[發明專利]一種基于聲波共振頻率的液位測量方法

有效

• 申請號: 201611081652.8
• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN106643982B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 孫新亞;張元星;徐曉濱;董煒;吉吟東
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01F23/296
• 分類號: G01F23/296
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種基于聲波共振頻率的液位測量方法，其特征在于：該方法包括產生有效的掃頻聲波；采用時域快速共振點檢測算法獲取發射聲波與液面反射聲波的疊加聲波在時域上的共振點；利用時域與頻域對應關系，求得共振基頻差，進而得到液面深度值；

具體包括以下步驟：

1)生成掃頻信號：確定掃頻范圍為F₁到F₂,F₁＜F₂，掃頻時長為T,F1≥1000Hz，F2≥2000Hz，T>1s，掃頻頻率的變化方式如公式(1)所示：

其中頻段F₁、F₂滿足l_min為待測液面高度的最小值，單位為米，聲速v＝331.45+0.61Temp，單位為米每秒，其中Temp為環境溫度，單位為攝氏度；

掃頻信號時域特性如公式(2)所示：

X(t)＝cos(2πf(t)t) (2)

選取采樣頻率為F_s，按照公式(2)可生成總時長為T的音頻序列X；

2)采集發射與反射聲波疊加的合成聲波：定義掃頻信號發射和接收所在平面到待測液面距離為待測液位高度l；接收掃頻信號音頻采樣頻率也為F_s；播放音頻的同時錄音，得到發射聲波與反射聲波的疊加音頻信號序列Y；

3)信號帶通濾波處理：采用切比雪夫帶通濾波器處理步驟2)中的信號序列Y，濾波器的帶通頻率范圍為[F₁,F₂]，得到濾波過的音頻信號序列Z；

4)通過共振頻率快速檢測算法，得到疊加音頻序列中的共振點；

5)對步驟4)中得到K個共振點R₁,R₂,...R_K，取相鄰兩點的共振間隔Interval(i)＝R(i+1)-R(i),i∈[1,N-1]，并求共振間隔Interval的均值為I；

6)根據公式(5)計算得到待測液位高度l：

2.如權利要求1所述液位測量方法，其特征在于，所述步驟4)具體包括以下步驟：

4.1)取步驟3)得到的信號序列Z的絕對值得到信號序列S，其中S＝|Z|；

4.2)將信號S做三次滑動平均濾波，濾波窗口寬度為N，其中每次滑動平均濾波的具體操作如公式(3)所示：

其中，Q為每次濾波前的信號序列，Q(k)為序列Q的第k個值；P為每次濾波后的信號序列，P(k)為序列P的第k個值，length(Q)為序列Q的長度；

按照公式(3)進行三次滑動平均濾波，得到的濾波后信號序列E；

4.3)對所述步驟4.2)中得到的序列E求極大值，得到極大值集合Maxmum{(l_i,p_i)},i∈[1,M]，其中(l_i,p_i)表示第i個極大值點坐標，橫坐標l_i表示第i個極大值點在序列E中的位置，縱坐標p_i表示第i個極大值點的值，M為極大值點的總個數；

4.4)在步驟4.3)中得到的極大值點中，將極大值點集合Maxmum{(l_i,p_i)},i∈[1,M]對其縱坐標(即極大值點的幅值)做兩類的K均值聚類，分為兩個子集合：M_j＝{(l_i,p_i),C_i＝j},j＝1,2；

其中,C_i表示第i個極大值點的類別，即M₁為對極大值集合Maxmum聚類后類別為1的極大值點的集合，M₂為類別為2的極大值點的集合；

4.5)求步驟4.4)中集合M₁,M₂中的點縱坐標的平均值，分別得到arg₁,arg₂，根據arg₁,arg₂的值可以得到峰值點集合Peak，Peak滿足公式(4)：

其中j滿足arg_j＝max(arg₁,arg₂)；

4.6)將步驟4.5)中得到的峰值點集合Peak按橫坐標進行分類，分類原則為相鄰點橫坐標小于1000則為一類；按照此原則最終將峰值點集合Peak分為K類，Peak₁,Peak₂...,Peak_K，K≥2；

4.7)對于步驟(4.6)中得到的K個集合Peak₁,Peak₂...,Peak_K，取每個集合中縱坐標最大的點的橫坐標為共振點，得到K個共振點R₁,R₂,...R_K。