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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Ultraschallbereichs- bzw. -entfernungsmessung,
insbesondere für Anwendungen für mobile Roboter.
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Vorrichtungen zur Ultraschallentfernungsmessung werden
für mobile Roboter weithin verwendet, um die Stellung von
Gegenständen, wie etwa Hindernissen, zu erfassen. Diese
Vorrichtungen arbeiten durch Abtasten eines interessierenden
Bereichs mit einem Niederultraschallstrahl und gemäß der
Zeit, die Signale benötigen, um zu dem Bereich des Senders
zurückreflektiert zu werden, wo sie durch einen Empfänger
erfaßt werden.
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Auch zeigen sichere und wirtschaftliche
Ultraschallentfernungsmessungsvorrichtungen ein Hauptproblem, was ihre
weitere Verwendung als Sensoren für mobile Roboter
verbietet, nämlich das der spiegelnden Reflexion bzw. der
gerichteten Reflexion. In Situationen, in denen viele Oberflächen
nicht in einem günstigen Winkel zu dem Ultraschallsender und
-empfänger geneigt sind (die üblicherweise als ein einzelner
Sender/Empfänger kombiniert sind), z. B. in der Ecke eines
Raumes, kann der gesendete Strahl mehrfach reflektiert
werden. Signale werden durch den Empfänger nach mehreren
Reflektionen erfaßt und geben eine fehlerhafte
Entfernungsmessung für das Ziel bzw. Objekt.
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Entwickler auf dem Gebiet der Sensoren für mobile
Roboter haben eine Anzahl von Verarbeitungsverfahren eingesetzt,
um die Entfernung bzw. den Bereich eines Ziels bzw. Objekts
aus den zu einem Ultraschalldetektor zurückgeworfenen
Signalen
zu ermitteln, jedoch ist bislang keines
zufriedenstellend gewesen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Ultraschallentfernungsmessungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die
als ein Sensor für einen mobilen Roboter einsetzbar ist,
wobei die Vorrichtung einen Sender bzw. Transmitter zum
Senden eines Strahls mit Ultraschallenergie in einer
abtastenden Weise über einen interessierenden Zielbereich, einen
Detektor zum Detektieren der zurückgeworfenen
Ultraschallenergie, die Reflexionen des übertragenen bzw. gesendeten
Strahls von dem Zielbereich umfaßt, und einen
Signalprozessor aufweist, um das durch den Detektor detektierte bzw.
erfaßte Signal zu verstärken, wobei der Prozessor eine
Korrelationseinrichtung zum Korrelieren des Signals, das von
dem Detektor ausgegeben wird, mit einem Referenzsignal
aufweist, indem das Referenzsignal eine Darstellung des
gegenwärtigen Signals ist, das durch den Detektor erzeugt worden
ist, wenn der gesendete bzw. übertragene Strahl bei üblichem
Einfall von einer interessierenden ebene
Referenzzieloberfläche reflektiert worden ist, wobei der Prozessor auch
einen Computerspeicher umfaßt, um die Signaldarstellung zu
speichern und diese als ein Referenzsignal an die
Korrelationseinrichtung während der Detektion eines Signals
anzulegen, das die Reflektion von einem zu detektierenden Ziel
bzw. Objekt darstellt.
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Die besagte Korrelationseinrichtung kann
vorteilhafterweise ein angepaßter Filter oder näherungsweise ein
angepaßter Filter sein, der das von dem Detektor erzeugte
Ausgangssignal mit dem Referenzsignal vergleicht und ein
Ausgangssignal erzeugt, das eine Korrelationsmessung der beiden ist.
Der angepaßte Filter kann in diskreter Zeit durch einen
digitalen nicht rekursiven Filter angenähert werden, der
einen Algorithmus auf das detektierte Signal ansetzt, der
den Durchgang diskreter Muster bzw. Proben des detektierten
Signals durch eine Reihe von Fenstern darstellt, wo die
Muster bzw. Proben mit Koeffizienten multipliziert werden,
die (zeitlich umgekehrt) diskrete Muster bzw. Proben des
Referenzsignals darstellen.
