--PAGEI-一種提高超聲測距精度方法探究摘要超聲測距依據(jù)的是超聲波的傳播時間，由于噪聲干擾使超聲回波的波形發(fā)生了畸變，造成了超聲到達(dá)時間的識別產(chǎn)生了誤差，此問題成為超聲測距誤差的主要來源，雖然投入了大量研究，但至今未有一個滿意的解決方法。針對此問題，本文分析了目前的超聲測距方法存在的問題，并在此基礎(chǔ)上對互相關(guān)測距方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于互相關(guān)的精確定位超聲回波到達(dá)時間的測距方法，經(jīng)實(shí)驗驗證，本文所提方法提高了超聲測距的精度。本文主要完成了以下研究工作：1.在閱讀相關(guān)參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對目前超聲測距技術(shù)中存在的問題進(jìn)行了分析。2.研究了超聲測距的有關(guān)理論和技術(shù)，主要有：超聲波的傳播特性；超聲換能器的結(jié)構(gòu)、原理以及特性；超聲測距的原理；影響超聲測距的因素。3.分析了目前兩種主要的測距方法，找出了其存在的問題。4.在以上研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于互相關(guān)法的精確定位超聲回波到達(dá)時間的算法。經(jīng)過實(shí)驗驗證，本文所提方法提高了超聲測距的精度。5.依據(jù)本文所提的方法，設(shè)計了一套智能超聲測距系統(tǒng)，主要完成了以下設(shè)計工作：⑴系統(tǒng)總體設(shè)計；⑵硬件電路設(shè)計；⑶軟件系統(tǒng)設(shè)計。所設(shè)計系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是軟件系統(tǒng)，在軟件系統(tǒng)融入了本文提出的超聲回波定位方法及溫度補(bǔ)償方法。關(guān)鍵詞：超聲測距；精度；互相關(guān)第1章緒論1.1課題的意義距離測量在工業(yè)、交通、水利、航天、國防等領(lǐng)域起著非常重要的作用,提高測量精度也成為專家們研究的一個問題。測量距離的方法有很多種,可分為光學(xué)方法,超聲波方法等。超聲波測距這種測距方法很常見,它可以利用超聲波在介質(zhì)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離的移動和定向,并且具有良好的發(fā)射導(dǎo)向性。結(jié)合微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了距離的非接觸范圍測量。相比于其他測量方法來說,外界光、電磁場等因素不會對超聲波測距的結(jié)果產(chǎn)生影響,而且結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉REF_Ref2150\r\h[1]。因此隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲波測量的應(yīng)用將越來越多,使用范圍會更廣。具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦缘某暡ㄊ且环N特殊類型的聲波,而超聲波測距則使用到了聲波的反射特性，其結(jié)構(gòu)簡單,費(fèi)用低,對惡劣環(huán)境也能有一定的適應(yīng),因此超聲波在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。目前超聲波測距主要應(yīng)用在避障,車輛導(dǎo)航,水位測量等領(lǐng)域,但存在一些缺點(diǎn)。溫度的變化對超聲波的范圍有較大的影響,而反射表面的粗糙度也影響測量精度。超聲信號檢測和處理技術(shù)的不同，會使得硬件結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性也不同,從而會使超聲波測距會有所偏差。分析了超聲波測距的原理和誤差的來源,引入了修正測距的算法,設(shè)計了溫度補(bǔ)償電路,消除了由于溫度對聲速的影響而產(chǎn)生的誤差。