DE102007060346A1

DE102007060346A1 - Delay measuring method for two dimensional or three dimensional-positioning of objects, involves evaluating correlation signal according to magnitude and phase for determining delay of ultrasonic pulse at transmission path

Info

Publication number: DE102007060346A1
Application number: DE102007060346A
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr. Schröder
Original assignee: HOCHSCHULE OFFENBURG
Current assignee: HOCHSCHULE OFFENBURG
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-18

Abstract

The method involves producing complex transmitting signal. An ultrasonic transmitter (13) for sending an ultrasonic pulse is controlled using the transmitting signal. The pulse is received after passing via a transmission path using ultrasonic receivers (14a-14c). The pulse is converted into a complex received signal using the receiver. The complex received signal is correlated with the complex transmitted signal for producing a complex correlation signal. The correlation signal is evaluated according to a magnitude and a phase for determining a delay of the pulse at the path.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitmessung mittels Ultraschall sowie eine Nutzung der Laufzeitmessung zur 2D- oder 3D-Ortung von Objekten. Laufzeitmessungen mittels Ultraschall können für viele Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise zur Abstandsmessung oder zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten.The The present invention relates to a method for transit time measurement by means of ultrasound and use of transit time measurement for 2D or 3D location of objects. Running time measurements by means of ultrasound can be for many Applications are used, for example, for distance measurement or for measuring flow velocities.

Bei bekannten Verfahren zur Abstandsmessung werden mit einem Ultraschallsender Ultraschallsignale in Richtung auf ein zu detektierendes Objekt ausgesendet und die vom Objekt reflektierten Ultraschallsignale mit einem Ultraschallempfänger erfasst. Aus der Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger wird dann bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Übertragungsmedium, bspw. in Luft, der Abstand des Objekts zu einem mit dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger fest verknüpften Referenzpunkt berechnet. Durch andere akustische Laufwege der Ultraschallsignale kann es jedoch zu Störungen bei der Messung kommen.at known methods for distance measurement are with an ultrasonic transmitter Ultrasonic signals in the direction of an object to be detected emitted and reflected from the object ultrasonic signals with an ultrasound receiver detected. From the transit time of the ultrasonic signals between the ultrasonic transmitter and the ultrasound receiver is then at known sound velocity in the transmission medium, For example, in air, the distance of the object to one with the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver linked Reference point calculated. By other acoustic paths of the ultrasonic signals However, it can be disruptive come in the measurement.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Laufzeitmessung mittels Ultraschall anzugeben, das eine höhere Genauigkeit und geringere Störanfälligkeit gegenüber anderen akustischen Laufwegen der Ultraschallsignale aufweist. Weiterhin soll ein Verfahren zur 2D- oder 3D-Ortung von Objekten angegeben werden, das unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen im Übertragungsmedium ist und sich kostengünstig umsetzen lässt.The The object of the present invention is a method to specify the transit time measurement by means of ultrasound, the higher accuracy and lower susceptibility to interference across from having other acoustic paths of the ultrasonic signals. Farther to specify a method for 2D or 3D location of objects become insensitive to Temperature fluctuations in the transmission medium is and cost-effective can be implemented.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Laufzeitmessung gemäß Patentanspruch 1 sowie dessen Weiterbildung gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is with the method for measuring the transit time according to claim 1 and its development according to claim 8 solved. Advantageous embodiments of the method are the subject of under claims or can be the following description and the embodiments remove.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Laufzeitmessung mittels Ultraschall wird ein komplexes Sendesignal s(t) erzeugt, mit dem zumindest ein Ultraschallsender zum Aussenden eines Ultraschallpulses angesteuert wird. Der ausgesendete Ultraschallpuls wird nach Durchlaufen einer Übertragungsstrecke mit zumindest einem Ultraschallempfänger empfangen und in ein komplexes Empfangssignal e(t) gewandelt. Das komplexe Empfangssignal e(t) wird mit dem komplexen Sendesignal s(t) korreliert, um ein komplexes. Korrelationssignal K(t) zu erhalten. Für die Bestimmung der Laufzeit des Ultraschallpulses, d. h. der Zeitdifferenz zwischen dem Sendezeitpunkt des Ultraschallpulses durch den Ultraschallsender und dem Empfangszeitpunkt des Ultraschallpulses am Ultraschallempfänger, wird das komplexe Korrelationssignal nicht nur nach Betrag sondern auch nach Phase ausgewertet. Auf diese Weise wird zum einen eine höhere Genauigkeit der Laufzeitmessung erreicht, zum anderen beeinflussen andere akustische Laufwege des Ultraschallpulses die Messgenauigkeit nicht, so dass nur geringe Anforderungen an die Qualität der akustischen Übertragungsstrecke gestellt werden müssen.at the present method for transit time measurement by means of ultrasound a complex transmission signal s (t) is generated, with which at least one Ultrasonic transmitter for emitting an ultrasonic pulse driven becomes. The emitted ultrasonic pulse is after passing through a transmission path with at least one ultrasound receiver received and in a complex Reception signal e (t) converted. The complex received signal e (t) is correlated with the complex transmission signal s (t) to form a complex. Correlation signal K (t) to get. For the determination of the term the ultrasonic pulse, d. H. the time difference between the transmission time the ultrasonic pulse through the ultrasonic transmitter and the time of reception of the ultrasonic pulse at the ultrasonic receiver, becomes the complex correlation signal evaluated not only by amount but also by phase. To this Way becomes on the one hand a higher one Accuracy of the transit time measurement achieved, on the other influence other acoustic paths of the ultrasonic pulse do not affect the accuracy of measurement, so that only low demands on the quality of the acoustic transmission path have to be asked.

Als Sendesignale können beliebige komplexe Signale genutzt werden, wobei ein Chirp oder ein weißes oder bandbegrenztes Rauschen, insbesondere ein stochastisches Signal mit einer bekannten Einhüllenden, als Sendesignal für die anschließende Korrelation im Komplexen von Vorteil ist. Ein komplexes Sendesignal kann in einfacher Weise mit einem digitalen Signalprozessor erzeugt werden, der über einen Digital-Analog-Wandler ein elektrisches Signal an einen Verstärker liefert, dessen Ausgangssignal den Ultraschallsender treibt. In Empfangsrichtung wird der empfangene Ultraschallpuls mit einem Analog-Digital-Wandler in ein komplexes Empfangssignal gewandelt und für die Auswertung an eine Auswerteeinrichtung, insbesondere einen Mikrocontroller, übermittelt.When Transmission signals can any complex signals are used, with a chirp or a white one or band limited noise, in particular a stochastic signal with a known envelope, as transmission signal for the subsequent one Correlation in the complex is beneficial. A complex transmission signal can be easily generated with a digital signal processor be over a digital-to-analog converter provides an electrical signal to an amplifier whose output signal drives the ultrasonic transmitter. In the receive direction, the received Ultrasonic pulse with an analog-to-digital converter into a complex received signal converted and for the evaluation to an evaluation, in particular a microcontroller transmitted.

Vorzugsweise erfolgt die Korrelation des komplexen Empfangssignals mit dem komplexen Sendesignal durch Korrelation mit einer komplexen Filterfunktion eines Optimalfilters, wie er aus der Nachrichtentechnik bekannt ist.Preferably the correlation of the complex received signal with the complex takes place Transmission signal by correlation with a complex filter function an optimal filter, as he is known from telecommunications is.

Durch die Korrelation des Empfangssignals mit dem komplexen Sendesignal wird ein komplexes Korrelationssignal K(t) erhalten, dessen Betrag für jedes reflektierende Objekt eine Spitze aufweist, im Folgenden auch als Peak bezeichnet, der um die entsprechende Schalllaufzeit verzögert ist. In gleicher Weise wird ein derartiger Peak in Anwendungen erhalten, bei denen der Ultraschallpuls auf direktem Wege, d. h. ohne Reflexion an einem Objekt, auf den Ultraschallempfänger trifft. Die Einhüllende des Peaks hängt dabei von der Einhüllenden des Sendesignals ab.By the correlation of the received signal with the complex transmission signal, a complex correlation signal K (t) is obtained whose magnitude has a peak for each reflecting object, hereinafter also referred to as peak, which is delayed by the corresponding sound propagation time. Similarly, such a peak is obtained in applications in which the ultrasonic pulse in a direct way, ie without Refle xion on an object hit by the ultrasonic receiver. The envelope of the peak depends on the envelope of the transmitted signal.

Bei Einsatz von einfachen Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern tritt das Problem auf, dass beide Ultraschallwandler sehr ausgeprägte Resonanzen bei relativ hohen Güten aufweisen. Der Ultraschallpuls durchläuft beide Ultraschallwandler und wird dadurch erheblich in der Amplitude und der Phase gestört, so dass das Optimalfilter möglicherweise ein sehr schlechtes Ergebnis liefert. Zur Vermeidung dieser Problematik wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens ein zusätzliches Kompensationsfilter vor dem Optimalfilter eingesetzt. Dieses digitale Kompensationsfilter ist derart ausgebildet, dass es die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke zumindest teilweise kompensiert. Dies betrifft beim Einsatz von einfachen Ultraschallwandlern insbesondere die Kompensation der Resonanzen dieser Wandler.at Use of simple ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers occurs the problem is that both ultrasonic transducers have very pronounced resonances at relatively high grades exhibit. The ultrasonic pulse passes through both ultrasonic transducers and is thereby significantly disturbed in amplitude and phase, so that the optimal filter may be a very bad result. To avoid this problem is in an advantageous embodiment of the present method an additional Compensation filter used in front of the optimal filter. This digital Compensation filter is designed such that it is the transfer function the transmission line at least partially compensated. This concerns the use of simple ultrasonic transducers in particular the compensation of Resonances of these transducers.

Vorzugsweise werden die für die Kompensation der Übertragungsfunktion erforderlichen Parameter des digitalen Kompensationsfilters adaptiv bestimmt. Die Parameter werden hierzu rechnerisch variiert, bis eine durch die bekannte Signalform des Sendesignals zu erwartende Einhüllende des Betrags des komplexen Korrelationssignals bestmöglich erreicht wird. Die Kompensation wird dann mit diesen Parametern durchgeführt, die insbesondere die Resonanzfrequenzen und Güten des Ultraschallsenders und Ultraschallempfängers umfassen. Diese Bestimmung der Parameter erfolgt vorzugsweise in regelmäßigen Abständen oder quasikontinuierlich während der Durchführung der Laufzeitmessungen, so dass zeitliche Änderungen der Parameter berücksichtigt werden, die beispielsweise durch eine Temperaturdrift der eingesetzten Komponenten auftreten können.Preferably become the for the compensation of the transfer function required parameters of the digital compensation filter adaptive certainly. The parameters are mathematically varied until a to be expected by the known waveform of the transmission signal envelope of the Amount of the complex correlation signal is best achieved. The compensation is then performed with these parameters, in particular the resonance frequencies and Kindness of Ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver include. This provision the parameter is preferably carried out at regular intervals or quasi-continuously while the implementation the transit time measurements, so that temporal changes of the parameters considered be, for example, by a temperature drift of the used Components can occur.

Durch das Kompensationsfilter, insbesondere in der bevorzugten adaptiven Ausgestaltung, wird der Einsatz einfacher und kostengünstiger Ultraschallsender und Ultraschallempfänger beim vorliegenden Verfahren ohne Verringerung der Messgenauigkeit ermöglicht. Das Kompensationsfilter führt vielmehr trotz des Einsatzes kostengünstiger Ultraschallwandler zu einer deutlichen Erhöhung der Messgenauigkeit bei der Laufzeit- bzw. Abstandsmessung gegenüber anderen Laufzeitmessverfahren. Durch die geregelte Kompensation der Übertragungsfunktion der akustischen Messstrecke mit dem Korrelationssignal als zu optimierender Messgröße wird diese hohe Entfernungsauflösung unabhängig von eventuellen zeitlichen Drifts der bei der Messung eingesetzten Komponenten erreicht.By the compensation filter, especially in the preferred adaptive Design, the use is easier and cheaper Ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver in the present method without reducing the measuring accuracy. The compensation filter rather leads despite the use cheaper Ultrasonic transducers to a significant increase in measurement accuracy the transit time or distance measurement compared to other transit time measurement method. Due to the controlled compensation of the transfer function of the acoustic Measuring section with the correlation signal as a measure to be optimized is this high distance resolution independently of possible temporal drifts of those used in the measurement Achieved components.

