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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein System zur Erfassung von wenigstens einem Objekt in einer Umgebung eines Fahrzeugs.
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Im Bereich der Fahr- und Parkassistenzsysteme für Fahrzeuge finden Ultraschallsensorsysteme zur Erfassung der Fahrzeugumgebung weite Verbreitung. Problematisch bei herkömmlichen Ultraschallsensorsystemen ist, dass mittels der Ultraschallsensoren typischerweise nur Abstandsmessungen vorgenommen werden können. Diese Ultraschallsensoren sind jedoch in der Regel in einer horizontalen Ebene am Fahrzeug angeordnet, wodurch eine Höhenbestimmung nur sehr ungenau umsetzbar ist, da Daten mit Informationen über die vertikale Beschaffenheit von Objekten nur unzureichend ermittelt werden können.
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Die genannten Probleme sollen durch die Erfindung gelöst werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein System zur Erfassung von wenigstens einem Objekt in einer Umgebung eines Fahrzeugs, aufweisend
- - wenigstens eine Ultraschallsensoreinheit zum Aussenden von Ultraschallsignalen und zum Empfangen von, insbesondere an dem wenigstens einen Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs, reflektierten Ultraschallechosignalen, und
- - eine Verarbeitungseinheit, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Ultraschallsensoreinheit mit einer ersten Frequenz zur Aussendung erster Ultraschallsignale anzuregen und die ersten Ultraschallsignale bei Reflexion am Objekt und Empfang mittels der Ultraschallsensoreinheit als erste Ultraschallechosignale zu erfassen, und zusätzlich die Ultraschallsensoreinheit mit einer zweiten Frequenz zur Aussendung zweiter Ultraschallsignale anzuregen und die zweiten Ultraschallsignale bei Reflexion am Objekt und Empfang mittels der Ultraschallsensoreinheit als zweite Ultraschallechosignale zu erfassen, und in Abhängigkeit von den empfangenen ersten Ultraschallechosignalen und zweiten Ultraschallechosignalen das Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen sowie eine Höhe des Objekts zu bestimmen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die ausgesendeten Ultraschallsignale aufgrund der unterschiedlichen Anregungs-Frequenzen jeweils eine unterschiedliche Abstrahlcharakteristik in Form von unterschiedlichen Öffnungswinkeln aufweisen. Hierbei gilt, je höher die Frequenz, desto kleiner der Öffnungswinkel der ausgesendeten Ultraschallsignale. Somit sind die durch die Öffnungswinkel definierten, kegelförmigen Erfassungsbereiche in ihrer Größe abhängig von der Anregungs-Frequenz der Ultraschallsensoreinheit. Hierdurch lassen sich folglich mit einer einzelnen Ultraschallsensoreinheit zusätzliche Informationen, insbesondere auch in der vertikalen Ebene, erfassen, welche für eine exaktere Höhenbestimmung des Objekts genutzt werden können. Zudem muss hierfür die standardmäßig zur Abstandsbestimmung genutzte Ultraschallsensoreinheit nicht oder nur unwesentlich umgestaltet werden, wodurch entsprechende Kosten für eine Umgestaltung entfallen können.
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Natürlich ist es auch denkbar, dass das System weitere Ultraschallsensoreinheiten aufweist, welche insbesondere für die Abstandsbestimmung horizontal angeordnet sind, um die Informationsdichte und somit die Genauigkeit der Höhenbestimmung nochmals zu erhöhen.
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Als Objekt kann jeder beliebige Gegenstand außerhalb des Fahrzeugs verstanden werden, hierzu gehören beispielsweise Fußgänger, Randsteine oder Pfosten. Hierbei ist unter Höhe die Ausdehnung des Objekts in vertikaler Richtung zu verstehen, das heißt die Distanz zwischen Boden und dem senkrecht hierzu befindlichen höchstem Punkt des Objekts.
