超聲波測距的技術現狀及前景

雋子航

摘要：超聲波測距因為抗干擾能力強，測量范圍廣，操作簡捷的優勢，在測量測繪領域得到廣泛應用。本文首先闡釋了超聲波測距的基本原理，分析歸納了影響測距精度因素和應對措施；介紹了超聲波測距的幾種典型應用：汽車雷達、機器人避障和水下測繪；最后對其應用前景進行了展望，超聲波測距具有廣闊的應用前景和潛力。

關鍵詞：超聲波 超聲波測距 測距技術 測距精度

一、超聲波測距的基本原理

（一）物理原理

當前，產生超聲波的方法有熱學法、力學法、靜電法、電磁法、磁致伸縮法、激光法以及壓電法等，但絕大多數的超聲換能器原理都為壓電法，即：使壓電材料發生壓電效應和逆壓電效應，使超聲波的能量和電能之間發生轉化，從而間接表示出超聲波的釋放和接受的情況。

超聲波測距的普遍方法為渡越時間法，其原理為：發射換能器發出超聲波，超聲波在遇到障礙物后，由于其反射性能夠產生反射回波，回波由接收換能器接收。渡越時間法根據從發射出聲波到接收回波的時間和聲速，通過公式算出距離。其公式為：

L=υt/2

式中：L為聲波走過的路程

v為超聲波在介質中的速度

t為渡越時間

（二）超聲波測距的主要方法

超聲波測距的方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法、渡越時間法、可變閾值檢測法、包絡峰值檢測法等。本文具體給大家介紹其中的兩種。

1.可變閾值檢測法

可變閾值檢測法是基于信號過零監測的，信號過零檢測屬于最為簡單的超聲測距檢測方法，其基本原理為：發射換能器發出超聲波的一瞬間開始計時，待接收換能器接收到聲波并達到一定閾值后再停止計時，從而得出渡越時間，再計算出距離。

因為超聲波會因介質中距離的增加而導致頻率的衰減，其放大的線路也就會衰減，進而使渡越時間變長，所以當前采用時間-閾值可變或時間-增益可變的形式來作為改變閾值的標準，以更加準確的接收回波，保證渡越時間的精準度。時間-閾值可變接收電路設置閾值隨時間延長呈指數形式遞減；時間-增益可變接收電路則使放大電路的放大倍數隨時間的延長呈指數形式遞增。按此規律并結合具體的環境來設定指數函數的底數，就能設定合理的閾值，準確接收超聲回波并分辨超聲回波所能表達出的信息，進而確定渡越時間，準確算出距目標的距離。

然而，可變閾值檢測法只能夠適應信噪比較低的環境，若環境中噪聲太大或目標距離收到噪聲影響，此方法就顯得誤差較大。

2.包絡峰值檢測法

包絡峰值檢測法的原理為：將接收到的超聲回波轉化為包絡峰值曲線，通過對曲線的分析再得出渡越時間。

利用包絡峰值檢測法進行測距時，對于同一個被測物，其不同距離上的曲線都極為相似，波形基本一致，但波幅不同；對于同一距離上的不同物體，其情況也是曲線相同、波幅不同的情況。所以我們可以近似認為，包絡曲線圖基本不以外界條件的改變而改變。進而我們可以推出，回波前沿到達的時間t0與回波峰值時間tp的時間差基本不變。所以，在測量物體確定的情況下，通過包絡曲線圖確定出回波峰值時間tp，再用公式Δt=tp-t0得到回波前沿到達的時間，從而準確確定渡越時間，也能夠準確計算出目標距離。

二、超聲波測距精度的提高

（一）主要影響因素及應對

在超聲波測距的過程中，誤差的出現是必不可免的，除了特定方法特定環境出現的干擾，如上述可變閾值檢測法中噪聲干擾外，還有各個測距環境中都能夠產生影響的方面。

1.傳播速度誤差和測定傳播時的誤差

超聲波在介質中傳播時，其速度會因某些環境因素的變化而變化。其中，溫度是變化的主要因素。340m/s是超聲波在常溫下的傳播速度。若在此基礎上每增加1℃，就會使超聲波在相同介質傳播速度增加0.6m/s，能夠產生較大誤差。

為了能夠使該實驗獲得更準確的數值，在數據處理時普遍采用溫度補償法，即給予超聲波速度相應補償。

2.盲區

發出超聲波時，由于超聲波換能器在接收超聲回波結束后，會由于慣性繼續振動，從而產生余振。在受到余振干擾期間，無法辨認超聲回波和余振，必須等其結束后才能運行。由于這段時間里無法進行測距步驟，稱之為盲區。

減少盲區的目的，就是為了使余振盡快衰減至零或足夠小，才不會對實驗結果造成太大影響。盲區多在近距離勘測中出現，因此，在近距離勘測時，可以適當的減少超聲波發射的功率，從而減小余振。

3.混響信號干擾

混響信號是由于超聲波接觸到水中介質及非目標物，而導致這些非目標物產生超聲回波，待所有回波集于一點時發生疊加產生的。混響信號難以被一般的濾波電路所消除。

對于混響信號干擾，可以根據時間變化，控制接收放大電路的增益，從而抑制混響信號。

（二）提高精度的方法

通過超聲波測距的基本原理公式L=υt/2，可知，能夠產生誤差從而影響到最終結果的因素有時間的大小和超聲波在介質中傳播速度的大小。而影響傳播速度的外界因素最主要為溫度。

