固定閾值在超聲波測距車(chē)載中的應用

引言

在超聲波測距車(chē)載應用中，例如：超聲波泊車(chē)輔助 （UPA） 和盲點(diǎn)探測 （BSD） 等，系統發(fā)射的超聲波被周?chē)矬w反射回來(lái)。系統接收反射波（回波），然后將物體的回波振幅與某個(gè)閾值比較，從而實(shí)現探測物體的目的。物體越靠近系統，其回波也越強。因此，閾值隨時(shí)間而變化，是一種相對常見(jiàn)的情況。本文將向您論述，該閾值無(wú)需變化，可以保持固定不變。

超聲波測距

小轎車(chē)中使用的高級駕駛員輔助系統 （ADAS） 便是一種超聲波測距應用。安裝在車(chē)載前后保險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?chē)矬w反射回來(lái)的超聲波。超聲波的傳播時(shí)間（飛行時(shí)間）用于計算到物體的距離，從而幫助駕駛員泊車(chē)：尋找泊車(chē)點(diǎn)，或者探測駕駛員盲點(diǎn)區域內的物體。車(chē)載前后保險杠安裝的傳感器達到 4 個(gè)之多，另外，每個(gè)后視鏡上還各裝有一個(gè)傳感器。

在超聲波高級駕駛員輔助系統中，壓電式傳感器一般用于將電信號轉換為超聲波，然后再把反射回來(lái)的超聲波轉換為電信號。接受反射回波時(shí)，壓電式超聲波傳感器的低接收機靈敏度通常會(huì )導致電信號非常微弱。

超聲波接收機接收到的回波信號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)境噪聲和所有信號鏈組成部分的和，其與時(shí)間（t）相關(guān)。被破壞的信號 u（t） 經(jīng)由放大器使用增益 K 放大，然后通過(guò)一個(gè)模數轉換器 （ADC） 被數字化。數字化的 AM 信號經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器 （BPF） 按線(xiàn)路傳輸。該濾波器主要用于改善信號的信噪比。把經(jīng)濾波后的信號 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)振幅解調器，其將信號轉換為基帶，以進(jìn)行比較。但是，本文為了方便說(shuō)明，我們忽略了這種解調器。因此，探測物體的關(guān)鍵是閾值 （L） 的選擇。那么，我們如何選擇 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 （SPL） 來(lái)描述。SPL 的計算方法如下：

其中，Prms 為 RMS 聲壓，而 pref 為基準聲壓。常用基準聲壓為 20 Pa,即 0.0002 bar.

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。超聲波傳感器規范說(shuō)明了30cm 距離的 SPL.由該值，利用這一距離定律，我們便可以計算出任意距離 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(shuō)，超聲波從傳感器傳播到物體過(guò)程中，會(huì )損失聲壓。

聲波從物體反射回來(lái)，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(guò)方程式 3 進(jìn)行近似計算。具體方程式請見(jiàn)本頁(yè)末尾處，方程式中 α 為空氣吸收系數。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(huà)說(shuō)，SPL 損失與 x 成正比。我們使用因數 2,是因為聲波在傳感器和物體之間傳播兩次-一次從傳感器到物體，一次從物體到傳感器。根據方程式 1,傳感器接收的回波脈沖的聲壓計算方法如下：

超聲波接收機將接收到的聲波轉換為電信號。轉換過(guò)程受到接收機靈敏度 （dB）的影響。1 Pa 聲壓產(chǎn)生 10 V 時(shí)，接收機靈敏度為 0 dB.因此，利用方程式 5和 6,可以把以 dB 表示的接收機靈敏度轉換為 V/Pa.