CN111964738B - 一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法 - Google Patents

一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法。本发明通过评估设定工况和实际工况下回波信号上升区域部分的相似度，进而根据最大相似度确定阈值电压，实现阈值的准确调整，确保了回波信号到达时刻点的准确定位，实现飞行时间的准确测量，提高了气体超声流量计的测量准确性与稳定性。

Description

一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法
技术领域
本发明属于流量检测技术领域，涉及一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法。
背景技术
气体超声流量计具有可双向测量性、量程比高、重复性好、低压损等优势，已广泛应用于气体流量测量。气体超声流量计原理是根据测量声波在流体介质传播的顺逆流飞行的时间差计算得到截面的平均流速，其关键在于对顺逆流的飞行时间测量，飞行时间的测量准确性直接影响了气体超声流量计的计量精度。
目前针对顺逆流飞行时间的测量方法，主要包括互相关法、曲线拟合法、双阈值法。双阈值法采用第一阈值检测和过零检测确认回波到达，得到回波渡越时间；该方法因原理简单，无需繁杂的计算量，硬件电路容易实现而被广泛应用。但是，双阈值法的缺点也很明显，其主要表现在该方法对回波信号的稳定性要求高。然而，超声回波信号在不同流速气体介质中衰减程度不同，回波信号幅值不稳定且回波特性易受环境因素影响，导致回波波形发生变化，这易导致阈值与回波信号产生误触发，得到错误的飞行时间到达点，导致回波渡越时间的误测量。
发明内容
本发明针对现有双阈值法的不足，提出了一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法。该方法通过评估设定工况和实际工况下回波信号上升区域部分的相似度，进而根据最大相似度确定阈值电压，实现阈值的准确调整，确保了回波信号到达时刻点的准确定位，实现飞行时间的准确测量。
本发明的基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法具体步骤如下：
步骤一：在设定工况下设置合理的阈值，设置的阈值幅值为回波的第2极大值与第3极大值的电压平均值，记为V[2,3]。并记录回波信号的第2,3,4极大值点的电压幅值，记为Vb2，Vb3，Vb4。
步骤二：记录实际工况下回波信号的第1,2,3,4,5极大值点的电压幅值，分别记为Vc1，Vc2，Vc3，Vc4，Vc5。
步骤三：对记录的实际工况下的极大值点电压幅值划分为3组，分别为a组：Vc1，Vc2，Vc3；b组：Vc2，Vc3，Vc4；c组：Vc3，Vc4，Vc5；然后分别计算每组数据的第一个值与Vb2的比例系数，如下：
Figure BDA0002632640130000021
Figure BDA0002632640130000022
Figure BDA0002632640130000023
根据得到的比例系数对数据(Vb2,Vb3,Vb4)进行比例放缩处理，如下：
Ven＝k1*Vbn,(n＝2,3,4) (4)
Vfn＝k2*Vbn,(n＝2,3,4) (5)
Vgn＝k3*Vbn,(n＝2,3,4) (6)
可获得新的3组数据，分别为I组：Ve2，Ve3，Ve4；分别为II组：Vf2，Vf3，Vf4；分别为III组：Vg2，Vg3，Vg4；
步骤四：分别计算a组与I组，b组与II组，c组与III组的欧式距离，用于评估相似程度，公式如下：
Figure BDA0002632640130000024
Figure BDA0002632640130000025
Figure BDA0002632640130000026
步骤五：根据欧式距离评估的相似度进行准确的阈值调整。
Figure BDA0002632640130000027
式(10)中，VThreshold代表实际工况下需要设置的阈值电压；V[1,2]代表实际工况下回波信号的第1极大值与第2极大值的电压平均值，V[2,3]与V[3,4]同理。min{}函数代表求取括号内数据的最小值，代表最高的相似度。
本发明的有益效果在于：本发明能对由工况变化引起回波波形变化的回波进行准确地阈值调整设置，确保了飞行时间测量的准确性，提高了气体超声流量计的测量准确性与稳定性。
附图说明
图1为基于双阈值法的飞行时间测量原理图；
图2为工况环境变化影响飞行时间测量示意图；
图3为两回波信号部分区域之间相似度评估示意图；
图4为设定工况下回波信号的阈值设置示意图；
图5为根据相似度评估结果调整阈值幅值示意图；
图6为基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法流程图；
图7为本发明方法实施中使用的超声波流量计硬件电路框图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明提出的一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法。
图1为基于双阈值法的飞行时间测量原理图，图中第一阈值线用于阈值检测，第二阈值线用于过零检测。第一阈值与回波相交的黑色圆形点为特征点，根据特征点位置和第二阈值线与回波相交可得图中黑色的方形过零点，该点作为回波信号到达时刻点。由激励的产生做计时的起始，回波信号到达时刻点作为计时的终止，通过计时器件可以得到回波由发射到被接收的到达时间Ta，从而得到飞行时间Tf。到达时间Ta与飞行时间Tf相差n个周期时间Tn。
