峰 廈門大學(xué)海洋學(xué)院（361005）許天增

     來源：《電子技術(shù)應(yīng)用》

     摘要：針對窄帶超聲換能器對測距精度影響，采用基于橫向?yàn)V波器的解卷積處理方法擴(kuò)展了接收信號帶寬，并利用lms算法進(jìn)行解卷積濾波器的構(gòu)造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種處理方案有效提高的系統(tǒng)的測距精度。

     關(guān)鍵詞：超聲波測距

     解卷積 lms算法

     超聲測距系統(tǒng)由于具有不受光線煙霧影響、抗電磁干擾能力強(qiáng)、距離信息直觀、成本低、使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于液位物位測量、位置角度跟蹤、移動機(jī)器人定位等場合[1,2]。為了進(jìn)一步用于需要高的測距、定位精度的場合，國內(nèi)外提出了多種高精度超聲波測距處理方法[3～6]。這些處理方法更多地針對接受到的超聲信號，沒有考慮到超聲換能器對測距精度的影響。在“移動機(jī)器人超聲導(dǎo)航傳感器”[7]和863項(xiàng)目“超聲地開障礙檢出傳感系統(tǒng)”中高精度超聲波測距研究的基礎(chǔ)上，本文從考慮超聲波換能器對測距精度的影響出發(fā)，研究了基于換能器解卷積的超聲波測距處理方法。

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     超聲波換能器對測距精度的影響

     考慮發(fā)射—接收工作模式的越聲測距系統(tǒng)，以x(t)為發(fā)射信號，接收端得到的超聲信號為：

     y(t)=x(t)*htr*hair*hrv

     (1)

     其中：htr、hrv分別為發(fā)射、接收換能器的沖激響應(yīng)，hair為傳輸空氣介質(zhì)的沖激響應(yīng)。超聲測距系統(tǒng)信號流程如圖1所示。

     cramer-rao下界是時延估計（tde）能達(dá)到的最小誤差，也即時延估計系統(tǒng)能達(dá)到的理論上的最佳精度。根據(jù)cramer-rao下界，假定信號和噪聲是不相關(guān)的平穩(wěn)隨機(jī)過程，且信噪比snr>>1，時延估計方差的cramer-rao下界為[8]:

     其中t為觀測窗，f1、f2分別為信號帶寬的上下界。

     由上述公式可知，對時延估計系統(tǒng)來說，信號的帶寬越寬、信噪比越高、觀測時間越長，系統(tǒng)可達(dá)到的時延估計精度越高。在信噪比和觀測時間一定的條件下，信號帶寬決定了時延估計的精度。

     由式（1），超聲測距系統(tǒng)接受信號的帶寬取決于發(fā)射信號、發(fā)射接收換能器和空氣介質(zhì)，對于通常的超聲測距系統(tǒng)，超聲波換能器對信號帶寬起主要作用。因?yàn)閷拵Оl(fā)射信號可以容易地產(chǎn)生，空氣介質(zhì)的傳遞函數(shù)也是寬帶的，而通常的氣介超聲波換能器為了平衡發(fā)射效率、接收靈敏度，其帶寬較窄，如常用的t/r40—16型超聲換能器，中心頻率40khz，3db帶寬時頻率約為3.8khz。這樣，影響超聲測距精度的主要是換能器的窄帶頻率特性。

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     基于換能器解卷積的超聲測距處理方法

     為了抵消換能窄帶特性對接受信號的影響，可以采取解卷積的處理方法，即構(gòu)造一個沖激響應(yīng)為hdecon的濾波器，對換能器沖激響應(yīng)進(jìn)行解卷積，使其與發(fā)射、接受換能器的聯(lián)合頻率響應(yīng)是一個寬帶響應(yīng)，從而輸出寬帶超聲信號，提高測距精度。

     自適應(yīng)濾波器可自動調(diào)節(jié)本身的沖激響應(yīng)特性，即用自適應(yīng)算法調(diào)整濾波器的數(shù)字系數(shù)，然后按某種準(zhǔn)則來判斷誤差信號是否最小，從而達(dá)到最優(yōu)化濾波。因此，可以把經(jīng)發(fā)射、接收換能器（不經(jīng)過空氣介質(zhì)傳輸）的實(shí)際超聲信號輸入自適應(yīng)濾波器，用要求的理想寬帶信號作為自適用濾波器訓(xùn)練信號構(gòu)造濾波器。自適應(yīng)算法收斂后即得到了解卷積所需的濾波器。

     用自適應(yīng)濾波器法構(gòu)成解卷積濾波器構(gòu)造的原理圖如圖2所示。濾波器采用橫向fir型，lms（最小均方誤差）算法。

     3 lms自適應(yīng)算法介紹

     設(shè)輸入信號為x(k)，目標(biāo)信號為y(k)，濾波器