[发明专利]基于卡尔曼滤波的涡街流量计抗瞬态冲击干扰的信号处理方法和系统

权利要求书

1.基于卡尔曼滤波的涡街流量计抗瞬态冲击干扰的信号处理方法，包括前向输入调理电路模块、数字信号处理模块、系统输出模块、电源转换电路模块和基于卡尔曼滤波的涡街流量计抗瞬态冲击干扰的信号处理方法软件；压电式传感器将涡街流量信号转换成电荷信号输出，输出信号先后经过电荷放大器、电压放大器、低通滤波器和电压跟随器，然后进入MSP430F5418单片机的内部的ADC单元，经过ADC采样并转换成数字信号；MSP430F5418单片机采用基于卡尔曼滤波的涡街流量计抗瞬态冲击干扰的信号处理方法对该数字信号进行处理，得到涡街流量信号的频率，进而得到流体的流量；然后，通过输出模块将涡街信号的频率和流量值在LCD上实时显示；其特征在于：基于卡尔曼滤波的涡街流量计抗瞬态冲击干扰的信号处理方法包括查找包含瞬态冲击振动干扰的数据段，配置卡尔曼滤波器，分段进行卡尔曼滤波，频域幅值谱分析；采用卡尔曼滤波器预测估计涡街流量信号，达到降低强瞬态冲击振动干扰能量和比重的目的。

2.如权利要求1所述的基于卡尔曼滤波的涡街流量计抗瞬态冲击干扰的信号处理方法，其特征在于：对涡街流量传感器输出信号进行处理以降低强瞬态冲击振动干扰的能量和比重；首先，监测涡街流量传感器输出信号，分段比较后设置突变阈值，根据瞬态冲击振动干扰的幅值突变后振荡衰减的特性，查找包含瞬态冲击振动干扰的数据段；然后，配置用于预测和估计涡街流量信号的卡尔曼滤波器的变量和参数；并用此类卡尔曼滤波器对包含瞬态冲击振动干扰的数据段分段进行滤波，降低该数据段中强瞬态冲击振动干扰的能量和比重，使涡街流量信号在整体上能量占优；最后，通过频域幅值谱分析，提取涡街流量信号频率；基于卡尔曼滤波的涡街流量计抗瞬态冲击干扰的信号处理方法的具体处理步骤如下：

(1)查找包含瞬态冲击振动干扰的数据段

首先，采集涡街流量传感器输出信号，将2060点采样数据平均分段，根据每段数据的最大峰峰值计算突变阈值Vth；将信号的幅值与阈值进行比较，查找包含瞬态冲击振动干扰的起始数据段，并计数每次冲击数据段持续的段数N；查找瞬态冲击的起始点，并保存包含瞬态冲击振动干扰的数据段；

(2)配置卡尔曼滤波器

采用卡尔曼滤波器来预测和估计涡街流量信号；将涡街流量信号定义为状态变量X_k，将包含瞬态冲击的数据段定义为观测变量Y_k，将瞬态冲击振动干扰信号定义为测量噪声v_k；

该过程无控制参数，所以，控制输入变量U_k＝0，系数B＝0；

正常工况下涡街流量信号属于平稳正弦信号，可用上一时刻的涡街流量信号加上干扰噪声来预测估计当前状态的涡街流量信号，并用过程噪声来表示干扰噪声，则设置系数A＝1，系数G＝1，过程噪声w_k的均值并可由涡街流量信号段数据的方差近似地计算过程噪声的方差Q；

待滤波数据段是由瞬态冲击振动干扰叠加涡街流量信号所组成，则设置系数H＝1；因为强瞬态冲击振动干扰的能量一般大于流量信号的能量，为了降低振动干扰的比重，根据大量实验数据的验证，设置D的计算公式为：

式中，max(PPV)为20个峰峰值中的最大值，min(PPV)为20个峰峰值中的最小值；同时，测量噪声v_k的均值并用包含瞬态冲击振动干扰数据段的方差近似地计算测量噪声方差R，其计算公式为：

式中，S²为方差，T为每段卡尔曼滤波包含的待滤波数据的点数，Y_i为当前的观测变量值，为T个观测变量的均值；

(3)分段进行卡尔曼滤波

将每个包含瞬态冲击振动干扰的数据段均分成两段，分别计算每段测量噪声的方差，并进行卡尔曼滤波；包含瞬态冲击振动干扰数据段之外的数据保持不变；

(4)频域幅值谱分析

分段滤波有效地降低了强瞬态冲击振动干扰的能量和比重，使涡街流量信号在整体上能量占优；针对滤波后的采样数据，可直接通过频域幅值谱分析，查找幅值谱中最大峰值对应的频率，把它作为涡街流量信号的频率。