DE102020120418A1 - Optimierte Signalformung von Chirp-Signalen für automobile Ultraschallmesssysteme mittels Kontrolle der Pulsmomentanfrequenzänderung - Google Patents

Abstract

Die Offenbarung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors umfassend den Schritt Aussenden eines Ultraschallbursts als eine Folge von Ultraschallpulsen mit einer Pulsdauer (T1) und einem Pulsabstand (T2). Die Pulsdauer (T1) und der Pulsabstand (T2) ergeben in Summe die Pulsperiodendauer (T=T1+T2). Der Ultraschallburst hat einen Beginn zu einem ersten Zeitpunkt (t1) und ein Ende zu einem zweiten Zeitpunkt (t2). Die Pulsmomentanfrequenz (fm,NL=1/T) entspricht dem Kehrwert der Pulsperiodendauer (T). Die Pulsperiodendauer (T) und damit die Pulsmomentanfrequenz (fm,NL=1/T) zum ersten Zeitpunkt (t1) sind von der Pulsperiodendauer (T) und damit von der Pulsmomentanfrequenz (fm,NL=1/T) zum zweiten Zeitpunkt (t2) verschieden. Die Pulsmomentanfrequenzänderung(∂fm,NL∂t)zu zumindest einem dritten Zeitpunkt (t3), zwischen dem ersten Zeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (t2), ist verschieden von der Pulsmomentanfrequenzänderung(∂fm,NL∂t)zu zumindest einem vierten Zeitpunkt (t4), zwischen dem ersten Zeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (t2). Die Pulsmomentanfrequenz (fm,NL) folgt dabei im Wesentlichen der Formel:fm,NL(t)=tT(BL+BC11−4t2T2)

