CN111983621A - 一种无盲区超声波测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无盲区超声波测距方法，步骤为：1)收发一体超声波探头发送超声波信号。2)放大并采集盲区时间以外的两次反射回波信号。3)计算超声波完成反射的时间t。4)计算声速c。5)计算收发一体超声波探头和待检测目标之间的距离I。本发明采用互相关的原理计算超声波信号完成一次反射的时间，可以解决近距离测距盲区问题，实现收发一体探头无盲区测距。

Description

一种无盲区超声波测距方法
技术领域
本发明涉及超声波测距领域，具体是一种无盲区超声波测距方法。
背景技术
超声波测距方案中，当参考面与探头较近时会产生盲区，目前有两个主要因素导致盲区：在发射信号持续的时间内，如果较近的距离内有回波，回波信号与发射信号会同时作用在超声波探头上，产生发射信号与回波信号混合的信号。对发射信号与回波信号混合的信号进行包络检波处理，回波信号远小于发射信号，导致对信号中是否有回波信号的混入无法检测，因此测距存在盲区；当超声波发射器工作时，机械振动会通过电路板最先传到接收器，通过空气传播的超声波也会到达接收器，这些波称为串扰直通波(也称泄漏波)，当激励超声波发射器的电信号停止后，由于机械惯性的因素，超声波发射器振子依然会振动数个周期。在此期间，超声波接收器一直受到串扰直通波的影响，无法正确分辨超声波回波信号，只有串扰直通波的影响消失后，超声波接收器才能正确分辨超声波回波信号；因此测距存在盲区。
目前减少盲区的办法：通过采样处理信号以获得第一采样数据，其中，该待处理信号包括该探头发射的超声波信号，依据该第一采样数据和存储的参考采样数据判断该超声波信号发生异变的时间，并根据该超声波信号发生异变的时间以及声速计算该探头与参考面之间的距离；但是对于近距离测量，由于采集到的信号中，回波信号远小于发射信号，导致无法检测到信号发生异变的时间，因此近距离测量依然存在盲区。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。
本发明提供一种无盲区超声波测距方法，包括以下步骤：
1)在测距区域布置控制器和收发一体超声波探头。所述控制器集成有驱动电路模块、信号处理模块、时间计算模块、温度补偿模块和距离计算模块。
2)所述驱动电路模块向收发一体超声波探头发送脉冲信号。
3)所述收发一体超声波探头接收到脉冲信号后，向待检测目标发送超声波信号。
4)所述信号处理模块包括信号采集模块和信号放大模块；所述信号放大模块对待检测目标多次反射回波信号进行动态增益，以减少信号衰减，并发送至信号采集模块；
所述信号采集模块采集盲区时间以外待检测目标多次反射的回波信号，并将回波信号与发射信号相关以确定第n次与第n+1次回波信号，最后将第n次与第n+1次回波信号发送至时间计算模块(3)
所述信号采集模块将放大后的第n次与第n+1次回波信号发送至时间计算模块。
所述信号采集模块具有A/D转换器。所述信号采集模块接收到回波信号后，通过A/D转换器转换为离散回波信号，并发送至时间计算模块。
所述信号放大模块为可变增益放大器。
5)所述时间计算模块接收放大后的第n次与第n+1次回波信号，并根据第n次与第n+1次回波信号的时间间隔计算超声波完成反射的时间t＝t1-t2。所述时间计算模块将超声波完成反射的时间t发送至距离计算模块。
计算超声波完成反射的时间t的步骤为：
5.1)所述时间计算模块提取信号处理模块中第n次回波信号，并与发射信号进行互相关，得到互相关偏移值t1。
5.2)所述时间计算模块提取信号处理模块中第n+1次回波信号，并与发射信号进行互相关，得到互相关偏移值t2。n为正整数。
5.3)所述时间计算模块计算超声波完成反射的时间t＝t1-t2。
6)所述温度补偿模块监测当前环境温度T，并计算声速c。所述温度补偿模块将声速c发送至距离计算模块。
所述温度补偿模块包括用于监测当前环境温度T温度传感器和用于声速计算的声速计算模块。
7)所述距离计算模块计算收发一体超声波探头和待检测目标之间的距离I＝ct/2。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出一种使用收发一体超声波探头无盲区测距方法，以解决收发一体的超声波探头的测距盲区问题。本发明的超声波探头采用的是收发一体的探头，相对分体式探头，结构更简单、更节约空间。
本发明采用互相关的原理计算超声波信号完成一次反射的时间，可以解决近距离测距盲区问题，实现收发一体探头无盲区测距。
附图说明
图1为一种无盲区超声波测距方法流程图；
图2为超声波探头装置布局图；
图3为超声波信号波形图；
图中，驱动电路模块1、信号处理模块2、时间计算模块3、温度补偿模块4和距离计算模块5。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，一种无盲区超声波测距方法，包括以下步骤：
1)在测距区域布置控制器和收发一体超声波探头。所述控制器集成有驱动电路模块1、信号处理模块2、时间计算模块3、温度补偿模块4和距离计算模块5。
2)所述驱动电路模块1向收发一体超声波探头发送脉冲信号。
3)所述收发一体超声波探头接收到脉冲信号后，向待检测目标发送超声波信号。
4)所述信号处理模块包括信号采集模块和信号放大模块；所述信号放大模块对待检测目标多次反射回波信号进行动态增益，以减少信号衰减，并发送至信号采集模块；
所述信号采集模块采集盲区时间以外待检测目标多次反射的回波信号，并将回波信号与发射信号相关以确定第n次与第n+1次回波信号，最后将第n次与第n+1次回波信号发送至时间计算模块(3)
所述信号采集模块将放大后的第n次与第n+1次回波信号发送至时间计算模块。
所述信号处理模块2放大模块为可变增益放大器。所述信号处理模块放大模块用以对对待检测目标多次反射回波信号进行动态增益以减少多次反射的信号衰减。
所述信号处理模块2采集模块在盲区时间后启动A/D转换，获取回波信号，并且通过回波信号与发射信号的相关系数的大小来判断接收到的第n次与第n+1次回波信号；第n次与第n+1次回波信号之间的时间间隔记为t；
所述信号处理模块2放大部分用以对盲区时间以外的多次反射回波信号进行动态增益以减少多次反射的信号衰减；所述信号处理模块2的信号采集模块在盲区时间以后启动A/D转换，获取第n次与第n+1次回波信号，并根据回波信号与发射信号的相关系数判断是否正确接收到第n次与第n+1次回波信号；所述信号处理模块2的信号采集模块将盲区时间以外的第n次与第n+1次回波信号送到时间计算模块3；所述时间计算模块3将盲区时间以外的第n次与第n+1次回波信号与发射信号做相关得到两次回波信号之间的时间差即超声波信号完成一次反射时间t。
5)所述时间计算模块3接收放大后的第n次与第n+1次回波信号，并根据第n次与第n+1次回波信号的时间间隔计算超声波完成反射的时间t＝t1-t2。所述时间计算模块3将超声波完成反射的时间t发送至距离计算模块5。
计算超声波完成反射的时间t的步骤为：
5.1)所述时间计算模块3提取信号处理模块2中第n次回波信号，并与发射信号进行互相关，得到互相关偏移值t1。
5.2)所述时间计算模块3提取信号处理模块2中第n+1次回波信号，并与发射信号进行互相关，得到互相关偏移值t2。n为正整数。
5.3)所述时间计算模块3计算超声波完成反射的时间t＝t1-t2。
6)所述温度补偿模块4监测当前环境温度T，并计算声速c。所述温度补偿模块4将声速c发送至距离计算模块5。
所述温度补偿模块4包括用于监测当前环境温度T温度传感器和用于声速计算的声速计算模块。
7)所述距离计算模块5计算收发一体超声波探头和待检测目标之间的距离I＝ct/2。
实施例2：
