基于時(shí)間互相關(guān)的超聲測距信號獲取方法

彭映成，錢　海，黎小毛，朱寶良

(1．清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京　100084；2．西北核技術(shù)研究所，陜西西安　710024)

0　引言

在超聲測距中，常用的方法是超聲走時(shí)法。即用超聲頻脈沖激勵超聲波換能器，使之向外界發(fā)射超聲波，并接收從被測物體反射回來的超聲波(簡稱回波)，測量原理如圖1所示。通過檢測從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的時(shí)間段(射程時(shí)間)，即可計(jì)算超聲波換能器與被測物體之間的距離。即：

(1)

式中：d為超聲波換能器與被測物體之間的距離；c為空氣中的聲速；TOF為射程時(shí)間。

圖1　超聲測距原理圖

為了準(zhǔn)確得到被測目標(biāo)的距離，關(guān)鍵在于獲得超聲信號的準(zhǔn)確走時(shí)和被測環(huán)境的聲速。獲取超聲信號走時(shí)一般采用首波到達(dá)時(shí)間法。

在這種方法中，由于超聲換能器的機(jī)械慣性，其發(fā)射超聲波起振是逐步由小到大，首波信號的幅值很小，并且隨測量距離的變化而改變，采用閾值判斷首波時(shí)閾值大小難以確定。

為了解決這個問題，提出了許多解決方法，如提取回波包絡(luò)線的算法[1]，該方法采用提取回波包絡(luò)前沿的計(jì)算方法；可變閾值鑒幅法[2-3]通過使閾值隨射程時(shí)間的延長而呈指數(shù)形式遞減；時(shí)間-增益可變的接收電路法[4]，該方法設(shè)計(jì)的接收電路的放大倍數(shù)隨射程時(shí)間的延長呈指數(shù)形式遞增。第一種方法測量精度不高，后兩種可以較準(zhǔn)確測出目標(biāo)距離，但需要設(shè)計(jì)較復(fù)雜的接收電路。為了簡化設(shè)計(jì)，提高測距精度，文中提出一種基于時(shí)間互相關(guān)算法的超聲測距信號獲取方法，以滿足較高精度的超聲距離測量。

1　時(shí)間互相關(guān)測距原理

互相關(guān)描述了兩個隨機(jī)過程在某個時(shí)刻狀態(tài)間的線性依從關(guān)系。測距用的超聲信號是一個頻率固定信號，在空氣中，雖然隨發(fā)射距離的變化，超聲信號幅值會產(chǎn)生變化，但頻率基本不變。根據(jù)相關(guān)算法的特性，周期信號只與同頻率的周期信號相關(guān)，并且若兩同周期信號時(shí)間差為τ，其相關(guān)信號峰值出現(xiàn)在τ時(shí)刻。同時(shí)非周期信號或隨機(jī)信號的相關(guān)信號將快速衰減，這將有利于抑制干擾對信號的影響。

被測信號可以表示成如下形式：

xn(t)=anx(t+τ)+Nn(t)

(2)

式中：xn(t)為第n次測量信號；x(t)為信號的形式；τ為不同距離的時(shí)延；若干擾信號Nn(t)為隨機(jī)信號，其互相關(guān)為零。

由于有效信號的形式相同，第m次測量信號與第n次測量信號的互相關(guān)可表示為Rx(t+τm+τn)，該信號的峰值出現(xiàn)在τm+τn時(shí)刻。

基于以上原理，可以采用如下的信號處理方法：取一標(biāo)準(zhǔn)距離的信號x(t)，并進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算得到自相關(guān)信號Rx(t)，其他被測信號與其進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，則其互相關(guān)信號為Rx(t+τ)，即得到x(t)的自相關(guān)函數(shù)平移時(shí)間τ，這一時(shí)間τ對應(yīng)的超聲傳播距離即為所測位置距標(biāo)準(zhǔn)位置的距離。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

2．1測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到作用距離較遠(yuǎn)，測距精度高的目的，硬件電路的設(shè)計(jì)遵循以下幾點(diǎn)：(1)在選定了較高頻率的超聲換能器的基礎(chǔ)上，發(fā)射電路的發(fā)射功率盡可能大，發(fā)射電壓足夠高，信號畸變較??；(2)接收電路信噪比盡量高，放大倍數(shù)足夠大；(3)接收電路具備一定的信號處理(如濾波)的功能，以提高信號后續(xù)數(shù)字處理的精度。