Das vorliegende Verfahren läßt sich somit vorteilhaft für eine Abstandsmessung mit Ultraschall einsetzen, die unempfindlich gegenüber anderen Hindernissen und den damit verbundenen Störsignalen ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer Dopplerfrequenzmessung in strömenden Gasen (z. B. als Gaszähler) oder Flüssigkeiten, beispielsweise im medizinischen Bereich (z. B. bei Infusionspumpen), mit dem vorliegenden Verfahren. Eine derartige Messung kann bei sich gegenüber stehenden Ultraschallwandlern durch Wechsel der Rollen von Sender und Empfänger durchgeführt werden. Auch bei dieser Anwendung ist die Unempfindlichkeit des Verfahrens auf andere Laufwege des Ultraschalls von großem Vorteil.The present method can be thus advantageous for use a distance measurement with ultrasound, the insensitive across from other obstacles and the associated interference signals is. Furthermore, there is the possibility a Doppler frequency measurement in flowing gases (eg as a gas meter) or liquids, For example, in the medical field (eg in infusion pumps), with the present method. Such a measurement can at opposite standing ultrasonic transducers by changing the roles of transmitter and receiver carried out become. Also in this application is the insensitivity of the Method on other paths of ultrasound of great advantage.

Die hohe Genauigkeit des vorliegenden Verfahrens ermöglicht auch eine schnelle und genaue Temperaturbestimmung in Gasen, bei der die Laufzeit über eine feste Messstrecke gemessen wird. Aus der bekannten Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in den betrachteten Gasen kann dann die Temperatur aus der Laufzeit ermittelt werden. Beim vorliegenden Verfahren ergibt sich eine Temperaturgenauigkeit von besser als 0,005 K bei einer Messstrecke von 1 m.The high accuracy of the present method also allows fast and exact temperature determination in gases, during which the running time over a Fixed measuring distance is measured. From the known temperature dependence The speed of sound in the gases considered can then be the Temperature can be determined from the runtime. At present Procedure results in a temperature accuracy of better than 0.005 K at a measuring distance of 1 m.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung des vorliegenden Verfahrens betrifft die akustische Navigation in Räumen durch Drehen der durch ein oder mehrere Ultraschallsender und ein oder mehrere Ultraschallempfänger gebildeten Sende- und Empfangseinrichtung im Raum bei aufeinander folgenden Abstandsmessungen.A further advantageous application of the present method the acoustic navigation in rooms by rotating through one or more ultrasonic transmitters and a or more ultrasound receivers formed transmitting and receiving device in space at each other following distance measurements.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erfolgt eine 2D-Ortung von Objekten vor der Sende- und Empfangseinrichtung, indem zumindest zwei Ultraschallsender und zumindest ein Ultraschallempfänger oder zumindest zwei Ultraschallempfänger und zumindest ein Ultraschallsender in der Sende- und Empfangseinrichtung eingesetzt werden. Bei diesem Einsatz werden zumindest zwei Korrelationssignale erhalten, die entsprechend nach Betrag und Phase unter Berücksichtigung der bekannten relativen Positionen der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger zur Ortung der vor der Sende- und Empfangseinrichtung angeordneten Objekte eingesetzt werden. Die Phaseninformation liefert hierbei die Richtung der jeweiligen Objekte während aus dem Betrag des jeweiligen Korrelationssignals die Laufzeit- und somit Abstandsinformation erhalten wird. Auf diese Weise wird eine zweidimensionale Ortung von Objekten ermöglicht, die innerhalb des Winkelbereiches des Sendekegels der eingesetzten Ultraschallsender liegen. Auch eine dreidimensionale Ortung von Objekten lässt sich mit diesem Verfahren durchführen, wie weiter unten näher erläutert wird. Bei einer Drehung der Sende- und Empfangseinrichtung im Raum bei aufeinander folgenden Abstandsmessungen lässt sich ein größerer Raumbereich für die Ortung erfassen.In a very advantageous embodiment of the method, a 2D location of objects in front of the transmitting and receiving device by at least two ultrasonic transmitter and at least one ultrasonic receiver or at least two ultrasonic receiver and at least one ultrasonic transmitter is used in the transmitting and receiving device. In this use, at least two correlation signals are obtained, which are used according to amount and phase, taking into account the known relative positions of the ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver for locating the objects arranged in front of the transmitting and receiving device. The phase information in this case provides the direction of the respective objects while the runtime and thus distance information is obtained from the magnitude of the respective correlation signal. In this way, a two-dimensional location of objects is possible, which are within the angular range of the transmitting cone of the ultrasound transmitter used. Also, a three-dimensional location of objects can be carried out with this method, as will be explained in more detail below. At a Rotation of the transmitting and receiving device in space in successive distance measurements can capture a larger space for the location.

Bei dem Verfahren zur 2D- oder 3D-Ortung von Objekten wird ausgenutzt, dass üblicherweise nur wenige starke Hindernispeaks bei der Messung in einem Raum auftreten. Das liegt daran, dass viele Objekte eine Oberflächenrauhigkeit aufweisen, die wesentlich kleiner als die Wellenlänge von Ultraschall ist. Daher verhalten sich die meisten größeren Objekte hinsichtlich der Ultraschall-Reflexion in erster Näherung wie Spiegel, erzeugen somit nur einen einzelnen Peak bei der Messung.at the method for 2D or 3D location of objects is exploited, that usually Only a few strong obstacle peaks occur when measuring in a room. This is because many objects have a surface roughness that is much smaller than the wavelength of ultrasound. Therefore behave most larger objects in terms of ultrasonic reflection in first approximation like Mirrors thus produce only a single peak in the measurement.

Für eine zweidimensionale Messung können beispielsweise zwei Ultraschallempfänger und ein Ultraschallsender eingesetzt werden. Die Ultraschallempfänger sind hierbei in einem geringen Abstand von wenigen Zentimetern nebeneinander angeordnet. Der Ultraschallsender befindet sich in der Mitte zwischen den Empfängern. Für beide Empfängerkanäle kann das weiter oben beschriebene Verfahren zur Kompensation der Übertragungsstrecke eingesetzt werden, sofern die Übertragungsfunktionen von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger nicht ausreichend glatt sind. Bei dieser den Verhältnissen am Kopf einer Fledermaus nachempfundenen Anordnung werden beide Empfangssignale vorzugsweise in je einem Optimalfilter verrechnet. Im Allgemeinen trifft das von einem Hindernis reflektierte Signal zu unterschiedlichen Zeitpunkten an den beiden Empfängern ein. Da die Laufzeiten mit dem vorliegenden Verfahren für jedes Hindernis individuell mit sehr hoher Präzision ermittelt werden können, lässt sich der Winkel, unter dem das Hindernis von der Sende- und Empfangseinrichtung aus gesehen wird, aus der gemessenen Laufzeitdifferenz recht genau ermitteln. Aus den absoluten Laufzeiten lassen sich dann die Positionen der Hindernisse zur Sende- und Empfangseinrichtung errechnen.For a two-dimensional Can measure for example, two ultrasonic receivers and one ultrasonic transmitter be used. The ultrasonic receivers are in one small distance of a few centimeters next to each other. The ultrasound transmitter is located in the middle between the receivers. For both Receiver channels can the method described above for compensation of the transmission path be used, provided the transfer functions of the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver are not sufficiently smooth are. At this the circumstances Both are modeled on a bat's head Receiving signals preferably charged in each case a matched filter. in the Generally, the signal reflected from an obstacle applies different times at the two receivers. Because the terms with the present method for Every obstacle can be determined individually with very high precision the angle under which the obstacle from the transmitting and receiving device is seen from the measured transit time difference quite accurately determine. From the absolute terms then the positions can be the obstacles to the transmitting and receiving device calculate.

Analog zu einer Anordnung mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger können beispielsweise auch die Phasendifferenzen der Korrelationsfunktionen, d. h. die komplexen Ausgänge der Optimalfilter, in den Bereichen der Betragspeaks der Korrelationsfunktionen ermittelt und daraus die Winkellagen der Hindernisse zur Sende- und Empfangseinrichtung berechnet werden. Alternativ kann auch die gemeinsame Korrelationsfunktion der beiden Empfängersignale mit dem Sendesignal als Funktion von absoluter Laufzeit und Laufzeitdifferenz ermittelt und aus den Betragspeaks dann das räumliche Bild berechnet werden.Analogous to an arrangement with an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver, for example also the phase differences of the correlation functions, i. H. the complex outputs the optimal filter, in the ranges of the magnitude peaks of the correlation functions determines the angular positions of the obstacles to the transmission and receiving device are calculated. Alternatively, the common correlation function of the two receiver signals with the transmission signal determined as a function of absolute runtime and runtime difference and from the magnitude peaks then the spatial image is calculated.

Mit dem Verfahren der 2D- oder 3D-Ortung ist es möglich, akustische Bilder im Bereich des akustischen Sende- und Empfangskegels der eingesetzten Ultraschallwandler beispielsweise mit Bildfrequenzen von einigen 10 Hz aufzunehmen. Daher ist diese Ausgestaltung des Verfahrens für die akustische Hinderniserkennung und Navigation, beispielsweise von autonomen Fahrzeugen wie Haushaltsrobotern o. ä. interessant.With The method of 2D or 3D location makes it possible to create acoustic images in the Area of the acoustic transmitting and receiving cone of the used Ultrasonic transducers, for example, with image frequencies of some 10 Hz record. Therefore, this embodiment of the method for the acoustic obstacle detection and navigation, for example from autonomous vehicles such as household robots o. Ä. Interesting.

Bei einer Eigenbewegung der Sende- und Empfangseinrichtung oder eines diese tragenden Fahrzeugs lässt sich aus den Messdaten eine Karte der Umgebung berechnen, in der Hindernisse klassifiziert werden können. Dabei kann ausgenutzt werden, dass sich Objektflächen wie Spiegel und Kanten oder Ecken wie Retroreflektoren verhalten. Spiegelhindernisse scheinen mit der Bewegung mitzuwandern, retroreflektierende Hindernisse nicht. Letztere können daher als Referenzpunkte für die Navigation herangezogen werden. Aussenkanten oder -ecken liefern nur schwache Reflexionssignale, Innenkanten oder -ecken sehr starke Reflexionssignale.at a proper movement of the transmitting and receiving device or a leaves this carrying vehicle to calculate from the measured data a map of the environment in which Obstacles can be classified. It can be exploited be that object surfaces like mirrors and edges or corners like retroreflectors. Mirror obstacles seem to interfere with the movement, retroreflective obstacles Not. The latter can therefore as reference points for the navigation be used. Provide outside edges or corners only weak reflection signals, inner edges or corners very strong Reflection signals.

Das vorliegende Verfahren der 2D-Ortung, bzw. 3D-Ortung wie weiter unten beschrieben, bei einer Drehung der Sende- und Empfangseinrichtung im Raum und aufeinander folgenden Abstandsmessungen erfordert im Gegensatz zu Ortungstechniken auf Basis von SAR (Synthetic Aperture Radar) keine Bündelung von Sende- und Empfangswellen. Vielmehr können für den gleichen Einsatz ungebündelte Sender und Empfänger auf einer drehbaren Plattform genutzt werden. Auch die Anzahl von Messungen für eine ausreichende Bildqualität ist gegenüber SAR-Techniken deutlich geringer. Es sind auch weniger Sender und Empfänger erforderlich, so dass das Verfahren insgesamt sehr kostengünstig realisierbar ist. Das vorliegende Verfahren ist zudem deutlich unempfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen der Luft oder Luftströmungen sowie unbeabsichtigten Eigenbewegungen der Anordnung. Im Gegensatz zum akustischen SAR kann beim vorliegenden Verfahren bereits mit einer einzigen Messung eine akustische Aufnahme des Raumes zwei- oder dreidimensional gemacht werden. Die Änderung der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur ist für die Laufzeitdifferenzmessung beim vorliegenden Verfahren unerheblich, da in fast dem gleichen Raumvolumen zur gleichen Zeit mit beiden Empfängern gemessen wird. Im Gegensatz dazu entsteht ein SAR-Bild erst aus der komplexen additiven Überlagerung vieler Messungen an verschiedenen Punkten im Raum. Phasen- oder Laufzeitschwankungen durch Schallgeschwindigkeitsänderungen zwischen den vielen einzelnen Messungen führen hier zu sehr großen Schwierigkeiten. Ein weiteres Problem bei SAR liefern kleine Abweichungen vom Sollweg der Sender-Empfängerkombination (so genanntes "surge" und "sway"). Diese Bewegungen werden im Luftfahrtbereich beim RADAR-SAR über das Navigationssystem des Flugzeugs ermittelt und entsprechend herausgerechnet.The present 2D locating or 3D locating method, as described below, when the transmitting and receiving device is rotated in space and at successive distance measurements, does not require transmission collimation, unlike SAR (Synthetic Aperture Radar) locating techniques - and receiving waves. Rather, unbundled transmitters and receivers can be used on a rotatable platform for the same use. Also, the number of measurements for sufficient image quality is significantly lower than SAR techniques. There are also fewer transmitters and receivers required, so that the process is very cost-effective overall. The present method is also significantly less sensitive to temperature variations of the air or air currents and unintentional proper movements of the arrangement. In contrast to the acoustic SAR, in the present method an acoustic recording of the room can already be made two- or three-dimensionally with a single measurement. The change of the speed of sound with the temperature is irrelevant to the transit time difference measurement in the present method, since in almost the same volume of space is measured at the same time with both receivers. In contrast, an SAR image only emerges from the complex additive superimposition of many measurements at different points in space. Phase or transit time variations due to changes in the speed of sound between the many individual measurements lead to very great difficulties here. Another problem with SAR is the small deviation from the target path the transmitter-receiver combination (so-called "surge" and "sway"). These movements are determined in the aerospace sector in the RADAR SAR via the navigation system of the aircraft and deducted accordingly.

Das vorliegende Ortungsverfahren kann hier genutzt werden, um Ankerpunkte für Phasenkorrekturen durch Lufttemperaturschwankungen sowie "surge" und "sway" beim akustischen SAR zu ermitteln. Damit kann akustisches SAR in Luft praktikabel werden. Eine Kombination der beiden Verfahren bietet sich insbesondere auch deshalb an, weil in beiden Fällen das Ausgangssignal des Optimalfilters für die Auswertung verwendet werden kann.The This locating method can be used here to anchor points for phase corrections Air temperature fluctuations and "surge" and "sway" when determine acoustic SAR. This allows acoustic SAR in air become practicable. A combination of the two methods offers in particular also because in both cases the Output signal of the optimal filter can be used for the evaluation can.

Bei einer weiteren Anwendung des vorliegenden Verfahrens kann die 2D-Ortung zur alleinigen Berechnung von Geschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit eines Fahrzeugs im Raum genutzt werden, auf dem die Sende- und Empfangseinrichtung angebracht wird. Diese Berechnung erfolgt auf Basis eines Vergleichs aufeinander folgender Laufzeit- bzw. Ortungsmessungen, wobei dann die räumliche Position durch Aufintegration ermittelt werden kann.at Another application of the present method may be 2D location for the sole calculation of speed and angular velocity of a vehicle to be used in space, on which the transmitting and receiving device is attached. This calculation is based on a comparison consecutive runtime or location measurements, in which case the spatial Position can be determined by integration.

Eine weitere Anwendung betrifft die Raumüberwachung mit einem Sensor, der nach dem vorliegenden Verfahren arbeitet. Bei einem derartigen Einsatz ist es aufgrund der 2D- oder 3D-Messung möglich, einzelne Raumbereiche von der Überwachung auszublenden.A Another application concerns room monitoring with a sensor, which works according to the present method. In such a Use is possible due to the 2D or 3D measurement, individual room areas from the surveillance hide.

Für eine dreidimensionale Ortung ist es beim vorliegenden Verfahren lediglich erforderlich, zumindest drei nicht kollinear angeordnete Empfänger oder Sender einzusetzen, um aus den drei dadurch erhaltenen Korrelationssignalen die dreidimensionale Position der Objekte zu bestimmen. Die Berechnung kann hierbei in gleicher Weise erfolgen, wie bei der bereits beschriebenen 2D-Ortung. Weiterhin kann eine 3D-Ortung auch mit der gleichen Anzahl von Sendern und Empfängern wie für eine 2D-Ortung erreicht werden, indem die Sende- und Empfangseinrichtung aus der Ebene der 2D- Ortung, beispielsweise um eine horizontale Achse, geschwenkt oder senkrecht zu dieser Ebene verschoben wird, um weitere Messungen durchzuführen.For a three-dimensional Locating it is only necessary in the present method to use at least three non-collinear receivers or transmitters, from the three correlation signals thus obtained the three-dimensional To determine the position of the objects. The calculation can be done in the same way as in the 2D location already described. Furthermore, a 3D location can also be done with the same number of stations and receivers as for a 2D location can be achieved by the transmitting and receiving device from the plane of 2D location, for example, about a horizontal axis, pivoted or vertical is moved to this plane to perform further measurements.

Bei Fledermäusen reichen bekanntlich zwei Ohren für die räumliche Ortung aus. Bei einer reinen Laufzeitdifferenzmessung von Hindernissignalen lässt sich daraus nur der Seitenwinkel eines Hindernisses bestimmen, analog zum bereits beschriebenen Verfahren der 2D-Ortung. Fledermäuse senden allerdings zur Grundfrequenz noch mehrere Oberwellen aus. Die Vermutung geht dahin, dass sich die Übertragungsfunktionen der Ohrmuscheln für die verschiedenen Frequenzen mit dem Höhenwinkel des Hindernisses ändern und das Verhältnis der Amplituden der empfangenen Signale bei den verschiedenen Frequenzen zur Bestimmung des Höhenwinkels verwendet wird. Eine solche Technik lässt sich natürlich technisch auch mit dem vorliegenden Verfahren kombinieren.at bats two ears are known to last for the spatial Location. For a pure transit time difference measurement of obstacle signals let yourself determine from this only the side angle of an obstacle, analogously to the already described method of 2D location. Send bats however, at the fundamental frequency several more harmonics. The presumption goes there that the transfer functions the ear cups for change the different frequencies with the elevation angle of the obstacle and The relationship the amplitudes of the received signals at the different frequencies for determining the elevation angle is used. Such a technique can of course be technically also combine with the present method.

Werden beim vorliegenden Verfahren nicht mehrere Empfänger, sondern zwei oder drei Sender und nur ein Empfänger verwendet, so müssen die Sendesignale, beispielsweise Chirp-Funktionen, der Sender unterschiedlich und vorzugsweise orthogonal sein, um deren Empfangssignale voneinander unterscheiden zu können. Das Verfahren ist auch nicht auf nur einen Sender bzw. Empfänger und zwei oder drei Empfänger bzw. Sender beschränkt. Vielmehr können durch geeignete Anordnung einer größeren Anzahl von Sendern und Empfängern in geeigneter Anordnung auch größere Raumbereiche ohne Bewegung der Sende- und Empfangseinrichtung vermessen werden.Become in the present process, not two recipients, but two or three Transmitter and only one receiver used, so must the transmit signals, such as chirp functions, the transmitter different and preferably orthogonal to their received signals from each other to be able to distinguish. The method is not limited to just one transmitter or receiver and one two or three recipients or transmitter limited. Rather, you can by suitable arrangement of a larger number of transmitters and receivers in suitable arrangement also larger space areas be measured without movement of the transmitting and receiving device.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens umfasst die für die jeweilige Verfahrensausgestaltung erforderliche Anzahl von Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern in geeigneter Anordnung, ggf. auf einem Dreharm, zusammen mit Verstärkern und Analog/Digital- bzw. Digital/Analog-Wandlern, ein oder mehrere Optimalfilter sowie gegebenenfalls Kompensationsfilter mit Regler (vgl. 1) und die für die Auswertung gemäß der jeweiligen Verfahrensausgestaltung ausgebildete Auswerteeinrichtung, vorzugsweise ein Mikroprozessor mit der enstprechenden Software, der auch die Erzeugung der Sendesignale übernimmt.A suitable device for carrying out the present method comprises the number of ultrasound transmitters and ultrasound receivers required for the respective method configuration, optionally on a rotary arm, together with amplifiers and analog / digital or digital / analog converters, one or more optimum filters and optionally compensation filters with regulator (cf. 1 ) and formed for the evaluation according to the respective process design evaluation, preferably a microprocessor with the corresponding software, which also takes over the generation of the transmission signals.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The present methods as well as the associated device are hereafter based on embodiments in conjunction with the drawings without limiting the scope of the claims Protection area again closer explained. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung der Übertragungsstrecke sowie der an der Signalübertragung beteiligten Komponenten; 1 a schematic representation of the transmission path as well as the signal transmission involved components;

2 ein Beispiel für den Betrag der Korrelationsfunktion bei einer Datenverarbeitung mit und ohne Kompensationsfilter; 2 an example of the amount of correlation function in a data processing with and without compensation filter;

3 ein Beispiel für ein mit dem vorliegenden Verfahren erhaltenes akustisches 2D-Bild einer Umgebung; 3 an example of a 2D acoustic image of an environment obtained with the present method;

4 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur 3D-Ortung gemäß dem vorliegenden Verfahren in Seitenansicht und Draufsicht; 4 an example of a device for 3D location according to the present method in side view and top view;

5 ein Beispiel für die Elektronik in der Vorrichtung gemäß 4; und 5 an example of the electronics in the device according to 4 ; and

6 ein Beispiel für die Elektronik bei einer Vorrichtung mit 16 stationären Ultraschallwandlern. 6 an example of the electronics in a device with 16 stationary ultrasonic transducers.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt ein Beispiel für die Übertragungsstrecke sowie die an der Übertragung eines Signals beteiligten Komponenten bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Ein in der Figur nicht dargestellter Mikrocontroller erzeugt ein komplexes Sendesignal s(t), das über einen Digital/Analog-Wandler 1 in ein elektrisches Signal mit veränderlicher Frequenz und Amplitude gewandelt und an einen Verstärker 2 geliefert wird, dessen Ausgangssignal einen Ultraschallgeber treibt. Das vom Ultraschallgeber bzw. Ultraschallsender 3 erzeugte Ultraschallsignal wird durch Luft, Wasser oder ein anderes Medium übertragen und an einem oder mehreren Hindernissen 4 reflektiert. Das reflektierte Ultraschallsignal wird von einem Ultraschallmikrofon, dem Ultraschallempfänger 5, aufgenommen, anschließend verstärkt und mittels eines Analog/Digital-Wandlers 6 vom Mikrocontroller eingelesen und abgespeichert. 1 shows an example of the transmission link and the components involved in the transmission of a signal in carrying out the present method. A microcontroller, not shown in the figure, generates a complex transmission signal s (t), which is transmitted via a digital / analogue converter 1 converted into an electrical signal of variable frequency and amplitude and to an amplifier 2 is supplied, the output signal drives an ultrasonic generator. That of the ultrasonic transmitter or ultrasonic transmitter 3 generated ultrasonic signal is transmitted through air, water or other medium and at one or more obstacles 4 reflected. The reflected ultrasound signal is from an ultrasound microphone, the ultrasound receiver 5 , recorded, then amplified and by means of an analog / digital converter 6 read from the microcontroller and stored.

Im vorliegenden Fall wird das digitalisierte Empfangssignal e(t) zunächst einem Kompensationsfilter 7 und einem Optimalfilter 8 zugeführt, auf die nachfolgend noch näher eingegangen wird. Beide Komponenten können, ebenso wie der in der Figur dargestellte Regler 9, eigenständige Komponenten sein oder durch Algorithmen auf dem Mikrocontroller repräsentiert werden.In the present case, the digitized received signal e (t) is first a compensation filter 7 and a matched filter 8th supplied, which will be discussed in more detail below. Both components, as well as the regulator shown in the figure 9 be standalone components or represented by algorithms on the microcontroller.

Der Mikrocontroller erzeugt ein komplexes Sendesignal s(t) mit Realteil und Imaginärteil, das im vorliegenden Beispiel einen Frequenzchirp von 32 kHz bis 48 kHz aufweist und dessen Einhüllende der Amplitude in diesem Beispiel eine Gaußfunktion ist. Die Abtastfrequenz beträgt 100 kHz. Das vom Analog/Digital-Wandler 6 erhaltene komplexe Empfangssignal e(t) wird mit dem bekannten Sendesignal s(t) korreliert. Die Korrelation ergibt ein komplexes Korrelationssignal K(t), dessen Betrag für jedes reflektierende Hindernis im vorliegenden Fall einen gaußförmigen Peak aufweist, der um die entsprechende Schalllaufzeit zwischen Ultraschallsender 3 und Ultraschallempfänger 5 verzögert ist.The microcontroller generates a complex transmission signal s (t) with real part and imaginary part, which in the present example has a frequency chirp of 32 kHz to 48 kHz and whose envelope of the amplitude in this example is a Gaussian function. The sampling frequency is 100 kHz. That of the analog / digital converter 6 complex received signal e (t) is correlated with the known transmission signal s (t). The correlation yields a complex correlation signal K (t), the magnitude of which for each reflecting obstacle in the present case has a Gaussian peak which is about the corresponding sound transit time between ultrasonic transmitters 3 and ultrasound receivers 5 is delayed.

Im vorliegenden Beispiel wird diese Korrelation mit dem Optimalfilter 8 durchgeführt. Das komplexe Empfangssignal e(t) wird zusätzlich einer Filterung in einem Kompensationsfilter 7 unterzogen, der die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke zwischen dem Digital/Analog-Wandler 1 und dem Analog/Digital- Wandler 6 kompensiert. Im vorliegenden Beispiel besteht diese Strecke im Wesentlichen aus zwei Resonatoren bei 40 kHz, die durch den Einsatz einfacher und kostengünstiger Ultraschallwandler als Ultraschallsender 3 und Ultraschallempfänger 5 erzeugt werden. Die beiden Resonatoren können durch zwei entsprechende Polpaare in der Übertragungsfunktion G(s) repräsentiert werden. Die Übertragungsfunktion G(s) wird dabei im Allgemeinen durch ein Zählerpolynom und ein Nennerpolynom der folgenden Art ausgedrückt: sb + ab-1*sb-1 + ... + a1*s + a0 = (s + nb-1)*...*(s + n0). In the present example, this correlation is with the optimal filter 8th carried out. The complex received signal e (t) is additionally filtered in a compensation filter 7 subjected to the transmission function of the transmission path between the digital / analog converter 1 and the analog to digital converter 6 compensated. In the present example, this path consists essentially of two resonators at 40 kHz, which are characterized by the use of simple and inexpensive ultrasonic transducers as ultrasonic transmitters 3 and ultrasound receivers 5 be generated. The two resonators can be represented by two corresponding pole pairs in the transfer function G (s). The transfer function G (s) is generally expressed by a numerator polynomial and a denominator polynomial of the following kind: s b + a b-1 * s b-1 + ... + a 1 * s + a 0 = (s + nb-1) * ... * (s + n 0 ).

Diese Polgnome lassen sich vollständig durch ihre Nullstellen beschreiben. Die Kompensation der beiden Polpaare in der vorliegenden Übertragungsfunktion kann daher durch zwei kompensierende Nullstellenpaare erfolgen, die in dem digitalen Kompensationsfilter 7 gerechnet werden.These polynomials can be completely described by their zeros. The compensation of the two pole pairs in the present transfer function can therefore be carried out by two compensating zeros pairs, which in the digital compensation filter 7 be counted.

Für diese Kompensation ist die Kenntnis der exakten Resonanzfrequenzen und Güten des Ultraschallsenders 3 sowie des Ultraschallempfängers 5 erforderlich, die jedoch im Allgemeinen nicht genau bekannt sind. Weiterhin können sich diese Parameter durch Alterung oder Temperaturveränderungen ändern. Beim vorliegenden Verfahren, wie es durch die Anordnung der 1 repräsentiert ist, erfolgt die Ermittlung dieser Parameter während der Durchführung des Verfahrens ständig von neuem. Die Parameter werden hierzu rechnerisch im Kompensationsfilter verändert, während die Form des aus der Korrelation des Empfangssignals mit der zugehörigen komplexen Filterfunktion im Optimalfilter erhaltenen Korrelationssignals beobachtet wird. Wird die korrekte Form der Einhüllenden des Betrags des Korrelationssignals, im vorliegenden Fall aufgrund der Form des Sendesignals eine gaußförmige Einhüllende, für ein Empfangssignal erhalten, so sind die Parameter von Sender und Empfänger korrekt gewählt und die Kompensation der Übertragungsfunktion kann im Kompensationsfilter mit diesen Parametern durchgeführt werden. Diese Ermittlung der Parameter kann nun laufend während der Durchführung des Verfahrens, d. h. während zahlreicher einzelner Laufzeitmessungen, erfolgen. Das Kompensationsfilter wird hierbei somit als adaptives Filter betrieben, das so optimiert wird, dass das Korrelationssignal die korrekte (erwartete) Form erhält. Die Regelung übernimmt der Regler 9, im vorliegenden Beispiel ein Softwaremodul, der in der 1 angedeutet ist.For this compensation is the knowledge of the exact resonance frequencies and qualities of the ultrasonic transmitter 3 as well as the ultrasound receiver 5 but they are generally not well known. Furthermore, these parameters may change due to aging or temperature changes. In the present method, as determined by the arrangement of 1 is represented, the determination of these parameters during the implementation of the process is constantly new. The parameters are rech nerically changes in the compensation filter, while the shape of the correlation signal obtained from the correlation of the received signal with the associated complex filter function in the optimal filter is observed. If the correct form of the envelope of the magnitude of the correlation signal, in the present case due to the shape of the transmit signal, a Gaussian envelope, is obtained for a receive signal, then the sender and receiver parameters are correctly selected and the compensation of the transfer function can be performed in the compensation filter with these parameters become. This determination of the parameters can now be carried out continuously during the execution of the method, ie during numerous individual transit time measurements. The compensation filter is thus operated here as an adaptive filter, which is optimized so that the correlation signal receives the correct (expected) form. The controller takes over control 9 , in the present example a software module, which in the 1 is indicated.

Im vorliegenden Beispiel ergibt sich theoretisch und experimentell eine Halbwertsbreite von 0,016 m für die Einhüllende des Betragspeaks des aus dem Optimalfilterausgang erhaltenen Korrelationssignals. 2 zeigt ein Beispiel für den Betrag des Korrelationssignals (Korrelationspeak 11), wie es beim vorliegenden Verfahren durch Reflexion an einem Hindernis erhalten wird. Die horizontale Achse gibt hierbei die Entfernung des Hindernisses zu einem mit dem Ultraschallsender 3 und Ultraschallempfänger 5 fest gekoppelten Referenzpunkt an. Beim vorliegenden Aufbau liegen die Resonanzfrequenzen der Ultraschallwandler bei ca. 40 kHz bei Guten von etwa 20. Das gesendete Signal durchläuft Sender und Empfänger und wird dadurch erheblich in Amplitude und Phase gestört, so dass das Optimalfilter für den Frequenzchirp ohne das Kompensationsfilter ein sehr schlechtes Ergebnis liefern würde, wie dies mit dem Korrelationspeak 12 in der 2 angedeutet ist.In the present example, theoretically and experimentally, a half value width of 0.016 m results for the envelope of the magnitude peak of the correlation signal obtained from the optimum filter output. 2 shows an example of the magnitude of the correlation signal (correlation peak 11 ), as obtained by reflection on an obstacle in the present method. The horizontal axis indicates the distance of the obstacle to one with the ultrasonic transmitter 3 and ultrasound receivers 5 firmly coupled reference point. In the present design, the resonant frequencies of the ultrasonic transducers are at about 40 kHz with a good of about 20. The transmitted signal passes through the transmitter and receiver and is thus significantly disturbed in amplitude and phase, so that the optimal filter for the frequency chirp without the compensation filter is a very poor result would deliver, as with the correlation peak 12 in the 2 is indicated.

Für die Ermittlung der Laufzeit bzw. des Abstands wird beim vorliegenden Verfahren das aus der Messung erhaltene Korrelationssignal nicht nur nach Betrag sondern auch nach Phase ausgewertet. Hierzu wird zur genauen Berechnung der Laufzeit zum Hindernis die Phase des Ausgangssignals des Optimalfilters im Maximum der Betragsfunktion betrachtet. Die Berechnung wird so durchgeführt, dass der Abstand des gemessenen komplexen Peaks des Korrelationssignals zum Peak des theoretisch erwarteten Verlaufs des komplexen Ausgangssignals des Optimalfilters im Komplexen berechnet und die theoretische Kurve so verschoben wird, dass der komplexe Abstand minimal wird. Durch die zusätzliche Einbeziehung der Phase wird die Genauigkeit bei der Berechnung der Laufzeit erhöht. Im vorliegenden Experiment ergibt sich hiermit eine Messgenauigkeit des Abstands zum Hindernis von besser als 10^–5 m. Die Messungen wurden hierbei mit einem HCS 12 Mikrocontroller, drei Operationsverstärkern und zwei Ultraschall-Sensoren zum Preis von jeweils 3 EURO durchgeführt. Der Mikrocontroller war über den USB-Bus mit einem PC verbunden, der die Datenauswertung und Anzeige in Echtzeit durchführen kann.For the determination of the transit time or the distance in the present method, the correlation signal obtained from the measurement is evaluated not only by amount but also by phase. For this purpose, the phase of the output signal of the optimum filter in the maximum of the absolute value function is considered for the exact calculation of the transit time to the obstacle. The calculation is performed such that the distance of the measured complex peak of the correlation signal to the peak of the theoretically expected curve of the complex output signal of the optimum filter is calculated in the complex and the theoretical curve is shifted such that the complex distance becomes minimal. The additional inclusion of the phase increases the accuracy of the calculation of the runtime. In the present experiment, this results in a measurement accuracy of the distance to the obstacle of better than 10 ^-5 m. The measurements were carried out with a HCS 12 microcontroller, three operational amplifiers and two ultrasonic sensors for the price of 3 EURO each. The microcontroller was connected via the USB bus to a PC, which can perform the data evaluation and display in real time.

Die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen Möglichkeiten für einen Einsatz des Verfahrens zur 2D- oder 3D-Ortung von Objekten. Aufgrund der bevorzugten Anordnung von zumindest zwei nur wenige Zentimeter voneinander beabstandeten Ultraschallempfängern und einem in der Mitte zwischen diesen beiden Ultraschallempfängern angeordneten Ultraschallsender wird dieses Ortungsverfahren im Folgenden auch als Fledermausortung bezeichnet. Ein vom Ultraschallsender ausgesendetes Ultraschallsignal wird nach einer Reflexion an den ein oder mehreren Hindernissen von den beiden Ultraschallempfängern empfangen und die daraus erhaltenen Korrelationsfunktionen wie bereits weiter oben beschrieben ausgewertet. Da die Laufzeiten gemäß dem vorliegenden Verfahren für jedes Hindernis individuell mit sehr hoher Präzision ermittelt werden können, lässt sich der Winkel, unter dem das Hindernis gesehen wird, bereits aus der Laufzeitdifferenz allein, vorzugsweise jedoch in Verbindung mit der Phasendifferenz, sehr genau ermitteln. Aus den absoluten Laufzeiten lassen sich dann die Positionen der Hindernisse zur Sende- und Empfangseinrichtung errechnen. Unter der Sende- und Empfangseinrichtung wird hierbei die Kombination aus Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern verstanden. Die Positionsberechnung erfolgt in einem mit dieser Sende- und Empfangseinrichtung fest verbundenen Koordinatensystem relativ zu einem vorgebbaren Referenzpunkt, der beispielsweise in der Mitte der Verbindungslinie zwischen den beiden Ultraschallempfängern liegen kann.The following embodiments show possibilities for one Use of the method for 2D or 3D location of objects. by virtue of the preferred arrangement of at least two only a few centimeters spaced apart ultrasonic receivers and one in the middle arranged between these two ultrasonic receivers ultrasonic transmitter In the following, this locating method is also called bat locating designated. An ultrasound signal emitted by the ultrasound transmitter will after reflection on the one or more obstacles from the two ultrasonic receivers received and the resulting correlation functions as before evaluated above. Since the terms according to the present Procedure for Every obstacle can be determined individually with very high precision the angle under which the obstacle is seen already from the Duration difference alone, but preferably in conjunction with the phase difference, determine very accurately. Let the absolute terms then the positions of the obstacles to the transmitting and receiving device calculate. Under the transmitting and receiving device is hereby understood the combination of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers. The position calculation takes place in one with this transmitting and receiving device firmly connected coordinate system relative to a predefinable Reference point, for example, in the middle of the connecting line can lie between the two ultrasonic receivers.

