（检测技术与自动化装置专业论文）无串扰超声测距系统编码激励与回波处理.pdf

摘要超声测距系统中各换能器之间存在的干扰( 即串扰) 严重制约了测距的准确性。本文分析了超声串扰产生的原因。在保证测距系统实时性的前提下，为消除超声串扰，采用脉冲位置调制方式构造每个超声换能器的短发射序列，相关分析用于识别回波序列。介绍了产生伪随机数的混沌映射法及线性同余法，并对两种方法产生的伪随机数的统计特性进行了分析，找到了适合实时超声测距系统的伪随机数，并给出了脉冲占空比与各次谐波能量的对应关系。为提高相关效果，采用遗传算法对伪随机数调制的短序列脉冲间隔进行了优化。以超声测距系统的脉冲响应作为小波滤波器，构造了基于回波的正交小波函数，用于分析脉冲位置调制信号激励的超声换能器回波。利用该小波函数及其对应的尺度函数对回波序列作多尺度离散分解，并用所得的近似系数代替原回波作相关运算，在遗传算法优化的基础上，进一步改善了相关效果，缩短了发射序列的长度，提高了运算速度，并减小了测距的盲区。将小波变换与遗传算法结合，即将小波变换得到的近似系数相关结果代替回波相关结果作为目标函数，采用遗传算法优化脉冲位置调制范围，进一步提高了相关效果。实验结果表明，在合理配置脉冲间隔的情况下，采用构造的小波函数处理回波，可以缩短发射序列长度，减小测距盲区，提高实时性和测距准确度，从而实现无串扰实时超声测距。关键词：超声测距系统、脉冲位置调制、短发射序列、混沌映射、线性同余、遗传算法、小波分析a b s t r a c tt h ec r o s s t a l kb e t w e e nu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r sc a i ls e r i o u s l yr e s t r i c tt h ea c c u r a c yo fu l t r a s o n i cr a n g i n gs y s t e m ( e r r s ) n eu l t r a s o n i cc r o s s t a l ks o u r c e sa r ea n a l y z e d o nt h ep r e m i s eo fr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h eu r s ，t h ep u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n( p p m ) i sp r o p o s e dt oc o n s t r u c tt h es h o r tt r i g g e r i n gs e q u e n c ef o re a c hu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri no r d e rt oe l i m i n a t eu l t r a s o n i cc r o s s t a l k t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i si sa p p l i e dt oi d e n t i f yt h ee c h os e q u e n c e t h ec h a o t i cm a p p i n gm e t h o da n dt h em u l t i p l i c a t i v ec o n g r u e n t i a lm e t h o df o rg e n e r a t i n gp s e u d o r a n d o mn u m b e r sa r ei n t r o d u c e d 1 1 1 es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s en u m b e r sa r ea n a l y z e d a n dt h ep r o p e rn u m b e r sf o rr e a l - t i m en o n c r o s s t a l ku r sa r ef o u n d 1 1 1 er e l a t i o nb e t w e e np u l s e sd u t yc y c l ea n de n e r g yo fh a r m o n i cc o m p o n e n t sa r ed e d u c e d t oo b t a i nt h eo p t i m a lc o r r e l a t i o np e r f o r m a n c e ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sa d o p t e dt oo p t i m i z et h ed u r a t i o nb e t w e e np u l s e s t h ei m p u l s er e s p o n s eo fs o n a rs e n s o r si sn o r m a l i z e dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fw a v e l e tf