DE2513143C3

DE2513143C3 - Geschwindigkeitsmeßgerät

Info

Publication number: DE2513143C3
Application number: DE2513143A
Authority: DE
Inventors: Kageyoshi Tokio Katakura
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1975-03-25
Publication date: 1978-06-22
Also published as: JPS50129063A; DE2513143A1; FR2274921B1; DE2513143B2; FR2274921A1; US3953823A

Description

Ein nach dem Dopplerverfahren arbeitendes Geschwindigkeitsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der amerikanischen Zeitschrift »IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics«, Bd. Su-17, Nr. 3 (Juli 1970), Seiten 170 bis 185 bekannt. Derartige Geräte werden beispielsweise zur Messung der Blutstiömungsgeschwindigkeit benutzt.

Bei dem bekannten Geschwindigkeitsmeßgerät besteht die Schwierigkeit, daß sich am Empfangswandler den gesuchten Signalen, die von einem gewünschten Ziel (dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll) reflektiert werden, weitere Signale überlagern, deren Laufzeit ein ganzzahliges Vielfaches der Laufzeit der gesuchten Signale beträgt, die aber von unerwünschten Stellen reflektiert werden und daher Störsignale bilden. > Dies gilt in besonderem Maße auch dann, wenn das gewünschte Ziel verhältnismäßig weit von den Wandlern entfernt ist; in diesem Fall überlagern sich phasengleiche Störsignale von entsprechend näher gelegenen Reflektionsstellen, wobei die Amplitude der κι Störsignale in diesem Fall sogar größer ist als die der Nutzsignale. Das bekannte Gerät ist daher zur Messung entfernterer Ziele praktisch unbrauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Störsignale von unerwünschten Reflektionsstellen selbst dann i'i unschädlich zu machen, wenn sie sich dem Nutzsignal phasengleich überlagern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Danach werden die auszusendenden Signale in einem zufallsver- -'Ii teilten Rhythmus in ihrer Polarität umgeschaltet, wobei an den reflektierten und empfangenen Signalen ebenfalls eine Polaritätsumschaltung im gleichen Rhythmus, aber um die der gewünschten Meßtiefe entsprechende Laufzeit verzögert, erfolgt. AUe Echosignale, die _'Ί um eine andere als diese Laufzeit verzögert und daher als Störsignale aufzufassen sind, lassen sich dabei durch Mittelwertbildung eliminieren. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Messung des jeweils gewünschten Ziels unabhängig von seiner Entfernung von dem Meßgerät in erhöht.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild mit dem Senderteil eines ;> Geschwindigkeitsmeßgeräts,

F i g. 2 ein Impulsdiagramm der an verschiedenen Punkten der Schaltung nach F i g. 1 auftretenden Signale,

F i g. 3A die räumliche Lage zwischen den Wandlern 4(i und verschieden weit entfernten Reflektionsstellen,

F i g. 3B ein Impulsdiagramm der an den Wandlern nach F i g. 3A auftretenden Signale,

F i g. 4 ein Blockschaltbild für eine erste Ausführungsform des Empfängerteils des Geschwindigkeitsmeßge-4"> räts,

F i g. 5 ein Impulsdiagramm der an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig.4 auftretenden Signale,

F i g. 6 ein Impulsdiagramm de» Ausgangssignals des )ii in der Schaltung nach Fig.4 enthaltenen Phasenkomparator und

Fig. 7 und 8 Blockschaltbilder für andere Ausführungsformen des Empfängerteils.

