über folgende Formel berechnet werden, mit dem Startwert k₀ im Intervall [0, n-1]. $k_{i} = (k_{i - 1} + m) mod n .$

Folgenglieder k_i entsprechen diesem Zusammenhang entsprechend den oben genannten Bedingungen hinsichtlich gleichmäßiger und symmetrischer Verteilung, wie anhand des folgenden Beispiels gezeigt wird.

i	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
k_i	0	6	12	5	11	4	10	3	9	2	8	1	7
S_i (s=2)	6	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7
S_i (s=3)	18	23	28	20	25	17	22	14	19	11	16	8	13
S_i (s=4)	23	34	32	30	28	26	24	22	20	18	16	14	25

An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Beispieltabelle mit den beispielhaft gewählten Werten n = 13, m = 6 ermittelt wurde. Wie zu erkennen ist, kommen hier keine Summenfolgenglieder S_i mehrfach vor, was zu einer guten Unterdrückung der Störsignale mit geringem Rauschsignalanteil führt. Also ist die Steuerungsvorrichtung 10 entsprechend Ausführungsbeispielen dazu ausgebildet, die Folgenglieder k_i auf Basis der unter Formel 3 genannten Berechnungsvorschrift zu ermitteln.
Bei sehr kleinen minimalen Anregungssignalintervallen T_i (im Vergleich zu der Echoausklingzeit) kann es zu Artefakten (künstlichen Störsignalen) kommen. Artefakte können entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel minimiert werden, indem die Folgenglieder k_i entsprechend der Formel 3 gewählt sind und der Summand m so gewählt ist, dass er kein Vielfaches eines Primfaktors von n darstellt. Hintergrund ist, dass bei dieser Unterbedingung alle ganzzahligen Werte des Intervalls 0 bis n-1 in der Zahlenfolge vorkommen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen bezüglich kann der Summand m in Formel 3 sich innerhalb eines aufgespannten Intervalls zum Beispiel zyklisch ändern.
Im Folgenden wird exemplarisch Bezug nehmend auf 2 ein resultierendes Gesamtantwortsignal, bei dem die Antwortsignalintervalle T_i wie beschrieben variiert sind, erläutert. In den Zeitskalen der Diagramme sind nur die Nummern der Abtastpunkte (Samples) angegeben, da es sich um simulierte Signale handelt. Die Abtastfrequenz (Samplingrate) ist prinzipiell beliebig und für das Verfahren ohne Bedeutung. In der Ultraschalltechnik sind Abtastfrequenzen von 1 - 1000 MHz üblich. Für Radar-Signale sind Abtastfrequenzen von mehreren GHz üblich. Nachfolgend wird von einer Abtastfrequenz von 1 MS/s (Mega-Sample pro Sekunde) ausgegangen, sodass die Zeitskalen in der Einheit µs aufgefasst werden können.
2a zeigt ein Diagramm mit der über die Zeit aufgetragenen Amplitude eines Gesamtanregungssignals 14, z.B. eines Ultraschallsignals mit n=13 Anregungssignalen 14a-14m. Zwischen diesen Anregungssignalen 14a-14m, die bevorzugt eine gleiche Signalform, wie z.B. eine Impulssignalform mit konstanter Dauer und konstanter Amplitude aufweisen, sind entsprechend dem oben beschriebenen Prinzip die Anregungssignalintervalle T_I bis T₁₂ (z.B. im Bereich von 20 bis 32 µs) variiert, wobei hier T₁₁ durch k₁₁ = 1 das kürzeste Anregungssignalintervall. T₀ ist von Relevanz, wenn die Impulsfolge periodisch abgegeben werden soll und definiert den Abstand zwischen dem letzten Impuls der ersten Periode und dem ersten Impuls der zweiten Periode.
2b zeigt ein Diagramm eines idealen Antwortsignals 14a' auf ein Anregungssignal 14a, bei dem die Amplitude über die Zeit aufgetragen ist. An dem Antwortsignal 14a' ist zu erkennen, dass dieses gegenüber dem Anregungssignal 14a um ca. 10 µs versetzt ist, was der Laufzeit des Anregungssignals 14a zu dem zu detektierenden Objekt und zum Sensor entspricht. Es ist weiter zu erkennen, dass Antwortsignal 14a' z.B. innerhalb von 110 ns abklingt, wobei bei dem Vergleich mit dem Diagramm aus 2a deutlich wird, dass diese Abklingzeit relativ lang gegenüber den Anregungssignalintervallen T_i von durchschnittlich ca. 26 µs ist. Insofern werden sich bei dem Gesamtantwortsignal die abklingenden Amplituden infolge der Vielzahl von Anregungssignalen 14a-14m überlagern.
