CN111175759A - 超声波扩频测距方法及装置 - Google Patents

超声波扩频测距方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN111175759A
CN111175759A CN202010091293.4A CN202010091293A CN111175759A CN 111175759 A CN111175759 A CN 111175759A CN 202010091293 A CN202010091293 A CN 202010091293A CN 111175759 A CN111175759 A CN 111175759A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spread spectrum
frequency
signal
ultrasonic
difference information
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010091293.4A
Other languages
English (en)
Inventor
陈明域
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Spaceflight Changxing Technology Development Co ltd
Original Assignee
Beijing Spaceflight Changxing Technology Development Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Spaceflight Changxing Technology Development Co ltd filed Critical Beijing Spaceflight Changxing Technology Development Co ltd
Priority to CN202010091293.4A priority Critical patent/CN111175759A/zh
Publication of CN111175759A publication Critical patent/CN111175759A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only
    • G01S15/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S15/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明提供了一种超声波扩频测距方法及装置。该方法包括：发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩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。本发明提供的超声波扩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

超声波扩频测距方法及装置
技术领域
本发明涉及电气火灾监控系统中主机与绝缘电阻探测器之间的空间距离距离测量技术领域，特别是涉及一种超声波扩频测距方法及装置。
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、调频和激光测距等。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扩频测距方法及装置，使用在电气火灾监控系统主机与绝缘电阻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扩频测距方法，所述方法包括：发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩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，正弦波的频率远小于发射频率。
在一些实施方式中，扩频信号与回波信号之间的频差信息由如下公式给出：
Figure BDA0002383811740000021
其中，Ut为扩频信号的幅值，Ur为回波信号的幅值，k为常数，Δf为扩频信号的最大频偏，fm为调制频率，f0为扩频信号的中心频率，T为扩频信号的周期，ub为频差信息。
在一些实施方式中，根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离，包括：将频差信息进行傅里叶变换，得到频差信息的频率分量；根据频率分量计算与障碍物之间的空间距离。
在一些实施方式中，将频差信息进行傅里叶变换，得到频差信息的频率分量包括：根据如下公式进行傅里叶展开：
Figure BDA0002383811740000022
其中，J0为0阶第一类贝塞尔函数，J1为1阶第一类贝塞尔函数，J2为2阶第一类贝塞尔函数，J3为3阶第一类贝塞尔函数，J4为4阶第一类贝塞尔函数，fd为目标回波的多普勒频移。
在一些实施方式中，贝塞尔函数参数D由如下公式给出：
Figure BDA0002383811740000031
其中，Δf为扩频信号的最大频偏，fm为调制频率，R0为与障碍物之间的初始距离，c为光速。
此外，本发明还提供了一种超声波扩频测距装置，所述装置包括：发射器，用于发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；接收器，用于接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；混频器，连接至发射器及接收器，用于将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩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，用于对频差信息进行傅里叶变换。
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绝缘电阻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绝缘电阻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扩频信号混频，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扩频测距方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的超声波扩频测距装置的结构图。
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扩频测距方法的流程图。参见图1，超声波扩频测距方法包括：
S11，发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波。
S12，接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号。
S13，将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩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扩频信号，扩频信号由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，即这样就得到所述扩频信号。由所述控制单元控制所述高精度信号源产生的扩频信号分成两组，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扩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、扩频带宽，就可以得到该障碍物反射点到测试发射点的距离。本发明提供的超声波扩频测距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扩频测距装置的结构。参见图2，由频率调节电路产生连续超声波扩频信号，其频率在时间上按三角形规律或者正弦波规律变化。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接送机混频内，在超声波扩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。
超声波扩频信号正弦波调制方法，发射信号可以表示为：
Figure BDA0002383811740000051
发射频率ft为：
Figure BDA0002383811740000052
由目标反射回来的回波电压ur滞后一段时间T(T＝2R/c),可表示为：
Figure BDA0002383811740000053
公式中fm为调制频率，Δf为频率偏移量。接收信号与发射信号在混频器中外差后，其取差额电压为：
Figure BDA0002383811740000061
一般情况满足T＜＜1/fm，则sinπfmT≈πfmT。
于是差额fb值和目标距离R成正比，且随时间做余弦变化。
在调频连续波信号测距时，还可以提供附加的收发隔离，差频信号进行傅里叶变换后，得到如下频率分量：
Figure BDA0002383811740000062
式中，J0，J1，J2等为第一类贝塞尔函数，其阶数分别为0、1、2等。
Figure BDA0002383811740000063
R0为目标在t＝0时的距离，R＝R0-Vr×t，fd为目标回波的多普勒频移。
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)

