基于时间互相关的超声测距信号获取方法

彭映成，钱　海，黎小毛，朱宝良

(1．清华大学精密仪器与机械学系，北京　100084；2．西北核技术研究所，陕西西安　710024)

0　引言

在超声测距中，常用的方法是超声走时法。即用超声频脉冲激励超声波换能器，使之向外界发射超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波(简称回波)，测量原理如图1所示。通过检测从发射超声波至接收回波所经历的时间段(射程时间)，即可计算超声波换能器与被测物体之间的距离。即：

(1)

式中：d为超声波换能器与被测物体之间的距离；c为空气中的声速；TOF为射程时间。

图1　超声测距原理图

为了准确得到被测目标的距离，关键在于获得超声信号的准确走时和被测环境的声速。获取超声信号走时一般采用首波到达时间法。

在这种方法中，由于超声换能器的机械惯性，其发射超声波起振是逐步由小到大，首波信号的幅值很小，并且随测量距离的变化而改变，采用阈值判断首波时阈值大小难以确定。

为了解决这个问题，提出了许多解决方法，如提取回波包络线的算法[1]，该方法采用提取回波包络前沿的计算方法；可变阈值鉴幅法[2-3]通过使阈值随射程时间的延长而呈指数形式递减；时间-增益可变的接收电路法[4]，该方法设计的接收电路的放大倍数随射程时间的延长呈指数形式递增。第一种方法测量精度不高，后两种可以较准确测出目标距离，但需要设计较复杂的接收电路。为了简化设计，提高测距精度，文中提出一种基于时间互相关算法的超声测距信号获取方法，以满足较高精度的超声距离测量。

1　时间互相关测距原理

互相关描述了两个随机过程在某个时刻状态间的线性依从关系。测距用的超声信号是一个频率固定信号，在空气中，虽然随发射距离的变化，超声信号幅值会产生变化，但频率基本不变。根据相关算法的特性，周期信号只与同频率的周期信号相关，并且若两同周期信号时间差为τ，其相关信号峰值出现在τ时刻。同时非周期信号或随机信号的相关信号将快速衰减，这将有利于抑制干扰对信号的影响。

被测信号可以表示成如下形式：

xn(t)=anx(t+τ)+Nn(t)

(2)

式中：xn(t)为第n次测量信号；x(t)为信号的形式；τ为不同距离的时延；若干扰信号Nn(t)为随机信号，其互相关为零。

由于有效信号的形式相同，第m次测量信号与第n次测量信号的互相关可表示为Rx(t+τm+τn)，该信号的峰值出现在τm+τn时刻。

基于以上原理，可以采用如下的信号处理方法：取一标准距离的信号x(t)，并进行自相关计算得到自相关信号Rx(t)，其他被测信号与其进行互相关计算，则其互相关信号为Rx(t+τ)，即得到x(t)的自相关函数平移时间τ，这一时间τ对应的超声传播距离即为所测位置距标准位置的距离。

2　系统设计及数据分析

2．1测量系统设计

为了达到作用距离较远，测距精度高的目的，硬件电路的设计遵循以下几点：(1)在选定了较高频率的超声换能器的基础上，发射电路的发射功率尽可能大，发射电压足够高，信号畸变较小；(2)接收电路信噪比尽量高，放大倍数足够大；(3)接收电路具备一定的信号处理(如滤波)的功能，以提高信号后续数字处理的精度。

发射电路原理图如图2所示。其主要由脉冲发生电路、门控电路、脉冲驱动放大电路、变压器电路、阻抗匹配电路等部分组成。

图2　超声发射电路结构图

由555时基电路构成的频率可调的脉冲信号输出序列，经门控电路控制输出固定数目的TTL电平脉冲信号，经脉冲信号放大电路和功率放大电路逐级放大后的脉冲信号序列通过脉冲变压器电路放大为峰-峰值220 V、频率110 kHz的正弦信号，该信号驱动固有频率为110 kHz的超声发射换能器发射出超声信号。在发射超声信号的同时，发射电路产生同步信号，该信号输出至信号采集单元，使信号采集单元开始采集和存储由接收电路输出的经放大和滤波等处理的超声信号。

接收电路设计主要考虑较远距离时超声信号衰减较大，同时降低信噪比，因此接收前端采用仪表放大器，并且将信号再次放大，并且考虑到消除干扰噪声的影响，将信号再通过一级带通滤波器后进行采集处理。信号的放大倍数可调，最高可达2 000倍。其结构如图3所示。

图3　超声接收电路结构图

2．2试验结果及分析

采用数字示波器同时采集输出的超声发射驱动信号和超声回波接收信号。首先通过接收一个标准距离(该实验为1 m，由游标卡尺测量得到，精度为±0.02 mm)的回波信号，并对该信号相关计算，然后对其他距离的目标进行测量，用测得的回波信号同1 m的回波信号进行互相关计算。

图4为0.9 m的测量结果。测量得到自相关与互相关的时间差为287.5 μs，对应声速为345.238 m/s，计算距离为99.3 mm，误差为0.7 mm．

(a)1 m处的回波信号

(b)0.9 m处的回波信号

(c)1 m处的自相关信号

(d)0.9 m与1 m的互相关信号

图5为0.55 m的测量结果。测量得到自相关与互相关的时间差为1.296 ms，对应声速为345.238 m/s，计算距离为447.5 mm，误差为2.5 mm．

(a)1 m处的回波信号

(b)0.55 m处的回波信号

(c)1 m处的自相关信号

(d)0.55 m与1 m的互相关信号

通过测得的回波信号可以看到，由于回波到达时有一段逐渐增大的过程，如果直接判断首波的到达时间，难以确定哪一个时刻是首波，而110 kHz的超声换能器一个声波周期误差的所带来的测距误差是3.14 mm，因此不宜采用首波到达法。

随着被测距离与标准距离的增大，互相关信号与自相关信号的形态变化也加大，同时峰值幅度变小，时间误差也增大，分析原因，主要是噪声信号中含有被测信号的频率成分，而不是随机噪声，随着距离的增大，这一部分噪声信号对互相关波形的影响就逐渐变得不可忽略。因此在同频噪声无法消除的情况下，该方法只有在较近距离时才能获得较高的测距精度。

3　结束语

基于时间互相关算法获取超声测距信号走时的方法，解决了采用阈值法难以判断首波到达时间的问题，也避免了采用较复杂电路，达到了较高的测距精度。适用于测距区域变化不大的场合。该方法还对随机干扰和非周期干扰有较大的抑制作用，对非超声周期信号也具有较好的抑制效果。若信号中包含与超声信号同周期的干扰信息，该方法还要进一步改进。

参考文献：

[1]童峰，许水源，许天增．一种高精度超声波测距处理方法．厦门大学学报，自然科学版，1995，37(4)：12．

[2]FIORILLO A S．Design and Characterization of a PVDF Ultrasonic Range Sensor．IEEE Trans．Ultrason．，Ferroelect．，Freq．Contr．1992，39(6)：688-692．

[3]杨劲松，王敏，黄心汉．超声波可变阈值测距装置．电子应用技术，1998(7)：7-9．

[4]严宏穗，宋进，陈敏贤．超声波测距在智能机器人开发中的应用．机电一体化，2001(5)：31-34．