基于静态峰值分布的超声波回波信号检测方法研究

冯伦宇，张志君，李跃忠,2，葛城轩

(1.东华理工大学机械与电子工程学院，江西 南昌 330013; 2.江西省新能源工艺与工程技术研究中心，江西 南昌 330013)

0 引 言

气体超声波流量计具有量程比大、计量精度高、无压损等优点被广泛使用[1-2]。超声流量计通过检测流体流动对超声波传播的作用实现对流体流量的测量，检测方法主要有传播速度差法、多普勒法、相关法、波束偏移法以及噪声法等。目前，国内外的气体超声流量计大多基于时差法，属于传播速度差法的一种，通过检测超声波在顺、逆流方向上的传播时间，计算得到流体流速以及流量，其原理简单、测量精度高、稳定性好，适合于气体流量的测量[3]。

超声波传播时间的测量是时差法测量的核心，流量计量的准确性在于回波信号的定位准确。然而超声波信号在管道内随着测量介质传播，受到温度、压力和流速的影响[4]。尤其当流速变化大时，回波信号幅值衰减严重，会造成特征点定位错误，从而严重影响传播时间和流量测量精度[5-8]，这对超声波气体流量计的信号处理提出了挑战。实现时差法首先需要找到特征点，然后根据特征点计算传播时间[9]。根据这一原则，对不同的方案进行了研究。

第一种方案是基于固定阈值法改进的自适应阈值法[10-11]。在不同流量下采集的峰值归一化后基本集中，取峰值水平间隔最大的中间点作为初始阈值。当超声回波信号归一化的值大于这个值时，此时的这个点被认为是特征点，然后计算超声波传播时间。然而管道的噪声污染、信号漂移、换能器的老化等因素会引起接收到的超声回波信号的振幅变化较大[12-13]。一旦超声回波信号的振幅出现波动，使用固定阈值法会计算出错误的超声波回波信号到达时间。第二种方案是回波信号包络拟合法[14-15]。对不同流量下回波信号包络进行研究发现，回波信号包络的轮廓基本保持不变，只是随着流量增大包络沿X轴近似平移。根据回波信号包络进行最小二乘拟合得到特征直线计算特征点，在流速变化较大时也可以准确定位特征点，但该方法数据的计算量较大。第三种方案是互相关法[16-17]。对两组超声回波信号进行互相关处理，得到两组超声回波信号来计算传播时间。这种方法可以克服当超声回波信号的形状发生畸变时计算传播时间，在一定程度上降低了噪声污染的影响。但压力、密度和流量的变化将会极大影响超声回波信号。特别是当超声波气体流速变大时，回波信号的质量变差，信号的包络线超声回波信号失真，从而限制了其流量测量范围。

针对上述问题，本文提出了基于静态峰值分布的超声波回波信号检测处理方法。在静态条件下对超声波回波信号进行归一化处理，选取上升阶段中的2、3、4、5号波峰建立峰值分布参考模型，在流量测量时，对回波信号进行归一化后，通过阈值比较法初步确定峰值对应关系，再计算此时峰值参考模型各部分的偏差，并得到参考模型的总偏差，根据总偏差确定回波信号的参考波峰。该方法克服了超声波回波信号衰减与波动造成的回波信号参考点的定位错误的问题，提高了高速流量下流量计的抗干扰能力，并基于MSP430微控制器研制了双声道气体超声波流量计实验样机，在负压法临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置进行检定，检定结果满足1级精度等级，验证了信号处理方法和气体超声波流量计系统的有效性。

1 超声波回波信号归一化处理

为了准确进行回波信号的定位，首先采集静态下超声波回波信号，通过使用包含编程增益放大器(PGA)和高速 12 位 8 MS/s Σ-ΔADC (SDHS)的微控制器进行信号采集。超声波换能器中心频率为200 kHz，回波信号的峰峰值只有20 mV，需要通过编程增益放大器 (PGA)进行放大和加偏置，将回波信号峰峰值放大至1.2 V左右，ADC 连续采集 2 048点回波信号数据（采样频率为8 MHz，即一个周期采集 25个点）。完成数据采集后，通过串口将回波信号数据上传给上位机完成数据保存，数据经过处理后如图1所示。回波信号的峰值先逐渐增大，后逐渐减小，在最大峰值附近几个峰值极为相近，受声学以及电学噪声的影响，最大峰值点的位置可能会发生改变，容易造成最高峰识别错误。本文首先采集超声波回波信号峰值，但是信号的幅值容易受到外界干扰，最高峰可能出现偏移，因此将不同流量点下的超声波回波信号进行归一化处理。提取回波信号上升段的峰值，除以最高波峰的幅值，得到各个波峰归一化幅值。各个波峰归一化幅值数据按从小到大顺序排列，并绘制在同一坐标系上，得到顺、逆流方向不同流量时各峰值的归一化幅值，如图2和图3所示。

