伪码数字相关在超声波测距中的应用

　　随着电子技术的发展,出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大,成本高,一般仅用于军事工业,而超声波测距则由于其技术难度相对较低,且成本低廉,适于民用推广。超声波作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性—反射、折射、干涉、衍射、散射[1]。超声波测距就是利用其反射特性。关于超声波测距,国外早已有人作过此方面研究。

　　通常,超声波测距仪工作于单脉冲方式,这种思想比较成熟,参与研究的人员也比较多,所以无论从精度还是从可靠性方面,做得都比较好。但随着超声波测距仪在日常生活中的广泛应用,人们逐渐发现这些超声波测距仪存在着严重缺陷:①有效作用距离比较短,而靠提高发射功率来增加又是很有限的;②测距精度主要取决于回波信号的信噪比,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非常有限的。为了解决上述问题,笔者研制了基于伪码调制的超声波测距仪。

　　1　超声波测距基本原理

　　超声波测距基本原理同声纳回声定位法原理基本相同。超声波发射器不断地发射出约40 kHz的超声波,遇到障碍物后产生反射波,超声波接收器接收到反射波信号,并将其转变为电讯号。测出发射波与接收到反射波的时间差S,即可求出距离

　　式中:c为超声波速度,即为音速。超声波传输速度同气体的温度有关。在某一地区使用,因温度变化不大,可认为超声波传输速度是基本稳定不变的。故只要测得超声波信号的往返时间,即可求得距离d。

　　测距信号通常选择侧音信号和伪随机码。侧音信号为正弦波。在侧音测距中,测距精度取决于最高侧音信号频率,而无模糊作用距离取决于最低信号周期。在伪随机码测距中,测距精度取决于伪随机码的码元宽度,而无模糊作用距离取决于伪随机码的周期。因为伪随机码测距为纯数字系统便于进行系统数字化,故本系统采用伪随机码测距。

　　2　伪随机码测距

　　2.1　伪随机码性质

　　随机过程是白噪声,其瞬时值服从高斯分布(正态分布)。它的功率谱密度在很宽的频带内是均匀的,而且自相关函数具有D函数的形状。伪随机码虽然仅有2个电平,但却具有类似白噪声的相关特性,只是其幅度概率分布不再服从高斯分布。所以,可以用伪随机序列的平衡特性、游程特性和相关特性等来描述伪随机码。伪随机编码是用逻辑运算实现的,其编码在GF2(0,1)二元有限域上。信号的自相关函数满足:

　　可见,当P足够大时,自相关系数具有尖锐的二电平特性,接近D函数。在基于伪随机码超声波测距中,正是利用伪码自相关函数的尖锐特性来测量发射码和接收码之间的延时,从而提高测量精度。m序列伪随机码是由线性移位寄存器产生的、周期最长的一种序列。由于其相关特性优良,又便于产生,所以得到了广泛的应用。