CN102203601A - 确定周期性振荡信号响应的起始时刻的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定周期性振荡信号响应(E2；E2’)的起始时刻(t0)的方法，其中所述信号响应包括：第一组半周期(E2a-d；E2’a-d)，具有与信号响应中的第一半周期(E2a；E2’a)的极性相同的极性；以及第二组半周期(E2e-h；E2’e-h)，具有与信号响应中的第一半周期(E2a；E2’a)的极性相反的极性。所述方法包括以下步骤：确定峰值半周期(E2e；E2’f)作为在第一和第二组中所选择的那一组中具有最高幅度的半周期；确定信号响应的在与峰值半周期(E2e；E2’f)相距已知时间距离处发生的零交叉时刻(ZC1；ZC’1)；基于所述零交叉时刻以及峰值半周期(E2e；E2’f)和所述起始时刻(t0)之间的关系来确定所述信号响应(E2；E2’)的起始时刻(t0)。

Description

确定周期性振荡信号响应的起始时刻的方法
技术领域
本发明涉及一种确定周期性振荡信号响应的起始时刻的方法、实现所述方法的软件和利用所述方法的设备。
背景技术
声学测量系统存在多种变体，并且可以用于许多不同的领域，例如测量容器罐或容器箱等中的液面或体积、测量距离、测量流量、诸如超声检查之类的医学诊断、位置确定等等。
一个示例是用于液面测量的回声型声学系统。在这种系统中，将声学换能器典型地设置在包含液体的容器箱中的最高点处，将测量所述液体的液面或体积。声学换能器从发射机馈送第一电信号。响应于第一信号，所述换能器产生声学脉冲，该脉冲向下传输至液体的表面，声学脉冲典型地按照振荡波的形式。在表面反射之后，通过变换能器再次拾取所述脉冲，换能器响应于此产生馈送至接收机的第二电信号。确定所述第一和第二电信号之间的时间间隔、即声学脉冲的转变时间，并且利用所述声学脉冲在正被讨论的介质中的传播速度的知识来计算从换能器到液体表面的距离。
经合这种转变时间测量显而易见，重要的是能够实现反射脉冲或回声接收时间的精确确定。
US2007/0186624公开了一种测量医疗液体中信号传输时间的声学方法，其中在第一半周期期间对振荡器接收信号进行采样，并且基于静止液面所封闭的面积和半周期期间所接收的信号，利用选择准则的帮助来进行检查。当这种检查结果是肯定的时，利用所计算的信号转变时间来确定所接收的信号和静止液面之间的交点。
然而，所接收信号的放大或衰减典型地随着声学信号所传播的液体温度而改变。这可以引起在温度不稳定应用中的错误测量。
在致力于减小由温度变化引起的测量误差时，US6,226,598公开了一种定义理想特征第一周期的方法，其特征在于所述理想特征第一周期的两个波瓣幅度之间的理想幅度比。那么，对于所接收的声音信号的每一个周期，确定正在检查的周期的两个波瓣的幅度，并且将所述幅度的比与理想幅度比进行比较。如果比较结果是大于阈值，将所考虑的周期看作是噪声，而如果比较结果小于阈值，则将这两个波瓣之间的零交叉看作是所接收信号的第一零交叉。
然而在一些应用中，这种方法可能要求太多计算。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是实质上克服现有技术的至少一些缺点。具体地，本发明的目的是提供一种确定周期性振荡信号响应的起始时刻的有效计算的方法。
根据本发明的第一方面，提出了一种确定周期性振荡信号响应的起始时刻的方法，其中所述信号响应包括：第一组半周期，具有与信号响应中的第一半周期的极性相同的极性；以及第二组半周期，具有与信号响应中的第一半周期的极性相反的极性。所述方法包括以下步骤：确定峰值半周期作为在第一和第二组中所选择的那一组中具有最高幅度的半周期；确定信号响应的在与峰值半周期相距已知时间距离处发生的零交叉时刻；基于所述零交叉时刻以及峰值半周期和所述起始时刻之间的关系来确定所述信号响应的起始时刻。
注意，所述峰值半周期可以是这样的半周期：即使在第二组中存在具有较高幅度的半周期，所述半周期具有第一组半周期中的最高幅度。类似的，所述峰值半周期可以是这样的半周期：即使在第一组中存在具有较高幅度的半周期，所述半周期具有第二组半周期中的最高幅度。因此，所述峰值半周期不必是在具有最高幅度(尽管也可以是)的信号响应中的半周期。
通过周期性振荡，可以理解的是所述信号响应本质上是周期性的，尽管在所述半周期的持续时间中可能存在某些变化。具体地，可以在所述信号响应内存在渐变偏移，使得所述第一半周期具有较长的持续时间，而随后的半周期的持续时间逐渐减小。
本发明是基于以下理解：用于确定周期性振荡信号响应的起始时刻的可靠方式是搜索峰值半周期(即具有最高幅度的给定极性的半周期)，然后，利用所述峰值半周期和信号响应的起始时刻之间的关系来确定所述起始时刻。
