CN220543109U - 超声波换能器芯片及汽车超声波雷达装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种超声波换能器芯片及汽车超声波雷达装置，所述芯片包括：驱动电路，驱动电路用于与超声波换能器电连接；采样电路，采样电路用于与超声波换能器电连接；数字下变频模块，包括第一变频模块和第二变频模块，第一变频模块和第二变频模块分别与采样电路电连接；低通滤波器，包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，第一低通滤波器与第一变频模块电连接，第二低通滤波器与第二变频模块电连接；幅值计算模块，幅值计算模块分别与第一低通滤波器和第二低通滤波器电连接；包络处理模块，包络处理模块与幅值计算模块电连接；阈值比较电路，阈值比较电路与包络处理模块电连接。本申请实施例在降低数据处理量的同时，还可以保证检测精度。

Description

超声波换能器芯片及汽车超声波雷达装置

本申请要求于2023年4月10日提交国家知识产权局、申请号为202310375784.5、申请名称为“一种超声波换能器的信号处理电路、处理方法和处理芯片”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及电子技术领域，具体地涉及一种超声波换能器芯片及汽车超声波雷达装置。

背景技术

超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场景，诸如车辆障碍物检测、工业自动控制、建筑工程测等方面得到广泛的应用。以车辆障碍物检测为例，超声波换能器在发射具有20KHz或更大的频率(其为非可听范围)的超声波之后，可以感测从外部障碍物反射的回波信号，并对回波信号进行分析，进而确定超声波换能器与障碍物之间的距离，即检测距离。基于该检测距离，可以向用户提供相应的提示信息(例如，通过蜂鸣器输出警示声或通过显示屏显示障碍物距离等)，以辅助用户安全驾驶。

为了降低数据处理量，现有技术中通常会降低回波信号的采样频率。但是，由于环境噪声干扰，在降低超声波信号的采样频率后，可能无法有效的提取回波信号，进而降低了检测精度。

需要指出的是，公开于本申请背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供一种超声波换能器芯片及汽车超声波雷达装置，以利于解决现有技术中在降低超声波信号的数据量的同时，也会降低检测精度的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种超声波换能器芯片，用于与超声波换能器电连接，所述芯片包括：

驱动电路，所述驱动电路的输出端用于与超声波换能器的输入端电连接，以驱动所述超声波换能器发射超声波，所述超声波换能器的发射频率为f0；

采样电路，所述采样电路的输入端用于与所述超声波换能器的输出端电连接，所述采样电路的采样频率为n*f0；

数字下变频模块，所述数字下变频模块包括第一变频模块和第二变频模块，所述第一变频模块和所述第二变频模块的输入端分别与所述采样电路的输出端电连接，所述第一变频模块和所述第二变频模块采用的本地信号相互正交；

低通滤波器，所述低通滤波器包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，所述第一低通滤波器的输入端与所述第一变频模块的输出端电连接，所述第二低通滤波器的输入端与所述第二变频模块的输出端电连接；

幅值计算模块，所述幅值计算模块的输入端分别与所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器的输出端电连接，所述幅值计算模块的输出端输出包络幅值曲线；

包络处理模块，所述包络处理模块的输入端与所述幅值计算模块的输出端电连接，所述包络处理模块的输出端输出最终包络曲线；

阈值比较电路，所述阈值比较电路的输入端与所述包络处理模块的输出端电连接，所述阈值比较电路的输出端输出阈值比较结果。

第二方面，本申请实施例提供了一种汽车超声波雷达装置，包括：

第一方面任意一项所述的芯片；

超声波换能器；

其中，所述芯片和所述超声波换能器电连接。

在本申请实施例中，首先通过采样电路对接收到的超声波信号进行过采样，通过该采样信号确定超声波信号对应的包络幅值曲线，以尽可能的还原接收到的超声波信号；然后，通过包络处理模块对包络幅值曲线进行数据提取，以降低包络幅值曲线中的数据量，获得最终包络曲线；最后，基于最终包络曲线进行阈值比较，在大大降低数据处理量的同时，且不影响后续阈值比较的精度。也就是说，本申请实施例在降低数据处理量的同时，还可以保证检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的一种应用场景示意图；

图2A和图2B为本申请实施例提供的一种超声波系统的测距原理示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图；

图4为本申请实施例提供的一种回波处理电路的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图；

图7为本申请实施例提供的一种数据提取示意图；

图8为本申请实施例提供的一种包络处理模块的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种阈值比较示意图；

图10为本申请实施例提供的一种数据提取前的包络幅值曲线示意图；

图11为本申请实施例提供的一种数据提取后的最终包络曲线示意图；

图12为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图；

图13为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图；

图14为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图；

图15为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图；

图16为本申请实施例提供的一种超声波信号处理方法的流程示意图；

图17为本申请实施例还提供的一种汽车超声波雷达装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1，为本申请实施例提供的一种应用场景示意图。在图1中示出了车辆100和障碍物200，其中，车辆100的尾部设有多个超声波换能器101，当用户(也可能是自动驾驶的情况)控制车辆100倒车(也可能是侧方停车、前方障碍物识别的任意场景)时，超声波换能器101可以发射超声波并接收回波信号(超声波换能器可以为包含超声波发射换能器和超声波接收换能器两个独立的器件，也可以为一个同时具备发射超声波和接收超声波功能的器件)，进而可以计算超声波换能器101(即车辆100)与障碍物200之间的距离，并向用户提供相应的提示信息(例如，通过蜂鸣器输出警示声或通过显示屏显示障碍物距离等)，以辅助用户安全驾驶。

