CN102590598A - 基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法。现有过零检测方法将信号与零电位进行电压比较，直接以测量方式确定信号过零点，存在抗干扰能力差的问题。本发明提出了一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法。该发明采用测量与计算相结合的方法，通过多阈值比较以测量方式获取样本点参数，以此进行超声波波形曲线拟合，进而采用拟合所得的曲线方程计算出超声波接收信号的过零点。本发明有效解决了传统过零检测方法抗干扰能力差的问题，提高了超声波信号过零检测的精度与可靠性。此发明适用于各种超声波检测领域，尤其适用于接受波信号信噪比低的气体超声波流量计，能够大大提高其检测精度和抗干扰能力。

Description

基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法

技术领域

本发明涉及一种超声波信号过零点检测方法，特别是涉及一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法。

背景技术

在超声波信号检测技术中，阈值检测技术和过零检测技术是其中两大检测技术。所谓阈值检测(阈值比较)，是指用一个高出零电位许多的电压值作为比较器的触发信号，当信号的电压值高于此触发信号时，比较器输出置高，否则置低；所谓过零检测(过零比较)，是指用非常接近于零电位的电压值作为比较器的触发信号，当信号的电压值高于此触发信号时，比较器输出置高，否则置低。

阈值检测相对于过零检测而言，由于其对比较电压的要求不高，因此对比较器性能的要求也不高，成本较低。但由于超声波接收信号通常存在幅值波动和波型扭曲的现象，采用阈值检测容易产生较大的误差。而由于超声波在传播过程中频率保持不变的特性，使得其在固定的声程内，在相同环境的同一介质中其过零点始终不变，因此采用过零检测技术较阈值比较技术能获得更高的精度。

不过，过零比较技术也存在其固有的弊病——处理信噪比较低信号时精度较差。在固定的声程内，在相同环境的同一介质中，超声波信号的过零点始终不变的，但由于环境影响，超声波信号线上总会耦合上不规则的噪声干扰，使得直接测量信号的过零点总会受到噪音的干扰，降低测量精度。

为了解决过零检测信噪比低的问题，一般有两种方法：一种是利用多次测量求平均的方法，简单有效。但测量次数的增加将带来整机功耗的增大，随着对产品低功耗的要求越来越高，此方法已不适用于低功耗超声波产品之中，尤其是不适用于以电池为电源的超声波仪表之中；另一种方法是购买一片高性能的过零比较器和设计一套高性能的滤波电路。此方法已牺牲成本为代价，不适用于低成本的超声波民用产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法，意在用低成本有效解决超声波信号过零检测抗干扰能力差的问题。

为实现上述目的，本发明技术实施方案如下：

1、利用多阈值比较获取曲线拟合所需的样本点横纵坐标参数：

在原始超声波接收信号进入由多个电压比较器集成的多电压比较器之前，先进行电压偏置处理。通过采用加法电路把原始超声波接收信号的电压幅值抬高一个偏置电压，使其转变成电压幅值均高于零电位电压的电压偏置超声波接收信号。因此，多阈值比较所需的多个比较电压只需通过分压电阻以电阻分压方式即能产生。根据电压比较器的工作原理，电阻分压产生的比较电压V_i即为样本点的纵坐标值。当参考电压为V_ref，N个分压电阻进行电阻分压时，第i个电阻值为R_i的分压电阻处的比较电压V_i通过以下公式计算：

$V_i=\frac{R_i+R_{i+1}+...+R_n}{R_1+R_2+...+R_n}{V}_{\mathrm{ref}}$

由于电压偏置超声波接收信号是一个时域信号，因此所述样本点的横坐标为一个时间参数t_i。通过把多电压比较器产生的触发脉冲信号分别引入具有引脚中断功能的单片机或者专用计时芯片的计时单元中，利用触发脉冲信号上升沿触发计时单元工作即能完成对样本点横坐标参数t_i的测量；

2、利用曲线拟合，计算出超声波接收信号的过零点：

采用最小二乘法曲线拟合时，至少需有四个样本点和超声波接收波波形函数为型函数才能进行曲线拟合；采用多项式等插值方法曲线拟合时，至少有二个样本点即能进行曲线拟合；以上样本点的个数由所需测量精度决定。

