传感器

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

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

根据声波的传播方式不同，将其分为横波和纵波： 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

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： 其中，C0为零度是的声速，为332m/s，T为温度(单位：℃)

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： 如上可知，波长越短或声源半径越大，则扩散角越小

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

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 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

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；

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

下图为超声波雷达的硬件爆炸图： 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

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

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

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

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

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。

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

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。

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

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。 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

基于原始点云信息，超声波雷达可对点云进行分析，简单确定障碍物的类型，是连续的线型还是点型，同时标注障碍物的起点终点信息

基于对障碍物的感知，超声波雷达可用作空间车位的判断，空间车位的判断原理就是检测两个障碍物之间是否有合适的空间 通过检测P2与P5之间的距离以及纵向深度来综合判断车位类型为平行车位还是垂直车位