賴國強(qiáng),石為人,熊慶宇,沈雪華

(重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400030)

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基于回波包絡(luò)上升沿?cái)M合的超聲波飛行時(shí)間測(cè)量方法*

賴國強(qiáng),石為人*,熊慶宇,沈雪華

(重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400030)

超聲波飛行時(shí)間是超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用中一個(gè)重要的參數(shù),直接影響甚至決定其檢測(cè)效果。針對(duì)超聲波飛行時(shí)間高精度測(cè)量的要求,在分析超聲波傳感器響應(yīng)模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于回波包絡(luò)上升沿?cái)M合的超聲波飛行時(shí)間測(cè)量方法。該方法在雙激勵(lì)條件下,將周期數(shù)少的激勵(lì)信號(hào)的停止時(shí)刻作為測(cè)量起點(diǎn),通過粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行回波包絡(luò)上升沿?cái)M合,以確定兩個(gè)上升沿分離時(shí)刻所在周期,最終確定超聲波飛行時(shí)間的測(cè)量終點(diǎn)時(shí)刻。與閥值法和互相關(guān)法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,該方法具有較高的測(cè)量精度和實(shí)用性。

超聲波;包絡(luò)擬合;粒子群優(yōu)化;上升沿;飛行時(shí)間

20世紀(jì)70年代超聲波檢測(cè)技術(shù)開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于距離、流量、定位、液位、溫度等參數(shù)的測(cè)量研究[1-3]。超聲波作為檢測(cè)信息的載體,包含了多種被測(cè)參數(shù)的相關(guān)信息,其中超聲波飛行時(shí)間可以直接或者通過工程換算實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)[2],因此,精確測(cè)量超聲波飛行時(shí)間對(duì)于超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

目前已經(jīng)提出了多種關(guān)于超聲波飛行時(shí)間的測(cè)量方法,常用的方法有閥值法和互相關(guān)法。閥值法原理簡單、應(yīng)用方便,因而使用最為廣泛。由于低頻超聲波在發(fā)射和接收過程中,需要經(jīng)歷一段時(shí)間的起振過程,振幅才能達(dá)到可被檢測(cè)的量級(jí)[4-5],加上傳播距離的改變和環(huán)境噪聲的干擾,閥值法中存在回波前沿起點(diǎn)難以確定的問題。使用改進(jìn)的雙閥值法、動(dòng)態(tài)閥值法等方法[2]可以減小誤差,但在高精度測(cè)量需求的場合,仍然難以滿足要求。以波形的總體特征來獲得超聲波飛行時(shí)間的互相關(guān)法是一種普遍采用的高精度測(cè)量方法。該方法通過計(jì)算超聲波回波與參考信號(hào)之間的最大互相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)的時(shí)刻作為超聲波飛行時(shí)間[3],其中參考信號(hào)可用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為靈活[6],但由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際信號(hào)有一定差異,導(dǎo)致測(cè)量精度下降;而使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為參考信號(hào)可獲得更高的精度,但回波形狀一方面會(huì)由于傳播中的衰減而改變,另一方面也會(huì)因傳感器擺放位置和方向、傳播介質(zhì)等不同而不一致,因此需要存儲(chǔ)大量波形樣本進(jìn)行選擇匹配[7],實(shí)際應(yīng)用困難。

本文提出一種在雙激勵(lì)條件下實(shí)現(xiàn)超聲波飛行時(shí)間精確測(cè)量的方法,并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說明。該方法通過對(duì)回波包絡(luò)上升沿進(jìn)行擬合,確定兩個(gè)包絡(luò)上升沿的分離時(shí)刻,從而在精確獲得超聲波飛行時(shí)間測(cè)量終點(diǎn)的條件下,實(shí)現(xiàn)超聲波飛行時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量。該方法避免使用易受干擾且難以精確測(cè)量的回波到達(dá)時(shí)刻來進(jìn)行測(cè)量,具有較高的測(cè)量精度,其有效性和測(cè)量精度在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

1 基于回波包絡(luò)上升沿測(cè)量模型

目前在超聲領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是壓電型超聲波傳感器,一般分為發(fā)射換能器和接收換能器。發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)中任意一點(diǎn)與接收換能器接收信號(hào)中相應(yīng)點(diǎn)的時(shí)間間隔就是超聲波飛行時(shí)間。由于發(fā)射信號(hào)上的時(shí)間能夠精確確定,因此,超聲波飛行時(shí)間的精確測(cè)量依賴于終點(diǎn)時(shí)刻的精確確定。

張興紅[1]提出基于最大特征波確定測(cè)量終點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)方法,該方法精度較高,但是一般情況下,超聲回波最大特征波并非對(duì)應(yīng)著發(fā)射換能器激勵(lì)的最后一個(gè)波。因此本文在分析超聲波傳感器響應(yīng)模型的基礎(chǔ)上,提出適用性更好的確定測(cè)量終點(diǎn)時(shí)刻的方法。

1.1 超聲波傳感器響應(yīng)模型分析

超聲波傳感器能實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換,發(fā)射換能器和接收換能器分別借助逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)進(jìn)行工作,結(jié)構(gòu)原理圖可用圖1表示。

圖1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

為簡化分析,假設(shè)超聲波發(fā)射換能器和接收換能器以距離r正向相對(duì),發(fā)射換能器端的激勵(lì)為單方波脈沖電壓信號(hào)。

由壓電材料的特性可知,發(fā)射換能器的壓電晶體會(huì)產(chǎn)生與所施加的電壓同方向的、成線性比例的初始形變,帶動(dòng)其諧振子產(chǎn)生振動(dòng),諧振子在阻尼的作用下,以諧振頻率進(jìn)行指數(shù)衰減運(yùn)動(dòng)。諧振子位移可表示成[8]:

ξ=ξ0e-δtcos(ωt-φ0)

(1)

式中,ξ0和φ0是由初始條件確定的兩個(gè)常數(shù),諧振子的振動(dòng)如圖2所示。

圖2 發(fā)射換能器諧振子振動(dòng)圖

超聲波發(fā)射換能器可看作一個(gè)理想球面聲源,超聲場中距離聲源r處的聲壓由下面的公式給出[8]:

(2)

式中:

ω是聲源振動(dòng)的頻率,φ是初相位,|A|則是與聲源的振動(dòng)速度、頻率以及聲源半徑有關(guān)的參量。對(duì)于已選用的超聲波傳感器而言,振動(dòng)頻率和聲源半徑均為常數(shù),因此距離聲源r處的聲壓與聲源的振動(dòng)速度成正比,即接收換能器諧振子處的聲壓與發(fā)射換能器諧振子的振動(dòng)速度成正比。

接收換能器諧振子在超聲波作用下獲得的能量由聲強(qiáng)決定。超聲場中的聲強(qiáng)表達(dá)式為:

(3)

pm為聲壓幅值,即聲強(qiáng)與聲壓幅值的平方成正比。結(jié)合式(2)可知,接收換能器諧振子處的聲強(qiáng)與發(fā)射換能器諧振子的振動(dòng)速度幅值的平方成正比。

描述諧振子的振幅比其振動(dòng)速度幅值更方便,分析發(fā)射換能器諧振子每一個(gè)振動(dòng)周期的能量關(guān)系,可用下式描述:

(4)

vm和ξm分別為振動(dòng)周期內(nèi)的諧振子的振動(dòng)速度幅值和振幅,ΔE為每個(gè)周期諧振子損耗的能量。通常,壓電型超聲波傳感器的損耗模量較小,振幅的衰減較慢,ΔE占該周期內(nèi)能量比值較小,因此振動(dòng)速度幅值近似與振動(dòng)幅值成正比。

由上述分析可知,接收換能器諧振子處聲強(qiáng)的變化規(guī)律與發(fā)射換能器諧振子的振幅平方相似,呈衰減下降規(guī)律,即接收換能器諧振子單位時(shí)間內(nèi)獲得的能量也衰減下降。

因此,接收換能器諧振子在單方波脈沖激勵(lì)的聲源作用下,會(huì)出現(xiàn)圖3所示的情況。

圖3 接收換能器諧振子響應(yīng)圖

圖3的T時(shí)刻前,諧振子在單位時(shí)間內(nèi)從超聲場中獲得的新增能量比損耗能量大,諧振子的振幅逐漸增大,壓電晶體獲得的能量也逐漸增大;T時(shí)刻之后,由于諧振子單位時(shí)間內(nèi)的損耗能量比新增能量大,諧振子振幅逐漸減小。

