CN103542911A - 基于一阶导数的导波雷达物位计回波信号处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于一阶导数的导波雷达物位计回波信号处理系统，该系统包括用于控制发射接收脉冲信号的单片机、脉冲发射电路、导波杆、接收回波信号电路、等效时间采样电路；还设有信号调理电路、用于回波信号处理的单片机系统、液晶显示器和软件；经等效时间采样电路处理后的回波信号送至信号调理电路，经过分压、偏置和阻抗变换，送至单片机系统对其进行采样；对回波信号进行处理，包括对回波信号进行9点移动平均滤波预处理，对滤波后的信号进行1阶导数计算检测回波，多参数有机结合判断物位回波，确定物位定位点和参考起始点计算时间差；然后，将时间差代入通过标定确定的物位与时间差之间的函数关系式计算物位。

Description

基于一阶导数的导波雷达物位计回波信号处理系统和方法

技术领域

本发明涉及物位检测领域，为导波雷达物位计，特别是一种以单片机为核心的基于一阶导数的处理导波雷达物位计回波信号的系统和方法。

背景技术

物位分为物位、料位和相界面位置。把生产过程中罐、塔、槽等容器，以及自然界河道、水库里存放的液体的高度或表面位置定义为物位。把在槽斗、罐、堆场、仓库等场所储存的固体块、颗粒、粉料等的堆积高度或表面位置定义为料位。把液-液、液-固界面位置定义为相界面位置。物位是过程工业中四大被测量之一。例如，在原油集中输送与炼油生产中，要求精确测量大型油罐储量或物位；在水泥厂中，必须检测原料库、生料库、水泥库、磨头仓、煤粉仓、料浆、水、油等块状、粉状、颗粒状固体和液体的物料高度；在油脂填料式脱臭塔中，要求测量脱臭油料高度；在火力发电厂锅炉汽包水位的测量与控制中，要求精确测量水位等。

测量物位的仪表种类有很多，按照测量方式可以分为：浮力式、差压式、电容式、磁致伸缩式、超声波式和雷达式。其中，雷达物位计分为一般用非接触式测量和通常被称为导波雷达（GWRLG）的接触测量。其中，非接触式测量法向包含在容器中的物品辐射电磁信号，而接触测量法通过导波体将电磁波导向物料并使其进入物料中。导波体一般从容器顶部到底部垂直布置。电磁波在被测物料表面处发生反射，反射的回波信号被接收，并被处理。测量出由发射脉冲与回波脉冲的时间差，再根据电磁波传播的速度，就可以计算出物位。导波体可以由单根的金属杆或缆、两根平行的杆或缆或同轴管构成。

更具体来说，根据微波的传输线理论，当传输线存在故障点时，会造成阻抗不匹配，电磁波会在障碍点发生反射。在导波雷达物位计中，导波体与内部电缆连接处由于传播介质的介电常数发生变化，产生顶部回波，部分能量被反射回去，但是仍有一部分信号能量会继续沿导波体向下传播；当信号进入被测介质时，由于介质表面上下两种物质的介电常数不同，产生物位回波，部分信号能量被反射，部分信号能量继续往下传播；若到达导波体底端，信号能量没有被完全损耗，会在底部产生一个断路回波信号，其极性与前两种回波相反。由于顶部回波是固定不变的，物位回波随物位的移动而移动，因此理论上物位回波可以容易确定。然而，在实际测量环境中，整个回波信号段中通常不只包含物位回波，导波体特殊结构、环境中的干扰物、导波体上附着的物料、噪声等都会产生反射回波，统称为干扰回波，因此排除干扰回波、确定物位回波是导波雷达物位计信号处理的关键问题之一。

物位回波确定后，要计算物位则需要进一步计算起始参考点和回波接收点的时间差。物位回波为脉冲波形，它具有一定的宽度，有峰值点、上升沿、下降沿，因此，回波定位点和起始参考点的确定成为导波雷达物位计信号处理的另一个关键问题。对于自带同步触发脉冲的导波雷达物位计，发射参考点即为采样起始点，无需另行确定；而对于不带有同步触发脉冲的导波雷达物位计，则还需要软件确定回波信号的采样起点和起始参考点。

