DE69516366T2

DE69516366T2 - Messverfahren und Messvorrichtung

Info

Publication number: DE69516366T2
Application number: DE69516366T
Authority: DE
Inventors: Tomonori Kimura; Mitsuhiro Koike; Koichiro Misu; Tsutomu Nagatsuka; Shuzou Wadaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2015-06-24
Also published as: EP0713090B1; JPH08194058A; DE69516366D1; US5942688A; JP3130223B2; EP0713090A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Erfassungsverfahren und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe eines Objekts, welches auf der Basis der Natur von Wellen in einem breiten Sinn erfaßt werden soll, was akustische Wellen, Ultraschallwellen und Licht, wie elektromagnetische Wellen, elastische Wellen oder ähnliches entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1 einschließt, wie in der früheren europäischen Anmeldung EP-A 0 667 526 und der japanischen Schrift JP-A-6-229 991 offenbart.
Die zuvor erwähnte EP 0 667 526 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Eisenbahnrädern, um Risse und die Tiefe von Rissen in einem Abschnitt der Räder zu erfassen. Zwei Rayleigh- Ultraschallwellen-Impulse, die verschiedene Frequenzen aufweisen, werden zu einem Abschnitt der Radoberfläche gesendet, und die reflektierte Energie jeder Welle wird empfangen. Die Rißtiefe wird auf der Basis des Verhältnisses der reflektierten Energien bestimmt.
Die JP-A-6-229 991 (die unten in größerem Detail beschrieben werden wird) bezieht sich auf die hochgenaue Erfassung von Änderungen in der Form der Oberfläche einer Probe, indem die Variation einer Phase mit einem Ultraschall-Rißdetektor geprüft wird. Hier wird der Unterschied zwischen zwei Phasen zweier empfangener Signale, die von einem Objekt reflektiert worden sind, bestimmt, und eine Frequenz wird erzeugt, die durch die Differenz zwischen den beiden Phasen und die Differenzen zwischen den beiden Frequenzen definiert ist. Die resultierenden Frequenzen werden zum Messen einer Entfernung von der Erfassungseinrichtung zu einem Objekt verwendet.
Die physikalischen Größen schließen in einem breiten Sinn physikalische Charakteristika eines zu erfassenden Objekts ein, wie ein zu erfassendes Material. Spezifische Beispiele von dem, was erfaßt werden soll, sind:
A. Eine Entfernung von einer Erfassungseinrichtung zu einem zu erfassenden Objekt, eine Anwesenheit oder Abwesenheit des erfaßten Objekts;
B. Form und Position des erfaßten Objekts;
C. Verschiedene Charakteristika und eine Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Mediums, wenn sich eine Welle darauf oder dort hindurch ausbreitet, wobei das Medium zwischen einer Erfassungseinrichtung und einem zu erfassenden Objekt gelegen ist:
Ein Ultraschall-Erfassungsverfahren und eine Ultraschall- Erfassungseinrichtung werden vermöge von Beispielen zur Erleichterung der Erklärung beschrieben werden.
In der Spezifikation wird ein Wort "Messung" häufig zusätzlich zu einem Wort "Erfassung" verwendet werden, aber das erstere in dem letzteren enthalten ist.
Von dem Ultraschall-Erfassungsverfahren und der -einrichtung werden ein Ultraschall-Meßverfahren und eine Ultraschall- Meßeinrichtung, die eine Ultraschallwelle verwenden, zuerst beschrieben werden.
Im allgemeinen bedeutet die Ultraschall-Erfassungseinrichtung eine Einrichtung, die einen Strahl einer Ultraschallwelle auf ein Objekt projiziert, und eine reflektierte, gestreute oder gebeugte Ultraschallwelle von dem Objekt empfängt, wobei das Objekt erfaßt wird, eine Entfernung von der Erfassungseinrichtung zu dem Objekt und die Form des Objekts gemessen wird, das Objekt visualisiert wird, oder sie das Objekt erkennt. Die Ultraschall-Erfassungseinrichtung bedeutet auch eine Einrichtung zum Messen einer Schallgeschwindigkeit einer akustischen Welle, die sich in einem Objekt fortpflanzt oder einer Ultraschallwelle, die sich in einem Medium ausbreitet. Das Objekt schließt jedwedes in jedwedem Medium gelegene Objekt ein, welches es einer Ultraschallwelle erlaubt, sich auszubreiten, wie ein Gas, einschließlich Luft, eine Flüssigkeit einschließlich Wasser, Seewasser oder ein Festkörper.
Dieser Typ einer herkömmlichen Ultraschall-Meßeinrichtung wird durch Verwenden eines Beispiels auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Ultraschall-Inspektion beschrieben werden. Eine in Fig. 42 funktionell dargestellte Ultraschall- Meßeinrichtung ist in "New Nondestructive Inspection Handbook" (als ein Artikel A bezeichnet), herausgegeben von Nihon Nondestructive Inspection Association Corporation, 15. Oktober 1992, Seiten 256 bis 278, verlegt von Nikkan Kogyo Shinbun Company Ltd., beschrieben.
In Fig. 42 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Pulser; 2 einen Empfänger, 3 einen Controller einschließlich eines Generatorabschnitts; 4 einen horizontalen Ablenkabschnitt; 5 eine Anzeigeeinheit; 6 eine Sonde; 7 ein Teststück; und 8 einen Defekt. In der Figur entspricht das Teststück 7 einem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium, und der Defekt 8 entspricht einem Objekt.
Die Betriebsweise der so konstruierten Ultraschall- Meßeinrichtung wird beschrieben werden. Ein Impulsverfahren wird in der Ultraschall-Meßeinrichtung, wie in Fig. 42 gezeigt, eingesetzt, das in dem Gebiet der zerstörungsfreien Ultraschall-Inspektion verwendet wird. Für das Impulsverfahren wird auf "Ultrasonic Defect Probing Method (revised edition)" (bezeichnet als ein Artikel B), herausgegeben von dem 19. Committee of Steel Making in Nihon Academy Promotion, 30. Juli 1974, Seiten 114 bis 149, verlegt von Nikkan Kogyo Shinbun Company Ltd., Bezug genommen. Der Pulser 1 erzeugt einen elektrischen Puls bei einem durch eine Sende-Repetitionsfrequenz definierten Zeitablauf. Die Pulsbreite des elektrischen Pulses ist in einem derartigen Ausmaß schmal, daß sie als ein Impuls betrachtet werden könnte, wie in Fig. 43(a) gezeigt. Der elektrische Puls wird an die Sonde 6 angelegt, wo er in einen Ultraschallpuls konvertiert wird, wie in Fig. 43(b) gezeigt. Der Ultraschallpuls wird auf das Teststück 7 projiziert.
Der Ultraschallpuls breitet sich durch das Teststück 7 aus und wird durch den Defekt 8 in dem Teststück 7 und dem Boden des Teststücks 7 reflektiert, um dadurch zu der Sonde 6 zurückzukehren. Die Sonde 6 empfängt den zurückgekehrten Ultraschallpuls in der Form eines elektrischen Reflexionsechosignals. Das Echosignal wird verstärkt und durch den Empfänger 2 gleichgerichtet. Das Ausgangssignal des Empfängers 2 wird zu der Anzeigeeinheit 5 gesendet.
Der Taktsignal-Generatorabschnitt, der in dem Controller 3 eingeschlossen ist, erzeugt Sync-Signale zum Steuern des zeitlichen Ablauf des Betriebs der jeweiligen Schaltungen in der Einrichtung. Der Horizontal-Ablenkerabschnitt 4 erzeugt ein Zeitachsen-(Abzissen-)Ablenksignal durch Verwenden des Sync-Signals zum Senden an die Anzeigeeinheit 5. Dann zeigt die Anzeigeeinheit 5 einen Sendepuls T, ein Reflexions- oder Defektecho F von dem Defekt 8 und ein weiteres Reflexionsecho B von dem unteren Teil des Teststücks 7 an, die auf der Zeitachse wie in Fig. 42 gezeigt aneinandergereiht sind.
Auf dem Bildschirm der Anzeigeeinheit 5 ist eine Position des Defekts 8 in dem Teststück 7 durch Messen einer Zeitposition, wo das Defektecho F erscheint, bekannt. Die Größe des Defekts 8 wird durch die Höhe des Defektechos F definiert.
Um die Auflösung in der Messung der Entfernung zu dem Defekt 8 in der Ultraschall-Meßeinrichtung dieses Typs zu verbessern, ist es notwendig, die Zeitposition, wo das Defektecho F erscheint, genau zu messen. Eine extrem schmale Zeitbreite des Defektechos F sieht eine genaue Messung der Zeitposition vor. Jedoch ist der tatsächliche Ultraschallpuls, der zu dem Teststück 7 gesendet wird, derart, daß sogar in dem Ultraschallpuls, dessen Oszillationsdauer kurz ist, die Anzahl der Oszillationswellen ungefährt 1,5 bis 3 beträgt, wie in Fig. 43(b) gezeigt.
Dementsprechend ist die Zeitbreite des Defektechos F auch eine derartige Länge. Eine oszillierende Wellenform des Ultraschallpulses hängt in hohem Maße von der Charakteristik der Sonde 6 ab. In der Sonde 6, die eine schmale Frequenzgang-Charakteristik aufweist, ist die Anzahl der Oszillationswellen groß, während sie in der Sonde, die eine breite Frequenzgang-Charakteristik aufweist, klein ist. Mit anderen Worten, die Oszillationszeitdauer ist umgekehrt proportional zu der Bandbreite. Sogar in der Sonde 6, die zur Zeit als eine Sonde mit breiter Bandbreite verwendet wird, beträgt die Anzahl der Oszillationswellen 1,45 bis höchstens 3 Wellen, wie auf Seite 263 in dem Artikel A beschrieben. Deswegen beträgt die Auflösung in der Entfernungsmessung die Hälfte der Anzahl der Oszillationswellen, d. h. 0,7 bis 1,5 Wellen, sogar wenn die Tatsache berücksichtigt wird, daß sich die Ultraschallwellen hin zu und zurück von dem Defekt 8 fortpflanzen.
Die Amplitude einer Einhüllenden des Defektechos nimmt allmählich mit der Zeit zu, und nimmt ab, nachdem sie ihren Spitzenwert erreicht. Indem man von dieser Amplitudenvariation Gebrauch macht, kann die Auflösung gegenüber der oben erwähnten verbessert werden, wenn der Zeitraum von einem Zeitpunkt, zu dem die Einhüllende ansteigt, bis sie den Spitzenwert erreicht, gemessen wird, oder ein Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die Einhüllende von null ansteigt. Tatsächlich ist es jedoch schwierig, diese Zeitpunkte exakt zu messen. Der Grund dafür ist, daß eine Variation der Amplitude in der Nähe des Zeitpunkts, zu dem die Amplitude den Spitzenwert erreicht, und des Zeitpunkts, zu dem sie ansteigt, mäßig ist.
Um damit zurecht zu kommen, ist eine mögliche Maßnahme vorhanden. Bei dieser Maßnahme wird ein Schwellwert an einer Position auf der Amplituden-Einhüllenden eingestellt, wo ein voreingestellter Wert niedriger als der Spitzenwert ist. Ein Zeitpunkt, zu dem die entlang der Einhüllenden variierende Amplitude den Schwellwert erreicht, wird gemessen. Diese Maßnahme leidet auch unter Problemen, dahingehend, daß die Genauigkeit und Stabilität der Messung nicht zufriedenstellend sind. Der Grund dafür liegt darin, daß die Echowellenform abhängig von der verwendeten Sonde und der Form des Objekts 8 variiert.
In einigen der Ultraschall-Meßeinrichtungen und der Ultraschall-Mikroskope auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Ultraschall-Inspektion wird die Sonde 6 durch Verwenden eines Burst-Signals, wie in Fig. 44 gezeigt, nicht des Impulses, wie in Fig. 43(a) gezeigt, angeregt. Wo das Burst-Signal verwendet wird, ist die Oszillationszeitdauer des Reflexionsechosignals länger als jene in dem Fall der Fig. 43(b). Das Ergebnis ist eine ungenaue Messung der Zeitpositionen, wo die Reflexionsechos erscheinen.
Bei diesem Typ der Ultraschall-Erfassungseinrichtung und des Verfahrens beispielsweise der Ultraschall-Meßeinrichtung ist die Meßgenauigkeit zum Messen eines Zeitpunkts, zu dem ein Reflexionsechosignal von einem Objekt empfangen wird, nicht zufriedenstellend, und die Auflösung in der Entfernungsmessung bis zu dem Objekt 8 ist schlecht. Das Gleiche gilt für den Fall, in dem ein Beugungs-Echo eher als ein Streu- Echo von einem Objekt 8 empfangen wird, um damit Informationen von dem Objekt zu gewinnen. Dieses Problem entsteht auch bei der Messung zu dem Zweck des Gewinnens von Informationen über ein Objekt 8 durch Empfangen und Verarbeiten eines Echosignals wie auch bei der Messung zu dem Zweck des Messens einer Entfernung zu einem Objekt 8. Die erste Messung schließt die Messungen zum Abfassen einer Form eines Objekts 8, ein Visualisieren des Objekts und ein Diskriminieren des Objekts ein. Dies führt zu einer schlechten Meßgenauigkeit in einem Fall, in dem ein Objekt 8, welches es einer Ultraschallwelle erlaubt, sich darin auszubreiten, in seiner Dicke und eine Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle gemessen wird, wenn sie sich darin ausbreitet.
Aus den oben erwähnten Hintergründen soll die vorliegende Erfindung ein Erfassungsverfahren bereitstellen, das die Auflösung oder die Erfassungsgenauigkeit verbessert, indem ein Signal einer Vielzahl von Frequenzen und eine Erfassungseinrichtung zum Ausführen des Erfassungsverfahrens verwendet werden. Für herkömmliche Erfassungseinrichtungen, die ein Ultraschallwellensignal einer Vielzahl von Frequenzen verwenden, wird beispielsweise auf die veröffentlichten, ungeprüften japanischen Patentanmeldungen Nrn. JP-A-4-24 580, 4-286 952, 2-136 135, 5-123 320, 5-200 024 und 6-229 991 Bezug genommen.
Die Ultraschall-Erfassungseinrichtung, die in der Veröffentlichung JP-A-4-24 580 offenbart ist, ist auf der Basis der Tatsache konstruiert, daß, wenn sich eine Ultraschallwelle in einem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium ausbreitet, die Frequenzcharakteristik ihrer Dämpfung von dem Ausbreitungsweg der Ultraschallwelle abhängt. Zwei Ultraschallwellensignale von hohen und niedrigen Frequenzen werden verwendet. Um ein Objekt zu erfassen, wird eines der Ultraschallwellensignale ausgewählt, das zur Erfassung des Objekts geeignet ist. Die in der Veröffentlichung JP-A 4-286 952 offenbarte Ultraschall-Erfassungseinrichtung ist so konstruiert, daß sie einen Defekt 8 auf der Basis der Tatsache erfaßt, daß, wenn ein Ultraschallwellen-ausbreitendes Medium (Isolator) einen Defekt erleidet, der nahe an dessen Endfläche gelegen ist, eine Intensität des Endflächenechos der Ultraschallwelle in Abhängigkeit von der Frequenz der Ultraschallwelle variiert. Die in den Veröffentlichungen JP-A-2136 135, 5-123 320 und 5- 200 024 offenbarten Ultraschall-Erfassungseinrichtungen sind auf der Basis der Tatsache konstruiert, daß, wenn sich eine Ultraschallwelle in einem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium ausbreitet, ihre Dämpfung von deren Frequenz abhängt.
Die in der Veröffentlichung JP-A-6-229 991 offenbarte Erfassungseinrichtung verwendet zwei Burst-Signale (Sendesignale) verschiedener Frequenzen. In der Erfassungseinrichtung werden die Phasen der beiden Erfassungssignale (Echosignale) dieser Burst-Signale erfaßt, eine Differenz zwischen den beiden Phasen wird erhalten, eine Frequenz wird hergestellt, die durch die Differenz zwischen den beiden Phasen und die Differenz zwischen den beiden Frequenzen definiert ist. Die resultierende Frequenz wird zum Messen einer Entfernung von einer Erfassungseinrichtung zu einem Objekt verwendet. Das Erfassungsverfahren der Veröffentlichung ist äquivalent zu dem Erfassungsverfahren, das ein einzelnes Burst-Signal einer spezifischen Frequenz verwendet, die durch die Differenz zwischen den beiden Frequenzen definiert ist. In dieser Hinsicht ist dieser herkömmliche Stand der Technik verschieden von der vorliegenden Erfindung, in welcher zwei Signale verschiedener Frequenzen vorgesehen sind, Kandidaten (d. h. mögliche Werte der zu messenden Entfernung) werden aus den beiden Signalen ausgewählt, und eine Entfernung zu einem zu erfassenden Objekt wird bestimmt, indem die Kandidaten verwendet werden.
Während jene, in den Veröffentlichungen JP-A-4-24 580, 4-286 952, 2-136 135, 5-123 320, 5-200 024 und 6-229 991 nach dem Stand der Technik offenbarte, jeweils zwei Signale verschiedener Frequenzen verwenden, sind jene verschieden von der vorliegenden Erfindung in den Aufgaben und Konstruktionen, wie nachstehend beschrieben werden wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Erfassungsverfahren und eine Erfassungseinrichtung vorzusehen, die eine hochgenaue Bestimmung einer physikalischen Größe eines Objekts erlaubt, das gemessen werden soll auf der Basis eines ersten und zweiten empfangenen Signals, das von dem Objekt reflektiert worden ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Erfassungsverfahren gemäß Ansprüchen 1, 2 und 6 bis 8 und durch eine Erfassungseinrichtung gemäß Ansprüchen 9, 10 und 14 bis 16 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Verbesserungen der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, das eine Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 (a) und 2(b) zum Erklären des Betriebs der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung der ersten Ausführungsform nützliche Wellenformdiagramme;
Fig. 3 ein charakteristisches, zum Erklären einer Signalverarbeitungsprozedur in der ersten Ausführungsform nützliches Diagramm;
Fig. 4 ein weiteres charakteristisches, zum Erklären der Signalverarbeitungsprozedur in der ersten Ausführungsform nützliches Diagramm;
Fig. 5 (a) bis 5(d) zum Erklären der Signalverarbeitungsprozedur in der ersten Ausführungsform nützliche Wellenformdiagramme;
Fig. 6 ein Flußdiagramm, das eine erste Signalverarbeitungsprozedur in der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 7 ein Flußdiagramm, das eine zweite Signalverarbeitungsprozedur in der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 8 ein Flußdiagramm, das eine dritte Signalverarbeitungsprozedur in der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 9 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 10 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 11(a) und 11(b) Wellenformdiagramme zum Erklären des Betriebs einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ein charakteristisches Diagramm zum Erklären des Betriebs einer Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform;
Fig. 13(a) bis 13(d) weitere Wellenformdiagramme zum Erklären des Betriebs einer Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform;
Fig. 14 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 15 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 16(a) und 16(b) Diagramme, die die Konstruktion der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 17 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 18 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 19(a) und 19(b) Wellenformdiagramme zum Erklären des Betriebs einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform;
Fig. 20 ein Flußdiagramm, das eine erste Signalverarbeitungs-prozedur in der zehnten Ausführungsform zeigt;
Fig. 21 ein Flußdiagramm, das eine zweite Signalverarbeitungsprozedur in der zehnten Ausführungsform zeigt;
Fig. 22 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 23(a) und 23(b) Wellenformdiagramme zum Erklären des Betriebs der zwölften Ausführungsform;
Fig. 24(a) und 24(b) Wellenformdiagramme zum Erklären des Betriebs der zwölften Ausführungsform;
Fig. 25(a) und 25(b) Wellenformdiagramme zum Erklären des Betriebs der zwölften Ausführungsform;
Fig. 26 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 14. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 27 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 15. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 28 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 16. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 29 (a) und 29(b) Wellenformdiagramme, die den Betrieb der 17. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 30 (a) und 30(b) Wellenformdiagramme, die den Betrieb der 18. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 31 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 20. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 32 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 21. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 33 ein Flußdiagramm, das einen Signalverarbeitungsprozeß in der 22. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 34 ein Flußdiagramm, das einen Signalverarbeitungsprozeß in der 23. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 35 ein Flußdiagramm, das einen Signalverarbeitungsprozeß in der 24. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 36 ein Flußdiagramm, das einen Signalverarbeitungsprozeß in der 26. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 37 ein Wellenformdiagramm zum Erklären des Betriebs der 27. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 38 ein Flußdiagramm, das den Signalverarbeitungsprozeß in der 28. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 39(a) und 39(b) Wellenformdiagramme zum Erklären des Betriebs der 29. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 40 ein charakteristisches Diagramm zum Erklären der Signalverarbeitung in der 29. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 41 ein Flußdiagramm, das einen Signalverarbeitungsprozeß in der 29 Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 42 ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer herkömmlichen Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung zeigt;
Fig. 43(a) und 43(b) Wellenformdiagramme zum Erklären des Betriebs der herkömmlichen Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung;
Fig. 44 ein Wellenformdiagramm zum Erklären des Betriebs der herkömmlichen Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung;
Fig. 45 ein Flußdiagramm, das einen vierten Signalverarbeitungsprozeß in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 46 ein charakteristisches Diagramm zum Erklären des Signalverarbeitungsprozesses in der 30. Ausführungsform;
Fig. 47 ein Flußdiagramm, das einen Signalverarbeitungsprozeß in der 30. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 48 ein charakteristisches Diagramm zum Erklären des Signalverarbeitungsprozesses in der 30. Ausführungsform;
Fig. 49(a) und 49(b) Diagramme, die ein Sendesignal in einem Experiment über die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 50(a) und 50(b) Diagramme, die ein Empfangsechosignal in dem Experiment über die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 51(a) und 51(b) Diagramme, die eine Einhüllende in dem Experiment über die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 52(a) und 52(b) Diagramme, die eine Phase im Experiment über die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 53(a) und 53(b) Diagramme, die eine Beziehung zwischen einer Einhüllenden des Echosignals und einem Abschnitt in dem Experiment über die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 54 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Phase und der Entfernung in dem Experiment über die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 55(a) und 55(b) Diagramme, die ein Sendesignal in einem Experiment über die 30. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 56(a) und 56(b) Diagramme, die ein Empfangsechosignal in dem Experiment über die 30. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 57 (a) und 57(b) Diagramme, die eine Einhüllende in dem Experiment über die 30. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 58(a) und 58(b) Diagramme, die eine Phase in dem Experiment über die 30. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 59 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Einhüllenden des Echosignals und einem Abschnitt in dem Experiment über die 30. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 60 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Phase und der Entfernung in dem Experiment über die 30. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Erste Ausführungsform