利用这种方法的优势是(即使在存在噪声的情况下)易于检测选定组中具有最高幅度的半周期。因此，所述方法可以利用更少的精密复杂测量设备，从而使得能够实现成本有效的解决方案。
所述峰值半周期和信号响应的起始时刻之间的关系可以是预先知道的。例如，所述信号响应的本质可以是使得具有最高幅度的半周期总是所述第二组中的第一半周期。这允许用直接和计算有效的方式来确定所述起始时刻。
所述方法还可以包括步骤：确定在先半周期的幅度和所述峰值半周期幅度之间的比率，其中所述在先半周期是在所述第一和第二组之一中的峰值半周期之前的半周期；将所述比率与阈值进行比较；以及基于所述比较，确定在所述峰值半周期和信号响应的起始时刻之间发生的半周期的个数，从而确定所述峰值半周期和所述起始时刻之间的关系。
这使得在峰值半周期和起始时刻之间的关系预先未知的情况下也能够实现精确测量，例如当所述信号响应已经失真时。优点是因为所述方法对于可能由于温度变化导致变换器Q值变化引起的失真不敏感，可以利用低成本的变换器。这使得能够实现更加成本有效的测量设备。
可以选择阈值，以便区分属于信号响应的振荡和噪声振荡。所述噪声可以是随机噪声、干涉噪声或者与由波传播中的干扰产生的回波有关的噪声。
当所述比率小于阈值时，可以解释为所述峰值半周期是在信号响应的起始时刻之后立即发生的选定组中的半周期。这使得能够建立峰值半周期和起始时刻之间的关系。
当所述比率至少等于(即等于或大于)阈值时，可以解释为选定组中有至少一个半周期发生在所述峰值半周期和信号响应的起始时刻之间。
根据实施例，所述选定的组是半周期的第二组。优点是在所述第二组中具有最高幅度的半周期的幅度典型地大于在第一组中具有最高幅度的半周期的幅度。因此，所述峰值半周期更加易于检测，并且测量变得更加对噪声不敏感。
根据实施例，所述在先半周期属于所述选定的组。优点是只需要检测一个极性，从而使得能够实现更加成本有效的设备。
优选地，当这些检测对于噪声不敏感时，所述零交叉时刻可以是在所述峰值半周期之前或之后即刻发生的零交叉时刻。然而，应该认识到也可以利用其他零交叉时刻。
所述峰值半周期和/或所述幅度之间的比率(即在先半周期的幅度和峰值半周期的幅度之间的比率)可以根据信号响应的非采样表示来确定。因为不要求采样，这使得能够实现成本有效的实现方式并且减小功耗。另外，消除了与采样过程相关联的任何不精确性。
可以通过以下步骤确定所述峰值半周期：检测一组时间段，在该组时间段期间，信号响应的幅度超过阈值幅度并具有与选定组中的半周期极性相同的极性；以及将所述组的时间段中的最长时间段解释为与峰值半周期相对应。对于信号响应的非采样表示，通常便利的是使用半周期的幅度超过给定幅度级别的时间作为所述幅度的指示而不是设法直接测量所述半周期的幅度。
所述方法还可以包括以下步骤：将在所述组时间段中的最长时间段之前的时间段解释为与所述在先半周期相对应；以及基于所关联的时间段的持续时间来确定所述在先半周期的幅度和所述峰值半周期的幅度之间的比率。
优点是这些步骤可以应用于信号响应的非采样表示。
根据实施例，可以通过以下步骤确定所述峰值半周期：向包括能量存储介质的电路提供所述信号响应；从所述电路获取输出信号，其中所述输出信号与所述能量存储介质上的电压相对应；对所获取的输出信号进行采样；选择一组样本，其中所述样本组中的每一个样本与第一和第二组半周期的选定那组半周期中的不同半周期相关联，并在相对于所关联的半周期的预定时刻被检测；以及确定与具有最高电压的样本相关联的半周期作为峰值半周期。
当将所述电路典型地配置为使得所述能量存储介质的电压减小比周期性振荡信号响应的电压变化更慢时，可以将与特定半周期相关联的检测的样本用作所述半周期幅度的直接指示。这使得能够实现这样的过程：在最小化所要求的数据处理和消耗存储容量的同时，利用了所采样的数据，从而允许使用低成本的微计算机。另外，缓慢的电压减小意味着对于低成本A-D转换器也可以实现可靠的结果。
可以通过以下步骤确定在先半周期的幅度和峰值半周期的幅度之间的比率：向包括能量存储介质的电路提供周期性振荡信号响应；从所述电路获取输出信号，其中所述输出信号与所述能量存储介质上的电压相对应；对所获取的输出信号进行采样；选择与在先半周期相关联的样本和与峰值半周期性相关联的样本；以及确定所述在先半周期的幅度和所述峰值半周期的幅度之间的比率作为与在先半周期相关联的样本的电压和与峰值半周期的幅度相关联的样本的电压之间的比率。可以在相对于在先半周期的预定时刻检测与所述在先半周期相关联的样本。类似地，可以在相对于所述峰值半周期的相应预定时刻检测与所述峰值半周期相关联的样本。优点是：由于缓慢的电压减小，对于低成本A/D转换器也可以实现可靠的结果。