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Das Fahrzeug kann beispielsweise ein PKW, ein LKW oder auch ein insbesondere motorisiertes Zweirad sein.
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Als Umgebung des Fahrzeugs kann alles außerhalb der eigentlichen Fahrzeuggeometrie verstanden werden, beispielsweise die Straße vor dem Fahrzeug.
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Zum Aussenden der Ultraschallsignale bzw. Empfangen der Ultraschallechosignale weist die Ultraschallsensoreinheit insbesondere einen Ultraschallsendeempfänger auf, welcher mittels einer Membran elektrische Signale in Ultraschallsignale umwandeln bzw. Ultraschallechosignale mittels der Membran in elektrische Signale umwandeln kann. Hierbei sind die erste und die zweite Frequenz, welche die Membran anregen, unterschiedlich zueinander. Die Membran kann beispielsweise als Piezoelement ausgestaltet sein bzw. ein solches aufweisen.
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Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgestaltet sein und je nach Bedarf entsprechende Auswerte- und Speichereinheiten zum Bestimmen der Objekthöhe aufweisen. Insbesondere ist unter dem Begriff Bestimmen auch ein Abschätzen zu verstehen.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die erste Frequenz und die zweite Frequenz derartig zu wählen, dass die erste Frequenz mit einer Haupt-Resonanzfrequenz der Ultraschallsensoreinheit übereinstimmt und dass die zweite Frequenz mit einer Frequenz einer höheren Schwingungsmode der Ultraschallsensoreinheit übereinstimmt, und insbesondere dass die zweite Frequenz mit einer harmonischen Resonanzfrequenz der Ultraschallsensoreinheit übereinstimmt. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Ultraschallsensoreinheit bei der Haupt-Resonanzfrequenz und bei deren höheren Schwingungsmode bzw. Harmonischen besonders zuverlässig angesteuert werden kann. Hierbei sind die entsprechenden Frequenzen an das Biegeverhalten der Membran der Ultraschallsensoreinheit angepasst.
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Als Haupt-Resonanzfrequenz ist die Frequenz zu versehen, bei welcher die Membran der Ultraschallsensoreinheit aufgrund der Anregung mit dieser Frequenz ein entsprechendes Biegeverhalten aufweist, wobei diese Frequenz üblicherweise auch als Grundfrequenz bezeichnet wird.
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Unter Frequenz einer höheren Schwingungsmode ist eine Frequenz zu verstehen, welche höher als die Grundfrequenz ist und bei welcher die Membran der Ultraschallsensoreinheit ein entsprechendes Schwingverhalten aufweist, welches auch als Eigenschwingungsform bezeichnet wird.
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Die harmonischen Frequenzen sind wiederum jeweils ganzzahlige Vielfache der Haupt-Resonanzfrequenz.
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Beispielsweise kann die erste Frequenz bei 48kHz, als Grundfrequenz, und die zweite Frequenz bei 144kHz, als dritte Harmonische, liegen.
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Hierbei kann es zudem passieren, dass bei Anregung der Ultraschallsensoreinheit mit der Grundfrequenz, die Ultraschallsensoreinheit zusätzlich als Nebeneffekt mit einer entsprechend harmonischen Frequenz zur Grundfrequenz mitschwingt. Die Ultraschallsignale haben jedoch im Bereich der harmonischen eine deutlich kleinere Amplitude, als wenn die Ultraschallsensoreinheit gezielt mit der harmonischen Frequenz angeregt wird. Folglich kann die Höhenbestimmung ebenfalls in Abhängigkeit von dem Amplituden-Verhältnis zwischen Amplitude der Nebenanregung und Amplitude der gezielten harmonischen Anregung erfolgen. Die Amplitude kann jedoch auch so klein sein, dass hierdurch keine zuverlässige Höhenbestimmung möglich ist oder dies nur noch im Nahfeldbereich umsetzbar ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Ultraschallsensoreinheit mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz im Wesentlichen zeitgleich anzuregen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass ein schnelleres Messergebnis erzielt wird, als wenn die Messung sequenziell erfolgt. Hierdurch kann das Ergebnis der Höhenbestimmung entsprechend schneller erhalten und anderweitig genutzt werden, um beispielsweise entsprechende Fahrfunktionen zu steuern oder den Fahrer über die Höhe des erfassten Objekts in Kenntnis zu setzen.
