CN102297712B - 一种超声回波传播时间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体中超声波传播时间测量方法，针对不同的流速采用相应的基波信号进行互相关运算，搜索互相关函数峰值即可得到传播时间。不同流速的基波信号是在动态测量的过程中提取的实际数据，因此具有较好的精度，能够反映实际情况。采用相应流速的基波信号进行互相关运算，从而计算动态超声信号的传播时间，测量误差大大减小，减小了测量结果的不确定性。而且，互相关运算是利用信号相似性，相似度越高精度越高，对非相关噪声抑制效果明显。本发明还提供了一种新的基波提取方式，其通过设定的能量约束边界，准确获得基波信号，与采用门限法获得回波到达时间从而提取基波信号相比，本发明提取的基波信号的起始段更加准确。

Description

一种超声回波传播时间测量方法

技术领域

本发明属于超声流量测量技术领域，具体涉及一种在超声流量计中超声回波传播时间测量方法。

背景技术

超声流量计是利用超声波信号在流体中传播时承载流速信息来计算流体流速，进而推算出流量的新型流量测量仪表，具有非接触式，测量精度高，安装维护方便等优点。

超声回波传播时间是指发射端超声换能器发射信号到接收端换能器接收信号所经历的时间间隔，如图1所示，T为真实超声回波传播时间，T′为实际测量的传播时间。通常发射信号是信噪比较高的规则波形(方波或正弦波等)，发送时刻易确定，而由于超声传播路径上的噪声干扰，信号到达时并非规则波形。因此信号到达时刻定位困难，T和T′之间总会存在一定的偏差，因此给超声回波传播时间测量造成一定的困难。

在现有技术中，可以采用基波与信号做相关运算得到超声回波到达时间，所用的基波信号是预先存储的。但是，不同流速下流体流态存在差异。流速较小时流体质点只沿流动方向作一维运动，表现为分层流动称为层流。当流速较大时，流体会出现其他非流动方向上的随机运动，表现为紊乱流动称为湍流。由于流速影响，超声回波信号波形可能会发生变化，使用在某一流速下获得的固定基波信号来计算动态超声信号的传播时间，往往结果误差很大。

此外还有一种门限法确定信号到达时间，当超声回波信号幅值超过设定阈值并检测到波形特征点时(过零点)认为回波信号到达，修正后得到到达时刻，如图1中的T′对应的到达时刻。门限法的显著缺点是：由于管道中介质流速、温度和压力等参数变化，信号波动较大，噪声信号叠加到声波中容易产生误触发或者不触发，导致测量偏差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种在超声流量计中超声波传播时间测量方法，能够提高超声波传播时间的测量精度。

该方法是这样实现的：

一种流体中超声波传播时间测量方法，换能器发射端发射超声波信号，换能器接收端接收超声回波信号；包括：

步骤1、将流体的流速范围划分为m个流速分布区间V₁，V₂，…，V_m，为每个流速分布区间设置一个对应的用于进行相关运算的基波信号，因此有m个基波信号R₁，R₂，…，R_m，所有基波信号的初始值均为零，m为正整数；流体处于静态时，提取基波信号并存储为静态基波信号R₀；超声波传播时间包括顺流传播时间和逆流传播时间，顺流和逆流的传播时间分别测量，对应于划分的m个流速分布区间，顺流和逆流各自存储m个基波信号；

步骤2、动态测量开始后，执行一次顺流测量和一次逆流测量，在顺流测量中使用为顺流测量存储的m个基波信号，在逆流测量中使用为逆流测量存储的m个基波信号；顺流测量和逆流测量的过程相同，包括如下步骤3～6；

步骤3、先将当前流速下超声回波信号S(t)与静态基波信号R₀作互相关运算，得到当前流速下的超声传播时间T₁；用得到的超声传播时间T₁进行流速估计，得到估计流速v₁；

步骤4、确定估计流速v₁所处的流速分布区间V_i，在各基波信号中搜索V_i对应的基波信号R_i，如果该基波信号R_i为零，则执行步骤5；否则，执行步骤6；

步骤5、针对当前流速下超声回波信号S(t)，提取基波信号，将基波信号R_i更新为提取的基波信号；然后利用当前流速下超声回波信号S(t)与更新后的基波信号R_i进行互相关运算，根据互相关运算峰值得到超声传播时间T₂，T₂取代T₁作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成；

步骤6、将当前流速下超声回波信号S(t)与基波信号R_i作互相关运算，得到超声传播时间T₃，T₃取代T₁作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成。

较佳地，所述基波信号的提取过程为：

a.依据超声波在管径中的声程L和流体中超声波传播速度C0，估计回波信号到达时间t_s；

b.对换能器接收端采样的原始超声回波信号的离散点S(k)加时间矩形窗，k＝1..P，P为总采样点数，窗内的超声回波信号记为S′(k)；时间矩形窗的起点N₀为：从预估的回波信号到达时间t_s向时间零点移动一段预设时长Δ；时间矩形窗的长度为预设长度；

c.利用预设的能量约束条件λ确定初始基准点位置k₀；其中，0＜λ＜1；具体为：

①搜索时间矩形窗内信号最大值点对应位置点，记为k_p，计算k_p到时间矩形窗起始点N₀间的信号能量

②以N₀点为起始点向k_p点搜索，针对每个被搜索到的位置k_λ，判断是否满足

当找到第一个满足条件的k_λ时，停止搜索；

③再以k_λ点为起始点向k_p方向搜索最近的负过零点，如果负过零点落在两个离散点之间，则采用多项式拟合得到精确的负过零点位置记为k₀，作为所述初始基准点位置；

d.从初始基准点位置k₀向时间轴零点移动5π/K₀，到达位置k₁，将k₁作为超声回波信号到达时刻，将接收的整个超声回波信号向时间零点平移k₁，得到基波信号，结束基波信号的获取流程。

有益效果：

本发明针对不同的流速采用相应的基波信号进行互相关运算，搜索互相关函数峰值即可得到传播时间。不同流速的基波信号是在动态测量的过程中提取的实际数据，因此具有较好的精度，能够反映实际情况。采用相应流速的基波信号进行互相关运算，从而计算动态超声信号的传播时间，测量误差大大减小，减小了测量结果的不确定性。而且，互相关运算是利用信号相似性，相似度越高精度越高，对非相关噪声抑制效果明显。

2.本发明提供了一种新的基波提取方式，其通过设定的能量约束边界，准确获得基波信号，与采用门限法获得回波到达时间从而提取基波信号相比，本发明提取的基波信号的起始段更加准确。

3.本发明在基波提取过程中，采用相位约束边界，确定信号是否畸变，如果畸变则用静态测量的数据提取基波，从而提高了基波提取的精确度。

4.此外，本发明还可以定期更新基波信号，使得基波信号的适应能力增强。

附图说明

图1为超声波传播示意图。

图2(a)为V型安装的超声流量计，图2(b)为Z型安装的超声流量计。

图3为每个流速分布区间对应设置一个基波信号的示意图

图4为本发明基波信号提取原理示意图。

图5为能量约束条件λ的取值选取原理示意图。

图6为某次顺流超声回波信号进行基波信号提取的结果。

具体实施方式

本发明提供了一种超声流量计中超声回波传播时间测量方法，其基本思想是：划分流速分布区间，针对每个流速分布区间对应设置一个基波信号，进行测量时，采用经验公式估算当前流速，选取估算流速所在流速分布区间对应的基波信号与回波信号进行互相关运算，根据互相关运算峰值得到超声传播时间，并且自适应更新基波信号。

可见，本发明避免了判定超声回波信号到达时刻带来的不确定性，根据估计的流速自适应选取基波信号，利用基波信号与超声回波信号互相关运算，能够获得较高的时间测量精度。

下面结合说明书附图及实施例对本发明方法作进行进一步详细说明。超声波信号在流体中顺流传播时间T_dn和逆流传播时间T_up为：

T_dn＝L/(C₀-Vcosθ)

(1)

T_up＝L/(C₀+Vcosθ)

其中L为超声波声程，如图2所示，对于V型安装的超声流量计，L＝2D/sinθ，对于Z型安装的超声流量计，L＝D/sinθ；C₀为流体中超声波传播速度，θ为超声回波传播路径与管道轴向夹角。因为声速C₀受温度影响较大，为减小偏差对式(1)变换处理，可得到超声波传播路径上平均流速计算式：

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}\·\frac{T_{\mathrm{up}}-T_{\mathrm{dn}}}{T_{\mathrm{up}}{T}_{\mathrm{dn}}}---\left(2\right)$

从式(2)可以看出，流速测量涉及顺、逆流超声传播时间，超声换能器声楔和电路并非严格意义上的对称，需要对顺、逆流传播时间分别测量。

因此本发明针对顺、逆流分别设置了基波信号，本发明的具体实现流程为：

步骤1、将流体的流速范围划分为m个流速分布区间V₁，V₂，…，V_m，如图3所示，为每个流速分布区间设置一个对应的用于进行相关运算的基波信号，因此有m个基波信号R₁，R₂，…，R_m，所有基波信号的初始值均为零，m为正整数；流体处于静态时，提取基波信号并存储为静态基波信号R₀；

超声波传播时间包括顺流传播时间和逆流传播时间，顺流和逆流的传播时间分别测量，对应于划分的m个流速分布区间，顺流和逆流各自存储m个基波信号；

步骤2、动态测量开始后，执行一次顺流测量和一次逆流测量，在顺流测量中使用为顺流测量存储的m个基波信号，在逆流测量中使用为逆流测量存储的m个基波信号；顺流测量和逆流测量的过程相同，包括如下步骤3～6；

步骤3、先将换能器接收端将当前流速下超声回波信号S(t)与静态基波信号R₀作互相关运算，得到当前流速下的超声传播时间T₁；用得到的超声传播时间T₁进行流速估计，得到估计流速v₁；v₁的计算公式参考公式(1)。

步骤4、确定估计流速v₁所处的流速分布区间V_i，在各基波信号中搜索V_i对应的基波信号R_i，如果该基波信号R_i为零，则执行步骤5；否则，执行步骤6；

步骤5、针对当前流速下超声回波信号S(t)，提取基波信号，将基波信号R_i更新为提取的基波信号；然后利用当前流速下超声回波信号S(t)与更新后的基波信号R_i进行互相关运算，根据互相关运算峰值得到超声传播时间T₂，T₂取代T₁作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成；

步骤6、将当前流速下超声回波信号S(t)与基波信号R_i作互相关运算，得到超声传播时间T₃，T₃取代T₁作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成。

至此，单次测量完成。

较佳地该方法进一步包括：定期更新各流速分布区间对应的基波信号，使得基波信号的适应能力增强。

●基波提取

在上述过程中，步骤1中涉及到静态基波信号R₀的提取，步骤5中也涉及到当前流速下基波信号的提取。提取基波信号的首先需要精确获取超声回波的到达时间，如果采用门限法则超声回波到达时间获取不够准确，容易受到噪声的影响。因此，本发明进一步提供了一种基波信号的提取方法，能够精确确定超声回波的到达时间，从而提高了基波信号的提取精度，进而进一步提高了超声传播时间的计算精度。

下面结合图4对基波信号提取过程进行描述，分成以下几个步骤进行：

a.依据超声波在管径中的声程L和流体中超声波传播速度C0，估计回波信号到达时间t_s，t_s＝L/C0，将t_s转换为离散点；

b.对换能器接收端采样的原始超声回波信号的离散点S(k)加时间矩形窗，k＝1..P，P为总采样点数，窗内的超声回波信号记为S′(k)。考虑Hilbert变换边界效应，窗体应足够长，时间矩形窗的起点N₀为：从预估的回波信号到达时间t_s向时间零点移动一段预设时长Δ；时间矩形窗的长度为预设长度。

在一较佳实施例中，Δ＝(0.2～0.3)D/sinθ，时间矩形窗的终点N₁为：从预估的回波信号到达时间t_s向时间零点的反向移动Δ2≥1.5t_s，那么时间矩形窗的长度就是Δ+Δ2。如图2实曲线所示。N₀对应18us，N₁对应32us。

c.利用预设的能量约束边界条件λ确定初始基准点位置k₀，其中，0＜λ＜1。

考虑到噪声干扰会影响过零点的判断，以及会淹没幅值比较小的超声波信号，因此本发明预设了一个能量约束边界条件λ；

本步骤c具体包括：

①搜索时间矩形窗内信号最大峰值点对应位置点，记为k_p(图4中k_p)，计算k_p到时间矩形窗起始点N₀间信号能量

②从N₀点开始向k_p点进行搜索，针对每个被搜索到的位置k_λ，判断是否满足

当找到第一个满足条件的k_λ时，停止搜索，如图4中k_λ，本实施例中，λ＝0.035；λ选择时可以利用试验方法通过不断尝试选取，也可以采用如图5所示的方法，后文会详细描述。

③以k_λ为起始点向k_p方向搜索最近的负过零点z₀，由于z₀可能落在两个离散点之间，为提高精度在z₀附近作多项式拟合y＝a₃x³+a₂x²+a₁x+a₀，a₀..a₃为多项式系数，实验表明零点附近三次五点多项式拟合效果最优，对拟合后的多项式求解过零点，得到z₀附近准确的负过零点位置k₀，作为所述初始基准点位置。

d.利用预设的相位约束条件γ判断位置k₀是否为信号到达基准点，0＜γ＜1；具体为：

①对窗内信号做Hilbert(希尔伯特)变换，得到Hilbert变换信号(图4中虚线曲线)，并根据Hilbert变换信号计算各点的瞬时相位(图4中离散点)。瞬时相位为周期分布，周期与超声换能器谐振周期相同，幅值在-π～π之间，对瞬时相位信号在过零点附近直线拟合y_i＝K_ix+b_i，i＝1..n，得到各周期内瞬时相位的直线斜率K_i和过零点P_i，i为相位周期编号，其中，将最靠近k_p的相位周期对应的斜率和过零点定义为K₀和P₀，沿时间轴零点方向进行序号增大的命名，图4中得到直线斜率K₀..K_n和过零点P₀..P_n，此处n＝3。Hilbert变换在对窗内信号快速傅立叶变换后在频域内完成，直线拟合方式采用最小二乘拟合。

②相位约束边界选取范围为0.01～0.02，本实施例中γ＝0.02，在P₁..P_n中搜索对应的直线斜率K_i与K₀的差值的绝对值大于γK₀且位于负过零点位置k₀左边的过零点P_i，则步骤c中所得位置k₀为信号到达基准点，执行步骤e；否则说明相位约束边界与能量约束边界存在矛盾，回波信号畸变严重或者信噪比很低，此时执行步骤f。

e.从基准点k₀向时间轴零点移动5π/K₀，到达位置k₁，k₁为超声回波信号到达时刻，将整个回波信号向时间零点平移k₁，得到基波信号；

f、将基准点k₀向时间零点搜索5π/K(K为静态时K₀)，到达位置k′₁，将k′₁作为超声回波信号到达时刻，将接收的整个超声回波信号向时间零点平移k′₁，得到基波信号。

至此，完成了基波信号的提取。

在实际中，上述过程中也可以省略步骤d的判断，直接执行步骤e。但是这样的处理所获得的基波信号在回波信号畸变严重或者信噪比很低的情况下，精度将会有所降低。省略步骤d的操作可以用于静态基波信号的提取。

●能量约束条件λ取值的精确确定

图5为能量约束条件λ的取值选取过程。包括如下步骤：

(11)静态时，采集M次超声回波信号S0_i(j)，i＝1..M，j＝1..N，N为每次采集的采样点数；将M次信号叠加取平均作为静态超声回波信号S0(j)， $S0\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S0}_i\left(j\right)/M;$

(12)根据超声波在管路中声程L和超声波在流体中传播速度C₀，估计超声回波到达时间T_s，T_s＝L/C₀，对于V型安装L＝2D/sinθ，对于Z型安装L＝D/sinθ，D为管道直径，θ为超声回波信号传播路径与管道轴向夹角；从T_s开始向远离时间零点方向搜索静态基波信号S0(j)的最大峰值，直到最大峰值点(T₀，X₀)；T为时间，X为幅值；

(13)以峰值点(T₀，X₀)为起点，向时间零点搜索静态基波信号S0(j)正的极值点(T_i，X_i)；i从0开始逐渐增加，如果X_i＞3.5X_i+1，则搜索结束，(T_i，X_i)为第一个显著峰值点，(T_i-2，X_i-2)为第三个显著峰值点；

(14)计算T_s到T_i-2之间信号能量e₁，

计算T_s到T₀之间信号能量e₀，

能量约束边界条件λ＝e₁/e₀。

●静态基波信号提取

在前述步骤f中使用了静态时的K₀，该参数值的获取可以采用前述基波提取过程，只是执行步骤d时，不是为了进行判断，只是为了获得K₀。在实际中，还可以采用如下过程获取静态基波信号。

(21)静态时，采集M次超声回波信号S0_i(j)，i＝1..M，j＝1..N，N为每次采集的采样点数；将M次信号叠加取平均作为静态超声回波信号S0(j)， $S0\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S0}_i\left(j\right)/M;$

(22)根据超声波在管路中声程L和超声波在流体中传播速度C₀，估计超声回波到达时间T_s，T_s＝L/C₀，对于V型安装L＝2D/sinθ，对于Z型安装L＝D/sinθ，D为管道直径，θ为超声回波信号传播路径与管道轴向夹角；从T_s开始向远离时间零点方向搜索静态基波信号S0(j)的最大峰值，直到最大峰值点(T₀，X₀)；T为时间，X为幅值；

(23)以峰值点(T₀，X₀)为起点，向时间零点搜索静态基波信号S0(j)正的极值点(T_i，X_i)；i从0开始逐渐增加，如果X_i＞3.5X_i+1，则搜索结束，(T_i，X_i)为第一个显著峰值点，记录此时i的值作为所述n，或者i-1作为所述n。(T_i-2，X_i-2)为第三个显著峰值点；如果不存在过零离散点以距离原点最近的离散点代替；

(24)第三个显著峰值点(T_i-2，X_i-2)向峰值点(T₀，X₀)方向搜索最近的负过零点(Z_i-2，0)，如果负过零点落在两个离散点之间，则采用多项式拟合得到精确的负过零点位置记为(Z′_i-2，0)；

(25)将静态超声回波信号S0(j)做希尔伯特变换，得到离散的相位信号；在峰值点(T₀，X₀)附近对-π～π之间离散相位信号进行直线拟合，拟合方式为最小二乘拟合，得到对应直线斜率，记录为K；

(26)将步骤(24)得到的精确负过零点(Z′_i-2，0)向时间零点搜索5π/K，到达位置K′，将静态超声回波信号S0(j)向时间零点平移K′，得到静态基波信号R₀。

在该静态基波信号提取过程中，还得到了K，存储起来，用于动态提取基波的过程。

可以看出，λ取值过程的步骤(11)～(13)与静态基波信号提取过程的步骤(21)～(23)相同，在实际中可以只执行一次，在此过程中，可以获得n值。然后执行步骤(14)获得λ，执行(24)～(26)获得的静态基波信号R₀及其K。

●实例

图6为某次顺流超声回波信号进行基波信号提取的结果，虚线为能量约束边界确定的初始基准点，实线为基波信号起始点，将该起始点平移到时间轴零点即可得到顺流基波信号。被测对象参数为：

管道内径：18mm

管道外径：23mm

管路材质：不锈钢管

超声换能器：压电式，V型安装

超声传播路径与管道轴向夹角：45度

流体介质：纯水

流速：0.5m/s左右

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种流体中超声波传播时间测量方法，换能器发射端发射超声波信号，换能器接收端接收超声回波信号；其特征在于，包括：

步骤1、将流体的流速范围划分为m个流速分布区间V₁，V₂,…,V_m，为每个流速分布区间设置一个对应的用于进行相关运算的基波信号，因此有m个基波信号R₁,R₂,…,R_m，所有基波信号的初始值均为零，m为正整数；流体处于静态时，提取基波信号并存储为静态基波信号R₀；超声波传播时间包括顺流传播时间和逆流传播时间，顺流和逆流的传播时间分别测量，对应于划分的m个流速分布区间，顺流和逆流各自存储m个基波信号；

步骤2、动态测量开始后，一个完整的测量过程需要执行一次顺流测量和一次逆流测量，在顺流测量中使用为顺流测量存储的m个基波信号，在逆流测量中使用为逆流测量存储的m个基波信号；顺流测量和逆流测量的过程相同，包括如下步骤3~6；

步骤3、先将当前流速下超声回波信号S(t)与静态基波信号R₀作互相关运算，根据互相关运算峰值得到当前流速下的超声传播时间T₁；用得到的超声传播时间T₁进行流速估计，得到估计流速v₁；

步骤4、确定估计流速v₁所处的流速分布区间V_i，在各基波信号中搜索V_i对应的基波信号R_i，如果该基波信号R_i为零，则执行步骤5；否则，执行步骤6；

步骤5、针对当前流速下超声回波信号S(t)，提取基波信号，将基波信号R_i更新为提取的基波信号；然后利用当前流速下超声回波信号S(t)与更新后的基波信号R_i进行互相关运算，根据互相关运算峰值得到超声传播时间T₂，T₂取代T₁作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成；

步骤6、将当前流速下超声回波信号S(t)与基波信号R_i作互相关运算，得到超声传播时间T₃，T₃取代T₁作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基波信号的提取过程为：

a.依据超声波在管径中的声程L和流体中超声波传播速度C₀，采用经验公式估计回波信号到达时间t_s；

b.对换能器接收端采样的原始超声回波信号的离散点S(k)加时间矩形窗，k＝1..P，P为总采样点数，窗内的超声回波信号记为S'(k)；时间矩形窗的起点N₀为：从预估的回波信号到达时间t_s向时间零点移动一段预设时长Δ；时间矩形窗的长度为预设长度；

c.利用预设的能量约束条件λ确定初始基准点位置k₀；其中，0＜λ＜1；具体为：

①搜索时间矩形窗内信号最大值点对应位置点，记为k_p，计算k_p到时间矩形窗起始点N₀间的信号能量

②以N₀点为起始点向k_p点搜索，针对每个被搜索到的位置k_λ，判断是否满足

当找到第一个满足条件的k_λ时，停止搜索，其中E_λ为中间变量，表示S′²(k)从起始点N₀到搜索位置k_λ的求和；

③再以k_λ点为起始点向k_p方向搜索最近的负过零点，如果负过零点落在两个离散点之间，则采用多项式拟合得到精确的负过零点位置记为k₀，作为所述初始基准点位置；

d.从初始基准点位置k₀向时间轴零点移动5π/K₀，到达位置k₁，将k₁作为超声回波信号到达时刻，将接收的整个超声回波信号向时间零点平移k₁，得到基波信号，结束基波信号的获取流程。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在执行步骤d之前，进一步包括步骤d’：利用预设的相位约束条件γ判断位置k₀是否为信号到达基准点，0＜γ＜1；具体为：

①对时间矩形窗内的信号做希尔伯特Hilbert变换，得到Hilbert变换信号，并根据Hilbert变换信号计算超声回波信号各点的瞬时相位；瞬时相位为周期分布，周期与超声换能器谐振周期相同，幅值在-π~π之间，对瞬时相位信号在过零点附近直线拟合，得到各周期内瞬时相位的直线斜率K和过零点P；其中，将最靠近k_p的相位周期对应的斜率和过零点定义为K₀和P₀，沿时间轴零点方向进行编号增大的命名，得到P₀,P₁,…,P_n，K₀,K₁,…,K_n；其中，n为预设的整数值；

②在P₁..P_n中搜索满足以下条件的过零点P_i，该过零点P_i的直线斜率K_i与K₀的差值的绝对值大于γK₀，且过零点P_i位于初始基准点位置k₀的左边；如果搜索到过零点P_i，则确定所述位置k₀为信号到达基准点，执行所述步骤d；否则，执行新增加的步骤e；

