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第21章 声呐感测
声呐或者超声波感测使用比正常听力更高的频率传播声音能量，从环境中获取信息。本章介绍声呐感测的物理原理，面向机器人技术应用中的目标定位、地标测量、分类等。说明声呐伪影的来源，以及如何处理它们。根据主要突出特点，概述了不同的超声波换能器技术。
本章首先介绍了声呐系统，复杂度各不相同，从低成本的门限测距模块到多传感器多脉冲模型，具备精确测距与方位测量、干扰抑制、运动补偿和目标分类等相关的信号处理要求。其次，介绍了连续传输调频(CTFM)系统，并讨论噪声存在条件下提高目标灵敏度的能力。然后，论述了各种各样的声呐环设计，结合测绘结果进行周围环境快速覆盖。最后讨论仿生声呐，其灵感来自于动物，如蝙蝠和海豚。
21.1 声呐原理
声呐是机器人技术中一种很流行的传感器，采用声脉冲及其回波来测量目标所在的距离。由于声音的速度通常为人所知，目标距离与回波传播时间成正比。在超声波频段中声呐能量集中于一束，除了距离之外还提供方位信息。它的普及性归功于,跟其他测距传感器相比，声呐传感器具有低成本、重量轻、低功耗和低计算量等特点。在一些如水下和低可见度环境的应用中，声呐经常是唯一可行的感测模态。
机器人技术中声呐有三个不同但相关联的用途:
1)避障:第一个探测到的回波被假设为最近目标产生的回波，测量其所在的距离。机器人利用这个信息来规划路径绕过障碍物，防止碰撞。
2)声呐测绘:通过旋转扫描或声呐阵列获得一批回波，用来创建环境地图。类似于雷达显示，测量点被放置在沿着探测脉冲方向的可测范围内。
3)目标识别:一系列回波或声呐地图经处理后对产生回波的结构进行分类，这些结构包含一个或多个物理目标。如果成功的话，这种信息对机器人配准或地标导航是有用的。
图21.1表示一个简化的声呐系统，包括从其配置到所产生的声呐地图。声呐传感器(记为T/R)既充当探测声脉冲(记为P)的发射器(记为T)，又作为回波(记为E)的接收器。位于声呐波束里的目标0由阴影区域表示，来反射探测脉冲。反射信号的一部分返回至换能器上，被检测为一个回波。回波传播时间俗称为飞行时间(TOF)，是由探测脉冲传输时间测得的。在这种情况下，回波波形是探测脉冲的副本，通常由多达16个周期的传感器共振频率组成。目标距离ro采用式(21.1) 计算
(21.1)
式中，c表示声速(在标准温度和压力下声速为343m/s); 因子2将往返(P E)传播距离转换为单程测量。波束扩展损失和声吸收限制了声呐距离。
在形成的声呐地图里，测量点被放置在相应的换能器物理定位的方向上。通常声呐地图通过旋转垂直轴线上的传感器建立，用方位角theta;表示，通过一系列离散的角度∆theta;分隔开，并在相应的范围内放置声呐点。由于T/R旋转时目标0到T/R中心的距离几乎是不变的，只要O位于波束内，测量点通常会落在一个圆圈内。因此，声呐地图是由圆弧组成的。
声呐的主要局限性包括:
1)宽的声呐波束会造成较差的方向精度。目标被定位在孤立弧的中间，但较短距离的目标缩短了较远距离目标的弧，这些由一批目标所产生的弧通常很难解释。这种影响的结果是宽波束阻塞了小孔，限制了机器人导航。
2)相对于光学传感器，缓慢的声速降低了声呐感测速度。一个新的探测脉冲应该在来自先前脉冲的所有检测回波终止后被发射，否则将发生误读，如图21.2所示，来自探测脉冲1的回波在探测脉冲2发射后出现。声呐从最近的探测脉冲测量TOF。许多声呐每隔50ms发射探测脉冲，但在混响环境下会遭遇误读。
3)光滑表面在斜入射时不产生可探测的回波。图21.3显示一个平坦表面(墙)，充当声呐束的镜子。重点是邻近墙自身不产生可探测的回波，使用声呐避障的机器人可能会与墙碰撞。
4)波束旁瓣导致的伪影和多次反射产生了无目标存在环境下的距离读数。图21.3也显示了包围着目标0的改变了方向的波束。回波也被墙面改变方向后反射回换能器。以换能器为参考，目标在虚拟物体位置处VO，而且它会产生相同的声呐地图，如图21.1所示。由于没有物理目标对应于声呐点位置，因此它是一个伪影。也要注意，点虚线表示从换能器反射回来的声学能量，并不能被检测到，这是因为它没有位于波束锥形区内。波束旁瓣通常检测这些回波，产生沿声呐方
位放置的短程读数。