In dem Senderteil nach Fig. 1 erzeugt ein Signal-Vi generator bzw. der Hauptoszillator 1 ein kontinuierliches Sinus-Signal, dessen Frequenz im Normalfalle ungefähr bei 2 bis 5 MHz liegt. Ein Teil dieses von dem Hauptoszillator 1 ausgehenden Signals wird zu einem Signalgenerator 3 geleitet. Der Signalgenerator 3 Wi enthält einen Welligkettszähler, der die Frequenz des Hauptoszillaiors zu einer Impulswiederholungsfrequenz unterteilt, sowie digitale logische Schaltungen. Der Signalgenerator 3 erzeugt einen Impulszug, wie er in der Zeile (a) von F i g. 2 dargestellt ist. Dieser Impulszug ist h") mit dem Sinus-Signal von dem Hauptoszillator synchronisiert. Die Breite I eines Impulses in dem ImpuK/iig beträgt annähernd 4 ns. Der andere Teil des vor, dem Hauptos/illator 1 ausgehenden Sinus-Signals sowie ein

Teil des Jmpulszugs (a) werden einer Entfernungstorschaltung 2 zugeführt, die beispielsweise aus Dioden aufgebaut ist Die Entfernungstorschaltung 2 erzeugt einen gepulsten Sinuswellenzug, wie er in der Zeile (b) von F i g. 2 dargestellt ist. Aus Gründen utr Vereinfa- ~> chung ist jede gepulste Sinusweile lediglich über eine Wellenlänge dargestellt In der Praxis sind dies jedoch mehrere Sinuswellen, wobei die Anzahl gleich der Wellenzahl des Intervalls t von jedem Impuls ist.

Der andere Teil des von dem Signalgenerator 3 in ausgehenden Impulszuges (a) wird einem Zufallssignalgenerator 4 zugeführt, der einen Impulszug erzeugt, wie er in der Zeile (c) von F i g. 2 dargestellt ist. In diesem Impulszug werden in unregelmäßigen Intervallen Elementarimpulse erzeugt, wie beispielsweise ein r. M-Folgecode, wobei die Anstiegs- und die Abfallpunkte jedes unregelmäßigen Elementarimpulses mit den Impulsen des Impulszuges fa^synchronisiert sind.

Der unregelmäßige Impulszug (c) und der gepulste Sinuswelien-Zug (ty werden einem Polaritätsumschalter 5, wie beispielsweise einem Gegentaktmodulator, zugeführt, der einen weiteren gepulsten Sinuswellenzug (d) erzeugt. Die Polaritäten des gepulsten Sinuswellenzugs (d) sind entsprechend den Polaritäten des unregelmäßigen Impulszugs (c) in unregelmäßiger r> Weise umgekehrt.

Das elektrische Ausgangssignal des Polaritätsumschalters 5, d. h. der unregelmäßige gepulste Sinuswellenzug (d), wird einem elektroakustischen Senden andler 6 zugeleitet, der beispielsweise von einem PZT-(Blei- v\ Zirkonat-Titanat-)Bauelement gebildet sein kann, und zu dem zu messenden Ziel bzw. Ortungsobjekt dte gepulste Ultraschallwelle ausgesandt.

Die F i g. 3A und 3B zeigen die relativen Lagen zwischen den Wandlern 6 und 7 und einer Mehrzahl von π stationären Zielen bzw. Ortungsobjekten sowie empfangene Signale bzw. zurückgekehrte Echos.

Man erkennt aus Fig. 3A, daß der Sendewandler 6 und der Empfangswandler 7 an der gleichen Stelle angeordnet sind, während drei reflektierende Ziele bzw. w Ortungsobjekte A, B und C in Entfernungen von den Wandlern angeordnet sind, welche durch dA, dB und dC wiedergegeben werden.

Fig.3B zeigt die zeitlichen Beziehungen zwischen einer gepulsten Ultraschallwelle (d), die von dem -r, Sendewandler 6 ausgesandt wird und den drei Echos, die von den drei Zielen bzw. Ortungsobjekten A, B und C reflektiert werden. Die drei Echos eA, eg und ecsind aus Gründen einer klareren Darstellung getrennt wiedergegeben, während sie in Wirklichkeit überlagert sind. -,< >

Man kann aus F i g. 3A entnehmen, daß die drei Echos e^, es und er Verzögerungszeiten aufweisen, welche den Übertragungszeiten für den Hin- und Herweg, d. h. der Gesamtlaufzeit, entsprechen und durch die Beziehungen

2dA 2dß , 2dC

-ρ-, _Ύ und —

Li L₁ L₁

wiedergegeben werden. G bedeutet hierbei die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle in dem in Frage t,<> stehenden Medium.

