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Dokumentenidentifikation DE10120508B4 23.03.2006
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 10120508
Offenlegungstag 21.02.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
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   G01S 7/521(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 und ein entsprechendes Verfahren.

Üblicherweise existiert ein Ultraschallfeldsensor, wie in 1 gezeigt und beschrieben ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 10-224880, und ein Treiberverfahren für eine phasengesteuerte Oszillatoranordnung, wie in 2 gezeigt und beschrieben in der japanische Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 59-34176.

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 bzw. Seitenstrahls 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 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 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.

Ferner ist in US-A-5,520,184 ein Ultraschall-Diagnoseverfahren und Ultraschall-Diagnosegerät beschrieben, mit dem eine verbesserte Echtzeitbearbeitung angestrebt wird.

In DE 40 10 502 A1 ist eine Wandleranordnung mit einer Vielzahl von Wandlerelementen beschrieben, die in Gruppen eingeteilt sind. Wandlerelemente einer Gruppe sind anders beabstandet als die einzelnen Gruppen angeordnet.

Ferner ist in US-A-5,101,383 ein Verfahren zum Bilden von Kanälen bei einer Unterwasserschallanlage beschrieben, bei dem eine zu einer Mittelachse symmetrische Abstrahlcharakteristik bei fest vorgegegebener Phasenverschiebung der den Wandlerelementen zugeführten Signalen angestrebt wird.

Im Hinblick auf die obigen Ausführungsformen besteht ein technisches Problem der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts und eines betreffenden Verfahrens mit der Fähigkeit zum Vermeiden einer Fehldetektion.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dieses technische Problem gelöst durch ein elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein entsprechendes elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Hauptbild und ein Seitenbild getrennt zu erkennen, wodurch das Vermeiden einer Fehldetektion eines Objektes ermöglicht wird.

Zudem kann ein Sensorabschnitt ohne komplizierte Ausbildung der Schaltungsstruktur eines Empfangsabschnitts mit verringerter Größe realisiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden empfangene Reflektionswellen-Impulssignale transformiert, die anschließend im Hinblick auf ihre Laufzeit separiert werden, um Hauptbildpulse und Seitenbildpulse abzuleiten.

Dies ermöglicht das Verarbeiten der Pulssignale in gemeinsamer Weise durch eine Logikschaltung, die eine einfache logische Multiplikation oder logische Addition ausführt. Dies ermöglicht die Miniaturisierung der Konstruktion der Empfangsschaltung und ebenso das Beurteilen des Vorliegens eines Seitenbilds gegenüber einem Hauptbild.

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 Schaltbild zum Darstellen einer Schaltungsstruktur einer Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 in dem in 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

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

9 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 in dem in 4 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgeräts 1;

10 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels einer Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 in dem in 5 gezeigten elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1;

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

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

13 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels einer Phasensteuersignaleingabe zu der in 4 gezeigten Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3;

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

15 ein Diagramm zum Erläutern des Prinzips für das Erzeugen eines Seitenstrahls durch die in 4 gezeigte Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3;

16 ein Diagramm zum Erläutern eines Beispiels für die Erzeugung der Richtungen des Hauptstrahls und des Seitenstrahls;

17 ein Diagramm zum Darstellen eines Empfangssignals mittels der reflektierten Welle von einem Objekt empfangen von der in 4 gezeigten Ultraschallenwellen-Empfangsvorrichtung 4;

18 ein Diagramm zum Erläutern eines Beispiels eines Emfangssignals mittels der reflektierten Welle von einem Objekt empfangen durch die in 4 gezeigten 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 das elektronische Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 dieser Ausführungsform: eine Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2 zum Erzeugen einer Vielzahl von Phasensteuersignalen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen; eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 zum Übertragen von Ultraschallwellen mit einer wechselseitig unterschiedlichen Übertragungsfrequenz durch mehrere Felder auf der Grundlage der Vielzahl von Phasensteuersignalen, erzeugt durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2; eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 zum Empfangen einer reflektierten Welle von einem Objekt der Ultraschallwelle, übertragen von der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3, mit einer Vielzahl von Empfangselementen, sowie zum Beurteilen eines Signals der reflektierten Welle, empfangen durch die Gesamtheit der Empfangselemente, als Post- bzw. Hauptbild, um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, sowie zum Beurteilen der Signale anderer reflektierter Wellen als Seitenbilder, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; sowie eine Objektdetektionsvorrichtung 5 zum Detektieren einer Position eines Objekts auf der Grundlage des Hauptbildsignals, ausgegeben durch die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 4, und zum Detektieren der Existenz 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, aufgebaut, 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. Hier ist das Ausrichtungsintervall d der Übertragungselemente in allen Feldern A1 bis AM das gleiche.