Eine die vorliegende Erfindung einschließende Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung, die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 beschrieben werden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine erste Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 6 eine Sonde; 8 ein zu erfassendes Objekt; 9 einen Sender; 10 einen Empfänger; 3 einen Controller- Abschnitt und 11 einen Signalprozessor-Abschnitt. In der Spezifikation ist das Objekt 8 in einem Ultraschallwellenausbreitenden Medium, viz. in der Luft, in dem Wasser oder in einem Festkörper vorhanden. Die Sonde 6 ist mit dem Sender 9 und dem Empfänger-Abschnitt 10 verbunden. Der Empfänger- Abschnitt 10 ist mit dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden. Der Controller-Abschnitt 3 ist mit dem Sender 9, dem Empfänger-Abschnitt 10 und dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 enthält darin einen Speicher (nicht gezeigt), der verschiedene Ergebnisse der Rechenoperationen durch den Signalprozessor-Abschnitt 11 und durch den Signalprozessor-Abschnitt 11 empfangene Eingangssignale speichert.
Der Controller-Abschnitt 3 empfängt ein Signal, das repräsentativ für einen Verarbeitungszustand von dem Signalprozessor- Abschnitt 11 ist, und sendet Steuersignale zu dem Sender 9, dem Empfänger-Abschnitt 10 und dem Signalprozessor-Abschnitt 11, um sie zu steuern.
Fig. 2 ist ein zum Erklären des Betriebs der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, nützliches Wellenformdiagramm. Fig. 2(a) ist ein Wellenformdiagramm, das ein Sendesignal zeigt, das durch den Sender 9 erzeugt wird, um die Sonde 6 anzuregen. Fig. 2(b) ist ein Wellenformdiagramm, das ein Reflexionsecho von dem Objekt 8 zeigt.
Fig. 3 und 4 sind charakteristische, zum Erklären von Signalverarbeitungen in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 nützliche Diagramme.
Fig. 5 ist ein Wellenformdiagramm, das zum Erklären einer Signalverarbeitung in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verwendet wird.
Die Betriebsweise der ersten Ausführungsform wird beschrieben werden. Ein in Fig. 2(a) gezeigtes Sendesignal wird durch den Sender 9 erzeugt. Das Sendesignal besteht aus einem Burst- Signal der Trägerkreisfrequenz ω1 und einem weiteren Burst- Signal der Trägerkreisfrequenz ω2. Wie in Fig. 2(a) gezeigt, sind die Burst-Signale jeweils ein erstes und zweites gesendetes Signal, das mit einer ersten und zweiten Frequenz (ω1, ω2) und einer ersten und zweiten vorbestimmten Zeitdauer (T01 und T02) oszilliert. Die ersten und zweiten Frequenzen sind verschieden. Die beiden Burst-Signale werden bei den repetitierenden Sendeperioden Tr alternierend wiederholt. Die den Kreisfrequenzen ω1 und ω2 entsprechenden Frequenzen werden als f1 und f2 bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Kreisfrequenz ω1 so ausgewählt, daß sie kleiner als die Kreisfrequenz ω2 ist. Die Beziehung zwischen diesen Frequenzen ist darauf nicht beschränkt, sondern jedwede andere Frequenzbeziehung ist erlaubt, wenn diese Frequenzen nicht gleich sind.
In der Spezifikation umfaßt das Burst-Signal jedweden Typ von Signalen, deren Dauer endlich ist. Signale, die Wellenformen wie in Fig. 6(b) und 5(c), Fig. 11(a) und 11(b) und Fig. 13(c) und 13(d), die später beschrieben werden müssen, aufweisen, sind auch in dem Burst-Signal eingeschlossen.
Die Sonde 6 wird durch das in Fig. 2(a) gezeigte Sendesignal angeregt, um damit ein Ultraschall-Puls-Signal zu einem Objekt 8 zu emittieren. Die Wellenform des Ultraschall-Puls- Signals ist verschieden von der Wellenform des in Fig. 2(a) gezeigten Sendesignals, da die Frequenzbandbreite der Sonde endlich ist. Wir werden fortfahren mit der Beschreibung unter der Annahme, daß die Bandbreite der Sonde 6 hinreichend breit ist und deshalb die Wellenform des Ultraschall-Pulses angenähert jener des Sendsignals ist, um die Erklärung zu erleichtern. Es wird weiter angenommen, daß die Wellenform eines Echos, das in der Form eines elektrischen Signals durch die Sonde 6 empfangen wird, auch angenähert an jenes des durch die Sonde 6 emittierten Ultraschall-Pulses ist.
Der durch das Objekt 8 reflektierte Ultraschall-Puls wird durch die Sonde 6 empfangen. Das empfangene Echosignal besteht, wie in Fig. 2(b) gezeigt, aus einem Burst-Signal der Trägerkreisfrequenz ω1 und einem weiteren Burst-Signal der Trägerkreisfrequenz ω2. The beiden Burst-Signale werden alternierend bei den Sende-Repetitionsperioden wiederholt. In der Figur zeigt τ eine Zeit an, die für den Ultraschall-Puls genommen wird, der von der Sonde 6 emittiert wird, um sich zu und von dem Objekt 8 auszubreiten. Das Echosignal wird durch den Empfängerabschnitt 10 verstärkt und dann zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet. Der Controller-Abschnitt 3 ist zum Steuern des Betriebs der entsprechenden Schaltungsabschnitte in der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung vorgesehen.
Während der Sende-Repetitionsperiode, bei welcher das Burst- Signal der Trägerkreisfrequenz cal gesendet wird, wird ein durch s&sub1;(t) ausgedrücktes Sendesignal durch die folgende Gleichung (1) gegeben
s&sub1;(t) = sin(ω&sub1;t + φ1), 0 ≤ t ≤ T&sub0;&sub1;,
= 0, t > T&sub0;&sub1; ... (1)
wobei t : Zeit
φ&sub1; : Feste Phase
T&sub0;&sub1;: Dauer des Burst-Signals der Trägerkreisfrequenz ω&sub1;.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Amplitude der Einfachheit halber so ausgewählt, daß sie 1 beträgt. Wenn so ausgewählt wird, wird die Allgemeingültigkeit in der zu folgenden Beschreibung aufrechterhalten werden. In der in Fig. 2(a) dargestellten Wellenform ist die Phase φ&sub1; null (0); sie kann jedoch auf einen voreingestellten Wert unter der Steuerung durch ein Signal von dem Controller-Abschnitt 3 eingestellt werden. Im allgemeinen gibt es keinen Grund, die Phase φ&sub1; auf null einzustellen. Das Sendesignal s&sub1;(t) wird als ein erstes Sendesignal bezeichnet werden.
Das durch γ&sub1;(t) ausgedrückte, empfangene Echosignal ist durch die folgende Gleichung (2) gegeben
γ&sub1;(t) = A(ω&sub1;)sin(ω&sub1;t + φ1 - 2Lω&sub1;/V),
τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub1;,
= 0, 0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub1; ...(2)
wobei A(ω&sub1;): Konstante, die von der Frequenz abhängt.
L: Entfernung, wenn sich der Ultraschallpuls von der Sonde 6 zu dem Objekt 8 ausbreitet,
V: Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle, wenn sie sich in dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium fortpflanzt.
Das empfangene Echo γ&sub1;(t) wird als ein erstes Echo bezeichnet werden.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 stellt zwei Referenzsignale u1s(t) und u1c(t) her, die durch die folgenden Gleichungen (3. a) und (3. b) ausgedrückt werden
u1s(t) = sin(ω&sub1;t + ψ&sub1;) (3.a)
u1c(t) = cos(ω&sub1;t + ψ&sub1;) (3.b),
wobei ψ&sub1;(t): feste Phase.
The feste Phase ψ&sub1; wird auf einen voreingestellten Wert unter der Steuerung durch ein Signal von dem Controller-Abschnitt 3 eingestellt. Die Referenzsignale u1s(t) und u1c(t) werden als ein erstes Referenzsignal des ersten Echos bzw. ein zweites Referenzsignal des ersten Echos bezeichnet werden.
In dem Signalprozessor-Abschnitt 11 wird das erste Echo γ1 (A) mit dem ersten Referenzsignal u1s(t) des ersten Echos multipliziert. Das Ergebnis der Multiplikation ist
γ1(t) u1s(t) = [A(ω&sub1;)/2] cos(φ&sub1; - 2Lω&sub1;/V - ψ&sub1;),
- [A(ω&sub1;)/2] cos(2ω&sub1; + φ&sub1; - 2Lω&sub1;/V + ψ&sub1;),
für τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub1;,
= 0
für 0 ≤ t < τ, und t > τ + T&sub0;&sub1; ...(4)
Die nahe bei der Kreisfrequenz 2ω&sub1; vorhandenen Frequenzkomponenten werden durch ein Filter herausgefiltert. Das Signal g&sub1;(t), das aus dem Filter ausgegeben wird, entspricht dem ersten Term auf der rechten Seite der Gleichung (4).
In dem Bereich von τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub1;,
g&sub1;(t) = [A(ω&sub1;)/2] cos(φ&sub1; - 2Lω&sub1;/V - ψ&sub1;) ... (5)
Wenn 0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub1; ist der Ausgang des Filters null (0), viz., g&sub1;(t) = 0 (0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub1;).
In ähnlicher Weise multipliziert der Prozessor-Abschnitt das erste Echo γ&sub1;(t) mit dem zweiten Referenzsignal u1c(t) des ersten Echos. Die Frequenzkomponenten nahe der Kreisfrequenz 2ω1 werden durch das Filter herausgefiltert. Das von dem Filter ausgegebene Signal wird als h&sub1;() bezeichnet. Wenn τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub1; ist das Ausgangssignal h&sub1;(t) gegeben durch
h1(t) = [A(ω&sub1;)/2) sin(φ1 - 2Lω&sub1;/V - ψ&sub1;) ...(6)
Wenn 0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub1; ist der Filterausgang h&sub1;(t) null (0), viz., h&sub1;(t) = 0 (0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub1;).
Eine Einhüllende des ersten Echos und eine Phase davon werden durch Verwenden der Filterausgangssignale g&sub1;(t) und h&sub1;(t) berechnet. Die Einhüllende wird auf die folgende Weise berechnet. g&sub1;(t) wird quadriert und h&sub1;(t) wird quadriert. Die Ergebnisse des Quadrierens jener Filterausgangssignale werden zusammenaddiert. Das Ergebnis der Addition wird verdoppelt. Danach wird das Ergebnis in die ¹/&sub2;-te Potent erhoben. Folglich wird, wenn τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub1;, eine Einhüllende erhalten, die einen Wert von A(ω1) aufweist und, wenn 0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub1;, wird eine Einhüllende erhalten, die einen Wert von null aufweist.
Die Phase kann durch eine einfache trigonometrische Funktion erhalten werden, da die Sinus-Komponente und Cosinus-Komponente von g&sub1;(t) und h&sub1;(t) erhalten werden. Die resultierende Phase θ&sub1; ist gegeben durch
θ&sub1; = -2Lω&sub1;/V + φ&sub1; - ψ&sub1; + 2nπ ... (7),
wobei n : ganzzahlig.
Während der Sende-Repetitionsperiode, bei welcher das Burst- Signal der Kreisfrequenz ω&sub2; gesendet wird, wird das empfangene Echosignal in ähnlicher Weise durch den Signalprozessor-Abschnitt 11 verarbeitet. Wenn ein Zeitursprung um die Größe der repetitiven Sendepriode Tγ verschoben wird, wird die Allgemeingültigkeit in der Beschreibung nicht verloren werden. Deshalb wird der Zeitursprung auf einen Punkt eingestellt, wo das Sendesignal der Kreisfrequenz ω&sub2; erzeugt wird. Das Sendesignal wird als s&sub2;(t) bezeichnet; die feste Phase als φ&sub2;; und das Echo als γ&sub2;(t). Das Sendesignal s&sub2;(t) und das Echo γ&sub2;(t) wird als ein zweites Sendesignal bzw. ein zweites Echo bezeichnet werden. Das Sendesignal s&sub2;(t) und das zweite Echo γ&sub2;(t) werden durch die rechten Seiten der Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt, in welchen ω&sub1; ersetzt ist durch ω&sub2;, φ&sub1; ersetzt ist durch φ&sub2; und T&sub0;&sub1; ersetzt ist durch T&sub0;&sub2;.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 erzeugt zwei Referenzsignale, die gebildet werden durch Ersetzen von ω&sub1; durch ω&sub2; und ψ&sub1; (feste Phase) durch ψ&sub2; auf den rechten Seiten der Gleichungen (3.a) und (3.b). Diese Referenzsignale werden durch u2s(t) bzw. u2c(t) ausgedrückt. Die Referenzsignale u2s(t) und u2c(t) werden als ein erstes Referenzsignal bzw. ein zweiten Referenzsignal bezeichnet werden.
In dem Signalprozessor-Abschnitt 11 wird das zweite Echo γ&sub2;(t) mit dem ersten Referenzsignal u2s(t) des zweiten Echos multipliziert, das zweite Echo γ&sub2;(t) wird mit dem zweiten Referenzsignal u2c(t) des zweiten Echos multipliziert, und die nahe bei der Kreisfrequenz 2ω&sub2; vorhandenen Frequenzkomponenten werden herausgefiltert. Als ein Ergebnis werden Signale gebildet, die alle einen Wert von 0 in der Zeit, die von 0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub2; erreicht, aufweisen und die Werte aufweisen, die durch die rechten Seiten der Gleichungen (5) und (6) gegeben sind, in welchen ω&sub1; ersetzt wird durch ω&sub2;, ψ&sub1; ersetzt wird durch ψ&sub2; und ψ&sub1; ersetzt wird durch ψ&sub2;. Diese Signale werden durch g&sub2;(t) bzw. h&sub2;(t) ausgedrückt.
Die Rechenoperationen, um eine Einhüllende und eine Phase des zweiten Echos zu erhalten, werden durchgeführt, indem die Ergebnisse g&sub2;(t) und h&sub2;(t) der Rechenoperationen wie in dem Fall des ersten Echos verwendet werden.
Das Ergebnis der Rechenoperation stellt eine Einhüllende bereit, die einen Wert von A(ω&sub2;) aufweist, wenn t ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub2;, und null, wenn 0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub2;.
Die resultierende Phase 02 ist durch die folgende (8) gegeben
θ&sub2; = -2Lω&sub2;/V + φ&sub2; - ψ&sub2; + 2mπ ...(8),
wobei m eine Ganzzahlige ist.
In den Gleichungen (7) und (8) sind die festen Phasen φ&sub1;, ψ&sub1; φ&sub2; und ψ&sub2; bereits bekannt. Die Ganzzahligen n und m sind jedoch unbekannt. Wenn die Ganzzahligen n und m bekannt sind, sind ω&sub1; und ω&sub2; bekannt. Deswegen kann, wenn die Schallgeschwindigkeit V bereits bekannt ist, eine Entfernung L durch Verwenden der gemessenen Phasen θ&sub1; und θ&sub2; durch die Gleichung (7) oder (8) berechnet werden.
Mit anderen Worten wird eine Entfernung L durch Verwenden einer Entfernung L&sub1;, basierend auf der gemessenen Phase θ&sub1; (L ist durch die Gleichung (7) gegeben), und die Entfernung L&sub2;, basierend auf der gemessenen Phase 92 (L ist durch Gleichung (8) gegeben) berechnet.
Eine Signalverarbeitungsprozedur zum Einstellen der Ganzzahligen n und m, die in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 ausgeführt wird, wird beschrieben werden. Fig. 3 ist ein zum Erklären dieser Signalverarbeitungsprozedur nützliches, charakteristisches Diagramm. In Fig. 3 stellt die Abszisse eine Entfernung L dar, und die Ordinate stellt die Phase dar. In der Figur sind gerade, um -2ω&sub1;/V geneigt Linien durch fette punktierte Linien angezeigt. Diese Linien sind auf dem ersten Echo basiert. Wenn L = 0, gehen jene Linien durch den Ursprung. Diese geraden Linien sind derart dargestellt, daß, wenn ein Wert von -2ω&sub1;L/V - 2π überschreitet, die Linien entlang der Ordinate versetzt werden, so daß der Wert sicher innerhalb des Bereiches zwischen 0 und -2π fällt. Aus diesem Grund sind diese Linien in der Form einer dreieckförmigen charakteristischen Kurve dargestellt. Die Periode der dreieckförmigen charakteristischen Kurve wird durch λ&sub1;/2 ausgedrückt, wobei λ&sub1; eine Wellenlänge der Kreisfrequenz ω&sub1; in einem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium anzeigt.
In Fig. 3 sind mit -2ω&sub2;/V geneigte gerade Linien durch fette durchgezogene Linien angezeigt. Diese Linien sind auf dem zweiten Echo basiert. Diese geraden Linien sind derart dargestellt, daß, wenn ein Wert von -2ω&sub2;L/V - 2π überschreitet, die Linien versetzt werden, so daß der Wert sicher innerhalb des Bereichs zwischen 0 und -2π fällt. Die Periode der dreieckförmigen charakteristischen Kurve wird durch λ&sub2;/2 ausgedrückt, wobei λ&sub2; eine Wellenlänge der Kreisfrequenz ω&sub2; in einem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium anzeigt.
Wie oben beschrieben, ist ein Wert von θ&sub1; - φ&sub1; + ψ&sub1; aus dem Ergebnis der Signalverarbeitung durch den Signalprozessor- Abschnitt 11 bekannt. Eine horizontale gerade Linie, die diesen Wert kreuzt, ist durch eine dünne gepunktete Linie in Fig. 3 angezeigt. Punkte, wo die dünne gepunktete Line diese gepunkteten Linien kreuzt, sind mit weißen Kreisen markiert. Daher bilden die weißen Kreise eine erste Vielzahl von möglichen Werten. Eine mehrfache Anzahl von derartigen Schnittpunkten existiert. In der Gleichung (7) zeigt die Tatsache, daß die Ganzzahligen unbekannt ist, die Tatsache an, daß der Schnittpunkt, welcher wahr ist, unbekannt ist.
Ähnlich ist eine horizontale gerade Linie, die einen Wert von θ&sub2; - φ&sub2; + ψ&sub2; kreuzt, der durch den Signalprozessor-Abschnitt 11 erhalten wird, durch eine dünne durchgezogene Linie angezeigt. Punkte, wo die dünne durchgezogene Linie die fetten durchgezogenen Linien kreuzt, sind mit schwarzen Kreisen markiert. Daher bilden die schwarzen Kreise eine zweite Vielzahl von möglichen Werten. Diese Schnittpunkte sind auch mehrfach in der Anzahl. In den Gleichung (8) zeigt die Tatsache, daß die Ganzzahlige m unbekannt ist, die Tatsache an, daß der Schnittpunkt, welcher wahr ist, unbekannt ist.
Die weißen, durch θ&sub1; - φ&sub1; + ψ&sub1; definierten Kreise, und die schwarzen, durch θ&sub2; - φ&sub2; + ψ&sub2; definierten Kreise, sind entlang der Abszisse periodisch vorhanden; jedoch ist die Periode der weißen Kreise verschieden von jener der schwarzen Kreise.
Die Entfernung L von der Sonde 6 zu dem Objekt 8 ist invariabel und hängt selbstverständlich nicht von der Frequenz ab. Deswegen sollte, bei der Position, die dem entfernten L von der Sonde 6 zu dem Objekt auf der Abszisse in Fig. 3 entspricht, eine Position auf der Abszisse, die den weißen, von dem Wert von θ&sub1; - φ&sub1; + ψ&sub1; erhaltenen Kreisen entspricht, mit einer Position auf der Abszisse, die den weißen, von dem Wert von A&sub2; - φ&sub2; + ψ&sub2; erhaltenen Kreisen entspricht, zusammenfallend sein.
Wenn ein schwarzer Kreis und ein weißer Kreis, deren Positionen jenen entsprechen, die von den Werten von θ&sub1; - φ&sub1; + ψ&sub1; und θ&sub2; - φ&sub2; + ψ&sub2; erhalten werden, miteinander zusammenfallend auf der Abszisse sind (diese Kombination von schwarzen und weißen Kreisen wird als eine spezifische Kreiskombination bezeichnet werden), aus den schwarzen und weißen Kreisen ausgewählt werden, zeigt jeder der Werte der Kombination von schwarzen und weißen Kreisen auf der Abszisse eine zu messende Entfernung L an.
Eine Genauigkeit der so gemessenen Entfernung wird durch eine Meßgenauigkeit der Phase bestimmt, wie aus der obigen Beschreibung ersehen werden kann, und ist extrem hoch. In diesem Fall ist die Auflösung kleiner als eine Wellenlänge.
In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel ist nur eine Kombination von schwarzen und weißen Kreisen, deren Funktionen auf der Abszisse miteinander zusammenfallend sind, vorhanden, aber wo die Abszisse noch länger ist, ist möglicherweise eine mehrfache Anzahl von Kombinationen von den schwarzen und weißen Kreisen vorhanden. Fig. 4 ist ein charakteristisches Diagramm, dass ähnlich zu jenem der Fig. 3 ist, weist aber eine längere Abszisse als die letztere auf. Auch in Fig. 4 entsprechen die Kombinationen von den schwarzen und weißen Kreisen, die auf den Linien mit Überdeckung liegen, jener Kombination, wie es in der Fig. 3 der Fall ist. Wie gezeigt, erscheint eine mehrfache Anzahl von spezifischen Kreiskombinationen periodisch.
Die Periode, bei welcher die spezifischen Kreiskombinationen erscheinen, ist eine Ganzzahlige mal der Größe von πV/Δω, wobei Δω eine Differenz zwischen den Kreisfrequenzen ω&sub1; und ω&sub2; ist. In Fig. 4 wird die Periode durch qπ/VΔω ausgedrückt, wobei q eine Granzzahlige ist. Die Periode ist auch gleich eine Ganzzahlige mal der Größe von λ&sub1; · λ&sub2;/(2(λ&sub1; - λ&sub2;)), wobei λ&sub1; und λ&sub2; Wellenlängen sind und die erstere länger als die letztere ist. In einem Beispiel, in dem λ&sub1; = 3 mm und λ&sub2; = 2,8 mm, beträgt die Periode 21 mm. In einem weiteren Beispiel, in dem λ&sub1; = 7,1 mm und λ&sub2; = 4,0 mm, beträgt die Periode 142 mm. Wie von diesen FIGN. ersehen werden kann, ist der Wert der Periode zufriedenstellend größer als jener der Wellenlänge.
Deswegen muß von jenen Perioden eine Periode, die eine gemessene Entfernung enthält, mit einem weiteren Verfahren spezifiziert werden. Wenn sie spezifiziert ist, durch Erfassen der spezifischen Kreiskombination, die Kombination von einem schwarzen Kreis und einem weißen Kreis, von welchen die Positionen miteinander zusammenfassend auf der Abszisse sind, kann eine wahre Entfernung L von dem Wert des schwarzen Kreises oder des weißen Kreises auf der Abszisse erhalten werden.
Ein Verfahren zum Spezifizieren der die Meßentfernung enthaltenden Periode wird beschrieben werden. Wie oben bezeichnet, erscheinen die spezifischen Kreiskombinationen bei den Perioden von qπ/VΔω. Wenn die Größenordnung des Werts einer zu messenden Entfernung bekannt ist und der Wert von qπ/VΔω unterscheidbar ist, wo die Entfernung in der Größenordnung des Werts ausgedrückt wird, ist es leicht, einen Kandidaten (d. h. einen wahrscheinlichen Wert) für den Meßwert auszuwählen, oder einen wahren Wert aus jenen Kandidaten der Entfernung, solange man die Größenordnung des Werts der gemessenen Entfernung in Betracht zieht. In diesem Fall kann ein Prozeß zum genauen Spezifizieren der die Meßentfernung enthaltenden Periode, wie später beschrieben werden wird, weggelassen werden.
Wie bereits in Verbindung mit den numerischen Beispielen bezeichnet, ist die Periode, bei welcher die spezifischen Kreiskombinationen erscheinen, zufriedenstellend länger als die Wellenlänge. Diese Tatsache impliziert, daß es einfach ist, die die Meßentfernung enthaltende Periode zu spezifizieren.
Der Prozeß zum Spezifizieren der die Meßentfernung enthaltenden Periode wird durchgeführt durch Verwenden von Informationen über die Amplitude des Echos und seiner Einhüllenden. Der Perioden-Spezifikationsprozeß wird im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben werden. Fig. 5(a) bis 5(d) sind Wellenformdiagramme zum Erklären der Prozedur, um die die Meßentfernung enthaltende Periode zu spezifizieren. In jenen Figuren zeigen die Diagramme, die in dem unteren Teil dargestellt sind, die Wellenformen, die repräsentativ für Amplitudenvariationen der empfangenen Echosignale sind, die an dem Ausgang des Empfänger-Abschnitts 10 erscheinen, und die Wellenform einer Einhüllenden (Fig. 5(d)), die durch den Signalprozessor-Abschnitt 11 erzeugt wird, nachdem er das empfangene Echosignal in der oben erwähnten Signalverarbeitungsweise verarbeitet. Die Abszisse jener Diagramme stellt die Entfernung dar, während die Ordinate die Amplitude jeder dieser Signale darstellt. Die durch die Abszisse dargestellte Entfernung zeigt eine Zeit an, wenn sie durch die Schallgeschwindigkeit V dividiert wird. Wenn das Echo und die Einhüllende direkt durch ein Oszilloskop beobachtet werden, entspricht diese Zeit der Hälfte der tatsächlichen Zeit, die durch die Abszisse auf dem Oszilloskop dargestellt wird. In den Diagrammen in dem oberen Teil in den Fig. 5(a) bis 5(d) stellt die Abszisse eine Entfernung dar, und die Ordinate stellt nichts besonderes dar. In jenen oberen Diagrammen zeigt eine Markierung "X" eine Position an, wo die Pfeilspitze jeder Linie mit dem Pfeil in Kontakt kommt mit der Abszisse (Entfernung L) in Fig. 4. Mit anderen Worten, zeigt "X" die Positionen auf der Abszisse an, welche den spezifischen Kreiskombinationen entsprechen, die bei den Perioden erscheinen, von denen jede eine Ganzzahlige mal der Größe von πV/Δω ist.
Fig. 5(a) zeigt einen Prozeß zum Spezifizieren der die Meßentfernung enthaltenden Periode durch Verwenden von Informationen über den ansteigenden Teil einer Wellenform, die für eine Amplitudenvariation des Echosignal repräsentativ ist. In Fig. 5(a) ist das, was wir wissen wollen, welche der durch "X" angezeigten Positionen, die bei den Perioden, von welchen jede eine Ganzzahlige mal so groß wie die Größe von πV/Δω ist, wahr ist. In Fig. 5(a) wird ein segmentärer Abschnitt der k-ten Periode, die von dem Ursprung entlang der Abszisse gezählt wird, als ein # k-ter Abschnitt bezeichnet, wobei k eine natürliche Zahl ist. Deswegen bildet jeder Abschnitt ein Zeitintervall, in welchem ein Zusammenfallen "X" der weißen und schwarzen Kreise gefunden werden kann. Wenn das korrekte Zeitintervall ausgewählt wird, wird die korrekte Entfernung auf der Basis des "X"-Schnittpunkts in diesem Zeitintervall gefunden. Der ansteigende Teil der Wellenform des Echosignals, das in dem unteren Teil in der Fig. 5(a) dargestellt ist, ist in dem # k-ten Abschnitt vorhanden. Deswegen kann bestimmt werden, daß die Position, die durch X in dem # k-ten Abschnitt angezeigt ist, wahr ist.
Jedes des ersten Echos oder des zweiten Echos kann zum Bestimmen der wahren Position verwendet werden. Das Echo, für welches es leichter ist, den ansteigenden Teil zu finden, wird vorzugsweise ausgewählt. Das Gleiche ist wahr für die Fälle der Fig. 5(b) bis 5(d).
Fig. 5(b) ist ein Diagramm, das die Wellenform eines Echosignals zeigt, von welchem der ansteigende Teil sanft ist, wobei die Wellenform in dem gleichen Koordinatensystem wie in jenem der Fig. 5(a) dargestellt ist. Tatsächlich werden die folgenden Echosignale häufig erfahren: ein Echosignal einer Wellenform, welches sanft in deren ansteigenden und fallenden Teilen ist, wie in Fig. 5(b) gezeigt ist, und ein Echosignal (nicht gezeigt) deren Amplituden-Einhüllende groß in den ansteigenden und fallenden Teilen, aber klein in dem mittleren Teil zwischen ihnen ist. Eine derartige Deformation der Wellenform (Wellenform-Deformation) eines Echosignals, wenn es mit der Wellenform des Sendesignals verglichen wird, ist bedingt durch die Tatsache, daß die Frequenzbandbreite der Sonde 6 endlich ist und daß eine Abschwächung der Ultraschallwelle in dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium eine Frequenzabhängigkeit aufweist. Wenn eine Sonde oder das Ultraschallwellen-ausbreitende Medium in ein(e) andere(s) geändert wird, wird die Wellenform-Deformation unter Verwendungsbedingungen ganz verschieden. In diesem Fall erreicht die Wellenform-Deformation ein derartiges Ausmaß, daß die Original-Wellenform verloren wird.
Der Stand der Technik handhabt das Echosignal einer derartigen Wellenform derart, daß ein Schwellwert in dem ansteigenden Teil eingestellt wird, und eine Position eines Objekts 8 wird erhalten durch Messen eines Zeitpunkts, zu dem eine Kurve einer Amplitudenvariation eines Echosignals den Schwellwert kreuzt. In dem Fall der Fig. 5(b) versteht der Stand der Technik fälschlicherweise, daß eine als Lo bezeichnete Position eine korrekte Postion des Objekts ist. Weiter ist es schwierig, wenn die Wellenform-Deformation bei Gebrauchsbedingungen stark variiert, eine Position auf der Wellenform auszuwählen, bei welcher der Schwellwert eingestellt werden muß. Nach dem Stand der Technik, in welchem ein Schwellwert provisorisch für die Messung eingestellt wird, zeigen die Meßergebnisse, daß eine weitere Verbesserung für eine Genauigkeit und Zuverlässigkeit gefordert ist.
Auf der anderen Seite wird, in der ersten Ausführungsform, Informationen über den ansteigenden Teil des Echsosignals nur zum Bestimmen des Abschnitts verwendet, der die wahre X- Markierung enthält. In Fig. 5(b) steigt die Wellenform des Echosignals bei einer Position nahe der durch X in dem # k- ten Abschnitt angezeigten Position an. In dem # (k + 1)-ten Abschnitt dauert das Echosignal an, aber steigt nicht nahe der X-Position an. In dem # (k - 1)-ten Abschnitt wird das Echosignal noch nicht nahe der X-Position empfangen. In der ersten Ausführungsform wird, unter Kenntnis dieser Tatsache, ein Schwellwert bei einer Position eingestellt, die ein voreingestellter Wert ist, der niedriger als der Spitzenwert der Amplitude des Echosignals ist. Ein Zeitpunkt, zu dem die Amplitudenvariationskurve den Schwellwert kreuzt, wird erfaßt (der Zeitpunkt wird hinsichtlich der Entfernung in Fig. 5(b) ausgedrückt). Der erfaßte Zeitpunkt ist eine als Lo bezeichnete Entfernung. Diese Entfernung ist innerhalb des # k-ten Abschnitts gelegen. Deshalb ist die Markierung X in dem # k-ten Abschnitt wahr.
Wie oben beschrieben, arbeitet der Prozeß zum Spezifizieren der die Meßentfernung enthaltenden Periode sogar, wenn die Anstiegszeit des Echosignals ungefähr erfaßt wird, normalerweise durch die ungefähre, erfaßte Anstiegszeit. Dement sprechend kann der Spezifizierungsprozeß, auch wenn die Wellenform-Deformation eines Echosignals in einem derartigen Maß groß ist, daß es unmöglich ist, eine Anstiegszeit eines Echosignals genau zu erfassen, die die Meßentfernung enthaltende Periode genau spezifizieren. Diese Tatsache impliziert, daß der Spezifizierungsprozeß der vorliegenden Ausführungsform dem herkömmlichen in der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung überlegen ist.
Fig. 5(c) ist ein Diagramm, das die Wellenform eines Echosignals zeigt, von welchem die Pulsbreite kürzer als die Periode von qπV/Δω (q: ganzzahlig) ist, wobei die Wellenform in dem gleichen Koordinatensystem wie jenem in der Fig. 5(b) dargestellt ist. Wie in Fig. 5(c) gezeigt, wird die Pulsbreite eines Sendesignals derart ausgewählt, daß die Pulsbreite des Echos kürzer als die Periode ist. Wenn die Pulsbreite so ausgewählt wird, können verschiedene Typen von Informationen außer dem ansteigenden Teil der Echowellenform, der unter Bezugnahme auf Fig. 5(b) beschrieben ist, zum Spezifizieren der die Meßentfernung enthaltenden Periode verwendet werden. Diese Typen von Informationen sind beispielsweise Informationen über einen Zeitpunkt, zu dem die Amplitude des Echos einen Spitzenwert aufweist, Informationen über einen Zeitpunkt, zu dem die Amplitudenvariationskurve einen Nullpunkt kreuzt, und Informationen einer Zeit des ansteigenden Teils der Echowellenform. Jedwede oder eine Kombination jedweder Typen von Informationen können zum Spezifizieren der die Meßentfernung enthaltenden Periode verwendet werden. Wenn jene Typen von Informationen kombiniert werden, ist das Ergebnis zum Bestimmen der wahren Position der Markierung X genauer.
Der Fall der Fig. 5(c) wird weiter im Detail beschrieben werden. Die folgenden Entfernungen, die verschiedenen Punkten auf einer Amplitudenvariationskurve des Echos in deren ansteigenden und fallenden Teilen entsprechen, wie in Fig. 5(c) gezeigt, werden gemessen: die Entfernung Lo und L1, die den Punkten entspricht, wo die Amplitudenkurve den Schwellwert kreuzt, die Entfernung L2, die einem Punkt entspricht, wo die Amplitude einen Spitzenwert aufweist, und die Entfernung L3, die einem Punkt entspricht, an dem die Amplitudenvariationskurve einen Nullpunkt kreuzt, unmittelbar befor die Amplitude einen Spitzenwert aufweist. Da diese Entfernungen alle innerhalb des # k-ten Abschnitts sind, kann die wahre Position von X durch Verwenden jedweder der oder einer Kombination der Entfernungen bestimmt werden. In einem Fall, in dem einige der Entfernungen außerhalb de # k-ten Abschnitts sind, kann die wahre Position synthetisch durch zusätzliches Verwenden eines Majoritäts- Entscheidungsprozesses bestimmt werden.
Die Werte der erfaßten Entfernungen, die zum Bestimmen der wahren Position verwendet werden, können ungefähr, nicht exakt, sein, wie es der Fall der Fig. 5(b) ist, wo die Informationen über den ansteigenden Teil der Amplitudenvariationskurve verwendet werden.
Eine mehrfache Anzahl von Punkten, an denen die Kurve des Echos den Nullpunkt kreuzt, ist vorhanden. Diese Nullpunktdurchgänge einschließlich einem Nullpunktdurchgang unmittelbar bevor die Echoamplitude einen Spitzenwert aufweist, können für den Bestimmungsprozeß der wahren Position verwendet werden.
Fig. 5(d) ist ein Wellenformdiagramm zum Erklären des Bestimmungsprozesses der wahren Position durch Informationen über die Einhüllende des Echos, wobei die Wellenform in dem gleichen Koordinatensystem wie in den Fig. 5(a) bis 5(c) dargestellt ist. Wie gezeigt, wird eine Einhüllende eines Echosignals in Fig. 5(d) dargestellt, während die Wellenformen, wovon jede für eine Amplitudenvariation des Echosignals repräsentativ ist, in den Fig. 5(a) bis 5(d) dargestellt sind. Wie in dem Fall, der Informationen über die Amplitude des Echos verwendet, wird ein Schwellwert eingestellt, und die Entfernungen Lo und L1, die Punkten entsprechen, an denen eine Kurve der Einhüllenden die Linie, die für den Schwellwert repräsentativ ist, in dem ansteigenden Teil und dem fallenden Teil der Hüllkurve kreuzt, und die Entfernung L2, die einem Punkt entspricht, an dem die Hüllkurve einen Spitzenwert aufweist, werden für den Bestimmungsprozeß der wahren Position erfaßt. Auch in diesem Fall kann der Wert jeder erfaßten Entfernung angenähert sein.
Ein Gesamtbetrieb für eine Signalverarbeitungsprozedur der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 beschrieben worden ist, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 8 beschrieben werden.
Ein in Fig. 6 gezeigtes Flußdiagramm zeigt einen Gesamtbetrieb für eine Signalverarbeitungsprozedur der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung. Die Signalverarbeitungsprozeduren der Fälle der Fig. 5(a) bis 5(d) sind alle in dem Flußdiagramm enthalten.
Eine Signalverarbeitungsprozedur für das erste Sendesignal, die aus den Schritten S11 bis S15 besteht, wird zuerst beschrieben werden.
In dem Schritt S11 wird ein erstes Sendesignal S&sub1; der Kreisfrequenz ω&sub1; gesendet.
In dem Schritt S12 wird ein erstes Echosignal γ&sub1;(t) oder das erste Empfangssignal empfangen.
In einem Schritt S13 wird das erste Echosignal mit dem Referenzsignal multipliziert, und in einem Schritt S14 werden die Frequenzkomponenten nahe der Kreisfrequenz 2ω&sub1; durch ein Filter herausgefiltert, so daß die g&sub1; und h&sub1; extrahiert werden.
In einem Schritt S15, genau in einem Schritt S151, wird eine Phase θ&sub1; durch Verwenden von g&sub1; und h&sub1; berechnet und ein Entfernungskandidat L(θ&sub1;) wird durch das erste Echo auf der Basis der Phase θ&sub1; erzeugt. In einem Schritt S152 wird eine Einhüllende des ersten Echos auf der Basis von g&sub1; und h&sub1; erzeugt.
Eine Folge der Prozedur-Operationen der Schritte S13, S14 und S15 (S151 und S152) wird in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 ausgeführt.
Die Signalverarbeitungsprozedur eines zweiten Sendesignals S&sub2; der Kreisfrequenz ω&sub2; wird in den Schritten S21 bis S25 wie in den Schritten S11 bis S15 ausgeführt.
Von dem an S angebrachten Bezugszeichen 11 des Schrittes S11 zeigt die erste Zahl 1 das erste Signal an, und die zweite Zahl 1 zeigt die Reihenfolge der Schritte an. Das Gleiche gilt für S12 bis S15 und S21 bis S25.
In einem Schritt S6 wird L (= LE), das L(θ&sub1;) = L(θ&sub2;) genügt, auf der Basis des Entfernungskandidaten L(θ&sub1;) durch das erste Echo, welches auf der Phase θ&sub1;, viz., θ&sub1; - φ&sub1; + ψ&sub1;, basiert ist, und der Entfernungskandidaten L(θ&sub2;) durch das zweite Echo, welches auf der Phase θ&sub2;, viz., θ&sub2; - φ&sub2; + ψ&sub2; basiert ist, erzeugt. Mit anderen Worten, wird ein Punkt erhalten, an dem die Positionen eines weißen Kreises und eines schwarzen Kreises miteinander zusammenfallend sind (dieser Punkt wird als ein Koinzidenzpunkt bezeichnet werden).
In einem Schritt SD wird ein Abschnitt, wo ein Entfernungskandidat, der einer wahren Entfernung entspricht, existieren wird, bestimmt auf der Basis von entweder dem ersten Echo, dem zweiten Echo, der Einhüllenden des ersten Echos oder der Einhüllenden des zweiten Echos, um dadurch den den Kandidaten enthaltenden Abschnitt zu erhalten. Das heißt, der # 5-te Abschnitt wird erhalten.
In einem Schritt S7 wird der Koinzidenzpunkt in dem den Kandidaten enthaltenden Abschnitt von einer mehrfachen Anzahl von Koinzidenzpunkten ausgewählt, und dieser ausgewählte Punkt wird als eine wahre Entfernung erzeugt.
In Fig. 6 sind vier Eingangslinien mit dem viereckigen Block des Schritts SD zum Bestimmen des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts verbunden. Diese Eingangslinien sind durch gepunktete Linien angezeigt. Dies bedeutet, daß zumindest eine Eingangslinie erforderlich ist. Dies ist äquivalent zu der Verbindung eines Oder-Gatters mit dem Eingang des viereckingen Blocks des Schritts SD.
Verschiedene Zeitabläufe, um den Schritt SD zum Bestimmen des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts auszuführen, können selektiv verwendet werden, nachdem das für die Bestimmungsoperation nötige Signal erhalten wird, während die Beziehung von ihnen mit dem Zeitablauf, um die Operation des Schritts S7 auszuführen, in Betracht gezogen wird.
In der Signalverarbeitungsprozedur der Fig. 6 ist ein gleichzeitiger Betrieb des Schritts S6 und des Schritts SD erlaubt. Dementsprechend kann die Bestimmungsoperation vollendet sein, bis das Ergebnis der Berechnungsoperation in dem Schritt S6 ausgegeben wird. Dann kann der Schritt S7 unmittelbar, nachdem die Berechnungsoperation des Schritts S6 vollendet ist, ausgeführt werden.
Im allgemeinen ist die Berechnungszeit in dem Schritt S6 größer als jene in dem Schritt SD.
Die Schritte S6, S7 und SD, wie die Schritte S13 bis S15 und die Schritte S23 bis S25, werden in dem in Fig. 3 gezeigten Signalprozessor-Abschnitt 11 ausgeführt. Der Signalprozessor- Abschnitt 11 kann durch eine Computeroperation unter der Kontrolle eines Programms realisiert werden. Wenn erforderlich, kann er auch durch Hardware-Einheiten für die jeweiligen Schritte realisiert werden.
In der in Fig. 6 gezeigten Signalverarbeitungsprozedur bedeutet der letzte, mit STOP bezeichnete Schritt, daß, wenn die wahre Entfernung in dem Schritt S7 erzeugt wird, die gesamte Meßoperation einschließlich der Rechenoperation in dem Schritt S6 geeignet gestoppt wird.
Dementsprechend werden die Operationen der Schritte S151, S152 und S6, insbesondere der Schritt S6, fortgesetzt, bis die wahre Entfernung in dem Schritt S7 erzeugt wird. In diesem Sinn fungiert ein Signal, das anzeigt, daß die wahre Entfernung LT in dem Schritt S7 erzeugt wird, als ein Stopp- Signal der Berechnungsoperation in dem Schritt S6.
Das Echosignal und die Einhüllende des Echosignals werden beide zum Bestimmen des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts in den Schritten SD in Fig. 6 verwendet. In dem letzteren Fall beim Verwenden der Einhüllenden wird die Einhüllende in einer Weise gebildet, daß das Echosignal mit dem Referenzsignal multipliziert wird, und die hohen Frequenzkomponenten (einschließlich Rauschen) des resultierenden Produkts werden entfernt. Zum Bestimmen des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts ist es vorzuziehen, eher die Einhüllende als die Amplitude zu verwenden, da die erstere der letzteren in einem S/N-Betriebsweise überlegen ist.
Der erstere Fall beim Verwenden des Echosignals benötigt die Schritte S152 und S252 zum Bilden der Einhüllenden nicht. Dementsprechend ist die Gesamtberechnungszeit des ersteren Falls kürzer als jene des letzteren Falls.
In den Fig. 7 und 8 werden die Entfernungskandidaten L(φ&sub1;) und L(φ&sub2;) auf eine endliche Anzahl von Entfernungskandidaten in den Schritten S160 und S260 verringert. Unterbrochene Linien werden zum Anzeigen der Verbindung der Bestimmungsergebnisse durch den Schritt SD zum Bestimmen des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts zu den Schritten S160 und S260 verwendet. Unterbrochene Linien werden auch zum Darstellen der viereckigen Blöcke der Schritte S160 und 260 verwendet. Dementsprechend kann einer der Schritte S160 und S260 weggelassen werden, wie bezüglich Fig. 6 beschrieben.
Eine weitere Signalverarbeitungsprozedur wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben werden.
Die auf dem Schritt S15 in dem Flußdiagramm der Fig. 7 nachfolgende Signalverarbeitungsprozedur ist verschieden von jener in dem Flußdiagramm der Fig. 6. Der Unterschied der Signalverarbeitungsprozedur folgt.
Ein Schritt S60 enthält die Schritte S160 und S260. Der Schritt S160 verringert die Anzahl der Entfernungskandidaten L(φ&sub1;) und L(φ&sub2;) durch das erste Echo, das von dem Schritt S151 erzeugt wird, auf der Basis des durch den Schritt SD hergestellten Bestimmungsergebnisses. Mit anderen Worten werden die Entfernungskandidaten L(φ&sub1;) und L(φ&sub2;) vorab in der Anzahl beschränkt.
Auch in dem Schritt S260 werden die Entfernungskandidaten L(φ&sub2;) vorab in der Anzahl beschränkt.
In einem Schritt S6 werden die Entfernungskandidaten L(φ&sub1;) und L(φ&sub2;) oder Entfernungen LE aus der beschränkten Anzahl von Entfernungskandidaten ausgewählt.
Ein Schritt S6D prüft, ob die Anzahl der die Kandidaten enthaltenden Abschnitte, die in dem Schritt SD bestimmt wird, 1 ist oder nicht. Wenn sie 1 ist, wird die in dem Schritt S6 erhaltene Entfernung als eine wahre Entfernung (Schritt S720) bestimmt. Wenn sie nicht 1 ist, wird eine Berechnungsoperation durchgeführt, um eine wahre Entfernung von jenen LE auszuwählen, die in dem Schritt S6 (Schritt S710) erhalten werden.
Im allgemeinen ist eine unendliche Anzahl von den Kombinationen von den Entfernungskandidaten L(φ&sub1;) = L(φ&sub2;) in den Entfernungskandidaten L(φ&sub1;) und L(φ&sub2;) in den Schritten S151 und S152 vorhanden. Deswegen dauert die Berechnungsoperation zum Auswählen der Kombinationen der Entfernungskandidaten L(φ&sub1;) = L(φ&sub2;) an, wenn sie nicht durch beispielsweise ein verwandtes Programm gestoppt wird. In der Prozedur der Fig. 7 wird die Zeit für die Berechnungsoperation verringert, da die Anzahl der Entfernungskandidaten auf eine endliche Anzahl in dem Schritt S60 verringert wird.
Der die Kandidaten enthaltende Abschnitt, der Bestimmungsschritt SD, die Schritte S11 bis S152 und die Schritte S21 bis S252 in der Signalverarbeitungsprozedur in Fig. 7 sind die gleichen wie jene in Fig. 6.
In einer Signalverarbeitungsprozedur der Fig. 8 wird der Prozeß des Schritts SD durch Verwenden des ersten Echosignals oder des zweiten Echosignals ausgeführt. In diesem Fall können die Schritte S152 und S252 zum Bilden der Einhüllenden weggelassen werden.
Die in den Schritten S13 und S23 in den Fig. 6 bis 8 verwendeten Referenzsignale werden im voraus entsprechend des ersten Sendesignals S&sub1;(t) und des zweiten Sendesignals S&sub2;(t) gebildet und in einem beispielsweise innerhalb oder außerhalb des Signalprozessor-Abschnitts 11 gelegenen Speichers gespeichert. Alternativ können die Referenzsignale durch den Signalprozessor-Abschnitt 11 erzeugt werden, wenn diese erforderlich sind.

