DE19716680C1 - Verfahren zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung von Objekten mittels Ultraschall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hochgenaue Puls-Doppler- Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung mit Ultraschall. Derartige Systeme können vielfältig zur Raumüberwachung oder als Sensoren für autonome Fahrzeuge eingesetzt werden.

Der Einsatz von Puls-Dopplersystemen auf Ultraschall-bzw. Mikrowellenbasis ist vielfältig und wird in folgenden Litera­ turstellen beschrieben:
[1] S. Kuroda, A. Jitsumori, T. Inari, "Ultrasonic imaging system for robots using an electronic scanning method", Robo­ tica, vol. 2, pp. 47-53, 1984,
[2] W. Manthey, N. Kroemer, V. Migori, "Ultrasonic transducers and transducer arrays for application in air", Meas. Sci. Technol., vol. 3, pp. 249-261, 1992,
[3] R. Hickling, S.P. Marin, "The use of ultrasonics for gau­ ging and proximity sensing in air", Journal of the Acoustic Society of America, Vol. 79(4), pp. 1151-1160, April 1986.

Bei den hier üblicherweise verwendeten Zeit-Frequenz-Analyse- Verfahren besteht das Problem darin, daß die erreichbare Ge­ nauigkeit der Dopplerfrequenzmessung wegen der nicht konstan­ ten und richtungsabhängigen Übertragungsfunktion des Meßsy­ stemes für viele Anwendungen unzureichend ist. Die genannten Verfahren werden beispielsweise im folgenden Literaturstellen beschrieben.
[4] J.E. Wilhjelm, P.C. Petersen, "Target velocity estimation with FM and PW echo ranging Doppler sytems (Part I- signal analysis, Part II- system analysis)", IEEE Trans. on Ultraso­ nics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 40, No. 4, pp. 366-372, 373-380 (1993),
[5] F. Hlawatsch, G.F. Boudreaux-Bartels, "Linear and quadra­ tic time-frequency signal representations", IEEE Signal Processing Magazine, April 1992.

Um eine genaue Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung zu ermöglichen, muß der Einfluß der Systemübertragungsfunktion eliminiert werden.

Sensoren zur Raumüberwachung oder zur Steuerung von autonomen Phasen nutzen das Dopplerprinzip zur Bestimmung der Geschwin­ digkeit von Objekten. Um in einem Raum N Objekte lokalisieren zu können, sind theoretisch N+1 unabhängige Detektoren nötig, deren Erfassungsbereich die gesamte Objektscene umfaßt. Die Ziele bzw. Objekte werden aus den Empfangssignalen jedes De­ tektors durch Schwellenauswertung detektiert. Für jedes Ziel wird eine Zeit-Frequenz-Analyse durchgeführt, wobei aus der Schallaufzeit des Impulses die Objektentfernung bestimmt wird und mit Hilfe einer FFT (Fast Fourier Transformation) die Dopplerverschiebung und damit die Geschwindigkeit des Objek­ tes. Diese einfache Methode beinhaltet jedoch gerade für die Geschwindigkeitsmessung große Fehlerquellen, die aus der über den Frequenzbereich nicht konstanten und für jede Raumrich­ tung somit unterschiedlichen Systemübertragungsfunktion resu­ lieren. Vor allem durch die Übertragungsfunktion der Wandler und durch das Reflektionsverhalten der Zielobjekte werden die Messungen verfälscht. Die nicht lineare Übertragungsfunktion, beispielsweise wesentliche Richtungsabhängigkeiten bezogen auf den Abstrahlbereich des Ultraschallwandlers, verursacht eine Verschiebung der Frequenz des Empfangssignales entspre­ chend Fig. 2. Diese Verschiebung überlagert sich der Dopp­ lerverschiebung, die sich durch die Objektbewegung ergibt. Somit wird die Geschwindigkeitsbestimmung zum Teil erheblich verfälscht. Prinzipiell kann eine Verbesserung der Doppler­ auflösung durch eine Verringerung der Signalbreite (Frequenz) bzw. durch entsprechende Verlängerung des Sendeburst-Signals erreicht werden. Diese Maßnahmen führen jedoch zu einer uner­ wünschten Verminderung der Ortsauflösung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren be­ reitzustellen, mit dem die Systemübertragungsfunktion rich­ tungsabhängig kompensiert werden kann, so daß eine hochgenaue gleichzeitige Pulsdopplerentfernungs- und Geschwindigkeits­ messung ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das von Ul­ traschall- oder auch Mikrowellensensoren aufgenommene Dopp­ lersignal in geeigneter Weise von Störeinflüssen bereinigt werden kann. Hierzu wird erfindungsgemäß die richtungsabhän­ gige Wandlerübertragungsfunktion für jede vorgegebene Rich­ tung invers gefiltert.

