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CN116299378A - 超声波传感器芯片、超声波信号处理方法和超声波雷达装置 - Google Patents

超声波传感器芯片、超声波信号处理方法和超声波雷达装置 Download PDF

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CN116299378A
CN116299378A CN202211667704.5A CN202211667704A CN116299378A CN 116299378 A CN116299378 A CN 116299378A CN 202211667704 A CN202211667704 A CN 202211667704A CN 116299378 A CN116299378 A CN 116299378A
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sampling
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眭志凌
李桂萍
王炯
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Chengdu Jihai Technology Co ltd
Shanghai Lingfan Microelectronics Co ltd
Zhuhai Geehy Semiconductor Co Ltd
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Shanghai Jihaiyingxin Technology Co ltd
Chengdu Jihai Technology Co ltd
Zhuhai Geehy Semiconductor Co Ltd
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Abstract

本申请实施例提供一种超声波传感器芯片、超声波信号处理方法和超声波雷达装置，涉及超声波技术领域。超声波传感器芯片，包括：载波生成模块，用于生成载波；调制码生成模块，用于生成调制码；相位调制模块，用于根据调制码对载波的相位进行调制，得到调制波，并将调制波输出至第一超声换能器；采样模块，用于对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样，得到采样信号；相关度计算模块，用于根据参考信号确定采样信号的相关度，相关度与调制码相关，相关度与载波相关；处理模块，用于将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波。降低环境中干扰、噪声等对超声波信号处理的不良影响，提高超声波信号处理的准确性。

Description

超声波传感器芯片、超声波信号处理方法和超声波雷达装置
技术领域
本申请涉及超声波技术领域，特别涉及一种超声波传感器芯片、超声波信号处理方法和超声波雷达装置。
背景技术
目前超声波雷达装置，例如可以应用在车辆中，用于确定车辆与障碍物之间的距离。超声波雷达装置一方面发射超声波信号，另一方面接收超声波信号，其中，将接收到的信号划分为时间区段，时间区段基本上等于突发长度的一半。在超声波接收信号的每个时间区段，确定峰值，根据峰值信号来确定车辆与障碍物之间的距离。然而，环境中的杂波、噪声、其他超声波等都会对超声波系统造成干扰，使得现有的方案评估障碍物距离时效果不佳。
发明内容
一种超声波传感器芯片、超声波信号处理方法和超声波雷达装置，能够降低环境对超声波信号处理的干扰。
第一方面，提供一种超声波传感器芯片，包括：载波生成模块，用于生成载波；调制码生成模块，用于生成调制码；相位调制模块，用于根据调制码对载波的相位进行调制，得到调制波，并将调制波输出至第一超声换能器；采样模块，用于对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样，得到采样信号；相关度计算模块，用于根据参考信号确定采样信号的相关度，相关度与调制码相关，相关度与载波相关；处理模块，用于将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波。
第二方面，提供一种超声波信号处理方法，包括：生成载波；生成调制码；根据调制码对载波的相位进行调制，得到调制波，并输出至第一超声换能器；对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样，得到采样信号；根据参考信号确定采样信号的相关度，相关度与调制码相关，相关度与载波相关；将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波。
第三方面，提供一种超声波雷达装置，包括：上述的超声波传感器芯片；第一超声换能器，电连接于超声波传感器芯片以接收调制波，并用于根据调制波发射超声波信号；第二超声换能器，电连接于超声波传感器芯片，以将接收到的超声波信号传输给超声波传感器芯片。
本申请实施例中的超声波传感器芯片、超声波信号处理方法和超声波雷达装置，通过调制码对载波进行调制，生成用于激励超声波发射的调制波，通过相关度计算模块来对接收到的信号相关度计算，并根据计算结果来确定是否为指定回波，以此来降低环境中干扰、噪声等对超声波信号处理的不良影响，提高超声波信号处理的准确性。例如当超声波传感器应用于车辆的超声波雷达装置中，可以提高雷达定位的准确性。
附图说明
图1为本申请实施例中一种超声波雷达装置与障碍物的结构示意图；
图2为本申请实施例中相位调制过程中的波形示意图；
图3本申请实施例中相位调制的原理示意图；
图4为本申请实施例中载波进行相位调制前后的频谱变化示意图；
图5为图1中超声波雷达装置中部分结构的一种结构示意图；
