古　葉,孫海信,*,齊　潔,成　墾,盧曉瑩,周小平

(1.廈門大學信息科學與技術學院，2.廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,福建廈門361005)

一種高精度的超聲測距系統(tǒng)實現(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.廈門大學信息科學與技術學院，2.廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,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,采用相關算法檢測回波到達時刻,在不需要增加額外硬件電路的基礎上,即可實現(xiàn)高精度的測距功能．實驗結(jié)果表明,本系統(tǒng)具有良好的測距效果,系統(tǒng)穩(wěn)定,測距精度達到1 mm,相對誤差在1.5%以內(nèi),無測量盲區(qū)．

關鍵詞：超聲波測距;波形設計;高斯脈沖;相關運算

超聲波是頻率高于20 kHz的聲波,超聲波測距系統(tǒng)具有易于實現(xiàn)、成本低等特點,被廣泛應用于視覺識別、物體定位、工程測量等．大部分的超聲波測距系統(tǒng)是基于渡越時間(time of flight,TOF)技術,系統(tǒng)誤差主要由換能器振幅延遲和慣性現(xiàn)象導致[1]．目前,我國對提高超聲測距精度進行的研究主要側(cè)重于如何獲取準確的TOF．主要方法有:閾值檢測法、包絡峰值檢測法、相位檢測法等．閾值檢測方法實現(xiàn)簡單,但測距精度低[2]．包絡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,影響回波到達時刻判決[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,引入相關算法,實現(xiàn)超聲回波到達時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．通過計算超聲波TOF得到傳播距離,從而實現(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確性．

超聲波測距系統(tǒng)包含溫度補償部分,通過獲取介質(zhì)溫度,對超聲波傳播速度進行修正,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關鍵因素則是TOF的測量．由于硬件本身的局限性,系統(tǒng)都存在計時誤差,但可選擇適當?shù)拇胧┨岣邥r間準確性．超聲波TOF的獲取主要是對超聲回波的分析計算得到．除此之外,超聲波探頭具有帶通特性，系統(tǒng)應產(chǎn)生帶寬小的脈沖信號作為發(fā)射波形,當發(fā)射脈沖帶寬小于超聲波探頭的帶寬時,即可完全保留發(fā)射信號的相關信息．由于實際情況下,不能通過時域信號的無限展寬而實現(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)射波形設計

圖1　矩形脈沖調(diào)制信號時域頻域圖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)射波的時域波形．在同一硬件設備中,當激勵信號一致時,超聲波回波信號具有相關性和窄帶性[8],超聲波信號隨探測距離的改變只有信號強弱的變化,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．

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fc為振蕩頻率的正弦波周期信號調(diào)制一個矩形脈沖信號,表達式如下所示:

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,通過設置正弦波頻率來實現(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式為一個Sa函數(shù),如下式所示:

當設定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．

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)制高斯脈沖信號時域表達式如下所示[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)送信號的時域表達式,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數(shù),以及整個系統(tǒng)的計算效率,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,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．在此基礎上,可實現(xiàn)接下來的回波信號相關處理,獲得超聲TOF精度的提高．

3相關運算在超聲波測距中的應用

在超聲測距過程中,聲波呈指數(shù)型衰落,超聲遠距離測距精度低.在目標所在位置基本不變的情況下,雷達常采用相關算法進行回波信號處理．利用連續(xù)時間內(nèi)接收到的多個回波信號之間具有相關性的特點,通過對同一距離下的多個回波信號進行相位和幅度的疊加,增加其信號能量,對微弱回波信號進行檢測,實現(xiàn)長距離檢測．將相關運算處理方法運用于超聲波測距系統(tǒng),能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力,實現(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)過若干個振動周期后到達飽和狀態(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所研究的對象,但模型和現(xiàn)實對象總存在一定差距,可在充分實驗過程中對相關參數(shù)進行修正以達到模型和實際對象逼近的目的[12]．

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

(3)

式中tm=mT,t=tn-mT,T為脈沖重復周期,Ai和Ri(tm)分別為第i點目標回波的幅度和tm時刻的距離,p為歸一化回波包絡,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行矯正,按照信號頻譜幅度加權,提高信噪比．匹配濾波器的輸出結(jié)果在時域上看,相當于將回波信號與濾波器的沖激響應作卷積計算．在回波信號已知的條件下,其沖激響應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)的方法實現(xiàn)匹配濾波降低運算量．通過匹配濾波處理后,可將Xr(f,tm)化為

