專利名稱：一種擴(kuò)大超聲信號(hào)和紅外信號(hào)接收角度和距離的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及超聲和紅外測(cè)距或定位的裝置，具體涉及在超聲測(cè)距或定位裝置上，改 進(jìn)超聲信號(hào)接收的角度和距離的聲學(xué)設(shè)計(jì)裝置，以及通過使用紅外透鏡來擴(kuò)大紅外信號(hào)的接 收角度和距離的裝置。 背彔技術(shù)
超聲測(cè)距和定位裝置已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，比如用于機(jī)器人視覺中，特別是雖近幾年 在電子白板系統(tǒng)(包括復(fù)印式電子白板和交互式電子白板〉中的應(yīng)用，如附圖1所示。
—個(gè)超聲測(cè)距或定位系統(tǒng)大概包括兩部分發(fā)射部分和接收部分。超聲測(cè)8I/定位有兩種 模式
一種是收發(fā)一體的，如倒車?yán)走_(dá)，是指超聲發(fā)射部分和接收部分在一個(gè)設(shè)備上，如圖2 所示。當(dāng)發(fā)射出的超聲信號(hào)，碰到障礙物被反射回后，通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收到返回信號(hào) 的往返時(shí)間差，從而確定陣礙物到設(shè)備的距離.如果裝置上有兩個(gè)或兩個(gè)以上的超聲接收傳 感器，就能測(cè)得陣礙^l距離這兩個(gè)超聲傳感器(transducer)的距離，根據(jù)這兩個(gè)距離和兩個(gè) 傳感器在裝置上的固定距離，我們就能定位障礙物.
還有一種是收發(fā)分開的，如圖3所示。通常發(fā)射端是超聲信號(hào)源，發(fā)射超聲和紅外信號(hào)， 信號(hào)在介質(zhì)中傳輸一段距離L后，被超聲紅外接收器，并通過信號(hào)處理器進(jìn)行計(jì)算信號(hào)傳輸 的距離。如果裝置上有兩個(gè)或兩個(gè)以上的超聲接收傳感器，就能測(cè)得超聲信號(hào)源距離這兩個(gè) 超聲傳感器(transducer)的距離，根據(jù)這兩個(gè)距離和兩個(gè)傳感器在裝置上的固定距離，我們 就能定位超聲信號(hào)源。這種收發(fā)分開的超聲紅外定位器，除了超聲信號(hào)，還必須要有紅外信 號(hào)才能測(cè)距和定位。
附圖1示例了一個(gè)電子白板系統(tǒng)的基本組成超聲波和紅外信號(hào)發(fā)射筆、兩個(gè)超聲波和 紅外信號(hào)接收器及其測(cè)距模塊和電子白板軟件所在的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)有的超聲波接收器或者紅外 接收器普遍存在超聲感應(yīng)定向性、抗干擾超聲能力弱、超聲/紅外信號(hào)的接收范圍狹小等問題。
超聲接收傳感器一般都不是全向的。如圖4所示，將超聲接收傳感器的接收面對(duì)著超聲 波的傳播方向，超聲波傳播方向和超聲接收傳感器的接收面之間的夾角越小，超聲接收傳感 器對(duì)這個(gè)方向上的入射超聲波的聲電轉(zhuǎn)換效率就越低(增益越低)，所產(chǎn)生的電信號(hào)就越小； 超聲波傳播方向和超聲接收傳感器的接收面之間的夾角越大，特別是超聲接收傳感器對(duì)垂直 于接收面的入射超聲波的聲電轉(zhuǎn)換效率最高，產(chǎn)生的電信號(hào)就最大。
在收發(fā)分開的超聲測(cè)距裝置中，紅外接收傳感器一般也是有向的。如圖5所示，紅外接 收傳感器光電轉(zhuǎn)化增益是紅外線的入射方向的函數(shù)。大于一定的角度，比如60度，即使很強(qiáng)
3的入射光，也產(chǎn)生不出幅度明顯的電信號(hào)。
對(duì)于一個(gè)實(shí)用的超聲測(cè)距或定位系統(tǒng)，因?yàn)槟繕?biāo)(障礙物/超聲信號(hào)源)可能出現(xiàn)于超聲 和紅外接收傳感器的任何方向，所以有必要釆用全向的超聲接收傳感器。對(duì)于收發(fā)分離的超 聲測(cè)距或定位系統(tǒng)，為配合全向的超聲接收，紅外接收的角度也霈要擴(kuò)大。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提出了一種超聲收集器，通過它，傳統(tǒng)的有向超聲接收傳感器(directional ultrasonic receiver)能變成一個(gè)全向的超聲接收器，能接收到來自各個(gè)方向的超聲信號(hào)；同時(shí) 我們還設(shè)計(jì)一個(gè)干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能有效地阻擋來自干擾方向的超聲信號(hào)進(jìn) 入超聲接收傳感器的接受范圍并且將這個(gè)干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)和上述全向的超聲信號(hào)接 收器結(jié)合在一起，從而避免該干擾方向的超聲信號(hào)影響后續(xù)的信號(hào)處理，提髙了全向的超聲 接收器接收信號(hào)的信噪比。此外，為配合超聲信號(hào)接收范圍的擴(kuò)大，我們還提出了利用凸透 鏡來擴(kuò)大紅外接收傳感器的紅外接收角度。本實(shí)用新型具有如下幾方面的特征