图6为本申请实施例中第二超声换能器接收的仅包括调制波的信号进行调制解扩前后的频谱变化示意图；
图7为本申请实施例中第二超声换能器接收的包括调制波和干扰的信号进行调制解扩前后的频谱变化示意图；
图8为图1中超声波雷达装置中部分结构的另一种结构示意图；
图9为本申请实施例中载波和不同时刻接收到的采样信号的相关度关系示意图；
图10为本申请实施例中一种波形采样示意图；
图11为图1中超声波雷达装置中部分结构的一种结构示意图；
图12为图1中超声波雷达装置中部分结构的一种结构示意图；
图13为本申请实施例中一种不同幅度波形采样示意图；
图14a为图1中超声波雷达装置中部分结构的一种结构示意图；
图14b为图1中超声波雷达装置中部分结构的一种结构示意图；
图15为图1中超声波雷达装置中部分结构的一种结构示意图；
图16为本申请实施例中一种相关度和调制码的关系示意图；
图17为本申请实施例中一种信号处理方法的流程示意图；
图18为本申请实施例中另一种信号处理方法的流程示意图；
图19为本申请实施例中另一种信号处理方法的流程示意图；
图20为本申请实施例中另一种信号处理方法的流程示意图；
图21为本申请实施例中另一种信号处理方法的流程示意图；
图22为本申请实施例中另一种信号处理方法的流程示意图。
具体实施方式
本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。
本申请实施例提供一种超声波传感器芯片和一种超声波雷达装置，该超声波传感器芯片可以应用于超声波雷达装置中，如图1所示，超声波雷达装置100包括该超声波传感器芯片10和超声换能器200，超声换能器200包括第一超声换能器201和第二超声换能器202，第一超声换能器201用于发射超声波，第二超声换能器202用于接收超声波，需要说明的是，第一超声换能器201和第二超声换能器202可以为两个独立的器件，也可以为集成在一起的器件；该超声波传感器芯片10包括：载波生成模块1，用于生成载波；调制码生成模块2，用于生成调制码；相位调制模块3，相位调制模块3的输入端电连接于载波生成模块1的输出端和调制码生成模块2的输出端，相位调制模块3的输出端用于电连接于第一超声换能器201，相位调制模块3用于根据调制码对载波进行相位调制，得到调制波，并将调制波输出至第一超声换能器201；采样模块4，采样模块4的输入端用于电连接于第二超声换能器202，采样模块4用于对第二超声换能器202接收到的超声波信号进行采样，得到采样信号；相关度计算模块5，相关度计算模块5的输入端电连接于采样模块4的输出端，相关度计算模块5用于根据参考信号确定采样信号的相关度，相关度与调制码相关，且相关度与载波相关；处理模块6，用于将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波。超声波雷达装置100还可以包括微处理芯片20，微处理芯片20电连接于超声波传感器芯片10，微处理芯片20用于触发超声波传感器芯片10产生调制波，同时还用于接收来自于超声波传感器芯片10返回的数据。
具体地，超声波传感器芯片10的至少一个引脚与超声换能器200电连接，超声波传感器芯片10的至少一个引脚通过控制器域网(Controller Area Network，CAN)、区域互联网络(Local Interconnect Network，LIN)、点对点(Point-to-Point，pt-to-pt)等方式与微处理芯片20电连接。在需要进行超声波探测时，微处理芯片20输出触发信号至超声波传感器芯片10，超声波传感器芯片10响应于来自于微处理芯片20的触发信号，驱动载波生成模块1生成载波(例如正弦波)，另外，调制码生成模块2生成调制码作为调制信号。相位调制模块3根据调制码对载波的相位进行调制，得到调制波，即根据调制码对载波的相位进行调整，调整后的信号为调制波，调制波即为超声波激励信号。相位调制模块3将调制波输出至第一超声换能器201，第一超声换能器201在调制波的激励控制下振动产生对应的超声波，超声波遇到障碍物会反射。第二超声换能器202接收超声波信号，采样模块4对第二超声换能器202接收到的超声波信号进行采样，得到采样信号，例如采样模块4为模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)，将模拟信号转换为数字信号。由于环境中有干扰、噪声，还有可能存在其他超声换能器产生的超声波，因此，第二超声换能器202接收到的波不一定是第一超声换能器201发射的超声波。在本申请实施例中，第一超声换能器201发射的超声波是基于调制码调制的调制波驱动产生的，该超声波不但具有载波本身的信号特征，还同时具有调制码的信号特征。因此，对于第二超声换能器202接收到的超声波信号，在采样为采样信号后，在相关度计算模块5中，根据参考信号和采样信号来确定相关度，如果在处理模块6中判断相关度达到预设值，则说明该信号同时具有载波和调制码的特征，即说明该信号是来自于第一超声换能器201，而不是干扰、噪声信号，因此将该信号作为指定回波，指定回波即是指第一超声换能器201发射的超声波的回波信号，以便于后续根据指定回波来确定与障碍物之间的距离。如果在处理模块6中判断相关度未达到预设值，则说明该信号为干扰、噪声信号，因此不会作为指定回波，在后续确定与障碍物之间距离的过程中，即降低了干扰、噪声，提高了超声波定位的准确性。
微处理芯片在汽车中通常称作电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)、域控制器，例如可以是微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、数字信号处理(DigitalSignal Processing，DSP)、微处理器(Microprocessor Unit，MPU)、微型中央处理器(central processing unit，CPU)等能够处理数字信号、模拟信号，或者起到信号控制功能、指令处理和运算等功能的微型中央控制芯片、片上系统芯片。