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

假設連續(xù)接收到的回波數(shù)為N,每個回波信號由M點離散信號組成,根據(jù)N組回波信號的采樣點可獲得一個N×M的矩陣,每一列數(shù)據(jù)都是相關的,對矩陣的每列數(shù)據(jù)進行同相相加．對每列數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換(FFT),實現(xiàn)多個回波信號的相關運算,該方法即加快運算速度,又能對相位差進行補充．

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

圖3　相關運算結(jié)果Fig.3The result of relevant operation

4實驗結(jié)果

超聲波測距系統(tǒng)框圖如圖4所示,整個系統(tǒng)在STM32F103單片機上實現(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,運行相關算法和控制部分外設．

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)生一個高斯脈沖調(diào)制信號,信號相關參數(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)處理模塊進行相關處理．溫度檢測部分利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片實現(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,通過相關運算計算出超聲波傳輸距離,從而實現(xiàn)測距．

表1　發(fā)送信號參數(shù)

時鐘同步模塊實現(xiàn)系統(tǒng)同步，發(fā)送端發(fā)送信號后接收端同步開始進入ADC采集,在經(jīng)過16個脈沖寬度的時間后對多個回波信號進行相關處理．

為了進一步提高系統(tǒng)測距準確性以及穩(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)的實現(xiàn)效果進行驗證,并與傳統(tǒng)的閾值比較法進行對比,不同距離的測量結(jié)果如表2所示．實際測量數(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,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)中的傳輸時間,是提高超聲波測距系統(tǒng)測量精度的關鍵之處．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;采用相關算法對多個回波信號進行處理,檢測超聲波傳播距離,實現(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,即可實現(xiàn)高精度的超聲波測距．從上述實驗結(jié)果可以看出:使用超聲波收發(fā)異體的結(jié)構(gòu)模式,在實現(xiàn)超聲波測距時無盲區(qū),系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超短距離的測距功能．當信號放大倍數(shù)足夠大時,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,該方法可實現(xiàn)精度高的長距離測距．

參考文獻：

[1]LEE K Y,HUANG C F,HUANG S S,et al．A high-resolution ultrasonic distance measurement system usingverniercaliper phase meter[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2012,61(11):2924-2931.

[2]張海鷹,高艷麗．超聲波測距技術研究[J]．儀表技術,2011,9:58-60.

[3]卜英勇,何永強,趙海鳴,等．一種高精度超聲波測距儀測量精度的研究[J]．鄭州大學學報,2007，27(1):86-90.

[4]葉林,周弘,張洪．相位差的幾種測量方法和測量精度分析[J]．電測與儀表,2006,43(4):11-14.

[5]許天增,許克平,許茹,等．超聲傳輸特性和超聲傳感系統(tǒng)研究[J]．廈門大學學報(自然科學版),2001,40(2)：303-310.

[6]施超,陳愛華,楊本全,等．基于C8051F020的高精度超聲波測距系統(tǒng)設計[J]．現(xiàn)代電子技術,2012,35(16):15-16.

[7]葛萬成．相關法高抗干擾超聲波距離測量中的信號處理[J]．同濟大學學報(自然科學版),2002,30(1):71-76.

[8]程曉暢,王躍科,蘇紹,等．基于相關函數(shù)包絡峰細化的高精度超聲測距法[J]．測試技術學報,2006,20(4):320-324.

[9]賈占彪,陳紅,蔡曉霞,等．正弦高斯組合的UWB脈沖波形設計[J]．火力與指揮控制,2012,37(2):195-198.

[10]BEAULIEU N C,HU B．A novel pulse design algorithm for ultra-wideband communications[J]．IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM),2004,5:3220-3224.

[11]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)與設計[J]．自動化儀表,2001,22(3):7-10.

[12]羅佳,李永禎,王雪松,等．相控陣雷達仿真系統(tǒng)模型校驗方法的研究[J]．系統(tǒng)仿真學報,2004,16(7):1380-1385.

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

基金項目：國家自然科學基金(61471309);福建省自然科學基金(2013J01258)

*通信作者：hxsun@xmu.edu.cn

中圖分類號:TP 274.5

文獻標志碼：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)實現(xiàn)方法.廈門大學學報(自然科學版)，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)