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Oberbegriff
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Die Erfindung richtet sich auf ein Ultraschallmesssystem, das die Reflexion oder Wiederausstrahlung von Ultraschallwellen anwendet und das die Reflexion oder Wiederausstrahlung von Ultraschallwellen auswertet, wobei die Art oder die Wellenlänge der Ultraschalwellen unerheblich oder unspezifiziert ist. Insbesondere dient das Ultraschallmesssystem der Verhinderung von Zusammenstößen eines Kraftfahrzeugs (Kfz) mit bewegten und/oder unbewegten Objekten. Bei dem beschriebenen Ultraschallmesssystem erfolgt eine Übertragung von unterbrochenen impulsmodulierten Ultraschallwellen. Es wird eine spezielle Verarbeitung im Empfänger der ausgesandten Ultraschallwellen beschrieben. Insbesondere dient das Ultraschallmesssystem der Aussonderung und dem Herausholen erwünschter Echosignale, sowie dem Verwurf nicht erwünschter Echosignale aus dem Signaldatenstrom. Das Ultraschallmesssystem nutzt ein Verfahren zur Frequenzmessung.
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Allgemeine Einleitung und Stand der Technik
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Ein Problem bei der Umfelderkennung durch Ultraschall im Umfeld von Automobilen z. B. im Zusammenhang mit Parkhilfen und Parkassistenzfunktionen ist die geringe Messgeschwindigkeit. Grund dafür ist die geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls. Dieses Problem wird umso wichtiger, da man mittlerweile auch im (langsam) fahrenden Fahrzeug die Funktion der Umfelderkennung, insbesondere im Zusammenhang mit einem Kamerasystem, mittels Sensor-Fusion nutzen möchte.
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Der gleichzeitige Betrieb aller Sensoren im Stoßfänger ist jedoch nicht so ohne weiteres möglich, da die Signale des einen Sensors auch im benachbarten Sensor messbar sind. Diese Kreuzechos sind sogar erwünscht, da manche Objekte nur auf diese Weise im Gesamtsystem detektierbar sind.
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Die Ultraschallsignale der verschiedenen Ultraschallsensoren müssen also unterscheidbar und daher verschieden sein.
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Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, den Sendepuls mit einem Kode zu versehen. Allerdings versagen die aus der Radar- und Übertragungstechnik üblichen Verfahren auf Grund der Dopplerempfindlichkeit und der Verwirbelungen der Luft. Die außerordentliche Länge eines so modulierten Sendepulses beeinträchtigt auch die Messung im Nahbereich (< 1 m).
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Eine Möglichkeit besteht darin, durch unterschiedliche und eventuell auch zufällig verteilte Pulswiederholraten der Sensoren die Echos des einen Sensors von den Echos des anderen Sensors zu unterscheiden (z. B.
EP 1 517 157 B1 ). Dies wird auch als statistische oder stochastische Kodierung bezeichnet. Zur Unterstützung dieses Verfahrens wäre es hilfreich, über eine einfache Kodierung der Ultraschallsignale zu verfügen, die es ermöglicht, die benachbarten Ultraschallsensoren mit ihren starken Kreuzechos besser zu trennen.
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Eine Möglichkeit besteht darin das Ultraschallsendesignal während der Aussendung in seiner momentanen Sendefrequenz zu ändern. Ein Beispiel hierfür wäre die Änderung der momentanen Sendefrequenz des Ultraschallsendesignals von etwas unterhalb der Sendemittenfrequenz linear bis etwas oberhalb der Sendemittenfrequenz. Komplementär dazu ist auch der umgekehrte Verlauf der momentanen Sendefrequenz des Ultraschallsendesignals möglich. Bekanntermaßen ist die Änderung der momentanen Sendefrequenz von Ultraschallschwingern nur begrenzt möglich. Die Bandbreite der im Kfz üblichen Ultraschallsensoren lässt daher nur einen geringen Frequenzhub von z. B. ±5 kHz zu. Um die Nahbereichsdetektion nicht zu verschlechtern, sollte auch das Ultraschallpulspaket, das zum Senden verwendet wird, nicht wesentlich verlängert werden.
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Aus der
DE 101 06 142 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Multisensor-Arrays einer Einparkhilfe eines Kraftfahrtzeugs bekannt, das mindestens zwei Ultraschallsensoren zum Senden und Empfangen von reflektierten Ultraschallimpulsen aufweist. Dabei werden durch die Sendeeinheiten der Sensoren unterschiedlich kodierte bzw. frequenzmodulierte Ultraschallpulse (Bezugszeichen 3 der der
DE 101 06 142 A1 ) ausgesendet und empfangene Ultraschallpulse (Bezugszeichen 4 der der
DE 101 06 142 A1 ) anhand ihrer Codierung den Sendeeinheiten bzw. Sensoren zugeordnet (Zusammenfassung der der
DE 101 06 142 A1 und deren
1) Als unterschiedliche Kodierungen der Ultraschallpulse sind dazu linear auf-/abwärts frequenzmodulierte bzw. Chirp-Up, Chirp-Down Pulse beschrieben. (Vergleiche Spalte 5 abschnitte [0048], [0049] und Spalte 6 [0051] bis Spalte 8 [0063] der der
DE 101 06 142 A1 ) Die der
DE 101 06 142 A1 beschreibt somit eine Ausführungsform der Detektion der Art der Kodierung bzw. Modulation mittels daran angepasster Filter bzw. Matched-Filter (vergleiche Spalte 3, Abschnitt [0020], Spalte 6 Abschnitt [0055] bis Spalte 8 Abschnitt [0063] der der
DE 101 06 142 A1 ). Experimente haben gezeigt, dass eine ausreichende Trennung der beiden Ultraschallpulspaketeigenschaften „Chirp-Up” und „Chirp-Down” auf Basis der
DE 101 06 142 A1 nicht hinreichend effektiv erfolgen kann.
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Problem
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Unter diesen Randbedingungen ist eine eindeutige Zuordnung der Ultraschallsignale mittels Auto- und Kreuzkorrelation im Stand der Technik zu den aussendenden Ultraschallsensoren derzeit praktisch nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch Verfahren nach Anspruch 1 und 2 gelöst.
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Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
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Leitet man parallel zur Hüllkurve des empfangenen Echos eines Ultraschallpulspakets gleichzeitig noch den zeitlichen Verlauf der Frequenzänderung nach der Zeit ab, so lassen sich die Signaltypen „Chirp UP” (Frequenzänderung von niedrig nach hoch) oder „Chirp Down” (Frequenzänderung von hoch nach niedrig), so wie das bekannte nicht modulierte Signal „NO-Chirp” gut voneinander unterscheiden. (2)
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Das temporäre Maximum der Amplitude des Echos, so wie das zeitliche Maximum der Frequenzänderung des Echos eines Ultraschallpulspakets, treten zeitlich nahezu gleichzeitig auf. Dadurch ist die Art der Modulation dieses Echos feststellbar. Die 3 und 4 zeigen einen Chirp-Down, sowie ein nicht moduliertes Signal.
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Weist also die Frequenzänderung über die Zeit ein Maximum oder Minimum innerhalb eines zeitlichen Fensters um das Amplitudenmaximum des Echosignals herum auf und überschreitet dieses temporäre Maximum der Frequenzänderung einen ersten Schwellwert oder unterschreitet dieses temporäre Minimum der Frequenzänderung einen zweiten Schwellwert, so liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein frequenzmoduliertes Signal in Form eines frequenzmodulierten Ultraschallpulspakets vor. Die Art der Modulation (Chirp-Up / Chirp-Down) kann aus dem Vorzeichen der Frequenzänderung bestimmt werden.
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Es wird also ein Verfahren zur Ermittlung eines möglichen Unterscheidungsmerkmals für mindestens zwei empfangene Ultraschallsignale, für ein erstes Ultraschallsignal und für ein zweites Ultraschallsignal, und zur Verwendung in einem Ultraschallmesssystem in einem Kfz vorgeschlagen.
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Das Ultraschallmesssystem weist zumindest einen ersten Ultraschallsensor und einen zweiten Ultraschallsensor auf. Die Verwendung weiterer Ultraschallsensoren ist möglich. In einem Steuerrechner des Ultraschallmesssystems wird das vorgeschlagene Verfahren durchgeführt. Dabei kommuniziert der Steuerrechner mit den Ultraschallsensoren über einen Datenbus. Der Steuerrechner muss dabei herausfinden, ob ein Echo-Signal eines Ultraschallsensors sich auf ein Echo eines von diesem Ultraschallsender ausgesendeten Signals (genauer: eines Ultraschallpulspakets) zurückführen lässt oder nicht. Dieses Verfahren kann bei entsprechender Ausstattung der Ultraschallsensoren mit Rechenkapazität auch in diesen durchgeführt werden. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren senden sowohl der erste Ultraschallsensor, als auch der zweite Ultraschallsensor Ultraschallsignale aus, die miteinander interferieren. Der erste Ultraschallsensor sendet dabei ein erstes Ultraschallsignalsignal aus und der zweite Ultraschallsensor ein zweites Ultraschallsignal. Die Aussendung erfolgt typischerweise gepulst in sogenannten „Bursts”, im folgenden Ultraschallpulspakete genannt. Hierbei handelt es sich um eine Aufeinanderfolge einzelner Ultraschallschwingungen. Typischerweise schwingt das Sendeelement, ein vorzugsweise piezoelektrisches Schwingelement, des Ultraschallsensors langsam an und ab, sodass ein Ultraschallpulspaket typischerweise mehrere dieser Ultraschallschwingungen umfasst. Zur Vereinfachung nehmen wir an, dass das erste Ultraschallsignal ein erstes Ultraschallpulspaket aufweist, welches wiederum mehrere aufeinanderfolgende erste Ultraschallschwingungen umfasst. Beispielhaft nehmen wir hier an, dass Echos dieses ersten Ultraschallpulspakets durch den ersten Ultraschallsensor empfangen und für die Messung, beispielsweise eine Abstandsmessung, durch das Ultraschallmesssystem verwendet werden sollen. Damit es nicht zu einer Fehlmessung kommen kann, müssen Echos dieses ersten Ultraschallpulspakets von Echos anderer Ultraschallpulspaketen anderer Ultraschallsensoren durch die Auswertelektronik, also den Steuerrechner des Ultraschallmesssystems, unterschieden werden. Fälschlicherweise als Echos erster Ultraschallpulspakete empfangene Echos anderer Ultraschallpulspakete anderer Ultraschallsensoren werden verworfen. Dies kann auch für die Erkennung von Überreichweiten benutzt werden, wenn die zeitliche Folge der Ultraschallpulspakete so schnell ist, dass die Fern-Echos erst eintreffen, wenn bereits Echos eines nachfolgenden Ultraschallpulspakets erwartet werden. Naturgemäß weisen sowohl das erste Ultraschallpulspaket als auch das zweite Ultraschallpulspaket einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende auf. Der zeitliche Beginn und das zeitliche Ende des ersten Ultraschallpulspakets weisen dabei einen ersten zeitlichen Abstand (Δt1) auf. Wie zuvor dargestellt, ist es möglich, innerhalb eines Ultraschallpulspakets die Frequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals in engen Grenzen zu variieren. Dies kann für die Unterscheidung des Ursprungs der Ultraschallpulspakete der empfangenen Echos derselben genutzt werden. Hierzu wird die Frequenz innerhalb jedes Ultraschallpulspakets moduliert. Die ersten Ultraschallschwingungen innerhalb des ersten Ultraschallpulspakets weisen dann unterschiedliche momentane Sendefrequenzen (f1(t)) auf. Dabei weisen einige der ersten Ultraschallschwingungen innerhalb des ersten Ultraschallpulspakets eine Minmalsendefrequenz (f1min) auf und andere erste Ultraschallschwingungen innerhalb des ersten Ultraschallpulspakets eine Maximalsendefrequenz (f1max) auf. Vorzugsweise wird diese Frequenzmodulation des ersten Ultraschallpulspakets nun so gestaltet, dass die momentane Sendefrequenz (f1(t)) der ersten Ultraschallschwingungen innerhalb des ersten Ultraschallpulspakets entweder zeitlich vom Beginn des ersten Ultraschallpulspakets zum Ende des ersten Ultraschallpulspakets entweder ansteigt oder monoton abfällt. Eine Modulation mit einer monoton aufsteigenden momentanen Sendefrequenz (f1(t)) der ersten Ultraschallschwingungen wird im Folgenden als „Chirp-Up” bezeichnet. Eine Modulation mit einer monoton fallenden momentanen Sendefrequenz (f1(t)) der ersten Ultraschallschwingungen wird im Folgenden als „Chirp-Down” bezeichnet. Statt einer monotonen Frequenzänderung ist auch eine streng monotone Sendefrequenzänderung oder besonders bevorzugt und empfohlen, eine lineare Sendefrequenzänderung möglich.
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Gleichzeitig sendet ein zweiter Ultraschallsensor synchron oder nicht synchron ein zweites Ultraschallsignal aus. Entsprechend weist das zweite Ultraschallsignal ebenfalls mindestens ein zweites Ultraschallpulspaket auf, das mehrere aufeinanderfolgende zweite Ultraschallschwingungen umfasst und dessen Echos eigentlich NICHT empfangen werden sollen. Auch dieses zweite Ultraschallpulspaket weist wieder einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende auf. Nun besitzen die zweiten Ultraschallschwingungen innerhalb des zweiten Ultraschallpulspakets unterschiedliche momentan Sendefrequenzen (f2(t)). Analog zu dem Vorgesagten haben einige zweite Ultraschallschwingungen innerhalb des zweiten Ultraschallpulspakets eine Minmalsendefrequenz (f2min) und andere zweite Ultraschallschwingungen innerhalb des zweiten Ultraschallpulspakets eine Maximalsendefrequenz (f2max). Auch das zweite Ultraschallpulspaket wird frequenzmoduliert. Die momentane Sendefrequenz (f2(t)) der zweiten Ultraschallschwingungen innerhalb des zweiten Ultraschallpulspakets steigt entweder zeitlich vom Beginn des zweiten Ultraschallpulspakets zum Ende des zweiten Ultraschallpulspakets monoton an oder fällt in diesem Zeitraum monoton ab. Auch hier sprechen wir von „Chirp-Up” und „Chirp-Down”. Vorzugsweise sendet entweder der erste Ultraschallsender ein erstes Ultraschallpulspaket mit „Chirp-Up”-Eigenschaft, während der zweite Ultraschallsensor ein zweites Ultraschallpulspaket mit „Chirp-Down”-Eigenschaft sendet oder der erste Ultraschallsender ein erstes Ultraschallpulspaket mit „Chirp-Down”-Eigenschaft, während der zweite Ultraschallsensor ein zweites Ultraschallpulspaket mit „Chirp-Up”-Eigenschaft sendet. Dies ermöglicht eine Unterscheidung der des ersten Ultraschallsignals mit seinem ersten Ultraschallpulspaket vom zweiten Ultraschallsignal mit seinem zweiten Ultraschallpulspaket.
