一種低信噪比下超聲波測距的方法及其測距儀的製作方法
2023-05-10 16:27:36
專利名稱：一種低信噪比下超聲波測距的方法及其測距儀的製作方法
技術領域：
距離測量本發明涉及一種利用超聲波的反射測量距離的系統，特別是涉及一種「距離跟蹤環路」實現低信噪比下超聲波測距的方法。
背景技術：
河流中下遊由於堆積的淤泥漸漸提高了河床的高度，造成河流的蓄水量的下降。為了能夠方便的獲得河流的蓄水量，需要測量河床到水面的高度。可採用船載超聲波測距儀，船橫向划過河流，利用超聲波測距儀斷面測試水面到河床的距離。一般所熟知的測距都是採用電磁波輻射或反射來進行的，但是電磁波在水下容易被水中介質所吸收而衰減，無法穿透水層，而聲波可以克服這個問題，可以採用超聲波來進行水下測距。在雨雪、大霧等惡劣天氣環境下採用超聲波進行距離測量，也能獲得很好的效果。
超聲測距或脈衝雷達測距都是以方形包絡脈衝調製波作為已調波，通過發射換能器向被測目標發射，其反射波由接收換能器接收，根據超聲波自發射換能器發射至被測目標往返一次所需要的行程時間，確定目標的距離。當用於測距時，船底的超聲波測距儀垂直向下往水中發射一聲波信號s1(t)，信號被河床反射，超聲波測距儀就接收到反射信號s2(t)，經過比相電路，得到信號的傳輸時延τ，所以可得到距離d=12v]]>其中v為超聲波在水中的傳輸速率。
超聲波測距儀在接收到反射回來的回波信號s2(t)的同時，還要接收到大量的幹擾和噪聲信號。根據反射方程，接收信噪比S/N與距離d的4次方成反比，即隨著距離加大，S/N急劇下降。所以一般超聲波測距儀接收的回波信號都有很大的噪聲幹擾，甚至信號被噪聲掩沒。回波信號S/N低是限制超聲波測距儀綜合性能的主要因素。為了提高超聲波測距儀的綜合性能，人們提出了許多改進方案，研製出性能較好的測距儀，但至今尚未取得突破性的進展，在提高其綜合性能指標方面總是顧此失彼，結果尚不理想。
如日本專利JP62-235587公開了一種脈衝雷達的設計方案，該方案通過採用低電位門限電平和兩個並行的檢波迴路，一方面能儘早地檢測出回波到來的時刻，同時又不會將雜波到來的時刻值錯認為是回波信號到來的時刻值。該方案降低了門限電平，提高了測距的準確度，但仍然有門限電平存在，而不能精確測量出回波到來的真正時刻，測量誤差仍然較大，能夠檢測到的目標距離也相當有限。
日本專利JP60-27875提供一種雙脈衝測距方案，對近距離和遠距離目標測量作了比較合適的信號處理，改善了近距離測量時的分辨能力和增強了遠距離測量時的探測能力。該方案的缺陷是測量誤差較大，在接收回路中，經過包絡檢波後的信號，其波形上升前沿變緩，於是很難確定回波到來的準確時刻；為此在比較電路中設置一個具有一定電位值的門限電平，用於消除雜波影響，但由於門限電平存在，必然切去信號波形上升前沿的一部分，由此造成測量誤差。若門限電平的電位值過小，則會將雜波信息誤認為是回波信號，而造成更大的測量誤差。
專利CN1059498C提供了一種偽隨機超聲波測距的方法，該方法只對具有該次偽隨機特徵的信號識別提取，從而徹底消除環境雜波的影響，不受環境噪聲強度的限制，極大地提高了抗幹擾能力。但是該方案的缺陷是需要進行收發偽隨機碼對應碼片的逐一比較，要耗費一定的時間，特別是當偽隨機碼的碼長很長時，花費的時間就更長了，因此該方案不具有實時性，並且實現較為複雜。
發明內容
本發明的目的在於提供一種「距離跟蹤環路」實現低信噪比下超聲波測距的方法及其超聲波測距儀，也就是用「距離跟蹤環」來提取超聲波自發射換能器發射至被測目標往返一次所需要的行程時間，即獲得信號的傳輸時延τ，因而測得被測目標的距離。
