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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur echobasierten Umfeldsensorik sowie ein mit einer solchen Vorrichtung ausgestattetes Fortbewegungsmittel. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, welche eingerichtet ist, in verbesserter Weise zur Umfelddetektion relevante Signale aus Wandlersignalen zu extrahieren.
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Empfangskanäle werden häufig als additive Überlagerung eines erwarteten Signals S(τ), einer stochastischen Zwischengröße N(τ), die landläufig als "Rauschen" bezeichnet wird, sowie mitunter einer mehr oder weniger determinierten, nicht erwarteten, jedoch dem erwarteten Signal nicht unähnlichen Größe I(τ), dem Störer, beschrieben. Der Störer wird im englischsprachigen Raum oft als "Interferer" bzw. als "Jamming" bezeichnet. Die Momentanenergie/leistung eines Empfangssignals E(τ) kann daher beschrieben werden als E(τ) = S(τ) + I(τ) + N(τ) Formel 1
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Die Größe τ kennzeichnet in diesem Zusammenhang den Zeitunterschied zwischen Ende des Aussendens eines Messsignals in die Umgebung bzw. das Umfeld und dem Empfangszeitpunkt des ausgesandten Signals beim Empfänger. Auf diese Weise bezeichnet τ ein Zeitintervall, in welchem der Wandler im Wesentlichen frei von internen oder externen Anregungen ist. Der Übergang zwischen N(τ) und I(τ) kann nicht immer scharf abgegrenzt werden und wird häufig durch das erwartete Signal S(τ) mitbestimmt. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kommt es jedoch nicht auf die Unterscheidung zwischen den beiden unerwarteten Größen N(τ) und I(τ) an. Häufig ist das Rauschen eine stationäre Größe, weshalb gilt N(τ) = N = const Formel 2
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Somit ergibt sich das vereinfachte Kanalmodell zu: E(τ) = S(τ) + N Formel 3
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Ein Grundprinzip der Nachrichten- und Messtechnik ist, das erwartete Signal S(τ) mittels geeigneter Filter aus dem Empfangssignal e(τ) zu gewinnen. Üblicherweise verwendet man dazu geeignete Filter, insbesondere sogenannte angepasste (eng.: matched) Filter. Das Ausgangssignal eines solchen Filters X(τ) ist für mit weißem Rauschen gestörte Übertragungskanäle eine optimale Schätzung des erwarteten Signals S(τ). Die Stärke des empfangenen Signals S(τ) ist bei der akustischen Umfelddetektion ein Maß für die Reflexivität und soll erfindungsgemäß bei der Signalauswertung berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang gilt die bewährte subtraktive Bewertung mittels einer Schwelle bzw. einer Grenzwertes Xlim(τ) als bekannt, wobei gilt XK(τ) = X(τ) – Xlim(τ). Formel 4
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Die Schwelle Xlim(τ) ist dabei vergleichbar mit dem bisher verwendeten Schwellwert bzw. der bisher verwendeten Kennlinie. Überschreitet das gefilterte Signal X(τ) den Schwellwert Xlim(τ), so wird im Echosignal ein Objekt erkannt. Das Maß der Überschreitung des Schwellwerts Xlim(τ) ist ein Maß für die Stärke der Objektreflexivität und somit ein Maß, welches sich zur Objektdetektion eignet. Das dabei verwendete Bewertungsverfahren ist einheitenbehaftet, d.h., XK(τ) hat die Einheit von X(τ). Vorteilhaft an der absoluten, d.h., subtraktiven Bewertung des Empfangssignals ist seine einfache Realisierbarkeit. Es genügt bereits ein einfach realisierbarer Schwellenwertschalter. Nachteilig an der substraktiven Bewertung ist jedoch, dass innerhalb eines Echozyklus' aufgrund des großen Dynamikbereichs der gefilterten Empfangssignale X(τ) eine relativ hohe Signaldynamik vorgehalten werden muss. Dabei ist für kleine Signale eine entsprechend hohe Auflösung erforderlich.
