高精度多頻脈沖超聲測(cè)距法研究

吳 軍,沈夢(mèng)婷

(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)

高精度多頻脈沖超聲測(cè)距法研究

吳 軍,沈夢(mèng)婷

(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)

傳統(tǒng)的超聲測(cè)距方法基于單頻脈沖飛行時(shí)間,原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活,但由于聲波易受空氣衰減以及電路噪聲影響,其測(cè)量精度較低,多頻連續(xù)波相位檢測(cè)法可以達(dá)到較高的精度,但其受限于連續(xù)聲波發(fā)射,應(yīng)用范圍較小。為兼顧測(cè)量精度與應(yīng)用范圍,提出一種采用多頻超聲脈沖發(fā)射的方法,利用各頻段聲波之間的固有時(shí)間差值,結(jié)合飛行時(shí)間法精確估計(jì)超聲脈沖的到達(dá)時(shí)間,再通過(guò)溫度補(bǔ)償測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的聲速,即可得到精確的被測(cè)距離。該方法能夠拓展超聲測(cè)距的應(yīng)用范圍,簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì),經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在3 m范圍內(nèi),測(cè)量精度可以達(dá)到0.3 mm左右。

超聲測(cè)距;多頻脈沖;飛行時(shí)間;時(shí)差估計(jì);溫度補(bǔ)償;最小二乘擬合

1 概述

本文提出一種多頻脈沖超聲波測(cè)量飛行時(shí)間的算法。發(fā)射2組頻率相近的超聲波,對(duì)于同一距離,不同頻率的接收/發(fā)射的相位偏移之差恒定,根據(jù)此原理,判斷出接收波起振時(shí)間,實(shí)現(xiàn)大測(cè)量范圍的高精度測(cè)量。

2 飛行時(shí)間精測(cè)法

本文選擇了震蕩特性較好的靜電式超聲探頭,中心頻率為50 kHz。發(fā)射端與接收端分離的對(duì)射式結(jié)構(gòu),發(fā)射8個(gè)頻率為f1(f1=50 kHz)的脈沖,間隔1ms發(fā)射8個(gè)頻率為f2(f2=51.56 kHz)的脈沖。將接收波通過(guò)正弦檢波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?。f1(f2)發(fā)射波發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí),檢測(cè)到接收波第n個(gè)上升沿的時(shí)間t1n(t2n)。

在理想情況下,接收波通過(guò)比較電路沒有漏檢的周期,發(fā)射/接收波模型如圖1所示,則不同頻率接收波之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示,滿足:

其中,ttof為超聲波從發(fā)射端傳播到接收端的飛行時(shí)間。

圖1 2組頻率相近的超聲波發(fā)射/接收理想模型

圖2 不同頻率接收波之間的關(guān)系

根據(jù)式(2)、式(3),得:

其中,Δt=T1-T2,有:

故t1n-t2n＜＜T1(發(fā)射波是8個(gè)周期的脈沖,可知n≤8)。

式(4)表明了不同頻率接收波對(duì)應(yīng)的上升沿之間時(shí)間的關(guān)系。

但在實(shí)際情況中,無(wú)論是閾值可變法、可控增益法,都無(wú)法保證接收波沒有漏檢的周期,且漏檢的周期數(shù)會(huì)隨著傳播距離的增加而增加,因?yàn)槁暡ㄔ诳諝庵袀鞑コ手笖?shù)衰減。要想提高測(cè)距精度,必須準(zhǔn)確判斷接收波漏檢的周期數(shù)。

f1接收波、f2接收波均有檢漏的周期,且周期數(shù)不定。假設(shè)f1漏檢m1個(gè)周期,f2漏檢m2個(gè)周期,將式(2)、式(3)轉(zhuǎn)換為實(shí)際模型,得到:

令Δm=m1-m2,則2組接收波之間存在下列關(guān)系:

(1)Δm≥0,有:

其中,t1n,t2(n+m1-m2)對(duì)應(yīng)實(shí)際波形中到第n+m1個(gè)上升沿的時(shí)間。

(2)Δm＜0,有:

其中,t1(n+m2+m1),t2n對(duì)應(yīng)實(shí)際波形中到第n+m2個(gè)上升沿的時(shí)間。

通過(guò)判斷出Δm的值,將t1n,t2(n+m1-m2)或t1(n+m2+m1),t2n對(duì)應(yīng)上,即可求出對(duì)應(yīng)的m1,m2的值。

