一种可抗声波干扰的超声波测距传感器及其测距方法技术

本发明专利技术公开了一种可抗声波干扰的超声波测距传感器及其测距方法。超声波换能器、信号处理电路和微处理器封装组成整体传感器。微处理器产生发射波形特征参数向量X，输出发射信号；信号处理电路对发射信号放大，生成激励信号；超声波换能器产生超声波脉冲信号，而后接收超声波脉冲信号并产生回波信号，信号处理电路对回波信号进行放大和滤波；微处理器生成回波波形特征参数向量Y；微处理器判断发射波形特征参数向量X与回波波形特征参数向量Y的相关性，相关性大于等于设定阈值，接收回波信号；微处理器计算传感器与目标物距离。本发明专利技术可有效抑制声波干扰，以及抵御来自恶意攻击者的声波攻击，实现对目标物距离的准确可靠测量。

An Anti-acoustic Distance Sensor and Its Ranging Method

The invention discloses an ultrasonic ranging sensor capable of resisting acoustic interference and a ranging method thereof. The whole sensor is composed of ultrasonic transducer, signal processing circuit and microprocessor package. The microprocessor generates the characteristic parameter vector X of the transmitting waveform and outputs the transmitting signal; the signal processing circuit amplifies the transmitting signal and generates the exciting signal; the ultrasonic transducer generates the ultrasonic pulse signal, and then receives the ultrasonic pulse signal and generates the echo signal. The signal processing circuit amplifies and filters the echo signal; the microprocessor generates the characteristic parameter vector Y of the echo waveform. The microprocessor judges the correlation between the characteristic parameter vector X of the transmitting waveform and the characteristic parameter vector Y of the echo waveform, and the correlation is greater than or equal to the set threshold, and receives the echo signal. The microprocessor calculates the distance between the sensor and the target. The invention can effectively suppress acoustic interference, resist acoustic attack from malicious attackers, and realize accurate and reliable measurement of target distance.