F i g. 4 zeigt ein Blockdiagramm des Empfängerteiles dieses Geschwindigkeitsmeßgeräts. Bei diesen Ausführungsbeispielen werden die Echos, wie beispielsweise ti, cn und ty, von einem Empfangswandlcr 7 ermittelt „-, und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Empfangswandler 7 ist als entsprechendes Kästchen in F ig. 3A dargestellt. ' ~ C,

Das Ausgangssignal des Empfangswandlers 7 wird von einem Verstärker 8 verstärkt und zu Torschaltungen 9 geleitet, deren Aufbau ähnlich ist wie der Aufbau der Torschaltungen 2 in F i g. 1.

Zur Ansteuerung der Torschaltung 9 wird der von dem Signalgenerator 3 kommende Impulszug der Torschaltung 9 über eine Verzögerungsschaltung 10 zugeführt, welche eine vorbestimmte Laufzeit τ aufweist. Die Laufzeit τ entspricht der Übertragungsr^eit für den Hin- und Herweg zu und von dem zu messenden Ziel bzw. Ortungsobjekt.

Das Ausgangssignal der Torschaltung 9 wird einem Polaritätsumschalter 11 zugeführt, der entsprechend aufgebaut ist wie der Polaritätsumschalter 5 von Fig. 1. Diesem Polaritätsumschalter wird auch der unregelmäßige Impulszug, der von dem Generator 4 in dem Senderteil ausgeht, über eine Verzögerungsschaltung 12 zugeführt, die die gleiche Lauftzeit τ und den gleichen Aufbau wie die Verzögerungsschaltung 10 aufweist.

Der Aufbau und der Betrieb des Polaritätsumschalters 11 sind ähnlich wie beispielsweise bei Gegentaktmodulatoren.

Das Ausgangssignal des Polaritätsumschalters 11 wird einem Phasenkomparator 13 zugeführt und mit dem gepulsten Sinuswellenzug verglichen, der von dem Hauptoszillator 1 in dem Senderteil erzeugt wird. Der Ausgang des Phasenkomparators 13 wird einem Frequenzanalysator 4 zugeführt, der beispielsweise aus einer Mehrzahl von Bandpaßfiltern aufgebaut ist, von denen jedes eine unterschiedliche Mittelfrequenz aufweist, wobei diese parallel miteinander verbunden sind. Durch Messung des Ausgangssignals des Frequenzanalysator kann die erwünschte Geschwindigkeit des der Messung unterworfenen Ziels bzw. Ortungsobjekts durch herkömmliche Einrichtungen gemessen werden.

Aus der folgenden Erläuterung im Zusammenhang mit Fig. 5 werden der Betrieb des Geschwindigkeitsmeßgeräts und die mit ihm erzielten Vorteile ersichtlich.

Zunächst soll der Grund erläutert werden, warum das oben beschriebene Geschwindigkeitsmeßgerät die Geschwindigkeit des speziell festgelegten, der Messung zu unterziehenden Ziels bzw. Ortungsobjekts trotz der Tatsache feststellen kann, daß an verschiedenen Lagen verschiedene Ziele bzw. Ortungsobjekte liegen, die in F i g. 3A mit A, ßund Cangedeutet sind.

Aus Gründen der Vereinfachung soll die folgende Erläuterung lediglich den Fall betreffen, daß alle Ziele bzw. Ortungsobjekte in Ruhe sind, wobei jedoch festgehalten werden soll, daß der Betrieb und die Gründe für dessen Durchführbarkeit auch für den Fall von sich bewegenden Zeilen bzw. Ortungsobjekten gelten.

