（测试计量技术及仪器专业论文）大作用距离超声测距技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 大作雕距离超声测躐技术在现场极器入、车辆爨劝霉艋以及率壤避唪与擎辍安全预 警系统等颁域具有广藏静波瘸蔚景。义霉阻增大超黟溺距系统的作用距离为主凝舀标， 对超声换能器的机械结构、驱动电源、接收电路和倦母处理算法等各个方面，展开了系 统的理论研究与实验验i 芷，设计且成功实现了大作用距离超声测距系统。 蕃先，文誊繇突了压滚簸痤及压毫麓声获器，浚谤了一移大佟舔蘧离超声换l 器。 其次，文章通过理论推导计算，设计了一种新型超声换能器聪动电源，一种单电源、 带a g c 的回波接收电路，扩大了超声信号处理的动恣范围。利用n i 数据采集卡搭建了 怒声测距系缝。 最后，为了进一步提离超声测距系统的性能，文豢深入探讨了秘适应时延储诗算法， 分析了这种测距算法的优点和缺点，对这种算法进行了理论仿真与实验。并运用变步长 自适应延时算法，对实验数据进行了软件仿真，得如了有实际参考价值的结论姆实验数 据。 关键潺：越声波，大馋蠲踞离，超声换髓器，超声测跟 最小均方时延储汁，交步长囱适应滤波 第1 页 里堕型耋垫查奎兰竺圣篁堕主垡鎏苎 a b s t r a c t u l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n tw i t hl a r g ea c t i o n r a n g ei na i ri sw i d e l yu s e di nm a n y r o b o t i ca n da u t o m a t i ca p p l i c a t i o n s ，f o re x a m p l e ，f i e l d w o r kr o b o t s ，s e l f - g u i d e da u t o n o m o u s v e h i c l e s ，o b s t a c l ea v o i d a n c ea n dc o l l i s i o nw a r n i n gs y s t e m so fv e h i c l e ，a n ds oo n t h i sp a p e r p r o b e si n t ot h em u l t i b r a n c ho fk n o w l e d g e ，s u c ha s t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h e t r a n s d u c e r ，t h ed r i v i n ge l e c t r o n i c s ，t h ee c h or e c e i v i n gc i r c u i t s ，a n dt h es i g n a lp r o c e s s i n g ， w h i c hi sa p p l i e dt oe x t e n dt h ea c t i o n r a n g eo fu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mi n l i g h to ft h i s ，an e wu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n td e v i c ew i t hl a r g ea c t i o n - r a n g e i s d e v e l o p e d f i r s t l y , t h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t sa n dp i e z o e l e c t r i cu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra r es t u d i e d a n u l t r a s o n i ct r a n s d u c e ro fl a r g ea c t i o n r a n g ei sp r e s e n t e d s e c o n d ly t h r o u g ht h e o r yc a l c u l a t i o n ，an o v a ld r i v i n gc i r c u i to fu l t r a n s o n i ct r a n s d u c e r a n da ne c h or e c e i v i n gc i r c u i ta c c o r d i n ga g cw i t hs i n g l e - p o w e ra r ed e s i g n e d ，w h i c he x t e n d t h ed y n a m i cr a n g eo fe c h os i g n a lb a s e do nd a qo fn i ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fu l t r a s o n i c d i g a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mi ss e tu p f i n a l l y , t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so fu l t r a s o n i cd i a a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mi nh a n d ， a d a p t i v et i m e d e l a ye s t i m a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa r ei n v e s t i g a t e dc a r e f u l l y ，t h e r e l a t i v em e r i t so ft h i sa l g o r i t h ma r cd i s c u s s e di nd e t a i l c o m p u t e rs i m u l a t i o no f t h i sa l g o r i t h m i sd o n ea n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i si sm a d eb ym e a n so fs o f t w a r es i m u l a t i o nb a s e do nv a r i a b l e s t e ps i z ea d a p t i v et i t t e r i n ga l g o r i t h m ，w eh a v eo b t a i n e df r o ma s e to fe x p e r i m e n t a ld a t as o m e i n s t r u c t i v ec o n c l u s i o n so ft h es u p e r i o ra n di n f e r i o ro ft h ea l g o r i t h m s ，w h i c ha r eo fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o ri m p l e m e n t a t i o no f ap r a c t i c a lu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c ，l a r g ea c t i o n - r a n g e ，u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r , u l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n t ，l e a s t - m e a n - s q u a r et i m ed e l a ye s t i m a t e ， v a r i a b l es t e ps i z ea d a p t i v ef i l t e r 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 盘生盈堕童熊岂麴堑燕蕉监窑 学位论文作者签名：盔塾 日期：。b 2 年，月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了船国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论交在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 盘佳用堑直塑岂型望挂盛堑壅 学位论文作者签名：叠壁 作者指导蝴张蟛聋 日期：毋# 年，厂月t o 日 日期：h m 年1 1 月据日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 在空气介质中，超声测距传感器因其性能好，而且价格低廉、使用方便，在现场机 器人定位系统，车辆自动导航、车辆安全行驶辅助系统、城市交通管理和高速公路管理 监测系统，河道、油井和仓库及料位的探测等测距( 测速) 和探测技术领域都具有广阔 的应用前景 i “。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器 及其收发电路、探讨新的超声信号处理方法，对于超声波检测技术的发展具有十分重要 的现实意义。 1 1 课题来源与应用背景 近年来，随着国民经济、科学技术及工业自动化的发展，特别是移动机器人的自动 避障、导航系统和视觉识别系统的需要，出现了许多识别方法和原理。根据其信息载体 的不同可归纳为光学方法和超声波方法。但光学方法在某些领域有其局限性，相比之下， 超声波方法在这些方面具有突出的优点：超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别 透明及漫反射性差的物体( 如玻璃、抛光体) ；对外界光线和电磁场不敏感，可用于 黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；超声波传感器结构简单，体 积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。因此超声检测法已越来越引 起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。 特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构 信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。 如今，超声测距技术在国防、汽车工业、公路监测及日常生活中无处不在。例如， 在汽车工业领域，用超声测距仪制成的倒车、防撞系统己广泛投入使用，避免了汽车事 故的发生，减少了对司机的伤害程度。但目前存在的小功率超声距传感器大多作用距离 较近，不能用于探测远距离的物体。如美国波拉公司的超声测距仪，其最大测距为1 0 6 m 。 因此，日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫 米波雷达、c c d 摄像机、g p s 和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高 级汽车上。据海外媒体报道，戴姆勒一克莱斯勒公司曰前成功开发出供商用车( 尤指卡 车) 使用的电子刹车系统，它与其它刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收集的信息交由控制器加工处理，形成一 虚拟景象。之后再借助演算法的辅导来判断所发生状况是否需要利用刹车。未来两三年 内这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，目前定为3 7 4 5 欧元i ”，其过高的成本 限制了它应用的普遍性。 迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。能够全天候工作的毫米波 雷达是最为理想的测距传感器，这已是目前国际上公认的结论【9 j 。超声测距传感器也可 以全天候工作，而且价格低廉、便于安装使用，也是一种较为理想测距传感器。因此， 倘若不考虑从国外进口价格昂贵的毫米波雷达，那么，超声传感器的作用距离问题，就 成了当前开发超声测距系统的瓶颈制约。 根据声学理论，超声换能器的机电能量转换效率、超声波传播过程的能量衰减和回 波接收电路的处理增益是影响超声传感器作用距离的主要因素。因此，为扩大超声测距 的范围，不能仅仅依赖于大功率超声测距传感器，还必须从以下两个方面采取措施：其 一、优化换能器的机械结构、电子线路和机电阻抗匹配参数，以提高换能器的机电能量 转换效率；其二、增加滤波电路或采用基于微处理器的自适应噪声抵消器对回波信号进 行预处理，增大后续信号处理算法的处理增益，以提高超声测距仪的输出信噪比。只有 这样，才可能研制出功耗低、量程大( 2 0 4 0 m ) 而且价格低廉的超声测距系统。 毋庸置疑，大作用距离超声传感器的研制成功，不仅有益于促进科技进步、加快国 内超声测距系统的开发进程，而且具有相当广阔的市场前景。本课题的主要任务就是为 国家自然科学基金重点项目“未知环境中移动机器人导航的理论与方法研究” ( 6 0 2 3 4 0 3 0 ) 研制大作用距离超声传感器，用于探测距离1 0 m 或更大范围内的周边物体， 以取代价格昂贵的毫米波雷达。 1 2 超声波特性及超声换能器现状 具备发送和接收超声波功能的装置，称为超声换能器，习惯上称为超声传感器或超 声波探头。下面，简要介绍一下超声波特性和超声换能器现状。 1 2 1 超声波及其特性 现代声学已经涵盖了从1 0 。1 0 “h z 的频率范围，相当于从大约3 小时振动一次的 次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动，即跨越了l o ”量级的宽广频段。振动频 率在1 6 h z - 2 0 k h z 之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于1 6 h z 的机械波，称 为次声波；高于2 0 k h z 的机械波，称为超声波，而高于1 0 0m h z 的机械波，则称之为 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 特超声波。 由于人耳听域有限，所以在自然界中似乎超声不存在，其实超声是广泛存在的。人 耳听到的声音只是自然界声音的一部分，1 1 r i 可听声部分，而即使是可听声部分的声音， 有时仍然含有超声成分，只是人耳听不到。比如：自然界中许多动物发出的声音中就含 有超声成分，蝙蝠是最出名的。它可以利用超声进行探测洞穴、捕获昆虫，人类从1 8 世纪就开始研究它，一直延续至今，并利用仿生学的原理制造出雷达等探测工具。在我 国，解放前超声的研究是个空i t l 。解放后不久，出现了很少量的超声学研究。大规模的 超声研究开始于1 9 6 5 年。到目前，我国在超生学的各个领域都开展了研究和应用。有 不少的项目和成果达到了国际水平。 同其它声波一样，超声波的传播速度取决于介质密度和介质的弹性常数。在大气条 件下，超声波在相同传播介质中的传播速度是一样的，而且，在相当大的频率范围内， 声速是固定不变的。空气中的声波传播速度c 可近似地表示为”i ： c 。3 3 1 4 。i t + 2 7 3 1 6 。3 3 1 4 + o 6 ，( m s ) ( 11 )27 v3 1 6 其中7 1 是空气介质的温度( 。c ) 。 因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一 致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，描述简谐声波向r 正方向传播的质点位移运动可表示为： s c t ) = 爿( x ) c o s ( o f + 幻f ) = a o e4 。