DE102013022273A1

DE102013022273A1 - Verfahren zur Messung eines Abstands mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102013022273A1
Application number: DE102013022273.7A
Authority: DE
Inventors: Egbert Spiegel
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Messung des Abstands zwischen einem Sensorsystem und einem Objekt mittels Ultraschall, wobei ein Sender einen ersten Ultraschallburst und einen zweiten Ultraschallburst aussendet. Jeder der Ultraschallbursts weist eine Kodierung auf. Die ausgesendeten Signale werden an einem Objekt reflektiert. Die reflektierten Ultraschallbursts werden durch einen Empfänger empfangen. Eine Analyseeinheit wertet das Empfängerausgangssignal aus und gibt ein Datum aus, das dem Abstand entspricht. Das Besondere ist, dass diese zwei Ultraschallbursts sich in ihrer Kodierung unterscheiden und der erste Ultraschallburst, so kodiert ist, dass sein Signal bei einer Überreichweite in den zeitlichen Messbereich des zweiten Ultraschallbursts hinein mit dem Signal dieses zweiten Ultraschallbursts so wenig korreliert, dass das Korrelationsergebnis unter einem vordefinierbaren Schwellwert liegt. Dabei liegt dieser Schwellwert unterhalb von 10% des Korrelationsergebnisses, das die Korrelation des Signals des zweiten Ultraschallbursts mit dem Reflektionssignal des zweiten Ultraschallbursts ergibt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Reflektion von einem anwendungsgemäß zu erkennenden minimalem Reflektor (Objekt) hervorgerufen würde. Die Eigenschaften dieses Objektes sind somit anwendungsspezifisch. Der zweite Ultraschallburst wird so kodiert, dass eine Dopplerverschiebung verursacht durch eine Objektbewegung innerhalb eines vorgegebenen Objektgeschwindigkeitsbereichs einen Messfehler des Abstands unterhalb einer bezifferbaren maximalen Messfehlergrenze ergibt. Diese Messgrenze wird in der Regel ebenfalls anwendungsspezifisch gewählt.

Description

Einleitung und Stand der Technik
Für viele Anwendungen ist die Detektion des Abstands von einem Objekt eine zentrale Aufgabe. Eine beispielhafte Anwendung ist die Detektion der Abstände eines Kraftfahrtzeugs von Hindernissen, insbesondere beim Einparken. Hierbei ergeben sich widerstrebende Anforderungen. Zum einen soll eine möglichst große Reichweite erzielt werden, zum anderen soll der Minimalabstand möglichst klein sein. Die Erfindung befasst sich daher mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Messung des Abstands zwischen einem Sensorsystem und einem oder mehreren Objekten mittels Ultraschall, die diese Bedingungen erfüllen. Ein typisches Ultraschallsystem aus dem Stand der Technik umfasst dabei mindestens einen Sender der ein Ultraschallsignal, typischerweise als aufeinanderfolgende Ultraschallbursts aussendet. Diese werden durch das Objekt reflektiert. Ein Empfänger detektiert diese reflektierten Ultraschallburstsignale und wandelt sie in ein Empfängerausgangssignal um. Eine Analyseeinheit wertet das oder die Empfängerausgangssignale aus und gibt die Daten der gemessenen Reflektionen nach außen zur Weiterverarbeitung weiter. Dies geschieht typischerweise über ein Datenbussystem oder als analoges Signal. Für weit entfernte Objekte verschwindet das reflektierte Signal mit zunehmender Entfernung im Rauschuntergrund. Für eine sichere Detektion ist es daher sinnvoll, durch ein spektrales Spreizverfahren den Ultraschallburst in seiner spektralen Form und Breite so zu modifizieren, dass er sich optimal aus dem Rauschuntergrund bei einer Korrelation des Empfangssignals mit dem Sendesignal heraushebt. Dies geschieht durch die Verwendung von Spreiz-Kodes, mit denen der Ultraschallburst nach einem jeweils speziellen Verfahren moduliert wird. Solche Kodes und deren Verwendung für die Radartechnik sind beispielsweise aus „Radar Signals, Nadav Levanon, Eli Mozeson, ISBN: 978-0-471-47378-7, July 2004, Wiley-IEEE Press" und aus der DE4105977A1 (Spalte 2, Zeile 1 bis 37) bekannt. Durch ein solches Verfahren wird damit natürlich nicht nur der Störabstand sondern insbesondere auch die Reichweite wesentlich verbessert.
