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Dokumentenidentifikation DE10120509B4 13.04.2006
Titel Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät und betreffendes Verfahren
Anmelder Yazaki Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Yanagida, Yo, Susono, Shizuoka, JP;
Osada, Kazuyuki, Susono, Shizuoka, JP;
Sugimoto, Terumitsu, Susono, Shizuoka, JP
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Anmeldedatum 26.04.2001
DE-Aktenzeichen 10120509
Offenlegungstag 07.03.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G01S 15/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01S 3/802(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät zum Detektieren eines in dem Raum vorliegenden Objekts durch Ultraschallwellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät ist bekannt aus DE 40 10 502 A1. In diesem Dokument wird vorgeschlagen, eine Vielzahl von Wandlerelementen in Gruppen einzuteilen und die Wandlerelemente innerhalb der Gruppe äquidistant anzuordnen, sowie von Gruppe zu Gruppe mit dem 1,5-fachen Wert des Abstands. Die Gruppen weisen gleiche oder unterschiedliche Wandlerzahlen auf, die von der Mitte nach außen abnehmen, wodurch Empfangsenergie aus Grating-Lobe-Richtung stark gedämpft wird.

Zudem wird in US-A-5,520,184 ein Ultraschalldiagnoseverfahren und ein entsprechenden Diagnosegerät mit verbesserter Echtzeitleistungsfähigkeit beschrieben. Insbesondere beruht die in diesem Dokument vorgeschlagene Vorgehensweise auf der Unterteilung eines Sichtfelds in eine Vielzahl von Sektionen und auf einer selektiven Kombination der sich ergebenden getrennten Ultraschallbilder.

Ferner ist in JP 62-161072 A ein Objektdetektionssensor beschrieben. Um eine fehlerhafte Detektion eines Hindernisses aufgrund der Wirkung einer Seitenkeule zu verhindern, wird vorgeschlagen, ein Empfangsfeld so auszubilden, dass es aus zwei Vibratoren besteht, die gegenüber einem Sendeultraschallfeld getrennt ausgebildet sind.

Ferner existiert ein Ultraschallfeldsensor, wie in 1 gezeigt und beschrieben in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 10-224880, und ein Treiberverfahren für eine phasengesteuerte Oszillatoranordnung, wie in 2 gezeigt und beschrieben in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 59-341276.

Zunächst enthält der in 1 gezeigte Ultraschallfeldsensor 101 röhrenförmige Wellenleiter 103 zum Führen von Ultraschallwellen, und Ultraschalloszillatoren 105, die bei einem Endabschnitt 107 der Wellenleiter 103a, 103b und 103c vorgesehen sind, zum Senden von Ultraschallwellen nach außen zu dem anderen Endabschnitt 109 der Wellenleiter 103a, 103b und 103c, derart, dass die mit dem Ultraschalloszillator 105 ausgerüsteten Wellenleiter 103a, 103b und 103c in vielfacher Zahl angeordnet sind. Zudem ist die Form des anderen Endabschnitts 109 jedes Wellenleiters 103a, 103b und 103c im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet, und die jeweils anderen Endabschnitte 109 jedes Wellenleiters 103a, 103b und 103c sind in einer Reihe ausgebildet, derart, dass sich einer der Endabschnitte 107 aneinandergrenzender Wellenleiter bei jedem Wellenleiter 103a, 103b und 103c in Richtungen erstrecken, die sich voneinander unterscheiden.

Weiterhin ist das Abgleichintervall bei dem anderen Endabschnitt 109 der Wellenleiter 103a, 103b und 103c so festgelegt, dass es nicht größer ist als die halbe Wellenlänge der Ultraschallwellen, die durch den Ultraschalloszillator 105 erzeugt werden.

Wie oben beschrieben, ist der Ultraschallfeldsensor 101, wie in 1 gezeigt, so aufgebaut, dass das Abgleichintervall d bei dem anderen Endabschnitt 109 der Wellenleiter, von dem Ultraschallwellen übertragen werden, so festgelegt ist, dass es kürzer ist als die Halbwelle der Ultraschallwellen, um hierdurch das Auftreten eines sogenannten Subpols (Engl. subpole)(Seitenstrahl) zu vermeiden.

Zudem sind bei den in 2 dargestellten phasengesteuerten Oszillatoranordnungs-Treiberverfahren Ultraschall-Messelemente TD1-TDn (in diesem Fall, n=12) entlang einer Linie mit einem Abstand d angeordnet, wie in 2A gezeigt, und im Zeitpunkt des Wellenempfangs wird die Welle mit sechs abwechselnden Elementen (TD1, TD3, TD5, TD7, TD9, TD11, bei einem Abstand von 2d) aus den zwölf Elementen empfangen, wie in 2C gezeigt. In diesem Fall erscheint eine liegende (engl.: grating) Seitenkeule entlang der Richtung von &thgr;x und –&thgr;x (nicht gezeigt), im Hinblick auf den Hauptstrahl, und eine Phasendifferenz von nur einer Wellenlänge tritt zwischen angrenzenden Elementen entlang dieser Richtung auf. Die Empfindlichkeit/Richtfähigkeit in diesem Zeitpunkt ist so, wie in 3B gezeigt.

