DE102011075936A1

DE102011075936A1 - Verfahren und System zum Bestimmen der Flugzeit eines Signals

Info

Publication number: DE102011075936A1
Application number: DE102011075936A
Authority: DE
Inventors: Osvaldo Buccafusca
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-11-24
Also published as: US20110288801A1; US8639462B2

Abstract

Ein Verfahren zum Abschätzen der Flugzeit eines Burst-Signals umfasst: Empfangen des Burst-Signals; Bestimmen der Steigung der Phasencharakteristik der Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals; und Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals von der Steigung der Phasencharakteristik der Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals.

Description

Hintergrund
Es gibt eine Zahl von verschiedenen Anwendungen, wo ein Bestimmen der Flugzeit (time-of-flight) eines Signals erforderlich ist. Diese Anwendungen umfassen Laserentfernungsmesser (laser range finders), Ultraschallpegeldetektoren (ultrasonic level detectors) und Ultraschallflussmesser.
Im Allgemeinen kann ein System zum Bestimmen der Flugzeit (TOF) eines Signals die folgenden zwei Formen annehmen: Sender-Empfänger (pitch-catch) und Pulsecho (pulse-echo). 1 illustriert ein Beispiel eines Pitch-Catch-TOF-Messsystems und 2 zeigt ein Beispiel eines Pulsecho-TOF-Messsystems. In beiden Konfigurationen übermittelt oder transmittiert (transmits) ein Transmissions-(TX)-Gerät 110 ein Signal zu einer vorgegebenen Zeit und das Signal wird dann einige Zeit später mittels eines Empfangs-(RX)-Geräts 120 detektiert oder registriert (sensed). In dem Pitch-Catch-System, welches in 1 gezeigt ist, wird das Signal direkt von dem Transmissions-(TX)-Gerät 110 zu dem Empfangs-(RX)-Gerät 120 übermittelt. In dem in 2 gezeigten Pulsecho-System wird das Signal von einem Objekt abgeprallt oder reflektiert, wenn es sich entlang seines Pfades von dem TX-Gerät 110 zu dem Empfangs-(RX)-Gerät 120 fortbewegt (travels). In einigen Ausführungsformen eines Pulsecho-Systems kann das Signal mittels desselben Geräts, welches das Signal übermittelte, detektiert werden, das heißt das TX-Gerät und das RX-Gerät sind dieselben. Die Zeit, welche das Signal braucht, um sich von dem TX-Gerät zu dem RX-Gerät fortzubewegen, ist die Flugzeit des Signals. Das Signal kann ein akustisches Signal, wie etwa eine Ultraschallwelle oder ein Ultraschallsignal, oder eine elektromagnetische Welle oder ein elektromagnetisches Signal, zum Beispiel ein Mikrowellensignal, ein Strahl von sichtbarem oder ultraviolettem Licht, sein.
Erreichen eines erforderlichen Grades an Genauigkeit in der Flugzeitmessung ist sowohl kritisch als auch schwierig.
Die meisten TOF-Messsysteme in Anwendungen, wie etwa Radar, Sonar oder Ultraschall, stützen sich auf Zeitdomaindaten. Diese Systeme messen die Empfangszeit eines Signals gegenüber einer ausgewählten Referenzzeit.
Ein einfacher Ansatz benutzt Schwellwertpegel. Mit einer Schwellwertmesstechnik bestimmt das Messsystem die Zeiten, bei denen das übermittelte Signal und das empfangene Signal jeweils einen Schwellwertpegel kreuzen und schätzt die Flugzeit des Signals als eine Differenz zwischen den Zeiten dieser zwei Schwellenwert-Kreuzungsereignisse ab. In vielen Systemen wird dies jedoch eine Auflösung bereitstellen, die geringer als erwünscht ist. Wenn zum Beispiel ein System Ultraschalltransducer einsetzt, sind diese Transducer Resonanzgeräte mit einer begrenzten Bandbreite und daher hat das Signal eine assoziierte Einhüllende mit einer Anstiegs- (rise) und Abfallszeit (fall time). Irgendein zusätzliches Rauschen in dem System könnte zu falschen Ablesungen führen, entweder aufgrund eines Beschleunigens oder eines Abbremsens der Zeit, wann die Schwellwert-Kreuzungsereignisse erfolgen. Dies wird gemeinhin auch als Periodenverschiebung (cycle slip) bezeichnet. In Praxis begrenzen Fluktuationen in einer Amplitude aufgrund von Absorption, Rauschen und Temperatur die Genauigkeit eines solchen einfachen Schwellwertansatzes für eine TOF-Messung.