图1 超声波回波信号采样点图

图2 顺流不同流量点归一化幅值

图3 逆流不同流量点归一化幅值

从图2、图3中可以看出，在流量为0时，顺流回波信号的各归一化幅值分别为0.05、0.20、0.37、0.58、0.79、0.90、1，逆流回波信号的各归一化幅值分别为 0.06、0.22、0.40、0.59、0.81、0.92、1。

零流量时，顺、逆流归一化幅值基本一致。当流量增加时，受到流场以及声学、电学噪声干扰，回波信号归一化幅值出现波动，影响信号的定位，对流量的测量造成影响。

2 静态峰值分布参考波峰提取

在对回波信号中峰值归一化分析后发现，零流量时，顺、逆流归一化幅值基本一致。因此本文提出了基于静态条件下超声波回波信号峰值分布提取方法。

以静态条件下提取出峰值归一化幅值数据作为参考信号，通过对比有流量时，归一化幅值数据受到干扰会有所波动，其中2、3、4、5波峰的幅值数据波动较大。因此以回波信号归一化幅值变化较大的逆流方向为例，做出2、3、4、5峰静态归一化峰值分布示意图，如图4所示。

图4 静态归一化峰值分布图

用线分别画出第2、3、4、5号波峰的静态下流量时的归一化幅值水平。从图4中可以看出随着流量的增大，各个波峰归一化幅值数据波动也越大。

3 静态峰值参考峰识别及误差分析

通过分析前文提取的静态峰值参考波，本文提出了基于静态峰值分布的回波信号参考波峰识别方法，以静态时回波信号峰值的归一化幅值分布为参考模型，从回波信号中提取参考波峰。由于归一化幅值受到干扰后会波动，幅值之间的间距可能过小，导致幅值分布关系容易受干扰，因此本文选用中间部分的2、3、4、5号波峰建立回波信号的归一化峰值分布参考模型。假定参考模型中的归一化峰值分别为VREF2、VREF3、VREF4、VREF5，那么针对上述测试实验中气体流量测量系统的归一化峰值参考模型应为

在流量测量时，回波信号归一化后的上升段波峰（最大波峰之前的7个波峰）分别定义为VP1、VP2、VP3、VP4、VP5、VP6、VP7。由于干扰以及流体流动的影响，回波信号的峰值位置可能发生改变，因此需要通过阈值比较的方法，先预判回波信号峰值的对应关系。设定阈值：

通过阈值比较法初步确定峰值对应关系，依据静态峰值分布模型进一步确定参考波峰，其具体过程如下：

1）依次将VREF_T与归一化峰值比较，得到VREF_T在VP1～VP7之间的具体位置，即

其中i为当前回波中的峰值序号，那么归一化峰值的对应关系为

2）根据归一化峰值的对应关系，计算此时峰值参考模型各部分的偏差分别为

参考模型的总偏差为

根据总误差最小的VREF4与VP(i)的对应关系即可确认参考波峰的位置。当选定系统中VREF4为静态时的参考波峰，那么此时VREF4对应的VP(i)就是当前回波信号中的参考波峰。

本文采用两个超声波传播声道对流量进行检测，可减小流速分布问题对测量精度的影响。双声道气体超声流量计将两个声道按照一定方式合理地布置在测量管段内不同的流层位置，各声道分别反映不同流层的气体流速情况，通过对各声道的流速测量结果进行加权求和，最终计算出管道内气体的流速以及流量。多声道的布置大多采用弦向声道，弦向声道布置如图5所示。

图5 双声道布置示意图

为了验证采用静态峰值分布模型确定参考波峰的可行性，本文通过对另一声道上不同流量点顺、逆流方向回波信号的归一化幅值做上述的总偏差计算，可以得到不同对应关系下的总偏差，如图6和图7所示，图中分别表示与上个错位总偏差、当前位置的总偏差和下个错位总偏差。

图6 顺流不同峰值偏差对应关系

图7 逆流不同峰值偏差对应关系

为了更直观地对比错位峰值关系对总偏差的影响，仅选取总偏差在零附近的部分数据，并将峰值向上错位的总偏差取为负值，向下错位的总偏差取为正值。从图中可以看出，在流量测量范围内，峰值分布总偏差可以将不同峰值分布明显区分开来，并有且只有一个峰值分布符合总偏差S2REF最小。因此，当设定了固定的参考波峰与参考点后，就可以依据总偏差S2REF从归一化的峰值之中准确找到该参考波峰，继而确定参考点的位置。

