[发明专利]超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声波短距高精度测量领域，利用超声波在20CM的短距离测量中达到亚毫米误差的精度：如精细加工机床等领域，也可以有效改善倒车雷达，盲人手杖，机器人避障等的精度，具体涉及超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法。

背景技术

超声波已被广泛用于测距领域，然而其精度没有得到有效提升，限制了短距测距应用。影响超声波测距精度有两个主要原因：1）传输速度误差，超声波传输速度与环境温度有关，不同温度下，传输速度存在一定的偏差。2）超声波飞行时间测量有误差，一定程度的环境噪音干扰下，超声波换能器的起振点将被扰动而无法有效识别，使得超声波渡越时间测量存在一定的误差。

本申请人在传感技术学报2013年第5期中，提出了“一种考虑起振延迟的超声波短距离高精度校准方法”（方法1)。沈常宇、郭宝金在传感技术学报2010年第6期发表的的“相位比较法高精度超声测距研究”一文，提出通过检测相位差异进行高精度测距的方法（方法2）。方法2的基础是一套能将相位差线性转化到直流电压的电路，通过测量调制波相位差异来测量距离，在7m和14m的量程下，拟合误差为0.5cm和1cm。王雪峰、唐祯安在传感技术学报2010年第10期发表的“基于自干涉驱动技术的超声波飞行时间测量系统优化设计”一文中提出通过发射两个可以产生自干涉的超声波，并检测包络过零点来识别相位翻转，该方法在实验室环境下精度接近1mm（方法3）。张淑清、靳世久、李隽在传感技术学报2007年第7期发表的“提高超声波物位检测精度方法的研究”一文，提出了基于混沌理论的信号处理方法，可从较强噪声背景中提取微弱超声波信号（方法4）。

方法1在实验室环境下可以有效地进行高精度距离测量，但在实际环境下，将受到超声波噪音干扰，而产生1-2cm误差。

针对方法2，当环境中含有接近调制波频率的噪音存在时，将对相位差检测电路造成干扰，从而影响测量距离。在多径效应和非视距传播影响明显的环境中，该方法的误差将很难控制。 

方法3在实际环境中检测时相位翻转可能受接近频率的超声波噪音干扰，而包络过零点将受到各类超声波噪音的干扰。

方法4可以较好地处理非超声波信号的噪音，但不能较好应对超声波噪音信号的干扰。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法，包括如下步骤：

（1）按照一定规律发送频率变化的超声波脉冲；

（2）接收端通过滤波电路排除非超声波噪音、非临近频率超声波噪音的影响；

   （3）在滤波后，接收端将采用傅立叶变换分析进行超声波频谱分析，通过设置门限值忽略功率较低的超声波信号，以消除超声波多径效应和非视距传播影响对测量的干扰；

    （4）通过傅立叶反变换，恢复原有的有效超声波信号。

进一步的，还包括如下步骤：（5）通过对超声波频谱的变化规律分析，若符合约定频率变化，则作为待检测信号进行分析，以消除某些较强但在变化规律上不同于约定规律的超声波噪音影响。

进一步的，步骤（1）中采用如下方式发送超声波脉冲：先稳定发送若干个超声波信号，然后再发送一组略高频率的超声波信号。

进一步的，步骤（2）中滤波电路的中心频率和带宽的计算公式如下：

令中心频率为                                                ，则

                                             （1）

其中为滤波电路的中心频率，R_f1 、R_f2是电阻，C₁、C₂是电容；

令，

则                                        （2）

   令， 

 则品质因素                （3）  

其中Q为带通滤波器的品质因素，R₁、R₂、R₃、R_G、R_Q电阻；

   令，则。

   带宽B=/Q = 4.2kHz。

本发明的超声波短距高精度测量中环境噪音剔除方法可以较好地识别出较强的多径效应，而且有效测量的精度可达到0.3mm。