Description

• Feld der Erfindung
• Die Erfindung richtet sich auf Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors mit Chirp-Signalen.
• Stand der Technik
• Aus der DE 10 2017 104 145 A1 sind ein Verfahren zum Betreiben einer Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer unterschiedlichen Anregung einer Membran, sowie eine zugehörige Ultraschallsensorvorrichtung, ein Fahrerassistenzsystem, sowie ein Kraftfahrzeug bekannt. Die technische Lehre der DE 10 2017 104 145 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei welchem zum Aussenden eines ersten Ultraschallsignals eine Membran eines ersten Ultraschallsensors angeregt wird und zum Aussenden eines zweiten Ultraschallsignals eine Membran eines zweiten Ultraschallsensors angeregt wird, wobei die Membran des ersten Ultraschallsensors und die Membran des zweiten Ultraschallsensors die gleiche Resonanzfrequenz (f) aufweisen und wobei die Membran des ersten Ultraschallsensors mit einer ersten Frequenz (f₁), welche um einen vorbestimmten Frequenzunterschied (Δf) geringer als die Resonanzfrequenz (f) ist, angeregt wird und die Membran des zweiten Ultraschallsensors mit einer zweiten Frequenz (f₂), welche um den vorbestimmten Frequenzunterschied (Δf) höher als die Resonanzfrequenz (f) ist, angeregt wird. Des Weiteren ist aus der DE 10 2017 104 145 A1 die Idee bekannt, dass der Frequenzunterschied (Δf) in Abhängigkeit von einem Steuersignal, welches an den ersten Ultraschallsensor und den zweiten Ultraschallsensor übertragen wird, verändert wird. Ebenso ist aus der DE 10 2017 104 145 A1 die Idee bekannt, dass eine erste Codierung des ersten Ultraschallsignals des ersten Ultraschallsensors und/oder eine zweite Codierung des zweiten Ultraschallsignals des zweiten Ultraschallsensors mittels einer Frequenzumtastung, mittels einer Phasenumtastung, als Chirp und/oder mittels eines digitalen Modulationsverfahrens bereitgestellt wird.
• Aus der DE 10 2017 123 049 B3 , der DE 10 2017 123 050 B3 , der DE 10 2017 123 052 B3 und der DE 10 2017 123 051 B3 ist die Verwendung von Chirp-Signalen ebenfalls bekannt. In diesen Schriften werden die Begriffe Chirp-Up für eine streng monotone Frequenzänderung des Ultraschallsendesignals von einer tieferen Ultraschallsendefrequenz zu einer höheren Ultraschallsendefrequenz und Chirp-Down für eine streng monotone Frequenzänderung des Ultraschallsendesignals von einer höheren Ultraschallsendefrequenz zu einer niedrigeren Ultraschallsendefrequenz erläutert.
• Allen diesen Schriften ist gemeinsam, dass sie die optimale Kodierung des Chirp-Signals nicht untersuchen bzw. offenlegen.
• Chirp-Up und -Down, wie in den Schriften DE 10 2017 123 049 B3 , DE 10 2017 123 050 B3 , DE 10 2017 123 052 B3 und DE 10 2017 123 051 B3 erläutert, stellen zwar orthogonale Signalformen dar, allerdings nur für sehr große Bandbreite-Zeitprodukte. Um die Orthogonalität zu verbessern, können die Chirp-Signale zusätzlich auf unterschiedlichen Mittenfrequenzen betrieben werden, was den Bandbreitenbedarf allerdings deutlich erhöht.
• Entsprechend der technischen Lehre der DE 10 2017 104 145 A1 stellen Chirp-Up-Signale und Chirp-Down-Signale zwar orthogonale Signalformen dar, allerdings nur bei sehr großem Bandbreite-Zeitprodukt. Insbesondere kann die Bandbreite aufgrund der Schmalbandigkeit der UltraschallTransducer nur sehr klein gewählt werden (typ. 7KHz, z.B. 58Hz +/-3.5kHz). Die Erfinder der DE 10 2017 104 145 A1 schlagen in ihrer Patentanmeldung daher vor, die Mittenfrequenzen der Chirp-Signale der beiden Ultraschallsender auseinanderzuziehen und damit die spektrale Überlappung zu reduzieren.
• Die Minimierung der spektralen Überlappung über den Stand der Technik hinaus ohne ein zu weites Auseinanderziehen der Mittenfrequenzen zur Minimierung der notwendigen Bandbreite ist Aufgabe der hier vorgelegten Offenlegung der hier beschriebenen technischen Lehre.
• Praktische Versuche haben gezeigt, dass das Verfahren der DE 10 2017 104 145 A1 mehr schlecht als recht funktioniert. Um zu funktionieren dürfen sich die Spektren der beiden Ultraschallsignale, also der beiden Chirp-Signale, der beiden Ultraschallsender praktisch nicht überlappen, was zu einer Signalverformung und reduzierten Amplitude führt, da die notwendige Separation der Mittenfrequenzen einen Betrieb der beiden Ultraschallsensoren weit ab der Resonanzfrequenz der Ultraschallsensoren erfordert, was zu einer massiven Dämpfung führt. Dies ist in 5 dargestellt.
• Aus der JP 2011 - 038 948 A ist die Verwendung nichtlinearer Chirps bekannt. Das Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschall-Bursts entsprechend der technischen Lehre der JP 2011 - 038 948 A umfasst die Aussendung eines Ultraschalbursts als Folge von Ultraschallpulsen, wobei die Pulsmomentanfrequenzen des Ultraschall-Bursts zu Beginn und zum Ende des Bursts verschieden sind und wobei die zeitliche Änderung der Pulsmomentanfrequenz zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten im Ultraschall-Burst verschieden sind.
• Aus der DE 2017 122 477 A1 ist eine kontinuierlich lineare Änderung der Pulsmomentanfrequenz über die Dauer der Aussendung des Ultraschall-Bursts bekannt. In der technischen Lehre der DE 2017 122 477 A1 wird dies genutzt, um von der Empfangsfrequenz eines Echos darauf schließen zu können, ob zumindest eines von mehreren Echos während der Sendephase bereits reflektiert wurde, oder ob es sich um eine Überreichweite handelt.
• Zum Begriff Ultraschall-Burst wird hier beispielhaft auf die Ausführungen in Abschnitt [0013] der DE 10 2018 106 251 A1 verwiesen.
• Als Ultraschall-Burst werden hier schallwellenbedingte Schwankungen des Luftdrucks verstanden, die aufeinander folgen. Hierbei umfasst ein Ultraschall-Burst mehrere Ultraschallpulse. Ein Ultraschallpuls ist gekennzeichnet durch einen Anstieg des schallwellenbedingten Luftdrucks und einen anschließenden Abfall des schallwellenbedingten Luftdrucks.
• Die Folge solcher Ultraschallpulse mit einer Ultraschallpulsfolgefrequenz wird im Folgenden als Ultraschall-Burst bezeichnet. Der zeitliche Abstand zwischen dem Anstieg des schallwellenbedingen Luftdrucks und dem Abfall des schallwellenbedingen Luftdrucks wird hier als Pulsdauer (T₁) verstanden. Der zeitliche Abstand zwischen dem Abfall des schallwellenbedingen Luftdrucks und dem Anstieg des schallwellenbedingen Luftdrucks wird hier als Pulsabstand (T₂) verstanden. Die zeitliche Pulsperiodendauer (T=T₁+T₂) ist dann die zeitliche Summe aus Pulsdauer (T₁) und Pulsabstand (T₂). Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL=1/T) entspricht dabei dem Kehrwert der Pulsperiodendauer (T).
• Aufgabe
• Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
• Diese Aufgabe wird durch eine ein Verfahren nach Anspruchlgelöst.
• Lösung der Aufgabe
• Zunächst ist die einfachste, offensichtlichste Form eines Chirps, wie sie in den Schriften DE 10 2017 123 049 B3 , DE 10 2017 123 050 B3 , DE 10 2017 123 052 B3 und DE 10 2017 123 051 B3 offen gelegt wird, ein linearer Chirp, bei dem die Frequenzänderungaf pro Zeiteinheit ∂t, also die Frequenzänderungsgeschwindigkeit $\frac{\partial f}{\partial t},$

  

  konstant ist.
• Im Rahmen der Ausarbeitung des Vorschalgs wurde nun erkannt, dass es vorteilhaft ist, statt mit einer konstanten Frequenzänderungsgeschwindigkeit $\frac{\partial f}{\partial t}$

  

  mit einer nicht konstanten Frequenzänderungsgeschwindigkeit $\frac{\partial f}{\partial t}$

  

  arbeiten.
• Grundidee ist es, das Spektrum der beiden Ultraschallsignale so zu formen, dass diese schmaler werden. In Folge dessen kann dann der Abstand der Mittenfrequenzen geringer gewählt werden. In der technischen Lehre der DE 10 2017 104 145 A1 wird eine Gewichtung der Amplituden zur Spektralformung und Nebenzipfelreduktion vorgeschlagen.
• Dies wird mit Hilfe der 1 bis 7 erläutert.
• 1 zeigt das schematisch vereinfachte Spektrum eines Ultraschallsendesignals eines Ultraschallsenders, also eines linearen Chirp-Signals, mit einer konstanten Frequenzänderungsgeschwindigkeit $\frac{\partial f}{\partial t}$

  

  (bezeichnet mit „Linearer Chirp“) und das Spektrum eines Ultraschallsendesignals eines Ultraschallsenders, also eines nichtlinearen Chirp-Signals, mit einer nicht konstanten Frequenzänderungsgeschwindigkeit $\frac{\partial f}{\partial t}$

  

  mit „Nicht-Linearer Chirp“). Wie leicht zu erkennen ist, ist das Spektrum des nicht linearen Chirp-Signals schmaler als das Spektrum des linearen Chirp-Signals. Das bevorzugte nichtlineare Chirp-Signal wird im Folgenden weiter erläutert.
• Wir nehmen nun an, dass wir einen ersten Ultraschallsensor verwenden, der ein lineares Chirp-Signal mit einer ersten Mittenfrequenz (f₁), aussendet, und einen zweiten Ultraschallsensor verwenden, der ein lineares Chirp-Signal mit einer zweiten Mittenfrequenz (f₂), aussendet. Die erste Mittenfrequenz (f₁) und die zweite Mittenfrequenz (f₂) sollen einen Mittenfrequenzabstand (f₁-f₂=Df₁₂) aufweisen.
• Ist dieser Mittenfrequenzabstand (Df₁₂) betragsmäßig kleiner als die Bandbreite der linearen Chirp-Signale, so überlappen sich diese.
• Diese Situation ist in 2 dargestellt.
• Verwendet man nun bei ungleichen Startfrequenzen nichtlineare Chirp-Signale, so führen die schmaleren Spektren der beiden nichtlinearen Chirp-Signale zu einer geringeren Überlappung der beiden Chirp-Signale.
• Diese Situation ist in 3 dargestellt. Die hierzu korrespondierenden Verläufe der Frequenz des nichtlinearen Chirp-Up Signals und des nichtlinearen Chirp-Down Signals über der Zeit sind in 6 dargestellt.
• 4 stellt jeweils einen beispielhaften Frequenzverlauf über die Zeit für ein lineares Chirp-Signal und ein nichtlineares Chirp-Signal dar. Diese korrespondieren zu den in 2 dargestellten Signalverläufen.
• Der Vorschlag kann so zusammengefasst werden, dass durch die Verwendung nichtlinearer Chirps das Spektrum der Chirp-Signale schmalbandiger geformt werden kann, was den Bandbreitenbedarf deutlich reduziert ohne den Rauschabstand zu verschlechtern.
• Der Vorschlag beschreibt somit ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors umfassend den Schritt des Aussendens eines Ultraschall-Bursts als eine Folge von Ultraschallpulsen. Die Ultraschallpulse haben eine Pulsdauer (T₁) und einen Pulsabstand (T₂). Dabei ergeben die Pulsdauer (T₁) und der Pulsabstand (T₂) in Summe die Pulsperiodendauer (T=T₁+T₂). Der Ultraschall-Burst weist dabei einen zeitlichen Beginn zu einem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und ein zeitliches Ende zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) auf. Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL=1/T) entspricht dabei dem Kehrwert der Pulsperiodendauer (T). Die Pulsperiodendauer (T) und damit die Pulsmomentanfrequenz (f_m=1/T) zum ersten Zeitpunkt (t₁ ) sind dabei von der Pulsperiodendauer (T) und damit von der Pulsmomentanfrequenz (f_m=1/T) zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) verschieden.
• Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL (t)) eines nichtlinearen Chirp-Pulses zu einem Zeitpunkt (t) kann hierbei mit der Gleichung $$f_{\text{m}\text{,NL}}\left(t\right)=\frac{t}{T}\left(B_L+B_C\frac{1}{\sqrt{1-4\frac{t^2}{T^2}}}\right)$$

