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A High Spatiotemporal Resolution Ultrasonic Ranging Technique With Multiplexing Capability

测距 奈奎斯特频率 电子工程 动态范围 采样(信号处理) 功勋 奈奎斯特率 波形 计算机科学 信号(编程语言) 声学 带宽(计算) 物理 工程类 光学 电信 探测器 程序设计语言 雷达
作者
Zehua Dou,Dmitriy D. Karnaushenko,Oliver G. Schmidt,Daniil Karnaushenko
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70: 1-12 被引量:5
标识
DOI:10.1109/tim.2021.3120129
摘要

In this paper, a high-performance water-coupled ultrasonic ranging technique is presented. We improved the conventional time-of-flight (ToF) ranging technique based on digital correlation of pseudo random noise (PRN) waveforms by introducing signal carrier phase shift detection with an I/Q coherent reception method. In this way, the spatial resolution is dominated mainly by the digitization resolution of the analog to digital converter (ADC) used in the receiver circuit. Sub-micrometer resolution is achieved in the entire full-scale-range (FSR) while keeping the ADC sampling rate at the Nyquist sampling limit at the carrier ranging signal frequency. In this study, we use quadrature amplitude modulation (QAM) waveforms of a set of 1023-bit GPS Gold codes with 8 MHz carrier as a ranging signal. Experiments carried out in a water vessel reveal micrometer level accuracy and precision for quasi-static and dynamic cases. It is experimentally illustrated that the proposed method is capable of multiplexing. The optimal ranging performance is approached by selecting an appropriate set of systemic technical parameters and ranging signals. This allows to define the figure of merit (FOM) indicating the performance upper bound of such a ranging system.
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