超声相控阵自动测距

1万 · 2019-9-8 12:35

超声相控阵自动测距

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由于超声波指向性强，能量消耗缓慢并且不易受电磁波、粉尘等干扰，超声波技术越
来越广泛的应用于非接触式近距离测距，如液位的测量、工业现场测距、汽车防撞雷达等。
而超声波相控阵技术可以灵活有效地控制声束聚焦，并且聚焦区域的声场强度也大于常规
的超声波技术，因而超声相控阵技术可以实现远距离区域自动扫描测距。本文采用超声相
控阵技术对前方障碍物进行测距，并分析了超声相控阵指向性特性，构建了以STM32F407单
片机为控制核心的超声相控阵自动测距系统。

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接下来文中介绍了超声相控阵技术的基本原理，概述了超声相控阵在不同位置聚焦的
实现方法。另外还介绍了超声相控阵在各个领域的发展应用，以及超声相控阵测距相对普
通超声传感器测距所具有的优势。

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重点介绍了系统的软件模块化设计:主程序、温度测量子程序、确
定焦点位置的算法、显示子程序、A/D中断服务子程序等，其中主程序主要完成系统的初
始化工作、各个超声换能器阵元的电激励脉冲延迟信号的发射、A/D转换的启动和停止等
任务，A/D中断服务子程序主要用来完成对超声波回波信号的采集、转换等任务。这章的
最后还重点介绍了最小均方时延估计LMSTDE算法的实现。

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除了超声波测距技术外，非接触式检测技术还有电磁波测距技术、红外测距技术、激
光测距技术、CCD测距技术等「z7。其中，CCD测距技术环境适应能力很强，性能也相当稳定，
测量精度高，但是计算量相当复杂，成本较高。电磁波测距技术容易受到环境中其他电磁
波的干扰。激光测距技术测量距离精度最高，抗干扰能力最强，但是价格昂贵，成本代价
高。相比之下，超声波测距技术的优点有:原理简单，易操作，成本低;对外界光线不敏
感，可以在黑暗中的环境中进行测量;不受电磁波、烟雾、粉尘的干扰，可以在恶劣的环
境中进行测距。所以，超声波测距技术应用前景最为广泛，市场前景也相当广阔。

1万 · 2019-9-8 12:38

相对于国外，我国的超声波测距技术起步较晚，很多领域中高精端的超声波测距的设
备都需要依赖于国外进口，但是经过多年的探索和发展，国内科技研究工作者在超声波回
波信号处理算法的不断完善，超声波发射、接收电路的优化，超声波信号功率和频率的控
制，新型、高性能超声波传感器的研发，超声波发射激励脉冲的选取等方面进行了大量的
理论分析与和研究并取得了一定成果，并且在对超声波测距中常见的影响因素提出了温度
补偿、自动增益控制电路等提高超声波测距精度的措施「z7。可见，我国的超声波测距技术
在诸多领域中也取得了显著的成绩。

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1.首先介绍超声波相控阵的有关知识以及超声波相控阵自动测距技术的优势。
2.搭建整个系统的框架:超声波发射驱动电路、超声回波接收电路、信号处理电路、
温度补偿电路以及上位机数据采集分析显示等，其中信号处理电路主要对接收的超声回波
信号进行前置放大、滤波、包络检波等一系列信号处理。
3.系统的软件设计。采用模块化设计:主程序、温度测量子程序、确定焦点位置的算
法、显示子程序、A/D中断服务子程序等，其中主程序主要完成系统的初始化工作、各个
超声换能器阵元的电激励脉冲延迟信号的发射、A/D转换的启动和停止等任务，A/D中断
服务子程序主要用来完成对超声波回波信号的采集、转换等任务。
4.整个系统的硬件原理图设计，PCB制板，元器件的焊接。
5.超声相控阵自动测距系统的测试及结果的分析。

