(57)【要約】  本発明は、放射器（１）と、当該放射器（１）によって送出されて、対象物によって反射された信号を受信するための少なくとも２つの受信器エレメント（３）とを有している、対象物までの距離および対象物への方向を求めるための装置に関する。前記受信器エレメント（３）は線形アレイとして、または相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして、または前記放射器（１）を取り囲んでいる、円を形成するアレイとして、または二次元のアレイとして配置されており、前記アレイは、前記信号の半波長よりも長い直径を有し得るものであり、前記個々の受信器エレメント（３）はそれぞれ１つの個別の面を有しており、当該面の高さないしは直径は最大で前記信号の半波長に相応し、かつ別個にされている前記放射器（１）は前記信号の半波長よりも長い高さないしは直径を有している。
2013525776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射器（１）と、当該放射器（１）によって送出され、対象物によって反射された信号を受信するための少なくとも２つの受信器エレメント（３）とを有している、対象物までの距離および対象物への方向を求めるための装置において、
前記受信器エレメント（３）は線形アレイとして、または相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして、または前記放射器（１）を取り囲んでいる、円を形成しているアレイとして、または二次元のアレイとして配置されており、
前記アレイは、前記信号の半波長よりも長い直径を有し得るものであり、
前記個々の受信器エレメント（３）はそれぞれ１つの個別の面を有しており、当該面の高さないしは直径は最大で前記信号の半波長に相応し、かつ、別個にされている前記放射器（１）は前記信号の半波長よりも長い高さないしは直径を有している、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記受信器エレメント（３）は二次元のアレイとして配置されており、前記放射器（１）を包囲している、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記放射器（１）は前記受信器エレメント（３）に隣接して配置されている、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記装置は少なくとも２つの放射器（１）を含んでおり、それによって１つの状況が複数の方向から超音波検査される、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記装置は少なくとも２つの受動的なアレイを含んでおり、それによって前記反射されたエコーが複数の位置から検出される、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記放射器（１）は、前記受信器（３）によって構成されたアレイの異なる側に配置されている、請求項４記載の装置。
【請求項７】
少なくとも２つの放射器エレメント（１７）と、当該放射器エレメント（１７）によって送出され、対象物によって反射された信号を受信するための受信器（１９）とを有している、対象物までの距離および対象物への方向を求めるための装置において、
前記放射器エレメント（１７）は線形アレイとして、または相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして、または前記受信器（１９）を取り囲んでいる、円を形成するアレイとして、または二次元のアレイとして配置されており、
前記アレイは、前記信号の半波長よりも長い直径を有し得るものであり、
前記放射器エレメント（１７）はそれぞれ１つの面を有しており、当該面の高さないしは直径は最大で前記信号の半波長に相応し、かつ別個にされている前記受信器（１９）は前記信号の半波長よりも長い高さないしは直径を有している、
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
前記放射器エレメント（１７）は二次元のアレイとして配置されており、前記受信器（１９）を包囲している、請求項６記載の装置。
【請求項９】
前記受信器（１９）は前記放射器エレメント（１７）に隣接して配置されている、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記装置は少なくとも２つの受信器（１９）を含んでおり、それによって前記反射されたエコーが複数の位置で検出される、請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記装置は少なくとも２つの能動的なアレイを含んでおり、それによって１つの状況が複数の方向から超音波検査される、または付加的に複数の周波数で並行して超音波検査される、請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
対象物までの距離および対象物への方向を求めるための方法において、
少なくとも１つの放射器（１；１７）が信号を送出し、当該信号は対象物によって反射され、受信器エレメント（３；１９）によって、反射されたエコーが入力信号として受信され、当該入力信号からビーム形成方法によって、前記対象物までの距離および前記対象物への方向を算出する、
