固定閾值在超聲波測距車載應用中的使用

引言
在超聲波測距車載應用中，例如：超聲波泊車輔助 (UPA) 和盲點探測 (BSD) 等，系統發射的超聲波被周圍物體反射回來。系統接收反射波（回波），然后將物體的回波振幅與某個閾值比較，從而實現探測物體的目的。物體越靠近系統，其回波也越強。因此，閾值隨時間而變化，是一種相對常見的情況。本文將向您論述，該閾值無需變化，可以保持固定不變。
 
超聲波測距
小轎車中使用的高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 便是一種超聲波測距應用。安裝在車載前后保險杠和后視鏡上的超聲波傳感器發射出超聲波，然后接收周圍物體反射回來的超聲波。超聲波的傳播時間（飛行時間）用于計算到物體的距離，從而幫助駕駛員泊車：尋找泊車點，或者探測駕駛員盲點區域內的物體。車載前后保險杠安裝的傳感器達到 4 個之多，另外，每個后視鏡上還各裝有一個傳感器。
 
在超聲波高級駕駛員輔助系統中，壓電式傳感器一般用于將電信號轉換為超聲波，然后再把反射回來的超聲波轉換為電信號。接受反射回波時，壓電式超聲波傳感器的低接收機靈敏度通常會導致電信號非常微弱。
 
圖 1 顯示了用于處理回波電壓的典型信號鏈。TI PGA450-Q1 是一款集成車載超聲波傳感器信號調節器，適用于 UPA 系統等應用。
 
圖 1 使用回波處理探測物體的 ADAS

 
超聲波接收機接收到的回波信號s（t）被噪聲破壞。圖 1 所示輸入相關噪聲η(t)為外部環境噪聲和所有信號鏈組成部分的和，其與時間（t）相關。被破壞的信號 u(t) 經由放大器使用增益 K 放大，然后通過一個模數轉換器 (ADC) 被數字化。數字化的 AM 信號經過一個帶通濾波器 (BPF) 按線路傳輸。該濾波器主要用于改善信號的信噪比。把經濾波后的信號 y（t） 與閾值 L 比較，以探測某個物體的存在。BPF 的后面一般會有一個振幅解調器，其將信號轉換為基帶，以進行比較。但是，本文為了方便說明，我們忽略了這種解調器。因此，探測物體的關鍵是閾值 (L) 的選擇。那么，我們如何選擇 L 呢？
 
回波振幅
發射器產生的超聲波為一系列載波頻率下的正弦波脈沖，并以聲壓級 (SPL) 來描述。SPL 的計算方法如下：

其中，P_rms 為 RMS 聲壓，而 p_ref 為基準聲壓。常用基準聲壓為 20 μPa，即 0.0002 μbar。
 
傳感器對某個物體產生的超聲波 SPL，取決于物體到傳感器的距離。特別需要請注意的是，聲壓同距離成反比例關系：

其中，p 為聲波壓力，而 d 為物體到傳感器的距離。超聲波傳感器規范說明了30cm 距離的 SPL。由該值，利用這一距離定律，我們便可以計算出任意距離 x的 SPL：

其中，x 為傳感器和物體之間的距離，并且 x > 30 cm。因此，x 距離的 SPL 為：

也就是說，超聲波從傳感器傳播到物體過程中，會損失聲壓。
 
聲波從物體反射回來，返回到傳感器，聲壓進一步損失。另外，由于空氣和物體都會吸收一部分聲壓，所接收回波的 SPL 可以通過方程式 3 進行近似計算。具體方程式請見本頁末尾處，方程式中 α 為空氣吸收系數。請注意，空氣吸收的 SPL 與聲波在空氣中傳播的距離與正比。換句話說，SPL 損失與 x 成正比。我們使用因數 2，是因為聲波在傳感器和物體之間傳播兩次—一次從傳感器到物體，一次從物體到傳感器。根據方程式 1，傳感器接收的回波脈沖的聲壓計算方法如下：

 
超聲波接收機將接收到的聲波轉換為電信號。轉換過程受到接收機靈敏度 (dB)的影響。1 μPa 聲壓產生 10 V 時，接收機靈敏度為 0 dB。因此，利用方程式 5和 6，可以把以 dB 表示的接收機靈敏度轉換為 V/μPa。

其中，增益（K）為一個常量。