Zweite Ausführungsform

Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben werden. Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Meßeinrichtung gemäß zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 9 bezeichnet ein Bezugszeichen 12 einen Filterabschnitt, und ein Bezugszeichen 13 zeigt einen A/D-Umsetzerabschnitt an. Der Filterabschnitt 12 und der A/D- Umsetzerabschnitt 13 sind zwischen dem Empfängerabschnitt 10 und dem Signalprozessor-Abschnitt 11 angeordnet. Der Eingangsanschluß und der Ausgangsanschluß des Filterabschnitts 12 sind jeweils mit dem Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10 und dem Eingangsanschluß des A/D- Umsetzerabschnitts 13 verbunden. Der Ausgangsanschluß des A/D-Umsetzerabschnitts 13 ist mit dem Signalprozessor- Abschnitt 11 verbunden. Der Filterabschnitt 12 und der A/D- Umsetzerabschnitt 13 sind beide mit dem Controller-Abschnitt 3 verbunden. Die übrige Ausbildung der zweiten Ausführungsform ist die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der zweiten Ausführungsform wird beschrieben werden. In der zweiten Ausführungsform werden, wie in der ersten Ausführungsform, das erste und das zweite Sendesignal zu der Sonde 6 gesendet. Das erste und das zweite durch die Sonde 6 empfangene Echo werden durch den Empfängerabschnitt 10 verstärkt. Das erste und das zweite Echosignal werden, nachdem sie durch den Empfängerabschnitt 10 passiert sind, in den Filterabschnitt 12 eingegeben. Der Filterabschnitt 12 ist ein Filter des Bandpaß-Typs, der es erlaubt, daß vorgegebene Frequenzkomponenten nahe bei den Kreisfrequenzen ω&sub1; und ω&sub2; hindurch passieren. Die Frequenz- Charakteristik des Filterabschnitts 12 kann für das erste oder zweite Echosignal durch ein Steuersignal von dem Controller-Abschnitt 3 ausgeführt werden. Wo die Frequenz- Differenz des ersten und des zweiten Echosignals klein ist, kann der gleiche Filter oder die gleiche Frequenz- Charakteristik für beide Echosignale verwendet werden. Das erste und das zweite Echosignal werden, nachdem sie durch den Filterabschnitt 12 passiert sind, durch den A/D- Umsetzerabschnitt 13 A/D-umgesetzt, und dann zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet. Der Signalprozessor- Abschnitt 11 erzeugt das erste und das zweite Referenzsignal eines ersten Echosignals, und das erste und das zweite Referenzsignal des zweiten Echosignals in der Form von digitalen Signalen, und führt die Signalverarbeitungsprozedur durch die digitalen Berechnungsoperationen durch, die in Verbindung mit der Gleichung (4) und den nachfolgenden in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, um damit eine Entfernung L zu erhalten.
Die Wirkungen der zweiten Ausführungsform und deren Betriebsweise, die zu den Wirkungen führt, wird beschrieben werden. Das Ausgangssignal des Verstärkers des Empfängerabschnitts leidet unter einer Drift. Die Drift variiert allmählich mit der Zeit und enthält deshalb eine DC- Komponente und Komponenten niedriger Frequenz. Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers in dem Senderabschnitt 9 streut in den Empfängerabschnitt 10. Durch den sogenannten Vorlauf ("run-on") durch den Verstärker des Senderabschnitts 9 werden die Komponenten mit niederiger Frequenz, die die DC-Komponente enthalten, dem empfangenen Signal überlagert.
Wenn die erste Ausführungsform in einem Zustand ausgeführt wird, in welchem die Komponenten mit niedriger Frequenz, die die DC-Komponente enthalten, auf dem empfangenen Signal überlagert werden, gibt es eine Möglichkeit, daß die Ergebnisse des Erfassens der Phasen und der Einhüllenden der Echos abweichend sind von den korrekten und dann Fehler enthalten. Um damit zurecht zu kommen, filtert der nach dem Empfängerabschnitt 10 gelegene Filterabschnitt 12 die unnötige DC-Komponente und die Komponenten mit niederiger Frequenz heraus. Daher schützt die zweite Ausführungsform das Ergebnis der Messung vor jenen unnötigen Komponenten.
In der zweiten Ausführungsform sind, da die Dauern des ersten und des zweiten Sendesignals länger sind, die Spektren dieser Signale schmaler. Dementsprechend werden durch Erhöhen der Dauern des ersten und des zweiten Sendesignals und Verschmälern der Bandbreite der Filter die S/N-Verhältnisse des ersten und des zweiten Echosignals umgekehrt proportional zu der Bandbreite verbessert. Dies ist einer der großen Unterschiede zwischen der Einrichtung der zweiten Ausführungsform und einer herkömmlichen. In einer herkömmlichen Einrichtung muß, um das S/N-Verhältnis zu verbessern, die Amplitude des Sendesignals groß eingestellt werden. Die Schaltungselemente der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung weisen jedoch die beschränkten Durchschlagspannungs-Betriebsweisen auf. In dieser Hinsicht gibt es eine Beschränkung in der Verbesserung der Betriebsweise des S/N-Verhältnisses. Auf der anderen Seite kann, in der zweiten Ausführungsform, das S/N- Verhältnis durch Erhöhen der Dauern des ersten und des zweiten Sendesignals verbessert werden, nicht die Amplituden der Signale. Dementsprechend ist eine größere Freiheit in der Schaltungsauslegung, beispielsweise beim Auswählen der Schaltungselemente, sichergestellt.
In der zweiten Ausführungsform wird die in der ersten Ausführungsform beschriebene Signalverarbeitungsprozedur auf das erste und das zweite Echosignal angewandt, um damit eine gewünschte Entfernung durch die digitalen Berechnungsoperationen zu erhalten. Deswegen sind die Erfassungsergebnisse genau und in einer Reproduzierbarkeit gut. Beispielsweise können, in einem Fall, in dem die unnötigen Frequenzkomponenten nicht perfekt durch das Filter heraus gefiltert sind, die restlichen Komponenten durch eine digitale Verarbeitung entfernt werden. Weitere Signalverarbeitungsprozesse, wie sie in weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, können verwendet werden.

Dritte Ausführungsform

Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben werden. Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, das eine Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 10 bezeichnen die Bezugszeichen 14A und 14B Mischer, und das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Referenzsignal-Generatorabschnitt. 12A und 12B bezeichnen Filterabschnitte und 13A und 13B AD/-Umsetzerabschnitte.
In Fig. 10 weist der Empfängerabschnitt 10 zwei Ausgangsanschlüsse auf (bezeichnet als der erste und der zweite Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10). Der erste und der zweite Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10 sind mit den Mischerabschnitten 14A und 14B verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Mischerabschnitte 14A und 14B sind mit den Eingangsanschlüssen der Filterabschnitte 12A bzw. 12B verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Filterabschnitte 12A und 12B sind mit den Eingangsanschlüssen der A/D-Umsetzerabschnitte 13A bzw. 13B verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der A/D-Umsetzeranschlüsse 13A und 13B sind zusammen mit dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden.
Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15, die Mischerabschnitte 14A und 14B, die Filterabschnitte 12A und 12B und die A/D-Umsetzerabschnitte 13A und 13B sind mit dem Controller-Abschnitt 3 verbunden. Die übrige Ausbildung der dritten Ausführungsform ist die gleiche wie die erste Ausführungsform.
Die Betriebsweise der dritten Ausführungsform wird beschrieben werden. In der dritten Ausführungsform werden, wie in der ersten Ausführungsform, das erste und das zweite Sendesignal zu der Sonde 6 gesendet, und das erste und das zweite von der Sonde 6 empfangene Echosignal werden in dem Empfängerabschnitt 10 verstärkt. Das Signal, das an dem ersten Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10 erscheint, ist das gleiche wie das Signal an dessen zweitem Ausgangsterminal, wenn das gleiche Signal in den Empfängerabschnitt 10 eingegeben wird.
Das erste Echosignal wird beschrieben werden. Das erste Echosignal wird durch den Empfängerabschnitt 10 verstärkt, und das verstärkte wird von dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10 ausgegeben, welche wiederum zu den Mischerabschnitten 14A und 14B transferiert werden.
Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 arbeitet in Synchronisation mit dem Zeitablauf zum Erzeugen des ersten Sendesignals, um damit ein erstes Referenzsignal des ersten Echosignals und ein zweites Referenzsignal des ersten Echosignals durch dessen ersten und zweiten Ausgangsanschluß herzustellen. Diese Referenzsignale werden wiederum auf die Mischerabschnitte 14A und 14B angewandt.
Das erste Echosignal wird mit dem ersten und dem zweiten Referenzsignal in den Mischerabschnitten 14A und 14B multipliziert. Die Ausgangssignale der Mischerabschnitte werden zu den Filterabschnitten 12A bzw. 12B transferiert. Die Filterabschnitte 12A und 12B, die vom Typ des Tiefpaßfilters sind, filtern die Komponente der Kreisfrequenz o1 heraus.
Die Ausgangssignale der Filterabschnitte 12A und 12B werden zu den A/D-Umsetzern 13A bzw. 13B gesendet. Die A/D-Umsetzer 13A und 13B setzen diese Signale in digitale Signale um, welche wiederum zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 transferiert werden. Diese von dem Signalprozessor-Abschnitt 11 empfangenen Signale entsprechen den digitalisierten Signalen von g&sub1;(t) und h&sub1;(t), die durch die Gleichungen (5) und (6) der ersten Ausführungsform ausgedrückt werden.
Während der Sende-Repetitionsperiode, in der das zweite Echosignal empfangen wird, wird das zweite Echosignal durch den Empfängerabschnitt 10 verstärkt, das verstärkte Echosignal wird von dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10 ausgegeben. Jene Ausgangssignale werden zu den Mischerabschnitten 14A und 14B gesendet. Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 arbeitet in Synchronisation mit dem Zeitablauf zum Erzeugen des zweiten Sendesignals, um damit ein erstes Referenzsignal des zweiten Echosignals und ein zweites Referenzsignal des zweiten Echosignals durch dessen ersten und zweiten Ausgangsanschluß herzustellen. Diese ersten und zweiten Referenzsignale werden auf die Mischerabschnitte 14A bzw. 14B angewandt.
Das zweite Echosignal wird mit dem ersten und dem zweiten Referenzsignal der zweiten Echosignale in den Mischerabschnitten 14A und 14B multipliziert. Die Ausgangssignale der Mischerabschnitte werden zu den Filterabschnitten 12A bzw. 12B transferiert. Die Filterabschnitte 12A und 12B, die von dem Tiefpaß-Typ sind, filtern die Komponente der Kreisfrequenz 2ω&sub1; während der Sende-Repetitionsperiode heraus, wo das zweite Echosignal empfangen wird.
Die Ausgangssignale der Filterabschnitte 12A und 12B werden zu den A/D-Umsetzern 13A bzw. 13B gesendet. Die A/D-Umsetzer 13A und 13B setzen diese Signale in digitale Signale um, welche wiederum zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 transferiert werden. Diese durch den Signalprozessor- Abschnitt 11 empfangenen Signale entsprechen den digitalen Signalen von g&sub2;(t) und h&sub2;(t) der ersten Ausführungsform.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 führt die Signal-Verarbeitungsprozedur durch die digitalen Berechnungsoperationen durch, welche in Verbindung mit der Gleichung (5) und nachfolgenden in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, um damit eine Entfernung L zu erhalten.
Die nützlichen Wirkungen der dritten Ausführungsform und deren Betriebsweise, die zu den Wirkungen führt, wird beschrieben werden. In der dritten Ausführungsform werden die für die Signal-Verarbeitungsprozedur des ersten und des zweiten Echosignals notwendigen Multiplizier-Operationen in den Mischerabschnitten 14A und 14B ausgeführt. Die Ausgangssignale der Mischerabschnitte passieren durch die Filterabschnitte 12A und 12B und werden in digitale Signale durch die A/D-Umsetzer 13A und 13B umgesetzt. Es wird bemerkt, daß die Multiplizier-Operationen durch die Mischerabschnitte 14A und 14B, nicht durch den Signal- Prozessorabschnitt 1 durchgeführt werden. Deswegen wird der Berechnungsprozeß in dem Signal-Prozessorabschnitt 11 entsprechend vereinfacht, so daß die Operationsgeschwindigkeit der Einrichtung erhöht wird. Weiter können A/D-Umsetzer, die bei niedriger Frequenz arbeiten, für die A/D-Umsetzer 13A und 13B verwendet werden. Dies bringt eine Verringerung der Kosten der Einrichtung zustande. Die dritte Ausführungsform ist nützlich, wenn sie auf eine Einrichtung angewandt wird, die eine Ultraschallwelle bei einer Frequenz von mehreren zehn MHz oder mehr verwendet, und von mehreren hundert MHz bis 1 GHz, die häufig durch das Ultraschall- Mikroskop verwendet werden.
In der oben erwähnten dritten Ausführungsform erzeugt der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 das erste und das zweite Referenzsignal des ersten Echosignals und gibt diese Signale durch dessen ersten und zweiten Ausgangsanschluß aus. Das erste und das zweite Referenzsignal des zweiten Echosignals werden auch durch den ersten und den zweiten Ausgangsanschluß des Referenzsignal-Generatorabschnitts 15 ausgegeben. Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 kann die folgende Ausbildung aufweisen.
Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 erzeugt ein erstes Referenzsignal des ersten Echosignals und gibt es durch dessen ersten Ausgangsanschluß aus. Das erste Referenzsignal des ersten Echosignals wird auf einen 90º-Phasenschieber angewandt und in der Phase invertiert oder mit -1 multipliziert, um damit ein zweites Referenzsignal des ersten Echosignals zu bilden. Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 stellt das zweite Referenzsignal durch dessen zweiten Ausgangsanschluß her. Ähnlich erzeugt der Referenzsignal- Generatorabschnitt 15 ein erstes Referenzsignal des zweiten Echosignals und gibt es durch dessen ersten Ausgangsanschluß aus. Das erste Referenzsignal des ersten Echosignals wird auf einen 90º-Phasenschieber angewandt und in der Phase invertiert oder mit -1 multipliziert, um damit ein zweites Referenzsignal des zweiten Echosignals zu bilden. Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 stellt das zweite Referenzsignal durch dessen zweiten Ausgangsanschluß her. Da die Frequenzen der Referenzsignale des ersten Echosignals verschieden von jenen der Referenzsignale des zweiten Echosignals sind, sind die 90º-Phasenschieber so ausgeführt, daß sie in der Lage sind, die Phase des Referenzsignals um 90º zu verzögern, ungeachtet des Unterschieds der Frequenzen der Referenzsignale. Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 kann, wenn er in der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung eingegliedert ist, die nützlichen Wirkungen aufweisen, vergleichbar mit jenen, durch die dritte Ausführungsform erreichten.
In dem Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 wird, nachdem das Referenzsignal durch den 90º-Phasenschieber phasenverschoben ist, es in der Phase invertiert oder mit -1 multipliziert. Der Grund dafür ist, daß sin (θ - 90º) = - cost (θ), und das Signal der rechten Seite dieser Gleichung ist um 180º von dem Referenzsignal jedes des ersten und des zweiten Echosignals verschieden.
Obwohl es nicht dargestellt ist, kann die dritte Ausführungsform derart modifiziert werden, daß die Filterabschnitte 12, wie sie in der zweiten Ausführungsform verwendet werden, jeweils zwischen den Empfängerabschnitt 10 und den Mischerabschnitt 14A und zwischen den Empfängerabschnitt 10 und den Mischerabschnitt 14B eingefügt werden. Die so modifizierte dritte Ausführungsform kann nützliche Wirkungen wie die zweite Ausführungsform erreichen.

Vierte Ausführungsform

Die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben werden. In den ersten bis dritten Ausführungsformen wird, wenn das erste Echosignal mit dem ersten und dem zweiten Referenzsignal des ersten Echosignals multipliziert wird, die Frequenz von jeder jener Referenzsignale gleich der Trägerfrequenz des ersten Echosignals oder der Trägerfrequenz des ersten Sendesignals eingestellt. Ähnlich wird, wenn das zweite Echosignal mit dem ersten und dem zweiten Referenzsignal des zweiten Echosignals multipliziert wird, die Frequenz jeder jener Referenzsignale gleich der Trägerfrequenz des zweiten Echosignals oder der Trägerfrequenz des zweiten Sendesignals eingestellt. Die Multiplikationsoperation führt zu den Frequenzkomponenten nahe der DC-Komponente und dem Frequenzkomponenten nahe bei der Frequenz, die zweimal so hoch ist wie die Trägerfrequenz. Die Frequenzkomponenten nahe der DC-Komponente werden durch den Filterabschnitt 12 oder 12A und 12B extrahiert. Die Informationen über die Phase und die Einhüllende des ersten und des zweiten Echosignals werden auf der Basis der DC- Komponente und ihrer nahegelegenen Frequenzkomponenten hergestellt.
Nicht nur die Verstärker des Empfängerabschnitts 10, sondern auch die Schaltungselemente der Mischerabschnitte 14A und 14B in der dritten Ausführungsform leiden unter einer allmählich mit der Zeit variierenden Drift. Weiter gibt es das Problem der Überlagerung der Komponenten mit niedriger Frequenz einschließlich der DC-Komponente auf dem Empfangssignal durch deren Einstreuung von dem Senderabschnitt 9 in den Empfängerabschnitt 10. Die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist darauf gerichtet, die durch jene Probleme verursachten Meßfehler zu eliminieren.
Die vierte Ausführungsform ist verschieden von den ersten bis dritten Ausführungsformen darin, daß die Frequenz jedes Referenzsignals verschieden von der Trägerfrequenz des Echosignals oder des Sendesignals ist.
Die Ausbildung der vierten Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie jene der dritten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der vierten Ausführungsform wird beschrieben werden. In der vierten Ausführungsform wird das erste Sendesignal S&sub1; bei der Kreisfrequenz ω&sub1; zu der Sonde gesendet, und ein erstes Echo γ&sub1;(t), welches dem ersten Sendesignal entspricht, wird empfangen. Während der Sende- Repetitionsperiode, in der das erste Echo γ&sub1;(t) empfangen wird, erzeugt der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 ein erstes Referenzsignal u'1s(t) und ein zweites Referenzsignal u'1c(t), die mit dem ersten Echo γ&sub1;(t) multipliziert werden müssen. Diese Referenzsignale sind durch die folgenden Gleichungen (9.a) und (9.b) gegeben
u'1s(t) = sin ((ω&sub1; + ΔΩ&sub1;)t + ψ&sub1;) .. (9.a)
u'1c(t) = cos ((ω&sub1; + ΔΩ&sub1;)t + ψ&sub1;) ... (9.b),
wobei ΔΩ&sub1; eine feste Kreisfrequenz ist. Diese Referenzsignale u'1s(t) und u'1c(t) werden als dritte und Referenzsignale des ersten Echosignals bezeichnet werden.
Wenn die Referenzsignale u'1s(t) und u'1c(t) mit dem ersten Echosignal in den Mischerabschnitten 14A und 14B gemischt werden, werden die Frequenzkomponenten nahe der Kreisfrequenz ΔΩ&sub1; und die Frequenzkomponente nahe der Kreisfrequenz (2ω&sub2; + ΔΩ&sub1;) hergestellt. Von diesen Frequenzkomponenten wird die Frequenzkomponente nahe der Kreisfrequenz ΔΩ&sub1; von den Filterabschnitten 12A und 12B extrahiert. Dementsprechend wird das Filterband jeder der Bandpaß-Filterabschnitte 12A und 12B in den Frequenzbereichen nahe der Kreisfrequenz ΔΩ&sub1; eingestellt. Die Frequenzkomponenten nahe der DC-Komponente und der Kreisfrequenz (2ω&sub2; + ΔΩ&sub1;) werden durch die Filterabschnitte geblockt.
Die Ausgangssignale g'&sub1;(t) und h'&sub1;(t) der Filterabschnitte 12A und 12B sind durch die folgenden Gleichungen (10.a) und 10.b) innerhalb des Bereichs von τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub1; gegeben
g'&sub1;(t) = [A(ω&sub1;)/2] cos(ΔΩ&sub1;t + φ&sub1; - 2Lω&sub1;/V - ψ&sub1;) ... (10.a)
h'&sub1;(t) = [A(ω&sub1;)/2] sin(ΔΩ&sub1;t + φ&sub1; - 2Lω&sub1;/V - ψ&sub1;) ... (10.b)
Innerhalb der Bereiche von 0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub1; sind die Ausgangssignale g'&sub1;(t) und h'&sub1;(t) null (0), viz., g'&sub1;(t) = h'&sub1;(t) = 0 (0 ≤ t < τ und t > τ + T&sub0;&sub1;).
Diese Ausgangssignale g'&sub1;(t) und h'&sub1;(t) werden in digitale Signale durch die A/D-Umsetzer 13A und 13B umgesetzt, welche wiederum zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet werden.
In dem Signalprozessor-Abschnitt 11 wird die folgende Signal- Verarbeitungsprozedur durch die digitale Berechnungsoperation ausgeführt. Der Signalprozessor-Abschnitt 11 erzeugt ein Signal, ausgedrückt durch x&sub1;(t), das durch die folgende Gleichung (11) gegeben ist, während man annimmt, daß g'&sub1;(t) ein Realteil und h'&sub1;(t) ein Imaginärteil ist.
x&sub1;(t) - g'&sub1;(t) + jh'&sub1;(t) ... (11),
wobei j eine imaginäre Zahl gleich der Zahl ist, die erhalten wird durch Erheben von (-1) in die ¹/&sub2;-te Potenz.
In dem Bereich von τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub1; ist x&sub1;(t) durch die folgende Gleichung (12) gegeben
x&sub1;(t) = [A(ω&sub1;)/2] exp (j(ΔΩ&sub1;t + φ1 - 2Lω&sub1;/V - ψ&sub1;)) ...(12)
Innerhalb des Bereiches von 0 ≤ t ≤ τ und t > τ + T&sub0;&sub1;, x&sub1;(t) = 0.
Weiter erzeugt der Signalprozessor-Abschnitt 11 ein Referenzsignal y&sub1;(t), das durch die folgende Gleichung (13) gegeben ist
y&sub1;(t) = exp (-j(ΔΩ&sub1;t + δ&sub1;)) ... (13),
wobei δ&sub1; eine feste Phase ist. Wenn δ&sub1; = 0, wird die Allgemeingültigkeit in der Beschreibung erhalten bleiben. Deshalb wird die Beschreibung auf der Annahme gegeben werden, daß δ&sub1; = 0. Das Referenzsignal y&sub1;(t) wird als ein fünftes Referenzsignal des ersten Echosignals bezeichnet werden.
Dann wird x&sub1;(t) mit y&sub1;(t) multipliziert. Das Ergebnis der Multiplikation ist eine imaginäre Zahl. Ein Phasenterm und ein Amplitudenterm, die der Einhüllenden entsprechen, werden von dem Multiplikationsergebnis extrahiert. Folglich werden die Einhüllende in der ersten Ausführungsform und eine Phase θ&sub1;, die der Gleichung (7) entspricht, für das erste Echosignal erhalten.
Das zweite Sendesignal S&sub2; bei der Kreisfrequenz ω&sub1; wird zu der Sonde gesendet. Während der Sende-Repetitionsperiode, wo das dem Sendesignal entsprechende zweite Echo γ&sub2;(t) empfangen wird, erzeugt der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 das erste und das zweite Referenzsignal u2s(t) und u2c(t) des zweiten Echosignals, welche mit dem zweiten Echo γ&sub2;(t) multipliziert werden müssen und durch die Gleichungen (9.a) und (9.b) ausgedrückt werden, in welchen ω&sub1; ersetzt wird ω&sub2;, ΔΩ&sub1; durch ΔΩ&sub2; und ψ&sub1; durch ψ&sub2;. Die Referenzsignale u2s(t) und u2c(t) werden als dritte und vierte Referenzsignale des zweiten Echosignals bezeichnet werden. Das zweite Echosignal wird mit den dritten und den vierten Referenzsignalen in den Mischerabschnitten 14A und 14B gemischt. ΔΩ&sub2; kann gleich sein zu ΔΩ&sub1;.
Das Frequenzband jeder der Bandpaß-Filterabschnitte 12A und 12B ist auf einen Frequenzbereich nahe der Kreisfrequenz /22 eingestellt. Die Frequenzkomponenten nahe der DC-Komponente und der Kreisfrequenz (2ω&sub2; + ΔΩ&sub2;) werden durch die Filterabschnitte geblockt. Die Ausgangssignale g'&sub2;(t) und h'&sub2;(t) der Filterabschnitte 12A und 12B werden durch die Gleichungen (10.a) und 10.b) gegeben, in welchen ω&sub1; ersetzt wird durch ω&sub2;, ΔΩ&sub1; durch ΔΩ&sub2;, ψ&sub1; durch ψ&sub2; und φ&sub1; durch φ&sub2;, innerhalb des Bereichs von τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub2;. Innerhalb der Bereiche von 0 ≤ t ≤ τ und t > τ + T&sub0;&sub2;, g'&sub2;(t) = h'&sub2;(t) = 0.
Die Ausgangssignale g'&sub2;(t) und h'&sub2;(t) werden in Digitalsignale durch die A/D-Umsetzer 13A und 13B umgesetzt, und die digitalen Signale werden zu dem Signalprozessor- Abschnitt 11 gesendet.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 erzeugt ein Signal (ausgedrückt durch x&sub2;(t)), während man annimmt, daß g'&sub2;(t) ein Realteil und h'&sub2;(t) ein Imaginärteil ist, und ein Referenzsignal (ausgedrückt durch y&sub2;(t)). Das Referenzsignal y&sub2;(t) wird als ein fünftes Referenzsignal des zweiten Echosignals bezeichnet werden.
x&sub2;(t) wird durch die Gleichung (11) gegeben, in welcher g'&sub1;(t) ersetzt wird durch g'&sub2;(t), und h'&sub1;(t) durch h'&sub2;(t). y&sub2;(t) und x'&sub2;(t) werden innerhalb des Bereichs von τ ≤ t ≤ τ + T&sub0;&sub2; durch die Gleichungen (13) und (12) ausgedrückt, in welchen ω&sub2;, ΔΩ&sub1; durch ΔΩ&sub2;, ψ&sub2; durch ψ&sub2;. φ&sub1; durch φ&sub2; und δ&sub1; durch δ&sub2;.
δ&sub2; = 1, wie es der Fall für δ&sub1; ist.
Innerhalb der Bereiche 0 < t ≤ τ und t > τ + T&sub0;&sub2;, x&sub2;(t) = 0.
In dem Signalprozessor-Abschnitt 11 werden für das zweite Echo die Einhüllende in der ersten Ausführungsform und eine der Gleichung (8) entsprechenden Phase θ&sub2; durch die komplexe Multiplikation von x&sub2;(t) und y&sub2;(t) wie in dem vorhergehenden Fall erhalten.
Auf diese Weise sind die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; und die Einhüllende für das erste und das zweite Echosignal erhalten worden. Nun wird eine beabsichtigte Entfernung auf der Basis jener Ergebnisse durch die Signal-Verarbeitungsprozedur wie der ersten Ausführungsform erhalten. Die nützlichen Wirkungen der vierten Ausführungsform und deren Betriebsweise, die die Wirkungen verursacht, werden beschrieben werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Kreisfrequenz der dritten und vierten Referenzsignale des ersten Echos von der Kreisfrequenz des ersten Echos um ΔΩ&sub1; verschoben, die Frequenz des dritten und des vierten Referenzsignals des zweiten Echos wird auch von der Kreisfrequenz des zweiten Echos um ΔΩ&sub2; verschoben. Die Frequenzkomponenten nahe der Kreisfrequenzen ΔΩ&sub1; und ΔΩ&sub1; werden durch die Filterabschnitte 12A und 12B extrahiert. Deswegen können die Drift der in dem Senderabschnitt 9 und dem Empfängerabschnitt 10 enthaltenen Verstärker, die Drift der in den Mischerabschnitten 14A und 14B enthaltenen Verstärkerelemente und die unnötigen Komponenten mit niedriger Frequenz einschließlich der DC- Komponente, die auf dem Empfangssignal durch dessen Einstreuung von dem Senderabschnitt 9 in den Empfängerabschnitt 10 überlagert sind, durch die Filterabschnitte 12A und 12B herausgefiltert werden. Deswegen wird eine nachteilige Wirkung der unnötigen Frequenzkomponenten auf die Meßergebnisse eliminiert.

