超聲波傳感信號傳輸信道特性分析與測試

覃遠年,成 帥,黃 春

(桂林電子科技大學(xué)通信實驗中心,廣西桂林 541004)

超聲波傳感信號傳輸信道特性分析與測試

覃遠年,成 帥,黃 春

(桂林電子科技大學(xué)通信實驗中心,廣西桂林 541004)

為了提高超聲波避障測距系統(tǒng)的作用距離,對超聲波信號檢測與超聲波傳輸信道、信噪比的關(guān)系進行了分析。將超聲波傳播特性與無線電波傳播特性進行了對比研究,采用頻譜測量的方法對超聲波傳輸特性、信噪比特性進行了實際測試,并給出了提高避障測距系統(tǒng)作用距離的方法與建議。

超聲波避障系統(tǒng);超聲波測距;信道特性;信噪比

超聲波傳感器在料位測量、安全行駛輔助系統(tǒng)、地形地貌探測等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于超聲波信號具有受光線和電磁干擾影響小的優(yōu)點,以及具有價格低廉、使用方便的特點,在車船、機器人的避障系統(tǒng)中得到了較多的應(yīng)用[1-3]。

避障系統(tǒng)要求檢測距離大,提高超聲波信息傳輸和檢測距離,就可以使超聲波傳感器在避障系統(tǒng)中獲得更好的應(yīng)用效果。當(dāng)前有較多的關(guān)于超聲波信號接收、檢測算法的研究,提出了互相關(guān)函數(shù)法、譜線分析法、相位檢測法和自適應(yīng)時延估計法等算法[4-5]。但是,針對超聲波實現(xiàn)遠距離信號檢測與信道、信噪比之間的關(guān)系進行深入分析與測試相對較少。本文將對超聲波傳播與無線電磁波傳播特性進行對比,對超聲波信息傳播的信道特性、信噪比與檢測距離的關(guān)系做深入的研究。

1 超聲波信號檢測與信噪比之間的關(guān)系

在避障測距系統(tǒng)中,超聲波信號檢測與無線通信中的信號,尤其是雷達信號的檢測、處理過程是類似的,都要求接收系統(tǒng)能從混合的信號中將有用的信息提取出來,系統(tǒng)固有的噪聲及來自外部的干擾信號,都對接收端的信號檢測產(chǎn)生影響。對于不同信號形式的檢測與接收,按照通信系統(tǒng)誤碼率與信噪比的理論進行分析,誤碼率＝(虛報次數(shù)＋漏報次數(shù))/總樣本數(shù)。對于ASK、FSK、PSK 3種信號,PSK信號在信噪比(SNR)為8dB時誤碼率小于10－3,在相同誤碼率條件下,在信噪比要求上2PSK比2FSK小3 d B,2FSK比2ASK小3 dB,在抗噪聲方面,2ASK最差[6]。而常用的超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射和接收信號為幾個到十幾個周期超聲波脈沖串,這種信號類似ASK信號,在SNR大于14 d B時可以得到較好的檢測效果。超聲波脈沖信號與脈沖雷達發(fā)射的信號類似,由雷達技術(shù)的捕獲經(jīng)驗可知,對于脈沖雷達信號的檢測,當(dāng)SNR大于14 dB時,能得到令人滿意的捕獲結(jié)果[7],采用小波變換等信號處理后可以提高信噪比[8]。采用擴頻的方式進行超聲波信號的發(fā)射與接收,由于存在擴頻增益,信號的檢測門限比未擴頻信號的信噪比門限低。

2 避障測距系統(tǒng)的超聲波傳播信道與無線電波信道的對比分析

超聲波信號與無線電波的傳播有基本相同的規(guī)律,但也存在差異。這兩種信號都是隨著傳播距離的增大產(chǎn)生衰減,且信噪比降低。信號衰減的原因基本都可以分解為路徑衰減、陰影效應(yīng)、衰落3種不同的效應(yīng)[9]。

路徑衰減包括幾何衰減和介質(zhì)損耗。幾何衰減的原因為傳播距離增大,信號能量的面積擴大,單位面積上的能量減小,對于球面波,接收功率隨距離的平方衰減,即接收功率與距離的關(guān)系為10 d B/10倍程,在這點上超聲波與無線電波是類似的。

