WO2015158445A1 - Vorrichtung und verfahren zur schallbasierten umfelddetektion - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur schallbasierten umfelddetektion Download PDF

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WO2015158445A1
WO2015158445A1 PCT/EP2015/053187 EP2015053187W WO2015158445A1 WO 2015158445 A1 WO2015158445 A1 WO 2015158445A1 EP 2015053187 W EP2015053187 W EP 2015053187W WO 2015158445 A1 WO2015158445 A1 WO 2015158445A1
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Matthias Karl
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S7/52001—Auxiliary means for detecting or identifying sonar signals or the like, e.g. sonar jamming signals

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for sound-based environment detection.
  • the present invention relates to an evaluation of a transducer signal as to whether its quality is suitable for evaluating environmental information.
  • the ratio of the incoming signal strength of the expected signal, the signal strength of the receiver can be determined
  • Noise and the signal strength, if any, from external systems or channels during the echo cycle i.e., in the period after the emission of an acoustic measurement signal until the time when sensible echo signals can no longer be expected to change. This can e.g. due to short-term fluctuations of the
  • Noise signal or a signal entered by an external system or due to a change in the composition of the noise signal strength or the signal strength of the external signal result.
  • the useful signal, the external signal and the noise are superimposed additively, that is to say the energy received during the reception period of a signal is the sum of the individual energies.
  • Echo cycle the strength of the disturbing noise and extraneous signals are determined and taken into account accordingly within the echo cycle. It is assumed that the strength of the interfering signals during the echo cycle.
  • Transmission properties in the acoustic environment detection determined and taken into account in the subsequent signal evaluation.
  • a potentially a useful signal comprehensive first partial signal is isolated. This can be done for example by filtering (analog or digital). It is only important to detect the useful signal substantially completely and to hide interfering components at least partially.
  • a second sub-signal is isolated from the same received signal, which potentially includes an interfering signal. Accordingly, the first sub-signal and the second sub-signal are different from each other.
  • the interference signal may include, for example, a noise and / or a foreign useful signal.
  • the foreign useful signal can be assigned to the same system and used by the same system as the useful signal. Only for the considered system section or a subsequent evaluation of the received signal is the external signal not used for environment detection size.
  • Threshold compared. It is judged on the basis of the threshold value whether the useful signal potentially contained in the first sub-signal is sufficiently pure, so that in a subsequent evaluation step an environmental detection can take place using it, or if the interference contained is such
  • the first sub-signal can be rectified before the subtraction.
  • the first sub-signal and / or the second sub-signal can be weighted before the subtraction.
  • the sub-signals or one of the sub-signals are multiplied by a constant factor.
  • the second partial signal potentially comprising interfering signals is to be multiplied by a factor ⁇ 1 in order to reduce its level and to adapt its energy or power density to sometimes narrowband isolated potential useful signals.
  • the second sub-signal or the weighted second sub-signal can be rectified before the subtraction, whereby the phase information of the
  • Partial signals lose their influence on the result of the subtraction. Assuming equal-bandless signals, which is close to reality in acoustic environment detection, the rectification can be limited to only positive or negative signal periods, making rectification very easy and inexpensive (for example, by means of a diode).
  • the useful signal can be configured as an echo of an emitted measuring signal.
  • the emission of measurement signals and evaluating the provoked by them echoes a common and proven approach, which can be improved according to the invention.
  • the isolation of the first partial signal and / or the second partial signal may comprise a matched filtering of the received signal.
  • a time-variable frequency band for isolating a chirp can generate the first partial signal.
  • more complex filtering or isolation processes are possible.
  • Two principal possibilities concern the domain of the signal to be examined.
  • the useful signal or the received signal can be processed in the time domain and / or as a transform of the signal in the frequency domain.
  • the Walsh transformation and / or the Fourier transformation for example, can be used.
  • Receiving signal in that its suitability for use in the sound-based environment detection can be determined and decided on its use. If namely a strong disturbance of the
  • Receiving signal is determined, a reliable evaluation of any existing environmental objects can not be guaranteed and discarding the received signal is advisable than an acceptance of faulty detection or non-detection.
  • a predefined signal and / or no signal at all can be output.
  • This predefined signal or absence of a signal can be classified and rejected by the subsequent detection unit as an invalid input signal.
  • the detection may be performed based on other received signals or an error message may be issued indicating that the proper functioning of the
  • the method may preferably include determining a time profile of a level-dependent variable of the first partial signal and / or the second partial signal and / or the difference of both partial signals.
  • a level-dependent variable of the first partial signal and / or the second partial signal and / or the difference of both partial signals.
  • Size can be configured, for example, as an envelope of the received signal or as a rectified received signal.
  • a time period between a first echo cycle and a second echo cycle following the first echo cycle may be adjusted in response to determining the level dependent magnitude. Namely, depending on the time course of the level-dependent size of the sub-signals, a distance to an object possibly present can be estimated and the cycle duration can be adapted to the signal propagation time to be estimated during its examination.
  • the aforementioned steps may be performed within a single echo cycle for environmental detection.
  • the echo cycle is usually understood to mean the time duration between a transmission of a measurement signal and a predefined time at which no reasonably evaluable echoes are to be expected. Therefore, the present method could also be understood as an "in-cycle SNR estimation and threshold tracking".
  • An obvious “interferer” type is signals from emissions of its own system, as occur, for example, when several mutually different acoustic measurement signals are emitted at the same time or in the same echo cycle
  • cables are often called so-called orthogonal modulations (for example, in the case of DSL, the OFDM (orthogonal frequency divided
  • the transmission channels i.e., measuring signals and associated receiving filters, are each designed such that they can be inserted into the
  • Partial signal is possible according to the comments on the first sub-signal and the second sub-signal. Each combination one of 1 different
  • Weighting of the sub-signals is also possible.
  • the useful signal expected on a further channel (hereinafter referred to as "third useful signal”) can also be isolated from the received signal and used for signal-to-noise ratio analysis In this way, a level-related selection of the existing disturbance variables is made before the subtraction according to the invention takes place for evaluating the SN.sub.R.
  • the device comprises a sound transducer (for example an ultrasonic transducer), a first filter
  • the first filter can also be understood as an "insulating member", whereby one optionally on
  • a valuation unit is provided which, for example, a comparison of a generated by the subtractor
  • Sound transducer is for receiving (possibly also for sending) Acoustic signals for environment detection set up. It performs a conversion into the electrical domain and providing corresponding electrical signals to the first filter.
  • the mode of operation of the device according to the invention is evident in accordance with the statements relating to the method according to the invention that reference is made to the above statements to avoid repetition.
  • the device may also comprise a weighting element which has an optional weighting of the second partial signal and / or of the first
  • Partial signal with a factor of one different performs. This makes it possible to adapt the energies of the different partial signals and, for example, by using voltage dividers, suitable values for the subtraction on the one hand and for comparison with a reference or a threshold value on the other hand can be used.
  • a crosstalk of a useful signal of a foreign channel to a transducer of a channel considered can be recognized and considered according to the invention.
  • an input filter can be provided, through which a theoretically infinite power of a
  • Input signal is limited to a total bandwidth. That the
  • Input filter downstream filter for isolation of the desired signal or the useful signals is preferably adapted to the expected signal (English:
  • Devices optionally each of a rectification and a low pass.
  • a reference signal is generated and the difference between the two signals is determined by means of a threshold value switch.
  • a simple switch can be used, which only the received signal on a Input of a distance detection unit outputs when the useful signal is present in a minimum quality, so has a minimum value. Otherwise will be one
  • predefined value e.g., zero
  • Figure 1 is a block diagram illustrating an embodiment of a device according to the invention
  • Figure 2 is a block diagram of an alternative embodiment of a device according to the invention.
  • Figure 3 is a flow chart illustrating steps of a
  • Figure 1 shows a block diagram of an embodiment of a
  • Sound transducer passes an ambient noise as a received signal r (t) to an input 2.
  • the input 2 is followed by an input filter 3, by means of which a conditioning of the received signal r (t) takes place by a pre-filtering.
  • the processed signal is applied to a plurality of matched filters 10, 11, 12, which are tuned to different partial signals of the received signal.
  • a first matched filter 10 is set up to isolate a first useful signal Sj (t) from the received signal r (t).
  • a second matched filter 10 is set up to isolate a first useful signal Sj (t) from the received signal r (t).
  • adapted filter 1 1 is set up, a first Fremdkanalnutzsignal Si1 (t) (Payload, which is intended for a channel other than the considered) to isolate from the received signal r (t).
  • a third matched filter 12 is arranged to isolate a second foreign channel payload signal Si2 (t) from the received signal r (t).
  • the outputs of the matched filters 10, 11, 12 are directed to respective weighting members 20, 21, 22.
  • Weighting members 20, 21, 22 must use a one-of-a different weighting factor or have to be present at all.
  • weighting members 20, 21, 22 perform rectification of the component signals Sj (t), Si1 (t), Si2 (t).
  • a downstream summing unit 70 is used
  • Valuation unit 59 forwarded.
  • the evaluation unit 59 forwards the first sub-signal Sj (t) to an output 60 so that partial signals containing useful signals that are used for subsequent environmental detection are used.
  • Figure 2 shows an analogous embodiment of an embodiment corresponding to the circuit already shown in Figure 1 in principle.
  • the matched filter 10, 1 1, 12 configured as an analog bandpass filter, wherein the passband Bs1 only proportionally with the
  • a weighting element 20 Downstream of the first matched filter 10 is a weighting element 20, which comprises a bridge circuit 200 as a rectifier and a low-pass filter RC for smoothing the rectified signal. Also the other matched filters 11, 12 are
  • Low-pass RC downstream For weighting voltage dividers 300, 40, 50 and in the case of the signal paths for the Fremdkanalnutzsignale also diodes D for ORing the outputs downstream. The outputs of the diodes D are connected via an ohmic resistor 3 to the electrical ground. By the diodes D is a maximum value function for the
  • This maximum signal is applied by an operational amplifier 302 as a subtractor from one at its positive input applied weighted first sub-signal Sj (t) deducted.
  • the operational amplifier 302 is fed back via an ohmic resistor 301 and an ohmic resistor 303. Its output signal, by driving a switch 304, determines whether an output 60 of the circuit has the predefined output value zero or the first sub-signal
  • FIG. 3 shows method steps of an embodiment of a
  • step 100 a reception signal is received by means of an ultrasonic transducer of an environment detection system.
  • Converter converts the received signal into the electrical domain and performs in step 200 an input filtering, by means of which a
  • step 300 partial signals are isolated from the received signal, of which a first partial signal contains potentially useful sound, a second partial signal receives an increased relative to the first partial signal Störschallanteil and a third partial signal and a fourth partial signal each contain potential useful signals from foreign channels ("Fremdkanalnutzsignale").
  • step 400 the partial signals are rectified and weighted in step 500 to produce a subsequent subtraction according to the invention to a result which is equivalent to a signal-to-noise ratio determination
  • the fourth partial signal is combined by a maximum value function and the result is subtracted from the first partial signal in step 700.
  • step 800 the difference is compared with a predefined threshold value, wherein it is determined whether the signal-to-noise ratio determined in accordance with the invention is suitable for present purposes.
  • step 900 a time profile of a level-dependent magnitude of the first partial signal and the second partial signal and the difference between the two partial signals is determined and in response thereto in step 1000 a time period between a start of a first echo cycle and a start of a second immediately after the first echo cycle second Echo cycle adjusted.
  • step 1100 in response to the comparison result between the difference and the threshold, the first sub-signal is provided for sound-based environmental detection or a predefined fixed signal is sent to a downstream system

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schallbasierten Umfelddetektion vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Isolieren eines potentiell ein Nutzsignal umfassenden ersten Teilsignals (sj (t)) aus einem Empfangssignal (r (t)), Isolieren eines potentiell ein Störsignal umfassenden, vom ersten Teilsignal verschiedenen zweiten Teilsignals (si1 (t)) aus dem Empfangssignal (r(t)), Subtrahieren des zweiten Teilsignals (si1 (t)) von dem ersten Teilsignal (sj (t)), und Vergleichen der Differenz mit einem Schwellenwert. Daraus ergibt sich die Bewertung einer Empfangssignals dahingehend, ob seine Qualität zur Auswertung von Umfeldinformationen geeignet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zur schallbasierten Umfelddetektion Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schallbasierten Umfelddetektion. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Bewertung eines Wandlersignals dahingehend, ob seine Qualität zur Auswertung von Umfeldinformationen geeignet ist.
Bei der akustischen Umfelddetektion kann sich das Verhältnis der am Empfänger eintreffenden Signalstärke des erwarteten Signals, der Signalstärke des
Rauschens und der Signalstärke gegebenenfalls von Fremdsystemen oder - kanälen eingetragenen Energie während des Echozyklus, d.h., in dem Zeitraum nach dem Aussenden eines akustischen Messsignals bis zu dem Zeitpunkt, an dem nicht mehr mit dem Eintreffen sinnvoller Echosignale gerechnet werden kann, ändern. Dies kann z.B. aufgrund kurzzeitiger Schwankungen der
Übertragungseigenschaften des Mediums, Änderung der Stärke des
Rauschsignals oder eines durch ein Fremdsystem eingetragenen Signals oder aufgrund einer Änderung der Zusammensetzung der Rauschsignalstärke bzw. der Signalstärke des Fremdsignals ergeben. Beim Empfänger überlagern sich das Nutzsignal, das Fremdsignal und das Rauschen additiv, d.h., die während des Empfangszeitraums eines Signals empfangene Energie ergibt sich als Summe der einzelnen Energien.
Digital-Communications, Proakis, Third Edition, McGraw-Hill, Inc., International Editions 1995, erläutert in Kapitel 5-2 und insbesondere auf Seite 264, wie die Vertrauenswürdigkeit, d.h. die Fehlerrate bei einer Signaldetektion sowohl von dem Verhältnis von Nutzsignal zu Rauschsignal bzw. von Nutzsignal zum
Fremdsignal abhängt. Zudem werden die Arbeiten von Shannon erläutert und gezeigt, wie bei Gaus'schem Rauschen die Zuverlässigkeit einer Signaldetektion vom Verhältnis von Nutzsignal zu Rauschen (SNR, Signal-to-Noise-Ratio) abhängt, und dass das SNR bei Gaus'schem Rauschen mindestens einen Wert von In2 gleich 0,69, dem sog.„Shannon Limit", überschreiten muss. DE 10 2004 006 015 stellt ein effizientes Verfahren vor, bei dem vor dem
Echozyklus die Stärke der störenden Rausch- und Fremdsignale ermittelt werden und entsprechend innerhalb des Echozyklus berücksichtigt werden. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich die Stärke der störenden Signale während des
Echozyklus nicht verändert.
DE 10 2009 054 667 beschreibt Verfahren, durch welche die
Übertragungseigenschaften bei der akustischen Umfelddetektion bestimmt und bei der anschließenden Signalauswertung berücksichtigt werden. Für
Vorrichtungen zur akustischen Umfeldetektion (ob Echo-basiert oder
Rundhorchen-basiert) besteht Bedarf an einer einfachen und rechentechnisch günstigen Abschätzung einer Signalqualität.
Offenbarung der Erfindung Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur schallbasierten Umfelddetektion und eine entsprechende Vorrichtung gelöst. Hierzu wird vorgeschlagen, dass aus einem Empfangssignal eines
Schallwandlers ein potentiell ein Nutzsignal umfassendes erstes Teilsignal isoliert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Filterung (analog oder digital) erfolgen. Wichtig ist lediglich, das Nutzsignal im Wesentlichen vollständig zu erfassen und störende Anteile zumindest anteilig auszublenden. In einem zweiten Schritt wird ein zweites Teilsignal aus demselben Empfangssignal isoliert, welches potentiell ein Störsignal umfasst. Entsprechend sind das erste Teilsignal und das zweite Teilsignal verschieden voneinander. Das Störsignal kann beispielsweise ein Rauschen und/oder ein fremdes Nutzsignal umfassen.
Das fremde Nutzsignal kann selbstverständlich demselben System zugeordnet und durch dasselbe System genutzt werden, wie das Nutzsignal. Lediglich für den betrachteten Systemabschnitt bzw. eine nachfolgende Auswertung des Empfangssignals bildet das Fremdsignal keine zur Umfelddetektion verwendete Größe. In einem weiteren Schritt wird das zweite Teilsignal von dem ersten
Teilsignal subtrahiert. Je nach Ausgestaltung des Systems kann dies im
Zeitbereich erfolgen oder nach einer optionalen Gleichrichtung der Teilsignale. Anschließend wird die ermittelte Differenz mit einem vordefinierten
Schwellenwert verglichen. Anhand des Schwellenwertes wird beurteilt, ob das potentiell im ersten Teilsignal enthaltene Nutzsignal hinreichend rein vorliegt, so dass in einem nachfolgenden Auswerteschritt eine Umfelddetektion unter dessen Verwendung erfolgen kann, oder ob die enthaltenen Störungen eine solche
Verwendung als nicht ratsam erscheinen lassen. Gegenüber einer üblicherweise zur Ermittlung des Rauschabstandes durchgeführten Division lässt sich eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Subtraktion erheblich einfacher und kostengünstiger durchführen, so dass die vorliegende Erfindung Kosten- und Leistungsvorteile bei der schallbasierten Umfelddetektion ermöglicht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt kann das erste Teilsignal vor der Subtraktion gleichgerichtet werden. Hierfür können sämtliche im Stand der Technik bekannten Schaltungen und
Verfahren verwendet werden. Hierdurch vereinfacht sich die Signalverarbeitung und die Phasenlage der beiden Teilsignale zueinander ist nicht mehr so erheblich. Zur Anpassung der Pegel bzw. der Differenz an den Schwellenwert können das erste Teilsignal und/oder das zweite Teilsignal vor der Subtraktion gewichtet werden. Mit anderen Worten werden die Teilsignale bzw. eines der Teilsignale mit einem konstanten Faktor multipliziert. Bevorzugt ist das zweite, potentiell Störsignale umfassende, Teilsignal mit einem Faktor <1 zu multiplizieren, um dessen Pegel zu verringern und seine Energie bzw. Leistungsdichte an mitunter schmalbandige isolierte potentielle Nutzsignale anzupassen.
Auch das zweite Teilsignal bzw. das gewichtete zweite Teilsignal kann vor der Subtraktion gleichgerichtet werden, wodurch die Phaseninformation der
Teilsignale ihren Einfluss auf das Ergebnis der Subtraktion verliert. Geht man von gleichanteillosen Signalen aus, was bei der akustischen Umfelddetektion realitätsnah ist, kann die Gleichrichtung sich auf lediglich positive bzw. negative Signalzeitabschnitte beschränken, wodurch die Gleichrichtung sehr einfach und kostengünstig (z.B. mittels einer Diode) durchführbar ist.
Das Nutzsignal kann als Echo eines ausgesandten Messsignals ausgestaltet sein. Insbesondere im Ultraschallbereich ist das Aussenden von Messsignalen und Auswerten der durch sie provozierten Echos ein übliches und bewährtes Vorgehen, welches erfindungsgemäß verbessert werden kann.
Das Isolieren des ersten Teilsignals und/oder des zweite Teilsignals kann eine angepasste Filterung des Empfangssignals umfassen. Je nach Natur des erwarteten Nutzsignals kann hierbei ein zeitveränderliches Frequenzband zur Isolation eines Chirps das erste Teilsignal erzeugen. Grundsätzlich sind jedoch auch komplexere Filter- bzw. Isolationsvorgänge möglich. Zwei prinzipielle Möglichkeiten betreffen die Domäne des zu untersuchenden Signals. Mit anderen Worten können das Nutzsignal bzw. das Empfangssignal im Zeitbereich und/oder als Transformierte des Signals im Frequenzbereich verarbeitet werden. Zur Transformation kann beispielsweise die Walsh-Transformation und/oder die Fourier-Transformation verwendet werden. Die vorstehend diskutierten Schritte ermöglichen eine Vorab-Verarbeitung eines
Empfangssignals dahingehend, dass seine Eignung zur Verwendung bei der schallbasierten Umfelddetektion ermittelt und über seine Verwendung entschieden werden kann. Sofern nämlich eine starke Störung des
Empfangssignals ermittelt wird, kann eine zuverlässige Auswertung hinsichtlich gegebenenfalls vorhandener Umgebungsobjekte nicht gewährleistet werden und ein Verwerfen des Empfangssignals ist ratsamer als eine Inkaufnahme einer fehlerhaften Detektion bzw. Nicht-Detektion.
Hierzu kann für den Fall, dass die Differenz kleiner als der Schwellenwert ist, ein vordefiniertes Signal und/oder überhaupt kein Signal ausgegeben werden.
Dieses vordefinierte Signal oder Ausbleiben eines Signals kann von der nachfolgenden Detektionseinheit als ungültiges Eingangssignal klassifiziert und verworfen werden. Im Ansprechen hierauf kann die Detektion auf anderen Empfangssignalen basierend durchgeführt werden oder eine Fehlermeldung dahingehend ausgegeben werden, dass die ordnungsgemäße Funktion des
Systems kompromittiert ist.
