一種高精度的超聲測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

1、一種高精度的超聲測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法古 葉1，孫海信收稿日期：2015-07-23錄用日期：2015-12-29基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61471309)；福建省自然科學(xué)基金(2013J01258)*通信作者：hxsun,2*，齊 潔1，成 墾1，盧曉瑩1，周小平2（1.廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門，361005；2. 廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門，361005）摘要：為了減小超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量盲區(qū)以及提高測(cè)距精度，本系統(tǒng)采用收發(fā)異體模式，將高斯脈沖調(diào)制信號(hào)代替常用的矩形脈沖調(diào)制信號(hào)，作為超聲波的發(fā)射信號(hào)，通過調(diào)節(jié)高斯信號(hào)的脈沖形成因子，改善發(fā)送信號(hào)波

2、形，使其具有更好的抗干擾能力。在接收端超聲回波信號(hào)處理過程中，采用相關(guān)算法檢測(cè)回波到達(dá)時(shí)刻，在不需要增加額外硬件電路的基礎(chǔ)上，即可實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)距功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有良好的測(cè)距效果，系統(tǒng)穩(wěn)定，測(cè)距精度達(dá)到1mm，相對(duì)誤差在1.5%以內(nèi)，無(wú)測(cè)量盲區(qū)。關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；波形設(shè)計(jì)；高斯脈沖；相關(guān)運(yùn)算中圖分類號(hào)：TP274.5；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A聲波具有反射性好、抗干擾能力強(qiáng)、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，其常被用于定向測(cè)距。超聲波是頻率高于20kHz的聲波，超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低等特點(diǎn)，作為一種非接觸測(cè)距方法被廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合，例如：機(jī)器人視覺識(shí)別、物體定位、工程測(cè)量等。大部分的超聲波測(cè)距系

3、統(tǒng)是基于TOF (Time of Flight)技術(shù)，即測(cè)量超聲波從發(fā)射端到接收端所需時(shí)間，超聲傳播時(shí)間和聲速度的乘積即為測(cè)距系統(tǒng)輸出結(jié)果，此時(shí)系統(tǒng)誤差主要由超聲波換能器的振幅延遲和慣性現(xiàn)象，以及接收幅度下降而導(dǎo)致1。目前，我國(guó)對(duì)如何提高超聲測(cè)距精度進(jìn)行的研究主要側(cè)重于如何獲取準(zhǔn)確的渡越時(shí)間。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和要求，渡越時(shí)間的測(cè)量方法也不同。主要方法有：閾值檢測(cè)法、包絡(luò)峰值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法等。不同方法適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。閾值檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但該方法在遠(yuǎn)距離測(cè)距或噪聲干擾嚴(yán)重的情況下，難以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距2。包絡(luò)峰值檢測(cè)不受幅度隨距離變化和虛假回波的影響，但需要額外增加電路抑制尖峰信號(hào)，減小

4、系統(tǒng)峰值誤判概率3。相位檢測(cè)可根據(jù)相位的延遲準(zhǔn)確計(jì)算待測(cè)物體距離，其輸出結(jié)果對(duì)回波信號(hào)幅值較敏感，而聲波幅值隨距離的增大呈指數(shù)衰落，這將嚴(yán)重影響相位檢測(cè)法的測(cè)量精度4。在超聲波收發(fā)一體結(jié)構(gòu)模式下，超聲波發(fā)射到待測(cè)面時(shí)，產(chǎn)生漫反射或者鏡面反射，不同粗糙程度物體表面的回波信號(hào)幅度變化很大，影響系統(tǒng)對(duì)回波到達(dá)時(shí)刻的判斷5。除此之外，在該模式下，由于超聲波余振的影響會(huì)產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)近距離測(cè)距。超聲傳輸時(shí)間測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性將嚴(yán)重影響系統(tǒng)測(cè)距精度。測(cè)距精度不高、測(cè)量盲區(qū)的產(chǎn)生等因素都會(huì)造成了超聲波測(cè)距方法適用的局限性。本系統(tǒng)將使用無(wú)測(cè)量盲區(qū)的收發(fā)異體結(jié)構(gòu)模式，結(jié)合發(fā)射脈沖波形設(shè)計(jì)，采用主副瓣比高的