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

Wie in 6 gezeigt, werden M Phasensteuersignale S1, S2, ..., SM erzeugt durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung 2, bei der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 eingegeben. Von diesen Phasensteuersignalen wird das Phasensteuersignal S1 – eingegeben bei dem Feld A1 – bei jedem Übertragungselement B11 B12, ... B1M angegeben, mit einer spezifizierten Phasendifferenz ϕ1, bereitgestellt durch einen Phasenschieber 31. Diese Phasendifferenz ϕ1 wird bestimmt durch die Übertragungsfrequenz und durch 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.

Ähnlich werden jeweils in dem Feld A2, ..., AM Ultraschallwellen mit einer Phasendifferenz von ϕ2, ..., ϕM, übertragen.

Weiterhin ist die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 aus einer Vielzahl von Empfangselementen C1, C2, ..., CM gebildet, und die von dem Objekt reflektierten Wellen, die von diesen Empfangselementen empfangen werden, werden als Hauptbild oder Seitenbild mit einer in 7 gezeigten Schaltung identifiziert.

Wie in 7 gezeigt, empfangen M-Empfangselemente C1, C2, ..., CM zum Empfangen reflektierter Wellen jeweils mit einer Frequenz F1 bis FM die reflektierten Wellen von dem Objekt der Ultraschallwellen, die zur selben Zeit von Übertragungselementen B11, B12, ... B1M, B21, ... B2M, BM1, ..., BMN übertragen werden, mit einer Übertragungsfrequenz von jeweils f1 bis fM bei derselben Zeit.

Anschliessend werden die empfangenen reflektierten Wellen durch einen Verstärker AMP sämtlich auf einmal verstärkt und einer Pulstransformation durch eine selbstregelnde Einrichtung AGC und einer Spitzenhalteschaltung 41 unterzogen.

Als nächstes bewirkt eine logische Betriebsvorrichtung 42 eine logische Multiplikation von M Pulssignalen, die auf diese Weise generiert werden, um hierdurch Signale zu detektieren, bei denen die Zeit von der Übertragung bis zum Empfang dieselbe ist, d.h., einen Hauptbildpuls.

Ähnlich bewirkt die logische Betriebsvorrichtung 42 eine logische Addition der M Pulssignale um hierdurch Signale zu detektieren, bei denen sich die Zeit von der Übertragung bis zum Empfang unterscheidet, d.h. ein Seitenbildpuls.

Hier wird, wie in 8 gezeigt, ein Fall als Beispiel beschrieben, wo das Gerät aus zwei Feldern gebildet ist, d.h. einem Feld A1 mit einer Übertragungsfrequenz von F1 und einem Feld A2 mit einer Übertragungsfrequenz von F2.

Die 8 zeigt Strahlprofilmodelle, die jeweils durch die Felder A1 und A2 gebildet sind, und das Ausrichtungsintervall der Übertragungselemente beträgt d, und die Hauptstrahlrichtung ist &agr;0, und zwar in den beiden Feldern A1 und A2.

Diese Felder A1 und A2 sind so ausgebildet, wie in 9 gezeigt, um hierdurch die Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 zu bilden.

Hier ist ein Beispiel der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3, gebildet durch die zwei Felder, in 10 gezeigt. In 10 sind acht Übertragungselemente mit einer Übertragungsfrequenz von 40kHz in dem Feld A1 installiert, gebildet an der oberen Stufe, und acht Übertragungselemente mit einer Übertragungsfrequenz von 50kHz sind in dem Feld A2, gebildet an der unteren Stufe, installiert.

In diesen Feldern A1 und A2 beträgt der Durchmesser des Übertragungselements 10mm, und das Ausrichtungsintervall zwischen den Übertragungselementen ist zu 12 mm festgelegt.

Weiterhin ist ein Beispiel eines elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät unter Verwendung der in 10 gezeigten Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung in 11 gezeigt. Wie in 11 gezeigt, ist ein Personal Computer, versehen mit einem D/A-Board, mit der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3, gezeigt in 10, verbunden, um hierdurch ein Phasensteuersignal auszugeben, und das Empfangssignal wird durch einen FFT-Analysator und ein Oszilloskop beobachtet.

