詹 戈

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實驗站，新疆 烏魯木齊 830000)

超聲波憑借其良好的定向性、較強的穿透性和抗腐蝕能力，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，例如超聲波測距、超聲波無損檢測和超聲波流量計等[1]。超聲波信號從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌鞯臅r間定義為飛行時間(TOF)。TOF包含很多信息，例如TOF反映了距離測量和超聲波流量計中的距離和流量信息等等[2]。因此，準(zhǔn)確確定超聲TOF是超聲應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。

據(jù)我們所知，超聲波流量計應(yīng)用中的TOF測定方法通常可分為三類。

第一類包括閾值檢測方法[3]。例如動態(tài)閾值方法、雙閾值方法和可變比率閾值方法均被開發(fā)用于確定TOF。這些閾值方法是最簡單的方法。但是，它們?nèi)菀资艿皆肼暤母蓴_。此外，這些用于TOF檢測的方法是基于超聲信號上升沿的幅度特性。因此，它們的性能會受到波形變化的影響[3]。

第二類包含各種相關(guān)方法。這些方法首先應(yīng)用于雷達領(lǐng)域，然后在1981年引入TOF測定。基本的相關(guān)方法計算兩個接收信號之間的相關(guān)函數(shù)，然后產(chǎn)生一個最大峰值，其中時移映射到兩個信號之間的時間差。后來，提出了更好的相關(guān)方法，例如基于調(diào)頻激勵的互相關(guān)、相位相關(guān)方法和正弦擬合技術(shù)的互相關(guān)等方法，將其應(yīng)用于TOF確定[4]。與閾值方法相比，相關(guān)方法受噪聲的影響較小，但其準(zhǔn)確性仍然受到采樣率的限制。相關(guān)方法的另一個缺點是難以根據(jù)不同的應(yīng)用條件實時更新參考波，從而導(dǎo)致TOF出現(xiàn)偏差檢測。

第三類包括基于波形擬合的TOF估計方法。在這些方法中，首先選擇合理的超聲接收信號經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，然后采用有效算法對接收到的超聲信號進行擬合以獲取TOF[5]。這些方法不僅提供了很高的測量精度，而且還提供了強大的抗干擾能力。然而，他們需要大量的計算，這需要高成本的數(shù)字信號處理，并降低了實時性能。

因此，本文在前人的基礎(chǔ)上，提出了一種基于超聲波信號起伏的簡便易行的飛行時間確定方法。此方法包括兩部分，即尋找超聲信號開始檢測(USO)的大致位置以及在多個獲得的時間值中確定TOF。在第一步中，將接收到的信號分為多個段，并且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化頻率和能量的倍數(shù)將每個段識別為超聲信號或噪聲信號。通過分析分類結(jié)果，可以確定USO的大致位置。在第二步中，可以根據(jù)USO與所獲得的零交叉時間值之間的關(guān)系，選擇固定的零交叉時間值作為TOF。由于在分類過程中僅使用每個段內(nèi)的信息，因此該方法對波形變化不敏感。

這項研究提出的新方法與以前建立的方法之間的不同之處在于，新提出的方法的檢測到的TOF僅依賴于當(dāng)前測量中對超聲信號的分析，而不是依賴于先前方法的兩次連續(xù)測量中的信號，且性能將不受兩次測量之間波形相似度的限制，易于實現(xiàn)和適用于嵌入式系統(tǒng)等優(yōu)勢。

1 研究方法原理

1.1 超聲信號開始檢測位置(USO)檢測原理

接收到的超聲信號可以描述為：

s=A(its)sin[2πf(its-τ)+θ]

(1)

(2)

式中：s為接收信號；A0為信號幅度；T和m分別為與特定超聲波傳感器相關(guān)的參數(shù)，容易受到溫度的影響；τ為USO的時間；ts為采樣周期；i為采樣點序列號；f為由超聲波傳感器確定的中心頻率；u(its-τ)為單位階躍信號；θ是初始相位，始終設(shè)置為零。

