针对窄带超声换能器对测距精度的影响,采用基于横向滤波器的解卷积处理方法扩展了接收信号带宽,并利用LMS算法进行解卷积滤波器的构造。实验结果表明,这种处理方法有效提高了系统的测距精度

童峰

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《电子技术应用》!""# 年第 #" 期超 声 测 距 系 统 由 于 具 有 不 受 光 线 烟 雾 影 响 、抗 电磁 干 扰 能 力 强 、距 离 信 息 直 观 、成 本 低 、使 用 方 便 等特 点 ， 广 泛 应 用 于 液 位 物 位 测 量 、 位 置 角 度 跟 踪 、移动 机 器 人 定 位 等 场 合 $ # % ! & 。 为 了 进 一 步 用 于 需 要 高 的测 距 、定 位 精 度 的 场 合 ，国 内 外 提 出 了 多 种 高 精 度 超声 波 测 距 处 理 方 法 $ ’ ( ) & 。 这 些 处 理 方 法 更 多 地 针 对 接受 到 的 超 声 信 号 ，没 有 考 虑 到 超 声 换 能 器 对 测 距 精 度的 影 响 。在 “移 动 机 器 人 超 声 导 航 传 感 器 ”$ * & 和 +)’ 项目 “超 声 地 形 障 碍 检 出 传 感 系 统 ”中 高 精 度 超 声 波 测距 研 究 的 基 础 上 ，本 文 从 考 虑 超 声 波 换 能 器 对 测 距 精度 的 影 响 出 发 ，研 究 了 基 于 换 能 器 解 卷 积 的 超 声 波 测距 处 理 方 法 。! 超 声 波 换 能 器 对 测 距 精 度 的 影 响考 虑 发 射 — 接 收 工 作 模 式 的 超 声 测 距 系 统 ，以 ! , " -为 发 射 信 号 ，接 收 端 得 到 的 超 声 信 号 为 ：# , " - . ! , " - /$ %&/$ ’( )/$ &* , # -其 中 ：$ %& 、$ &* 分 别 为 发 射 、接 收 换 能 器 的 冲 激 响应 ，$ ’( ) 为 传 输 空 气 介 质 的 冲 激 响 应 。 超 声 测 距 系 统信 号 流 程 如 图 # 所 示 。012341 5627 下 界 是 时 延 估 计 （89:）能 达 到 的 最 小误 差 ， 也 即 时 延 估 计 系 统 能 达 到 的 理 论 上 的 最 佳 精度 。 根 据 0123415627 下 界 ，假 定 信 号 和 噪 声 是 不 相 关的 平 稳 随 机 过 程 ，且 信 噪 比 +,& ;;#，时 延 估 计 方 差的 0123415627 下 界 为 $ + & ：!!-&! ’<"!%· #+,&· #. !’/ . #’ , ! -其 中 % 为 观 测 窗 ，. #、. ! 分 别 为 信 号 带 宽 的 上 下 界 。由 上 述 公 式 可 知 ，对 时 延 估 计 系 统 来 说 ，信 号 的带 宽 越 宽 、信 噪 比 越 高 、观 测 时 间 越 长 ，系 统 可 达 到的 时 延 估 计 精 度 越 高 。在 信 噪 比 和 观 测 时 间 一 定 的 条件 下 ，信 号 带 宽 决 定 了 时 延 估 计 的 精 度 。由 式 （#），超 声 测 距 系 统 接 受 信 号 的 带 宽 取 决 于 发射 信 号 、 发 射 接 收 换 能 器 和 空 气 介 质 ， 对 于 通 常 的 超声 测 距 系 统 ， 超 声 波 换 能 器 对 信 号 带 宽 起 主 要 作 用 。因 为 宽 带 发 射 信 号 可 以 容 易 地 产 生 ， 空 气 介 质 的 传 递函数也是宽带的，而通常的气介超声波换能器为了平衡发射 效 率 、接 收 灵 敏 度 ，其 带 宽 较 窄 ，如 常 用 的 8 = 6<"—#)型 超 声 换 能 器 ， 中 心 频 率 <">?@，’AB 带 宽 时 频 率 约 为’C+>?@。 这 样 ，影 响 超 声 测 距 精 度 的 主 要 是 换 能 器 的窄 带 频 率 特 性 。" 