超声波测距

超声波测距（共8篇）

超声波测距 篇1

超声波测距

超声波传感器用于超声控制元件，它分为发射器和接收器。发射器将电磁振荡转换为超声波向空气发射，接收器将接受的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。实质上是一种可逆的换能器，即将电振荡的能量转换为机械振荡，形成超声波；或者有超声波能量转换为电振荡。常用的传感器有T40-XX和R40-XX系列，UCM-40T和UCM-40R系列等；其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，40为中心频率40KHZ。

超声波的传播速度

纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数以及介质的密度。

1.液体中的纵波声速：

C1=

k/

2.气体中的纵波声速：

C2=

P·/

式中：K——体积弹性模量

——热熔比

P——静态压力

——密度

注：气体中声速主要受温度影响，液体中声速主要受密度影响，固体中声速主要受弹性模量影响；一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，气体中传播速度最慢。超声波测距原理

通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2

这就是所谓的时间差测距法 或：

由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0.6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：

V = 331.45 + 0.607T

声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。

超声波发生器可以分为两类：

1、使用电气方式产生超声波；

2、用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各有不同，因而用途也各有不同。目前较为常用的是压电式超声波发生器，其又可分为两类：（1）顺压电效应：某些电介物质，在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷；当外力去掉后，又从新回到不带电的状态，这种将机械能转换为电能的现象称顺压电效应（超声波接收器的工作原理）。（2）逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种将电能转化为机械能的现象称逆压电效应（超声波发射器的工作原理）。

系统框图

超声波发射电路 方案一

利用555定时器构成多谢振荡器产生40KHz的超声波。如下图为555定时器构成的多谢振荡器，复位端4由单片机的P0.4口控制，当单片机给低电平时，电路停振；当单片机给高电平时电路起振。接通电源后，电容C2来不及充电，6脚电压Uc=0，则U1=1,555芯片内部的三极管VT处于截止状态。这时Vcc经过R3和R2向C2充电，当充至Uc=2/3Vcc时，输出翻转U1=0，VT导通；这时电容C2经R2和VT放电，当降至Uc=1/3Vcc时，输出翻转U1=1.C2放电终止、又从新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期t1和放电时间t2有关，振荡周期为:

T=t1+t20.7(R3+2R2)C2

f=1/T=1/(t1+t2)1.43/(R3+2R2)C2=40KHz 有上面公式可知，555多谐振荡器的振荡频率由R2，R3，C2来确定。所以在电路设计时，先确定C2,R2的取值，即C2=3300pf,R2=2.7K。再将R2和C2的值代入上式中可得：

R3=1.43/C2·f-2R2 为了方面在实验中使用555芯片的3脚输出40KHz的方波，在这里将其用10K的电位器代替。

为了增大U1的输出功率，将555芯片的8脚接+12v的电压，同时将其复位端4脚接高电平，使用示波器观察555芯片3脚的输出波形，通过调节电位器R3的阻值，使其输出波形的频率为40KHz。

方案二

该超声波发射电路，由F1至F3三门振荡器在F3的输出为40KHz方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。F3的输出激励换能器T40-16的一端和反相器F4输出激励换能器T40-16（反馈耦合元件）的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。电容C2、C3平衡F3和F4的输出使波形稳定。电路中的反相器用CC4069六反相器中的四个反相器剩余两个不用（输入端应接地）。电源用9V叠层电池；测量F3输出频率应为40KHz,否则应调节RP，发射波信号大于8m。

方案三

该超声波发射电路由VT1、VT2组成正反馈振荡器。电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40KHz；频率稳定性好，不需做任何调整，并由T40-16作为换能器发出40KHz的超声波信号；电感L1与电容C2调谐在40KHz起作谐振作用。本电路电压较宽（3v至12v），且频率不变。电感采用固定式，电感量5.1mH，整工作电流约25mA，发射超声波信号大于8m。

方案四

该发射电路主要有四与非门电路CC4011完成谐振及驱动电路功能，通过超声波换能器T40-16辐射出超声波去控制接收器。其中门YF1和门YF2组成可控振荡器，当S按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡器频率为40KHz；振荡信号分别控制由YF3、YF4组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4输出低电平，当YF3输出低电时，YF4输出高电平。此电平控制T40-16换能器发出40KHz超声波。电路中YF1至YF4采用高速CMOS电路74HCOO四与门电路，该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA），效率高等；电路工作电压9V，工作电流大于35mA，发射超声信号大于10m。

方案五

本电路采用LM386对输出信号进行功率放大，LM386多用于音频放大，而在本电路中用于超声波发射。如图所示，LM386第1脚和第8脚之间串接的E1和R1，使电路获得较大的增益；TO为单片机输入口的脉冲信号，经功率放大后由5脚输出，驱动探头发射超声波。

超声波接收器模块 方案一

超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换为电信号，由于该信号幅度较小（几到几十毫伏），因此须有低噪声放大、40kHz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，使得干扰成分较小，其电路如下所示。在此电路中，为了防止在超声波接收器上始终加有一直流信号让其工作导致传感器的寿命缩短，从而加上一隔直电容C4,从而C4和R5构成滤波电路。

在电路中，放大部分采用的是高速型运放TL084。综合考虑了反相放大器、同相放大器和测量放大器的优缺点后，最终选择了同相放大电路。因为同相放大器的理想输入阻抗为无穷大，理想输出阻抗为零，其带负载能力较强等因素。在此电路中，根据同相放大器的闭环增益公式：Af=1+Rf/Rr 由于接收到的信号幅度为几到几十毫伏，所以需要将其放大400多倍使得其接收到的40KHz信号不会被干扰信号给掩盖。为了防止引起运算放大器的自激振荡，在第一级的放大电路中，R7取值为470 K,R8取值为10K，其增益放大： Af1=1+R7/R8=48 在第二级放大电路中，R11的取值为100K，R12的取值为10K，其放大增益： Af2=1+R11/R12=11 两级增益为：Af=Af1·Af2=528 同相放大器的平衡电阻R6和R10的取值均为10K。平衡电阻公式为：

Rp=Rf/(Rf+Rr)C5和R9构成了一阶滤波电路。

方案二

该电路主要有集成电路CX20106A和超声波换能器TCT40-10SI构成。利用CX20106A做接收电路载波频率为38KHz；通过适当的改变C7的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

工作原理：当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶体做振动，将机械能转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后，对所接信号进行识别，若频率在38KHz至40KHz左右，则输出为低电平，否则输出为高电平。

