CN110221306A - 连续调制超声波精确测距方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续调制超声波精确测距方法、装置及系统，其中，该方法中包括：使用第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动；在预先设定的测距计时起始时刻点使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制；接收被测目标反射的回波信号，并对其解调得到第二正弦波信号；对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点；根据起始时刻点和到达时刻点计算与被测目标之间的距离。其以区别于传统振幅甄别法的测量方式，精确得到超声波信号的收发时间点，尤其对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，进一步提高到达时刻点的测量精度，进而精确的得到与被测目标间的距离。

Description

连续调制超声波精确测距方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，尤其涉及一种超声波测距方法、装置及系统。

背景技术

在工程建设领域中，通常需要对建筑物的沉降实施监测，而沉降监测的本质是对建筑物下沉位移的监测。目前有许多方法可实现对位移的精确监测，例如采用LVDT((Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器)传感器实现高精度的位移监测。但是，采用LVDT方式构成的监测系统成本较高，尤其在大量程沉降监测场合，成本将急剧上升。与现有的大多数水准沉降监测方法相比，利用超声测距原理实现位移监测具有非接触、大量程、廉价的优点。然而，鉴于超声波的物理性质，利用超声测距原理实现位移监测的精度通常在1mm(毫米)左右，并不能满足某些需要获得高精确水准沉降信息的场合。

要提高超声波测距的精度，需从超声波的物理机理入手，寻找影响测量精度的内在原因，以提出解决方法。超声波本质上是一种振动频率大于或等于20KHz(千赫兹)的弹性机械波，当前大多使用压电式超声换能器来产生。当超声换能器被施以其频响范围内的交变电信号激励时，超声换能器发生机械振荡，引起超声换能器所处空间附近的气体分子振动，从而改变所处空间附近的声压(空气中气体分子振动)，通过气体分子间能量的传递，产生一系列的超声波。根据超声波从一种传播介质入射到另一种介质时传输速率会发生变化的物理特性，超声波将在这两种介质的分界面上发生反射。假定超声波在某种介质中的传播速率是已知的，计算从超声波换能器发出超声波到超声波换能器接收到被反射回来的超声回波所需的时间，即可获得超声换能器与反射界面间的距离。

目前，利用超声波进行距离测量大多采用超声波时差法。在该方法中，以数个脉冲信号激励超声换能器发射超声波，超声波经被测物反射后接收超声回波；进而计算超声波发出时刻点到反射波被接收到时刻点的时间差，将该时间差与超声波波速的乘积被2除便得到超声发射点与被测物间的距离，这种方式亦被称为“雷达测量法”。众所周知，超声波换能器在电脉冲信号的激励下由静态开始振荡并发射超声波，而超声波稳定振荡的建立需要一个过渡过程，如图1a和图1b所示，其中，图1a为超声振子起振图(横轴为时间t，纵轴为振幅A)，图1b为超声振子停振图，即超声波换能器由静态启动到输出超声波的振幅需要经历一段由零到稳幅振荡的过渡过程。在该过程中，超声波的振幅按照正态增幅规律进行变化，也就是说，虽然超声激励时刻是已知的，但接收点得到是一簇其振幅随超声波换能器由静止到稳态的过渡过程及测量量程变化而变化的回波信号。以此，使用振幅甄别法测定的回波到达时刻是模糊且不稳定的，难以确定回波到达的精确时刻，成为常规雷达测量法无法得到高测量精度的关键因素，且使用脉冲信号激励超声发射换能器具有瞬变频谱特性，产生的超声波振幅具有进一步的不确定性。另外，在自然空间传播的超声波信号振幅随被测目标距离的增加急剧衰减，同时受到空间噪声的干扰，会对回波信号产生叠加贡献，引起回波信号的无规律涨落，进一步增大了甄别回波信号到达时间点的误差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种连续调制超声波精确测距方法、装置及系统，有效解决了现有超声波测距中测量精度不够的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种连续调制超声波精确测距方法，包括：

使用第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动；

在预先设定的测距计时起始时刻点使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制；

接收被测目标反射的回波信号，并对其解调得到第二正弦波信号；

对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点；

根据所述起始时刻点和到达时刻点计算与被测目标之间的距离，完成测距。

在本技术方案中，使用形成的第一正弦波信号驱动发射超声波换能器振动，即采用了幅频特性恒定的连续信号激励发射超声波换能器，有效避免了断续激励超声波收发换能器(包括发射超声波换能器和接收超声波换能器)带来的不稳定性；另外，将第二正弦波信号对第一正弦波信号振幅调制的时刻作为起始时刻点，并根据回波信号中的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点，以区别于传统振幅甄别法的测量方式，精确得到了超声波信号的收发时间点。再有，在确定回波信号到达时刻点之前，对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，将第二正弦波信号的振幅调整为一致，使得回波信号中第二正弦波信号的振幅不会受到测量距离的变化及空间噪声的影响，进一步提高了回波信号到达时刻点的确定精度。

进一步优选地，在根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点中：对自动增益控制后的第二正弦波信号进行过零触发，得到回波信号的到达时刻点。