基 于 换 能 器 解 卷 积 的 超 声 测 距 处 理 方 法为 了 抵 消 换 能 器 窄 带 特 性 对 接 受 信 号 的 影 响 ，可以 采 取 解 卷 积 的 处 理 方 法 ， 即 构 造 一 个 冲 激 响 应 为$ 01 2 3 4 的 滤 波 器 ，对 换 能 器 冲 激 响 应 进 行 解 卷 积 ，使 其与 发 射 、 接 受 换 能 器 的 联 合 频 率 响 应 是 一 个 宽 带 响应 ，从 而 输 出 宽 带 超 声 信 号 ，提 高 测 距 精 度 。自 适 应 滤 波 器 可 自 动 调 节 本 身 的 冲 激 响 应 特 性 ，即 用 自 适 应 算 法 调 整 滤 波 器 的 数 字 系 数 ，然 后 按 某 种准 则 来 判 断 误 差 信 号 是 否 最 小 ， 从 而 达 到 最 优 化 滤波 。 因 此 ，可 以 把 经 发 射 、接 收 换 能 器 , 不 经 过 空 气 介质 传 输 - 的 实 际 超 声 信 号 输 入 自 适 应 滤 波 器 ，用 要 求的 理 想 宽 带 信 号 作 为 自 适 应 滤 波 器 的 训 练 信 号 构 造滤 波 器 。自 适 应 算 法 收 敛 后 即 得 到 了 解 卷 积 所 需 的 滤波 器 。用 自 适 应 滤 波 器 法 构 成 解 卷 积 滤 波 器 构 造 的 原理 图 如 图 ! 所 示 。 滤 波 器 采 用 横 向 DE6 型 ，FGH（最 小均 方 误 差 ）算 法 。# $%& 自 适 应 算 法 介 绍设 输 入 信 号 为 5 （6 ），目 标 信 号 为 7 ,6 -，滤 波 器 输出 信 号 为 7 I ,6 -，则 输 出 信 号 与 目 标 信 号 的 误 差 为 ：1 $ 6 & . # , 6 - 5 # I , 6 -均 方 误 差 8 最 小 准 则 即 ：8.9 $ 1 ! , 6 - & .3JK而 8 显 然 是 滤 波 器 冲 激 响 应 $ , 6 - 的 函 数 ，因 此 滤波 的 问 题 在 数 学 上 就 是 寻 求 使 8 最 小 的 $ , 6 -。FGH 算基于换能器解卷积的高精度超声波测距系统南 京 东 南 大 学 无 线 电 工 程 系 ,!#""L)- 童 峰厦 门 大 学 海 洋 学 系 ,’)#""M- 许天增摘 要 ： 针 对 窄 带 超 声 换 能 器 对 测 距 精 度 的 影 响 ，采 用 基 于 横 向 滤 波 器 的 解 卷 积 处 理 方 法 扩 展了 接 收 信 号 带 宽 ，并 利 用 FGH 算 法 进 行 解 卷 积 滤 波 器 的 构 造 。实 验 结 果 表 明 ，这 种 处 理 方 法 有 效 提 高了 系 统 的 测 距 精 度 。关 键 词 ： 超 声 波 测 距 解 卷 积 FGH 算 法通 讯 与 电 视四通工控 ’() 软起动器经销商 （*!*）+"+"+!,, +"+"+!,- M#《电子技术应用》!""# 年第 #" 期法 是 常 见 的 自 适 应 算 法 。 它 是一 种 递 推 运 算 ， 不 需 要 对 信 号的 统 计 特 性 有 先 验 的 了 解 ，而只 是 使 用 瞬 时 估 计 值 根 据 递 推得 到 最 优 解 。 运 算 得 到 的 只 是$%& 滤 波 器 权 重 系 数 的 估 计 值 ，随 时 间 的 发 展 ， 权 重 系 数 逐 步调 整 ，估 计 值 逐 步 改 善 ，最 终 达到 收 敛 。’() 算 法 中 ，权 重 按 下式 逐 步 更 新 ：! " * #+! "*!·# "·$ "# "+% ",! "&·$ "其 中 ：! " 为 第 " 个 采 样 点的 权 重 系 数 ，’ " 为 第 " 个 采 样点 的 误 差 ，% " 为 理 想 输 出 信号 ，! 为 控 制 稳 定 性 和 收 敛 速度 的 系 数 。! 大 则 收 敛 快 ，但 太大 ，算 法 将 变 得 不 稳 定 。一 般 按下 式 取 值 ："-!- ##"()*式 中 ：( 为 $%& 滤 波 器 的 长度 ；)* 为 输 入 信 号 功 率 ，按 下 式计 算 （+ 为 输 入 构 造 理 想 换 能器 的 脉 冲 响 应 序 列 长 度 ）：)*! ##*++, + "! * ! ., / + " ** . " /+*#! 实 验 结 果实 验 设 置 为 ：发 射 信 号 * . - /为 脉 宽 #!01!2 的 单 脉冲 ； 发 射 、 接 收 换 能 器 为 3 4 &5"— #6；789 为(7:#1;， 速 率 #(2<2，=>?