REF_Ref4975\r\h[2]1.2超聲測距技術(shù)的研究現(xiàn)狀目前,國內(nèi)外提高超聲波測距準(zhǔn)確度的方法有多種,這些方法隨具體應(yīng)用環(huán)境的不同而有所不同,但基本上都把重點(diǎn)放在了減少測量通過時間的誤差和減小環(huán)境溫度影響的研究上。祝敏提出,超聲波的回波竄繞現(xiàn)象使得溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有較大的影響,且在傳播的過程中存在衰減,這些問題使得超聲波測距會產(chǎn)生誤差,為了減少誤差,需要對超聲波聲速進(jìn)行溫度補(bǔ)償,并使用溫度傳感器或聲速預(yù)設(shè)與溫度補(bǔ)償?shù)慕M合來有效地減少溫度誤差。為了更加精確地測定渡越時間,作者采用了三種方法:(1)采用雙比較器;(2)采用具有自動放大功能的控制電路,驅(qū)動有一定臨界值的單比較器。距離越大,放大器的增幅就越大。(3)使用單一比較器和臨界值可控電路時,測量距離越大,其臨界值電壓越小,從而可以用于補(bǔ)償。上述三種方法都可減小超聲波測距時產(chǎn)生的一些誤差,提高測量精度。王小陽、童峰、阮橙研究了超聲波測距中反射表面粗糙程度對測距精度的影響。地面粗糙度是表示地球面粗糙度的特性參數(shù),有長度量綱。在這項研究中,首先進(jìn)行理論建模和分析,得到各種反射面對回波信號的影響,獲得反射面起伏程度與測距精度之間的關(guān)系。理論分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行大量實(shí)驗并比較,收集實(shí)驗數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理,最終驗證了根據(jù)理論模型得到的結(jié)果:超聲波測距的測量結(jié)果的起伏程度和反射面的起伏程度的正相關(guān)。因此,通過改變反射面的粗糙度,可以減小由超聲波測距引起的誤差。唐艷芳、李鐘慎、郭尚佳提出了一種基于STM8S單片機(jī)進(jìn)行控制的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計方案。超聲波在空氣中傳播,遇到障礙物時會反射回來。系統(tǒng)對其進(jìn)行濾波、整形、放大,并由單片機(jī)捕獲。在測量過程中,對溫度進(jìn)行實(shí)時檢測并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。此系統(tǒng)消除了測量距離時，測距系統(tǒng)開始發(fā)射到啟動計時之間的時間差。REF_Ref6040\r\h[3]宋永東、周美麗、白宗文基于AT89S51單片機(jī)進(jìn)行了類似系統(tǒng)的搭建。趙小川、羅慶生等提出了一種基于偽隨機(jī)序列關(guān)聯(lián)原理設(shè)計的超聲測距系統(tǒng),利用低功耗和高性能的信息處理器,利用快速傅立葉變換的關(guān)聯(lián)識別算法來改進(jìn)超聲測距電路,從而提高測距精度。最后,胡延蘇、高昂對于一種六元超聲波陣列測距系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗,對實(shí)驗誤差進(jìn)行分析后,采用溫度補(bǔ)償法和最小二乘回歸法對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,從而提高了測距精度。超聲波測距在人們生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛,可在智能汽車中使用超聲波測距,實(shí)現(xiàn)無人駕駛,對機(jī)器人使用超聲波測距法,可以使其能夠?qū)崿F(xiàn)自由移動?？傊?不斷地想辦法消除超聲波測距的誤差,對社會的生產(chǎn)生活都會帶來很大的影響。第2章超聲測距的原理2.1超聲波2.1.1超聲波的定義聲波是一種機(jī)械波，是由物體的振動產(chǎn)生的，物體的振動在介質(zhì)中傳播就是聲波。