在本技术方案中，通过对第二正弦波信号进行过零触发的方式精确确定回波信号的到达时刻点。

进一步优选地，在使用第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动之前，包括形成第一正弦波信号和第二正弦波信号的步骤：

根据预设频率生成第一方波信号，根据所述第一方波信号形成第一正弦波信号；

对所述第一方波信号分频得到第二方波信号，根据所述第二方波信号形成第二正弦波信号。

在本技术方案中，第一正弦波信号和第二正弦波信号根据同一方波信号形成，其中，第一正弦波信号由第一方波信号直接形成，第二正弦波信号由第一方波信号分频后形成，以确保第一正弦波信号和第二正弦波信号间的相位差保持不变，在测距计时起始时刻点达到后进行振幅调制。

进一步优选地，使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制之前，还包括根据第一正弦波信号或第二正弦波信号计时的步骤：

对第一正弦波信号或第二正弦波信号进行过零比较形成数字脉冲信号；

对数字脉冲信号进行计数；

当计数达到预设值，判定到达测距计时起始时刻点。

在本技术方案中，通过对数字脉冲信号计数方式确定测距计时起始时刻点，以精确地控制振幅调制的时刻。这里的测距计时起始时刻点由相关人员预先设定，通常设定为发射超声波换能器的振幅趋于稳定的某一时刻，避开发射超声波换能器由起始机械振荡达到稳态之间的过渡过程，进而有效解决现有超声波测距中不能准确确定回波信号到达时刻的技术问题。

进一步优选地，在对所述回波信号进行振幅解调得到第二正弦波信号中：

对所述回波信号进行精密半波整流得到半波信号；

以中心频率为第二正弦波频率的带通滤波器对所述半波信号进行过滤得到第二正弦波信号，完成对所述回波信号的解调。

由傅立叶变换原理可知，任何连续的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。在本技术方案中，精密半波整流后的半波信号由不同频率、振幅和相位的正弦波信号叠加而成，是以得到半波信号之后，通过滤波的方法即可解调出纯净的第二正弦波信号，大大提高了到达时刻点测量的精度。

进一步优选地，在使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制时，超调预设比例。

在本技术方案中，由超声波收发换能器中压电超声振子具有较大余振惯性的物理性质，在振幅调制的过程中进行一定比例的超调，以增强回波信号中携带的第二正弦波信号的调制比例(增加包络线的调制度)，从而大大增强了信噪比。

本发明还提供了一种连续调制超声波精确测距装置，其特征在于，包括：

微处理器单元，用于根据起始时刻形成单元形成的起始时刻点和回波到达时刻处理单元确定的到达时刻点计算与被测目标之间的距离；

第一正弦波形成单元，与微处理器单元连接，用于形成第一正弦波信号；

第二正弦波形成单元，与微处理器单元连接，用于形成第二正弦波信号；

振幅调制及驱动单元，用于使用第一正弦波形成单元形成的第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动，及用于在一测距计时起始时刻点使用第二正弦波形成单元形成的第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制；

起始时刻形成单元，用于确定作为测距计时起始时刻点；

前置接收单元，用于接收测目标反射的回波信号；

振幅解调单元，用于对前置接收单元接收的回波信号进行振幅解调得到第二正弦波信号；

回波到达时刻处理单元，用于振幅解调单元解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点。

在本技术方案中，使用形成的第一正弦波信号驱动发射超声波换能器振动，即采用了幅频特性恒定的连续信号激励发射超声波换能器，有效避免了断续激励超声波收发换能器(包括发射超声波换能器和接收超声波换能器)带来的不稳定性；另外，将第二正弦波信号对第一正弦波信号振幅调制的时刻作为起始时刻点，并根据回波信号中的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点，以区别于传统振幅甄别法的测量方式，精确得到了超声波信号的收发时间点。再有，在确定回波信号到达时刻点之前，对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，将第二正弦波信号的振幅调整为一致，使得回波信号中第二正弦波信号的振幅不会受到测量距离的变化及空间噪声的影响，进一步提高了回波信号到达时刻点的确定精度。

进一步优选地，在回波到达时刻处理单元中：对自动增益控制后的第二正弦波信号进行过零触发，得到回波信号的到达时刻点。

在本技术方案中，通过对第二正弦波信号进行过零比较的方式精确确定回波信号的到达时刻点。

进一步优选地，所述微处理器单元还用于根据预设频率生成第一方波信号；

所述第一正弦波形成单元根据所述第一方波信号形成第一正弦波信号；

所述第二正弦波形成单元对所述第一方波信号分频得到第二方波信号，并根据所述第二方波信号形成第二正弦波信号。

在本技术方案中，第一正弦波信号和第二正弦波信号根据同一方波信号形成，其中，第一正弦波信号由第一方波信号直接形成，第二正弦波信号由第一方波信号分频后形成，以确保第一正弦波信号和第二正弦波信号间的相位差保持不变，在测距计时起始时刻点达到后进行振幅调制。

进一步优选地，在所述起始时刻形成单元中，对第一正弦波信号或第二正弦波信号进行过零比较形成数字脉冲信号后，对其进行计数；当计数达到预设值，判定到达测距计时起始时刻点；并控制振幅调制及驱动单元使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制。

