[发明专利]针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置

摘要

本发明公开了一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置。装置包括电源模块、双声道超声波传感器、数据采集模块、超声波声道/模式切换模块以及计算机。本发明采用双声道超声波传感器获取多路超声波信号，取同一工况下测得的“Z”型声路和“V”型声路信号各一路，利用互相关去除信号延时后构成两路观测信号，先对观测信号进行零相位滤波，然后基于传感器信号的频域特征建立参考信号，最后利用盲信号提取方法(带参考信号的独立成分分析方法)实现多源噪声混合超声波信号中有效信号的提取，具有计算量小，易于实现的特点，特别适用于超声波气体流量计在复杂多变的动态流体和噪声多源的工业现场中的应用。

主权项

1.一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法，有效信号盲提取装置包括电源模块、双声道超声波传感器、数据采集模块、四个超声波声道/模式切换模块以及计算机，双声道超声波传感器由传感器管段和四个超声波换能器构成，四个超声波换能器安装于传感器管段的管壁中，用于测量管段内气体介质的流量，每个超声波换能器均通过数据线和相应的超声波声道/模式切换模块相连，四个超声波声道/模式切换模块通过排线与数据采集模块相连以实现激励信号的输出和检测信号的输入，数据采集模块一方面与电源模块相连以实现整个系统的稳定供电，另一方面与计算机相连以实现与计算机的通信；其特征在于包括以下步骤：步骤一：通过有效信号盲提取装置获取多路含有动态流体信息和多源噪声信息的超声波信号；步骤二：选取同一工况下测得的“Z”型声路信号和“V”型声路信号各一路分别作为观测信号x1和观测信号x2，进行互相关运算得到x2相对于x1的延时Δt，实行去延时操作，即x20＝x2‑Δt，去延时操作后构建二维观测信号矩阵X＝[x1x20]；步骤三：对观测信号矩阵X中的两路观测信号分别进行零相位FIR带通滤波，去除一部分噪声，得到观测信号矩阵X*＝[x1*x2*]；步骤四：对滤波后的观测信号矩阵X*进行去均值和基于主成分分析的白化处理得到观测信号矩阵Z；步骤五：根据超声波传感器信号的频率特征建立参考信号yr；步骤六：对观测信号矩阵Z进行带参考信号yr的独立分量分析，分离并提取出有效信号y*：采用负熵作为独立性度量，采用ε(y,yr)＝E{(y‑r)2}作为参考信号与分离信号的相似性度量；首先建立负熵对比函数maximum J(y)＝ρ[E{G(y)}‑E{G(v)}]2和不等式约束条件g(w)＝ε(y,yr)‑ξ，其中ρ＝E{G(y)}‑E{G(v)}，ξ为相似性阈值；然后通过拉格朗日函数转化为无约束优化问题L(w,μ)＝J(y)‑(1/2γ)[max{μ+γg(w),0}‑μ2]，求得相应的参数迭代公式，其中μ为拉格朗日乘子，γ为尺度惩罚参数；引入基于Gram‑Schmidt去相关的抽取法，在每一次迭代后对线性组合去相关，最后迭代直到收敛，得到有效信号的最优分离矩阵w*；计算/提取超声波有效信号y*＝w*Tz并输出。