DE3037139C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Unterdrückung von Störsignalen und/oder elektronischem Rauschen in Entfernungsmessern nach dem Rückstrahl­ prinzip zwecks Verbesserung der Genauigkeit der Ent­ fernungsanzeige, und im besonderen einen mit einer solchen Einrichtung ausgestatteten Ultraschall-Entfer­ nungsmesser.

In Apparaten, in welchen Ultraschall-Entfernungsmesser Anwendung finden, wie beispielsweise in photographischen Kameras nach der US-A-41 99 246 wird ein Rückstrahl- oder Echoimpuls, der von einem zwecks Ermittlung der Entfernung eines Zielgegenstandes von der Kamera ausgesandten Ultraschallimpuls ausgelöst worden ist, im Entfernungsmesser der Kamera verwertet, um auf Grund der entfernungsabhängigen Laufzeit dieses Impulses eine automatische Scharfeinstellung des Kamera­ objektivs auf den Zielgegenstand zu bewirken. Solche Entfernungsmesser sind der Einwirkung von Störsignalen und/oder Rauschsignalen ausgesetzt, die vom Entfernungs­ messer erzeugt oder aufgenommen werden. Wenn ein Stör­ signal nach der Aussendung eines Meßimpulses, aber vor dem Eintreffen eines Echoimpulses empfangen wird, kann er eine Fehleinstellung des Kameraobjektivs zur Folge haben.

Um die Empfindlichkeit solcher Entfernungsmesser auf Störsignale und/oder elektronisches Rauschen herabzu­ setzen, werden nach der vorstehend zitierten US-A-41 99 246 über einem vorgegebenen Schwellwert liegenden Empfangssignale mittels einer Kapazität integriert. Ein zur weiteren Verwertung bestimmtes Gegenstandsechosignal wird dabei im Entfernungsmesser jeweils erst dann erzeugt, wenn die Spannung an der integrierenden Kapazität einen vorgegebenen Schwell­ wert überschreitet.

Die Dauer und Gestalt eines von einem Zielgegenstand kommenden Echosignals hängt nun aber von verschiedenen Variablen ab, wie etwa von der Gegenstandsentfernung, der Gestalt des Zielgegenstandes, der Wegdifferenz zwi­ schen verschiedenen Teilen des rückgestrahlten Signales usw., weshalb die beschriebene Verwendung eines Integra­ tors zur Verminderung der Empfindlichkeit des Entfernungs­ messers für Störsignale zu Entfernungsmeßfehlern führen kann.

Störsignale können von verschiedenen Quellen herrühren. Bei Entfernungsmessern der vorstehend geschilderten Gattung wird beispielsweise die Ultraschallenergie von einem elektrostatischen Wandler sowohl ausgesendet als auch empfangen. Ein solcher Wandler weist eine schwing­ fähige Membrane auf, die einerseits im Sendebetrieb von relativ starken hochfrequenten elektrischen Signal­ impulsen in Schwingungen versetzt wird und diese in Ultraschallimpulse umwandelt, anderseits aber im Empfangsbetrieb von relativ schwachen Echoimpulsen früher ausgesandter Ultraschallimpulse in Schwingungen versetzt wird und diese in elektrische Echosignale umwandelt. Wandler dieser Gattung haben für Sende- und Empfangsbetrieb gemeinsame Ein- bzw. Ausgangsklemmen, und deshalb muß die zur Aufnahme der Echosignale dienen­ de Empfangsschaltung bezüglich der während des Sende­ betriebes an den Wandlerklemmen wirksamen starken Sende­ signale ausgeblendet, d. h. durch eingangsseitige Sperrung unwirksam gemacht werden. Diese Ausblendung der Empfangsschaltung wird jeweils kurzzeitig nach der Beendigung eines Sendeimpulses wieder aufgehoben. Bei einigen Wandlern gerät die Membrane nach voll ständigem Abklingen ihrer von den Sendeimpulsen verursachten Schwingungen und nach der Freigabe der Empfangsschaltung für die Signalaufnahme seitens der Wandlerklemmen neuer­ lich in Schwingungen, die ähnlich Schwebungen verlaufen. Diese Membranschwebungen bilden Störsignale, die Echo­ signale vertauschen und so zu einer Fehleinstellung des Kameraobjektivs führen können.

Der in der US-A-41 99 246 beschriebene Entfernungsmesser für eine Kamera mit automatischer Scharfeinstellung ent­ hält einen Empfänger mit veränderlicher Verstärkung, dessen Verstärkungsgrad in einer Reihe von Stufen in Abhängigkeit von der Laufzeit der Meßimpulse verändert wird. Durch eine Erhöhung der Verstärkung mit zunehmen­ der Laufzeit kann der Unterschied zwischen den Signal­ stärken der von nahen und fernen Zielgegenständen kommenden Echosignale kompensiert werden. Wenn der Ver­ stärkungsgrad stufenweise geändert wird, tritt in den Änderungszeitpunkten kurzzeitig ein elektronisches Rauschen auf, das ebenfalls zu einer eine Fehleinstellung des Kameraobjektivs verursachenden Empfangsstörung führen kann.

