內(nèi)部輪廓超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計

李勇峰，張艷花，楊錄

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原030051)

內(nèi)部輪廓成像大都采用攝像頭直觀成像，但在低能見度、高粉塵的環(huán)境中(如煤礦巷道)，這種直觀成像方法精度較低，穩(wěn)定性較差。文中采用三通道時差法增益補償測距方法，實現(xiàn)了大量程、高精度的超聲波測距，并通過上位機軟件實現(xiàn)對內(nèi)部輪廓的實時呈現(xiàn)。三通道時差法的應(yīng)用很好解決了內(nèi)部輪廓表面不平坦對成像精度的影響，在公路隧道成像、煤礦巷道探測、曲面仿形檢測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 內(nèi)輪廓成像系統(tǒng)的模型

內(nèi)輪廓超聲波成像系統(tǒng)的模型如圖1所示，假定圖中圓柱體為待測物體內(nèi)部輪廓，內(nèi)輪廓超聲成像系統(tǒng)是由a、b、c 3 個超聲波傳感器組成的三通道探頭組在物體內(nèi)部實施同一位置探頭組360°旋轉(zhuǎn)高速測距，利用電機每隔46 ms 向前推進10 mm，測得一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)絻?nèi)輪廓數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，通過上位機軟件算法在成像顯示屏上進行實時圖像顯示，從而有效指導(dǎo)工程師的工程操作。

圖1 內(nèi)輪廓成像系統(tǒng)的模型

內(nèi)輪廓三通道時差法高精度超聲波測距系統(tǒng)由一個收發(fā)一體電路與兩個接收電路共同組成，測距輪廓直徑可達到10.4 m，設(shè)計測距精度不大于3 mm。時差法超聲波高精度測距模型如圖2、圖3所示，a、b、c 為超聲波傳感器，b 為收發(fā)一體超聲測距電路，a、c 為超聲測距回波接收電路，超聲波傳感器的發(fā)射接收角度為±55°，在d1≤d2時，能保證傳感器b先于a、c 接收到回波信號，進而由時間差Δt1、Δt2推算出傳感器b 到障礙物的距離。

(1)當障礙物與超聲傳感器所在平面垂直時見圖2。

圖2 障礙物與超聲傳感器所在平面垂直結(jié)構(gòu)圖

由于a、c 對稱，此時t1= t3，從而Δt = t1－ t2，通過計算得傳感器b 到障礙物1 的距離為

式中:c 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。

(2)當障礙物與傳感器平面有一點夾角時，見圖3。

圖3 障礙物與傳感器平面有夾角結(jié)構(gòu)圖

由圖知此時Δt1=t1－t2、Δt2=t4－t3，通過計算得傳感器b 與障礙物之間距離L 為

由此可見，內(nèi)輪廓超聲波成像系統(tǒng)中三通道時差法超聲測距系統(tǒng)的設(shè)計能有效地解決被測物體內(nèi)表面不平整對測距系統(tǒng)造成的測距誤差，提高了測距的準確性，為后續(xù)成像算法提供了實時準確的數(shù)據(jù)。

2 三通道時差法高精度超聲波測距儀的設(shè)計

時差法高精度超聲波測距儀電路具體設(shè)計見圖4。

圖4 電路設(shè)計流程圖

2.1 超聲波發(fā)射部分

超聲波發(fā)射電路由NE555 組成多諧振蕩器產(chǎn)生周期為46 ms、低電平為330 μs 的觸發(fā)波，在低電平期間觸發(fā)另一片NE555 產(chǎn)生40 kHz 的超聲波，再通過變壓器實現(xiàn)激勵信號的幅度放大并作用于超聲傳感器發(fā)射超聲信號。發(fā)射電路與單片機獨立，可以周期性地發(fā)射超聲波。

2.2 超聲波模擬接收部分

傳感器信號通過由無限增益帶通濾波構(gòu)成的前置放大電路、巴特沃斯二階高通濾波器、距離增益補償電路(TGC)、巴特沃斯四階低通濾波器、雙向檢波、差動放大、AGC 自動增益補償電路以及遲滯比較器共同組成。

