超聲波傳感信號(hào)的特性分析

齊海東，張超，陳濤

（吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林四平，136000）

超聲波傳感信號(hào)的特性分析

齊海東，張超，陳濤

（吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林四平，136000）

本文從超聲波信號(hào)測(cè)試與信噪比之間的聯(lián)系、避障測(cè)距系統(tǒng)的超聲波傳感信號(hào)與無(wú)線電波信號(hào)的對(duì)比、實(shí)際環(huán)境下的超聲波傳感信號(hào)傳輸信道特性與測(cè)試三個(gè)方面進(jìn)行分析，希望對(duì)超聲波傳感信號(hào)的測(cè)試提供有針對(duì)性的建議。

超聲波傳感信號(hào)；傳輸信道；超聲波避障；超聲波測(cè)距

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，使得超聲波傳感器被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)當(dāng)中。由于超聲波傳感信號(hào)具備諸多優(yōu)點(diǎn)。比如，抗干擾性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等，促進(jìn)避障測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)展。因此，本文對(duì)超聲波傳感信號(hào)傳輸信道特性分析與測(cè)試進(jìn)行探討。

1 超聲波信號(hào)測(cè)試與信噪比之間的聯(lián)系

在避障測(cè)距的系統(tǒng)中，超聲波傳感信號(hào)與無(wú)線通信信號(hào)之間存在一定的差異，特別是在雷達(dá)信號(hào)的測(cè)試方面。為更好的區(qū)分超聲波傳感信號(hào)與無(wú)線通信信號(hào)，應(yīng)當(dāng)在接受系統(tǒng)中將有用的信息全部提取，接受系統(tǒng)中原有的噪音形成全新的干擾信號(hào)，對(duì)超聲波傳感信號(hào)得測(cè)試有一定的影響。針對(duì)不同形式的信號(hào)特性與測(cè)試，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照信號(hào)噪音比率進(jìn)行測(cè)試[1]。以ASK、K、PSK三種信號(hào)為例，K信號(hào)在信號(hào)噪音比率中占據(jù)極小的比率，在相同的環(huán)境中，ASK信號(hào)的抗噪音能力較差。最為常見(jiàn)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)由多個(gè)超聲波脈沖串組成，形成的信號(hào)與ASK信號(hào)特性一致，可以很好的達(dá)到傳輸信道特性的測(cè)試效果。而超聲波脈沖信號(hào)的結(jié)構(gòu)與雷達(dá)信號(hào)結(jié)構(gòu)一致，對(duì)超聲波脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，也可以得到正確的測(cè)試結(jié)果。為有效提升信號(hào)噪音比率，應(yīng)當(dāng)選用波形較小的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理。與此同時(shí)，也可以廣泛采用信號(hào)擴(kuò)頻的方式，對(duì)超聲波傳感信號(hào)的發(fā)射與接收進(jìn)行處理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻增益的目的。綜上所述，超聲波信號(hào)測(cè)試與信噪比之間有著必不可缺的聯(lián)系。

2 分析避障測(cè)距系統(tǒng)的超聲波傳感信號(hào)與無(wú)線電波信號(hào)的對(duì)比

盡管超聲波傳感信號(hào)與無(wú)線通信信號(hào)之間有著必然的聯(lián)系。但是，兩者之間也存在著一定的差異。超聲波傳感信號(hào)與無(wú)線通信信號(hào)都是隨著距離的變化而不斷變化，同時(shí)也會(huì)使噪音不斷降低[2]。信號(hào)減弱的根本原因在于形成不同的測(cè)試效應(yīng)，即衰落效應(yīng)、路徑衰減效應(yīng)以及陰影效應(yīng)。

路徑衰減效應(yīng)的種類(lèi)眾多，主要包括有：幾何衰減、介質(zhì)衰減等。形成幾何衰減的根本原因是由于傳輸?shù)木嚯x不斷擴(kuò)大，致使信號(hào)的接收面積也在不斷擴(kuò)大，信號(hào)能量隨之減小，最終影響著接收信號(hào)的功率。

就當(dāng)前超聲波傳感信號(hào)傳輸?shù)乃俣榷?，介質(zhì)的損耗程度對(duì)傳輸速度有一定的影響，換句話說(shuō)，也可以理解為介質(zhì)對(duì)信號(hào)能量有吸收的作用，形成諸多特性[3]。比如，粘滯性、熱傳導(dǎo)性等，最終將信號(hào)能量轉(zhuǎn)變成新型能量。就無(wú)線通信信號(hào)的傳輸速度而言，介質(zhì)的消耗源于能量在不斷運(yùn)動(dòng)，無(wú)線通信信號(hào)若在水中進(jìn)行傳輸，不斷消耗大量的介質(zhì)，促使測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大的差異性。超聲波傳感信號(hào)若在空氣中進(jìn)行傳輸，會(huì)形成過(guò)大的超聲波頻率，在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，造成一系列的介質(zhì)消耗，阻礙著測(cè)試的進(jìn)度。