Die Amplituden aller vorstehend angeführten Stör- und Rauschsignale sind zeitabhängig, und die Signale sind nur von relativ kurzer Dauer. Beispielsweise haben die von Membranschwebungen herrührenden Störsignale und die durch eine stufenweise Änderung des Verstärkungsgrades des Empfängers verursachten Störsignale eine Dauer in der Größenordnung von 200 µs.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall- Laufzeit-Entfernungsmeßverfahren, bei dem die empfangenen Signale nach Amplitude und Zeitdauer überprüft werden, um Echosignale von Störsignalen zu unterscheiden. Die GB-A-20 00 289 zeigt eine Schaltungsanordnung, um mögliche Fehlersignale von richtigen Signalen unterscheiden zu können. Dabei wird ein erstes Signal durch einen Pegelwert­ detektor erzeugt, wenn die Schwingungen eines empfangenen Impulses wenigstens gleich sind einem Schwellenwert in Abhängigkeit vom Spitzenwert der Schwingungen im eingeschwungenen Zustand. Die Schwingungen des empfangenen Impulses werden einem Gradientenfilter zugeführt, das einen Komparator und einen Zeitgeber aufweist. Wenn die Schwingungen eine Bezugsspannung überschreiten, wird der Zeitgeber getriggert, um ein zweites Signal oder einen Impuls mit einer Dauer zu liefern, die nicht kleiner ist als der Reziprokwert der Bandbreite des Empfängerwandlers. Ein Signalgenerator liefert ein drittes richtiges Signal, wenn das erste Signal während des Gradientenimpulses auftritt.

Diese bekannte Schaltungsanordnung dient zur Erkennung von Echosignalen in einem störungsbehafteten Empfangssignal, wobei eine Signalauswertung durch eine Schaltungsanordnung bewirkt wird, die das störungsbehaftete Empfangssignal in einer Auswerteschaltung einem Schwellen-Zeit-Kriterium unterwirft und nur bei Erfüllung beider Bedingungen ein Signal als Echo erkennt und weiterverarbeitet. Diese Anordnung dient jedoch nicht der Entfernungsmessung, sondern der Messung der Strömungsrate von Wasser in einem Kanal durch Abstrahlen von Schallimpulsen durch das Wasser von einer Seite des Kanals nach einem Empfängerwandler mit bekanntem Einschwingverfahren auf der anderen Seite.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Ultraschall-Laufzeit-Entfernungsmeßverfahren zu schaffen, welches mit hoher Genauigkeit arbeitet, weil mögliche, die Messung verfälschende Störungen ausgeschaltet werden.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Das Wesen der Erfindung liegt demgemäß darin, daß das Empfangssignal abgetastet wird und die einzelnen Abtastwerte ein Amplituden- und ein Zuwachskriterium über eine vorgegebene Zeitdauer erfüllen müssen, um ein Entfernungs­ meßsignal auszulösen. Hierdurch werden mit großer Sicherheit alle Störsignale ausgeschaltet und daran gehindert, einen Meßwert zu liefern.

Zweckmäßige Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen genauer erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild jener Teile des nach dem Rückstrahlprinzip gemäß des US-A-41 99 246 arbeitenden Entfernungsmessers, der zur Unter­ drückung von Stör- und/oder Rauschsignalen dienen;

Fig. 2A einen typischen Signalverlauf an den für Sende­ und Empfangsbetrieb gemeinsamen Ein- bzw. Aus­ gangsklemmen des elektrostatischen Wandlers im Entfernungsmesser nach Fig. 1;

Fig. 2B den zeitlichen Verlauf der Spannung am Integra­ tor der Störsignal-Unterdrückungseinrichtung nach Fig. 1;

Fig. 2C den zeitlichen Verlauf des wahren Gegenstands­ echosignals im Ausgang der Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein in größerem Maßstab gehaltenes Diagramm der Spannung am Integrator und des diese Spannung beeinflussenden Signals, ähnlich den Darstellun­ gen in den Fig. 2A und 2B; die

Fig. 4A und 4B den Verlauf eines Gegenstandsechosignals, das von einem relativ fernen bzw. von einem relativ nahen Gegenstand kommt, nach Verstärkung;

Fig. 5 ein in größerem Maßstab gehaltenes Diagramm zweier Echosignale wesentlich verschiedener Signalstärke;

Fig. 6 ein Blockschaltbild, das die wesentlichen Be­ standteile einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Unterdrückung von Störsignalen erkennen läßt;

Fig. 7 ein logisches Flußdiagramm, welches die Er­ kennung von wahren Echosignalen mit der Schal­ tung nach Fig. 6 erläutert, und

Fig. 8 ein Diagramm des Signalverlaufes im Bereich eines wahren Echosignals sowie des zugehörigen Spannungsverlaufes am Integrator.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf den Ultraschall-Entfernungsmesser nach der schon erwähnten US-A-41 99 246 beschrieben werden, und zur Erleichterung dieser Beschreibung ist in Fig. 1 die bei diesem Entfernungsmesser vorgesehene Einrichtung zur Unterdrückung von Störsignalen im Blockschaltbild dargestellt.