基本測量系統原理圖如說明書附圖1所示，由被測目標1和安放在測點上的超聲波測距儀2構成。超聲波測距儀2的發射換能器8向被測目標1發射一超聲波信號。超聲波測距儀2的接收換能器9就會接收到被測目標1反射回來的超聲波信號，反射回來的超聲波信號經過低噪聲放大、濾波和檢波後得到視頻檢波信號a。通過超聲波測距儀2的距離跟蹤環13對視頻檢波信號a作一系列的處理後獲得反射信號相對發射信號的傳輸時延τ的估計值，因而測得被測目標的距離。
本發明的超聲波測距方法是採用距離跟蹤環13來獲得反射信號相對發射信號的傳輸時延τ的估計值，這反映了本發明的主要技術特徵，距離跟蹤環13的原理圖如說明書附圖2所示。超聲波測距儀2的脈衝信號波產生器3在產生發射脈衝信號s的同時，距離跟蹤環13的周期脈衝產生器29產生一個VCD(電壓控制時延產生器)的輸入脈衝Pin，由輸入脈衝Pin觸發鋸齒波產生器28產生一個鋸齒波電壓u(t)，同時輸入脈衝Pin觸發早晚波門脈衝產生器30產生一個開啟早波門21的脈衝b，脈衝b經過延遲器31產生一個開啟晚波門22的脈衝c。在脈衝b和脈衝c的控制下，視頻檢波信號a在脈衝b期間通過早波門21經低通濾波器23積分和在脈衝c期間通過晚波門22經低通濾波器24積分，分別得到兩條支路的積分信號。這兩條支路的積分信號在加法器25中相減經F(s)環路濾波器26濾波後，會得到一個對應傳輸時延τ的誤差電壓e(t)。由誤差電壓e(t)和鋸齒波電壓u(t)的共同作用，在電壓控制時延產生器(VCD)27將產生一個VCD的輸出脈衝Pout，那麼VCD的輸出脈衝Pout與VCD的輸入脈衝Pin之間的時延差值 ，即為反射信號相對發射信號的傳輸時延τ的估計值。
圖1為基本測量系統原理圖。圖中，1是被測目標。2是超聲波測距儀。3是脈衝信號波產生器。4是混頻器。5是本振源。6、11是帶通濾波器。7是功率放大器。8是發射換能器。9是接收換能器。10是低噪聲放大器。12是檢波器。13是距離跟蹤環。14是距離顯示器。
圖2為距離跟蹤環13的原理圖，反映了本發明的主要技術特徵。圖中，21是早波門。22是晚波門。23、24是低通濾波器。25是加法器。26是F(s)環路濾波器。27是電壓控制時延產生器(VCD)。28是鋸齒波產生器。29是周期脈衝產生器。30是早晚波門脈衝產生器。31是延遲器。
圖3為距離跟蹤環13中對應各點的波形圖。圖中，s為發射脈衝信號波形。a為反射的視頻檢波信號波形。b為開啟早波門21的脈衝波形。c為開啟晚波門22的脈衝波形。T1為發射脈衝信號s的寬度。T2為發射脈衝信號s的重複周期。τ為傳輸時延。
圖4為電壓控制時延產生器(VCD)27的原理圖。圖中，Pin為VCD的輸入脈衝。e(t)為控制電壓。u(t)為參考電壓。Pout為VCD的輸出脈衝。 為傳輸時延估計值。
實施測量方式基本測量系統具體實施如下。在發射部分，脈衝信號波產生器3產生一個周期性單脈衝信號s(脈衝寬度為T1，脈衝重複周期為T2，如說明書附圖3所示)，與本振源5產生本振信號在混頻器4中混頻，得到調製信號。調製信號經帶通濾波器6濾波和功率放大器7放大後，由發射換能器8將電信號轉換為超聲波信號，向被測目標1發射。被測目標1將入射的超聲波反射回超聲波測距儀2。在接收部分，被測目標反射回來的超聲波信號經接收換能器9接收，將接收到的超聲波信號轉換為電信號，經低噪聲放大器10作低噪聲放大、帶通濾波器11濾波後，在檢波器12作包絡檢波得到視頻檢波信號a。該視頻檢波信號a輸入到距離跟蹤環13作傳輸時延τ的估計，由估計得到時延差值 經換算得到被測目標的距離d，在距離顯示器14上顯示測量結果。