  

  beschrieben werden. Dabei bezieht sich die vorstehende Formel entweder nur auf Zeitpunkte t zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ), zu dem jeweils ein Ultraschallpuls beginnt, oder nur auf Zeitpunkte t zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ), zu dem jeweils ein Ultraschallpuls endet. Insofern beschreibt die vorstehende Formel keine kontinuierliche Kurve, sondern diskrete Werte für diskrete Zeitpunkte t zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ). Abweichungen der Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL (t)) von betragsmäßig weniger als 10%, besser 5% , besser 2%, besser 1%, besser 0,5% von dieser Kurve sind in der Realität möglich. Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL (t)) folgt also nur im Wesentlichen der obigen Formel. Die Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  eines nichtlinearen Chirp-Pulses ist somit nicht konstant. Hierbei ist B_L der Koeffizient der Bandbreite für linearen Anteil und B_C ist der Koeffizient der Bandbreite für den nichtlinearen Anteil.
• Die Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  ist dabei zu zumindest zu einem dritten Zeitpunkt (t₃ ), zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ), verschieden von der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  zu einem vierten Zeitpunkt, (t₄) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ).
• Im Gegensatz dazu wird die Pulsmomentanfrequenz (f_m,L(t)) eines linearen Chirp-Pulses zu einem Zeitpunkt (t) mit der Gleichung $$f_{\text{m}\text{,L}}\left(t\right)=\frac{t}{T}B$$

  

  beschrieben. Die Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  eines linearen Chirp-Pulses ist daher konstant.
• Das Spektrum des linearen Chirps (Linearer Chirp) und das Spektrum des nichtlinearen Chirps (Nicht-Linearer Chirp) sind in 1 dargestellt.
• Alternativ kann der Vorschlag auch wie folgt gekennzeichnet werden: Die Breite des Spektrums des nichtlinear gechirpten Ultraschall-Bursts sollte bezogen auf einen -3dB-Pegel gegenüber dem Amplitudenmaximum seines Spektrums um mehr als 25% und/oder besser mehr als 30% und/oder besser mehr als 35% gegenüber der Breite des Spektrums des linear gechirpten Ultraschall-Bursts bezogen auf einen -3dB-Pegel gegenüber dem Amplitudenmaximum seines entsprechenden Spektrums reduziert sein.
• Das Spektrum des nichtlinearen Chirp-Up Pulses (Nichtlinearer Chirp oben) und das Spektrum des nichtlinearen Chirp-Down Pulses (Nichtlinearer Chirp unten) sind in 3 dargestellt.
• Alternativ zu den beiden bereits beschriebenen Kennzeichen, kann der Vorschlag auch dadurch gekennzeichnet werden, dass das Spektrum des nichtlinearen Chirp-Up Pulses am Schnittpunkt mit dem Spektrum des nichtlinearen Chirp-Down Pulses auf mindestens -12 dB gegenüber dem Maximum abgefallen ist. Gleichzeitig soll das Spektrum des nichtlinearen Chirp-Down Pulses am Schnittpunkt mit dem Spektrum des nichtlinearen Chirp-Up Pulses auf mindestens -12 dB gegenüber dem Maximum abgefallen sein.
• In einer Variante dieser drei Grundverfahren ist die Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)\text{des}$

  

  des nichtlinearen Chirp-Pulses zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) monoton fallend oder monoton steigend. Besonders bevorzugt ist die Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  des nichtlinearen Chirp-Pulses zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) streng monoton fallend oder streng monoton steigend.
• In einer zweiten Variante dieser drei Grundverfahren ist die zeitliche Änderung der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t^2}\right)$