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Da das Rauschen bzw. die Störungen in der Praxis nicht
vollkommen unkorreliert mit jedem Filterfenster sind, hat es
sich als vorteilhaft herausgestellt, einen zweiten
angepaßten Filterbetrieb durch Speichern des Ausgangssignals des
ersten angepaßten Filterbetriebs und von diesem ein
modifiziertes Referenzsignal berechnend, durchzuführen, wobei
Muster von diesem als modifizierte Koeffizienten eingesetzt
werden können, um auf Muster des detektierten Signals
einzuwirken.
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Vorzugsweise wird das reflektierte Signal oder
Echosignal von einer Zieloberfläche, das durch den Detektor in der
Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung detektiert
wird, bevor es in den Signalprozessor gespeist wird,
verarbeitet, um eine breitbandige Störungsdämpfung bzw.
Rauschdämpfung in einer oder beiden der folgenden Weisen zur
Verfügung zu stellen. Erstens kann das detektierte Signal über
mehrere Aufzeichnungsdurchläufe gemittelt werden.
Unkorrelierte oder zufällige Störungs- bzw. Rauschkomponenten
werden durch dieses Verfahren gedämpft, während die invarianten
Echosignale verbleiben. Zweitens kann das detektierte Signal
durch einen Bandpaßfilter hindurchgeschickt werden. Diese
Prozedur kann verwendet werden, um erfolgreich das Rauschen
bzw. die Störungen in den Sperrbändern zu beseitigen, wobei
Störungen bzw. Rauschen der Frequenz, die zu der
Grundschwingung ähnlich ist, ungedämpft zurückbleibt. Zum
Beispiel kann für die Verwendung mit einem Ultraschallstrahl,
der mit einer Frequenz von 49,41 KHz abgesendet bzw.
übertragen wird, ein Butterworth-Bandpaßfilter digitaler Art mit
3dB 16ter Ordnung Frequenzen abschneiden, die an jeder Seite
der 49,41 KHz Grundfrequenz vorkommen, eingesetzt werden.
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Der Ausgang der besagten Korrelationseinrichtung kann
an einen adaptierbaren Schwellendetektor angelegt werden, um
die führende Flanke eines Echos in einem vorgegebenen
detektierten Signal zu erfassen und dabei das erzeugte Signal zu
verstärken. Eine einfache Schwellenwertbildung ist
üblicherweise wegen der Amplitudenänderungen zwischen den Echos
nicht ausreichend. Der anpaßbare bzw. adaptierbare
Schwellendetektor kann einen Algorithmus an den Ausgang der
Korrelationseinrichtung anlegen, was eine der folgenden
Prozeduren darstellt. Bei der ersten Prozedur wird das Signal, das
die Amplitude gegenüber der Zeit aufweist, in eine Reihe von
diskreten Mustern über die Zeitachse aufgeteilt. Der
Mittelwert wird für den Amplitudenwert in sämtlichen Mustern
berechnet. Ein Schwellenpegel oberhalb des Mittelwertes wird
dann eingestellt und die Amplitude in jedem Muster wird mit
der Schwelle verglichen. Ein Ausgangssignal wird nur dann
zur Verfügung gestellt, wenn die gleiche Amplitude oberhalb
der Schwelle ist. Bei der zweiten Prozedur wird eine
ähnliche Abtastungstechnologie durchgeführt, jedoch wird in
diesem Fall die Schwelle sowohl von dem Mittelwert als auch
von der Standardabweichung des abgetasteten Amplitudenwertes
berechnet.
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Der übertragene bzw. gesendete Strahl kann über einen
vorgegebenen Kreisbogen in einer Reihe von diskreten
Schritten abgetastet werden, z. B. durch Steuern der Richtung des
abgesendeten Strahls, durch die Betätigung eines
Schrittmotors, an dem der Sender befestigt ist.