5)回波的传播时间和振幅变化由声速的不均一性造成。两种效应导致检测回波传播时间的随机波动，即使在静态环境下。图21.4说明了热波动可导致加速、延迟以及回波折射产生的传播改向。这些波动会引起回波时间和振幅变化，以及距离读数抖动。虽然这些波动通常只引起声呐地图的较小变化，但它们经常会给更为精细的分析方法带来巨大的困难。
本章描述了物理和数学细节，将简化的声呐模型扩展到实际的声呐系统。
21.2声呐波束图
为了推导声呐换能器的定性描述，我们对简化模型运用基本声学理论得到简单的解析式[21.1]。声呐发射器通常被建模为一个半径为a的圆瓣表面，在无限平面隔声板上以频率f振动。波长lambda;表示为
lambda;=c/f (21.2)
式中，c是声音在空气中的传播速度，25°C时为343m/s[21.2]。当agt;lambda;时，发射压力场形成一个波束，由一个主瓣和环绕的若干旁瓣组成。在远场，或者距离大于a/lambda;时，波束由它的方向图描述，方向图是孔径函数的二维傅里叶变换，在这种情况下圆孔可产生贝塞尔( Bessel)函数。在距离r以及与瓣轴线相关的角度theta;下，发射压力振幅可写为
(21.3)
式中，a是比例常数，包含了空气密度和声强; k=2pi;/lambda;; J1是第一类Bessel函数; theta;=0，括号项沿着声呐轴线求值等于1; 项表示发射压力，随声呐瓣的面积而增大。频率f出现在分子上，这是因为快速移动的声呐瓣产生更高的压力。距离r出现在分母上，因为能量守恒定律要求当波束随距离加宽时压力减小。
主瓣由它的第一个离轴零位定义，出现在下式角度
(21.4)
例如，广泛采用的静电仪器级换能器，原先由宝丽来公司( Polaroid)生产[21.3]，半径a等于1.8cm,且通常在频率f为49.4kHz下驱动，此时lambda; =0. 7cm,theta;0=14.7°。
目标相对于lambda;较小，且被放置在发射压力场内，以球形波阵面产生回波，球形波阵面的振幅随传播距离的倒数衰减。在常用的脉冲回波单一换能(单静态)测距传感器中，回波阵面只有部分落到接收孔径上。如今圆孔用作接收器，其敏感度模式具有与Bessel函数相同的波束形状，由互易定理[21.1]给出，见式(21.3)。 如果反射物相对于换能器位于(r，theta;)处，则参考接收器输出，检测到的回波压力振幅为
(21.5)
式中，beta;是比例常数，包含了设计中不可控参数，比如空气密度。分子中出现附加项,是由于大的孔径可检测更多的回波阵面。
图21.5显示了来自远场中小(点状)目标的波振幅，其作为静电仪器级换能器探测到的角度函数。曲线已被轴上回波振幅归一化。
该模型是定性的，原因是它提供了下列实际有用的见解:
1)对于与波长相关的小反射体尺寸，回波振幅随距离平方的倒数而减小，因为存在来自发射器到目标的1/r扩散损失，随后又有返回至接收器的回波中的额外1/r扩散损失。然而，大尺寸反射体能够根据惠更斯( Huygens)原理进行处理[21.4]，通过将其划分为小尺寸反射体，协同增加它们的回波贡献。当在，二维空间采用垂直入射增强的平面反射体处理时，回波振幅减小了1/r，而不是1/。柱面反射体在一维空间扩展，导致振幅在1/r与1/之间变化。更极端的情况也可能发生在作为声音放大器的凹面反射体上，引起振幅随着小于1的距离的负幂减少。
2)正弦曲线逼近激励的换能器表现为旁瓣，其取决于由相位抵消造成的零位。例如，常规声呐经16周期激励展现为旁瓣。当小反射体位于换能器轴上，相对于回波振幅，第一个旁瓣的峰值是- 35dB。600系列仪器级换能器的说明书指出第一个离轴零位在15°，第一个旁瓣峰值为- 26dB。我们认为这些测量是采用平面作为反射体进行的。
3)该模型可用来计算其他常规换能器的波束参数近似值。例如，半径为1. 25cm的SensComp 7000系列[21.5]产生20°的角度，等于额定值。然而，规定的第-一个旁瓣峰值大约等于-16dB,这完全不同于- 35dB期望值。
定性模型的局限性包括:
1)现有换能器只是粗略估计声呐瓣在无限平面隔声板上的振动，无限挡板指引所有的辐射声压进入换能器的前半空间。现有换能器向四面八方辐射，但大多数声能集中于主瓣。