Andererseits wird im Zeitpunkt der Wellenübertragung, wie in 2B gezeigt, eine Klangwelle durch die mittleren sechs Elemente emittiert (TD4-TD6, mit einem Abstand von d). Entlang der Richtung von &thgr;x und –&thgr;x (nicht gezeigt) tritt die Phasendifferenz der Halbwellenlänge zwischen zwei angrenzenden Elementen auf, und demnach wirken diese Elemente gegeneinander unter Aufweisung einer minimalen Stärke, und die Richtfähigkeit im Zeitpunkt der Wellenübertragung ist so, wie in 3A gezeigt.

Hier wird, wenn die Zeit der Wellenübertragung und die Zeit des Wellenempfangs zusammengefügt werden, die Richtfähigkeit für die Synthetisierung jeder Übertragungs- und Empfangsrichtung erhalten, und demnach verläuft die Richtfähigkeit (engl.: directivity) so, wie in 3C gezeigt, und es ist zu erkennen, dass die Richtfähigkeit so verläuft, dass sie die liegende Seitenkeule unterdrückt.

Jedoch wird mit dem Ultraschallfeldsensor 101, wie oben beschrieben, das Klangquellintervall zum Bilden des Felds nicht größer als die Halbwellenlänge ausgebildet, um hierdurch im wesentlichen das Auftreten des Seitenkolbens zu unterdrücken. Da jedoch der Durchmesser des Ultraschalloszillators 105 wirklich größer als die Halbwellenlänge ist, wird das Klangquellintervall so ausgebildet, dass es nicht größer als die Halbwellenlänge ist, indem der Wellenleiter von dem Element erstreckt wird. Demnach erhöht sich der Sensorquerschnitt, was nicht praktisch ist.

Weiterhin ist bei dem Treiberverfahren für die phasengesteuerte Oszillatoranordnung, wie sie in 2 gezeigt ist, die Empfindlichkeit lediglich entlang der Hauptstrahlrichtung begrenzt, durch unterschiedliches Ausbilden der Richtfähigkeit des Übertragungsfelds und der Fähigkeit des Empfangsfelds. In diesem Fall ist jedoch eine komplizierte Schaltungsstruktur sowohl bei der Phasensteuerschaltung der Signaleingabe zu dem Übertragungsfeld als auch der Detektionssignal-Verarbeitungsschaltung in dem Empfangsfeld erforderlich.

Demnach besteht das technische Problem der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts und eines betreffenden Verfahrens mit der Fähigkeit zum Vermeiden einer Fehldetektion aufgrund eines Seitenstrahls bei einfacher Ausbildung der Schaltungsstruktur eines Empfangsabschnitts.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem gelöst durch ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Da erfindungsgemäß die Übertragungsfrequenz in allen Feldern des Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts die gleiche ist, können reflektierte Wellen mit einem Empfangselement empfangen werden. Im Ergebnis lässt sich somit die Schaltungsstruktur des Empfangsabschnitts vereinfachen.

Ferner lässt sich erfindungsgemäß ein Hauptbild und ein Seitenbild getrennt erkennen, wodurch das Vermeiden einer Fehldetektion eines Objekts ermöglicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine Vorrichtung zum Transformieren reflektierter Wellenimpulssignale, die wiederum bevorzugt separiert in eine Gruppe von Signalen mit übereinstimmender Signallaufzeit und eine Gruppe von Signalen mit unterschiedlicher Signallaufzeit separiert werden.

Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform können, nachdem die reflektierten Wellenimpulssignale transformiert werden, mehrere Empfangssignal gemeinsam durch eine einfache Logikschaltung verarbeitet werden, die eine einfache Kombination einer logischen Multiplikation und einer logischen Addition realisiert. Dies ermöglicht die Miniaturisierung der Konstruktion der Empfangsschaltung und ebenso die Beurteilung des Vorliegens eines Seitenbilds.

Die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 2 betrifft ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät gemäß dem Patentanspruch 1, derart, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Übertragen der reflektierten Wellen zu Pulssignalen, und hiernach zum gemeinsamen Berechnen der Pulssignale.

Ferner betrifft die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 3 ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach dem Anspruch 1, derart, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren der Signale dienen die von der Übertragung bis zu dem Empfang erforderliche Zeit gleich derjenigen ist wie bei einem Hauptbildpuls, von den Pulssignalen.