c o s ( 甜t + 幻c ) ( 1 2 ) 式中，5 ( t ) 表示质点的位移；a 。是振动初始条件决定的常数；，分别表示角频率和 时间；x 为声波的传播距离( 也称为射程) ；k = o ) c 称为波数；a 为衰减系数。 由此可见，在传播过程中声波的振幅一( 曲将随距离x 的增加而呈指数形式衰减。衰 减系数与声波频率及传播介质的关系为【”l 口= a 。- j ，。 ( 13 ) 其中，爿。为介质常数，在空气中，a 。= 2 1 0 。1 1 ( s 2 m 。) ，是声波的振动频率。例如， 当超声波的振动频率为2 5 k h z 时，l t z = 8 0 m 。其物理意义是：超声波在空气介质中传 播，因空气分子运动摩擦等原因，能最被吸收损耗，在声波的传播距离等于1 a 时，声 波振幅将衰减到初始值的1 e 倍。显然，声波频率愈高，声能被吸收衰减愈大，声波的 传播距离愈小；反之，声波频率愈低，声能的吸收衰减愈小，声波的传播距离就愈大。 声波的另一种重要的性质是：波的频率越高，波束越窄，声波定向传播( 或称为直线传 播) 和反射能力越强，其能量远远大于振幅相同的低频声波。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 超声波的特性除了与其谐振频率有关，还与发射换能器的辐射面积有关。换能器的 辐射面积越大，超声波的波束角就越小。因此，在设计大作用距离超声测距传感器时， 必须选用恰当的换能器工作频率和换能器辐射面积。 1 2 2 超声换能器 顾名思义，换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形 式的装置。通常所说的换能器一般都是指的电声换能器。用来发射声波的换能器叫发射 换能器。换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。用来接受声波 的换能器叫接收器。换能器处在接受状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。一 般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。通常换能器都有一个电的储能元件和 一个机械振动系统。按照实现机电转换的物理效应的不同，可将换能器分成：电动式、 电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电磁致伸缩式等。 目前，常见的超声换能器一般都是压电式的。压电式超声换能器的发展和应用是以 压电效应的发现和压电材料的提供为前提条件的。 某些电介质( 例如晶体、陶瓷、高分子聚合物等) 在其适应的方向施加作用力时， 内部的电极化状态会发生变化，在电介质的某相对两表面内会出现与外力成正比的符号 相反的束缚电荷，这种由于外力作用使电介质带电的现象叫做压电效应。相反地，若在 电介质上加一外电场，在此电场作用下，电介质内部电极化状态会发生相应的变化，产 生与外加电场强度成正比的应变现象，这一现象叫做逆压电效应。 压电材料是压电换能器的研制、应用和发展的关键。大致可分为五类：压电单晶体、 压电多晶体、压电半导体、压电高分子聚合物、复合压电材料。其中压电陶瓷是压电多 晶体材料，这类压电陶瓷为实心，均匀和一体的压电功能材料，具有优良的压电性能。 压电陶瓷自问世以来，至今已3 0 多年历史。无论在材料基础研究方面或是在应用方面， 都获得了飞速的发展。由于压电陶瓷的出现，开辟了压电材料的广阔前景，也使压电换 能器的理论发展和实际应用提高到一个新的高度。压电陶瓷使当今最有可为的压电材 料，目前在压电材料中无论数量还是质量均处于支配地位，其原因是它有下述优点： 所用原材料价廉且易得；具有非水溶性，遇潮不易损坏；压电性能优越；品种繁 多，性能各异，可满足不同的设计要求；机械强度好，易于加工成各种不同的形状和 尺寸；采用不同的形状和不同的电极化轴，可以得到所需的各种振动模式：制作工 艺较简单，生产周期较短，价格适中。 压电式超声换能器的品种繁多，但其所用的压电材料不外是p z t 和p v d f 两种。 p v d f 压电薄膜材料常来制作4 0 3 0 0 k h z 的高频超声波换能器。文献 1 1 - 1 3 介绍了近 年来国外研制的p v d f 超声波换能器，这类高频超声换能器的作用距离都很短，一般是 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在超声波无损检测领域中应用。这里我们着重介绍以p z t 这种压电陶瓷材料制成的大作 用距离超声波换能器。 p z t 即锆钛酸铅压电陶瓷的简称，它是p b t i 0 3 和p b z r 0 3 固溶体为基的组成物，其 居里点在3 0 0 。0 4 0 0 。c 之间，在较大的温度范围内性能都比较稳定，作为换能器材料， 其压电效应是显著的。为了满足不同的需求，可通过调整其匹配比来满足性能要求，例 如以n b ”置换t i “、z r “或以l a 十2 置换p b + 2 可提高机电耦合系数、电容率和柔性常数， 同时会增加介质损耗t 和直流电阻率，还能减小老化率( p z t 一5 系列) ，若用钙、锶或 钡置换部分的铅，用锡置换锆，可使居里点降低，电容率增大( 例如p z t - 4 ) 。 