液體超聲流量計(jì)飛行時(shí)間方法的簡(jiǎn)單確定

詹 戈

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

超聲波憑借其良好的定向性、較強(qiáng)的穿透性和抗腐蝕能力，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，例如超聲波測(cè)距、超聲波無損檢測(cè)和超聲波流量計(jì)等[1]。超聲波信號(hào)從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌鞯臅r(shí)間定義為飛行時(shí)間(TOF)。TOF包含很多信息，例如TOF反映了距離測(cè)量和超聲波流量計(jì)中的距離和流量信息等等[2]。因此，準(zhǔn)確確定超聲TOF是超聲應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。

據(jù)我們所知，超聲波流量計(jì)應(yīng)用中的TOF測(cè)定方法通常可分為三類。

第一類包括閾值檢測(cè)方法[3]。例如動(dòng)態(tài)閾值方法、雙閾值方法和可變比率閾值方法均被開發(fā)用于確定TOF。這些閾值方法是最簡(jiǎn)單的方法。但是，它們?nèi)菀资艿皆肼暤母蓴_。此外，這些用于TOF檢測(cè)的方法是基于超聲信號(hào)上升沿的幅度特性。因此，它們的性能會(huì)受到波形變化的影響[3]。

第二類包含各種相關(guān)方法。這些方法首先應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域，然后在1981年引入TOF測(cè)定。基本的相關(guān)方法計(jì)算兩個(gè)接收信號(hào)之間的相關(guān)函數(shù)，然后產(chǎn)生一個(gè)最大峰值，其中時(shí)移映射到兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差。后來，提出了更好的相關(guān)方法，例如基于調(diào)頻激勵(lì)的互相關(guān)、相位相關(guān)方法和正弦擬合技術(shù)的互相關(guān)等方法，將其應(yīng)用于TOF確定[4]。與閾值方法相比，相關(guān)方法受噪聲的影響較小，但其準(zhǔn)確性仍然受到采樣率的限制。相關(guān)方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是難以根據(jù)不同的應(yīng)用條件實(shí)時(shí)更新參考波，從而導(dǎo)致TOF出現(xiàn)偏差檢測(cè)。

第三類包括基于波形擬合的TOF估計(jì)方法。在這些方法中，首先選擇合理的超聲接收信號(hào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停缓蟛捎糜行惴▽?duì)接收到的超聲信號(hào)進(jìn)行擬合以獲取TOF[5]。這些方法不僅提供了很高的測(cè)量精度，而且還提供了強(qiáng)大的抗干擾能力。然而，他們需要大量的計(jì)算，這需要高成本的數(shù)字信號(hào)處理，并降低了實(shí)時(shí)性能。

因此，本文在前人的基礎(chǔ)上，提出了一種基于超聲波信號(hào)起伏的簡(jiǎn)便易行的飛行時(shí)間確定方法。此方法包括兩部分，即尋找超聲信號(hào)開始檢測(cè)(USO)的大致位置以及在多個(gè)獲得的時(shí)間值中確定TOF。在第一步中，將接收到的信號(hào)分為多個(gè)段，并且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化頻率和能量的倍數(shù)將每個(gè)段識(shí)別為超聲信號(hào)或噪聲信號(hào)。通過分析分類結(jié)果，可以確定USO的大致位置。在第二步中，可以根據(jù)USO與所獲得的零交叉時(shí)間值之間的關(guān)系，選擇固定的零交叉時(shí)間值作為TOF。由于在分類過程中僅使用每個(gè)段內(nèi)的信息，因此該方法對(duì)波形變化不敏感。

這項(xiàng)研究提出的新方法與以前建立的方法之間的不同之處在于，新提出的方法的檢測(cè)到的TOF僅依賴于當(dāng)前測(cè)量中對(duì)超聲信號(hào)的分析，而不是依賴于先前方法的兩次連續(xù)測(cè)量中的信號(hào)，且性能將不受兩次測(cè)量之間波形相似度的限制，易于實(shí)現(xiàn)和適用于嵌入式系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)。

1 研究方法原理

1.1 超聲信號(hào)開始檢測(cè)位置(USO)檢測(cè)原理

接收到的超聲信號(hào)可以描述為：

s=A(its)sin[2πf(its-τ)+θ]

(1)

(2)

式中：s為接收信號(hào)；A0為信號(hào)幅度；T和m分別為與特定超聲波傳感器相關(guān)的參數(shù)，容易受到溫度的影響；τ為USO的時(shí)間；ts為采樣周期；i為采樣點(diǎn)序列號(hào)；f為由超聲波傳感器確定的中心頻率；u(its-τ)為單位階躍信號(hào)；θ是初始相位，始終設(shè)置為零。