聲波是一種能量的傳遞，只傳遞能量，不傳遞質(zhì)量。根據(jù)傳播過程中粒子的振動方向,可以將超聲波分為橫波和縱波。產(chǎn)生于介質(zhì)交替時所受到剪切力的波被稱為橫波，橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，它的粒子振動方向垂直于其傳播方向REF_Ref8835\r\h[4]。當(dāng)彈性介質(zhì)交替受到張應(yīng)力和壓應(yīng)力時,根據(jù)受力的質(zhì)點(diǎn)間隔,密度和形變會交替發(fā)生。質(zhì)點(diǎn)的振動方向等于它的傳播方向。這個波叫做縱波,如圖2-1所示圖2-1縱波空氣中只能傳播縱波。自然界中有很多能夠收發(fā)縱波的動物。例如蝙蝠,它可以利用超聲縱波在黑暗的環(huán)境中飛行和捕食,科學(xué)家們根據(jù)蝙蝠的特點(diǎn),發(fā)明出了雷達(dá)。縱波在超聲測距和定位領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2.1.2超聲波的特性超聲波不僅是一種波動形式，也是一種能量傳遞形式,，具有以下特點(diǎn):(1)能量高,傳播的距離較遠(yuǎn);(2)超聲波在傳播時,能量容易集中,具有比較強(qiáng)的方向性;(2)超聲波可以在各種不同的介質(zhì)中進(jìn)行傳播;(3)能夠在界面上產(chǎn)生反射、折射以及波形轉(zhuǎn)換REF_Ref17766\r\h[5];(4)穿透力強(qiáng),超聲波可穿透各種介質(zhì)繼續(xù)傳播。(5)在傳播過程中，由于一些原因，超聲波會發(fā)生衰減,它的衰減主要有:①在超聲波傳播過程中，傳播距離增加，非平面聲波的聲速也隨之放大增加，單位面積的聲壓隨距離增加而逐漸降低。此為擴(kuò)散衰減。②超聲波在不同介質(zhì)中傳播,而實(shí)際物質(zhì)不可能絕對均勻,可能引起聲波的散射。散射的超聲波通過介質(zhì)的復(fù)雜路徑傳播,最后演變成其他形式,這個衰減叫做散射衰減。③超聲波傳播時，由于介質(zhì)有黏度，因此粒子間會發(fā)生摩擦，使得一部分聲能轉(zhuǎn)化成熱能，介質(zhì)與外界發(fā)生熱交換，因此會使介質(zhì)和聲能都有所損耗。這就是吸收衰減。REF_Ref19641\r\h[6]2.2超聲波換能器2.2.1超聲換能器的結(jié)構(gòu)及原理用于測距的超聲波換能器主要有兩種類型,即開放型和密閉型。圖2-2是一種開放型超聲換能器,這種換能器就是通常普遍應(yīng)用的超聲測距換能圖2-2開放型超聲換能器。該換能器由合體、諧振器、金屬片、壓電陶瓷片、底座和引線端子組成。合體起保護(hù)作用,以防止水和灰塵進(jìn)入,也防止人為損壞;諧振器為喇叭形結(jié)構(gòu),能有效地輻射壓電振蕩器產(chǎn)生的超聲波,并能有效地收集傳播到換能器的超聲波。金屬片和壓電陶瓷組成壓電振動器。在壓電振動器上加上一個激勵電信號,壓電振子可以把電信號轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動,,在空氣介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波;壓電振子也可以把超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號REF_Ref20555\r\h[7]。引線端子負(fù)責(zé)傳遞電信號,或把電信號傳遞給壓電振子;或把壓電振子產(chǎn)生的電信號輸出給處理器。底座起支撐作用。圖2-2開放型超聲換能器圖2-3是一種密閉型超聲換能器,這種換能器主要用于工業(yè)機(jī)器人。這種換能器的密閉性和精確度都要求比較高。因此,這種換能器被金屬盒體包裹,并安裝有隔音材料和屏蔽材料,確保壓電振子不被污染,也不被噪聲干擾。這種換能器的金屬基板用金屬盒體代替,這樣設(shè)置,是由于換能器的密閉性緣故。圖2-3密閉型超聲換能器無論是開放型還是密閉型超聲換能器,其工作原理都是相同的,超聲波換能器的工作原理可用圖2-4說明。圖2-4表示的是給壓電振子施加電壓的過程。