i l t e rf o rf u n c t i o nc o n s t r u c t i o n , a n dt h e ni su s e da st h ew a v e l e tf i l t e r t h ew a v e l e tf u n c t i o nb a s e do ne c h os e q u e n c ei sc o n s t r u c t e da n du s e dt oa n a l y z et h ee c h o e so fp p mt r i g g e r i n gs e q u e n c e s t h ea p p r o x i m a t i o nc o e f f i c i e n t s o b t a i n e df r o mw a v e l e td e c o m p o s i t i o n , i n s t e a do ft h eo r i g i n a le c h o e s ，i su s e dt od oa u t o a n dc r o s s - c o r r e l a t i o n s t h er e s u l t sa r er e m a r k a b l yi m p r o v e d t h el e n g t ho ft h ep p mt r i g g e r i n gs e q u e n c ei ss h o r t e n e da n dt h eb l i n dr a n g i n gz o n ei sr e d u c e d u s i n gc o r r e l a t i o no fa p p r o x i m a t i o np a r ta so b je c t i v ef u n c t i o nt oo p t i m i z et h ed u r m i o nb e t w e e np u l s e sw i t hg a ，t h ec o r r e l a t i o np e r f o r m a n c eh a sb e e nf u r t h e ri m p r o v e d 1 1 1 er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h en o n - c r o s s t a l kr e a l t i m eu r sc a nb er e a l i z e dp r o v i d e dt h a tt h ed u r a t i o nb e t w e e np u l s e si sa d j u s t e dp r o p e r l ya n dt h ee c h o e sa r ep r o c e s s e db ys u i t a b l ew a v e l e t k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cr a n g i n gs y s t e m ( e r r s ) ，p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，s h o r tt r i g g e r i n gs e q u e n c e ，c h a o t i cm a p p i n g ，m u l t i p l i c a t i v ec o n g r u c n t i a l ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，w a v e l e ta n a l y s i s图表目录图1 1 超声阵列内部串扰：2图1 - 2 超声阵列外部串扰2图1 3 脉冲调制方式6图2 1 静电换能器示意图1 2图2 - 2p o l a r o i d6 0 0 系列换能器波束角1 4图2 3p o l a r o i d6 0 0 系列换能器收发特性1 4图2 _ 4 平面波的反射和折射1 5图2 5 入射角与声强反射系数的关系1 6图2 - 6 超声内部串扰产生示意图。1 6图3 - 1 基于l o g i s t i c 混沌满映射输出的伪随机序列1 8图3 2 混沌映射分布1 8图3 3 伪随机数统计检验流程图2 0图3 _ 4 各种同余法产生1 0 0 0 点伪随机数的递归映像图2 l图3 5 两种同余方法产生伪随机序列的均匀性2 3图4 1 脉冲幅度、宽度和位置调制示意图2 6图4 2 两路脉冲位置调制信号的时分复用2 7图4 _ 3 伪随机脉冲位置调制原理2 7图4 _ 4 上升沿与下降沿及对应的回波2 8图禾5 不同宽度的脉冲信号及其对应的回波2 9图禾6 占空比与脉冲谐波能量分布关系3 0图4 啊7 脉冲位置调制信号波形及其频谱( 脉冲间隔f 2 f ) 3 0图禾8 两组回波序列的相关结果( 脉冲间隔f 2 f ) 3 1图4 9 脉冲位置调制信号波形及其频谱( 脉冲间隔4 f 8 f ) 3 2图4 - 1 0 两组回波序列的相关结果( 脉冲间隔4 z 8 f ) 3 2图4 - l l 遗传算法优化p p m 序列流程图_ 3 6图4 - 1 2 无串扰超声测距系统激励方法流程图：3 8，j 图4 - 1 3 载波信号x ：。