5、高斯脈沖調(diào)制信號(hào)作為超聲波發(fā)射信號(hào)，通過調(diào)節(jié)脈沖形成因子有效地控制高斯脈沖的頻帶寬度，減小由于窄帶超聲發(fā)射探頭的抑制作用對(duì)發(fā)送波形的影響；引入相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)超聲回波到達(dá)時(shí)刻的檢測(cè)和小信號(hào)的獲取，提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)抗噪聲性能和抗衰減能力。此外，通過對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式、發(fā)送波形設(shè)計(jì)以及回波處理算法的改進(jìn)，消除超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量盲區(qū)，提高測(cè)距精度，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有十分重要的實(shí)際意義。1超聲波測(cè)距的基本原理超聲波測(cè)距系統(tǒng)利用超聲波發(fā)射探頭將電能轉(zhuǎn)化為超聲波振動(dòng)能，由介質(zhì)發(fā)送出去6，在接收探頭的電極板產(chǎn)生交變電壓，獲得回波信號(hào)。通過計(jì)算超聲波渡越時(shí)間得到超聲波傳播距離，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。本系統(tǒng)采

6、用收發(fā)異體的測(cè)距模式解決超聲波余振問題，實(shí)現(xiàn)無(wú)測(cè)量盲區(qū)的超聲測(cè)距系統(tǒng)。測(cè)量?jī)蓚€(gè)固定點(diǎn)之間的距離時(shí)，超聲測(cè)距模塊分為發(fā)送和接收模塊，分別綁定在兩個(gè)待測(cè)點(diǎn)上，此時(shí)超聲波傳播距離即為兩個(gè)待測(cè)物體之間的距離，其計(jì)算公式為：. (1)式中，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波渡越時(shí)間，D為待測(cè)物體間的距離。由公式(1)可以看出，超聲波測(cè)距精度取決于測(cè)量超聲波渡越時(shí)間以及傳播速度大小的準(zhǔn)確性。由于超聲波在介質(zhì)中傳播的速度受介質(zhì)溫度的影響最大，因此，超聲波測(cè)距系統(tǒng)常包含有溫度補(bǔ)償部分，系統(tǒng)通過獲取介質(zhì)實(shí)時(shí)溫度，對(duì)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度進(jìn)行修正，從而提高超聲波測(cè)距的精度。超聲波在空氣中傳播時(shí)，超聲波在空

7、氣中的傳播速度可以通過下式計(jì)算得到：. (2)式中，t為空氣介質(zhì)的溫度，單位為攝氏度，為常量，且，v為超聲波在空氣中的傳播速度。超聲波測(cè)距的另一個(gè)關(guān)鍵因素則是對(duì)超聲波傳播時(shí)間，即渡越時(shí)間的測(cè)量。由于硬件本身的局限性，無(wú)論采取什么方法都存在計(jì)時(shí)上的誤差，但可選擇適當(dāng)?shù)拇胧┨岣叱暡ǘ稍綍r(shí)間的準(zhǔn)確性。超聲波渡越時(shí)間的獲取主要是對(duì)超聲回波的分析計(jì)算得到，不同的回波處理方式具有不同的效果。除此之外，由于發(fā)射信號(hào)經(jīng)過具有帶通特性的超聲波探頭，會(huì)發(fā)生一定形變，從而影響系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)的處理。系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)帶寬盡可能小的脈沖信號(hào)作為發(fā)射波形，當(dāng)發(fā)射脈沖帶寬小于超聲波探頭的帶寬時(shí)，即可完全保留發(fā)射信號(hào)的相關(guān)信息

8、。由于實(shí)際情況下，不能通過時(shí)域信號(hào)的無(wú)限展寬而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻域壓縮，因此，超聲波發(fā)射信號(hào)的選取是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的首要問題。2超聲波發(fā)射波形設(shè)計(jì)超聲波傳感器可以看作為一個(gè)已知中心頻率和帶寬B的帶通濾波器7。發(fā)射超聲波頻譜中超出該帶通濾波器帶寬范圍的部分將被抑制，從而影響發(fā)射波的時(shí)域波形。在同一硬件設(shè)備中，在激勵(lì)信號(hào)一致的條件下，超聲波回波信號(hào)具有相關(guān)性和窄帶性8，超聲波信號(hào)隨探測(cè)距離的改變只有信號(hào)強(qiáng)弱的變化，波形變化不大，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)以及回波信號(hào)和回波信號(hào)之間密切相關(guān)；超聲回波信號(hào)是以超聲波探頭諧振頻率為主頻率的窄帶衰減振蕩信號(hào)。常用的超聲波發(fā)射波形為正弦調(diào)制矩形脈沖信號(hào)，用一個(gè)以超聲波傳感器

