CN111175758A - 超声波跳频测距方法及装置 - Google Patents

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    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
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Abstract

本发明提供了一种超声波跳频测距方法及装置。该方法包括：发射用来测距的跳频信号，其中，所述跳频信号的发射频率是关于时间的三角波；接收障碍物反射跳频信号所产生的回波信号；将跳频信号与回波信号进行混频，得到跳频信号与回波信号之间的频差信息；根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。本发明所提供的超声波跳频测距方法及装置实现了在高干扰环境下对于障碍物空间距离的准确测量。

Description

超声波跳频测距方法及装置
技术领域
本发明涉及电气火灾监控系统中主机与剩余电流探测器之间的空间距离测量技术领域，特别是涉及一种超声波跳频测距方法及装置。
背景技术
当前国内电气火灾监控系统中空间测距的方法有很多种类，如超声波，红外、跳频和激光测距等。而常用的超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。目前主要超声波测距方法是超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。它的优点是技术实现方式简单，缺点就是由于采用单一频率的超声波，复杂环境下，受电磁干扰测量准确度误差大等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种超声波跳频测距方法及装置，使用在电气火灾监控系统主机与剩余电流探测器无线通讯系统中，完成在强干扰环境和障碍物下实现高精度的测量主机与探测器设备之间的空间距离。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声波跳频测距方法，所述方法包括：发射用来测距的跳频信号，其中，所述跳频信号的发射频率是关于时间的三角波；接收障碍物反射跳频信号所产生的回波信号；将跳频信号与回波信号进行混频，得到跳频信号与回波信号之间的频差信息；根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。
在一些实施方式中，三角波上升段的斜率与下降段的斜率相等。
在一些实施方式中，频差信号包括：三角波一个周期内的平均频差。
在一些实施方式中，三角波一个周期内的平均频差通过信号接收处理单元进行计算。
在一些实施方式中，三角波一个周期内的平均频差由如下公式给出：
Figure BDA0002383810780000021
其中，flv为三角波一个周期内的平均频差，Δf为发送频率调制最大频偏，R为与障碍物之间的空间距离，Tm三角波的周期，c为光速。
在一些实施方式中，与障碍物之间的空间距离由如下公式给出：
Figure BDA0002383810780000022
其中，flv为三角波一个周期内的平均频差，Δf为发送频率调制最大频偏，R为与障碍物之间的空间距离，fm三角波的频率，c为光速。
此外，本发明还提供了一种超声波跳频测距装置，所述装置包括：发射器，用于发射用来测距的跳频信号，其中，所述跳频信号的发射频率是关于时间的三角波；接收器，用于接收障碍物反射跳频信号所产生的回波信号；混频器，连接至发射器及接收器，用于将跳频信号与回波信号进行混频，得到跳频信号与回波信号之间的频差信息；控制器，连接至混频器，用于根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。
在一些实施方式中，还包括：信号接收处理单元，连接在混频器与控制器之间，用于根据混频器输出的频差信号，计算三角波一个周期的平均频差。
在一些实施方式中，还包括：放大器，连接在混频器与信号接收处理单元之间，用于对混频器输出的频差信号进行放大。
在一些实施方式中，还包括：限幅器，连接在放大器与信号接收处理单元之间，用于对混频器输出的频差信号进行限幅。
在一些实施方式中，还包括：测量电气火灾监控主机和剩余电流探测器设备之间的空间距离，根据距离远近和障碍物情况来调整调整监控主机与剩余电流探测器之间无线数据传输模块的发射功率，使无线数传模块发射功率达到最佳发射状态。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明通过将接收到的回波信号与实时发送的跳频信号混频，得到二者之间的频差信息，再根据频差信息计算与障碍物之间的距离，具有测试抗干扰性能强，测试精度高等特点。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例提供的超声波跳频测距方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的超声波跳频测距方法的原理示意图；
图3是本发明实施例提供的超声波跳频测距系统的系统结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例提供的超声波跳频测距方法的流程图。参见图1，超声波跳频测距方法包括以下步骤：
S11，发射用来测距的跳频信号，其中，所述跳频信号的发射频率是关于时间的三角波。
S12，接收障碍物反射跳频信号所产生的回波信号。
S13，将跳频信号与回波信号进行混频，得到跳频信号与回波信号之间的频差信息。
