基于一階導(dǎo)數(shù)并結(jié)合參考曲線的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于一階導(dǎo)數(shù)并結(jié)合參考曲線的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)處理方法。該方法包括：1.構(gòu)造參考曲線，2.回波信號(hào)預(yù)處理，3.物位回波判斷，4.傳播時(shí)間計(jì)算，5.計(jì)算物位值；需預(yù)先儲(chǔ)存包含有未與物位回波疊加的“臺(tái)階”部分的信號(hào)作為參考曲線，用于后續(xù)物位回波判斷；對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波預(yù)處理；對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算檢測(cè)回波，多參數(shù)結(jié)合參考曲線判斷物位回波，確定物位回波定位點(diǎn)和參考起始點(diǎn)計(jì)算傳播時(shí)間；在限定區(qū)間內(nèi)任意選擇3點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，確定物位-傳播時(shí)間模型；最后，將傳播時(shí)間代入物位與傳播時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系式，得到物位值。
【專利說(shuō)明】基于一階導(dǎo)數(shù)并結(jié)合參考曲線的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信 號(hào)處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于物位檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種以單片機(jī)為核心的基于一階導(dǎo)數(shù)并 結(jié)合參考曲線的處理導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)利用雷達(dá)技術(shù)中的回波測(cè)距原理進(jìn)行物位測(cè)量，廣泛應(yīng)用于工 業(yè)領(lǐng)域。導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)處理的難點(diǎn)在于真實(shí)物位回波的判斷和回波定位點(diǎn)的 確定。其中，物位回波決定了測(cè)量是否準(zhǔn)確，回波定位點(diǎn)影響測(cè)量準(zhǔn)確度。
[0003] 針對(duì)導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)信號(hào)處理的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)外幾家著名廠家，例如，E+H公司、 Emerson Rosemount公司和Siemens-Milltronics公司等分別提出了不同的回波信號(hào)處理 方法。羅斯蒙特公司（"Method of determining a disturbance echo profile for a radar level gauge system"，U. S Patent: No. 7924216 B2, Apr. 12, 2011)介紹了一種基于反 射器的方法，根據(jù)空罐條件下的反射器波形構(gòu)造參考曲線，通過(guò)比較實(shí)際距離與電氣距離 確定液面之上最近的反射器，得到參考曲線應(yīng)用范圍，相減后可消除液面之上的干擾回波， 然后根據(jù)最大值確定物位回波。羅斯蒙特公司（"System and method for filling level determination"，U. S Patent: No. 7525476 BI, Apr. 28，2009.)介紹了在導(dǎo)波桿已知位 置處安裝反射器，通過(guò)一對(duì)已知反射器的已知距離與測(cè)量距離之差來(lái)補(bǔ)償傳播速度沿導(dǎo)波 桿的變化，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。羅斯蒙特公司（"通過(guò)多模式傳播的具有介電常數(shù)補(bǔ)償?shù)膶?dǎo) 波式雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)"，中國(guó)，CN201120366374. 7，2012-6-6.)介紹了一種特制導(dǎo)波桿， 稱為不完全外部介電傳輸探測(cè)器，可以支持兩種或以上不同速度的傳播模式，然后根據(jù)公 式確定介電常數(shù)和傳播速度。
