CN111812606B - 基于导波雷达的物位提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导波雷达的物位提取方法，包括：利用导波雷达物位计采集不同距离的完整回波信号并记录实际物位距离，并将所述回波信号通过低通滤波器进行滤波；将所述滤波后回波信号的顶部回波点作为参考点，对齐不同距离下的回波信号的参考点；进行回波峰值寻找，找出滤波后回波信号中所有波峰值和波谷值；在波峰值点中找到理想回波点，得到理想回波点对应的距离；通过三次样条插值方式进行距离插值计算，得到不同距离对应的回波点，以及对应的距离；将插值计算得到物位距离与实际物位距离对比，获得所述物位提取方法的误差值。该物位提取方法比传统的峰值寻找算法性能更佳，误差更小。

Description

基于导波雷达的物位提取方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种基于导波雷达的物位提取方法。

背景技术

物位是指液体与气体、液体与液体、固态物质与气体之间的界面相对于容器底部或某一基准面的高度，是工业生产中的重要参数。测量物位的仪表种类繁多，具有各自的优点及适用范围。导波雷达物位计是依据时域反射原理(TDR)为基础的雷达物位计，导波雷达物位计的电磁脉冲以光速沿钢缆或探棒传播，当遇到被测介质表面时，部分脉冲被反射形成回波并沿相同路经返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，经计算得出物位高度。

导波雷达物位计作为一种新型的物位测量仪表，其信号传输集中在导波杆中，能量损耗非常小，测量精度高且在测量过程中不受介质、温度、压力、蒸汽、粉尘及泡沫等诸多因素的影响，在工业生产中发挥着越来越重要的作用，具有非常广阔的市场前景。

在实际应用中，导波雷达物位计会涉及到不同种类、不同状态的物料以及不同的测量环境，波形多径效应往往会产生多个回波，且不同物料反射回波信号能量有较大的差别，使得回波波形有好有坏，回波峰值定位不精确。物位回波定位点的选取直接影响传播时间的计算，常规的峰值检测算法以峰值点作为物位回波定位点，其准确性较低，且峰值定位不一定精确。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于导波雷达的物位提取方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于导波雷达的物位提取方法，包括：

步骤1：利用导波雷达物位计采集不同距离的完整回波信号并记录实际物位距离r，并将所述回波信号通过低通滤波器进行滤波；

步骤2：将所述滤波后回波信号的顶部回波点作为参考点，对齐不同距离下的回波信号的参考点；

步骤3：进行回波峰值寻找，找出滤波后回波信号中所有波峰值和波谷值；

步骤4：在波峰值点中找到理想回波点，得到理想回波点对应的距离R；

步骤5：通过三次样条插值方式进行距离插值计算，得到不同距离对应的回波点，以及对应的距离R；

步骤6：将插值计算得到物位距离R与实际物位距离r对比，获得所述物位提取方法的误差值。

在本发明的一个实施例中，所述步骤3包括：

步骤31：找出回波信号矩阵X中的信号最小值点x_min，并将回波信号矩阵X中的第一列去除，并将信号最小值x_min添加至回波信号矩阵X的最后一列，重组后得到第一变形矩阵Y：

Y＝[y₁,y₂…,y_n]＝[x₂,x₃…,x_min]；

步骤32：将滤波后回波信号X最后一列去除，并将信号最小值x_min加入回波信号矩阵X的最后一列，重组后得到第二变形矩阵Z：

Z＝[z₁,z₂…,z_n]＝[x_min,x₁…,x_n-1]；

步骤33：将回波信号矩阵X与第一变形矩阵Y中的各元素对应进行比较，得到矩阵A：

A＝[a₁,a₂…,a_n]，

其中，

步骤34：将回波信号矩阵X与第二变形矩阵Z中的各元素对应进行比较，得到矩阵B:

B＝[b₁,b₂…,b_n]，

其中，

步骤35：将矩阵A和矩阵B中对应位置的元素相乘，获得新的矩阵M，矩阵M中元素值为1的点即为波峰值点；

步骤36：将回波信号矩阵X与第一变形矩阵Y中的各元素对应进行比较，得到矩阵E：

E＝[e₁,e₂…,e_n]，

其中，

步骤37：将回波信号矩阵X与第二变形矩阵Z中的元素对应进行比较，得到矩阵F:

