CN111610528B - 一种超声波测距的双相位测量方法 - Google Patents

一种超声波测距的双相位测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超声波测距的双相位测量方法，在超声波发射端利用载波信号和调制信号获取发射波，使得超声波接收端的反射波包含有载波信号和调制信号的信息，通常调制信号为低频信号，而载波信号为高频信号，1个周期的调制信号可对应数个载波信号周期，测距过程中能量损失小，能保证反射波与发射波基本一致，不发生失真，进而保证测距距离不受限制；对反射波中的载波信号初相角进行修正，并对借助修正后的载波信号初相角来修正反射波中的调制信号初相角，大大减小因阈值的选取不当带来的时间误差，从而提高测距准确度。

Description

一种超声波测距的双相位测量方法
技术领域
本发明涉及距离测量技术领域，具体涉及一种超声波测距的双相位测量方法。
背景技术
超声波测距仪主要包括超声波发射端和超声波接收端，其工作过程为：在超声波发射端，信号源发出一定数量脉冲信号，经驱动电路输送至超声波发射头，超声波发射头将脉冲信号转换成超声波信号后向被测物发射，在发射时开始计时；超声波信号在空气中传播，遇到被测物变立刻返回；超声波接收端接收返回的超声波，该超声波波经超声波接收头转换成反射波电信号后被整形成方波，停止计时。
现有技术中，受到发射头材料、接收头材料、被测物材质、信号强弱、比较阈值等因素的影响，计时器的时差与实际时差存在误差，导致利用超声波在空气中的传播速度以及计时时差计算出来的距离不准确。
现有的相位法测距法，通常是在发射头连续不断发出指定频率的正弦波，从而在接收头也不断接收相应的正弦波，利用二者的相位差计算距离，但是在收发距离达到一个波长时，二者趋于重合，即，测得的相位差为零，导致该方法仅限于一个波长内的距离测量。
因此，有待于提出一种超声波测距的测量方法，既能保证测量距离不受限于发射波的波长，又能保证测量的准确度。
发明内容
本发明提供一种超声波测距的双相位测量方法，解决现有技术存在的“测量距离受限、测量准确度不高”的问题。
本发明通过以下技术方案解决技术问题：
一种超声波测距的双相位测量方法，包括如下步骤：
(1)在超声波发射端，载波信号和调制信号经调制后形成发射波，发出发射波时，计时器开始计时，接收到反射波时，计时器停止计时，得到计时器的启停时间差；
(2)定量采集反射波，修正反射波中的载波信号初相角；
(3)利用修正后的载波信号初相角修正反射波中的调制信号初相角；
(4)利用计时器的启停时间差、修正后的调制信号初相角、反射波中的调制信号周期计算超声波发射端与外部被测物的距离。
进一步地，在步骤(2)中，修正反射波中的载波信号初相角的具体步骤为：
21)在计时器停止计时后，采集256个反射波中调制信号的数据存入数组，将所述数组中的256个数据按顺序每隔8个数据提取1个数据，得到8组数据；数组记为b(n),n＝0,1,2...255，b(n)中的每组数据记为D(m)＝b(8m+i),m＝0,1,2...31，i＝0,1,2...7；
22)针对各组数据执行如下步骤：
221)对第一组数据执行同步检波，得到1个正弦分布值和1个余弦分布值，利用所述正弦分布值和余弦分布值取模，得到一个模值；
222)当第一组数据中的第一个数据小于0时，保留所述模值，针对下一组数据执行步骤221)，直至循环完成8组数据，否则，所述模值取反得到新的模值后，再针对下一组数据执行步骤221)，直至循环完成8组数据；
223)利用步骤222)中得到的模值、新模值求取反射波中修正后的载波信号初相角；
224)根据步骤222)的执行结果，在每个i循环中，
Figure GDA0003762540550000021
可将θ1(0)或者8个θ1(i)的平均值作为初始的调制信号初相角。
进一步地，在步骤221)中，当i＝0时，针对第一组数据的32个数据执行同步检波，具体过程为：
Figure GDA0003762540550000022
Figure GDA0003762540550000023
其中，K1为正弦分布值，K2为余弦分布值，h为求和公式的上限，l为求和公式的下限，D(h)为第一组数据中的第h个数据，D(h+16)为第一组数据中的第h+16个数据，D(15-h)为第一组数据中的第15-h个数据，D(31-h)为第一组数据中的第31-h个数据；
根据公式
Figure GDA0003762540550000024
计算出模值z(0)。
进一步地，在所述步骤(3)中，修正反射波中的调制信号初相角的步骤为：
