第三章，系统总体方案设计。本章给出了系统技术指标以及系统主要参数的 选取依据，并从理论上分析了探头个数和测距盲区的关系，最后给出了汽车倒车 雷达系统的整体设计方案，并对系统的总体方案进行了详细的阐述。 第四章，系统硬件设计。本章主要介绍了系统硬件结构设计，完成了单片机 外围电路、超声波发射和接收电路、温度补偿电路、ＬＣＤ显示电路以及语音报 警电路等硬件电路的设计，并利用Ｐｒｏｔｅｌ软件设计和制作了ＰＣＢ板。 第五章，系统软件设计。本章主要介绍了系统的软件设计，软件设计采用模 块化设计思想，分别介绍了主程序、测温子程序、超声波测距子程序、ＬＣＤ显 示子程序和语音报警子程序等模块的程序设计。 第六章，系统的仿真和调试。本章对整个系统的软硬件进行了调试，给出了 一些具体的测距结果，验证了系统的可行性，并给出了实验误差分析。 第七章，总结与展望。本章对本论文的研究工作作出了总结，并对论文下一 步的工作进行了展望。
本章小结 本章首先介绍了汽车倒车雷达的研究背景，简述了汽车倒车雷达的发展现 状，论证了使用汽车倒车雷达的必要性以及本课题的研究意义。最后介绍了课题 研究的内容，并给出了具体的论文章节安排。
第二章超声波理论基础 ２．１超声波技术 ２．１．１超声波简介 在弹性介质中传播的机械纵波，一般统称为声波。按线性声学的观点，对声 波产生的物理过程做如下定性描述：连续弹性媒质可以看作是由许多彼此紧密相 连的质点组成，当弹性媒质中的质点受到某种扰动时，此质点便产生偏离其平衡 位置的运动，这一点运动势必推动与其相邻质点也丌始运动。随后，由于媒质的 反弹作用，该质点及相邻质点又相继返回其平衡位置，但因质点的运动惯性，它 们又在相反方向产生上述过程。这样，媒质中质点相继在各自的平衡位置附近往 返运动，便将扰动以波的形式传播到周围更远的媒质中去，形成波动【６】。 频率在２０Ｈｚ～２０ＫＨｚ之间能为人耳听到的机械波称为声波；频率低于２０Ｈｚ 的机械波称为次声波；高于２０ＫＨｚ的机械波称为超声波；而高于１００ＭＨｚ的机 械波，则称之为特超声波。声波频率界限图如图２．１．１所示。
１０１
１０２
１０３
１０４
１０５ １０６
１０
７
１０８
Ｈｚ 图２．１．１声波频率界限图 通常声波有以下三种形式【．７】：纵波是质点的振动方向与波的传播方向一致的 波，它能在固体、液体和气体中传播；横波是质点振动方向垂直于振动方向的波， 它只能在固体中传播；表面波是质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播， 振幅随深度的增加而迅速衰减的波。 超声波之所以能够得到广泛应用，是因为超声波具有以下几个特性： （１）超声波为直线传播，绕射能力弱，反射能力强； （２）超声波在液体、固体中传播衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度 较慢； （３）超声波的频率越高，波束越窄，声波定向传播和反射能力也就越强，其 能量远远大于振幅相同的低频声波； （４）超声波通常以纵波的形式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式， 在一定距离内沿直线传播且具有良好的束射性和方向性； （５）超声波的辐射特性除了与其振动频率有关外，还与超声波传感器的辐射
６
面积有关。超声波传感器的辐射面积越大，超声波的波束角就越小。 ２．１．２超声波技术的发展
一般认为，关于超声波的研究最初起始于ｌ ８７６年Ｆ．Ｇａｌｔｏｎ的气哨实验【引， 当时Ｇａｌｔｏｎ哨在空气中产生的频率为３×ｌ ０４Ｈｚ，这是人类首次有效产生的高频声 波。 ２０世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效 应制成各种机电传感器。１ ９１ ７年，法国物理学家Ｐａｕｌ Ｌａｎｇｅｖｉｎ用天然压电石英 制成了夹心式超声换能器【９】，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经 济各部门中超声波应用的不断发展，又出现更大功率的超声波磁致伸缩传感器， 以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声传感器。 这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有高精度、无损、 非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、 电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外，超声波技术在材料
科学、医学、生物科学等领域中也占据着重要地位。 ２．１．３超声波的传播速度
超声波的传播速度，取决于介质的弹性模量及介质密度。由于气体和液体中 剪切模量为零，因而在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。气体的纵波声速 公式【１０】如式（２．１．１）所示。
炉√詈 Ｐ为介质密度。
亿¨， 又Ｅｈ理想气体状态方程，有ｐ：塑ＲＴ，代入式（２．１．１）可得超声波在理想气体中 式（２．１．１）中，Ｕ为超声波在空气中的传播速度；丫为气体热容比；Ｐ为压强；
。
的传播速度［１１】为： “＝辱
（２．１．２） 式（２．１．２）中，Ｕ为超声波在空气中的传播速度；丫为气体热容比；Ｒ为气体普 适常量；Ｔ为绝对温度；Ｍ为摩尔质量。由式（２．１．２）可知超声波在空气中传播的 速度会受到温度、湿度、大气压力等因素的影响。在这些因素中，温度对超声波 传播速度的影响更大一些，因为环境温度的变化更为经常，所以我们一般会考虑 温度对超声波传播速度的影响。 在０。Ｃ的空气中，超声波速度Ｕｏ＝３３ １．４５ｍ／ｓ。对于任意温度下，有： ７
等＝层＝愿 所以，超声波速度与温度的关系可以用式（２．１．４）来表示：
＆∽， ㈦¨，
…。压磊 式（２．１．４）中，ｔ为气体的摄氏温度，Ｕｏ＝３３１．４５ｍ／ｓ。 实际中，如果温度变化不大，则可以认为声速基本不变，但如果要求测距精 度比较高，则需要通过温度补偿的方法对声速进行修正。温度补偿的方法有两种： ～种是使用温度传感器，实时的测出车外温度，根据式（２．１．４）来修正声速；另 一种是利用查表法进行温度补偿，常用的温度与对应的超声波速度关系表如表 ２．１．１所示。 表２．１．１超声波速度与温度关系表
Ｉ温度（℃）
．４０
．３０
．２０
．１ ０
Ｏ
１０
２０
３０
４０
５０ ３６１ ｌ声速（ｍ／副
３０７ ３ １３ ３ ｌ ９ ３２５ ３３２ ３３８ ３４４ ３４９ ３５５ ２．１．４超声波的衰减特性
超声波从超声波传感器发出后，在空气中传播，遇到障碍物反射后，再传回 超声波传感器，整个过程中，超声波会有很大的衰减。由于超声波的衰减，使超 声波的振幅随传播距离的变化而变化。声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵 从指数衰减规律。 在理想介质中，描述简谐声波向Ｘ正方向传播的波动方程【１２】可表示为： Ａ＝Ａ（ｘ）ｃｏｓ（ａ，ｔ＋ｋｘ） （２．１．５）
ａ（ｘ）＝Ａｏｅ喘
（２，１．６）
尼：＿２７ｒ
／Ｌ
（２．１．７）
式中，Ａ（ｘ）表示振幅；Ａｏ是振动初始条件决定的常数；∞，ｔ分别表示角频 率和传播时间；Ｘ为传播距离；ｎ为衰减系数；ｋ为角波数；九为波长。 由式（２．１．６）可见，超声波在传播过程中，其振幅Ａ（ｘ）将随距离Ｘ的增加而呈 指数形式衰减。衰减系数ａ与声波频率及传播介质的关系为： 口＝ａｆ２
（２．１．８）
式（２．１．８）中，ａ为空气介质常数；ｆ是声波的振动频率。例如，当超声波的振 动频率为４０ＫＨｚ时，可得口＝３．２×１０。Ｊ２／ｃｍ，则有１／ＩＸ＝３ｌｍ，其物理意义是：超 声波在空气介质中传播，能量被吸收损耗，当声波的传播距离等于１／Ｑ时，声波 振幅将衰减为原来的ｌ／ｅ。显然，声波频率愈高，声能被吸收衰减也愈大，声波
的传播距离就愈小；反之，声波频率愈低，声能的吸收衰减也愈小，声波的传播
距离就愈大。 ２．１．５超声波的一些基本参数 １．声压 垂直作用于单位面积上的压力称为声压。当介质中有超声波传播时，介质质 点的振动使得介质中压强交替变化。声压就是超声场中某一点在某一瞬间所具有 的压强ＰＩ与没有超声波存在时同一点的静念压强Ｐｏ之差，用Ｐ表示，单位是帕 斯卡。超声场中某一点的声压可以用式（２．１．９）表示：
Ｐ＝片一ｅｏ＝ｐｕＡｃｏｓｉｎ［ｃｏ（ｔ一三）】 “
（２．１．９） 其中，ｐ为介质密度，ｕ为超声波在介质中的传播速度，Ａ为介质质点的振 幅，ＣＯ为介质质点的角频率，Ｘ为该点与波源的距离。又因ｏＤ＝２ｎｆ，所以，超声 场中某一点的声压与超声波的频率成正比。 ２．声强 声强是指声波传播的能流密度，即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位 面积的声音能量【１３】，用Ｉ表示。超声波在介质中传播时，若单位时间内传递的能 量越多，则声强就越大。平均声强Ｉ的计算公式如式（２．１．１ ０）所示。 ，：一彳Ｐ：—／ｇｕＡ２—２０２ ３．声场
（２．１．１０） 声波为一点源时，声波从声源向四面八方辐射，如果声源（探头）的尺寸比 波长大时，则声波从声源集中成一波束，以某一角度扩散出去，在声源（探头） 的中心轴线上声压和声强最大，偏离中心轴线一角度时，声压减小，形成声波的 主瓣（主波束），离声源近处声压交替出现最大与最小值点，形成声波的副瓣。 Ｐ＝Ｏ时的扩散角０称为声波的半扩散角，根据声源形状的不同，声波半扩散 角【１３】的表达式也不同。声源为圆板形时的半扩散角如式（２．１．１ １）所示。 ，】ｓｉｎ０＝Ｋ竺＝１．２２兰 Ｄ Ｄ （２．１．１１） 式（２．１．１ １）中，０为半扩散角，九为声波在介质中的波长，Ｄ为声源直径，Ｋ 为常数。Ｋ值取决于对扩散角的限制，一般取波束边缘声压为零时的Ｋ值，即 Ｋ＝１．２２。 ４．声阻抗 超声波在介质中传播时任何一点的声压与该质点振动速度之比称为声阻抗。 声阻抗越大，质点的振动速度就越小，声阻抗为传播介质的密度与声速之积【１４】。 声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量，超声波在两种介质组成的界面上的反 射和透射与这两种介质的声阻抗密切相关。 ９