Die Sende- und Empfangseinrichtung ist im vorliegenden Beispiel auf einem Dreharm 15 angeordnet, der von einem Modellbauservomotor 16 bewegt wird (vgl. 4). Der Servomotor 16 kann die Einrichtung über einen Winkelbereich von etwa 180° schwenken. Sender und Empfänger schauen radial nach außen und sind in einem Abstand von etwa 0,14 m hinsichtlich ihrer Frontfläche von der Drehachse beabstandet. Während eines Schwenks des Dreharms werden beispielsweise 170 Sendechirps als Sendesignale gesendet und nach Reflexion an den im Umfeld befindlichen Hindernissen wieder empfangen.The transmitting and receiving device is in the present example on a rotary arm 15 arranged by a model making servomotor 16 is moved (see. 4 ). The servomotor 16 can pivot the device over an angular range of about 180 °. Transmitter and receiver look radially outwards and are spaced at a distance of about 0.14 m with respect to their front face from the axis of rotation. During a panning of the rotary arm, for example, 170 send chirps are sent as send signals and received again after reflection at the obstacles located in the surroundings.

Das Sendesignal besteht aus einem Chirp als Realteil und dem gleichen, aber um 90° phasenverschobenen Chirp als Imaginärteil. Bei der Verarbeitung der Empfangssignale wird zum einen das Sendesignal Fourier-transformiert. Zum anderen erfolgen Fourier-Transformationen aller Empfangssignale mittels FFT (Fast Fourier Transformation). Störfrequenzanteile im hörbaren Bereich werden aus den Fouriertransformierten Empfangsignalen entfernt. Anschließend werden die Fourier-transformierten Empfangssignale durch die Transferfunktion der Sende-Empfangsstrecke, die mittels des Korrelationsfilters ermittelt wurde, dividiert. Schließlich wird das Fourier-transformierte Sendesignal mit den so korrigierten Fouriertransformierten Empfangssignalen im Frequenzbereich korreliert (Korrelation mit dem Optimalfilter im Frequenzbereich). Durch Rücktransformation der Korrelationsergebnisse in den Zeitbereich bzw. nach entsprechender Skalierung in den Entfernungsbereich werden die komplexen Korrelationssignale für die Auswertung erhalten.The transmit signal consists of a chirp as a real part and the same but 90 ° out of phase chirp as an imaginary part. In the processing of the received signals, the transmission signal is Fourier-transformed on the one hand. On the other hand Fourier transformations of all received signals are carried out by means of FFT (Fast Fourier transformation). Interference frequency components in the audible range are removed from the Fourier-transformed received signals. Subsequently, the Fourier-transformed received signals are divided by the transfer function of the transmitting-receiving path, which was determined by means of the correlation filter. Finally, the Fourier-transformed transmission signal is correlated with the thus corrected Fourier-transformed received signals in the frequency domain (correlation with the optimum filter in the frequency domain). By inverse transformation of the correlation results in the time domain or after appropriate scaling in the distance range, the complex correlation signals are obtained for the evaluation.

Diese Signale werden gemäß dem vorliegenden Verfahren verarbeitet, um ein akustisches 2D-Bild des umgebenden Raums zu ermitteln. Der Abstand der Hindernisse vom Referenzpunkt wird dabei über die Laufzeitverzögerung des Betragspeaks der Korrelationssignale sowie zur Erhöhung der Messgenauigkeit über die bereits weiter vorne beschriebene Auswertung der Phasen am Maximum dieser Betragspeaks berechnet. Weiterhin können die Phasendifferenzen der Korrelationsfunktionen (komplexe Ausgänge der Optimalfilter) beider Ultraschallempfänger in den Bereichen der Betragspeaks ermittelt und daraus die Winkellagen der Hindernisse zum Referenzpunkt berechnet werden.These Signals are in accordance with the present Process processed to create a 2D acoustic image of the surrounding To determine space. The distance of the obstacles from the reference point is about the propagation delay the magnitude peak of the correlation signals and to increase the Measuring accuracy over the already further evaluation of the phases at the maximum described above Amount peaks calculated. Furthermore, the phase differences the correlation functions (complex outputs of the optimal filters) of both ultrasonic receiver determined in the areas of the magnitude peaks and from this the angular positions the obstacles to the reference point are calculated.

3 zeigt ein bei einer Messung erhaltenes akustisches 2D-Bild einer Umgebung, das gemäß der obigen Auswertung erhalten wird, mit einem Bildfenster von 3 m × 6 m bei einer Pixelauflösung von 1,5 cm. Die Sende-Empfangseinrichtung befand sich am unteren Bildrand in der Mitte und wurde während der Messung um 180° geschwenkt. Während eines Schwenks wurden 29 Messungen bzw. Scans durchgeführt. Die Figur zeigt die erfassten Hindernisse als dunkle Punkte, wobei insbesondere die gute Winkelauflösung der Hindernisse aus der Figur ersichtlich ist. 3 FIG. 12 shows a 2D acoustic image obtained in a measurement of an environment obtained according to the above evaluation, with an image window of 3 m × 6 m at a pixel resolution of 1.5 cm. FIG. The transceiver was located at the bottom of the screen in the middle and was rotated by 180 ° during the measurement. During a panning, 29 measurements or scans were performed. The figure shows the detected obstacles as dark points, in particular the good angular resolution of the obstacles can be seen from the figure.

In Einzelfällen kann es bei einer sehr großen Anzahl von Hindernispunkten zu einer Überlappung einzelner Korrelationspeaks kommen. In diesem Falle gibt es mehrere Möglichkeiten, die Hindernisse dennoch aufzulösen, da aufgrund der korrigierten Übertragungsfunktion der Verlauf bzw. die Form eines komplexen Korrelationspeaks genau bekannt ist. Daher kann ein rein rechnerisch ermitteltes Korrelationssignal durch Korrelation des komplexen Sendesignals mit sich selbst berechnet werden, das im Folgenden als theoretisches Korrelationssignal bezeichnet wird.In individual cases It can be at a very large Number of obstruction points to an overlap of individual correlation peaks come. In this case, there are several ways to overcome the obstacles still dissolve, because of the corrected transfer function the course or the shape of a complex correlation peak exactly is known. Therefore, a purely computationally determined correlation signal calculated by correlation of the complex transmission signal with itself will be referred to in the following as the theoretical correlation signal becomes.

Eine Möglichkeit der Auflösung der Hindernisse bei überlappenden Korrelationspeaks besteht in der suk zessiven Identifizierung des jeweils höchsten Peaks und der Entfernung des Peaks aus dem komplexen Korrelationssignal durch Subtraktion des theoretischen Korrelationssignals. Diese Vorgehensweise wird wiederholt, bis kein Peak mehr übrig ist.A possibility the resolution the obstacles at overlapping Correlation peaks consists in the successive identification of the highest in each case Peaks and the distance of the peak from the complex correlation signal by subtraction of the theoretical correlation signal. This approach is repeated until no peak is left.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Entfaltung der Optimalfilter-Funktion, d. h. des aus dem Optimalfilter erhaltenen Korrelationssignals, nach einem komplexen Peak, da eine Optimalfilter-Funktion als Faltung des komplexen Peaks mit δ-Funktionen der Hindernisse aufgefasst werden kann. Dies kann entweder über ein lineares Gleichungssystem oder eine FFT erfolgen.A another possibility consists in the development of the optimal filter function, d. H. of from the optimal filter obtained correlation signal, after a complex peak, as an optimal filter function as folding the complex Peaks with δ functions the obstacles can be understood. This can either be over linear equation system or an FFT.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der direkten zweidimensionalen Entfaltung nach Laufzeit und Laufzeitdifferenz unter Verwendung des theoretischen komplexen Korrelationssignals als Musterfunktion. Diese zusätzlichen Rechenverfahren erhöhen zwar den Rechenaufwand, sind aber dennoch mit modernen digitalen Signalprozessoren in Echtzeit durchführbar.A another possibility consists in the direct two-dimensional development by duration and transit time difference using the theoretical complex Correlation signal as a pattern function. This extra Increase calculation procedure Although the computational effort, but are still using modern digital signal processors feasible in real time.

Das vorliegende Verfahren lässt sich auch mit zeitlich überlappenden Messungen durchführen, im Folgenden als Scans bezeichnet. Zeitlich überlappende, sich gegenseitig nicht störende Scans lassen sich sehr einfach bspw. durch weiße oder bandbreite begrenzte Rauschsignale als Sendesignale erzeugen. Die erforderliche komplexe Funktion für die Korrelation für beliebige solcher Signale lässt sich einfach rechnen, indem eine FFT des Rausch- oder anderen Signals durchgeführt, eine Hälfte des Spektrums auf Null gesetzt und anschließend eine Rücktransformation in den Zeitbereich durchgeführt wird. Alternativ kann die Korrelation auch gleich im Frequenzbereich erfolgen. Hierdurch lassen sich zeitlich überlappende Scans erzeugen und gesondert auswerten. 200 bis 500 Scans pro Sekunde sind technisch relativ einfach zu realisieren, wobei unter Berücksichtigung des Rechenaufwandes eine Bildfrequenz von einigen Hz erreichbar ist.The present method leaves also with temporally overlapping Perform measurements, hereafter referred to as scans. Time overlapping, each other not disturbing Scans are very easy, for example, limited by white or bandwidth Generate noise signals as transmission signals. The required complex Function for the correlation for any such signals leaves Simply calculate by adding a FFT of noise or other signal carried out, a half of the spectrum is set to zero and then a back transformation into the time domain carried out becomes. Alternatively, the correlation may be the same in the frequency domain respectively. This allows temporally overlapping scans to be generated and evaluate separately. 200 to 500 scans per second are technical relatively easy to realize, taking into account the computational effort a frame rate of a few Hz can be achieved.

Bei der Auswertung des komplexen Korrelationssignals gemäß der Fledermaus-Ortung wird im vorliegenden Beispiel von den komplexen Korrelationsdaten jeweils das Argument berechnet. Für jeden Entfernungswert wird anschließend die Phasendifferenz der Argumentwerte der beiden Empfangskanäle ermittelt. Diese Phasendifferenz ist ein Maß für die Winkelabweichung des jeweiligen reflektierenden Hindernisses von der Radialrichtung, d. h. der Senkrechten auf die Verbindungslinie der beiden Ultraschallempfänger. Die Beträge der Korrelationsdaten werden für jede Kombination der Empfangssignale mit der so errechneten Winkelabweichung in der 2D-Bildebene aufsummiert. Auf diese Weise wird ein 2D-Bild der Umgebung erhalten.In the evaluation of the complex correlation signal according to the bat locating, in each case the argument is calculated by the complex correlation data. For each distance value, the phase difference of the argument values of the two reception channels is then determined. This phase difference is a measure of the angular deviation of the respective reflecting obstacle from the radial direction, ie the perpendicular to the connecting line of the two ultrasonic receivers. Thieves The delay of the correlation data is summed for each combination of the received signals with the thus calculated angular deviation in the 2D image plane. In this way, a 2D image of the environment is obtained.

Die Technik der Fledermaus-Ortung lässt sich auch bei nur einem Sender und einem Empfänger auf der drehbaren Sende-Empfangseinrichtung einsetzen, indem jeweils zwei Korrelationssignale für nebeneinander liegende Winkelpositionen, beispielsweise im Abstand von einem Grad, miteinander verglichen werden. Die beiden Messungen unterscheiden sich nur darin, dass die Sender-Empfänger-Positionen wegen der Drehbewegung um einen bekannten Abstand gegeneinander versetzt sind. Es liegen also die gleichen Signale vor, als würden zwei Empfänger links und rechts des Senders angeordnet sein.The Technique of bat locating leaves even with only one transmitter and one receiver on the rotatable transceiver insert by adding two correlation signals for each other lying angular positions, for example at a distance of one degree, compared with each other. The two measurements differ only in that the transmitter-receiver positions because of the rotary motion offset by a known distance from each other. There are So the same signals, as if two receivers left and be arranged to the right of the transmitter.

Durch geeignete Auswertung dieser Messungen, insbesondere indem Beträge der Korrelationsdaten für jede 2er-Nachbarkombination mit der jeweils errechneten Winkelabweichung in der 2D-Bildebene aufsummiert werden, lassen sich vergleichbare Ergebnisse erzielen, wie bei der Anordnung von zwei Empfängern und einem Sender.By appropriate evaluation of these measurements, in particular by amounts of the correlation data for each 2-neighbor combination with the respectively calculated angular deviation in the 2D image plane can be summed up, comparable results can be achieved as with the arrangement of two receivers and one transmitter.

