本發(fā)明專利技術公開一種超聲波抗噪檢測方法和系統(tǒng)，首先對多次測量得到超聲波信號進用廣義時頻域平均分析，獲得其時頻分析圖。其次識別時頻圖中能量中心所對應的時間和頻率。最后在能量中心所對應頻率處沿著時間軸切片，得到所檢測的超聲波信號。本發(fā)明專利技術采用廣義時頻域平均技術，可以克服超聲波檢測裝置在速度場分布的安裝效應、管道制造工藝、超聲在氣體中的能量衰減、聲速/流速比值較小所帶來的傳播路徑偏轉(zhuǎn)、氣體壓力波動導致的信道增益變動、氣體調(diào)壓裝置引起的聲學干擾等，是超聲波的檢測精度更高。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術屬于超聲波信號檢測領域，具體涉及一種超聲波抗噪檢測方法和系統(tǒng)。
技術介紹
超聲波具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波可在各種不同媒體中傳播，并與傳播媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關超聲波傳播的媒質(zhì)狀態(tài)信息。作為信息載體及能量形式，超聲波技術與其他電子技術、光學技術等結(jié)合已廣泛得到應用，并迅速發(fā)展。近年來，基于超聲波的各種應用由于其安全性、魯棒性和滿意的精度使其在超聲流量測量、距離/壁厚測量以及超聲無損檢測等領域得到廣泛應用。目前，多數(shù)超聲波應用都是基于估計超聲波在媒介中的傳輸時間(TimeofArrival, T0A)或者飛行時間(Time of Flight, T0F)。然而，上述應用中的超聲回波信號由于受噪聲或其他信號干擾，造成幅值或波形失真等等問題。超聲波信號本身則表現(xiàn)出很強的非平穩(wěn)、非線性特點。以上因素往往給T0A/T0F檢測帶來困難，最終導致超聲波應用無法實現(xiàn)。到目前為止，已有多種信號處理技術被應用到超聲波應用當中，比如互相關方法、匹配追蹤、Kalman濾波、基于模型的估計方法、小波變換和經(jīng)驗模式分解等。然而信號中的噪聲及其他干擾成分也是導致上述這些技術不能很好檢測超聲波的主要因素。非平穩(wěn)信號的瞬時頻率和能量一般隨時間變化，時頻分析的主要目的就是研究信號成分的瞬時頻率及其幅值/能量的時變情況。各種時頻分析技術可同時提供了信號的時域、頻域的信息，但是不同的時頻分析方法具有不同的時頻分辨率和能量集中性。時頻分析技術很好地檢測信號中各種特征，但卻無法區(qū)分有用與無用的信息。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種超聲波抗噪檢測方法和系統(tǒng)，通過對多次測量的超聲波信號，進行廣義時頻域平均處理，消除信號中噪聲等各種干擾的影響，獲得有效、可靠地超聲波信號。為解決上述問題，本專利技術是通過以下方案實現(xiàn)的一種超聲波抗噪檢測方法，包括如下步驟(I)設定采樣頻率和采樣點數(shù)，記錄下多次測量的超聲波數(shù)據(jù)；(2)分別對多次測量的超聲波數(shù)據(jù)進行時頻變換；(3)將多次測量的超聲波數(shù)據(jù)的時頻變換結(jié)果進行疊加平均，得到時頻信息矩陣，并根據(jù)時頻信息矩陣生成廣義時頻域平均圖；(4)利用極值尋找方法，搜索廣義時頻域平均圖的能量中心所對應的時間和頻率信息；(5)在能量中心的最大頻率點，沿著時間軸切片，得到最大頻率處即為所檢測的超聲波信號。上述步驟(I)中，采樣的超聲波數(shù)據(jù)需依次經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟和預濾波步驟之后，才被記錄下。上述步驟(2)所述時頻變換選用線性、二次和/或自適應時頻變換方法。一種超聲波抗噪檢測系統(tǒng)，包括如下單元記錄單元，根據(jù)設定的采樣頻率和采樣點數(shù)，記錄下超聲波接收器多次測量的超聲波數(shù)據(jù)；·時頻變換單元，分別對多次測量的超聲波數(shù)據(jù)進行時頻變換；廣義時頻域平均單元，將多次測量的超聲波數(shù)據(jù)的時頻變換結(jié)果進行疊加平均，得到時頻信息矩陣，并根據(jù)時頻信息矩陣生成廣義時頻域平均圖；極值查找單元，利用極值尋找方法，搜索廣義時頻域平均圖的能量中心所對應的時間和頻率信息；信號確定單元，在能量中心的最大頻率點，沿著時間軸切片，得到最大頻率處即為所檢測的超聲波信號。上述超聲波抗噪檢測系統(tǒng)還進一步包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和預濾波單元，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對采樣的超聲波數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，預濾波單元對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行預濾波后送入記錄單元進行記錄。上述方案中，所述時頻變換單元選用線性、二次和/或自適應時頻變換方法對多次測量的超聲波信號進行時頻變換。本專利技術基于廣義時頻域平均技術實現(xiàn)超聲波信號檢測。第一步對多次測量得到超聲波信號進用廣義時頻域平均分析，獲得其時頻分析圖。第二步識別時頻圖中能量中心所對應的時間和頻率。當在此頻率處沿著時間軸切片，得到所檢測的超聲波信號。與現(xiàn)有技術相比，本專利技術具有如下特點I、本專利技術可以克服超聲波檢測裝置在速度場分布的安裝效應、管道制造工藝、超聲在氣體中的能量衰減、聲速/流速比值較小所帶來的傳播路徑偏轉(zhuǎn)、氣體壓力波動導致的信道增益變動、氣體調(diào)壓裝置引起的聲學干擾等；2、本專利技術所檢測的超聲波時間精度高；3、本專利技術可為超聲流量計、超聲波診斷儀等不同種類的超聲波應用裝置使用，因此，具有的廣泛推廣應用價值。附圖說明圖I為本專利技術在超聲波氣體流速測量系統(tǒng)中的安裝示意圖。圖2為采用SPWV、CffT和HHT時的廣義時頻域平均技術與超聲波峰值檢測示意圖(此示意圖只表示同種時頻分析的平均技術)。圖3 (a) - (d)為超聲波信號在不同工況下進行時域平均分析結(jié)果。圖4 (al)- (Cl)在P=Opsig時超聲波信號進行廣義時頻域平均分析結(jié)果，即廣義時頻域平均圖。圖4 (a2)- (c2)在P=Opsig時超聲波信號峰值切片圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本專利技術具在超聲流量計中的實施例的內(nèi)容作進一步詳細說明超聲波流量檢測技術是近年來在儀器監(jiān)測、控制與測量領域發(fā)展最快的技術之一。超聲流量計分為氣體與液體兩大領域類型，兩者的基本原理相同，均利用超聲波分別在流動與靜 止的介質(zhì)中傳播時，相對于固定坐標系統(tǒng)(如儀表殼體)，其傳播速度是有差異的，傳播速度的變化量與介質(zhì)流速有關。由此可以根據(jù)超聲波傳播速度的變化求出介質(zhì)流速，在已知流動橫截面積的前提下進而求出流量。然而，由于氣體流量計量中客觀存在的各種不利因素，包括速度場分布的安裝效應、管道制造工藝、超聲在氣體中的能量衰減、聲速/流速比值較小所帶來的傳播路徑偏轉(zhuǎn)、氣體壓力波動導致的信道增益變動、氣體調(diào)壓裝置引起的聲學干擾等，使得超聲波氣體流量檢測相比液體要異常困難。本實施例采用廣義時頻域平均對超聲流量計中的超聲波進行檢測。本實施例外部超聲波信號的采集采用夾裝式(clamp-on)超聲波氣體流量檢測系統(tǒng)，其安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。一對超聲發(fā)生器和超聲波接收器面對面夾裝在直徑為6英寸(約152.4mm)的管道上。當超聲波發(fā)送器A由單脈沖觸發(fā)時會激發(fā)出一定頻率的幅值逐漸先增大后減小的振蕩超聲波，該超聲波穿透管道后由超聲波接收器B接收。雖然，大量實驗證明500kHz共振頻率能減小噪聲的干擾及信號損失。但是由于是夾裝式以及氣體流量測量的固有影響因素，使得接收到的信號仍存在信噪比低、波形失真等問題。特別是在氣體壓力較低(比如Opsig, lpsi=6. 89kPa,這里psig為表壓,Opsig表示內(nèi)外壓力相等，也即Iatm或者O. IMPa)且流速較快時信號干擾問題更為嚴重，這對傳統(tǒng)的超聲波檢測方法帶來極大的挑戰(zhàn)。氣流速度與管道中氣體壓力P分別由伺服電機頻率(Motor Frequency, MF)和流量調(diào)節(jié)閥來控制。MF數(shù)值越大相應系統(tǒng)中氣體流速越快，本實施例中伺服電機頻率為60Hz(相應流速約為121. 6ft/s或者37. 06m/s)。另外，氣體的溫度變化會對測量信號帶來影響，因此測試裝置配備冷卻系統(tǒng)可使溫度保持在80 T (約26. 7V)左右。計算機中的超聲波抗噪檢測系統(tǒng)根據(jù)如下步驟對超聲波接收器采集到的信號進行處理，即本實施所述超聲波抗噪檢測方法如圖2所示。(I)設定采樣頻率和采樣點數(shù)，記錄下多次測量的超聲波數(shù)據(jù)。在本實施例中，設定采樣頻率為20MHz，采樣點數(shù)為2048個點。(2)分別對多次測量的超聲波數(shù)據(jù)進行時頻變換。在本專利技術中，對超聲波信號進行時頻本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
一種超聲波抗噪檢測方法，其特征是包括如下步驟：（1）設定采樣頻率和采樣點數(shù)，記錄下多次測量的超聲波數(shù)據(jù)；（2）分別對多次測量的超聲波數(shù)據(jù)進行時頻變換；（3）將多次測量的超聲波數(shù)據(jù)的時頻變換結(jié)果進行疊加平均，得到時頻信息矩陣，并根據(jù)時頻信息矩陣生成廣義時頻域平均圖；（4）利用極值尋找方法，搜索廣義時頻域平均圖的能量中心所對應的時間和頻率信息；（5）在能量中心的最大頻率點，沿著時間軸切片，得到最大頻率處即為所檢測的超聲波信號。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王衍學，向家偉，蔣占四，韓海媚，
申請(專利權)人：桂林電子科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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