谐振频率校正装置、倒车雷达报警系统及测距系统的制作方法

1.本公开涉及测量技术领域，尤其涉及一种谐振频率校正装置、倒车雷达报警系统及测距系统。


背景技术：

2.由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用，可在不同环境中进行距离准确度在线标定。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求。
3.超声波传感器一般是自发自收，但是出于成本考虑，外围电路使用的晶体振荡器的频率温度较差，它会引起接收时刻和发射时刻的载波频率会有较大的变化，利用相关技术的接收电路会导致解调出来的包络会有较大的失真，会严重影响测距精度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开提出了一种谐振频率校正装置，所述装置包括：
5.带通采样模块，用于对接收的超声波信号进行带通采样，得到采样信号，其中，所述超声波信号由被配置为预设发射频率的超声波发射器产生；
6.下变频滤波模块，电连接于所述带通采样模块，用于对所述采样信号进行正交下变频处理得到复带通信号，并对所述复带通信号进行滤波，得到复基带信号；
7.频偏检测模块，电连接于所述下变频滤波模块，用于对所述复基带信号进行频偏检测，得到所述复基带信号的第一载波频偏，并利用所述第一载波频偏及所述复基带信号确定第二载波频偏；
8.频率校正模块，电连接于所述频偏检测模块，用于利用所述超声波发射器的预设发射频率及所述第二载波频偏确定所述超声波发射器的谐振频率，以对所述超声波发射器进行频率校正。
9.在一种可能的实施方式中，所述下变频滤波模块包括：
10.下变频单元，用于对所述采样信号进行正交下变频处理得到所述复带通信号；
11.低通滤波单元，电连接于所述下变频单元，用于对所述复带通信号进行滤波，得到所述复基带信号。
12.在一种可能的实施方式中，所述频偏检测模块包括：
13.差分鉴相单元，用于对所述复基带信号进行差分鉴相处理，得到所述第一载波频偏；
14.振荡单元，电连接于所述差分鉴相单元及环路滤波单元，用于根据所述环路滤波单元的输出及所述第一载波频偏得到振荡信号；
15.乘法单元，电连接于所述振荡单元，用于将所述振荡信号及所述复基带信号进行
乘法处理，得到乘法信号；
16.所述环路滤波单元，电连接于所述乘法单元，用于对所述乘法信号进行环路滤波，得到所述第二载波频偏。
17.在一种可能的实施方式中，所述对所述乘法信号进行环路滤波，得到所述第二载波频偏，包括：
18.获取所述乘法信号的虚部信号，以得到相位误差信号；
19.对所述相位误差信号进行环路滤波，得到所述第二载波频偏。
20.在一种可能的实施方式中，所述差分鉴相单元，包括：
21.鉴相子单元，用于对所述复基带信号进行鉴相处理，得到相位信号；
22.差分子单元，电连接于所述鉴相子单元，用于对所述相位信号进行差分处理，得到所述第一载波频偏。
23.在一种可能的实施方式中，频率校正模块，包括：
24.频率确定单元，用于利用所述超声波发射器的预设发射频率及所述第二载波频偏确定所述超声波发射器的谐振频率；
25.频率校正单元，电连接于所述频率确定单元，用于利用确定的谐振频率配置所述超声波发射器发射超声波信号的中心频率。
26.根据本公开的另一方面，提出了一种电子设备，所述电子设备包括：
27.所述的谐振频率校正装置。
28.根据本公开的另一方面，提出了一种倒车雷达报警系统，所述系统所述的电子设备。
29.根据本公开的另一方面，提出了一种测距系统，所述系统包括：
30.超声波发射器，用于利用被配置的预设发射频率产生超声波信号；
31.所述的谐振频率校正装置，用于利用所述超声波信号确定所述超声波发射器的谐振频率，以对所述超声波发射器进行频率校正；
32.所述超声波发射器，还用于在频率校正后产生测距超声波信号；
33.测距装置，用于接收所述测距超声波信号，以根据所述测距超声波信号确定距离。
34.通过以上装置，本公开实施例可以对接收的超声波信号进行带通采样，得到采样信号，对所述采样信号进行正交下变频处理得到复带通信号，并对所述复带通信号进行滤波，得到复基带信号，对所述复基带信号进行频偏检测，得到所述复基带信号的第一载波频偏，并利用所述第一载波频偏及所述复基带信号确定第二载波频偏，并利用所述超声波发射器的预设发射频率及所述第二载波频偏确定所述超声波发射器的谐振频率，以对所述超声波发射器进行频率校正，通过对超声波发射器的实际谐振频率进行校正，可以解决频率漂移问题，以提高发射效率，降低载波频偏的影响，从而提高测距精度。
35.根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