In Fig. 1 ist ein Taktgeber 12 erkennbar, der eine Zeit­ basis für das gesamte Meßsystem festlegt und über einen Schalter 16 mit einer nur durch einen Pol 14 angedeuteten Batterie verbunden werden kann.

Wenn der Taktgeber 12 durch Schließen des Schalters 16 eingeschaltet wird, wirkt sein Ausgangssignal auf eine Sende- und Ausblendstufe 18, die ihrerseits über eine Leitung 22 ein Signal an die Klemmen eines elektrosta­ tischen Wandlers 20 legt, wodurch dieser einen Ultra­ schallimpuls gegen einen meßtechnisch zu erfassenden Zielgegenstand richtet.

Der Empfangsteil des Entfernungsmessers ist mit dem Wandler 20 über die Sende- und Ausblendstufe 18, einen nicht dargestellten Vollweggleichrichter und eine Leitung 24 verbunden. Da die Eingangsklemmen des Wand­ lers 20 für den Sendebetrieb identisch mit dessen Aus­ gangsklemmen für den Empfangsbetrieb sind, ist es wichtig, daß die Sendesignale an einem Eintritt in die Leitung 24 gehindert werden, damit Empfangsstörungen vermieden und im Empfänger nicht Sende- und Echosignale verwechselt werden können. Das wird durch eine zeit­ weilige Ausblendung bzw. Sperrung der Leitung 24 jeweils bei der Übertragung eines Sendeimpulses zu den Klemmen des Wandlers 20 in der Sende- und Ausblendstufe 18 er­ reicht, wobei diese Ausblendung während der gesamten Übertragungszeit des Sendeimpulses und wegen der nach­ folgenden Ausschwingvorgänge noch etwas darüber hinaus erfolgt.

Wenn die Leitung 24 nicht gesperrt ist, nimmt sie über die Sende- und Ausblendstufe 18 und den schon erwähnten, nicht dargestellten Vollweggleichrichter jeweils dann, wenn der Wandler 20 ein Echo von einem früher ausge­ sendeten Ultraschallimpuls empfängt, ein elektrisches Signal auf. Wenn das von der Leitung 24 aufgenommene Empfangssignal einen vorgegebenen, von einem Schwellen­ wertdetektor 26 festgelegten Betrag erreicht oder über­ steigt, wird von diesem Detektor ein Gatter 28 geöffnet, wodurch eine als Integrator dienende Kapazität 30 an eine Konstantstromquelle 32 angeschaltet wird. Sobald die Spannung an der integrierenden Kapazität 30 einen vorgegebenen, von einem Schwellenwertdetektor 34 fest­ gelegten Betrag erreicht oder übersteigt, wird eine Schaltstufe 36, die z. B. als Schmitt-Trigger ausge­ bildet sein kann, leitend und liefert an ihrem Ausgang ein Gegenstandsechosignal 38.

Das Gegenstandsechosignal 38 wird anschließend mit weiteren Signalen des Entfernungsmessers kombiniert, um die gesuchte Gegenstandsentfernung zu ermitteln, doch ist dieser Vorgang nicht mehr wesentlich für die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Einrichtung zur Unterdrückung von Störsignalen. Einzelheiten der die Gegenstandsentfernung ermittelnden Teile des Ent­ fernungsmessers sind in der schon erwähnten US-A-41 99 246 beschrieben.

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der älteren, in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur Unterdrückung von Störsignalen soll nun noch auf den typischen, in Fig. 2A dargestellten Sende- und Empfangssignalverlauf im Entfernungsmesser sowie auf den entsprechenden, in Fig. 2B dargestellten Verlauf der Spannung am Integra­ tor dieser Einrichtung eingegangen werden, von der schließlich das abgestufte Gegenstandsechosignal 38 gemäß Fig. 2C abgeleitet wird.

Fig. 2A ist ein Oszillogramm einer Folge von Sende- und Empfangssignalen, die an den Klemmen des elektrostati­ schen Wandlers 20 in Fig. 1 aufgetreten und verstärkt worden sind.

