[發(fā)明專利]一種處理導波式雷達物位計回波信號的系統(tǒng)和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210150945.2
• 申請日: 2012-05-15
• 公開（公告）號: CN102661773A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設計）人: 徐科軍;葉旭;魏萌;方敏;王沁;侯其立;張玉超;馬遠
• 申請（專利權）人: 合肥工業(yè)大學
• 主分類號: G01F23/284
• 分類號: G01F23/284
• 代理公司: 合肥金安專利事務所 34114
• 代理人: 金惠貞

1.一種處理導波式雷達物位計回波信號的系統(tǒng)，包括用于控制發(fā)、收脈沖信號的單片機、脈沖發(fā)射電路、導波桿、接收回波信號電路、等效時間采樣電路；用于控制發(fā)、收脈沖信號的單片機控制脈沖的發(fā)射和接收；發(fā)射脈沖電路發(fā)射電磁波脈沖信號至導波桿，脈沖信號沿導波桿傳播，到空氣和物料表面相對介電常數(shù)發(fā)生突變處，發(fā)生反射；反射回波沿導波桿向上傳播到接收回波信號電路；接收回波信號電路接收反射回波信號，送至等效時間采樣電路，對反射回波信號進行時間上的放大處理；其特征在于：還設有信號調(diào)理電路、MSP430F5418單片機系統(tǒng)、液晶顯示器和軟件；信號調(diào)理電路包括分壓電路、直流偏置電路、跟隨電路和基準電壓產(chǎn)生電路；MSP430F5418單片機系統(tǒng)包括MSP430F5418單片機、復位電路、液晶顯示器接口和仿真器接口；軟件包括主監(jiān)控程序模塊、中斷模塊、初始化模塊、回波信號預處理模塊、物位計算模塊和液晶顯示器顯示模塊；經(jīng)等效時間采樣電路處理后的回波信號送至信號調(diào)理電路，經(jīng)過分壓、偏置和阻抗變換，送至MSP430F5418單片機片內(nèi)ADC；等效時間采樣電路輸出的同步接收脈沖信號直接接至MSP430F5418單片機的定時器捕獲引腳；當捕獲到同步接收脈沖信號的上升沿時，MSP430F5418單片機進入定時器中斷服務程序；在中斷服務程序中，開啟ADC的轉(zhuǎn)換；將ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，通過DMA傳輸?shù)絉AM中；通過DMA的中斷標志位，判斷是否采集完800點數(shù)據(jù)；若采集完成，就關閉ADC的轉(zhuǎn)換；接著關閉DMA和定時器；關閉系統(tǒng)中斷；對回波信號進行預處理，包括對回波信號進行低通濾波，將濾波后的回波信號與參考信號進行比較，或者對濾波后的回波信號進行修正，再減去參考信號；進行物位計算，包括采用二階Lagrange插值法對最大峰值點進行修正，得到最大峰值點所對應的時間，將該時間值代入物位與時間的函數(shù)關系式，計算出物位；再由液晶顯示顯示出來。

2.用權利要求1所述的系統(tǒng)處理導波式雷達物位計回波信號的方法，其特征在于：處理相對介電常數(shù)較大的物料回波信號的算法和步驟為：(1)構造一條參考曲線；(2)采用低通濾波器對采集到的回波信號進行濾波處理；(3)對濾波后的回波信號求導，再找到由正到負的過零點；這些過零點是回波信號中的一系列峰值點；根據(jù)設定的寬度值，排除一些明顯的虛假回波的峰值點；(4)比較(3)中的峰值點和對應參考曲線上的點；如果峰值點高出參考曲線預設值范圍，就認為該峰值點所在的回波為可能的有效回波，否則，予以剔除；(5)對經(jīng)過上述篩選后的回波信號中的剩余峰值點，選擇最大的所對應的回波作為物料反射的真實回波；(6)在真實回波上，尋找最大峰值點，并在該點兩側(cè)各取一個相鄰的次高峰值點；采用二階Lagrange插值法對這三個點進行拋物線插值，計算出該拋物線的頂點位置，作為反映物位的回波位置；(7)在同一物