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DE102013008235A1 - Method for measuring a distance by means of ultrasound - Google Patents

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DE102013008235A1
DE102013008235A1 DE102013008235.8A DE102013008235A DE102013008235A1 DE 102013008235 A1 DE102013008235 A1 DE 102013008235A1 DE 102013008235 A DE102013008235 A DE 102013008235A DE 102013008235 A1 DE102013008235 A1 DE 102013008235A1
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ultrasonic
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ultrasound
ultrasonic burst
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DE102013008235.8A
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Egbert Spiegel
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Elmos Semiconductor SE
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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Messung des Abstands zwischen einem Sensorsystem und einem Objekt mittels Ultraschall, wobei ein Sender einen ersten Ultraschallburst und einen zweiten Ultraschallburst aussendet. Jeder der Ultraschallbursts weist eine Kodierung auf. Die ausgesendeten Signale werden an einem Objekt reflektiert. Die reflektierten Ultraschallbursts werden durch einen Empfänger empfangen. Eine Analyseeinheit wertet das Empfängerausgangssignal aus und gibt ein Datum aus, das dem Abstand entspricht. Das Besondere ist, dass diese zwei Ultraschallbursts sich in ihrer Kodierung unterscheiden und der erste Ultraschallburst, so kodiert ist, dass sein Signal bei einer Überreichweite in den zeitlichen Messbereich des zweiten Ultraschallbursts hinein mit dem Signal dieses zweiten Ultraschallbursts so wenig korreliert, dass das Korrelationsergebnis unter einem vordefinierbaren Schwellwert liegt. Dabei liegt dieser Schwellwert unterhalb von 10% des Korrelationsergebnisses, das die Korrelation des Signals des zweiten Ultraschallbursts mit dem Reflektionssignal des zweiten Ultraschallbursts ergibt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Reflektion von einem anwendungsgemäß zu erkennenden minimalem Reflektor (Objekt) hervorgerufen würde. Die Eigenschaften dieses Objektes sind somit anwendungsspezifisch. Der zweite Ultraschallburst wird so kodiert, dass eine Dopplerverschiebung verursacht durch eine Objektbewegung innerhalb eines vorgegebenen Objektgeschwindigkeitsbereichs einen Messfehler des Abstands unterhalb einer bezifferbaren maximalen Messfehlergrenze ergibt. Diese Messgrenze wird in der Regel ebenfalls anwendungsspezifisch gewählt.The invention describes a method for measuring the distance between a sensor system and an object by means of ultrasound, wherein a transmitter emits a first ultrasonic burst and a second ultrasonic burst. Each of the ultrasonic bursts has a coding. The emitted signals are reflected on an object. The reflected ultrasonic bursts are received by a receiver. An analysis unit evaluates the receiver output signal and outputs a datum corresponding to the distance. The special feature is that these two ultrasonic bursts differ in their coding and the first ultrasonic burst is coded so that its signal at an overreach in the temporal measuring range of the second ultrasonic burst into the signal of this second ultrasonic burst so little correlated that the correlation result under a predefinable threshold. In this case, this threshold is below 10% of the correlation result, which results in the correlation of the signal of the second ultrasonic burst with the reflection signal of the second ultrasonic burst. It is assumed that the reflection would be caused by a minimum reflector (object) to be recognized by the application. The properties of this object are thus application-specific. The second ultrasonic burst is coded such that a Doppler shift caused by an object movement within a given object speed range results in a measurement error of the distance below a quantifiable maximum measurement error limit. As a rule, this measuring limit is also selected application-specific.

Description

Einleitung und Stand der TechnikIntroduction and state of the art

Für viele Anwendungen ist die Detektion des Abstands von einem Objekt eine zentrale Aufgabe. Eine beispielhafte Anwendung ist die Detektion der Abstände eines Kraftfahrtzeugs von Hindernissen, insbesondere beim Einparken. Hierbei ergeben sich widerstrebende Anforderungen. Zum einen soll eine möglichst große Reichweite erzielt werden, zum anderen soll der Minimalabstand möglichst klein sein.For many applications, the detection of the distance from an object is a central task. An exemplary application is the detection of the distances of a motor vehicle from obstacles, especially when parking. This results in reluctant requirements. On the one hand, the largest possible range is to be achieved, on the other hand, the minimum distance should be as small as possible.

Die Erfindung befasst sich daher mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Messung des Abstands zwischen einem Sensorsystem und einem oder mehreren Objekten mittels Ultraschall, die diese Bedingungen erfüllen. Ein typisches Ultraschallsystem aus dem Stand der Technik umfasst dabei mindestens einen Sender der ein Ultraschallsignal, typischerweise als aufeinanderfolgende Ultraschallbursts aussendet. Diese werden durch das Objekt reflektiert. Ein Empfänger detektiert diese reflektierten Ultraschallburstsignale und wandelt sie in ein Empfängerausgangssignal um. Eine Analyseeinheit wertet das oder die Empfängerausgangssignale aus und gibt die Daten der gemessenen Reflektionen nach außen zur Weiterverarbeitung weiter. Dies geschieht typischerweise über ein Datenbussystem oder als analoges Signal. Für weit entfernte Objekte verschwindet das reflektierte Signal mit zunehmender Entfernung im Rauschuntergrund. Für eine sichere Detektion ist es daher sinnvoll, durch ein spektrales Spreizverfahren den Ultraschallburst in seiner spektralen Form und Breite so zu modifizieren, dass er sich optimal aus dem Rauschuntergrund bei einer Korrelation des Empfangssignals mit dem Sendesignal heraushebt. Dies geschieht durch die Verwendung von Spreiz-Kodes, mit denen der Ultraschallburst nach einem jeweils speziellen Verfahren moduliert wird. Solche Kodes sind beispielsweise aus „Radar Signals, Nadav Levanon, Eli Mozeson, ISBN: 978-0-471-47378-7, July 2004, Wiley-IEEE Press" bekannt. Durch ein solches Verfahren wird damit natürlich nicht nur der Störabstand sondern insbesondere auch die Reichweite wesentlich verbessert.The invention therefore deals with a method and a device for measuring the distance between a sensor system and one or more objects by means of ultrasound, which fulfill these conditions. A typical ultrasound system of the prior art comprises at least one transmitter which emits an ultrasound signal, typically as successive ultrasound bursts. These are reflected by the object. A receiver detects these reflected ultrasonic burst signals and converts them to a receiver output signal. An analysis unit evaluates the receiver output signals and passes the data of the measured reflections to the outside for further processing. This is typically done via a data bus system or as an analog signal. For distant objects, the reflected signal disappears with increasing distance in the noise background. For a reliable detection, it is therefore useful to modify by means of a spectral spreading the ultrasonic burst in its spectral shape and width so that it optimally stands out from the noise floor in a correlation of the received signal with the transmission signal. This is done by the use of spreading codes, with which the ultrasonic burst is modulated according to a special procedure. Such codes are for example off "Radar Signals, Nadav Levanon, Eli Mozeson, ISBN: 978-0-471-47378-7, July 2004, Wiley-IEEE Press" known. By such a method, of course, not only the signal to noise ratio but in particular also the range is significantly improved.