针对导波式雷达物位计信号处理的关键问题，国外几家著名厂家，例如，E+H公司、EmersonRosemount公司和Siemens-Milltronics公司等分别提出了不同的回波信号处理方法。罗斯蒙特公司（“Method of determining a disturbance echo profile for a radar level gaugesystem”,U.S Patent:No.7924216B2,Apr.12,2011）介绍了一种基于反射器的方法，根据空罐条件下的反射器波形构造参考曲线，通过比较实际距离与电气距离确定液面之上最近的反射器，得到参考曲线应用范围，相减后可消除液面之上的干扰回波，然后根据最大值确定物位回波。罗斯蒙特公司（“System and method for filling level determination”,U.S Patent:No.7525476B1,Apr.28,2009.）介绍了在导波杆已知位置处安装反射器，通过一对已知反射器的已知距离与测量距离之差来补偿传播速度沿导波杆的变化，以提高测量准确度。罗斯蒙特公司（“通过多模式传播的具有介电常数补偿的导波雷达物位计系统”,中国,CN201120366374.7,2012-6-6.）介绍了一种特制导波杆，称为不完全外部介电传输探测器，可以支持两种或以上不同速度的传播模式，然后根据公式确定介电常数和传播速度。合肥工业大学专利（“一种处理导波式雷达物位计回波信号的系统和方法”:中国,CN201210150945.2,2012-9-12.）介绍了针对不同介电常数的不同物位回波判断方法。与上述专利相同的部分为，根据空罐信号构造参考曲线；对回波信号段进行了巴特沃斯低通滤波预处理；物位回波的判断可以看成两步，先根据导数检测回波，并设置了宽度范围排除一部分干扰，再对剩下的回波找参考曲线的最大值确定物位回波；回波定位点由峰值点和相邻两点的2阶Lagrange插值点确定；标定数据为5～10的线性插值或3次拟合。与上述专利的不同点是，对于小介电常数介质，参考曲线需要作填平尾波的修正；回波信号段进行了斜率放大以凸显变化趋势；回波信号段减去参考曲线得到净回波信号段，且之后的处理都针对该信号。

巴特沃斯低通滤波是一种频域滤波方法，应用于频域特征不明显的导波雷达物位计回波信号处理，效果不明显；构造参考曲线需要先构造空罐条件，且需要更新，否则不能跟随之后的干扰变化；回波信号与参考曲线相减可能会导致回波定位点的非线性移动，影响精度。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种处理无同步脉冲触发的导波式雷达物位计回波信号的系统和方法，在该系统中，对物位回波的判断可以准确确定，达到减小盲区、提高精度的要求，且对硬件要求不高、无需构造空罐条件。

本发明的技术解决方案如下：

在已有用于控制发射接收脉冲信号的单片机（1）、脉冲发射电路、导波杆、接收回波信号电路、等效时间采样电路的基础上，由信号调理电路、基于MSP430F541A的单片机（2）系统、液晶显示器和软件组成处理一种导波雷达物位计回波信号的系统。用于控制发射、接收脉冲信号的单片机（1）的控制脉冲的发射和接收；脉冲发射电路发射电磁波脉冲信号至导波杆，脉冲信号沿导波杆传播，到空气和物料表面相对介电常数发生突变处，发生反射；反射回波沿导波杆向上传播到接收回波信号电路；接收回波信号电路接收反射回波信号，送至等效时间采样电路，对反射回波信号进行时间上的放大处理；经等效时间采样电路处理后的回波信号送至信号调理电路，经过分压、偏置和阻抗变换，送至单片机（2）系统的

MSP430F5418A片内ADC进行采样；在ADC中断服务子程序中对采样点加以判断，采集适于后续处理的1000点信号段，关闭ADC；对回波信号段进行处理，包括对其进行9点移动平均滤波预处理，对滤波后的信号计算1阶导数信号检测回波，多参数有机结合判断物位回波，确定物位定位点和参考起始点计算时间差；然后，将时间差代入通过标定确定的物位与时间差之间的函数关系式计算物位；再由液晶显示出来。

对于无同步触发脉冲的导波雷达物位计，由于没有同步信号触发ADC进行采样，因此需要软件设定采样起始点，以保证采集正确的信号段。由于导波雷达物位计的发射接收脉冲电路共用，因此信号中可以观察到发射时的方波脉冲。在本次信号与下次方波脉冲之前有较长的平稳信号段，没有明显回波，且方波脉冲有陡峭的上升沿和下降沿。根据信号的这一特点，在ADC的中断服务子程序中对采集的信号点判断，当确定已采集到方波脉冲时，开始保存之后的数据，作为后续处理的回波信号段；回波信号段中包含物料表面、导波体特殊结构、噪声等因素产生的反射回波，简称为回波。

为了避免构造空罐条件，本发明专利采用了一种无参考曲线的方法判断物位回波。具体步骤为：

(1)对回波信号段进行9点移动平均滤波，减小噪声、平滑抖动；

(2)设置回波查找范围，例如采样点50～500点，计算该范围内回波信号段的1阶导数信号d，简化后的计算公式为

$d=\frac{\mathrm{df}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}{|}_{x=x_i}=f\left(x_{i+1}\right)-f\left(x_i\right)$