3 8图4 - 1 4 优化前p p m 序列及回波的相关结果3 9图4 - 1 5 优化后p p m 序列及回波的相关结果：4 0图5 1d b l o 小波函数及其频谱一j 4 5图5 2d b l 0 尺度函数及其频谱4 5图5 3 信号的频域分解处理示意图4 6图5 - 4 信号分解的级联示意图4 6图5 5m a l l a t 分解算法示意图4 8图5 - 6 基于脉冲响应的小波函数、尺度函数及分解和重构滤波器组5 l图5 7p p m 序列、回波序列及其时频分布5 2图5 8 响应无叠加序列小波变换5 3图5 - 9 两路响应无叠加发射序列及其回波用小波处理前后相关结果对比5 4图5 1 0 响应有叠加序列小波变换5 5图5 1 1 两路响应有叠加发射序列及其回波用小波处理前后相关结果对比5 6图6 - 1 基于d c d c 模块的超声发射与回波接收电路原理框图5 7图6 2 实际d s p 发射序列及其对应的超声测距系统模型的输入5 8图6 32 m s 未优化c p p m 序列及其回波的相关结果5 9图6 _ 42 m s 优化后c p p m 序列及其回波的相关结果6 0图6 52 m sc p p m 序列回波近似系数相关结果6 0图6 - 6 遗传算法与小波变换结合优化2 m sc p p m 序列及其回波相关结果6 l图6 7o 5 m s 未优化c p p m 序列及其回波的相关结果6 2图6 80 5 m s 优化后c p p m 序列及其回波的相关结果6 3图6 - 90 5 m sc p p m 序列回波近似系数相关结果6 3图6 - 1 0 遗传算法与小波变换结合优化o 5 m sc p p m 序列及其回波相关结果6 4图6 - 1 12 m s 未优化p p p m 序列及其回波的相关结果6 7图6 - 1 22 m s 优化后p p p m 序列及其回波的相关结果6 8图6 1 32 m sp p p m 序列回波近似系数相关结果6 8图6 1 4 遗传算法与小波变换结合优化2 m sp p p m 序列及其回波相关结果6 9图6 1 50 5 m s 未优化p p p m 序列及其回波的相关结果7 0图6 1 60 5 m s 优化后p p p m 序列及其回波的相关结果7 1图6 - 170 5 m sp p p m 序列回波近似系数相关结果7 1图6 一1 8 遗传算法与小波变换结合优化o 5 m sp p p m 序列及其回波相关结果7 2图6 1 9 渡越时间法测距原理7 4图6 - 2 0 测量距离与实际距离关系图7 5图6 2 1 测距误差7 5表3 1 三种同余法产生1 0 0 0 点伪随机数样本相关系数检验结果2 2表3 - 2 乘加同余法和取中方法产生伪随机数的统计量与理论临界值2 3表3 3 乘加同余法产生的伪随机数参数检验结果2 4表6 - 12 m sc p p m 序列对应回波的相关结果6 1表6 - 20 5 m sc p p m 序列对应回波的相关结果。6 4表6 3l6 个混沌满映射初值6 5表6 41 6 路c p p m 序列回波处理结果6 6表6 52 m sp p p m 序列对应回波的相关结果。6 9表6 _ 60 5 m sp p p m 序列对应回波的相关结果7 2表6 _ 71 6 个线性同余法伪随机序列初值7 3表6 - 816 路p p p m 序列回波处理结果7 3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写芦的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其鸲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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：兰步莹签字日期：加占年多月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权：苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：兰竹荣导师签名：，j ，必p签字p 期：即8 年月五同签字日期：似挥石月了同第一章绪论1 1 研究背景与意义第一章绪论随着自主导航系统的日益完善和移动机器人成本的降低，移动机器人技术得到了越来越广泛的应用。移动机器人是一种在复杂环境下工作的具有自规划、自组织、自适应能力的机器人，由于其广阔的应用前景，目前已经成为机器人研究领域的一个重要分支。移动机器人智能化的一个最基本，也是最重要的表现是能够自主行走、自动躲避障碍物，其行为可以根据所处的已知环境预先进行规划，由一系列运动加以描述。但是实际环境中存在的人或物往往是运动的，而且环境只是局部己知的，移动机器人的行为不能完全依照预定的规划实现目标，因此控制中不可缺少的一部分就是探测周围环境的感知系统，利用各种传感器采集环境信息，实时调整机器人的行为，增强对实际环境的适应性。对于移动机器人来说，及时收集障碍物位置信息( 主要指机器人与障碍物的距离及方位信息) 具有重要意义。如果移动机器人不能及时地收集周围障碍物的信息，就会影响其判断，有可能撞上障碍物，从而对机器人和障碍物造成毁灭性的破坏。