CN102498412B - 超声波检测装置 - Google Patents

Abstract

超声波检测装置采用包括识别处理单元(时间宽度检测部(13)、脉冲宽度识别部(14))的结构，能稳定地求出脉冲时间宽度，从而能进行可靠性高的识别处理，其中，所述识别处理单元将发送超声波后从对象接收到的反射信号和噪声的形状近似为等腰三角形，计算出相当于该近似出的等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度，并根据此处计算出的脉冲时间宽度是否超过规定的脉冲宽度识别阈值，来识别反射信号和噪声信号。

Description

超声波检测装置

技术领域

本发明涉及从脉冲发生器向对象物发送超声波脉冲、并利用脉冲时间宽度来识别由接收机接收的反射信号中混入的噪声的超声波检测装置。

背景技术

上述超声波检测装置例如在专利文献1中有揭示。根据专利文献1，在将混入有噪声的反射信号放大之后，进行波形整形，将该进行了波形整形后的波形作为门控信号(gate)以对时钟进行计数，从而测量脉冲时间宽度并暂时将其进行存储。接下来，利用同样的处理依次测量脉冲时间宽度，在前后的脉冲时间宽度达到规定值以上的情况下，将此时的波形判断为噪声。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开昭62-220889号公报

发明内容

然而，根据上述专利文献1所揭示的技术，由于用一定的阈值进行波形整形，因此，在全波整流后的反射信号及噪声的波形不是矩形波、例如是三角形状的脉冲的情况下，振幅发生变动，从而脉冲时间宽度的测量值也发生变动，因此，无法进行稳定的噪声识别。

若为了解决这个问题而进一步降低用于波形整形的阈值，则由于包含不稳定的背景噪声分量而进行判定，因此，误动作的可能性较高。此外，在根据量子化数据来求出脉冲时间宽度的情况下，存在最大产生采样周期的两倍的时间宽度误差的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能稳定地求出脉冲时间宽度、从而能进行可靠性高的识别处理的超声波检测装置。

为了解决上述问题，本发明是一种超声波检测装置，该超声波检测装置从脉冲发生器向对象物发送超声波脉冲，并利用脉冲时间宽度来识别由接收机接收的反射信号中混入的噪声信号，所述超声波检测装置包括识别处理单元，该识别处理单元执行识别处理，在所述识别处理中，将反射信号和噪声信号的形状近似为等腰三角形，计算出相当于该近似出的等腰三角形的底边部分的脉冲时间宽度，并根据此处计算出的脉冲时间宽度是否超过规定的脉冲宽度识别阈值，来识别反射信号和噪声信号。

根据本发明，能提供一种超声波检测装置，该超声波检测装置中，由于识别处理单元将反射信号和噪声信号的形状近似为等腰三角形，计算出相当于该近似出的等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度，并根据此处计算出的脉冲时间宽度是否超过规定的脉冲宽度识别阈值，来识别反射信号和噪声信号，因此，即使在进行全波整流后的反射信号及噪声波形不是矩形波的情况下，也能稳定地求出脉冲时间宽度，从而能进行可靠性高的识别处理。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波检测装置的噪声识别原理的图。

图2是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波检测装置的结构的框图。

图3是表示本发明的实施方式2所涉及的超声波检测装置的噪声识别的原理的图。

图4是表示本发明的实施方式2所涉及的超声波检测装置的结构的框图。

图5是表示本发明的实施方式3所涉及的超声波检测装置的噪声识别的原理的图。

图6是表示本发明的实施方式3所涉及的超声波检测装置的结构的框图。

图7是表示本发明的实施方式3的变形例所涉及的超声波检测装置的噪 声识别的原理的图。

图8是表示本发明的实施方式3的变形例所涉及的超声波检测装置的结构的框图。

图9是在波形上示意性地示出本发明的实施方式1～3所涉及的超声波检测装置中的、计算脉冲时间宽度时所需的最大振幅值的求解方法的图。

具体实施方式

下面，为了更详细地说明本发明，根据附图对用于实施本发明的方式进行说明。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的超声波检测装置的噪声识别的原理的图，图1(a)中，示出有本实施方式1所涉及的超声波检测装置所具有的脉冲发生器/接收机的收发波形，图1(b)中，在反射波信号和噪声波形上示出有运算脉冲时间宽度tw1时使用的参数即面积S、最大振幅值Vp、以及振幅阈值Vth。

例如，作为车辆的转角传感器来使用的本实施方式1所涉及的超声波检测装置从脉冲发生器向对象物发送超声波脉冲，并利用接收机来接收来自对象物的反射信号。已知该反射信号中包含有电磁噪声、刮风噪声、雨滴噪声、轮胎过水噪声等噪声分量。

图1(a)中，在将纵轴设为振幅V的时间轴(时间t)上，除了作为发送信号的超声波脉冲p以外，还按时间序列分别示出有对接收机接收到的信号进行全波整流而得到的噪声n、反射信号S。

此处，反射信号S为图1(b)的除去斜线部分的面积。

此外，反射信号S、噪声n各自的脉冲时间宽度ts、tn具有ts＞tn的关系，反射信号S和噪声n很少在同一定时出现。

根据本实施方式1，使超声波检测装置在如图1(a)所示那样、反射信号S和噪声n混杂的情况下，通过运算，计算出在连续产生振幅为图1(b)所示的振幅阈值Vth以上的反射信号S或噪声n的区间(脉冲时间宽度tw1)内各自的振幅的积分值S、以及最大振幅值Vp。因此，本实施方式1所涉及的超声波 检测装置执行如下噪声识别处理：即，将反射信号S和噪声n的形状近似为等腰三角形，根据上述积分值S和最大振幅值Vp，利用以下的运算式(1)来计算出作为等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度tw1，并根据该脉冲时间宽度是否超过脉冲宽度识别阈值Tth，来区分反射波S和噪声n。

tw1＝2·S/(Vp-Vth)…    (1)

这样，在对由接收机接收到的信号进行全波整流而得到的反射信号S、及噪声n的波形形状不是矩形的情况下，本实施方式1所涉及的超声波检测装置利用将反射信号S和噪声n的波形近似为三角形状时的底边边长来进行识别，从而提高噪声识别的可靠性。

图2是表示本实施方式1所涉及的超声波检测装置的结构的框图。如图2所示，本实施方式1所涉及的超声波检测装置具有包括超声波传感器11、脉冲发生器/接收机12、时间宽度检测部13、及脉冲宽度识别部14的结构。

超声波传感器11例如是由压电陶瓷元件构成的振子，因对元件施加的机械性的力而在电极间产生与力相对应的电动势，反之，若对电极间施加电压，则根据其大小而产生机械性的位移。因此，利用脉冲发生器/接收机12施加电能，产生超声波，或将通过反射得到的超声波能量转换成电信号并将其提供给时间宽度检测部13。

时间宽度检测部13具有包括A/D(模拟/数字)转换器131、振幅比较器132、最大值检测部133、积分处理部134、及时间宽度运算部135的结构。

A/D转换器131利用规定的采样间隔将由脉冲发生器/接收机12接收的包含噪声的反射波进行量子化(全波整流)，并将其提供给振幅比较器132的一个输入端子。对振幅比较器132的另一个输入端子提供振幅值相应的阈值Vth，振幅比较器132将全波整流后的包含噪声n的反射波S与振幅阈值Vth进行比较，将超过该阈值Vth的数据提供给积分处理部134及最大值检测部133。

积分处理部134求出在连续产生振幅为振幅阈值Vth以上的反射信号S或噪声n时的时间长度、即tw1区间内相应振幅的积分值(面积S＝∑Vi)，并将其提供给时间宽度运算部135。从最大值检测部133对时间宽度运算部135提供tw1区间内的最大振幅值Vp，此处，利用上述的运算式(1)，计算出脉 冲时间宽度tw1，并将其输出到脉冲宽度识别部14。

脉冲宽度识别部14包括时间比较器141，除了由上述时间宽度检测部13的时间宽度运算部135所得的tw1的运算结果之外，还对该时间比较器141提供脉冲宽度识别阈值Tth。

