超声波传感信号传输信道特性分析与测试

覃远年,成 帅,黄 春

(桂林电子科技大学通信实验中心,广西桂林 541004)

超声波传感信号传输信道特性分析与测试

覃远年,成 帅,黄 春

(桂林电子科技大学通信实验中心,广西桂林 541004)

为了提高超声波避障测距系统的作用距离,对超声波信号检测与超声波传输信道、信噪比的关系进行了分析。将超声波传播特性与无线电波传播特性进行了对比研究,采用频谱测量的方法对超声波传输特性、信噪比特性进行了实际测试,并给出了提高避障测距系统作用距离的方法与建议。

超声波避障系统;超声波测距;信道特性;信噪比

超声波传感器在料位测量、安全行驶辅助系统、地形地貌探测等许多领域得到了广泛的应用。由于超声波信号具有受光线和电磁干扰影响小的优点,以及具有价格低廉、使用方便的特点,在车船、机器人的避障系统中得到了较多的应用[1-3]。

避障系统要求检测距离大,提高超声波信息传输和检测距离,就可以使超声波传感器在避障系统中获得更好的应用效果。当前有较多的关于超声波信号接收、检测算法的研究,提出了互相关函数法、谱线分析法、相位检测法和自适应时延估计法等算法[4-5]。但是,针对超声波实现远距离信号检测与信道、信噪比之间的关系进行深入分析与测试相对较少。本文将对超声波传播与无线电磁波传播特性进行对比,对超声波信息传播的信道特性、信噪比与检测距离的关系做深入的研究。

1 超声波信号检测与信噪比之间的关系

在避障测距系统中,超声波信号检测与无线通信中的信号,尤其是雷达信号的检测、处理过程是类似的,都要求接收系统能从混合的信号中将有用的信息提取出来,系统固有的噪声及来自外部的干扰信号,都对接收端的信号检测产生影响。对于不同信号形式的检测与接收,按照通信系统误码率与信噪比的理论进行分析,误码率＝(虚报次数＋漏报次数)/总样本数。对于ASK、FSK、PSK 3种信号,PSK信号在信噪比(SNR)为8dB时误码率小于10－3,在相同误码率条件下,在信噪比要求上2PSK比2FSK小3 d B,2FSK比2ASK小3 dB,在抗噪声方面,2ASK最差[6]。而常用的超声波测距系统发射和接收信号为几个到十几个周期超声波脉冲串,这种信号类似ASK信号,在SNR大于14 d B时可以得到较好的检测效果。超声波脉冲信号与脉冲雷达发射的信号类似,由雷达技术的捕获经验可知,对于脉冲雷达信号的检测,当SNR大于14 dB时,能得到令人满意的捕获结果[7],采用小波变换等信号处理后可以提高信噪比[8]。采用扩频的方式进行超声波信号的发射与接收,由于存在扩频增益,信号的检测门限比未扩频信号的信噪比门限低。

2 避障测距系统的超声波传播信道与无线电波信道的对比分析

超声波信号与无线电波的传播有基本相同的规律,但也存在差异。这两种信号都是随着传播距离的增大产生衰减,且信噪比降低。信号衰减的原因基本都可以分解为路径衰减、阴影效应、衰落3种不同的效应[9]。

路径衰减包括几何衰减和介质损耗。几何衰减的原因为传播距离增大,信号能量的面积扩大,单位面积上的能量减小,对于球面波,接收功率随距离的平方衰减,即接收功率与距离的关系为10 d B/10倍程,在这点上超声波与无线电波是类似的。

介质损耗对于超声波传播而言,即是媒质对声音能量的吸收,产生的原因是媒质的黏滞性、热传导性和分子弛豫过程,使得声波能量转变成了热能量。对于无线电波而言,介质损耗源于介质分子对电子运动能量的阻尼吸收。无线电波在空气中传播受到介质损耗很小,可以忽略,而在水中传播受到的介质损耗很大。超声波在空气中的传播时,超声波频率越高,振动波在介质传播受到的损耗越大,损耗系数基本上与频率的平方成正比,然而,超声波在水中传播受到的介质损耗较小。

阴影效应是非确定性的。在相同路径衰减相当的时间尺度内,引起与发射机相同距离的不同接收机的接收信号是变化的,当然,所有这些点上的平均功率还是由路径衰减决定的。

衰落是由多径传播引起的。多径环境下,信号经过不同的传播路径到达接收端,多个分量相互干涉使得总的信号快速波动。在宽广的环境中传播的无线电波或者超声波,需要较多地考虑地面的反射,对于无线电波,此时可以用简单的双线模型进行分析,接收端的信号是直达信号与地面反射信号的合成;对于超声波,同样会受到地面反射信号的影响,与无线电波传播的双线模型不同,例如VHF频段的无线电波为米波范围,波长相对较长,地面起伏粗糙的尺度小于电波波长,地面可以看作平坦镜面,反射路径较简单;而空气中的超声波波长为厘米范畴或更小,当地面起伏粗糙的尺度大于超声波的波长时,将不能以平坦镜面来近似,地面反射的超声波信号相对杂乱。

