超声波测距盲区研究的探讨

张一鸣

摘要：盲区是超声波测距系统的一项重要指标。阐述了超声波测距的基本原理，详细分析了收发一体式系统和收发分体式系统产生盲区的原因。针对收发一体式超声波测距系统，通过对当前国内外超声波测距系统开发技术和产品进行分析，全面梳理了减小盲区的主要方法。这些方法包括：通过增大回路的衰减系数和降低超声波功率，在发射端减小拖尾的方式缩小超声波测距盲区;利用时变增益放大电路减小超声测距系统的盲区;采用特殊的回波检测方法等。对于受环境所限，只能使用收发一体式超声波测距的情况下，如何尽可能缩小测量盲区是个值得研究的问题。

关键词：超声波测距;盲区;收发一体式;检测

中图分类号：TP273 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）12-0256-03

超声波测距是一项原理简单、维护方便和成本低的测距技术，与CCD、雷达、激光相比，具有近距离测量速度快、方向性强、不易受电磁、光、烟雾干扰等优点，在液位测量、机器人避障、精确测距定位等领域得到广泛的应用。盲区是超声波测距系统的一项重要指标。如何减小盲区，是研究超声波测距的重要问题。本文以超声波测距的盲区为对象，简述超声波测距基本原理，分析盲区形成的原因，系统比较减小超声波测距盲区所采用多种技术优缺点和使用领域，提出了几点结论并对縮小超声波盲区的研究进行了展望。

1超声波测距的原理

目前主要的超声波测距的方法是渡越时间法TOF（Time of flight）。其基本原理为：超声换能器在脉冲激励下发出超声波，遇被测物体后反射，反射信号再由超声换能器接收。在已知声速的情况下，利用发射和接收的时间差计算出距离。计算公式为：

其中D为待测物的距离，c为超声波在测试条件下的传播速度，t为发射和接收的时间差，也被称为渡越时间。

此外，还有相位检测法、声波幅值检测法等测距方法。相位检测法精度很高，但是测量范围较小，更常用于超声检测等精密领域;声波幅值检测法受反射介质影响较大。因此本文主要对渡越时间法超声测距中出现的盲区问题进行总结分析。

2超声波测距的盲区原因分析

根据超声换能器收发模式的不同，超声波测距系统可分为两种类型，即收发一体式和收发分体式。

收发一体式的系统只采用一个超声换能器，兼具发射与接收超声波的功能。超声波发射时，一般由高压脉冲激励，脉冲结束后会存在一个时长1-2.5ms的衰减震荡，称为“拖尾”或“余震”，如图1所示。在这段时间内，拖尾信号与回波信号一般是无法有效区分的，所以收发一体式测距系统通常会在发射脉冲激励后设置一段时间的延迟，再进入接收状态。延迟屏蔽了近距离回波信号，给测距系统带来了近距离的测量盲区，按照公式（1）计算，盲区范围上限为17cm-50cm。实际的盲区范围也与实际系统尺度有关，可能会高达数米。

收发分体式的系统采用两个超声换能器，分别发射与接收超声波。发射端换能器壳体的余震在物理上与接收端隔离，能够有效地减少盲区。收发分体式系统产生盲区的原因有两个，其中主要原因是超声波的衍射。一般分体式的两个换能器并列放置，由于超声波的衍射，接收换能器会收到一部分未经反射的超声波，这部分超声波通常渡越时间很短（具体取决于两个超声换能器的间距）。如果仅仅设定一个阈值，对接收到的信号进行阈值检测，衍射信号与反射信号是无法区分的。一个简单的解决方法就是设置盲区，用盲区屏蔽掉衍射信号，盲区范围与收发换能器的间距有关。

分体式系统产生盲区的另一个原因是超声波的余震隔离不完全。虽然收发分体隔绝了机械振动的干扰，但是余震同时是一个电路中的震荡，如果接收端电路与发射端电路隔离不充分，余震仍然会影响接受端的工作。

需要指出的是，对于隔离良好的收发分体式系统，其盲区一般会比收发一体式系统的盲区小很多，所以本文主要针对收发一体式系统，分析其缩小其盲区的方法，如在发射端减小拖尾、采用时变增益放大电路缩小盲区、用特殊方法对回波进行检测等。

3缩小超声波测距盲区的方法

3.1在发射端减小拖尾

根据之前的原因分析，超声发射换能器的拖尾信号是产生盲区的主要原因。所以减小拖尾信号是从源头上缩小盲区的一个方法。减小拖尾信号的具体方法可以分为增大回路的衰减系数和降低超声波功率。

QiangLi Zhang等人提出通过增大回路的衰减系数的方法，来使拖尾信号更快地衰减。可以增大回路衰减系数的方法有很多，通常是由换能器辅助电路完成的。常静、贺焕林将SCR晶闸管与电阻串联，再并联在换能器上，利用晶闸管控制回路的等效电阻，以增大衰减系数，缩小盲区。程珩等人设计了以场效应管为核心的无源自振抑制换能器驱动电路，增大了回路衰减系数，再辅以背景噪声阻断电路与脉冲信号叠加电路以增加回波灵敏度，使实验盲区由30cm降至16cm。另外，采用增加机械阻尼的方法也能一定程度减小拖尾信号。

