超声波传感器是一种基于高频声波（＞20 kHz）的收发器。超声波传感器的工作原理与雷达传感器非常相似，通过分析传输信号的回波来评估目标的属性。

超声波传感器在汽车领域得到了广泛的应用。典型的应用是倒车时的障碍物检测、停车辅助系统和自动停车系统。在第一种应用中，通常2到4个传感器安装在后保险杠上，第二种一般在前方同样安装超声波传感器，在自动停车系统中，一般还需要加上左右两侧的超声波传感器，测量的距离为2至4米，并通过不同的蜂鸣器声音传达给驾驶员。在后一种应用中，传感器数据被输入到控制器中，控制转向、驱动和制动。

市场上有各种各样的超声波传感器。它们在安装配置、环境密封和电子功能上有所不同。在声学上，它们在工作频率和辐射模式上有所不同。

 34．1 超声波工作原理

超声波传感器是一个发射声波并接收该声波反射的收发器。收发器是一种换能器，当作为发射器使用时，将电能转换成声波，当作为接收器使用时，将入射声波转换成电信号。 距离的测量是基于声波的往返飞行时间。知道介质中的声速v和往返飞行时间T，则到目标物体的距离R为

。

然而，只有当接收到的声波强度足够大时，才能进行这种计算。这个强度取决于发射波的强度、辐射模式、到目标物的距离、介质的透射率和目标物的特性。声波的强度称为声压级（SPL），详见下文超声波公式。发射和接收SPL之间的差值称为能量损失EnergyLoss。

在 ＂预扫描 ＂中，超声波传感器将只检测离传感器最近的物体。在PreScan中，目标物体的范围将被探测到，与EnergyLoss无关。当EnergyLoss被认为过低时，用户可自行决定是否放弃该读数。天气设置（降水／雾）不会自动影响结果。用户应通过衰减值来仿真天气的影响。

34．2 超声波传感器在Simulink中的表现形式

超声波传感器在SIMULINK的解调模块的输出总线包含以下信号。

声波在目标物上的仰角入射角。

角度的方向请参考公约。总线上所有信号的尺寸为一。

34．3 超声波对话选项卡

34．3．1位置选项卡

通过输入位置和方向值，传感器将相对于角色的原点进行移动和旋转。角色的局部轴定义原点为蓝色，而传感器的局部轴定义和原点则显示为红色。正定位角的定义请参考公约。注1：图形表示只有在改变生效后才会更新。

注2：所描述的传感器光束表示法可能无法反映实际情况，因为光束表示法只是二维的。这意味着只有2D平面上的方向变化才会被考虑在内。例如，在顶视图平面上，只有光束的方位角方向是正确的可视化。如果传感器倾斜了90度，其表现与传感器未倾斜时相同。类似的情况也发生在 ＂构建区域 ＂中。

34．3．2 基本选项卡

此选项卡允许更改传感器的捕获频率，以及光束视场和范围。请注意，超声波传感器使用的是锥形光束，因此方位角和仰角视场始终是相同的，而仰角值将始终保持灰色。

34．3．3 天线选项卡

天线模式由恒定增益或用户定义的增益图定义。该图描述了声级和方向（方位角和海拔）的相关性。请参考 ＂天线增益 ＂中的确切描述。天线增益图的精确布局请参考雷达对话标签中的天线标签。需要注意的是，当可视化用户定义的增益图时，配置的FOV不会被考虑在内。例如，如果FOV方位角设置为90度（－45至＋45度），但用户定义的增益图从－90度到＋90度，它仍然会显示完整的天线增益模式。

34．3．4系统标签

系统选项卡描述的是典型的超声波传感器的参数。

频率与环境设置（如湿度、空气温度和大气压力）相结合，决定了信号在大气中的衰减。

范围参数定义了物体被纳入计算的距离限制。通过范围参数可以控制系统的性能。

距离分辨率定义了距离的报告方式。如果两个对象位于一个分辨率单元内，那么位于某个分辨率单元内的对象将以相同的距离进行报告，尽管在实践中它们会略有不同。如果分辨率的值设置为0，则会报告每个检测到的物体的准确位置。

34．3．5 目标和中选项卡

Targets and Medium（目标和介质）选项卡用于配置大气衰减。该值可以显式或隐式设置。如果显式设置，大气衰减是在框中输入的值，单位为dB／m，否则当隐式设置时，该值将通过环境设置自动计算。

天气设置（降水／雾）不会自动影响结果。用户应该通过衰减值来仿真天气的影响。

34．3．6 漂移和噪音选项卡

在漂移部分，可以选择无、零均值高斯或单向漂移类型。

在噪声部分，可以输入类似的信息。该部分与漂移部分的一个明显区别是，您可以定义哪些噪声被分配到照明路径的开始（＇x％＇），哪些部分被分配到反射路径的开始（＇100－x％＇）。照明路径开始处的噪声是光束上的几何噪声；它影响光束的方向。照明路径末端的噪声是测量噪声；它适用于测量数据。

此外，噪声叠加方法可以选择，加法或乘法。

其中噪声项n是一个标准偏差s的零均值高斯（＂正态＂）分布值。

34．4 超声波方程

34．4．1 声压级

超声波传感装置在施加电压后会产生声波。声源的强度通常是声压，以微帕（μPa）为单位，在12英寸（30厘米）的参考距离测量。声压级SPL（R）是指相对于1μPa的声压，在距离声源R处的声压，用dB表示。也就是

超声波换能器的特点是参考距离R0处的声压级。

其中p0是参考距离R0处的声压，单位为μPa。

为了计算给定SPL（R0）下传感器的接收声压，请参考下图：

图中的各种损耗将在下面的小节中介绍：

34．4．2 天线增益

声强一般不是在所有方向上均匀分布的。归一化天线增益G（θ，φ）规定了方向（θ，φ）的声压与相同距离的最大声压之比。注意，这个比值假定与声源的距离无关。式（2）是在最大增益的方向上。天线增益图，AGM（θ，φ）是以dB表示的天线增益。AGM（θ，φ）＝20log（G（θ，φ））。将天线增益考虑在内，我们可以得到在参考距离方向（θ，φ）上的声压级。

天线增益对应的是图中的A块。它是可以在PreScanGUI中导入的天线增益图。

34．4．3 扩散损耗和大气衰减

为了计算距离R处的声压级，必须考虑两个降低声压级的效应。

1． 扩散损失（B块）。当波前的表面积随距离的平方而扩大时，声压就会随系数（R0／R）2而减小。以dB为单位，这就产生了损耗项－20log（R／R0）。

2． 大气衰减（C块）。声波被周围的空气吸收后，声音的压力随着穿越距离的增加而呈指数下降。以dB为单位，结果是损耗项－α（f）（R － R0）。

由此得出距离R处的声压级的表达式为：

衰减系数α（f）既是声波频率的函数，也是声波通过的介质的函数，在PreScan中的衰减系数是根据ISO 9613－1：1993计算的，是频率、温度、相对湿度和大气压力的函数。PreScan的衰减系数是根据ISO 9613－1：1993计算的，是频率、温度、相对湿度和大气压力的函数。

34．4．4反射损耗和目标强度

当声波入射到物体上时，部分能量被物体吸收。目标的反射是没有被吸收的那部分声波，用αtarget表示。由于接收机和发射机共处一地，我们对返回发射机方向的声强感兴趣。这个数字取决于目标的几何形状，是入射光束入射角的函数，称为目标强度（TS）。目标强度是指在参考距离上返回的声强与声波入射强度的比值。声强与声压的平方成正比。反射强度和目标强度对应图中的D和E块。TS用dB表示。

其中pr和pi分别是返回和入射声压。

在PreScan中，目标强度是基于物体的圆柱体近似值计算的。PreScan中默认的吸收系数是：

PreScan中使用的吸收系数。

这些系数可以在PreScan GUI菜单中配置－实验资源－目标属性－超声波。 总损耗：ΔSPL为了计算从声源到目标的路径上的总损耗，天线增益传播损耗和大气衰减的影响（公式（4）中右侧的最后两个项）发生了两次。结合目标强度，公式（5）给出了返回接收传感器的声压级。

其中，假设R0比2R小，AGM（θ，φ）是发射和接收的综合增益。总损耗是指发射和接收的声压级之差，称为ΔSPL。

它是存在于编制表的超声波块中的值EnergyLoss。