Es sei angenommen, daß die drei Ziele A, ßund C, die in Fig. 3A dargestellte Anordnung aufweisen, d. h., daß der Abstand dCzweimal so groß ist wie der Abstand dA und daß das Ziel A gemessen werden soll. Man erhält dann als Ausgangssignal des Empfangswandlers 7 bzw. des Verstärkers 8 das in F i g. 5 in der Zeile (e) dargestellte Signal. Dieses Signal entspricht den Echosignalen e*, esund er, die auf dergleichen Zeitskala überlagert sind. Das Echosignal (e) wird von einem Torimpulszug (f) in der Torschaltung 9 entfernungsmäßig Betastet. Der Torimpulszug (7]) wird, wie vorstehend beschrieben, von dem Signalgenerator 3 dadurch erzeugt, daß man den Inipulszug (a) um die Zeit 2dA

verzögert. Es können daher lediglich die

Echokomponenten e-i und e₍, die mit dem Torimpulszug synchronisiert sind, durch die Torschaltung hindurchtreten, während das Echo en, das mit dem Torimpulszug (f) nicht synchronisiert ist, entfernt wird

Es ist jedoch, wie vorstehend beschrieben, noch immer eine unerwünschte, von dem Ziel C zurückgestreute Echokomponente e< in dem Ausgangssignal der Torschaltung 9 enthalten. Diese unerwünschte Echokomponente e₍ wird in folgender Weise entfernt.

Das Ausgangssignal der Torschaltung 9 wird dem Polaritätsumschalter 11 zugeführt, welcher die Polarität des Eingangssignals derart ändert, daß die Polarität des als Eingangssignal ankommenden gepulsten Sinuswellenzugs während der Impulszeit T von der Verzögerungsschaltung 12 umgekehrt wird. Die Polarität der Ausgangssignale, weiche den Echokomponenten c^ >, eAi, ec\ und e« entsprechen, werden daher von dem Polaritätsumschalter 11 umgekehrt. Die Ausgangssignale, welche den Echos e.^ und e< entsprechen, sind in Fig.5 als hfi, und hc dargestellt. Sie sind aus Übersichtlichkeitsgründen getrennt wiedergegeben, während sie selbstverständlich in der Praxis auf der gleichen Zeitachse überlagert sind.

Man erkennt, daß jede Phase der gepulsten Sinuswelle Λ* die gleiche ist, daß jedoch die gepulste Sinuswelle hc in unregelmäßiger Weise geändert wird. Wenn die Signale Jia und /i₍ mit den gepulsten sinusförmigen Bezugssignal, das von dem Hauptoszillator 1 kommt, verglichen werden, erfolgt eine Umformung der Signale A* und Ac in Impulszüge /4 und ic, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind. Die Amplituden dieser Impulszüge ia und /c-sind zu den Signalamplituden von h_A bzw. h( und zu der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen /u-tc und der Standard-Sinusweile, proportional.

Der Mittelwert des Impulszuges A^ weist während eines festen Zeitintervalls einen bestimmten Wert auf, während der Mittelwert des Impulszuges Ar=O wird. Dies bedeutet, daß das Ausgangssignal, das der unerwünschten Echokomponente ^entspricht,entfernt ist.

Die vorstehende Beschreibung war unter der Vereinfachung erfolgt, daß die Ziele bzw. Ortungsobjekte A, Bund Cin Ruhe sind, wobei gezeigt wurde, daß der Einfluß von unerwünschten Echos ausgeschieden werden kann. In Wirklichkeit lassen sich diese auf ruhende Objekte zurückzuführenden Echos in einfacher Weise mittels eines digitalen Kerbfilters entfernen.

