一種高精度的超聲測距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

古　葉,孫海信,*,齊　潔,成　墾,盧曉瑩,周小平

(1.廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2.廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005)

一種高精度的超聲測距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

古葉1,孫海信1,2*,齊潔1,成墾1,盧曉瑩1,周小平2

(1.廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2.廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005)

摘要：為了減小超聲波測距系統(tǒng)的測量盲區(qū)，提高測距精度,本系統(tǒng)采用收發(fā)異體模式,以高斯脈沖調(diào)制信號作為超聲波的發(fā)射信號,通過調(diào)節(jié)高斯信號的脈沖形成因子,改善發(fā)送信號波形,使其具有更好的抗干擾能力．在接收端,采用相關(guān)算法檢測回波到達(dá)時(shí)刻,在不需要增加額外硬件電路的基礎(chǔ)上,即可實(shí)現(xiàn)高精度的測距功能．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)具有良好的測距效果,系統(tǒng)穩(wěn)定,測距精度達(dá)到1 mm,相對誤差在1.5%以內(nèi),無測量盲區(qū)．

關(guān)鍵詞：超聲波測距;波形設(shè)計(jì);高斯脈沖;相關(guān)運(yùn)算

超聲波是頻率高于20 kHz的聲波,超聲波測距系統(tǒng)具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于視覺識別、物體定位、工程測量等．大部分的超聲波測距系統(tǒng)是基于渡越時(shí)間(time of flight,TOF)技術(shù),系統(tǒng)誤差主要由換能器振幅延遲和慣性現(xiàn)象導(dǎo)致[1]．目前,我國對提高超聲測距精度進(jìn)行的研究主要側(cè)重于如何獲取準(zhǔn)確的TOF．主要方法有:閾值檢測法、包絡(luò)峰值檢測法、相位檢測法等．閾值檢測方法實(shí)現(xiàn)簡單,但測距精度低[2]．包絡(luò)峰值檢測不受幅度隨距離變化和虛假回波的影響,但需要額外增加電路抑制尖峰信號[3]．相位檢測根據(jù)相位延遲計(jì)算距離,但回波信號幅值隨距離成指數(shù)型衰減影響測量精度[4]．在收發(fā)一體結(jié)構(gòu)模式下,由于漫反射或者鏡面反射,影響回波到達(dá)時(shí)刻判決[5]．并且由于超聲波余振的影響會產(chǎn)生測量盲區(qū)．測距精度不高、測量盲區(qū)的產(chǎn)生等因素都會造成超聲波測距方法適用的局限性．

本系統(tǒng)將使用收發(fā)異體結(jié)構(gòu)模式,采用高斯脈沖調(diào)制信號作為超聲波發(fā)射信號,引入相關(guān)算法,實(shí)現(xiàn)超聲回波到達(dá)時(shí)刻的檢測和小信號的獲取,提高超聲波測距系統(tǒng)抗噪聲性能和抗衰減能力．

1超聲波測距的基本原理

超聲波測距系統(tǒng)利用超聲波發(fā)射探頭將電能轉(zhuǎn)化為超聲波振動能[6],接收探頭獲得回波信號．通過計(jì)算超聲波TOF得到傳播距離,從而實(shí)現(xiàn)測距．本系統(tǒng)采用收發(fā)異體的測距模式解決超聲波余振問題,實(shí)現(xiàn)無測量盲區(qū)的超聲測距系統(tǒng)．超聲測距模塊分為發(fā)送和接收模塊,超聲波傳播距離計(jì)算公式為:

D=vt,

(1)

式中,v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度,t為超聲波TOF．由式(1)可以看出,超聲波測距精度取決于測量超聲波TOF以及傳播速度大小的準(zhǔn)確性．

超聲波測距系統(tǒng)包含溫度補(bǔ)償部分,通過獲取介質(zhì)溫度,對超聲波傳播速度進(jìn)行修正,從而提高測距精度．超聲波在空氣中的傳播速度由下式計(jì)算得到:

(2)

式中:t為空氣介質(zhì)的溫度,單位為℃;T0為常量,且T0=273.16，v的單位為m/s．

超聲波測距的另一個(gè)關(guān)鍵因素則是TOF的測量．由于硬件本身的局限性,系統(tǒng)都存在計(jì)時(shí)誤差,但可選擇適當(dāng)?shù)拇胧┨岣邥r(shí)間準(zhǔn)確性．超聲波TOF的獲取主要是對超聲回波的分析計(jì)算得到．除此之外,超聲波探頭具有帶通特性，系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生帶寬小的脈沖信號作為發(fā)射波形,當(dāng)發(fā)射脈沖帶寬小于超聲波探頭的帶寬時(shí),即可完全保留發(fā)射信號的相關(guān)信息．由于實(shí)際情況下,不能通過時(shí)域信號的無限展寬而實(shí)現(xiàn)信號頻域壓縮,因此,超聲波發(fā)射信號的選取是超聲波測距系統(tǒng)的首要問題．

