专利名称：伪随机超声波测距的方法及其测距仪的制作方法
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，特别涉及一种伪随机超声波测距的方法及其伪随机超声波测距仪。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，通过发射换能器向被测目标发射，其反射波由接收换能器接收，根据超声波自发射换能器发射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，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。
为提高超声波测距仪的综合性能，人们提出了许多改进方案，研制出性能较好的测距仪，但至今尚未取得突破性的进展，在提高其综合性能指标方面总是顾此失彼，结果尚不理想。
如在超声测距和测位技术处于领先位置的Milltronics、Endress+Hauser、Kistler-Morse等三家美国公司，于1994年10月在美国加州洛杉矶市举办的ISA/94国际展览会所展出的最新产品，分别为AirangreIVFdu-85和SC5-200，依然是通过降低超声波频率到音频范围，提高超声波换能器的工作电压到800伏以上，加大换能器的尺寸，提高换能器的接收灵敏度等技术措施，使测距范围等指标有较大提高，由于在关键技术上未能取得重大突破，制约了综合性能指标更大幅度的提高。
日本专利JP62—235587公开了一种脉冲雷达的设计方案，该方案采用低电位门限电平，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门限时，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出信号时才有输出，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，微机才认定主回路的包络检波信号到来的时刻值，而不会将杂波到来的时刻值错认为是回波信号到来的时刻值。该方案降低了门限电平，提高了测距的准确度，但仍然有门限电平存在，而不能精确测量出回波到来的真正时刻，测量误差仍然较大，能够检测到的目标距离也相当有限。
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，则会将杂波信息误认为是回波信号，而造成更大的测量误差。
中国专利CN93117109.1提供了一种超声波测距方法及装置，该方案的特征是其发射波采用一组具有时序特征的脉冲波，微机只对具有该时序特征的回波信号选通。该方案突破了已有技术所必须依据的一个前提条件，即被测的回波信号必须大于环境噪声产生的杂波信息，不必用比较电路中设置门限电平的方法来消除低于门限的噪声而提取高于门限的信号。因此用该方案制成的超声波测距装置其性能技术指标达到了前所未有的高度，但是该方案所设计的时序特征脉冲不能普适于具有复杂环境噪声的所有应用场合，其应用的领域仍受到限制。
本发明的目的在于提供一种伪随机超声波测距的方法及其测距仪，发射换能器和接收换能器所发射和接收的超声波是一种伪随机脉冲超声波，微机系统只对具有该次伪随机特征的信号识别提取，从而彻底清除环境杂波的影响，使超声波测距的探测能力、分辨能力、准确度等综合性能指标获得最大限度的提高。
实现本发明目的采取以下技术措施1、在微机系统的程序存贮器ROM中设有一个能产生伪随机数列的子程序，该子程序产生伪随机控制信号；在伪随机波发生器中生成伪随机信号波，该信号波经放大后激励超声波发射换能器向目标发射伪随机超声波。
2、来自被测目标的回波，经放大、检波、整形后送至微机系统的单片机，并存入数据存贮器RAM中，微机系统按程序存贮器ROM中的程序与该次所发射的伪随机数列特征进行信息的筛选，提取出来的信号由单片机进行数据处理并送至距离显示器显示。
3、将发射装置原有的载波发生器、脉冲调制波发生器、调制器采用一个结构简单的伪随机波生成器替代，使测距仪结构简化。
图1为本发明的伪随机超声波测距仪的结构示意图。
图2为伪随机波生成器的线路图。
图3为微机系统的主程序流程图。
图4为信号中断服务程序流程图。
图5为实施例实测时产生的伪随机波波形图。
以下结合
，详细叙述本发明的具体内容。
一种伪随机超声波测距的方法，其特征是所发射和接收的超声波皆为伪随机超声波，该伪随机超声波由含有一个能产生伪随机数列的子程序的微机系统控制的伪随机波生成器生成，经过放大，由发射换能器发射。
