基于FPGA的多路无串扰超声测距系统的设计与实现

本文给出了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的多路无串扰超声测距系统的设计与实施方案。在前期设计的超声收发一体的硬件电路基础上,本文采用FPGA作为整个测距系统的核心,用于控制编码超声序列的收发及实现基于相关算法的测距。系统中采用有限状态机设计思想,充分利用FPGA中存储器资源。基于前期对不同种类的编码与调制组合性能的评估,本文选择了Gold序列结合二值频移键控调制方式激励超声换能器。为降低回声相关计算的复杂度和减少FPGA内资源占用,采用二值极化相关的方法处理回声信号以捕获渡越时间。实验测试结果表明,该测距系统在35厘米到420厘米的范围内可实现10毫米的测距精度,并可有效消除超声串扰。     

基于FPGA的互相关无串扰超声测距系统

多传感器超声测距系统工作时存在超声串扰,会导致测量结果失真并降低系统工作效率。为此,利用伪随机序列优越的自相关性,通过对发射信号和回波信号进行互相关运算消除串扰。提出一种利用异或运算代替乘法运算的并行数字相关技术捕获算法。可编程逻辑门阵列(FPGA)仿真结果表明,该算法可以消除实时超声测距系统的串扰和误码干扰,明显减少算法运算量及数据处理时间,提高FPGA逻辑资源利用率及超声测距系统的精度。     

串脉冲超声导波断轨检测技术研究

针对传统的钢轨断轨检测效率低、无法进行实时检测的不足,对串脉冲超声导波断轨检测方法进行了研究.首先为了增强发射能量,同时达到脉冲叠加的目的,研发了脉冲个数、脉宽、间隔均可调的高压串脉冲超声导波发射系统;为了保证接收信号的信噪比和空间精度,用匹配滤波的方法对接收信号进行脉冲压缩.采用研制的串脉冲超声导波断轨检测系统,选用SH导波换能器在钢轨上进行了检测实验.结果表明,检测系统性能稳定,经过串脉冲叠加,使接收信号的幅值约为单脉冲接收信号的3倍,经过匹配滤波后,信噪比得到明显提升.该方法的换能器置于轨腰,能够对钢轨实现在线监测.     

基于功率倒谱的超声测距时延估计方法研究

基于互相关函数的时延估计方法是脉冲法超声测距中最常用的算法,但窄带超声回波信号的慢衰减高频振荡特性导致它们的相关函数在峰值位置近似作等幅振荡,从而为精确搜索相关函数的峰值带来困难.首先建立了超声测距时延估计模型,然后提出了一种适用于超声测距的基于功率倒谱的时延估计新方法.仿真与实验研究表明,该方法在高信噪比下可以精确得到时延估计值,同时避免了超声回波信号的慢衰减高频振荡特胜对时延估计带来的影响.最后对该方法的优点与不足作了说明.     

超声回波信号解调及其包络相关时延估计算法

互相关函数法是脉冲法超声测距中最常用的时延估计算法,但窄带超声回波信号的振荡特性导致它们的相关函数在峰值位置近似作等幅振荡,从而为精确搜索相关函数的峰值带来困难,所以有必要对相关函数包络的峰值进行搜索.首先分析了超声回波信号解调的常规算法,然后提出了基于FFT的直接提取相关函数包络的快速算法.仿真与实验研究表明,该方法能精确提取相关函数的包络,在不增加计算量的情况下精确搜索到相关函数的峰值位置.     

超声换能器驱动电路及回波接收电路的设计

介绍了采用脉冲回波法进行超声测距的原理,设计了一种高效率的超声换能器驱动电路,使换能器和功放的阻抗匹配得到改善。另外还设计了一种单电源回波接收电路。本系统主要用于车辆防碰撞等领域。从实验结果来看,发射效率和接收灵敏度均较高,回波效果良好,大大提高了超声波探头的作用距离。     

基于单向函数的伪随机数发生器

伪随机数发生器(pseudorandom number generator,PRNG)是重要的密码学概念.基于单向函数的伪随机数发生器起始于1982年的BMY发生器,将单向函数反复迭代,周期性地输出伪随机序列.单向函数的性质和种子长度关系到发生器的可实现性和安全性,是此类发生器的2个重要参数.在分析现有工作的基础上,改进了单向函数的随机化迭代方式,基于不可逆性证明了迭代过程的安全性.迭代方式的改进消除了单向函数的长度保持性质,采用一般的压缩规范单向函数和通用散列函数构建伪随机数发生器.输出级与BMY发生器结构类似,以迭代函数的核心断言作为伪随机序列.基于与真随机序列的不可区分性,证明了伪随机数发生器的安全性.所构建的伪随机数发生器与现有同类发生器结构类似,但放松了对单向函数性质的要求,增强了可实现性,减小了种子长度,提高了效率.     