  

  des nichtlinearen Chirp-Pulses, also die zeitliche Änderungsrate der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right),$

  

  zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) monoton fallend oder monoton steigend. Besonders bevorzugt ist die zeitliche Änderung der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t^2}\right)$

  

  des nichtlinearen Chirp-Pulses, also die zeitliche Änderungsrate der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  des nichtlinearen Chirp-Pulses, zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) streng monoton fallend oder streng monoton steigend.
• Besonders bevorzugt weist der zeitliche Verlauf des Betrags der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  des nichtlinearen Chirp-Pulses zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) ein Betragsminimum auf.
• In einer dritten weiten Variante dieser drei Grundverfahren ist die zeitliche Änderung der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t^2}\right)$

  

  des nichtlinearen Chirp-Pulses zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) zu zumindest einem dritten Zeitpunkt t₃ mit t₁<t₃<t₂ konstant, sodass zu diesem Zeitpunkt t₃ $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t^3}=0\right)$

  

  gilt.
• 7 verdeutlicht den Frequenzverlauf noch ein wenig besser. In der 7 ist nur der zeitliche Verlauf der Pulsmomentanfrequenz (fm,NL) eines beispielhaften nichtlinearen Chirp-Down Ultraschall-Bursts dargestellt. Er entspricht dem Chirp-Down Ultraschall-Burst der 6. Das im Folgenden beschriebene gilt selbstverständlich in analoger Weise auch für einen beispielhaften nichtlinearen Chirp-Up Ultraschall-Burst, der hier nicht weiter beschrieben wird. Er entspräche dem Chirp-Up Ultraschall-Burst der 6. Auch die zeitliche Aneinanderreihung mehrerer Teilultraschall-Bursts in Form eines Gesamtultraschall-Bursts, von denen zumindest ein Teilultraschall-Burst ein Ultraschall-Burst entsprechend der hier vorgelegten Beschreibung ist, ist von der Beanspruchung umfasst.
• Die oben beschriebenen Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors können auch anders charakterisiert werden. Eine andere Charakterisierung hebt darauf ab, dass die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL ) für eine längere Zeit nur wenig von einer mittleren Pulsmomentanfrequenz (f_c) abweicht. Nur für eine kürzere Zeit zu Beginn und zum Ende des Ultraschall-Bursts ist die Frequenzabweichung größer.
• Besonders bevorzugt weicht die mittlere Pulsmomentanfrequenz (f_c) des Ultraschall-Bursts nicht von der Frequenz des verwendeten Ultraschallsenders und/oder Ultraschall-Transducers ab. Weicht die weicht die Pulsmomentanfrequenz (f_c) für einen relativ kleinen Zeitraum während der Aussendung des Ultraschall-Burts nur wenig von dieser Resonanzfrequenz ab, so kann der Ultraschallsender bzw. der Ultraschalltransducer über einen relativ langen Zeitraum innerhalb des Zeitraums der Aussendung des Ultraschall-Bursts mit fast maximaler Sendeleistung senden. Somit wird bei der Verwendung in einem Ultraschallparkhilfesystem im Auto die Reichweite des Systems maximiert und übertrifft diejenige von Systemen mit linearem Chirp signifikant. Diese Übereinstimmung zwischen der Resonanzfrequenz des Ultraschall-Transducers bzw. des Ultraschallsenders einerseits und der mittleren Pulsmomentanfrequenz (f_c) andererseits kann quantitativ ausgedrückt werden. Als Resonanzfrequenz eines Ultraschall-Transducers bzw. eines Ultraschallsenders kann die Frequenz im Sinne dieser Offenlegung angenommen werden, zu der die Schalleistung der Schallabstrahlung des betreffenden Ultraschall-Transducers bzw. des betreffenden Ultraschallsenders maximal ist. Besonders bevorzugt weicht daher die mittlere Pulsmomentanfrequenz (f_c) des Ultraschall-Bursts bei dem hier vorgeschlagenen Ultraschall-Burst-Sendeverfahren nicht mehr als 10% und/oder besser nicht mehr als 5% und/oder besser nicht mehr als 2% und/oder besser nicht mehr als 1% und/oder besser nicht mehr als 0,5% und/oder besser nicht mehr als 0,2% und/oder besser nicht mehr als 0,1% und/oder besser nicht mehr als 0,05% und/oder besser nicht mehr als 0,02% und/oder besser nicht mehr als 0,01% von der Resonanz- oder Nennfrequenz eines Ultraschallsenders und/oder nicht mehr als 10% und/oder besser nicht mehr als 5% und/oder besser nicht mehr als 2% und/oder besser nicht mehr als 1% und/oder besser nicht mehr als 0,5% und/oder besser nicht mehr als 0,2% und/oder besser nicht mehr als 0,1% und/oder besser nicht mehr als 0,05% und/oder besser nicht mehr als 0,02% und/oder besser nicht mehr als 0,01% von der Resonanz- oder Nennfrequenz eines Ultraschall-Transducers ab.