2.2.1 前置放大模塊

如圖5所示，前置低噪聲放大電路采用三極管放大電路和NE5532 構(gòu)成的無限增益多路反饋有源帶通濾波電路。三極管放大電路能有效地緩解發(fā)射超聲波拖尾對回波信號的影響，無限增益多路反饋有源帶通濾波電路采用反相端輸入，失真較小，能有效地去除回波信號中發(fā)射波信號的干擾以及盲區(qū)對測距的影響。通過第一級中心頻率為40.2 kHz、帶寬為1.3 kHz、中心頻率處增益為1 690 以及第二級中心頻率為39.55 kHz、帶寬為2.26 kHz、中心頻率處增益為319 的帶通濾波，有效地去除拖尾并且對回波信號進行適當放大。

圖5 前置放大模塊

無限增益多路反饋有源帶通濾波器具體的各項參數(shù)計算公式如下:

中心頻率fm為:

fm處的增益:

品質(zhì)因素:

帶寬:

由此看出無限增益多路反饋有源帶通濾波電路可以允許對Q、Am和fm進行獨立調(diào)節(jié)，而且?guī)捄驮鲆嬉蜃优cR31、R32無關(guān)，因此R31、R32可以分別用來調(diào)節(jié)中心頻率而不影響帶寬B 和增益Am對于低Q 值情況，方便對中心頻率、帶寬、品質(zhì)因素以及增益的調(diào)節(jié)。另外濾波器可以不用R31、R32而工作，此時Q可通過－Am=2Q2來計算。

無限增益多路反饋有源帶通濾波電路的輸出信號將經(jīng)過二階巴特沃斯高通濾波電路，采用35 kHz 的截止頻率，濾除一些低頻噪聲，防止其進入距離增益補償電路。

2.2.2 距離補償電路設(shè)計

如圖6所示，距離增益補償電路是采用由美國AD 公司推出的寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA 芯片AD603 以及低噪聲、輸出軌至軌的四運放TL974、四雙向模擬開關(guān)CD4066 共同組成，其中由TL974 和CD4066 產(chǎn)生幅值隨時間變化，斜率、偏置可調(diào)的積分曲線。積分曲線的輸出與AD603的GPOS 相連，GNEG 端設(shè)為參考電壓，電路增益范圍為40Vg+20 dB，其中Vg為GPOS 與GNEG 端的電壓差。CD4066 模擬開關(guān)構(gòu)成的積分電路實現(xiàn)對增益曲線的控制，其控制管腳由NE555 產(chǎn)生周期為46 ms、低電平為330 μs 的觸發(fā)波通過三極管開關(guān)電路得到，從而使積分曲線在45.67 ms 的回波周期內(nèi)得到積分曲線，在330 μs 的觸發(fā)超聲波周期內(nèi)實現(xiàn)積分曲線的復(fù)位。從而在測距周期內(nèi)，實現(xiàn)對回波信號的有效距離補償。

圖6 距離增益補償電路

由于目標物體距離越遠，回波信號幅值就越小，因此距離增益補償使得回波信號在測距周期內(nèi)隨著目標距離增加、回波信號幅值減小而增益變大，這樣既能避免近距離回波信號的飽和失真，同時也克服了遠距離回波信號幅值偏低對信號差值提取的影響，從而使回波信號在整個時間周期內(nèi)，幅值保持基本相同，為后續(xù)檢波整形以及數(shù)字邏輯電路部分能夠正常工作提供足夠強的信號。系統(tǒng)通過幅值隨測距周期目標物體距離變化所形成的積分曲線實現(xiàn)了增益隨時間、信號強弱的人為控制，繼而實現(xiàn)對回波信號的距離增益補償，可調(diào)性強，靈活性大，便于實際生產(chǎn)應(yīng)用。

距離增益補償電路(TGC)增益曲線示意圖見圖7。

圖7 距離增益補償電路(TGC)增益曲線示意圖

2.2.3 雙向檢波模塊

由于發(fā)射電路發(fā)射脈沖的穩(wěn)定性以及超聲一體化傳感器的功率穩(wěn)定性，每次回波的檢波信號會有10 μs 左右的誤差，這對FPGA 計數(shù)器計數(shù)會產(chǎn)生很大的誤差影響，因此系統(tǒng)采用雙向檢波，使檢波后的包絡(luò)狀波形相互疊加，進而減小系統(tǒng)誤差對測試數(shù)據(jù)的影響， 雙向檢波后的信號通過增益為2 倍的差動放大器。