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Die Ausgänge von dem besagten Signalprozessor, z. B. der
angepaßte Filter, die für jeden Schritt in einer Reihe von
Schritten erhalten werden, wenn der Sender abgetastet wird,
können zu einem zweidimensionalen Bild zusammengesetzt
werden, das eine radiale Darstellung von reflektierten
Signalintensitäten ist, wie sie in einer Reihe von Grau-Maßstabs-
Pegeln als eine Funktion der Entfernung von dem Sender
gemessen werden. Dieses Bild kann durch Anwendung eines
Algorithmus verstärkt werden, der eine der folgenden Prozeduren
darstellt.
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Bei der ersten Prozedur wird die zweidimensionale
Darstellung in eine Reihe von diskreten Mustern aufgeteilt und
ein rechtwinkliges Fenster wird in Schritten in einer
Rasterweise über die gesamte Darstellung angewandt, um die
Muster zu beobachten, die an jeder Stelle des Fensters
erscheinen. Ein rechtwinkliges wünschenswertes Quadratgitter,
beispielsweise 5·5-Muster- oder Bildelemente, wird an jeder
Stelle des Fensters erscheinen. Der mittlere Intensitätswert
für sämtliche Muster innerhalb des Fensters wird an jeder
Stelle des Fensters berechnet und wird mit einem Schwellwert
verglichen. Falls der Mittelwert oberhalb der Schwelle ist,
wird die Intensität eines Musters innerhalb des Fensters,
das die Position des Fensters darstellt, beispielsweise an
oder nahe der Mitte des Fensters, verstärkt. Falls der
Mittelwert unterhalb der Schwelle liegt, wird die Intensität
von diesem darstellenden Muster verringert.
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Bei der zweiten alternativen Prozedur werden die
Intensitätswerte, die bei verschiedenen Mustern innerhalb des
Fensters an jeder Position des Fensters auftauchen, in
absteigender Ordnung sortiert, und der Wert der Intensität,
der auf die Mitte der sortierten Ordnung fällt, wird
gefunden. Der Intensitätswert des dargestellten Musters der
Position des Fensters wird anschließend eingestellt, um mit dem
Wert an der Mitte der sortierten Ordnung übereinzustimmen.
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Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
wird der Ultraschallstrahl, der durch den Sender abgesendet
worden ist, im allgemeinen ein Signal sein, das um eine
Oszillatorgrundfrequenz alterniert. Das Ausgangssignal kann
als eine Folge bzw. Reihe von Impulsen abgestrahlt werden.
Zum Zweck der weiteren Verstärkung des Signal-zu-Rausch-
Verhältnisses bzw. -größe kann die Einhüllende von jedem
Ausgangsimpuls selbst einen Pseudo-Zufallscode aufweisen.
Ein solcher Code wird durch eine Steuereinrichtung erzeugt,
wobei der Code auch an den Detektor angelegt wird.
Alternativ kann die Frequenz der Impulse in dem Ausgangssignal
einem Frequenzdurchlauf unterzogen werden.
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Obwohl die angepaßte Filterung und Signalverarbeitung,
wie sie in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie oben beschrieben, eingesetzt werden kann, Techniken
sind, die zuvor auf anderen technischen Bereichen verwendet
worden sind, ist ihre Verwendung bei der Verarbeitung von
Ultraschallsignalen für die Steuerung von mobilen Robotern
zuvor nicht in Betracht gezogen worden. Die Verwendung der
Entfernungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
stellt unerwartete Vorteile bei dieser Anwendung zur
Verfügung, indem die Detektion der Zieloberfläche insbesondere
an Orten, die Mehrfachreflexionen ergeben, verläßlicher
durchgeführt werden können als gemäß dem Stand der Technik.