【技术实现步骤摘要】
一种可抗声波干扰的超声波测距传感器及其测距方法
本专利技术属于传感器电子
，具体涉及一种可抗声波干扰的超声波测距传感器。
技术介绍
超声波测距传感器采用回波测距原理，通过主动发射超声波脉冲，随后接收经过目标物表面反射的超声波回波，运用时间差测量技术，测量传感器与目标物之间的距离，具有测量准确、非接触、防水、成本低等优点，可用于液位、物位、料位检测等，在工业过程控制、自动驾驶汽车、无人机、机器人、家居安防、生物医学、基础公共设施等领域有广泛的应用。超声波测距传感器的可靠性对于这些物理信息系统的安全性和稳定性具有至关重要的作用。现有的超声波测距传感器发射固定的超声波脉冲，而且只测量接收到超声波回波的时间，并不检测回波的来源，因此容易被环境中的其他声波干扰，产生错误的测量结果，降低传感器的可靠性和安全性。声波干扰存在两种可能来源，无意串扰和恶意攻击。无意串扰指在多个传感器同时存在的场景下，某个传感器将来自其他传感器的超声波信号当作己方信号的回波，造成错误的测量结果。恶意攻击指攻击者产生特定的超声波信号并发送给传感器，导致传感器将来自攻击者的超声波当作己方信号的回波，造成错误的测量结果。恶意攻击相比于无意串扰在形式上更加复杂，造成的后果也更为严重。随着超声波测距传感器的普及和在重要物理信息系统中的应用，来自无意串扰和恶意攻击的声波干扰存在更高的出现可能性，将造成难以预估的影响。因此，一种可抗声波干扰的超声波测距传感器具有重要的现实意义。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种可抗声波干扰的超声波测距传感器及其测距方法，解决现有超声波测距传感器容易被声波干扰(包括无意串扰和恶意攻击)技术问题。本专利技术采用如下技术方案：一、可抗声波干扰的超声波测距传感器传感器包括超声波换能器、信号处理电路和微处理器，三者封装在一起，组成整体传感器。超声波换能器用于接收信号处理电路发送过来的激励信号进而发射超声波脉冲信号和接收超声波脉冲信号经检测对象反射回来的回波信号。信号处理电路用于接收微处理器发送过来的随机发射信号进而产生超声波换能器的激励信号和接收回波信号的处理。微处理器用于产生随机发射信号发送到信号处理电路，接收信号处理电路发送过来的回波信号并分析计算波形相关性和超声波换能器与目标物的距离。二、一种超声波传感器测距方法，包括以下步骤：1)微处理器产生伪随机数作为随机发射信号，并选取波形特征参数构成发射波形特征参数向量X，按照发射波形特征参数向量X输出发射信号给信号处理电路。第i次发射信号的波形si表示为：式中，Ai为第i次发射信号的幅度，fi为第i次发射信号的频率，为第i次发射信号的相位，Ti为第i次发射信号的脉冲长度，t为第i次发射信号的时间，该时间为之前发射过所有脉冲周期的累加和，Δj为第j次发射信号的脉冲周期，j表示发射信号的序数。因此，可以通过一个或多个波形特征参数来描述一个超声波脉冲信号。2)信号处理电路对发射信号进行放大，生成超声波换能器的激励信号；3)超声波换能器在激励信号的驱动下产生对应的超声波脉冲信号；4)超声波换能器经过时间T后接收到经检测对象反射回来的超声波脉冲信号，并产生回波信号，接收到的回波信号包括正常回波和声波干扰；5)信号处理电路对回波信号进行放大和滤波；6)微处理器对处理后的回波信号进行采样，对采样后的回波信号进行信号分析和特征提取，生成与发射波形特征参数向量X对应的回波波形特征参数向量Y；7)微处理器判断发射波形特征参数向量X与回波波形特征参数向量Y的相关性C(X,Y)，波形特征参数的选取包括频率f、幅度A、脉冲长度T和相位波形特征参数中频率f相关性的计算为：Cf＝|y(i)-x(i)|其中，Cf表示以频率f为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i)表示第i次接收的回波波形特征参数，x(i)表示第i次发出的发射波形特征参数，i表示第i次发射信号；微处理器根据频率f的设定阈值εf对Cf作相关性判断，若Cf≥εf，εf表示频率特征阈值，则接收该回波信号；若Cf<εf，则不接收该回波信号；波形特征参数中幅度A相关性的计算为：其中，CA表示以幅度A为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i+1)表示第i+1次接收的回波波形特征参数，x(i+1)表示第i+1次发出的发射波形特征参数；微处理器根据幅度A的设定阈值εA对CA作相关性判断，若CA≥εA，εA表示幅度特征阈值，则接收该回波信号；若CA<εA，则不接收该回波信号；波形特征参数中脉冲长度T相关性的计算为：其中，CT表示以脉冲长度T为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i+2)表示第i+2次接收的回波波形特征参数，x(i+2)表示第i+2次发出的发射波形特征参数；微处理器根据脉冲长度的设定阈值εT对CT作相关性判断，若CT≥εT，εT表示脉冲长度特征阈值，则接收该回波信号；若CT<εT，则不接收该回波信号；波形特征参数中相位相关性的计算为：其中，表示以相位为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性；微处理器根据相位的设定阈值对作相关性判断，若表示相位特征阈值，则接收该回波信号；若则不接收该回波信号；若上述构成向量的四种波形特征参数的相关性其中任一小于各自预先设定阈值ε，则认为该信号来自声波干扰，不接收该回波信号；若上述构成向量的四种波形特征参数的相关性均大于等于各自预先设定阈值ε，则认为该回波来自本传感器，接收回波信号；8)微处理器根据接收的回波信号计算距离：假设声速为c，则传感器与目标物距离为cT/2，输出测量结果。优选的，波形特征参数的选取还包括脉冲周期。优选的，将每一次发射信号到产生回波信号的周期作为一个测量周期，所述的波形特征参数中，频率、相位的随机化和相关性判断在一个测量周期内完成，幅度、脉冲周期的随机化和相关性判断在两个测量周期内完成，脉冲长度的随机化和相关性判断在三个测量周期内完成。优选的，波形特征参数单独进行或组合进行随机化和相关性判断。优选的，步骤7)波形相关性判断使用似然比检验。本专利技术通过信号处理电路随机化波形特征参数对超声波脉冲进行波形特征参数的提取，再通过微处理器对回波信号进行信号分析和特征提取，两者结合进行相关性判断从而使传感器具备抗声波干扰的功能。本专利技术的有益效果如下：1)通过随机化超声波脉冲波形，检测超声波回波是否来自传感器自身，能够有效地排除声波干扰对传感器测量结果的影响，包括无意串扰和更为复杂的恶意攻击。2)相比于已有技术，本专利技术时间延迟更小，可以在单个或几个测量周期内完成，适合于需要快速频繁测量响应的系统，例如自动驾驶汽车、无人机、机器人等。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2是发射脉冲频率随机化可行性实验结果示意图。图3是发射脉冲幅度随机化可行性实验结果示意图。图4是发射脉冲相位随机化可行性实验结果示意图。图5是发射脉冲长度随机化可行性实验结果示意图。图6是特征相关性的计算原理示意图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术具体实施采用的可抗声波干扰的超声波测距传感器，具体包括超声波换能器、信号处理电路和微处理器，三者封装在一起，组成整体传感器。超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可抗声波干扰的超声波测距传感器，其特征在于：包括超声波换能器、信号处理电路和微处理器，三者封装在一起，组成整体传感器；超声波换能器用于接收信号处理电路发送过来的激励信号进而发射超声波脉冲信号和接收超声波脉冲信号经检测对象反射回来的回波信号；信号处理电路用于接收微处理器发送过来的随机发射信号进而产生超声波换能器的激励信号和接收回波信号的处理；微处理器用于产生随机发射信号发送到信号处理电路，接收信号处理电路发送过来的回波信号并分析计算波形相关性和超声波换能器与目标物的距离。

