超聲波傳感信號的特性分析

齊海東，張超，陳濤

（吉林師范大學信息技術學院，吉林四平，136000）

超聲波傳感信號的特性分析

齊海東，張超，陳濤

（吉林師范大學信息技術學院，吉林四平，136000）

本文從超聲波信號測試與信噪比之間的聯系、避障測距系統的超聲波傳感信號與無線電波信號的對比、實際環境下的超聲波傳感信號傳輸信道特性與測試三個方面進行分析，希望對超聲波傳感信號的測試提供有針對性的建議。

超聲波傳感信號；傳輸信道；超聲波避障；超聲波測距

0 引言

隨著科學技術不斷發展，使得超聲波傳感器被廣泛應用在各行各業當中。由于超聲波傳感信號具備諸多優點。比如，抗干擾性強、操作簡單等，促進避障測距系統的發展。因此，本文對超聲波傳感信號傳輸信道特性分析與測試進行探討。

1 超聲波信號測試與信噪比之間的聯系

在避障測距的系統中，超聲波傳感信號與無線通信信號之間存在一定的差異，特別是在雷達信號的測試方面。為更好的區分超聲波傳感信號與無線通信信號，應當在接受系統中將有用的信息全部提取，接受系統中原有的噪音形成全新的干擾信號，對超聲波傳感信號得測試有一定的影響。針對不同形式的信號特性與測試，應當嚴格按照信號噪音比率進行測試[1]。以ASK、K、PSK三種信號為例，K信號在信號噪音比率中占據極小的比率，在相同的環境中，ASK信號的抗噪音能力較差。最為常見的超聲波測距系統由多個超聲波脈沖串組成，形成的信號與ASK信號特性一致，可以很好的達到傳輸信道特性的測試效果。而超聲波脈沖信號的結構與雷達信號結構一致，對超聲波脈沖信號進行測試，也可以得到正確的測試結果。為有效提升信號噪音比率，應當選用波形較小的信號，對其進行信號處理。與此同時，也可以廣泛采用信號擴頻的方式，對超聲波傳感信號的發射與接收進行處理，以此來實現擴頻增益的目的。綜上所述，超聲波信號測試與信噪比之間有著必不可缺的聯系。

2 分析避障測距系統的超聲波傳感信號與無線電波信號的對比

盡管超聲波傳感信號與無線通信信號之間有著必然的聯系。但是，兩者之間也存在著一定的差異。超聲波傳感信號與無線通信信號都是隨著距離的變化而不斷變化，同時也會使噪音不斷降低[2]。信號減弱的根本原因在于形成不同的測試效應，即衰落效應、路徑衰減效應以及陰影效應。

路徑衰減效應的種類眾多，主要包括有：幾何衰減、介質衰減等。形成幾何衰減的根本原因是由于傳輸的距離不斷擴大，致使信號的接收面積也在不斷擴大，信號能量隨之減小，最終影響著接收信號的功率。

就當前超聲波傳感信號傳輸的速度而言，介質的損耗程度對傳輸速度有一定的影響，換句話說，也可以理解為介質對信號能量有吸收的作用，形成諸多特性[3]。比如，粘滯性、熱傳導性等，最終將信號能量轉變成新型能量。就無線通信信號的傳輸速度而言，介質的消耗源于能量在不斷運動，無線通信信號若在水中進行傳輸，不斷消耗大量的介質，促使測試結果產生較大的差異性。超聲波傳感信號若在空氣中進行傳輸，會形成過大的超聲波頻率，在信號傳輸的過程中，造成一系列的介質消耗，阻礙著測試的進度。