移动机器人有多种方法采集周围环境信息，例如用激光进行全景扫描，对于近距离使用红外光电设备进行测距和避障，对于中距离使用超声传感器进行测距和避障。超声传感器【l - 3 】以其价格低廉、硬件接口简单、测距准确等优点，被广泛用作移动机器人的测距传感器。超声测距是一种非接触的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境中具有一定的适应能力，它比激光测距更容易获得近距离的环境信息，而且相对于激光传感器有很大的价格优势。所以超声传感器已成为移动机器人感知环境信息必不可少的一种传感器，与视觉、红外、激光等传感器共同组成移动机器人的传感系统。目前移动机器人所配备的超声测距系统主要基于渡越时间( t i m eo f f l i g h t )法测距，此法用超声波的传播速度v 乘以超声发射至回收的时间t ( 即：渡越时间) 再除以2 来获得机器人与障碍物之间的距离( 即：d = v * t 2 ) 。由于每个换能器都有一定的波束角，为感知周围3 6 0 0 范围内障碍物的信息，移动机器人需要配备多个相同工作频率的超声换能器以组成一个环状【4 】。当这些换能器同时工作时就会出现一些问题，最突出的就是超声串扰问题。超声串扰【5 j 就是指多个超声第一章绪论传感器同时工作时，其中一个换能器接收到的回波信号是其它换能器发射或反射的超声波，并非是自己发射超声波的回波。根据发射换能器和接收换能器是否属于同一个超声传感器阵列，串扰又可分为内部串扰和外部串扰。所谓内部串扰，是指换能器接收到的超声回波是由同一个超声传感器阵列内的其它换能器发射的超声遇到障碍物后返回的，如图1 1 所示。而外部串扰是指换能器接收到的超声波是由本超声传感器阵列以外的换能器发射的超声波( 或遇到障碍物后的回波) ，见图l - 2 。超声串扰现象出现时，机器人感知周围障碍物的信息不准确，导致其下一步动作发生错误，极有可能撞上障碍物，后果非常严重。一“。、璺警一、k 一阵列l、。t l 阵列：图1 1 超声阵列内部串扰图1 2 超声阵列外部串扰超声测距系统可分单回声和多回声工作方式。所谓单回声，是指当接收换能器收到第一个到达的超声回波序列且回波序列的能量超过给定阈值后即结束，同时根据声速和超声渡越时间计算出距离。所谓多回声，是指超声换能器能对多个回波序列进行接收，这样可测出机器人与多个不同反射物的距离。不管是单回声还是多回声方式，当超声串扰出现时，若接收换能器无法识别收到的超声信号是否为其自身发射信号的回波，就很难避免错误的距离测量。因此，必须寻找方法来解决移动机器人实时导航用多个超声传感器同时工作时存在的超声串扰问题。1 2 文献综述串扰几乎发生在所有的多超声传感器系统中，尤其是存在光滑表面的环境中。而且，对于内部串扰源，如果反射表面和超声传感器系统的相对几何关系不发生明显改变，错误测量就会重复发生。为了消除同一个测距系统中多个超声换能器之间的串扰，最简单的方法是依次激励换能器或交替发射信号【6 j ，但这种方法的效率很低，机器人全景扫描一周要花费很长时间，不适用于对实时性要求较高的场合。换能器也可以在不同的频率工作，这样它们能同时发射又能区分彼此的回波，但般超声换能器的带宽很窄，因此当换能器数目较多时此法会受到限制。2第一章绪论针对机器人实时导航系统测距用超声换能器工作时存在的串扰问题，在过去的一些年内，国内外学者提出了不同的消除方法，本文主要从国外研究现状和国内研究现状及成果两方面介绍。1 2 1 国外超声串扰消除研究现状随着消除超声串扰技术研究的不断深入，再加上硬件设施的日趋完善，实时超声测距装置正得到越来越广泛的应用，国外超声串扰消除方法的研制处于领先水平。b o r e n s t e i n 和k o r e n 较早地提出了“错误消除快速超声激励”( e e r u f ) 法t 。7 1 ，针对两种不同的串扰信号，此法采用“连续读数比较”和“交替延迟比较”分别消除外部和内部串扰。“连续读数比较”法是比较来自同一个换能器的连续两个读数。如果是“好”的测量读数，即不是由噪声产生的，那么连续两个读数之间的差一般很小( 由于换能器系统有限的离散分辨率，一般不能假设差为零) 。因为外部噪声源与机器人内部的激发间隔不同步，所以一个外部错误读数( 即由外部信号源带来) 近似等于以前的读数是不太可能的( 不管以前的读数是“好”的，还是噪声产生的) 。这种比较连续读数的方法能识别并消除多数外部错误读数。“交替延迟比较 法是指每个换能器在接收到一个回波并等待一个短延迟后重新发射，且对每一个换能器短延迟时间都是不同的。适当地选择这个短延迟时间，可以使得串扰产生的两个错误连续读数之差大于一个时间阈值，从而串扰现象可以被识别并消除。e e r u f 的优点是实现起来比较经济，不需要特殊的硬件，其缺点是不能彻底消除串扰。要想从根本上消除串扰现象，一个比较有效的方法是基于硬件的编码法，即通过编码给每个超声换能器赋予一个独特的标志，使每个换能器发射的信号各不相同，这样通过回波匹配或相关技术就可以识别出自己的回波。s h r a g as h o v a l 和j o h a n nb o r e n s t e i n 提出为超声传感器编码瞄j 的方法来解决超声串扰，就是为每个超声传感器分配一个特殊的编码，每个超声发射的脉冲个数由分配的码决定，这样即使回波信号被别的超声传感器接收，也能识别是哪个超声传感器发射的。发射物的距离可以由几何插值( g e o m e t r i ci n t e r p o l a t i o n ) 的方法计算出来。