[0004] 中國(guó)發(fā)明專利（"一種處理導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)的系統(tǒng)和方法"，專利號(hào)： ZL 201210150945. 2,申請(qǐng)日：2012-9-12,授權(quán)日：2013-9-11)介紹了針對(duì)不同介電常數(shù)的 不同物位回波判斷方法。該專利與上述專利相同的地方為：根據(jù)空罐信號(hào)構(gòu)造參考曲線； 對(duì)回波信號(hào)段進(jìn)行了巴特沃斯低通濾波預(yù)處理；物位回波的判斷可以看成兩步，先根據(jù)導(dǎo) 數(shù)檢測(cè)回波，并設(shè)置寬度范圍排除一部分干擾，再對(duì)剩下的回波找高出參考曲線的最大值 確定物位回波；回波定位點(diǎn)由峰值點(diǎn)和相鄰兩點(diǎn)的2階Lagrange插值點(diǎn)確定；標(biāo)定數(shù)據(jù)為 4~10點(diǎn)的線性插值或3次擬合。與上述專利的不同點(diǎn)是，對(duì)于小介電常數(shù)介質(zhì)，參考曲線需 要作填平尾波的修正；回波信號(hào)段進(jìn)行了斜率放大以凸顯變化趨勢(shì)；回波信號(hào)段減去參考 曲線得到凈回波信號(hào)段，且之后的處理都針對(duì)該信號(hào)。
[0005] 該專利存在的問(wèn)題是：巴特沃斯低通濾波是一種頻域?yàn)V波方法，應(yīng)用于頻域特征 不明顯的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)處理，效果不佳；構(gòu)造參考曲線需要先構(gòu)造空罐條件， 應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，需要放空物料，且需要更新，否則不能排除新產(chǎn)生的干擾回波；回波信 號(hào)與參考曲線相減可能會(huì)導(dǎo)致回波定位點(diǎn)的非線性移動(dòng)，影響測(cè)量精度。
[0006] 為此，申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利（基于一階導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)處理系統(tǒng) 和方法，申請(qǐng)?zhí)枺?01310534738. 1，申請(qǐng)日：2013年11月1日）提供了一種處理無(wú)同步脈沖 觸發(fā)的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)的系統(tǒng)和方法。采用了基于一階導(dǎo)數(shù)的方法檢測(cè)回波、 存儲(chǔ)了回波多個(gè)參數(shù)，如端點(diǎn)、峰值點(diǎn)、寬度、斜率振幅等，并基于對(duì)這些參數(shù)的有機(jī)組合確 定物位回波；提出了針對(duì)無(wú)觸發(fā)采樣的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)的采樣方法及參考起始點(diǎn)的確定 方法；采用3點(diǎn)、分兩段線性標(biāo)定。該申請(qǐng)發(fā)明專利不需要空罐條件，實(shí)際操作簡(jiǎn)單。
[0007] 該申請(qǐng)發(fā)明專利存在的問(wèn)題是：回波參數(shù)下降比的限制可能導(dǎo)致排除真實(shí)回波或 無(wú)法排除干擾回波導(dǎo)致判錯(cuò)；采用對(duì)真實(shí)回波進(jìn)行插值得到最高峰值點(diǎn)作為特征點(diǎn)，進(jìn)行 標(biāo)定和測(cè)量，其線性度不是最好的，即測(cè)量準(zhǔn)確度不是最好的；對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行60點(diǎn)中位 值平均濾波，響應(yīng)速度較慢。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于一階導(dǎo)數(shù)并結(jié)合參考曲線的導(dǎo)波式雷達(dá)物位 計(jì)回波信號(hào)處理方法，從而達(dá)到對(duì)物位回波的準(zhǔn)確判斷更加可靠，達(dá)到減小盲區(qū)、提高測(cè)量 精度、響應(yīng)速度較快的要求，并且對(duì)硬件要求不高、無(wú)需構(gòu)造空罐條件。
[0009] -種基于一階導(dǎo)數(shù)并結(jié)合參考曲線的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)處理方法包括 ⑴構(gòu)造參考曲線，⑵回波信號(hào)預(yù)處理，⑶物位回波判斷，⑷傳播時(shí)間計(jì)算，（5)計(jì)算 物位值；具體操作是：預(yù)先儲(chǔ)存包含有未與物位回波疊加的"臺(tái)階"部分的信號(hào)作為參考曲 線，用于后續(xù)物位回波判斷；對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波預(yù)處理；對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn) 行一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算檢測(cè)回波，多參數(shù)結(jié)合參考曲線判斷物位回波，確定物位回波定位點(diǎn)和參 考起始點(diǎn)計(jì)算傳播時(shí)間；在限定區(qū)間內(nèi)任意選擇3點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，確定物位-傳播時(shí)間模型； 最后，將傳播時(shí)間代入物位與傳播時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系式，計(jì)算得到物位值。
