CN104914439B - 一种超声波测距的双相位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测距的双相位测量方法，通过A/D同步采样发射端和接收端的经过低频调制的超声波信号和没有经过低频调制的超声波信号，然后通过双相位测量算法分别计算出发射端和接收端之间的一个波长内的低频调制波相位差和超声波相位差，低频调制波相位差测量出距离的绝对值，超声波相位差测量出距离的相对值。通过相对值修正绝对值就可以得到超声波所测的精确距离值。本发明公开了一种超声波测距的双相位测量方法，属于点对点的大尺寸测量技术，能够在一定的空间尺度范围内实现的一种高精度的测距方法。由于超声波传感器具有尺寸小、价格低廉的特点，这种双相位测量方法可以广泛应用在需要大尺寸测量的各个领域。

Description

一种超声波测距的双相位测量方法

技术领域

本发明涉及大尺寸测量技术领域，具体是一种超声波测距的双相位测量方法。

背景技术

大尺寸测量技术，是属于点对点大空间坐标测量技术，是衡量一个国家科学技术发展水平以及一个国家综合实力的一项重要指标。目前大尺寸空间坐标测量技术的发展很快，有基于卫星定位系统的大尺寸空间坐标测量技术、有基于激光测距的大尺寸空间坐标测量技术等。本发明是通过对低频调制的超声波和没有经过低频调制的超声波的双相位测量，在一定的空间尺度范围内实现的一种高精度的测距方法。由于超声波传感器具有尺寸小、价格低廉的特点，这种测量方法可以广泛应用在需要大尺寸测量的各个领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波测距的双相位测量方法，通过对低频调制的超声波和没有经过低频调制的超声波的双相位测量，在一定的空间尺度范围内实现的一种高精度的超声波测距。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种超声波测距的双相位测量方法，其特征在于：通过A/D同步采样超声波测距中发射端经过低频调制的超声波信号、接收端没有经过低频调制的超声波信号，然后通过双相位测量算法分别计算出发射端和接收端之间的一个波长内的低频调制波相位差和超声波相位差，由于一个波长内的低频调制波相位差对应的距离范围可达数米或数十米，因而可以通过测量低频调制波的相位差，测量出距离的绝对值，而一个波长内的超声波相位差对应的距离范围只有几个毫米，因而测量到的超声波相位差，反映的只是距离的相对值，通过相对值修正绝对值得到超声波所测的精确距离值，其中A/D同步采样时，其采样频率设定为超声波频率的2^N倍，N≥4，超声波测距中超声波频率设定为调制波频率的2^M倍，M≥4；

双相位测量算法过程如下：

(1)、信号预处理：

(a)、首先对发射端和接收端的经过低频调制的超声波信号采样值按时间轴划分2^J个数据段，J≥4，每个数据段的数据为2^K个，K≥N并且J+K≥N+M，M、N、J、K均为正的整数；

(b)、分别对每一数据段2^K个数据进行短时傅里叶变换STFT，取STFT的超声波频率对应的谱线幅值作为低频调制波的幅值；

(c)、对获取的2^J个低频调制波的幅值进行傅里叶变换FT，取出低频调制波频率对应的实部和虚部进行傅里叶逆变换IFT，得到低频调制波时域信号的采样值，低频调制波时域信号的采样值；

(d)、对没有经过低频调制的超声波信号的2^L个采样值进行傅里叶变换FT，这里的L≥4并且L≥N，L为正的整数，取出超声波频率对应的实部和虚部进行傅里叶逆变换IFT，得到超声波时域信号的采样值；

低频调制波时域信号采样值或超声波时域信号采样值的表达式如公式(1)和公式(2)：

u_i+j＝Asin(θ_i+jΔθ) (1)，

公式(1)和式(2)中的A为发射端的低频调制波信号幅值或超声波信号幅值，B为接收端的低频调制波信号幅值或超声波信号幅值；u_i+j为i+j时刻发射端的低频调制波信号采样值或超声波信号采样值，v_i+j为i+j时刻为接收端的低频调制波信号采样值或超声波信号采样值；θ_i为i时刻采样对应的发射端的低频调制波相位值或超声波相位值；j为u_i和v_i各自相邻采样点序号，Δθ为u_i和v_i各自相邻采样点之间对应的相位差值；为接收端相对于发射端的一个波长内的低频调制波相位差或超声波相位差；

(2)、相位计算：

(a)、移相计算，对公式(2)进行2π周期内的移相，使公式(1)和公式(2)的相关值为最大，公式(2)通过移相后的表达式如公式(3)所示，

公式(3)中的w_i+j为移相后的采样值，kΔθ为式(2)的移相值，k＝±n，n为0,1,2,3……自然数；

(b)、计算相位差，取过零点附近的w_i、u_i采样值计算相位差

(c)、计算相位修正值 即为发射端和接收端之间的一个波长内的低频调制波相位差或超声波相位差：

本发明的优点是：仅需A/D同步采样经过低频调制的超声波信号和没有经过低频调制的超声波信号，就能够根据采样值通过双相位测量算法，得到高精度的大尺寸测量值。

具体实施方式

一种超声波测距的双相位测量方法，通过A/D同步采样超声波测距中发射端经过低频调制的超声波信号、接收端没有经过低频调制的超声波信号，然后通过双相位测量算法分别计算出发射端和接收端之间的一个波长内的低频调制波相位差和超声波相位差，由于一个波长内的低频调制波相位差对应的距离范围可达数米或数十米，因而可以通过测量低频调制波的相位差，测量出距离的绝对值，而一个波长内的超声波相位差对应的距离范围只有几个毫米，因而测量到的超声波相位差，反映的只是距离的相对值，通过相对值修正绝对值得到超声波所测的精确距离值，其中A/D同步采样时，其采样频率设定为超声波频率的2^N倍，N≥4，超声波测距中超声波频率设定为调制波频率的2^M倍，M≥4；

