用於測量發射器與接收器之間的測量系統的傳輸路徑的性質的方法和傳感器系統的製作方法
2023-05-30 08:08:01
用於測量發射器與接收器之間的測量系統的傳輸路徑的性質的方法和傳感器系統的製作方法
【專利摘要】提供用於基於第一發射器(H1)與接收器(D1)之間的反饋補償來測量一種測量系統的第一傳輸路徑(T1)的傳輸性質的方法和傳感器系統，除了所述第一發射器(H1)的所發射傳輸信號(I2)之外，補償發射器(K)的補償信號(I2)還在接收器(D1)中按照疊加方式來接收。第一發射器(H1)的供應信號(S5))和接收器(D)的接收器輸出信號(S1)各形成準希耳伯特空間中的向量。通過按照本發明的方法，希耳伯特投影在接收器(D)的接收器輸出信號(S1)與供應信號(S5)之間執行，使得生成投影圖像信號(S10)。輸出信號(S4)從投影圖像信號(S10)來形成。前置信號(S6)通過採用供應信號(S5)對輸出信號(S4)的至少部分逆變換來生成。逆變換優選地經過乘法進行。用於供給補償發射器(K)的補償信號(S3)從所形成的前置信號(S6)來生成，以便實現接收器輸出信號(S1)的反饋控制。
【專利說明】用於測量發射器與接收器之間的測量系統的傳輸路徑的性 質的方法和傳感器系統
[0001] 本發明涉及用於測量第一發射器和接收器之間的第一傳輸路徑的傳輸性質的方 法和傳感器系統。第一發射器將第一信號傳送到傳輸路徑上，其在經過第一傳輸路徑的至 少一部分之後由接收器來檢測。第二發射器將第二信號傳送到第二傳輸路徑上，其在經過 第二傳輸路徑之後由接收器來檢測。在接收器中，第一信號和第二信號按照基本上累積的 方式來疊加。接收器輸出信號然後從其中形成，經過進一步處理，並且最終饋送給反饋迴路 中的第二發射器供補償。
[0002] 在許多應用領域中，將要確定從發射器到接收器、例如傳感器的傳輸路徑的傳輸 性質。能夠需要例如確定參考對象到另一個對象的距離，或者檢測對象在某個區域或空間 中的移動。其它示例是確定傳輸路徑的介質的基本性質，例如折射率、吸收譜、擴散、散射 (例如霧檢測）、自旋弛豫時間、電磁常數（例如電容率、相對磁導率和光速）、螢光特性（信 號的載波長波和/或載波頻率到另一個波長/頻率的傳輸），或者邊界層和表面的性質（例 如反射率、反射譜、邊界表面的介質之間的上述性質的比率、邊界表面的間距等）的檢測。
[0003] 從現有技術已知許多補償方法，其中實際傳輸信號在接收器按照使得接收器大體 上包含接近恆定信號的方式與補償信號來疊加。例如在以下文檔中公開測量的這種補償方 法： DE10001955A1DE10024156A1 DE19839730C1 DE930983U1 DE10001943C1 DE10346741B3 DE102004025345B3 DE102005013325A1 DE102005010745B3 DE102007005187B4 這些文檔中所述的方法使用幅度調節模擬信號作為傳輸信號和/或作為補償信號。傳 輸信號具有恆定佔空比，並且通常是基本上單頻的，即，它僅使用一個特定頻率。
[0004] 單頻模擬補償信號證明是這些方法中的基本缺點，因為單頻補償信號很容易受到 幹擾。例如，已經發現，在光學系統中，雖然不存在來自或多或少均勻的陽光的幹擾，但是來 自光源、例如螢光燈的光及其瞬變（其按照相應區域線頻率的50Hz或60Hz的線頻率的 倍數進行波動）實際上引起幹擾。當本文所述的若干測量系統不能在光學上分離時，使該 問題更為加劇。例如在基於以上公開之一的光學汽車雷達中，如果接近的汽車的發射器向 其自己的汽車的接收器中進行傳送時，情況能夠是這樣。上述系統不適合於這個目的。
[0005] 因此，系統不易適合於使用若干系統的三角測量和更複雜的識別任務。
[0006] 如果將要檢測或監測若干傳輸路徑或者較大範圍，則也變得難以使用這類系統。 則一般使用時分復用方法，以便在時間上區分單獨信號。但是，這具有延遲在信號的處理和 預期範圍的觀測期間發生的缺點。時間間隙在空間觀測中出現，其是不可接受的，特別是在 安全相關應用中。
