CN102621529A - 一种脉冲回波测距系统中的回波处理方法 - Google Patents

一种脉冲回波测距系统中的回波处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脉冲回波测距系统中的回波处理方法。在脉冲回波测距系统中将能量脉冲(5)发射到目标(4)，接收回波脉冲(11)并且将回波脉冲转换成回波信号(S)，处理回波信号(S)以识别来自于所述目标(4)的回波并且根据所述识别的回波的传播时间来确定距离。数字地执行该处理的后期。为了允许在有限的存储器(10)中存储尽可能大的数量的采样点而不降低分辨率并且不使处理变得复杂，将整体回波信号的一阶导数(S’)以数字的形式存储然后处理，而不是存储和处理回波信号(S)。

Description

一种脉冲回波测距系统中的回波处理方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲回波测距系统中的回波处理方法，所述方法包括步骤：发射能量脉冲到目标；接收回波脉冲并将所述回波脉冲转换成模拟回波信号；以及处理所述回波信号以识别来自于所述目标的回波并根据所述识别的回波的传输时间确定距离，其中数字地执行该处理的后期(advanced stage)。
背景技术
在水平面测量应用中，脉冲回波测距系统，也称为飞行时间测距系统，常用于通过测量发射能量脉冲后多长时间接收到反射的脉冲或回波确定与目标物体(例如，在容器中的物质的反射表面)的距离。这种装置典型地使用超声波脉冲或脉冲无线电波或微波信号。
脉冲回波测距系统通常包括用于重复地发射能量脉冲的发射器和接收反射的能量脉冲或回波的接收器。发射器和接收器可以组合在单个的单元中。接收器提供模拟回波信号，该模拟回波信号包含任何接收的回波，无论它是来自于目标还是来自于散射干扰(clutter)或噪声。回波信号在被数字化并且被作为回波轮廓(echo profile)存储之前，可以被放大和/或滤波。信号处理器识别存储的回波轮廓中的感兴趣回波并且基于发射的能量脉冲的发射时间和识别的回波脉冲计算目标的间距或距离。
常用的用于在回波轮廓中搜索回波的技术包括生成时变阈值(TVT)曲线。时变阈值(TVT)曲线提供了在回波轮廓上的一条线，该线位于回波轮廓中的噪声水平之上。有效的回波出现在时变阈值曲线的上方。为了识别感兴趣回波并且确定它的在时间轴上的时间位置，可以使用多种已知的技术比如相关或确定回波的前沿(leading edge)、后沿(trailing edge)、峰值或质心。
从例如US5,436,580中已知通过获得信号的与时间相关的一阶导数并且将信号与导数以及与参考阈值比较确定接收的信号中的回波脉冲的起始点。当接收的信号既超出它的导数也超出参考阈值时，即表示回波脉冲的前沿。
在脉冲回波测距系统中，特别是具有嵌入式微处理器或微计算机的系统中，用于存储回波轮廓的存储器是有限的，这限制了能够被存储的采样点的数量或它们的大小(即分辨率)。当测量范围被设置为它的最大值而这意味着采样点相距最远时，最坏的情况发生，因为现在全部范围必须存入固定大小的存储器中。
发明内容
因此本发明的一个目的是允许在有限的存储器中存储尽可能大的数量的采样点而不会降低分辨率(resolution)并且不会增加处理的复杂度。
根据本发明这个问题通过在权利要求1中描述的方法解决，其中数字化和处理所述回波信号的步骤还包括中间步骤：
提供并且存储以数字形式的所述整体(whole)回波信号的一阶导数，以及
数字地处理所述存储的回波信号的一阶导数以识别来自于目标的回波。
因为采样点彼此接近，所以由于回波信号的给定的带宽，两个相邻的采样点之间的最大差异是有限的。因此，通过存储它的导数(derivative)或变化而不是实际的回波信号，分辨率可以提高而所需的存储器不变或者所需的存储器可以减少。许多回波处理，特别是回波选择，可以直接在导数回波信号上完成，因此通过存储它的导数而不是实际的回波信号的事实，回波处理将不会变得复杂。导数包含了原始的回波轮廓(echo profile)具有的所有重要信息，因此导数上的回波处理不会牺牲距离测量的精度(在导数中包含在原始包络中的偏移信息丢失了，但是偏移信息(offsetinformation)在距离测定中不需要)。此外，原始的回波轮廓可以整体地或在感兴趣区段上通过简单的积分(simple integration)恢复。
在为了后续处理而被数字化并且存储之前，模拟回波信号可以在模拟微分器中被微分。这样的优点是对于两个相邻采样点之间的有限的最大差异，模数转换器(ADC)的全部转换范围都是可用的，因此与原始回波信号的分辨率相比回波信号的导数的分辨率提高了。可替换地，可以使用大小更小的模数转换器(例如4位模数转换器而不是8位模数转换器)。
如果优选没有硬件改变地获得导数，则模拟回波信号可以被数字化，然后被数字地微分和存储。
通过其幅度、位置、运动和其它计算的参数选择最好的回波可以与在原始包络中一样容易地在导数中完成。回波信号以及因此它的导数可能包含许多回波，这些回波取决于无线电波或超声波能量脉冲经过的路径。在回波信号中应用一些准则以选择最合适的回波。最合适的回波的一些例子是最大的回波、第一个回波和最靠近前一个测量回波的回波。同理，一些回波可能需要忽略，即使它们表现为符合一些有效回波的准则；一些例子是：在发射的波束的旁瓣(lobes)中的已知的干扰或回波、电性地产生的噪声尖峰、比如来自于储罐中(tank)的搅拌器(stirrer)的回波的暂态回波、以及非常窄的回波。
在微分后的信号中，回波的特征在于它们的变化的累积数量。如果累积的变化大，则回波出现。因此，通过泄漏积分(leaky-integrating)回波信号的导数、比较获得的积分值和阈值、并且只考虑超过阈值的那些积分值，可以识别出可能的回波。在所述阈值之下的积分值可以设为零。显然，固定的阈值寻找到了想要的回波，但是它也寻找到了其它大信号成分，比如发射脉冲。因此使用可变阈值是有益的。这种可变阈值的选择将基于用户可以应用的许多参数，例如干扰的存在、与时间相关的信号强度、已知的噪声水平以及更多的参数。最基础的可变阈值可以实现为在查找表(lookup)中的若干个不同的阈值的值。阈值还可以根据回波的测出而调整，例如，回波被检测到之后，它可以快速增大以变得比较不敏感，然后随着时间慢慢地衰减。
