CN107179676A - 基于数字解调的超声波飞行时间测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，包括超声波飞行时间测量装置，该测量方法基于高压偏置脉冲驱动方法，使超声回波仅经过一个振荡周期即可达到最大幅度，AD采集电路对回波信号进行数据采集后，将最大幅度周期中心过零点两侧的两个数据点进行线性拟合，计算得到最大幅度周期所在的整周期数,即粗时间；再提取最大幅度周期采集的数据分别与预先计算好并存储在处理器内的正余弦函数参考值进行解调，解调即为查表取离散正余弦参考值，并与提取的数据相乘、累加，进而得到回波信号的相位，即精细时间。整周期数减去起振周期数再加上回波信号相位转换的时间即可准确得到超声波飞行时间，测量精度高、测量方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波飞行时间测量方法，尤其涉及一种基于数字解调的超声波飞行时间测量方法。
背景技术
超声波飞行时间测量是超声波应用于温度、距离、流量、液位、定位等应用的要解决的核心问题，目前超声波飞行时间测量方法主要有以下几种：
1)阈值法：接收电路采用一个固定阈值电压的比较器并上拉输出正逻辑电平，当超声回波信号幅度经过放大后达到设定的阈值后，随即触发比较器输出负逻辑脉冲，后续电路通过测量发射超声波的时刻到负脉冲之间的时间间隔即可得到超声波飞行时间。但是实际测量中，噪声信号往往会把回波前沿淹没，需要设定合适的阈值，噪声会被放大电路放大导致误触发，在不同应用场合存在难以确定合适的阈值电压的问题。双阈值法在精度上虽有一定改善，却仍面临同样的问题。
2)特征波法：该方法发射多个驱动信号，取最后一个发射波为起始时刻，将回波中幅度最大的波的峰值点作为终止时刻，进而求得超声波飞行时间。然而已有论文证明最后一个发射波与幅度最大波的峰 值点并不对应，存在整数倍周期误差。
3)互相关法：该方法根据发射波形与接收回波信号在时间轴上不同时刻的相关度，进而测得超声波飞行时间。但不同的应用场合得到的超声信号不同，因此需要事先在处理器内存储大量波形数据，对处理器的要求很高；另一方面存在高斯白噪声干扰等限制，制约了超声波飞行时间测量精度和满足实时性的要求。
4)回波包络法：该方法将原始信号通过希尔伯特变换得到复解析信号，复解析信号的实部为信号本身，虚部为信号的希尔伯特变换，其模为信号的包络，一般取信号包络的最大值或通过输入不同数量的驱动信号得到两个包络，将它们的分离点作为超声回波终止时刻，进而测量超声波飞行时间。该方法可以摆脱阈值法需设定固定阈值的缺陷，然而无法准确测量回波的前沿首波。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，测量精度高、测量方法简单的基于数字解调的超声波飞行时间测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
一种基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，包括超声波飞行时间测量装置，所述超声波飞行时间测量装置包括处理器、驱动放大电路、超声波换能器、高压偏置电路、回波放大电路、AD采集电路和反射面，其中处理器输出端分别经驱动放大电路和高压偏置电路与超声波换能器相连，触发超声波换能器产生发射波至反射面，所述回 波放大电路用于接收经反射面反射回来的回波，其经AD采集器与处理器相连，将回波经AD采样后发送给处理器；包括以下步骤：
(1)处理器触发超声波换能器发出超声波信号，该超声波信号经反射面反射回的回波信号特征为：仅经过一个起振周期即达到回波信号幅度最大周期；
(2)回波放大电路接收到回波信号并将其放大，根据回波的波形设放大后的回波信号幅度函数模型为：
y(t)＝A(k)sin(ωt+θ)
其中y(t)为回波信号函数，k＝0，1，2…，k为振动周期数，A(k)为回波信号幅度，ω为超声波角频率，θ为超声回波相位；
(3)AD采集电路以采样率fS对回波信号进行数据采集，得到离散超声回波信号y(n)＝A(k)sin(2πnfc/fs+θ)，其中fc为超声波信号频率，n＝0，1，2，…N-1，N为一个回波信号周期的采样点数；
