CN1997911A - 使用超声波的距离测量方法与装置 - Google Patents

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    • G01S15/102—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves using transmission of pulses having some particular characteristics

Abstract

本发明提供了一种使用超声波的距离测量方法与装置。本发明涉及到充分放大接收到的超声波信号，并且从混有多余信号的超声波信号中将特定的频率分离出来，以提取第一个脉冲的到达信号。因此可以精确地计算目标的距离。

Description

使用超声波的距离测量方法与装置
技术领域
本发明涉及一种使用超声波的距离测量方法与装置。更具体地说，本发明涉及一种使用超声波的距离测量方法与装置，其通过发射和检测超声波信号来测量距离，因此适用于各种距离测量系统、定位系统、工厂自动化(FA)、移动机器人以及虚拟卫星等。
背景技术
可根据接触或非接触类型、距离范围及其用途等对距离测量方法进行分类。可根据距离范围将距离测量方法分为长距离测量方法或短距离测量方法，以及精确距离测量方法。长距离测量方法包括激光法、RF法、IR法、超声波法、CCD法以及尺度法等。短距离测量方法包括感应电流法、光电传感器和激光传感器。精确距离测量方法包括涡流传感器、磁性传感器、LVDT传感器以及线性标尺等。
当必须在很大的范围内(例如多体移动机器人)执行高性能定位时，得通过非接触方法进行距离测量。必须同时分别确认多体，而且必须能够在至少几十米的范围内进行距离检测。此外，这种距离测量的成本必须较低，而且满足诸如良好的检测性和稳定性以及实时、室内测量等方面的要求。
到目前为止，在定位领域内提出的距离测量方法还不能满足上述要求。也就是说，为了满足上述要求，定位领域内的距离测量方法必须能够测量更远的距离。就性能而言，激光是最佳选择，但其在成本和安全方面存在一定的问题。使用RF的虚拟卫星的问题在于技术与成本方面的要求高。就成本而言，超声波或IR方法是优选，但存在的问题是其性能低于激光法和RF法。
与此同时，尽管用于检测通过空气传播的超声波的传感器在性能方面具有一定的局限性，但其已广泛应用于许多研究与工业领域。这种使用通过空气传播的超声波的方法已广泛应用于以下方面：用于避免碰撞或移动机器人中的物体检测的传感器；用于检测汽车后面的物体的检测器；交通检测器；速度计；用于建筑的遥测仪；用于检测动物或人的侵袭的安全传感器等等。
当向某一目标发射超声波时，使用超声波的距离测量方法测量超声波信号到达时间(T1)与起始时间(T0)之间的时间间隔。其中，到达时间是指从发射器中产生超声波信号到超声波信号到达接收器所花费的时间。如果计算出T1到T0的传播时间，则将其与声速相乘，这样就获得了到此目标的距离。
发明内容
目前，在使用超声波测量距离方面，最典型的方法是门限法，如图1所示。
图1显示了在接收到的信号中检测到第一个零交叉点时的状态。此方法通过检测超过门限电平的超声波信号来测量距离。然而，由于这种典型的使用超声波的距离测量方法存在一些不确定性，因此使用起来有一定的难度。
如图1所示，使用门限法确定时间T1(超声波从目标反射到返回信号发射的起始点的时间)存在两种误差，即T1包含两个误差来源。其中，接收到的波形10是在具有噪声(RMS)波幅电平12的环境噪声的背景下检测的。对于此门限方法，在接收到的信号的波幅超过门限值14(此门限值远高于环境噪声)之前，将抑制接收到的信号，以便确保实际接收到的超声波为回波脉冲而非噪声。因此，使用门限值(其超过噪声波幅电平12)的传统方法采用零交叉点16的时间T2，并根据第一个检测脉幅测量T1的值。在接收到的信号中，时间T2是时间T1要确定的起始点。在此门限方法中，由于只确定了超过门限值的一个信号，因此得到了T2。相应地，在距离测量中存在T2-T1这样大的误差。当噪声和接收到的信号混合在一起时，这些误差会更大。
