车载超声波雷达原理

1. 什么是超声波飞行时间传感？

本节讨论声波的物理学原理以及在各种应用中使用超声波传感器的优势。

1.1 超声波原理

超声波传感器能够在不进行物理接触的情况下测量距离并检测物体是否存在。它们通过产生和监测超声波回波来实现这一功能。根据传感器和物体的特性，其在空气中的有效探测范围在几厘米到数米之间。超声波传感器（或换能器）产生并发射超声波脉冲，这些脉冲会被处于传感器视野范围内的物体反射回传感器。

超声波传感器是一种压电换能器，它能够将电信号转换为机械振动，并将机械振动转换为电信号。因此，在一个单静态的方法中，在超声波传感器是一种收发器，它操作作为一个扬声器和麦克风在一个单一的频率。

该传感器能够捕获发射和接收的回声之间的时间差。由于声速是一个已知的变量，因此所捕获的往返时间可以用来计算两者之间的距离传感器和对象。式1为超声波距离的计算方法。

这种超声波传感方法是一种基于声音传播时间的飞行时间测量方法。请注意，通过空气的声速随温度而变化。在20摄氏度（68华氏度）的干燥空气中，声速为

343 m/s，或在2.91秒内行驶一公里。有关声速和温度之间的关系的更多信息，请参见第3.4节。

1.2为什么要使用超声波传感？

超声波传感器可以检测各种材料，无论形状、透明度或颜色如何。超声波传感的唯一要求是目标材料是固体或液体。这可实现以下非接触式检测：

- 沙桂布金属
- 沙桂布塑料
- 沙桂玻璃
- 沙痂木
- 沙桂堡岩石
- 沙巴巴油
- 沙桂水
- 其他硬质、非声音的吸收性材料

这些材料能够通过空气将声音反射回传感器。某些物体可能更难检测到，比如引导回声远离传感器的角度表面，或者可渗透的目标，比如

海绵，泡沫，和柔软的衣服。它们吸收了更多的反射的超声波能量。

1.3 超声波与其他传感技术相比如何？

红外（IR）传感器因其分辨率高、成本低以及响应时间快，可用于障碍物检测。然而，由于红外传感器具有非线性特性且依赖反射特性，在使用前需要了解物体表面特性。不同的表面材料对红外能量的反射和吸收情况不同，所以为了进行精确的距离测量，需要识别目标材料。

基于光学的传感技术与超声波技术原理相似。不过，光学技术并非使用声波，而是利用发光二极管（LED）发射光波并检测飞行时间，然后依据光速原理进行转换。光速比声速快得多，因此基于光学的传感技术比超声波技术速度更快。然而，它在明亮的环境光照条件以及烟雾或有雾的环境中存在局限性，因为这些环境会使光接收器难以检测到发射出的光。光学传感在检测诸如玻璃或水这类透明材料时也存在局限，因为光会穿过这些材料，而超声波则会被其反射回来。

基于雷达和激光雷达的技术旨在提供多点数据阵列，而非单一的飞行时间测量值。这使得它们能够提供高度精确的数据点，并且具备绘制环境地图以及分辨环境中微小动态的能力。不过，功能的增加使得这些系统比前面提到的其他解决方案昂贵得多。

表 1-1 总结了热释电红外传感器（PIR）、超声波、光学飞行时间（ToF）以及毫米波之间的差异。

1.4 典型的超声波传感应用

超声波传感应用有以下三种类型：

・测距测量：在每次飞行时间交互过程中，周期性地记录一个或多个物体靠近或远离传感器的距离。距离更新的速率取决于传感器在回波监听模式下等待的时长。传感器等待回波的时间越长，可探测的范围就越远。

示例：超声波泊车辅助传感器、机器人中的避障传感器、液位变送器。

延伸阅读：《用于机器人割草机的超声波地形类型及障碍物检测》技术说明（SLAA910）。

・接近检测：超声波回波特征的显著变化对应着传感环境的物理变化。这种超声波传感的二元检测方法对探测范围的依赖程度较低，而更依赖回波特征的稳定性。

示例：机器人中的悬崖及边缘检测、物体检测、停车位中的车辆检测、安保及监控系统。

延伸阅读：《将超声波技术用于智能泊车及车库门系统》技术说明（SLAA911）。

图 1-2. 车辆存在时的回波响应

・表面类型检测：利用原始超声波回波数据，而非飞行时间测量值，可以通过超声波测量间接测定材料的软硬度。超声波碰到较硬的表面时向换能器反射，损耗较少，相应地会产生更强的回波响应。较软的物体，如泡沫和地毯，会吸收大量声波，从而产生较弱的回波响应。

示例：真空机器人中的地面类型检测、机器人割草机中的地形类型检测。

延伸阅读：《自动真空机器人的超声波地面类型及悬崖检测》技术说明（SLAA909）。

图1-3.超声波表面类型检测

2 超声波系统考量因素

超声波系统由以下部分组成：

・换能器或超声波传感器
・模拟前端（AFE），用于驱动发射器并对接收信号进行调理
・模数转换器（ADC）
・具备为测量数据增添智能的额外信号处理能力

模拟前端部分负责驱动换能器，以及对接收的回波数据进行放大和滤波，使其能为后续处理做好准备。在分立方案和模拟前端方案中，信号处理完全由控制单元完成；而在专用标准产品（ASSP）方案中，凭借其芯片内置智能，信号处理由控制单元和集成数字信号处理器（DSP）共同完成。