式中，f(x)为回波信号段，x_i为信号上的点；

(3)对d从起点开始进行判断，若d[n-1]、d[n]异号，且d[n]大于0，则确定n为终点end[i]及下一回波的起点start[i+1]；若d[n-1]、d[n]异号，且d[n]小于0，且起点确定标志已置位，则确定n为峰值点peak[i]；i表示回波序号；

(4)记录完回波的非平稳特征点，即回波的起点、峰值点、终点后，计算该回波的宽度w[i]、一阶导数最大值与最小值之差，简称为斜率振幅amp[i]、回波的下降沿高度与上升沿高度之比，简称为下降比fall_ratio[i]，并与预设值进行比较，小于预设值的回波排除，保留的回波作为备选回波，可以排除随机窄尖峰脉冲、传感器本身结构特性产生的干扰回波及其与2次回波的叠加回波、小幅噪声回波等干扰回波；上述各特征参数的计算公式为：

w[i]＝end[i]-start[i]

amp[i]＝d_max-d_min

fall_ratio[i]＝(data[peak[i]]-data[end[i]])/(data[peak[i]]-data[start[i]])

式中，data为回波信号段，d_max、d_min分别代表一阶导数最大值与最小值，i为回波序号；

(5)对d范围内所有点按照步骤(3)～(4)进行判断，得到若干个备选回波；

(6)对各备选回波进行置信度confidence计算，公式如下：

confidence[i]＝0.6×amp[i]+0.1×data[peak[i]]-0.3×w[i]

式中，i为备选回波序号，data为回波信号段，peak为备选回波峰值点；

(7)确定最大置信度对应的备选回波为物位回波；

(8)对物位回波峰值点进行2阶Lagrange插值，确定物位反映点；在发射方波脉冲下降沿中点附近选择一点，以该点所在直线与方波下降沿相交，线性插值得到参考起始点；然后计算时间差，所述时间差=物位反映点-参考起始点；

(9)对时间差进行限幅滤波，排除随机干扰等原因导致的错误计算结果，并保存；

(10)对同一物位，计算保存的60次以上的时间差进行中位值平均滤波，最后结果作为该物位对应的时间差。

本发明专利的优点是：与合肥工业大学专利（“一种处理导波式雷达物位计回波信号的系统和方法”:中国,CN201210150945.2,2012-9-12.）相比，本专利方法没有区分大小介电常数，不需要空罐条件，因此更加简便；采用了基于一阶导数的方法检测回波、存储了回波多个参数，如端点、峰值点、宽度、斜率振幅等，并基于对这些参数的有机组合，先排除法后计算置信度确定物位回波，通过对金属干扰下的水、油（小介电常数）、长距离测量回波的验证，证明了有效性；提出了针对无触发采样的导波雷达物位计的采样方法及参考起始点的确定方法；采用3点、分两段线性标定，因此实际操作更简单，且最大测量误差在±1cm以内。

附图说明

图1是导波式雷达物位计系统组成框图。

图2是信号调理电路图。

图3是基于MSP430F541A的单片机（2）系统硬件电路图。

图4是基于MSP430F5418A的单片机（2）系统软件总体框图。

图5是基于MSP430F5418A的单片机（2）系统主监控程序流程图。

图6是9点移动平均滤波效果图。

图7是同轴回波信号9点移动平均滤波效果。

图8是较强干扰下的回波信号。

图9是长距离测量回波信号。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

导波雷达物位计系统组成框图如图1所示，由用于控制发射接收脉冲信号的单片机（1）、脉冲发射电路、导波杆、接收回波信号电路、等效时间采样电路、信号调理电路、单片机（2）系统和软件组成；其中单片机（2）系统由MSP430F5418A单片机U3、液晶显示器(LCD)接口P2和仿真器接口P3组成。用于控制发射接收脉冲信号的单片机1控制脉冲的发射和接收；发射脉冲电路发射电磁波脉冲信号至导波杆，脉冲信号沿导波杆传播，当脉冲信号从空气进入物料时，由于空气的相对介电常数与物料的相对介电常数不同，因此电磁波在物料表面发生反射；反射回波沿导波杆向上传播到接收回波信号电路；接收回波信号电路接收反射回波信号，送至等效时间采样电路，对反射回波信号进行时间上的放大处理；经时间上放大后的回波信号送到信号调理电路，经过调理后，再进入基于MSP430F541A的单片机（2）系统；单片机（2）系统对回波信号进行采样、处理，得到物位值，再通过液晶显示器显示出来。所述信号调理电路包括电源电路、分压电路、直流偏置电路和基准电压产生电路；