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Sollen Überreichweiten beispielsweise des ersten Ultraschallsensors erkannt werden, so sendet entweder der erste Ultraschallsender zuerst ein erstes Ultraschallpulspaket mit „Chirp-Up”-Eigenschaft und dann ein zeitlich nachfolgendes weiteres erstes Ultraschallpulspaket mit „Chirp-Down”-Eigenschaft oder der erste Ultraschallsender sendet alternativ dazu zuerst ein erstes Ultraschallpulspaket mit „Chirp-Down”-Eigenschaft und dann ein zeitlich nachfolgendes weiteres erstes Ultraschallpulspaket mit „Chirp-Up”-Eigenschaft.
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Statt der zweiwertigen Logik mit Ultraschallpulspaketeigenschaften „Chirp-Down” und „Chirp-Up” ist noch eine dreiwertige Logik durch Verwendung der Ultraschallpulspaketeigenschaft „No-Chirp” möglich. Diese bedeutet im Sinne dieser Offenlegung, dass weder die Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Down” noch die Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Up” bei dem jeweiligen Ultraschallpulspaket vorliegt. Somit ergibt sich die besagte dreiwertige Logik, für die Ultraschallpulspaketeigenschaft, die zu Unterscheidung der Fremdechos und der Überreichweitenechos von den gewünschten Echos herangezogen werden kann und zum Verwurf der Überreichweitenechos und der Echos der Fremdsignale und der Fremdsignale, die direkt in den jeweiligen Ultraschallsensor einstrahlen, genutzt werden kann. Die zuvor beschriebene zweiwertige Logik kann daher entsprechend auf diese drei Fälle erweitert werden. Es ist daher bei Ultraschallmesssystemen mit ein, zwei oder drei Ultraschallsensoren besonders vorteilhaft, wenn schon die Aussendung von Ultraschallpulspaketen durch diese ein, zwei oder drei Ultraschallsensoren zu zeitlich nahe beieinander liegenden Zeitpunkten erfolgen muss, dass dann diese Aussendung dieser beispielsweise drei Ultraschallsignale durch die beispielsweise drei Ultraschallsensoren mit vorzugsweise drei unterschiedlichen Ultraschallpulspaketeigenschaften erfolgt, sodass eine Zuordnung der Echos dieser vorzugsweise drei Ultraschallpulspakete zu den jeweiligen ein, zwei oder drei Ultraschallsensoren erfolgen kann. Hierfür ist es sinnvoll, wenn beispielsweise das erste der drei beispielhaften Ultraschallpulspakete die Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-UP” bei seiner Aussendung aufweist, das zweite der drei beispielhaften Ultraschallpulspakete die Ultraschallpulspaketeigenschaft „No-Chirp” bei seiner Aussendung aufweist und das dritte der drei beispielhaften Ultraschallpulspakete die Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Down” bei seiner Aussendung aufweist.
