CN107576964B - 线性变频信号的回波时间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明线性变频信号的回波时间测量方法，包括以下步骤：步骤1，超声波传感器发射周期先线性增加后线性减小的脉冲串，记录脉冲串的频率转折时刻t₀；步骤2，经过延时以消除超声波传感器的余振影响；步骤3，超声波传感器同时接收超声波回波信号，经过放大、滤波电路处理后得到有效回波信号；步骤4，将有效回波信号经过模拟电压比较器整形为数字回波脉冲序列，并传送给处理器，计算出各个回波脉冲的宽度；步骤5，找到回波脉冲的宽度变化转折点m，即为回波脉冲频率转折点，记录该点的时刻为t[m]；步骤6，计算回波时间t_echo，t_echo＝t[m]‑t₀。本发明解决了现有技术中存在的测量回波信号精度低、实时性差、计算量大的问题。

Description

线性变频信号的回波时间测量方法

技术领域

本发明属于超声波测距技术领域，涉及一种线性变频信号的回波时间测量方法。

背景技术

超声波脉冲回波测距技术是目前广泛应用的非接触测距方法^[1]，目前在脉冲回波测距技术中有阀门法、互相关函数法、频域相位法和时域法^[2]、FSK(频移键控)等检测方法^[3]；由于超声波回波信号传输过程衰减严重，回波前沿难检测，阀门法精度无法保证^[2]，互相关函数法、频域相位法和时域方法需要对回波信号采样，需要高速的模数转换器和大量存储器，分析方法计算量大，实用性较低^[2]，FSK(频移键控)是检测超声波频率发生跳变的时刻来确定超声波在介质中的渡越时间的方法，由于超声波传感器在发射和接收过程需要较长的起振时间^[5]，而脉冲回波法发送脉冲个数有限，在较短时间内频率不能稳定，回波频率切换点不易找到。