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Ein weiterer Ansatz bei der Umfelddetektion verfolgt ein relatives Maß für die Ähnlichkeit des Empfangssignals, indem durch Umstellen der Schwarz'schen
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Ungleichung das Maß für die Ähnlichkeit des erwarteten Signals X(τ) auf die Gesamtenergie E(τ) des Signals bezogen wird: R(τ) = X(τ) / E(τ) = X(τ) / S(τ) + N Formel 5
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Aufgrund der Normierung handelt es sich hierbei um ein einheitenloses Bewertungsverfahren, bei dem die Relation zwischen den beiden Größen X(τ) und E(τ) gebildet wird. Aufgrund der Schwarz'schen Ungleichung liegt der Wert R(τ) stets zwischen 0 und 1. Lediglich bei dem Vorhandensein eines dominanten reflektierenden Objektes liegt R(τ) deutlich näher bei 1, andernfalls bei 0. Dieser Zusammenhang ist im Wesentlichen unabhängig von der Reflexivität des Objektes.
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Ein Vorteil der relativen Bewertung ist, dass der Dynamikbereich komprimiert werden kann und das Ausgangssignal unabhängig von der momentanen Signalstärke mit einer relativ geringen Auflösung/Diskretisierung auskommt. Nachteilig hingegen ist der hohe Rechenaufwand.
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In Abhängigkeit der technischen Realisierung kann der Quotient X(τ) durch E(τ) auch an solchen Betriebspunkten einen Wert nahe 1 annehmen, in welchen kein Echos erzeugendes Objekt im Umfeld vorhanden ist. Eine Ursache liegt bei der Quotientenbildung darin, dass der Nenner, bezogen auf die erwarteten sinnvollen Werte, fast 0 ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine relative Bewertung eines Empfangssignals einer akustischen Umfelddetektion bezüglich seiner Ähnlichkeit mit einem erwarteten Signalverlauf vorzunehmen, wobei die vorgenannten Nachteile vermindert bzw. ausgeräumt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur echobasierten Umfeldsensorik sowie ein Fortbewegungsmittel mit einer solchen Vorrichtung gelöst. Dabei umfasst die Vorrichtung einen Signalwandler, der beispielsweise als Schallwandler, bevorzugt als Ultraschallwandler, ausgestaltet sein kann. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, eine Ähnlichkeit zwischen einem vom Signalwandler stammenden Signal und einem erwarteten Signal zu ermitteln. Dabei ist das vom Signalwandler stammende Signal – wie eingangs ausgeführt – eine additive Überlagerung aus einem Rauschen und gegebenenfalls aus der Umgebung empfangenen Signalen. Je nach Betriebszeitpunkt kann auch ein mittels der Vorrichtung eingeprägtes Signal am Wandler anliegen. Ebenfalls in Abhängigkeit des Betriebszeitpunktes entspricht das erwartete Signal daher beispielsweise dem eingeprägten Signal und/oder einem aus der Umgebung empfangenen Echosignal. Die Ähnlichkeit kann beispielsweise als Kreuzkorrelation ermittelt werden. Zusätzlich ist die Auswerteeinheit eingerichtet, ein relatives Maß für die Ähnlichkeit zu ermitteln, indem die Ähnlichkeit auf eine vordefinierte Bezugsgröße für die Ähnlichkeit bezogen wird. Die vordefinierte Bezugsgröße kann beispielsweise laufzeitabhängig definiert sein. Das vorstehend genannte Verfahren ist also geeignet, eine Normierung beispielsweise auf eine Signalgesamtenergie zur Fremdstörerunterdrückung durchzuführen und eine Gewichtung mittels einer geeignet definierten Schwelle zur Reflexstärkeerkennung (Echostärkeerkennung) durchzuführen. Echos im Wandlersignal werden daher sicherer erkannt und irrtümliche Erkennungen von Echos vermieden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die vordefinierte Bezugsgröße kann über der Zeit, insbesondere in Abhängigkeit eines Zeitpunktes innerhalb eines Arbeitszyklus' der Vorrichtung, variieren. Als Arbeitszyklus der Vorrichtung wird der Zeitraum zwischen einem Aussenden eines Testsignals und einem Empfangen sämtlicher entsprechender Echos verstanden. Dies ermöglicht eine laufzeitabhängige Normierung des Wandlersignals und somit eine geringe Fehlerkennungsrate.