Fünfte Ausführungsform

Die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben werden. Die Anordnung einer Ultraschall-Meßeinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform, die im wesentlichen die gleiche wie jener bezüglich Fig. 5 in der dritten Ausführungsform beschrieben ist, wird zuerst beschrieben werden, und dann wird die Anordnung einer Ultraschall-Meßeinrichtung, die im wesentlichen die gleiche wie jener bezüglich Fig. 6 in der zweiten Ausführungsform beschriebenen ist, beschrieben werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Entfernung von der Sonde zu einem Objekt durch Verwenden der Informationen einer Phase und einer Amplitude eines Echos oder einer Phase und einer Einhüllenden eines Echos gemessen. Dementsprechend leidet die Messung der Informationen an einem Fehler, die resultierende Entfernung enthält auch einen Fehler.
In der fünften Ausführungsform, in der in Fig. 9 oder 10 gezeigten Anordnung der Einrichtung, werden die Frequenzgang- Charakteristika aller Komponenten, Abschnitte und Teile, die die Einrichtung bilden, wie die Sonde 6, der Senderabschnitt 9, der Empfängerabschnitt 10, die Filterabschnitte 12A und 12B, die Mischerabschnitte 14A und 14B, der A/D- Umsetzerabschnitt 13, 13A und 13B, Verbinder, Kabel und Ähnliches im voraus gemessen. Nach einer Korrektur der Phasen und der Amplituden in jenen Frequenzgang-Charakteristika jener Komponenten, Abschnitte und Teile auf der Basis der Ergebnisse der Messungen, werden die Informationen der Phase und der Amplitude oder der Phase und der Einhüllenden, die für die Entfernungsmessung verwendet werden, erhalten.
Der Fall der in Fig. 7 beschriebenen Anordnung wird im Detail beschrieben werden. Die Frequenzgang-Charakteristika der Komponenten, Abschnitte und Teile, die die Ultraschall-Meßeinrichtung ausmachen, für die zu verwendende Frequenz, werden individuell gemessen.
Ein Verfahren zum Korrigieren der festen Phasenverschiebung durch die Komponenten, Abschnitte und Teile auf der Basis der Meßergebnisse wird beschrieben werden. Die festen Phasenverzögerungen durch die Komponenten, Abschnitte und Teile werden durch Verwenden der Meßergebnisse der Frequenzgang- Charakteristika erhalten. Die gesamte Verzögerung der festen Phase wird durch Addieren der Verzögerungen der festen Phase in der Richtung eines Signalflusses erhalten.
Das Wort "Signalflussrichtung" bedeutet die Richtung, in welcher ein Signal von dem Senderabschnitt 9 zu der Sonde 6 und von der Sonde 6 zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 läuft, vermöge eines Weges von dem ersten Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10, dem Mischerabschnitt 14A, dem Filterabschnitt 12A und dem A/D-Umsetzerabschnitt 13A. Dieser Signalpfad wird ein erster Signalpfad genannt werden.
Es wird bemerkt, daß zwei Signale, d. h. ein ausgehendes Signal für eine Sendung und ein eingehendes Signal für einen Empfang durch die Sonde 6 in dem Prozeß des Erhaltens der Gesamtverzögerung der festen Phase passieren. Die Phasenverzögerung findet sowohl in dem ausgehenden Signal als auch in dem eingehenden Signal statt. Deshalb müssen in dem Prozeß des Zusammenaddierens der festen Phasenverzögerungen, die festen Phasenverzögerungen des ausgehenden Signals und des eingehenden Signals zusammenaddiert werden.
In der Anordnung der Ultraschall-Meßeinrichtung gib es einen weiteren Signalfluß oder Pfad. In diesem Signalpfad läuft ein Signal von dem Senderabschnitt 9 zu der Sonde 6 und von der Sonde 6 zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 vermöge eines Weges des zweiten Ausgangsanschlusses des Empfängerabschnitts 10, des Mischerabschnitts 14B, des Filterabschnitts 12B und des A/D-Umsetzerabschnitts 13B. Dieser Signalpfad wird als ein zweiter Signalpfad bezeichnet werden.
Die Gesamtverzögerung der festen Phase als die Summe der Verzögerungen der festen Phase durch die jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile, wenn das erste Sendesignal der Kreisfrequenz durch den ersten Signalpfad läuft, wird als Δθ&sub1;&sub1; bezeichnet. Die gesamte Verzögerung der festen Phase als die Summe der Verzögerungen der festen Phase durch die jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile, wenn es durch den zweiten Signalpfad läuft, wird als Δθ&sub1;&sub2; bezeichnet.
Zu dieser Zeit erzeugt der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 das erste Referenzsignal des ersten Echos, von welchem die feste Phase Ψ&sub1; um Δθ&sub1;&sub1; verzögert ist. Mit anderen Worden wird das erste Referenzsignal erzeugt, von dem die feste Phase (Ψ&sub1; - Δθ&sub1;&sub1;) ist. Ähnlich wird die feste Phase Ψ&sub1; des zweiten Referenzsignals des ersten erzeugten Echos um Δθ&sub1;&sub2; verzögert. Folglich heben sich die Gesamtverzögerungen der festen Phase des Signals entlang des ersten und des zweiten Signalpfads heraus, bevor das Signal den Signalprozessor-Abschnitt 11 erreicht.
Ähnlich wird die Gesamtverzögerung der festen Phase als die Summe der festen Phasenverzögerungen durch die jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile, wenn das zweite Sendesignal der Kreisfrequenz durch den ersten Signalpfad läuft, als Δθ&sub2;&sub1; bezeichnet. Die Gesamtverzögerung der festen Phase als die Summe der Verzögerung der ersten Phase durch die jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile, wenn es durch den zweiten Signalpfad läuft, wird als Δθ&sub2;&sub2; bezeichnet. Die feste Phase Ψ&sub2; des ersten und des zweiten Referenzsignals des ersten Echos, erzeugt durch den Referenzsignal- Generatorabschnitt 15, wird um Δθ&sub2;&sub1; und Δθ&sub2;&sub2; verzögert. Folglich heben sich die Gesamtverzögerungen der festen Phase des Signals entlang des ersten und des zweiten Signalpfads heraus, bevor das Signal den Signalprozessor-Abschnitt 11 erreicht.
Die Gesamtverzögerungen der festen Phase des Signals durch die jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile werden auf diese Weise korrigiert, bevor das Signal den Signalprozessor- Abschnitt 11 erreicht.
Die Amplituden-Charakteristika in den Frequenzgang-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile, die die Ultraschall-Meßeinrichtung bilden, werden auf die folgende Weise korrigiert. Eine Gesamtamplituden-Charakteristik, die von dem Betrachten der gesamten Amplituden-Charakteristika der entsprechenden Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung bei der Trägerfrequenz des ersten Sendesignals, wenn das Signal durch den ersten Signalpfad läuft, herrührt, wird als A&sub1;&sub1; bezeichnet. Die Gesamtamplituden-Charakteristik entlang des zweiten Signalpfads wird als A&sub1;&sub2; bezeichnet.
Die Gesamtamplituden-Charakteristika bei der Trägerfrequenz des zweiten Sendesignals, wenn das Signal durch den ersten und den zweiten Pfad läuft, werden als A&sub2;&sub1; bzw. A&sub2;&sub2; bezeichnet.
Wenn es keinen Unterschied unter den Gesamtamplituden- Charakteristika A&sub1;&sub1;, A&sub1;&sub2;, A&sub2;&sub1; und A&sub2;&sub2; gibt, entsteht kein Problem. Jedoch entsteht ein Problem, wenn es einen Unterschied unter jenen Charakteristika gibt. Dann wird dieses beschrieben werden durch Verwenden eines Falls, wo die Gesamtamplituden-Charakteristik A&sub1;&sub1; 1 ist.
Die Amplituden der Referenzsignale des ersten und des zweiten Echos, erzeugt durch den Referenzsignal-Generatorabschnitt 15, sind wie folgt: Die Amplitude des ersten Referenzsignals des ersten Echos ist "1", und die Amplitude des zweiten Referenzsignals des ersten Echos und des ersten und zweiten Referenzsignals des zweiten Echos sind 1/A&sub1;&sub2;, 1/A&sub2;&sub1; bzw. 1/A&sub2;&sub2;. Daher werden die Amplituden-Charakteristika der Frequenzgang- Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung korrigiert, bevor das Signal den Signalprozessor-Abschnitt 11 erreicht.
Die Beschreibung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde durchgeführt durch Verwenden der dritten Ausführungsform. Ein Fall, wo die fünfte Ausführungsform auf die vierte Ausführungsform angewandt wird, wird beschrieben werden. In diesem Fall werden die Amplituden und die Phasen des dritten und des vierten Referenzsignals des ersten Echos in der Prozedur des Einstellens der Amplituden und der Phasen des ersten und des zweiten Referenzsignals des ersten Echos eingestellt. Ähnlich werden die Amplituden und die Phasen des dritten und des vierten Referenzsignals des zweiten Echos in der Prozedur des Einstellens der Amplituden und der Phasen des ersten und des zweiten Referenzsignals des zweiten Echos eingestellt. Mit dem Einstellen der Amplituden und der Phasen der Referenzsignale werden die Gesamtverzögerung der festen Phase und die Gesamtamplituden-Charakteristik (bezeichnet als eine Gesamtfrequenzgang-Charakteristik) der entsprechenden Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung korrigiert, bevor das Signal den Signalprozessor-Abschnitt 11 erreicht.
Der Fall, wo die fünfte Ausführungsform auf die Anordnung der Fig. 9 angewandt wird, wird beschrieben werden. Der Fall der Anordnung der Fig. 10, in welcher zwei Signalpfade zwischen dem Empfängerabschnitt 10 und dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gegenwärtig sind, ist oben beschrieben. In dem nachstehend zu beschreibenden Fall der Fig. 9 ist ein Signalpfad zwischen dem Empfänger-Abschnitt 10 und dem Signalprozessor-Abschnitt 11 vorhanden. Wenn die fünfte Ausführungsform auf den Fall der Fig. 9 angewandt wird, wird sie auf die folgende Weise modifiziert.
Wie gezeigt, enthält die Anordnung der Fig. 9 einen Signalflußpfad. Der Signalpfad reicht von dem Senderabschnitt 9 zu der Sonde 6, und von der Sonde 6 zu dem Signalprozessor- Abschnitt 11 vermöge des Weges des Empfängerabschnitts 10, Filterabschnitts 12 und des A/D-Umsetzerabschnitts 13.
Die Frequenzgang-Charakeristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung werden zuerst gemessen. Die festen Phasenverzögerungen durch die jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung werden bei der Trägerfrequenz des ersten und des zweiten Sendesignals gemessen, wenn die Signale durch den Signalpfad laufen, und jene werden summiert. Die Gesamtverzögerungen der festen Phase als Ergebnis der Additionen werden als Δθ&sub1; bzw. Δθ&sub2; bezeichnet. Die feste Phase Ψ&sub1; des ersten und des zweiten Referenzsignals des ersten Echos, erzeugt durch den Signalprozessor-Abschnitt 11, wird um θ&sub1; verzögert. Ähnlich wird die feste Phase Ψ&sub1; des ersten und des zweiten Referenzsignals des zweiten Echos durch θ&sub2; verzögert. Damit werden die Gesamtverzögerungen der festen Phase durch die jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung korrigiert.
Zur Korrektur der Amplitude in den Frequenzgang-Charakteristika der entsprechenden Komponenten, Teile und Teile der Einrichtung werden die Gesamtamplituden-Charakteristika, die von der Betrachtung der Gesamt-Charakteristika der entsprechenden Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung bei den Trägerfrequenzen des ersten und des zweiten Sendesignals herrühren, wenn die Signale durch den Signalpfad fließen, erhalten. Die resultierenden Gesamtamplituden- Charakteristika werden als A&sub1; bzw. A&sub2; bezeichnet. Es wird zur Erleichterung der Erklärung angenommen, daß die Gesamtamplituden-Charakteristik A&sub1; "1" ist. Das erste und das zweite Referenzsignal des ersten Echos, die die Amplitude von "1" aufweisen, und das erste und das zweite Referenzsignal des zweiten Echos, die die Amplitude von !/A&sub2; aufweisen, werden durch den Signalprozessor-Abschnitt 11 erzeugt. Folglich werden die Gesamtamplituden-Charakteristika der Frequenzgang- Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung korrigiert.
Die Prozedur der zweiten Ausführungsform, nicht der Prozeß, wo die Phasen und die Amplituden der Referenzsignale wie oben erwähnt eingestellt werden, kann zur Korrektur der Gesamtamplituden-Charakteristika für den auf einem Signalpfad basierten Fall verwendet werden. In diesem Fall werden die Phasen und die Einhüllenden des ersten und des zweiten Echos oder deren Phasen und Amplituden erhalten. Δθ&sub1; wird addiert zu der erhaltenen Phase Δθ&sub1; und Δθ&sub2; wird addiert zu der erhaltenen Phase Δθ&sub2;. Die Amplitude des zweiten Echos oder die Amplitude der Einhüllenden wird mit 1/A&sub2; multipliziert.
Das oben erwähnte Korrekturverfahren ist basiert auf den Ergebnissen des individuellen Messens der Frequenzgang- Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung. In dem auf einem Signalpfad basierenden Fall kann das folgende Korrekturverfahren verwendet werden.
Die Phasen und die Einhüllenden oder die Phasen und die Amplituden des ersten und des zweiten Echos werden in der Prozedur der zweiten Ausführungsform erhalten. In diesem Fall wird eine reflektierende Referenzoberfläche anstelle eines Objekts 8 verwendet. Eine Entfernung zwischen der Sonde 6 und der reflektierenden Referenzoberfläche ist bereits bekannt. Da die Entfernung zu der reflektierenden Referenzoberfläche bekannt ist, kann der der Entfernung entsprechende Phasenterm berechnet werden. Der Phasenterm wird von der erhaltenen Phase in der Prozedur in der zweiten Ausführungsform subtrahiert. Die Phase, die erhalten wird durch Entfernen der festen Phasen des Sendesignals und des Referenzsignals von der Phase, die aus der Subtraktion resultiert, ist die Gesamtverzögerung der festen Phase der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung.
Nur für das erste Echo, da L bereits bekannt ist, wird Δθ&sub1; erhalten durch Verwenden der Gleichung
θ&sub1; = -2Lω&sub1;/V - Δθ&sub1; + φ&sub1; - ψ&sub1; + 2nπ.
Δθ&sub1; zeigt die Gesamtverzögerung der festen Phase der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung entlang des Signalpfads an.
Auch für das zweite Echo kann die Gesamtverzögerung der festen Phase durch Verwenden der verwandten Gleichung berechnet werden, die der obigen Gleichung entspricht, wo der Suffix "1" durch "2" ersetzt wird, und n wird durch m ersetzt.
Für die Gesamtamplituden-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung wird A&sub1;/A&sub2; durch Berechnen der Verhältnisses der Amplituden des ersten und des zweiten Echos oder des Verhältnisses der Amplituden zu deren Einhüllenden erhalten. Dementsprechend wird der Wert von A&sub2; erhalten, wenn A&sub1; 1 ist.
Daher werden die Gesamtfrequenzgang-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung in der oben erwähnten Prozedur erhalten. Dann kann die Korrektur auf der Basis dieser Ergebnisse in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 wie in dem Fall der oben erwähnten Korrektur gemacht werden.
Wie oben beschrieben, werden, in der fünften Ausführungsform die Amplituden und die Phasen des ersten und des zweiten Referenzsignals des ersten Echos, die durch den Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 erzeugt werden, und die Amplituden und die Phasen des ersten und des zweiten Referenzsignals des zweiten Echos auf der Basis der Meßergebnisse der Gesamtfrequenzgang-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung eingestellt. Der Unterschied zwischen den Gesamtamplituden- Charakteristika in den Gesamtfrequenz-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung, und das in der Gesamtverzögerung der festen Phase korrigierte Signal werden zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet. Folglich wird die Genauigkeit der Entfernungsmessung verbessert. Die Amplituden und die Phasen des dritten und des vierten Referenzsignals des ersten Echos, die durch den Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 erzeugt werden und die Amplituden und die Phasen des dritten und des Referenzsignals des zweiten Echos werden auf der Basis der Meßergebnisse der Gesamtfrequenzgang-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung eingestellt. Der Unterschied zwischen den Gesamtamplituden- Charakteristika in den Gesamtfrequenz-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung, und das in der Gesamtverzögerung der festen Phase korrigierte Signal werden zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet. Folglich werden ähnlich nützliche Wirkungen erreicht.
In dem auf einem Signalpfad basierten Fall werden die Amplituden und die Phasen des ersten und des zweiten Referenzsignals des ersten Echos, die durch den Referenzsignal- Generatorabschnitt 15 erzeugt werden, und die Amplituden und die Phasen des ersten und des zweiten Referenzsignals des zweiten Echos auf der Basis der Meßergebnisse der Gesamt frequenzgang-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung eingestellt. Der Unterschied zwischen den Gesamtamplituden-Charakteristika in den Gesamtfrequenz-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung, und das in der Gesamtverzögerung der totalen Phase korrigierte Signal werden zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet. Folglich werden ähnlich nützliche Wirkungen erreicht.
Auch in dem auf einem Signalpfad basierten Fall, in dem Signalprozessor-Abschnitt 11, werden die Phasen und die Einhüllenden oder die Phasen und die Amplituden des ersten und des zweiten Echos in der gleichen Prozedur der zweiten Ausführungsform erhalten. Danach werden, für die erhaltenen Phasen, die Gesamtverzögerungen der festen Phase in der Gesamtfrequenzgang-Charakteristik der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung korrigiert, und für die erhaltenen Amplituden oder die Einhüllenden werden die Gesamtamplituden-Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtungen korrigiert. Das Ergebnis ist das Erreichen von ähnlich nützlichen Wirkungen.
Die Phasen und die Einhüllenden oder die Phasen und die Amplituden des ersten und des zweiten Echos werden in der Prozedur der zweiten Ausführungsform erhalten, indem die reflektierende Referenzoberfläche, die von dem Objekt 8 mit einer bereits bekannten Entfernung getrennt ist. Die der Phasenkomponente entsprechende Entfernung und die festen Phasenkomponenten des Sendesignals und des Referenzsignals werden von der erhaltenen Phase subtrahiert. Die Gesamtverzögerung der festen Phase der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung wird von der übrigen Phase erhalten. Die Gesamtamplituden-Charakteristik der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung wird von der Amplitude des Echos oder der Amplitude deren Einhüllender erhalten. Die Korrektur wird ausgeführt, indem die Gesamtphasenverzögerung und die Gesamtamplituden- Charakteristik in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verwendet wird. Dementsprechend werden ähnlich nützliche Wirkungen erreicht.
Lassen Sie uns das Korrekturverfahren, das die reflektierende Referenzoberfläche verwendet, mit dem Korrekturverfahren vergleichen, das auf den Ergebnissen des individuellen Messens der Charakteristika der jeweiligen Komponenten, Abschnitte und Teile der Einrichtung basiert. In dem letzteren Verfahren werden, wenn die Charakteristika-Messungen Fehler enthalten, die Fehler akkumuliert, so daß der resultierende Korrekturwert abweichend von dem wahren ist. Das erstere Verfahren ist frei von derartigen Meßfehlern, wodurch es eine hohe Genauigkeit der Messung sicherstellt.

Sechste Ausführungsform

Die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 11, 12 und 13 beschrieben werden. Die Anordnung der Ultraschall-Meßeinrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform. Die Fig. 8(a) und 8(b) sind Wellenformen der Sendesignale, Fig. 9 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Frequenzgang-Charakteristik der Sonde 6 zeigt, und die Fig. 13(a) bis 13(d) sind Wellenformdiagramme, die Echos zeigen.
Die Betriebsweise der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben werden. In der ersten Ausführungsform weist die Einhüllende eines Sendesignals eine rechteckförmige Wellenform auf, wie durch Gleichung (1) beschrieben. Auf der anderen Seite weisen, in der sechsten Ausführungsform, ein erstes Sendesignal der Trägerfrequenz f1 und ein zweites Sendesignal der Trägerfrequenz f2, die durch den Senderteil 9 erzeugt werden, die folgenden Hüllkurven- Wellenformen auf. Die Einhüllende des ersten Sendesignals variiert mäßig in deren ansteigendem und fallendem Teil, wie in den Fig. 11(a) und 11(b) gezeigt. Die Signalverarbeitungs-Prozeduren für das erste und das zweite Echo sind die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform.
Wie in Fig. 12 gezeigt, ist die Frequenzbandbreite der Sonde 6 endlich. Wenn das Sendesignal, von dem die Hüllkurven- Wellenform rechteckförmig ist, verwendet wird, ist die Hüllkurven-Wellenform des Echos nicht rechteckförmig, wie in den Fig. 13(a) und 13(b) gezeigt. Die Hüllkurve variiert stark, besonders in deren ansteigenden und fallenden Teilen. Weiter wird die Frequenz von der Trägerfrequenz des Sendesignals in deren ansteigenden und fallenden Teilen verschoben. Deswegen ist eine Phase, die von dem ansteigenden Teil oder dem fallenden Teil erhalten wird, die von der Hüllkurven-Wellenform in der Prozedur der ersten Ausführungsform ausgeschnitten werden, verschieden von einer Phase, die von dem mittleren Teil erhalten wird, der von der Hüllkurven-Wellenform in einer ähnlichen Prozedur herausgeschnitten wird. Der mittlere Teil der Hüllkurven-Wellenform ist im wesentlichen flach ausgebildet, und der Wert der erhaltenen Phase ist ungefähr der wahre Wert.
Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Prozedur zusätzlich zu verwenden, um die Phase von dem mittleren Teil der Hüllkurven-Wellenform, nicht von deren ansteigendem Teil und fallendem Teil zu erfassen. Wenn die Sendesignale der Wellenformen, wie in den Fig. 11(a) und 11(b) gezeigt, verwendet werden, wird die nachteilige Wirkung durch die endliche Bandbreite der Sonde 6 verringert, da die Frequenzbänder jener Sendesignale schmal sind, wenn sie mit den Sendesignalen verglichen werden, von welchen die Hüllkurven-Wellenformen rechteckig sind. Weiter variieren die Wellenformen der den Sendesignalen entsprechenden Echos mäßig in deren ansteigendem und fallendem Teil, und ähneln den Wellenformen der Sendesignale. Die Frequenzen der Echos in dem ansteigenden und dem fallenden Teil sind im wesentlich gleich der Trägerfrequenz. Der Unterschied zwischen der Phase, die von dem ansteigenden oder dem fallenden Teil erhalten wird, die aus der Hüllkurven-Wellenform herausgeschnitten werden und der Phase von dem mittleren Teil, die ähnlich daraus herausgeschnitten wird, ist viel kleiner als jene in dem oben erwähnten Fall. Mit anderen Worten sind die Phasen jener Teile der Hüllkurven-Wellenform im wesentlichen einander gleich. Deswegen gibt es keinen Bedarf an einer Prozedur, um den mittleren Teil von der Hüllkurven-Wellenform herauszuschneiden.
Wie oben beschrieben, verwendet die sechste Ausführungsform das erste und das zweite Sendesignal, von welchen die Einhüllenden mäßig in dem ansteigen und dem fallenden Teil variieren, so daß es keinen Bedarf an einer Prozedur gibt, den mittleren Teil von der Wellenform jedes des ersten und des zweiten Echos herauszuschneiden. Dieser Vorteil ist sehr nützlich bei der Messung unter Bedingungen eines schmalen Frequenzbandes oder wo die Sonde einer schmalen Bandbreite nur verfügbar ist.

Siebte Ausführungsform

Die siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 14 beschrieben werden. Fig. 14 zeigt die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Blockform. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 16 einen Sondenscan- Signalgenerator; und 17 einen Sondenscan-Mechanismus. Der Sondenscan-Signalgenerator 16 wird mit einem Controller- Abschnitt 3 und dem Sondenscan-Mechanismus 17 verbunden. Der Sondenscan-Mechanismus 17 ist ein Mechanismus zum mechanischen Antreiben der Sonde 6 für einen Scan. Die übrige Anordnung der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung ist die gleiche wie die entsprechende der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der siebten Ausführungsform wird beschrieben werden. In dieser Ausführungsform erzeugt der Sondenscan-Signalgenerator 16, in Antwort auf ein Signal von dem Controller-Abschnitt 3, ein Sondenscan-Signal zum Senden zu dem Sondenscan-Mechanismus 17. Der Sondenscan-Mechanismus 17 bewegt die Sonde für den Scan räumlich. Um genauer zu sein, nachdem eine in einem Punkt in einem Raum ausgeführte Messung in der Prozedur der ersten Ausführungsform durch Verwenden der Sonde vollendet ist, wird die Sonde zu einem weiteren Punkt bewegt, und eine weitere Entfernungsmessung wird in einer ähnlichen Prozedur ausgeführt. Dieser Prozeß wird über ein gewünschtes räumliches Gebiet wiederholt. Auf diese Weise wird das Objekt mit der so bewegten Sonde 6 gescannt.
Die so angeordnete Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung ist in der Lage, die Form eines Objekts 8 zu messen. Die Richtung der Scanbewegung durch die Sonde 6 ist nicht auf die Richtung der Bewegung der Sonde 6 entlang der Oberfläche des Objekts 8 beschränkt. Die Bewegung der Sonde kann jedwede Richtung annehmen, die von der Form des Objekts 8 abhängt.
Die Scanbewegung der Sonde 6 bedeutet eine mechanische oder geometrische Bewegung der Sonde relativ zu dem Objekt 8. Natürlich kann die mechanische oder geometrische Bewegung der Sonde durch einen elektrischen oder Signalverarbeitungs-Scan ersetzt werden, der eine mehrfache Anzahl von Sonden 6 verwendet. In diesem Fall ist der Scan auf dem Array und dem Scan basiert, die ähnlich zu jenen des Phasen-Array-Radars und der Phasen-Array-Antenne sind.
In dem Beispiel der Ausführungsform wird die Sonde 6 zum Scannen bewegt. Wenn es erforderlich ist, wird die Sonde 6 fixiert, während das Objekt 8 beweglich ist. In diesem Fall sind ein Objektscan-Signalgenerator und ein Objektscan- Mechanismus, die jeweils dem Sondenscan-Signalgenerator 16 und dem Sondenscan-Mechanismus 17 entsprechen, auf dem Objekt 8 angeordnet.
In der siebten Ausführungsform kann eine Sonde des Typs, bei welchem Ultraschall-Strahlen konzentriert werden, für die Sonde 6 verwendet werden. Wenn eine derartige Sonde verwendet wird, wird die Richtungsauflösung verbessert.

Achte Ausführungsform

Die achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 15 und 16 beschrieben werden. Die Fig. 15 stellt die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Blockform dar. Fig. 16 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer Sonde 6 zeigt.
Wie in Fig. 15 gezeigt, ist die Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung mit zwei getrennten Sonden 6A und 6B versehen. Zwei getrennte Empfänger 10A und 10B werden in der Einrichtung verwendet. Ein Senderabschnitt 9A weist zwei Ausgangsanschlüsse, d. h. erste und zweite Ausgangsanschlüsse auf. Der erste und der zweite Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9A sind mit den Sonden 6A bzw. 6B verbunden. Die Sonden 6A und 6B sind mit den Eingangsanschlüssen der Empfängerabschnitte 10A bzw. 10B verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Empfängerabschnitte 10A und 10B sind mit einem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden. Ein Controller-Abschnitt 3 ist mit den beiden Empfängerabschnitten 10A und 10B verbunden.
Die Betriebsweise der achten Ausführungsform wird beschrieben werden. In dieser Ausführungsform erzeugt der Senderabschnitt 9A ein erstes Sendesignal bei der Sende-Repetitionsperiode Tτ und sendet es zu der Sonde 6A durch deren ersten Ausgangsanschluß. Der Senderabschnitt 9A stellt auch ein zweites Sendesignal bei der Sende-Repetitionsperiode Tτ her und sendet es zu der Sonde 6B durch deren zweiten Ausgangsanschluß. Das erste und das zweite Sendesignal werden zu dem gleichen Zeitpunkt erzeugt.
In Antwort auf das erste und das zweite Sendesignal emittieren die Sonden 6A und 6B Pulse, die diesen Sendesignalen zu der gleichen Zeit entsprechen. Die zu einem Objekt emittierten Ultraschallpulse werden durch das Objekt reflektiert, und die reflektierten Ultraschallpulse werden als erste und zweite Echos von den Sonden 6A und 6B empfangen. Das erste und das zweite, durch die Sonden empfangene Echo wird zu den Empfängerabschnitten 10A bzw. 10B transferiert. In den Empfängerabschnitten 10A und 10B werden diese Echosignale verstärkt und zu dem Signalprozessor- Abschnitt 11 transferiert. Wo der Unterschied zwischen den Ausbreitungspfaden der beiden Ultraschallpulse, die dem ersten und dem zweiten Sendesignal entsprechen, vernachlässigbar ist, wird das erste und das zweite Echosignal in dem Signalprozessor-Abschnitt wie in der ersten Ausführungsform verarbeitet, so daß eine Entfernung von einer Sonde 6A oder 6B zu dem Objekt 8 in der gleichen Prozedur wie der der ersten Ausführungsform berechnet wird.
Die achte Ausführungsform mißt eine gewünschte Entfernung während einer Sende-Repetitionsperiode Tτ. Deswegen ist die Entfernungsmeßzeit die Hälfte jener der ersten Ausführungsform. In dem Beispiel der achten Ausführungsform ist die Empfangsperiode (Zeitintervall) des ersten Echos gleich jener des zweiten Echos. Die Empfangsperioden des ersten und des zweiten Echos können voneinander verschieden sein, wenn ein Verhältnis dieser Perioden einen vorbestimmten Wert aufweist oder eine vorbestimmte Beziehung zwischen ihnen vorhanden ist. In diesem Fall wird die auf den Empfang folgende Signalverarbeitung des ersten und des zweiten Echos in dem Signalprozessor-Abschnitt 1 geeignet ausgeführt, während das vorbestimmte Verhältnis oder die Beziehung in Betracht gezogen wird.
Um genauer zu sein, folgen auf die Empfängerabschnitte 10A und 10B jeweils Frequenz-Teiler. Ein Frequenz- Teilungsverhältnis des Frequenz-Teilers in Zuordnung zu dem Empfängerabschnitt 10A und des Frequenz-Teilers in Zuordnung zu dem Empfängerabschnitt 10B wird auf der Basis einer Entfernung LA von dem Empfängerabschnitt 10A und einer Entfernung LB von dem Empfängerabschnitt 10B bestimmt. Die Ausgangssignale der Frequenz-Teiler werden in den Signalprozessor-Abschnitt 11 eingegeben. Der Signalprozessor- Abschnitt 11 verarbeitet die Ausgangssignale auf der Basis des Frequenz-Teilungsverhältnisses.
Die Steuerung kann auf der Stufe des Empfangs oder nachfolgend auf den Empfang wie gerade erwähnt ausgeführt werden, während die Steuerung auf der Stufe des Sendens in der Beschreibung der achten Ausführungsform ausgeführt wird.
In der Einrichtung der Fig. 15 werden zwei Sonden 6A und 6B getrennt verwendet. Eine einzelne Sonde 6, die wie in Fig. 15 dargestellt aufgebaut ist, kann anstelle der beiden getrennten Sonden verwendet werden. Wie gezeigt, ist eine Sonde 6 mit zwei vibrierenden Elementen aufgebaut, die koaxial angeordnet sind und unabhängig arbeiten. Eines der vibrierenden Elemente ist mit dem ersten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9A und dem Empfängerabschnitt 10A verbunden, während das andere mit dem zweiten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9A und dem Empfängerabschnitt 10B verbunden ist. Mit diesem Aufbau breiten sich die Hauptstrahlen der Ultraschallwellen, die von den beiden vibrierenden Elementen emittiert werden, in der Richtung entlang der Mittelachse der Sonde 6 aus. Dementsprechend sind die Hauptstrahlen auf einen Punkt auf dem Objekt 8 gerichtet. Auf der anderen Seite müssen die beiden Sonden 6A und 6B, in der Einrichtung der Fig. 15, zu einem Punkt auf dem Objekt 8 geneigt sein. Die Verwendung der so aufgebauten Sonde vermindert eine derartige Beschränkung der relativen Positionsbeziehung des Objekts 8 und der Sonde 6, daß der Unterschied zwischen den Ausbreitungspfaden der beiden Ultraschallpulse, die dem ersten und dem zweiten Sendesignal entsprechen, vernachlässigbar sein muß.
Wenn die in Fig. 16 gezeigte Sonde 6 verwendet wird, kann der Sondenscan-Mechanismus zum Bewegen der Sonde 6 zum Scannen, auf welchen in der siebten Ausführungsform Bezug genommen wird, vereinfacht werden. Wo die Sende- und Empfangs- Ultraschallstrahlen von dem konvergierenden Typ gebildet werden, indem zwei vibrierende, in der Form gebogene Elemente verwendet werden, wird ein Vorteil einer verbesserten Richtungsauflösung zusätzlich geschaffen.
In dem Beispiel der achten Ausführungsform wird ein einzelner Senderabschnitt 9A verwendet, und er weist zwei Ausgangsanschlüsse auf. In einer Alternative werden zwei Senderabschnitte 9A in Zuordnung zu den Sonden 6A bzw. 6B verwendet. Die Senderabschnitte 9A stellen erste und zweite Sendesignale bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ unabhängig, aber synchron zum Senden zu den Sonden 6A bzw. 6B her.

Neunte Ausführungsform

Die sechste Ausführungsform einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 17 beschrieben werden. Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 18 einen Demultiplexer-Abschnitt, der zwischen den Empfängerabschnitt 10 und den Signalprozessor-Abschnitt 11 eingefügt ist. Der Eingangsanschluß des Demultiplexer- Abschnitts 18 ist mit dem Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10 verbunden. Der Demultiplexer-Abschnitt 18 weist zwei Ausgangsanschlüsse auf, d. h. erste und zweite Ausgangsanschlüsse. Die ersten und die zweiten Ausgangsanschlüsse des Demultiplexer-Abschnitts 18 sind mit dem Signalprozessor- Abschnitt 11 verbunden. Die übrige Anordnung der neunten Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der neunten Ausführungsform wird beschrieben werden.
In der neunten Ausführungsform stellt der Senderabschnitt 9 repetitiv ein Sendesignal her, das die Summe eines ersten Sendesignals S&sub1;(t) der Kreisfrequenz ω&sub1; und ein zweites Sendesignal S&sub2; der Kreisfrequenz ω&sub2; ist, viz., S&sub1;(t) + S&sub2;(t), bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ. Das Sendesignal S&sub1;(t) + S&sub2;(t) wird zu der Sonde 6 gesendet.
Dementsprechend ist ein von der Sonde empfangenes Echo auch die Summe eines ersten Echos γ&sub1;(t) und eines zweiten Echos γ&sub2;(t).
Das empfangene Signal wird verstärkt und dann in ein erstes Echo y&sub1;(t) und ein zweites Echo γ&sub2;(t) durch den Demultiplexer- Abschnitt 18 demultiplext, indem von der Differenz der Trägerfrequenzen des ersten und des zweiten Echos Gebrauch gemacht wird. Die resultierenden Echos γ&sub1;(t) und γ&sub2;(t) werden unabhängig zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 verarbeitet diese Echosignale in der Signal-Verarbeitungsprozedur, welche in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, und bestimmt eine Entfernung von der Sonde zu dem Objekt auf der Basis der Signalverarbeitungs-Ergebnisse.
Die neunte Ausführungsform mißt eine gewünschte Entfernung während einer Sende-Repetitionsperiode Tτ. Deswegen beträgt die Entfernungsmeßzeit die Hälfte jener der ersten Ausführungsform.
In einer Modifikation der neunten Ausführungsform demultiplext der Demultiplexer-Abschnitt 18 das von der Sonde 6 empfangene Echo in ein erstes und ein zweites Echo, dann werden diese Echos auf zwei Empfängerabschnitte 10A und 10B angewandt und auf den Signalprozessor-Abschnitt 11 angewandt.
Wo zwei Eingangssignale, die zusammenaddiert werden, durch einen Verstärker verarbeitet werden, neigt eine Kreuzmodulation dazu, aufzutreten. Mit anderen Worten führt die Nichtlinearität des Verstärkers und der damit in Zusammenhang stehenden Schaltung, die in dem Empfängerabschnitt 10 enthalten sind, zu der Summe und der Differenz von den beiden verschiedenen Trägerfrequenzen der ersten und der zweiten Echosignale, und zu Harmonischen. In der Modifikation werden die Echosignale durch zwei separate Empfängerabschnitte 10A und 10B verarbeitet. Deswegen ist die Alternative frei von derartigen unerwünschten Frequenzkomponenten.
In einer weiteren Modifikation der neunten Ausführungsform werden zwei Senderabschnitte 9 verwendet. Die Senderabschnitte 9 stellen unabhängig erste und zweite Sendesignale her. Ein Multiplexer zum Multiplexen des ersten und des zweiten Sendesignals wird verwendet. Das erste und das zweite Sendesignal werden zu dem Multiplexer gesendet, und das gemultiplexte Sendesignal wird zu der Sonde 6 gesendet.
In der zweiten Modifikation, die die beiden Senderabschnitte 9 und den Multiplexer verwendet, sind die Verstärker in der letzten Stufe in den Senderabschnitten 9 getrennt vorgesehen. Deswegen ist die zweite Modifikation frei von Kreuzmodulation, welche dazu neigt, aufzutreten, wenn die beiden Eingangssignale zusammenaddiert werden, durch einen einzelnen Verstärker verstärkt werden, wie durch den Verstärker auf der Empfangsseite.

Zehnte Ausführungsform

Die zehnte Ausführungsform einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsecho, nicht das erste und das zweite Echo, in dem Schritt SD zum Bestimmen des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts verwendet wird. Die zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 18 und 19 beschrieben werden. Die Fig. 18 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Fig. 19(a) und 19(b) sind ein Wellenformdiagramm, das ein repetitives Senden eines Sendesignals zeigt, und ein Wellenformdiagramm, das den Empfang eines Echos zeigt.
In Fig. 18 bezeichnet das Bezugszeichen 9C einen Senderabschnitt zum Erzeugen eines gepulsten Sendesignals, wie in dem Stand der Technik.
Bezugszeichen 10c bezeichnet einen Empfängerabschnitt.
Der Senderabschnitt 9C ist mit der Sonde 6 verbunden, und der Eingangsanschluß des Empfängerabschnitts 10C ist auch mit der Sonde 6 verbunden.
Der Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10C ist mit dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden.
Der Senderabschnitt 9C und der Empfängerabschnitt 10C sind beide mit dem Controller-Abschnitt 3 verbunden.
Die übrige Anordnung der zehnten Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der zehnten Ausführungsform wird beschrieben werden.
Ein gepulstes Sendesignal wird durch den Senderabschnitt 9C erzeugt und zu der Sonde 6 gesendet.
Ein Echo wird durch den Verstärkerabschnitt 10C verstärkt und zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet.
Die Pulsbreite des Echos ist kurz wie von dem herkömmlichen.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 erhält die Amplitude oder die Einhüllende des kurzen Echos wie in dem vorherigen Fall, und bestimmt den # k-ten Abschnitt in der ersten Ausführungsform durch Verwenden der Informationen der Einhüllenden wie in der Prozedur der ersten Ausführungsform. Die obige Operation wird nach Zeitabläufen ausgeführt, die verschieden sind von den Zeitabläufen der Operationen des Senderabschnitts 9 und des Empfängerabschnitts 10.
Der Senderabschnitt 9 und der Empfängerabschnitt 10 werden wie in der ersten Ausführungsform betrieben, und der Signalprozessor-Abschnitt 11 führt die gleiche Signal- Verarbeitungsprozedur wie in der ersten Ausführungsform aus. Die Informationen über die Amplitude oder die Einhüllende des Echos, die zum Bestimmen des # k-ten Abschnitts verwendet werden, werden von dem Echo, das durch den Betrieb des Senderabschnitts 9C und des Empfängerabschnitts 10C gebildet wird, erhalten.
Eine Prozedur für die Signalverarbeitung in der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 20 und 21 beschrieben werden. In dem Flußdiagramm der Fig. 20 wird ein Schritt SD3 für den Bestimmungsschritt SD für den den Kandidaten enthaltenden Abschnitt in dem Flußdiagramm der Fig. 6 verwendet. Ein Impulssignal-Sende-SD1 und ein Impulsempfangsschritt SD2 sind stromaufwärts von dem Schritt SD3 vorgesehen. Das Bestimmungsergebnis von dem Bestimmungsschritt SD3 für den den Kandidaten enthaltenden Abschnitt wird durch einen Schritt S7 verwendet.
In dem in Fig. 21 gezeigten Flußdiagramm wird ein Schritt SD3 als Bestimmungsschritt SD für den den Kandidaten enthaltenden Abschnitt in dem Flußdiagramm der Fig. 8 verwendet. Das Flußdiagramm der Fig. 21 ist im wesentlichen das gleiche wie jenes der Fig. 7 oder 8, außer, daß die Schritte SD1, SD2, und SD3 verwendet werden.
Die in Fig. 21 gezeigte Signal-Verarbeitungsprozedur weist die nützlichen Wirkungen durch die Prozeduren der Fig. 7 und 8 auf, zusätzlich zu der nützlichen Wirkung, die man der Verwendung des Echos verdankt, das exklusiv für die Bestimmung des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts verwendet wird.
Die Betriebsweisen und die von den Betriebsweisen herrührenden nützlichen Wirkungen der zehnten Ausführungsform werden beschrieben werden.
In der zehnten Ausführungsform werden die Informationen über die Amplitude oder die Einhüllende des Echosignals kurzer Pulsbreite, die erhalten wird durch Betreiben des Senderabschnitts 9C und des Empfängerabschnitts 10C, für das Signal verwendet, um den # k-ten Abschnitt zu bestimmen.
Die Pulsbreite des Echosignals ist viel kürzer als die in Fig. 4 gezeigte Periode qπv/Δω.
Sogar unter der Bedingung großen Rauschens, viz., wenn viel Rauschen in einem Echo enthalten ist, wird eine Wahrscheinlichkeit, daß der Signalprozessor-Abschnitt 11 fälschlicherweise den # k-ten Abschnitt bestimmt, beträchtlich verringert.
In der Anordnung der Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung, welche oben beschrieben ist, sind zwei Senderabschnitte 9 und 9C und zwei Empfängerabschnitte 10 und 10C vorgesehen. In Verbindung damit können der Senderabschnitt 9 und der Empfängerabschnitt 10 so ausgelegt werden, daß diese Abschnitte auch als der Senderabschnitt 9C bzw. der Empfängerabschnitt 10C dienen.
In diesem Fall werden der Senderabschnitt 9C und der Empfängerabschnitt 10C nicht verwendet.
Der Senderabschnitt 9 sendet repetitiv das Impulssignal und die ersten und die zweiten Sendesignale, wie in Fig. 19(a) gezeigt.
Dementsprechend werden ein Echosignal, das dem Impulssendesignal entspricht, ein erstes Echo, das dem ersten Sendesignal entspricht, und ein zweites Echo, das dem zweiten Sendesignal entspricht, repetitiv empfangen, wie in Fig. 19(b) gezeigt.
Von diesen Echos wird das Echo, das dem Impulssendesignal entspricht, aufgenommen und Informationen über die Amplitude oder die Einhüllende des aufgenommenen Echos werden zum Bestimmen des # k-ten Abschnitts wie in dem vorherigen Fall verwendet.
In der vorliegenden Erfindung wird das Impulsecho für das Signal zum Bestimmen des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts verwendet. Das Signal kann jedwede Wellenform annehmen, wenn es wie unten beschrieben ist.
Es kann jedwedes Echo sein, von welchem die Zeitdauer der Signalwellenform kürzer ist als die Zeitdauer der Signalwellenform jedes des ersten und des zweiten Echos, die durch die Kreisfrequenz ω&sub1;, die Kreisfrequenz ω&sub2; und die Signalausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt werden.
Um genauer zu sein, ist die Zeitdauer der Wellenform des Echos, um den den Kandidaten enthaltenden Abschnitt zu bestimmen (Das Echo ist das erste Impulsecho, gezählt von dem Ursprung auf der Zeitachse), viel kürzer ist als die Zeitdauer der Wellenform des ersten Echos oder des zweiten Echos in dem Fall der Fig. 19(b).
Die Sendeperiode des ersten Sendesignals kann verschieden von jener des zweiten Sendesignals sein, obgleich diese Perioden in der vorliegenden Ausführungsform einander gleich sind.
In einigen Fällen können das Impulsecho oder das Echo zum Bestimmen des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts mit dem ersten Echo oder dem zweiten Echo zeitlich überlappen, obgleich diese Echos in Fig. 19(b) zeitlich getrennt sind.

