超聲波測(cè)距的技術(shù)現(xiàn)狀及前景

雋子航

摘要：超聲波測(cè)距因?yàn)榭垢蓴_能力強(qiáng)，測(cè)量范圍廣，操作簡(jiǎn)捷的優(yōu)勢(shì)，在測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文首先闡釋了超聲波測(cè)距的基本原理，分析歸納了影響測(cè)距精度因素和應(yīng)對(duì)措施；介紹了超聲波測(cè)距的幾種典型應(yīng)用：汽車?yán)走_(dá)、機(jī)器人避障和水下測(cè)繪；最后對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，超聲波測(cè)距具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力。

關(guān)鍵詞：超聲波 超聲波測(cè)距 測(cè)距技術(shù) 測(cè)距精度

一、超聲波測(cè)距的基本原理

（一）物理原理

當(dāng)前，產(chǎn)生超聲波的方法有熱學(xué)法、力學(xué)法、靜電法、電磁法、磁致伸縮法、激光法以及壓電法等，但絕大多數(shù)的超聲換能器原理都為壓電法，即：使壓電材料發(fā)生壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，使超聲波的能量和電能之間發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而間接表示出超聲波的釋放和接受的情況。

超聲波測(cè)距的普遍方法為渡越時(shí)間法，其原理為：發(fā)射換能器發(fā)出超聲波，超聲波在遇到障礙物后，由于其反射性能夠產(chǎn)生反射回波，回波由接收換能器接收。渡越時(shí)間法根據(jù)從發(fā)射出聲波到接收回波的時(shí)間和聲速，通過(guò)公式算出距離。其公式為：

L=υt/2

式中：L為聲波走過(guò)的路程

v為超聲波在介質(zhì)中的速度

t為渡越時(shí)間

（二）超聲波測(cè)距的主要方法

超聲波測(cè)距的方法有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法、渡越時(shí)間法、可變閾值檢測(cè)法、包絡(luò)峰值檢測(cè)法等。本文具體給大家介紹其中的兩種。

1.可變閾值檢測(cè)法

可變閾值檢測(cè)法是基于信號(hào)過(guò)零監(jiān)測(cè)的，信號(hào)過(guò)零檢測(cè)屬于最為簡(jiǎn)單的超聲測(cè)距檢測(cè)方法，其基本原理為：發(fā)射換能器發(fā)出超聲波的一瞬間開(kāi)始計(jì)時(shí)，待接收換能器接收到聲波并達(dá)到一定閾值后再停止計(jì)時(shí)，從而得出渡越時(shí)間，再計(jì)算出距離。

因?yàn)槌暡〞?huì)因介質(zhì)中距離的增加而導(dǎo)致頻率的衰減，其放大的線路也就會(huì)衰減，進(jìn)而使渡越時(shí)間變長(zhǎng)，所以當(dāng)前采用時(shí)間-閾值可變或時(shí)間-增益可變的形式來(lái)作為改變閾值的標(biāo)準(zhǔn)，以更加準(zhǔn)確的接收回波，保證渡越時(shí)間的精準(zhǔn)度。時(shí)間-閾值可變接收電路設(shè)置閾值隨時(shí)間延長(zhǎng)呈指數(shù)形式遞減；時(shí)間-增益可變接收電路則使放大電路的放大倍數(shù)隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈指數(shù)形式遞增。按此規(guī)律并結(jié)合具體的環(huán)境來(lái)設(shè)定指數(shù)函數(shù)的底數(shù)，就能設(shè)定合理的閾值，準(zhǔn)確接收超聲回波并分辨超聲回波所能表達(dá)出的信息，進(jìn)而確定渡越時(shí)間，準(zhǔn)確算出距目標(biāo)的距離。

然而，可變閾值檢測(cè)法只能夠適應(yīng)信噪比較低的環(huán)境，若環(huán)境中噪聲太大或目標(biāo)距離收到噪聲影響，此方法就顯得誤差較大。

2.包絡(luò)峰值檢測(cè)法

包絡(luò)峰值檢測(cè)法的原理為：將接收到的超聲回波轉(zhuǎn)化為包絡(luò)峰值曲線，通過(guò)對(duì)曲線的分析再得出渡越時(shí)間。

利用包絡(luò)峰值檢測(cè)法進(jìn)行測(cè)距時(shí)，對(duì)于同一個(gè)被測(cè)物，其不同距離上的曲線都極為相似，波形基本一致，但波幅不同；對(duì)于同一距離上的不同物體，其情況也是曲線相同、波幅不同的情況。所以我們可以近似認(rèn)為，包絡(luò)曲線圖基本不以外界條件的改變而改變。進(jìn)而我們可以推出，回波前沿到達(dá)的時(shí)間t0與回波峰值時(shí)間tp的時(shí)間差基本不變。所以，在測(cè)量物體確定的情況下，通過(guò)包絡(luò)曲線圖確定出回波峰值時(shí)間tp，再用公式Δt=tp-t0得到回波前沿到達(dá)的時(shí)間，從而準(zhǔn)確確定渡越時(shí)間，也能夠準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)距離。