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Weiter kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, eine momentane Signalenergie eines vom Signalwandler stammenden Signals zu ermitteln und bei der Definition der vordefinierten Bezugsgröße zu berücksichtigen. Indem die gesamte Signalenergie des vom Wandler empfangenen Signals in die vordefinierte Bezugsgröße zur Normierung des Wandlersignals eingeht, wird eine Division durch besonders kleine Werte (z.B. durch Vernachlässigung eines Rauschanteils) vermieden. Eine Normierung auf sehr kleine Werte, wie sie im Stand der Technik mitunter vorgenommen wurde, führt zu einer erhöhten Gefahr einer Erkennung eines Signals, ohne dass tatsächlich ein Umgebungsecho im Signal enthalten ist. Diese Gefahr wird also erfindungsgemäß verringert.
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Zur Ermittlung der vordefinierten Bezugsgröße kann bevorzugt eine Maximalwert-Funktion Verwendung finden. Beispielsweise können in die Maximalwertfunktion die vom Signalwandler stammende Signalenergie und eine Signalenergie eines Referenzechosignals eingehen. Das Referenzechosignal kann beispielsweise abgespeichert und ausgelesen werden. Die Maximalwertfunktion gibt für jeden Zeitpunkt im Arbeitszyklus der Vorrichtung den größten Wert aus, der sich bei der parallelen Betrachtung der vom Wandler stammenden Signalenergie und der Signalenergie des Referenzechosignals ergibt. Sofern das tatsächliche Wandlersignal zu einem betrachteten Zeitpunkt sehr geringe Werte aufweist, wird eine Normierung auf einen solchen geringen Wert also vermieden, indem stattdessen auf die Signalenergie des Referenzechosignals normiert wird. Einen unerwartet bzw. ungeeignet hohen Ausgabewert der Normierung, welche zur Erkennung eines nicht vorhandenen Echos führen kann, kann die vorliegende Erfindung somit wirksam verhindern.
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In der Maximalwertfunktion kann weiter auch ein Rauschsignal berücksichtigt werden, welches zwischen dem Wandler und der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht. Dieses kann laufzeitabhängig definiert bzw. gemessen werden, bevorzugt jedoch als zeitlich konstant berücksichtigt werden. Bei der Annahme eines zeitlich konstanten Rauschsignals vereinfacht sich die rechentechnische Berücksichtigung des Rauschens bei der Normierung.
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Zur Berücksichtigung eines Rauschens zwischen Signalwandler und Auswerteeinheit kann die Auswerteeinheit weiter eingerichtet sein, in Zeitabschnitten bzw. Betriebszuständen ohne interne Anregung und ohne erwartete externe Anregung des Signalwandlers (z.B. durch Echos) ein Rauschsignal zu ermitteln. Dabei sollte mit hoher Wahrscheinlichkeit angenommen werden können, dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung sozusagen im Leerlauf befindet und dem gemessenen Rauschsignal keine zusätzlichen Signale überlagert sind. Auf diese Weise kann ein aktuell tatsächliches Rauschverhalten der Übertragungsstärke bestmöglich berücksichtigt werden.