介質(zhì)損耗對于超聲波傳播而言,即是媒質(zhì)對聲音能量的吸收,產(chǎn)生的原因是媒質(zhì)的黏滯性、熱傳導(dǎo)性和分子弛豫過程,使得聲波能量轉(zhuǎn)變成了熱能量。對于無線電波而言,介質(zhì)損耗源于介質(zhì)分子對電子運動能量的阻尼吸收。無線電波在空氣中傳播受到介質(zhì)損耗很小,可以忽略,而在水中傳播受到的介質(zhì)損耗很大。超聲波在空氣中的傳播時,超聲波頻率越高,振動波在介質(zhì)傳播受到的損耗越大,損耗系數(shù)基本上與頻率的平方成正比,然而,超聲波在水中傳播受到的介質(zhì)損耗較小。

陰影效應(yīng)是非確定性的。在相同路徑衰減相當(dāng)?shù)臅r間尺度內(nèi),引起與發(fā)射機相同距離的不同接收機的接收信號是變化的,當(dāng)然,所有這些點上的平均功率還是由路徑衰減決定的。

衰落是由多徑傳播引起的。多徑環(huán)境下,信號經(jīng)過不同的傳播路徑到達接收端,多個分量相互干涉使得總的信號快速波動。在寬廣的環(huán)境中傳播的無線電波或者超聲波,需要較多地考慮地面的反射,對于無線電波,此時可以用簡單的雙線模型進行分析,接收端的信號是直達信號與地面反射信號的合成;對于超聲波,同樣會受到地面反射信號的影響,與無線電波傳播的雙線模型不同,例如VHF頻段的無線電波為米波范圍,波長相對較長,地面起伏粗糙的尺度小于電波波長,地面可以看作平坦鏡面,反射路徑較簡單;而空氣中的超聲波波長為厘米范疇或更小,當(dāng)?shù)孛嫫鸱植诘某叨却笥诔暡ǖ牟ㄩL時,將不能以平坦鏡面來近似,地面反射的超聲波信號相對雜亂。

3 實際環(huán)境中超聲波傳播特性測試

在避障測距系統(tǒng)中,超聲波信號檢測的關(guān)鍵是接收信號的信噪比的檢測。本文中采用直接測量接收信號的信噪比的方式進行超聲波傳播特性測試。

信噪比可以采用頻譜儀進行測量[10]。設(shè)置頻譜儀進入信道功率測量模式,適當(dāng)選取信道積分帶寬,使測量窗口包含接收信號的整個頻譜包絡(luò),就可以讀取頻譜分析儀顯示的功率值,即為信號功率;將發(fā)射信號關(guān)閉,頻譜分析儀顯示的功率值即為噪聲功率,由此可以測得接收信號的信噪比。雖然測試端加入了低噪聲放大器,測試到的信號經(jīng)過了放大,但是頻譜儀測量的信號、噪聲兩者都放大了相同的倍數(shù),而且低噪聲放大器引入的本底噪聲遠小于外部環(huán)境噪聲,低噪聲放大器的噪聲可以忽略,因此,信噪比值無影響。此方法測得的信噪比可以真實地反映當(dāng)前測試點的信號情況。

3.1 開闊空間超聲波信號特性測試

在開闊的廣場環(huán)境中進行信號測試,使用40 k Hz超聲波探頭發(fā)送測試信號,接收信號經(jīng)過低噪聲放大后送入頻譜儀進行測量。圖1為在開闊的廣場環(huán)境下的噪聲頻譜特性測試圖。使用頻譜儀的信道功率測量模式進行測試。廣場環(huán)境下,在中心頻率為40 k Hz、帶寬為7.4 k Hz條件下測得系統(tǒng)噪聲功率為102.3 dBm,通過在多個位置點進行噪聲測試,測得的噪聲功率變化較小,變化小于2 d B。圖2為距離發(fā)射點80 m處使用頻譜儀測得的接收信號功率。

圖1 使用頻譜儀測得的系統(tǒng)噪聲功率

圖2 距離發(fā)射點80 m處頻譜儀測得的接收信號功率

在開闊的廣場下測試和計算得到的SNR與距離L的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 開闊空間下超聲波SNR隨距離變化的實測值與計算值對比曲線