Eine Systemübertragungsfunktion H(ω), ψ, r) als Funktion der Frequenz ω, der Richtung ψ und der Entfernung r zum Sensor kann folgendermaßen beschrieben werden:

H(ω, ψ, r) = B(ω, ψ).A(ω, r).R(ω, ψ) (1)

Darin bedeutet B (ω, ψ) die Richtungscharakteristik des Sen­ sors im betrachteten Frequenzbereich, die sich aus dem Pro­ dukt der Senderichtcharakteristik B_t(ω, ψ) und der Empfangscha­ rakteristik B_r(ω, ψ) ergibt. A(ω, r) beschreibt die Signalverlu­ ste auf der Übertragungsstrecke Sender-Objekt-Empfänger für eine Objektentfernung r. R(ω, ψ) stellt das von der Einfalls­ richtung abhängige Übertragungsverhalten des Reflektors dar. Für die Reflexion von Luftultraschall an großen ebenen Flä­ chen kann R(ω, ψ) = 1 angenommen werden (siehe hierzu Litera­ turstelle [3]. A(ω, r) ist durch die exponentielle Abhängigkeit entsprechend Gleichung (2) bestimmt. Der Absorptionskoeffizi­ ent wird anhand eines Referenzreflektors experimentell be­ stimmt und kann für den verwendeten Frequenzbereich als kon­ stant angenommen werden.

Zur Bestimmung der Übertragungsfunktion H(ω, ψ, r) muß die Sen­ decharakteristik B(ω, ψ) für den interessierenden Frequenzbe­ reich gemessen werden. Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung von H(ω, ψ, r) besteht darin, das Verhältnis der Spektren der empfangenen und der gesendeten Impulse zu betrachten:

Für die Variante über die Bestimmung des Wandlerrichtverhal­ tens B(ω, ψ) im betrachteten Frequenzbereich wird beispielhaft Bild 1 in Zusammenhang mit der folgenden Literaturstelle be­ trachtet: [6] V. Migori, P.C. Eccardt, H. Ruser, M. Vossiek, "Direction-sensitive ultrasonic distance sensor using multi­ mode stimulation of a single transducer application", Proc. IEEE Ultrasonic Symposium, Seattle, USA, pp. 1045-1049, 1995.

Die Übertragungsfunktion des Meßsystemes kann kompensiert werden, wenn das Empfangssignal in der zu beschreibenden er­ finderischen Weise invers gefiltert wird. Die Zeit-Frequenz-Charakteristik I(ω, ψ, r) des verwendeten Wiener-Filters ist durch das Verhältnis der richtungsabhängigen Übertragungs­ funktion H(ω, ψ, r) und der Summe der Leistungsspektren von Si­ gnal und Rauschen gegeben, wobei die Übertragungsfunktion mit der Fensterfunktion W(ω) auf den interessierenden bzw. vorge­ gebenen Frequenzbereich begrenzt wird.

Das Signalleistungsspektrum Φ_s und das Rauschleistungsspek­ trum Φ_n können im betrachteten Frequenzbereich für alle Rich­ tungen als konstant angenommen werden. Für ein gutes Signal­ rauschverhältnis SNR, (Signal-Noise-Relation) gleicht das Wienerfilter einem Rückfaltungsfilter, für ein kleines SNR ist es ein angepaßtes oder matched Filter. H* ist die konju­ giert komplexe Funktion von H.