Eine Anzahl von Techniken ist benutzt worden, um die Auflösung der TOF-Messung zu verbessern. Ein Zugang oder Ansatz involviert ein Modulieren der Einhüllenden des Transmissionssignals bzw. Übermittlungssignals (transmit signal) und ein Demodulieren dieses Signals, wenn es empfangen wird. Diese Technik stützt sich jedoch in starkem Maße auf die Amplitudeninformation in dem Signal und wird so noch an einer Beeinträchtigung von Fluktuationen in der Amplitude aufgrund von Absorption, Rauschen und Temperatur leiden.
Um die Genauigkeit zu erhöhen, kann eine „Markierung” (marker) in das übermittelte Signal eingebettet werden. Diese Markierung könnte mit einer Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation des übermittelten Signals implementiert werden. Der Empfänger kann dann dieses Merkmal oder Feature mit einer verbesserten Immunität gegen Rauschen und andere Faktoren detektieren, welche zu Zeitbestimmungsunwägbarkeiten führen, welche eine Genauigkeit der TOF-Messung herabstufen. Dieser Ansatz kann jedoch dem System Komplexität und Kosten hinzufügen.
Ein alternativer Ansatz führt eine Korrelation des empfangenen Signals in der Frequenzdomain (frequency domain) durch. Dieser Ansatz erfordert jedoch zwei Signale, wie etwa zwei übermittelte Signale, oder ein übermitteltes Signal und ein Referenzsignal (theoretisch oder experimentell) und kann wieder Komplexität und Kosten hinzufügen.
Was daher benötigt ist, ist ein genaues Verfahren zum Messen oder Abschätzen (estimating) der Flugzeit eines Signals. Was auch benötigt ist, ist ein System, welches die Flugzeit eines Signals genau messen oder abschätzen kann.
Zusammenfassung
In einer exemplarischen Ausführungsform weist ein Verfahren auf: Empfangen eines Burst-Signals, welches eine Fundamentalfrequenz hat; Erzeugen von digitalen Proben des empfangenen Burst-Signals; Durchführen einer Fourier-Transformation an den digitalen Proben des empfangenen Burst-Signals, um Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals zu erzeugen, wobei jede Frequenzdomain-Probe des empfangenen Burst-Signals einen assoziierten Phasenwert hat; Bestimmen einer Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals in einem Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst; und Abschätzen einer Flugzeit des Burst-Signals von der Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals in dem Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst.
In einer anderen exemplarischen Ausführungsform weist ein Apparat auf: einen Empfangstransducer, welcher konfiguriert ist, ein Burst-Signal, welches eine Fundamentalfrequenz hat, zu empfangen; einen ersten Digitalisierer, welcher konfiguriert ist, digitale Proben (samples) des empfangenen Burst-Signals zu erzeugen; und einen Prozessor, welcher konfiguriert ist, einen Algorithmus auszuführen. Der Algorithmus weist auf: Durchführen einer Fourier-Transformation an den digitalen Proben des empfangenen Burst-Signals, um Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals zu erzeugen, wobei jede Frequenzdomain-Probe des empfangenen Burst-Signals einen assoziierten Phasenwert hat; Bestimmen einer Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals in einem Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst; und Abschätzen einer Flugzeit des Burst-Signals von der Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals in dem Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst.
In noch einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Abschätzen der Flugzeit eines Burst-Signals bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Empfangen des Burst-Signals; Bestimmen einer Steigung einer Phasencharakteristik einer Fourier-Transformierten (Fourier transform) des empfangenen Burst-Signals; und Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals von der Steigung der Phasencharakteristik der Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Beispielausführungsformen werden am besten von der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungsfiguren gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind. Tatsächlich können die in den Zeichnungen gezeigten Dimensionen für Klarheit der Diskussion willkürlich vergrößert oder verkleinert werden. Wo immer es anwendbar und praktikabel ist, beziehen sich ähnliche Bezugszahlen auf ähnliche Elemente.
1 illustriert ein Beispiel eines Flugzeit-(TOF)-Messsystems mit einer Sender/Empfänger-(pitch-catch)-Konfiguration.
2 zeigt ein Beispiel eines TOF-Messsystems mit einer Pulsecho-Konfiguration.
3 zeigt ein Zeitdomain-Diagramm eines beispielhaften Burst-Signals.
4 zeigt ein Diagramm der Amplitude der Fourier-Transformierten des Burst-Signals der 3.
5 zeigt ein Diagramm der Phase der Fourier-Transformierten des Burst-Signals der 3.
6 zeigt ein Zeitdomain-Diagramm einer zeitverzögerten Version des Burst-Signals der 3.
7 zeigt ein Diagramm der Amplitude der Fourier-Transformierten des zeitverzögerten Burst-Signals der 6.
8 zeigt ein Diagramm der Phase der Fourier-Transformierten des zeitverzögerten Burst-Signals der 6.
9 illustriert eine Ausführungsform eines Systems zum Messen der Flugzeit eines Signals.
10 illustriert eine andere Ausführungsform eines Systems zum Messen der Flugzeit eines Signals.
11 illustriert eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Messen der Flugzeit eines Signals.
Detaillierte Beschreibung
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden für Erläuterungszwecke und nicht für eine Begrenzung Beispielausführungsformen, welche spezifische Details offenbaren, ausgeführt, um ein durchgängiges Verständnis einer Ausführungsform gemäß den vorliegenden Lehren bereitzustellen. Es wird jedoch für einen gewöhnlichen Fachmann in der Technik, welcher den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hat, ersichtlich sein, dass andere Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren, welche von den hierin offenbarten spezifischen Details abweichen, innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche bleiben. Außerdem können Beschreibungen von wohlbekannten Apparaten und Verfahren ausgelassen sein, um so die Beschreibung der Beispielausführungsformen nicht zu verdunkeln. Solche Verfahren und Apparate liegen klarerweise innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Lehren.
Wenn es nicht anderweitig bemerkt ist, umfasst es, wenn gesagt wird, dass ein erstes Gerät mit einem zweiten Gerät verbunden ist, Fälle, wo ein oder mehrere intermediäre Geräte eingesetzt werden können, um die zwei Geräte miteinander zu verbinden. Wenn jedoch gesagt wird, dass ein erstes Gerät direkt mit einem zweiten Gerät verbunden ist, umfasst dies nur Fälle, wo die zwei Geräte ohne irgendein intermediäres oder dazwischenkommendes Gerät oder Geräte miteinander verbunden sind. Wenn ähnlich gesagt wird, dass ein Signal mit einem Gerät gekoppelt ist, umfasst dies Fälle, wo ein oder mehrere intermediäre Geräte eingesetzt werden können, um das Signal mit dem Gerät zu koppeln oder anzukopplen (couple). Wenn jedoch gesagt wird, dass ein Signal direkt mit einem Gerät gekoppelt ist, umfasst dies nur Fälle, wo das Signal direkt mit dem Gerät ohne irgendein intermediäres oder dazwischenkommendes Gerät oder Geräte gekoppelt ist.
Wie hierin benutzt wird, umfasst oder bedeutet der Ausdruck „Burst-Signal” ein repetitives (sinusförmiges, dreieckiges, rechteckiges, quadratisches oder irgendeine andere Form) Signal mit einer spezifischen Fundamentalfrequenz (oder Periode), welches mittels einer nicht-repetitiven Einhüllenden (wie etwa ein Gaußscher oder rechteckiger Puls) moduliert ist. Im Falle von akustischen (zum Beispiel Ultraschall) Flugzeit-(TOF)-Messsystemen ist die Fundamentalfrequenz gewöhnlich die Resonanzfrequenz der Transducer und die Einhüllende (envelope) ist mittels der Antwort des Systems gegeben. In dem Fall von elektromagnetischen TOF-Messsystemen ist die Fundamentalfrequenz der Träger (carrier) (was in optischen Systemen die Lichtwellenlänge ist) und die Einhüllende ist die Signalmodulation.
3 zeigt ein Zeitdomain-Diagramm y(t) eines beispielhaften Burst-Signals 300. In 3 ist das Burst-Signal 300 ein 10 MHz sinusförmiger Burst (das heißt die Fundamentalfrequenz ist 10 MHz), welches in der Mitte eines Zeitfensters zentriert ist, welches mit 4000 digitalen Probenpunkten (sampling points) beprobt (sampled) ist. Das heißt, das Burst-Signal 300 ist an dem 2000ten Beprobungspunkt des Fensters mit 4000 Probenpunkten zentriert.
4 zeigt ein Diagramm der Amplitude der Fourier-Transformierten F(y(t)) = Y(ω), des Burst-Signals 300 der 3. Wie erwartet wäre, hat die Amplitude der Fourier-Transformierten Y(ω) des Burst-Signals 300 einen Peak oder eine Spitze bei der Fundamentalfrequenz von 10 MHz.
