一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法技术

一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法，包括步骤：(A)获取超声波信号，提取超声波信号上的局部极大值和局部极小值，形成上包络线和下包络线；(B)对超声波信号进行经验模态分解处理；(C)对处理后的超声波信号进行傅里叶变换得到超声波信号频谱；(D)对超声波信号频谱进行希尔伯特变换，并提取希尔伯特变换后的实部和虚部；(E)根据希尔伯特变换后的实部和虚部模计算信号能量，将信号能量作为超声波信号的包络线；(F)选取步骤(E)中得到的包络线的峰值以及峰值附近的至少两个点，求得包络线的非整数估计峰值，非整数估计峰值为超声波的飞行时间。本发明专利技术相较于传统的过零点检测方法能够有效地提高检测进度和燃气计量的准确度。

A measurement method of ultrasonic flight time based on envelope

【技术实现步骤摘要】
一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法
本专利技术涉及超声波飞行时间计算领域，具体涉及一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法。
技术介绍
超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度等优势，成为燃气计量领域的研究热点。超声波燃气表计量原理是利用超声波在顺流和逆流方向经历时间不同来估计瞬时流量。在不考虑声速受管道内环境的影响下，面平均流速的估计主要受上飞时间和下飞时间的时间差ΔT控制，因此超声波在气体中的飞行时间TOF是时差法超声波流量计进行流量计算的关键参数。目前，业界针对如何提高时差法中气体超声波飞行时间检测准确性的问题展开了研究。其中，最常见的飞行时间计算方法是基于过零点的方式。具体地，针对超声波信号设置门限值，当大于门限值时输出方波信号，门限值的设置方式有多种。专利CN105698886A公开了一种飞行时间测量方法，其在中间电平和地电平之间任意采用双阈值比较电平，在过零检测为阈值1或阈值2时输出方波信号。但是，该种过零检测的设置方式若门限值设置过高，超声波信号最初的起振信号难以达到门限值，因而不会输出方波信号，而门限值若设置过低，则脉冲信号也会输出方波，因此整体上呈现出抗干扰能力弱，测量精度低的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法，以解决现有技术中飞行时间过零检测方法存在的抗干扰能力弱、检测精度低的问题，显著地提高了计量的准确度。本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法，包括以下步骤：(A)获取超声波信号，通过差分法提取超声波信号上的局部极大值、局部极小值，通过样条插值将提取的局部极大值插值生成上包络线，将提取的局部极小值插值生成下包络线；超声波的飞行时间系指上飞信号的飞行时间或下飞信号的飞行时间。获得超声波信号s(t)后，提取超声波信号上的局部极大值，将离散的极大值点插值生成超声波信号的上包络线，提取超声波信号上的局部极小值，将离散的极小值点插值生成超声波信号的下包络线。优选地，提取超声波信号上的全部局部极大值和局部极小值点进行样条插值。插值工具可采用现有的任一款拟合软件如Matlab、Excel等，运用上述软件提供的插值函数进行插值，优选地，采用三次样条曲线差值模型，分别形成上包络线和下包络线。(B)基于上述上包络线和下包络线，对超声波信号进行经验模态分解处理；产生上、下包络线后，对时间域上任一时间点的上包络和下包络取平均，得到超声波信号的包络均值函数m(t)。之后利用包络均值函数m(t)对超声波信号进行经验模态分解处理，使得处理后的超声波信号由n个固有模态函数，也即包络均值，和一个剩余项之和。所述经验模态分解处理具体包括以下步骤：S1：求得超声波信号和包络均值函数之间的差值函数h1(t)；S2：判断差值函数h1(t)是否满足条件，如果满足则分解处理完成，如果不满足则进行差值函数迭代计算，直至第n次迭代计算得到的hn(t)满足条件。第i次迭代计算得到的差值函数hi(t)＝hi-1(t)-mi(t)，其中，h0(t)＝s(t)，mi(t)为第i次迭代计算时的包络均值，i＝1,2,…,n，n为正整数。通过上式可得：第1次迭代计算得到的差值函数h1(t)＝s(t)-m1(t)，当h1(t)不满足条件时，进行第2次迭代计算，得到差值函数h2(t)＝h1(t)-m2(t)，也即h2(t)＝s(t)-m1(t)-m2(t)，以此类推，直至进行了n次计算后，得到将超声波信号s(t)转变为包含了n个均值模态函数和最后一次差值函数的和。S3：去掉超声波信号s(t)中的剩余项hn(t)，得到经验模态分解处理后的超声波信号在部分实施例中，差值函数继续迭代计算所需满足的条件包括：a)差值函数的极值点的数目与差值函数的零点的数目的差值小于等于1；且b)包络均值∑mi(t)＝0或∑mi(t)＜0.1。通过上述运算后，得到经验模态分解处理后的超声波信号S(t)。