CN106716081A - 使用多个搜索步骤的水平寻找 - Google Patents

Abstract

水平寻找的方法（100）包括提供（101）发射到在其中具有至少一个材料的槽（305）中的波导（340）上的在时域中的发射脉冲的形状的特性、在脉冲的频率处的波导的物理性质以及材料的实部和虚部介电特性。实现具有粗略搜索和精细搜索的水平寻找算法（310a），其中所述粗略搜索最小化（103）回声信号（回声曲线y(k)）与采样的脉冲模型回声p(k)之间的预测误差以获得最小预测误差（k*）的邻域中的目标函数J(k)。精细搜索使用邻域k*中的J(k)计算（104）至少一个最小值或最大值。最小值或最大值对应于材料的水平或涉及材料的界面。

Description

使用多个搜索步骤的水平寻找

对相关申请的交叉引用

本申请要求2014年10月1日提交的题为“TIME DOMAIN REFLECTOMETRY (TDR) SIGNALPROCESSING”的临时申请序列号62/058,358的权益，其通过引用以其整体并入本文。

技术领域

所公开的实施例涉及使用时域反射计（TDR）和水平测量仪的水平寻找以及由此的系统。

背景技术

水平测量技术包括超声和雷达，其通常是导波雷达（GWR）。较新的水平测量设备是基于TDR的，其利用基于声音或回声的测量，无论是超声还是GWR。GWR是接触雷达技术，其使用时间TDR原理来测量槽中的液体或固体的水平。

GWR通过生成电磁能量的脉冲流以及沿形成在水平感测探测器（probe）中的传输线向下传播发射脉冲而工作。探测器通常垂直放置在槽或其他容器中，并且电磁脉冲从探测器顶部向下发射。探测器以使得传播的脉冲的电磁场穿透空气直到其到达材料的水平的方式对空气和要被感测的材料二者开放。在那时，电磁场看到材料的较高介电常数。该较高介电常数引起传输线的阻抗方面的降低，导致回到探测器顶部的脉冲反射（回声）信号。脉冲以已知速度行进通过探测器的空气介电部分。这允许材料水平和界面厚度（如果存在的话）被峰值寻找算法所确定，所述峰值寻找算法标识脉冲回声曲线中的（一个或多个）峰值。

发明内容

提供本发明内容来以简化的方式介绍所公开的概念的简要选择，以下在包括所提供的附图的具体实施方式中进一步描述所公开的概念。本发明内容不意图限制所要求保护的主题的范围。

所公开的实施例识别已知的峰值寻找算法，所述峰值寻找算法用于在用于基于时域反射计（TDR）的水平测量系统的回声曲线中寻找峰值以用于确定到材料水平的距离以及界面厚度（如果存在的话），在没有考虑所使用的发射脉冲、波导的物理性质以及槽中的介质的先验知识的情况下操作。然后，这样的方法将然后定义阈值阵列以在回声曲线中挑选出感兴趣的峰值以确定材料水平和（一个或多个）界面（如果存在的话）留给用户。

所公开的多个搜索步骤的水平寻找算法从反射信号（回声曲线）和采样的脉冲模型回声自动确定槽中材料的水平（材料水平）以及（一个或多个）界面（如果存在的话），其通常包括两个搜索步骤，初始粗略搜索，以及然后精细搜索。与已知的峰值寻找算法相比，由公开的水平寻找算法提供的水平读数更准确，并且要求用户的较少专业知识，在一个实施例中，其用于相对困难的导波雷达（GWR）应用，诸如用于测量界面或用于确定湍流条件中的材料水平。尽管通常针对GWR应用（接触脉冲雷达）而描述，但所公开的水平寻找还可以适用于超声和非接触雷达。

附图说明

图1是示出根据示例实施例的水平寻找的示例方法中的步骤的流程图。

图2示出根据示例实施例的所测量的雷达反射脉冲对建模的雷达反射脉冲。

图3描绘了根据示例实施例的示出为GWR系统的示例脉冲雷达系统，所公开的水平寻找算法被示出在与处理器关联的存储器的固件中实现。

图4是根据示例实施例的表面反射的参数模型和所测量的回声曲线的示例图示。

图5A是根据示例实施例的示例表面反射模型和所测量的回声曲线的叠加，并且图5B示出示例目标函数及其阈值。

具体实施方式

参考随附附图来描述所公开的实施例，其中相同的参考标号贯穿附图用于指定类似或等同的元件。附图未按比例绘制，并且它们被提供仅仅以说明某些公开的方面。以下参考用于说明的示例应用描述若干公开的方面。应理解的是，阐述了多个具体细节、关系和方法以提供对所公开的实施例的全面理解。

