基于PC平台的水下超声波测距系统研究

    0 引言

    目前国内传统的超声波测距仪,其回波信号处理方法多采用固定电平阈值检测法,或可变阈值检测[1],即对回波信号进行放大、整形,通过触发比较器来判断回波前沿到来时刻。这类仪器对于外部环境干扰厉害、水体情况比较复杂时造成的各种水声混响,以及水底地面不规则导致的回波信号信噪比偏小的情况,不能很好地适应,从而造成测量误差偏大。因此,设计了一种有效的水下超声波测距系统,在回波信号处理问题上,应用PCI-1714高速采样并进行数字滤波,运用随机信号的广义互相关时延估计算法来判断回波到来时刻,在保证测量精度的同时,该仪器更好地适应了比较复杂的测量环境。

    1 超声波测距原理

    谐振频率高于20 kHz的声波称为超声波[2]。超声波的频率越高,反射能力越强,而绕射能力越弱,可近似认为为直线传播方式。利用超声波的这种特性,通过计算声波的渡越时间来进行距离的测量。其工作原理是:换能器向介质发射超声波,声波遇到目标后必然有反射回波作用在换能器上。若已知介质中声速为c,回波到达时刻与发射波时刻的时间差为S,则发射点与反射点的距离d:

d=c•τ/2(1)

    具体的说,超声波在水中的传播速度并不是一个定值,它是温度、含盐量、深度(静压力)的复杂函数,这种函数关系一般不易用解析形式表示,目前工程上应用较多的经验公式[3]为:

c=1 44912+4161t-01055t²+0100029t³+(1134-0101t)(S-35)+01168p (2)

    式中: t为温度,e;S为盐度;p为静水压力。

    在水下环境进行实测时,首先用温度计对水池内水温进行测量,由于水体温度变化缓慢,忽略水温的细微变化以及盐度和压强,并把这个值代入公式(2)计算出声速以后,写入测距系统的软件中参与测距运算。在水下测距过程中,最关键的部分是对回波前沿的判断,从而确定出式(1)中的S.

    2 广义互相关时延估计算法原理

    传感器接收信号之间的时延估计问题,广泛地应用在声呐信号处理中的目标定位和跟踪,通信和雷达探测中的探测信号与系统响应的估计与识别等问题中。其中时延估计方面的测距、测向技术,更是声探测定位系统的一个关键技术。其精度和处理速度直接关系到定位精度和系统的反应速度,而且,不同的定位系统根据目标声源性质的不同,所处的环境参数不同,对时延估计的算法要求也不同。在设计的收、发一体式水下超声波测距系统中,把超声信号看作是平稳的随机信号,采用广义相关算法来估计回波信号的到达时刻。

    在测距过程中,换能器发射出一定频率的超声波,超声波在碰到被测目标后反射回回波信号。把发射波信号x(t)作为系统输入信号,回波信号y(t+S)作为系统输出信号,而把水体、被测目标等周围环境看作是一个线性系统,认为超声波在周围环境传播反射以后,其波形保持不变或者变化很小。因此,发射信号x(t)和接收信号y(t+S)互相关函数[4]为