Ein in der Ultraschallmesstechnik im Gegensatz zur Radartechnik besonders relevantes Problem ist dabei die auftretende Dopplerverzerrung des reflektierten Ultraschallbursts durch eine mögliche Bewegung des reflektierenden Objekts in Richtung auf den Empfänger und/oder Sender zu oder von diesen fort. Diese Dopplerverzerrung führt im einfachsten Fall zu einer zeitlichen Kornpression oder Dehnung des Ultraschallbursts. Da die Schallgeschwindigkeit um einen Faktor von grob 106 kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit ist dies ein dominierendes Problem.A particularly relevant problem in ultrasound measurement technology, in contrast to radar technology, is the occurrence of Doppler distortion of the reflected ultrasound burst by a possible movement of the reflective object in the direction of the receiver and / or transmitter to or from it. In the simplest case, this Doppler distortion leads to temporal grain compression or elongation of the ultrasonic burst. Since the speed of sound is smaller than the speed of light by a factor of roughly 10 6 , this is a dominant problem.

Daher kommen im Falle einer Ultraschallabstandsmessung nur solche Kodes und Modulationsverfahren in Frage, die bei einer zeitlichen Kompression oder Streckung des ursprünglichen Sendesignals immer noch eine gute Korrelationsfunktion mit dem ursprünglichen Sendesignal liefern, die einem Dirac-Puls typischerweise nahe kommen soll. Dabei müssen die Kodes gegenüber solchen aus der Radartechnik auch hinsichtlich Verwirbelungen des Medium, also der Luft, robust sein. Dies ist eine weitere Anforderung, die Ultraschallmessungen von Radar-Messungen wesentlich unterscheidet. Es ist daher eben nicht naheliegend, dass eine praktikable Lösung der Radartechnik auch eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung für die Ultraschalltechnik darstellt. Ein wesentliches Problem kommt insbesondere dadurch zustande, dass ein solcher Spreiz-Kode den Ultraschallsendeburst verlängert.Therefore, in the case of an ultrasonic distance measurement only those codes and modulation methods come into question, which still provide a good correlation function with the original transmission signal at a time compression or extension of the original transmission signal, which is typically close to a Dirac pulse. In this case, the codes must be robust compared to those from the radar technology also with regard to turbulence of the medium, ie the air. This is another requirement that significantly differentiates ultrasonic measurements from radar measurements. It is therefore not obvious that a practicable solution of radar technology also represents an economically viable solution for ultrasound technology. A significant problem arises in particular in that such a spreading code prolongs the ultrasound broadcasting.

Da es kostengünstig ist, als Empfänger und als Sender denselben Transducer zu verwenden, muss dieser aber nicht nur die Aussendung des Ultraschallsendebursts abschließen, sondern muss auch noch ausschwingen. Hier sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass im Folgenden mit Transducer immer ein kombinierter Sender/Empfänger gemeint ist. In dieser Zeit des Sendens kann der Transducer nichts empfangen. Somit führt ein langer komplexer Spreiz-Kode zu einem langen und komplexen Ultraschallsendeburst und damit zu einer längeren Zeit, in der der Transducer bereits sendet, aber eben noch keinen Empfang hat. Somit entsteht ein Blindbereich unmittelbar vor dem Sensor in dem Objekte nicht sicher erkannt werden. Natürlich ist es möglich, einen zweiten Empfänger zu nutzen, was aber aufwendiger wäre.Since it is inexpensive to use the same transducer as the receiver and as the transmitter, this not only has to complete the transmission of the ultrasound broadcast burst, but also has to swing out. For the sake of completeness, it should be mentioned that in the following, a combined transmitter / receiver is always meant by transducer. During this time of transmission, the transducer can not receive anything. Thus, a long complex spreading code results in a long and complex ultrasonic burst and thus a longer time in which the transducer is already transmitting, but just has no reception. This creates a blind area immediately in front of the sensor in which objects are not reliably detected. Of course it is possible to use a second receiver, which would be more expensive.

Im Rahmen der Entstehung der Erfindung wurde erkannt, dass es daher sinnvoll ist, in Abhängigkeit vom geschätzten Abstand des zu messenden Objekts unterschiedliche Kodes oder anders gesagt unterschiedliche Ultraschallburstsignale zu verwenden.In the context of the development of the invention, it was recognized that it therefore makes sense to use different codes or, in other words, different ultrasonic burst signals depending on the estimated distance of the object to be measured.

Ein Problem ergibt sich jedoch bei Überreichweiten. Wird also versucht, mit einem ersten Ultraschallburst den Nahbereich in einer ersten Messphase zu vermessen, und anschließend mit einem zweiten Ultraschallburst den Fernbereich in einer zweiten zeitlichen Messphase, so kann es vorkommen, dass ein großes, relativ weit entferntes Objekt in der zweiten Messphase, die ja eigentlich dem zweiten Ultraschallburst zugeordnet ist, ein Echo des ersten Ultraschallbursts liefert. Dieses Problem kann umgangen werden, wenn die Kodes des ersten und zweiten Ultraschallbursts nicht miteinander korrelieren.A problem arises, however, with overreach. Thus, if an attempt is made to measure the near zone in a first measurement phase with a first ultrasonic burst, and then with a second ultrasonic burst in a second temporal measurement phase, it is possible that a large, relatively distant object in the second measurement phase, the yes actually the second ultrasonic burst is assigned, an echo of the first ultrasonic burst delivers. This problem can be avoided if the codes of the first and second ultrasonic bursts do not correlate with each other.

Diese Anforderung der Nichtkorrelation widerspricht aber der zuvor beschriebenen Forderung nach Robustheit gegenüber dem Dopplereffekt (Dopplerrobustheit).However, this requirement of non-correlation contradicts the previously described requirement for robustness over the Doppler effect (Doppler robustness).

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine optimale dopplerunempfindliche Erkennung von Reflexionen bei gleichzeitigem minimalen Mindestabstand für ein noch zu erkennendes Objekt zu ermöglichen, wobei dies durch Lösung des Problems der Nichtkorrelation bei gleichzeitiger Dopplerrobustheit erfolgen soll. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren des Anspruchs 1 und/oder eine Vorrichtung des Anspruchs 8 gelöst.It is the object of the invention to enable optimal Doppler-insensitive detection of reflections with at the same minimum minimum distance for an object yet to be recognized, this being done by solving the problem of non-correlation with simultaneous Doppler robustness. This object is achieved by a method of claim 1 and / or an apparatus of claim 8.

Beschreibung der grundlegenden ErfindungDescription of the basic invention

Im Rahmen der Entstehung der Erfindung wurde erkannt, dass es sinnvoll ist, in Abhängigkeit vom geschätzten Abstand des zu messenden Objekts nicht nur unterschiedliche Kodes oder anders gesagt unterschiedliche Ultraschallburstsignale zu verwenden, sondern im Nahbereich einen kurzen, ersten Ultraschallburst und im Fernbereich einen langen, zweiten Ultraschallburst zu verwenden. Für eine sichere Detektion weit entfernter Hindernisse ist es nämlich sinnvoll, einen möglichst energiereichen zweiten Ultraschallburst auszusenden, um damit das Reflektionssignal zu maximieren. Da die Sendeleistung im Allgemeinen nicht beliebig gesteigert werden kann, ist eine Erhöhung der Energie eines zweiten Ultraschallbursts nur über eine Verlängerung des zweiten Ultraschallbursts zu erreichen. Eine Erniedrigung der Energie des ersten Ultraschallbursts ist analog nur über eine Verkürzung des ersten Ultraschallbursts zu erreichen. Durch eine angepasste Filterung hebt sich das empfangene Signal des zweiten Ultraschallbursts optimal aus dem Rauschuntergrund ab. Durch den langen zweiten Ultraschallbust ergibt sich allerdings eine entsprechend verschlechtert Ortsauflösung des reflektierten Signals des zweiten Ultraschallbursts. Dieser Nachteil kann unter Verwendung einer geeigneten Kodierung des zweiten Ultraschallbursts (Barker-Kode, P4-Kode, etc.) und einer entsprechenden Korrelation im Empfänger überwunden werden. Ein weiteres Problem kommt nun dadurch zustande, dass ein langer zweiter Ultraschallburst den Blindbereich für die Vermessung mit diesem zweiten Ultraschallburst, wie oben bereits erwähnt, verlängert. Dadurch können Objekte im Nahbereich mit Hilfe einer Vermessung durch einen solchen zweiten Ultraschallburst nicht mehr erkannt werden.In the context of the development of the invention, it was recognized that it makes sense to use not only different codes or in other words different ultrasound burst signals depending on the estimated distance of the object to be measured, but a short, first ultrasonic burst in the near range and a long, second in the far range To use ultrasonic burst. For a reliable detection of distant obstacles, it makes sense to emit a high-energy second ultrasonic burst in order to maximize the reflection signal. Since the transmission power generally can not be arbitrarily increased, an increase in the energy of a second ultrasonic burst can only be achieved by extending the second ultrasonic burst. A reduction of the energy of the first ultrasonic burst can be achieved analogously only by shortening the first ultrasonic burst. By means of adapted filtering, the received signal of the second ultrasonic burst is optimally removed from the noise background. Due to the long second ultrasonic bust, however, a correspondingly deteriorated spatial resolution of the reflected signal of the second ultrasonic burst results. This disadvantage can be overcome by using a suitable coding of the second ultrasonic burst (Barker code, P4 code, etc.) and a corresponding correlation in the receiver. Another problem now arises from the fact that a long second ultrasonic burst extends the blind area for the measurement with this second ultrasonic burst, as already mentioned above. As a result, objects in the near range can no longer be detected by means of a measurement by means of such a second ultrasonic burst.

Daher wird hier ein erster Ultraschallburst verwendet, der sich quasi orthogonal bezüglich der Vermessung mit Hilfe des zweiten Ultraschallbursts verhalten muss. Im Rahmen der Erfindung wurde diese Anforderung erkannt. Ebenso wurde erkannt, dass diese Forderung gleichbedeutend ist mit einer Energiereduktion für diesen ersten Ultraschallburst. Diese Energiereduktion kann auf zwei Arten simultan erfolgen: Zum einen kann der erste Ultraschallburst in seinem Energieinhalt reduziert werden. Dies geschieht am einfachsten durch Verkürzung. Zum anderen reduziert sich die Amplitude der Reflektionen mit fortschreitender Zeit nach Aussendung des ersten Ultraschallbursts.Therefore, here a first ultrasonic burst is used, which must behave quasi orthogonal with respect to the measurement with the aid of the second ultrasonic burst. In the context of the invention, this requirement has been recognized. It was also recognized that this requirement is synonymous with an energy reduction for this first ultrasonic burst. This energy reduction can be done simultaneously in two ways: Firstly, the first ultrasonic burst can be reduced in its energy content. This is done easiest by shortening. On the other hand, the amplitude of the reflections reduces as time progresses after the transmission of the first ultrasonic burst.

Im Kurzbereich kann ein solcher erster Ultraschallburst daher im Extremfall nur ein einzelner Ultraschallpuls sein und trotzdem gute Ergebnisse liefern. Die Erfahrung hat gezeigt, dass einer oder einige wenige aufeinanderfolgende Ultraschallpulse für einen Ultraschallburst zur Erkennung von Objekten im Nahbereich besonders vorteilhaft sind. Ganz besonders vorteilhaft sind ca. 4 Ultraschallpulse.In the short range, such a first ultrasound burst can therefore only be a single ultrasound pulse in the extreme case and nevertheless provide good results. Experience has shown that one or a few successive ultrasonic pulses are particularly advantageous for an ultrasonic burst for detecting objects in the near field. Very particularly advantageous are about 4 ultrasonic pulses.

Im Sinne dieser Offenlegung können im Übrigen Ultraschallbursts unterschiedlicher Länge bereits als Ultraschallbursts unterschiedlicher Kodierung verstanden werden, die beispielsweise mit unterschiedlichen Sende-Kodes durch Multiplikation moduliert sind. Dabei wäre der eine Kode für den längeren Ultraschallburst etwas länger auf 1 als der Kode für den kürzeren Ultraschallburst.For the purposes of this disclosure, ultrasound bursts of different lengths can, by the way, already be understood as ultrasound bursts of different coding, which are modulated by multiplication, for example, with different transmission codes. The one code for the longer ultrasonic burst would be slightly longer than 1 for the shorter burst of ultrasound.

Werden die beiden verschiedenen Ultraschallbursts schnell hintereinander gesendet, so kann, wie bereits beschrieben, ein großes Hindernis in weiter Entfernung zu einer Überreichweite des kurzen ersten Ultraschallbursts für die Vermessung von Objekten im Nahbereich führen. Das bedeutet, dass der reflektierte längere zweite Ultraschallburst durch die Überreichweite des kürzeren ersten Ultraschallbursts gestört würde. Die Kodierung des längeren zweiten Ultraschallbursts unterdrückt jedoch solche Überreichweiten durch Vergrößerung des Störabstandes. Durch die Kürze des ersten Ultraschallburst gepaart mit der ohnehin eintretenden Schwächung infolge der größeren Entfernung werden somit die Überreichweiten durch diese drei Maßnahmen unterdrückt. Die beiden Kodes verhalten sich daher quasi orthogonal zueinander. Die Erfindung erreicht somit ein mathematisch nicht direkt offensichtlich erreichbares Ergebnis in Form eines geeigneten technischen Kompromisses. Dies gilt nur für Überreichweiten des kurzen ersten Ultraschallbursts. Dies gilt nicht für Überreichweiten des längeren zweiten Ultraschallbursts. Nach dem längeren zweiten Ultraschallburst muss daher ausreichend lange gewartet werden, um ein Abklingen der Welle sicherzustellen und Überreichweiten des langen zweiten Ultraschallbursts in den Messbereich des kurzen ersten Ultraschallbursts hinein sicher auszuschließen.If the two different ultrasound bursts are transmitted rapidly one after the other, then, as already described, a large obstacle at a great distance from an overreach of the short first ultrasound burst can lead to the measurement of objects in the near range. This means that the reflected longer second ultrasound burst would be disturbed by the overreach of the shorter first ultrasound burst. However, the coding of the longer second ultrasonic burst suppresses such overreach by increasing the signal to noise ratio. Due to the shortness of the first ultrasonic burst paired with the already occurring weakening as a result of the greater distance, the excess ranges are thus suppressed by these three measures. The two codes therefore behave quasi orthogonal to each other. The invention thus achieves a mathematically not directly obviously achievable result in the form of a suitable technical compromise. This applies only to overreach of the short first ultrasonic burst. This does not apply to overreach of the longer second ultrasonic burst. After the longer second burst of ultrasound, it is therefore necessary to wait a sufficiently long time to ensure that the wave fades and reliably prevents overshoots of the long second burst of ultrasound into the measuring range of the short first burst of ultrasound.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Hilfe der 1 bis 9 erläutert. Die Figuren zeigenThe invention will be described below with the aid of 1 to 9 explained. The figures show

1 beispielhafte Signale, die im Folgenden erläutert werden, 1 exemplary signals, which are explained below,

2 ein Beispiel für ein Doppelecho beim Barker-Kode, 2 an example of a double echo in the Barker code,

3 die Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts im Falle des Barker-Kodes, 3 the correlation function as a function of the speed of movement of the object in the case of the Barker code,

4 die Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts im Falle des P4-Kodes, 4 the correlation function as a function of the speed of movement of the object in the case of the P4 code,

5 die Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts im Falle des P4-Kodes mit zusätzlichen Rauschunterdrückungsmaßnahmen, 5 the correlation function as a function of the speed of movement of the object in the case of the P4 code with additional noise suppression measures,

6 ein Empfängerausgangssignal bei einem sehr kleinen Objektabstand und bei Verwendung eines kurzen ersten Ultraschallbursts, 6 a receiver output at a very small object distance and using a short first burst of ultrasound,

7 ein Empfängerausgangssignal bei einem größeren Objektabstand und bei Verwendung eines kurzen ersten Ultraschallbursts, 7 a receiver output at a larger object distance and using a short first burst of ultrasound,

8 ein Empfängerausgangssignal ohne Objekt und bei Verwendung eines kurzen ersten Ultraschallbursts und eines P4-Kodes für den langen zweiten Ultraschallburst in Kombination, 8th a receiver output signal without an object and using a short first ultrasonic burst and a P4 code for the long second ultrasonic burst in combination,

9 ein Korrelationssignal mit größerem Objektabstand und bei Verwendung eines kurzen ersten Ultraschallbursts und eines P4-Kodes für den zweiten Ultraschallburst in Kombination. 9 a correlation signal having a larger object distance and using a short first ultrasonic burst and a P4 code for the second ultrasonic burst in combination.

Zunächst wird die 1 besprochen. Für die weitere Diskussion sei festgelegt, dass ein Ultraschallburst (26) aus einer oder mehreren Pulssequenzen (3) bestehen kann. Jede Pulssequenz (3) besteht dabei aus einem oder mehreren Ultraschallpulsen (2).First, the 1 discussed. For further discussion, it is stipulated that an ultrasonic burst ( 26 ) from one or more pulse sequences ( 3 ) can exist. Each pulse sequence ( 3 ) consists of one or more ultrasonic pulses ( 2 ).