31)利用反射波中初始的调制信号初相角以及修正后的载波信号初相角构建修正函数式，利用所述修正函数式构建过程函数式；
32)找出过程函数式的最小值，所述最小值对应的修正函数式值为反射波中修正后的调制信号初相角；
进一步地，步骤31)中，记
Figure GDA0003762540550000031
修正函数式为
Figure GDA0003762540550000032
过程函数式为g(k)＝|e(k)-θ1(0)|,k＝0,1,2，θ1(0)为初始的调制信号初相角，θ2为修正后的载波信号初相角。
进一步地，步骤32)中，过程函数式g(k)的值包括g(0)、g(1)和g(2)；修正函数式e(k)的值包括e(0)、e(1)和e(2)；过程函数式值g(0)对应的修正函数式值为e(0)；过程函数式值g(1)对应的修正函数式值为e(1)；过程函数式值g(2)对应的修正函数式值为e(2)；g(k)最小值对应的修正函数式值为反射波中修正后的调制信号初相角，记为θ1。
进一步地，步骤(4)中，计时器的启停时间差记为t，修正后的调制信号初相角为θ1，反射波中的调制信号周期记为Tt，则超声波发射端与外部被测物的距离
Figure GDA0003762540550000033
其中v为超声波在空气中的传播速度。
与现有技术相比，具有如下特点：
在超声波发射端利用载波信号和调制信号获取发射波，使得超声波接收端的反射波包含有载波信号和调制信号的信息，通常调制信号为低频信号，而载波信号为高频信号，1个周期的调制信号可对应数个载波信号周期，使得测距过程中能量损失小，能保证反射波与发射波基本一致，不发生失真，进而保证测量距离不受限制；对反射波中的载波信号初相角进行修正，并借助修正后的载波信号初相角来修正反射波中的调制信号初相角，大大减小因阈值的选取不当带来的时间误差，从而提高测距准确度。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
一种超声波测距的双相位测量方法，包括如下步骤：
(1)在超声波发射端，载波信号和调制信号经调制后形成发射波，所述发射波经超声波发射头转变成超声波后向外部被测物发出，计时器开始计时；在超声波接收端，超声波接收头将外部被测物反射回来的超声波转换成反射波，计时器停止计时；
(2)定量采集反射波，修正反射波中的载波信号初相角；
(3)利用修正后的载波信号初相角修正反射波中的调制信号初相角；
(4)利用计时器的启停时间差、修正后的调制信号初相角、反射波中的调制信号周期计算超声波发射端与外部被测物的距离。
在步骤(1)中，超声波发射端将载波信号和调制信号进行调制，得到已调信号，即发射波，再将发射波通过超声波发射头转换成超声波后向被测物发射出去，在发射波开始发射时计时器启动计时；超声波在空气中传播，遇到被测物后返回至超声波的接收端；超声波接收端将返回的超声波转换成反射波，并进行整形处理，同时计时器停止计时。计时器停止计时的时刻减去计时器启动计时的时刻便得到计时器的启停时间差。实际测距时，通常会因为用于判断是否接收到反射波的阈值范围的选取不当，导致计时器的启停时间差存在误差，进而影响到测距的准确度，因此，有必要通过数据修正减小该误差，提高测距准确度。
本发明中，发射波的函数表达式为
Figure GDA0003762540550000041
其中，载波信号带宽为40±1.5KHz，载波信号频率fz＝40KHz，载波信号周期为
Figure GDA0003762540550000042
载波信号角频率ω＝2π×40KHz＝80πK·rad/s，调制信号频率ft＝1.25KHz，调制信号周期
Figure GDA0003762540550000043
调制信号角频率Ω＝2π×1.25KHz＝2.5πK·rad/s。本发明在后续各个步骤的分析中以1.6ms时长的信号范围展开分析。
在反射波中，1.6ms对应2个周期的调制信号，该调制信号在反射波中体现为包络，计算测量距离时需要使用的是包络初相角，即调制信号初相角，但调制信号频率为1.25KHz，而载波信号频率为40KHz，即调制信号波长是载波信号的32倍，1个调制信号周期内包含有32个载波信号周期，因此，利用调制信号初相角计算距离时每误差1°所产生的时间误差将会是利用载波信号初相角计算距离时每误差1°所产生的时间误差的32倍，即高频信号相位法测出的精度要高于低频信号，但低频信号的周期长，其测量范围又比高频信号宽，因而有必要借助修正后的载波信号初相角来修正调制信号初相角，以最终获取准确的调制信号初相角，进而提高距离测量的准确度，且测量距离不受波长限制。
在步骤(2)中，修正反射波中的载波信号初相角的具体步骤为：
