張一鳴

摘要：盲區(qū)是超聲波測距系統(tǒng)的一項重要指標(biāo)。闡述了超聲波測距的基本原理，詳細(xì)分析了收發(fā)一體式系統(tǒng)和收發(fā)分體式系統(tǒng)產(chǎn)生盲區(qū)的原因。針對收發(fā)一體式超聲波測距系統(tǒng)，通過對當(dāng)前國內(nèi)外超聲波測距系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行分析，全面梳理了減小盲區(qū)的主要方法。這些方法包括：通過增大回路的衰減系數(shù)和降低超聲波功率，在發(fā)射端減小拖尾的方式縮小超聲波測距盲區(qū);利用時變增益放大電路減小超聲測距系統(tǒng)的盲區(qū);采用特殊的回波檢測方法等。對于受環(huán)境所限，只能使用收發(fā)一體式超聲波測距的情況下，如何盡可能縮小測量盲區(qū)是個值得研究的問題。

關(guān)鍵詞：超聲波測距;盲區(qū);收發(fā)一體式;檢測

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）12-0256-03

超聲波測距是一項原理簡單、維護(hù)方便和成本低的測距技術(shù)，與CCD、雷達(dá)、激光相比，具有近距離測量速度快、方向性強(qiáng)、不易受電磁、光、煙霧干擾等優(yōu)點，在液位測量、機(jī)器人避障、精確測距定位等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。盲區(qū)是超聲波測距系統(tǒng)的一項重要指標(biāo)。如何減小盲區(qū)，是研究超聲波測距的重要問題。本文以超聲波測距的盲區(qū)為對象，簡述超聲波測距基本原理，分析盲區(qū)形成的原因，系統(tǒng)比較減小超聲波測距盲區(qū)所采用多種技術(shù)優(yōu)缺點和使用領(lǐng)域，提出了幾點結(jié)論并對縮小超聲波盲區(qū)的研究進(jìn)行了展望。

1超聲波測距的原理

目前主要的超聲波測距的方法是渡越時間法TOF（Time of flight）。其基本原理為：超聲換能器在脈沖激勵下發(fā)出超聲波，遇被測物體后反射，反射信號再由超聲換能器接收。在已知聲速的情況下，利用發(fā)射和接收的時間差計算出距離。計算公式為：

其中D為待測物的距離，c為超聲波在測試條件下的傳播速度，t為發(fā)射和接收的時間差，也被稱為渡越時間。

此外，還有相位檢測法、聲波幅值檢測法等測距方法。相位檢測法精度很高，但是測量范圍較小，更常用于超聲檢測等精密領(lǐng)域;聲波幅值檢測法受反射介質(zhì)影響較大。因此本文主要對渡越時間法超聲測距中出現(xiàn)的盲區(qū)問題進(jìn)行總結(jié)分析。

2超聲波測距的盲區(qū)原因分析

根據(jù)超聲換能器收發(fā)模式的不同，超聲波測距系統(tǒng)可分為兩種類型，即收發(fā)一體式和收發(fā)分體式。

收發(fā)一體式的系統(tǒng)只采用一個超聲換能器，兼具發(fā)射與接收超聲波的功能。超聲波發(fā)射時，一般由高壓脈沖激勵，脈沖結(jié)束后會存在一個時長1-2.5ms的衰減震蕩，稱為“拖尾”或“余震”，如圖1所示。在這段時間內(nèi)，拖尾信號與回波信號一般是無法有效區(qū)分的，所以收發(fā)一體式測距系統(tǒng)通常會在發(fā)射脈沖激勵后設(shè)置一段時間的延遲，再進(jìn)入接收狀態(tài)。延遲屏蔽了近距離回波信號，給測距系統(tǒng)帶來了近距離的測量盲區(qū)，按照公式（1）計算，盲區(qū)范圍上限為17cm-50cm。實際的盲區(qū)范圍也與實際系統(tǒng)尺度有關(guān)，可能會高達(dá)數(shù)米。

收發(fā)分體式的系統(tǒng)采用兩個超聲換能器，分別發(fā)射與接收超聲波。發(fā)射端換能器殼體的余震在物理上與接收端隔離，能夠有效地減少盲區(qū)。收發(fā)分體式系統(tǒng)產(chǎn)生盲區(qū)的原因有兩個，其中主要原因是超聲波的衍射。一般分體式的兩個換能器并列放置，由于超聲波的衍射，接收換能器會收到一部分未經(jīng)反射的超聲波，這部分超聲波通常渡越時間很短（具體取決于兩個超聲換能器的間距）。如果僅僅設(shè)定一個閾值，對接收到的信號進(jìn)行閾值檢測，衍射信號與反射信號是無法區(qū)分的。一個簡單的解決方法就是設(shè)置盲區(qū)，用盲區(qū)屏蔽掉衍射信號，盲區(qū)范圍與收發(fā)換能器的間距有關(guān)。