时间比较器141将两个输入进行比较，在由时间宽度运算部135运算输出的tw1的值超过脉冲宽度识别阈值Tth的情况下，判定为反射信号S，在由时间宽度运算部135运算输出的tw1的值小于脉冲宽度识别阈值Tth的情况下，判定为噪声n。

因此，通过使上述时间宽度检测部13和脉冲宽度识别部14协同动作，从而起到作为识别处理单元的作用，该识别处理单元“执行识别处理，在所述识别处理中，将反射信号和噪声信号的波形近似为等腰三角形，计算出相当于该近似出的等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度，并根据此处计算出的脉冲时间宽度是否超过规定的脉冲宽度识别阈值，来识别反射信号和噪声信号”。

具体而言，识别处理单元利用时间宽度检测部13，求出反射信号S和噪声n混杂的接收信号中的、连续产生振幅为规定的振幅阈值Vth以上的数据时的时间长度区间(tw1)内各振幅的积分值(面积S)、及最大振幅值Vp，将反射信号S和噪声n的波形近似为等腰三角形，根据积分值S和最大振幅值Vp，计算出作为三角形的底边边长的脉冲时间宽度tw1，并利用脉冲宽度识别部14，根据该脉冲时间宽度tw1是否超过规定的脉冲宽度识别阈值Tth来识别噪声。

如上所述，根据本实施方式1所涉及的超声波检测装置，即使在全波整流所得到的反射波S及噪声n的波形不是矩形的情况下，也能通过将该波形的形状近似为等腰三角形，并计算出相当于该近似出的等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度tw1，来识别反射波S和噪声n，以提高可靠性。另外，在采样时间间隔较长的情况下，脉冲时间宽度tw1的测量值有较大的偏差，但由于根据等腰三角形的面积S来求出底边边长tw1，从而测量时间的加权变小，因此，时间测量的偏差变小，识别判定变稳定。

实施方式2

图3是表示本实施方式2所涉及的超声波检测装置的噪声识别的原理的图，图4是表示本实施方式2所涉及的超声波检测装置的结构的框图。

从图3可知，与图1(b)所示的实施方式1的差别在于，在与实施方式1同样地将反射波S(噪声n)的波形近似为等腰三角形之后，进一步根据该等腰三角形的相似式求出相似等腰三角形，根据以下的运算式(2)来求出其底边边长、即反射信号S及噪声n的脉冲时间宽度tw2。根据该脉冲时间宽度tw2是否超过脉冲宽度识别阈值Tth，来区分反射波S和噪声n，执行这样的噪声识别处理，这一点与实施方式1相同。

tw2＝tw1×Vp/(Vp-Vth)    …(2)

因此，如图4所示，超声波检测装置在实施方式1的时间宽度检测部13所具有的结构的基础上，还附加有最底边时间宽度运算部136。最底边时间宽度运算部136利用上述运算式(2)，计算出相似三角形的底边的脉冲时间宽度tw2，并将其输出到脉冲宽度识别部14。其他结构与图2所示的实施方式1相同。

根据本实施方式2所涉及的超声波检测装置，识别处理单元根据将反射波S及噪声n的波形进行近似而得的等腰三角形的相似式，求出相似等腰三角形，并计算出作为该相似等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度，从而能获得与上述实施方式1相同的效果，此外，对于脉冲时间宽度，由于tw1＜tw2的关系成立，因此，tw2的脉冲时间宽度测量误差相比于tw1大为降低，从而能进一步力图提高可靠性。

实施方式3

图5是表示本实施方式3所涉及的超声波检测装置的噪声识别的原理的图，图6是表示本实施方式3所涉及的超声波检测装置的结构的框图。

图5(a)～图5(c)中，按时间序列分别示出有本实施方式3所涉及的超声波检测装置中的、与由脉冲发生器/接收机12发送的超声波脉冲同步且在规定的定时(En0、En1、En2)接收到的反射信号S1～S3。图5(d)表示将在En0、En1、En2的各定时接收到的反射信号S1～S3进行合成(相加)而得到的信号分量St。图5(d)中，tw1i是将反射信号S1～S3进行合成(相加)而得到的反射信号St的脉冲时间宽度。