ことを特徴とする、対象物までの距離と対象物への方向を求めるための方法。
【請求項１３】
請求項１から６までのいずれか１項記載の装置ないしは請求項７から１１までのいずれか１項記載の装置の、自動車内での間隔センサとしての使用またはロボット工学における近傍領域識別における障害物識別のための使用または空気媒体中の障害物識別のための使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載された、対象物までの距離および対象物への方向を求める装置に関する。さらに、本発明は、対象物までの距離および対象物への方向を求める方法に関する。
【０００２】
対象物までの距離を求めるために、信号を送出して、対象物によって反射された信号のエコーを受信するセンサを使用するのが通常である。送信時点からエコー受信までの信号伝播時間から、対象物までの距離が定められる。
【０００３】
対象物までの距離の他に通常は、対象物が存在する方向も関心の対象である。殊に、自動車分野で使用される場合には、距離情報とともに対象物の方向に関する情報が重要である。ロボット工学においても、例えば近傍領域ナビゲーションにおける障害物識別のために、対象物までの距離情報と方向情報が重要である。
【０００４】
対象物の方向を求めるために、三辺測量方法が使用される。ここでは少なくとも２つのセンサから対象物までの測定された距離から、対象物の方向が定められる。この三辺測量方法の欠点は、実質的に対応付け問題にあり、ひいては距離見積もりの曖昧さおよび反射器が複数個ある場合の状況におけるポジションにある。この曖昧さは典型的に、種々の位置からの複数回測定、いわゆるトラッキング方法を介してのみ解決される。
【０００５】
また、個々のセンサの送信特性および／または受信特性も、センサの検出領域を、障害物の縦方向または水平方向の位置付けを可能にするためには著しい択一的な制約を受ける。つまりここでの欠点は、実際に使える位置付け精度を得るために、送信特性および／または受信特性が著しい制約を強いられ、検出領域を監視するために多数のセンサが必要になる、ということである。
【０００６】
方向決定のための三辺測量方法の他に、殊に、ビーム形成方法も使用される。能動的なビーム形成方法では、複数の平行したアクティブなエミッタの位相が正確に相互に調整され、これによって、送出された信号の重畳のメインローブの反射角が制御される。受動的なビーム形成方法では、複数の並行して記録する受信器の位相情報が利用され、これによって受信信号の入射角度が再構築される。ビーム形成のための多くの方法では、複数の平行したアクティブな放射器のアレイのサイズ、殊にアレイの直径が重要であり、ないしは受動的な方法の場合には、複数の平行する記録する受信器のアレイのサイズが重要である。なぜなら、アレイのこのようなサイズは、送信される信号の拡張も、受信される信号に対する角度分解能（Winkeltrennfaehigkeit）も決定するからである。さらに、アレイエレメント、すなわち受動的なビーム形成方法の場合には受信器または能動的なビーム形成時には放射器の間の間隔も重要である（エレメント間隔）。ビーム形成のための多くの方法では、エレメント間隔は信号の半波長以下でなければならない。なぜなら、そうでない場合には、いわゆるグレーティングローブが生じるからである。すなわちこれは、メインローブのオーダーにおける送信特性および受信特性におけるサブローブであり、これによって検出において曖昧さが生じてしまう。
【０００７】
エレメント間隔が信号の半波長以下であるべきことによって、使用可能なアレイエレメントのサイズが制限される。従って音響波および超音波に対する主な実際の使用は今日では、医療技術または水中である。なぜならここでは媒体内のより大きい波長がより大きなエレメント間隔も許容するからである。さらに、水中および組織内においては、媒体をエレメントに結合することは、空気中におけるのよりも格段に有利である。
【０００８】
例えば自動車分野またはロボット工学における障害物識別の大気中での使用は、使用される周波数に依存して、小さいエレメント間隔が必要となるので、極めて小さいアレイエレメントを必要とする。これは例えば、１００ｋＨｚの場合には、１．７ｍｍよりも小さい直径を有する。空気媒体との、放射器および受信器の結合が不良であるので、放射器の場合には大きい放射器面積が必要になり、または受信器の場合には小さい質量／大きい面積が必要である。しかしアレイエレメント間の必要なエレメント間隔が小さいので、個々のアレイエレメントに対して大きい面積は実現不可能である。
【０００９】
１つの送信器と複数の受信器が１つのアレイに配置されている装置は、例えばＵＳ−Ａ２００８／０１６５６２０号に記載されている。しかし受信器は自動車産業領域における使用に関しては条件付きでしか適していない。なぜなら、記載されている薄膜ピエゾ電気放射器は機械的な要求に対して脆弱だからである。さらに、ＵＳ−Ａ２００８／０１６５６２０号に記載されている配置構成は、三辺測量方法に関連して使用される。これは、ビーム形成方法よりも格段に大きい放射器および受信器を許容する。従ってここから、ＵＳ−Ａ２００８／０１６５６２０号に記載されているセンサがビーム形成方法に適していないことが想定される。
【００１０】