基于TDT的Hermite超宽带脉冲位置调制同步算法*

针对TDT（timing with a dirty temple）同步捕获算法只适于脉冲幅度调制（PAM）超宽带（UWB）系统的问题,提出了脉冲位置调制（PPM）下使用Hermite脉冲的基于脏模板（TDT）的同步捕获算法,推导出了PPM调制下接收信号的表达式,分析了接收信号在相邻符号的互相关函数的特点。分析结果表明,在不同于脉冲幅度调制（PAM）的互相关函数,由于PPM调制的非线性,同步参数不能通过互相关函数求期望获得。因此,分析利用正交Hermite脉冲的方法来解决这个问题,采用一串交替的正交Herm     

无线电伪码测目标距离系统的设计

无线电伪随机码的随机性、预先可确定性及自相关性使得它在通信、雷达、测距和导航等重要领域得到广泛的应用.根据伪码测距的原理及方法,设计了一套无线电伪码测距系统,包括伪码产生电路、伪码调制解调原理及相应电路的设计,并运用MATLAB软件进行模拟仿真,并做出结果分析.     

一种高精度超声测距方法的研究

本文介绍了一种基于超声波循环反射测量原理的高精度超声测距方法 ,并给出了以单片机为核心的测距系统的组成 .本测量法克服了多次反射法中对回波脉冲个数的限制 ,经温度补偿后测量精度得到了明显改善 .     

传感器在管道超声导波检测中的应用

管道超声导波检测技术是一种新兴的无损检测方法。利用该技术可以在一点对管道进行快速而全面的检测,节省检测时间,减少劳动强度。而由于导波的频散、多模态特性和管道工作条件、结构尺寸的不同,使得在超声导波检测中对导波的激励方式和传感器的使用要求也不尽相同。传感器的选择对管道超声导波检测的实现十分重要。简要回顾了五种不同类型传感器在管道导波检测中的工作机理、特性及其应用。     

A statistical estimation method for segmentation of sonar range data

In this paper, we describe how to deal with an important sensorial activity that ultrasonic echo-locating systems for mobile robot navigation have often to perform, namely the extraction of straight line segments from range data and the accurate localization of the corresponding planar targets. It is commonplace that range data segmentation starts with using least squares interpolation algorithms for obtaining straight line segments: it is our goal to prove that caution must be called for in order to avoid somewhat misleading results. The case study concerns the use of a linear array formed by three ultrasonic transducers in a 2D specular environment composed of line and point acoustic targets.The segmentation algorithm we propose is subdivided into two functionally distinct modules, namely identification and localization. The identification module is based on a sequential hypothesis testing between alternative hypotheses that explain the sonar range data as originated from line or point targets. With regard to the localization module, we demonstrate that widely used approaches to sensor modeling are, to some extent, deceptively simple: the estimation accuracy for the localization of planar objects may be decreased by the inability of some traditional sonar sensor models to take properly into account the specularity of reflections. A physically based model of acoustic range sensors acting in specular environments allows us to design a localization module which is capable of producing accurate and unbiased estimates of the parameters of a planar geometric feature.The proposed theoretical framework is validated by the results of some experiments carried out with a spatial locating system consisting of a rotating linear array of three ultrasonic transducers.     