11. Ausführungsform

Die 11. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 22 beschrieben werden.
Fig. 22 ist ein Anordnungsdiagramm zum Erklären der 11. Ausführungsform der vorliegenden Ausführungsform.
Wie gezeigt, sind zwei Sonden 6A und 6B getrennt vorgesehen. Die Sonde 6A ist mit dem Senderabschnitt 9 und die Sonde 6B ist mit dem Empfängerabschnitt 10 verbunden.
Der Senderabschnitt 9 ist nicht mit dem Empfängerabschnitt 10 verbunden, obgleich diese Abschnitte in der ersten Ausführungsform verbunden sind.
Die übrige Anordnung der zehnten Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der 11. Ausführungsform wird beschrieben werden. In der 11. Ausführungsform wird ein Sendesignal durch den Senderabschnitt 9 erzeugt und zu der Sonde 6A gesendet. In Antwort auf dieses Signal erzeugt die Sonde 6A einen Ultraschallpuls zum Senden zu dem Objekt 8.
Ein Echo von dem Objekt wird durch die Sonde 6B empfangen und zu dem Empfängerabschnitt 10 transferiert.
Weitere Betriebsweisen der 11. Ausführungsform sind im wesentlichen die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweisen der 11. Ausführungsform und die durch die Betriebsweisen verursachten nützlichen Wirkungen werden beschrieben werden.
In der ersten Ausführungsform dient eine Sonde 6 als sowohl die Sendesonde wie auch die Empfangssonde. Der Senderabschnitt 9 und der Empfängerabschnitt 10 sind miteinander verbunden. Ein Teil des Sendesignals streut in den Empfängerabschnitt 10.
Aus diesem Grund ist es, während einer Zeitperiode, wo das Sendesignal andauert, möglich, die Sonde für einen Echoempfang zu verwenden. Mit anderen Worten, diese Zeitperiode ist ungenutzt.
Dies impliziert, daß ein ungenutzter Bereich, der der ungenutzten Zeit entspricht, in dem die Ultraschallwelle ausbreitenden Medium vorhanden ist. Ein in dem ungenutzten Bereich gelegenes Objekt 8 kann nicht gemessen werden.
In der 11. Ausführungsform werden ein Sendesystem und ein Empfangssystem getrennt vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die Sonde 6A mit dem Senderabschnitt 9 verbunden, und die Sonde 6B ist mit dem Empfängerabschnitt 10 verbunden. Deswegen wird das Einstreuen des Sendesignals in dem Empfängerabschnitt 10 eliminiert und deshalb der unbenutzte Bereich.
In der Einrichtung der Fig. 22 werden zwei Sonden 6A und 6B getrennt verwendet. Eine einzelne Sonde, die wie in Fig. 16 dargestellt aufgebaut ist, kann anstelle der beiden getrennten Sonden verwendet werden. Wie gezeigt, ist eine Sonde 6 mit zwei vibrierenden Elementen aufgebaut, die koaxial angeordnet sind und unabhängig arbeiten. Eines der vibrierenden Elemente ist mit dem Senderabschnitt 9 verbunden, während das andere mit dem Empfängerabschnitt 10 verbunden ist. Mit anderen Worten sind ein Signalsendesystem und Signalempfangssystem getrennt. Mit diesem Aufbau breiten sich die Hauptstrahlen der Sende- und Empfangsultraschallwellen in der Richtung entlang der Mittelachse der Sonde 6 aus. Dementsprechend sind die Hauptstrahlen beide auf einen Punkt auf dem Objekt 8 gerichtet, ohne die Sonden 6A und 6B schräg auszurichten, wie in Fig. 22 gezeigt.
Wenn die in Fig. 16 gezeigte Sonde 6 verwendet wird, kann der Sondenscan-Mechanismus zum Bewegen der Sonde 6 zum Scannen, auf den in der siebten Ausführungsform Bezug genommen wird, vereinfacht werden.
Wo die Sende- und Empfangsultraschallstrahlen vom konvergierenden Typ durch Verwenden der beiden vibrierenden Elemente, die in ihrer Form gebogen sind, gebildet werden, wird ein Vorteil der verbesserten Richtungsauflösung zusätzlich geschaffen.
Wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, sind, da die Dauern des ersten und des zweiten Sendesignals länger sind, die Spektren dieser Signale schmäler. Dementsprechend wird, wenn der Filterabschnitt 12 des Bandpaßtyps verwendet wird und sein Frequenzband verschmälert wird, das S/N-Verhältnis des Echosignals verbessert. Das Gleiche gilt für die 11. Ausführungsform.
In der 11. Ausführungsform wird, da die Zeitdauer des Sendesignals länger ist, die ungenutzte Zeit lang.
Auf der anderen Seite wird, in der 11. Ausführungsform, wenn die Zeitdauer des Sendesignals verlängert wird, das S/N-Verhältnis verbessert und kein Problem mit ungenutzter Zeit entsteht. Folglich wird eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit sichergestellt.

12. Ausführungsform

Die 12. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 23, 24 und 25 beschrieben werden. Die Anordnung der 12. Ausführungsform ist die gleiche wie die der ersten Ausführungsform.
In Fig. 23, die Wellenformen zum Erklären der 12. Ausführungsform zeigt, zeigt Fig. 23(a) die Wellenformen des wiederholt gesendeten Sendesignals, und Fig. 23(b) zeigt die Wellenformen des empfangenen Echos.
Fig. 24(a) zeigt Wellenformen einer mehrfachen Anzahl von ersten Echos, und Fig. 24(b) zeigt Wellenformen des Ergebnisses der synchronen Addition der ersten Echos zusammen oder deren gemitteltes Ergebnis. Fig. 25(a) zeigt Wellenformen einer Anzahl von zweiten Echos, und Fig. 25(b) zeigt Wellen formen des Ergebnisses des synchronen Addierens der ersten Echos zusammen oder deren gemitteltes Ergebnis.
Die Betriebsweise der 12. Ausführungsform wird beschrieben werden. Wie in der ersten Ausführungsform werden das erste und das zweite Sendesignal alternierend gesendet, wie in Fig. 25(a) gezeigt.
Wie in der ersten Ausführungsform werden das erste und das zweite Echo alternierend empfangen, wie in Fig. 24(b) gezeigt.
In Fig. 25(b) ist auch ein Einstreuen eines Teils des ersten und des zweiten Sendesignals in den Empfängerschnitt 10 dargestellt.
Das erste und das zweite Echo werden in einem Speicher in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 jeder Sende-Repetitionsperiode Tτ gespeichert, und diese werden synchron addiert, oder das Ergebnis der Addition wird gemittelt.
Das Empfangssignal während der k-ten Sende-Repetitionsperiode entspricht dem ersten Echo. k und p sind natürliche Zahlen. Wie in Fig. 24(a) gezeigt, werden die ersten Echos während der k-ten, (k + 2)-ten, (k + 4)-ten, ..., (k + 2p)-ten Sende- Repetitionsperioden in Synchronisation mit einer Erzeugung des ersten Sendesignals während jeder Sende- Repetitionsperiode zusammenaddiert, oder das Ergebnis der Addition wird gemittelt.
Das Additionsergebnis oder das Additions-/Mittelungs-Ergebnis ist in Fig. 24(b) gezeigt.
Das Empfangssignal während der (k + 1)-ten Sende-Repetitionsperiode entspricht dem zweiten Echo. Wie in Fig. 25(a) gezeigt, werden die zweiten Echos während der (k + 1)-ten, (k + 3)- ten, (k + 5)-ten, ..., (k + 1 - + 2p)-ten Sende-Repetitionsperioden in Synchronisation mit dem zweiten Sendesignal während jeder Sende-Repetitionsperiode zusammenaddiert, oder das Ergebnis der Addition wird gemittelt.
Das Additionsergebnis oder das Additions-/Mittelungs-Ergebnis ist in Fig. 25 (b) gezeigt.
Als das Ergebnis der synchronen Addition oder synchronen Addition-Mittelung wechselwirken das erste und das zweite Echo miteinander derart, daß eines das andere intensiviert und umgekehrt. Zusätzlich zu dem ersten Echo γ&sub1;(t) eingebrachtes Rauschen und Rauschen zu dem zweiten Echo γ&sub1;(t) wechselwirken so, daß es sich weghebt.
Um diesen Zustand zu zeigen, sind Wellenformen in den Fig. 24(a) und 25(a) in einem Zustand dargestellt, daß Rauschen auf dem ersten und dem zweiten Echo überlagert ist.
Einen Zustand, bei welchem sich dieses Rauschen weghebt, um verringert zu werden, ist in den Fig. 24(b) und 25(b) gezeigt.
Folglich wird das S/N-Verhältnis verbessert, und die Meßgenauigkeit der Phasen und der Einhüllenden oder Amplitude des ersten und des zweiten Echos in dem Signalprozessor- Abschnitt 11 wird verbessert.
Und die Meßgenauigkeit der Entfernung wird verbessert.
Das Rauschen schließt typischerweise ein in den elektrischen Schaltungen erzeugtes thermisches Rauschen und Umgebungsrauschen ein. Wenn die Messung in einer Fabrik ausgeführt wird, wo große, leistungsverbrauchende Einrichtungen oder Ausrüstung, wie eine Schweißmaschine, verwendet werden, arbeitet die 12. Ausführungsform wirksam.
In dem Beispiel der Fig. 23 werden das erste und das zweite Sendesignal alternierend zum Senden wiederholt. In einem weiteren Prozeß (nicht gezeigt) wird das Senden des ersten Sendesignals p-mal bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ, und dann wird das Senden des zweiten Sendesignals p-mal bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ wiederholt. Die ersten Echos werden synchron addiert, und die zweiten Echos werden synchron addiert.
In noch einem weiteren Prozeß werden das Senden des ersten und des zweiten Sendesignals gleich oft wiederholt, d. h. p- mal, und diese werden p-mal synchron addiert. Die Anzahl der Wiederholungen des Sendens des ersten Sendesignals können verschieden von jener der Wiederholungen des Sendens des zweiten Sendesignals sein. Die Anzahl der synchronen Additionen des ersten Echos können verschieden von jener der synchronen Additionen des zweiten Echos sein, um so vorgegebene S/N-Verhältnisse für das erste und das zweite Echo sicherzustellen.

13. Ausführungsform

Die 13. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben werden. Die Anordnung der 13. Ausführungsform ist im wesentlich die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der 13. Ausführungsform wird beschrieben werden. Auch in der 13. Ausführungsform wird die synchrone Addition p-mal für das erste und das zweite Echo ausgeführt, um damit die Informationen über die Phasen und Amplituden oder die Einhüllende zu erhalten, wie in der 12. Ausführungsform.
Die Signal-Verarbeitungsoperation, um die auf den synchronen Additionen basierten Informationen über die Phasen und Amplituden oder die Einhüllende zu erhalten, wird q-mal wiederholt (q : natürliche Zahl).
Als das Ergebnis der Signal-Verarbeitungsoperationen werden eine Anzahl von q von Daten über die Phasen des ersten und des zweiten Echos erhalten.
Das Gleiche gilt für die Amplituden und die Einhüllenden. Die Anzahl von q von Daten über die Amplitude und die Einhüllende werden weiter der Addition oder dem Additions-/Mittelungs-Prozeß unterzogen. Die Anzahl von q von Daten über die Phase wird dem Additions-/Mittelungs-Prozeß unterzogen.
Der Hauptunterschied der 13. Ausführungsform von der 12. Ausführungsform folgt. In der 12. Ausführungsform wird der synchrone Additionsprozeß p-mal mit dem ersten und dem zweiten Echo ausgeführt, und die Phasen werden auf der Basis des Additionsergebnisses erhalten. In der 13. Ausführungsform wird dieser Additionsprozeß q-mal wiederholt, um damit eine Anzahl von q von Phasendaten zu erhalten. Weiter wird die Zahl von q von Phasendaten addiert und gemittelt.
In der 13. Ausführungsform wird, auf der Basis der Informationen über die Phase und die Amplitude und die Einhüllende, welche aus dem Signal-Verarbeitungsergebnis erhalten werden, eine Entfernung L in der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Prozedur berechnet.
Die Betriebsweisen und die von den Betriebsweisen resultierenden nützlichen Wirkungen in der 13. Ausführungsform werden beschrieben werden.
In der 13. Ausführungsform wird die Signal-Verarbeitungsoperation, um die Phasen des ersten und des zweiten Echos zu erhalten, die auf der Basis der Ergebnisse der Anzahl von p von synchronen Additionen ausgeführt werden, q-mal wiederholt, und die Anzahl von q von Phasendaten wird addiert und gemittelt.
Dementsprechend kann eine nachteilige Wirkung durch das zusätzliche auf der Phase des Echos überlagerte Rauschen, viz-, für das erste Echo, Rauschen addiert auf (ω&sub1;t + φ&sub1; 2Lω&sub1;/V) auf der rechten Seite der Gleichung (2), verringert werden. Daher weist die 13. Ausführungsform Vorteile auf, um die nachteilige Wirkung durch das überlagerte Rauschen zu verringern, zusätzlich zu dem Vorteil der 12. Ausführungsform.
Eine Fluktuation der Phase, welche von einer Variation der Umgebungsbedingungen des Ultraschallwellen-ausbreitenden Mediums kommt, wird für diesen Typ des Rauschens typischerweise aufgezählt.
Im allgemeinen fluktuieren Luftbewegung, Temperatur, Feuchtigkeit und Ähnliches in der Luft, dem Wasser oder dem Gas oder der Flüssigkeit während einer Messung. Die 13. Ausführungsform verringert die nachteilige Wirkung durch die Phasenfluktuation, die durch die Fluktuation der Umgebungsbedingungen dieses Typs verursacht wird, wirksam. Wenn eine gewünschte Genauigkeit der Messung nur durch Entfernen der nachteiligen Wirkung durch Phasenfluktuation gesichert wird, kann die Anzahl p der synchronen Additionen verringert werden. In einem extremen Fall reicht eine synchrone Addition aus.

14. Ausführungsform

Die 14. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 26 beschrieben werden.
Fig. 26 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 14. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In Fig. 26 bezeichnet ein Bezugszeichen 19 einen Detektor-Abschnitt für die Umgebungsbedingung.
Der Detektor-Abschnitt 19 für die Umgebungsbedingung wird mit dem Controller-Abschnitt 3 und dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden.
Die übrige Anordnung der 14. Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform.
Bei einer tatsächlichen Messung an einem Standort gibt es verschiedene Typen von Fluktuationen, wie periodisches Rauschen, das durch Rotationsmaschinen einschließlich Motoren und durch elektronische Einrichtungen einschließlich Computern erzeugt wird und periodische Fluktuationen der Luftbewegung und Temperatur, die durch Klimaanlagen verursacht ist.
Die 14. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Aufgabe zum Eliminieren der nachteiligen Wirkung des periodi schen Rauschens und der Fluktuationen auf die Meßergebnisse auf.
Die Betriebsweise der 14. Ausführungsform wird beschrieben werden. In der 14. Ausführungsform erfaßt der Detektor- Abschnitt für die Umgebungsbedingung 19 eine Variation der Umgebungsbedingungen.
Durch Verwenden der durch den Detektor-Abschnitt für die Umgebungsbedingungen 19 eingesammelten Informationen steuert der Controller-Abschnitt 3 die Sende-Repetitionsperioden Tτ des ersten und des zweiten Sendesignals so, daß sie nicht gleich den Perioden der Variationen der Umgebungsbedingung sind.
Hinsichtlich der Repetition des ersten und des zweiten Sendesignals kann, wie in der ersten Ausführungsform, das Senden dieser Signale alternierend wiederholt werden, oder, wie in der 12. Ausführungsform, kann das erste Sendesignal mehrfache Male aufeinanderfolgend wiederholt werden, und dann kann das zweite Sendesignal mehrfache Male aufeinanderfolgend wiederholt werden.
Die Betriebsweisen der 14. Ausführungsform und die durch die Betriebsweisen verursachten nützlichen Wirkungen werden beschrieben werden.
In der 14. Ausführungsform werden die Periodizitäten der Variationen der Umgebungsbedingungen erfaßt, und die erfaßten Perioden und die Sende-Repetitionsperiode Tτ werden gestaffelt.
Dementsprechend sind die Perioden, die das erste und das zweite Echo verursachen, nicht mit den Perioden der Variationen der Umgebungsbedingung synchronisiert.
Die Periodizitäten der Variationen der Umgebungsbedingung heben sich heraus durch Anwenden der Addition oder des Additions-/Mittelungs-Prozesses, der in der 12. Ausführungsform und der 13. Ausführungsform auf die Signale bezogen wird. Als ein Ergebnis wird die Genauigkeit der Messung verbessert.

15. Ausführungsform

Die 15. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 27 beschrieben werden.
Fig. 27 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 15. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 20 eine reflektierende Referenzoberfläche. Wie in Fig. 22 gezeigt, werden zwei Sonden 6A und 6B getrennt bereitgestellt.
Die Sonde 6A wird in Verbindung mit einem Objekt 8 verwendet, während die Sonde 6B in Verbindung mit der reflektierenden Referenzoberfläche 20 verwendet wird.
In Fig. 27 wird ein Senderabschnitt 9 mit zwei Ausgangsanschlüssen bereitgestellt.
Diese Anschlüsse sind ein erster Ausgangsanschluß und ein zweiter Ausgangsanschluß.
Die Ausgangssignale, die an dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 in der 15. Ausführungsform erscheinen, sind verschieden von jenen die an dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 in der 8 in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform erscheinen.
Jene Sendesignale der ersten und der zweiten Ausgangsanschlüsse des Senderabschnitts 9 in der 15. Ausführungsform werden später beschrieben werden.
In Fig. 27 sind zwei Empfängerabschnitte 10A und 10B vorgesehen. Die Sonde 6A ist mit dem ersten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 und dem Eingangsanschluß des Empfängerabschnitts 10A verbunden.
Die Sonde 6B ist mit dem zweiten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 und dem Eingangsanschluß des Empfängerabschnitts 10B verbunden.
Die Ausgangsanschlüsse der Empfängerabschnitte 10A und 10B sind mit dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden.
Die Empfängerabschnitte 10A und 10B sind mit dem Controller- Abschnitt 3 verbunden.
Die übrige Anordnung der 15. Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der 15. Ausführungsform wird beschrieben werden. Der Senderabschnitt 9 erzeugt alternierend erste und zweite Sendesignale bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ. Diese Sendesignale werden über zwei Wege, die ersten und die zweiten Ausgangsanschlüsse des Senderabschnitts 9 ausgegeben. Dementsprechend sind die Sendesignale, welche von den ersten und den zweiten Ausgangsanschlüssen des Senderabschnitts 9 zu den Sonden 6A und 6B ausgegeben werden, die gleichen, und die gleichen wie sie in der ersten Ausführungsform verwendet werden.
In dieser Hinsicht ist die 15. Ausführungsform verschieden von der 8. Ausführungsform.
Die Sonde 6A sendet und empfängt Ultraschallpulse entsprechend dem ersten und dem zweiten Signal zu und von dem Objekt 8.
Die Sonde 6B sendet und empfängt Ultraschallpulse entsprechend dem ersten und dem zweiten Signal zu und von der reflektierenden Referenzoberfläche 20.
Das erste und das zweite Echo von dem Objekt 8, welche von der Sonde 6A empfangen werden, werden zu dem Empfängerabschnitt 10A transferiert.
Das erste und das zweite Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20, welche durch die Sonde 6B empfangen werden, werden zu dem Empfängerabschnitt 10B transferiert. Die Ausgangssignale der Empfängerabschnitte 10A und 10B werden zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 gesendet.
Eine Entfernung zwischen der Sonde 6B und der reflektierenden Referenzoberfläche 20 wird zuvor gemessen.
In dem Signalprozessor-Abschnitt 11 werden die Amplituden oder Einhüllenden, und die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; des ersten und des zweiten Echos von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 in der Prozedur wie in der ersten Ausführungsform erhalten. Eine Entfernung von der Sonde zu der reflektierenden Referenzoberfläche 20, die Kreisfrequenzen ω&sub1; und ω&sub2; der Sendesignale sind bereits bekannt. Dann kann eine Schallgeschwindigkeit V in dem Ultraschallwellenausbreitenden Medium erhalten werden, indem die Gleichungen (7) und (8) verwendet werden.
Durch Verwenden der so erhaltenen Schallgeschwindigkeit V berechnet der Signalprozessor-Abschnitt 11 eine Entfernung L von der Sonde zu dem Objekt 8 in der gleichen Prozedur wie der der ersten Ausführungsform, von dem ersten und dem zweiten Echo.
Die Betriebsweisen der 15. Ausführungsform und die durch die Betriebsweisen verursachten nützlichen Wirkungen werden beschrieben werden.
In der 15. Ausführungsform kann, wenn eine Schallgeschwindigkeit in dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium unbekannt ist, sie von dem durch die Sonde 6B empfangenen Echo erhalten werden, mit einer Bereitstellung der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der damit zugeordneten Sonde 6B. Eine Entfernung zu dem Objekt 8 kann erhalten werden, indem die so erhaltene Schallgeschwindigkeit und das Echo von der Sonde 6A verwendet werden.
Die Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung der 15. Ausführungsform ist sehr nützlich in einer Situation, wo die Schallgeschwindigkeit in dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium jeden Moment mit dem Umgebungsbedingungen variiert. Die Faktoren, die eine derartige Variation der Schallgeschwindigkeit verursachen, schließen eine Zeitvariation der Temperatur, der Feuchtigkeit, des Drucks, der Salzkonzentration und Ähnliches ein.
Wie aus der obigen Beschreibung ersehen wird, kann, wenn in der ersten Ausführungsform das Objekt 8 durch die reflektierende Referenzoberfläche 20 ersetzt wird, wobei die Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6 bekannt ist, die Schallgeschwindigkeit in dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Für die Ultraschallmessung kann, wenn das Ultraschallwellenausbreitende Medium fest ist, die untere Oberfläche des Festkörpers als die reflektierende Referenzoberfläche 20 verwendet werden.
Die Tatsache, daß eine Korrelation zwischen der Schallgeschwindigkeit in dem festen Material und einem Grad der Schädigung des Materials vorhanden ist, ist bekannt.
Das gute Erfassen der Schallgeschwindigkeit beim Altern von Materialien von verwandten Teilen und Komponenten führt zu einem guten Erfassen des Grads der Schädigung des Materials. Dementsprechend wird eine geschätzte Genauigkeit der Produktlebensdauer verbessert.

16. Ausführungsform

Die 16. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 28 beschrieben werden.
Die Anordnung der 16. Ausführungsform ist, wie in Fig. 28 gezeigt, die gleiche wie jene der in Fig. 27 gezeigten 15. Ausführungsform. In Fig. 28 ist eine Fluktuationswolke in dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium zusätzlich dargestellt.
Die Betriebsweise der 16. Ausführungsform wird beschrieben werden. Die Betriebsweisen des Senderabschnitts 9, der Sonden 6A und 6B und der Empfängerabschnitte 6A und 6B sind die gleichen wie jene in der 15. Ausführungsform.
Eine Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B ist durch irgendein anderes Meßmittel als das Meßmittel, das eine Ultraschallwelle verwen det, gemessen worden, beispielsweise mit einem Maßstab, und ist deshalb bekannt.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 verarbeitet das erste und das zweite Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 in der gleichen Prozedur wie in der ersten Ausführungsform, um damit eine Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B zu erhalten. Die gemessene Entfernung sollte gleich der bekannten Entfernung sein, die mit einem weiteren Mittel gemessen wird. In einer derartigen Situation, wo die Umgebungsbedingungen mit der Zeit variieren, werden die beiden Entfernungen häufig ungleich, was zu einer Differenz AL (= gemessener Wert - wahrer Wert) führt.
Die 16. Ausführungsform weist eine Aufgabe zum genauen Messen der Entfernung von der Sonde 6A zu dem Objekt 8 auf, sogar in der obigen Situation.
Wenn eine Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B in der Signal-Verarbeitungsprozedur der ersten Ausführungsform berechnet wird, werden die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; auf dem ersten und dem zweiten Echo, welche während dieses Berechnungsprozesses hergestellt werden, jeweils durch θ1r und θ2r zur Erleichterung der Erklärung ausgedrückt.
Wenn die Entfernung zwischen einem Objekt 8 und der Sonde 6A in der Signal-Verarbeitungsprozedur der ersten Ausführungsform berechnet wird, werden die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; auf dem ersten und dem zweiten Echo, welche während dieses Berechnungsprozesses hergestellt werden, jeweils als θ&sub1;&sub0; und θ&sub2;&sub0; zur Erleichterung der Erklärung ausgedrückt.
Beim Berechnen der Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B sind die Phasen θ1r und θ2r auf dem ersten und dem zweiten Echo, die zum Berechnen der Entfernung verwendet werden, erhalten worden. Wenn die Entfernungsdifferenz ΔL herbeigeführt wird, sind Unterschiede zwischen der Phase θ1r und dem wahren Wert und zwischen der Phase θ2r und dem wahren Wert vorhanden.
Diese Unterschiede werden als Δθ1r und Δθ2r bezeichnet und werden durch
Δθ1r = (gemessener Wert) - (wahrer Wert) = 2ΔLω&sub1;/V
Δθ2r = (gemessener Wert) - (wahrer Wert) = 2ΔLω&sub2;/V
In den obigen Gleichungen zeigt eine Ziffer 2 an, daß ein Ultraschallpuls zu der reflektierenden Referenzoberfläche 20 geht und zurückkehrt.
Die Umgebungsvariationen sind Luftbewegung, Variationen der Temperatur und Feuchtigkeit, wenn das Ultraschallwellenausbreitende Medium Luft ist.
Wenn das Ultraschallwellen-ausbreitende Medium Wasser oder das Meer ist, sind sie Wasser- oder Meereswasser-Bewegung und eine Variation der Temperatur und des Salzes.
Die Umgebungsvariation kann als gleichförmig betrachtet werden, wenn sie lokal gesehen wird.
Dieser Typ der Umgebungsvariation beeinflußt hauptsächlich die Phase des Echos, und sie wird als eine Variation der Phase beobachtet. Dementsprechend ist der Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der damit zugeordneten Sonde 6B eng bei dem Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen dem Objekt 8 und der damit zugeordneten Sonde 6A gelegen. Wo diese Pfade innerhalb einer Fluktuationswolke (angezeigt durch die gepunktete Linie in Fig. 23) gelegen sind, wo die Variation als gleichförmig betrachtet wird, wenn sie lokal gesehen wird, durchlaufen die beiden Ultraschallpulse im wesentlichen gleichen Phasenvariationen und werden als die Echos empfangen.
In der 16. Ausführungsform wird die folgende Signalverarbeitung in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 ausgeführt.
Während der Sende-Repetitionsperiode Tτ, bei welcher das erste Sendesignal gesendet wird, wird die Phasendifferenz Δθ1r entsprechend des ΔL erhalten und gespeichert. Das erste Echo von dem Objekt 8 wird in der Prozedur der ersten Ausführungsform verarbeitet, um damit die Phase θ&sub1;&sub0; zu erhalten. Die Phasendifferenz Δθ1r wird von der Phase θ&sub1;&sub0; subtrahiert.
In dem Ergebnis der Subtraktion heben sich die Phasenvariationen weg, und deshalb ist es ein korrigiertes Signal.
Auch wird während der Sende-Repetitionsperiode Tτ, bei welcher das zweite Sendesignal gesendet wird, eine ähnliche Signal-Verarbeitung ausgeführt. Speziell wird die Phasendifferenz Δθ2r entsprechend des ΔL erhalten und gespeichert. Das zweite Echo von dem Objekt 8 wird in der gleichen Prozedur der ersten Ausführungsform verarbeitet, um damit die Phase θ&sub2;&sub0; zu erhalten.
Die Phasendifferenz Δθ2r wird von der Phase θ&sub2;&sub0; subtrahiert. In dem Ergebnis der Subtraktion heben sich die Phasenvariationen weg, und damit ist ein korrigiertes Signal.
In der 16. Ausführungsform wird eine Entfernung zu dem Objekt 8 in der Signal-Verarbeitungsprozedur der ersten Ausführungsform berechnet, indem die durch die oben erwähnte Prozedur (θ&sub1;&sub0; - Δθ1r) und (θ&sub2;&sub0; - Δθ2r) korrigierte Phase verwendet wird.
In der 16. Ausführungsform wird die Phasenkorrektur-Prozedur zu der ersten Ausführungsform hinzugefügt. Deswegen wird ein durch Umgebungsvariationen verursachter Meßfehler verringert.
Wo der Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der damit zugeordneten Sonde 6B und de Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen dem Objekt 8 und der damit zugeordneten Sonde 6A innerhalb eines räumlichen Gebiets gelegen sind, wo die Variation als gleichförmig betrachtet wird, wenn sie lokal gesehen wird, werden die obigen nützlichen Wirkungen sogar erreicht, wenn die Umgebungsvariationen schnell sind. Wie von der obigen Beschreibung ersehen, ist das, was für die Phasenkorrektur notwendig ist, die Phasendifferenzen Δθ1r und Δθ2r. Mit anderen Worten ist die Entfernungsdifferenz ΔL nicht wesentlich.

17. Ausführungsform

Die 17. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 29 beschrieben werden.
Fig. 29(a) und 29(b) zeigen Wellenformen des ersten und des zweiten Sendesignals.
Die Anordnung der 17. Ausführungsform ist die gleiche wie jene der Fig. 28, die in Fig. 16 gezeigt ist.
In der 17. Ausführungsform ist ein Sendesignal, das von dem zweiten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 zu der in Fig. 28 gezeigten Sonde 6B ausgegeben wird, verschieden von jenem in der 16. Ausführungsform.
Dieses Sendesignal ist in Fig. 29(b) gezeigt.
In der 17. Ausführungsform ist ein von dem zweiten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 zu der Sonde 6, die in Verbindung mit der reflektierenden Referenzoberfläche 20 vorgesehen ist, gesendetes Sendesignal nur das erste Sendesignal, welches bei den beiden Senderepetitionsperioden 2Tτ wiederholt wird, wie in Fig. 29(b) gezeigt.
Sendesignale, die von dem ersten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 zu der Sonde 6A, die dem Objekt 8 zugeordnet bereitgestellt wird, gesendet werden, sind in Fig. 29(a) gezeigt.
Diese Signale sind das erste und das zweite Sendesignal, die alternierend bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ wie in der 16. Ausführungsform wiederholt werden.
Auch wird in der 17. Ausführungsform, wie in der 16. Ausführungsform, angenommen, daß eine Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B bereits bekannt ist.
Die Betriebsweise der 17. Ausführungsform wird beschrieben werden. Das erste Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 wird in der gleichen Prozedur in der ersten Ausführungsform verarbeitet, um damit de Phase θ1r zu erhalten.
Da die Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B bereits bekannt ist, wird die Phasendifferenz Δθ1r, die durch die Umgebungsvariation verursacht wird, wie in der 16. Ausführungsform erhalten.
Eine Entfernungsdifferenz ΔL wird durch Verwenden der Phasendifferenz Δθ1r = 2ΔLω&sub1;/V berechnet.
Die Phasendifferenz Δθ2r, die verursacht wird, wenn das zweite Sendesignal von der Sonde 6B zu der reflektierenden Referenzoberfläche 20 gesendet wird, wird vorhergesagt durch Verwenden der Entfernungsdifferenz ΔL, die in der oben erwähnten Prozedur und durch die folgende Gleichung Δθ2r = 2ΔLω&sub2;/V erhalten wird.
Durch Verwenden der Phasendifferenzen Δθ1r und Δθ2r die in der obigen Prozedur erhalten werden, wird für die Phasen θ&sub1;&sub0; und θ&sub2;&sub0; des ersten und zweiten Echos von der Sonde 6A, das in Zugehörigkeit zu dem Objekt 8 bereitgestellt wird, eine Korrektur für die durch Umgebungsvariationen verursachten Phasenvariationen Δθ1r und Δθ2r in der Prozedur der 16. Ausführungsform ausgeführt. Durch Verwenden des Korrekturergebnisses wird eine Entfernung L zu dem Objekt 8 erhalten.
Die Betriebsweisen und die durch die Betriebsweisen verursachten Wirkungen der 17. Ausführungsform werden beschrieben werden.
In der 17. Ausführungsform wird die Sende-Repetitionsperiode des ersten Sendesignals, das zu der Sonde 6B gesendet wird, die in Zugehörigkeit mit der reflektierenden Referenzoberfläche 20 bereitgestellt wird, als 2Tτ bezeichnet, die für die Korrektur verwendete Phasendifferenz Δθ1r wird von dem Meßwert erhalten, eine Entfernung ΔL wird durch Verwenden dessen Ergebnisses berechnet, und die Phasendifferenz Δθ2r wird durch Verwenden der Entfernungsdifferenz ΔL berechnet. Eine Entfernung von der Sonde 6A zu dem Objekt 8 wird durch Verwenden dieses vorhergesagten Werts erhalten.
Dementsprechend wird, wenn die Phasenvariation, die durch die Umgebungsvariation verursacht wird, langsamer als die Periode 2Tτ ist, ein Meßfehler, der durch die Umgebungsvariation verursacht wird, verringert.
In der 17. Ausführungsform ist die Sende-Repetitionsperiode des ersten Sendesignals, das zu der Sonde 6B gesendet wird, die in Zugehörigkeit mit der reflektierenden Referenzoberfläche 20 bereitgestellt wird, 2Tτ. Dementsprechend kann die mittlere Sendeleistung halbiert werden.
Diese Wirkung der Leistungsverringerung führt zum Sparen bei Quelle und Energie. Die 17. Ausführungsform ist sehr nützlich, wenn sie an einer Stelle verwendet wird, wo die Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung durch eine Batterie betrieben werden muß, oder an einer Meßstelle, wo die Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung nicht bewegt werden kann, während deren Netzkabel dahinter entlanggezogen wird, wie an einer hohen oder schmalen Stelle.