36.包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
37.图1示出了根据本公开一实施例的超声测距原理示意图。
38.图2示出了根据本公开一实施例的谐振频率校正装置的示意图。
39.图3示出了根据本公开一实施例的谐振频率校正装置的示意图。
具体实施方式
40.以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
41.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
42.另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
43.汽车倒车中使用的倒车雷达报警系统即是俗称的倒车雷达。在汽车倒车时，超声波倒车雷达采用超声波测距原理探测汽车尾部离障碍物的距离，当汽车尾部探测到障碍物时，倒车雷达就实时动态显示离障碍物的距离，达到设定的安全警告值时，倒车雷达立即发出报警声，以警示驾驶员，辅助驾驶员安全倒车。现在大多数汽车都配置有倒车雷达。
44.倒车雷达中采用超声波发生器(超声波换能器)发射超声波，并利用超声波传感器接收超声波以进行测距，超声波发生器及超声波传感器可以集成在同一设备中，也可以分离设置。
45.下面对超声波测距方法进行示例性介绍。
46.请参阅图1，图1示出了根据本公开一实施例的超声测距原理示意图。
47.如图1所示，在超声波测距中，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，途中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340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s＝340t/2。
48.由于超声波是一种声波，其声速v与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
49.根据图1可得：
50.h＝s*cosθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
51.θ＝arctg(l/h)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
52.其中，s表示超声波到达障碍物的长度，l表示超声波发射器和超声波接收器之间距离的一半，h表示待测的距离，θ表示h与l之间的夹角。
53.超声波传播的距离为：
54.2s＝vt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
55.其中，v表示超声波在介质中的传播速度，t表示超声波从发射到接收所需要的时间。
56.将公式(2)、公式(3)代入公式(1)中得：
[0057][0058]
因为超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度t＝30度时,v＝349m/s)，当需要测量的距离h远远大于l时，公式(4)变为：
[0059]
h＝1/2vt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0060]
因此，通过以上公式，就可以得出测量的距离h。
[0061]
超声波发射器(例如超声波换能器)的谐振频率为f0，所以发射的超声波信号可以认为是中心频率为f0的调幅信号。调幅信号的包络取决于超声波发射器的器件特性。
[0062]
超声波发射器的谐振频率是它一个非常重要的参数，但是环境温度、元件的老化等因素会导致其谐振频率发生漂移，而谐振频率的漂移会导致超声波发射器的发射效率降低，导致有效探测距离的减少。当存在收发两端存在较大的载波频率偏移时，会严重影响测距的精度。
[0063]
为解决以上问题，本公开实施例提出一种谐振频率校正装置，可以实现对超声波发射器的频率进行校正，提高发射效率，降低载波频偏的影响，从而提高测距精度。
[0064]
请参阅图2，图2示出了根据本公开一实施例的谐振频率校正装置的示意图。
[0065]
在一个示例中，所述装置可以应用在电子设备中，以实现对设置在电子设备中的超声波发射器的频率校正。
[0066]