Für den Fall, daß die Ziele bzw. Ortungsobjekte, welche Echos reflektieren, sich bewegen, wird die Frequenz der Echos der Geschwindigkeit der Ziele bzw. Ortungsobjekte entsprechend geändert. Es erscheint daher eine Phasendifferenz zwischen dem sinusförmigen Bezugssignal, das von dem Hauptoszillator 1 ausgeht, und dem Ausgangssginal, das dem von dem Ortungsobjekt A ausgehenden Echo entspricht, für das die Messung durchgeführt werden soll. Dies ist in F i g. 6 bei ja wiedergegeben. Dieser Impulszug entspricht dem Impulszug Ia von F i g. 5. Die strichlierte Linie K von F i g. 6, welche die Umhüllende der Impulse liefert, stellt eine Sinuswelle dar. Die Frequenz /!/dieser Sinuswelle hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sich das Ortungsobjekt A bewegt, d. h. von der Dopplerverschiebung.

Die folgende Beziehung zwischen der Frequenz / eines Bezugs-Sinussignals, der Dopplerverschiebung Af, einer radialen Geschwindigkeit ν des sich bewegenden Ortungsobjekts A und der Schallgeschwindigkeit Ci in dem Medium ist allgemein bekannt:
I /C₁

Die die Werte von G und f im vorhinein festliegen, läßt sich die Geschwindigkeit ν des sich bewegenden Ortungsobjekts A aus der Feststellung des Wertes von Af bestimmen.

in Demgegenüber weist das Ausgangssignal oder der Impulszug ic, der dem unerwünschten, auf das Ortungsobjekt C zurückzuführenden Echo entspricht, eine unregelmäßige Polarität auf, was durch y₍ in F i g 6 dargestellt ist, und zwar unabhängig davon, ob sich das

* Ortungsobjekt C bewegt oder nicht.

Wenn das Ausgangssignai des Phasenkomparator 13 von dem eine Vielzahl von Bandpaßfiltern enthaltenden Frequenzanalysator 14 gefiltert wird, lassen sich daher lediglich diejenigen Komponenten feststellen, die eine

21) Frequenz von Af aufweisen. Die dem Impulszug /< entsprechenden Komponenten treten andererseits an den Ausgangsanschlüssen der Filter nicht auf, da sie keine feste Frequenzkomponente haben.

Die Geschwindigkeit des Ortungsobjektes A läßt sich

2-, in einfacher Weise unter Verwendung eines Rechners oder durch eine Anzeige auf einer Kathodenstrahlröhre ermitteln.

Fig. 7 zeigt einen Empfängerteil in einer anderen Ausführungsform des Geschwindigkeitsmeßgeräts. Bei

in dieser Ausführungsform entsprechen die Bauelemente und deren Betrieb, mit Ausnahme des Bezugssignal-Oszillators 16, grundsätzlich den mit den gleichen Bezugszeichen versehenen Bauelementen von Fig.4. Eine ins einzelne gehende Erläuterung derselben kann

j-, daher unterbleiben.

Da das Bezugssignal bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform von dem Hauptoszillator 1 abhängt, ist die Frequenz des Bezugssignals annähernd die gleiche wie diejenigen des Sinus-Signals am Ausgang

au des Hauptoszillators 1. Es ist daher unmöglich, die Bewegungsrichtung des Ziels bzw. Ortungsobjektes festzustellen, d. h. festzustellen, ob sich das Ortungsobjekt nähert oder entfernt. Das Bezugssignal der in F i g. 7 dargestellten Ausführungsform ist unabhängig

j-, vom Oszillator, wobei seine Frequenz etwas höher ist als diejenige des Hauptoszillators 1, und zwar um eine feste Frequenz F, die beispielsweise ungefähr 5 kHz beträgt.