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Modulation eines längeren Ultraschallbursts (4, 5, 6) als Phasenmodulation (nur 5, 6) erfolgt. Durch Messungen wurde ermittelt, dass 4 Ultraschallpulse (2) in einer Pulssequenz (3) eines Ultraschallbursts (26) besonders vorteilhaft sind. Am Ende einer solchen Pulssequenz (3) wird die Phase der Transducer-Schwingung geändert.It has proven to be particularly advantageous if the modulation of a longer ultrasonic burst ( 4 . 5 . 6 ) as phase modulation (only 5 . 6 ) he follows. It was determined by measurements that 4 ultrasonic pulses ( 2 ) in a pulse sequence ( 3 ) of an ultrasonic burst ( 26 ) are particularly advantageous. At the end of such a pulse sequence ( 3 ) the phase of the transducer oscillation is changed.

In 1 stellt das Sendesignal 1 einen kurzen ersten Ultraschallburst aus vier solchen Ultraschallpulsen (2) in einer einzigen Pulssequenz (3) dar. Die Phasenmodulation kann beispielsweise als Bi-Phase-Code, also einem Kode mit nur zwei erlaubten Phasenlagen erfolgen. Diese sind typischerweise um 180° zueinander verschieden. Ein solcher Kode ist der Barker-Kode. Ein beispielhafter Barker-Code setzt sich wie folgt zusammen

Figure DE102013008235A1_0002
In 1 the transmission signal 1 represents a short first ultrasonic burst of four such ultrasonic pulses ( 2 ) in a single pulse sequence ( 3 ). The phase modulation can be done, for example, as a bi-phase code, ie a code with only two allowed phase positions. These are typically different from one another by 180 °. One such code is the Barker code. An exemplary Barker code is composed as follows
Figure DE102013008235A1_0002

Dieser Phasen-Adder wird der Phase eines Basissendesignals hinzuaddiert. Hierbei gibt i die jeweilige Nummer der aufeinanderfolgenden Pulssequenzen (3) eines Ultraschallbursts (26) an. Diese Kodierung entspricht dem als Signal 5 des in 1 dargestellten Signals mit N = 4.This phase adder is added to the phase of a base transmit signal. In this case, i gives the respective number of the successive pulse sequences ( 3 ) of an ultrasonic burst ( 26 ) at. This coding corresponds to that as signal 5 of in 1 represented signal with N = 4.

Der Barker-Kode hat den Nachteil, dass schon bei einer geringen Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts, Doppelt- und Mehrfachechos auftreten können.The Barker code has the disadvantage that even with a low movement speed of the object, double and multiple echoes can occur.

Nicht alle Kodes sind also aufgrund der in der Realität auftretenden Dopplerverschiebung für den Praxiseinsatz geeignet. Not all codes are therefore suitable for practical use because of the Doppler shift that occurs in reality.

2 zeigt dieses Problem der Bi-Phasen-Codes am Beispiel eben dieses Barker-Kodes. 1a (0 m/s) zeigt dabei das Korrelationssignal bei einer Objektgeschwindigkeit von 0 m/s und 1b (1 m/s) bei einer Objektgeschwindigkeit von 1 m/s. 2 shows this problem of bi-phase codes using the example of this Barker code. 1a (0 m / s) shows the correlation signal at an object speed of 0 m / s and 1b (1 m / s) at an object speed of 1 m / s.

Bei einer Objektgeschwindigkeit 1 m/s zeigt ein solches beispielhaftes Ultraschallmesssystem offensichtlich bereits zwei Echos (8, 9) statt einem Echo (7).At an object speed of 1 m / s, such an exemplary ultrasound measuring system obviously already shows two echoes ( 8th . 9 ) instead of an echo ( 7 ).

Der Modulationssprung um 180° hat noch einen weiteren wesentlichen Nachteil: Durch die gegenläufige Ansteuerung des Transducers wird dieser quasi gebremst und liefert zunächst Energie in die Sendestufe zurück. Es wird also weniger Energie abgestrahlt. Dieses Problem ist umso signifikanter, je öfter die Phase gewechselt wird. Somit hätte die Nutzung von Bi-Phase-Kodes den Nachteil, dass sich die Reichweite besten Falls nicht in dem Maße vergrößert, wie dies durch die Nutzung eines Kodes beabsichtigt ist.The modulation jump by 180 ° has yet another major disadvantage: By the opposite control of the transducer this is quasi braked and initially supplies energy back to the transmission stage. So less energy is emitted. This problem is more significant the more often the phase is changed. Thus, the use of bi-phase codes would have the disadvantage that, in the best case, the range does not increase to the extent intended by the use of a code.

Eine wesentlich bessere Energieabstrahlung kann mit einem Quadriphasen-Kode erreicht werden. Bei diesem springt die Phase bei einem Phasenwechsel um 90°. Hierdurch wird der Transducer bei einem Phasenwechsel nicht abgebremst. Die nicht phasengerechte Energie verliert der Transducer durch Abstrahlung der Schallenergie.A much better energy dissipation can be achieved with a quadriphase code. In this case, the phase jumps by 90 ° during a phase change. As a result, the transducer is not braked during a phase change. The non-phase-correct energy loses the transducer by radiation of the sound energy.

Dies kann durch Verwendung von Poly-Phasen-Kodes oder Mehrphasen-Kodes, deren Phasensprungweite kleiner als 90° ist, noch weiter verbessert werden.This can be further improved by using poly-phase codes or polyphase codes whose phase jump is less than 90 °.