9、中心頻率為振蕩頻率的正弦波周期信號(hào)調(diào)制一個(gè)矩形脈沖信號(hào)，即將矩形脈沖信號(hào)和高頻正弦信號(hào)相乘，時(shí)域表達(dá)式如下式所示：,式中，為正弦波調(diào)制矩形脈沖信號(hào)，為矩形脈沖信號(hào)，T為矩形脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度。正弦調(diào)制矩形脈沖信號(hào)在頻域上表現(xiàn)為矩形脈沖信號(hào)在頻譜上的搬移，通過設(shè)置正弦波頻率來實(shí)現(xiàn)將矩形脈沖的中心頻率搬移到超聲波傳感器的中心頻點(diǎn)處，矩形脈沖信號(hào)的頻域表達(dá)式為一個(gè)Sa函數(shù)，如下式所示：當(dāng)設(shè)定系統(tǒng)發(fā)射脈沖寬度T=10 ms，占空比為1:9，載波頻率為40 kHz，采樣頻率為1 MHz，那么矩形脈沖調(diào)制信號(hào)的時(shí)域和頻域波形如圖1所示：(a)時(shí)域信號(hào)(b)頻域信號(hào)圖1 矩形脈沖調(diào)制信號(hào)時(shí)域頻域圖Fig.1 T

10、he time and frequency domain signal of the rectangular pulse矩形脈沖信號(hào)的頻譜為Sa函數(shù)，除了強(qiáng)度最大的主瓣外還具有很多副瓣。主瓣能量小，抗干擾能力低，主瓣和副瓣相差小。通常情況下我們要求副瓣比主瓣低，副瓣越低，主瓣越高，能量越集中，抗干擾能力則越強(qiáng)。本文提出一種新型的超聲波發(fā)射脈沖信號(hào)，利用正弦波調(diào)制高斯脈沖信號(hào)作為超聲波發(fā)射信號(hào)。通過改變高斯脈沖信號(hào)的脈沖形成因子，可以靈活地改變發(fā)射脈沖帶寬，隨著脈沖形成因子的增大，脈沖寬度拓寬，傳輸信號(hào)帶寬壓縮9。正弦波調(diào)制高斯脈沖信號(hào)時(shí)域表達(dá)式如下所示10：,式中，為正弦波調(diào)制高斯脈沖信號(hào)，即

11、超聲波發(fā)送信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式，為高斯脈沖基帶信號(hào)，為載波頻率，載波頻率起到頻譜搬移的作用，為脈沖形成因子。脈沖形成因子影響高斯脈沖信號(hào)的時(shí)域?qū)挾?，脈沖形成因子越大，時(shí)域?qū)挾仍綄?，傳輸信?hào)頻域帶寬越小，越適用于窄帶傳輸系統(tǒng)，但是由于考慮到波形寬度影響采樣點(diǎn)數(shù)，以及整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算效率，所以不能無(wú)限制地延長(zhǎng)信號(hào)寬度而減小帶寬。在超聲測(cè)距系統(tǒng)中，高斯脈沖調(diào)制信號(hào)作為測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)具有較好的頻域特性。例如設(shè)定系統(tǒng)發(fā)射脈沖寬度T=10 ms，載波頻率為40 kHz，采樣頻率為1 MHz，高斯脈沖形成因子，那么高斯脈沖調(diào)制信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形如圖2所示：(a)時(shí)域信號(hào)(b)頻域信號(hào)圖2高斯脈沖信號(hào)時(shí)域頻

12、域圖Fig.2 The time and frequency domain signal of the Gaussian pulse由圖2可知，高斯脈沖信號(hào)幅頻特性具有單峰性，在頻率為載波頻率處具有較大的峰值，不易受噪聲的干擾。對(duì)比圖1和圖2可知，高斯脈沖調(diào)制信號(hào)具有主副瓣比高，頻域帶寬較小的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于矩形脈沖調(diào)制信號(hào)而言，更適合作為具有窄帶特性的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)。選擇高斯脈沖調(diào)制信號(hào)作為超聲波發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力，經(jīng)過超聲波探頭抑制作用以及傳輸過程中的衰落，脈沖波形信息大部分仍然可以保留下來。在此基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)接下來的回波信號(hào)相關(guān)處理，獲得超聲渡越時(shí)間精度的提高。3相