F＝[f₁,f₂…,f_n]，

其中，

步骤38：将矩阵E和矩阵F中对应位置的元素相乘，获得新的矩阵N，矩阵N中元素值为1的点即为波谷值点。

在本发明的一个实施例中，所述步骤4包括：

通过实际采样得到的回波信号数据设定所述波峰值点与所述波谷值点的差值门限，找出唯一的波峰值点作为理想回波点，所述理想回波点对应距离R＝(t-t₀)c/2，其中，R为计算获得的物位距离，c为光速，t₀为时钟起始时间，t为导波雷达物位计自反射脉冲信号至接收回波信号的时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

第一，本发明实施例使用的数据均为实测获得，在不同物位距离点各采集32次数据取平均作为最后信号处理所使用的数据，系统误差具有稳健性。

第二，本发明实施例的基于导波雷达的物位提取方法比传统的峰值寻找算法性能更佳，误差更小。

第三，本发明实施例的方法可应用于插值算法、拟合算法等常规算法，有利于实际工程化，在实际工程中有较高的应用价值。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于导波雷达的物位提取方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的导波雷达物位计实际测试距离记录图；

图3是本发明实施例所提供的原始回波信号的时域采样图；

图4是将图3的原始回波信号通过低通滤波器进行平滑处理后所得的时域采样图；

图5示例性地示出了本发明实施例所提供的多组原始回波信号对齐前的波形图；

图6是图5的多组原始回波信号对齐前的波形图；

图7是本发明实施例使用峰值检测算法后不同回波信号的距离与时间的对应图；

图8是本发明实施例进行数据插值后回波信号的插值曲线图；

图9至图16是本发明实施例进行数据插值后在不同距离处测试检测结果图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于导波雷达的物位提取方法的流程图。

所述物位提取方法包括：

步骤1：利用导波雷达物位计采集不同距离的完整回波信号并记录实际物位距离r，并将所述回波信号通过低通滤波器进行滤波；

具体地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的的导波雷达物位计实际测试距离记录图。在本实施例中，利用导波雷达物位计采集不同距离的完整回波信号并记录实际物位距离r，为了减少误差的影响，每个距离r采集32次回波信号取平均值作为该物位距离r处的回波信号。在图2中，选取多个不同物位距离采集相应的回波信号，第一个“0”代表无检测目标状态下的测试结果，第二个“0”代表在有检测目标状态下在距离为0处的测试结果。

获得滤波后回波信号，将所述滤波后回波信号表达成回波信号矩阵X＝[x₁,x₂…,x_n]，其中，x₁,x₂…,x_n为导波雷达物位计回波的实测数据；

步骤2：将所述滤波后回波信号的顶部回波点作为参考点，对齐不同距离下的回波信号的参考点；

需要说明的是，顶部回波点是导波雷达物位计内部电缆与导波杆的连接点，产生顶部回波，因其特征明显，便于识别，故将其作为对齐不同位置下的回波信号的参考点，以便进行回波峰值查找，顶部回波点已在图3中进行标注。

步骤3：进行回波峰值寻找，找出滤波后回波信号中所有波峰值和波谷值；

具体地，首先找出回波信号矩阵X中的信号最小值点x_min，并将回波信号矩阵X中的第一列去除，并将信号最小值x_min添加至回波信号矩阵X的最后一列，重组后得到第一变形矩阵Y：

Y＝[y₁,y₂…,y_n]＝[x₂,x₃…,x_min]；

将滤波后回波信号X最后一列去除，并将信号最小值x_min加入回波信号矩阵X的最后一列，重组后得到第二变形矩阵Z：

Z＝[z₁,z₂…,z_n]＝[x_min,x₁…,x_n-1]。

接着，将回波信号矩阵X与第一变形矩阵Y中的各元素对应进行比较，得到矩阵A：

A＝[a₁,a₂…,a_n]，

其中，

也就是说，x₁与y₁进行比较，x₂与y₂进行比较，依次类推。当x₁<y₁时，矩阵A的第一个元素a₁＝0，当x₁>y₁时，矩阵A的第一个元素a₁＝1，矩阵A的其他元素以相同的比较方式获得。

