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一种基于起始提取和相移检测的高精度超声测距
文章信息：
文章历史：
2013年2月25日收录
2013年9月6日收到修订表
2013年9月10日被接受
2013年9月25日可在线阅览
摘要：对面型超声波测距广泛应用于空间三维坐标测量系统。基于多频超声脉冲的传统相移（PS）估计是一种高精度测距方法，但对传感器和信号处理算法要求很高。提出了一种新型的单频脉冲对向超声测距方法。它可以粗略地估计飞行时间（TOF），通过提取信号基于自相关和正确的TOF通过检测传输和接收信号之间的相位偏移。为了减少对该算法的噪声干扰，提出了一种基于小波分解的去噪方法，并通过MATLAB仿真对去噪效果进行了分析。最后，设计了三个独立的超声测距实验，验证了小波去噪、PS检测和温度场补偿.距离测量的精度可以达到0.5毫米的距离高达5000毫米。
关键词：超声波测距，飞行时间，相移，自相关，小波去噪
1、引言：
空间三维坐标测量在工业测量系统中起着越来越重要的作用。室内全球定位系统（IGPS）提出了一种新的方法来获取基于旋转平面激光光束交叉的三维坐标多台，具有很高的精度和多任务处理能力[1]。然而，这个系统是由众多工业领域中的多站的位置有限，所以基于单发射机站三维坐标测量的方法，得到各测点的空间角度rplb得到距离的点和超声波测距发射站之间。运输站测角精度约为2-arc-second [2]，所以本系统的精度主要取决于超声波测距精度。
大多数的超声波测距方法是基于反射原理，如阈值[3]，曲线拟合[4]，最佳相关检测[5]。然而，反射模型不能高精度测量，因为回波信号具有不同的扭曲与各种反射表面，接收器可能会接收到一个以上的反射信号，导致处理器混乱。由于接收机可接收激光信号的技术本质，相反类型的超声波测距方法适用于单站测量系统。与反射式相比，反式测距系统具有许多优点。例如，超声波脉冲信号衰减的空气没有任何扭曲和测量的正是发射极和接收器之间的距离,[7]这是一种关于相移估计的高精度测距方法。然而，超声波的波长很短（约7毫米，在室温下50千赫），且PS估计只能得到测量距离小于一个波长一小部分，以获得完整多波长的一部分，虽然多频超声脉冲法对超声波传感器和信号处理提出了很高的要求[8]。本文提出了一种利用单频超声脉冲结合TOF和PS技术的不同方法。估计超声波波长为飞行时间（RTOF）的整数倍。通过提取粗糙基于自相关和小波去噪的接收信号开始，然后精确测量分数部分小于一个波长通过估计的传输和接收信号之间的相移。因此，该方法实现了单频超声脉冲的高精度，跟多频方法相比，超声波换能器的设计和处理算法更加简化。
本文在简单介绍了反超声系统的基础上，结合超声信号的特点，详细介绍了本文提出的四种方法：小波去噪、起始提取、基于自相关、相移检测和温度补偿。最后，相反的超声波测距实验的目的是检查这种方法的效果。
2、对射式超声波测距系统
一般来说，超声波测距系统由超声波发射器和接收器、带通滤波器、放大器、A/D转换器和微处理器组成[9]。与反射式测距系统不同，对射式超声波测距系统应该包含一个时基， 使接收器知道发射器发射超声波脉冲时。在本文所提出的系统，同步脉冲激光通过定期的IGPS站发射间隔[6]可以是时基。对射式超声波测距系统显示在图1中。
作为先验知识，所接收的超声波信号波形通常可以建模为阻尼正弦波，如例（1）
（1）
是振幅系数，（1～3）提供了一个很好的近似的波形，和的相移是由换能器特性决定的，代表超声波信号的角频率。
超声波信号随着距离的增大而指数呈衰减状态。因此，它是必不可少的放大信号。然而，放大电路引起的白色噪声将在同一过程中被放大，而且有用的超声信号可能会受到放大噪声干扰。理想和嘈杂的超声波接收信号如图2所示。
如图2所示，接近起始处的接收信号的幅度是非常微弱的，并且具有低信噪比。因此，本文提出了一种基于小波降噪算法，以减少噪声混合在原来的信号。
3、方法