利用曲线拟合所得的数学表达式即能计算出超声波接收信号的过零点。

本发明具有的有益效果是：

(1)降低了对比较器和滤波电路的要求，节约了成本。

(2)采用曲线拟合，利用拟合所得的曲线方程计算超声波信号过零点，起到了软件滤波的作用，提高了超声波过零检测的精度和抗干扰能力。

本发明有效解决了传统过零检测方法抗干扰能力差的问题，提高了超声波信号过零检测的精度与可靠性。本发明适用于各种超声波检测领域，尤其适用于接受波信号信噪比低的气体超声波流量计，能够大大提高其检测精度和抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明中采用的多阈值比较采样示意图。

图2是本发明中采用的样本点坐标示意图。

图3是本发明中采用的曲线拟合示意图。

图1中：1、原始超声波接收信号，2、电压偏置超声波接收信号，3、偏置电压，4、参考电压，5、分压电阻，6、比较电压，7、多电压比较器，8、触发脉冲，9、计时单元。

图2中：10、比较电压V₁，11、比较电压V₂，12、比较电压V_i，13、比较电压V_n-1，14、比较电压V_n。

图3中：15、样本点，16、曲线，17、零点。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明采用测量与计算相结合的方法，通过多阈值比较获取样本点，以此进行超声波波形曲线拟合，进而采用曲线拟合所得的数学表达式计算出超声波信号的过零点。

该方法主要分为以下二个步骤：

步骤1)利用多阈值比较获取曲线拟合所需的样本点横纵坐标参数。如图1所示，为了降低对多电压比较器7的性能要求，避免负电源供电，节约成本，在原始超声波接收信号1进入多电压比较器7之前，必须先进行电压偏置处理，把原始超声波接收信号1的电压幅值抬高一个偏置电压3，使其转变成电压幅值均高于零电位电压的电压偏置超声波接收信号2。因此，多阈值比较所需的多个比较电压也只需通过分压电阻5以电阻分压方式产生。根据电压比较器的工作原理，电阻分压产生的比较电压V_i即为样本点的纵坐标值。当参考电压为V_ref，N个分压电阻进行电阻分压时，第i个电阻值为R_i的分压电阻处的比较电压V_i通过以下公式计算：

$V_i=\frac{R_i+R_{i+1}+...+R_n}{R_1+R_2+...+R_n}{V}_{\mathrm{ref}}---\left(1\right)$

由于电压偏置超声波接收信号是一个时域信号，因此样本点的横坐标为一个时间参数t_i。通过把多电压比较器产生的触发脉冲信号分别引入具有引脚中断功能的单片机或者专用计时芯片的计时单元9中，利用触发脉冲信号上升沿触发计时单元工作即能完成对样本点横坐标参数t_i的测量。通过以上方法所得的样本点如图2所示。

步骤2)利用超声波接收波波形函数进行曲线拟合，计算出超声波接收信号的过零点。常用的曲线拟合有多项式曲线拟合、最小二乘法曲线拟合等。下面以最小二乘法曲线拟合为例，阐述曲线拟合并计算超声波接收信号过零点的过程。

通过对超声波系统的建模，获得以下超声波接收波形的时域波形函数：

$y=b(\frac{e^{-\mathrm{at}}\·\sin \mathrm{gt}}{g^2+a^2}(-a\sin \mathrm{\ωt}+g\cos \mathrm{\ωt})$

$-\frac{e^{-\mathrm{at}}\·\cos \mathrm{gt}-1}{g^2+a^2}(g\sin \mathrm{\ωt}+a\cos \mathrm{\ωt})---\left(2\right)$

$-\frac{e^{-\mathrm{at}}\·\sinh t}{h^2+a^2}(a\sin \mathrm{\ωt}+h\cos \mathrm{\ωt})$

$-\frac{e^{-\mathrm{at}}\·\cosh t-1}{h^2+a^2}(h\sin \mathrm{\ωt}-a\cos \mathrm{\ωt})$