[1]潘仲明简盈王跃科.基于两步相关法的大量程超声波测距技术[J].电子测量与仪表学报2006 20(5):73－76。

[2]程晓畅苏绍景王跃科潘仲明祝琴.超声回波信号调制及其包络相关时延估计算法[J].传感技术学报2006 19(6)2571-2577。

[3]孟升卫曹义尹洪涛.基于FSK的超声波测距技术研究[J].电子测量技术200932(5):150－156。

[4]徐斌.一种考虑起振延迟的低频超声波短距高精度测量校准方法[J].传感技术学报2013 26(5):666－669。

[5]章小兵宋爱国唐鸿儒.基于单接收头的超声波多目标测距[J].传感技术学报2007 20(5):1167-1170。

发明内容

本发明的目的是提供一种线性变频信号的回波时间测量方法，解决了现有技术中存在的测量回波信号精度低、实时性差、计算量大的问题。

本发明所采用的技术方案是，线性变频的回波时间测量方法，包括以下步骤：

步骤1，超声波传感器发射周期先线性增加后线性减小的脉冲串，记录发射脉冲串的频率转折时刻t₀；

步骤2，经过延时以消除超声波传感器的余振影响；

步骤3，超声波传感器在发射脉冲串的同时接收超声波回波信号，超声波回波信号经过放大、滤波电路处理后得到有效回波信号；

步骤4，将有效回波信号经过模拟电压比较器整形为数字回波脉冲序列，并传送给处理器，计算出各个回波脉冲的宽度；

步骤5，找到回波脉冲的宽度变化转折点m，即为回波脉冲频率转折点，记录该点的时刻为t[m]；

步骤6，计算回波时间t_echo，t_echo＝t[m]-t₀。

步骤1具体为：

超声波传感器发送周期以

为起始，周期渐变的步长为Δt的，周期先线性增加后线性减小的脉冲串，当发送宽度为

的脉冲时，记录当时的时刻t₀，即为发射脉冲串的频率转折时刻；

其中，f_s为超声波传感器的中心频率，n为脉冲串中脉冲的个数。

步骤1中，n取值为奇数，n的取值范围为7-15。

步骤4具体为：

按照回波脉冲的次序记下每个回波脉冲的上升边沿时刻，并记录到上升边沿时刻数组t[i]中，i为回波脉冲的序数；

根据t[i]确定各个回波脉冲的宽度，记录到回波脉冲宽度数组w[i]中，w[i]＝t[i]-t[i-1]，i为回波脉冲的序数。

步骤5具体为：

根据回波脉冲宽度数组w[i]，找到回波脉冲宽度变化转折点m：即在接收到的回波脉冲序列中，存在一段包含n个脉冲的连续脉冲串，回波脉冲满足先连续递增

个脉冲达到m点，再从m点连续递减

个脉冲的规则，将其中心位置m点确定为回波脉冲频率转折点，记录该点的时刻为t[m]。

本发明的有益效果是，线性变频的回波时间测量方法，通过在超声波传感器中心频率附近，发送逐脉冲频率先线性递减再线性递增的脉冲串，有助于传感器跟随激励信号变化，回波信号输出比较稳定；再将回波信号幅度放大并整形成数字脉冲序列，测量每个脉冲的宽度(频率)，以确定回波信号的频率转折点，发射信号的频率转折点和回波信号的频率转折点之时间差为有效的回波时间；本发明不需要采样模拟回波信号，降低了系统对模数转换器、存储器等超声波检测距装置的硬件要求，成本较低，不需要复杂的算法，可靠性强，容易实现，具有较高的实用性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

线性变频的回波时间测量方法，包括以下步骤：

步骤1，超声波传感器发射周期先线性增加后线性减小的脉冲串，记录发射脉冲串的频率转折时刻t₀；

步骤1具体为：

超声波传感器发送周期以

为起始，周期渐变的步长为Δt的，周期先线性增加后线性减小的脉冲串，即脉冲串中的每个脉冲的宽度分别为

当发送宽度为

的脉冲时，即脉冲串中心位置的脉冲，记录当时的时刻t₀，即为发射脉冲串的频率转折时刻；

其中，f_s为超声波传感器的中心频率，n为脉冲串中脉冲的个数，n取值为奇数，n的取值范围为7-15，Δt可根据超声波传感器的频带宽度取

的0.1-0.25％；

发送这种周期(频率)渐变的脉冲串，便于超声波传感器跟随激励信号变化，其超声波回波信号输出比较稳定。

步骤2，经过一段时间的延时(大约毫秒级)，以消除超声波传感器的余振影响，延时时间依据具体的超声波传感器的特性而定。

步骤3，超声波传感器在发射脉冲串的同时接收超声波回波信号，超声波回波信号经过放大、滤波电路处理后得到有效回波信号，有效回波信号的幅值较大，干扰成分较低。

步骤4，将有效回波信号经过模拟电压比较器整形为数字回波脉冲序列，传送给处理器，每个数字脉冲的宽度对应回波信号的周期，每个数字脉冲的位置对应具体回波信号的位置；计算出各个回波脉冲的宽度；

步骤4具体为：

按照回波脉冲的次序记下每个回波脉冲的上升边沿时刻，并记录到上升边沿时刻数组t[i]中，i为回波脉冲的序数；

根据t[i]确定各个回波脉冲的宽度，记录到回波脉冲宽度数组w[i]中，w[i]＝t[i]-t[i-1]，i为回波脉冲的序数。

步骤5，找到回波脉冲的宽度变化转折点m，即为回波脉冲频率转折点，记录该点的时刻为t[m]；

步骤5具体为：

根据回波脉冲宽度数组w[i]，找到回波脉冲宽度变化转折点m：

若m满足：

w[m]＞w[m+1]，

w[m+1]＞w[m+2]，

根据回波脉冲宽度数组w[i]，找到回波脉冲宽度变化转折点m：即在接收到的回波脉冲序列中，存在一段包含n个脉冲的连续脉冲串，回波脉冲满足先连续递增

个脉冲达到m点，再从m点连续递减

个脉冲的规则，将其中心位置m点确定为回波脉冲频率转折点，记录该点的时刻为t[m]；采用这种方式确定回波脉冲频率转折点而不能根据发射的脉冲串的脉冲宽度严格比较以确定回波脉冲频率转折点，这是根据超声波传感器的特性决定的，超声波发射和接收短暂的脉冲串，频率不能稳定，但是频率变化趋势能够反映出来。

步骤6，计算回波时间t_echo，t_echo＝t[m]-t₀。

实施例：采用工作频率为125Khz的收发一体化超声波传感器,以STM32F405RGT6处理器为核心实现本发明。

超声波发射脉冲串采用定时器TIM2控制，脉冲发送规则为：以超声波传感器中心频率125Khz为起点，频率分5个脉冲逐步降到124Khz，再从124Khz分4个脉冲逐步升到125Khz，发送共9个脉冲，经过放大，发射脉冲幅值大约为200Vpp，当发射脉冲的频率为124Khz时，使定时器TIM3从零开始计数。

