DE102014219399A1

DE102014219399A1 - Ultraschallmesssystem, Ultraschallsensor und Verfahren zur Untersuchung eines Ultraschallechos

Info

Publication number: DE102014219399A1
Application number: DE102014219399.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schmid; Andras Roka; Marcus Schneider; Michael Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-03-31
Also published as: FR3026494B1; GB201516608D0; FR3026494A1; GB2531909A; GB2531909B

Abstract

Es werden ein Ultraschallmesssystem, ein Ultraschallsensor sowie ein Verfahren zur Untersuchung eines Ultraschallechos vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Senden eines auf einem ersten Signal basierenden Ultraschallpulses, Wandeln eines Ultraschallechos in ein elektrisches zweites Signal, Filtern des zweiten Signals mit einem Filter, welches auf das zweite Signal angepasst ist, Korrelieren des ersten Signals und des zweiten Signals, Vergleichen eines Ergebnisses der Korrelation mit einer vordefinierten Referenz, und daraus Bestimmen einer Länge des Ultraschallechos.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallmesssystem, einen Ultraschallsensor und ein Verfahren zur Untersuchung eines Ultraschallechos. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verbesserungen bei der Ermittlung einer Länge eines Ultraschallechos, aus welcher Rückschlüsse auf die räumliche Erstreckung eines reflektierenden Objektes gezogen werden können.
Bei der Umgebungsdetektion wird im automobilen Bereich größtenteils auf Ultraschalltechnik zurückgegriffen. Umgebungsobjekte werden beispielsweise durch das Aussenden von Messsignalen und Auswertung derer an Umgebungsobjekten reflektierter Echos erkannt. Um Störsignale und Signalartefakte zu unterdrücken, sind Vorkehrungen erforderlich, welche beispielsweise die Echobreite (die Zeit, welche ein Echo eine vordefinierte Signalstärke überschreitet) untersuchen. Hierbei wird das empfangene Echo zunächst mit einer einfachen, beispielsweise laufzeitabhängigen, Schwellenwertkurve verglichen. Das Ergebnis des Vergleiches ist ein binäres Signal: entweder hat das Echo die Schwellenwertkurve überschritten oder nicht. Durch Verarbeitung mit einem Pulsweitendiskriminator werden schmale Überschreitungen der Schwellenwertkurve unterdrückt. Die Laufzeit des Echos wird durch die ansteigende Flanke des gefilterten binären Signals gekennzeichnet. Ein Maß für die Qualität des empfangenen Echosignals ist die Echoweite, also diejenige Zeit, während welcher das gefilterte binäre Signal einen logischen High-Pegel aufweist. Beispielsweise im Falle zerklüfteter Oberflächen reflektierender Signale können sich Echosignale ergeben, bei welchen die reflektierten Anteile unterschiedlicher Teiloberflächen des reflektierenden Objektes einander auslöschend überlagern, sodass keines der Teilechos bei der vorstehend beschriebenen Signalverarbeitung einen High-Pegel ergibt.
DE 10 2011 109 915 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Herkunft eines von einem Ultraschallsensor eines Kraftfahrzeuges empfangenen Empfangssignals, bei welchem Ultraschallsendesignale mit Kennungen (Codewörtern) versehen und Empfangssignale auf diese Codewörter hin untersucht werden. Während üblicherweise Korrelationen zur Identifikation der Kennung zwischen Sende- und Empfangssignal durchgeführt werden, wird vorgeschlagen, aus dem Sendesignal durch Frequenzverschiebung ein Referenzsignal zu erzeugen, welches in seiner zeitlichen Länge gekürzt oder verlängert wird. Anschließend wird ein Korrelationskoeffizient zwischen dem Empfangssignal einerseits und dem Referenzsignal andererseits bezüglich eines vorbestimmten Schwellenwertes bewertet. Hierbei kann auch eine Differenz zwischen einer zeitlichen Länge des Sendesignals einerseits und einer zeitlichen Länge des Empfangssignals andererseits bestimmt und zur Ermittlung einer Frequenzverschiebung verwendet werden.