• Wie zuvor erfolgt das Aussenden eines Ultraschall-Bursts als Aussenden einer Folge von Ultraschallpulsen mit einer Pulsdauer (T₁) und einem Pulsabstand (T₂). Die Pulsdauer (T₁) und der Pulsabstand (T₂) stellen als zeitliche Summe von Pulsbeginn zu Pulsbeginn des nachfolgenden Pulses die Pulsperiodendauer (T=T₁+T₂) dar. Der Ultraschall-Burst weist einen Beginn zu einem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und ein Ende zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) auf. Der Beginn des Ultraschall-Bursts beginnt mit dem Beginn des ersten Pulses des Ultraschall-Bursts. Der Ultraschall-Burst endet im Sinne dieser Schrift mit dem Verstreichen einer Zeit, die dem Pulsabstand (T₂) zwischen dem letzten Puls des Ultraschall-Bursts und dem vorletzten Puls des Ultraschall-Bursts entspricht, wobei das Verstreichen dieser Zeit mit dem Ende des letzten Pulses des Ultraschall-Bursts beginnt. Der Zeitpunkt des Verstreichens dieser Zeit ist dann der zweite Zeitpunkt (t₂ ) im Sinne dieser Schrift.
• Dementsprechend weist der Ultraschall-Burst eine zeitliche Ultraschall-Burstlänge (Δt_s=t₂-t₁) auf. Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL= |1/T|) entspricht dabei dem Betrag des Kehrwerts der momentanen Pulsperiodendauer (T) zu einem Zeitpunkt (t) während des Ultraschall-Bursts (t₁≤t≤t₂). Die Pulsperiodendauer (T) und damit die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL=|1/T|) zum ersten Zeitpunkt (t₁ ) wird im Folgenden als erste Pulsmomentanfrequenz (f_u ) bezeichnet und die Pulsperiodendauer (T) und damit die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL=|1/T|) zum zweiten Zeitpunkt (t₁ ) wird im Folgenden als zweite Pulsmomentanfrequenz (f_l ) bezeichnet. Die erste Pulsmomentanfrequenz (f_u ) ist bevorzugt von der zweiten Pulsmomentanfrequenz (f_l ) verschieden. Der Ultraschall-Burst weist, wie bereits erwähnt, eine mittlere Pulsmomentanfrequenz (f_c=|f_u-f_l/2) auf. Im Folgenden wird die Gesamtänderung der Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL=|1/T|) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) als Gesamtfrequenzänderung (Δf_s) bezeichnet. Die erste Grenzfrequenz (f_cu ) ist dabei die Frequenz, deren Frequenzbetragsabstand zur ersten Pulsmomentanfrequenz (f_u ) die Hälfte des Frequenzbetragsabstands zur zweiten Pulsmomentanfrequenz (f_l ) beträgt. Die zweite Grenzfrequenz (f_cl ) ist dabei die Frequenz, deren Frequenzbetragsabstand zur zweiten Pulsmomentanfrequenz (f_l ) die Hälfte des Frequenzbetragsabstands zur ersten Pulsmomentanfrequenz (f_u ) beträgt. Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL ) ist dabei bevorzugt zu einem ersten Grenzzeitpunkt (t_cu ) gleich der ersten Grenzfrequenz (f_cu ).Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL ) ist bevorzugt zu einem zweiten Grenzzeitpunkt (t_cl ) gleich der zweiten Grenzfrequenz (f_d ). Der erste Grenzzeitpunkt (t_cu ) folgt bevorzugt zeitlich auf den ersten Zeitpunkt (t₁ ) und der zweite Grenzzeitpunkt (t_cl ) folgt bevorzugt zeitlich auf den ersten Grenzzeitpunkt (t_cu ) und der zweite Zeitpunkt (t₂ ) folgt bevorzugt zeitlich auf den zweiten Grenzzeitpunkt (t_cl ). Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL ) befindet sich bevorzugt während eines ersten Zeitraums (Δt_u ), der mit dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) beginnt und mit dem ersten Grenzzeitpunkt (t_cu ) endet, zwischen der ersten Pulsmomentanfrequenz (f_u ) und der ersten Grenzfrequenz (f_cu ) in einem ersten Frequenzbereich (Δf_u ) zwischen der ersten Pulsmomentanfrequenz (f_u ) und der ersten Grenzfrequenz (f_cu ). Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL ) befindet sich bevorzugt während eines mittleren Zeitraums (Δt_c ), der mit dem ersten Grenzzeitpunkt (t_cu ) beginnt und mit dem zweiten Grenzzeitpunkt (t_cl ) endet, zwischen der ersten Grenzfrequenz (f_cu ) und der zweiten Grenzfrequenz (f_cl ) in einem mittleren Frequenzbereich (Δf_c ) zwischen der ersten Grenzfrequenz (f_cu ) und der zweiten Grenzfrequenz (f_cl ). Die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL ) befindet sich bevorzugt während eines zweiten Zeitraums (Δt_l ), der mit dem zweiten Grenzzeitpunkt (t_cl ) beginnt und mit dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) endet, zwischen der zweiten Grenzfrequenz (f_cl ) und der zweiten Pulsmomentanfrequenz (f_l ) in einem zweiten Frequenzbereich (Δf_l ) zwischen der ersten Pulsmomentanfrequenz (f_u ) und der ersten Grenzfrequenz (f_cu ). Entscheidend ist nun, dass die Zeitdauer des mittleren Zeitraums (Δt_c ) größer ist, als die Summe aus der Zeitdauer des ersten Zeitraums (Δt_u ) und der Zeitdauer des zweiten Zeitraums (Δt_l ), oder dass die Zeitdauer des mittleren Zeitraums (Δt_c ) gleich ist der Summe aus der Zeitdauer des ersten Zeitraums (Δt_u ) und der Zeitdauer des zweiten Zeitraums (Δt_l ). Erst hierdurch kann der Schwerpunkt der Schallaussendung auf die Resonanzfrequenz des Ultraschall-Transducers bzw. des Ultraschallsenders gelegt werden, wodurch die Reichweite eines Ultraschallparksystems maximiert wird.
• Somit ist bevorzugt die Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  zu zumindest einem dritten Zeitpunkt (t₃ ), zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ), verschieden von der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  zu zumindest einem vierten Zeitpunkt (t₄), zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ).
• Bevorzugt wird die die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL (t)) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) mit der Gleichung $$f_{\text{m}\text{,NL}}\left(t\right)=\frac{t}{T}\left(B_L+B_C\frac{1}{\sqrt{1-4\frac{t^2}{T^2}}}\right)$$