一個擁有超聲頻率的電子振蕩器可以被用作超聲傳感器，超聲頻率的電壓由傳感器中的壓電晶體產(chǎn)生，壓電振蕩器會在電場的作用下振動。就像一個小活塞在振動一樣,振動的振幅小,加速度大,電磁振動的能量可以被轉(zhuǎn)化成機(jī)械性振動,沿著特定的方向傳遞機(jī)械性振動的能量,產(chǎn)生超聲波REF_Ref9281\r\h[8]。圖2-4超聲換能器的工作原理2.2.2超聲換能器的特性超聲換能器的特性主要有：工作頻率（諧振特性）、方向特性、發(fā)射功率、阻抗特性、頻率帶寬及檢測靈敏度等REF_Ref23458\r\h[9]。1.工作頻率及頻帶超聲換能器的工作頻率也稱為‘固有頻率’、‘諧振頻率’和‘本征頻率’。圖2-5超聲換能器的諧振頻率壓電陶瓷片具有壓電效應(yīng)，是超聲波換能器的主要元件。圖2-5是接收換能器輸出電壓隨激勵頻率變化的關(guān)系曲線。超聲波脈沖通過換能器器接收超聲波信號轉(zhuǎn)化成電壓信號的過程由壓電陶瓷片完成。如圖2-5所示。在圖2-5中,橫坐標(biāo)表示超聲波的激勵頻率,縱坐標(biāo)表示壓電陶瓷片輸出的電壓。由圖2-5可以看到:隨著超聲激勵頻率f的變化,壓電陶瓷輸出的電壓并不相同,而是出現(xiàn)了一些極大值,達(dá)到最大值的頻率就叫做壓電陶瓷的諧振頻率。(或固有頻率)。壓電陶瓷有多個諧振頻率,按照頻率從低到高,分別稱為一階諧振頻率、二階諧振頻率,┄,n階諧振頻率等,其中最小的諧振頻率稱為基頻。當(dāng)超聲脈沖信號的激勵頻率等于壓電陶瓷的諧振頻率時,壓電陶瓷輸出的電壓最大,這個特性稱為壓電陶瓷的諧振特性。由圖2-5也可以看到,壓電陶瓷是在以諧振頻率為中心的一段頻帶內(nèi)輸出高電壓,而不只在諧振頻率處。我們把以諧振頻率為中心的輸出高電壓的頻率范圍稱為壓電陶瓷的工作頻帶。本文測距系統(tǒng)用的是工作頻率為40kHz的換能器,圖2-6是根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)繪制的40kHz換能器的輸出特性。由圖可以看到,換能器在40kHz時輸出的電壓最大,其它頻率處輸出的電壓很小。圖2-6諧振頻率為40kHz換能器的輸出特性2.方向特性它們都具有一定的方向特征,但是對換能器的方向特征的要求隨著所使用場合的不同而不同。方向特性曲線的尖銳對于發(fā)射型超聲換能器和接收超聲換能器所表示的意義有所不同，前者表示的時發(fā)射的聲能的集中度，后者則表示探測到的空間中，方位角的界限。超聲設(shè)備的方向特性決定了其作用距離，因此，必須重視。REF_Ref59\r\h[10]3.阻抗特性換能器它具有特定的特性阻抗和傳輸常數(shù),設(shè)計換能器時，等效輸入電阻抗的計算決定了換能器電路是否能夠匹配發(fā)射機(jī)的末級回路以及接收機(jī)的輸入電路。REF_Ref180\r\h[11]4.檢測靈敏度靈敏度是換能器最重要的一個指標(biāo),可分為有電壓靈敏度和電流靈敏度。接收換能器的輸出電壓與在聲場中引入換能器之前該點(diǎn)的自由聲場聲壓的比值叫做接收換能器的自由場電壓靈敏度，即(2-1)式中,表示接收換能器電負(fù)載上所產(chǎn)生的電壓(V);表示接收換能器接收面處自由聲場的聲壓,有時也用dB表示：(2-2)其基準(zhǔn)靈敏度取,表示自由場電壓靈敏度級。接收換能器輸出電流與在聲場中引入接收器之前的自由聲場聲壓的比值為換能器的自由場電流靈敏度,記為(2-3)式中,單位是A,P單位是。在實(shí)際中,我們一般都采用電壓靈敏度討論問題,不常用電流靈敏度。REF_Ref363\r\h[12]5.發(fā)射功率在不超過換能器的最大峰值電壓的前提下,它的發(fā)射功率是由發(fā)射電壓決定的,發(fā)射電壓越高,換能器的發(fā)射功率就越大。驅(qū)動電路在給換能器發(fā)射脈沖電壓的時候,只要不超過峰值電壓就可以,如果超過,換能器會損壞。REF_Ref441\r\h[13]超聲換能器的計算公式如下：(2-4)超聲波換能器是屬于電壓驅(qū)動的傳感器，一般發(fā)射主要是滿足發(fā)射電壓的要求，這個發(fā)射電壓不是空載時候的發(fā)射電壓，是在接了超聲波換能器后，在換能器的兩根信號線兩端測量出來的發(fā)射電壓。