需要指出的是，图1仅为本申请实施例所列举的一种可能的应用场景，并不应当将其作为本申请保护范围的限制。例如，超声波测距除了应用于车辆进行障碍物检测以外，还可能应用于工业自动控制、建筑工程测等应用场景，在其它应用场景中，该障碍物也可能被称为“被检测对象”；超声波换能器除了设置在车辆的尾部以外，还可以设置在车辆的侧部或前部，以对车辆侧部或前部的障碍物进行检测；超声波换能器除了设置4个以外，还可以设置更多或更少数量的超声波换能器等，本申请实施例对此不作具体限制。

参见图2A和图2B，为本申请实施例提供的一种超声波系统的测距原理示意图。如图2A和图2B所示，该超声波系统包括电控制单元(Electronic Control Unit，ECU)、超声波换能器芯片和超声波换能器，其中，超声波换能器芯片包括主控电路、驱动电路和回波处理电路。ECU和主控电路通信连接，主控电路的输出端与驱动电路的输入端电连接，驱动电路的输出端与超声波换能器的输入端电连接，超声波换能器的输出端与回波处理电路的输入端电连接，回波处理电路的输出端与主控电路的输入端电连接。

具体地，在图2A所示的超声波系统中，超声波换能器的输入端和输出端分别设置。如图2A所示，超声波换能器下方的两个端口作为输入端与驱动电路的输出端电连接，超声波换能器上方的两个端口作为输出端与回波处理电路的输入端电连接。在图2B所示的超声波系统中，采用同一组端口同时作为超声波换能器的输入端和输出端。如图2B所示，超声波换能器下方的两个端口可以作为输入端与驱动电路的输出端电连接，同时又可以作为输出端与回波处理电路的输入端电连接。需要指出的是，图2A和图2B中超声波换能器的输入端和/或输出端包含两个端口仅为一种示例性说明，同样可以将其设置为更多或更少数量的端口。另外，在不同的实现方式中，超声波系统的功能单元和/或功能单元之间的连接关系还存在一些其他形式的变化，具体参见本申请其它部分的描述。

当需要进行距离检测时，超声波换能器芯片的主控电路从ECU接收触发信号后，控制驱动电路产生超声波驱动信号，该驱动信号用于驱动超声波换能器使其发射超声波；超声波遇到障碍物后发生反射产生回波信号，超声波换能器可以接收到该回波信号，并将回波信号传输至回波处理电路；回波处理电路通过对回波信号进行分析，并结合主控电路进行相关的逻辑判断，最终可以确定障碍物距离。

在回波处理电路通过对回波信号进行分析的过程中，通常需要对回波信号进行采样。为了降低数据处理量，现有技术中通常会降低回波信号的采样频率。但是，由于环境噪声干扰，在降低超声波信号的采样频率后，可能无法有效的提取回波信号，进而降低了检测精度。

针对上述问题，本申请实施例提供了一种超声波信号处理方案，首先对接收到的超声波信号进行过采样，通过该采样信号确定超声波信号对应的包络幅值曲线，以尽可能的还原接收到的超声波信号；然后，对包络幅值曲线进行数据提取，以降低包络幅值曲线中的数据量，获得最终包络曲线；最后，基于最终包络曲线进行阈值比较，在大大降低数据处理量的同时，且不影响后续阈值比较的精度。也就是说，本申请实施例在降低数据处理量的同时，还可以保证检测精度。在下文中结合具体实现方式进行详细说明。

参见图3，为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图。如图3所示，在图2A所示的超声波系统的基础上，超声波换能器芯片中的回波处理电路进一步包括采样电路、数字下变频模块、低通滤波器、幅值计算模块和包络处理模块；主控电路进一步包括阈值比较电路。需要指出的是，本申请实施例涉及的超声波换能器芯片同样可以适用于图2B所示的超声波系统，为了表述简洁，在本文中仅以图2A所示的超声波系统为例进行说明。

请继续参阅图3，采样电路的输入端与超声波换能器的输出端电连接，采样电路的输出端与数字下变频模块的输入端电连接，数字下变频模块的输出端与低通滤波器的输入端电连接，低通滤波器的输出端与幅值计算模块的输入端电连接，幅值计算模块的输出端与包络处理模块的输入端电连接，包络处理模块的输出端与阈值比较电路的输入端电连接。

当需要进行距离检测时，超声波换能器芯片的主控电路从ECU接收触发信号后，控制驱动电路产生超声波驱动信号，以驱动所述超声波换能器发射频率为f0的超声波。

采样电路以n*f0的频率对超声波信号进行采样，获得采样信号，其中，n＞1。也就是说，采样电路的采样频率大于超声波信号自身的震荡频率，即对超声波信号进行过采样。通过对超声波信号进行过采样可以尽可能的还原接收到的超声波信号，以提高距离检测精度。示例性的，n可以为4、8等。

具体实现中，采样电路可以为模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)。当然，本领域技术人员根据实际需要可以设置其他类型的采样电路，本申请实施例对此不作具体限制。

