时继潮，李新红，王雅涵，吴佳齐，吕闪

(大连交通大学 电气信息学院，大连 116028)

SSAL算法优化的超声波测距系统

时继潮，李新红，王雅涵，吴佳齐，吕闪

(大连交通大学 电气信息学院，大连 116028)

传统的超声波测距系统只是对系统进行简单的滤波，即简单地进行多次测量后取平均值，这样难免会出现传感器误测的情况，导致最终的测量误差很大，引发误判。针对以上问题，本文对传统的超声波测量方法进行了改进，设计了基于SSAL算法的超声波测距系统。实验结果表明，经SSAL算法对返回的信号进行处理，大大减少误判情况的发生，从而得到精确的返回数值，提高了测量精度。

滤波；超声波测距；SSAL算法；精度

引 言

超声波测距技术作为一种新型的非常有应用前景的技术，在各测试领域都将有无穷的发展空间，它将朝着测试更加灵敏、测量精度更高的方向发展，从而来满足日益发展的社会需求。总的来说，由于超声波的针对性强，耗能少且在介质中传播速度快、距离远，因此受到人们的广泛关注，从而逐渐地被应用于各种介质中距离的测量。

但传统的超声波测距系统存在着一定的弊端，传统超声波测距系统仅是对返回来的信号进行简单的滤波处理，即多次测量取平均值，这样往往存在一定误差，导致所测数据不精确。如超声波在水位的测量过程中，发射信号很容易碰到水中一些体型比较大生物从而将采集到的不准确数据传送给接收装置，导致很大的误差。本设计正是针对现有的一些系统存在的种种不足，将可将信号提取分离的SSAL算法运用到超声波测距系统中，对所返回来的信号进行分离提取，从而得到精确的测量值。

本文在综合研究各方面水位监测的实际情况及特点的基础上，充分利用现代的电子技术，尤其是单片机技术和远程控制技术，再加上提高精度减小误差的SSAL算法，利用现在的方式及科学技能研制出一种通用性好、可靠性高、使用方便且可适用于多种监测环境的超声波水位监测系统，具有非常重要的意义。

1 超声波的测距原理

超声波测距的原理实际上非常简单，超声波探头发出超高频的超声波脉冲，其在传播过程中遇到被测介质的表面便被反射回来，经反射回来的部分声波被同一超声波探头接收，进而转换成电信号。超声波脉冲的传播速度和声音在真空中的传播速度相同，从发射超声波脉冲到接收到超声波脉冲所需要的时间间隔与超声波探头发射的脉冲信号到被测介质表面的距离成正比。此距离的长度S与超声波速度C和传输时间T之间的关系式为S=C×T/2，其传输原理结构框图如图1所示。

2 系统结构

控制系统主要由4大部分构成,分别为启动选择电路、超声波传感器采集电路、液晶显示电路和按键设置电

图1 超声波传输原理框图

路。其电路原理图如图2所示。

由系统的电路原理图可知，超声波测距系统由主控芯片STM32103R8T6进行控制，通过SSAL算法对超声波传感器采集到的信息进行处理后，由液晶屏进行显示，最终通过比对分析，求平均数得出最终的测量值，大大地提高了测量精度。

图2 系统电路原理图

3 SSAL算法的原理

SSAL算法主要对空间信号进行分离，从而使设备更容易接收到被测信号。假设有N元的均匀线阵，信号的工作波长为r，各阵元之间的距离为L。其中共有Q个空间信号源，且各信号源之间不相关，各阵元的噪声为Nh(t)，h=1,2,…，噪声和信号为Sc(t)，c=1,2,…，其中N和Q都不相关[1]。因此，第h个阵元的输出为：

(1)

(2)

式中：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

假设相关矩阵为R，通过求各阵元输出的相关矩阵，得到：

(8)

通过对相关矩阵R进行特征分解，其各特征值及对应的特征向量分别为：r1,r2,…,rQ,rQ+1,…,rN以及V1,V2,…,VQ,VQ+1,…,VN。

各特征向量相互正交且为矩阵R列空间的基，由于最小特征值来源于噪声，因此与最小特征值对应的特征向量所构成的子空间称为噪声子空间，记为D，矩阵R的列空间被划分成信号子空间S和噪声子空间D[3]。

(9)

(10)

又因为各特征向量相互正交，所以有：

(11)

特征向量与信号源所在的方向相同，Q均处于信号子空间S中，故可以构造矩阵：

(12)

显然有：

(13)

SSAL算法就是根据式 (13) 来求空间谱P，有：

(14)