接收到的其他超声传感器的回波可以用来计算发射物之间的相对距离，把超声串扰不作为一种负面影响，而是将串扰作为有用的信息，从而使系统更加可靠和精确。但是它在发射超声时沿用了e e r u f 的交替发射方法，并不是同时发射，而且对障碍物之间的距离有要求。编码法允许多个超声换能器同时工作，从而可以大幅度地提高超声传感器系统的工作效率。但此法一般需要相应的硬件支持，从造价角度考虑比软处理法要第一章绪论贵些。伪随机序列是具有某种随机特性的确定序列，其自相关函数尖锐、任意两个伪随机序列的互相关函数平坦，所以被一些学者用来消除超声串扰。j s r g 和b e r g 采用一般的伪随机序列消除超声串扰【9 】，在超声发射端通过d s p 处理板上的d a 转换器，将伪随机数字序列转换成模拟电压来激励超声换能器，在接收端采用匹配滤波技术来识别接收到的回波信号是否为自己发射的，从而消除串扰。b a r k e r 码、g o l a y - f f 卒l 序列对【l 卜1 3 】等也已被一些学者所使用。b a r k e r 码长度较短、种类也有限，因此在使用中受限；g o l a y 互补序列对在实际实现中硬件较复杂。混沌序列是一种非周期的序列，其自相关函数尖锐，来自不同混沌系统的序列，或来自同一混沌系统但不同吸引子的序列，或来自同一吸引子但不同部分的混沌序列之间互不相关。这些特性为基于混沌编码的超声串扰消除提供了新的途径。f o r t u n a 和他的同事【1 4 】借用混沌通信领域中的混沌脉冲位置调制( c p p m ) 方法来消除超声串扰。c p p m 的思想是产生一系列脉冲，相邻脉冲之间的间隔按混沌规律调整。文献 1 4 1 中的超声信号由变压器激励，混沌信号由蔡氏硬件电路u 6 j 产生。混沌脉冲位置调制方法减小了测距的盲区，提高了测距精度，但发射序列太长，为2 0 0 m s ，不能满足机器人避障对实时性的要求。1 2 2 国内超声串扰消除研究现状目前国内超声串扰消除方法的研究主要采用引进加改进等手段，并且有所创新。尝试了多种伪随机序列在消除超声串扰中的效果，并引进了多种调制方式，以适应所用超声换能器的特性，得到更好的相关效果和更大的能量利用率。由于伪随机数具有良好的相关性和独立性，近年来，国内越来越多的学者把伪随机数应用于工程中，解决了不少实际问题。另外，应用不同的调制方式也可以产生不同的发射序列。李扬和李晓明利用m 序列伪随机码的随机性和周期性m j ，将其应用于控制测距回答概率，极大地提高了测距器地面应答器的准确性。潘仲明等研究了超声波扩频测距技术【1 8 】【1 9 】，采用伪随机码扩频解扩方法，提高了超声测距系统的分辨率和测量范围，但没有考虑到发射序列长度对相关结果和系统实时性的影响，不适用于对超声避障实时性要求较高的场合。另外，该作者还设计了一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路，提高了超声换能器的测距范围。、程晓畅等应用伪随机二进制序列进行超声扩频n 距t z 0 t 2 1 1 ，优化了发射电路，提高了超声波的作用距离，但该种方法相关效果不甚理想。黄增荣等对基于伪随机序列的扩频法超声波测距中渡越时间捕获的方法瞄】【2 3 1 进行了研究，提高了渡越时间测量的准确性。葛万成等采用伪随机二进制序列信号作为发射信号【2 4 儿2 5 1 ，对计算相关函数的两步相关算法进行了深入研究，显著减少了数据处理时间。重4第一章绪论庆大学唐朝伟等对一个伪随机序列用于目标检测【2 6 1 时的特性作了研究，采用扩频技术实现了超声多目标检测及干扰抑制，但对应用多伪随机数序列的多超声换能器没有作深入地探讨。专利“伪随机超声波测距的方法及其测距仪( 专利申请号：9 5 1 l1 5 3 5 9 )提供了一种超声测距方案，该方案利用方形包络脉冲调制波作为发射波，伪随机数控制载波信号的通断时刻和通断时间的长短。该方法能够消除环境杂波的影响，使超声波测距的探测能力、分辨能力、准确度等性能得到提高。这种方法有一定的消除干扰的能力。但此法成功的前提是发射的伪随机激励序列必须具有非常好的自相关性能。而伪随机序列是一种周期序列，如果信号的周期小于渡越时间，将会产生距离模糊，因此限制了超声波的最大可测距离。另外，此发明没有考虑实时性问题，即发射序列的长度没有优化；且此发明中所提发射序列的脉冲宽度也是随机变化的，影响了发射信号的能量。太原理工大学杜艳生和杨斌虎的硕士学位论文均涉及应用二进制伪随机m序列进行超声测距【2 7 儿2 8 】，证实了二进制伪随机皿序列在超声测距中应用的可行性及优点，但并未涉及到序列长度及相关结果方面的研究，未考虑实时性问题。天津大学张跃在其硕士学位论文中提出了应用伪随机调频脉冲序列【2 9 】消除超声串扰的方法。此序列由1 6 个固定宽度的高电平脉冲组成，两个相邻脉冲之间的低电平持续时间是由伪随机数决定的，该方法在一定程度上可消除超声串扰，但由于没有考虑到测距系统的中心频率和线性特性，脉冲宽度的选择没有特定的标准，致使回波能量损失较大，另外，没有考虑到两个相邻脉冲之间的低电平持续时间的范围对相关结果的影响，使得相关效果不太理想。专利“混沌脉冲序列超声测距方法和装置”( 专利申请号：2 0 0 6 1 0 0 1 4 7 8 6 8 ，公开号：c n l 8 8 8 9 3 2 ，专利申请人：孟庆浩，梁琼，姚凤娟) 利用微机系统生成混沌脉冲宽度调制序列来激励超声换能器。