專利名稱：一種低信噪比下超聲波測(cè)距的方法及其測(cè)距儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
距離測(cè)量本發(fā)明涉及一種利用超聲波的反射測(cè)量距離的系統(tǒng)，特別是涉及一種“距離跟蹤環(huán)路”實(shí)現(xiàn)低信噪比下超聲波測(cè)距的方法。
背景技術(shù)：
河流中下游由于堆積的淤泥漸漸提高了河床的高度，造成河流的蓄水量的下降。為了能夠方便的獲得河流的蓄水量，需要測(cè)量河床到水面的高度。可采用船載超聲波測(cè)距儀，船橫向劃過河流，利用超聲波測(cè)距儀斷面測(cè)試水面到河床的距離。一般所熟知的測(cè)距都是采用電磁波輻射或反射來進(jìn)行的，但是電磁波在水下容易被水中介質(zhì)所吸收而衰減，無法穿透水層，而聲波可以克服這個(gè)問題，可以采用超聲波來進(jìn)行水下測(cè)距。在雨雪、大霧等惡劣天氣環(huán)境下采用超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，也能獲得很好的效果。
超聲測(cè)距或脈沖雷達(dá)測(cè)距都是以方形包絡(luò)脈沖調(diào)制波作為已調(diào)波，通過發(fā)射換能器向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射，其反射波由接收換能器接收，根據(jù)超聲波自發(fā)射換能器發(fā)射至被測(cè)目標(biāo)往返一次所需要的行程時(shí)間，確定目標(biāo)的距離。當(dāng)用于測(cè)距時(shí)，船底的超聲波測(cè)距儀垂直向下往水中發(fā)射一聲波信號(hào)s1(t)，信號(hào)被河床反射，超聲波測(cè)距儀就接收到反射信號(hào)s2(t)，經(jīng)過比相電路，得到信號(hào)的傳輸時(shí)延τ，所以可得到距離d=12vτ]]>其中v為超聲波在水中的傳輸速率。
超聲波測(cè)距儀在接收到反射回來的回波信號(hào)s2(t)的同時(shí)，還要接收到大量的干擾和噪聲信號(hào)。根據(jù)反射方程，接收信噪比S/N與距離d的4次方成反比，即隨著距離加大，S/N急劇下降。所以一般超聲波測(cè)距儀接收的回波信號(hào)都有很大的噪聲干擾，甚至信號(hào)被噪聲掩沒。回波信號(hào)S/N低是限制超聲波測(cè)距儀綜合性能的主要因素。為了提高超聲波測(cè)距儀的綜合性能，人們提出了許多改進(jìn)方案，研制出性能較好的測(cè)距儀，但至今尚未取得突破性的進(jìn)展，在提高其綜合性能指標(biāo)方面總是顧此失彼，結(jié)果尚不理想。
如日本專利JP62-235587公開了一種脈沖雷達(dá)的設(shè)計(jì)方案，該方案通過采用低電位門限電平和兩個(gè)并行的檢波回路，一方面能盡早地檢測(cè)出回波到來的時(shí)刻，同時(shí)又不會(huì)將雜波到來的時(shí)刻值錯(cuò)認(rèn)為是回波信號(hào)到來的時(shí)刻值。該方案降低了門限電平，提高了測(cè)距的準(zhǔn)確度，但仍然有門限電平存在，而不能精確測(cè)量出回波到來的真正時(shí)刻，測(cè)量誤差仍然較大，能夠檢測(cè)到的目標(biāo)距離也相當(dāng)有限。
日本專利JP60-27875提供一種雙脈沖測(cè)距方案，對(duì)近距離和遠(yuǎn)距離目標(biāo)測(cè)量作了比較合適的信號(hào)處理，改善了近距離測(cè)量時(shí)的分辨能力和增強(qiáng)了遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)的探測(cè)能力。該方案的缺陷是測(cè)量誤差較大，在接收回路中，經(jīng)過包絡(luò)檢波后的信號(hào)，其波形上升前沿變緩，于是很難確定回波到來的準(zhǔn)確時(shí)刻；為此在比較電路中設(shè)置一個(gè)具有一定電位值的門限電平，用于消除雜波影響，但由于門限電平存在，必然切去信號(hào)波形上升前沿的一部分，由此造成測(cè)量誤差。若門限電平的電位值過小，則會(huì)將雜波信息誤認(rèn)為是回波信號(hào)，而造成更大的測(cè)量誤差。
