DE19824267A1

DE19824267A1 - Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos im Empfangssignal von Abstandssensoren sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19824267A1
Application number: DE1998124267
Authority: DE
Inventors: Peter Bork; Klaus-Dieter Fiebelkorn; Lutz Oreans; Martin Vossiek; Wolfgang Ens; Patric Heide; Kurt Schulmeister
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos, bei welchem für Einzelechos ein Geschwindigkeitsmaß bestimmt wird, das die Änderung der Entfernungsmaße zweier von demselben Objekt hervorgerufener Echos pro Zeit repräsentiert. Die Geschwindigkeitsmaße verschiedener Einzelechos werden miteinander verglichen und das Ergebnis des Vergleichs wird für eine Echobewertung herangezogen. Insbesondere wird ein Einzelecho mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet, wenn sein Geschwindigkeitsmaß als Summe gewichteter Geschwindigkeitsmaße von Einzelechos mit einem kleineren Entfernungsmaß darstellbar ist, wobei die Gewichtung mit einer beliebigen ganzen Zahl erfolgen kann. DOLLAR A Die Erfindung wird angewandt bei der berührungslosen Abstandsmessung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos im Empfangssignal von Abstandssensoren, welche in einem Meßvorgang mit pulsförmigen oder frequenzmodulierten Sendesignalen arbeiten und aus den Empfangssignalen Echo profile bilden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter hin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE-OS 43 08 373, der dazu korrespondierenden US-PS 5 587 969 sowie aus dem Aufsatz "Evaluation of Ultrasonic Sensor Signals Using Fuzzy Logic" zum Symposium on Acoustical Imaging, Firenze, Italy, September 4-6, 1995, von M. Vossiek, P.-C. Eccardt und V. Mégori bekannt. Abstandssensoren bilden ein sogenanntes Echoprofil, welches die Stärke der Reflexionen zusammen mit einem auf die Position des Sensors bezogenen Entfernungsmaß darstellt, das in Abhängigkeit von der Laufzeit der Einzel echos ermittelt wird. Das ist unabhängig davon, welche Wellenart als Meßsignal bei dem Verfahren verwendet wird. Beispielsweise sind akustische Wellen, insbesondere Ultra schall, oder elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikro wellen oder optische Signale, geeignet. Die Maxima in einem Echoprofil können reflektierenden Objekten oder Reflektor anordnungen zugeordnet werden, z. B. dem Füllstand bei einem Füllstandssensor. Aus der Position des jeweiligen Maximums können die Objektentfernung und aus Form und Amplitude des Maximums die Reflexionseigenschaften des Objekts bestimmt werden. Die Detektion der Maxima und ihrer Merkmale, ins besondere Position, Amplitude und Form, kann durch analoge oder digitale Schaltungen erfolgen, z. B. Schwellen- oder Spitzenwertdetektoren, Komparatoren, Zähler, Filter oder ähnliches, oder sie werden im Anschluß an eine digitale Auf zeichnung des Empfangssignals durch eine Recheneinheit er mittelt.

Die DE-OS 43 08 373, deren Inhalt durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen sein soll, zeigt ein Verfahren, bei dem Nutz- und Störechos im Empfangssignal von Abstandssensoren anhand charakteristi scher Merkmale separiert werden. Mit Hilfe von Klassifizie rungsverfahren werden Mehrfachechos unterdrückt und zeitliche Fluktuationen oder die Übereinstimmung mit einer eingelernten Situation bewertet. Als Klassifizierungsverfahren werden u. a. Fuzzy-Algorithmen verwendet. Die im oben genannten Stand der Technik beschriebenen Verfahren enthalten im wesentlichen die folgenden Verfahrensschritte:

- Situationsangepaßte Einstellung von Auswerteparametern, beispielsweise von Schwellenwerten,
- Bewertung von Echos anhand von Einzelmessungen durch Aus werten von Merkmalen eines oder mehrerer Echos, wobei die Merkmale in einer Einzelmessung gewonnen wurden, und
- Bewertung von Echos anhand von zeitlichen Änderungen der Merkmale eines einzelnen Echos von Messung zu Messung.

Mit den bekannten Verfahren ist eine vergleichsweise zuver lässige Erkennung von Nutz- und Störechos im Empfangssignal von Abstandssensoren möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos im Empfangssignal von Ab standssensoren zu finden sowie eine Anordnung zur Durchfüh rung des Verfahrens zu schaffen, mit welchen eine weiter erhöhte Meßsicherheit und eine weiterverbesserte Unter drückung von Störsignalen erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der ein gangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Ansprüchen 2 bis 11 sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens be schrieben. Die Merkmale der neuen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sind in Anspruch 12 angegeben.

