一种超声波式Parametric检测系统的制作方法

一种超声波式parametric检测系统
技术领域
1.本发明涉及超声波检测技术领域，具体而言，涉及一种超声波式parametric检测系统。


背景技术：

2.在现有的超声波式检测系统中，超声波麦克风对超声波进行超声波发送，通过滤波放大电路放大来自物体的反射接收波，然后使用接收波输入进行距离判定处理，最后经过距离输出处理，输出距离检测结果。
3.该系统常常采用单一频率的超声波，当使用频率高的声波时，高频率声波的传播声压衰减快，不能进行长距离地传播，而为了延长距离，就使用频率低的声波，低频率声波的传播衰减变小，可以实现长距离的检测，但低频率下通常不能实现窄的指向性，较宽的指向性容易引入外界干扰，降低检测准确度。
4.综上所述，在现有的超声波式检测系统中，声波的声压衰减快慢和检测距离长短此消彼短，难以兼顾，劣势明显，因此有必要进行改进。


技术实现要素：

5.本发明提供一种超声波式parametric检测系统，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
6.本发明实施例提供了一种超声波式parametric检测系统，包括：
7.载波生成处理模块，用于生成第一频率的超声波作为载波；
8.信号波生成处理模块，用于生成第二频率的超声波作为信号波，其中所述第一频率大于所述第二频率；
9.调制波生成电路，用于根据所述信号波和所述载波生成调制波；
10.高压生成电路，用于放大所述调制波；
11.超声波收发装置，所述高压生成电路还用于驱动所述超声波收发装置发射放大后的调制波，放大后的调制波在空气中通过非线性作用进行自解调，得到自解调波，所述超声波收发装置还用于接收由物体反射回的所述自解调波的反射波；
12.滤波增幅电路，用于对所述反射波进行放大滤波处理；
13.cpu处理单元，包括距离判定模块，所述距离判定模块用于根据所述反射波和所述调制波确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值。
14.可选的，所述cpu处理单元还包括距离输出模块，所述距离输出模块用于输出所述距离值。
15.可选的，所述超声波收发装置包括包含用于发送载波频带的发送麦克风和能够接收信号波频带的接收麦克风。
16.可选的，所述超声波式parametric检测系统包括：所述调制波生成电路用于将所述信号波调制到所述载波上，得到所述调制波。
17.可选的，所述发送麦克风和所述接收麦克风采用一体化设计。
18.可选的，所述距离判定模块用于根据所述调制波的发射时间和所述反射波的接收时间确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值。
19.可选的，所述cpu处理单元还包括时间管理模块，所述时间管理模块用于分别向所述载波生成处理模块和所述信号波生成处理模块传输信号，以使所述载波生成处理模块生成第一频率的超声波作为载波以及使所述信号波生成处理模块生成第二频率的超声波作为信号波。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.本发明提供的一种超声波式parametric检测系统，利用声波的非线性现象，在频率较高的载波上叠加频率较低的信号波，载波输出产生“声波的非线性现象”的高声压，在该载波传播的区域产生自解调波，所产生的该自解调波是低频信号波的分量，因此能够传播到比载波更远的距离。另外，由于载波使用高频率，所以具有窄方向性，而且自解调波是在该载波传播的区域产生，所以自解调波即信号波的方向性也能够维持窄方向性，实现了基于超声波指向性的窄范围检测，并且，还能够实现更远的距离检测。
22.本发明实施例的创新点包括：
23.在频率较高的载波上叠加频率较低的信号波，利用高压生成电路实现载波输出的高声压，从而利用声波的非线性现象，在空气中通过非线性作用进行自解调，自解调波是在该载波传播的区域产生，所以自解调波即信号波的方向性也能够维持和高频率载波相同的窄方向性，实现更远距离的检测，最大程度兼顾声压衰减快慢和检测距离，是本发明实施例的创新点之一。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为以往案例的超声波式parametric检测系统的系统架构图；
26.图2为现有技术中以往案例的收发波示意图；
27.图3为以往案例的物体检测方法示意图；
28.图4为本发明一个实施例的超声波式parametric检测系统的模块图；
29.图5为本发明一个实施例的一种超声波式parametric检测系统的架构图；
30.图6为图5所示的超声波式parametric检测系统中的收发波示意图；
31.图7本发明又一个实施例的一种超声波式parametric检测系统的架构图；
32.图8为图7所示的超声波式parametric检测系统中的收发波示意图；
33.图9自解调波的发生示意图；
34.图10为超声波衰减特性示意图；
35.图11为图5和图7所示的检测系统的检测距离示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.为了更好的理解本发明实施例，首先对现有技术中常用的超声波检测系统进行介绍。现有的超声波式检测系统中，超声波麦克风对超声波进行超声波发送，通过滤波放大电路放大来自物体的反射接收波，然后使用接收波输入进行距离判定处理，最后经过距离输出处理，输出距离检测结果。该系统采用的是生成单一频率的超声波的“发送波生成电路”，当使用频率高的声波时，高频率声波的传播声压衰减快，不能进行长距离地传播，而为了延长距离，就使用频率低的声波，低频率声波的传播衰减变小，可以实现长距离的检测，但低频率下通常不能实现窄的指向性。所以现有的超声波式检测系统的基本功能中，声波的声压衰减快慢和检测距离长短此消彼短，劣势明显。
39.图1为以往案例的超声波检测系统的架构图，如图1所示，该以往案例的检测系统由生成单一频率的超声波的“发送波生成电路”、对来自生成电路的输出进行超声波发送的“超声波microphone”、放大来自物体的反射接收波的“滤波放大电路”、使用接收波输入进行距离判定的“距离判定处理单元”和控制这些信号的“cpu”构成。“cpu”通过“距离判定处理单元”判定物体存在的“距离”，输出检测结果。
40.图2为现有技术中以往案例的收发波示意图。在滤波放大电路输出中，在t0-t1之间发送的超声波，经过物体反射后被接收，物体的反射波的接收时间在t0-t2之间，根据延迟时间t2可以计算出物体的距离。
41.图3为以往案例的物体检测方法示意图。例如，使用发送频率58khz时的最大检测距离为5m左右。这是因为，由于使用的声波的频率高，所以声波的传播声压衰减快，不能进行长距离地传播。为了延长距离，可以使用低频率，例如20khz，其声波的传播衰减变小，可以实现长距离的检测，但低频率下通常不能实现窄的指向性。
42.综上所述，上述现有的基于超声波的物体检测方法很难兼顾检测距离和检测灵敏度，且检测失误率较高，因此有必要进行改进。
43.本说明书实施例公开了一种超声波式parametric(参数化)检测系统和方法。以下分别进行详细说明。
44.图4为本发明一个实施例的超声波式parametric检测系统的模块图。如图1所示，该超声波式parametric检测系统400包括：
45.载波生成处理模块401，用于生成第一频率的超声波作为载波；
46.信号波生成处理模块402，用于生成第二频率的超声波作为信号波，其中所述第一频率大于所述第二频率；
47.调制波生成电路403，用于根据所述信号波和所述载波生成调制波；
48.高压生成电路404，用于放大所述调制波；
49.超声波收发装置405，所述高压生成电路还用于驱动所述超声波收发装置发射放大后的调制波，放大后的调制波在空气中通过非线性作用进行自解调，得到自解调波，所述超声波收发装置还用于接收由物体反射回的所述自解调波的反射波；
50.滤波增幅电路406，用于对所述反射波进行放大滤波处理；
51.cpu处理单元407，包括距离判定模块，所述距离判定模块用于根据所述反射波和所述调制波确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值。
52.超声波在超声波麦克风等发送元件上叠加调制波，当施加高电压而向空气中发出高声压时，由于声速的参数变化而产生声波的非线性现象，声波自身生成解调波的现象。
53.在频率较高的载波上叠加频率较低的信号波，利用高压生成电路实现载波输出的高声压，从而利用声波的非线性现象，在空气中通过非线性作用进行自解调，自解调波是在该载波传播的区域产生，所以自解调波即信号波的方向性也能够维持和高频率载波相同的窄方向性，实现更远距离的检测，最大程度兼顾声压衰减快慢和检测距离，是本发明实施例的创新点之一。
54.该超声波式parametric检测系统，利用声波的非线性现象，在频率较高的载波上叠加频率较低的信号波，载波输出产生“声波的非线性现象”的高声压，在该载波传播的区域产生自解调波，所产生的该自解调波是低频信号波的分量，因此能够传播到比载波更远的距离。另外，由于载波使用高频率，所以具有窄方向性，而且自解调波是在该载波传播的区域产生，所以自解调波即信号波的方向性也能够维持窄方向性，实现了基于超声波指向性的窄范围检测，并且，还能够实现更远的距离检测。
55.一种实现方式中，所述cpu处理单元还包括距离输出模块，所述距离输出模块用于输出所述距离值。