Ein besonders geschwindigkeitsrobuster Code ist der P4-Kode. Dieser erzeugt bei einer Dopplerverschiebung zwar einen gewissen Messfehler, die Autokorrelationsfunktion ist aber in weiten Teilen einem Dirac-Puls ähnlich. Ein dementsprechender P4-Kode kann durch die Formel

Figure DE102013008235A1_0003
beschrieben werden. Ein beispielhafter Kode mit N = 4 ist in 1 als Signal 6 dargestellt. Der P4-Kode erzwingt somit nur Sprünge um +/–90° dies dämpft den Transducer weniger. Besonders wichtig ist es, dass die Autokorrelationsfunktion jedoch gegenüber der zuvor erwähnten Bi-Phasen-Modulation unverändert bleibt.A particularly speedy code is the P4 code. Although this generates a certain measurement error in a Doppler shift, the autocorrelation function is largely similar to a Dirac pulse. A corresponding P4 code can be represented by the formula
Figure DE102013008235A1_0003
to be discribed. An exemplary code with N = 4 is in 1 represented as a signal 6. The P4 code thus only enforces jumps by +/- 90 °, which dampens the transducer less. Of particular importance, however, is that the autocorrelation function remains unchanged from the aforementioned bi-phase modulation.

3 zeigt eine besondere Darstellung der Autokorrelationsfunktion. Hierbei stellt fD/b die Dopplerverschiebung dividiert durch die Bandbreite dar. Die Skala t/tb stellt zeigt die Autokorrelation normiert auf die Breite einer Pulssequenz (3) dividiert durch die Länge des Ultraschallbursts (26) dar. Die Amplitude ist mit χ bezeichnet. Ohne Dopplerverschiebung ergibt sich eine eindeutige Zuordnung der Signalverzögerung über einen Spike (Dirac-Puls 12). Tritt nun eine Dopplerverschiebung auf, so treten zunächst die mit den beiden Pfeilen versehenen Höcker (10, 11) auf. Bei noch größerer Dopplerverschiebung wird das Ergebnis mehr oder weniger beliebig und uneindeutig. 3 shows a special representation of the autocorrelation function. Here f D / b represents the Doppler shift divided by the bandwidth. The scale t / t b shows the autocorrelation normalized to the width of a pulse sequence ( 3 ) divided by the length of the ultrasonic burst ( 26 ). The amplitude is denoted by χ. Without Doppler shift results in a clear assignment of the signal delay over a spike (Dirac pulse 12 ). If a Doppler shift occurs, the bumps marked with the two arrows ( 10 . 11 ) on. With even greater Doppler shift, the result is more or less arbitrary and ambiguous.

Im Gegensatz dazu zeigt 4 die gleiche Funktion für einen P4-Code. Die Funktion zeigt im Wesentlichen nur eine mehr oder weniger stabile Ausprägung (13) des Dirac-Pulses. Allerdings hat auch diese Kodierung ihre Grenzen. Ab einem bestimmten Punkt, können die parasitären Elemente (14) nicht mehr vernachlässigt werden. Daher ist der Bereich der erlaubten Dopplerverschiebungen auch hier begrenzt.In contrast, shows 4 the same function for a P4 code. The function shows essentially only a more or less stable expression ( 13 ) of the Dirac pulse. However, this coding has its limits. At a certain point, the parasitic elements ( 14 ) are no longer neglected. Therefore, the range of allowed Doppler shifts is also limited here.

5 zeigt, wie diese Funktion aussehen kann, wenn durch weitere Maßnahmen das Rauschen der Korrelationsfunktion unterdrückt wird. Der Korrelationspeak (16) ist hier stark ausgeprägt. Auch diese Methode hat Ihre Grenze bei zu großer Dopplerverschiebung durch Störungen (15). Somit kann hinsichtlich der Phasenkodierung des Ultraschallsendebursts zusammengefasst werden, dass eine P4 Kodierung besonders vorteilhaft ist. Im Nahbereich ist dieser P4 Kode, wie oben bereits ausgeführt aber nachteilig. 5 shows how this function can look if further measures suppress the noise of the correlation function. The correlation peak ( 16 ) is strong here. This method also has its limit with excessive Doppler shift due to interference ( 15 ). Thus, it can be summarized with regard to the phase coding of the ultrasonic broadcasting burst that a P4 coding is particularly advantageous. In the vicinity of this P4 code, as stated above but disadvantageous.

6 zeigt das Empfängerausgangssignal für einen kurzen ersten Ultraschallburst (Bezugszeichen 1 in 1). Im Folgenden wird dieses Verfahren Einzelpulsverfahren genannt. Es hat sich allerdings gezeigt, dass es optimal ist, die kurzen ersten Ultraschallbursts aus ca. 4 Ultraschallpulsen wie in 1 zusammenzusetzen. In dem Beispiel dauert der Ultraschallburst (18) bis zu einer Zeit, die einem Abstand von 0,1 m aufgrund der Schallgeschwindigkeit entspricht. 6 shows the receiver output for a short first burst of ultrasound (reference numeral 1 in 1 ). In the following, this method is called single-pulse method. However, it has been shown that it is optimal, the short first bursts of ultrasound from about 4 ultrasonic pulses as in 1 reassemble. In the example, the ultrasound burst ( 18 ) to a time equivalent to a distance of 0.1 m due to the speed of sound.

Dann trifft die Reflektion (17) auf den Empfänger. Es ist offensichtlich, dass die kurze Aussendezeit, diesen kurzen Minimalabstand von hier beispielhaft 11 cm überhaupt erst ermöglicht. Then the reflection ( 17 ) on the receiver. It is obvious that the short transmission time, this short minimum distance of 11 cm in the first instance makes this possible in the first place.

7 zeigt das beispielhafte Empfängerausgangssignal für ein Plastikrohr in 1 m Entfernung (20). Die Amplitudenabnahme gegenüber dem Signal in 5 ist offensichtlich. 7 shows the exemplary receiver output signal for a plastic tube 1 m away ( 20 ). The amplitude decrease compared to the signal in 5 is obvious.

Zu 8: In einem kombinierten Verfahren werden ein kurzer erster Ultraschallburst (22) gefolgt von einem langen, P4-kodiertem zweiten Ultraschallburst (23) gesendet. Dies ist in 8 dargestellt.To 8th In a combined method, a short first burst of ultrasound ( 22 ) followed by a long, P4-coded second ultrasonic burst ( 23 ) Posted. This is in 8th shown.