  

  beschrieben, wobei wieder B_L der Koeffizient der Bandbreite für einen linearen Anteil und B_C der Koeffizient der Bandbreite für einen nichtlinearen Anteil ist.
• Bevorzugt ist wieder die Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t}\right)$

  

  zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) monoton fallend oder monoton steigend.
• Bevorzugt ist die zeitliche Änderung der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t^2}\right)$

  

  zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) monoton fallend oder monoton steigend.
• Die zeitliche Änderung der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t^2}\right)$

  

  zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) kann aber auch konstant sein.
• Ebenso kann die zeitliche Änderung der zeitlichen Änderung der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{{\partial }^3{f}_{\text{m}\text{,NL}}}{\partial t^3}\right)$

  

  zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁ ) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂ ) konstant sein.
• Bevorzugt ist die spektrale Breite des Spektrums des Ultraschall-Bursts bezogen auf einen --3dB-Pegel gegenüber dem Amplitudenmaximum des Spektrums des Ultraschall-Burst um mehr als 25% und/oder besser mehr als 30% und/oder mehr als 35% gegenüber der Breite des Spektrums des Ultraschall-Burst mit einer konstanten Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{m,L}}{\partial t}\right)$

  

  bezogen auf dessen - 3dB-Pegel gegenüber dessen Amplitudenmaximum des Spektrums dieses Ultraschall-Burst mit einer konstanten Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{m,NL}}{\partial t}\right)$