电源电路采用线性稳压芯片TPS71530U4为信号调理系统提供3V的电源电压，由外部引入的3.3V电压经过电源电路后得到稳定、纯净的3V电压，为系统供电。分压电路由运放器U1A、电阻R6和R7组成；电阻R6与R7的比值决定了分压比，运放器U1A采用为电压串联负反馈接法，具有高输入阻抗和低输出阻抗。直流偏置电路由运放器U2A、U2B及电阻R8、R9和R11、R12以及电容C8组成；电容C8起隔直作用，电阻R8与R9，R11与R12的比值决定了放大倍数，经过两级直流偏置后，输出电压V0=Vref+Vin。基准电压产生电路由运放器U1B、电阻R14和R15、电容C10组成；电阻R14与R15的比值决定输出的参考电压值；运放器U1B起跟随和缓冲作用。由于等效时间采样电路输出的回波信号的幅值是0V至4.7V，而MSP430F5418A单片机U3的芯片只允许输入0至3.3V的单极性电压，所以，要对等效时间采样电路输出的回波信号进行调理；将等效时间采样电路输出的回波信号接至信号调理电路中电阻R6的左端；回波信号进入分压电路，经过分压，其幅值降至为原幅值的1/3；然后，进入直流偏置电路，被电容C8隔断了信号中的直流分量，并被电压偏置电路抬升至1.25V，且为MSP430F5418A单片机芯片中ADC的基准电压的一半。

调理后的回波信号接至MSP430F5418A单片机U3的引脚7，引脚7为P7.6/A14，如图3所示。MSP430F5418A单片机的引脚7为复用引脚，在此被配置为模拟输入A14-ADC，即将回波信号送至MSP430F5418A单片机U3的片内ADC(注明：以下所述ADC均为MSP430F5418A单片机的片内ADC)。图2中的基准电压产生电路的输出Vref接至为直流电压偏置电路的Vref，为直流电压偏置电路提供基准电压。

基于MSP430F5418A的单片机（2）系统硬件电路如图3所示，由MSP430F5418A单片机U3、液晶显示器(LCD)接口P2和仿真器接口P3组成。选择TI公司MSP430F5418A单片机作为核心处理器，是因为它具有超低功耗、强大的处理能力、丰富的外围模块等特点，完全适用于导波雷达物位计信号处理的要求，且为导波式雷达物位计的两线制实现提供了可能。

图3中P2为LCD接口。该LCD为点阵式、并行接口。LCD的数据传输引脚3～10分别连接至MSP430F5418A单片机U3的I/O口42～35，(片选信号)、

(复位)、RS(寄存器选择)、WR(写使能信号)、RD(读使能信号)分别连接至MSP430F5418A单片机U3的引脚25—P2.0、26—P2.1、27—P2.2、28—P2.3、29—P2.4，由MSP430F5418A单片机U3完成相应的写操作，将结果显示在LCD上。

图3中P3是仿真口。用个人计算机及仿真器，通过此接口，完成对MSP430F5418A单片机U3的内核操作，包括程序调试和烧写等。

图4是基于MSP430F5418A的单片机（2）系统软件总体框图。系统软件采用模块化设计方法，由主监控程序模块、中断处理模块、初始化模块、回波信号处理模块、物位计算模块和LCD显示模块组成。

图4中的主监控程序模块是基于MSP430F5418A的单片机2系统软件的总调度程序，通过调用各个程序模块，实现本系统所要求的功能。

图5为基于MSP430F5418A的单片机（2）系统主监控程序流程图，它是一个循环程序，系统上电以后，主监控程序自动运行，整个程序将按设定的方式，对各个子程序进行相应处理。其基本过程为：系统上电，对MSP430F5418A单片机U3各功能模块以及LCD显示模块变量进行初始化；依次开启系统中断、ADC，然后进入低功耗模式；在ADC中断服务程序中对采样数据进行判断，如果采集到信号的发射方波脉冲上升沿，开始对采样数据进行保存，并记录采样点数；当采集1000点时，退出低功耗模式，并关闭ADC；对采样信号进行回波信号处理，包括：对回波信号进行9点移动平均滤波、对滤波后的信号进行物位回波判断、确定回波定位点和参考起始点以计算时间差、对计算值进行滤波处理；然后，将时间差代入通过标定确定的物位与时间差之间的函数关系式计算物位；随后，结果由液晶显示出来。