Zusätzlich betrifft die Erfindung gemäß dem Anspruch 4 ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät, derart, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung eine logische Betriebsvorrichtung enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren der Signale, für die die Zeit, die von der Übertragung bis zum Empfang erforderlich ist, sich unterscheidet, und zwar als Seitenbildpuls, zwischen Pulssignalen.

Gemäß den Ansprüchen 2, 3 und 4 der Erfindung können, nachdem die reflektierten Wellen in Pulssignale transformiert werden, mehrere Empfangssignale gemeinsam durch eine einfache Logikschaltung verarbeitet werden, die eine einfache Kombination einer logischen Multiplikation und einer logischen Addition darstellt, wodurch die Miniaturisierung der Konstruktion der Empfangsschaltung ermöglicht wird, und ebenso die Beurteilung des Vorliegens eines "Seitenbilds" ermöglicht wird.

Zudem wird die obige technische Aufgabe gelöst durch ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.

Gemäß Anspruch 5 der Erfindung lässt sich ein Hauptbild und ein Seitenbild getrennt erkennen, wodurch das Vermeiden einer Fehldetektion eines Objekts ermöglicht wird.

Die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 6 betrifft ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren gemäß dem Patentanspruch 5, wobei der Ultraschallwellen-Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt umfasst, für das Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach für das gemeinsame Berechnen der Pulssignale.

Ferner betrifft die Erfindung gemäß dem Anspruch 7 ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, wobei der Ultraschallwellen-Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt aufweist, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren der Signale, bei denen die Zeit, die von Übertragung bis zu dem Empfang erforderlich ist, dieselbe ist wie bei einem Hauptbildpuls, aus den Pulssignalen.

Zusätzlich betrifft die Erfindung gemäß dem Anspruch 8 ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren gemäß Anspruch 5, bei dem Ultraschallwellen-Empfangsschritt einen logischen Betriebsschritt umfasst, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren der Signale, bei denen die Zeit, die von der Übertragung bis zu dem Empfang erforderlich ist, sich unterscheidet, und zwar als ein Seitenbildpuls, aus den Pulssignalen.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben; es zeigen:

1 ein Diagramm zum Darstellen der Konstruktion eines üblichen Ultraschallfeldsensors;

2 ein Diagramm zum Erläutern des Prinzips eines üblichen phasengesteuerten Feldoszillator-Treiberverfahrens;

3 ein Diagramm zum Darstellen der Empfindlichkeit/Richtfähigkeit des üblichen Treiberverfahrens für die phasengesteuerte Oszillatoranordnung;

4 ein Blockschaltbild zum Darstellen der Konstruktion einer Ausführungsform eines elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;

5 ein Blockschaltbild zum Darstellen der Konstruktion einer Ausführungsform einer Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 in dem in 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

6 ein Schaltbild zum Darstellen einer Schaltungsstruktur der üblichen Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 in dem in 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

7 ein Diagramm zum Darstellen eines Strahlprofilmodells der durch das Feld übertragenen Ultraschallwellen;

8 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels der Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 3 in dem elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 nach 4;

9 ein Blockschaltbild zum Darstellen der Konstruktion der Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 in dem in 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

10 ein Diagramm zum Darstellen des logischen Aufbaus eines Pulserzeugungsabschnitts 63 bei der in 9 gezeigten Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4;

11 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Objektdetektionsverarbeitung mittels eines in 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts 1;

12 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels des in 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts 1;

13 ein Diagramm zum Erläutern des Prinzips der Hauptstrahl-Richtfähigkeitssteuerung mittels der in 4 gezeigten Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3;

14 ein Diagramm zum Erläutern des Prinzips der Erzeugung eines Seitenstrahls durch die in 4 gezeigte Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3;

15 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels der Erzeugungsrichtungen für den Hauptstrahl und den Seitenstrahl;

16 ein Diagramm zum Darstellen eines Empfangssignals mittels der von einem Objekt reflektierten Welle, empfangen durch die in 4 gezeigte Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4; und

17 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels eines Empfangssignals mittels der von einem Objekt reflektierten Welle, empfangen durch die in 4 gezeigte Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4.

Zunächst wird auf der Grundlage von 4 der Aufbau eines elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts in dieser Ausführungsform beschrieben.

Wie in 4 gezeigt, enthält ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 in dieser Ausführungsform: eine Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 zum Erzeugen von Phasensteuersignalen mit derselben Übertragungsfrequenz; eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 2, gebildet aus mehreren Feldern zum Übertragen von Ultraschallwellen, auf der Grundlage von mehreren Phasensteuersignalen, die von der Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 erzeugt werden; eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 zum Empfangen reflektierter Wellen von einem Objekt aus den durch die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 übertragenen Ultraschallwellen, und zum Ausgeben eines Hauptbildsignals und eines Seitenbildsignals von den reflektierten Wellen; und eine Objektdetektionsvorrichtung 5 zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage des Hauptbildsignals, ausgegeben durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4, und zum Detektieren des Vorliegens eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals.