本申请实施例中的超声波传感器芯片，通过调制码对载波进行调制，生成用于激励超声波发射的调制波，通过相关度计算模块来对接收到的信号相关度计算，并根据计算结果来确定是否为指定回波，以此来降低环境中干扰、噪声等对超声波信号处理的不良影响，提高超声波信号处理的准确性。例如当超声波传感器芯片应用于车辆的超声波雷达装置中，可以提高雷达定位的准确性。
在一种可能的实施方式中，超声波传感器芯片10还包括第一计时器，第一计时器可以电连接于处理模块6，第一计时器用于当第一超声换能器201发射超声波信号后开始计时，或者当接收到微处理芯片20发送的触发信号后开始计时，并当确定接收到指定回波时停止计时；超声波传感器芯片10还用于，根据第一计时器的计时时长和指定回波计算障碍物距离，并将障碍物距离传输至微处理芯片20。超声波传感器芯片10中的处理模块6可以根据时间与超声波传输速度的关系计算出障碍物的距离；获得距离信息后处理模块6向微处理芯片20输出数据，微处理芯片20用于根据接收到的数据做出判断并触发提示，例如触发蜂鸣器发出提示音、灯光提示、显示屏提示、语音提示等。
在一种可能的实施方式中，微处理芯片20可以包括第一计时器，微处理芯片20还用于，根据第一计时器的计时时长和超声波传感器芯片10发回的表示接收到指定回波的反馈信号而计算障碍物距离微处理芯片。也就是说，第一计时器也可能设置于微处理芯片20中，在微处理芯片20发出触发信号后计时器开始计时，该触发信号用于触发超声波传感器芯片10产生调制波，从而使得第一超声换能器201发射超声波信号，在确定接收到指定回波时停止计，并根据时间与超声波传输速度的关系能够计算出障碍物的距离；获得距离信息后做出对应动作，如触发蜂鸣器发出提示音或触发警报灯等。
也就是说，在超声波雷达装置中，可以通过超声波传感器芯片10和微处理芯片20中的任意一者来计算障碍物距离。例如，超声波传感器芯片10在确定指定回波之后，会向微处理芯片20发送接收到指定回波的反馈信号，如I/O引脚时钟为高或低，当确定指定回波后，超声波传感器芯片10将I/O引脚拉高或拉低，微处理芯片20根据这个信号计算发出触发信号到接收到该指示信号的时间，计算障碍物的距离，之后控制对应的提示系统做出动作；如果是超声波传感器芯片10做距离计算，可以在计算完成之后，通过I/O引脚发出指示不同距离的数据，微处理芯片20接收到这个数据并解析，根据解析的结果控制对应的提示系统做出动作。
在一种可能的实施方式中，如图2和图3所示，调制码包括第一码值和第二码值，例如第一码值为0，第二码值为1，在调制过程中，第一码值用于使载波相位翻转180°，第二码值用于保持载波相位不变。
具体地，调制码包括多个调制码片，每个调制码片的宽度为d，一个载波周期对应一个调制码片宽度。例如，图2中载波为具有9个正弦波周期的波A；调制码为111001100，即具有9个调制码片的波B。在根据调制码对载波进行调制，得到调制波的过程中，波A遇到为0的调制码片时正弦波相位发生180°的翻转，遇到为1的调制码片时正弦波相位不变，调制后得到的调制波为波C。即波C＝波A*波B，即波A(111111111)*波B(111001100)＝波C(111001100)，这里的“*”是上述表达的意思，即载波遇到调制码片为1时保持不变，遇到调制码片为0时相位发生翻转，假设波A初始相位时序列码为1，相位翻转后的序列码为0，即经过调制码调制后的波C序列码为111001100。经过上述相位调制后，虽然没有改变载波的驱动频率，但是经过相位调制后的载波却产生了扩频的效果。如图4所示，在相位调制前，载波只有一个频率，调制后产生了多个频率，相当于频率被打散了，这里需要知道的是，本方案没有对载波的频率进行调节，只是调整了载波的相位，但是产生了调频的效果，其相对于调频具有显著的进步，具体见下文描述。
此外，码片的宽度不一定是对应一个载波周期，也可以是一个码片对应多个载波周期，原理同上面的一个码片宽度等于一个载波周期相同，此处不再赘述。其他关于码片宽度的描述见下文描述。
在一种可能的实施方式中，如图5所示，超声波传感器芯片10还包括：设置于采样模块4和相关度计算模块5之间的调制解扩模块8，例如调制解扩模块8的输入端电连接于所述采样模块4的输出端，调制解扩模块8用于根据调制码对采样信号进行调制解扩，得到解扩后的采样信号；相关度计算模块5的输入端电连接于所述调制解扩模块8的输出端，相关度计算模块5用于计算解扩后的采样信号和参考信号之间的相关度，参考信号为载波或与载波正交的载波正交波。
具体地，采样模块4对第二超声换能器202接收到的超声波信号进行采样后得到的调制波为波D，调制解扩模块8根据波B对波D进行调制解扩，得到的解扩后的采样信号为波E。调制解扩的过程与调制的过程相同，即波E＝波D*波B。如图6所示，若第二超声换能器202接收的信号仅仅包含调制波，波D相当于波C，那么波E＝波C*波B，而波C序列码为111001100，波B为111001100，则波E＝波C*波B＝111111111。相关度计算的公式为相关度值f＝∑M*N＝M1*N1+M2*N2+…+Mn*Nn(卷积运算)，M＝(M1，M2，…，Mn)，N＝(N1，N2，…，Nn)。解扩后的采样信号(波E)和载波(波A)对应的时序之间的相关度f＝∑波E*波A，由于波E等于波A，两个相同的波做相关度运算时，相关度值很高(如示例中为9)。
如图7所示，若第二超声换能器202接收的信号包含指定回波本身(即扩频的调制波)、环境中的干扰信号、信道噪声或其他设备发出的扩频信号等，环境中的干扰信号、信道噪声或其他设备发出的扩频信号等称为非指定回波，非指定回波存在两种情况，一种是扩频信号，即信号中包含多种频率的信号，另外一种是某一个频率特别高的信号，即单一频率信号。这里以接收到的干扰信号为单一频率、其他信号为扩频信号为例进行说明。
为更好理解，这里举例说明：
