用于減小PMUT“盲區(qū)”的回波檢測方法

王光華,張玉超,胡益民,苗 斌,張士欽,周紅宇,趙祥永,李加?xùn)|,3

(1.長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,吉林 長春 130012;2.中國科學(xué)院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,江蘇 蘇州 215123;3.中國科學(xué)院 多功能材料與輕巧系統(tǒng)重點實驗室,江蘇 蘇州 215123;4.上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,上海 200234)

0 引言

超聲波測距技術(shù)具有成本低、抗干擾能力強、可檢測透明材質(zhì)等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域,包括距離測量(在空氣中)、聲納、流量監(jiān)測等[1]。近年來,隨著可穿戴式設(shè)備、微型機器人和無人機等應(yīng)用平臺的發(fā)展,對自身裝配的超聲傳感器提出了微型化、易集成的技術(shù)需求。相較于傳統(tǒng)的超聲波傳感器,基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的壓電微機械超聲波換能器(PMUT)繼承了傳統(tǒng)超聲波傳感器優(yōu)勢,同時兼具微型化、低功耗、易集成的技術(shù)優(yōu)勢,具有廣泛的應(yīng)用潛力[2]。

盲區(qū)是評價超聲波傳感器測距能力的一個重要技術(shù)指標(biāo)[3]。PMUT在收發(fā)一體式測距模式下,去除激勵源后接收波形產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象,導(dǎo)致近場原始回波信號難以區(qū)分,造成測量盲區(qū)。為了縮減測量盲區(qū),提升近場可測量范圍,已有學(xué)者開展相關(guān)研究并提出了解決方案。針對傳統(tǒng)的塊體型超聲器件,相關(guān)文獻(xiàn)提及的方法有全橋發(fā)射驅(qū)動波[4]、并聯(lián)電阻器[5]、Golay互補對技術(shù)[6]及調(diào)節(jié)超聲波功率[7],但目前尚未應(yīng)用于PMUT。關(guān)于PMUT器件,2011年加州大學(xué)David A.Horsley團(tuán)隊提出從接收到的信號中減去在校準(zhǔn)階段所測量的發(fā)射和拖尾波形,以此削弱測量盲區(qū)[8]。2018年浙江大學(xué)劉鑫鑫等提出了一種通過相移減少PMUT拖尾時間的方法,使振動頻率為399.7 kHz的超聲器件減小了3.5 cm的測量盲區(qū)[9]。2021年武漢大學(xué)吳志鵬等提出了一種基于傳遞函數(shù)的閉環(huán)抑制系統(tǒng),抑制PMUT的拖尾時間以減少測量盲區(qū),使PMUT陣列的測量盲區(qū)減少了約40%[10]。上述研究通過抑制拖尾時間,改善測量盲區(qū),均取得了一定的成效,但在實際應(yīng)用中,不同PMUT器件的頻率、阻抗等參數(shù)指標(biāo)存在一定的差異性[11],因此,其測量電路需針對不同的PMUT器件做出適當(dāng)調(diào)整,普適性較差,同時增加了發(fā)射電路的復(fù)雜度。

本文提出了一種在拖尾段識別回波信號的方法,無需抑制拖尾信號,亦無需在收發(fā)電路上針對不同PMUT器件做過多參數(shù)處理,實現(xiàn)了在300 cm的測距量程內(nèi),測量盲區(qū)減少約50%,有一定的普適性,具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 PMUT電路設(shè)計及信號壓縮

1.1 收發(fā)一體式PMUT工作原理

PMUT屬于壓電型器件,可將電能轉(zhuǎn)換為機械能,反之亦然。在收發(fā)一體式的工作模式下,發(fā)射階段,器件受電脈沖信號激勵,壓電材料發(fā)生逆壓電效應(yīng),促使振動薄膜產(chǎn)生一定頻率的彈性振動并發(fā)射一串超聲波。接收階段,超聲波經(jīng)過目標(biāo)物反射后激勵振動薄膜產(chǎn)生壓電效應(yīng),將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號。通過對PMUT器件電極間的電信號進(jìn)行分析,獲取收-發(fā)超聲波之間的時間差并乘以聲速(空氣中)來計算距離信息,即TOF(Time of flight)原理[2,12]。

1.2 收發(fā)電路設(shè)計

PMUT在工作時分為發(fā)射和接收兩個階段,為了將接收電路與發(fā)射電路實時接通與隔離,電路中采用了三態(tài)門邏輯控制器件。接收電路負(fù)責(zé)接收并調(diào)理回波信號,其中前置放大器、帶通濾波電路、全波整流及低通濾波電路分別用于阻抗匹配、濾除噪聲、回波整流及包絡(luò),便于后端ADC采集。圖1為測距電路設(shè)計圖。

圖1 測距電路設(shè)計框圖

圖2分為拖尾段無回波信號和拖尾段有回波信號兩種情況。拖尾段有回波信號難以檢測,主要有以下兩方面因素:

1) 拖尾信號幅值較大,回波信號較弱,傳統(tǒng)的閾值檢測和最大值檢測失效。

2) 采用傳統(tǒng)的線性放大器導(dǎo)致近距離接收信號出現(xiàn)飽和、削頂(見圖3)。

圖3 線性放大回波信號

對數(shù)放大器具有壓縮大動態(tài)的輸入動態(tài)范圍(DRI)到小動態(tài)的輸出動態(tài)范圍(DRO)的獨特特性[13],它能使弱信號得到高增益放大,對于強信號則自動降低增益,避免飽和。信號的輸入、輸出關(guān)系式為

(1)

