CN113124948A - 一种基于fpga与互相关法的高精度时差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法，首先对采样获得的回波信号进行峰值归一化处理，将回波信号第四波的首位大于零幅值的采样点作为特征点；其次，由FPGA控制换能器的激励信号与回波信号的采样，获得顺流回波信号、逆流回波信号间的“粗”时差Δt_FPGA；再进行互相关运算求取“细”时差Δt_corr：最后根据“粗”时差测量值Δt_FPGA与“细”时差测量值Δt_corr的和，得到高精度的时差测量值Δt。本发明相比于传统双阈值法的时差测量，提高了抗噪能力，克服大流量下回波缩张幅度大且不稳定的问题，实现更宽量程的测量；相比于传统互相关法的时差测量，本发明的测量方法仅选用三周期的波形信号参与互相关运算，降低了计算量，提升了系统实时性。

Description

一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法

技术领域

本发明属于流量检测技术领域，涉及一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法。

背景技术

气体超声流量计作为新型的流量仪表，具有压损小、无可动部件、量程比宽、测量精度高、结构简单等优点，已广泛应用于燃气工业领域，成为天然气贸易中主要的计量仪表。气体超声流量计在具备许多优点的同时也面临设计要求高，设计难度大的难点，致使国内气体超声流量计完善与成熟的产品较少。其根本原因在于，除超声换能器的基础研究外，超声回波的信号处理与测量方法也需要深入研究。

随着集成电路技术和数字信号处理技术的迅速发展，超声波顺逆流渡越时间差的测量易于获取，时差法的流量测量原理被广泛应用于气体超声流量计。时差法气体超声流量计的技术核心在于对超声波渡越时间差精确的测量，只有精确测量渡越时间差，才可以保证流速、流量测量的准确性。渡越时间差一般由超声波顺逆流渡越时间做差间接获得，也可以通过对接收到的顺逆流回波信号做互相关运算直接获得。根据测量方法的不同，主要有阈值法、互相关法、参数模型法、时频分析法等方法。参数模型法通过数学模型拟合实际的回波信号得到超声波渡越时间。针对回波信号拟合的经典数学模型主要有高斯模型、混合指数模型和双指数模型。时频分析法是时频局部化信号分析技术的总称，根据频域突变得到超声波渡越时间，其时频变换主要包括短时傅里叶变化，Gabor 变换，小波变换。相对于参数模型法与时频分析法，阈值法与互相关法理论成熟，已应用于气体超声流量计研制。

但是，阈值法与互相关法在超声波渡越时间差测量上还存在一定的局限性。对于阈值法，不可避免的容易受噪声的干扰而影响顺逆流渡越时间的测量精度，从而影响渡越时间差的测量。同时，因为实际工况环境的变化，目前所有的方法不能很好的避免“跳波”现象的出现。而对于互相关算法，若利用互相关运算先求取超声波渡越时间进而求得渡越时间差的方式，则必然会面临回波整体包络随恶劣环境而随机变化，导致与预存的静态参考波形相关程度低，降低互相关测量准确性的问题。若利用互相关运算直接求取超声波渡越时间差，则会面临随复杂工况变化导致顺逆流回波信号相似度低、计算量大、系统实时性低的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法。该方法以FPGA的“粗”时差测量与互相关法的“细”时差测量相结合的方式实现高精度的时差测量。

本发明的基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法，具体步骤如下：

步骤一：对采样获得的回波信号进行峰值归一化处理，根据设定的数字阈值线(设置于回波第一波峰与第二波峰之间)比较触发回波信号，依次获得第二波、第三波与第四波的首位大于零幅值的采样点，并结合波形采样数据的相似度，获取回波信号第四波的首位大于零幅值的采样点以作为特征点。

步骤二：由于换能器的激励与回波信号的采样均由FPGA控制，从而不存在异步信号产生的时间差。并且，FPGA基于时序逻辑设计，每条指令的执行基于时钟信号的上升沿，具备精确的时钟控制优点。因此，根据准确定位的特征点，结合FPGA精确的时钟控制，可以获得顺逆流回波信号的“粗”时差。设逆流回波信号的特征点为第n_down点，顺流回波信号的特征点为第n_up点，采样频率为5MHz，则“粗”时差Δt_FPGA表示为：