3 分析實際環境下的超聲波傳感信號傳輸信道特性與測試

對超聲波傳感信號進行測試，最為重要的方向便是對接收信號自身的信號噪音比率進行測試。本文主要采用的是直接測試的方式，對超聲波傳感信號的傳輸信道特性進行測試。頻譜儀則是最為常見的測量工具，不斷切換頻譜儀自身的工作效率，并且選取適當的信道寬度，促使每一個信道能夠接收到傳感信號，貫徹落實在頻譜儀當中，能夠準取的讀取頻譜儀實際的功率值，功率值也可以稱作是信號功率。若不定時的關閉發射信號，頻譜儀上所顯示的功率值則是超聲波傳感信號的噪音功率。不僅如此，也可以快速的測試到接收信號的信噪比。由于超聲波傳感信號添加了一定數量的低噪音放大器，未能很好的將超聲波傳感信號與噪音進行區分，直接影響著超聲波傳感信號傳輸信道特性測試的結果?；诖?，對信噪比進行測試可以真實有效的反映出超聲波傳感信號的特性。

3.1 分析開闊空間下的超聲波傳感信號傳輸特性

在較為開闊的空間下，對超聲波傳感信號進行測試，在此基礎上，選用超聲波探頭對發送信號進行測試，確保超聲波探頭保持在55KHz以內，只有保證接收信號經過低噪音后，才可以通過頻譜儀進行測試。以寬闊的廣場環境為例，超聲波傳感信號的中心頻率約為50KHz，在不同的廣場位置上進行信號測試，可以發現信號功率逐漸呈現出下降的趨勢。由于存在不同的溫度和濕度，并且發射信號與超聲波探頭具有極強的方向性，在較為粗糙的地面環境下，使得超聲波傳感信號的測試效率不斷下降，實際測試的信號特性與空氣自由空間的信號特性一致。

3.2 分析公路環境下的超聲波傳感信號傳輸特性

與開闊的廣場環境相比，在公路環境下對超聲波傳感信號進行測試，可以發現超聲波傳感信號的測試結果存在一系列的誤差，同時也會產生不同的信號功率。根據測試結果，可以發現在公路車輛較少的環境下，超聲波傳感信號傳輸信道特性的測試結果與開闊環境下的測試結果一致，測試的數值存在極小的誤差。在公路車輛較多的環境下，車輛自身的噪音與信噪比相比普遍略低，對超聲波傳感信號傳輸信道特性的測試結果有較小的影響，最為重要的影響因素在于公路車輛集中在低頻段，所形成的超聲波頻段更是少之又少。除此之外，根據測試結果可以發現，由于開關電源不斷振動，致使超聲波傳感信號的測試結果發生改變，給超聲波傳感信號傳輸信道特性的測試帶來巨大的困擾。

4 結論

本文對超聲波信號測試與信噪比之間的聯系進行分析，可以發現超聲波傳感信號與無線通信信號之間存在較大的差異，同時也存在著不同的信噪比。同時本文主要分析了避障測距系統的超聲波傳感信號與無線電波信號的對比，超聲波傳感信號在空氣中傳輸，對信號衰減起到至關重要的作用。不僅如此，本文對實際環境下的超聲波傳感信號傳輸信道特性與測試進行闡述，主要從開闊空間和公路環境兩個方面具體闡述，為改善超聲波傳感信號的測試結果奠定堅實的基礎。

[1]劉達偉,喬亞興,劉劍青，等.基于超聲波傳感器的局部放電無線監測系統設計[J].電力科學與技術學報.2016,31(04):161-167.

[2]李靜海，曾明，張小內.二維超聲波風速風向傳感器風向信號修正方法[J].傳感器與微系統.2016,35(11)：12-14.

[3]李力偉.基于超聲波傳感器的行車軌跡檢測器的設計[J].科技經濟導刊.2016,12(24)：69.

The characteristics of ultrasonic sensor signals

Qi Haidong，Zhang Chao，Chen Tao
（College of information technology, Jilin Normal University, Siping Jilin,136000）

The relation between ultrasonic sensor signals and signal noise ratio, contrast ultrasonic sensing signal of obstacle avoidance system with radio signals, channel characteristics and test of the ultrasonic sensing signal transmission is analyzed in actual environment, suggestions is provided for ultrasonic sensor signal testing in future.

Ultrasonic sensing signal; Transmission channel;Ultrasonic obstacle avoidance; Ultrasonic ranging