Das wie oben beschrieben aufgebaute elektronische Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 überträgt Ultraschallwellen mit denselben Übertragungsfrequenzen von der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3, auf der Grundlage der durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 erzeugten Phasensteuersignale, und es empfängt reflektierte Wellen der Ultraschallwellen von dem Objekt durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4, um hierdurch einen Hauptbildpuls und einen Seitenbildpuls zu trennen. Anschließend erfolgt auf der Grundlage des Hauptbildpulses und des Seitenbildpulses die Berechnung einer Information wie "Richtung, entlang der ein Objekt vorliegt", "Distanz zu dem Objekt", "Vorliegen eines Seitenbilds" und dergleichen, sowie eine Ausgabe durch die Objektdetektionsvorrichtung 5.

Hier ist die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 so, wie in 5 gezeigt, ausgebaut, durch Anordnung mehrerer Felder, in denen mehrere Übertragungselemente B linear oder mit gleichen Intervallen angeordnet sind.

In 5 ist eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 gezeigt, mit einem Feld A1, gebildet von N Übertragungselementen B11, B12, ..., B1N, sowie durch ein Feld A2, gebildet durch N Übertragungselemente B21, B22, ..., B2N, und ein Feld AM, gebildet von N Übertragungselementen BM1, BM2, ..., BMN. Jedoch unterscheidet sich jeweils das Elementintervall der Übertragungselemente für jedes Feld A1, A2, ...AM.

Ferner wird unter Bezug auf die 6 die Schaltungsstruktur der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 beschrieben.

Wie in 6 gezeigt, wird zunächst ein Phasensteuersignal S erzeugt durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 und bei der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung eingegeben. Dann wird dieses Phasensteuersignal S bei dem Feld A1 eingegeben und mit einer spezifizierten Phasendifferenz &PHgr;1 durch einen Phasenschieber 31 bereitgestellt und bei jedem Übertragungselement B11, B12, ..., B1N eingegeben. Diese Phasendifferenz &PHgr;1 wird bestimmt durch das Elementintervall und die Hauptstrahlrichtung.

Anschließend überträgt jedes Übertragungselement B11, B12, ..., B1N Jeweils Ultraschallwellen auf der Grundlage der Phasensteuersignale S1, S2, ..., SM, die mit der Phasendifferenz bereitgestellt sind. Demnach muss jedes Übertragungselement B11, B12, ..., B1N Ultraschallwellen mit einer Phasendifferenz von &PHgr;1 jeweils zwischen aneinandergrenzenden Übertragungselementen übertragen.

Hiernach wird durch Umstellen durch die Umstellvorrichtung 32 das Phasensteuersignal S sequentiell zu den Feldern A2, ..., AM übertragen, und Ultraschallwellen mit einer Frequenz von f und einer Phasendifferenz von &PHgr;2, ..., &PHgr;M werden sequentiell von jedem Feld übertragen.

Hier wird – wie in 7 für ein Beispiel gezeigt – ein Fall gezeigt, bei dem die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 zwei Felder enthält, ein Feld A1 mit einem Elementintervall von d1 und ein Feld A2 mit einem Elementintervall von d2. Die 7 zeigt ein Strahlprofilmodell, das jeweils durch das Feld A1 und das Feld A2 geformt ist. Sowohl in Feld A1 als auch in Feld A2 beträgt die Übertragungsfrequenz des Übertragungselements f, und die Hauptstrahlrichtung ist &agr;0.

Diese Felder A1, A2 werden so angeordnet, wie in 8 gezeigt, zum Bilden der Ultraschallwellenübertragungsvorrichtung 3.

Als nächstes wird die Konstruktion der Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 unter Bezug auf die 9 beschrieben.

Wie in 9 gezeigt, empfängt die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 fortlaufend reflektierte Wellen der Ultraschallwellen, die von den Feldern übertragen werden, über das Empfangselement C mit einer Frequenz von f, und die empfangenen reflektierten Wellen werden durch einen Verstärker AMP eine nach der anderen verstärkt, einer Pulstransformation durch eine selbstregelnde Einrichtung AGC und eine Spitzenwerthalteschaltung 61, und eine nach der anderen in einem Speicher 62 gespeichert. Mit dem Speicher 62 erfolgt dann, wenn M Empfangssignale hierin gespeichert sind, das Auslesen von Empfangssignalen in einer Einheit von M, und sie werden zu dem Pulserzeugungsabschnitt 63 übertragen.

Hier ist der Aufbau des Pulserzeugungsabschnitts 63 so, wie in 10 gezeigt.