可以通过以下步骤确定检测样本时的相对于半周期的预定时刻：确定所述半周期末端时发生的零交叉时刻；以及检测所识别的零交叉时刻之后的预定时间发生的样本。例如，可以检测下一个样本(即，在所述零交叉之后发生的样本)。
用于产生所述信号响应的触发信号可以配置为理想信号响应，具有最大幅度的半周期尽可能早的出现。优选地，第二组半周期中的第一半周期是具有最大幅度的半周期。
这种触发信号的示例将是具有约一个半周期持续时间的矩形脉冲。可选地，可以使用具有两个半周期持续时间的矩形脉冲。这种触发脉冲可以提供更加适用于本发明的用于检测的信号响应。具体地，从所述触发信号的第二半周期产生的信号响应将用于抑制从所述触发信号的第一半周周期产生的信号响应部分，从而确保在所述信号响应中较早出现最大幅度。
本领域普通技术人员应该可以理解，可以将其他类型的触发信号用于产生类似的信号响应。因此，所述脉冲的形状可以变化。例如，可以使用三角形脉冲或者具有圆形形状的脉冲。另外，所述触发信号的持续时间可以变化。触发信号的其他示例将是冲击脉冲、阶跃脉冲或啁啾。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于在处理设备上执行的软件，所述处理设备具有用于实现上述方法的程序指令。
根据本发明的第三方面，提出了一种声学测量设备，包括：换能器装置，用于发射和接收信号响应；处理设备，配置用于执行根据本发明的方法，以确定所接收的信号响应的起始时刻。
所述声学测量设备还可以包括：具有能量存储介质的电路；以及模数转换器。这种电路的示例是半波整流器。
根据以下详细公开、所附从属权利要求和附图，其他目的、特征和优点将是清楚明白的。
附图说明
参考附图、通过本发明优选实施例的以下说明性和非限制性详细描述，将更好地理解本发明的以上和附加目的、特征和优点，在附图中相同的参考数字将用于类似的元件，其中：
图1是声学级别测量系统的示意性说明；
图2a示意性地示出了触发信号的原理外形；
图2b-d示意性地示出了信号响应的原理性外形、相关联的时间段和由控制设备记录的零交叉时刻；
图2e-g示意性地示出了另一个信号响应的原理性外形、相关联的时间段和由控制设备记录的零交叉时刻；
图3是示出了用于确定周期性振荡信号响应的起始时刻的过程的示意性方框图；
图4是示出了用于确定周期性振荡信号响应的起始时刻的另一个过程的示意性方框图；
图5示出了另一个信号响应；
图6示出了仍然是另一个信号响应；
图7a示意性地示出了本发明的替代实施例，其中控制设备包括半波整流器和A/D转换器；
图7b示意性地示出了半波整流器的示例；
图8示意性地示出了提供给所述半波整流器的输入信号和所得到的输出信号。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明实施例的声学级别测量系统。所述系统可以典型地在超声以下(即小于20kHz)工作。然而，根据本发明的方法也可以应用于在较高频率下工作的系统(即超声频率)。
所述声学级别测量系统100包括：发射机-接收机102，与在管子106顶部设置的电声换能器104电连接。所述换能器104可以由如图1所示的单一单元构成，或者可以由与麦克风相结合的扬声器组成。
所述管子106延伸通过容器或溶气罐108的上部分，所述容器包含液体110，并且容器中的液面将被测量。
另外，所述发射机-接收机102与电子控制设备120相连，所述电子控制设备120配置用于控制所述发射机-接收机102，并且配置用于基于通过所述发射机-接收机102发射和接收的信号来计算液面。
在工作时，所述声学换能器104在预定时间间隔从发射机102接收第一电信号E1，也称作触发信号E1，并且响应该触发信号产生声学脉冲P1，允许所述声学脉冲传播通过管子106在液体表面110a再次反射，所述液体表面设置在管子106的下边缘之上。在发射之后的特定时间(称作脉冲的转变时间)，通过换能器104接收所反射的脉冲或回波P2，所述换能器将回波脉冲P2转换为第二电信号E2，也称作信号响应E2。
所述电子控制设备120接收触发信号E1和响应信号E2，所述触发信号引起所发射的脉冲P1，所述响应信号在接收所反射的脉冲P2时产生，并且确定来自两个电信号E1和E2的脉冲的转变时间，以估计液面。
图2a示意性地示出了电信号E1和E2的原理外形。
由换能器接收的触发信号E1是具有一个半周期持续时间和负极性的矩形脉冲，而所得到的信号响应E2是具有实质上正弦形状的周期性振荡信号。所述信号响应E2的起始时刻由t0来表示，信号响应中的第一个半周期E2a具有负极性，即与触发信号E1有相同的极性。然而，可以理解的是可以改变所述极性，例如通过切换换能器的电极。
如图2b所示，信号响应E2包括具有负极性的第一组半周期E2a-d和具有正极性的第二组半周期E2e-h。另外，所述信号响应E2典型地位于小振荡形式的噪声N1之后。
