基于一阶导数并结合参考曲线的导波式雷达物位计回波信号处理方法技术

本发明专利技术涉及一种基于一阶导数并结合参考曲线的导波式雷达物位计回波信号处理方法。该方法包括：1.构造参考曲线，2.回波信号预处理，3.物位回波判断，4.传播时间计算，5.计算物位值；需预先储存包含有未与物位回波叠加的“台阶”部分的信号作为参考曲线，用于后续物位回波判断；对回波信号进行9点移动平均滤波预处理；对滤波后的信号进行一阶导数计算检测回波，多参数结合参考曲线判断物位回波，确定物位回波定位点和参考起始点计算传播时间；在限定区间内任意选择3点进行标定，确定物位-传播时间模型；最后，将传播时间代入物位与传播时间之间的函数关系式，得到物位值。

【技术实现步骤摘要】
基于一阶导数并结合参考曲线的导波式雷达物位计回波信 号处理方法
本专利技术属于物位检测
，具体涉及一种以单片机为核心的基于一阶导数并 结合参考曲线的处理导波式雷达物位计回波信号的方法。
技术介绍
导波式雷达物位计利用雷达技术中的回波测距原理进行物位测量，广泛应用于工 业领域。导波式雷达物位计回波信号处理的难点在于真实物位回波的判断和回波定位点的 确定。其中，物位回波决定了测量是否准确，回波定位点影响测量准确度。 针对导波式雷达物位计信号处理的关键问题，国外几家著名厂家，例如，E+H公司、 Emerson Rosemount公司和Siemens-Milltronics公司等分别提出了不同的回波信号处理 方法。罗斯蒙特公司（Method of determining a disturbance echo profile for a radar level gauge system，U. S Patent: No. 7924216 B2, Apr. 12, 2011)介绍了一种基于反 射器的方法，根据空罐条件下的反射器波形构造参考曲线，通过比较实际距离与电气距离 确定液面之上最近的反射器，得到参考曲线应用范围，相减后可消除液面之上的干扰回波， 然后根据最大值确定物位回波。罗斯蒙特公司（System and method for filling level determination，U. S Patent: No. 7525476 BI, Apr. 28，2009.)介绍了在导波杆已知位 置处安装反射器，通过一对已知反射器的已知距离与测量距离之差来补偿传播速度沿导波 杆的变化，以提高测量准确度。罗斯蒙特公司（通过多模式传播的具有介电常数补偿的导 波式雷达物位计系统，中国，CN201120366374. 7，2012-6-6.)介绍了一种特制导波杆， 称为不完全外部介电传输探测器，可以支持两种或以上不同速度的传播模式，然后根据公 式确定介电常数和传播速度。 中国专利技术专利（一种处理导波式雷达物位计回波信号的系统和方法，专利号： ZL 201210150945. 2,申请日：2012-9-12,授权日：2013-9-11)介绍了针对不同介电常数的 不同物位回波判断方法。该专利与上述专利相同的地方为：根据空罐信号构造参考曲线； 对回波信号段进行了巴特沃斯低通滤波预处理；物位回波的判断可以看成两步，先根据导 数检测回波，并设置宽度范围排除一部分干扰，再对剩下的回波找高出参考曲线的最大值 确定物位回波；回波定位点由峰值点和相邻两点的2阶Lagrange插值点确定；标定数据为 4~10点的线性插值或3次拟合。与上述专利的不同点是，对于小介电常数介质，参考曲线需 要作填平尾波的修正；回波信号段进行了斜率放大以凸显变化趋势；回波信号段减去参考 曲线得到净回波信号段，且之后的处理都针对该信号。 该专利存在的问题是：巴特沃斯低通滤波是一种频域滤波方法，应用于频域特征 不明显的导波式雷达物位计回波信号处理，效果不佳；构造参考曲线需要先构造空罐条件， 应用于实际生产时，需要放空物料，且需要更新，否则不能排除新产生的干扰回波；回波信 号与参考曲线相减可能会导致回波定位点的非线性移动，影响测量精度。 