5 zeigt ein Diagramm der Phase der Fourier-Transformierten Y(ω) des Burst-Signals 300 in einem Frequenzband um die Fundamentalfrequenz von 10 MHz (zum Beispiel 10 MHz ± 3 MHz). Wie in 5 erkannt werden kann, ist dann, wenn das Burst-Signal 300 bei der Mitte des Zeitfensters, wie in 3 gezeigt, zentriert ist, die Phase der Fourier-Transformierten Y(ω) innerhalb dieses Frequenzbandes, welches bei der Fundamentalfrequenz zentriert ist, konstant.
Wenn jedoch ein Burst-Signal y(t) von der Mitte des Zeitfensters um eine Anzahl von Proben N verschoben ist, dann hat die Fourier-Transformierte des Burst-Signals eine lineare Phasenkomponente, welche gegeben ist durch: F(y(t – to)) = e^–iωtoF(y(t)) = e^–iωtoY(ω) (1) wobei to das Zeitäquivalent der Verschiebung von der Mitte von dem Zeitfenster ist, das heißt: to = Sampling Rate·N (2) wobei Sampling Rate die Beprobungsrate ist.
Es sollte bemerkt werden, dass diese Gleichungen gelten, selbst wenn N keine ganze Zahl (integer) ist.
6 zeigt ein Zeitdomain-Diagramm eines Burst-Signals 600, welches eine zeitverzögerte Version, y(t – to), des Burst-Signals 300 der 3 ist.
7 zeigt ein Diagramm der Amplitude der Fourier-Transformierten Y(ω) des zeitverzögerten Burst-Signals 600 der 6. Wie erwartet wäre, wird die Amplitude der Fourier-Transformierten mittels der Verzögerung des Burst-Signals nicht geändert, solange das Burst-Signal noch innerhalb des Zeitfensters auftritt. Somit stimmt das Amplitudendiagramm in 7 mit dem Amplitudendiagramm in 4 überein.
8 zeigt ein Diagramm der Phase der Fourier-Transformierten Y(ω) des zeitverzögerten Burst-Signals 600 der 6 in einem Frequenzband (zum Beispiel ±3 MHz) um die Fundamentalfrequenz von 10 MHz. Wie mittels der Gleichung (1) bereitgestellt und in 8 gezeigt ist, kann die Phase Φ der Fourier-Transformierten Y(ω) als eine lineare Funktion der Frequenz geschrieben werden: ϕ = mf + b (3) wobei m die Steigung der Phase der Fourier-Transformierten Y(ω) als eine Funktion von Frequenz ist.
Somit kann man von der Steigung m die Zeitverzögerung to des Burst-Signals bezüglich der Mitte des Zeitfensters wie folgt bestimmen: to = m / 2π (4)
Durch Gleichung (4) kann man die Verzögerung des Burst-Signals bezüglich der Mitte eines Zeitfensters mittels Messens, in einem Frequenzband, welches bei der Fundamentalfrequenz zentriert ist, der Steigung der Phasenantwort der Fourier-Transformierten des Burst-Signals innerhalb des Zeitfensters bestimmen. Im Allgemeinen können wir mit Kenntnis der Länge des Zeitfensters mittels eines Bestimmens der Verzögerung des Burst-Signals bezüglich der Mitte eines Zeitfensters die Verzögerung bezüglich zu irgendeinem Punkt in dem Zeitfenster (umfassend zum Beispiel den Start des Zeitfensters) bestimmen.
Diese Information kann benutzt werden, um die Flugzeit (TOF) des Burst-Signals abzuschätzen.
Zum Beispiel kann dann, wenn bekannt ist, dass ein gewisser Punkt in dem Zeitfenster (zum Beispiel der Start oder die Mitte) mit der Transmissionszeit (oder Übermittlungszeit) des Burst-Signals synchronisiert ist oder eine vorbestimmte Zeitverschiebung von der Transmissionszeit des Burst-Signals hat, die Flugzeit (TOF) des Burst-Signals von der Steigung der Phase der Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals innerhalb des Zeitfensters bestimmt werden. Die Beziehung zwischen der Transmissionszeit des Burst-Signals und dem Start oder der Mitte oder dem Zentrum des Zeitfensters kann über eine Anzahl von Wegen etabliert werden, umfassend über Kalibration oder mittels einer Synchronisationstechnik.
In einer anderen Ausführungsform werden sowohl die Steigung der Phasenantwort der Fourier-Transformierten eines Transmission-Burst-Signals (transmit burst signal) als auch die Steigung einer Phasenantwort der Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals innerhalb desselben Zeitfensters gemessen und es dann kann die Flugzeit (TOF) des Burst-Signals von der Differenz zwischen den beiden Steigungen (slopes) bestimmt werden.
