超声扩频测距脉冲编码激励与渡越时间估计

摘要

针对传统单脉冲超声测距系统存在的距离分辨力与有效作用距离之间的矛盾以及多路超声测距系统中传感器同时工作引起的超声串扰现象,本文研究了扩频编码激励超声测距方法。在扩频超声测距系统的发射端,通过编码与调制赋予每个超声换能器唯一的激励序列；在接收端,通过脉冲压缩或相关技术辨识自身所发射的激励序列。为减小超声测距系统的盲区及提高超声测距精度,本文还研究了短距离测距用单脉冲超声测距系统的渡越时间(TOF)估计方法。
　　 在扩频超声测距系统的脉冲编码激励与单脉冲超声测距系统的 TOF估计方面,本文重点开展了如下研究工作。
　　 给出了能量效率和回声序列相关度两个性能指标的定义。能量效率反映在给定距离前提下,扩频测距系统的回声信号与发射信号的能量比。高能量效率可增加回声序列能量从而提高有效作用距离。回声序列相关度反映激励信号的唯一性,低回声序列相关度(即自相关函数尖锐,互相关函数平坦)可提高脉冲压缩效果并抑制超声串扰。
　　 提出了四种模拟调制脉冲激励序列构造方法,即频谱优化混沌脉冲位置调制(CPPM)激励序列,混沌脉冲宽度调制(CPWM)激励序列,线性调频(LFM)脉冲激励序列和非线性调频(NLFM)脉冲激励序列。采用遗传算法(GA)或带精英策略非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)优化CPPM激励序列,CPWM激励序列和 NLFM脉冲激励序列,使得激励序列的能量效率和回声序列相关度最优。讨论了适用于八路 LFM脉冲激励序列的参数配置方法。针对八路超声扩频测距系统,实验比较了四种模拟调制激励序列的性能优劣。
　　 构造并比较了六种数字调制脉冲激励序列。利用二值混沌编码和伪随机 m序列结合数字调制技术构造多路超声测距系统的扩频编码激励序列。具体讨论了二值幅移键控(BASK)、二值频移键控(BFSK)和二值相移键控(BPSK)三种脉冲激励序列的参数配置和 GA优化方法以提高能量效率并降低回声序列相关度。针对八路超声测距系统,实验比较了六种数字调制激励序列的性能优劣。
　　 提出了基于平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)算法的单脉冲超声测距系统TOF估计方法。利用 SRUKF算法估计回声信号包络形状的参数以确定TOF。考虑到初始状态的统计特性影响滤波器的估计结果,在SRLIKF算法的基础上利用多个不同初始状态的SRLJKF(Multi-SRUKF)估计单脉冲超声测距系统的TOF。利用仿真回声信号和真实实验采集回声信号,比较了无迹卡尔曼滤波(UKF)、SRUKF、多初始状态 UKF(Multi-UKF)和 Multi-SRUKF算法用于估计 TOF的性能。