Unter allen Umständen sind in dem Fall der angepaßten
Filterung die Verwendung eines gefilterten Referenzsignals, das
eine berechnete Darstellung eines tatsächlichen Signals
aufweist, das von einer vorgegebenen Zieloberfläche
reflektiert ist, und die Verwendung eines zweifachen Durchlaufs
durch den Filter, wobei als eine weitere oder modifizierte
Referenz bei dem zweiten Durchlauf durch den Filter ein
Signal verwendet wird, das das angepaßte gefilterte
Echosignal des ersten Durchlaufs darstellt, Techniken, die zuvor
nicht auf anderen technischen Bereichen, wie etwa Radar und
Sonar, eingesetzt worden sind.
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Zum Beispiel betrifft die US 3,803,598 prinzipiell die
Erfassung von Zielformen (für militärische Zwecke) von
entfernten Zielen und die WO-81/00456 prinzipiell die
Entfernungsmessung für geologische Zwecke, wobei beide
Korrelationseinrichtungen umfassen, die digital angepaßte Filter
sind, in welchen die Korrelation im wesentlichen zwischen
den Ausgangs- (gesendeten) und den Reflexionssignalen ist.
In keinem Fall jedoch wird die Korrelation zwischen einem
detektierten Signal von einem vorgegebenen Ziel und einem
Referenzsignal bewirkt, das ein Signal darstellt, das
bereits durch die gleiche Vorrichtung von einem Ziel unter
optimalen Bedingungen detektiert worden ist, wodurch die
Vorrichtung von Anfang an eine "ideale" Zielreflexion, wie
bei der vorliegenden Erfindung, erkennt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun
mittels Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Schaltung
ist, die verschiedene funktionale Einheiten zeigt, die in
einer Ultraschallentfernungsmessungsvorrichtung enthalten
sind, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
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Fig. 2 eine Darstellung einer Reihe von Wellenformen
von Amplituden gegen die Zeit für verschiedene Signale ist,
die in dem digital angepaßten Filter der in Fig. 1 gezeigten
Vorrichtung verwendet werden;
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Fig. 3 eine Darstellung vom zwei Wellenformen von
Amplituden gegen die Zeit für Eingangs- und Ausgangssignale
der adaptierbaren Schwelleneinheit der in Fig. 1 gezeigten
Vorrichtung ist;
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Fig. 4 ein schematisches Diagramm ist, das darstellt,
wie eine radiale Darstellung von Echosignalintensitäten von
Zieloberflächen in einer zweidimensionalen Abtastung einer
Umgebung unter Verwendung einer Vorrichtung, wie der in Fig.
1 gezeigten, vorgenommen wird, und wie die Durchführung bzw.
Funktion einer derartigen Vorrichtung gemessen wird;
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Fig. 5 und 6 Kurven sind, die die Fehlergröße gegenüber
der Signalintensität jeweils für eine Vorrichtung gemäß dem
Stand der Technik und eine die Erfindung verkörpernde
Vorrichtung vergleichen.
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In der Schaltung nach Fig. 1 wird der Ausgang einer
alternierenden elektrischen Quelle 1, typischerweise mit
einer Frequenz von 49,41 KHz (auch wenn im Prinzip jede
Ultraschallfrequenz verwendet werden könnte), durch den
Ausgang eines 1 ms-Impulsgenerators 3 moduliert (der
alternativ ein Generator sein könnte, der eine Reihe von Pseudo-
Zufallsfolgen von verschiedenen Pulsbreiten zur Verfügung
stellt), der durch eine Steuereinheit 4 in einer
Vervielfachungseinrichtung 5 gesteuert wird, deren Ausgang in einem
Ausgangsverstärker 7 mit großer Verstärkung eingespeist
wird, der dazu in der rage ist, 300 Volt-Signalimpulsfolgen
zu liefern. Der Ausgang des Verstärkers 7 wird angelegt, um
den Meßwandler eines Ultraschallsenders 9 zu erregen, der
Ultraschallsignale durch die ruft in Richtung einer
interessierenden Zieloberfläche 11 abstrahlt.