56.一种实现方式中，所述超声波收发装置包括包含用于发送载波频带的发送麦克风和能够接收信号波频带的接收麦克风。
57.一种实现方式中，所述超声波式parametric检测系统包括：所述调制波生成电路用于将所述信号波调制到所述载波上，得到所述调制波。
58.一种实现方式中，所述发送麦克风和所述接收麦克风采用一体化设计。
59.一种实现方式中，所述距离判定模块用于根据所述调制波的发射时间和所述反射波的接收时间确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值。
60.一种实现方式中，所述cpu处理单元还包括时间管理模块，所述时间管理模块用于分别向所述载波生成处理模块和所述信号波生成处理模块传输信号，以使所述载波生成处理模块生成第一频率的超声波作为载波以及使所述信号波生成处理模块生成第二频率的超声波作为信号波。
61.图5为本发明一个实施例的一种超声波式parametric检测系统的架构图。如图5所示，一种超声波式parametric检测系统包含“cpu”处理单元、“调制波生成电路”、“高电压生成电路”、“滤波增幅电路”、“发送microphone”和“接收microphone”。其中“cpu”处理单元包括时间管理处理模块、载波生成处理模块、信号波生成处理模块、距离判定处理模块和距离输出处理模块。
62.载波生成处理模块和信号波生成处理模块分别接收时间管理处理模块，生成载波
(例如58khz的超声波)和信号波(例如20khz的超声波)；调制波生成电路将上述2个频率的超声波合并，输出调制波，该调制波经过高压电路生成电路后，驱动58khz用发送microphone发送相应的调制波。20khz用接收mircophone接收来自物体的反射波，经过滤波增幅电路处理，输出接收波进入cpu处理单元中的距离判定处理模块进行距离计算，最后由距离输出处理模块输出。
63.图6为图5所示的超声波式parametric检测系统中的收发波示意图。如图6所示，在滤波放大电路输出中，t0-t1之间表示发送的调制超声波，在t0-t2之间可以接收物体的反射波，根据延迟时间t2可以计算出物体的距离。
64.图7本发明又一个实施例的一种超声波式parametric检测系统的架构图。如图7所示，一种超声波式parametric检测系统包含“cpu”处理单元、“调制波生成电路”、“高电压生成电路”、“滤波增幅电路”和能够同时收发载波(例如58khz)和信号波(例如20khz)的“大宽带microphone”。其中“cpu”处理单元包括时间管理处理模块、载波生成处理模块、信号波生成处理模块、距离判定处理模块和距离输出处理模块。
65.载波生成处理模块和信号波生成处理模块分别接收时间管理处理模块，生成载波(例如58khz的超声波)和信号波(例如20khz的超声波)；调制波生成电路将上述2个频率的超声波合并，输出调制波，该调制波经过高压电路生成电路后，驱动“大宽带microphone”发送相应的调制波。上述“大宽带microphone”同时接收来自物体的反射波，经过滤波增幅电路处理，输出接收波进入cpu处理单元中的距离判定处理模块进行距离计算，最后由距离输出处理模块输出。
66.图8为图7所示的超声波式parametric检测系统中的收发波示意图。如图8所示，在滤波放大电路输出中，t0-t1之间表示发送的调制超声波，在t0-t2之间可以接收物体的反射波，根据延迟时间t2可以计算出物体的距离。
67.本发明提出了一种超声波式检测系统，该系统中的超声波传感器，其利用声波的非线性现象(参数化效应)，在载波上叠加信号波(信号波使用超声波区域的频率，即非可听区域的频率)，载波输出产生“声波的非线性现象(参数化效应)”的高声压，实现基于超声波指向性的窄范围检测，并且，与通常的超声波传感器相比，还能够实现更远的距离检测。
68.图9自解调波的发生示意图。如图9所示，安装在车辆上的超声波麦克风发送的高声压调制波在载波传播的附近产生信号波分量的自解调波。所产生的自解调波是低频信号波的分量，因此能够传播到比载波更远的距离。另外，由于载波使用高频率，所以具有窄方向性，而且在该载波传播的区域产生自解调波，所以自解调波即信号波的方向性也能够维持窄方向性。
69.图10为超声波衰减特性示意图。如图10所示，声波的传播衰减在频率高时声压的传播会迅速衰减，在频率低时声压则缓慢衰减。即，频率越低，越能传播到远距离。如果载波为58khz，信号波为20khz，则与载波相比，信号波能够检测到长距离。
70.图11为图5和图7所示的检测系统的检测距离示意图。在本发明中，由于利用了频率低的信号波，所以能够传播到比载波更远的距离。另外，由于载波频率更高，所以具有窄方向性，而且在该载波传播的区域产生自解调波，所以自解调波即信号波的方向性也能够维持窄方向性。