数字下变频模块用于接收采样电路输出的采样信号，并对采样信号进行数字下变频处理，获得与超声波信号对应的混频信号。具体地，可以基于本地信号对采样信号进行数字下变频处理，获得相应的混频信号，该混频信号中包括高频信号和低频信号，其中低频信号为需要的信号，因此，在后续步骤中需要将该混频信号中的高频信号滤除，以得到需要的低频信号。另外，在实际应用中，由于超声波信号通常为复数信号，因此，需要基于两个相互正交的本地信号分别对采样信号进行数字下变频处理，获得两路混频信号。

参见图4，为本申请实施例提供的一种回波处理电路的结构示意图。如图4所示，在本申请实施例中，数字下变频模块具体包括第一变频模块和第二变频模块，第一变频模块和第二变频模块分别与采样电路电连接，用于接收采样电路输出的采样信号。其中，第一变频模块用于基于本地信号sin(2*pi*fo*t)对采样信号进行数字下变频处理，获得第一混频信号；第二变频模块用于基于本地信号cos(2*pi*fo*t)对采样信号进行数字下变频处理，获得第二混频信号。可理解，本地信号sin(2*pi*fo*t)和本地信号cos(2*pi*fo*t)相互正交，也就是说，第一变频模块和第二变频模块分别基于相互正交的本地信号对采样信号进行数字下变频处理。

进一步地，超声波换能器芯片还包括存储单元，上述本地信号可以存储在存储单元中。具体地，第一存储单元与数字下变频模块电连接，数字下变频模块可以直接在第一存储单元中获取本地信号，如图5所示。或者，第二存储单元与主控电路电连接，当数字下变频模块需要本地信号时，主控电路可以在第二存储单元中获取本地信号，然后将本地信号转发至数字下变频模块，如图6所示。

具体实现中，该第一存储单元和/或第二存储单元可以是RAM(random accessmemory)、ROM(read-only memory)、寄存器、缓存器等各种形式的具有存储性质的单元或元件。

低通滤波器用于接收数字下变频模块输出的混频信号，并对所述混频信号进行低通滤波，获得滤波信号。可理解，当数字下变频模块输出两路混频信号时，相应的应当包括两个低通滤波器。

请继续参阅图4，在本申请实施例中，低通滤波器具体包括第一低通滤波器和第二低通滤波器。其中，第一低通滤波器与第一变频模块电连接，用于接收第一变频模块输出的第一混频信号，并对第一混频信号进行低通滤波，获得第一滤波信号，即第一混频信号中的低频信号；第二低通滤波器，与第二变频模块电连接，用于接收第二变频模块输出的第二混频信号，并对第二混频信号进行低通滤波，获得第二滤波信号，即第二混频信号中的低频信号。

幅值计算模块用于接收低通滤波器输出的滤波信号，并根据滤波信号进行幅值计算，输出包络幅值曲线。可理解，当低通滤波器输出两路滤波信号时，可以根据该两路滤波信号进行幅值计算。

请继续参阅图4，在本申请实施例中，幅值计算模块分别于第一低通滤波器和第二低通滤波器电连接，用于分别接收第一低通滤波器和第二低通滤波器输出的第一滤波信号和第二滤波信号，并根据第一滤波信号和第二滤波信号进行幅值计算，获得包络幅值曲线。具体实现中，可以根据公式：对包络幅值曲线进行计算。其中，P为包络幅值曲线的幅值，I为第一滤波信号的幅值，Q为第二滤波信号的幅值。

包络处理模块用于接收幅值计算模块输出的包络幅值曲线，并对包络幅值曲线进行数据提取获得最终包络曲线。由于采样电路对超声波信号进行过采样，因此，基于过采样的采样信号获得的包络幅值曲线对超声波信号的还原度较高，即精度较高。但是，同时造成包络幅值曲线的数据量较大。为了减小后续处理过程中的数据量，本申请实施例通过包络处理模块对包络幅值曲线进行数据提取，进而获得数据量较小的最终包络曲线。在后续步骤中，基于最终包络曲线进行阈值比较，在大大降低数据处理量的同时，且不影响后续阈值比较的精度。

参见图7，为本申请实施例提供的一种数据提取示意图。如图7所示，在包络幅值曲线中，数据量较大，每个周期(超声波信号的震荡周期)包含n个数据点，通过包络处理模块，在每个周期的n个数据点中提取一个数据点，形成最终包络曲线，使得最终包络曲线的数据量大大降低。示例性的，n＝8，即在8个数据点中提取一个数据点。当然，本领域技术人员根据实际需要还可以将n设置为其它数值，本申请实施例对此不作具体限制。

另外，在对包络幅值曲线进行数据提取的过程中，还可以在每个周期的n个数据点中提取多个数据点，例如，2个或3个等。可理解，只要保证提取的数据点小于n，即可降低最终包络曲线中的数据量。

进一步地，在对包络幅值曲线进行数据提取的过程中，存在以下几种数据处理方式，下面分别进行说明。

第一数据处理方式：取包络幅值曲线的连续n个幅值的平均值，作为最终包络曲线。其中，该连续n个幅值是指连续n个数据点的幅值，该连续n个数据点可以为一个周期内的数据点，也可以不是一个周期内的数据点，本申请实施例对此不作限制。在一种优选方案中，该连续n个数据点为一个周期内的数据点，以便提取后的数据更好地反映包络幅值曲线的特征。