其中信号响应E2与静止液面202相交的时刻(即，当信号响应的幅度相对于静止液面为零时)称作零交叉时刻ZC1-ZC2。这里假设静止液面为0V，尽管也可以通过DC电压进行偏移。
除非信号响应E2以某种方式失真(下面将参考图e2进一步讨论)矩形脉冲E1将引起信号响应E2，其中第一正半周期E2e是具有最高幅度的信号响应中的正半周期，而随后的正半周期E2f-h的幅度将迅速衰减，从而产生在信号响应的开始附近具有不同幅度的信号响应。这种未失真的信号是理想信号响应的示例。
为了精确地确定脉冲的转变时间，所述电子控制设备120典型地利用触发信号E1的起始时刻和信号响应E2的起始时刻。
如本领域普通技术人员已经认识到的，确定触发信号E1的起始时刻是直截了当的，这里将不再进一步讨论。
为了确定信号响应E2的起始时刻t0，所述电子控制设备120包括放大器122、比较器124、具有相关联存储器128的处理设备126。
比较器124配置用于检测所述信号响应的幅度什么时候超过幅度阈值。
这里，比较器只检测信号响应E2的幅度什么时候超过幅度阈值(即这里将不再估计负半个周期E2a-d，尽管这种实施例也是可能的)。本领域普通技术人员应该认识的是，所述幅度阈值的级别可以依赖于应用而变化。然而，幅度阈值的典型值可以是比较器饱和电压的约50％。
图2b的信号响应E2示出了比较器124的幅度阈值204。这里，信号响应的第一正半周期E2e和第二正半周期E2f超过了比较器的幅度阈值204，而最后的半周期E2g-h小于所述幅度阈值204。同样，在所述示例中噪声N1小于所述幅度阈值。
可以通过调节设置在接收机102和比较器124之间的放大器的放大率来更改所述信号响应E2的幅度。因此，可以例如减小放大率，使得只有一个(或者没有)正半周期超过所述幅度阈值，或者增加放大率，使得多于两个正半周期超过所述幅度阈值。
比较器124与处理设备126相连，所述处理设备126记录什么时候所接收的信号具有超过所述幅度阈值204的幅度。然后可以将这一信息存储在存储器128中。
所述处理设备126也可以具有这样的功能：记录什么时候所接收的信号与静止液面202相交，并且将该信息存储在存储器128中。
在工作中，当接收机102接收信号响应E2时，所述电子控制设备120记录表示所接收的信号E2的幅度超过所述正幅度阈值204的间隔的一组时间段。
对于图2b所示的测量情况，通过图2c所示的控制设备记录两个时间段T1和T2。这里，时间段T1表示半周期E2e的发生，时间段T2表示半周期E2f的发生。
另外，所述电子控制设备120对于如图2d所示的信号响应E2记录一组零交叉时刻ZC1-ZC2。
现在将参考图2以及图3所示的示意图描述确定信号响应E2的起始时刻的方法。
注意：这里假设在信号响应E2中具有最高幅度的正半周期是第一正半周期E2e。
首先在步骤301，将峰值半周期确定为具有最高幅度的正半周期。由控制设备120记录的最长时间段T1这里解释为具有最高幅度的正半周期E2e的表示。
应该注意的是在一些情况下，可以按照以下方式便利地调节放大器122的放大率，即只有具有最高幅度的正半周期超过所述幅度阈值204，以促进峰值半周期的识别。
然后在步骤302，确定信号响应的在与峰值半周期E2e相距已知时间距离处发生的零交叉时刻。优选地是利用在峰值半周期E2e之前或之后发生的零交叉时刻。然而，也可以使用其他零交叉时刻。这里，使用在峰值半周期E2e之前发生的零交叉时刻ZC1。
在步骤303，基于所述零交叉时刻ZC1和峰值半周期E2e和信号响应的起始时刻t0之间的关系来确定信号响应E2的起始时刻t0。因为这里已经假设信号响应中具有最高幅度的正半周期是第一正半周期E2e，峰值半周期E2e这里是信号响应中的第一正半周期的定义。因为信号响应E2随着负半周期开始，已知将存在峰值半周期E2e和起始时刻t0(即负第一半周期E2a)之间发生的一个半周期。另外，因为已经将零交叉时刻ZC1选择为在峰值半周期E2e之前发生的零交叉时刻，可以总结出所述信号响应的起始时刻t0在所述零交叉时刻ZC1之前的一个半周期发生。
假设所述信号响应实质上是正弦，可以将所述起始时刻计算如下：
t 0 = t ZC 1 - T 2 ,
其中t0是信号响应的起始时刻；
tZC1是零交叉时刻ZC1发生的时间；以及T是振荡信号响应的一个周期的时间。
尽管上述方法可应用于很大范围的情况，也存在没有将信号响应中具有最高幅度的正半周期假设为第一正半周期的情况。
例如，存在信号响应E2失真的情况，使得峰值半周期不再是正第一半周期。这由图2e中的失真信号响应E2’来表示，其中具有最高幅度的正半周期是第二正半周期E2’f。
这种失真可能是例如由换能器104的Q值变化引起的。所述换能器的Q值可以随温度变化，尤其是对于低成本换能器。因此，信号响应的失真可能在温度不稳定的应用中增加。