2超聲波發(fā)射波形設(shè)計(jì)

圖1　矩形脈沖調(diào)制信號時(shí)域頻域圖Fig.1The time and frequency domain signal of the rectangular pulse

超聲波傳感器可以看作為一個(gè)已知中心頻率fc和帶寬B的帶通濾波器[7]．發(fā)射超聲波頻譜中超出該帶通濾波器帶寬范圍的部分將被抑制,從而影響發(fā)射波的時(shí)域波形．在同一硬件設(shè)備中,當(dāng)激勵(lì)信號一致時(shí),超聲波回波信號具有相關(guān)性和窄帶性[8],超聲波信號隨探測距離的改變只有信號強(qiáng)弱的變化,回波信號與發(fā)射信號以及回波信號和回波信號之間密切相關(guān)．

常用的超聲波發(fā)射波形為正弦調(diào)制矩形脈沖信號,用一個(gè)fc為振蕩頻率的正弦波周期信號調(diào)制一個(gè)矩形脈沖信號,表達(dá)式如下所示:

p(t)=u(t)sin(2πfct),

式中,p(t)為正弦波調(diào)制矩形脈沖信號,u(t)為矩形脈沖信號,T為矩形脈沖信號的長度．p(t)在頻域上表現(xiàn)為u(t)在頻譜上的搬移,通過設(shè)置正弦波頻率來實(shí)現(xiàn)將矩形脈沖的中心頻率搬移到fc處,矩形脈沖信號的頻域表達(dá)式為一個(gè)Sa函數(shù),如下式所示:

當(dāng)設(shè)定T=10 ms,占空比為1∶9,載波頻率為40 kHz,采樣頻率為1 MHz,則矩形脈沖調(diào)制信號的時(shí)域和頻域波形如圖1所示.

矩形脈沖信號的頻譜為Sa函數(shù),除了強(qiáng)度最大的主瓣外還具有很多副瓣．主瓣能量小,抗干擾能力低,主瓣和副瓣相差?。ǔＧ闆r下我們要求副瓣比主瓣低,副瓣越低,主瓣越高,能量越集中,抗干擾能力則越強(qiáng)．

本文提出一種新型的超聲波發(fā)射脈沖信號,利用正弦波調(diào)制高斯脈沖信號作為超聲波發(fā)射信號．通過改變高斯脈沖信號的脈沖形成因子,可以靈活地改變發(fā)射脈沖帶寬.隨著脈沖形成因子的增大,脈沖寬度拓寬,傳輸信號帶寬壓縮[9]．正弦波調(diào)制高斯脈沖信號時(shí)域表達(dá)式如下所示[10]:

q(t)=g(t)sin(2πfct),

式中,q(t)為正弦波調(diào)制高斯脈沖信號,即超聲波發(fā)送信號的時(shí)域表達(dá)式,g(t)為高斯脈沖基帶信號,fc為載波頻率,起到頻譜搬移的作用,α為脈沖形成因子．脈沖形成因子越大,時(shí)域?qū)挾仍綄?傳輸信號頻域帶寬越小,越適用于窄帶傳輸系統(tǒng),但是由于考慮到波形寬度影響采樣點(diǎn)數(shù),以及整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算效率,所以不能無限制地延長信號寬度而減小帶寬．

在超聲測距系統(tǒng)中,高斯脈沖調(diào)制信號作為測距系統(tǒng)發(fā)射信號具有較好的頻域特性．例如設(shè)定系統(tǒng)發(fā)射脈沖寬度T=10 ms,載波頻率為40 kHz,采樣頻率為1 MHz,高斯脈沖形成因子α=10-3,那么高斯脈沖調(diào)制信號的時(shí)域波形和頻域波形如圖2所示.

由圖2可知,高斯脈沖信號幅頻特性具有單峰性,在頻率為載波頻率處具有較大的峰值,不易受噪聲的干擾．對比圖1和圖2可知,高斯脈沖調(diào)制信號具有主副瓣比高,頻域帶寬較小的優(yōu)點(diǎn),相對于矩形脈沖調(diào)制信號而言,更適合作為具有窄帶特性的超聲波測距系統(tǒng)的發(fā)射信號．選擇其作為發(fā)射信號,系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力,經(jīng)過超聲波探頭抑制作用以及傳輸過程中的衰落,信息大部分仍可保留．在此基礎(chǔ)上,可實(shí)現(xiàn)接下來的回波信號相關(guān)處理,獲得超聲TOF精度的提高．