可以看出，超聲信號(hào)由一系列正弦信號(hào)組成。因此，超聲信號(hào)在頻率和能量方面與噪聲信號(hào)不同。圖1示出了液體超聲波流量計(jì)中的接收信號(hào)的示意圖。可以根據(jù)正零交叉信號(hào)將信號(hào)分為幾部分(接收信號(hào)的幅度從負(fù)變?yōu)檎?。通過分析每個(gè)段內(nèi)部的頻率和能量，可以將每個(gè)段標(biāo)識(shí)為超聲信號(hào)的一部分或噪聲信號(hào)的一部分。一旦將超聲部分和噪聲部分區(qū)分開，就可以找到USO的大致位置。結(jié)合正零交叉點(diǎn)和USO之間的關(guān)系，可以選擇固定的正零交叉點(diǎn)作為TOF，從而避免了循環(huán)跳躍問題。這里，S1到S10是段1到段10的縮寫，紅色五角星表示USO。

圖1 液體超聲波流量計(jì)中接收信號(hào)的示意圖

為了便于計(jì)算，頻率以信號(hào)段中的點(diǎn)數(shù)為特征，能量以信號(hào)段中的幅度平方的平均值為特征。等式(3)和等式(4)是分別在頻率和能量歸一化中使用的兩個(gè)變換函數(shù)，以便將特征映射到0和1的間隔。

(3)

式中：n為信號(hào)段中離散點(diǎn)的數(shù)量，f與公式中的含義相同；fs為采樣頻率，α是移位因子，運(yùn)算符[]表示將數(shù)字四舍五入到最接近的整數(shù)。

f2=1-e-β*E

(4)

式中：β是比例因子，在分離超聲信號(hào)和噪聲信號(hào)的分類結(jié)果中起著重要作用，E是信號(hào)段中的能量。對(duì)于具有n個(gè)離散采樣點(diǎn)的信號(hào)段，E的計(jì)算公式為：

(5)

式中：vk表示第k個(gè)離散采樣點(diǎn)的電壓。頻率和能量歸一化的示意圖分別如圖2和圖3所示。信號(hào)段屬于超聲信號(hào)的概率定義如下：

圖2 頻率歸一化示意圖

圖3 超聲信號(hào)和噪聲的分類結(jié)果

out=f1×f2

(6)

值得一提的是，α，β，L1，L2和L的最佳值需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定。有關(guān)選擇這些參數(shù)的一些建議如下[6]：

將α設(shè)置為0.2×[fs/f]，以使超聲信號(hào)的f1輸出等于1；這是因?yàn)楦鶕?jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，在不同的工作條件下，超聲信號(hào)的頻率可能會(huì)偏離中心頻率約10%。

收集一條噪聲信號(hào)，并根據(jù)等式(5)計(jì)算其平均能量。然后，先將β設(shè)置為較大的值，然后逐漸減小為合理的值，使f2的輸出低于0.5。

收集一條信號(hào)，其中第一部分是噪聲信號(hào)，第二部分是超聲信號(hào)。將信號(hào)劃分為多個(gè)段，然后根據(jù)等式(6)計(jì)算每個(gè)段的輸出：在值<0.5的區(qū)域中，找到最大值(Nmax)并將L2設(shè)置為(Nmax+0.1)；在值>0.5的區(qū)域中，找到最小值(Nmin)并將L1設(shè)置為(Nmin-0.1)。

將參數(shù)L設(shè)置為L(zhǎng)1和L2的平均值，USO粗略檢測(cè)步驟可總結(jié)如下：(1)根據(jù)正零交叉點(diǎn)將接收到的信號(hào)分成幾段，如圖1所示。(2)實(shí)施分類過程。即根據(jù)等式計(jì)算每個(gè)段的最終計(jì)算結(jié)果。并確定其信號(hào)類別。(3)將計(jì)算結(jié)果首先超過L的線段中的第一個(gè)采樣點(diǎn)視為USO。

1.2 準(zhǔn)確的TOF確定

由于檢測(cè)到的USO位置很粗糙，因此無法準(zhǔn)確表征TOF。因此，在該方法中引入了多重過零技術(shù)[7]。該技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)雙閾值方法的改進(jìn)。雙閾值方法的主要問題是閾值電壓與接收信號(hào)的第一交點(diǎn)會(huì)根據(jù)波形的形狀來回移動(dòng)，而在以雙閾值法將交點(diǎn)用作TOF后，交點(diǎn)的不規(guī)則變化會(huì)導(dǎo)致TOF檢測(cè)的不確定性。為了解決交點(diǎn)不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的問題，提出了一種多零交叉技術(shù)。多重零交叉技術(shù)首先將獲得的USO作為參考，以確認(rèn)時(shí)間值與零交叉之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其次選擇一個(gè)可以在各種條件下測(cè)量的固定的過零時(shí)間正值作為TOF。通過所提出的方法可以消除由波形變化引起的周期跳躍問題。該技術(shù)的另一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是這些零交叉點(diǎn)的時(shí)間值是通過硬件實(shí)現(xiàn)的。因此，一旦正確檢測(cè)到粗略的USO，所提出的方法就能夠獲得準(zhǔn)確的TOF，而無需進(jìn)行大量復(fù)雜的計(jì)算。