方案三

双稳式超声波接收电路

电路中，由VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次（发射机工作一次），触发信号C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，当VT6从截止状态转变成导通状态时，VT5截止，VT7导通，继电器K吸合•••调试时，在a点与+6V（电源）之间用导快速短路一下后松开，继电器应吸合(或释放)，再短路一下松开，继电器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件 参数。

方案四

单稳式超声波接收电路

本电路超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1至VT3组成的高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，控制VT4和VT5组成的电子开关带动继电器K工作。由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。可用作无线遥控摄像机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。电路中VT1β≥200，VT2≥150，其他元件自定。本电路不需要调试即可工作。如果灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。经检测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上，在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压3V，静态电流小于10mA。

方案五

在本接收电路中，结型场效应VT1构成高速入阻抗放大器，能够很快地与超声波接收器件B相匹配，可获得较高接收灵敏度及选频特性。VT1采用自给偏压方式，改变R3的阻值即可改变VT1的工作点，超声波接收器件B将接收到的超声波转换为相应的电信号，经VT1和VT2两极放大后，再经VD1和VD2进行半波整流为直流信号，由C3积分后作用于VT3的基极，使VT3由截止变为导通，其集电极输出负脉冲，触发器JK触发D，使其翻转。JK触发器Q端的电平直接驱动继电器K，使K吸合或释放；由继电器K的触点控制电路的开关。

盲区形成的原因及处理

1、探头的余震及方向角。发射头工作完后还会继续震一会，这是物理效应，也就是余震。余震波会通过壳体和周围的空气，直接到达接收头、干扰了检测；通常的测距设计里，发射头和接收头的距离很近，在这么短的距离里超声波的检测角度是很大的，可达180度。

2、壳体的余震。就像敲钟一样，能量仍来自发射头。发射结束后，壳体的余震会直接传导到接收头，这个时间很短，但已形成了干扰。（注：不同的环境、温度对壳体的硬度和外形会有所变化，导致余震时间会略有改变）

3、电路串扰。超声波发射时的瞬间电流很大，瞬间这么大的电流会对电源有一定影响，并干扰接收电路。通常这三种情况情况在每次超声波发射时都会出现，即超声波在发射的时候,是一个高压脉冲,并且脉冲结束后,换能器会有一个比较长时间的余震,这些信号根据不同的换能器时间会有不同,从几百个uS到几个mS都有可能,因此在这个时间段内,声波的回波信号是没有办法跟发射信号区分的.因此,被测物体在这个范围内,回波和发射波区分不开,也就无法测距,从而形成了盲区.。

在硬件方面通常将超声波转换器之间的距离适当增大来减少盲区的范围；如果发射探头和接收探头分开，收发不互相影响，必须要求发射电路和接收电路的地线隔离很好，发射信号不会通过地线串扰过去，否则也是不能减小盲区的。

在软件中的处理方法就是，当发射头发出脉冲后，记时器同时开始记时。我们在记时器开始记时一段时间后再开启检测回波信号，以避免余波信号的干扰。等待的时间可以为1ms左右。更精确的等待时间可以减小最小测量盲区。（注：超声波探头方向角越小、发射头和接收头位置越远，盲区就越小，测量距离也就越小）

超声波测距 篇2

超声波作为一种检测技术, 采用的是非接触式测量, 此特点可使测量仪器不受被测介质的影响[1,2]。这就大大解决了在粉尘多情况下, 给人类引起的身体接触伤害, 腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀, 触点接触不良造成的误测情况。且对被测元件无磨损, 使测量仪器牢固耐用, 使用寿命加长, 而且还降低了能量消耗, 节省人力和劳动的强度。无论从精度还是从可靠性方面, 超声波测距做得都比较好[3,4]。利用超声波检测即迅速, 方便, 计算简单, 又易于做到实时控制, 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求, 具有广泛的发展前景。

这些年来, 随着超声波技术研究的不断深入, 超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海等工业领域。目前国内专用超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度[5,6,7,8]。

1 超声波测距原理

本硬件设计采用超声波往返时间检测法, 其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波, 经气体介质的传播到接收器的时间, 即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘, 就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半, 即:

在上式中, L为待测距离, v为超声波的声速, t为往返时间。由下式计算测量误差;

式中, σL为测距误差, v为声速, σ△t为时间测量误差, σv为声速误差。

2 超声波测距系统的硬件设计

发射电压从理论上来说是越高越好, 因为对同一只发射传感器而言, 电压越高, 发射的超声波功率就越大, 这样能够在接受传感器上接收的回波功率就比较大, 对于接收电路的设计就相对简单一点。但是, 每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值, 会对传感器的内部电路造成不可恢复的伤害。

发射部分的点脉冲电压很高, 但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏, 要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度, 最终达到对回波进行放大检测, 产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

2.1 发射部 分

(1) 发射波形

发射部分用单片机产生40k Hz的方波, 然后加以驱动。波形经过放大后发生轻微变化后送至发射传感器发射出的信号, 理论上是稳定变化的, 为使传感器充分震荡, 发射脉宽不可以过小, 一般来说我们选择40k Hz的方波信号, 但是实际情况是我们可以得到频率为39k Hz到40k Hz之间的信号。

(2) 发射电压

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收器的灵敏度。在发射端电源处极其容易产生干扰, 可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图2所示。

2.2 接收部分

在传感器接收的信号中, 除了障碍物反射的回波外, 总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段, 远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪音决定, 其功率谱宽度远大于接收机的通频带, 而且内部会产生一个有用信号频率基本相同, 只有辐值不同的信号, 可以使用一些特殊的电路将其隔离。接收电路如图3所示。

2.3 检 测单 元

接收信号放大到2V左右时, 就可以进行信号检测, 信号检测的目的是确定接收信号的到达时间, 这是整个电路一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度, 还关系到整个系统是否能正常工作。

检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚, 通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平, 以零电作为比较电平是行不通的。这样一来, 即使没有接收信号, 也会造成比较器反复触发, 从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平, 这样就可以消除一般噪声的影响, 而且比较电平固定, 可以实现对电路信号的准确检测。

2.4 显示单 元

显示器是一个典型的输出设备, 而且其应用是极为广泛的, 几乎所有的电子产品都要用到显示器, 其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管, 给出一个简单的开关量信息。

2.5 声速校 正

要想通过测量超声波传播时间确定距离, 声速C必须恒定。实际上, 声速随着介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下, 由于大气压力变化比较小, 因此传播速度主要考虑温度的影响。通过温度修正, 即根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速, 再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可以用公式 (3) 表示。

2.6 干扰问题的解决方法

干扰主要是外界高频噪音及电源等对信号产生的干扰。由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似, 因此不容易检测出回波信号。针对这样的干扰信号, 可以通过选择合适的元器件, 加之滤波电路就可以消除干扰。