二、超聲波測(cè)距精度的提高

（一）主要影響因素及應(yīng)對(duì)

在超聲波測(cè)距的過(guò)程中，誤差的出現(xiàn)是必不可免的，除了特定方法特定環(huán)境出現(xiàn)的干擾，如上述可變閾值檢測(cè)法中噪聲干擾外，還有各個(gè)測(cè)距環(huán)境中都能夠產(chǎn)生影響的方面。

1.傳播速度誤差和測(cè)定傳播時(shí)的誤差

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其速度會(huì)因某些環(huán)境因素的變化而變化。其中，溫度是變化的主要因素。340m/s是超聲波在常溫下的傳播速度。若在此基礎(chǔ)上每增加1℃，就會(huì)使超聲波在相同介質(zhì)傳播速度增加0.6m/s，能夠產(chǎn)生較大誤差。

為了能夠使該實(shí)驗(yàn)獲得更準(zhǔn)確的數(shù)值，在數(shù)據(jù)處理時(shí)普遍采用溫度補(bǔ)償法，即給予超聲波速度相應(yīng)補(bǔ)償。

2.盲區(qū)

發(fā)出超聲波時(shí)，由于超聲波換能器在接收超聲回波結(jié)束后，會(huì)由于慣性繼續(xù)振動(dòng)，從而產(chǎn)生余振。在受到余振干擾期間，無(wú)法辨認(rèn)超聲回波和余振，必須等其結(jié)束后才能運(yùn)行。由于這段時(shí)間里無(wú)法進(jìn)行測(cè)距步驟，稱之為盲區(qū)。

減少盲區(qū)的目的，就是為了使余振盡快衰減至零或足夠小，才不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成太大影響。盲區(qū)多在近距離勘測(cè)中出現(xiàn)，因此，在近距離勘測(cè)時(shí)，可以適當(dāng)?shù)臏p少超聲波發(fā)射的功率，從而減小余振。

3.混響信號(hào)干擾

混響信號(hào)是由于超聲波接觸到水中介質(zhì)及非目標(biāo)物，而導(dǎo)致這些非目標(biāo)物產(chǎn)生超聲回波，待所有回波集于一點(diǎn)時(shí)發(fā)生疊加產(chǎn)生的?；祉懶盘?hào)難以被一般的濾波電路所消除。

對(duì)于混響信號(hào)干擾，可以根據(jù)時(shí)間變化，控制接收放大電路的增益，從而抑制混響信號(hào)。

（二）提高精度的方法

通過(guò)超聲波測(cè)距的基本原理公式L=υt/2，可知，能夠產(chǎn)生誤差從而影響到最終結(jié)果的因素有時(shí)間的大小和超聲波在介質(zhì)中傳播速度的大小。而影響傳播速度的外界因素最主要為溫度。

1.減少時(shí)間測(cè)量誤差

（1）時(shí)間增益補(bǔ)償電路

通過(guò)對(duì)時(shí)間增益進(jìn)行補(bǔ)償，若補(bǔ)償精確，可以將回波起伏近似地看作一個(gè)常數(shù)，回波穩(wěn)定后，超聲波接收器測(cè)定的時(shí)間也就穩(wěn)定了，渡越時(shí)間的誤差也能夠有效變小。

時(shí)間增益補(bǔ)償電路的基本原理為：利用回波接收放大電路的增益與回波接收時(shí)間之間的正比關(guān)系，或者根據(jù)放大倍數(shù)與回波時(shí)間的指數(shù)遞增關(guān)系來(lái)減小回波起伏的誤差，使接收電路接收的回波信號(hào)幾乎保持不變。

同樣，對(duì)于衰減現(xiàn)象，也能夠通過(guò)增益補(bǔ)償來(lái)對(duì)聲強(qiáng)進(jìn)行影響，避免了隨著測(cè)量距離的增加超聲波回波起伏發(fā)生改變的問(wèn)題，提高精度。

（2）利用小波變換對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)回波信號(hào)進(jìn)行處理

此方法是在接收換能器接收完超聲回波后，利用小波去噪的方式，對(duì)回波進(jìn)行加工，使回波所傳達(dá)的信息更加可信準(zhǔn)確，得到精確的包絡(luò)數(shù)值，再進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算過(guò)程，獲得準(zhǔn)確數(shù)值。

處理的方法為：對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行不同角度的小波變換，再通過(guò)對(duì)所有角度小波變換的結(jié)果進(jìn)行分析，得出去除噪聲的小波系數(shù)，最后利用該系數(shù)和逆變換重新構(gòu)造出準(zhǔn)確回波，達(dá)到去噪目的。

2.減小溫度對(duì)傳播速度影響

（1）溫度矯正法

對(duì)于溫度矯正的方法，我們一般利用公式v=331+0.60T進(jìn)行溫度補(bǔ)償，來(lái)適應(yīng)不同環(huán)境下超聲波測(cè)距工作的運(yùn)行。通過(guò)對(duì)此公式的分析，可知，獲得準(zhǔn)確溫度是得到準(zhǔn)確超聲波速的關(guān)鍵。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，目前的方式主要有運(yùn)用熱敏電阻、熱電偶、集成溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量的方法。