対象物までの間隔および対象物への方向を求めるビーム形成方法は、例えば、ＦＲ−Ａ２８１７９７３号およびＤＥ−Ａ１０２００４０５０７９４号に記載されている。ＦＲ−Ａ２８１７９７３号に記載されている方法の欠点は、均一な線形アレイに基づいている、ということである。殊に、送信機能は受信機能と分けられない。ＤＥ−Ａ１０２００４０５０７９４号に記載されている方法は暗に、大きい放射器に基づいており、これによって幅の狭い放射特性が実現される。この特許には、能動的なビーム形成は記載されていないが、大きい放射器面積も、幅の狭い放射器特性も、能動的なエミッタとしての使用に矛盾する。これに加えて、使用されている２つの送信周波数は、本願請求項に記載されているアプローチと矛盾する。
【００１１】
発明の開示
発明の利点
本発明による、対象物までの距離および対象物への方向を求める装置は、１つの放射器と、当該放射器から送出され、対象物によって反射された信号を受信する少なくとも２つの受信器エレメントとを有している。ここでこれらの受信器エレメントは線形アレイとして、または相互に角度を成して配置された２つの線形アレイとして、または放射器を包囲し、円を形成しているアレイとして、または二次元のアレイとして配置されている。ここでこのアレイは、前記信号の半波長よりも格段に長い直径を有し得るものであり、個々の受信器エレメントはそれぞれ１つの個々の面を有しており、この面の高さないし直径は最大で、前記信号の半波長に相応し、別個にされている放射器は、信号の半波長よりも長い高さないしは直径を有している。
【００１２】
択一的な形態では、本発明による、対象物までの距離および対象物への方向を求める装置は、少なくとも２つの放射器エレメントと、当該放射器エレメントから送出され、対象物によって反射された信号を受信する１つの受信器とを有している。ここでこの放射器エレメントは線形アレイとして、または相互に角度を成して配置された２つの線形アレイとして、または前記受信器を包囲して、円を形成しているアレイとして、または二次元のアレイとして配置されている。ここで当該アレイの直径は、前記信号の半波長よりも格段に長く、個々の放射器エレメントはそれぞれ１つの個々の面を有しており、当該面の高さないし直径は最大で、前記信号の半波長に相応し、別個にされている受信器は、前記信号の半波長よりも長い高さないしは直径を有している。
【００１３】
２つの装置において重要なのは、ビーム形成方法に対する送信機能と受信機能が別個にされる、ということである。従って、一方では近距離場−検出領域が拡張され、他方では放射器および受信コンポーネントのタスク特有の設計が可能になる。同じ原理の種々の実施例が結果として生じる。
【００１４】
本発明において「直径」とは、環の直径または楕円の長手方向軸のことである。「高さ」とは底部と底部に対向している、底部に対して最長の距離を有している点との間の区間のことである。従って「高さ」とは、三角形においては例えば底面と、この底面に対向する頂点との間の区間のことである。正方形または長方形において「高さ」とは、側面の長さに相応する。
【００１５】
使用されている放射器と受信器はそれぞれ、任意の横断面を有することができる。しかし有利には、放射器と受信器は円形の横断面または長方形の横断面を有している。
【００１６】
同時に送信器としても受信器としても用いられる、いわゆるトランシーバーとは異なり、本発明の装置によっては、装置に直接的に隣接している対象物を検出することもできる。これはトランシーバーの場合には不可能である。なぜならここではまず信号が送出され、トランシーバーは到来する信号を、送信するメンブランが安定してはじめて受信することができるからである。この時間は、例えば超音波センサにおいては、一般的に、対象物までの間隔が測定可能となる、２０ｃｍの最低間隔を生じさせる。
【００１７】
１つの放射器と複数の受信器エレメントを備えた実施形態、または１つの受信器と複数の放射器エレメントを備えた実施形態では、一方では、装置に直に隣接する対象物を検出することができ、他方では明確に、ビーム形成方法によって、例えば受動的なＢａｒｔｌｅｔビーム形成またはＣａｐｏｎビーム形成を用いて、対象物への方向も決定される。
【００１８】
１つの受信器と複数の放射器を備えた実施形態では、信号の半波長よりも短い放射器エレメントの面積によって、個々の放射器エレメントの効果的な間隔が実現される。この間隔は最大で、信号の半波長に相応する。ここで効果的な間隔は、放射エレメントの中央点の間隔である。最大で、信号の半波長に相応する個々の放射器エレメントの効果的な間隔によって、より多くの数の放射器エレメントを使用することが可能になる。これによって、改善された信号ノイズ比が得られる。
【００１９】
１つの放射器と複数の受信器とを備えた実施形態では、信号の半波長よりも短い受信器エレメントの面積によって、個々の受信器エレメントの効果的な間隔が実現される。この間隔は最大で、信号の半波長に相応する。ここで効果的な間隔は、受信器エレメントの中央点の間隔である。最大で、信号の半波長に相応する個々の受信器エレメントの効果的な間隔によって、より多くの数の受信器エレメントを使用することが可能になる。これによって同様に、改善された信号ノイズ比が得られる。
【００２０】