3 超声波测距系统的软件设计

3.1 信号控制

在系统软件中, 要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出信号处理后的显示等。

3.2 数 据存 储

为了得到发射信号与接收回波间的时间差, 要读出此刻计数器的数值, 然后存储在RAM中, 而且每次发射周期的开始, 需要计数器清零, 以备后续处理。

3.3 信 号处 理

用超声频脉冲激励超声波探头, 使之向外界辐射超声波, 并接收从被测物体反射回来的超声波 (简称回波) , 通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段t (称为射程时间) , 然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离L, 即

式中, C为空气介质中声波的传播速度。

由式 (4) 可知, 当传播介质的温度发生变化时, 声的传播速度。也随之改变。因此, 在超声波测距仪中均内置温度探头, 用于实时检测声传播介质的温度, 以补偿环境温度变化对测距精度的影响。为了改善超声波测距系统的性能, 仅仅从系统的硬件入手是不够的, 还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。

在此超声波测距仪的设计中, RAM中存储的计数值不能作为距离值直接显示输出, 因为计数值与实际的距离值之间的转换公式。

其中, t为发射信号到接收信号之间经历的时间, Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率, N为计数器的值。

3.4 数据输出与显示

经软件处理得到距离传送的四位LED显示。

由于距离值的得到及显示是中断子程序中完成的, 因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待, 在中断响应的之后, 原始数据经计数值与距离值换算子程序, 二进制与十进制转换后显示输出。

整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。

3.5 超声波测距系统软件流程图

4 结论

基于时差测距原理设计了8051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统, 给出了原理框图和硬件各部分的实现, 并进行了软件设计。在本设计方案中还存在着一些不足, 例如环境温度的变化将影响超声波在媒质中的传播速度受温度影响造成的误差无法消除。

摘要：超声波测距技术在社会生活中己有广泛的应用, 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专题中具有广阔的应用前景。本文根据超声波特征及测距原理, 完成了一款以单片机为核心的基于时差测距原理的一种超声波测距系统的软硬件设计。

关键词：超声波,距离测量,单片机

参考文献

[1]卜英勇, 王纪婵, 赵海鸣, 等.基于单片机的高精度超声波测距系统[J].仪表技术与传感器, 2007, 3:66-68

[2]马大猷.现代声学理论基础[M].北京:科学出版社, 2004.

[3]曹建海, 路长厚, 韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感器, 2004 (1) :39-40.

论超声波测距技术 篇3

[关键词]超声波测距；原理；应用；问题

一、超声波测距原理

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。超声波发生器内部有2个压电晶片和1个共振板，当2极外加脉冲信号的频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波；当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片产生振动，将机械能转换为电信号。设超声波整个传播时间为 t（单位s），超声波的传播速度为c（单位m/s），则计算出发射点与反射点的距离为： s=c×t/2；超声波在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速受温度影响最大。t为环境摄氏温度，则超声波在空气中的传播速度为： c=331.4×√1+ t/273 。

二、超声波测距技术的应用

1.采用超声波测量地面距离

超声波测距技术应用最广泛的莫过于常见的测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等地面距离的测量。由于超声波的非接触检测特点，以及它不受光线、被测对象颜色等的影响，在不利于测量的条件下，仍然具有很强的适应能力。

2.超声测距仪技术在机器人技术上的应用

其大致原理是，将超声波源安装在机器人身上，通过人为设计 ，由它发射超声波，然后接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，它充分利用了超声波的易于定向发射、稳定性好的特点，在机器人的研究中越来越受到重视。

3.超声波测距技术在倒车警报中的应用

超声波测距技术在倒车警报中的应用，充分利用超声波穿透性好、抗干扰能力强，不受空间电磁波干扰，可靠性高的特点。通过对声、光报警电路芯片设计，定时器的设计，控制器 CPU、显示器 LED 的选择，能在汽车倒车时自动检测并显示车尾与最近障碍物之间的距离，当达到安全极限距离时，它能发出声光警报，提醒司机刹车，减少行车中的安全隐患。

三、现阶段常见问题的分析及解决

1.超声波传播波速不恒定

超声波在介质中的传播速度随周围环境（温度、压力等）的变化而变化，其中温度的影响最为明显。常温下，超声波的传播速度为 340m/s，温度每升高 1℃，声速增加约为0.6m/s，因此超声波测距中一般采用温度补偿的方法，即在数据处理中对超声波传播速度进行实时温度补偿。

2.回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减

回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰減，使得接收传感器接收到的回波信号随着测量距离的增大而大幅减小，给回波前沿的准确定位带来困难，造成测量精度降低。在回路上串入自动增益调节环节（AGV），使得电路放大倍数随着测量距离的增大而相应规律地增加，可有效解决该问题。

3.盲区

发射超声波时，超声波换能器在驱动脉冲结束后，会由于惯性继续振动，产生余振。余振期间，由于无法区分回波信号与余振信号，因此必须等余振停止或衰减到足够小后，才能允许接收传感器接受信号。这段时间由于无法检测超声波传播距离，从而出现盲区。为了减小盲区，即尽快让余振衰减到零或足够小，可用自动根据测量距离远近调控发射功率的方法，即自动根据距离的远近来调整发射拖尾波覆盖信号的宽度，从而消除拖尾波的干扰。也可用增大余振衰减系数的方法，来加速余振的衰减。还可通过减小电容上电压最大值U的初值来加速余振衰减的方法，也可在一定程度上减小盲区。

4.超声波旁瓣影响

接收传感器在超声波发射结束后接收到的第一个波一般是串扰直通波。它是超声波信号由近源的波束旁瓣或通过换能器绕射，直接到达接收传感器造成的。因此，安装传感器过程中，两个探头之间距离应大于3cm，从而降低超声波旁瓣对测距系统精度的影响。

5.混响信号干扰

混响信号是由于水中介质及界面等非目标物对发射信号的反向散射波在接收点叠加而产生的。其本身是一种回波，且包含的信号频率与发射信号相近，不能被一般滤波电路或算法消除。特别在近距离探测中，它是主要背景干扰。测距时，可以根据时间变化，控制接收放大电路的增益，以实现对混响信号幅值的抑制。

6.超声波探测器测量分辨力和探测角度范围的矛盾

超声波测距选用大波束角探测器，可以满足探测范围要求，但分辨能力较差，难于准确地提供目标的边界信息。然而如果采用小波束角探测器，可以满足分辨能力的需要，但探测范围很难满足要求。针对这一矛盾，可用步进电机驱动单套小波束角传感器做扇形扫描的方法，即步进电机每转过一个步距角，测距系统便在当前的角度上测取一个距离信息，结合当前的扫描角度，就得到了一个较为精确，而且兼有距离、方向的位置信息。该方法有效弥补了大波束角探测器分辨能力差，小波束角探测器探测范围不足的缺点。

参考文献：

[1]吴慎山，聂惠娟，吴东芳，等.智能超声波测距系统的设计[J].河南师范大学学报：自然科学版.2007.

