CN101021562A - 一种低信噪比下超声波测距的方法及其测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低信噪比下超声波测距的方法及其测距仪，可用于水下和雨雪、大雾等恶劣天气环境的距离测量。如说明书附图1所示：由被测目标1和安放在测点上的超声波测距仪2构成。超声波测距仪2的发射换能器8向被测目标1发射一超声波信号。超声波测距仪2的接收换能器9接收被测目标1反射回来的超声波信号。超声波测距仪2的距离跟踪环13能够获得反射信号相对发射信号的传输时延τ的估计值，因而测得被测目标的距离。采用距离跟踪环13来获得反射信号相对发射信号的传输时延τ的估计值，是本发明的主要技术特征。其优点是：能彻底清除环境杂波的影响，具有特别优越的探测能力、抗干扰能力和精确度。本发明的超声波测距仪特别适合于水下和雨雪、大雾等恶劣天气环境中低信噪比下的距离测量。

Description

一种低信噪比下超声波测距的方法及其测距仪

技术领域：距离测量

本发明涉及一种利用超声波的反射测量距离的***，特别是涉及一种“距离跟踪环路”实现低信噪比下超声波测距的方法。

背景技术：

河流中下游由于堆积的淤泥渐渐提高了河床的高度，造成河流的蓄水量的下降。为了能够方便的获得河流的蓄水量，需要测量河床到水面的高度。可采用船载超声波测距仪，船横向划过河流，利用超声波测距仪断面测试水面到河床的距离。一般所熟知的测距都是采用电磁波辐射或反射来进行的，但是电磁波在水下容易被水中介质所吸收而衰减，无法穿透水层，而声波可以克服这个问题，可以采用超声波来进行水下测距。在雨雪、大雾等恶劣天气环境下采用超声波进行距离测量，也能获得很好的效果。

超声测距或脉冲雷达测距都是以方形包络脉冲调制波作为已调波，通过发射换能器向被测目标发射，其反射波由接收换能器接收，根据超声波自发射换能器发射至被测目标往返一次所需要的行程时间，确定目标的距离。当用于测距时，船底的超声波测距仪垂直向下往水中发射一声波信号s₁(t)，信号被河床反射，超声波测距仪就接收到反射信号s₂(t)，经过比相电路，得到信号的传输时延τ，所以可得到距离：

$d=\frac{1}{2}\mathrm{v\τ}$

其中v为超声波在水中的传输速率。

超声波测距仪在接收到反射回来的回波信号s₂(t)的同时，还要接收到大量的干扰和噪声信号。根据反射方程，接收信噪比S/N与距离d的4次方成反比，即随着距离加大，S/N急剧下降。所以一般超声波测距仪接收的回波信号都有很大的噪声干扰，甚至信号被噪声掩没。回波信号S/N低是限制超声波测距仪综合性能的主要因素。为了提高超声波测距仪的综合性能，人们提出了许多改进方案，研制出性能较好的测距仪，但至今尚未取得突破性的进展，在提高其综合性能指标方面总是顾此失彼，结果尚不理想。

如日本专利JP62-235587公开了一种脉冲雷达的设计方案，该方案通过采用低电位门限电平和两个并行的检波回路，一方面能尽早地检测出回波到来的时刻，同时又不会将杂波到来的时刻值错认为是回波信号到来的时刻值。该方案降低了门限电平，提高了测距的准确度，但仍然有门限电平存在，而不能精确测量出回波到来的真正时刻，测量误差仍然较大，能够检测到的目标距离也相当有限。

日本专利JP60-27875提供一种双脉冲测距方案，对近距离和远距离目标测量作了比较合适的信号处理，改善了近距离测量时的分辨能力和增强了远距离测量时的探测能力。该方案的缺陷是测量误差较大，在接收回路中，经过包络检波后的信号，其波形上升前沿变缓，于是很难确定回波到来的准确时刻；为此在比较电路中设置一个具有一定电位值的门限电平，用于消除杂波影响，但由于门限电平存在，必然切去信号波形上升前沿的一部分，由此造成测量误差。若门限电平的电位值过小，则会将杂波信息误认为是回波信号，而造成更大的测量误差。

专利CN1059498C提供了一种伪随机超声波测距的方法，该方法只对具有该次伪随机特征的信号识别提取，从而彻底消除环境杂波的影响，不受环境噪声强度的限制，极大地提高了抗干扰能力。但是该方案的缺陷是需要进行收发伪随机码对应码片的逐一比较，要耗费一定的时间，特别是当伪随机码的码长很长时，花费的时间就更长了，因此该方案不具有实时性，并且实现较为复杂。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种“距离跟踪环路”实现低信噪比下超声波测距的方法及其超声波测距仪，也就是用“距离跟踪环”来提取超声波自发射换能器发射至被测目标往返一次所需要的行程时间，即获得信号的传输时延τ，因而测得被测目标的距离。

基本测量***原理图如说明书附图1所示，由被测目标1和安放在测点上的超声波测距仪2构成。超声波测距仪2的发射换能器8向被测目标1发射一超声波信号。超声波测距仪2的接收换能器9就会接收到被测目标1反射回来的超声波信号，反射回来的超声波信号经过低噪声放大、滤波和检波后得到视频检波信号a。通过超声波测距仪2的距离跟踪环13对视频检波信号a作一系列的处理后获得反射信号相对发射信号的传输时延τ的估计值，因而测得被测目标的距离。

本发明的超声波测距方法是采用距离跟踪环13来获得反射信号相对发射信号的传输时延τ的估计值，这反映了本发明的主要技术特征，距离跟踪环13的原理图如说明书附图2所示。超声波测距仪2的脉冲信号波产生器3在产生发射脉冲信号s的同时，距离跟踪环13的周期脉冲产生器29产生一个VCD(电压控制时延产生器)的输入脉冲P_in，由输入脉冲P_in触发锯齿波产生器28产生一个锯齿波电压u(t)，同时输入脉冲P_in触发早晚波门脉冲产生器30产生一个开启早波门21的脉冲b，脉冲b经过延迟器31产生一个开启晚波门22的脉冲c。在脉冲b和脉冲c的控制下，视频检波信号a在脉冲b期间通过早波门21经低通滤波器23积分和在脉冲c期间通过晚波门22经低通滤波器24积分，分别得到两条支路的积分信号。这两条支路的积分信号在加法器25中相减经F(s)环路滤波器26滤波后，会得到一个对应传输时延τ的误差电压e(t)。由误差电压e(t)和锯齿波电压u(t)的共同作用，在电压控制时延产生器(VCD)27将产生一个VCD的输出脉冲P_out，那么VCD的输出脉冲P_out与VCD的输入脉冲P_in之间的时延差值

，即为反射信号相对发射信号的传输时延τ的估计值。

附图说明：

图1为基本测量***原理图。图中，1是被测目标。2是超声波测距仪。3是脉冲信号波产生器。4是混频器。5是本振源。6、11是带通滤波器。7是功率放大器。8是发射换能器。9是接收换能器。10是低噪声放大器。12是检波器。13是距离跟踪环。14是距离显示器。

图2为距离跟踪环13的原理图，反映了本发明的主要技术特征。图中，21是早波门。22是晚波门。23、24是低通滤波器。25是加法器。26是F(s)环路滤波器。27是电压控制时延产生器(VCD)。28是锯齿波产生器。29是周期脉冲产生器。30是早晚波门脉冲产生器。31是延迟器。

图3为距离跟踪环13中对应各点的波形图。图中，s为发射脉冲信号波形。a为反射的视频检波信号波形。b为开启早波门21的脉冲波形。c为开启晚波门22的脉冲波形。T₁为发射脉冲信号s的宽度。T₂为发射脉冲信号s的重复周期。τ为传输时延。