本発明による装置は、例えば自動車の間隔センサとして使用される。これらは一般的には、自動車の前方および／または後方のバンパーの領域内に配置されている。バンパー内にポジショニングするために、この装置を機械的な影響に対しても安定させることが必要である。従ってセンサは殊に、例えば落石によって、またはいわゆるバンパー領域において衝突が生じる押しのけ駐車行為の場合にも損傷されてはならない。これを実現するために、放射器として特に有利には超音波送信器が使用される。ここでは、殊にピエゾ圧電をベースにした送信器が適している。受信器エレメントとしても、有利にはピエゾ圧電エレメントが使用される。これは、到来する信号を電流に変換する。
【００２１】
１つの放射器と少なくとも２つの受信器エレメントを使用する場合に、ビーム形成方法の使用時に、曖昧な検出を低減させるために、受信器エレメントがそれぞれ、最大で、送信された信号の半波長の高さないしは直径を有することが必要である。対象物への方向を検出するために、少なくとも２つの受信器エレメントが使用される。しかし、より多くの数の受信器エレメントが有利であり、例えば単にラテラル方向の解像度のための線形アレイの場合には少なくとも５個の受信器エレメントが有利であり、垂直方向および水平方向の解像度のための二次元アレイのためには殊に少なくとも１５個の受信器エレメントが有利である。
【００２２】
本発明の１つの実施形態では、受信器エレメントは線形アレイとして配置されている。通常、受信器エレメントはここで、放射器に隣接している。しかし、線形アレイが例えば中央で中断され、この箇所に放射器が設けられていてもよい。さらに、線形アレイを付加的な受信器エレメントによって、線形アレイのメインライン外で補完することが可能である。
【００２３】
受信器エレメントが、相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして配置されている場合には、これらは例えば直角三角形の辺に沿って配置される。放射器はこの場合には有利には、三角形の頂点内に位置付けされる。択一的に、例えば２つの線形アレイが交差し、交差している線形アレイの交点に放射器が位置付けされていてもよい。直角交差または直角三角形の辺としての配置の他に、相互に角度を成して配置されている線形アレイを、各任意の別の角度で相互に配置することもできる。しかし有利には、この配置は直角で行われる。
【００２４】
受信器エレメントの線形配置に対して択一的に、受信器エレメントが例えば二次元アレイとして配置され、放射器を包囲することもできる。この場合には例えば放射器は中央に、受信器エレメントの間に位置付けされ、受信器エレメントは放射器を例えば円形に包囲する。受信器エレメントはこの場合に、１つの列でまたは複数の列で配置される。円形とは異なる放射器の場合には、アレイデザインは、放射器の横断面に相応する。従ってこれらの受信器エレメントは、例えば正方形の横断面を備えた放射器の場合には同様に正方形のアレイを形成する。
【００２５】
各任意の形状（これは例えば円形、正方形または別の任意の形状）を有することができる二次元アレイの配置構成の場合にも、放射器を受信器エレメントに隣接して配置することが可能である。この場合には受信器エレメントは、放射器とは別個のアレイを形成する。しかしこの場合には、アレイの外側の放射器の位置を、対象物への方向および対象物までの距離を決定するための後続の信号処理の際に考慮しなくてはならない。
【００２６】
放射器の位置がアレイの外側に位置する場合には、さらに、装置が少なくとも２つの放射器を有することも可能である。従って例えば放射器が、受信器エレメントによって形成されているアレイの対向している側に位置付けされることが可能である。これは次の利点を有している。すなわち、周辺が種々の方向から検出され、これによって、より正確な周辺検出が可能になる、という利点を有している。しかも、センサユニットを動かす必要はない。択一的に、放射器を少なくとも２つのアレイと組み合わせることもできる。
【００２７】
少なくとも１つの放射器と、複数の受信器エレメントから成るアレイとの代わりに、少なくとも１つの受信器と複数の放射器エレメントから成るアレイとを使用する場合には、受信器と放射器エレメントを、１つの放射器と複数の受信器エレメントから成るアレイに関して上述したのと類似して配置することができる。
【００２８】
この場合には、放射器エレメントは受信器エレメントの位置を取り、受信器は放射器の位置を取る。
【００２９】
本発明の装置によって、対象物までの距離および対象物への方向を求めるために、少なくとも１つの放射器から信号が送出され、この信号は対象物によって反射され、この反射されたエコーが受信器エレメントによって入力信号として受信される。この入力信号から、任意のビーム形成方法によって、対象物までの距離および対象物への方向が計算される。
【００３０】
受信器ビーム形成方法によって、受信器エレメントによって受信された信号の空間的なフィルタリングが行われる。入射するエコーは物理的に、空間的に別個にされた受信器エレメントによって受信される個々の信号と重なる。受信された信号は次に電子的に異なる増幅ファクタまたは減衰ファクタの影響を受ける。これは、どの方向にこのアレイを制御したいのかに依存する。受動的な受信器ビーム形成方法の場合には種々の受信方向がしばしばソフトウェア技術的に通過し、受信されたエコーの数の評価をベースにした別の方法では、種々の方向を直接的に評価することもできる。両方の場合において、受信器エレメントの相対的な位置および送信されたパルスの波長が使用される。その容易な、従来の形状において、複雑な重み付けが、受信器エレメントの信号に適用されている。従って、所望の「観察方向」から生じる信号同士は建設的に干渉し合う。これに対して別の方向からの信号同士は破壊的に干渉し合う。