DE 10 2012 202 975 A1 offenbart ein Verfahren zur Umfelderkennung, bei welchem Impulse mit einem definierten Sendespektrum durch einen Ultraschallsensor ausgesendet werden und anhand einer Amplitude und einer Phaseninformation eines anschließend empfangenen Signals dasselbe als Echosignal oder als Störsignal klassifiziert wird. Das Sendesignal kann bezüglich seiner Frequenz, insbesondere über der Zeit, oder hinsichtlich seiner Amplitude moduliert sein.
DE 10 2012 211 293 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Umfelderfassungssystems eines Fahrzeuges, gemäß welchem frequenzmodulierte Signale ausgesendet und von Umfeldobjekten reflektierte Echosignale empfangen werden. Die Echosignalbewertung erfolgt anhand einer Amplitudeninformation in Form einer Kreuzkorrelationsfunktion und einer Phaseninformation in Form eines Kreuzkorrelationskoeffizienten zur Auswertung der Signalqualität. Zusätzlich wird erwähnt, dass die Phaseninformation Aufschluss über die Qualität der Phase des empfangenen Signals liegt.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Länge eines Ultraschallechos zuverlässig zu ermitteln.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Untersuchung eines Ultraschallechos gelöst. Das Verfahren kann beispielsweise in einem Ultraschallmesssystem eines Automobils oder eines anderen Fortbewegungsmittels zur Erkennung von Abständen zu Umgebungsobjekten durchgeführt werden. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein auf einem ersten elektrischen Signal basierender Ultraschallpuls gesendet. Ein Echo des Ultraschallpulses wird anschließend in ein elektrisches zweites Signal gewandelt. Dies kann beispielsweise mittels desselben Ultraschallsensors erfolgen, welcher den Ultraschallpuls gesendet hat. Das zweite elektrische Signal wird anschließend mit einem angepassten Filter (englisch "Matched Filter") gefiltert. Mit anderen Worten wird ein Filter verwendet, welches auf die Frequenz des zweiten elektrischen Signals eingestellt ist. Hierbei werden Störsignale und andere Bestandteile, welche mit dem ausgesandten Ultraschallpuls nicht zusammenhängen, eliminiert. In einem nächsten Schritt wird das erste elektrische Signal mit dem zweiten elektrischen Signal korreliert und das Ergebnis der Korrelation, welches beispielsweise einen Korrelationskoeffizienten umfassen kann, mit einer vordefinierten Referenz verglichen. Aus dem Ergebnis des Vergleiches wird anschließend die Länge des Ultraschallechos bestimmt. Durch die Verwendung der Korrelation ist das Ergebnis beziehungsweise die erhaltene Länge weitgehend unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des reflektierenden Umgebungsobjektes. Mit anderen Worten werden auch zerklüftete Signale derartige Echos erzeugen, welche mit dem gesendeten Signal eine hohe Korrelation aufweisen. Die Längenbestimmung des Ultraschallechos wird auf diese Weise robuster und zuverlässiger.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Ultraschallpuls kann eine feste oder eine über der Zeit veränderliche Frequenz beinhalten. Eine rechentechnisch einfache Realisierung kann mit einer festen Frequenz erfolgen, sodass die zur Realisierung erforderliche Hardware robust und kostengünstig ausgeführt sein kann. Grundsätzlich ist eine Verwendung sogenannter "Chirps" ebenso möglich, während die erforderlichen Filter hierdurch etwas aufwändiger auszuführen sind.
Bevorzugt kann das erfindungsgemäße Verfahren durch Aussenden eines auf einem dritten elektrischen Signal basierenden zweiten Ultraschallpulses einer vordefinierten Frequenz weiter gebildet werden, wobei auch die Grundfrequenz des dritten Signals fest oder über der Zeit veränderlich sein kann. Auch das auf Basis des zweiten Ultraschallpulses empfangene Ultraschallecho wird in ein viertes elektrisches Signal gewandelt. Auch dieses wird anschließend mit einem angepassten Filter gefiltert. Insbesondere kann das Filter an die Grundfrequenz des dritten elektrischen Signals angepasst sein.