Bevorzugt kann das Verfahren ein Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs einer pegelabhängigen Größe des ersten Teilsignals und/oder des zweiten Teilsignals und/oder der Differenz beider Teilsignale umfassen. Eine solche pegelabhängige
Größe kann beispielsweise als Einhüllende des Empfangssignals oder als gleichgerichtetes Empfangssignal ausgestaltet sein. In einem zweiten Schritt kann eine Zeitdauer zwischen einem ersten Echozyklus und einem auf den ersten Echozyklus folgenden zweiten Echozyklus im Ansprechen auf das Ermitteln der pegelabhängigen Größe bzw. Größen angepasst werden. Je nach zeitlichem Verlauf der pegelabhängigen Größe der Teilsignale kann nämlich ein Abstand zu einem etwaig vorhandenen Objekt abgeschätzt und die Zyklusdauer an die bei dessen Untersuchung zu veranschlagende Signallaufzeit angepasst werden.
Die vorgenannten Schritte können beispielsweise innerhalb eines einzigen Echozyklus zur Umfeldetektion durchgeführt werden. Als Echozyklus wird üblicherweise die Zeitdauer zwischen einem Aussenden eines Messsignals und einem vordefinierten Zeitpunkt, zu welchem keine vernünftig auswertbaren Echos mehr zu erwarten sind, verstanden. Daher könnte das vorliegende Verfahren auch als„In-Zyklus SNR-Schätzung und Schwellenwertnachführung" verstanden werden.
Eine naheliegende„Störer"-Art sind Signale von Aussendungen des eigenen Systems, wie sie z.B. auftreten, wenn zeitgleich bzw. im gleichen Echozyklus mehrere voneinander unterschiedliche akustische Messsignale ausgesandt werden. Solche Signale erzeugen Echos, welche üblicherweise durch
entsprechend ausgelegte, unterschiedliche Filter detektiert werden. Bei leicht kontrollierbaren Medien, wie z.B. Kabeln, werden dazu gerne sog. orthogonale Modulationen (z.B. bei DSL die OFDM (orthogonal frequency divided
modulation)) verwendet. Dabei sind die Übertragungskanäle, d.h., Messsignale und zugehörige Empfangsfilter, jeweils derart ausgestaltet, dass sie in den
Übertragungskanälen der anderen gleichzeitig ausgesandten Messsignale keine wesentlichen Ausgangssignale erzeugen. Bei der akustischen Umfelddetektion ist eine solche orthogonale Auslegung aufgrund der vielen möglichen
Reflexpunkte und damit Signalstärken und Echolaufzeiten praktisch kaum möglich. Dieses Problem besteht insbesondere bei der Verwendung
schmalbandiger hochresonanter Ultraschallwandler. Da jedoch anhand bekannter Umfeldbedingungen beispielsweise mittels des in DE 10 2009 054 667 beschriebenen Verfahrens das Übertragungsverhalten zwischen mehreren Messkanälen mittels einer jeweiligen Übertragungsfunktion, welche im
allgemeinen zeitinvariant ist, beschrieben werden kann, kann anhand der Stärke eines Signals auf einem Kanal auf die Stärke eines Signals in einem zweiten Kanal geschlussfolgert werden. Ist die störende Wirkung auf ein betrachtetes Nutzsignal zu groß, kann auf die Güte der Signalentscheidung geschlussfolgert werden. Insbesondere bei während der Echolaufzeit variierenden Signalstärken, wie sie bei der Umfelderfassung mittels Pulsmessung üblich sind, ist bei einer solchen Gütebewertung gemäß den Grundlagenuntersuchungen von Shannon und den Erläuterungen von Proakis das Verhältnis der beiden Größen
„Nutzsignal" und„Fremdsignal" maßgebend. In einer Ausgestaltung kann daher ein potentiell ein zweites Nutzsignal umfassendes drittes Teilsignal aus dem Empfangssignal isoliert werden. Eine optionale Gewichtung des dritten
Teilsignals ist entsprechend den Ausführungen zum ersten Teilsignal und zum zweiten Teilsignal möglich. Jede Kombination einer von 1 verschiedenen
Gewichtung der Teilsignale ist ebenfalls möglich. Zudem wird vorgeschlagen, das dritte Teilsignal von dem ersten Teilsignal zu subtrahieren, wie dies zuvor für ein allgemeines Störsignal bzw. Rauschen beschrieben worden ist. Anschließend kann auch diese Differenz mit einem vordefinierten Schwellenwert verglichen werden.
