[發明專利]基于相位檢測的高精度超聲波測距裝置及方法

有效

• 申請號: 201811613809.6
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN109696680B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 俞忠達;雷深皓;杜雪峰
• 申請（專利權）人: 北京哈工科教機器人科技有限公司
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08
• 代理公司: 北京格允知識產權代理有限公司 11609
• 代理人: 張沫;周嬌嬌

1.一種基于相位檢測的高精度超聲波測距裝置，包括發送端超聲波換能器和接收端超聲換能器；其特征在于，所述裝置還包括：

時序控制模塊，用于產生高頻的方波信號；

超聲波幅值調制發生器，與所述時序控制模塊連接，用于對所述高頻的方波信號進行低頻的幅值調制，產生以高頻方波為載波的幅值調制信號；

超聲波驅動電路，與所述超聲波幅值調制發生器連接，用于對所述幅值調制信號進行功率放大，功率放大后的信號驅動發送端超聲波換能器產生低頻幅值調制的超聲波；

超聲波零相位參考信號電路，用于檢測接收端超聲換能器受發送端超聲波換能器影響產生的零距離參考信號；

超聲波信號放大及濾波電路，用于對接收端超聲換能器產生的目標回波信號進行放大，并進行低通濾波；

回波相位檢測電路，與所述超聲波零相位參考信號電路和超聲波信號放大及濾波電路連接，用于將低通濾波后的目標回波信號與相位差為零的參考信號之間的相位差轉換為直流電壓信號；

距離計算模塊，與所述回波相位檢測電路連接，用于根據所述直流電壓信號計算目標的距離；

所述超聲波零相位參考信號電路產生的零距離參考信號包括：

S_0°＝sin(2πf_mt)；

S_90°＝cos(2πf_mt)

其中，f_m為超聲波信號的幅值調制頻率，t為時間；S_0°是相位差為零的參考信號，S_90°是相位差為90°的參考信號；

所述超聲波信號放大及濾波電路處理后的目標回波信號S_R

S_R＝Asin(2πf_mt-φ)；

其中A為幅值，φ為目標回波信號與所述相位差為零的參考信號之間的相位差；

所述回波相位檢測電路包括：

第一信號乘法器，用于對所述超聲波信號放大及濾波電路處理后的目標回波信號S_R和相位差為零的參考信號S_0°進行乘法運算：

第一低通濾波器，用于對第一信號乘法器處理后的信號進行低通處理得到第一直流信號：

第二信號乘法器，用于對所述超聲波信號放大及濾波電路處理后的目標回波信號S_R和相位差為90°的參考信號S_90°進行乘法運算：

第二低通濾波器，用于對第二信號乘法器處理后的信號進行低通處理得到第二直流信號：

所述距離計算模塊通過以下步驟計算目標的距離：

1)計算目標回波信號與所述相位差為零的參考信號之間的相位差為：

其中，S_cos為第一直流信號的電壓值，S_sin為第二直流信號的電壓值；

2)根據相位差計算出目標的距離：

其中，c為聲波的速度，D為目標的距離。

2.一種基于相位檢測的高精度超聲波測距方法，其特征在于，所述方法包括：

產生高頻的方波信號；

對所述高頻的方波信號進行低頻的幅值調制，產生以高頻方波為載波的幅值調制信號；

對所述幅值調制信號進行功率放大，功率放大后的信號驅動發送端超聲波換能器產生低頻幅值調制的超聲波；

檢測接收端超聲換能器受發送端超聲波換能器影響產生的零距離參考信號；

對接收端超聲換能器產生的目標回波信號進行放大，并進行低通濾波；

將低通濾波后的目標回波信號與相位差為零的參考信號之間的相位差轉換為直流電壓信號；

根據所述直流電壓信號計算目標的距離；

所述零距離參考信號包括相位差為零的參考信號S_0°和相位差為90°的參考信號S_90°：

S_0°＝sin(2πf_mt)；

S_90°＝cos(2πf_mt)

其中，f_m為超聲波信號的幅值調制頻率，t為時間；

經過信號放大及低通濾波處理后的目標回波信號S_R：

S_R＝Asin(2πf_mt-φ)；

其中A為幅值，φ為目標回波信號與所述相位差為零的參考信號之間的相位差；

所述將低通濾波后的目標回波信號與所述相位差為零的參考信號之間的相位差轉換為直流電壓信號，包括：

通過第一信號乘法器對目標回波信號S_R和相位差為零的參考信號S_0°進行乘法運算：

對第一信號乘法器處理后的信號進行低通處理得到第一直流信號：

通過第二信號乘法器對目標回波信號S_R和相位差為90°的參考信號S_90°進行乘法運算：

對第二信號乘法器處理后的信號進行低通處理得到第二直流信號：

所述根據所述直流電壓信號計算目標的距離，包括：

1)計算目標回波信號與所述相位差為零的參考信號之間的相位差為：

其中，S_cos為第一直流信號的電壓值，S_sin為第二直流信號的電壓值；

2)根據相位差計算出目標的距離：

其中，c為聲波的速度，D為目標的距離。