2.3超聲測距的原理由于超聲換能器具有諧振特性和方向性,使得利用超聲換能器測距成為可能。超聲換能器分為發(fā)射換能器和接收換能器,其測距原理是測距系統(tǒng)向發(fā)射換能器提供電激勵脈沖信號,發(fā)射床干起接收信號,并將電信號轉(zhuǎn)換成超聲脈沖信號,此脈沖信號通過空氣介質(zhì)沿著一定方向進(jìn)行傳播。接收換能器將接收到的超聲脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號，再將轉(zhuǎn)換的電信號送至主機(jī),主機(jī)通過相關(guān)程序?qū)斎氲碾娦盘栠M(jìn)行分析、處理和顯示。圖2-7超聲測距的原理利用超聲換能器測距時,需要采用一定的測距方法來計算超聲波的傳播時間。脈沖回波法、共振法和頻差法為幾種常用的測距方法,它的基本原理同雷達(dá)原理一樣。當(dāng)溫度確定時,已知超聲波在空氣中的傳播速度,通過測量聲波遇到障礙物后從發(fā)射點(diǎn)到反射的時,可以計算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物兩者之間的距離。REF_Ref627\r\h[14]測距原理如圖2-7所示：已知超聲波在空氣中的傳播速度為V，由圖2-7的可以得到距離的計算公式為：（2-5）可以得到發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)間的距離，然后根據(jù)式（2-2）可以得到測量距離：（2-6）當(dāng)時，。其中超聲波聲速與環(huán)境溫度的關(guān)系為：（2-7）為方便計算，將上式簡化為：（2-8）2.4影響超聲測距精度的原因分析由式(2-5)可以看到,超聲波的傳播速度V和傳播時間t的測量精度決定了距離測量的精度。溫度對超聲波的傳播速度影響較大REF_Ref804\r\h[15]。超聲波測距是根據(jù)已知的超聲波聲速,測量出它的傳播時間,從而計算出距離。利用超聲波測距時，距離的計算可以根據(jù)已知的超聲波聲速以及測量出的傳播時間得到，但是由于空氣溫度的改變,使超聲波的聲速受到影響,從而使計算結(jié)果產(chǎn)生偏差。為了減小誤差,加一個溫度探測器,實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。在室溫和溫度較低的環(huán)境中,濕度的變化引起的對超聲波聲速的變化不大,可忽略不計,但是在高溫環(huán)境中,隨著濕度的增加，聲速也會隨之增大,使得結(jié)果出現(xiàn)誤差,影響測距精度REF_Ref1075\r\h[16]。因而在高溫時,不能忽略濕度的影響。本文主要研究傳播時間t對測距精度的影響。已有的研究說明,超聲波傳播時間測量的準(zhǔn)確性,主要決定于超聲回波到達(dá)時間識別的準(zhǔn)確性。噪聲、測距角度及空氣的波動會使超聲回波的波形發(fā)生畸變,造成了超聲回波到達(dá)時間的識別困難,從而產(chǎn)生識別誤差。此問題是超聲測距誤差的主要來源,長期以來一直制約著超聲測距精度的提高,成為超聲測距技術(shù)急需解決的問題。目前,測量計算超聲波傳播時間的方法主要有兩種,一種是峰值法;互相關(guān)方法。下面對這兩種方法存在的問題進(jìn)行分析,然后提出一種改進(jìn)的測量超聲波傳播時間的方法。2.4.1峰值法問題分析1.峰值檢測方法的原理回波檢測是檢測回波信號前沿到達(dá)接收換能器的時刻，如圖2-8所示。圖2-8信號前沿和閾值電壓超聲波回波振幅先增后減,因此回波信號的前沿振幅很小,容易被噪聲吞噬。所以超聲回波的接收電路一般都設(shè)置有閾值電壓,當(dāng)信號幅值等于或大于閾值電壓時,接收電路才能夠接收信號。因此,回波信號的前沿很難直接準(zhǔn)確檢測。而信號的峰值卻容易被準(zhǔn)確檢測到,因此提出了峰值檢測法,即以回波信號的峰值時刻作為回波信號的到達(dá)時間,其原理如下:觀察回波波形發(fā)現(xiàn):同一目標(biāo)的不同回波傳播距離的回波波形幾乎一樣,只有振幅不同。所以可以認(rèn)為超聲回波包絡(luò)的形狀基本上沒有改變。