一种伪随机超声波测距仪，包括由单片机、程序存贮器ROM、数据存贮器RAM、锁存器、计数器、译码器构成的微机系统1，伪随机波生成器2，放大器3，发射换能器F，接收换能器F’，放大器4，检波器5，整形器6，计时器7，距离显示器8，其中由微机系统1、伪随机波生成器2、放大器3、发射换能器F构成发射装置，由接收换能器F’、放大器4、检波器5、整形器6构成接收装置，其特征是微机系统1中必须含有一个能产生伪随机数列的子程序，伪随机波生成器2由反相器21、电平移位器22和22’、与门23和23’组成，其中反相器21和电平移位器2 2的输入端⑦和⑩接微机系统1中的计数器脚⑩，反相器21的输出端⑥与电平移位器22’的输入端③连接，与门23、23’的一个输入端⑥和②分别与电平移位器22、22’的输出端和④连接，其另一个输入端⑤和①与微机系统1中的单片机脚④连接，其输出端④和③分别接放大器3的栅极G1和G2。
该伪随机超声波测距仪，其特征还在于微机系统1的程序存贮器ROM中含有一个能产生伪随机数列的子程序，伪随机波生成器2由反相器21、电半移位器22和22’、与门23和23’组成，其中反相器21和电平移位器22的输入端⑦和⑩接微机系统1中的计数器脚⑩，反相器21的输出端⑥与电平移位器22 ’的输入端③连接，与门23、23’的一个输入端⑥和②分别与电平移位器22、22’的输出端和④连接，其另一个输入端⑤和①与微机系统1中的单片机脚④连接，其输出端④和③分别接放大器3的栅极G1和G2。
发射换能器F、接收回路、距离显示器8用常规方式连接，其中整形器6的输出端接单片机脚，距离显示器8与单片机脚连接。
微机系统1产生频率为f的载波电信号通过电平移位器22和反相器21、电平移位器22’而形成相位相反的电信号分别送至与门23和23’的一个输入端，与门23、23’的另一个输入端接收来自单片机的伪随机控制信号，以控制与门23、23’的通断时刻和通断时间的长短。
微机系统产生的载波信号，其频率f是可调的，改变超声波换能器激励频率，即改变了超声波的发射能量，当该频率f与换能器谐振频率相同时，则换能器发射的超声波能量最大，由此提高了深测能力；当激励频率f逐渐远离换能器的谐振频率时，换能器发射的超声波能量随之变小，这是提高近距离测量的分辨能力和减小盲区的措施之一。
图3为微机系统1的主程序流程图，微机完成初始化(P1)后执行伪随机码生成程序(P2)，产生本次测量的伪随机码，同时将该码存入在数据存贮器RAM中，并向伪随机波生成器2发出控制信号，发射伪随机超声波脉冲，启动计时器7(P3)，开启接收电路，接收回波信号，将接收信息存入数据存贮器RAM中(P4)，检索RAM中的接收信息数据并与已存入的本次发射所使用的伪随机码进行比较，以完成回波信号的识别提取(P5)，同时进行是否有回波信号的选通判断，如果有回波信号，则关闭接收电路(P6)，计算所测目标的距离(P7)，完成测距显示(P8)；若进行连续测量，则回到初始状态，开始另一次的测量，否则程序结束。如果选通判断没有回波信号，则进行是否达到原设定的测量周期的判断，若已达到测量周期，则关闭接收电路(P6)，程序回到初始位置，又产生新的伪随机码，进行下一次测量。
图4为信号中断服务程序流程图，微机系统在开启与关闭接收电路之间允许信号中断，即在此期间当有回波或噪声信息进入微机系统时，微机系统便中断主程序而自动转入信号服务中断程序，即检索数据存贮器RAM中的数据提取信号，消除噪声(P5-1)，并将处理后的信号存入数据存贮器RAM中(P5-2)，然后返回到主程序中断点处，继续执行主程序。
同现有技术比较、本发明具有如下突出的优点1、由于微机系统能依据每次发射的伪随机信号特征来识别回波信号，清除噪声，这种依据伪随机码特征来提取信号的方法，不受环境噪声强度的限制，即使信号淹没在环境噪声中也能有效地将信号提取出来，因此极大地提高了抗干扰能力。而现有技术是设置门限电平来拦阻噪声的，门限电平在拦阻噪声的同时，也拦阻了远距离的微弱回波信号，因而大大地限制了超声波测距仪的探测能力，同时还由于回波信号波形的前后沿变得非常平缓，而无法准确地确定回波到来的真正时刻。因此本伪随机超声波测距仪的探测能力，抗干扰能力，分辨能力，精确度等综合技术生能指标都得到了最大限度的提高。本发明与现有采用时序特征的方案相比，具有更强的抗任何复杂环境噪声的能力，因此本发明应用的领域更为广泛。
2、本伪随机超声波测距仪所发射的伪随机脉冲序列长度和脉冲宽度是可变的，因此在进行长距离测量时有很大的探测能力和十分理想的抗环境噪声能力。由于在伪随机超声波测距仪中无需靠设置门限电平拦阻环境噪音，因而充分利用了超声测距脉冲的能量，又能测量出比环境噪声更微弱的回波信号，使探测能力又进一步提高，因而所达到的测距指标是现有技术无法与之相比的。本伪随机超声波测距仪具有足够高的抗干扰能力，能消除任何场合下的环境噪声的影响，彻底摆脱环境噪声造成的困扰，将超声波应用技术推到一个崭新的境界。
3、在近距离测量时，伪随机超声波测距仪则发射短序列、窄脉宽和远离换能器谐振频率的伪随机信号，这些信号参数都对近距测量的分辨能力和减小盲区作出贡献，这也是现有技术难以达到的。
实施例一种伪随机超声波测距的方法及其测距仪，采用如图1、图2所示的结构，单片机采用8032，程序存贮器ROM采用2764，数据存贮器RAM采用6264，锁存器采用74373，计数器采用8253，译码器采用74138；伪随机波生成器2中的反相器21采用4049，电平移位器22和22’采用40109，与门23和23’采用4081；放大器3电路中包含两个VMOS管IRF450，发射换能器F兼作接收换能器F’。
在超声波频率为30KC/秒，换能器工作电压为350伏，换能器接收面积其直径为Φ140mm的条件下，实测结果在空气中作5米目标测距时，分辨率为0.04％，误差≤±0.8cm；作远距离测距时，目标距离为120米，精度为0.15％，最大测量距离为150米。
图5为本实施例中用来测近距离目标及远距离目标时，由微机系统控制产生的一种伪随机超声波脉冲波形图。
图中A1是发射换能器发射的伪随机超声波脉冲波形图，图中给出了技术参数。t为时间，V为振幅，t。为起始时刻。A2是接收的回波及噪声经放大、检波后的波形图，图中S1～S8为信号，N为杂波。
A3是整形器输出的波形图。
A4是经微机系统按所发射的伪随机波脉冲的检索选通后的回波信号脉冲前沿的时间数据图。
其中信号S1～S4是频率为f＝60kc/秒的高频超声波，其脉冲宽度为0.1ms，脉冲间隔分别2ms、3ms、2ms、15ms，本组脉冲用来测近距目标，为提高测距的分辨能力和减小盲区而设计的；信号S5～S8是在超声波换能器的谐振频率f＝30kc/秒条件下工作的，因此脉冲幅值高，同时脉冲宽度也宽，分别为0.7ms、0.8ms、0.8ms、0.7ms，其目的是提高远距离的探测能力。
信号S1～S8都是伪随机脉冲，但微机系统只对S1～S4组和S5～S8组分别提取信号。如果被测目标在很远处，则高频、窄脉宽的S1～S4组信号已衰减完，而能够返回的脉冲回波信号只有S5～S8；被测目标位于近距离处时，虽然S1～S4和S5～S8回波都返回，但由于S1～S4具有高分辨能力，因此微机系统只依据S1～S4信号计算其距离值。
权利要求
1.一种伪随机超声波测距的方法，其特征在于所发射和接收的超声波皆为伪随机超声波，该伪随机超声波由含有一个能产生伪随机数列的子程序的微机系统控制的伪随机波生成器产生，经过放大，由发射换能器发射。
2.一种实施权利要求1所述方法的伪随机超声波测距仪，包括由单片机、程序存贮器ROM、数据存贮器RAM、锁存器、计数器、译码器构成的微机系统(1)，伪随机波生成器(2)，放大器(3)，发射换能器(F)，接收换能器(F’)，放大器(4)，检波器(5)，整形器(6)，计时器(7)，距离显示器(8)，其中由微机系统(1)、伪随机波生成器(2)、放大器(3)、发射换能器(F)构成发射装置，由接收换能器(F’)、放大器(4)、检波器(5)、整形器(6)构成接收装置，其特征在于微机系统(1)中必须含有一个能产生伪随机数列的子程序，伪随机波生成器(2)由反相器(21)、电平移位器(22)(22’)、与门(23)(23’)组成，其中反相器(21)和电平移位器(22)的输入端⑦和⑩接微机系统(1)中的计数器脚⑩，反相器(21)的输出端⑥与电平移位器(22’)的输入端③连接，与门23、(23’)的一个输入端⑥和②分别与电平移位器(22)和(22’)的输出端和④连接，其另一个输入端⑤和①与微机系统(1)中的单片机脚④连接，其输出端④和③分别接放大器(3)的栅极(G1)和(G2)。
3.根据权利要求2的测距仪，其特征在于微机系统(1)的程序存贮器ROM中含有一个能产生伪随机数列的子程序，伪随机波生成器(2)由反相器(21)、电平移位器(22)(22’)、与门(23)(23’)组成，其中反相器(21)和电平移位器(22)的输入端⑦和⑩接微机系统(1)中的计数器脚⑩，反相器(21)的输出端⑥与电平移位器(22’)的输入端③连接，与门23、(23’)的一个输入端⑥和②分别与电平移位器(22)和(22’)的输出端和④连接，其另一个输入端⑤和①与微机系统(1)中的单片机脚④连接，其输出端④和③分别接放大器(3)的栅极(G1)和(G2)。
全文摘要
一种伪随机超声波测距的方法及其测距仪，其特征是所发射和接收的超声波皆为伪随机超声波，发射装置由微机系统1、伪随机波生成器2、放大器3、发射换能器F构成，该微机系统1中必须含有一个能产生伪随机数列的子程序，伪随机波生成器2由反相器21、电平移位器22和22′、与门23和23′组成。同现有技术比较，其优点是能彻底清除环境杂波的影响，所发射的伪随机超声波其伪随机脉冲序列长度和脉冲宽度是可变的，因此提高了仪器的抗干扰能力、探测能力和距离分辨能力。
文档编号G01S15/00GK1129322SQ9511153
公开日1996年8月21日 申请日期1995年2月17日 优先权日1995年2月17日
发明者鲁智, 鲁思宁 申请人:鲁智