Vol.27 No.2 李希胜等：连续窄带调频超声波测距方法 ·251· 根据该信号频谱，即可确定传感器与目标之 文中未将其考虑在内， 间的距离. 连续调频超声测距系统最明显的优点是该 3实验 系统的占空因数为100%，因而具有较高的平均 连续窄带调频超声测距系统电路框图如图1 功率.而无须像脉冲方式一样，因仅在部分时间 所示.本系统采用两个特征频率为200kHz的压 段发送信号，要提高其平均功率，必须发送瞬时 电超声传感器（型号MA200A1,制造商为村田制 功率大的脉冲信号四.在连续调频超声测距系统 作所)作为发射一接收传感器对.低频正弦波信 中，距离测量的分辨率取决于频谱的分辨率和超 号发生器的输出频率设定为500Hz.频率调制是 声信号的带宽，因而发送及接收传感器都需要使 用CMOS集成电路MC14046BCP(一种数字锁相 用宽带超声传感器.然而，通常这种宽带超声传 环路集成电路)的压控振荡器VCO)实现的.作为 感器市场上并不多见且价格昂贵. 数字锁相环路集成电路，MC14046BCP被广泛应 2连续窄带调频超声测距系统 用于频率解调、移相控制等).将压控振荡器的 输出经低通滤波（滤除无效的谐波成分）功率放 在连续窄带调频超声测距系统中，选取超声 大后提供给超声波发射传感器.超声波接收传感 波传感器的特征频率作为调频信号的载波频率， 器的输出经放大后进行解调处理，解调处理也使 用一低频正弦波信号对其实施调制作用.该低频 用了集成电路MC14046BCP.将解调后的信号与 正弦波数据信号为 原始的低频正弦波数据信号进行相位比较，其相 Sr(t)=Aocos(2πfnt) (6) 位差即包含了距离信息， 其中，是调制频率，连续窄带调频超声测距系 统发送的超声信号： 发射传感器 功放 调制器 正弦波发生器 S:)=expj2m6t+Afsin(2元f】 7) 相差输出 接收传感器 放大器 解调器BPF 检测器 其中，6是载波频率，△f是频率调制量峰值. 从位于距离D处的物体反射回来的回波为 图1连续窄带调频超声测距系统电路框图 s0=s--2D) Fig.I Block diagram of the electric circuit used in an ultrasonic c (8) ranging system based on continuous wave narrow bandwidth fre- 使用锁相环路(PL)调频波解调器对信号 quency modulation S(t)进行解调，并使用四阶带通滤波器(BPF)对 采用以上系统，在空气中进行了测距实验. 锁相环路调频波解调器的输出进行滤波以滤除 实验中将反射板正对超声波发射一接收传感器 无用噪声，解调后的信号为 2D 对放置，并前后移动反射板.测量数据如图2所 Sua()=Bcos[2if () (9) 示，在距离为5cm时调整输出调零电路使系统输 其中B是一个与△f及调频波解调器灵敏度有关的 常数.将该解调输出信号与参考信号（原低频调 2 1.8 制数据信号)进行比较，可以得到其相位差： 1.6 △m-=222-42 >1.4 (10) 日1.2 其中，无是数据信号的等效被长. 1 版0.8 如果将超声波发送传感器发送的调频超声 0.6 波信号作为参考信号，那么接收到的超声波信号 0.4 0.2 与参考信号之间的相位差为： 0 5 10 15 20 25 A0=262D+ 距离/cm c 2mA(sin(x/--sinl2x/.(-P)l) (11) 图2采用连续窄带调频超声测距系统的测距实验结果 Fig.2 Distance measurement results by using an ultrasonic ran- 该相位差可作为距离测量的细分尺度，但因为该 ging system based on continuous wave narrow bandwidth fre- 相位差的计算需要通过数字信号处理来实现，本 quency modulationM〕 1 . 2 7 N 0 . 2 李 希胜 等 : 连续 窄带 调频 超声 波 测距方 法 根 据该 信 号频 谱 , 即可 确定 传感 器 与 目标 之 间的距 离 . 连 续 调 频 超 声 测 距 系 统 最 明 显 的 优 点 是 该 系 统 的 占空 因数 为 10 0% , 因而具 有 较 高 的平 均 功 率 . 而 无 须像 脉 冲 方式 一 样 , 因仅 在 部分 时 间 段 发送 信 号 , 要 提 高其 平 均 功率 , 必 须 发送 瞬 时 功 率 大 的脉 冲信 号 【21 . 在连 续 调频 超 声 测距 系 统 中 , 距 离测 量 的分 辨率 取 决于 频谱 的分 辨 率和 超 声信号 的带 宽 , 因而发 送及 接 收传 感器 都 需要 使 用 宽 带超 声 传感 器 . 然而 , 通 常这 种 宽 带超 声 传 感 器 市场 上 并不 多 见且 价 格 昂贵 「3] . 文 中未将 其 考虑 在 内 . 2 连 续 窄 带 调 频 超 声 测 距 系 统 在连 续 窄 带调 频超 声 测距 系 统 中 , 选取 超 声 波 传感 器 的特 征频 率作 为调 频信 号 的载 波频 率 , 用 一低 频正 弦波 信 号对 其实 施 调制 作用 . 该低 频 正 弦波 数 据信 号 为 凡 T ()t = A o e o s ( 2兀 ` 几)t ( 6 ) 其 中 , 无 是调 制 频 率 . 连续 窄 带调 频 超 声测 距 系 统 发 送 的超 声信 号 : 从( )t 一 p口2 、 详 S` · ( 2 、 )t 〕 ( 7 , 其 中满 是载 波 频率 酒厂是 频 率调 制 量 峰值 . 从 位 于距 离 D 处 的物 体 反射 回 来 的 回波 为 3 实 验 连 续窄 带调 频超 声测 距 系统 电路 框 图如 图 1 所 示 . 本 系 统采 用 两个 特 征频 率 为 2 0 妞 z 的压 电超 声传 感器 (型号 M A 2 0 A I , 制 造 商 为村 田制 作 所 ) 作 为发 射 一 接 收传 感 器对 . 低 频 正弦 波信 号 发 生器 的输 出频 率 设定 为 50 H z . 频 率调 制是 用 C MO S 集 成 电路 M C 1 4 04 6B C P ( 一 种数 字 锁相 环 路集 成 电路 ) 的压控 振 荡器 V( C O) 实现 的 . 作 为 数 字 锁相 环 路集 成 电路 , M 1C 4 o 46 B C P 被 广 泛应 用 于 频率 解 调 、 移 相 控制 等 〔洲 . 将 压控 振 荡 器 的 输 出经低 通 滤波 ( 滤 除无 效 的谐 波成 分 ) 、 功 率放 大 后提 供给 超 声波 发射 传感 器 . 超 声波 接收 传感 器 的输 出经 放 大后 进行 解 调处 理 , 解 调 处理 也使 用 了集 成 电路 M C 14 0 4 6B C .P 将解 调后 的信 号与 原 始 的低频 正 弦波 数据信 号 进行 相位 比较 , 其相 位 差 即包 含 了距 离 信 息 . 发射传感器 卜一月 功放 卜~ 月 调 制器 卜洲叫 正 弦波发生器 接收传感器 卜) }放大器 卜争 解调 器 曰 B P F 相差 检测器 、 (。 一 asr (t 一 份 ( 8 ) 2 厂0h 421 八0`U …… 1 ,1. 1nU1 ǎU 使 用锁 相环 路 (P L )L 调 频 波解 调 器 对 信 号 凡 ()t 进 行 解调 , 并 使用 四阶 带通 滤 波器 (B P )F 对 锁 相 环 路 调频 波 解 调 器 的输 出进 行 滤 波 以滤 除 无用 噪 声 . 解调 后 的信 号为 、 · ( )t 一刀c o s 仁2 、 (卜誓 ): (9 ) 其 中刀是 一个 与八才及调频 波 解调 器灵 敏度 有 关 的 常数 . 将 该解 调输 出信 号 与参 考信 号 ( 原 低频 调 制数 据信 号 )进 行 比较 , 可 以得 到 其相 位 差 : 图 1 连续 窄带 调 频 超声测 距 系统 电 路框 图 F ig . 1 B l o e k d i a g r a m o f th e e le c tir c e icr u i t u s e d i n a n u l t r a s o n i c r a n g i n g s y s t e m b a s e d o n e o n t i n u o u s w a v e n a r or w b a n d w i d th fr e - q u e n e y m o d u l a it o n 采 用 以上 系 统 , 在 空气 中进 行 了测 距 实验 . 实 验 中将 反 射 板 正 对 超 声 波 发 射 一 接 收传 感 器 对 放 置 , 并 前后 移 动 反射 板 . 测 量 数据 如 图 2 所 示 , 在距 离 为 s c m 时 调整 输 出调零 电路 使系 统输 “ 习潺编眼李\ , 一 2昧孕 - D 斗兀 , 不一 几 m ( 1 0 ) 其 中 , 瓜 一 贡 是 数据 信 号 的 等效 波 长 · 如果 将 超 声 波 发送 传 感 器 发 送 的调 频 超 声 波信 号作 为 参考 信号 , 那 么 接收 到 的超 声波 信号 与参 考 信 号之 间 的相 位 差 为 : △必 。 一 2兀 ` 塑 + 2二 、 { s i n ( 2 、 )t 一 s i n 〔2 、 (卜 誉 〕} ( 11) 该相 位 差可 作 为距 离测 量 的细 分尺度 . 但 因为 该 相位 差 的计 算 需要 通过 数字 信 号处 理来 实现 , 本 0 . 4 U 2 0 比二 es se ~ 一 - - - - - - ` - - - 5 10 1 5 2 0 2 5 距 离/ e m 图 2 采用 连续 窄带 调 频超 声测 距系 统 的测 距实 验结 果 F ig . Z D 她t a n “ m e a s u r e m e n t r es u lst by u s iu g a n u ltr a s o icn r a -u g i n g s y s t e m b a s e d o n e o n it n u o u s w a v e n a r r o w b a n d w i d th fer - q u e n e y m o d u l a ti o n . . 目口