双相位测量算法过程如下：

(1)、信号预处理：

(a)、首先对发射端和接收端的经过低频调制的超声波信号采样值按时间轴划分2^J个数据段，J≥4，每个数据段的数据为2^K个，K≥N并且J+K≥N+M，M、N、J、K均为正的整数；

(b)、分别对每一数据段2^K个数据进行短时傅里叶变换STFT，取STFT的超声波频率对应的谱线幅值作为低频调制波的幅值；

(c)、对获取的2^J个低频调制波的幅值进行傅里叶变换FT，取出低频调制波频率对应的实部和虚部进行傅里叶逆变换IFT，得到低频调制波时域信号的采样值，低频调制波时域信号的采样值；

(d)、对没有经过低频调制的超声波信号的2^L个采样值进行傅里叶变换FT，这里的L≥4并且L≥N，L为正的整数，取出超声波频率对应的实部和虚部进行傅里叶逆变换IFT，得到超声波时域信号的采样值；

低频调制波时域信号采样值或超声波时域信号采样值的表达式如公式(1)和公式(2)：

u_i+j＝Asin(θ_i+jΔθ) (1)，

公式(1)和式(2)中的A为发射端的低频调制波信号幅值或超声波信号幅值，B为接收端的低频调制波信号幅值或超声波信号幅值；u_i+j为i+j时刻发射端的低频调制波信号采样值或超声波信号采样值，v_i+j为i+j时刻为接收端的低频调制波信号采样值或超声波信号采样值；θ_i为i时刻采样对应的发射端的低频调制波相位值或超声波相位值；j为u_i和v_i各自相邻采样点序号，Δθ为u_i和v_i各自相邻采样点之间对应的相位差值；为接收端相对于发射端的一个波长内的低频调制波相位差或超声波相位差；

(2)、相位计算：

(a)、移相计算，对公式(2)进行2π周期内的移相，使公式(1)和公式(2)的相关值为最大，公式(2)通过移相后的表达式如公式(3)所示，

公式(3)中的w_i+j为移相后的采样值，kΔθ为式(2)的移相值，k＝±n，n为0,1,2,3……自然数；

(b)、计算相位差，取过零点附近的w_i、u_i采样值计算相位差

(c)、计算相位修正值 即为发射端和接收端之间的一个波长内的低频调制波相位差或超声波相位差：

Claims (1)

1.一种超声波测距的双相位测量方法，其特征在于：通过A/D同步采样超声波测距中发射端经过低频调制的超声波信号、接收端没有经过低频调制的超声波信号，然后通过双相位测量算法分别计算出发射端和接收端之间的一个波长内的低频调制波相位差和超声波相位差，由于一个波长内的低频调制波相位差对应的距离范围可达数米或数十米，因而可以通过测量低频调制波的相位差，测量出距离的绝对值，而一个波长内的超声波相位差对应的距离范围只有几个毫米，因而测量到的超声波相位差，反映的只是距离的相对值，通过相对值修正绝对值得到超声波所测的精确距离值，其中A/D同步采样时，其采样频率设定为超声波频率的2^N倍，N≥4，超声波测距中超声波频率设定为调制波频率的2^M倍，M≥4；

双相位测量算法过程如下：

(1)、信号预处理：

(a)、首先对发射端和接收端的经过低频调制的超声波信号采样值按时间轴划分2^J个数据段，J≥4，每个数据段的数据为2^K个，K≥N并且J+K≥N+M，M、N、J、K均为正的整数；

(b)、分别对每一数据段2^K个数据进行短时傅里叶变换STFT，取STFT的超声波频率对应的谱线幅值作为低频调制波的幅值；

(c)、对获取的2^J个低频调制波的幅值进行傅里叶变换FT，取出低频调制波频率对应的实部和虚部进行傅里叶逆变换IFT，得到低频调制波时域信号的采样值；

(d)、对没有经过低频调制的超声波信号的2^L个采样值进行傅里叶变换FT，这里的L≥4并且L≥N，L为正的整数，取出超声波频率对应的实部和虚部进行傅里叶逆变换IFT，得到超声波时域信号的采样值；

低频调制波时域信号采样值或超声波时域信号采样值的表达式如公式(1)和公式(2)：

u_i+j＝Asin(θ_i+jΔθ) (1)，

公式(1)和式(2)中的A为发射端的低频调制波信号幅值或超声波信号幅值，B为接收端的低频调制波信号幅值或超声波信号幅值；u_i+j为i+j时刻发射端的低频调制波信号采样值或超声波信号采样值，v_i+j为i+j时刻为接收端的低频调制波信号采样值或超声波信号采样值；θ_i为i时刻采样对应的发射端的低频调制波相位值或超声波相位值；j为u_i和v_i各自相邻采样点序号，Δθ为u_i和v_i各自相邻采样点之间对应的相位差值；为接收端相对于发射端的一个波长内的低频调制波相位差或超声波相位差；

(2)、相位计算：

(a)、移相计算，对公式(2)进行2π周期内的移相，使公式(1)和公式(2)的相关值为最大，公式(2)通过移相后的表达式如公式(3)所示，

公式(3)中的w_i+j为移相后的采样值，kΔθ为式(2)的移相值，k＝±n，n为0,1,2,3……自然数；

(b)、计算相位差，取过零点附近的w_i、u_i采样值计算相位差

(c)、计算相位修正值 即为发射端和接收端之间的一个波长内的低频调制波相位差或超声波相位差：