1.3 數(shù)值測(cè)試

為了評(píng)估所提出方法的性能進(jìn)行了數(shù)值測(cè)試。測(cè)試分為兩個(gè)部分。第一部分比較了雙閾值方法、相關(guān)方法、基于相似度的方法以及信息準(zhǔn)則(AIC)方法和TOF檢測(cè)性能。所有數(shù)值測(cè)試都是使用MATLAB軟件進(jìn)行。表1為實(shí)驗(yàn)接收到的信號(hào)的參數(shù)值。采樣頻率設(shè)置為超聲信號(hào)中心頻率的10倍。

表1 實(shí)驗(yàn)接受信號(hào)參數(shù)值

測(cè)試結(jié)果顯示所提出的方法都可以正確檢測(cè)TOF。提出的方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)TOF的前提在于對(duì)USO的正確識(shí)別。一方面，在分類過程中僅使用片段內(nèi)部的信息，這使得分類結(jié)果獨(dú)立于片段外部的信號(hào)。另一方面，通過在分析中引入頻率，可以抑制噪聲對(duì)USO檢測(cè)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證所提出方法在波形變化時(shí)的TOF檢測(cè)性能。由于超聲波信號(hào)的形狀與溫度高度相關(guān)，因此使用介質(zhì)為水的液體超聲波流量計(jì)在不同溫度下進(jìn)行了測(cè)試。傳感器的中心頻率為1 MHz，所需的測(cè)量周期為5 ms。考慮到AIC方法花費(fèi)的時(shí)間太長(zhǎng)，無法滿足流量計(jì)的實(shí)時(shí)要求，因此在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中僅比較了其他三種方法。在10°處接收的信號(hào)被用作相關(guān)方法中的參考。在雙閾值方法中，閾值電壓也設(shè)置為接收信號(hào)最大電壓的0.4倍。液體超聲波流量計(jì)安裝在流量校準(zhǔn)裝置上，流量計(jì)的操作由嵌入式電路板控制。基于相似度的方法和所提出的方法，使用采樣數(shù)據(jù)的Matlab 軟件實(shí)現(xiàn)了相關(guān)方法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖3得到了在新提出的方法中USO檢測(cè)中的超聲信號(hào)和噪聲的分類結(jié)果。可以看出，噪聲計(jì)算結(jié)果均低于0.6，超聲信號(hào)計(jì)算結(jié)果均高于0.8。因此可以容易地區(qū)分超聲波信號(hào)和噪聲信號(hào)，這保證了新提出的TOF檢測(cè)方法的成功。

3 結(jié)語

本研究在前人的基礎(chǔ)上，借助實(shí)驗(yàn)和Matlab軟件工具，提出了一種簡(jiǎn)便易行的TOF確定方法，用來解決液體超聲波流量計(jì)波形變化引起的周期跳變問題。該方法包括USO檢測(cè)部分和TOF確定部分。在第一部分中，根據(jù)零交叉將接收到的信號(hào)劃分為多個(gè)段，并且根據(jù)每個(gè)段內(nèi)部的歸一化能量和歸一化頻率的乘積將這些段標(biāo)識(shí)為超聲信號(hào)或噪聲信號(hào)。首先將計(jì)算結(jié)果首先躍升到閾值L以上的分段中的第一個(gè)采樣點(diǎn)識(shí)別為粗略USO。在第二部分中，根據(jù)USO與所需零交叉之間的關(guān)系，將固定零交叉的時(shí)間值選擇為TOF。由于在信號(hào)分類過程中僅使用每個(gè)段內(nèi)部的信息，因此在所提出的方法中可以發(fā)現(xiàn)諸如對(duì)波形變化的高靈敏度和對(duì)噪聲的抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由于USO檢測(cè)的計(jì)算更簡(jiǎn)單，并且不需要在TOF確定中進(jìn)行大量計(jì)算，因此該方法還提供了很少的計(jì)算負(fù)擔(dān)。將該方法與相關(guān)方法、閾值方法、基于相似度的方法和AIC方法進(jìn)行了數(shù)值測(cè)試，并將前三種方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。數(shù)值測(cè)試結(jié)果表明，該方法不僅可以保證TOF檢測(cè)的準(zhǔn)確性，而且可以減輕計(jì)算量。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果表明，所提出的方法能夠獲得準(zhǔn)確的TOF，而與實(shí)際應(yīng)用中的波形變化無關(guān)。