以n=2,m1=4,m2=2為例,如圖3所示。Δm=2＞0,根據(jù)式(5),t12-t24=5×Δt。

圖3 2組不同頻率超聲波發(fā)射/接收實(shí)際模型

Δm的判斷方法如圖4所示。檢測(cè)t1i,t2j(初始時(shí)i=j=1)并比較大小,當(dāng)t1i＜t1j時(shí),m1＜m2,f1漏檢的周期數(shù)小于f2漏檢的周期數(shù),則增加i直到t1i≥t1j;

當(dāng)t1i≥t1j時(shí),m1≥m2,此時(shí)判斷t1i-t2j與T1的大小。

圖4 漏檢周期差Δm判斷流程

3 溫度補(bǔ)償

4 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件模塊流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后,清空計(jì)數(shù)器,然后初始化數(shù)字頻率合成器DDS生成頻率為f1,f2的超聲波。依次發(fā)射8個(gè)周期的f1,f2脈沖,發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)。記錄到接收波f1,f2每個(gè)上升沿的時(shí)間t1n,t2n(n=1,2,…,8)。根據(jù)圖4的流程圖判斷Δm,從溫度模塊實(shí)時(shí)測(cè)量溫度T,將m1,m2,T傳輸給上位機(jī),根據(jù)式(5)、式(6)、式(9)得到距離L。

圖5 系統(tǒng)的軟件模塊流程

5 實(shí)驗(yàn)與分析

多頻時(shí)間法有2個(gè)關(guān)鍵:(1)對(duì)2個(gè)頻率的接收波漏檢周期數(shù)m1,m2的判斷;(2)接收波頻率的精度,根據(jù)式(5)、式(6),漏檢部分實(shí)際的周期與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期T1或T2的偏差,將直接影響起振時(shí)間的判斷。實(shí)驗(yàn)1是對(duì)m1,m2的判斷,實(shí)驗(yàn)2是對(duì)測(cè)量距離的誤差分析。實(shí)驗(yàn)狀態(tài)如表1所示。其中,測(cè)量距離真值、m1真值、m2真值是用示波器測(cè)量起振時(shí)間標(biāo)定的,溫度使用精密溫度計(jì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖6所示。

表1 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

5.1 m1,m2的判斷

在實(shí)驗(yàn)1的狀態(tài)下,得到數(shù)據(jù)表2。根據(jù)圖4的流程,判斷出Δm=j-i=1,可計(jì)算出m的值。為了保證m值的準(zhǔn)確性,使i=i+1,j=j+1,多次計(jì)算得到序列Mk。t1i,t2j實(shí)際對(duì)應(yīng)情況及Mk值如表3所示。

表2 判斷m值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 判斷m值的實(shí)驗(yàn)調(diào)整數(shù)據(jù)

將Mk序列線性擬合,得到擬合曲線方程y=p1×x+p2,p1=1.033 5,p2=2.760 5。其中,截距p2取整[p2]=3=m1-1,得到m1=4。Mk擬合曲線如圖7所示。

圖7 Mk序列擬合曲線

5.2 測(cè)量距離誤差分析

在實(shí)驗(yàn)2的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下,在322.461mm～2 625.674 mm范圍內(nèi),每隔120 mm測(cè)量一次,得到相應(yīng)的m1,m2。根據(jù)式(5)、式(6)得到飛行時(shí)間繼而得到距離值,如圖8所示。其中,d1表示代入式(5)即根據(jù)頻率f1得到飛行時(shí)間,d2表示代入式(6)即根據(jù)頻率f2得到飛行時(shí)間。圖9為對(duì)應(yīng)2種方式得到的測(cè)量結(jié)果與真值的誤差。由圖可知,根據(jù)頻率f1(f1=50 kHz即中心頻率)得到的測(cè)量結(jié)果誤差明顯較小。