  

  reduziert.
• Wie bereits beschrieben kann auch das Aussenden eines Gesamtultraschall-Bursts als eine zeitliche direkte Aneinanderreihung von Aussendungen von Teilultraschall-Bursts erfolgen, wobei zumindest die Aussendung eines Teilultraschall-Bursts dieser Teilultraschall-Bursts, besser aller Teilultraschall-Bursts, einem der zuvor beschriebenen Verfahren entspricht.
• Vorteil
• Anstatt die Amplituden zu gewichten, was zusätzlich das Signalrauschverhältnis reduziert, kann auch die Verweildauer des Ultraschallsendersystems auf den einzelnen Pulsmomentanfrequenzen (f_m) optimiert werden, um das Spektrum optimal zu formen. Dies führt auf die Verwendung eines nichtlinearen Chirps. Praktische Versuche haben ergeben, dass der Abstand der Mittenfrequenzen der Spektren zweier verschiedener Ultraschall-Bursts zweier verschiedener Ultraschallsender dadurch von z.B. 7 kHz auf 4 kHz reduziert werden kann. Die nichtlinearen Chirp-Signale können sich dabei sogar leicht überlappen. Die Signalamplitude und Signalform (u.a. Nebenzipfelreduktion) und der Rauschabstand werden besser.
• Da die mittlere Pulsmomentanfrequenz (f_c) des Ultraschall-Bursts bevorzugt nicht von der Frequenz des verwendeten Ultraschallsenders und/oder Ultraschall-Transducers abweicht und da die Pulsmomentanfrequenz (f_c) nur für einen relativ kleinen Zeitraum während der Aussendung des Ultraschall-Bursts und nur wenig von dieser Resonanzfrequenz abweicht, kann der Ultraschallsender bzw. der Ultraschalltransducer über einen relativ langen Zeitraum innerhalb des Zeitraums der Aussendung des Ultraschall-Bursts mit fast maximaler Sendeleistung senden. Somit wird bei der Verwendung in einem Ultraschallparkhilfesystem im Auto die Reichweite des Systems maximiert und übertrifft diejenige von Systemen mit linearem Chirp signifikant.
• Liste der zitierten Schriften
• DE 10 2017 104 145 A1 ,
• DE 10 2017 123 049 B3 ,
• DE 10 2017 123 050 B3
• DE 10 2017 123 052 B3
• DE 10 2017 123 051 B3
• JP 2011 - 038 948 A ,
• DE 2017 122 477 ,
• DE 10 2018 106 251 A1
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102017104145 A1 [0002, 0006, 0008, 0018, 0054]
• DE 102017123049 B3 [0003, 0005, 0016, 0054]
• DE 102017123050 B3 [0003, 0005, 0016, 0054]
• DE 102017123052 B3 [0003, 0005, 0016, 0054]
• DE 102017123051 B3 [0003, 0005, 0016, 0054]
• JP 2011 [0009, 0054]
• JP 038948 A [0009, 0054]
• DE 2017122477 A1 [0010]
• DE 102018106251 A1 [0011, 0054]
• DE 2017122477 [0054]

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors umfassend die Schritte - aussenden eines Ultraschall-Bursts als eine Folge von Ultraschallpulsen mit einer Pulsdauer (T₁) und einem Pulsabstand (T₂), - wobei Pulsdauer (T₁) und Pulsabstand (T₂) in Summe die Pulsperiodendauer (T=T₁+T₂) darstellen und - wobei der Ultraschall-Burst einen Beginn zu einem ersten Zeitpunkt (t₁) und ein Ende zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂) aufweist und - - wobei die Pulsmomentanfrequenz (f_m,NL(t)) mit der Gleichung $$f_{\text{m}\text{,NL}}\left(t\right)=\frac{t}{T}\left(B_L+B_C\frac{1}{\sqrt{1-4\frac{t^2}{T^2}}}\right)$$

   

   beschrieben wird, - wobei B_L der Koeffizient der Bandbreite für einen linearen Anteil und B_C der Koeffizient der Bandbreite für einen nichtlinearen Anteil ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, - wobei die Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{\partial f_{\text{m},\text{NL}}}{\partial t}\right)$

   

   zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂) monoton fallend oder monoton steigend ist.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, - wobei die zeitliche Änderung der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m},\text{NL}}}{\partial t^2}\right)$

   

   zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂) monoton fallend oder monoton steigend ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 - wobei die zeitliche Änderung der Pulsmomentanfrequenzänderung $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m},\text{NL}}}{\partial t^2}\right)$

   

   zwischen dem ersten Zeitpunkt (t₁) und dem zweiten Zeitpunkt (t₂) zu zumindest einem Zeitpunkt t₃ mit t₁<t₃<t₂ konstant ist, sodass zu diesem Zeitpunkt t₃ $\left(\frac{{\partial }^2{f}_{\text{m},\text{NL}}}{\partial t^3}=0\right)$

   

   gilt.
5. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors umfassend die Schritte - Aussenden eines Gesamtultraschall-Bursts als eine zeitliche direkte Aneinanderreihung von Aussendungen von Teilultraschall-Bursts, - wobei zumindest die Aussendung eines Teilultraschall-Bursts dieser Teilultraschall-Bursts einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 entspricht.

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