例如，干扰信号的单频序列，记为波D1，波D1＝111111111111111111(为载波的2倍频)，那么该干扰信号经过调制解扩后的信号为波E1，波E1＝波D1*波B，波E1与波A做相关度运算，相关度值很低或较低(如示例中小于等于6)；即使随着波D1的滑动，通过与调制码波B进行滑动解扩，得到的波E1与波A做相关度运算的相关度仍然很低。滑动解扩大致原理如下：D1前9位与波B做调制解扩后得E1＝111001100，D1第2-第10位与波B做调制解扩后得E1＝111001100，D1第3-第11位与波B做调制解扩后得E1＝111001100，依次类推，一直到D1移动完毕。上述波E1逐个与波A做相关度运算查看任意滑动过程中波E1与波A的相关度。在波E1与波A不同时，在整个滑动过程中，相关度始终处于较低的水平。
又例如，干扰信号为单频序列，记为波D2，波D2＝111111111(与载波频率一样)，那么波E2＝波D2*波B＝111001100，波E2与波A做相关度运算，相关度值很低(如示例中最高为5)，由此可知，即使收到的回波信号与载波一致，但是不符合调制码的调制规则，最后获得的相关度仍然很低，不是指定回波；
又例如，其他干扰信号为扩频序列，记为D3，示例，波D3＝111000110，那么波E3＝波D3*波B＝111110110，波E3与波A做相关度运算，相关度值较低(如示例中最高为6)，由此可知，即使收到的回波信号与也是一种包含有多种频率的信号，但是不符合调制码的调制规则，最后获得的相关度仍然很低，不是指定回波。需要说明的是，所有的回波都会进行滑动解扩，对应波的前后信号有信号，则会选取对应波的信号与波B进行调制解扩，如一个信号按照时间顺序包含有D1、D2、D3的波，则将D1的前9位与波B进行调制解扩，调制解扩的信号输出到下一个节点；继续将D1的第2位-第10位与波B进行调制解扩…，当D1的第10位-第18位与波B进行调制解扩结束后，将D1第11位-18位以及D2第1位与波B进行调制解扩，将D2第12位-18位以及D2第1-2位与波B进行调制解扩…当D2第1-9位与波B进行调制解扩结束后，将D2第2位-9位以及D3第1位与波B进行调制解扩，将D2第3位-9位以及D3第1-2位与波B进行调制解扩…当D3第1-9位与波B进行调制解扩结束后，如果后面没有任何信号，那么D3与波B做调制解扩的数据越来越少，D3的第2-9位与波B进行调制解扩，D3的第3-9位与波B进行调制解扩…直到D3的位数与波B没有任何交叠无法做调制解扩。
由此可以知道，如果第二超声换能器202接收到的超声波信号包含调制波，那么解扩后会得到一个频率与载波一致的波；如果第二超声换能器202接收到的超声波信号包含其他非指定回波，那么经过解扩过程，无论是单频信号还是扩频信号均会再次扩频(即打散)，从而不会得到频率与载波一致的波。如图7所示，因此，本申请实施例可以实现对信号是否为干扰信号的判断，准确性和精度、识别效果表现优秀。
在一种可能的实施方式中，如图8所示，参考信号为调制波或与调制波正交的调制正交波，例如，相关度计算模块5的输入端电连接于采样模块4的输出端。
具体地，在图8所示的结构中，可以直接计算采样信号和调制波之间的相关度，以此来判断第二超声换能器202接收到的信号是否为第一超声换能器201所发射的信号。例如，波C＝111001100，由于波C＝波A*波B，则波D与波C的相关度运算相当于计算波A*波B与波D的相关度，即计算波A*波B*波D＝波A*(波B*波D)，做波D与波C的相关度运算，相当于包含了上述方案中的解扩过程，具体过程如上，不再赘述。这里只说相关度运算。
由上可知，相关度值f＝波A*(波B*波D)＝111111111*(111001100*波D)。
例如波D1＝111111111111111111，波B*波D＝111001100，则相关度值f1＝111111111*111001100，相关度值很低(如示例中最高为5)；
例如波D2＝111111111，波B*波D＝111001100，相关度值f2＝111111111*111001100，相关度值很低(如示例中最高为5)；
例如波D3＝111000110，波B*波D＝111110101，相关度值f3＝111111111*111110101，相关度值较低(如示例中最高为7)；
例如波D4＝111001100，波B*波D＝111111111，相关度值f4＝111111111*111111111，相关度值最高(如示例中为9)。
因此，图8所示结构对应的实施例同样可以实现对信号是否为干扰信号的判断。直接使用调制波与采样信号进行相关度运算，能够减少对采样芯片的调制解扩过程，从而能够更加介于硬件电路、电路之间的连接关系也更加简洁。在上述本专利中，相关度计算模块包括卷积运算逻辑电路以对相关度进行计算。
在一种可能的实施方式中，超声波传感器芯片10中还可以设置第二计时器，该第二计时器与相关度的预设值有关，随着时间的增加，超声波回波信号越弱，那么相关度的预设值也随着时间的增加而降低，即预设值包括多个不同的数值。也可以不设置第二计时器，相关度的预设值与时间有关，而该预设值直接存储在存储器中，存储器中设置有多个不同的数值，该数值用于标志预设值，随着时钟的推移，读取存储器中不同地址的预设值，该预设值即与时间有关，一般而言，随着时钟的推移，预设值越来越小。此外，存储器中还可以存储时间与预设值的关系的数据，通过读取时间和预设值，从而进行相关度的计算。用于存储预设值的存储器可以是与下面描述的存储模块81为同一存储模块，地址不同，也可以是独立于下面描述的存储模块81的存储模块，但是同一存储模块还是独立的存储模块，只是物理上的划分。
当设置有随时间有关的相关度预设值后，存储模块还应与处理模块6电连接，处理模块6读取存储模块中的预设值信息，将相关度计算模块输出的相关度信息与预设值进行比较从而判断是否存在指定回波。
以下对本申请实施例的技术效果进一步进行说明，例如在图8所示的结构对应的实施例中，通过解扩后的采样信号(波E)和调制波(波C)之间的相关度来判断解扩后的采样信号(波E)是否来自于第一超声换能器201发射的超声波。如图9所示，解扩后的采样信号(波E)包含指定回波，在传输或者滑动过程中，回波信号没有与调制波(波C)对应的时序对齐，再逐渐对齐，再从对齐到逐渐远离不对齐。例如：