示例性的，n＝8，E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8分别为包络幅值曲线中连续的8个数据点的幅值。取该8个数据点的幅值的平均值Eout＝(E1+E2+E3+E4+E5+E6+E7+E8)/8，即将Eout作为最终包络曲线的幅值。采用平均值的数据处理方式能够避免某一个数据的跳变或波动对结果的影响，进而提高比较结果的准确性。

第二数据处理方式：取包络幅值曲线的连续n个幅值的峰值，作为最终包络曲线。

示例性的，E1＝10、E2＝15、E3＝20、E4＝13、E5＝17、E6＝26、E7＝22、E8＝24，其中，E6是该8个数据点中的最大值，即峰值，因此Eout＝E6，即将E6作为最终包络曲线的幅值。采用最大值的数据处理方式能够避免某一个数据的跳变或波动对结果的影响，提高比较结果的准确性，同时提高包络曲线的平滑度。

第三数据处理方式：取包络幅值曲线的连续n个幅值的任意点，作为最终包络曲线。

示例性的，第一个周期，可以将该周期的E1作为Eout输出；下一个周期，可以将对应周期的E2作为Eout输出；再下一个周期，可以将对应周期的E3作为Eout输出；……；第8个周期，可以将对应周期的E8作为Eout输出。进一步地，相邻两个周期之间还可以间隔1个或多个数据点取值。例如，第一个周期，可以将该周期的E2作为Eout输出；下一个周期，可以将对应周期的E4作为Eout输出；再下个周期，可以将对应周期的E6作为Eout输出；依次类推。这种规律性跳跃取值，同样能够避免某一个数据的跳变或波动对结果的影响，提高比较结果的准确性。

另外，还可以在包络幅值曲线中进行随机、无规律的取值。示例性的，第一个周期，可以将该周期的E2作为Eout输入；下一个周期，可以将对应周期的E4作为Eout输出；再下个周期，可以将对应周期的E1作为Eout输出；……；第8个周期，可以将对应周期的E7作为Eout输出。这种无规律性的跳跃取值，同样能够避免某一个数据的跳变或波动对结果的影响，提高比较结果的准确性，同时提高鲁棒性。

第四数据处理方式：在包络幅值曲线中每间隔n-1个点取一次幅值，作为最终包络曲线。

示例性的，第一个周期，将该周期的E1作为Eout输出；下一个周期，将对应周期的E1作为Eout输出；再下一个周期，将对应周期的E1作为Eout输出；……；第8个周期，将对应周期的E1作为Eout输出。再如，第一个周期，将该周期的E5作为Eout输出；下一个周期，将对应周期的E5作为Eout输出；再下一个周期，将对应周期的E5作为Eout输出；……；第8个周期，将对应周期的E5作为Eout输出。也就是说，无论第一个数据的取值是该周期中的第几个数据点，后面周期中的取值始终与前一个周期的取值保持一个周期T的间隔。采用等间隔取值的数据处理方式能够避免某一个数据的跳变或波动对结果的影响，提高比较结果的准确性，同时能够简化包络处理模块的电路，降低逻辑运算电路的门数，提高芯片利用率或降低芯片面积。

需要指出的是，本申请实施例涉及的包络处理模块除了基于通用逻辑电路结合计算机程序实现以外，还可以基于专用逻辑电路实现。

参见图8，为本申请实施例提供的一种包络处理模块的结构示意图。其中，图8所示的包络处理模块为一种专用逻辑电路，该包络处理模块包括计时器/计数器、第一数据处理电路、第二数据处理电路、第三数据处理电路和第四数据处理电路。其中，计时器/计数器的输出端分别与第一数据处理电路、第二数据处理电路、第三数据处理电路和第四数据处理电路的输入端电连接，第一数据处理电路、第二数据处理电路、第三数据处理电路和第四数据处理电路用于根据计时器的计时功能或计数器的计数功能，在包络幅值曲线中确定连续的n个幅值，进而根据该连续的n个幅值输出相应的信号。具体地，第一数据处理电路用于输出包络幅值曲线的连续n个幅值的平均值；第二数据处理电路用于输出包络幅值曲线的连续n个幅值的峰值；第三数据处理电路用于输出包络幅值曲线的连续n个幅值的任意点；第四数据处理电路用于每间隔n-1个点输出一个包络幅值曲线的幅值。

需要指出的是，图8仅为本申请实施例对包络处理模块的一种示例性说明。在一些可能的实现方式中，包络处理模块中可能不包含计时器/计数器。此时，第一数据处理电路、第二数据处理电路、第三数据处理电路和第四数据处理电路可以通过设置在包络处理模块外部的计时器/计数器确定连续的n个幅值。或者，在一些可能的实现方式中，为每个数据处理电路配置一个对应的计时器/计数器。或者，在一些可能的实现方式中，包络处理模块仅包含上述4个数据处理电路中的1个、2个或3个数据处理电路等。

另外，本申请实施例涉及的第一数据处理电路、第二数据处理电路、第三数据处理电路和第四数据处理电路的具体功能可以参见上述实施例的描述，为了表述简洁，在此不再赘述。

请继续参阅图3，本申请实施例在主控电路中还设有阈值比较电路，阈值比较电路用于接收包络处理模块输出的最终包络曲线，并将最终包络曲线与包络曲线阈值进行比较输出阈值比较结果。具体地，阈值比较结果中可以包括第一逻辑和第二逻辑。示例性的，第一逻辑为1，第二逻辑为0；或者，第一逻辑为0，第二逻辑为1。在本文的其它部分，逻辑“1”也可能称为高电平，逻辑“0”也可能称为低电平。

