CN1668898A - 确定填充高度回波和错误回波的期望范围的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种根据填充高度包络曲线确定回波被指定至的期望范围的方法，该曲线由一个填充高度测量设备(10)生成。该期望范围的确定考虑了先前回波数据的时间特性。因为这些期望范围具有一个预定的宽度，所以可以通过一个预定概率做出报告，该概率是被指定至这样一个范围的一个回波—填充高度回波或错误回波，还是被错误地指定至该范围的概率。例如，当为填充高度回波预测出一个期望范围时，可以假定以预定概率落入该期望范围的回波实际上是填充高度回波。本发明还涉及一种用于执行该方法的估计装置(20)。另外，本发明涉及包括用于执行根据本发明的方法的指令的一种计算机程序和一种计算机程序产品。

Description

确定填充高度回波和错误回波 的期望范围的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及一种改善填充高度包络曲线中的填充高度回波和错误回波的识别的方法，该包络曲线例如是在填充高度测量中用于确定填充高度测量设备的当前填充高度。更具体地说，涉及一种利用特定的数学算法为特定的未来时间窗口预测其中可能会出现未来填充高度回波或错误回波的期望范围，其中特定的数学算法考虑了对在过去时间窗中填充高度测量设备接收到的回波进行求和，该回波的和通常是指一种回波包络曲线或填充高度包络曲线。

本发明还涉及一种执行上述方法的评估装置，尤其是一种分析过去接收的填充高度包络曲线，并为回波预测未来可能的期望范围。这里，根据脉冲回波原理工作的超声波或雷达填充高度测量设备受到特别的关注。

本发明还涉及一种计算机程序，用于执行根据本发明在填充高度测量设备或根据本发明的评估装置中的方法，以及一种相应的计算机程序产品。根据这样的计算机程序产品，任何理想的计算机可读介质都可理解，如CDROM，软盘或可移动硬盘，而且计算机程序也可从服务器上下载。

在本发明的范围内，围绕一个填充高度包络曲线的一个局部最大值的范围通常理解为一个回波，其范围超出了一个可灵活选择的阈值。回波数据可被理解为由一个模数转换器通过对填充高度包络曲线进行采样而产生的数据，这些数据例如包括：代表在离散时间点的填充高度包络曲线的维度位置、时间和幅度。

根据脉冲回波原理工作的填充高度测量设备，对一个反射的回波信号进行采样，对出现在填充高度包络曲线中的每一回波根据这些采样的回波信号产生一系列信息。根据接收的回波信号产生一个包络曲线是已知的。因此该技术不需要进一步的解释(例如DE4407369C2；M.Skolnik，“雷达系统的介绍”，1980年第2版，McGraw.Hill；标题，“雷达高度测量-用户指南”，VEGA控制有限公司，2000，ISBN0-9538920-0-X)。

背景技术

在根据脉冲回波原理工作的雷达或超声波填充高度传感器中，填充高度是根据一个特定的回波确定的，该回波可从代表填充高度的填充高度包络曲线中检测。从而，该由各个回波构成的填充高度包络曲线被模数转换器采样，从而接收到的填充高度包络曲线能被微处理器或微控制器进一步处理。然而接收到的填充高度包络曲线并不仅仅包括代表当前填充高度的填充高度回波，还包括不想要的或错误的回波，例如由安装在容器中的部件的多次反射或反射造成的回波。

为了在这样的填充高度包络曲线中仅识别真实的填充高度回波并滤除不希望的反射，必须对填充高度包络曲线进行预处理。在该填充高度包络曲线的预处理期间，利用图像处理方法如滤波、平均、边缘识别、选择和分类对回波进行处理。这样处理的填充高度包络曲线然后进行代表填充材料的回波和不希望的回波的检验和分析。通过这样处理的回波，例如包括如回波的位置、幅度和宽度的数据的回波，则可以进行判决，哪个回波是代表当前的填充高度及哪个回波不是。当检测到一个代表当前填充高度的回波时，则所分析的回波的位置对应于所搜索的填充高度值。

由于接收到的填充高度包络曲线可能总是包括错误的回波，正如已经解释的，这些回波必须被安全地识别以防止根据这样不希望的回波确定一个错误的填充高度。已知的一种评估是否一种回波是填充高度回波或是不希望的回波的标准是填充高度回波总是具有最大的幅度。然而该标准肯定是不确定的，因为存在于一个信号传播路径中并距离填充高度测量设备距离比当前填充高度近的干扰对象通常会产生一个比填充高度本身更强的回波。因此，该标准不应该被单独使用而应该结合其他条件。

例如从DE4223346A1可知一种通过脉冲回波信号进行无接触距离测量装置和方法。对于更精确的信号发送时间的确定，该装置比较一个脉冲回波信号和一个存储于神经元网络中的信号模式。尽管当脉冲回波信号被叠加了大量的干扰回波信号的时候，信号发送时间也能认为是精确确定的。通过并行数据处理技术并结合接收信号与获得的存储于神经元网络中模式的比较，比最新的重建隐藏信息更可能以良好的准确性确定填充高度数据。该结合神经元的信号处理的应用使得复杂的脉冲回波轮廓的整体评估成为可能。藉此，距离测量本身也可用作一个固有的参考要素，因为补偿量是从现有的不希望的回波中提取的。