p z t - 4 是发射型锆钛酸铅压电陶瓷，具有大的交流退极化场，较大的机电耦合系数， 电容率和较高的压电常数。较低的机械损耗和介电损耗，可用作发射换能器。p z t 一8 也 是发射型锆钛酸铅压电陶瓷，它的电容率、机电耦合系数、压电常数比p z t 一4 稍低，但 其抗张强度、稳定性及介电损耗等皆优于p z t 一4 。因此常用来制作高机械振幅的发射换 能器。 p z t 一5 是接收型锆钛酸铅压电陶瓷，具有高的机械耦合系数和压电应变常数、电容 率、弹性常数和压电常数。具有较好的时间和温度稳定性，在低功率情况下，共振状态 和非共振状态都能使用。可用来制作接收型换能器，也可用来制作收发两用型换能器， 还可用作水听器。 在超声测距技术中，利用压电材料的正、逆压电效应可分别制成超声波发射探头和 超声波接收探头。当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振， 并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压， 则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能 转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。在一般工业领域，超声波的发送和 接收在同一个传感器中完成，这样不仅可以降低成本，而且在一定程度上减小了测量误 差。 超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距 离小于2 m ，工作频率在6 0 3 0 0 k h z 之间；中量程探测距离约为2 1 0 m ，工作频率在 4 0 6 0 k h z 之间；大量程探测距离约为2 0 5 0 m ，工作频率处在1 6 3 0 k h z 之间。另外， 还有一种音频测距传感器，其探测距离大于5 0 m ，工作频率位于1 0 k h z 左右。 1 3 超声波测距处理方法 采用超声传感器进行距离测量的方法很多，而应用最多的是p e l l a m 和g a i t 于1 9 4 6 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 年提出的脉冲回波法，其工作原理是：用电振荡脉冲激励超声波探头，使之向外界辐射 超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波，通过检测或估计从发射超声波至接收回 波所经历的时间间隔t ( 称为射程时间t o f ，或时延t o ) ，然后按下式计算超声波探头 与被测物体之间的距离d ，即 d = 去“ ( 14 ) 式中，c 为空气介质中声波的传播速度。 由式( 11 ) 可知，当传播介质的温度r 发生变化时，声的传播速度c 也随之改变。 因此，在超声测距仪中均内置温度探头，用于实时检测声传播介质的温度，以补偿环境 温度变化对距离测量精度的影响。 为了改善超声测距仪的性能，国、内外学者研究了许多特殊的测距方法或时延估计 算法，如阈值鉴幅法、互相关函数法和自适应时延估计法等等。在许多实际的超声测距 仪中，经常是多种算法的综合应用。当然，这些算法与超声换能器声学特性及超声测距 仪的硬件电路是密切相关的。下面，我们简要地评述这些信号处理算法的特点与应用范 围。 1 3 1 阈值检测法 图1 1 所示的超声测距系统是采用最简单的“过零”检测法，其工作过程如下： 在控制器启动时钟计数器的同时，向外发出持续时间固定的超声脉冲信号，换能器在该 信号的激励下向外发送超声波。假如在换能器的前方存在目标，则必有反射回来的 超声波作用在换能器上，且使之产生微弱的电信号，该信号经接收电路放大后，必大于 预先设定的门槛电压( 或称为阙值) ，使比较器的输出信号变为高电平。该高电平信 图1 i 基于p c 接口的超声测距原理框图 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 号使计数器终止计数，并使能与门，使微机可以在并行输入口上查询到终止计数信号， 并读出时钟寄存器中的数值( 即t o f ) 。根据式( 14 ) 计算出目标与换能器之间的 距离。顺便指出，换能器发送声波的持续时间与声速的乘积，即为超声测距仪的盲区。 由于回波信号的幅值与目标的距离成反比，目标与换能器之间的距离愈远，超声波 接收电路的输出就愈小，相应的射程时间也就愈长。因而，在超声波测距应用中，通常 不采用固定的阈值或固定增益的放大电路，而采用时间一阈值可变法或时间一增益可变 法。前者使阈值随射程时间的延长呈指数形式递减【4 j ，后者使接收电路的放大倍数随 射程时间的延长呈指数形式递增【1 5 l 。这样，只要适当调整指数函数的时间常数，就能保 证在规定的量程范围内准确地测出目标的距离。 文献 1 6 介绍了一种实时、高精度、大范围的双频超声波测距方法，其测量过程是： 先让换能器发送1 0 一1 6 个周期的高频詹的超声波，尔后再发送4 1 8 个周期的低频龙的 超声波。对于近距离目标( 如5 m 以内) ，因为换能器先发送高频超声波，所以回波先到 达接收器；对于远距离目标( 如5 - 2 0 m ) ，由于高频超声波被空气大幅度吸收衰减，故 回波信号只有低频超声波。这样，把远程测距与近程测距分开进行，就可以克服测距范 围与测距精度之间的固有矛盾。当然，采用双频超声波测距方法是有前提条件的，即要 求换能器具有高、低两个谐振频率。 上述测距方法简单实用，实时性好，但由于这种检测法不能准确地判定回波前沿的 出现时刻，故也因之难以精确地估计实际的射程时间。