在本技术方案中，通过对数字脉冲信号计数方式确定测距计时起始时刻点，以精确地控制振幅调制的时刻。这里的测距计时起始时刻点由相关人员预先设定，通常设定为发射超声波换能器的振幅趋于稳定的某一时刻，避开发射超声波换能器由起始机械振荡达到稳态之间的过渡过程，进而有效解决现有超声波测距中不能准确确定回波信号到达时刻的技术问题。

进一步优选地，在振幅解调单元中，对接收到的回波信号进行精密半波整流得到半波信号，并以中心频率为第二正弦波频率的带通滤波器对所述半波信号进行过滤得到第二正弦波信号，完成对所述回波信号的解调。

由傅立叶变换原理可知，任何连续的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。在本技术方案中，精密半波整流后的半波信号由不同频率、振幅和相位的正弦波信号叠加而成，是以得到半波信号之后，通过滤波的方法即可解调出纯净的第二正弦波信号，大大提高了到达时刻点测量的精度。

进一步优选地，振幅调制及驱动单元在使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制时，超调预设比例。

在本技术方案中，由超声波收发换能器中压电超声振子具有较大余振惯性的物理性质，在振幅调制的过程中进行一定比例的超调，以增强回波信号中携带的第二正弦波信号的调制比例(增加包络线的调制度)，从而大大增强了信噪比。

本发明还提供了一种连续调制超声波精确测距系统，包括上述连续调制超声波精确测距装置，还包括：

填充有变压器绝缘油的不锈钢管缸筒，及置于所述变压器绝缘油面表面的平板浮片，所述连续调制超声波精确测距装置置于不锈钢管缸筒内变压器绝缘油上方一定距离，测量与平板浮片之间的距离。

在本技术方案中，采用新颖的技术处理方法，提供了一种成本低廉、测量量程大(监测高度达1米以上)的使用连续调制超声波时差法实现高精度测距的系统，能够适用于需要较高测量精度及需要大量程测定距离的场合，如对测量精度要求较高的工程水准沉降监测，明尤其适用于水下目标的精确测距及定位，相比于使用LVDT或电容式沉降监测传感器进行测距的方法具有极佳的性价比。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1a为超声振子起振图，图1b为超声振子停振图；

图2为本发明中连续调制超声波精确测距方法一种实施方式流程示意图；

图3为本发明中振幅调制后的调幅波示意图；

图4为本发明中连续调制超声波精确测距装置框图。

附图标记：

1-微处理器单元，2-第一正弦波形成单元，3-第二正弦波形成单元，4-振幅调制及驱动单元，5-起始时刻形成单元，6-前置接收单元，7-振幅解调单元，8-回波到达时刻处理单元，9-供电电源变换单元。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

如图2所示为连续调制超声波精确测距方法一种实施方式流程示意图，从图中可以看出，在该超声波测距方法中包括：

S10使用第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动；

S20在预先设定的测距计时起始时刻点使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制；

S30接收被测目标反射的回波信号，并对其解调得到第二正弦波信号；

S40对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点；

S50根据起始时刻点和到达时刻点计算与被测目标之间的距离，完成测距。

在本实施方式中，测距系统在t₀时刻通电后，开始以预设频率振荡的第一正弦波信号(载波信号)激励发射超声波换能器SPS1，处于静止状态的发射超声波换能器SPS1在该第一正弦波信号的驱动下开始振荡，并在一定时间内逐步过渡到稳态，如图1a所示。之后，在一预先设定的测距计时起始时刻点t₁，使用第二正弦波信号(信标信号)对第一正弦波信号进行振幅调制，并使用振幅调制后的调幅波信号持续激励发射超声波换能器SPS1，振幅调制后得到的调幅波信号I如图3所示(横坐标为时间t，纵坐标为振幅A)。发射超声波换能器SPS1发射的超声波信号到达被测目标后进行反射形成回波信号并被接收超声波换能器SPS2接收。接收超声波换能器SPS2接收到回波信号之后，随即对其进行解调得到其中的第二正弦波信号，之后对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点t_x。最后，根据到达时刻点t_x和起始时刻点t₁间的时间差值，结合超声波波速，计算得到精确的超声波发射点与被测目标反射点间的距离L。

具体，超声波在自由空间传播的速度C与环境温度T有关，如式(1)：

C＝331.4*(1+T/273)^1/2(1)

当发射超声波换能器SPS1和接收超声波换能器SPS2设置于同一水平位置，超声波发射点与被测目标之间的距离L如式(2)：

L＝(C*Δt_x)/2(2)

其中，Δt_x＝(t_x-t₁)/2，为回波信号实际达到时间。

第一正弦波信号和第二正弦波信号的形成过程为：测距系统在t₀时刻通电后，微处理器生成预设频率和占空比为50％的连续第一方波信号，并根据该第一方波信号形成第一正弦波信号。与此同时，对第一方波信号进行分频得到第二方波信号，并根据第二方波信号形成第二正弦波信号。生成第一方波信号的频率具体为超声波收发换能器(包括发射超声波换能器SPS1和接收超声波换能器SPS2)工作的中心频率，假定超声波收发换能器工作的中心频率为40KHz，则微处理器形成40KHz恒频恒幅连续的第一方波信号，进而根据该第一方波信号形成40KHz的第一正弦波信号，即第一正弦波信号的频率也为超声波收发换能器工作的中心频率。在对第一方波信号进行分频得到第二方波信号中，分频比根据实际情况进行设定，如，可以设定为64分频、也可以设定为32分频、24分频，甚至是二分频等，这里不做具体限定。