Diese Überlagerung ist in 2c dargestellt, in welcher die Amplitude des Gesamtantwortsignals 14' aufgetragen über die Zeit dargestellt ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Gesamtantwortsignal 14' durch eine Faltung des Gesamtanregungssignals 14 mit dem einzelnen idealen Antwortsignal 14a', also 14 ⊗ 14a', ermittelbar ist. Insofern kann durch Rückfaltung des Gesamtanregungssignals 14' mit dem Anregungssignal 14 das decodierte Gesamtantwortsignal erhalten werden.
2d zeigt ein durch Rückfaltung 14' ⊗^-1 14 decodiertes und dabei über mehrere Antwortsignale gemitteltes Antwortsignal 14", das dem idealen Antwortsignal 14a' sehr ähnelt. Bei der Rückfaltung wird das Antwortsignal (14") durch Addieren von gleich langen Signalausschnitten des Gesamtantwortsignals (14'), die entsprechend der Impulsfolge des Gesamtanregungssignals (14) zeitversetzt aus dem Gesamtantwortsignal (14') entnommen sind und zeitlich kohärent die Antwortsignale (14a', 14b', 14c') umfassen, und durch Dividieren (Skalieren) des Summensignals mit der Anzahl der Signalausschnitte ermittelt. Bei dem Ermitteln des Antwortsignal 14" auf Basis der Mehrzahl der Anregungssignale 14a-14m haben sich die Echos der einzelnen Antwortsignale eliminiert. Die Differenz zwischen den Signalen 14" und 14a' ist auf Artefakte zurückzuführen, die zum Beispiel dadurch entstehen, dass wenige Impulse in dichter Folge gesendet werden.
2e zeigt ein Diagramm eines Artefaktsignals 20, das der Differenz zwischen dem Signal 14" und 14a' (14"- 14a) entspricht. Um dieses zu reduzieren, werden auf Basis des decodierten Antwortsignals 14" die entstandenen, aber unbekannten Artefakte ermittelt bzw. simuliert. Dazu wird das artefaktbehaftete, decodierte Antwortsignal 14" erneut mit dem Gesamtanregungssignal 14 (der Impulsfolge) codiert, also 14 ⊗ 14", um dann im nächsten Schritt wieder decodiert zu werden, also (14 ⊗ 14") ⊗^-1 14. Somit wird der gleiche Rechenschritt, bei welchem die Artefakte entstanden sind, erneut durchgeführt, wobei das resultierende Signal (14 ⊗ 14") ⊗^-1 14 die Artefakte aus zwei Codier-Decodier-Vorgängen aufweist. Nun kann in einem nächsten Schritt durch Differenzbildung zwischen diesem doppelt artefaktbehafteten Signal (14 ⊗ 14") ⊗^-1 14 und dem einfach artefaktbehafteten Antwortsignal 14" das simulierte Artefaktsignal ermittelt werden.
2f zeigt das simulierte Artefaktsignal 22, das die Differenz zwischen dem redecodierten Antwortsignal (14 ⊗ 14") ⊗^-1 14 und dem decodierten Antwortsignal 14", also ((14 ⊗ 14") ⊗^-1 14) - 14", darstellt. Das simulierte Artefaktsignal 22 ist grundsätzlich dem tatsächlichen Artefaktsignal (vgl. Artefaktsignal 20) ähnlich und wird nun von dem artefaktbehafteten decodierten Antwortsignal 14" abgezogen (also 14" - 22), um die Artefakte in diesem Signal zu reduzieren. Die Gleichung 14"' = 14" - 22 = 14" - (((14 ⊗ 14") ⊗^-1 14) - 14") lässt sich beispielsweise auch ohne das Zwischenergebnis „Artefaktsignal 22“ zu 14"' = 2 · 14" - ((14 ⊗ 14") ⊗^-1 14) umformen.
2g zeigt das artefaktreduzierte decodierte Antwortsignal 14'", das im Vergleich zu dem artefaktbehafteten Antwortsignal 14" dem idealen Antwortsignal 14a' (aus 2b) näherkommt. Dies wird auch an dem nun resultierenden Artefaktsignal deutlich.
2h zeigt das Artefaktsignal 20' des artefaktreduzierten Antwortsignals 14'" aus 2g, also die Differenz zwischen dem artefaktreduzierten Antwortsignal 14'" und dem idealen Antwortsignal 14a' (14'" - 14a'), die im Vergleich zu dem Artefaktsignal 20 aus 2e wesentlich flacher ist.
Das Ergebnis der Artefaktreduktion hängt insbesondere von der mittleren Länge der Anregungssignalintervalle T_i und der Anzahl n der Zahlenfolgenelemente ab. Insbesondere bei kurzen Zahlenfolgen (n ist klein) und bei kurzer Mindestintervallänge T_min treten starke Artefaktsignale auf. Wenn diese relativ klein gegenüber dem Nutzsignal, also z.B. wenn die Amplitude des Artefaktsignals 20 kleiner als ca. 20% der Amplitude des Gesamtantwortsignals 14 bzw. 14" ist, gelingt die Artefaktreduzierung sehr gut, da dann das simulierte Artefaktsignal 22 sehr ähnlich zu dem reellen Artefaktsignal 20 ist. Eine weitere Premisse, die eine gute Artefaktreduzierung zur Folge hat, ist dann gegeben, wenn das decodierte Antwortsignal 14" eine so große Signaldauer aufweist, dass der Bereich des Antwortsignals 14", bei dem die Amplitude größer als die Rauschsignalamplitude ist, vollständig bzw. möglichst vollständig erfasst wird.
Bezug nehmend auf 3a-3d werden Folgen erläutert, die nicht den oben beschriebenen Bedingungen entsprechen, während Bezug nehmend auf 3e-3g Folgen erläutert werden, die den oben genannten Bedingungen entsprechen. Diese Folgen werden zusammen mit Histogrammen bzw. Histogramm-Spektren erläutert, anhand derer ersichtlich wird, ob die gewählten Folgen den vorgegebenen Bedingungen entsprechen.
3a zeigt vier Summenhäufigkeitsverteilungen für die mittels der Formel 1 berechneten Folgenglieder S_i von n = 255 Gauß-verteilten bzw. pseudozufälligen Folgengliedern k_i. Hier ist in vier verschiedenen Darstellungen für unterschiedliche ganzzahlige s (2-5) die Häufigkeitsverteilung der Werte der Summenfolgenglieder S_i dargestellt. Jede Klasse der Histogramme hat die Breite eins, d.h. jede natürliche Zahl hat eine eigene Klasse. Die Werte für Si (waagerechte Achse) können als Vielfache von ΔT aufgefasst werden, da es sich um Summen der Zahlenfolgenelemente ki handelt, die mit ΔT multipliziert werden um die Impulsintervalllängen zu berechnen. Das heißt also, dass die Höhe einer Linie im Diagramm die Häufigkeit des betreffenden Wertes in der Summenfolge darstellt. Wie zu erkennen ist, ergibt sich aus den pseudozufälligen gewählten Folgengliedern k_i eine unregelmäßige Verteilung der Summenfolgenglieder S_i mit unbesetzten Lücken und mehrfach vorkommenden Summenfolgenglieder-Werten. Ferner ist zu erkennen, dass bei einem umso höheren ganzzahligen s-Wert sich die Verteilung auf der x-Achse nach rechts verschiebt, sich also die Werte für die Summenfolgenglieder S_i erhöhen.
3b zeigt drei Histogramm-Spektren über drei unterschiedliche Gauß-verteilte Funktionen. In jedem Diagramm sind jeweils fünf Graphen für fünf unterschiedliche s (von 2-7) dargestellt. Um diese Spektren zu erhalten, werden die entsprechenden Histogramme Fourier-transformiert. Analog zum Frequenzspektrum, das von den Koeffizienten eines FIR-Filters berechnet werden kann und dessen Frequenz-Durchlassverhalten anzeigt, stellen diese Spektren das Amplituden-Übertragungsverhalten des Mittelungsalgorithmus für die Antwortsignale des vorletzten Anregungssignals (s = 2) und der vorangehenden Anregungssignale (s = 3, 4, 5, 6, 7, ...) dar. Also ist es vorteilhaft, wenn in den Summenfolgen-Histogrammspektren für möglichst viele Frequenzlinien niedrige Amplitudenwerte (möglichst null) aufweisen mit möglichst wenigen dazwischen liegenden ausgeprägten Peaks erreicht wird. Insbesondere anhand des dritten Diagramms für n = 1024 mit einer Standardabweichung σ von 256, aber auch anhand der zwei weiteren Diagramme für n = 128 und σ = 32 bzw. n = 16 und σ = 4 ist zu erkennen, dass ein starkes spektrales Grundrauschen (ohne besonders hohe Peaks) ausgeprägt ist, was einen relativ großen Artefakt-Signalanteil erwarten lässt.
3c zeigt die analoge Darstellung zu 3a vier Summenhäufigkeitsverteilungen (s = 2, 3, 4, 5) für n = 255 Folgenglieder, die mittels eines sogenannten Linear-Feedback-Shift-Register-Rauschgenerators (LFSR) erzeugt wurden. Hier kommen alle Folgengliederwerte von 0 bis 255 genau einmal vor. Wie an dem Graphen für s = 2 zu erkennen ist, wächst mit zunehmenden s das aufgespannte Intervall der Summenfolgenglieder S_i, wodurch auch die Fehlstellen zwischen den einzelnen Summenfolgengliedern S_i zunehmen. Ferner ist zu erkennen, dass es an bestimmten Stellen Mehrfachbesetzungen von Summenfolgengliedern gibt, wobei sich diese Stellen periodisch wiederholen. Insofern ist nicht von einer Gleichverteilung und auch nicht von einer Symmetrie auszugehen, wie insbesondere aus der spektralen Darstellung des Histogramms deutlich wird.
3d zeigt eine analoge Darstellung zu 3b, in der die LFSR-Folge als Summenfolgen-Histogrammspektrum aufgetragen ist. Hierbei sind drei verschiedene Folgen mit einmal n = 15 Folgengliedern, einmal n = 127 Folgenglieder und einmal n = 1023 Folgenglieder aufgezeigt. Insbesondere an den Histogrammen für die Summenfolgenglieder mit n = 1023 und n =127 ist wiederum ein stark ausgeprägtes breitbandiges Grundrauschen ohne ausgeprägte Peaks zu erkennen. Aus dem Vergleich mit den nachfolgenden Figuren wird deutlich, dass die dargestellten Histogramme aus 3a bis 3d keine gleichmäßige bzw. symmetrische Verteilung aufweisen und somit nicht die oben beschrieben Bedingungen an ein günstiges Anregungssignal erfüllen.
3e und 3f zeigen analog zu 3a bzw. 3c Summenhäufigkeitsverteilungen, für s = 2 bis s = 5. Bei diesen Häufigkeitsverteilungen der Summenfolgengliederwerte über jeweiligen k_i mit insgesamt n = 255 Anregungssignalen entsprechen die Summenfolgenglieder S_i den oben beschriebenen Bedingungen hinsichtlich gleichmäßiger und symmetrischer Verteilung. Die dargestellten Summenfolgenglieder S_i basieren auf Folgengliedern k_i, die mit der folgenden Formel (3) k_i = (k_i-1 + m)mod n berechnet sind, wobei in 3e ein m = 128 und in 3f ein m = 1 verwendet ist. An den dargestellten Histogrammen ist jeweils ein Symmetrieindex zu erkennen, zu denen die jeweilige Häufigkeitsverteilung symmetrisch ist. Beispielhaft ist in 3e (s = 3 bzw. s = 4) der jeweilige Symmetrieindex mit dem Bezugszeichen 32 markiert. Auch fällt auf, dass die Werte der Summenfolgenglieder gleichmäßig innerhalb eines Intervalls auftreten, d.h. es kommen keine ausgeprägten lokalen Häufungen oder Lücken vor.
In 3g sind (analog zu 3b und 3d) die Spektren der Häufigkeitsverteilungen von Summenfolgenwerten optimierter Gesamtanregungssignale (nach Formel 3) dargestellt, mit n = 16 und m = 9 (oben), n = 128 und m = 65 (Mitte) sowie n = 1024 und m = 513 (unten). Dass bei langen Anregungsimpulsfolgen (mit z.B. n = 1024) die Artefakte schwächer ausgeprägt sind als bei kurzen Anregungsimpulsfolgen, wird durch die Unterschiede zwischen oberem und unterem Spektrum verdeutlicht. Im unteren Spektrum sind breite Bereiche mit sehr niedrigen Amplitudenwerten zu erkennen. Liegt der Frequenzbereich der Impulsantwort (14a') innerhalb dieses Bereiches, also beispielsweise zwischen dem 0,025fachen und dem 0,125fachen der Abtastfrequenz (gleich dem Kehrwert von ΔT), so sind nur sehr schwache Artefaktsignale zu erwarten..
Auf Basis der dargestellten Diagramme der Summenfolgenglieder S_i und der Beurteilungskriterien wie Symmetrie, Verhältnis Minimumamplitude zu Durchschnittsamplitude und Standardabweichung wird deutlich, dass mittels einer graphischen Analyse eine qualitative Beurteilung der Folge mit den Folgengliedern k_i möglich ist.
Entsprechend einer weiteren Methode kann die Symmetrie mittels eines Algorithmus quantitativ bewertet werden. Dazu wird das Histogramm der Verteilung der Summenfolgenglieder S_i mit dem gespiegelten Histogramm kreuzkorreliert. Der Maximalwert der Kreuzkorrelierten zeigt die Verschiebung zueinander an, an welchem die größte Übereinstimmung vorliegt. Hieraus ist der Symmetrieindex im Histogramm ermittelbar. Im nächsten Schritt wird der Teil des Histogramms, der auf einer ersten Seite (links) von dem Symmetrieindex liegt, von dem Teil, der gespiegelt auf der zweiten Seite (rechts) von dem Symmetrieindex liegt, subtrahiert. Die Addition der Differenzwerte ergibt die Anzahl der Symmetrie-Ausreißer a. Auf Basis dieser Anzahl der Symmetrie-Ausreißer, die mit der Gesamtanzahl n ins Verhältnis gesetzt wird, kann eine qualitative Beurteilung der Symmetrie durchgeführt werden. Werte für a/n ≥ 0,8 weisen auf eine größtenteils symmetrische Verteilung der Summenfolgenglieder S_i hin.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Beurteilung der Folgenglieder k_i auch auf Basis des ausgesendeten Anregungssignals (vgl. 1, 14) möglich ist. Das kürzeste Anregungssignalintervall T_min kann auf Basis des aufgezeichneten Anregungssignals ermittelt werden. Fallen die anderen Anregungssignalintervalle T_i in ein diskretes Raster, lassen sich die Diskreditierungsintervalle ΔT ermitteln und so die Folgenelemente k_i bestimmen. Alternativ ist es möglich, die Anregungssignalintervalle T_i ins Verhältnis zu dem minimalen Anregungssignalintervall T_min zu setzen und hieraus die Folgenglieder k_i zu erhalten. Es sei ferner angemerkt, dass eine echt zufällig generierte Folge an Anregungssignalen auch symmetrisch und/oder gleich verteilt sein kann. Ein echt zufälliges Gesamtanregungssignal allerdings kann Vergleich desselben mit einem wiederholt ermittelten Gesamtanregungssignal erkannt werden, da sich bei einem echt zufälligen Gesamtanregungssignal Abweichungen zwischen der ersten und der zweiten Wiederholung ergeben würden.
4a zeigt ein System zur Objekterfassung 50 mit einer Steuerungsvorrichtung 10, einem optionalen Anregungssignal-Generator 12 und einer Auswertevorrichtung 52 sowie einen optionalen Antwortsignalempfänger 56. Ferner weist der Anregungssignal-Generator 12 einen Wandler 54, wie z.B. einen Schallwandler oder einen Wandler bzw. Antenne für elektromagnetische Wellen, auf. Analog hierzu weist der Antwortsignalempfänger 56 ebenfalls einen Wandler 58 zum Empfangen des von einem Objekt 54 reflektierten Antwortsignals 14' auf. Die Steuerungsvorrichtung 10 ist mit dem Anregungssignal-Generator 12 verbunden, um diesen beispielsweise mittels eines Gesamttriggersignals 16 zu steuern. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung 12 mit der Auswertevorrichtung 52 verbunden, um dieser ebenso das Gesamttriggersignal 16 zur Auswertung zur Verfügung zu stellen.
Wie in 1 beschrieben wird, wird das von der Steuerungsvorrichtung 10 vorgegebene Anregungssignal 14 mit den entsprechenden Anregungssignalintervallen T_i von dem Anregungssignal-Generator 12 mittels dem Wandler 54 emittiert, wobei der Anregungssignal-Generator 12 bevorzugterweise das jeweilige Anregungssignal 14a, 14b und 14c ohne Verzögerungszeit, also synchron, oder mit einer konstanten Verzögerungszeit zu dem Triggersignal 16a, 16b und 16c ausgibt. Die einzelnen Anregungssignale des Gesamtanregungssignals 14 werden von dem Objekt 55 reflektiert und erreichen als reflektiertes Gesamtantwortsignal 14' den Signalempfänger 56 bzw. die Antenne 58 des Signalempfängers 56. Da in diesem Gesamtantwortsignal 14' eine Mehrzahl, aber mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgende einzelne Antwortsignale 14a', 14b' und 14c', die den entsprechenden Anregungssignalen 14a, 14b und 14c zuzuordnen sind, enthalten sind, wird zuerst das Gesamtantwortsignal 14' aufgenommen und anschließend werden die einzelnen Antwortsignalperioden ausgewählt und kombiniert bzw. gemittelt, so dass das in 2d dargestellte gemittelte Antwortsignal 14" erhalten wird. Die Auswertevorrichtung 52 ist dazu ausgebildet, das Gesamtantwortsignal 14' in einem um ein Zeitfenster aufzuzeichnen, dass um ein Vielfaches länger ist als das relevante Zeitfenster eines Antwortimpulses (z.B. 14a'), und um die Auswahl der jeweiligen aufzuaddierenden Antwortimpulse auf Basis der Analyse des Gesamtantwortsignals 14' durchzuführen. Also wird dieses Gesamtantwortsignal 14', wie in 2d beschrieben, unter Zuhilfenahme des von der Steuerungsvorrichtung 10 zur Verfügung gestellten Triggersignals 16 entfaltet bzw. rückgefaltet. Die entfalteten Antwortsignale 14a', 14b' und 14c' aus dem Gesamtantwortsignal 14' werden elementweise aufsummiert (vgl. 14a' + 14b' + 14c') und dieses Summenzeitsignal wird durch die Anzahl der kombinierten Antwortsignalperioden dividiert, um das gemittelte Antwortsignal 14" zu erhalten. Aus diesem gemittelten Antwortsignal 14" kann nun bspw. die Signallaufzeit und damit die Position bzw. der Abstand eines Reflektors relativ zu Sender 54 und Empfänger 58 ermittelt werden. Hierbei kann auch entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine Gewichtung der einzelnen Antwortsignalperioden erfolgen, um Artefakte zu reduzieren.
Entsprechend dem Vorgehen, welches bezüglich 2e-2h beschrieben wurde, kann dieses gemittelte einzelne Antwortsignal 14" Artefakt-reduziert werden. Deshalb ist entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Auswertevorrichtung 52 dazu ausgebildet, das Artefaktsignal 22 (vgl. 2f) zu simulieren. Dieses simulierte Artefaktsignal 22 wird im nächsten Schritt von dem artefaktbehafteten Antwortsignal 14" abgezogen, um das artefaktreduzierte Antwortsignal 14'" zu erhalten.
Anhand von 4b werden die Informationsflüsse zwischen den einzelnen Einheiten des Systems zur Objekterfassung erläutert. 4b zeigt die Steuerungsvorrichtung 10, den Anregungssignal-Generator 12, die Auswertevorrichtung 52 und die Empfangsvorrichtung 56. An den Anregungssignal-Generator 12 ist der Wandler 54, z.B. ein Schallaktor, angeschlossen, während mit der Empfangsvorrichtung 56 der Wandler 58 verbunden ist. Sowohl der Wandler 54 als auch der Wandler 58 sind mit einem Medium, z.B. Luft oder einem Festkörper gekoppelt, so dass hier das Anregungssignal 14 emittiert und das Antwortsignal 14' empfangen werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswertevorrichtung 52 beispielsweise in Form eines Computers mit einer Auswertesoftware realisiert, auf welchem auch die Benutzerschnittstelle implementiert ist. Insofern werden die Einstellungen bzw. die Kommandos von der Auswertevorrichtung 52 an die Steuerungsvorrichtung 10 übertragen sowie Statusmeldungen von dieser Steuerungsvorrichtung 10 empfangen. Die Steuerungsvorrichtung 10 gibt, wie oben beschrieben, die entsprechenden Triggersignale 16 an den Anregungssignal-Generator 12 aus, wobei Grundeinstellungen des Anregungssignal-Generators 12 über die Benutzerschnittstelle der Auswertevorrichtung 52 vorgenommen werden und Statusmitteilungen von dem Anregungssignal-Generator 12 ebenso an die Auswertevorrichtung 52 bzw. die in dieser implementierten Benutzerschnittstelle weitergeleitet werden. Entsprechend dem Triggersignal 16 gibt der Anregungssignal-Generator 12 elektrische Signale, z.B. eine Spannung, an den Wandler 54 aus, um das Anregungssignal 14 zu emittieren.
Das reflektierte Anregungssignal 14, also das Antwortsignal 14', wird von dem Wandler 58 wieder in ein elektrisches Signal gewandelt und der Empfangsvorrichtung 56 zur Verfügung gestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Empfangsvorrichtung 56 beispielsweise einen Verstärker, einen Filter und einen Analog-Digital-Wandler auf, der das empfangene Antwortsignal 14' in digitaler Form an die Auswertevorrichtung 52 weiterleitet. Der bei der Digitalisierung genutzte Takt 59 wird an die Steuerungsvorrichtung 10 zur Taktsynchronisation zur Verfügung gestellt. Grundsätzlich sei angemerkt, dass es vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig ist, dass die Diskreditierungsintervalle ΔT dem Abtastintervall oder einem Vielfachen bzw. einem Bruchteil davon entsprechen. Wenn das Anregungssignal 14 zu verschiedenen gebrochenen Aufnahmetakten, z.B. 10,25; 20,5; 30,75; 41,0 ausgelöst ist, können die Antwortsignalperioden, welche stets mit ganzzahligem Aufnahmetakt erfasst sind, zunächst in getrennten Gruppen entsprechend des gebrochenen Aufnahmetakts aufsummiert werden. Im nächsten Schritt können die Summenzeitsignale wieder verschachtelt und so in ein neues Zeitsignal mit einer vielfachen Aufnahmetaktfrequenz erzeugt werden (vgl. Interleaving), welches anschließend noch skaliert und mittels eines digitalen Tiefpassfilters von hochfrequentem Rauschen, welches beim Interleaving durch das verbliebene Rauschsignal entsteht, befreit wird. Alternativ wäre es auch möglich, die um einen gebrochenen Takt verschobenen Signale, z.B. mittels eines digitalen Filters, um einen gebrochenen Takt zurückzuversetzen. Hieraus entstehen taktsynchrone Teil-Summensignale, welche anschließend addiert und durch diese Gesamtzahl der Anregungen dividiert werden, um so das Durchschnittssignal zu erhalten.
Ferner erfolgt ein weiterer Signalaustausch zwischen der Steuerungsvorrichtung 10 und der Empfangsvorrichtung 56, bei welchem der Signalempfang bzw. die Signalaufnahme gesteuert wird. Also ist die Steuerungsvorrichtung 10 entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ausgebildet, die Datenaufnahme in der Empfangsvorrichtung 56 oder in der Auswertevorrichtung 52 zu triggern, so dass die Aufnahme vor, nach oder gleichzeitig mit dem ersten Triggersignal, welches an den Anregungssignal-Generator 12 ausgesendet wird, gestartet wird. Auch wenn die Datenaufnahme mit einer gewissen Verzögerung zu dem ersten Triggersignal 16, das an den Anregungssignal-Generator 12 ausgesendet wird, gestartet werden kann, falls die Signallaufzeit, bedingt durch einen langen Schallweg, vorher kein Nullsignal erwarten lässt, kann es entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen vorteilhaft sein, wenn die Steuerungsvorrichtung 10 auf eine Bestätigung des Datenaufnahmestarts wartet und dann erst mit der Ausgabe des Triggersignals 16 an den Anregungssignal-Generator 12 beginnt. So kann sichergestellt werden, dass die Verzögerungszeit zwischen Aufnahmebeginn und den Anregungssignalen 14 exakt und reproduzierbar ist. Hintergrund hierzu ist, dass Taktunterschiede, z.B. zwischen der Steuerungsvorrichtung 10 und der Auswertevorrichtung 52 Verzögerungen bei der Aufnahme verursachen können. Ferner sei angemerkt, dass analog zu dem Anregungssignal-Generator 12 auch Grundeinstellungen der Empfangsvorrichtung 56 über die Auswertevorrichtung 52 vorgenommen werden und Statusmitteilungen zwischen diesen ausgetauscht werden können.
Anwendungsbeispiele für das beschriebene System sind medizinische Ultraschallgeräte oder weitere Ultraschallgeräte, Marinesonars, Luftultraschallsonars, Geosonars, medizinische Sonographie oder Systeme wie Radar oder Lidar, die auf elektromagnetischen Wellen basieren.
Bezug nehmend auf 1 wird angemerkt, dass der Anregungssignal-Generator 12 auch ein synchronisierter Signalgenerator sein kann, der direkt mit der Steuerungsvorrichtung 10 synchronisiert ist. Bezug nehmend auf die Verbindung zwischen dem Anregungssignal-Generator 12 und dem Wandler 54 wird angemerkt, dass diese entweder direkt miteinander verbunden sein können oder ein entsprechender Verstärker zwischengeschaltet sein kann.
Bezug nehmend auf 1 wird ferner angemerkt, dass das Antwortsignal 14 optional wiederholt werden kann, so dass mehrere hintereinander vorkommende Mittelungsperioden zum Beispiel zum wiederholten Messen oder zum Ermitteln einer Veränderung infolge einer Bewegung verwendet werden. Hierbei kann für die aneinandergereihten Mittelungsperioden entweder dieselbe mathematische Folge genutzt werden oder für die nachfolgende Mittelungsperiode eine neue mathematische Folge entsprechend den oben genannten Bedingungen erzeugt werden. Es sei ferner angemerkt, dass, falls eine Vielzahl von Gesamtanregungssignalen 14 wiederholend hintereinander in Form von einer Vielzahl von aufgespannten Intervallen emittiert werden, die empfangenen Gesamtantwortsignale 14' bevorzugt kontinuierlich decodiert bzw. ausgewertet werden.
Bezug nehmend auf 4b wird angemerkt, dass der Anregungssignal-Generator 12, die Empfangsvorrichtung 56 und die Steuerungsvorrichtung 10 kombiniert sein können. Hierbei ist es vorteilhaft, dass nur ein interner Takt vorhanden ist, der sowohl von der Steuerungsvorrichtung 10 als auch von der Datenerfassungsvorrichtung 56 genutzt wird, so dass keine weiteren Mechanismen zur Synchronisation der Diskreditierungsintervalle vorgesehen werden. Des Weiteren sei angemerkt, dass auch die Wandler 54 und 58 ebenfalls kombiniert sein können, wenn die codierten Anregungssignale 14 bzw. Antwortsignale 14' eine hohe Laufzeit haben, so dass nach der Sendephase auf Empfang umgeschaltet wird.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hard-ware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Steuerungsvorrichtung (10) für einen Anregungssignal-Generator (12), die ausgebildet ist, um den Anregungssignal-Generator (14) so zu steuern, dass der Anregungssignal-Generator (14) n aufeinanderfolgende Anregungssignale (14a, 14b, 14c) in n aufeinanderfolgenden Anregungssignalintervallen T_i mit 0 ≤ i < n ausgibt, wobei die Anregungssignalintervalle T_i über die n Anregungssignale (14a, 14b, 14c) hinweg entsprechend einer mathematischen Folge mit einer Vielzahl von Folgengliedern k_i zeitlich variieren, wobei die mathematische Folge so gewählt ist, dass für jedes ganzzahlige s in einem Intervall [2; m] mit m ≤ n/2 die Folge der Summenfolgenglieder $S_{i} = \sum_{j = 0}^{s - 1} k_{(i + j) m o d n}$
über die Folgenglieder k_i ein Intervall aufspannen, in welchem mindestens 80% der Summenfolgenglieder S_i mit Distanzen ΔS_i voneinander beabstandet verteilt sind, die eine symmetrische Verteilung besitzen.
Steuerungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei mindestens 80% der Summenfolgenglieder S_i in dem aufgespannten Intervall mit Distanzen ΔS_i voneinander verteilt sind, die eine Gleichverteilung besitzen.
Steuerungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei bei einer symmetrischen Verteilung die Distanzen ΔS_i hinsichtlich einer betragsmäßigen Verschiebung gegenüber einem Symmetrie-Index innerhalb des aufgespannten Intervalls übereinstimmen.
Steuerungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei bei einer gleichmäßigen Verteilung eine Standartabweichung σ bezogen auf den Mittelwert der Distanzen ΔS_i kleiner als 0,5 ΔS_i ist.
Steuerungsvorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Folgenglied k_i von einem vorhergehenden Folgenglied k_i-1 über den Zusammenhang k_i = (k_i-1 + m) mod n abhängt.
Steuerungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 5, wobei ein Summand m so gewählt ist, dass der Summand m kein Vielfaches eines Primfaktors von n ist.
Steuerungsvorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die ausgebildet ist, um den Anregungssignal-Generator (12) so zu steuern, dass der Anregungssignal-Generator (12) eine Mehrzahl aufeinanderfolgender durch die Folgenglieder k_i aufgespannter Intervalle ausgibt.
Steuerungsvorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Anregungssignalintervall T_i durch T_min + k_i x ΔT_i definiert ist, mit T_min als minimales Anregungssignalintervall und mit ΔT_i als Diskreditierungsintervall.
System (50) zur Objekterfassung mittels Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen mit: einer Steuerungsvorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche; und einem Anregungssignal-Generator (12) der ausgebildet ist, bei Steuerung mit einem Triggersignal (16a, 16b, 16c) der Steuerungsvorrichtung (10) einen Impuls als Anregungssignal (14a, 14b, 14c) auszugeben.
System (50) zur Objekterfassung gemäß Anspruch 9, das einen Wandler (58) umfasst, der mit dem Anregungssignal-Generator (12) verbunden ist und ausgebildet ist, bei jedem von dem Anregungssignal-Generator (12) ausgegebenen Spannungsimpuls einen Schallwellenimpuls oder elektromagnetischen Wellenimpuls auszugeben.
System (50) zur Objekterfassung gemäß Anspruch 10, wobei der Wandler (58) eine konstante Reaktionszeit zwischen dem Spannungsimpuls und dem ausgegebenen Schallwellenimpuls oder elektromagnetischen Wellenimpuls aufweist.
System (50) zur Objekterfassung gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die ausgegebenen Schallwellenimpulse oder elektromagnetischen Wellenimpulse gleiche Signalformen und Amplituden aufweisen.
System (50) zur Objekterfassung mittels Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen mit: einer Steuerungsvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; und eine Auswertevorrichtung (52), die ausgebildet ist, um mindestens zwei Antwortsignalperioden aus einer Vielzahl zeitlich aufeinanderfolgender Antwortsignalen (14a', 14b', 14c'), die auf Basis einer Reflexion der Vielzahl der Anregungssignale (14a, 14b, 14c) empfangen und aufgenommen sind, auszuwählen und für die Auswertung zu kombinieren.
System (50) zur Objekterfassung gemäß Anspruch 13, wobei die mindestens zwei ausgewählten Antwortsignalperioden gegenüber den zugehörigen Anregungssignalen (14a, 14b, 14c) mit einem konstanten zeitlichen Abstand versetzt sind, der Auskunft über einen Abstand des zu erfassenden Objekts (55) gibt.
System (50) zur Objekterfassung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Auswertevorrichtung (52) ausgebildet ist, um die mindestens zwei Antwortsignalperioden auf Basis der Anregungssignalintervalle T_i auszuwählen.
System (50) zur Objekterfassung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Auswertevorrichtung (52) ausgebildet ist, um beim Kombinieren die Antwortsignale (14a', 14b', 14c') gewichtet aufzusummieren und zu mitteln.
System (50) zur Objekterfassung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Auswertevorrichtung (52) ausgebildet ist, um ein Artefaktsignal (22) zu simulieren und um das Antwortsignal (14') um das Artefaktsignal (22) zu reduzieren.
Verfahren zur Steuerung eines Anregungssignal-Generators (12), mit den Schritten: Ausgeben eines Triggersignals (16a, 16b, 16c), das den Anregungssignal-Generator (12) so steuert, dass der Anregungssignal-Generator (12) n aufeinanderfolgende Anregungssignale (14a, 14b, 14c) in n aufeinanderfolgenden Anregungssignalintervallen T_i mit 0 ≤ i < n ausgibt, wobei die Anregungssignalintervalle T_i über die n Anregungssignale hinweg entsprechend einer mathematischen Folge mit einer Vielzahl von Folgengliedern k_i zeitlich variieren, wobei die mathematische Folge so gewählt ist, dass für jedes ganzzahlige s in einem Intervall [2; m] mit m ≤ n/2 die Folge der Summenfolgenglieder S_i aus $S_{i} = \sum_{j = 0}^{s - 1} k_{(i + j) m o d n}$
über die Folgenglieder k_i ein Intervall aufspannen, in welchem mindestens 80% der Summenfolgenglieder S_i mit Distanzen ΔS_i voneinander beabstandet verteilt sind, die eine symmetrische Verteilung besitzen.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 18, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.