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Das Ultraschallsignal, das von der Oberfläche 11
reflektiert wird, wird reflektiert und durch den Wandler eines
Empfängers 13 aufgenommen. In der Praxis können der
Meßwandler des Senders 9 und des Empfängers 13 ein gemeinsamer
Meßwandler sein. Das Detektionssignal wird durch einen
automatischen, nach seiner Verstärkung gesteuerten
Empfangsverstärker 14 verstärkt. Die Punkte 1, 7, 9, 13 und 14 bilden
einen Teil einer im Handel erhältlichen Vorrichtung, die als
"Polaroid Instrument Grade"-Meßwandler bekannt ist. Die
gestrichelte Linie deutet im Handel erhältliche Schaltungen
an.
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Der Empfänger 13 und der Verstärker 14 sind an den
Ausgang der Steuereinheit 4 des Rohsignaldetektors
angeschlossen.
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Der Ausgang des Verstärkers 14 wird in eine
Vorverarbeitungseinheit 17 gespeist. Das mit dem detektierten
Echosignal in Verbindung stehende, in die
Vorverarbeitungseinheit eingespeiste Signal wird durch die Einheit 17 gedämpft.
Zuerst wird das Echosignal in die Einheit 17 durch einen
digitalen Butterworth-Bandpaßfilter 16ter Ordnung mit 3 dB
abgeschnittenen Frequenzen, die an jeder Seite der 49,41 KHz
Grundfrequenz 1 KHz von der Grundfrequenz angeordnet sind,
hineingeleitet. Der Filter verringert das Breitbandrauschen
bzw. Breitbandstörungen in den Sperrbändern. Zweitens wird
(jedoch wahlweise) das detektierte Echosignal über mehrere
Aufzeichnungsläufe gemittelt. Die zufälligen
Störungskomponenten werden gedämpft, während die invarianten
Echosignale verbleiben. Diese zweite Rauschdämpfungstechnologie
hat wegen der endlichen Geschwindigkeit von Schall durch
ruft einen größeren Zeitverbrauch inne als die erstere.
Typischerweise werden zehn Aufzeichnungsdurchläufe
durchgeführt.
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Der Ausgang der Vorverarbeitungseinheit 17 wird als
Eingang an einen digitalen angepaßten Filter 19 angelegt.
Ein Referenzsignal, das Vervielfacherkoeffizienten für die
einzelnen Fenster aufweist, die den digital angepaßten
Filter 19 ausmachen, wird zunächst durch Empfangen des
Echosignals, das durch die Reflektion von einer ebenen
Mehrfachoberfläche senkrecht zu der Richtung des übertragenen
Ultraschallstrahls erzeugt wird, erhalten, und diese Information
wird in einem Computerspeicher 21 aufgezeichnet. Ein
Koeffizient-Referenzsignal zur Verwendung durch den digital
angepaßten Filter 19 wird nachfolgend aus der Information in
dem Computerspeicher 21 berechnet. Der Berechnungsprozeß
wird Off-Line vor der Anwendung der digital angepaßten
Filteroperation durchgeführt. Die interessierende
Zieloberfläche 11 wird dann, wie oben beschrieben, mit Ultraschall
abgetastet und das detektierte Echosignal wird mit dem
berechneten Referenzsignal verglichen bzw. korreliert, das an
gangssignal dieses Korrelationsverfahrens wird in den
Computerspeicher 21 zurückgegeben, indem ein modifiziertes
Koeffizientbezugssignal für den digital angepaßten Filter 19
nachfolgend Off-Line berechnet wird. Ein weiterer Vergleich
bzw. Korrelation des detektierten Echosignals wird
nachfolgend mit dem modifizierten Koeffizientbezugssignal
durchgeführt, das durch den Computerspeicher 21 berechnet ist.
Die gestrichelten Linien der Vorverarbeitungseinheit 17 und
des Filters 19 zu dem Computerspeicher 21 deuten die Off-
Line-Vorberechnungszyklen zur Erzeugung von
Referenzschablonen für den Filter 19 an.