依此推論,我們可以認(rèn)為回波包絡(luò)峰值和回波前沿時刻之間的時間差,不會隨測量距離而改變。但是回波包絡(luò)峰值時間和回波前沿時刻之間的時間差可以通過實(shí)驗計算出來。所以我們把回波的峰值時間看作是停止測量距離的時間?；夭ㄐ盘柊j(luò)峰值時刻的檢測方法如圖2-9所示，圖2-9(a)是檢測電路；圖2-9(b)是電路中的相應(yīng)波形。(a)峰值檢測電路(b)電路對應(yīng)的波形圖2-9峰值檢測方法2.問題分析如果沒有噪聲干擾，峰值法能夠準(zhǔn)確檢測到回波到達(dá)時刻。如果有噪聲干擾，則噪聲會使超聲回波的波形發(fā)生畸變，如圖2-10所示。(a)無噪聲干擾的回波信號(b)有噪聲干擾的回波信號圖2-10噪聲對回波到達(dá)時刻識別的影響由圖可以看到,噪聲的干擾會引起信號的波形失真,使回波的峰值時刻發(fā)生了變化。因此,在有噪聲干擾的情況下,超聲波傳播時間的檢測會出現(xiàn)誤差。2.4.2互相關(guān)法問題分析1.互相關(guān)方法的原理統(tǒng)計中使用交叉相關(guān)來表示兩個隨機(jī)向量的共方差,信號處理中使用交叉相關(guān)來表示兩個信號的相似性,未知信號的特性可以由已知信號得到。它本質(zhì)上就像兩個函數(shù)的卷積。相關(guān)函數(shù)將描述的對象轉(zhuǎn)換為兩個不同的隨機(jī)進(jìn)程。求解相關(guān)函數(shù)需要對獲得的任意信號進(jìn)行相關(guān)分析,通過求解相關(guān)函數(shù),可以判斷信號之間的相關(guān)程度。對于兩組比較亂的波形,我們用眼去觀察,很難發(fā)現(xiàn)其中的相似性,這時判斷其相似程度的一句為兩組信號乘積的積分值大小,則互相關(guān)函數(shù)的定義如下:（2-9）互相關(guān)函數(shù)性質(zhì)如下：是實(shí)質(zhì)函數(shù)，函數(shù)值為正值或者負(fù)值，當(dāng)時，不一定存在峰值。當(dāng)時，隨機(jī)信號和呈正相關(guān)，反之呈負(fù)相關(guān)；為非奇非偶函數(shù)，但是滿足；互相關(guān)函數(shù)的上界由以下不等式確定：（2-10）實(shí)際上,互相關(guān)函數(shù)可以感知強(qiáng)背景噪聲中的弱噪聲,并測量延遲時間。測距的超聲脈沖是一個頻率已知的信號,發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖信號后,超聲脈沖信號在空氣中傳播,距離改變,超聲波脈沖信號的振幅也會改變,但頻率基本保持不變。由互相關(guān)算法可得,周期信號只與相同頻率的周期信號相關(guān)。如果同一周期的兩個超聲脈沖信號之間存在時間差,則互相關(guān)信號的峰值出現(xiàn)在時刻。因為周期信號只對相同頻率的周期信號進(jìn)行處理,所以超聲波信號中摻雜的噪聲會同時衰減。所以,互相關(guān)方法可以增強(qiáng)發(fā)射的超聲脈沖信號,同時抑制噪聲。設(shè)：為發(fā)射換能器發(fā)射的超聲脈沖信號，為噪聲，則發(fā)生換能器發(fā)射的信號為：（2-11）接收換能器接收的信號為：（2-12）式中，n為信號的序列號，t為信號的延時。讓發(fā)射信號與接收信號做互相關(guān)運(yùn)算，則：（2-13）由于超聲信號與噪聲不相關(guān)，則：（2-14）式中，N表示互相關(guān)序列的長度。發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖信號時開始計時，Rxy2.互相關(guān)方法的優(yōu)點(diǎn)互相關(guān)法可以由得到的信號分析出相似信號的特性，總的來說，有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：互相關(guān)法能夠降低系統(tǒng)的噪聲，提高系統(tǒng)的靈敏度，能夠測量一些信噪比較低的信號，從而提高測量精度。信號能進(jìn)行雙通道測量，減少測量時間，提高測量效率。3.問題分析互相關(guān)法有它的優(yōu)點(diǎn)，自然也有其不足之處。