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超声扩频测距脉冲编码激励与渡越时间估计

作　者: 姚振静
导　师: 孟庆浩
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 超声扩频测距超声串扰编码激励模拟调制数字调制能量效率回声序列相关度渡越时间估计
分类号: TH761.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

针对传统单脉冲超声测距系统存在的距离分辨力与有效作用距离之间的矛盾以及多路超声测距系统中传感器同时工作引起的超声串扰现象,本文研究了扩频编码激励超声测距方法。在扩频超声测距系统的发射端,通过编码与调制赋予每个超声换能器唯一的激励序列;在接收端,通过脉冲压缩或相关技术辨识自身所发射的激励序列。为减小超声测距系统的盲区及提高超声测距精度,本文还研究了短距离测距用单脉冲超声测距系统的渡越时间(TOF)估计方法。在扩频超声测距系统的脉冲编码激励与单脉冲超声测距系统的TOF估计方面,本文重点开展了如下研究工作。给出了能量效率和回声序列相关度两个性能指标的定义。能量效率反映在给定距离前提下,扩频测距系统的回声信号与发射信号的能量比。高能量效率可增加回声序列能量从而提高有效作用距离。回声序列相关度反映激励信号的唯一性,低回声序列相关度(即自相关函数尖锐,互相关函数平坦)可提高脉冲压缩效果并抑制超声串扰。提出了四种模拟调制脉冲激励序列构造方法,即频谱优化混沌脉冲位置调制(CPPM)激励序列,混沌脉冲宽度调制(CPWM)激励序列,线性调频(LFM)脉冲激励序列和非线性调频(NLFM)脉冲激励序列。采用遗传算法(GA)或带精英策略非支配排序遗传算法(NSGA-II)优化CPPM激励序列,CPWM激励序列和NLFM脉冲激励序列,使得激励序列的能量效率和回声序列相关度最优。讨论了适用于八路LFM脉冲激励序列的参数配置方法。针对八路超声扩频测距系统,实验比较了四种模拟调制激励序列的性能优劣。构造并比较了六种数字调制脉冲激励序列。利用二值混沌编码和伪随机m序列结合数字调制技术构造多路超声测距系统的扩频编码激励序列。具体讨论了二值幅移键控(BASK)、二值频移键控(BFSK)和二值相移键控(BPSK)三种脉冲激励序列的参数配置和GA优化方法以提高能量效率并降低回声序列相关度。针对八路超声测距系统,实验比较了六种数字调制激励序列的性能优劣。提出了基于平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)算法的单脉冲超声测距系统TOF估计方法。利用SRUKF算法估计回声信号包络形状的参数以确定TOF。考虑到初始状态的统计特性影响滤波器的估计结果,在SRUKF算法的基础上利用多个不同初始状态的SRUKF(Multi-SRUKF)估计单脉冲超声测距系统的TOF。利用仿真回声信号和真实实验采集回声信号,比较了无迹卡尔曼滤波(UKF)、SRUKF、多初始状态UKF(Multi-UKF)和Multi-SRUKF算法用于估计TOF的性能。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-26
  1.1 研究背景及意义  13-14
  1.2 背景知识  14-17
  1.3 文献综述  17-23
    1.3.1 扩频编码激励信号构造方法  17-18
    1.3.2 超声串扰抑制方法  18-22
      1.3.2.1 EERUF法  18-19
      1.3.2.2 超声换能器编码法  19
      1.3.2.3 扩频编码激励法  19-21
      1.3.2.4 相关器实现方法  21-22
    1.3.3 TOF估计与捕获方法  22-23
  1.4 研究思路  23-24
  1.5 主要贡献  24-25
  1.6 内容安排  25
  1.7 本章小结  25-26
第二章理论基础  26-42
  2.1 遗传算法（GA）  26-37
    2.1.1 GA基本原理  26-27
    2.1.2 GA的基本实现要素  27-33
      2.1.2.1 编码方法  28-29
      2.1.2.2 适应度  29
      2.1.2.3 选择算子  29-30
      2.1.2.4 交叉算子  30-31
      2.1.2.5 变异算子  31-33
    2.1.3 多目标优化算法  33-37
      2.1.3.1 基本概念  33-34
      2.1.3.2 NSGA-II  34-37
  2.2 SRUKF算法  37-41
    2.2.1 UT变换  37-38
    2.2.2 SRUKF算法  38-41
  2.3 本章小结  41-42