專利CN1059498C提供了一種偽隨機(jī)超聲波測(cè)距的方法，該方法只對(duì)具有該次偽隨機(jī)特征的信號(hào)識(shí)別提取，從而徹底消除環(huán)境雜波的影響，不受環(huán)境噪聲強(qiáng)度的限制，極大地提高了抗干擾能力。但是該方案的缺陷是需要進(jìn)行收發(fā)偽隨機(jī)碼對(duì)應(yīng)碼片的逐一比較，要耗費(fèi)一定的時(shí)間，特別是當(dāng)偽隨機(jī)碼的碼長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，花費(fèi)的時(shí)間就更長(zhǎng)了，因此該方案不具有實(shí)時(shí)性，并且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種“距離跟蹤環(huán)路”實(shí)現(xiàn)低信噪比下超聲波測(cè)距的方法及其超聲波測(cè)距儀，也就是用“距離跟蹤環(huán)”來提取超聲波自發(fā)射換能器發(fā)射至被測(cè)目標(biāo)往返一次所需要的行程時(shí)間，即獲得信號(hào)的傳輸時(shí)延τ，因而測(cè)得被測(cè)目標(biāo)的距離。
基本測(cè)量系統(tǒng)原理圖如說明書附圖1所示，由被測(cè)目標(biāo)1和安放在測(cè)點(diǎn)上的超聲波測(cè)距儀2構(gòu)成。超聲波測(cè)距儀2的發(fā)射換能器8向被測(cè)目標(biāo)1發(fā)射一超聲波信號(hào)。超聲波測(cè)距儀2的接收換能器9就會(huì)接收到被測(cè)目標(biāo)1反射回來的超聲波信號(hào)，反射回來的超聲波信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大、濾波和檢波后得到視頻檢波信號(hào)a。通過超聲波測(cè)距儀2的距離跟蹤環(huán)13對(duì)視頻檢波信號(hào)a作一系列的處理后獲得反射信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳輸時(shí)延τ的估計(jì)值，因而測(cè)得被測(cè)目標(biāo)的距離。
本發(fā)明的超聲波測(cè)距方法是采用距離跟蹤環(huán)13來獲得反射信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳輸時(shí)延τ的估計(jì)值，這反映了本發(fā)明的主要技術(shù)特征，距離跟蹤環(huán)13的原理圖如說明書附圖2所示。超聲波測(cè)距儀2的脈沖信號(hào)波產(chǎn)生器3在產(chǎn)生發(fā)射脈沖信號(hào)s的同時(shí)，距離跟蹤環(huán)13的周期脈沖產(chǎn)生器29產(chǎn)生一個(gè)VCD(電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器)的輸入脈沖Pin，由輸入脈沖Pin觸發(fā)鋸齒波產(chǎn)生器28產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波電壓u(t)，同時(shí)輸入脈沖Pin觸發(fā)早晚波門脈沖產(chǎn)生器30產(chǎn)生一個(gè)開啟早波門21的脈沖b，脈沖b經(jīng)過延遲器31產(chǎn)生一個(gè)開啟晚波門22的脈沖c。在脈沖b和脈沖c的控制下，視頻檢波信號(hào)a在脈沖b期間通過早波門21經(jīng)低通濾波器23積分和在脈沖c期間通過晚波門22經(jīng)低通濾波器24積分，分別得到兩條支路的積分信號(hào)。這兩條支路的積分信號(hào)在加法器25中相減經(jīng)F(s)環(huán)路濾波器26濾波后，會(huì)得到一個(gè)對(duì)應(yīng)傳輸時(shí)延τ的誤差電壓e(t)。由誤差電壓e(t)和鋸齒波電壓u(t)的共同作用，在電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器(VCD)27將產(chǎn)生一個(gè)VCD的輸出脈沖Pout，那么VCD的輸出脈沖Pout與VCD的輸入脈沖Pin之間的時(shí)延差值 ，即為反射信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳輸時(shí)延τ的估計(jì)值。


圖1為基本測(cè)量系統(tǒng)原理圖。圖中，1是被測(cè)目標(biāo)。2是超聲波測(cè)距儀。3是脈沖信號(hào)波產(chǎn)生器。4是混頻器。5是本振源。6、11是帶通濾波器。7是功率放大器。8是發(fā)射換能器。9是接收換能器。10是低噪聲放大器。12是檢波器。13是距離跟蹤環(huán)。14是距離顯示器。
圖2為距離跟蹤環(huán)13的原理圖，反映了本發(fā)明的主要技術(shù)特征。圖中，21是早波門。22是晚波門。23、24是低通濾波器。25是加法器。26是F(s)環(huán)路濾波器。27是電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器(VCD)。28是鋸齒波產(chǎn)生器。29是周期脈沖產(chǎn)生器。30是早晚波門脈沖產(chǎn)生器。31是延遲器。