【００３１】
送信器ビーム形成方法はこれに相応して機能する。しかし、逆に機能する。この場合には、所望の「観察方向」における放射器エレメントから送信された信号と、別の方向からの信号が相互に打ち消しあう。これによって、観察方向における対象物は、別の方向における対象物よりもより強い信号を供給する。
【００３２】
対象物までの距離および対象物への方向を求める能動的な方法では、複数の放射器エレメントと少なくとも１つの別個の受信器とから成るアレイが使用される。このシステムによって、対象物を０ｃｍの距離から感知することができる。しかし障害物検出のためには、領域全体がスキャンされなければならない。これによって、位置特定のためのトラッキングが省かれる場合でも、検出時間がラスター解像度に依存して長くなる。
【００３３】
これとは異なり受動的な超音波アレイの場合には、信号が少なくとも１つの放射器によって送出され、受信器アレイによって受信される。これによって、ただ１つの送出された超音波パルスによって、領域全体が、信号を反射する障害物に関して検出される。この、別個の放射器および受信器エレメントの本発明による設計は、近距離場検出が改善されるという利点も有している。また付加的に、放射器および受信器エレメントのタスク特有の寸法設計も可能になる。
【００３４】
本発明による装置は、例えば自動車内の間隔センサとして、またはロボット工学における近距離識別における障害物識別のためにも使用される。これは例えば殊に、自動（運転者の無い）搬送システムにおいて重要である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】１つの放射器と、線形アレイとして配置されている複数の受信器とを備えた装置
【図２】１つの放射器と、線形アレイとして配置されている複数の受信器とを備えた装置
【図３】１つの放射器と、線形アレイとして配置されている複数の受信器とを備えた装置
【図４】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該複数の受信器エレメントは、相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして配置されており、これは主要軸外に任意の付加的なエレメントを有する線形アレイを表している
【図５】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該複数の受信器エレメントは、相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして配置されており、これは主要軸外に任意の付加的なエレメントを有する線形アレイを表している
【図６】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該複数の受信器エレメントは、相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして配置されており、これは主要軸外に任意の付加的なエレメントを有する線形アレイを表している
【図７】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該受信器エレメントは放射器を包囲しているアレイとして配置されている
【図８】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該受信器エレメントは放射器を包囲しているアレイとして配置されている
【図９】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該受信器エレメントは放射器を包囲しているアレイとして配置されている
【図１０】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該受信器エレメントは、二次元アレイとして、前記放射器に隣接して配置されている
【図１１】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該受信器エレメントは、二次元アレイとして、前記放射器に隣接して配置されている
【図１２】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該受信器エレメントは、二次元アレイとして、前記放射器に隣接して配置されている
【図１３】１つの放射器と複数の受信器エレメントとを備えた装置であって、当該受信器エレメントは、二次元アレイとして、前記放射器に隣接して配置されている
【図１４】受動的なアレイのための方法フローチャート
【図１５】能動的なアレイのための方法フローチャート
【実施例】
【００３６】
本発明の実施例を図示し、以下の明細書でより詳細に説明する。
【００３７】
図１〜３には、１つの放射器と、線形アレイとして配置されている複数の受信器エレメントとを備えた装置が示されている。この装置は１つの放射器１と、少なくとも２個であり、図１における実施形態では８個であり、図２では１０個であり、図３では６個である受信器エレメント３とを有している。これらの受信器エレメント３は線形アレイとして、すなわち列になって相並んで配置されている。図１に示されている実施形態では、放射器１が、複数の受信器エレメント３から形成されているアレイを中断し、これによって、線形アレイの一部を成している。