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Der Empfang des ersten und/oder weiteren ersten und/oder zweiten Ultraschallpulspakets durch den ersten Ultraschallsensor, der hier betrachtet wird, erfolgt dann in Form des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets. Der Steuerrechner und/oder der Rechner im ersten Ultraschallsensor selbst ermitteln dann vorzugsweise die Hüllkurve (H(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets und die Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets. Statt einer digitalen Datenverarbeitungsanlage können auch digitale Schaltungen und/oder analoge Schaltungen für diesen Zweck verwendet werden. Die Ermittlung der Momentanfrequenz (fe(t)) kann beispielsweise durch Fourier-Transformation und/oder Wavelet-Transformation, insbesondere in speziellen Filtern, erfolgen. Zur Bewertung des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets bildet eine Teilvorrichtung des Ultraschallmesssystems, die beispielsweise der Steuerrechner oder ein Rechner im Ultraschallsensor oder eine äquivalente Schaltung gleicher Funktion ist, die erste zeitliche Ableitung (f'e(t)) und die zweite zeitliche Ableitung (f''e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets. Zur Ermittlung des Maximums der ersten zeitlichen Ableitung (f'e(t)) ist es vorteilhaft den Nulldurchgang der zweiten zeitlichen Ableitung (f''e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets beispielsweise durch einen Komparator oder eine ähnliche Vorrichtung oder durch eine Rechenanlage zu ermitteln. Ein weiterer Schritt ist dann die Ermittlung des Vorzeichens der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets. Diese Ermittlung erfolgt in einer ersten Variante zu einem Zeitpunkt (tm), der in einem weiteren zeitlichen Fenster der weiteren zeitlichen Breite (Δtw) um den Zeitpunkt des Nulldurchgangs der zeitlichen Ableitung (H'(t)) des zeitlichen Verlaufs der Hüllkurve (H(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets herum liegt, wobei die weitere zeitliche Breite (Δt) kleiner oder gleich dem ersten zeitlichen Abstand (Δt1) ist. Alternativ kann diese Ermittlung in einer zweiten Variante auch zu einem Zeitpunkt (tm) erfolgen, der in einem weiteren zeitlichen Fenster der weiteren zeitlichen Breite (Δt) um den Zeitpunkt (tm) liegt, der in einem weiteren zeitlichen Fenster der weiteren zeitlichen Breite (Δtw) um den Zeitpunkt des Nulldurchgangs der zweiten zeitlichen Ableitung (f''e(t)) des zeitlichen Verlaufs der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets herum liegt, wobei wieder die weitere zeitliche Breite (Δt) kleiner oder gleich dem ersten zeitlichen Abstand (Δt1) ist.
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Es folgt in der Signalverarbeitung die Überprüfung, ob das so ermittelte Vorzeichen der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets der Ultraschallpulspaketeigenschaft des erwarteten ersten Ultraschallpulspakets entspricht, das zuvor ausgesendet wurde. Ein ermitteltes negatives Vorzeichen bei einem gleichzeitig vorliegenden Betrag der Amplitude der ersten zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets oberhalb eines Schwellwert entspricht einer ermittelten Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Down” des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets und ein ermitteltes positives Vorzeichen bei einem gleichzeitig vorliegenden Betrag der Amplitude der ersten zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets oberhalb des Schwellwerts entspricht der ermittelten Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Up” des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets. Ein beliebiges ermitteltes Vorzeichen bei einem gleichzeitig vorliegenden Betrag der Amplitude der ersten zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets unterhalb des Schwellwerts entspricht der ermittelten Ultraschallpulspaketeigenschaft „No-Chirp” des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets. In vielen Fällen sollen aber nur zwei Ultraschallsensoren, für die ja eine zweiwertige Logik ausreichend ist, unterschieden werden. Aufgrund dieser Bewertung erfolgt dann der VERWURF des dermaßen empfangenen Echos eines Ultraschallpulspakets für die Weiterverarbeitung als Echo des ersten Ultraschallpulspakets, falls das ermittelte Vorzeichen der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos eines Ultraschallpulspakets der erwarteten Ultraschallpulspaketeigenschaft des zuvor ausgesendeten ersten Ultraschallpulspakets NICHT entspricht.
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Zur Verwendung einer dreiwertigen Logik zur Unterscheidung von bis zu drei Ultraschallsensoren ist ein modifiziertes Verfahren sinnvoll, dass ggf. auch parallel zu dem zuvor beschriebenen Verfahren angewendet werden kann. Auch dieses Verfahren dient zur Ermittlung eines möglichen Unterscheidungsmerkmals für mindestens zwei empfangene Ultraschallsignale, für ein erstes Ultraschallsignal und für ein zweites Ultraschallsignal, und ist typischerweise zur Verwendung in einem Ultraschallmesssystem in einem Kfz vorgesehen. Das Ultraschallmesssystem weist einen ersten Ultraschallsensor und zumindest einen zweiten Ultraschallsensor auf. Das Verfahren beginnt signaltechnisch mit dem Aussenden eines ersten Ultraschallsignals durch den ersten Ultraschallsensor. Dabei weist wieder das erste Ultraschallsignal zumindest ein erstes Ultraschallpulspaket auf. Dieses umfasst mehrere zeitlich aufeinanderfolgende erste Ultraschallschwingungen. Das Echo des ersten Ultraschallpulspakets soll nun empfangen und von anderen empfangenen Echos und anderen empfangenen Ultraschallsignalen mit Ultraschallpulspaketen unterschieden werden. Das erste Ultraschallpulspaket weist dabei wieder einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende mit einem ersten zeitlichen Abstand (Δt1) auf. Die ersten Ultraschallschwingungen weisen innerhalb des ersten Ultraschallpulspakets unterschiedliche momentane Sendefrequenzen (f1(t)) auf. Einige erste Ultraschallschwingungen weisen innerhalb des ersten Ultraschallpulspakets eine Minimalsendefrequenz (f1min) auf und weitere erste Ultraschallschwingungen innerhalb des ersten Ultraschallpulspakets eine Maximalsendefrequenz (f1max) auf. Die momentane Sendefrequenz (f1(t)) der ersten Ultraschallschwingungen innerhalb des ersten Ultraschallpulspakets steigt
- • entweder zeitlich vom Beginn des ersten Ultraschallpulspakets zum Ende des ersten Ultraschallpulspakets monoton an (Dieser Fall ist im Folgenden mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Up” bezeichnet), oder
- • fällt monoton ab (Dieser Fall ist im Folgenden mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Down” bezeichnet.) oder
- • steigt weder monoton an noch fällt er monoton ab. (Dieser Eigenschaft ist im Folgenden mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „No-Chirp” bezeichnet.)