21)在计时器停止计时后，A/D采集256个反射波中调制信号的数据存入数组，将所述数组中的256个数据按顺序每隔8个数据提取1个数据，得到8组数据；
22)针对各组数据执行如下步骤：
221)对第一组数据执行同步检波，得到1个正弦分布值和1个余弦分布值，利用所述正弦分布值和余弦分布值取模，得到一个模值；
222)当第一组数据中的第一个数据小于0时，保留所述模值，针对下一组数据执行步骤221)，直至循环完成8组数据，否则，所述模值取反得到新的模值后，再针对下一组数据执行步骤221)，直至循环完成8组数据；
223)利用步骤222)中得到的模值、新模值求取反射波中修正后的载波信号初相角；
224)根据步骤222)的执行结果，在每个i循环中，
Figure GDA0003762540550000051
可将θ1(0)或者8个θ1(i)的平均值作为初始的调制信号初相角。
在步骤21)中，由于256个数据中，每隔8个数据取出的各组数据实际上表现的都是调制信号的包络线，因此可对8组进行同步检波，获取修正后的载波信号初相角以及初始的调制信号初相角。数组记为b(n),n＝0,1,2...255，b(n)中的每组数据记为D(m)＝b(8m+i),m＝0,1,2...31，i＝0,1,2...7。
步骤221)中，当i＝0时，针对第一组数据的32个数据执行同步检波，具体过程为：
Figure GDA0003762540550000061
根据正弦函数的对称性，即
Figure GDA0003762540550000062
……以此类推，则K1表达式可表示为
Figure GDA0003762540550000063
K1即为正弦分布值，同理，K2表达式可表示为
Figure GDA0003762540550000064
K2即为余弦分布值，h为求和公式的上限，l为求和公式的下限，D(h)为第一组数据中的第h个数据，D(h+16)为第一组数据中的第h+16个数据，D(15-h)为第一组数据中的第15-h个数据，D(31-h)为第一组数据中的第31-h个数据；根据模值的计算公式
Figure GDA0003762540550000065
计算出z(0)。其中，K1和K2是过程变量，针对每个i，均分别存在1个K1和1个K2与之对应。
步骤222)中，当D(0)＜0时，模值保留z(0)，执行i++，执行步骤221)直至循环完成8组数据，否则，取新模值-z(0)，再执行i++，执行步骤221)直至循环完成8组数据。
步骤223)中，利用步骤222)中的各个模值、新模值计算反射波中修正后的载波初相角θ2，
Figure GDA0003762540550000071
步骤224)中，在每个i循环中，
Figure GDA0003762540550000072
可将θ1(0)或者8个θ1(i)的平均值作为初始的调制信号初相角。对8个z(i)值排序，将z(i)最大时对应的θ1(i)作为初始的调制信号初相角时，测距误差最小，测距最为准确，而当i＝0时，通常z(i)最大，因此，本发明将θ1(0)作为初始的调制信号初相角。
在所述步骤(3)中，修正反射波中的调制信号初相角的步骤为：
31)利用反射波中初始的调制信号初相角以及修正后的载波信号初相角构建修正函数式，利用所述修正函数式构建过程函数式；
32)找出过程函数式的最小值，所述最小值对应的修正函数式值为反射波中修正后的调制信号初相角；
步骤31)中，记
Figure GDA0003762540550000073
修正函数式为
Figure GDA0003762540550000074
过程函数式为g(k)＝|e(k)-θ1(0)|,k＝0,1,2。A代表触发点在第几个载波上，而修正后的载波信号初相角θ2则用于计算触发点在该载波的更为具体的位置。k取0、1、2，目的是将A、A+1、A-1三个数与
Figure GDA0003762540550000075
进行校准，以使得修正后的调制信号初相角θ1更为准确。
步骤32)中，过程函数式g(k)的值包括g(0)、g(1)和g(2)；修正函数式e(k)的值包括e(0)、e(1)和e(2)；过程函数式值g(0)对应的修正函数式值为e(0)；过程函数式值g(1)对应的修正函数式值为e(1)；过程函数式值g(2)对应的修正函数式值为e(2)；g(k)最小值对应的修正函数式值为反射波中修正后的调制信号初相角，记为θ1，θ1为e(0)、e(1)和e(2)中的其中一个值。即，当g(0)≤g(1)时，比较g(0)和g(2)，若g(0)≤g(2)，则g(0)对应的e(0)作为反射波中修正后的调制信号初相角θ1；当g(0)＞g(1)时，比较g(1)和g(2)，如g(1)≤g(2)，则g(1)对应的e(1)作为反射波中修正后的调制信号初相角θ1，否则，g(2)对应的e(2)作为反射波中修正后的调制信号初相角θ1。