Δt_FPGA＝(n_down-n_up)×200(ns)

步骤三：进行互相关运算求取“细”时差。

(1)截取特征点后的三周期波形作为互相关运算的计算波形。

(2)对截取的三周期波形进行上采样处理以提升采样频率。即首先对三周期信号的两点间隔内补插(L-1)个零，再对该信号进行低通滤波处理，获得采样频率提升至L 倍的信号。

(3)对上采样处理后的三周期波形数据进行互相关运算。

(4)对互相关函数峰值处进行一元二次曲线拟合，以拟合曲线的对称轴位置作为互相关函数峰值的横坐标值，根据横坐标值乘以采样间隔得到互相关法的“细”时差测量。设互相关函数峰值的横坐标值为x_max，上采样处理后的采样频率为100MHz，则“细”时差Δt_corr表示为：

Δt_corr＝x_max×10(ns)

步骤四：根据FPGA的“粗”时差测量与互相关法的“细”时差测量得到高精度的时差测量，时差Δt表示为：

Δt＝Δt_FPGA+Δt_corr

本发明的有益效果在于：本发明的基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法，相比于传统双阈值法的时差测量，提高了抗噪能力，克服大流量下回波缩张幅度大且不稳定的问题，实现更宽量程的流量测量。相比于传统互相关法的时差测量，本发明的基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法仅选用三周期的波形信号参与互相关运算，极大降低了计算量，提升了系统流量测量的实时性。

附图说明

图1为基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法流程图；

图2为特征点定位示意图；

图3为基于FPGA的换能器激励与回波信号采样电路示意图；

图4为基于FPGA的“粗”时差测量示意图；

图5为互相关法原理示意图；

图6为互相关运算的波形选取示意图；

图7为上采样过程的数据时域图与幅度谱图；

图8为频域互相关运算流程图；

图9为曲线拟合的互相关函数峰值逼进示意图。

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FPGA与互相关法的高精度时差测量方法。

图1为本发明提出的一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法流程图。本发明的基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法具体步骤如下：

步骤一：对采样获得的回波信号进行峰值归一化处理。如图2所示，其峰值归一化后的回波信号峰值电压为1V。根据设定的数字阈值线(设置于回波第一波峰与第二波峰之间)比较触发回波信号，依次获得第二波、第三波与第四波的首位大于零幅值的采样点，以第四波的首位大于零幅值的采样点作为特征点。如图2所示，黑色方框包围的采样点分别为第二波、第三波与第四波的首位大于零幅值的采样点，并再结合波形采样数据的相似度，以第四波的首位大于零幅值的采样点作为特征点。

步骤二：由于换能器的激励与回波信号的采样均由FPGA控制，从而不存在异步信号产生的时间差。如图3所示，驱动电路与回波信号采样电路均由FPGA控制。并且， FPGA基于时序逻辑设计，每条指令的执行基于时钟信号的上升沿，具备精确的时钟控制优点。因此，根据准确定位的特征点，结合FPGA精确的时钟控制，可以获得顺流回波信号、逆流回波信号间的“粗”时差。如图4所示，分别展示了顺流回波信号、逆流回波信号与它们的特征点，设逆流回波信号的特征点为第n_down点，顺流回波信号的特征点为第n_up点。根据5MHz的采样频率得到：

T_upcounter＝n_up×200(ns) (1)

T_downcounter＝n_down×200(ns) (2)

如图4中所示，式(1)与(2)中的T_upcounter与T_downcounter代表由激励信号的发出到顺流回波信号、逆流回波信号的特征点之间的时间值。根据T_upcounter与T_downcounter，可得到“粗”时差Δt_FPGA表示为：

Δt_FPGA＝T_downcounter-T_upcounter＝(n_down-n_up)×200(ns) (3)

步骤三：进行互相关运算求取“细”时差。

对两相似信号进行互相关运算得到互相关函数，互相关函数描述了两信号之间在不同时延下相似性的度量，互相关函数的峰值位置代表了在该时延下两信号之间的相似程度最高。设有两相似信号x(t)、y(t)，它们的互相关函数R_xy(τ)表示为：

若互相关函数R_xy(τ)在τ₀处取得最大值，则两相似信号x(t)、y(t)之间的时延值为τ₀，其示意图如图5所示。

在实际的工程应用中，一般将连续的模拟信号量化为离散的数字信号，则对于数字信号x(n)、y(n)，它们的离散互相关函数R_xy(m)表示为：

具体方法如下：

(1)截取过零特征点后的三周期顺流回波信号、逆流回波信号波形作为互相关运算的计算波形。若以整体回波信号参与互相关运算，其计算量极大，计算结果输出延时长，并且难以提高测量精度。对此，基于FPGA对时差的“粗”测量，本文利用互相关法进行时差的“细”测量时，无需选取整体的回波信号参与运算，仅需要过零特征点后的三周期波形数据参与运算。如图6中，黑色虚线框内的黑色星形点为选取的三周期波形数据。

(2)对截取的三周期波形进行上采样处理以提升采样频率。即首先对三周期信号的两点间隔内补插(L-1)个零，再对该信号进行低通滤波处理，获得采样频率提升至L 倍的信号。如图7所示，图中连续的展示了原采样信号经内插补零再低通滤波后的波形图与之相对应的幅度谱图。由图7中的(e)可知，利用该方法的上采样处理后的数据曲线光滑，效果良好。

(3)对上采样处理后的三周期波形数据进行互相关运算。即使只选择三周期的波形数据参与互相关运算，若直接按式(5)计算，运算量仍然比较大。而庞大的计算量会影响系统测量的实时性，降低工作效率，增加系统的功耗。对此，为降低计算量，从频域上计算获取互相关函数，流程如图8所示。

(4)由于采样数据与数据处理的离散化，离散互相关函数的峰值往往不是连续互相关函数的最大值，为进一步提高时差测量的精度，对互相关函数峰值处进行一元二次曲线拟合，以拟合曲线的对称轴坐标作为互相关函数峰值的横坐标值，根据横坐标值乘以采样间隔得到互相关法的“细”时差测量。如图9所示，选取互相关函数的三个峰值点(A(x₀,y₀),B(x₁,y₁),C(x₂,y₂))进行一元二次曲线拟合，x_max为拟合曲线的对称轴坐标，亦作为互相关函数峰值处的横坐标值。设上采样处理后的采样频率为100MHz，则“细”时差Δt_corr表示为：

Δt_corr＝x_max×10(ns) (6)

步骤四：根据FPGA的“粗”时差测量与互相关法的“细”时差测量得到高精度的时差测量，时差Δt表示为：

Δt＝Δt_FPGA+Δt_corr (7) 。

Claims (2)

1.一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法，其特征在于：具体测量步骤如下：

步骤一：对采样获得的回波信号进行峰值归一化处理，根据设定的数字阈值线比较触发回波信号，依次获得第二波、第三波与第四波的首位大于零幅值的采样点，并结合波形采样数据的相似度，获取回波信号第四波的首位大于零幅值的采样点作为特征点；

步骤二：由FPGA控制换能器的激励信号与回波信号的采样，根据所述特征点，结合FPGA的时钟控制，获得顺流回波信号、逆流回波信号间的“粗”时差测量值Δt_FPGA；

步骤三：截取特征点后的三周期波形进行上采样处理，对上采样处理后的波形数据进行互相关运算，得到互相关法的“细”时差测量值Δt_corr；

步骤四：根据FPGA的“粗”时差测量值Δt_FPGA与互相关法的“细”时差测量值Δt_corr的和，得到高精度的时差测量值Δt。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法，其特征在于：所述步骤三的具体步骤如下：

(1)截取过零特征点后的三周期波形作为互相关运算的计算波形；

(2)对截取的三周期波形进行上采样处理以提升采样频率，即首先对三周期信号的两点间隔内补插(L-1)个零，再对该信号进行低通滤波处理，获得采样频率提升至L倍的信号；

(3)对上采样处理后的三周期波形数据进行互相关运算；

(4)对互相关函数峰值处进行曲线拟合，以拟合曲线的对称轴位置作为互相关函数峰值的横坐标值，根据横坐标值乘以采样间隔得到互相关法的“细”时差测量值Δt_corr。

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