[0007] 執行間隙檢測的上述列表的系統的另一個缺點在於，當使用若干反射器時，它們 只能夠確定反射器之間的平均間隙。
[0008] 發明目的 以現有技術和關聯問題作為出發點，本發明的目的是提供一種用於檢測傳輸路徑的傳 輸性質的優化方法，其使得例如能夠可靠地識別傳輸路徑中存在的對象和/或對象的重要 特性。該方法具體是基於補償的，並且在最大可能程度上對幹擾不敏感。
[0009] 實現目的的途徑 本目的通過一種用於測量如權利要求1所述特徵的測量系統的傳輸路徑的傳輸性質 的方法以及通過具有如權利要求26所述特徵的傳感器系統來實現。
[0010] 基本系統和基本數學方法的描述 測量系統的第一傳輸路徑在第一發射器Hl與接收器Dl之間形成。第一發射器Hl將 第一信號傳送到第一傳輸路徑，使得在經過第一傳輸路徑的至少一部分之後，在接收器Dl 檢測這個信號。作為所謂的補償發射器的第二發射器K將第二信號傳送到第二傳輸路徑， 其存在於第二發射器K與接收器Dl之間。第二信號（補償傳輸信號）在經過第二傳輸路 徑之後由接收器Dl來檢測。在接收器Dl中，第一信號和第二信號按照基本上線性的方式 來疊加。疊加優選地是累積的。在接收器中，接收器輸出信號從兩個疊加信號來形成。 [0011] 為了測量第一發射器Hl與接收器Dl之間的第一傳輸路徑的傳輸性質，第一供應 信號S5通過發生器來產生。供應信號S5和接收器輸出信號Sl選擇成使得兩個信號的每 個形成準希耳伯特空間中的向量。下面將提供如本上下文中使用的準希耳伯特空間的更 準確定義。例如在"TaschenbuchderMathematik，'（[HandbookofMathematics] ;Ι·N. BronsteiruK.A.Semendjajew>G.Musiol、H.Miihlig;第6修訂版；FrankfurtamMain； 由HarriDeutsch發表；2005;第12. 4小節"HilbertSpaces"，第635頁以及以下等等中， 描述了關聯數學關係。在參照這個教材的地方，稱作BR0NSTEIN。
[0012] 待傳送信號通過時間的函數來形成；在最簡單情況下，它們通過正弦或餘弦函數 來形成。同樣的情況適用於接收器輸出信號S1。這意味著，確定為向量（供應信號S5(用 以向第一發射器供電）和接收器輸出信號SI)的信號是其中定義內積的向量空間的元素。 換言之，兩個信號S5、Sl是其中定義純量積的向量空間的元素，以便能夠描述向量之間的 關係。（BR0NSTEIN第 12. 4.L1 小節）。
[0013] 為了便於了解，將在背景部分進行一些一般說明。
[0014] 信號S⑴能夠表示為向量S。在這樣做時，信號S⑴由無限數量的信號值Si、信 號樣本組成，其中下標i表示信號S(t)具有這個值Si的時間點ti。因此，這些無限值Si構 成無限維向量S。由於這種值St=S(t)能夠對各時間點t來確定，所以值Si與si+1之間的 間隙能夠減小為零。因此，s(t)能夠被看作是無限維向量，其中參數t對應於向量S的值 Si的原始下標i。
[0015] 如果這時考慮兩個標識號A(t)和B(t)，則會對樣本信號Ai和Bi的向量A和B的 純量積寫作下式： (Αβ)= ΣΑΑ 這個純量積能夠用作希耳伯特空間的定義的一部分。
[0016]這產生沒有向量特性的單值、對應於一個向量（例如向量Α)到另一向量（例如向 量Β)的投影的標量。
[0017] 如果這時考慮關聯時間連續信號A(t)和B(t)，則關聯純量積能夠例如定義如下：
【權利要求】
1. 一種用於基於第一發射器與接收器之間的反饋補償來測量測量系統的第一傳輸路 徑的傳輸性質的方法，其中 -所述第一發射器（H1)將第一信號（12)傳送到所述傳輸路徑上，所述第一信號在經過 所述第一傳輸路徑（T1)的至少一部分之後由所述接收器（D1)來檢測， -補償發射器（K)將第二信號（12)傳送到第二傳輸路徑上，所述第二信號在經過所述 第二傳輸路徑之後由所述接收器01)來檢測， _所述第一信號（II)和所述第二信號（12)在所述接收器（D1)中按照線性方式來疊 力口，從其中形成接收器輸出信號（S1)， 