專利名稱：一種擴大超聲信號和紅外信號接收角度和距離的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲和紅外測距或定位的裝置，具體涉及在超聲測距或定位裝置上，改 進超聲信號接收的角度和距離的聲學設計裝置，以及通過使用紅外透鏡來擴大紅外信號的接 收角度和距離的裝置。 背彔技術
超聲測距和定位裝置已經(jīng)取得了廣泛的應用，比如用于機器人視覺中，特別是雖近幾年 在電子白板系統(tǒng)(包括復印式電子白板和交互式電子白板〉中的應用，如附圖1所示。
—個超聲測距或定位系統(tǒng)大概包括兩部分發(fā)射部分和接收部分。超聲測8I/定位有兩種 模式
一種是收發(fā)一體的，如倒車雷達，是指超聲發(fā)射部分和接收部分在一個設備上，如圖2 所示。當發(fā)射出的超聲信號，碰到障礙物被反射回后，通過測量發(fā)射信號和接收到返回信號 的往返時間差，從而確定陣礙物到設備的距離.如果裝置上有兩個或兩個以上的超聲接收傳 感器，就能測得陣礙^l距離這兩個超聲傳感器(transducer)的距離，根據(jù)這兩個距離和兩個 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)射端是超聲信號源，發(fā)射超聲和紅外信號， 信號在介質中傳輸一段距離L后，被超聲紅外接收器，并通過信號處理器進行計算信號傳輸 的距離。如果裝置上有兩個或兩個以上的超聲接收傳感器，就能測得超聲信號源距離這兩個 超聲傳感器(transducer)的距離，根據(jù)這兩個距離和兩個傳感器在裝置上的固定距離，我們 就能定位超聲信號源。這種收發(fā)分開的超聲紅外定位器，除了超聲信號，還必須要有紅外信 號才能測距和定位。
附圖1示例了一個電子白板系統(tǒng)的基本組成超聲波和紅外信號發(fā)射筆、兩個超聲波和 紅外信號接收器及其測距模塊和電子白板軟件所在的計算機。現(xiàn)有的超聲波接收器或者紅外 接收器普遍存在超聲感應定向性、抗干擾超聲能力弱、超聲/紅外信號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 器對這個方向上的入射超聲波的聲電轉換效率就越低(增益越低)，所產生的電信號就越小； 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垂直 于接收面的入射超聲波的聲電轉換效率最高，產生的電信號就最大。
在收發(fā)分開的超聲測距裝置中，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
3的入射光，也產生不出幅度明顯的電信號。
對于一個實用的超聲測距或定位系統(tǒng)，因為目標(障礙物/超聲信號源)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。對于收發(fā)分離的超 聲測距或定位系統(tǒng)，為配合全向的超聲接收，紅外接收的角度也霈要擴大。 發(fā)明內容
本實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)能變成一個全向的超聲接收器，能接收到來自各個方向的超聲信號；同時 我們還設計一個干擾超聲吸收裝置/結構，這種結構能有效地阻擋來自干擾方向的超聲信號進 入超聲接收傳感器的接受范圍并且將這個干擾超聲吸收裝置/結構和上述全向的超聲信號接 收器結合在一起，從而避免該干擾方向的超聲信號影響后續(xù)的信號處理，提髙了全向的超聲 接收器接收信號的信噪比。此外，為配合超聲信號接收范圍的擴大，我們還提出了利用凸透 鏡來擴大紅外接收傳感器的紅外接收角度。本實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),干擾超聲吸收結構；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超聲接收傳感器(61)的接收 區(qū)內；干擾超聲吸收結構具有至少一層硬質層結構來消除干擾超聲波，層與層之間的間距根 據(jù)實際設計銪要來確定，并將這個干擾超聲吸收結構和有向的超聲接收傳感器結合在一起， 這種復合的結構能使全向超聲信號接收器隨意設定超聲信號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超聲接收傳感器(61)的接收區(qū)內，形成一個全向超 聲接收器.
第三方面，發(fā)明了一種一種干擾超聲吸收結構，其為設置在超聲波反射器(62)的凹光滑 曲面或圓錐斜面上依次間隔環(huán)繞的至少一層硬質層結構，層與層之間的間距根據(jù)實際需要設 計來確定，這些硬質層結構和超聲波反射器(62)的凹光滑曲面或圓錐斜面結合在一起，這種復 合的結構能使全向超聲信號接收器隨意設定超聲信號的接收范圍和阻擋范圍。
基于本實用新型的設計，傳統(tǒng)的有向超聲接收傳感器能變成一個全向的超聲接收器，能 接收到來自各個方向的超聲信號；并且該干擾超聲吸收裝置/結構能有效地阻擋來自千擾方向的超聲信號進入超聲接收傳感器的接受范圍；將這個干擾超聲吸收裝置/結構和上述全向的超聲信號接收器結合在一起，從而避免該干擾方向的超聲信號影響后續(xù)的信號處理，提髙了全向的超聲接收器接收信號的信噪比。

圖1基于超聲測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擴大紅外信號的接收范圍的裝置。
具體實施方式

為了擴大超聲測距或定位系統(tǒng)的超聲和紅外信號接收角度，本實用新型通過改進傳統(tǒng)的有向超聲接收傳感器(directional ultrasonic receiver)變成一個全向的超聲接收器；同時還設計一個干擾超聲吸收裝置/結構并將這個干擾超聲吸收裝置/結構和上述全向的超聲信號接收器結合在一起，這種復合的結構能使我們隨意設定超聲信號的接收范圍和阻擋范圍；為了配合超聲信號接收范圍的擴大，利用凸透鏡來擴大紅外接收傳感器的紅外接收角度。通過以上幾個關鍵技術手段，獲得了一個能接收來自各個方向的超聲信號、并有效地阻擋來自干擾方向的超聲信號、以及擴大了紅外接收角度的全向超聲/紅外信號接收器。以下分別說明上述各個部件的結構特征和功能以及其信號接收和控制方法。
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著/沖著超聲波傳播的方向，我們在這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設計了一個超聲波反射器，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有向超聲接收傳感器的接收區(qū)/范圍/角度內，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計得合適，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有向超聲接收傳感器的接收角內。本領域技術人員知道，根據(jù)實際設計需要，除了以圓錐曲面或圓錐斜面來反射入射的超聲波，完全可以設計具有凹光滑曲面的超聲波反射器，只要曲面斜率設計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有向超聲接收傳感器的接收角內即可。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/結構
有時我們并不希望真的接收各個方向上的超聲信號，特別是從其它目標/障礙物發(fā)射回的超聲信號，為了能在上述的全向超聲接收器的基礎上對來自干擾方向的超聲信號實現(xiàn)阻擋，我們又提出了如圖8所示的干擾超聲信號吸收裝置/結構。
超聲波到達第一層硬質層，在空氣和硬質層的接觸面， 一部分超聲信號被發(fā)射回空氣中，還有相當一部分超聲信號透射進硬質層，并穿過硬質層又進入空氣，這個投射的超聲波和被第二層硬質層反射回空氣的超聲波進行疊加，如此這般通過3層硬質層，進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表示超聲信號的波長。間距為X/2時，吸收的效果也很不錯。本領域技術人員知道，根據(jù)實際設計霈要，除了將干擾超聲信號吸收裝置/結構設計成具有3層硬質層結構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度不同完全可以設計具有合適硬質層數(shù)的干擾超聲信號吸收裝置，層與層之間的間距也可以根據(jù)實際設計需要來確定，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合結構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的接收區(qū)域和阻擋區(qū)域設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，用于后續(xù)的信號處理，以便目標物體的超聲測距和定位計算。
3. 通過紅外透鏡擴大紅外信號的接收范圍
在收發(fā)分開的超聲測距和定位裝置中，如果超聲信號的接收范圍通過上述的全向的超聲接收器擴大了，紅外信號接收的范圍就限制了整個系統(tǒng)實際工作范圍。為此，本實用新型提出了利用凸透鏡來擴大紅外接收傳感器的信號接收范圍的方法及其相應的裝置。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， +?！担?<!>>"。設計人員可以根據(jù)紅外接收二極管的方向參數(shù)w,和期望達到的接收角度O,利用凸透鏡設計軟件(比如FEMLAB)，就能設計凸透鏡的材料(折射率)和凸透鏡的曲率。
以上，詳細說明了在超聲和紅外測距或定位系統(tǒng)中，設計的新型的全向的超聲接收器、
6干擾超聲吸收裝置/結構以及通過紅外透鏡擴大紅外信號的接收范圍的裝置，并可以將這幾種設備進行結構復合，獲得接收范圍大、有效抗干擾的全向超聲/紅外信號接收器。
顯然，本領域技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變形而不脫離本實用新型的精神和范圍。倘若本實用新型的這些修改和變形屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變形在內。
權利要求1.一種全向超聲信號接收器，其包括有向的超聲接收傳感器(61)，超聲波反射器(62)，干擾超聲吸收結構；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超聲接收傳感器(61)的接收區(qū)內；干擾超聲吸收結構具有至少一層硬質層結構來消除干擾超聲波，層與層之間的間距根據(jù)實際設計需要來確定，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的程度即可，并將這個干擾超聲吸收結構和有向的超聲接收傳感器結合在一起，這種復合的結構能使全向超聲信號接收器隨意設定超聲信號的接收范圍和阻擋范圍。
2. 如權利要求1所述的全向超聲信號接收器，其中超聲波反射器(62)的反射面為圓錐曲而。
3. 如權利要求1所述的全向超聲信號接收器，其中干擾超聲吸收結構具有3層硬質層，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。
4. 如權利要求1所述的全向超聲信號接收器，其中干擾超聲吸收結構具有3層硬質層，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。
5. 如權利要求1所述的全向超聲信號接收器，其用于收發(fā)分離的超聲測距和定位系統(tǒng)中，該 測距和定位系統(tǒng)還包括一個利用通過凸透鏡來擴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超聲接收傳感器(61)的接收區(qū)內，形成一個全向超聲接收 器。
7. —種干擾超聲吸收結構，其特征在于其為設置在如權利要求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)繞的至少一層硬質層結構，層與層之間的間距根據(jù)實 際需要設計來確定，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 器可以感應的程度即可，這些硬質層結構和超聲波反射器(62)的凹光滑曲面或圓錐斜面結合在一起，這種復合的結構能使全向超聲信號接收器隨意設定超聲信號的接收范圍和阻擋范圍。
8. 如權利要求7所述的干擾超聲吸收結構，其具有3層硬質層，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。
專利摘要本實用新型公開了一種擴大超聲信號和紅外信號接收角度和距離的系統(tǒng)，其特征在于在超聲和紅外測距或定位系統(tǒng)中，設計了新型的全向的超聲接收器、干擾超聲吸收裝置/結構以及通過紅外透鏡擴大紅外信號的接收范圍的裝置，并可以將這幾種設備進行結構復合，獲得接收范圍大、有效抗干擾的全向超聲信號接收器。
文檔編號G01S7/526GK201408267SQ200820127698
公開日2010年2月17日 申請日期2008年7月21日 優(yōu)先權日2008年7月21日
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