此处，对与在规定的定时发送的超声波脉冲p(pno、pn1、pn2……)同步地将重叠有噪声n的反射信号S进行规定次数(En0、En1、En2的三次的定时)的加法运算而得到的反射信号S1～S3、及噪声n1～n3执行实施方式1或实施方式2中说明过的噪声识别处理。此处，由于将振幅较小的反射信号进行放大而增大了振幅，因此，能检测到反射面较小的障碍物(对象物)、或位于远方的对象物。

因此，如图6所示，超声波检测装置在图2所示的实施方式1的时间宽度检测部13所具有的结构的基础上，还附加有同步相加处理部137、相加数比较器138、及与门电路(A139)。其他结构与实施方式1相同。

图6中，如图5所说明的那样，同步相加处理部137是将在En0、En1、En2的各定时经由A/D转换器131输出的反射信号S1～S3进行合成(相加)并累积其时间序列数据的处理部，将其输出分别提供给振幅比较器132的一个输入端子、最大值检测部133、及积分处理部134。此外，从脉冲发生器/接收机12对相加数比较器138提供相加次数N、及相加次数的阈值(以下称为相加阈值C)。此外，对与门电路139的一个输入端子提供相加数比较器138的输出即相加次数与相加阈值的比较结果，对另一个输入端子提供脉冲发生器/接收机12的发送脉冲(pno、pn1、pn2……)输出，此处将进行逻辑与运算后的结果作为相加指令输出到同步相加处理部137。因此，利用同步相加处理部137重复执行同步相加，直至相加次数达到相加阈值。即，在N＞C时，同步相加处理部137停止同步相加处理。

根据本实施方式3所涉及的超声波检测装置，识别处理单元对与超声波脉冲p同步地将混入有噪声n的反射信号S进行规定次数的加法运算而得到的反射信号St执行识别处理，从而将成为识别处理对象的振幅较小的反射信号S1～S3进行放大，并对放大后的反射信号St进行识别，因此，能检测反射面较小的障碍物(对象物)、或位于远方的对象物。

另外，识别处理像实施方式1或实施方式2中说明的那样，即使在全波整流所得到的反射波S及噪声n的波形形状不是矩形的情况下，也可将该波形的形状近似为等腰三角形，计算出相当于该近似出的等腰三角形的底边部分的脉冲时间宽度，或者进一步根据该等腰三角形的相似式求出相似等 腰三角形，从而计算出作为相似等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度。

另外，在上述实施方式3中，虽然对与超声波脉冲p同步地将混入有噪声n的反射信号S进行规定次数的加法运算而得到的反射信号St执行识别处理，但即使与超声波脉冲p同步地将混入有噪声n的反射信号S进行多次加法运算，并对超过规定的振幅阈值的反射信号执行识别处理，也能获得相同的效果。将这种情况作为实施方式3的变形例而在以下说明。在图7中示出该变形例所涉及的噪声识别的原理，在图8中示出超声波检测装置的结构。

如图7(d)所示，在本实施方式3的变形例中，将在En0、En1、En2的各定时获得的反射信号S1～S3进行相加，并对超过阈值twli的反射信号St进行识别处理，从而与上述实施方式3同样，能检测反射面较小的障碍物(对象物)、或位于远方的对象物，以提高检测障碍物的灵敏度。

在此情况下，超声波检测装置采用如下结构：即，如图8所示，用振幅比较器140来代替图6的时间宽度检测部13中的相加数比较器138，对该振幅比较器140的一个输入端子提供同步相加处理部137的输出，对另一个输入端子提供振幅阈值Vth，当同步相加处理部137的输出超过振幅阈值Vth时，向与门电路139输出相加停止指令。其他结构相同。

根据本实施方式3的变形例，识别处理单元与超声波脉冲p同步地将混入有噪声n的反射信号S进行多次加法运算，对超过阈值的反射信号St执行识别处理，从而成为将成为识别处理的对象的振幅较小的反射信号S1～S3进行放大而增大了增幅的反射信号St，因此，能检测反射面较小的障碍物(对象物)、或位于远方的对象物，以提高检测障碍物的灵敏度。