[0010] 具體的技術(shù)解決方案如下： 對(duì)于無(wú)同步觸發(fā)脈沖的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)，由于沒(méi)有同步信號(hào)觸發(fā)ADC進(jìn)行采樣，因 此需要確定采樣起始點(diǎn)，保證采集到正確的信號(hào)段。一個(gè)完整的回波信號(hào)中包括一個(gè)方波 脈沖和位于其后的若干反射回波。在本次回波信號(hào)與下次方波脈沖之前有較長(zhǎng)的平穩(wěn)段， 沒(méi)有明顯回波，且方波脈沖具有陡峭的上升沿和下降沿。根據(jù)信號(hào)的這一特點(diǎn)，在ADC的中 斷服務(wù)子程序中對(duì)采樣點(diǎn)判斷，當(dāng)確定已采集到方波脈沖的下降沿時(shí)，保存之后1000點(diǎn)長(zhǎng) 度的數(shù)據(jù)，作為后續(xù)處理的回波信號(hào)段?；夭ㄐ盘?hào)段中包含物料表面、傳感器自身的"臺(tái)階" 干擾、噪聲等因素產(chǎn)生的反射回波，簡(jiǎn)稱為回波?；夭ㄐ盘?hào)的具體處理步驟如下： (1)構(gòu)造參考曲線 針對(duì)物位計(jì)信號(hào)中固有的"臺(tái)階"構(gòu)成的兩點(diǎn)干擾：1)物位小于25cm時(shí)，物位回波幅 值小于其后的噪聲水平；2) "臺(tái)階"本身特征與物位回波近似。因此，需預(yù)先儲(chǔ)存包含有未 與物位回波疊加的"臺(tái)階"部分的信號(hào)作為參考曲線，用于后續(xù)物位回波判斷；罐高度為定 值，當(dāng)導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)安裝在罐頂、導(dǎo)波桿垂直向下時(shí)，定義導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)法蘭下表 面到物料表面的距離為物位。通過(guò)增加或減少物料使物位為大于70cm的任意值，然后隨機(jī) 采集一組回波信號(hào)，截取從起點(diǎn)至包含信號(hào)中固有的未與其他回波疊加的"臺(tái)階"部分的有 效反射回波信號(hào)的信號(hào)段；例如，當(dāng)采樣起點(diǎn)為方波脈沖下降沿時(shí)，該部分為起點(diǎn)至采樣點(diǎn) 為255?305點(diǎn)中的一點(diǎn)。當(dāng)采樣起點(diǎn)為方波脈沖上升沿起始時(shí)，該部分可能要擴(kuò)大至從 起點(diǎn)到采樣點(diǎn)為450?500點(diǎn)中的一點(diǎn)。
[0011] (2)對(duì)回波信號(hào)段進(jìn)行9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波，減小噪聲、平滑抖動(dòng)。
[0012] (3)設(shè)置回波查找范圍為包含有效反射回波部分，例如，對(duì)于Im長(zhǎng)桿、采樣起點(diǎn)為 方波脈沖下降沿時(shí)，可設(shè)置為采樣點(diǎn)230~500點(diǎn)，去除了起始處固定的導(dǎo)波桿連接點(diǎn)反射 回波的影響，且減小了不必要的信號(hào)處理的長(zhǎng)度。計(jì)算該范圍內(nèi)回波信號(hào)段的1階導(dǎo)數(shù)信 號(hào)rf，簡(jiǎn)化后的計(jì)算公式為

【權(quán)利要求】
1. 基于一階導(dǎo)數(shù)并結(jié)合參考曲線的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)處理方法，其特征在 于：包括⑴構(gòu)造參考曲線，⑵回波信號(hào)預(yù)處理，⑶物位回波判斷，⑷傳播時(shí)間計(jì)算， (5)計(jì)算物位值；具體操作是：預(yù)先儲(chǔ)存包含有未與物位回波疊加的"臺(tái)階"部分的信號(hào)作 為參考曲線，用于后續(xù)物位回波判斷；對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波預(yù)處理；對(duì)濾波后 的信號(hào)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算檢測(cè)回波，多參數(shù)結(jié)合參考曲線判斷物位回波，確定物位回波定 位點(diǎn)和參考起始點(diǎn)計(jì)算傳播時(shí)間；在限定區(qū)間內(nèi)任意選擇3點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，確定物位-傳播時(shí) 間模型；最后，將傳播時(shí)間代入物位與傳播時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系式，計(jì)算得到物位值。