3相關(guān)運(yùn)算在超聲波測距中的應(yīng)用

在超聲測距過程中,聲波呈指數(shù)型衰落,超聲遠(yuǎn)距離測距精度低.在目標(biāo)所在位置基本不變的情況下,雷達(dá)常采用相關(guān)算法進(jìn)行回波信號處理．利用連續(xù)時(shí)間內(nèi)接收到的多個(gè)回波信號之間具有相關(guān)性的特點(diǎn),通過對同一距離下的多個(gè)回波信號進(jìn)行相位和幅度的疊加,增加其信號能量,對微弱回波信號進(jìn)行檢測,實(shí)現(xiàn)長距離檢測．將相關(guān)運(yùn)算處理方法運(yùn)用于超聲波測距系統(tǒng),能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力,實(shí)現(xiàn)在相同條件下的長距離高精度測距功能．

超聲波接收探頭的壓電晶片具有一定的振動慣量,回波信號作用在壓電晶片上,獲得的接收信號幅度按照指數(shù)曲線增加,經(jīng)過若干個(gè)振動周期后到達(dá)飽和狀態(tài);超聲波發(fā)射探頭發(fā)送完信號,壓電晶片仍會保持幾個(gè)周期的余振[11]．因此,常對單脈沖超聲回波信號建模為具有高斯包絡(luò)的正弦調(diào)制信號,有

p(t)=βe-α(t-τ)2sin(2πfct)，

式中,β為回波信號衰減因子,fc為超聲波探頭中心頻率,α為超聲波探頭帶寬因子．建模的目的在于使用模型充分表達(dá)所研究的對象,但模型和現(xiàn)實(shí)對象總存在一定差距,可在充分實(shí)驗(yàn)過程中對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正以達(dá)到模型和實(shí)際對象逼近的目的[12]．

當(dāng)發(fā)射端和接收端之間的相對距離隨時(shí)間具有小范圍變化時(shí),接收端接收到的多個(gè)回波可表示為

(3)

式中tm=mT,t=tn-mT,T為脈沖重復(fù)周期,Ai和Ri(tm)分別為第i點(diǎn)目標(biāo)回波的幅度和tm時(shí)刻的距離,p為歸一化回波包絡(luò),fc為載波頻率．

由式(3)可得其傅里葉變換為

其中P(f)和p(t)是一對傅里葉變換對．

本系統(tǒng)引入匹配濾波對各頻率分量的相位進(jìn)行矯正,按照信號頻譜幅度加權(quán),提高信噪比．匹配濾波器的輸出結(jié)果在時(shí)域上看,相當(dāng)于將回波信號與濾波器的沖激響應(yīng)作卷積計(jì)算．在回波信號已知的條件下,其沖激響應(yīng)則為該回波信號的共軛倒置．采用頻域上先共軛相乘,再對其作離散傅里葉逆變換(IFFT)的方法實(shí)現(xiàn)匹配濾波降低運(yùn)算量．通過匹配濾波處理后,可將Xr(f,tm)化為

Xr(f,tm)=P*(f)Xr(f,tm)=

假設(shè)連續(xù)接收到的回波數(shù)為N,每個(gè)回波信號由M點(diǎn)離散信號組成,根據(jù)N組回波信號的采樣點(diǎn)可獲得一個(gè)N×M的矩陣,每一列數(shù)據(jù)都是相關(guān)的,對矩陣的每列數(shù)據(jù)進(jìn)行同相相加．對每列數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換(FFT),實(shí)現(xiàn)多個(gè)回波信號的相關(guān)運(yùn)算,該方法即加快運(yùn)算速度,又能對相位差進(jìn)行補(bǔ)充．

在已知環(huán)境溫度條件下,對多個(gè)回波信號進(jìn)行匹配濾波再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的輸出結(jié)果如圖3所示．根據(jù)相關(guān)運(yùn)算輸出結(jié)果的峰值求超聲波傳輸距離．由圖3可見,輸出包絡(luò)具有唯一的最大值,容易檢測．

圖3　相關(guān)運(yùn)算結(jié)果Fig.3The result of relevant operation

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

超聲波測距系統(tǒng)框圖如圖4所示,整個(gè)系統(tǒng)在STM32F103單片機(jī)上實(shí)現(xiàn),Cortex M3作為發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)處理模塊核心部分,運(yùn)行相關(guān)算法和控制部分外設(shè)．

圖4　超聲波測距系統(tǒng)框圖Fig.4Block diagram of ultrasonic distance measuring system

在發(fā)送端,通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出管腳給發(fā)射電路產(chǎn)生一個(gè)高斯脈沖調(diào)制信號,信號相關(guān)參數(shù)如表1所示．原始信號經(jīng)過功率放大后,作為超聲波探頭的激勵(lì)信號源．