然而，相关领域普通技术人员将容易地认识到，本文公开的主题可以在没有一个或多个具体细节的情况下或利用其它方法来实现。在其他实例中，未详细示出公知的结构或操作以避免使某些方面模糊。本公开不被动作或事件的所图示的次序所限制，由于一些动作可以以不同的次序和/或与其它动作或事件同时地发生。此外，并不要求所有图示的动作或事件以实现根据本文公开的实施例的方法。

同样，如本文使用的术语“耦合到”或“与其耦合”（等）在没有进一步限制的情况下意图于描述间接或直接电连接。因而，如果第一设备“耦合”到第二设备，该连接可以通过其中在路径中仅存在寄生元件的直接电连接，或者经由包括其他设备和连接的中介元件通过间接电连接。对于间接耦合，中介元件通常不修改信号的信息，但可以调整其电流水平、电压水平和/或功率水平。

图1是示出根据示例实施例的水平寻找的示例方法100中的步骤的流程图。所公开的实施例从反射信号（回声曲线）和采样的脉冲模型回声确定槽中的材料水平，其包括两个搜索步骤，使用初始粗略搜索，并且然后较精细搜索。尽管通常不需要，但还可以添加第三或更多相继地较精细搜索。如以上指出的，尽管通常针对GWR应用来描述所公开的水平寻找，但所公开的实施例还可以适用于超声和非接触雷达。

步骤101包括提供参数，所述参数包括由发射器发射到其中具有至少一个材料的槽中的波导（或探测器）上的时域中的发射脉冲（建模的或实际）的形状的特性（例如，脉冲宽度和振幅）、波导的物理性质以及材料的介电特性。为了获得材料的介电特性，人们可以以一个或多个期望的操作脉冲频率仿真或更典型地测量槽中的材料的介电特性。步骤102包括使用供应有这些参数的处理器来实现存储在关联的存储器中的水平寻找算法，所述水平寻找算法具有粗略搜索以及然后精细搜索。所述处理器可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）或离散逻辑设备。所述存储器可以在处理器芯片上，或者可以是分离的存储器。

步骤103包括粗略搜索，其中通过评估性能指数而在所测量的回声曲线中寻找反射候选，所述性能指数可以是预测误差矢量的范数（norm），其中是离散采样距离，是整数是回声曲线中的采样的数目，是采样距离，以及是采样的脉冲模型回声。步骤104包括精细搜索在的邻域中使用目标函数来计算至少一个最小值或最大值，其中最小值或最大值对应于在子采样精度中的材料的水平或涉及材料的界面，其中采样精度由给出，其中标识反射的中心，而不是峰值。在存在（两个或更多）反射候选的集合的情况下，可以添加步骤105，其包括使用选择准则（诸如，目标函数的最小值）来选择候选集合中的最佳候选。

针对所有感兴趣的回声反射来评估步骤101到104以及可选地步骤105。这包括但不限于参考平面（凸缘）、上产品表面、下产品表面以及探测器（或波导）的末端。到上产品表面的距离被计算为针对上产品的最佳反射候选与参考平面之间的差：并且类似地针对下产品和探测器的末端。

例如，对于粗略搜索：

1. 获得参数化模型或所测量的近完美反射超声或雷达脉冲（例如，在仅通过该仪的接收电路之后测量的发射脉冲）。此处，是增益或振幅参数，是宽度参数，是离散采样距离，是整数，并且是采样距离。在错误!未找到引用源中示出了参数化模型雷达脉冲反射对实际测量的雷达脉冲反射的示例。通过发射脉冲的振幅/增益和反射脉冲行进通过的槽中的材料的介电特性来管控增益或振幅（在图2中示出为增益）。

2. 形成时间/距离脉冲模型，，其使用线性衰减参数调整建模的脉冲回声信号的振幅，其中是波导以及脉冲在其中行进的槽中的材料的函数。项对雷达或超声脉冲能量进行建模，所述雷达或超声脉冲能量被损失到其周围环境，或者由于被波导吸收而损失。

3. 通过评估性能指数而在所测量的回声曲线中寻找反射候选（针对反射的中心），所述性能指数是预测误差矢量的范数。对于利用欧几里得范数的示例，见公式。

4. 以下（1）

此处，是雷达或超声脉冲反射模型，是离散距离，是采样距离，是反射模型的半窗宽度，是针对反射候选的离散距离的集合，是性能指数阈值，并且是回声曲线中的采样的数目。要注意的是，在该步骤中可以使用除了欧几里得范数之外的范数。

5. 为了粗略搜索中的效率，和可选地被下采样或取十分之一。

6. 处的目标函数然后经受精细搜索。

在精细搜索中，内插技术用于寻找的连续表示，其然后在分析上被最小化。示例精细搜索可以包括：

1. 形成在的邻域中的的二阶多项式表示（曲线拟合）。

2. 使用线性最小二乘来寻找最优多项式系数；

3. 计算精细搜索反射距离候选，其可以在分析上被求解，并且。精细搜索候选是子采样精度处的感兴趣的反射候选。

要指出的是，可以使用其他内插和曲线拟合技术，诸如较高阶多项式或非多项式函数。

在最终反射距离候选的集合包含多于一个候选的情况下，可以应用附加候选选择准则，如以上相对于步骤105所描述的。选择准则可以取决于所讨论的反射而不同，诸如所讨论的反射是否来自参考平面、上产品表面、下产品表面（界面）或探测器的末端。以其最简单的形式，选择准则对应于目标函数的最小值：

可以使用其他可能的选择准则，诸如使用在之前的时间间隔中水平在哪里的先有知识来做出最佳决策。代替最低最小值，人们可以选择低于阈值的第一最小值，由于与第二反射相反，其很可能是水平。人们还可以拒绝第一反射的距离/时间整数倍处的反射，由于它们很可能是错误的。

图3描绘了根据示例实施例的示出为GWR系统300的示例脉冲雷达或超声水平寻找系统，其包括示出为脉冲雷达水平仪（PRG）360的脉冲雷达或超声水平仪，所述脉冲雷达水平仪器（PRG）360包括公开的水平寻找算法310a，其被示出为在与处理器315关联的存储器310的固件中实现。还示出在槽305的顶部上的收发器320和同轴连接器325。由收发器320提供的发射器和接收器可以被实现为分离的块。因此，如本文中使用的收发器包括这些布置二者。

在发射方向上，处理器315向数模转换器（DAC）322提供数字信号电平，所述数模转换器连接到脉冲生成器（PGen）块321的输入，所述脉冲生成器（PGen）块321耦合到收发器320的发射器。在接收方向上，收发器220的接收器接收由传感器326转变的反射的回声信号，其中来自传感器326的输出信号耦合到模数转换器（ADC）327，所述模数转换器将来自传感器326的模拟信号转换成数字信号以供处理器315处理，所述处理器315充当信号分析器。许多脉冲被生成，并且ADC 327生成包括许多离散电压值的波形，所述离散电压值被时钟电路同步。

还可以存在凸缘（未示出）。波导（或探测器）被示出为340。如以上指出的，尽管通常针对GWR应用来描述，但所公开的水平寻找还可以应用于超声和非接触雷达。

示例

所公开的实施例进一步由以下具体示例来说明，所述具体示例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围或内容。

图4图示出来自示例参数模型和实际测量的回声曲线的结果。该示例还示出针对单个液体应用的所找到的参考反射和表面（上产品）反射、线性衰减、以及模型增益如何在表面边界处具有阶跃变化，这是由于蒸汽和所测量的材料之间的介电常数方面的差异。

图5A示出在上产品表面的位置处叠加到所测量的回声曲线上的上产品表面反射模型。图5B示出对应目标函数及其阈值。

虽然上文已经描述了各种公开的实施例，但应理解的是，它们已经仅通过示例的方式而非限制的方式来呈现。可以根据本公开在不背离本公开的精神或范围的情况下做出对本文公开的主题的多种改变。此外，虽然可能已经关于若干实现方式中的仅一个公开了特定特征，但这样的特征可以与其它实现方式的一个或多个其它特征组合，如可以针对任何给定或特定应用所期望和有利的那样。

Claims (12)

1.一种水平寻找的方法（100），包括：

提供（101）参数，所述参数包括由发射器发射到其中具有至少一个材料的槽（305）中的波导（340）上的时域中的发射脉冲的形状的特性、在所述发射脉冲的频率处的所述波导（340）的物理性质以及所述材料的实部（相位）和虚部（衰减）介电特性；

使用（102）供应有所述参数的处理器（315）并且实现存储在关联的存储器（310）中的水平寻找算法（310a），所述水平寻找算法（310a）具有粗略搜索以及精细搜索：

所述粗略搜索最小化（103）反射信号（回声曲线y(k)）与采样的脉冲模型回声p(k)之间的预测误差以获得最小预测误差（k*）的邻域中的目标函数J(k)，并且

所述精细搜索使用所述k*的所述邻域中的所述J(k)计算（104）至少一个最小值或最大值，其中所述最小值或所述最大值对应于所述材料的水平或涉及所述材料的界面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述发射脉冲是建模的脉冲，并且所述y(k)是建模的回声信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述波导（340）接触所述材料，并且其中所述方法包括导波雷达（GWR）。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述精细搜索计算多个所述最小值或最大值，进一步包括使用选择准则从所述多个所述最小值或最大值中选择最佳的一个以及使用所述最佳的一个用于所述确定所述材料的所述水平或涉及所述材料的所述界面。

5.一种计算机程序产品，包括：

包括程序指令的非临时数据存储介质，所述程序指令由处理器（315）可执行以使得所述处理器能够执行具有粗略搜索和精细搜索的水平寻找的方法，所述计算机程序产品包括：

用于访问参数的代码，所述参数包括由发射器发射到其中具有至少一个材料的槽（305）中的波导（340）上的时域中的发射脉冲的形状的特性、在所述发射脉冲的频率处的所述波导的物理性质以及所述材料的实部（相位）和虚部（衰减）介电特性；

用于所述粗略搜索的代码，所述粗略搜索包括最小化反射信号（回声曲线y(k)）与采样的脉冲模型回声p(k)之间的预测误差以获得最小预测误差（k*）的邻域中的目标函数J(k)，以及

用于所述精细搜索的代码，所述精细搜索在所述粗略搜索之后使用所述k*的所述邻域中的所述J(k)计算至少一个最小值或最大值，其中所述最小值或所述最大值对应于所述材料的水平或涉及所述材料的界面。

6.根据权利要求5所述的计算机程序产品，其中所述发射脉冲是建模的脉冲，并且所述是建模的回声信号。

7.根据权利要求5所述的计算机程序产品，其中所述波导（340）接触所述材料，并且其中所述方法包括导波雷达（GWR）。

8.根据权利要求5所述的计算机程序产品，其中所述精细搜索计算多个所述最小值或最大值，进一步包括使用选择准则从所述多个所述最小值或最大值中选择最佳的一个以及使用所述最佳的一个用于所述确定所述材料的所述水平或涉及所述材料的所述界面。

9.一种脉冲雷达或超声水平仪（水平仪）（360），包括：

处理器（315)，其具有存储水平寻找算法（310a）的关联的存储器（310），所述水平寻找算法（310a）包括粗略搜索和精细搜索；

脉冲生成器（PGen）块（321），其耦合以接收源自所述处理器的控制信号；

收发器（320），其用于耦合到其中具有至少一个材料的槽（305）中的波导（340），其具有耦合到用于发射发射脉冲的所述PGen块（321）的输出的输入以及通过传感器（326）耦合到用于处理响应于所述发射脉冲而接收的回声信号的所述处理器的输入的输出；

所述水平寻找算法当被提供有参数的所述处理器实现时，所述参数包括时域上的发射脉冲的形状的特性、在所述发射脉冲的频率处的所述波导的物理性质以及所述材料的实部（相位）和虚部（衰减）介电特性，使：

所述粗略搜索最小化所述回声信号（回声曲线y(k)）与采样的脉冲模型回声p(k)之间的预测误差以获得最小预测误差（k*）的邻域中的目标函数J(k)，并且

所述精细搜索使用所述k*的所述邻域中的所述J(k)计算至少一个最小值或最大值，其中所述最小值或所述最大值对应于所述材料的水平或涉及所述材料的界面。

10.根据权利要求9所述的水平仪，其中所述发射脉冲是建模的脉冲，并且所述y(k)是建模的回声信号。

11.根据权利要求9所述的水平仪，其中所述发射脉冲包括雷达脉冲，其中所述波导（340）用于接触所述材料，并且其中所述水平仪包括导波雷达（GWR）水平仪。

12.根据权利要求9所述的水平仪，其中所述精细搜索计算多个所述最小值或最大值，进一步包括使用选择准则从所述多个所述最小值或最大值中选择最佳的一个以及使用所述最佳的一个用于所述确定所述材料的所述水平或涉及所述材料的所述界面。