在一个示例中，电子设备又称之为用户设备(user equipment，ue)、移动台(mobile station，ms)、移动终端(mobile terminal，mt)等，是一种向用户提供语音和/或数据连通性的设备，例如，具有无线连接功能的手持式设备、车载设备等。目前，一些终端的举例为：手机(mobile phone)、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(mobile internetdevice，mid)、可穿戴设备，虚拟现实(virtual reality，vr)设备、增强现实(augmentedreality，ar)设备、工业控制(industrial control)中的无线终端、无人驾驶(selfdriving)中的无线终端、远程手术(remote medical surgery)中的无线终端、智能电网(smart grid)中的无线终端、运输安全(transportation safety)中的无线终端、智慧城市(smart city)中的无线终端、智慧家庭(smart home)中的无线终端、车联网中的无线终端等。
[0067]
在一个示例中，所述装置或电子设备可以设置在倒车雷达报警系统中，以在倒车时实现对超声波发射器的频率校正。
[0068]
在一个示例中，所述倒车雷达报警系统可以设置在各种可移动设备中，例如汽车。
[0069]
如图2所示，所述装置包括：
[0070]
带通采样模块10，用于对接收的超声波信号进行带通采样，得到采样信号，其中，所述超声波信号由被配置为预设发射频率的超声波发射器产生；
[0071]
下变频滤波模块20，电连接于所述带通采样模块10，用于对所述采样信号进行正交下变频处理得到复带通信号，并对所述复带通信号进行滤波，得到复基带信号；
[0072]
频偏检测模块30，电连接于所述下变频滤波模块20，用于对所述复基带信号进行频偏检测，得到所述复基带信号的第一载波频偏，并利用所述第一载波频偏及所述复基带信号确定第二载波频偏；
[0073]
频率校正模块40，电连接于所述频偏检测模块30，用于利用所述超声波发射器的预设发射频率及所述第二载波频偏确定所述超声波发射器的谐振频率，以对所述超声波发射器进行频率校正。
[0074]
通过以上装置，本公开实施例可以对接收的超声波信号进行带通采样，得到采样信号，对所述采样信号进行正交下变频处理得到复带通信号，并对所述复带通信号进行滤波，得到复基带信号，对所述复基带信号进行频偏检测，得到所述复基带信号的第一载波频偏，并利用所述第一载波频偏及所述复基带信号确定第二载波频偏，并利用所述超声波发射器的预设发射频率及所述第二载波频偏确定所述超声波发射器的谐振频率，以对所述超声波发射器进行频率校正，通过对超声波发射器的实际谐振频率进行校正，可以解决频率漂移问题，以提高发射效率，降低载波频偏的影响，从而提高测距精度。
[0075]
应该说明的是，本公开实施例提出的谐振频率校正装置中，各个模块可以通过数字电路实现。
[0076]
在一种可能的实施方式中，所述带通采样模块可以包括模数转换器(adc)，通过模数转换器adc可以实现对超声波信号的带通采样。
[0077]
在一个示例中，模数转换器可以被设置为工作于西格玛-德尔塔sigma-delta模式。
[0078]
本公开实施例通过将模数转换器设置为西格玛-德尔塔模式，可以使得量化噪声最小化，对接收到的超声波信号进行带通采样后的信号速率远大于包络信号的带宽。
[0079]
当然，在其他的实施方式中，带通采样模块还可以通过其他器件或硬件电路实现，本公开对此不做限定。
[0080]
请参阅图3，图3示出了根据本公开一实施例的谐振频率校正装置的示意图。
[0081]
在一种可能的实施方式中，如图3所示，所述下变频滤波模块20可以包括：
[0082]
下变频单元210，用于对所述采样信号进行正交下变频处理得到所述复带通信号；
[0083]
低通滤波单元220，电连接于所述下变频单元210，用于对所述复带通信号进行滤波，得到所述复基带信号。
[0084]
在一个示例中，下变频单元210可以采用相关技术中的变频器实现，也可以利用专用硬件电路、数字电路实现，本公开实施例对下变频单元的具体实现方式不做限定。
[0085]
在一个示例中，下变频单元210可以将采样信号的中心频率下变频为0，从而得到所述复带通信号。
[0086]
在一个示例中，低通滤波单元220可以包括低通滤波器，以对复带通信号进行低通滤波。
[0087]
通过所述下变频滤波模块，本公开实施例可以对带通采样模块输出的采样信号进行下变频及滤波处理，以得到复基带信号。
[0088]
在一种可能的实施方式中，如图3所示，所述频偏检测模块30可以包括：
[0089]
差分鉴相单元310，用于对所述复基带信号进行差分鉴相处理，得到所述第一载波频偏；
[0090]
振荡单元320，电连接于所述差分鉴相单元310及环路滤波单元340，用于根据所述环路滤波单元340的输出及所述第一载波频偏得到振荡信号；
[0091]
乘法单元330，电连接于所述振荡单元320，用于将所述振荡信号及所述复基带信
号进行乘法处理，得到乘法信号；
[0092]