另一个误差来源是通过传播媒介的声速可能发生不可预知的改变。例如，当传播媒介为空气时，声速取决于传播路径中的气压、温度和湿度。如果在声音的传播路径中空气是均匀的，则测量装置可以通过压力、温度和湿度传感器来补偿压力、温度和湿度的变化。但是，很难保证传播媒介是均匀分布的。因此，根据超声波的特性，在此门限方法中，所发射的信号的强度在空气中被大大削弱。因而，随着距离变得越来越远，信号的衰减变得越来越高，而信号的数量也变得越来越少。因而不可能检测到信号本身。所以，在距离检测方面存在许多局限性。
图2说明了以色列阿什凯泽市的David Freger申请的美国专利第5,793,704号(专利名称：“超声波测距的方法与装置”)所提出的技术。该专利公开了一种用于测量距离的包络检测方法，其通过提取最大波幅超声波信号来检测上述门限值，并改进相关问题。更具体地说，图2显示了接收到的同一目标的三种波形，这些波形通过具有不同传播速度的媒介(空气)进行传播，然后由接收电路接收。这阐释了传统技术的基本原理。
请参照图2，接收到的超声波信号具有常数包络(与信号的强度无关)。通过这种传统的包络检测方法，可以获得包络的特性。在此方法中，当接收到的信号尚未饱和(尽管距离很近)时，始终可以获得包络。接收到的波形的起始点是利用通过反向跟踪获得的包络的最大波幅点检测的。与采用门限值的方式相比，通过此方法可以找到更准确的起始点T2。
但是，如果信号饱和，此方法就存在无法获得包络的问题。因而要求增加措施来控制结构可变的发射放大器和接收放大器的增益。
请再次参照图2，上面的接收到的波形20通过“传播速度快”的空气反射回来，中间的接收到的波形30通过“传播速度中等”的空气反射回来，而下面的接收到的波形40通过“传播速度慢”的空气反射回来。
通常，超声波传感器(不管它是压电型的还是磁铁型的)以非线性方式响应超声波能量的作用，从而检测反射回的超声波信号。这种传感器的特点是，高能信号的响应时间比低能信号的响应时间短。此外，接收到的通过空气传播的波形能级的变化往往与传播速度相反。即，就预定的传播能级而言，通过“传播速度慢”的空气反射回的接收到的波形的能级往往高于通过“传播速度快”的空气反射回的接收到的波形的能级。
因此，各个波形(脉冲；20、30和40)的首次到达时间有很大的不同，如图2所示。在此情况下，下面的接收到的波形40比中间的接收到的波形30的能量高，而中间的接收到的波形30比上面的接收到的波形20的能量高。相应地，接收传感器响应下面的接收到的波形40比响应中间的接收到的波形30快，响应中间的接收到的波形30比响应上面的接收到的波形20快。此时，各个接收到的波形的包络(上面的接收到的波形20的包络22、中间的接收到的波形30的包络32和下面的接收到的波形40的包络42)差不多同时分别达到最大值。因而，基于选取接收到的波形的波幅包络的最大值进行距离测量受声速变化的影响相对较小。根据这种传统的方法，由于最大波幅远远超过夹杂的噪声电平，因此可以避免与选取接收到的波形的第一个零交叉点相关的误差。
在通过提取超声波的最大波幅信号来测量距离的方法与装置中，如果放大传感器接收到的信号，噪声就与需要提取的信号混合在一起。故存在这样的问题：在3～10m的范围内，由于检测信号变弱，因此无法进行距离测量。换句话说，在这种传统的方法中，传感器的响应会随着传感器类型的不同而有所改变。因而有必要通过向已知距离的修正目标传播超声波脉冲，并测量接收到的波形的最大波幅时间来修正此方法。这种修正包括在接收电路上测量每一修正距离中略微没有达到饱和电平的波幅电平。从而提供针对此距离的最佳波幅电平表。如果接收到的波形信号交替饱和，则提供用于测量和反馈该波幅的方法，以降低接收器的放大倍率。此外，在实际使用中，距离测量装置是利用两个或两个以上的传播脉冲来测量目标的距离的。其中，第一个脉冲用于粗略估算目标的距离，发射第二个脉冲来测量实际距离。