同理，将回波信号矩阵X与第二变形矩阵Z中的各元素对应进行比较，得到矩阵B:

B＝[b₁,b₂…,b_n]，

其中，

也就是说，x₁与z₁进行比较，x₂与z₂进行比较，依次类推。当x₁<z₁时，矩阵B的第一个元素b₁＝0，当x₁>z₁时，矩阵B的第一个元素b₁＝1，矩阵B的其他元素以相同的比较方式获得。

随后，将矩阵A和矩阵B中对应位置的元素相乘，获得新的矩阵M，矩阵M中元素值为1的点即为波峰值点。

接着，将回波信号矩阵X与第一变形矩阵Y中的各元素对应进行比较，得到矩阵E：

E＝[e₁,e₂…,e_n]，

其中，

也就是说，x₁与y₁进行比较，x₂与y₂进行比较，依次类推。当x₁<y₁时，矩阵E的第一个元素a₁＝1，当x₁>y₁时，矩阵E的第一个元素a₁＝0，矩阵E的其他元素以相同的比较方式获得。

同理，将回波信号矩阵X与第二变形矩阵Z中的元素对应进行比较，得到矩阵F:

F＝[f₁,f₂…,f_n]，

其中，

也就是说，x₁与z₁进行比较，x₂与z₂进行比较，依次类推。当x₁<z₁时，矩阵F的第一个元素b₁＝1，当x₁>z₁时，矩阵F的第一个元素b₁＝0，矩阵F的其他元素以相同的比较方式获得。

随后，将矩阵E和矩阵F中对应位置的元素相乘，获得新的矩阵N，矩阵N中元素值为1的点即为波谷值点。

步骤4：在波峰值点中找到理想回波点，得到理想回波点对应的距离R；

具体地，通过实际采样得到的数据设定波峰值点和波谷值点的差值门限，找出唯一的波峰值点作为理想回波点。假设波峰值点对应的幅值减去波谷值点对应的幅值小于差值门限，则将该波峰值点当成理想回波点，差值门限的值并不固定，可根据实际情况具体设置。理想回波点对应距离R＝(t-t₀)c/2，其中，R为物位距离，c为光速，t₀为时钟起始时间，t为导波雷达物位计自反射脉冲信号至接收回波信号的时间。

步骤5：通过三次样条插值方式进行距离插值计算，得到不同距离对应的回波点，以及对应的距离R；

具体地，根据图2中导波雷达物位计实际测试的距离记录，对未测试的距离由插值得到，本实施例可由Matlab软件直接生成插值结果。

步骤6：将插值计算得到物位距离R与实际物位距离r对比，获得所述物位提取方法的误差值，验证本发明实施例方法的性能。

以下通过仿真实现验证本发明实施例的基于波导雷达的物位提取方法的效果。

(一)仿真条件、内容与结果

仿真1：将导波雷达物位计采集的原始回波信号通过低通滤波器进行平滑处理并对齐参考点；

仿真条件分别为：导波雷达实测回波数据，其中，采样频率为2.5MHz，采样点数为10K个点。

请参见图3和图4，图3是本发明实施例所提供的原始回波信号的时域采样图，图中数据锯齿偏大，需要使用FIR滤波器将波形整理平滑，图4是将图3的原始回波信号通过低通滤波器进行平滑处理后所得的波形图。

请参见图5和图6，图5示例性地示出了本发明实施例所提供的多组原始回波信号对齐前的波形图；图6是图5的多组原始回波信号对齐前的波形图，其中，进行对齐的参考点为波信号的“顶部回波”点。

仿真2：进行峰值检测算法后获得距离与回波时间的对应关系。

仿真条件分别为：处理并对齐参考点后的导波雷达回波信号数据。

请参见图7和图8，图7是本发明实施例使用峰值检测算法后不同回波信号的距离与时间的对应图，图8是本发明实施例进行数据插值后回波信号的插值曲线图；图9-图16是进行数据插值后在不同距离处测试检测结果图，其中，