Ein in der Ultraschallmesstechnik im Gegensatz zur Radartechnik besonders relevantes Problem ist dabei die auftretende Dopplerverzerrung des reflektierten Ultraschallbursts durch eine mögliche Bewegung des reflektierenden Objekts in Richtung auf den Empfänger und/oder Sender zu oder von diesen fort. Diese Dopplerverzerrung führt im einfachsten Fall zu einer zeitlichen Kompression oder Dehnung des Ultraschallbursts. Da die Schallgeschwindigkeit um einen Faktor von grob 10⁶ kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit ist dies ein dominierendes Problem. Daher kommen im Falle einer Ultraschallabstandsmessung nur solche Kodes und Modulationsverfahren in Frage, die bei einer zeitlichen Kompression oder Streckung des ursprünglichen Sendesignals immer noch eine gute Korrelationsfunktion mit dem ursprünglichen Sendesignal liefern, die einem Dirac-Puls typischerweise nahe kommen soll. Dabei müssen die Kodes gegenüber solchen aus der Radartechnik auch hinsichtlich Verwirbelungen des Medium, also der Luft, robust sein. Dies ist eine weitere Anforderung, die Ultraschallmessungen von Radar-Messungen wesentlich unterscheidet. Es ist daher eben nicht naheliegend, dass eine praktikable Lösung der Radartechnik auch eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung für die Ultraschalltechnik darstellt. Ein weiteres wesentliches Problem kommt insbesondere dadurch zustande, dass ein solcher Spreiz-Kode den Ultraschallsendeburst verlängert. Aus der DE102011122318A1 ist ein einfaches Spreizkode-Verfahren bekannt, bei dem mehrere gleichartige Ultraschallbursts, die wieder zusammen einen größeren, kodierten Ultraschallburst bilden, hintereinander gesendet werden und deren Muster in der Reflektion dann wieder gefunden werden kann. Das Problem hierbei ist, dass die Amplitude des Ultraschallsenders dabei moduliert werden muss. Das An- und Abschwingen der Ultraschallsender erfolgt aber nicht beliebig schnell. Daher kommt es zu einer wesentlichen Verlängerung des kodierten Ultraschallbursts. Dies erzeugt lange Kodes und damit große Totzeiten, deren Wirkung im Folgenden noch näher beleuchtet werden wird. Ein solches System ist daher für den Einsatz im Nahbereich nur bedingt geeignet. Aus der DE102011085286 ist eine Technik bekannt, bei der der Erfassungsbereich in zwei Segmente, einen Nah und einen Fernbereich, unterteilt wird. Die Messung erfolgt bei unterschiedlichen Frequenzen, was die Trennung der Bereiche ermöglicht. Auch ist der Gedanke offenbart, dass dichter am Sensor liegende Bereiche mit Ultraschallimpulsen geringerer Ultraschallpulsenergie abgetastet werden, als Bereiche die weiter weg vom Sensor liegen. Allerdings sind ein separater Sender und ein separater Empfänger notwendig, die das System verteuern. Es ist daher notwendig, wie bei dem vorausgehenden System der DE102011122318A1 ein System zu realisieren, das mit einem einzigen Transducer, also einem Ultraschallgeber, der sowohl als Empfänger als auch als Sender arbeiten kann, auskommen kann. Aus der DE102007029959A1 ist eine Kodierung der Ultraschallsignale mittels digitalen fehlerkorrigierenden Kodes und Hamming-Kodes bekannt (Abschnitt [0068] der DE102007029959A1). Diese Kodes haben aber allesamt den Nachteil, dass sie die Totzeit, wie bereits erwähnt verlängern und nicht dopplerrobust sind. Eine Bewegung des Sensors, die bei Kfz den Normalfall darstellt, führt hier sehr schnell zu einem Systemversagen infolge der Kompression oder Streckung der Ultraschallsignale infolge des Dopplereffekts. Hierzu ist ein anderes System mit einer Modulation mit Hilfe von Kodewörtern aus der DE102010033210A1 bekannt. Dort wird eine Technik offenbart, die Länge der Kodewörter je nach Abstand zu modifizieren. Es werden längere Kodes mit längerer Totzeit für den Fernbereich und kürzere Kodes mit kürzerer Totzeit für den Nahbereich verwendet. Dies geschieht jedoch nicht simultan. Vielmehr wird das System umgestellt. Die Modulation erfolgt vorzugsweise über einen Phasenmodulation. Es werden die Modulationsarten FSK, QPSK explizit offenbart. Doch auch dieses System der DE102010033210A1 offenbart keine Dopplerrobustheit. In einer beispielhaften Ausführung der DE102010033210A1 ist eine Teilung in mindestens zwei Messbereiche offenbart, die jeder mit einem unterschiedlichen Kode gemessen werden. Dabei wird für den weiter entfernten Messbereich ein längerer Kode, 64 Bit, vorgesehen als für den näheren Messbereich, 16 Bit. Grund hierfür ist, dass der lange Kode, wie bereits beschrieben, eine niedrige Detektionsschwelle ermöglicht wobei er eine relativ große Totzeit besitzt, in der das System blind ist, während der kurze Kode eine kurze Totzeit bei gleichzeitig verschlechterter Detektionsschwelle bedingt. Allerdings ist die Anlage dann nicht mehr in der Lage, simultan im Nah- und Fernbereich zu messen. Eine einfache Einstellung der Pulslänge je nach Nah- oder Fernbereich war schon aus der DE102006041529A1 bekannt. Dort wurde ohne jede Codierung lediglich die Messdauer für den Fernbereich verlängert, um das Signal/Rauschverhältnis zu optimieren. Gleichzeitig wurde die Sendeamplitude für den Fernbereich gesteigert. Doch auch das System der DE102006041529A1 verfügt nicht über die notwendige Dopplerrobustheit. Allen aus dem Stand der Technik zitierten Schriften ist somit gemeinsam, dass sie die Dopplerverzerrung der Kodes vollkommen außer Acht lassen. Sowohl die im Stand der Technik erwähnten Hamming-Kodes, als auch andere Kodes mit Fehlerkorrektur und/oder eine QPSK-Kodierung sind bei auftretenden Dopplerverzerrungen eben nicht robust. Schlimmer noch: Typischerweise sind die aus der Radartechnik bekannten Kodes, die eine Dopplerrobustheit aufweisen nicht orthogonal zueinander, weshalb sie beispielsweise wie unterschiedliche Frequenzen und Kodes ohne Dopplerverzerrung nicht analog zu diesen getrennt werden können. Es handelt sich also um eine gegenläufige Anforderung, die aus mathematischer Sicht eben nicht offensichtlich erfüllbar ist. Natürlich erscheint es zunächst naheliegend, lange und kurze Kodes mit unterschiedlicher Amplitude zu mischen und so eine Überdeckung des Nah- und Fernbereiches zu ermöglichen. Dies führt aber zu zusätzlichen Problemen bei Überreichweiten der Kodes für den Nahbereich oder bei einer Dopplerverschiebung, wenn nicht bestimmte Bedingungen erfüllt werden, mit denen sich diese Offenbarung befasst. Da es kostengünstig ist, als Empfänger und als Sender denselben Transducer zu verwenden, muss dieser dann nicht nur die Aussendung des Ultraschallsendebursts abschließen, sondern muss auch noch ausschwingen. Hier sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass im Folgenden mit Transducer immer ein kombinierter Sender/Empfänger gemeint ist. In dieser Zeit des Sendens kann der Transducer nichts empfangen. Somit führt ein langer komplexer Spreiz-Kode zu einem langen und komplexen Ultraschallsendeburst und damit zu einer längeren Zeit, in der der Transducer bereits sendet, aber eben noch keinen Empfang hat. Dies ist die besagte Totzeit. Somit entsteht ein Blindbereich unmittelbar vor dem Sensor in dem Objekte nicht sicher erkannt werden. Natürlich ist es möglich, einen zweiten Empfänger zu nutzen, was aber aufwendiger wäre. Im Rahmen der Entstehung der Erfindung wurde erkannt, dass es daher sinnvoll ist, in Abhängigkeit vom geschätzten Abstand des zu messenden Objekts unterschiedliche Kodes oder anders gesagt unterschiedliche Ultraschallburstsignale analog zur DE102010033210A1 aber nun gemischt in einem Signal im Zeitmultiplex zu verwenden, was, wie gesagt, an sich naheliegend ist. Ein Problem ergibt sich jedoch dabei bei relativ häufig auftretenden Überreichweiten. Wird also versucht, mit einem ersten Ultraschallburst den Nahbereich in einer ersten Messphase zu vermessen, und anschließend mit einem zweiten Ultraschallburst den Fernbereich in einer zweiten zeitlichen Messphase, so kann es vorkommen, dass ein großes, relativ weit entferntes Objekt in der zweiten Messphase, die ja eigentlich dem zweiten Ultraschallburst zugeordnet ist, ein Echo des ersten Ultraschallbursts liefert. Dieses Problem kann umgangen werden, wenn die Kodes des ersten und zweiten Ultraschallbursts nicht miteinander korrelieren. Diese Anforderung der Nichtkorrelation widerspricht aber der zuvor beschriebenen Forderung nach Robustheit gegenüber dem Dopplereffekt (Dopplerrobustheit).
Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung hat folgende zwei Aufgaben:

1. Es soll eine optimale dopplerunempfindliche Erkennung von Reflexionen bei gleichzeitigem minimalen Mindestabstand für ein noch zu erkennendes Objekt zu ermöglichen, wobei dies durch Lösung des Problems der Nichtkorrelation bei gleichzeitiger Dopplerrobustheit erfolgen.
2. Dabei sollen Kodes verwendet werden, die den gleichen technischen Effekt wie orthogonale Kodes bezüglich der verwendeten Korrelationsfunktion erzielen ohne auf die Dopplerrobustheit zu verzichten.

Beschreibung der grundlegenden Erfindung
Aus dem Stand der Technik war bekannt, dass es sinnvoll ist, in Abhängigkeit vom geschätzten Abstand des zu messenden Objekts nicht nur unterschiedliche Kodes oder anders gesagt unterschiedliche Ultraschallburstsignale zu verwenden, sondern im Nahbereich einen kurzen, ersten Ultraschallburst und im Fernbereich einen langen, zweiten Ultraschallburst zu verwenden. Für eine sichere Detektion weit entfernter Hindernisse ist es, wie besprochen, sinnvoll, einen möglichst energiereichen zweiten Ultraschallburst auszusenden, um damit das Reflektionssignal zu maximieren. Da die Sendeleistung im Allgemeinen nicht beliebig gesteigert werden kann, ist eine Erhöhung der Energie eines zweiten Ultraschallbursts nur über eine Verlängerung des zweiten Ultraschallbursts zu erreichen. Eine Erniedrigung der Energie des ersten Ultraschallbursts ist analog nur über eine Verkürzung des ersten Ultraschallbursts zu erreichen. Durch eine angepasste Filterung hebt sich das empfangene Signal des zweiten Ultraschallbursts optimal aus dem Rauschuntergrund ab. Durch den langen zweiten Ultraschallburst ergibt sich allerdings eine entsprechend verschlechtert Ortsauflösung des reflektierten Signals des zweiten Ultraschallbursts. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass dieser Nachteil unter Verwendung einer geeigneten Kodierung des zweiten Ultraschallbursts (Barker-Kode, P4-Kode, etc.) und einer entsprechenden Korrelation im Empfänger überwunden werden kann. Die Verwendung mit einer Phasenkodierung in Form solcher Kodes (Barker-Kode, P4-Kode, etc.) stellt somit bereits eine Lösung für die erste Aufgabe bezogen auf den zweiten Ultraschallburst dar. Ein weiteres Problem kommt nun dadurch zustande, dass ein langer zweiter Ultraschallburst den Blindbereich für die Vermessung mit diesem zweiten Ultraschallburst, wie oben bereits erwähnt, verlängert. Dadurch können Objekte im Nahbereich mit Hilfe einer Vermessung durch einen solchen zweiten Ultraschallburst nicht mehr erkannt werden. Im Rahmen der Erfindung wurde nun erkannt, dass es ausreichend ist, wenn hier ein erster Ultraschallburst verwendet wird, der sich quasi orthogonal bezüglich der Vermessung mit Hilfe des zweiten Ultraschallbursts verhalten muss. Das bedeutet, dass ein gewisses Maß an Korrelation zugelassen wird, das aber unter einer vorbestimmbaren Schwelle gehalten wird. Das kann beispielsweise so aussehen, dass der erste Ultraschallburst, so kodiert ist, dass sein Signal bei einer Überreichweite in den zeitlichen Messbereich des zweiten Ultraschallbursts hinein mit dem Signal dieses zweiten Ultraschallburst so wenig korreliert, dass das Korrelationsergebnis unter dem besagten vordefinierten Schwellwert liegt. Es stellt sich dann die Frage, welcher Schwellwert als für die Anwendung noch tolerabel anzusehen ist. In Experimenten hat sich gezeigt, dass es günstig ist, wenn dieser Schwellwert auf das Korrelationsergebnis des Signals des zweiten Ultraschallbursts mit dem Reflektionssignal des besagten zweiten Ultraschallbursts, hervorgerufen durch Reflektion einem anwendungsgemäß eben noch zu erkennenden Objekt (kleinstes bestimmungsgemäßes Objekt in maximaler bestimmungsgemäßer Entfernung), bezogen wird. Als praktikabler Schwellwert hat sich dabei ein Wert von von 10% des so bestimmten Referenzkorrelationsergebnisses gezeigt. Hierbei war der zweite Ultraschallburst um den Faktor 10 länger als der erste Ultraschallburst. Ganz grob kann angegeben werden, dass es sinnvoll ist, den Schwellwert unterhalb von 5/n oder besser von 2/n oder besser von 1/n des Referenzkorrelationsergebnisses zu legen, wobei n hier das Verhältnis der Länge des ersten Ultraschallbursts zur Länge des zweiten Ultraschallbursts angibt. Natürlich muss dabei der zweite Ultraschallburst, so kodiert sein, dass eine Dopplerverschiebung verursacht durch eine Objektbewegung innerhalb eines vorgegebenen Objektgeschwindigkeitsbereichs einen Messfehler des Abstands unterhalb einer vorzugebenden maximalen Messfehlergrenze ergibt. Ebenso wurde erkannt, dass die Forderung nach quasi Orthogonalität der beiden Ultraschallpulse bei gleichzeitiger Dopplerrobustheit gleichbedeutend ist mit einer Energiereduktion für diesen ersten Ultraschallburst. Die Energiereduktion kann auf zwei Arten simultan erfolgen: Zum einen kann der erste Ultraschallburst in seinem Energieinhalt reduziert werden. Dies geschieht am einfachsten durch eine extreme Verkürzung, die gleichzeitig die Dopplerrobustheit erhöht. Zum anderen reduziert sich die Amplitude der Reflektionen mit fortschreitender Zeit nach Aussendung des ersten Ultraschallbursts. Im Kurzbereich kann ein solcher erster Ultraschallburst daher im Extremfall nur ein einzelner Ultraschallpuls sein und trotzdem gute Ergebnisse liefern. Die Erfahrung hat gezeigt, dass einer oder einige wenige aufeinanderfolgende Ultraschallpulse für einen Ultraschallburst zur Erkennung von Objekten im Nahbereich besonders vorteilhaft sind. Ganz besonders vorteilhaft sind ca. 4 Ultraschallpulse. Bei einer so geringen Ultraschallpulsanzahl ist der Dopplerfehler noch relativ gering, weshalb ein solcher Ultraschallburst noch als quasi dopplerrobust gelten kann. Gleichzeitig weist ein solcher Ultraschallbusrt bereits genügend starke Spreizkodeeigenschaften auf, um das Signal zu Rauschverhältnis weiter zu optimieren. All dies wurde im Rahmen der Erfindung erkannt und war auch aus der Radartechnik, insbesondere aus der DE4105977A1 , so nicht bekannt.
Werden die beiden verschiedenen Ultraschallbursts schnell hintereinander gesendet, so kann, wie bereits beschrieben, ein großes Hindernis in weiter Entfernung zu einer Überreichweite des kurzen ersten Ultraschallbursts für die Vermessung von Objekten im Nahbereich führen. Das bedeutet, dass der reflektierte längere zweite Ultraschallburst durch die Überreichweite des kürzeren ersten Ultraschallbursts gestört würde. Die bereits erwähnte erfindungsgemäße Kodierung des längeren zweiten Ultraschallbursts unterdrückt jedoch solche Überreichweiten durch Vergrößerung des Störabstandes. Durch die Kürze des ersten Ultraschallburst gepaart mit der ohnehin eintretenden Schwächung infolge der größeren Entfernung werden somit die Überreichweiten durch diese drei Maßnahmen unterdrückt.
Diese drei Maßahmen sind

1. Kodierung des zweiten, längeren Ultraschallbursts mit einem dopplerrobusten Kode
2. Kürzung des ersten Ultraschallbursts auf eine quasi dopplerrobuste Ultraschallpulsanzahl und Minimierung der Ultraschallburstenergie des ersten Ultraschallbursts
3. Ausnutzung der Schwächung des ersten Ultraschallbursts bei Überreichweitenreflektion

Die beiden Kodes des ersten und zweiten Ultraschallbursts verhalten sich dann quasi orthogonal zueinander. Damit wird der Widerspruch eines dopplerrobusten Kodes und der Orthogonalitätsforderung für die beiden verwendeten Kodes einem pragmatischen, realisierbaren Kompromiss zugeführt. Die Erfindung erreicht somit ein mathematisch nicht direkt offensichtlich erreichbares Ergebnis in Form eines geeigneten technischen Kompromisses. Dies gilt jedoch nur für Überreichweiten des kurzen ersten Ultraschallbursts. Dies gilt nicht für Überreichweiten des längeren zweiten Ultraschallbursts. Nach dem längeren zweiten Ultraschallburst muss daher ausreichend lange gewartet werden, um ein Abklingen der Welle sicherzustellen und Überreichweiten des langen zweiten Ultraschallbursts in den Messbereich des kurzen ersten Ultraschallbursts hinein sicher auszuschließen. Entscheidend für die Quasiorthogonalität der Kodierungen ist daher die drastische Einkürzung des ersten Ultraschallbursts, die so aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Hilfe der 1 bis 9 erläutert. Die Figuren zeigen
1 beispielhafte Signale, die im Folgenden erläutert werden,
2 ein Beispiel für ein Doppelecho beim Barker-Kode,
3 die Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts im Falle des Barker-Kodes,
4 die Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts im Falle des P4-Kodes,
5 die Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts im Falle des P4-Kodes mit zusätzlichen Rauschunterdrückungsmaßnahmen,
6 ein Empfängerausgangssignal bei einem sehr kleinen Objektabstand und bei Verwendung eines kurzen ersten Ultrschallbursts,
7 ein Empfängerausgangssignal bei einem größeren Objektabstand und bei Verwendung eines kurzen ersten Ultraschallbursts,
8 ein Empfängerausgangssignal ohne Objekt und bei Verwendung eines kurzen ersten Ultraschallbursts und eines P4-Kodes für den langen zweiten Ultraschallburst in Kombination,
9 ein Korrelationssignal mit größerem Objektabstand und bei Verwendung eines kurzen ersten Ultraschallbursts und eines P4-Kodes für den zweiten Ultraschallburst in Kombination.