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Unter im Wesentlichen zeitglich ist zu verstehen, dass sowohl die ersten und zweiten Ultraschallsignale derartig ausgesendet werden, dass das Aussenden beider Ultraschallsignale vor dem Empfang der ersten und zweiten Ultraschallechosignale erfolgt. Dies kann beispielsweise umgesetzt werden, indem das Anregungssignal für die Ultraschallsensoreinheit sowohl die erste als auch die zweite Frequenz anregt.
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Alternativ kann je ein Anregungssignal für die erste und für die zweite Frequenz zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden der Ultraschallsensoreinheit zugeführt werden, um diese entsprechend anzuregen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Höhe des Objekts in Abhängigkeit von Amplituden und/oder Phasen und/oder Flugzeiten der ersten Ultraschallechosignalen und zweiten Ultraschallechosignalen zu bestimmen. Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfache Methode darstellt, die Höhe des Objekts zu bestimmen.
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Unter Amplitude der Ultraschallechosignale ist der Ausschlag des jeweiligen Ultraschallechosignals zu verstehen.
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Unter Phase ist Schwingungszustand des jeweiligen Ultraschallechosignals an einer bestimmten Stelle und zu einem bestimmten Zeitpunkt zu verstehen. Unter Flugzeit ist die Zeitspanne zwischen Aussenden des jeweiligen Ultraschallsignals und Empfang des zugehörigen Ultraschallechosignals zu verstehen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Höhe des Objekts in Abhängigkeit eines Verhältnisses der Amplituden der ersten Ultraschallechosignalen und zweiten Ultraschallechosignalen zu bestimmen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine weitere einfache Möglichkeit darstellt, die Höhe des Objekts zu bestimmen. Insbesondere kann hierbei genutzt werden, die empfangenen Ultraschallechosignale unterschiedliche Amplitudenwerte aufweisen, je nachdem ob diese mittels der ersten oder der zweiten Frequenz angeregt wurden.
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Das Verhältnis der Amplituden der Ultraschallechosignale ist hierbei insbesondere abhängig von Schalldruck, Schalldämpfung und Öffnungswinkel der ausgesendeten Ultraschallsingale und insbesondere der entsprechenden Anregungs- Frequenz.
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Des Weiteren können beispielsweise entsprechende Amplituden-Verhältnisse vorab bestimmt und abgespeichert werden, indem in einer Testumgebung die ersten und zweiten Ultraschallsignale jeweils bei Test-Objekten mit unterschiedlicher Höhe ausgesendet und die empfangenen ersten und zweiten Ultraschallechosignale bzgl. der Amplituden-Verhältnissen den entsprechenden Objekthöhen zugeordnet werden. Im normalen Gebrauch kann das System dann die Objekthöhe bestimmen, indem wiederum das Amplituden-Verhältnis zwischen ersten und zweiten Ultraschallechosignalen ermittelt und mit den abgespeicherten Amplituden-Verhältnissen verglichen wird. Liegt das erfasste Amplituden-Verhältnis beispielsweise zwischen zwei abgespeicherten Amplituden-Verhältnissen, welche in der Testumgebung bei Test-Objekten mit einer Höhe von 40cm bzw. 50cm erfasst wurden, kann darauf geschlossen werden, dass das nun erfasste Objekt eine Höhe zwischen 40 und 50 cm aufweist.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Fahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, aufweisend ein erfindungsgemäßes System.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Form ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Fahrzeug unter Verwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
- 2 zeigt eine erfindungsgemäß angesteuerte Ultraschallsensoreinheit im Detail.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt in schematischer Form ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Fahrzeug unter Verwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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Dargestellt ist in schematischer Seitenansicht ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Fahrzeug 100, z.B. ein Personenkraftwagen, welches mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10 ausgebildet ist.