图9是使用插值距离后在35mm处测试检测结果图，图中计算得到的距离为34mm，实际检测距离为35mm。误差-1mm；

图10是使用插值距离后在45mm处测试检测结果图，图中计算得到的距离为48mm，实际检测距离为45mm。误差-3mm；

图11是使用插值距离后在55mm处测试检测结果图，图中计算得到的距离为56mm，实际检测距离为55mm。误差1mm；

图12是使用插值距离后在65mm处测试检测结果图，图中计算得到的距离为68mm，实际检测距离为65mm。误差3mm；

图13是使用插值距离后在330mm处测试检测结果图，图中计算得到的距离为332mm，实际检测距离为330mm。误差2mm；

图14是使用插值距离后在370mm处测试检测结果图，图中计算得到的距离为383mm，实际检测距离为370mm。误差13mm；

图15是使用插值距离后在420mm处测试检测结果图，图中计算得到的距离为419mm，实际检测距离为420mm。误差-1mm；

图16是使用插值距离后在480mm处测试检测结果图，图中计算得到的距离为480mm，实际检测距离为480mm。误差0mm。

综上所述，仿真实验验证了本发明实施例的基于导波雷达的物位提取方法的正确性、有效性和可靠性。

本发明实施例的基于导波雷达的物位提取方法比传统的峰值寻找算法性能更佳，误差更小；本发明实施例使用的数据均为实测获得，在不同物位距离点各采集32次数据取平均作为最后信号处理所使用的数据，系统误差具有稳健性；本发明实施例的方法可应用于插值算法、拟合算法等常规算法，有利于实际工程化，在实际工程中有较高的应用价值。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于导波雷达的物位提取方法，其特征在于，包括：

步骤1：利用导波雷达物位计采集不同距离的完整回波信号并记录实际物位距离r，并将所述回波信号通过低通滤波器进行滤波；

步骤2：将所述滤波后回波信号的“顶部回波”点作为参考点，对齐不同距离下的回波信号的参考点；

步骤3：进行回波峰值寻找，找出滤波后回波信号中所有波峰值和波谷值；

步骤4：在波峰值点中找到理想回波点，得到理想回波点对应的距离R；

步骤5：通过三次样条插值方式进行距离插值计算，得到不同距离对应的回波点，以及对应的距离R；

步骤6：将插值计算得到物位距离R与实际物位距离r对比，获得所述物位提取方法的误差值，

所述步骤3包括：

步骤31：找出回波信号矩阵X中的信号最小值点x_min，并将回波信号矩阵X中的第一列去除，并将信号最小值x_min添加至回波信号矩阵X的最后一列，重组后得到第一变形矩阵Y：

Y＝[y₁,y₂…,y_n]＝[x₂,x₃…,x_min]；

步骤32：将滤波后回波信号X最后一列去除，并将信号最小值x_min加入回波信号矩阵X的最后一列，重组后得到第二变形矩阵Z：

Z＝[z₁,z₂…,z_n]＝[x_min,x₁…,x_n-1]；

步骤33：将回波信号矩阵X与第一变形矩阵Y中的各元素对应进行比较，得到矩阵A：

A＝[a₁,a₂…,a_n]，

其中，

步骤34：将回波信号矩阵X与第二变形矩阵Z中的各元素对应进行比较，得到矩阵B:

B＝[b₁,b₂…,b_n]，

其中，

步骤35：将矩阵A和矩阵B中对应位置的元素相乘，获得矩阵M，矩阵M中元素值为1的点即为波峰值点；

步骤36：将回波信号矩阵X与第一变形矩阵Y中的各元素对应进行比较，得到矩阵E：

E＝[e₁,e₂…,e_n]，

其中，

步骤37：将回波信号矩阵X与第二变形矩阵Z中的元素对应进行比较，得到矩阵F:

F＝[f₁,f₂…,f_n]，

其中，

步骤38：将矩阵E和矩阵F中对应位置的元素相乘，获得矩阵N，矩阵N中元素值为1的点即为波谷值点。

2.根据权利要求1所述的基于导波雷达的物位提取方法，其特征在于，所述步骤4包括：

通过实际采样得到的回波信号数据设定所述波峰值点与所述波谷值点的差值门限，找出唯一的波峰值点作为理想回波点，所述理想回波点对应距离R＝(t-t₀)c/2，其中，R为计算获得的物位距离，c为光速，t₀为时钟起始时间，t为导波雷达物位计自反射脉冲信号至接收回波信号的时间。