Tf＝Ta-Tn (11)
图2为工况环境变化影响飞行时间测量示意图。图中黑色实线为常压101kPa压力下的回波波形，黑色虚线为500kPa压力下的回波波形，可以看出随压力增大，回波波形发生明显变化。在常压101kPa下，根据阈值触发确定飞行时间到达点，得到的飞行时间为T1。而随着压力变化引起波形变化，阈值触发确定的飞行时间到达点较常压下往前推移一个周期，得到飞行时间为T2。飞行时间T1与T2的不同反应了：随工况环境变化，回波波形也发生了变化，回波波形的变化导致阈值的误触发影响了飞行时间的测量。且相比101kPa压力下的回波信号，500kPa压力下的回波信号最前端还有一个周期的小波凸起，这种情况使得基于回波极值点分布进行阈值调整的方法将不再适用。
图3为两回波信号部分区域之间相似度评估示意图。本方法采用欧式距离评估2个回波上升区域的3个周期波形曲线之间的相似程度。其定义如下：
Figure BDA0002632640130000041
式(12)中，I和J代表两个不同个体，(xi1,xi2,...,xin)与(xj1,xj2,...,xjn)为代表I、J个体的n维数值特征数据。
结合图3，I、J个体是指黑色虚线框内回波信号的3个周期波形。其中的n维数值特征数据是指对黑色虚线框内提取的回波极大值，再经比例放缩处理后的数据。如图3中，星号标记处为回波信号的极大值。计算得到d(I,J)距离代表了两黑色虚线框内回波波形之间的相似程度，距离数值越小，相似度越高。若通过改变J个体所对应的回波上升区域的部分波形，分别与I个体进行欧式距离计算，可根据最小的欧式距离确认2个回波上升区域的部分波形之间的相互对应关系。
图6为基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法流程图。本段同时结合图4与图5描述所提方法的流程步骤。详细方法步骤如下：
步骤1：在设定工况下设置合理的阈值与回波特征数据获取。如图4虚线代表的阈值幅值为回波的第2极大值与第3极大值的电压平均值，记为V[2,3]，并记录回波信号的第2,3,4极大值点的电压幅值，作为对应周期波形的特征数据，记为Vb2，Vb3，Vb4。图4中，2,3,4标号台阶对应为回波信号的第2,3,4极大值幅值。
步骤2：实际工况下特征数据获取。同步骤1方式记录实际工况下回波信号的第1,2,3,4,5极大值点的电压幅值，作为对应周期波形的特征数据，分别记为Vc1，Vc2，Vc3，Vc4，Vc5。
步骤3：特征数据处理。对记录的实际工况下的极大值点电压幅值划分为3组，分别为a组：Vc1，Vc2，Vc3；b组：Vc2，Vc3，Vc4；c组：Vc3，Vc4，Vc5；根据每组数据的第一幅值与Vb2相比获取比例系数，等式如下：
Figure BDA0002632640130000042
Figure BDA0002632640130000043
Figure BDA0002632640130000044
根据得到的比例系数对特征数据(Vb2,Vb3,Vb4)进行比例放缩处理，得到新的三组数据，等式如下：
Ven＝k1*Vbn,(n＝2,3,4) (16)
Vfn＝k2*Vbn,(n＝2,3,4) (17)
Vgn＝k3*Vbn,(n＝2,3,4) (18)
可获得新的3组数据，分别为I组：Ve2，Ve3，Ve4；分别为II组：Vf2，Vf3，Vf4；分别为III组：Vg2，Vg3，Vg4；
步骤4：欧式距离计算。分别计算a组与I组，b组与II组，c组与III组的欧式距离，用于评估相似程度，公式如下：
Figure BDA0002632640130000051
Figure BDA0002632640130000052
Figure BDA0002632640130000053
步骤5：阈值调整。根据欧式距离评估的相似度进行准确的阈值调整。
Figure BDA0002632640130000054
式(22)中，VThreshold代表实际工况下需要设置的阈值电压；V[1,2]代表实际工况下回波信号的第1极大值与第2极大值的电压平均值，V[2,3]与V[3,4]同理。min{}函数代表求取括号内数据的最小值，代表最高的相似度。如在500kPa压力下，求取min{}函数得到的结果为E3，表明500kPa压力下第3,4,5极大值代表的三个周期回波波形与101kPa压力下第2,3,4极大值代表的三个周期回波波形具有最高的相似度，则对应500kPa下调整的阈值幅值为V[3,4]，即第3极大值与第4极大值电压平均值，阈值设置如图5所示。
图7为本发明方法实施中使用的超声波流量计硬件电路框图。该硬件电路核心集成芯片为MSP430系列单片机和TDC-GP22。MSP430单片机作为该硬件系统的核心控制器，负责控制所有电路模块的工作状态和数据运算处理。TDC-GP22为一款时间测量芯片，用于超声波信号渡越时间的测量。所设计的硬件电路模块主要包括激励电路、开关切换电路、自增益放大滤波电路、台阶包络电路。激励电路用于驱动换能器；开关切换电路用于选择对回波信号的接收；自增益放大滤波电路用于对回波信号进行放大滤波处理；台阶包络电路产生回波信号极值点的包络信号，通过对台阶包络信号的采样，可得到回波信号的各极大值点幅值。使用台阶包络电路对回波信号极值点的提取，可极大降低所需的采样频率。设换能器中心频率为200kHz，采样频率仅需600kHz。同时，为加快MSP430内部AD采样速率，采用DMA(直接存储器访问)方式对采样数据进行存储，最高采样频率可达750kHz。

Claims (1)

1.一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：在设定工况下设置合理的阈值，设置的阈值幅值为回波的第2极大值与第3极大值的电压平均值，记为V[2,3]；并记录回波信号的第2,3,4极大值点的电压幅值，记为Vb2，Vb3，Vb4；
步骤二：记录实际工况下回波信号的第1,2,3,4,5极大值点的电压幅值，分别记为Vc1，Vc2，Vc3，Vc4，Vc5；
步骤三：对记录的实际工况下的极大值点电压幅值划分为3组，分别为a组：Vc1，Vc2，Vc3；b组：Vc2，Vc3，Vc4；c组：Vc3，Vc4，Vc5；然后分别计算每组数据的第一个值与Vb2的比例系数，如下：
Figure FDA0002632640120000011
Figure FDA0002632640120000012
Figure FDA0002632640120000013
根据得到的比例系数对数据(Vb2,Vb3,Vb4)进行比例放缩处理，如下：
Ven＝k1*Vbn (4)
Vfn＝k2*Vbn (5)
Vgn＝k3*Vbn (6)
可获得新的3组数据，分别为I组：Ve2，Ve3，Ve4；分别为II组：Vf2，Vf3，Vf4；分别为III组：Vg2，Vg3，Vg4；
步骤四：分别计算a组与I组，b组与II组，c组与III组的欧式距离，用于评估相似程度，公式如下：
Figure FDA0002632640120000014
Figure FDA0002632640120000015
Figure FDA0002632640120000021
步骤五：根据欧式距离评估的相似度进行准确的阈值调整
Figure FDA0002632640120000022
式(10)中，VThreshold代表实际工况下需要设置的阈值电压，V[1,2]代表实际工况下回波信号的第1极大值与第2极大值的电压平均值，V[2,3]代表实际工况下回波信号的第2极大值与第3极大值的电压平均值，V[3,4]代表实际工况下回波信号的第3极大值与第4极大值的电压平均值，min{}函数代表求取括号内数据的最小值，代表最高的相似度。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112698333B (zh) * 2021-03-24 2021-07-06 成都千嘉科技有限公司 一种适用于气体和液体的超声波飞行时间测定方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997046854A1 (fr) * 1996-06-07 1997-12-11 Schlumberger Industries S.A. Procede de mesure du temps de propagation d'un signal acoustique dans un fluide par passage a zero dudit signal acoustique
CN102297712A (zh) * 2011-07-12 2011-12-28 北京理工大学 一种超声回波传播时间测量方法
CN105698886A (zh) * 2016-05-04 2016-06-22 湖北锐意自控系统有限公司 一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法
CN108548578A (zh) * 2018-03-29 2018-09-18 中国计量大学 一种基于自适应阈值的超声波回波信号特征峰识别方法
CN111044110A (zh) * 2019-12-19 2020-04-21 河北工业大学 一种基于相似度分析的气体超声波流量计信号处理方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3068126B1 (fr) * 2017-06-27 2019-08-30 Sagemcom Energy & Telecom Sas Procede de mesure d'une vitesse d'un fluide

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997046854A1 (fr) * 1996-06-07 1997-12-11 Schlumberger Industries S.A. Procede de mesure du temps de propagation d'un signal acoustique dans un fluide par passage a zero dudit signal acoustique
CN102297712A (zh) * 2011-07-12 2011-12-28 北京理工大学 一种超声回波传播时间测量方法
CN105698886A (zh) * 2016-05-04 2016-06-22 湖北锐意自控系统有限公司 一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法
CN108548578A (zh) * 2018-03-29 2018-09-18 中国计量大学 一种基于自适应阈值的超声波回波信号特征峰识别方法
CN111044110A (zh) * 2019-12-19 2020-04-21 河北工业大学 一种基于相似度分析的气体超声波流量计信号处理方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Gas Ultrasonic Flowmeter for;赵伟国;《IEEE》;20171231;全文 *
Similarity Judgment-Based Double-Threshold;Zehua Fang;《IEEE》;20180131;第67卷(第1期);全文 *
基于双阈值比较法超声波流量计信号处理;陈洁;《电子测量与仪器学报》;20131130;第27卷(第11期);全文 *
基于回波信号相似度的气体超声流量计;马也驰;《计量学报》;20220408;第43卷(第4期);全文 *
高精度超声回波渡越时间算法研究;仲崇庆等;《仪表技术与传感器》;20160315(第03期);全文 *

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