基于相关性算法的超声波回波定位

胡 晖 许浩峰 包伟华

(上海自动化仪表股份有限公司，上海 200072)

基于相关性算法的超声波回波定位

胡 晖 许浩峰 包伟华

(上海自动化仪表股份有限公司，上海 200072)

随着人们对产品的功耗要求不断提升，复杂的硬件比较器方式越来越不能适应工业领域发展，所以设计了一种基于A/D采样软件算法的超声波物位测量系统。软件采用相关性算法来描述两组信号的相似程度，并加以显著性差异检验，来检验两组数据是否显著相关，从而准确地进行回波定位。现场超声波物位仪表性能测试表明，该软件算法能够快速、稳定、可靠地找到回波，有一定的发展价值。

A/D采样 低功耗 相关性 物位仪表 超声波回波 回波定位

0 引言

在采用A/D采样方式的测距系统中，软件选用何种合适的算法，直接影响了测距系统的精度及实时性。根据超声波的特性，在传播途径中波形会衰减，导致回波波形的幅值小于发射波形的幅值，但是从根本上讲，回波是由发射波产生的。分别将发射波与回波或者2个周期的回波进行比较，两者必然有一定的联系。相关概念是为研究随机信号的统计特性而引入的，相关性可以用来描述两组信号的相似程度。如果2个周期内的回波均为真实回波，则两者的相似程度肯定很高，具体相似程度由相关系数表示，之后再进行显著性分析，对由相关系数得出的结论作出肯定或否定的决策[1]。

1 相关系数及显著性算法

相关分析发端于1900年代统计学开创时期，目前仍是统计信号处理领域的研究热点。所谓相关，是表征两个随机变量或两路信号直接的统计关系强弱的指标。如果一个随机变量随着另外一个随机变量的增大(减小)而增大(减小)，则这两个随机变量满足正相关关系；反之，如果一个随机变量随着另一个随机变量的增大(减小)而减小(增大)，则这两个随机变量满足负相关关系[2,6]。

相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标。相关系数是按积差方法计算，同样以两变量与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来反映两变量之间相关程度。公式如下：

(1)

式中：x、y为两组序列，并且两组序列长度相等且为n，则两者的相关系数为r。

由式(1)计算得出r值。一般来说，r取绝对值后，0～0.3为低度相关，0.3～0.8为中度相关，0.8～1.0为高度相关。

双侧：Z0.05/2=1.96,Z0.01/2=2.58

单侧：Z0.05=1.645,Z0.01=2.33

Z检验一般是用于大样本(即样本容量大于30)平均值差异性检验的方法。它是用标准正态分布的理论来推断差异发生的概率，从而比较两个平均数的差异是否显著。

统计量Z值的计算公式为：

就智能化而言，高斯（中国）为自己插上了一双帮助自己可以飞得更高的翅膀，一是公司推出的匯印e家印机管理平台，其以印刷设备为载体，从各类设备采集印刷状态实时数据，应用物联网、云计算、大数据分析等技术，为印刷企业构建全方面、多层次、全覆盖的印刷管理体系，并赋予印刷设备感知、思考及服务的能力；二是智能化的联线产品系统，其可以将印前、印刷和印后进行无缝连接。刘忠荣总工程师告诉我们，前不久，高斯（中国）就与青海日报社印刷厂就“匯印e家”智能化数据采集及控制进行了良好合作，并将把这样的样板效能推介到更多的印刷厂中。

(2)

式中：X1、X2为两组序列，并且两组序列长度分别为n1和n2，则统计量Z值为Z。

由式(2)可计算得出Z值。当|Z|值小于1.96时，认为这两组数据无显著差异;|Z|值大于1.96时，认为这两组数据有着显著的差异。

2 超声波信号

超声波在介质中传播，遇到障碍物或物料等则会反射形成回波。本算法由于同时需要发射波的波形特征及回波的波形特征，所以CPU必须在发射波发出之前就开始采样其电压值。如图1所示，这是一个测量周期内采集的数据， 包括了发射信号、回波信号及一些干扰信号，软件需要实现的工作就是找到真实回波，排除干扰信号[3-4]。

图1 A/D采样数据

2.1 发射信号与回波信号

采用相关性算法来找到真实回波，发射信号特征非常重要，因为它是一个参考标准，所以待测回波或者虚假回波(干扰信号)都需要与之进行比较分析，计算出相关系数，并成为判断是否为真实回波的一个条件。

与回波的位置不可控相比而言，可以非常准确地判断出发射信号的位置及持续时间，这和超声波探头的种类及其盲区有一定的关系。从图1可知，在某段时间内采样数据，通过对其图形分析，可以简单地找到其波峰顶点，也就是超声波发射声强[5]。

相隔一个周期的两个回波信号，因为是同一个发射信号产生的，两者的相似程度必然是极高的，因此利用相关性算法，可以得出两者的相关系数，并进行显著性分析。而干扰信号的来源广泛，可能是电路上的干扰，也可能是收到了其他杂波，而不知道它是干扰信号，可能将一些大的干扰信号当做回波与上一周期回波进行处理，并计算得出其相关系数。但是干扰信号的特征相似程度必然远远不如真实回波，所以取相关性系数最大的作为判断是否为真实回波的一个条件。

2.3 真实回波

通过对相关系数及显著性分析的计算，可以得出判断为真实回波的条件：待测回波信号与上一周期真实回波信号的显著性Z值小于1.96，认为这两个信号无显著差异，即是由同一个发射源产生。