所述环路滤波单元340，电连接于所述乘法单元330，用于对所述乘法信号进行环路滤波，得到所述第二载波频偏。
[0093]
在一种可能的实施方式中，所述差分鉴相单元310，可以包括：
[0094]
鉴相子单元，用于对所述复基带信号进行鉴相处理，得到相位信号；
[0095]
差分子单元，电连接于所述鉴相子单元，用于对所述相位信号进行差分处理，得到所述第一载波频偏。
[0096]
在一个示例中，鉴相子单元可以包括鉴相电路，鉴相电路可以对复基带信号进行反正切计算，从而获得复基带信号中的相位信号。
[0097]
在一个示例中，差分子单元可以包括差分电路，差分电路可以对相位信号进行差分运算，从而得到所述相位信号的第一载波频偏。
[0098]
在一个示例中，振荡单元320可以包括振荡器，例如数字振荡器。
[0099]
在一个示例中，乘法单元330可以包括乘法器。
[0100]
在一个示例中，环路滤波单元340可以包括环路滤波器。
[0101]
所述振荡单元、乘法单元、环路滤波单元可以通过专用硬件电路实现。
[0102]
在一种可能的实施方式中，所述对所述乘法信号进行环路滤波，得到所述第二载波频偏，可以包括：
[0103]
获取所述乘法信号的虚部信号，以得到相位误差信号；
[0104]
对所述相位误差信号进行环路滤波，得到所述第二载波频偏。
[0105]
本公开实施例通过差分鉴相单元确定第一载波频偏，振荡单元利用环路滤波单元的输出及第一载波频偏产生振荡信号并输出到乘法单元，乘法单元将振荡信号和复基带信号相乘得到乘法信号后，输出到环路滤波单元，环路滤波单元取乘法信号的虚部信号，虚部信号里含有相位误差信息，经过环路滤波后可以得到载波频偏。
[0106]
在一个示例中，在初始化阶段，振荡单元可以利用所述第一载波频偏作为初始输入频率，产生振荡信号。
[0107]
在一个示例中，在振荡单元初始化完成时，乘法单元、环路滤波单元可以正常工作，振荡单元可以利用环路滤波单元产生振荡信号。
[0108]
通过所述频偏检测模块，本公开实施例可以对复基带信号的频偏进行跟踪，确定复基带信号的第二频偏信号。
[0109]
在一种可能的实施方式中，如图3所示，频率校正模块40，可以包括：
[0110]
频率确定单元410，用于利用所述超声波发射器的预设发射频率及所述第二载波频偏确定所述超声波发射器的谐振频率；
[0111]
频率校正单元420，电连接于所述频率确定单元410，用于利用确定的谐振频率配置所述超声波发射器发射超声波信号的中心频率。
[0112]
在一个示例中，频率确定单元410可以包括加法电路，例如加法器，频率确定单元可以将超声波发射器的预设发射频率与第二载波频偏进行加法运算，以确定超声波发射器的谐振频率。
[0113]
在一个示例中，频率校正单元可以包括频率校正电路，以实现对超声波信号的中心频率的配置。
[0114]
在一个示例中，超声波发射器发射信号时，分为受迫响应和自由响应两个阶段。受迫响应阶段受对超声波发射器施加的电信号控制。该阶段的信号中心频率取决于电信号的频率。自由响应阶段是电信号结束后的超声波发射器的自由响应。本公开利用以上装置，可以精确地检测到超声波发射器的谐振频率，具有检测时间快和精度高的特点。
[0115]
本公开实施例利用全数字电路去估算换能器的谐振频率，估算出超声波发射器的谐振频率后，把超声波发射器发射信号的中心频率调整为估算得到的谐振频率，从而得到较高的发射效率。这样在接收电路中可以使载波频偏的影响忽略不计。同时由于发射频率和谐振频率的高度一致性，可以提高测距的精度。
[0116]
根据本公开的另一方面，提出了一种倒车雷达报警系统，所述系统所述的电子设备。
[0117]
所述倒车雷达报警系统可以设置在各种可移动设备中，例如汽车。
[0118]
根据本公开的另一方面，提出了一种测距系统，所述系统包括：
[0119]
超声波发射器，用于利用被配置的预设发射频率产生超声波信号；
[0120]
所述的谐振频率校正装置，用于利用所述超声波信号确定所述超声波发射器的谐振频率，以对所述超声波发射器进行频率校正；
[0121]
所述超声波发射器，还用于在频率校正后产生测距超声波信号；
[0122]
测距装置，用于接收所述测距超声波信号，以根据所述测距超声波信号确定距离。
[0123]
在一个示例中，所述测距装置可以通过硬件电路实现，本公开实施例对测距装置的具体实现方式不做限定，例如在频率校正装置中设置峰值检测电路检测第二载波频偏的峰值，并可以利用峰值测距或其他方式实现测距的目的，本领域技术人员可以通过相关技术实现测距装置。
[0124]
通过以上方式，本公开实施例可以实现对系统中的超声波发射器的中心频率的校正，并利用校正后的超声波发射器进行测距。
[0125]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。