超声波传感信号的特性分析

齐海东，张超，陈涛

（吉林师范大学信息技术学院，吉林四平，136000）

超声波传感信号的特性分析

齐海东，张超，陈涛

（吉林师范大学信息技术学院，吉林四平，136000）

本文从超声波信号测试与信噪比之间的联系、避障测距系统的超声波传感信号与无线电波信号的对比、实际环境下的超声波传感信号传输信道特性与测试三个方面进行分析，希望对超声波传感信号的测试提供有针对性的建议。

超声波传感信号；传输信道；超声波避障；超声波测距

0 引言

随着科学技术不断发展，使得超声波传感器被广泛应用在各行各业当中。由于超声波传感信号具备诸多优点。比如，抗干扰性强、操作简单等，促进避障测距系统的发展。因此，本文对超声波传感信号传输信道特性分析与测试进行探讨。

1 超声波信号测试与信噪比之间的联系

在避障测距的系统中，超声波传感信号与无线通信信号之间存在一定的差异，特别是在雷达信号的测试方面。为更好的区分超声波传感信号与无线通信信号，应当在接受系统中将有用的信息全部提取，接受系统中原有的噪音形成全新的干扰信号，对超声波传感信号得测试有一定的影响。针对不同形式的信号特性与测试，应当严格按照信号噪音比率进行测试[1]。以ASK、K、PSK三种信号为例，K信号在信号噪音比率中占据极小的比率，在相同的环境中，ASK信号的抗噪音能力较差。最为常见的超声波测距系统由多个超声波脉冲串组成，形成的信号与ASK信号特性一致，可以很好的达到传输信道特性的测试效果。而超声波脉冲信号的结构与雷达信号结构一致，对超声波脉冲信号进行测试，也可以得到正确的测试结果。为有效提升信号噪音比率，应当选用波形较小的信号，对其进行信号处理。与此同时，也可以广泛采用信号扩频的方式，对超声波传感信号的发射与接收进行处理，以此来实现扩频增益的目的。综上所述，超声波信号测试与信噪比之间有着必不可缺的联系。

2 分析避障测距系统的超声波传感信号与无线电波信号的对比

尽管超声波传感信号与无线通信信号之间有着必然的联系。但是，两者之间也存在着一定的差异。超声波传感信号与无线通信信号都是随着距离的变化而不断变化，同时也会使噪音不断降低[2]。信号减弱的根本原因在于形成不同的测试效应，即衰落效应、路径衰减效应以及阴影效应。

路径衰减效应的种类众多，主要包括有：几何衰减、介质衰减等。形成几何衰减的根本原因是由于传输的距离不断扩大，致使信号的接收面积也在不断扩大，信号能量随之减小，最终影响着接收信号的功率。

就当前超声波传感信号传输的速度而言，介质的损耗程度对传输速度有一定的影响，换句话说，也可以理解为介质对信号能量有吸收的作用，形成诸多特性[3]。比如，粘滞性、热传导性等，最终将信号能量转变成新型能量。就无线通信信号的传输速度而言，介质的消耗源于能量在不断运动，无线通信信号若在水中进行传输，不断消耗大量的介质，促使测试结果产生较大的差异性。超声波传感信号若在空气中进行传输，会形成过大的超声波频率，在信号传输的过程中，造成一系列的介质消耗，阻碍着测试的进度。

3 分析实际环境下的超声波传感信号传输信道特性与测试

对超声波传感信号进行测试，最为重要的方向便是对接收信号自身的信号噪音比率进行测试。本文主要采用的是直接测试的方式，对超声波传感信号的传输信道特性进行测试。频谱仪则是最为常见的测量工具，不断切换频谱仪自身的工作效率，并且选取适当的信道宽度，促使每一个信道能够接收到传感信号，贯彻落实在频谱仪当中，能够准取的读取频谱仪实际的功率值，功率值也可以称作是信号功率。若不定时的关闭发射信号，频谱仪上所显示的功率值则是超声波传感信号的噪音功率。不仅如此，也可以快速的测试到接收信号的信噪比。由于超声波传感信号添加了一定数量的低噪音放大器，未能很好的将超声波传感信号与噪音进行区分，直接影响着超声波传感信号传输信道特性测试的结果。基于此，对信噪比进行测试可以真实有效的反映出超声波传感信号的特性。

3.1 分析开阔空间下的超声波传感信号传输特性

在较为开阔的空间下，对超声波传感信号进行测试，在此基础上，选用超声波探头对发送信号进行测试，确保超声波探头保持在55KHz以内，只有保证接收信号经过低噪音后，才可以通过频谱仪进行测试。以宽阔的广场环境为例，超声波传感信号的中心频率约为50KHz，在不同的广场位置上进行信号测试，可以发现信号功率逐渐呈现出下降的趋势。由于存在不同的温度和湿度，并且发射信号与超声波探头具有极强的方向性，在较为粗糙的地面环境下，使得超声波传感信号的测试效率不断下降，实际测试的信号特性与空气自由空间的信号特性一致。

3.2 分析公路环境下的超声波传感信号传输特性

与开阔的广场环境相比，在公路环境下对超声波传感信号进行测试，可以发现超声波传感信号的测试结果存在一系列的误差，同时也会产生不同的信号功率。根据测试结果，可以发现在公路车辆较少的环境下，超声波传感信号传输信道特性的测试结果与开阔环境下的测试结果一致，测试的数值存在极小的误差。在公路车辆较多的环境下，车辆自身的噪音与信噪比相比普遍略低，对超声波传感信号传输信道特性的测试结果有较小的影响，最为重要的影响因素在于公路车辆集中在低频段，所形成的超声波频段更是少之又少。除此之外，根据测试结果可以发现，由于开关电源不断振动，致使超声波传感信号的测试结果发生改变，给超声波传感信号传输信道特性的测试带来巨大的困扰。

4 结论

本文对超声波信号测试与信噪比之间的联系进行分析，可以发现超声波传感信号与无线通信信号之间存在较大的差异，同时也存在着不同的信噪比。同时本文主要分析了避障测距系统的超声波传感信号与无线电波信号的对比，超声波传感信号在空气中传输，对信号衰减起到至关重要的作用。不仅如此，本文对实际环境下的超声波传感信号传输信道特性与测试进行阐述，主要从开阔空间和公路环境两个方面具体阐述，为改善超声波传感信号的测试结果奠定坚实的基础。

[1]刘达伟,乔亚兴,刘剑青，等.基于超声波传感器的局部放电无线监测系统设计[J].电力科学与技术学报.2016,31(04):161-167.

[2]李静海，曾明，张小内.二维超声波风速风向传感器风向信号修正方法[J].传感器与微系统.2016,35(11)：12-14.

[3]李力伟.基于超声波传感器的行车轨迹检测器的设计[J].科技经济导刊.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