脉冲序列宽度可灵活地运用伪随机数或混沌数调制。该发明专利给出了三种调制方式，如图1 3 所示。第一种方式( 图1 3 ( a ) ) ：脉冲序列的宽度和两个脉冲序列之间的低电平的宽度一起变化；第二种方式( 图1 3 ( b ) ) ：脉冲序列的宽度不变，两个脉冲序列之间的低电平的宽度改变；第三种方式( 图1 3 ( c ) ) ：脉冲序列的宽度改变，而两个脉冲序列之间的低电平的宽度不变。该发明专利提出的方法具有抗干扰能力强，可测距离大，测距精度高的优点。但没有考虑发射序列长度对测距系统实时性的影响。第一章绪论几几几r 几几门几几几一( a ) 调脉冲个数几几几几r 几几r ( b ) 调低电平宽度( c ) 调脉冲个数和低电平宽度图1 3 脉冲调制方式孟庆浩等总结了抑制超声串扰的方法，将之归结为软处理法和基于硬件的编码法【3 0 】两大类，详细分析了超声串扰产生的原因。针对测距系统的选频特性和惯性，提出了应用伪随机调频脉冲序列 3 1 】和跳频伪随机序列 3 刁解决超声串扰的方法，这两种方法可在一定程度上解决超声串扰问题，但相关效果不太理想且没有考虑发射序列长度对系统实时性的影响。1 - 3 研究思路本文针对所用换能器的特性，利用不同的伪随机序列及脉冲调制方式，得到多组发射序列。以提高能量利用率，改善相关结果，减小测距盲区为主要目的，从声学理论及超声换能器的特性出发，分析超声波在空气中传播时的能量衰减特性和换能器的波束角特性，给出所用换能器个数与所测范围之间的关系。在伪随机数的选择方面，介绍了产生伪随机数的几种方法并对产生的伪随机数进行统计检验，找到了适用于超声换能器的伪随机序列。利用脉冲位置调制方式将伪随机信息放于脉冲之间，从而得到发射序列。根据所用换能器的中心频率确定脉冲宽度，并以相关结果作为优化指标，采用遗传算法对调制范围进行优化，得到相关特性较好的脉冲位置调制序列，将其用于激发多路换能器，消除了超声串扰。为了进一步改善相关结果，减小测距盲区，引入了小波变换来分析回波序列。以超声测距系统的脉冲响应作为小波滤波器，构造了正交小波函数，用于分析脉冲位置调制序列激励的换能器回波。利用该小波函数及其对应的尺度函数对回波6第一章绪论序列作多尺度离散分解，所得的近似部分祛除了脉冲响应，很好地保留了回波中的随机信息，且数据量较原回波减少了一半。用近似系数代替原回波序列作相关运算，极大地改善了相关效果，缩短了发射序列的长度，提高了运算速度，并减小了测距的盲区。，1 4 主要贡献本文针对调制发射序列所用的伪随机序列，调制范围及信号处理方法对抑制超声串扰结果的影响，提出了选择伪随机序列的方法，将最优伪随机序列应用脉冲位置调制方式构造发射序列，并用遗传算法对发射序列脉冲位置的调制范围进行了优化。在回波处理阶段采用相关方法消除超声串扰的影响，并用小波变换对信号进行分解，用所得近似系数代替原回波作相关运算。将仿真和实验相结合，取得了以下几个方面的成果。( 1 ) 分析了超声换能器原理及超声串扰的产生机理，为超声信号分析和优化提供了理论指导。( 2 ) 分析了伪随机序列的产生方法及其统计特性，找到了适合超声测距系统的伪随机序列。( 3 ) 将脉冲位置调制方式应用于解决超声串扰问题，并用遗传算法优化了脉冲位置调制的范围，得到了相关结果较好的多路发射序列。( 4 ) 首次将小波变换应用于回波信号分析，构造了基于超声测距系统脉冲响应的小波函数，将其应用于回波的分析，减小了测距盲区，节省了运算时间，改善了相关效果。1 5 内容安排本文各章的安排如下：第一章绪论，简要介绍了超声串扰的研究意义和背景，以及现有超声串扰的解决方法，同时对本课题研究内容及作者在其中的主要贡献作了概括。第二章超声换能器原理及超声串扰的产生机理，分析了超声特性，静电换能器原理及超声串扰的产生机理。r、第三章伪随机序列的产生与选择，介绍了两种产生伪随机序列的方法并分析了各自的特征。第四章脉冲位置调制方式及调制范围的遗传算法优化，将脉冲位置调制方式应用于解决超声串扰问题，确定了脉冲宽度和脉冲位置调制的范围。第一章绪论第五章回波序列的小波分析，应用超声测距系统的脉冲响应构造了小波函数，并用其分析回波特性，极大地提高了相关效果。第六章实验结果及处理，将以上所提方法用于实验中，验证其正确性。第七章总结与展望。对全文作了总结，并提出需要完善的地方及下一步的研究目标。1 6 本章小结本章简要介绍了抑制超声串扰的研究背景，以及现有解决超声串扰问题的方法，同时对本课题研究内容及作者在其中的主要贡献作了概括。第二章超声换能器原理及超声串扰的产生机理第二章超声换能器原理及超声串扰的产生机理2 1 超声波理论基础声学是一门研究声波的产生，传播，接收以及物质相互作用的科学。声是一种机械扰动在气态，液态，固态物质中传播的现象。声波的振动频率范围很广，为1 0 4 1 0 1 4 h z 。频率在2 0 k h z 2 0 0 0 0 舷的声波称为超声波删。根据波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系，可将波动分为多种波型，超声波检测中主要应用的波型有纵波，横波，表面波和兰姆波1 3 4 j 。在超声测距中主要应用的波形是轴向的平面波，即纵波。在超声波传播过程中，被超声所充满的空间称为超声场。与超声波的波长相比，如果超声场很大，这时超声波就像处在一种无限的媒介中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻媒介的尺寸相近，则超声波受界面限制不能自由地向外扩散。