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低成本超声波测距系统的设计注意事项及性能
在过去的几十年中，许多可靠、低成本的室内超声传感系统已经得到了实现。现有的解决方案将非常低成本的传感器扩展到高级设备。本文介绍了一种低成本单音测距系统的设计细节。为了评价不同结构接收机测距结果的一致性，包括一组实验结果。信道均衡和信号预编码的效果表明，这些系统可以处理真实的反射镜。
索引项-超声波传感器、Cramer Rao界限、到达时间估计、室内环境、CFAR、Tomlinson Harashima预编码器
1简介
测距是许多机器人、工业和环境智能应用中的基本要素。超声波传感是一种可靠、低成本的室内定位和测距的可行的解决方案。在本文所描述的实验中，利用超声波传感器作为发射器和接收器，根据声波的飞行时间（TOF）来定位反射镜。超声波测距的性能取决于所使用的信号带宽，这直接限制了可用信息的数量。该系统采用了低成本窄带压电传感器（PZT）。工作的重点是考虑测距一致性，并通过信道均衡和基于恒虚警率（CFAR）[1]的测距质量检测来研究带宽扩展的好处。该系统为更复杂的传感器阵列定位或方位估计提供了核心技术[2][3]。这种系统通常使用直接序列码分多址（DS-CDMA）来管理多个传感器的多址访问。这鼓励我们进一步探索伪随机噪声（PN）信号对系统的影响[4]。
结构
论文的组织结构如下：第二节简要介绍了超声传感问题及相关的前期工作。第三节介绍了所开发系统的设计细节。实验结果见第四节。第五节概述了处理硬件和相关的实际考虑。结论见第六节。
2.超声波传感及相关工作
超声波传感器将通过发射声波，然后“监听”一段时间来测量距离，以便在重新发射之前，反射到目标上的回声返回。由于称为“振铃”的现象——传感器在其激励脉冲后的持续振动——传感器无法在其附近的所谓“死区”内可靠测量。测量精度取决于计算中使用的声速精度。声速（c）可导出为
式中，gamma;、r、t和m是特定的热比、通用气体常数、绝对温度（开尔文）和摩尔质量。随着温度的升高，声波传播得更快。速度也受介质成分的影响。本文以空气为传播介质。导致传感器错误定位反射镜的其他原因包括气流、带内噪声或来自其他传感器的干扰。反射面、几何结构、距离、尺寸和光束角度定义了吸收和散射的水平，这限制了可达到的最大可检测目标距离。最大距离还取决于空气湿度和声频，因为它们直接影响衰减。声频或速度的变化也会影响波长。其结果是分辨率、精度和最小可检测反射镜尺寸的变化。还有其他的困难，比如对输入电压的敏感度和频率-温度的依赖性。列出的影响存在于最常见的低成本传感器技术-微电子机械系统（MEMS）和PZT中。在室内场景中，周围的墙和地板表现为“背景”，并导致多径传播。更高层次的决策逻辑应该意识到这一点。
超声定位理论的简要概述见[5]。本章将简要列出超声波测距系统的两个重要参数。
第一个重要参数是“距离分辨率”——这个术语源自雷达技术，在医疗系统中也被称为“轴向分辨率”。这是区分目标沿一个方位移动所需的最小距离差。在脉冲压缩超声系统的情况下，距离分辨率由发射器处的脉冲长度决定。压缩脉冲的能力取决于传输的脉冲带宽（BWTX），而不是脉冲宽度。这种系统中的距离分辨率定义为： 其中“c”是声速。表1总结了这些相互依赖性。1945年的著名报纸[6]表示第二个重要参数——确定性参数估计量方差的下界，即所谓的Cramerrao下界（CRLB）。
表一：范围和分辨率相关性
CRLB指出，通过增加有效信号带宽和信噪比，可以减小TOF误差的标准偏差。超声时频扩展及测量精度在[5]中作了进一步探讨。激励信号带宽将按比例提高系统性能，但会降低信噪比。信噪比下降对测距方差的影响是相反的，但与平方根成反比。上述情况与单用户情况有关，没有多址干扰（MAI）或符号间干扰（ISI）。这些影响取决于测距信号的相关特性。本文还将探讨频率均衡和激励信号带宽对测距方差的影响。
3、测距系统详情