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Ein Ultraschallpulspaket weist die gemeinsame Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp” auf, wenn es ein Element der Vereinigungsmenge der Menge der Ultraschallpulspakete mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Up” mit der Menge der Ultraschallpulspakete mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Down” ist.
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Der zweite Ultraschallsensor sendet parallel dazu ein zweites Ultraschallsignal aus, das zumindest ein zweites Ultraschallpulspaket aufweist. Diese Aussendung ist typischerweise nicht mir der Aussendung des ersten Ultraschallpakets durch den ersten Ultraschallsensor synchronisiert, sie kann aber synchronisiert erfolgen. Der Empfang des Echos dieses zweiten Ultraschallpakets erfolgt durch den ersten Ultraschallsensor in der Regel unsynchronisiert, da der Zeitpunkt des Eintreffens am ersten Ultraschallsensor von den äußeren Gegebenheiten abhängt. Das zweite Ultraschallpulspaket umfasst wieder mehrere aufeinanderfolgende zweite Ultraschallschwingungen, die durch den ersten Ultraschallsensor nicht empfangen sondern verworfen werden sollen. Hierzu soll das zweite Ultraschallpulspaket als solches identifiziert und vom ersten Ultraschallpulspaket unterschieden werden. Auch das zweite Ultraschallpulspaket weist einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende auf. Wie zuvor die ersten Ultraschallschwingungen des ersten Pulspaketes weisen auch die zweiten Ultraschallschwingungen innerhalb des zweiten Ultraschallpulspakets vorzugsweise unterschiedliche momentane Sendefrequenzen (f2(t)) auf. Einige zweite Ultraschallschwingungen innerhalb des zweiten Ultraschallpulspakets weisen eine Minimalsendefrequenz (f2min) auf. Weitere zweite Ultraschallschwingungen innerhalb des zweiten Ultraschallpulspakets weisen eine Maximalsendefrequenz (f2max) auf. Die momentane Sendefrequenz (f2(t)) der zweiten Ultraschallschwingungen innerhalb des zweiten Ultraschallpulspakets
- • steigt entweder zeitlich vom Beginn des zweiten Ultraschallpulspakets zum Ende des zweiten Ultraschallpulspakets monoton an (Im Folgenden mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Up” bezeichnet)
- • fällt monoton ab (Im Folgenden mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Down” bezeichnet.) oder
- • steigt weder monoton an noch fällt monoton ab (Im Folgenden mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „No-Chirp” bezeichnet.)
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Ein Ultraschallpulspaket weist die gemeinsame Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp” auf, wenn es ein Element der Vereinigungsmenge der Menge der Ultraschallpulspakete mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Up” mit der Menge der Ultraschallpulspakete mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft „Chirp-Down” ist.