Typischerweise sind erfindungsgemäße adressierte Ultraschallmesssysteme durch mehrere Ultraschallsensoren und mindestens eine zentrale Auswerteeinheit gekennzeichnet. Entsprechend können von einem Ultraschallsensor ein Zeitsignal des empfangenen Ultraschallechos sowie ein Korrelationskoeffizient an das zentrale elektronische Steuergerät gesendet werden. Mit anderen Worten erfolgen eine akustoelektrische Wandlung sowie eine Korrelation zwischen Mess- und Empfangssignal innerhalb des Ultraschallsensors (auch als "abgesetzte Einheit" oder "intelligenter Ultraschallsensor" bezeichnet). Das zentrale elektronische Steuergerät kann anschließend die Länge der empfangenen Ultraschallechos aus dem Korrelationskoeffizienten und anderen Informationen, aus welchen sich die Qualität des empfangenen Ultraschallechos ergibt, ermitteln. Zusätzlich kann die Ermittlung des Abstandes der reflektierenden Oberfläche vom Ultraschallsensor ermittelt werden.
Das Ergebnis der Korrelation kann insbesondere einen Korrelationskoeffizienten umfassen oder durch einen Korrelationskoeffizienten repräsentiert werden. Die erfindungsgemäß erkannte Abhängigkeit des Korrelationskoeffizienten von der Länge des empfangenen Echos gegenüber der Länge des ausgesandten Signals ermöglicht somit eine besonders robuste und daher sichere Ermittlung einer Erstreckung einer Oberfläche des reflektierenden Objektes.
Die zum Filtern verwendete Filterlänge kann größer oder gleich groß der zeitlichen Länge des ersten elektrischen Signals sein. Mit anderen Worten kann die Impulsantwort des verwendeten Filters die einfache, zweifache, dreifache oder vierfache Länge des Messsignals aufweisen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch komplexere Oberflächen und insbesondere stark unterschiedliche Teiloberflächen aufweisende Umgebungsobjekte erfindungsgemäß sicher erkannt und klassifiziert werden können. Während das Unterdrücken von Störsignalen im Echo deutlich kürzere Filterlängen erfordert, können Filterlängen bis zum Fünffachen des gesendeten Signals oder länger verwendet werden, um eine erfindungsgemäße Längenermittlung auf Basis des Korrelationskoeffizienten vorzunehmen.
Die Referenz kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Frequenz und/oder eines Parameters des ersten, zweiten oder dritten Signals vordefiniert sein. So sollte die Referenz die Frequenz des ausgesandten Messsignals berücksichtigen und gegebenenfalls über zusätzliche Algorithmen zur Ermittlung der Echoqualität berücksichtigen. Auf diese Weise wird die Länge des Ultraschallechos über unterschiedliche Parameter beschrieben und unter Berücksichtigung der Parameter anhand der Referenz ermittelt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallsensor zur Umfelddetektion vorgeschlagen. Der Ultraschallsensor kann auch als "abgesetzte Einheit" oder als "intelligenter Ultraschallsensor" bezeichnet und ausgeführt sein. Er umfasst einen Ultraschallwandler, welcher beispielsweise einen Piezo-Wandler umfasst, mittels dessen elektrische Wechselsignale in Ultraschallsignale (oder umgekehrt) gewandelt werden können. Zudem umfasst er eine Auswerteeinheit, mittels welcher beispielsweise eine digitale Filterung empfangener Ultraschallechos und/oder eine Korrelation derselben mit ausgesandten Messsignalen durchgeführt werden können. Schließlich ist auch ein Signalausgang zum Ausgeben elektrischer Signale vorgesehen, über welche beispielsweise Zeitsignale und Korrelationskoeffizienten durchgeführter Korrelationen an eine zentrale Auswerteeinheit (z. B. ein elektronisches Steuergerät) gesendet werden können. Der Ultraschallwandler ist erfindungsgemäß eingerichtet, einen auf einem ersten Signal basierenden Ultraschallpuls in ein elektrisches zweites Signal zu wandeln.