【００３８】
本発明では放射器１は、信号の半波長よりも大きい高さないしは直径を有している。これに相応して、受信器エレメント３は最大で、信号の半波長に相応する高さないしは直径を有している。図１に示された実施形態では、放射器１と受信器エレメント３は、円形の横断面を有して形成している。従って、ここでは直径が重要な大きさである。
【００３９】
図１に示された実施形態とは異なり、図２に示された実施形態では、放射器１は線形アレイの一部ではなく、複数の受信器エレメント３によって形成されている線形アレイに隣接して配置されている。放射器１と受信器エレメント３との間の間隔は任意の大きさであってよい。しかし放出された信号ないしはそのエコーの到達距離を越えてはならない。有利には、放射器１は受信器エレメント３の出来るだけ近くに位置付けされる。図２に示された実施形態でも、放射器１と受信器エレメント３は円形の横断面を有している。図３に示された実施形態はこれとは異なっている。ここではこの装置は、図２に示されたものに相応するが、放射器１と受信器エレメント３はそれぞれ、正方形の横断面を有している。この場合には、放射器１と受信器エレメント３の大きさにとって、高さが重要な大きさとなる。この高さはここで、放射器１ないしは受信器エレメント３の正方形横断面の側面の長さに相応する。
【００４０】
図４〜６には、１つの放射器１と複数の受信器エレメント３とを備えた装置が示されている。ここでは受信器エレメント３は、相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイを形成する。
【００４１】
図４に示された実施形態では、受信器エレメント３は２つの線形アレイを形成する。これらの線形アレイはそれぞれ自身の中央で交差する。複数の受信器エレメント３によって形成された２つの線形アレイの交点には、放射器１が配置されている。それぞれ３つの受信器エレメント３が放射器１の片側に隣接している、ここに示された実施形態の他に、受信器エレメントの数を変えることもできる。従って例えば、放射器１にそれぞれ２つ、４つまたはそれより多くの受信器エレメント３が隣接していてもよい。
【００４２】
図５および６に示された実施形態では、複数の受信器エレメント３によって形成されている、相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイが、直角三角形の辺を形成している。図５の形態では、三角形はここでピークに存在し、これに対して図６に示されている実施形態では、一方の線形アレイが水平に延在しており、他方の線形アレイは、これに対して直角に、垂直に延在している。放射器１はそれぞれ、線形アレイによって形成されている三角形の頂点に位置している。
【００４３】
線形アレイが相互に直角に配置されている図４〜６に示されている実施形態の他に、線形アレイを、各任意の別の角度で相互に配置することもできる。しかし有利には、直角の配置が有利である。
【００４４】
二次元アレイを備えた実施形態が、図７〜１３に示されている。図７〜９における実施形態では、放射器１はそれぞれ受信器エレメント３によって包囲されている。これに対して、図１０〜１３に示されている実施形態では、放射器１は受信器エレメント３に隣接している。
【００４５】
図７に示されている実施形態では、放射器１は中心を形成する。この中心は、受信器エレメント３によって環状に包囲されている。図８に示されている実施形態にもこれが当てはまる。図７に示されている実施形態とは異なり、図８に示されている実施形態では、受信器エレメント３は、同心の２つのリングを形成する。受信器エレメント３によって形成されている２つよりも多くのリングを備えた装置も可能である。
【００４６】
密集したパッケージングのための種々のアレイアデザインは、アレイエレメントの形状および設計に応じて実現可能である。例えば図７および８に示されているように、例えば、受信器エレメント３が丸い横断面を有している場合には、円形のパッケージングが有利である。また横断面が正方形や長方形の場合には、規定のパッケージングが有利である。これは図９に示されている。この場合においても、放射器１は受信器３によって包囲されている。ここで図９に示されている受信器は一列に配置されている。しかしここでも、放射器１の各面に、一列よりも多くの受信器３の列を備えた装置も可能である。
【００４７】
放射器１が、受信器エレメント３によって形成されているアレイに隣接して配置されている図１０〜１３に示されている実施形態では、図１０は、より高い水平解像度の場合に、低減された垂直な解像度を供給する実施形態を示している。これは次のことに起因している。すなわち、十分な線形アレイが水平方向に設けられているが、線形アレイに隣接して位置付けされているセンサが３つのみである、ということに起因している。しかし、線形アレイに隣接して位置付けされている３つの受信器エレメント３は、ここで三角形を形成している。図１１に示された実施形態は、受信器エレメント３の数ができるだけ少ない場合に回転対称の受信特性を供給する。この場合には、受信器エレメント３によって形成されたアレイは円形である。
【００４８】