(C)对处理后的超声波信号进行傅里叶变换，得到超声波信号的频谱；傅里叶变换的目的是将原时间域的信号转换到波数域，所述超声波信号S(t)经过傅里叶变换后得到频谱F(m)，其中：其中，m＝0,1,2,…,N-1,n＝0,1,2,…,N-1，N为扩展后的序列长度，j为虚数单位。(D)对超声波信号的频谱进行希尔伯特变换，并提取希尔伯特变换后的实部和虚部；对频谱F(m)进行希尔伯特变换后所取的实部和虚部通过以下公式求得：H(w)＝(-i·sgn(w))·F(w)其中，w为傅里叶变换后的角频率。(E)根据希尔伯特变换后的实部和虚部模计算信号能量，将所述信号能量作为超声波信号的包络线；所述信号能量通过下式求得：其中，为频谱希尔伯特变换后的实部，为频谱希尔伯特变换后的虚部。(F)选取步骤(E)中得到的包络线的峰值，以及峰值附近的至少两个点，求得包络线的真实峰值，所述真实峰值为超声波的飞行时间。在部分实施例中，所述步骤(F)具体包括以下步骤：选取信号能量的峰值k，以及峰值左侧的相邻点k-1、峰值右侧的相邻点k+1；利用以下公式计算包络线的真实峰值T：其中，真实峰值T即为超声波的飞行时间。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本专利技术通过包络线测定超声波信号的飞行时间，相较于传统的过零检测方法，从根源上避免了设置门限值所产生的问题，不仅能够记录初始的起振信号，而且对信号中的脉冲具有更强的抗干扰能力，进而提高了检测进度和燃气计量的准确度。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术具体实施例中的计算流程框图；图2为本专利技术具体实施例中包络线采样点选取的示意图；图3为本专利技术实施例4中原始信号及原始信号逐层分解的示意图；图4为本专利技术实施例4中包络线采样点选取的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术保护范围的限制。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。实施例1：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(A)获取超声波信号，通过差分法提取超声波信号上的局部极大值和局部极小值，通过样条插值方法将提取的局部极大值插值生成上包络线，将提取的局部极小值插值生成下包络线；/n(B)基于上述上包络线和下包络线，对超声波信号进行经验模态分解处理；/n(C)对处理后的超声波信号进行傅里叶变换，得到处理后的超声波信号频谱；/n(D)对超声波信号的频谱进行希尔伯特变换，提取希尔伯特变换后的实部和虚部；/n(E)根据希尔伯特变换后的实部和虚部模计算信号能量，将所述信号能量作为超声波信号的包络线；/n(F)选取步骤(E)中得到的包络线的峰值，以及峰值附近的至少两个点，求得包络线的非整数估计峰值，所述的非整数估计峰值为超声波的飞行时间。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)获取超声波信号，通过差分法提取超声波信号上的局部极大值和局部极小值，通过样条插值方法将提取的局部极大值插值生成上包络线，将提取的局部极小值插值生成下包络线；
(B)基于上述上包络线和下包络线，对超声波信号进行经验模态分解处理；
(C)对处理后的超声波信号进行傅里叶变换，得到处理后的超声波信号频谱；
(D)对超声波信号的频谱进行希尔伯特变换，提取希尔伯特变换后的实部和虚部；
(E)根据希尔伯特变换后的实部和虚部模计算信号能量，将所述信号能量作为超声波信号的包络线；
(F)选取步骤(E)中得到的包络线的峰值，以及峰值附近的至少两个点，求得包络线的非整数估计峰值，所述的非整数估计峰值为超声波的飞行时间。


2.根据权利要求1所述的一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法，其特征在于，步骤(B)中包括以下步骤：利用上包络线和下包络线求得包络均值，并计算包络均值和超声波信号的差值函数，并对差值函数进行迭代计算直至差值函数满足条件。


3.根据权利要求2所述的一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法，其特征在于，所述差值函数的迭代计算公式为：
hi(t)＝hi-1(t)-mi(t)
h0(t)＝s(t)
其中，h0(t)为初始差值函数，hi(t)为第i次迭代计算得到的差值函数，s(t)为超声波信号，mi(t)为第i次迭代计算时的包络均值，i＝1,2,…,n，n为正整数。


4.根据权利要求3所述的一种基于包络线的超声波飞行时间测定方法，其特征在于，所述差值函数不满足以下条件后，停止迭代计算：
a)差值函数的极值点的数目与差值函数的零点的数目的差值小于等于1；且
b)包络均值∑mi(t)＝0或∑m...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勋，朱炼，李中华，
申请(专利权)人：成都千嘉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51