@；$%& 滤 波 器 权 系 数 长 度 为="；以 发 射 信 号 * . - / 通 过 中 心 频 率 5"ABC，带 宽 !"ABC理 想 滤 波 器 的 输 出 信 号 作 为 构 造 解 卷 积 滤 波 器 的 训练 信 号 。从 图 ; 的 实 验 结 果 可 以 看 出 ，与 未 经 解 卷 积 处 理的 接 收 信 号 比 较 .时 域 波 形 图 ;7， 频 率 域 图 ;D /，采用 构 造 好 的 滤 波 器 对 换 能 器 特 性 进 行 解 卷 积 后 得 到的 接 收 超 声 信 号 （图 ;9）带 宽 明 显 变 宽 . 图 ;8 /，信 号的 相 关 峰 明 显 尖 锐 化 .处 理 前 图 ;E，处 理 后 图 ;$ /，最大 相 关 伪 峰 衰 减 从 ," 0 ;56FD 显 著 提 升 为 ,# 0 !G=FD，提 高 了 信 号 检 测 精 度 。图 5 所 示 为 采 用 换 能 器 解 卷 积 处理 后 的 超 声 相 关 法 测 距 的 精 度 情 况 ，可 以 看 到 系 统 测 距精 度 有 了 明 显 的 提 高 ，#"H 内 测 距 精 度 达 606HHIJK。为 了 提 高 超 声 波 测 距 系 统 的 测 距 精 度 ，通 过 自 适应 算 法 构 造 用 于 抵 消 换 能 器 窄 带 特 性 的 解 卷 积 滤 波器 ，采 用 换 能 器 解 卷 积 的 测 距 精 度 比 原 始 的 测 距 精 度通 讯 与 电 视1!《电子技术应用》!""# 年第 #" 期（接 上 页 ）有 明 显 的 提 高 。这 种 换 能 器 解 卷 积 处 理 方 法 同 样 可 适用 于 其 他 类 似 的 传 感 系 统 。参 考 文 献# 华 宏 ，王 涌 天 ，常 红 $ 连 续 超 声 波 位 置 跟 踪 器 的 设 计原 理 及 其 在 虚 拟 现 实 系 统 中 的 应 用 实 现 $ 电 子 学 报 ，#%%% ；& ## ’：%()#"#! 钟 道 昌 $ 三 点 式 超 声 测 距 测 角 装 置 $ 测 控 技 术 ，#%%% ；（* ）：+%)*#+ 杨 劲 松 ，王 敏 ，黄 心 汉 $ 超 声 波 可 变 阈 值 测 距 转 置 $电 子 技 术 应 用 ，#%%( ；!* & , ’：,)%* 翟 国 富 ，刘 茂 恺 $ 一 种 实 时 高 精 度 的 机 器 人 用 超 声 波测 距 处 理 方 法 $ 应 用 声 学 ，#%%- ；（+ ）：+-)+(- . $ / $ /0123456 ，7 $8529909，: ;64<=643 > ?3@3? A3BC5< B5DEF45@3 BC3 G6H13 6H< :II246IJ 5K 6H L?B4695H0IG6H10H1 MJ9B3E，:NLMODN: #%%+ ；（,( ）：!!P)!+!P 童 峰 ，许 水 源 ，许 天 增 $ 一 种 高 精 度 超 声 波 测 距 处 理方 法 $ 厦 门 大 学 学 报 ，#%%( ；& * ’：-",)-#!, 童 峰 ，许 天 增 $ 一 种 移 动 机 器 人 超 声 导 航 传 感 器 $ 中 国!""" 年 机 器 人 学 大 会 报 告 ，长 沙 Q!""" 年 #" 月 !!)!- 日( 鞠 德 航 ，林 可 祥 ，陈 捷 $ 信 号 检 测 理 论 导 论 $北 京 ：科 学出 版 社 ，#%,, ：#",)#+!% 童 峰 $ 自 动 导 引 车 （:RS ）超 声 导 引 系 统 研 究 $ 厦 门 大学 博 士 学 位 论 文 ，!"""（收 稿 日 期 ：!""#>"*>!, ）和 其 他 水 下 目 标 探 测 装 备 （如 艇 壳 声 纳 、拖 线 阵声 纳 等 ） 相 比 ， 电 子 浮 标 由 于 没 有 本 舰 噪 声 的 影 响 ，对 水 下 目 标 的 探 测 灵 敏 度 高 ；此 外 它 可 通 过 飞 机 布 放和 回 收 ，具 有 搜 索 面 积 大 、侦 察 效 率 高 、使 用 方 便 等优 点 ，已 成 为 侦 察 、反 潜 领 域 的 重 要 装 备 。 而 将 多 个浮 标 组 成 网 络 ， 就 可 对 大 范 围 海 域 进 行 监 视 。 