3 分析實(shí)際環(huán)境下的超聲波傳感信號(hào)傳輸信道特性與測(cè)試

對(duì)超聲波傳感信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，最為重要的方向便是對(duì)接收信號(hào)自身的信號(hào)噪音比率進(jìn)行測(cè)試。本文主要采用的是直接測(cè)試的方式，對(duì)超聲波傳感信號(hào)的傳輸信道特性進(jìn)行測(cè)試。頻譜儀則是最為常見(jiàn)的測(cè)量工具，不斷切換頻譜儀自身的工作效率，并且選取適當(dāng)?shù)男诺缹挾?，促使每一個(gè)信道能夠接收到傳感信號(hào)，貫徹落實(shí)在頻譜儀當(dāng)中，能夠準(zhǔn)取的讀取頻譜儀實(shí)際的功率值，功率值也可以稱(chēng)作是信號(hào)功率。若不定時(shí)的關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，頻譜儀上所顯示的功率值則是超聲波傳感信號(hào)的噪音功率。不僅如此，也可以快速的測(cè)試到接收信號(hào)的信噪比。由于超聲波傳感信號(hào)添加了一定數(shù)量的低噪音放大器，未能很好的將超聲波傳感信號(hào)與噪音進(jìn)行區(qū)分，直接影響著超聲波傳感信號(hào)傳輸信道特性測(cè)試的結(jié)果?；诖耍瑢?duì)信噪比進(jìn)行測(cè)試可以真實(shí)有效的反映出超聲波傳感信號(hào)的特性。

3.1 分析開(kāi)闊空間下的超聲波傳感信號(hào)傳輸特性

在較為開(kāi)闊的空間下，對(duì)超聲波傳感信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，在此基礎(chǔ)上，選用超聲波探頭對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，確保超聲波探頭保持在55KHz以內(nèi)，只有保證接收信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪音后，才可以通過(guò)頻譜儀進(jìn)行測(cè)試。以寬闊的廣場(chǎng)環(huán)境為例，超聲波傳感信號(hào)的中心頻率約為50KHz，在不同的廣場(chǎng)位置上進(jìn)行信號(hào)測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)功率逐漸呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。由于存在不同的溫度和濕度，并且發(fā)射信號(hào)與超聲波探頭具有極強(qiáng)的方向性，在較為粗糙的地面環(huán)境下，使得超聲波傳感信號(hào)的測(cè)試效率不斷下降，實(shí)際測(cè)試的信號(hào)特性與空氣自由空間的信號(hào)特性一致。

3.2 分析公路環(huán)境下的超聲波傳感信號(hào)傳輸特性

與開(kāi)闊的廣場(chǎng)環(huán)境相比，在公路環(huán)境下對(duì)超聲波傳感信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)超聲波傳感信號(hào)的測(cè)試結(jié)果存在一系列的誤差，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同的信號(hào)功率。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在公路車(chē)輛較少的環(huán)境下，超聲波傳感信號(hào)傳輸信道特性的測(cè)試結(jié)果與開(kāi)闊環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果一致，測(cè)試的數(shù)值存在極小的誤差。在公路車(chē)輛較多的環(huán)境下，車(chē)輛自身的噪音與信噪比相比普遍略低，對(duì)超聲波傳感信號(hào)傳輸信道特性的測(cè)試結(jié)果有較小的影響，最為重要的影響因素在于公路車(chē)輛集中在低頻段，所形成的超聲波頻段更是少之又少。除此之外，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于開(kāi)關(guān)電源不斷振動(dòng)，致使超聲波傳感信號(hào)的測(cè)試結(jié)果發(fā)生改變，給超聲波傳感信號(hào)傳輸信道特性的測(cè)試帶來(lái)巨大的困擾。

4 結(jié)論

本文對(duì)超聲波信號(hào)測(cè)試與信噪比之間的聯(lián)系進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)超聲波傳感信號(hào)與無(wú)線通信信號(hào)之間存在較大的差異，同時(shí)也存在著不同的信噪比。同時(shí)本文主要分析了避障測(cè)距系統(tǒng)的超聲波傳感信號(hào)與無(wú)線電波信號(hào)的對(duì)比，超聲波傳感信號(hào)在空氣中傳輸，對(duì)信號(hào)衰減起到至關(guān)重要的作用。不僅如此，本文對(duì)實(shí)際環(huán)境下的超聲波傳感信號(hào)傳輸信道特性與測(cè)試進(jìn)行闡述，主要從開(kāi)闊空間和公路環(huán)境兩個(gè)方面具體闡述，為改善超聲波傳感信號(hào)的測(cè)試結(jié)果奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]劉達(dá)偉,喬亞興,劉劍青，等.基于超聲波傳感器的局部放電無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào).2016,31(04):161-167.

[2]李靜海，曾明，張小內(nèi).二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器風(fēng)向信號(hào)修正方法[J].傳感器與微系統(tǒng).2016,35(11)：12-14.

[3]李力偉.基于超聲波傳感器的行車(chē)軌跡檢測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊.2016,12(24)：69.

The characteristics of ultrasonic sensor signals

Qi Haidong，Zhang Chao，Chen Tao
（College of information technology, Jilin Normal University, Siping Jilin,136000）

The relation between ultrasonic sensor signals and signal noise ratio, contrast ultrasonic sensing signal of obstacle avoidance system with radio signals, channel characteristics and test of the ultrasonic sensing signal transmission is analyzed in actual environment, suggestions is provided for ultrasonic sensor signal testing in future.

Ultrasonic sensing signal; Transmission channel;Ultrasonic obstacle avoidance; Ultrasonic ranging