(4)超声波飞行时间测量装置完成一次超声波发射与回波接收采集后，处理器对采集的离散数据进行查询，找到最大幅度的超声回波ym(n)所在周期数Ncom，并结合下式计算粗时间Tr
(5)以ym(n)为基准，计算其同频零相位单位参考信号和同频正交单位参考信号并存储，所述同频零相位单位参考信号与ym(n)频率相同、相位差为0°，幅度值为1；所述同频正交单位参考信号与ym(n)频率相同、相位差为90°，幅度值为1；
(6)ym(n)与同频零相位单位参考信号相乘、累加得到同相分量R，ym(n)与同频正交单位参考信号相乘、累加得到正交分量I，并根据以下公式计算得到精细时间ta；
幅度
相位
(7)根据下式结合精细时间和粗时间得到准确地超声波飞行时间tTOF
tTOF＝Tr-ta。
作为优选：步骤(1)具体为：
处理器打开高压偏置电路产生直流偏置高压对超声波换能器充电，处理器产生一个脉宽与超声波换能器谐振频率互为倒数的电脉冲经过驱动放大电路放大后驱动超声波换能器，使其产生超声波信号，该超声波信号经反射面反射回的回波信号特征为：仅经过一个起振周期即达到回波信号幅度最大周期。
作为优选：步骤(4)具体为：
找到回波最大幅度所在周期ym(n)＝Amsin(2πnfc/fs+θ)，n＝0,1,2,…N-1,将该周期过零点前后两个相邻采样点ym(n1)与ym(n2)作线性拟合估算出过零点处的时间为tcom，通过Ncom＝tcom·fc+1，其中Ncom为整数，即可得到超声回波最大幅度所在周期数，由于最大幅度周期信号的前沿只有一个起振周期，因此为粗时间。
作为优选：步骤(5)中，
同频零相位单位参考信号为h(n)＝sin(2πnfc/fs),n＝0,1,2,…,N-1，同频正交单位参考信号为g(n)＝cos(2πnfc/fs),n＝0,1,2,…,N-1。
作为优选：步骤(6)中，
同相分量
正交分量
与现有技术相比，本发明的优点在于：超声波飞行时间测量的核心是准确测量超声波的起止点，起始点一般由处理器的定时器计时(反射式)或激光同步(对射式)，停止点应为发射波对应的接收信号的首波，特别是在短距离测量时，首波测量的精准与否是超声波飞行时间测量的关键。本发明旨在基于数字解调的超声波飞行时间测量满足起始发射波与超声回波首波对应，避免出现整周期误差的问题，实现超声波飞行时间的精准测量。
本发明基于高压偏置脉冲驱动方法，使超声回波仅经过一个振荡周期即可达到最大幅度，AD采集电路对回波信号进行数据采集后，将最大幅度周期中心过零点两侧的两个数据点进行线性拟合，计算得到最大幅度周期所在的整周期数,即粗时间；再提取最大幅度周期采集的数据分别与预先计算好并存储在处理器内的正余弦函数参考值进行解调，解调即为查表取离散正余弦参考值，并与提取的数据相乘、累加，进而得到回波信号的相位，即精细时间。整周期数减去起振周期数再加上回波信号相位转换的时间即可准确得到超声波飞行时间， 测量精度高、测量方法简单。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例1超声波发射信号图；
图3为本发明实施例1超声回波信号图；
图4为本发明实施例2高压偏置电路。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1、图2和图3，一种超声波飞行时间测量装置，所述超声波飞行时间测量装置包括处理器、驱动放大电路、超声波换能器、高压偏置电路、回波放大电路、AD采集电路和反射面，其中处理器输出端分别经驱动放大电路和高压偏置电路与超声波换能器相连，触发超声波换能器产生发射波至反射面，所述回波放大电路用于接收经反射面反射回来的回波，其经AD采集器与处理器相连，将回波经AD采样后发送给处理器。
本实施例中，所述处理器可采用FPGA、DSP和MCU等控制器，主要用于驱动信号的产生、高压偏置电路的开关、AD采集电路的控制与整个系统时序的控制。
一种基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，采用上述超声波飞行时间测量装置，包括以下步骤：
(1)处理器触发超声波换能器发出超声波信号，该超声波信号经反射面反射回的回波信号特征为：仅经过一个起振周期即达到回波信号幅度最大周期；具体方法为：处理器打开高压偏置电路产生直流偏置高压对超声波换能器充电，处理器产生一个脉宽与超声波换能器谐振频率互为倒数的电脉冲经过驱动放大电路放大后驱动超声波换能器，使其产生超声波信号，该超声波信号经反射面反射回的回波信号特征为：仅经过一个起振周期即达到回波信号幅度最大周期；
(2)回波放大电路接收到回波信号并将其放大，根据回波的波形设放大后的回波信号幅度函数模型为：
y(t)＝A(k)sin(ωt+θ)
其中y(t)为回波信号函数，k＝0，1，2…，k为振动周期数，A(k)为回波信号幅度，ω为超声波角频率，θ为超声回波相位；
(3)AD采集电路以采样率fS对回波信号进行数据采集，得到离散超声回波信号y(n)＝A(k)sin(2πnfc/fs+θ)，其中fc为超声波信号频率，n＝0,1,2,…N-1,N为一个回波信号周期的采样点数；
(4)超声波飞行时间测量装置完成一次超声波发射与回波接收采集后，处理器对采集的离散数据进行查询，找到最大幅度的超声回波ym(n)所在周期数Ncom，并结合下式计算粗时间Tr
具体方法如下：找到回波最大幅度所在周期ym(n)＝Amsin(2πnfc/fs+θ)，n＝0,1,2,…N-1,将该周期过零点前后两个相邻采样点ym(n1)与ym(n2)作线性拟合估算出过零点处的时间为tcom，通 过Ncom＝tcom·fc+1，其中Ncom为整数，即可得到超声回波最大幅度所在周期数，由于最大幅度周期信号的前沿只有一个起振周期，因此 为粗时间；
(5)以ym(n)为基准，计算其同频零相位单位参考信号和同频正交单位参考信号并存储，所述同频零相位单位参考信号与ym(n)频率相同、相位差为0°，幅度值为1，同频零相位单位参考信号为h(n)＝sin(2πnfc/fs),n＝0,1,2,…,N-1；同频正交单位参考信号与ym(n)频率相同、相位差为90°，幅度值为1，同频正交单位参考信号为g(n)＝cos(2πnfc/fs),n＝0,1,2,…,N-1；
(6)ym(n)与同频零相位单位参考信号相乘、累加得到同相分量R，ym(n)与同频正交单位参考信号相乘、累加得到正交分量I，其中，
同相分量
正交分量
并根据以下公式计算得到精细时间ta；
幅度
相位
(7)根据下式结合精细时间和粗时间得到准确地超声波飞行时间tTOF
tTOF＝Tr-ta。
实施例2：
参见图3和图4，本发明中，所述高压偏置电路采用如图2所示电路，其余与实施例1相同。
图2中，U8为开关稳压器芯片，其中Q1和Q5两个开关管用来控制U8的工作与休眠状态的切换。当Q5的基极为高电平时，U8正常工作，其7引脚开始输出频率为40kHz的方波，三极管Q3工作在开关状态，当7引脚输出低电平时，Q3导通；7引脚输出高电平时Q3截止，由于电感具有阻碍电流发生变化的特点，电感L1只有通过提高电压来维持电流不变，但最终仍不能阻止电流降低而将电压提到很高。U8内部有一个误差放大器，通过电阻R35和R39两个分压电阻提供反馈电压，最终在R35和C29之间产生150V左右直流高压向超声波换能器充电。驱动脉冲输入到超声波换能器使其两极板产生相互作用力，进一步使振膜发生振动，将电能转化为机械能发射出超声波信号如图3所示。当超声波信号返回撞击超声波换能器，超声波换能器释放电荷Q＝ΔC V，并以电压信号呈现在后级运算放大器的输入端，该信号由于此激励方法，可得到起振迅速的回波信号(仅有一个起振周期即可达到最大幅度)，如图3所示。
Claims (5)
1.一种基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，包括超声波飞行时间测量装置，所述超声波飞行时间测量装置包括处理器、驱动放大电路、超声波换能器、高压偏置电路、回波放大电路、AD采集电路和反射面，其中处理器输出端分别经驱动放大电路和高压偏置电路与超声波换能器相连，触发超声波换能器产生发射波至反射面，所述回波放大电路用于接收经反射面反射回来的回波，其经AD采集器与处理器相连，将回波经AD采样后发送给处理器；其特征在于：包括以下步骤：
(1)处理器触发超声波换能器发出超声波信号，该超声波信号经反射面反射回的回波信号特征为：仅经过一个起振周期即达到回波信号幅度最大周期；