Zunächst wird die 1 besprochen. Für die weitere Diskussion sei festgelegt, dass ein Ultraschallburst (26) aus einer oder mehreren Pulssequenzen (3) bestehen kann. Jede Pulssequenz (3) besteht dabei aus einem oder mehreren Ultraschallpulsen (2). Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Modulation eines längeren Ultraschallbursts (4, 5, 6) als Phasenmodulation (nur 5, 6) erfolgt. Durch Messungen wurde ermittelt, dass 4 Ultraschallpulse (2) in einer Pulssequenz (3) eines Ultraschallbursts (26) besonders vorteilhaft sind. Am Ende einer solchen Pulssequenz (3) wird die Phase der Transducer-Schwingung geändert.
In 1 stellt das Sendesignal 1 einen kurzen ersten Ultraschallburst aus vier solchen Ultraschallpulsen (2) in einer einzigen Pulssequenz (3) dar. Die Phasenmodulation kann beispielsweise als Bi-Phase-Kode, also einem Kode mit nur zwei erlaubten Phasenlagen erfolgen. Diese sind typischerweise um 180° zueinander verschieden. Ein solcher Kode ist der Barker-Kode. Ein beispielhafter Barker-Kode setzt sich wie folgt zusammen
Dieser Phasen-Adder wird der Phase eines Basissendesignals hinzuaddiert. Hierbei gibt i die jeweilige Nummer der aufeinanderfolgenden Pulssequenzen (3) eines Ultraschallbursts (26) an. Diese Kodierung entspricht dem als Signal 5 des in 1 dargestellten Signals mit N = 4. Der Barker-Kode hat den Nachteil, dass schon bei einer geringen Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts, Doppelt- und Mehrfachechos auftreten können. Nicht alle Kodes sind also aufgrund der in der Realität auftretenden Dopplerverschiebung für den Praxiseinsatz geeignet.
2 zeigt dieses Problem der Bi-Phasen-Kodes am Beispiel eben dieses Barker-Kodes. 1a (0 m/s) zeigt dabei das Korrelationssignal bei einer Objektgeschwindigkeit von 0 m/s und 1b (1 m/s) bei einer Objektgeschwindigkeit von 1 m/s. Bei einer Objektgeschwindigkeit 1 m/s zeigt ein solches beispielhaftes Ultraschallmesssystem offensichtlich bereits zwei Echos (8, 9) statt einem Echo (7). Der Modulationssprung um 180° hat noch einen weiteren wesentlichen Nachteil: Durch die gegenläufige Ansteuerung des Transducers wird dieser quasi gebremst und liefert zunächst Energie in die Sendestufe zurück. Es wird also weniger Energie abgestrahlt. Dieses Problem ist umso signifikanter, je öfter die Phase gewechselt wird. Somit hätte die Nutzung von Bi-Phase-Kodes den Nachteil, dass sich die Reichweite besten Falls nicht in dem Maße vergrößert, wie dies durch die Nutzung eines Kodes beabsichtigt ist. Eine wesentlich bessere Energieabstrahlung kann mit einem Quadriphasen-Kode erreicht werden. Bei diesem springt die Phase bei einem Phasenwechsel um 90°. Hierdurch wird der Transducer bei einem Phasenwechsel nicht abgebremst. Die nicht phasengerechte Energie verliert der Transducer durch Abstrahlung der Schallenergie. Dies kann durch Verwendung von Poly-Phasen-Kodes oder Mehrphasen-Kodes, deren Phasensprungweite kleiner als 90° ist, noch weiter verbessert werden. Ein besonders geschwindigkeitsrobuster Kode ist der P4-Kode. Dieser erzeugt bei einer Dopplerverschiebung zwar einen gewissen Messfehler, die Autokorrelationsfunktion ist aber in weiten Teilen einem Dirac-Puls ähnlich. Ein dementsprechender P4-Kode kann durch die Formel Θ_i = π / N(2i – 1)² – π / 2(2i – 1) mit i = 1, 2, ....N beschrieben werden. Ein beispielhafter Kode mit N = 4 ist in 1 als Signal 6 dargestellt. Der P4-Kode erzwingt somit nur Sprünge um +/–90°. Dies dämpft den Transducer weniger. Besonders wichtig ist es, dass die Autokorrelationsfunktion jedoch gegenüber der zuvor erwähnten Bi-Phasen-Modulation unverändert bleibt.