从DE4234300A1可知一种填充高度测量方法，其中由于容器填充或清空处理期间发生的信号发送时间的改变引起的有用回波的时间漂移被检测到，并且该标准被评估以能够区别有用回波和不希望的回波。因此检验表现出连续的时间移位的回波脉冲是否包含在随后的信号进展中。当检测到这样的回波脉冲时，将它们分类为有用的回波。该已知的过程的基本思想是信号发送时间在容器内壁发生反射时关于时间是稳定的，这样的干扰脉冲的位置就是不变的，即使在接收到的指令内的重复测量中。该接收轮廓线内的时间位置稳定性通常也适用于直接从填充材料表面反射的有用回波。

其它填充高度回波识别方法参考过去接收到的回波率，并依次将这些回波率与当前接收到的填充高度包络曲线的回波进行比较。在这些方法中，已经接收到的填充高度包络曲线的接收回波存储在存储器中，以使得能够顺序及独立地将它们与来自下一填充高度包络曲线的数据进行比较。从EP0689679B1可知一种根据差值信息使当前接收的回波与过去接收的回波相关，并利用一个模糊评估单元，根据该相关计算该回波作为填充高度回波的可能性的方法。该方法的问题是，一方面，该方法仅适用于滤除多个回波。毕竟，EP0689679B1披露的方法只能进行两次回波间的比较。观察填充高度回波的趋势和预测该趋势以及指定趋势范围均是不可能的。

在经常发生刚接收的回波和已经存储的填充高度包络曲线的回波间的比较中存在的另一个问题就是经常出现指定的问题，由于当前接收的回波会随时间变化，尽管在每种情况下总是被作为反射器的同一填充高度表面反射。这类问题的出现，例如是由于填充过程中产生灰尘或粒状货物清空过程中填充材料过期产生的。

为了确保一种安全的填充高度测量，填充高度一旦被识别，必须通过当前接收的回波被重复识别，这样，例如干扰反射才不会被错误评估为表示填充高度。如果，填充高度回波不能被临时检测，必须识别以使得不会进行错误回波被识别为填充高度回波的指定。这种经常性的根据过去的填充高度包络曲线的回波错误的指定给当前填充高度包络曲线数据的发生是因为，正如之前所描述的，当前的回波数据与已经接收的回波数据进行比较。如果在这样的比较中，例如通过一个阈值曲线或一个最大搜索，当前的回波对应于一个已经接收的回波，则假定这些回波彼此对应，从而新的回波被识别为一个正确的回波。

如果包含在一个已经接收的填充高度包络曲线中的回波数量与当前回波的数量不同，则可能发生指定错误。同样的，当在一个窄范围中出现几个回波时也可能出现错误的指定。

发明内容

本发明的技术问题是提供了一种简少上述指定问题的方法，尤其是，提供了一种可以确保在填充或清空处理期间更安全的检测和测量的方法。尤其是，提供了一种可能，根据脉冲回波原理工作的雷达或超声波填充高度测量设备能够识别一个已经被识别为是填充高度回波或是错误回波的回波也将以预定的概率出现在未来的填充高度曲线中。

根据本发明的第一方面，该技术问题是通过一种由一个超声波或雷达填充高度测量设备产生的一个填充高度回波或一个错误回波确定至少一个期望范围的方法解决的。该至少一个期望范围的确定考虑了至少两个过去的填充高度回波或错误回波的时间特性。

根据本发明的另一方面，本发明所基于的问题是通过一种填充高度测量设备解决的，该设备包括一个评估单元，用于为填充高度测量设备产生的填充高度回波或错误回波确定至少一个期望范围，该至少一个期望范围的确定考虑了至少两个过去的填充高度回波或错误回波的时间特性。

根据本发明的第三方面，本发明所基于的问题同样是通过一种用于为填充高度测量设备的填充高度回波和错误回波确定至一个期望范围的评估单元解决的，该至少一个期望范围的确定考虑了至少两个过去的填充高度回波或错误回波的时间特性。

另外，用于为填充高度测量设备产生的填充高度回波或错误回波确定至少一个期望范围的计算机程序，及相应的计算机程序产品也解决了本发明所基于的问题，其中该计算机程序包括多个指令，通过这些指令，在考虑到至少两个过去的填充高度回波或错误回波的时间特性后能够确定至少一个期望范围。

本发明例如是基于以下的思想，即回波处理过程中第一次参考数学算法，通过考虑填充高度包络曲线和过去接收到的回波的方式，才能在填充或清空处理过程中，作出关于未来所期望的填充高度包络曲线的回波的报告。通过这样的一个过程，例如，第一次可以通过预定的概率报告当前接收的填充高度包络曲线内的回波是一个填充高度回波还是一个错误回波。

本发明的出发点例如是通过模数转换进行采样的填充高度包络曲线。根据该第一处理步骤，接收到的填充高度包络曲线可以是通过数字形式提供的，例如包括将由微处理器或微处理器处理的维度位置、时间和幅度。模数转换之后，该填充高度包络曲线回波的幅度根据位置和时间被存储在一个两维数组或矩阵中。当检测到三个维度位置s，幅度A和时间t时，特定的幅度A被分配给每一时间t和每一位置s，即A(t，s)。当通过检测的回波检测到一个或多个其它的维度时，例如压力或一个其它的特征物理参数，该回波数据相应地存储在一个四维或多维数组或一个张量中。从具有位置、幅度、时间、压力等参数的回波开始，这将意味着每一时间t和每一位置s已分配了一个特定的幅度A和一个特定的压力p：

t，s→A，p

在该方法中，回波数据被写入的该数组的大小根据本发明的一个实施例是可变的，并可由该方法动态适用于各种参数如填充速度或时间窗口大小。该时间窗口的大小从而对应于过去的填充高度包络曲线，用于被考虑来预测未来回波的时间。

现在，将通过在回波中检测到的维度位置、幅度和时间，对进一步的方法进行描述，由此，正如已经解释过的那样，根据本发明的方法也可以类似地应用于第四和其它的维度。

在该方法中，由填充高度测量设备以等时间间隔记录的每个填充高度包络曲线，被根据时间和位置以行和列方式写入数组。每一填充高度包络曲线因此对应于一行或一列。这样，填充高度包络曲线的幅度被根据位置和时间以行或列的方式写在数组中，直到该具有预定大小的数组被填充高度包络曲线回波填满。

替代将由一个填充高度测量设备记录的每一填充高度曲线写入数组的方式，同样也可以在数组中仅包括每第二、第三或非常一般的仅每第n个填充高度包络曲线，n∈IN^*。这将非常有利，尤其是以非常低的高度变化时，因为根据本发明的方法中将节省存储器和计算机容量。

当在容器的填充或清空过程中填充高度发生了变化，接收回波的位置的尺寸将不可避免地同时发生变化，该尺寸反过来成为该回波信号发送时间的函数。这意味着在数组的位置-时间平面上，其中存储有填充高度包络曲线或回波的回波数据，回波幅度的位置将随时间变化。如果详细分析这样相关性，则可以注意到在容器的连续填充或清空过程中，其中该容器具有相对容器高度的恒定的横截面，该相关是线性的。另一方面，当容器的横截面相对容器高度不是恒定的时，则将产生其他的数学相关，然而，也可用数学函数来描述。但是当时间窗口被选择得足够小时，并且产生填充高度包络曲线的回波脉冲另外以足够小的时间间隔出现，则以第一及充分精确的逼近度，填充高度的进展将形成直线，然而实际识别的回波将轻微发散。

一旦数组被过去接收的填充高度包络曲线或相应的回波填满，其中填充高度回波或错误回波将在下一时间窗口出现的期望范围则能够确定。为此，通过各种基于数学算法如滤波、平均或选择等图像处理方法检验接收回波的位置和时间之间的现有相关。通过这些方法，出现在每一填充高度包络曲线中的每一回波的最大值在每一填充高度包络曲线中被确定。在进一步的步骤中，利用边缘识别算法，这些最大值用于在时间连续的填充高度包络曲线中检测每一回波的时间进展。通过利用这样的一个边缘识别算法，“边缘”例如可被识别为显示每一回波随时间变化的数组的可视化表示。

在这样一个可视化数组表示中，回波幅度根据它们的位置和各自的时间记录在数组中，这意味着在数组中将为每一回波形成相关的直线。如果数组中的一个回波不随时间变化或仅仅轻微的变化，即各直线的斜率大约为零，则这将或者是一个由一个静止的容器部件反射的错误的回波，或者是一个填充高度回波但其填充高度没有变化的回波。另一方面，当一条直线表现出正的或负的斜率，则可假定该直线对应于填充高度或该直线对应于多个填充高度回波。该多个回波被产生，其中在填充高度测量设备重新接收之前一个脉冲可能在填充高度表面和容器盖之间反射多次，从而该多个回波具有一个更长的发送时间并错误性地伪造一个低的填充高度。

由于对于进一步的处理只有代表真正的高度的直线才受到关注，因此多个回波的直线必须被滤除。这例如在进一步的处理步骤中执行，通过模糊逻辑搜索，如采用在EP0689679B1中所描述的方法，选择出这些直线。选择出之后，数组中仅包括恰好代表填充高度的直线的轨迹。然而，多个回波的这种滤波并不是必要的，因为根据本发明的这种方法使得期望在未来出现的多个回波的指定对应于预计的期望范围，这样才不会发生误指定。另外，多个回波具有数值上比填充高度回波更高的斜率。

为了能够得出关于在未来预期的回波的结论，已经接收到的被存储在数组中的在过去的时间窗口中出现的回波必须以一种能从中得出未来预期的回波的结论的方式被评估。由于可以假定未来的回波取向于过去的回波的行为本身，这通过在数组中发现的直线的末端确定期望范围来执行，其中填充高度回波或错误的回波可以在将来被预测。

对未来时间窗口的预测可以采用特定的数学逼近方法和算法如回归分析来实现。如果如前所述的假定预测期间的线性率，则该问题定义归纳为线性回归。不采用线性回归，也可以采用任意其他的数学逼近方法如多项式插值方法或样条内插方法。为了预测未来时间窗口中的期望范围，采用这些或类似的方法来确定直线的时间进展以推测当条件不变时该直线将在未来的时间窗口中继续。当填充高度条件保持不变时，填充高度回波或错误的回波也可能会关于如此预测的这些直线发散。为了能够定量地确定是否在未来关于一个预测的直线发散的回波实际上可以归于该直线或归于根据过去可知的相关的回波，在进一步的处理步骤中计算偏差度量，如存储在当前数组中的回波相对于所确定的修正直线的标准偏差度量。计算多个偏差度量然后用于确定未来时间窗口中关于直线的发散范围，落入具有预定的期望值的范围的回波可实际指定给这样产生的期望范围。

从当前评估的数组中可以看到的这样计算的期望范围存在于未来，并定义了未来时间窗口中的回波可以以预定的概率归于一个在过去识别的回波的范围。由于标准偏差或多个标准偏差用作该回波范围的宽带，因此可以以预定的概率假定停留在这样定义的期望范围内的回波实际上对应于在过去被识别为填充高度回波或错误回波的回波。