Das Mehrfrequenz-Sendesignal 40, das mehrere Frequenzen im Bereich von 50 bis 60 kHz enthält, wird beispielsweise während 1,1 ms an die Klemmen des Wandlers 20 angelegt. Die dadurch bewirkten Schwingungen der Membrane des Wandlers 20 klingen nach weiteren etwa 0,3 ms voll­ ständig ab. Die schon erläuterten "Schwebungserschei­ nungen" im Wandler treten etwa an den mit 42 und 44 bezeichneten Stellen nach dem vollständigen Abklingen der Nutzschwingungen des Wandlers 20 auf. Die erste Schwebung bei 42 liegt unter der vom Schwellwert­ detektor 26 festgelegten Schwelle 46, und deshalb bleibt die Spannung an der integrierenden Kapazität 30 auf ihrem ursprünglichen Wert Null. Selbst wenn aber die Schwebung 42 die Schwelle 46 übersteigen sollte, würde nur ein sehr geringer Anteil davon eine Ladung der integrierenden Kapazität 30 über die Konstantstrom­ quelle 32 bewirken, weil der Eingang des Empfängers des Entfernungsmessers für eine Gesamtzeit von 1,6 ms aus­ geblendet wird. Diese Ausblendung macht den Empfänger für alle Signale, die während der Ausblendzeit an den Klemmen des Wandlers 20 erscheinen, unempfindlich. Die zweite Schwebung tritt bei 44 auf und übersteigt die Schwelle 46 des Detektors 26, so daß die integrierende Kapazität 30 von der Konstantstromquelle 32 während der Zeit, in welcher die Schwebung 44 die Schwelle 46 über­ steigt, aufgeladen wird. Während dieser Zeit wächst die Spannung an der integrierenden Kapazität 30 an, erreicht aber ihren Maximalwert 48 noch unter dem für die weitere Signalverarbeitung vorgesehenen Schwell­ wert 50, der vom Schwellwertdetektor 34 festgelegt wird; sie sinkt deshalb anschließend wieder linear auf den Wert Null ab, ohne ein Gegenstandsechosignal 38 auszulösen. Weitere Störsignale, die durch Echos von achsfernen, von Nebenschleifen des Richtdiagramms des Wandlers 20 erfaßten Gegenständen hervorgerufen werden, welche dem Wandler 20 näher liegen als der Zielgegen­ stand, erscheinen bei 52, übersteigen aber die Schwelle 46 nicht. Das gewünschte, einem Echo vom Zielgegenstand entsprechende Empfangssignal 54 übersteigt schließlich die vom Detektor 26 festgelegte Schwelle 46 während einer erheblichen Zeit, innerhalb welcher die linear anwachsende Spannung an der integrierenden Kapazität 30 bei 56 die Schwelle 50 übersteigen kann, so daß der Detektor 34 die Schaltstufe 36 in den leitenden Zustand versetzt und im Ausgang derselben ein Gegenstandsecho­ signal 38 erscheint.

Die integrierende Kapazität 30 wirkt, wie schon er­ läutert, stets integrierend, wenn ein verstärktes tatsächliches oder scheinbares Echosignal die Schwelle 46 übersteigt. Wenn anderseits der Betrag des schein­ baren oder tatsächlichen Echosignals unter die Schwelle 46 absinkt, nimmt die Spannung an der integrierenden Kapazität linear auf den Wert Null ab. Der Spannungs­ verlauf an der integrierenden Kapazität 30 und ein zeitlich gedehnter Teil eines Empfangssignales, welches diesen Spannungsverlauf verursacht, sind in Fig. 3 dar­ gestellt. Während der Zeitintervalle 58 und 60 er­ reicht oder übersteigt das verstärkte Empfangssignal einen Schwellwert 62 und löst dadurch einen linearen Spannungsanstieg an der integrierenden Kapazität 30 durch Aufladung derselben seitens der Konstantstrom­ quelle 32 aus. Zu allen anderen Zeitpunkten nimmt die Spannung an der integrierenden Kapazität entweder ab oder sie verbleibt beim Wert Null. Wegen der relativ langen Abklingzeit der Spannung an der integrierenden Kapazität 30 (Fig. 1) nach dem Absinken eines Stör­ signals unter den Schwellwert 62, soll dieser Schwellwert relativ hoch liegen, um die Gefahr einer überlagerten Aufladung der integrierenden Kapazität durch ein nachfolgendes Störsignal, die ein falsches Nutzechosignal auslösen könnte, möglichst klein zu halten.

Typische verstärkte Empfangssignale, die Echos von einem Zielgegenstand darstellen, haben einen Verlauf gemäß Fig. 4A oder 4B. Das in Fig. 4A gezeigte Empfangs­ signal 64 beginnt mit einem relativ hohen Mittelwert und verbleibt bei diesem, wogegen das Empfangssignal 66 nach Fig. 4B mit einem relativ niedrigen Mittelwert beginnt und sodann auf einen relativ hohen Mittelwert übergeht. Das Signal 64 ist typisch für ein Echo von einem relativ nahen Zielgegenstand, das Signal 66 ist hingegen typisch für ein Echo von einem relativ fernen Zielgegenstand. Der Unterschied zwischen den Beträgen dieser beiden Echo- oder Empfangssignale kann zur Folge haben, daß der Integrator 30 je nach dem Signalverlauf den Integrationsvorgang früher oder später beginnt, wo­ durch veränderliche, d. h. entfernungsabhängige Ent­ fernungsmeßfehler in das Meßsystem eingeführt werden. Diese Fehler sind für niedrige Signalpegel in der Nähe der vom Detektor 26 festgelegten Schwelle 46 von größe­ rer Bedeutung als für wesentlich höhere Signalpegel. Die Ursache dieser Fehler läßt sich anhand von Fig. 5 erläutern, in welcher die beiden zeitlich gedehnten Empfangssignale über der gleichen Zeitlinie dargestellt sind.

In Fig. 5 ist von zwei verschieden starken Empfangs­ signalen 68 und 70 gleicher Frequenz nur je eine einzel­ ne Periode dargestellt, um zu erläutern, warum in einem Entfernungsmesser mit einer der Unterdrückung von Stör­ signalen dienenden Einrichtung nach Fig. 1 Echosignale mit wesentlich verschiedener Signalstärke zu Entfernungs­ meßfehlern führen. Wenn das Signal 68 einen Schwellen­ wert 72 erreicht oder übersteigt, der beispielsweise durch den Detektor 26 in Fig. 1 festgelegt wird, wird die integrierende Kapazität 30 während einer Zeitspanne 74 gleichmäßig aufgeladen. Das Signal 70, dessen Betrag wesentlich größer als der des Signals 68 ist, bewirkt hingegen eine Aufladung der integrierenden Kapazität 30 während einer längeren Zeitspanne 76. Diese Differenz der Aufladezeiten führt zu einer Differenz der resultierenden Ladespannungen, welche in weiterer Folge die gemessene Gegenstandsentfernung von der Stärke der Empfangssignale abhängig macht.

Nach dieser Einleitung kann auf die in Fig. 6 im Block­ schaltbild gezeigte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Störsignalen und elektronischem Rauschen bei einem Ultraschall-Entfernungsmesser ein­ gegangen werden. Gemäß Fig. 6 ist ein Taktgeber 78 über einen Schalter 82 an eine nur durch einen Pol 80 angedeutete Batterie anschaltbar. Nach Schließen des Schalters 82 wird im Taktgenerator 78 ein Hochfrequenzoszillator erregt, dessen Ausgangs­ signal in der Frequenz geteilt wird und sodann als Zeit­ basis oder Bezugstakt für alle in zeitlicher Beziehung zueinander stehenden Funktionen im Entfernungsmesser dient. Durch das Schließen des Schalters 82 wird über eine Leitung 81 auch an andere Bestandteile des Ent­ fernungsmessers Betriebsspannung angelegt. Nach Ein­ schaltung des Taktgebers 78 gelangt von diesem ein Aus­ gangssignal an eine Sende- und Ausblendstufe 84, welche sodann über eine Leitung 88 ein Sendesignal an die für Sende- und Empfangsbetrieb gemeinsamen Klemmen eines elektrostatischen Wandlers 88 anlegt und diesen zur Aussendung eines Ultraschallimpulses gegen einen Ziel­ gegenstand veranlaßt, dessen Entfernung gemessen werden soll. Der Empfangsteil des Entfernungsmessers ist mit dem Wandler 86 über die Sende- und Ausblendstufe 84, einem nicht dargestellten Vollweggleichrichter und eine Leitung 90 verbunden. Wie schon im Zusammenhang mit der in Fig. 1 gezeigten älteren Einrichtung zur Unterdrückung von Störsignalen ausgeführt worden ist, ist es wesentlich, daß die an den Klemmen des Wandlers 86 erscheinenden Sendesignale an einem Eintritt in die Leitung 90 gehindert werden, um eine Störung des Empfangsteiles des Entfernungsmessers zu vermeiden.

Diesem Zweck dient eine Ausblendschaltung in der Sende- und Ausblendstufe 84, die in gleicher Weise arbeitet wie die Ausblendschaltung in der Stufe 18 von Fig. 1.