因此，这种传统的包络方法存在这样的问题：装置构造复杂，并且在使用的过程中存在许多局限性。由于要测量的距离很短且精度较低，因此这种方法也难以应用于大范围内的精确位置识别。
相应地，为了解决上述问题而提出了本发明，本发明的目的是提供一种使用超声波的距离测量方法与装置，其可以有效地测量距离，而不受与周围环境(例如使用超声波信号测量距离时的空气和噪声)有关的限制条件的影响。
本发明利用了噪声和超声波具有不同的频率特性这一事实。这样，由于其不受噪声量的影响，因此对信号的放大没有任何限制。故可以充分放大包含噪声的信号。
此外，将噪声和弱的超声波信号一起放大，并且从十分强的信号中将超声波信号的特定频率分离出来，同时恢复此特定频率中的第一个信号。因此，即使在与长距离测量有关的弱信号中，也可以测量超声波信号，而不管噪声的大小。
而且，还可以保持最大的微分增益(与接收到的信号的数量无关)。这使得此装置很简单。因此，本发明的优点在于能够进行长距离测量，其原因是弱信号可以被充分放大，而且由于可以恢复丢失的起始信号，故测量精度大大提高。
附图说明
通过以下详细描述并结合附图，可以更深入地理解本发明的其它目的和优点。所附图形包括：
图1说明了传统的使用超声波的距离测量方法(其中提取了超过预定幅度的信号)；
图2说明了传统的使用超声波的距离测量方法(其中提取了最大波幅信号)；
图3顺序显示了通过根据本发明的使用超声波的距离测量方法逐步处理的超声波信号；
图4和图5说明了根据本发明的使用超声波的距离测量方法；
图6的方块图说明了根据本发明优选实施例的使用超声波的距离测量装置的构造；
图7显示了通过根据本发明优选实施例的使用超声波的距离测量方法与装置在不同距离处接收到的超声波波形(尚未对其进行数字信号处理)；
图8显示了通过根据本发明优选实施例的使用超声波的距离测量方法与装置重复测量和处理20m或20m以上同一点处的信号的结果。
具体实施方式
下面将参照图4至图8详细说明本发明的优选实施例。同时，在根据本发明优选实施例的说明中，将省略对本领域技术人员所熟悉的使用超声波的距离测量基本原理、构造以及作用的描述。
图4和图5说明了根据本发明的使用超声波的距离测量方法。其中，图4显示了在21.6m处接收到的波形(v(k))，而图5显示了对图4中接收到的波形进行卷积处理所得到的波形(w(k))。
请参照图4和图5，图4中所示的波形是包含要在特定时间前后测量的距离信息的接收到的信号。此信号属于弱信号，其类似于传统方法(例如最大波幅检测)无法识别的饱和信号。因此，尽管能够感觉到噪声中存在信号，但却难以确定在哪一点。结果，无法通过现有的方法处理接收到的波形，因为其信号电平变得比噪声的波幅小。当发射器与接收器之间的距离变大时，就会接收到此信号。
如果通过本发明处理此信号，则可以识别其频段，如图5所示。图5中的波形是对图4中的接收到的波形进行数字处理所得到的结果。此波形包括两种波形，它们的周期在取样顺序中心点5000th处附近有所不同。即，在此中心点之后，具有确定周期的波形是连续的，而在此中心点之前，波形在不规则地变化。在本发明中，根据通过此方法提取的超声波信号估算第一个信号，测量首次发射的信号的延迟时间，然后将其转换为距离。在此实施例中，超声波采用单独发射和接收的直射波。通常，超声波采用来自目标的反射波，此方法利用一种传感器，其中集成了发射器和接收器。这种集成式结构的优点是构造简单且容易操作。在此集成式结构中，因为定位问题使得波束宽度变宽，所以很难指向一个准确的目标点。由于目标干涉，因此也很难避免测量中来自反射波的误差。此外，反射波类型在独立识别位置(例如多体移动机器人)方面没有什么用处。因而，在此实施例中，发射器和接收器是彼此分开的。这种分离式结构可以解决上述几个问题。在此实施例中，虽然传感器被分开了，但是可以通过金属线实现同步。这很容易被IR和RF方法替代。
在此实施例中，当发射超声波时，具有特定频率的信号被放大，以便符合发射器的设计特点。在此实施例中，首先放大具有八个周期的脉冲，然后将其输入发射器。当然，输出波实际可能并不是八个周期。如果输出波小于八个周期，则不利于与噪声分离。如果输出波大于八个周期，则存在距离测量响应时间变长的问题。