Wie in 10 gezeigt, detektiert die logische Betriebsvorrichtung 63 Signale, für die die Zeit, die von der Übertragung zu dem Empfang erforderlich ist, dieselbe ist, d.h. einen Hauptbildpuls, durch Heranziehen einer logischen Multiplikation der M empfangenen Signale.

Weiterhin detektiert durch Heranziehen einer logischen Addition von M Pulssignalen die logische Betriebsvorrichtung 63 Signale, für die sich die Zeit, die von der Übertragung zu dem Empfang erforderlich ist, unterscheidet, d.h. einen Seitenbildpuls.

Auf diese Weise können mit dem elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 dieser Ausführungsform aufgrund der Tatsache, dass die Übertragungsfrequenz in allen Feldern die gleiche ist, reflektierte Wellen durch ein Empfangselement empfangen werden. Im Ergebnis lässt die Schaltungsstruktur des Empfangsabschnitts klein ausbilden.

Als nächstes wird die Objektdetektionsverarbeitung mittels des elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts 1 in dieser Ausführungsform beschrieben, auf der Grundlage des in 11 gezeigten Flussdiagramms. Hier erfolgt die Beschreibung für einen Fall, wo, wie in 8 gezeigt, zwei Felder vorliegen.

Zunächst wird ein Phasensteuersignal S mit einer Übertragungsfrequenz f durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 erzeugt (S801).

Es erfolgt ein Umstellen diesen Phasensteuersignals S durch die Umstellvorrichtung 32, gezeigt in 6, sowie ein sequentielles Übertragen und Eingeben bei den Feldern A1, A2 (S802).

Anschließend wird in jedem Feld A1, A2, das das Phasensteuersignal empfangen hat, eine spezifische Phasendifferenz bereitgestellt, und zwar zwischen aneinandergrenzenden Übertragungselementen durch den Phasenschieber 31, wie er in 6 gezeigt ist (S803). Diese Phasendifferenz wird bestimmt durch die Übertragungsfrequenz und die Hauptstrahlrichtung.

Hier ist in 12 ein Beispiel eines Phasensteuersignals gezeigt, das mit einer Phasendifferenz versehen ist.

Wie in 12 gezeigt, erfolgt in dem Feld A1 die Eingabe von Phasensteuersignalen S11, S12, ..., S1N mit einer Übertragungsfrequenz von f und bereitgestellt mit einer spezifischen Phasendifferenz, lediglich für die Zeit T1 der Abtastperiode T2 im Hinblick auf N Übertragungselemente B11, B12, ..., B1N. Ein derartiges Phasensteuersignal wird bei den N Übertragungselementen B11, B12, ..., B1N fortlaufend und wiederholt eingegeben.

In derselben Weise werden Phasensteuersignale S21, S22, ..., S2N mit einer Übertragungsfrequenz von f bei dem Feld A2 eingegeben.

Ultraschallwellen, versehen mit einer spezifischen Phasendifferenz zwischen Ultraschallwellen, die von dem angrenzenden Übertragungselement übertragen werden, werden jeweils von dem Übertragungselement B übertragen, in das ein derartiges Phasensteuersignal eingegeben wird (S804).

Hier wird das Prinzip der Richtfähigkeitssteuerung von Ultraschallstrahlen, die von der oben beschriebenen Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 übertragen werden, auf der Grundlage von 13 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform steht das elektronische Abtastverfahren für ein Verfahren zum Verwenden eines Interferenzphänomens der Wellenbewegung, d.h. ein Verfahren zum "Erzeugen eines starken Strahls in der beabsichtigten Richtung durch adäquates Steuern von Phasen der Wellen, die von mehreren Wellenquellen erzeugt werden".

Hier wird davon ausgegangen, dass die Phasensteuersignale S11, S12, ..., S14, die durch den in 6 gezeigten Phasenschieber 31 mit einer Phasendifferenz versehen sind, bei den Übertragungselementen B11, B12, ..., B14 in dem Feld A1 eingegeben werden, und dann wird, sofern die Phasen für jedes Phasensteuersignal S11, S12, ..., S14 sämtlich gleich sind, ein starker Ultraschallstrahl entlang der Richtung von &thgr;=0° erzeugt. Dieser "starke Ultraschallstrahl" wird hier nachfolgend als "Hauptstrahl" bezeichnet.

Hier nimmt unter Berücksichtigung eines Falls, bei dem ein Hauptstrahl entlang der Richtung von &thgr;=&agr; in 13 erzeugt wird, eine Phasendifferenz L der Übertragungselemente B11 bis B14 in 13 einen Wert an zu: L = d·sin&agr;(1).

Eine Phasendifferenz ϕ[deg], die zwischen jeweiligen Steuersignalen erforderlich ist, wird ausgehend von der Zeit bestimmt, wenn die Ultraschallwellen die Distanz L fortschreiten.