1.減少時間測量誤差

（1）時間增益補償電路

通過對時間增益進行補償，若補償精確，可以將回波起伏近似地看作一個常數，回波穩定后，超聲波接收器測定的時間也就穩定了，渡越時間的誤差也能夠有效變小。

時間增益補償電路的基本原理為：利用回波接收放大電路的增益與回波接收時間之間的正比關系，或者根據放大倍數與回波時間的指數遞增關系來減小回波起伏的誤差，使接收電路接收的回波信號幾乎保持不變。

同樣，對于衰減現象，也能夠通過增益補償來對聲強進行影響，避免了隨著測量距離的增加超聲波回波起伏發生改變的問題，提高精度。

（2）利用小波變換對超聲波測距系統回波信號進行處理

此方法是在接收換能器接收完超聲回波后，利用小波去噪的方式，對回波進行加工，使回波所傳達的信息更加可信準確，得到精確的包絡數值，再進行后續的計算過程，獲得準確數值。

處理的方法為：對含噪信號進行不同角度的小波變換，再通過對所有角度小波變換的結果進行分析，得出去除噪聲的小波系數，最后利用該系數和逆變換重新構造出準確回波，達到去噪目的。

2.減小溫度對傳播速度影響

（1）溫度矯正法

對于溫度矯正的方法，我們一般利用公式v=331+0.60T進行溫度補償，來適應不同環境下超聲波測距工作的運行。通過對此公式的分析，可知，獲得準確溫度是得到準確超聲波速的關鍵。對于這個問題，目前的方式主要有運用熱敏電阻、熱電偶、集成溫度傳感器進行測量的方法。

（2）標桿測量法

除了像溫度矯正法將溫度彌補在速度上外，若實驗中不能準確測量當地環境的溫度時，實驗普遍采用標桿測量法。標桿測量法不同于溫度矯正法的是，它并沒有將溫度彌補，而是利用雙通道方法。雙通道方法的基本原理為：一個通道用于測量當前環境下超聲波聲速。將一個障礙物放在一個已知距離遠處，利用超聲波測距基本公式算出聲速；另一通道仍按正常程序進行測距。由于此方法中所得的聲速是針對于當前環境的，因此所得的結果也較為精確。

隨著科技的不斷進步和制作水平的不斷提升，溫度傳感器的精度和抗干擾能力也在不斷進步，溫度的測量就顯得方便了許多。

三、超聲波測距的典型應用

（一）汽車雷達

汽車雷達也是通過接收超聲回波來進行測距。但不同的是，汽車是一個不斷運動的物體，我們需要消除汽車行進中走過的距離。當計算出的距離小于一定程度時，顯示屏會根據設定過的不同閾值發出不同警報，來提示駕駛員進行避讓。

使用倒車雷達可以有效避免倒車時產生的車體碰撞等事故，能夠時刻提醒駕駛員保持行車距離，減少不必要的行車事故。隨著超聲波技術的越來越深入，在未來人們可以制造出更加精確的超聲波探頭，使行車安全更加有所保障。

（二）機器人領域

超聲波在機器人領域的應用也主要是機器人的避障。機器人避障的原理與汽車雷達的原理相似，由于現階段國內的無人駕駛汽車的速度也能夠與普通無人駕駛車的速度相比擬，所以行駛速度的補償也是必不可少的。與汽車雷達不同的是，機器人可以通過某些特定的程序，來進行不同方向的、符合行進路線的判斷，通過中央芯片下達指令，進行避障。

機器人避障的應用在當代社會中有十分豐富的應用手段，其自動化可以有效地解放人為控制，方便人們生活也給予了相關行業人群或相關科研人員一個新的研究領域。

（三）水下地形測繪

由于水為彈性介質，超聲波作為彈性波可以在水中傳播。其基本原理為：超聲波在水中傳播，遇到障礙物后產生回波，接收器收到回波后根據回波所帶信息在特定的繪制程序中對不同深度進行不同顏色的區分，通過不斷移動改變探頭位置，從而繪制出水下地形的圖像。

由于海底地形太過復雜，只進行一個探頭的繪制是無法體現出所有海底的地形構造的。因此，繪制海底地形圖時要多個探頭多方位、多角度的進行測繪。

通過超聲波測距，我們能夠進行水下地殼測繪、水下地藏測繪等，這為我們更深入地了解地球結構及其能源儲備，發現更多有價值的地球規律。

四、總結與展望

超聲波測距技術潛移默化地貫穿在人們生活之中，為我們帶來極大便利。經過多年發展，超聲波測距技術在提高精度和測量范圍等方面已經取得長足進展，發展起多用途、適用于不同領域的測量方法。

隨著新時代的蓬勃發展，高新科技技術正在崛起，超聲波技術也將在這科技技術的饕餮盛宴中占有一席之地。它更多的可以作為一種工具來促進科技的發展，為未來擁有更精密儀器或更高級的技術奠定基礎。

參考文獻：

[1]張海鷹，高艷麗.超聲波測距技術研究[J].儀表技術，2011，（09）：58-60.

[2]李戈，孟祥杰，王曉華，等.國內超聲波測距研究應用現狀[J].測繪科學，2011，（04）：60-62.

（作者單位：山東省平度第一中學）