参见图9，为本申请实施例提供的一种阈值比较示意图。如图9所示，最终包络曲线的包络值与包络曲线阈值同时输入阈值比较电路，通过比较最终包络曲线和包络曲线阈值的大小，输出高低电平信号。在本申请实施例中，当阈值比较结果中出现低电平时，判断检测到障碍物。当然，也可以通过调整阈值比较电路中的判断逻辑，使得阈值比较结果中出现高电平时，判断检测到障碍物，本申请实施例对此不作具体限制。综上所述，在本申请实施例中，首先对接收到的超声波信号进行过采样，通过该采样信号确定超声波信号对应的包络幅值曲线，以尽可能的还原接收到的超声波信号；然后，对包络幅值曲线进行数据提取，以降低包络幅值曲线中的数据量，获得最终包络曲线；最后，基于最终包络曲线进行阈值比较，在大大降低数据处理量的同时，且不影响后续阈值比较的精度。也就是说，本申请实施例在降低数据处理量的同时，还可以保证检测精度。

在实际应用中，回波处理电路接收到的超声波信号包括驱动阶段、余震阶段和回波阶段。具体地，当需要进行距离检测时，超声波换能器芯片的主控电路从ECU接收触发信号后，控制驱动电路产生超声波驱动信号，该驱动信号用于驱动超声波换能器使其发射超声波(该过程称为“驱动阶段”)；在驱动阶段之后，驱动信号停止驱动超声波换能器，但是超声波换能器并不能立即停止震动，而是会产生周期性的震荡信号(该过程称为“余震阶段”)，在余震阶段，由于震荡信号的强度较大，因此回波处理电路无法识别回波信号(发射的超声波遇到障碍物反射回来的信号)；在余震阶段之后，回波处理电路可以识别回波信号(该过程称为“接收阶段”)。

在上述信号处理过程中，驱动阶段的驱动信号、余震阶段的震荡信号和接收阶段的回波信号均会输入回波处理电路进行处理。特别是一个超声波换能器即作为驱动换能器又作为接受换能器的这种情况，使得驱动阶段的驱动信号会直接输入回波处理电路，同时超声波换能器的震荡信号、回波信号也会被输入回波处理电路。回波处理电路在接收到上述超声波信号后，可以提取超声波信号的包络幅值曲线，进一步地，将包络幅值曲线与预设的包络曲线阈值进行比较获得阈值比较结果，根据阈值比较结果可以判断是否检测到障碍物以及确定障碍物距离。

通常情况下，驱动阶段和震荡阶段的包络幅值曲线的幅值很大，均大于采样电路的最大输入取值范围，在包络幅值曲线波形图中表现为驱动阶段和震荡阶段的包络幅值曲线被削顶。但是，在实际应用中，可能由于驱动信号和震荡信号之间存在相位差或者频率不同，导致接收到的驱动信号和震荡信号之间会出现一个强烈的波形波动，该波形波动会造成接收信号的一个波动，严重情况下会对检测距离发生误判。

示例性的，在图10中示出了一种包络幅值曲线，该包络幅值曲线包括驱动阶段、余震阶段和接收阶段。其中，在驱动阶段和余震阶段包络幅值曲线被削顶，但是在驱动阶段和余震阶段之间，包络幅值曲线存在一个明显的下凹，该下凹会导致信号有较大的波动，而且若下凹低于包络曲线阈值，进而可能会造成对检测距离的误判。

具体地，如上文所述，通过比较包络幅值曲线和包络曲线阈值可以确定是否检测到障碍物。在图10所示的应用场景中，当包络幅值曲线小于包络曲线阈值时，阈值比较结果为高电平，当包络幅值曲线大于包络曲线阈值时，阈值比较结果为低电平。因此，在t1-t2之间检测到第一个低电平，在t3-t4之间检测到第二个低电平，在t5-t6之间检测到第三个低电平。

可理解，第三个低电平为回波信号对应的低电平信号，因此，通过第三个低电平信号可以确定检测到障碍物以及确定障碍物距离。另外，由于第一个低电平为驱动阶段检测到的低电平，因此，一种可行的方案是系统可以直接忽略该低电平信号。但是，对于第二个低电平，会造成系统误判，即系统误认为第二个低电平为回波信号对应的低电平信号，进而根据该低电平信号确定障碍物距离。显然，该判断结果是错误的，且第二个低电平是由于驱动阶段和余震阶段之间的下凹引起的。

针对驱动阶段和余震阶段的过渡期的上述特点，在一种可能的实现方式中，在驱动阶段和余震阶段的过渡期之间对包络幅值曲线按照上述第二数据处理方式进行数据提取获得最终包络曲线。由于上述第二数据处理方式为进行峰值提取，因此可以提高驱动阶段和余震阶段的过渡期包络曲线的平滑度。

参见图11，为本申请实施例提供的一种数据提取后的最终包络曲线示意图。其中，在驱动阶段和余震阶段的过渡期之间为按照上述第二数据处理方式进行数据提取获得最终包络曲线。对比图10和图11可知，在经过上述第二数据处理方式对驱动阶段和余震阶段的过渡期之间的包络幅值曲线进行数据提取后，过渡期之间的下凹趋于平缓，下凹处的幅值高于包络曲线阈值，进而不会造成对检测距离的误判，此处的下凹更加平滑，得到很好的处理。