Entsprechend kann auch das auf einem weiteren Kanal erwartete Nutzsignal (nachfolgend„drittes Nutzsignal") aus dem Empfangssignal isoliert und zur Störabstandsuntersuchung verwendet werden. Beispielsweise können die kanalfremden Nutzsignale zunächst zusammengefasst werden, bevor die erfindungsgemäße Subtraktion vom kanaleigenen Nutzsignal erfolgt. Dies kann eine Maximalwertbildung bzw. eine oder-Verknüpfung der Fremdsignale umfassen. Auf diese Weise wird eine pegelbezogene Auswahl der vorhandenen Störgrößen getroffen, bevor die erfindungsgemäße Subtraktion zur Bewertung des SN R erfolgt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur schallbasierten Umfelddetektion vorgeschlagen, welche eingerichtet ist, die Vorteile des vorstehend erläuterten Verfahrens zu verwirklichen. Hierzu weist die Vorrichtung einen Schallwandler (z.B. einen Ultraschallwandler), ein erstes Filter
(analog oder digital) und ein Subtrahierglied auf. Das erste Filter kann auch als „Isolierglied" verstanden werden, womit eine gegebenenfalls auf
Frequenzbereiche beschränkte Interpretation seines Funktionsumfangs vermieden wird. Zudem ist eine Bewertungseinheit vorgesehen, welche beispielsweise einen Vergleich einer durch das Subtrahierglied erzeugten
Differenz mit einer Referenz (Schwellenwert) durchführen kann. Der
Schallwandler ist zum Empfangen (gegebenenfalls auch zum Aussenden) akustischer Signale zur Umfelddetektion eingerichtet. Er führt eine Wandlung in die elektrische Domäne und Bereitstellung korrespondierender elektrischer Signale für das erste Filter durch. Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich derart ersichtlich entsprechend den Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Optional kann auch die Vorrichtung ein Gewichtungsglied umfassen, welches eine optionale Gewichtung des zweiten Teilsignals und/oder des ersten
Teilsignals mit einem von eins verschiedenen Faktor durchführt. Hierdurch kann eine Anpassung der Energien der unterschiedlichen Teilsignale erfolgen und beispielsweise durch Verwendung von Spannungsteilern geeignete Werte für die Subtraktion einerseits und für den Vergleich mit einer Referenz bzw. einem Schwellenwert andererseits verwendet werden.
Durch die Verwendung zusätzlicher Filter können weitere Nutzsignale aus dem Empfangssignal isoliert werden. Insbesondere bei der Verwendung
unterschiedlicher Nutzsignale innerhalb eines räumlich zusammengefassten Systems (z.B. Fortbewegungsmittel mit einem System zur schallbasierten Umfelddetektion), kann ein Übersprechen eines Nutzsignals eines Fremdkanals auf eine Schallwandler eines betrachteten Kanals erkannt und erfindungsgemäß berücksichtigt werden.
Für sämtliche Aspekte der vorliegenden Erfindung kann ein Eingangsfilter vorgesehen werden, durch welches eine theoretisch unendliche Leistung eines
Eingangssignals auf eine Gesamtbandbreite beschränkt wird. Das dem
Eingangsfilter nachgelagerte Filter zur Isolation des Nutzsignals bzw. der Nutzsignale ist bevorzugt auf das erwartete Signal angepasst (englisch:
„matched") und liegt mit seiner Bandbreite innerhalb des Durchlassbandes des Eingangsfilters. Dem Filter zur Isolation ist jeweils eine Einrichtung zur
Bestimmung der Stärke des Nutzsignals bzw. des Empfangssignals
nachschaltet. Zur einfachen schematischen Darstellung bestehen diese
Einrichtungen optional jeweils aus einer Gleichrichtung und einem Tiefpass. Mittels Schwellenwertvorgabe wird ein Referenzsignal generiert und mittels Schwellenwertschalter die Differenz aus beiden Signalen ermittelt. Als Beispiel für eine Vorrichtung zur Signalbewertung kann beispielsweise ein einfacher Schalter verwendet werden, der nur dann das empfangene Signal auf einem Eingang einer Abstandsermittlungseinheit ausgibt, wenn das Nutzsignal in einer Mindestgüte vorliegt, also einen Mindestwert hat. Ansonsten wird ein
vordefinierter bzw. voreingestellter Wert (z.B. Null) ausgegeben.
Erfindungsgemäß kann mittels einer Schwellenwertvorgabe relativ einfach ein minimales Signal-Rausch-Verhältnis bei einer Gütebeurteilung berücksichtigt und eine entsprechende Entscheidung zur Verwendung oder Nicht-Verwendung gefällt werden. Bei der Ultraschall-Umfeldüberwachung mittels hochresonanter und damit schmalbandiger Wandler kann auf ein separat realisiertes
Eingangsfilter verzichtet werden, da der Wandler selbst einen schmalen
Durchlassbereich aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. In der Zeichnung ist:
Figur 1 ein Blockschaltbild, veranschaulichend ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 2 ein Blockschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Figur 3 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Über einen Ultraschallwandler 5 als
Schallwandler gelangt ein Umgebungsgeräusch als Empfangssignal r (t) an einen Eingang 2. Dem Eingang 2 nachgeschaltet ist ein Eingangsfilter 3, mittels welchem eine Aufbereitung des Empfangssignals r (t) durch eine Vorfilterung stattfindet. Das aufbereitete Signal gelangt an eine Vielzahl angepasster Filter 10, 1 1 , 12, welche auf jeweils unterschiedliche Teilsignale des Empfangssignals abgestimmt sind. Ein erstes angepasster Filter 10 ist eingerichtet, ein erstes Nutzsignal Sj(t) aus dem Empfangssignal r(t) zu isolieren. Ein zweites
angepasstes Filter 1 1 ist eingerichtet, ein erstes Fremdkanalnutzsignal Si1 (t) (Nutzsignal, welches für einen anderen als den betrachteten Kanal bestimmt ist), aus dem Empfangssignal r(t) zu isolieren. Ein drittes angepasstes Filter 12 ist eingerichtet, ein zweites Fremdkanalnutzsignal Si2(t) aus dem Empfangssignal r(t) zu isolieren. Im Beispiel werden die Ausgänge der angepassten Filter 10, 11 , 12 auf jeweilige Gewichtungsglieder 20, 21 , 22 geleitet. Nicht sämtliche
Gewichtungsglieder 20, 21 , 22 müssen dabei einen von eins verschiedenen Gewichtungsfaktor verwenden bzw. müssen überhaupt vorhanden sein.