当然，可以假定任何其他宽度作为预测直线的发散范围，但这时候，得出的结论不再是回波以该概率停留在一个期望范围内，实际上的概率可能相同也可能不同。

根据本发明至此所描述的方法，其目的不在于根据每一新记录的填充高度包络曲线重新确定期望范围，而是只在数组已经重新被未来的填充高度包络曲线即或对应的回波数据填满时重新确定期望范围。

根据本发明的另一示例性实施例提供在每一新记录的填充高度包络曲线之后确定一个新的期望范围。或者，也可在每第n(n∈IN^*)个新记录的填充高度包络曲线之后确定一个新的期望范围。为此，必须将填充高度包络曲线重新存储在数组中，其中“最老”的填充高度包络曲线被擦除，剩余的填充高度包络曲线移动n列，从而清空这些列，新记录的n个填充高度包络曲线被写入。该实施例被认为是特别有利的，因为在期望范围的确定过程中最新的填充高度进展可以非常精确地被参考。

总的说来，本发明将是特别有利的，因为根据本发明的方法不再执行当前接收的回波和过去已经接收的回波间的单独比较，而是为当前接收的回波指定一个特定的期望范围，回波被假定在未来以预定的概率出现在该范围内。因此很大程度上排除了错误的测量结果。

本发明的另一优点是不仅可以根据所描述的方法定义填充高度回波可能出现的期望范围，类似地也可定义错误回波将以某一特定概率出现的期望范围。为了以最高的可能性这样来识别错误回波，除了错误回波出现在笔直的水平线上的判别条件，其他的判别条件即特定的错误回波只能出现在特定的范围内的标准也可采用。

如果出现在未来时间窗口中的回波可以被指定到填充高度回波的期望范围中，则当前的填充高度利用这些回波进行确定。另一方面，如果不能指定到填充高度回波或错误回波的任一期望范围中，则这样的回波被丢弃，并因此不被包括在未来进一步存在的期望范围的预测中。如果在未来的时间窗口中填充高度上升或下降的速度快于当前时间窗口，则该填充速度的变化将通过适应下一期望范围的斜率来适应，这样当前的变化总是能被当前的方法考虑到。

正如已经描述过的，回波以其维度位置、幅度和时间存储在两维数组或矩阵中。然而，在到目前为止所进行的考虑中，回波的分析原则上仅简化为维度位置和时间。由于每一位置和每一时间均具有特定的回波幅度，因此可以根据它们的幅度对回波进一步分类。在图形化表示中，这将意味着填充高度回波的可视化图形进展将假定一个三维坐标系统中的一个特定位置，这样每一回波将在一个特定的时间和特定的位置处被指定一个期望的幅度。

由于每一幅度由一特定值所表示，因此才可能在平面中将回波可视的表示为一条直线，该直线的幅度与特定的时间和特定的位置相关，并由一该幅度值所确定的颜色或灰度级值表示。

相应的填充高度测量设备，以及用于确定未来时间窗口中的期望范围的独立的评估装置，该装置可被指定未来回波，包括一个评估单元，该评估单元包括一个存储器，预定数量的填充高度回波以其维度位置、时间和幅度被存储在一个二维数组或矩阵中。另外，该填充高度测量设备或评估装置的评估单元包括一个信号处理单元，该单元通过特定的数学算法，如回归分析或多项式内插来确定存储在数组中的回波的直线的进展。该信号处理单元另外还用于根据所计算的逼近直线确定各个回波的偏差度量，根据该偏差度量确定未来时间窗口中的期望范围的宽度，其产生预测的逼近直线。

一个相应的计算机程序用于执行本发明的方法，确定未来填充高度回波的期望范围，并且例如可作为子程序在一个评估程序中执行以评估所产生的包络曲线。这样的评估程序例如已知有德国VEGAGrieshaber KG公司的商标“Echofox^”。本发明的方法及相应的操作计算机程序可在一个独立的评估装置中实施，或者，如果需要也可直接集成在一个填充高度测量设备中。这里所关注的填充高度测量设备均为已知的填充高度测量设备，对反射的回波信号采样，产生一个填充高度包络曲线。这样的填充高度测量设备例如是超声波填充高度测量设备或雷达填充高度测量设备，特别是被称为脉冲雷达填充高度测量设备。

附图说明

为了进一步的解释和更好的理解，下面将结合附图对本发明的一个实施例进行详细的描述。其中：

图1是安装在一个容器的顶盖区域的一个填充高度测量设备的侧视图；

图2是一个填充高度测量设备的侧视图；

图3是一个评估装置的侧视图；

图4是模数转换器采样的填充高度包络曲线；

图5是具有存储的填充高度包络曲线数据的数组的提取；

图6是示出期望范围确定步骤的流程图；

图7是其中存储有填充高度包络曲线的一个数组；

图8是已经应用了各种图像处理方法的图7的数组；

图9是其中存储有回波幅度的一个数组；

图10是边缘识别后的图9的数组；

图11是具有回波数据的一个数组的图像的灰度值；

图12是应用了图像处理方法之后的图11的数组的图像的灰度值；

图13图示了几个相继以时间顺序交错的具有对未来预计的期望范围的几个数组。

在所有的附图中，相同的装置和单元标以相同的附图标记。

具体实施方式

从图1的示意图中，可以看到在容器15的顶盖区域安装有一个填充高度测量设备10。在容器15内部，装有粒状或液体填充材料16，形成了一个填充材料表面17。

该安装在容器15中的填充高度测量设备10包括一个壳体12和一个天线13。通过电缆14，尤其是一种称作4-20mA二线回路，连接至电源和这里未示出的通信装置。

在图2的极端示意图中，该填充高度测量设备10包括一个评估装置20、发送单元21和一个接收单元22。通过该发送单元21，短雷达脉冲或超声波脉冲通过天线13向填充材料表面17发射。这些信号在填充材料表面17发生发射，并通过同一天线13被接收。然后根据现有技术在接收装置22中被进一步处理，并在评估装置20中被评估。为此，根据各个回波信号采用已知的方式形成填充高度包络曲线。该填充高度包络曲线然后反过来采用数学方法在评估装置20中进行更进一步的检验。为此，评估装置20包括一个存储器26，一个图像处理单元27，一个数字信号处理单元28。重要的是，该填充高度包络曲线利用本发明的方法进行评估，尤其是如下所述的方法。

