CN105676225B - 不透明浑浊液体中的超声测距系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可应用在不透明浑浊液体超声测距系统和方法。在一个实施例中，该测距系统包括控制单元，根据控制参数，完成对高压激励信号和深度增益补偿的可编程控制；换能器，在高压激励信号的激励之下发射声束并且接收回波信号；控制单元，根据深度增益补偿回波信号；计算单元，对回波信号经多回波处理和基于中心矩的距离计算，从而完成测距。本发明实施例包括基于FPGA的高信噪比数字控制系统、多回波处理算法和基于中心矩的距离计算算法，实现了高精度、大范围的距离测量，同时采用USB总线，实现了灵活通用的便携式测距系统。

Description

不透明浑浊液体中的超声测距系统和方法
技术领域
本发明涉及超声领域，特别涉及超不透明浑浊液体中的超声测距系统和方法。
背景技术
超声波具有能量集中、对电磁干扰不敏感等优势，超声波测距是一种有效的非接触式测距方法。尤其在测试条件恶劣的流体环境下，超声波可实现比激光、红外等方式更安全、可靠的测量。
常见的水下超声测距是针对半透明或透明度较高的海水，采用阈值判断法，利用回波信号的电压触发比较器，以判断回波到达时刻，该时刻与声速乘积的一半即所测的单程距离。超声测距设备多采用单片机作为控制核心，激励电压较低，控制精度和实时性不足，系统信噪比提高和信号处理方法有限，测量精度一般在厘米级，常用于反射表面平整、干扰较低的环境。但是在不透明的浑浊液体中，声波散射噪声干扰十分强烈，尤其在反射面粗糙或多角度反射的情况下，回波信号多而复杂，常规的硬件结构无法保证系统良好的信噪比，简单回波处理和距离计算方法难以准确提取有效信号，造成测距范围减小、精度降低，难以满足冶金、核燃料处理和化工等领域中不透明浑浊液体下的高精度测距。
发明内容
本发明实施例在第一方面提供一种可应用于不透明浑浊液体的超声测距系统，该系统包括控制单元，根据控制参数，完成对高压激励信号和深度增益补偿的可编程控制；换能器，在高压激励信号的激励之下发射声束并且接收回波信号；控制单元，根据深度增益补偿回波信号；计算单元，对回波信号经多回波处理和基于中心矩的距离计算，从而完成测距。
优选地，所述控制单元是FPGA。
优选地，所述系统包括上位机和终端，上位机通过数据总线将控制参数下传至终端；控制单元和换能器位于终端，计算单元在上位机，回波信号经数据总线或数据链路上传给上位机。
优选地，多回波处理采用二级滤波和小波变换相结合，第一级滤波采用级联积分梳妆滤波器，实现高速采样数据的抽取和低通滤波，可降低系统处理压力并滤除高频噪声；第二级滤波采用FIR滤波器实现带通滤波
优选地，基于中心矩的距离计算包括将时间量按序分为多个矩阵，分别计算每个矩阵的三阶中心矩，取其值小的一个矩阵作为平稳矩阵，该平稳矩阵时间量的平均值即作为该待测点回波时间，结合声速和探头内声波延时参数来计算该点距离。
在第二方面，本发明实施例提供一种可应用于不透明浑浊液体中的超声测距方法。该方法包括在高压激励之下，换能器发射声束；接收回波信号后，根据深度增益补偿回波信号；回波信号经多回波处理和基于中心矩的距离计算，从而完成测距。
本发明实施例包括基于FPGA的高信噪比数字控制系统、多回波处理算法和基于中心矩的距离计算算法，实现了高精度、大范围的距离测量，同时采用USB总线，实现了灵活通用的便携式测距系统。
附图说明
图1是本发明实施例的超声测距系统的分解示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明为不透明浑浊液体下的物体间距提供一种高精度测量方法和系统，以满足冶金、核燃料处理和化工等领域的实验和反应测距要求。在不透明浑浊液体中，强烈的噪声干扰或复杂界面反射会极大地降低信噪比，常规水下超声测距所无法实现准确测量。本发明实施例基于例如FPGA的高信噪比数字控制系统、多回波处理算法和基于中心矩的距离计算算法，可实现强烈噪声干扰下的信噪比提高和复杂界面反射下的回波时间准确提取，显著提高不透明浑浊液体下超声测距精度和测量范围。
图1是本发明实施例的超声测距系统的分解示意图。如图1所示，超声测距系统可在结构上分为两部分，上位机和基于FPGA的终端。上位机通过USB总线将控制参数下传至终端中的FPGA单元，在终端中，FPGA根据控制参数，完成对换能器的高压激励和深度增益补偿。深度增益补偿后的回波经AD转换通过USB总线上传给上位机。上位机中，回波信号经多回波处理模块(或算法)和基于中心距的高精度距离计算模块(或算法)处理，然后将计算好的距离进行显示，从而完成测距。
在终端中，设计了基于FPGA的高信噪比数字控制系统，通过可调脉宽高压激励、深度增益补偿等方式降低噪声，提高系统信噪比。压电式换能器的激励电压对发射声束的能量有直接影响，激励电压越高则辐射声场能量越强。高压激励模块例如是200V高压脉冲可调激励电路，它以FPGA为控制核心，通过逻辑配置，可实现200V高压、50ns-1000ns可调脉宽的激励脉冲，准确匹配不同频率换能器，提高了声场激发效率和入射声场能量，为系统信噪比的提高打下了基础。