在一实例中，超声波收发换能器工作的中心频率为40KHz。系统在t₀时刻通电后，微处理器随即生成40KHz频率稳定、占空比为50％的第一方波信号并送出，该第一方波信号通过一二阶带通滤波器后，获得纯净的作为载波信号的40KHz恒频恒幅第一正弦波信号。与此同时，微处理器将40KHz的第一方波信号送入分频器，经64分频得到625Hz(赫兹)的第二方波信号(使用同一40KHz第一方波信号分频得到625Hz的第二方波信号的目的是确保分频所得的第二方波信号与第一方波信号间的相位差保持不变)，该第二方波信号通过另一二阶带通滤波器后，即获得纯净的作为信标信号的625Hz恒频恒幅第二正弦波信号。测距计时起始时刻点t₁到达后，使用625Hz的第二正弦波信号对40KHz的第一正弦波信号进行幅度调制，并控制调幅波信号以平衡驱动的方式继续激励发射超声波换能器SPS1。

进行振幅调制的测距计时起始时刻点t₁根据实际应用中发射超声波换能器SPS1的振动状态进行预先设定，这里对其具体值不做限定，只要满足发射超声波换能器SPS1经历时间段Δt＝t₁-t₀的振动后振幅趋于稳定即可。此外，对测距计时起始时刻点t₁的确定方式同样不做限定，如，在一实施方式中，在测距系统t₀时刻通电后，触发计时器开始计时，达到测距计时起始时刻点t₁后将第二正弦波信号送入振幅调制器。在另一实施方式中，根据第一正弦波信号或第二正弦波信号计时确定测距计时起始时刻点t₁，具体：对第一正弦波信号或第二正弦波信号进行过零比较后形成数字脉冲信号，并对得到的数字脉冲信号进行计数；当计数达到预设值，判定到达测距计时起始时刻点t₁。

在一实例中，分频器对40KHz的第一方波信号64分频得到625Hz的第二方波信号，并根据该第二方波信号形成第二正弦波信号后，将第二正弦波信号分两路送出，其中，一路被送至与调制解调器连接的集成模拟开关的输入端，另一路经高速过零触发比较器处理后形成数字脉冲信号(上升沿对应第二正弦波信号过零点的时刻)。之后，使用初始输出状态为零的四位二进制计数器对该数字脉冲信号进行计数，当计数到第4个数字脉冲信号时，计数器输出位Q₂Q₁Q₀对应的逻辑数字值为“100”，输出位Q₂由零跳变为1，该跳变信号被微处理器检测到并控制集成模拟开关开通，将第二正弦波信号送入振幅调制器作为调制信号对第一正弦波信号进行振幅调制，同时将该时刻作为测量的起始时刻点t₁。这一过程中，振幅调制前等待的时间段Δt＝t₁-t₀可由式(3)精确得出：

Δt＝t₁-t₀＝1×64×4/4000＝0.0064s(3)

也就是说，发射超声波换能器SPS1输出0.0064s(秒)的40KHz等幅正弦波后，开始向振幅调制器接入第二正弦波信号，并使用振幅调制后的调幅波信号激发发射超声换能器SPS1。在该实例中，第二正弦波信号加入前的0.0064s期间，发射超声换能器SPS1已经历了256个40KHz的完整等幅正弦波激励周期，已进入稳态。在其他实例中，计时数字脉冲的数量可以根据实际情况进行调整。

发射超声波换能器SPS1发射的超声波信号到达被测目标后，被被测目标的反射点反射形成回波信号，随即对回波信号进行精密半波整流得到半波信号，并以中心频率为第二正弦波频率的带通滤波器对半波信号进行过滤得到第二正弦波信号。

由于超声波信号在大气环境下传播时，振幅会随着传输距离的增加而迅速衰减，即解调得到的第二正弦波信号的振幅与测量距离相关。若直接对解调后的第二正弦波信号作过零触发来确定回波信号到达时刻点，在过零点将产生微小的时间误差。是以，为了实现高精度测量，对解调而得的第二正弦波信号进行自动增益控制(AGC)，使之振幅恒定，确保过零触发时过零点无时间误差。之后，将自动增益处理后振幅一致的第二正弦波信号进行过零比较形成数字脉冲信号Vt_x并进行过零触发，该数字脉冲信号Vt_x的上升沿(时刻t_x)即为回波信号的到达时刻点。在一定电压幅度范围内，对解调得到的第二正弦波信号的增益控制随增益压控电压呈线性反比变化，即，当测量距离增加，第二正弦波信号的幅度减小，增益压控电压亦减小，则对第二正弦波信号的控制增益变大；当测量距离减小，第二正弦波信号的幅度增大，增益压控电压亦增大，则对第二正弦波信号的控制增益减小。