图4为电压控制时延产生器(VCD)27的原理图。图中，P_in为VCD的输入脉冲。e(t)为控制电压。u(t)为参考电压。Pout为VCD的输出脉冲。 为传输时延估计值。

实施测量方式：

基本测量***具体实施如下。在发射部分，脉冲信号波产生器3产生一个周期性单脉冲信号s(脉冲宽度为T₁，脉冲重复周期为T₂，如说明书附图3所示)，与本振源5产生本振信号在混频器4中混频，得到调制信号。调制信号经带通滤波器6滤波和功率放大器7放大后，由发射换能器8将电信号转换为超声波信号，向被测目标1发射。被测目标1将入射的超声波反射回超声波测距仪2。在接收部分，被测目标反射回来的超声波信号经接收换能器9接收，将接收到的超声波信号转换为电信号，经低噪声放大器10作低噪声放大、带通滤波器11滤波后，在检波器12作包络检波得到视频检波信号a。该视频检波信号a输入到距离跟踪环13作传输时延τ的估计，由估计得到时延差值

经换算得到被测目标的距离d，在距离显示器14上显示测量结果。

由于距离跟踪环13对传输时延τ的估计是本发明的主要技术特征，距离跟踪环13的实现原理和具体实施过程如下：

①当超声波测距仪2的脉冲信号波产生器3在产生发射脉冲信号s的同时，距离跟踪环13的周期脉冲产生器29产生一个VCD的输入脉冲P_in，由VCD的输入脉冲P_in触发锯齿波产生器28产生一个锯齿波电压u(t)。输入脉冲P_in和锯齿波电压u(t)如说明书附图4所示。

②同时由VCD的输入脉冲P_in触发早晚波门脉冲产生器30产生一个开启早波门21的脉冲b，脉冲b经过延迟器31延迟T₁/2后产生一个开启晚波门22的脉冲c。脉冲b左边沿对准VCD的输入脉冲P_in(也即对准发脉冲射信号的起始点)。

③当收到一个反射的超声波信号，经过基本测量***接收部分的一系列处理，得到的视频检波信号a输入到距离跟踪环13，这个反射的视频检波信号a相对发射脉冲信号s有一个延时τ。发射脉冲信号s、脉冲b、脉冲c和视频检波信号a的波形如说明书附图3所示。

④这个视频检波信号a在脉冲b期间通过早波门21经低通滤波器23积分和在脉冲c期间通过晚波门22经低通滤波器24积分，分别会得到两路积分信号，且通过早波门支路的积分能量要小于通过晚波门支路的积分能量。

⑤这两条支路的积分信号在加法器25中相减，再经过F(s)环路滤波器26滤波后，就输出一个对应传输时延τ的误差电压e(t)。传输时延τ越大，误差电压e(t)就越大。

⑥这个误差电压e(t)输入给VCD电压控制时延产生器27作为控制电压，锯齿波发生器28产生的锯齿波电压u(t)也提供给VCD电压控制时延产生器27作为参考电压，当锯齿波电压u(t)一旦大于控制电压e(t)时，VCD电压控制时延产生器27就会立即输出一个VCD的输出脉冲Pout。那么VCD的输出脉冲Pout与VCD的输入脉冲Pin之间的时延差值