Der Ultraschallwandler empfängt also ein an einem Umgebungsobjekt reflektiertes Ultraschallsignal. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, das zweite (empfangene) elektrische Signal zu filtern und mit dem ersten elektrischen Signal (Messsignal) zu korrelieren. Das zweite Signal kann (beispielsweise nach einer entsprechenden Matched-Filterung) inklusive einem Ergebnis der Korrelation (in Form eines Korrelationskoeffizienten) über den Signalausgang an ein elektronisches Steuergerät gesendet werden. Auf dieser Weise kann erfindungsgemäß eine Untersuchung der Länge eines Ultraschallechos erfolgen, wie diese in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt oben im Detail beschrieben worden ist. Mit anderen Worten kann der erfindungsgemäße Ultraschallsensor als abgesetzte Einheit in Verbindung mit einem zentralen elektronischen Steuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches sich zur Untersuchung eines Ultraschallechos eignet. Dieses umfasst einen Signaleingang zum Empfangen eines Korrelationskoeffizienten und insbesondere auch eines Zeitsignals von einem Ultraschallsensor, welcher beispielsweise gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgestaltet ist. Eine Auswerteeinheit ist eingerichtet, anhand des empfangenen Korrelationskoeffizienten und einer vordefinierten Referenz eine Länge eines mittels des Ultraschallsensors empfangenen Ultraschallpulses zu ermitteln. Hierbei werden die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Prinzipien und Abhängigkeiten entsprechend genutzt, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallmesssystem mit einem elektronischen Steuergerät gemäß dem drittgenannten Erfindungsaspekt und mindestens einem, bevorzugt mehreren, Ultraschallsensoren gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt vorgeschlagen. Das Ultraschallmesssystem kann beispielsweise eingerichtet sein, an einem Fortbewegungsmittel beziehungsweise in einem Fortbewegungsmittel angeordnet und betrieben zu werden. Auch ein entsprechend ausgerüstetes Fahrzeug wird vorgeschlagen, wobei sich sowohl für das Ultraschallmesssystem als auch für das gesamte erfindungsgemäß ausgestaltete Fahrzeug die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend den obigen Ausführungen ergeben.
Erfindungsgemäß wird der mathematische Zusammenhang zwischen der Höhe des Korrelationskoeffizienten und der Länge des empfangenen Echos genutzt, nach welchem der Korrelationskoeffizient mit länger werdendem Echo größer wird. Da die Höhe des Korrelationskoeffizienten üblicherweise auch von anderen Kenngrößen (z. B. der Echoqualität beziehungsweise dem Vorhandensein etwaiger Störsignale) abhängt, sind entsprechende Parameter beziehungsweise Kenngrößen gesondert zu ermitteln und bei der erfindungsgemäßen Auswertung zu berücksichtigen. Insbesondere bei Verwendung über der Zeit veränderlicher Grundfrequenzen der verwendeten Messsignale ist auch eine Frequenzabhängigkeit zu berücksichtigen beziehungsweise die ausschließliche Korrelation verwandter Messsignal-/Echosignalkombinationen sicherzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Übersicht über Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallmesssystems;
2 eine schematische Übersicht über Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels;
3 Zeitdiagramme veranschaulichend Probleme gemäß dem Stand der Technik arbeitender Ultraschallmesssysteme;
4 Zeitsignale veranschaulichend die Vorteile eines gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitenden Ultraschallmesssystems;
5 eine simulierte, eine mathematisch erstellte sowie eine messtechnisch ermittelte Veranschaulichung eines Zusammenhangs zwischen der Höhe des Korrelationskoeffizienten und der Länge des Ultraschallechos bei konstanter Länge des verwendeten angepassten Filters;
6 Zeitdiagramme veranschaulichend Nachteile bei der Untersuchung komplexe Oberflächenstrukturen aufweisender Umgebungssignale durch ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik; und
7 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Ultraschallmesssystem 9, welches einen Ultraschallsensor 1 und ein elektronisches Steuergerät 4 als zentrale Auswerteeinheit umfasst. Über eine Piezo-Membran 2 eines Ultraschallsensors 1 wird ein auf einem elektrischen Messsignal basierender Ultraschallpuls 6 in Richtung einer Wand 11 als Umgebungsobjekt ausgesendet. Das von der Wand 11 reflektierte Ultraschallecho 6' wird durch dieselbe Piezo-Membran 2 in ein zweites elektrisches Signal gewandelt und in einer Auswerteeinheit 3 des Ultraschallsensors 1 mittels eines angepassten Filters gefiltert und mit dem elektrischen Messsignal korreliert. Über einen Signalausgang 5 des Ultraschallsensors 1 und einen Signaleingang 7 des elektronischen Steuergerätes 4 werden das Zeitsignal des empfangenen Ultraschallechos 6' sowie das Ergebnis der Korrelation einem programmierbaren Prozessor 8 des elektronischen Steuergerätes 4 zur Verfügung gestellt. Innerhalb des programmierbaren Prozessor 8 werden das Ultraschallecho 6', der Korrelationskoeffizient und zusätzliche Informationen beschreibend die Qualität des Ultraschallechos untersucht, um die Länge des Ultraschallechos zu ermitteln.