Wenn die Leitung 90 von der Stufe 84 freigegeben ist und vom Wandler 86 beim Empfang eines Echos eines früher abgestrahlten Ultraschall-Sendeimpulses ein elektrischer Signalimpuls geliefert wird, wird dieser über die Stufe 84 nach Gleichschaltung über die Leitung 90 einer integrierenden Kapazität in einer Tastspeicherschaltung 94 zugeführt, in welcher dieses Signal innerhalb von Zeitintervallen, die im Vergleich mit der Gesamtdauer des Empfangssignals relativ klein sind (z. B. alle 25 µs während eines Empfangssignals mit einer Dauer von 1,1 ms) stichprobenweise abgetastet wird. Die Kapazität in der Tastspeicherschaltung 94 integriert oder summiert die abgetasteten Signal­ spannungswerte. Von diesem wird ein Dauersignal abge­ leitet, wenn der Betrag der Summe der abgetasteten Spannungswerte zwischen aufeinanderfolgenden Abtastun­ gen wächst und wenn die Zuwachsrate für die Gesamtdauer eines erheblichen Teiles des Empfangssignales gleich oder größer als ein vorgegebener Minimalwert ist. Wenn der Betrag der Summenspannung an der integrieren­ den Kapazität in der Schaltung 94 stets zunimmt, was durch eine ΔV-Amplitudenmeßstufe 96 festgestellt wird, und wenn die Zuwachsrate der Summenspannung gleich oder größer als ein vorgegebener Minimalwert ist, was durch eine ΔV-Anstiegsratenmeßstufe 98 festge­ stellt wird, so wird ein UND-Gatter 100 leitend und be­ aufschlagt einen der beiden Eingänge eines weiteren UND-Gatters 102. Sobald die Sende- und Ausblendstufe 84 die Leitung 90 in schon beschriebener Weise freigibt, wird über die Leitung 104 ein Echosignalzeitgeber 106, der für den hier beschriebenen Entfernungsmesser beispielsweise ein Zeitintervall von 0,6 ms festlegt, gestartet. Wenn das UND-Gatter 100 während der Dauer von 0,6 ms leitend bleibt, wird durch ein im Ausgang des Echosignalzeitgebers 106 0,6 ms nach dessen Start auftretendes Signal, das auf den zweiten Eingang des UND-Gatters 102 wirkt, dieses Gatter in den leitenden Zustand versetzt. Wenn das UND-Gatter 102 leitend ist, bewirkt es das Schließen einer nachfolgenden Schalt­ stufe 108, die sodann in ihrem Ausgang ein wahres Gegenstandsechosignal 110 liefert. Wenn anderseits die abgetasteten Spannungsbeträge zwischen aufeinander­ folgenden Abtastvorgängen nicht zunehmen, was von der Stufe 96 festgestellt wird, oder wenn die Zuwachsrate der abgetasteten Spannungswerte kleiner als ein vorge­ gebener Minimalwert ist, was von der Stufe 98 festge­ stellt wird, wird ein von den Stufen 96 und 98 beauf­ schlagtes NAND-Gatter 112 leitend und liefert über eine Leitung 114 ein Rückstellsignal an die Abtast- und Aus­ wertestufe 94 und an den Echosignalzeitgeber 106. Dieses Rückstellsignal bewirkt sowohl eine Reduzierung der Spannung an der integrierenden Kapazität in der Abtast­ und Auswertestufe 94 auf den Wert Null als auch eine Rückstellung des Zeitgebers 106 auf den Zeitpunkt Null, worauf das nächste Startsignal für den Echosignalzeit­ geber abgewartet werden muß.

Nun folgt eine ausführlichere Beschreibung der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung zur Unterdrückung von Stör­ signalen und elektronischem Rauschen unter Bezugnahme auf das logische Flußdiagramm nach Fig. 7, das Block­ schaltbild nach Fig. 6 und die Darstellung des Signal­ verlaufes und des entsprechenden Spannungsverlaufes an der integrierenden Kapazität in Fig. 8.

Auf der oberen Zeitlinie in Fig. 8 ist im Signalverlauf insbesondere ein vom Zielgegenstand kommendes Echosignal 54 mit 1,1 ms Dauer erkennbar. Über der unteren Zeit­ linie ist in Fig. 8, abhängig von der Stärke der Empfangssignale, die jeweilige Spannung an der inte­ grierenden Kapazität der Tastspeicherschaltung 94 dargestellt.