通过静态峰值分布的参考波峰识别方法，有效地避免了回波信号衰减与波动造成的回波信号参考点的定位错误。该方法是基于回波信号峰值的归一化分布模型得到的，即在同一个系统中无论回波信号幅值如何变化，归一化后的各峰值均只在静态峰值水平上波动。

4 静态峰值分布算法的系统实现

4.1 系统概述

为了实现这种信号处理方法，本文研制了基于MSP430的低功耗处理系统。采用了TI公司的MSP芯片MSP430FR6047，主要负责测量过程的控制、对发射换能器的激励以及对接收信号的高频采样及处理。系统的基本硬件如图8所示。

图8 系统的基本硬件

在接收到外部时钟芯片的定时中断信号后，开始超声波传播时间测量前的初始化等准备工作，包括对激励信号的产生、ADC启动的定时控制等。初始化完成后，根据当前需要测量的声道与方向，切换发射与接收通道。等待切换的通道稳定后，由激励信号脉冲发生器产生超声波激励信号，通过激励驱动电路后作用在发射换能器上。一段时间后，超声波到达接收换能器，并产生超声波回波信号，超声波回波信号经信号调理电路后进入超声波感测模块内。超声波感测模块通过ADC对回波信号进行高速采集并存储，以待信号与数据的处理。最后利用本文中的超声波回波信号检测方法处理已采样数据，最终得到超声波的传播时间。重复上述测量过程，依次可以得到双声道中4个传播通道的传播时间，利用测得的4个传播时间计算出两个声道的线平均流速，再计算得到气体流量值，最后通过滤波算法处理得到最终的流量值，通过微控制器将流量信息通过脉冲的形式输出，并且通过串口将流量信息上传至上位机。

4.2 系统软件设计

基于静态峰值分布的参考波峰识别是指将所测回波峰值的归一化幅值分布模型与静态下回波峰值的归一化幅值分布模型进行对比分析，从而确定回波信号中参考波峰以及参考点的位置。超声波回波信号的峰值检测程序结构如图9所示。

图9 峰值检测程序流程图

采用总偏差评估回波信号峰值分布模型的匹配程度，通过计算不同峰值对应关系时的分布模型总偏差，找到与静态峰值分布总偏差最小的峰值对应关系，即可得到回波信号中的参考波峰以及参考点的位置。

5 实验结果

本课题组实验室采用负压法临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置，其检定范围为0.5～300 m3/h，不确定等级为0.3级，实验平台如图10所示。

图10 实验平台

本文DN50双声道气体超声流量计的测量范围初步设定为 1～180 m3/h。按照 JJG 1030—2007《超声波流量计检定规程》[11]内要求的qmin、qt、0.4qmax和qmax流量点，还增加了 4qmin、0.2qmax、1.2qmax等流量点进行流量检定实验，其中qt为临界流量，一般取为0.1qmax。对于本文DN50口径的气体超声流量计，当流量大于或等于18 m3/h时，最大允许误差为±1%，重复性小于0.2%；当流量小于18 m3/h时，最大允许误差为±2%，重复性小于0.2%。

参考波峰法、普通阈值法的气体超声波流量计校准结果如表1、表2所示。根据表1的检定结果可以得到，使用新阈值法的流量计高区示值误差为0.35%，重复性为0.048%；低区示值误差为0.52%，重复性为0.141%。从流量检定实验结果可以看出，本文设计的采用参考波峰法的双声道气体超声流量计满足1.0级精确度等级，并且测量结果优于采用普通阈值法的超声波流量计的测量结果，拓宽了DN50口径气体超声波流量计的测量范围。

表1 参考波峰法的气体超声波流量计校准结果

表2 普通阈值法的气体超声波流量计校准结果

6 结束语

针对常用方法难以找到合适的特征点来计算超声波传播时间，本文对超声波回波特征进行了分析，得到了归一化后超声回波信号形状相似的特点，提出了基于静态峰值分布的超声波回波信号的检测处理方法，克服了超声波回波信号衰减与波动造成的回波信号参考点的定位错误问题，并提高了高速流量下流量计的抗干扰能力。该方法的计算量较小，适合在低功耗MSP430芯片上实时实现。此外，该方法是基于回波信号峰值的归一化分布模型得到的，即在同一个系统中无论回波信号幅值如何变化，归一化后的各峰值均只在静态峰值水平上波动，可以保证超声传播时间的计算精度，扩大了超声波气体流量计的测量范围。在以MSP430微控制器为核心的数字信号处理单元中实时实现了该方法。通过气体流量标定实验，验证了所提出的数字信号处理方法和所开发的数字系统的有效性。