KR102311559B1 - 초음파 트랜스듀서의 에코 신호 처리 방법 - Google Patents

Abstract

초음파 트랜스듀서의 에코 신호 처리 방법
본 발명은 초음파 신호의 수신시에 초음파 트랜스듀서의 에코 신호 처리 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 - 도함수 신호(20)를 생성하기 위하여 에코 신호(16)의 시간적 전개의 시간 도함수를 형성하는 단계, - 단극성 도함수 신호(26)를 형성하기 위하여 제로로 상기 도함수 신호(20)의 전개의 네거티브 또는 포지티브 부분을 설정함으로써 상기 도함수 신호(20)를 필터링하는 단계, 및 - 승산 신호(30)를 생성하기 위하여 상기 단극성 도함수 신호(26)에 의해 상기 에코 신호(16)를 곱하는 단계를 포함한다.

Description

초음파 트랜스듀서의 에코 신호 처리 방법{METHOD FOR PROCESSING AN ECHO SIGNAL OF AN ULTRASONIC TRANSDUCER}

본 발명은 초음파 신호의 수신시에 초음파 트랜스듀서에 의해 생성되는 초음파 트랜스듀서의 에코 신호의 처리 방법에 관한 것이다. 에코 신호의 처리는 초음파 트랜스듀서에 먼저 방출된 초음파 검출 신호를 반사하는 현안의 반사 목적으로 인한 이러한 에코의 감지하는 측면에 있어서 특히 수행된다.

상기 언급된 출원에서의 초음파 트랜스듀서들은 예컨대 자동차 분야의 거리 측정을 위하여 사용된다. 이러한 사용의 예시는 차량용 주차 보조장치(parking aid)이다. 이러한 출원에서, 초음파 트랜스미터는 초음파 버스트 신호들, 즉 초음파 펄스 패킷 신호들을 방출할 것이며, 먼저 방출된 초음파 신호가 반사 후에 수신되는 정도가 초음파 리시버에 의해 검사된다. 이때, 신호 전파 시간은 예컨대 차량의 장애물의 거리에 대한 결론을 허용할 것이다.

상기 공정에서, 수신된, 반사된 에코 신호에서 에코를 인지하는 것은 어렵다. 이것은 2개 이상의 에코가 차례로 신속하게 감지될 때 특히 문제가 될 수 있다.

상기 언급된 시스템의 간섭 민감도(interference susceptibility)를 줄이기 위한 다양한 접근법이 존재한다. 이러한 목적으로, 유용한 에코와 의사(spurious) 에코를 구분하도록 예컨대 동적 스레스홀드가 사용된다. 초음파 트랜스듀서의 에코 신호의 더욱 신뢰 가능한 추가 접근은 DE-A-10 2011 086 397에 기재된다. 이러한 접근법에 따라, 코딩된 초음파 송신 신호의 에코가 수신되고, 평가를 위하여, 상관 방법이 사용되므로 형성된 신호는 에코를 감지하도록 에코 신호의 개념으로 임계값에 비교된다. 이러한 알려진 방법에서, 신호 처리는 전 처리기에서, (상관) 신호가 구분되고 교정되며(rectify) 후속하여, (상관) 신호에 의한 승산으로 곱 신호(product signal)가 생성되는 식으로 수행될 수 있다. DE-A-10 2011 086 397에서, 신호 처리에서의 포지티브/네거티브 부분의 제로 설정을 갖는 도함수 신호의 필터링은 기재되지 않는다.

EP-A-0 142 733로 부터, 초음파 거리 측정 장치가 알려지며, 이것은 반사된 초음파 파동의 수신까지의 전파 시간을 기초로 그라운드로부터의 거리를 측정한다. EP-A-0 142 733에 따른 측정에서, 정확한 시간 측정은 수신 신호의 엔벨로프 커브의 특정 상승의 발생을 기초로 수행된다. EP-A-0 142 733은 종래의 방법을 기재하고, 여기서, 초음파 트랜스듀서는 반사된 에코 신호들을 수신할 것이며 진폭 임계값을 기초로 에코를 감지할 것이다. 본 명세서에서, 대안으로서, 에코 엔벨로프 커브의 시간 도함수가 형성되며, 에코 감지는 도함수과 임계값의 비교를 기초로 신호 플랭크(flank)의 도움으로 수행되며, 여기서, 또한 제 2 시간 도함수를 기초로 하는 감지가 기재된다. EP-A-0 142 733에서, 신호 처리에서의 도함수 신호의 필터링 및 에코 신호에 의한 도함수 신호의 승산은 기재되지 않는다.

US-A-4 243 988는 펄스 레이더 시스템에 있어서, 각도 분해능의 개선을 기재한다. 여기서, 신호 처리에 있어서 방향 각도를 증가시키기 위하여 방향 각도에 걸쳐서 신호 강도의 제 2 도함수가 형성된다. US-A-4 243 988은 에코 신호가 두 번 구분되고, 지연된 에코 신호에 추가되고, 가중되고 지수 함수로 증가되어서 개선된 각도 분해능을 갖는 신호를 얻도록 에코 신호에 의해 곱해지는 방법을 기재한다. 알려진 방법에서, 신호 처리에서의 포지티브/네거티브 부분의 제로 세팅을 갖는 초음파 수신 신호의 시간 도함수 신호의 필터링은 수행되지 않는다.

본 발명의 목적은 특히 복수의 에코가 짧은 인터벌로 서로 따를 때에 정확한 방식으로 에코의 감지를 수행할 수 있도록 초음파 트랜스듀서의 에코 신호 처리의 신뢰가능성을 더욱 향상시키는 것이다.

상기 목적을 성취하기 위하여, 본 발명은 초음파 신호의 수신시에 초음파 트랜스듀서의 에코 신호 처리 방법을 제안하고, 상기 방법은:

- 도함수 신호를 생성하기 위하여 에코 신호의 시간적 전개의 시간 도함수를 형성하는 단계,

- 단극성 도함수 신호를 형성하기 위하여 도함수 신호의 전개의 네거티브 또는 포지티브 부분을 제로로 설정함으로써 도함수 신호를 필터링하는 단계, 및

- 승산 신호를 생성하기 위하여 단극성 도함수 신호와 에코 신호를 곱하는 단계를 포함한다.

그러므로, 본 발명에 의해 제안된 접근법에 따라, 초음파 트랜스듀서의 출력에 적용되는 에코 신호를 먼저 구분하고; 따라서 에코 신호의 시간적 전개는 시간에 걸쳐서 도함수를 구할 것이다. 결과적으로, 도함수 신호가 생성된다. 더 높은 신뢰가능성을 갖는 에코 신호의 에코를 검출할 수 있도록, 에코 신호는 그 시간 도함수와 곱해진다. 결과적으로, 에코 신호의 진폭의 더 느린 시간적 증가는 덜 강한 효과를 가져서 이제 에코 신호에서의 더 빠른 증가가 더욱 두드러질 것이다. 이런 방식으로, 예컨대, 그라운드 에코로 인한 간섭이 억제될 수 있다. 그러나, 에코는 승산 신호에서 확대된다.

본 발명의 접근법에 있어서, 이제, 도함수 신호에 있어서, 에코 신호에 의해 그에 따라 형성된 단극성 도함수 신호를 곱하도록 포지티브 신호 진폭 또는 네거티브 신호 진폭 둘 중 하나를 갖는 시간적 전개의 부분만이 사용될 것임이 규정된다.

본 발명에 따라 사용되는 단극성 도함수 신호에 의한 에코 신호의 승산으로 인하여, 승산이 분명하게 더 큰 신호 진폭을 야기할 것이므로 이제 기존의 에코 신호와 처리된 신호를 비교하는 것이 현재 용이하게 가능하지 않다. 에코를 위한 에코 신호의 추가 처리 및 검사를 간소화하기 위하여, 승산 신호가 제곱근 형성의 대상이 되게 하는것은 적절하다. 결과적으로, 이러한 방식으로 처리된 승산 신호는 에코 신호 진폭과 동일한 크기의 신호 진폭을 가질 것이다.

에코 신호의 미분(differentiation)(시간 도함수)은 고역 통과 필터를 사용하여 적절하게 수행될 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 위해, 또한, 다른 부품 부분 또는 회로 개념이 전기 신호의 미분을 위하여 사용될 수 있다.

회로 기술의 측면에 있어서, 도함수 신호의 포지티브 또는 네거티브 진폭의 "차단(cutting-off)"은 다이오드의 성질과 유사한 성질을 갖는 부품 부분의 도움으로 적절하게 수행된다. 이처럼 다이오드뿐만 아니라, 당업자는 또한 수학적 함수 y = max (x, 0)가 적용되는 예컨대, 콤퍼레이터(comparator) 또는 유사한 회로 기술을 사용할 수 있다.

본 발명의 추가 유리한 변형에 있어서, 단극성 도함수 신호는 도함수 신호의 전개의 포지티브 부분만을 포함하는 것이 규정된다.