18. Ausführungsform

Die 18. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 30 beschrieben werden.
Fig. 30(a) und 30(b) zeigen Wellenformen des ersten und des zweiten Sendesignals.
Die Anordnung der 18. Ausführungsform ist die gleiche wie jene der Fig. 28 in der 16. Ausführungsform.
In der 18. Ausführungsform sind die Sendesignale, welche von den ersten und den zweiten Ausgangsanschlüssen des in Fig. 28 gezeigten Senderabschnitts 9 zu der Sonde 6A für das Objekt 8, und zu der Sonde 6B für die reflektierende Referenzoberfläche 20 angewandt werden, verschieden von jenen in der 16. Ausführungsform.
Die Sendesignale, die von dem ersten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 gesendet werden, sind in Fig. 30(a) gezeigt. Die Sendesignale, die von dem zweiten Ausgangsanschluß gesendet werden, sind in Fig. 30(b) gezeigt.
In der 18. Ausführungsform sind die Sendesignale, die von dem ersten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 zu der Sonde 6A gesendet werden, derart, daß, unmittelbar nachdem das erste Sendesignal gesendet ist, das zweite Sendesignal erzeugt wird.
Ein Zeitintervall zwischen einer Erzeugungszeit des ersten Sendesignals und der Erzeugungszeit des zweiten Sendesignals wird als Td bezeichnet, wie gezeigt.
In Fig. 30(a) wird, wenn nur das erste Sendesignal zu sehen ist, das erste Sendesignal bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ wiederholt. Ähnlich wird, wenn nur das zweite Sendesignal zu sehen ist, das zweite Sendesignal auch bei den Sende- Repetitionsperioden Tτ wiederholt.
Wie in Fig. 30(b) gezeigt, ist das Sendesignal, das von dem zweiten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 zu der Sonde 6B gesendet wird, derart, daß nur das erste Sendesignal bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ wiederholt wird.
Auch in der 18. Ausführungsform ist eine Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B exakt bekannt gewesen, wie in der 16. und der 17. Ausführungsform.
Die Betriebsweise de 18. Ausführungsform wird beschrieben werden. Eine Phasendifferenz Δθ1r zum Korrigieren einer Phasenvariation, die durch Variationen der Umgebungsbedingungen verursacht ist, wird in der gleichen Prozedur wie in der 17. Ausführungsform erhalten, von einem ersten Echo, das durch die mit der reflektierenden Referenzoberfläche 20 zugeordneten Sonde 6B empfangen wird. Weiter wird eine Entfernungsdifferenz ΔL auf der Basis der Δθ1r in der gleichen Prozedur wie in der 17. Ausführungsform erhalten. Nachfolgend wird eine Phasendifferenz Δθ2r auf der Basis der Entfernungsdifferenz ΔL vorhergesagt, wenn angenommen wird, daß das zweite Sendesignal wie in Fig. 30(b) gezeigt erzeugt wird.
Das erste Echosignal, das durch die dem Objekt 8 zugeordnete Sonde 6A empfangen wird, wird in der gleichen Prozedur wie in der ersten Ausführungsform verarbeitet, um dadurch eine Phase θ&sub1;&sub0; und eine Einhüllende zu erhalten. Eine ungefähre Zeit, zu welcher das erste Echo empfangen wird, wird von der Amplitude oder der Einhüllenden des ersten Echos erhalten.
Da das Sendezeitintervall Td bereits bekannt ist, ist die Zeit, zu der das zweite Echo von der dem Objekt 8 zugeordneten Sonde 6A empfangen wird, von der ungefähren Zeit, zu der das erste Echo empfangen wird, bekannt.
Auf der Basis dieser Zeit wird das zweite Echo auch in der gleichen Prozedur wie in der ersten Ausführungsform verarbeitet, um dadurch eine Phase Δθ&sub2;&sub0; und eine Einhüllende zu erhalten.
Die Phasen θ&sub1;&sub0; und θ&sub2;&sub0; auf dem Objekt 8 werden korrigiert durch Verwenden der Phasendifferenzen Δθ21r und Δθ2r in der gleichen Prozedur wie in der 17. Ausführungsform. Eine Entfernung L zu dem Objekt 8 wird auf der Basis des Ergebnisses erhalten.
Die Betriebsweisen und die durch die Betriebsweisen verursachten nützlichen Wirkungen in der 18. Ausführungsform werden beschrieben werden.
In der 18. Ausführungsform werden die nützlichen Wirkungen wie jene der 17. Ausführungsform erreicht. Das Sendezeitintervall Td zwischen dem ersten Sendesignal und dem zweiten Sendesignal ist kürzer als die Sende- Repetitionsperiode Tτ.
Dementsprechend kann, wenn man mit der 17. Ausführungsform vergleicht, wenn die Phasenvariation durch die Variation der Umgebungsbedingung schneller als die Sende-Repetitionsperiode Tτ, aber langsamer als das Sendezeitintervall Td ist, ein durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachter Meßfehler verringert werden.

19. Ausführungsform

Die 19. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 28 beschrieben werden, die zum Erklären der 16. Ausführungsform verwendet wird. Die Anordnung der 19. Ausführungsform ist die gleiche wie jene der 16. Ausführungsform.
In der 16. Ausführungsform wurde eine Entfernung zwischen einem Objekt 8 und einer dem Objekt 8 zugeordneten Sonde 6A gemessen. Die 19. Ausführungsform weist, anders als die 16. Ausführungsform eine Aufgabe aus, eine Entfernung zwischen einer reflektierenden Referenzoberfläche 20 und dem Objekt 8 zu messen.
Die Betriebsweise der 19. Ausführungsform wird beschrieben werden. In der 19. Ausführungsform sind die Sendesignale von dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschlüssen des Senderabschnitts 9 die gleichen wie jene in der 16. Ausführungsform.
Das erste und das zweite Echo von der mit der reflektierenden Referenzoberfläche 20 zugeordneten Sonde 6B werden wie in der 16. Ausführungsform verarbeitet, um damit die Phasen θ1r und θ2r zu erhalten.
In der 19. Ausführungsform werden, anders als in der 16. Ausführungsform, die Phasendifferenzen Δθ1r und Δθ2r, die durch die Variationen der Umgebungsbedingungen verursacht werden, nicht erhalten.
Das erste und das zweite Echo von der dem Objekt 8 zugeordneten Sonde 6A werden wie in der 16. Ausführungsform verarbeitet, um damit die Phasen θ&sub1;&sub0; und θ&sub2;&sub0; zu erhalten.
Die folgenden Berechnungsprozesse werden durch Verwenden der Phasen Δθ1r, Δθ2r, θ&sub1;&sub0; und θ&sub2;&sub0; ausgeführt.
Die Phase θ1r wird von der Phase θ&sub1;&sub0; subtrahiert.
Die Phase θ2r wird von der Phase θ&sub2;&sub0; subtrahiert.
Für die Subtraktionsergebnisse gelten die folgenden Gleichungen
θ&sub1;&sub0; - θ&sub1; = -2ω&sub1;(Lo = Lr)/V ... (14.a)
θ&sub2;&sub0; - θ2r = -2ω&sub2;(Lo = Lr)/V ... (14.b),
wobei Lo : Entfernung zwischen der Sonde 6A und dem Objekt 8 Lr : Entfernung zwischen der Sonde 6B und der reflektierenden Referenzoberfläche 20.
Wo der Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und de Sonde 6B und der Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen dem Objekt 8 und der Sonde 6A innerhalb eines räumlichen Gebietes gelegen sind, wo die Variation als gleichförmig betrachtet wird, wenn sie lokal gesehen wird, wenn die Variationen der Umgebungsbedingung hinsichtlich der Zeit schnell sind, wird die Phasenvariation auf beide der Phasen θ&sub1;&sub0; und θ1r überlagert.
Wenn die durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachte Phasendifferenz Δθ1r auf der Phase θ1r überlagert wird, ist die durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachte Phasendifferenz, die auf der Phase θ&sub1;&sub0; überlagert wird, auch Δθ1r.
Das Gleiche gilt für die Phasen θ&sub2;&sub0; und θ2r. Wenn die durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachte Phasendifferenz Δθ2r auf der Phase θ2r überlagert wird, ist die durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachte Phasendifferenz, die auf die Phase θ&sub2;&sub0; überlagert wird, auch Δθ2r.
Dementsprechend heben sich die durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachten Phasendifferenzen durch Subtraktion der Phase θ1r von der Phase θ&sub1;&sub0;, der Phase θ2r von der Phase θ&sub2;&sub0; heraus.
Die Wirkung des Heraushebens ist wirksam, wenn die durch die Änderung der Umgebungsbedingung verursachte Phasendifferenz einen großen Wert überhalb von ganzzahligen Malen so groß wie 2π aufweist. In einem derartigen Fall werden die Phasendifferenzen vollständig neutralisiert.
Die Phasendifferenzen überhalb von ganzzahligen Malen so groß wie 2π werden vollständig neutralisiert, wie oben behauptet. Auf den rechten Seiten der Gleichungen (14.a) und (14.b) ist noch eine Unbestimmtheit von ganzzahligen Malen so groß wie die Phase, die die Beziehung zwischen der Entfernung und der Phase betrifft, wie jene durch 2nπ und 2mπ auf den rechten Seiten der Gleichungen (7) und (8) in der ersten Ausführungsform ausgedrückt, vorhanden.
In den Gleichungen (14.a) und (14.b) ist der Term dafür zur Vereinfachung weggelassen.
Die Unbestimmtheit kann in der folgenden Prozedur bestimmt werden.
Dies kann derart betrachtet werden, daß in den Fig. 3 und 4 die Entfernung L auf der Abszisse ersetzt wird durch die Entfernungsdifferenz (Lo - Lr).
Obwohl nicht dargestellt, werden in den Zeichnungen, in welchen eine derartige Ersetzung gemacht wird, wie in der ersten Ausführungsform, weiße Kreise und schwarze Kreise bei den Phasen (θ&sub1;&sub0; - θ1r) und (θ&sub2;&sub0; und θ2r) dargestellt.
Die Periode, bei welcher die gleichen Werte, die einem weißen Kreis und einem schwarzen Kreis auf der Abszisse entsprechen, gleich erscheinen, wird durch qπV/Δω ausgedrückt, wie in Fig. 4.
Das erste und das zweite Echo von der Sonde 6A und das erste und das zweite Echo von der Sonde 6B werden wie in der ersten Ausführungsform verarbeitet, um damit Informationen über die Amplituden oder die Einhüllenden jener Echos zu erhalten.
Dementsprechend können ungefähre Werte der Amplituden oder der Einhüllenden jener Echos an deren ansteigenden Teilen erhalten werden. Diese ungefähren Werte stellen einen ungefähren Wert der Entfernungsdifferenz (Lo - Lr) bereit. Eine Differenz-Unbestimmtheit der Phase kann durch Anwenden des ungefähren Werts der Entfernungsdifferenz (lo - Lr) auf die Prozedur zum Entfernen einer Unbestimmtheit der Phase, welche durch Verwenden der Fig. 5 in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird, bestimmt werden.
Auf diese Weise kann die Entfernungsdifferenz (Lo - Lr) genau gemessen werden.
Die 19. Ausführungsform weist die folgenden nützlichen Wirkungen auf. In der 19. Ausführungsform kann eine Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der damit zugeordneten Sonde 6A bei der Anfangsstufe bekannt sein.
In der 19. Ausführungsform wird eine Entfernung des Objekts 8 relativ zu der reflektierenden Referenzoberfläche 20 bestimmt.
Wenn ein Teil des Objekts 8 als die reflektierende Referenzoberfläche 20 verwendet wird, impliziert es, daß die Größe der Irregularität auf dem Objekt 8 gemessen werden kann. Eine Konfiguration des Objekts 8 kann in einer Art gemessen werden, daß die mit der reflektierenden Referenzoberfläche 20 zugeordnete Sonde 6B fixiert ist, während die dem Objekt 8 zugeordnete Sonde 6A zum Scannen bewegt wird.
Wo der Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B und der Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen dem Objekt 8 und der Sonde 6A innerhalb eines räumlichen Gebiets gelegen sind, wo die Variation als gleichförmig betrachtet wird, wenn sie lokal gesehen wird, wenn die Variationen der Umgebungsbedingung hinsichtlich der Zeit schnell sind, wird eine Entfernung von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 zu dem Objekt 8 durch Verwenden der Differenzen θ&sub1;&sub0; - θ1r und θ&sub2;&sub0; - θ2r berechnet. Dementsprechend werden die obigen Phasenvariationen in den Differenzphasen θ&sub1;&sub0; - θ1r und θ&sub2;&sub0; - θ2r neutralisiert. Dementsprechend wird, wie in der 16. Ausführungsform, ein durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachter Meßfehler verringert.
Wenn eine Konfiguration des Objekts 8 durch Bewegen der Sonde 6A relativ zu dem Objekt 8, wie oben beschrieben, gemessen wird, heben sich die durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachten Phasenvariationen heraus. Dementsprechend wird eine Meßzeit an einem Punkt verringert, so daß die Scangeschwindigkeit erhöht wird. Die Konfigurationsmessung kann für eine kurze Zeit ausgeführt werden.
Die Sonde 6A kann zum Scannen in die Richtung parallel zu der Oberfläche des Objekts 8 oder in der Richtung des Objekts 8 bewegt werden. In diesem Fall kann ein Vibrationszustand, wenn das Objekt 8 langsam in der Richtung von dem Objekt 8 zu der Sonde 6A vibriert, gemessen werden.
In den 16., 17. und 18. Ausführungsformen werden, wenn die Sonde zum Scannen bewegt wird, die oben beschriebenen nützlichen Wirkungen erhalten.
Die Betriebsweisen des Berechnens von Δθ1r und θ2r werden in der 19. Ausführungsform nicht durchgeführt. Dementsprechend ist die Signal-Verarbeitungsgeschwindigkeit der 19. Ausführungsform höher als die der 16. Ausführungsform um einen Betrag, der den Berechnungsoperationen entspricht.

20. Ausführungsform

Die 20. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 31 beschrieben werden. Fig. 31 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 20. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 21 einen Zeitgatter-Abschnitt und 22 einen Verzögerungsabschnitt. Ein Bezugszeichen 24 bezeichnet einen Phasenschieber-Abschnitt 24 und 23 einen Phaseninvertierer-Abschnitt.
12A bis 12B bezeichnen Filterabschnitte; 13A bis 13D A/D- Umsetzerabschnitte; und 14A bis 14D Mischerabschnitte.
Die Anordnung der Fig. 31 wird im Vergleich mit der Anordnung der Fig. 10 der dritten Ausführungsform und Anordnung der Fig. 28 der 19. Ausführungsform beschrieben werden.
In Fig. 31 ist der Senderabschnitt 9 der gleiche wie in der Fig. 31 der 19. Ausführungsform. Das Sendesignal wird von dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 ausgegeben.
Die Sonden 6A und 6B sind die gleichen wie jene in der Fig. 28 der 19. Ausführungsform.
Der Empfängerabschnitt 10A ist der gleiche wie in Fig. 20 der dritten Ausführungsform.
Der Empfängerabschnitt 10B schließt drei Ausgangsanschlüsse ein.
Diese drei Ausgangsanschlüsse werden als erste, zweite und dritte Ausgangsanschlüsse bezeichnet.
Die Mischerabschnitte 14A bis 14D sind die gleichen wie jene in Fig. 10 der dritten Ausführungsform.
Der Referenzsignal-Generatorabschnitt 15 ist der gleiche wie jener in der dritten Ausführungsform der Fig. 10.
Während der Sende-Repetitionsperiode, wo das erste Sendesignal gesendet wird, werden das ersten und das zweite Referenzsignal des ersten Echos von den ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen des Referenzsignal-Generatorabschnitts 15 ausgegeben.
Während der Sende-Repetitionsperiode, wo das zweite Sendesignal gesendet wird, werden das erste und das zweite Referenzsignal des zweiten Echos ausgegeben.
Die Filterabschnitte 12A bis 12B sind die gleichen wie jene der Fig. 10 in der dritten Ausführungsform.
Während der Sende-Repetitionsperiode, wo das erste Echosignal von den Sonden 6A und 6B empfangen wird, dienen jene Filterabschnitte als Tiefpaßfilter, die die Frequenzkomponenten nahe der Kreisfrequenz ω&sub1; herausfiltern.
Während der Sende-Repetitionsperiode, wo das zweite Echosignal von den Sonden 6A und 6B empfangen wird, dienen jene Filter als Tiefpaßfilter, die die Frequenzkomponenten nahe der Kreisfrequenz ω&sub2; herausfiltern.
Die A/D-Umsetzerabschnitte 13A bis 13D sind die gleichen wie jene der Fig. 10 in der dritten Ausführungsform.
Der Signalprozessor-Abschnitt 11 ist ähnlich zu jenem der Fig. 10 in der dritten Ausführungsform.
Der Zeitgatter-Abschnitt 21 arbeitet derart, daß, wenn das Zeitgatter geöffnet wird, er erlaubt, daß das Eingangssignal direkt zu dem Ausgangsanschluß geht, und wenn es geschlossen wird, erlaubt er ein Signal von 0 in der Amplitude an dem Ausgangsanschluß.
Der Verzögerungsabschnitt 22 verzögert das dazu eingegebene Eingangssignal. Der Verzögerungsabschnitt 22 schließt zwei Ausgangsanschlüsse ein. Diese Ausgangsanschlüsse sind erste und zweite Ausgangsanschlüsse. Das gleiche Signal wird durch den ersten und den zweiten Ausgangsanschluß ausgegeben.
Der Phasenschieber 24 schiebt die Phase des Eingangssignals um 90ºC. Die Phasenschieber-Operation wird unabhängig von dem Typ des Echos, dem ersten Echo oder dem zweiten Echo, oder der Frequenz des Eingangssignals durchgeführt.
In dem Phasen-Inversionsabschnitt 23 wird das Eingangssignal mit -1 multipliziert.
Die jeweiligen Schaltungsabschnitte in Fig. 31 sind unter der Kontrolle eines Controller-Abschnitts 3 (nicht gezeigt). In Fig. 31 sind der erste und der zweite Ausgangsanschluß des Senderabschnitts 9 mit den Sonden 6A bzw. 6B verbunden. Der erste und der zweite Eingangsanschluß der Empfängerabschnitte 10A und 10B sind mit den Sonden 6A bzw. 6B verbunden.
Der erste und der zweite Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10A sind mit den Eingangsanschlüssen der Mischerabschnitte 14A bzw. 14B verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Mischerabschnitte 14A und 14B sind mit den Eingangsanschlüssen der Filterabschnitte 12A bzw. 12B verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Filterabschnitte 12A und 12B sind mit den Eingangsanschlüssen der A/D-Umsetzer 13A bzw. 13B verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der A/D-Umsetzer 13A und 13B sind mit dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden.
Der erste und der zweite Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 103 sind mit den Eingangsanschlüssen der Mischerabschnitte 14C und 14D verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Mischerabschnitte 14C und 14D sind mit den Eingangsanschlüssen der Filterabschnitte 12C bzw. 12D verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Filterabschnitte 12C und 12D sind mit den Eingangsanschlüssen der A/D-Umsetzer 13C bzw. 13D verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der A/D-Umsetzer 13C und 13D sind mit dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbunden.
Die ersten und zweiten Ausgangsanschlüsse eines Referenzsignal-Generatorabschnitts 15 sind mit den Mischerabschnitten 14C bzw. 14D verbunden.
Ein dritter Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10B ist mit dem Eingangsanschluß des Zeitgatter-Abschnitts 21 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Zeitgatter-Abschnitts 21 ist mit dem Eingangsanschluß des Verzögerungsabschnitts 22 verbunden.
Der erste Ausgangsanschluß des Verzögerungsabschnitts 22 ist mit dem Mischerabschnitt 14A verbunden. Der zweite Ausgangsanschluß des Verzögerungsabschnitts 22 ist mit dem Eingangsanschluß des Sondenscan-Signalgenerators 16 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Sondenscan-Signalgenerators 16 ist mit dem Eingangsanschluß des Phasen-Inversionsabschnitts 23 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Phasen-Inversionsabschnitts 23 ist mit dem Mischerabschnitt 14B verbunden.
In Fig. 31 sind jene Schaltungsabschnitte mit dem, nicht gezeigten, Controller-Abschnitt 3 verbunden.
Die 20. Ausführungsform ist, wie die 19. Ausführungsform, so angeordnet, daß sie eine Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und dem Objekt 8 mißt.
Die Betriebsweise der 20. Ausführungsform wird beschrieben werden. Wie in der 19. Ausführungsform stellt der Senderabschnitt 9 alternierend das erste und das zweite Sendesignal bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ her, welche wiederum zu der dem Objekt 8 zugeordneten Sonde 6A und zu der mit der reflektierenden Referenzoberfläche 20 zugeordneten Sonde 6B gesendet werden.
Das erste und das zweite Echo, die von der Sonde 6B empfangen werden, werden zu dem Empfängerabschnitt 10B gesendet. Die Signale von dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10B werden in der gleichen Singal- Verarbeitungsprozedur verarbeitet, wie sie zum Verarbeiten der Signale von dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10 in der dritten Ausführungsform verwendet wird, wobei die Signale durch die Mischerabschnitte 14C und 14D, den Referenzsignal-Generatorabschnitt 15, die Filterabschnitte 12C und 12D, die A/D-Umsetzer 13C und 13D und den Signalprozessor-Abschnitt 11 verarbeitet werden.
Durch die Signal-Verarbeitungsprozedur in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 wird eine Entfernung zwischen der Sonde 6B und der reflektierenden Referenzoberfläche 20 berechnet. In dem Signalprozessor-Abschnitt 11 werden die Amplituden des ersten und des zweiten Echos und deren Einhüllende erfaßt, um damit die Informationen über die Zeitdauer der Echos zu erhalten.
Die Betriebsweisen und die Signal-Verarbeitungsprozedur sind die gleichen wie in der dritten Ausführungsform. Wenn eine Phase durch Variationen der Umgebungsbedingung fluktuiert, ist das Entfernungsmeßergebnis ein ungefährer Wert, der verschieden von einem wahren Wert ist.
In der 20. Ausführungsform wird der ungefähre Wert auf die folgende Weise verwendet. Wenn die Entfernung zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der damit zugeordneten Sonde 6B bereits bekannt ist, ist die obige Prozedur nicht notwendig, und die bekannte Entfernung wird in dem folgenden Fall verwendet.
Das Signal des dritten Ausgangsanschlusses des Empfängerabschnitts 10B wird zu dem Zeitgatter-Abschnitt 21 gesendet. Das Zeitgatte ist vorgesehen, um es dem ersten und dem zweiten Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 zu erlauben, selektiv hindurch zu passieren. Dementsprechend werden die Zeiten zum Öffnen und Schließen des Gatters auf der Basis des angenäherten Werts der Entfernung bestimmt. Wenn die Entfernung zwischen der Sonde 6B und der reflektierenden Rereferenzoberfläche 20 bereits bekannt ist, wird er durch Verwenden der bekannten Entfernung bestimmt.
Die Zeitdauer des offenen Zustands wird auf der Basis der Informationen der bekannten Zeitdauer-Breite des ersten und des zweiten Sendesignals und der Informationen der bekannten Zeitdauer-Breite des ersten und des zweiten Echos, welche in der Signal-Verarbeitungsprozedur erhalten wird, bestimmt. Das erste und das zweite Echo, die selektiv von dem Zeitgatter ausgegeben werden, werden zu dem Verzögerungsabschnitt 22 gesendet.
Das erste und das zweite von der Sonde 6A empfangene Echo, das dem Objekt 8 zugeordnet wird, werden zu dem Empfängerabschnitt 10A gesendet. Die Ausgangssignale von dem ersten und, dem zweiten Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10A werden zu den Mischerabschnitten 14A und 14B gesendet.
Das erste und das zweite Echo werden von der Sonde 6B und dem Empfängerabschnitt 10B empfangen. Die Echos werden durch den dritten Ausgangsanschluß des Empfängerabschnitts 10B zu dem Mischerabschnitt 14A und dem Verzögerungsabschnitt 22 transferiert. Die Echos werden von dem ersten Ausgangsanschluß des Verzögerungsabschnitts 22 zu dem Mischerabschnitt 14A gesendet.
Das Ausgangssignal des Mischerabschnitts 14A wird zu dem Signalprozessor-Abschnitt durch den Filterabschnitt 12A und den A/D-Umsetzer 13A transferiert.
Das erste und das zweite Echo von dem zweiten Ausgangsanschluß des Verzögerungsabschnitts 22 werden zu dem Phasenschieber-Abschnitt 16A transferiert.
Das von dem Phasenschieber-Abschnitt 16A ausgegebene Signal wird zu dem Phaseninversions-Abschnitt 23 transferiert, wo es mit -1 multipliziert wird.
Das Signal von dem Phaseninversions-Abschnitt 23 wird zu dem Mischerabschnitt 14B transferiert.
Das Ausgangssignal von dem Mischerabschnitt 14B wird zu dem Signalprozessor-Abschnitt 11 vermöge des Filterabschnitts 12B und des A/D-Umsetzers 13B transferiert.
Das Signal von dem ersten Ausgangsanschluß des Verzögerungsabschnitts 22 und das Signal von dem Phaseninversions-Abschnitt 23 entsprechen dem ersten und dem zweiten Referenzsignal des ersten Echos von dem Objekt 8 während der Sende- Repetitionsperiode, wo das erste Sendesignal gesendet wird.
Das erste Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 wird durch den Verzögerungsabschnitt 22 derart verzögert, daß das erste Echo von dem Objekt 8 mit dem ersten Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 in den Mischerabschnitten 14A und 14B überlappt.
Ähnlich wird das zweite Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 durch den Verzögerungsabschnitt 22 derart verzögert, daß das zweite Echo von dem Objekt 8 mit dem zweiten Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 in den Mischerabschnitten 14A und 14B überlappt.
Eine Überprüfung, ob das erste Echo von dem Objekt 8 mit dem ersten Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 überlappt oder nicht, und ob das zweite Echo von dem Objekt 8 mit dem zweiten Echo von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 überlappt oder nicht, wird in dem Signalprozessor- Abschnitt 11 durchgeführt. Zum Prüfen quadriert der Signalprozessor-Abschnitt 11 die Ausgangssignale der A/D-Umsetzer 13A und 13B und addiert sie zusammen, und prüft, ob das Additionsergebnis (Funktion der Zeit) größer als ein Schwellwert ist oder nicht.
Wenn es kleiner als der Schwellwert ist, wird die Verzögerungszeit des Verzögerungsabschnitts 22 durch das Signal von dem Controller-Abschnitt 3 so gesteuert, daß es über den Schwellwert erhöht wird.
Wenn die Entfernung zwischen dem Objekt 8 und der reflektierenden Referenzoberfläche 20 bereits bekannt ist, wird die Verzögerungszeit durch Verwenden der bekannten Entfernung bestimmt.
Das erste Echo von dem Objekt 8 wird in der folgenden Weise in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verarbeitet. Der Signalprozessor-Abschnitt 11 erhält die komplexen Amplituden, während das Signal durch den Weg des Mischerabschnitts 14A, des Filterabschnitts 12A und des A/D-Umsetzers 13A kommt, als der Realteil gehandhabt wird, und ein Signal, das durch den Weg des Mischerabschnitts 14B, des Filterabschnitts 12B und des A/D-Umsetzers 13B kommt, als ein Imaginärteil gehandhabt wird. Der Signalprozessor-Abschnitt 11 extrahiert die Phase der komplexen Amplitude, und erhält die Einhüllende von den Amplituden. Die so erhaltene Phase entspricht θ&sub1;&sub0; - θ1r = - 2ω&sub1;(Lo - Lr)/V in der 19. Ausführungsform.
Ähnlich wird das zweite Echo von dem Objekt 8 in der folgenden Weise in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verarbeitet. Der Signalprozessor-Abschnitt 11 erhält die komplexen Amplituden, während das Signal, das durch den Weg des Mischerabschnitts 14A, des Filterabschnitts 12A und des A/D-Umsetzers 13A kommt, als der Realteil gehandhabt wird, und ein Signal, das durch den Weg des Mischerabschnitts 14B, des Filterabschnitts 12B und des A/D-Umsetzers 13B kommt, als ein Imaginärteil gehandhabt wird. Der Signalprozessor- Abschnitt 11 extrahiert die Phase von der komplexen Amplitude, und erhält die Einhüllende von den Amplituden. Die so erhaltene Phase entspricht θ&sub2;&sub0; - θ2r = -2ω&sub2;(Lo - Lr) /V in der 19. Ausführungsform.
Daher wird die Entfernung zwischen dem Objekt 8 und der reflektierenden Referenzoberfläche, (Lo - Lr), in der Prozedur wie in der 19. Ausführungsform durch Verwenden der obigen Informationen erhalten.
Die Betriebsweisen und die nützlichen Wirkungen durch die Betriebsweisen der 20. Ausführungsform werden beschrieben werden. In der 20. Ausführungsform wird, wo der Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen der reflektierenden Referenzoberfläche 20 und der Sonde 6B und der Ausbreitungspfad des Ultraschallpulses zwischen dem Objekt 8 und der Sonde 6A innerhalb eines räumlichen Gebiets gelegen sind, wo die Variation als gleichförmig betrachtet wird, wenn sie lokal gesehen wird, wenn die Variationen der Umgebungsbedingung hinsichtlich der Zeit schnell sind, die Phasenvariation gleich auf die Phase θ&sub1;&sub0; und die Phase θ1r überlagert. Das Gleiche gilt für die Phasen θ&sub2;&sub0; und θ2r. Die Entfernung von der reflektierenden Referenzoberfläche 20 zu dem Objekt 8 wird durch Verwenden der Differenzen θ&sub1;&sub0; - θ1r und θ&sub2;&sub0; - θ2r berechnet. Dementsprechend werden die obigen Phasenvariationen in den Differenzphasen θ&sub1;&sub0; - θ1r und θ&sub2;&sub0; - θ2r neutralisiert.
Dementsprechend wird, wie in der 19. Ausführungsform, ein durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachter Meßfehler verringert.
In der 20. Ausführungsform wird die Multiplikationsoperation zum Erfassen der Phase in den Mischerabschnitten 14A bis 14D ausgeführt. Wenn die Frequenz der Ultraschallwelle hoch ist, werden die nützlichen Wirkungen wie in der dritten Ausführungsform erhalten.

21. Ausführungsform

Die 21. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 32 beschrieben werden. Fig. 32 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung gemäß einer 21. Ausführungform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnet ein Bezugszeichen 8 ein Objekt, das in der Luft oder dem Wasser gelegen ist, viz., in dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium. Das Objekt 8 ist auch das Ultraschallwellenausbreitende Medium. 8A bezeichnet die obere Oberfläche des Objekts 8 und 8B die untere Oberfläche. Die übrige Anordnung der 21. Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie jene der ersten Ausführungsform.
Die Betriebsweise der 21. Ausführungsform wird beschrieben werden. In der 21. Ausführungsform wird der von der Sonde 6 gesendete Ultraschallpuls von der oberen Oberfläche 8A des Objekts 8 reflektiert, und der reflektierte Ultraschallpuls wird wieder von der Sonde 6 empfangen, in der Form eines Echos (bezeichnet als ein oberes Echo). Ein Teil des Ultraschallpulses passiert durch das Objekt 8. Der Ultraschallpuls passiert durch das Objekt 8 und erreicht die untere Oberfläche 8B. Der Ultraschallpuls wird von der unteren Oberfläche 8B reflektiert und von der Sonde 6 empfangen, in der Form eines Echos (gezeichnet als ein unteres Echo). Das obere Echo und das untere Echo werden zu verschiedenen Zeitpunkten empfangen. In dem Signalprozessor- Abschnitt 12 werden das erste und das zweite Echo jedes des oberen und des unteren Echos durch das Zeitgatter selektiv aufgenommen und in der Signal-Verarbeitungsprozedur wie in der ersten Ausführungsform verarbeitet, um damit eine Entfernung LS zwischen der Sonde 6 und der oberen Oberfläche 8A des Objekts 8 und eine Entfernung LB zwischen der Sonde 6 und der unteren Oberfläche 8B des Objekts 8 zu erhalten. Um die Entfernung LB zwischen der Sonde 6 und der unteren Oberfläche 8B zu erhalten, muß die Tatsache, daß eine Schallgeschwindigkeit Vo in dem Objekt verschieden von einer Schallgeschwindigkeit Va in der Luft als dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium ist, in Betracht gezogen werden.
Die Phase θ&sub1;, die durch die Signalverarbeitung des ersten Echos für die untere Oberfläche 8B erhalten wird, ist durch die folgende Gleichung (15) gegeben
θ&sub1; = 2Lsω&sub1;/Va - 2(LB - LS)ω&sub1;/Vo + φ&sub1; - ψ&sub1; + 2nπ ... (15)
Die Phase θ&sub2;, die durch die Signalverarbeitung des zweiten Echos von der unteren Oberfläche 8B erhalten wird, ist gegeben durch: θ&sub2; = 2Lsω&sub2;/Va - 2(LB - LS)ω&sub2;/Vo + φ&sub2; - ψ&sub2; + 2mπ. Die ersten Terme auf den rechten Seiten der obigen Gleichungen der Phasen φ&sub1; und φ&sub2; werden von den ersten und den zweiten Echos von der oberen Oberfläche 8A erhalten.
Dementsprechend, wenn diese ersten Terme feste Phasen anzeigen, sind, was zu φ&sub1; und φ&sub2; addiert werden, neue φ&sub1; und φ&sub2;, und die gleiche Prozedur wie in der ersten Ausführungsform wird ausgeführt, um damit die Dicke (LB - LS) von dem Objekt 8 zu erhalten.
In einem Zustand, in dem die Entfernung LS null ist, viz., die Sonde 6 auf dem Objekt 8 plaziert ist, kann die Dicke des Objekts durch Verwenden nur des unteren Echos, wie oben beschrieben, gemessen werden. In der 21. Ausführungsform kann die Dicke (LB - LS) des Objekts 8 mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
In den soweit gemachten Beschreibungen ist der Prozeß des Herleitens der Entfernung L qualitativ beschrieben. Eine spezifischere Beschreibung über den Prozeß des Herleitens oder Bestimmens der Entfernung L wird nachstehend gegeben werden.

22. Ausführungsform

Für die erste oder die zehnte Ausführungsform ist deren Gesamt-Signal-Verarbeitungsprozedur unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 8 oder die Fig. 20 und 21 beschrieben worden. In der 22. Ausführungsform und nachfolgenden werden die Verfahren des Herleitens der Entfernung L in größerem Detail beschrieben werden.
Ein erstes Entfernungs-Herleitungsverfahren wie eine 22. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 33 geschrieben werden. In Fig. 33 entsprechen die Schritte S1, S2, SD, S60, S6 und S7 den Schritten S1, S2, SD, S60, S6 und S7 in den Fig. 20 und 21. Dies wird entsprechend auf die Flußdiagramme der Fig. 34 bis 36 und 41 angewandt. In Fig. 33 sind die Schritte S11 und S12 in Fig. 6 durch einen einzelnen Schritt S1 dargestellt. Der Schritt S2 stellt eine mehrfache Anzahl von den Schritten in ähnlicher Weise dar. Das Gleiche gilt für die Flußdiagramme der Signal- Verarbeitungsprozedur in den später zu beschreibenden Ausführungsformen. Wie in Fig. 33 gezeigt, wird, durch Verwenden der Informationen der Amplitude oder der Einhüllenden des ersten Echos, der Informationen der Amplitude oder der Einhüllenden des zweiten Echos oder der Kombination dieser Informationen, in der bezüglich der Fig. 3, 4 und 5 beschriebenen Prozedur in dem Schritt SD bestimmt, welche der Perioden qπV/Δω eine gewünschte Entfernung enthält, viz., der # k-te Abschnitt.
Auf der Basis der Bestimmung ist, in einem Schritt S60 in Fig. 33, die Anzahl der in Fig. 3 oder 4 gezeigten weißen und schwarzen Weise endlich. Das heißt, die Operation der Schritte S60 in Fig. 7 oder 8 wird in dem Schritt S60 in Fig. 33 durchgeführt. Entfernungen von weißen Kreisen und schwarzen Kreisen werden bestimmt. Diese Entfernungen sind gegeben durch
an (n = 1, 2, ..., N) und bm (m = 1, 2, ..., M),
wobei N und M natürliche Zahlen sind.
Wie in einem Schritt S610 in Fig. 33 gezeigt, wird der absolute Wert der Differenz zwischen an und bm berechnet. Dieser Wert wird als Dnm bezeichnet.
Dann wird, wie in dem Schritt S620 in Fig. 33 gezeigt, das Minimum der Werte Dnm nachgesehen. Dieser minimale Wert wird als Dij bezeichnet. Die Kombination von an und bm, die den Minimalwert Dij bereitstellt, wird erhalten. Diese Kombination wird als (ai, bj) ausgedrückt.
Wenn an = ai und bm = bj, Dnm = Dij.
In den Schritten S7 in Fig. 33 wird ein Mittelwert der beiden Entfernungen ai und bj, (ai + bj)/2 als das Ergebnis der Entfernungsmessung ausgegeben. Alternativ wird ai oder bj als das Ergebnis der Entfernungsmessung ausgegeben.
Das Entfernungsmeßergebnis auszugeben heißt eine wahre Entfernung auszugeben. Das ist wahr für andere Ausführungsformen.
In Fig. 33 wird die Berechnungsoperation und die Signal- Verarbeitungsoperation in dem Schritt SD bis S7 in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 wie in dem Fall der Fig. 6 bis 8 ausgeführt.
Das erste Entfernungs-Herleitungsverfahren wie die 22. Ausführungsform ist in der Lage, Entfernungen zu messen, selbst wenn der Wert Dnm, der null sein sollte, nicht auf null eingestellt werden kann.