目 前 ，作 为 数 字 化 海 洋 的 重 要 组 成 部 分 ，电 子 浮 标 已 成 为 世界 海 洋 国 家 不 惜 巨 资 进 行 开 发 的 水 下 目 标 监 测 装 备 。本 文 介 绍 了 一 种 基 于 分 层 级 连 8MT 阵 列 技 术 的电 子 浮 标 设 计 方 案 ，该 方 案 通 过 微 弱 信 号 检 测 技 术 来提 取 水 下 目 标 的 声 信 号 ；通 过 差 分 RTM 技 术 来 给 浮 标进 行 高 精 度 实 时 定 位 ；通 过 8MT 技 术 进 行 大 基 阵 数 据处 理 ；通 过 无 线 通 讯 技 术 进 行 数 据 传 输 。 该 系 统 可 较好 地 在 大 范 围 海 域 对 水 下 目 标 进 行 检 测 、识 别 、定 位和 跟 踪 。! 系 统 设 计 思 路为 了 使 系 统 实 现 简 单 、 通 用 性 和 可 移 植 性 强 ，采用 模 块 化 、分 层 级 连 化 思 想 进 行 系 统 的 结 构 和 软 硬 件设 计 ；为 了 使 系 统 满 足 应 用 灵 活 和 应 用 范 围 扩 展 性 的要 求 ，在 总 线 设 计 、软 硬 件 设 计 、结 构 设 计 等 方 面 严格 依 据 标 准 化 规 范 ； 为 了 适 应 海 洋 恶 劣 的 操 作 环 境 ，在 结 构 和 硬 件 设 计 中 充 分 借 鉴 便 携 式 和 插 件 式 设 计方 法 ，同 时 考 虑 使 系 统 满 足 体 积 小 、重 量 轻 和 功 耗 低等 实 际 需 要 。" 系 统 设 计 方 案本 文 设 计 的 电 子 浮 标 系 统 是 以 8MT 芯 片 为 中 心的 全 数 字 、模 块 化 结 构 ，它 主 要 由 干 端 和 湿 端 两 大 部分 组 成 ，两 部 分 之 间 的 信 息 传 递 通 过 无 线 数 据 链 路 完成 。整 个 系 统 的 工 作 模 型 如 图 # 所 示 。湿 端 是 由 电 子浮 标 和 与 之 相 连 的 水 听 器 阵 组 成 ，主 要 完 成 对 目 标 声信 号 的 检 测 和 先 期 处 理 ；干 端 即 监 测 中 心 ，一 般 安 装在 浮 标 附 近 的 移 动 或 固 定 平 台 上 ，主 要 完 成 对 湿 端 传来 的 目 标 数 据 进 行 存 储 ， 实 现 对 目 标 监 视 跟 踪 等 功能 ，它 由 高 性 能 工 控 机 、无 线 通 讯 器 和 数 字 录 音 机 等一种基于分层级连 !"# 阵列技术的电子浮标设计中 国 科 学 院 声 学 所 #! 室 （#"""("） 李 小 民 孙 长 瑜北 京 航 空 航 天 大 学 电 子 工 程 系 !"+ 室 （#"""(+） 郑 宗 贵摘 要 ： 提 出 了 一 种 基 于 8MT 技 术 、RTM 技 术 和 无 线 通 讯 技 术 的 电 子 浮 标 设 计 方 案 。介 绍 了 浮 标的 组 成 和 工 作 原 理 ，重 点 分 析 了 8MT 处 理 器 的 应 用 和 信 号 级 连 处 理 算 法 。关 键 词 ： 8MT RTM 电 子 浮 标 无 线 通 讯通 讯 与 电 视!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!四通工控 #$% 软起动器经销商 （&!&）’"’"’!(( ’"’"’!() -+

基于换能器解卷积的高精度超声波测距系统

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/141347/%e5%9f%ba%e4%ba%8e%e6%8d%a2%e8%83%bd%e5%99%a8%e8%a7%a3%e5%8d%b7%e7%a7%af%e7%9a%84%e9%ab%98%e7%b2%be%e5%ba%a6%e8%b6%85%e5%a3%b0%e6%b3%a2%e6%b5%8b%e8%b7%9d%e7%b3%bb%e7%bb%9f.pdf?sequence=1&isAllowed=y

基于换能器解卷积的高精度超声波测距系统

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