表2　超聲波測距結(jié)果及誤差

在接收端,接收電路對回波信號進(jìn)行濾波和放大處理,經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和直接內(nèi)存存取(DMA)模塊高速輸出,在數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行相關(guān)處理．溫度檢測部分利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片實(shí)現(xiàn)溫度采集,根據(jù)式(2)的溫度和聲速轉(zhuǎn)換公式獲取當(dāng)前環(huán)境下超聲波的傳輸速度．在已知溫度條件下,通過相關(guān)運(yùn)算計(jì)算出超聲波傳輸距離,從而實(shí)現(xiàn)測距．

表1　發(fā)送信號參數(shù)

時(shí)鐘同步模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步，發(fā)送端發(fā)送信號后接收端同步開始進(jìn)入ADC采集,在經(jīng)過16個(gè)脈沖寬度的時(shí)間后對多個(gè)回波信號進(jìn)行相關(guān)處理．

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)測距準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性,最終的測距結(jié)果取3次測量的平均值．在所述硬件平臺上,對本文所提出超聲測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行驗(yàn)證,并與傳統(tǒng)的閾值比較法進(jìn)行對比,不同距離的測量結(jié)果如表2所示．實(shí)際測量數(shù)據(jù)可以看出,在同一距離下的連續(xù)3次測量,傳統(tǒng)閾值比較法測距結(jié)果波動較大,并且隨著距離不斷增加,接收到的信號幅度變化較大,測距結(jié)果受閾值和幅值影響很大,因此傳統(tǒng)閾值比較法測距效果不穩(wěn)定．基于本文提出的方法得到的測距效果不受距離變化的影響,同一距離下的測距結(jié)果浮動范圍小,具有較穩(wěn)定和精確的測量結(jié)果．在不同距離下,閾值比較法測距效果隨著距離不斷增加,波動不斷增大．基于本文提出的方法測距效果不受距離變化的影響,隨著距離的增加,一直維持較小的相對誤差,具有較高的穩(wěn)定性和精度．同時(shí),由于本文提出的測距方法采用的是收發(fā)異體模式,因此該測距方法無測量盲區(qū),可實(shí)現(xiàn)短距離測距．

5結(jié)論

在超聲波測距系統(tǒng)中,如何正確獲取超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度,以及正確檢測超聲波在介質(zhì)中的傳輸時(shí)間,是提高超聲波測距系統(tǒng)測量精度的關(guān)鍵之處．本文從超聲波信號的產(chǎn)生出發(fā),用高斯脈沖調(diào)制信號代替矩形脈沖調(diào)制信號,作為超聲波發(fā)射信號;采用相關(guān)算法對多個(gè)回波信號進(jìn)行處理,檢測超聲波傳播距離,實(shí)現(xiàn)超聲波測距功能．在接收端對數(shù)據(jù)的處理過程中,不需要增加額外的硬件電路,即可實(shí)現(xiàn)高精度的超聲波測距．從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:使用超聲波收發(fā)異體的結(jié)構(gòu)模式,在實(shí)現(xiàn)超聲波測距時(shí)無盲區(qū),系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超短距離的測距功能．當(dāng)信號放大倍數(shù)足夠大時(shí),本系統(tǒng)的測距距離為收發(fā)一體可測最大距離的2倍．因此,該方法可實(shí)現(xiàn)精度高的長距離測距．

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An Implement Method for High-precision Ultrasonic Distance-measuring System

GU Ye1,SUN Haixin1,2*,QI Jie1,CHENG Ken1,LU Xiaoying1,ZHOU Xiaoping2

(1．College of Information Science and Engineering,Xiamen University，2．Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:In order to reduce the range of blind areas and improve measurement accuracies,this ultrasonic distance-measuring system adopts the model,in which the sender and the receiver are separated．Gaussian pulse modulated signal is proposed as the transmitter signal．By adjusting the parameters of the Gaussian signal,it can improve the waveform and anti-interference abilities．During the processing of signais, the relevant operation is used to detect the time of echo arrival．Without needing extra hardware circuits,the existing system can achieve high-precision measurements．Experimental results show that the measuring system possesses great distance-measuring capability,system stability,relative error lying within 1.5%,the accuracy at 1mm,and zero measuring-blind area.

Key words:ultrasonic distance measurement;waveform design;Gaussian pulse;correlative algorithm

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.2016.03.016

收稿日期：2015-07-23錄用日期：2015-12-29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61471309);福建省自然科學(xué)基金(2013J01258)

*通信作者：hxsun@xmu.edu.cn

中圖分類號:TP 274.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)03-0396-05

引文格式：古葉,孫海信,齊潔，等.一種高精度的超聲測距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,55(3)：396-400.

Citation：GU Y,SUN H X,QI J,et al．An implement method for high-precision ultrasonic distance-measuring system.Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(3)：396-400．(in Chinese)