23. Ausführungsform

Ein zweites Entfernungs-Herleitungsverfahren gemäß einer 23. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 34 beschrieben werden. Fig. 34 ist ein Flußdiagramm, das einen Signal-Verarbeitungsprozeß in der 23. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der 23. Ausführungsform wird ein Schritt S630 zum Bestimmen eines tolerierbaren Fehlers zusätzlich zu dem Prozeß der 22. Ausführungsform ausgeführt.
Das zweite Entfernungs-Herleitungsverfahren wird im Detail beschrieben werden. Wie in Fig. 34 gezeigt, wird der # k-te Abschnitt in dem Schritt SD bestimmt. In diesem # k-ten Abschnitt werden Entfernungen an (n = 1, 2, ..., N) und bm (M = 1, 2, ..., M) der schwarzen und weißen Kreise erhalten. Weiter wird, in der gleichen Prozedur wie der des ersten Entfernungs-Herleitungsverfahrens, Dnm (n = 1, 2, ..., N; m = 1, 2, ..., M) in dem Schritt S610 berechnet. Der minimale Wert Dij von dem Dnm und die Kombination (ai, bj), die den minimalen Wert bereitstellt, werden in dem Schritt S620 berechnet.
In diesem zweiten Entfernungs-Herleitungsverfahren wird ein tolerierbarer Fehlerbereich vorab eingestellt. Dieser tolerierbare Wert wird als C ausgedrückt. In dem zweiten Entfernungs-Herleitungsverfahren bestimmt, wie in Fig. 34 gezeigt, der Schritt S630, ob der minimale Wert Dij kleiner als der tolerierbare Wert C ist oder nicht.
Wenn der minimale Wert Dij kleiner als der tolerierbare Wert C ist, wird, wie in dem ersten Entfernungs- Herleitungsverfahren, ein Mittelwert der beiden Entfernungen ai und bj, (ai + bj)/2 als das Ergebnis der Entfernungsmessung ausgegeben. Alternativ wird ai oder bj als das Ergebnis der Entfernungsmessung ausgegeben.
Der Prozeß des Schritts S60 entspricht dem Prozeß zur Verringerung der Anzahl der Entfernungskandidaten in dem den Kandidaten enthaltenden Abschnitt.
Wenn der minimale Wert Dij nicht innerhalb des tolerierbaren Werts C ist, geht der Signal-Verarbeitungsprozeß durch die Schritte S1A, S2A, SMr und SS, und führt den synchronen Additionsprozeß und den synchronen Additions- /Mittelungsprozeß auf dem ersten und dem zweiten Echo oder den Mittelungs-/Additionsprozeß auf den Phasen des ersten und des zweiten Echos durch. Auf der Basis der Informationen über das erste und das zweite Echo, die erhalten wird, durch Ausführen des synchronen Additionsprozesses und des synchronen Additions-/Mittelungsprozesses über das erste und das zweite Echo oder des Mittelungs-/Additionsprozesses über die Phasen des ersten und des zweiten Echos, wird die Anzahl der Mittelungsoperationen erhöht und die obige Prozedur wiederholt. Dieser Prozeß wird wiederholt, bis er innerhalb des tolerierbaren Fehlerbereichs fällt. Als das Ergebnis der Erhöhung der Anzahl von Mittelungsoperationen wird die durch die Variation der Umgebungsbedingung nachteilige Wirkung zu einem gewissen Ausmaß verringert. Auch wenn der Unterschied zwischen dem minimalen Wert Dij und dem zweiten kleinen Dnm klein ist, wird der Meßprozeß, in dem die Anzahl der Mittelungsoperationen erhöht wird, wiederholt, bis ein vorgegebener Unterschied erreicht wird.
In dem zweiten Entfernungs-Herleitungsverfahren werden, für die Speicherschritte SMR und SMr in Fig. 34, R(t) und r(t) in dem ersten Speicher des Signalprozessor-Abschnitts 11 gespeichert. Wenn die Antwort auf den Schritt S630 "NEIN" ist, wird ein "NEIN" darstellendes Signal von dem Signalprozessor- Abschnitt 11 zu dem Controller-Abschnitt 3 transferiert, um so den Schritt S1A auszuführen. In Antwort darauf führt der Senderabschnitt 9 den Schritt S1A aus, und die Schritte S2A, SMr, SS, und SMR werden nacheinander ausgeführt.
In dem zweiten Entfernungs-Herleitungsverfahren kann der tolerierbare Wert C auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Wo eine hohe Meßgenauigkeit gefordert wird, wird der tolerierbare Wert C auf einen großen Wert C eingestellt. In diesem Fall wird die Anzahl der Mittelungsoperationen verringert, um damit die Meßgeschwindigkeit zu verbessern. Das zweite Entfernungs-Herleitungsverfahren weist die nützlichen Wirkungen, vergleichbar mit jenen des ersten Entfernungs-Herleitungsverfahrens auf. Da der Additions- /Mittelungsprozeß in dem zweiten Entfernungs- Herleitungsverfahren verwendet wird, wird die durch die Variation der Umgebungsbedingung verursachte nachteilige Wirkung verringert, so daß die Entfernung mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden kann. Wenn der tolerierbare Wert C zweckmäßig, in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und des Objekts eingestellt wird, wird die Meßgeschwindigkeit verbessert.

24. Ausführungsforn

Ein drittes Entfernungs-Herleitungsverfahren gemäß der 24. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 35 beschrieben werden. Fig. 35 zeigt ein Fluß diagramm, das eine Prozedur zum Bestimmen einer Unbestimmtheit der Phase wie bei dem ersten Entfernungs- Herleitungsverfahren zeigt.
Das dritte Entfernungs-Herleitungsverfahren wird im Detail beschrieben werden.
Wie in Fig. 35 gezeigt, wird, in der Prozedur wie der des ersten Entfernungs-Herleitungsverfahrens, der # k-te Abschnitt in dem Schritt SD bestimmt. In diesem # k-ten Abschnitt werden die Entfernungen an (n = 1, 2, ..., N) und bm (m = 1, 2, ..., M) der schwarzen und weißen Kreise erhalten. Weiter wird, in der gleichen Prozedur der des zweiten Entfernungs-Herleitungsverfahrens, Dnm (n = 1, 2, ..., N; m = 1, 2, ..., M) in dem Schritt S610 berechnet: Der minimale Wert Dij von dem Dnm, und die Kombination (ai, bj), die den minimalen Wert bereitstellt, werden berechnet.
In dem dritten Entfernungs-Herleitungsverfahren wird ein tolerierbarer Fehlerbereich C vorab eingestellt, wie in dem zweiten Entfernungs-Herleitungsverfahren. Wenn der minimale Wert Dij kleiner als der tolerierbare Wert C (Schritt S630) ist, wird ein Mittelwert der beiden Entfernungen ai und bj, (ai + bj)/2, als das Ergebnis der Entfernungsmessung ausgegeben. Alternativ wird ai oder bj als das Ergebnis der Entfernungsmessung ausgegeben.
Wenn der minimale Wert Dij nicht innerhalb des tolerierbaren Werts C ist, erzeugt der Controller-Abschnitt 3 ein Steuersignal zum Variieren der Kreisfrequenz ω&sub1; oder ω&sub2; in dem Schritt Sω. Auf der Basis von diesem wird eine der Kreisfrequenzen ω&sub1; und ω&sub2; fixiert, während die andere von dem Originalwert verschoben wird. Die Sende-Repetitionsperiode Tγ, von der die Frequenzen so eingestellt werden, wird gesendet, und die gleiche Prozedur wie die der ersten Ausführungsform wird wiederum wiederholt. Dieser Kreisfrequenz-Scan wird wiederholt, bis der minimale Wert Dij unterhalb des tolerierbaren Werts C fällt. Obgleich es in Fig. 35 nicht gezeigt ist, wird, auch wenn der Unterschied zwischen dem minimalen Wert Dij und dem zweiten kleinen Dnm klein ist, die Messung durch den Kreisfrequenz-Scan wiederholt, bis eine vorgegebene Differenz erreicht wird.
Der Schritt S630 wird in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 ausgeführt. Wenn die Antwort auf diesen Schritt "NEIN" ist, wird ein "NEIN" darstellendes Signal zu dem Controller- Abschnitt 3 transferiert. In Antwort auf das Signal sendet der Controller-Abschnitt 3 ein Steuersignal zum Ändern der Kreisfrequenz zu dem Senderabschnitt 9.
Das dritte Entfernungs-Herleitungsverfahren weist die nützlichen Wirkungen wie die des ersten Entfernungs-Herleitungsverfahrens, und weiter der ersten Ausführungsform auf, da der Kreisfrequenz-Scan ausgeführt wird.

25. Ausführungsform

Ein viertes Entfernungs-Herleitungsverfahren gemäß der 25. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben werden. Die 25. Ausführungsform betrifft die Prozedur des Kreisfrequenz-Scans in dem dritten Entfernungs-Herleitungsverfahren.
In dem vierten Entfernungs-Herleitungsverfahren wird, in der gleichen Prozedur wie der des ersten Entfernungs-Herleitungsverfahrens, der minimale Wert Dij der Dnm berechnet, das Ergebnis wird mit dem tolerierbaren Wert C verglichen, und, wenn der minimale Wert Dij nicht innerhalb des tolerierbaren Werts C ist, wird die Kreisfrequenz in der folgenden Weise gescannt.
Die Kreisfrequenz ω&sub1; ist fixiert. In der ersten Messung wird die Kreisfrequenz ω&sub2; so eingestellt, daß sich die Differenz Δω zwischen den beiden Kreisfrequenzen verringert. In der zweiten Messung wird sie so eingestellt, daß die Differenz Δω erhöht wird, um größer zu sein als jene in der ersten Messung. In der dritten Messung wird sie so eingestellt, daß die Differenz Δω erhöht wird, um größer zu sein als jene in der zweiten Messung. Daher wird die Kreisfrequenz ω&sub2; derart eingestellt, daß die Differenz Δω in der gegenwärtigen Messung größer ist als in der vorhergehenden Messung. Dementsprechend erhöht sich die Differenz Δω mit einer Erhöhung der Anzahl der Messungen.
Die nützlichen Wirkungen des vierten Entfernungs-Herleitungsverfahrens werden beschrieben werden. Wie in Verbindung mit dem ersten Entfernungs-Herleitungsverfahren beschrieben, ist in Fig. 4 die Periode, bei welcher die spezifischen Kreiskombinationen erscheinen, umgekehrt proportional zu der Differenz Δω. Dementsprechend, indem die Differenz Δω kleiner ist, ist die Periode länger. Als ein Ergebnis ist es einfach, den # k-ten Abschnitt in dem ersten Entfernungs- Herleitungsverfahren zu bestimmen.
In diesem Fall ist der Unterschied zwischen den Neigungen der beiden charakteristischen Kurven der Fig. 4 klein, und es ist schwierig, die Kombinationen von an und bm zu erfassen, die den minimalen Wert Dij bereitstellen.
Wo die Differenz Δω groß ist, die Periode kurz ist, ist es schwierig, den # k-ten Abschnitt in dem ersten Entfernungs- Herleitungsverfahren zu bestimmen.
In diesem Fall ist die Differenz zwischen den Neigungen der beiden charakteristischen Kurven in Fig. 4 groß, und es ist einfach, die Kombinationen von an und bm zu erfassen, die den minimalen Wert Dij bereitstellen.
In dem vierten Entfernungs-Herleitungsverfahren wird der Scan in einer derartigen Weise durchgeführt, daß die Differenz Δω auf einen kleinen Wert auf der Anfangsstufe eingestellt wird, und dann allmählich erhöht wird. Dementsprechend wird, bei der Anfangsstufe, der # k-te Abschnitt grob bestimmt. Da die Differenz Δω allmählich erhöht wird, wird sie allmählich in dem groben, in der vorhergehenden Messung bestimmten Abschnitt beschränkt. Weiter ist die Erfassung der Kombination von an und bm, die den minimalen Wert bereitstellt, allmählich leicht.
In der oben erwähnten Ausführungsform ist eine der Kreisfrequenzen fixiert, während die andere gescannt wird. Für einige Typen von Bandpaß-Charakteristika der Sonden ist es häufig vorteilhaft, beide Kreisfrequenzen zu scannen. In einem Fall, in dem die Bandpaß-Charakteristik-Kurve der Sonde geformt ist, hinsichtlich der Mitten-Frequenz symmetrisch zu sein, wobei sie zwischen dem Hochfrequenz-Bereich und dem Tieffrequenz-Bereich gelegen ist, wird eine der Kreisfrequenzen in dem Tieffrequenz-Bereich eingestellt, während die andere in dem Hochfrequenz-Bereich eingestellt wird. Weiter werden die Differenzen zwischen einer der beiden Kreisfrequenzen und der Mitten-Frequenz der Sonde und zwischen der anderen Kreisfrequenz und der Mitten-Frequenz der Sonde eingestellt, daß diese gleich zueinander sind. Unter den Einstellbedingungen kann, wenn der Scan so durchgeführt wird, daß die Differenz zwischen den beiden Kreisfrequenzen allmählich erhöht wird, die Differenz der Empfindlichkeiten der Empfangsechos, die den beiden Kreisfrequenzen entsprechen, klein gehalten werden. Deswegen wird wenig Abweichung der jeweiligen Abschnitte von ihren idealen Betriebsweisen verursacht.

26. Ausführungsform

Ein fünftes Entfernungs-Herleitungsverfahren gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 36 beschrieben werden. Fig. 36 zeigt ein Flußdiagramm, das eine Prozedur zum Bestimmen einer Unbestimmtheit der Phase wie durch das erste Entfernungs-Herleitungsverfahren zeigt.
In dem dritten und dem vierten Entfernungs-Herleitungsverfahren werden eine von beiden oder beide der zwei Kreisfrequenzen gescannt. In einer Messung werden nur die Phaseninformationen über die beiden Kreisfrequenzen, die in der Messung verwendet werden, verwendet. In der fünften Ausführungsform wird das Meßergebnis von jeder Messung gespeichert. Durch Verwenden der Ergebnisse einer mehrfachen Anzahl von Messungen wird die Meßgenauigkeit weiter verbessert.
Das fünfte Entfernungs-Herleitungsverfahren wird im Detail beschrieben werden.
Wie in Fig. 36 gezeigt, wird, durch Verwenden eines der Kreisfrequenz ω&sub1; entsprechenden Sendesignals und eines weiteren, der Kreisfrequenz ω&sub2; entsprechenden Sendesignals, in der gleichen Prozedur wie der des zweiten Entfernungs- Herleitungsverfahrens, die Kombination von an und bm (ausgedrückt als a1i und b1j), die den minimalen Wert Dij bereitstellt, erfaßt und in dem Speicher gespeichert.
Auch in der zweiten Messung, in welcher die Frequenz gescannt wird, wird die Kombination a2i und b2j, die den minimalen Wert Dij bereitstellt, erfaßt.
Dieser Erfassungsprozeß wird P-mal wiederholt.
Das Ergebnis der P-ten Erfassung wird durch api und bpj dargestellt. Nachdem die P-te Messung vollendet ist, wird die Entfernung durch
Σ(api + bpj)/(2P),
(summiert in dem Bereich von 1 bis P).
In dem fünften Entfernungs-Herleitungsverfahren wird, wie in dem Schritt Sω in Fig. 36, der Controller-Abschnitt für die Steuerungsoperation wie in dem dritten Entfernungs-Herleitungsverfahren verwendet. Das fünfte Entfernungs-Herleitungsverfahren ist im wesentlichen gleich jenem der Fig. 35 dahingehend, daß der Controller-Abschnitt 3 ein Steuersignal zu dem Senderabschnitt 9 als Antwort auf das Signal, das "NEIN" repräsentiert, welches die Antwort auf den Steuersignal-Schritt S630 ist.
In der Operation des Schrittes S62M werden api und bpj in dem Speicher des Signalprozessor-Abschnitts 11 gespeichert. Die nützlichen Wirkungen des fünften Entfernungs-Herleitungsverfahrens werden beschrieben werden. In dem dritten und dem vierten Entfernungs-Herleitungsverfahren ist, wenn die Anzahl der Messungen erhöht wird, der minimale Wert Dij häufig außerhalb des tolerierbaren Werts C. In einem derartigen Fall muß der tolerierbare Bereich des Meßfehlers vergrößert werden durch Erhöhen des tolerierbaren Fehlerbereichs. Dies führt zu einer Verschlechterung der Meßgenauigkeit. In dem fünften Entfernungs-Herleitungsverfahren wird die Entfernung durch Mitteln der Ergebnisse, die durch Verwenden einer mehrfachen Anzahl von Kreisfrequenzen erhalten wurden, erhalten. Der verwendete Mittelungsprozeß verbessert die Meßgenauigkeit mehr als das dritte und das vierte Entfernungs- Herleitungsverfahren.

27. Ausführungsform

Die 27. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 37 beschrieben werden. Fig. 37 ist ein Wellenformdiagramm, das wiederholt gesendete Sendesignale zeigt. Die 27. Ausführungsform weist im wesentlichen die gleichen Wirkungen wie die 26. Ausführungsform auf.
In der 27. Ausführungsform werden Sendesignal der Kreisfrequenzen ω&sub3;, ω&sub4;, ..., ωp zusätzlich zu den Sendesignalen der Kreisfrequenzen ω&sub1; und ω&sub2; bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ zu der Sonde gesendet.
In Antwort auf jene Sendesignale werden eine mehrfache Anzahl von Echos empfangen. Diese Echosignale werden in der Prozedur wie in der 22. Ausführungsform verarbeitet, um damit die Phasen und die Einhüllenden zu erhalten.
Die Phase der Kreisfrequenz ωp (p = 1 bis P) wird als θp (p = 1 bis P) ausgedrückt.
Durch Verwenden von Informationen über die Amplitude oder die Einhüllende des Echos der Kreisfrequenz ωp (p = 1 bis P) wird der # k-te Abschnitt wie in der 22. Ausführungsform bestimmt. In diesem Fall können nur Informationen über eine Kreisfrequenz verwendet werden oder Informationen über eine mehrfache Anzahl von Kreisfrequenzen verwendet werden, um den # k-ten Abschnitt synthetisch zu bestimmen. Wie in der 25. Ausführungsform werden zuerst zwei große Kreisfrequenz- Differenzen ausgewählt, und große Abschnitte werden bestimmt. Dann wird die Kombination der kleinen Kreisfrequenz- Differenzen fortlaufend ausgewählt, und die Abschnitte werden auf kleine Abschnitte beschränkt.
Die 27. Ausführungsform weist die nützlichen Wirkungen wie die der 25. Ausführungsform auf.
Zwei Phasen werden unter den Phasen θp ausgewählt. In der gleichen Prozedur wie der der ersten Ausführungsform wird die Kombination von an und bm, die den minimalen Wert Dij bereitstellt, erfaßt und gespeichert. Es gibt eine mehrfache Anzahl von Kombinationen von zwei Phasen unter einer p-Anzahl von Phasen θp (p = 1 bis P). Die obige Operation wird auf jene Kombinationen angewandt. Eine mehrfache Anzahl von Ergebnissen, die durch die Operation erhalten werden, werden wie in der 26. Ausführungsform gemittelt, und das Ergebnis wird als das Endergebnis ausgegeben. Als ein Ergebnis weist die 27. Ausführungsform die nützlichen Wirkungen wie die der 26. Ausführungsform auf.
Die obige Operation kann auf alle der Kombinationen oder einer voreingestellten Anzahl von Kombinationen angewandt werden.
In dem letzteren Fall werden, in einer mehrfachen Anzahl von zu mittelnden Ergebnissen, die minimalen Werte Dij, die ihnen entsprechen, gleichzeitig erhalten. Von diesen minimalen Werten Dij werden jene Werte, die größer als ein voreingestellter Wert sind, nicht gemittelt, während jene Werte, die kleiner als der voreingestellte Wert sind, aufgenommen und gemittelt werden. Eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit wird sichergestellt.
Wie in der 25. Ausführungsform wird die obige Operation zuerst für die Kombination der großen Kreisfrequenz- Differenzen und dann für die Kombination der kleinen Kreisfrequenz-Differenzen ausgeführt.

28. Ausführungsforn

Ein sechstes Entfernungs-Herleitungsverfahren gemäß einer 28. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 38 beschrieben werden. Fig. 38 ist ein Flußdiagramm, das eine Signal-Verarbeitungsprozedur zum Erklären der 28. Ausführungsform zeigt.
In der 28. Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung auf die Messung der Form eines Objekts angewandt. In der 28. Ausführungsform wird eine Sonde räumlich bewegt, um ein zu visualisierendes Objekt zu scannen. An einem Punkt im Raum werden, in einem Schritt S510, die Phasen θp1 und θp2 des ersten und des zweiten Echos durch Anwenden der 22. Ausführungsform erhalten. Zur gleichen Zeit werden die Amplituden oder Einhüllenden der Echosignale erhalten. Die so erhaltenen Phasen θp1 und θp2 werden in dem Speicher des Signalprozessor-Abschnitts 11, in einem Schritt S51M, gespeichert.
Diese Verfahrensoperation wird mehrere Male wiederholt. Jede der Verfahrensoperationen, ein Mittelwert, eine Varianz, oder eine Standardabweichung der Ergebnisse der soweit erhaltenen Verfahrensoperationen bis zur vorherigen Verfahrensoperation werden berechnet. Ein Schritt S530 prüft, ob die so erhaltene Varianz oder Standardabweichung innerhalb eines voreingestellten tolerierbaren Bereiches (Varianzbereich : C1, Standard-Abweichungsbereich : C2) ist oder nicht. Die Steuerung läuft zu dem Schritt SD oder dem Schritt Sp, in Abhängigkeit von der Antwort JA und NEIN auf den Schritt S530. Wenn die Antwort auf den Schritt S530 JA ist, wird in der gleichen Prozedur wie der der 23. Ausführungsform, durch Verwenden des Mitteins, erhalten.
Dann wird das so erhaltene Dij mit einem voreingestellten tolerierbaren Fehlerbereich C3 in einem Schritt S630 verglichen. Wenn Dij größer als der tolerierbare Fehlerbereich ist, wird die Sendung der Sendesignale wiederholt, und die obige Prozedur wird wiederholt. Die wiederholte Operation entspricht der Operation, den Wert P in dem Schrittblock Sp um eins zu erhöhen.
Natürlich werden, indem dies wiederholt wird, der Mittelwert und die Varianz oder die Standardabweichung durch zusätzliches Verwenden der vor dem Wiederholen erhaltenen Daten berechnet. Zu dem Zeitpunkt, wo das Dij unter den Toleranzwert geht, in der Prozedur wie der der 22. Ausführungsform, viz., in einem Schritt S7, wird die Entfernung L erhalten und ausgegeben. Dann wird die Sonde räumlich bewegt, die Entfernung an einem Punkt wird erhalten in der obigen Prozedur und ausgegeben. Die Prozedur wird aufeinanderfolgend innerhalb eines vorgegebenen Bereichs ausgeführt, während die Sonde zum Scannen bewegt wird.
In dem in Fig. 38 gezeigten Flußdiagramm entspricht die Operation in dem Schritt Sp dem Transfer des Steuersignals zum Ausführen der Wiederholung von dem Controller-Abschnitt 3 zu dem Senderabschnitt 9. Die Signale, die "NEIN" als die Antwort auf die Schritte S530 und S630 repräsentieren, werden von dem Signalprozessor-Abschnitt 11 zu dem Controller- Abschnitt 3 transferiert. In Antwort darauf führt der Controller-Abschnitt 3 die Operation des Schritts Sp aus, um damit die Steuerung zu bewirken. Er wird als die Abfolge von Operationen von dem Schritt S5 zu dem Schritt S7 in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 ausgeführt.
Die Anzahl der Wiederhol-Operationen einer Linie mit einem Pfeilkopf mit einer Markierung #1 kann auf ein Mal eingestellt werden, und die Anzahl der Wiederhol-Operationen einer Line mit einem Pfeilkopf mit einer Markierung #2 kann auf mehrere Male eingestellt werden. Umgekehrt kann die Anzahl der Wiederhol-Operationen der #1-Linie auf mehrere Male eingestellt werden, und die Anzahl der Wiederhol- Operationen der #2-Linie kann auf ein Mal eingestellt werden. Indem so verfahren wird, kann die Verarbeitungszeit zum Erhalten der Ergebnisse verringert werden.
In Fig. 38 wird, wenn die Varianz oder die Standardabweichung der Amplituden oder der Einhüllenden innerhalb des Toleranz- Werts nach einer geringeren Anzahl von Wiederhol-Operationen fallen, wenn mit den Phasen verglichen wird, der an jenem Zeitpunkt gewonnene Mittelwert gespeichert. Dieser wird als ein Wert für die Prozedur, um Dnm zu erhalten, verwendet. In den nachfolgenden Wiederhol-Operationen werden die Werte der Amplituden oder der Einhüllenden von der Verarbeitungsprozedur entfernt, und es gibt keine Arbeit, sie zu erhalten. Ähnlich wird, wenn die Phase innerhalb des Toleranzwerts fällt, der Mittelwert gespeichert, und er wird als ein Wert in der Prozedur, um Dnm zu erhalten, verwendet. In der nachfolgenden Prozedur wird die Phase von der Signal- Verarbeitungsprozedur entfernt, und es gibt keine Arbeit, um sie zu erhalten. Indem so verfahren wird, wird die Verarbeitungszeit verringert.
Die nützlichen Wirkungen der 28. Ausführungsform und die sie verursachenden Betriebsweisen werden beschrieben werden. In der 28. Ausführungsform kann, an den Positionen der Sonden, die Anzahl der Wiederhol-Operationen in der in Fig. 38 gezeigten Signal-Verarbeitungsprozedur adaptiv in Übereinstimmung mit augenblicklich variierenden Umgebungsbedingungen geändert werden. Dementsprechend wird beim Visualisieren eines Objekts bei der Messung einer Objektform die Meßzeit verringert, und deshalb ist die Messung in einer kurzen Zeit vollendet.
Der Fall, wo das Objekt fixiert ist, während die Sonde zum Scan bewegt wird, ist beschrieben worden. Wenn erforderlich, ist eine derartige Anordnung erlaubt, in welcher die Sonde fixiert ist, während das Objekt zum Scan bewegt wird. In diesem Fall können, durch Verwenden der gleichen Signal- Verarbeitungsprozedur wie der der 28. Ausführungsform, die nützlichen Wirkungen der 28. Ausführungsform erhalten werden.

29. Ausführungsform

Die 29. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 39, 40 und 41 beschrieben werden. Die Schaltungsanordnung der 29. Ausführungsform ist die gleiche wie die der ersten Ausführungsform. Fig. 39 ist ein Wellenformdiagramm zum Erklären der Betriebsweise der 29. Ausführungsform. Fig. 39(a) zeigt ein Sendesignal zum Anregen der Sonde 6. Fig. 39(b) zeigt ein durch ein Objekt 8 reflektiertes Echo. Fig. 40 ist ein charakteristisches Diagramm zum Erklären des Signal-Verarbeitungsprozesses in dem Signalprozessor-Abschnitt 11. Fig. 41 ist ein Flußdiagramm zum Erklären des Signal-Verarbeitungsprozesse in dem Signalprozessor-Abschnitt 11.
Die Betriebsweise der 29. Ausführungsform wird beschrieben werden. Die in Fig. 39(a) gezeigten Sendesignale werden von dem Senderabschnitt 9 zu der Sonde 6 gesendet. Wie gezeigt, sind die Sendesignale erste und zweite Sendesignale, und ein Burst-Signal der Trägerfrequenz ω&sub3; (bezeichnet als ein drittes Sendesignal). Diese ersten bis dritten Sendesignale werden bei den Sende-Repetitionsperioden Tτ wiederholt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ω&sub1; < ω&sub2; < ω&sub3;.
Die Sonde 6 wird durch die in Fig. 39(a) gezeigten Sendesignale angeregt, und emittiert Ultraschallpulse zu dem Objekt 8. Die Ultraschallpulse werden von dem Objekt 8 reflektiert und in der Form von Echos zurückgebracht. Diese Echos sind erste und zweite Echos und ein Echo (bezeichnet als ein drittes Echo) durch das Burst-Signal der Trägerfrequenz ω&sub3;. Wie in der ersten Ausführungsform sind die Wellenformen der Echos die gleichen wie jene der Sendesignale.
Wie in der ersten Ausführungsform wird θ&sub1; durch Verwenden der Gleichung (7) und des ersten Echos erhalten. θ&sub2; wird durch Verwenden der Gleichung (8) und des zweiten Echos erhalten. θ&sub3; wird durch Verwenden des dritten Echos erhalten und ist gegeben durch
θ&sub3; = -2Lω&sub3;/V + φ&sub3; - ψ&sub3; + 21π ... (9),
wobei 1 : ganzzahlig.
Da die feste Phase bekannt ist, kann die Entfernung L durch Verwenden der Gleichungen (7) und (8) wie in der ersten Ausführungsform erhalten werden. Wenn ein Rauschen groß ist und die Kombination eines schwarzen Kreises und eines weißen Kreises, von welchen die Positionen miteinander zusammenfallend auf der Abszisse sind, wie in Fig. 3 gezeigt, nicht vorhanden ist, ist es schwierig, die Entfernung L durch Verwenden von nur θ&sub1; und θ&sub2; zu erhalten. Deswegen wird, durch Verwenden der Gleichung (9), eine auf Rauschen unempfindliche Messung ausgeführt. Der in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 ausgeführte Signal-Verarbeitungsprozeß wird beschrieben werden.
Fig. 40 ist ein charakteristisches Diagramm zum Erklären der 29. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 40 sind eine Linie, die θ&sub3; - φ&sub3; - ψ&sub3; repräsentiert und eine dreieckförmige durchgezogene Polygonlinie, die um -2Lω&sub3;/V geneigt ist, zusätzlich zu dem charakteristischen Diagramm in Fig. 3, das zum Erklären der ersten Ausführungsform verwendet wird, dargestellt. Die Periode der charakteristischen Linie ist gleich mit λ&sub3;/2, wobei λ&sub3; die Wellenlänge der Welle der Kreisfrequenz ω&sub3; ist.
In Fig. 3 entspricht, für die Kreisfrequenz ω&sub1;, eine durch eine fette gepunktete Linie angezeigte Polygonlinie weißen Kreisen, und, für die Kreisfrequenz ω&sub2; entspricht eine durch eine fette durchgezogene Linie angezeigte Polygonlinie schwarzen Kreisen. In Fig. 40 entspricht, für die Kreisfrequenz cal, eine durch eine fette Einzelpunkt- Kettenlinie angezeigte Polygonlinie schwarzen Dreiecken und, für die Kreisfrequenz ω&sub2;, entspricht eine durch eine fette gepunktete Linie angezeigte Polygonlinie weißen Kreisen. Für die Kreisfrequenz ω&sub3; entspricht eine durch eine fette durchgezogene Linie angezeigte Polygonlinie schwarzen Kreisen. Wie in Fig. 3 und 40 ersehen werden kann, ist die Kreisfrequenz für die fette durchgezogene Linie größer als die Kreisfrequenz für die fette unterbrochene Linie (fette Einzelpunkt-Kettenlinie).
Wie in der ersten Ausführungsform, wo weder Rauschen noch Fluktuation vorhanden ist, ist eine Position eines von θ&sub1; - φ&sub1; + ψ&sub1; erhaltenen Block-Dreiecks zusammenfallend mit einer Position eines von θ&sub2; - φ&sub2; + ψ&sub2; erhaltenen weißen Kreises. Weiter ist eine Position eines von θ&sub3; - φ&sub3; + ψ&sub3; erhaltenen schwarzen Kreises mit ihr zusammenfallend. Die zusammenfallenden Positionen der schwarzen Dreiecke, weißen Kreise und schwarzen Kreise zeigen eine Entfernung L an.
Wo Rauschen und Fluktuation vorhanden sind, sind die Positionen eines Blockdreiecks, eines weißen Kreises und eines schwarzen Kreises nicht immer miteinander zusammenfallend. In diesem Fall wird die Entfernung L durch den Signal-Verarbeitungsprozeß bestimmt. Der Signal- Verarbeitungsprozeß wird beschrieben werden.
Wie in Fig. 41 gezeigt, werden, wie in der ersten Ausführungsform, die Informationen über die Amplituden oder die Einhüllenden des ersten oder des zweiten Sendesignals auch zum Bestimmen des # k-ten Abschnitts in dem Schritt SD verwendet. Als ein Ergebnis wird die Anzahl der in Fig. 40 gezeigten schwarzen Dreiecke, weißen Kreise und schwarzen Kreise auf eine endliche Anzahl von jenen Markierungen in dem Schritt S60 verringert. Die Entfernungen der schwarzen Dreiecke, weißen Kreise und schwarzen Kreise sind an (n = 1, 2, ..., N), bm (m = 1, 2, ..., M) und co (o = 1, 2, ..., 0).
Wie in Fig. 41 gezeigt, wird der absolute Wert der Differenz zwischen an und bm in dem Schritt S610 berechnet.
Im Prinzip sollten einige der Dnm (n = 1, 2, ..., N; m = 1, 2, ..., M) null sein. Jedoch sind diese tatsächlich nicht perfekt null. Um damit zurecht zu kommen, wird, wie in Fig. 41 gezeigt, in dem Schritt S620, der als Dij bezeichnete Minimalwert von Dnm nachgesehen, und die Kombination von an und bm (dargestellt durch ai bzw. bj), die den minimalen Wert von Dij bereitstellt, erfaßt, um damit den Bereich der ai-1, bj-1 bis ai+1, bj+1 zu bestimmen.
In dem Schritt S630 wird in dem Bereich von ai-1, bj-1 bis ai+1, bj+1 der absolute Wert der Differenz zwischen an und co berechnet. Dieser Wert wird als Eno bezeichnet. In dem Schritt S640 wird der als Eik bezeichnete, minimale Wert von diesem Eno in dem Schritt S650 nachgesehen, die Kombination von an und co (dargestellt durch ai und co), die den minimalen Wert Eik bereitstellt, wird erfaßt, und in dem Schritt S7 wird (ai + + co)/3 als das Meßergebnis ausgegeben.
Die nützlichen Wirkungen der 29. Ausführungsform werden beschrieben werden. Wie oben beschrieben, werden drei verschiedene Frequenzen der Burst-Signale als die Sendesignale verwendet. Dann wird, sogar wenn Dij oder Eik nicht perfekt null ist, das Meßergebnis mit einer gewünschten Genauigkeit erhalten. Die vier oder mehr verschiedenen Frequenzen des Burst-Signals können, wenn erforderlich, verwendet werden. Die Meßgenauigkeit wird weiter verbessert, indem die Anzahl der Frequenzen erhöht wird. Die 29. Ausführungsform kann auf andere Ausführungsformen verwendet werden. Auch in diesem Fall können die nützlichen Wirkungen erhalten werden.
Die erste Ausführungsform wird wieder beschrieben werden.
Für die Gesamtoperation und die Signal-Verarbeitungsprozedur der bezüglich der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung sind verschiedene Typen von Signal- Verarbeitungsprozessen vorhanden, wie in den Fig. 6 bis 8 gezeigt. Ein zusätzlicher Signal-Verarbeitungsprozeß ist in Fig. 45 dargestellt.
In dem in Fig. 7 gezeigten Signal-Verarbeibungsprozeß wird in den Schritten S151 und S251 die Phase des Echos erfaßt, und Entfernungskandidaten L(θ&sub1;) und L(θ&sub2;) werden auf die erfaßte Phase hin im voraus hergeleitet. Von den hergeleiteten Entfernungskandidaten werden die Entfernungskandidaten auf der Basis der Bestimmungsergebnisse in dem Bestimmungsschritt SD für den den Kandidaten enthaltenden Abschnitt wieder hergeleitet.
In dem in Fig. 45 gezeigten Signal-Verarbeitungsprozeß werden, in den Schritten S151 und S251, die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; der Echos erfaßt, und in den Schritten S160 und S260 werden die Entfernungskandidaten L(θ&sub1;) und L(θ&sub2;) in dem bestimmten Abschnitt hergeleitet durch Verwenden des erfaßten Ergebnisses und der Bestimmungsergebnisse in dem Schritt SD.
In Fig. 45 sind die Schritte S11 bis S14 und S21 bis S24 die gleichen wie jene in der Fig. 7.
Die Schritte S6 bis S7 in Fig. 45 beschreiben das Herleitungsverfahren für LT. Für diese Schritte werden die in der Fig. 33 gezeigten Schritte S6 bis S7 verwendet.
Die nützlichen Wirkungen der in Fig. 45 gezeigten Signal-Verarbeitungsprozedur werden beschrieben werden.
In Fig. 7 wird, in den Schritten S151 und S251, die Phase erfaßt, und die Entfernungskandidaten werden hergeleitet. Wenn die Entfernungskandidaten durch bloßes Erfassen der Phase erhalten werden, müssen die Entfernungskandidaten in jedem der Abschnitte erhalten werden. Eine lange Berechnungszeit wird in dem Signalprozessor-Abschnitt 11 verbraucht.
In Fig. 45 wird, in den Schritten S151 und S251, jedweder andere Prozeß als die Phasenerfassung nicht ausgeführt. Nach dem Bestimmungsschritt SD für den Kandidaten enthaltenden Abschnitt werden die Entfernungskandidaten in dem bestimmten Gebiet erhalten, so daß die Berechnungszeit in dem Signalprozessor-Abschnitt kürzer als jene in Fig. 7 ist.