在一实例中，系统接收到回波信号(在测距计时起始时刻点t_x，使用625Hz的第二正弦波信号调制40KHz的第一正弦波信号得到的调幅波信号激励发射超声波换能器SPS1)后，首先经低噪声高共模抑制比运算放大器进行差分放大处理，使得相对于系统参考地浮空的回波信号被转换为相对于系统参考地、被放大及抑除了共模噪声的回波信号；之后对该回波信号进行精密半波整流并通过中心频率为625Hz的四阶带通滤波器，将其中40KHz的第一正弦波信号滤除，解调出纯净的625Hz的第二正弦波信号；之后将解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，再将增益控制后的第二正弦波信号经过高速过零比较器，得到数字脉冲信号Vt_x；之后，对该数字脉冲信号Vt_x实施过零触发，当数字脉冲信号Vt_x中出现过零点时，微处理器单元中的微处理器产生中断信号T_END，微处理器响应该中断的时刻即为回波信号的到达时刻点t_x(对应数字脉冲信号Vt_x过零点的上升沿)。可以理解，在Δt＝t₁-t₀时间段，系统以40KHz的第一正弦波信号激励发射超声换能器SPS1，经反射后被接收超声换能器接收到的回波信号同样是等幅波，经中心频率为625Hz的四阶带通滤波器后的输出是零；而经振幅调幅后的回波信号经中心频率为625Hz的四阶带通滤波器后的输出是625Hz的第二正弦波信号，基于此实现本实施方式的目的。

由于超声波收发换能器中压电超声振子具有较大余振惯性的物理性质，是以，在另一实施方式中，在使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制时，超调预设比例，以增强回波信号中携带的第二正弦波信号的调制比例(增加包络线的调制度)，从而大大增强了信噪比。超调的比例可以根据实际应用中使用的超声波收发换能器进行设定，如，超调1/100、超调2/100甚至更多。

如图4所示为本发明提供的连续调制超声波精确测距装置框图，从图中看出，在该超声波测距装置中包括：微处理器单元1、第一正弦波形成单元2、第二正弦波形成单元3、振幅调制及驱动单元4、起始时刻形成单元5、前置接收单元6、振幅解调单元7及回波到达时刻处理单元8，其中，微处理器单元1的输出端分别与第一正弦波形成单元2和第二正弦波形成单元3的输入端连接，第一正弦波形成单元2及第二正弦波形成单元3的输出端分别与振幅调制及驱动单元4的输入端连接，第二正弦波形成单元3的输出端还与起始时刻形成单元5的输入端连接，起始时刻形成单元5的输出端与微处理器单元1的输入端连接，前置接收单元6的输出端与振幅解调单元7的输入端连接，振幅解调单元7的输出端与回波到达时刻处理单元8的输入端连接，回波到达时刻处理单元8的输出端与微处理器单元1的输入端连接。另外，该超声波测距装置中还包括为各功能单元提供相应电源的供电电源变换单元9，可提供±12V电源和±5V电源，保证连续调制超声波测距系统的正常运行。

在本实施方式中，测距系统在t₀时刻通电后，微处理器单元1控制第一正弦波形成单元1形成第一正弦波信号并输出至振幅调制及驱动单元，同时控制第二正弦波形成单元2形成第二正弦波信号。振幅调制及驱动单元4接收到第一正弦波信号之后，随即以该第一正弦波信号激励发射超声波换能器SPS1，处于静止状态的发射超声波换能器SPS1在该第一正弦波信号的驱动下开始振荡，并在一定时间内逐步过渡到稳态，如图1a所示。起始时刻形成单元5确定预先设定的测距计时起始时刻点达到后，微处理器单元1随即控制第二正弦波信号进入振幅调制及驱动单元4，进而振幅调制及驱动单元4使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制，并使用振幅调制后的调幅波信号持续激励发射超声波换能器SPS1。发射超声波换能器SPS1发射的超声波信号到达被测目标后进行反射形成回波信号并被前置接收单元6中的接收超声波换能器SPS2接收。接收超声波换能器SPS2接收到回波信号之后，振幅解调单元7随即对其进行解调得到第二正弦波信号，之后回波到达时刻处理单元8根据对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点t_x。最后，微处理器单元1根据到达时刻点t_x和起始时刻点t₁间的时间差值，结合超声波波速，计算得到精确的超声波发射点与被测目标反射点间的距离L，如式(1)和式(2)。

第一正弦波信号和第二正弦波信号的形成过程为：测距系统t₀时刻通电后，微处理器单元1生成预设频率和占空比为50％的连续第一方波信号并分别送入第一正弦波形成单元2和第二正弦波形成单元3，第一正弦波形成单元2根据该第一方波信号形成第一正弦波信号并送入振幅调制及驱动单元4。与此同时，第二正弦波形成单元3对第一方波信号进行分频得到第二方波信号，并根据第二方波信号形成第二正弦波信号。生成第一方波信号的频率具体为超声波收发换能器(包括发射超声波换能器SPS1和接收超声波换能器SPS2)工作的中心频率，假定超声波收发换能器工作的中心频率为40KHz，则微处理器形成40KHz恒频恒幅连续的第一方波信号，进而根据该第一方波信号形成40KHz的第一正弦波信号，即第一正弦波信号的频率也为超声波收发换能器工作的中心频率。在对第一方波信号进行分频得到第二方波信号中，分频比根据实际情况进行设定，如，可以设定为64分频、也可以设定为32分频、24分频，甚至是二分频，这里不做具体限定。

在一实例中，超声波收发换能器工作的中心频率为40KHz，微处理器单元中包括一用于为第一正弦波形成单元和第二正弦波形成单元提供第一方波信号及初始复位信号的微处理器；第一正弦波形成单元中包括一用于将第一方波信号变换为40KHz第一正弦波信号的二阶带通滤波器；第二正弦波形成单元中包括一用于对第一正弦波信号进行分频的分频器，及一用于将第二正弦波信号变换为第二正弦波信号的二阶带通滤波器；振幅调制及驱动单元中包括用于进行振幅调制的振幅调制集成电路、用于将振幅调制集成电路送出的振幅调制信号变换为平衡输出驱动模式的平衡驱动器及发射超声换能器SPS1。

在工作过程中，测距系统在t₀时刻通电后，微处理器单元中的微处理器随即生成40KHz频率稳定、占空比为50％的第一方波信号并送出，该第一方波信号通过第一正弦波形成单元中的二阶带通滤波器后，获得纯净的作为载波信号的40KHz恒频恒幅第一正弦波信号。与此同时，微处理器将第一方波信号送入第二正弦波形成单元中的分频器，经64分频得到625Hz(赫兹)的第二方波信号，该第二方波信号通过第二正弦波形成单元中的二阶带通滤波器后，即获得纯净的作为信标信号的625Hz恒频恒幅第二正弦波信号。当测距计时起始时刻点t₁到达后，振幅调制及驱动单元中的振幅调制集成电路使用625Hz的第二正弦波信号对40KHz的第一正弦波信号进行幅度调制，并通过平衡驱动器控制调幅波信号以平衡驱动的方式继续激励发射超声波换能器SPS1，具体，振幅调制后得到的调幅波信号I如图3所示。

进行振幅调制的测距计时起始时刻点t₁根据实际应用中发射超声波换能器SPS1的振动状态进行预先设定，这里对其具体值不做限定，只要满足发射超声波换能器SPS1经历时间段Δt＝t₁-t₀的振动后振幅趋于稳定即可。此外，对于测距计时起始时刻点t₁的确定方式同样不做限定，如，在一实施方式中，在测距系统t₀时刻通电后，触发起始时刻形成单元5中的计时器开始计时，达到测距计时起始时刻点t₁后将第二正弦波信号送入并控制振幅调制器进行振幅调制。在另一实施方式中，起始时刻形成单元5根据第一正弦波信号或第二正弦波信号进行计时确定测距计时起始时刻点t₁，具体：对第一正弦波信号或第二正弦波信号进行过零比较后形成数字脉冲信号，并对得到的数字脉冲信号进行计数；当计数达到预设值，判定到达测距计时起始时刻点t₁。

在一实例中，第二正弦波形成单元中包括分频器和二阶带通滤波器之外，还包括用于控制第二正弦波信号通断的集成模拟开关；起始时刻形成单元中包括用于将第二正弦波信号变换为数字脉冲信号的集成比较器及用于对数字脉冲信号进行计数的集成计数器；微处理器单元中的微处理器还用于为起始时刻形成单元提供中断服务。

在工作过程中，第二正弦波形成单元中的分频器对40KHz的第一方波信号64分频得到625Hz的第二方波信号，并根据该第二方波信号形成第二正弦波信号后，第二正弦波形成单元将该第二正弦波信号分两路送出，其中，一路被送至与调制解调器连接的集成模拟开关的输入端，另一路被送至起始时刻形成单元，第二正弦波信号经起始时刻形成单元中的集成比较器进行高速过零比较后形成数字脉冲信号，作为集成计数器的触发信号(上升沿对应第二正弦波信号过零点的时刻)。之后，使用初始输出状态为零的集成计数器(四位二进制计数器)对该数字脉冲信号进行计数，当其输出位Q₂Q₁Q₀对应逻辑数字值“100”时，输出位Q₂由零跳变为1，微处理器单元中的微处理器产生中断，并控制集成模拟开关开通，将第二正弦波信号被送入振幅调制及驱动单元作为调制信号对第一正弦波信号进行振幅调制，同时将微处理器响应中断的时间作为测量的起始时刻点t₁。这一过程中，振幅调制前等待的时间段Δt＝t₁-t₀可由式(3)精确得出。也就是说，发射超声波换能器SPS1输出0.0064s(秒)的40KHz等幅正弦波后，开始向振幅调制及驱动单元4中的振幅调制器接入第二正弦波信号，并使用振幅调制后的调幅波信号激发发射超声换能器SPS1。在该实例中，第二正弦波信号加入前的0.0064s期间，发射超声换能器SPS1已经历了256个40KHz的完整等幅正弦波激励周期，已进入稳态。

发射超声波换能器SPS1发射的超声波信号到达被测目标后，被被测目标的反射点反射形成回波信号，最终被前置接收单元6中的接收超声波换能器SPS2接收。接收到回波信号之后，振幅解调单元7随即对回波信号进行精密半波整流得到半波信号，并以中心频率为第二正弦波频率的带通滤波器对半波信号进行过滤得到第二正弦波信号，进而回波到达时刻处理单元8根据解调得到的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点t_x。

由于超声波信号在大气环境下传播时，振幅会随着传输距离的增加而迅速衰减，即解调得到的第二正弦波信号的振幅与测量距离相关。若直接对解调后的第二正弦波信号作过零触发来确定回波信号到达时刻点，在过零点将产生微小的时间误差。是以，为了实现高精度测量，回波到达时刻处理单元8对解调而得的第二正弦波信号进行自动增益控制(AGC)，使之振幅恒定，确保过零触发时过零点无时间误差。之后，经自动增益处理后振幅一致的第二正弦波信号过零比较后形成数字脉冲信号Vt_x并进行过零触发，该数字脉冲信号Vt_x的上升沿(时刻t_x)即为回波信号的到达时刻点。在一定电压幅度范围内，回波到达时刻处理单元8对解调得到的第二正弦波信号的增益控制随增益压控电压呈线性反比变化，即，当测量距离增加，第二正弦波信号的幅度减小，增益压控电压亦减小，则对第二正弦波信号的控制增益变大；当测量距离减小，第二正弦波信号的幅度增大，增益压控电压亦增大，则对第二正弦波信号的控制增益减小。

在一实例中，前置接收单元中包括一接收超声波换能器SPS2及一运算放大器；振幅解调单元中包括一精密半波整流电路及一四阶带通滤波器。回波到达时刻处理单元中包括一集成比较器。由于集成比较器构成过零触发结构时，在没有信号输入时，其输出状态是不确定的，极易引起震荡，是以通常将集成比较器设计成一个具有小的回差值的迟滞模式，即集成比较器输入信号振幅的大小会影响越过阀值的时间点。为了消除信号幅度涨落引起过阀值点时刻的涨落，在回波到达时刻处理单元中设置一用于对解调得到的第二正弦波信号实行自动增益控制处理的自动增益控制芯片。

在工作过程中，前置接收单元中的接收超声波换能器SPS2接收到回波信号(在测距计时起始时刻点t_x，使用625Hz的第二正弦波信号调制40KHz的第一正弦波信号得到的调幅波信号激励发射超声波换能器SPS1)后，首先经低噪声高共模抑制比运算放大器进行差分放大处理，使得相对于系统参考地浮空的回波信号被转换为相对于系统参考地、被放大及抑除了共模噪声的回波信号；之后振幅解调单元中的精密半波整流电路对该回波信号进行精密半波整流并通过中心频率为625Hz的四阶带通滤波器，将其中40KHz的第一正弦波信号滤除，解调出纯净的625Hz的第二正弦波信号；之后自动增益控制芯片(通过自动增益控制芯片中增益控制脚输入的增益控制电压对第二正弦波信号的幅度进行控制，增益控制电压由输入的第二正弦波信号得到，且增益控制电压越小，控制增益越大；增益控制电压越大，控制增益越小)对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，再将增益控制后的第二正弦波信号经过集成比较器，得到数字脉冲信号Vt_x，在该集成比较器中发生过零触发，为微处理器单元中的微处理器产生中断信号T_END，微处理器响应该中断的时刻即为回波信号的到达时刻点t_x。可以理解，在Δt＝t₁-t₀时间段，系统以40KHz的第一正弦波信号激励发射超声换能器SPS1，经反射后被接收超声换能器接收到的回波信号同样是等幅波，经中心频率为625Hz的四阶带通滤波器后的输出是零；而经振幅调幅后的回波信号经中心频率为625Hz的四阶带通滤波器后的输出是625Hz的第二正弦波信号，基于此实现本实施方式的目的。

由于超声波收发换能器中压电超声振子具有较大余振惯性的物理性质，是以，在另一实施方式中，振幅调制及驱动单元4在使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制时，超调预设比例。虽然在振幅调制时进行了超调，但是接收超声波换能器SPS2由于惯性，无法响应超调的回波信号，是以一定程度上增强了回波信号中携带的第二正弦波信号的调制比例(增加包络线的调制度)，从而大大增强了信噪比。超调的比例可以根据实际应用中使用的超声波收发换能器进行设定，如，超调1/100、超调2/100甚至更多。

此外，微处理器单元1中还包括RS485通信芯片和温度传感芯片，RS485通信芯片用于实现连续调制超声波精确测距装置与外界的通信，可实现高达1000m的传输距离；温度传感芯片用于修正超声波的波速。在一实例中，采用型号为DS1624的温度传感芯片，实时修正从-10～70℃环境温度变化的超声波传播速率，测量精度达0.032℃。