在接收前端，设计了基于FPGA和例如TLC5637的深度增益补偿电路。TLC5637是可配置数模转换器，可用于放大器的增益控制。接收前端可使用两级增益电路，增益范围可达例如0-80dB。通过对TLC5637的配置可实现增益值的调整，从而在长距离回波衰减较大时做出高增益补偿，提高其信噪比。深度增益补偿对控制核心的实时性有较高要求，因此，利用FPGA的实时控制能力，对TLC5637进行实时可编程配置，增益更新速度高达1us，满足同一回波在不同深度的增益变化需求，有效补偿回波信噪比，使声束深度方向上呈现均匀的分辨率。需要理解的是，FPGA单元可以由其它类型的控制单元代替。
在基于FPGA的硬件系统对信噪比进行提高和补偿后，在上位机侧，采用多回波处理算法和基于中心矩的距离计算算法进行复杂反射信号的频域分析和高精度距离计算。分析和处理可以由处理器、DSP或其它类型的计算单元实现。
多回波处理算法采用高效二级滤波和小波变换相结合。第一级滤波采用级联积分梳妆滤波器，实现高速采样数据的抽取和低通滤波，可降低系统处理压力并滤除高频噪声；第二级滤波采用FIR滤波器实现带通滤波，利用FIR的良好滤波性能实现进一步噪声滤除，为小波变换分析建立良好的频谱环境。小波变换较傅里叶变换有更好的局部特征表征能力，适用于分析信号中的瞬态变化。因此，使用小波变换对二级滤波后的信号进行频域分析，在混叠后的多反射回波中，通过找出小波系数模的最大值，确定其对应的采样点，进而精确捕捉回波信号峰值达到时刻。多回波处理算法可实现参数优化，从降低滤波器阶数，提高效率；并针对反射情况复杂、多回波信号的情况，采用小波变换准确分解回波频谱，捕捉回波峰值变化，相比于阈值法能有效提高测距精度。
中心矩可以反映变量取值的分散程度，是常用的统计学参量。采用基于中心矩的距离计算算法，可以降低距离计算误差，提高测距精度。在基于中心矩的距离计算算法中，系统以400Hz的频率进行超声波激发，这样在一个待测点每秒可获得400个测量时间量。该算法将时间量按序分为多个矩阵，分别计算每个矩阵的三阶中心矩，取其值最小的一个矩阵作为最平稳矩阵，该矩阵时间量的平均值即作为该待测点回波时间，结合声速和探头内声波延时参数来计算该点距离。相比于常规测距计算方法，本发明实施例利用回波时间的统计学特性，通过中心距计算得出最稳定的回波时间值，以此计算距离，有效降低了随机误差，提高了测量精确度。
本发明实施例包括基于FPGA的高信噪比数字控制系统、多回波处理算法和基于中心矩的距离计算算法，实现了高精度、大范围的距离测量，同时采用USB总线，实现了灵活通用的便携式测距系统。
同时，本发明实施例设计了基于USB总线的系统传输，降低了系统复杂度，简化了设备连接，同时降低了功耗和成本，可适应化工、核电等不同领域中的便携式测距应用。
本发明所设计的基于FPGA的高信噪比数字控制系统、多回波处理算法和基于中心矩的距离计算算法，显著提高了信噪比，提高了距离计算精度和测量范围，可实现不透明浑浊液体下的高精度大范围测距，测距精度科可达1mm，可测范围可达2m。同时，本发明采用USB总线，简化了系统连接，降低了成本和功耗，为冶金、核燃料处理、化工等领域中不透明浑浊液体下的实验或反应提供了高效、便捷的测距方法。
虽然前文结合上位机和终端的架构对本发明的各实施例做了描述，但是随着技术的发展，这样的架构是可以改变的。比如上位机和终端之间可以不通过数据总线而是通过有线或无线链路来传递控制信号和数据。另外，也可以将部分或全部的计算单元放置到终端部分。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可应用于不透明浑浊液体中的超声测距系统，包括控制单元，根据控制参数，完成对高压激励信号和深度增益补偿的可编程控制；换能器，在高压激励信号的激励之下发射声束并且接收回波信号；控制单元，根据深度增益补偿回波信号；计算单元，对回波信号经多回波处理和基于中心矩的距离计算，从而完成测距；其中基于中心矩的距离计算包括将待测点的时间量按序分为多个矩阵，分别计算每个矩阵的三阶中心矩，取其值小的一个矩阵作为平稳矩阵，该平稳矩阵时间量的平均值即作为所述待测点回波时间，结合声速和探头内声波延时参数来计算所述待测点距离。
2.如权利要求1所述的超声测距系统，其中所述控制单元是FPGA。
3.如权利要求1所述的超声测距系统，其中所述系统包括上位机和终端，上位机通过数据总线将控制参数下传至终端；控制单元和换能器位于终端，计算单元在上位机，回波信号经数据总线上传给上位机。
4.如权利要求1所述的超声测距系统，其中多回波处理采用二级滤波和小波变换相结合；其中第一级滤波采用级联积分梳妆滤波器，实现高速采样数据的抽取和低通滤波，可降低系统处理压力并滤除高频噪声；第二级滤波采用FIR滤波器实现带通滤波。
5.一种可应用在不透明浑浊液体中的超声测距方法，应用于如权利要求1所述的可应用于不透明浑浊液体中的超声测距系统,其特征在于，包括：
在高压激励之下，换能器发射声束；
接收回波信号后，根据深度增益补偿回波信号；
回波信号经多回波处理和基于中心矩的距离计算，从而完成测距。
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