In vorteilhafter Weise wird durch die Erfindung ausgenutzt, daß sich durch den Vergleich der zeitlichen Änderung von Echomerkmalen mehrerer Echos umfangreiche Aussagen über eine Meßsituation gewinnen lassen. Wichtige Applikationsgebiete der Erfindung sind die berührungslose Distanzmessung, der Kollisionsschutz oder die Füllstandsmessung. Je nach An wendungsfall können aus einem Vergleich der Geschwindigkeits maße verschiedener Einzelechos vielfältige Bewertungsaussagen abgeleitet werden. Beispielsweise können Mehrfachechos zwi schen Objekten, von denen zumindest eines beweglich ist, zuverlässig erkannt werden, indem überprüft wird, ob das Geschwindigkeitsmaß des jeweiligen Einzelechos zumindest näherungsweise mit der Summe gewichteter Geschwindigkeitsmaße von Einzelechos mit einem kleineren Entfernungsmaß als das jeweils geprüfte Einzelecho übereinstimmt. Bei der Summen berechnung kann die Gewichtung mit ganzzahligen Faktoren, die auch negatives Vorzeichen haben können, erfolgen. Bei einer Anwendung mit einem Füllstandssensor als Abstandssensor ist in vorteilhafter Weise das Füllstandsecho detektierbar, indem von den Einzelechos, deren Geschwindigkeitsmaß einen vorgeb baren Grenzwert überschreitet, dasjenige Einzelecho mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, das Füllstandsecho zu sein, be wertet wird, dessen Entfernungsmaß am geringsten ist.

In vorteilhafter Weise werden sehr zuverlässige Ergebnisse bei der Echoverfolgung erzielt, wenn die Einzelechos des zweiten Echoprofils den Einzelechos des ersten Echoprofils nach mindestens einem, vorzugsweise nach allen der folgenden Kriterien zugeordnet werden:

- Die Differenz der Entfernungsmaße der Einzelechos eines Echopaares darf einen vorgebbaren Grenzwert nicht über schreiten,
- jedes Einzelecho darf in nur einem Echopaar vorkommen,
- die Anzahl der gebildeten Echopaare soll maximal sein und
- die Summe der Beträge der Differenzen der Entfernungsmaße aller Echopaare soll minimal sein.

Zur Selektion von Einzel- und Mehrfachechos kann das jeweils geprüfte Einzelecho mit einer um so höheren Wahrscheinlich keit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet werden, je genauer die Übereinstimmung des Geschwindigkeitsmaßes des jeweils geprüften Einzelechos mit der berechneten Summe ist. Es kön nen also je nach Übereinstimmungsgenauigkeit verschiedene Einstufungen der Wahrscheinlichkeit getroffen werden. Dadurch wird eine bessere Bewertungsaussage erreicht, die den vor liegenden Gegebenheiten näherkommt.

Der Einfluß von Meßungenauigkeiten wird vorteilhaft redu ziert, indem nur Einzelechos, deren Geschwindigkeitsmaße einen vorgebbaren Grenzwert überschreiten, in den Vergleich einbezogen werden.

Um die Kombinationsmöglichkeiten bei den Berechnungen der Summe für verschiedene Werte des Faktors a zu begrenzen und in vorteilhafter Weise eine kürzere Rechenzeit zu erzielen, kann der Betrag des ganzzahligen Faktors a auf einen vorgeb baren Wert, vorzugsweise den Wert 2, begrenzt werden.

Zur Auswertung einer Vielzahl von Bewertungsaussagen, die aus dem Vergleich der Geschwindigkeitsmaße verschiedener Echos abgeleitet werden, sind in vorteilhafter Weise Fuzzy-Algo rithmen anwendbar. Sie haben die Fähigkeit, eine Vielzahl variabler Eingangssignale zu verarbeiten und Vergleiche der Eingangssignale mit einem Wertebereich vorzunehmen. Zudem kann a priori-Wissen über die jeweilige Anwendung in ein facher Weise in Fuzzy-Algorithmen eingebracht werden. Auch neuronale Netze oder Neuro-Fuzzy-Algorithmen, die ebenfalls gleichzeitig mehrere Eingangssignale verarbeiten können, sind mit Vorteil verwendbar. Die wesentliche Aufgabe der Signal verarbeitung ist es, Nutz- und Störechos anhand geeigneter Regeln zu unterscheiden. Da Fuzzy-Algorithmen es ermöglichen, auch unscharfe Bewertungsaussagen durch Zugehörigkeitsfunk tionen zu beschreiben und mit einem Regelwerk auszuwerten, sind sie für das Erkennungsverfahren erheblich besser geeig net als eine Boul'sche Algebra, die auf festen Entscheidungs schwellen basiert und lediglich binäre Ja/Nein-Aussagen zu läßt.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Entstehung von Mehrfachechos,

Fig. 2 ein Diagramm zu Mehrfachechos bei mehreren bewegten Reflektoren und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Wie in der DE-OS 43 08 373 dargestellt wurde, führt ein Meß vorgang zu einem bestimmten Zeitpunkt, z. B. dem Zeitpunkt T = T_a, zu einem Empfangssignal, aus welchem ein Satz von Echos, beispielsweise der Anzahl Na, extrahierbar ist. Die Echos E_a1 ... E_aNa sind physikalisch Reflektoren oder Re flektoranordnungen zuzuordnen. Die Echos können jeweils durch P Merkmale beschrieben werden. Beispielsweise für das i-te Echo E_ai werden die Merkmale mit M_a1i, M_a2i ... M_aPi bezeichnet. Die Merkmale können in Form einer Echoliste folgendermaßen aufgeschrieben werden:

Wichtige Merkmale eines Echos sind seine Position im Echo profil, welche ein Entfernungsmaß des zugehörigen Reflektors zum Abstandssensor repräsentiert, die Echoamplitude sowie die Form des Echos. Bei den folgenden Ausführungen wird vor wiegend das Entfernungsmaß d zur Echoerkennung herangezogen, das den ersten Merkmalen der Echos entsprechen soll. Es soll also gelten:

(M_a11, M_a12 . . . M_a1Na) = (d_a1, d_a2, . . . d_aNa)

Die Ausführungen sind aber auch auf andere Merkmale über tragbar.