S14，根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。
本发明使用的超声波跳频信号，跳频信号由CPU控制单元和频率调节电路包括有压控振荡器和鉴相器，压控振荡器(VCO)输出频率与参考频率通过鉴相器鉴相后输出压控电压，鉴相器输出的压控电压控制压控振荡器(VCO)输出，即压控振荡器(VCO)输出的频率随压控电压变化，即这样就得到所述跳频信号。由所述控制单元控制所述高精度信号源产生的跳频信号分成两组，其中一组经所述环形器输入至空气传输中，并在空气介质中传输的，同时在遇到障碍物后产生反向的反射波，反射波返回经过环形器和另一路跳频信号在所述混频器中进行混频，得到一组混频后的信号，将该组混频后的信号进行快速傅里叶变换，就可以从频域的信息得到时域信息，根据该反射点的时间信息、信号传输速度、跳频带宽，就可以得到该障碍物反射点到测试发射点的距离。本方法具有测试抗干扰性能强，测试精度高等特点。
图2示出了本发明实施例提供的超声波跳频测距方法的原理。参见图2，发送频率ft和回波频率fr计算原理如下：
Figure BDA0002383810780000051
Figure BDA0002383810780000052
其中，f0为跳频信号频率变化的中心频率。
在跳频的下降阶段，(df/dt)t为负值，fr高于ft，差频fb测差额如下：
Figure BDA0002383810780000053
对于一定距离R的目标回波，除去t轴上很小部分2R/c以外，其他时间差频是不变的，若用频率计测量一个周期内的平均差额值flv，即可得到
Figure BDA0002383810780000054
目标距离R:
Figure BDA0002383810780000055
图3示出了本发明实施例提供的超声波跳频测距装置的结构框图。参见图3，由频率调节电路产生连续超声波跳频信号，其频率在时间上按三角形规律变化。遇到障碍物后目标回波和发射机直接耦合过来的信号加载到混频器内，在超声波跳频信号发射到返回接收天线这段时间内，发射频率较之回波频率已经有了变化，因此混频器输出端平出现了差频电压。后经放大、限幅后加到频率计上。连续工作时，不能像脉冲工作那样采用时间分割办法共用天线，但可以用混合接头、环形器办法使发射机和接收机隔离，为了保证发送和接收高度隔离，通常采用分开发送天线和接收天线处理。
超声波跳频信号的三角波形调制方法，发送频率按周期性三角波形规律变化，图中ft是发送机的高频发送频率，它的平均频率是f0，f0变化周期Tm。通常f0为数百到数欠Mhz，而Tm为数百分之一秒，fr为遇障碍物后返回的回波频率，它和发射机频率周期变化规律相同，但实际上滞后tR,tR＝2R/c,发送频率调制最大频偏为±Δf，fb为发信号和接收信号间产生的差拍频率，差频的平均值用flv表示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声波跳频测距方法，其特征在于，包括：
发射用来测距的跳频信号，其中，所述跳频信号的发射频率是关于时间的三角波；
接收障碍物反射跳频信号所产生的回波信号；
将跳频信号与回波信号进行混频，得到跳频信号与回波信号之间的频差信息；
根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。
2.根据权利要求1所述的超声波跳频测距方法，其特征在于，三角波上升段的斜率与下降段的斜率相等。
3.根据权利要求1所述的超声波跳频测距方法，其特征在于，频差信号包括：三角波一个周期内的平均频差。
4.根据权利要求3所述的超声波跳频测距方法，其特征在于，三角波一个周期内的平均频差通过信号接收处理单元进行计算。
5.根据权利要求3所述的超声波跳频测距方法，其特征在于，三角波一个周期内的平均频差由如下公式给出：
Figure FDA0002383810770000011
其中，flv为三角波一个周期内的平均频差，Δf为发送频率调制最大频偏，R为与障碍物之间的空间距离，Tm三角波的周期，c为光速。
6.根据权利要求1所述的超声波跳频测距方法，其特征在于，与障碍物之间的空间距离由如下公式给出：
Figure FDA0002383810770000021
其中，flv为三角波一个周期内的平均频差，Δf为发送频率调制最大频偏，R为与障碍物之间的空间距离，fm三角波的频率，c为光速。
7.一种超声波跳频测距装置，其特征在于，包括：
发射器，用于发射用来测距的跳频信号，其中，所述跳频信号的发射频率是关于时间的三角波；
接收器，用于接收障碍物反射跳频信号所产生的回波信号；
混频器，连接至发射器及接收器，用于将跳频信号与回波信号进行混频，得到跳频信号与回波信号之间的频差信息；
控制器，连接至混频器，用于根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离。
8.根据权利要求7所述的超声波跳频测距装置，其特征在于，还包括：
信号接收处理单元，连接在混频器与控制器之间，用于根据混频器输出的实时频差信号，计算三角波一个周期的平均频差。
9.根据权利要求7所述的超声波跳频测距装置，其特征在于，还包括：
放大器，连接在混频器与信号接收处理单元之间，用于对混频器输出的频差信号进行放大；
限幅器，连接在放大器与信号接收处理单元之间，用于对混频器输出的频差信号进行限幅。
10.根据权利要求9所述的超声波跳频测距装置，其特征在于，还包括：
测量电气火灾监控主机和剩余电流探测器设备之间的空间距离，根据距离远近和障碍物情况来调整调整监控主机与剩余电流探测器之间无线数据传输模块的发射功率，使无线数传模块发射功率达到最佳发射状态。
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