Wird die Schallgeschwindigkeit durch V bezeichnet, und wird die Übertragungsfrequenz mit f bezeichnet, so werden aufgrund der Tatsache, dass die Distanz (Wellenlänge &lgr;), die fortgeschritten wird, während sich die Welle einer Frequenz f für einen Zyklus verschiebt, den Wert V/f aufweist, folgenden Ausdrücke erhalten: ϕ/360 = d·sin&agr;/(V/f)(2) ∴ϕ = (360·f·d·sin&agr;)/V[deg](3)

Wird ϕ, erhalten in der Gleichung (3), jeweils bereitgestellt als eine Phasendifferenz zwischen den Phasensteuersignalen S11-S12, S12-S13, and S13-S14, so kann der Hauptstrahl entlang der Richtung von &agr; mittels des Felds A1 erzeugt werden.

Jedoch wird aufgrund der Tatsache, dass der Hauptstrahl das "Interferenzphänomen der Wellenbewegung" verwendet, jedes Mal, wenn es gegenüber dem Hauptstrahl um eine ganzzahlige Wellenlänge verschoben wird, ein starker Strahl getrennt von dem Hauptstrahl erzeugt. Dieser "starke Ultraschallstrahl, verschoben gegenüber dem Hauptstrahl um eine ganzzahlige Wellenlänge", wird als ein "Seitenstrahl" bezeichnet.

Hier wird das Prinzip zum Erzeugen des Seitenstrahls unter Bezug auf die 14 beschrieben.

Wird angenommen, dass die Richtung des erzeugten Seitenstrahls &bgr; ist, so wird die Pfaddifferenz L&bgr; in 14: L&bgr; = d·sin&bgr;(4).

Im Ergebnis ist ein Seitenstrahl entlang der Richtung von &bgr; zu bilden, wobei auf den folgenden Ausdruck zu schließen ist: |d·sin&bgr; – d·sin&agr;| = n·&lgr;(n = 1, 2, 3, 4 ...)(5).

Anhand des Ausdrucks (5) wird die Richtung &bgr;, bei der der Seitenstrahl auftritt, wie folgt: &bgr; = sin–1{sin&agr; ± n·(&lgr;/d)} (n = 1, 2, 3, 4 ...)(6).

Die einschränkenden Bedingungen für &agr;, &bgr;, &lgr; und d sind: –90° ≤ &agr; ≤ +90°,

–90° ≤ &bgr; ≤ +90°,

&lgr; > 0, und

d > 0(7),
und demnach wird bei Schlussfolgerung des Ausdrucks (6) unter diesen Bedingungen ein Seitenstrahl entlang der Richtung von &bgr; geformt.

Wird die Bedingung, gemäß der &bgr; existiert, ausgehend von den Ausdrücken (6) und (7) bestimmt, so gilt d ≥ &lgr;/2. Umgekehrt ausgedrückt, sofern gilt 0 < d < &lgr;/2(8), wird dann ein Seitenstrahl in dem Raum nicht geformt.

Ursprünglich sollte die Distanz zwischen den Wellenquellen (Ausrichtungsintervall zwischen Elementen) d so festgelegt sein, dass der Ausdruck (8) erfüllt ist.

Jedoch ist es praktisch aufgrund der Tatsache, dass momentan verfügbare Ultraschallelemente eine Frequenz aufweisen von: f = 40kHz – 60 kHz (Wellenlänge &lgr; = 8,5mm – 5,7mm), und ein Durchmesser des Elements minimal 10mm beträgt, ziemlich schwierig, die Distanz zwischen den Wellenquellen d schmaler als &lgr;/2 auszubilden.

Demnach beträgt bei Betrachtung der Erzeugungsrichtungen des Hauptstrahls und des Seitenstrahls zum Trennen des "Hauptbilds" und des "Seitenbilds" unter Verwendung der momentan verfügbaren Ultraschallelemente, ausgehend von dem Ausdruck (3), die Hauptstrahl-Erzeugungsrichtung &agr; = = sin–1{(V·&#981;)/(360·f·d)}(9).

Andererseits beträgt, ausgehend von dem Ausdruck (6), die Seitenstrahl-Erzeugungsrichtung &bgr;: &bgr; = sin–1{sin&agr; ± n·(&lgr;/d)},

∴&bgr; = sin–1{sin&agr; ± n·V/(f·d)} (n = 1, 2, 3, 4, ...)(10)

Hierbei ändern sich, wenn d konstant ausgebildet wird, und wenn f geändert wird, sowohl &agr; als auch &bgr;.

Jedoch ändert sich &bgr; aufgrund einer Änderung von f, jedoch kann &agr; konstant ausgebildet werden, durch Ändern der Phasendifferenz &#981; mit einer Veränderung von f.

