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。
在超聲波高級駕駛員輔助系統(tǒng)中，壓電式傳感器一般用于將電信號轉(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。接受反射回波時(shí)，壓電式超聲波傳感器的低接收機(jī)靈敏度通常會導(dǎo)致電信號非常微弱。
圖 1 顯示了用于處理回波電壓的典型信號鏈。TI PGA450-Q1 是一款集成車載超聲波傳感器信號調(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，然后通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 被數(shù)字化。數(shù)字化的 AM 信號經(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 的后面一般會有一個(gè)振幅解調(diào)器，其將信號轉(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 (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。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為u(t) = s(t) + η(t)，其中s（t）為回波信號，而η(t)為輸入相關(guān)噪聲。換句話說，回波信號振幅不僅隨距離增加而減小，并且會被噪聲破壞，而回波處理系統(tǒng)只能通過處理回波信號來探測某個(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，利用信號振幅的可預(yù)測衰變，確定閾值大?。涸娇拷矬w，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)部有存儲器，以將時(shí)間與閾值關(guān)系存儲至方案表中。如果閾值有 3 個(gè)可能的取值（如圖 3 所示），則該表就會有 6 種可能的輸入。另外，對于車載中使用的高級駕駛員輔助系統(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)橐笫褂酶嗟拇鎯臻g。
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“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為 u(t) = s(t) + η(t)?；夭ㄐ盘柺且幌盗休d波頻率 fc(t) 下的正弦波脈沖，其計(jì)算方法如下：
其中，S 為回波信號振幅。因此，方程式 10 給出了放大信號的 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 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)超過處理后信號的噪聲值，并確保僅在有物體時(shí)信號能夠穿過該閾值。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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PGA450-Q1 (ACTIVE) 汽車超聲波傳感器信號調(diào)節(jié)器：
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