본 발명은 예시적인 실시예에 의해 그리고 도면을 참조하여 이하에서 더욱 상세히 기재될 것이다. 도면의 개별적인 도면에서 이하가 도시된다.
도 1은 본 발명의 방법을 구현하기 위한, 본 발명에 의해 제공된 처리 유닛의 주요 부품의 예시적인 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 2는 미분 단계(differential stage)로서 사용을 위한 디지털 고역 통과 필터의 예시를 도시한다.
도 3은 에코 신호 및 개별적으로 측정 신호의 그리고 그 시간 도함수의 시간적 전개를 도시한다.
도 4는 에코 신호의 2개의 연속하는 에코의 경우의 신호 전개를 도시한다.
도 5는 에코 신호의 거의 정확한 수학적인 도함수를 생성하기 위해 미분 단계로서 대안적인 디지털 고역 통과 필터를 도시한다.
도 6은 도 5에 따른 고역 통과 필터를 사용할 때 그 에코 신호 및 그 도함수의 시간적 전개를 도시한다.
도 7은 본 발명의 방법을 구현하기 위하여 상이하게 동작하는 신호 프로세서의 주요 부품의 예시를 도시한다.
도 8은 도 7에 따른 신호 프로세서의 상이한 위치에서의 신호 전개를 도시한다.
도 9는 간섭 신호를 증가시킬 경우에, 본 발명에서 사용하기 위한 도 7에 따른 신호 처리기의 신호 전개를 설명한다.
도 10은 초음파 트랜스듀서의 에코 신호와 개별적으로 측정 신호에서의 2개의 바로 연속하는 에코의 경우의 도 7에 따른 신호 프로세서의 거동을 시그널링 기술의 측면 하에서 도시한다.

도 1은, 블록 다이어그램에 의해 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법의 구현의 예시적인 실시예를 도시한다. 예컨대 장애물에서 반사되는 초음파 펄스 패킷(- 버스트 -) 에코 신호를 그 입력부(12)에서 수신하고 측정 신호로서 전기 에코 신호를 그 출력(14)에서 수신하는 초음파 트랜스듀서는 도 1에서 10으로 지정된다. 이제, 이러한 에코 신호(16)는 미분 단계(18)에서 시간에 걸쳐서 도함수를 구할 것이다. 미분 단계(18)는 예컨대 고역 통과 필터로서 설계될 수 있다. 미분 단계(18)의 출력은 그에 적용되는 도함수 신호(20)를 가질 것이며, 이 신호는 필터(22)에 적용될 것이다. 필터(22)에서, 이러한 실시예에서, 도함수 신호(20)의 시간적 전개의 일 부분이 제로로 설정되어서 도함수 신호(20)의 전개의 포지티브 부분만이 유지되며 필터(22)의 출력(24)에서 출력될 것이다.

이러한 방식으로 필터링되는, 따라서 단극성 도함수 신호(26)인 도함수 신호는 에코 신호(16)에 의해, 즉 초음파 트랜스듀서(10)에 의해 출력된 측정 신호에 의해 승산 단계(28)에서 곱해져서 승산 신호(30)를 생성한다. 이러한 승산 신호(30)는 제곱근 형성(32)의 대상이 될 수 있다. 이러한 제곱근 형성의 출력 신호(34)는 에코를 위한 신호를 검사하도록 평가 유닛(36)에서 사용될 것이다.

반사된 초음파 펄스 패킷(-버스트-) 에코 신호의 수신을 위한 특정 환경 하에서, 에코 신호의 시간 도함수를 신호 평가를 위하여 또한 고려하는 것이 유리할 수 있다. 이것은, 예컨대, 에코 진폭의 상당히 단조로운 증가 및 하락을 야기하는 그라운드 에코에 의해 참이된다. 따라서, 미분은 이러한 간섭 신호로부터의 에코의 더 나은 추출을 야기할 것이다.

신호 미분은 고역 통과 필터의 도움으로 수행될 수 있다. 이러한 필터는 예컨대 FTC(단시 상수) 필터가 될 수 있다. 여기서, 시간 상수는 버스트 길이와 동일해야 한다.

그에 의해, 통상적인 에코 신호보다 더 긴 신호가 억제될 것이다. 그 디지털 구현에서, 예컨대 (미분 단계로서)이러한 필터는 도 2에 도시된 구성을 갖는다.

필터 상수(k)는 이하로 연산된다:

k = log ₂ ( N _p · OSR + 1).

상기 식에서, N_P는 버스트 당 펄스의 수를 표시하고, OSR은 신호 기간당 샘플 값의 수를 표시한다. N_P=16 그리고 OSR=8인 일반적인 경우에, 이하가 따를 것이다:

k = log ₂ (16·8 + 1)

7.

신호 전개는 도 3에 도시된다.

실제로, 오직 도함수만을 기초로 한 에코 감지에 있어서, 도함수 신호의 네거티브 값은 사용되지 않되 0로 한계가 정해질 것이다.

실제로, 초음파 신호에 있어서, 2개의 바로 연속하는 에코의 경우에 제 2 에코는 더 작은 것으로 표시될 것이며 특정 환경하에서, 에코 감지 임계값 이하로 하락하는 것(도 4 참조)이 사실이다.

