一种超声波检测系统和方法与流程

1.本发明实施例涉及超声波检测技术领域，尤其涉及一种超声波检测系统和方法。


背景技术：

2.在超声波测距原理中，通过“超声波麦克风”发出的波、再接收物体的反射波来进行障碍物检测时，虽然可以得到障碍物的距离，但是却不能确定该距离是从以“超声波麦克风”为中心的同心圆的哪个位置反射的，从而不能确定障碍物的具体位置。因此，目前市场上的超声波检测系统都是将多个超声波传感器组合起来进行使用，再根据各个超声波传感器的结果判定物体的位置在哪个区域。也就是说，目前市场上多数超声波检测系统产品是通过多个超声波传感器来进行障碍物区域的判定。
3.不仅如此，目前市场上多数超声波检测系统产品还存在盲区大、不能检测近距离物体，在进行远距离检测时距离精度又太低的问题。在实际产品安装和使用过程中，当超声波传感器安装个数有限制或者多个超声波传感器中的一个或多个出现故障时，超声波检测系统就无法实现确定障碍物区域和具体位置的功能，更无法检测距离过近或过远的物体，影响用户正常使用。


技术实现要素：

4.本发明提供一种超声波检测系统和方法，在不需要使用多个“麦克风”或不需要使用多个超声波传感器的“超声波检测系统”的情况下，仅用一个“麦克风”或一个超声波传感器的“超声波检测系统”便可以同时实现物体的“近距离检测”和“远距离检测”。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种超声波检测系统，包括：chirp波生成电路、超声波生成模块、chirp波放大滤波电路模块、低频放大滤波电路模块、chirp波相关计算电路模块、低频相关计算电路模块以及cpu处理单元；
6.其中，chirp波生成电路，用于产生chirp波并将产生的chirp波输出给麦克风；
7.超声波生成模块，用于产生超声波信号；
8.chirp波放大滤波电路模块，用于对超声波的回波信号进行放大滤波处理；
9.低频放大滤波电路模块，用于放大来自被测物体的回波信号和发送的chirp波之间的频差信号；
10.chirp波相关计算电路模块，用于计算超声波的回波信号与对应参照波之间的第一相关值，并将所述第一相关值输入cpu处理单元；
11.低频相关计算电路模块，用于计算所述频差信号与不同参照周期下各参照波的第二相关值，并将所述第二相关值输入cpu处理单元；
12.cpu处理单元，包括远距离判定处理模块和近距离判定处理模块，所述远距离判定处理模块用于根据所述第一相关值中最大值对应的时间，确定被测物体的远距离检测信息；所述近距离判定处理模块用于根据所述第二相关值确定被测物体的近距离检测信息。
13.可选的，所述近距离判定处理模块具体用于执行：
14.根据所述第二相关值中的最大值对应的参照波周期以及不同参照波周期对应的距离变换值，确定被测物体的近距离检测信息。
15.可选的，确定不同参照波周期对应的距离变换值，包括：
16.根据chirp波的发送时长确定最大检测距离；
17.根据所述最大检测距离，以及不同参照波周期对应的频差与chirp频带宽度确定不同参照周期对应的距离变换。
18.可选的，述cpu处理单元还包括：
19.chirp波生成处理模块，用于生成chirp波；
20.参照波生成处理模块，用于生成参照波；
21.输出处理模块，用于输出被测物体的近距离检测信息和远距离检测信息。
22.第二方面，本发明实施例还提供了基于上述任一项所述的超声波检测系统的超声波检测方法，包括：
23.计算chirp型超声波的回波信号与对应参照波之间的第一相关值，根据所述第一相关值中最大值对应的时间，确定被测物体的远距离检测信息；
24.获取chirp型超声波的回波信号和发送的chirp波之间的频差信号，计算所述频差信号与不同参照周期下各参照波的第二相关值，根据所述第二相关值确定被测物体的近距离检测信息。
25.可选的，根据所述第二相关值确定被测物体的近距离检测信息，包括：
26.根据所述第二相关值中的最大值对应的参照波周期以及不同参照波周期对应的距离变换值，确定被测物体的近距离检测信息。
27.可选的，确定不同参照周期对应的距离变换值，包括：
28.根据chirp波的发送时长确定最大检测距离；
29.根据所述最大检测距离，以及不同参照波周期对应的频差与chirp频带宽度确定不同参照周期对应的距离变换。
30.本发明实施例的技术方案，通过计算被测物体的回波信号和发送的chirp波之间的频差信号(beat波)的相关值来实现近距离检测，通过“chirp波相关性计算”来实现远距离检测，实现了仅用一个“麦克风”或一个超声波传感器的“超声波检测系统”便可以同时对物体进行“近距离检测”和“远距离检测”。