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Echosignale unterhalb des Rauschhintergrundes werden
hervorgehoben und werden durch Verwendung von Technologien
zur angepaßten Filterung, wie beschrieben, deutlich sichtbar
gemacht, wobei das von einer "idealen" Oberfläche erhaltene
Echosignal als Referenz verwendet wird. Die Verwendung eines
zweiten Durchlaufs des detektierten Signals durch den
angepaßten Filter ergibt eine hervorragende Rausch- bzw.
Störungsdämpfung für das für einen einzelnen Durchlauf
erhaltene.
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Das Verfahren der zweifach angepaßten Filterung, wie es
durch den Filter 19 durchgeführt wird, ist in Fig. 2
dargestellt. Das "ideale" ungefilterte Echosignal von einer
senkrechten Oberfläche wird in Fig. 2(a) gezeigt. Der Bereich S&sub1;
der detektierten Wellenform stellt ein niedriges Signal dar
und der Bereich N&sub1; stellt starkes Rauschen bzw. starke
Störungen dar. Das Referenzsignal, das aus dem "idealen"
ungefilterten Echosignal berechnet ist und die roh angepaßten
Filterkoeffizienten für den ersten Durchlauf der digitalen
Filterung aufweist, die durch eine Berechnung unter
Verwendung des "idealen" Echosignals erhalten worden sind, wird in
Fig. 2(b) gezeigt. Das Ergebnis des ersten Durchlaufs des
Echosignals durch den Filter, der einen Vergleich des
Echosignals mit dem in Fig. 2(b) gezeigten Referenzsignal
umfaßt,
ist in Fig. 2(c) gezeigt. In diesem Fall ist die
Einhüllende des Echosignals durch den Filterprozeß stärker
betont worden und das Signal S&sub1; nach Fig. 2(a) ist in diesem
Falle verstärkt worden, um verglichen mit einem unteren
Rauschpegel N&sub2; einen Signalbereich S&sub2; auszubilden. Das
modifizierte Referenzsignal, das, wie oben beschrieben, aus dem
angepaßten gefilterten "idealen" Echosignal vorausberechnet
ist und als Koeffizienten für den zweiten angepaßten
Filterdurchlauf verwendet wird, ist in Fig. 2(d) gezeigt.
Schließlich zeigt Fig. 2(e) den Ausgang des angepaßten Filters nach
einem zweiten Filterdurchlauf, um das detektierte Echosignal
mit der in Fig. 2(d) gezeigten modifizierten Referenz zu
korrelieren. In Fig. 2(e) ist der Rauschpegel bzw.
Störungspegel, verglichen mit Fig. 2(c), verringert worden.
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Eine mathematische Darstellung der angepaßten
Filteroperation lautet wie folgt. Eine optimale Abweisung des
Rauschens bzw. der Störung wird erzielt, wenn das gestörte
Signal mit einer Funktion kreuzkorreliert wird, deren
Gestalt identisch mit dem ungestörten Signal ist. Der
angepaßte Filter kann in diskreten Zeiten an die Verwendung eines
nicht rekursiven Filters angenähert werden, wo die
Filterkoeffizienten den zeitlich umgekehrten Mustern der idealen
Echowellenform, p[n] gleich sind. Der diskrete zeitangepaßte
Filter wird folglich durch die Gleichung 1 wie folgt
gegeben:
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wobei der Impulsantwortkoeffizientenvektor gegeben ist
durch
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h&sub1; [i] =p [N-i] Gleichung 2
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Da das Rauschen in der Praxis nicht vollständig mit dem
Filterfenster korreliert ist, hat sich ergeben, daß ein
zweiter angepaßter Filterdurchlauf, der modifizierte
Filterkoeffizienten verwendet, das Rauschen weiter verringert, und
wie folgt gegeben ist.
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h/2 = h&sub1; * h&sub1; Gleichung 3
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Das Signal, das den Ausgang des digital angepaßten
Filters 19 aufweist, wird ferner entweder in einem
Bildprozessor 21 oder in einer anpaßbaren Schwellenwerteinheit 23
verstärkt.