圖8 2種方式測(cè)量結(jié)果比較

圖9 2種方式測(cè)量誤差比較

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在飛行時(shí)間測(cè)距法的原理基礎(chǔ)上提出了一種新的高精度超聲測(cè)距法。針對(duì)飛行時(shí)間法存在的聲衰減導(dǎo)致起振時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確的問題,根據(jù)不同頻率的接收/發(fā)射的相位偏移之差恒定的原理判斷起振時(shí)間。本文通過(guò)發(fā)送2種不同頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào),分析接收波之間存在的相對(duì)關(guān)系,建立發(fā)射波/接收波實(shí)際模型,判斷2組接收波漏檢周期數(shù),進(jìn)而得到準(zhǔn)確的飛行時(shí)間。

[1] 葉寶玉,王欽若,熊建斌,等.基于超聲波的模型船舶室內(nèi)定位系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2012,38(19): 258-260,265.

[2] Medina C,Segura J C,de la Torre A.Ultrasound Indoor Positioning System Based on a Low-power Wireless Sensor Network Providing Sub-centimeter Accuracy[J]. Sensors,2013,13(3):3501-3526.

[3] 任曉奎,郭海雯.基于超聲波和GPS技術(shù)的車輛防碰預(yù)警系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(3): 694-696.

[4] 安葳鵬,李長(zhǎng)青.超聲波汽車追尾儀的研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2001,27(1):189-190.

[5] 王榮揚(yáng),錢振華,殷勇輝.基于FPGA的互相關(guān)無(wú)串?dāng)_超聲測(cè)距系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2013,39(8):307-313.

[6] 戴華平,胡紅亮.基于耦合同步混沌系統(tǒng)的超聲波測(cè)距方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2013,39(5):23-27.

[7] 陳 建,孫曉穎.一種高精度超聲波到達(dá)時(shí)刻的檢測(cè)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013,33(11):2422-2428.

[8] 張攀峰,王玉萍.帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(6):1717-1719.

[9] 曾祥進(jìn),王 敏,黃心漢.自動(dòng)增益電路在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)控技術(shù),2005,24(7):69-71.

[10] Kimura T.AHighResolutionUltrasonicRange Measurement Method Using Double Frequencies and PhaseDetection[C]//ProceedingsoftheIEEE Ultrasonics Symposium.Settle,USA:IEEE Press,1995: 737-741.

[11] Huang K N,Huang Yupei.Multiple-frequency UltrasonicDistanceMeasurementUsingDirectDigital Frequency Synthesizers[J].Sensors and Actuators A: Physical,2009,149(1):42-50.

[12] Huang C,Young M,Li Y.Multiple-frequency Continuous Wave Ultrasonic System for Accurate Distance Measurement[J].Review of Scientific Instruments, 1999,70(2):1452-1458.

[13] Huang Y,Young M S.An Accurate Ultrasonic Distance Measurement System with Self Temperature Compensation[J].Instrumentation Science and Technology, 2009,37(1):124-133.

編輯 顧逸斐

Study on High Accurate Ultrasonic Ranging Method Using Multi-frequency Pulse

WU Jun,SHEN Mengting
(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

The traditional ultrasonic ranging method is based on time of flight using single frequency pulse.It is flexible in application but has low accuracy.Another high accurate method is based on multi-frequency continuous wave;however its application is limited by the continuous sound wave.In order to consider both measurement accuracy and application, this paper presents a novel method by using multi-frequency ultrasonic pulse.This method obtains accurate distance based on the sound velocity which is compensated by temperature and accurate time of flight estimated through the inherence time difference of different frequency pluses.Experimental results prove the measurement accuracy can achieve about 0.3 mm for the distance up to 3 m.

ultrasonic ranging;multi-frequency pulse;time of flight;time difference estimation;temperature compensation;least-squares fitting

吳 軍,沈夢(mèng)婷.高精度多頻脈沖超聲測(cè)距法研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2015,41(2):278-281,286.

英文引用格式:Wu Jun,Shen Mengting.Study on High Accurate Ultrasonic Ranging Method Using Multi-frequency Pulse[J].Computer Engineering,2015,41(2):278-281,286.

1000-3428(2015)02-0278-04

:A

:TP39

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.02.053

國(guó)家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2012AA041205);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305297)。

吳 軍(1986-),男,博士研究生,主研方向:超聲定位系統(tǒng);沈夢(mèng)婷,碩士研究生。

2014-02-24

:2014-03-20E-mail:wujun8686@tju.edu.cn