由壓電晶體電場強(qiáng)度與諧振子的振幅的關(guān)系,以及壓電晶體電勢(shì)差與電場強(qiáng)度公式U=Ed(d為距離常數(shù))可知,超聲波接收換能器端的回波電壓輸出幅值和圖3中振幅的變化趨勢(shì)一致。

在實(shí)際的超聲檢測(cè)系統(tǒng)中,以單方波脈沖信號(hào)作為超聲波發(fā)射換能器的激勵(lì)輸入,接收端經(jīng)過放大后的回波電壓輸出如圖4所示。

圖4 實(shí)際回波電壓輸出

圖4與前文的分析效果相符合。顯然,最大特征波并非對(duì)應(yīng)著激勵(lì)的最后一個(gè)波。

1.2 超聲波飛行時(shí)間測(cè)量原理

本文提出使用兩個(gè)幅值相同、頻率相同、周期數(shù)不同的正弦波作為發(fā)射激勵(lì)信號(hào),發(fā)射換能器諧振子受到簡諧力作用[8-9],其強(qiáng)迫振動(dòng)方程如下:

(5)

當(dāng)所施加激勵(lì)的頻率與發(fā)射換能器諧振子的諧振頻率相同時(shí),發(fā)射換能器諧振子的位移可由如下方程給出:

ξ=ξ0e-δtsin(ωt-φ0)+ξasin(ωt-θ)

(6)

ξ0和φ0由初始條件確定。式中第一項(xiàng)為瞬態(tài)解,描述諧振子的自由衰減振動(dòng),與系統(tǒng)的起振條件有關(guān),其影響隨著時(shí)間的增加而逐漸減弱。第二項(xiàng)為穩(wěn)態(tài)解,當(dāng)一定時(shí)間后,諧振子的振動(dòng)僅由該項(xiàng)來描述。

由式(6)知,在連續(xù)激勵(lì)條件下,發(fā)射換能器諧振子振幅會(huì)逐漸增大,最后趨向穩(wěn)定。

由文獻(xiàn)[10]可知,通常壓電型傳感器在連續(xù)50個(gè)周期數(shù)的激勵(lì)作用下,回波才會(huì)達(dá)到最大值。本文選用8、12個(gè)周期數(shù)的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行說明。

圖5 正弦波激勵(lì)信號(hào)

超聲波測(cè)量系統(tǒng)是因果系統(tǒng),結(jié)合2.1小節(jié)的分析可知,兩次激勵(lì)過程中,前8個(gè)正弦波的發(fā)射階段,發(fā)射換能器和接收換能器的響應(yīng)完全一致。隨后,第一個(gè)激勵(lì)停止,發(fā)射換能器的諧振子開始進(jìn)行阻尼衰減運(yùn)動(dòng),而第二個(gè)激勵(lì)比第一個(gè)激勵(lì)多持續(xù)4個(gè)周期,發(fā)射換能器的諧振子振幅將按照式(6)繼續(xù)增大。因此,在這兩個(gè)激勵(lì)下,接收端諧振子處聲強(qiáng)的變化曲線會(huì)不一樣,如圖6所示。

圖6 接收端諧振子聲強(qiáng)曲線

在前8個(gè)正弦波發(fā)射階段,聲強(qiáng)完全一致,因此接收端的輸出也是完全一樣的。在第8個(gè)正弦波激勵(lì)后,第一個(gè)激勵(lì)產(chǎn)生的聲強(qiáng)開始呈衰減下降趨勢(shì),而第二個(gè)激勵(lì)的聲強(qiáng)繼續(xù)上升,接收端的回波電壓輸出如圖7、圖8所示。

圖7 接收端回波電壓輸出

圖8 回波電壓輸出部分放大圖

在圖8中,檢測(cè)回波電壓峰值開始發(fā)生變化的時(shí)刻,便可確定測(cè)量終點(diǎn)Tb時(shí)刻,即兩個(gè)回波波形峰值開始分離前的過零點(diǎn),Tb時(shí)刻對(duì)應(yīng)著圖5中的測(cè)量起點(diǎn)Ta時(shí)刻。由此,超聲波飛行時(shí)間便可以精確地測(cè)量出來。