Selbstverständlich können die mit dem vorliegenden Verfahren erhaltenen Korrelationsdaten auch mit einem SAR-Algorithmus ausgewertet werden, wie er beispielsweise aus der Radar-Technik bekannt ist. Im Vergleich mit den Ergebnissen der Fledermaus-Ortung ist jedoch eine höhere Anzahl an Scans erforderlich, um eine vergleichbare Auflösung zu erhalten. Weiterhin erfordert der Fledermaus-Algorithmus einen wesentlich geringeren Rechenaufwand bei höherer Geschwindigkeit als der SAR-Algorithmus. Aufgrund des Messprinzips funktioniert die Fledermausortung auch in Luft, deren Temperatur sich laufend ändert oder die strömt. Mit den Daten der Fledermausortung können daher SAR-Daten bei Bedarf phasenkorrigiert werden.Of course, the also obtained with the present method be evaluated with a SAR algorithm, such as from the radar technique is known. In comparison with the results however, bat tracking requires a higher number of scans a comparable resolution to obtain. Furthermore, the bat algorithm requires one much less computational effort at higher speed than the SAR algorithm. Due to the measuring principle, the bat location works also in air, whose temperature changes constantly or which flows. With the data of the bat location can therefore SAR data may be phase corrected as needed.

Bei der Fledermausortung kann darüber hinaus von der Veränderung der Entfernung zu einigen Hindernissen während der Messung auf die lineare Eigenbewegung eines Fahrzeugs geschlossen werden, auf dem die Sende- und Empfangseinrichtung befestigt ist. Hierbei kann aus der Bewegung heraus gemessen werden. So lassen sich 170 Messungen über eine Drehung beispielsweise innerhalb von ca. 0,5 s durchführen, wenn eine Reihe orthogonaler Sendecodes in direkter Folge während der Drehung wiederholt gesendet werden (z. B. biphasige Codes, wie sie aus der Radar-Technik bekannt sind), so dass sich insgesamt 170 Sendezyklen ergeben. Der gesamte Daten-Strom wird dann wie oben beschrieben verarbeitet, wobei für jeden Sendecode die Daten einzeln verarbeitet werden müssen. Die Korrelationsdaten werden hierzu in die ca. 170 Winkelpositionen aufgespaltet und gemäß dem Fledermaus-Algorithmus weiterverarbeitet. Bewegt sich das Fahrzeug während der Messung, so wird eine entsprechende Korrektur der jeweiligen Position der Sende- und Empfangseinrichtung in die Verarbeitung eingeführt. Die kurzzeitige Eigenbewegung lässt sich beispielsweise über ein Odometer ermitteln. Eine laufende Kalibrierung des Odometers kann über die laufende Stützung durch. die Abfolge der akustischen Bilder erfolgen. Die maximale Messentfernung beträgt in etwa 5 bis 10 m.at the bat detection can over it beyond the change the distance to some obstacles while measuring on the linear Proper motion of a vehicle on which the transmitters and receiving device is attached. This may be due to the movement be measured out. This allows 170 measurements over one For example, perform rotation within approx. 0.5 s, if a series of orthogonal transmission codes in direct sequence during the Rotation are sent repeatedly (for example, biphasic codes, as they are known from the radar technique), so that total 170 Result in transmission cycles. The entire data stream will then be as described above processed, being for each transmission code, the data must be processed individually. The Correlation data are in the approximately 170 angular positions split and according to the bat algorithm further processed. If the vehicle moves during the measurement, then a corresponding correction of the respective position of the transmitting and receiving device introduced into the processing. The short-term self-movement leaves For example, about determine an odometer. An ongoing calibration of the Odometer can over ongoing support. the sequence of acoustic images take place. The maximum measuring distance is in about 5 to 10 m.

Mögliche Anwendungen des vorliegenden Verfahrens liegen im Bereich von autonom navigierenden Staubsaugern bis hin zu Essensverteilungsrobotern in Krankenhäusern. Die Hardwarekosten für eine derartige Einrichtung ohne PC betragen ca. 100 Euro.Possible applications The present method is in the area of autonomously navigating vacuum cleaners to food distribution robots in hospitals. The hardware costs for such a device without a PC are about 100 euros.

Eine Bildaufnahme kann selbstverständlich nicht nur in Luft, sondern beispielsweise auch unter Wasser, bei Nebel oder in sehr verstaubten Räumen erfolgen. Sofern eine effiziente akustische Ankopplung in den Erdboden möglich ist, kann mit dem vorliegenden Verfahren auch im Boden gemessen werden. Eine Ankopplungsmöglichkeit ist durch Wasser in einem Behälter und/oder durch ein Gel möglich. Aufgrund der höheren Schallgeschwindigkeit ist für eine derartige Anwendung eine höhere Ultraschallfrequenz von Vorteil. Natürlich kann bei Verwendung einer entsprechend hohen Frequenz auch ein akustisches Schnittbild durch biologisches Gewebe, z. B. in Wasser, ermittelt werden. Dies stellt im Vergleich zu klassischen Ultraschall-Arrays für derartige Anwendungen eine sehr kostengünstige Lösung dar.A Image acquisition can of course not only in the air, but also under water, for example Mist or in very dusty rooms respectively. Provided an efficient acoustic coupling in the ground possible can also be measured in the soil using the present method become. A docking possibility is by water in a container and / or by a gel possible. Due to the higher speed of sound is for such an application is higher Ultrasonic frequency of advantage. Of course, when using a correspondingly high frequency also an acoustic sectional image through biological tissue, z. In water. This represents compared to classic Ultrasonic arrays for such Applications a very cost effective solution represents.

In allen Fällen kann durch eine zusätzliche Bewegung der Sende- und Empfangseinrichtung in Längsrichtung der Drehachse oder durch eine weitere Drehung um eine horizontale Achse (senkrecht zur bisherigen Drehachse) in Verbindung mit einer komplexen 3D-Addition der 2D-Daten ein 3D-Bild in gleicher Weise wie das oben beschriebene 2D-Bild errechnet werden.In all cases can through an additional Movement of the transmitting and receiving device in the longitudinal direction of the axis of rotation or by a further rotation about a horizontal axis (vertical to the previous axis of rotation) in conjunction with a complex 3D addition the 2D data a 3D image in the same way as the one described above 2D image can be calculated.

Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Kombination von SAR mit dem vorliegenden Fledermaus-Ortungsverfahren, wobei das SAR-Verfahren oder das Fledermaus-Ortungsverfahren für die Bestimmung der Hindernislagen im Azimutwinkel in der Drehfläche Verwendung finden und das Fledermaus-Ortungsverfahren zur Bestimmung der Höhenwinkel zur Drehfläche eingesetzt wird. Dazu werden mindestens zwei Empfänger so angeordnet, dass der Höhenwinkel aus der Laufzeitdifferenz bestimmbar ist.A another possibility consists of a combination of SAR with the present bat locating method, the SAR method or the bat locating method for the determination find the obstruction positions in the azimuth angle in the turning surface use and that Bat locating method used to determine the elevation angle to the rotating surface becomes. For this purpose, at least two receivers are arranged so that the elevation angle can be determined from the transit time difference.

Grundsätzlich können anstelle einer Drehbewegung selbstverständlich auch andere Bewegungsformen zur 2D- oder 3D-Ortung im Raum angesetzt werden. Weiterhin kann anstelle einer Drehbewegung eine Messung gemäß dem vorliegenden Verfahren zur 2D- oder 3D-Ortung auch mit einer Reihe von im Kreis angeordneten stationären Einzelmessköpfen, d. h. einzelnen Sende- und Empfangseinrichtungen, durchgeführt werden.Basically, instead of a rotary motion of course Other forms of motion for 2D or 3D location in space are used. Furthermore, instead of a rotational movement, a measurement according to the present Method for 2D or 3D location also with a series of in a circle arranged stationary Individual measuring heads, d. H. individual transmitting and receiving devices are performed.

4 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung zur 3D-Ortung gemäß dem vorliegenden Verfahren in Seitenansicht und Draufsicht. Die Vorrichtung umfasst einen Ultraschall-Sender 13 und drei Ultraschall-Empfänger 14a, 14b und 14c, die auf einem Dreharm 15 befestigt sind. Der Dreharm ist mit einem Modellbauservomotor 16 verbunden, der die Einrichtung über einen Winkelbereich von 180° schwenken kann. Der Abstand der Frontfläche der durch die Ultraschallsender und Ultraschallempfänger gebildeten Sende-Empfangseinrichtung zur Drehachse beträgt etwa 0,14 m. Die Einrichtung befindet sich einschließlich der Elektronik 17 und erforderlichen Netzteilen in einem Kunststoffgehäuse 18 der in der Figur erkennbaren Form. In dem Bereich, in dem Schall ein- und austreten soll ist das Gehäuse 18 mit einer weißen Folie 19 bedeckt. Im linken unteren Teil der Figur ist die Sende-Empfangseinrichtung mit den Ultraschallwandlern in vorderseitiger Ansicht dargestellt. Durch die nicht kollineare Anordnung der drei Ultraschall-Empfänger 14a, 14b und 14c lässt sich mit dieser Vorrichtung eine 3D-Ortung vornehmen. 4 shows an example of a device for 3D location according to the present method in side view and top view. The device comprises an ultrasonic transmitter 13 and three ultrasound receivers 14a . 14b and 14c on a swivel arm 15 are attached. The rotary arm is with a model making servomotor 16 connected, which can pivot the device over an angular range of 180 °. The distance of the front surface of the transmitting and receiving device formed by the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver to the axis of rotation is about 0.14 m. The facility is located including the electronics 17 and required power supplies in a plastic housing 18 the recognizable shape in the figure. In the area in which sound is to enter and exit is the housing 18 with a white foil 19 covered. In the lower left part of the figure, the transceiver with the ultrasonic transducers is shown in front view. Due to the non-collinear arrangement of the three ultrasonic receivers 14a . 14b and 14c can be done with this device, a 3D location.

5 zeigt schließlich ein Beispiel für die Elektronik 17, die in der vorliegenden Vorrichtung eingesetzt werden kann. Die Elektronik besteht aus einem HCS12-Mikrocontroller-Board 20, vier Verstärkern 21 mit den angegebenen Verstärkungsfaktoren, von denen drei identisch sind, und einem Transistor 22 zum treiben des Steuereingangs des Servomotors. Die Verstärker sollten eine Bandbreite von mindestens 200 kHz haben und die angegebene Verstärkung besitzen. Die Verstärkerausgänge müssen AC-gekoppelt sein und für die PAD-Eingänge auf einen DC-Pegel von 2,5 Volt gebracht werden (Spannungsteiler + Koppelkondensator). Zum Treiben des Senders 13 ist nur wenig Leistung erforderlich. Es ist zu beachten, dass der DAC1-Ausgangsbereich von 0 bis 4096 mV reicht. Das Board ist über eine USB 2.0-Verbindung mit einem Laptop verbunden, der die Signalverarbeitung und Bildanzeige übernimmt. 5 finally shows an example of the electronics 17 which can be used in the present device. The electronics consists of an HCS12 microcontroller board 20 , four amplifiers 21 with the specified gain factors, three of which are identical, and one transistor 22 for driving the control input of the servomotor. The amplifiers should have a bandwidth of at least 200 kHz and have the specified gain. The amplifier outputs must be AC coupled and brought to a DC level of 2.5 volts for the PAD inputs (voltage divider + coupling capacitor). To drive the transmitter 13 little power is required. It should be noted that the DAC1 output range is from 0 to 4096 mV. The board is connected via a USB 2.0 connection to a laptop that handles signal processing and image display.

Die Vorrichtung kann in Verbindung mit einem PC Ultraschalldaten aufnehmen und daraus ein zweidimensionales oder räumliches Ultraschallbild erzeugen. Dazu wird die Sende-Empfangseinrichtung gedreht, während gleichzeitig Ultraschallsignale gesendet und die reflektierten Signale aufgenommen werden. Die Winkelauflösung des Servomotors 16 beträgt etwa 1° bei einem Gesamtwinkelbereich von 180°, so dass maximal 180 Scans für eine Messung durchgeführt werden können. Die Messzeit bei 180 Scans beträgt etwa 5 bis 15 Sekunden bei einer Abtastzeit T von 10^–5 s. Die Messentfernung dx pro Sende- bzw. Empfangstakt des eingesetzten Mikroprozessors beträgt dann dx = c/2*T (c: Schallgeschwindigkeit).The device may record ultrasound data in conjunction with a personal computer and generate a two-dimensional or spatial ultrasound image therefrom. For this purpose, the transceiver is rotated while transmitting ultrasonic signals and the reflected signals are recorded. The angular resolution of the servomotor 16 is about 1 ° with a total angular range of 180 °, so that a maximum of 180 scans can be performed for one measurement. The measurement time for 180 scans is about 5 to 15 seconds with a sampling time T of 10 ^-5 s. The measurement distance dx per transmit or receive clock of the microprocessor used is then dx = c / 2 * T (c: speed of sound).