附图说明
31.图1表示以往案例1的系统架构图；
32.图2表示以往案例1的chirp波示意图；
33.图3表示以往案例1的相关值计算方法示意图；
34.图4表示本发明中实施例1的近距离检测示意图；
35.图5表示以往案例1的距离检测示意图；
36.图6表示以往案例2的系统架构图；
37.图7表示以往案例2的fmcw波示意图；
38.图8表示以往案例2的远距离检测示意图；
39.图9表示本发明中实施例的系统架构图；
40.图10表示本发明中实施例的chirp波示意图；
41.图11表示本发明中实施例的相关值计算方法示意图；
42.图12表示本发明中实施例的beat波示意图；
43.图13表示本发明中实施例的beat波相关值计算方法示意图；
44.图14表示本发明中实施例的相关值与距离变换值关系示意图；
45.图15表示本发明中实施例的近距离检测/远距离检测示意图。
具体实施方式
46.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
47.为了更好的理解本发明实施例的技术方案，先介绍一下以往案例中常用的超声波检测方法。
48.以往案例1中的超声波检查系统的系统架构图如图1所示，该系统包括chirp波生成电路、麦克风、放大滤波电路、相关计算电路和cpu处理单元。其中：
49.(1)chirp波生成电路：用于生成chirp波，驱动麦克风发送超声波。
50.(2)麦克风：用于发送chirp型超声波。
51.(3)放大滤波电路：用于放大来自物体的反射接收波，得到放大滤波回路输出信号。
52.(4)相关计算电路：使用了能够进行dsp等高速运算处理的装置，对从chirp波生成的“参考波输出”进行相关运算。
53.(5)cpu处理单元：控制及处理系统中所有相关信号，处理从“相关计算电路”输出的结果，判断物体的“距离”，并输出检测结果。
54.图2表示以往案例1中的一个chirp波。定义t0-t1之间的时间差值为chirp波的发送时间；相对应的fc1_0
–
fc1_1定义为chirp波的频率范围。(说明：chirp波有频率随时间线性增加/减小或非线性增加/非线性减少的多种类型，图2显示出的是随着时间频率线性增加的类型)产生chirp波后，通过麦克风发送chirp型超声波，接收到来自物体的反射波，然后进入“放大滤波电路”，得到放大滤波回路输出信号。这里，将接收来自物体的反射波时刻设为t2。
55.图3给出了以往案例1中的相关值运算方法。首先，计算t0时刻的相关值，方法如下：将“参照波_0000”和“放大滤波回路输出”相乘，并将相乘结果累加，得到的累加值作为0时刻的相关值，存储在“相关值计算结果”中。接着，延迟1个周期得到“参照波_0001”，将“参照波_0001”和“放大滤波回路输出”相乘，并将相乘结果累加，得到的累加值作为t1时刻的相关值。以下，依次重复该处理。即，相关值运算相当于计算两者的相关性。在存在来自物体的反射波的t2附近，“参考波”和“放大滤波回路输出”之间的相关值变大，因此“相关值计算结果”的值也增大。
56.计算完所有时刻的相关值后，通过阈值进行相关值计算结果的判定时，当相关值计算结果大于阈值时，认为检测到障碍物存在，并检索相关值的峰值出现的时间t2。由此，如果将接收时间转换为物体距离，就可以计算到物体的检测距离。
57.当物体接近时，来自物体的反射接收波t2叠加在发送的通道上，而来自物体的反射接收波分量由发送的通道控制计算出的“相关值计算结果”会变成很小的值。即，不能检测近距离区域。如图4所示以往案例1的近距离检测示意图。
58.如上所述，当不能进行近距离检测的区域(dead zone)的传输时间为t1＝3.0[msec]时，最小检测距离为lin≈50[cm]。如图5所示以往案例1的距离检测示意图。
[0059]
以往案例2中的超声波检查系统的系统架构图如图6所示，该系统包括fmcw波生成电路、麦克风、放大滤波电路、相关计算电路和cpu处理单元。其中：
[0060]
(1)fmcw波生成电路：用于生成fmcw波，驱动麦克风发送超声波。
[0061]
(2)麦克风：用于发送chirp型超声波。
[0062]
(3)低频放大滤波电路：用于放大来自物体的反射接收波和发送的chirp波的频率差(beat波分量)，得到放大滤波回路输出信号。
[0063]
(4)beat波相关计算电路：使用了能够进行dsp等高速运算处理的装置，对从beat波生成的“参考波输出”进行相关运算处理。