Es sei angenommen, daß die Frequenz der Doppler-

-)ii verschiebung Af beträgt Die Frequenz des Ausgangssignals von dem Frequenzanalysator wird somit als F±Af festgestellt. Das Vorzeichen (±) zeigt die Bewegungsrichtung von dem Ortungsobjekt, für das die Messung durchgeführt wird.

r> Es gelingt daher, die Geschwindigkeit des Ortungsobjekts zu messen, indem man die Frequenzverschiebung 4/VOn der Frequenz F feststellt Die Bewegungsrichtung des Ortungsobjekts läßt sich dadurch ermitteln, daß man feststellt, ob die Frequenz des Frequenzanaly-

Mi sators höher oder niedriger ist als die feste Frequenz F.

F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Geschwindigkeitsmeßgeräts, insbesondere des Phasenkomparators und der Teile für die Erzeugung eines Bezugssignals.

h^r> In dieser Ausführungsform wird das Ausgangssignal einer Torschaltung 9 direkt dem Phasenkomparator 13 zugeführt. Das Bezugssignal wird durch Ausblenden des Ausgangssignals an der Torschaltung 15 und durch

anschließende Code-Invertierung des Ausgangssignals der Torschaltung in einem Polaritätsumschalter 17 erhalten.

Die Konstruktion und die Wirkungsweisen der Torschaltung 15 und des Polaritätsumschaltcrs 17 sind grundsätzlich dieselben wie diejenigen der Bauelemente

15 und 17 nach Fig. 4 oder 7 mit der Ausnahme, daß das eingangssignal von dem Hauptoszillator 1 kommt.

Diese Ausführungsform weist die Vorteile auf, daß der Betrieb des Polaritätsumschalters exakt durchgeführt wird und daß sein Aufbau einfach ist, da das Eingangssignal von dem Oszillator nicht verzerrt ist.

11k'i/ti-4 liliiii

Claims

Patentansprüche:

1. Nach dem Dopplerverfahren arbeitendes Geschwindigkeitsmeßgerät mit einem Senderteil, der einen ein Sinus-Signal erzeugenden Oszillator umfaßt, ferner einen einen periodischen Impulszug erzeugenden Signalgenerator, eine von dem Signalgenerator gesteuerte Torschaltung, die aus dem Sinus-Signal ein impulsmoduliertes Sinus-Signal macht, einen der Torschaltung nachgeschalteten Sendewandler zur Ausstrahlung eines entsprechenden akustischen Signals zu einem Ziel, dessen Bewegungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, sowie mit einem Empfängerteil, der einen Empfangswandler zur Aufnahme des von dem Ziel reflektierten Echosignals umfaßt, ferner eine Phasen Vergleicherschaltung, die das Ausgangssignal des Empfangs*andlers mit dem um eine vorgegebenen Laufzeit verzögerten Ausgangssignal des Signalgenerators tastet und mit einem zu dem Sinus-Signal synchronen Bezugssignal vergleicht, wobei die vorgegebene Laufzeit gleich ist der Laufzeit des akustischen Signals von dem Sendewandler zu dem Ziel und zurück zu dem Empfangswandler, sowie einen Frequenzanalysator zur Ermittlung der Dopplerverschiebung in dem Ausgangssignal der Phasenvergleicherschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Torschaltung (2) und den Sendewandler (6) des Senderteils ein von einem Zufallssignalgenerator (4) gesteuerter erster Polaritätsumschalter (5) eingeschaltet ist, und daß die Phasenvergleicherschaltung (9, 10, 13, 15) des Empfängerteils einen zweiten Polaritätsumschalter (11; 17) umfaßt, der von dem um die vorgegebene Laufzeit verzögerten Ausgangssignal des Zufallssignalgenerators (4) gesteuert ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Poiaritätsumschalter (11) in den Signalpfad des die Dopplerverschiebung enthaltenen Signals eingeschaltet ist (F i g. 4).

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polaritätsumschalter (17) in den Signalpfad des Bezugssignals eingeschaltet ist (F ig. 8).

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal die Frequenz des Oszillators (1) des Senderteils hat (F ig. 4).

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Bezugssignals von der des Oszillators (1) des Senderteils abweicht (F i g. 7).