3 回波快速定位

基于相关系数及显著性算法，可以较为准确地得出回波位置。但是在数据量较大的情况下，如果采用逐点计算的方式，一组数据的处理计算可能需要套用公式几百次，这是非常耗时的。所以需要大致地估摸出波峰的位置，并采用窗口方式及自学习曲线来快速地进行定位[7]。

3.1 初始方式

在系统开机后的第一次搜索回波或者是在上一周期丢失回波的情况下，系统往往缺少上一周期的数据来帮助搜索，因此找到第一个正确的回波很关键。

3.2 窗口方式

只要确定上一周期的回波位置，就可以在其周围一定窗口范围内搜索回波，从而大量地减少搜索范围。如图2所示，在预定长度的窗口范围内找到了合适的回波，则可以直接得出结果；如果搜索失败，则直接进行全局方式搜索。

图2 窗口方式

3.3 全局方式

如果在窗口方式内没有搜索到回波，那就必须扩大搜索范围，将范围扩大至全局。虽然全局方式耗时要比窗口方式慢，但是首先必须保证搜索到真实回波，然后才考虑搜索速度。

3.4 自学习曲线

经过多次的测量周期之后，可以很清楚地了解到整个采样数据组的情况。例如，有些干扰可能是电路上的固定或者周期性干扰。有些干扰可能是外来的不确定干扰，通过自学习方式，就可以排除一些固定或者周期性干扰，如图3所示，所有采样值低于自学习曲线的信号都将视作无效或干扰信号。

图3 自学习曲线

3.5 实验数据

在8 MHz晶振的国产CMC芯片开发平台下，进行了超声波物位计产品性能测试，实验数据如表1所示。在距离不变的情况下连续测距，计算耗时保证在300 ms以内，并且重复性及稳定性都相当不错。

表1 实验数据

4 软件流程

主控芯片上电进行初始化工作。由于是低功耗产品，因此需要对激励电路进行充电，充电完毕后开启A/D采样，并将储存的电能用作激励信号激励超声波探头，随后一直采样到预定时间，开始进行数据分析。

为节省计算时间，主控芯片根据上一周期的计算结果来处理这一周期的计算数据。如果上一周期已经找到回波，则这一周期先以开窗的方式寻找回波；如果未找到，则以全局方式搜索回波。如果上一周期未找到回波(例如开机情况下)，则以初始方式寻找回波。随后将计算结果通过显示屏或者上位机进行数据显示。软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图

5 结束语

本文介绍了一种基于相关性的超声波回波定位的方法，并采用8 MHz晶振的国产CMC芯片实现了一种超声波物位计测量的方案。根据超声波物位计的特点，研究了相关性算法、显著性算法等关键算法，还应用窗口方式和自学习曲线来完善软件逻辑，给出了软件方案。经过现有产品实验证明，算法性能已完全达到了设计要求，为未来研究打下了基础。

[1] 刘成瑞,傅惠民.相关系数平稳序列自适应算法[J].机械强度，2003,25(6)：661-665.

[2] 赵小川,罗庆生,韩宝玲.基于伪随机序列自相关性的新型超声波测距系统[J].压电与声光，2009,31(6)：856-861.

[3] 陶建平,尹文庆,柳军.基于DSP和单片机的超声波测距系统[J].科学技术与工程，2010,10(6)：762-765.

[4] 苏炜,龚壁建,潘笑.超声波测距误差分析[J].传感器技术，2004,23(6)：8-11.

[5] 童峰,许水源,许天增.一种高精度超声波测距处理方法[J].厦门大学学报:自然科学版，1998,37(4)：507-512.

[6] 程晓畅,王跃科，苏绍，等.基于相关函数包络峰细化的高精度超声测距法[J].测试技术学报,2006，20(4)：320-324.

[7] 付光怀,杨惠中.基于双正交样条小波的超声回波信号检测[J].仪器仪表学报,2008,29(4)：309-310.

[8] 李戈,孟祥杰,王晓华,等.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学，2011,36(4)：60-62.

[9] 邹晓红.小波分析在超声波回波测量中的应用[J].传感器技术,2005,24(7):78-82.

[10]陈先中，侯庆文，叶琳，等.超声测距系统的高精度中心椭圆算法[J].北京科技大学学报，2007，29(11):1154-1157.

Ultrasonic Echo Location Based on Correlation Algorithm

As people continuously to enhance the requirement for power consumption of the products, the method of complex comparator becomes increasingly unsuited for development of industrial areas. Thus the ultrasonic material level measurement system based on A/D sampling software algorithm is designed. The system adopts the correlation algorithm to describe the degree of similarity of two groups of signals, and test the significant difference, for judging if these two groups of signals are significantly interrelated, thus precise echo location is conducted. The on-site performance test of ultrasonic material level measuring instrument show that the software algorithm is able to find the echo rapidly and stably; it possesses certain development value.

A/D sampling Low power consumption Correlation Material level instrument Ultrasonic echo Echo location

国家高技术研究发展计划(863计划)基金资助项目(编号：2012AA041704)。

胡晖(1989-)，男，2012年毕业于华东理工大学测控技术与仪器仪表专业，获学士学位，助理工程师；主要从事嵌入式开发方面的研究。

TH82;TB559

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510024

修改稿收到日期：2015-02-11。