低成本的超声波测距系统的设计考虑和性能

Dragan S. Zivkovic, Bogdan R. Markovic, Dejan Rakic, Srdjan Tadic

摘要：许多可靠的，低成本的室内超声波感应系统在过去的几十年中已经被证明是可行的。现有的解决方案涵盖了从非常低成本的传感器到高等级的装备。在本文中作者提出了一种低成本，单频，测距系统的设计细节。在一组的实验结果中包含了，以评估从具有各种结构的接收机获得的结果之间的一致性。信道均衡和信号的预编码评估的效果显示了这些系统可以如何处理现实的反射器。

关键词：超声换能器，克拉美罗界，估计到达时间，室内环境，恒虚警，汤姆林森 - 原岛预编码器

1. 介绍

测距在很多机器人，工业和环境，智能应用程序中的基本要素。超声波感应为可靠的、低成本的室内定位和测距提供了潜在的解决方案。在本文所描述的实验中，超声换能器同时充当发射器和接收器，并且常常被用来定位声波基于时间的飞行的（TOF）反射器。超声波测距的性能取决于所使用的信号带宽，这点直接限制可用的信息量。所提出的系统常常使用低成本，窄带，压电换能器（PZT）。工作的一个重点是要考虑的范围一致，并调查由信道均衡和恒定误报率（CFAR）[1]基于测距测量的质量的检测带宽扩展的好处。系统提示呈现的心技术更复杂，传感器阵列基于定位或方位估计[2][3]。这样的系统通常使用直接序列码分多址（DS-CDMA）来管理大量换能器的多个接入。这是刺激另外探索伪随机噪声（PN）的影响信号给系统[4]。

1. 组织结构

本文的结构如下：文章第二节简要介绍了超声波传感问题及相关前期工作。第三部分则介绍了开发系统的设计细节。实验结果则列于第四节说明。第五节给出处理硬件的方法和相关的实际考虑的概述。本文结论在第六节给出。

1. 超声波传感及相关工作

超声波传感器的工作原理是将通过发射声波，然后“侦听”的一段时间内，允许回声反弹目标的回归，重传前测量距离。由于这种现象被称为振铃。其激励脉冲后换能器的一个持续振动。传感器是不能可靠地在其附近的所谓的“死区”内进行测量的。测量的精确度取决于在计算中使用的声音的速度的精确度。声音（c）的速度进过推导得到：

c = （1）

gamma;RT

M

其中gamma;，R，T，和M分别是比热比、通用气体常数、绝对温度（开尔文）、和摩尔质量。由公式可以得出，随着温度的升高，声波行进得更快。同时速度也受介质的组合物的影响。本文认为空气作为传播介质。经过分析，我认为可能导致的传感器错误定位的反射器的其他原因包括气流、带内噪声、或从其他的换能器的干扰。当然，反射器表面，几何形状，距离，大小和光束角限定的吸收和散射的水平等也是限制了最大可检测目标的距离实现的重要原因。最大距离取决于空气的湿度以及声音的频率，因为它们直接影响衰减。声音频率或速度改变也影响波长。其后果是在分辨率，精度，和最小可检测的反射大小的变化。也有其他的困难，例如与输入电压和频率的温度依赖性的灵敏度——微机电系统（MEMS）和压电换能器（PZT）。两个最常见的低成本换能器的技术中存在列出的效果。在室内场景中,周围的墙壁和地板上表现为“背景”,这导致了多径传播。因此，高级决策逻辑应该意识到这一点。

超声波定位理论的简要概述[5]中给出。在本章中将会简要地列出一个超声波测距系统的两个重要参数。

第一个重要的参数是一个“距离分辨率”——这个词来自雷达技术,在医疗系统被用来表示“轴向分辨率”。它指的是沿着一个轴承区分靶的运动所需的最少范围差。在脉冲压缩超声系统作为这种情况下，距离分辨率可以通过在发射极上的脉冲长度来确定。压缩脉冲的能力取决于发射脉冲带宽（BWtx），而不是脉冲宽度。在这样的系统范围分辨率的定义是：

（2）

其中，“c”是声音的速度。表1总结这种相互依存关系。

从1945年一篇著名的论文[6]表示第二个重要参数——下界确定性参数，即所谓克莱美-罗下界（CRLB）的估计方差。

表1 范围和解析的依赖性

（3）

克莱美-罗下界指出，一个飞行时间误差的标准偏差随有效信号带宽和噪声比（SNR）增加而减小。超声时间-频率扩展和测量精度会在[5]进一步探讨。励磁信号带宽将比例提高系统的性能，但在成本降低的噪声比SNR。信噪比降低具有在测距方差，根方形相反的效果。上述涉及单用户的情况下，与没有多址干扰（MAI），或码间干扰（ISI）。这些效果取决于测距信号的相关特性。本文还将会探索频率均衡和令人兴奋的方差不等信号带宽的好处。

