CN103543447A - 超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法 - Google Patents

超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法，包括如下步骤：（1）按照一定规律发送频率变化的超声波脉冲；（2）接收端通过滤波电路排除非超声波噪音、非临近频率超声波噪音的影响；（3）在滤波后，接收端将采用傅立叶变换分析进行超声波频谱分析，通过设置门限值忽略功率较低的超声波信号，以消除超声波多径效应和非视距传播影响对测量的干扰；（4）通过傅立叶反变换，恢复原有的有效超声波信号。本发明的超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法可以较好地识别出较强的多径效应，而且有效测量的精度可达到0.3mm。

Description

超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法
技术领域
本发明涉及超声波短距高精度测量领域，利用超声波在20CM的短距离测量中达到亚毫米误差的精度：如精细加工机床等领域，也可以有效改善倒车雷达，盲人手杖，机器人避障等的精度，具体涉及超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法。
背景技术
超声波已被广泛用于测距领域，然而其精度没有得到有效提升，限制了短距测距应用。影响超声波测距精度有两个主要原因：1）传输速度误差，超声波传输速度与环境温度有关，不同温度下，传输速度存在一定的偏差。2）超声波飞行时间测量有误差，一定程度的环境噪音干扰下，超声波换能器的起振点将被扰动而无法有效识别，使得超声波渡越时间测量存在一定的误差。
本申请人在传感技术学报2013年第5期中，提出了“一种考虑起振延迟的超声波短距离高精度校准方法”（方法1)。沈常宇、郭宝金在传感技术学报2010年第6期发表的的“相位比较法高精度超声测距研究”一文，提出通过检测相位差异进行高精度测距的方法（方法2）。方法2的基础是一套能将相位差线性转化到直流电压的电路，通过测量调制波相位差异来测量距离，在7m和14m的量程下，拟合误差为0.5cm和1cm。王雪峰、唐祯安在传感技术学报2010年第10期发表的“基于自干涉驱动技术的超声波飞行时间测量系统优化设计”一文中提出通过发射两个可以产生自干涉的超声波，并检测包络过零点来识别相位翻转，该方法在实验室环境下精度接近1mm（方法3）。张淑清、靳世久、李隽在传感技术学报2007年第7期发表的“提高超声波物位检测精度方法的研究”一文，提出了基于混沌理论的信号处理方法，可从较强噪声背景中提取微弱超声波信号（方法4）。
方法1在实验室环境下可以有效地进行高精度距离测量，但在实际环境下，将受到超声波噪音干扰，而产生1-2cm误差。
针对方法2，当环境中含有接近调制波频率的噪音存在时，将对相位差检测电路造成干扰，从而影响测量距离。在多径效应和非视距传播影响明显的环境中，该方法的误差将很难控制。 
方法3在实际环境中检测时相位翻转可能受接近频率的超声波噪音干扰，而包络过零点将受到各类超声波噪音的干扰。
方法4可以较好地处理非超声波信号的噪音，但不能较好应对超声波噪音信号的干扰。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法，包括如下步骤：
（1）按照一定规律发送频率变化的超声波脉冲；
（2）接收端通过滤波电路排除非超声波噪音、非临近频率超声波噪音的影响；
   （3）在滤波后，接收端将采用傅立叶变换分析进行超声波频谱分析，通过设置门限值忽略功率较低的超声波信号，以消除超声波多径效应和非视距传播影响对测量的干扰；
    （4）通过傅立叶反变换，恢复原有的有效超声波信号。
进一步的，还包括如下步骤：（5）通过对超声波频谱的变化规律分析，若符合约定频率变化，则作为待检测信号进行分析，以消除某些较强但在变化规律上不同于约定规律的超声波噪音影响。
进一步的，步骤（1）中采用如下方式发送超声波脉冲：先稳定发送若干个超声波信号，然后再发送一组略高频率的超声波信号。
进一步的，步骤（2）中滤波电路的中心频率和带宽的计算公式如下：
令中心频率为                                                ，则
Figure 2013104311518100002DEST_PATH_IMAGE003
                                             （1）
其中为滤波电路的中心频率，Rf1 、Rf2是电阻，C1、C2是电容；
令
Figure 265233DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
则
Figure 74795DEST_PATH_IMAGE006
                                        （2）
   令
Figure DEST_PATH_IMAGE007