t0、t1时钟长度，解扩后的采样信号(波E)与调制波(波C)对应的时序没有对齐，因此相关度较低；
t2时钟长度，解扩后的采样信号(波E)与调制波(波C)对应的时序对齐，因此相关度最高；
t3、t4时钟长度，解扩后的采样信号(波E)与调制波(波C)对应的时序没有对齐，因此相关度较低。
因此，不仅仅要出现指定的调制波(波C)对应的时序，而且相位要对齐的情况下才会出现高的相关度，否则相关度较低。如果序列足够长，则基本不会出现相关度从低到高，再由高到底的过程，即使出现，相关度最高的两边的相关度也是很低的，与最高相关度相比容易区分。也就是说，本申请实施例中，可以更加准确地确定接收到指定回波的时刻，因此，提高了基于接收到指定回波的时钟长度进行障碍物距离计算的准确性。
由上面的介绍可知，通过对载波进行相位调制，经过对载波进行相位调节达到扩频效果，再对回波信号进行解扩过程，只有满足调制和解扩的规则的回波信号才能获得较高的相关度，即达到相关度的预设值，其他任何非指定回波信号均会被解扩过程再次扩频，从而无法得到高的相关度值，通过相关度值就能判断是否出现指定回波。由于相位的调节，任何回波只要有一部分不满足规则，那么算出来的相关度值都比较低，因此，高相关度值出现的回波信号，才是指定回波信号，从而可以根据指定回波信号的确定来降低环境中干扰、噪声等对超声波信号处理的不良影响，提高超声波信号处理的准确性。
此外，相较于现有的技术而言，本申请实施例还具有以下有益效果：
1)能够明确指定回波出现的时间，判断逻辑比较简单。现有的相关度运算中，本地存储的信号与接收到的信号做相关度运算时，相关度运算一般会出现从低到高，再从高到底的一个过程，那么从选取哪个相关度值作为回波信号出现的时机逻辑判断比较复杂，本方案的回波信号出现时机比较明确，判断逻辑更加简化。若载波的长度足够长，那么相关度运算时，只有出现指定回波波形相关度才会很高，其他波形相关度都很低，因为自然界或者其他超声波系统发出一致度很高的波可能性很低。
2)通过本申请实施例，可以不加滤波电路(采样前，或采样后)，因为本申请实施例中，第二超声换能器202接收到的波本来就不是单一频率的回波，那么就不需要增加滤波器来过滤掉无关的波。无关的波，在做相关度运算时均会被滤掉，不会影响最终结果，节省了硬件电路开销。
3)本申请实施例是改变载波的相位没有去改变频率，因此采样的时候可以固定采样频率，而且采用频率可以比较低。如果调整频率的方式，频率调高，则采样频率要增加否则反映不出真实的波形，要么要实时调整采样频率，要么就要固定一个较高的采样频率，这样采样的硬件开销更大；如果固定一个较高的采样频率，后续的相关度运算、峰值运算等处理的数据也会很多，进一步加大了硬件电路的开销。对于本申请实施例，只需要固定一个比较低、能够反映载波波形的频率即可，硬件更加简单。
4)另外，具有很强的抗干扰性，允许多设备同时工作。因为扩频的抗干扰性，可以同时允许多个使用互不相关扩频码序列的设备同时工作，且不会互相干扰。
5)本申请实施例还能有效改善余震的影响，从而提高障碍物判断精度。第一超声换能器和第二超声换能器为同一传感器的情况，在超声波传感器发射完超声波后，超声波激励信号停止，但是由于超声波传感器无法立即停止，因此会产生余震，余震期间无法判断障碍物，导致判断精度下降，即近距离判断收到影响。发明人发现，由于余震振动周期会随着时间的推移振幅会发生变化的同时，它的频率也会发生变化，则与本申请实施例中介绍的那样，无法获得高的相关度，因此，第一超声换能器和第二超声换能器为同一传感器的情况存在余震也基本不影响对指定回波的判断，从而提高了检测精度。而且，现有对存在余震的情况，基本是额外采用余震消除电路，如增加对地的导通电阻、增加抑制信号等，这些都会额外增加电路以及整个芯片的复杂程度，而本申请不需要额外设置处理电路，节省了硬件开支同时简化了电路。
针对上述的第2)点，可以不加滤波电路是本申请的一个有益效果之一，但本申请并没有将增加滤波电路方案排除在外。
如图10所示，由于采样不一定能够按照最理想的相位角度进行采样会出现一定相位角度的偏移，比如理想情况下0°、90°、180°、270°各采样一个点，实际情况下可能会出现20°、110°、200°、290°采样，从而导致相关度最终结果出现偏差，从而产生误判。
例如，一个正弦波采样4个点，正弦波的振幅为1V，那么0°、90°、180°、270°采样得到的值为0V、1V、0V、-1V(出现这样一个规律，则认为出现了如上描述的初始相位角的正弦波；同理，如果出现了-1V、0V、1V、0V，则认为出现了如上描述的相位发生翻转的正弦波)。如果出现0V、1V、0V、-1V；0V、1V、0V、-1V；-1V、0V、1V、0V则表示出现了110的波。
为简化说明，如图10和表1所示，附图中的波形出现了110的波，即为出现了指定回波。那么理想情况下，是从0°开始采样(波形1)，若从30°开始采样(波形2)、从45°开始采样(波形3)、从90°开始采样(波形4)的得到的波形数据不同，以一个周期为4个时钟长度为例进行说明。在45°采样时候出现较低的相关度，在90°采样的时候相关度为0；那么，这时候这种结果就会被排除，认为没有出现指定回波，从而导致错误判断。
表1
Figure BDA0004015098340000091
因此，为了改善采样相位角偏差导致的误判断问题，在一种可能的实施方式中，如图11所示，相关度计算模块5具体用于，计算采样信号与参考信号对应的时序之间的第一相关度；计算采样信号和参考信号对应的正交时序之间的第二相关度；将第一相关度和第二相关度之和达到预设值的采样信号确定为指定回波。
例如载波对应的时序为0，1，0，-1，0，1，0，-1，0，-1，0，1，则载波对应的正交时序为1，0，-1，0，1，0，-1，0，-1，0，1，0，∑载波对应的时序*载波对应的正交时序＝0，如表2所示。
表2
Figure BDA0004015098340000092