2 zeigt einen PKW 10 als Fortbewegungsmittel, in welches ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, in 1 dargestellten Ultraschallmesssystems 9 integriert ist. Der Ultraschallsensor 1 ist in der vorderen Stoßstange des PKW 10 integriert, während eine Head-Unit als elektronisches Steuergerät 4 die zentrale Auswertung der Korrelation übernimmt.
3 zeigt Zeitdiagramme, welche die Erkennung von Echos in empfangenen Umgebungssignalen gemäß dem Stand der Technik veranschaulichen. Hierbei kennzeichnet x(t) das Zeitsignal empfangener Echos. In drei Zeitbereichen w1, w2, w3 überschreitet das Zeitsignal x(t) die zur Echoerkennung vordefinierte Schwellenwertfunktion TH ("threshold"). Bei einer binären Bewertung des Überschreitens der Schwellenwertfunktion ergibt sich das Signal x_B(t), welches in den Zeitbereichen w1, w2, w3 entsprechende High-Pegel aufweist. Zur Unterscheidung zwischen kurzzeitigen Störungen und tatsächlichen Echos schlägt der Stand der Technik eine Filterung vor, deren Ausgangssignal durch das Signal x_F(t) beschrieben wird. Aufgrund seiner minimalen Dauer der Überschreitung der Schwellenwertfunktion zur Erkennung eines ordnungsgemäßen Echos ist der mittlere Peak beziehungsweise High-Pegel im Zeitbereich w2 herausgefiltert worden. Basierte dieser Peak auf einem Umgebungsobjekt, ist dieses Umgebungsobjekt für das System des Standes der Technik unsichtbar. Entsprechend liegen dessen Anwender beziehungsweise dessen nachgeschalteter Signalverarbeitung Informationsdefizite beziehungsweise Falschinformationen vor.
4 zeigt Zeitverläufe eines erfindungsgemäß ausgestalteten Ultraschallmesssystems auf Basis des bereits in 3 vorgestellten Zeitsignals x(t). Das Zeitsignal wird durch eine digitale Signalverarbeitungsarbeit verarbeitet, welche eine Kreuzkorrelation (Xcorr) zwischen dem empfangenen Ultraschallsignal x(t) und dem Ausgangssignal des angepassten Filters sowie einen Korrelationskoeffizienten (auch "R-Wert"), welcher als normierte Kreuzkorrelationsfunktion definiert ist, ausgibt. Die Echos werden unter Verwendung unterschiedlicher Schwellenwertfunktionen (TH1, TH2, TH3) erkannt, mit welchen die Kreuzkorrelationsfunktionen Xcorr(t) und der Korrelationskoeffizient R(t) verglichen werden. Dabei entspricht die Laufzeit des Ultraschallechos der Position seines Höchstwertes ("Peak") in der Kreuzkorrelationsfunktion und im Korrelationskoeffizienten. Ein Maß für die Echoqualität ist die Amplitude des Korrelationskoeffizienten R(t), wobei der Korrelationskoeffizient R(t) von unterschiedlichen Signalparametern abhängt. Ist der Korrelationskoeffizient R(t) hoch, wird das Echo als "von hoher Qualität" angenommen, da es dem erwarteten "perfekten Echo" ähnlich ist. In 4 sind die Höchstwerte der Kreuzkorrelationsfunktion Xcorr(t) sowie des Korrelationskoeffizienten R(t) mit T1, T2 und T3 gekennzeichnet. Während der Korrelationskoeffizient R(t) zu den Zeitpunkten T1 und T3 die Schwellenwertfunktion TH2 überschreitet, wird zum Zeitpunkt T2 die dritte Schwellenwertfunktion TH3 nur knapp überschritten. Dies liegt daran, dass die zeitliche Erstreckung des Ultraschallechos zum Zeitpunkt T2 nur sehr gering ist, während die zeitlichen Erstreckungen der Ultraschallechos zu den Zeitpunkten T1 und T3 im Wesentlichen gleich lang sind. Ein Einfluss der Amplitude des Zeitsignals x(t) ist im Korrelationskoeffizienten R(t) hingegen nicht erkennbar. Die gezeigte Darstellung unterstreicht die Eignung des Korrelationskoeffizienten R(t) zur Ermittlung der Länge eines Ultraschallechosignals.