， 
 则品质因素
Figure 908759DEST_PATH_IMAGE008
                （3）  
其中Q为带通滤波器的品质因素，R1、R2、R3、RG、RQ电阻；
   令
Figure 672447DEST_PATH_IMAGE004
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
   带宽B=/Q = 4.2kHz。
本发明的超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法可以较好地识别出较强的多径效应，而且有效测量的精度可达到0.3mm。
附图说明
图1是25kHz带通滤波器的电路结构示意图；
图2是频率变化图；
图3是发送端信号序列图；
图4是接收端测距流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法，包括如下步骤：
1）按照一定规律发送频率变化的超声波脉冲：
为了减少固定频率超声波对超声波测距的影响，本发明按照一定规律变动超声波发射频率以区别于一般固定频率超声波噪音。通常可以采用的是先稳定发送若干个超声波信号（以基础频率24.5kHz的超声波频率情况下，一般先发射32个基频波形），然后再发送一组略高频率的超声波信号（以较高频率25.5kHz的超声波频率情况下，一般发射16个波形即可）。图3表示了发送端发送超声波信号的序列。
2）接收端通过滤波电路排除非超声波噪音、非临近频率超声波噪音的影响；
图1描述了25kHz带通滤波器的电路图，其中中心频率和带宽的计算公式如下：
令中心频率为，则
Figure 912301DEST_PATH_IMAGE003
                                             （1）
其中
Figure 350236DEST_PATH_IMAGE002
为带通滤波器的中心频率，Rf1 、Rf2是图1中的电阻，C1、C2是图1中的电容。
令
Figure 82437DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 555007DEST_PATH_IMAGE005
则
Figure 730773DEST_PATH_IMAGE006
                                        （2）
   令
Figure 656004DEST_PATH_IMAGE007
， 
 则品质因素
Figure 880312DEST_PATH_IMAGE008
                （3）  
其中Q为带通滤波器的品质因素，R1、R2、R3、RG、RQ是图1中的电阻。
   令
Figure 754858DEST_PATH_IMAGE004
，则
Figure 39209DEST_PATH_IMAGE009
。
   带宽B=
Figure 451736DEST_PATH_IMAGE002
/Q = 4.2kHz。
   如采用其他中心频率和带宽，可以调整相关电阻或者电容的值，以达到较好效果。不过Q值不宜过高，要确保频率范围包含收发超声波的频率。
3）在滤波后，接收端将采用傅立叶变换分析进行超声波频谱分析，通过设置门限值忽略功率较低的超声波信号，以消除超声波多径效应和非视距传播影响对测量的干扰；
   通过带通滤波，部分差异较大的噪音信号已经被消除或大部减弱。由于带通电路的限制，带宽内信号被有效保留，但带宽边缘信号仅被部分消除。为了进一步减少噪音影响，本发明对接收端信号采用傅立叶变换分析进行频谱分析，通过设置门限值消除功率较低的超声波信号（在此假设为噪音信号）。其后通过傅立叶反变换，恢复原有的有效超声波信号。
之后通过对超声波频谱的变化规律分析，如符合约定频率变化，则作为待检测信号进行分析，以消除某些较强但在变化规律上不同于约定规律的超声波噪音影响。
图2表示的是固定发送端和接收端超声波换能器条件下，多组超声波信号从24.5kHz开始升频到25.5kHz在接收端获取的各完整周期的频率变动情况。从图2可以发现，超声波频率将维持在24.5kHz大约5-6个周期，然后逐步上升至25.5kHz。通过各组数据分布情况分析，在频率开始升高的过程中，各组数据吻合度较大，因此该持续变化的趋势可作为有效超声波接收信号的规律。测距算法将按照该规律判断具体的频率变动窗口（持续变动的3或4个周期）时刻，并根据该时刻计算超声波飞行时间，进而计算出发送端和接收端的距离。在受到较强多径效应影响时，或者受到同类设备按照同样规律发送超声波影响时，该算法所计算出的距离将出现较大波动，本发明将波动超出1cm的计算结果认为是有较强干扰。受短时干扰情况下，可以基于大数原则，将出现概率较大的一个结果作为有效距离输出。当干扰源作用时间较长时，将无法获得有效距离。
    图4表示的是接收端具体的测距流程。
在基础频率24.5kHz，升高频率为25.5kHz，持续变动周期窗口取4个周期的实验室环境下，使用本发明技术，可以较好地识别出较强的多径效应，而有效测量的精度可达到0.3mm。

