JPH06511093A - エコー測深方式に従って動作する距離測定装置における送信周波数の調整設定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 エコー測深方式に従って動作する距離測定装置における送信周波数の調整設定方 法 本発明は、音波または超音波パルスを送波しかつ受波された音波または超音波信 号を電気的な受信信号に変換するための少なくとも１つの電気音響変換器と、前 記電気音響変換器を励振するために送波すべき音波または超音波パルスの送信周 波数を存する電気信号を発生するための周波数が調整設定可能である発振器と、 測定対象の距離に対する尺度としての前記音波または超音波パルスの走行遅延時 間をめるための評価回路とを有し、種々異なった送信周波数に対して得られた受 信信号の解析によって、最適な送信周波数がめられかつ前記発振器において調整 設定される、エコー測深原理に従って動作する距離測定装置における送信周波数 の調整設定方法に関する。

二の形式の方法は、ＰＣＴ公表公報ＷＯ９０１０８９６６から公知である。送信 周波数が電気音響変換器の共振周波数に調整されるかまたは電気音響変換器の既 知の設定された温度特性曲線に従って変換器温度に依存して制御される別の公知 の方法に比してこの方法は、送波器、音響空間との結合部、反射測定対象までの 伝搬走行区間およびそこからの戻り区間並びに受波器から成る鎖状（カスケード 接続的）ｆｌｓ定経路全体が送信周波数をめる際に一緒に関連付けられるという 利点が生じる。しかし上記公表公報に記載されている解決法は、所定の特殊例に 制限されている。すなわち電気音響変換器の減衰振動領域におけるエコーを所定 の周波数領域におけるオーバトーン（高調波）またはアンダトーン（低調波）周 波数での変換器および受波器の特性を解析することによって検出するために、シ ステムを作動する最も有利なオーバトーンまたはアンダトーン周波数をめるが、 または小さなＳＮ比におけるエコーを検出するために、雑音を表すパラメータを めかつ送信パルスのパルス形状および搬送周波数をこれらパラメータに従って変 化するようにしたい場合。しかし、上記解析をどのように実施するがまたは上記 パラメータをどのように決定するが、または送信周波数を得られた結果に依存し てどのように決定することができるかについての具体的な解決法は示されていな い。

本発明の課題は、簡単な手法において僅かな回路コストで、最適な送信周波数を 直ちに直接的に生ぜしめ得る、受信信号の解析を可能にする、冒頭に述べた形式 の方法を提供することである。

本発明によれば、このことは、音波または超音波パルスの送出に続くそれぞれの 受信信号期間における受信信号の解析期間中、受信信号の振幅一時間プロフィ− ルを形成しかつ積分し、かつ種々異なった送信周波数に対して得られた積分値を 記憶し、がっ発振器における最適な送信周波数として、最大の積分値が得られる 周波数を調整設定することによって、実現される。

本発明の方法では有利にも、エコー測深方式に従った距離測定のための今日の方 法において、受信信号の振幅時間プロフィールを形成しかつ有効エコーをめ並び に遅延走行時間を測定するためにこの有効エコーを評価することがますます普通 になっているという事実を利用することができる。このために設けられる装置は 、本発明の方法によれば受信信号の解析のためにも直接使用することができる。

その場合付加的な手段は、種々異なった送信周波数に対して得られた受信信号の 振幅時間プロフィールを積分しがっ最大の積分値が得られる送信周波数を決定す ることにとどまる。これらの手段は、それらが、正常な測定作動において評価回 路を形成するコンピュータの適当なプログラミングによって実現されるとき、付 加的な回路コストを必要としない。このことは容易に可能である。というのは、 最適な送信周波数の決定のための受信信号の解析は、距離測定が行われない特別 な周波数監視期間において行われるからである。周波数監視期間は、最適な送信 周波数に対する条件が通例緩慢にしか変化しないので、比較的大きな時間間隔に おいて設定することができる。

本発明の方法により、雑音レベルがそれが最適な送信周波数をめることを妨害す るほど大きいときでも、雑音が受信信号の解析に与える影響を、簡単な手法で取 り除（ことが可能になる。この場合、本発明の方法の有利な実施例によれば、平 均雑音振幅がめられかつ受信信号の振幅一時間プロフィールがら、それが積分さ れる前に減算される。雑音は送信周波数に無関係であるので、最適送信周波数の 決定の際ごとに平均雑音振幅を１回だけめればよいだけである。