参见图2至图3，一种基于收发一体超声波探头无盲区测距方法的系统，包括控制器、收发一体超声波探头。
所述控制器为集成有驱动电路模块1、信号处理模块2、时间计算模块3、温度补偿模块4和距离计算模块5的单片机。
所述驱动电路模块1向收发一体超声波探头发送8个40KHz的脉冲信号。
所述收发一体超声波探头接收到脉冲信号后，向待检测目标发送超声波信号。
收发一体超声波探头装置布局图如图2所示，探头由驱动电路发出的脉冲信号驱动探头发射出超声波信号，当探头与参考面较近时，超声波信号经过参考面会进行多次反射，通过信号采集与相关可以获取盲区时间以外的第n次和第n+1次回波信号，两个回波信号之间的时间差t＝2I/c,其中c为当前温度下声速值。收发一体超声波信号波形图如图3所示。
所述信号处理模块2为放大模块与采集模块，以获取盲区时间以外待检测目标多次反射的第n次与第n+1次回波信号，n为整数；所述信号处理模块2放大模块为可变增益放大器。所述信号处理模块2放大模块用以对盲区时间以外的多次反射回波信号进行动态增益以减少多次反射的信号衰减；所述信号处理模块2采集模块在盲区时间后启动A/D转换，获取回波信号，并且通过回波信号与发射信号的相关系数的大小来判断接收到的第n次与第n+1次回波信号；第n次与第n+1次回波信号之间的时间间隔记为Δt；
所述信号处理模块2将放大后的第n次与第n+1次回波信号发送至时间计算模块3。
所述信号处理模块2放大模块的可变增益放大器对盲区时间以外第n次与第n+1次反射回波信号进行放大的方法为通过控制可编程控制电阻值，达到改变增益值，使两次回波信号都能均衡地放大到适当的幅度。
所述时间计算模块3接收放大后的第n次与第n+1次回波信号，并计算超声波完成反射的时间t。所述时间计算模块3将超声波完成反射的时间t发送至距离计算模块5。
计算超声波完成反射的时间t的步骤为：
Ⅰ)所述时间计算模块提取信号处理模块中第n次回波信号，并与发射信号进行互相关，得到互相关偏移值t1；
Ⅱ)所述时间计算模块提取信号处理模块中第n+1次回波信号，并与发射信号进行互相关，得到互相关偏移值t2；n为正整数；
Ⅲ)所述时间计算模块计算超声波完成反射的时间t＝t1-t2。
所述温度补偿模块4具有温度传感器。
所述温度补偿模块4监测当前环境温度T，并计算声速c。所述温度补偿模块4将声速c发送至距离计算模块5。
所述距离计算模块5计算收发一体超声波探头和待检测目标之间的距离I＝ct/2。
实施例3：
收发一体超声波探头无盲区测距装置，包括驱动电路模块1、信号处理模块2、时间计算模块3、温度补偿模块4、距离计算模块5。
上述的驱动电路模块1、信号处理模块2、时间计算模块3、温度补偿模块4、距离计算模块5可以采用硬件电路实现。
所述驱动电路模块1用于驱动超声波探头，使超声波探头发射超声波信号。
在本实施例中，通过驱动电路发射8个40KHz的脉冲信号，以使超声波探头发射超声波信号。
所述信号处理模块2用于采集和放大超声波探头所接受的盲区时间以外的两个反射回波信号。
在本实施例中，通过可变增益电路对盲区时间以外的多次回波信号进行增益放大，以使回波信号都能均衡地放大到适当的幅度；通过A/D采集电路接受探头盲区时间以外的第n次与第n+1次反射回波信号，并通过相关系数判断是否正确采到第n次与第n+1次反射回波信号。
所述时间计算模块3用于计算超声波信号从超声波探头到参考面再反射到超声波探头的时间。
在本实施例中，通过将信号处理模块2的盲区时间以外的第n次与第n+1次回波信号与发射信号进行互相关，以使得到超声波信号从超声波探头到参考面再反射到超声波探头的时间。
所述温度补偿模块4用于计算当前温度下的声速。
在本实施例中，通过温度补偿模块4测得当前温度值T，再通过
Figure BDA0002626740310000071
单位是m/s，以使得到当前温度下的声速值。
所述距离计算模块5用于计算探头到参考面之间的距离。
在本实施例中，通过
