一种超声波测距方法技术

本发明专利技术属于超声波测距领域，具体地来讲为一种超声波测距方法，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获进而获取渡越时间，进而得出距离。该方法在信噪比较小情况下依然准确估计渡越时间，解决了检测回波信号首波阈值较难设定的问题。也可以解决多个超声波同时测距时出现的串扰问题。

Ultrasonic ranging method

The invention belongs to the field of ultrasonic ranging, specifically for an ultrasonic ranging method, the method includes: in the ultrasonic transmitter, encoding the signal pulse signal, then after encoding on the carrier modulation, the pulse sequence excitation ultrasonic sensors with modulation; signal out through the spread in the air and the obstacles encountered after the reflection echo signal into the ultrasonic receiver; at the receiving end, the correlation calculation with echo signal and stored in advance of the reference signal to the reference signal delay time for the peak of the cross-correlation function is obtained and then obtain the transit time, and then draw distance. Under the condition of small noise, the method still estimates the transit time accurately, and solves the problem that the threshold value of the initial wave of the echo signal is difficult to set. It can also solve the crosstalk problem caused by simultaneous ultrasonic ranging.

【技术实现步骤摘要】
一种超声波测距方法
本专利技术超声波测距领域，具体地来讲为一种超声波测距方法。
技术介绍
以人耳对声音的分辨能力来对声波进行划分，按照频率差异可以分为次声波、声波、超声波。根据振动理论，则可以定义超声波是一种频率高于20KHz的弹性振动，属于机械波范畴。在超声检测领域，超声波可以分为纵波、横波、表面波和兰姆波，这是依据超声波传播和振动方向不同来划分的[38]。由于超声测距主要是在空气介质中进行的，空气介质不能传播横向切应力，因此大多数的超声测距系统所使用的波都为纵波。超声波可在固、液、气体等介质中传播，也可以在金属中传播，甚至可以在生物体中传播；超声波能够传播很强的能量；具有机械波的反射、折射、干涉、共振以及叠加等特性；超声波由于振动频率很高，因此波速较慢，波长较短，这样在测距时可以提高分辨率。超声波在空气中的传播速度主要与温度有关，声速与温度的关系式如下式所示。式中：T---摄氏温度c0---331.4m/s温度与声速成正相关关系，可以通过补偿声速，提高测距精度。目前，超声波测距中最普遍的方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法(TimeofFlight，TOF)。相位检测法是比较超声波发射和接收的相位差，根据延迟时间与相位差的关系来测距的，计算公式如下式中：φ---相位差c---超声波声速λ---超声波波长N---相位延迟中包含的整周期数△φ---延迟相位中不满一个整周期的相位值声波幅值检测法主要是依据声波在空气中传播时不断衰减的特性，通过检测回波幅值大小来进一步判断距离的。渡越时间法(TOF)，主要在于获取超声波信号的来回渡越时间，其中最主要的是对回波信号的第一个波形进行检测，计算公式如下上式中：d---超声波传感器与待测物间距离t---超声波发射信号和接收信号之间的时间差c---超声波在空气中的传播速度在实际超声波测距过程中，相位检测法应用复杂，不便于常规测距；声波幅值检测法不稳定，容易受到干扰；因此，通常选用渡越时间法进行超声测距。采用渡越时间法主要是通过设置阈值来检测回波信号的首波，进而获取接收信号和发射信号之间的时间差。而在接收端回波信号首波十分微弱，若接收信号在接收前加入了较大噪声，使接收端输入信噪比减小，那么阈值的设置就成为一个问题。另外，超声波具有指向性，但超声波传感器具有一定的波束角，因此单路超声波测距系统不能进行全方位的障碍检测，这时就需要多路超声波传感器配合工作。而在多路超声波传感器测距系统中，多个传感器同时工作时就会产生超声串扰的问题，即在接收端不能区分接收到的回波信号是否为自身发射的超声波信号。