Sowohl der kurze erste Ultraschallburst (22), wie auch der lange kodierte zweite Ultraschallburst (23) werden in dem jeweiligen Zeitbereich durch Korrelation verarbeitet. Der Zeitbereich des kurzen ersten Ultraschallbursts (22) geht bis zur Nahtstelle (27), dem ersten Maximalabstand, bezogen auf den Aussendezeitpunkt des kurzen ersten Ultraschallbursts. Der Zeitbereich des langen kodierten zweiten Ultraschallbursts (23) von der Nahtstelle (28), dem ersten Minimalabstand, diesmal bis zur Maximalreichweite des Systems bezogen auf den Aussendezeitpunkt des langen zweiten Ultraschallbursts.Both the short first ultrasonic burst ( 22 ), as well as the long coded second ultrasonic burst ( 23 ) are processed by correlation in the respective time domain. The time range of the short first ultrasonic burst ( 22 ) goes to the interface ( 27 ), the first maximum distance, relative to the emission time of the short first ultrasonic burst. The time domain of the long coded second ultrasonic burst ( 23 ) from the interface ( 28 ), the first minimum distance, this time up to the maximum range of the system with respect to the transmission time of the long second ultrasonic burst.

9 zeigt eine beispielhafte sich daraus ergebende kombinierte Korrelationsfunktion. Das beispielhafte Hindernis (25) befindet sich dabei in 1 m Entfernung. Die Nahtstellen (27, 28) aus 8 werden dabei durch die Auswertung auf eine gemeinsame Nahtstelle (24) abgebildet. 9 shows an exemplary resulting combined correlation function. The exemplary obstacle ( 25 ) is located at 1 m distance. The interfaces ( 27 . 28 ) out 8th are evaluated by the evaluation on a common interface ( 24 ).

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „Radar Signals, Nadav Levanon, Eli Mozeson, ISBN: 978-0-471-47378-7, July 2004, Wiley-IEEE Press" [0002] "Radar Signals, Nadav Levanon, Eli Mozeson, ISBN: 978-0-471-47378-7, July 2004, Wiley-IEEE Press" [0002]

Claims (15)