可以看出，超聲信號由一系列正弦信號組成。因此，超聲信號在頻率和能量方面與噪聲信號不同。圖1示出了液體超聲波流量計中的接收信號的示意圖。可以根據(jù)正零交叉信號將信號分為幾部分(接收信號的幅度從負(fù)變?yōu)檎?。通過分析每個段內(nèi)部的頻率和能量，可以將每個段標(biāo)識為超聲信號的一部分或噪聲信號的一部分。一旦將超聲部分和噪聲部分區(qū)分開，就可以找到USO的大致位置。結(jié)合正零交叉點和USO之間的關(guān)系，可以選擇固定的正零交叉點作為TOF，從而避免了循環(huán)跳躍問題。這里，S1到S10是段1到段10的縮寫，紅色五角星表示USO。

圖1 液體超聲波流量計中接收信號的示意圖

為了便于計算，頻率以信號段中的點數(shù)為特征，能量以信號段中的幅度平方的平均值為特征。等式(3)和等式(4)是分別在頻率和能量歸一化中使用的兩個變換函數(shù)，以便將特征映射到0和1的間隔。

(3)

式中：n為信號段中離散點的數(shù)量，f與公式中的含義相同；fs為采樣頻率，α是移位因子，運算符[]表示將數(shù)字四舍五入到最接近的整數(shù)。

f2=1-e-β*E

(4)

式中：β是比例因子，在分離超聲信號和噪聲信號的分類結(jié)果中起著重要作用，E是信號段中的能量。對于具有n個離散采樣點的信號段，E的計算公式為：

(5)

式中：vk表示第k個離散采樣點的電壓。頻率和能量歸一化的示意圖分別如圖2和圖3所示。信號段屬于超聲信號的概率定義如下：

圖2 頻率歸一化示意圖

圖3 超聲信號和噪聲的分類結(jié)果

out=f1×f2

(6)

值得一提的是，α，β，L1，L2和L的最佳值需要根據(jù)實際應(yīng)用確定。有關(guān)選擇這些參數(shù)的一些建議如下[6]：

將α設(shè)置為0.2×[fs/f]，以使超聲信號的f1輸出等于1；這是因為根據(jù)我們的經(jīng)驗，在不同的工作條件下，超聲信號的頻率可能會偏離中心頻率約10%。

收集一條噪聲信號，并根據(jù)等式(5)計算其平均能量。然后，先將β設(shè)置為較大的值，然后逐漸減小為合理的值，使f2的輸出低于0.5。

收集一條信號，其中第一部分是噪聲信號，第二部分是超聲信號。將信號劃分為多個段，然后根據(jù)等式(6)計算每個段的輸出：在值<0.5的區(qū)域中，找到最大值(Nmax)并將L2設(shè)置為(Nmax+0.1)；在值>0.5的區(qū)域中，找到最小值(Nmin)并將L1設(shè)置為(Nmin-0.1)。

將參數(shù)L設(shè)置為L1和L2的平均值，USO粗略檢測步驟可總結(jié)如下：(1)根據(jù)正零交叉點將接收到的信號分成幾段，如圖1所示。(2)實施分類過程。即根據(jù)等式計算每個段的最終計算結(jié)果。并確定其信號類別。(3)將計算結(jié)果首先超過L的線段中的第一個采樣點視為USO。

1.2 準(zhǔn)確的TOF確定

由于檢測到的USO位置很粗糙，因此無法準(zhǔn)確表征TOF。因此，在該方法中引入了多重過零技術(shù)[7]。該技術(shù)的本質(zhì)是對雙閾值方法的改進。雙閾值方法的主要問題是閾值電壓與接收信號的第一交點會根據(jù)波形的形狀來回移動，而在以雙閾值法將交點用作TOF后，交點的不規(guī)則變化會導(dǎo)致TOF檢測的不確定性。為了解決交點不規(guī)則運動引起的問題，提出了一種多零交叉技術(shù)。多重零交叉技術(shù)首先將獲得的USO作為參考，以確認(rèn)時間值與零交叉之間的對應(yīng)關(guān)系。其次選擇一個可以在各種條件下測量的固定的過零時間正值作為TOF。通過所提出的方法可以消除由波形變化引起的周期跳躍問題。該技術(shù)的另一個巨大優(yōu)勢是這些零交叉點的時間值是通過硬件實現(xiàn)的。因此，一旦正確檢測到粗略的USO，所提出的方法就能夠獲得準(zhǔn)確的TOF，而無需進行大量復(fù)雜的計算。