Dies bedeutet, dass dann, wenn eine Übertragungsfrequenz f des Übertragungselements für jedes Feld geändert wird, und die Phasendifferenz &#981; zwischen dem Übertragungselement im Zusammenhang mit der Frequenzänderung geändert wird, lediglich die Erzeugungsrichtung &bgr; des Seitenstrahls geändert werden kann, während die Hauptsteuerrichtung &agr; konstant gehalten werden kann.

Im Ergebnis sind dann, wenn Ultraschallwellen mit einer voneinander unterschiedlichen Übertragungsfrequenz von M Feldern zur selben Zeit übertragen werden, selbst dann, wenn die Erzeugungsrichtung des Hauptstrahls insgesamt &agr;0 ist, die Erzeugungsrichtung des Seitenstrahls, übertragen von den jeweiligen Feldern, unterschiedlich.

D.h., es gilt:

&agr;1 = &agr;2 = &agr;3 = ... = &agr;M = &agr;0,

&bgr;i ≠ &bgr;j i ≠ j, i, j = 1, 2, ..., M.

Im Ergebnis werden der Hauptstrahl und der Seitenstrahl übertragen von den M Feldern, entlang der Richtung erzeugt, wie in 15 gezeigt.

Hier wird in dem Fall, in dem der Hauptstrahl entlang der Richtung &agr;0 erzeugt wird, wie in 15 gezeigt, der Seitenstrahl entlang der Richtung von &bgr;1, &bgr;2, &bgr;3, ..., &bgr;M erzeugt, und Objekte A, B und C existieren, wenn reflektierte Wellen bei den Empfangselementen empfangen werden, und M Empfangssignale, wie in 16 gezeigt, können empfangen werden.

Bei Heranziehung einer logischen Multiplikation gibt dieser M Pulssignale, gibt es Signale, bei denen die Zeit von Übertragung zu dem Empfang dieselbe ist, d.h. lediglich ein Hauptbildpuls, lässt sich als das Ausgangsergebnis detektieren, und lässt sich von dem Seitenbildpuls separieren.

Weiterhin gibt es bei Heranziehung einer logischen Addition dieser M-Pulssignale, Signale, bei denen die Zeit von Übertragung zum Empfang unterschiedlich ist, d.h. lediglich ein Seitenbildpuls lässt sich ebenso detektieren.

Mit einem derartigen Prinzip kann das elektronische Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 dieser Ausführungsform den Hauptbildpuls und den Seitenbildpuls separieren.

In dem Fall, in dem ein Objekt in zwei Feldern A1, A2, gezeigt in 8, detektiert wird auf der Grundlage des oben beschriebenen Prinzips werden dann, wenn die Felder A1, A2 Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen übertragen (S804) und die Ultraschallwellen durch das Objekt (S805) reflektiert werden, die reflektierten Wellen durch die in 8 gezeigten Empfangselemente C empfangen (Schritt S806). Ein Beispiel dieses Empfangssignals ist in 17 gezeigt.

Das in 17 gezeigte Empfangssignal wird identifiziert und in ein Hauptbild und in ein Seitenbild durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 mit der in den 9 und 10 gezeigten Schaltungsstruktur separiert.

Zunächst empfängt das Empfangselement C reflektierte Wellen der Ultraschallwellen, die durch das Feld A1 übertragen werden, und hiernach folgt der Empfang reflektierter Wellen von Ultraschallwellen, die durch das Feld A2 übertragen werden. Die jeweils empfangenen reflektierten Wellen werden durch den Verstärker AMP verstärkt (S807) und der Pulstransformation unterzogen, mittels der selbstregelnden Einrichtung AGC und der Spitzenwerthalteschaltung 61 (S808).

Die pulstransformierten Empfangssignale werden in dem Speicher 62 nacheinander gespeichert (Schritt S809), und bei dem Speicher 62 erfolgt dann, wenn zwei Empfangssignale hierin gespeichert sind, das Auslesen der Empfangssignale in einer Einheit von zwei, sowie eine Übertragung zu dem Pulserzeugungsabschnitt 63 (S810).

Dann detektiert die logische Betriebsvorrichtung 63 Signale, für die die Zeit, die zwischen der Übertragung und dem Empfang erforderlich ist, dieselbe ist, d.h. ein Empfangssignal nach der Zeit T1 in 17 kann als "Hauptbild" detektiert werden, durch Heranziehen einer logischen Multiplikation zweier Empfangssignale. Weiterhin lassen sich durch Heranziehen einer logischen Addition hiervon andere Empfangssignale als "Seitenbild" detektieren (S811).

In dieser Weise lassen sich nach der Transformierung der reflektierten Welle in ein Pulssignal mehrere Empfangssignale gemeinsam durch die Logikkonstruktion verarbeiten. Im Ergebnis kann die Konstruktion der Empfangsschaltung klein ausgebildet sein, und das Vorliegen eines "Seitenbilds" lässt sich bewerten.