Figure BDA0004015098340000101
再以上面的采样角度为0°、30°、45°、90°的波1、波2、波3、波4的数据为例进行说明。具体见表3-1和3-2所示。相关度1为载波与波n的相关度，相关度2位载波对应的正交时序与波n的相关度，波n为1、2、3、4。
表3-1
Figure BDA0004015098340000102
表3-2
Figure BDA0004015098340000111
由此可知，无论采样的相位角是如何的，解扩后的采样信号与载波对应的时序做相关度运算得到的第一相关度以及解扩后的采样信号与载波对应的正交时序之间做相关度运算后的第二相关度的两者之和始终不变，示例中为6。因此，改善了采样相位角偏差导致的误判断问题。
在一种可能的实施方式中，如图12所示，在上述相关度计算之前，可以不设置调制解扩模块，而是直接针对采样模块4输出的信号进行相关度计算。图12所示的方案与图11所示的方案类似，区别在于，图11所示的方案中，计算的是解扩后的采样信号的相关度，图12所示的方案中，计算的是采样模块4输出的采样信号的相关度，但是两者的原理类似，都是利用对正交时序的相关度计算，来改善采样相位偏差导致的误判断问题。
由于障碍物离超声波系统越远，超声波传输时间越长，因此，随着时间的增加，第二超声换能器202接收到的超声波信号的幅值会随之下降。示例性的，如图13所示，实线波形为第一超声换能器201发出超声波信号到第二超声换能器202接收到的超声波信号的时间为0时候的第二超声换能器202接收到的超声波信号，其幅值与第一超声换能器201发出超声波信号一样(实际上不可能是0s)，中间的虚线波形为时间为5ms时候第二超声换能器202接收到的超声波信号，最靠近原点的虚线波形为时间为10ms时候的第二超声换能器202接收到的超声波信号，由此可知，随着第二超声换能器202接收到的超声波信号的时间越晚，则与载波或调制波计算后的相关度也越低，因此，可以设置动态的相关度阈值，该相关度与时间有关，随着时间的增加而减小，即利用上述第二计时器(或直接存储与时间有关的预设值)来设置相关度的预设值与第二计时器的计时时间负相关。然而，设置动态变化的阈值，需要较多的寄存器、存储器或者较多的硬件电路开销。
因此，本申请实施例还提供了另外一种方案来改善由于超声波信号的幅值随时间下降而导致的判断不准确问题。
在一种可能的实施方式中，如图14a所示，上述超声波传感器芯片，还包括：设置于采样模块4和相关度计算模块5之间的符号处理模块7，符号处理模块7用于将采样信号的正值转换为第一固定值，将采样信号的负值转换为第二固定值。例如，符号处理模块7可以位于相关度计算模块5和调制解扩模块8之间，对于解扩后的采样信号中的0V，则不变，仍取0V，如果为-1V、-0.707V、-0.5V等负值则取第一固定值，如-1V，如果为1V、0.707V、0.5V等正值则取第二固定值，如1V，类似做归一化处理。这样，无论采样的值如何，经过符号处理模块处理后，输出与幅值无关。
如表4-1和表4-2所示，是在图11所示的方案基础上没有进行符号提取的相关度运算的对比例，以0°相位角采样为例进行说明。表4-1和表4-2为随着时间的增加采样幅值随着减少，如1V——0.7V——0.5V——0.3V(最大值)，那么，与载波对应的时序和载波对应的正交时序进行相关度运算后其结果也随着减小，6——4.2——3——1.8。那么就要调整动态相关度值，硬件开销大、电路复杂、逻辑运算更加复杂。
表4-1
Figure BDA0004015098340000121
Figure BDA0004015098340000131
表4-2
Figure BDA0004015098340000132
如表5-1和表5-2所示，经过符号处理模块后，将正值和负值的值进行处理的图14a所示的本申请实施例，可知，随着时间的增加，用于运算的采样值不变，因此，相关度的总和与时间无关。因此，能够节约大量的硬件电路，芯片面积更加节省、成本更低、逻辑运算更加简单。
表5-1
Figure BDA0004015098340000133
Figure BDA0004015098340000141
表5-2
Figure BDA0004015098340000142
在一种可能的实施方式中，图14b为图14a的变形，符号处理模块7还可以设置于采样模块4和调制解扩模块8之间，符号处理模块7用于将采样信号的正值转换为第一固定值，将采样信号的负值转换为第二固定值，并将转换后的采样信号输出至调制解扩模块8。该方案与图14a所示的方案类似，区别在于，在图14a所示的方案中，符号提取的是调制解扩后的信号，在图14b所示的该变形方案中，符号提取的是采样后的信号。
在一种可能的实施方式中，如图15所示，符号处理模块7还可以设置于采样模块4和相关度计算模块5之间，符号处理模块7用于将采样信号的正值转换为第一固定值，将采样信号的负值转换为第二固定值，并将转换后的采样信号输出至相关度计算模块5。图15所示的方案与图14a即图14b所示的方案类似，区别在于，在图14a和图14b所示的方案中，存在调制解扩模块，在图15所示的方案中，不存在调制解扩模块。
调制码的一个码片宽度可以大于载波的一个正弦波周期，如一个码片对应2、3、4、…n个载波的正弦波周期。在一种可能的实施方式中，调制码的一个码片宽度等于载波的一个周期。参照图9，当出现波形和相位角相关的信号时会出现很高的相关度。然而，由于一个正弦波有多个采样点，当最后一个正弦波的第一个采样数据开始出现数据匹配时相关度逐渐开始增加，当全部采样数据匹配时相关度达到最大，随着波的移动，匹配度又会下降从而相关度又降低。将相关峰的时间轴放大，相关度最高的相关峰会出现类似一个三角形，即相关度从低到高，再从高到低的过程。如图16所示。那么精确的确定相关峰出现的时机，就要尽可能压缩这个三角形的底边，越小则时间越精确。此时，将调制码码片宽度设置为等于一个载波的正弦波周期能够有效的降低这个三角形的底边。一个正弦波采样n个点，则三角形的底边由2*n个时钟长度组成，则相关峰最高的点出现在相关峰出现的第n和n+1个时钟之间，时间确定精度可以控制在正负1个时钟长度之间。