位下，重復步驟(2)至步驟(6)30～50次，這樣就得到30～50個最大峰值點所對應的橫坐標位置，即30～50個電磁波從物位計參考點傳播到物料表面的時間值；對這30～50個時間值，從小到大排列，取中間的10～20個時間值進行平均，其結果作為該物位下物料反射的真實回波的位置；(8)在測量范圍內(nèi)，選擇4～10個物位，按照步驟(7)，確定出真實回波位置，得到4～10個物位與時間之間對應的數(shù)據(jù)，即標定數(shù)據(jù)；(9)因為通過標定僅能得到反映物位與時間之間關系的4～10個點的數(shù)據(jù)，所以，需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合出物位與時間之間關系的表達式，或者在這些點之間插值出更密的點，得到相鄰標定點之間的物位與時間之間關系的表達式，才能實現(xiàn)物位的測量；根據(jù)標定數(shù)據(jù)的特點，采用不同方法進行處理：①對線性較好的標定數(shù)據(jù)，采用三次多項式進行擬合，得到物位與時間之間關系的表達；②對線性較差的，采用一階Lagrange插值法對標定數(shù)據(jù)進行插值，得到相鄰兩個標定點之間的物位與時間之間關系的表達式；依次對每兩個相鄰的標定數(shù)據(jù)按照這種方法處理，得到相鄰兩個標定點之間的物位與時間之間關系的表達式系數(shù)；(10)將步驟(9)得到的物位與時間關系表達式中的系數(shù)寫入MSP430F5418單片機程序中，再按照步驟(2)至步驟(7)對物位進行測量，得到每個物位下的最大峰值點所對應的時間，將該時間值代入物位與時間的函數(shù)關系式，就可以計算出物位大小；當物料的相對介電常數(shù)較小時，物料表面反射的回波能量較小，回波信號的幅值也較小，容易受到噪聲的干擾，此時，需要考慮消除空罐回波的影響，回波信號處理方法和步驟為：(1)采集空罐時的回波信號，用低通濾波器對該信號濾波，然后，對濾波后的信號進行修正，將修改后的空罐回波信號定義為參考信號；(2)對回波信號進行修正，在其有效測量范圍段內(nèi)，計算每相鄰的兩個采樣點所在直線的斜率，從有效測量范圍段的起始點處開始，以所有計算得到的斜率的相反數(shù)為斜率構造一條新的曲線，再將回波信號與構造的曲線相減，實現(xiàn)對回波信號變化趨勢的放大；(3)用修正后的回波信號減去參考信號，得到凈回波信號；(4)對凈回波信號求導，找到由正到負的過零點，這些過零點是回波信號中的一系列峰值點；通過限定寬度值，排除一些明顯的虛假回波的峰值點；(5)對經(jīng)過上述篩選后的凈回波信號中剩余的峰值點，選擇最大的作為物料反射的真實回波；(6)在找到的真實回波上，尋找最大峰值點，并在該點兩側(cè)各取一個相鄰的次最大點；采用二階Lagrange插值法對這三個點進行拋物線插值，計算出該拋物線的頂點位置，作為反映物位的回波位置；(7)同一物位下，重復步驟(2)至步驟(6)30～50次，這樣就得到30～50個最大峰值點所對應的橫坐標位置，即30～50個電磁波從物位計參考點傳播到物料表面的時間值；對這30～50個時間值，從小到大排列，取中間的10～20個時間值進行平均，其結果作為該物位下物料反射的真實回波的位置；(8)在測量范圍內(nèi)，選擇4～10個物位，按照步驟(7)，確定出真實回波位置，得到4～10個物位與時間之間對應的數(shù)據(jù)，即標定數(shù)據(jù)；(9)根據(jù)標定數(shù)據(jù)的特點，采用不同方法進行處理：①對線性較好的標定數(shù)據(jù)，采用三次多項式進行擬合；②對線性較差的，采用一階Lagrange插值法進行插值；從而得到物位與時間之間關系的表達式；(10)將步驟(9)得到的物位與時間關系表達式中的系數(shù)寫入MSP430F5418單片機程序中，再按照步驟(2)至步驟(7)對物位進行測量，得到每個物位下的最大峰值點所對應的時間，將該時間值代入物位與時間的函數(shù)關系式，計算出物位大小。