实验中使用了APC国际公司的40T/R-10系列超声传感器。这些都是低功耗，低成本，单音，PZ传感器只有1千赫“3dB信号带宽”。发送的信号是一个由载波以40kHz调制的短Kasami码。传感器的6db光束角度为80度（图1）。接收器采样率为100 kHz。8000个样本（80毫秒）被用来分析回波和检测周围的障碍物。距离由往返飞行时间（RT TOF）估算。由于连续脉冲之间的必要保护间隔，这限制了测量距离的设置，最大为12.5米。匹配的最大信号率为12.5Hz。使用1 kHz或4 kHz脉冲进行测距。当采样频率为100ksps时，接收器减少了处理负担，并匹配相同的有效采样频率，因为它是用两个不同的下采样率（1 kHz-20，4 kHz-5）构建的。当使用rt-tof测距时，根据（2）计算得出的1 kHz系统的系统分辨率为33mm，而4 kHz系统应能探测8.25 mm的障碍物（图2）。各种TOF方法见[7][8]。
图2.距离分辨率
使用12位ADC在100 kHz采样的传感器的脉冲响应如图3所示。
图3.传感器的脉冲响应
图4.传感器频率响应
图5. 4 kHz信号外差基带接收机
传感器频率响应如图4所示。外差基带接收机如图5所示。复杂的基带信号通过一个根升余弦（RRC）滤波器进行滤波，并向下采样到4 kHz的PN码率。以芯片速率采样的基带脉冲响应如图6所示。
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图6.基带脉冲响应（4千赫）系统
图6。复脉冲响应长19个样本，其相应的Z变换表示为18次的复多项式。基带多项式可以用以下方程（4）表示，使用谱因式分解：
其中多项式是由的根形成的，是最小相位，而是从单位电路的根导出的。
图7.带预编码器的发射机
Tomlinson Harashima（th）预编码器（图7）应用于PN序列，以提高发射机的频谱效率[9]。根据脉冲响应设计了th预编码器，同时在空的空间内从单个小物体上捕获反射。消除了背景反射，传输函数仅由收发器和接收器定义。PN符号s(m)由模1总结而成，其递归部分由相位最小的多项式构成，保证了稳定性。“模一”加法器也被用来防止信号积累。
图8.频谱预编码的增益
由预编码和PN符号构成的光谱如图8所示。这种预先编码的频谱在感兴趣的波段上比只使用传感器产生的频谱分布更均匀。
在接收端，应用一个预先定义的零力均衡器以提高检测分辨率。ZF均衡器应尽可能满足（5）。
图9.ZF均衡器
图10.均衡信道的频率响应
图11.超声波传感器的安装
图9。显示ZF均衡器的离线计算系数。图10。给出了均衡后得到的谱平坦度。
4、测距测量结果
实验在9.5米乘4.5米的会议室进行，地板到天花板的高度为2.7米。两个接收传感器和一个发射器安装在塑料外壳中，确保几乎相同的传感器方向（图11）。传感器的安装高度为0.75米。变送器与其他传感器的近距离安装导致了应用程序的“死区”。1米（4千赫）或3米（1千赫）。因此，为了获得一致的环境，传感器被固定在适当的位置，目标被直线移动。在每一系列测量开始时，记录无目标房间的回声（“空”），以验证“背景”回声。
进行了两次实验，目的是：
- 研究测距一致性，观察不同传感器的影响；
- 观察激励信号带宽和信道均衡的影响；所有测试配置都使用了被称为最大恒虚警率（go-cfar）的自适应算法的常见形式[1]来检测反射镜对B的回波。噪声背景（图12）。该装置提供了灵活的CFAR单元尺寸，使用1.6ms的中央滑动窗口和0.80ms的间隔进行了测量。实验证明，这是一个很好的权衡噪声抑制和系统延迟。
图12.基本测试设置
- 测量一致性
第一个实验的目的是在实践中验证静态环境条件下测距结果的一致性。通过只移动反射镜，传感器和反射镜之间的距离被小心地改变了。
由于超声波测量结果取决于反射镜的形状和尺寸，因此首先使用了垂直于直达波的金属白板。所有其他情况的处理都考虑到超声波传感器是角度相关的滤波器。第一个反射镜的尺寸为1毫米times;0.7米，从地面上升0.5米。对于一个发射和两个接收传感器的每个距离和系统设置配置，分析了一组100个测量值。距离从1米增加到5米，增量为1米。由于与“盲区”重叠，仅在3米以外观察到1千赫的情况。在所有情况下，垂直于光束轴线的墙都相距7.2米。
表2
所有3种系统模式（1 kHz，4 kHz，无均衡，4 kHz，有均衡）都能100%检测障碍物，被测回波清晰可见（图13）。除了障碍物回声外，还有来自墙壁和周围环境的回声。在较远的距离（5米）处，4 kHz的无均衡增加的BW比均衡增加的BW变化显著。这是进一步研究信道均衡影响的出发点。