在一种可能的实施方式中，在对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样的过程中，采样周期为载波的一个正弦波周期的四分之一。
具体地，正如上面所述，由于采用了相位调制，因此，采样频率不用很高或者不需要调制；一个正弦波可以只采样4个点，以0°采样为例，一个正弦波采样的4个点的幅值为0V、1V、0V、-1V，相位调制后的正弦波的4个点幅值为0V、-1V、0V、1V，因此，通过四个采样点就能清楚的得知是初始相位的正弦波还是相位被调制后的正弦波，即能够判断是否出现指定回波，不会因为采样低出现判断偏差问题。在现有技术的方案中，为了防止出现误判，采样率都要做得很高，因此对采样硬件的要求高、后续的相关度运算硬件消耗也更大；采用本申请实施例的方案之后可以大大降低对硬件电路的开销。
在一种可能的实施方式中，如图1所示，超声波传感器芯片10还可以包括：存储模块81，存储模块81电连接于相关度计算模块5，相关度计算模块5可以根据存储模块81中存储的参考信号来进行相关度的计算。对于设置调制解扩模块8的实施方式中，存储模块81中存储有载波和调制码的信息，调制码用于对收的采样信号进行调节解扩，解扩后的信号再与载波做相关度计算；那么，调制解扩模块8与存储模块81电连接用于读取调制码，并根据调制码对采样信号进行调制解扩，相关度计算模块5也与存储模块81电连接，用于读取与载波有关的信息(如载波，或载波以及与载波正交的序列信息)并做相关度计算。对于不设置调制解扩模块8的实施方式中，存储模块81中存储有与载波和调制码有关的信息，该信息是调制波，因为调制波是通过载波与调制码做相位调制得到的，因此，调制波也是与载波和调制码有关的信息中的一种；调制波与采样信号做相关度计算，那么相关度计算模块5与存储模块9电连接用于读取与调制波有关的信息(如调制波，或调制波以及与调制波正交的序列信息)并做相关度计算。
另外，对于设置调制解扩模块8的实施方式中，存储模块81可以与载波生成模块1、调制码生成模块2电连接以存储载波和调制码对应的信息。对于不设置调制解扩模块8的实施方式中，存储模块81可以与相位调制模块3电连接以存储调制波对应的信息。
另外，采样模块4可以为模数转换器(ADC)，通过模数转换器的模数转换功能，将模拟信号采样生成数字信号，即将第二超声波传感器的模拟信号，通过模数转换器转换成数字信号，以供后面的各个模块使用。
本申请实施例还提供一种超声波信号处理方法，该超声波信号处理方法可以应用于上述的超声波传感器芯片，如图17所示，该信号处理方法包括：
步骤101、生成载波；
步骤102、生成调制码；
步骤103、根据调制码对载波进行调制，得到调制波，并输出至第一超声换能器；
步骤104、对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样，得到采样信号；
步骤105、根据参考信号确定采样信号的相关度，相关度与调制码相关，相关度与载波相关；
步骤106、将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波。
该方法的具体过程和原理与上述实施例中记载的方案相同，在此不再赘述。
在一种可能的实施方式中，如图18所示，在步骤105、根据参考信号确定采样信号的相关度之前，还包括：步骤107、根据调制码对采样信号进行调制解扩；参考信号为载波或与载波正交的载波正交波。
在一种可能的实施方式中，如图19所示，在该流程中，不需要执行调制解扩的过程，参考信号为调制波或与调制波正交的调制正交波。
在一种可能的实施方式中，如图20、图21或22所示，步骤105、根据参考信号确定采样信号的相关度包括：步骤1051、计算采样信号与参考信号对应的时序之间的第一相关度；步骤1052、计算采样信号和参考信号对应的正交时序之间的第二相关度；步骤106、将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波包括：将第一相关度和第二相关度之和达到预设值的采样信号确定为指定回波。
在一种可能的实施方式中，如图18和图20所示，方法还包括：在步骤107、根据调制码对采样信号进行调制解扩之前，执行步骤108、将采样信号的正值转换为第一固定值，将采样信号的负值转换为第二固定值；或，如图21和图22所示，在计算所述相关度之前，执行步骤108、将采样信号的正值转换为第一固定值，将采样信号的负值转换为第二固定值。
在一种可能的实施方式中，如图19至图22所示，在步骤105、根据参考信号确定采样信号的相关度之前，方法还包括：步骤108、将采样信号的正值转换为第一固定值，将采样信号的负值转换为第二固定值。
在一种可能的实施方式中，调制码包括第一码值和第二码值，在调制过程中，第一码值用于使载波相位翻转180°，第二码值用于保持载波相位不变。
在一种可能的实施方式中，调制码的一个码片宽度等于载波的一个周期。
在一种可能的实施方式中，在对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样的过程中，采样周期为载波的一个正弦波周期的四分之一。
本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种超声波传感器芯片，其特征在于，包括：
载波生成模块，用于生成载波；
调制码生成模块，用于生成调制码；
相位调制模块，用于根据所述调制码对所述载波的相位进行调制，得到调制波，并将所述调制波输出至第一超声换能器；
采样模块，用于对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样，得到采样信号；
相关度计算模块，用于根据参考信号确定所述采样信号的相关度，所述相关度与所述调制码相关，所述相关度与所述载波相关；