實(shí)際檢測(cè)回波經(jīng)常會(huì)受到噪聲的干擾,通過直接比較兩個(gè)回波的對(duì)應(yīng)峰值來確定Tb時(shí)刻,有可能會(huì)造成誤判。

1.3 基于回波包絡(luò)上升沿?cái)M合測(cè)量模型

本文所提方法首先獲取實(shí)際回波包絡(luò),然后使用超聲回波包絡(luò)模型去擬合實(shí)際回波包絡(luò)上升沿,以此獲得兩個(gè)回波包絡(luò)參數(shù)向量,確定兩個(gè)回波波形開始分離的時(shí)刻,由此便可得到對(duì)應(yīng)的過零點(diǎn)。由于回波包絡(luò)描述的是回波波形的總體特征走勢(shì),具有一定的抗干擾能力,因此可以獲得更為精確的Tb時(shí)刻。

一種普遍采用的超聲波回波包絡(luò)模型如下[11-13]:

(7)

式中,參數(shù)向量θ=[A0τTα]為回波包絡(luò)模型的特征參數(shù)向量,u(t-τ)為階躍信號(hào)。

使用上述回波包絡(luò)模型去擬合實(shí)際檢測(cè)回波包絡(luò)上升沿,獲取其分離的時(shí)刻,以確定Tb時(shí)刻。

圖9 Tb時(shí)刻確定示意圖

如圖9所示,回波包絡(luò)上升沿分離時(shí)刻落在一個(gè)諧振周期內(nèi),則Tb時(shí)刻為該諧振周期起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的過零點(diǎn)。

獲得Tb時(shí)刻后,由Ta、Tb便可計(jì)算出超聲波飛行時(shí)間。

2 基于粒子群優(yōu)化的檢測(cè)算法

根據(jù)提出的測(cè)量模型,需要對(duì)回波包絡(luò)模型的參數(shù)向量進(jìn)行估計(jì)。目前已有許多成熟的參數(shù)估計(jì)方法,如最小二乘法、極大似然估計(jì)法等[14]。工程上使用較多的是最小二乘法,本文同樣采用該方法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。

使用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì),首先需要構(gòu)造最小二乘目標(biāo)函數(shù),然后使用粒子群優(yōu)化(PSO)算法進(jìn)行全局尋優(yōu),以獲取精確的回波包絡(luò)上升沿,進(jìn)而求取超聲波飛行時(shí)間。

2.1 構(gòu)造最小二乘法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

使用優(yōu)化算法對(duì)超聲回波包絡(luò)特征參數(shù)進(jìn)行估計(jì)時(shí),利用最小二乘法建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):

(8)

式中,x(i)為通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的回波包絡(luò)數(shù)據(jù)。本文所提方法不需要使用全部的包絡(luò)數(shù)據(jù),僅使用回波包絡(luò)上升沿部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),減小了運(yùn)算量。為減少包絡(luò)擬合受到的噪聲影響,從噪聲峰值4～5倍處開始取包絡(luò)上升沿?cái)?shù)據(jù),即i=a處,到包絡(luò)上升沿峰值點(diǎn)結(jié)束,即i=b處;s(θ(k))是第k次迭代得到的參數(shù)向量對(duì)應(yīng)的回波包絡(luò)函數(shù)。根據(jù)目標(biāo)函數(shù),求使f(θ(k))達(dá)到最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)向量θ,即可獲得回波包絡(luò)模型參數(shù)的估計(jì)結(jié)果。

2.2PSO算法基本原理

由Kennedy等人提出的粒子群優(yōu)化算法,經(jīng)過近些年來眾多研究人員和學(xué)者的研究和實(shí)踐,已經(jīng)被證明是一種有效的隨機(jī)全局優(yōu)化算法[14-15],具有概念簡單、容易實(shí)現(xiàn)、搜索速度快的優(yōu)點(diǎn),其基本原理如下:

在D維空間中有m個(gè)粒子,粒子的坐標(biāo)為Xi=(xi1,xi2,…,xiD),并具有與優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)相關(guān)的適應(yīng)度ffitness,同時(shí),每個(gè)粒子具有各自的速度Vi=(vi1,vi2,…,viD)。對(duì)于第i個(gè)粒子,其所經(jīng)歷的歷史最好位置記為Pi=(pi1,pi2,…,piD),也稱為pbest。所有粒子經(jīng)過的最好位置記為Pg=(g1,g2,…,gD),也稱為gbest。對(duì)第t代的第i個(gè)粒子,粒子群算法根據(jù)式(9),式(10)計(jì)算第t+1代的第j維的速度和位置。

vij(t+1)=wvij(t)+r1c1(pij-xij(t))+r2c2(gij-xij(t))