図１２に示された装置も、軸に関して対称な受信特性を供給する。しかし、図１１に示されたような円形の装置よりも、より多くの数の受信器エレメント３が必要とされる。使用されているビーム形成方法に依存して、図１２における装置が実現する角度分解能を、図１３に示されている装置も実現する。しかしここでは、受信器エレメント３の数は、図１２に示されている完全に充填されているアレイと比べて、格段に低減されている。
【００４９】
図１３に示されている装置では、いわゆる最小冗長性アレイも論じられる。これは使用されているビーム形成方法に依存して、図１２に示されている実施形態と類似の角度分解能を有している。しかし信号／ノイズ比は悪い。
【００５０】
放射器１の位置は、図２、３、５、６および１０〜１３に示された実施形態においては、任意に選択可能であるが、この場合には、後続の信号処理時にこれが考慮されなければならない。図２、３、５、６および１０〜１３に示されている実施形態において、１つよりも多くの放射器を使用することも可能である。１つよりも多くの放射器を使用することによって、種々の方向から周辺を検出することが可能になる。
【００５１】
図４〜１３に示されている装置の利点は、対象物の垂直／水平な角度位置の他に、垂直な角度位置も求められる、ということである。
【００５２】
信号ノイズ比を改善するために、受信器エレメント３の数を増やすことが有利である。受信器エレメント３によって形成されたアレイ内に、放射器１を組み込む場合には、角度分解能および信号ノイズ比を各用途に依存して最適にする効果的なアレイデザインの使用の可能性が制限される。このような制約の無い最適化は、例えば図１０〜１３に示されているような装置によって可能である。これは、受信器３から形成されているアレイの横に位置付けされている放射器１を有している。
【００５３】
それぞれ１つの放射器１と、複数の受信器エレメント３から成るアレイが設けられている、図示されている実施形態に対して択一的に、それぞれ１つの受信器と、複数の放射器エレメントから成るアレイを設けることも可能である。この場合には、受信器はそれぞれ、図１から１３に示されている放射器１の位置を取り、放射器エレメントによって形成されているアレイは、図１から１３に示されている受信器エレメントの位置を取る。
【００５４】
図１４には、別個にされている放射器を備えた受動的な超音波アレイに対する構造が示されている。
【００５５】
図１４に示された構造は、より大きな到達距離の利点と、近傍領域における低減されたブラインド性の利点とを合わせ持つ。殊に、受動的な超音波アレイの場合には有利には、送信された超音波パルスのみによって、領域全体が、超音波を反射する障害物に関して検査される。
【００５６】
周辺を検出するために、まずは、デジタル信号プロセッサ１１から信号が、放射器１に送出される。このような信号に向かって、超音波パルス１が放射器から出力される。同時に、デジタル受信システム１３が駆動制御される。これによって、デジタル受信システム１２のアナログデジタル変換器がアクティブにされる。
【００５７】
周辺における対象物によって反射された、放射器１から出力された超音波パルスのエコーは、受信器エレメント３によって受信される。受信されたこの信号は、デジタル受信システム１３に転送され、デジタル信号に変えられる。これは、デジタル信号プロセッサ１１に転送される。デジタル信号プロセッサ１１では、並行に受信された信号の、高い周波数でスキャンされた位相情報から、ビーム形成方法によって、対象物までの距離および対象物への方向が求められる。得られた結果は例えば、出力装置１５を介して出力される。
【００５８】
出力装置１５の他に、または出力装置１５に対して付加的に、デジタル信号プロセッサ１１内で求められたデータを別のアプリケーションに転送することが可能である。このアプリケーションはこのデータを例えば処理することができる。殊にロボット工学における使用では、例えば通常、デジタル信号プロセッサ１１内で求められたデータがロボット用の制御ユニットに転送される。ここでこの制御ユニットはこのデータを、ロボットの駆動制御に使用する。
【００５９】
図１５には、別個のセンサを備えた、能動的な超音波アレイのための構造が示されている。図１４に示されているような受動的な超音波アレイとは異なり、能動的な超音波アレイでは、１つの受信器１９と、複数の放射器エレメント１７から成るアレイとが設けられている。装置の周辺を検出するために、放射器エレメント１７はデジタル信号プロセッサ１１によって駆動制御され、これによって超音波パルスが送信される。ここでは、放射器エレメント１７が、種々異なる位相を備えた信号を出力することが可能である。これによって、信号の重畳において、放射されたエネルギーが配向される（すなわちビーム形成）。従って、所期の信号を或る方向へ送信すること、または連続して、周辺を障害物に関してスキャンすることができる。これは、順に複数の送信パルスを異なる方向へ出力することによって行われる。
【００６０】
同時に、デジタル信号プロセッサ１１によって、受信器１９も起動される。受信器１９によって受信された信号は、デジタル受信システム１３において、デジタル信号に変換される。このデジタル信号は次に、デジタル信号プロセッサ１１に供給される。ここで、信号の伝播時間から距離が求められ、放射器アレイの選択された放射特性から方向が得られる。これらのデータは次に、出力装置１５を介して表示される、および／または別の方法のために使用される。
【００６１】