Zusätzlich führen die Gewichtungsglieder 20, 21 , 22 eine Gleichrichtung der Teilsignale Sj(t), Si1 (t), Si2(t) durch. Bezüglich der Fremdkanalnutzsignale Si1 (t), Si2(t) erfolgt in einer nachgeschalteten Zusammenfassungseinheit 70 eine
Maximalwertbetrachtung der die Fremdkanalnutzsignale enthaltenden Teilsignale Si1 (t), Si2(t). Mit anderen Worten wird das jeweils pegelstärkste Teilsignal Si1 (t), Si2(t) auf ein nachgeschaltetes Subtrahierglied 302 gegeben und von dem gewichteten ersten Teilsignal Sj(t) abgezogen. Die Differenz wird in einem Vergleicher 305 mit einem Schwellenwert L verglichen und das Ergebnis an eine
Bewertungseinheit 59 weitergeleitet. Im Ansprechen auf ein vorbestimmtes Vergleichsergebnis leitet die Bewertungseinheit 59 das erste Teilsignal Sj(t) an einen Ausgang 60 weiter, so dass lediglich zur nachfolgenden Umfelddetektion geeignete Nutzsignale enthaltende Teilsignale herangezogen werden.
Figur 2 zeigt eine analoge Ausgestaltung eines mit der prinzipiell bereits in Figur 1 dargestellten Schaltung korrespondierenden Ausführungsbeispiels. Hierbei sind die angepassten Filter 10, 1 1 , 12 als analoge Bandpassfilter ausgestaltet, wobei sich der Durchlassbereich Bs1 jeweils nur anteilig mit den
Durchlassbereichen Bs2 und Bs3 der angepassten Filter 1 1 , 12 überschneidet
(siehe jeweilige Lage zur Resonanzfrequenz f0). Dem ersten angepassten Filter 10 nachgeschaltet ist ein Gewichtungsglied 20, welches eine Brückenschaltung 200 als Gleichrichter und einen Tiefpass RC zur Glättung des gleichgerichteten Signals umfasst. Auch den übrigen angepassten Filtern 11 , 12 sind
Gewichtungsglieder 21 , 22 mit Brückenschaltungen 210 bzw. 220 und
Tiefpässen RC nachgeschaltet. Zur Gewichtung sind Spannungsteiler 300, 40, 50 und im Falle der Signalpfade für die Fremdkanalnutzsignale auch Dioden D zur Veroderung der Ausgänge nachgeschaltet. Die Ausgänge der Dioden D sind über einen ohmschen Widerstand 3 mit der elektrischen Masse verbunden. Durch die Dioden D wird eine Maximalwertfunktion für die
Fremdkanalnutzsignalausgänge realisiert. Dieses Maximalsignal wird durch einen Operationsverstärker 302 als Subtrahierglied von einem an seinem positiven Eingang anliegenden gewichteten ersten Teilsignal Sj(t) abgezogen. Der Operationsverstärker 302 ist über einen ohmschen Widerstand 301 und einen ohmschen Widerstand 303 rückgekoppelt. Sein Ausgangssignal entscheidet durch die Ansteuerung eines Schalters 304 darüber, ob ein Ausgang 60 der Schaltung den vordefinierten Ausgangswert Null oder das erste Teilsignal
Sj(t) erhält.
Figur 3 zeigt Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Schritt 100 wird ein Empfangssignal mittels eines Ultraschallwandlers eines Systems zur Umfelddetektion empfangen. Der
Wandler wandelt das Empfangssignal in die elektrische Domäne und führt in Schritt 200 eine Eingangsfilterung durch, mittels welcher eine
Frequenzbandbegrenzung des Empfangssignals einhergeht. In Schritt 300 werden Teilsignale aus dem Empfangssignal isoliert, von denen ein erstes Teilsignal potentiell Nutzschall enthält, ein zweites Teilsignal einen gegenüber dem ersten Teilsignal erhöhten Störschallanteil erhält und ein drittes Teilsignal und ein viertes Teilsignal jeweils potentielle Nutzsignale von Fremdkanälen („Fremdkanalnutzsignale") enthalten. In Schritt 400 erfolgt eine Gleichrichtung der Teilsignale und in Schritt 500 eine Gewichtung derselben, um eine anschließende Subtraktion erfindungsgemäß zu einem Ergebnis zu führen, welches einer Division zur Ermittlung eines Signal-Rausch-Verhältnisses gleichwertig ist. In Schritt 600 werden hierzu das dritte und das vierte Teilsignal durch eine Maximalwertfunktion zusammengefasst und das Ergebnis in Schritt 700 vom ersten Teilsignal subtrahiert. In Schritt 800 erfolgt ein Vergleich der Differenz mit einem vordefinierten Schwellenwert, wobei ermittelt wird, ob das erfindungsgemäß bestimmte Signal-Rausch-Verhältnis für vorliegende Zwecke geeignet ist. Anschließend wird in Schritt 900 ein zeitlicher Verlauf einer pegelabhängigen Größe des ersten Teilsignals und des zweiten Teilsignals sowie der Differenz beider Teilsignale ermittelt und im Ansprechen darauf in Schritt 1000 eine Zeitdauer zwischen einem Start eines ersten Echozyklus und einem Start eines auf den ersten Echozyklus unmittelbar folgenden zweiten Echozyklus angepasst. Anschließend wird in Schritt 1100 im Ansprechen auf das Vergleichsergebnis zwischen der Differenz und dem Schwellenwert das erste Teilsignal für eine schallbasierte Umfelddetektion bereitgestellt oder ein vordefiniertes fixes Signal an ein nachgeschaltetes System zur
Abstandsermittlung weitergeleitet.

