專利名稱：確定周期性振蕩信號響應(yīng)的起始時刻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定周期性振蕩信號響應(yīng)的起始時刻的方法、實現(xiàn)所述方法的軟件和利用所述方法的設(shè)備。
背景技術(shù)：
聲學(xué)測量系統(tǒng)存在多種變體，并且可以用于許多不同的領(lǐng)域，例如測量容器罐或容器箱等中的液面或體積、測量距離、測量流量、諸如超聲檢查之類的醫(yī)學(xué)診斷、位置確定寸寸。一個示例是用于液面測量的回聲型聲學(xué)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，將聲學(xué)換能器典型地設(shè)置在包含液體的容器箱中的最高點處，將測量所述液體的液面或體積。聲學(xué)換能器從發(fā)射機饋送第一電信號。響應(yīng)于第一信號，所述換能器產(chǎn)生聲學(xué)脈沖，該脈沖向下傳輸至液體的表面，聲學(xué)脈沖典型地按照振蕩波的形式。在表面反射之后，通過變換能器再次拾取所述脈沖，換能器響應(yīng)于此產(chǎn)生饋送至接收機的第二電信號。確定所述第一和第二電信號之間的時間間隔、即聲學(xué)脈沖的轉(zhuǎn)變時間，并且利用所述聲學(xué)脈沖在正被討論的介質(zhì)中的傳播速度的知識來計算從換能器到液體表面的距離。經(jīng)合這種轉(zhuǎn)變時間測量顯而易見，重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)反射脈沖或回聲接收時間的精確確定。US2007/0186624公開了一種測量醫(yī)療液體中信號傳輸時間的聲學(xué)方法，其中在第一半周期期間對振蕩器接收信號進(jìn)行采樣，并且基于靜止液面所封閉的面積和半周期期間所接收的信號，利用選擇準(zhǔn)則的幫助來進(jìn)行檢查。當(dāng)這種檢查結(jié)果是肯定的時，利用所計算的信號轉(zhuǎn)變時間來確定所接收的信號和靜止液面之間的交點。然而，所接收信號的放大或衰減典型地隨著聲學(xué)信號所傳播的液體溫度而改變。 這可以引起在溫度不穩(wěn)定應(yīng)用中的錯誤測量。在致力于減小由溫度變化引起的測量誤差時，US6, 226，598公開了一種定義理想特征第一周期的方法，其特征在于所述理想特征第一周期的兩個波瓣幅度之間的理想幅度比。那么，對于所接收的聲音信號的每一個周期，確定正在檢查的周期的兩個波瓣的幅度， 并且將所述幅度的比與理想幅度比進(jìn)行比較。如果比較結(jié)果是大于閾值，將所考慮的周期看作是噪聲，而如果比較結(jié)果小于閾值，則將這兩個波瓣之間的零交叉看作是所接收信號的第一零交叉。然而在一些應(yīng)用中，這種方法可能要求太多計算。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題，本發(fā)明的目的是實質(zhì)上克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一些缺點。具體地， 本發(fā)明的目的是提供一種確定周期性振蕩信號響應(yīng)的起始時刻的有效計算的方法。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種確定周期性振蕩信號響應(yīng)的起始時刻的方法，其中所述信號響應(yīng)包括第一組半周期，具有與信號響應(yīng)中的第一半周期的極性相同的極性；以及第二組半周期，具有與信號響應(yīng)中的第一半周期的極性相反的極性。所述方法包括以下步驟確定峰值半周期作為在第一和第二組中所選擇的那一組中具有最高幅度的半周期；確定信號響應(yīng)的在與峰值半周期相距已知時間距離處發(fā)生的零交叉時刻；基于所述零交叉時刻以及峰值半周期和所述起始時刻之間的關(guān)系來確定所述信號響應(yīng)的起始時刻。注意，所述峰值半周期可以是這樣的半周期即使在第二組中存在具有較高幅度的半周期，所述半周期具有第一組半周期中的最高幅度。類似的，所述峰值半周期可以是這樣的半周期即使在第一組中存在具有較高幅度的半周期，所述半周期具有第二組半周期中的最高幅度。因此，所述峰值半周期不必是在具有最高幅度(盡管也可以是)的信號響應(yīng)中的半周期。通過周期性振蕩，可以理解的是所述信號響應(yīng)本質(zhì)上是周期性的，盡管在所述半周期的持續(xù)時間中可能存在某些變化。具體地，可以在所述信號響應(yīng)內(nèi)存在漸變偏移，使得所述第一半周期具有較長的持續(xù)時間，而隨后的半周期的持續(xù)時間逐漸減小。本發(fā)明是基于以下理解用于確定周期性振蕩信號響應(yīng)的起始時刻的可靠方式是搜索峰值半周期(即具有最高幅度的給定極性的半周期)，然后，利用所述峰值半周期和信號響應(yīng)的起始時刻之間的關(guān)系來確定所述起始時刻。利用這種方法的優(yōu)勢是(即使在存在噪聲的情況下)易于檢測選定組中具有最高幅度的半周期。因此，所述方法可以利用更少的精密復(fù)雜測量設(shè)備，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)成本有效的解決方案。所述峰值半周期和信號響應(yīng)的起始時刻之間的關(guān)系可以是預(yù)先知道的。例如，所述信號響應(yīng)的本質(zhì)可以是使得具有最高幅度的半周期總是所述第二組中的第一半周期。這允許用直接和計算有效的方式來確定所述起始時刻。所述方法還可以包括步驟確定在先半周期的幅度和所述峰值半周期幅度之間的比率，其中所述在先半周期是在所述第一和第二組之一中的峰值半周期之前的半周期；將所述比率與閾值進(jìn)行比較；以及基于所述比較，確定在所述峰值半周期和信號響應(yīng)的起始時刻之間發(fā)生的半周期的個數(shù)，從而確定所述峰值半周期和所述起始時刻之間的關(guān)系。這使得在峰值半周期和起始時刻之間的關(guān)系預(yù)先未知的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)精確測量，例如當(dāng)所述信號響應(yīng)已經(jīng)失真時。優(yōu)點是因為所述方法對于可能由于溫度變化導(dǎo)致變換器Q值變化引起的失真不敏感，可以利用低成本的變換器。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)更加成本有效的測量設(shè)備。可以選擇閾值，以便區(qū)分屬于信號響應(yīng)的振蕩和噪聲振蕩。所述噪聲可以是隨機噪聲、干涉噪聲或者與由波傳播中的干擾產(chǎn)生的回波有關(guān)的噪聲。當(dāng)所述比率小于閾值時，可以解釋為所述峰值半周期是在信號響應(yīng)的起始時刻之后立即發(fā)生的選定組中的半周期。這使得能夠建立峰值半周期和起始時刻之間的關(guān)系。當(dāng)所述比率至少等于(即等于或大于)閾值時，可以解釋為選定組中有至少一個半周期發(fā)生在所述峰值半周期和信號響應(yīng)的起始時刻之間。根據(jù)實施例，所述選定的組是半周期的第二組。優(yōu)點是在所述第二組中具有最高幅度的半周期的幅度典型地大于在第一組中具有最高幅度的半周期的幅度。因此，所述峰值半周期更加易于檢測，并且測量變得更加對噪聲不敏感。根據(jù)實施例，所述在先半周期屬于所述選定的組。優(yōu)點是只需要檢測一個極性，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)更加成本有效的設(shè)備。優(yōu)選地，當(dāng)這些檢測對于噪聲不敏感時，所述零交叉時刻可以是在所述峰值半周期之前或之后即刻發(fā)生的零交叉時刻。然而，應(yīng)該認(rèn)識到也可以利用其他零交叉時刻。所述峰值半周期和/或所述幅度之間的比率(即在先半周期的幅度和峰值半周期的幅度之間的比率)可以根據(jù)信號響應(yīng)的非采樣表示來確定。因為不要求采樣，這使得能夠?qū)崿F(xiàn)成本有效的實現(xiàn)方式并且減小功耗。另外，消除了與采樣過程相關(guān)聯(lián)的任何不精確性?？梢酝ㄟ^以下步驟確定所述峰值半周期檢測一組時間段，在該組時間段期間，信號響應(yīng)的幅度超過閾值幅度并具有與選定組中的半周期極性相同的極性；以及將所述組的時間段中的最長時間段解釋為與峰值半周期相對應(yīng)。對于信號響應(yīng)的非采樣表示，通常便利的是使用半周期的幅度超過給定幅度級別的時間作為所述幅度的指示而不是設(shè)法直接測量所述半周期的幅度。所述方法還可以包括以下步驟將在所述組時間段中的最長時間段之前的時間段解釋為與所述在先半周期相對應(yīng)；以及基于所關(guān)聯(lián)的時間段的持續(xù)時間來確定所述在先半周期的幅度和所述峰值半周期的幅度之間的比率。優(yōu)點是這些步驟可以應(yīng)用于信號響應(yīng)的非采樣表示。根據(jù)實施例，可以通過以下步驟確定所述峰值半周期向包括能量存儲介質(zhì)的電路提供所述信號響應(yīng)；從所述電路獲取輸出信號，其中所述輸出信號與所述能量存儲介質(zhì)上的電壓相對應(yīng)；對所獲取的輸出信號進(jìn)行采樣；選擇一組樣本，其中所述樣本組中的每一個樣本與第一和第二組半周期的選定那組半周期中的不同半周期相關(guān)聯(lián)，并在相對于所關(guān)聯(lián)的半周期的預(yù)定時刻被檢測；以及確定與具有最高電壓的樣本相關(guān)聯(lián)的半周期作為峰值半周期。當(dāng)將所述電路典型地配置為使得所述能量存儲介質(zhì)的電壓減小比周期性振蕩信號響應(yīng)的電壓變化更慢時，可以將與特定半周期相關(guān)聯(lián)的檢測的樣本用作所述半周期幅度的直接指示。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的過程在最小化所要求的數(shù)據(jù)處理和消耗存儲容量的同時，利用了所采樣的數(shù)據(jù)，從而允許使用低成本的微計算機。另外，緩慢的電壓減小意味著對于低成本A-D轉(zhuǎn)換器也可以實現(xiàn)可靠的結(jié)果?？梢酝ㄟ^以下步驟確定在先半周期的幅度和峰值半周期的幅度之間的比率向包括能量存儲介質(zhì)的電路提供周期性振蕩信號響應(yīng)；從所述電路獲取輸出信號，其中所述輸出信號與所述能量存儲介質(zhì)上的電壓相對應(yīng)；對所獲取的輸出信號進(jìn)行采樣；選擇與在先半周期相關(guān)聯(lián)的樣本和與峰值半周期性相關(guān)聯(lián)的樣本；以及確定所述在先半周期的幅度和所述峰值半周期的幅度之間的比率作為與在先半周期相關(guān)聯(lián)的樣本的電壓和與峰值半周期的幅度相關(guān)聯(lián)的樣本的電壓之間的比率?？梢栽谙鄬τ谠谙劝胫芷诘念A(yù)定時刻檢測與所述在先半周期相關(guān)聯(lián)的樣本。類似地，可以在相對于所述峰值半周期的相應(yīng)預(yù)定時刻檢測與所述峰值半周期相關(guān)聯(lián)的樣本。優(yōu)點是由于緩慢的電壓減小，對于低成本A/D轉(zhuǎn)換器也可以實現(xiàn)可靠的結(jié)果?？梢酝ㄟ^以下步驟確定檢測樣本時的相對于半周期的預(yù)定時刻確定所述半周期末端時發(fā)生的零交叉時刻；以及檢測所識別的零交叉時刻之后的預(yù)定時間發(fā)生的樣本。例如，可以檢測下一個樣本(即，在所述零交叉之后發(fā)生的樣本)。
