传感器—超声波雷达

声波技术

在讲述超声波雷达之前，先了解一下声波的概念以及超声波和声波之间的关系

什么是声波？

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式，这种振动状态通过介质向四面八方传播，这便是声波

声波的类型

根据声波的传播方式不同，将其分为横波和纵波：
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横波：在传播过程中，质点振动方向与声波传播方向垂直，即声波往前传播，质点为上下振动。横波只存在于固体中，这是因为固体内部分子之间作用力比较大且存在切应力，上个质点向下振动后，下个质点会因为切应力将之前的质点拉会原位，从而自身发生振动，依次类推，从而完成横波的传播；但空气和液体中分子之间作用力太小，无法产生横波
纵波：在传播过程中，质点振动方向与声波传播方向相同，即声波往前传播，质点为前后振动，可以想象为一个弹簧，存在压缩和膨胀的特性。纵波在固体、液体和气体之间均可产生

声波的物理特性

传播速度

1.声波的传播速度与介质有关，一般介质密度越大，传播速度越快，即固体＞液体＞气体；
2.声波的传播速度还有温度有关，以空气为例：
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其中，C0为零度是的声速，为332m/s，T为温度(单位：℃)

近场和远场

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近场区也叫菲涅尔区，是由于波的干涉而在波源附近出现一系列声压极大值极小值的区域。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，其相关计算如下：

其中：
D是圆盘源的直径
λ是声波波长

在近场区域内，声波平行而不扩散，近似平面波。在远场区域内，声波近似球面波，并且以某一角度向周围空间扩散，扩散声场两侧所形成的角称为扩散角，扩散角与声源半径及波长有关，公式如下：
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如上可知，波长越短或声源半径越大，则扩散角越小

反射、折射、衍射

1.声反射：是指当声波从一种媒质入射到声学特性不同的另一种媒质时，在两种媒质的分界面处将发生反射，使入射声波的一部分能量返回第一种媒质的现象
2.声折射：是指声波在穿过不同介质的时,声速和传播方向发生变化的一种现象
3.声衍射：是指声波传播过程中遇到障碍物时，部分声波会绕至障碍物背后并继续向前传播的一种现象

衰减

声波在介质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为衰减，衰减主要分为以下几类：
1.扩散衰减：声波随着传播距离的增加向声轴周围扩散，导致波阵面扩大而引起声强减弱
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2.散射衰减：声波在不均匀介质中传播时，由于介质的不均匀性或微小散射体的存在，引起声能向各个方向分散或转化为热能，导致声强减小
3.吸收衰减：声波在非理想介质中传播时，声能转化为热能或其它形式能量

超声波与声波的关系

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声波根据其频率分为3类：
次声波：频率小于20HZ的声波，此类声波容易与人体器官产生共振，对人体造成伤害，很少用于人类日常生活中
可闻声：频率在20HZ到20KHZ之间的声波，此类声波人类可以听到
超声波：频率大于20KHZ的声波，此类声波人类无法感知

无论是次声波、可闻声还是超声波，都具备声波的物理特性；

超声波雷达

基于超声波的反射特性及无感特性，将其用于超声波测距，其测距原理为：距离(L)=声音传播速度(v)*发出超声波到收到回波的时间(t)/2，由此诞生出超声波雷达

爆炸图

下图为超声波雷达的硬件爆炸图：
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其中核心部件主要包括3个：超声波发射器【Piezo disc】、超声波接收器【Piezo disc】、测量计算单元【PCBA】：
——超声波发射器：
发射器主要用于产生超声波脉冲信号，其原理是利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，该超声波经锥形共振盘共振放大后定向发射出去。
——超声波接收器：
接收器则用于接收超声波信号并将其转换为电信号，其原理是利用正压电效应将接收到的超声波脉冲信号转化为电信号，之后通过放大器放大电信号
——测量计算单元：
测量计算单元计算超声波从发射到接收所需时间，并通过这个时间差精确测量距离

声波传播模型

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其中：
α为超声波雷达的探测角，由锥形共振盘控制
B为扩散角，受波长和声源半径影响，波长越短或声源半径越大，则扩散角越小
D为超声波的最大量程，主要受衰减影响
R为近场区的边界长度，一般在0.6m左右

关键参数

工作频率

工作频率是指压电晶片的共振频率，当供电电压的频率与晶片频率相同时，输出能量最大，灵敏度最高，超声波传感器常用的工作频率有三种，40KHZ、48KHZ和58KHZ，不同工作频率的探头其侦测范围不同，选用不同的工作频率的传感器满足不同的车型的实际要求
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灵敏度

表征探头在声波的激励下发生共振并产生电信号的能力。取决于压电晶片本身的机电耦合系数，耦合系数越大，灵敏度越高

余振

探头以及电路在振荡停止后，因为惯性的作用，电路还会工作一段时间，会对电源、接收回路产生一定的影响，这种现象叫做余振。如果探头在余振期间接收到被障碍物反射回来的回波信号，回波将与余振混在一起而无法区分。因此会形成测距的盲区，测距盲区为(声速余振长度)/2；以1.6ms的余振为例，测距盲区为：340m/s1.6ms÷2=27.25cm

探测角FOV

反映传感器超声波发射的范围，其特性由探头内部的铝制锥形振子决定，其控制波束角度范围。

声压级

发射声压级越高，则发射能量越强，所能测量的距离也越长。在同等的电压激励下，发射声压级越高，则表明探头将电能转换为机械能的效率越高

测量精度

传感器测量值与真实值的偏差。超声波雷达测量精度主要受被测物体体积、表面形状、表面材料等影响。测量精度越高，感知信息越可靠。测量精度要求在±10cm以内。

超声波雷达应用

PDC距离检测

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原理解析：超声波雷达向外发射超声波，当遇到障碍物阻挡时，一部分超声波会被反射回来，此时超声波雷达接收模块接收反射的超声波，同时根据从发送到接收的时间差计算障碍物的距离L，从而得出在距离L处有障碍物；但由于超声波雷达的发射波是具有一定范围的，单凭距离L无法确定障碍物的位置，但可以知道这个区域内有个距离L的障碍物，因此可以通过区域标识+距离显示的方式警示驾驶员
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原始点云输出

当存在多个传感器时，如果只使用单一传感器去检测识别目标物，可能会不准，如果可以结合其他传感器的信息一起来判断，可以提升对目标物的识别能力，这种结合多类传感器信息去判断目标物的方式成为感知融合，融合分为前融合与后融合，前融合是指拿传感器的原始数据综合起来判断；后融合是指拿传感器感知的最终结果来做仲裁决策；此处原始点云用于前融合。
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之前提到单一USS是无法对目标物准确定位的，如果两个USS同时感知到某一目标物，是可以准确判断出目标物的位置的，如上图所示，2颗USS圆心位置固定，距离L半径固定，画圆相交处即为目标物位置，之后以自车后轴中心为原点【右手坐标系】，发送坐标数据