2.1 超声波系统简介

图 2-1. 超声波系统级框图

超声波系统可以：

・完全采用分立元件（由放大器、滤波器、二极管及其他无源元件组成）
・是集成模拟前端（AFE）
・是一种片上具备某些信号处理能力的专用标准产品（ASSP）・与片上微控制器（MCU）完全集成

请注意，换能器的选择是影响超声波模块整体性能的关键因素。本节的其余部分将讨论如何根据换能器的类型、拓扑结构和频率来选择换能器，以及可以采用哪些优化技术来实现更好的性能。

如需德州仪器（TI）推荐的与德州仪器超声波设备兼容的换能器列表，请下载 “PGA460 变压器及换能器清单” 压缩文件。

2.2 超声波回波与信号处理

德州仪器建议以换能器的中心频率用正弦波或方波驱动换能器，以获得最佳效果。大多数集成解决方案都有一个输出驱动器，在变压器驱动的情况下，该驱动器由低端驱动器组成，用于驱动变压器；而在直接驱动的解决方案中，其输出驱动器则由构成 H 桥配置的场效应晶体管（FET）组成。

在换能器以其谐振频率发出回波后，系统随后必须监听返回的回波，这些回波是由处于换能器视野范围内的物体所产生的。超声波系统通常会对返回的回波进行滤波以去除噪声，并在将信号送入模数转换器（ADC）之前对其进行放大。提升超声波系统性能的一些方法如下：・数字增益 / 固定增益：对整个超声波回波施加固定增益。

・时变增益：施加的增益取决于物体的距离远近。通常，距离较远的物体产生的回波响应较弱，而距离较近的物体产生的回波响应较强。为解决这一问题，防止近距离信号饱和，并能够识别较远处的物体，可以选择对系统进行增益设置，即在较早时刻施加较小的增益，在较晚时刻（距离更远时）施加较大的增益。这让用户能够根据系统需求灵活配置增益。

・自动增益控制 / 对数放大器：对数放大器方法是在处理幅值高低不同的输入信号时实现自动增益控制的一种方式。对数放大器依据对数刻度对输入信号进行增益处理，这有助于从微弱信号中获得更强的回波响应，同时也能对强信号进行适当的增益处理并防止饱和，这与时变增益方法类似。不过时变增益方法取决于物体在时间维度上所处的位置，而对数放大器取决于输入信号本身的实际回波情况，与时间无关。

设计人员可以检查过零频率数据，以验证返回的回波是否来自换能器。这也可用于检测多普勒频移（即发射声波的频率变化），从而检测物体的运动及其方向。

一旦返回信号经过适当的滤波和增益处理后，数据就可以发送到模数转换器（ADC）进行进一步的信号处理。图 2-2 展示了模数转换器输出的信号。

图2-2.ADC的典型输出

在信号被数字化后，它准备进入数字信号处理器（DSP）或单片机进行进一步处理。首先，它通过一个带通滤波器来减少任何带外噪声。

图2-3.带通滤波器的典型输出

下一阶段是对信号进行校正，提取出信号的绝对值，如图2-4所示。

图2-4：整流器的典型输出

校流后，在应用低通滤波器之前，通常会有一个峰值保持，以确保峰值整流信号的振幅没有被滤波掉。与峰值保持和低通滤波器一起，可以产生一个解调输出，如图2-5所示。这使得应用阈值来进一步定制更加容易该信号可以消除噪声，提取飞行时间数据和回波宽度和振幅信息。被解调后的信号也被称为包络信号。

图2-5：低通滤波器的典型输出图

2.3传感器类型

传感器有两种类型：闭顶和开顶。虽然开顶传感器的成本更低，并且需要更小的驱动电压来达到最大的声压级（SPL），但它们在恶劣的环境中是不可靠的。暴露在雨水、灰尘和其他污染物中将会损坏传感器。

图2-6.闭顶和开顶传感器

2.4传感器拓扑

有两种传感器拓扑可用：单静态或双静态。拓扑结构必须基于短期要求。

单静态拓扑是指单个换能器既传输一个回波，又侦听返回的回波。这是在大多数应用程序中首选的低成本方法。单静态传感器拓扑结构的缺点是，传感器的激励振铃衰减产生了一个盲区，限制了最小检测范围。在单静态配置中，可以通过添加一个阻尼电阻来减少该盲区。更多信息请参见第2.6节。

为了消除这种振铃衰减，必须使用一个局部拓扑结构，其中有两个独立的传感器——一个用于传输，另一个用于接收。使用双静态方法的缺点是需要额外的校准，因为设计者必须考虑输入回波的角度计算飞行时间的计算。