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Das System 10 gemäß der vorliegenden Erfindung kann z.B. eine Ultraschallsensoreinheit 20, ausgebildet sowohl als Ultraschallsendeempfänger als auch als Ultraschallsendeempfänger, sowie eine Verarbeitungseinheit 30 zum Steuern des Betriebs der Ultraschallsensoreinheit 20 aufweisen.
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Über ein oder mehrere Erfassungs- und Steuerleitungen ist die Verarbeitungseinheit 30 mit der Ultraschallsensoreinheit 20 verbunden. Auf diese Weise kann die Verarbeitungseinheit 30 jeweils den Betrieb der Ultraschallsensoreinheit 20 steuern und/oder deren Status abfragen bzw. entsprechende Daten oder Signale von der Ultraschallsensoreinheit 20 empfangen oder aktiv abrufen.
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Die Verarbeitungseinheit 30 ist ausgebildet und weist Mittel auf, die sowohl den Betrieb des Sendens über die Ultraschallsensoreinheit 20 als auch den Empfang über die Ultraschallsensoreinheit 20 in der erfindungsgemäßen Art und Weise ermöglichen. Dazu können entsprechende Mittel zum Speichern, Verarbeiten und Auswerten empfangener erster und zweiter Ultraschallechosignale 25, 26 vorgesehen sein, die hier im Detail nicht dargestellt sind.
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Die Verarbeitungseinheit 30 ist hierbei insbesondere dazu eingerichtet, die Ultraschallsensoreinheit 20 mit einer ersten Frequenz zur Aussendung erster Ultraschallsignale 21 anzuregen und die ersten Ultraschallsignale 21 bei Reflexion am Objekt 110 und Empfang mittels der Ultraschallsensoreinheit 20 als erste Ultraschallechosignale 25 zu erfassen, und zusätzlich die Ultraschallsensoreinheit 20 mit einer zweiten Frequenz zur Aussendung zweiter Ultraschallsignale 22 anzuregen und die zweiten Ultraschallsignale 22 bei Reflexion am Objekt 110 und Empfang mittels der Ultraschallsensoreinheit 20 als zweite Ultraschallechosignale 26 zu erfassen.
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Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von den empfangenen ersten Ultraschallechosignalen 25 und zweiten Ultraschallechosignalen 26 das Objekt 110 in der Umgebung des Fahrzeugs 100 zu erfassen und darüber hinaus in Abhängigkeit von den empfangenen ersten Ultraschallechosignalen 25 und zweiten Ultraschallechosignalen 26 eine Höhe H des Objekts 110 zu bestimmen. Das Objekt 110 kann hier beispielsweise ein Pfosten sein, welcher vom Boden aus eine Höhe H aufweist.
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Hierbei kann die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet sein, die Höhe H des Objekts 110 in Abhängigkeit von Amplituden und/oder Phasen und/oder Flugzeiten der ersten Ultraschallechosignalen 25 und zweiten Ultraschallechosignalen 26 zu bestimmen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet sein, die Höhe H des Objekts 110 in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Amplituden der ersten Ultraschallechosignalen 25 und zweiten Ultraschallechosignalen 26 zu bestimmen, indem beispielsweise das ermittelte Amplituden-Verhältnis mit zuvor ermittelten und abgespeicherten Amplituden-Verhältnissen, welche bei entsprechenden Testobjekten mit vorgegebener Höhe erfasst wurden, verglichen und daraus eine entsprechende Höhe H des Objekts 110 bestimmt wird.