在此实施例中，用于确定要检测的特定频率部分的方法包括通过以下卷积运算检测要确定的周期的正弦波参考波形及接收到的波形。
u(k)＝sin(x)，其中0＜x＜4π。
v(k)＝rx(k)，其中rx为接收到的信号。
w(k)＝∑ju(j)v(k+1-j)
在本发明中，通过这种卷积运算，可以将波形与由其它原因引起的噪声(包括从电路中传入的开关电源的噪声)分离开来。
根据本发明的使用超声波的距离测量方法包括：首先对接收到的信号进行数字信号处理，然后分析频率部分保持一致的趋势。这样，虽然检测的是相同的频率，但并不是根据对该频率是否一致所作的判断来响应具有相似信号的噪声。也就是说，超声波信号保持恒定，但噪声频率在不规则地变化，因而很少保持一致。因此，虽然在充分扩大接收到的信号的同时也扩大了噪声，但可以提取所希望的对噪声没有响应的特定周期的信号。
在提取具有所发射的超声波信号的特定周期的波形后，可以确定每个零交叉点，然后将其转换为一个周期值。接着，从该周期值中实时搜索具有要检测的信号电平且持续八个周期以上的信号。如果完成了搜索，则可以确定此八个周期的起始点为T2，并确定传播时间TOF＝T2-T0。如果通过温度补偿将该时间转换为距离，就获得了最终的测量值。可通过以下运算进行温度补偿。
vsound(Temp)＝331.5+0.60714×Temp
TOF＝T2-T0
d＝vsound(Temp)×TOF
同时，在本发明中，由于信号对弱信号有响应，因此，直射波是通过第一个到达信号测量的信号。在采用反射波的情况下，可能感测到来自要测量的目标周围散布的目标的信号。因此需要忽略可识别的相同范围内的信号。为此，要指定根据上述实施例不需要测量的距离范围，然后测量超出该指定范围的距离。
此外，根据本发明，由于信号是使用频率提取的，因此如果要测量移动目标，则将接收到发生了改变的频率。因而要求考虑到这种改变。相应地，如果移动目标为测量对象，考虑到接收到的超声波脉冲的频率发生了改变，本发明可以将该频率进行反复分离。
此外，要测量的距离通常与超声波在媒介中传播的速度有关。此时，媒介可能随着各种因素(如温度)的变化而变化。因此，在本发明中，为了测量超声波传播的媒介的声速，将超声波接收器安装在已知位置，以测量同时发送的超声波的接收到的信号的到达时间。然后，在需要确定测量值的位置接收此超声波，以测量距离。从而获得更稳定的结果。通常，声波受媒介的影响。如果将使用超声波的距离测量方法应用于简单的用途，则这一事实本身并不被认为是值得考虑的对象。正如在本发明中，如果媒介变化的程度和到达距离都增加了，则声波将同等地受到影响。
因此，在本发明中，针对要测量的目标测量相似媒介传播的路径，并反射测量结果。这样，如果将接收器放在已知距离处并测量到达时间，则可以根据要测量的目标之间的大气环境提前获知声速。即，声速等于到达距离除以到达时间。所以，如果到达距离与到达时间都知道了，就可以获知要测量的传播路径中的媒介的状态。
图6的方块图说明了根据本发明优选实施例的使用超声波的距离测量装置的构造。
请参照图6，根据本发明优选实施例的使用超声波的距离测量装置包括一个40KHz的超声波传感器。从接收到的波形中取5MHz的样品，然后进行显示。在图6中，用示意图简单地说明了使用超声波的距离测量装置的原理。具体地说，根据此实施例的装置包括超声波发射器、传感器、放大器、模拟滤波器、二级放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器、显示单元、数字输入单元和通信单元。
在此装置中，超声波的发射包括特定周期的八个脉冲的发射，而且接收到的超声波信号通过放大器被放大两次。由于微分增益伴有震荡，因而对其有一定的限制。因此，放大的信号通过将削弱其它频率的滤波器，以保证信号的特定频率处于最大值，然后再一次被充分放大。再一次被放大的信号通过A/D转换器转换为数字信号，以便能够在带有存储器、数字信号存储器、显示单元、数字输入单元和通信单元的数字计算机中对该数字信号进行处理。此外，用于提取超声波信号的特定频率的数字信号处理器可用于移动平均数、卷积以及数值分析(如FFT)。
图7显示了通过根据本发明优选实施例的使用超声波的距离测量方法与装置在不同距离处接收到的超声波波形(尚未对其进行数字信号处理)。图8显示了通过根据本发明优选实施例的使用超声波的距离测量方法与装置重复测量和处理20m或20m以上同一点处的信号的结果。
根据本发明优选实施例的方法与装置的性能实验是使用独立安装的发射传感器和接收传感器在室内通道环境中进行的。此外，该实验是在没有汽车行驶发出的声音或特殊噪声的条件下进行的，而噪声可能会影响外部声波干涉。
此类试验是通过这样的方法进行的：首先发射超声波，接着由接收器接收所发射的超声波的信号，并用计数法对其进行取样，然后计算特定周期的正弦波、卷积和零交叉点，同时将交叉点的时间连续存储为周期值，最后确定特定周期是否持续八个周期，如果确定特定周期持续了八个周期，就完成了搜索，因而可以计算TOF，并对温度进行补偿，再将其转换为距离。
图7显示了在1m、5m、10m、15m和20m距离处接收到的超声波波形(尚未对其进行数字信号处理)。如图7所示，当距离较近时，放大器的增益与处于饱和状态的接收到的信号的电平几乎相同。此时，根据本发明的方法不是使用电平进行测量的。因此，此方法的一个优点是在饱和的情况下也可以进行正常测量。换句话说，通过此方法来比较电平，可以在一个数值范围(图2中的1/2范围内)内确定不受10m距离处的噪声信号影响的电平。但是，此方法不能确定15m和20m距离处的电平。同时，如果作为参考电平的电平数降低，则此电平对噪声有响应。因此，为了实现稳定操作，需要确定容许的电平数。
图8显示了根据本发明对超过20m距离处的同一点的信号重复测量三次所得到的结果。
如图8所示，图中的纵轴表示取样周期为1的单元的时间维度。这表示每个波形的周期。因此，125个刻度的高度表示一个40KHz周期。所以，根据本发明，要检测的信号在噪声中通常都是强信号。就频率而言，相同的频率部分分散显示。保持某一频率的信号部分用可以清楚地与噪声区分的电平表示。另外，该信号的起始点表示一个趋势。该信号的起始点与精度相对应。在图的a和b中，可以在弯曲点判断信号是否到达。在c中的相同位置处，可以找到这样一个点：其中存在可估算信号和噪声的分界点的特征。另外，重复三次的测量值分别为21.634m、21.633m和21.632m，因此可复性是±1mm。这表明在根据本发明的使用超声波的距离测量方法与装置中，在20m或20m以上的距离处的可重复性为2mm/20m，即具有1/10,000的分辨率。
为了验证本发明，在大约20m范围的实验室中进行了一次实验。在选择传感器时，如果频率从40KHz变为20KHzIn，而且信号输出电平增加，则可以测量接近100m的范围的距离。
同样，根据本发明的使用超声波的距离测量方法与装置，可以稳定地测量传统方法与装置无法测量的距离范围，并且还可以扩大其测量距离范围。
为了达到上述目的，本发明提供了一种使用超声波的距离测量方法，包括以下步骤：向目标发射具有特定频率的超声波脉冲，然后接收自目标反射或直接发射的超声波脉冲；提取接收到的信号中的特定频率，以确定第一个脉冲的到达时间并将其转换为距离。
在该使用超声波的距离测量方法中，确定到达时间并将其转换为距离的步骤进一步包括：分离超声波脉冲中的特定频率，然后将分离出来的超声波脉冲中首次接收到的超声波脉冲的到达时间转换为距离(当波形中混有噪声时，其频率特性不同于所发射的超声波的特定频率)。
对于该使用超声波的距离测量方法，在将时间转换为距离的步骤中，从接收到的超声波脉冲中提取特定频率进一步包括以下步骤：放大接收到的超声波脉冲以产生放大的信号；通过模拟滤波器电路削弱已放大信号中多余频率的信号，以便产生滤过的信号；再一次放大滤过的信号以产生再放大的信号；将再放大的信号转换为数字信号；通过数字信号处理从已转换的数字信号中提取特定频率。
该使用超声波的距离测量方法进一步包括：在测量目标的距离时指定要排除的距离范围，以便测量超过指定距离范围的距离。