主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：互相關(guān)算法對系統(tǒng)相位噪聲的測量不確定度較大?；ハ嚓P(guān)法計算量較大，比較容易出現(xiàn)失誤。第3章提高超聲測距精度的方法研究準(zhǔn)確獲取超聲回波信號的到達(dá)時間時提高超聲測距精度的關(guān)鍵。本論文針對目前超聲回波到達(dá)時間獲取方法中存在的問題，對目前的超聲回波互相關(guān)檢測方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種改進(jìn)的超聲回波到達(dá)時間獲取方法。3.1互相關(guān)方法的誤差計算3.1.1超聲回波信號描述本文測距系統(tǒng)的超聲換能器的諧振頻率為40kHz，根據(jù)換能器的諧振特性可知，當(dāng)換能器的激勵頻率為40kHz時，換能器產(chǎn)生的振動信號最強(qiáng)。因此，40kHz超聲換能器發(fā)射的超聲脈沖信號為中心頻率為40kHz的窄帶信號。設(shè)s(t)為超聲回波信號，則其可表示成如下形式：（3-1）式中，at為包絡(luò)函數(shù)，t1為超聲脈沖信號的起始時刻，超聲波信號在發(fā)射和傳播過程，都會被噪聲干擾，設(shè)r(t)為含噪聲的回波信號，則其可表達(dá)為：（3-2）3.1.2互相關(guān)法的誤差計算1.計算方法用式（3-3）表示離散化的發(fā)射的超聲脈沖信號：，（3-3）其中，a為發(fā)信號的幅值，為采樣周期，為發(fā)射信號持續(xù)的時間，為整數(shù)。式中設(shè)定初始相位為0。式（3-2）是接收換能器接收到的含有噪聲的回波信號。將式(3-2)含噪聲的回波信號與式（3-3）的發(fā)射的超聲脈沖信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算：（3-4）式中，m=0,1,…,M-1。計算得到的表示接收信號與發(fā)射信號之間的互相關(guān)程度，的峰值，即為回波信號出現(xiàn)的位置。但是這種方法的缺點(diǎn)是計算量太大，很容易出現(xiàn)計算方面的失誤，因此，利用互相關(guān)法與卷積之間的關(guān)系，運(yùn)用快速傅里葉變換，對上述運(yùn)算方法進(jìn)行改進(jìn)，如圖3-2所示。圖3-1改進(jìn)的互相關(guān)運(yùn)算方法即對發(fā)射信號進(jìn)行FFT運(yùn)算；接收換能器接收到回波信號后，先進(jìn)行FFT運(yùn)算，然后與進(jìn)行FFT運(yùn)算后的發(fā)射信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，最后進(jìn)行IFFT運(yùn)算。改進(jìn)后的互相關(guān)算法如式（3-5）所示：（3-5）進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算后，得到的互相關(guān)運(yùn)算后的信號的峰值時刻TR。然后將互相關(guān)信號的峰值時刻TR與回波信號的起始時刻T0進(jìn)行比較，得到其差值(3-6)式中，T為超聲脈沖信號的周期，k為系數(shù)。2.仿真對上述計算過程進(jìn)行仿真，說明上述方法的正確性。仿真方法：仿真采用comsol軟件。首先，設(shè)計超聲發(fā)射換能器模型，然后在模型前方設(shè)置空氣域；設(shè)計換能器的中心頻率為40kHz，超聲波在空氣中的傳播速度為343m/s；設(shè)置超聲脈沖信號的傳播距離為2500mm。仿真結(jié)果如圖3-3所示。(a)超聲波聲場(b)回波信號圖3-3超聲波測距仿真圖3-3(a)表示超聲場。超聲發(fā)射換能器作為超聲源，向前方發(fā)射一超聲脈沖信號，脈沖信號在目標(biāo)處被反射回來。圖3-3(b)表示圖(a)超聲場中傳播的信號的波形。左側(cè)信號為發(fā)射換能器發(fā)射的脈沖信號，右側(cè)信號為目標(biāo)物反射回來的超聲回波信號。橫坐標(biāo)表示超聲信號傳播的距離，縱坐標(biāo)表示超聲脈沖信號的聲壓。在圖的右下方，給出了超聲信號被目標(biāo)物反射時的傳播時間。