基于频域信息融合的液位估计方法技术

本发明专利技术公开一种基于频域信息融合的液位估计方法。现有的测量方法由于麦克风、模数转换器存在的误差以及周围环境影响，导致测量精度差。本发明专利技术将导声管垂直于液面插入到的待测液体底部，扬声器发出均匀变化的声波，麦克风采集合成波。对于同一高度的液位连续采集两组数据，分别对两组数据进行傅立叶变换以及频率特征提取，得到的两组共振频率。对两组共振频率序列中的各个共振点设置支持区间和信任区间，同时进行赋值，利用DS组合规则进行融合得到的融合后的共振点序列。利用融合后的共振点序列的差值和液位换取公式得到多个液位测量值，取平均作为最终的液位值。本发明专利技术将两组共振点融合，得到的液位测量值比单组数据得到的测量值更加的可靠。

Liquid level estimation method based on frequency domain information fusion

The invention discloses a liquid level estimation method based on frequency domain information fusion. The measurement accuracy is poor due to the existing errors of the microphone, analog to digital converter and the surrounding environment. In the invention, the sound tube is inserted into the bottom of the liquid to be measured vertically to the liquid surface, and the sound wave is uniformly changed by the speaker, and the synthetic wave is collected by the microphone. For the same level of liquid level, two sets of data are collected continuously, and the two sets of resonant frequencies of the two sets of data are obtained by Fu Liye transform and frequency feature extraction respectively. The support interval and confidence interval are set up for each resonance point in the two sets of resonance frequency sequences. At the same time, assignment is done, and the combined resonance sequence is fused by DS combination rule. A number of liquid level measurements are obtained by using the difference value of the fused resonance point sequence and the liquid level conversion formula, and the average value is taken as the final level. The invention combines the two groups of resonance points, and the measured value of the liquid level is more reliable than the measured values obtained by the single set of data.

【技术实现步骤摘要】
基于频域信息融合的液位估计方法
本专利技术属于测量
，涉及一种基于频域信息融合的液位估计方法。
技术介绍