步骤e.将初始基准点位置k₀向时间零点搜索5π/K，K为静态时的K₀，到达位置k'₁，将k'₁作为超声回波信号到达时刻，将接收的整个超声回波信号向时间零点平移k'₁，得到基波信号，结束基波信号的获取流程。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述能量约束条件λ的取值选取过程为：

（1）静态时，采集M次超声回波信号S0_i(j)，i＝1..M,j＝1..N，N为每次采集的采样点数；将M次信号叠加取平均作为静态超声回波信号S0(j), $S0\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S0}_i\left(j\right)/M;$

（2）根据超声波在管路中声程L和超声波在流体中传播速度C₀，估计超声回波到达时间T_s，T_s＝L/C₀，对于V型安装L＝2D/sinθ，对于Z型安装L＝D/sinθ，D为管道直径，θ为超声回波信号传播路径与管道轴向夹角；从T_s开始向远离时间零点方向搜索静态基波信号S0(j)的最大峰值，直到最大峰值点(T₀,X₀)；T为时间，X为幅值；

（3）以峰值点(T₀,X₀)为起点，向时间零点搜索静态基波信号S0(j)正的极值点(T_i,X_i)；i从0开始逐渐增加，如果X_i＞3.5X_i+1，则搜索结束，(T_i,X_i)为第一个显著峰值点，(T_i-2，X_i-2）为第三个显著峰值点；

（4）计算T_s到T_i-2之间信号能量e₁，

计算T_s到T₀之间信号能量e₀，

能量约束边界条件λ＝e₁/e₀。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述静态基波信号提取过程和静态时K确定如下：

（1）静态时，采集M次超声回波信号S0_i(j)，i＝1..M,j＝1.N，N为每次采集的采样点数；将M次信号叠加取平均作为静态超声回波信号S0(j), $S0\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S0}_i\left(j\right)/M;$

（2）根据超声波在管路中声程L和超声波在流体中传播速度C₀，估计超声回波到达时间T_s，T_s＝L/C₀，对于V型安装L＝2D/sinθ，对于Z型安装L＝D/sinθ，D为管道直径，θ为超声回波信号传播路径与管道轴向夹角；从T_s开始向远离时间零点方向搜索静态基波信号S0(j)的最大峰值，直到最大峰值点(T₀,X₀)；T为时间，X为幅值；

（3）以峰值点(T₀,X₀)为起点，向时间零点搜索静态基波信号S0(j)正的极值点(T_i,X_i)；i从0开始逐渐增加，如果X_i＞3.5X_i+1，则搜索结束，(T_i,X_i)为第一个显著峰值点，(T_i-2,X_i-2）为第三个显著峰值点；如果不存在过零离散点以距离原点最近的离散点代替；第三个显著峰值点(T_i-2,X_i-2）向峰值点(T₀,X₀)方向搜索最近的负过零点(Z_i-2，0)，如果负过零点落在两个离散点之间，则采用多项式拟合得到精确的负过零点位置记为(Z′_i-2，0)；

（4）将静态超声回波信号S0(j)做希尔伯特变换，得到离散的相位信号；在峰值点(T₀,X₀)附近对-π~π之间离散相位信号进行直线拟合，拟合方式为最小二乘拟合，得到对应直线斜率，记录为K；

（5）将步骤（3）得到的精确负过零点(Z′_i-2，0)向时间零点搜索5π/K，到达位置K'，将静态超声回波信号S0(j)向时间零点平移K'，得到静态基波信号R₀。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，记录第一个显著峰值点(T_i,X_i)对应的i值作为所述n，或者i-1作为所述n。

7.如权利要求2至5任意一项所述的方法，其特征在于，Δ=（0.2~0.3）D/sin θ，其中D为管道直径，θ为超声回波信号传播路径与管道轴向夹角。

8.如权利要求2至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述时间矩形窗长度为Δ+Δ2，Δ2≥1.5t_s。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相位约束条件γ的取值区间为0.01~0.02。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：定期更新各流速分布区间对应的基波信号。

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