Als nächstes wird eine Objektdetektionsverarbeitung mittels dem elektronischen Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät 1 in dieser Ausführungsform beschrieben, auf der Grundlage des in 12 gezeigten Flussdiagramms.

Zunächst wird ein Phasensteuersignal im Hinblick auf ein Feld erzeugt, durch die Phasensteuer-Signalerzeugungsvorrichtung 2 (S901). In diesem Zeitpunkt wird ein Phasensteuersignal S1 von 40kHz erzeugt im Hinblick auf das Feld A1, und ein Phasensteuersignal S2 von 50kHz wird im Hinblick auf das Feld A2 erzeugt.

Diese Phasensteuersignale S1, S2 werden jeweils zu Feldern A1 und A2 übertragen, und zur selben Zeit bei jedem Feld eingegeben (S902).

Danach wird in jedem Feld A1, A2, das das Phasensteuersignal empfangen hat, eine spezifische Phasendifferenz bereitgestellt, zwischen den angrenzenden Übertragungselementen, und zwar durch den in 6 gezeigten Phasenschieber 31 (S903). Diese Phasendifferenz wird durch die Übertragungsfrequenz und die Hauptstrahlrichtung bestimmt.

Hier ist ein Beispiel eines Phasensteuersignals, bereitgestellt mit einer Phasendifferenz, in 13 gezeigt.

Wie in 13 gezeigt, erfolgt die Eingabe bei dem Feld A1 von Phasensteuersignalen S11, S12, S1N mit einer Übertragungsfrequenz von 40kHz und bereitgestellt mit einer spezifizierten Phasendifferenz lediglich für die Zeit T1 und die Abtastperiode T2 im Hinblick auf N Übertragungselemente B11, B12, B1N. Ein derartiges Phasensteuersignal wird jeweils bei N Übertragungselementen B11, B12, B1N fortlaufend und wiederholt eingegeben.

In derselben Weise werden die Phasensteuersignale S21, S22, ..., S2N mit einer Übertragungsfrequenz von 50kHz bei dem Feld A2 eingegeben.

Es erfolgt jeweils die Übertragung von Ultraschallwellen versehen mit einer spezifizierten Phasendifferenz zwischen Ultraschallwellen, die von angrenzenden Übertragungselementen übertragen werden, von dem Übertragungselement B, bei dem ein derartiges phasengesteuertes Signal eingegeben wurde (S904).

Hier wird das Prinzip der Richtfähigkeitssteuerung von Ultraschallstrahlen, die von der oben beschriebenen Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung 3 übertragen werden, auf der Grundlage von 14 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 14 erzeugt wird, eine Phasendifferenz L der Übertragungselemente B11 bis B14 in 14 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, und 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 15 beschrieben.

Wird angenommen, dass die Richtung des erzeugten Seitenstrahls &bgr; ist, so wird die Pfaddifferenz L&bgr; in 15: 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·&phgr;)/(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{sina ± 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 16 gezeigt.

Hier wird in dem Fall, in dem der Hauptstrahl entlang der Richtung &agr;0 erzeugt wird, wie in 16 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 17 gezeigt, können empfangen werden.

Bei Heranziehung einer logischen Multiplikation gibt dieser M Pulssignale, 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 (engl.: main image pulse) den Seitenbildpuls separieren.

In dem Fall, in dem ein Objekt in zwei Feldern A1, A2, gezeigt in 9, detektiert wird auf der Grundlage des oben beschriebenen Prinzips werden dann, wenn die Felder A1, A2 Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen übertragen (S904) und die Ultraschallwellen durch das Objekt (S905) reflektiert werden, die reflektierten Wellen durch die in 9 gezeigten Empfangselemente C empfangen (Schritt S906). Ein Beispiel dieses Empfangssignals ist in 18 gezeigt.

Das in 18 gezeigte Empfangssignal wird identifiziert und in ein Hauptbild und in ein Seitenbild durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung 4 mit der in der 7 gezeigten Schaltungsstruktur separiert.

Zunächst werden dann, wenn das Empfangselement C1 eine reflektierte Welle einer Frequenz von 40kHz empfängt und das Empfangselement C2 eine reflektierte Welle einer Frequenz von 50kHz empfängt, die empfangenen reflektierten Wellen durch den Verstärker AMP zur selben Zeit verstärkt (S907), und sie werden einer Pulstransformation mittels der selbstregelnden Einrichtung AGD, Engl.: automatic gain control device und der Spitzenwerthalteschaltung 41 unterzogen (S908).