[2]杨建华，翟青，梁晓章.具有语音播报功能的超声波液位测量系统设计[J].电子产品世界.2014.

一种基于超声波的测距系统 篇4

随着科技的快速发展，人们对于超声波的认知已经变的越来越普遍，在近几年来超声波应用技术已经变得成熟起来了，超声波具有定向性、穿透性、反射性以及对于某一方向的集束性等特点。所以，超声波测距技术在此应运而生，超声波测距技术是运用超声波在空气中、水中、固体之间的传播特性来对周围环境的进行测量。本文对超声波测距进行了简介，通过单片机在空气中发射超声波，并且反射回收，分析声波的状况，然后得出障碍物的信息，还介绍了单片机的性能和特点，及超声波测距构想的主要参数和设计，通过一系列的子程序的运算得出被测物体的距离。

关键词

单片机；

超声波；

测距

目录

摘要

第一章：绪论

1.1超声波简介

1.2对于测量方面的简介

1.3 单片机简介 第二章：基本构造

2.1测距原理

2.2 常见超声波传感器

2.3系统参数

2.3.1工作频率

2.3.2 超声波的速度

2.3.3 脉冲的宽度

2.3.4 测量盲区

第三章：硬件的设计

3.1 发射电路

3.2 接收电路

3.3 单片机系统和显示电路

第四章：软件的设计

4.1算法设计

4.2主程序

4.3发射中断程序

4.4接收中断程序

4.5 显示子程序

4.6 距离计算子程序

结束语 参考文献

谢辞

绪论

超声波是一种频率高于2000hz的声波，它具有方向性好，穿透力强，集束性好等众多优点，因此，在近十年的时间中，超声波应用技术得到了很大的发展，超声波是一种基于物理，电子，机械的技术，超声波通过声波的发射、传递、反射、接收的过程完成对物体的测距技术，它可以利用超声波在介质中的传播特性来对密度、湿度、强度、缺失的物体进行测量，其实际原理主要是声波在传播过程中遇到不同的物体，产生了反射、折射、衰减等现象，从而使传播的超声波振幅、波形、频率发生了变化，通过测量这些变化数据，便可得到物体的内部构造情况或距离。它与以前的超声使用技术完全不一样，这种超声波测距技术拥有很多优秀的特点：它可以在不破坏物体结构的情形下进行一种非接触式的测距，探测环境能力极佳，同时也可以进行距离测量。

1.1超声波简介

普通人耳可听到的声波是一种频率为20Hz～20kHz的声波，即为可听声波，对于超出此频率范围的声音，我们把频率高于20000hz的声波称为“超声波”，频率低于20hz的声波称为“次声波”，超声波主要有一下几个优点：

（1）超声波可在气、液、固中传播。在传播的时候，有较强方向功能和能量。

（2）超声波可以传递很强的能量，并且可以对于一些物体进行粉碎处理。

（3）超声波容易产生反射、衰落、等现象，并且容易携带有关物体内部情况的信息。

因此，我们可以利用用超声波共振的特性做成超声波传感器。声波在空气中的速度约为每秒340 米，所以超声波的应用技术在生活中会变得非常简单。

1.2 对于测量方面的简介

超声波测量技术近代在物理、医学、航空、工业、生活等诸多方面有了广泛的运用，它不仅能检测潜藏的安全隐患，还可以为人们治愈疾病，并节约能源、降低成本的作用。超声波和其他的电磁波、光波等的区别，是它拥有了超强的穿透功能。正因为超声波的频率大于20khz，所以超声波成为了一种特殊声波，不仅具有普通声波的反射、传播、扩散、衰减等特性，还具有穿透里强，集向性好的特点，在遇到不同介质可以反射大部分能量，可以是声波检测变得更加方便、迅速。于是，超声波测量技术广泛地在汽车入库、B超检测、方向测距或者施工工地等场合进行使用。

超声波传播时，通过不同物体对声波的反射，用来测量和检验的技术称为超声检测。超声波以脉冲的形式在介质中传播时，会有反射的现象出现，利用这一原理可以对钢材等固体介质进行探测检验；在医学上，可以用于人体的检测，并对疾病进行治愈（如：胆结石）。超声波的共振特性，它可以用于测量轮船底部的腐蚀程度。超声波的衰减特性，可以测出各种材料的特性和功能。若超声波探测到物体时，它可以用来测量运动速度。若以超声波为载体时，可以将它制成水中电话。超声波还可以利用他的特点来检测温度和不合格的物体等。

由于超声波可以在任何介质中传播，我们可以用来了解一些特殊物体的变化，运用超声波技术的设备会变得结构更加简便、成本低廉、使用方便，随着科技的发展，超声波技术会得到广泛的运用。

1.3 单片机简介

计算机迅速的发展，单片机技术也得到了一定的研究，并且逐步称为一门新的技术，对于它的运用也变得成熟起来，特别在这几年中单片机在生产方面形成了重量级的作用。

单片机是一种微型计算机，主要用于控制技术，所以也可称为微型控制器（Microcontroller Unit）。单片机是一块集成电路芯片，它将所有功能集成在一块芯片上，称为单片机（Microcontrollers）。

单片机基本组成部分是中央处理单元、存储器、输入/输出接口、总线、中断系统。

单片机封装图 基本构造

2.1 测距原理

单片机超声波测距是通过不断对发射出的超声波的反射回波的检测，从而测出发射和回收的平均时间差t，然后根据S=Ct/2（C为超声波实际波速），在测量过程中有很多因素影响测距结果：超声波幅度、反射的地域、声波之间的夹角和接收器的灵敏度。

表2-1 温度与波速的关系表

超声波属于声波其中对于声波影响最大的当属于温度的变化。所以当测距的时候必须根据不同的温度来对应出不同的速度，然后可以得出较为精确的距离。

2.2常见的超声波传感器

超声波传感器是一种能将其他能量转变成特定频率的超声波或者将其转化成同频率的其他能。现在的超声波传感器主要分为两种：电声型和动力型。其中压电传感器和静电传感器，属于电声型，动力型可以分为气体和液体。因为传感器工作目的的不同，所以超声波传感器的具体结构可以是不一样的的，各自的器材名称也可以是多样化的。