应该认识的是，如果不知道所述峰值半周期是否是信号响应中的第一正半周期或第二正半周期，这可能导致一个周期的测量误差，从而显著地减小声学级别测量系统的测量精度。
为了克服这一问题，可以确定在信号响应E2’的峰值半周期E2’f和起始时刻t0之间发生的半周期的个数。
为了进行这种操作，将峰值半周期之前的正半周期E2’e的幅度和峰值半周期E2’f的幅度之间的比率与选择的阈值进行比较，以便将属于信号响应的振荡与噪声振荡相区分。
在典型的应用中，所述阈值可以是约40％。然而，优选的阈值可以基于噪声的幅度和信号响应的失真幅度而变化。
例如，在信号响应的预期失真较低的应用中，可以将所述阈值设置为高至80％，以减小将任何噪声解释为信号响应一部分的风险。如果存在多个噪声，较高的阈值也可以是优选的。
另一方面，在几乎没有噪声的有利条件下，可以将所述阈值设置为低至15％，甚至10％。低阈值使得能够使用低成本换能器(具有不稳定的Q值)，从而使得能够实现更加成本有效的测量设备。
在一些应用中，可以通过选择比较器124的幅度阈值204使其与所述阈值一致，来便利地确定在峰值半周期E2’f和信号响应E2’的起始时刻t0之间发生的半周期的个数。因此，如果存在与峰值半周期相关联的时间段之前发生的、由比较器124记录的时间周期，这一时间周期将是第一正半周期。
现在将参考图2e-g和图4所示的示意性方框图描述用于确定信号响应E2’的起始时刻的方法。
在该实施例中，假设将比较器124的幅度阈值204设置为与所述阈值一致。也假设所述峰值半周期是所述信号响应中的第一正半周期或第二正半周期。
首先在步骤401中，将峰值半周期确定为是具有最高幅度的正半周期。这里将由控制设备120记录的最长时间段T’2解释为具有最高幅度的正半周期E2’f。
然后在步骤402中，将在先半周期确定为在所述峰值半周期E2’f之前的正半周期。因此将在最长时间段T’2之前的时间段T’1解释为在所述峰值半周期E2’f之前的正半周期E2’e的表示。
在步骤403，确定在先半周期的幅度和峰值半周期的幅度之间的比率，并且然后在步骤404中，将这一幅度比率与阈值进行比较。然而在该实施例中，明确地不执行步骤403和404。因为将比较器124的幅度阈值204设置为与所述阈值一致，时间段T’1的存在只是表示所述在先半周期属于所述信号响应(而如果在时间段T’2之前没有检测到时间段，这将表示所述峰值半周期将是所述信号响应中的第一正半周期)。
在步骤405，确定信号响应的在与所述峰值半周期E2’f相距已知时间距离处发生的零交叉时刻。这里，使用在所述峰值半周期E2’f之前发生的零交叉时刻ZC’1。
在步骤406，然后基于所述零交叉时刻ZC’1和所述峰值半周期E2’f和起始时刻t0之间的关系来确定所述信号响应E2’的起始时刻t0。因为在步骤402中已经确定在在峰值半周期E2’f和起始时刻t0之间发生一个正半周期(即正半周期E2’e)。已知在峰值表半周期E2’f和起始时刻t0之间发生的三个半个周期。另外，因为已经将所述零交叉时刻选择为在所述峰值半周期E2’f之前发生的零交叉时刻ZC’1，可以总结出所述信号响应的起始时刻t0在所述零交叉时刻ZC’1之前的三个半周期发生。
假设所述信号响应实质上是正弦，可以将所述起始时刻计算如下：
t 0 = t Z C ′ 1 - 3 · T 2
其中t0是信号响应的起始时刻；
tZC’1是零交叉时刻ZC’1发生的时间；以及
T是振荡信号响应的一个周期的时间。
在一些应用中，可能在信号响应的半周期的持续时间上存在一些变化(即整个信号响应中，时间T不是恒定的)。本领域普通技术人员应该认识的是可以对这种变化进行补偿。
自然，本发明也可适用于其中所述峰值半周期是第一正半周期的信号响应。这可以通过图2b所示的信号响应E2来进行理解。在这种情况下，将不存在与峰值半周期E2e相关联的最长时间段T1之前记录的时间段。因此，已知的是所述峰值半周期E2e是第一正半周期。然后，可以通过搜索在峰值半周期E2e之前的零交叉时刻ZC1来确定所述起始时刻。所述信号响应E2的起始时刻t0将在所述零交叉时刻ZC1之前的一个半周期发生。
根据替代实施例，比较器的幅度阈值小于所述阈值，其中可以参考图2e-g和图4如下所述明确地执行步骤403和404。
在步骤403，基于所关联时间段的持续时间来确定在先半周期E2’e的幅度Aprec和峰值半周期E2’f的幅度Apeak之间的比率。
假设所述信号响应E2’是实质上正弦的，可以通过基本三角法计算各个半周期的幅度。
在步骤404，然后将所述比率与阈值进行比较，以确定所述半周期是否是信号响应的一部分，或者应该将其看作是噪声。如果所述比率超过阈值，即
Figure BPA00001350904000131
将所述在先半周期看作是属于信号响应，如果所述比率不超过阈值，则会将在先半周期看作是噪声。
图5示出了其中所述阈值幅度204对于将要由比较器204记录的噪声N1足够低的情况。在这种情况下，确定在先半周期N1a(由噪声产生)的幅度和峰值半周期的幅度E2e之间的比率。然而，因为所述比率在这里小于阈值，这将不会将所述在先半周期N1a看作是信号响应的一部分，并且将峰值半周期E2e看作是信号响应中的第一正半周期。
根据本发明的方法也可应用于当超过一个正半周期在所述峰值半周期之前时，通过搜索所述峰值半周期、然后反复地估计位于所述峰值半周期和所述起始时刻之间有多少个正半周期。
现在将参考图6描述其示例。这里，两个正半周期E2”e-f位于峰值半周期E2”g和起始时刻t0之间。
首先，确定峰值半周期E2”g。然后，确定在先半周期E2”f的幅度和峰值半周期E2”的幅度之间的比率。当这种比率超过阈值时，所述在先半周期E2”f解释为在峰值半周期和起始时刻t0之间发生的半周期。接下来，确定新的在先半周期(这里是所述最近识别的半周期E2”f之前的正半周期E2”e)的幅度和最近识别的半周期e2”f的幅度之间的比率。当所述新的在先半周期的幅度和最近识别的半周期e2”f的幅度之间的比率超过阈值时，将所述新在先半周期E2”e解释为是在峰值半周期E2”g和起始时刻t0之间发生的半周期。在下一次迭代时，确定作为噪声的半周期N1a的幅度和最近识别的半周期E2”e的幅度之间的比率。当这种比率小于阈值时，将忽略所述半周期N1a，并且将所述半周期E2”e看作是信号响应中的第一正半周期。这也意味着迭代停止。
在计算所述幅度比率的实施例中，优选地，选择所述比较器的幅度阈值，以便实现所估计半周期的幅度的良好表示。
如果将所述幅度阈值(相对于所估计的半周期的幅度)设置得太高，存在比较器不能检测到信号响应中的第一正半周期的风险。另一方面，如果将所述幅度阈值(相对于所估计的半周期的幅度)设置得太低，由比较器记录的时间中的小变化将与信号响应幅度中相对较大的变化相对应(因为信号响应的导数将大到接近静止液面，并且连续地变小直到约在所述半周期顶部附近近似为零)。
为了找到合适的幅度阈值，当开始测量和/或丢失信号时，可以执行校准过程。下面参考图1和图2b描述其示例。
当开始校准过程时，所述放大器的放大率较低。然后产生一系列的实质上相同的触发信号E1。对于每一个触发信号E1，通过处理设备126记录相应的接收信号响应E2。所述处理设备126通过反馈回路控制所述放大器122，并且对于每一个所接收的信号响应E2增加放大率，直到具有最高幅度的正半周期的幅度(这里是峰值幅度E2e)使比较器124饱和。在典型的应用中，所述比较器124的饱和电压可以是约5v。
然后，将所述幅度阈值204设置为约是比较器饱和电压的约50％，即这里是约2.5V。
图7a示意性地示出了本发明的替代实施例。该实施例与前述实施例的不同之处在于所述控制设备120包括具有能量存储介质C的电路702和用于对从电路702获得的信号进行采样的模数(A/D)转换器704。如图7b示意性示出的，所述电路702可以是半波整流器702，包括：二极管706、电阻器R1和这里是电容器C的能量存储介质C。
现在将参考图7a-b和图8描述所述电子控制设备120的操作。这里，施加至半波整流器702的输入电压Vin是信号响应E2’。另外，这里假设初始对所述电容器C放电。
图8示意性地示出了施加至所述半波整流器702的输入电压Vin和由所述半波整流器702随时间输出的相应输出信号Vout(这里是电容器C上的电压)。
当所述半波整流器702接收第一正半周期N1a(这里是噪声)时，施加至所述半波整流器702上的输入电压Vin是逐渐增加的，结果是所述半波整流器702的输出电压Vout的相应增加。输入电压Vin也对电容器C充电。然后，当减小输入电压Vin时(即在第一正半周期N1a的峰值之后)，电容器C开始放电，并且减小所述半波整流器702的输出电压Vout。然而，如从图8清楚看出的，通过电路702输出的信号Vout的电压减小实质上小于信号响应E2’的电压减小。
那么，当所述半波整流器702接收第二正半周期E2’e时，再次逐渐增加所述输入电压Vin，并且当所述输入电压Vin超过电容器C上的电压时，所述电容器开始再次充电。那么当减小输入电压Vin时(即在第二正半周期E2’e的峰值之后)，所述电容器C再次开始放电，并且输出电压Vout再一次减小。
对于后续的正半周期E2’f-i重复这一过程。
所述A/D转换器704典型地可以适用于按照预定的采样频率对由所述半波整流器输出的信号Vout进行连续采样。
为了确定每一个正半周期e2’e-i的幅度，所述控制设备120可以配置用于选择一组样本，其中每一个样本(SN1a、Se2’e-i)与不同的半周期(N1a、E2’e-i)相关联，并对样本进行选择，使得按照相对于所讨论的半周期的预定时机来检测每一个所选择的样本。例如，可以将所述半周期末端处的零交叉时刻用于触发控制设备120，以便将从A/D转换器704获取的下一个样本存储在存储器128中。在所示示例中，这导致如图8所示的样本SN1’a、SE2’e、SE2’f、SE2’g、SE2’h和SE2’i。然后找到所述峰值半周期E2’f作为与具有最大幅度的样本相关联的正半周期，即所述正半周期E2’f是峰值半周期。
注意：尽管所述样本SE2’g、SE2’h和SE2’i的电压这里比信号响应的相应半周期E2’g-i的电压更高，实现了精确的结果，因为其足以确定这些后续的半周期e2’g-i小于前一个半周期E2’f。
在已经确定所述峰值半周期E2’f之后，可以根据图4所示的过程确定周期性振荡信号E2’的起始时刻t0。在进行这种操作时，可以将所述样本的电压用于计算所述幅度比率。例如，可以将所述在先半周期E2’e的幅度和所述峰值半周期E2’f的幅度之间的比率确定为与在先半周期E2’e相关联的样本SE2’e的电压和与峰值半周期E2’f的幅度相关联的样本SE2’f的电压之间的比率。
如本领域普通技术人员所认识到的，电容器C的放电速率、以及因此减小半波整流器的输出电压Vout的速率可以通过改变电阻器R1的阻抗和/或电容器C的电容来调节。因为将输出电压Vout用于比较不同的半周期或者用于计算不同半周期之间的比率，减小所述输出电压的速率典型地对于过程的可靠性不是严格的。因此优选地，可以将减小输出电压的速率选择对于检测后续回波足够的快。可选地，所述电路可以包括另一个(可选的)电阻器R2，所述另一个电容器可以与电阻器R1并联。这样，通过在已经检测到回波之后闭合开关708，可以重新复位半波整流器。上面主要参考几个实施例描述了本发明。然而，如本领域普通技术人员易于理解的，在由所附权利要求所限定的本发明范围之内，除了上述公开的其他实施例也是可能的。
例如，尽管上述比较器只是检测具有正极性的半周期，也可以是这样的结构：其中比较器只检测具有负极性的半周期，或者比较器检测两个极性的半周期。
另外，在检测两种极性的情况下，可以确定具有相反极性的半周期的幅度之间的比率，并且将其与阈值进行比较。例如，参考图2e，当确定位于所述峰值半周期和起始时刻t0之间的半周期的个数时，可以确定半周期E2’f的幅度和半周期E2’b的幅度之间的比率，并且将其与阈值进行比较。
同样，当确定位于峰值半周期和起始时刻t0之间的半周期的个数时，也可以确定两个负半周期的幅度之间的比率，并且将其与阈值进行比较。
另外，对于使用采样的实施例，如果所述A/D转换器具有足够高的采样频率(即，可以省略具有能量存储介质的电路)，可以直接对信号响应进行采样。
应该理解的是，尽管所示示例示出了在波导中传播的波包，本发明同样可以应用于在大气中传播的波包。

Claims (18)

1.一种确定周期性振荡信号响应(E2；E2’)的起始时刻(t0)的方法，其中所述信号响应包括：第一组半周期(E2a-d；E2’a-d)，具有与信号响应中的第一半周期(E2a；E2’a)的极性相同的极性；以及第二组半周期(E2e-h；E2’e-h)，具有与信号响应中的第一半周期(E2a；E2’a)的极性相反的极性，所述方法包括以下步骤：
将峰值半周期(E2e；E2’f)确定为在第一和第二组中所选择的那一组中具有最高幅度的半周期；
确定所述信号响应的在与峰值半周期(E2e；E2’f)相距已知时间距离处发生的零交叉时刻(ZC1；ZC’1)；
基于所述零交叉时刻(ZC1；ZC’1)以及峰值半周期(E2e；E2’f)和所述起始时刻(t0)之间的关系来确定所述信号响应(E2；E2’)的起始时刻(t0)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
确定在先半周期(E2’e)的幅度和所述峰值半周期(E2’f)的幅度之间的比率，其中所述在先半周期(E2’e)是在所述第一和第二组之一中的所述峰值半周期(E2’f)之前的半周期；
将所述比率与阈值进行比较；以及
基于所述比较，确定在所述峰值半周期(E2’f)和信号响应(E2’)的起始时刻(t0)之间发生的半周期的个数，从而确定所述峰值半周期(E2’f)和所述起始时刻(t0)之间的关系。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：
当所述比率小于所述阈值时，所述峰值半周期是在信号响应的起始时刻之后发生的选定组中的半周期。
4.根据权利要求2或3所述的方法，还包括以下步骤：
当所述比率至少等于所述阈值时，所选择的组中有至少一个半周期发生在所述峰值半周期和信号响应的起始时刻之间。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：
