一种超声扩频测距的实现方法

    0　引言

    传统的超声波测距方法是发射单超声脉冲,然后通过阀门检测或相关运算求得超声从发射到接收的传播时延,从而根据距离与时间的关系,得到测量距离。这种单脉冲回波式的超声测距方法存在着2个缺陷[1]:¹有效作用距离比较短;º窄脉冲可以获得较高的测量分辨力,但当待测距离较大时,窄脉冲的能量随着传播距离的增加严重衰减,从而大大降低了测量精度。因此借鉴雷达中的脉冲压缩技术,选择合适的脉冲压缩信号作为超声发射信号,在接收端对回波进行处理获得窄脉冲,既保持了窄脉冲的高测距分辨力,又能获得宽脉冲的强检测能力。基于这种思想本文提出了一种超声扩频测距的硬件电路设计方案。

    1　超声发射与接收电路设计

    1.1　超声发射与接收电路原理框图

    图1为基于DSP的伪随机序列超声发射和回波接收电路的原理框图。采集控制器由数字信号处理器DSP TMS320LF2407构成,DSP用于发送存储在其内部的伪随机二进制序列(Pseudo Random BinarySequence,PRBS),并对接收到的回波信号进行采集和处理。由NE555构成的振荡器产生的40kHz方波用作超声发射时的载波。超声波传感器可被看作是一个带通滤波器,这使得系统可用方波代替正弦(余弦)波作为超声发射时的载波,从而使得系统的硬件简单便宜。电平转换及功率放大模块主要用于将伪随机序列与载波调制后的弱电压信号变换为可以驱动发射换能器的强电压信号(峰-峰值为300V)。回波接收电路主要对接收换能器接收到的微弱信号进行放大解调,并将恢复出的伪随机序列送往DSP进行处理。

    1.2　伪随机序列超声扩频测距的原理

    伪随机二进制序列是用逻辑运算实现的,其编码是逻辑“0”或“1”[2]。经过“0”变为“1”和“1”变“-1”的映射变换后,伪随机序列的自相关函数满足式(1):

    其中:P为伪随机序列的周期;Ai(i=0,1,…,P-1)为伪随机序列码元;S为伪随机序列的相位差。由此可见,当P足够大时,自相关函数具有尖锐的二电平特性,接近冲激函数。伪随机二进制序列经调制和发射后,遇到障碍物反射回来的回波信号经回波处理电路解调放大,将还原出来的伪随机二进制序列与存储在DSP内的原伪随机二进制序列进行相关运算和判决。式(1)峰值所对应的时刻正是接收传感器接收到超声回波的时刻,从而可求得超声波从发送到接收的传播时延,用该传播时延与超声波在空气中的传播速度相乘就可得到所测的距离。

    1.3　m序列参数设计分析及扩频测距调制方式的选择

    码片长度T和重复周期P×T是伪随机序列超声扩频测距中的一组重要参数,它们的选择主要由超声换能器的带宽和超声回波信号的特点所决定。如果要求伪随机序列能顺利通过超声换能器,那么m序列的带宽Bm就不能大于超声换能器的带宽B[3],即: