專利名稱：超聲信號(hào)處理方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲信號(hào)處理方法，特別是用于諸如流量計(jì)的超聲測(cè)量設(shè)備的超聲信號(hào)處理方法。更具體地，公開(kāi)了一種用于提高工作在噪聲環(huán)境中的超聲測(cè)量設(shè)備，例如在減壓閥附近的超聲流量計(jì)，的信噪比的信號(hào)處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
超聲氣體流量計(jì)借助于超聲信號(hào)測(cè)量氣流。為此，超聲氣體流量計(jì)具有一個(gè)或多個(gè)聲通路，在一對(duì)超聲轉(zhuǎn)換器之間定義每一通路。這樣一對(duì)轉(zhuǎn)換器的每一個(gè)都能夠向其它轉(zhuǎn)換器發(fā)送信號(hào)，以及從其接收信號(hào)。在工作時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器輪流發(fā)送和接收，得到沿著-平行或成夾角地-流量計(jì)體內(nèi)聲通路順著流體方向(順流)和逆著流體方向(逆流)傳播的聲學(xué)信號(hào)。兩個(gè)傳輸方向上傳播時(shí)間差與氣體速度成比例。為了精確地測(cè)量低的氣體速度，需要以非常高的精度和高時(shí)間分辨率來(lái)測(cè)量傳播時(shí)間本身或者傳播時(shí)間差。
典型地，超聲氣體流量計(jì)使用大量高頻信號(hào)(例如5周期長(zhǎng))的短脈沖來(lái)工作。典型地，超聲轉(zhuǎn)換器的工作頻率在50kHz與500kHz之間的范圍中。由于在超聲氣體流量計(jì)中需要極其精確地測(cè)量傳播時(shí)間差，所以必須非常高清晰度或高分辨率地測(cè)量傳播時(shí)間。通過(guò)使用所接收到的脈沖信號(hào)的包絡(luò)不能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，即使其是一個(gè)短信號(hào)。為了獲得足夠的分辨率，需要該脈沖信號(hào)中的零交叉的準(zhǔn)確時(shí)間。典型地，在脈沖信號(hào)中存在多個(gè)零交叉，這樣就產(chǎn)生了用作傳播時(shí)間測(cè)量參考點(diǎn)的問(wèn)題。這可以借助于脈沖信號(hào)包絡(luò)的形狀得到解決。
在氣體管線中，可以從其它各種源發(fā)射超聲噪聲。這樣的噪聲的頻率譜可以延伸至超聲轉(zhuǎn)換器工作的頻率范圍內(nèi)。這樣的噪聲可以是流體感應(yīng)噪聲，或者設(shè)備感應(yīng)噪聲，諸如由減壓閥所發(fā)出的噪聲。后一種類型的干擾噪聲更為嚴(yán)重，特別是當(dāng)這樣的減壓閥工作于高壓差的時(shí)候，例如高于10或20巴。在這些條件下，所耗散的能量的量可以相當(dāng)?shù)拇蟆＜词蛊渲挥蟹浅Ｉ俨糠直晦D(zhuǎn)換成為聲能，但還是可能發(fā)出非常大量的噪聲。
來(lái)自這樣閥門的噪聲的特性可以是，在離散(低)頻率處具有一些主峰，但是更適當(dāng)?shù)貙⑵涿枋鰹閷拵г肼暋ｎl率譜的包絡(luò)線典型地在30kHz與80kHz之間的范圍中具有最大值。這就表明，即使在該頻率范圍之外也可能存在大量的超聲能量。
已經(jīng)被設(shè)計(jì)成為所謂“消聲(silent)閥門”的閥門也是相同的。詞語(yǔ)“消聲”典型地應(yīng)用于可聽(tīng)范圍中的噪聲。有時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)修改，將噪聲發(fā)射移到更高的頻率，而實(shí)現(xiàn)可聽(tīng)范圍中噪聲的減少。由于該噪聲本來(lái)就是寬帶，所以其很容易延伸到超聲氣體流量計(jì)的超聲轉(zhuǎn)換器可能工作的頻率范圍中。
由于實(shí)踐限制，在超聲流量計(jì)中所使用的信號(hào)的功率被限制在某一級(jí)。所產(chǎn)生的問(wèn)題就是，與流量計(jì)超聲信號(hào)的噪聲干擾或者流量計(jì)的超聲信號(hào)甚至可能被噪聲完全隱埋或掩蔽。結(jié)果就不能檢測(cè)到流量計(jì)所使用的超聲信號(hào)，并且因此儀表可能不能工作。
到目前為止，已經(jīng)通過(guò)各種方式，試圖解決超聲流量計(jì)的問(wèn)題。
已經(jīng)試圖通過(guò)將超聲氣體流量計(jì)與噪聲源從空間上分開(kāi)來(lái)解決與超聲流量計(jì)的信號(hào)干擾的聲噪聲問(wèn)題。這意味著，通過(guò)在儀表與噪聲源之間應(yīng)用長(zhǎng)管線，優(yōu)選地包括彎管和T彎道，將它們兩個(gè)分開(kāi)。由于可用空間并不總是允許這種方式，該方法可能不僅昂貴，而且通常也不實(shí)用。
也試圖移動(dòng)流量計(jì)的工作頻率，使其離開(kāi)超聲噪聲的頻率范圍。由于隨著頻率的增加，流體中超聲信號(hào)的衰減也增加，所以對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，可使用的頻率范圍就限制在大約300至500kHz的最大值。這就限制了通過(guò)這種方式可以得到的增益。
已經(jīng)設(shè)計(jì)了特別靜音設(shè)備來(lái)將噪聲源與超聲流量計(jì)彼此分開(kāi)。這種設(shè)備的有效性比較有限，因?yàn)檫@些設(shè)備本身在較高氣體速度時(shí)也可以產(chǎn)生噪聲(流體感生噪聲)，而且可能也需要相當(dāng)高的成本。
也已經(jīng)試圖應(yīng)用各種信號(hào)處理技術(shù)，以提高信噪比，描述為濾波、平均、疊層和相關(guān)。
在頻率域中使用濾波技術(shù)并沒(méi)有提供較大的改善，因?yàn)樵肼暤念l率譜通常與超聲流量計(jì)的工作頻率交疊。典型地，而且超聲轉(zhuǎn)換器工作于諧振模式，以得到最高的效率，因此轉(zhuǎn)換器本身用作頻率選擇設(shè)備。因此，使用另外的電子電路或軟件來(lái)對(duì)頻率域中的信號(hào)進(jìn)行濾波并不會(huì)非常有效。
可以通過(guò)延長(zhǎng)脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，以增加超聲能量，從而提高信噪比。這樣所遇到的問(wèn)題就是，其借助于包絡(luò)線的形狀就變得交叉，或者當(dāng)使用相位檢測(cè)技術(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)模糊，因?yàn)樗獪y(cè)量的傳播時(shí)間表示信號(hào)的多個(gè)周期，并且相移是2π的多倍。
另一種改善信噪比的已知方法稱作為疊層。這意味著將通過(guò)反復(fù)發(fā)送和接收超聲信號(hào)所得到的信號(hào)平均。假定將所接收到的脈沖信號(hào)相關(guān)，使得多個(gè)所接收到的脈沖信號(hào)的疊加得到增加的信號(hào)，而噪聲不被相關(guān)，并因此在多個(gè)所接收到的信號(hào)累加時(shí)將被減少。以發(fā)射時(shí)間作為參考點(diǎn)將所接收到的信號(hào)相加，以在將所接收到的脈沖信號(hào)相加時(shí)，將它們同步。
由于氣流中的自然湍流，該方法也有局限性。湍流導(dǎo)致傳播時(shí)間的變化性(也就是“抖動(dòng)”)，其結(jié)果是所接收到的脈沖信號(hào)變得不相關(guān)。這就意味著，使用發(fā)射時(shí)間作為參考點(diǎn)，當(dāng)所接收到的信號(hào)被累加時(shí)它們并不精確地一致。因此，平均或疊層技術(shù)只對(duì)短時(shí)標(biāo)有效相比于湍流現(xiàn)象的周期，時(shí)標(biāo)足夠短，足以將傳播時(shí)間的變化限制到比脈沖信號(hào)中頻率的一個(gè)周期小很多的值。這樣就限制了所接收到的、能夠被有效地累加的脈沖信號(hào)的數(shù)目，以增加信噪比。
在上述方法的說(shuō)明中，已經(jīng)假定，發(fā)射超聲脈沖信號(hào)和接收相同信號(hào)的每一周期在下一周期開(kāi)始之前結(jié)束。因此，新周期只能在聲學(xué)信號(hào)已經(jīng)沿其聲通路傳播通過(guò)流體之后才開(kāi)始，傳播可能需要幾毫秒，特別是對(duì)于具有長(zhǎng)聲通路的大尺寸儀表。這樣就將脈沖的數(shù)量限制為在特定時(shí)間間隔內(nèi)，即相關(guān)，能夠發(fā)送的數(shù)量。
作為該方法的替換形式，聲學(xué)脈沖的發(fā)送和接收過(guò)程可以交織或疊加，這就意味著，在先前聲學(xué)脈沖仍然在傳播通過(guò)氣體時(shí)就發(fā)射聲學(xué)脈沖(脈沖信號(hào))。其結(jié)果就是，聲學(xué)脈沖序列將到達(dá)接收器。然而，該替換方法的問(wèn)題是，當(dāng)脈沖到達(dá)時(shí)從序列中辨識(shí)每一脈沖，因?yàn)樗鼈兛赡鼙宦晫W(xué)噪聲嚴(yán)重地變形，或者甚至被聲學(xué)噪聲隱埋或掩蔽。使用脈沖發(fā)送的已知重復(fù)速率來(lái)平均序列中的單個(gè)脈沖信號(hào)，將幫助從噪聲中恢復(fù)脈沖，并使得脈沖可以被檢測(cè)到，但是導(dǎo)致了模糊。這樣就意味著，可以在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)脈沖信號(hào)，但是卻不能檢測(cè)哪一個(gè)真正地表示傳播時(shí)間。
相關(guān)技術(shù)是能夠應(yīng)用于各種電子測(cè)量的通用信號(hào)處理工具。主要應(yīng)用是檢測(cè)埋藏在噪聲中的信號(hào)的存在和位置。信號(hào)的波形通常是已知的，例如由聲學(xué)轉(zhuǎn)換器所傳輸?shù)男盘?hào)。相關(guān)處理在正在被處理的信號(hào)上遞增地滑動(dòng)參考波形，查找匹配信號(hào)。與參考波形不相關(guān)的信號(hào)產(chǎn)生的相關(guān)值就為0。如果找到匹配信號(hào)，相關(guān)值增加到理想匹配的最大值1，以及匹配但反向波形的最大值-1。相關(guān)函數(shù)的最大值用于兩個(gè)目的。如果最大值接近1，就存在所想要的信號(hào)，并且最大值的位置就是傳播延遲(或傳播時(shí)間)的測(cè)量。
將相關(guān)函數(shù)應(yīng)用于超聲儀表中傳播時(shí)間的測(cè)量具有幾個(gè)缺點(diǎn)。其計(jì)算強(qiáng)度較大(即其需要大量的處理能力)，并且考慮該傳播時(shí)間測(cè)量所需要的時(shí)間分辨率非常高，其需要非常高的。
發(fā)明內(nèi)容
考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種增強(qiáng)信噪比的超聲信號(hào)處理技術(shù)，尤其是在噪聲環(huán)境中。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種超聲信號(hào)處理技術(shù)，其允許在所接收到的、表示一系列相繼傳輸?shù)拿}沖信號(hào)的信號(hào)中明確地識(shí)別單個(gè)超聲脈沖信號(hào)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種對(duì)超聲信號(hào)的傳播時(shí)間的精確測(cè)量。
還有另一目的是提供一種使用超聲測(cè)量技術(shù)精確地確定流體，諸如氣體或液體，的流動(dòng)特性，例如流體速度，的方法。
本發(fā)明還進(jìn)一步的目的是提供一種能夠進(jìn)行這樣的方法和測(cè)量的設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明涉及一種在超聲測(cè)量中提高信噪比的信號(hào)處理方法，該方法包括在第一轉(zhuǎn)換器傳輸多個(gè)超聲脈沖信號(hào)的預(yù)定義定時(shí)(timed)序列，其中根據(jù)非均勻模式(pattern)設(shè)置所述序列的相繼傳輸?shù)拿}沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔，其中至少一個(gè)時(shí)間間隔不同于其它時(shí)間間隔，以及在第二轉(zhuǎn)換器接收表示超聲脈沖信號(hào)的所述被傳輸序列的信號(hào)，將所接收到的信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本與所述原始接收到的信號(hào)相加，以得到原始接收到的信號(hào)與其時(shí)移副本之和，其中副本的時(shí)移與所述預(yù)定義的模式相關(guān)，以及根據(jù)所述和重構(gòu)具有改善的信噪比的原始脈沖信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)處理方法包括在相對(duì)較短的時(shí)間間隔中傳輸短脈沖信號(hào)的序列。在該序列中，可以在前一脈沖已經(jīng)到達(dá)被發(fā)射脈沖信號(hào)的接收之前傳輸下一脈沖，可以交疊這樣的時(shí)間間隔，即其中在接收轉(zhuǎn)換器接收脈沖信號(hào)的序列。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)應(yīng)于非均勻模式傳輸超聲脈沖信號(hào)。這就意味著，相繼傳輸?shù)某暶}沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔并不恒定。相反，至少一個(gè)時(shí)間間隔不同于其它時(shí)間間隔。
在定義聲通路的一對(duì)轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)轉(zhuǎn)換器發(fā)射脈沖信號(hào)的序列期間，將表示在另一轉(zhuǎn)換器所接收到的脈沖信號(hào)序列的信號(hào)數(shù)字化并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，用于進(jìn)一步處理。所存儲(chǔ)的信號(hào)包含與發(fā)送時(shí)一樣完整的脈沖信號(hào)序列，雖然乍一看，來(lái)自所傳輸序列的各個(gè)脈沖信號(hào)可能因?yàn)榇嬖诘脑肼暥鵁o(wú)法識(shí)別。
信號(hào)處理方法涉及創(chuàng)建所接收的表示脈沖信號(hào)被傳輸序列的信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本。所接收信號(hào)的副本之間的時(shí)移與非均勻模式相關(guān)，使得能夠明確地重構(gòu)具有改善的信噪比信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)脈沖(但是優(yōu)選地為一個(gè))。作為相加的結(jié)果，在得到的和中，獲得表示來(lái)自原始傳輸序列的一個(gè)信號(hào)脈沖的重構(gòu)放大信號(hào)，而表示噪聲以及形成初始傳輸序列的其它信號(hào)脈沖的原始接收信號(hào)的其余部分被衰減掉或消除。于是，該重構(gòu)信號(hào)的精確傳播時(shí)間可以被測(cè)量，并用于例如計(jì)算所傳播的距離或流體特性。
在優(yōu)選實(shí)施例中，所述序列相繼傳輸?shù)男盘?hào)之間的所有時(shí)間間隔都不同。在該實(shí)施例中，沒(méi)有時(shí)間間隔是相同的，而是將它們?cè)O(shè)置為不同的值。例如，時(shí)間間隔相對(duì)于前一時(shí)間間隔逐漸地增加。這允許根據(jù)所接收到的總信號(hào)只重構(gòu)一個(gè)脈沖信號(hào)。
在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，副本的數(shù)量等于所述序列中脈沖信號(hào)的數(shù)量減去1，從而要累加的因子的數(shù)量，即原始接收到的信號(hào)及其副本，等于所傳輸序列中脈沖信號(hào)的總數(shù)量。
更優(yōu)選地，時(shí)移與所述時(shí)間間隔成比例，最優(yōu)選地與其相等。這就意味著，以這樣一種方式選擇非均勻模式，使得在所接收信號(hào)的每一時(shí)移副本中，整個(gè)序列中只有一個(gè)脈沖信號(hào)與原始接收到的信號(hào)中特定的一個(gè)一致。將序列的時(shí)移副本相加就導(dǎo)致了噪聲減少甚至消除，而每次一致的所選擇的脈沖信號(hào)的幅度增加。通過(guò)這種方式，改善了信噪比，并且重構(gòu)了原始的單個(gè)脈沖信號(hào)，而沒(méi)有出現(xiàn)模糊。
重構(gòu)原始脈沖信號(hào)的形狀是有利的，因?yàn)檫@允許將至少一個(gè)零交叉定義為可以用于例如確定聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間的參考。
根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)處理方法與上述“平均”或“層疊”方法具有某些相似。然而，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，所傳輸?shù)拿}沖信號(hào)序列包含特定的定時(shí)信息，其允許根據(jù)序列重構(gòu)特定的采樣。該方法也與相關(guān)技術(shù)有些相似，因?yàn)槭褂迷紓鬏數(shù)男盘?hào)重構(gòu)所接收到的信號(hào)。然而，在相關(guān)技術(shù)中，相關(guān)函數(shù)是兩個(gè)變量的函數(shù)，并且結(jié)果并不必與原始脈沖信號(hào)有任何相似，而在本發(fā)明中，使用多個(gè)時(shí)移副本來(lái)重構(gòu)原始信號(hào)形狀。所重構(gòu)的信號(hào)然后可以用來(lái)將特定的零交叉識(shí)別為用于測(cè)量聲學(xué)信號(hào)傳播時(shí)間的參考點(diǎn)，例如在超聲流量計(jì)中用于確定管道中流體，諸如氣體，的流動(dòng)特性。也可以在超聲距離測(cè)量設(shè)備中使用根據(jù)本發(fā)明的方法。在超聲距離測(cè)量系統(tǒng)中，由第一轉(zhuǎn)換器在一個(gè)方向發(fā)射、并隨后由相同的或另一個(gè)轉(zhuǎn)換器接收的脈沖信號(hào)序列的傳播時(shí)間足以確定所要測(cè)量的距離。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種使用超聲測(cè)量設(shè)備確定管道中流體的流動(dòng)特性的方法，包括在第一轉(zhuǎn)換器傳輸多個(gè)超聲脈沖信號(hào)的預(yù)定義定時(shí)序列，使得根據(jù)非均勻模式設(shè)置所述序列的相繼傳輸?shù)拿}沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔，并且在第二轉(zhuǎn)換器接收表示超聲脈沖信號(hào)的所述傳輸序列的信號(hào)，將所接收到的信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本相加，以得到原始接收到的信號(hào)及其時(shí)移副本之和，其中時(shí)移副本與所述預(yù)定義的模式相關(guān)，重構(gòu)原始脈沖信號(hào)，確定所述重構(gòu)的原始脈沖信號(hào)的傳播時(shí)間，以及使用所述傳播時(shí)間計(jì)算流動(dòng)特性。因?yàn)樵诟鶕?jù)本發(fā)明的該方法中應(yīng)用了上述根據(jù)本發(fā)明的超聲信號(hào)處理方法的原理，所以能夠精確地并明確地重構(gòu)原始脈沖信號(hào)，結(jié)果是能夠精確地計(jì)算傳播時(shí)間，以及與該傳播時(shí)間相關(guān)的流動(dòng)特性。這種流動(dòng)特性的范例有流動(dòng)速度和流通量、諸如天然氣的燃料氣體的含能量等。
根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)處理方法的以上表示的優(yōu)選實(shí)施例同樣可以應(yīng)用于本發(fā)明的第二方面。
本發(fā)明更進(jìn)一步的方面涉及一種用于確定管道中流體的流動(dòng)特性的設(shè)備，包括超聲傳輸裝置，用于提供預(yù)多個(gè)超聲脈沖信號(hào)的定義定時(shí)序列，以根據(jù)預(yù)定義的非均勻模式注入到所述序列的脈沖信號(hào)中；超聲接收裝置，用于接收表示超聲脈沖信號(hào)的所述序列的信號(hào)；以及信號(hào)處理裝置，用于處理所述信號(hào)，以根據(jù)所述信號(hào)確定流動(dòng)特性，其中信號(hào)處理裝置包括裝置，用于提供所接收信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本，該副本根據(jù)與所述非均勻模式的預(yù)定義關(guān)系被時(shí)移，并用于將所接收信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本與所接收到的信號(hào)相加，并用于重構(gòu)原始脈沖信號(hào)，并用于使用所述重構(gòu)的原始脈沖信號(hào)計(jì)算流動(dòng)特性。
在根據(jù)本發(fā)明的該設(shè)備中，以這樣的方式設(shè)計(jì)信號(hào)處理裝置，使得創(chuàng)建所接收信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本。將這些時(shí)移副本與原始接收的信號(hào)相加。從和中得到原始發(fā)射的脈沖信號(hào)，然后從中計(jì)算所想要的流動(dòng)特性。例如，能夠從在順著流體方向上(順流)傳輸?shù)拿}沖信號(hào)的序列與在逆著流體方向上(逆流)傳輸?shù)拿}沖信號(hào)的序列的傳播時(shí)間差中得到流動(dòng)速度。
優(yōu)選地，設(shè)計(jì)該裝置，使得該裝置允許執(zhí)行如上所述根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施例。
進(jìn)一步通過(guò)附圖描述本發(fā)明，其中圖1所示為單通路超聲流量計(jì)的基本元件；圖2為根據(jù)本發(fā)明的超聲流量計(jì)的方框圖；圖3所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的超聲流量計(jì)所傳輸和接收的波形；圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的被傳輸和接收的波形；和圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的處理后的波形。
具體實(shí)施例方式
圖1表示用于確定圓柱形管道1中流體流動(dòng)的流體測(cè)量系統(tǒng)的例子的基本元件。從一對(duì)轉(zhuǎn)換器2a、2b，其每一個(gè)分別通過(guò)電氣引線4a和4b與信號(hào)處理單元連接，信號(hào)處理單元整體由附圖標(biāo)記100表示。這樣定位轉(zhuǎn)換器2a、2b，使得它們以精確定義的幾何尺寸定義詢問(wèn)路徑3。圖1中所示的詢問(wèn)路徑是反射型的中心線路徑。然而，也可能是其它的轉(zhuǎn)換器設(shè)置和路徑配置，例如內(nèi)接三角形(具有對(duì)著管道壁的兩個(gè)反射)。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的超聲流量計(jì)的方框圖。一對(duì)轉(zhuǎn)換器2a、2b安裝在管道1上，定義詢問(wèn)路徑3。轉(zhuǎn)換器2a、2b通過(guò)電氣引線4a、4b與信號(hào)發(fā)生器5和信號(hào)接收器11連接。由定時(shí)和控制單元(TCU)21通過(guò)控制和數(shù)據(jù)總線22控制信號(hào)發(fā)生器5，以在定義的時(shí)間瞬間向一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器2a、2b提供超聲信號(hào)。通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)23計(jì)算傳輸信號(hào)本身，并通過(guò)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)6將其加載到信號(hào)發(fā)生器的RAM7中。在TCU21控制下，信號(hào)發(fā)生器5將存儲(chǔ)在RAM 7中的傳輸信號(hào)順序地移動(dòng)到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)8中。DAC8的輸出通過(guò)功率放大器9放大。傳輸復(fù)用器10向一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器2a、2b提供要傳輸?shù)某曅盘?hào)。
轉(zhuǎn)換器2a、2b也連接到信號(hào)接收器11。信號(hào)接收器11包括緩沖器/預(yù)放大器12a、12b以及接收復(fù)用器13。類似于信號(hào)發(fā)生器5，通過(guò)TCU21控制信號(hào)接收器11，以將適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器信號(hào)提供給信號(hào)放大器14。信號(hào)放大器14通過(guò)自動(dòng)增益控制器(AGC)16控制。然后通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器17將被放大的信號(hào)數(shù)字化。在TCU21控制下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)18將所采樣的信號(hào)寫(xiě)到RAM 19中。(DMA)20。數(shù)字信號(hào)處理單元DSP23根據(jù)本發(fā)明處理RAM19的被采樣數(shù)據(jù)。能夠通過(guò)輸入/輸出單元24使得各個(gè)處理階段的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在用戶接口。
圖3所示為常規(guī)的超聲流量計(jì)的被傳輸和接收的波形。
圖3a所示為超聲轉(zhuǎn)換器的被傳輸波形的范例，其具有大約200kHz的中心頻率和大約40kHz的帶寬。轉(zhuǎn)換器2a、2b的脈沖響應(yīng)(Y軸)被表示為時(shí)間(X軸，秒)的函數(shù)。
圖3b所示為圖3a的波形，但是“放大”到觸發(fā)轉(zhuǎn)換器之前(t＜0)以及之后(t＞0)大約10個(gè)周期(200kHz的轉(zhuǎn)換器頻率)。
圖3c所示為適度信噪比的接收信號(hào)。一對(duì)轉(zhuǎn)換器之間的信號(hào)傳播時(shí)間為1毫秒(ms)。
圖3d所示為圖3c的波形，但是“放大”到傳播延遲之前以及之后的200kHz轉(zhuǎn)換器頻率的大約10個(gè)周期。所接收波形表明與所傳輸波形好的一致性?？梢詰?yīng)用各種方法來(lái)檢測(cè)該波形的存在以及傳播延遲的估計(jì)，包括非常簡(jiǎn)單的，例如對(duì)信號(hào)進(jìn)行閾值限定。
圖3e所示為非常低信噪比的接收信號(hào)。信號(hào)傳播時(shí)間還是1毫秒(ms)。顯然原始被傳輸信號(hào)的波形完全被噪聲模糊。于是，不可能檢測(cè)被傳輸信號(hào)的存在以及傳播延遲。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的被傳輸和接收的波形。