液位仪是一种重要的测量工具，应用于石油、化工、污水处理等领域。其中，超声波液位测量方法应用的最为广泛。但在实际的应用过程中，被测液体的表面常常漂浮大量的泡沫、残渣等异物。当超声波遇到漂浮在液面上的异物时，会发生寄生反射现象，导致测量精度大大降低。低频声波的波长较长，当遇到异物时会发生衍射，绕过异物继续向前传播，避免了寄生反射的发生。在文献《基于固定频段声波共振原理的液位测量方法》中，提出了固定频段声波共振的液位测量方法。该方法将采集到的声波信号进行FFT(快速傅里叶变换)运算，利用快速频率检测方法提取共振频率点，并利用相邻共振频率的等差关系和基于共振频率的液位换算公式得到液位值。当在实际的应用过程中，由于麦克风和ADC(模数转换器)模块存在一定的偏差以及周围环境等不确定性因素的影响，采集到的声波信号有一定程度的衰减和存在大量的噪声。在进行提取共振点时，部分共振点无法提取，导致固定频段声波共振的液位测量方法的精度大大降低。
技术实现思路
本专利技术的目的针对现有技术存在的不足，提出了一种基于不确定信息融合的固定频段共振频率的液位测量方法。本专利技术提取两组在同一高度由固定频段内声波反射产生的合成波的共振点，通过融合的方法将两组共振频率进行融合，并将融合结果转换为液位信息，具体包括以下步骤：步骤(1).将导声管垂直于液面插入待测液体中，麦克风、扬声器和温度传感器安装在导声管的一端，并保证麦克风和扬声器处于同一水平面。导声管的另一端处于液面以下，扬声器和麦克风所处平面与液面的距离为L。步骤(2).在时间t内通过控制器输出频率范围为D＝[a,b]Hz的一组随时间的均匀变化的正弦声波信号，并通过扬声器发出，频率范围[a,b]Hz的选择保证a＞＞20Hz且保证b-a>3f0，f0为初始的共振频率。扬声器发出的声波遇到的液面后，改变路径反射，与扬声器发出的声波叠加形成合成波。合成波由麦克风采集，经过ADC处理为数字信号。步骤(3).控制器利用FFT将步骤(2)中经过ADC处理得到的数字信号转换为频谱信号。步骤(4).采用专利《基于固定频段声波共振原理的液位测量方法》(CN101852638)提到的快速频率检测方法提取步骤(3)中的频谱的共振频率点。步骤(5).重复步骤(2)-(4)在同一高度采集两组合成波，提取共振频率点，对每个共振点设置浮动区间，并对区间设置权重，步骤如下：步骤(5.1).对共振频率点进行了归一化：通过步骤(4)找出同一高度采集的两组声波的共振频率点，第一组声波的共振点记作P(f1,1,y1,1),P(f1,2,y1,2),...,P(f1,M,y1,M)，第二组声波的共振点记作P(f2,1,y2,1),P(f2,2,y2,2),...,P(f2,N,y2,N)，M和N是两组共振频率点的个数，其中f表示频率，f的下标的第一位是组别数，下标的第二位是在所有共振频率点中的位置；y表示幅值，y的下标的第一位是组别数，下标的第二位是在所有共振频率点中的位置，以P(f1,2,y1,2)为例，f1,2为采集的第一组的第二个共振点，y1,2为所对应的幅值。分别将这两组数据进行归一化，y′1,i＝y1,i/Max1i＝1,2,....,M(1)y′2,j＝y2,j/Max2j＝1,2,....,N(2)其中，Max1是第一组声波共振点中幅值的最大值，Max2是第二组声波的共振点中幅值的最大值，得到的两组声波的共振点新的坐标为P′(f1,1,y′1,1),P′(f1,2,y′1,2),...,P′(f1,M,y′1,M)和P′(f2,1,y′2,1),P′(f2,2,y′2,2),...,P′(f2,N,y′2,N)。步骤(5.2)设置频率浮动区间的范围和权重：在每个求得的频率f附近设置一定的区间作为支持区间，设置支持区间的大小为2*r，则区间的范围为[f-r,f+r]。在每个求得的频率f设置20*r大小的区间作为信任区间，该区间的范围为[f-10*r,f+10*r]。在步骤(5.1)得到的归一化的两组声波的共振点新的坐标P′(f1,1,y′1,1),P′(f1,2,y′1,2),...,P′(f1,M,y′1,M)和P′(f2,1,y′2,1),P(f2,2,y′2,2),...,P′(f2,N,y′2,N)。将在步骤(5.2)中的第一组采集到的频率浮动区间Ai＝[f1,i-r,f1,i+r],区间的权重赋值为m(Ai)＝y′1,i，区间Bi＝[f1,i-10*r,f1,i+10*r]，区间的权重赋值为m(Bi)＝1-y′1,i；第二组采集到的频率浮动区间Cj＝[f1,j-r,f1,j+r]，区间的权重赋值为m(Cj)＝y′1,j，区间Dj＝[f1,j-10*r,f1,j+10*r]，区间的权重赋值为m(Dj)＝1-y′1,j。