本発明の有利な構成および改良例はその他の請求項に記載されている。

本発明のその他の特徴および利点は、図面を用いた実施例の以下の説明から明ら かである。図面中、第１図は、本発明の方法が使用される、エコー測深方式に従 って動作する距離測定装置のブロック回路図であり、かつ 第２図は、第１図の距離測定装置に含まれている周波数制御回路の詳細なブロッ ク回路図である。

第１図にそのブロック回路図にて示されている、音波または超音波パルスを用い たエコ−１１１１深方式に従って動作する距離測定装置は、発振器ｌＯを含んで いる。

発振器の周波数は、その制御入力側１０ａに供給される周波数制御信号Ｓ、によ って調整設定可能である。

発振器１０の出力側は、周期的な電気送信パルスを発生する送信パルス発生器１ ２に接続されている。送信パルスの持続時間は、送信パルスの繰り返し周期に比 べて短くかつその搬送周波数は、発振器１０によって発生される周波数である。

送信パルスは送受信切換装置１４を介して電子音響変換器１６に供給される。こ の電子音響変換器は送信変換器および受信変換器として交番的に動作する。変換 器１６は、送信パルス発生器１２から供給されるそれぞれの送信パルスを音波ま たは超音波パルスに変換し、これらパルスは、送信期間の量定換器１６から放射 される。それぞれの送信期間に、受信期間が続き、受信期間の経過中、変換器１ ６は、それが受信したすべての音波または超音波信号を電気受信信号に変換する 。これには殊に、音響的な伝搬（走行）区間１８の通過走行後、その距離を測定 すべきである測定対象２０において、または障害個所によって反射される、送信 パルスの音波または超音波が属するが、別のソースからの外部信号並びに変換器 の固有振動、殊に送信パルスの終了後の変換器の減衰振動も属する。受信期間の 持続時間は、生じうる最大の測定距離において変換器１６からの音波または超音 波の測定対象２０までの伝搬（走行遅延）時間の２倍より大きくなければならな い。

それぞれの受信期間の間に変換器１６から送出される受信信号は、送受信切換装 置１４を介して増幅器２２の入力側に供給される。この送受信切換装置１４は、 送信パルス発生器１２によって発生される送信パルスが増幅器２２の入力側に直 接達するのを阻止する。変換器１６を送信変換器および受信変換器として交番的 に駆動する代わりに、変換器を送信変換器としてのみ使用しかつ第１図に破線に て示されているように、受信変換器としての第２の電気音響変換器１６′を設け ることも可能である。この場合、送受信切換装置１４および増幅器２２への接続 線が省略される。それに代わって、増幅器２２の入力側は、受信変換器１６′の 出力側に接続される。

増幅器２２によって増幅された受信信号は、狭帯域の帯域フィルタ２４を介して 伝送される。この帯域フィルタの中心周波数は、制御入力側２４ａに供給される 制御信号によって調整設定可能である。帯域フィルタ２４の制御入力側２４ａは 、発振器１０の制御入力側１０ａと同じ周波数制御信号Ｓ、を受信するので、そ の結果帯域フィルタ２４の中心周波数は常に正確に、発振器１０の周波数、ひい ては変換器１６から送出される音波または超音波パルスの周波数に相応する。帯 域フィルタ２４は、実際に送出された周波数を有する受信信号を選択しかつその 他の周波数を有するすべての受信信号を抑圧するという働きをする。

帯域フィルタ２４を通過した受信信号は、復調器２６において復調される。復調 器２６は出力側に、復調された受信信号の包絡線に相応する信号を送出する。

復調器２６には標本化回路２８が後置接続されており、標本化回路は、包絡線信 号からそれぞれの受信期間の経過中、存利には同じ時間間隔において生起する一 連の標本値を取り出す。それぞれの標本値は、標本時点における包絡線信号の振 幅を有する。標本化回路２８に後置接続されているＡＤ変換器３０は、それぞれ の標本値を、その数値が標本値の振幅に相応する数を表すデジタルコード群に変 換する。ＡＤ変換器３ｏがら、それぞれの受信期間の経過中送出されるデジタル コード群は、プロフィールメモリ３２に入力されかつそこに記憶される。これら 記憶されたコード群は、受信期間中に得られかつ帯域フィルタ２４によってフィ ルタリングされた受信信号の振幅一時間プロフィールを表している。