文献 1 7 ，1 8 提出了几种分析与 提取回波包络线的计算方法，用以提高超声波测距精度。文献 1 9 采用粗、精测两次测 距方法，即先发射一次超声脉冲进行粗测，用微处理器对回波幅度进行分析、处理，包 括放大、归正以及自动设置精测鉴幅阀值等，然后再发射一次超声波脉冲进行精测距， 按粗测时所设定的鉴幅阀值，尽可能的捕捉到回波中的前面固定位置波。 1 3 2 时延估计法 在低信噪比和低采样速率条件下的超声波测距，基于互相关函数的时延估计法是一 种最常用的算法，其具体实现是：将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发 送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考信号之 间的互相关函数。若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器前方目标反射回来的 信号，而相关函数峰值出现的时刻就是射程时间。由此可见，相关估计法( 也称为匹配 滤波) 既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。假如超声波信号经目标反射 后所产生的回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯自噪 声，那么采用互相关函数法的时延估计精度将高于与其它时延估计法1 2 。 另一种时延估计法是最小均方自适应时延估计( l m s t d e ) ，其具体实现方法是： 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 以换能器发送的超声波信号作为参考信号，在回波信号( 接收信号) 前加一延时量，通 过不断调整延时量的大小，使经l m s 算法后的回波信号与参考信号之间方差达到最小 值，此刻的延时量就是射程时间。这种算法等效于用自适应横向滤波器消去信道噪声的 影响，起到自适应信道均衡的作用，既不需要预先知道信道噪声的统计特性，也无须考 虑回波波形的畸变问题，是种性能较好的时延估计方法。著名的m a t l a b 软件包也给 出了l m s 自适应时延估计算法的仿真演示，其具体方法是：经l m s 算法后的参考信号 与回波信号比较，当均方误差达到最小时，横向滤波器( 假设具有n 个延时环节) 的n 个权系数中的最大值所对应的延时量，即为射程时间。l m s 自适应时延估计算法的缺 点是计算量大，特别是当自适应滤波器的阶数较高时，计算量将显著增大，这将影响超 声波测距系统的实时性。 文献 2 1 提出了基于遗传算法的l m s 自适应时延估计算法，即把遗传算法引入 l m s t d e 的寻优搜索过程中。这种改进的算法，不仅保留了l m s 自适应滤波器的优点， 而且比常规的l m s t d e 减少了7 5 的计算量。除此之外，还有其它各种形式的l m s 算 法，如可变步长l m s 自适应滤波器算法【2 2 _ 2 ”，其基本思路是根据参考信号与回波信号 ( 经l m s 算法后) 之惹的大小，实时地调整l m s 算法的步长因子，以加快l m s 算法的 寻优搜索速度，并减少权系数的失调噪声。于是，在l m s 自适应时延估计算法中引入 可变步长的概念，就可以有效地减少迭代次数，而不降低时延估计精度。 应当指出，超声波测距处理方法总是与具体的工程应用问题相联系的。对于同样可 以解决实际问题的多种信号处理方法，只能根据超声测距仪的性价比来区分孰优孰劣， 而不能根据算法的难易程度来评判算法的优劣。如何实现大范围测距，仍然有待于进一 步的理论探索与实验验证。 1 4 超声测距的应用概况 超声测距技术是声学与仪器工程学科交叉融合而形成的边缘技术学科。在移动机器 人、汽车主动防碰撞系统、交通车流检测系统等各个方面，超声测距技术都得到了广泛 而卓有成效的应用。 文献 2 6 2 9 分别介绍了国内一些大学和研究机构研制的车载超声测距仪，其中，前 视超声测距仪的探测范围小于1 0 m ，而后视和周边探视超声测距仪的探测距离最大不超 过5 m ，这与国外新型近程扫描雷达的探测范围( 车辆周边2 0 m 以内) 相差甚远。由此可 见，国内开发的超声测距装置还处于初级阶段。文献 3 0 研究了可在野外环境中探测远 距离障碍物的超声测距测向仪的技术性能指标及其探测方法。文献 3 1 介绍了用于检测 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 车流状况的多探头超声波测距仪，它不仅可为交通流量的调查统计和路口交通信号的自 动控制系统提供信息，而且还可应用于各种与机动车辆经过和到达有关的自动监测、管 理和收费系统。文献 3 2 ，3 3 介绍了超声测距在移动机器人避障、导航中的应用。但其 作用距离一般在5 m 以内。 1 5 本文的主要研究工作及内容安排 本课题以研制功耗低、体积小、作用距离大而且价格低廉的超声测距系统为目标， 对超声换能器的机电特性、机械结构、发射与接收电路、机电阻抗匹配、超声测距处理 方法等各个技术专题，展开系统的理论研究与实验验证。现将论文中各个章节的主要内 容简要介绍如下： 第一章以论文的研究背景与现实意义为核心，介绍了测距传感器和压电式超声换能 器的概况，重点阐述了研制大作用距离超声传感器的关键技术和各种超声波测距处理方 法，简要介绍了超声测距在各个领域的应用。最后，简要叙述了论文中各个章节的基本 内容。 第二章介绍了压电式径、厚耦合大作用距离超声换能器的设计与制作方法，内容包 括：压电式超声换能器原理介绍：径、厚耦合换能器的等效电路推导：大作用距离换能 器机械结构的设计与制作工艺。 第三章设计了一种新型超声换能器驱动电路及回波接收电路。在硬件设计中，作者 应用了机电阻抗匹配技术和一些特殊的电路设计技巧，大大提高了换能器的机电转换效 率，并给出了部分实验结果。 第四章讨论了常用的超声波测距算法。结合前一章给出的硬件电路，运用一种新的 超声波测距处理方法变步跃l m s 自适应时延估计方法进行计算，并与一些类似的 经典时延估计算法进行比较研究，给出了有指导意义的实验或仿真结果。 第五章的熏点是总结全文的主要研究成果，并指出进一步研究工作可以采取的措施 和应当注意的问题。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章大作用距离超声换能器的设计 2 1 压电式超声换能器 换能器是超声探头的功能件，前已述及，压电式超声换能器利用的是压电元件的压 电效应和逆压电效应进行能量转换的器件，具有发射 超声波和接收超声波信息的功能。其结构形式一般可 用图2 1 来表示，它由聚焦件、匹配层( 一层或多层) 、 压电元件和背衬块组成。超声换能器的主要部件是压 电元件，它根据用途的不同有圆片形、长条形、球壳 聚焦件 匹配层 压电元件 背村块 形、圆柱形、环形、棒形和管形等。 图2 1 超声换能器的结构形式示意图 换能器的聚焦件是用来收敛声束的，基本类型有折射镜、有源聚焦器、反射镜和衍 射镜。换能器目前应用的阻抗匹配层多为单层和双层的，它能起到阻抗匹配作用。背衬 块是压电元件背后的一块衬垫块，它直接影响换能器的性能，既要求吸声效果好，又要 求阻尼性能好。 用于气体介质中的超声换能器常见的形式有：弯曲振动模式的弯曲( 或弯张) 换能 器，它是利用压电陶瓷元件粘贴到金属板或金属壳体上组成一个振动系统。它适于做出 低频、小体积的换能器，且由于其辐射阻抗较低，与气体介质的低声阻抗能匹配较好， 因而辐射效率较高。但该种型式的换能器辐射面上的振幅分布不均匀( 甚至有“反相区”) 对波束形成不利。且频带宽度窄，机械结构强度差。 纵向振动换能器，是利用多片中心带孔的压电圆片与前后金属盖板堆叠起来组成的 复合棒状的振动系统，沿棒的轴向作伸缩形的纵向振动。其纵向振动的谐振频率与棒的 长度有关( 一般均为复合棒中波束的1 2 ，称为半波长振子) 。频率愈低则棒愈长。棒愈 短则频率愈高。由于可以通过穿过压电晶堆中孔的予应力，故棒的转换效率较高，但由 于作为辐射大的金属盖板声阻抗与气体介质声阻抗相差甚大。因此它在气体介质中辐射 效率很低，必须加声匹配措施来提高其辐射效率。 此外还有压电圆盘形换能器及静电式换能器等等。它们都根据各自的特点分别适用 于不同的场合。下面着重介绍一下径、厚耦合时压电圆盘形换能器。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 径、厚耦合时压电圆盘振动过程的理论分析 最简单的压电圆盘形换能器是由很薄的压电圆盘构成。这种压电片的厚度，通常在 九4 和v 2 之间，并且远小于( 至少一个数量级) 它的横向尺寸( 例如半径r ) 。对于圆 形压电片的振动，通常作为纯厚度模或纯径向模的一维问题近似处理。由此建立起来的 一维理论在工程设计中有相当广泛的应用。但是，当压电材料的厚度和径向的压电耦合 因子都比较强，片子的厚度与直径比又不是足够小时( 称短柱) ，这种近似理论就不够 准确，与实验值误差变得较大。在一些典型实验中充分反映这种现象。于是必须用复杂 的二维振动理论，例如里兹法或有限元法加以准确计算设计。这里我们介绍一种只取厚 度模和径向模的近似以及引用其他某些近似的条件下，推出压电圆盘或短圆柱的径向模 和厚度模耦合振动等效电路。整个理论不很复杂，但和一维理论比较，又能更好地反映 压电圆盘振动的物理过程。 对通常典型的压电圆盘，选取 如图2 2 所示的柱坐标系。设压电 片由压电陶瓷制成( 例如p z t 一5 ) ， v 并沿z 轴极化，圆片上、下面镀电 极，激励电压加在两电极端，因此 电场e 与振动位移f 都与坐标目无 图2 2压电圆片及坐标系 关。e p = 0 ，靠= 0 ，并设径向电压b 可以忽略。这时压电片的基本方程是 3 4 1 压电方程 和 巧：。：娑+ 。点曼+ 。：娑咱，： ：。! 娑+ 。i 曼十c i e ，孕飞：e 。 砭：。盯孽+ 纠碳3 3a 六飞，t ko r r u 瓦= 0 瓦：。吖誓五 叫7 r 。= 0 ( 21 ) 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 运动方程 ( 2 2 ) ( 23 ) 3 自由电荷方程 孕+ 堡+ 孕：o ( 24 ) 以上( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 23 ) 和( 2 4 ) 四个方程式中，是应力分量；d 是电位移分 量；6 和磊分别是径向和轴向的位移分量；c 艘e 、p 旷占j ( p ，q = l ，2 ，6 ；i a ；= l ，2 ，3 ) 分 别是恒电场劲度常数，压电应力常数，恒应变介电常数；p 是密度。 在纯厚度模振动的情况下，善。0 ，掌，= 0 ，；= 0 ， 于是方程( 21 ) 至( 24 ) 变为 硅：冬：。要磐喝，譬 出。 