專利名稱：偽隨機超聲波測距的方法及其測距儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用超聲波的反射測量距離的系統，特別涉及一種偽隨機超聲波測距的方法及其偽隨機超聲波測距儀。超聲測距或脈沖雷達測距都是以方形包絡脈沖調制波作為已調波，通過發射換能器向被測目標發射，其反射波由接收換能器接收，根據超聲波自發射換能器發射至被測目標往返一次所需的周期時間，確定目標的距離。為精確測定距離，要求超聲波測量的分辨率要高，周期時間測量精確度高；為實現遠距離測距，要求探測能力強；同時還要求測量準確度高，徹底消除雜波干擾的影響，實現去偽存真。
為提高超聲波測距儀的綜合性能，人們提出了許多改進方案，研制出性能較好的測距儀，但至今尚未取得突破性的進展，在提高其綜合性能指標方面總是顧此失彼，結果尚不理想。
如在超聲測距和測位技術處于領先位置的Milltronics、Endress+Hauser、Kistler-Morse等三家美國公司，于1994年10月在美國加州洛杉磯市舉辦的ISA/94國際展覽會所展出的最新產品，分別為AirangreIVFdu-85和SC5-200，依然是通過降低超聲波頻率到音頻范圍，提高超聲波換能器的工作電壓到800伏以上，加大換能器的尺寸，提高換能器的接收靈敏度等技術措施，使測距范圍等指標有較大提高，由于在關鍵技術上未能取得重大突破，制約了綜合性能指標更大幅度的提高。
日本專利JP62—235587公開了一種脈沖雷達的設計方案，該方案采用低電位門限電平，在接收裝置中采用兩個并行的檢波回路，作為主回路的包絡檢波回路在低電位門限時，能盡早地檢測出回波到來的時刻，該包絡檢波回路沒有時間延遲現象；作為輔助回路的同步檢波回路只有檢出信號時才有輸出，否則沒有輸出，此同步檢波回路有時間延遲現象。將兩種檢波結果分別輸入微機，當兩種檢波都有輸出時，微機才認定主回路的包絡檢波信號到來的時刻值，而不會將雜波到來的時刻值錯認為是回波信號到來的時刻值。該方案降低了門限電平，提高了測距的準確度，但仍然有門限電平存在，而不能精確測量出回波到來的真正時刻，測量誤差仍然較大，能夠檢測到的目標距離也相當有限。
日本專利JP60—27875提供一種雙脈沖測距方案，采用兩個脈沖發生器，其中一個產生寬脈沖調制波，另一個產生窄脈沖調制波，然后用加法器將寬窄兩種脈沖合成為更寬的脈沖用于發射；在接收電路中設置一個分配器，將合成脈沖重新分解為原來重復周期的寬脈沖和窄脈沖，并分別進行檢波。該方案對近距離和遠距離目標測量作了比較合適的信號處理，改善了近距離測量時的分辨能力和增強了遠距離測量時的探測能力。該方案的缺陷是測量誤差較大，在接收回路中，經過包絡檢波后的信號，其波形上升前沿變緩，于是很難確定回波到來的準確時刻；為此在比較電路中設置一個具有一定電位值的門限電平，用于消除雜波影響，但由于門限電平存在，必然切去信號波形上升前沿的一部分，由此造成測量誤差。若門限電平的電位值過小，則會將雜波信息誤認為是回波信號，而造成更大的測量誤差。
中國專利CN93117109.1提供了一種超聲波測距方法及裝置，該方案的特征是其發射波采用一組具有時序特征的脈沖波，微機只對具有該時序特征的回波信號選通。該方案突破了已有技術所必須依據的一個前提條件，即被測的回波信號必須大于環境噪聲產生的雜波信息，不必用比較電路中設置門限電平的方法來消除低于門限的噪聲而提取高于門限的信號。因此用該方案制成的超聲波測距裝置其性能技術指標達到了前所未有的高度，但是該方案所設計的時序特征脈沖不能普適于具有復雜環境噪聲的所有應用場合，其應用的領域仍受到限制。
本發明的目的在于提供一種偽隨機超聲波測距的方法及其測距儀，發射換能器和接收換能器所發射和接收的超聲波是一種偽隨機脈沖超聲波，微機系統只對具有該次偽隨機特征的信號識別提取，從而徹底清除環境雜波的影響，使超聲波測距的探測能力、分辨能力、準確度等綜合性能指標獲得最大限度的提高。
實現本發明目的采取以下技術措施1、在微機系統的程序存貯器ROM中設有一個能產生偽隨機數列的子程序，該子程序產生偽隨機控制信號；在偽隨機波發生器中生成偽隨機信號波，該信號波經放大后激勵超聲波發射換能器向目標發射偽隨機超聲波。
2、來自被測目標的回波，經放大、檢波、整形后送至微機系統的單片機，并存入數據存貯器RAM中，微機系統按程序存貯器ROM中的程序與該次所發射的偽隨機數列特征進行信息的篩選，提取出來的信號由單片機進行數據處理并送至距離顯示器顯示。
3、將發射裝置原有的載波發生器、脈沖調制波發生器、調制器采用一個結構簡單的偽隨機波生成器替代，使測距儀結構簡化。
圖1為本發明的偽隨機超聲波測距儀的結構示意圖。
圖2為偽隨機波生成器的線路圖。
圖3為微機系統的主程序流程圖。
圖4為信號中斷服務程序流程圖。
圖5為實施例實測時產生的偽隨機波波形圖。
以下結合
，詳細敘述本發明的具體內容。
一種偽隨機超聲波測距的方法，其特征是所發射和接收的超聲波皆為偽隨機超聲波，該偽隨機超聲波由含有一個能產生偽隨機數列的子程序的微機系統控制的偽隨機波生成器生成，經過放大，由發射換能器發射。
一種偽隨機超聲波測距儀，包括由單片機、程序存貯器ROM、數據存貯器RAM、鎖存器、計數器、譯碼器構成的微機系統1，偽隨機波生成器2，放大器3，發射換能器F，接收換能器F’，放大器4，檢波器5，整形器6，計時器7，距離顯示器8，其中由微機系統1、偽隨機波生成器2、放大器3、發射換能器F構成發射裝置，由接收換能器F’、放大器4、檢波器5、整形器6構成接收裝置，其特征是微機系統1中必須含有一個能產生偽隨機數列的子程序，偽隨機波生成器2由反相器21、電平移位器22和22’、與門23和23’組成，其中反相器21和電平移位器2 2的輸入端⑦和⑩接微機系統1中的計數器腳⑩，反相器21的輸出端⑥與電平移位器22’的輸入端③連接，與門23、23’的一個輸入端⑥和②分別與電平移位器22、22’的輸出端和④連接，其另一個輸入端⑤和①與微機系統1中的單片機腳④連接，其輸出端④和③分別接放大器3的柵極G1和G2。
該偽隨機超聲波測距儀，其特征還在于微機系統1的程序存貯器ROM中含有一個能產生偽隨機數列的子程序，偽隨機波生成器2由反相器21、電半移位器22和22’、與門23和23’組成，其中反相器21和電平移位器22的輸入端⑦和⑩接微機系統1中的計數器腳⑩，反相器21的輸出端⑥與電平移位器22 ’的輸入端③連接，與門23、23’的一個輸入端⑥和②分別與電平移位器22、22’的輸出端和④連接，其另一個輸入端⑤和①與微機系統1中的單片機腳④連接，其輸出端④和③分別接放大器3的柵極G1和G2。
發射換能器F、接收回路、距離顯示器8用常規方式連接，其中整形器6的輸出端接單片機腳，距離顯示器8與單片機腳連接。
微機系統1產生頻率為f的載波電信號通過電平移位器22和反相器21、電平移位器22’而形成相位相反的電信號分別送至與門23和23’的一個輸入端，與門23、23’的另一個輸入端接收來自單片機的偽隨機控制信號，以控制與門23、23’的通斷時刻和通斷時間的長短。
微機系統產生的載波信號，其頻率f是可調的，改變超聲波換能器激勵頻率，即改變了超聲波的發射能量，當該頻率f與換能器諧振頻率相同時，則換能器發射的超聲波能量最大，由此提高了深測能力；當激勵頻率f逐漸遠離換能器的諧振頻率時，換能器發射的超聲波能量隨之變小，這是提高近距離測量的分辨能力和減小盲區的措施之一。
圖3為微機系統1的主程序流程圖，微機完成初始化(P1)后執行偽隨機碼生成程序(P2)，產生本次測量的偽隨機碼，同時將該碼存入在數據存貯器RAM中，并向偽隨機波生成器2發出控制信號，發射偽隨機超聲波脈沖，啟動計時器7(P3)，開啟接收電路，接收回波信號，將接收信息存入數據存貯器RAM中(P4)，檢索RAM中的接收信息數據并與已存入的本次發射所使用的偽隨機碼進行比較，以完成回波信號的識別提取(P5)，同時進行是否有回波信號的選通判斷，如果有回波信號，則關閉接收電路(P6)，計算所測目標的距離(P7)，完成測距顯示(P8)；若進行連續測量，則回到初始狀態，開始另一次的測量，否則程序結束。如果選通判斷沒有回波信號，則進行是否達到原設定的測量周期的判斷，若已達到測量周期，則關閉接收電路(P6)，程序回到初始位置，又產生新的偽隨機碼，進行下一次測量。
圖4為信號中斷服務程序流程圖，微機系統在開啟與關閉接收電路之間允許信號中斷，即在此期間當有回波或噪聲信息進入微機系統時，微機系統便中斷主程序而自動轉入信號服務中斷程序，即檢索數據存貯器RAM中的數據提取信號，消除噪聲(P5-1)，并將處理后的信號存入數據存貯器RAM中(P5-2)，然后返回到主程序中斷點處，繼續執行主程序。
同現有技術比較、本發明具有如下突出的優點1、由于微機系統能依據每次發射的偽隨機信號特征來識別回波信號，清除噪聲，這種依據偽隨機碼特征來提取信號的方法，不受環境噪聲強度的限制，即使信號淹沒在環境噪聲中也能有效地將信號提取出來，因此極大地提高了抗干擾能力。而現有技術是設置門限電平來攔阻噪聲的，門限電平在攔阻噪聲的同時，也攔阻了遠距離的微弱回波信號，因而大大地限制了超聲波測距儀的探測能力，同時還由于回波信號波形的前后沿變得非常平緩，而無法準確地確定回波到來的真正時刻。因此本偽隨機超聲波測距儀的探測能力，抗干擾能力，分辨能力，精確度等綜合技術生能指標都得到了最大限度的提高。本發明與現有采用時序特征的方案相比，具有更強的抗任何復雜環境噪聲的能力，因此本發明應用的領域更為廣泛。
2、本偽隨機超聲波測距儀所發射的偽隨機脈沖序列長度和脈沖寬度是可變的，因此在進行長距離測量時有很大的探測能力和十分理想的抗環境噪聲能力。由于在偽隨機超聲波測距儀中無需靠設置門限電平攔阻環境噪音，因而充分利用了超聲測距脈沖的能量，又能測量出比環境噪聲更微弱的回波信號，使探測能力又進一步提高，因而所達到的測距指標是現有技術無法與之相比的。本偽隨機超聲波測距儀具有足夠高的抗干擾能力，能消除任何場合下的環境噪聲的影響，徹底擺脫環境噪聲造成的困擾，將超聲波應用技術推到一個嶄新的境界。
3、在近距離測量時，偽隨機超聲波測距儀則發射短序列、窄脈寬和遠離換能器諧振頻率的偽隨機信號，這些信號參數都對近距測量的分辨能力和減小盲區作出貢獻，這也是現有技術難以達到的。
實施例一種偽隨機超聲波測距的方法及其測距儀，采用如圖1、圖2所示的結構，單片機采用8032，程序存貯器ROM采用2764，數據存貯器RAM采用6264，鎖存器采用74373，計數器采用8253，譯碼器采用74138；偽隨機波生成器2中的反相器21采用4049，電平移位器22和22’采用40109，與門23和23’采用4081；放大器3電路中包含兩個VMOS管IRF450，發射換能器F兼作接收換能器F’。
在超聲波頻率為30KC/秒，換能器工作電壓為350伏，換能器接收面積其直徑為Φ140mm的條件下，實測結果在空氣中作5米目標測距時，分辨率為0.04％，誤差≤±0.8cm；作遠距離測距時，目標距離為120米，精度為0.15％，最大測量距離為150米。
圖5為本實施例中用來測近距離目標及遠距離目標時，由微機系統控制產生的一種偽隨機超聲波脈沖波形圖。
圖中A1是發射換能器發射的偽隨機超聲波脈沖波形圖，圖中給出了技術參數。t為時間，V為振幅，t。為起始時刻。A2是接收的回波及噪聲經放大、檢波后的波形圖，圖中S1～S8為信號，N為雜波。
A3是整形器輸出的波形圖。
A4是經微機系統按所發射的偽隨機波脈沖的檢索選通后的回波信號脈沖前沿的時間數據圖。
其中信號S1～S4是頻率為f＝60kc/秒的高頻超聲波，其脈沖寬度為0.1ms，脈沖間隔分別2ms、3ms、2ms、15ms，本組脈沖用來測近距目標，為提高測距的分辨能力和減小盲區而設計的；信號S5～S8是在超聲波換能器的諧振頻率f＝30kc/秒條件下工作的，因此脈沖幅值高，同時脈沖寬度也寬，分別為0.7ms、0.8ms、0.8ms、0.7ms，其目的是提高遠距離的探測能力。
信號S1～S8都是偽隨機脈沖，但微機系統只對S1～S4組和S5～S8組分別提取信號。如果被測目標在很遠處，則高頻、窄脈寬的S1～S4組信號已衰減完，而能夠返回的脈沖回波信號只有S5～S8；被測目標位于近距離處時，雖然S1～S4和S5～S8回波都返回，但由于S1～S4具有高分辨能力，因此微機系統只依據S1～S4信號計算其距離值。
權利要求
1.一種偽隨機超聲波測距的方法，其特征在于所發射和接收的超聲波皆為偽隨機超聲波，該偽隨機超聲波由含有一個能產生偽隨機數列的子程序的微機系統控制的偽隨機波生成器產生，經過放大，由發射換能器發射。
2.一種實施權利要求1所述方法的偽隨機超聲波測距儀，包括由單片機、程序存貯器ROM、數據存貯器RAM、鎖存器、計數器、譯碼器構成的微機系統(1)，偽隨機波生成器(2)，放大器(3)，發射換能器(F)，接收換能器(F’)，放大器(4)，檢波器(5)，整形器(6)，計時器(7)，距離顯示器(8)，其中由微機系統(1)、偽隨機波生成器(2)、放大器(3)、發射換能器(F)構成發射裝置，由接收換能器(F’)、放大器(4)、檢波器(5)、整形器(6)構成接收裝置，其特征在于微機系統(1)中必須含有一個能產生偽隨機數列的子程序，偽隨機波生成器(2)由反相器(21)、電平移位器(22)(22’)、與門(23)(23’)組成，其中反相器(21)和電平移位器(22)的輸入端⑦和⑩接微機系統(1)中的計數器腳⑩，反相器(21)的輸出端⑥與電平移位器(22’)的輸入端③連接，與門23、(23’)的一個輸入端⑥和②分別與電平移位器(22)和(22’)的輸出端和④連接，其另一個輸入端⑤和①與微機系統(1)中的單片機腳④連接，其輸出端④和③分別接放大器(3)的柵極(G1)和(G2)。
3.根據權利要求2的測距儀，其特征在于微機系統(1)的程序存貯器ROM中含有一個能產生偽隨機數列的子程序，偽隨機波生成器(2)由反相器(21)、電平移位器(22)(22’)、與門(23)(23’)組成，其中反相器(21)和電平移位器(22)的輸入端⑦和⑩接微機系統(1)中的計數器腳⑩，反相器(21)的輸出端⑥與電平移位器(22’)的輸入端③連接，與門23、(23’)的一個輸入端⑥和②分別與電平移位器(22)和(22’)的輸出端和④連接，其另一個輸入端⑤和①與微機系統(1)中的單片機腳④連接，其輸出端④和③分別接放大器(3)的柵極(G1)和(G2)。
全文摘要
一種偽隨機超聲波測距的方法及其測距儀，其特征是所發射和接收的超聲波皆為偽隨機超聲波，發射裝置由微機系統1、偽隨機波生成器2、放大器3、發射換能器F構成，該微機系統1中必須含有一個能產生偽隨機數列的子程序，偽隨機波生成器2由反相器21、電平移位器22和22′、與門23和23′組成。同現有技術比較，其優點是能徹底清除環境雜波的影響，所發射的偽隨機超聲波其偽隨機脈沖序列長度和脈沖寬度是可變的，因此提高了儀器的抗干擾能力、探測能力和距離分辨能力。
文檔編號G01S15/00GK1129322SQ9511153
公開日1996年8月21日 申請日期1995年2月17日 優先權日1995年2月17日
發明者魯智, 魯思寧 申請人:魯智
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