超声波测距信号处理算法研究

　　0、引言

　　超声测距指的是利用超声波的反射特性进行距离测量。常见的测距原理和方法主要有脉冲回波法和相位差法两种，二者的不同主要体现在对回波的处理方式上。由于相位测量存在以2n 为周期的多值解，从而容易造成解的不确定性，为了消除多解，常常需要引入包络检测和采用发射多种不同频率波的方式减小不确定度，这就使得该方法的实现复杂化。因此，国内外绝大多数超声测距研究都使用脉冲回波法，本文也将对基于此原理的超声信号处理算法进行研究。

　　1、超声信号处理算法的原理

　　Pellam和Galt 于1946年提出了脉冲回波法，其工作原理是：用超声脉冲激励超声探头向外辐射超声波，同时接收从被测物体反射回来的超声波(简称回波)，通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的射程时间ToF(Time of Flight)，按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离d，即

　　其中，c为空气介质中声波的传播速度。

　　当c确定以后，准确测量射程时间ToF就成为本方法的关键问题。为了尽量准确地捕捉到回波起点，提高射程时间ToF的测量精确度，国内外学者研究了许多特殊的超声波测距方法或时延估计算法，如互相关时延估计法、伪随机码扩频测距方法、LMS自适应时延估计法以及综合了免疫算法、遗传算法等理论的多种处理算法。这几种方法已经比较成熟，在研的人员也比较多，所以无论从精度还是可靠性方面都做得较好，在实际的超声测距系统中，经常混合使用多种方法。

　　1.1 互相关时延估计法

　　互相关时延估计法是综合了实用性和较高可靠性的一种常见方法，在工程中应用尤为广泛。 其实现过程是：将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样， 并计算采样值与参考信号间的互相关函数。 若超过了事先约定的阈值，则说明采样值是换能器接收到的回波信号， 相关峰值出现的时刻对应的时间点就是射程时间。 相关估计法充分利用了回波信号的相近性、相关性和窄带性，其精确度和灵敏度明显高于阈值检测法。 在实现方式方面，该方法也呈现出多思路、多渠道，融合了其他多种理论。互相关时延估计法作为一种主流处理算法，原理简单、容易理解，在实现上运算量适中，精度可靠。 虽然和许多复杂算法相比，其测量精度有限，但它为各种理论的应用提供了基础平台，在很长一段时间内具有经典的借鉴意义。

　　1.2 伪随机码扩频测距法

　　伪随机码扩频测距法实际是互相关时延估计法的发展和创新，利用的是伪随机码的统计特性。这种方法借助于一个经适当选择的伪随机码，将基带脉冲信号调制成为超声频编码信号，用以激励换能器，使之向外界发送超声频编码信号[1]。在大多数情况下，外部干扰信号与所发送的编码信号是不相关的。 因此，通过计算该编码信号与回波信号的相关函数，就可以把混在回波信号中的外部干扰信号消除或减小到最低程度，从而实现对回波信号的检测。利用伪随机码尖锐的自相关特性，采用相关检测的方法，可使得超声波测距系统的抗干扰能力大大增强，其测量精度高于发射单脉冲时的测量精度。 扩频则是综合考虑了保密性和信噪比因素的一种改进手段，通过对超声信号的调制和解调来提高信号传输过程的抗干扰特性， 进一步提高了伪随机码测距的测量精度和测量距离。