本发明还提供了一种连续调制超声波精确测距系统，在该测距系统中除了包括上述连续调制超声波精确测距装置之外，还包括：填充有变压器绝缘油的不锈钢管缸筒，及置于变压器绝缘油面表面的用于反射发射超声波换能器SPS1发射的超声波信号的平板浮片(平板浮片的直径略小于不锈钢圆筒内径)，连续调制超声波精确测距装置置于不锈钢管缸筒内变压器绝缘油上方一定距离，测量与平板浮片之间的距离。对于连续调制超声波精确测距装置的设置距离，根据其中的超声波收发换能器的位置进行设定，只要满足超声波信号的盲区即可，如，将连续调制超声波精确测距装置设置在变压器绝缘油上方约50厘米处，当发射超声波换能器和接收超声波换能器不设置在同一位置时，甚至可以实现无盲区测量。

在本实施方式中，依据连续调制超声波时差法高精度测距方法可达到1米及以上的测量量程、0.1mm(毫米)的测量精度，能够适用于需要较高测量精度及需要大量程测定距离的场合，明尤其适用于水下目标的精确测距及定位。

Claims (13)

1.一种连续调制超声波精确测距方法，其特征在于，包括：

使用第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动；

在预先设定的测距计时起始时刻点使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制；

接收被测目标反射的回波信号，并对其解调得到第二正弦波信号；

对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点；

根据所述起始时刻点和到达时刻点计算与被测目标之间的距离，完成测距。

2.如权利要求1所述的连续调制超声波精确测距方法，其特征在于，在根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点中：对自动增益控制后的第二正弦波信号进行过零触发，得到回波信号的到达时刻点。

3.如权利要求1或2所述的连续调制超声波精确测距方法，其特征在于，在使用第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动之前，包括形成第一正弦波信号和第二正弦波信号的步骤：

根据预设频率生成第一方波信号，根据所述第一方波信号形成第一正弦波信号；

对所述第一方波信号分频得到第二方波信号，根据所述第二方波信号形成第二正弦波信号。

4.如权利要求1或2所述的连续调制超声波精确测距方法，其特征在于，使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制之前，还包括根据第一正弦波信号或第二正弦波信号计时的步骤：

对第一正弦波信号或第二正弦波信号进行过零比较形成数字脉冲信号；

对所述数字脉冲信号进行计数；

当计数达到预设值，判定到达测距计时起始时刻点。

5.如权利要求1或2所述的连续调制超声波精确测距方法，其特征在于，在对所述回波信号进行振幅解调得到第二正弦波信号中，包括：

对所述回波信号进行精密半波整流得到半波信号；

以中心频率为第二正弦波频率的带通滤波器对所述半波信号进行过滤得到第二正弦波信号，完成对所述回波信号的解调。

6.如权利要求1或2所述的连续调制超声波测距方法，其特征在于，在使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制时，超调预设比例。

7.一种连续调制超声波精确测距装置，其特征在于，包括：

微处理器单元，用于根据起始时刻形成单元形成的起始时刻点和回波到达时刻处理单元确定的到达时刻点计算与被测目标之间的距离；

第一正弦波形成单元，与微处理器单元连接，用于形成第一正弦波信号；

第二正弦波形成单元，与微处理器单元连接，用于形成第二正弦波信号；

振幅调制及驱动单元，用于使用第一正弦波形成单元形成的第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动，及用于在一测距计时起始时刻点使用第二正弦波形成单元形成的第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制；

起始时刻形成单元，用于确定测距计时起始时刻点；

前置接收单元，用于接收测目标反射的回波信号；

振幅解调单元，用于对前置接收单元接收的回波信号进行振幅解调得到第二正弦波信号；

回波到达时刻处理单元，用于振幅解调单元解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点。

8.如权利要求7所述的连续调制超声波精确测距装置，其特征在于，在回波到达时刻处理单元中：对自动增益控制后的第二正弦波信号进行过零触发，得到回波信号的到达时刻点。

9.如权利要求7或8所述的连续调制超声波精确测距装置，其特征在于，

所述微处理器单元还用于根据预设频率生成第一方波信号；

所述第一正弦波形成单元根据所述第一方波信号形成第一正弦波信号；

所述第二正弦波形成单元对所述第一方波信号分频得到第二方波信号，并根据所述第二方波信号形成第二正弦波信号。

10.如权利要求7或8所述的连续调制超声波精确测距装置，其特征在于，

在所述起始时刻形成单元中，对第一正弦波信号或第二正弦波信号进行过零比较形成数字脉冲信号后，对其进行计数；当计数达到预设值，判定到达测距计时起始时刻点；微处理器单元控制振幅调制及驱动单元使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制。

11.如权利要求7或8所述的连续调制超声波精确测距装置，其特征在于，在振幅解调单元中，对接收到的回波信号进行精密半波整流得到半波信号，并以中心频率为第二正弦波频率的带通滤波器对所述半波信号进行过滤得到第二正弦波信号，完成对所述回波信号的解调。

12.如权利要求7或8所述的连续调制超声波测距装置，其特征在于，振幅调制及驱动单元在使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制时，超调预设比例。

13.一种连续调制超声波精确测距系统，其特征在于，包括如权利要求7-12任意一项所述的连续调制超声波精确测距装置，还包括：

填充有变压器绝缘油的不锈钢管缸筒，及置于所述变压器绝缘油面表面的平板浮片，所述连续调制超声波精确测距装置置于不锈钢管缸筒内变压器绝缘油上方一定距离，测量与平板浮片之间的距离。