注：a，指数系数；b，幅值系数；g，和角频率系数；h，差角频率系数；ω，角频率，ω＝2πf，f为超声波频率。

在利用获取的样本点和上述型函数进行最小二乘法进行曲线拟合时，还需分二个步骤：

步骤1：确定公式1中的a、b、g、h四个待定系数的最优初值。

首先利用换能器阻抗分析仪分别测出以下参数：

1、介质动态电阻R₀

2、发射换能器动态电阻R₁、动态电感L₁、动态电容C₁和静态电容C₀₁

3、接收换能器动态电阻R₂、动态电感L₂、动态电容C₂和静态电容C₀₂

幅值系数b的最优初值取1，a、g、h三个系数的最优初值分别利用公式3、公式4和公式5计算所得，公式如下：

$a=\frac{R_0+R_1+R_2}{2(L_1+L_2)}---\left(3\right)$

$g=\frac{\sqrt{\frac{1}{(L_1+L_2)\frac{C_1\·C_2}{C_1+C_2}}+\frac{1}{(L_1+L_2)C_{02}}-a^2+\mathrm{\ω}}}{10}---\left(4\right)$

$h=\frac{\sqrt{\frac{1}{(L_1+L_2)\frac{C_1\·C_2}{C_1+C_2}}+\frac{1}{(L_1+L_2)C_{02}}-a^2-\mathrm{\ω}}}{10}---\left(5\right)$

步骤2：以公式2为型函数进行最小二乘法曲线拟合，获得超声波接收波形的曲线函数，计算出超声波接收信号的过零点。把已获得的样本点参数和a、b、g、h四个系数的最优值代入最小二乘法中，即可获得a、b、g、h四个系数的最优值，将其代入公式2即可获得对应以上样本点的超声波接收波形的曲线函数，通过计算即可获得超声波接收信号的过零点。如图3所示，利用样本点15拟合出曲线16，零点17即为通过曲线16计算所得的超声波信号过零点。由于采用了以所拟合曲线里各采样点距离的均方和最小为优化目标的最小二乘法曲线拟合方式，使得阈值比较采样点上噪声的影响被有效减弱，从而确保了过零点预测的准确性和可靠性。

Claims (4)

1.一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤1)利用多阈值比较获取曲线拟合所需的样本点横纵坐标参数：

在原始超声波接收信号进入多电压比较器之前，先进行电压偏置处理，把原始超声波接收信号的电压幅值抬高一个偏置电压，使其转变成电压幅值均高于零电位电压的电压偏置超声波接收信号；因此，多阈值比较所需的多个比较电压只需通过分压电阻以电阻分压方式就能产生；根据电压比较器的工作原理，电阻分压产生的比较电压V_i即为样本点的纵坐标值；当参考电压为V_ref，N个分压电阻进行电阻分压时，第i个电阻值为R_i的分压电阻处的比较电压V_i通过以下公式计算：

$V_i=\frac{R_i+R_{i+1}+...+R_n}{R_1+R_2+...+R_n}{V}_{\mathrm{ref}}$

由于电压偏置超声波接收信号是一个时域信号，因此所述样本点的横坐标为一个时间参数t_i；通过把多电压比较器产生的触发脉冲信号分别引入计时单元中，利用触发脉冲信号上升沿触发计时单元工作即能完成对样本点横坐标参数t_i的测量；

步骤2)利用曲线拟合，计算出超声波接收信号的过零点：

采用最小二乘法曲线拟合时，至少需有四个样本点和超声波接收波波形函数为型函数才能进行曲线拟合；采用多项式等插值方法曲线拟合时，至少有二个样本点即能进行曲线拟合；以上样本点的个数由所需测量精度决定；

利用曲线拟合所得的数学表达式即能计算出超声波接收信号的过零点。

2.根据权利要求1所述的一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法，其特征在于：所述的多电压比较器由多个电压比较器集成，具有多个电压比较功能，用于对不同的电压值进行比较，以获取样本点的纵坐标值；多电压比较器中集成的电压比较器个数取决于样本点的个数。

3.根据权利要求1所述的一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法，其特征在于：所述的电压偏置处理，是指通过加法电路将原始超声波接收信号的电压幅值均抬高一个偏置电压的过程。

4.根据权利要求1所述的一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法，其特征在于：所述的计时单元，是指具有引脚中断功能的单片机计时模块或者是专用的计时芯片。

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