1. 测距系统细节

APC国际有限公司的40T/ R-10系列超声换能器是在实验中使用的。这些低功耗、低成本、单频PZ传感器只用1千赫“3分贝信号带宽”。所发射的信号是短卡西米码在40千赫的载波调制。换能器6分贝光束角为80度（图1）。接收机采样率为100千赫。8000样本（80毫秒）被用来分析回声和检测周围障碍物。距离由飞行（RT-TOF）的往返时间估计。由于连续的脉冲之间必要的保护间隔，限制设置用于测量的距离可达12.5米。匹配的最大信号速率为12.5Hz。

图1 发射机声压级标称值

超声波测距用1khz或4kHz脉冲完成。作为施加100 KSPS的采样频率，接收机减少了处理负担和匹配相同的有效采样频率，因为它与两个不同的下采样比（1千赫 - 204千赫 - 5）构成。作为RT-TOF用于测距，将所得体系的分辨率，根据（2）计算可得出：1千赫兹系统是33毫米，而4 kHz系统应该是能够检测的8.25毫米（图2）的障碍。各种飞行时间的方法在介绍[7] [8]。图3显示了100kHz时一个12位的ADC取样的换能器的脉冲响应。

图2 距离分辨力 图3 换能器的脉冲响应

图4 传感器的频率响应 图5 4 kHz的信号外差基带接收机

传感器的频率响应在图4中显示。

外差基带接收机示于图5复合基带信号由升余弦（RRC）过滤器根过滤，并下采样至4kHz的PN片码速率。

便宜的速率的基带脉冲响应采样示于图6。复杂的脉冲响应是19个样本长的，其对应的Z变换Hb z 被表示为18度的一个复杂的多项式。基带多项式可以用下面的等式（4）来表示，使用谱分解：



（4）

图6 基带脉冲响应（4 kHz系统）

其中，多项式S z 是从根Hb z的最小相转化而来的，而S  z是从Hb z衍生而来的单元电路。

1  S  z 

图7 汤姆林森 - 原岛（THE）预编码器的发射器

汤姆林森 - 原岛（THE）预编码器（图7应用PN序列[9]）以便增加发射器的频谱效率。该TH预编码器根据脉冲响应设计，同时反射是从空间小物件抓获。背景反射可以被消除，并且传递函数是仅由收发器和接收器限定。PN符号s(m)概括为由模1用最小相位的多项式形成了递归部分，保证稳定性。“模一”加法器也被用来防止信号累积。

图8 预编码频谱的效益

图8显示了由预编码和PN符号制成的频谱。这个预编码频谱比由仅使用一个传感器更能均匀分布在感兴趣的频带。

在接收机侧，预定的迫零（ZF）均衡器被应用于增加检测分辨率的。ZF均衡器尽可能多地应用以满足（5）。

（5）

图9 迫零均衡器 图10 平衡的通道的频率响应

图11超声波传感器的安装

图9显示了ZF迫零均衡器的离线计算系数。 图10是均衡后获得频谱平坦度。

1. 测距测量结果

本论文的实验是在面积为9.5米times;4.5米，高度从地板到天花板为2.7米的会议室进行。两个接收换能器和一个发送器被安装在塑料外壳上，为了确保几乎相同的传感器的方向（图11）。传感器安装在高度为0.75米处。可以看出和传感器安装接近的变送器导致应用程序的“死区”。 1M（由4千赫）或3M（1千赫）。这样就实现了一致的环境中，换能器被固定在适当位置，并且目标是在一条直线上移动。从每个系列的测量开始，室内没有目标（“空”）的回波被记录，为了验证“背景”回声。

做了两个实验，其目的是：

图12 基本测试流程

1）调查范围的一致性和观察不同传感器的影响;

2）观察激励信号的带宽和信道均衡的影响;

为了检测反射回波的背景噪音，所有测试配置利用常见的被称为最大选择恒虚警(GO-CFAR)[1]的自适应算法(图12)。这种设置提供了灵活的恒虚警单元尺寸，用一个1.6毫秒中央滑动窗口和0.80ms的分离拍摄效果。可以看出，该实验发现了噪声抑制和系统延迟的一个非常好的平衡点。

1. 测量的一致性

本文中，第一个实验的目的是为了验证，在实践中排名在静态环境条件下的结果的一致性。传感器和反射器之间的距离仅通过小心移动反射器来改变。

作为超声波测量的结果取决于反射器的形状和尺寸，金属白板垂直安装，并且首次使用的是直接波。其他所有的案例均在考虑到超声换能器的角度依赖于过滤器的情况下进行处理的。本文所述第一反射器大小是1米times;0.7米，从地板到高架0.5米。

在实验中，对于一个发送和两个接收换能器，一组100个测量中的每一个的距离和系统设置配置进行了分析。距离是从1米提高到5米，每1米一个增量。由于与重叠的“盲区”，在1 kHz的情况是超过3m观察一步。在所有方案中垂直于梁的轴线的壁是7.2米远。

表2 不同系统模式下的一致性

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