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用于產(chǎn)生所述信號響應(yīng)的觸發(fā)信號可以配置為理想信號響應(yīng)，具有最大幅度的半周期盡可能早的出現(xiàn)。優(yōu)選地，第二組半周期中的第一半周期是具有最大幅度的半周期。這種觸發(fā)信號的示例將是具有約一個半周期持續(xù)時間的矩形脈沖?？蛇x地，可以使用具有兩個半周期持續(xù)時間的矩形脈沖。這種觸發(fā)脈沖可以提供更加適用于本發(fā)明的用于檢測的信號響應(yīng)。具體地，從所述觸發(fā)信號的第二半周期產(chǎn)生的信號響應(yīng)將用于抑制從所述觸發(fā)信號的第一半周周期產(chǎn)生的信號響應(yīng)部分，從而確保在所述信號響應(yīng)中較早出現(xiàn)最大幅度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該可以理解，可以將其他類型的觸發(fā)信號用于產(chǎn)生類似的信號響應(yīng)。因此，所述脈沖的形狀可以變化。例如，可以使用三角形脈沖或者具有圓形形狀的脈沖。另外，所述觸發(fā)信號的持續(xù)時間可以變化。觸發(fā)信號的其他示例將是沖擊脈沖、階躍脈沖或啁啾。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提出了一種用于在處理設(shè)備上執(zhí)行的軟件，所述處理設(shè)備具有用于實現(xiàn)上述方法的程序指令。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提出了一種聲學(xué)測量設(shè)備，包括換能器裝置，用于發(fā)射和接收信號響應(yīng)；處理設(shè)備，配置用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，以確定所接收的信號響應(yīng)的起始時刻。所述聲學(xué)測量設(shè)備還可以包括具有能量存儲介質(zhì)的電路；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這種電路的示例是半波整流器。根據(jù)以下詳細(xì)公開、所附從屬權(quán)利要求和附圖，其他目的、特征和優(yōu)點將是清楚明白的。


參考附圖、通過本發(fā)明優(yōu)選實施例的以下說明性和非限制性詳細(xì)描述，將更好地理解本發(fā)明的以上和附加目的、特征和優(yōu)點，在附圖中相同的參考數(shù)字將用于類似的元件， 其中圖1是聲學(xué)級別測量系統(tǒng)的示意性說明；圖加示意性地示出了觸發(fā)信號的原理外形；圖2b_d示意性地示出了信號響應(yīng)的原理性外形、相關(guān)聯(lián)的時間段和由控制設(shè)備記錄的零交叉時刻；圖加-g示意性地示出了另一個信號響應(yīng)的原理性外形、相關(guān)聯(lián)的時間段和由控制設(shè)備記錄的零交叉時刻；圖3是示出了用于確定周期性振蕩信號響應(yīng)的起始時刻的過程的示意性方框圖；圖4是示出了用于確定周期性振蕩信號響應(yīng)的起始時刻的另一個過程的示意性方框圖；圖5示出了另一個信號響應(yīng)；圖6示出了仍然是另一個信號響應(yīng)；圖7a示意性地示出了本發(fā)明的替代實施例，其中控制設(shè)備包括半波整流器和A/D 轉(zhuǎn)換器；圖7b示意性地示出了半波整流器的示例；
圖8示意性地示出了提供給所述半波整流器的輸入信號和所得到的輸出信號。
具體實施例方式圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的聲學(xué)級別測量系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以典型地在超聲以下(即小于20kHz)工作。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法也可以應(yīng)用于在較高頻率下工作的系統(tǒng)(即超聲頻率)。所述聲學(xué)級別測量系統(tǒng)100包括發(fā)射機-接收機102，與在管子106頂部設(shè)置的電聲換能器104電連接。所述換能器104可以由如圖1所示的單一單元構(gòu)成，或者可以由與麥克風(fēng)相結(jié)合的揚聲器組成。所述管子106延伸通過容器或溶氣罐108的上部分，所述容器包含液體110，并且容器中的液面將被測量。另外，所述發(fā)射機-接收機102與電子控制設(shè)備120相連，所述電子控制設(shè)備120 配置用于控制所述發(fā)射機-接收機102，并且配置用于基于通過所述發(fā)射機-接收機102發(fā)射和接收的信號來計算液面。在工作時，所述聲學(xué)換能器104在預(yù)定時間間隔從發(fā)射機102接收第一電信號E1， 也稱作觸發(fā)信號E1，并且響應(yīng)該觸發(fā)信號產(chǎn)生聲學(xué)脈沖P1，允許所述聲學(xué)脈沖傳播通過管子106在液體表面IlOa再次反射，所述液體表面設(shè)置在管子106的下邊緣之上。在發(fā)射之后的特定時間(稱作脈沖的轉(zhuǎn)變時間)，通過換能器104接收所反射的脈沖或回波P2，所述換能器將回波脈沖P2轉(zhuǎn)換為第二電信號E2，也稱作信號響應(yīng)E2。所述電子控制設(shè)備120接收觸發(fā)信號El和響應(yīng)信號E2，所述觸發(fā)信號引起所發(fā)射的脈沖Pl，所述響應(yīng)信號在接收所反射的脈沖P2時產(chǎn)生，并且確定來自兩個電信號El和 E2的脈沖的轉(zhuǎn)變時間，以估計液面。圖加示意性地示出了電信號El和E2的原理外形。由換能器接收的觸發(fā)信號El是具有一個半周期持續(xù)時間和負(fù)極性的矩形脈沖， 而所得到的信號響應(yīng)E2是具有實質(zhì)上正弦形狀的周期性振蕩信號。所述信號響應(yīng)E2的起始時刻由、來表示，信號響應(yīng)中的第一個半周期Eh具有負(fù)極性，即與觸發(fā)信號El有相同的極性。然而，可以理解的是可以改變所述極性，例如通過切換換能器的電極。