English Catalog 1 绪论

1.1 论文研究的背景和意义

测距的原理和方法有很多，根据信息载体的不同可分为光学方法、无线电方法和超声波方法。随着电子技术的发展，先后出现了激光、超声波及红外线等非接触式测距方法。激光测距虽然测距精度高，操作简单，但是受环境的影响比较大，且系统检测维护不便，价格相对昂贵，一般多在军事领域应用。红外测距属于电磁波的一种，超声波是声波测距，实现起来更容易且不受电磁干扰影响。红外传播速度为3×108州s，超声波在空气中的传播速度为340I∥s，其速度相对电磁波是非常慢的，因此在同等距离的情况下，超声波的传播时间远大于红外，往返时间更易测量。

超声波在测距方面具有以下突出的优点：

(1)环境介质可为空气、液体或固体等，适用范围广泛；

(2)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中，可以降低劳动强度；

(3)超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化；

由于超声波具有以上特点被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。在超声波探伤、自动泊车系统和倒车雷达系统中，超声波测距有其重要的应用。随着科学技术的发展，超声波测距技术在国防、汽车工业及日常生活中无处不在。目前超声波测距系统主要是采用微处理器为核心，使用微处理器内部的计时器计时，并结合温度补偿声速等处理手段提高测距精度。但由于超声波传播时间难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。由于微处理计时精度有限和硬件设计的束缚，现有超声波测距系统在测量范围为O．2m也Om的范围内，测量误差多为111In级，20cm以下基本为

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1 绪论 系统的测量盲区。现有超声波测距系统不仅测量范围有限制，且测量精度有限。

超声波测距仪虽然原理简单，但是由于超声波测距受到许多外界因素制约，包括所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度j环境温度等等，如何选择合适的方法提高精度是技术开发的重要瓶颈，国内外的学者在提高超声波测距精度方面做了大量的研究。面对广阔的市场空间以及日益苛刻的测量要求，如何提高适用范围和测距精度就成为了当前超声波测距设备开发的关键所在。

1.1.1超声波测距领域的历史和国内外发展状况

一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F．Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。法国人LaIlgeVin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。

1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建谢51。相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。4年之后，1934年Sok010v首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人B哪蛐锄在他的论著《ULTRASONIC》中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作。 美国的Firestone和英国的Sproule首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用

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1 绪论 最为广泛的一种。

HuaHong，wallg Yon阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波，基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系，用相位差法测量传感器之间的动态距离。文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。实验结果表明，该系统在15m的测距精度可达到lnHn。

中国测试技术研究所的李茂山在《超声波测距原理及实践技术》中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件，测量超声波行进于待测距离所耗费时间的超声波测距原理。文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素，给出了超声波测距的框图。作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。

浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统。作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计，硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89c2051单片机控制电路等。作者还分析了造成料位测量误差的几点原因，并给出了几种方法来减少测量误差。比如：在计数电路设计中，采用了“延迟接收，信号分离\的技术和相关计数法减小了计数误差，对于声速的测量误差，使用温度补偿法，在软件设计中采用了查表的方法，由单片机实现自动补偿校正。文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定的参考价值。 声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用，超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。中国海洋大学的曹玉华在《超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用》提出了采用温度补偿的方法测量声速，来提高超声波测距精度。文中温度检测部分采用了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DSl8820测量环境温度，用以温度补偿以修正超声波速度，来减小温度变化对距离测量精度的影响。该超声波测距装置在1．5m的测量范围内，测量误差小于5cm

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1 绪论 山东科技大学的王红梅在《高分辨力超声测距系统的研究》中研究了已有超声波测距系统的优缺点，采用超声波多次发射，以多次测量的平均值作为测量值的方法提高超声波测距精度，并使用了温度补偿声速的方法进一步提高了系统精度。为了提高仪器的分辨力，还采用了若干方法来减小随机误差。本文所设计的超声波测距系统在测量范围lcm～lOcm，精度可达到O．5％，分辨率优于0．1mm。 1.1.2 汽车倒车雷达预警系统国内外研究现状

倒车雷达在车挂倒挡时开始工作，由探头、主机和显示器三部分构成，探头可以根据需要安装不同的数量，目前比较常见的是4探头(安装于后保险杠上)和6探头(2前4后)的；除一般的放置位置外，显示器也可以替代原来的后视镜并兼顾这两种功能，它可以显示多种信息。例如障碍物相对于车的距离、角度和车内外温度等(视雷达档次而定)。以4探头液晶显示屏的豪迪倒车雷达为例，它最远可以探测到1．96m外的障碍物，并可以显示出是由哪个探头探测到的，如果两个探头同时探测到障碍物，则会以离车最近的障碍物为准，有些显示器上还带有“车载免提功能”，其内有扬声器和麦克风，可以进行录音和放音。倒车雷达的提示方法也可以分为数码显示、声音提示和语音提示等，以博视雷达为例，其背光可通过三色变换来警告紧危急程度，声音提示则会通过急促程度的不同告诉驾驶员及时停车．有些雷达还特别为喜欢安静的驾驶员设置了静音开关。倒车雷达的接收方式呵以分为有线式和无线式两种，无线接收方式显然更省事，不必“走线”而拆装车内的原有装饰，也不受车型、车长等因素的影响，其价格自然也略高些。国外汽车倒车雷达预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，不属于雷达(无线电波)的产品， 最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪或泥尘覆盖，系统就会失效。最近在欧美出现的一种电磁感应倒车雷达。在一线路套上一环型的感应圈(此线圈贴在后保险杠的内侧，车外表完全看不出有此装置)，以感应车后物体的有无。此种装置价格中

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