[0064]
(5)cpu处理单元：控制及处理系统中所有相关信号，处理从“相关计算电路”输出的结果，判断物体的“距离”，并输出检测结果。
[0065]
图7表示以往案例2的fmcw波示意图。fmcw波的发送时间在t0-t1之间、扫频范围为fc1_0-fc1_1。fmcw波通过超声波麦克风发送，“低频放大滤波电路”模块对来自物体的反射接收波和发送的chirp波的频率差(beat波分量)进行放大滤波。这里，将接收来自物体的反射波设为t2。
[0066]
在应用了fmcw波的距离检测系统中，判定上述“低频放大滤波电路”的输出，即beat波的频率成分，可以换算为距离。一般来说，在对应于远距离检测时，在fmcw方式中使用的fmcw波采用长时间段的扫频信号输出。
[0067]
图8是以往案例2远距离检测的一个例子(图中显示了该示例的设置条件)。如上述图7计算出的那样，最大检测距离lmax可以检测到≈500[cm]，但距离分辨率δl≈50厘米。即，检测距离分辨率为50[cm]左右，这是非常粗糙的距离精度，原因在于采用的是fmcw方式。
[0068]
针对以往案例1中不能进行近距离检测的问题和以往案例2中远距离检测精度低的问题，本发明实施例提供了一种超声波检测系统，包括：chirp波生成电路、超声波生成模块、chirp波放大滤波电路模块、低频放大滤波电路模块、chirp波相关计算电路模块、低频相关计算电路模块以及cpu处理单元。
[0069]
其中，chirp波生成电路，用于接收“chirp波生成处理”模块输出并产生chirp波产生，输出给麦克风。
[0070]
超声波生成模块，用于产生超声波信号，可选的，本实施例中的超声波生成模块可以为麦克风、超声波传感器等部件，进一步参见图9，本实施例中以麦克风作为超声波生成模块为例。
[0071]
chirp波放大滤波电路模块，用于对超声波的回波信号进行放大滤波处理。
[0072]
低频放大滤波电路模块，用于放大来自被测物体的回波信号和发送的chirp波之间的频差信号(beat波分量)。
[0073]
chirp波相关计算电路模块，使用了能够进行dsp等高速运算处理的装置，用于计
算超声波的回波信号与对应参照波之间的第一相关值，并将所述第一相关值输入cpu处理单元。
[0074]
低频(beat波)相关计算电路模块，使用了能够进行dsp等高速运算处理的装置，用于计算所述频差信号与不同参照周期下各参照波的第二相关值，并将所述第二相关值输入cpu处理单元。
[0075]
cpu处理单元，包括远距离判定处理模块和近距离判定处理模块，所述远距离判定处理模块用于根据所述第一相关值中最大值对应的时间，确定被测物体的远距离检测信息；所述近距离判定处理模块用于根据所述第二相关值确定被测物体的近距离检测信息。
[0076]
进一步的，所述cpu处理单元还包括：chirp波生成处理模块，用于生成chirp波；参照波生成处理模块，用于生成参照波；输出处理模块，用于输出被测物体的近距离检测信息和远距离检测信息。
[0077]
具体的，所述近距离判定处理模块具体用于执行：
[0078]
根据所述第二相关值中的最大值对应的参照波周期以及不同参照波周期对应的距离变换值，确定被测物体的近距离检测信息。
[0079]
其中，确定不同参照波周期对应的距离变换值，包括：
[0080]
根据chirp波的发送时长确定最大检测距离；
[0081]
根据所述最大检测距离，以及不同参照波周期对应的频差与chirp频带宽度确定不同参照周期对应的距离变换。
[0082]
本实施例中chirp波式超声波来实现对物体的远距离检测，通过计算回波信号与对应参照波的相关值，根据相关值的峰值确定被测物体的检测时间，从而确定被测物体的远距离信息。
[0083]
具体参见图10，图10表示本发明中一种超声波式混合波检测系统的chirp波。chirp波在发送时间在t0-t1之间，扫频范围在fc1_0-fc1_1之间。(说明：chirp波有频率随时间线性增加/减小或非线性增加/非线性减少的多种类型，图10显示的是随着时间频率线性增加的类型。)产生chirp波后，通过麦克风发送chirp型超声波，接收到来自物体的反射波，然后进入“放大滤波电路”，得到放大滤波回路输出信号。这里，将接收来自物体的反射波时刻设为t2。
[0084]
