CN101339248A - 一种扩大超声信号和红外信号接收角度和距离的方法、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扩大超声信号和红外信号接收角度和距离的方法、系统，其特征在于在超声和红外测距或定位系统中，设计了新型的全向的超声接收器、干扰超声吸收装置/结构以及通过红外透镜扩大红外信号的接收范围的装置，并可以将这几种设备进行结构复合，获得接收范围大、有效抗干扰的全向超声收集器。
Description
技术领域
本发明涉及超声和红外测距或定位的装置，具体涉及在超声测距或定位装置上，改进超声信号接收的角度和距离的声学设计方法和装置，以及通过使用红外透镜来扩大红外信号的接收角度和距离的方法和装置。
背景技术
超声测距和定位装置已经取得了广泛的应用，比如用于机器人视觉中，特别是最近几年在电子白板系统(包括复印式电子白板和交互式电子白板)中的应用，如附图1所示。
一个超声测距或定位系统大概包括两部分：发射部分和接收部分。超声测距/定位有两种模式：
一种是收发一体的，如倒车雷达，是指超声发射部分和接收部分在一个设备上，如图2所示。当发射出的超声信号，碰到障碍物被反射回后，通过测量发射信号和接收到返回信号的往返时间差，从而确定障碍物到设备的距离。如果装置上有两个或两个以上的超声接收传感器，就能测得障碍物距离这两个超声传感器(transducer)的距离，根据这两个距离和两个传感器在装置上的固定距离，我们就能定位障碍物。
还有一种是收发分开的，如图3所示。通常发射端是超声信号源，发射超声和红外信号，信号在介质中传输一段距离L后，被超声红外接收器，并通过信号处理器进行计算信号传输的距离。如果装置上有两个或两个以上的超声接收传感器，就能测得超声信号源距离这两个超声传感器(transducer)的距离，根据这两个距离和两个传感器在装置上的固定距离，我们就能定位超声信号源。这种收发分开的超声红外定位器，除了超声信号，还必须要有红外信号才能测距和定位。
附图1示例了一个电子白板系统的基本组成：超声波和红外信号发射笔、两个超声波和红外信号接收器及其测距模块和电子白板软件所在的计算机。现有的超声波接收器或者红外接收器普遍存在超声感应定向性、抗干扰超声能力弱、超声/红外信号的接收范围狭小等问题。
超声接收传感器一般都不是全向的。如图4所示，将超声接收传感器的接收面对着超声波的传播方向，超声波传播方向和超声接收传感器的接收面之间的夹角越小，超声接收传感器对这个方向上的入射超声波的声电转换效率就越低(增益越低)，所产生的电信号就越小；超声波传播方向和超声接收传感器的接收面之间的夹角越大，特别是超声接收传感器对垂直于接收面的入射超声波的声电转换效率最高，产生的电信号就最大。
在收发分开的超声测距装置中，红外接收传感器一般也是有向的。如图5所示，红外接收传感器光电转化增益是红外线的入射方向的函数。大于一定的角度，比如60度，即使很强的入射光，也产生不出幅度明显的电信号。
对于一个实用的超声测距或定位系统，因为目标(障碍物/超声信号源)可能出现于超声和红外接收传感器的任何方向，所以有必要采用全向的超声接收传感器。对于收发分离的超声测距或定位系统，为配合全向的超声接收，红外接收的角度也需要扩大。
发明内容
本发明提出了一种超声收集器，通过它，传统的有向超声接收传感器(directional ultrasonicreceiver)能变成一个全向的超声接收器，能接收到来自各个方向的超声信号；同时我们还设计一个干扰超声吸收装置/结构，这种结构能有效地阻挡来自干扰方向的超声信号进入超声接收传感器的接受范围；并且将这个干扰超声吸收装置/结构和上述全向的超声信号接收器结合在一起，从而避免该干扰方向的超声信号影响后续的信号处理，提高了全向的超声接收器接收信号的信噪比。此外，为配合超声信号接收范围的扩大，我们还提出了利用凸透镜来扩大红外接收传感器的红外接收角度。本发明具有如下几方面的特征：
第一方面，发明了一种全向超声信号接收器，其包括：有向的超声接收传感器(61)，超声波反射器(62)，干扰超声吸收结构；其中，超声接收传感器(61)的接收面平行于超声波的传播方向，接收面的下方具有一个具有凹光滑曲面或圆锥斜面的超声波反射器(62)，该超声波反射器(62)的反射面能将沿水平方向传播的超声波反射进超声接收传感器(61)的接收区内；干扰超声吸收结构具有至少一层硬质层结构来消除干扰超声波，各硬质层在超声波反射器(62)的反射面上依次间隔环绕设置，层与层之间的间距根据实际设计需要来确定。
第二方面，发明了一种超声波反射器，其用于全向超声接收器中，该全向超声接收器的有向的超声接收传感器(61)的接收面平行于超声波的传播方向，接收面的下方具有一个具有凹光滑曲面或圆锥斜面的反射面，该反射面冲向超声接收传感器(61)的接收面，该反射面能将沿水平方向传播的超声波反射进超声接收传感器(61)的接收区内，从而将来自任何方向平行于平面的超声波反射进有向的超声接收传感器(61)的接收角内，形成一个全向超声接收器。
第三方面，发明了一种干扰超声吸收结构，其为设置在超声波反射器(62)的凹光滑曲面或圆锥斜面上依次间隔环绕的至少一层硬质层结构，层与层之间的间距根据实际需要设计来确定。
第四方面，发明了一种接收全向、抗干扰的超声信号的方法，该方法具有如下步骤：
将超声接收传感器(61)的接收面平行于超声波的传播方向的步骤；
在接收面的下方设置一个具有凹光滑曲面或圆锥斜面的超声波反射器(62)的步骤；
通过该超声波反射器(62)的反射面将沿水平方向传播的超声波反射进超声接收传感器(61)的接收区内的步骤；从而将来自任何方向平行于平面的超声波反射进有向的超声接收传感器(61)的接收角内；
以及，在超声波反射器(62)的凹光滑曲面或圆锥斜面上依次设置间隔环绕的至少一层硬质层结构，形成干扰超声被吸收的步骤；其中，层与层之间的间距根据实际需要设计来确定。
附图说明
图1基于超声测距和定位的电子白板系统
图2收发一体的超声定位器
图3收发分开的超声红外定位器
图4非全向的超声接收传感器
图5红外接收传感器的方向敏感度
图6全向的超声接收器
图7超声波反射器的正视图和俯视图
图8干扰超声吸收装置
图9抗干扰超声波反射器的正视图和俯视图
图10扩大红外信号的接收范围的装置
具体实施方式
为了扩大超声测距或定位系统的超声和红外信号接收角度，本发明通过改进传统的有向超声接收传感器(directional ultrasonic receiver)变成一个全向的超声接收器；同时还设计一个干扰超声吸收装置/结构；并将这个干扰超声吸收装置/结构和上述全向的超声信号接收器结合在一起，这种复合的结构能使我们随意设定超声信号的接收范围和阻挡范围；为了配合超声信号接收范围的扩大，利用凸透镜来扩大红外接收传感器的红外接收角度。通过以上几个关键技术手段，获得了一个能接收来自各个方向的超声信号、并有效地阻挡来自干扰方向的超声信号、以及扩大了红外接收角度的全向超声/红外信号接收器。以下分别说明上述各个部件的结构特征和功能以及其信号接收和控制方法。
1.全向的超声接收器
过去，我们是将超声接收传感器的接收面对着/冲着超声波传播的方向，我们在这里提出的新方法是将超声接收传感器的接收面平行于超声波的传播方向，如图6所示，在超声接收传感器的接收面的下方我们设计了一个超声波反射器，该超声波反射器的反射面能将沿水平方向传播的超声波反射进有向超声接收传感器的接收区/范围/角度内，该反射面为圆锥曲面或圆锥斜面。只要圆锥曲面或圆锥斜面的斜率设计得合适，就能将来自任何方向平行于超声接收传感器的接收面的超声波反射进有向超声接收传感器的接收角内。本领域技术人员知道，根据实际设计需要，除了以圆锥曲面或圆锥斜面来反射入射的超声波，完全可以设计具有凹光滑曲面的超声波反射器，只要曲面斜率设计得合适足以将来自任何方向平行于超声接收传感器的接收面的超声波反射进有向超声接收传感器的接收角内即可。因此，组合现有的有向超声接收传感器和具有凹光滑曲面或圆锥斜面的超声波反射器，就形成了能够接收来自任何方向平行于超声接收传感器的接收面的超声波的全向的超声接收器。图7示例了超声波反射器的正视图和俯视图。
2.干扰超声吸收装置/结构
有时我们并不希望真的接收各个方向上的超声信号，特别是从其它目标/障碍物发射回的超声信号，为了能在上述的全向超声接收器的基础上对来自干扰方向的超声信号实现阻挡，我们又提出了如图8所示的干扰超声信号吸收装置/结构。
超声波到达第一层硬质层，在空气和硬质层的接触面，一部分超声信号被发射回空气中，还有相当一部分超声信号透射进硬质层，并穿过硬质层又进入空气，这个投射的超声波和被第二层硬质层反射回空气的超声波进行叠加，如此这般通过3层硬质层，进入超声波传感器的干扰超声就几乎没有了。第一层和第二层，第二层和第三层之间的间距大约为λ/4，其中λ表示超声信号的波长。间距为λ/2时，吸收的效果也很不错。本领域技术人员知道，根据实际设计需要，除了将干扰超声信号吸收装置/结构设计成具有3层硬质层结构来有效消除干扰超声波以外，根据入射的干扰超声波的强度不同完全可以设计具有合适硬质层数的干扰超声信号吸收装置，层与层之间的间距也可以根据实际设计需要来确定，只要能将阻挡范围入射的干扰超声波吸收或反射后减少到超声接收传感器可以感应的程度即可。图9示例了具有干扰超声吸收装置和超声波反射曲面的复合结构的抗干扰超声波反射器的正视图和俯视图。该抗干扰超声波反射器能很方便地把超声信号的接收区域和阻挡区域设置在我们指定的方向，在接收方向上获得高信噪比的超声信号，用于后续的信号处理，以便目标物体的超声测距和定位计算。
3.通过红外透镜扩大红外信号的接收范围
在收发分开的超声测距和定位装置中，如果超声信号的接收范围通过上述的全向的超声接收器扩大了，红外信号接收的范围就限制了整个系统实际工作范围。为此，本发明提出了利用凸透镜来扩大红外接收传感器的信号接收范围的方法及其相应的装置。如图10所示，未加凸透镜前红外接收二极管的接收范围是(-ω，+ω)，加上凸透后红外接收传感器的接收范围是(-Ф，+Ф)，Ф＞ω。设计人员可以根据红外接收二极管的方向参数ω，和期望达到的接收角度Ф，利用凸透镜设计软件(比如FEMLAB)，就能设计凸透镜的材料(折射率)和凸透镜的曲率。
以上，详细说明了在超声和红外测距或定位系统中，设计的新型的全向的超声接收器、干扰超声吸收装置/结构以及通过红外透镜扩大红外信号的接收范围的装置，并可以将这儿种设备进行结构复合，获得接收范围大、有效抗干扰的全向超声/红外信号接收器。
显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (10)
1.一种全向超声信号接收器。其包括：有向的超声接收传感器(61)，超声波反射器(62)，干扰超声吸收结构；其中，超声接收传感器(61)的接收面平行于超声波的传播方向，接收面的下方具有一个具有凹光滑曲面或圆锥斜面的超声波反射器(62)，该超声波反射器(62)的反射面能将沿水平方向传播的超声波反射进超声接收传感器(61)的接收区内；干扰超产吸收结构具有至少一层硬质层结构来消除干扰超声波，各硬质层在超声波反射器(62)的反射面上依次间隔环绕设置，层与层之间的间距根据实际设计需要来确定。
2.如权利要求1所述的全向信号接收器，其中超声波反射器(62)的反射面为圆锥曲面。
3.如权利要求1所述的全向信号接收器，其中干扰超声吸收结构具有3层硬质层，第一层和第二层，第二层和第三层之间的间距大约为λ/4，其中λ表示超声波的波长。
4.如权利要求1所述的全向超声信号接收器，其中干扰超声吸收结构具有3层硬质层，第一层和第二层，第二层和第三层之间的间距大约为λ/2，其中λ表示超声波的波长。
5.如权利要求1所述的全向超声信号接收器，其用于收发分离的超声测距和定位系统中，该测距和定位系统还包括一个利用通过凸透镜来扩大红外接收传感器的接收范围的装置。
6.一种超声波反射器，其用于全向超声接收器中，该全向超声接收器的有向的超声接收传感器(61)的接收面平行于超声波的传播方向，接收面的下方具有一个具有凹光滑曲面或圆锥斜面的反射面，该反射面冲向超声接收传感器(61)的接收面，该反射面能将沿水平方向传播的超声波反射进超声接收传感器(61)的接收区内，从而将来自任何方向平行于平面的超声波反射进有向的超声接收传感器(61)的接收角内，形成一个全向超声接收器。
7.一种干扰超声吸收结构，其为设置在超声波反射器(62)的凹光滑曲面或圆锥斜面上依次间隔环绕的至少一层硬质层结构，层与层之间的间距根据实际需要设计来确定。
8.如权利要求7所述的干扰超声吸收结构，其具有3层硬质层，第一层和第二层，第二层和第三层之间的间距大约为λ/4或λ/2，其中λ表示超声波的波长。
9.一种接收全向、抗干扰的超声信号的方法，该方法具有如下步骤：
将超声接收传感器(61)的接收面平行于超声波的传播方向的步骤；
在接收面的下方设置一个具有凹光滑曲面或圆锥斜面的超声波反射器(62)的步骤；
通过该超声波反射器(62)的反射面将沿水平方向传播的超声波反射进超声接收传感器(61)的接收区内的步骤；从而将来自任何方向平行于平面的超产波反射进有向的超声接收传感器(61)的接收角内；
以及，在超声波反射器(62)的凹光滑曲面或圆锥斜面上依次设置间隔环绕的至少一层硬质层结构，形成干扰超声被吸收的步骤；其中，层与层之间的间距根据实际需要设计来确定。
10.如权利要求9所述的方法，其用于收发分离的超声测距和定位系统中，该测距和定位系统还包括运用一个利用通过凸透镜来扩大红外接收传感器的接收范围的步骤。
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