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Die Ultraschallsensoreinheit 20 kann hierbei in einem ersten Zeitraum als Ultraschallsender zur Aussendung der ersten und zweiten Ultraschallsignals 21, 22 betrieben werden, wogegen in einem zeitlich nachfolgenden zweiten Zeitraum diese Ultraschallsensoreinheit 20 als Ultraschallempfänger betrieben wird, um die ersten und zweiten Ultraschallechosignal 25, 26 als Direktecho zu empfangen.
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In einem bildlich nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine weitere Ultraschallsensoreinheit als Ultraschallsender fungieren und somit ein erstes und zweites Ultraschallsignal 21, 22 als Sendesignal aussenden. In diesem Fall kann die Ultraschallsensoreinheit 20 als Ultraschallempfänger zum Empfang der ersten und zweiten Ultraschallechosignals 25, 26 dienen. In dieser Konfiguration wird somit ein so genanntes Kreuzecho ermittelt, bei welchem eben ein erster Sendeempfänger die ersten und zweiten Ultraschallsignal 21, 22 aussendet und ein zweiter Sendeempfänger die ersten und zweiten Ultraschallechosignal 25, 26 empfängt. Die Kombination von Direktecho-Betrieb und Kreuzecho-Betrieb ist folglich beliebig wählbar, wobei beim Kreuzechobetrieb wenigstens zwei entsprechend ausgestaltete Ultraschallsensoreinheiten vorhanden sein müssen.
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Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet sein, die erste Frequenz und die zweite Frequenz derartig zu wählen, dass die erste Frequenz mit einer Haupt-Resonanzfrequenz der Ultraschallsensoreinheit 20 übereinstimmt und dass die zweite Frequenz mit einer Frequenz einer höheren Schwingungsmode der Ultraschallsensoreinheit 20 übereinstimmt, wobei die zweite Frequenz beispielsweise mit einer harmonischen Resonanzfrequenz der Ultraschallsensoreinheit 20 übereinstimmt, besonders bevorzugt mit der dritten Harmonischen.
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Des Weiteren kann die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet sein, die Ultraschallsensoreinheit 20 mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz im Wesentlichen zeitgleich anzuregen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäß angesteuerte Ultraschallsensoreinheit im Detail.
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Dargestellt ist eine Ultraschallsensoreinheit 20, beispielweise aus dem System nach 1, wiederum in einer Seitenansicht. Die Ultraschallsensoreinheit 20 weist eine Membran 28 auf, welche von einer hier nicht dargestellten Verarbeitungseinheit 30 entsprechend erfindungsgemäß mit einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz angeregt werden kann. Hierdurch schwingt die Membran 28 jeweils in Pfeilrichtung hin und her und erzeugt die entsprechenden ersten Ultraschallsignale 21 und zweiten Ultraschallsignale 22. Entspricht die erste Frequenz hierbei der Hauptresonanz-Frequenz der Ultraschallsensoreinheit 20 bzw. der Membran 28, ergibt sich eine erste Abstrahl-Charakteristik 23, welche als durchgezogen-schraffierte Fläche dargestellt ist. Ist die zweite Frequenz hierbei eine harmonische Resonanz-Frequenz bzw. eine höhere Schwingungsmode der Ultraschallsensoreinheit 20 bzw. der Membran 28, und ist die zweite Frequenz folglich höher als die erste Frequenz, ergibt sich eine zweite Abstrahl-Charakteristik 24, welche als gestrichelt-schraffierte Fläche dargestellt ist. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass der Öffnungswinkel der ersten Abstrahl-Charakteristik 23 größer als der Öffnungswinkel der zweiten Abstrahl-Charakteristik 24 ist. Hierdurch ergeben sich wiederum aus den beiden zu den ausgesendeten ersten und Ultraschallsignalen 21, 22 empfangenen ersten und zweiten Ultraschallechosignalen 25, 26 unterschiedliche Informationen in vertikaler Richtung, welche zu einer entsprechenden Höhenbestimmung eines Objekts 100 herangezogen werden können.