Claims (4)

1.一种超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法，包括如下步骤：
（1）按照一定规律发送频率变化的超声波脉冲；
（2）接收端通过滤波电路排除非超声波噪音、非临近频率超声波噪音的影响；
   （3）在滤波后，接收端将采用傅立叶变换分析进行超声波频谱分析，通过设置门限值忽略功率较低的超声波信号，以消除超声波多径效应和非视距传播影响对测量的干扰；
    （4）通过傅立叶反变换，恢复原有的有效超声波信号。
2.如权利要求1所述的超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法，其特征在于：还包括如下步骤：
（5）通过对超声波频谱的变化规律分析，若符合约定频率变化，则作为待检测信号进行分析，以消除某些较强但在变化规律上不同于约定规律的超声波噪音影响。
3.如权利要求1所述的超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法，其特征在于：步骤（1）中采用如下方式发送超声波脉冲：先稳定发送若干个超声波信号，然后再发送一组略高频率的超声波信号。
4.如权利要求1所述的超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法，其特征在于：步骤（2）中滤波电路的中心频率和带宽的计算公式如下：
令中心频率为                                                
Figure 2013104311518100001DEST_PATH_IMAGE001
，则
Figure 352965DEST_PATH_IMAGE002
                                             （1）
其中
Figure 347597DEST_PATH_IMAGE001
为滤波电路的中心频率，Rf1 、Rf2是电阻，C1、C2是电容；
令
Figure 537269DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 437092DEST_PATH_IMAGE004
则
Figure 65520DEST_PATH_IMAGE005
                                        （2）
   令
Figure 367188DEST_PATH_IMAGE006
， 
 则品质因素                （3）  
其中Q为带通滤波器的品质因素，R1、R2、R3、RG、RQ电阻；
   令
Figure 426466DEST_PATH_IMAGE003
，则
Figure 796267DEST_PATH_IMAGE008
；
带宽B=
Figure 749180DEST_PATH_IMAGE001
/Q = 4.2kHz。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109696665A (zh) * 2018-12-28 2019-04-30 百度在线网络技术（北京）有限公司 超声波传感器测量数据的处理方法、装置及设备
CN112074755A (zh) * 2018-05-02 2020-12-11 罗伯特·博世有限公司 用于识别在超声波传感器的接收信号中映射的噪声的方法和设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009265009A (ja) * 2008-04-28 2009-11-12 Murata Mfg Co Ltd 超音波計測装置
CN101852854A (zh) * 2010-06-07 2010-10-06 华南理工大学 一种水下多波束测探系统及其探测方法
CN102597810A (zh) * 2009-08-26 2012-07-18 松下电器产业株式会社 对象检测设备及设置有该对象检测设备的照明系统
CN103076611A (zh) * 2013-01-09 2013-05-01 中国电子科技集团公司第十一研究所 一种利用相干探测激光测速测距的方法及装置
CN103099620A (zh) * 2013-02-04 2013-05-15 中国人民解放军第三0七医院 一种高精度呼吸监测仪

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009265009A (ja) * 2008-04-28 2009-11-12 Murata Mfg Co Ltd 超音波計測装置
CN102597810A (zh) * 2009-08-26 2012-07-18 松下电器产业株式会社 对象检测设备及设置有该对象检测设备的照明系统
CN101852854A (zh) * 2010-06-07 2010-10-06 华南理工大学 一种水下多波束测探系统及其探测方法
CN103076611A (zh) * 2013-01-09 2013-05-01 中国电子科技集团公司第十一研究所 一种利用相干探测激光测速测距的方法及装置
CN103099620A (zh) * 2013-02-04 2013-05-15 中国人民解放军第三0七医院 一种高精度呼吸监测仪

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIYUANBHU: "通用型有源滤波器(universal active filter)", 《HTTP://BLOG.CSDN.NET/LIYUANBHU/ARTICLE/DETAILS/8933987》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112074755A (zh) * 2018-05-02 2020-12-11 罗伯特·博世有限公司 用于识别在超声波传感器的接收信号中映射的噪声的方法和设备
CN109696665A (zh) * 2018-12-28 2019-04-30 百度在线网络技术（北京）有限公司 超声波传感器测量数据的处理方法、装置及设备

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