（2）標(biāo)桿測(cè)量法

除了像溫度矯正法將溫度彌補(bǔ)在速度上外，若實(shí)驗(yàn)中不能準(zhǔn)確測(cè)量當(dāng)?shù)丨h(huán)境的溫度時(shí)，實(shí)驗(yàn)普遍采用標(biāo)桿測(cè)量法。標(biāo)桿測(cè)量法不同于溫度矯正法的是，它并沒(méi)有將溫度彌補(bǔ)，而是利用雙通道方法。雙通道方法的基本原理為：一個(gè)通道用于測(cè)量當(dāng)前環(huán)境下超聲波聲速。將一個(gè)障礙物放在一個(gè)已知距離遠(yuǎn)處，利用超聲波測(cè)距基本公式算出聲速；另一通道仍按正常程序進(jìn)行測(cè)距。由于此方法中所得的聲速是針對(duì)于當(dāng)前環(huán)境的，因此所得的結(jié)果也較為精確。

隨著科技的不斷進(jìn)步和制作水平的不斷提升，溫度傳感器的精度和抗干擾能力也在不斷進(jìn)步，溫度的測(cè)量就顯得方便了許多。

三、超聲波測(cè)距的典型應(yīng)用

（一）汽車?yán)走_(dá)

汽車?yán)走_(dá)也是通過(guò)接收超聲回波來(lái)進(jìn)行測(cè)距。但不同的是，汽車是一個(gè)不斷運(yùn)動(dòng)的物體，我們需要消除汽車行進(jìn)中走過(guò)的距離。當(dāng)計(jì)算出的距離小于一定程度時(shí)，顯示屏?xí)鶕?jù)設(shè)定過(guò)的不同閾值發(fā)出不同警報(bào)，來(lái)提示駕駛員進(jìn)行避讓。

使用倒車?yán)走_(dá)可以有效避免倒車時(shí)產(chǎn)生的車體碰撞等事故，能夠時(shí)刻提醒駕駛員保持行車距離，減少不必要的行車事故。隨著超聲波技術(shù)的越來(lái)越深入，在未來(lái)人們可以制造出更加精確的超聲波探頭，使行車安全更加有所保障。

（二）機(jī)器人領(lǐng)域

超聲波在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用也主要是機(jī)器人的避障。機(jī)器人避障的原理與汽車?yán)走_(dá)的原理相似，由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的無(wú)人駕駛汽車的速度也能夠與普通無(wú)人駕駛車的速度相比擬，所以行駛速度的補(bǔ)償也是必不可少的。與汽車?yán)走_(dá)不同的是，機(jī)器人可以通過(guò)某些特定的程序，來(lái)進(jìn)行不同方向的、符合行進(jìn)路線的判斷，通過(guò)中央芯片下達(dá)指令，進(jìn)行避障。

機(jī)器人避障的應(yīng)用在當(dāng)代社會(huì)中有十分豐富的應(yīng)用手段，其自動(dòng)化可以有效地解放人為控制，方便人們生活也給予了相關(guān)行業(yè)人群或相關(guān)科研人員一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

（三）水下地形測(cè)繪

由于水為彈性介質(zhì)，超聲波作為彈性波可以在水中傳播。其基本原理為：超聲波在水中傳播，遇到障礙物后產(chǎn)生回波，接收器收到回波后根據(jù)回波所帶信息在特定的繪制程序中對(duì)不同深度進(jìn)行不同顏色的區(qū)分，通過(guò)不斷移動(dòng)改變探頭位置，從而繪制出水下地形的圖像。

由于海底地形太過(guò)復(fù)雜，只進(jìn)行一個(gè)探頭的繪制是無(wú)法體現(xiàn)出所有海底的地形構(gòu)造的。因此，繪制海底地形圖時(shí)要多個(gè)探頭多方位、多角度的進(jìn)行測(cè)繪。

通過(guò)超聲波測(cè)距，我們能夠進(jìn)行水下地殼測(cè)繪、水下地藏測(cè)繪等，這為我們更深入地了解地球結(jié)構(gòu)及其能源儲(chǔ)備，發(fā)現(xiàn)更多有價(jià)值的地球規(guī)律。

四、總結(jié)與展望

超聲波測(cè)距技術(shù)潛移默化地貫穿在人們生活之中，為我們帶來(lái)極大便利。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，超聲波測(cè)距技術(shù)在提高精度和測(cè)量范圍等方面已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，發(fā)展起多用途、適用于不同領(lǐng)域的測(cè)量方法。

隨著新時(shí)代的蓬勃發(fā)展，高新科技技術(shù)正在崛起，超聲波技術(shù)也將在這科技技術(shù)的饕餮盛宴中占有一席之地。它更多的可以作為一種工具來(lái)促進(jìn)科技的發(fā)展，為未來(lái)?yè)碛懈軆x器或更高級(jí)的技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

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（作者單位：山東省平度第一中學(xué)）