超声波测距的技术现状及前景

隽子航

摘要：超声波测距因为抗干扰能力强，测量范围广，操作简捷的优势，在测量测绘领域得到广泛应用。本文首先阐释了超声波测距的基本原理，分析归纳了影响测距精度因素和应对措施；介绍了超声波测距的几种典型应用：汽车雷达、机器人避障和水下测绘；最后对其应用前景进行了展望，超声波测距具有广阔的应用前景和潜力。

关键词：超声波 超声波测距 测距技术 测距精度

一、超声波测距的基本原理

（一）物理原理

当前，产生超声波的方法有热学法、力学法、静电法、电磁法、磁致伸缩法、激光法以及压电法等，但绝大多数的超声换能器原理都为压电法，即：使压电材料发生压电效应和逆压电效应，使超声波的能量和电能之间发生转化，从而间接表示出超声波的释放和接受的情况。

超声波测距的普遍方法为渡越时间法，其原理为：发射换能器发出超声波，超声波在遇到障碍物后，由于其反射性能够产生反射回波，回波由接收换能器接收。渡越时间法根据从发射出声波到接收回波的时间和声速，通过公式算出距离。其公式为：

L=υt/2

式中：L为声波走过的路程

v为超声波在介质中的速度

t为渡越时间

（二）超声波测距的主要方法

超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间法、可变阈值检测法、包络峰值检测法等。本文具体给大家介绍其中的两种。

1.可变阈值检测法

可变阈值检测法是基于信号过零监测的，信号过零检测属于最为简单的超声测距检测方法，其基本原理为：发射换能器发出超声波的一瞬间开始计时，待接收换能器接收到声波并达到一定阈值后再停止计时，从而得出渡越时间，再计算出距离。

因为超声波会因介质中距离的增加而导致频率的衰减，其放大的线路也就会衰减，进而使渡越时间变长，所以当前采用时间-阈值可变或时间-增益可变的形式来作为改变阈值的标准，以更加准确的接收回波，保证渡越时间的精准度。时间-阈值可变接收电路设置阈值随时间延长呈指数形式递减；时间-增益可变接收电路则使放大电路的放大倍数随时间的延长呈指数形式递增。按此规律并结合具体的环境来设定指数函数的底数，就能设定合理的阈值，准确接收超声回波并分辨超声回波所能表达出的信息，进而确定渡越时间，准确算出距目标的距离。

然而，可变阈值检测法只能够适应信噪比较低的环境，若环境中噪声太大或目标距离收到噪声影响，此方法就显得误差较大。

2.包络峰值检测法

包络峰值检测法的原理为：将接收到的超声回波转化为包络峰值曲线，通过对曲线的分析再得出渡越时间。

利用包络峰值检测法进行测距时，对于同一个被测物，其不同距离上的曲线都极为相似，波形基本一致，但波幅不同；对于同一距离上的不同物体，其情况也是曲线相同、波幅不同的情况。所以我们可以近似认为，包络曲线图基本不以外界条件的改变而改变。进而我们可以推出，回波前沿到达的时间t0与回波峰值时间tp的时间差基本不变。所以，在测量物体确定的情况下，通过包络曲线图确定出回波峰值时间tp，再用公式Δt=tp-t0得到回波前沿到达的时间，从而准确确定渡越时间，也能够准确计算出目标距离。

二、超声波测距精度的提高

（一）主要影响因素及应对

在超声波测距的过程中，误差的出现是必不可免的，除了特定方法特定环境出现的干扰，如上述可变阈值检测法中噪声干扰外，还有各个测距环境中都能够产生影响的方面。

1.传播速度误差和测定传播时的误差

超声波在介质中传播时，其速度会因某些环境因素的变化而变化。其中，温度是变化的主要因素。340m/s是超声波在常温下的传播速度。若在此基础上每增加1℃，就会使超声波在相同介质传播速度增加0.6m/s，能够产生较大误差。

为了能够使该实验获得更准确的数值，在数据处理时普遍采用温度补偿法，即给予超声波速度相应补偿。

2.盲区

发出超声波时，由于超声波换能器在接收超声回波结束后，会由于惯性继续振动，从而产生余振。在受到余振干扰期间，无法辨认超声回波和余振，必须等其结束后才能运行。由于这段时间里无法进行测距步骤，称之为盲区。

减少盲区的目的，就是为了使余振尽快衰减至零或足够小，才不会对实验结果造成太大影响。盲区多在近距离勘测中出现，因此，在近距离勘测时，可以适当的减少超声波发射的功率，从而减小余振。

3.混响信号干扰

混响信号是由于超声波接触到水中介质及非目标物，而导致这些非目标物产生超声回波，待所有回波集于一點时发生叠加产生的。混响信号难以被一般的滤波电路所消除。

对于混响信号干扰，可以根据时间变化，控制接收放大电路的增益，从而抑制混响信号。

（二）提高精度的方法

通过超声波测距的基本原理公式L=υt/2，可知，能够产生误差从而影响到最终结果的因素有时间的大小和超声波在介质中传播速度的大小。而影响传播速度的外界因素最主要为温度。