9 illustriert eine Ausführungsform eines Systems 900 zum Messen der Flugzeit eines Signals. System 900 umfasst einen Transmissionssignalkonditionierer oder Prozessor und Treiber 910, einen Transmissionstransducer 920, einen Empfangstransducer 930, einen Empfangssignalkonditionierer oder Prozessor und Digitalisierer 940, einen Prozessor oder Controller 950 und Speicher 960.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Transmissionssignalprozessor und Treiber 910 irgendeine bequeme Kombination von analoger und digitaler Hardware und Firmware umfassen, umfassend anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), ein feldprogrammierbares Gate Array (field programmable gate array) (FPGA), etc.
Abhängig von dem Typ von Signal, welches zu übermitteln ist und dessen Flugzeit zu bestimmen ist (zum Beispiel eine akustische Welle oder ein akustisches Signal oder eine elektromagnetische Welle oder ein elektromagnetisches Signal) kann der Transmissionstransducer 920 ein akustischer Transducer (zum Beispiel Ultraschalltransducer), eine Radiofrequenz- oder Mikrowellenantenne, ein Laser, eine Licht emittierende Diode, etc. sein. Ähnlich kann der Empfangstransducer 930 ein akustischer Transducer (zum Beispiel Ultraschalltransducer), eine RF- oder Mikrowellenantenne, eine Fotodiode, etc. sein.
In einigen Ausführungsformen kann ein Empfangssignalkonditionierer oder Prozessor und Digitalisierer 940 einen oder mehrere Verstärker, Filter und einen Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) als einen Digitalisierer umfassen.
Prozessor oder Controller 950 mag Hardware, Firmware oder irgendeine Kombination davon aufweisen und mag einen digitalen Mehrzwecksignalprozessor (general purpose digital signal processor) (DSP), programmierbares Logikgerät, programmierbares Gate Array, kundenspezifischen ASIC, oder Mehrzweckmikroprozessor, welcher ein Computerprogramm ausführt, umfassen, wobei der ausführbare Code zum Beispiel in Speicher 960 gespeichert sein kann. Prozessor 950 kann in Verbindung mit Anweisungen im Speicher 960 operieren, um System 900 zu veranlassen, einen Flugzeitmessalgorithmus, zum Beispiel einen in 11 gezeigten und im Detail unten beschriebenen Algorithmus 1100 auszuführen.
Im Betrieb kann der Prozessor 950 entweder ein digitales Transmissionssignal oder über einen darauf befindlichen (on-board) Digital-zu-Analog-Konverter (DAC) ein analoges Transmissionssignal erzeugen. Dieses Signal kann zu dem Transmissionssignalkonditionierer oder Prozessor und Treiber 910 geführt bzw. geleitet werden, welcher das Signal verstärkt oder anderweitig für eine Anwendung für den Transmissionstransducer 920 prozessiert, um als ein Burst-Signal übermittelt zu werden. In einigen Ausführungsformen kann der Transmissionssignalkonditionierer oder Prozessor und Treiber 910 das Burst-Signal erzeugen.
Prozessor 950 erzeugt einen Transmissionstrigger oder Übermittlungstrigger (transmit trigger) und stellt den Transmissionstrigger dem Transmissionssignalkonditionierer oder Prozessor und Treiber 910 bereit, wobei in Antwort darauf der Transmissionssignalkonditionierer oder Prozessor und Treiber 910 den Transmissionstransducer 920 veranlasst, das Burst-Signal zu übermitteln.
Das Burst-Signal wird mittels des Empfangstransducers 930 empfangen. Das von dem Empfangstransducer 930 empfangene Burst-Signal kann prozessiert werden (zum Beispiel verstärkt werden und/oder gefiltert werden) und dann beprobt (sampled) und digitalisiert werden, zum Beispiel mit einem Analog-zu-Digital-Konverter, mittels des Empfangssignalprozessors und Digitalisierers 940.
