[發(fā)明專利]連續(xù)調(diào)制超聲波測(cè)距方法、裝置及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910638211.0
• 申請(qǐng)日: 2019-07-16
• 公開（公告）號(hào): CN110221305A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 焦迪;李建國;應(yīng)繼偉;汪邦運(yùn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海菲伽智能科技有限公司
• 主分類號(hào): G01S15/08
• 分類號(hào): G01S15/08;G01S7/527;G01S7/539
• 代理公司: 北京勁創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11589
• 代理人: 王闖

本發(fā)明公開了一種連續(xù)調(diào)制超聲波測(cè)距方法、裝置及系統(tǒng)，其中，連續(xù)調(diào)制超聲波測(cè)距方法中包括：形成第一正弦波信號(hào)，并使用第一正弦波信號(hào)激勵(lì)發(fā)射超聲波換能器振動(dòng)；在一特定時(shí)刻使用第二正弦波信號(hào)對(duì)第一正弦波信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)制，并將該時(shí)刻作為測(cè)距計(jì)時(shí)的起始時(shí)刻點(diǎn)；通過接收超聲波換能器接收經(jīng)由被測(cè)目標(biāo)反射的回波信號(hào)；對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行振幅解調(diào)得到第二正弦波信號(hào)，并根據(jù)解調(diào)得到的第二正弦波信號(hào)確定回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻點(diǎn)；根據(jù)起始時(shí)刻點(diǎn)和到達(dá)時(shí)刻點(diǎn)計(jì)算與被測(cè)目標(biāo)之間的距離，完成測(cè)距。以區(qū)別于傳統(tǒng)振幅甄別法的測(cè)量方式得到超聲波信號(hào)的收發(fā)時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)而精確的得到與被測(cè)目標(biāo)間的距離。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工程測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲波測(cè)距方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在工程建設(shè)領(lǐng)域中，通常需要對(duì)建筑物的沉降實(shí)施監(jiān)測(cè)，而沉降監(jiān)測(cè)的本質(zhì)是對(duì)建筑物下沉位移的監(jiān)測(cè)。目前有許多方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的精確監(jiān)測(cè)，例如采用LVDT((Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動(dòng)變壓器)傳感器實(shí)現(xiàn)高精度的位移監(jiān)測(cè)。但是，采用LVDT方式構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本較高，尤其在大量程沉降監(jiān)測(cè)場(chǎng)合，成本將急劇上升。與現(xiàn)有的大多數(shù)水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)方法相比，利用超聲測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)位移監(jiān)測(cè)具有非接觸、大量程、廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。然而，鑒于超聲波的物理性質(zhì)，利用超聲測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)位移監(jiān)測(cè)的精度通常在1mm(毫米)左右，并不能滿足某些需要獲得高精確水準(zhǔn)沉降信息的場(chǎng)合。

要提高超聲波測(cè)距的精度，需從超聲波的物理機(jī)理入手，尋找影響測(cè)量精度的內(nèi)在原因，以提出解決方法。超聲波本質(zhì)上是一種振動(dòng)頻率大于或等于20KHz(千赫茲)的彈性機(jī)械波，當(dāng)前大多使用壓電式超聲換能器來產(chǎn)生。當(dāng)超聲換能器被施以其頻響范圍內(nèi)的交變電信號(hào)激勵(lì)時(shí)，超聲換能器發(fā)生機(jī)械振蕩，引起超聲換能器所處空間附近的氣體分子振動(dòng)，從而改變所處空間附近的聲壓(空氣中氣體分子振動(dòng))，通過氣體分子間能量的傳遞，產(chǎn)生一系列的超聲波。根據(jù)超聲波從一種傳播介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)傳輸速率會(huì)發(fā)生變化的物理特性，超聲波將在這兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射。假定超聲波在某種介質(zhì)中的傳播速率是已知的，計(jì)算從超聲波換能器發(fā)出超聲波到超聲波換能器接收到被反射回來的超聲回波所需的時(shí)間，即可獲得超聲換能器與反射界面間的距離。

目前，利用超聲波進(jìn)行距離測(cè)量大多采用超聲波時(shí)差法。在該方法中，以數(shù)個(gè)脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲換能器發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)被測(cè)物反射后接收超聲回波；進(jìn)而計(jì)算超聲波發(fā)出時(shí)刻點(diǎn)到反射波被接收到時(shí)刻點(diǎn)的時(shí)間差，將該時(shí)間差與超聲波波速的乘積被2除便得到超聲發(fā)射點(diǎn)與被測(cè)物間的距離，這種方式亦被稱為“雷達(dá)測(cè)量法”。眾所周知，超聲波換能器在電脈沖信號(hào)的激勵(lì)下由靜態(tài)開始振蕩并發(fā)射超聲波，而超聲波穩(wěn)定振蕩的建立需要一個(gè)過渡過程，如圖1a和圖1b所示，其中，圖1a為超聲振子起振圖(橫軸為時(shí)間t，縱軸為振幅A)，圖1b為超聲振子停振圖，即超聲波換能器由靜態(tài)啟動(dòng)到輸出超聲波的振幅需要經(jīng)歷一段由零到穩(wěn)幅振蕩的過渡過程。在該過程中，超聲波的振幅按照正態(tài)增幅規(guī)律進(jìn)行變化，也就是說，雖然超聲激勵(lì)時(shí)刻是已知的，但接收點(diǎn)得到是一簇其振幅隨超聲波換能器由靜止到穩(wěn)態(tài)的過渡過程及測(cè)量量程變化而變化的回波信號(hào)。以此，使用振幅甄別法測(cè)定的回波到達(dá)時(shí)刻是模糊且不穩(wěn)定的，難以確定回波到達(dá)的精確時(shí)刻，成為常規(guī)雷達(dá)測(cè)量法無法得到高測(cè)量精度的關(guān)鍵因素，且使用脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲發(fā)射換能器具有瞬變頻譜特性，產(chǎn)生的超聲波振幅具有進(jìn)一步的不確定性。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種連續(xù)調(diào)制超聲波測(cè)距方法、裝置及系統(tǒng)，有效解決了現(xiàn)有超聲波測(cè)距中測(cè)量精度不夠的技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種連續(xù)調(diào)制超聲波測(cè)距方法，包括：

形成第一正弦波信號(hào)，并使用所述第一正弦波信號(hào)激勵(lì)發(fā)射超聲波換能器振動(dòng)；

在一特定時(shí)刻使用第二正弦波信號(hào)對(duì)第一正弦波信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)制，并將該時(shí)刻作為測(cè)距計(jì)時(shí)的起始時(shí)刻點(diǎn)；