Das in Fig. 7 gezeigte Flußdiagramm der erfindungs­ gemäßen Schaltungsanordnung zur Störsignalunterdrückung beginnt mit der Rückstellung des Echosignalzeitgebers 106 (Fig. 6) auf den Zeitpunkt Null (ΣT = 0), entsprechend dem Schritt 118 im Flußdiagramm, und der Rückstellung einer Speicherstelle, etwa in einem Digitalrechner, welche Informationen über den Betrag der Summenspannung V_p an der integrierenden Kapazität der Abtast- und Auswerte­ stufe 94 während des vorhergehenden Abtastvorganges ge­ speichert hat, auf den Spannungswert Null (V_p = 0), ent­ sprechend dem Schritt 120. Die gespeicherte Summen­ spannung V_p (die beim Schritt 120 den Wert Null ange­ nommen hat) wird laufend von der Spannung V_c an der integrierenden Kapazität abgezogen (ΔV = V_c-V_p), ent­ sprechend dem Schritt 134. Die Speicherstelle für V_p wird gemäß Schritt 136 auf den neuen Wert eingestellt, der, wie schon erwähnt, gleich dem Betrag der Summen­ spannung V_c an der integrierenden Kapazität der Abtast­ und Auswertestufe 94 ist (V_p = V_c)·ΔV wird nun gemäß Schritt 138 mit einem vorgegebenen kleinen Wert TOL (nahe dem Wert Null) verglichen. Wenn ΔV den Minimal­ wert TOL nicht übersteigt (Alternative 140), so bedeutet dies, daß V_c gegenüber dem vorhergehenden Abtastvorgang nicht hinreichend rasch gewachsen ist und das Empfangs­ signal deshalb bis in die Nähe des Grundrauschens oder in dieses abgesunken ist. Wahre Echosignale können zwar Schwebungserscheinungen zeigen, klingen aber während einer 0,6 ms betragenden Laufdauer des Echos nie bis in den Grundrauschpegel ab. Wenn ΔV kleiner als TOL ist, liegt daher kein wahres Echosignal vor und die Spannung V_c an der integrierenden Kapazität wird deshalb gemäß Schritt 128 wieder auf Null reduziert. Es muß dann gemäß Schritt 130 der nächste Intervallzeitstart abgewartet werden. Wenn anderseits AV größer als TOL ist (Alter­ native 142), wird gemäß Schritt 144 die Zeitdauer des abgetasteten Intervalls dem Echosignalzeitgeber 106 (Fig. 6) durch den Schritt 144 hinzugezählt und es wird mit Schritt 146 festgestellt, ob die seit der Freigabe des Empfängers verstrichene Zeit den Wert von 0,6 ms überschreitet. Ist das nicht der Fall (Alternative 148), so muß gemäß Schritt 150 wieder das nächste Abtast­ intervall abgewartet werden. Überschreitet jedoch die verstrichene Zeit den Wert 0,6 ms (Alternative 152), so wird gemäß Schritt 154 ein wahres Gegenstandsecho­ signal ausgelöst.

In Fig. 8 sind der das Echosignal 54 enthaltende Teil des Signalverlaufes nach Fig. 1A und darunter der dem Echosignal entsprechende Spannungsverlauf 156 an der integrierenden Kapazität der Abtast- und Auswertestufe 94 nach Fig. 6 dargestellt. Das Laden und Entladen der integrierenden Kapazität in der Stufe 94 während vor­ hergehender Abtastperioden ist in Fig. 8 durch den Spannungsverlauf 158 veranschaulicht. Wenn die Spannung an der integrierenden Kapazität anwächst, muß unter­ schieden werden, ob es sich um ein Störsignal oder um ein wahres Echosignal handelt. Störsignale haben bei Meßsystemen der vorliegenden Art gewöhnlich nicht eine Dauer von 0,6 ms oder mehr. Wenn daher die Steigung des integrierten Signals im Zeitdiagramm gegen TOL/ΔT geht (wobei ΔT einem Abtastzeitintervall entspricht), oder wenn die Steigung kleiner als ein vorgegebener Wert ist (wenn ΔV kleiner als TOL ist), was der Alter­ native 140 in Fig. 7 entspricht, wird das System in den Anfangszustand zurückgestellt (Schritte 118 und 120), sobald die integrierende Kapazität entladen worden ist (Schritt 128) und das Abtastzeitintervall verstrichen ist (Schritt 130).

Dem Stand der Technik angehörende Entfernungsmeßsysteme der in Fig. 1 dargestellten Gattung verwerten zur Unterscheidung der Echos vom Zielgegenstand von Stör­ signalen die Gestalt oder Amplitude der Echoimpulse. Im Gegensatz zu diesen älteren Systemen kann das er­ findungsgemäße System ein Signal, das von der seitens eines ausgewählten Zielgegenstandes rückgestrahlten Energie herrührt, unabhängig von der Gestalt des rück­ gestrahlten Gegenstandes, von der Signalstärke und von der Impulsform erkennen. Der Eintreffzeitpunkt der Vorderflanke eines wahren Echosignals kann innerhalb der Grenzen eines Abtastintervalls ermittelt werden, indem die Zeit bestimmt wird, die zwischen dem ersten, ein tatsächliches oder wahres Echo vom Zielgegenstand erfassenden Abtastintervall und der Erzeugung eines tat­ sächlichen oder wahren Gegenstandsechosignals verstreicht und diese Zeit sodann von der Zeit subtrahiert wird, in welcher das tatsächliche oder wahre Gegenstandsechosignal erzeugt wird.

Die Schwebungserscheinung 44 in Fig. 2 könnte wohl für ein wahres Signal gehalten werden. Da jedoch solche Schwebungserscheinungen gewöhnlich nicht länger als 140 µs dauern und auch die Dauer von elektrischen Impulszacken in der Regel nicht 300 µs übersteigt, wird die Spannungsänderung zwischen benachbarten Abtastinter­ vallen schon vor Ablauf der angenommenen Intervallzeit von 0,6 ms kleiner als der Minimalwert TOL sein. Das hat zur Folge, daß solche Schwebungserscheinungen oder elektrische Zacken den Test bei Schritt 138 in Fig. 7 nicht bestehen und den logischen Alternativweg 140 aus­ lösen, wobei V_c auf Null reduziert und ein neuer Ab­ tastvorgang abgewartet wird. Ein wesentlicher Vorteil von Entfernungsmessern nach der Erfindung ist somit ihre Unempfindlichkeit gegen Membranschwebungen und zacken­ artige Störsignale elektrischer und mechanischer Natur. Die Erzeugung von falschen Gegenstandsechosignalen wird verhindert, weil Störsignale der angegebenen Art nicht den 0,6 ms-Test bestehen. Die Genauigkeit der Entfer­ nungsmesser wird durch die ausschließliche Verwertung wahrer Echosignale erhöht, die unter Mitberücksichti­ gung ihrer Dauer identifiziert werden, wodurch das Ergebnis der Entfernungsmessung nicht von der ange­ wendeten Verstärkung oder von der Gestalt der Signale abhängt.