プロフィールメモリ３２には評価回路３４が接続されている。この評価回路は、 プロフィールメモリ３２に記憶された振幅一時間プロフィールにおいて、測定対 象２０において反射された有効エコーを検出し、有効エコーの伝搬（遅延走行） 時間を測定しかつこの伝搬（遅延走行）時間から測定対象の距離を計算する働き を有する。当業者には普通用いられている、この働きの種々様々な実現解決法が ある。

さらに、プロフィールメモリ３２に周波数制御回路４０が接続されている。この 周波数制御回路は出力側において、発振器ｌＯの制御入力側１０ａに供給される 周波数制御信号ＳＦを送出する。後で第２図に基づいて説明する、周波数制御回 路の動作をよりよく理解するために、第１図には、周波数制御回路４０が次の回 路を含んでいることが示されている。すなわち、プロフィールメモリ３２に接続 されている最適周波数計算機４１と、電気音響変換器１６の温度を測定するため の温度センサ４３に接続されている代替周波数計算機４２と、最適周波数計算機 ４１からそこに供給される情報に基づいて、最適周波数計算機４１によって計算 された最適周波数または代替周波数計算機４２によって計算された代替周波数が 周波数制御信号Ｓ、の発生のために周波数制御信号発生器４６において使用され るかを決定する決定回路４５と、掃引同調回路４７と、その位置に応じて周波数 制御信号発生器４６によって発生される周波数制御信号ＳＦまたは掃引同調回路 ４７によって発生される周波数制御信号ＳＦを発振器１０に伝送する切換スイッ チ４８とを含んでいる。

しかしこれらの回路は通例、実際回路（ハードウェア回路）としては設けられて いない。むしろ周波数制御回路４０は有利には、それが上述の回路の機能を果た すようにプログラミングされているマイクロコンピュータによって形成されてい る。このために、測定作動中評価回路３４を形成するマイクロコンピュータを使 用することができる。

発振器１０において調整設定すべき送信周波数の決定は、距離１定が行われない 特別な周波数監視期間において行われる。この場合、最適な送信周波数に対して 尺度となる条件は、いずれにせよ、緩慢にしが変化しないという事実が利用され るので、最適な送信周波数の最初の決定後、この周波数を比較的大きい時間間隔 において検査しかつ必要に応じて補正することで十分である。

それぞれの周波数監視期間の間、切換スイッチ４８は、周波数制御信号Ｓ、が掃 引同調回路４７がら供給されるように設定されている。掃引同調回路４７は、ス タート周波数から出発して、送信周波数の段階的な変化を行う。その都度調整設 定された周波数に対して送信パルスが送出され、かっこの送信六ルスに対して得 られた受信信号が、以下に説明する方法で評価される。種々異なった周波数に対 して得られた評価が記憶されかつ周波数監視期間の終わりに相互比較される。

それから最良の評価が得られた周波数が、周波数制御信号発生器４６における周 波数制御信号の発生のために使用される。所定の場合において受信信号の評価に より最適な送信周波数をめることができないとき。

決定回路４５が、代替的（予備的）に代替周波数計算機４２によって計算される 代替周波数が周波数制御信号発生器４６における周波数制御信号の発生のために 使用されるようにする。周波数監視間隔の終わりに、切換スイッチ４８は、別の 位置に操作されるので、その結果今や周波数制御信号発生器４６から供給される 周波数制御信号Ｓ、が、発生器ｌＯにおいて調整設定される送信周波数を次の周 波数監視間隔まで決定する。

第１図の周波数制御回路４０の動作を、第２図の詳細なブロック回路図に基づい て説明する。回路ブロック５０は、それぞれの周波数監視間隔の経過中、プロフ ィールメモリ３２において記憶された、受信゛信号の振幅一時間プロフィールが 順番にプロフィールメモリ部３２の中に伝送される様子を表す。回路ブロック５ ０には、受信信号の振幅一時間プロフィールが略示されている。これらは、掃引 同調回路４７によって決定された送信周波数を有する送信パルスの送信後の受信 間隔において受信されたものである。実線の曲線は受信信号の包絡線であり、か つ垂直方向の線分は、包結線から取り出されたデジタル化された標本値の、プロ フィールメモリに記憶されているコード群ＡＩ、Ａ、。