由於距離跟蹤環13對傳輸時延τ的估計是本發明的主要技術特徵，距離跟蹤環13的實現原理和具體實施過程如下①當超聲波測距儀2的脈衝信號波產生器3在產生發射脈衝信號s的同時，距離跟蹤環13的周期脈衝產生器29產生一個VCD的輸入脈衝Pin，由VCD的輸入脈衝Pin觸發鋸齒波產生器28產生一個鋸齒波電壓u(t)。輸入脈衝Pin和鋸齒波電壓u(t)如說明書附圖4所示。
②同時由VCD的輸入脈衝Pin觸發早晚波門脈衝產生器30產生一個開啟早波門21的脈衝b，脈衝b經過延遲器31延遲T1/2後產生一個開啟晚波門22的脈衝c。脈衝b左邊沿對準VCD的輸入脈衝Pin(也即對準發脈衝射信號的起始點)。
③當收到一個反射的超聲波信號，經過基本測量系統接收部分的一系列處理，得到的視頻檢波信號a輸入到距離跟蹤環13，這個反射的視頻檢波信號a相對發射脈衝信號s有一個延時τ。發射脈衝信號s、脈衝b、脈衝c和視頻檢波信號a的波形如說明書附圖3所示。
④這個視頻檢波信號a在脈衝b期間通過早波門21經低通濾波器23積分和在脈衝c期間通過晚波門22經低通濾波器24積分，分別會得到兩路積分信號，且通過早波門支路的積分能量要小於通過晚波門支路的積分能量。
⑤這兩條支路的積分信號在加法器25中相減，再經過F(s)環路濾波器26濾波後，就輸出一個對應傳輸時延τ的誤差電壓e(t)。傳輸時延τ越大，誤差電壓e(t)就越大。
⑥這個誤差電壓e(t)輸入給VCD電壓控制時延產生器27作為控制電壓，鋸齒波發生器28產生的鋸齒波電壓u(t)也提供給VCD電壓控制時延產生器27作為參考電壓，當鋸齒波電壓u(t)一旦大於控制電壓e(t)時，VCD電壓控制時延產生器27就會立即輸出一個VCD的輸出脈衝Pout。那麼VCD的輸出脈衝Pout與VCD的輸入脈衝Pin之間的時延差值 即為反射信號相對發射信號的傳輸時延τ的估計值。電壓控制延遲產生器(VCD)的原理圖如說明書附圖4所示。
具體實施時，應該滿足以下關係①假如超聲波測距儀2與被測目標1之間的最大距離為dmax，則所對應的最大傳輸時延為τmax。
②脈衝信號波產生器3產生的周期性單脈衝信號s的脈衝寬度為T1，脈衝重複周期為T2。為了提高測距精度和不存在測距模糊，應滿足T2＞＞T1，T1≥2τmax。
③當傳輸時延τ＝τmax時，此時誤差電壓e(t)就最大，設定為Vmax。
④設定鋸齒波發生器28產生的鋸齒波電壓u(t)的最大電壓值為Vmax，u(t)的值從零上升到Vmax所需要的時間為τmax。
同現有技術相比，本發明用在水、雨雪和大霧等惡劣天氣環境下測距具有如下突出的優點①對於環境噪聲，通過早波門21經低通濾波器23積分後的能量與環境噪聲通過晚波門22經低通濾波器24積分後的能量大致相等，這兩路噪聲能量在加法器25中相減後幾乎為零，不會對誤差電壓e(t)造成影響，故採用距離跟蹤環可以消除環境噪聲，即使信號淹沒在環境噪聲中也能有效地將信號提取出來，因此能夠實現遠距離測量和極大地提高抗幹擾能力。而現有技術是設置門限電平來阻擋噪聲的，門限電平在攔阻噪聲的同時，也攔阻了遠距離的微弱回波信號，因而大大地限制了超聲波測距儀的探測能力。
②採用本發明的測距方法不需要確定回波到來的真正時刻，提高了測量的精確度。而現有技術因為回波信號波形的前沿變得非常平緩，而無法準確地確定回波到來的真正時刻，測量誤差較大。
③對於那些多徑傳輸時延不是很大的多徑信號，採用距離跟蹤環也可以減小其對測量精度的影響，因此本發明的測量系統具有一定的抗多徑幹擾的能力。