压电传感器是电声型，零件包括是压电晶片、楔块、接头，是超声波检测中经常见到的电能和声能相互转换的传感器。其中组成压电传感器的材料又可以分为压电陶瓷和近体两种，前者属于锆钛酸铅。而近体则由石英组成。

传感器中的压电晶片受到脉冲激发后产生震动，发出声波脉冲产生逆压电效应，从而用于超声波的发射。当超声波作用时，晶片受到震动引起形变转化成电信号，这就是压电晶体的正压电效应，用于超声波的接受。超声波传感器通常采用双压电陶瓷晶片制成，因为它的耗材少，价格便宜，且对于气体和液体有较强的实用性。

双压电晶体适用与超声波传感器，由AB两个部件构成，当AB之间有交流电压时，若电场方向与极化方向相同时，则方向相反，因此，AB伸缩，形成超声波振动如图 2-1 所示。

内部电路图

传感器内部的压电陶瓷晶片有一个中心频率，在超声波发射时，交流电

压会与他的震动频率相同。

2.3 系统参数

2.3.1 工作频率

传感器的工作频率是测距的主要参数，它的变化影响了声波的传播、反射、吸收等因素。

工作频率大部分由这几点决定的：

（1）当测距要求过高时，声波的损失就会增大，因为介质的吸收和声波的频率比例成正比，所以要降低工作频率。

（2）工作频率变得高，对传感器的方向性，要求是越尖锐则测量结果越准确，因此测量复杂的物体，工作频率要提高。

（3）频率越低对于传感器的尺寸变得越大，技术也越困难，安装的地方也需要更多的空间。

所以，超声波传感器应选择量程中等，工作频率40khz的传感器。

2.3.2 超声波的速度

声速的精确性决定了测距仪的数值的准确，声波随着介质的温度、压力而改变。声速的计算公式为V=331.4＋0.607T(mm/ms)，T代表了温度的变化，由于实验是在室内，所以超声波的传播速度通过计算公式得出340m/s。

2.3.3脉冲宽度

测距仪的发射脉冲有了一定的测量盲区，同样影响了测量的精度，如果减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，同时存在着回收的不便。反之，增大脉冲宽度，则可以使回收变得越发容易。

但在具体的实验中，通过比较了三种脉宽：24μs(1 个 40KHz 脉冲)，48μs(2个 40KHz 脉冲)，240μs(10 个 40KHz 脉冲)，实验结果得知，还是48μs(2个 40KHz 脉冲)的脉冲宽度对于实验更准确。

2.3.4测量盲区

由于脉冲发射器的本身具备了一定的宽度，还有放大器的阻塞，在接近发射脉冲的一段时间内，有一定的缺陷不能呗发现，这被称为盲区。

3硬件的设计

测距仪硬件部分由系统和显示电路、发射电路和接收电路组成。单片机采用的是89S51系列。采用了高精度的晶振，用来获得较为稳固的频率，减少测量误差。单片机用P1.0接口，输出超声波换能器需要的40KHz的信号，使外中断0口监测接收电路输出的返还信号。显示电路则采取4为LED共阳数码管，段码采取74LS245驱动，位码采取PNP三极管9012驱动。

3.1 发射电路

发射电路图如3-1所示，发射电路由反向器74LS04和换能器T所组成，单片机P1.0端口输出40kHz信号，途经一级反向器然后送到超声波换能器的一个电极，另一路经过两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种形式将方波信号送到换能器两端，从而提高了超声波发射的强度。为了提高效率，可以让俩个输出端并联，电阻R10、R11可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动效果，还可以提高了超声波换能器的阻尼效果，使其缩短自由振荡的时间。

发射电路原理图

3.2 接收电路

接收电路图

超声波在遇到障碍物反射时，进过接受放大器后，产生了一个低电平信号，通过这个信号触发了单片机的外部中断，然后停止计时，并计算出超声波在介质中的传播时间。

图中的接受电路主要由集成电路、电阻、电感组成。可以按照用处的不同转变电阻、电容，从而改变了电路的灵敏度。

3.3 单片机的系统和显示电路

单片机采取的是AT89S51系列。采用12MHz高精度的晶振，从而有了较为稳固的时钟频率，减少了测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，然后利用外中断0口检测超声波接收电路的返回信号。显示电路采取了4位共阳LED数码管，段码采用74LS245驱动，位码采用PNP三极管9012驱动。如图3-4所示 软件的设计

超声波测距器的软件部分由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序和显示子程序构成的。因为汇编语言程序有很高的效率，而且可以准确的计算出程序运行的时间，所以可以运用它计算出准确的距离和实际的运行时间。

4.1 算法设计

超声波测距的原理是超声波的发出器t发出一个超声波信号，声波遇到被测物体然后反射回来，被接收器收到，单片机测出超声波的在外发射的时间，从而算出与物体与测距一起的距离，具体的计算公式为d=s/2=(c×t)/2。D为实际距离，S为来回的路程，C为外界温度下的声速，T为来回接收的时间。

4.2 主程序

主程序首先对系统进行初始化，t0设置为16位计数模式，总是允许中断为清零，之后超声波子程序发出一个脉冲，避免超声波通过接收器进行直射波的触发，从而需要延迟0.1ms，才可以打开外中断，其中计数器T0中的数值可以用公式d=s/2=(c×t)/2=172T0/10 000 cm 计算，T0为计数器T0的计数值，测出结果后传送到LED显示，0.5s后再次发出超声波进行重复测量，如图4-1所示。

开始系统初始化开启T0调用显示子程序测距成功标志位为1？Y禁止中断N调用计算距离子程序允许中断标志位清零显示结果0.5秒开启T0

4.3 发射中断程序

超声波发生子程序是通过P1.0端口发出2个超声波脉冲信号（一种具有40kHz的方波信号），脉冲宽度12μs，同时T0当即进行计时。如图是T0中断程序和T1中断程序的流程图。

保护现场重写TO开T1中断开启TO，T1返回

T0中断程序流程图

P1.0取反R4-1→R4NR4=0？Y关闭T1R4←4开启外部中断0返回

T1中断程序流程图

4.4 接收中断程序

超声波测距仪应用外中断检测返回的超生波信号，一旦接到信号，当即进入中断程序，计时器终止计时，并将测距标记位为1。表示是成功的。

如果没检测到回返信号，T0溢出中断会关闭，系统自动标记为2，表示是失败的。

关闭计数器读取TO的值置测距成功标志位为1返回

4.5 显示子程序

首先进行动态显示初始化，然后指针进行选位，选取显示的数，将其变成段码，然后送入段控制器，再进行延时，判断是否是最后一位和是否显示完毕，如果没有则继续修改缓冲区的指针和位码。