Wird ein weiterer Meßvorgang zu einem von T_a verschiedenen Zeitpunkt T = T_b durchgeführt, so führt dieser Meßvorgang zu einer Echoliste EL_b. Die Echoliste EL_b dieses Meßvorgangs kann sich sowohl in den Werten der Echomerkmale M_bij als auch in der Anzahl Nb der Echos von der Echoliste EL_a des ersten Meßvorgangs unterscheiden.

Bevor eine sinnvolle Bewertung der zeitlichen Änderung von Echomerkmalen vorgenommen werden kann, müssen die Einzelechos der Echoliste EL_b des zweiten Meßvorgangs den Einzelechos der Echoliste EL_a des ersten Meßvorgangs plausibel zugeordnet werden. Prinzipiell besteht die Aufgabe darin, diejenigen Echos aus dem ersten und dem zweiten Meßvorgang zu Paaren zusammenzufassen, die von demselben Reflektor hervorgerufen wurden. Diese Zuordnung wird im weiteren Echoverfolgung ge nannt. Bei einem Füllstandssensor besteht eine Möglichkeit zur Echoverfolgung darin, die Zuordnung anhand von a priori- Wissen über die jeweilige Anwendung vorzunehmen. Es kann z. B. ausgenutzt werden, daß je nach Anwendungsfall des Ab standssensors die maximal zu erwartende Positionsänderung Δd_max eines Reflektors pro Zeit, die auch als Geschwindig keitsmaß bezeichnet werden kann, begrenzt ist. Beispielsweise ist bei einem Füllstandssensor diese Begrenzung durch die maximale Geschwindigkeit gegeben, mit welcher der Vorrats behälter befüllt oder entleert werden kann. Bei allen Echo paaren (E_aj, E_bk), bei denen die Positionsdifferenz Δd_jk zwi schen den Echos E_aj und E_bk größer ist, als es die maximal mögliche Positionsänderung während der Zeitdifferenz T_b - T_a zuläßt, ist es nicht plausibel, daß die Einzelechos E_aj und E_bk von demselben Reflektor verursacht wurden. Auf diese Weise als nicht plausibel erkannte Echopaare können aus der Liste gestrichen werden.

Die Menge der verbleibenden Echopaare, bei welchen das Ge schwindigkeitsmaß kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist, ist nicht zwangsläufig eindeutig. Es kann also ein Echo in mehr als einem Echopaar vorkommen. Um die Echoverfolgung weiter zu verbessern, werden zusätzliche Kriterien ange wendet, die zur Auswahl der plausibelsten Echopaare geeignet sind. Im einzelnen sind das die folgenden Kriterien:

- Jedes Einzelecho darf höchstens in einem Echopaar vor kommen,
- die Anzahl der ausgewählten Echopaare soll maximal sein und
- die Summe der Beträge der Differenzen der Entfernungsmaße Δd_jk der verbleibenden Echopaare soll minimal sein.

Ein funktionssicheres Verfahren zur Echoverfolgung ist sehr vorteilhaft bei der Berechnung von zeitlichen Änderungen der Echomerkmale, insbesondere bei der Berechnung der Geschwin digkeitsmaße aller verfolgten Echos. Das dargestellte Ver fahren zur Echoverfolgung kann in analoger Weise auch auf mehr als zwei Meßvorgänge übertragen werden. Entsprechend einer Anzahl n der Meßvorgänge werden dann statt der Paare n-Tupel gebildet. In diesem Fall können Merkmalsänderungen, beispielsweise innerhalb eines Beobachtungszeitfensters ΔT, akkumuliert oder auch gemittelt werden. Grundlage einer Aus wertung bilden auch hier Größen, welche die Änderung der Merkmale pro Zeit beschreiben. Die bei der Echoverfolgung bestimmten Werte zur Beschreibung der Änderungen der Echo merkmale bilden selbst zusätzliche Merkmale eines Echos und können daher in die entsprechende Echoliste aufgenommen wer den. Vorzugsweise werden zeitliche Änderungen der Entfer nungsmaße ausgewertet. Zudem können auch aus Korrelationen zeitlicher Änderungen der Entfernungsmaße verschiedener Echos Kriterien abgeleitet werden. Ein Beobachtungszeitfenster ΔT sollte so gewählt werden, daß statistische Schwankungen der Reflektorpositionen, beispielsweise aufgrund der stochasti schen Meßunsicherheit des Abstandssensors, klein gegenüber den tatsächlichen Positionsänderungen, denen der jeweiligen Anwendung entsprechend eine typische Größenordnung zugewiesen werden kann, sind.

Nach der Echoverfolgung liegt eine Liste von Z_p Echos vor mit zumindest jeweils einem zugehörigen Entfernungsmaß d_r1, d_r2, ... d_rZp, das die aktuelle Echoposition wiedergibt, und einem Geschwindigkeitsmaß Δd_r1, Δd_r2, ..., Δd_rZp, das die Änderung der Position des jeweiligen Echos und damit des jeweils zugehöri gen Reflektors pro Zeit beschreibt.

