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超聲波測距系統(tǒng)以其結構簡單、造價低、電路易實現(xiàn)等優(yōu)勢在各個領域得到了廣泛應用。但在實際應用中，系統(tǒng)本身的局限性對超聲波測距精度的影響很大，因此改進或者減小系統(tǒng)本身的局限性，以提高超聲波測距的精度，是廣大研究人員關注的課題。目前，國內出現(xiàn)了許多提高超聲波測距精度的方法，根據測距系統(tǒng)應用具體環(huán)境的不同提高精度的方法略有迥異，但基本都是圍繞著減小測量渡越時間的誤差和減小環(huán)境溫度的影響兩個方面提出的。因此，本文分別從這兩個方面分類總結了減小誤差、提高精度的方法。

1 超聲波測距原理與誤差分析

目前，利用超聲波測距大都是利用壓電方式產生超聲波，由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，當遇到障礙物時立即返回來，超聲波接收器收到超聲波就立即停止計時。設超聲波在空氣中的傳播速度為c,計時器記錄的時間為t，發(fā)射點到障礙物的距離為L,則超聲波測距公式為

(1)

根據式(1)可知，測距的誤差主要是由超聲波的傳播速度誤差和測定傳播時間的誤差引起的，因此提高超聲波測距精度的解決方案基本是圍繞減小這兩個方面的誤差展開的。

2 提高超聲波測距精度的方法

2.1 減小測量渡越時間誤差

2.1.1歸一化回波包絡信號的方法[1]

由超聲波測距原理可知，如果忽略環(huán)境變化對聲波傳播的影響，那么如果能夠測得精確的傳播時間，就可以得到比較準確的傳播距離，此方法是從減小渡越時間誤差的角度提出的。通過跟蹤分析聲波的傳播過程，可以發(fā)現(xiàn)起伏是引起超聲波測距誤差的主要原因之一，所以有必要對起伏條件下回波曲線的特性進行分析。通過分析理想條件下起伏信道的輸入、輸出信號，可知起伏反映在輸出信號上的效果有兩個方面，一是造成了信號幅度的起伏；二是造成了回波信號在時域上的漂移。將理想條件下的回波包絡信號曲線與起伏條件下回波信號進行標準化處理，從而消去幅度起伏。然后，由泰勒公式進行近似處理，得到回波包絡信號的直線方程。

圖1 包絡檢測原理圖

圖1為回波包絡檢測原理圖,在檢測時,由門限電平V1、V2測得對應時間為T1、T2,回波前沿到達時間為t0,門限電平V1所造成的測量延遲時間為t1,門限電平V2所造成的測量延遲時間為t2,則由圖可以看出T1=t0+t1,T2=t0+t2,峰值檢測測得回波峰值為Vm,由回波包絡歸一化曲線近似方程得:

Y(t1)=V1/Vm=Kt1
Y(t2)=V2/Vm=Kt2

(2)

由于T1-T2=t1-t2,求得：

(3)

因此脈沖前沿到達時間為

(4)

2.1.2時間增益補償電路[2]

時間增益補償的方法是利用回波接收放大電路的增益與回波接收時間成正比，或者放大倍數與回波時間成指數關系來減小回波起伏的誤差，使接收電路接收的回波信號幾乎保持不變。

超聲波在傳播過程中，會產生衰減現(xiàn)象。超聲波的聲強會隨時間的推移而逐漸減小，所以可以通過對衰減的回波進行增益補償來減小聲強的變化，從而避免隨距離的增加導致回波幅度起伏?；夭ㄆ鸱鼫p小了，時間誤差減小了，那么測量精度就提高了。

由圖2可見，經過時間增益補償，不同距離的回波幅度不再起伏，若補償精確，可使回波幅度基本保持常數。

(a)信號強度隨距離衰減曲線

(b)不同距離的回波幅度

(c)距離補償增益曲線

(d)相應補償后的波形

2.1.3一種基于小波變換對超聲波測距系統(tǒng)回波信號進行處理的方法[3]

為了得到精確回波包絡，可以采用小波去噪來處理超聲波測距系統(tǒng)的超聲波的回波信號，然后再進行后續(xù)的測距距離計算，以達到更精確的距離測量。下面對小波去噪進行分析。從信號處理角度看，小波去噪是一個信號濾波的問題，實際上是特征提取和低波功能的綜合，基本方法是先對含噪信號進行多尺度小波變換，然后在各尺度下提取出信號的小波系數而去除噪聲的小波系數，最后用小波逆變換重構信號，達到去噪的目的。小波去噪的基本流程如圖3所示。

圖3 小波去噪基本流程

小波去噪是在小波域對噪聲小波系數進行抑制，以達到去除噪聲的目的?；痉椒ㄖ饕行〔ㄗ儞Q模極大值去噪、基于各尺度下小波系數相關性去噪、收縮閾值法去噪、平移不變量小波法去噪，這4種方法各有優(yōu)缺點。小波閾值法是對小波系數進行閾值化處理，基本上可去除所有的噪聲。

2.1.4回波信號的包絡峰值檢測[1]