降低超声波发射功率也是抑制拖尾波的一种常用方法。单纯地降低功率会缩小测距量程上限，为了不影响量程，设计者常开发电路根据距离远近自动调节发射功率，远距离加大功率，近距离减小功率。对于控制功率的方法，郗晓田等人用单片机实时控制超声发射电压，以控制发射功率，使盲区减少了15cm以上;马志敏等人用单片机控制，根据距离远近改变发射波群的时间宽度，以控制发射功率，使盲区减少1m。发射电压与波群的时间宽度的调节可以根据量程要求用在同一系统中，如王莹所设计的高精度超声波测距仪就兼用了压缩发射脉冲宽度和自动距离增益控制两种方法以缩小盲区。

以上两种方法分别从换能器辅助电路和发射功率控制的角度，基于超声波发射端，通过减小拖尾信号来缩小测距盲区。

3.2时变增益放大电路

超声接收换能器在收到超声波后，要经过放大、滤波等一系列处理。可以利用特殊的放大、滤波电路减小余震、衍射信号对信号检测的影响，以缩小测距盲区。

一种常用的放大电路是时变增益放大电路。超声波在介质中传播，其振幅随时间以指数形式衰减，时变增益放大电路的增益随时间以指数形式增加。将这样的放大电路运用在超声回波信号上，就能实现根据距离远近改变放大倍数，既能抑制收到的余震信号，也能有效放大远距离的回波，从而在不缩减量程的前提下缩小盲区。

恒定增益放大电路的放大效果与时变增益放大电路的放大效果可由如图3和图4所示的输出波形描述。可以很明显看出，时变增益放大电路能够在保持远处反射波幅度的情况下，抑制余震信号，从而缩小了盲区。

时变增益放大电路的实现方式较多，常有研究者提出新的方法。贾嘉等人设计了由EPROM存储器、D/A转换器和运算放大器组成的简易时变增益放大器电路。曾祥进等人利用场效应管的可变电阻功能，设计了一种自动增益电路。秦金华等人基于AD603，设计了时变增益电路。崔慧海等人基于TL026控制芯片，实现了远距离超声传感器的时变增益控制。

利用時变增益放大电路减小超声测距系统的盲区是比较成熟的技术，时变增益的实现方式较多，可以根据超声测距应用场合选择最合适的时变增益电路。

3.3多种对回波的检测方法

以上所述的缩小超声测距盲区的方法基于超声波的阈值检测法或改进的阈值检测法，基本原理即预先设定电压阈值，将收到的反射信号超过此阈值的时刻作为超声回波到达的时刻。阈值的设定同时影响着超声波的量程和盲区，若阈值设定得高，则盲区可以设定得很小，但是远处回波信号由于幅值较低，不会被检测到，所以高阈值必然对应着低量程;反之，低的阈值对应着大的盲区和高量程。无法同时实现高的量程和小的盲区，这是阈值检测法的一个局限性。即使采用了时变增益放大，也不能从根本上解决问题，因为远处的回波信号在高倍放大的同时，背景噪声也一起被放大，简单的阈值检测是无法从背景噪声中区分出回波信号的。

采用其他的超声波到达时刻检测方法，可以打破阈值检测法的这一局限性。

一些研究者对阈值检测法进行了改进。杨劲松等人将峰值检测和自适应可变阈值检测相结合，检测到反射波信号的最大值。李胜等人采用多次调整比较器阈值的迭代测量方法，来判断回波到达的时刻。这些方法能够有效地缩小盲区。

此外，包络峰值检测法和相关检测法也是常用的回波时刻判断方法。前者是通过提取回波包络，根据其峰值判断回波时间，后者则是相当成熟检测技术，在超声波测距领域中，FarhangHonarvar等人提出了在白噪声背景下，利用发射波和回波的相关函数来确定反射波到达时刻的方法。

目前国内外有大量针对包括包络峰值检测法和相关检测法的研究，但新检测方法的研究多着重于增加测距系统的精度，较少有针对性的缩小测量盲区的研究。例如许高斌等人提出的“五步算法”对回波信号处理，提高了测量精度，但并未涉及测量盲区的研究。邬文俊等人采用了一种复杂的高精度解包络超声测距方法，也只是注重测量精度，并未更多地关注测量盲区。

4采用分体式换能器或超声阵列

收发分体式的超声测距系统在小测量盲区上有很大优势。目前收发分体式系统基本能够实现无盲区测量。郑琦等人对T/R40-16廉价分体式超声换能器的衍射干扰进行研究，通过分析衍射波和回波的相互叠加，消除在近距离测量时的测距盲区，其实验最低测量距离达到5mm，已经满足超声测距系统的一般应用需求。另外，采用超声阵列测距，也可以消除测量盲区，这一技术经常用于精度要求更高、盲区要求更小的场合，例如金兆远将超声阵列技术运用在其设计的机器人路径规划与避障系统中，做到了无测量盲区。

5结论与展望

（1）目前常用的超声波缩小盲区的方法主要包括：利用换能器辅助电路或发射功率控制电路减小拖尾、采用时变增益放大电路等，特殊的回波信号检测方法能够一定程度缩小盲区，另外，分立式测距系统和超声阵列已经能够做到无盲区测距。

（2）超声测距技术是一项应用广泛的技术，设计者常根据实际应用需求采用上述技术中的一项或几项，技术的选择与测距系统的测距范围、精度、体积等有关。

（3）目前超声测距领域的研究主要关注超声测距系统的测量精度，与测距盲区有关的研究方式较少。虽然目前的分体式系统和超声阵列已经能够做到无盲区测量，但在受环境所限，只能使用一体式测距的情况下，如何尽可能减小测量盲区，仍然是个值得研究的问题，有着重要的意义。