具体地，当包络幅值曲线小于包络曲线阈值时，阈值比较结果为高电平，当包络幅值曲线大于包络曲线阈值时，阈值比较结果为低电平。因此，在t1-t4之间检测到第一个低电平，在t5-t6之间检测到第二个低电平。由于第一个低电平为驱动阶段检测到的低电平，因此，系统可以直接忽略该低电平信号。可理解，第二个低电平为回波信号对应的低电平信号，因此，通过第二个低电平信号可以确定检测到障碍物以及确定障碍物距离。

本申请实施例通过对驱动阶段和余震阶段的过渡期之间的包络幅值曲线进行平滑处理，可以避免在过渡期的波形过大的波动，以及波动可能造成系统的误判，提高对障碍物检测的准确性。

另外，对于过渡期外的包络幅值曲线，可以采用上述第一数据处理方式、第三数据处理方式或第四数据处理方式进行数据提取获得最终包络曲线，本申请实施例对此不作具体限制。

参见图12，为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图。如图12所示，本申请实施例在图3所示的超声波系统的基础上，在主控电路中还设有阈值产生电路，阈值产生电路的输出端与阈值比较电路的输入端电连接。阈值比较电路具体用于接收包络处理模块输出的最终包络曲线和阈值产生电路输出的包络曲线阈值，并将最终包络曲线与包络曲线阈值进行比较输出阈值比较结果。

在一种可能的实现方式中，阈值产生电路包括存储单元，存储单元用于存储静态阈值，阈值产生电路读取存储单元中的静态阈值来产生包络曲线阈值。示例性的，该存储单元可以为寄存器，在障碍物检测过程中，可以将静态阈值写入寄存器，阈值产生电路通过在寄存器中读取静态阈值产生包络曲线阈值。其中，上述存储单元中的静态阈值可以为系统中预设的数据，也可以由用户根据具体的应用场景进行调整，本申请实施例对此不作具体限制。

需要指出的是，图12仅为本申请实施例对阈值产生电路的一种示例性说明。在一些实现方式中，阈值产生电路还可以设置在主控电路的外部。

参见图13，为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图。如图13所示，本申请实施例在图3所示的超声波系统的基础上，在主控电路中还设有防抖电路，该防抖电路的输入端与阈值比较电路的输出端电连接，防抖电路用于接收阈值比较电路输出的阈值比较结果，并对该阈值比较结果做防抖处理，输出最终阈值比较结果至ECU。具体地，该防抖处理可以为：将阈值比较结果的宽度与预设的宽度阈值进行比较，若阈值比较结果的宽度小于预设的宽度阈值，则对阈值比较结果进行反向处理。示例性的，当阈值比较结果为第一逻辑时，对第一逻辑进行反向处理，获得第二逻辑；当阈值比较结果为第二逻辑时，对第二逻辑进行反向处理，获得第一逻辑。

可理解，当存在防抖电路时，需要根据最终阈值比较结果对障碍物距离进行判断，以提高障碍物距离检测的准确性。

具体来讲，在实际的应用场景中，由于使用环境或电路自身的原因，获得的阈值比较结果中可能会存在较多的噪声。若该噪声的强度大于包络曲线阈值，系统可能认为在该噪声位置处存在障碍物，进而影响障碍物距离的检测结果。通常情况下噪声的宽度较窄，基于噪声的该特点，本申请实施例将阈值比较结果的宽度与预设的宽度阈值进行比较，若阈值比较结果的宽度小于预设的宽度阈值，说明该位置存在噪声，则对阈值比较结果进行反向处理，以滤除阈值比较结果中的噪声，避免噪声对障碍物距离的检测结果造成干扰。例如：环境噪声太大时，超过了包络曲线阈值，则会出现IO被拉低的情况，但由于环境噪声强度持续的时间不长，或者经过信号处理后，持续的时间不长，因此IO被拉低的宽度很窄，明显低于正常的障碍物回波，如果这时候不对整个窄的IO做处理，则ECU可能根据这个IO判断为已经出现了障碍物，从而导致误判；防抖电路对IO进行处理，若阈值比较结果的宽度与预设的宽度阈值进行比较，若阈值比较结果的宽度小于预设的宽度阈值，说明该位置存在噪声，则对阈值比较结果进行反向处理，将拉低的IO反向为高电平，该部分就像没有出现高于包络曲线阈值一样，从而减小或防止干扰。

需要指出的是，图13仅为本申请实施例对防抖电路的一种示例性说明。在一些实现方式中，防抖电路还可以设置在主控电路的外部，本申请实施例对此不作具体限制。

参见图14，为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图。如图14所示，本申请实施例在图3所示的超声波系统的基础上，在采样电路和超声波换能器之间还设有前置电路。其中，前置电路的输入端与超声波换能器的输出端电连接，前置电路的输出端与采样电路的输入端电连接。具体地，前置电路可包括放大器和滤波器，通过放大器可以对接收到的超声波信号进行放大处理，通过滤波器可以对接收到的超声波信号进行滤波处理，以获得指定频率的超声波信号，该滤波处理可以为高通、低通或带通滤波处理。需要指出的是，本领域技术人员根据实际需要还可以对前置电路中功能进行增加或删减；或者删除前置电路，本申请实施例对此不作具体限制。

另外，在一些应用场景中，驱动电路输出的驱动信号的电压较低，可能无法驱动超声波换能器使其发射超声波，或者较低的驱动电压或电流使障碍物检测的距离较近。因此，在驱动电路的输出端与超声波换能器的输入端之间还设有变压器，通过变压器可以将驱动信号的电压/电流增大，进而驱动超声波换能器发射超声波。需要指出的是，超声波换能器接收到的回波信号可以直接经过输出端传输至回波处理电路，而无需经过变压器进行处理。

参见图15，为本申请实施例提供的另一种超声波系统的测距原理示意图。如图15所示，本申请实施例在图3所示的超声波系统的基础上，在主控电路中还包括判断电路，判断电路的输入端与阈值比较电路的输出端电连接，用于接收阈值比较电路输出的阈值比较结果，并根据该阈值比较结果进行障碍物距离的判断，从而直接触发报警系统(如显示屏、警报灯、蜂鸣器等)。

在另一种可能的实现方式中，还可以通过ECU实现判断电路的功能。具体地，阈值比较电路的输出端与ECU的输入端电连接，阈值比较电路可以将阈值比较结果传输至ECU，ECU根据该阈值比较结果进行障碍物距离的判断，从而直接触发报警系统(如显示屏、警报灯、蜂鸣器等)。

需要指出的是，上述实施例所示的超声波换能器可以为包含超声波发射换能器和超声波接收换能器两个独立的器件，也可以为一个同时具备发射超声波和接收超声波功能的器件；另外ECU也可以为其它具有数据处理能力的微处理单元，本申请实施例对此不作具体限制。

与上述实施例相对应，本申请实施例还提供了一种超声波信号处理方法，该方法可应用于上述实施例所述的超声波换能器芯片，超声波换能器芯片用于与超声波换能器电连接。

参见图16，为本申请实施例提供的一种超声波信号处理方法的流程示意图。如图16所示，其主要包括以下步骤。

步骤S1601：驱动所述超声波换能器发射频率为f0的超声波；

步骤S1602：以n*f0的频率对超声波信号进行采样，获得采样信号，其中，n＞1；

步骤S1603：对所述采样信号进行数字下变频处理，获得与所述超声波信号对应的混频信号；

步骤S1604：对所述混频信号进行低通滤波，获得滤波信号；

步骤S1605：根据所述滤波信号进行幅值计算，输出所述超声波信号对应的包络幅值曲线；

步骤S1606：对所述包络幅值曲线进行数据提取获得最终包络曲线；

步骤S1607：产生包络曲线阈值；

步骤S1608：将所述最终包络曲线与包络曲线阈值进行比较输出阈值比较结果。

在一种可能的实现方式中，所述对所述采样信号进行数字下变频处理，获得与所述超声波信号对应的混频信号，包括：分别采用相互正交的本地信号将所述采样信号变频为第一混频信号和第二混频信号；所述对所述混频信号进行低通滤波，获得滤波信号，包括：分别对所述第一混频信号和所述第二混频信号进行低通滤波，获得第一滤波信号和第二滤波信号；所述根据所述滤波信号进行幅值计算，输出所述超声波信号对应的包络幅值曲线，包括：根据所述第一滤波信号和所述第二滤波信号进行幅值计算，输出所述包络幅值曲线。

在一种可能的实现方式中，所述对所述包络幅值曲线进行数据提取，包括：采用以下数据处理方式中的至少一种对所述包络幅值曲线进行数据提取：第一数据处理方式：取所述包络幅值曲线的连续n个幅值的平均值，作为所述最终包络曲线；第二数据处理方式：取所述包络幅值曲线的连续n个幅值的峰值，作为所述最终包络曲线；第三数据处理方式：取所述包络幅值曲线的连续n个幅值的任意点，作为所述最终包络曲线；第四数据处理方式：在所述包络幅值曲线中每间隔n-1个点取一次幅值，作为所述最终包络曲线。

在一种可能的实现方式中，所述超声波信号分为：驱动阶段、余震阶段和接收阶段，所述对所述包络幅值曲线进行数据提取，包括：至少在所述驱动阶段和所述余震阶段的过渡期之间对所述包络幅值曲线按照所述第二数据处理方式进行数据提取获得所述最终包络曲线。

在一种可能的实现方式中，所述对所述包络幅值曲线进行数据提取，还包括：在所述接收阶段，采用所述第一数据处理方式、所述第三数据处理方式或所述第四数据处理方式进行数据提取获得所述最终包络曲线。

在一种可能的实现方式中，所述产生包络曲线阈值，包括：在存储单元中读取静态阈值，产生包络曲线阈值。

在一种可能的实现方式中，在所述将所述最终包络曲线与所述包络曲线阈值进行比较输出阈值比较结果之后，还包括：若所述阈值比较结果的宽度小于宽度阈值，则反向所述阈值比较结果。

在一种可能的实现方式中，所述n＝8。

在一种可能的实现方式中，所述超声波换能器既作为发射换能器又作为接收换能器。

需要指出的是，本申请实施例涉及的具体内容可以参见上述实施例的描述，为了表述简洁，在此不再赘述。

与上述实施例相对应，本申请实施例还提供了一种汽车超声波雷达装置。

参见图17，为本申请实施例还提供的一种汽车超声波雷达装置的结构示意图。如图17所示，该汽车超声波雷达装置包括超声波换能器芯片和超声波换能器，其中，超声波换能器芯片和超声波换能器电连接。