Claims

Verfahren zur schallbasierten Umfelddetektion umfassend die Schritte: Isolieren (300) eines potentiell ein Nutzsignal umfassenden ersten Teilsignals (sj (t)) aus einem Empfangssignal (r (t)),
Isolieren (300) eines potentiell ein Störsignal umfassenden, vom ersten Teilsignal verschiedenen zweiten Teilsignals (si1 (t)) aus dem Empfangssignal (r(t)),
Subtrahieren (500) des zweiten Teilsignals (si1 (t)) von dem ersten Teilsignal (sj (t)), und
Vergleichen (600) der Differenz mit einem Schwellenwert (L).
Verfahren nach Anspruch 1 weiter umfassend
Gleichrichten (400) des ersten Teilsignals (sj (t)).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend
Gewichten (500) des ersten Teilsignals (sj (t)) und/oder des zweiten Teilsignals (si1 (t)).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend Gleichrichten (400) des zweiten Teilsignals (si1 (t)) oder des gewichteten zweiten Teilsignals (si1 (t).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
das Nutzsignal ein Echo eines ausgesandten Messsignals, insbesondere im Ultraschallbereich, ist, und/oder
das Isolieren (300) des ersten Teilsignals (sj (t)) und/oder des zweiten Teilsignals (si1 (t)) eine angepasste Filterung des Empfangssignals (r (t)) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt Verwenden (1100) des ersten Teilsignals (sj (t)) für eine
schallbasierte Umfelddetektion, sofern die Differenz größer als der Schwellenwert (L) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt
Ausgeben (1 100) eines vordefinierten fixen Signals und/oder keines Signals, sofern die Differenz kleiner als der Schwellenwert (L) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend die Schritte
Ermitteln (900) eines zeitlichen Verlaufes einer pegelabhängigen Größe des ersten Teilsignals (sj (t)) und/oder des zweiten Teilsignals (si1 (t)) und/oder der Differenz beider Teilsignale, und
Anpassen (1000) einer Zeitdauer zwischen einem ersten Echozyklus und einem auf den ersten Echozyklus, bevorzugt unmittelbar, folgenden zweiten Echozyklus im Ansprechen auf das Ermitteln der pegelabhängigen Größe bzw. Größen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sämtliche Schritte innerhalb eines gemeinsamen Echozyklus' zur Umfelddetektion durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt
Isolieren (300) eines potentiell ein zweites Nutzsignal umfassenden dritten Teilsignals (si2 (t)) aus dem Empfangssignal (r (t)),
Subtrahieren (700) des dritten Teilsignals (si2 (t)) von dem ersten Teilsignal (sj (t)), und
Vergleichen (800) der Differenz mit einem Schwellenwert (L).
Verfahren nach Anspruch 10 weiter umfassend
Isolieren (300) eines potentiell ein drittes Nutzsignal umfassenden vierten Teilsignals (si3 (t)) aus dem Empfangssignal (r (t)), und Zusammenfassen (600), insbesondere Vergleichen oder Bilden eines Maximalwertes des dritten Teilsignals (si2 (t)) und des vierten Teilsignals (si3 (t)).
12. Vorrichtung zur schallbasierten Umfelddetektion umfassend
einen Schallwandler (5),
ein erstes Filter (10),
- ein Subtrahierglied (302), und
eine Bewertungseinheit (59), wobei
der Schallwandler (5) zum Empfangen, insbesondere auch zum Aussenden, akustischer Signale zur Umfelddetektion eingerichtet ist, das erste Filter (10) zum Isolieren eines potentiell ein Nutzsignal umfassenden ersten Teilsignals (sj (t)) eines Empfangssignals (r (t)) des Schallwandlers (5) eingerichtet ist, wobei weiter
das Subtrahierglied (302) zum Subtrahieren (700) des zweiten Teilsignals (si1 (t)) vom ersten Teilsignal (sj (t)) eingerichtet ist. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12 weiter umfassend
ein Gewichtungsglied (21 ), welches zum Gewichten (500) des zweiten Teilsignals (si1 (t)) mit einem von 1 verschiedenen Faktor eingerichtet ist. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 weiter umfassend
ein zweites Filter (1 1), wobei
das zweite Filter (1 1) eingerichtet ist, ein potentiell ein zweites Nutzsignal umfassendes drittes Teilsignal (si2 (t)) aus dem Empfangssignal (r (t)) zu isolieren, und
- das Subtrahierglied (302) eingerichtet ist, das zweite Teilsignal (si1
(t)) bzw. das zweite gewichtete Teilsignal (si1 (t)) oder das dritte Teilsignal (si2 (t)) von dem ersten Teilsignal (sj (t)) zu subtrahieren (500).
Vorrichtung nach Anspruch 14 weiter umfassend
ein zweites Gewichtungsglied (22),
das zweite Gewichtungsglied (22) eingerichtet ist, das zweite Teilsignal (si1 (t)) mit einem von 1 verschiedenen zweiten Faktor zu gewichten (500).
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