圖4a所示為由8個(gè)單獨(dú)脈沖組成的樣本傳輸波形，其具有的波形類似于圖3a和3b的被傳輸波形。換言之，序列包括8個(gè)超聲脈沖信號(hào)。在本發(fā)明的該范例中，即所有的間距都不同。
圖4b表示圖4a的波形，但是又被“放大”以更詳細(xì)地顯示各個(gè)小波或超聲脈沖信號(hào)以及相關(guān)的間距。
圖4c所示為非常低信噪比的被接收波形(可以與圖3e中所示的信噪比相比較)。傳播延遲是1毫秒(ms)。非常類似于圖3e中所描述的情況，在所接收到的信號(hào)中，被傳輸?shù)膯蝹€(gè)小波被噪聲模糊了。
圖4d所示為圖4c的波形，但是“放大”到傳播延遲之前以及之后的大約10個(gè)周期(200kHz的轉(zhuǎn)換器頻率)。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明所處理的波形。
在圖5a中，最頂端的軌跡與圖4c中所示的被接收波形相同。最頂端軌跡下面的7個(gè)軌跡是所接收波形的時(shí)移副本。時(shí)移與所傳輸?shù)膯蝹€(gè)小波(圖4a和4b)的間距相同。底部的軌跡是原始接收的信號(hào)及其時(shí)移副本之和。
圖5b所示為與圖5a底部軌跡所示相同的處理波形原始接收的信號(hào)及其時(shí)移副本之和。該處理后的“接收”波形具有從單個(gè)小波的傳輸所得到的被接收波形的全部特征，但是信噪比提高了。
圖5c所示為圖5b的波形，但是“放大”到傳播延遲之前以及之后的大約10個(gè)周期(200kHz的轉(zhuǎn)換器頻率)。
顯然，根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)處理方法導(dǎo)致了，從原始傳輸?shù)男蛄兄兄貥?gòu)出脈沖信號(hào)，其沒(méi)有被噪聲或來(lái)自序列的其它被傳輸脈沖信號(hào)掩蔽、隱埋或模糊。能夠精確地確定所重構(gòu)信號(hào)的傳播時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種用于在超聲測(cè)量中改善信噪比的信號(hào)處理方法，所述方法包括在第一轉(zhuǎn)換器傳輸多個(gè)超聲脈沖信號(hào)的預(yù)先規(guī)定的定時(shí)序列，其中根據(jù)非均勻模式設(shè)置所述序列的相繼傳輸?shù)拿}沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔，其中至少一個(gè)時(shí)間間隔不同于另一個(gè)時(shí)間間隔，以及在第二轉(zhuǎn)換器接收表示超聲脈沖信號(hào)的所述被傳輸序列的信號(hào)，將所接收到的信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本與所述原始接收到的信號(hào)相加，以得到所述原始接收到的信號(hào)與其時(shí)移副本之和，其中副本的所述時(shí)移與所述預(yù)定義模式相關(guān)，以及根據(jù)所述和重構(gòu)具有改善的信噪比的原始脈沖信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的信號(hào)處理方法，其特征在于所述序列的相繼傳輸?shù)男盘?hào)之間的所有時(shí)間間隔都是不同的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的信號(hào)處理方法，其特征在于副本的數(shù)量等于所述序列中脈沖信號(hào)的數(shù)量減去1。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的信號(hào)處理方法，其特征在于所述時(shí)移與所述時(shí)間間隔成比例。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的信號(hào)處理方法，其特征在于重構(gòu)單個(gè)脈沖信號(hào)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的信號(hào)處理方法，其特征在于重構(gòu)原始脈沖信號(hào)的形狀。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的信號(hào)處理方法，其特征在于確定所重構(gòu)的原始脈沖信號(hào)的傳播時(shí)間。