谱峰所对应的δ值就是在信号源方向上的估值，其大小与信号的强度无关，所反映的只是信号矢量D(δ)和噪声子空间D的正交性[4]。

4 SSAL算法在超声波测距中的应用

SSAL算法主要对超声波反射回来的信号进行分离提取，可根据自己的需求提取出相应方位的信号，然后通过相应三角变换计算出实际的距离。在测量水位高度时，为了使测得的数值更加精确，可对与垂直方向左右两端分别呈一定角度的信号进行提取，然后计算出这两个方位的直线距离，最后通过相应的三角变换计算出垂直距离，通过分析比较，最终确定其垂直距离。

这样不仅减少了声波碰到其他物体造成误判事件的发生，而且还可以通过对多方位数值的比较来提高测量的精度。

将SSAL算法嵌入到应用程序中，通过MATLAB软件对返回信号中垂直方向左右两端分别呈50°和150°方向的信号进行提取，提取后的波形如图3所示。

图3 接收超声波返回信号的Matlab仿真

由图3可以看出，通过SSAL算法最终将所反射回来信号中与垂直方位左右分别成50°和150°的4个信号提取出来，然后根据信号的接收时间通过公式S=C×T/2分别将4个方位的实际距离计算出来，根据三角公式L=S×cosθ，将4个方位的L值计算出来，最后进行比较分析。

已知超声波在水中的转播速度大约为1 500m/s，即C=1 500 m/s，从发射超声波到接收到4个方位的超声波信号所用的时间分别为T1、T2、T3、T4。经验证得知，接收到+50°方位的信号时间T1=1.376 s，接收到-50°方位的信号时间T2=1.380 s，接收到+150°方位的信号时间T3=1.90 s，接收到-150°方位的信号时间T4=0.642 s，设根据公式S=C×T/2计算出这4个方位的距离分别为S1、S2、S3、S4，根据公式L=S×cosθ计算出这4个方位的垂直距离分别为L1、L2、L3、L4，由以上数据得到表1。

表1 超声波测距数据表

从表1中可以明显看出，L4明显小于其他测量值，这时就可以将L4定为错误测量值，因为其很可能是因为超声波碰到水中其他物体反射回来的信号，不是由水底直接反射回来的信号，所以将L4舍去，再对其他三个计算出来的垂直距离取平均值，得到最终的水位高度为：

用户还可以根据自己的需求实现对任意方位信号的提取，为了使所测得的数据更加精确，可以应用SSAL算法对尽可能多个方位的信号进行提取，最后分析比较求平均，得到更加精确的测量值。

5 系统的软件设计

图4 系统软件设计流程图

在软件设计方面，先对系统进行初始化处理，然后超声波系统发射超声波，随后系统会检查是否有超声波返回。如果没有返回超声波信号，系统会立即再次发送超声波；如果检测到有信号返回，则用SSAL算法对返回信号进行处理，通过相应计算后将返回信号的时间及方位在液晶屏上显示出来。

因此可以根据实际情况，对液晶屏显示的数据进行分析对比，忽略其中误差比较大的数据，对剩下的数据取平均值得到最终的测量数值。

系统的软件设计流程图如图4所示。

结 语

本文主要设计了基于SSAL算法的超声波测距系统，解决了传统测距系统中进行简单滤波从而导致误差大的问题。应用SSAL算法，可以根据自己的需要，将返回信号中任意方位的信号提取出来，然后通过计算整理求平均得到最终的数值，实现了对测量目标高效、快速、精确的测量。与普通的超声波测量技术相比，具有低

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时继潮(硕士研究生)主要研究方向为嵌入式系统、无线通信等。

Ultrasonic Distance Measurement System Based on SSAL Algorithm Optimize

Shi Jichao,Li Xinhong,Wang Yahan,Wu Jiaqi,Lv Shan

(College of Electrical and Information,Dalian University of Traffic,Dalian 116028,China)

The traditional ultrasonic ranging system only simply filter the system,which simply takes the average after multiple measurements.This approach will occur sensor error situation and result in large final measurement error,thus triggers a false judgment.Aiming at the above problems,the traditional ultrasonic measurement method is improved and an ultrasonic ranging system based on SSAL algorithm is designed in this paper.The experiment results show that the probability of wrong judgment is greatly reduced after the return signal is handled by SSAL algorithm,and it can get exactly return values.It is greatly improve the accuracy of the measurement.

wave filtering;ultrasonic distance measurement;the algorithm of SSAL;accuracy

TP312

A

�迪娜

2017-04-05)