Der Empfangstrigger bestimmt den zeitlichen Ablauf (timing) des Detektionsfensters zum Detektieren und Digitalisieren des empfangenen Burst-Signals. Das während des Detektionsfensters empfangene Burst-Signal wird digitalisiert und die digitalisierten Proben (samples) des empfangenen Burst-Signals werden zum Prozessor 950 für weitere Prozessierung gesendet. Prozessor 950 führt eine Fourier-Transformation an den digitalen Proben des empfangenen Burst-Signals durch, um Frequenzdomain-Proben (frequency domain samples) des empfangenen Burst-Signals zu erzeugen, wobei jede der Frequenzdomain-Proben einen entsprechenden Amplitudenwert und Phasenwert hat. Eine Untermenge der Phasenwerte in einem Frequenzband um die Fundamentalfrequenz des Burst-Signals wird ausgewählt. Diese Auswahl könnte auf einer vorherigen Kenntnis oder einem Wissen der Signal-Fundamentalfrequenz oder auf dem Signalbereich in der Fourier-Transformierten basieren, welcher die größte Amplitude hat.
Prozessor 950 bestimmt die Steigung m der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals in dem ausgewählten Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst. Von dieser Steigung m bestimmt der Prozessor 950 die relative Verzögerung des empfangenen Burst-Signals bezüglich der Mitte des Beprobungs-(Detektions-)-Fensters in der Zeitdomain, zum Beispiel unter Benutzung der Gleichung (4) oben. Konsistente relative Messungen können dadurch durchgeführt werden, dass das Beprobungsfenster und die Beprobungsrate (sampling rate) konstant gehalten werden. Die Mitte des Beprobungsfensters kann durch einen Kalibrations- oder Synchronisationsprozess mit einer absoluten Zeit assoziiert sein (zum Beispiel die Zeit, als das Burst-Signal übermittelt wurde), was dem Prozessor 950 erlaubt, die Flugzeit (TOF) des Burst-Signals abzuschätzen.
In einigen Ausführungsformen können der Transmissionstrigger und der Empfangstrigger als ein einzelner Trigger implementiert sein, um die Schaltung zu vereinfachen. In diesem Fall kann in dem Empfangssignalprozessor und Digitalisierer 940 eine Verzögerung hinzugefügt werden, um die Startzeit des Empfangs-Beprobungsfensters einzustellen.
10 illustriert eine andere Ausführungsform eines Systems 1000 zum Messen der Flugzeit eines Signals. System 1000 umfasst einen Transmissionssignalkonditionierer oder Prozessor und Treiber 1010, einen Transmissionstransducer 1020, einen Empfangstransducer 1030, einen Empfangssignalkonditionierier oder Prozessor und Digitalisierer 1040, einen Prozessor oder Controller 1050 und Speicher 1060.
Details und Betrieb des Systems 1000 sind ähnlich denen des Systems 900, welches oben diskutiert worden ist, mit den folgenden signifikanten Unterschieden.
In System 1000 stellt der Transmissionssignalprozessor und Treiber 1010 eine Kopie des Transmission-Burst-Signals dem Empfangssignalprozessor und Digitalisierer 1040 bereit, welcher einen separaten Digitalisierer zum Erzeugen von digitalen Proben des Transmission-Burst-Signals umfassen kann. Empfangssignalprozessor und Digitalisierer 1040 digitalisiert sowohl das empfangene Burst-Signal als auch eine Probe des Transmission-Burst-Signals zur selben Zeit und das Transmissions-Subsystem und das Empfangs-Subsystem könnten beide zu derselben Zeit getriggert werden. Digitale Proben sowohl des Transmission-Burst-Signals als auch des empfangenen Burst-Signals innerhalb des Beprobungsfensters werden dem Prozessor 1050 bereitgestellt.
Prozessor 1050 führt eine Fourier-Transformation an den digitalen Proben des empfangenen Burst-Signals durch und führt auch eine Fourier-Transformation an den digitalen Proben des Transmission-Burst-Signals durch. Eine Untermenge der Phaseninformation von jeder Fourierausgabe wird in einem Frequenzband um die Fundamentalfrequenz des Burst-Signals ausgewählt. Prozessor 1050 bestimmt die Steigung m_R der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals und bestimmt auch die Steigung m_T der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des Transmission-Burst-Signals in dem ausgewählten Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst. Von den Steigungen m_R und m_T bestimmt der Prozessor 1050 die relative Verzögerung des empfangenen Burst-Signals to_R und die relative Verzögerung des Transmission-Burst-Signals to_T bezüglich der Mitte des Beprobungs-(Detektions-)-Fensters in der Zeitdomain, zum Beispiel unter Benutzung der Gleichung (4) oben. Prozessor 1050 ermittelt bzw. nimmt die Differenz zwischen den zwei Verzögerungszeiten, um die Flugzeit (TOF) des Burst-Signals abzuschätzen: TOF = to_R – to_T (5)
Obwohl die oben mit Bezug auf 9 und 10 gezeigten und beschriebenen Beispielausführungsformen digitale Proben (samples) des Burst-Signals als eine praktikable Weise zur Vereinfachung einer Implementation mit einem digitalen Prozessor einsetzen, sind in der Theorie digitale Proben nicht erforderlich, so lange die Steigung der Phasenantwort der Fourier-Transformierten des Burst-Signals innerhalb eines definierten Zeitfensters in einem Frequenzband um die Fundamentalfrequenz des Burst-Signals erhalten werden kann.