1.3 數(shù)值測試

為了評估所提出方法的性能進行了數(shù)值測試。測試分為兩個部分。第一部分比較了雙閾值方法、相關(guān)方法、基于相似度的方法以及信息準(zhǔn)則(AIC)方法和TOF檢測性能。所有數(shù)值測試都是使用MATLAB軟件進行。表1為實驗接收到的信號的參數(shù)值。采樣頻率設(shè)置為超聲信號中心頻率的10倍。

表1 實驗接受信號參數(shù)值

測試結(jié)果顯示所提出的方法都可以正確檢測TOF。提出的方法能夠準(zhǔn)確檢測TOF的前提在于對USO的正確識別。一方面，在分類過程中僅使用片段內(nèi)部的信息，這使得分類結(jié)果獨立于片段外部的信號。另一方面，通過在分析中引入頻率，可以抑制噪聲對USO檢測的影響。

2 實驗驗證

通過實驗進行驗證所提出方法在波形變化時的TOF檢測性能。由于超聲波信號的形狀與溫度高度相關(guān)，因此使用介質(zhì)為水的液體超聲波流量計在不同溫度下進行了測試。傳感器的中心頻率為1 MHz，所需的測量周期為5 ms?？紤]到AIC方法花費的時間太長，無法滿足流量計的實時要求，因此在實驗驗證中僅比較了其他三種方法。在10°處接收的信號被用作相關(guān)方法中的參考。在雙閾值方法中，閾值電壓也設(shè)置為接收信號最大電壓的0.4倍。液體超聲波流量計安裝在流量校準(zhǔn)裝置上，流量計的操作由嵌入式電路板控制?；谙嗨贫鹊姆椒ê退岢龅姆椒?，使用采樣數(shù)據(jù)的Matlab 軟件實現(xiàn)了相關(guān)方法。

實驗結(jié)果如圖2所示。

圖3得到了在新提出的方法中USO檢測中的超聲信號和噪聲的分類結(jié)果。可以看出，噪聲計算結(jié)果均低于0.6，超聲信號計算結(jié)果均高于0.8。因此可以容易地區(qū)分超聲波信號和噪聲信號，這保證了新提出的TOF檢測方法的成功。

3 結(jié)語

本研究在前人的基礎(chǔ)上，借助實驗和Matlab軟件工具，提出了一種簡便易行的TOF確定方法，用來解決液體超聲波流量計波形變化引起的周期跳變問題。該方法包括USO檢測部分和TOF確定部分。在第一部分中，根據(jù)零交叉將接收到的信號劃分為多個段，并且根據(jù)每個段內(nèi)部的歸一化能量和歸一化頻率的乘積將這些段標(biāo)識為超聲信號或噪聲信號。首先將計算結(jié)果首先躍升到閾值L以上的分段中的第一個采樣點識別為粗略USO。在第二部分中，根據(jù)USO與所需零交叉之間的關(guān)系，將固定零交叉的時間值選擇為TOF。由于在信號分類過程中僅使用每個段內(nèi)部的信息，因此在所提出的方法中可以發(fā)現(xiàn)諸如對波形變化的高靈敏度和對噪聲的抗干擾能力強的優(yōu)點。由于USO檢測的計算更簡單，并且不需要在TOF確定中進行大量計算，因此該方法還提供了很少的計算負(fù)擔(dān)。將該方法與相關(guān)方法、閾值方法、基于相似度的方法和AIC方法進行了數(shù)值測試，并將前三種方法進行了實驗比較。數(shù)值測試結(jié)果表明，該方法不僅可以保證TOF檢測的準(zhǔn)確性，而且可以減輕計算量。實驗驗證的結(jié)果表明，所提出的方法能夠獲得準(zhǔn)確的TOF，而與實際應(yīng)用中的波形變化無關(guān)。