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于一階導(dǎo)數(shù)并結(jié)合參考曲線的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào) 處理方法，其特征在于： 對(duì)于無(wú)同步觸發(fā)脈沖的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)，由于沒(méi)有同步信號(hào)觸發(fā)ADC進(jìn)行采樣，因 此需要確定采樣起始點(diǎn)，保證采集到正確的信號(hào)段；一個(gè)完整的回波信號(hào)中包括一個(gè)方波 脈沖和位于其后的若干反射回波；在本次回波信號(hào)與下次方波脈沖之前有較長(zhǎng)的平穩(wěn)段， 沒(méi)有明顯回波，且方波脈沖具有陡峭的上升沿和下降沿；根據(jù)信號(hào)的這一特點(diǎn)，在ADC的中 斷服務(wù)子程序中對(duì)采樣點(diǎn)判斷，當(dāng)確定已采集到方波脈沖的下降沿時(shí)，保存之后1000點(diǎn)長(zhǎng) 度的數(shù)據(jù)，作為后續(xù)處理的回波信號(hào)段；回波信號(hào)段中包含物料表面、傳感器自身的"臺(tái)階" 干擾、噪聲等因素產(chǎn)生的反射回波，簡(jiǎn)稱為回波；回波信號(hào)的具體處理步驟如下： (1) 構(gòu)造參考曲線 針對(duì)物位計(jì)信號(hào)中固有的"臺(tái)階"構(gòu)成的兩點(diǎn)干擾：1)物位小于25cm時(shí)，物位回波幅值 小于其后的噪聲水平；2)"臺(tái)階"本身特征與物位回波近似；因此，需預(yù)先儲(chǔ)存包含有未與物 位回波疊加的"臺(tái)階"部分的信號(hào)作為參考曲線，用于后續(xù)物位回波判斷；罐高度為定值，當(dāng) 導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)安裝在罐頂、導(dǎo)波桿垂直向下時(shí)，定義導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)法蘭下表面到 物料表面的距離為物位；通過(guò)增加或減少物料使物位為大于70cm的任意值，然后隨機(jī)采集 一組回波信號(hào)，即截取從起點(diǎn)至包含信號(hào)中固有的未與其他回波疊加的"臺(tái)階"部分的反射 回波信號(hào)的信號(hào)段；當(dāng)采樣起點(diǎn)為方波脈沖下降沿時(shí)，該部分為起點(diǎn)至采樣點(diǎn)為255?305 點(diǎn)中的一點(diǎn)；當(dāng)采樣起點(diǎn)為方波脈沖上升沿起始時(shí)，該部分可能要擴(kuò)大至從起點(diǎn)到采樣點(diǎn) 為450?500點(diǎn)中的一點(diǎn)； (2) 對(duì)回波信號(hào)段進(jìn)行9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波，減小噪聲、平滑抖動(dòng)； (3) 設(shè)置回波查找范圍為包含有效反射回波部分，對(duì)于導(dǎo)波桿長(zhǎng)度為lm、采樣起點(diǎn)為 方波脈沖下降沿時(shí)，可設(shè)置采樣點(diǎn)為230?500點(diǎn)，去除了起始處固定的導(dǎo)波桿連接點(diǎn)反射 回波的影響，且減小了不必要的信號(hào)處理的長(zhǎng)度；計(jì)算該范圍內(nèi)回波信號(hào)段的1階導(dǎo)數(shù)信 號(hào)簡(jiǎn)化后的計(jì)算公式為
式中，/(幻為回波信號(hào)段，&為信號(hào)上的點(diǎn)； (4) 對(duì)1階導(dǎo)數(shù)信號(hào)從起點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行判斷，若-1]、異號(hào)，且大于0,則確 定η為終點(diǎn)end[i]及下一回波的起點(diǎn)start [i+Ι];若4?UW異號(hào),且JW小于0,且 起點(diǎn)確定標(biāo)志已置位，則確定η為峰值點(diǎn)peak[i] ;i表示回波序號(hào)； (5) 記錄完回波的特征點(diǎn)，即回波的起點(diǎn)、峰值點(diǎn)、終點(diǎn)后，計(jì)算該回波的寬度w[i]、一 階導(dǎo)數(shù)最大值與最小值之差，簡(jiǎn)稱為變化率amp [i]，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，小于預(yù)設(shè)值的回 波排除，保留的回波作為備選回波，可以排除干擾回波，所述干擾回波為隨機(jī)窄尖峰脈沖、 小幅噪聲回波；上述各特征參數(shù)的計(jì)算公式為：