11 illustriert eine Ausführungsform eines Verfahrens 1100 zum Messen der Flugzeit eines Signals.
In einem Schritt 1110 wird ein elektrisches Signal (zum Beispiel ein Burst-Signal) einem Transmissionstransducer bereitgestellt.
In einem Schritt 1120 übermittelt der Transmissionstransducer das Transmission-Burst-Signal.
In einem Schritt 1130 empfängt ein Empfangstransducer das Burst-Signal.
In einem Schritt 1140 definiert ein Empfangssignalprozessor ein Detektionsfenster und beprobt (samples) das empfangene Signal innerhalb des Detektionsfensters.
In einem Schritt 1150 wird eine Fourier-Transformation an dem empfangenen Signal durchgeführt.
In einem Schritt 1160 wird die Steigung m der Phasencharakteristik der Ausgabe der Fourier-Transformation oder der Fourier-Transformierten des empfangenen Signals innerhalb eines ausgewählten Frequenzbandes bestimmt, welches um den Peak der Amplitude der Ausgabe der Fourier-Transformierten zentriert ist.
In einem Schritt 1170 wird das Zeitverhalten (timing) oder die Verzögerung to des empfangenen Signals bezüglich des Detektionsfensters (zum Beispiel die Mitte des Detektionsfensters) aus der in Schritt 1160 gefundenen Steigung m zum Beispiel unter Benutzung der Gleichung (4) bestimmt.
In einem Schritt 1180 wird von der Verzögerung to, welche in Schritt 1170 gefunden ist, die Flugzeit (TOF) des empfangenen Signals abgeschätzt.
Während hierein Beispielausführungsformen offenbart sind, wird ein gewöhnlicher Fachmann der Technik schätzen, dass viele Variationen, welche in Übereinstimmung mit den vorliegenden Lehren sind, möglich sind, welche innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche bleiben. Die Ausführungsformen sind daher außer innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche nicht zu beschränken.

Claims

Verfahren, aufweisend: Empfangen eines Burst-Signals, welches eine Fundamentalfrequenz hat; Erzeugen von digitalen Proben des empfangenen Burst-Signals; Durchführen einer Fourier-Transformation an den digitalen Proben des empfangenen Burst-Signals, um Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals zu erzeugen, wobei jede Frequenzdomain-Probe des empfangenen Burst-Signals einen assoziierten Phasenwert hat; Bestimmen einer Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals in einem Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst; und Abschätzen einer Flugzeit des Burst-Signals aus der Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals in dem Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals ferner aufweist: Definieren eines Zeitfensters, in welchem das empfangene Burst-Signal empfangen wird; Bestimmen einer Verzögerung des empfangenen Burst-Signals bezüglich eines spezifischen Punkts in dem Zeitfenster aus der Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals; und Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals aus der Verzögerung des empfangenen Burst-Signals bezüglich des spezifischen Punkts in dem Zeitfenster, wobei der spezifische Punkt insbesondere die Mitte des Zeitfensters ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, ferner aufweisend: Erzeugen eines Transmissionstriggers; und Transmittieren des Burst-Signals in Antwort auf den Transmissionstrigger, wobei Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals insbesondere ferner aufweist: Erzeugen eines Empfangstriggers bei einer spezifischen Zeit bezüglich des Transmissionstriggers; und Nutzen des Empfangstriggers, um einen Start des Zeitfensters zu definieren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, ferner aufweisend: Erzeugen eines Triggers; Transmittieren des Burst-Signals in Antwort auf den Trigger, wobei Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals ferner Nutzen des Triggers aufweist, um einen Start des Zeitfensters zu definieren,
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend: Erzeugen eines Triggers; Transmittieren des Burst-Signals in Antwort auf den Trigger; Digitalisieren des Transmission-Burst-Signals; Durchführen einer Fourier-Transformation an den digitalen Proben des Transmission-Burst-Signals, um Frequenzdomain-Proben des Transmission-Burst-Signals zu erzeugen, wobei jede Frequenzdomain-Probe des Transmission-Burst-Signals einen assoziierten Phasenwert hat; und Bestimmen einer Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des Transmission-Burst-Signals in dem Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst, wobei Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals ferner insbesondere aufweist: Bestimmen einer Differenz zwischen der Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des Transmission-Burst-Signals und der Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des empfangenen Burst-Signals aufweist.