图11表示本发明中的一种超声波式混合波检测系统的相关值计算方法。首先，计算t0时刻的相关值，方法如下：将“参照波_0000”和“放大滤波回路输出”相乘，并将相乘结果累加，得到的累加值作为0时刻的相关值，存储在“相关值计算结果”中。接着，延迟1个周期得到“参照波_0001”,将“参照波_0001”和“放大滤波回路输出”相乘，并将相乘结果累加，得到的累加值作为t1时刻的相关值。以下，依次重复该处理。即，相关值运算相当于计算两者的相关性。在存在来自物体的反射波的t2附近，“参考波”和“放大滤波回路输出”之间的相关值变大，因此“相关值计算结果”的值也增大。计算完所有时刻的相关值后，通过“阈值”进行“相关值计算结果”的判定时，当相关值计算结果大于阈值时，认为检测到障碍物存在，并检索相关值的峰值出现的时间t2，由此，如果将接收时间转换为物体距离，则可以计算到物体的检测距离。
[0085]
进一步的，本实施例通过计算beat波与对应参考周期下参照波的相关值来实现物体的近距离检测。通过分别计算beat与不同参照周期下的参照波的相关值，计算不同参照
周期所对应的检测距离值，根据相关值的最大值对应的参照周期来确定被测物体的近距离检测数据。
[0086]
具体参见图12，图12表示本发明中一种超声波式混合波检测系统的beat波。该系统中使用的chirp波在发送时间在t0-t1之间、扫频范围fc1_0-fc1_1。由于beat波包括来自物体的反射接收波和发送的chirp波之间的频率差信号(beat波分量)，所以当通过“低频放大滤波电路”放大低频区域后，可输出两个波的频率差信息(beat波)。
[0087]
图13说明了本发明中一种超声波式混合波检测系统的beat波相关值计算方法。
[0088]
首先，将第一个δf_chirp为“0.5khz”的参照波.1_0000与“低频放大滤波电路”的输出相乘，并将相乘结果累加，得到的累加值作为0时刻的beat波相关值计算结果.1。接着，延迟1个周期得到“参照波_0001”,将“参照波.1_0001”和“低频放大滤波电路”的输出相乘，并将相乘结果累加，得到的累加值作为t1时刻的相关值。以下，依次重复该处理。即，得到δf_chirp为“0.5khz”时的“beat波相关值计算结果.1”，将“beat波相关值计算结果.1”中的最大值保存为“vout.1”。
[0089]
然后，将δf_chirp为“1.0khz”的参照波.2_0000与“低频放大滤波电路”的输出相乘，并将相乘结果累加，得到的累加值作为t0时刻的beat波相关值计算结果.2。接着，延迟1个周期得到“参照波.2_0001”,将“参照波.2._0001”和“低频放大滤波电路”的输出相乘，并将相乘结果累加，得到的累加值作为t1时刻的相关值。以后依次重复该处理。即，得到δf_chirp为“1khz”时的“beat波相关值计算结果.2”，将“beat波相关值计算结果.2”中的最大值保存为“vout.2”。
[0090]
重复上述计算，直至δf_chirp为“10.0khz”计算结束为止。
[0091]
下表中所示的“beat波相关值计算结果.n”的vout输出值与“距离值”之间的转换关系，与前面分析中距离分辨率δl相当：
[0092][0093]
图14中所示的vout输出值中的vo与距离的关系，vout.max处的距离值即表示物体存在的检测距离l。注意，当多个物体存在于检测距离范围内时，出现多个最大值“vout.max”，因此可以确定存在多个物体的检测距离l。
[0094]
其中，上表中设置条件如下：
[0095]
chirp波开始频率fc0＝50[khz]；
[0096]
chirp波结束频率fc1＝60[khz]；
[0097]
chirp带宽δfc＝10[khz]；
[0098]
chirp波时间宽度t1＝3.0[msec]。
[0099]
此时，假设beat波的分辨率δf_chirp＝0.5[khz]时，其检测性能参数如下：
[0100]
最大检测距离lmax＝340[m/s]*t1[ms]/(2*1000*100)≈50[cm]；
[0101]
距离判断分辨率δl＝lmax/δfc/δf_chirp≈5cm。
[0102]
在本实施例中，最大检测距离lmax可以检测到≈50[cm]，同时距离判断分辨率δl≈5cm，检测距离分辨率为5[cm]左右，能够得到较高的距离精度。
[0103]
图15所示为本发明中一种超声波式混合波检测系统的近距离检测/远距离检测的示意图，根据本发明的技术方案，该系统可同时检测出近距离物体和远距离物体。
[0104]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。