固定閾值在超聲波測(cè)距車(chē)載應(yīng)用中的使用

引言
在超聲波測(cè)距車(chē)載應(yīng)用中，例如：超聲波泊車(chē)輔助 (UPA) 和盲點(diǎn)探測(cè) (BSD) 等，系統(tǒng)發(fā)射的超聲波被周?chē)矬w反射回來(lái)。系統(tǒng)接收反射波（回波），然后將物體的回波振幅與某個(gè)閾值比較，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)物體的目的。物體越靠近系統(tǒng)，其回波也越強(qiáng)。因此，閾值隨時(shí)間而變化，是一種相對(duì)常見(jiàn)的情況。本文將向您論述，該閾值無(wú)需變化，可以保持固定不變。
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超聲波測(cè)距
小轎車(chē)中使用的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 便是一種超聲波測(cè)距應(yīng)用。安裝在車(chē)載前后保險(xiǎn)杠和后視鏡上的超聲波傳感器發(fā)射出超聲波，然后接收周?chē)矬w反射回來(lái)的超聲波。超聲波的傳播時(shí)間（飛行時(shí)間）用于計(jì)算到物體的距離，從而幫助駕駛員泊車(chē)：尋找泊車(chē)點(diǎn)，或者探測(cè)駕駛員盲點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的物體。車(chē)載前后保險(xiǎn)杠安裝的傳感器達(dá)到 4 個(gè)之多，另外，每個(gè)后視鏡上還各裝有一個(gè)傳感器。
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在超聲波高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)中，壓電式傳感器一般用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波，然后再把反射回來(lái)的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接受反射回波時(shí)，壓電式超聲波傳感器的低接收機(jī)靈敏度通常會(huì)導(dǎo)致電信號(hào)非常微弱。
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圖 1 顯示了用于處理回波電壓的典型信號(hào)鏈。TI PGA450-Q1 是一款集成車(chē)載超聲波傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器，適用于 UPA 系統(tǒng)等應(yīng)用。
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圖 1 使用回波處理探測(cè)物體的 ADAS

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超聲波接收機(jī)接收到的回波信號(hào)s（t）被噪聲破壞。圖 1 所示輸入相關(guān)噪聲η(t)為外部環(huán)境噪聲和所有信號(hào)鏈組成部分的和，其與時(shí)間（t）相關(guān)。被破壞的信號(hào) u(t) 經(jīng)由放大器使用增益 K 放大，然后通過(guò)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 被數(shù)字化。數(shù)字化的 AM 信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器 (BPF) 按線路傳輸。該濾波器主要用于改善信號(hào)的信噪比。把經(jīng)濾波后的信號(hào) y（t） 與閾值 L 比較，以探測(cè)某個(gè)物體的存在。BPF 的后面一般會(huì)有一個(gè)振幅解調(diào)器，其將信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶，以進(jìn)行比較。但是，本文為了方便說(shuō)明，我們忽略了這種解調(diào)器。因此，探測(cè)物體的關(guān)鍵是閾值 (L) 的選擇。那么，我們?nèi)绾芜x擇 L 呢？
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回波振幅
發(fā)射器產(chǎn)生的超聲波為一系列載波頻率下的正弦波脈沖，并以聲壓級(jí) (SPL) 來(lái)描述。SPL 的計(jì)算方法如下：

其中，P_rms 為 RMS 聲壓，而 p_ref 為基準(zhǔn)聲壓。常用基準(zhǔn)聲壓為 20 μPa，即 0.0002 μbar。
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傳感器對(duì)某個(gè)物體產(chǎn)生的超聲波 SPL，取決于物體到傳感器的距離。特別需要請(qǐng)注意的是，聲壓同距離成反比例關(guān)系：

其中，p 為聲波壓力，而 d 為物體到傳感器的距離。超聲波傳感器規(guī)范說(shuō)明了30cm 距離的 SPL。由該值，利用這一距離定律，我們便可以計(jì)算出任意距離 x的 SPL：

其中，x 為傳感器和物體之間的距離，并且 x > 30 cm。因此，x 距離的 SPL 為：

也就是說(shuō)，超聲波從傳感器傳播到物體過(guò)程中，會(huì)損失聲壓。
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聲波從物體反射回來(lái)，返回到傳感器，聲壓進(jìn)一步損失。另外，由于空氣和物體都會(huì)吸收一部分聲壓，所接收回波的 SPL 可以通過(guò)方程式 3 進(jìn)行近似計(jì)算。具體方程式請(qǐng)見(jiàn)本頁(yè)末尾處，方程式中 α 為空氣吸收系數(shù)。請(qǐng)注意，空氣吸收的 SPL 與聲波在空氣中傳播的距離與正比。換句話說(shuō)，SPL 損失與 x 成正比。我們使用因數(shù) 2，是因?yàn)槁暡ㄔ趥鞲衅骱臀矬w之間傳播兩次—一次從傳感器到物體，一次從物體到傳感器。根據(jù)方程式 1，傳感器接收的回波脈沖的聲壓計(jì)算方法如下：

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超聲波接收機(jī)將接收到的聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。轉(zhuǎn)換過(guò)程受到接收機(jī)靈敏度 (dB)的影響。1 μPa 聲壓產(chǎn)生 10 V 時(shí)，接收機(jī)靈敏度為 0 dB。因此，利用方程式 5和 6，可以把以 dB 表示的接收機(jī)靈敏度轉(zhuǎn)換為 V/μPa。

其中，增益（K）為一個(gè)常量。
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