D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.02.060 第27卷第2期 北京科技大学学。报 VoL.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 连续窄带调频超声波测距方法 李希胜吴并臻尤佳舒雄鹰 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要传统的连续调频超声波系统尽管具有平均输出功率高的优点，却需要使用宽带超 声波传感器.本文提出了一种连续窄带调领的超声波测距方法，此方法的一个重要特点是， 通过窄带调频技术，可用普通的超声波传感器取代宽带超声波传感器应用于传统的连续调 频超声波系统中， 关键词连续波；超声波；传感器；测距 分类号TH822;TB559 超声波传感器是靠超声波的特性进行自动1传统的连续调频超声测距系统 检测的.现在，超声波已广泛应用于无损探伤、物 位测量、测厚、测距等领域". 在传统的连续调频超声测距系统中，通常在 通常情况下，超声波测距传感器工作在脉冲 每个重复周期内频率变化是线性的，这种方式便 一回波方式，或连续调频方式列.脉冲一回波式 于后续信号处理. 超声测距系统简单，易于实现.在脉冲一回波式 假定由连续调频超声测距系统发出的信号 系统中，最大的限制因素是其平均发射功率正比 为： 于脉冲宽度.当为了提高测距分辨率而减小超声 Sr()=expG2πfit)exp(-j2πbt),0≤t≤T(1) 波脉冲宽度时，其平均发射功率随之减小.与此 其中，T为重复周期，石是发出的超声波信号的最 同时，为了允许窄脉冲通过，信号处理回路的带 高频率，b是决定频率变化速率的一个常数， 通滤波器的带宽必须加大，从而造成总噪声增 那么，经位于距离D处的物体反射后，接收 加.连续调频式超声测距系统的平均发射功率高 到的回波为： 于脉冲一回波式超声测距系统.在连续调频式超 l0=as0-20ye+7-22,0ssr) 声测距系统中，带通滤波器的品质因数Q可以设 其中，α是一个与介质衰减等因素有关的系数，c 计得较高，从而使总噪声低于脉冲一回波式超声 是介质中的声速， 测距系统.总体来说，通常情况下连续调频式超 对信号进行解调处理以获取相关的距离信 声测距系统的信噪比高于脉冲一回波式超声测 息.首先将信号与信号相乘，然后将得到的信号 距系统.然而，在连续调频式超声测距系统中，超 进行低通滤波，从而有 声波的发射和接收都是连续进行的，因而该系统 S)-aexp[-j2x(T-2D)bi),0st<2D (3) 需要两个超声传感器.这是连续调频超声测距系 统的一大限制. S0=aep(-220.22s1<T④ 本文提出了一种连续窄带调频超声波测距 从式（④）可以看出，位于距离D处的单个目标 方法，它区别于脉冲-回波式超声测距方法和传 产生一个单频的信号，其频率22心正比于距离. 统的连续调频法超声测距方法， 将这个单频信号输入频谱分析仪，那么就会得到 信号S)的频谱： 收稿日期：2004-10-13修回日期：200502-10 作者简介：李希胜(1969一)，男，副教授，博士 s()=aof-2Db (5)第 2 7 卷 第 2 期 2 0 05 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e r s iyt o f s e i e n e e a n d eT e h n o l o yg B e ij i n g 、乞 L 2 7 Nb . 2 A P r. 2 0 05 连续窄带调 频超声波测 距方法 李希胜 吴 并臻 尤 佳 舒雄 鹰 北 京科 技大 学信 息工程 学 院 , 北 京 1 0 0 0 8 3 摘 要 传 统 的连 续调 频超 声波 系统 尽 管具有 平 均输 出功 率 高的优 点 , 却 需要使 用 宽带 超 声波 传感 器 . 本 文提 出 了一种 连 续窄 带调 频 的超声 波测 距 方法 . 此方 法 的一 个重 要特 点 是 , 通过 窄带 调频 技术 , 可 用普 通 的超 声波 传感 器取 代 宽带 超声 波传 感器 应用 于传统 的连 续 调 频超 声波 系统 中 . 关键 词 连 续波 ; 超 声波 ; 传 感器 ; 测距 分 类号 T H 8 2 2 : T B 5 5 9 超 声 波传 感器 是靠 超 声波 的特 性 进 行 自动 检测 的 . 现在 , 超声 波 己 广泛 应用 于无 损探 伤 、 物 位 测量 、 测厚 、 测距 等 领 域`叫 . 通 常 情 况下 , 超 声 波 测距 传感 器工 作 在脉 冲 一 回波 方 式『l] , 或连 续 调频 方 式 `划 . 脉冲 一 回波 式 超 声测 距系 统 简 单 , 易于 实现 . 在脉 冲 一 回波 式 系统 中 , 最大 的限制 因素 是 其平 均发 射功 率 正 比 于脉 冲 宽度 . 当为 了提 高测 距分 辨率 而减 小超 声 波脉 冲 宽度 时 , 其平 均 发射 功 率 随之 减 小 . 与此 同 时 , 为 了允 许 窄脉 冲 通 过 , 信 号 处理 回 路 的带 通 滤波 器 的带 宽 必 须加 大 , 从 而 造 成 总 噪 声增 加 . 连 续调 频式 超 声测距 系 统 的平均 发射 功 率高 于脉 冲 一 回波 式超 声 测距 系 统 . 在 连续 调 频 式超 声测 距 系 统 中 , 带通 滤 波器 的品 质因数 Q 可 以设 计得 较 高 , 从 而 使总 噪声 低 于脉 冲 一 回波 式超 声 测 距 系 统 . 总体来说 , 通 常情 况 下连 续 调 频式 超 声 测距 系统 的信 噪 比 高 于 脉 冲 一 回波 式 超 声 测 距 系 统 . 然而 , 在 连续 调频 式 超声 测距 系统 中 , 超 声波 的发 射和 接 收都 是连 续进 行 的 , 因而 该 系统 需要 两个超声 传 感器 . 这 是连 续 调频超 声 测距 系 统 的一 大 限制 . 本 文 提 出 了一 种 连 续 窄 带 调 频 超 声 波 测 距 方法 , 它 区 别 于 脉冲 一回 波式 超 声测 距 方 法和 传 统 的连 续调 频 法超 声 测 距方 法 . 1 传 统 的 连 续 调 频 超 声 测 距 系统 在传 统 的连 续 调频超 声 测距 系 统 中 , 通 常在 每 个重 复周 期 内频 率变 化 是线 性 的 . 这种 方 式便 于后 续 信 号处 理 . 假 定 由连 续 调 频 超 声 测 距 系 统 发 出 的信 号 为 : 从 ()t = e xP 勺2匹石 〕 )t e xP ( 一 j Z二 b产) , 0 ` t ` T ( l ) 其 中 , T 为重 复周 期 , 儿 是发 出 的超 声波 信 号 的最 高频 率 , b 是决 定 频 率变 化 速 率 的一 个 常 数 . 那 么 , 经 位 于距 离 D 处 的物 体 反 射后 , 接 收 到 的 回波 为 : 。 , 入 。 , ZD 、 山 R气)t 二 仅 O T 甘 一 — ) C + asr +(t -T 卫) , o 夕叮 (2) 其 中 , a 是一 个 与 介质 衰 减等 因素 有 关 的系 数 , c 是 介 质 中 的声 速 . 对 信 号进 行 解 调 处 理 以获 取 相 关 的 距 离 信 息 . 首 先 将信 号 与信 号相 乘 , 然后 将 得 到 的信 号 进 行 低 通滤 波 , 从 而有 八、、声./ j4 s( )t 了、了. 一 。 。 x p [ 一 j Z二 (升兰)。t ] , o ` t < 兰 。 , J 、 , . , Z D , 、 ZD _ _ ~ 山气U = 仅 e X P L一1乙兀 — 一D了) , — 5 了吸 1 一 一 C 一 C 从 式 (4 ) 可 以看 出 , 位 于距 离 D 处 的单 个 目标 产 生一 个单 频 的信 号 , 其 频 率 2夕叠 C 正 比 于距 离 . 收稿 日期 : 2 0 0午l 于13 修 回 日期 : 2 0 0 5一-2 10 作 者简 介 : 李希胜 ( 19 6 9一) , 男 , 副 教授 , 博 士 将 这 个单 频信 号 输入 频谱分 析 仪 , 那 么就 会得 到 信 号 (S t) 的频 谱 : 、 八 。 了 。 ZD b ` , 了 ) = a 口叮 一 - 石 ( 5 ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 060