[發(fā)明專利]超聲波短距高精度測量中環(huán)境噪音剔除方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310431151.8
• 申請(qǐng)日: 2013-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN103543447A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江工商大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S7/537
• 分類號(hào): G01S7/537;G01S15/08
• 代理公司: 杭州浙科專利事務(wù)所(普通合伙) 33213
• 代理人: 吳秉中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲波短距高精度測量領(lǐng)域，利用超聲波在20CM的短距離測量中達(dá)到亞毫米誤差的精度：如精細(xì)加工機(jī)床等領(lǐng)域，也可以有效改善倒車?yán)走_(dá)，盲人手杖，機(jī)器人避障等的精度，具體涉及超聲波短距高精度測量中環(huán)境噪音剔除方法。

背景技術(shù)

超聲波已被廣泛用于測距領(lǐng)域，然而其精度沒有得到有效提升，限制了短距測距應(yīng)用。影響超聲波測距精度有兩個(gè)主要原因：1）傳輸速度誤差，超聲波傳輸速度與環(huán)境溫度有關(guān)，不同溫度下，傳輸速度存在一定的偏差。2）超聲波飛行時(shí)間測量有誤差，一定程度的環(huán)境噪音干擾下，超聲波換能器的起振點(diǎn)將被擾動(dòng)而無法有效識(shí)別，使得超聲波渡越時(shí)間測量存在一定的誤差。

本申請(qǐng)人在傳感技術(shù)學(xué)報(bào)2013年第5期中，提出了“一種考慮起振延遲的超聲波短距離高精度校準(zhǔn)方法”（方法1)。沈常宇、郭寶金在傳感技術(shù)學(xué)報(bào)2010年第6期發(fā)表的的“相位比較法高精度超聲測距研究”一文，提出通過檢測相位差異進(jìn)行高精度測距的方法（方法2）。方法2的基礎(chǔ)是一套能將相位差線性轉(zhuǎn)化到直流電壓的電路，通過測量調(diào)制波相位差異來測量距離，在7m和14m的量程下，擬合誤差為0.5cm和1cm。王雪峰、唐禎安在傳感技術(shù)學(xué)報(bào)2010年第10期發(fā)表的“基于自干涉驅(qū)動(dòng)技術(shù)的超聲波飛行時(shí)間測量系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)”一文中提出通過發(fā)射兩個(gè)可以產(chǎn)生自干涉的超聲波，并檢測包絡(luò)過零點(diǎn)來識(shí)別相位翻轉(zhuǎn)，該方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下精度接近1mm（方法3）。張淑清、靳世久、李雋在傳感技術(shù)學(xué)報(bào)2007年第7期發(fā)表的“提高超聲波物位檢測精度方法的研究”一文，提出了基于混沌理論的信號(hào)處理方法，可從較強(qiáng)噪聲背景中提取微弱超聲波信號(hào)（方法4）。

方法1在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可以有效地進(jìn)行高精度距離測量，但在實(shí)際環(huán)境下，將受到超聲波噪音干擾，而產(chǎn)生1-2cm誤差。

針對(duì)方法2，當(dāng)環(huán)境中含有接近調(diào)制波頻率的噪音存在時(shí)，將對(duì)相位差檢測電路造成干擾，從而影響測量距離。在多徑效應(yīng)和非視距傳播影響明顯的環(huán)境中，該方法的誤差將很難控制。?

方法3在實(shí)際環(huán)境中檢測時(shí)相位翻轉(zhuǎn)可能受接近頻率的超聲波噪音干擾，而包絡(luò)過零點(diǎn)將受到各類超聲波噪音的干擾。

方法4可以較好地處理非超聲波信號(hào)的噪音，但不能較好應(yīng)對(duì)超聲波噪音信號(hào)的干擾。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種超聲波短距高精度測量中環(huán)境噪音剔除方法，包括如下步驟：

（1）按照一定規(guī)律發(fā)送頻率變化的超聲波脈沖；

（2）接收端通過濾波電路排除非超聲波噪音、非臨近頻率超聲波噪音的影響；

???（3）在濾波后，接收端將采用傅立葉變換分析進(jìn)行超聲波頻譜分析，通過設(shè)置門限值忽略功率較低的超聲波信號(hào)，以消除超聲波多徑效應(yīng)和非視距傳播影響對(duì)測量的干擾；

????（4）通過傅立葉反變換，恢復(fù)原有的有效超聲波信號(hào)。

進(jìn)一步的，還包括如下步驟：（5）通過對(duì)超聲波頻譜的變化規(guī)律分析，若符合約定頻率變化，則作為待檢測信號(hào)進(jìn)行分析，以消除某些較強(qiáng)但在變化規(guī)律上不同于約定規(guī)律的超聲波噪音影響。

進(jìn)一步的，步驟（1）中采用如下方式發(fā)送超聲波脈沖：先穩(wěn)定發(fā)送若干個(gè)超聲波信號(hào)，然后再發(fā)送一組略高頻率的超聲波信號(hào)。

進(jìn)一步的，步驟（2）中濾波電路的中心頻率和帶寬的計(jì)算公式如下：

令中心頻率為????????????????????????????????????????????????，則

?????????????????????????????????????????????（1）

其中為濾波電路的中心頻率，R_f1?、R_f2是電阻，C₁、C₂是電容；

令，

則????????????????????????????????????????（2）

???令，?

?則品質(zhì)因素????????????????（3）??

其中Q為帶通濾波器的品質(zhì)因素，R₁、R₂、R₃、R_G、R_Q電阻；

???令，則。

???帶寬B=/Q?=?4.2kHz。

本發(fā)明的超聲波短距高精度測量中環(huán)境噪音剔除方法可以較好地識(shí)別出較強(qiáng)的多徑效應(yīng)，而且有效測量的精度可達(dá)到0.3mm。