CN109471112A - 一种可抗声波干扰的超声波测距传感器及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抗声波干扰的超声波测距传感器及其测距方法。超声波换能器、信号处理电路和微处理器封装组成整体传感器。微处理器产生发射波形特征参数向量X，输出发射信号；信号处理电路对发射信号放大，生成激励信号；超声波换能器产生超声波脉冲信号，而后接收超声波脉冲信号并产生回波信号，信号处理电路对回波信号进行放大和滤波；微处理器生成回波波形特征参数向量Y；微处理器判断发射波形特征参数向量X与回波波形特征参数向量Y的相关性，相关性大于等于设定阈值，接收回波信号；微处理器计算传感器与目标物距离。本发明可有效抑制声波干扰，以及抵御来自恶意攻击者的声波攻击，实现对目标物距离的准确可靠测量。

Description

一种可抗声波干扰的超声波测距传感器及其测距方法

技术领域

本发明属于传感器电子技术领域，具体涉及一种可抗声波干扰的超声波测距传感器。

背景技术

超声波测距传感器采用回波测距原理，通过主动发射超声波脉冲，随后接收经过目标物表面反射的超声波回波，运用时间差测量技术，测量传感器与目标物之间的距离，具有测量准确、非接触、防水、成本低等优点，可用于液位、物位、料位检测等，在工业过程控制、自动驾驶汽车、无人机、机器人、家居安防、生物医学、基础公共设施等领域有广泛的应用。超声波测距传感器的可靠性对于这些物理信息***的安全性和稳定性具有至关重要的作用。

现有的超声波测距传感器发射固定的超声波脉冲，而且只测量接收到超声波回波的时间，并不检测回波的来源，因此容易被环境中的其他声波干扰，产生错误的测量结果，降低传感器的可靠性和安全性。声波干扰存在两种可能来源，无意串扰和恶意攻击。无意串扰指在多个传感器同时存在的场景下，某个传感器将来自其他传感器的超声波信号当作己方信号的回波，造成错误的测量结果。恶意攻击指攻击者产生特定的超声波信号并发送给传感器，导致传感器将来自攻击者的超声波当作己方信号的回波，造成错误的测量结果。恶意攻击相比于无意串扰在形式上更加复杂，造成的后果也更为严重。随着超声波测距传感器的普及和在重要物理信息***中的应用，来自无意串扰和恶意攻击的声波干扰存在更高的出现可能性，将造成难以预估的影响。因此，一种可抗声波干扰的超声波测距传感器具有重要的现实意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可抗声波干扰的超声波测距传感器及其测距方法，解决现有超声波测距传感器容易被声波干扰(包括无意串扰和恶意攻击)技术问题。

本发明采用如下技术方案：

一、可抗声波干扰的超声波测距传感器

传感器包括超声波换能器、信号处理电路和微处理器，三者封装在一起，组成整体传感器。

超声波换能器用于接收信号处理电路发送过来的激励信号进而发射超声波脉冲信号和接收超声波脉冲信号经检测对象反射回来的回波信号。

信号处理电路用于接收微处理器发送过来的随机发射信号进而产生超声波换能器的激励信号和接收回波信号的处理。

微处理器用于产生随机发射信号发送到信号处理电路，接收信号处理电路发送过来的回波信号并分析计算波形相关性和超声波换能器与目标物的距离。

二、一种超声波传感器测距方法，包括以下步骤：

1)微处理器产生伪随机数作为随机发射信号，并选取波形特征参数构成发射波形特征参数向量X，按照发射波形特征参数向量X输出发射信号给信号处理电路。

第i次发射信号的波形s_i表示为：

式中，A_i为第i次发射信号的幅度，f_i为第i次发射信号的频率，为第i次发射信号的相位，T_i为第i次发射信号的脉冲长度，t为第i次发射信号的时间，该时间为之前发射过所有脉冲周期的累加和，Δ_j为第j次发射信号的脉冲周期，j表示发射信号的序数。因此，可以通过一个或多个波形特征参数来描述一个超声波脉冲信号。