3 实际环境中超声波传播特性测试

在避障测距系统中,超声波信号检测的关键是接收信号的信噪比的检测。本文中采用直接测量接收信号的信噪比的方式进行超声波传播特性测试。

信噪比可以采用频谱仪进行测量[10]。设置频谱仪进入信道功率测量模式,适当选取信道积分带宽,使测量窗口包含接收信号的整个频谱包络,就可以读取频谱分析仪显示的功率值,即为信号功率;将发射信号关闭,频谱分析仪显示的功率值即为噪声功率,由此可以测得接收信号的信噪比。虽然测试端加入了低噪声放大器,测试到的信号经过了放大,但是频谱仪测量的信号、噪声两者都放大了相同的倍数,而且低噪声放大器引入的本底噪声远小于外部环境噪声,低噪声放大器的噪声可以忽略,因此,信噪比值无影响。此方法测得的信噪比可以真实地反映当前测试点的信号情况。

3.1 开阔空间超声波信号特性测试

在开阔的广场环境中进行信号测试,使用40 k Hz超声波探头发送测试信号,接收信号经过低噪声放大后送入频谱仪进行测量。图1为在开阔的广场环境下的噪声频谱特性测试图。使用频谱仪的信道功率测量模式进行测试。广场环境下,在中心频率为40 k Hz、带宽为7.4 k Hz条件下测得系统噪声功率为102.3 dBm,通过在多个位置点进行噪声测试,测得的噪声功率变化较小,变化小于2 d B。图2为距离发射点80 m处使用频谱仪测得的接收信号功率。

图1 使用频谱仪测得的系统噪声功率

图2 距离发射点80 m处频谱仪测得的接收信号功率

在开阔的广场下测试和计算得到的SNR与距离L的关系曲线见图3。

图3 开阔空间下超声波SNR随距离变化的实测值与计算值对比曲线

实际上,室温下不同湿度的空气对于超声波传输的最大衰减量对于频率较低的超声波可以粗略表示为[11]

而对于50 k Hz以上的超声波,可以粗略表示为

其中,a(f)表示最大衰减量,即传输1 m衰减的最大分贝数;f代表超声波频率,单位k Hz。

由式(1)可知,40 k Hz的超声波在室温空气中传输1 m最大衰减大约1.31 dB;采用式(2)计算,则传输1 m最大衰减大约0.92 dB。由式(1)和式(2)计算的每米最大衰减量与自由空间球面波扩张引起的路径损耗进行信噪比计算,公式为

式(3)中SNR0为参考点测试得到的信噪比,取a(f)＝1.31 dB与a(f)＝0.92 dB分别代入式(3)得到计算值1与计算值2。由测试可见,实测值稍大于计算值,分析其原因为:计算值采用每米最大衰减量进行计算,而由于空气温度、湿度的不同,实际衰减量小于最大衰减量。而且,由于发射、接收探头有较强的方向性,地面存在一定的粗糙度,信号反射影响减弱,使得实测信号特性较接近于包含空气吸收的自由空间的信号特性。

3.2 公路环境下超声波信号特性测试

同样,也进行了车辆较少的马路、车辆较多的马路等不同环境下的信号实测。测试结果表明:车辆较少的时候的信号测试与空旷广场环境下的测试情况相差不大;在车辆较多的情况下,相对于空旷广场的情况,车辆引入的噪声使得信噪比下降3 dB左右,比预计的影响要小,其原因是环境、车辆的噪声主要集中在相对低的频段,在超声波频段分量较少。

在测试中还发现,仪器设备中开关电源的噪声有可能落到测试的频率范围内,这主要是由于开关电源变压器震动造成的。当开关电源的工作频率落入接收的频率范围、而且变压器、电感等绕制不够紧密时,工作时就会造成机械震动,震动噪声对超声波信号造成干扰。

4 结束语

由前面的分析可知,超声波在空气中传播,空气吸收造成的信号衰减起主要作用,要提高超声波信号传播的距离,一是要提高信号的发射声压级;二是要降低超声波的频率,比如测试中采用25 k Hz的超声波探头进行测试时,信号传输距离提升非常明显;三是采用伪随机序列扩频、线性调频扩频等方式进行信号的发射与接收,当扩频增益为30 dB的时候,可以允许扩频信号比未扩频信号在信噪比恶化30 dB的情况下进行接收,从而提升信号的作用距离[12];四是采用传感器阵列,当传感器之间的距离d≥λ/2(λ为超声波波长)时,可保证接收探头信号的衰落特性相互独立,可以实现与无线通信分集接收效果相同的增强信号、抵消噪声的作用。

References)

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Channel characteristics analysis and measurement of ultrasonic sensing signal

Qin Yuannian,Cheng Shuai,Huang Chun
(Experimental Center of Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to improve the sensing range of ultrasonic anti-collision alarming system and range-finding system,The ultrasonic signal detection performance relationship with the ultrasonic channel and SNR are analyzed.The channel characteristics of ultrasonic with radio waves are compared,The SNR and channel characteristics of ultrasonic wave are actually measured by using a spectrum analyzer.Some available measures are given to improve the range of anti-collision alarming system and range-finding system.

ultrasonic anti-collision alarming system;ultrasonic ranging;channel characteristics;SNR

TB552

B

1002-4956(2015)4-0036-03

2014-08-15修改日期：2014-09-30

国家自然科学基金项目(61162008);广西科技开发项目(桂科攻12118017-5)

覃远年(1971—),男,广西昭平,高级实验师,主要研究方向为无线通信系统、移动通信系统.

E-mail:qinyn＠guet.edu.cn