另外，在上述实施方式1～实施方式3所涉及的超声波检测装置中，若最大振幅值Vp的变动较大，则在根据等腰三角形的面积、或相似等腰三角形的面积来求出作为底边边长的脉冲时间宽度tw1、tw2时，误差会重叠，因此，优选为进行平均化处理。图9是在波形上示意性地示出计算脉冲时间宽度时所需的最大振幅值Vp的求解方法的图。

如图9所示，反射信号S及噪声n的振幅的最大值Vp优选为是超过规定的振幅阈值Vth的振幅值的最大值、或较大的n个(其中n为正整数)振幅值的平均值、或去除最大值后的平均值。利用该措施，能使最大振幅值Vp的变 动缓和，降低最大振幅值Vp的变动对脉冲时间宽度的计算所带来的影响。

工业上的实用性

本发明的超声波检测装置例如适用于车辆的转角传感器，利用脉冲信号的时间宽度来识别与反射信号重叠的噪声。详细而言，将接收到的反射信号s和噪声n的形状近似为等腰三角形，求出这些信号的规定的振幅阈值Vth以上的连续的值的最大振幅值Vp、和累积的值(面积S)，根据该Vp和S的值，求出作为三角形的底边边长的脉冲时间宽度，并利用该脉冲时间宽度，从反射信号中识别出噪声。对于量子化数据的情况，求出一定的振幅阈值Vth以上的面积S，从而降低振幅阈值Vth附近的数据的加权，减少采样周期的误差。此外，通过求出作为相似等腰三角形的最底边边长的脉冲时间宽度，从而能求出稳定的脉冲时间宽度。因此，转角传感器自不用说，还能普遍适用于测定有无障碍物(对象物)或与对象物之间的距离的用途。

Claims (4)

1.一种超声波检测装置，该超声波检测装置从脉冲发生器向对象物发送超声波脉冲，并利用脉冲时间宽度来识别由接收机接收的反射信号中混入的噪声，其特征在于，

所述超声波检测装置包括识别处理单元，该识别处理单元执行识别处理，在所述识别处理中，将所述反射信号和噪声的形状近似为等腰三角形，计算出相当于所述近似出的等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度，并根据所述计算出的脉冲时间宽度是否超过规定的脉冲宽度识别阈值，来识别所述反射信号和噪声信号，

所述识别处理单元根据在连续产生超过第1振幅阈值的反射信号或噪声的区间内求出的各振幅的积分值、和最大振幅值，计算出作为所述等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度。

2.如权利要求1所述的超声波检测装置，其特征在于，

所述识别处理单元在根据所述近似出的等腰三角形计算出作为其底边边长的脉冲时间宽度之后，根据所述近似出的等腰三角形的相似式，求出相似等腰三角形，并计算出作为所述相似等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度。

3.如权利要求1所述的超声波检测装置，其特征在于，

所述识别处理单元对与所述超声波脉冲同步地将重叠有所述噪声的反射信号进行规定次数的加法运算而得到的反射信号、或与所述超声波脉冲同步地将重叠有所述噪声的反射信号进行多次加法运算而超过规定的第1振幅阈值的反射信号执行所述识别处理。

4.一种超声波检测装置，该超声波检测装置从脉冲发生器向对象物发送超声波脉冲，并利用脉冲时间宽度来识别由接收机接收的反射信号中混入的噪声，其特征在于，

所述超声波检测装置包括识别处理单元，该识别处理单元执行识别处理，在所述识别处理中，将所述反射信号和噪声的形状近似为等腰三角形，计算出相当于所述近似出的等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度，并根据所述计算出的脉冲时间宽度是否超过规定的脉冲宽度识别阈值，来识别所述反射信号和噪声信号，

所述识别处理单元根据在连续产生超过第1振幅阈值的反射信号或噪声的区间内求出的各振幅的积分值、和最大振幅值，计算出作为所述等腰三角形的底边边长的脉冲时间宽度，

将所述最大振幅值设为超过规定的第2振幅阈值的振幅之中的、最大值、或者较大的n个振幅的平均值、或者较大的n个振幅去除所述最大值后的平均值，来执行所述识别处理，其中，n为任意正整数。