作为在填充高度测量设备10的评估单元20中评估信号的替代，类似地也可以利用图3示出的评估单元30进行评估。图3示出了一个应用了本发明的方法的评估单元30的示意图，该评估单元对图1中的填充高度测量设备10接收的信号进行评估。为此，该评估单元30包括一个存储器36，一个图像处理单元37，一个信号处理单元38。与图2的填充高度测量设备相反，该评估单元30可以另一位置，而不是直接位于容器上，并从而适于同时评估多个填充高度测量设备的填充高度包络曲线。

由模数转换器采样的填充高度包络曲线用作填充高度计量中信号处理的基础。图4示出了一种以恒定时间间隔采样的填充高度包络曲线。整体上，图4中图示的填充高度包络曲线中存在三个回波，这样仅仅观察该填充高度包络曲线不能判断三个回波中的哪个代表实际的填充高度回波。原则上，三个回波中的每一个均可代表填充高度回波或是错误的回波。但是，一旦一个回波被识别为一个填充高度回波或是一个错误的回波，则可以采用本发明的方法以非常高的概率对未来预测一个回波是填充高度回波还是一个错误回波。

为此，例如，如图4所示，以恒定时间间隔产生的填充高度包络曲线根据位置和时间被相继存储在一个两维数组或矩阵的每一列或行中。以记录的几个填充高度包络曲线形成了一个包括维度位置和时间的数组，如图5所示。在图5示出的一个数组的细节中，各列代表以不同时间记录的填充高度包络曲线，不同的行代表各个回波的不同位置。在图5的数组中，回波幅度A取决于时间t(列)和位置s(行)：

A(t，s)

数组的最大列号可在运行一次本方法之后确定，但也可以对应于一个固定的预定值。该数组被用新近记录的填充高度包络曲线填充，直到达到最大列号。一旦达到，则本方法的进一步的处理过程开始，借此可以计算出下一数组或下一时间窗的期望范围。每个数组中的列号的数目对应于一个时间窗，在此时间窗内可以对回波率进行一定时间的跟踪。最大行号由模数转换器的信号采样点的间距和传感器的最大测量范围决定。在下文中，将简要描述在根据本发明的方法的框架中如何确定列的数目。但是此过程不是强制的，因为在列号为固定常量的一般条件下也可以获得很好的结果。

但是，如果希望动态确定最大列数目，这将取决于填充速率和各个填充高度包络曲线间的时间间隔(周期时间)。从而，必须找出数组大小和下列算法的函数间的折衷。例如，当假定填充速率V为大约2.3m/h，并且最后半米的级数(该值在任何情况下应该大于回波宽度)足够用于跟踪填充高度时，那么根据下式的数组应该包括一个大约13分钟的时间窗。

$\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Δs}}{\mathrm{\Δv}}$

现在列的数目z由要存储的时间范围(13分钟)和传感器的周期时间得到。在周期时间为1¹/s时，根据下式将得到列数目z为780[-]。

z＝Δt·f

因为在该填充速率下，填充高度回波仅在包络曲线到包络曲线间移动0.64mm，这里使用主时间间隔来跟踪回波是可能的。这样，例如仅在6.4cm的间隔将包络曲线存储在本例中是足够的，其中列的最大数目z将减小至78。

因为在根据本发明的方法运行一次后，其中填充速率为已知结果，以此确定数组大小。这种对数组大小的调整显然是希望的，因为它节省了存储空间和计算时间，当另一方面，它不是强制的，因为在固定数组大小的情况下，当填充处理不特殊时也可以获得等效的好结果。

在图6中，在流程图中说明了用于根据本发明的方法的可能过程。该方法在步骤100中开始后，步骤110启动由模数转换器采样的填充高度包络曲线的数组中的存储。该步骤已经参考图5进行了详细描述。在下面的步骤120中，判决根据数组是否已经完全被写入过去的回波数据的逻辑查询来做出。如果不是此情况，那么步骤110被循环执行，直到数组用填充高度包络曲线填满。

一旦数组被完全写入z个填充高度包络曲线，下一处理步骤启动对不希望的信号部分如噪声的滤波，藉此可以减小要处理的数据量。该滤波通过本身已知的图像处理方法进行。

如在开始已经描述的那样，在每一个第n个(n∈IN^*，n＜z)新近记录的填充高度包络曲线之后尽早执行期望范围的确定的情况下，对数组中的填充高度包络曲线域或相应的回波数据进行恢复在步骤110中成为必要。例如，这可以这样来实现：因为最老的n个填充高度包络曲线被删除了，剩余的z-n个填充高度包络曲线被移位n列，这样清空的n列在步骤110中被循环填充，直到数组再次被填充高度包络曲线完全占据。

在图7和8中，步骤130中描述的图像处理算法以数字方式进行说明。由此图7是在步骤110中被填充高度包络曲线填满的数组的示例性细节。如这里可以看到的，具有幅度25的回波根据时间改变它的位置。在步骤130中，通过图像处理方法如选择方法确定每个回波的参数。例如，在图7中，在每个填充高度包络曲线的回波中，两个数字“9”间的位置单位的数目被假设为回波宽度。同样，如同回波的结束一样，回波的开始也通过这两个数字来确定。最大值采用最大值确定算法从每个回波中滤除(同样见步骤140)。在图7中，每种情况下的包络曲线的级数中的最大值为25。这样，找到的参数与数组无关地被存储，因此仅留下显示在图8中的数组，其中仅最大值被标以数字。然后图8中示出的数组在步骤180中进一步处理。

在步骤140，每个单个填充高度包络曲线被检查最大值，也就是单个回波的幅度。为此，使用其它已知的图像处理方法，例如用于最大值搜索的算法。由此检测到的回波被通过它们的相关参数，例如位置、幅度、开始和结束，更精确地量化了。

在步骤150中查询步骤140中检测到的回波可以被指定的期望范围是否已经在过去被确定出来。如果期望范围仍不可得，那么必须跳过步骤160，填充高度必须在步骤170中在没有过去信息的情况下被确定。然后，例如，具有最大幅度的回波被参考用于确定填充高度。

但是，如果已经确定出当前时间窗的期望范围，则在步骤140中通过它们的参数先前检测到的回波被指定至该期望范围及与此相关的先前回波。此向期望范围的指定发生在步骤160中。如果在此步骤中一个回波可以被指定至一个期望范围，则可以假定它具有一个此回波未被错误地指定至此期望范围的预定概率。例如，如果在上一个时间窗内，期望范围未被指定回波6倍标准差宽度的范围，则假定在当前时间窗内被指定至期望范围的回波没有被错误地指定至该范围的概率为99.7％，并且在步骤170中，可以确定填充高度。

如果在当前时间窗内，各个回声不能指定至一个期望范围，则不必考虑这些回声，在下一个时间窗内考虑预期范围，必须丢弃这些回波。一个回波不能被指定至填充高度的预期范围同样是可能的。这里，例如由于开始填充处理，回波可能消失。在此情况下，填充高度回波的丢失位置和时间应该被存储下来以便可以在将来的期望范围的确定中参考。

接下来，在步骤180，190和200中，计算下一未来时间窗口的期望范围。为此，数组中回波的进展首先在步骤180中边缘识别算法的帮助下进行识别，即搜索涉及一个特定回波的幅度。

在图9和10中，举例说明了一个可能用于此目的的方法。其中表示的数组对应于根据图8的具有维度位置、时间和幅度的填充包络曲线数组的典型细节。如果现在在图9中从第一列的第一行开始，向下，可以到达第二行中的第一回波。此回波被给予数字1，此数字被输入到图10中所示的数组的相应单元中。从该起始点，最近的环绕点被连续按点的方式分析，以达到具有最高邻近值的列和行。该邻近值被给与相应的数字，在此情况下是数字1，它也被输入到图10中所示的数组的相应单元中。此过程被持续，直到到达数组的结尾，或直到回波的“跟踪”丢失。其后，搜索下一回波的开始值，照此继续此方法。通过此方法，最终得到图10中所示的数组，其中图9的两个回波的级数被通过它们的号码抵消。以此方法，属于每个回波的边缘都是相同的。

从检测到的边缘形状，在步骤190中可以通过适当的曲线逼近法，如对在步骤180中检测到的边缘形状进行逼近的多项式插值、样条插值、回归分析或相关分析，来确定方程。通过回归计算，例如，确定出逼近边缘形状的直线或多项式的参数。在各个时间窗不超过特定大小，并且单填充高度包络曲线的周期时间未被选的过长的情况下，通过线性回归一次逼近中的边缘形状的逼近可以被认为足够好。应用于图10中所示数组的参考数字为1的边缘形状，从而保证了一个如下的直线：

当图3b中的数组的列被标记为x，相关的行为y，直线的参数a、b，

y＝a·x+b

得到

$b=\frac{{\mathrm{\Σy}}_i\mathrm{\Σ}{x}_i^2-{\mathrm{\Σ}x}_i\·\mathrm{\Σ}{x}_i\·y_i}{n\·\mathrm{\Σ}{x}_i^2-{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2}$

$a=\frac{n\·\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i-{\mathrm{\Σy}}_i\·{\mathrm{\Σx}}_i}{n{\·\mathrm{\Σx}}_i^2-{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2}$

应用于图10中所示数组的参考数字为1的边缘形状，得到：

∑y_i＝7+7+6+5+6+5+4+5＝45

$\mathrm{\Σ}{x}_i^2=1+4+9+16+25+36+29+64=204$

∑x_i＝1+2+3+4+5+6+7+8＝36

∑x_iy_i＝7·1+7·2+6·3+5·4+6·5+5·6+4·7+5·8＝187

因此得到：

$b=\frac{45.204-36.187}{8.204-36.36}\≈7$

$a=\frac{8.187-45.36}{8.204-36.36}\≈-0.4$

因此得到的直线方程为

y＝-0.4·x+7。

在回波参考数字1是填充高度回波的情况下，计算得到的该直线的斜率对应于填充速率。如已经描述的那样，可以利用此值执行下一时间窗的数组大小的调整。

如果假定实际进展的方差是在由检测到的直线表示的趋势周围的静态分布，那么根据步骤200特定参数从这些方差中确定。本质上，可以假定回波是在由检测到的直线表示的趋势周围的正态分布。但是，其它分布函数也可以作为用于计算特定分布参数的基础，例如指数分布、对数正态分布、Weibull分布或伽马分布。但是在本情况下，处理各个回波是正态分布的形式。

从逼近直线和实际值中，可以计算出方差σ²或标准差σ的估计值：

${\mathrm{\σ}}^2\≈\frac{1}{n-1}\·\mathrm{\Σ}{(y_i-a{\·x}_i+b)}^2$

因此，在本情况下，

${\mathrm{\σ}}^2\≈\frac{1}{7}\·\left(\begin{array}{c}{(7-6.6)}^2+{(7-6.2)}^2+{(6-5.8)}^2+{(5-5.4)}^2\\ +{(6-5)}^2+{(5-4.6)}^2+{(4-4.2)}^2+{(5-3.8)}^2\end{array}\right)=0.429$

为了能够声明落入期望范围的特定回波没有错误的指定至该期望范围的概率为99.7％，必须容许在表示趋势的直线两侧3σ的值。因此得到限定期望范围的直线

y_upper limit＝a·x+b+3σ＝-0.4x+8.96，

y_lower limit＝a·x+b-3σ＝-0.4x+5.03

当在下一个时间窗内仅有一个回波时，那么此回波与上一周期内的相同的概率为99.7％，所以在步骤110中，该方法可以在检测到的此回波上再次执行。

图11和12示出了其中存储了填充高度包络曲线的数组的灰度值图像。图11将处理前的填充高度包络曲线的回波显示为亮，但是较宽的范围。图12本质上显示了与图11中相同的填充高度包络曲线的回波，但是图12的表示与图11的不同在于，由于图像处理方法，例如边缘滤波，人眼可以感到灰度值图像充分地清楚和锐利。作为灰度值图像的填充高度包络曲线或数组的这种视觉表示，例如，对操作员识别根据本发明的算法是否工作正确，并且如果不正确，他应该以什么方式干预很有用处。在这些灰度值图像的帮助下，例如，他可以判断当前数组大小是否可能是选择的过小，或者周期时间是否必须从一个填充高度包络曲线调整到另一个填充高度包络曲线。

在图13中，又描述了本发明的方法。那里显示的每个时间窗包括八个回波，具有一个用于每八个回波之后被计算的下面八个回波的新的期望范围。在图13中，描述了五个时间上连续的时间窗。如果假定时间窗0位于过去，那么时间窗1中显示在虚线中的期望范围可以从时间窗0中的回波中确定。时间窗1的期望范围跟着发生，因为在时间窗0中首先计算补偿直线，由此其中可见的回波可以被逼近。该逼近直线对应于时间窗1中的实线。随后，从关于该直线的时间窗0中的回波方差中计算标准差。用该标准差，确定出时间窗1中计算出的趋势直线两侧的期望范围的宽度。如果在时间窗1中趋势线两侧的期望范围的宽度，例如，是标准差σ的三倍，那么可以为时间窗1做出概率为99.7％的声明，表示在这里并且落入该期望范围内的回波是否对应于时间窗0中的回波。

因为在此情况下，可以假定时间窗1中落入期望范围内的所有回波，实际上可以被指定至相同的期望范围，时间窗2的趋势直线，如同周围的期望范围可以以类似的方式从这些回波中确定。在时间窗2中，所有回波又处于虚线期望范围内。此时同样，可以假定所有回波属于此回波级数，因此第三时间窗的趋势线，以及周围的期望范围可以再次被从这些回波中计算。但是，如果时间窗2中的补偿线画过了单个回波，那么与时间窗2的期望范围的斜率相比，更陡的上升趋势线保证时间窗3。因为此外时间窗2中的单个回波数据关于补偿线分散得很小，因此时间窗3的期望范围的宽度也变窄。

在时间窗3中可以看出，第三和第四回波处于预测的期望范围之外。但是，剩余回波精确地位于第三时间窗的趋势线上。为了预测第四时间窗，因此要考虑第三和第四回波，因为这些位于时间窗3的期望范围之外，否则可能错误地影响时间窗4的期望范围，使得与显示的相比，相同的期望范围将增加陡峭程度。因为在时间窗3中，剩余回波精确地位于期望线上，因此时间窗4的期望范围减小为期望线本身。但是，这只是一种理论方法，实际上一般并不会出现。

Claims (29)

1.一种为由超声波或雷达填充高度测量设备(10)生成的填充高度回波或错误回波确定至少一个期望范围的方法，其中考虑至少两个先前的填充高度回波或错误回波的时间特性来确定该至少一个期望范围。

2.如权利要求1所述的方法，其中考虑至少两个先前的填充高度回波或错误回波的时间特性来周期性地确定该至少一个期望范围。

3.如权利要求1所述的方法，其中在每个填充高度包络曲线被填充高度测量设备(10)新近接收后，确定一个新的期望范围。

4.如权利要求1所述的方法，其中在n个填充高度包络曲线被填充高度测量设备(10)新近接收后，确定一个新的期望范围，其中使用n∈IN^*。

5.如权利要求1所述的方法，其中该方法还包括下列步骤：

-通过一个模数转换器对由填充高度测量设备(10)当前接收的一个填充高度包络曲线进行采样；

-将包括其回波数据的采样后的填充高度包络曲线的回波存储在一个预定大小的数组中；

-用图像处理方法处理存储在数组中的回波数据；

-在当前的填充高度包络曲线中搜索单个回波；

-将检侧到的回波指定至先前为填充高度回波或错误回波确定的期望范围；

-在将回波指定至填充高度期望范围的情况下，使用所述回波确定填充高度；

-当数组被回波数据填满后，为将来预计回波确定一个新的期望范围。

6.如权利要求5所述的方法，其中，当数组被回波数据填满后，考虑先前存储在数组中表示填充高度包络曲线的回波数据，为填充高度和错误回波确定期望范围，该回波数据可以被指定至一个先前的期望范围。

7.如权利要求5所述的方法，其中回波数据被存储在一个包括维度位置、时间和幅度的数组中。

8.如权利要求5所述的方法，其中期望范围通过下述方式被确定：可以被指定至先前期望范围的回波数据以函数级数逼近，偏差量度通过与所述确定的函数级数相比较而确定，从中可以为要确定的期望范围建立范围宽度。

9.如权利要求5所述的方法，其中通过回归法、多项式插值法或逼近法来确定函数级数。

10.如权利要求8所述的方法，其中作为偏差度量，回波数据的多个标准偏差通过与函数级数相比较而确定。

11.如权利要求10所述的方法，其中通过所述多个标准偏差建立概率，出现在将来期望范围内的回波以该概率实际被指定至该期望范围。

12.如权利要求10所述的方法，其中从填充高度回波的期望范围的函数级数的斜率中，确定填充高度的当前变化。

13.如权利要求12所述的方法，其中存储有当前接收的填充高度包络曲线的数组的大小适应于填充高度的当前变化。

14.一种为由超声波或雷达填充高度测量设备(10)生成的填充高度回波或错误回波确定至少一个期望范围的评估装置(20)，其中考虑至少两个先前的填充高度回波或错误回波的时间特性来确定该至少一个期望范围。

15.如权利要求14所述的评估装置，其中考虑至少两个先前的可以被指定至先前期望范围的填充高度回波或错误回波的时间特性来周期性地确定该至少一个期望范围。

16.如权利要求14或15所述的评估装置，其中评估装置(20)配备有一个存储器(26)，在模数变换之后，每个当前接收的填充高度包络曲线及其回波数据，包括维度位置、时间和幅度，被存储在存储器(26)中的预定大小的数组中。

17.如权利要求14-16之一所述的评估装置，其中评估装置(20)还包括一个图像处理单元，处理存储在数组中的填充高度包络曲线的回波数据，并搜索其中存在的单个回波。

18.如权利要求14-17之一所述的评估装置，其中评估装置用于将检侧到的回波指定至先前为填充高度回波或错误回波确定的期望范围，并且根据一个被指定至该填充高度的期望范围的回波中确定填充高度。

19.如权利要求18所述的评估装置，其中评估装置(20)还用于以当数组被回波数据填满后，为将来预计的回波确定一个新的期望范围

20.如权利要求14-19之一所述的评估装置，其中评估装置(20)被配置为考虑到表示填充高度包络曲线的先前存储在数组中的回波数据，为填充高度和错误回波确定期望范围，该回波数据可以被指定至一个先前的期望范围。

21.如权利要求20所述的评估装置，其中评估装置(20)包括一个确定期望范围的信号处理单元(28)，其中所述信号处理单元用函数级数逼近回波数据，该回波数据已被指定至先前的期望范围，并通过与确定的函数级数进行比较来确定回波数据的偏差度量。

22.如权利要求21所述的评估装置，其中信号处理单元(28)通过回归法、多项式插值法或逼近法来确定函数级数。

23.如权利要求21所述的评估装置，其中信号处理单元(28)通过与函数级数相比较而确定回波数据的多个标准偏差，作为偏差度量。

24.如权利要求21所述的评估装置，其中存储在评估单元(20)的存储器(32)中的数组的大小可以随填充高度的当前变化而动态调整，该变化由函数级数的斜率来表示，所述数组中存储了当前接收的填充高度包络曲线。

25.如权利要求14-24之一所述的评估装置，其中评估装置(20)被集成在一个填充高度测量设备(10)中。

26.如权利要求14-24之一所述的评估装置，其中评估装置(20)与填充高度测量设备(10)相互隔开，并通过数据链路与填充高度测量设备(10)相连。

27.一种为由超声波或雷达填充高度测量设备(10)生成的填充高度回波或错误回波确定至少一个的期望范围的计算机程序，该计算机程序包括用于考虑可以被指定至先前期望范围的至少两个先前填充高度回波或错误回波的时间特性来周期性地确定该至少一个期望范围的指令。

28.如权利要求27所述的计算机程序，其中该指令执行下列处理步骤：

-通过一个模数转换器对由填充高度测量设备当前接收的一个填充高度包络曲线进行采样；

-将包括其回波数据的采样后的填充高度包络曲线的回波存储在一个预定大小的数组中；

-用图像处理方法处理存储在数组中的回波数据；

-在当前的填充高度包络曲线中搜索单个回波；

-将检侧到的回波指定至先前为填充高度回波或错误回波确定的期望范围中；

-在将回波指定至填充高度的期望范围的情况下，使用所述回波确定填充高度；

-当数组被回波数据填满后，为将来预计的回波确定一个新的期望范围。

29.一种计算机程序产品，可以直接加载入计算机存储器，并包含当该产品被加载到计算机上时执行下列步骤的指令：

-通过一个模数转换器对由填充高度测量设备当前接收的一个填充高度包络曲线进行采样；

-将包括其回波数据的采样后的填充高度包络曲线的回波存储在一个预定大小的数组中；

-用图像处理方法处理存储在数组中的回波数据；

-在当前的填充高度包络曲线中搜索单个回波；

-将检侧到的回波指定至先前为填充高度回波或错误回波确定的期望范围；

-在将回波指定至填充高度的期望范围的情况下，使用所述回波确定填充高度；

-当数组被回波数据填满后，为将来预计的回波确定一个新的期望范围。

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