在该使用超声波的距离测量方法中，当目标移动时接收自目标反射的超声波脉冲的步骤包括：根据所发射的超声波脉冲频率的变化来改变接收到的频率。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种使用超声波的距离测量方法，包括以下步骤：在已知位置安装第一个接收器来接收超声波脉冲；在要测量的目标处安装第二个接收器来接收超声波脉冲；从离要测量的目标一定距离的位置处将具有特定频率的超声波脉冲发射到第一个和第二个接收器；提取第一个和第二个接收器接收到的超声波脉冲中的特定频率，以确定第一个脉冲的到达时间，并将其转换为距离；将与第一个接收器接收到的距离和已知距离之间的差额相关的误差信息传送到第二个接收器；允许第二个接收器利用误差信息修正声速。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种使用超声波的距离测量装置，包括：发射器，用于产生具有特定频率的超声波脉冲；传感器，用于检测自目标反射的超声波脉冲；放大器，用于放大由传感器检测的超声波脉冲；模拟滤波器，用于选择性地削弱除经放大器放大的超声波脉冲中的特定频率以外的其它频率；二级放大器，用于放大通过模拟滤波器选择的模拟信号；A/D转换器，用于将放大的模拟信号转换为数字数据；存储器，用于存储其中的数字数据；数字信号处理器，用于处理存储在存储器中的数字数据；输出单元，用于显示在数字信号处理器中处理的结果；数字输入单元，用于向数字信号处理器通知处理条件；通信单元，用于将数字信号处理器与外部设备彼此连接起来，以便数字信号处理器可以与外部设备交换信息，其中测量了接收到的超声波脉冲中的第一个脉冲的发射时间，以及在数字信号处理器中计算的第一个脉冲信号到达时间的延迟时间。
根据本发明，接收到的超声波信号被充分放大，并且从混有多余信号的超声波信号中分离特定频率，以提取第一个脉冲的到达时间。这样就可以计算距离了。
本发明的发明人认识到超声波脉冲具有特定频率，因而提出了本发明。即，传统的使用超声波的距离测量方法只是将接收到的信号(脉冲)放大，然后将其转换为距离。此方法存在的一个问题是，无法根据噪声和大气环境准确地测量距离。换句话说，因为当信号的波幅的强度在一定程度上超过噪声时才可以测量到信号，所以使用预定数量信号的传统门限值检测方法由于噪声影响而对信号的放大有一定的限制。而且，没有测量噪声电平的信号。因此，开始很弱的信号由于噪声的影响而无法检测到，从而也无法将其与噪声区分开来。结果，测量误差增加的数量与原始信号丢失的数量一样多。另外，使用最大波幅的传统包络检测方法的过程非常复杂，其中，由于接收到的信号的波幅保持恒定，因此微分增益肯定随接收到的信号的数量的不同而不同。在此方法中，信号不可能放大到超过噪声电平。
相反，当波形中混有噪声时，其频率不同于所发射的超声波脉冲中的特定频率，因而可以分离此超声波脉冲中的特定频率，并将分离出来的超声波脉冲中首次接收到的超声波脉冲的到达时间转换为距离。因此，在根据本发明的使用超声波的距离测量方法中，基于噪声的频率特性与超声波信号的频率特性不同这一事实，可以在不影响噪声数量的情况下将超声波信号与噪声一起充分放大，并仅限于放大超声波信号。此外，可以同时放大噪声与弱的超声波信号。从十分强的信号中将超声波的特定频率分离出来，并且恢复此特定频率中的第一个信号。因此，可以通过检测与长距离测量有关的弱信号中的超声波信号来测量目标的距离，而不管噪声的大小。另外，由于可以保持最大的微分增益(与接收到的信号的数量无关)，因此装置得以简化。
现参照附图并结合优选的实施例详细说明本发明。
图3顺序显示了接收超声波的结果、卷积处理结果，以及通过根据本发明的使用超声波信号周期的距离测量方法来从顶部分析接收到的信号周期的结果。