通過對相同的障礙物，不同的傳播距離和不同的障礙物，相同傳播距離的回波波形進行實驗觀察得出，回波包絡線形基本一致，只是波幅不同，因此提出回波信號的包絡峰值檢測法。從工程精度考慮,可以認為超聲波回波幅值包絡線的形狀基本不隨回波信號的大小變化，即回波信號包絡峰值所對應時刻tp與回波前沿到達時刻t0間的時間差(tp-t0)不隨障礙物遠近的變化而變化，而時間差(tp-t0)也容易通過實驗計算出來。因此,可將接收回波信號的包絡峰值所對應的時刻tp作為停止記數的時刻,用回波包絡峰值所對應時刻與回波前沿到達時刻的時間差(tp-t0)就可消除由于時間檢出點變化所引起的測量誤差，因為采用包絡峰值時間點的檢測方法與信號振幅無關,故具有優(yōu)良的傳輸時間檢出特性，能夠減小由渡越時間引起的誤差。

同時，為了消除虛假回波的干擾,使達到閥值的虛假回波可以被峰值檢波濾掉，可以采用隨時間變化的自動增益控制(AGC)電路實現(xiàn)。因為超聲波回波信號的幅值隨傳播距離的增加而成指數規(guī)律衰減,所以采用AGC電路使放大倍數,隨距障礙物距離的增加成指數規(guī)律增加。在計數器開始計時的時刻,AGC電壓開始隨時間增加而增加,在檢測到回波脈沖后清零，零交叉點檢測可以保證回波到達時刻不受回波大小變化。采用鑒寬電路可以抑制偶然的尖峰干擾信號,使尖銳的干擾信號被鑒寬電路擋住而不能到達電平比較電路。因此,采用包絡峰值檢測可以保證回波前沿的準確到達時刻，應用這種方法有效測量范圍可達2 m,測量盲區(qū)可減小為100 mm，較好地達到了測距精度的要求。

2.1.5中心橢圓算法

該算法是根據能量重心校正法和最小二乘法的原理，通過曲線擬合找到回波信號能量的集中點，從而得到回波信號的峰值點。

通過對回波信號的分析發(fā)現(xiàn)，回波信號的能量分布與離散窗譜相似，所以對回波信號擬合橢圓。算法如下：由橢圓圓點坐標、長、短軸半徑和長軸與x軸的夾角可以唯一地確定一平面內橢圓[4]，使用變量代換法[5]將橢圓方程簡化為一個二元二次方程，將求解橢圓5個參數的問題簡化為求解線性方程的5個系數。再設定橢圓長軸與x軸夾角為0°和90°，結合最小二乘法原理，根據數學分析方程系數滿足導數為零的點為極值點，得出方程的系數，由此推出橢圓的參數、圓點坐標和長、短軸半徑。其中橢圓圓心的橫坐標值就是接收到的回波信號的峰值時刻，也就得到了較為精確的傳播時間。因此，該法也是通過解決渡越時間誤差來提高測距精度的。

2.2 減小溫度對傳播速度的影響

2.2.1溫度校正的方法

由于超聲波也是一種聲波,其聲速v與溫度T有關[6-7]。使用時,若溫度變化不大,則可視聲速基本不變;若測距精度要求很高,則應通過溫度補償法予以校正。

一般情況下,利用v=331+0.60T進行溫度補償,以適應不同溫度下的工作要求。由補償前后聲速與溫度的關系可以看出,0℃以下時聲速值完全吻合，0℃以上最大誤差不超過5%。

由上述分析知，如果能夠知道當地溫度，就能夠獲得較高的測量精度，而問題的關鍵在于獲得溫度數據的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準確的溫度值。為了便于對溫度信號的數據采集及處理，可以采用溫度補償電路。利用一線性數字溫度計即集成溫度傳感器DS18B20和單片機構成一個高精度的數字溫度檢測系統(tǒng)。在-55℃～+125℃溫度范圍內，在-10℃～+85℃內檢測誤差不超過0.5℃，而在整個溫度測量范圍內具有±2℃的測量精度[8]，能夠滿足較高精度超聲波測距的要求。

2.2.2標桿測量法[9]

超聲波傳播速度是引起測距誤差的主要因素之一，而對速度影響較大的是環(huán)境溫度，所以大多采用溫度補償的辦法來減少測速誤差。但是，如果不能合理地解決溫度測量誤差，也相應地引入了因溫度測量誤差帶來的誤差，從而影響了測距精度。而標桿測量法不是采用溫度補償的辦法來減小聲速的誤差，而是采用雙通道的方法，一個通道用來測量超聲波傳播速度，在超聲波發(fā)射器前加一個已知距離的標志物，通過測量超聲波到達該標志的時間，計算出超聲波在該環(huán)境下的傳播速度；另一通道仍按正常測量方式來測量距離。因為這是在相同的環(huán)境條件測得數據，就可以用一個通道的測得比較精確的聲速來計算距離，以達到提高測距精度的目的。

目前，對于通過減小環(huán)境溫度的影響來提高傳播速度的測量精度的方法，大多是通過在系統(tǒng)中添加溫度補償電路。溫度補償電路主要就是穩(wěn)定傳感器的選擇，隨著技術的發(fā)展，溫度傳感器也做得越來越好，只要選擇合適的傳感器基本上都可以達到預期的效果。

當然，在提高測距精度的方法中，除了改進系統(tǒng)電路等硬件方法外，也有采用軟件技術來提高精度的方法。隨著技術的發(fā)展，通過軟件來解決測距精度的方法會越來越多，應用也會越來越廣泛。

3 結 語

從上述分析可知,提高超聲波測距精度的方法基本都是圍繞著影響測距精度的因素展開的，如何更好地提高測距精度要從實際問題出發(fā)選擇合適的方法。隨著對測距精度研究的不斷深入，將會產生更多的新理論、新方法和新工具,但是它們的方向始終會朝著對測距精度的更智能化、精確化和實用化方向發(fā)展。

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