2)信号处理电路对发射信号进行放大，生成超声波换能器的激励信号；

3)超声波换能器在激励信号的驱动下产生对应的超声波脉冲信号；

4)超声波换能器经过时间T后接收到经检测对象反射回来的超声波脉冲信号，并产生回波信号，接收到的回波信号包括正常回波和声波干扰；

5)信号处理电路对回波信号进行放大和滤波；

6)微处理器对处理后的回波信号进行采样，对采样后的回波信号进行信号分析和特征提取，生成与发射波形特征参数向量X对应的回波波形特征参数向量Y；

7)微处理器判断发射波形特征参数向量X与回波波形特征参数向量Y的相关性C(X,Y)，波形特征参数的选取包括频率f、幅度A、脉冲长度T和相位

波形特征参数中频率f相关性的计算为：

C_f＝|y(i)-x(i)|

其中，C_f表示以频率f为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i)表示第i次接收的回波波形特征参数，x(i)表示第i次发出的发射波形特征参数，i表示第i次发射信号；微处理器根据频率f的设定阈值ε_f对C_f作相关性判断，若C_f≥ε_f，ε_f表示频率特征阈值，则接收该回波信号；若C_f<ε_f，则不接收该回波信号；

波形特征参数中幅度A相关性的计算为：

其中，C_A表示以幅度A为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i+1)表示第i+1次接收的回波波形特征参数，x(i+1)表示第i+1次发出的发射波形特征参数；微处理器根据幅度A的设定阈值ε_A对C_A作相关性判断，若C_A≥ε_A，ε_A表示幅度特征阈值，则接收该回波信号；若C_A<ε_A，则不接收该回波信号；

波形特征参数中脉冲长度T相关性的计算为：

其中，C_T表示以脉冲长度T为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i+2)表示第i+2次接收的回波波形特征参数，x(i+2)表示第i+2次发出的发射波形特征参数；微处理器根据脉冲长度的设定阈值ε_T对C_T作相关性判断，若C_T≥ε_T，ε_T表示脉冲长度特征阈值，则接收该回波信号；若C_T<ε_T，则不接收该回波信号；

波形特征参数中相位相关性的计算为：

其中，表示以相位为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性；微处理器根据相位的设定阈值对作相关性判断，若 表示相位特征阈值，则接收该回波信号；若则不接收该回波信号；

若上述构成向量的四种波形特征参数的相关性其中任一小于各自预先设定阈值ε，则认为该信号来自声波干扰，不接收该回波信号；若上述构成向量的四种波形特征参数的相关性均大于等于各自预先设定阈值ε，则认为该回波来自本传感器，接收回波信号；

8)微处理器根据接收的回波信号计算距离：假设声速为c，则传感器与目标物距离为cT/2，输出测量结果。

优选的，波形特征参数的选取还包括脉冲周期。

优选的，将每一次发射信号到产生回波信号的周期作为一个测量周期，所述的波形特征参数中，频率、相位的随机化和相关性判断在一个测量周期内完成，幅度、脉冲周期的随机化和相关性判断在两个测量周期内完成，脉冲长度的随机化和相关性判断在三个测量周期内完成。

优选的，波形特征参数单独进行或组合进行随机化和相关性判断。

优选的，步骤7)波形相关性判断使用似然比检验。

本发明通过信号处理电路随机化波形特征参数对超声波脉冲进行波形特征参数的提取，再通过微处理器对回波信号进行信号分析和特征提取，两者结合进行相关性判断从而使传感器具备抗声波干扰的功能。

本发明的有益效果如下：

1)通过随机化超声波脉冲波形，检测超声波回波是否来自传感器自身，能够有效地排除声波干扰对传感器测量结果的影响，包括无意串扰和更为复杂的恶意攻击。

2)相比于已有技术，本发明时间延迟更小，可以在单个或几个测量周期内完成，适合于需要快速频繁测量响应的***，例如自动驾驶汽车、无人机、机器人等。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是发射脉冲频率随机化可行性实验结果示意图。

图3是发射脉冲幅度随机化可行性实验结果示意图。

图4是发射脉冲相位随机化可行性实验结果示意图。

图5是发射脉冲长度随机化可行性实验结果示意图。

图6是特征相关性的计算原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明具体实施采用的可抗声波干扰的超声波测距传感器，具体包括超声波换能器、信号处理电路和微处理器，三者封装在一起，组成整体传感器。

超声波换能器用于接收信号处理电路发送过来的激励信号进而发射超声波脉冲信号和接收超声波脉冲信号经检测对象反射回来的回波信号。

信号处理电路用于接收微处理器发送过来的随机发射信号进而产生超声波换能器的激励信号和接收回波信号的处理。

微处理器用于产生随机发射信号发送到信号处理电路，接收信号处理电路发送过来的回波信号并分析计算波形相关性和超声波换能器与目标物的距离。微处理器具有一定数字信号处理能力，可与外部通信，接收启动指令，输出测量距离数值。

本发明具体实施的测距：

1)微处理器产生伪随机数作为随机发射信号，并选取波形特征参数构成发射波形特征参数向量X，按照发射波形特征参数向量X输出发射信号给信号处理电路。

第i次发射信号的波形s_i表示为：

式中，A_i为第i次发射信号的幅度，f_i为第i次发射信号的频率，为第i次发射信号的相位，T_i为第i次发射信号的脉冲长度，t为第i次发射信号的时间，该时间为之前发射过所有脉冲周期的累加和，Δ_j为第j次发射信号的脉冲周期，j表示第j次发射信号。因此，可以通过一个或多个波形特征参数来描述一个超声波脉冲信号。

2)信号处理电路对发射信号进行放大，生成超声波换能器的激励信号；

3)超声波换能器在激励信号的驱动下产生对应的超声波脉冲信号；

4)超声波换能器经过时间T后接收到经检测对象反射回来的超声波脉冲信号，并产生回波信号，接收到的回波信号包括正常回波和声波干扰；

5)信号处理电路对回波信号进行放大和滤波；

6)微处理器对处理后的回波信号进行采样，对采样后的回波信号进行信号分析和特征提取，生成与发射波形特征参数向量X对应的回波波形特征参数向量Y，

7)微处理器判断发射波形特征参数向量X与回波波形特征参数向量Y的相关性C(X,Y)，若相关性小于设定阈值ε，则认为该信号来自声波干扰，不接收该回波信号；若相关性大于等于设定阈值ε，则认为该回波来自本传感器，接收回波信号；

8)微处理器根据接收的回波信号计算距离：假设声速为c，则传感器与目标物距离为cT/2，输出测量结果。

步骤7)具体实施中，波形特征参数的选取包括频率f，幅度A，脉冲长度T和相位

1.波形特征参数中频率f相关性的计算为：

C_f＝|y(i)-x(i)|

其中，C_f表示以频率f为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i)表示第i次接收的回波波形特征参数，x(i)表示第i次发出的发射波形特征参数，i表示第i次发射信号；微处理器根据频率f的设定阈值ε_f对C_f作相关性判断，若C_f≥ε_f，ε_f表示频率特征阈值，则接收该回波信号；若C_f<ε_f，则不接收该回波信号；

2.波形特征参数中幅度A相关性的计算为：

其中，C_A表示以幅度A为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i+1)表示第i+1次接收的回波波形特征参数，x(i+1)表示第i+1次发出的发射波形特征参数；微处理器根据幅度A的设定阈值ε_A对C_A作相关性判断，若C_A≥ε_A，ε_A表示幅度特征阈值，则接收该回波信号；若C_A<ε_A，则不接收该回波信号；

3.波形特征参数中脉冲长度T相关性的计算为：

其中，C_T表示以脉冲长度T为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i+2)表示第i+2次接收的回波波形特征参数，x(i+2)表示第i+2次发出的发射波形特征参数；微处理器根据脉冲长度的设定阈值ε_T对C_T作相关性判断，若C_T≥ε_T，ε_T表示脉冲长度特征阈值，则接收该回波信号；若C_T<ε_T，则不接收该回波信号；

4.波形特征参数中相位相关性的计算为：

其中，表示以相位为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性；微处理器根据相位的设定阈值对作相关性判断，若 表示相位特征阈值，则接收该回波信号；若则不接收该回波信号；

若上述构成向量的四种波形特征参数的相关性其中任一小于各自预先设定阈值ε，则认为该信号来自声波干扰，不接收该回波信号；若上述构成向量的四种波形特征参数的相关性均大于等于各自预先设定阈值ε，则认为该回波来自本传感器，接收回波信号；

综上，特征相关性的计算示意图如图6所示，各波形特征参数计算出的相关性可与实际场景的设定阈值ε比较，决定拒绝或接收某次回波。图中，x_k为特征参数，N为所需的最小发射超声波脉冲次数。

波形特征参数的选取在具体实施中还包括脉冲周期。

具体实施中，将每一次发射信号到产生回波信号的周期作为一个测量周期，所述的波形特征参数中，频率、相位的随机化和相关性判断在一个测量周期内完成，幅度、脉冲周期的随机化和相关性判断在两个测量周期内完成，脉冲长度的随机化和相关性判断在三个测量周期内完成。

具体实施中，波形特征参数单独进行或组合进行随机化和相关性判断。

具体实施中，步骤7)波形相关性判断使用似然比检验。本发明的方法基于单次或多次发射超声波脉冲，得到一个距离测量值，以及该测量值是否可靠的结论。由于现实中目标物的移动频率相对于传感器的采样频率较小，因此可以认为测量结果在短时间内相对稳定，因此可利用似然比检验方法，结合之前测量结果的统计值，计算不同假设的似然比，得到更准确的判断结果。

本发明通过随机化波形特征参数，包括幅度、频率、相位、脉冲长度、脉冲周期等，实现超声波脉冲信号的随机化，可避免来自不同传感器的相同超声波脉冲之间产生无意串扰，也同时通过波形的不可预测性抵御恶意的声波欺骗攻击。根据超声波测距传感器的实际应用场景，不同的波形特征参数可以单独随机化，也可以组合随机化。

对于随机化波形参数，其可行性最大的难点在于接收到的超声波回波是否仍然具有发射脉冲的随机性。因此在此通过实施例一，以40kHz频率的超声波换能器为例，以实验数据说明该方案在物理原理上的可行性。

实施例一：

如图2，接收频率与发射频率在38.5-41.5kHz频率范围内线性相关，因此随机频率可以在38.5kHz，39kHz，39.5kHz，40kHz，40.5kHz，41kHz，41.5kHz中选择。

如图3，接收幅度与发射幅度在未饱和区域线性相关，且不受反射物体形状影响，因此幅度可以选择5V，10V，15V，20V；如图4，接收相位与发射相位线性相关且与反射物形状无关，因此相位可以选择在脉冲中无相变，90°相变，或180°相变；如图5，接收脉冲长度在0.1ms后与发射脉冲长度线性相关，且与反射物形状无关，因此脉冲长度可以选择0.1ms，0.2ms，0.3ms，0.4ms，0.5ms，0.6ms，0.7ms，0.8ms，0.9ms，1ms；脉冲周期可以根据最大测量范围选择，一般在20ms到100ms之间。在图2至图5中，由于攻击者或干扰信号不随传感器的发射信号变化，其波形参数与发射信号不具备线性关系，因此可排除为非正常回波。根据实际采用的波形特征的物理特性，需要通过单次或多次发射超声波脉冲实现对回波波形特征参数的检验。

Claims (6)

1.一种可抗声波干扰的超声波测距传感器，其特征在于：包括超声波换能器、信号处理电路和微处理器，三者封装在一起，组成整体传感器；

超声波换能器用于接收信号处理电路发送过来的激励信号进而发射超声波脉冲信号和接收超声波脉冲信号经检测对象反射回来的回波信号；

信号处理电路用于接收微处理器发送过来的随机发射信号进而产生超声波换能器的激励信号和接收回波信号的处理；

微处理器用于产生随机发射信号发送到信号处理电路，接收信号处理电路发送过来的回波信号并分析计算波形相关性和超声波换能器与目标物的距离。

2.应用于权利要求1所述装置的一种超声波传感器测距方法，其特征在于包括以下步骤：

1)微处理器产生伪随机数作为随机发射信号，并选取波形特征参数构成发射波形特征参数向量X，按照发射波形特征参数向量X输出发射信号给信号处理电路；

2)信号处理电路对发射信号进行放大，生成超声波换能器的激励信号；

3)超声波换能器在激励信号的驱动下产生对应的超声波脉冲信号；

4)超声波换能器经过时间T后接收到经检测对象反射回来的超声波脉冲信号，并产生回波信号，接收到的回波信号包括正常回波和声波干扰；

5)信号处理电路对回波信号进行放大和滤波；

6)微处理器对处理后的回波信号进行采样，对采样后的回波信号进行信号分析和特征提取，生成与发射波形特征参数向量X对应的回波波形特征参数向量Y；

7)微处理器判断发射波形特征参数向量X与回波波形特征参数向量Y的相关性C(X,Y)，波形特征参数的选取包括频率f、幅度A、脉冲长度T和相位

波形特征参数中频率f相关性的计算为：

C_f＝|y(i)-x(i)|

其中，C_f表示以频率f为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i)表示第i次接收的回波波形特征参数，x(i)表示第i次发出的发射波形特征参数，i表示第i次发射信号；若C_f≥ε_f，ε_f表示频率特征阈值，则接收该回波信号；若C_f<ε_f，则不接收该回波信号；

波形特征参数中幅度A相关性的计算为：

其中，C_A表示以幅度A为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i+1)表示第i+1次接收的回波波形特征参数，x(i+1)表示第i+1次发出的发射波形特征参数；若C_A≥ε_A，ε_A表示幅度特征阈值，则接收该回波信号；若C_A<ε_A，则不接收该回波信号；

波形特征参数中脉冲长度T相关性的计算为：

其中，C_T表示以脉冲长度T为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性，y(i+2)表示第i+2次接收的回波波形特征参数，x(i+2)表示第i+2次发出的发射波形特征参数；若C_T≥ε_T，ε_T表示脉冲长度特征阈值，则接收该回波信号；若C_T<ε_T，则不接收该回波信号；

波形特征参数中相位相关性的计算为：

其中，表示以相位为波形特征参数的回波波形特征参数与发射波形特征参数之间的相关性；若 表示相位特征阈值，则接收该回波信号；若则不接收该回波信号；

若上述构成向量的四种波形特征参数的相关性其中任一小于各自预先设定阈值ε，则不接收回波信号；若上述构成向量的四种波形特征参数的相关性均大于等于各自预先设定阈值ε，则接收回波信号；

8)微处理器计算距离：假设声速为c，则传感器与目标物距离为cT/2，输出测量结果。

3.根据权利要求2的超声波传感器测距方法，其特征在于：

所述的波形特征参数的选取还包括脉冲周期。

4.根据权利要求2所述的超声波传感器测距方法，其特征在于：

将每一次发射信号到产生回波信号的周期作为一个测量周期，所述的波形特征参数中，频率、相位的随机化和相关性判断在一个测量周期内完成，幅度、脉冲周期的随机化和相关性判断在两个测量周期内完成，脉冲长度的随机化和相关性判断在三个测量周期内完成。

5.根据权利要求2所述的超声波传感器测距方法，其特征在于：波形特征参数单独进行或组合进行随机化和相关性判断。

6.根据权利要求2所述的超声波传感器测距方法，其特征在于：所述步骤7)中波形相关性判断使用似然比检验。