步骤(4)中，计时器的启停时间差记为t，修正后的调制信号初相角为θ1，反射波中的调制信号周期记为Tt，则超声波发射端与外部被测物的距离
Figure GDA0003762540550000081
其中v为超声波在空气中的传播速度。

Claims (2)

1.一种超声波测距的双相位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在超声波发射端，载波信号和调制信号经调制后形成发射波，发出发射波时，计时器开始计时，接收到反射波时，计时器停止计时，得到计时器的启停时间差；
(2)定量采集反射波，修正反射波中的载波信号初相角；
在步骤(2)中，修正反射波中的载波信号初相角的具体步骤为：
21)在计时器停止计时后，采集256个反射波中调制信号的数据存入数组，将所述数组中的256个数据按顺序每隔8个数据提取1个数据，得到8组数据；数组记为b(n),n＝0,1,2...255，b(n)中的每组数据记为D(m)＝b(8m+i),m＝0,1,2...31，i＝0,1,2...7；
22)针对各组数据执行如下步骤：
221)对第一组数据执行同步检波，得到1个正弦分布值和1个余弦分布值，利用所述正弦分布值和余弦分布值取模，得到一个模值；
在步骤221)中，当i＝0时，针对第一组数据的32个数据执行同步检波，具体过程为：
Figure FDA0003762540540000011
Figure FDA0003762540540000012
其中，K1为正弦分布值，K2为余弦分布值，h为求和公式的上限，l为求和公式的下限，D(h)为第一组数据中的第h个数据，D(h+16)为第一组数据中的第h+16个数据，D(15-h)为第一组数据中的第15-h个数据，D(31-h)为第一组数据中的第31-h个数据；
根据公式
Figure FDA0003762540540000021
计算出模值z(0)，i表示数组的数量，且i＝0,1,2...7，K1和K2是过程变量，针对每个i，均分别存在1个K1和1个K2与之对应；
222)当第一组数据中的第一个数据小于0时，保留所述模值，针对下一组数据执行步骤221)，直至循环完成8组数据，否则，所述模值取反得到新的模值后，再针对下一组数据执行步骤221)，直至循环完成8组数据；
223)利用步骤222)中得到的模值、新模值求取反射波中修正后的载波信号初相角；
224)根据步骤222)的执行结果，在每个i循环中，
Figure FDA0003762540540000022
可将θ1(0)或者8个θ1(i)的平均值作为初始的调制信号初相角；
(3)利用修正后的载波信号初相角修正反射波中的调制信号初相角；
在所述步骤(3)中，修正反射波中的调制信号初相角的步骤为：
31)利用反射波中初始的调制信号初相角以及修正后的载波信号初相角构建修正函数式，利用所述修正函数式构建过程函数式；
32)找出过程函数式的最小值，所述最小值对应的修正函数式值为反射波中修正后的调制信号初相角；
步骤31)中，记
Figure FDA0003762540540000023
修正函数式为
Figure FDA0003762540540000024
过程函数式为g(k)＝|e(k)-θ1(0)|,k＝0,1,2，θ1(0)为初始的调制信号初相角，θ2为修正后的载波信号初相角；
步骤32)中，过程函数式g(k)的值包括g(0)、g(1)和g(2)；修正函数式e(k)的值包括e(0)、e(1)和e(2)；过程函数式值g(0)对应的修正函数式值为e(0)；过程函数式值g(1)对应的修正函数式值为e(1)；过程函数式值g(2)对应的修正函数式值为e(2)；g(k)最小值对应的修正函数式值为反射波中修正后的调制信号初相角，记为θ1；
(4)利用计时器的启停时间差、修正后的调制信号初相角、反射波中的调制信号周期计算超声波发射端与外部被测物的距离。
2.根据权利要求1所述的一种超声波测距的双相位测量方法，其特征在于：
步骤(4)中，计时器的启停时间差记为t，修正后的调制信号初相角为θ1，反射波中的调制信号周期记为Tt，则超声波发射端与外部被测物的距离
Figure FDA0003762540540000031
其中v为超声波在空气中的传播速度。
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