用来描述超声场的特征量主要包括声速、声压、声阻抗与声阻抗率等。超声场的物理性质主要有反射与折射，衰减与吸收，叠加与干涉等【3 5 】。超声场的这些物理特性都对超声回波有直接影响。声压是指在声波传播的介质中，某一点在某一时刻所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差。超声场中，每一点的声压是一个随时间和距离变化的量。对于无衰减平面余弦波来说，声压可表示为：p = - p c a c o s i n c o ( t x c ) = p c u( 2 - 1 )式中p 表示介质密度；c 表示介质的声速；a 为质点位移振幅；国表示振动的角频率；u 表示介质中质点振动的速度；p c a o j 是声压的幅值。声速是声波在弹性媒质中传播的速度。目前机器人导航用超声换能器发射的超声一般在气体中传播，由于气体没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体中声波的传播形式只能是纵波，即质点运动的方向与声波传播的方向一致。对任意情况下的一般气体，即使在线性声学条件下，其声速的表达式也很复杂。在一般的工程问题中，都利用理想气体声速的表达式。c = 厮= 而= 坜而西9( 2 - 2 )第二章超声换能器原理及超声串扰的产生机理式中，露。为气体的绝热体积压缩系数，其定义为绝热情况下，单位压强变化引起的体积相对变化；风为理想情况下的介质密度；异为周围环境的压力；r 为摩尔气体常数；t 为绝对温度；m 为气体的分子量；，为气体的定压比热与定容比热之比。空气中的声速，在温度为2 7 3 1 6 k ，p o 为1 0 5p a ，含有0 0 3 摩尔的二氧化碳且无水分时，采用如下的数据：c 。= ( 3 3 1 4 5 0 0 5 ) m s 。其他条件保持稳定时，气体的声速随温度的变化为正温度系数。温度不同时，空气中的声速为( 2 3 )式中，c o = 3 3 1 4 5 m s ；r o = 2 7 3 1 6 k 。由式( 2 1 ) 知，在同一声压的情况下，彤越大，质点振动速度u 越小；反之印越小，质点振动速度u 越大，所以把印称为介质的声阻抗，它反映介质的声学性质。如果相邻的两种介质声阻抗不同，超声在这两种介质中传播的情况就不同，超声波入射到这两种介质交界面时，就会引起反射，透射等现象。当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波。声波的这一性质是超声测距的物理基础【3 6 1 。超声测距系统中，希望反射波与透射波能量的比值尽可能大。这样才能有较多的能量被反射回来，从而被换能器接收。为了研究反射波与透射波之间的能量关系，引入声强反射率r 与声强透射率丁两个概念。声强反射率尺是反射波声强( i ，) 与入射波声强( i o ) 之比；声强透射率丁为透射波声强( ，。) 与入射波声强( i 。) 之比。由声压和声强的关系式可得下式：r = l i o = r 2 = ( z 2 - z i ) ( z 2 + z 1 ) 】2t = i ：? i o = ( z l p t 2 、) 攻z 2 p 0 2 、= 4 2 2 z l ( z 2 + z 浮( 2 - 4 )( 2 - 5 )其中，z 。为第一种介质的声阻抗；z ：为第二种介质的声阻抗。根据能量守恒定律，7 0 = i ，+ ，由上式可得尺+ t = 1 。因此，界面两侧介质声阻抗的差异决定着反射能量与透射能量的比值。差异越大，反射能量越大，透射能量越小。当界面两侧介质声阻抗非常接近时，反射率几乎为零，声波接近于完全透射。l o第二章超声换能器原理及超声串扰的产生机理声场指向性是指使超声波的声压朝一个方向发射的特性。声场指向性常用表示指向性尖锐程度的角表示。有限晶片尺寸的平面声源发射的超声波束以一定的角度向外扩散。在声束截面上，中心轴线上的声压最大，随扩散角增大而减小，当声压减小到零时的扩散角称为第一零辐射角( 也称半扩散角) ，常用吼表示，有下列关系：0 0 = a r c s i n ( 1 2 2 ；i , d )( 2 - 6 )式中，a 为波长，d 为压电晶片直径。从公式( 2 6 ) 可以看出：声波频率越高，波长越短，半扩散角越小，声场指向性越好；压电晶片尺寸越大，半扩散角越小，声场指向性越好。另外，声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱，这种现象就是声衰减。超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数规律衰减。在平面波的情况下，距离声源x 处的声压尸和声强，的衰减规律如下：p = p o e 一钿，i = ix e q b( 2 - 7 )式中，r ，。分别为距离声源x = 0 处的声压和声强；x 为超声波与声源间的距离；a 为衰减系数。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散，散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。气体对超声能量的吸收是由于粘滞效应和热传导，声能的吸收随着频率升高而迅速增大。