[發明專利]基于一階導數并結合參考曲線的導波式雷達物位計回波信號處理方法

有效

• 申請號: 201410671092.6
• 申請日: 2014-11-21
• 公開（公告）號: CN104374447B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 徐科軍;魏萌;劉錚
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01F23/284
• 分類號: G01F23/284;G01S13/10
• 代理公司: 合肥金安專利事務所34114
• 代理人: 金惠貞

1.一種基于一階導數并結合參考曲線的導波式雷達物位計回波信號處理方法，包括(1)構造參考曲線，(2)回波信號預處理，(3)物位回波判斷，(4)傳播時間計算，(5)計算物位值；具體操作是：預先儲存包含有未與物位回波疊加的“臺階”部分的信號作為參考曲線，用于后續物位回波判斷；對回波信號進行9點移動平均濾波預處理；對濾波后的信號進行一階導數計算檢測回波，多參數結合參考曲線判斷物位回波，確定物位回波定位點和參考起始點計算傳播時間；在限定區間內任意選擇3點進行標定，確定物位-傳播時間模型；最后，將傳播時間代入物位與傳播時間之間的函數關系式，計算得到物位值；其特征在于：

對于無同步觸發脈沖的導波式雷達物位計，由于沒有同步信號觸發ADC進行采樣，因此需要確定采樣起始點，保證采集到正確的信號段；一個完整的回波信號中包括一個方波脈沖和位于其后的若干反射回波；在本次回波信號與下次方波脈沖之前有較長的平穩段，沒有明顯回波，且方波脈沖具有陡峭的上升沿和下降沿；根據信號的這一特點，在ADC的中斷服務子程序中對采樣點判斷，當確定已采集到方波脈沖的下降沿時，保存之后1000點長度的數據，作為后續處理的回波信號段；回波信號段中包含物料表面、傳感器自身的“臺階”干擾、噪聲等因素產生的反射回波，簡稱為回波；回波信號的具體處理步驟如下：

(1)構造參考曲線

針對物位計信號中固有的“臺階”構成的兩點干擾：1)物位小于25cm時，物位回波幅值小于其后的噪聲水平；2)“臺階”本身特征與物位回波近似；因此，需預先儲存包含有未與物位回波疊加的“臺階”部分的信號作為參考曲線，用于后續物位回波判斷；

罐高度為定值，當導波式雷達物位計安裝在罐頂、導波桿垂直向下時，定義導波式雷達物位計法蘭下表面到物料表面的距離為物位；通過增加或減少物料使物位為大于70cm的任意值，然后隨機采集一組回波信號，即截取從起點至包含信號中固有的未與其他回波疊加的“臺階”部分的反射回波信號的信號段；當采樣起點為方波脈沖下降沿時，該部分為起點至采樣點為255～305點中的一點；當采樣起點為方波脈沖上升沿起始時，該部分可能要擴大至從起點到采樣點為450～500點中的一點；

(2)對回波信號段進行9點移動平均濾波，減小噪聲、平滑抖動；

(3)設置回波查找范圍為包含有效反射回波部分，對于導波桿長度為1m、采樣起點為方波脈沖下降沿時，可設置采樣點為230～500點，去除了起始處固定的導波桿連接點反射回波的影響，且減小了不必要的信號處理的長度；計算該范圍內回波信號段的1階導數信號d，簡化后的計算公式為

式中，f(x)為回波信號段，x_i為信號上的點；

(4)對1階導數信號d從起點開始進行判斷，若d[n-1]、d[n]異號，且d[n]大于0，則確定n為終點end[i]及下一回波的起點start[i+1]；若d[n-1]、d[n]異號，且d[n]小于0，且起點確定標志已置位，則確定n為峰值點peak[i]；i表示回波序號；

(5)記錄完回波的特征點，即回波的起點、峰值點、終點后，計算該回波的寬度w[i]、一階導數最大 值與最小值之差，簡稱為變化率amp[i]，并與預設值進行比較，小于預設值的回波排除，保留的回波作為備選回波，可以排除干擾回波，所述干擾回波為隨機窄尖峰脈沖、小幅噪聲回波；上述各特征參數的計算公式為：

w[i]＝end[i]-start[i]

amp[i]＝d_max-d_min

式中，d_max、d_min分別代表一階導數最大值與最小值，i為回波序號；

(6)對1階導數信號d范圍內所有點按照步驟(4)～(5)進行判斷，得到若干個備選回波；

(7)對備選回波進行判斷，將位于“臺階”范圍處的回波與參考曲線作比較，若不滿足大于100數值，則排除該回波；否則，保留；

(8)對各備選回波進行置信度confidence計算，公式如下：

confidence[i]＝0.6×amp[i]+0.1×data[peak[i]]-0.3×w[i]

式中，i為備選回波序號，data為回波信號段，peak為備選回波峰值點；

(9)確定最大置信度對應的備選回波為物位回波；

(10)對物位回波求取最小斜率點，并在一階導數曲線上進行2階Lagrange插值，確定物位回波定位點；在固定反射回波導波桿連接點反射回波下降沿中點附近選擇一點，以該點所在直線與該回波下降沿相交，線性插值得到參考起始點；然后計算傳播時間，所述傳播時間＝物位回波定位點-參考起始點；

(11)對傳播時間進行限幅濾波，排除隨機干擾原因導致的錯誤計算結果，并保存；

(12)對同一物位，計算保存的40次以上的傳播時間進行中位值平均濾波，最后結果作為該物位對應的傳播時間；

將所述傳播時間代入通過標定確定的物位與傳播時間之間的函數關系式中，計算得到物位值；

式中，L為物位，t為傳播時間，k，b為標定關系式系數，t₁為分界時間點。

2.如權利要求1所述的一種基于一階導數并結合參考曲線的導波式雷達物位計回波信號處理方法，其特征在于：

包括脈沖發射器、導波桿、等效時間采樣電路、信號調理電路、基于MSP430F5418A的單片機系統和液晶顯示器；由脈沖發射器產生脈沖波形，該信號分為兩路，一路經前置觸發電路放大整形，變成幅度較大、前沿較抖的脈沖信號送至發射脈沖源；發射脈沖源通過發射天線沿導波桿發送周期性窄脈沖電磁波；電磁波在不同介質的分界面上發生反射形成一系列回波信號，由接收天線接收后送往等效時間采樣電路；與此同時，時基電路送出另一路脈沖信號到混頻器中，與經微小時間延遲后的回波脈沖進行混頻；等效時間采樣后的信號變成了中低頻信號，經調理電路后送往單片機進行處理，計算結果由液晶顯示；用于物位測量時，按照先標定后測量的步驟進行；在出廠前進行標定，標定時，對于1m長導波桿，3個物位點分別選在30cm之內、[30cm,35cm]∪[55cm,60cm]，以及末端100cm附近；按照權利要求1所述的信號處理步驟得到與這3個物位點所對應的傳播時間，作為標定數據，劃分為兩段進行線性擬 合，用第1點與第2點擬合作為第1段的系數；第2點與第3點擬合作為第2段的系數；兩段的分界點為30cm，這一物位對應的傳播時間可由任意一點標定點粗略計算得到，無需額外增加標定點；擬合得到的函數關系式寫入單片機系統。