固定閾值在超聲波測距車載應用中的使用

圖 2 接收機電壓為物體到傳感器距離的函數

可變閾值方案

前一小節表明，從物體接收到的回波的振幅，會隨物體到傳感器的距離增加而減小。另外，由圖1我們知道，回波處理路徑的輸入信號為u(t) = s(t) + η(t)，其中s(t)為回波信號，而η(t)為輸入相關噪聲。換句話說，回波信號振幅不僅隨距離增加而減小，并且會被噪聲破壞，而回波處理系統只能通過處理回波信號來探測某個物體的存在。選擇閾值時，一種常用的方法是閾值方案。使用這種方法時，閾值隨時間而變化。特別是，超聲波剛被發射出來時，閾值較大，之后，隨著經過時間的增加而減小。這種方法的基本原理是，利用信號振幅的可預測衰變，確定閾值大小：越靠近物體，回波和閾值越大，從而實現物體探測。離物體越遠，回波和閾值就越小。

圖3描述了可變閾值方法的概念。該圖顯示了不同距離時物體回波解調舉例。TI PGA450-Q1 評估模塊的一個測試裝置用于收集波形數據。該圖顯示了一種可能的閾值方案。

圖 3 一個可能閾值方案的解調回波信號波形

盡管這種可變閾值方案方法原則上有效，但它存在兩個缺點：

1、 可變閾值方案要求器件內部有存儲器，以將時間與閾值關系存儲至方案表中。如果閾值有 3 個可能的取值(如圖 3 所示)，則該表就會有 6 種可能的輸入。另外，對于車載中使用的高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 來說，用戶需要輸入多種可能的傳感器安裝位置，因為傳感器可以安裝于車載保險杠或者后視鏡上任何位置。例如，如果一個傳感器有 10 個可能的安裝位置，那么器件就需要存儲多達 60 個位置數據。這就增加了器件的成本，因為要求使用更多的存儲空間。

2、 在車載保險杠和反視鏡上安裝好傳感器后，系統制造廠商會“校準”方案表。校準過程就是確定各個閾值，以及切換閾值的時間。這種校準通常是一項耗時費錢的工作，特別是一個表中需要多個輸入數據時更是這樣。

總之，可變閾值方案的主要缺點是，它增加了超聲波測距系統的總成本。

固定閾值

可變閾值方法使用基于時間變化的閾值，與這種方法不的同是，固定閾值方法將信號噪聲用作基線。系統噪聲用于確定閾值，這樣物體不存在就不對其進行探測。

另外，由圖 1 我們知道，回波處理路徑輸入信號為 u(t) = s(t) + η(t)。回波信號是一系列載波頻率 fc(t) 下的正弦波脈沖，其計算方法如下：

其中，S 為回波信號振幅。因此，方程式 10 給出了放大信號的 RMS 值：

請注意，這種一連串的脈沖僅短暫出現，從而讓信號振幅看似受到長時間調制。

帶通濾波器 (BPF) 的y (t) 輸出可以表示為：

其中，ƒ(BPF) 為 BPF 的數字濾波器函數，而ƒ(ADC) 為 ADC 的量化函數。假設回波信號的基準時間為 t0 = 0(通常為發射器發射超聲波的時間)，則 y(t) L、tend t tobject 和 y(tobject) ≥ L，并且 tend 大于零且為所發射脈沖初始脈沖群的末尾時，則可以聲明 tobject 時探測到物體的存在。問題是，“我們可以選擇使用一個固定閾值，棄用可變閾值方案嗎?”要回答這個問題，我們可以利用方程式12，并假設t為一個瞬間值，從而照顧到各個噪聲組成部分：

變量定義如下：

K=放大器增益

ηext(t)=外部噪聲

ηamp(t)=放大器噪聲

ηADC(t) = ADC電路噪聲

q(t) = ADC量化

ηBPF(t) =BPF計算數學誤差

各個噪聲組成部分彼此不相關。另外，我們假設每個噪聲組成部分為零平均值和非零方差高斯。

把方程式9和12代入方程式11后，BPF輸出變為：

根據方程式9，BPF噪聲的RMS為：

其中，Q 為 BPF 的品質因數，fs 為 ADC 采樣頻率，而所有噪聲項均為 RMS值。知道方程式 14 所表示噪聲的 RMS，并假設 6.6 波峰因數的情況下，所選閾值為：

上述方程式可以表示為：

換句話說，我們可以利用方程式 15 選擇固定閾值。圖 4 顯示了使用固定閾值的舉例回波響應。

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