Apparat, aufweisend: einen Empfangstransducer, welcher konfiguriert ist, ein Burst-Signal, welches eine Fundamentalfrequenz hat, zu empfangen; einen ersten Digitalisierer, welcher konfiguriert ist, digitale Proben des empfangenen Burst-Signals zu erzeugen; und einen Prozessor, welcher konfiguriert ist, einen Algorithmus gemäß einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Apparat gemäß Anspruch 6, ferner aufweisend: einen Transmissionssignalgenerator, welcher konfiguriert ist, das Burst-Signal zu erzeugen; und einen Transmissionstransducer, welcher konfiguriert ist, das Burst-Signal in Antwort auf einen Transmissionstrigger, welcher mittels des Prozessors erzeugt ist, zu transmittieren, wobei der Prozessor insbesondere konfiguriert ist, einen Empfangstrigger bei einer spezifischen Zeit bezüglich des Transmissionstriggers zu erzeugen und wobei der Algorithmus ferner insbesondere Nutzen des Empfangstriggers aufweist, um einen Start des Zeitfensters zu definieren.
Apparat gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, ferner aufweisend: einen Transmissionssignalgenerator, welcher konfiguriert ist, das Burst-Signal zu erzeugen; und einen Transmissionstransducer, welcher konfiguriert ist, das Burst-Signal in Antwort auf einen Trigger zu transmittieren, welcher mittels des Prozessors erzeugt ist, wobei Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals ferner Nutzen des Triggers aufweist, um einen Start des Zeitfensters zu definieren.
Apparat gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, ferner aufweisend: einen Transmissionstransducer, welcher konfiguriert ist, das Burst-Signal in Antwort auf einen Trigger zu transmittieren; und einen zweiten Digitalisierer, welcher konfiguriert ist, digitale Proben des Transmission-Burst-Signals parallel mit dem ersten Digitalisierer, welcher die digitalen Proben des empfangenen Burst-Signals erzeugt, zu erzeugen, wobei der Algorithmus ferner aufweist: Durchführen einer Fourier-Transformation an den digitalen Proben des Transmission-Burst-Signals, um Frequenzdomain-Proben des Transmission-Burst-Signals zu erzeugen, wobei jede Frequenzdomain-Probe des Transmission-Burst-Signals einen assoziierten Phasenwert hat; Bestimmen einer Steigung der Phasenwerte der Frequenzdomain-Proben des Transmission-Burst-Signals in dem Frequenzband, welches die Fundamentalfrequenz umfasst, wobei der Algorithmus die Flugzeit des Burst-Signals insbesondere mittels eines Bestimmens einer Differenz zwischen der Steigung der Frequenzdomain-Phasenproben des Transmission-Burst-Signals und der Steigung der Frequenzdomain-Phasenproben des empfangenen Burst-Signals abschätzt.
Verfahren zum Abschätzen der Flugzeit eines Burst-Signals, wobei das Verfahren aufweist: Empfangen des Burst-Signals; Bestimmen einer Steigung einer Phasencharakteristik einer Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals; und Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals von der Steigung der Phasencharakteristik der Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals.
Verfahren gemäß Anspruch 10, ferner aufweisend: Definieren eines Zeitfensters, in welchem das empfangene Burst-Signal empfangen wird; Bestimmen einer Verzögerung des empfangenen Burst-Signals bezüglich eines spezifischen Punkts in dem Zeitfenster von der Steigung der Phasencharakteristik der Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals; und Abschätzen der Flugzeit des Burst-Signals von der Verzögerung des empfangenen Burst-Signals bezüglich des spezifischen Punkts in dem Zeitfenster, wobei das Verfahren ferner insbesondere aufweist: Erzeugen eines Triggers; ferner insbesondere aufweist: Transmittieren des Burst-Signals in Antwort auf den Trigger; und Bestimmen einer Steigung der Phasencharakteristik der Fourier-Transformierten des Transmission-Burst-Signals.
Verfahren gemäß Anspruch 11, ferner aufweisend Bestimmen einer Differenz zwischen der Steigung der Phasencharakteristik der Fourier-Transformierten des empfangenen Burst-Signals und der Steigung der Phasencharakteristik der Fourier-Transformierten des Transmission-Burst-Signals.