引言
在超聲波測距車載應(yīng)用中,，例如：超聲波泊車輔助 (UPA) 和盲點(diǎn)探測 (BSD) 等,，系統(tǒng)發(fā)射的超聲波被周圍物體反射回來。系統(tǒng)接收反射波（回波）,，然后將物體的回波振幅與某個(gè)閾值比較,，從而實(shí)現(xiàn)探測物體的目的,。物體越靠近系統(tǒng)，其回波也越強(qiáng),。因此,，閾值隨時(shí)間而變化，是一種相對常見的情況,。本文將向您論述,，該閾值無需變化，可以保持固定不變,。
超聲波測距
小轎車中使用的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 便是一種超聲波測距應(yīng)用,。安裝在車載前后保險(xiǎn)杠和后視鏡上的超聲波傳感器發(fā)射出超聲波，然后接收周圍物體反射回來的超聲波,。超聲波的傳播時(shí)間（飛行時(shí)間）用于計(jì)算到物體的距離,，從而幫助駕駛員泊車：尋找泊車點(diǎn)，或者探測駕駛員盲點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的物體,。車載前后保險(xiǎn)杠安裝的傳感器達(dá)到 4 個(gè)之多,，另外，每個(gè)后視鏡上還各裝有一個(gè)傳感器,。
在超聲波高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)中,，壓電式傳感器一般用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波，然后再把反射回來的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào),。接受反射回波時(shí),，壓電式超聲波傳感器的低接收機(jī)靈敏度通常會(huì)導(dǎo)致電信號(hào)非常微弱。
圖 1 顯示了用于處理回波電壓的典型信號(hào)鏈,。TI PGA450-Q1 是一款集成車載超聲波傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器,，適用于 UPA 系統(tǒng)等應(yīng)用,。
圖 1 使用回波處理探測物體的 ADAS
超聲波接收機(jī)接收到的回波信號(hào)s（t）被噪聲破壞。圖 1 所示輸入相關(guān)噪聲η(t)為外部環(huán)境噪聲和所有信號(hào)鏈組成部分的和,，其與時(shí)間（t）相關(guān),。被破壞的信號(hào) u(t) 經(jīng)由放大器使用增益 K 放大，然后通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 被數(shù)字化,。數(shù)字化的 AM 信號(hào)經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器 (BPF) 按線路傳輸,。該濾波器主要用于改善信號(hào)的信噪比。把經(jīng)濾波后的信號(hào) y（t） 與閾值 L 比較,，以探測某個(gè)物體的存在,。BPF 的后面一般會(huì)有一個(gè)振幅解調(diào)器，其將信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶,，以進(jìn)行比較,。但是，本文為了方便說明,，我們忽略了這種解調(diào)器。因此,，探測物體的關(guān)鍵是閾值 (L) 的選擇,。那么，我們?nèi)绾芜x擇 L 呢,？
回波振幅
發(fā)射器產(chǎn)生的超聲波為一系列載波頻率下的正弦波脈沖,，并以聲壓級(jí) (SPL) 來描述。SPL 的計(jì)算方法如下：
其中,，Prms 為 RMS 聲壓,，而 pref 為基準(zhǔn)聲壓。常用基準(zhǔn)聲壓為 20 µPa,，即 0.0002 µbar,。
傳感器對某個(gè)物體產(chǎn)生的超聲波 SPL，取決于物體到傳感器的距離,。特別需要請注意的是,，聲壓同距離成反比例關(guān)系：
其中，p 為聲波壓力,，而 d 為物體到傳感器的距離,。超聲波傳感器規(guī)范說明了30cm 距離的 SPL。由該值,，利用這一距離定律,，我們便可以計(jì)算出任意距離 x的 SPL：
其中，x 為傳感器和物體之間的距離,，并且 x > 30 cm,。因此,，x 距離的 SPL 為：
也就是說，超聲波從傳感器傳播到物體過程中,，會(huì)損失聲壓,。