下面具体介绍回波信号处理，共分为以下4个阶段。

(1)回波信号预处理。

采用9点移动平均滤波。导波雷达物位计的回波信号为典型的时域信号，在频域没有表现出明显特点。通过移动平均滤波可以消除毛刺、平滑抖动。同时，这种滤波方式会导致信号幅值降低，回波变化率变小，因此需要合理选择移动平均滤波的点数，通过比较，选择9点移动平均滤波。公式为：

$y\left[n\right]=\frac{1}{N}\left(y\right[n-\frac{N-1}{2}]+...+y[n-1]+y[n]+y[n+1]+...+y[n+\frac{N-1}{2}\left]\right)---\left(1\right)$

式中，y为滤波后的信号，n为信号上的点，N为信号点数。

由图6和图7可以看出，9点移动平均滤波大大减小了信号抖动，且对于图7中同轴管测量物位时容易出现由于信号过强而导致满幅，回波信号的波峰被削平，回波定位点不易确定的情况，经过9点移动平均滤波后，可以得到一个比较尖锐的波峰，便于后续计算。因此预处理选择9点移动平均滤波。

表1对比了原始曲线、巴特沃斯滤波、5点移动平均、9点移动平均、21点移动平均的滤波效果。对同一物位下随机采集的13组回波信号进行处理，采用相同方法分别计算时间差，最后对这13组时间差计算样本方差和最大值最小值之差（记为振幅），以此观察不同预处理方式对信号稳定度、重复性的改善效果。

表1不同预处理方式比较

通过表1数据可以看出，9点移动平均滤波的样本方差和振幅最小，明显小于原始信号，改善作用明显。

(2)物位回波判断

物位回波的判断采用先大范围排除、再小范围确定的思路，可看成两步：“粗选”和“精选”。“粗选”时检测回波，并保存起始点、最高点和结束点，通过设置回波宽度等参数排除干扰，确定备选回波；“精选”时计算备选回波的峰值点幅值、宽度等加权之和作为置信度，确定物位回波。

对不同物位的物位回波分析可知，物位回波的宽度、变化率较大。其中，变化率可以用一阶导数的最大值与最小值之差，简称为斜率振幅来反映。对于所研究的导波雷达物位计，当物位靠近法兰时(通常被定义为盲区)，物位回波幅值较小，这时通过最大值判断不可行，此时的主要干扰来自于传感器本身结构造成的反射回波，简称为传感器特性回波和2次回波。其中，2次或多次回波一般发生在液面距离法兰较近、回波信号能量较大的情况，与物位回波相比，多次回波的能量逐渐减小。但在盲区阶段，2次回波与导波杆本身结构产生的反射回波相叠加，很容易形成较大幅值回波。

因此，“粗选”时主要针对排除随机窄尖峰脉冲、传感器特性回波及其与2次回波的叠加回波、小幅噪声回波等，设置了3个条件：回波宽度、斜率振幅、回波上升沿与下降沿之比，简称为下降比（例如，15、50、0.5），将小于给定值的回波排除。其中，随机窄尖峰脉冲主要通过宽度条件排除，传感器特性回波通过下降比排除，小幅噪声通过斜率振幅、宽度等条件排除。

“精选”时对备选回波进行斜率振幅、峰值点幅值、宽度的加权置信度计算，确定物位回波。备选回波中的干扰回波主要为2次或多次回波、固定干扰物产生的回波及宽度较大的噪声干扰。

经过“粗选”的宽度限制后，备选回波中干扰回波的宽度通常较大，而物位回波除了在叠加回波处宽度会变大外，不同物位下的宽度大致相同。因此，设定置信度计算时宽度的系数为负，表示宽度越大，物位回波的可能性越小。由于叠加回波的影响，物位回波范围难以精确确定，通常认为越靠近回波峰值点越接近物位回波部分，在回波的特性参数中，峰值点幅值、斜率振幅都满足这一条件。所以，在精选时选择了斜率振幅、峰值点幅值、宽度这3个特征参数。

由于“粗选”时排除了具有较大变化率和较大幅值的传感器回波，备选回波中物位回波的斜率振幅或峰值点幅值至少一个最大，且与较强干扰回波的最大斜率振幅之差、峰值点幅值之差、宽度之差的数量级依次为10、10²、10，所以，确定置信度计算斜率振幅、峰值点幅值、宽度的权值依次为0.6,0.1,0.3。

具体步骤如下：

(a)设置回波查找范围，例如采样点50～500点，计算该范围内回波信号段的1阶导数信号d。因为相邻采样点的时间间隔固定且很短，用一阶差分代替一阶导数可达到准确度，其计算公式可近似为：