5 zeigt in Teildiagramm a) eine errechnete (Kurve 51) und eine simulierte (Kurve 52) zur Abhängigkeit der Amplitude des Korrelationskoeffizienten R(t) über der Echolänge bei fester Länge des verwendeten angepassten Filters von 320 µs. In Teildiagramm b) ist die gemessene Abhängigkeit der Amplitude des Korrelationskoeffizienten R(t) als Funktion der Echolänge bei festgehaltener Frequenz (48 kHz) und Länge (320 µs) des verwendeten angepassten Filters über der Impulsdauer in Mikrosekunden aufgetragen. Für beide Teildiagramme a) und b) ergeben sich deutliche Abhängigkeiten der Amplitude des Korrelationskoeffizienten R(t) bis zu Echolängen von circa 270 beziehungsweise 300 µS. Diese Abhängigkeit kann erfindungsgemäß zu einer Detektion einer Länge eines empfangenen Echos verwendet werden.
6 zeigt Zeitdiagramme, welche bei einer Echodetektion unter Verwendung eines gemäß dem Stand der Technik bekannten Pulsweitendiskriminators erstellt wurden. Das das empfangene Ultraschallecho x(t) reflektierende Umgebungsobjekt weist derart voneinander abgesetzte Oberflächenbereiche mit unterschiedlichem Abstand von dem verwendeten Ultraschallmesssystem auf, dass vier Signalbereiche A₁, A₂, A₃, A₄ nur über vergleichsweise kurze Zeitdauern L₁, L₂, L₃, L₄ eine vordefinierte Schwellenwertfunktion TH überschreiten. Das resultierende Binärsignal x_B(t) weist also vier kurze High-Pegel-Bereiche auf, welche unterhalb der vordefinierten Mindestlänge zur Erkennung eines Echos aus der Umgebung liegen. Entsprechend enthält das gefilterte Binärsignal x_F(t) kein einziges Echosignal, was bei einer Kollisionsüberwachung zu mitunter verheerenden Folgen führen kann.
7 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Untersuchung eines Ultraschallechos. In Schritt 100 wird ein auf einem ersten elektrischen Signal basierender Ultraschallpuls in die Umgebung eines verwendeten Ultraschallmesssystems gesendet. Dies kann beispielsweise unter Verwendung einer Piezo-Membran erfolgen. In Schritt 200 wird ein Ultraschallecho mittels eines Ultraschallwandlers empfangen, wofür derselbe Ultraschallwandler verwendet wird, mittels dessen der Ultraschallpuls in Schritt 100 ausgesendet worden ist. In Schritt 300 wird das empfangene Ultraschallecho in ein elektrisches zweites Signal gewandelt. In Schritt 400 wird das gewandelte zweite elektrische Signal mit einem Filter gefiltert, welches auf das zweite elektrische Signal angepasst ist. Insbesondere die Grundfrequenz des zweiten Filters sowie ein etwaig über der Zeit veränderlicher Verlauf der Grundfrequenz sowie der Oberfrequenzen werden hierbei durch das Filter berücksichtigt. In Schritt 500 werden das erste Signal und das zweite Signal miteinander korreliert und in Schritt 600 das Zeitsignal des zweiten elektrischen Signals und der Korrelationskoeffizient von dem verwendeten Ultraschallsensor an ein zentrales elektronisches Steuergerät gesendet, welches über weitere erfindungsgemäße Ultraschallsensoren verfügt. In Schritt 700 wird der Korrelationskoeffizient