聲波從物體反射回來，返回到傳感器,，聲壓進(jìn)一步損失,。另外，由于空氣和物體都會(huì)吸收一部分聲壓,，所接收回波的 SPL 可以通過方程式 3 進(jìn)行近似計(jì)算,。具體方程式請見本頁末尾處，方程式中 α 為空氣吸收系數(shù),。請注意,，空氣吸收的 SPL 與聲波在空氣中傳播的距離與正比。換句話說,，SPL 損失與 x 成正比,。我們使用因數(shù) 2，是因?yàn)槁暡ㄔ趥鞲衅骱臀矬w之間傳播兩次—一次從傳感器到物體,，一次從物體到傳感器,。根據(jù)方程式 1，傳感器接收的回波脈沖的聲壓計(jì)算方法如下：
超聲波接收機(jī)將接收到的聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào),。轉(zhuǎn)換過程受到接收機(jī)靈敏度 (dB)的影響,。1 µPa 聲壓產(chǎn)生 10 V 時(shí)，接收機(jī)靈敏度為 0 dB,。因此,，利用方程式 5和 6，可以把以 dB 表示的接收機(jī)靈敏度轉(zhuǎn)換為 V/µPa,。
其中,，γ 為以 V/µPa為單位的接收機(jī)靈敏度。方程式 5 可以重寫為：
我們可以將方程式 4,、5 和 6 組合為方程式 7（見本頁末尾）,，以計(jì)算超聲波接收機(jī)產(chǎn)生的電壓。方程式 7 可以簡寫為：
其中,，增益（K）為一個(gè)常量,。
方程式 8 表明，隨著物體到傳感器的距離 x 增加,，回波電壓下降,。換句話說，物體越靠近，回波振幅變大,，而物體遠(yuǎn)離時(shí),，回波振幅變小。
圖 2 表明,，接收到的電壓與物體到傳感器的距離有關(guān),，假設(shè)參數(shù)取值情況如下：
30cm 距離時(shí)發(fā)射 SPL= 106 dB
空氣吸收=1.3 dB/m
物體吸收=0 dB
接收機(jī)靈敏度=–85 dB
圖 2 接收機(jī)電壓為物體到傳感器距離的函數(shù)
可變閾值方案
前一小節(jié)表明，從物體接收到的回波的振幅,，會(huì)隨物體到傳感器的距離增加而減小,。另外，由圖1我們知道,，回波處理路徑的輸入信號(hào)為u(t) = s(t) + η(t),，其中s（t）為回波信號(hào)，而η(t)為輸入相關(guān)噪聲,。換句話說,，回波信號(hào)振幅不僅隨距離增加而減小，并且會(huì)被噪聲破壞,，而回波處理系統(tǒng)只能通過處理回波信號(hào)來探測某個(gè)物體的存在,。選擇閾值時(shí)，一種常用的方法是閾值方案,。使用這種方法時(shí),，閾值隨時(shí)間而變化。特別是,，超聲波剛被發(fā)射出來時(shí)，閾值較大,，之后,，隨著經(jīng)過時(shí)間的增加而減小。這種方法的基本原理是,，利用信號(hào)振幅的可預(yù)測衰變,，確定閾值大小：越靠近物體,，回波和閾值越大,，從而實(shí)現(xiàn)物體探測。離物體越遠(yuǎn),，回波和閾值就越小,。
圖3描述了可變閾值方法的概念。該圖顯示了不同距離時(shí)物體回波解調(diào)舉例,。TI PGA450-Q1 評估模塊的一個(gè)測試裝置用于收集波形數(shù)據(jù),。該圖顯示了一種可能的閾值方案。
圖 3 一個(gè)可能閾值方案的解調(diào)回波信號(hào)波形
盡管這種可變閾值方案方法原則上有效，但它存在兩個(gè)缺點(diǎn)：
可變閾值方案要求器件內(nèi)部有存儲(chǔ)器,，以將時(shí)間與閾值關(guān)系存儲(chǔ)至方案表中,。如果閾值有 3 個(gè)可能的取值（如圖 3 所示），則該表就會(huì)有 6 種可能的輸入,。另外,，對于車載中使用的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 來說，用戶需要輸入多種可能的傳感器安裝位置,，因?yàn)閭鞲衅骺梢园惭b于車載保險(xiǎn)杠或者后視鏡上任何位置,。例如，如果一個(gè)傳感器有 10 個(gè)可能的安裝位置,，那么器件就需要存儲(chǔ)多達(dá) 60 個(gè)位置數(shù)據(jù),。這就增加了器件的成本，因?yàn)橐笫褂酶嗟拇鎯?chǔ)空間,。
在車載保險(xiǎn)杠和反視鏡上安裝好傳感器后,，系統(tǒng)制造廠商會(huì)“校準(zhǔn)”方案表。校準(zhǔn)過程就是確定各個(gè)閾值,，以及切換閾值的時(shí)間,。這種校準(zhǔn)通常是一項(xiàng)耗時(shí)費(fèi)錢的工作，特別是一個(gè)表中需要多個(gè)輸入數(shù)據(jù)時(shí)更是這樣,。