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Der Empfang des ersten Ultraschallpakets wird in einem Empfangsfenster mit einem zeitlichen Empfangsbeginn und einem zeitlichen Empfangsende durch den ersten Ultraschallsensor oder eine andere Komponente des Ultraschallmesssystems, beispielsweise den Steuerrechner, erwartet. Die zeitliche Länge des Empfangsfensters entspricht einer zeitlichen Empfangsdauer. Während dieser Empfangsdauer erfolgt der Empfang des ersten und/oder zweiten Ultraschallpulspakets in Form eines empfangenen Echos eines Ultraschallpulspakets. Der Steuerrechner und/oder der Ultraschallsensor ermittelt die Hüllkurve (H(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets. Hierbei ist zu diesem Zeitpunkt nicht klar, ob es sich um ein Echo des ersten oder zweiten Ultraschallpulspakets des ersten oder zweiten Ultraschallsenders handelt. Es ist ja die Aufgabe des Verfahrens genau dieses festzustellen. Der Steuerrechner und/oder der Ultraschallsensor ermitteln den zeitlichen Verlauf der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets durch wiederholte und typischerweise zeitdiskrete mehrfache Ermittlung dieser Momentanfrequenz (fe(t)) während der Empfangsdauer. Ein typisches Verfahren hierzu kann beispielsweise eine Wavelet-Transformation oder eine DFT (diskrete Fourier-Transformation) in Kombination mit einem zeitlichen Hamming-Fenster (z. B. https://de.wikipedia.org/wiki/Fensterfunktion ) sein, dessen zeitliche Länge typischerweise nur ein Bruchteil der zeitlichen Länge des Empfangsfensters ist. Es folgt die Ermittlung der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) in Form des zeitlichen Verlaufs der Momentanfrequenz des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets. Zu Beginn eines Empfangsfensters wird eine Chirp-Richtungs-Information zum Empfangsbeginn zurückgesetzt, typischerweise auf den Wert „No-Chirp”. In dieser Chirp-Richtungs-Information, genauer in der dafür vorgesehenen Speicherstelle, wird die durch das Verfahren ermittelte Ultraschallpulspaketeigenschaft des empfangenen Echos eines Ultraschallpulspakets später abgelegt. Natürlich ist es denkbar, einen anderen Rücksetzwert zu verwenden. Es folgt der Vergleich des Werts der momentanen zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets mit einem ersten positiven Frequenzänderungsschwellwert (df1) und/oder mit einem zweiten negativen Frequenzänderungsschwellwert (df2). Hieraus ergeben sich drei mögliche Bewertungen als Ergebnis dieses Vergleiches. Der Vergleich wird typischerweise mittels einer ersten Frequenzvergleichseinrichtung, die sich typischerweise im Steuerrechner und/oder im ersten Ultraschallsensor befindet und die mit dem Steuerrechner selbst oder einem Rechner im Ultraschallsensor identisch sein kann, während der Empfangsdauer durchgeführt. Eine Verwendung spezieller Hard-Ware, beispielsweise spezieller Filter und Komparatoren im ersten Ultraschallsensor ist aber auch denkbar. Abhängig vom Vergleichsergebnis erfolgt das Setzen der Chirp-Richtungs-Information durch die erste Frequenzvergleichseinrichtung entsprechend den oben angegebenen möglichen Ultraschallpulspaketeigenschaften. Dabei erfolgt dieses Setzen der Chirp-Richtungs-Information auf einen Wert entsprechend „Chirp-Up”, wenn der Wert der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets oberhalb des Werts des ersten positiven Frequenzänderungsschwellwerts (df1) liegt und auf einen Wert entsprechend „Chirp-Down”, wenn der Wert der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets unterhalb des Werts des zweiten negativen Frequenzänderungsschwellwerts (df2) liegt und auf einen Wert entsprechend „Chirp”, wenn der Wert der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets oberhalb des Werts des ersten positiven Frequenzänderungsschwellwerts (df1) liegt oder unterhalb des Werts des zweiten negativen Frequenzänderungsschwellwerts (df2) liegt und diese Eintragsform anstelle eines Eintrags entsprechend „Chirp-Up” oder „Chirp-Down” dem Ultraschallmesssystem vorgegeben ist oder auf einen Wert entsprechend „No-Chirp”, wenn der Wert der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets weder oberhalb des Werts des ersten positiven Frequenzänderungsschwellwerts (df1) liegt noch unterhalb des Werts des zweiten negativen Frequenzänderungsschwellwerts (df2) liegt. Eine einmal gesetzte „Chirp” oder „Chirp-Down” oder „Chirp-Up” Information wird dabei dann vorzugsweise nicht mehr überschrieben. Diese Bedingung des Überschreibens bzw. Nichtüberschreibens kann mit anderen Informationen und Eigenschaften des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets kombiniert werden. Es ist beispielsweise sinnvoll, eine Mindestamplitude des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets für das Setzen der Chirp-Richtungs-Information vorzusehen. Auch kann es erlaubt werden, eine bereits gesetzte Chirp-Richtungs-Information wieder innerhalb eines Empfangsfensters zu überschreiben, wenn die aktuelle Amplitude des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets über der zeitlich innerhalb des Empfangsfensters vorausgehenden Amplitude des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets zu dem vergangenen Zeitpunkt liegt, der für die Bestimmung der noch gespeicherten Chirp-Richtungs-Information maßgeblich war.
