超声测距中的伪随机码渡越时间的捕获

　　随着电子技术的发展,根据需求的不同出现了微波雷达测距、激光测距、光学测距[1]及超声波测距等测距技术。微波和激光测距具有测量距离远和分辨率低的特点;基于三角测量的光学测距具有分辨率高和测量距离短的特点[1];超声波测距具有高分辨率但测量距离不能太远的特点。由于前三种方法技术难度大、成本高,一般仅用于军事工业;超声波测距技术难度相对较低、成本也低,在广泛应用于工业测距的同时,近年来逐渐向民用推广,而显示出强劲的发展势头。

　　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、散射等。超声波测距与蝙蝠的测距和定位原理相同,利用的是近直线传播和反射特性。超声波测距在国内外都已做了较多的研究工作,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[2],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[3]。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。本文提出了基于FPGA的超声伪码测距的方法,在测试上采用伪码扩频技术,与单脉冲测试相比,在一定程度上解决了提高测试精度和测试距离的问题,而且又减少了功率谱密度,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来抑制[3],从而大大提高了抗干扰性。

　　1　伪随机码的测距原理

　　伪随机码是一种用来逼近白噪声的码序列,它具有类似于白噪声的统计特性。m序列是其中的一种。m序列具有与随机噪声相似的尖锐自相关函数特性,但是它并非真正随机,而是按一定的规律形式周期性变化的序列,可以人为地设计、产生和复制,又被称作伪随机码。m序列可分为线性和非线性两类,前者是最大线性长度的序列,它是由移位寄存器反馈连接产生,其特征多项式如下[6]: