CN106092229B - 针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置。装置包括电源模块、双声道超声波传感器、数据采集模块、超声波声道/模式切换模块以及计算机。本发明采用双声道超声波传感器获取多路超声波信号，取同一工况下测得的“Z”型声路和“V”型声路信号各一路，利用互相关去除信号延时后构成两路观测信号，先对观测信号进行零相位滤波，然后基于传感器信号的频域特征建立参考信号，最后利用盲信号提取方法(带参考信号的独立成分分析方法)实现多源噪声混合超声波信号中有效信号的提取，具有计算量小，易于实现的特点，特别适用于超声波气体流量计在复杂多变的动态流体和噪声多源的工业现场中的应用。

Description

针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置

技术领域

本发明涉及超声波气体流量计信号处理技术，尤其涉及一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置。

背景技术

超声波气体流量检测是国内近20年发展起来的一种新的气体流量检测方法。随着煤气、天然气以及工矿企业中各种气体原料和其它气体产品的日益增加，以及国内“西气东输”工程的实施，对天然气流量特别是涉及巨大经济数额的大口径、大流速气体流量的精确计量已变得日益重要，它对于经济核算、高效生产、漏气报警等方面都有重大意义。由于超声波气体流量计相较于传统流量计(如孔板、涡轮流量计等)具有非侵入、测量精度高、量程宽、压损小、无流阻、适用于大管径、能实现双向测量和易于安装维护等优点，受到了用户的欢迎和气体工业界的重视，是目前国际计量界公认的性价比最高、最具发展潜力的气体流量测量仪表之一。

超声波技术检测流量的众多方法中最广泛采用的是时差法，该方法通过测量超声波在管道内顺、逆向传播的渡越时间计算得到流量。现有的超声波渡越时间测量方法主要有单阈值法、双阈值法(滑动窗阈值法)、互相关法和提取包络法等，或者是多种方法的结合。这些方法中往往只利用了接收信号在过零点时刻的瞬时信息，测得的渡越时间易受瞬时干扰的影响，对现场多源噪声混合(动态流体的内部扰动、上下游阀门的开关噪声、管路周边大型设备的振动噪声和电磁干扰等)的干扰抑制能力较差，难以适应一些恶劣条件的工业现场。因此，常规的滤波降噪方法(如频谱分析等)往往已不能满足日益增长的高精度超声波气体流量计的要求，一方面，未知的现场噪声源各种各样；另一方面，各路源信号(有效信号和噪声)之间相互影响的方式不确定。因此，迫切需要一种能从多源噪声混合的超声波信号中提取出高信噪比的有效信号的方法。

本发明针对现有的超声波气体流量计易受现场噪声影响的现状，将盲信号处理技术引入到气体流量测量领域，提出了一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置。该发明利用超声波传感器信号频率特性已知的先验知识，采用带参考信号的独立分量分析方法，结合零相位FIR带通滤波器，实现带参考信号的超声波气体流量计有效信号的盲提取，具有计算量小，快速高效等优点，可以获得高信噪比的超声波有效信号，为高精度的气体流量计量奠定基础。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，针对超声波气体流量计，提供一种简单有效的超声波信号盲提取方法和装置。技术方案如下：

步骤一：通过双声道超声波气体流量计有效信号盲提取装置，获取多路含有动态流体信息和多源噪声信息的超声波信号。

步骤二：选取同一工况下测得的“Z”型声路信号和“V”型声路信号各一路分别作为观测信号x₁和观测信号x₂，进行互相关运算后得到x₂相对于x₁的延时Δt，实行去延时操作(x₂ ⁰＝x₂-Δt)后构建二维观测信号矩阵X＝[x₁x₂ ⁰]。

步骤三：对观测信号矩阵中的两路观测信号分别进行零相位FIR带通滤波，进行初步的降噪。首先分析有效传感器信号的频域特征，计算所需FIR带通滤波器的参数并设计相应的数字滤波器；然后基于所设计的滤波器对两路观测信号分别进行正向滤波；最后基于所设计的滤波器对正向滤波后的观测信号进行反向滤波并输出信号X^*＝[x₁ ^*x₂ ^*]。

步骤四：对观测信号矩阵X^*进行去均值和白化处理(主成分分析)得到Z。

步骤五：根据超声波传感器信号的频率特征建立参考信号y_r，例如选取和传感器信号相同频率的正弦信号作为参考信号。

步骤六：对信号矩阵Z进行带参考信号y_r的独立分量分析，分离并提取出有效信号y。采用负熵作为独立性(非高斯性)度量，采用ε(y,y_r)＝E{(y-r)²}作为参考信号与分离信号的相似性度量。首先建立负熵对比函数(即目标函数)maximum J(y)＝ρ[E{G(y)}-E{G(v)}]²和不等式约束条件g(w)＝ε(y,y_r)-ξ，其中ρ＝E{G(y)}-E{G(v)}，ξ为相似性阈值；然后通过拉格朗日函数转化为无约束优化问题L(w,μ)＝J(y)-(1/2γ)[max{μ+γg(w),0}-μ²]，求得相应的参数迭代公式，其中μ为拉格朗日乘子，γ为尺度惩罚参数；引入基于Gram-Schmidt去相关的抽取法，在每一次迭代后对线性组合去相关，最后迭代直到收敛，得到有效信号的最优分离矩阵w^*。

步骤七：计算/提取超声波有效信号y^*＝w^*Tz并输出。

本发明还提供了一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置，包括电源模块、双声道超声波传感器、数据采集模块、超声波声道/模式切换模块以及计算机。采用“Z型”声道和“V型”声道相结合的方式将四个超声波换能器安装于传感器管段的管壁与固定槽中构成双声道超声波传感器，每个换能器均通过数据线和一个声道/模式切换模块相连，四个模块通过排线与数据采集模块相连以实现激励信号的输出和检测信号的输入，数据采集模块一方面与电源模块相连以实现整个系统的稳定供电，另一方面与计算机相连以实现USB芯片与计算机的通信。

进一步，所述的超声波声道/模式切换模块包括逻辑单元、多个电子开关、信号驱动芯片、仪表放大器和换能器接口，可以实现声道的选通、换能器工作模式的选择与切换、激励信号的驱动放大、检测信号的滤波放大等功能。其中通道的选通和换能器工作模式的选择与切换通过多个电子开关实现，采用门级信号驱动芯片实现激励信号的驱动放大，采用仪表放大器和外围RC滤波电路实现检测信号的滤波放大，激励信号采用连续激励模式，获得的检测信号具有更高的能量和信噪比，可挖掘更多的有用信息。

进一步，所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置，其特征在于所述的数据采集模块包括DSP芯片、FPGA芯片、USB芯片和A/D采样芯片，DSP作为主控制器控制着整个超声波声道/模式选择、激励信号产生、检测信号采样存储和USB通信过程。FPGA主要实现超声波声道/模式切换模块接口信号的产生，包括电源、地、声道选择信号、模式选择信号和激励信号。USB实现该系统与计算机的实时通信。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

(1)将零相位滤波技术和盲信号处理技术引入超声波气体流量测量领域，通过传统滤波方法和带参考信号的独立成分分析方法相结合，为复杂工业现场中多源噪声混合的超声波流量计提供一种新的信号处理思路；

(2)将直射式(“Z”型)声道布置方式和反射式(“V”型)声道布置方式相结合，设计并制作了一种新型的双声道超声波传感器，该传感器结合了两种声道布置方式的优势，具有更强的抗扰动性并提供更全面的流体信息。

(3)针对多声道超声波气体流量计设计高速数据采集模块和声道/模式切换模块，可以实现快速高效的声道/模式切换和数据采集处理；

(4)对超声波换能器采用连续激励的方式，获得的信号可以具有比传统单脉冲信号更加高的信噪比和更多可挖掘的信息。

附图说明

图1是针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法技术路线图；

图2是带参考信号的超声波有效信号盲提取算法流程图；

图3是针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置结构图；

图4是针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置信号传输示意图；

图5是新型双声道超声波传感器的声道布置示意图。

图6是超声波声道/模式切换模块原理图。

具体实施方式

本发明针对工业现场中的超声波气体流量计信号易被多源噪声污染的现状，提出了一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置。将零相位滤波技术与盲提取技术(带参考信号的独立分量分析方法)相结合，快速高效地实现多源噪声混合信号中有效超声波信号的提取，为高精度的超声波气体流量计量提供新的思路，具有计算量小和易于实现的特点。

如图1所示，该方法的实施过程中，首先选取同一工况下测得的双声路超声波信号(“Z”型声路信号和“V”型声路信号)各一路，进行互相关去延时之后构成观测信号矩阵X＝[x₁x₂ ⁰]，采用基于FIR带通滤波器的零相位滤波技术对观测信号进行滤波降噪后得到矩阵X^*＝[x₁ ^*x₂ ^*]，然后对观测信号矩阵进行去均值和白化处理后得到矩阵Z并充分利用传感器信号频域信息建立参考信号y_r，最后引入带参考信号的独立成分分析提取出超声波有效信号y^*。具体操作如下：

1)以信号x₁为例，对其进行零相位滤波:

x₁₁(n)=x₁(n)*h(n)

x₁₂(n)＝x₁₁(N-1-n)

x₁₃(n)＝x₁₂(n)*h(n)

x₁ ^*(n)＝x₁₃(N-1-n)

其中，h(n)是滤波器的传递函数，N为信号采样点数，n＝1,2,…,N。同理，x₂ ⁰经过零相位滤波后得到x₂ ^*，由此得到信号矩阵X^*＝[x₁ ^*x₂ ^*]。

2)去均值

X₀＝X^*-E{X^*}

3)基于主成分分析(PCA)的白化处理

如图2所示，在带参考信号的独立分量分析过程中引入基于Gram-Schmidt去相关的抽取法，在每一次迭代后对线性组合去相关，具体步骤如下：

4)初始化：设置初始随机权重矢量w₀，设置初始拉格朗日乘子μ₀；

选择合适的尺度惩罚参数γ，选择合适的学习率η。

5)计算ρ＝E{G(y)}-E{G(v)}，其中y＝w^Tz。

6)更新拉格朗日乘子μ：u(k+1)＝max{μ+γg(w(k)),0}。

7)更新权值向量w：w(k+1)＝w(k)-ηL′(w(k))/δ(w(k))，

其中L′(w(k))＝ρE{xGy′(y)}-0.5μE{xg_y′(w(k))}-λE{xy}，

δ(w(k))＝ρE{xG_y2″(y)}-0.5μE{xg_y2″(w(k))}-λ。

8)利用基于Gram-Schmidt去相关的抽取法对线性组合去相关：

w(k+1)＝w(k+1)-(w(k+1)^Tw₁w₁)-(w(k+1)^Tw₂w₂)。

9)归一化：w(k+1)＝w(k+1)/║w(k+1)║。

10)若满足迭代终止条件|w(k)^Tw(k+1)|≈1，则w^*＝w(k+1)，输出有效信号y^*＝w^{* T}z；否则，转到步骤5)，继续迭代。

其中，L(w,μ)＝J(y)-(1/2γ)[max{μ+γg(w),0}-μ²]为拉格朗日函数，J(y)＝ρ[E{G(y)}-E{G(v)}]²为负熵对比函数，g(w)＝ε(y,y_r)-ξ为相似性判据，相似性函数选用ε(y,y_r)＝E{(y-y_r)²}。

如图3所示为针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置图，包括管道、双声道超声波传感器、声道/模式切换模块、数据采集模块和计算机。首先稳定的气体以一定的流速在管道内流动，然后数据采集模块产生声道/模式选择信号和连续激励信号发送至声道/模式切换模块后发送给指定的换能器，最后同一声路的换能器接收到检测信号后发送至声道/模式切换模块进行滤波放大，之后信号输入到数据采集模块进行采样、存储和信号处理并由该系统传送至计算机中进行后续的处理。

如图4所示，数据采集模块由DSP芯片、FPGA芯片、USB芯片和ADC芯片构成。DSP是整个系统的控制核心，控制整个传感器工作过程和数据采集存储过程；ADC实现超声波信号的实时采样；FPGA实现激励信号的产生和接收信号的存储；USB负责数据采集系统和计算机的通信。双声道超声波传感器包括传感器管段和四个超声波换能器，每个换能器都与一个相应的声道/模式切换模块相连。首先，DSP通过FPGA的IO端口发送声道/模式选择信号(如声道1，换能器1_1激励1_2检测)给声道/模式切换模块，随后声道1选通并且该通道的两个换能器1_1和1_2分别被指定为激励模式和检测模式)，然后FPGA发送连续激励信号给通过声道/模式切换1_1进而给换能器1_1，最后换能器1_2检测到的超声波信号通过声道/模式切换1_2模块发送给数据采集系统进行采样存储并发送给计算机进行信号处理。

如图5所示为新型双声道超声波传感器的声道布置示意图，该双声道超声波传感器由一路直射式“Z”型声道和一路反射式“V”型声道组成，其中“Z”型声道和“V”型声道分别与管道轴线成45°和60°。通过将两种声道布置方式相结合，该新型双声道超声波传感器具有更强的抗干扰能力，可以有效地减少动态流体内部的轴向和径向扰动造成的影响，同时可以获得更全面的动态流体信息。

如图6所示，超声波声道/模式切换模块由逻辑单元、多个电子开关、信号驱动芯片、仪表放大器和换能器接口构成。首先，声道/模式切换模块接收到数据采集系统的声道选择和模式选择信号，若声道选择信号为高电平则逻辑单元的输出信号控制该声道选通，同时逻辑单元的输出根据模式选择信号使能激励通路(控制开关S1闭合，S2断开，S3左半开关闭合)使得与之相连的换能器工作在激励模式或者使能检测通路(控制开关S2闭合，S1断开，S3右半开关闭合)使得与之相连的换能器工作在检测模式，激励通路完成激励信号的驱动放大并传送给换能器，检测通路实现换能器检测信号的滤波放大并传送给数据采集系统；反之，若声道选择信号为低电平则该声道和相应的换能器不工作。

Claims (7)

1.一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法，有效信号盲提取装置包括电源模块、双声道超声波传感器、数据采集模块、四个超声波声道/模式切换模块以及计算机，双声道超声波传感器由传感器管段和四个超声波换能器构成，四个超声波换能器安装于传感器管段的管壁中，用于测量管段内气体介质的流量，每个超声波换能器均通过数据线和相应的超声波声道/模式切换模块相连，四个超声波声道/模式切换模块通过排线与数据采集模块相连以实现激励信号的输出和检测信号的输入，数据采集模块一方面与电源模块相连以实现整个系统的稳定供电，另一方面与计算机相连以实现与计算机的通信；

其特征在于包括以下步骤：

步骤一：通过有效信号盲提取装置获取多路含有动态流体信息和多源噪声信息的超声波信号；

步骤二：选取同一工况下测得的“Z”型声路信号和“V”型声路信号各一路分别作为观测信号x₁和观测信号x₂，进行互相关运算得到x₂相对于x₁的延时Δt，实行去延时操作，即x₂ ⁰＝x₂-Δt，去延时操作后构建二维观测信号矩阵X＝[x₁x₂ ⁰]；

步骤三：对观测信号矩阵X中的两路观测信号分别进行零相位FIR带通滤波，去除一部分噪声，得到观测信号矩阵X^*＝[x₁ ^*x₂ ^*]；

步骤四：对滤波后的观测信号矩阵X^*进行去均值和基于主成分分析的白化处理得到观测信号矩阵Z；

步骤五：根据超声波传感器信号的频率特征建立参考信号y_r；

步骤六：对观测信号矩阵Z进行带参考信号y_r的独立分量分析，分离并提取出有效信号y^*：

采用负熵作为独立性度量，采用ε(y,y_r)＝E{(y-r)²}作为参考信号与分离信号的相似性度量；首先建立负熵对比函数maximum J(y)＝ρ[E{G(y)}-E{G(v)}]²和不等式约束条件g(w)＝ε(y,y_r)-ξ，其中ρ＝E{G(y)}-E{G(v)}，ξ为相似性阈值；然后通过拉格朗日函数转化为无约束优化问题L(w,μ)＝J(y)-(1/2γ)[max{μ+γg(w),0}-μ²]，求得相应的参数迭代公式，其中μ为拉格朗日乘子，γ为尺度惩罚参数；引入基于Gram-Schmidt去相关的抽取法，在每一次迭代后对线性组合去相关，最后迭代直到收敛，得到有效信号的最优分离矩阵w^*；

计算/提取超声波有效信号y^*＝w^*Tz并输出。

2.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法，其特征在于所述的双声道超声波传感器，采用一路“Z”型声道和一路“V”型声道相结合的方式，两路声道分别布置在相互垂直的两个平面上。

3.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法，其特征在于所述的超声波声道/模式切换模块包括逻辑单元、多个电子开关、信号驱动芯片、仪表放大器和换能器接口，逻辑单元的输入和数据采集模块相连，用于对控制信号进行逻辑操作实现声道/模式的选择与切换，逻辑单元的输出与电子开关S1、电子开关S2和电子开关S3相连实现对开关的控制；信号驱动芯片一端与电子开关S1相连实现对激励信号的驱动放大，另一端与电子开关S3相连实现对换能器的激励；仪表放大器一端与换能器接口相连实现检测信号的滤波放大，另一端与电子开关S2相连实现检测信号的输入。

4.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法，其特征在于所述的数据采集模块包括DSP芯片、FPGA芯片、USB芯片和A/D采样芯片，DSP作为主控制器控制着整个超声波声道/模式选择、激励信号产生、检测信号采样存储、USB通信过程；FPGA实现超声波声道/模式切换模块接口信号的产生，所述接口信号包括电源、地、声道选择信号、模式选择信号和激励信号；USB实现数据采集模块与计算机的实时通信，A/D采样芯片一端与声道/模式切换模块相连，另一端与FPGA相连。

5.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法，其特征在于所述的激励信号采用连续激励的方式，由数据采集模块中的FPGA产生，所述的连续激励信号是指周期数有限的连续方波信号。

6.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法，其特征在于所述的零相位FIR带通滤波根据超声波传感器信号的频域特征设计FIR带通数字滤波器，结合零相位滤波原理实现信号降噪。

7.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法，其特征在于所述的进行带参考信号y_r的独立分量分析具体为：采用负熵作为独立性度量，采用ε(y,y_r)＝E{(y-r)²}作为参考信号与分离信号的相似性度量，通过建立拉格朗日函数将等式约束和不等式约束问题转化成无约束优化问题后迭代求解得到分离矩阵W并引入基于Gram-Schmidt去相关的抽取法，在每一次迭代后对线性组合去相关，最终在满足迭代终止条件后实现超声波信号的有效提取。