本文提出的是将TOF和PS技术相结合的方法，如图3所示。首先，接收到的数字信号经过小波变换去噪。其次，降噪后的信号分为两个部分，一是由初始萃取法处理估计仪,另一个送入比较器一零交叉形成方波，然后检测具有相同频率的参考信号之间的相位差与传输信号相位。最后，这个距离可以通过计算仪和相位延迟精确计算。
3.1小波去噪算法
小波变换（WT）是数字信号处理的有力工具，与传统的傅立叶变换相比，它在不需要任何时间信息的情况下，在频域上扩展信号，WT在频域和时域分解信号，并将获得更多有价值的信息[11]。在高频分布的白噪声的小波系数比有用信号弱得多，因此去噪过程可以如下。首先，需要选择适当的母小波和分解水平分解接收信号转换成一系列细节和近似分量。其次，确定一个适当的阈值量化分解系数。第三，逆小波变换应该做修改的信号重建。小波去噪过程中最关键的步骤是如何选择最优的分解水平[12]和确定适当的消噪阈值[13]。
图1 对置式超声波测距系统
图2 理想噪声超声接收信号
图3 接收信号处理框图
通常噪声信号包含在详细的组件中。随着小波分解层数的增加，细节分量中包含的噪声功率越来越少。因此，它对确定是否通过计算细节和近似分量的互相关将分解的信号提到一个更高的水平是有用的的，。如果相关系数接近于零，将信号从有用信号中分离出来，就必须将信号分解为一个更高的层次，否则就应该停止分解操作。
如例1所示，超声波的接收信号的载波信号是正弦曲线，因此合理选择sym6小波具有类似正弦波为母小波。此外，它是简单的计算和分析，因为它有近似对称性，正交性和紧凑性的支持。在MATLAB仿真，嘈杂的信号分解成四个层次，详细的组件和近似组件如图4所示。相关系数 之间的近似分量 和细节分量级 可以通过例2计算。 （2）
计算结果=0.0686，=0.0105，= 0.4893，=0.4749。
结果表明，一、二级细节成分主要受噪声信号由于系数和。非常接近零。相反，三级以上的细节部分被有用信号主要影响。因此，在这个例子中的最佳分解水平为三。
把分解后的细节分量，必须通过一个阈值修改，自适应阈值选取方法，下面就具体介绍。
由于噪声服从高斯分布，噪声幅度的概率高于3，只占正如已知的统计的 0.135（ 是细节分量的标准偏差），所以细节分量大于3可被视为有用的信息。为了避免由一个大的阈值附近发生微弱的有用信号滤波，阈值可以被选为2而噪声主要影响的细节部分，反之为0.2而有用的细节部分是接收信号的影响。因此在这个模拟中阈值分别是，， 。
然后，可以通过软阈值修改的细节组件和通过小波重构得到去噪后的信号。嘈杂的接收信号和去噪后的信号通过软阈值，如图5所示。这表明接收信号的附近噪声减少了许多。为了验证该方法的降噪效果，通过MATLAB仿真计算噪声信号和降噪后信号的信噪比。信噪比公式如下
（3）
是理想的接收信号，是噪声信号。 结果如表1所示。
图4 从噪声信号分解的细节分量和近似分量。
图5 噪声和去噪后的接收信号波形。
在SNR0表示信噪比原始信号的信噪比，和SNR1通过阈值法降噪后的信号，SNR2表示通过去噪后的改善值。仿真结果表明，该算法可以提高信噪比的接收信号近似6分贝。
3.2基于自相关仪估计
自相关是信号与自身的互相关。非正式地说，它是不同时间间隔之间函数的相似性。时间和之间连续信号的自相关性可以计算如下：
（4）
因此，自相关函数是一个周期函数，是一个周期函数，当等于周期的整数倍时，它具有最大值。离散周期信号序列 在两个不同周期，之间的自相关性可以用公式（5）计算。
（5）
其中和是序列和的平均值，而且越接近1，它们之间的相关性越强。
超声波接收到的信号序列的任意两个周期之间的自相关系数必须非常接近1，因为接收到的信号可以被分解成一个在低频率包络信号和一个在高频率正弦载波信号。在该算法中的一个周期序列的采样信号的峰值附近的时间可以被捕获作为初始信号。计算初始信号与周期序列之间的相关系数，以确定信号序列是否为有用信号的一部分。最后一个周期序列，其相关系数与初始信号几乎接近1的被视为接收信号的开始。