mit einer vordefinierten Referenz verglichen und daraus in Schritt 800 eine Länge des Ultraschallechos bestimmt. Hierzu weist die Referenz eine Abhängigkeit von der Frequenz des zweiten Signals sowie von der Qualität ("Verwandtschaft") des zweiten Signals vom ersten Signal auf. In Schritt 900 wird eine räumliche Erstreckung des den Ultraschallpuls reflektierenden Umgebungsobjektes aus der Länge des Ultraschallechos ermittelt. In Schritt 1000 wird ein weiterer Ultraschallpuls ausgesendet, welcher auf einem dritten elektrischen Signal einer vordefinierten anderen Frequenz als das erste elektrische Signal basiert. In Schritt 1100 wird ein auf dem zweiten Ultraschallpuls basierendes Ultraschallecho in ein viertes elektrisches Signal gewandelt und in Schritt 1200 mit einem auf die vordefinierte Frequenz des dritten und vierten Signals angepassten Filter gefiltert. Erfindungsgemäß wird weiter verfahren, wie dies in Verbindung mit dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal in Verbindung mit den Schritten 500 bis 900 beschrieben worden ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zur angepassten Filterung und Korrelationskoeffizientenauswertung vor, welche beispielsweise für bei fester Grundfrequenz arbeitende Toter-Winkel-Assistenten(englisch: Side View Assist, SVA)-Systeme verwendet werden kann. Diese Systeme arbeiten üblicherweise mit Ultraschallpulsen, welche im Bereich um die 50 kHz beziehungsweise zwischen 48 kHz und 52 kHz liegen. Erfindungsgemäß werden kurze Echos unterdrückt, die Länge der Echos gemessen und Umgebungsobjekte bezüglich ihrer Oberflächenbeschaffenheit beispielsweise dahingehend kategorisiert, ob sie eine einzelne reflektierende oder mehrere reflektierende Teiloberflächen aufweisen. Hierzu werden Kreuzkorrelationen mit angepasst gefilterten Ultraschallsignalen durchgeführt und die oben genannte Abhängigkeit zwischen der Echolänge und dem Korrelationskoeffizienten beziehungsweise dessen Amplitude genutzt. Sofern die Länge des Echos kleiner oder gleich der Länge des verwendeten angepassten Filters ist, ergibt sich für die Amplitude R_Ampl des Korrelationskoeffizienten der folgende Zusammenhang:
Solange die Echolänge größer als die Länge des verwendeten angepassten Filters ist, ergibt sich ein Korrelationskoeffizient der Amplitude R_Ampl von ungefähr 1.
Das angepasste Filter kann derart eingerichtet werden, dass die Frequenz eines gesendeten Ultraschallpulses und dessen Dauer für das verwendete Filter dieselbe Frequenz und eine Länge erfordern, welche größer oder gleich der Dauer des Ultraschallpulses ist. Sofern Echos kürzer als eine vordefinierte Länge unterdrückt werden sollen, werden Echos mit einem Korrelationskoeffizienten einer Amplitude kleiner als R_min verworfen (nicht als tatsächliche Umgebungsechos behandelt), wobei gilt:
Sofern ein Echo mit einer Amplitude größer als R_min erfasst worden ist, kann die effektive Länge des Echos L_Echo nach der folgenden Formel bestimmt werden: L_Echo = R² _AmplL_MF – const.