在上述回波信號中加入噪聲作為實(shí)際的回波信號，然后利用LabVIEW(或MATLAB)軟件，按照圖3-1對改進(jìn)的互相關(guān)運(yùn)算過程進(jìn)行仿真，圖3-4是仿真結(jié)果。圖3-4不含噪聲的回波信號波形圖3-5含噪聲的回波信號波形圖3-6含噪聲的回波信號經(jīng)過FFT運(yùn)算后的波形圖3-7發(fā)射的超聲脈沖信號經(jīng)過FFT運(yùn)算后的波形圖3-8互相關(guān)運(yùn)算后的波形3.2確定回波信號到達(dá)時間的方法3.2.1求解k值由式（3-6）可得：(3-7)在測距中，超聲換能器的頻率是給定的，所以式（3-7）中的超聲脈沖信號的周期T為已知?；夭ㄐ盘柕钠鹗紩r刻T0和互相關(guān)信號的峰值時刻T(a)距離為50mm的回波信號(b)距離為50mm的互相關(guān)信號圖3-10距離為50mm的信號波形同理，可求得測量距離為1000mm和1500mm的k值。3.2.2確定回波到達(dá)時間的方法1.對k值的分析根據(jù)上面求解的不同距離的k值，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)超聲換能器的頻率確定時，k值確定；對于不同頻率的換能器，其k值不同。表3-1是不同頻率換能器的k值。表3-1不同頻率換能器的k值2.回波信號到達(dá)時刻的求解根據(jù)表3-1可知，在測距時可以依據(jù)所用的超聲換能器的頻率，求解超聲回波的到達(dá)時刻。方法如下：⑴對接收的回波信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算；⑵求解互相關(guān)信號的峰值時刻；⑶按照式（3-8）求解回波信號的到達(dá)時刻。(3-8)T為超聲脈沖信號的周期，f03.3對方法的驗證表3-2是根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)，依據(jù)式(3-8)得到的測量的測距分別為500mm、1000mm和1500mm的超聲回波的到達(dá)時刻。表中同時給出了相應(yīng)的理論值。表3-2所提方法的性能分析第4章基于所提方法的智能系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)上述所提方法，設(shè)計了超聲回波信號到達(dá)時間的自動識別系統(tǒng)。4.1總體設(shè)計總流程如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)框圖4.2系統(tǒng)硬件設(shè)計4.2.1超聲換能器的選擇超聲波換能器有很多種，我們需要根據(jù)需求來進(jìn)行超聲換能器的選型，以下是選擇超聲換能器時應(yīng)注意的一些方面。諧振頻率:f

換能器電容量:CT換能器工作方式4、換能器型式和最大功率

5、安裝和配合尺寸

本次我們選擇ARU-20FC型超聲換能器，其參數(shù)如下：1、量程:0.50~20m2、盲區(qū):0.50m3、頻率:25KHz士1.5KHz4、工作電壓:峰值電壓<1500Vpp5、工作溫度:-20~+60°C6、壓力:0.3MPa7、角度:半功率角:9°，銳度角:23°8、耐腐蝕性:聚四氟外殼，一體式機(jī)加工結(jié)構(gòu).在強(qiáng)酸強(qiáng)堿的環(huán)境下可以使用9、安裝尺寸:2.5時的螺紋(M78x2)4.2.2發(fā)射電路設(shè)計本文采用74HC04集成芯片對信號進(jìn)行放大，發(fā)射電路圖如圖4-2所示。圖4-2發(fā)射電路圖4.2.3接收電路設(shè)計超聲波探頭在接收超聲波后將其轉(zhuǎn)化為電信號，但轉(zhuǎn)化時信號弱，必須對此進(jìn)行放大。LM741可放大接收到的信號，如圖4-3所示。圖4-3接收電路圖4.3軟件系統(tǒng)設(shè)計采用LABVIEW軟件對接收到的信號進(jìn)行處理，程序框圖及前面板如圖4-4和圖4-5.圖4-4程序框圖圖4-5前面板總結(jié)超聲波測距目前在各個領(lǐng)域都被廣泛使用,其測量精度的問題也就成為主要研究方