$d=\frac{\mathrm{df}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}{|}_{x=x_i}=\frac{f\left(x_{i+1}\right)-f\left(x_i\right)}{x_{i+1}-x_i}---\left(2\right)$

因为相邻点间隔为1，所以式(2)可简化为：

$d=\frac{\mathrm{df}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}{|}_{x=x_i}=f\left(x_{i+1}\right)-f\left(x_i\right)---\left(3\right)$

式中，f(x)为回波信号，x_i为信号上的点；

(b)对d从起点开始进行判断，若d[n-1]、d[n]异号，且d[n]大于0，则确定n为终点end[i]及下一回波的起点start[i+1]；若d[n-1]、d[n]异号，且d[n]小于0，且起点确定标志已置位，则确定n为峰值点peak[i]；i表示回波序号；

(c)记录完回波的非平稳特征点，即回波的起点、峰值点、终点后，计算该回波的宽度w[i]、一阶导数最大值与最小值之差，简称为斜率振幅amp[i]、回波的下降沿高度与上升沿高度之比，简称为下降比fall_ratio[i]，并与预设值进行比较，小于预设值的回波排除，保留的回波作为备选回波，可以排除随机窄尖峰脉冲、传感器本身结构特性产生的干扰回波及其与2次回波的叠加回波、小幅噪声回波等干扰回波；上述各特征参数的计算公式为：

w[i]＝end-start    (4)

amp[i]＝d_max-d_min    (5)

fall_ratio[i]＝(data[peak[i]]-data[end[i]])/(data[peak[i]]-data[start[i]])    (6)

式中，data为回波信号段，d_max、d_min分别代表一阶导数最大值与最小值，i为回波序号；

(d)对d范围内所有点按照步骤(b)～(c)进行判断，得到若干个备选回波；

(e)对备选回波进行“精选”，即对每一个备选回波计算置信度，公式为：

confidence[i]＝0.6×amp[i]+0.1×data[peak[i]]-0.3×w[i]    (7)

(f)确定最大置信度对应的回波为物位回波。

如图8和图9，图中一组△和○对应一个备选回波，即“粗选”后的回波信号，△代表起点，○代表结束点，竖直虚线标记了“精选”后确定的物位回波范围。图8为65cm水位回波信号，较强干扰来自与罐底直接接触的铁支架，一般在实际应用中测量罐底要求至少离金属底座3cm。图9为8m长导波杆650cm物位的回波信号，由于长距离测量信号能量衰减，因此物位回波幅值较小。可见，经过“粗选”和“精选”后，物位回波得以准确确定。

(3)时间差计算

时间差计算包含了物位反映点和参考起始点的确定。

物位回波为脉冲波形，具有一定的宽度，有峰值点、上升沿、下降沿，要准确定位回波，应当选择幅度相对稳定，且幅度随距离变化敏感的位置，通常选择回波峰值点。由于物位测量的实时性要求，以及单片机资源有限，因此，不可能采用很高的采样频率去采集回波信号。为了提高准确度，对回波峰值点进行2阶Lagrange插值作为物位反映点。

理论上电磁波传播时间差的计算以发射脉冲的起点时刻为起点，但是在回波信号中，发射矩形脉冲的起点作为信号中的一个转折点通常抖动厉害，不易准确确定，这样计算的时间差误差较大。设起点对应的时刻为t₀，两个已知物位的回波定位点对应时刻分别为t₁,t₂，物位分别为h₁,h₂，则线性拟合的函数表达式系数为：

$\begin{array}{cc}a=\frac{h_2-h_1}{t_2-t_1}& b=\frac{t_2{h}_1-t_1{h}_2}{t_2-t_1}---\left(8\right)\end{array}$

由式(8)可知，物位计算与起点时刻无关，因此，时间差计算的参考起始点的选择以计算值波动最小为准则。

根据单片机(2)采集的回波信号，发射脉冲的下降沿接近竖直直线，因此用该下降沿上的某一点作为时间计算起点稳定性较好。通过选择不同幅值的直线与同一物位多次采集信号的下降沿相交，用线性插值的方法计算交点作为参考起始点，分别计算时间差，可知幅值越接近脉冲下降沿中点，时间差计算值的稳定度越好。因此，参考起始点由接近方波脉冲下降沿中点的直线线性插值确定。

进一步可以确定时间差计算公式为：时间差=物位反映点-参考起始点。

(4)对计算值滤波

由于电磁波脉冲是周期发射的，且实际中物位属于缓慢变化的过程量，因此实时测量时，在同一物位处也进行了周期性的重复计算。针对这些计算结果，采用了限幅滤波和中位值平均滤波。