實際上,室溫下不同濕度的空氣對于超聲波傳輸?shù)淖畲笏p量對于頻率較低的超聲波可以粗略表示為[11]

而對于50 k Hz以上的超聲波,可以粗略表示為

其中,a(f)表示最大衰減量,即傳輸1 m衰減的最大分貝數(shù);f代表超聲波頻率,單位k Hz。

由式(1)可知,40 k Hz的超聲波在室溫空氣中傳輸1 m最大衰減大約1.31 dB;采用式(2)計算,則傳輸1 m最大衰減大約0.92 dB。由式(1)和式(2)計算的每米最大衰減量與自由空間球面波擴張引起的路徑損耗進行信噪比計算,公式為

式(3)中SNR0為參考點測試得到的信噪比,取a(f)＝1.31 dB與a(f)＝0.92 dB分別代入式(3)得到計算值1與計算值2。由測試可見,實測值稍大于計算值,分析其原因為:計算值采用每米最大衰減量進行計算,而由于空氣溫度、濕度的不同,實際衰減量小于最大衰減量。而且,由于發(fā)射、接收探頭有較強的方向性,地面存在一定的粗糙度,信號反射影響減弱,使得實測信號特性較接近于包含空氣吸收的自由空間的信號特性。

3.2 公路環(huán)境下超聲波信號特性測試

同樣,也進行了車輛較少的馬路、車輛較多的馬路等不同環(huán)境下的信號實測。測試結(jié)果表明:車輛較少的時候的信號測試與空曠廣場環(huán)境下的測試情況相差不大;在車輛較多的情況下,相對于空曠廣場的情況,車輛引入的噪聲使得信噪比下降3 dB左右,比預(yù)計的影響要小,其原因是環(huán)境、車輛的噪聲主要集中在相對低的頻段,在超聲波頻段分量較少。

在測試中還發(fā)現(xiàn),儀器設(shè)備中開關(guān)電源的噪聲有可能落到測試的頻率范圍內(nèi),這主要是由于開關(guān)電源變壓器震動造成的。當(dāng)開關(guān)電源的工作頻率落入接收的頻率范圍、而且變壓器、電感等繞制不夠緊密時,工作時就會造成機械震動,震動噪聲對超聲波信號造成干擾。

4 結(jié)束語

由前面的分析可知,超聲波在空氣中傳播,空氣吸收造成的信號衰減起主要作用,要提高超聲波信號傳播的距離,一是要提高信號的發(fā)射聲壓級;二是要降低超聲波的頻率,比如測試中采用25 k Hz的超聲波探頭進行測試時,信號傳輸距離提升非常明顯;三是采用偽隨機序列擴頻、線性調(diào)頻擴頻等方式進行信號的發(fā)射與接收,當(dāng)擴頻增益為30 dB的時候,可以允許擴頻信號比未擴頻信號在信噪比惡化30 dB的情況下進行接收,從而提升信號的作用距離[12];四是采用傳感器陣列,當(dāng)傳感器之間的距離d≥λ/2(λ為超聲波波長)時,可保證接收探頭信號的衰落特性相互獨立,可以實現(xiàn)與無線通信分集接收效果相同的增強信號、抵消噪聲的作用。

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Channel characteristics analysis and measurement of ultrasonic sensing signal

Qin Yuannian,Cheng Shuai,Huang Chun
(Experimental Center of Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to improve the sensing range of ultrasonic anti-collision alarming system and range-finding system,The ultrasonic signal detection performance relationship with the ultrasonic channel and SNR are analyzed.The channel characteristics of ultrasonic with radio waves are compared,The SNR and channel characteristics of ultrasonic wave are actually measured by using a spectrum analyzer.Some available measures are given to improve the range of anti-collision alarming system and range-finding system.

ultrasonic anti-collision alarming system;ultrasonic ranging;channel characteristics;SNR

TB552

B

1002-4956(2015)4-0036-03

2014-08-15修改日期：2014-09-30

國家自然科學(xué)基金項目(61162008);廣西科技開發(fā)項目(桂科攻12118017-5)

覃遠年(1971—),男,廣西昭平,高級實驗師,主要研究方向為無線通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng).

E-mail:qinyn＠guet.edu.cn