请参照图3，在本发明中，可以通过几种方法(如带通滤波器或移动平均数)来分离频率。由于所发射的信号具有特定频率，因此超声波包含相同的周期(即频率部分)，即使是在接收到的波形中也同样如此，。如果检测了接收到的信号的周期，则可以更准确地检测此周期(与波幅电平无关)。传感器实际接收到的信号包含几个频带的噪声信号。在此情况下，仅检测特定频率的方法可以使用带宽很窄的带通滤波器有效地除去噪声部分。在其实施的过程中使用了模拟滤波器和数字模式。具有窄带宽的模拟滤波器在制造与调节方面存在一定的难度。因此，在本发明的优选实施例中，通过数字信号处理模式，并利用特定频率的正弦波与接收到的波形之间的相关性使这些问题得以解决。这样，就可以获得类似于使用卷积的带通滤波器的结果。此外，还可以很容易地确定特定频率。这样做的作用在于仅放大特定频率部分，从而可以很方便地检测具有特定频率的信号，并相对减少其它频率的信号。
本发明利用了噪声和超声波具有不同的频率特性这一事实。这样，由于其不受噪声量的影响，因此对信号的放大没有任何限制。故可以充分放大包含噪声的信号。
此外，将噪声和弱的超声波信号一起放大，并且从十分强的信号中将超声波信号的特定频率分离出来，同时恢复此特定频率中的第一个信号。因此，即使在与长距离测量有关的弱信号中，也可以测量超声波信号，而不管噪声的大小。
而且，还可以保持最大的微分增益(与接收到的信号的数量无关)。这使得此装置很简单。因此，本发明的优点在于能够进行长距离测量，其原因是弱信号可以被充分放大，而且由于可以恢复丢失的起始信号，故测量精度大大提高。

Claims (7)

1.一种使用超声波的距离测量方法，包括以下步骤：
向每个目标发射具有特定频率的超声波脉冲，然后接收自目标反射或直接发射的超声波脉冲；
提取接收到的超声波脉冲中的特定频率，以确定第一个脉冲的到达时间并将其转换为距离。
2.如权利要求1所述的距离测量方法，其中，确定到达时间并将其转换为距离的步骤进一步包括：分离超声波中的特定频率，然后将分离出来的超声波中首次接收到的超声波的到达时间转换为距离(当波形中混有噪声时，其频率特性不同于所发射的超声波的特定频率)。
3.如权利要求1或2所述的距离测量方法，其中，在将时间转换为距离的步骤中，从接收到的超声波中提取特定频率进一步包括以下步骤：
放大接收到的超声波以产生放大的信号；
通过模拟滤波器电路削弱已放大信号中多余频率的信号，以便产生滤过的信号；
再一次放大滤过的信号以产生再放大的信号；
将再放大的信号转换为数字信号；
通过数字信号处理从已转换的数字信号中提取特定频率。
4.如权利要求3所述的距离测量方法进一步包括：在测量目标的距离时指定要排除的距离范围，以便测量超过指定距离范围的距离。
5.如权利要求1所述的距离测量方法，其中，当目标移动时接收自目标反射的超声波的步骤包括：根据所发射的超声波频率的变化来改变接收到的频率。
6.一种使用超声波的距离测量方法，包括以下步骤：
在已知位置安装第一个接收器来接收超声波；
在要测量的目标处安装第二个接收器来接收超声波；
从离要测量的目标一定距离的位置处将具有特定频率的超声波发射到第一个和第二个接收器；
提取第一个和第二个接收器接收到的超声波中的特定频率，以确定第一个信号的到达时间，并将其转换为距离；
将与第一个接收器接收到的距离和已知距离之间的差额相关的误差信息传送到第二个接收器；允许第二个接收器利用误差信息修正声速。
7.一种使用超声波的距离测量装置，包括：
发射器，用于产生具有特定频率的超声波；
传感器，用于检测自目标反射的超声波；
放大器，用于放大由传感器检测的超声波；
模拟滤波器，用于选择性地削弱除经放大器放大的超声波中的特定频率以外的其它频率；
二级放大器，用于放大通过模拟滤波器选择的模拟信号；
A/D转换器，用于将放大的模拟信号转换为数字数据；
存储器，用于存储其中的数字数据；
数字信号处理器，用于处理存储在存储器中的数字数据；
输出单元，用于显示在数字信号处理器中处理的结果；
数字输入单元，用于向数字信号处理器通知处理条件；
通信单元，用于将数字信号处理器与外部设备彼此连接起来，以便数字信号处理器可以与外部设备交换信息，其中测量了接收到的超声波中的第一个信号的发射时间，以及在数字信号处理器中计算的第一个信号到达时间的延迟时间。
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