第一方面，發(fā)明了一種全向超聲信號(hào)接收器，其包括有向的超聲接收傳感器(61)，超 聲波反射器(62),干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)；其中，超聲接收傳感器(61)的接收面平行于超聲波的 傳播方向，接收面的下方具有一個(gè)具有凹光滑曲面或圓錐斜面的超聲波反射器(62)，該超聲 波反射器(62)的反射面能將沿水平方向傳播的超聲波反射進(jìn)超聲接收傳感器(61)的接收 區(qū)內(nèi)；干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)具有至少一層硬質(zhì)層結(jié)構(gòu)來消除干擾超聲波，層與層之間的間距根 據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)銪要來確定，并將這個(gè)干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)和有向的超聲接收傳感器結(jié)合在一起， 這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)能使全向超聲信號(hào)接收器隨意設(shè)定超聲信號(hào)的接收范圍和阻擋范圍。
第二方面，發(fā)明了一種超聲波反射器，其用于全向超聲接收器中，該全向超聲接收器的 有向的超聲接收傳感器(61)的接收面平行于超聲波的傳播方向，接收面的下方具有一個(gè)具 有凹光滑曲面或圓錐斜面的反射面，該反射面沖向超聲接收傳感器(61)的接收面，該反射 面能將沿水平方向傳播的超聲波反射進(jìn)超聲接收傳感器(61)的接收區(qū)內(nèi)，形成一個(gè)全向超 聲接收器.
第三方面，發(fā)明了一種一種干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)，其為設(shè)置在超聲波反射器(62)的凹光滑 曲面或圓錐斜面上依次間隔環(huán)繞的至少一層硬質(zhì)層結(jié)構(gòu)，層與層之間的間距根據(jù)實(shí)際需要設(shè) 計(jì)來確定，這些硬質(zhì)層結(jié)構(gòu)和超聲波反射器(62)的凹光滑曲面或圓錐斜面結(jié)合在一起，這種復(fù) 合的結(jié)構(gòu)能使全向超聲信號(hào)接收器隨意設(shè)定超聲信號(hào)的接收范圍和阻擋范圍。
基于本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的有向超聲接收傳感器能變成一個(gè)全向的超聲接收器，能 接收到來自各個(gè)方向的超聲信號(hào)；并且該干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)能有效地阻擋來自千擾方向的超聲信號(hào)進(jìn)入超聲接收傳感器的接受范圍；將這個(gè)干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)和上述全向的超聲信號(hào)接收器結(jié)合在一起，從而避免該干擾方向的超聲信號(hào)影響后續(xù)的信號(hào)處理，提髙了全向的超聲接收器接收信號(hào)的信噪比。

圖1基于超聲測(cè)距和定位的電子白板系統(tǒng)。圖2收發(fā)一體的超聲定位器。圖3收發(fā)分開的超聲紅外定位器。圖4非全向的超聲接收傳感器。圖5紅外接收傳感器的方向敏感度。圖6全向的超聲接收器，圖7超聲波反射器的正視圖和俯視圖.圖8干擾超聲吸收裝置。圖9抗干擾超聲波反射器的正視圖和俯視圖。圖10擴(kuò)大紅外信號(hào)的接收范圍的裝置。
具體實(shí)施方式

為了擴(kuò)大超聲測(cè)距或定位系統(tǒng)的超聲和紅外信號(hào)接收角度，本實(shí)用新型通過改進(jìn)傳統(tǒng)的有向超聲接收傳感器(directional ultrasonic receiver)變成一個(gè)全向的超聲接收器；同時(shí)還設(shè)計(jì)一個(gè)干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)并將這個(gè)干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)和上述全向的超聲信號(hào)接收器結(jié)合在一起，這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)能使我們隨意設(shè)定超聲信號(hào)的接收范圍和阻擋范圍；為了配合超聲信號(hào)接收范圍的擴(kuò)大，利用凸透鏡來擴(kuò)大紅外接收傳感器的紅外接收角度。通過以上幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)手段，獲得了一個(gè)能接收來自各個(gè)方向的超聲信號(hào)、并有效地阻擋來自干擾方向的超聲信號(hào)、以及擴(kuò)大了紅外接收角度的全向超聲/紅外信號(hào)接收器。以下分別說明上述各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)特征和功能以及其信號(hào)接收和控制方法。
1.全向的超聲接收器
過去，我們是將超聲接收傳感器的接收面對(duì)著/沖著超聲波傳播的方向，我們?cè)谶@里提出的新方法是將超聲接收傳感器的接收面平行于超聲波的傳播方向，如圖6所示，在超聲接收傳感器的接收面的下方我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)超聲波反射器，該超聲波反射器的反射面能將沿水平方向傳播的超聲波反射進(jìn)有向超聲接收傳感器的接收區(qū)/范圍/角度內(nèi)，該反射面為圓錐曲面或圓錐斜面。只要圓錐曲面或圓錐斜面的斜率設(shè)計(jì)得合適，就能將來自任何方向平行于超聲接收傳感器的接收面的超聲波反射進(jìn)有向超聲接收傳感器的接收角內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要，除了以圓錐曲面或圓錐斜面來反射入射的超聲波，完全可以設(shè)計(jì)具有凹光滑曲面的超聲波反射器，只要曲面斜率設(shè)計(jì)得合適足以將來自任何方向平行于超聲接收傳感器的接收面的超聲波反射進(jìn)有向超聲接收傳感器的接收角內(nèi)即可。因此，組合現(xiàn)有的有向超聲接收傳感器和具有凹光滑曲面或圓錐斜面的超聲波反射器，就形成了能夠接收來自任何方向平行于超聲接收傳感器的接收面的超聲波的全向的超聲接收器。圖7示例了超聲波反射器的正視圖和俯視圖。
2. 干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)
有時(shí)我們并不希望真的接收各個(gè)方向上的超聲信號(hào)，特別是從其它目標(biāo)/障礙物發(fā)射回的超聲信號(hào)，為了能在上述的全向超聲接收器的基礎(chǔ)上對(duì)來自干擾方向的超聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)阻擋，我們又提出了如圖8所示的干擾超聲信號(hào)吸收裝置/結(jié)構(gòu)。
超聲波到達(dá)第一層硬質(zhì)層，在空氣和硬質(zhì)層的接觸面， 一部分超聲信號(hào)被發(fā)射回空氣中，還有相當(dāng)一部分超聲信號(hào)透射進(jìn)硬質(zhì)層，并穿過硬質(zhì)層又進(jìn)入空氣，這個(gè)投射的超聲波和被第二層硬質(zhì)層反射回空氣的超聲波進(jìn)行疊加，如此這般通過3層硬質(zhì)層，進(jìn)入超聲波傳感器的干擾超聲就幾乎沒有了。第一層和第二層，第二層和第三層之間的間距大約為X/4，其中X表示超聲信號(hào)的波長(zhǎng)。間距為X/2時(shí)，吸收的效果也很不錯(cuò)。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)霈要，除了將干擾超聲信號(hào)吸收裝置/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有3層硬質(zhì)層結(jié)構(gòu)來有效消除千擾超聲波以外，根據(jù)入射的干擾超聲波的強(qiáng)度不同完全可以設(shè)計(jì)具有合適硬質(zhì)層數(shù)的干擾超聲信號(hào)吸收裝置，層與層之間的間距也可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要來確定，只要能將阻擋范圍入射的干擾超聲波吸收或反射后減少到超聲接收傳感器可以感應(yīng)的程度即可。圖9示例了具有干擾超聲吸收裝置和超聲波反射曲面的復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗干擾超聲波反射器的正視圖和俯視圖。該抗干擾超聲波反射器能很方便地把超聲信號(hào)的接收區(qū)域和阻擋區(qū)域設(shè)置在我們指定的方向，在接收方向上獲得髙信噪比的超聲信號(hào)，用于后續(xù)的信號(hào)處理，以便目標(biāo)物體的超聲測(cè)距和定位計(jì)算。
3. 通過紅外透鏡擴(kuò)大紅外信號(hào)的接收范圍
在收發(fā)分開的超聲測(cè)距和定位裝置中，如果超聲信號(hào)的接收范圍通過上述的全向的超聲接收器擴(kuò)大了，紅外信號(hào)接收的范圍就限制了整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際工作范圍。為此，本實(shí)用新型提出了利用凸透鏡來擴(kuò)大紅外接收傳感器的信號(hào)接收范圍的方法及其相應(yīng)的裝置。如圖10所示，未加凸透鏡前紅外接收二極管的接收范圍是(-",+")，加上凸透后紅外接收傳感器的接收范圍是(-O， +。〉， <!>>"。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)紅外接收二極管的方向參數(shù)w,和期望達(dá)到的接收角度O,利用凸透鏡設(shè)計(jì)軟件(比如FEMLAB)，就能設(shè)計(jì)凸透鏡的材料(折射率)和凸透鏡的曲率。
以上，詳細(xì)說明了在超聲和紅外測(cè)距或定位系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的新型的全向的超聲接收器、
6干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)以及通過紅外透鏡擴(kuò)大紅外信號(hào)的接收范圍的裝置，并可以將這幾種設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)合，獲得接收范圍大、有效抗干擾的全向超聲/紅外信號(hào)接收器。
顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。倘若本實(shí)用新型的這些修改和變形屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變形在內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種全向超聲信號(hào)接收器，其包括有向的超聲接收傳感器(61)，超聲波反射器(62)，干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)；其中，超聲接收傳感器(61)的接收面平行于超聲波的傳播方向，接收面的下方具有一個(gè)具有凹光滑曲面或圓錐斜面的超聲波反射器(62)，該超聲波反射器(62)的反射面能將沿水平方向傳播的超聲波反射進(jìn)超聲接收傳感器(61)的接收區(qū)內(nèi)；干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)具有至少一層硬質(zhì)層結(jié)構(gòu)來消除干擾超聲波，層與層之間的間距根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要來確定，只要能將阻擋范圍入射的干擾超聲波吸收或反射后減少到超聲接收傳感器可以感應(yīng)的程度即可，并將這個(gè)干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)和有向的超聲接收傳感器結(jié)合在一起，這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)能使全向超聲信號(hào)接收器隨意設(shè)定超聲信號(hào)的接收范圍和阻擋范圍。
2. 如權(quán)利要求1所述的全向超聲信號(hào)接收器，其中超聲波反射器(62)的反射面為圓錐曲而。
3. 如權(quán)利要求1所述的全向超聲信號(hào)接收器，其中干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)具有3層硬質(zhì)層，第一 層和第二層，第二層和第三層之間的間距大約為X/4,其中X表示超聲波的波長(zhǎng)。
4. 如權(quán)利要求1所述的全向超聲信號(hào)接收器，其中干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)具有3層硬質(zhì)層，第一 層和第二層，第二層和第三層之間的間距大約為入/2,其中A表示超聲波的波長(zhǎng)。
5. 如權(quán)利要求1所述的全向超聲信號(hào)接收器，其用于收發(fā)分離的超聲測(cè)距和定位系統(tǒng)中，該 測(cè)距和定位系統(tǒng)還包括一個(gè)利用通過凸透鏡來擴(kuò)大紅外接收傳感器的接收范圍的裝置。
6. —種超聲波反射器，其用于全向超聲接收器中，其特征在于該全向超聲接收器的有向的 超聲接收傳感器(61)的接收面平行于超聲波的傳播方向，接收面的下方具有一個(gè)具有凹光 滑曲面或圓錐斜面的反射面，該反射面沖向超聲接收傳感器(61)的接收面，該反射面能將 沿水平方向傳播的超聲波反射進(jìn)超聲接收傳感器(61)的接收區(qū)內(nèi)，形成一個(gè)全向超聲接收 器。
7. —種干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)，其特征在于其為設(shè)置在如權(quán)利要求6所述的超聲波反射器(62) 的凹光滑曲面或圓錐斜面上依次間隔環(huán)繞的至少一層硬質(zhì)層結(jié)構(gòu)，層與層之間的間距根據(jù)實(shí) 際需要設(shè)計(jì)來確定，只要能將阻擋范圍入射的干擾超聲波吸收或反射后減少到超聲接收傳感 器可以感應(yīng)的程度即可，這些硬質(zhì)層結(jié)構(gòu)和超聲波反射器(62)的凹光滑曲面或圓錐斜面結(jié)合在一起，這種復(fù)合的結(jié)構(gòu)能使全向超聲信號(hào)接收器隨意設(shè)定超聲信號(hào)的接收范圍和阻擋范圍。
8. 如權(quán)利要求7所述的干擾超聲吸收結(jié)構(gòu)，其具有3層硬質(zhì)層，第一層和第二層，第二層和 第三層之間的間距大約為X /4或A /2,其中入表示超聲波的波長(zhǎng)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種擴(kuò)大超聲信號(hào)和紅外信號(hào)接收角度和距離的系統(tǒng)，其特征在于在超聲和紅外測(cè)距或定位系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了新型的全向的超聲接收器、干擾超聲吸收裝置/結(jié)構(gòu)以及通過紅外透鏡擴(kuò)大紅外信號(hào)的接收范圍的裝置，并可以將這幾種設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)合，獲得接收范圍大、有效抗干擾的全向超聲信號(hào)接收器。
文檔編號(hào)G01S7/526GK201408267SQ200820127698
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月21日
發(fā)明者穎 賈 申請(qǐng)人:穎 賈