Wird eine logische Multiplikation der in dieser Weise erzeugten Pulssignale berechnet, so lassen sich die Signale, in denen die Zeit von der Übertragung bis zum Empfang übereinstimmt, d.h. das Empfangssignal nach der Zeit T1 in 18 als "Hauptbild" detektieren. Weiterhin können Empfangssignale, die sich von diesem Signal unterscheiden, als ein "Seitenbild" detektiert werden durch Berechnen einer logischen Addition (S909).

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 (S910).

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 Übertragung von Ultraschallwellen, enthaltend:

    eine Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung (2) zum Erzeugen einer Vielzahl von Phasensteuersignalen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen;

    eine Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung (3), gebildet aus einer Vielzahl von Feldern (A1, A2), zum Übertragungen von Ultraschallwellen unterschiedlicher Übertragungsfrequenzen auf der Grundlage der Vielzahl von Phasensteuersignalen, erzeugt durch die Phasensteuersignal-Erzeugungsvorrichtung (2), wobei die Felder (A1, A2) eine Vielzahl von mit konstantem Elementintervall angeordneten Übertragungselementen aufweisen,

    eine Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) zum Empfangen reflektierter Wellen von einem Objekt, bewirkt durch die von der Ultraschallwellen-Übertragungsvorrichtung (3) übertragenen Ultraschallwellen, mit einem Empfangselement (C1, C2); sowie zum Analysieren eines in den reflektierten Wellen enthaltenen Signals als ein Hauptbild, um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, und zum Analysieren anderer Signale als Seitenbilder, um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; und

    eine Objekt-Detektionsvorrichtung (5) zum Detektieren. einer Position eines Objekts auf der Grundlage des durch die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) ausgegebenen Hauptbildsignals und zum Detektieren der Existenz eines Seitenbildsignals auf der Grundlage des Seitenbildsignals.
  2. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) eine logische Betriebsvorrichtung (42) enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und hiernach zum gemeinsamen Berechnen der Pulssignale.
  3. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) eine (42) enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und zum Detektieren von Signalen aus den Pulssignalen für die die Zeit (T1), die für die Übertragung zum Empfang erforderlich ist, dieselbe ist, wie bei einem Hauptbildpuls.
  4. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, die Ultraschallwellen-Empfangsvorrichtung (4) eine logische Betriebsvorrichtung (42) enthält, zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale, und zum Detektieren von Signalen aus den Pulssignalen, bei denen sich die Zeit, die von der Übertragung bis zu dem Empfang erforderlich ist, unterscheidet als Seitenbildpuls.
  5. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren zum Detektieren einer Position eines Objekts durch Übertragung von Ultraschallwellen, gemäß dessen:

    eine Vielzahl von Phasensteuersignalen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen erzeugt wird (S901);

    Ultraschallwellen mit einer Vielzahl von Feldern (A1, A2) bei unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen übertragen werden (S904), in denen eine Vielzahl von Übertragungselementen mit einem konstanten Elementintervall angeordnet sind, auf der Grundlage der Vielzahl von Phasensteuersignalen;

    ein Signal, das in allen reflektierten Wellen enthalten ist, als Hauptbild analysiert wird (S909), um hierdurch ein Hauptbildsignal auszugeben, wenn ein Empfangselement (C1, C2) von einem Objekt reflektierte Wellen aufgrund der übertragenen Ultraschallwellen empfängt, sowie andere Signale als Seitenbilder analysiert werden (S909), um hierdurch ein Seitenbildsignal auszugeben; und

    eine Position eines Objekts auf der Grundlage des Hauptbildsignals detektiert wird (S910) und die Existenz eines Seitenbilds auf der Grundlage des Seitenbildsignals detektiert wird (S910).
  6. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein logischer Schritt zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale (S908) und hiernach zum kollektiven Auswerten der Pulssignale ausgeführt wird.
  7. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein logischer Schritt zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale (S908) ausgeführt wird, und hiernach das Detektieren von Signalen aus den Pulssignalen, bei denen die Zeit (T1), die von der Übertragung bis zum Empfang erforderlich ist, dieselbe ist, als Hauptbildpuls.
  8. Elektronisches Ultraschallabtast-Objektdetektionsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein logischer Schritt zum Transformieren der reflektierten Wellen in Pulssignale (S908) ausgeführt wird, und hiernach zum Detektieren von Signalen aus den Pulssignalen, bei denen sich die zwischen der Übertragung bis zu dem Empfang erforderliche Zeit unterscheidet, als Seitenpulssignale.
Es folgen 15 Blatt Zeichnungen






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