[发明专利]一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法，首先对采样获得的回波信号进行峰值归一化处理，将回波信号第四波的首位大于零幅值的采样点作为特征点；其次，由FPGA控制换能器的激励信号与回波信号的采样，获得顺流回波信号、逆流回波信号间的“粗”时差Δt_FPGA；再进行互相关运算求取“细”时差Δt_corr：最后根据“粗”时差测量值Δt_FPGA与“细”时差测量值Δt_corr的和，得到高精度的时差测量值Δt。本发明相比于传统双阈值法的时差测量，提高了抗噪能力，克服大流量下回波缩张幅度大且不稳定的问题，实现更宽量程的测量；相比于传统互相关法的时差测量，本发明的测量方法仅选用三周期的波形信号参与互相关运算，降低了计算量，提升了系统实时性。

技术领域

本发明属于流量检测技术领域，涉及一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法。

背景技术

气体超声流量计作为新型的流量仪表，具有压损小、无可动部件、量程比宽、测量精度高、结构简单等优点，已广泛应用于燃气工业领域，成为天然气贸易中主要的计量仪表。气体超声流量计在具备许多优点的同时也面临设计要求高，设计难度大的难点，致使国内气体超声流量计完善与成熟的产品较少。其根本原因在于，除超声换能器的基础研究外，超声回波的信号处理与测量方法也需要深入研究。

随着集成电路技术和数字信号处理技术的迅速发展，超声波顺逆流渡越时间差的测量易于获取，时差法的流量测量原理被广泛应用于气体超声流量计。时差法气体超声流量计的技术核心在于对超声波渡越时间差精确的测量，只有精确测量渡越时间差，才可以保证流速、流量测量的准确性。渡越时间差一般由超声波顺逆流渡越时间做差间接获得，也可以通过对接收到的顺逆流回波信号做互相关运算直接获得。根据测量方法的不同，主要有阈值法、互相关法、参数模型法、时频分析法等方法。参数模型法通过数学模型拟合实际的回波信号得到超声波渡越时间。针对回波信号拟合的经典数学模型主要有高斯模型、混合指数模型和双指数模型。时频分析法是时频局部化信号分析技术的总称，根据频域突变得到超声波渡越时间，其时频变换主要包括短时傅里叶变化，Gabor 变换，小波变换。相对于参数模型法与时频分析法，阈值法与互相关法理论成熟，已应用于气体超声流量计研制。

但是，阈值法与互相关法在超声波渡越时间差测量上还存在一定的局限性。对于阈值法，不可避免的容易受噪声的干扰而影响顺逆流渡越时间的测量精度，从而影响渡越时间差的测量。同时，因为实际工况环境的变化，目前所有的方法不能很好的避免“跳波”现象的出现。而对于互相关算法，若利用互相关运算先求取超声波渡越时间进而求得渡越时间差的方式，则必然会面临回波整体包络随恶劣环境而随机变化，导致与预存的静态参考波形相关程度低，降低互相关测量准确性的问题。若利用互相关运算直接求取超声波渡越时间差，则会面临随复杂工况变化导致顺逆流回波信号相似度低、计算量大、系统实时性低的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法。该方法以FPGA的“粗”时差测量与互相关法的“细”时差测量相结合的方式实现高精度的时差测量。

本发明的基于FPGA与互相关法的高精度时差测量方法，具体步骤如下：

步骤一：对采样获得的回波信号进行峰值归一化处理，根据设定的数字阈值线(设置于回波第一波峰与第二波峰之间)比较触发回波信号，依次获得第二波、第三波与第四波的首位大于零幅值的采样点，并结合波形采样数据的相似度，获取回波信号第四波的首位大于零幅值的采样点以作为特征点。