其特徵在於下列步驟： -通過發生器（G1)來生成供應信號（S5)，其中所述供應信號（S5)和所述接收器輸出 信號（S1)各形成準希耳伯特空間中的向量，並且所述供應信號（S5)是與零不同的頻帶限 制供應信號，所述供應信號具有上截止頻率和下截止頻率《min，所述下截止頻率《min 不同於所述上截止頻率 -向所述第一發射器（H1)饋送所述供應信號（S5); -經過希耳伯特投影來運行從所述接收器（D1)的所述接收器輸出信號（S1)到所述供 應信號（S5)的前向變換，使得生成投影圖像信號（S10); -基於所述投影圖像信號（S10)來形成輸出信號（S4)，其中所述輸出信號（S4)包括與 所述第一傳輸路徑（T1)的傳輸性質有關的信息； -採用所述供應信號（S5)來運行所述輸出信號（S4)的至少部分逆變換，使得形成前置 信號（S6); -從所述前置信號（S6)來生成補償信號（S3); -向所述補償發射器（K)饋送所述補償信號（S3)，供所述接收器輸出信號（S1)的反饋 控制。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述供應信號（S5)是調製和/或非計時信 號，特別是隨機信號和/或偽隨機信號和/或基於擴展碼的信號和/或噪聲信號。
3. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述逆變換優選地是乘法，和 /或所述希耳伯特投影的執行經過純量積的形成進行，並且純量積優選地通過下列步驟來 形成： -將所述接收器輸出信號（S1)與所述供應信號（S5)相乘，並且形成檢測信號（S9);以 及 -在濾波器（F1)中對所述檢測信號（S9)進行濾波，使得所述投影圖像信號（S10)從經 濾波的濾波器輸出信號來生成。
4. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述投影圖像信號（S10)通 過放大器（VI)放大為所述輸出信號（S4)。
5. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，經過將所述前置信號（S6)與 偏置值（B1)相加來生成所述補償信號（S3)。
6. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，偏置值（B5)在所述供應信號 (S5)向所述第一發射器（H1)饋送之前加入所述供應信號（S5)。
7. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述供應信號（S5)的所述下 截止頻率《min大於所述供應信號（S5)的所述上截止頻率的一半。
8. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述濾波器（F1)是線性濾波 器，其優選地僅允許其頻率小於或等於所述供應信號（S5)的所述上截止頻率與所述 下截止頻率《min之間的距離的一半的這類頻率分量經過。
9. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述供應信號（S5)和所述 濾波器（F1)選擇成使得在濾波時，通過所述濾波器（F1)，幹擾信號（15)與所述供應信號 (S5)純量相乘，所述濾波器（F1)的所述輸出信號（S10)為最小。
10. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，測量所述濾波器（F1)以採 用優選地設置成等於一的已知的、特別是恆定的供應信號（S5)來識別所述接收器輸出信 號（S1)中的幹擾信號（15)。
11. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，形成與所述供應信號（S5) 正交的基本信號（S5o)，所述正交基本信號（S5o)優選地從超前所述供應信號（S5)時間周 期△t的信號（S5v)與尾隨所述供應信號（S5)所述時間周期△t的信號（S5d)之間的差或 者優選地從所述供應信號（S5)和尾隨所述供應信號（S5)所述時間周期At的信號（S5d) 的差來形成。
12. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於所述附加步驟： -生成與所述供應信號（S5)正交的基本信號（S5o); -從所述接收器輸出信號（S1)和所述正交基本信號（S5o)來形成所述純量積，使得生 成正交投影圖像信號（SlOo); -可選地通過放大器（V2)將所述正交投影圖像信號（SlOo)放大為輸出信號（S4o); -將基於所述正交投影圖像信號（S10)的輸出信號（S4o)與所述基本信號（S5o)相乘 為前置信號（S6o); _將所述正交前置信號（S6o)與通過將所述供應信號（S5)與所述輸出信號（S4)相乘 來形成的前置信號（S6)相加，所述補償信號（S3)經過所述前置信號（S6)與所述正交前置 信號（S6o)以及可選的偏置值（B1)的相加來生成。
13. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述純量積通過下列步驟從 接收器輸出信號（S1)和所述正交基本信號（S5o)來形成： -將所述接收器輸出信號（S1)與所述正交基本信號（S5o)相乘，使得形成正交檢測信 號（S9o); -通過濾波器（F2)對所述正交檢測信號（S9o)進行濾波。
14. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於下列步驟： -形成尾隨所述供應信號（S5)第一時間周期的脈衝（S5dl)、尾隨第二時間周期At2的脈衝（S5d2)和尾隨第三時間周期At3的脈衝（S5d3)， 所述時間周期At2大於所述時間周期，並且所述時間周期At3大於或等於所述時 間周期At2 ; -從所述供應信號（S5)來形成基本信號（S5ol); -形成與所述信號（S5ol)正交的基本信號（S5〇2)，其中，具體來說， a. 所述正交基本信號（S5ol)能夠形成為所述信號（S5dl)和（S5d2)的差，和/或 b. 所述正交基本信號（S5〇2)能夠與所述正交基本信號（S5d3)相同，和/或 C.所述時間周期能夠是Ati= 0,和/或d.所述時間周期At2和At3能夠相等 -所述正交基本信號（S5ol)進一步處理為正交前置信號（S6ol); -所述正交基本信號（S5〇2)進一步處理為正交前置信號（S6〇2); -從所述前置信號（S6，S6〇l，S6〇2)來形成所述補償信號（S3)，所述補償信號優選地經 過加法饋送到補償發射器（K)。
15. 如以上權利要求12至14中的任一項所述的方法，其特徵在於 -生成若干正交基本信號（S5oi); -生成若干正交前置信號（S6oi)， -將至少一個正交前置信號（S6oi)加入所述前置信號（S6)和所述可選偏置值（B1)， 優選地使用若干放大器（V2)。
16. 如權利要求15所述的方法，其特徵在於，與所述供應信號（S5)正交的所述基本信 號（S5o)的至少兩個相互正交。
17. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於所述附加步驟： -生成與所述供應信號（S5)正交的基本信號（S5o); -從所述接收器輸出信號（S1)和所述正交基本信號（S5o)來形成所述純量積，使得生 成正交投影圖像信號（SlOo); -具體通過放大器（V2)將所述正交投影圖像信號（SlOo)放大為正交輸出信號（S4o); -作為所述正交輸出信號（S4o)的函數使所述進一步處理的接收器輸出信號（S1)延 遲，所述接收器輸出信號（S1)到所述補償信號（S3)中進一步處理鏈的延遲因下列信號的 至少一個的延遲而發生：
1. 延遲用於所述逆變換的所述供應信號（S5)，和/或
2. 延遲所述逆變換期間的所述前置信號（S6) -進一步處理所述相應延遲信號而不是所述非延遲信號。
18. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，至少一個第一發射器（H1) 不是由所述供應信號（S5)直接控制，而是在至少一個操作位置中，它能夠由相對（S5)所延 遲的信號（S5dx)來控制。
19. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於附加步驟： -生成與所述供應信號（S5)正交的基本信號（S5o); -從所述接收器輸出信號（S1)和所述正交基本信號（S5o)來形成所述純量積，使得生 成正交投影圖像信號（SlOo); -具體通過放大器（V2)放大所述正交投影圖像信號（SlOo)，來形成正交輸出信號 (S4o)； -生成供應信號（S5dx)，其經過作為所述輸出信號（S4o)的函數使所述供應信號（S5) 延遲、相對所述供應信號（S5)經過控制延遲；以及 -向所述第一發射器（H1)饋送所述延遲供應信號（S5dx)。
20. 如權利要求18或19中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述供應信號（S5)是計 時的或者是單頻的，以及所述延遲供應信號（S5dx)的形成通過藉助於相移使所述供應信 號（S5)延遲來實現。
21. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述供應信號（S5)採用隨 機發生器或者準隨機發生器來生成，所述準隨機發生器優選地發包括反饋移位寄存器，並 且所述供應信號（S5)優選地從簡單本原生成多項式來形成。
22. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，經過生成各相對所述供應信 號（S5)移位所述時間周期At的若干信號、優選地為尾隨信號，能夠檢測設置在所述第一 傳輸路徑（T1)中的對象（0)。
23. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述輸出信號（S4)和/或所 述正交輸出信號（S4o)作為測量值來處理或輸出。
24. 如以上權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法的至少部分採取數 字化形式、優選地通過HMM(隱藏馬爾可夫模型）或佩特裡網或神經網絡、在微型計算機或 信號處理器或者模擬計算機上的FSM(有限狀態機）來執行。
25. -種傳感器系統，其特徵在於，它設計和設置成運行如以上權利要求中的一項或多 項所述的方法。
26. -種具有第一發射器（H1)、補償發射器（K)和接收器（D1)、用於測量第一發射器 (H1)與接收器01)之間的第一傳輸路徑的傳輸性質的傳感器系統，其中 -所述第一發射器（H1)提供有發生器（G1)的供應信號（S5)，並且設計和設置成將第 一信號傳送到所述傳輸路徑（T1)上，所述第一信號在經過所述第一傳輸路徑（T1)的至少 一部分之後由所述接收器（D1)來檢測， -所述補償發射器（K)設計和設置成將第二信號（12)傳送到第二傳輸路徑上，所述第 二信號在經過所述第二傳輸路徑之後由所述接收器（D1)來檢測， -所述接收器（D1)設計和設置成按照線性方式來疊加所述第一信號（II)和所述第二 信號（12)，並且從其中形成接收器輸出信號（S1)， 其中所述供應信號（S5)是頻帶限制的，且與零不同，並且具有上截止頻率comax和與 其不同的下截止頻率《min, 所述供應信號（S5)和所述接收器輸出信號（S1)各形成準希耳伯特空間中的向量； 包括 -處理單元（PU)，其設計和設置成經過所述接收器（D1)的所述接收器輸出信號（S1) 到所述供應信號（S5)上的希耳伯特投影以使得生成投影圖像信號（S10)，來執行前向變 換； -放大器（VI)，其設計和設置成放大所述投影圖像信號（S10)，並且形成所述輸出信號 (S4)； 其中 -採用所述供應信號（S5)的所述輸出信號（S4)的逆變換在所述處理單元（PU)中發 生，所述兩個信號（S4)和（S5)優選地相乘，並且形成前置信號（S6)，所述前置信號進一步 處理為補償信號（S3)，所述補償信號用以供給所述補償發射器（K)，以供接收器輸出信號 (S1)的反饋控制。