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfin­ dung anhand der begleitenden schematischen Zeichnungen be­ schrieben.

Fig. 1 zeigt eine richtungsabhängige Übertragungsfunktion eines Ultraschallwandlers,

Fig. 2 zeigt in drei Darstellungen die Frequenzverschiebung aufgrund einer nichtlinearen Systemübertragungsfunktion,

Fig. 3 zeigt die Echoverarbeitung mit Wiener Filterung,

Fig. 4 zeigt eine Objektscene mit mehreren Objekten, die von n-Detektoren beobachtet werden,

Fig. 5 zeigt in einem Diagramm und in einer Tabelle Messun­ gen und Ergebnisse für ein nicht gefiltertes und für ein nach dem neuen Verfahren gefiltertes Empfangssignal.

In Fig. 1 ist erkennbar, daß das Spektrum eines Signales ei­ nes Ultraschallwandlers sowohl von der Frequenz, als auch von seinem Abstrahlwinkel abhängt. Um genaue Meßergebnisse zu er­ halten, ist es notwendig beispielsweise die Richtungsabhän­ gigkeit insbesondere für das Abstrahlverhalten eines Ultra­ schallwandlers auszugleichen oder zu kompensieren, so daß ex­ akte und reproduzierbare Ergebnisse vorliegen.

Die Fig. 2 verdeutlicht eine Auswirkung bei nichtlinearer Systemübertragungsfunktion. In Fig. 2a ist das Signalspek­ trum S(f) in Abhängigkeit von der Frequenz f dargestellt. Die Systemübertragungsfunktion H(f) ist in Fig. 2b skizziert. Eine aus der Nichtlinearität der Systemübertragungsfunktion resultierende Frequenzverschiebung Δf wird in Fig. 2c ver­ deutlicht, in der das entsprechend verschobene Spektrum S_e(f) skizziert ist.

Die Filterung eines Empfangssignales aus einer bestimmten Richtung, beispielsweise ψ₀ mit einem Wiener Filter ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3a und 3b ist eine Filterant­ wort zum einen im Zeitbereich (3a) und zum anderen im Fre­ quenzbereich (3b) dargestellt. Fig. 3c zeigt die Übertra­ gungsfunktion des Wiener Filters und Fig. 3d zeigt das Spek­ trum des gefilterten Signales. Der Vergleich der Darstellun­ gen nach Fig. 3b und 3d zeigt den Einfluß der inversen Fil­ terung und die dadurch bewirkte Glättung des Empfangssigna­ les. Für eine ideale Filterung würde man am Ausgang des Fil­ ters die Fensterfunktion erhalten. Ein erfindungsgemäßes Meß­ system besteht aus n-Detektoren, bestehend aus je einem Sen­ de-/Empfangs-Wandlerpaar. Diese sind im Raum derart verteilt, daß der gewünschte Beobachtungsbereich vollständig erfaßt ist, wie in Fig. 4 dargestellt. Eine Lösung im Sinne der Er­ findung erfolgt in zwei Schritten.

• 1. In einer Referenzmessung werden für k ausgewählte Richtun­ gen entsprechend zugeordnete k Referenz-Filtersignale aufge­ nommen oder bestimmt,
• 2. bei der eigentlichen Messung werden die Empfangssignale richtungsabhängig detektiert und mit den der entsprechenden Richtung zugehörigen Referenzsignalen gefiltert.

In Fig. 4 werden zwei feststehende Objekte am oberen und am linken Bildrand dargestellt, die zu Referenzmessungen heran­ gezogen werden. Die beiden bewegten Objekte, die kreisförmige und quadratischen Grundriß aufweisen, bewegen sich mit den Geschwindigkeiten v und ν₂ in einer bestimmten Richtung. Die n S/E-Wandlereinheiten können prinzipiell im Raum verteilt sein. Es ist jedoch zweckmäßig, sie beispielsweise in einer Linie oder in einer bestimmten Ebene beispielsweise einer Be­ zugsebene anzubringen. Die hier angesprochenen Signale, die einer Bearbeitung zugänglich sind, sind zwischen den Wandlern und einer zugehörigen Elektronik angesiedelt. Die in Fig. 4 dargestellten Signalrichtungen betreffen die von einer Wand­ lereinheit abgestrahlten und empfangenen Ultraschallsignale. Prinzipiell könnten Ultraschallsignale von einem Wandler ge­ sendet und von einem anderen Wandler empfangen werden. Dies erhöht jedoch insgesamt den Aufwand für die Auswertung einer Messung.

Der erste Schritt, die Referenzmessung, muß für jeden S/E-Wandler nur einmal durchgeführt werden. Ein Referenzreflek­ tor, in Fig. 4 ein feststehendes Objekt, wird in k Richtun­ gen (wobei ω=[ψ₁, ψ₂, . . ., ψ_k]) und in definiertem Abstand zum Sen­ sor aufgestellt. Dabei wird k entsprechend der gewünschten lateralen Auflösung und der möglichen Systemkomplexität ge­ wählt. Für jede Richtung wird dann die Systemübertragungs­ funktion H(ω, ψ, r) aus Gleichung (1) und die dazugehörige in­ verse Filterfunktion I(ω, ψ, r) aus Gleichung (3) berechnet. Dazu wird die S/E-Wandlereinheit in diskreten Schritten in jede der interessierenden Sende- bzw. Empfangsrichtungen ge­ dreht. Falls ausreichende Kenntnisse über verschiedene Wand­ lermodelle vorliegen, ist es prinzipiell auch möglich, diese Systemübertragungsfunktion anhand der Wandlermodelle theore­ tisch zu berechnen, wodurch eine Referenzmessung ersetzt wer­ den kann.

In der eigentlichen Messung werden die Ziele mittels Schwel­ lendetektion der Empfangssignale aller n-Detektoren erfaßt. Anhand der Differenzen der Impulslaufzeiten für die einzelnen Empfänger wird für jedes Ziel die Richtung ψ_r und r die Ent­ fernung r zum Sensor bestimmt. Das Empfangssignal für das So­ lokalisierte Ziel wird zur genauen Bestimmung der Dopplerver­ schiebung mit der Filterfunktion I(ω, ψ_i, r_r) gefiltert, dabei bedeutet ψ_i die für die Richtung ψ_i entsprechende Richtung aus den k-Richtungen, wobei i = 1 . . . k, für die eine Refe­ renzmessung aufgenommen wurde. Dabei muß für die Entfernungs­ dämpfung ein Korrekturfaktor berücksichtigt werden, der sich aus der Differenz der Zielentfernung von der Entfernung des Referenzreflektors ergibt. Die bereinigte Dopplerverschiebung wird sodann durch eine FFT (Fast Fourier Transformation) oder eine andere Zeit-Frequenz-Analysemethode bestimmt.

Bild 5 stellt ein Echosignal dar, welches mit einem 40 kHz Ultraschallimpuls in einem Raum mit mehreren gut sichtbaren Reflektoren gewonnen wird. Dabei bewegt sich nur ein Ziel, beispielsweise eine Person, und alle anderen Objekte, bei­ spielsweise Ausstattung und Raumbegrenzung, bleiben in Ruhe. Für jedes der detektierten 5 Ziele wird eine FFT durchge­ führt, die sich aus den Frequenzverschiebungen ergebenden Ob­ jektgeschwindigkeiten sind in der Tabelle angegeben. Durch die nicht kompensierte Übertragungsfunktion wird eine be­ trächtliche Bewegung für alle Objekte detektiert. Wird die Systemübertragungsfunktion dagegen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert, wird nur für Objekt 3 eine Bewegung festgestellt. Alle anderen Ziele haben eine sehr geringe oder ganz keine Geschwindigkeit. Dieser Zusammenhang ist sowohl aus Fig. 5a, als auch Figur Sb zu entnehmen. Insgesamt ist zu erkennen, daß ein Ergebnis ohne Filterung bei einem fest­ stehenden Objekt eine gewisse nicht zu vernachlässigende Ge­ schwindigkeit ergibt. Bei einer inversen Filterung für das Signal eines feststehnden Objektes ergeben sich Geschwindig­ keiten, die ungefähr bei Null liegen. Der Betrag der Ge­ schwindigkeit des bewegten Objektes Nr. 3 liegt bei nicht vorhandener Filterung bei 2,3 und bei einer erfindungsgemäßen Filterung bei 1,1.

Allgemein kann noch angemerkt werden, daß für jede Richtung ein Wiener Filter angesetzt wird. Mit n-Wandlern können n-l Objekte erkannt werden. Eine gängige Methode zur Ortsbestim­ mung ist die Triangulation. Die Idee der Erfindung ist allge­ mein eine gleichzeitig hohe Genauigkeit der Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung für bewegte Objekte mittels Ultra­ schall bereit zustellen, wie sie beispielsweise zur Lokalisie­ rung von Objekten im Raum, für Bewegungsmelder, für automati­ sche Türöffner usw. benötigt wird. Dabei finden Ultraschall- oder Mikrowellensysteme Einsatz. Das zugrundeliegende Meß­ prinzip ist eine Puls-Doppler-Entfernungs-und Geschwindig­ keitsmessung.

Claims (5)

1. Verfahren zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung von Objekten mittels Ultraschall, wobei mehrere Sende/Empfangs-Wandler­ einheiten (S/E-) mit untereinander einheitlicher Ab­ strahlcharakteristik und mit jeweils bekannter räumlicher Po­ sition einen vorgegebenen Beobachtungsbereich abdecken, bestehend aus folgenden Schritten:

• a) bei einer Referenzmessung:
  • - werden ein ortsfestes Objekt und eine einzige S/E-Wandlereinheit, die in einer ausgewählten Anzahl von Richtungen relativ zueinander und in einem bekannten Abstand zum Objekt ausgerichtet sind, verwendet,
  • - wird für jede Richtung eine Systemübertragungsfunktion H(ω, ψ, r) aufgenommen und die jeweils dazugehörige inverse Filterfunktion I(ω, ψ, r) berechnet,
• b) bei einer Messung:
  • - werden mehrere S/E-Wandlereinheiten verwendet,
  • - werden anhand der Impulslaufzeiten von jeder S/E-Wandlereinheit zu jedem Objekt für jedes Objekt die Richtung ψ_r und dessen Entfernung r zu einer S/E-Wandlereinheit ermittelt,
  • - wird das an einer S/E-Wandlereinheit empfangene Signal zur genauen Bestimmung der Dopplerverschiebung mit der der Richtung des entsprechenden Objektes zugehörigen Filterfunktion I(ω, ψ, r) gefiltert,
  • - wird aus der durch eine Zeit-Frequenz-Analyse erhaltenen Dopplerverschiebung die Geschwindigkeit ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Systemübertragungs­ funktion anhand von bekannten Wandlermodellen berechnet wird, womit sich eine Referenzmessung zur Aufnahme einer System­ übertragungsfunktion erübrigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin in der Referenzmessung mehrere S/E-Wandlereinheiten mit nicht einheitlicher Ab­ strahlcharakteristik verwendet werden und für jede S/E-Wandlereinheit und jede ausgewählte Richtung eine inverse Filterfunktion I(ω, ψ, r) berechnet wird und in der Messung die zu der jeweiligen S/E-Wandlereinheit zugehörige Filter­ funktion verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei einer Messung die Objekte mittels Schwellendetektion der Empfangssignale erfaßt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Systemübertragungsfunktion mit einer Fensterfunktion W(ω) auf einen vorgegebenen Frequenzbereich begrenzt wird.