放射器エレメント１７による信号の連続した送出によって、図１５に示された実施形態は、領域全体を検出するためにより長い検出時間が必要になる、という欠点を有する。従って有利には、１つの放射器１と複数の受信器エレメント３とを備えている、図１４に示された装置が使用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年10月19日(2012.10.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの放射器（１）と、当該放射器（１）によって送出され、対象物によって反射された信号を受信するための少なくとも２つの受信器エレメント（３）とを有している送受信アレイを備え、対象物までの距離および対象物への方向を求めるための装置において、
前記受信器エレメント（３）は線形アレイとして、または相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして、または前記放射器（１）を取り囲んでいる、円を形成しているアレイとして、または二次元のアレイとして配置されており、
前記アレイは、前記信号の半波長よりも長い直径を有するものであり、
前記個々の受信器エレメント（３）はそれぞれ１つの個別の面を有しており、当該面の高さないしは直径は最大で前記信号の半波長に相応し、かつ、別個にされている前記放射器（１）は前記信号の半波長よりも長い高さないしは直径を有している、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記受信器エレメント（３）は二次元のアレイとして配置されており、前記放射器（１）を包囲している、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記放射器（１）は前記受信器エレメント（３）に隣接して配置されている、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記装置は少なくとも２つの放射器（１）を含んでおり、それによって１つの状況が複数の方向から超音波検査される、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記装置は少なくとも２つの前記送受信アレイを含んでおり、それによって前記反射されたエコーが複数の位置から検出される、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも２つの放射器（１）は、前記受信器（３）によって構成されたアレイの異なる側に配置されている、請求項４記載の装置。
【請求項７】
少なくとも２つの放射器エレメント（１７）と、当該放射器エレメント（１７）によって送出され、対象物によって反射された信号を受信するための少なくとも１つの受信器（１９）とを有している送受信アレイを備え、対象物までの距離および対象物への方向を求めるための装置において、
前記放射器エレメント（１７）は線形アレイとして、または相互に角度を成して配置されている２つの線形アレイとして、または前記受信器（１９）を取り囲んでいる、円を形成するアレイとして、または二次元のアレイとして配置されており、
前記アレイは、前記信号の半波長よりも長い直径を有するものであり、
前記放射器エレメント（１７）はそれぞれ１つの面を有しており、当該面の高さないしは直径は最大で前記信号の半波長に相応し、かつ別個にされている前記受信器（１９）は前記信号の半波長よりも長い高さないしは直径を有している、
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
前記放射器エレメント（１７）は二次元のアレイとして配置されており、前記受信器（１９）を包囲している、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記受信器（１９）は前記放射器エレメント（１７）に隣接して配置されている、請求項７記載の装置。
【請求項１０】
前記装置は少なくとも２つの受信器（１９）を含んでおり、それによって前記反射されたエコーが複数の位置で検出される、請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記装置は少なくとも２つの前記送受信アレイを含んでおり、それによって１つの状況が複数の方向から超音波検査される、または複数の周波数で並行して超音波検査される、請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
対象物までの距離および対象物への方向を求めるための方法において、
少なくとも１つの放射器（１；１７）がそれぞれ異なる位相を有する複数の信号を送出し、当該信号は対象物によって反射され、受信器エレメント（３；１９）によって、反射されたエコーが複数の入力信号として受信され、当該複数の入力信号を重畳することによって、前記対象物までの距離および前記対象物への方向を算出する、
ことを特徴とする、対象物までの距離と対象物への方向を求めるための方法。
【請求項１３】
請求項１から６までのいずれか１項記載の装置ないしは請求項７から１１までのいずれか１項記載の装置を、自動車内での間隔センサとしてまたはロボット工学における近傍領域識別における障害物識別のためにまたは空気媒体中の障害物識別のために使用する方法。
【国際調査報告】
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