本发明的方法的一个变形中，通过提供与回波信号的导数的滑动平均值成反相比例的可变阈值、比较回波信号的导数和阈值、并且只考虑超过阈值的值，来识别出可能的回波。阈值阻隔小的随机噪声但是通行与回波相关的大的连续的偏离。
附图说明
本发明现在将参考以非限制性的实例的方式显示在附图中的优选实施例进行更详细地描述，其中：
图1为脉冲回波测距系统的第一实施例的框图，其中有利地使用了本发明的方法，
图2为脉冲回波测距系统的第二实施例的框图，
图3示出了常规的数字化的回波信号和它的变化或导数的幅度的实例，
图4图示说明了通过提供与回波信号的导数的滑动平均值成反相比例的可变阈值以识别可能的回波的方法，
图5图示说明了通过泄漏积分回波信号的导数并且比较获得的积分值和阈值以识别可能的回波的方法，
图6示出了具有用于执行前述的方法的泄漏积分器和比较器的数字滤波器，
图7示出了适于每当回波被检测到时提高阈值然后随时间慢慢地减小阈值的滤波器，以及
图8示出了用以从导数回波信号中重建回波信号或其部分的泄漏积分器。
具体实施方式
参见图1，声学脉冲回波测距系统包括超声换能器1(transducer)，超声换能器1安装在容纳液体3或其它类型的物质并具有由液体3的顶部表面4确定的水平面的储罐2中。液体3的顶部表面4提供了反射由换能器1产生的超声波脉冲5的反射表面。换能器1经过发射器7连接到微处理器6。微处理器6在存储在只读存储器(ROM)8中的控制程序下运行，使用存储在非易失性随机存取存储器(NVRAM)9中的参数，并且设有以随机存取存储器(RAM)10的形式的工作存储器。
微处理器6控制发射器7，以激励换能器1以在预定的时间点以预定的频率和幅度发射超声波脉冲5。反射的或回波脉冲11被换能器1接收并且转换成电子回波信号S，在电子回波信号被模数转换器(ADC)13采样和数字化之前，回波信号S可以首先在放大器/滤波器12中被放大和带通滤波。模数转换器13为微处理器6提供数字值，微处理器6然后通过简单的相减或者更精确的使用超过两个值用于滤除过大的(excessive)噪声的方法计算导数。数字差分值整体形成整体回波信号S的一阶导数并且被存储在随机存取存储器10中。模数转换器13是数字接收器14的输入部分，数字接收器14的其它部分以软件模块15的形式实现在微处理器6中。微处理器6对存储的回波信号S的导数执行算法，如将在下文中描述的一样，以确定回波距离或者飞行时间以及因此在储罐2中的液体3的水平面。由微处理器6控制的接口16用于水平面相关的数据的输出和运行参数的输入。数据可以以显示、测距(例如总线)信号和/或报警信号的形式输出。
图2示出了声学脉冲回波测距系统的替换的实例，其与图1的系统的不同之处在于模拟回波信号S在微分器17中微分然后被数字化和存储。
虽然系统以及它的运行目前为止是以基于超声波的脉冲回波声学测距装置为背景进行描述，但是应该理解系统也可以是基于无线电波的。下面的实例是源自于基于无线电波的系统或与基于无线电波的系统相关。
图3示出了通常的数字化的回波信号(回波轮廓)S和它的变化S’的大小(绝对值)。信号S被用8位模数转换器采样并且具有大约15至160最低有效位lsb的范围，该范围为模数转换器的全部动态范围的大约60％。这容许高于和低于信号S的一些余量(leeway)，用于在信号强度和本地噪声(noise floor)上的变化。信号S的数据点彼此如此接近以至于两个相邻的采样点之间的最大差异仅仅为+/-5或6最低有效位lsb。对于8位模数转换器，采样范围是从0至255最低有效位并且不确定度为1最低有效位。用来存储信号S的数据数量不必要高。如果存储它的导数S’而不是实际的信号S，分辨率可以提高16倍或者所用的存储器数量可以减半。通过用4位模数转换器采样包络的导数或者仅仅存储8位模数转换器的4位，可以实现数据压缩。因此，在每个字节存放两个导数S’的采样点将仅仅使用正常的信号S所需的空间的一半而没有精度损失。具有±5最低有效位的最大变化的4位采样点将不会全部使用0至15最低有效位的4位动态范围，而是容许很大的(generous)40％的余量，用于噪声和信号强度变化。
在回波信号的导数S’中，回波的特征在于它们的变化的累积数量。如果累积变化大，则回波存在。
如图4所示，通过提供与回波信号的导数S’的滑动平均值成反相比例的可变阈值Th、比较回波信号S的导数和阈值Th、并且只考虑超过阈值Th的值，可能的(potential)回波E被从导数信号S’中识别并提取出。阈值Th阻隔小的随机噪声但是通行与回波相关的大的连续的偏离。阈值Th可以由下式定义：
Th i = ± SF MA i + δ , 其中
Thi是在采样点i处的阈值的值，
SF是适合的比例因子，它本身可以是与时间相关的，
δ是小噪声限值，也防止发生被零除的错误，
MA是滑动平均值，
Figure BDA0000130210390000072
具有长度n。
图5和6示出了另一个实例，其中通过泄漏积分导数信号S’、比较获得的积分值和阈值Th、并且只考虑超过阈值Th的那些积分值，可能的回波E被识别。在所述阈值Th之下的积分值设为零，因此获得掩蔽信号S′th(masked signal)。为了区分想要的回波E和其它的大信号成分，比如发射脉冲5，阈值Th是可变的并且实现为在查找表TAB(lookup table)中的若干个不同的阈值的值(Th(i))。适合的阈值的值的选择是基于用户可以应用的许多参数的，例如干扰(Obs(i))的存在、与时间相关的信号强度、已知的噪声水平以及更多的参数。
在图7的实例中，每当回波E被检测到，阈值Th稍微地增加数量b，并且在所有其它时间随着时间(d1＜1)慢慢地衰减。
为了实现已知的和有效的方法，回波信号(回波轮廓)的感兴趣区段可以从存储的导数S’中被重建。图8示出了以泄漏积分器(w1＜1)的形式的单个第一阶重建器。为了提高精度或者为了减少输出信号的噪声，可以提供更高阶的滤波器。

