固定閾值在超聲波測(cè)距車載應(yīng)用中的使用

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(huì)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(hào)為u(t) = s(t) + η(t)，其中s(t)為回波信號(hào)，而η(t)為輸入相關(guān)噪聲。換句話說(shuō)，回波信號(hào)振幅不僅隨距離增加而減小，并且會(huì)被噪聲破壞，而回波處理系統(tǒng)只能通過(guò)處理回波信號(hào)來(lái)探測(cè)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(lái)時(shí)，閾值較大，之后，隨著經(jīng)過(guò)時(shí)間的增加而減小。這種方法的基本原理是，利用信號(hào)振幅的可預(yù)測(cè)衰變，確定閾值大小：越靠近物體，回波和閾值越大，從而實(shí)現(xiàn)物體探測(cè)。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(píng)估模塊的一個(gè)測(cè)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(hào)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)：

1、 可變閾值方案要求器件內(nèi)部有存儲(chǔ)器，以將時(shí)間與閾值關(guān)系存儲(chǔ)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(huì)有 6 種可能的輸入。另外，對(duì)于車載中使用的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 來(lái)說(shuō)，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(chǔ)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?chǔ)空間。

2、 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(huì)“校準(zhǔn)”方案表。校準(zhǔn)過(guò)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(cè)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(hào)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(duì)其進(jìn)行探測(cè)。

另外，由圖 1 我們知道，回波處理路徑輸入信號(hào)為 u(t) = s(t) + η(t)?；夭ㄐ盘?hào)是一系列載波頻率 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(hào)振幅。因此，方程式 10 給出了放大信號(hào)的 RMS 值：

請(qǐng)注意，這種一連串的脈沖僅短暫出現(xiàn)，從而讓信號(hào)振幅看似受到長(zhǎng)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(hào)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(cè)到物體的存在。問(wèn)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(wèn)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?/p>

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(shuō)，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)。

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