[發明專利]一種噪聲背景下準確估計超聲流量計傳播時間方法

有效

• 申請號: 201510324809.4
• 申請日: 2015-06-12
• 公開（公告）號: CN104897248B
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 鄭丹丹;侯惠讓;張濤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01F25/00
• 分類號: G01F25/00;G06N3/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 程毓英

所屬技術領域

本發明屬于流量測量技術領域,涉及超聲流量計。

背景技術

超聲流量計作為新興的流量儀表近十幾年發展迅速，在大型水利水電項目以及天然氣貿易結算領域已有廣泛應用，其中時差法超聲流量計作為計量儀表應用最多。精確確定超聲換能器接收信號的起始位置，得到精確的超聲波傳播時間是時差法超聲流量計能夠準確測量流量的關鍵。目前，傳統測量方法中普遍采用的是雙門限電平法(簡稱雙門限法)，首先通過非過零比較，確定使用哪個周期的信號作為計時起始位置，再通過過零比較確定超聲波傳播時間。但這種方法的缺點是當有噪聲存在時，過零比較得到的時間會有較大波動，嚴重影響了流量計的精度，而且當噪聲大到一定程度時，非過零比較無法準確確定信號位置，從而導致錯波發生，此時由于誤差太大，流量計已不能使用。

為了在有噪聲時仍能獲得準確的超聲波傳播時間，研究者提出基于超聲脈沖接收信號模型對超聲波傳播時間進行估計的方法。目前超聲脈沖接收信號的經驗模型主要有兩種，高斯模型和混合指數模型。高斯模型用于描述比較對稱的寬帶高頻信號。周方等學者將此模型與高斯—牛頓法、模擬退火法、蟻群算法等相結合，證明了蟻群算法是一種有效的回波參數估計方法，具有較高精度[1]；針對混合指數模型，姚振靜等人將此模型與卡爾曼濾波及其優化算法進行結合求取超聲波傳播時間，用來提高超聲測距精度[2]。雖然已有學者基于超聲脈沖接收信號模型提出了一些超聲波傳播時間估計算法，但研究僅針對算法本身，應用也僅限于超聲測距領域。對于超聲流量測量來說，時間測量精度要求遠高于超聲測距，已有方法不能直接用來解決噪聲背景下超聲流量計的準確測時問題。

[1]周方，張小鳳，張光斌，超聲回波參數的蟻群算法估計，陜西師范大學學報(自然科學版)，2012，40(2)，35～40

[2]Zhen-Jing Yao,Qing-Hao Meng,Ming Zeng,Improvement in the accuracy of estimating the time-of-flight in an ultrasonic ranging system using multiple square-root unscented Kalman filters,Review of Scientific Instruments,2010,81，104901-1～104901-7

發明內容

本發明為解決噪聲背景下超聲流量計中超聲波傳播時間準確測量問題，基于超聲脈沖接收信號混合指數模型，提供一種超聲波傳播時間準確估計方法，達到降低測量誤差，提高超聲流量計測量精度的目的。

本發明的技術方案如下：

一種噪聲背景下準確估計超聲流量計傳播時間方法，包括下列步驟：：

步驟一：進行超聲流量計實驗，根據試驗結果，建立超聲脈沖接收信號離散模型如下：

A_m(x)＝A(kt_s)sin[2πf_c(kt_s-τ)+θ](1)

其中，

式中，A_m(x)為超聲脈沖接收離散模型信號，k為采樣點數序號(k＝1,2，…N)，N為采樣點數，t_s為采樣時間間隔，f_c為超聲換能器的中心頻率，θ為初始相位角，A₀為接收信號幅值，T和m是超聲換能器的兩個特性參數，τ為超聲波傳播時間，u(kt_s-τ)為單位階躍信號，當采樣頻率、采樣點數、超聲換能器及其發射頻率確定后，模型中的k、N、t_s、f_c和θ即為定值，隨著被測流量改變，模型信號A_m(x)中的A₀、T、m和τ會相應變化，其中，參數向量x＝[A₀ m T τ]，對x估計得越準確，模型信號越逼近實驗獲得的真實接收信號，利用下面的遺傳－蟻群算法對x中這四個參數進行估計，最終τ的最優估計值即為超聲波傳播時間；

步驟二：根據實驗采樣獲得的超聲接收信號A_e與模型信號A_m(x)確定目標函數f(x)：基于最小二乘思想確定目標函數，將A_e中各采樣點電壓與A_m(x)中采樣點電壓之差的平方和作為目標函數f(x)，當目標函數f(x)取得最小值時，x為最優估計值；