如圖2b所示，信號響應(yīng)E2包括具有負(fù)極性的第一組半周期E2a_d和具有正極性的第二組半周期Ek-h。另外，所述信號響應(yīng)E2典型地位于小振蕩形式的噪聲m之后。其中信號響應(yīng)E2與靜止液面202相交的時刻(即，當(dāng)信號響應(yīng)的幅度相對于靜止液面為零時)稱作零交叉時刻ZC1-ZC2。這里假設(shè)靜止液面為0V，盡管也可以通過DC電壓進(jìn)行偏移。除非信號響應(yīng)E2以某種方式失真(下面將參考圖e2進(jìn)一步討論)矩形脈沖El 將引起信號響應(yīng)E2，其中第一正半周期Me是具有最高幅度的信號響應(yīng)中的正半周期，而隨后的正半周期E2f-h的幅度將迅速衰減，從而產(chǎn)生在信號響應(yīng)的開始附近具有不同幅度的信號響應(yīng)。這種未失真的信號是理想信號響應(yīng)的示例。為了精確地確定脈沖的轉(zhuǎn)變時間，所述電子控制設(shè)備120典型地利用觸發(fā)信號El 的起始時刻和信號響應(yīng)E2的起始時刻。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已經(jīng)認(rèn)識到的，確定觸發(fā)信號El的起始時刻是直截了當(dāng)
9的，這里將不再進(jìn)一步討論。為了確定信號響應(yīng)E2的起始時刻、，所述電子控制設(shè)備120包括放大器122、比較器124、具有相關(guān)聯(lián)存儲器128的處理設(shè)備126。比較器124配置用于檢測所述信號響應(yīng)的幅度什么時候超過幅度閾值。這里，比較器只檢測信號響應(yīng)E2的幅度什么時候超過幅度閾值(即這里將不再估計負(fù)半個周期E2a_d，盡管這種實施例也是可能的)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識的是， 所述幅度閾值的級別可以依賴于應(yīng)用而變化。然而，幅度閾值的典型值可以是比較器飽和電壓的約50%。圖2b的信號響應(yīng)E2示出了比較器124的幅度閾值204。這里，信號響應(yīng)的第一正半周期Ek和第二正半周期E2f超過了比較器的幅度閾值204，而最后的半周期E2g-h小于所述幅度閾值204。同樣，在所述示例中噪聲m小于所述幅度閾值。可以通過調(diào)節(jié)設(shè)置在接收機102和比較器IM之間的放大器的放大率來更改所述信號響應(yīng)E2的幅度。因此，可以例如減小放大率，使得只有一個(或者沒有)正半周期超過所述幅度閾值，或者增加放大率，使得多于兩個正半周期超過所述幅度閾值。比較器124與處理設(shè)備126相連，所述處理設(shè)備126記錄什么時候所接收的信號具有超過所述幅度閾值204的幅度。然后可以將這一信息存儲在存儲器128中。所述處理設(shè)備126也可以具有這樣的功能記錄什么時候所接收的信號與靜止液面202相交，并且將該信息存儲在存儲器128中。在工作中，當(dāng)接收機102接收信號響應(yīng)E2時，所述電子控制設(shè)備120記錄表示所接收的信號E2的幅度超過所述正幅度閾值204的間隔的一組時間段。對于圖2b所示的測量情況，通過圖2c所示的控制設(shè)備記錄兩個時間段T1和T2。 這里，時間段T1表示半周期E2e的發(fā)生，時間段T2表示半周期E2f的發(fā)生。另外，所述電子控制設(shè)備120對于如圖2d所示的信號響應(yīng)E2記錄一組零交叉時刻 ZC1-ZC2?，F(xiàn)在將參考圖2以及圖3所示的示意圖描述確定信號響應(yīng)E2的起始時刻的方法。注意這里假設(shè)在信號響應(yīng)E2中具有最高幅度的正半周期是第一正半周期E2e。首先在步驟301，將峰值半周期確定為具有最高幅度的正半周期。由控制設(shè)備120 記錄的最長時間段T1這里解釋為具有最高幅度的正半周期E2e的表示。應(yīng)該注意的是在一些情況下，可以按照以下方式便利地調(diào)節(jié)放大器122的放大率，即只有具有最高幅度的正半周期超過所述幅度閾值204，以促進(jìn)峰值半周期的識別。然后在步驟302，確定信號響應(yīng)的在與峰值半周期Ek相距已知時間距離處發(fā)生的零交叉時刻。優(yōu)選地是利用在峰值半周期Ek之前或之后發(fā)生的零交叉時刻。然而，也可以使用其他零交叉時刻。這里，使用在峰值半周期前發(fā)生的零交叉時刻ZCl。在步驟303，基于所述零交叉時刻ZCl和峰值半周期Ek和信號響應(yīng)的起始時刻tQ 之間的關(guān)系來確定信號響應(yīng)E2的起始時刻、。因為這里已經(jīng)假設(shè)信號響應(yīng)中具有最高幅度的正半周期是第一正半周期E2e，峰值半周期Ek這里是信號響應(yīng)中的第一正半周期的定義。因為信號響應(yīng)E2隨著負(fù)半周期開始，已知將存在峰值半周期Ek和起始時刻、(即負(fù)第一半周期E2a)之間發(fā)生的一個半周期。另外，因為已經(jīng)將零交叉時刻ZCl選擇為在峰值半周期Ek之前發(fā)生的零交叉時刻，可以總結(jié)出所述信號響應(yīng)的起始時刻、在所述零交叉時刻ZCl之前的一個半周期發(fā)生。假設(shè)所述信號響應(yīng)實質(zhì)上是正弦，可以將所述起始時刻計算如下
Tt0 =Izcx--,其中tQ是信號響應(yīng)的起始時刻；tzcl是零交叉時刻ZCl發(fā)生的時間；以及T是振蕩信號響應(yīng)的一個周期的時間。盡管上述方法可應(yīng)用于很大范圍的情況，也存在沒有將信號響應(yīng)中具有最高幅度的正半周期假設(shè)為第一正半周期的情況。例如，存在信號響應(yīng)E2失真的情況，使得峰值半周期不再是正第一半周期。這由圖加中的失真信號響應(yīng)E2’來表示，其中具有最高幅度的正半周期是第二正半周期E2’f。這種失真可能是例如由換能器104的Q值變化引起的。所述換能器的Q值可以隨溫度變化，尤其是對于低成本換能器。因此，信號響應(yīng)的失真可能在溫度不穩(wěn)定的應(yīng)用中增加。應(yīng)該認(rèn)識的是，如果不知道所述峰值半周期是否是信號響應(yīng)中的第一正半周期或第二正半周期，這可能導(dǎo)致一個周期的測量誤差，從而顯著地減小聲學(xué)級別測量系統(tǒng)的測量精度。為了克服這一問題，可以確定在信號響應(yīng)E2’的峰值半周期E2’ f和起始時刻tQ 之間發(fā)生的半周期的個數(shù)。為了進(jìn)行這種操作，將峰值半周期之前的正半周期E2’ e的幅度和峰值半周期 E2’f的幅度之間的比率與選擇的閾值進(jìn)行比較，以便將屬于信號響應(yīng)的振蕩與噪聲振蕩相區(qū)分。在典型的應(yīng)用中，所述閾值可以是約40%。然而，優(yōu)選的閾值可以基于噪聲的幅度和信號響應(yīng)的失真幅度而變化。例如，在信號響應(yīng)的預(yù)期失真較低的應(yīng)用中，可以將所述閾值設(shè)置為高至80%，以減小將任何噪聲解釋為信號響應(yīng)一部分的風(fēng)險。如果存在多個噪聲，較高的閾值也可以是優(yōu)選的。另一方面，在幾乎沒有噪聲的有利條件下，可以將所述閾值設(shè)置為低至15%，甚至 10%。低閾值使得能夠使用低成本換能器(具有不穩(wěn)定的Q值)，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)更加成本有效的測量設(shè)備。在一些應(yīng)用中，可以通過選擇比較器IM的幅度閾值204使其與所述閾值一致，來便利地確定在峰值半周期E2’ f和信號響應(yīng)E2’的起始時刻、之間發(fā)生的半周期的個數(shù)。 因此，如果存在與峰值半周期相關(guān)聯(lián)的時間段之前發(fā)生的、由比較器IM記錄的時間周期， 這一時間周期將是第一正半周期?，F(xiàn)在將參考圖加-g和圖4所示的示意性方框圖描述用于確定信號響應(yīng)E2’的起始時刻的方法。在該實施例中，假設(shè)將比較器124的幅度閾值204設(shè)置為與所述閾值一致。也假設(shè)所述峰值半周期是所述信號響應(yīng)中的第一正半周期或第二正半周期。首先在步驟401中，將峰值半周期確定為是具有最高幅度的正半周期。這里將由控制設(shè)備120記錄的最長時間段Τ’ 2解釋為具有最高幅度的正半周期E2’ f。
然后在步驟402中，將在先半周期確定為在所述峰值半周期E2’ f之前的正半周期。因此將在最長時間段Τ’ 2之前的時間段T’工解釋為在所述峰值半周期E2’ f之前的正半周期E2’ e的表示。在步驟403，確定在先半周期的幅度和峰值半周期的幅度之間的比率，并且然后在步驟404中，將這一幅度比率與閾值進(jìn)行比較。然而在該實施例中，明確地不執(zhí)行步驟403 和404。因為將比較器124的幅度閾值204設(shè)置為與所述閾值一致，時間段T’工的存在只是表示所述在先半周期屬于所述信號響應(yīng)(而如果在時間段T’ 2之前沒有檢測到時間段， 這將表示所述峰值半周期將是所述信號響應(yīng)中的第一正半周期)。在步驟405，確定信號響應(yīng)的在與所述峰值半周期E2’f相距已知時間距離處發(fā)生的零交叉時刻。這里，使用在所述峰值半周期E2’ f之前發(fā)生的零交叉時刻ZC’ 1。在步驟406，然后基于所述零交叉時刻ZC’ 1和所述峰值半周期E2’ f和起始時刻 tQ之間的關(guān)系來確定所述信號響應(yīng)E2’的起始時刻、。因為在步驟402中已經(jīng)確定在在峰值半周期E2’ f和起始時刻、之間發(fā)生一個正半周期(即正半周期E2’ e)。已知在峰值表半周期E2’ f和起始時刻、之間發(fā)生的三個半個周期。另外，因為已經(jīng)將所述零交叉時刻選擇為在所述峰值半周期E2’ f之前發(fā)生的零交叉時刻ZC’ 1，可以總結(jié)出所述信號響應(yīng)的起始時刻、在所述零交叉時刻ZC’ 1之前的三個半周期發(fā)生。假設(shè)所述信號響應(yīng)實質(zhì)上是正弦，可以將所述起始時刻計算如下Z0 =^zn-3·^其中、是信號響應(yīng)的起始時刻；、…是零交叉時刻ZC’1發(fā)生的時間；以及T是振蕩信號響應(yīng)的一個周期的時間。在一些應(yīng)用中，可能在信號響應(yīng)的半周期的持續(xù)時間上存在一些變化(即整個信
號響應(yīng)中，時間T不是恒定的)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識的是可以對這種變化進(jìn)行補 m
te ο自然，本發(fā)明也可適用于其中所述峰值半周期是第一正半周期的信號響應(yīng)。這可以通過圖2b所示的信號響應(yīng)E2來進(jìn)行理解。在這種情況下，將不存在與峰值半周期E2e 相關(guān)聯(lián)的最長時間段T1之前記錄的時間段。因此，已知的是所述峰值半周期Ek是第一正半周期。然后，可以通過搜索在峰值半周期Ek之前的零交叉時刻ZCl來確定所述起始時刻。所述信號響應(yīng)E2的起始時刻t0將在所述零交叉時刻ZCl之前的一個半周期發(fā)生。根據(jù)替代實施例，比較器的幅度閾值小于所述閾值，其中可以參考圖加-g和圖4 如下所述明確地執(zhí)行步驟403和404。在步驟403，基于所關(guān)聯(lián)時間段的持續(xù)時間來確定在先半周期E2’ e的幅度Apree和峰值半周期E2’ f的幅度Apeak之間的比率。假設(shè)所述信號響應(yīng)E2’是實質(zhì)上正弦的，可以通過基本三角法計算各個半周期的幅度。在步驟404，然后將所述比率與閾值進(jìn)行比較，以確定所述半周期是否是信號響應(yīng)的一部分，或者應(yīng)該將其看作是噪聲。如果所述比率超過閾值，即，將所述在先
peak
12半周期看作是屬于信號響應(yīng)，如果所述比率不超過閾值，則會將在先半周期看作是噪聲。圖5示出了其中所述閾值幅度204對于將要由比較器204記錄的噪聲m足夠低的情況。在這種情況下，確定在先半周期ma(由噪聲產(chǎn)生)的幅度和峰值半周期的幅度E2e 之間的比率。然而，因為所述比率在這里小于閾值，這將不會將所述在先半周期看作是信號響應(yīng)的一部分，并且將峰值半周期Ek看作是信號響應(yīng)中的第一正半周期。根據(jù)本發(fā)明的方法也可應(yīng)用于當(dāng)超過一個正半周期在所述峰值半周期之前時，通過搜索所述峰值半周期、然后反復(fù)地估計位于所述峰值半周期和所述起始時刻之間有多少個正半周期。現(xiàn)在將參考圖6描述其示例。這里，兩個正半周期E2”e-f位于峰值半周期E2”g 和起始時刻、之間。首先，確定峰值半周期E2”g。然后，確定在先半周期E2”f的幅度和峰值半周期 E2”的幅度之間的比率。當(dāng)這種比率超過閾值時，所述在先半周期E2”f解釋為在峰值半周期和起始時刻、之間發(fā)生的半周期。接下來，確定新的在先半周期(這里是所述最近識別的半周期E2” f之前的正半周期E2” e)的幅度和最近識別的半周期e2” f的幅度之間的比率。當(dāng)所述新的在先半周期的幅度和最近識別的半周期e2”f的幅度之間的比率超過閾值時，將所述新在先半周期E2”e解釋為是在峰值半周期E2”g和起始時刻、之間發(fā)生的半周期。在下一次迭代時，確定作為噪聲的半周期Wa的幅度和最近識別的半周期E2”e的幅度之間的比率。當(dāng)這種比率小于閾值時，將忽略所述半周期ma，并且將所述半周期E2”e看作是信號響應(yīng)中的第一正半周期。這也意味著迭代停止。在計算所述幅度比率的實施例中，優(yōu)選地，選擇所述比較器的幅度閾值，以便實現(xiàn)所估計半周期的幅度的良好表示。如果將所述幅度閾值(相對于所估計的半周期的幅度)設(shè)置得太高，存在比較器不能檢測到信號響應(yīng)中的第一正半周期的風(fēng)險。另一方面，如果將所述幅度閾值(相對于所估計的半周期的幅度)設(shè)置得太低，由比較器記錄的時間中的小變化將與信號響應(yīng)幅度中相對較大的變化相對應(yīng)(因為信號響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)將大到接近靜止液面，并且連續(xù)地變小直到約在所述半周期頂部附近近似為零)。為了找到合適的幅度閾值，當(dāng)開始測量和/或丟失信號時，可以執(zhí)行校準(zhǔn)過程。下面參考圖1和圖2b描述其示例。當(dāng)開始校準(zhǔn)過程時，所述放大器的放大率較低。然后產(chǎn)生一系列的實質(zhì)上相同的觸發(fā)信號E1。對于每一個觸發(fā)信號E1，通過處理設(shè)備1 記錄相應(yīng)的接收信號響應(yīng)E2。所述處理設(shè)備1 通過反饋回路控制所述放大器122，并且對于每一個所接收的信號響應(yīng)E2 增加放大率，直到具有最高幅度的正半周期的幅度(這里是峰值幅度E2e)使比較器1 飽和。在典型的應(yīng)用中，所述比較器124的飽和電壓可以是約5v。然后，將所述幅度閾值204設(shè)置為約是比較器飽和電壓的約50%，即這里是約 2. 5V。圖7a示意性地示出了本發(fā)明的替代實施例。該實施例與前述實施例的不同之處在于所述控制設(shè)備120包括具有能量存儲介質(zhì)C的電路702和用于對從電路702獲得的信號進(jìn)行采樣的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器704。如圖7b示意性示出的，所述電路702可以是半波整流器702，包括二極管706、電阻器Rl和這里是電容器C的能量存儲介質(zhì)C。
現(xiàn)在將參考圖7a_b和圖8描述所述電子控制設(shè)備120的操作。這里，施加至半波整流器702的輸入電壓Vin是信號響應(yīng)E2’。另外，這里假設(shè)初始對所述電容器C放電。圖8示意性地示出了施加至所述半波整流器702的輸入電壓Vin和由所述半波整流器702隨時間輸出的相應(yīng)輸出信號V。ut(這里是電容器C上的電壓)。當(dāng)所述半波整流器702接收第一正半周期Nla (這里是噪聲)時，施加至所述半波整流器702上的輸入電壓Vin是逐漸增加的，結(jié)果是所述半波整流器702的輸出電壓V。ut的相應(yīng)增加。輸入電壓Vin也對電容器C充電。然后，當(dāng)減小輸入電壓Vin時(即在第一正半周期ma的峰值之后)，電容器C開始放電，并且減小所述半波整流器702的輸出電壓V。ut。 然而，如從圖8清楚看出的，通過電路702輸出的信號V。ut的電壓減小實質(zhì)上小于信號響應(yīng) E2’的電壓減小。那么，當(dāng)所述半波整流器702接收第二正半周期E2’ e時，再次逐漸增加所述輸入電壓Vin，并且當(dāng)所述輸入電壓Vin超過電容器C上的電壓時，所述電容器開始再次充電。那么當(dāng)減小輸入電壓Vin時(即在第二正半周期E2’ e的峰值之后)，所述電容器C再次開始放電，并且輸出電壓V。ut再一次減小。對于后續(xù)的正半周期E2’ f-i重復(fù)這一過程。所述A/D轉(zhuǎn)換器704典型地可以適用于按照預(yù)定的采樣頻率對由所述半波整流器輸出的信號V-進(jìn)行連續(xù)采樣。為了確定每一個正半周期e2’e_i的幅度，所述控制設(shè)備120可以配置用于選擇一組樣本，其中每一個樣本(^^、、，㈠)與不同的半周期(Nla、E2’ e-i)相關(guān)聯(lián)，并對樣本進(jìn)行選擇，使得按照相對于所討論的半周期的預(yù)定時機來檢測每一個所選擇的樣本。例如，可以將所述半周期末端處的零交叉時刻用于觸發(fā)控制設(shè)備120，以便將從A/D轉(zhuǎn)換器704獲取的下一個樣本存儲在存儲器1 中。在所示示例中，這導(dǎo)致如圖8所示的樣本、，a、SE2,e, 、〃。^、、、丨和、，，。然后找到所述峰值半周期E2’ f作為與具有最大幅度的樣本相關(guān)聯(lián)的正半周期，即所述正半周期E2’ f是峰值半周期。注意盡管所述樣本、，g、、，h和、，i的電壓這里比信號響應(yīng)的相應(yīng)半周期 E2’g_i的電壓更高，實現(xiàn)了精確的結(jié)果，因為其足以確定這些后續(xù)的半周期e2’g_i小于前一個半周期E2’ f。在已經(jīng)確定所述峰值半周期E2’f之后，可以根據(jù)圖4所示的過程確定周期性振蕩信號E2’的起始時刻、。在進(jìn)行這種操作時，可以將所述樣本的電壓用于計算所述幅度比率。例如，可以將所述在先半周期E2’ e的幅度和所述峰值半周期E2’ f的幅度之間的比率確定為與在先半周期E2’ e相關(guān)聯(lián)的樣本、，e的電壓和與峰值半周期E2’ f的幅度相關(guān)聯(lián)的樣本、，f的電壓之間的比率。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所認(rèn)識到的，電容器C的放電速率、以及因此減小半波整流器的輸出電壓v。ut的速率可以通過改變電阻器Rl的阻抗和/或電容器C的電容來調(diào)節(jié)。 因為將輸出電壓V。ut用于比較不同的半周期或者用于計算不同半周期之間的比率，減小所述輸出電壓的速率典型地對于過程的可靠性不是嚴(yán)格的。因此優(yōu)選地，可以將減小輸出電壓的速率選擇對于檢測后續(xù)回波足夠的快。可選地，所述電路可以包括另一個(可選的) 電阻器R2，所述另一個電容器可以與電阻器Rl并聯(lián)。這樣，通過在已經(jīng)檢測到回波之后閉合開關(guān)708，可以重新復(fù)位半波整流器。上面主要參考幾個實施例描述了本發(fā)明。然而，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員易于理解的，在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍之內(nèi)，除了上述公開的其他實施例也是可能的。例如，盡管上述比較器只是檢測具有正極性的半周期，也可以是這樣的結(jié)構(gòu)其中比較器只檢測具有負(fù)極性的半周期，或者比較器檢測兩個極性的半周期。另外，在檢測兩種極性的情況下，可以確定具有相反極性的半周期的幅度之間的比率，并且將其與閾值進(jìn)行比較。例如，參考圖2e，當(dāng)確定位于所述峰值半周期和起始時刻 tQ之間的半周期的個數(shù)時，可以確定半周期E2’f的幅度和半周期E2’b的幅度之間的比率， 并且將其與閾值進(jìn)行比較。同樣，當(dāng)確定位于峰值半周期和起始時刻、之間的半周期的個數(shù)時，也可以確定兩個負(fù)半周期的幅度之間的比率，并且將其與閾值進(jìn)行比較。另外，對于使用采樣的實施例，如果所述A/D轉(zhuǎn)換器具有足夠高的采樣頻率(即， 可以省略具有能量存儲介質(zhì)的電路)，可以直接對信號響應(yīng)進(jìn)行采樣。應(yīng)該理解的是，盡管所示示例示出了在波導(dǎo)中傳播的波包，本發(fā)明同樣可以應(yīng)用于在大氣中傳播的波包。
權(quán)利要求
1.一種確定周期性振蕩信號響應(yīng)(E2 ；E2’ )的起始時刻(、)的方法，其中所述信號響應(yīng)包括第一組半周期(Eh-d;E2’ a_d)，具有與信號響應(yīng)中的第一半周期(Eh;E2’ a) 的極性相同的極性；以及第二組半周期(Ek-h ；E2’ e_h)，具有與信號響應(yīng)中的第一半周期 (E2a ；E2’ a)的極性相反的極性，所述方法包括以下步驟將峰值半周期(E& ；E2’f)確定為在第一和第二組中所選擇的那一組中具有最高幅度的半周期；確定所述信號響應(yīng)的在與峰值半周期(E& ；E2’f)相距已知時間距離處發(fā)生的零交叉時刻(ZCl ；ZC' 1)；基于所述零交叉時刻(ZCl ；ZC' 1)以及峰值半周期(E2e ；E2，f)和所述起始時刻(t0) 之間的關(guān)系來確定所述信號響應(yīng)(E2 ；E2’ )的起始時刻(、)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟確定在先半周期(E2’e)的幅度和所述峰值半周期(E2’f)的幅度之間的比率，其中所述在先半周期(E2’ e)是在所述第一和第二組之一中的所述峰值半周期(E2’ f)之前的半周期；將所述比率與閾值進(jìn)行比較；以及基于所述比較，確定在所述峰值半周期(E2’ f)和信號響應(yīng)(E2’ )的起始時刻(、)之間發(fā)生的半周期的個數(shù)，從而確定所述峰值半周期(E2’ f)和所述起始時刻(、)之間的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟當(dāng)所述比率小于所述閾值時，所述峰值半周期是在信號響應(yīng)的起始時刻之后發(fā)生的選定組中的半周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，還包括以下步驟當(dāng)所述比率至少等于所述閾值時，所選擇的組中有至少一個半周期發(fā)生在所述峰值半周期和信號響應(yīng)的起始時刻之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括以下步驟解釋為所選擇的組中只有一個半周期發(fā)生在所述峰值半周期和信號響應(yīng)的起始時刻之間。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所選擇的組是所述第二組半周期。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述在先半周期屬于所選擇的組。