Differentiating sonar reflections from corners and planes byemploying an intelligent sensor

A multitransducer, pulse/echo-ranging system is described that differentiates corner and plane reflectors by exploiting the physical properties of sound propagation. The amplitudes and ranges of reflected signals for the different transmitter and receiver pairs are processed to determine whether the reflecting object is a plane or a right-angle corner. In addition, the angle of inclination of the reflector with respect to the transducer orientation can be measured. Reflected signal amplitude and range values, as functions of inclination angle, provide the motivation for the differentiation algorithm. A system using two Polaroid transducers is described that correctly discriminates between corners and planes for inclination angles within ±10° of the transducer orientation. The two-transducer system is extended to a multitransducer array, allowing the system to operate over an extended range. An analysis comparing processing effort to estimation accuracy is performed     

一种基于超声阻抗和回波能量的液位检测方法

针对超声波液位检测方法中,传感器和容器壁间的耦合度不佳所带来的稳定性和可靠性降低的问题,提出了一种基于阻抗法并利用回波能量来实现液位检测的方法.该方法利用液位上下方气液介质的阻抗不相等的特性,计算和比较两个接收传感器所接收到的回波能量之间的差异,以此来确定液位的位置.实验结果表明,该方法能够有效地克服因耦合条件不佳所带来的问题,检测精度满足应用需求.     

一种考虑起振延迟的低频超声波短距高精度测量校准方法

利用超声波进行距离测量有着成本低、测量精度高的特点,因而在非接触距离测量中有着广泛应用。然而超声波换能器在接收低频信号过程中需要完成一个较长时间的起振过程,在短距(10 cm)测量场合中起振延迟在超声波飞行时间测量中占比可达50%以上,严重影响了超声波真实飞行时间的测量精度。本文提出了考虑超声波换能器延迟误差的距离测量公式,结合最小二乘法对超声波飞行距离、换能器延迟时间、温度和器件距离等参数进行了精确校准。在实验中,采用24.5 K超声波脉冲,使用基于到达时间差TDOA(Time Difference of Arrival)的方法对所提出方法进行了验证。实验证明,该方法在保证精度不丢失的情况下,避免了在不同环境温度下的多次采样和校准,解决了最小二乘法在低频超声波短距测量中可能存在的参数校准困难,对于各类短距离测量应用有较好的精度提升效果。所提出的测量和校准方法算法简单、实施方便,可基本满足各类短距测量需求。     

高清晰超声微扫描成像无损检测系统

设计了一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法及检测系统。该系统基于超声无损检测原理和超分辨率图像处理方法,采用水浸聚焦探头对焊缝进行逐点扫描,对每一点的超声反射回波信号进行采样,组成焊缝截面的超声扫描图像,在通过微扫描成像技术获取多帧关于同一场景的互有位移的降质图像后,重建高分辨率高质量图像。设计的检测系统除了具有常规的扫描超声成像功能外,还具有超分辨率成像功能,可突破现有超声成像设备的分辨率限制,大大提高超声成像设备对焊缝中细微缺陷的识别能力,适合于一些需大规模、高质量生产的质量控制单位或制造领域的汽车、造船、集装箱等重要行业使用。     

高清晰超声微扫描成像无损检测系统*

设计了一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法及检测系统。该系统基于超声无损检测原理和超分辨率图像处理方法,采用水浸聚焦探头对焊缝进行逐点扫描,对每一点的超声反射回波信号进行采样,组成焊缝截面的超声扫描图像,在通过微扫描成像技术获取多帧关于同一场景的互有位移的降质图像后,重建高分辨率高质量图像。设计的检测系统除了具有常规的扫描超声成像功能外,还具有超分辨率成像功能,可突破现有超声成像设备的分辨率限制,大大提高超声成像设备对焊缝中细微缺陷的识别能力,适合于一些需大规模、高质量生产的质量控制单位或制造领域的汽车、造船、集装箱等重要行业使用。     

利用相空间轨迹产生混沌脉冲序列的方法研究

在混沌理论的基础上,提出了利用具有伪随机性的混沌相轨迹产生混沌脉冲序列的方法．利用连续混沌系统生成了混沌脉冲序列,解决了利用一般离散混沌系统所产生的混沌序列模型简单、周期短、数字退化、易跟踪等问题．该方法产生的混沌序列应用于保密通信中,可以提升混沌密钥的伪随机性,实现无限长周期．仿真结果证明了本文提出方法的可行性．     

基于反弹概率流水线包标记的IP跟踪研究

分布式拒绝服务(DDoS)攻击是目前最难处理的网络难题之一,而在其基础上发展起来的分布式反弹拒绝服务(DRDoS)攻击利用反弹服务器进行的攻击会对网络系统造成更大的危害。由Duwairi等人提出的概率流水线包标记方案有效地解决了重构攻击路径的问题,但它并不适用于DRDoS攻击。在此基础上提出了一种新策略,经实验验证受害者用较少的数据包即可实现DRDoS中攻击路径的重构。