【技术特征摘要】
1.一种可抗声波干扰的超声波测距传感器，其特征在于：包括超声波换能器、信号处理电路和微处理器，三者封装在一起，组成整体传感器；超声波换能器用于接收信号处理电路发送过来的激励信号进而发射超声波脉冲信号和接收超声波脉冲信号经检测对象反射回来的回波信号；信号处理电路用于接收微处理器发送过来的随机发射信号进而产生超声波换能器的激励信号和接收回波信号的处理；微处理器用于产生随机发射信号发送到信号处理电路，接收信号处理电路发送过来的回波信号并分析计算波形相关性和超声波换能器与目标物的距离。2.应用于权利要求1所述装置的一种超声波传感器测距方法，其特征在于包括以下步骤：1)微处理器产生伪随机数作为随机发射信号，并选取波形特征参数构成发射波形特征参数向量X，按照发射波形特征参数向量X输出发射信号给信号处理电路；2)信号处理电路对发射信号进行放大，生成超声波换能器的激励信号；3)超声波换能器在激励信号的驱动下产生对应的超声波脉冲信号；4)超声波换能器经过时间T后接收到经检测对象反射回来的超声波脉冲信号，并产生回波信号，接收到的回波信号包括正常回波和声波干扰；5)信号处理电路对回波信号进行放大和滤波；6)微处理器对处理后的回波信号进行采样，对采样后的回波信号进行信号分析和特征提取，生成与发射波形特征参数向量X对应的回波波形特征参数向量Y；7)微处理器判断发射波形特征参数向量X与回波波形特征参数向量Y的相关性C(X,Y)，波形特征参数的选取包括频率f、幅度A、脉冲长度T和相位波形特征参数中频率f相关性的计算为：Cf＝|y(i)-x(i)|其中，Cf表示以频率f为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i)表示第i次接收的回波波形特征参数，x(i)表示第i次发出的发射波形特征参数，i表示第i次发射信号；若Cf≥εf，εf表示频率特征阈值，则接收该回波信号；若Cf<εf，则不接收该回波信号；波形特征参数中幅度A相关...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文渊，闫琛，冀晓宇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33