(9)

xij(t+1)=xij(t)+vij(t+1)

(10)

式中i=1,2,…,m,m為粒子個(gè)數(shù),r1、r2為0與1之間的隨機(jī)數(shù),w為慣性權(quán)重,c1、c2為加速度權(quán)重。此外,粒子的速度由最大速度vmax所限制,若有vij≥vmaxj,則令vij=vmaxj。

2.3 檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)

Step 1 獲取兩次脈沖激勵(lì)下的實(shí)際檢測(cè)回波數(shù)據(jù),使用希爾伯特變換獲取回波包絡(luò),確定需要進(jìn)行擬合的回波包絡(luò)上升沿區(qū)域;

Step 2 設(shè)定種群規(guī)模m,慣性權(quán)重w,加速度常數(shù)c1、c2,參數(shù)向量θ的大致論域范圍,算法結(jié)束條件等,并隨機(jī)初始化各個(gè)粒子的位置Xi和速度Vi;

Step 3 使用建立的最小二乘法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)評(píng)價(jià)各個(gè)粒子的適應(yīng)度ffitness;

Step 4 比較每個(gè)粒子的當(dāng)前適應(yīng)度ffitness與自身歷史最好位置pbest,如果當(dāng)前適應(yīng)度更優(yōu),則將其置為新的pbest;

Step 5 比較每個(gè)粒子的當(dāng)前適應(yīng)度ffitness與種群經(jīng)歷過的歷史最佳位置gbest,如果當(dāng)前適應(yīng)度更優(yōu),則將其置為新的gbest;

Step 6 根據(jù)式(9)、式(10)更新各個(gè)粒子的位置和速度;

Step 7 計(jì)算優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),如果達(dá)到結(jié)束條件,則返回當(dāng)前最佳粒子的結(jié)果;否則返回Step3。

Step 8 根據(jù)優(yōu)化得到的包絡(luò)參數(shù)向量θ1、θ2,獲取兩次回波包絡(luò)上升沿開始分離的時(shí)刻,并根據(jù)其確定對(duì)應(yīng)的過零點(diǎn)作為飛行時(shí)間測(cè)量的終點(diǎn)時(shí)刻,求得超聲波飛行時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提出測(cè)量方法的有效性和測(cè)量精度,通過與其他測(cè)量方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用以下3種測(cè)量方法:①閥值法 閥值大小由回波峰值確定,該方法使用較多[2,10],測(cè)量誤差相對(duì)穩(wěn)定;②互相關(guān)法 使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為參考波形,為了避免出現(xiàn)多個(gè)幅度相近的相關(guān)峰,使用包絡(luò)進(jìn)行互相關(guān)。雖然該方法需要存儲(chǔ)大量的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配相關(guān),實(shí)用不方便,但是其測(cè)量精度高[7,16],可以作為檢測(cè)本文方法精度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn);③本文提出的方法 其中,粒子群優(yōu)化算法的最大種群規(guī)模設(shè)置為50個(gè)個(gè)體,最大迭代次數(shù)設(shè)置為200次,參數(shù)向量θ中,A的范圍為(0.5 V,10 V),T的范圍為(90 μs,160 μs),α的范圍為(1,5),τ則視距離而變化。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定如下:空調(diào)房溫度設(shè)定為22.5 ℃,理論聲速為344.75 m/s。超聲檢測(cè)系統(tǒng)使用應(yīng)用中常見的型號(hào)為40LT16/40LR16的超聲分體收發(fā)傳感器,諧振頻率為40 kHz,使用泰克信號(hào)發(fā)生器AFG3252作為信號(hào)源,接收信號(hào)經(jīng)過增益可調(diào)信號(hào)放大模塊,由泰克示波器DPO7254進(jìn)行采集,采樣頻率為1 MHz。此外,使用XMT614測(cè)溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)分別在間隔從30 cm到100 cm的范圍內(nèi)進(jìn)行,每個(gè)距離下分別進(jìn)行多組測(cè)量求平均,并進(jìn)行相應(yīng)的誤差計(jì)算。3種方法的測(cè)量誤差和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比圖分別如圖10、圖11所示。