圖3為距離跟蹤環(huán)13中對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的波形圖。圖中，s為發(fā)射脈沖信號(hào)波形。a為反射的視頻檢波信號(hào)波形。b為開啟早波門21的脈沖波形。c為開啟晚波門22的脈沖波形。T1為發(fā)射脈沖信號(hào)s的寬度。T2為發(fā)射脈沖信號(hào)s的重復(fù)周期。τ為傳輸時(shí)延。
圖4為電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器(VCD)27的原理圖。圖中，Pin為VCD的輸入脈沖。e(t)為控制電壓。u(t)為參考電壓。Pout為VCD的輸出脈沖。 為傳輸時(shí)延估計(jì)值。
實(shí)施測(cè)量方式基本測(cè)量系統(tǒng)具體實(shí)施如下。在發(fā)射部分，脈沖信號(hào)波產(chǎn)生器3產(chǎn)生一個(gè)周期性單脈沖信號(hào)s(脈沖寬度為T1，脈沖重復(fù)周期為T2，如說明書附圖3所示)，與本振源5產(chǎn)生本振信號(hào)在混頻器4中混頻，得到調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)經(jīng)帶通濾波器6濾波和功率放大器7放大后，由發(fā)射換能器8將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)，向被測(cè)目標(biāo)1發(fā)射。被測(cè)目標(biāo)1將入射的超聲波反射回超聲波測(cè)距儀2。在接收部分，被測(cè)目標(biāo)反射回來的超聲波信號(hào)經(jīng)接收換能器9接收，將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器10作低噪聲放大、帶通濾波器11濾波后，在檢波器12作包絡(luò)檢波得到視頻檢波信號(hào)a。該視頻檢波信號(hào)a輸入到距離跟蹤環(huán)13作傳輸時(shí)延τ的估計(jì)，由估計(jì)得到時(shí)延差值 經(jīng)換算得到被測(cè)目標(biāo)的距離d，在距離顯示器14上顯示測(cè)量結(jié)果。
由于距離跟蹤環(huán)13對(duì)傳輸時(shí)延τ的估計(jì)是本發(fā)明的主要技術(shù)特征，距離跟蹤環(huán)13的實(shí)現(xiàn)原理和具體實(shí)施過程如下①當(dāng)超聲波測(cè)距儀2的脈沖信號(hào)波產(chǎn)生器3在產(chǎn)生發(fā)射脈沖信號(hào)s的同時(shí)，距離跟蹤環(huán)13的周期脈沖產(chǎn)生器29產(chǎn)生一個(gè)VCD的輸入脈沖Pin，由VCD的輸入脈沖Pin觸發(fā)鋸齒波產(chǎn)生器28產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波電壓u(t)。輸入脈沖Pin和鋸齒波電壓u(t)如說明書附圖4所示。
②同時(shí)由VCD的輸入脈沖Pin觸發(fā)早晚波門脈沖產(chǎn)生器30產(chǎn)生一個(gè)開啟早波門21的脈沖b，脈沖b經(jīng)過延遲器31延遲T1/2后產(chǎn)生一個(gè)開啟晚波門22的脈沖c。脈沖b左邊沿對(duì)準(zhǔn)VCD的輸入脈沖Pin(也即對(duì)準(zhǔn)發(fā)脈沖射信號(hào)的起始點(diǎn))。
③當(dāng)收到一個(gè)反射的超聲波信號(hào)，經(jīng)過基本測(cè)量系統(tǒng)接收部分的一系列處理，得到的視頻檢波信號(hào)a輸入到距離跟蹤環(huán)13，這個(gè)反射的視頻檢波信號(hào)a相對(duì)發(fā)射脈沖信號(hào)s有一個(gè)延時(shí)τ。發(fā)射脈沖信號(hào)s、脈沖b、脈沖c和視頻檢波信號(hào)a的波形如說明書附圖3所示。
④這個(gè)視頻檢波信號(hào)a在脈沖b期間通過早波門21經(jīng)低通濾波器23積分和在脈沖c期間通過晚波門22經(jīng)低通濾波器24積分，分別會(huì)得到兩路積分信號(hào)，且通過早波門支路的積分能量要小于通過晚波門支路的積分能量。
⑤這兩條支路的積分信號(hào)在加法器25中相減，再經(jīng)過F(s)環(huán)路濾波器26濾波后，就輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)傳輸時(shí)延τ的誤差電壓e(t)。傳輸時(shí)延τ越大，誤差電壓e(t)就越大。