1.一种超声波扩频测距方法，其特征在于，包括：
发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；
接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；
将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩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所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，正弦波的频率远小于发射频率。
3.根据权利要求1所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，扩频信号与回波信号之间的频差信息由如下公式给出：
Figure FDA0002383811730000011
其中，Ut为扩频信号的幅值，Ur为回波信号的幅值，k为常数，Δf为扩频信号的最大频偏，fm为调制频率，f0为扩频信号的中心频率，T为扩频信号的周期，ub为频差信息。
4.根据权利要求1所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，根据频差信息，计算与障碍物之间的空间距离，包括：
将频差信息进行傅里叶变换，得到频差信息的频率分量；
根据频率分量计算与障碍物之间的空间距离。
5.根据权利要求4所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，将频差信息进行傅里叶变换，得到频差信息的频率分量包括：
根据如下公式进行傅里叶展开：
Figure FDA0002383811730000021
其中，J0为第0阶贝塞尔函数，J1为第1阶贝塞尔函数，J2为第2阶贝塞尔函数，J3为第3阶贝塞尔函数，J4为第4阶贝塞尔函数，fd为目标回波的多普勒频移。
6.根据权利要求5所述的超声波扩频测距方法，其特征在于，贝塞尔函数参数D由如下公式给出：
Figure FDA0002383811730000022
其中，Δf为扩频信号的最大频偏，fm为调制频率，R0为与障碍物之间的初始距离，c为光速。
7.一种超声波扩频测距装置，其特征在于，包括：
发射器，用于发射用来测距的扩频信号，其中，所述扩频信号的发射频率是关于时间的正弦波；
接收器，用于接收障碍物反射扩频信号所产生的回波信号；
混频器，连接至发射器及接收器，用于将扩频信号与回波信号进行混频，相关解调得到扩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所述的超声波扩频测距装置，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，用于对频差信息进行傅里叶变换。
9.根据权利要求7所述的超声波扩频测距装置，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绝缘电阻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绝缘电阻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。
CN202010091293.4A 2020-02-13 2020-02-13 超声波扩频测距方法及装置 Pending CN111175759A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010091293.4A CN111175759A (zh) 2020-02-13 2020-02-13 超声波扩频测距方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010091293.4A CN111175759A (zh) 2020-02-13 2020-02-13 超声波扩频测距方法及装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111175759A true CN111175759A (zh) 2020-05-19