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Bevorzugt kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, ein relatives Maß für die Ähnlichkeit über der Zeit zu ermitteln, indem sie die Ähnlichkeit auf die vordefinierte Bezugsgröße bezieht, also normiert. Die Bezugsgröße wird dabei anhand mindestens eines zuvor ermittelten Kehrwertes mindestens einer der Größen aus der Gruppe "Bezugsgröße" und "Ähnlichkeit" und "Rauschen" gebildet. Eine Weiterverarbeitung des mindestens einen zuvor genannten Kehrwertes kann zum Beispiel durch eine Minimalfunktion modifiziert werden. Dabei kann beispielsweise das Minimum der vorgenannten drei Kehrwerte zu einer Bezugsgröße über der Zeit ermittelt werden und anschließend das relative Maß für die Ähnlichkeit als Produkt aus der Minimalfunktion und der Ähnlichkeit ermittelt werden. Die Kehrwertbildung ermöglicht dabei eine Division mit deutlich geringerem Aufwand als eine tatsächliche rechentechnische Division. Insbesondere bei über einen längeren Zeitraum verwendeten (konstanten) Größen, ermöglicht eine einmalige Kehrwertbildung Performance-Einsparungen. Selbstverständlich kann das relative Maß für die Ähnlichkeit über der Zeit auch allein aus einem Kehrwert der vordefinierten Bezugsgröße ermittelt werden, welcher mit der Ähnlichkeit multipliziert wird. Beide Größen können zeitabhängig sein, während die vordefinierte Bezugsgröße auch als zeitinvariant angenommen und definiert werden kann. Auf diese Weise kann eine Ermittlung eines Minimums unterschiedlicher Größen unterbleiben, was den rechentechnischen Aufwand zusätzlich verringert.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel mit einer Vorrichtung vorgeschlagen, wie sie oben in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt im Detail beschrieben worden ist. Dabei kann ein Signalwandler bzw. können mehrere Signalwandler als Ultraschallsensoren ausgestaltet und beispielsweise in Front- und/oder Heckschürzen und/oder in Stoßfängern des Fortbewegungsmittels angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Signalwandler in Stoßfängern oder anderen geeigneten Karosseriebauteilen untergebracht sein. Die Auswerteeinheit kann als elektrisches Steuergerät verwirklicht sein, welches auch für andere Zwecke Verwendung finden kann. Beispielsweise kann ein Mikroprozessor, ein Nanocontroller o.Ä. zur Durchführung der Schritte eingerichtet werden, wie sie die oben vorgestellte Vorrichtung durchführt. Die Merkmale, Merkmalskombination sowie die sich daraus ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf eine erneute Diskussion derselben verzichtet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ein Prinzipschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 ein Prinzipschaltbild eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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4 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hierin ist ein Ultraschallwandler 2 als Signalwandler eingerichtet, Ultraschallsignale 4 aus der Umgebung aufzunehmen und in Verbindung mit erwarteten, insbesondere durch die Vorrichtung 1 ausgesandten, Signalen zur Erkennung von Umfeldobjekten elektrisch zu wandeln. Das Ausgangssignal e(τ) des Ultraschallwandlers 2 wird einem Filter 5 zugeführt. Das Filter 5 erhält zusätzlich eine Eingabe, welche einem erwarteten Signal s(τ) entspricht. Mit anderen Worten kann s(τ) ein zu einem bestimmten Zeitpunkt erwartetes Echo repräsentieren, so dass s(τ) laufzeitabhängig variiert werden kann. Das Filter 5 gibt eine Ähnlichkeit X(τ) aus, welche einer Normierungseinheit 9 zugeführt wird. Zusätzlich ist ein Mindestmaßgenerator 8 in der Vorrichtung 1 vorgesehen, welcher eine vordefinierte Bezugsgröße Xlim für die Normierungseinheit 9 bereitstellt. Innerhalb der Normierungseinheit 9 wird die Ähnlichkeit X(τ) auf die vordefinierte Bezugsgröße Xlim bezogen. Hierzu kann zunächst der Kehrwert der vordefinierten Bezugsgröße Xlim gebildet und dieser anschließend mit der Ähnlichkeit X(τ) multipliziert werden. Das Ausgangssignal K(τ) der Normierungseinheit 9 stellt nun ein relatives Maß für die Ähnlichkeit X(τ) dar. Das Ausgangssignal K(τ) kann zur anschließenden Detektion von Echos im Ultraschallsignal 4 verwendet werden, wobei Störsignale besser als im Stand der Technik unterdrückt und Fehler bei der Echoerkennung vermieden werden können.
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2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist der Ultraschallwandler 2 eingerichtet, ein Ultraschallsignal 4 aus der Umgebung zu empfangen und ein Ausgangssignal e(τ) einem Filter 5 zuzuführen, welches zudem ein Signal s(τ) als erwartete Signalform erhält. Das Ausgangssignal X(τ) des Filters (die „Ähnlichkeit“) wird der Normierungseinheit 9 zugeführt. Entsprechend dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erhält die Normierungseinheit 9 zusätzlich die vordefinierte Bezugsgröße Xlim, welche von dem Mindestmaßgenerator 8 bereitgestellt wird. Zusätzlich zur in 1 dargestellten Variante wird in einer Energiebestimmungseinheit 6 die Energie E(τ) des Ausgangssignals e(τ) des Signalwandlers 2 ermittelt und in einer Verknüpfungseinheit 7 mit der vordefinierten Bezugsgröße Xlim verknüpft. Das Ausgangssignal λ(τ) der Verknüpfungseinheit 7 wird als zusätzliche Eingangsgröße innerhalb der Normierungseinheit 9 beim Erzeugen des relativen Maßes K(τ) für die Ähnlichkeit X(τ) berücksichtigt. Die Verknüpfungseinheit 7 kann beispielsweise eine Maximalwertfunktion ausführen, so dass ihr Ausgangssignal λ(τ) jeweils der einem betrachteten Zeitpunkt höhere Wert der Funktionen E(τ) und Xlim ist. Dies ermöglicht eine stärkere Anpassung der Normierung an tatsächliche Wandlersignalenergien.
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3 zeigt eine weitere Alternative zu den in 1 bzw. 2 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Zusätzlich zur in 2 dargestellten Variante wird ein Rauschsignal N0 durch einen Rauschsignalgenerator 10 zur Berücksichtigung in der Verknüpfungseinheit 7 bereitgestellt. Deren Ausgangssignal λ(τ) berücksichtigt auf diese Weise (beispielsweise im Zuge einer Maximalwertermittlung) nun auch das Rauschen im Ausgangssignal e(τ) des Ultraschallwandlers 2. Hierzu kann der Rauschsignalgenerator 10 zudem eingerichtet sein, das Ausgangssignal e(τ) des Ultraschallwandlers 2 als Eingangsgröße zu erhalten. Beispielsweise kann in einem Betriebszustand, in welchem weder eine interne noch eine externe Anregung des Ultraschallwandlers 2 zu erwarten ist („Leerlauf“), ein Rauschsignal gemessen bzw. das Ausgangssignal e(τ) des Ultraschallwandlers 2 als Rauschsignal angenommen werden. Das Ausgangssignal N0 des Rauschsignalgenerators 10 kann daher sowohl eine Zeitabhängigkeit wie auch eine Zeitinvarianz aufweisen.
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4 zeigt einen Pkw 12 als Fortbewegungsmittel, in dessen Stoßfängern 13 jeweilige Ultraschallwandler 2 angeordnet sind. Die Ultraschallwandler 2 sind über Signalleitungen mit einer jeweiligen Auswerteeinheit 3 verbunden. Auf diese Weise ist der Pkw 12 eingerichtet, die Vorteile der vorliegenden Erfindung beispielsweise in Verbindung mit einem Parkassistenzsystem zu verwirklichen.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann eine Dynamikreduktion bei der Verarbeitung von Umgebungssignalen erzielt werden, indem laufzeitabhängig normiert wird. Objektinformationen bleiben hierbei erhalten, da nicht ausschließlich die Signalenergie ausgewertet wird. Zudem bietet die vorliegende Erfindung eine Fremdstörerunterdrückung, welche dazu führt, dass bei einem schlechten Signal-Rauschabstand das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Algorithmus' keinen bzw. keinen rechentechnisch überhöhten Wert annimmt. Durch die Verknüpfung der Dynamikreduktion mit der Fremdstörerunterdrückung vermeidet die vorliegende Erfindung eine Division durch 0 bzw. durch sehr kleine Werte bei der Auswertung von Umgebungsechos, was die Erkennungsrate erhöht und die Fehlerkennungsrate senkt.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