限幅滤波是通过限制时间差计算值波动幅度来排除随机干扰、失波等因素导致的错误计算结果，相当于消除粗大误差。以物位回波峰值点为例，一般情况下在同一物位处也会左右偏移1～2个点，因此可以限幅为5。

中位值平均滤波是一种复合滤波，综合了中位值滤波和平均滤波的优点，可以克服偶然因素引起的干扰、减小随机误差。对计算结果加一个N点（例如，60点）的窗，将每个时间值存入窗内，按照“先进先出”的原则，对窗内的N个数值进行按顺序排列，去除两端极值，对中间的部分数据作算术平均，得到1个值作为最终结果。公式为：

$t=\frac{1}{n_2-n_1+1}\underset{i=n_1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i---\left(9\right)$

式中，n₁和n₂为中间段数据的起点和终点的序号；t_i为存入窗内的数据。

经过回波信号处理，得到了与某一物位所对应的时间差。然后，将这一时间差代入通过标定确定的物位与时间差之间的函数关系式，就可以计算出物位值。

标定过程在物位计出厂前完成。通过标定确定出物位与时间差之间的函数关系式。理论上，物位与时间差之间为线性关系。实际上存在非线性关系。为此，进行分段线性化处理。例如，对于1m长的导波杆，只要从导波杆中间位置至杆末端的线性度较好，就可以采用分段线性化的方法。考虑到实际操作的方便性需求，进行3点标定。在起始可测位置处、导波杆中间、导波杆末端各选择1个物位点，经过回波信号处理分别得到与这3个物位点所对应的时间差，作为标定数据。对标定数据分两段进行线性拟合，确定出表达式y＝ax+b中的系数a和b，将其写入单片机(2)的程序中。然后，在实际测量时，将回波信号处理得到的时间差代入函数关系式，就可以计算出物位值。

Claims (4)

1.基于一阶导数的导波雷达物位计回波信号处理系统，包括用于控制发射接收脉冲信号的单片机（1）、脉冲发射电路、导波杆、接收回波信号电路、等效时间采样电路；用于控制发射接收脉冲信号的单片机（1）控制脉冲的发射和接收；脉冲发射电路发射电磁波脉冲信号至导波杆，脉冲信号沿导波杆传播，当它从空气进入物料时，由于空气的相对介电常数与物料的相对介电常数不同，因此电磁波在物料表面发生反射；反射回波沿导波杆向上传播到接收回波信号电路；接收回波信号电路接收反射回波信号，送至等效时间采样电路，对反射回波信号进行时间上的放大处理；其特征在于：还设有信号调理电路、用于回波信号处理的单片机（2）系统、液晶显示器和软件；

经等效时间采样电路处理后的回波信号送至信号调理电路，经过分压、偏置和阻抗变换，送至单片机（2）系统，由单片机（2）系统的片内ADC对其进行采样；在ADC中断服务子程序中对采样点加以判断，采集适于后续处理的1000点信号段，关闭ADC；对回波信号进行处理，包括对回波信号进行9点移动平均滤波预处理，对滤波后的信号进行1阶导数计算检测回波，多参数有机结合判断物位回波，确定物位定位点和参考起始点计算时间差；然后，将时间差代入通过标定确定的物位与时间差之间的函数关系式计算物位；再由液晶显示出来。

2.如权利要求1所述的基于一阶导数的导波雷达物位计回波信号处理系统，其特征在于：所述信号调理电路包括电源电路、分压电路、直流偏置电路和基准电压产生电路；信号调理电路的电源电压为3V；所述分压电路由运放器U1A、电阻R6和R7组成；R6与R7的比值决定了分压比，运放器U1A采用为电压串联负反馈接法，具有高输入阻抗和低输出阻抗；所述直流偏置电路由运放器U2A、U2B及电阻R8、R9和R11、R12以及电容C8组成；电容C8起隔直作用，电阻R8与R9，R11与R12的比值决定了放大倍数，经过两级直流偏置后，输出电压V0=Vref+Vin；所述基准电压产生电路由运放器U1B、电阻R14和R15、电容C10组成；电阻R14与R15的比值决定输出的参考电压值；运放器U1B起跟随和缓冲作用；由于等效时间采样电路输出的回波信号的幅值是0V至4.7V，而所述单片机（2）系统中的芯片只允许输入0至3.3V的单极性电压，所以，要对等效时间采样电路输出的回波信号进行调理；将等效时间采样电路输出的回波信号接至信号调理电路中电阻R6的左端；回波信号进入分压电路，经过分压，其幅值降至为原幅值的1/3；然后，进入直流偏置电路，被电容C8隔断了信号中的直流分量，并被电压偏置电路抬升至1.25V，且为所述单片机（2）系统中片内ADC基准电压的一半；经过偏置后的回波信号，送入单片机；