Claims (5)

1.一种脉冲回波测距系统中的回波处理方法，所述方法包括步骤：
发射能量脉冲(5)到目标(4)，
接收回波脉冲(11)并且将所述回波脉冲转换成模拟回波信号(S)，以及
处理所述回波信号(S)以识别来自于所述目标(4)的回波并且根据所述识别的回波的传播时间确定距离，其中数字地执行所述处理的后期，
其特征在于：处理所述回波信号(S)的所述步骤还包括中间步骤：
提供并且存储以数字的形式的所述整体回波信号的一阶导数(S’)，以及
数字地处理所述存储的所述回波信号的一阶导数(S’)以识别来自于所述目标(4)的所述回波。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述模拟回波信号(S)在微分器(17)中微分并且接着数字化和存储所述模拟回波信号(S)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述模拟回波信号(S)数字化并且提供和存储所述数字化的回波信号的所述导数(S’)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：通过泄漏积分所述回波信号的所述导数(S’)、比较获得的积分值和阈值(Th)以及只考虑超过所述阈值的所述积分值，来识别可能相关的回波。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：通过提供与所述回波信号的所述导数(S’)的滑动平均值成反相比例的可变阈值(Th)、比较所述回波信号的所述导数(S’)和所述阈值(Th)以及只考虑超过所述阈值(Th)的值，来识别可能的回波。
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