式中:VOUT為輸出電壓;VY為對數(shù)斜率;VIN為輸入電壓;VX為對數(shù)截距[14]。本電路中使用的對數(shù)放大器型號為AD8310,屬于解調(diào)對數(shù)放大器,可實現(xiàn)拖尾信號與回波之間進(jìn)行大范圍壓縮,銳化回波包絡(luò)信號(見圖4(a))。

圖4 對數(shù)放大回波信號波形圖

2 極值檢測方法

極值檢測方法的原理是利用前級調(diào)理電路將回波信號進(jìn)行非線性壓縮以及包絡(luò)處理,形成若干便于檢測標(biāo)記的極值點。

圖4(a)、(b)分別為回波信號位于拖尾段、遠(yuǎn)距離兩種情況經(jīng)前級電路處理后的包絡(luò)曲線。圖4(a)中,從0至A點時間區(qū)域為PMUT器件施加激勵脈沖信號的包絡(luò)部分,A點之后,PMUT進(jìn)入拖尾段。由于目標(biāo)物在近距離的情況下,反射回的超聲波能量較強,需要經(jīng)過來回多次震蕩,能量才能被完全耗散,因此,在回波中出現(xiàn)了一次回波波峰(B點),二次回波波峰(C點),三次回波波峰(D點)…。依此類推,隨著能量的耗散,這些波峰的電壓幅值強度依次遞減。在實際檢測中,一般取一次回波主波峰對應(yīng)的時間點計算距離值。

上述兩種情況中,由于激勵源與拖尾波形的存在,回波信號峰值位于曲線極大值點處。為了搜索回波極值點,首先通過ADC采集包絡(luò)回波信號并將其離散化,得出一組包絡(luò)解集:

M=[y(x0),y(x1),y(x2),…,y(xi-1),

y(xi),y(xi+1)]

(2)

式中:y為ADC轉(zhuǎn)換值;xi為第i點采樣順序,0≤i≤3 000。尋求極大值點:

(3)

式中R為常量。從解集M第一個元素開始依次檢索,找出第一個極大值點并記錄采樣順序xi。近場中,回波信號幅值極強,不易受噪聲干擾;遠(yuǎn)場中,基線噪聲的存在易出現(xiàn)不是回波信號引起的“虛假極值點”,以xi左側(cè)xi-2為起始點,檢測后面數(shù)據(jù)的最大峰值點(在可檢測范圍下,回波幅值大于基線噪聲),過濾“虛假極值點”,確定最大峰值點采樣順序xi+t即可得出回波時間并計算相應(yīng)距離值,具體流程如圖5所示。

圖5 極值檢測方法流程圖

3 實驗驗證與結(jié)果分析

3.1 極值檢測法有效性測試分析

選取諧振頻率為121.0 kHz的PMUT器件,搭建測試環(huán)境如圖6所示,主要包括測距電路板、示波器(Tektronix Mso54)、PC機,分別用于檢測回波并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測回波信號、打印輸出xi+t。

圖6 測試裝置圖

用16位的ADC采集包絡(luò)信號,設(shè)定采樣時間間隔為7.6 μs,通過STM32微控制器處理ADC采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)極值檢測方法找出回波峰值對應(yīng)的采樣順序xi+t并打印輸出,先后測量20組樣本點,部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 距離標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)

對所測樣本點數(shù)據(jù)使用最小二乘法進(jìn)行擬合:

l=0.13xi+t+9.1

(4)

式中一次項系數(shù)0.13表示相鄰兩個采樣點代表的距離值為0.13 cm。由于PMUT工作在收發(fā)一體模式下,采樣時間為實際距離計算距離時間的2倍,根據(jù)一半采樣間隔時間3.8 μs計算當(dāng)前的聲速為342.1 m/s。測試環(huán)境溫度為19.3 ℃,該溫度下理論計算聲速為343.2 m/s。由于ADC離散化回波信號存在無法剛好采集到模擬量極值點或峰值點概率,存在一定誤差,同時考慮其他環(huán)境因素及測量誤差影響,計算聲速值與理論值基本吻合。

3.2 極值檢測法普適性測試分析

為進(jìn)行極值檢測法普適性測試分析,選取8組諧振頻率不一的單陣元PMUT器件(見圖7),如3.1節(jié)實驗步驟測算距離值。對比普通閾值檢測法和本文方法檢測量程,結(jié)果表明,8組頻率及性能各有差異的PMUT在最遠(yuǎn)測距超出300 cm的情況下,測量盲區(qū)均縮減至10 cm附近,有效提升了約50%(見表 2)。8組器件經(jīng)本文方法檢測的量程近場下限值不一,造成以上差異的主要因素是:PMUT激勵過程中無法檢測回波,由于不同器件的諧振頻率不同,在激勵脈沖數(shù)量一定的情況下,激勵時間不同,最終影響PMUT近場不可檢測范圍。在后續(xù)的工作中可在距離計算公式中引入激勵時間參數(shù)進(jìn)行自動修正。

圖7 PMUT頻率-阻抗相位圖

表2 8組器件測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

針對PMUT測距近場存在拖尾段,導(dǎo)致近距離回波不易區(qū)分,造成測量盲區(qū),影響近場測距范圍的問題,本文提出了一種在拖尾段識別回波信號的方法,并對該方法進(jìn)行了相關(guān)的實驗驗證。結(jié)果表明,經(jīng)過信號調(diào)理電路后,拖尾段內(nèi)的回波可被極值檢測方法檢測并計算距離值,該方法同樣適用于遠(yuǎn)距離測量。在被測試的8組器件中,初始測量盲區(qū)均在20～30 cm。引入該方法可將8組性能有差異的器件近場測距下限壓縮至10 cm附近,這為后續(xù)PMUT空氣介質(zhì)中近場測距的研究奠定了基礎(chǔ)。