分體式系統(tǒng)產(chǎn)生盲區(qū)的另一個原因是超聲波的余震隔離不完全。雖然收發(fā)分體隔絕了機(jī)械振動的干擾，但是余震同時是一個電路中的震蕩，如果接收端電路與發(fā)射端電路隔離不充分，余震仍然會影響接受端的工作。

需要指出的是，對于隔離良好的收發(fā)分體式系統(tǒng)，其盲區(qū)一般會比收發(fā)一體式系統(tǒng)的盲區(qū)小很多，所以本文主要針對收發(fā)一體式系統(tǒng)，分析其縮小其盲區(qū)的方法，如在發(fā)射端減小拖尾、采用時變增益放大電路縮小盲區(qū)、用特殊方法對回波進(jìn)行檢測等。

3縮小超聲波測距盲區(qū)的方法

3.1在發(fā)射端減小拖尾

根據(jù)之前的原因分析，超聲發(fā)射換能器的拖尾信號是產(chǎn)生盲區(qū)的主要原因。所以減小拖尾信號是從源頭上縮小盲區(qū)的一個方法。減小拖尾信號的具體方法可以分為增大回路的衰減系數(shù)和降低超聲波功率。

QiangLi Zhang等人提出通過增大回路的衰減系數(shù)的方法，來使拖尾信號更快地衰減。可以增大回路衰減系數(shù)的方法有很多，通常是由換能器輔助電路完成的。常靜、賀煥林將SCR晶閘管與電阻串聯(lián)，再并聯(lián)在換能器上，利用晶閘管控制回路的等效電阻，以增大衰減系數(shù)，縮小盲區(qū)。程珩等人設(shè)計了以場效應(yīng)管為核心的無源自振抑制換能器驅(qū)動電路，增大了回路衰減系數(shù)，再輔以背景噪聲阻斷電路與脈沖信號疊加電路以增加回波靈敏度，使實驗盲區(qū)由30cm降至16cm。另外，采用增加機(jī)械阻尼的方法也能一定程度減小拖尾信號。

降低超聲波發(fā)射功率也是抑制拖尾波的一種常用方法。單純地降低功率會縮小測距量程上限，為了不影響量程，設(shè)計者常開發(fā)電路根據(jù)距離遠(yuǎn)近自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率，遠(yuǎn)距離加大功率，近距離減小功率。對于控制功率的方法，郗曉田等人用單片機(jī)實時控制超聲發(fā)射電壓，以控制發(fā)射功率，使盲區(qū)減少了15cm以上;馬志敏等人用單片機(jī)控制，根據(jù)距離遠(yuǎn)近改變發(fā)射波群的時間寬度，以控制發(fā)射功率，使盲區(qū)減少1m。發(fā)射電壓與波群的時間寬度的調(diào)節(jié)可以根據(jù)量程要求用在同一系統(tǒng)中，如王瑩所設(shè)計的高精度超聲波測距儀就兼用了壓縮發(fā)射脈沖寬度和自動距離增益控制兩種方法以縮小盲區(qū)。

以上兩種方法分別從換能器輔助電路和發(fā)射功率控制的角度，基于超聲波發(fā)射端，通過減小拖尾信號來縮小測距盲區(qū)。

3.2時變增益放大電路

超聲接收換能器在收到超聲波后，要經(jīng)過放大、濾波等一系列處理?？梢岳锰厥獾姆糯?、濾波電路減小余震、衍射信號對信號檢測的影響，以縮小測距盲區(qū)。

一種常用的放大電路是時變增益放大電路。超聲波在介質(zhì)中傳播，其振幅隨時間以指數(shù)形式衰減，時變增益放大電路的增益隨時間以指數(shù)形式增加。將這樣的放大電路運用在超聲回波信號上，就能實現(xiàn)根據(jù)距離遠(yuǎn)近改變放大倍數(shù)，既能抑制收到的余震信號，也能有效放大遠(yuǎn)距離的回波，從而在不縮減量程的前提下縮小盲區(qū)。

恒定增益放大電路的放大效果與時變增益放大電路的放大效果可由如圖3和圖4所示的輸出波形描述?？梢院苊黠@看出，時變增益放大電路能夠在保持遠(yuǎn)處反射波幅度的情況下，抑制余震信號，從而縮小了盲區(qū)。

時變增益放大電路的實現(xiàn)方式較多，常有研究者提出新的方法。賈嘉等人設(shè)計了由EPROM存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器和運算放大器組成的簡易時變增益放大器電路。曾祥進(jìn)等人利用場效應(yīng)管的可變電阻功能，設(shè)計了一種自動增益電路。秦金華等人基于AD603，設(shè)計了時變增益電路。崔慧海等人基于TL026控制芯片，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離超聲傳感器的時變增益控制。