④實現簡單，運算量小。
因此，本發明的超聲波測距儀的探測能力，抗幹擾能力，分辨能力，精確度等綜合技術性能指標都得到了最大限度的提高。本發明的超聲波測距儀特別適合於水下和雨雪、大霧等惡劣天氣環境中低信噪比下的距離測量。
權利要求
1.一種採用「距離跟蹤環路」實現低信噪比下超聲波測距的方法，其特徵在於採用以下步驟A、超聲波測距儀(2)的脈衝信號波產生器(3)在產生發射脈衝信號s的同時，距離跟蹤環(13)的周期脈衝產生器(9)產生一個電壓控制時延產生器(VCD)的輸入脈衝Pin，由VCD的輸入脈衝Pin觸發鋸齒波產生器(28)產生一個鋸齒波電壓u(t)。B、同時由VCD的輸入脈衝Pin觸發早晚波門脈衝產生器(30)產生一個開啟早波門(21)的脈衝b，脈衝b經過延遲器(31)延遲T1/2後產生一個開啟晚波門(22)的脈衝c。脈衝b左邊沿對準VCD的輸入脈衝Pin(也即對準發脈衝射信號的起始點)。C、當收到一個反射的超聲波信號，經過基本測量系統接收部分的一系列處理，得到的視頻檢波信號a輸入到距離跟蹤環(13)，這個反射的視頻檢波信號a相對發射脈衝信號s有一個延時τ。D、在脈衝b和脈衝c的控制下，視頻檢波信號a在脈衝b期間通過早波門21經低通濾波器23積分和在脈衝c期間通過晚波門22經低通濾波器24積分，分別得到兩路積分信號，且通過早波門支路的積分能量要小於通過晚波門支路的積分能量。E、這兩條支路的積分信號在加法器(25)中相減，再經過F(s)環路濾波器(26)濾波後，就輸出一個對應傳輸時延τ的誤差電壓e(t)。傳輸時延τ越大，誤差電壓就越大。F、這個誤差電壓e(t)輸入給VCD電壓控制時延產生器(27)作為控制電壓，鋸齒波發生器(28)產生的鋸齒波電壓u(t)也提供給VCD電壓控制時延產生器(27)作為參考電壓，當鋸齒波電壓u(t)一旦大於控制電壓e(t)時，VCD電壓控制時延產生器(27)就會立即輸出一個VCD的輸出脈衝Pout。那麼VCD的輸出脈衝Pout與VCD的輸入脈衝Pin之間的時延差值 即為反射信號相對發射信號的傳輸時延τ的估計值。G、由傳輸時延τ的估計值 經換算得到被測目標的距離。
2.一種實施權利要求1所述方法的超聲波測距儀，包括脈衝信號波發射器(3)，混頻器(4)，本振源(5)，帶通濾波器(6)、(11)，功率放大器(7)，發射換能器(8)，接收換能器(9)，低噪聲放大器(10)，檢波器(12)，距離跟蹤環(13)，距離顯示器(14)。
全文摘要
本發明公開一種低信噪比下超聲波測距的方法及其測距儀，可用於水下和雨雪、大霧等惡劣天氣環境的距離測量。如說明書附圖1所示由被測目標1和安放在測點上的超聲波測距儀2構成。超聲波測距儀2的發射換能器8向被測目標1發射一超聲波信號。超聲波測距儀2的接收換能器9接收被測目標1反射回來的超聲波信號。超聲波測距儀2的距離跟蹤環13能夠獲得反射信號相對發射信號的傳輸時延τ的估計值，因而測得被測目標的距離。採用距離跟蹤環13來獲得反射信號相對發射信號的傳輸時延τ的估計值，是本發明的主要技術特徵。其優點是能徹底清除環境雜波的影響，具有特別優越的探測能力、抗幹擾能力和精確度。本發明的超聲波測距儀特別適合於水下和雨雪、大霧等惡劣天氣環境中低信噪比下的距離測量。
文檔編號G01F23/296GK101021562SQ200610149170
公開日2007年8月22日 申請日期2006年11月20日 優先權日2006年11月20日
發明者譚曉衡, 曹海林, 曾浩, 王韜, 張承暢 申請人:重慶大學