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Nachdem die Chirp-Richtungs-Information gesetzt ist oder besser nach Ende des Empfangsfensters erfolgt eine Überprüfung durch den Steuerrechner oder einen Rechner des Ultraschallsensors oder durch eine spezielle Vorrichtung im Ultraschallsensor, ob die so ermittelte Chirp-Richtungs-Information des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets der Ultraschallpulspaketeigenschaft des ersten Ultraschallpulspakets entspricht. Hierdurch werden durch die zuvor benannten Einrichtungen des Ultraschallsensorsystems die Chirp-Richtungs-Information und damit die Ultraschallpulspaketeigenschaft des Echos des Ultraschallpulspakets mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft des ersten Ultraschallpulspakets des ersten Ultraschallsensors korreliert. Sofern diese Korrelation negativ ausfällt, die Ultraschallpulspaketeigenschaft des Echos des Ultraschallpulspakets also nicht mit der Ultraschallpulspaketeigenschaft des ersten Ultraschallpulspakets des ersten Ultraschallsensors übereinstimmt, wurde ein Echo eines Ultraschallpulspakets eines anderen Ultraschallsensors oder ein direkt empfangenes Ultraschallpulspaket eines anderen Ultraschallsensors empfangen. Solche Echos sollen typischerweise nicht verwendet werden. Es ist allerdings denkbar, die Echo-Informationen mit der Chirp-Richtungs-Information an den Steuerrechner zu übermitteln. Sofern der erste Ultraschallsensor mit dem zweiten Ultraschallsensor zeitlich synchronisiert ist, kann hieraus ggf. durch den Steuerrechner u. U. noch eine sinnvolle Information extrahiert werden.
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Typischerweise erfolgt aber der VERWURF des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets für die Weiterverarbeitung als Echo des ersten Ultraschallpulspakets, falls die so ermittelte Chirp-Richtungs-Information des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets der Ultraschallpulspaketeigenschaft des ersten Ultraschallpulspakets NICHT entspricht.
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Vorteil der Erfindung
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Ein solches Verfahren zur Ermittlung eines möglichen Unterscheidungsmerkmals in Form einer Chirp-Richtungs-Information des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets ermöglicht zumindest in einigen Realisierungen die Unterscheidung der Echos und direkt eingestrahlter Ultraschallsignale für mindestens zwei empfangene Ultraschallsignale, für ein erstes Ultraschallsignal und für ein zweites Ultraschallsignal in einem Ultraschallsensor. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt die Unterschiede für das Produkt des Signals eines „Chirp-Up”-Ultraschallpulspakets mit sich selbst und dieses „Chirp-Up”-Ultraschallpulspakets mit einem Signal eines „Chirp-Down”-Ultraschallpulspakets. Wie leicht erkennbar, sind die Unterschiede nur sehr gering.
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2 zeigt die Detektion eines „Chirp-Up”-Signals eines entsprechenden Ultraschall-Echos.
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3 zeigt die Detektion eines „Chirp-Down”-Signals eines entsprechenden Ultraschall-Echos.
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4 zeigt die Detektion eines „No-Chirp”-Signals eines entsprechenden Ultraschall-Echos eines nicht modulierten Ultraschallpulspakets mit einer nahezu konstanten Momentansendefrequenz.
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Bezugszeichenliste
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- df1
- erster positiver Frequenzänderungsschwellwert;
- df2
- zweiter negativer Frequenzänderungsschwellwert; DFT diskrete Fourier-Transformation;
- Δt1
- ersten zeitlicher Abstand zwischen dem zeitlichen Beginn und dem zeitlichen Ende des ersten Ultraschallpulspaket;
- Δtw
- weitere zeitliche Breite des weiteren zeitlichen Fensters, das um den Zeitpunkt des Nulldurchgangs der zeitlichen Ableitung (H'(t)) des zeitlichen Verlaufs der Hüllkurve (H(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets herum liegt;
- f1(t)
- momentane Sendefrequenz des ersten Ultraschallpulspakets des ersten Ultraschallsignals;
- f1max
- maximale momentane Sendefrequenz des ersten Ultraschallpulspakets des ersten Ultraschallsignals;
- f1min
- minimale momentane Sendefrequenz des ersten Ultraschallpulspakets des ersten Ultraschallsignals;
- f2(t)
- momentane Sendefrequenz des zweiten Ultraschallpulspakets des zweiten Ultraschallsignals;
- f2max
- maximale momentane Sendefrequenz des zweiten Ultraschallpulspakets des zweiten Ultraschallsignals;
- f2min
- minimale momentane Sendefrequenz des zweiten Ultraschallpulspakets des zweiten Ultraschallsignals;
- fe(t)
- Momentanfrequenz des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets;
- f'e(t)
- erste zeitliche Ableitung der Momentanfrequenz des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets;
- f''e(t)
- zweite zeitliche Ableitung der Momentanfrequenz des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets;
- H(t)
- die Hüllkurve des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets;
- tm
- Zeitpunkt der Ermittlung des Vorzeichens der zeitlichen Ableitung (f'e(t)) der Momentanfrequenz (fe(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets, der in einem weiteren zeitlichen Fenster der weiteren zeitlichen Breite (Δt) um den Zeitpunkt des Nulldurchgangs der zeitlichen Ableitung (H'(t)) des zeitlichen Verlaufs der Hüllkurve (H(t)) des empfangenen Echos des Ultraschallpulspakets herum liegt;
