張一鳴

摘要：盲區(qū)是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。闡述了超聲波測(cè)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(duì)收發(fā)一體式超聲波測(cè)距系統(tǒng)，通過對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外超聲波測(cè)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(cè)距盲區(qū);利用時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐窚p小超聲測(cè)距系統(tǒng)的盲區(qū);采用特殊的回波檢測(cè)方法等。對(duì)于受環(huán)境所限，只能使用收發(fā)一體式超聲波測(cè)距的情況下，如何盡可能縮小測(cè)量盲區(qū)是個(gè)值得研究的問題。

關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距;盲區(qū);收發(fā)一體式;檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）12-0256-03

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

1超聲波測(cè)距的原理

目前主要的超聲波測(cè)距的方法是渡越時(shí)間法TOF（Time of flight）。其基本原理為：超聲換能器在脈沖激勵(lì)下發(fā)出超聲波，遇被測(cè)物體后反射，反射信號(hào)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(shí)間差計(jì)算出距離。計(jì)算公式為：

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

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

2超聲波測(cè)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(cè)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(gè)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(shí)，一般由高壓脈沖激勵(lì)，脈沖結(jié)束后會(huì)存在一個(gè)時(shí)長(zhǎng)1-2.5ms的衰減震蕩，稱為“拖尾”或“余震”，如圖1所示。在這段時(shí)間內(nèi)，拖尾信號(hào)與回波信號(hào)一般是無法有效區(qū)分的，所以收發(fā)一體式測(cè)距系統(tǒng)通常會(huì)在發(fā)射脈沖激勵(lì)后設(shè)置一段時(shí)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(hào)，給測(cè)距系統(tǒng)帶來了近距離的測(cè)量盲區(qū)，按照公式（1）計(jì)算，盲區(qū)范圍上限為17cm-50cm。實(shí)際的盲區(qū)范圍也與實(shí)際系統(tǒng)尺度有關(guān)，可能會(huì)高達(dá)數(shù)米。

收發(fā)分體式的系統(tǒng)采用兩個(gè)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(gè)，其中主要原因是超聲波的衍射。一般分體式的兩個(gè)換能器并列放置，由于超聲波的衍射，接收換能器會(huì)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(shí)間很短（具體取決于兩個(gè)超聲換能器的間距）。如果僅僅設(shè)定一個(gè)閾值，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行閾值檢測(cè)，衍射信號(hào)與反射信號(hào)是無法區(qū)分的。一個(gè)簡(jiǎn)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(hào)，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(gè)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(dòng)的干擾，但是余震同時(shí)是一個(gè)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(huì)影響接受端的工作。

需要指出的是，對(duì)于隔離良好的收發(fā)分體式系統(tǒng)，其盲區(qū)一般會(huì)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(duì)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(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐房s小盲區(qū)、用特殊方法對(duì)回波進(jìn)行檢測(cè)等。

3縮小超聲波測(cè)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(hào)是產(chǎn)生盲區(qū)的主要原因。所以減小拖尾信號(hào)是從源頭上縮小盲區(qū)的一個(gè)方法。減小拖尾信號(hào)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(hào)更快地衰減?？梢栽龃蠡芈匪p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(jì)了以場(chǎng)效應(yīng)管為核心的無源自振抑制換能器驅(qū)動(dòng)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(hào)疊加電路以增加回波靈敏度，使實(shí)驗(yàn)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(hào)。

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(huì)縮小測(cè)距量程上限，為了不影響量程，設(shè)計(jì)者常開發(fā)電路根據(jù)距離遠(yuǎn)近自動(dòng)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(duì)于控制功率的方法，郗曉田等人用單片機(jī)實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀就兼用了壓縮發(fā)射脈沖寬度和自動(dòng)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(hào)來縮小測(cè)距盲區(qū)。

3.2時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐?/p>

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。可以利用特殊的放大、濾波電路減小余震、衍射信號(hào)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響，以縮小測(cè)距盲區(qū)。

一種常用的放大電路是時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐贰３暡ㄔ诮橘|(zhì)中傳播，其振幅隨時(shí)間以指數(shù)形式衰減，時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐返脑鲆骐S時(shí)間以指數(shù)形式增加。將這樣的放大電路運(yùn)用在超聲回波信號(hào)上，就能實(shí)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(hào)，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(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐返姆糯笮Ч捎扇鐖D3和圖4所示的輸出波形描述?？梢院苊黠@看出，時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐纺軌蛟诒３诌h(yuǎn)處反射波幅度的情況下，抑制余震信號(hào)，從而縮小了盲區(qū)。

