专利名称：一种超声波测距方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用超声波的反射测量距离的系统。
超声测距或脉冲雷达测距都是以方形包络脉冲调制波作为已调波，通过发射器向被测目标发射，反射波由接收器接收，根据超声波自发射器至被测目标往返一次所需的周期时间，确定目标的距离。为精确测定距离，要求超声波测量的分辨率要高，即周期时间测量精确度高;为实现远距离测距，要求探测能力强;同时还要求测量准确度高，彻底消除杂波干扰的影响，实现去伪存真。
为提高超声波测距装置的综合性能，人们提出了许多改进方案，研制出性能较好的测距装置，但至今尚未取得突破性的进展，在提高其性能指标方面总是顾此失彼，结果尚不理想。
日本专利JP60-27875提供一种双脉冲测距方案，采用两个脉冲发生器，其中一个产生宽脉冲调制波，另一个产生窄脉冲调制波，然后用加法器将宽窄两种脉冲合成为更宽的脉冲用于发射;在接收电路中设置一个分配器，将合成脉冲重新分解为原来重复周期的宽脉冲和窄脉冲，并分别进行检波。该方案对近距离和远距离目标测量作了比较合适的信号处理，改善了近距离测量时的分辨能力和增强了远距离测量时的探测能力。该方案的缺陷是测量误差较大，在接收回路中，经过包络检波后的信号，其波形上升前沿变缓，于是很难确定回波到来的准确时刻;为此在比较电路中设置一个具有一定电位值的门限电平，用于消除杂波影响，但由于门限电平存在，必然切去信号波形上升前沿的一部分，由此造成测量误差。若门限电平的电位值过小，则会将杂波信号误认为是回波信号，而造成更大的测量误差。
日本专利JP62-235587公开了一种脉冲雷达的设计方案，是对JP60-27875方案的一种改进，如图1所示，图中(A1)为发射波形，(A2)为回波波形，(A3)为回波到来时刻门限电平取值示意图。该方案采用低电位门限电平m1，在接收装置中采用两个并行的检波回路，作为主回路的包络检波回路在低电位m1时，能尽早地检测出回波到来的时刻，该包络检波回路没有时间延迟现象;作为辅助回路的同步检波回路只有检到信号时才有输出，否则没有输出，此同步检波回路有时间延迟现象。将两种检波结果分别输入微机，当两种检波都有输出时，微机认定主回路的包络检波信号到来的时刻为t1，而不会将杂波到来时刻tn错认为t1。该方案降低了门限电平，提高了测距的准确度。但同样有门限电平存在，而不能精确测量出回波到来的时刻，测量误差仍然较大，能够检测到的目标距离也相当有限。
上述两种方案，其门限电平值示于图1(A3)，前者门限电平值取为m2，相应的回波到来时刻取t2，后者门限电平值取m1，相应的回波到来时刻取t1。后者优于前者。由于回波到来时刻t1或t2均在远离回波信号前沿的起始点处取值，导致现有的超声波测距装置综合技术性能指标难以提高，其根本原因在于缺乏彻底消除杂波干扰的最佳方法，即达到回波到来时刻是在逼近于包络波形前沿起始点处取值的理想境界。
本发明的任务在于提供一种崭新的超声波测距方法及装置，其发射波包含多个方形包络脉冲波构成具有时序特征的脉冲信号波，且各个方形包络脉冲波其重复周期和脉冲宽度是予先设定的，存入随机存贮器RAM中的信息，微机只对具有时序特征的信号识别提取。从而彻底清除环境杂波影响，免设门限电平，使回波到来时刻的取值位于逼近信号波形前沿起始点成为现实，在同等发射功率的条件下，使超声测距的分辨能力、探测能力、准确度等综合性能指标获得最大限度的提高。
本发明的超声波测距方法及装置，采用具有时序特征的发射波，该时序特征贯穿在整个接收回路中，微机只对具备时序特征的信息能够识别提取，否则一律不提取，即对环境杂波产生的伪信号一律清除，使杂波不对测距结果产生任何影响。
本发明的超声波测距方法，包括产生载波，信号波，已调波，放大，发射;接收回波信号，经放大、检波、整形后将信息存入随机存贮器RAM，由微机选通处理，计时，距离显示，其特征是已调波由多个方形包络脉冲波构成具有时序特征的脉冲信号波，各个方形包络脉冲波其重复周期、脉冲宽度皆分别予先设定;存入随机存贮器RAM中的信息，微机按照时序特征选通。
实施上述方法的超声波测距装置，如图2所示，包括微机1，载波发生器2，脉冲信号波发生器3，调制器4，放大器5，发射器F，接收器F′，带通放大器6，检波器7，整形器8，随机存贮器RAM 9，计时器10，距离显示器11，其特征是载波发生器2、脉冲信号波发生器3的输入端和将载波和脉冲信号波合成为具有时序特征的已调波的调制器4的一个输入端分别接微机1，调制器4的另2个输入端分别与载波发生器2和脉冲信号波发生器3的输出端连接，其输出的已调波经放大器5放大后送发射器F发射;接收器F′的输出依次通过带通放大器6、检波器7、整形器8与随机存贮器RAM 9连接。
图4是微机1的工作程序运行图。微机在完成初始化之后向调制器4发出控制信号发射时序特征脉冲超声波(P1)、同时计时器10开始计时(P2)、接收电路接收回波信号(P3)、此过程一直进行到完成一次测量周期T、该周期T是予先设定的，然后返回到(P1)、(P2)，否则返回至(P3)。在接收信号过程中信号与噪音进入到检波回路7并进行判断(P4)、如果检波有输出，则把输出信息存贮在RAM 9中(P6)，然后按时序特征将信号提取，将噪音清除即完成信号的选通(P7)，提取出的信号经微机计算将结果送到显示器11显示距离(P8)。如果信号选通没有输出则要经过是否达到完成一次测量周期T的判断。