・・・、Ａ１．・・・、Ａｏを表している。それぞれのコード群は、その数値が 当該個所における包絡線の振幅に相応するデジタル数を表している。

最適送信周波数をめるために、上記プロフィールメモリ５０に記憶されている振 幅一時間プロフィールは、雑音レベルが、それが障害として現れない程度に低い とき、直接積分することができる。第２図には、比較的雑音レベルが高い場合、 最適な送信周波数をめる際の雑音の影響を取り除くために使用される付加的な技 術手段が図示されている。この技術手段は、平向雑音振幅を測定しかつこれを受 信信号の振幅一時間プロフィールから、該プロフィールの積分される前に減算す ることにある。平均雑音振幅は送信周波数に無関係でありかつ周波数監視期間の 経過中実買的に変化しないので、それをそれぞれの周波数監視期間の始めに一度 決定しかつ周波数監視期間の持続時間の間、期憶することで十分である。平均雑 音振幅の決定は、確実に雑音信号しか存在していない時間期間において平均雑音 を測定することによって行うことができるが、第２図には平均雑音振幅を測定す るための別の技術手段が図示されている。この技術手段によれば、当該受信期間 （インターバル）の前に送信パルスが送信されておらず、その結果受信信号は雑 音信号からのみ成る受信期間において受信信号の振幅一時間プロフィールが受信 検出される。よりよく理解するために、第２図においては、この振幅一時間プロ フィールは、回路ブロック５１によって示されている第２のプロフィールメモリ 部に伝送されるものと仮定している０回路ブロック５１には、回路ブロック５０ と相応の方法で、この場合得られる包結線並びに当該のプロフィールメモリ部に 記憶されている、包結線のデジタル化された標本値のコード群Ｂｌ、Ｂｌ、・・ 、Ｂ１．・・・、Ｂ１が図示されている。プロフィールメモリ５１には、プロフ ィールメモリ５１に記憶されている振幅値の平均値を計算する平均値計算機５２ が接続されている。このことは、記憶されているコード群によって表される数値 の単純な加算およびこの和の、コード群の数による除算によって行われる。

答Ｂ、は、平均値計算機５２にデジタルコード群の形において記憶されかつ全体 の周波数監視期間の間に得られる（可用の）雑音振幅の平均値である。

プロフィールメモリ部５０に格納されている振幅一時間プロフィールはプロフィ ールメモリ５３に移され、その際同時にそれぞれ記憶されてνする振幅値から平 均雑音振幅が減算される。従って、プロフィールメモリ部５３に記憶されている コード群Ｃ：ｌ、Ｃ＋、・・・、Ｃ１゜、Ｃ７は振幅値を表して０る Ｃ　ｔ　＝　Ａ　ＩＢ　、。

回路ブロック５３には、受信信号の振幅一時間プロフィールと平均雑音振幅との 差に相応する、こられ振幅値に相応する包絡線も示されている。

受信信号の振幅一時間プロフィールの、プロフィールメモリ部５０への転送およ びプロフィールメモリ部５３における差プロフィールの形成は、周波数監視期間 の間に掃引同調回路４７によって調整設定されたそれぞれの送信周波数ｆ、、、 、、、ｆ、、・、ｆ、に対して繰り返される。これに対して、プロフィールメモ リ５■における雑音信号の振幅一時間プロフィールの形成および計算回路５２に おけ平均雑音振幅の計算は、それぞれの周波数監視期間の始めに一回だけ行われ る。

それぞれの送信周波数ｆ１に対して、積分器５４はプロフィールメモリ５３に格 納されている振幅時間プロフィールの積分値を形成する。このことは、記憶され ているコード群の数値の加算によって単純に行われる・ このようにして得られたそれぞれの積分値り、は、所属の周波数ｆ、と一緒にメ モリ５５に記憶される。

それぞれの周波数監視期間の終わりにおいて、最大値検出器５６は、メモリ５５ に格納されている積分値Ｄ１．・、Ｂ２．・、Ｄｌのうち、最大値を有する積分 値をめ、かつそれはこの最大積分値Ｄ１に対応する周波数ｆ、を周波数制御信号 発生器４６に伝送し、周波数制御信号発生器は、発振器１０にお一＼で最適な送 信周波数としての周波数ｆ、の調整設定を行うようにする周波数制御信号ＳＦを 発生する。

しかしこれら過程は、既述のように、それらが決定回路４５によってイネ−ブリ ングされる（動作状態におかれる）ときにしか実行されない。決定回路４５は、 プロフィールメモリ５３において形成されるそれぞれの差プロフィールに対して 、これが十分な振幅値を有するエコー信号を含んでいるかどうか、および十分に 大きいＳＮ比が生じているかどうかについて検査する。