(2)回波放大电路接收到回波信号并将其放大，根据回波的波形设放大后的回波信号幅度函数模型为：
y(t)＝A(k)sin(ωt+θ)
其中y(t)为回波信号函数，k＝0，1，2…，k为振动周期数，A(k)为回波信号幅度，ω为超声波角频率，θ为超声回波相位；
(3)AD采集电路以采样率fS对回波信号进行数据采集，得到离散超声回波信号y(n)＝A(k)sin(2πnfc/fs+θ)，其中fc为超声波信号频率，n＝0，1，2，…N-1，N为一个回波信号周期的采样点数；
(4)超声波飞行时间测量装置完成一次超声波发射与回波接收采集后，处理器对采集的离散数据进行查询，找到最大幅度的超声回波ym(n)所在周期数Ncom，并结合下式计算粗时间Tr
<mrow>
<mi>T</mi>
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<mo>=</mo>
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<mo>)</mo>
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<mi>c</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
(5)以ym(n)为基准，计算其同频零相位单位参考信号和同频正交单位参考信号并存储，所述同频零相位单位参考信号与ym(n)频率相同、相位差为0°，幅度值为1；所述同频正交单位参考信号与ym(n)频率相同、相位差为90°，幅度值为1；
(6)ym(n)与同频零相位单位参考信号相乘、累加得到同相分量R，ym(n)与同频正交单位参考信号相乘、累加得到正交分量I，并根据以下公式计算得到精细时间ta；
幅度
相位
<mrow>
<msub>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mi>&theta;</mi>
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</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
(7)根据下式结合精细时间和粗时间得到准确地超声波飞行时间tTOF
tTOF＝Tr-ta。
2.根据权利要求1所述的基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，其特征在于：步骤(1)具体为：
处理器打开高压偏置电路产生直流偏置高压对超声波换能器充电，处理器产生一个脉宽与超声波换能器谐振频率互为倒数的电脉冲经过驱动放大电路放大后驱动超声波换能器，使其产生超声波信号，该超声波信号经反射面反射回的回波信号特征为：仅经过一个起振周期即达到回波信号幅度最大周期。
3.根据权利要求1所述的基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，其特征在于：步骤(4)具体为：
找到回波最大幅度所在周期ym(n)＝Amsin(2πnfc/fs+θ)，n＝0,1,2,…N-1,将该周期过零点前后两个相邻采样点ym(n1)与ym(n2)作线性拟合估算出过零点处的时间为tcom，通过Ncom＝tcom·fc+1，其中Ncom为整数，即可得到超声回波最大幅度所在周期数，由于最大幅度周期信号的前沿只有一个起振周期，因此为粗时间。
4.根据权利要求1所述的基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，其特征在于：步骤(5)中，
同频零相位单位参考信号为h(n)＝sin(2πnfc/fs),n＝0,1,2,…,N-1，同频正交单位参考信号为g(n)＝cos(2πnfc/fs),n＝0,1,2,…,N-1。
5.根据权利要求1所述的基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，其特征在于：步骤(6)中，
同相分量
正交分量
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