d ：= 誓+ s 掘 竺：o 假设简谐振动，并利用关系旷= ：d z ，容易得如 弘毒l c o s kz 4 - 警s l n 如 ( 25 ) ( 26 ) 式中虽、氕分别是两端面= 向位移，即掌- = 喜：1 ：- o ，氏2 董l 。也= 詈是= 向纵波的波 第1 2 页 e s h f 坛i p 、lj + 堕加钓 + + 坛i 监西 ，ll，ll o = i l l i d d d 玉， 五丝瑟 堡如k， + + 坠争盟升 = = 监矿监铲 d d 吆i 堑 一 喜 一 g 生碟 + 矿一， = 占 里堕型兰垫垄态兰堑耋圭堡篓堡篁塞 数，t = j 警是z 蠢缀波豹波速，其中d = 。要+ 等。式中矿蕊终热毫压，f 惩压邀片 厚度。 若只蠢终经彝摸叛动，亭，0 ，磊= 0 ，兰= 0 ，剃 磁巩，+ 毕f 等十7 i 百o e , 一纠 可鞋求黪缮 鲁2 福j t 2 m 式中氏i 跫溉电片鬻錾的，商位移，静彘t2 己| ，= 。，颤2 号是径离波翡波数，q = j 等是 径向波的波速。j t 是一阶贝塞尔函数，r 是压电片半径。 对于蠢疆尺寸懿压秀片，即压邀簸圆柱，实际上不存在缝露度模或缝径起穰，振蘸 是多模的。作为近 娃，骰浚：振动愈厚度模帮镪尚模构成，其它模可以忽略；厚度 模和径向模的位移，分别由式( 2 5 ) 和( 27 ) 表达，即二者之间，相互没有影响。式 ( 2 1 ) 、( 22 ) 、( 2 3 ) 及( 2 4 ) 仍然有效。于是采用类似予梅森等效电路的撼导方法， 可戳葵密二维豹等效宅游。整这辩嚣激片有三拿表掰，瑟上、下灞瑟帮铡瑟，霹 i 更主要 的是在三个寝面上的应力是不均匀的。因此，其作用于整个表面的总压力分别为： e = 一疋嚣，= 一盯览硝， 。= 一盯巧嬲 这里，d s 越嚣积萃元，浚经匿电片鹣泡流瑗在跫： 卜三照皿凼2 暑甄d ：订 鼻= 卜彘+ 南卜) 惦留铷惕v u 一： 耻 一是+ 南卜喙) + 磊落铷脚难制 巧【i = ，矿十z c i v l + v 1 1 ) + z 。v i l l ，= j c o c o v 一， ：v i 十v 1 1 ) 一，o v l l i 式中 ( 2 8 ) 第1 3 页 垦堕型兰垫查盔兰竺塑生堕兰堡竺苎 vj = 一善【，v i i = 一善i l ，v = 一点i i ”孚：车属舀 心2 丁2 ”2 了s 品。弘 ”嘞，邛积，乒翠； 乙= 妇2 k ： 。 z 。：( 2 积) 拿 耻i 弦一糕一等札曼) z r = ( 2 a z l 妇， ( 2 9 ) 獭椭撇黼t 2 丽e 3 3 叫码，赢黼 龇关于璩达式的第二项，容易证日月，吒e n e2 莉翻濮帕8 一景。 式( 28 ) 历代表的等效电路图如23 所示。图中附加了式中所不包含的元件z j 。 从图可以看出，二维等效电路的机械部分由两个支路组成。一个是厚度模支路，与梅森 等效电路相似，所不同的是f - 和f 。一分别是压电片上、下端面的总压力，他们不是压强 乘面积。另一个支路是径向模支路，附加元件z 刚便在这个支路里，两个支路通过一个 f 容性阻抗z 。= ( 2 斌) 二导，直接耦合，这只是弹性的耦合。两支路间显然还有电耦合。 月二 1 ：，lj r o c o z ， js i nk t l j z 鸿坠 图2 3压电短圆柱二维等敬电路图 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一般来说，压电圆片的两端面分别紧接背衬和负载，而侧面常是接近空载。在这种 情况下，如果假设厚度模振动所辐射的声波是平面纵波，则近似地 = 一积2 p f c n t f ：o = 一z f vj 气= 一积2 p 日c 日，六b = 一z 日v 【 ( 2 1 0 ) 鼻。= o j 这里下标f 和占分别代表与负载和背衬相对应，q 为纵波速度。 以上推导中，径向模只考虑径向对压电片侧面介质的影响，而没有考虑它对压电片 上下介质的影响。实际上，由于压电片和背衬通常是固体胶接的，压电片的径向振动必 然会导致在背衬中有额外的声波辐射。在负载这一方，压电片通常是用非粘滞液体与之 耦合，这时应当可以忽略径向振动对负载介质的辐射。但如果压电片和负载介质是固态 耦合或用高粘滞度液体耦台的，那便不应忽略以上诸多的辐射，并需要对由此产生的波 形影响作细致分析。现在，若假设径向振动对背衬和固接的负载只辐射平面横波。这时， 只需在等效电路的径向模支路中串入一个辐射阻抗： z 确d = z b 谢+ z n o d = ，吠2 p b c b s + 斌2 p f c f s ( 2 t 1 ) 这里c b s 、c f s 分别是背衬和负载中横波的波速。这便是图中附加元件z o 的由来。 和所有梅森等效电路一样，该二维等效电路，虽是由简谐假设推导出来的，但只要 运用傅立叶变换，就能用来计算压电片的瞬态行为，即应电压。 脉冲一回波方式工作的换能器，通常接收器与激励源是并联连接的，换能器在外加 信号激励下会直接产生起干扰作用的电信号，称之为应电压。设激励电源的瞬态电动势 为u ( t ) ，内阻为凡，则在二维等效电路中，引用式( 2 1 0 ) 后，利用理想变压器和电路 的计算方法，可以求出电容c 0 两端的电压，即应电压v ( t ) 。其传递函数为 v ( c o ) ：j 一一j ! 一( 2 1 2 1u ( c o ) l + j c o r s( 1 + j 脚c o r s ) ( 1 + j 国c o r s 十咫z 。) z 。 式中，乙为动生阻抗。 在上式中，第一项代表电源电压对钳制电容充电的电气回路的频率特性，而第二项 代表压电圆片受激振动再生的声电回路的