本发明的方法用途广泛，特别适用于超声波微弱信号的检测、声纳、超声波警戒报警系统、车用超声波防撞装置、测量水深、水位、物料位、水下地形等。
同现有技术比较，本发明具有以下优点1.采用具有时序特征的发射波，同时微机只对具有时序特征的信号选通处理，而对环境杂波产生的伪信号一律不选通，彻底消除杂波影响，有效地提高了测量的准确度;
2.具有时序特征的发射波中，同时含有宽窄包络脉冲波，单机很好地兼顾远距离测距和近距离测距;
3.由于采用具有时序特征的发射波，加上取消了门限电平，或者说实现了门限电平逼近零点，应用于近距离测距时具有很高的测量分辨能力;应用于远距离测距时，在同等发射功率条件下，测量距离可提高5倍以上，如激振频率为20～40KHz/S，当发射器和接收器合二为一时，在大气中测距范围大于150米，现有技术此时的测距范围小于30米;
4.应用本技术，对超声波的微弱信号可以进行卓有成效的检测，同时也可用于开发一系列的新产品;
5.可直接应用微机产生载波、脉冲信号波、合成已调波及进行信号检测，充分发挥微机的作用，利于简化电路提高性能，同时可降低造价50%。
图1为现有发射波波形(A1)，回波波形(A2)、回波到来时刻取值(A3)图形。图中纵坐标为电压横坐标是时间，S-信号，N-杂波，m1、m2-门限电平，t1、t2-回波到来时刻，tn-杂波到来时刻，to-起始时刻。
图2为超声波测距装置结构示意图。
图3为具有时序特征的发射波波形(B1)、回波波形(B2)、检波后波形(B3)、整形后波形(B4)、微机识别并提取的波形(B5)形态图，图中的A、B、B′、C为已调波形及其相应的信号波形，N为杂波波形，SA、SB、SB′、SC为相应的回波信号波形，T1、T2、T3-发射波中的包络脉冲的重复周期，T′1、T′2、T′3为回波的各包络调制波重复周期，to、tr分别为发射波起始时刻和回波到来时刻。
图4为本方案微机的工作程序图，图中P1～P8为各运行阶段的程序标记。
实施例一种结构如图2所示的超声波测距装置，其中微机1包含80C31、27C32、74HC373、8253单元，调制器4采用SN74H78，放大器5采用IRF450VMOS管，发射器F、接收器F′合二而一，采用30KC/S压电陶瓷超声波换能器，带通放大器6是MC14573，整形器8是CD4081，载波发生器2、脉冲信号波发生器3、调制器4由微机控制，载波发生器2输入端接单元8253的管脚⒀，脉冲信号波发生器3输入端接80C31的管脚③，调制器4的管脚⑤接80C31管脚③，其另2个输入端③、④分别接载波发生器2和脉冲信号波发生器3的输出端，调制器4输出端①接放大器5输入端，整形器8的输出端接80C31管脚⑿，其他部件按常规方式连接，激振频率为30KHz/S，已调波由4个方形包络脉冲波A、B、B′、C构成具有时序特征的脉冲信号波，波形形态见图3，设定重复周期T1＝8ms，T2＝4ms，T3＝11ms，脉冲宽度分别为1ms、0.2ms、0.2ms、0.4ms，。
在大气中作5米距离测距时，分辨率0.08%，误差≤±1cm;作远距离测距时，目标距离150米，准确度0.2%，最大测量距离为200米。
权利要求
1.一种超声波测距方法，包括产生载波，信号波，已调波，放大、发射；接收回波信号，经放大、检波、整形后将信息存入随机存贮器RAM，由微机选通处理，计时，距离显示，其特征在于所述的已调波是由多个方形包络脉冲波构成具有时序特征的脉冲信号波，各个方形包络脉冲波其重复周期、脉冲宽度皆分别予先设定；存入随机存贮器RAM中的信息微机按照时序特征选通。
2.一种用于实施权利要求1所述方法的超声波测距装置，包括微机1，载波发生器2，脉冲信号波发生器3，调制器4，放大器5，发射器F，接收器F′，带通放大器6，检波器7，整形器8，随机存贮器RAM 9，计时器10以及距离显示器11，其中由微机1、载波发生器2、脉冲信号波发生器3、调制器4、放大器5、发射器F构成发射装置;由接收器F′、带通放大器6、检波器7、整形器8、随机存贮器RAM 9构成接收装置，其特征在于载波发生器2、脉冲信号波发生器3的输入端和将载波和脉冲信号波合成为具有时序特征的已调波的调制器4的一个输入端分别接微机1，调制器4的另2个输入端分别与载波发生器2和脉冲信号波发生器3的输出端连接，其输出信号经放大器5放大后送发射器F发射;接收器F′的输出依次通过带通放大器6、检波器7、整形器8与随机存贮器RAM 9连接。
全文摘要
本发明提供了一种超声波测距方法及装置，其特征是发射波为由多个方形包络脉冲波构成具有时序特征的脉冲信号波，各个方形包络脉冲波其重复周期脉冲宽度预先设定，微机只对具有时序特征的信号选通。本方案不存在门限电平，测量的距离增大5倍以上。
文档编号G01S15/08GK1099870SQ93117109
公开日1995年3月8日 申请日期1993年9月3日 优先权日1993年9月3日
发明者鲁智, 鲁廉 申请人:鲁智