接收的回波信号经过总增益大约为50db三级放大滤波，经过电压比较器转换成数字脉冲信号，输入至处理器的定时器TIM3输入端，利用定时器TIM3的捕获功能记录每个数字回波脉冲上升边沿的时刻。

发射超声波脉冲串后，经过大约1ms延时，去除超声波传感器的余振的影响，打开定时器TIM3的捕获中断，在每个数字回波脉冲上升沿，产生定时器TIM3的捕获中断，将TIM3当前的计数值依次保存到数组t[40]中，经过大约20ms延时，接收过程完成。

通过程序计算收到的各个回波脉冲宽度，保存到数组w[40]中：w[i]＝t[i]-t[i-1]；

根据收到的回波脉冲宽度数组w[i]，在其中查找回波脉冲频率转折点，即查找回波脉冲频率连续逐渐增加5次，又连续降低4次的点，若找到的点为m，可以确定回波时间t_echo为t[m]。

实验表明，该测试装置在恒定室温环境下，在目标距离为1米范围以内，回波测量误差小于±5us，在目标距离为2米范围，回波测量误差小于±10us，若再大于该范围误差明显增加；考虑声波传播速度为340m/s，可以折算出距离测量误差在目标距离为1米范围以内，大约为±0.85mm，在目标距离为2米范围，回波测量误差小于±1.7mm，测量精度明显高于传统方法。

通过上述方式，线性变频的回波时间测量方法，通过在超声波传感器中心频率附近，发送逐脉冲频率先线性递减再线性递增的脉冲串，有助于传感器跟随激励信号变化，回波信号输出比较稳定；再将回波信号幅度放大并整形成数字脉冲序列，测量每个脉冲的宽度(频率)，以确定回波信号的频率转折点，发射信号的频率转折点和回波信号的频率转折点之差为有效的回波时间；本发明不需要采样模拟回波信号，降低了系统对模数转换器、存储器等超声波检测距装置的硬件要求，成本较低，不需要复杂的算法，可靠性强，容易实现，具有较高的实用性。解决了利用回波前沿检测回波信号精度低的问题；解决了基于互相关函数法、频域相位法和时域方法需要高速的模数转换器和大量数据存储，分析方法计算量大，实时性差，实用性较低的问题，解决了FSK(频移键控)检测回波时间频率切换点难以确定的问题。

Claims (3)

1.线性变频的回波时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，超声波传感器发射周期先线性增加后线性减小的脉冲串，记录发射脉冲串的频率转折时刻t₀；

步骤2，经过延时以消除所述超声波传感器的余振影响；

步骤3，所述超声波传感器在发射脉冲串的同时接收超声波回波信号，所述超声波回波信号经过放大、滤波电路处理后得到有效回波信号；

步骤4，将所述有效回波信号经过模拟电压比较器整形为数字回波脉冲序列，并传送给处理器，计算出各个回波脉冲的宽度；所述步骤4具体为：

按照回波脉冲的次序记下每个回波脉冲的上升边沿时刻，并记录到上升边沿时刻数组t[i]中，i为回波脉冲的序数；

根据t[i]确定各个回波脉冲的宽度，记录到回波脉冲宽度数组w[i]中，w[i]＝t[i]-t[i-1]，i为回波脉冲的序数；

步骤5，找到回波脉冲的宽度变化转折点m，即为回波脉冲频率转折点，记录该点的时刻为t[m]；所述步骤5具体为：

根据回波脉冲宽度数组w[i]，找到回波脉冲宽度变化转折点m：即在接收到的回波脉冲序列中，存在一段包含n个脉冲的连续脉冲串，回波脉冲满足先连续递增

个脉冲达到m点，再从m点连续递减

个脉冲的规则，将其中心位置m点确定为回波脉冲频率转折点，记录该点的时刻为t[m]；

步骤6，计算回波时间t_echo，t_echo＝t[m]-t₀。

2.根据权利要求1所述的线性变频的回波时间测量方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

超声波传感器发送周期以

为起始，周期渐变的步长为Δt的，周期先线性增加后线性减小的脉冲串，当发送宽度为

的脉冲时，记录当时的时刻t₀，即为发射脉冲串的频率转折时刻；

其中，f_s为超声波传感器的中心频率，n为脉冲串中脉冲的个数。

3.根据权利要求2所述的线性变频的回波时间测量方法，其特征在于，所述步骤1中，n取值为奇数，n的取值范围为7-15。