In dem typischen, in Fig. 2A dargestellten Signalverlauf hat das wahre Echosignal eine Dauer von 1,1-1,5 ms. Für ein Echosignal dieser Dauer ist empirisch festge­ stellt worden, daß die Auswertung eines Signalteiles von 0,6 ms Dauer genügt, um das Signal als wahres Echo­ signal zu erkennen und von Störsignalen zu unterschei­ den. Die Zeitdauer der Gesamtzahl von Abtastintervallen soll dieser empirisch als ausreichend ermittelten Teil­ signaldauer gleich sein. Diese Zeitdauer von 0,6 ms, während welcher ein empfangenes Signal andauern muß, um eines der Testkriterien des erfindungsgemäßen Echo­ erkennungssystems zu befriedigen, ist nicht notwendi­ gerweise für alle Entfernungsmesser, die ein solches Erkennungssystem verwenden, die günstigste. Die Fest­ legung einer Zeitdauer, während welcher ein Echosignal kontinuierlich andauern muß, ist jedoch für die richtige Arbeitsweise eines solchen Systems wesentlich.

Wenn ein wahres Echosignal einlangt, ist ΔV größer als TOL (Alternative 142 in Fig. 7) und das Signal dauert länger als 0,6 ms (Alternative 152 in Fig. 7). Diese beiden Kriterien veranlassen das System, ein wahres Gegenstandsechosignal zu liefern (Schritt 154) und ein nachfolgendes Entfernungsmeßsignal, das stets einer um 0,6 ms kürzeren Laufzeit als das Gegenstandsechosignal entspricht. Das bedeutet einen konstanten Meßfehler von etwa 15 cm, der leicht mechanisch oder elek­ trisch im Meßsystem kompensiert werden kann, um die Vorderflanke eines elektrischen Signals eindeutig, wenn auch indirekt, anzuzeigen.

Wegen seiner überlegenen Fähigkeit zur Unterdrückung von Störsignalen kann das erfindungsgemäße System alle eintreffenden Signale aufnehmen und nicht nur solche, die über einem vorgeschriebenen Schwellwert liegen, wie dies bei dem einleitend beschriebenen älteren Entfernungsmesser der Fall ist, wodurch die Genauigkeit der Entfernungsmessung verbessert wird.

Claims (3)

1. Ultraschall-Laufzeit-Entfernungsmeßverfahren, bei dem die empfangenen Signale nach Amplitude und Zeitdauer überprüft werden, um Echosignale von Störsignalen zu unterscheiden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - die empfangenen Signale werden in Zeitintervallen abgetastet, die klein sind im Vergleich zu der Gesamtdauer des Echosignals (54),
• - es wird innerhalb der Zeitintervalle festgestellt, ob der Betrag (Amplitude) der abgetasteten Spannungs­ werte wächst,
• - innerhalb der Zeitintervalle wird festgestellt, ob die Zuwachsrate der abgetasteten Spannungswerte kleiner (140) oder größer (142) als ein vorgegebener Minimal­ wert (TOL) ist,
• - es wird ein Entfernungsmeßsignal nur dann geliefert, wenn während einer vorgegebenen Zeitdauer sowohl der Betrag (Amplitude) der abgetasteten Spannungswerte wächst, als auch die Zuwachsrate der abgetasteten Spannungswerte größer als der vorgegebene Minimalwert (TOL) ist.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Meßverfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer von den Empfangssignalen gespeisten Tastspeicherschaltung (94) eine Amplitudenmeßstufe (96) und eine Anstiegsratenmeßstufe (98) nachgeschaltet sind, daß die Ausgänge der Stufen (96, 98) an ein UND-Gatter (100) angeschaltet sind und daß ein Echosignal-Zeitgeber (106) vorgesehen ist, dessen Ausgang zusammen mit dem Ausgang des UND-Gatters (100) an ein weiteres UND-Gatter (102) gelegt ist, dessen Ausgang das Entfernungssignal (108, 110) liefert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge der Stufen (96, 98) ein NAND-Gatter (112) angeschaltet ist, dessen Ausgang an den Rücksetzeingang des Echosignal-Zeitgebers (106) gelegt ist.