2.2.4 AGC 自動增益模塊

AGC 自動增益電路，也就是通俗講的振幅穩(wěn)定振蕩器，通過輸出信號的幅值反作用輸入增益控制器，輸出幅值較小，增益自動變大;輸出幅值較高，增益自動減小，從而實現(xiàn)增益對檢波信號的自動幅值控制。圖8所示最大控制范圍為60 dB 的AGC 電路，由VCA810、運算放大器和幅值檢測二極管D4 構(gòu)成，其中C13為保持電容，RB7、R21控制攻擊和釋放時間，電阻R18和電容C13控制增益階段反饋循環(huán)。每當VO2 輸出峰值超過虛擬峰值，運算放大器就會輸出擺動，正向偏置二極管和保持電容充電，電壓正向驅(qū)動電容，降低放大器的增益，從而實現(xiàn)自動增益的控制。RB7和C13決定了這個自動增益的攻擊和釋放時間。圖9 為輸入/輸出范圍與增益示意圖。

圖8 AGC 自動增益電路

圖9 輸入/輸出范圍與增益示意圖

2.2.5 超聲波接收電路數(shù)字部分

經(jīng)過遲滯比較器后通道1、通道2、通道3 信號經(jīng)過由74HC4538 構(gòu)成的邊沿提取電路以及數(shù)字邏輯電路產(chǎn)生門信號GATE0、GATE1。時序邏輯如圖10所示。

圖10 時間差信號時序邏輯圖

GATE0、GATE1 信號通過FPGA，分別求出Δt1與Δt2，根據(jù)公式(1)、(2)求出L。

2.2.6 FPGA 與C8051F340 單片機的數(shù)據(jù)傳輸

考慮到計數(shù)器的精確度，系統(tǒng)采用FPGA 進行計數(shù)，計數(shù)時鐘采用50M 系統(tǒng)時鐘，計數(shù)完成后，由FPGA 通過I/O 口，實現(xiàn)FPGA 與C8051F340 的數(shù)據(jù)通信，把數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絾纹瑱C，并儲存到片外RAM 里，為后續(xù)上位機算法提供實時數(shù)據(jù)。

2.2.7 上位機成像算法的研究

在高粉塵、無視覺的被測物體內(nèi)(如煤礦巷道)，通過內(nèi)輪廓超聲波三通道時差法高精度超聲波測距系統(tǒng)在巷道內(nèi)部每一位置進行360°旋轉(zhuǎn)，測得一組數(shù)據(jù)，然后通過電機推動，系統(tǒng)每前進10 mm停止46 ms 再測得一組數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C，由上位機軟件MATLAB 進行分析、計算成像并通過VC 設(shè)計用戶操作界面，使用戶可以在不同角度、不同方位對圖像整體以及不同角度的切面進行實時觀察。成像模擬示意圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)成像模擬示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖12所示。

圖12 軟件設(shè)計流程圖

4 實驗分析

從實驗測試可以得出，系統(tǒng)測量精度達到了3 mm，誤差值為0.6%，測量范圍直徑達到10.4 m(d1=4 cm，d2=5 cm 時)。內(nèi)部輪廓的成像精度取決于系統(tǒng)測距的精度，直接取決于三通道時間差值的提取以及傳感器所測距離點數(shù)的數(shù)量與次數(shù)，每個位置測距點數(shù)多、次數(shù)多可有效提高系統(tǒng)的成像精度。對于精度的進一步提高，有以下兩種辦法:(1)對傳感器工作的環(huán)境溫度進行實時精確測量，對系統(tǒng)測距精度進行校正;(2)優(yōu)化控制系統(tǒng)，增加測距次數(shù)與點數(shù)，進而提高成像精度。

5 結(jié)論

內(nèi)部輪廓三通道超聲成像系統(tǒng)主要依據(jù)高精度、大量程的三通道時差法測距儀，三通道時差法測距儀采用距離增益補償、自動增益補償?shù)扔布娐返男问浇⑵鹑ǖ赖臅r間差值進而反推出被測距離，從而實現(xiàn)高精度、大量程的內(nèi)部輪廓測距與成像?？梢钥闯?系統(tǒng)測距電路相對簡單，成本較低，便于攜帶，在公路隧道成像、煤礦巷道探測、曲面仿形檢測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

【1】熊春山，彭剛，黃心漢，等.基于超聲測距的三維精確定位系統(tǒng)與設(shè)計［J］.自動化儀表，2001(3):7－10.

【2】胡躍輝，周康源，周平，等.一種實時3D 超聲定位系統(tǒng)的設(shè)計［J］.聲學(xué)技術(shù)，2004(1):29－32.