Family

ID=70658277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010091293.4A Pending CN111175759A (zh) 2020-02-13 2020-02-13 超声波扩频测距方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111175759A (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0058032A2 (en) * 1981-02-11 1982-08-18 Racal-Mesl Limited Radar arrangements
JP2000346931A (ja) * 1999-06-02 2000-12-15 Nec Corp レーダ装置
CN101640524A (zh) * 2009-08-27 2010-02-03 和芯微电子(四川)有限公司 一种扩频时钟产生电路
CN103036631A (zh) * 2012-04-16 2013-04-10 贺疆巍 射频传输线路在线故障定位方法及设备
JP2013104811A (ja) * 2011-11-15 2013-05-30 Kansai Electric Power Co Inc:The 超音波距離計測装置及び超音波距離計測方法
CN103843264A (zh) * 2011-09-30 2014-06-04 英特尔公司 用于执行扩频时钟控制的装置和方法
CN103941259A (zh) * 2014-04-15 2014-07-23 长安大学 一种具备高抗干扰性的超声波测距方法与测距装置
CN108845327A (zh) * 2018-08-13 2018-11-20 河南城建学院 一种大货车视野盲区障碍物的智能检测及提醒系统
CN209149521U (zh) * 2018-11-21 2019-07-23 公安部沈阳消防研究所 探测绝缘性能式电气火灾监控探测器基本功能试验装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0058032A2 (en) * 1981-02-11 1982-08-18 Racal-Mesl Limited Radar arrangements
JP2000346931A (ja) * 1999-06-02 2000-12-15 Nec Corp レーダ装置
CN101640524A (zh) * 2009-08-27 2010-02-03 和芯微电子(四川)有限公司 一种扩频时钟产生电路
CN103843264A (zh) * 2011-09-30 2014-06-04 英特尔公司 用于执行扩频时钟控制的装置和方法
JP2013104811A (ja) * 2011-11-15 2013-05-30 Kansai Electric Power Co Inc:The 超音波距離計測装置及び超音波距離計測方法
CN103036631A (zh) * 2012-04-16 2013-04-10 贺疆巍 射频传输线路在线故障定位方法及设备
CN103941259A (zh) * 2014-04-15 2014-07-23 长安大学 一种具备高抗干扰性的超声波测距方法与测距装置
CN108845327A (zh) * 2018-08-13 2018-11-20 河南城建学院 一种大货车视野盲区障碍物的智能检测及提醒系统
CN209149521U (zh) * 2018-11-21 2019-07-23 公安部沈阳消防研究所 探测绝缘性能式电气火灾监控探测器基本功能试验装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
邱立存 等: "扩频技术在多普勒超声波流量测量中的应用", no. 4, pages 15 - 17 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7821443B2 (en) Dual mode radar methods and systems
CN106353748B (zh) 用于fmcw雷达测距系统的信号处理装置及方法
EP2902799B1 (en) Doppler radar test system
US11555883B2 (en) Noise measurement in a radar system
CN111781588A (zh) 基于光子分数傅立叶变换器的雷达信号处理方法、系统
JP2017167117A (ja) レーダ装置および測位方法
EP3105613A1 (en) Radar level gauge system with multiple receiver branches
KR102063468B1 (ko) 능동형 레이더 모의 타겟 장치
CN111413699A (zh) 用于低频调制(lfm)啁啾信号的声学距离测量电路和方法
JP2005527801A (ja) 例えばバイスタティックレーダ応用に用いられる装置
US20170227627A1 (en) Radar test systems and methods
US20230160999A1 (en) Distributed radar
CN113454480A (zh) 运行用于测试以电磁波工作的距离传感器的测试设备的方法和相对应的测试设备
CN111586546A (zh) 一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统
CN110531358B (zh) 信息测量方法及信息测量装置
JP2019023577A (ja) 移動目標探知システム及び移動目標探知方法
CN111175758A (zh) 超声波跳频测距方法及装置
CN111175759A (zh) 超声波扩频测距方法及装置
KR101534027B1 (ko) 표적 속도를 알지 못하는 환경에서 정밀한 표적 탐지를 수행하기 위한 소나 시스템 및 그의 표적 탐지방법
US2859433A (en) Own doppler nullifier
TWI445994B (zh) Simulation of variable distance and velocity target and its method
WO1996007930A1 (fr) Radar multicanaux
CN112505717B (zh) 一种基于频域反射的水下多目标测距雷达系统
KR20200053222A (ko) 거리, 각도 속도를 정밀 측정하기 위한 레이더 장치 및 레이더 신호 처리 방법
CN108919273A (zh) 一种距离检测系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200519