第三章模拟调制激励序列构造方法  42-71
  3.1 超声测距系统存在问题及解决办法  42-43
    3.1.1 有效测量距离与测距分辨力间的矛盾  42
    3.1.2 超声串扰  42-43
    3.1.3 解决办法  43
  3.2 超声测距系统激励序列性能评价指标  43-46
    3.2.1 回声序列相关度  43-45
    3.2.2 能量效率  45-46
  3.3 CPPM激励序列构造方法  46-50
    3.3.1 混沌序列  46-47
    3.3.2 CPPM原理  47-48
    3.3.3 频谱优化CPPM激励序列  48-49
    3.3.4 基于NSGA-II算法的CPPM激励序列优化  49-50
  3.4 CPWM激励序列构造方法  50-52
    3.4.1 CPWM原理  50-51
    3.4.2 CPWM激励序列的GA优化  51-52
  3.5 LFM激励序列构造方法  52-61
    3.5.1 经典LFM信号  52-54
    3.5.2 LFM脉冲激励序列  54-55
    3.5.3 单路LFM脉冲激励序列参数配置  55-60
    3.5.4 多路LFM脉冲激励序列参数配置  60-61
  3.6 NLFM脉冲激励序列构造方法  61-63
    3.6.1 NLFM脉冲激励序列  61-62
    3.6.2 多路NLFM脉冲激励序列的GA优化  62-63
  3.7 优化结果及实验数据处理  63-69
    3.7.1 超声测距系统硬件电路设计及模型  63-64
    3.7.2 模拟调制激励序列优化结果及实验数据处理  64-69
      3.7.2.1 CPPM激励序列优化及数据处理结果  64-66
      3.7.2.2 CPWM激励序列优化及数据处理结果  66-67
      3.7.2.3 LFM脉冲激励序列数据处理结果  67
      3.7.2.4 NLFM脉冲激励序列优化及数据处理结果  67-68
      3.7.2.5 模拟调制激励序列性能比较  68-69
  3.8 本章小结  69-71
第四章数字调制激励序列构造方法  71-94
  4.1 数字调制技术概述  71-72
  4.2 二值混沌编码  72
  4.3 伪随机m序列  72-75
    4.3.1 线性移位寄存器  72-73
    4.3.2 m序列的产生  73-75
  4.4 数字调制脉冲激励序列的构造  75-82
    4.4.1 BASK脉冲激励序列  75-77
    4.4.2 BFSK脉冲激励序列  77-80
    4.4.3 BPSK脉冲激励序列  80-82
  4.5 多路数字调制脉冲激励序列的参数配置及优化方法  82-83
    4.5.1 多路数字调制脉冲激励序列的参数配置方法  82
    4.5.2 多路数字调制脉冲激励序列的优化方法  82-83
  4.6 数字调制激励序列优化结果及实验数据处理  83-90
    4.6.1 混沌编码数字调制脉冲激励序列优化及数据处理结果  84-86
    4.6.2 m序列数字调制脉冲激励序列优化及数据处理结果  86-88
    4.6.3 数字调制激励序列性能比较  88-90
  4.7 多路超声测距系统测距实验  90-92
    4.7.1 能量与回声序列相关度  90-91
    4.7.2 测距结果  91-92
  4.8 本章小结  92-94
第五章单脉冲超声测距系统TOF的估计方法  94-106
  5.1 超声测距系统的测距盲区  94-95
  5.2 基于SRUKF算法的超声测距系统TOF估计方法  95-98
    5.2.1 问题描述  95
    5.2.2 被分析回声信号采集方法  95-96
    5.2.3 均方误差  96
    5.2.4 单脉冲超声测距系统的TOF估计  96-98
  5.3 单脉冲超声测距系统实验  98-105
    5.3.1 单脉冲超声测距系统实验装置  98-100
    5.3.2 噪声分析  100-101
    5.3.3 仿真回声信号实验  101-103
    5.3.4 实验采集真实回声信号实验  103-105
  5.4 本章小结  105-106
第六章总结与展望  106-108
参考文献  108-118
发表论文和科研情况说明  118-120
附录 1:第二章主要符号解释  120-121
附录 2:第三章主要符号解释  121-123
附录 3:第四章主要符号解释  123-124
附录 4:第五章主要符号解释  124-125
致谢  125

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