CN110494765A - 用于超声水平测量的鲁棒且准确的近范围检测 - Google Patents

Abstract

脉冲回波测距系统（100）和方法，其处理反射信号幅度轮廓（9）以确定到目标（16）的准确且鲁棒的距离。所述方法使用反射信号（13）的能量衰减趋势（15），以便避免可能使反射信号（13）的清晰度降级的环境因素。然后，将使用能量衰减趋势（15）的计算结果应用于反射信号幅度轮廓（9），以便获得到目标（16）的准确距离。

Description

用于超声水平测量的鲁棒且准确的近范围检测

背景技术

1.技术领域

所公开的实施例一般涉及脉冲回波测距，并且更具体地，涉及用于检测反射信号的方法。

2.相关领域的描述

脉冲回波测距系统或飞行时间测距系统在水平测量应用中用于通过测量能量脉冲发射之后花费多久接收到反射信号（即，回波）来确定到材料（诸如液体、浆料或固体）反射表面的距离。

声脉冲回波测距系统一般包括收发器和信号处理器。收发器起到发射脉冲和接收反射信号的双重作用。从所接收的信号生成轮廓。由信号处理器标识轮廓中的反射信号，并且基于反射信号的传播时间计算目标的距离或范围。

使用脉冲回波测距系统对水平目标进行近范围测量可能是困难的。这归因于在靠近目标时发生的干扰问题。这些干扰问题创建在信号轮廓中可见的强能量，其一般被称为“铃宕”。干扰可能来自多个源，诸如来自测量系统的近反射强度以及脉冲回波测距系统的发射路径内的色散。优选地，可以避免在进行近范围测量时“铃宕”的影响。

发明内容

简要地描述，本公开的方面涉及提供一种通过使用反射信号的能量衰减而不是仅信号的峰来检测反射信号以提供装置与目标之间的距离的方法。

本公开的一方面可以是一种用于确定装置与目标之间的距离的方法。所述方法涉及从装置的发射器向目标发射信号；在装置的接收器处接收反射信号，从反射信号形成反射信号幅度轮廓；根据反射信号幅度轮廓确定能量衰减趋势；获得第一反射信号的特征，其中使用能量衰减趋势来确定第一反射信号的特征；使用第一反射信号的特征定位第二反射信号；以及通过使用反射信号幅度轮廓上的第一确定峰与第二确定峰之间的峰距，来确定到目标的第一距离。

本公开的另一方面可以是一种用于确定到目标的距离的装置。所述装置可以包括：用于向目标发射信号的发射器；用于接收反射信号的接收器；以及被配置为根据反射信号确定反射信号幅度轮廓的处理器；其中，处理器根据反射信号幅度轮廓确定能量衰减趋势；其中处理器获得第一反射信号的特征，其中使用能量衰减趋势来确定第一反射信号的特征；其中，处理器使用第一反射信号的特征来定位第二反射信号；其中处理器通过使用第一确定峰与第二确定峰之间的峰距来确定到目标的第一距离。

本公开的仍又一方面可以是一种用于确定装置与目标之间的距离的方法。所述方法可以包括从装置的发射器向目标发射信号；在装置的接收器处接收反射信号，从反射信号形成反射信号幅度轮廓；根据反射信号幅度轮廓确定第一反射信号的能量衰减趋势；获得第一反射信号的特征，其中使用能量衰减趋势来确定第一反射信号的特征；使用第一信号的特征定位第二反射信号；通过使用第一确定峰与第二确定峰之间的峰距，来确定到目标的第一距离；使用所确定的到目标的第一距离来确定用于第一反射信号的乘数因子；以及将所确定的乘数因子应用于第一反射信号峰以获得到目标的第二距离。

附图说明

图1示出了示意性地图示脉冲回波测距系统的图。

图2是用于确定到目标的距离的方法的流程图。

图3示出了所接收的反射信号的反射信号幅度轮廓。

图4示出了所接收的反射信号的反射信号幅度轮廓，其中图示了能量衰减的趋势。

图5是图4中图示的反射信号幅度轮廓和趋势的特写视图。

图6是图示了所发射的和从目标反射的信号的图。

具体实施方式

为了促进对本公开的实施例、原理和特点的理解，在下文中参考说明性实施例中的实现方式对它们进行了解释。然而，本公开的实施例不限于在所描述的系统或方法中使用。

在下文中描述为构成各种实施例的组件和材料意图是说明性的而非限制性的。将执行与本文描述的材料相同或相似功能的许多合适的组件和材料意图被涵盖在本公开的实施例的范围内。

参考图1，通常称为脉冲回波测距系统100的装置使用超声、雷达或微波脉冲，并且可以包括：用于发射信号11（即，脉冲）的发射器10；用于接收能量信号11的反射信号13（即，回波）的接收器12；以及用于基于对反射信号13的分析来检测和计算到材料16的表面的距离的信号处理器14。该距离是基于发射信号11和反射信号13的行进时间而计算的。发射器10和接收器12可以被容纳在单个单元（即，收发器）中。在本文讨论的实施例中，发射信号是超声信号。

发射器10和接收器12可操作地连接到信号处理器14。信号处理器14可以是能够取得和分析反射信号13的许多信号处理器14之一。

信号处理器14取得反射信号13，并且可以形成反射信号幅度轮廓9（也称为回波幅度轮廓）。反射信号幅度轮廓9将所接收的反射信号幅度表示为其各自行进时间的函数。反射信号幅度轮廓9的每个值对应于距发射器10和接收器12一定距离处的反射信号的幅度。

典型地，反射信号检测聚焦于反射信号13的峰的检测。一般地，反射信号13具有凹形（面朝下）的抛物线形状。当目标（即，要测量的产品）靠近时，反射信号13的形状可能变得失真。反射信号13可能失去其抛物线形状，并且可能具有若干个小峰而不是单个强峰。这可能使得难以检测反射信号幅度轮廓9中的反射信号13的第一峰。检测第一峰中的困难使得难以确定到目标16的距离。此外，归因于铃宕效应，检测到的第一峰可能不是实际的第一峰，这是因为随着目标16的距离越来越靠近发射器10，干扰使得难以检测实际的第一峰。第一真实反射信号被铃宕效应遮盖，并且反射信号幅度轮廓9中所示出的反射信号13可能是脉冲回波测距系统100、目标16的表面之间的第二或第三反射。

发明人认识到，通过使用能量而不是峰来确定第一峰将在何处，可以避免不能够标识实际的第一峰的问题。虽然当反射信号形状可能变得失真时，峰可能变得无法识别，但信号内包含的能量的行为表现为促进峰的准确确定的可预测模式。

参考图2-5进行了对用于确定脉冲回波测距系统100与目标16之间的距离的方法的讨论。

图2阐述了流程图，该流程图阐述了用于确定该距离的方法。在步骤102中，发射器10向目标16发射信号11。信号11可以是超声信号、雷达信号或微波信号。在步骤104中，在接收器12处接收反射信号13。

在步骤106中，信号处理器14取得反射信号数据并形成反射信号幅度轮廓9。图3示出了从反射信号数据形成的反射信号幅度轮廓9的显示。

在步骤108中，根据反射信号幅度轮廓9确定图4中示出的能量衰减趋势15。能量衰减取决于可以取决于特定应用而改变的各种参数。例如，其中正采用脉冲回波测距系统100的环境或目标16的材料可能影响能量衰减。一般地，能量呈指数衰减。然而，通过取得分贝域中衰减的对数，典型看到的指数衰减变为线性。这简化所做出的计算。此外，能量衰减不取决于相位信息。然后可以使用反射信号幅度轮廓9和信号幅度轮廓9中表示的峰的形状（也称为包络）来确定能量衰减趋势15。这可以通过在包络上进行最小二乘拟合来完成。

为了进一步节省计算成本，可以使用在反射信号幅度轮廓9的形成期间取得的每N个样本来进行计算。例如，如果反射信号幅度轮廓9由2048个样本组成，则为了减小计算成本，可以使用1024个样本。然后可以对减小的反射信号幅度轮廓9执行最小二乘拟合。能量衰减趋势15可以提供与反射信号13一起发生的粗略的能量衰减。

在步骤110中，获得第一反射信号18的特征17。这在图5中示出。通过取得第一反射信号18的第一确定峰19来确定特征17。特征17可以包括第一确定峰19的高度、如由反射信号幅度轮廓9表示的信号突发的持续时间以及第一确定峰19下方的面积。在如由反射信号幅度轮廓9表示的第一确定峰19和能量衰减趋势15之间的面积可以表示第一反射信号18的能量。这一般是在反射信号幅度轮廓9上、包络之下并以能量衰减趋势15为边界的面积。

在步骤112中，使用第一反射信号18的特征17来定位第二反射信号20。这通过将特征17与如在反射信号幅度轮廓9中表示的反射信号13进行比较来完成。在图5中，第二反射信号20由所示出的第三峰指示。这是第二确定峰21。这是最类似于在反射信号幅度轮廓9上找到的第一反射信号18的反射信号。在确定第二反射信号20及其第二确定峰21之后，停止搜索。然后所述方法前进到下一步骤。

仅使用第一反射信号18和第二反射信号20的原因在于，这些信号是为了满足确定到目标16的距离的需求所需的仅有信号。此外，在引起测量中的困难的环境中（诸如在产品起泡的情况下或在寒冷温度中），仅两个反射信号是典型可见的。

在步骤114中，通过使用峰距22确定到目标16的第一距离。峰距22是第一确定峰19到第二确定峰21之间的距离。峰距22粗略地等于到目标16的距离。

图6是帮助说明为什么第一确定峰19与第二确定峰21之间的峰距22粗略地等于到目标16的距离的图。脉冲回波测距系统100朝目标16发出脉冲（信号11），该脉冲被目标16反射回到脉冲回波测距系统，这是反射信号幅度轮廓9中的第一反射信号。反射信号11的部分将被脉冲回波测距系统100的表面再次朝向目标16反射，从而生成第二反射信号，并再次得到第三反射信号。这些是附图中的第一、第二和第三标注。两个相邻反射信号之间的差粗略地是到目标16的距离。

使用特征17并且经由能量而不是单独峰的使用来检测第二反射信号20更适应归因于回波形状上的扰动而发生的误差。如果仅使用峰，则存在错误峰的使用将结果产生不准确的距离测量的风险。在存在失真的反射信号13的情况下，使用根据对第一确定峰19的检测确定的特征17来定位第二确定峰21可以更准确。信号失真可能是由频率失真、换能器缺陷、环境因素等引起的。

虽然峰距22提供到目标16的粗略距离，但不一定是最准确的距离测量。为了改善在步骤114中取得的测量并增加其准确性，将使用关于第一确定峰19获取的信息。

在测量过程期间，第一反射信号18的检测典型地可以是使用常规算法和方法容易检测的。然而，第一反射信号18可能不是主反射信号，而事实上是次级或三极反射信号。如果不是正检测实际的主反射信号，则距离可能缩短二分之一或三分之一。

在步骤118中，确定用于第一反射信号18的乘数因子。通过首先取得确定的峰距22（如在步骤114中确定的）来确定乘数因子。所确定的峰距22是到目标16的第一距离。使用第一确定峰19来确定到目标16的另一距离。

取得从第一确定峰19到目标16测量的距离，并且如上面讨论的，该距离可能并不反映到目标16的实际距离。然后从第一确定峰19到目标16的距离除以到目标16的第一确定距离。然后将该除法产物的结果舍入为最接近的整数。这结果产生乘数因子。

在步骤116中，然后将乘数因子应用于从第一确定峰19到目标16的距离，以便获得到目标16的第二距离。这结果产生到目标16的距离的准确确定。下面提供了这点的示例。

在该示例中，步骤114的结果获得为48mm的到目标16的第一距离。从第一确定峰19到目标16的距离被确定为104mm。这指示第一确定峰19不是主反射信号，并且反而最有可能是次级反射信号（归因于铃宕，主反射信号已被遮盖）。值104除以48，这结果产生为2.16的数。该数被舍入为最接近的整数以便获得乘数因子。在该实例中，乘数因子将为2。然后使用该数除数104mm，以便获得为52mm的值。52mm是所确定的到目标16的第二距离，并且比在步骤112中确定的到目标16的第一距离更准确。然而，到目标16的第一距离能够校正可能由误标识何为主峰而引起的误差。

因为使用峰检测来校准脉冲回波测距系统100，所以还使用乘数因子。脉冲回波测距系统100的校准包括在两个反射信号13之间的距离中不存在的偏移距离（在校准期间确定）。附加地，即使当反射信号13的形状失真时，通常也能够检测到最强峰。

虽然已经以示例性形式公开了本公开的实施例，但是对于本领域技术人员将清楚的是，可以在不偏离如所附权利要求中所阐述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下在其中做出许多修改、添加和删除。

Claims (19)

1.一种用于确定装置与目标之间的距离的方法，包括：

从所述装置的发射器（10）向所述目标（16）发射信号；

在所述装置的接收器（12）处接收反射信号（13）；

从所述反射信号（13）形成反射信号幅度轮廓（9）；

根据所述反射信号幅度轮廓（9）确定能量衰减趋势（15）；

获得第一反射信号（18）的特征（17），其中，使用所述能量衰减趋势（15）确定所述第一反射信号（18）的所述特征（17）；

使用所述第一反射信号（18）的所述特征（17）定位第二反射信号（20）；以及

通过使用第一确定峰（19）与第二确定峰（21）之间的峰距（22）来确定到所述目标（16）的第一距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一反射信号（18）的所述特征（17）包括所述第一确定峰（19）的高度、第一反射信号突发的持续时间以及所述第一反射信号（18）的面积。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括确定用于所述第一反射信号（18）的乘数因子。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定用于所述第一反射信号（19）的乘数因子的步骤使用所确定的到所述目标（16）的第一距离。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括将所述乘数因子应用于所述第一确定峰（19），结果产生到所述目标（16）的第二距离，其中到所述目标（16）的所述第二距离比到所述目标（16）的所述第一距离更准确。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述能量衰减趋势（15）是线性的。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，使用最小二乘拟合来确定所述能量衰减趋势（15）。

8.一种用于确定到目标（16）的距离的装置（100），包括：

发射器（10），用于向所述目标（16）发射信号；

接收器（12），用于接收反射信号（13）；以及

处理器（14），被配置为根据所述反射信号（13）确定反射信号幅度轮廓（9）；其中所述处理器（14）根据所述反射信号幅度轮廓（9）确定能量衰减趋势（15）；其中所述处理器（14）获得第一反射信号（18）的特征（17），其中使用所述能量衰减趋势（15）确定所述第一反射信号（18）的所述特征（17）；其中所述处理器（14）使用所述第一反射信号（18）的所述特征（17）来定位第二反射信号（20）；其中所述处理器（14）通过使用第一确定峰（19）与第二确定峰（21）之间的峰距（22）来确定到所述目标（16）的第一距离。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一反射信号（18）的所述特征（17）包括所述第一确定峰（19）的高度、第一反射信号突发的持续时间以及所述第一反射信号（18）的面积。

10.根据权利要求8或9所述的装置，进一步其中所述处理器（14）被配置为确定用于所述第一反射信号（18）的乘数因子。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器（14）被配置为使用到所述目标的所确定的第一距离来确定所述乘数因子。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述处理器（14）被配置为将所述乘数因子应用于所述第一确定峰（19），以确定到所述目标（16）的第二距离，其中到所述目标（16）的所述第二距离比到所述目标（16）的所述第一距离更准确。

13.根据权利要求8-12中任一项所述的装置，其中，所述能量衰减趋势（15）是线性的。

14.根据权利要求8-13中任一项所述的装置，其中，使用最小二乘拟合来确定所述能量衰减趋势（15）。

15.一种用于确定装置（100）与目标（16）之间的距离的方法，包括：

从所述装置（100）的发射器（10）向所述目标（16）发射信号（11）；

在所述装置（100）的接收器（12）处接收反射信号（13）；

从所述反射信号（13）形成反射信号幅度轮廓（9）；

根据所述反射信号幅度轮廓（9）确定所述第一反射信号（18）的能量衰减趋势（15）；

获得第一反射信号（18）的特征（17），其中，使用所述能量衰减趋势（15）来确定所述第一反射信号（18）的所述特征（17）；

使用所述第一信号（18）的所述特征（17）定位第二反射信号（20）；

通过使用第一确定峰（19）与第二确定峰（21）之间的峰距（22）来确定到所述目标（16）的第一距离；

使用所确定的到所述目标（16）的第一距离，确定用于所述第一反射信号（18）的乘数因子；以及

将所确定的乘数因子应用于所述第一确定峰（19）以获得到所述目标（16）的第二距离。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一反射信号（18）的所述特征（17）包括所述第一确定峰（19）的高度、第一反射信号突发的持续时间以及所述第一反射信号（18）的面积。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，到所述目标（16）的所述第二距离比到所述目标（16）的所述第一距离更准确。

18.根据权利要求15-17中任一项所述的方法，其中，所述能量衰减趋势（15）是线性的。

19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其中，使用最小二乘拟合来确定所述能量衰减趋势（15）。