基于靜態峰值分布的超聲波回波信號檢測方法研究

馮倫宇，張志君，李躍忠,2，葛城軒

(1.東華理工大學機械與電子工程學院，江西 南昌 330013; 2.江西省新能源工藝與工程技術研究中心，江西 南昌 330013)

0 引 言

氣體超聲波流量計具有量程比大、計量精度高、無壓損等優點被廣泛使用[1-2]。超聲流量計通過檢測流體流動對超聲波傳播的作用實現對流體流量的測量，檢測方法主要有傳播速度差法、多普勒法、相關法、波束偏移法以及噪聲法等。目前，國內外的氣體超聲流量計大多基于時差法，屬于傳播速度差法的一種，通過檢測超聲波在順、逆流方向上的傳播時間，計算得到流體流速以及流量，其原理簡單、測量精度高、穩定性好，適合于氣體流量的測量[3]。

超聲波傳播時間的測量是時差法測量的核心，流量計量的準確性在于回波信號的定位準確。然而超聲波信號在管道內隨著測量介質傳播，受到溫度、壓力和流速的影響[4]。尤其當流速變化大時，回波信號幅值衰減嚴重，會造成特征點定位錯誤，從而嚴重影響傳播時間和流量測量精度[5-8]，這對超聲波氣體流量計的信號處理提出了挑戰。實現時差法首先需要找到特征點，然后根據特征點計算傳播時間[9]。根據這一原則，對不同的方案進行了研究。

第一種方案是基于固定閾值法改進的自適應閾值法[10-11]。在不同流量下采集的峰值歸一化后基本集中，取峰值水平間隔最大的中間點作為初始閾值。當超聲回波信號歸一化的值大于這個值時，此時的這個點被認為是特征點，然后計算超聲波傳播時間。然而管道的噪聲污染、信號漂移、換能器的老化等因素會引起接收到的超聲回波信號的振幅變化較大[12-13]。一旦超聲回波信號的振幅出現波動，使用固定閾值法會計算出錯誤的超聲波回波信號到達時間。第二種方案是回波信號包絡擬合法[14-15]。對不同流量下回波信號包絡進行研究發現，回波信號包絡的輪廓基本保持不變，只是隨著流量增大包絡沿X軸近似平移。根據回波信號包絡進行最小二乘擬合得到特征直線計算特征點，在流速變化較大時也可以準確定位特征點，但該方法數據的計算量較大。第三種方案是互相關法[16-17]。對兩組超聲回波信號進行互相關處理，得到兩組超聲回波信號來計算傳播時間。這種方法可以克服當超聲回波信號的形狀發生畸變時計算傳播時間，在一定程度上降低了噪聲污染的影響。但壓力、密度和流量的變化將會極大影響超聲回波信號。特別是當超聲波氣體流速變大時，回波信號的質量變差，信號的包絡線超聲回波信號失真，從而限制了其流量測量范圍。

針對上述問題，本文提出了基于靜態峰值分布的超聲波回波信號檢測處理方法。在靜態條件下對超聲波回波信號進行歸一化處理，選取上升階段中的2、3、4、5號波峰建立峰值分布參考模型，在流量測量時，對回波信號進行歸一化后，通過閾值比較法初步確定峰值對應關系，再計算此時峰值參考模型各部分的偏差，并得到參考模型的總偏差，根據總偏差確定回波信號的參考波峰。該方法克服了超聲波回波信號衰減與波動造成的回波信號參考點的定位錯誤的問題，提高了高速流量下流量計的抗干擾能力，并基于MSP430微控制器研制了雙聲道氣體超聲波流量計實驗樣機，在負壓法臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置進行檢定，檢定結果滿足1級精度等級，驗證了信號處理方法和氣體超聲波流量計系統的有效性。

1 超聲波回波信號歸一化處理

為了準確進行回波信號的定位，首先采集靜態下超聲波回波信號，通過使用包含編程增益放大器(PGA)和高速 12 位 8 MS/s Σ-ΔADC (SDHS)的微控制器進行信號采集。超聲波換能器中心頻率為200 kHz，回波信號的峰峰值只有20 mV，需要通過編程增益放大器 (PGA)進行放大和加偏置，將回波信號峰峰值放大至1.2 V左右，ADC 連續采集 2 048點回波信號數據（采樣頻率為8 MHz，即一個周期采集 25個點）。完成數據采集后，通過串口將回波信號數據上傳給上位機完成數據保存，數據經過處理后如圖1所示。回波信號的峰值先逐漸增大，后逐漸減小，在最大峰值附近幾個峰值極為相近，受聲學以及電學噪聲的影響，最大峰值點的位置可能會發生改變，容易造成最高峰識別錯誤。本文首先采集超聲波回波信號峰值，但是信號的幅值容易受到外界干擾，最高峰可能出現偏移，因此將不同流量點下的超聲波回波信號進行歸一化處理。提取回波信號上升段的峰值，除以最高波峰的幅值，得到各個波峰歸一化幅值。各個波峰歸一化幅值數據按從小到大順序排列，并繪制在同一坐標系上，得到順、逆流方向不同流量時各峰值的歸一化幅值，如圖2和圖3所示。

圖1 超聲波回波信號采樣點圖

圖2 順流不同流量點歸一化幅值

圖3 逆流不同流量點歸一化幅值

從圖2、圖3中可以看出，在流量為0時，順流回波信號的各歸一化幅值分別為0.05、0.20、0.37、0.58、0.79、0.90、1，逆流回波信號的各歸一化幅值分別為 0.06、0.22、0.40、0.59、0.81、0.92、1。

零流量時，順、逆流歸一化幅值基本一致。當流量增加時，受到流場以及聲學、電學噪聲干擾，回波信號歸一化幅值出現波動，影響信號的定位，對流量的測量造成影響。

2 靜態峰值分布參考波峰提取

在對回波信號中峰值歸一化分析后發現，零流量時，順、逆流歸一化幅值基本一致。因此本文提出了基于靜態條件下超聲波回波信號峰值分布提取方法。

以靜態條件下提取出峰值歸一化幅值數據作為參考信號，通過對比有流量時，歸一化幅值數據受到干擾會有所波動，其中2、3、4、5波峰的幅值數據波動較大。因此以回波信號歸一化幅值變化較大的逆流方向為例，做出2、3、4、5峰靜態歸一化峰值分布示意圖，如圖4所示。

圖4 靜態歸一化峰值分布圖

用線分別畫出第2、3、4、5號波峰的靜態下流量時的歸一化幅值水平。從圖4中可以看出隨著流量的增大，各個波峰歸一化幅值數據波動也越大。

3 靜態峰值參考峰識別及誤差分析

通過分析前文提取的靜態峰值參考波，本文提出了基于靜態峰值分布的回波信號參考波峰識別方法，以靜態時回波信號峰值的歸一化幅值分布為參考模型，從回波信號中提取參考波峰。由于歸一化幅值受到干擾后會波動，幅值之間的間距可能過小，導致幅值分布關系容易受干擾，因此本文選用中間部分的2、3、4、5號波峰建立回波信號的歸一化峰值分布參考模型。假定參考模型中的歸一化峰值分別為VREF2、VREF3、VREF4、VREF5，那么針對上述測試實驗中氣體流量測量系統的歸一化峰值參考模型應為

在流量測量時，回波信號歸一化后的上升段波峰（最大波峰之前的7個波峰）分別定義為VP1、VP2、VP3、VP4、VP5、VP6、VP7。由于干擾以及流體流動的影響，回波信號的峰值位置可能發生改變，因此需要通過閾值比較的方法，先預判回波信號峰值的對應關系。設定閾值：

通過閾值比較法初步確定峰值對應關系，依據靜態峰值分布模型進一步確定參考波峰，其具體過程如下：

1）依次將VREF_T與歸一化峰值比較，得到VREF_T在VP1～VP7之間的具體位置，即

其中i為當前回波中的峰值序號，那么歸一化峰值的對應關系為

2）根據歸一化峰值的對應關系，計算此時峰值參考模型各部分的偏差分別為

參考模型的總偏差為

根據總誤差最小的VREF4與VP(i)的對應關系即可確認參考波峰的位置。當選定系統中VREF4為靜態時的參考波峰，那么此時VREF4對應的VP(i)就是當前回波信號中的參考波峰。

本文采用兩個超聲波傳播聲道對流量進行檢測，可減小流速分布問題對測量精度的影響。雙聲道氣體超聲流量計將兩個聲道按照一定方式合理地布置在測量管段內不同的流層位置，各聲道分別反映不同流層的氣體流速情況，通過對各聲道的流速測量結果進行加權求和，最終計算出管道內氣體的流速以及流量。多聲道的布置大多采用弦向聲道，弦向聲道布置如圖5所示。

圖5 雙聲道布置示意圖

為了驗證采用靜態峰值分布模型確定參考波峰的可行性，本文通過對另一聲道上不同流量點順、逆流方向回波信號的歸一化幅值做上述的總偏差計算，可以得到不同對應關系下的總偏差，如圖6和圖7所示，圖中分別表示與上個錯位總偏差、當前位置的總偏差和下個錯位總偏差。

圖6 順流不同峰值偏差對應關系

圖7 逆流不同峰值偏差對應關系

為了更直觀地對比錯位峰值關系對總偏差的影響，僅選取總偏差在零附近的部分數據，并將峰值向上錯位的總偏差取為負值，向下錯位的總偏差取為正值。從圖中可以看出，在流量測量范圍內，峰值分布總偏差可以將不同峰值分布明顯區分開來，并有且只有一個峰值分布符合總偏差S2REF最小。因此，當設定了固定的參考波峰與參考點后，就可以依據總偏差S2REF從歸一化的峰值之中準確找到該參考波峰，繼而確定參考點的位置。