⑥這個(gè)誤差電壓e(t)輸入給VCD電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器27作為控制電壓，鋸齒波發(fā)生器28產(chǎn)生的鋸齒波電壓u(t)也提供給VCD電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器27作為參考電壓，當(dāng)鋸齒波電壓u(t)一旦大于控制電壓e(t)時(shí)，VCD電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器27就會(huì)立即輸出一個(gè)VCD的輸出脈沖Pout。那么VCD的輸出脈沖Pout與VCD的輸入脈沖Pin之間的時(shí)延差值 即為反射信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳輸時(shí)延τ的估計(jì)值。電壓控制延遲產(chǎn)生器(VCD)的原理圖如說明書附圖4所示。
具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)該滿足以下關(guān)系①假如超聲波測(cè)距儀2與被測(cè)目標(biāo)1之間的最大距離為dmax，則所對(duì)應(yīng)的最大傳輸時(shí)延為τmax。
②脈沖信號(hào)波產(chǎn)生器3產(chǎn)生的周期性單脈沖信號(hào)s的脈沖寬度為T1，脈沖重復(fù)周期為T2。為了提高測(cè)距精度和不存在測(cè)距模糊，應(yīng)滿足T2＞＞T1，T1≥2τmax。
③當(dāng)傳輸時(shí)延τ＝τmax時(shí)，此時(shí)誤差電壓e(t)就最大，設(shè)定為Vmax。
④設(shè)定鋸齒波發(fā)生器28產(chǎn)生的鋸齒波電壓u(t)的最大電壓值為Vmax，u(t)的值從零上升到Vmax所需要的時(shí)間為τmax。
同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明用在水、雨雪和大霧等惡劣天氣環(huán)境下測(cè)距具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)①對(duì)于環(huán)境噪聲，通過早波門21經(jīng)低通濾波器23積分后的能量與環(huán)境噪聲通過晚波門22經(jīng)低通濾波器24積分后的能量大致相等，這兩路噪聲能量在加法器25中相減后幾乎為零，不會(huì)對(duì)誤差電壓e(t)造成影響，故采用距離跟蹤環(huán)可以消除環(huán)境噪聲，即使信號(hào)淹沒在環(huán)境噪聲中也能有效地將信號(hào)提取出來，因此能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和極大地提高抗干擾能力。而現(xiàn)有技術(shù)是設(shè)置門限電平來阻擋噪聲的，門限電平在攔阻噪聲的同時(shí)，也攔阻了遠(yuǎn)距離的微弱回波信號(hào)，因而大大地限制了超聲波測(cè)距儀的探測(cè)能力。
②采用本發(fā)明的測(cè)距方法不需要確定回波到來的真正時(shí)刻，提高了測(cè)量的精確度。而現(xiàn)有技術(shù)因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)波形的前沿變得非常平緩，而無法準(zhǔn)確地確定回波到來的真正時(shí)刻，測(cè)量誤差較大。
③對(duì)于那些多徑傳輸時(shí)延不是很大的多徑信號(hào)，采用距離跟蹤環(huán)也可以減小其對(duì)測(cè)量精度的影響，因此本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)具有一定的抗多徑干擾的能力。
④實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小。
因此，本發(fā)明的超聲波測(cè)距儀的探測(cè)能力，抗干擾能力，分辨能力，精確度等綜合技術(shù)性能指標(biāo)都得到了最大限度的提高。本發(fā)明的超聲波測(cè)距儀特別適合于水下和雨雪、大霧等惡劣天氣環(huán)境中低信噪比下的距離測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種采用“距離跟蹤環(huán)路”實(shí)現(xiàn)低信噪比下超聲波測(cè)距的方法，其特征在于采用以下步驟A、超聲波測(cè)距儀(2)的脈沖信號(hào)波產(chǎn)生器(3)在產(chǎn)生發(fā)射脈沖信號(hào)s的同時(shí)，距離跟蹤環(huán)(13)的周期脈沖產(chǎn)生器(9)產(chǎn)生一個(gè)電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器(VCD)的輸入脈沖Pin，由VCD的輸入脈沖Pin觸發(fā)鋸齒波產(chǎn)生器(28)產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波電壓u(t)。