Verfahren zur Messung des Abstands zwischen einem Sensorsystem und mindestens einem Objekt mittels Ultraschall, wobei • ein Sender mindestens einen ersten Ultraschallburst und mindestens einen zweiten Ultraschallburst aussendet, die – jeder für sich eine Kodierung aufweisen, und • das Objekt diese Ultraschallbursts reflektiert und • die reflektierten Ultraschallbursts durch einen Empfänger empfangen werden und • das Empfängerausgangssignal durch eine Analyseeinheit ausgewertet wird, • wobei diese mindestens ein Datum ausgibt, das mindestens einem Abstand Sender zu Objekt oder Empfänger zu Objekt entspricht gekennzeichnet dadurch, dass • mindestens zwei Ultraschallbursts sich in ihrer Kodierung unterscheiden.Method for measuring the distance between a sensor system and at least one object by means of ultrasound, wherein • a transmitter emits at least a first burst of ultrasound and at least one second burst of ultrasound, the - each have a coding for themselves, and • the object reflects this ultrasonic burst and • The reflected ultrasonic bursts are received by a receiver and The receiver output signal is evaluated by an analysis unit, • which outputs at least one date that corresponds to at least one distance from one station to another or receiver to object characterized in that • at least two ultrasonic bursts differ in their coding. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass • mindestens ein erster Ultraschallburst, so kodiert ist, dass sein Signal bei einer Überreichweite in den zeitlichen Messbereich des besagten zweiten Ultraschallbursts hinein mit dem Signal dieses zweiten Ultraschallburst so wenig korreliert, dass das Korrelationsergebnis unter einem vordefinierbaren Schwellwert liegt, wobei dieser Schwellwert unterhalb von 10% des Korrelationsergebnisses liegt, den die Korrelation des Signals des zweiten Ultraschallbursts mit dem Reflektionssignal des besagten zweiten Ultraschallbursts, hervorgerufen durch Reflektion einem anwendungsgemäß zu erkennenden Objekt, ergibt und • mindestens ein zweiter Ultraschallburst, so kodiert ist, dass eine Dopplerverschiebung verursacht durch eine Objektbewegung innerhalb eines vorgegebenen Objektgeschwindigkeitsbereichs einen Messfehler des Abstands unterhalb einer bezifferbaren maximalen Messfehlergrenze ergibt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that • at least one first ultrasonic burst is coded so that its signal in an overreach in the temporal measuring range of said second ultrasonic burst into the signal of this second ultrasonic burst so little correlated that the correlation result under a predefinable threshold is, this threshold is less than 10% of the correlation result, the correlation of the signal of the second ultrasonic burst with the reflection signal of the said second ultrasonic burst, caused by reflection of an application to be recognized object, and • at least a second ultrasonic burst, so encoded in that a Doppler shift caused by an object movement within a given object speed range gives a measurement error of the distance below a quantifiable maximum measurement error limit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer der Kodierungen um • eine Poly-Phasen-Kode handelt oder • um eine P4-Kode handelt oder • um einen Bi-Phasen-Kode oder • um einen Barker-Kode • um einen Quadriphasen-Kode handeltMethod according to one of the preceding claims, characterized in that one of the codes is • a poly-phase code or • a P4 code or • a bi-phase code or • a Barker code • is a quadriphase code Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass • ein zweiter Ultraschallburst mit einer Kodierung entsprechend Anspruch 2 dafür verwendet wird, Abstände oberhalb eines ersten Minimalabstands (28) auszumessen.A method according to claim 3, characterized in that • a second ultrasonic burst with a coding according to claim 2 is used for distances above a first minimum distance ( 28 ) to measure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass • es sich bei einer der Kodierungen um einen kurzen Ultraschallburst (1) handelt, wobei dieser dadurch gekennzeichnet ist, dass er nicht mehr als 4 oder 6 oder 8 Ultraschallpulse (2) umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that • one of the codings is a short burst of ultrasound ( 1 ), which is characterized in that it receives no more than 4 or 6 or 8 ultrasonic pulses ( 2 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass • es sich bei einer der Kodierungen um einen kurzen Ultraschallburst handelt, wobei dieser dadurch gekennzeichnet ist, dass er mehr als 1 Ultraschallpuls (2) umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that • one of the codes is a short burst of ultrasound, which is characterized in that it has more than 1 ultrasonic pulse ( 2 ). Verfahren nach Anspruch 5 und/oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass • ein erster Ultraschallburst mit einer Kodierung entsprechend Anspruch 5 und/oder 6 dafür verwendet wird, Abstände unterhalb eines ersten Maximalabstands (27) auszumessen.A method according to claim 5 and / or 6, characterized in that • a first ultrasonic burst with a coding according to claim 5 and / or 6 is used for distances below a first maximum distance ( 27 ) to measure. Vorrichtung zur Messung des Abstands zwischen einem Sensorsystem und mindestens einem Objekt mittels Ultraschall, die umfasst • mindestens einen Sender, der mindestens einen ersten Ultraschallburst und mindestens einen zweiten Ultraschallburst aussendet, die – jeder für sich eine Kodierung aufweisen, und • mindestens einen Empfänger, der mindestens einen Teil der reflektierten Ultraschallbursts empfängt und • mindestens eine Analyseeinheit, die mindestens ein Empfängerausgangssignal auswertet und die mindestens ein Datum ausgibt, das mindestens einem Abstand Sender zu Objekt oder Empfänger zu Objekt entspricht gekennzeichnet dadurch, dass • mindestens zwei gesendete Ultraschallbursts sich in ihrer Kodierung unterscheiden undApparatus for measuring the distance between a sensor system and at least one object by means of ultrasound, comprising • at least one transmitter emitting at least a first burst of ultrasound and at least one second burst of ultrasound, the - each have a coding for themselves, and • at least one receiver that receives at least a portion of the reflected ultrasonic bursts and • at least one analysis unit that evaluates at least one receiver output signal and that outputs at least one datum that corresponds to at least one distance from one transmitter to another or receiver to another characterized in that • At least two transmitted ultrasonic bursts differ in their coding and Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass • mindestens ein erster Ultraschallburst, so kodiert ist, dass sein Signal bei einer Überreichweite in den zeitlichen Messbereich des besagte zweiten Ultraschallbursts hinein mit dem Signal dieses zweiten Ultraschallburst so wenig korreliert, dass das Korrelationsergebnis unter einem vordefinierbaren Schwellwert liegt, wobei dieser Schwellwert unterhalb von 10% des Korrelationsergebnisses liegt, den die Korrelation des Signals des zweiten Ultraschallbursts mit dem Reflektionssignal des besagten zweiten Ultraschallbursts, hervorgerufen durch Reflektion einem anwendungsgemäß zu erkennenden Objekt, ergibt und • mindestens ein zweiter Ultraschallburst, so kodiert ist, dass eine Dopplerverschiebung verursacht durch eine Objektbewegung innerhalb eines vorgegebenen Objektgeschwindigkeitsbereichs einen Messfehler des Abstands unterhalb einer bezifferbaren maximalen Messfehlergrenze ergibt. Device according to one of the preceding claims, characterized in that • at least one first ultrasonic burst is coded so that its signal in an overreach in the temporal measuring range of said second ultrasonic burst into the signal of this second ultrasonic burst so little correlated that the correlation result under a predefinable threshold is, this threshold is less than 10% of the correlation result, the correlation of the signal of the second ultrasonic burst with the reflection signal of the said second ultrasonic burst, caused by reflection of an application to be recognized object, and • at least a second ultrasonic burst, so encoded in that a Doppler shift caused by an object movement within a given object speed range gives a measurement error of the distance below a quantifiable maximum measurement error limit. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer der Kodierungen mindestens eines gesendeten Ultraschallbursts um • eine Poly-Phasen-Kode handelt oder • um eine P4-Kode handelt oder • um einen Bi-Phasen-Kode oder • um einen Barker-Kode • um einen Quadriphasen-Kode handeltDevice according to one of the preceding claims, characterized in that it is one of the encodings of at least one transmitted ultrasonic burst to • a poly-phase code or • is a P4 code or • a bi-phase code or • by a Barker code • is a quadriphase code Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass • Sie die empfangenen Daten je nach Reflektionszeitpunkt unterschiedlich verarbeitet.Apparatus according to claim 9, characterized in that • you processed the received data differently depending on the reflection time. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass sie • für den Empfangssignalteil, der nach einem Grenzzeitpunkt (28) liegt, ein Korrelationssignal durch Korrelation mit einem Signal mit einer Kodierung entsprechend Anspruch 9 berechnet.Device according to the preceding claim, characterized in that it • for the received signal part which after a time limit ( 28 ), a correlation signal calculated by correlation with a signal having a coding according to claim 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass • es sich bei einer der verwendeten Kodierungen um ein Sendesignal für einen kurzen Ultraschallburst (1) handelt, wobei dieser dadurch gekennzeichnet ist, dass er nicht mehr als 4 oder 6 oder 8 Ultraschallpulse (2) umfasst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that • one of the codings used is a transmission signal for a brief burst of ultrasound ( 1 ), which is characterized in that it receives no more than 4 or 6 or 8 ultrasonic pulses ( 2 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass • es sich bei einer der verwendeten Kodierungen um ein Sendesignal für einen kurzen Ultraschallburst handelt, wobei dieser dadurch gekennzeichnet ist, dass er mehr als 1 Ultraschallpuls (2) umfasst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that • one of the codings used is a transmission signal for a short burst of ultrasound, which is characterized in that it has more than 1 ultrasound pulse ( 2 ). Vorrichtung nach Anspruch 12 und/oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass • für den Empfangssignalteil, der vor einem Grenzzeitpunkt (27) liegt, ein Korrelationssignal durch Korrelation mit einem Signal mit einer Kodierung entsprechend Anspruch 13 und/oder 14 berechnet wirdApparatus according to claim 12 and / or 14, characterized in that • for the received signal part which before a time limit ( 27 ), a correlation signal is calculated by correlation with a signal having a coding according to claim 13 and / or 14
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