式中，Aia為回波信號(hào)段，么max、分別代表一階導(dǎo)數(shù)最大值與最小值，i為回波 序號(hào)； (6) 對(duì)1階導(dǎo)數(shù)信號(hào)i范圍內(nèi)所有點(diǎn)按照步驟（4)?（5)進(jìn)行判斷，得到若干個(gè)備選回 波； ⑵對(duì)備選回波進(jìn)行判斷，將位于"臺(tái)階"范圍處的回波與參考曲線作比較，若不滿足大 于100?110數(shù)值，則排除該回波；否則，保留； (8) 對(duì)各備選回波進(jìn)行置信度計(jì)算，公式如下：
式中，i為備選回波序號(hào)，Jaia為回波信號(hào)段，peaA為備選回波峰值點(diǎn)； (9) 確定最大置信度對(duì)應(yīng)的備選回波為物位回波； (10) 對(duì)物位回波求取最小斜率點(diǎn)，并在一階導(dǎo)數(shù)曲線上進(jìn)行2階Lagrange插值，確定 物位回波定位點(diǎn)；在固定反射回波導(dǎo)波桿連接點(diǎn)反射回波下降沿中點(diǎn)附近選擇一點(diǎn)，以該 點(diǎn)所在直線與該回波下降沿相交，線性插值得到參考起始點(diǎn)；然后計(jì)算傳播時(shí)間，所述傳播 時(shí)間=物位回波定位點(diǎn)-參考起始點(diǎn)； (11) 對(duì)傳播時(shí)間進(jìn)行限幅濾波，排除隨機(jī)干擾原因?qū)е碌腻e(cuò)誤計(jì)算結(jié)果，并保存； (12) 對(duì)同一物位，計(jì)算保存的40次以上的傳播時(shí)間進(jìn)行中位值平均濾波，最后結(jié)果作 為該物位對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間； 將所述傳播時(shí)間代入通過(guò)標(biāo)定確定的物位與傳播時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系式中，計(jì)算得到 物位值；
式中，Z為物位，?為傳播時(shí)間，先6為標(biāo)定關(guān)系式系數(shù)，G為分界時(shí)間點(diǎn)。
3.采用權(quán)利要求1或2所述的導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)回波信號(hào)處理方法的處理系統(tǒng)，其特 征在于：包括脈沖發(fā)射器、導(dǎo)波桿、等效時(shí)間米樣電路、信號(hào)調(diào)理電路、基于MSP430F541A的 單片機(jī)系統(tǒng)和液晶顯示器；由脈沖發(fā)射器產(chǎn)生脈沖波形，該信號(hào)分為兩路，一路經(jīng)前置觸發(fā) 電路放大整形，變成幅度較大、前沿較抖的脈沖信號(hào)送至發(fā)射脈沖源；發(fā)射脈沖源通過(guò)發(fā)射 天線沿導(dǎo)波桿發(fā)送周期性窄脈沖電磁波；電磁波在不同介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射形成一系 列回波信號(hào)，由接收天線接收后送往等效時(shí)間采樣電路；與此同時(shí)，時(shí)基電路送出另一路脈 沖信號(hào)到混頻器中，與經(jīng)微小時(shí)間延遲后的回波脈沖進(jìn)行混頻；等效時(shí)間采樣后的信號(hào)變 成了中低頻信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路后送往單片機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果由液晶顯示；用于物位測(cè)量 時(shí)，按照先標(biāo)定后測(cè)量的步驟進(jìn)行；在出廠前進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)，對(duì)于Im長(zhǎng)導(dǎo)波桿，3個(gè)物 位點(diǎn)分別選在30cm之內(nèi)、[30cm, 35cm] U [55cm, 60cm]，以及末端IOOcm附近；按照權(quán)利要 求1所述的信號(hào)處理步驟得到與這3個(gè)物位點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間，作為標(biāo)定數(shù)據(jù)，劃分為兩 段進(jìn)行線性擬合，用第1點(diǎn)與第2點(diǎn)擬合作為第1段的系數(shù)；第2點(diǎn)與第3點(diǎn)擬合作為第2 段的系數(shù)；兩段的分界點(diǎn)為30cm，這一物位對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間可由任意一點(diǎn)標(biāo)定點(diǎn)粗略計(jì)算 得到，無(wú)需額外增加標(biāo)定點(diǎn)；擬合得到的函數(shù)關(guān)系式寫(xiě)入單片機(jī)系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01F23/284GK104374447SQ201410671092
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】徐科軍, 魏萌, 劉錚 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)