3 zeigt eine besondere Darstellung der Autokorrelationsfunktion. Hierbei stellt f_D/b die Dopplerverschiebung dividiert durch die Bandbreite dar. Die Skala t/t_b stellt zeigt die Autokorrelation normiert auf die Breite einer Pulssequenz (3) dividiert durch die Länge des Ultraschallbursts (26) dar. Die Amplitude ist mit χ bezeichnet. Ohne Dopplerverschiebung ergibt sich eine eindeutige Zuordnung der Signalverzögerung über einen Spike (Dirac-Puls 12). Tritt nun eine Dopplerverschiebung auf, so treten zunächst die mit den beiden Pfeilen versehenen Höcker (10, 11) auf. Bei noch größerer Dopplerverschiebung wird das Ergebnis mehr oder weniger beliebig und uneindeutig.
Im Gegensatz dazu zeigt 4 die gleiche Funktion für einen P4-Kode. Die Funktion zeigt im Wesentlichen nur eine mehr oder weniger stabile Ausprägung (13) des Dirac-Pulses. Allerdings hat auch diese Kodierung ihre Grenzen. Ab einem bestimmten Punkt, können die parasitären Elemente (14) nicht mehr vernachlässigt werden. Daher ist der Bereich der erlaubten Dopplerverschiebungen auch hier begrenzt.
5 zeigt, wie diese Funktion aussehen kann, wenn durch weitere Maßnahmen das Rauschen der Korrelationsfunktion unterdrückt wird. Der Korrelationspeak (16) ist hier stark ausgeprägt. Auch diese Methode hat Ihre Grenze bei zu großer Dopplerverschiebung durch Störungen (15). Somit kann hinsichtlich der Phasenkodierung des Ultraschallsendebursts zusammengefasst werden, dass eine P4 Kodierung besonders vorteilhaft ist. Im Nahbereich ist dieser P4 Kode, wie oben bereits ausgeführt aber nachteilig.
6 zeigt das Empfängerausgangssignal für einen kurzen ersten Ultraschallburst (Bezugszeichen 1 in 1). Im Folgenden wird dieses Verfahren Einzelpulsverfahren genannt. Es hat sich allerdings gezeigt, dass es optimal ist, die kurzen ersten Ultraschallbursts aus ca. 4 Ultraschallpulsen wie in 1 zusammenzusetzen. In dem Beispiel dauert der Ultraschallburst (18) bis zu einer Zeit, die einem Abstand von 0,1 m aufgrund der Schallgeschwindigkeit entspricht. Dann trifft die Reflektion (17) auf den Empfänger. Es ist offensichtlich, dass die kurze Aussendezeit, diesen kurzen Minimalabstand von hier beispielhaft 11 cm überhaupt erst ermöglicht.
7 zeigt das beispielhafte Empfängerausgangssignal für ein Plastikrohr in 1 m Entfernung (20). Die Amplitudenabnahme gegenüber dem Signal in 5 ist offensichtlich.
Zu 8: In einem kombinierten Verfahren werden ein kurzer erster Ultraschallburst (22) gefolgt von einem langen, P4-kodiertem zweiten Ultraschallburst (23) gesendet. Dies ist in 8 dargestellt. Sowohl der kurze erste Ultraschallburst (22), wie auch der lange kodierte zweite Ultraschallburst (23) werden in dem jeweiligen Zeitbereich durch Korrelation verarbeitet. Der Zeitbereich des kurzen ersten Ultraschallbursts (22) geht bis zur Nahtstelle (27), dem ersten Maximalabstand, bezogen auf den Aussendezeitpunkt des kurzen ersten Ultraschallbursts. Der Zeitbereich des langen kodierten zweiten Ultraschallbursts (23) von der Nahtstelle (28), dem ersten Minimalabstand, diesmal bis zur Maximalreichweite des Systems bezogen auf den Aussendezeitpunkt des langen zweiten Ultraschallbursts.