發(fā)射電路原理圖如圖2所示。其主要由脈沖發(fā)生電路、門控電路、脈沖驅(qū)動放大電路、變壓器電路、阻抗匹配電路等部分組成。

圖2　超聲發(fā)射電路結(jié)構(gòu)圖

由555時(shí)基電路構(gòu)成的頻率可調(diào)的脈沖信號輸出序列，經(jīng)門控電路控制輸出固定數(shù)目的TTL電平脈沖信號，經(jīng)脈沖信號放大電路和功率放大電路逐級放大后的脈沖信號序列通過脈沖變壓器電路放大為峰-峰值220 V、頻率110 kHz的正弦信號，該信號驅(qū)動固有頻率為110 kHz的超聲發(fā)射換能器發(fā)射出超聲信號。在發(fā)射超聲信號的同時(shí)，發(fā)射電路產(chǎn)生同步信號，該信號輸出至信號采集單元，使信號采集單元開始采集和存儲由接收電路輸出的經(jīng)放大和濾波等處理的超聲信號。

接收電路設(shè)計(jì)主要考慮較遠(yuǎn)距離時(shí)超聲信號衰減較大，同時(shí)降低信噪比，因此接收前端采用儀表放大器，并且將信號再次放大，并且考慮到消除干擾噪聲的影響，將信號再通過一級帶通濾波器后進(jìn)行采集處理。信號的放大倍數(shù)可調(diào)，最高可達(dá)2 000倍。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　超聲接收電路結(jié)構(gòu)圖

2．2試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用數(shù)字示波器同時(shí)采集輸出的超聲發(fā)射驅(qū)動信號和超聲回波接收信號。首先通過接收一個標(biāo)準(zhǔn)距離(該實(shí)驗(yàn)為1 m，由游標(biāo)卡尺測量得到，精度為±0.02 mm)的回波信號，并對該信號相關(guān)計(jì)算，然后對其他距離的目標(biāo)進(jìn)行測量，用測得的回波信號同1 m的回波信號進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算。

圖4為0.9 m的測量結(jié)果。測量得到自相關(guān)與互相關(guān)的時(shí)間差為287.5 μs，對應(yīng)聲速為345.238 m/s，計(jì)算距離為99.3 mm，誤差為0.7 mm．

(a)1 m處的回波信號

(b)0.9 m處的回波信號

(c)1 m處的自相關(guān)信號

(d)0.9 m與1 m的互相關(guān)信號

圖5為0.55 m的測量結(jié)果。測量得到自相關(guān)與互相關(guān)的時(shí)間差為1.296 ms，對應(yīng)聲速為345.238 m/s，計(jì)算距離為447.5 mm，誤差為2.5 mm．

(a)1 m處的回波信號

(b)0.55 m處的回波信號

(c)1 m處的自相關(guān)信號

(d)0.55 m與1 m的互相關(guān)信號

通過測得的回波信號可以看到，由于回波到達(dá)時(shí)有一段逐漸增大的過程，如果直接判斷首波的到達(dá)時(shí)間，難以確定哪一個時(shí)刻是首波，而110 kHz的超聲換能器一個聲波周期誤差的所帶來的測距誤差是3.14 mm，因此不宜采用首波到達(dá)法。

隨著被測距離與標(biāo)準(zhǔn)距離的增大，互相關(guān)信號與自相關(guān)信號的形態(tài)變化也加大，同時(shí)峰值幅度變小，時(shí)間誤差也增大，分析原因，主要是噪聲信號中含有被測信號的頻率成分，而不是隨機(jī)噪聲，隨著距離的增大，這一部分噪聲信號對互相關(guān)波形的影響就逐漸變得不可忽略。因此在同頻噪聲無法消除的情況下，該方法只有在較近距離時(shí)才能獲得較高的測距精度。

3　結(jié)束語

基于時(shí)間互相關(guān)算法獲取超聲測距信號走時(shí)的方法，解決了采用閾值法難以判斷首波到達(dá)時(shí)間的問題，也避免了采用較復(fù)雜電路，達(dá)到了較高的測距精度。適用于測距區(qū)域變化不大的場合。該方法還對隨機(jī)干擾和非周期干擾有較大的抑制作用，對非超聲周期信號也具有較好的抑制效果。若信號中包含與超聲信號同周期的干擾信息，該方法還要進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]童峰，許水源，許天增．一種高精度超聲波測距處理方法．廈門大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，1995，37(4)：12．

[2]FIORILLO A S．Design and Characterization of a PVDF Ultrasonic Range Sensor．IEEE Trans．Ultrason．，F(xiàn)erroelect．，F(xiàn)req．Contr．1992，39(6)：688-692．

[3]楊勁松，王敏，黃心漢．超聲波可變閾值測距裝置．電子應(yīng)用技術(shù)，1998(7)：7-9．

[4]嚴(yán)宏穗，宋進(jìn)，陳敏賢．超聲波測距在智能機(jī)器人開發(fā)中的應(yīng)用．機(jī)電一體化，2001(5)：31-34．