Die folgenden Programmlistings zeigen ein Beispiel für die Auswertung der erhaltenen komplexen Korrelationssignale mit dem 2D-SAR-Algorithmus sowie mit dem 2D-Fledermaus-Algorithmus, jeweils ohne Signalvorverarbeitung für die Kompensation der Übertragungsfunktion sowie Korrelation im Optimalfilter (ca. 600 FFTs), als C-Code.The The following program listings show an example of the evaluation of the received complex correlation signals with the 2D SAR algorithm and with the 2D bat algorithm, each without signal preprocessing for the Compensation of the transfer function as well as correlation in the optimal filter (about 600 FFTs), as C code.

2D-SAR-Algorithmus2D SAR algorithm

zmax: max. Zahl der scans (hier 170)zmax: max. Number of scans (here 170)
mm: Reduktionsfaktor (jeder mm-te Scan wird zur Berechnung genommen)mm: reduction factor (every mm-th scan is taken into account)
Wz[z]: Array, das die Winkelpositionen des Dreharms in Abhängigkeit von der scan-Nummer enthältWz [z]: Array representing the angular positions of the rotary arm in dependence from the scan number contains
LL: Armlänge des Dreharms (hier: 0.135 m)LL: arm length the rotary arm (here: 0.135 m)
pmax,qmax: Größe des Bildes in Pixel (hier: 400/200)pmax, qmax: size of the image in pixels (here: 400/200)
dx: Pixel-Auflösung (hier: 0.015 m)dx: pixel resolution (here: 0.015 m)
winkA[z][p][q]: Array, das die Werte der Berechnung vonwinkA [z] [p] [q]: Array containing the values of the calculation of
ww=atan((xpos-xE)/(ypos-yE)) in Abhängigkeit von z,p,q enthältww = atan ((xpos-xE) / (ypos-yE)) as a function of z, p, q
anglesar: Maximalwinkel bei SAR (hier 1.0 rad)anglesar: maximum angle at SAR (here 1.0 rad)
kaA[z][p][q] : ]: Array, das die Werte der Berechnung vonkaA [z] [p] [q]:]: Array that evaluates the values of
ka=2.0*sqrt((ypos-yE)*(ypos-yE)+(xpos-xE)*(xpos-xE))/(c*T) enthältka = 2.0 * sqrt ((ypos-yE) * (ypos-yE) + (xpos-xE) * (xpos-xE)) / (c * T)
c: Schallgeschwindigkeit (hier. 330 m/s)c: sound velocity (here 330 m / s)
T: Abtastperiode (hier: 1e-5 s)T: sampling period (here: 1e-5s)
KdataB[k][jz]: Betrag der komplexen Korrelation zur Zeit k*T im Scan jzKdataB [k] [jz]: Amount of complex correlation at time k * T in the jz
KdataW[k][jz]: Argument der komplexen Korrelation zur Zeit k*T im Scan jzKdataW [k] [jz]: argument of complex correlation at time k * T in the jz

Dieser Teil des Algorithmus führt eine gewichtete, komplexe Mittelung aus

BR[p][q]: Realteil der Bilddaten
BI[p][q]: Imaginärteil der Bilddaten

This part of the algorithm performs a weighted, complex averaging

BR [p] [q]: real part of the image data
BI [p] [q]: imaginary part of the image data

Dargestellt wird der Betrag der komplexen Bilddaten

The amount of complex image data is shown

2D-Fledermaus-Algorithmus2D bat algorithm

zmax: max. Zahl der scans (hier 170)zmax: max. Number of scans (here 170)
mm: Reduktionsfaktor (jeder mm-te Scan wird zur Berechnung genommen)mm: reduction factor (every mm-th scan is taken into account)
Wz[z]: Array, das die Winkelpositionen des Dreharms in Abhängigkeit von der scan-Nummer enthältWz [z]: Array representing the angular positions of the rotary arm in dependence from the scan number contains
LL: Armlänge des Dreharms (hier: 0.135 m)LL: arm length the rotary arm (here: 0.135 m)
pmax,qmax: Größe des Bildes in pixel (hier: 400/200)pmax, qmax: size of the image in pixel (here: 400/200)
dx: Pixel Auflösung (hier: 0.015 m)dx: pixel resolution (here: 0.015 m)
anglesfl: Maximalwinkel bei Fledermaus (hier: 0.25 rad)anglesfl: maximum angle at bat (here: 0.25 rad)
dwmax: Maximalwinkel für Darstellung (hier0.4/0.1 für Winkelverbreiterung ausgeschaltet)dwmax: maximum angle for Representation (hier0.4 / 0.1 for Angle widening switched off)
c: Schallgeschwindigkeit (hier: 330 m/s)c: sound velocity (here: 330 m / s)
T: Abtastperiode (hier: 1e-5 s)T: sampling period (here: 1e-5s)
KdataB[k][jz]: Betrag der komplexen Korrelation zur Zeit k*T im Scan jzKdataB [k] [jz]: Amount of complex correlation at time k * T in the jz
BR[p][q] : Betrag der BilddatenBR [p] [q]: amount of image data

Beim 2D-SAR-Algorithmus werden hierzu die Korrelationssignale der beiden Empfänger 14a, 14b getrennt gerechnet und die erhaltenen Bilder aufaddiert.In the case of the 2D SAR algorithm, this is done by the correlation signals of the two receivers 14a . 14b calculated separately and the pictures obtained added.

Beim 2D-Fledermaus-Algorithmus werden die Korrelationssignale der beiden Empfänger 14a, 14b paarweise verarbeitet.In the 2D-Bat algorithm, the correlation signals of the two receivers become 14a . 14b processed in pairs.

Anstelle einer Vorrichtung mit Dreharm können auch mehrere Messköpfe mit den entsprechenden Ultraschallwandlern auf einem Teilkreis stationär angeordnet werden. So können in einer einfachen Ausgestaltung 8 Messköpfe mit jeweils zwei Ultraschallempfängern 14a, 14b und einem Ultraschallsender 13 auf einem Halbkreis angeordnet sein. Jeweils vier der Ultraschallsender 13 werden über FET-Schalter einzeln nacheinander an Digital/Analog-Wandler DAC1 bzw. DAC2 eines Mikroprozessors geschaltet. Die 16 Ultraschallempfänger 14a, 14b sind mit Verstärkern an den PAD-Eingängen 0..15 des Mikroprozessors angeschlossen. Die 8 Sendekanäle werden nacheinander paarweise betrieben, wobei jeweils 2 Ultraschallsender gleichzeitig mit unterschiedlichen Codes senden. Mit dem Fledermaus-Algorithmus kann aus den erhaltenen Korrelationssignalen der 16 Empfangskanäle ein 2D-Bild über 180° berechnet werden. In gleicher Weise lässt sich bei Einsatz eines weiteren Ultraschallempfängers 14c je Messkopf auch ein 3D-Bild erfassen.Instead of a device with rotating arm and several measuring heads with the corresponding ultrasonic transducers can be arranged stationary on a pitch circle. So can in a simple configuration 8th Measuring heads with two ultrasonic receivers each 14a . 14b and an ultrasound transmitter 13 be arranged on a semicircle. Four of the ultrasonic transmitters each 13 are switched via FET switches one by one to digital / analog converters DAC1 and DAC2 of a microprocessor. The 16 ultrasound receivers 14a . 14b are connected to amplifiers at the PAD inputs 0..15 of the microprocessor. The 8 transmission channels are operated sequentially in pairs, with 2 ultrasonic transmitters each transmitting simultaneously with different codes. With the bat algorithm, a 2D image over 180 ° can be calculated from the obtained correlation signals of the 16 receiving channels. In the same way can be when using another ultrasonic receiver 14c also capture a 3D image per measuring head.

Die Messzeit lässt sich durch Einsatz zusätzlicher DACs und digitaler Modulation noch weiter verkürzen, wenn alle Ultraschallsender gleichzeitig mit orthogonalen Codes senden.The Measuring time lets by using additional DACs and digital modulation will further shorten when all the ultrasonic transmitters send simultaneously with orthogonal codes.

Ultraschallsender und Ultraschallempfänger unterscheiden sich in der Regel nicht in ihrem Aufbau, so dass ein Ultraschallsender ohne weiteres auch als Ultraschallempfänger betrieben werden kann und umgekehrt. Durch geeigneten Rollentausch von Sendern und Empfängern bei einer Anordnung mit mehreren Ultraschallwandlern lassen sich Ergebnisse erzielen, für die ansonsten eine größere Anzahl an Ultraschallwandlern erforderlich wäre. Sind beispielsweise n Ultraschallwandler 1, 2, .. n in konstantem Abstand b nebeneinander aufgereiht, so lassen sich durch einen Rollentausch von Sendern und Empfängern Zwischenpositionen bei der Messung erzielen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die virtuelle Sende- und Empfangsposition jeweils in der Mitte zwischen Sender und Empfänger liegt. So liefern beispielsweise die Nutzung von Ultraschallwandler 1 und 2 als Sender und Empfänger die Position b/2, von Ultraschallwandler 1 und 3 als Sender und Empfänger die Position b, von Ultraschallwandler 2 und 3 als Sender und Empfänger die Position 3/2*b, von Ultraschallwandler 2 und 4 als Sender und Empfänger die Position 2*b, usw.As a rule, ultrasound transmitters and ultrasound receivers do not differ in their construction, so that an ultrasound transmitter can also be operated without difficulty as an ultrasound receiver and vice versa versa. By a suitable role replacement of transmitters and receivers in an arrangement with multiple ultrasonic transducers can achieve results that would otherwise require a larger number of ultrasonic transducers. For example, are n ultrasonic transducers 1 . 2 .. n aligned at a constant distance b side by side, so can be achieved by a role exchange of transmitters and receivers intermediate positions in the measurement. This exploits the fact that the virtual transmission and reception position lies in the middle between transmitter and receiver. For example, the use of ultrasonic transducers 1 and 2 as transmitter and receiver position b / 2, of ultrasonic transducers 1 and 3 as transmitter and receiver the position b, of ultrasonic transducers 2 and 3 as transmitter and receiver the position 3/2 * b, of ultrasonic transducers 2 and 4 as transmitter and receiver position 2 * b, etc.

Es lassen sich daher mit n Ultraschallwandlern (n-1)*2-1 Sende- und Empfangspositionen realisieren. Bei nicht äquidistantem Aufbau können weitere Zwischenpositionen erhalten werden.It It is therefore possible to use n ultrasonic transducers (n-1) * 2-1 transmit and receive positions realize. At not equidistant Construction can additional intermediate positions are obtained.

Für den Einsatz bei der Fledermausortung müssen hierbei jeweils zwei benachbarte virtuelle Sende- und Empfangspositionen gleichzeitig gesendet und empfangen werden. So ließen sich beispielsweise mit 16 äquidistanten Positionen im Abstand b/2, d. h. mit 9 Ultraschallwandlern 15 Scan-Paare realisieren.For use in bat location, two adjacent virtual transmit and receive positions must be transmitted and received simultaneously. For example, with 16 equidistant positions at a distance b / 2, ie with 9 ultrasonic transducers 15 Realize scan pairs.

Grundsätzlich erfordert eine Vorrichtung mit wechselnden Rollen von Sendern und Empfängern auf der einen Seite keinen Servomotor und dessen Ansteuerung, auf der anderen Seite jedoch Multiplexer, die die Ultraschallwandler wahlweise an Sende- und Empfangskanäle schalten können. Sende- und Empfangskeulen müssen dabei ausreichend überlappen, so dass eine Mindestanzahl von Ultraschallwandlern erforderlich ist.Basically requires a device with alternating roles of transmitters and receivers on the one side no servomotor and its control, on the other Side, however, multiplexers, the ultrasonic transducers optionally on Transmit and receive channels can switch. Send and receive lobes must overlap sufficiently, so a minimum number of ultrasonic transducers is required is.

