扩频法超声测距中的渡越时间的确定

　　1 引言

　　超声波测距在国内外都已有很较多的研究成果,目前所研发的产品一般采用单脉冲工作方式。这种设计比较简单,也比较成熟。但随着超声波测距仪的广泛应用,人们逐渐发现这类超声波测距仪存在着以下不足之处:在测试距离方面,由于发射功率和成本的限制,有效测试距离一般较短,单依靠增加发射功率来增加测试距离的空间有限;在测试精度方面,测距精度主要取决于回波信号的脉冲宽度和信噪比,在一定信噪比情况下仅靠增加前级放大电路的增益来改善测量精度也是有限的;在抗干扰方面,只是靠接收前端的低噪声放大器和滤波电路是有限的,在很多工业环境下和多传感器系统中的应用是受限制的[1]。

　　扩展频谱技术具有抗干扰能力强、发射功率谱密度低、低截获率的优点,所以被广泛应用于通信系统中[2]。扩展频谱技术用于测距最先是在雷达系统中。早期的雷达系统绝大部分采用脉冲压缩技术。在这种雷达系统中,反射信号随着测量距离的增大而变微弱,接收较困难。为了解决这个困难,就必须加大发射信号的功率,而加大脉冲的功率又会降低距离的分辨率,而且对设备的要求更为严格。伪随机噪声雷达是扩频通信技术的又一典型应用,它利用伪随机码自相关函数尖锐的二值特性,并且采用相关检测的方法,使得测距系统的抗干扰能力大大增强,并且在不增加发射功率的情况下测量距离也大大增加,同时测量精度也得到了提高。扩展频谱测距的另一优点是测量精度不会受测量距离影响,由伪随机码的码元宽度决定。

　　与雷达测距相似,脉冲法超声波测距也存在着测量距离和分辨率的矛盾。把扩频技术引入超声波测距中,不仅能提高测量精度,还能提高超声波回波信号的信噪比以及降低信号的功率谱密度。超声信号的这种处理方法,在机器人、坦克、火炮以及低空军事侦察等方面具有重要的用途。另外,由于电磁波在海水中传播时衰减严重,扩频法超声测距技术在声波信号处理水下探测、通信、定位和导航系统中也得到了更为广泛的应用[3]。例如,美国的RaythonSystem公司.和Dynamics Technology公司.于1995年末与美国军方签订合同,要研制沿轨分辨率为10cm、作用距离为1 km的合成孔径声纳,直接目的是猎勒,所用频率为50 kHz。另外,利用扩频测距的低功率谱密度,可以进行无损检测和对油井液位的测量等。

　　随着数字技术日益广泛的应用,现场可编程门阵列(FPGA)得到了迅速普及和发展,器件集成度、功能和速度都在高速增长。FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性,又具有可编程逻辑器件的用户可编程特性,减少了系统设计和维护的风险,缩短了设计周期。本文提出基于FPGA的扩频法超声测距的方法,与单脉冲测试相比不但提高了测试精度,在一定程度上解决了提高测试精度和测试距离的矛盾,而且减少了功率谱密度,可以广泛应用于无损检测;在抗干扰方面,由于采用的是伪随机码的相关技术,那些与发送信号不相关的噪声可以通过计算发送信号和回声信号的相关函数抑制[4],大大提高了抗干扰性。