Figure BDA0002626740310000072
其中t是时间计算模块3得到的时间，c是温度补偿模块4得到的当前温度下声速，以使得到探头到参考面之间的距离I。
对于图2中所示的结构布局，该超声波测距装置所使用的是收发一体的探头，探头由驱动电路发出的方波信号驱动发射出超声波信号，当探头与参考面较近时，超声波信号经过参考面会进行多次反射，通过可变增益放大电路和A/D采集可以获取盲区时间以外的第n次和第n+1次回波信号，两个回波信号之间的时间差t＝2I/c,其中c为当前温度下声速值。
对于图3所示的收发一体超声波信号波形图，该超声波探头由驱动电路驱动后发射出发射信号，对于收发一体的探头，发射信号在脉冲信号结束后还会产生一定的余震信号，其发射信号波形图如图3所示，由于余震信号远大于接收的回波信号，因此无法检测到超声波第一次回波信号，采用可变增益放大电路和A/D采集以后，得到盲区时间以外的第n次和第n+1次回波信号，其回波信号波形图如图3所示。
在本实施例中，所述参考面与探头面平行且距离较近，通过驱动电路1驱动超声波探头，以使在超声波探头得到多次反射回波信号。
本实施例提供了一种使用收发一体超声波探头无盲区测距方法，通过具有特定特征的算法电路模块完全消除了发射信号余震的影响，实现无盲区超声波测距，结构简单，易于实现，效果好。

Claims (5)

1.一种无盲区超声波测距方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)在测距区域布置所述控制器和收发一体超声波探头；所述控制器集成有驱动电路模块(1)、信号处理模块(2)、时间计算模块(3)、温度补偿模块(4)和距离计算模块(5)。
2)所述驱动电路模块(1)向收发一体超声波探头发送脉冲信号；
3)所述收发一体超声波探头接收到脉冲信号后，向待检测目标发送超声波信号；
4)所述信号处理模块(2)包括信号采集模块和信号放大模块；所述信号放大模块对待检测目标多次反射回波信号进行动态增益，以减少信号衰减，并发送至信号采集模块；
所述信号采集模块采集盲区时间以外待检测目标多次反射的回波信号，并将回波信号与发射信号相关以确定第n次与第n+1次回波信号，最后将第n次与第n+1次回波信号发送至时间计算模块(3)
5)所述时间计算模块(3)接收放大后的第n次与第n+1次回波信号，并根据第n次与第n+1次回波信号的时间间隔计算超声波完成反射的时间t＝t1-t2；所述时间计算模块(3)将超声波完成反射的时间t发送至距离计算模块(5)；
6)所述温度补偿模块(4)监测当前环境温度T，并计算声速c；所述温度补偿模块(4)将声速c发送至距离计算模块(5)；
7)所述距离计算模块(5)计算收发一体超声波探头和待检测目标之间的距离I＝ct/2。
2.根据权利要求1或2所述的一种无盲区超声波测距方法，其特征在于：所述信号采集模块具有A/D转换器；所述信号采集模块接收到放大后的回波信号后，通过A/D转换器转换为离散回波信号，并发送至时间计算模块。
3.根据权利要求1所述的一种无盲区超声波测距方法，其特征在于：所述信号放大模块为可变增益放大器。
4.根据权利要求1所述的一种无盲区超声波测距方法，其特征在于：计算超声波完成反射的时间t的步骤为：
1)所述时间计算模块(3)提取信号处理模块(2)中第n次回波信号，并与发射信号进行互相关，得到互相关偏移值t1；
2)所述时间计算模块(3)提取信号处理模块(2)中第n+1次回波信号，并与发射信号进行互相关，得到互相关偏移值t2；n为正整数；
3)所述时间计算模块(3)计算超声波完成反射的时间t＝t1-t2。
5.根据权利要求1所述的一种无盲区超声波测距方法，其特征在于：所述温度补偿模块(4)包括用于监测当前环境温度T温度传感器和用于声速计算的声速计算模块。
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