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述零交叉時刻是在所述峰值半周期之前或之后發(fā)生的零交叉時刻。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中選擇所述閾值，以便區(qū)分屬于信號響應(yīng) (E2 ；E2，)的振蕩和作為噪聲(Ni)的振蕩。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中根據(jù)所述信號響應(yīng)的非采樣表示，來確定以下項目中的至少一個所述峰值半周期，以及所述幅度之間的比率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過以下步驟確定所述峰值半周期(E&; E2，f)檢測一組時間段(T1-T2 ；Τ，「T，3)，在該組時間段期間，信號響應(yīng)(E2 ；E2，)的幅度超過閾值幅度004)，并且具有與所選擇的組中的半周期極性相同的極性；以及解釋為在所述組時間段中的最長時間段(Tl、T’ 2)與所述峰值半周期(E& ；E2’ f)相對應(yīng)。
12.根據(jù)從屬于權(quán)利要求2的權(quán)利要求11所述的方法，還包括以下步驟解釋為在所述組時間段中的最長時間段(T’2)之前的時間段CT1)與所述在先半周期 (E2e’ )相對應(yīng)；以及基于所關(guān)聯(lián)的時間段的持續(xù)時間來確定所述在先半周期(E2e’ )的幅度和所述峰值半周期(E2，f)的幅度之間的比率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，通過以下步驟確定所述峰值半周期向包括能量存儲介質(zhì)(C)的電路(70 提供所述信號響應(yīng)(E2’ )；從所述電路(C)獲取輸出信號(V。ut)，其中所述輸出信號(V。ut)與所述能量存儲介質(zhì) (C)上的電壓相對應(yīng)；對所獲取的輸出信號(V。ut)進(jìn)行采樣；選擇一組樣本6Nla，SE2 Yi)，其中所述組樣本中的每一個樣本(^yS^d)與第一和第二組半周期中所選擇的那一組半周期中的不同半周期(ma，E2’ e-i)相關(guān)聯(lián)，并在相對于所關(guān)聯(lián)的半周期的預(yù)定時刻被檢測；以及確定與具有最高電壓的樣本相關(guān)聯(lián)的半周期作為所述峰值半周期(E& ；E2’ f)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項所述的方法，其中通過以下步驟確定所述在先半周期 (E2，e)的幅度和所述峰值半周期(E2，f)的幅度之間的比率向包括能量存儲介質(zhì)(C)的電路(70 提供所述信號響應(yīng)(E2’ )；從所述電路獲取輸出信號(V。ut)，其中所述輸出信號與所述能量存儲介質(zhì)(C)上的電壓相對應(yīng)；對所獲取的輸出信號(V。ut)進(jìn)行采樣；選擇與在先半周期相關(guān)聯(lián)的樣本(SE2，e)和與所述峰值半周期性(E2’f)相關(guān)聯(lián)的樣本 (SE2’f)；以及確定所述在先半周期(E2’e)的幅度和所述峰值半周期(E2’f)的幅度之間的比率，作為與所述在先半周期(E2’ e)相關(guān)聯(lián)的樣本(SE2 )的電壓和與所述峰值半周期(E2’ f)的幅度相關(guān)聯(lián)的樣本(SE2，f)的電壓之間的比率。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中，檢測樣本時的相對于半周期的預(yù)定時刻通過以下步驟確定確定所述半周期末端時發(fā)生的零交叉時刻；以及選擇在所識別的零交叉時刻之后的預(yù)定時間發(fā)生的樣本。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中用于產(chǎn)生所述信號響應(yīng)(E2；E2’)的觸發(fā)信號(El)被配置為使得對于理想信號響應(yīng)(E2)，第二組半周期(Ek-h)中的第一半周期 (E2e)是具有最大幅度的半周期。
17.一種用于在處理設(shè)備上執(zhí)行的軟件，所述軟件具有用于實現(xiàn)根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述方法的程序指令。
18.一種聲學(xué)測量設(shè)備，包括換能器裝置(104)，用于發(fā)射和接收信號響應(yīng)；以及處理設(shè)備(1 )，配置用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的方法，以確定所接收的信號響應(yīng)(E2 ；E2，)的起始時刻。
全文摘要
一種確定周期性振蕩信號響應(yīng)(E2；E2’)的起始時刻(t0)的方法，其中所述信號響應(yīng)包括第一組半周期(E2a-d；E2’a-d)，具有與信號響應(yīng)中的第一半周期(E2a；E2’a)的極性相同的極性；以及第二組半周期(E2e-h；E2’e-h)，具有與信號響應(yīng)中的第一半周期(E2a；E2’a)的極性相反的極性。所述方法包括以下步驟確定峰值半周期(E2e；E2’f)作為在第一和第二組中所選擇的那一組中具有最高幅度的半周期；確定信號響應(yīng)的在與峰值半周期(E2e；E2’f)相距已知時間距離處發(fā)生的零交叉時刻(ZC1；ZC’1)；基于所述零交叉時刻以及峰值半周期(E2e；E2’f)和所述起始時刻(t0)之間的關(guān)系來確定所述信號響應(yīng)(E2；E2’)的起始時刻(t0)。
文檔編號G01H5/00GK102203601SQ200980142919
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者揚·博斯特倫 申請人:艾克森賽股份公司