差プロフィールに対して、これら２つの条件の１つが満足していないと直ちに、 決定回路４５は積分器５４による積分値の計算を阻止する。決定回路は代替周波 数計算機４３による代替周波数の計算を行うようにしかつ周波数監視期間を終了 する６周波数制御信号発生器４６は、発振器において送信周波数として代替周波 数の調整設定が行われるように作用する周波数制御信号Ｓ、を発生する。代替周 波数の計算のために、種々の技術手段があり、その選択は当業者に任されている 。

その前にまだ最適な送信周波数をめかつ調整設定することができなかったとき、 代替周波数は、温度センサ４３を用いて測定された、電子音響変換器の温度と代 替周波数計算機に記憶されている、変換器の温度特性曲線とに基づいて計算する ことができる。しかしその前に既に最適な送信周波数がめられているときは、代 替周波数としてこの初期の送信周波数を維持することができる。

雑音が存在していないとき、平均雑音振幅は零である。この場合、プロフィール メモリ５３に形成された差プロフィールはプロフィールメモリ５０における振幅 一時間プロフィールと同一であり、かつ積分器５４はこの振幅一時間プロフィー ルを積分する。それ故に、雑音レベルが低い場合には殊に、基本的に、平均雑音 レベルをめかつ振幅一時間プロフィールから減算することを省略することができ 、このことは第２図の実施例では、回路５１．５２および５３を取り除くことに よって簡単に行うことができる。別の技術手段によれば、決定回路４５は請求め られたＳＮ比に基づ（Ｘて、平均雑音振幅をめかつ振幅一時間プロフィールから 減算するか否かを決定する。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．音波または超音波パルスを送波しかつ受渡された音波または超音波信号を電 気的な受信信号に変換するための少なくとも１つの電気音響変換器と、前記電気 音響変換器を励振するために送波すべき音波または超音波パルスの送信周波数を 有する電気信号を発生するための周波数が調整設定可能である発振器と、測定対 象の距離に対する尺度としての前記音波または超音波パルスの走行遅延時間を求 めるための評価回路とを有し、種々異なった送信周波数に対して得られた受信信 号の解析によって、最適な送信周波数が求められかつ前記発振器において調整設 定される、エコー測深方式に従って動作する距離測定装置における送信周波数の 調整設定方法において、音波または超音波パルスの送波に続くそれぞれの受信信 号期間における受信信号の解析期間中、受信信号の振幅一時間プロフィールを形 成しかつ積分し、かつ種々異なった送信周波数に対して得られた積分値を記憶し 、かつ発振器における最適な送信周波数として、最大の積分値が得られる周波数 を調整設定する こと特徴とするエコー測深方式に従って動作する距離測定装置における送信周波 数の調整設定方法。
2. ２．それぞれの振幅一時間プロフィールの形成のために、受信信号の包絡線を標 本化し、かつ該標本値をデジタル化しかつ該デジタル化された標本値を記憶する 請求項１記載の方法。
3. ３．受信信号の平均雑音振幅を求めかつ前記受信信号の長幅一時間プロフィール と前記平均雑音振幅との差を積分する 請求項１または２記載の方法。
4. ４．前記受信信号の雑音振幅を、送波された音波または超音波パルスに由来する エコー信号が何等受信されない時間において測定する 請求項３記載の方法。
5. ５．平均雑音振幅を求めるために、受信信号の振幅一時間プロフィールを、その 前に音波または超音波パルスの送波が行われなかった受信期間において形成し、 かつ前記振幅一時間プロフィールの振幅値を平均化する 請求項３記載の方法。
6. ６．受信信号を、振幅一時間プロフィールの形成の前に、発振器の周波数に同調 されている帯域フィルタを介して伝送する 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. ７．最適な送信周波数を決定するための受信信号の解析を、距離測定が行われな い周波数監視期間において実施する 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ８．それぞれの周波数監視期間において、送信周波数を、スタート周波数から出 発して前以て決められた周波数領域において段階的に変化する 請求項７記載の方法。
9. ９．発振器において、受信信号の解析による最適な送信周波数の決定が可能でな いとき、代替周波数を調整設定する 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
10. １０．代替周波数を、前記電気音響変換器の温度の測定に基づいて該変換器の前 以て決められた温度特性曲線に従って決定する 請求項９記載の方法。