71.本发明的又一实施例提供了一种基于上述任一实施例所述的超声波式
parametric检测系统的一种超声波检测方法，包括：
72.采用第一频率的超声波作为载波；
73.采用第二频率的超声波作为信号波，其中所述第一频率大于所述第二频率；
74.根据所述信号波和所述载波生成调制波并进行放大所述调制波并进行发射；
75.放大后的调制波在空气中通过非线性作用进行自解调得到自解调波；
76.接收由物体反射回的所述自解调波的反射波，并对所述反射波进行放大滤波处理；
77.根据所述反射波和所述调制波确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值。
78.一种实现方式中，所述超声波检测方法还包括：输出所述距离值。
79.一种实现方式中，所述根据所述反射波和所述调制波确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值，具体包括：
80.根据所述调制波的发射时间和所述反射波的接收时间确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值。
81.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
82.本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
83.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种超声波式parametric检测系统，其特征在于，包括：载波生成处理模块，用于生成第一频率的超声波作为载波；信号波生成处理模块，用于生成第二频率的超声波作为信号波，其中所述第一频率大于所述第二频率；调制波生成电路，用于根据所述信号波和所述载波生成调制波；高压生成电路，用于放大所述调制波；超声波收发装置，所述高压生成电路还用于驱动所述超声波收发装置发射放大后的调制波，放大后的调制波在空气中通过非线性作用进行自解调，得到自解调波，所述超声波收发装置还用于接收由物体反射回的所述自解调波的反射波；滤波增幅电路，用于对所述反射波进行放大滤波处理；cpu处理单元，包括距离判定模块，所述距离判定模块用于根据所述反射波和所述调制波确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值。2.根据权利要求1所述的超声波式parametric检测系统，其特征在于，所述cpu处理单元还包括距离输出模块，所述距离输出模块用于输出所述距离值。3.根据权利要求1所述的超声波式parametric检测系统，其特征在于，所述超声波收发装置包括包含用于发送载波频带的发送麦克风和能够接收信号波频带的接收麦克风。4.根据权利要求1所述的超声波式parametric检测系统，其特征在于，包括：所述调制波生成电路用于将所述信号波调制到所述载波上，得到所述调制波。5.根据权利要求3所述的超声波式parametric检测系统，其特征在于，所述发送麦克风和所述接收麦克风采用一体化设计。6.根据权利要求1所述的超声波式parametric检测系统，其特征在于，所述距离判定模块用于根据所述调制波的发射时间和所述反射波的接收时间确定所述物体与所述超声波收发装置之间的距离值。7.根据权利要求1所述的超声波式parametric检测系统，其特征在于，所述cpu处理单元还包括时间管理模块，所述时间管理模块用于分别向所述载波生成处理模块和所述信号波生成处理模块传输信号，以使所述载波生成处理模块生成第一频率的超声波作为载波以及使所述信号波生成处理模块生成第二频率的超声波作为信号波。

技术总结
本发明公开一种超声波式Parametric检测系统，系统包括：载波生成处理模块生成第一频率的超声波作为载波；信号波生成处理模块生成第二频率的超声波作为信号波，其中第一频率大于第二频率；调制波生成电路根据信号波和载波生成调制波；高压生成电路放大调制波；高压生成电路还驱动超声波收发装置发射放大后的调制波，放大后的调制波在空气中通过非线性作用进行自解调得到自解调波；超声波收发装置还接收自解调波的反射波；滤波增幅电路对反射波进行放大滤波；CPU处理单元根据反射波和调制波确定物体与超声波收发装置之间的距离值。该系统在指向性更好，范围检测更窄的情况下，还能同时实现更远距离的检测。同时实现更远距离的检测。同时实现更远距离的检测。


技术研发人员：吕英超 东直哉
受保护的技术使用者：苏州优达斯汽车科技有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/24