6 zeigt für eine Auslegung der Vorrichtung mit n = 16 Ultraschallwandlern die Elektronik mit den zusätzlich erforderlichen Multiplexern 23. Der Durchmesser eines Ultraschallwandlers beträgt D = 0,01 m. Der Radius der Anordnung wird zu D*16/π = 0,0509 m gewählt. Die Ultraschallwandler sind auf einem Halbkreis mit diesem Radius angeordnet. Der Winkel pro Ultraschallwandler ergibt sich daraus zu n/(N*deg) = 11,25°. Der maximale Winkeloffset der Sende- bzw. Empfangskeulen beträgt (n*2)/(N*deg) = 22,5° (0,39 rad). 6 shows for a design of the device with n = 16 ultrasonic transducers the electronics with the additional required multiplexers 23 , The diameter of an ultrasonic transducer is D = 0.01 m. The radius of the array is chosen to be D * 16 / π = 0.0509 m. The ultrasonic transducers are arranged on a semicircle with this radius. The angle per ultrasonic transducer results from this to n / (N * deg) = 11.25 °. The maximum angular offset of the transmit and receive lobes is (n * 2) / (N * deg) = 22.5 ° (0.39 rad).

Damit lassen sich 29 Scan-Paare für die 2D-Fledermaus-Ortung betreiben. Bei Verwendung von weiteren Multiplexern, Analog/Digital-Wandlern und orthogonalen Sendecodes lässt sich eine Reihe von Messungen auch gleichzeitig durchführen, so dass eine Erhöhung der Bilderzeugungsfrequenz möglich wird.In order to can be 29 scan pairs for the 2D bat location operate. When using additional multiplexers, analog / digital converters and orthogonal transmission codes perform a series of measurements simultaneously, so that an increase the image generation frequency possible becomes.

11: Digital/Analog-WandlerDigital / analog converter
22: Verstärkeramplifier
33: Ultraschallsenderultrasonic transmitter
44: Hindernisobstacle
55: Ultraschallempfängerultrasonic receiver
66: Analog/Digital-WandlerAnalog / digital converter
77: Kompensationsfiltercompensating filter
88th: Optimalfiltermatched filter
99: Reglerregulator
1010: weitere SignalverarbeitungFurther signal processing
1111: Betrag der Korrelationsfunktion mit Kompensationsfilteramount the correlation function with compensation filter
1212: Betrag der Korrelationsfunktion ohne Kompensationsfilteramount the correlation function without compensation filter
1313: Ultraschallsenderultrasonic transmitter
14a–c14a-c: Ultraschallempfängerultrasonic receiver
1515: Dreharmrotating arm
1616: Servomotorservomotor
1717: Elektronikelectronics
1818: Gehäusecasing
1919: weiße Foliewhite foil
2020: Mikrocontrollermicrocontroller
2121: Verstärkeramplifier
2222: Transistortransistor
2323: Multiplexermultiplexer

Claims

Verfahren zur Laufzeitmessung mittels Ultraschall, bei dem ein komplexes Sendesignal s(t) erzeugt wird, mit dem zumindest ein Ultraschallsender (13) zum Aussenden eines Ultraschallpulses angesteuert wird, mit zumindest einem Ultraschallempfänger (14a–14c) der Ultraschallpuls nach Durchlaufen einer Übertragungsstrecke empfangen und in ein komplexes Empfangssignal e(t) gewandelt wird, das komplexe Empfangssignal e(t) mit dem komplexen Sendesignal s(t) korreliert wird, um ein komplexes Korrelationssignal K(t) zu erhalten, und das Korrelationssignal K(t) nicht nur nach Betrag sondern auch nach Phase ausgewertet wird, um eine Laufzeit des Ultraschallpulses auf der Übertragungsstrecke zu bestimmen.Method for transit time measurement by means of ultrasound, in which a complex transmission signal s (t) is generated, with which at least one ultrasound transmitter ( 13 ) is driven to emit an ultrasonic pulse, with at least one ultrasonic receiver ( 14a - 14c ) the ultrasonic pulse is received after passing through a transmission path and converted into a complex received signal e (t), the complex received signal e (t) is correlated with the complex transmission signal s (t) to obtain a complex correlation signal K (t), and the correlation signal K (t) is evaluated not only by amount but also by phase to determine a transit time of the ultrasonic pulse on the transmission path.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation des komplexen Empfangssignals e(t) mit dem komplexen Sendesignal s(t) durch Korrelation mit einer komplexen Filterfunktion eines Optimalfilters (8) erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that the correlation of the complex received signal e (t) with the complex transmission signal s (t) by correlation with a complex filter function of an optimal filter ( 8th ) he follows.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das komplexe Empfangssignal e(t) vor der Korrelation mit dem komplexen Sendesignal s(t) über ein digitales Kompensationsfilter (7) geleitet wird, das zur zumindest teilweisen Kompensation einer Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke ausgebildet ist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the complex received signal e (t) before the correlation with the complex transmission signal s (t) via a digital compensation filter ( 7 ), which is designed for at least partial compensation of a transfer function of the transmission path.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Kompensationsfilter (7) zumindest durch Resonanzen des Ultraschallsenders (13) und Ultraschallempfängers (14a–14c) verursachte Polstellen in der Übertragungsfunktion kompensiert.Method according to Claim 3, characterized in that the digital compensation filter ( 7 ) at least by resonances of the ultrasonic transmitter ( 13 ) and ultrasound receiver ( 14a - 14c ) compensated poles in the transfer function.

Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kompensation der Übertragungsfunktion erforderliche Parameter des digitalen Kompensationsfilters (7), insbesondere Resonanzfrequenzen und Güten des Ultraschallsenders (13) und Ultraschallempfängers (14a–14c), bestimmt werden, indem die Parameter rechnerisch variiert werden, bis eine aufgrund einer bestimmten Signalform des Sendesignals zu erwartende Einhüllende des Betrags des Korrelationssignals bestmöglich erreicht wird.A method according to claim 3 or 4, characterized in that for the compensation of the transfer function required parameters of the digital compensation filter ( 7 ), in particular resonance frequencies and qualities of the ultrasonic transmitter ( 13 ) and ultrasound receiver ( 14a - 14c ) can be determined by mathematically varying the parameters until an envelope of the magnitude of the correlation signal which is to be expected on the basis of a specific signal form of the transmission signal is achieved in the best possible way.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Parameter bei jedem Ultraschallpuls oder zumindest in vorgebbaren Intervallen erfolgt.Method according to claim 5, characterized in that that the determination of the parameters at each ultrasonic pulse or at least at predetermined intervals.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal mit einem Frequenzchirp erzeugt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized the transmission signal is generated with a frequency chirp.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei voneinander beabstandete Ultraschallempfänger (14a–14c) oder Ultraschallsender (13) eingesetzt werden, um zumindest zwei Korrelationssignale zu erhalten, und die Korrelationssignale nach Betrag und Phase unter. Berücksichtigung von bekannten relativen Positionen der ein oder mehreren Ultraschallsender (13) und Ultraschallempfänger (14a–14c) zur Ortung von Objekten vor den ein oder mehreren Ultraschallsender(n) (13) ausgewertet werden.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least two mutually spaced ultrasonic receiver ( 14a - 14c ) or ultrasonic transmitter ( 13 ) are used to obtain at least two correlation signals, and the correlation signals below magnitude and phase below. Consideration of known relative positions of the one or more ultrasonic transmitters ( 13 ) and ultrasonic receiver ( 14a - 14c ) for locating objects in front of the one or more ultrasound transmitters (s) ( 13 ) be evaluated.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Ultraschallempfänger (14a–14c) und ein Ultraschallsender (13) eingesetzt werden, wobei der Ultraschallsender (13) in der Mitte zwischen den beiden Ultraschallemfpängern (14a–14c) angeordnet wird.Method according to claim 8, characterized in that at least two ultrasonic receivers ( 14a - 14c ) and an ultrasonic transmitter ( 13 ), wherein the ultrasonic transmitter ( 13 ) in the middle between the two ultrasonic receivers ( 14a - 14c ) is arranged.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ultraschallemfpänger (14a–14c) nur wenige Zentimeter, insbesondere ≤ 10 cm, voneinander beabstandet angeordnet werden.Method according to claim 9, characterized in that the two ultrasonic receivers ( 14a - 14c ) are arranged only a few centimeters, in particular ≤ 10 cm, spaced from each other.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Winkellagen der Objekte relativ zu einer Referenzrichtung aus Phasendifferenzen der komplexen Anteile der Korrelationssignale ermittelt werden.Method according to one of claims 8 to 10, characterized that angular positions of the objects relative to a reference direction Phase differences of the complex components of the correlation signals be determined.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bewegung eines Trägers, auf dem die ein oder mehreren Ultraschallempfänger (14a–14c) und Ultraschallsender (13) befestigt sind, bei gleichzeitiger Ortung von Objekten Ecken oder Kanten an Objekten oder Wänden als Referenzpunkte für eine Navigation genutzt werden.Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that during a movement of a carrier on which the one or more ultrasonic receivers ( 14a - 14c ) and ultrasonic transmitters ( 13 ), while locating objects corners or edges on objects or walls are used as reference points for navigation.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Ultraschallsender (13) und Ultraschallempfänger (14a–14c) in einer Erfassungsebene um eine senkrecht zur Erfassungsebene verlaufende gemeinsame Achse gedreht werden, während Laufzeitmessungen durchgeführt werden, um einen größeren Raumbereich bei der Ortung zu erfassen.Method according to one of claims 8 to 12, characterized in that the one or more ultrasonic transmitter ( 13 ) and ultrasonic receiver ( 14a - 14c ) are rotated in a detection plane about a common axis extending perpendicular to the detection plane while running time measurements are taken to detect a larger spatial area in the location.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ortung Ankerpunkte ermittelt werden, die bei einem gleichzeitig eingestzten SAR-Verfahren zur Phasenkorrektur genutzt werden.Method according to one of claims 8 to 13, characterized that by locating anchor points are determined, which at a simultaneously used SAR method for phase correction can be used.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einem SAR-Verfahren kombiniert wird, um eine dreidimensionalen Ortung der Objekte durchzuführen, wobei das Verfahren zumindest zur Bestimmung eines Höhenwinkels der Objekte eingesetzt wird.Method according to one of claims 8 to 13, characterized that the method is combined with a SAR method to obtain a perform three-dimensional positioning of the objects, the method at least for determining an elevation angle the objects is used.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Ultraschallempfänger (14a–14c) oder Ultraschallsender (13) eingesetzt und nicht kollinear angeordnet werden, um zumindest drei Korrelationssignale zu erhalten, die nach Betrag und Phase zur dreidimensionalen Ortung der Objekte ausgewertet werden.Method according to one of claims 8 to 13, characterized in that at least three ultrasonic receivers ( 14a - 14c ) or ultrasonic transmitter ( 13 ) are used and not collinearly arranged to obtain at least three correlation signals, which are evaluated in magnitude and phase for the three-dimensional location of the objects.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Translationsbewegung der ein oder mehreren Ultraschallsender (13) und Ultraschallempfänger (14a–14c) senkrecht zu einer Ebene, in der eine 2D-Ortung der Objekte mit den ein oder mehreren Ultraschallsendern (13) und Ultraschallempfängern (14a–14c) durchgeführt wird, oder über eine Drehung um eine gemeinsame in dieser Ebene verlaufende Achse eine dreidimensionale Ortung der Objekte erfolgt.Method according to one of claims 8 to 13, characterized in that via a translational movement of the one or more ultrasonic transmitter ( 13 ) and ultrasonic receiver ( 14a - 14c ) perpendicular to a plane in which a 2D-location of the objects with the one or more ultrasound transmitters ( 13 ) and ultrasonic receivers ( 14a - 14c ), or a rotation about a common axis extending in this plane results in a three-dimensional location of the objects.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich das komplexe Sendesignal s(t) aus einem Chirp als Realteil und dem identischen, um 90° phasenverschobenen Chirp als Imaginärteil zusammen setzt.Method according to one of claims 1 to 16, characterized that the complex transmission signal s (t) consists of a chirp as a real part and the identical, 90 ° out of phase Chirp as an imaginary part put together.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Abstandsmessung.Method according to one of claims 1 to 7 for distance measurement.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit.Method according to one of claims 1 to 7 for measuring a Flow rate.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Messung der Temperatur.Method according to one of claims 1 to 7 for measuring the Temperature.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18 zur akustischen Hinderniserkennung.Method according to one of claims 8 to 18 for acoustic Obstacle detection.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18 zur Navigation in einem Raum.Method according to one of Claims 8 to 18 for navigation in a room.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18 zur Raumüberwachung.Method according to one of claims 8 to 18 for room monitoring.