Eine erste Echoklassifikation kann anhand der Geschwindig keitsmaße Δd_r1, Δd_r2, ..., Δd_rZp, durchgeführt werden, indem ein Echo einer Klasse ortsveränderlicher Echos zugeordnet wird, dessen Entfernungsmaß größer als ein vorgebbarer Schwellen wert ist. Alternativ zu dieser binären Klassenzuordnung sind auch unscharfe Klassifizierungsverfahren, beispielsweise mit Fuzzy-Algorithmen, vorteilhaft anwendbar. Dabei wird einem Echo eine um so höhere Wahrscheinlichkeit zugeordnet, der Klasse der ortsveränderlichen Echos anzugehören, je größer sein Geschwindigkeitsmaß ist.

Weitere Klassifizierungen oder Bewertungen der Echos können anhand eines Vergleichs der Geschwindigkeitsmaße verschiede ner ortsveränderlicher Echos erhalten werden, beispielsweise eine Erkennung von Mehrfachreflexionen oder eine Selektion eines Füllstandsechos aus einer Menge von Störechos.

Einige Verfahren zur Erkennung von Mehrfachechos sollen an hand der Fig. 1 und 2, in denen schematisch Verläufe eines Sendesignals dargestellt sind, erläutert werden. Auf der Ab szisse ist das Entfernungsmaß d aufgetragen, das einem Echo in Abhängigkeit des zeitlichen Eintreffens eines Empfangs signals bei einem Abstandssensor zugeordnet wird. An der Ordinate ist die Zeit t eines Meßvorgangs aufgetragen.

In Fig. 1 ist jeweils durch einen dicken senkrechten Strich die Lage eines Reflektors Rb und eines Reflektors Rg mar kiert. Die Entfernungsmaße der beiden Reflektoren Rb und Rg sind auf der d-Achse mit d_Rb bzw. d_Rg angegeben. In einem Meß vorgang wird von einem Abstandssensor, der sich an der Posi tion mit dem Entfernungsmaß d = 0 befindet, zum Zeitpunkt t = 0 ein pulsförmiges oder frequenzmoduliertes Sendesignal, beispielsweise ein Radarsignal, gesendet. Das Sendesignal bewegt sich von der Sensorebene fort, wie es in Fig. 1 durch einen Pfeil 1 markiert ist. Ein Teil des Sendesignals wird am Reflektor Rb zurückgeworfen und wird als ein Echo zum Zeit punkt t = t_Rb im Empfangssignal des Abstandssensors detek tiert. Ein anderer Teil des Sendesignals gelangt zum Reflek tor Rg, wird von diesem reflektiert und erzeugt im Echoprofil ein Echo zum Zeitpunkt t_Rg, das dem Reflektor Rg zugeordnet werden kann und dessen Entfernungsmaß dR_g entspricht. Am Re flektor Rb wird wiederum ein Teil des Sendesignals zum Re flektor Rg zurückgeworfen und erzeugt nach Reflexion am Re flektor Rg ein erstes Mehrfachecho zum Zeitpunkt t = t_MFE1. Das Entfernungsmaß, das diesem ersten Mehrfachecho zugeordnet werden kann, ist auf der d-Achse als d_MFE1 aufgetragen. Am Re flektor Rb wird wiederum ein Teil des Sendesignals zum Re flektor Rg und von diesem zum Abstandssensor reflektiert, so daß ein zweites Mehrfachecho zum Zeitpunkt t = t_MFE2 mit ge ringerer Amplitude detektiert werden kann. Das dem zweiten Mehrfachecho zugeordnete Entfernungsmaß beträgt d_MFE2. Ein Mehrfachecho ist also ein Echo, welches von einem ersten Reflektor, hier dem Reflektor Rg, nicht direkt zum Abstands sensor gelangt, sondern über mindestens eine weitere Re flexion an mindestens einem weiteren Reflektor, hier am Reflektor Rb, zurück zum ersten Reflektor, hier Rg, gelangt und somit erst nach wiederholten Reflexionen am ersten Re flektor vom Abstandssensor empfangen wird. Dieser Reflexions vorgang kann sich auch mehrmals wiederholen. Je nach Anzahl der Wiederholungen werden die detektierten Echos als Mehr fachechos 1., 2., 3. oder höherer Ordnung bezeichnet. Mehr fachechos täuschen Reflektoren im Meßraum vor, die aber tat sächlich nicht vorhanden sind. In dem Diagramm nach Fig. 1 werden auf diese Weise ein Reflektor R1 mit dem Entfernungs maß d_MFE1 sowie ein Reflektor R2 mit dem Entfernungsmaß d_MFE2 scheinbar detektiert.