B、同時(shí)由VCD的輸入脈沖Pin觸發(fā)早晚波門脈沖產(chǎn)生器(30)產(chǎn)生一個(gè)開啟早波門(21)的脈沖b，脈沖b經(jīng)過延遲器(31)延遲T1/2后產(chǎn)生一個(gè)開啟晚波門(22)的脈沖c。脈沖b左邊沿對(duì)準(zhǔn)VCD的輸入脈沖Pin(也即對(duì)準(zhǔn)發(fā)脈沖射信號(hào)的起始點(diǎn))。C、當(dāng)收到一個(gè)反射的超聲波信號(hào)，經(jīng)過基本測(cè)量系統(tǒng)接收部分的一系列處理，得到的視頻檢波信號(hào)a輸入到距離跟蹤環(huán)(13)，這個(gè)反射的視頻檢波信號(hào)a相對(duì)發(fā)射脈沖信號(hào)s有一個(gè)延時(shí)τ。D、在脈沖b和脈沖c的控制下，視頻檢波信號(hào)a在脈沖b期間通過早波門21經(jīng)低通濾波器23積分和在脈沖c期間通過晚波門22經(jīng)低通濾波器24積分，分別得到兩路積分信號(hào)，且通過早波門支路的積分能量要小于通過晚波門支路的積分能量。E、這兩條支路的積分信號(hào)在加法器(25)中相減，再經(jīng)過F(s)環(huán)路濾波器(26)濾波后，就輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)傳輸時(shí)延τ的誤差電壓e(t)。傳輸時(shí)延τ越大，誤差電壓就越大。F、這個(gè)誤差電壓e(t)輸入給VCD電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器(27)作為控制電壓，鋸齒波發(fā)生器(28)產(chǎn)生的鋸齒波電壓u(t)也提供給VCD電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器(27)作為參考電壓，當(dāng)鋸齒波電壓u(t)一旦大于控制電壓e(t)時(shí)，VCD電壓控制時(shí)延產(chǎn)生器(27)就會(huì)立即輸出一個(gè)VCD的輸出脈沖Pout。那么VCD的輸出脈沖Pout與VCD的輸入脈沖Pin之間的時(shí)延差值 即為反射信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳輸時(shí)延τ的估計(jì)值。G、由傳輸時(shí)延τ的估計(jì)值 經(jīng)換算得到被測(cè)目標(biāo)的距離。
2.一種實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的超聲波測(cè)距儀，包括脈沖信號(hào)波發(fā)射器(3)，混頻器(4)，本振源(5)，帶通濾波器(6)、(11)，功率放大器(7)，發(fā)射換能器(8)，接收換能器(9)，低噪聲放大器(10)，檢波器(12)，距離跟蹤環(huán)(13)，距離顯示器(14)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低信噪比下超聲波測(cè)距的方法及其測(cè)距儀，可用于水下和雨雪、大霧等惡劣天氣環(huán)境的距離測(cè)量。如說明書附圖1所示由被測(cè)目標(biāo)1和安放在測(cè)點(diǎn)上的超聲波測(cè)距儀2構(gòu)成。超聲波測(cè)距儀2的發(fā)射換能器8向被測(cè)目標(biāo)1發(fā)射一超聲波信號(hào)。超聲波測(cè)距儀2的接收換能器9接收被測(cè)目標(biāo)1反射回來的超聲波信號(hào)。超聲波測(cè)距儀2的距離跟蹤環(huán)13能夠獲得反射信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳輸時(shí)延τ的估計(jì)值，因而測(cè)得被測(cè)目標(biāo)的距離。采用距離跟蹤環(huán)13來獲得反射信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的傳輸時(shí)延τ的估計(jì)值，是本發(fā)明的主要技術(shù)特征。其優(yōu)點(diǎn)是能徹底清除環(huán)境雜波的影響，具有特別優(yōu)越的探測(cè)能力、抗干擾能力和精確度。本發(fā)明的超聲波測(cè)距儀特別適合于水下和雨雪、大霧等惡劣天氣環(huán)境中低信噪比下的距離測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F23/296GK101021562SQ200610149170
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2006年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月20日
發(fā)明者譚曉衡, 曹海林, 曾浩, 王韜, 張承暢 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)