Während einfache Objekte eine einfache, reflektierende Oberfläche aufweisen und ein klares einzelnes Echo erzeugen, haben komplexe Umgebungsobjekte eine Vielzahl reflektierender Teiloberflächen. Die Echos, welche von einem komplexen Objekt stammen, enthalten für gewöhnlich überlappende Echos, welche einander auslöschen beziehungsweise verstärken. Die Auslöschungen können dazu führen, dass gemäß dem Stand der Technik mehrere einzelne (kleinere) Echos detektiert werden. Mitunter werden solche Echos auch anteilig oder vollständig unterdrückt. Die vorgeschlagene Erfindung kann jedoch dazu verwendet werden zu messen, um wie viel länger das empfangene Echo gegenüber dem ausgesandten Ultraschallpuls ist. Hierzu sollte die Länge des angepassten Filters deutlich länger als die Länge des ausgesandten Pulses sein: L_MF ≥ 2D
Falls nun die Länge des Echos kleiner oder gleich der Dauer des ausgesandten Ultraschallpulses ist, handelt es sich um ein einfaches Objekt. Sofern die Echodauer größer als die Dauer des ausgesandten Ultraschallpulses ist, wurde das Echo von einem komplexen Objekt reflektiert, sodass mehr als eine Reflexion empfangen wurde. Sofern die Länge des Echos viel größer als die Länge des ausgesandten Ultraschallpulses ist, wurde das Echo von einem sehr komplexen Objekt mit mehreren Reflexionsflächen erzeugt. Hierbei wird angenommen, dass ein langes Echo von einem komplexen Objekt, nicht jedoch von zwei einfachen Objekten mit gleicher Distanz aber unterschiedlichem Aufenthaltsort stammt. Diese Annahme ist insbesondere bei der Verwendung in Toter-Winkel-Assistenten angebracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011109915 A1 [0003]
DE 102012202975 A1 [0004]
DE 102012211293 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Untersuchung eines Ultraschallechos umfassend die Schritte: – Senden (100) eines auf einem ersten Signal basierenden Ultraschallpulses – Wandeln (300) eines Ultraschallechos (6‘) in ein elektrisches zweites Signal, – Filtern (400) des zweiten Signals mit einem Filter, welches auf das zweite Signal angepasst ist, – Korrelieren (500) des ersten Signals und des zweiten Signals, – Vergleichen (700) eines Ergebnisses der Korrelation mit einer vordefinierten Referenz, und daraus – Bestimmen (800) einer Länge des Ultraschallechos.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallpuls (6) eine erste feste Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend – Aussenden (1000) eines auf einem dritten Signal basierenden zweiten Ultraschallpulses (6) einer vordefinierten Frequenz, – Wandeln (1100) eines Ultraschallechos (6‘) in ein viertes elektrisches Signal, und – Filtern (1200) des vierten Signals mit einem Filter, welches auf die vordefinierte Frequenz des vierten Signals angepasst ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend den Schritt – Empfangen (200) des Ultraschallechos (6‘) mittels eines Ultraschallwandlers (2).
Verfahren nach Anspruch 4 weiter umfassend – Senden (600) eines Zeitsignals und eines Korrelationskoeffizienten von einem Ultraschallsensor (1) an ein zentrales elektronisches Steuergerät (4).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ergebnis der Korrelation einen Korrelationskoeffizienten umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend den Schritt – Ermitteln (900) einer räumlichen Erstreckung eines Umgebungsobjektes (11) aus der Länge des Ultraschallechos (6‘).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – das Filtern (400) mittels einer Filterlänge größer oder gleich, insbesondere eines zwei-, drei oder vierfachen, der zeitlichen Länge des ersten Signals erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Referenz in Abhängigkeit einer Frequenz und/oder eines Parameters des zweiten oder dritten Signals vordefiniert ist.
Ultraschallsensor zur Umfelddetektion umfassend – einen Ultraschallwandler (2), – eine Auswerteeinheit (3) und – einen Signalausgang (5), wobei – der Ultraschallwandler (2) eingerichtet ist, einen auf einem ersten Signal basierenden Ultraschallpuls (6) in ein elektrisches zweites Signal zu wandeln, – die Auswerteeinheit (2) eingerichtet ist, – das zweite Signal zu filtern, – das erste Signal und das gefilterte zweite Signal miteinander zu korrelieren, und – das zweite Signal, bevorzugt gefiltert, sowie ein Ergebnis der Korrelation, insbesondere einen ermittelten Korrelationskoeffizienten, über den Signalausgang (5) an ein elektronisches Steuergerät (4) zu senden.
Elektronisches Steuergerät (4), umfassend: – einen Signaleingang (7) zum Empfangen eines Korrelationskoeffizienten von einem Ultraschallsensor (1), insbesondere nach Anspruch 10, und – eine Auswerteeinheit (3), welche eingerichtet ist, – anhand des Korrelationskoeffizienten und einer vordefinierten Referenz eine Länge eines mittels des Ultraschallsensors (1) empfangenen Ultraschallpulses (6) zu ermitteln.
Ultraschallmesssystem, umfassend: – ein elektronisches Steuergerät (4) nach Anspruch 11 und – mindestens einen Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 10.
Fahrzeug umfassend ein Ultraschallmesssystem (9) nach Anspruch 12.