離散方波LFM在超聲波TOF測量中的應(yīng)用

鮑正祥

摘 要：超聲波信號(hào)的TOF或TDOA估計(jì)方法中，相關(guān)估計(jì)是一類精確的方法，因而其應(yīng)用較為廣泛。雖然有一些超聲波測量應(yīng)用了小波變換、HHT以及FrFT等分析理論與技術(shù)，但相關(guān)估計(jì)仍是TOF測量的基礎(chǔ)。該文提出一種離散方波LFM的產(chǎn)生方法，初步介紹了LFM在超聲波TOF估計(jì)中應(yīng)用，采用離散方波LFM（DRLFM）信號(hào)激勵(lì)，用加減運(yùn)算實(shí)現(xiàn)互相關(guān)函數(shù)的遞推算法，以實(shí)現(xiàn)TOF的快速估計(jì)。比較了正弦LFM與方波LFM信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和頻譜，分析了采用方波LFM信號(hào)作為激勵(lì)的可行性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了LFM作為激勵(lì)時(shí)TOF估計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞：超聲波 TOF 方波 LFM

中圖分類號(hào)：TB51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0078-02

超聲波信號(hào)的TOF（Time of Flight）的相關(guān)估計(jì)中，LFM信號(hào)是一種比較簡單且有效的激勵(lì)信號(hào)。雖然LFM信號(hào)不能象PRBS及混沌信號(hào)一樣，能夠很好地克服Crosstalking， 但是LFM不需要調(diào)制，還能基帶傳輸，不但信號(hào)的傳輸效率較高，而且相關(guān)函數(shù)的主副瓣幅度差別也明顯，因而在單組超聲波傳感器應(yīng)用中經(jīng)常采用。從LFM實(shí)現(xiàn)的方法來看，DDFS以其控制方便，使用靈活的特點(diǎn)，在超聲波激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生中逐漸變成主流方案。現(xiàn)有的各種DDFS芯片，輸出信號(hào)大多數(shù)是正弦波，除少量價(jià)格昂貴的DDFS芯片內(nèi)含chirp功能，大部分DDFS芯片都需要在外部對頻率控制字進(jìn)行改變。目前可編程器件技術(shù)的已有很大發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用，很多人采用可編程器件技術(shù)并結(jié)合高速DAC，實(shí)現(xiàn)了正弦LFM電路，并在超聲波驅(qū)動(dòng)中獲得應(yīng)用。但是，高頻正弦信號(hào)對于大功率高頻超聲波器件激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)也有一定的難度。超聲發(fā)生器可以看成一個(gè)中心頻率為其特征頻率的帶通濾波器，可以采用方波LFM驅(qū)動(dòng)，因此，也可采用高速比較器，將DDFS產(chǎn)生的正弦LFM變成方波LFM。

實(shí)現(xiàn)基于可編器件的DDFS的正弦波到方波的轉(zhuǎn)化，除高速DAC及模擬比較器外還有其它可行的方案。在可編程器件中，一個(gè)高速數(shù)值比較器不僅易于實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，而且性能穩(wěn)定可靠。所以，本文提出一種基于DDFS的全數(shù)字的離散LFM的發(fā)生方法。文中比較了正弦LFM信號(hào)與離散方波LFM的相關(guān)函數(shù)及頻譜特性，分析了離散方波LFM用于TOF估計(jì)的可行性，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方案的可行性。

1 TOF估計(jì)中LFM激勵(lì)信號(hào)

1.1 超聲波TOF信號(hào)估計(jì)

這里以直射式超聲波發(fā)射與接收器件組為例，分析超聲波傳輸過程和TOF估計(jì)。通常超聲信號(hào)傳輸包含超聲換能器激勵(lì)、超聲波傳輸及超聲信號(hào)信號(hào)拾取等過程，它的傳輸過程可以用下述模型描述。

1.2 DRLFM的自相關(guān)函數(shù)及頻譜

激勵(lì)信號(hào)的性能特點(diǎn)對TOF穩(wěn)定可靠的測量有很重要的影響。本節(jié)比較連續(xù)正弦LFM與離散化的方波LFM在相關(guān)函數(shù)及頻譜方面的性能差異，介紹用離散化方波LFM估計(jì)TOF的可行性。

圖2是連續(xù)的正弦信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，圖3是離散化方波LFM（DRLFM）信號(hào)，采樣頻率，對比兩圖，將LFM在時(shí)域及幅度上進(jìn)行離散化，DRLFM在相關(guān)函數(shù)及頻譜上和正弦LFM信號(hào)很相似，離散化對信號(hào)的頻譜及相關(guān)函數(shù)沒有什么影響。

1.3 DRLFM激勵(lì)下的TOF估計(jì)

可以看成濾波器，其中心頻率等于諧振頻率，幅頻特性平坦，所以，如果是方波LFM，也將是正弦調(diào)頻信號(hào)。因而測量時(shí)無需采集信號(hào)，在計(jì)算時(shí)，可以采用與之相對應(yīng)的正弦離散信號(hào)，該信號(hào)可以按正弦LFM信號(hào)的規(guī)律計(jì)算得到。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們采用中心頻率為1 MHz、帶寬為0.3 MHz的超聲波傳感組作為試驗(yàn)傳感器，并以MAX II器件EPF1270T144C3構(gòu)成基于DDFS的DRLFM電路，并用UT2102C示波作為數(shù)據(jù)記錄采集設(shè)備。傳感器的特性如圖4所示，圖中（a）（b）是根據(jù)產(chǎn)品說明書提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)母線電壓為10V的橋式驅(qū)動(dòng)后輸入傳感器，采用UT2102C示波采集接收數(shù)據(jù)，MAX II構(gòu)成的信號(hào)產(chǎn)生電路在開始向外輸出DRLFM的時(shí)刻，輸出觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)示波器采集數(shù)據(jù)。采集結(jié)果采用MATLAB進(jìn)行處理。

圖5是一組采用正弦LFM激勵(lì)的測量結(jié)果。其中（a）是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，（b）是采集的數(shù)據(jù)，（c）及（d）是其相關(guān)函數(shù)，從圖中可以看出，TOF =33.53 us。

3 結(jié)語

文中提出基于DDFS的全數(shù)字式離散方波LFM信號(hào)發(fā)生器，由于省去了DAC電路及模擬比較電路，不僅易于實(shí)現(xiàn)，所產(chǎn)生的方波信號(hào)也易于驅(qū)動(dòng)。因?yàn)闆]有模擬電路，電路所受的干擾也大大降低，因此頻穩(wěn)性較好，相位抖動(dòng)也很小，所產(chǎn)生的方波信號(hào)也易于驅(qū)動(dòng)，用于超聲波TOF的估計(jì)，可以遞推計(jì)算其相關(guān)函數(shù)，也可以基帶傳輸，從而提高了算法的精度，改善其魯棒性。

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