脉冲编码激励超声扩频测距系统性能分析

摘要

多路超声测距系统中主要存在两个问题，一是超声串扰，二是有效测距范围与测距分辨率的矛盾。为解决这两个问题，将扩频技术与编码应用到超声测距领域，在超声测距系统的发射端使用合适的扩频编码序列激励换能器，在接收端对回声信号进行相关运算以捕获渡越时间。每个超声换能器的激励序列所包含的编码信息都是唯一的，因此超声测距系统可以识别出所接收到的回声信号是哪个超声换能器发出的，从而有效的消除超声串扰。扩频测距方法的应用使得超声测距系统既可以获得较大的测距范围，又可保持较高的距离分辨率。
　　 本文基于超声扩频编码测距原理，选择了适用于超声测距系统的6种伪随机二进制编码：m序列，混沌序列，Gold序列，Balanced Gold序列，Legendre序列和Hall序列。介绍每种编码的定义，简要分析各自的特性，并给出了具体的序列产生方法。
　　 将这6种编码与3种常用的二值数字调制方式，即二值幅移键控(BASK)、二值频移键控(BFSK)和二值相移键控(BPSK)相结合，构造了18种(每种含8个)脉冲编码数字调制激励序列。为了评价这18种激励序列在超声测距应用中性能的优劣，合理设置了3个有效的评价指标，即回声序列相关度、激励序列与回声序列的能量/能量效率和回声序列相关函数的主瓣宽度。
　　 基于所构造的18种激励序列，首先进行了超声测距仿真研究，并对仿真结果在上述3个评价指标方面的性能进行了合理的分析；接着设计了超声信号发射接收模块和电源模块，优化了超声测距系统，并在此基础上进行了真实的超声测距系统性能分析实验；最后将实验结果与仿真研究的分析结果进行对比验证，提出了适用于扩频超声测距系统的编码种类和调制方式。