9 zeigt eine beispielhafte sich daraus ergebende kombinierte Korrelationsfunktion. Das beispielhafte Hindernis (25) befindet sich dabei in 1 m Entfernung. Die Nahtstellen (27, 28) aus 8 werden dabei durch die Auswertung auf eine gemeinsame Nahtstelle (24) abgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4105977 A1 [0001, 0004]
DE 102011122318 A1 [0002]
DE 102011085286 [0002]
DE 102007029959 A1 [0002]
DE 102010033210 A1 [0002]
DE 102006041529 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Radar Signals, Nadav Levanon, Eli Mozeson, ISBN: 978-0-471-47378-7, July 2004, Wiley-IEEE Press” [0001]

Claims

Verfahren zur Messung des Abstands zwischen einem Sensorsystem und mindestens einem Objekt mittels Ultraschall, wobei • ein Sender mindestens einen ersten Ultraschallburst und mindestens einen zweiten Ultraschallburst aussendet, die – jeder für sich eine Kodierung aufweisen, und • das Objekt diese Ultraschallbursts reflektiert und • die reflektierten Ultraschallbursts durch einen Empfänger empfangen werden und • das Empfängerausgangssignal durch eine Analyseeinheit ausgewertet wird und • wobei diese mindestens ein Datum ausgibt, das mindestens einem Abstand Sender zu Objekt oder Empfänger zu Objekt entspricht und • wobei mindestens zwei Ultraschallbursts sich in ihrer Kodierung unterscheiden. gekennzeichnet dadurch, • dass es sich bei der Kodierungen des zweiten Ultraschallbursts um – eine Poly-Phasen-Kode handelt oder – um eine P4-Kode handelt oder – um einen Bi-Phasen-Kode oder – um einen Barker-Kode – um einen Quadriphasen-Kode handelt und • dass es sich bei der Kodierungen des ersten Ultraschallbursts um einen kurzen Ultraschallburst (1) handelt, wobei dieser dadurch gekennzeichnet ist, dass er nicht mehr als 4 oder 6 oder 8 Ultraschallpulse (2) umfasst und mehr als 1 Ultraschallpuls (2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass • der zweite Ultraschallburst dafür verwendet wird, Abstände oberhalb eines ersten Minimalabstands (28) auszumessen.
Verfahren nach 1 und/2 dadurch gekennzeichnet, dass • der erste Ultraschallburst dafür verwendet wird, Abstände unterhalb eines ersten Maximalabstands (27) auszumessen.
Vorrichtung zur Messung des Abstands zwischen einem Sensorsystem und mindestens einem Objekt mittels Ultraschall, die umfasst • mindestens einen Sender, der mindestens einen ersten Ultraschallburst und mindestens einen zweiten Ultraschallburst aussendet, die – jeder für sich eine Kodierung aufweisen, und • mindestens einen Empfänger, der mindestens einen Teil der reflektierten Ultraschallbursts empfängt und • mindestens eine Analyseeinheit, die mindestens ein Empfängerausgangssignal auswertet und die mindestens ein Datum ausgibt, das mindestens einem Abstand Sender zu Objekt oder Empfänger zu Objekt entspricht und • mindestens zwei gesendete Ultraschallbursts sich in ihrer Kodierung unterscheiden gekennzeichnet dadurch, • dass es sich bei der Kodierung des zweiten gesendeten Ultraschallbursts – um einen Poly-Phasen-Kode oder – um eine P4-Kode oder – um einen Bi-Phasen-Kode oder – um einen Barker-Kode oder – um einen Quadriphasen-Kode handelt • und • dass es sich bei der verwendeten Kodierung des ersten gesendeten Ultraschallbursts um ein Sendesignal für einen kurzen Ultraschallburst (1) handelt, wobei dieser dadurch gekennzeichnet ist, dass er nicht mehr als 4 oder 6 oder 8 Ultraschallpulse (2) umfasst und mehr als 1 Ultraschallpuls (2) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass • Sie die empfangenen Daten je nach Reflektionszeitpunkt unterschiedlich verarbeitet.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass sie • für den Empfangssignalteil, der nach einem Grenzzeitpunkt (28) liegt, ein Korrelationssignal durch Korrelation mit einem Signal mit einer Kodierung berechnet wird, • wobei es sich bei dieser Kodierung – um einen Poly-Phasen-Kode oder – um eine P4-Kode oder – um einen Bi-Phasen-Kode oder – um einen Barker-Kode oder – um einen Quadriphasen-Kode handelt
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass • für den Empfangssignalteil, der vor einem Grenzzeitpunkt (27) liegt, ein Korrelationssignal durch Korrelation mit einem Signal mit einer Kodierung berechnet wird und • dass diese verwendete Kodierung des Signals dadurch gekennzeichnet ist, dass es nicht mehr als 4 oder 6 oder 8 Pulse (2) umfasst und mehr als 1 Puls (2) umfasst.