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大量程超声波测距系统研究

作　者: 潘仲明
导　师: 温熙森
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: Cymbal模型超声波换能器大作用距离包络相关伪随机码测距系统
分类号: TB551
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

超声波测距传感器在车辆避障与安全预警系统、车辆自动导航和现场机器人等技术专题中具有广阔的应用前景。但在气体介质中，超声波传感器的品质因数Q高(工作频带相对较窄)，而且难以使超声波传感器兼有大的作用距离和良好的指向性，这就限制了它在野外目标探测系统中的应用。因此，研制高性能超声波传感器和超声波测距系统，仍然是当今声纳技术领域中富有挑战性的研究课题之一。超声波测距系统是由超声波换能器、超声波收发电路和信号处理器构成的。本文深入研究了超声波换能器的机电能量转换机理、微弱声波信号检测算法和大量程超声波测距系统的实现技术。主要研究内容包括：1．为设计和制作微小型超声波接收器阵列，研究了Cymbal换能器的机电动力学特性，推导出描述Cymbal换能器谐振模态和振幅放大的数学表达式。2．根据超声波和压电材料的物理特性以及压电型超声波换能器的技术指标，确定了压电振子的振动模式和工作频率，并应用声学和电路阻抗匹配技术，研制成功了指向性好、作用距离大和抗多径干扰性能高的压电圆盘式超声波换能器；3．为解决多普勒频移问题，设计了以压电圆盘式换能器为主换能器、以Cymbal换能器为辅助接收器的新型组合式换能器结构。4．提出了超声波发射电路——推挽式变换器的优化设计方法，推导了计算能量转换效率的公式，改进了推挽式变换器的传统设计方法，实现了超声波发射器的最佳能量传输。提出了新的自动增益控制方法，设计和制作了具有时间—增益控制的高信噪比超声波接收电路。5．利用包络相关算法与匹配检测器的等价性，推导了应用匹配检测法计算射程时间的修正公式。为提高超声波测距系统的处理增益和实时性，提出并实现了基于2ASK(二进制振幅键控)调制2PSK(二进制移相键控)解调技术的匹配检测算法，改进了基于两步相关法的快速测距技术。实验表明，本超声波测距系统的量程大于32米，波束宽度小于10°，其主要技术指标超过了美国AIRMAR公司的同类产品(Airducer AR30)。目前，这项研究成果已经在其它课题中得到了初步应用，为解决“未知环境中移动机器人导航控制理论与方法研究”(国家自然科学基金重点项目，60234030)和“无人作战平台”(部委“十·五”预研项目)的远距离野外目标探测问题提供了技术支持。本文提出的理论方法与技术手段，不仅可应用于研制高性价比气介声纳系统，而且还可以直接应用于开发水下声纳系统。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章概论  11-28
  1.1 研究背景与课题来源  11-14
  1.2 超声波测距传感器的现状  14-20
  1.3 超声波测距系统的信号处理方法  20-25
  1.4 超声波测距与定位技术的发展概况  25-26
  1.5 主要研究工作及内容安排  26-28
第二章 Cymbal换能器建模与实验  28-42
  2.1 Cymbal换能器的径向振动模式  28-32
  2.2 Cymbal换能器的轴向振动模式  32-39
  2.3 Cymbal换能器的制作与模型评价  39-41
  2.4 本章小节  41-42
第三章大作用距离超声波换能器  42-63
  3.1 超声波换能器的物理特性与技术指标  42-46
  3.2 压电圆盘式超声波换能器  46-58
  3.3 组合式换能器的设计  58-61
  3.4 本章小节  61-63
第四章超声波发射与接收电路  63-82
  4.1 超声波发射电路的设计  63-71
  4.2 超声波接收电路的设计  71-80
  4.3 本章小节  80-82
第五章大量程超声波测距系统  82-101
  5.1 超声波测距算法分析  82-88
  5.2 超声波测距系统的实现  88-95
  5.3 测距算法改进与测距精度分析  95-99
  5.4 本章小节  99-101
第六章结论与展望  101-103
  6.1 主要研究工作与结论  101-102
  6.2 研究展望  102-103
致谢  103-104
参考文献  104-110
附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文与成果  110-111
附录B 缩写词和关键符号说明  111-113
附录C 插图和附表索引  113-115

大量程超声波测距系统研究

内容摘要

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