在一种可能的实现方式中，汽车超声波雷达装置还包括ECU，该ECU与超声波换能器芯片电连接，ECU用于接收阈值比较结果以判断障碍物距离。

需要指出的是，本申请实施例涉及的超声波换能器芯片和超声波换能器的具体内容可以参见上述实施例的描述，为了表述简洁，在此不再赘述。

与上述实施例相对应，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可存储有程序，其中，在程序运行时可控制计算机可读存储介质所在设备执行上述方法实施例中的部分或全部步骤。具体实现中，该计算机可读存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random access memory，简称：RAM)等。

与上述实施例相对应，本申请实施例还提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含可执行指令，当可执行指令在计算机上执行时，使得计算机执行上述方法实施例中的部分或全部步骤。

本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。

本领域普通技术人员可以意识到，本文中公开的实施例中描述的各单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，任一功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，简称ROM)、随机存取存储器(random access memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种超声波换能器芯片，用于与超声波换能器电连接，其特征在于，所述芯片包括：

驱动电路，所述驱动电路的输出端用于与超声波换能器的输入端电连接，以驱动所述超声波换能器发射超声波，所述超声波换能器的发射频率为f0；

采样电路，所述采样电路的输入端用于与所述超声波换能器的输出端电连接，所述采样电路的采样频率为n*f0；

数字下变频模块，所述数字下变频模块包括第一变频模块和第二变频模块，所述第一变频模块和所述第二变频模块的输入端分别与所述采样电路的输出端电连接，所述第一变频模块和所述第二变频模块采用的本地信号相互正交；

低通滤波器，所述低通滤波器包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，所述第一低通滤波器的输入端与所述第一变频模块的输出端电连接，所述第二低通滤波器的输入端与所述第二变频模块的输出端电连接；

幅值计算模块，所述幅值计算模块的输入端分别与所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器的输出端电连接，所述幅值计算模块的输出端输出包络幅值曲线；

包络处理模块，所述包络处理模块的输入端与所述幅值计算模块的输出端电连接，所述包络处理模块的输出端输出最终包络曲线；

阈值比较电路，所述阈值比较电路的输入端与所述包络处理模块的输出端电连接，所述阈值比较电路的输出端输出阈值比较结果。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述包络处理模块包括第一数据处理电路、第二数据处理电路、第三数据处理电路和/或第四数据处理电路；其中，

所述第一数据处理电路用于输出所述包络幅值曲线的连续n个幅值的平均值；

所述第二数据处理电路用于输出所述包络幅值曲线的连续n个幅值的峰值；

所述第三数据处理电路用于输出所述包络幅值曲线的连续n个幅值的任意点；

所述第四数据处理电路用于每间隔n-1个点输出一个所述包络幅值曲线的幅值。

3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述包络处理模块还包括计数器和/或计时器，所述计数器和/或所述计时器的输出端与所述第一数据处理电路、所述第二数据处理电路、所述第三数据处理电路和/或所述第四数据处理电路的输入端电连接。

4.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述芯片接收的超声波信号分为：驱动阶段、余震阶段和接收阶段，所述包络处理模块至少在所述驱动阶段和所述余震阶段的过渡期之间选择所述第二数据处理电路进行数据处理。

5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，在所述接收阶段，所述包络处理模块选择所述第一数据处理电路、所述第三数据处理电路或所述第四数据处理电路进行数据处理。

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述芯片还包括：

主控电路，所述主控电路与所述采样电路、所述数字下变频模块、所述低通滤波器、所述幅值计算模块和所述包络处理模块组成的回波处理电路通信连接，所述主控电路的输出端与所述驱动电路的输入端电连接，所述阈值比较电路位于所述主控电路内。

7.根据权利要求6所述的芯片，其特征在于，所述芯片还包括：

第一存储单元，所述第一存储单元的输出端与所述数字下变频模块的输入端电连接，所述第一存储单元用于存储所述本地信号；

或，第二存储单元，所述第二存储单元的输出端与所述主控电路的输入端电连接，所述第二存储单元用于存储所述本地信号。

8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述芯片还包括防抖电路，所述防抖电路的输入端与所述阈值比较电路的输出端电连接，所述防抖电路的输出端用于向外输出最终的比较结果；所述防抖电路用于判断所述阈值比较结果的宽度并将宽度小于宽度阈值的所述阈值比较结果进行反向。

9.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述芯片还包括：

前置电路，所述前置电路的输入端用于与所述超声波换能器的输出端电连接，所述前置电路的输出端用于与所述采样电路的输入端电连接。

10.根据权利要求9所述的芯片，其特征在于，所述前置电路包括放大器和/或滤波器。

11.根据权利要求2-5任意一项所述的芯片，其特征在于，所述n等于8。

12.根据权利要求1-10任意一项所述的芯片，其特征在于，所述超声波换能器既作为发射换能器又作为接收换能器。

13.一种汽车超声波雷达装置，其特征在于，包括：

权利要求1-12任意一项所述的芯片；

超声波换能器；

其中，所述芯片和所述超声波换能器电连接。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括：

ECU，所述ECU与所述芯片电连接。