一種超聲波測距的雙相位測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及大尺寸測量技術領域，具體是一種超聲波測距的雙相位測量方法。
【背景技術】
[0002] 大尺寸測量技術，是屬于點對點大空間坐標測量技術，是衡量一個國家科學技術 發展水平以及一個國家綜合實力的一項重要指標。目前大尺寸空間坐標測量技術的發展很 快，有基于衛星定位系統的大尺寸空間坐標測量技術、有基于激光測距的大尺寸空間坐標 測量技術等。本發明是通過對低頻調制的超聲波和沒有經過低頻調制的超聲波的雙相位測 量，在一定的空間尺度范圍內實現的一種高精度的測距方法。由于超聲波傳感器具有尺寸 小、價格低廉的特點，這種測量方法可以廣泛應用在需要大尺寸測量的各個領域。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種超聲波測距的雙相位測量方法，通過對低頻調制的超聲 波和沒有經過低頻調制的超聲波的雙相位測量，在一定的空間尺度范圍內實現的一種高精 度的超聲波測距。
[0004] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：
[0005] 一種超聲波測距的雙相位測量方法，其特征在于：通過A/D同步采樣超聲波測距 中發射端經過低頻調制的超聲波信號、接收端沒有經過低頻調制的超聲波信號，然后通過 雙相位測量算法分別計算出發射端和接收端之間的一個波長內的低頻調制波相位差和超 聲波相位差，由于一個波長內的低頻調制波相位差對應的距離范圍可達數米或數十米，因 而可以通過測量低頻調制波的相位差，測量出距離的絕對值，而一個波長內的超聲波相位 差對應的距離范圍只有幾個毫米，因而測量到的超聲波相位差，反映的只是距離的相對值， 通過相對值修正絕對值得到超聲波所測的精確距離值，其中A/D同步采樣時，其采樣頻率 設定為超聲波頻率的2N倍，N多4,超聲波測距中超聲波頻率設定為調制波頻率的2 M倍， M彡4 ;
[0006] 雙相位測量算法過程如下：
[0007] (1)、信號預處理：
[0008] (a)、首先對發射端和接收端的經過低頻調制的超聲波信號采樣值按時間軸劃分 個數據段，J多4,每個數據段的數據為2 κ個，K多N并且J+K多N+M，M、N、J、K均為正的 整數；
[0009] (b)、分別對每一數據段2K個數據進行短時傅里葉變換STFT，取STFT的超聲波頻 率對應的譜線幅值作為低頻調制波的幅值；
[0010] (c)、對獲取的2^個低頻調制波的幅值進行傅里葉變換FT，取出低頻調制波頻率對 應的實部和虛部進行傅里葉逆變換IFT，得到低頻調制波時域信號的采樣值，低頻調制波時 域信號的采樣值；
[0011] (d)、對沒有經過低頻調制的超聲波信號的f個采樣值進行傅里葉變換FT，這里 的L多4并且L多N，L為正的整數，取出超聲波頻率對應的實部和虛部進行傅里葉逆變換 IFT，得到超聲波時域信號的采樣值；
[0012] 低頻調制波時域信號采樣值或超聲波時域信號采樣值的表達式如公式（1)和公 式⑵：
[0013] (1)，
[0014] (2),
[0015] 公式（1)和式（2)中的A為發射端的低頻調制波信號幅值或超聲波信號幅值，B為 接收端的低頻調制波信號幅值或超聲波信號幅值；Uh為i+j時刻發射端的低頻調制波信 號采樣值或超聲波信號采樣值，Vm為i+j時刻為接收端的低頻調制波信號采樣值或超聲 波信號采樣值；Θ i時刻采樣對應的發射端的低頻調制波相位值或超聲波相位值；j為 七和V 1各自相鄰采樣點序號，△ Θ為U JP V i各自相鄰采樣點之間對應的相位差值；P為 接收端相對于發射端的一個波長內的低頻調制波相位差或超聲波相位差；
[0016] (2)、相位計算：
[0017] (a)、移相計算，對公式⑵進行2 π周期內的移相，使公式⑴和公式⑵的相關 值為最大，公式（2)通過移相后的表達式如公式（3)所示，
[0018]
(3),
[0019] 公式（3)中的wi+j為移相后的采樣值，kA Θ為式⑵的移相值，k = ±η，η為 〇, 1,2,3……自然數；
[0020] (b)、計算相位差，取過零點附近的Wi、Ui采樣值計算相位差
[0021]
[0022]
[0023] (C)、計算相位修正值P和即為發射端和接收端之間的一個波長內的低頻調制波 相位差或超聲波相位差：
[0024]
[0025]
[0026] 本發明的優點是：僅需A/D同步采樣經過低頻調制的超聲波信號和沒有經過低頻 調制的超聲波信號，就能夠根據采樣值通過雙相位測量算法，得到高精度的大尺寸測量值。
【具體實施方式】
[0027] 一種超聲波測距的雙相位測量方法，通過A/D同步采樣超聲波測距中發射端經過 低頻調制的超聲波信號、接收端沒有經過低頻調制的超聲波信號，然后通過雙相位測量算 法分別計算出發射端和接收端之間的一個波長內的低頻調制波相位差和超聲波相位差，由 于一個波長內的低頻調制波相位差對應的距離范圍可達數米或數十米，因而可以通過測量 低頻調制波的相位差，測量出距離的絕對值，而一個波長內的超聲波相位差對應的距離范 圍只有幾個毫米，因而測量到的超聲波相位差，反映的只是距離的相對值，通過相對值修正 絕對值得到超聲波所測的精確距離值，其中A/D同步采樣時，其采樣頻率設定為超聲波頻 率的2N倍，N多4,超聲波測距中超聲波頻率設定為調制波頻率的2 M倍，M多4 ;
[0028] 雙相位測量算法過程如下：
[0029] (1)、信號預處理：
[0030] (a)、首先對發射端和接收端的經過低頻調制的超聲波信號采樣值按時間軸劃分 個數據段，J多4,每個數據段的數據為2 κ個，K多N并且J+K多N+M，M、N、J、K均為正的 整數；
[0031] (b)、分別對每一數據段2K個數據進行短時傅里葉變換STFT，取STFT的超聲波頻 率對應的譜線幅值作為低頻調制波的幅值；
[0032] (c)、對獲取的2^個低頻調