为此，申请中国专利技术专利（基于一阶导数的导波式雷达物位计回波信号处理系统 和方法，申请号：201310534738. 1，申请日：2013年11月1日）提供了一种处理无同步脉冲 触发的导波式雷达物位计回波信号的系统和方法。采用了基于一阶导数的方法检测回波、 存储了回波多个参数，如端点、峰值点、宽度、斜率振幅等，并基于对这些参数的有机组合确 定物位回波；提出了针对无触发采样的导波式雷达物位计的采样方法及参考起始点的确定 方法；采用3点、分两段线性标定。该申请专利技术专利不需要空罐条件，实际操作简单。 该申请专利技术专利存在的问题是：回波参数下降比的限制可能导致排除真实回波或 无法排除干扰回波导致判错；采用对真实回波进行插值得到最高峰值点作为特征点，进行 标定和测量，其线性度不是最好的，即测量准确度不是最好的；对测量结果进行60点中位 值平均滤波，响应速度较慢。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术提供一种基于一阶导数并结合参考曲线的导波式雷达物位 计回波信号处理方法，从而达到对物位回波的准确判断更加可靠，达到减小盲区、提高测量 精度、响应速度较快的要求，并且对硬件要求不高、无需构造空罐条件。 -种包括 ⑴构造参考曲线，⑵回波信号预处理，⑶物位回波判断，⑷传播时间计算，（5)计算 物位值；具体操作是：预先储存包含有未与物位回波叠加的台阶部分的信号作为参考曲 线，用于后续物位回波判断；对回波信号进行9点移动平均滤波预处理；对滤波后的信号进 行一阶导数计算检测回波，多参数结合参考曲线判断物位回波，确定物位回波定位点和参 考起始点计算传播时间；在限定区间内任意选择3点进行标定，确定物位-传播时间模型； 最后，将传播时间代入物位与传播时间之间的函数关系式，计算得到物位值。 具体的技术解决方案如下： 对于无同步触发脉冲的导波式雷达物位计，由于没有同步信号触发ADC进行采样，因 此需要确定采样起始点，保证采集到正确的信号段。一个完整的回波信号中包括一个方波 脉冲和位于其后的若干反射回波。在本次回波信号与下次方波脉冲之前有较长的平稳段， 没有明显回波，且方波脉冲具有陡峭的上升沿和下降沿。根据信号的这一特点，在ADC的中 断服务子程序中对采样点判断，当确定已采集到方波脉冲的下降沿时，保存之后1000点长 度的数据，作为后续处理的回波信号段。回波信号段中包含物料表面、传感器自身的台阶 干扰、噪声等因素产生的反射回波，简称为回波。回波信号的具体处理步骤如下： (1)构造参考曲线 针对物位计信号中固有的台阶构成的两点干扰：1)物位小于25cm时，物位回波幅 值小于其后的噪声水平；2) 台阶本身特征与物位回波近似。因此，需预先储存包含有未 与物位回波叠加的台阶部分的信号作为参考曲线，用于后续物位回波判断；罐高度为定 值，当导波式雷达物位计安装在罐顶、导波杆垂直向下时，定义导波式雷达物位计法兰下表 面到物料表面的距离为物位。通过增加或减少物料使物位为大于70cm的任意值，然后随机 采集一组回波信号，截取从起点至包含信号中固有的未与其他回波叠加的台阶部分的有 效反射回波信号的信号段；例如，当采样起点为方波脉冲下降沿时，该部分为起点至采样点 为255?305点中的一点。当采样起点为方波脉冲上升沿起始时，该部分可能要扩大至从 起点到采样点为450?500点中的一点。 (2)对回波信号段进行9点移动平均滤波，减小噪声、平滑抖动。 (3)设置回波查找范围为包含有效反射回波部分，例如，对于Im长杆、采样起点为 方波脉冲下降沿时，可设置为采样点230~500点，去除了起始处固定的导波杆连接点反射 回波的影响，且减小了不必要的信号处理的长度。