即为反射信号相对发射信号的传输时延τ的估计值。电压控制延迟产生器(VCD)的原理图如说明书附图4所示。

具体实施时，应该满足以下关系：

①假如超声波测距仪2与被测目标1之间的最大距离为d_max，则所对应的最大传输时延为τ_max。

②脉冲信号波产生器3产生的周期性单脉冲信号s的脉冲宽度为T₁，脉冲重复周期为T₂。为了提高测距精度和不存在测距模糊，应满足T₂＞＞T₁，T₁≥2τ_max。

③当传输时延τ＝τ_max时，此时误差电压e(t)就最大，设定为V_max。

④设定锯齿波发生器28产生的锯齿波电压u(t)的最大电压值为V_max，u(t)的值从零上升到V_max所需要的时间为τ_max。

同现有技术相比，本发明用在水、雨雪和大雾等恶劣天气环境下测距具有如下突出的优点：

①对于环境噪声，通过早波门21经低通滤波器23积分后的能量与环境噪声通过晚波门22经低通滤波器24积分后的能量大致相等，这两路噪声能量在加法器25中相减后几乎为零，不会对误差电压e(t)造成影响，故采用距离跟踪环可以消除环境噪声，即使信号淹没在环境噪声中也能有效地将信号提取出来，因此能够实现远距离测量和极大地提高抗干扰能力。而现有技术是设置门限电平来阻挡噪声的，门限电平在拦阻噪声的同时，也拦阻了远距离的微弱回波信号，因而大大地限制了超声波测距仪的探测能力。

②采用本发明的测距方法不需要确定回波到来的真正时刻，提高了测量的精确度。而现有技术因为回波信号波形的前沿变得非常平缓，而无法准确地确定回波到来的真正时刻，测量误差较大。

③对于那些多径传输时延不是很大的多径信号，采用距离跟踪环也可以减小其对测量精度的影响，因此本发明的测量***具有一定的抗多径干扰的能力。

④实现简单，运算量小。

因此，本发明的超声波测距仪的探测能力，抗干扰能力，分辨能力，精确度等综合技术性能指标都得到了最大限度的提高。本发明的超声波测距仪特别适合于水下和雨雪、大雾等恶劣天气环境中低信噪比下的距离测量。

Claims (2)

1.一种采用“距离跟踪环路”实现低信噪比下超声波测距的方法，其特征在于采用以下步骤：

A、超声波测距仪(2)的脉冲信号波产生器(3)在产生发射脉冲信号s的同时，距离跟踪环(13)的周期脉冲产生器(9)产生一个电压控制时延产生器(VCD)的输入脉冲P_in，由VCD的输入脉冲P_in触发锯齿波产生器(28)产生一个锯齿波电压u(t)。

B、同时由VCD的输入脉冲P_in触发早晚波门脉冲产生器(30)产生一个开启早波门(21)的脉冲b，脉冲b经过延迟器(31)延迟T₁/2后产生一个开启晚波门(22)的脉冲c。脉冲b左边沿对准VCD的输入脉冲P_in(也即对准发脉冲射信号的起始点)。

C、当收到一个反射的超声波信号，经过基本测量***接收部分的一系列处理，得到的视频检波信号a输入到距离跟踪环(13)，这个反射的视频检波信号a相对发射脉冲信号s有一个延时τ。

D、在脉冲b和脉冲c的控制下，视频检波信号a在脉冲b期间通过早波门21经低通滤波器23积分和在脉冲c期间通过晚波门22经低通滤波器24积分，分别得到两路积分信号，且通过早波门支路的积分能量要小于通过晚波门支路的积分能量。

E、这两条支路的积分信号在加法器(25)中相减，再经过F(s)环路滤波器(26)滤波后，就输出一个对应传输时延τ的误差电压e(t)。传输时延τ越大，误差电压就越大。

F、这个误差电压e(t)输入给VCD电压控制时延产生器(27)作为控制电压，锯齿波发生器(28)产生的锯齿波电压u(t)也提供给VCD电压控制时延产生器(27)作为参考电压，当锯齿波电压u(t)一旦大于控制电压e(t)时，VCD电压控制时延产生器(27)就会立即输出一个VCD的输出脉冲Pout。那么VCD的输出脉冲Pout与VCD的输入脉冲Pin之间的时延差值 即为反射信号相对发射信号的传输时延τ的估计值。

G、由传输时延τ的估计值 经换算得到被测目标的距离。

2.一种实施权利要求1所述方法的超声波测距仪，包括脉冲信号波发射器(3)，混频器(4)，本振源(5)，带通滤波器(6)、(11)，功率放大器(7)，发射换能器(8)，接收换能器(9)，低噪声放大器(10)，检波器(12)，距离跟踪环(13)，距离显示器(14)。

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