解释为所选择的组中只有一个半周期发生在所述峰值半周期和信号响应的起始时刻之间。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所选择的组是所述第二组半周期。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述在先半周期属于所选择的组。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述零交叉时刻是在所述峰值半周期之前或之后发生的零交叉时刻。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中选择所述阈值，以便区分属于信号响应(E2；E2’)的振荡和作为噪声(N1)的振荡。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中根据所述信号响应的非采样表示，来确定以下项目中的至少一个：所述峰值半周期，以及所述幅度之间的比率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中通过以下步骤确定所述峰值半周期(E2e；E2’f)：
检测一组时间段(T1-T2；T’1-T’3)，在该组时间段期间，信号响应(E2；E2’)的幅度超过阈值幅度(204)，并且具有与所选择的组中的半周期极性相同的极性；以及
解释为在所述组时间段中的最长时间段(T1、T’2)与所述峰值半周期(E2e；E2’f)相对应。
12.根据从属于权利要求2的权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
解释为在所述组时间段中的最长时间段(T’2)之前的时间段(T’1)与所述在先半周期(E2e’)相对应；以及
基于所关联的时间段的持续时间来确定所述在先半周期(E2e’)的幅度和所述峰值半周期(E2’f)的幅度之间的比率。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，通过以下步骤确定所述峰值半周期：
向包括能量存储介质(C)的电路(702)提供所述信号响应(E2’)；
从所述电路(C)获取输出信号(Vout)，其中所述输出信号(Vout)与所述能量存储介质(C)上的电压相对应；
对所获取的输出信号(Vout)进行采样；
选择一组样本(SN1a，SE2’e-i)，其中所述组样本中的每一个样本(SN1a，SE2’e-i)与第一和第二组半周期中所选择的那一组半周期中的不同半周期(N1a，E2’e-i)相关联，并在相对于所关联的半周期的预定时刻被检测；以及
确定与具有最高电压的样本相关联的半周期作为所述峰值半周期(E2e；E2’f)。
14.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，其中通过以下步骤确定所述在先半周期(E2’e)的幅度和所述峰值半周期(E2’f)的幅度之间的比率：
向包括能量存储介质(C)的电路(702)提供所述信号响应(E2’)；
从所述电路获取输出信号(Vout)，其中所述输出信号与所述能量存储介质(C)上的电压相对应；
对所获取的输出信号(Vout)进行采样；
选择与在先半周期相关联的样本(SE2’e)和与所述峰值半周期性(E2’f)相关联的样本(SE2’f)；以及
确定所述在先半周期(E2’e)的幅度和所述峰值半周期(E2’f)的幅度之间的比率，作为与所述在先半周期(E2’e)相关联的样本(SE2’e)的电压和与所述峰值半周期(E2’f)的幅度相关联的样本(SE2’f)的电压之间的比率。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，检测样本时的相对于半周期的预定时刻通过以下步骤确定：
确定所述半周期末端时发生的零交叉时刻；以及
选择在所识别的零交叉时刻之后的预定时间发生的样本。
16.根据任一前述权利要求所述的方法，其中用于产生所述信号响应(E2；E2’)的触发信号(E1)被配置为使得对于理想信号响应(E2)，第二组半周期(E2e-h)中的第一半周期(E2e)是具有最大幅度的半周期。
17.一种用于在处理设备上执行的软件，所述软件具有用于实现根据任一前述权利要求所述方法的程序指令。
18.一种声学测量设备，包括：
换能器装置(104)，用于发射和接收信号响应；以及
处理设备(126)，配置用于执行根据权利要求1-16中任一项所述的方法，以确定所接收的信号响应(E2；E2’)的起始时刻。
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