所述单片机（2）系统由MSP430F5418A单片机U3、液晶显示器(LCD)接口P2和仿真器接口P3组成；

调理后的回波信号接至所述MSP430F5418A单片机U3的引脚7，引脚7为P7.6/A14；

MSP430F5418A单片机U3的引脚7为复用引脚，在此被配置为模拟输入A14-ADC，即将回波信号送至MSP430F5418A单片机U3的片内ADC；信号调理电路中的基准电压产生电路的输出Vref接至为直流电压偏置电路的Vref，为直流电压偏置电路提供基准电压。

3.如权利要求1所述的基于一阶导数的导波雷达物位计回波信号处理系统的处理方法，其特征在于：对于无同步触发脉冲的导波雷达物位计，由于没有同步信号触发ADC进行采样，因此需要软件定采样起始点，保证采集了正确的信号段；在本次信号与下次方波脉冲之前有较长的平稳信号段，没有明显回波，且方波脉冲有陡峭的上升沿和下降沿；根据信号的这一特点，在ADC的中断服务子程序中对采样点判断，当确定已采集到方波脉冲时，保存之后的一定长度的数据，如1000点，作为用于后续处理的回波信号段；回波信号段中包含物料表面、导波体特殊结构、噪声等因素产生的反射回波，简称为回波；回波信号处理分为4个阶段，具体包括以下10个步骤：

(1)对回波信号段进行9点移动平均滤波，减小噪声、平滑抖动；

(2)设置回波查找范围，例如采样点50～500点，计算该范围内回波信号段的1阶导数信号d，简化后的计算公式为

$d=\frac{\mathrm{df}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}{|}_{x=x_i}=f\left(x_{i+1}\right)-f\left(x_i\right)$

式中，f(x)为回波信号段，x_i为信号上的点；

(3)对d从起点开始进行判断，若d[n-1]、d[n]异号，且d[n]大于0，则确定n为终点end[i]及下一回波的起点start[i+1]；若d[n-1]、d[n]异号，且d[n]小于0，且起点确定标志已置位，则确定n为峰值点peak[i]；i表示回波序号；

(4)记录完回波的非平稳特征点，即回波的起点、峰值点、终点后，计算该回波的宽度w[i]、一阶导数最大值与最小值之差，简称为斜率振幅amp[i]、回波的下降沿高度与上升沿高度之比，简称为下降比fall_ratio[i]，并与预设值进行比较，小于预设值的回波排除，保留的回波作为备选回波，可以排除随机窄尖峰脉冲、传感器本身结构特性产生的干扰回波及其与2次回波的叠加回波、小幅噪声回波等干扰回波；上述各特征参数的计算公式为：

w[i]＝end[i]-start[i]

amp[i]＝d_max-d_min

fall_ratio[i]＝(data[peak[i]]-data[end[i]])/(data[peak[i]]-data[start[i]])

式中，data为回波信号段，d_max、d_min分别代表一阶导数最大值与最小值，i为回波序号；

(5)对d范围内所有点按照步骤(3)～(4)进行判断，得到若干个备选回波；

(6)对各备选回波进行置信度confidence计算，公式如下：

confidence[i]＝0.6×amp[i]+0.1×data[peak[i]]-0.3×w[i]

式中，i为备选回波序号，data为回波信号段，peak为备选回波峰值点；

(7)确定最大置信度对应的备选回波为物位回波；

(8)对物位回波峰值点进行2阶Lagrange插值，确定物位反映点；在发射方波脉冲下降沿中点附近选择一点，以该点所在直线与方波下降沿相交，线性插值得到参考起始点；然后计算时间差，所述时间差=物位反映点-参考起始点；

(9)对时间差进行限幅滤波，排除随机干扰等原因导致的错误计算结果，并保存；

(10)对同一物位，计算保存的60次以上的时间差进行中位值平均滤波，最后结果作为该物位对应的时间差。

4.如权利要求1所述的基于一阶导数的导波雷达物位计回波信号处理系统的处理方法，其特征在于：用于物位测量时，按照先标定后测量的步骤进行；在出厂前进行标定，标定时，在起始可测位置处、导波杆中间、导波杆末端各选择1个物位点，按照权利要求3所述的信号处理步骤得到与这3个物位点所对应的时间差，作为标定数据，划分为两段进行线性拟合，拟合得到的函数关系式写入单片机（2）系统；测量时，按照权利要求3所述的信号处理步骤，得到的时间差，再代入函数关系式就得到物位值。

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