步骤(6)通过融合方法对步骤(5.2)中的两组频率浮动区间进行融合，其中融合的具体操作如公式(3)所示：其中，Xk∈{Ai,Bi|i＝1,2,...,M}，Yk∈{Cj,Dj|j＝1,2,...,N}，分别求区间Ai和区间Cj的交集，区间Ai和区间Dj的交集，区间Bi和区间Cj的交集，区间Bi和区间Dj的交集；是两个区间交集的中点，k是融合后的第k个频率点，min(M,N)是指M和N中最小的作为融合后频率点的个数。步骤(7)求相邻频率点的差值。按照上面的方法得到了融合后的后的频率点f(k)，取相邻的两点频率点的间隔为I(n)，其中求I(n)的具体操作如公式(4)所示：其中，当融合融合后的频率点f(k)为零，则进行舍弃；n为序列I的个数。步骤(8)求液位的高度。对于步骤(7)得到n个相邻共振点的序列I(n),根据各个序列得到液位高度，如公式(5)所示：其中，T为环境的温度，L(n)的均值为作为最终的液位高度。该方法中的控制器，可以采用能够具有较强的能力的ARM架构的控制器或DSP芯片即可，例如ST公司的STM32F7系类的控制器；上面所述的音频采集芯片能够完成声波的发生和采集即可，例如STM32F746G-DISCO开发板上搭载的音频解码芯片WM8994。上述方法的关键在于：采集两组声波数据，提取各自的声波共振点，通过融合的方法将两组声波共振点进行融合，得到新的一组共振点，从而降低了因为传感器和ADC模块存在一定的偏差以及周围环境的影响等不确定性因素导致的误差，进而提高了液位测量的精确度。利用本专利技术提到的方法可以有效降低周围环境的影响所造成的误差，测量精度可达到1％，优于市面上常见的超声波液位传感器的测量精度。附图说明图1.本专利技术方法的硬件结构图；图2.本专利技术方法的流程图；图3麦克风采集到的时域的波形图；图4是图3声波时域图所对应的频域图；图5提取到的声波的共振点；图6是两组共振频率点融合流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行进一步的说明。基于不确定信息融合的固定频段共振频率的液位测量方法的硬件结构如图1所示，包括控制器1、扬声器2、麦克风3、温度传感器4、导声管5和通气管6。其中的控制器选择STM32F746G-DISCO开发板板载的STM32F746G，音频解本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于频域信息融合的液位估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1).将导声管垂直于液面插入到的待测液体的底部，麦克风、扬声器和温度传感器安装在导声管的另一端，并保证麦克风和扬声器平行与液面；步骤(2).在时间t内通过控制器输出频率范围为D＝[a,b]Hz的一组随时间的均匀变化的正弦声波信号，并通过扬声器发出；频率范围[a,b]Hz的选择保证a＞＞20Hz且保证b‑a>3f0，f0为初始的共振频率；扬声器发出的声波遇到的液面后，改变路径反射，与扬声器发出的声波叠加形成合成波；合成波由麦克风采集，经过ADC处理为数字信号；步骤(3).控制器通过快速傅立叶变换将ADC转换的数字信号由时域转换到的频域；步骤(4).利用快速频率检测方法提取频域中的共振频率点；步骤(5).重复步骤(2)‑(4)在同一高度采集两组合成波，提取共振频率点，对每个共振点设置浮动区间，并对区间设置权重，具体步骤如下：步骤(5.1).