基于功率倒谱的超声测距时延估计方法研究

　　在脉冲回波法超声测距中,最关键的是时延估计技术。目前,超声测距中常用的时延估计方法有阀门法和互相关函数法。阀门法简单实用,实时性好,但由于这种检测法不能准确地判定回波前沿的出现时刻,故也难以精确地估计实际的射程时间。另外,由于超声换能器的窄带特性,超声回波信号可以建模为具有慢起伏包络的正弦调制信号[7],两个回波信号(参考信号和接收信号,见下文)的相关函数将在其极值点附近近似作等幅振荡,从而为搜索其相关函数的精确极值带来困难,即导致基于互相关函数的时延估计方法很难得到精确的时延估计值。为避免超声回波信号的慢衰减高频振荡特性对时延估计造成的影响,本文旨在探索一种新的可用于超声测距的时延估计方法。文章第一部分建立了超声测距时延估计模型;第二部分阐述了基于功率倒谱的时延估计算法原理;第三部分用仿真和实验研究的方法验证了上述算法的正确性。结果表明,基于功率倒谱的时延估计算法适用于回波信号具有相似性的超声测距中。

　　1　超声测距时延估计模型

　　超声回波信号有三个重要特点[2]:①相近性不同位置的回波信号波形相近。②相关性对同一装置和同一对象,超声回波信号随探测距离的改变只有强弱的变化,而波形变化不大,换句话说,回波信号之间是密切相关的。③窄带性因为超声回波信号是以探头谐振频率为主频率的衰减振荡信号,所以信号的频率主要分布在以换能器的谐振频率为中心的一个较窄的频域上。针对上述三个特点,一个典型的超声回波信号可由下式表达:

　　将上式进行离散化得,

　　2　基于功率倒谱的时延估计算法原理

　　为方便叙述该算法原理,这里将

3　仿真与实验研究

　　本文通过Matlab仿真与实验方法验证了上述算法的正确性。图1(a)和(b)为信噪比25.393 dB下的仿真用参考信号与接收信号,其信号表达形式为:

数据点,τ1和τ2分别为300Ts和350Ts。图1(e)为用上述算法得到的图1(a)与图1(b)的仿真结果,由图1(e)可见,在位置N0=50处有一个尖锐的峰值。图1(c)和(d)为信噪比5.393 dB下的仿真用参考信号与接收信号,这里τ2取为450Ts,其他参数与图1(a)和图1(b)相同。图1(f)为用上述算法得到的图1(c)与图1(d)的仿真结果,由图1(f)可见,尽管信噪比下降,在实际时延位置N0=150左右仍有一个尖锐的峰值,从而为时延估计带来方便。图2用实验方法验证了上述算法。实验所用换能器谐振频率为25 kHz,回波信号采样频率为100kHz,采样数据长度2 048点。图2(a)是在参考距离L1为4 m的情况下得到的回波参考信号,图2(b)是将待测距离增加ΔL=1.2米的情况下接收到的回波信号。图2(c)为用上述算法得到的(a)与图2(b)的输出结果,由图2(c)可见,在时延位置处出现了一个尖锐的峰值,而实际得到的时延估计值^τ=N^0·Ts=702×10μs=7.02 ms。取当时温度环境下的声速c=341.678 m/s,可得ΔL^=c·^τ/2=1.199 m。所以,基于功率倒谱的时延估计方法可在超声测距中有效使用。