1万 · 2019-9-8 12:39

新兴的超声波技术作为声学研究方面的重要组成部分，它的应用范围越来越广泛，一
般来说超声波技术的应用可分为两个部分:检测超声波技术和功率超声波技术。检测超声
波技术是把超声波作为检测信号使用，如利用超声波的物理传播特性进行医学诊断和治疗
的B超「6];采用超声波相控阵天线实现波束在空间电扫描的相控阵雷达;在海水中探测入
侵障碍物、传递信息的水声应用;同时检测超声波技术也是工业上进行无损检测最常用的
方法之一。功率超声波技术也是大功率超声「钊，这种技术是利用超声波声能的机械作用、
热作用、化学作用、生物医学作用、空化作用等使物体或物性发生变化，如利用超声波振
荡的空化作用产生的气泡来溶解物体表面污染物的超声波清洗;利用超声波的机械振动产
生的热量来连接同种金属的超声波金属焊接。随着科学技术的不断进步，超声波技术的快
速发展，超声波技术已在国家的防务建设、人们的口常生活及工业生产控制等诸多领域中
有着不可或缺的重要作用。

1万 · 2019-9-8 12:40

超声波相控阵是由多个相互独立的压电晶片单元按照一定的几何规则组成的阵列，电
子系统中的控制电路按照一定的规则和时序控制激发各个压电晶片单元来调整超声波声
束聚焦的位置和聚焦的方向「13]，从而可以方便灵活地控制超声波声束的形状和声压的分布，
便捷地实现了大范围区域扫描探测，并且用同样幅度的电压驱动每个压电晶片单元，超声
波聚焦区域的声场强度要远远大于常规的超声波技术。

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未聚焦的超声波回波波形和聚焦后的超声波回波波形分别如图2. 3和图2. 4所示。从
这两种波形图可以看出，未聚焦和聚焦后的回波波形不仅在包络上有着明显的不同外，幅
度也有着明显的差别:聚焦后的回波波形在幅值上比未聚焦的回波波形大了很多。也就是
说超声波相控阵发射出的超声波在焦点处的能量得到加强「15」。

1万 · 2019-9-8 12:42

1万 · 2019-9-8 12:59

相位检测法是通过测量接收到的超声波回波与发射出的超声波之间相差了多少个相
位来计算出超声波传播的距离，这种测距方法的精度最精确，但是电路相当复杂，成本较
高，测距的范围也十分有限。
声波幅值检测法是根据接收到的超声回波波形的幅值大小来计算出超声波传播的距
离，这种测距方法电路实现最简单但是测距的结果最不精确。
渡越时间检测法是通过测量接收到的超声波回波与发射出的超声波之间的返回时延
来计算出超声波传播的距离，这种测距方法与相位检测法、声波幅值检测法相比是居中的，
电路实现不太复杂，测距的精度和范围基本上都可以满足大部分环境下测距的要求，因此
在目前超声波测量距离的方法中，渡越时间检测法被广泛的使用。

1万 · 2019-9-8 13:00

1万 · 2019-9-8 13:01

系统采用基于ARM Cortex-M4的意法半导体公司(STMicroelectronics,ST)的32位高性
能微控制器STM32F407为主控制器「19]。超声阵列是由10个超声换能器按照一定的规则组
成的，其中8个超声换能器呈2x4排列的2维矩形阵列为超声发射阵列，另外2个超声
换能器分别安置在发射阵列面的两个长边旁附近作为接收超声回波传感器，这10个换能
器均采用收发一体的、中心频率为40KHz的压电陶瓷超声换能器。超声阵列、主控芯片、
外围电路共同完成超声信号的发送、超声回波信号的接收、处理等一系列过程，最终将采
集处理后的数据送至上位机显示。
超声换能器的工作频率为40KHz，首先由主控芯片STM32F407分时产生8路频率均
为40Khz的方波脉冲，送给超声波发射电路经过功率放大后来驱动超声相控阵按照预先设
定的延迟时间依次发送8个周期的方波脉冲对前方特定区域内的障碍物扫描探测，聚焦后
的超声波在焦点附近若遇到障碍物就会反射回来，反射回来的回波信号由接收换能器接收，
然后经过一系列的信号处理等工作，最终获得障碍物的距离、行进速度等相关信息，从而
实现超声相控阵自动测距系统的设计。