对共振频率点进行了归一化：通过步骤(4)找出同一高度采集的两组声波的共振频率点，第一组声波的共振点记作P(f1,1,y1,1),P(f1,2,y1,2),...,P(f1,M,y1,M)，第二组声波的共振点记作P(f2,1,y2,1),P(f2,2,y2,2),...,P(f2,N,y2,N)，M和N是两组共振频率点的个数，其中f表示频率，f的下标的第一位是组别数，下标的第二位是在所有共振频率点中的位置；y表示幅值，y的下标的第一位是组别数，下标的第二位是在所有共振频率点中的位置，以P(f1,2,y1,2)为例，f1,2为采集的第一组的第二个共振点，y1,2为所对应的幅值；分别将这两组数据进行归一化，y′1,i＝y1,i/Max1,i＝1,2,....,M，y′2,j＝y2,j/Max2,j＝1,2,....,N，其中，Max1是第一组声波共振点中幅值的最大值，Max2是第二组声波的共振点中幅值的最大值，得到的两组声波的共振点新的坐标为P′(f1,1,y′1,1),P′(f1,2,y′1,2),...,P′(f1,M,y′1,M)和P′(f2,1,y′2,1),P′(f2,2,y′2,2),...,P′(f2,N,y′2,N)；步骤(5.2)设置频率浮动区间的范围和权重：在每个求得的频率f附近设置一定的区间作为支持区间，设置支持区间的大小为2*r，则区间的范围为[f‑r,f+r]；在每个求得的频率f设置20*r大小的区间作为信任区间，该区间的范围为[f‑10*r,f+10*r]；在步骤(5.1)得到的归一化的两组声波的共振点新的坐标P′(f1,1,y′1,1),P′(f1,2,y′1,2),...,P′(f1,M,y′1,M)和P′(f2,1,y′2,1),P(f2,2,y′2,2),...,P′(f2,N,y′2,N)；将在步骤(5.2)中的第一组采集到的频率浮动区间Ai＝[f1,i‑r,f1,i+r],区间的权重赋值为m(Ai)＝y′1,i，区间Bi＝[f1,i‑10*r,f1,i+10*r]，区间的权重赋值为m(Bi)＝1‑y′1,i；第二组采集到的频率浮动区间Cj＝[f1,j‑r,f1,j+r]，区间的权重赋值为m(Cj)＝y′1,j，区间Dj＝[f1,j‑10*r,f1,j+10*r]，区间的权重赋值为m(Dj)＝1‑y′1,j；步骤(6).对步骤(5)中的两组共振频率点的浮动区间权重进行融合：利用下面的公式对两组共振频率点的浮动区间进行融合，...

【技术特征摘要】
1.基于频域信息融合的液位估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1).将导声管垂直于液面插入到的待测液体的底部，麦克风、扬声器和温度传感器安装在导声管的另一端，并保证麦克风和扬声器平行与液面；步骤(2).在时间t内通过控制器输出频率范围为D＝[a,b]Hz的一组随时间的均匀变化的正弦声波信号，并通过扬声器发出；频率范围[a,b]Hz的选择保证a＞＞20Hz且保证b-a>3f0，f0为初始的共振频率；扬声器发出的声波遇到的液面后，改变路径反射，与扬声器发出的声波叠加形成合成波；合成波由麦克风采集，经过ADC处理为数字信号；步骤(3).控制器通过快速傅立叶变换将ADC转换的数字信号由时域转换到的频域；步骤(4).利用快速频率检测方法提取频域中的共振频率点；步骤(5).重复步骤(2)-(4)在同一高度采集两组合成波，提取共振频率点，对每个共振点设置浮动区间，并对区间设置权重，具体步骤如下：步骤(5.1).对共振频率点进行了归一化：通过步骤(4)找出同一高度采集的两组声波的共振频率点，第一组声波的共振点记作P(f1,1,y1,1),P(f1,2,y1,2),...,P(f1,M,y1,M)，第二组声波的共振点记作P(f2,1,y2,1),P(f2,2,y2,2),...,P(f2,N,y2,N)，M和N是两组共振频率点的个数，其中f表示频率，f的下标的第一位是组别数，下标的第二位是在所有共振频率点中的位置；y表示幅值，y的下标的第一位是组别数，下标的第二位是在所有共振频率点中的位置，以P(f1,2,y1,2)为例，f1,2为采集的第一组的第二个共振点，y1,2为所对应的幅值；分别将这两组数据进行归一化，y′1,i＝y1,i/Max1,i＝1,2,....,M，y′2,j＝y2,j/Max2,j＝1,2,....,N，其中，Max1是第一组声波共振点中幅值的最大值，Max2是第二组声波的共振点中幅值的最大值，得到的两组声波的共振点新的坐标为P′(f1,1,y′1,1),P′(f1,2,y′1,2),...,P′(f1,M,y′1,M)和P′(f2,1,y′2,1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓滨，李果，方丹枫，李建宁，黄大荣，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33