27. 如以上權利要求中的任一項所述的傳感器系統，其特徵在於 -所述處理單元（PU)包括濾波器（F1); -所述處理單元（PU)中的所述希耳伯特投影經過純量積的形成進行，其中所述接收器 輸出信號（S1)與所述供應信號（S5)相乘，並且形成檢測信號（S9);以及 _在所述濾波器（F1)中對所述檢測信號（S9)進行濾波，使得所述投影圖像信號（S10) 在所述濾波器的出口來生成。
28. 如以上權利要求中的任一項所述的傳感器系統，其特徵在於 -多個發生器（Gi)生成供應信號（S5i); -多個第一發射器（Hi)的每個提供有供應信號（S5i); _多個傳輸路徑存在，經過其將所述發射器（Hi)之一的相應傳輸信號（I4i)傳送給所 述接收器01); -所述第一發射器（Hi)的所述第一信號（I4i)在所述接收器（D1)中與所述補償發射 器（K)的所述第二信號（12)疊加為所述接收器輸出信號（S1); -對於各第一發射器（Hi)的各第一供應信號（S5i)，前置信號（S6i)在所述處理單元 中生成，從其中形成所述補償信號（S3)。
29. 如以上權利要求中的任一項所述的傳感器系統，其特徵在於 -所述傳感器系統包括若干接收器Oi)和若干補償發射器（Ki)，補償發射器（Ki)與 各接收器Oi)關聯； -形成多個傳輸路徑，經過其將所述第一發射器（H1)的所述傳輸信號傳送給相應接收 器Oi); -所述第一發射器（HI)的所述第一信號（14)在各接收器（Di)中與補償發射器（Ki) 的相應第二信號（I2i)疊加為所述接收器輸出信號（Sli); _對於各發射器（H2i)，用於所述接收器（Di)的所述輸出信號的所述反饋補償的補償 信號（S3i)在所述處理單元中生成，用所述補償信號供給所述相應補償發射器（Ki)。
30. 如以上權利要求中的任一項所述的傳感器系統，其特徵在於 -所述傳感器系統包括若干接收器Oi)和至少一個、優選地為若干補償發射器（Ki)， 補償發射器（Ki)與至少兩個接收器（Di)共同關聯； -形成多個傳輸路徑（Tli)，經過其將所述第一發射器（H1)的所述傳輸信號傳送給相 應接收器0>i); -所述第一發射器（HI)的所述第一信號（14)在各接收器（Di)中與補償發射器（Ki) 的相應第二信號（I2i)疊加為所述接收器輸出信號（Sli); -對於各補償發射器（Ki)，用於所述接收器Oi)的所述輸出信號的所述反饋補償的補 償信號（S3i)在所述處理單元中生成，用所述補償信號供給所述相應補償發射器（Ki);以 及 _所述補償信號（S3i)通過在共享至少一個補償發射器（Ki)的所述接收器（Di)的所 述信號（Sli)的所述處理單元之間按照時分復用方法分別來回切換來形成，因時分復用而 間斷地沒有促成所述補償信號（S3i)的所述處理單元連接成使得其內部狀態和輸出響應 在這個時間期間沒有改變，並且因時分復用而間斷地促成所述補償信號（S3i)的處理單元 對其貢獻的時長表現為好像沒有時分復用正發生一樣。
31. 如以上權利要求中的任一項所述的傳感器系統，其特徵在於，第一發射器（H1)與 接收器（D1)之間的所述信號傳輸經過電流的傳輸、電壓的傳輸、經過電力或熱功率的傳 輸、聲學上、流體地、氣動地、液壓地或者經過運動介質、特別是水和油或者固體的物理或化 學性質的改變，電子地、電容地、電感地、電磁地發生。
32.如以上權利要求中的任一項所述的傳感器系統，其特徵在於，檢測所述傳輸路徑 (T1)的性質的下列變化或者所述傳輸路徑（T1)中的對象（0)或介質中的至少一個： _折射率 -對象密度 -對象大小 -對象距離 -對象組成 -空間中的對象的位置 -對象取向 _透明度或傳輸（特別是譜或顏色相關） -衰減或吸收（特別是譜或顏色相關） _反射率或反射（特別是譜或顏色相關） -相位延遲（特別是譜或顏色相關） -核自旋交互（特別是共振） -磁導率 -介電值 -傳導率、電阻或電阻分布 _速度分布。
【文檔編號】G01S7/487GK104380139SQ201280072597
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2012年2月23日
【發明者】B.布爾夏德 申請人:艾爾默斯半導體股份公司