理想的接收信号的自相关系数，通过MATLAB仿真分析信号和噪声的降噪后的信号。为了简化仿真，回声的第五周期序列被选为初始信号（图6），系数的周期5-4，5-3、5-2、5-1、5-0之间的被记录为，，，，分别如图7所示。
这是图7所示，自相关系数的理想信号之前的去噪后的信号在有都非常接近1，他们已经大幅下降到之后，所以开始出现在第四期前的初始信号。然而，受到白噪声的影响后，噪声信号的自相关系数显著下降到以下。因此，仿真结果表明，该算法可以有效地消除噪声，同时尽可能保留有用的信号，可以成功提取起始信号。然而，RTOF估计通过这种方法跟实际飞行时间相比，不可避免地会产生一个小的误差。为了优化测量结果，提出了一个基于PS的准确的估计方法。
3.3基于PS的精确测量
PS估计是一个适用于超声波测距系统在一个超声波波长内的高度精确测量方法[16]。在相反的测距系统中，当接收机接收到的同步信号，它产生与触发信号具有相同相位的参考信号。通过比较接收和参考信号与相移计，可以测量相移，因此，在发送和接收信号之间整个相位延迟都可以表达为，其中N是整数，代表超声周期倍数。
这样的距离可以估算为 其中表示超声波波长。
3.3.1如何获得精确的相移
数字相位计的框图如图8。相位计的主要功能是通过异或运算将相位移转换为脉冲宽度。该过程描述如下。
图6 自相关算法的周期选择。
图7 自相关算法的结果。
图8 相位延迟测量示意图
- 接收信号（b）参考信号（c）异或运算的结果。
首先，接收到的超声波信号被发送到一个过零比较器构成方波。其次，形成的方波（A）和参考方波（b）具有相同的频率并且相位作为发射信号被发送到一个异或门，输出是脉冲（c）的宽度代表这两个信号的相位数据。第三，需要一个高频时钟时间脉冲宽度。最后，如果接收到的方波在参考信号从低到高的时候是高电平，这意味着参考信号是领先的，真正的相位延迟等于。相反，这意味着参考信号是滞后的，真正的相位延迟等于。
3.3.2如何获得整数倍N
整数倍NE大约可以通过计算RTOF估计为，INT表示整函数，T表示超声波信号的周期。然而，当相位延迟接近0或者2pi;偏差时，NE与真正的整倍数N可能有一个波长的偏差，好的是当RTOF的偏差小于T / 2时，它可以准确地校正。如图9所示。
如图8所示（a），当PS估计值接近，如果RTOFlt;，这意味着飞行时间的真实值小于NET，实际整数倍N = NE-1。类似，如图8（b）所示，当PS估计值接近0，如果RTOFgt;,这意味着TOF真实值大于NET，实际整数倍N = NE 1。否则，
如果，真正的整倍数N等于NE。
3.4温度补偿
根据物理学定律，声速受许多环境因素的影响，如温度、湿度、气压等。最重要的因素是环境温度，声速和温度之间的关系可以表示为（6）式
（6）
在实验室环境中，温度分布相对均匀稳定。因此，声速可以由固定在发射机和接收机上的传感器测试到的平均温度补偿，如（7）式所示
（7）
是补偿的声速，Tt和Tr分别是在发射器和接收器的温度。
然而，温度分布通常是均匀和稳定的，特别是在工业环境中。为了补偿复杂环境下的声速，基于三维温度场的补偿方法可以精确补偿声速。
4、实验结果
一个超声波测距实验装置，用于验证所提出的方法，如图10所示。超声波发射与接收模块使用传感器的600系列仪器级静电换能器，它的谐振频率为50 kHz。包含八个正弦波周期的超声波传输信号，由DDS电路产生并由驱动模块放大。所发射的信号由接收模块接收，然后过滤，由采样频率为2 MHz的A/D转换器模块放大和采样，再由微处理器处理提取起始和检测相移。最后，通过温度传感器补偿的相位延迟和声速被发送到终端处理器估计的距离。如图10所示，发射器位于平台的末端，在直线导轨的延伸端，并确保接收器和发射器面对面地工作。并将该方法的测量数据与徕卡激光跟踪仪进行了比较，测距精度很高。为了充分验证了本文提出的算法，三个独立的实验的目的是测试的小波去噪的重要性，PS优化算法和温度补偿。这三个实验的条件列于表2，细节和结果将在以下章节中描述。
图9 RTOF优化流程图
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