动态显示初始化位选-7FH选通数码管读要显示的数位选字右移一位送位选码到数码管修正地址指针显示完毕Y返回N 显示子程序流程图

4.6 距离计算子程序

为了降低编写程序的难度，将计算公式d=(C×t)/2=172×T0/10000 cm，简化为d=17×T0/1000 cm，然后进行两字节无符号数乘法程序，然后调用两次四字节/两字节无符号数除法程序，最后将数据转换成BCD码进行显示。

将要计算的数移入处理单元调用两字节无符号数乘法程序调用两次四字节/两字节无符号数乘法程序将计算所得数转化成十进制BCD码将BCD码移入被显示的单元返回

计算距离子程序

5结束语

近年来，超声波测距技术已经进入了普遍化的应用，国内的测距技术多数使用的是集成电路，这使得仪器的成本价值变得很高。然而以单片机为中心的测距仪可以弥补这一缺陷，并且可以进行显示和报警等多种功能的应用，并且操作十分简单，稳定，本文通过具体的介绍了一种基于单片机的超声波测距仪，简述了，超声波的原理、应用和具体的实现方式。使单片机技术得到了充分的利用，体现了它在控制、操作等领域的优点。

在一个学期的学习过程中，我逐步的了解了单片机的原理，对于超声波的认识，并且在设计的过程中得到了很多的知识，不仅让我将书本上的东西得以应用，还锻炼了我思考问题的能力，并且开扩了我的视野，使我以后学习的过程中具有了一定的经验。

6谢词

首先感谢我的指导老师陈远老师，在设计的过程当中，给予了我悉心的引导和耐心教导。当我遇到问题时，陈老师会指导我如何解决问题的方法，提供我很多思路和专业方面的知识。陈老师会提供我一些资料，也会指点我在哪可以找到更多的资料源。

在探讨问题和解决问题时，老师给了我悉心指导，在他的帮助下，我的毕业设计得以顺利完成。在整个毕业设计中，老师细心的教导，严谨的治学态度，和丰富的专业知识深深的感染我，在我心中留下深刻印象。

激光测距论文讲解 篇5

激光技术这一高新技术，经过半个世纪的发展，从机理原理，实验手段到制造工艺都已逐步成熟，且先进的激光器不断研制成功，并凭借其高亮度、方向性强、单色性好、相干性好的显著特点，在工业、农业、医疗、军事等领域的应用已经是大显神威。而激光武器经过不断地开发和研究，目前已有了重大的进展：低功率激光武器已开始装备部队，高功率激光武器则在技术上已基本成熟，将在未来现代化战争或局部战争中发挥举足轻重的作用。

本文简要介绍了脉冲激光测距原理及常见的激光测距仪，并对它们在军事上的应用作了相应的介绍。

关键词：激光测距；激光测距仪； 军事应用

一、引言

激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自1960 年第一台激光器--红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比,激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度,测程远,抗干扰能力强,隐蔽性好,因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用,因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。根据所发射激光状态的不同,激光测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距,后者根据起止时刻标识的不同又分为相应激光测距和调频激光测距。本文将介绍脉冲测距的最新技术发展。

二、脉冲激光测距原理

脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程;在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射索取的反射信号,也可以进行测距。图1 脉冲飞行时间激光测距系统一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常有以下五个部分组成:激光发射单元,一个或两个接收通道,时刻鉴别单元,时间间隔测量单元和处理控制单元。激光发射单元在t0 时刻发射一激光脉冲,其中一小部分功率直接进入接收通道1,经时刻鉴别单元产生起始(START)信号,开始时间间隔测量;其余功率从发射天线向目标发射出去,经距离R 到达目标后被反射;接收通道2 的光电探测器接收到返回脉冲,经放大后到达时刻鉴别单元,产生一终止(STOP)信号,终止时间间隔测量;时间间隔测量单元把所测得的结果t 输出到处理控制单元,最后得到距离R=ct/2。

[1]

三、激光测距在军事上的应用 3.1 激光测距光源

战术和战略用脉冲激光测距仪主要包括红宝石、Nd∶YAG、CO2、喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃等脉冲激光测距仪。3.3.1 红宝石脉冲激光测距仪

0.69μm 的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪，其结构简单，紧凑。因工作波长属近红外绿光，极易暴露目标，加上对人眼极不安全，目前除少数应用外已被淘汰。

3.1.2 Nd∶YAG 脉冲激光测距仪

Nd∶YAG 脉冲激光测距仪的主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪，因而从60 年代后期开始广泛装备部队；主要缺点：①工作波长为1.06μm，相对说来较短，在大气中的衰减较大，不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件；② 1.06μm 波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜，在很短的距离上若不加防护观察，可以使人眼永久致盲；③1.06μm 波长不与8~12μm 热成像系统兼容。而Nd∶YAG 脉冲激测距仪目前仍具有无法取代的独特优点。3.1.3 CO2 脉冲激光测距仪

CO2 脉冲激光测距仪是70 年代末和80 年代中期主要针对1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有：①大气穿透能力优于Nd∶YAG 激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作；②能与8~12μm 波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；③能实现对人眼安全。主要缺点是：①10.6μm 的CO2 激光波长极易被水分子(H2O)吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的睛天和潮湿条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目

标被雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对CO2 激光波长测距不利；③10.6 μm 的CO2 激光波长对战术目标的反射系数低于1.54、1.06 和0.69μm 的激光波长。

3.1.4 喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪

喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪也和CO2 一样发展于70 年代末和80年代中期，主要优点是：①大气穿透能力高于1.06μm 的Nd∶YAG 激光波长而低于CO2 激光波长；②对目标的反射系数和在睛天、高温度条件下测距时，其性能高于CO2 激光波长并与Nd∶YAG 激光波长相当；③对人眼的安全性高于CO2 激光波长。缺点是由于1.54μm 波长属中红外波段，不能与8~12μm 的热成像系统兼容，加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低(喇曼频移Nd∶[3][2] YAG 除外)等限制了它们的应用。3.2 脉冲激光测距在军事上的应用

脉冲激光测距仪作为军用装备器材，发展于60 年代初。经过30 多年的开发、研制和装备，目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类400 多个品种和型号，其中装备量最大的是以Nd∶YAG 为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃以及CO2 脉冲激光测距仪。