13、關(guān)運(yùn)算在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用在超聲測(cè)距過程中，由于聲波在傳輸過程中呈指數(shù)型衰落，因此常因接收端接收到的信號(hào)幅度過小，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度測(cè)距功能。在多普勒頻率小，目標(biāo)所在位置基本不變的情況下，雷達(dá)常采用相關(guān)算法進(jìn)行回波信號(hào)處理。利用連續(xù)時(shí)間內(nèi)接收到的多個(gè)回波信號(hào)之間具有相關(guān)性的特點(diǎn)，通過對(duì)同一距離下的多個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行相位和幅度的疊加，增加其信號(hào)能量，對(duì)微弱回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)。由此可見，該方法可解決超聲波測(cè)距系統(tǒng)遠(yuǎn)距離測(cè)距問題。將相關(guān)運(yùn)算處理方法運(yùn)用于超聲波測(cè)距系統(tǒng)，能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)在相同條件下的長(zhǎng)距離高精度測(cè)距功能。超聲波接收探頭的壓電晶片具有一定的振動(dòng)慣量，當(dāng)其接

14、收到回波信號(hào)后，該信號(hào)作用在壓電晶片上，獲得的接收信號(hào)幅度按照指數(shù)曲線增加，經(jīng)過若干個(gè)振動(dòng)周期后才到達(dá)飽和狀態(tài)；超聲波發(fā)射探頭在發(fā)送完信號(hào)后，壓電晶片仍然會(huì)保持幾個(gè)周期的余振11。因此，常對(duì)單脈沖超聲回波信號(hào)建模為具有高斯包絡(luò)的正弦調(diào)制信號(hào)，如下式所示：式中，為回波信號(hào)衰減因子，為超聲波探頭中心頻率，為超聲波探頭帶寬因子。建模的主要目的在于使用模型充分表達(dá)所研究的對(duì)象，但模型和現(xiàn)實(shí)對(duì)象總存在一定差距，但可在充分實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正以達(dá)到模型和實(shí)際對(duì)象逼近的目的12。當(dāng)發(fā)射端和接收端之間的相對(duì)距離隨時(shí)間具有小范圍變化時(shí)，接收端接收到的多個(gè)回波可表示為： (3)式中，T為脈沖重復(fù)周期，和分

15、別為第點(diǎn)目標(biāo)回波的幅度和時(shí)刻的距離，為歸一化回波包絡(luò)，為載波頻率。由公式(3)可得其傅里葉變換為：其中和是一對(duì)傅里葉變換對(duì)。本系統(tǒng)引入匹配濾波對(duì)各頻率分量的相位進(jìn)行矯正，按照信號(hào)頻譜幅度加權(quán)，提高信噪比。匹配濾波器的輸出結(jié)果在時(shí)域上看，相當(dāng)于將回波信號(hào)與濾波器的沖激響應(yīng)作卷積計(jì)算。在回波信號(hào)已知的條件下，其沖激響應(yīng)則為該回波信號(hào)的共軛倒置。但是由于直接通過求卷積實(shí)現(xiàn)匹配濾波的運(yùn)算量相對(duì)較大，因此采用頻域上先共軛相乘，再對(duì)其作IFFT變換的方法實(shí)現(xiàn)匹配濾波可有效地減低運(yùn)算量。通過匹配濾波處理后，可將化為：假設(shè)在一定時(shí)間范圍內(nèi)接收到的超聲波回波數(shù)目為N，每個(gè)回波信號(hào)由M點(diǎn)離散信號(hào)組成，根據(jù)N組回波

16、信號(hào)的采樣點(diǎn)可獲得一個(gè)的矩陣，每一列數(shù)據(jù)都是相關(guān)的，對(duì)矩陣的每列數(shù)據(jù)進(jìn)行同相相加。采用對(duì)每列數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，實(shí)現(xiàn)多個(gè)回波信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算，該方法即加快運(yùn)算速度，又能對(duì)相位差進(jìn)行補(bǔ)充。在已知環(huán)境溫度條件下，對(duì)多個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的輸出結(jié)果如圖3所示。相關(guān)運(yùn)算輸出結(jié)果的峰值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)，即為我們所求的超聲波傳輸距離。由圖3可見，輸出包絡(luò)具有唯一的最大值，容易檢測(cè)。圖3相關(guān)運(yùn)算結(jié)果Fig.3 The result of relevant operation4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)框圖如圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)在STM32F103單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)，Cortex M3作為發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)處理模塊

17、核心部分，運(yùn)行相關(guān)算法和控制部分外設(shè)。圖4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of ultrasonic distance measuring system在發(fā)送端，通過DAC輸出管腳給發(fā)射電路產(chǎn)生一個(gè)高斯脈沖調(diào)制信號(hào)，信號(hào)相關(guān)參數(shù)如表1所示。原始信號(hào)經(jīng)過發(fā)射電路進(jìn)行功率放大后，作為超聲波探頭的激勵(lì)信號(hào)源，由壓電陶瓷的壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)發(fā)送出去。表1 發(fā)送信號(hào)參數(shù)Tab.1 Signal parameter包絡(luò)調(diào)制信號(hào)載波頻率脈沖寬度脈沖形成因子采樣頻率高斯信號(hào)正弦信號(hào)40 kHz10 ms0.0011 MHz在接收端，接收電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理，經(jīng)

18、過ADC和DMA模塊高速輸出，在數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行相關(guān)處理。溫度檢測(cè)部分利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片實(shí)現(xiàn)溫度采集，根據(jù)公式(2)的溫度和聲速轉(zhuǎn)換公式獲取當(dāng)前環(huán)境下超聲波的傳輸速度。在已知溫度條件下，通過相關(guān)運(yùn)算計(jì)算出超聲波傳輸距離，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距。時(shí)鐘同步模塊控制發(fā)送端和接收端同一時(shí)刻開始工作，即發(fā)送端發(fā)送超聲波信號(hào)的時(shí)候，接收端同步開始進(jìn)入ADC采集，在經(jīng)過16個(gè)脈沖寬度的時(shí)間后對(duì)多個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)距準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，最終的測(cè)距結(jié)果取三次測(cè)量的平均值。在所述硬件平臺(tái)上，對(duì)本文所提出超聲測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)的閾值比較法進(jìn)行對(duì)比，不同距離的測(cè)量結(jié)果

19、如表2所示。表2超聲波測(cè)距結(jié)果及誤差Tab.2Test result and error of the system實(shí)際距離/mm第一次測(cè)量/mm第二次測(cè)量/mm第三次測(cè)量/mm平均距離/mm相對(duì)誤差/%改進(jìn)傳統(tǒng)改進(jìn)傳統(tǒng)改進(jìn)傳統(tǒng)改進(jìn)傳統(tǒng)改進(jìn)傳統(tǒng)343431343634363434001201231251191321231251211210.80.82102082252092272082252082250.97.133032632633132433532433032401.84204244254204184214264214230.20.71500150414971500123615081488

20、150414070.26.2從表中實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，在相一距離下的連續(xù)三次測(cè)量，傳統(tǒng)閾值比較法測(cè)距結(jié)果波動(dòng)較大，并且隨著距離不斷增加，距離在1 m內(nèi)的測(cè)距結(jié)果波動(dòng)范圍為15 mm，距離大于1 m時(shí)波動(dòng)范圍為160 mm，不同距離下接收到的信號(hào)幅度變化較大，導(dǎo)致閾值判斷不準(zhǔn)確，測(cè)距結(jié)果受閾值和幅值影響，因此傳統(tǒng)閾值比較法測(cè)距效果不穩(wěn)定?；诒疚奶岢龅姆椒ǖ玫降臏y(cè)距效果不受距離變化的影響，同一距離下的測(cè)距結(jié)果浮動(dòng)范圍小，具有較穩(wěn)定和精確的測(cè)量結(jié)果。在不同距離下，對(duì)三次測(cè)量結(jié)果求均值作為一次測(cè)距結(jié)果，對(duì)比閾值比較法和改進(jìn)測(cè)距方法所得到的測(cè)距結(jié)果可以看出，閾值比較法測(cè)距效果隨著距離不斷增加，波動(dòng)不