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In der anpaßbaren Schwellenwerteinheit 23 wird das
Echosignal in der folgenden Weise verarbeitet. Ein
Algorithmus wird auf das Signal angewendet, das das Bewegen eines
gleitenden Fensters Wi, das eine Reihe diskreter
Abtastelemente enthält, über das wie in Fig. 3(a) dargestellte Signal
darstellt. Das Mittel der Abtastungen innerhalb des Fensters
wird gemessen und mit einem Schwellwert T verglichen,
welcher gemäß der folgenden Gleichung 4 eingestellt wird:
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wobei n die Anzahl der Elemente in dem Fenster ist, x die
Fensteranordnung ist und K eine Konstante ist. Der
Schwellwert T wird tatsächlich so eingestellt, daß ein Ausgang nur
zur Verfügung gestellt wird, wenn das Signal gut über den
allgemeinen Rauschpegel ansteigt. Ein typischer Wert für K
ist 20. Dieses Verfahren wird in Fig. 3(b) dargestellt, wo
drei gleiche Ausgänge A&sub2;, B&sub2; und C&sub2; von drei entsprechenden
Signalkomponenten A&sub1;, B&sub1; und C&sub1; erhalten werden, die den
Ausgang
des Senders und gültige bzw. falsche Echosignale
darstellen.
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Ein alternativer Betrieb für die anpaßbare
Schwellenwerteinheit ist es, den Schwellenwert T gemäß den
Gleichungen 5 bis 7 wie folgt einzustellen:
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T[n] = V[n] + K&sub2; S[n] Gleichung 5
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wobei das Mittel
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und wobei Sn die Standardabweichung ist und gegeben ist
durch
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In diesem Fall wird die Schwelle T sowohl gemäß der
Mittelals auch der Standardabweichung der Messung innerhalb des
a gleitenden bzw. verschieblichen Fensters eingestellt. Diese
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w alternative Prozedur stellt eine verbesserte
Durchführbarkeit zu tasten der Rechenzeit zur Verfügung. Ein typischer
Wert von K&sub2; für Gleichung 5 ist 8.
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Jeder Ausgang des digital angepaßten Filters 19 ist ein
A-Abtastergebnis, d. h. eine eindimensionale Messung der
Amplitude gegen die Zeit von Echosignalen, die aus einer
vorgegebenen Zielrichtung empfangen werden. Wenn eine Reihe
solcher Ergebnisse durch Abtasten des Senders 9 und des
Empfängers 13 um einen weiten Kreisbogen, z. B. 180º, in
endlichen Schritten erhalten wird, z. B. mit Intervallen von
einem Grad, und ein Ergebnis bei jedem Schritt aufgezeichnet
wird, kann eine zweidimensionale Karte oder eine B-Abtastung
aus den aufgezeichneten Echointensitäten für jeden
Richtungswinkel des gesendeten Strahls aufgebaut werden. Der
Bildprozessor 21 sammelt anfangs die Ausgänge bzw.
Ausgangssignale des digital angepaßten Filters 19, um eine solche
Karte aufzubauen. Jede A-Abtastungs-Echoamplitude wird auf
einem von 64 Grau-Skalenpegeln aufgezeichnet, um die
B-Abtastkarte aufzubauen.
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Die durch den Bildprozessor aufgebaute rohe
B-Abtastkarte wird auf eine oder zwei alternative Weisen durch den
Prozessor 21 wie folgt verstärkt. Bei dem ersten
alternativen Verfahren läuft ein rechtwinkliges oder quadratisches
Fenster über das Bild. Die Bildintensität wird bei jeder
Zelle innerhalb des Fensters gemessen und der Mittelwert für
das gesamte Fenster wird berechnet. Der Mittelwert wird mit
einem Schwellwert verglichen. Falls die Schwelle durch den
Mittelwert überschritten wird, wird die Intensität bei der
zentralen Zelle in dem Fenster erhöht. Falls der
Schwellenwert geringer ist als der Mittelwert für das Fenster, wird
die Intensität bei der zentralen Zelle verringert. Es ist
ermittelt worden, daß optimale Werte für die Anzahl der
Zellen in einem Fenster und des Schwellenpegels (auf einer
Scala von 0 bis 64) 6 bzw. 27 betragen.