处理模块，用于将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器芯片，其特征在于，
所述相关度计算模块具体用于：
计算所述采样信号与所述参考信号对应的时序之间的第一相关度；
计算所述采样信号和所述参考信号对应的正交时序之间的第二相关度；
将所述第一相关度和所述第二相关度之和达到预设值的采样信号确定为指定回波。
3.根据权利要求1所述的超声波传感器芯片，其特征在于，还包括：
设置于所述采样模块和所述相关度计算模块之间的符号处理模块，所述符号处理模块用于将所述采样信号的正值转换为第一固定值，将所述采样信号的负值转换为第二固定值。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的超声波传感器芯片，其特征在于，还包括：
设置于所述采样模块和所述相关度计算模块之间的调制解扩模块，所述调制解扩模块用于根据所述调制码对所述采样信号进行调制解扩；
所述参考信号为所述载波或与所述载波正交的载波正交波。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的超声波传感器芯片，其特征在于，
所述参考信号为所述调制波或与所述调制波正交的调制正交波。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的超声波传感器芯片，其特征在于，所述预设值包括多个不同的数值。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的超声波传感器，其特征在于，
所述调制码包括第一码值和第二码值，在所述调制过程中，所述第一码值用于使所述载波相位翻转180°，所述第二码值用于保持所述载波相位不变。
8.根据权利要求7所述的超声波传感器，其特征在于，
所述调制码的一个码片宽度等于所述载波的一个周期。
9.根据权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，
在所述对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样的过程中，采样周期为所述载波的一个周期的四分之一。
10.一种超声波信号处理方法，其特征在于，包括：
生成载波；
生成调制码；
根据所述调制码对所述载波的相位进行调制，得到调制波，并输出至第一超声换能器；
对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样，得到采样信号；
根据参考信号确定所述采样信号的相关度，所述相关度与所述调制码相关，所述相关度与所述载波相关；
将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
所述根据参考信号确定所述采样信号的相关度包括：
计算所述采样信号与所述参考信号对应的时序之间的第一相关度；
计算所述采样信号和所述参考信号对应的正交时序之间的第二相关度；
所述将相关度达到预设值的采样信号确定为指定回波包括：
将所述第一相关度和所述第二相关度之和达到预设值的采样信号确定为指定回波。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
在所述根据参考信号确定所述采样信号的相关度之前，还包括：
将所述采样信号的正值转换为第一固定值，将所述采样信号的负值转换为第二固定值。
13.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于，
在所述根据参考信号确定所述采样信号的相关度之前，还包括：
根据所述调制码对所述采样信号进行调制解扩；
所述参考信号为所述载波或与所述载波正交的载波正交波。
14.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于，
所述参考信号为所述调制波或与所述调制波正交的调制正交波。
15.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于，
所述预设值与时间有关。
16.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在于，
所述调制码包括第一码值和第二码值，在所述调制过程中，所述第一码值用于使所述载波相位翻转180°，所述第二码值用于保持所述载波相位不变。
17.根据权利要求16任意一项所述的方法，其特征在于，
所述调制码的一个码片宽度等于所述载波的一个周期。
18.根据权利要求17任意一项所述的方法，其特征在于，
在所述对第二超声换能器接收到的超声波信号进行采样的过程中，采样周期为所述载波的一个周期的四分之一。
19.一种超声波雷达装置，其特征在于，包括：
如权利要求1至9中任意一项所述的超声波传感器芯片；
第一超声换能器，电连接于所述超声波传感器芯片以接收所述调制波，并用于根据所述调制波发射超声波信号；
第二超声换能器，电连接于所述超声波传感器芯片，以将接收到的超声波信号传输给所述超声波传感器芯片。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，还包括：
微处理芯片，电连接于所述超声波传感器芯片；所述超声波传感器芯片接收所述微处理芯片的触发信号而产生所述调制波，所述超声波传感器芯片还用于向所述微处理芯片发送接收到指定回波的反馈信号。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，
所述微处理芯片包括第一计时器，所述微处理芯片还用于，根据所述第一计时器的计时时长和所述指定回波的反馈信号计算障碍物距离。
22.根据权利要求19至21中任意一项所述的装置，其特征在于，包括多个所述超声波传感器芯片、多个所述第一超声波换能器和多个所述第二超声波换能器。
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