利用時變增益放大電路減小超聲測距系統(tǒng)的盲區(qū)是比較成熟的技術(shù)，時變增益的實現(xiàn)方式較多，可以根據(jù)超聲測距應(yīng)用場合選擇最合適的時變增益電路。

3.3多種對回波的檢測方法

以上所述的縮小超聲測距盲區(qū)的方法基于超聲波的閾值檢測法或改進(jìn)的閾值檢測法，基本原理即預(yù)先設(shè)定電壓閾值，將收到的反射信號超過此閾值的時刻作為超聲回波到達(dá)的時刻。閾值的設(shè)定同時影響著超聲波的量程和盲區(qū)，若閾值設(shè)定得高，則盲區(qū)可以設(shè)定得很小，但是遠(yuǎn)處回波信號由于幅值較低，不會被檢測到，所以高閾值必然對應(yīng)著低量程;反之，低的閾值對應(yīng)著大的盲區(qū)和高量程。無法同時實現(xiàn)高的量程和小的盲區(qū)，這是閾值檢測法的一個局限性。即使采用了時變增益放大，也不能從根本上解決問題，因為遠(yuǎn)處的回波信號在高倍放大的同時，背景噪聲也一起被放大，簡單的閾值檢測是無法從背景噪聲中區(qū)分出回波信號的。

采用其他的超聲波到達(dá)時刻檢測方法，可以打破閾值檢測法的這一局限性。

一些研究者對閾值檢測法進(jìn)行了改進(jìn)。楊勁松等人將峰值檢測和自適應(yīng)可變閾值檢測相結(jié)合，檢測到反射波信號的最大值。李勝等人采用多次調(diào)整比較器閾值的迭代測量方法，來判斷回波到達(dá)的時刻。這些方法能夠有效地縮小盲區(qū)。

此外，包絡(luò)峰值檢測法和相關(guān)檢測法也是常用的回波時刻判斷方法。前者是通過提取回波包絡(luò)，根據(jù)其峰值判斷回波時間，后者則是相當(dāng)成熟檢測技術(shù)，在超聲波測距領(lǐng)域中，F(xiàn)arhangHonarvar等人提出了在白噪聲背景下，利用發(fā)射波和回波的相關(guān)函數(shù)來確定反射波到達(dá)時刻的方法。

目前國內(nèi)外有大量針對包括包絡(luò)峰值檢測法和相關(guān)檢測法的研究，但新檢測方法的研究多著重于增加測距系統(tǒng)的精度，較少有針對性的縮小測量盲區(qū)的研究。例如許高斌等人提出的“五步算法”對回波信號處理，提高了測量精度，但并未涉及測量盲區(qū)的研究。鄔文俊等人采用了一種復(fù)雜的高精度解包絡(luò)超聲測距方法，也只是注重測量精度，并未更多地關(guān)注測量盲區(qū)。

4采用分體式換能器或超聲陣列

收發(fā)分體式的超聲測距系統(tǒng)在小測量盲區(qū)上有很大優(yōu)勢。目前收發(fā)分體式系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)無盲區(qū)測量。鄭琦等人對T/R40-16廉價分體式超聲換能器的衍射干擾進(jìn)行研究，通過分析衍射波和回波的相互疊加，消除在近距離測量時的測距盲區(qū)，其實驗最低測量距離達(dá)到5mm，已經(jīng)滿足超聲測距系統(tǒng)的一般應(yīng)用需求。另外，采用超聲陣列測距，也可以消除測量盲區(qū)，這一技術(shù)經(jīng)常用于精度要求更高、盲區(qū)要求更小的場合，例如金兆遠(yuǎn)將超聲陣列技術(shù)運用在其設(shè)計的機(jī)器人路徑規(guī)劃與避障系統(tǒng)中，做到了無測量盲區(qū)。

5結(jié)論與展望

（1）目前常用的超聲波縮小盲區(qū)的方法主要包括：利用換能器輔助電路或發(fā)射功率控制電路減小拖尾、采用時變增益放大電路等，特殊的回波信號檢測方法能夠一定程度縮小盲區(qū)，另外，分立式測距系統(tǒng)和超聲陣列已經(jīng)能夠做到無盲區(qū)測距。

（2）超聲測距技術(shù)是一項應(yīng)用廣泛的技術(shù)，設(shè)計者常根據(jù)實際應(yīng)用需求采用上述技術(shù)中的一項或幾項，技術(shù)的選擇與測距系統(tǒng)的測距范圍、精度、體積等有關(guān)。

（3）目前超聲測距領(lǐng)域的研究主要關(guān)注超聲測距系統(tǒng)的測量精度，與測距盲區(qū)有關(guān)的研究方式較少。雖然目前的分體式系統(tǒng)和超聲陣列已經(jīng)能夠做到無盲區(qū)測量，但在受環(huán)境所限，只能使用一體式測距的情況下，如何盡可能減小測量盲區(qū)，仍然是個值得研究的問題，有著重要的意義。