21、斷增大。基于本文提出的方法得到的測(cè)距效果不受距離變化的影響，隨著距離的增加，一直維持較小的相對(duì)誤差，具有較高的穩(wěn)定性和精度。同時(shí)，由于本文提出的測(cè)距方法采用的是收發(fā)異體模式，因此該測(cè)距方法無(wú)測(cè)量盲區(qū)，可實(shí)現(xiàn)短距離測(cè)距。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的測(cè)距系統(tǒng)在不同測(cè)距范圍內(nèi)都能夠具有良好的測(cè)距效果，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，測(cè)距精度不受距離變化的影響。5總結(jié)在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，如何正確獲取超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，以及正確檢測(cè)超聲波在介質(zhì)中的傳輸時(shí)間，是提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量精度的關(guān)鍵之處。本文從超聲波信號(hào)的產(chǎn)生出發(fā)，將用高斯脈沖調(diào)制信號(hào)代替矩形脈沖調(diào)制信號(hào)，作為超聲波發(fā)射信號(hào)；采用相關(guān)算法對(duì)多個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行處理

22、，檢測(cè)超聲波傳播距離，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距功能。在接收端對(duì)數(shù)據(jù)的處理過程中，不需要增加額外的硬件電路，即可實(shí)現(xiàn)高精度的超聲波測(cè)距。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：使用超聲波收發(fā)異體的結(jié)構(gòu)模式，在實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距時(shí)無(wú)盲區(qū)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超短距離的測(cè)距功能。當(dāng)信號(hào)放大倍數(shù)足夠大的時(shí)候，本系統(tǒng)的測(cè)距距離為收發(fā)一體可測(cè)最大距離的兩倍。因此，該實(shí)現(xiàn)方法可實(shí)現(xiàn)精度高的長(zhǎng)距離測(cè)距。參考文獻(xiàn)：1Lee K Y, Huang C F, Huang S S, et al. A high-resolution ultrasonic distance measurement system usingverniercaliper pha

23、se meterJ. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012, 61(11):2924-2931.2 張海鷹, 高艷麗. 超聲波測(cè)距技術(shù)研究J. 儀表技術(shù), 2011, 9:58-60.3 卜英勇, 何永強(qiáng), 趙海鳴, 等. 一種高精度超聲波測(cè)距儀測(cè)量精度的研究J. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào), 2007. 27(1):86-90.4 葉林, 周弘, 張洪. 相位差的幾種測(cè)量方法和測(cè)量精度分析J. 電測(cè)與儀表, 2006,43(4):11-14.5許天增,許克平, 許茹, 等. 超聲傳輸特性和超聲傳感系統(tǒng)研究J. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自

24、然科學(xué)版）, 2001, 2(303.3):10.6施超, 陳愛華, 楊本全, 等. 基于C8051F020的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2012, 35(16):15-16.7葛萬(wàn)成. 相關(guān)法高抗干擾超聲波距離測(cè)量中的信號(hào)處理J. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2002, 30(1):71-76.8程曉暢, 王躍科, 蘇紹,等. 基于相關(guān)函數(shù)包絡(luò)峰細(xì)化的高精度超聲測(cè)距法J. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 20(4):320-324.9賈占彪, 陳紅, 蔡曉霞,等. 正弦高斯組合的UWB脈沖波形設(shè)計(jì)J. 火力與指揮控制, 2012, 37(2):195-198.10 Beauli

25、eu, N. C., and B. Hu. A novel pulse design algorithm for ultra-wideband communicationsC. IEEE Global communications Conference (GLOBECOM), 2004:3220-3224.11 熊春山, 彭剛, 黃心漢,等. 基于超聲測(cè)距的三維精確定位系統(tǒng)與設(shè)計(jì)J. 自動(dòng)化儀表, 2001, 22(3):7-10.12 羅佳, 李永禎, 王雪松, 等. 相控陣?yán)走_(dá)仿真系統(tǒng)模型校驗(yàn)方法的研究J. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2004, 16(7):1380-1385.An Implemen

26、t Method for High Precision Ultrasonic Distance Measuring SystemGU Ye1, SUN Haixin1,2*, QI Jie1, CHENG Ken1, LU Xiaoying1, ZHOU Xiaoping2(1. College of information science and technology, Xiamen University; 2. Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology, Xiamen University, Xiamen, Fujian, 361005)Abstract: