《高精度实时超声测距技术研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高精度实时超声测距技术研究（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、国防科学技术大学 硕士学位论文 高精度实时超声测距技术研究 姓名：隋卫平 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：王跃科 20031101 国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文围绕在恶劣环境下如何实现高精度超声实时测距这一主题， 对超声钡 d 距系统的 系统结构以及测距算法进行了研究和探讨。 文章首先研究了超声换能器的工作机理， 通过理论推导并与实验相结合，设计了一 种适合中小功率换能器的驱动电源; 研究了超声波在空气中传播的衰减特性， 设计了自 动增益控制电路， 扩大了超声信号处理的动态范围和处理精度; 采用系统级芯片搭建了 一套超声测距系统的硬件平台;通过实验验证，
2、系统具有较强的噪声抑制能力，可以在 一定程度上扩展超声换能器的作用距离。 其次， 文章研究了传统的自 适应延时估计测距算法， 分析了算法性能上优点和缺点; 通过研究超声回波包络信号的一致性特点， 提出了基于回波包络的最小均方延时估计 算 法，并对算法进行了软件仿真，分析了算法的性能，最后进行了实际验证，理论分析和 实验结果相一致。 最后，文章讨论了自适应滤波器的收敛过程与滤波器权系数之间的关系，提出了一 种新的快速自 适应延时搜索算法， 并在搭建的超声测距实验系统上进行了验证，达到了 预期的目的。 关健词: 超声波，超声侧距， 超声换能卷， 自 适应滤波，信道均衡，最小均方延时估计 -一 一
3、一 -一一钾 一. 一一一一一一 第 i页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ABS TRACT P r o b e d i n t o t h e p r o b l e m o f h o w t o r e a l i z e r e a l- t i m e u l t r a s o n i c d i s t a n c e m e a s u r e m e n t w it h h i g h p r e c i s i o n u n d e r t h e b a d e n v i r o n m e n t , t h i s p a p e r d e s c r i
4、 b e s t h e c o m p o n e n t o f u lt r a s o n i c r a n g i n g s y s t e m a n d t h e t i m e d e l a y e s t i m a t e a l g o r i t h m F ir s t l y , t h e w o r k i n g m e c h a n i z a t i o n o f u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r i s s t u d i e d . A d r i v i n g c ir c u i t f
5、o r m e d i u m a n d l o w p o w e r t r a n s d u c e r s i s p r e s e n t e d b y a c c u r a t e d e r i v a t i o n . A c c o r d i n g t o t h e u l t r a s o n i c a t t e n u a t i o n c h a r a c t e r i s t ic , a u t o m a t i c g a i n c o n t r o l c i r c u i t i s d e s i g n e d . T
6、 h i s c ir c u i t c a n e x t e n d th e d y n a m i c r a n g e o f e c h o s i g n a l a n d i m p r o v e r a n g i n g p r e c i s i o n . B a s e d o n a s y s t e m - o n - a - c h i p m i c r o p r o c e s s o r , t h e h a r d w a r e p l a t f o r m o f u l t r a s o n ic r a n g i n g s
7、y s t e m i s s e t u p . E x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h i s s y s t e m c a n r e j e c t n o i s e s i g n a l s s t r o n g l y a n d i m p r o v e t h e r a n g e c o v e r a g e o f t r a n s d u c e r s t o a c e r t a i n e x t e n t . S e c o n d l y , c o n v e n t i o n a l r a
8、n g i n g a l g o r it h m o n a d a p t i v e t i m e d e la y e s t i m a t e i s s t u d i e d . T h e r e l a t i v e m e r i t s o f t h e a l g o r i t h m a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . A ft e r f i n d in g t h e c o n f o r m i t y c h a r a c t e r i s t i c o f e c h o e n v e
9、l o p e , t h e p a p e r p r e s e n t s a L MS T D E a l g o r i t h m b a s e d o n e c h o e n v e l o p e . C o m p u t e r s i m u l a t i o n o f t h i s a l g o r i t h m i s d o n e a n d p e r f o r m a n c e a n a ly s i s i s m a d e . T h e r e s u l t s o f a c t u a l e x p e r i m e
10、n t s a c c o r d w it h t h e t h e o r e t i c a n a l y s i s . F i n a l ly , t h e r e l a t i o n b e t w e e n c o n v e r g e n c e p r o c e d u r e o f a n a d a p t i v e f i l t e r a n d i t s w e i g h t c o e f f i c i e n t i s d i s c u s s e d . T h e n a n e w f a s t a l g o r it
11、 h m a b o u t a d a p t i v e t i m e d e l a y e s t i m a t e i s p r o p o s e d . I t i s p r o v e d t o b e e ff e c t i v e b y e x p e r i m e n t s o n t h e u lt r a s o n i c r a n g i n g s y s t e m . K e y w o r d s : U l t r a s o n i c , U l t r a s o n i c D i s t a n c e Me a s u
12、r e m e n t , U lt r a s o n i c t r a n s d u c e r , A d a p t i v e F i l t e r , C h a n n e l E q u a l i z a t i o n , L e a s t - Me a n - S q u a r e T i m e D e l a y E s t i ma t e 一一 -一一- 一一 一 一一 . . 一一 一-一 - 策1 1币 第页 独创性声明 Y 6 7 8 7 1 8 本人声明 所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的 研究工作及取得 的 研究 成果。 尽我所知， 除
13、了 文中 特别 加以 标注和致 谢的 地方外， 论文中 不 包含 其他人已 经发表和撰写过的 研究成果， 也不 包含为获得国防 科学技术大学或其它 教育 机构的 学位或证书而 使用过的 材料 与我一同 工作的同 志 对本 研究 所做的 任 何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目: 一 裔 崖 幽 垒 场 学 位论文 作者签 名:6 切 Y 叱 ; c 一 于 日 期 21 年/ 月 ， 7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了 解国防 科学 技术大学有关保留、 使用学位论文的规定。 本人授权 国防科学技术大学可以 保留 并向国家有关部门 或机构送交论文的复印 件和电子
14、文档， 允许论文被查阅和借阅;可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以 采用影印、 缩印 或扫 描等复制手段 保存、汇 编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书 ) 学位论文题目:敲妞 虽 旦 妙， 醚拟五4 1一一一 学位论文作者签名: 作者指导教师签名: 4 0 日期: 日期: 7 “,- 年 / 月/ ? 日 多 沪; 年t ! 月 H 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 肠 1 . 1 超声与超声的应用 我们生活的世界充满了各种可听的声信号。 在科学史上， 人们很久以前对声音信号 就有了认识，声学是最早发展的学科之一。 我国两千多年前的先秦时期，
15、 在乐律和乐器 的研究方面， 对声学的发展作出了重要的贡献。 在国外，1 9 世纪，声学己成为具有现代 意义的科学并发展到相当高的水平。 然而由于超声是人耳听不到的信号， 直到1 8 世纪， 人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自 然界中存在超声。 现代声学已经涵盖了从1 0 - - 1 0 H z 的频率范围，相当于从大约3 小时振动一次的 次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动，即跨越了 1 0 “ 量级的宽广频段。 频率高于人类听觉上限频率( 约 2 0 0 0 0 H z ) 的声波，称为超声波，或称超声。人们产 生超声的核心部件是超声传感器， 也即超声换能器， 它是一种既可以把电能
16、转化为声能、 又可以把声能转化为电能的装置。 超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1 8 8 3 年G a l t o n 首次制成超声气哨， 其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流， 吹动圆形刀口 振动形 成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。 山于这类换能器成本低， 所以 经过不断改进， 至今仍广泛地用于对流体媒质的超声处理 技术中。 2 0 世纪初， 电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各 种机电换能器。1 9 1 7 年，法国物理学家朗之万 ( P a u l L a n g e v i n )用天然压电石英制成 了夹心式超声换能器， 并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超 声应用的不断发展， 又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动 型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。 材料科学的发展， 使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电祸合 系数高、价格低廉、性能良 好的压电陶瓷、 人工压电单