總之,，可變閾值方案的主要缺點(diǎn)是，它增加了超聲波測距系統(tǒng)的總成本,。
固定閾值
可變閾值方法使用基于時(shí)間變化的閾值,，與這種方法不的同是，固定閾值方法將信號(hào)噪聲用作基線,。系統(tǒng)噪聲用于確定閾值,，這樣物體不存在就不對其進(jìn)行探測。
另外,，由圖 1 我們知道,，回波處理路徑輸入信號(hào)為 u(t) = s(t) + η(t)?；夭ㄐ盘?hào)是一系列載波頻率 fc(t) 下的正弦波脈沖,，其計(jì)算方法如下：
其中，S 為回波信號(hào)振幅,。因此,，方程式 10 給出了放大信號(hào)的 RMS 值：
請注意，這種一連串的脈沖僅短暫出現(xiàn),，從而讓信號(hào)振幅看似受到長時(shí)間調(diào)制,。
帶通濾波器 (BPF) 的y (t) 輸出可以表示為：
其中，ƒ(BPF) 為 BPF 的數(shù)字濾波器函數(shù)，而ƒ(ADC) 為 ADC 的量化函數(shù),。假設(shè)回波信號(hào)的基準(zhǔn)時(shí)間為 t0 = 0（通常為發(fā)射器發(fā)射超聲波的時(shí)間）,，則 y(t) < L、tend < t < tobject 和 y(tobject) ≥ L,，并且 tend 大于零且為所發(fā)射脈沖初始脈沖群的末尾時(shí),，則可以聲明 tobject 時(shí)探測到物體的存在。問題是,，“我們可以選擇使用一個(gè)固定閾值,，棄用可變閾值方案嗎？”要回答這個(gè)問題,，我們可以利用方程式12,，并假設(shè)t為一個(gè)瞬間值，從而照顧到各個(gè)噪聲組成部分：
變量定義如下：
K=放大器增益
ηext(t)=外部噪聲
ηamp(t)=放大器噪聲
ηADC(t) = ADC電路噪聲
q(t) = ADC量化
ηBPF(t) =BPF計(jì)算數(shù)學(xué)誤差
各個(gè)噪聲組成部分彼此不相關(guān),。另外,，我們假設(shè)每個(gè)噪聲組成部分為零平均值和非零方差高斯。
把方程式9和12代入方程式11后,，BPF輸出變?yōu)椋?br />
根據(jù)方程式9,，BPF噪聲的RMS為：
其中，Q 為 BPF 的品質(zhì)因數(shù),，fs 為 ADC 采樣頻率,，而所有噪聲項(xiàng)均為 RMS值。知道方程式 14 所表示噪聲的 RMS,，并假設(shè) 6.6 波峰因數(shù)的情況下,，所選閾值為：
上述方程式可以表示為：
換句話說，我們可以利用方程式 15 選擇固定閾值,。圖 4 顯示了使用固定閾值的舉例回波響應(yīng),。
圖 4 使用固定閾值處理回波數(shù)據(jù)
使用這種方法的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是，它僅需要存儲(chǔ)一個(gè)輸入數(shù)據(jù),。如果一個(gè)傳感器有 10 個(gè)可能的安裝位置，只需總共存儲(chǔ) 10 個(gè)輸入數(shù)據(jù)便可,。相比前面介紹的可變閾值方法,，存儲(chǔ)空間需求減少了 6 倍。請注意,，如果放大器增益 (K) 改變,，方程式 15 同樣也提供了一種調(diào)節(jié)閾值的機(jī)制。
方程式 15 提供了一種確定閾值大小的分析方法,。一般而言,，需要利用噪聲分析確定閾值大小。進(jìn)行噪聲分析的一種替代方法是，使用一個(gè)閾值對車載上安裝的傳感器進(jìn)行校準(zhǔn),?？蓪⑽矬w放置到傳感器規(guī)定測距范圍的最遠(yuǎn)處，然后完成測距校準(zhǔn),。所選擇的閾值需足夠大,，以在沒有物體時(shí)超過處理后信號(hào)的噪聲值，并確保僅在有物體時(shí)信號(hào)能夠穿過該閾值,。請注意,，在使用這種方法選擇閾值時(shí)，也應(yīng)考慮 BPF 衰減,。最后,，為了提高物體探測系統(tǒng)的穩(wěn)健性，信號(hào)的振幅必須在某段時(shí)間大于固定閾值,。
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放大器和線性器材：
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