国内超声波测距研究应用现状

国内超声波测距研究应用现状

李 戈，孟祥杰，王晓华，王重秋

（中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116）

【摘 要】本文结合超声波测距原理，对超声波回波信号处理、新型换能器研发、发射脉冲选取的国内研究现状，以及该技术在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞、曲面仿形检测的应用现状作了综述，分析了超声波测距系统现阶段存在的常见问题，相应提出了解决方案，并对超声波测距的发展与应用趋势进行了展望。

【关键词】超声波；测距；回波处理；盲区

【中图分类号】TB55 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）04- - Research and application status on domestic ultrasonic ranging

Abstract: Based on the principle of ultrasonic ranging, this paper described the domestic research status of ultrasonic echo signal processing, new transducers designing. It also introduced the application of ultrasonic ranging technology in the field of domestic liquid-level measure, mobile robot obstacle avoidance, vehicle collision avoidance and profile measurement of surface. After that, this paper analyzed the problems in ranging system and the solutions. The developmental direction and research progress in ultrasonic ranging were also presented.

Key words: ultrasonic; ranging; echo signal processing; blind area

LI Ge , MENG Xiang-jie , WANG Xiao-hua , WANG Zhong-qiu （School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China ）

1 引言

随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD 探测、雷达测距、激光测距等。其中，CCD 探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销[1]

。雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点[2]，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂[3]。

与前几种测距方式相比，超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。目前，超声波测距已普遍应用在液位测量、移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔。本文将对超声波测距的原理及国内研究、应用现状进行综述，并对其发展趋势进行展望。 2 超声波测距原理

超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。其中，相位检测法精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射介质的影响。因此，当前超声波测距一般使用渡越时间法。基于此，本文仅针对渡越时间法测距的研究和应用现状进行综述。

超声波测距的工作原理：发射换能器向外发射超声波，超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收换能器接收回波。渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差t ，求出目标障碍物距信号发射源的距离d ，计算公式为：

/2d vt =

其中，v 为超声波波速（m /s ）。

DOI ：CNKI:22-1343/P.20110113.1037.011 网络出版时间：2011-01-13 10:37

网络出版地址：/kcms/detail/22.1343.P.20110113.1037.011.html

空气中[4]：331.4v = 海水中[4]

：()21450 4.210.037 1.14350.175v T T S P =+−+−+ 式中，T 为环境摄氏温度，℃；S 为水盐度,按千分比计算；P 为海水静压力，Pa 。

3 超声波测距的国内研究现状

近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。

3.1 超声波回波信号处理方法 超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣，直接关系到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度，进而决定着超声波探测定位系统的精度和反应速度。近年来，童峰、Yang Yichun 、程晓亮等先后在该方面做了大量研究。

童峰等[5,6]提出最小均方自适应时延估计(LMSTDE)的算法。该算法消去了实际换能器与理想换能器的频率特性差，消除了信道由于斜向入射产生的传递特性对输出信号产生的影响，使整个系统保持平坦的频率响应，且输出均方误差最小。但该算法计算量太大，特别在自适应滤波器的阶数较高时，计算量会明显增加。

Yang Yichun 等[6]针对传统相关计算法在信号的采样频率很低时计算得出的相关函数分辨率低这一不足，提出了基于修正的线性调频变换和相关峰细化原理的精确时延估计快速算法，精确计算相关函数的峰，使得低采样信号的时延估计精度得以提高，并且不受采样率的限制。程晓畅等 [8]针对常规相关峰插值方法在多倍插值的情况下，计算复杂、时延估计精度差等缺陷,结合超声回波信号的窄带通特性和相关峰细化原理,提出了直接提取相关函数包络和包络峰细化的算法,并分析了计算复杂度；并且还针对超声波换能器的带宽特性和单脉冲回波特性，对M 序列参数设计方法进行分析。他们借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，提出了基于FFT 的伪随机码包络相关快速时延估计的算法，将信号解调与匹配相关融合，减少了计算量。这三种算法均属于互相关函数算法，与传统互相关函数算法相比，它们均在提高时延估计精度的同时，避免了计算量的大幅增加。

卜英勇等[8]根据回波信号的传输特征，利用小波分析法对回波信号进行运算处理，提出了基于小波包络原理的峰值监测方法。小波分析法是一种针对信号的时间-尺度(时间-频率)进行分析的方法，可以获得平滑、有效的回波包络曲线,进而利用峰值检测法确定回波前沿的到达时刻，具有高分辨率的优点。

赵海鸣等[9]提出通过双比较器整形结合软件确定回波前沿的测量方法，在一定程度上消除了由于回波信号强弱变化而造成的测量时间的误差，从而提高测量精度，使在空气中近距离测量的精度可达到厘米级。

付华等 [10]尝试利用Elman 反馈神经网络逼近真实函数，以期望提高避障系统的测量精确度，降低避障系统的误判率。Elman 网络隐层采用了“tansig ”激活函数，输出层选用了“pureline ”激活函数，从而只要有足够的隐层神经元个数，网络就能够以任意精度逼近任意函数。试验证明，该方法在对超声波测距传感器进行温度、湿度补偿后，其测量精度提高了两个数量级。