图13.在对应于4米距离的样本（蓝色–CFAR阈值，红色–检测到的回波）处，用均衡信道测量信号BW 4 kHz的回波
图14.信道均衡评估测试设置
图15.直达波反射面
- 信道均衡
第二个实验探讨了低成本系统如何处理更真实的反射镜，以及如何量化信道均衡的价值。反射镜采用塑料管（L=1米，R=0.15米）。在“静态”环境中，管道的位置再次发生了变化。这是反射镜的一种特殊情况，因为它允许在定向发射的超声波波前存在缺陷。与第一次实验相比，它还提供了最小的反射面（图14-15）。
在距离为4米和5米（plusmn;1%）的地方观察到1千赫和4千赫系统的性能，包括有或没有多径干扰的情况。
1）距离4m
在每次60次测量之前，都会捕捉到一系列的“空”房间回声。图16。提出了一个重叠的背景回波和自适应检测阈值（gocfar）图在样本对应于4米距离1千赫信号。由于背景噪声，没有虚假目标检测。正确检测障碍物反射的波（图16-b）。结果中某些不精确的原因是CFAR中用于1 kHz信号的时间窗较长，并且总体分辨率较低。
图16.a）背景 b）1 kHz信号在对应4 m距离处的障碍物回波（蓝色-CFAR阈值，红色-检测回波）
另一组测量是在相同的环境条件和障碍物距离下对4kHz信号带宽进行的。背景噪声对实验结果无显著影响。
均衡器和非均衡器接收器均能在4米距离处100%检测到障碍物。检测能量和自适应阈值的显著差异如图17所示。信道均衡提高了检测到的回声的比率，并提高了感兴趣样本的自适应决策阈值——这也可以用“眼图”的形式来说明。这在图18-19中进一步分析。结果表明，在两个接收通道的所有试验中，障碍物检测都是正确的。比较两个系统和两个通道上的“眼图”开口的中值（“检测到的峰值”-“阈值”比率），结果表明均衡将该值增加47%（通道1）和10%（通道2）。这表明，在更恶劣的环境中（通过噪声或更远的距离测量），成功的速率检测可以显著提高。中值是观察到的，因为在这种类型的系统中，通常使用某种形式的后检测处理作为最终检测。此后处理可基于多数投票或连续检测计数。在这种情况下，中值对最终结果比平均值更重要。然而，为了被认为是更普遍的，需要在较低的信噪比值上验证所描述的处理链的好处。
图17。4 kHz信号的测量回波，a）不均衡b）均衡信道，在对应4米距离的样本处（蓝色-CFAR阈值，红色-检测回波）
低成本超声波传感器发射的能量随时间变化很快。表三进一步总结了具有均衡和非均衡信道的系统的性能差异。均衡减少了被测反射能量的方差和（作为cfar算法的结果）检测阈值。接收器2的测距标准差也得到了改善，从7.8毫米到4.5毫米。
图18.目标反射波与检测阈值之比（bw 4 kHz，均衡，PN编码，4米距离）
图19。感兴趣样品的检测反射比和阈值（bw 4 kHz）；a）rx 1 b）rx 2
表3
图20.a）包含强多径的背景回波和b）对应5米距离的样本的障碍回波（蓝色-CFAR阈值，红色-检测回波）
2）距离5m
在距离5米处，由于相邻样本上存在强多径，两个系统都无法正确检测到障碍物。圆形障碍物的反射面非常有限，并且在该距离处发射能量的显著变化会在不增加有害噪声的情况下抑制背景反射。图20。说明“眼图”在均衡器接收器的情况下也保持关闭。
五、硬件设置
用于数据处理的发送器和接收器节点都使用相同的定制板[10]，ST Micro Cortex M3微控制器的频率为72MHz（图21）。该板用作一个小型主板，控制活动、采样和处理所有3个传感器的数据。配有温度传感器和加速度计。如果所有传感器都安装在船上，加速度计的目的可能是系统水平调平。模拟电路由一个名为PZT的抗混叠滤波器（50 kHz）和数字控制放大器（PGA113、SSM2019）组成。每个80毫秒的信号捕获每个通道产生16 kb的信息数据。硬件支持实时数据处理或USB流到外部主机PC。
图21。超声波接收节点：接收节点由一个基于ST Micro Cortex M3单片机的板和4个可插拔传感器组成。
六、结论
本文介绍了一种基于PZT的单音低成本超声系统的信道均衡技术和性能评价。所进行的一组实验表明，所得到的测距结果是一致的和准确的。通过一组在3-5米反射距离处进行的现场试验，还报告了均衡系统灵敏度的增加。lt;
资料编号：[6018]
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