3.2.1 轻型便携式脉冲激光测距仪

轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪—目标指示器。对上述用途的系统，要求机动灵活、重量轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±10m，重复频率为单次，束散角1~2mrad。值得关注的的是，由于上述激光测距仪及其系统常与其他友军密切配合作战且不带装甲部队大范围训练以及无合作目标、操作手不带防护目镜等，人眼安全极为重要。因此，这类脉冲激光测距仪已逐渐由装备Nd∶YAG 激光测距仪改为喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃1.54μm 的人眼安全激光测距仪。

在现代战争中，由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战，武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。

3.2.2 地面车载脉冲激光测距仪

地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车(IFV)、火控、对空防御、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪—目标指示器等。其主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±5~10m，目标分辨约20m，重复频率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内，其次用于枪炮火控和对目标的分选。为了做到激光测距仪完全有效地对任何能探测到的目标测距以及通过火控系统全天候被动探测、识别和分选，这些系统还应包括：瞄准光学系统、电视摄像机和红外热成像仪(FLIR)等。这是目前非常迫切需要的但不可能通过任何单一功能和单一波长激光测距仪能完全满足的系统。据外刊报 道，美国休斯公司采用喇曼频移Nd∶YAG 激光测距、电视摄像和红外成像组成的坦克、装甲车激光测距仪系统是目前最新型的设备。但是这种系统若采用1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距，尽管在测距仪上装上衰减滤光片，对合作目标测距训练时已基本达到人眼安全要求，而经论证后的坦克和步兵作战的操作人员及指挥、作战人员应采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm 激光波长测距，从根本上实现对人眼安全的要求。3.2.3 对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪

对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作，在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息，以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。这就要求激光测距仪提供比较高的数据率(高的激光脉冲速率)和相当高的距离精度，如最大测程为4~20km，测距精度为

2.5~5m，重复频率为6~20Hz，束散角为0.5~2.5mrad 等。然而，若其交战距离相当远(约达20km 以上)，这么远的距离实际对抗出现在不模糊的大气条件下，仅要求激光测距仪的灵敏度比坦克测距仪稍高一些；若在某些高湿度季节或某些高温度气象区域内，由于很强的H2O 分子吸收，限制了长波长(如10.6μm 的CO2)脉冲激光测距仪最大测距能力的发挥，此时，应采用1.06μm 的Nd∶YAG 脉冲激光测距仪，或者采用喇曼频移Nd∶YAG 及Er∶玻璃(1.54μm)的脉冲激光测距。

3.2.4 机载脉冲激光测距仪

机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机，用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。这些典型应用一般采用1.06μm的Nd∶YAG 激光测距仪并具有激光测距和目标指示的能力，或者采用1.54μm 波长的人眼安全喇曼频移Nd∶YAG 脉冲激光测距仪_目标指示器等，以保护机载系统完成作战任务或主动攻击空中的光电目标。机载脉冲

激光测距仪的主要技术性能：测程远(用于武装直升机为4~10km，用于固定翼飞机为10~20kM)、测距精度高(用于武装直升机为±5~10m，用于固定翼飞机为±1~10m)、重复频率高(用于武装直升机为4Hz，用于固定翼飞机为5~20Hz)、束散角小(用于武装直升机为0.4~1mrad，用于固定翼飞机为0.1~0.5mrad)，同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。因此，激光器必须使用高效循环液体作冷却器，以适应高的运转速率要求，否则要采用气体或混合气体升压冷却。

3.2.5 舰载脉冲激光测距仪

舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后，它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同，在环境使用方面要适应舰载海[4] 空、海面以及海上盐雾的荷刻要求，而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只，如掩护(无声雷达)舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统，全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现，其应用前景相当广泛 [5]。

四、结束语

激光武器不但反应速度快，而且杀伤命中率特别高，几乎是100%，因为激光 武器以光束攻击目标，可以不考虑射击提前量，而且目标的机动性也不会影响激光器的性能。所以，激光武器的杀伤率就非常高，一旦锁住目标，就能将其摧毁或破坏。另一个重要优点是单发成本相当低，每发仅1000 ~ 3000 美元。因此，用激光武器来对付在全世界扩散的“ 廉价低空飞行器“ 大有好处。使用战区高空防御武器或其它昂贵的反导系统来对付近程火箭，其代价也太高。所以，发展激光防空武器就成了必然趋势。[6] 参考文献

卫星双向法与卫星测距 篇6

卫星双向时间比对是目前远距离台站时间比对精度最高的时间同步技术,时间比对精度达几百皮秒,比GPS共视技术的时间比对精度几乎高一个数量级.中科院国家授时中心根据多台站卫星时间比对经验,提出利用卫星双向比对技术进行卫星测距(称转发器定轨).实验证明:利用卫星双向技术(卫星需要转发器)进行卫星测距,可得到高精度卫星轨道(内符精度为几厘米)和卫星预报轨道.

作 者：李志刚 乔荣川 冯初刚 LI Zhi-gang QIAO Rong-chuan FENG Chu-gang 作者单位：李志刚,乔荣川,LI Zhi-gang,QIAO Rong-chuan(中科院国家授时中心,陕西,西安,710600)

冯初刚,FENG Chu-gang(上海天文台,上海,30)

超声波测距系统设计 篇7

在常温常压下。超声波在理想气体中的传播速度为:

C=√Rrt∕M (m/s) 式中, M为气体的摩尔质量;r为气体的定压比热Cp与定容比热c r之比;R为摩尔气体常数;T为热力学温度。对于一定的气体, r、R、M为定值。由公式可知:声速与热力学温度的平方根成正比。在温度T为273.16K、气压为标准大气压情况下, 空气中声速的实验值为:C0= (331.45±0.05) m/s, 在其他条件保持稳定, 计算不同温度时, 空气中的声速可用下式计算:C=C0√T+T0∕T0 (m/s) , 式中, T0=273.1 6K。在实际测量中, 我们可以根据声速与温度的关系作相应的温度补偿。超声波测距的方法有多种, 如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。超声测距最常用的是渡越时间检测法。其原理为:超声传感器发射超声波, 在空气中传播至被测物, 经反射后由超声传感器接收反射波, 并转化为电信号, 测量出发射和接收信号之间的时间差t, 即渡越时间。利用, s=vt/2, 即可算得传感器与反射点间的距离s, 测量距离d=√s2- (h∕2) 2, 若s≧h, 则d≈s;如果使发射、接收传感器非常接近时, h≈0, 则d=vt∕2。其中, d为超声波发射器到被测物体之间的距离;v为超声波在媒体中传播的速度;t为从发射超声波到接收到超声波之间的时间差。

2 超声波传感器系统的构成

超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子, 将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外, 用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器, 陶瓷振子接收到超声波产生机械振动, 将其变换为电能量, 作为传感器接收器的输出, 从而对发送的超声波进行检测。