计算该范围内回波信号段的1阶导数信 号rf，简化后的计算公式为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于一阶导数并结合参考曲线的导波式雷达物位计回波信号处理方法，其特征在于：包括(1)构造参考曲线，(2)回波信号预处理，(3)物位回波判断，(4)传播时间计算，(5)计算物位值；具体操作是：预先储存包含有未与物位回波叠加的“台阶”部分的信号作为参考曲线，用于后续物位回波判断；对回波信号进行9点移动平均滤波预处理；对滤波后的信号进行一阶导数计算检测回波，多参数结合参考曲线判断物位回波，确定物位回波定位点和参考起始点计算传播时间；在限定区间内任意选择3点进行标定，确定物位‑传播时间模型；最后，将传播时间代入物位与传播时间之间的函数关系式，计算得到物位值。

【技术特征摘要】
1. 基于一阶导数并结合参考曲线的导波式雷达物位计回波信号处理方法，其特征在 于：包括⑴构造参考曲线，⑵回波信号预处理，⑶物位回波判断，⑷传播时间计算， (5)计算物位值；具体操作是：预先储存包含有未与物位回波叠加的台阶部分的信号作 为参考曲线，用于后续物位回波判断；对回波信号进行9点移动平均滤波预处理；对滤波后 的信号进行一阶导数计算检测回波，多参数结合参考曲线判断物位回波，确定物位回波定 位点和参考起始点计算传播时间；在限定区间内任意选择3点进行标定，确定物位-传播时 间模型；最后，将传播时间代入物位与传播时间之间的函数关系式，计算得到物位值。2. 如权利要求1所述的基于一阶导数并结合参考曲线的导波式雷达物位计回波信号 处理方法，其特征在于： 对于无同步触发脉冲的导波式雷达物位计，由于没有同步信号触发ADC进行采样，因 此需要确定采样起始点，保证采集到正确的信号段；一个完整的回波信号中包括一个方波 脉冲和位于其后的若干反射回波；在本次回波信号与下次方波脉冲之前有较长的平稳段， 没有明显回波，且方波脉冲具有陡峭的上升沿和下降沿；根据信号的这一特点，在ADC的中 断服务子程序中对采样点判断，当确定已采集到方波脉冲的下降沿时，保存之后1000点长 度的数据，作为后续处理的回波信号段；回波信号段中包含物料表面、传感器自身的台阶 干扰、噪声等因素产生的反射回波，简称为回波；回波信号的具体处理步骤如下： (1) 构造参考曲线 针对物位计信号中固有的台阶构成的两点干扰：1)物位小于25cm时，物位回波幅值 小于其后的噪声水平；2)台阶本身特征与物位回波近似；因此，需预先储存包含有未与物 位回波叠加的台阶部分的信号作为参考曲线，用于后续物位回波判断；罐高度为定值，当 导波式雷达物位计安装在罐顶、导波杆垂直向下时，定义导波式雷达物位计法兰下表面到 物料表面的距离为物位；通过增加或减少物料使物位为大于70cm的任意值，然后随机采集 一组回波信号，即截取从起点至包含信号中固有的未与其他回波叠加的台阶部分的反射 回波信号的信号段；当采样起点为方波脉冲下降沿时，该部分为起点至采样点为255?305 点中的一点；当采样起点为方波脉冲上升沿起始时，该部分可能要扩大至从起点到采样点 为450?500点中的一点； (2) 对回波信号段进行9点移动平均滤波，减小噪声、平滑抖动； (3) 设置回波查找范围为包含有效反射回波部分，对于导波杆长度为lm、采样起点为 方波脉冲下降沿时，可设置采样点为230?500点，去除了起始处固定的导波杆连接点反射 回波的影响，且减小了不必要的信号处理的长度；计算该范围内回波信号段的1阶导数信 号简化后的计算公式为式中，/(幻为回波信号段，&为信号上的点； (4) 对1阶导数信号从起点开始进行判断，若-1]、异号，且大于0,则确 定η为终点end[i]及下一回波的起点start [i+Ι];若4?UW异号,且JW小于0,且 起点确定标志已置位，则确定η为峰值点peak[i] ;i表示回波序号； (5) 记录完回...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，魏萌，刘铮，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34