2 2 静电换能器原理换能器是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。在声学领域，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的相互转换。通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送来的电振荡信号将引起换能器电储能元件中电场或磁场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。接收声波的过程正好与此相反，在接收声波的情第二章超声换能器原理及超声串扰的产生机理况下，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能嚣的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。超声换能器是工作频率在超声波频率范围内的换能器。按照能量转换的机理和利用的换能材料，超声换能嚣可分为压电换能器，磁致伸缩换能器，静电换能器，机械型超声换能器等。其中静电换能器以其较宽的频带被广泛应用于扩频测距系统中。-_ i一p “【o凰。卜j 一rj j 渤彩勃彩，一图 1 静电挠能器示意图静电式超声换能器包括电容换能器，s e l l 换能器和驻极体换能器等，这类换能器一般由金属薄膜( 或涂有金属层的介电薄膜) 和背电极组成。在薄膜和背电极之间加上一偏置电压，当声波作用于薄膜表面时，薄膜受迫振动，改变薄膜和背电极之间的电容量，进而引起薄膜和背电极间电压的改变。电容量的变化与声压的大小有对应关系，这就是电容换能器的接收机理。反之，当在电容换能器上加一交变电压时由于静电相互作用，薄膜受迫振动而向空间发射声波p ”。从原理上讲，静电换能器就是一个电容器，图2 1 为静电换能器示意图。其电容量为嘧筹其中，5 0 为介电常数，s 为每一极板的面积，x 。为两极板的距离有一个电极振动时，电容量变为c 出，= 而6 0 s = c o l ，+ 刳弘，式中，知为稳态值，缸f ) 为微小变化。假设振动非常小，即 巾) 】2 5 0 ) ，取统计量“，= 一f 岛渐进服从标准正态分布n ( 0 ，1 ) 。给定显著水平口，记z i 一口为n ( 0 ，1 ) i 拘_ l z a 临界点，则当l , t i z 1 一n 时，拒绝h o ；否则接受风。对容量为1 0 0 0 的不同方法产生伪随机数样本进行相关检验。取显著水平a = 0 0 5 ，当i u ，i z 2 吨( k 一1 ) ，则拒绝h o ，否则接受日o 。一些学者建议将子区间数k 取为1 0 0 以上，但需要保持每个子区间内的理论频数n k 大于5 。对于大的k 值，可用下式计算z 2 ( k 1 ) 的临界点值。2 唯棚 一志+ 气高p 式中z 。为标准正态分布的上侧a 分位数。显著水平分别为o 1 0 、o 0 5 、0 0 2 5 、0 0 l ，容量为1 0 0 0 ，区间个数为1 0 0 ，检验乘加同余法和取中方法产生的伪随机序列的均匀性。表3 2 乘加同余法和取中方法产生伪随机数的统计量与理论临界值沁0 1 00 0 50 0 2 5o 0 1理论临界值1 1 7 4 0 2 41 2 3 2 2 3 41 2 8 4 2 5 41 3 4 6 5 4 2实际统计量( 乘加法)10 8 2 0 0 0实际统计量( 取中法)1 2 2 8 0 0 0表3 2 为均匀性检验结果，从表中可以看出，在显著水平为o 1 0 时乘加法产生的伪随机数就能通过均匀性检验，而取中方法产生的伪随机数在同样的显著水平下不能通过检验，而当显著水平减小到o 0 5 时才能通过。这表明乘加同余法产生的伪随机数的均匀性好手取中方法产生的伪随机数。( a ) 乘加同余法( b ) 取中方法图3 5 两种同余方法产生伪随机序列的均匀性第三章伪随机序列的产生与选择图3 5 给出了以上两种方法产生伪随机数的直观分布。其中，随机数个数取1 0 0 0 0 ，将区间 o ，1 划分为l o 个区间，横坐标的1 表示区间( 0 , 0 1 】，2 表示区间( o 1 ，0 2 】，依次类推，纵坐标表示随机数出现在该区间的频率。从该图中也可以看出，乘加同余法的均匀性比较好，在各个区间的分布概率基本上相等，而取中方法产生伪随机序列在各个区间的分布概率差别较大。3 4 4 参数检验乘加同余法产生的伪随机数能够通过独立性检验和均匀性检验，下面将用更严格的检验方法一参数检验来验证此种随机数的统计特性。通常采用u 检验方法，检验 o ，1 区间均匀随机数的下列样本统计特征值与其总体理论值之间的差异是否显著。尹= 去；喜_ ，f 2 = 专姜2 ，s 2 = 芸j 姜c l 一三，2c 3 ，按 o ，1 均匀分布，可求得e ( 力= 1 2 ，d ( f ) = l ( 1 2 n )，e ( f 2 ) = 1 3d ( f 2 ) = 4 ( 4 5 n ) ，e ( s 2 ) = 1 1 2 ，d ( s 2 ) = 1 ( 1 8 0 n )用“检验公式，则相应检验统计量分别为。=f-e(f)=4i2-n(u1 4 d ( v )尹一马21 = = = = =厂一一ju ：= 暑= 三2 廊酽一马3，= ；= = 三= = = 一4 ，川l ，。一一ld ( f 2 )驴弩筹= 厕1 8 0 n 4 d ( s妒一