控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无, 作为超声波传感器的控制输出。对于限定范围式超声波传感器, 通过控制距离调整回路的门信号, 可以接收到任意距离的反射波。另外, 通过改变门信号的时间或宽度, 可以自由改变检测物体的范围。

超声波传感器的电源常由外部供电, 一般为直流电压, 电压范围为12~24V, ±10%, 再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。

超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波, 其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子, 但这种方法需要人参与, 因而是不能持久的, 也是不可取的。为此, 在实际中采用电路的方法产生超声波, 根据使用目的的不同来选用其振荡电路。

3 电路的调试

通过多次实验, 对电路各部分进行了测量、调试和分析。首先测试发射电路对信号放大的倍数, 先用信号源给发射电路输入端一个40k Hz的方波信号, 峰-峰值为38V。经过发射电路后, 其信号峰-峰值放大到10V左右。40k Hz的方波驱动器驱动超声波发射头发射超声波, 经反射后由超声波接收头接收到40k Hz的正弦波, 由于声波在空气中传播时衰减, 所以接收到的波形幅值较低, 经接收电路放大, 整形, 最后输出一负跳变, 在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号。该测距电路的40k Hz方波由单片机编程产生, 方波的周期为1/40 ms, 即25μs, 半周期为12.5μs。每隔半周期时间, 让方波输出脚的电平取反, 便可产生40k Hz方波。由于12M晶振的单片机的时间分辨率是1μs, 所以只能产生半周期为12μs或13μs的方波信号, 频率分别为41.6 7 k H z和3 8.4 6 k H z。本系统在编程时选用了后者, 让单片机产生约38.46k Hz的方波。

4 结语

超声波传感器是本系统的核心器件, 单片机是本系统的控制部分。驱动超声波传感器的40k Hz的方波信号, 就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC0 4六反向器, 通过它对单片机产生的方波信号进行放大, 以驱动传感器工作。接收电路采用的是LM741, 通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形, 最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的LE D显示部分采用的是静态扫描方式, 并用单片机软件译码。单片机内部采用C语言编程, 方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。

本设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从20cm到200cm, 测量精度在±2cm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合, 都有很重要的作用。但由于经验不足, 电路硬件、软件部分都有不够完善的地方, 在今后的学习中会进一步改进。

摘要：超声测距是一种传统而实用的非接触测量方法, 和激光、无线电测距方法相比, 具有不受外界光线及电磁场等因素影响的优点, 在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力, 且结构简单、成本低, 因此, 在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了应用。本设计以AT89C51单片机为核心, 发射电路74HC04六反相器, 接收电路LM741, 通过接收到信号放大和整形, 最终输出负脉冲给单片机响应中断, 通过LED静态扫描方式显示出来。本设计测量范围20cm-2m, 误差在2cm左右。

关键词：超声波,单片机,测距

参考文献

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[4]戴曰章, 吴志勇.基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计[J].计量与测试技术, 2005, 32.

超声波测距 篇8

关键词：超声波测距，RBF网络，非线行误差校正

1、引言

超声波测距具有信息处理简单、快速和价格低，易于实时控制等许多优势，它被广泛的应用在各种距离测试的设备中。但超声波传感器在实际应用中也有一定的局限性。在超声波测距中，由于超声波传感器本身的结构和受外界温度等因素的干扰，其输入输出特性呈明显的非线性，靠硬件或软件补偿修正的方法对提高其测距精度的效果不大。所以，本文提出了基于径向基函数神经网络实现超声波传感器的建模，对超声波测距进行温度补偿和非线性误差校正的方法。

2、用 RBF神经网络改善超声波测距的精度

２.１神经网络实现非线性误差校正的原理

设超声波传感器要测量的实际距离为 d，实际距离d决定t2-t1，环境温度为T，超声波传感器测量输出的结果为h，经RBF网络校正后的距离为Dr，则超声波传感器测距系统可以表示为 h=f(d，T)，由于传感器产生的非线性误差和温度的影响，使得 f(d，T)呈现非线性特性。校正的目的是根据测的 h求未知的 d，即 d＝g(h，T)，也就是需要建立超声波传感器的模型其原理可以表示为图 1所示。

超声波传感器输出 Dr通过一个补偿模型，该模型的特性函数为Dr=g(h，T) ，其中Dr为非线性补偿后的输出， g(h，T)显然是一个非线性函数。通常非线性函数的表达式很难准确求解，但可以利用神经网络能很好地逼近非线性函数的特点，通过建立神经网络模型来逼近该非线性函数。本文选取RBF神经网络模型。

２.２ RBF 神经网络

RBF网络是一种局部逼近网络。它对于每个输入输出数据对 , 只有少量的权值需要进行调整。它采用一组正交归一化的基函数 —— 径向基函数的线性组合来逼近任意函数。

常用径向基函数有高斯函数、多二次函数、薄板样条函数等。由于输入矢量直接映射到隐层空间 , RBF的中心确定后 , 这种非线性映射关系也就确定 ,因此 RBF的学习算法首先要确定径向基函数的中心 ,本文径向基函数的中心采用高斯函数（Radbas(n)=e-n2）,其隐含层的输入输出模型如图２。

对于本文的超声波传感器逆模型的RBF网络模型，输入为h和T，训练后的实际输出为Dr，期望输出为d。超声波传感器非线性校正逆模型采用RBF网络，输入层2个节点，输出层1个节点，扩展系数为0.5（实验结果表明扩展常数为 0.5 时对应隐含层神经元个数适中，故扩展常数选为 0.5），通过测量获取了50组数据集作训练样本，将输入量作归一化处理后，按照上述的RBF神经网络的学习方法学习。神经网络的训练和仿真是在Matlab 6.5环境下，通过神经网络工具箱，编制相应的程序而实现。

在matlab上应用 RBF神经网络进行仿真温度补偿和非线性误差校正后，系统的测距精度大大提高，表 1所示为未经神经网络处理和神经网络处理后的测距比较。

比较结果表明，神经网络处理后的结果与实际距离很接近，精度大大提高了。

3、结束语

实际应用中，超声波测距易受温度等多种因素的影响，利用RBF神經网络良好的非线性逼近特性、自适应能力学习能力，可优化超声波的输出特性，而且网络结构简单，便于单片机实现或固化在硬件中。仿真结果表明，利用RBF 神经网络能很好地逼近非线性函数，实现了超声波传感器建模，对传感器进行非线性误差校正，效果相当明显，大大提高了超声波测距的精度，使其测距误差控制在毫米级以内，这是采用其它校正方法是无法达到的。

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