[发明专利]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

摘要

本发明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。

主权项

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，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；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1m、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d，简化后的计算公式为式中，f(x)为回波信号段，xi为信号上的点；(4)对1阶导数信号d从起点开始进行判断，若d[n‑1]、d[n]异号，且d[n]大于0，则确定n为终点end[i]及下一回波的起点start[i+1]；若d[n‑1]、d[n]异号，且d[n]小于0，且起点确定标志已置位，则确定n为峰值点peak[i]；i表示回波序号；(5)记录完回波的特征点，即回波的起点、峰值点、终点后，计算该回波的宽度w[i]、一阶导数最大 值与最小值之差，简称为变化率amp[i]，并与预设值进行比较，小于预设值的回波排除，保留的回波作为备选回波，可以排除干扰回波，所述干扰回波为随机窄尖峰脉冲、小幅噪声回波；上述各特征参数的计算公式为：w[i]＝end[i]‑start[i]amp[i]＝d_max‑d_min式中，d_max、d_min分别代表一阶导数最大值与最小值，i为回波序号；(6)对1阶导数信号d范围内所有点按照步骤(4)～(5)进行判断，得到若干个备选回波；(7)对备选回波进行判断，将位于“台阶”范围处的回波与参考曲线作比较，若不满足大于100数值，则排除该回波；否则，保留；(8)对各备选回波进行置信度confidence计算，公式如下：confidence[i]＝0.6×amp[i]+0.1×data[peak[i]]‑0.3×w[i]式中，i为备选回波序号，data为回波信号段，peak为备选回波峰值点；(9)确定最大置信度对应的备选回波为物位回波；(10)对物位回波求取最小斜率点，并在一阶导数曲线上进行2阶Lagrange插值，确定物位回波定位点；在固定反射回波导波杆连接点反射回波下降沿中点附近选择一点，以该点所在直线与该回波下降沿相交，线性插值得到参考起始点；然后计算传播时间，所述传播时间＝物位回波定位点‑参考起始点；(11)对传播时间进行限幅滤波，排除随机干扰原因导致的错误计算结果，并保存；(12)对同一物位，计算保存的40次以上的传播时间进行中位值平均滤波，最后结果作为该物位对应的传播时间；将所述传播时间代入通过标定确定的物位与传播时间之间的函数关系式中，计算得到物位值；式中，L为物位，t为传播时间，k，b为标定关系式系数，t1为分界时间点。