超声波扩频测距方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种超声波扩频测距方法及装置。该方法包括：发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩频信号与回波信号之间的频差信息；根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。本发明专利技术提供的超声波扩频测距方法及装置实现了在高干扰环境下对于障碍物空间距离的准确测量。

Ultrasonic spread spectrum ranging method and device

【技术实现步骤摘要】
超声波扩频测距方法及装置
本专利技术涉及电气火灾监控系统中主机与绝缘电阻探测器之间的空间距离距离测量
，特别是涉及一种超声波扩频测距方法及装置。
技术介绍
当前国内电气火灾监控系统中空间测距的方法有很多种类，如超声波，红外、调频和激光测距等。而常用的超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。目前主要超声波测距方法是超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。它的优点是技术实现方式简单，缺点就是由于采用单一频率的超声波，复杂环境下，受电磁干扰测量准确度误差大等。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种超声波扩频测距方法及装置，使用在电气火灾监控系统主机与绝缘电阻探测器无线通讯系统中，完成在强干扰环境和障碍物下实现高精度的测量主机与探测器设备之间的空间距离。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种超声波扩频测距方法，所述方法包括：发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩频信号与回波信号之间的频差信息；根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。在一些实施方式中，正弦波的频率远小于发射频率。在一些实施方式中，扩频信号与回波信号之间的频差信息由如下公式给出：其中，Ut为扩频信号的幅值，Ur为回波信号的幅值，k为常数，Δf为扩频信号的最大频偏，fm为调制频率，f0为扩频信号的中心频率，T为扩频信号的周期，ub为频差信息。在一些实施方式中，根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离，包括：将频差信息进行傅里叶变换，得到频差信息的频率分量；根据频率分量计算与障碍物之间的空间距离。在一些实施方式中，将频差信息进行傅里叶变换，得到频差信息的频率分量包括：根据如下公式进行傅里叶展开：其中，J0为0阶第一类贝塞尔函数，J1为1阶第一类贝塞尔函数，J2为2阶第一类贝塞尔函数，J3为3阶第一类贝塞尔函数，J4为4阶第一类贝塞尔函数，fd为目标回波的多普勒频移。在一些实施方式中，贝塞尔函数参数D由如下公式给出：其中，Δf为扩频信号的最大频偏，fm为调制频率，R0为与障碍物之间的初始距离，c为光速。此外，本专利技术还提供了一种超声波扩频测距装置，所述装置包括：发射器，用于发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；接收器，用于接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；混频器，连接至发射器及接收器，用于将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩频信号与回波信号之间的频差信息；控制器，连接至混频器，用于根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。在一些实施方式中，还包括：信号接收处理单元，连接在混频器与控制器之间，用于对频差信息进行傅里叶变换。在一些实施方式中，还包括：放大器，连接在混频器与信号接收处理单元之间，用于对混频器输出的频差信号进行放大。在一些实施方式中，还包括：限幅器，连接在放大器与信号接收处理单元之间，用于对混频器输出的频差信号进行限幅。在一些实施方式中，还包括：测量电气火灾监控主机和绝缘电阻探测器设备之间的空间距离，根据距离远近和障碍物情况来调整调整监控主机与绝缘电阻探测器之间无线数据传输模块的发射功率，使无线数传模块发射功率达到最佳发射状态。采用这样的设计后，本专利技术至少具有以下优点：本专利技术通过将接收到的回波信号与实时发送的扩频信号混频，得到二者之间的频差信息，再根据频差信息计算与障碍物之间的距离，具有测试抗干扰性能强，测试精度高等特点。附图说明上述仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。图1是本专利技术实施例提供的超声波扩频测距方法的流程图；图2是本专利技术实施例提供的超声波扩频测距装置的结构图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1是本专利技术实施例提供的超声波扩频测距方法的流程图。参见图1，超声波扩频测距方法包括：S11，发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波。S12，接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号。S13，将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩频信号与回波信号之间的频差信息。S14，根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。本专利技术使用的超声波扩频信号，扩频信号由CPU控制单元和频率调节电路包括有压控振荡器和鉴相器，压控振荡器(VCO)输出频率与参考频率通过鉴相器鉴相后输出压控电压，鉴相器输出的压控电压控制压控振荡器(VCO)输出，即压控振荡器(VCO)输出的频率随压控电压变化，即这样就得到所述扩频信号。由所述控制单元控制所述高精度信号源产生的扩频信号分成两组，其中一组经所述环形器输入至空气传输中，并在空气介质中传输的，同时在遇到障碍物后产生反向的反射波，反射波返回经过环形器和另一路扩频信号在所述混频器中进行混频，得到一组混频后的信号，将该组混频后的信号进行快速傅里叶变换，就可以从频域的信息得到时域信息，根据该反射点的时间信息、信号传输速度、扩频带宽，就可以得到该障碍物反射点到测试发射点的距离。本专利技术提供的超声波扩频测距方法具有测试抗干扰性能强，测试精度高等特点。图2示出了本专利技术实施例提供的超声波扩频测距装置的结构。参见图2，由频率调节电路产生连续超声波扩频信号，其频率在时间上按三角形规律或者正弦波规律变化。遇到障碍物后目标回波和发射机直接耦合过来的信号加载到接送机混频内，在超声波扩频信号发射到返回接收天线这段时间内，发射频率较之回波频率已经有了变化，因此混频器输出端平出现了差频电压。后经放大、限幅后加到频率计上。连续工作时，不能像脉冲工作那样采用时间分割办法共用天线，但可以用混合接头、环形器办法使发射机和接收机隔离，为了保证发送和接收高度隔离，通常采用分开发送天线和接收天线处理。超声波扩频信号正弦波调制方法，发射信号可以表示为：发射频率ft为：由目标反射回来的回波电压ur滞后一段时间T(T＝2R/c),可表示为：公式中fm为调制频率，Δf为频率偏移量。接收信号与发射信号在混频器中外差后，其取差额电压为：一般情况满足T＜＜1/fm，则sinπfmT≈πfmT。于是差额fb值和目标距离R成正比，且随时间做余弦变化。在调频连续波信号测距时，还可以提供附加的收发隔离，差频信号进行傅里叶变换后，得到如下频率分量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波扩频测距方法，其特征在于，包括：/n发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；/n接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；/n将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩频信号与回波信号之间的频差信息；/n根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。/n

【技术特征摘要】
1.一种超声波扩频测距方法，其特征在于，包括：
发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；
接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；
将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩频信号与回波信号之间的频差信息；
根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。


2.根据权利要求1所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，正弦波的频率远小于发射频率。


3.根据权利要求1所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，扩频信号与回波信号之间的频差信息由如下公式给出：



其中，Ut为扩频信号的幅值，Ur为回波信号的幅值，k为常数，Δf为扩频信号的最大频偏，fm为调制频率，f0为扩频信号的中心频率，T为扩频信号的周期，ub为频差信息。


4.根据权利要求1所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离，包括：
将频差信息进行傅里叶变换，得到频差信息的频率分量；
根据频率分量计算与障碍物之间的空间距离。


5.根据权利要求4所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，将频差信息进行傅里叶变换，得到频差信息的频率分量包括：
根据如下公式进行傅里叶展开：



其中，J0为第0阶贝塞尔函数，J1为第1阶贝塞尔函数，J2为第2阶贝塞尔函数，J3为第3阶贝塞尔函数，J4为第4阶贝塞尔函数，fd为目标回波的多普勒频移。

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【专利技术属性】
技术研发人员：陈明域，
申请(专利权)人：北京航天常兴科技发展股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11