峰 厦门大学海洋学院（361005）许天增

     来源：《电子技术应用》

     摘要：针对窄带超声换能器对测距精度影响，采用基于横向滤波器的解卷积处理方法扩展了接收信号带宽，并利用lms算法进行解卷积滤波器的构造。实验结果表明，这种处理方案有效提高的系统的测距精度。

     关键词：超声波测距

     解卷积 lms算法

     超声测距系统由于具有不受光线烟雾影响、抗电磁干扰能力强、距离信息直观、成本低、使用方便等特点，广泛应用于液位物位测量、位置角度跟踪、移动机器人定位等场合[1,2]。为了进一步用于需要高的测距、定位精度的场合，国内外提出了多种高精度超声波测距处理方法[3～6]。这些处理方法更多地针对接受到的超声信号，没有考虑到超声换能器对测距精度的影响。在“移动机器人超声导航传感器”[7]和863项目“超声地开障碍检出传感系统”中高精度超声波测距研究的基础上，本文从考虑超声波换能器对测距精度的影响出发，研究了基于换能器解卷积的超声波测距处理方法。

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     超声波换能器对测距精度的影响

     考虑发射—接收工作模式的越声测距系统，以x(t)为发射信号，接收端得到的超声信号为：

     y(t)=x(t)*htr*hair*hrv

     (1)

     其中：htr、hrv分别为发射、接收换能器的冲激响应，hair为传输空气介质的冲激响应。超声测距系统信号流程如图1所示。

     cramer-rao下界是时延估计（tde）能达到的最小误差，也即时延估计系统能达到的理论上的最佳精度。根据cramer-rao下界，假定信号和噪声是不相关的平稳随机过程，且信噪比snr>>1，时延估计方差的cramer-rao下界为[8]:

     其中t为观测窗，f1、f2分别为信号带宽的上下界。

     由上述公式可知，对时延估计系统来说，信号的带宽越宽、信噪比越高、观测时间越长，系统可达到的时延估计精度越高。在信噪比和观测时间一定的条件下，信号带宽决定了时延估计的精度。

     由式（1），超声测距系统接受信号的带宽取决于发射信号、发射接收换能器和空气介质，对于通常的超声测距系统，超声波换能器对信号带宽起主要作用。因为宽带发射信号可以容易地产生，空气介质的传递函数也是宽带的，而通常的气介超声波换能器为了平衡发射效率、接收灵敏度，其带宽较窄，如常用的t/r40—16型超声换能器，中心频率40khz，3db带宽时频率约为3.8khz。这样，影响超声测距精度的主要是换能器的窄带频率特性。

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     基于换能器解卷积的超声测距处理方法

     为了抵消换能窄带特性对接受信号的影响，可以采取解卷积的处理方法，即构造一个冲激响应为hdecon的滤波器，对换能器冲激响应进行解卷积，使其与发射、接受换能器的联合频率响应是一个宽带响应，从而输出宽带超声信号，提高测距精度。

     自适应滤波器可自动调节本身的冲激响应特性，即用自适应算法调整滤波器的数字系数，然后按某种准则来判断误差信号是否最小，从而达到最优化滤波。因此，可以把经发射、接收换能器（不经过空气介质传输）的实际超声信号输入自适应滤波器，用要求的理想宽带信号作为自适用滤波器训练信号构造滤波器。自适应算法收敛后即得到了解卷积所需的滤波器。

     用自适应滤波器法构成解卷积滤波器构造的原理图如图2所示。滤波器采用横向fir型，lms（最小均方误差）算法。

     3 lms自适应算法介绍

     设输入信号为x(k)，目标信号为y(k)，滤波器