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种超声波测距方法，解决了检测回波信号首波阈值较难设定和超声串扰的问题。本专利技术是这样实现的，一种超声波测距方法，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获取渡越时间，进而得出距离。进一步地，所述发射端，通过控制时钟，脉冲波形发生器产生宽度为T，幅值为A的脉冲信号，通过m序列发生器产生码元宽度为Tc，长度为N的m序列，且T＝NTc，将m序列中的0映射为+1，1映射为-1得到c(t)。进一步地，二进制相移键控对载波进行调制。进一步地，所述载波采用方波信号或正弦波信号。进一步地，所述发射端包括多个超声波发射探头，多个超声波发射探头采用相关性良好的m序列来编码。多个超声波发射探头通过一个同步信号被同时激励。相关性良好指自相关函数峰值尖锐，互相关函数平缓。进一步地，采用一主开发板与一从开发板，主开发板在激励与其连接的超声波发射探头的同时给从开发板一个同步信号，使与从开发板连接的超声波发射探头被激励。进一步地，主开发板，选择GPIOC1发送同步信号，从开发板用GPIOC2来进行接收，GPIOC1设置为推挽输出模式，GPIOC2设置为输入上拉模式，主开发板在进行发射信号的编码与调制前通过GPIOC1给从开发板发送一个低电平的同步信号，并在脉冲激励序列发射结束后将GPIOC1拉高，从开发板在检测到GPIOC2为低电平时开始对发射信号进行编码与调制，直到检测不到低电平或发射结束后停止对超声波发射探头的激励。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术利用相关法进行超声波测距的测距方法，该方法在信噪比较小情况下依然准确估计渡越时间，单超声波测距实验验证了检测回波信号首波阈值较难设定的问题。利用多超声波测距的串扰抑制实验验证了本专利技术所采用的编码方式可以抑制超声串扰，且串扰抑制的影响因素与理论分析相一致。附图说明图1为多超声波测距方法所形成的系统结构模型；图2为发射端原理框图；图3为多超声波测距系统发射端各点的波形图，图3a为单脉冲信号图，图3b为编码序列波形图，3c为扩频调制信号波形图，3d为载波信号波形图，3e为脉冲激励序列波形图；3f为发射信号波形图；图4为不均衡a序列编码后对应参考信号自相关；图5由不同m序列编码的参考信号自相关与互相关函数图；5(a)m1编码的参考信号自相关；5(b)m1和m2序列编码后参考信号互相关；5(c)m2编码的参考信号自相关；5(d)m2和m1序列编码后参考信号互相关；图6为实现本专利技术方法的一种多超声波传感器测距平台结构示意图。图7由不同Walsh序列编码的参考信号自相关与互相关函数图，(a)n1编码的参考信号自相关；(b)n1和n2序列编码后参考信号互相关；(c)n2编码的参考信号自相关；(d)n2和n1序列编码后参考信号互相关；图8参考信号的自相关函数图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参见图1，一种超声波测距方法，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获取渡越时间，进而得出距离。本实施例中所选择的超声波传感器型号为NU40C12T/R-1，其发射探头和接收探头相当于一个中心频率f0＝40KHZ，带宽fh＝2KHZ的窄带带通滤波器，其理想的传递函数为式中K---超声波收发探头增益τ1---超声波收发探头带来的时延在发射端，首先需要对单个脉冲波形进行编码，编码的主要目的是为了使发射信号携带特有信息，从而使其在接收端可以很好的进行相关解调。对脉冲波形进行编码后，不足以激励超声波传感器发射探头，因此还需用此信号对载波信号进行调制，使激励信号频率提高至超声波传感器的带宽范围内。由于经过编码后的信号相当于一个数字信号，因此对载波的调制方式选取为二进制的数字调制方式，本实施例选择二进制相移键控(BPSK)的调制方式，在相同条件下，BPSK可以在较低信噪比环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波测距方法，其特征在于，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获取渡越时间，进而得出距离。

【技术特征摘要】
1.一种超声波测距方法，其特征在于，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获取渡越时间，进而得出距离。2.按照权利要求1所述的超声波测距方法，其特征在于，所述发射端，通过控制时钟，脉冲波形发生器产生宽度为T，幅值为A的脉冲信号，通过m序列发生器产生码元宽度为Tc，长度为N的m序列，且T＝NTc，将m序列中的0映射为+1，1映射为-1得到c(t)。3.按照权利要求1或2所述的超声波测距方法，其特征在于，二进制相移键控对载波进行调制。4.按照权利要求1或2所述的超声波测距方法，其特征在于，所述载波采用方波信号。5.按照权利要求1或2所述的超声波测距方法，其特征在于，所述发射端包...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾彦勇，谢永杰，朱建辉，张轶，戚祖敏，王泽华，周晓凤，郭睿，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三六五五部队，
类型：发明
国别省市：新疆,65