1.减少时间测量误差

（1）时间增益补偿电路

通过对时间增益进行补偿，若补偿精确，可以将回波起伏近似地看作一个常数，回波稳定后，超声波接收器测定的时间也就稳定了，渡越时间的误差也能够有效变小。

时间增益补偿电路的基本原理为：利用回波接收放大电路的增益与回波接收时间之间的正比关系，或者根据放大倍数与回波时间的指数递增关系来减小回波起伏的误差，使接收电路接收的回波信号几乎保持不变。

同样，对于衰减现象，也能够通过增益补偿来对声强进行影响，避免了随着测量距离的增加超声波回波起伏发生改变的问题，提高精度。

（2）利用小波变换对超声波测距系统回波信号进行处理

此方法是在接收换能器接收完超声回波后，利用小波去噪的方式，对回波进行加工，使回波所传达的信息更加可信准确，得到精确的包络数值，再进行后续的计算过程，获得准确数值。

处理的方法为：对含噪信号进行不同角度的小波变换，再通过对所有角度小波变换的结果进行分析，得出去除噪声的小波系数，最后利用该系数和逆变换重新构造出准确回波，达到去噪目的。

2.减小温度对传播速度影响

（1）温度矫正法

对于温度矫正的方法，我们一般利用公式v=331+0.60T进行温度补偿，来适应不同环境下超声波测距工作的運行。通过对此公式的分析，可知，获得准确温度是得到准确超声波速的关键。对于这个问题，目前的方式主要有运用热敏电阻、热电偶、集成温度传感器进行测量的方法。

（2）标杆测量法

除了像温度矫正法将温度弥补在速度上外，若实验中不能准确测量当地环境的温度时，实验普遍采用标杆测量法。标杆测量法不同于温度矫正法的是，它并没有将温度弥补，而是利用双通道方法。双通道方法的基本原理为：一个通道用于测量当前环境下超声波声速。将一个障碍物放在一个已知距离远处，利用超声波测距基本公式算出声速；另一通道仍按正常程序进行测距。由于此方法中所得的声速是针对于当前环境的，因此所得的结果也较为精确。

随着科技的不断进步和制作水平的不断提升，温度传感器的精度和抗干扰能力也在不断进步，温度的测量就显得方便了许多。

三、超声波测距的典型应用

（一）汽车雷达

汽车雷达也是通过接收超声回波来进行测距。但不同的是，汽车是一个不断运动的物体，我们需要消除汽车行进中走过的距离。当计算出的距离小于一定程度时，显示屏会根据设定过的不同阈值发出不同警报，来提示驾驶员进行避让。

使用倒车雷达可以有效避免倒车时产生的车体碰撞等事故，能够时刻提醒驾驶员保持行车距离，减少不必要的行车事故。随着超声波技术的越来越深入，在未来人们可以制造出更加精确的超声波探头，使行车安全更加有所保障。

（二）机器人领域

超声波在机器人领域的应用也主要是机器人的避障。机器人避障的原理与汽车雷达的原理相似，由于现阶段国内的无人驾驶汽车的速度也能够与普通无人驾驶车的速度相比拟，所以行驶速度的补偿也是必不可少的。与汽车雷达不同的是，机器人可以通过某些特定的程序，来进行不同方向的、符合行进路线的判断，通过中央芯片下达指令，进行避障。

机器人避障的应用在当代社会中有十分丰富的应用手段，其自动化可以有效地解放人为控制，方便人们生活也给予了相关行业人群或相关科研人员一个新的研究领域。

（三）水下地形测绘

由于水为弹性介质，超声波作为弹性波可以在水中传播。其基本原理为：超声波在水中传播，遇到障碍物后产生回波，接收器收到回波后根据回波所带信息在特定的绘制程序中对不同深度进行不同颜色的区分，通过不断移动改变探头位置，从而绘制出水下地形的图像。

由于海底地形太过复杂，只进行一个探头的绘制是无法体现出所有海底的地形构造的。因此，绘制海底地形图时要多个探头多方位、多角度的进行测绘。

通过超声波测距，我们能够进行水下地壳测绘、水下地藏测绘等，这为我们更深入地了解地球结构及其能源储备，发现更多有价值的地球规律。

四、总结与展望

超声波测距技术潜移默化地贯穿在人们生活之中，为我们带来极大便利。经过多年发展，超声波测距技术在提高精度和测量范围等方面已经取得长足进展，发展起多用途、适用于不同领域的测量方法。

随着新时代的蓬勃发展，高新科技技术正在崛起，超声波技术也将在这科技技术的饕餮盛宴中占有一席之地。它更多的可以作为一种工具来促进科技的发展，为未来拥有更精密仪器或更高级的技术奠定基础。

参考文献：

[1]张海鹰，高艳丽.超声波测距技术研究[J].仪表技术，2011，（09）：58-60.

[2]李戈，孟祥杰，王晓华，等.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学，2011，（04）：60-62.

（作者单位：山东省平度第一中学）