제로 크로싱 위치가 진폭의 양으로부터 독립적이기 때문에 생성된 신호는 정확한 거리 결정을 위하여 또한 사용될 수 있다. 가장 높은 요구에 있어서, 도함수는 정확하게 구해져야 한다. 이것은 도 5에 따른 변형에 의해 성취될 수 있다.

도 5로부터, 미분 단계로서 도 5에 따른 필터를 사용할 때 도함수의 제로 통과는 에코 신호의 최대에서 정확하게 발생하는 것이 매우 명백하다.

도함수의 평가에서, 방해 환경에 위치된 장애물은 더 작은 진폭으로 나타날 것이다. 자동차 필드에서, 예컨대 그라운드 에코를 숨기기(blanking out) 위하여, 정적 스레스홀드가 일반적으로 사용된다. 신호 진폭을 실질적으로 유지하기 위하여, 도함수가 에코 신호에 의해 곱해질 수 있다.

본 발명은 도함수 신호의, 단순히 포지티브(대안적으로 단순히 네거티브) 부분이 사용되는 것을 규정한다. 블록 다이어그램의 형태의 실현의 예시는 도 7에 도시되고, 도 7의 상세는 도 1에서와 동일한 참조 번호로 지정되므로 도 1과 도 7간의 대응이 인지될 수 있다. 따라서, 함수 블록 y = max (x, 0)에 의해, 도함수 신호의 네거티브 부분이 제로로 설정된다.

정확한 위치 결정을 위하여, 별도 신호로서의 파생이 이제 더는 요구되지 않는다. 감지 이후, "분명해진 에코"는 진폭 의존 전파 시간 측정을 수행하도록 "0과 동일"하게 검사되는 것(도 8 참조)은 충분하다. 도 9는 증가하는 간섭 신호의 경우에 본 발명에 따른 신호 프로세서의 신호를 도시한다.

본 발명을 사용할 때, 2개의 바로 연속하는 에코는 실제로 여전히 감소된 에코 진폭을 유발하되, 명확한 갭이 생성되며(도 10 참조), 이는 2개의 에코의 미분/분리를 허용할 것이다.

10 초음파 트랜스듀서
12 초음파 트랜스듀서의 입력
14 초음파 트랜스듀서의 출력
16 에코 신호
18 미분 단계
20 도함수 신호
22 필터
24 필터의 출력
26 단극성 도함수 신호
28 승산 단계
30 승산 신호
32 제곱근 형성
34 제곱근 형성 후 출력 신호
36 평가 유닛

Claims (7)

1. 초음파 신호의 수신시에 초음파 트랜스듀서의 에코 신호를 처리하는 방법으로서,
   - 도함수 신호(derivative signal)(20)를 생성하기 위하여 에코 신호(16)의 시간적 전개의 시간 도함수(time derivative)를 형성하는 단계,
   - 단극성 도함수 신호(26)를 형성하기 위하여 상기 도함수 신호(20)의 네거티브 또는 포지티브 부분을 제로로 설정함으로써 상기 도함수 신호(20)를 필터링하는 단계, 및
   - 승산 신호(30)를 생성하기 위하여 상기 에코 신호(16)를 상기 단극성 도함수 신호(26)와 곱하는 단계를 포함하는, 에코 신호 처리 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 에코 신호(16)를 상기 단극성 도함수 신호(26)와 곱하는 단계에 뒤이어, 상기 승산 신호(30)의 제곱근을 형성하는 추가 단계를 특징으로 하는 에코 신호 처리 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 에코 신호(16)의 시간적 전개의 상기 시간 도함수를 형성하는 단계는, 고역 통과 필터에 의해 상기 에코 신호(16)를 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에코 신호 처리 방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 단극성 도함수 신호(26)를 생성하기 위한 상기 도함수 신호(20)를 필터링하는 단계는, 다이오드 특성과 유사한 특성을 갖는 전자 부품에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 에코 신호 처리 방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 단극성 도함수 신호(26)는 상기 도함수 신호(20)의 포지티브 부분만을 포함하는 것을 특징으로 하는 에코 신호 처리 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 에코 신호(16)를 상기 단극성 도함수 신호(26)와 곱하는 단계에 뒤이어, 상기 승산 신호(30)를 기초로, 에코의 평가가 수행되는 것을 특징으로 하는 에코 신호 처리 방법.
7. 청구항 2에 있어서, 상기 에코 신호(16)를 상기 단극성 도함수 신호(26)와 곱하는 단계에 뒤이어, 상기 승산 신호(30)의 제곱근을 기초로, 에코의 평가가 수행되는 것을 특징으로 하는 에코 신호 처리 방법.
   

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