通過靜態峰值分布的參考波峰識別方法，有效地避免了回波信號衰減與波動造成的回波信號參考點的定位錯誤。該方法是基于回波信號峰值的歸一化分布模型得到的，即在同一個系統中無論回波信號幅值如何變化，歸一化后的各峰值均只在靜態峰值水平上波動。

4 靜態峰值分布算法的系統實現

4.1 系統概述

為了實現這種信號處理方法，本文研制了基于MSP430的低功耗處理系統。采用了TI公司的MSP芯片MSP430FR6047，主要負責測量過程的控制、對發射換能器的激勵以及對接收信號的高頻采樣及處理。系統的基本硬件如圖8所示。

圖8 系統的基本硬件

在接收到外部時鐘芯片的定時中斷信號后，開始超聲波傳播時間測量前的初始化等準備工作，包括對激勵信號的產生、ADC啟動的定時控制等。初始化完成后，根據當前需要測量的聲道與方向，切換發射與接收通道。等待切換的通道穩定后，由激勵信號脈沖發生器產生超聲波激勵信號，通過激勵驅動電路后作用在發射換能器上。一段時間后，超聲波到達接收換能器，并產生超聲波回波信號，超聲波回波信號經信號調理電路后進入超聲波感測模塊內。超聲波感測模塊通過ADC對回波信號進行高速采集并存儲，以待信號與數據的處理。最后利用本文中的超聲波回波信號檢測方法處理已采樣數據，最終得到超聲波的傳播時間。重復上述測量過程，依次可以得到雙聲道中4個傳播通道的傳播時間，利用測得的4個傳播時間計算出兩個聲道的線平均流速，再計算得到氣體流量值，最后通過濾波算法處理得到最終的流量值，通過微控制器將流量信息通過脈沖的形式輸出，并且通過串口將流量信息上傳至上位機。

4.2 系統軟件設計

基于靜態峰值分布的參考波峰識別是指將所測回波峰值的歸一化幅值分布模型與靜態下回波峰值的歸一化幅值分布模型進行對比分析，從而確定回波信號中參考波峰以及參考點的位置。超聲波回波信號的峰值檢測程序結構如圖9所示。

圖9 峰值檢測程序流程圖

采用總偏差評估回波信號峰值分布模型的匹配程度，通過計算不同峰值對應關系時的分布模型總偏差，找到與靜態峰值分布總偏差最小的峰值對應關系，即可得到回波信號中的參考波峰以及參考點的位置。

5 實驗結果

本課題組實驗室采用負壓法臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置，其檢定范圍為0.5～300 m3/h，不確定等級為0.3級，實驗平臺如圖10所示。

圖10 實驗平臺

本文DN50雙聲道氣體超聲流量計的測量范圍初步設定為 1～180 m3/h。按照 JJG 1030—2007《超聲波流量計檢定規程》[11]內要求的qmin、qt、0.4qmax和qmax流量點，還增加了 4qmin、0.2qmax、1.2qmax等流量點進行流量檢定實驗，其中qt為臨界流量，一般取為0.1qmax。對于本文DN50口徑的氣體超聲流量計，當流量大于或等于18 m3/h時，最大允許誤差為±1%，重復性小于0.2%；當流量小于18 m3/h時，最大允許誤差為±2%，重復性小于0.2%。

參考波峰法、普通閾值法的氣體超聲波流量計校準結果如表1、表2所示。根據表1的檢定結果可以得到，使用新閾值法的流量計高區示值誤差為0.35%，重復性為0.048%；低區示值誤差為0.52%，重復性為0.141%。從流量檢定實驗結果可以看出，本文設計的采用參考波峰法的雙聲道氣體超聲流量計滿足1.0級精確度等級，并且測量結果優于采用普通閾值法的超聲波流量計的測量結果，拓寬了DN50口徑氣體超聲波流量計的測量范圍。

表1 參考波峰法的氣體超聲波流量計校準結果

表2 普通閾值法的氣體超聲波流量計校準結果

6 結束語

針對常用方法難以找到合適的特征點來計算超聲波傳播時間，本文對超聲波回波特征進行了分析，得到了歸一化后超聲回波信號形狀相似的特點，提出了基于靜態峰值分布的超聲波回波信號的檢測處理方法，克服了超聲波回波信號衰減與波動造成的回波信號參考點的定位錯誤問題，并提高了高速流量下流量計的抗干擾能力。該方法的計算量較小，適合在低功耗MSP430芯片上實時實現。此外，該方法是基于回波信號峰值的歸一化分布模型得到的，即在同一個系統中無論回波信號幅值如何變化，歸一化后的各峰值均只在靜態峰值水平上波動，可以保證超聲傳播時間的計算精度，擴大了超聲波氣體流量計的測量范圍。在以MSP430微控制器為核心的數字信號處理單元中實時實現了該方法。通過氣體流量標定實驗，驗證了所提出的數字信號處理方法和所開發的數字系統的有效性。