Auf der Grundlage dieses Hauptbildpulses wird die Distanz und die Richtung des Objekts berechnet, und das Vorliegen eines Seitenbilds wird auf der Grundlage des Seitenbildpulses detektiert (S812).

Insbesondere kann die Distanz zu dem Objekt gemessen werden, durch eine Zeit, die von der Übertragungszeit der Ultraschallwellen bis zur Empfangszeit der reflektierten Wellen erforderlich ist, und die Richtung kann ausgehend von der Hauptstrahlrichtung bekannt sein.

Anschließend lässt sich die Positionsinformation (Winkel und Distanz) eines in dem Raum existierenden Objekts detektieren, durch Ausführung der oben beschriebenen Detektion des Objekts in dem Bereich der Hauptstrahlrichtung von –90° ≤ &agr;0 ≤ 90°.


Anspruch[de]
  1. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät zum Detektieren einer Position eines Objekts durch Übertragen von Ultraschallwellen, enthaltend:

    – eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung (3), gebildet aus mehreren Feldern (A1, ..., AN) für das Übertragen von Ultraschallwellen, auf der Grundlage von mehreren Phasensteuersignalen, wobei die Felder mehrerer Übertragungselemente aufweisen, angeordnet mit einem konstanten Elementintervall, und sich das Elementintervall für jedes Feld jeweils unterscheidet,

    gekennzeichnet durch:

    – eine Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung (2) zum Erzeugen der Phasensteuersignale mit einer einzigen Übertragungsfrequenz;

    – eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) zum Empfangen reflektierter Wellen, die von einem Objekt reflektiert werden, mit einem Empfangselement (C), sowie zum Detektieren eines Hauptbilds anhand von reflektierten Wellen mit gleicher Zeit, die von der Übertragung zu dem Empfang erforderlich ist, um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, und zum Detektieren von Seitenbildern anhand von Signalen mit unterschiedlicher Zeit, die von der Übertragung zu dem Empfang erforderlich ist, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; und

    – eine Objektdetektionsvorrichtung (5) zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage eines von der Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung ausgegebenen Hauptbildsignals und zum Detektieren der Existenz eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals.
  2. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) eine logische Betriebsvorrichtung (63) enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum gemeinsamen Auswerten der Pulssignale.
  3. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) eine logische Betriebsvorrichtung (63) enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum Detektieren von Signalen, für die die Zeit, die für die Übertragung zum Empfang erforderlich ist, dieselbe ist wie bei einem Hauptbildpuls, aus den Pulssignalen.
  4. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) eine logische Betriebsvorrichtung (63) enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellenimpulssignale, und hiernach zum Detektieren von Signalen, bei denen die Zeit, die von der Übertragung bis zu dem Empfang erforderlich ist, sich unterscheidet, und zwar als Seitenbildpuls, aus den Pulssignalen.
  5. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren zum Detektieren einer Position eines Objekts zum Übertragen von Ultraschallwellen, gemäß dessen

    – Phasensteuersignale mit einer einzigen Übertragungsfrequenz erzeugt werden;

    – Ultraschallwellen durch mehrere Felder übertragen werden, wobei mehrere Übertragungselemente mit einem konstanten Elementintervall angeordnet sind, und das Elementintervall jeweils unterschiedlich für jedes Feld ist, und zwar auf der Grundlage der mehreren Phasensteuersignale;

    – ein Signal, das in reflektierten Wellen enthalten ist, als ein Hauptbild analysiert wird, um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, wenn für die reflektierten Wellen die Zeit, die von der Übertragung zu dem Empfang erforderlich ist, gleich ist;

    – andere Signale, die in reflektierten Wellen enthalten sind, als Seitenbilder analysiert werden, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben, wenn für die reflektierten Wellen die Zeit, die von der Übertragung zu dem Empfang erforderlich ist, unterschiedlich ist; und

    – eine Position eines Objekts auf der Grundlage eines Hauptbildsignals detektiert wird, und das Vorliegen eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals detektiert wird.
  6. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

    – in einem logischen Betriebsschritt reflektierte Wellen in Pulssignale transformiert werden, und hiernach Pulssignale gemeinsam ausgewertet werden.
  7. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem logischen Betriebsschritt reflektierte Wellen in Pulssignale transformiert werden, und hiernach aus den Pulssignalen, bei denen die Zeit, die von der Übertragung bis zum Empfang erforderlich ist, dieselbe ist, als Hauptbildpuls detektiert werden.
  8. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem logischen Betriebsschritt reflektierte Wellen in Pulssignale transformiert werden, und hiernach aus den Pulssignalen Signale, bei denen sich die zwischen der Übertragung bis zu dem Empfang erforderliche Zeit unterscheidet, als Seitenpulssignale detektiert werden.
Es folgen 15 Blatt Zeichnungen






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