图2-7.单静态和双静态配置

2.5传感器频率

超声波换能器的工作频率范围为30-500 kHz，用于空气耦合应用。作为

超声波频率增加，衰减率增加。因此，低频传感器（30-80 kHz）对长距离更有效，而高频传感器对短距离更有效。更高的频率传感器（80-500 kHz）也减少了铃声衰减，这允许一个更短的最小检测范围。

对于液位传感，通常使用1mhz范围内的传感器。以获取有关液位的更多信息

使用超声波技术进行传感，阅读液位传感应用报告（SNAA220）。

图2-8.测量的距离与频率的相关性

频率、分辨率、方向性、衰减和距离之间的关系可以通过以下关系来观察到：

↑频率：：↑分辨率：：↑更窄的方向性：：↑衰减：：↓距离

传感器可以有窄（15）到宽视场（180）。频率越高，视野就越窄。使用低频传感器的狭窄视场也可以通过在传感器周围增加一个“喇叭”来实现，以将其回声导向一个更窄的模式。

2.6传感器驱动（变压器驱动和直接驱动）和电流限制

有两种方式来驱动传感器：在变压器模式或在直接驱动模式。这是基于所选传感器的最大驱动电压（因此是一个更高的电流限制）来确定的。虽然直接驱动器是低成本的驾驶技术，它通常用于短程，开顶应用程序。变压器驱动器最大限度地提高了闭顶传感器的要求（超过100 Vpp），但在批量生产时也需要额外的校准。图2-9显示了换能器（XDCR）驱动电压与所传输的声压级的百分比之间的非线性关系。注意，盲点长度随着增加而增加当前限制。

图2-9：驱动电压的S压L

2.7脉冲数

脉冲计数是超声波传感系统中的另一个参数。它是由传感器发射的脉冲数来定义的。脉冲计数越大，声压级就越大，但由于传感器破裂时间越长，最小检测范围就越理想。

2.8 最小探测范围

超声波系统的最小探测范围由换能器自身的特性以及其脉冲触发方式所决定。盲区，也就是换能器的振铃衰减时间，是由单基地配置（即既发射又接收的那种配置）下换能器底部的谐振能量振荡所导致的。频率更高的换能器具有更短的振铃衰减时间，从而能减小最小探测范围。然而，采用这种方法会缩短探测范围。采用双基地配置可以消除这种振铃现象，因为这种设置将发射换能器和接收换能器隔离开来，但成本会是单基地解决方案的两倍。另一种减小盲区的方法是减少脉冲数量并降低电流限制，不过这样做可能会降低返回回波的强度。

如果必须采用低频、单基地设置，并且如果减少脉冲数量和降低电流限制会降低所接收回波的完整性，那么可以引入额外的无源元件来减小盲区。可以在换能器两端并联一个阻值在 500Ω 到 25kΩ 范围内的阻尼电阻，以减少振铃衰减时间。如需了解更多关于如何优化超声波设置的信息，请参阅《PGA460 超声波模块硬件与软件优化应用报告》（SLAA732）。

3 哪些因素会影响超声波传感？

频率为 20kHz 及以上的声波被称为超声波，因为这个频率范围是人耳听不到的。

3.1 传输介质

传输特性以及声速会因不同介质而发生变化。超声波传感器针对声波在空气、液体或固体中的传播进行了优化，但很少针对不止一种类型的传输介质进行优化。空气中的超声波衰减会随频率的升高而增大，所以空气耦合的超声波应用局限于频率低于 500kHz 的情况。在液体和固体应用中，为实现高精度应用，可以使用低频兆赫兹范围的换能器。

图3-1.通过不同介质产生的声速

3.2声阻抗

声波可以通过各种类型的介质来检测具有显著的声阻抗不匹配的物体。声阻抗(Z)被定义为密度和声速度的乘积。与大多数液体或固体相比，空气的声学阻抗要低得多。

表3-1.目标材料的声阻抗

两个物体之间的声阻抗(Z)差定义为阻抗不匹配（见公式5）。阻抗失配越大，在两种介质的边界处反映的能量百分比越大。

示例1：空气和皮肤：

图3-2.皮肤和空气边界的反射系数

空气的声阻抗为0.00429，皮肤的声阻抗为1.6。将这些值放入反射系数中，得到等式6：

在每个边界上进行这个计算表明，有多少能量被反射回来，有多少被材料吸收，有多少被渗透。

示例2：水和钢制材料：

图3-3.水和钢制边界的反射系数

同样地，对于液体基检测，水和钢边界使用相同的方程（公式6）反射88%的传输回波。

3.3 雷达散射截面

雷达散射截面体现的是目标将超声波反射回换能器的能力强弱。弯曲的物体或倾斜的物体可能会使射向其的大部分超声波发生散射，从而产生较弱的回波响应。当面向传感器时，能产生最强回波响应的表面具有以下特点：
・面积大
・质地致密
・表面平坦
・表面光滑

符合这些标准的物体，比如墙壁或地面，会产生最佳的响应效果。小型物体，或者会使声音部分偏转的物体（比如人、动物或植物），会降低传感响应。如果可能的话，平坦的物体应以 90° 角面向传感器，以使传感响应最大化。圆形或刚性表面允许有更大的角度偏差。图 3-4 展示了基于目标形状，从目标表面反射的超声波情况。