時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐返膶?shí)現(xiàn)方式較多，常有研究者提出新的方法。賈嘉等人設(shè)計(jì)了由EPROM存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器組成的簡(jiǎn)易時(shí)變?cè)鲆娣糯笃麟娐?。曾祥進(jìn)等人利用場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻功能，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)增益電路。秦金華等人基于AD603，設(shè)計(jì)了時(shí)變?cè)鲆骐娐?。崔慧海等人基于TL026控制芯片，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離超聲傳感器的時(shí)變?cè)鲆婵刂啤?/p>

利用時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐窚p小超聲測(cè)距系統(tǒng)的盲區(qū)是比較成熟的技術(shù)，時(shí)變?cè)鲆娴膶?shí)現(xiàn)方式較多，可以根據(jù)超聲測(cè)距應(yīng)用場(chǎng)合選擇最合適的時(shí)變?cè)鲆骐娐贰?/p>

3.3多種對(duì)回波的檢測(cè)方法

以上所述的縮小超聲測(cè)距盲區(qū)的方法基于超聲波的閾值檢測(cè)法或改進(jìn)的閾值檢測(cè)法，基本原理即預(yù)先設(shè)定電壓閾值，將收到的反射信號(hào)超過此閾值的時(shí)刻作為超聲回波到達(dá)的時(shí)刻。閾值的設(shè)定同時(shí)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(hào)由于幅值較低，不會(huì)被檢測(cè)到，所以高閾值必然對(duì)應(yīng)著低量程;反之，低的閾值對(duì)應(yīng)著大的盲區(qū)和高量程。無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的量程和小的盲區(qū)，這是閾值檢測(cè)法的一個(gè)局限性。即使采用了時(shí)變?cè)鲆娣糯螅膊荒軓母旧辖鉀Q問題，因?yàn)檫h(yuǎn)處的回波信號(hào)在高倍放大的同時(shí)，背景噪聲也一起被放大，簡(jiǎn)單的閾值檢測(cè)是無法從背景噪聲中區(qū)分出回波信號(hào)的。

采用其他的超聲波到達(dá)時(shí)刻檢測(cè)方法，可以打破閾值檢測(cè)法的這一局限性。

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

此外，包絡(luò)峰值檢測(cè)法和相關(guān)檢測(cè)法也是常用的回波時(shí)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(shí)間，后者則是相當(dāng)成熟檢測(cè)技術(shù)，在超聲波測(cè)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(shí)刻的方法。

目前國(guó)內(nèi)外有大量針對(duì)包括包絡(luò)峰值檢測(cè)法和相關(guān)檢測(cè)法的研究，但新檢測(cè)方法的研究多著重于增加測(cè)距系統(tǒng)的精度，較少有針對(duì)性的縮小測(cè)量盲區(qū)的研究。例如許高斌等人提出的“五步算法”對(duì)回波信號(hào)處理，提高了測(cè)量精度，但并未涉及測(cè)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(cè)距方法，也只是注重測(cè)量精度，并未更多地關(guān)注測(cè)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(cè)距系統(tǒng)在小測(cè)量盲區(qū)上有很大優(yōu)勢(shì)。目前收發(fā)分體式系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)無盲區(qū)測(cè)量。鄭琦等人對(duì)T/R40-16廉價(jià)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(cè)量時(shí)的測(cè)距盲區(qū)，其實(shí)驗(yàn)最低測(cè)量距離達(dá)到5mm，已經(jīng)滿足超聲測(cè)距系統(tǒng)的一般應(yīng)用需求。另外，采用超聲陣列測(cè)距，也可以消除測(cè)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(chǎng)合，例如金兆遠(yuǎn)將超聲陣列技術(shù)運(yùn)用在其設(shè)計(jì)的機(jī)器人路徑規(guī)劃與避障系統(tǒng)中，做到了無測(cè)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(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐返?，特殊的回波信?hào)檢測(cè)方法能夠一定程度縮小盲區(qū)，另外，分立式測(cè)距系統(tǒng)和超聲陣列已經(jīng)能夠做到無盲區(qū)測(cè)距。

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

（3）目前超聲測(cè)距領(lǐng)域的研究主要關(guān)注超聲測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度，與測(cè)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(cè)量，但在受環(huán)境所限，只能使用一體式測(cè)距的情況下，如何盡可能減小測(cè)量盲區(qū)，仍然是個(gè)值得研究的問題，有著重要的意義。