Ändert sich nun von einem Meßvorgang zum nächsten die Posi tion des Reflektors Rg um einen Betrag ΔRg zu einem neuen Entfernungsmaß dR_g' und bleibt die Position des Reflektors Rb, der zur Mehrfachreflexion beiträgt, fest, so ändern sich auch die Entfernungsmaße d_MFE1 in d_MFE1' und d_MFE2 in d_MFE2'. Das bedeutet eine Verschiebung des scheinbar vorhandenen Reflek tors R1 zu einem Reflektor R1' bzw. des Reflektors R2 zu einem Reflektor R2'. In entsprechender Weise verschieben sich auch die Zeitpunkte der Echodetektion von einem Zeitpunkt tR9 zu einem Zeitpunkt t_Rg', von einem Zeitpunkt t_MFE1 zu einem Zeitpunkt t_MFE1 und von einem Zeitpunkt t_MFE2 zu einem Zeit punkt t_MFE2. Die Beträge Δd_R1 und Δd_R2, welche die Änderung der Entfernungsmaße des ersten bzw. des zweiten Mehrfachechos wiedergeben, sind gleich dem zweifachen bzw. dem dreifachen Betrag der Änderung Δd_Rg des Entfernungsmaßes des Reflektors Rg, wie aus Fig. 1 deutlich entnehmbar ist. Mit Berücksich tigung der Zeit, die zwischen den beiden Meßvorgängen ver gangen ist, geben die Beträge der Änderungen Δd_Rg, Δd_R1 und Δd_R2 der Entfernungsmaße die Geschwindigkeitsmaße der Einzel echos an. Die Geschwindigkeitsmaße des ersten Mehrfachechos und des zweiten Mehrfachechos haben also den doppelten bzw. den dreifachen Wert des Geschwindigkeitsmaßes des Grundechos, das die Bewegungsgeschwindigkeit des Reflektors Rg wieder gibt. Anhand dieser Erkenntnis kann ein Kriterium zur Selek tion von Mehrfachechos folgendermaßen formuliert werden: Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Echo der Klasse der Mehrfachechos angehört, ist um so höher, je genauer sein Geschwindigkeits maß dem ganzzahligen Vielfachen des Geschwindigkeitsmaßes eines anderen Echos entspricht, das ein kleineres Ent fernungsmaß besitzt.

Das beschriebene Kriterium zur Mehrfachechoerkennung kann wie folgt erweitert werden: Einem Echo wird eine um so höhere Wahrscheinlichkeit zugeordnet, der Klasse der Mehrfachechos anzugehören, je genauer sein Geschwindigkeitsmaß der Summe der Geschwindigkeitsmaße mindestens zweier anderer Echos entspricht, deren Entfernungsmaße geringer sind. In dem ge zeigten Ausführungsbeispiel ist das Geschwindigkeitsmaß Δd_R2 gleich der Stimme der Geschwindigkeitsmaße Δd_Rg und Δd_R1. Bei Mehrfachechos höherer Ordnung entspricht das Geschwindig keitsmaß eines Mehrfachechos 4. Ordnung der Summe der Ge schwindigkeitsmaße des Grundechos und des Mehrfachechos 3. Ordnung oder alternativ dazu der Summe der Geschwindig keitsmaße des Mehrfachechos 1. Ordnung und des Mehrfachechos 2. Ordnung. Bei diesem Kriterium wirken sich Meßfehler nicht so stark aus, wie bei der Berechnung eines Vielfachen des Geschwindigkeitsmaßes nach dem vorhergehenden Kriterium. Generell können die Geschwindigkeitsmaße der Echos nur mit einer gewissen Meßunsicherheit behaftet erfaßt werden. Der artige Meßfehler haben aber zur Folge, daß das Geschwindig keitsmaß eines Mehrfachechos höherer Ordnung möglicherweise nur ungenau dem Vielfachen des Geschwindigkeitsmaßes des Grundechos entspricht. Bei dem zuletzt genannten Kriterium wird daher eine größere Erkennungssicherheit erreicht.

Das beschriebene Verfahren zur Erkennung von Mehrfachechos kann zudem dahingehend erweitert werden, daß nicht nur ein Vergleich eines Geschwindigkeitsmaßes eines Echos mit den Summen der Geschwindigkeitsmaße von Echos mit geringeren Entfernungsmaßen durchgeführt wird, sondern auch Differenzen bzw. Kombinationen aus Summen- und Differenzwerten in die Betrachtung einbezogen werden. In den Kombinationen werden also auch Summen und Differenzen der Geschwindigkeitsmaße gebildet und das Geschwindigkeitsmaß des jeweils geprüften Echos mit dem Ergebnis dieser Berechnung verglichen. Auf diese Weise können vorteilhaft Mehrfachechos in Situationen erkannt werden, bei denen mehr als ein Reflektor sein Ent fernungsmaß geändert hat. Das so erweiterte Verfahren wird anhand Fig. 2 verdeutlicht. Durch zwei dick gezeichnete, senkrechte Linien ist wiederum die Position eines Reflektors Rb bzw. eines Reflektors Rg mit einem Entfernungsmaß d_Rb bzw. d_Rg symbolisch dargestellt. Bei einem ersten Meßvorgang wird entsprechend einem Pfeil 2 ein Radarsignal in Richtung auf die beiden Reflektoren Rb und Rg zum Zeitpunkt t = 0 von der Sensorebene eines Abstandssensors abgestrahlt. Nach einer Laufzeit t_Rb wird das am Reflektor Rb zurückgeworfene Signal durch den Abstandssensor detektiert. Daraus kann das Ent fernungsmaß d_Rb des Reflektors Rb ermittelt werden. Ein wei teres Grundecho zum Zeitpunkt t_Rg wird durch die Reflexion des Radarsignals am Reflektor Rg erzeugt. Ein Teil des am Reflektor Rg reflektierten Signals wird wiederum vom Re flektor Rb auf den Reflektor Rg zurückgeworfen und führt nach einer weiteren Reflexion am Reflektor Rg zu einem ersten Mehrfachecho zum Zeitpunkt t_MFE1. Durch dieses Mehrfachecho wird, wie bereits bei Fig. 1 geschildert, die Anwesenheit eines Reflektors R1 mit einem Entfernungsmaß d_MFE1 vorge täuscht. In der Zeit zwischen dem bisher beschriebenen ersten Meßvorgang und einem zweiten Vorgang verschiebt sich die Po sition der beiden Reflektoren Rb und Rg in neue Positionen, die durch gestrichelte, senkrechte Linien markiert sind. Die beiden Reflektoren werden nun als Reflektor Rb' bzw. Reflek tor Rg' bezeichnet. Das Entfernungsmaß d_Rb' ergibt sich aus einer Laufzeit t_Rb' des Grundechos des Reflektors Rb' und unterscheidet sich um den Betrag Δd_Rb vom Entfernungsmaß d_Rb des Reflektors Rb. In entsprechender Weise wird das Grundecho des Reflektors Rg' zum Zeitpunkt t_Rg' mit einem Entfernungs maß d_Rg' detektiert, das sich um den Betrag Δd_Rg' vom Ent fernungsmaß d_Rg des Reflektors Rg unterscheidet. Da das erste Mehrfachecho nun zum Zeitpunkt t_MFE1 detektiert wird, ändert auch das Entfernungsmaß d_MFE1 seinen Betrag zu einem neuen Entfernungsmaß d_MFE1' und erweckt den Anschein eines Reflek tors R1' an dieser Position. Der Betrag der Änderung Δd_R1 des Entfernungsmaßes d_MFE1 vom ersten zum zweiten Meßvorgang kann, wie in Fig. 2 deutlich zu erkennen ist, nach der Formel be rechnet werden:

Δd_R1 = 2 . Δd_Rg - Δd_Rb.

Die Beträge der Änderungen der Entfernungsmaße können wie derum bei Berücksichtigung der zwischen den beiden Meß vorgängen vergangenen Zeit als Geschwindigkeitsmaße bezeich net werden. Das Geschwindigkeitsmaß Δd_R1 ist also als Summen ausdruck aus den beiden Geschwindigkeitsmaßen Δd_Rb und Δd_Rg erhältlich, in welchem das Geschwindigkeitsmaß Δd_Rg zweimal mit positivem Vorzeichen und das Geschwindigkeitsmaß Δd_Rb mit negativem Vorzeichen enthalten sind.

In den Fig. 1 und 2 sind jeweils die Ergebnisse eines ersten und eines zweiten Meßvorgangs dargestellt. Zwischen den dargestellten Meßvorgängen können weitere nicht gezeigte Meßvorgänge stattgefunden haben, welche die Echoverfolgung wegen geringerer Änderungen der Entfernungsmaße von Meß vorgang zu Meßvorgang erleichtern.

Das beschriebene Verfahren zur Erkennung von Mehrfachechos soll im folgenden in einer allgemeineren Form dargestellt werden. Gegeben sei als Ergebnis mindestens zweier Meß vorgänge eine Echoliste EL mit Z_p Echos, denen als Merkmale jeweils zumindest ein Entfernungsmaß d und ein Geschwindig keitsmaß Δd zugeordnet sind. Zur Vereinfachung der Darstel lung sollen die Echos mit aufsteigendem Entfernungsmaß in die Echoliste einsortiert vorliegen. D. h., das Echo mit dem ge ringsten Entfernungsmaß erhält den Index 1, das Echo mit dem größten Entfernungsmaß den Index Z_p. Entsprechendes gilt für die Indizierung der Entfernungs- und Geschwindigkeitsmaße der Echos. Die Echoliste kann also folgendermaßen geschrieben werden:

Zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit, mit der ein Echo E_k, k ∈ (1, ..., Z_p), zur Klasse der Mehrfachechos gehört, werden zunächst alle möglichen Summen und Differenzkombinationen Δd_kompk von Geschwindigkeitsmaßen Δd_j wie folgt gebildet:

Die Anzahl verschiedener Geschwindigkeitsmaße Δd_j , die in dieser Summe vorkommen, ist maximal gleich k - 1, da nur Echos mit einem geringeren Entfernungsmaß als dem Entfer nungsmaß d_k des Echos E_k sinnvoll kombiniert werden. Mit dem ganzzahligen Wert L_max wird eine definierte maximale Anzahl vorgegeben, mit der sich ein Geschwindigkeitsmaß Δd_j in dem Summenausdruck wiederholen kann. Aus den verschiedenen Summen und Differenzkombinationen Δd_kompk, die sich durch Variation des Vorzeichenfaktors a_klj ergeben, wird anschließend die jenige Kombination bestimmt, bei welcher der Wert Δd_kompk am genauesten mit dem Geschwindigkeitsmaß Δd_k des Echos E_k über einstimmt. Das Geschwindigkeitsmaß dieser optimalen Echo kombination wird im folgenden mit Δd_kompkopt bezeichnet. Um die Anzahl der Summen und Differenzkombinationen zu begrenzen, wird die Anzahl L_max vorzugsweise auf 2 oder 3 gesetzt und a priori-Informationen, die über den jeweiligen Anwendungs fall vorliegen, werden ausgenutzt. Ist z. B. bekannt, daß nur ein hinterer physikalischer Reflektor sein Entfernungsmaß d_i ändern kann, so ist ein negatives Vorzeichen bei Δd_i nicht sinnvoll und der Faktor a_klj ist für j = i aus der Menge {0, 1} zu wählen. Zudem kann wegen der Entstehungsursache von Mehrfachechos die Summe der Entfernungsmaße der zur Berech nung von Δd_kompk kombinierten Echos das Entfernungsmaß d_k des Echos E_k nur um ein begrenztes Maß überschreiten.

Die Abweichung des Geschwindigkeitsmaßes Δd_k des jeweils geprüften Echos E_k und der berechneten optimalen Echo kombination mit dem Geschwindigkeitsmaß Δd_kompkopt wird zur Mehrfachecho-Klassifikation ausgewertet. Je kleiner die Abweichung ist, d. h. je genauer die Übereinstimmung der Geschwindigkeitsmaße Δd_k und Δd_kompkopt ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß es sich bei dem Echo E_k um ein Mehrfachecho handelt. Für eine derartige Auswertung kann in vorteilhafter Weise eine Auswerteeinheit verwendet werden, welche mit Fuzzy-Algorithmen arbeitet. Geeignete Verfahren hierzu sind im eingangs genannten Stand der Technik be schrieben. Prinzipiell ist aber auch eine Auswertung mit binärer Logik möglich.

Bei Füllstandssensoren ist im allgemeinen davon auszugehen, daß das Füllgut den einzigen Reflektor darstellt, der sich physikalisch bewegen kann. Wie schon gezeigt wurde, täuschen Mehrfachechos weitere bewegte Reflektoren, die jedoch immer ein größeres Geschwindigkeitsmaß besitzen, vor. Zudem wurde gezeigt, daß ein Mehrfachecho immer ein größeres Entfernungs maß aufweist als das Grundecho eines beteiligten Reflektors. Als Kriterium kann daraus abgeleitet werden, daß demjenigen Echo eine höhere Wahrscheinlichkeit zuzuordnen ist, das Echo des Füllstands zu sein, das kein Mehrfachecho ist und bei einem Vergleich mit weiteren Echos, die ebenfalls keine Mehr fachechos sind, das größere Geschwindigkeitsmaß aufweist. Die Mehrfachechos können vorab, wie oben beschrieben, oder mit einem aus dem genannten Stand der Technik bekannten Verfahren selektiert werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Selektion des Füllstandsechos, die sich durch eine sehr einfache Auswertung und eine gute Zuverlässigkeit auszeichnet, besteht darin, demjenigen Echo aus der Klasse der ortsveränderlichen Echos die größte Wahr scheinlichkeit zuzuordnen, das Füllstandsecho zu sein, wel ches das geringste Entfernungsmaß aufweist.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Abstandssensor 3, der in einen Meßraum Mikrowellensignale sendet und die Echos der Signale empfängt, arbeitet vorzugsweise nach dem FMCW-Prinzip (Fre quency Modulated Continous Wave). Das Sendesignal ist vor zugsweise linear freguenzmoduliert. Elektrische Signale 4 des Abstandssensors werden einem A/D-Wandler 5 zugeführt, der das Empfangssignal des Abstandssensors 3 digitalisiert. Das digi talisierte Empfangssignal 6 wird in einer Auswerteeinheit 7 weiterverarbeitet. Die Auswerteeinheit enthält eine Rechen einheit, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Mikrocontroller 8, beispielsweise des Typs SAB80537, und einem Fuzzy-Koprozessor 9, z. B. einem SAE811099A, besteht. Zur weiteren Auswertung des Empfangssignals, insbesondere zur Extraktion der Echomerkmale, wird das digitalisierte Emp fangssignal in einem Datenspeicher 10 abgespeichert. Der Datenspeicher 10 enthält auch das Auswerteprogramm für die Recheneinheit. Zugehörigkeitsfunktionen und Regeln, welche die Basis der Fuzzy-Algorithmen bilden, sind in einem Spei cher 11 hinterlegt, auf welchen der Fuzzy-Koprozessor 9 zu greifen kann. Für eine Kommunikation der Auswerteeinheit 7 mit einer in Fig. 3 nicht dargestellten, übergeordneten Steuerung ist ein Interface 12 vorgesehen.

Claims

1. Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos im Emp fangssignal von Abstandssensoren, welche in einem Meßvorgang mit pulsförmigen oder frequenzmodulierten Sendesignalen arbeiten und aus den Empfangssignalen Echoprofile bilden, wobei einem in einem Empfangssignal detektierten Maximum ein Einzelecho eines im Meßbereich befindlichen reflektierenden Objekts zuordenbar ist, mit den folgenden Schritten:

1. aus einem ersten Echoprofil EP_a eines ersten Meßvorgangs werden Na Einzelechos mit jeweils zugehörigen Entfernungs maßen d_a1, d_a2, ... d_aNa bestimmt, wobei die Anzahl Na minde stens 2 beträgt,
2. aus einem zweiten Echoprofil EP_b eines zweiten Meßvorgangs werden Nb Einzelechos mit jeweils zugehörigen Entfernungs maßen d_b1, d_b2, ... d_bNb bestimmt, wobei die Anzahl Nb minde stens 2 beträgt,
3. in einer Echoverfolgung werden Einzelechos des zweiten Echoprofils EP_b den Einzelechos des ersten Echoprofils EP_a zugeordnet, die von demselben reflektierenden Objekt her vorgerufen werden,
4. für Zp verfolgte Einzelechos wird ein Geschwindigkeitsmaß Δd_r1, Δd_r2, ..., Δd_rZp bestimmt, das die Differenz der Ent fernungsmaße zweier von demselben Objekt hervorgerufener Echos pro Zeit repräsentiert, wobei die Anzahl Zp minde stens 2 beträgt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Vergleich der Geschwindigkeitsmaße verschiedener Einzelechos durchgeführt wird und
- daß das Ergebnis des Vergleichs für eine Echobewertung herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Echoverfolgung die Einzelechos des zweiten Echo profils EP_b den Einzelechos des ersten Echoprofils EP_a nach mindestens einem der folgenden Kriterien zugeordnet werden:

1. die Differenz der Entfernungsmaße der Einzelechos eines durch die Zuordnung gebildeten Echopaares darf einen vor gebbaren Grenzwert nicht überschreiten,
2. jedes Einzelecho darf in nur einem Echopaar vorkommen,
3. die Anzahl der gebildeten Echopaare soll maximal sein und/oder
4. die Summe der Beträge der Differenzen der Entfernungsmaße aller Echopaare soll minimal sein.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

1. daß nur Einzelechos, deren Geschwindigkeitsmaße einen vor gebbaren Grenzwert überschreiten, in den Vergleich ein bezogen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet,

1. daß zum Vergleich der Geschwindigkeitsmaße verschiedener Einzelechos geprüft wird, ob ein Geschwindigkeitsmaß eines Einzelechos zumindest näherungsweise mit der Summe gewich teter Geschwindigkeitsmaße von Einzelechos mit einem klei neren Entfernungsmaß als das jeweils geprüfte Einzelecho übereinstimmt, wobei die Gewichtung der Geschwindigkeits maße mit einem ganzzahligen Faktor a ∈ {..., -2, -1, 0, 1, 2, ...} erfolgt, und
2. daß bei zumindest näherungsweiser Übereinstimmung das jeweils geprüfte Einzelecho als ein Echo mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

1. daß das jeweils geprüfte Einzelecho mit einer um so höhe ren Wahrscheinlichkeit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet wird, je genauer die Übereinstimmung ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

1. daß der Betrag des ganzzahligen Faktors a auf einen vor gebbaren Wert L_max begrenzt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kennzeichnet,

1. daß das jeweils geprüfte Einzelecho mit einer um so höhe ren Wahrscheinlichkeit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet wird, je häufiger der Faktor a in dem Summenausdruck, für welchen zumindest näherungsweise eine Übereinstimmung er zielt wurde, gleich Null ist, wobei er jedoch mindestens einmal von Null verschieden ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet,

1. daß bei einem Füllstandssensor als Abstandssensor ein Einzelecho mit einer um so höheren Wahrscheinlichkeit, das Füllstandsecho zu sein, bewertet wird, je größer sein Ent fernungsmaß und je kleiner seine Wahrscheinlichkeit ist, ein Mehrfachecho zu sein.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet,

1. daß bei einem Füllstandssensor als Abstandssensor von den Einzelechos, deren Geschwindigkeitsmaß einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, dasjenige Einzelecho mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, das Füllstandsecho zu sein, bewertet wird, dessen Entfernungsmaß am geringsten ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet,

1. daß die Bewertung der Echos mit Fuzzy-Algorithmen erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet,

1. daß die Bewertung der Echos mit zumindest einem neuronalen Netz oder mit Neuro-Fuzzy-Algorithmen erfolgt.

12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

1. daß der Abstandssensor (3) als Radar nach dem FMCW-Prinzip ausgeführt ist,
2. daß ein A/D-Wandler (5) vorhanden ist, mit welchem ein Empfangssignal (4) digitalisierbar ist, und
3. daß eine Auswerteeinheit (7) vorhanden ist, die eine Recheneinheit (8, 9) und Speicher (10, 11) enthält, ins besondere für digitalisierte Meßwerte des Empfangssignals, für Echomerkmale und für ein Auswerteprogramm, derart, daß einem in einem Empfangsignal detektierten Maximum ein Einzelecho eines im Meßbereich befindlichen, reflektierten Objekts zugeordnet wird,
4. daß aus einem ersten Echoprofil EP_a eines ersten Meß vorgangs Na Einzelechos mit den jeweils zugehörigen Ent fernungsmaßen d_a1, d_a2, ..., d_aNa bestimmt werden, wobei die Anzahl Na mindestens 2 beträgt,
5. daß aus einem zweiten Echoprofil EP_b eines zweiten Meß vorgangs Nb Einzelechos mit den jeweils zugehörigen Ent fernungsmaßen d_b1, d_b2, ..., d_bNb, bestimmt werden, wobei die Anzahl Nb mindestens 2 beträgt,
6. daß in einer Echoverfolgung Einzelechos des zweiten Echo profils (EP_b) den Einzelechos des ersten Echoprofils (EP_a) zugeordnet werden, die von demselben reflektierenden Ob jekt hervorgerufen werden,
7. daß für Zp verfolgte Einzelechos ein Geschwindigkeitsmaß Δd_r1, Δd_r2, ..., Δd_rZp bestimmt wird, das die Änderung der Entfernungsmaße zweier von demselben Objekt hervorgerufe ner Echos pro Zeit repräsentiert, wobei die Anzahl Zp min destens 2 beträgt,
8. daß ein Vergleich der Geschwindigkeitsmaße verschiedener Einzelechos durchgeführt wird und
9. daß das Ergebnis des Vergleichs für eine Echobewertung herangezogen wird.