8.一種使用超聲測(cè)量設(shè)備確定管道中流體的流動(dòng)特性的方法，包括在第一轉(zhuǎn)換器傳輸多個(gè)超聲脈沖信號(hào)的預(yù)先規(guī)定的定時(shí)序列，從而根據(jù)非均勻模式設(shè)置所述序列的相繼傳輸?shù)拿}沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔，以及在第二轉(zhuǎn)換器接收表示超聲脈沖信號(hào)的所述序列的信號(hào)，將所接收信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本相加，以得到所述原始接收到的信號(hào)及其時(shí)移副本之和，其中所述時(shí)移版與所述預(yù)定義模式相關(guān)，重構(gòu)原始脈沖信號(hào)，確定所述重構(gòu)的原始脈沖信號(hào)的傳播時(shí)間，以及使用所述傳播時(shí)間計(jì)算所述流動(dòng)特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述序列的相繼傳輸?shù)男盘?hào)之間的所有時(shí)間間隔都是不同的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其特征在于副本的數(shù)量等于所述序列中脈沖信號(hào)的數(shù)量減去1。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求8-10其中一個(gè)的方法，其特征在于所述時(shí)移與所述時(shí)間間隔成比例。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求8-11其中一個(gè)的方法，其特征在于重構(gòu)單個(gè)脈沖信號(hào)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求8-12其中一個(gè)的方法，其特征在于重構(gòu)原始脈沖信號(hào)的形狀。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求8-13其中一個(gè)的方法，其特征在于來(lái)自所述重構(gòu)的脈沖信號(hào)的零交叉被規(guī)定為用于確定所述重構(gòu)的脈沖信號(hào)傳播時(shí)間的參考。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求8-14其中一個(gè)的方法，其特征在于確定所述流體的流動(dòng)速度。
16.用于確定管道中流體的流動(dòng)特性的設(shè)備，包括超聲傳輸裝置，用于提供多個(gè)超聲脈沖信號(hào)的預(yù)先規(guī)定的定時(shí)序列，以注入到所述流體中；定時(shí)裝置，用于根據(jù)預(yù)先規(guī)定的非均勻模式設(shè)定所述序列的每一脈沖信號(hào)的傳輸時(shí)間；超聲接收裝置，用于接收表示超聲脈沖信號(hào)的所述序列的信號(hào)；以及信號(hào)處理裝置，用于處理所述信號(hào)，以根據(jù)所述信號(hào)確定流動(dòng)特性，其中所述信號(hào)處理裝置包括裝置，用于提供所接收到的信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本，所述副本根據(jù)與所述非均勻模式的預(yù)先規(guī)定的關(guān)系被時(shí)移，并用于將所接收到的信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本與所接收到的信號(hào)相加，并用于重構(gòu)原始脈沖信號(hào)，并用于使用所述重構(gòu)的原始脈沖信號(hào)計(jì)算流動(dòng)特性。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在超聲測(cè)量中用于提高信噪比的信號(hào)處理方法，包括在第一轉(zhuǎn)換器傳輸多個(gè)超聲脈沖信號(hào)的預(yù)定義定時(shí)序列，以及在第二轉(zhuǎn)換器接收表示超聲脈沖信號(hào)的所述傳輸序列的信號(hào)。通過(guò)將所接收到的信號(hào)的多個(gè)時(shí)移副本與所述原始接收到的信號(hào)相加，以得到該原始接收到的信號(hào)與其時(shí)移副本之和。從該和重構(gòu)具有提高的信噪比的原始脈沖信號(hào)。
文檔編號(hào)G01S7/527GK1695046SQ02829952
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2002年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
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