圖10 測(cè)量誤差對(duì)比圖

圖11 標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比圖

在圖10、圖11中,閥值法和互相關(guān)法的測(cè)量精度與文獻(xiàn)相仿[10,16],測(cè)量可信。觀察圖中數(shù)據(jù)可明顯發(fā)現(xiàn),閥值法的測(cè)量誤差較大,而且測(cè)量穩(wěn)定性不高。本文提出的方法測(cè)量誤差范圍0.013 cm～0.202 cm,標(biāo)準(zhǔn)差范圍0.004 cm～0.019 cm;互相關(guān)法測(cè)量誤差范圍0.076 cm～0.242 cm,標(biāo)準(zhǔn)差范圍0.014 cm～0.033 cm。可見,本文提出的方法,其測(cè)量精度和一致性都比互相關(guān)法有提高。而且使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的互相關(guān)法需要存儲(chǔ)大量波形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配相關(guān),實(shí)際應(yīng)用困難,因此,本文所提方法更具有實(shí)用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,本文所提方法測(cè)量精度高,測(cè)量一致性好。但是本文方法也存在一定缺陷,雖然使用包絡(luò)擬合具有一定的抗干擾能力,但是在強(qiáng)噪聲環(huán)境下,回波包絡(luò)形狀畸變嚴(yán)重,導(dǎo)致分離時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)誤判。在信噪比較低環(huán)境下應(yīng)用時(shí),本文提出方法配合濾波去噪和信號(hào)調(diào)制等技術(shù)使用可獲得較滿意的測(cè)量效果。

4 結(jié)論

本文在分析超聲波傳感器響應(yīng)模型的基礎(chǔ)上,在雙脈沖激勵(lì)條件下,使用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行回波包絡(luò)上升沿?cái)M合。其基本思想是檢測(cè)回波包絡(luò)上升沿分離時(shí)刻,從而確定與激勵(lì)停止時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的超聲波飛行時(shí)間測(cè)量終點(diǎn)時(shí)刻。該方法綜合使用了回波上升沿的變化趨勢(shì)信息,避免使用難于確定且易受噪聲干擾的回波到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行測(cè)量,能夠更精確地測(cè)量超聲波飛行時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明,本文提出的方法具有較高的測(cè)量精度和一致性。

進(jìn)一步研究將針對(duì)本文提出測(cè)量方法的不足,在普適環(huán)境下,研究其精度和穩(wěn)定性,提高其性能表現(xiàn)。

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賴國強(qiáng)(1989-),男,廣東茂名人,重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,碩士研究生,主要研究方向:超聲信號(hào)處理、智能感知與監(jiān)測(cè),lgqcqdx@163.com;

石為人(1948-),男,重慶人,重慶大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樾畔⒖刂婆c智能系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、普適計(jì)算等,wrs@cqu.edu.cn。

AMeasurementMethodBasedonFittingtheRisingEdgeofEchoEnvelopeforUltrasonicTime-of-Flight*

LAIGuoqiang,SHIWeiren*,XIONGQingyu,SHENXuehua

(College of Automation,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

Ultrasonic time-of-flight is one of the crucial factors in the applications of ultrasonic testing technology.To meet the requirement of high-precision measurement of time-of-flight,a method based on fitting the rising edge of echo envelope was proposed,on the basis of analyzing the response model of ultrasonic sensor.In dual excitation conditions,the stop time of excitation signal with less number of cycles was used as the measurement starting point of time-of-flight.Then,the cycle where the separation time of these two rising edge located was determined,through using the Particle Swarm Optimization algorithm to fit the rising edge of echo envelope.And finally,the measurement ending point of time-of-flight was accurately determined.From the comparative experiments with Threshold method and Cross-correlation method,it was indicate that the proposed method has higher measurement accuracy and practicability.

ultrasonic;envelope fitting;particle swarm optimization;rising edge;time-of-flight

項(xiàng)目來源:國家“973”項(xiàng)目(2013CB328903)

2014-05-04修改日期:2014-06-11

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.013

TP212

:A

:1004-1699(2014)07-0922-06