30. Ausführungsform

Diese Ausführungsform ist derart ausgelegt, daß eine mehrfache Anzahl von die wahre Entfernung enthaltenden Abschnittskandidaten hergeleitet wird und Entfernungskandidaten von diesen hergeleiteten, die wahre Entfernung enthaltenden Abschnittskandidaten hergeleitet werden.
Die 30. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 46, 47 und 48 beschrieben werden. In dem oberen Teil der Fig. 46 zeigen charakteristische Linien, ähnlich jenen in Fig. 4, die Beziehung zwischen Entfernung und Phase. Die Abszisse ist in Intervalle Lr von dem Ursprung segmentiert. Von diesen segmentierten Abschnitten wird der k- te Abschnitt, gezählt von dem Ursprung, der # k-te Abschnitt genannt.
In dem unteren Teil der Fig. 46 ist eine Einhüllende des Echos entlang der eine Entfernung darstellenden Abszisse dargestellt, in Verbindung mit dem oberen Teil der Zeichnung. Wie in Fig. 46 gezeigt, wird ein Schwellwert auf der Amplitude eingestellt. Eine Entfernung wird, wenn der ansteigende Teil der Einhüllenden den Schwellwert kreuzt, als Lth bezeichnet. In dem in Fig. 46 gezeigten Beispiel ist der Schwellwert Lth an einer Stelle in dem # k-ten Abschnitt vorhanden, der näher an dem # (k + 1)-ten Abschnitt ist. In diesem Fall ist, wenn es bestimmt wird, daß der Lth enthaltende Abschnitt ein Abschnitt ist, der darin eine wahre Entfernung LT enthält, der Ausgang des Bestimmungsschrittes SD des den Kandidaten enthaltenden Abschnitts nicht in der in Fig. 6 oder 7 gezeigten Gesamtoperationsprozedur bestimmt. Genauer, kann der # k-te Abschnitt als # (k + 1)-te Abschnitt fälschlicherweise angesehen werden.
Um eine derartige fehlerhafte Bestimmung zu vermeiden, werden die Positionen der schwarzen Kreise und der weißen Kreise, wenn diese Kreise auf die Abszisse projiziert werden, in einer Gesamtheit von drei Abschnitten bestimmt, dem # (k - 1)- ten Abschnitt, dem # k-ten Abschnitt und dem # (k + 1)-ten Abschnitt, wie in der ersten Ausführungsform. Und die Positionen der Kreise, wo diese miteinander zusammenfallend sind, werden erhalten. Auf diese Weise werden die zusammenfallenden Positionen von beiden Kreisen erfaßt. In dem # (k - 1)-ten Abschnitt, dem # k-ten Abschnitt und dem # (k + 1)-ten Abschnitt werden diese zusammenfallenden Punkte als Lk-1, Lk und Lk+1 bezeichnet.
Lth liegt an einem Punkt in dem ansteigenden Teil der Einhüllenden. Dementsprechend kann in Betracht gezogen werden, daß LT auch an einem Punkt in dem ansteigenden Teil der Einhüllenden liegt. Deshalb ist Lth nahe bei LT. Folglich ist von jenen Punkten Lk-1, Lk und Lk+1 der Punkt Lth, am nächsten zu LT. In dem Beispiel der Fig. 46 ist Lk am nächsten zu Lth, so daß LT Lk ist. Und der Abschnitt ist der # k-te Abschnitt.
Ein Ablauf des Gesamtsignal-Verarbeitungsprozesses wie oben beschrieben ist in Fig. 47 gezeigt. In Fig. 47 sind die Schritte S15 und S25 die gleichen wie jene in Fig. 45 gezeigte. In Fig. 47 werden eine mehrfache Anzahl von Abschnitten in dem Schritt SD2 erfaßt. Nachfolgend werden in einem Schritt S6 die Entfernungskandidaten in einer mehrfachen Anzahl von Abschnitten hergeleitet. In dem Schritt S7 wird der zusammenfallende Punkt in jedem Abschnitt erfaßt. Schließlich wird in dem Schritt S8 der zusammenfallende Punkt, am nächsten zu Lth, erfaßt und als LT verwendet.
Ein von dem Fall der Fig. 46 verschiedener Fall ist in Fig. 48 gezeigt. In Fig. 46 sind Lth und LT (oder Lk) beide in dem # k-ten Abschnitt vorhanden, der zusammenfallende Punkt, am nächsten zu Lth (in dem dargestellten Fall Lk+1) ist in dem # (k + 1)-ten Abschnitt vorhanden. In einem derartigen Fall sieht die in den Fig. 6 oder 7 gezeigte Signal-Verarbeitungsprozedur Lk als LT an. Wie aus der Fig. 48 ersehen, steigt die Einhüllende bei Lk nicht mehr an. Dementsprechend ist es einfach zu verstehen, daß Lk nicht LT ist. Dementsprechend wird in der in den Fig. 6 oder 7 gezeigten Signal-Verarbeitungsprozedur ein Meßergebnis kürzer als die wahre Entfernung durch einen segmentierten Abschnitt ausgegeben. Jedoch kann, wenn die in Fig. 47 gezeigte Signalverarbeitung ausgeführt wird, ein exaktes Meßergebnis erhalten werden.
Die qualitative Beschreibung ist soweit gemacht worden. Experimente über die erste Ausführungsform und die 30. Ausfüh rungsform wurden durchgeführt. Diese Experimente werden untenstehend beschrieben werden.

Experiment über die erste Ausführungsform

Für die Entfernung zwischen der Sonde und einem Objekt wurde die Dicke eines Teststücks gemessen. In diesem Experiment entspricht das Teststück dem Ultraschallwellen-ausbreitenden Medium, und die untere Oberfläche des Teststücks entspricht der reflektierenden Oberfläche des Objekts.
Die Sendesignale s1 und s2 sind in den Fig. 49(a) und 49(b) dargestellt. Die Trägerfrequenzen f1 und f2 waren 6 MHz und 5 MHz. Die Oszillationszeitdauern T&sub0;&sub1; und T&sub0;&sub2; waren 20/6 us und 20/5 us.
Die Dicke des Teststücks war 30 mm. In den Fig. 50(a) und 50(b) sind auch Echosignale r1 und r2 für die Dicke von 30 mm gezeigt. In der zu folgenden Signal-Verarbeitungsprozedur wurde das Echosignal, das durch die in den Fig. 50(a) und 50(b) gezeigten Sende-Repetitionsperiode erhalten wurde, verwendet, wie es ist (hier wird der synchrone Mittelungsprozeß, in welchem das in jeder Sende-Repetitionsperiode erhaltene Echosignal über eine mehrfache Anzahl von Sende-Repetitionsperioden gemittelt wird, nicht ausfgeführt).
In den Fig. 51(a) und 51(b) sind die Einhüllenden der Echosignale r1 und r2 gezeigt. In den Fig. 52(a) und 52(b) sind die Phasen der Echosignale r1 und r2 gezeigt. Die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; wurden durch Mitteln des flachen Teils in der Mitte des Echosignals erhalten. Als ein Ergebnis waren die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; -296,2º und -219,6º.
In den Fig. 53(a) und 53(b) sind die ansteigenden Teile der in den Fig. 51(a) und 51(b) gezeigten Einhüllenden in einer vergrößerten Weise dargestellt. Durch Verwenden der Tatsache, daß eine Schallgeschwindigkeit V des Teststücks 5920 m/s beträgt, sind jene in einem Zustand der variablen Konversion von einem Zeitbereich in einen Entfernungsbereich dargestellt. Die Periode Lr ist 2,96 mm. In der Fig. 53(a) ist der Schwellwert auf ¹/&sub2; des Spitzenwerts der Einhüllenden eingestellt. Dann ist der Abschnitt der # 10te Abschnitt. Wenn der Abschnitt ähnlich aus der Fig. 53(b) erfaßt wird, wird das gleiche Ergebnis erhalten.
Fig. 54 zeigt eine Beziehung zwischen der Phase und Entfernung in dem # 10-ten Abschnitt.
Wie gezeigt, sind Entfernungen (Entfernungskandidaten) für die schwarzen und die weißen Kreise nummeriert.
Die Kombination von dem weißen Kreis und dem schwarzen Kreis, von welcher die Differenz null ist, sollte vorhanden sein. Jedoch war eine derartige Kombination nicht vorhanden. Dies kommt von der Tatsache, daß das Phasen-Meßergebnis einen Fehler enthält. Die Kombination, bei welcher die Differenz im absoluten Wert am kleinsten ist, wird ausgewählt und ihr Mittelwert als das Ergebnis des Meßergebnisses ausgegeben. Diese Kombination enthält den schwarzen Kreis #1 und den weißen Kreis #1, und der Mittelwert war 29,98 mm.

Experiment der 30. Ausführungsform

Eine Entfernung zwischen einer in der Luft plazierten Metallplatte und einer Sonde wurde gemessen. Die Sendesignale s1 und s2 sind in den Fig. 55(a) und 55(b) dargestellt. Die Trägerfrequenzen f1 und f2 waren 210 MHz und 180 MHz. Die Oszillationszeitdauern T&sub0;&sub1; und T&sub0;&sub2; waren 20/210 us und 20/180 us. Die Echosignale r1 und r2 sind in den Fig. 56(a) und 56(b) gezeigt. Diese Echosignale wurden erhalten, indem von dem Prozeß der synchronen Additionsmittelung Gebrauch gemacht wurde.
Die Einhüllende und die Phase des in Fig. 56(a) gezeigten Echosignals r1 wurden erhalten. Die Einhüllende und die Phase des in Fig. 56(b) gezeigten Echosignals r2 wurden erhalten. Die Fig. 57(a) und 57(b) zeigen Einhüllende der Echosignale r1 und r2. Die Fig. 58(a) und 58(b) zeigen Phasen der Echosignale r1 und r2. In den Fig. 58(a) und 58(b) ist die Phase in dem mittleren Teil des Echosignals flach, variiert aber mit der Zeit in dem ansteigenden Teil und dem abfallenden Teil des Echosignals. Der Grund dafür ist, daß die in dem Experiment verwendete Sonde in dem Frequenzband schmal ist. Dies kommt von der der Tatsache, daß die Trägerfrequenz des Echosignals in dem ansteigenden Teil und dem abfallenden Teil des Echosignals von der Trägerfrequenz des Sendesignals verschoben ist. Die Werte in dem flachen mittleren Teil wurden gemittelt, um damit die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; zu erhalten.
Ein Abschnitt wurde durch Verwenden der Einhüllenden des Echosignals r1 erfaßt. In Fig. 59 ist die Beziehung zwischen dem Abschnitt und der Einhüllenden gezeigt. Da eine Schallgeschwindigkeit 340 m/s beträgt, beträgt die Periode Lr 5,67 mm. Wie durch eine gepunktete Linie und eine einfach gepunktete Kettenlinie angezeigt, hängt der Abschnitt, wo Ergebnisse erfaßt werden, von der Einstellung des Schwellwerts ab. Ein Abschnitt ist #34, während der andere Abschnitt #33 ist. Welcher wahr ist, wird in einer Weise bestimmt, daß, wie unten gezeigt, in den Abschnitten #34 und #33 der Entfernungs-Koinzidenzpunkt durch Verwenden der Phasen θ&sub1; und θ&sub2; erhalten wird, und das Ergebnis wurde verwendet.
Fig. 60 zeigt eine Beziehung zwischen der Phase und der Entfernung in dem #34 Abschnitt. Wie gezeigt, waren die Phasen θ&sub1; und θ&sub2; -307,2º und -255,6º.
In Fig. 60 wird die Kombination von dem schwarzen Kreis und dem weißen Kreis, von welchen die Differenz am kleinsten ist, erfaßt und ihr Mittelwert wird als ein Koinzidenzpunkt verwendet. Als ein Ergebnis, Lo = 193,35 mm in dem #34 Abschnitt.
In dem #33 Abschnitt wurde der Koinzidenzpunkt in einer ähnlichen Weise erhalten. Er betrug 187,68 mm als das Ergebnis der Subtraktion der Periode Lr von 193,35 mm.
Diese Werte sind mit daran angebrachten Zeilen in Fig. 59 dargestellt. Wie aus Fig. 59 ersehen, wird bei der Pfeilposition in dem #33 Abschnitt kein Echo empfangen. Deswegen ist der #34 Abschnitt wahr, und die Entfernung Lo beträgt 193,35 mm.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unabhängig beschrieben worden. Wenn eine Ausführungsform auf andere Ausführungsformen angewandt wird, sind die nützlichen Wirkungen jener Ausführungsform additiv.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unabhängig beschrieben worden. Wenn eine Ausführungsform auf andere Ausführungsformen angewandt wird, sind die nützlichen Wirkungen jener Ausführungsformen additiv.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Ultraschall- Meßeinrichtung des Typs, in welchem eine Array-Sonde verwendet wird und der Ultraschallstrahl zum Scannen elektronisch bewegt wird, anwendbar. Das Puls- Kompressionsverfahren ist in den veröffentlichten, ungeprüften japanischen Patentanmeldungen Nrn. Hei. 2-226 065, 4-289 453, 4-127 054, 3-162 667, 3-138 563, 4-9656, 4- 9657, 4-9658 offenbart. Dieses Puls-Kompressionsverfahren kann auf die vorliegende Erfindung in einer Weise angewandt werden, daß das erste, durch die Gleichung (1) in der vorliegenden Erfindung gegebene Sendesignal und das der durch die der Gleichung (1) entsprechende Gleichung gegebene zweite Sendesignal, nicht gezeigt, als das Fundamentalsignal in jenen Publikationen verwendet werden kann. In diesem Fall wird das S/N-Betriebsverhalten merklich verbessert.
Das Sondieren eines im Untergrund begrabenen Artikels wird als eine der Anwendungen der vorliegenden Erfindung aufgezählt. In dem Untergrund ist eine Dämpfung der Ultraschallwelle groß, Um damit zurecht zu kommen, muß eine Ultraschallwelle niedriger Frequenz, 100 Hz, bei welcher die Dämpfung relativ klein ist, verwendet werden. Wo die niedrige Frequenz verwendet wird, ist die Wellenlänge lang, und die Auflösung wird in der herkömmlichen Einrichtung verschlechtert. Auf der anderen Seite hängt die Ultraschall- Entfernungsmeßeinrichtung der vorliegenden Erfindung bei ihrer Messung nicht von der Wellenlänge ab. In dieser Hinsicht ist die vorliegende Erfindung sehr nützlich, wenn sie auf ein Ultraschallwellen-ausbreitendes Medium angewandt wird, das unter einer großen Dämpfung leidet, wie Untergrund.
Während die vorliegende Erfindung durch Verwenden von Einrichtungen, die die Ultraschallwelle verwenden, beschrieben worden ist, kann die Erfindung auf jedweden Typ einer Einrichtung, die eine Schallwelle, eine elastische Welle, eine elektromagnetische Welle oder dergleichen verwendet, angewandt werden.
In den oben erwähnten Ausführungsformen ist das Objekt, auf welches das Sendesignal projiziert wird, ein spezifisches Objekt, wie ein zu erfassendes Objekt. Jedoch ist es nicht auf ein derartiges physikalisches Element beschränkt, sondern kann etwas sein, das eine reflektierende Welle als Antwort auf das empfangene Sendesignal bereitstellt. Beispielsweise kann ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld verwendet werden. Wenn eine elektromagnetische Welle als ein Sendesignal auf ein magnetisches Feld oder ein elektrisches Feld angewandt wird und von ihm reflektiert wird. In diesem Fall kann die Entfernung zu dem oder die Form des magnetischen Feld(s) oder elektrischen Feld(s) gemessen werden. Dementsprechend schließt das Objekt, zu welchem das Sendesignal gerichtet wird, nicht nur Festkörper ein, sondern auch Flüssigkeiten, Gas oder dergleichen.
Während die vorliegende Erfindung durch Verwenden der Einrichtung zum Erfassen der Entfernung zu und der Form eines Objekts beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß die Erfindung zum Erfassen der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts anwendbar ist.
Eine weitere Anwendung der Erfindung ist eine Prüfung von Baustrukturen. Beton, der für die Baustruktur verwendet wird, dämpft eine Ultraschallwelle in hohem Maße. Die Frequenz von 1 MHz oder niedriger, bei welcher die Ultraschallwellen- Dämpfung klein ist, muß verwendet werden. Wo eine derartig niedrige Frequenz verwendet wird, ist die Wellenlänge lang, und die Auflösung wird in der herkömmlichen Einrichtung verschlechtert. Die Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung der vorliegenden Erfindung hängt bei ihrer Messung nicht von der Wellenlänge ab. In dieser Hinsicht ist die vorliegende Erfindung sehr nützlich, wenn sie auf das Ultraschallwellenausbreitende Medium angewandt wird, das unter einer großen Dämpfung leidet, wie Beton.
Daneben wird, in den oben erwähnten Ausführungsformen, eine physikalische Größe eines Objekts auf der Basis eines Reflexionssignals von dem Objekt als ein Empfangssignal erfaßt. Das Erfassungsverfahren und die Erfassungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind auch anwendbar, um eine physikalische Größe eines Objekts zu erfassen, auf der Basis der Signale, welche eindringen in und sich ausbreiten durch das Objekt als ein Empfangssignal, das durch ein von einem Sendemittel verschiedenem Empfangsmittel empfangen wird.
In der vorliegenden Erfindung wird ein erster Kandidat einer physikalischen Größe über ein durch eine erste Frequenz erfaßtes Objekt auf der Basis eines ersten Reflexionssignals der ersten Frequenz hergeleitet, ein zweiter Kandidat einer physikalischen Größe über ein durch eine zweite Frequenz erfaßtes Objekt wird auf der Basis eines zweiten Reflexionssignals der zweiten Frequenz hergeleitet, und ein dritter Kandidat einer physikalischen Größe über ein durch die erste und die zweite Frequenz erfaßtes Objekt wird auf der Basis des ersten und des zweiten Kandidaten hergeleitet. Deswegen kann die physikalische Größe des detektierten Objekts mit einer hohen Genauigkeit erfaßt werden.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Größe eines Objekts (8), umfassend die folgenden Schritte:

a) einen ersten Sendeschritt (S11), umfassend das Bereitstellen eines ersten gesendeten Signals (s1(t)), das mit einer ersten Frequenz (ω1) und einer ersten vorbestimmten Dauer (T01) oszilliert, zu dem Objekt (8);

b) einen zweiten Sendeschritt (S21), umfassend das Bereitstellen eines zweiten gesendeten Signals (s2(t)), das mit einer zweiten Frequenz (ω2), verschieden von der ersten Frequenz (ω1), und einer zweiten vorbestimmten Dauer (T02) oszilliert, zu dem Objekt (8);

c) einem ersten Empfangsschritt (S12), umfassend das Bereitstellen eines ersten empfangenen Signals (γ1(t)) nach einer Reflexion des ersten gesendeten Signals (s1(t)) von dem Objekt (8);

d) einen zweiten Empfangsschritt (S22), umfassend das Bereitstellen eines zweiten empfangenen Signals (γ2(t)) nach einer Reflexion des zweiten gesendeten Signals (s2(t)) von dem Objekt (8)

gekennzeichnet durch

e1) einen ersten Herleitungsschritt (S15; Fig. 3), umfassend das Herleiten einer ersten Vielzahl (o) von möglichen Werten (L(θ1)) der physikalischen Größe, abhängig von der Phase (81) eines ersten multiplizierten Signals (g1(t), h1(t)), das von einer Multiplikation des ersten empfangenen Signals (γ1(t)) mit einem ersten Referenzsignal (u1s(t), u1c(t)) herrührt;

e2) einen zweiten Herleitungsschritt (S25; Fig. 3), umfassend das Herleiten einer zweiten Vielzahl ( ) von möglichen Werten (L(θ2)) der physikalischen Größe, abhängig von der Phase (θ2) eines zweiten multiplizierten Signals (g1(t), h1(t)), das von einer Multiplikation des zweiten empfangenen Signals (γ2 (t)) mit einem zweiten Referenzsignal (u1s(t), u1c(t)) herrührt;

e3) einen dritten Herleitungsschritt (S6), umfassend das Herleiten einer dritten Vielzahl von möglichen Werten, die als jene Werte ( , o) der ersten und zweiten Werte definiert sind, die im wesentlichen einen gleichen Wert aufweisen (L(θ1) = L(θ2));

f1) einen Zeitintervall-Bestimmungsschritt, umfassend das Bestimmen aufeinanderfolgender Zeitintervalle mit einer Periode von πV/Δω, wobei V die Ausbreitungsgeschwindigkeit der ersten und zweiten gesendeten Signale (s1(t); s2(t)) ist, und Δω die Differenz zwischen den ersten und zweiten Frequenzen (ω1, ω2) ist;

f2) ein Zeitintervall-Auswahlschritt (SD) zum Auswählen aus den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen, auf der Basis von ersten und/oder zweiten empfangenen Signalen, jenes Zeitintervalls, während welchem die ersten und zweiten empfangenen Signale am wahrscheinlichsten Information zum Ermöglichen der Bestimmung der physikalischen Größe des Objekts (8) enthalten; und

f3) ein Auswählen (S7), als einen wahren wahrscheinlichen Wert, jenen dritten Wert, der innerhalb des ausgewählten Zeitintervalls liegt.

2. Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Größe eines Objekts (8), umfassend die folgenden Schritte:

a) einen ersten Sendeschritt (S11), umfassend das Bereitstellen eines ersten gesendeten Signals (s1(t), das mit einer ersten Frequenz (ω1) und einer ersten vorbestimmten Dauer (T01) oszilliert, zu dem Objekt (8);

c) einen ersten Empfangsschritt (S12), umfassend das Bereitstellen eines ersten empfangenen Signals (γ1(t)) nach einer Reflexion des ersten gesendeten Signals (s1(t)) von dem Objekt (8);

d) einen zweiten Empfangsschritt (S22), umfassend das Bereitstellen eines zweiten empfangenen Signals ((γ2(t)) nach einer Reflexion des zweiten gesendeten Signals (s2(t)) von dem Objekt (8);

gekennzeichnet durch

e1) einen Zeitintervall-Bestimmungsschritt, umfassend das Bestimmen aufeinanderfolgender Zeitintervalle mit einer Periode von πV/Δω, wobei V die Ausbreitungsgeschwindigkeit der ersten und zweiten gesendeten Signale (s1(t); s2(t)) ist und Δω die Differenz zwischen den ersten und zweiten Frequenzen (ω1, ω2) ist;

e2) einen Zeitintervall-Auswahlschritt (SD) zum Auswählen, von den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen auf der Basis der ersten und/oder zweiten empfangenen Signale, jenes Zeitintervalls, während welchem die ersten und zweiten empfangenen Signale am wahrscheinlichsten Information zum Ermöglichen der Bestimmung der physikalischen Größe des Objekts (8) enthalten;

f1) einen ersten Herleitungsschritt (S15; Fig. 3), umfassend das Herleiten einer ersten Vielzahl (o) von möglichen Werten (L(θ2)) der physikalischen Größe, abhängig von der Phase (θ1) eines ersten multiplizierten Signals (g1(t), h1(t)), das von einer Multiplikation des ersten empfangenen Signals (γ1(t)) mit einem ersten Referenzsignal (u1s(t), u1c(t)) innerhalb des ausgewählten Zeitintervalls herrührt;

f2) einen zweiten Herleitungsschritt (S25; Fig. 3), umfassend das Herleiten einer zweiten Vielzahl ( ) von möglichen Werten (L(θ2)) der physikalischen Größe, abhängig von der Phase (θ2) eines zweiten multiplizierten Signals (g1(t), h1(t)), das von einer Multiplikation des zweiten empfangenen Signals (γ2(t)) mit einem zweiten Referenzsignal (u1s(t), u1c(t)) innerhalb des ausgewählten Zeitintervalls herrührt;

f3) einen dritten Herleitungsschritt (S6), umfassend das Herleiten eines wahren möglichen Wertes der physikalischen Größe des Objekts auf der Basis der ersten und zweiten Vielzahlen von möglichen Werten.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Erzeugen (S152; S251) einer ersten und/oder einer zweiten Einhüllenden der(s) ersten und/oder zweiten empfangenen Signale(s) (γ1(t), γ2(t)) auf der Basis der(s) ersten und/oder der zweiten multiplizierten Signale(s), und das Verwenden der ersten und/oder der zweiten Einhüllenden in dem Zeitintervall- Auswahlschritt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitintervall-Auswahlschritt (SD) das Auswählen jenes Zeitintervalls umfaßt, in welchem die Amplitude des ersten oder zweiten empfangenen Signals einen vorbestimmten Amplituden-Schwellwert überschreitet (Fig. 5(a) - 5(c)).

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitintervall-Auswahlschritt das Zeitintervall auf der Basis eines empfangenen Signals auswählt, das von den ersten und zweiten empfangenen Signalen verschieden ist, und dessen Wellenform kürzer als jene der ersten und zweiten empfangenen Signale ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitintervall-Auswahlschritt das Zeitintervall auf der Basis eines empfangenen Signals auswählt, das verschieden von den ersten und zweiten empfangenen Signalen ist und eine ansteigende Wellenform, steiler als jene der ersten und zweiten empfangenen Signale, aufweist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitintervall-Auswahlschritt das Zeitintervall auf der Basis eines empfangenen Signals auswählt, das verschieden von den ersten und zweiten empfangenen Signalen ist und eine Impuls-ähnliche Wellenform aufweist.

8. Einrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe eines Objekts (8), umfassend die folgenden Merkmale

a) ein erstes Sendemittel (S11), angepaßt zum Senden eines ersten gesendeten Signals (s1(t)), das mit einer ersten Frequenz (ω1) und einer ersten vorbe stimmten Zeitdauer (T01) oszilliert, zu dem Objekt (8)

b) ein zweites Sendemittel (S21), angepaßt zum Senden eines zweiten gesendeten Signals (s2(t)), das mit einer zweiten Frequenz (ω2), verschieden von der ersten Frequenz (ω1), und einer zweiten vorbestimmten Dauer (T02) oszilliert, zu dem Objekt (8)

c) ein erstes Empfangsmittel (S12), angepaßt zum Empfangen eines ersten empfangenen Signals (γ1(t)) nach einer Reflexion des ersten gesendeten Signals (s1(t)) von dem Objekt (8);

d) ein zweites Empfangsmittel (S22), angepaßt zum Empfangen eines zweiten empfangenen Signals (γ2(t)) nach einer Reflexion des zweiten gesendeten Signals (s2(t)) von dem Objekt (8);

gekennzeichnet durch

e1) ein erstes Herleitungsmittel (S15; Fig. 3), angepaßt zum Herleiten einer ersten Vielzahl (o) von möglichen Werten (L(θ1)) der physikalischen Größe, abhängig von der Phase (θ1) eines ersten multiplizierten Signals (g1(t), h1(t)), das von einer Multiplikation des ersten empfangenen Signals (γ1(t)) mit einem ersten Referenzsignal (u1s(t), u1c(t)) herrührt;

e2) ein zweites Herleitungsmittel (S25; Fig. 3) angepaßt zum Herleiten einer zweiten Vielzahl ( ) von möglichen Werten ((L(θ2)) einer physikalischen Größe, abhängig von der Phase (θ1) eines zweiten multiplizierten Signals (g1(t), h1(t)), das von einer Multiplikation des zweiten empfangenen Signals (γ2(t)) mit einem zweiten Referenzsignal (u1s(t), u1c(t)) herrührt;

e3) einen dritten Herleitungsschritt (S6), angepaßt zum Herleiten einer dritten Vielzahl von möglichen Werten, die als jene Werte ( , o) der ersten und zweiten Werten definiert sind, die im wesentlichen einen gleichen Wert aufweisen ((L1 (θ1) = L2(θ2));

f1) ein Zeitintervall-Bestimmungsmittel, angepaßt zum Bestimmen aufeinanderfolgender Zeitintervalle mit einer Periode von πv/Δω, wobei V die Ausbreitungsgeschwindigkeit der ersten und zweiten gesendeten Signale (s1(t); s2(t)) ist und Δω die Differenz zwischen den ersten und zweiten Frequenzen (ω1, ω2,) ist;

f2) ein Zeitintervall-Auswahlmittel (SD), angepaßt zum Auswählen, von den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen auf der Basis der ersten und/oder zweiten empfangenen Signale, jenes Zeitintervalls, während welchem die ersten und zweiten empfangenen Signale am wahrscheinlichsten Information zum Ermöglichen der Bestimmung der physikalischen Größe des Objekts (8) enthalten; und

f3) ein Wert-Auswahlmittel, angepaßt zum Auswählen, als einen wahren möglichen Wert, jenes dritten Werts, der innerhalb des ausgewählten Zeitintervalls liegt.

9. Einrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe eines Objekts (8), umfassend die folgenden Merkmale

a) ein erstes Sendemittel (S11), angepaßt zum Senden eines ersten gesendeten Signals (s1(t)), das mit einer ersten Frequenz (cal) und einer ersten vorbestimmten Dauer (T01) oszilliert, zu dem Objekt (8);

b) ein zweites Sendemittel (S21), angepaßt zum Senden eines zweiten gesendeten Signals (s2(t)), das mit einer zweiten Frequenz (ω2), verschieden von der ersten Frequenz (ω1), und einer zweiten vorbestimmten Dauer (T02) oszilliert, zu dem Objekt (8);

gekennzeichnet durch

e1) ein Zeitintervall-Bestimmungsmittel, angepaßt zum Bestimmen aufeinanderfolgender Zeitintervalle mit einer Periode von πV/Δω, wobei V die Ausbreitungsgeschwindigkeit der ersten und zweiten gesendeten Signale (s1(t); s2(t)) ist und Δω die Differenz zwischen den ersten und zweiten Frequenzen (ω1, ω2) ist;

e2) ein Zeitintervall-Auswahlmittel (SD), angepaßt zum Auswählen, von den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen auf der Basis der ersten und/oder zweiten empfangenen Signale, jenes Zeitintervalls, während welchem die ersten und zweiten empfangenen Signale am wahrscheinlichsten Information zum Ermöglichen der Bestimmung der physikalischen Größe des Objekts (8) enthalten;

f1) ein ersten Herleitungsmittel (S15; Fig. 3), angepaßt zum Herleiten einer ersten Vielzahl (o) von möglichen Werten (L(θ1)) der physikalischen Größe, abhängig von der Phase (θ1) eines ersten multiplizierten Signals (g1(t), h1(t)), das von einer Multiplikation des ersten empfangenen Signals (γ1(t)) mit einem ersten Referenzsignal (u1s(t), u1c(t)) innerhalb des ausgewählten Zeitintervalls herrührt;

f2) ein zweites Herleitungsmittel (S25; Fig. 3), angepaßt zum Herleiten einer zweiten Vielzahl ( ) von möglichen Werten (L2(θ2)) der physikalischen Größe, abhängig von der Phase (θ2) eines zweiten multiplizierten Signals (g1(t), h1(t)), das von einer Multiplikation des zweiten empfangenen Signals (γ2(t)) mit einem zweiten Referenzsignal (u1s(t), u1c(t) innerhalb des ausgewählten Zeitintervalls herrührt;

f3) ein drittes Herleitungsmittel (S6), angepaßt zum Herleiten eines wahren möglichen Wertes der physikalischen Größe des Objekts auf der Basis der ersten und zweiten Vielzahlen von möglichen Werten.

10. Einrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein Erzeugungsmittel für eine Einhüllende (S152; S251), angepaßt zum Erzeugen einer ersten und/oder einer zweiten Einhüllenden der(s) ersten und/oder zweiten empfangenen Signale(s) (γ1(t), γ2(t)) auf der Basis der(s) ersten und/oder der zweiten multiplizierten Signale(s), wobei das Zeitintervall-Auswahlmittel angepaßt ist, die erste und/oder die zweite Einhüllende zur Auswahl des Zeitintervalls zu verwenden.

11. Einrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall-Auswahlmittel (SD) angepaßt ist zum Auswählen jenes Zeitintervalls, in welchem die Amplitude des ersten oder zweiten empfangenen Signals einen vorbestimmten Amplituden-Schwellwert überschreitet (Fig. 5(a) - 5(c)).

12. Einrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall-Auswahlmittel angepaßt ist, um das Zeitintervall auf der Basis eines empfangenen Signals auszuwählen, das verschieden von den ersten und zweiten empfangenen Signalen ist und dessen Wellenform kürzer als jene der ersten und zweiten empfangenen Signale ist.

13. Einrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall-Auswahlmittel angepaßt ist, um das Zeitintervall auf der Basis eines empfangenen Signals auszuwählen, das verschieden von den ersten und zweiten empfangenen Signalen ist und eine ansteigende Wellenform, steiler als jene der ersten und zweiten empfangenen Signale, aufweist.

14. Einrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall-Auswahlmittel angepaßt ist, um das Zeitintervall auf der Basis eines empfangenen Signals auszuwählen, das verschieden von den ersten und zweiten empfangenen Signalen ist und eine Impuls-ähnliche Wellenform aufweist.