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Bei dem zweiten alternativen Verfahren, das von dem
digitalen Signalprozessor 21 eingesetzt wird, läuft ein
rechteckiges Fenster wieder über das Bild, jedoch werden in
diesem Falle die bei jeder Zelle in dem Fenster
erscheinenden Intensitäten in einer aufsteigenden Ordnung sortiert.
Der Intensitätswert in der Mitte der Ordnung wird dann aus
der Sortierung herausgenommen und die zentrale Zelle in dem
Fenster wird auf diesen Wert eingestellt. Dieses Verfahren
ist als Rangordnungsfilterung bekannt. Es hat die
Eigenschaft, eine Tiefpaßfilterungsoperation durchzuführen,
während die Flanken vorbehalten werden. Es entfernt zufällige
isolierte Störwerte, während zusammenhängende Echos von
gültigen Zielen zurückbehalten werden.
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Beide Bildverarbeitungsprozeduren, die in dem
Bildprozessor 21, wie oben beschrieben, angewendet werden können,
klären das beobachtete Bild effektiv, wobei eine angenehmere
Form der Beobachtung erzeugt wird, wenn das Bild dargestellt
und visuell gesehen wird.
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Die Funktion einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 1
gezeigt ist, verglichen mit einem üblichen im Handel
erhältlichen Ultraschalldetektor ist wie folgt untersucht worden.
Eine radiale Darstellung von Signalintensitäten, die von
jedem Bereichsteilschritt in einer zweidimensionalen
Umgebung abgetastet durch den Ultraschallwandler zurückgeworfen
wurde, wurde aufgebaut. Der in jedem Fall erhaltene Ausgang
wurde mit dem Ausgang verglichen, der von bekannten
reflektierenden Oberflächen innerhalb der Umgebung erwartet wird.
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Jedes Bildelement innerhalb der Darstellung, das eine
fehlerhafte Signalerkennung verglichen mit der Entfernung zu
der bekannten Oberfläche ergab, wurde als ein
Fehlerbildelement benannt und die Anzahl der Fehlerbildelemente wurde
gezählt, wobei jede im Verhältnis zu seiner Entfernung von
der relevanten bekannten Oberfläche gewichtet wurde. Auf
diese Weise wurden kleine Entfernungsfehler geringer
bewertet als größere. Dieses Verfahren wird in Fig. 4
dargestellt, wo die Position des Ultraschallwandlers, der sich
schrittweise dreht, als T angedeutet ist und bekannte Wände
als W angedeutet sind. Der schattierte Bereich E deutet den
Bereich in der Darstellung um die Fehlerbildelemente herum
an.
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Die Anzahl und Fehlerwichtung der Bildelemente, die bei
der obigen Berechnung erhalten wurden, wurden gegenüber der
Graupegelschwelle für ein ungefiltertes Signal dargestellt,
das unter Verwendung des im Handel erhältlichen Detektors
erhalten wurde, und anschließend für ein Signal, das mit der
in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung unter Verwendung einer
dualen Filterung in dem digital angepaßten Filter 19 und
einer Signalverstärkung in dem Bildprozessor verarbeitet
wurde. Die jeweiligen Ergebnisse sind in den Fig. 5 und 6
dargestellt. Wie aus den Fig. 5 und 6 ersehen werden kann,
wird der von tausenden von gewichteten Bildelementen
gemessene Fehler auf einen niedrigen Pegel bei einer viel
niedrigeren Grauintensitätspegelschwelle nach Fig. 6 reduziert,
wodurch ein wesentlich verläßlicheres Ausgangsbild von einer
abgetasteten Umgebung zur Verfügung gestellt wird.