2)所有脉冲回波测距声呐都采用有限持续时间脉冲，而不采用无限持续时间的正弦脉冲。下面介绍几个使用脉冲的系统，无论是持续时间还是形式，这些脉冲都完全不同于正弦激励。一般通过计算脉冲频谱以及将其分解成若干个正弦频率对这些脉冲进行分析，每个正弦频率都有自身的波束模式。例如，上述， 16周期脉冲的回波振幅预测是相当精确的，包括波束宽度和旁瓣。但是，当使用脉冲或者扫频激励时，净波束剖面成为每个激励频率成分所产生的波束模式的(线性振幅)叠加。这样的宽带激励并不表现为零位，因为某个频率形成的零位可由其他频率产生的波束的主瓣和旁瓣填充。
3)大多数声呐换能器要被装入保护外壳中。静电仪器级换能器盖子形成一个机械过滤器，可增强49.4kHz声音输出。其他换能器的案例可能会扭曲发射场，但大多数换能器产生某一类型的方向波束。
4)该模型不包括传播介质中与频率相关的声吸收。这些声吸收减少模型预测的回波振幅。
上述分析模型只限于简单配置。随着当前计算能力的发展，换能器能被扩展到那些任意的、甚至多重的孔径，具有各种各样的激励方式。目标产生的任意形状的回波波形可根据Huygens原理来模拟[21.4]发射器、接收器和目标表面被分解为二维表面阵列，使用尺寸小于lambda;/5的方阵来发射、反射和探测组件(注:尺寸越小越好，但要长些)。通过假设脉冲发射，以及沿着从发射器组件到目标组件再到接收器组件的所有可能路径叠加传播时间，计算给定模型的脉冲响应。时间分辨率应小于(20fmax)，其中fmax是最大激励频率。对于16周期的49.4kHz频率激励,1mu;s分辨率就足够了。更加精细的分辨率(lt;0.1mu;s)是脉冲激励所必需的。于是，以脉冲响应与实际发射脉冲波形的卷积来计算回波波形[21.4]
21.3声速
声速c随大气温度、压力和湿度显著变化，对确定声呐系统的精度至关重要。本节基于参考文献[21.6, 7]概述了c和这些变量之间的关系。
在海平面空气密度和一个大气压力下，干燥空气中的声速表示为
(21. 6)
式中，T表示温度，单位是摄氏度。在大多数情况下，式(21.6)可精确到1%以内。然而，既然相对湿度是已知的，可以做一个更好的估计如下山姑你处
(21. 7)
对于海平面大多数气压下，温度在上30~43C范围内，式(21.7)可精确到0. 1%以内。既然大气压p,已知，则可以使用下列表达式
(21.8)
此处，空气饱和压力Psat依赖于温度，表示如下
(21.9)
式中，Psat是参考大气压101. 325kPa; 是三相点等温温度，其精确值为273. 16K。
21.4波形
声呐使用各种各样的波形，其中最常见的类型如图21.6所示。每个波形可被认为是来自垂直人射面的回波。根据频谱带宽，波形分为窄带和宽带。在加性噪声存在下，窄带脉冲具有良好的探测性能，而宽带脉冲具备较好的距离分辨率，且没有旁瓣。
图21.6a给出由日本村田公司( Murata)生产的40kHz压电换能器在8周期、40kHz方波(40Vrms )激励下产生的波形。Murata传感器体积小、重量轻、效率高，但是具有近似90°的波束宽度。这些换能器可用在单站、双站、多站传感器阵列中[21.8,9]。
接下来的三个波形都是由Polaroid 600静电换能器产生的。更小的Polaroid 7000换能器也可产生类似的波形。图21.6b给出了6500测距模块产生的波形。此测距模块具有10m测距能力、低成本和简单的数字界面，是实施声呐阵列和声呐环的一.个受欢迎的选择。静电换能器本来是宽带的，使用频率范围为10~120kHz[21.10]，而窄带脉冲是通过在16周期、49. 4kHz频率下激励换能器产生的。图21. 6c说明了一个使用
Polaroid静电换能器宽带的方法，以降频方波来激励换能器。这样的扫频脉冲经带通滤波器组处理，以提取出依赖于反射体的频率。相关检测器，也称为匹配滤波器，压缩扫频脉冲来提高距离分辨率。长持续时间( 100ms)脉冲用于CTFM系统。图21. 6d显示了以10mu;s持续时间、300V电压脉冲激励的宽带脉冲。金属防护网格也可作为以50kHz频率共振的机械过滤器，通过机加工去除，以获得范围为10 ~ 120kHz的可用带宽，峰值为60kHz。这样的宽带脉冲对目标识别是有用的[22.10.11]。这些脉冲振幅小，将其距离限制到1m或者更少。
21.5换能器技术
静电换能器和压电换能器是可用于空气中的两种主要类型，大体上既作为发射器又作为接收器，图21.7给出了一些例子。一般来说，静电装置有较高的灵敏度和带宽，但
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