一种超声波抗噪检测方法和系统

摘要

本发明公开一种超声波抗噪检测方法和系统，首先对多次测量得到超声波信号进用广义时频域平均分析，获得其时频分析图。其次识别时频图中能量中心所对应的时间和频率。最后在能量中心所对应频率处沿着时间轴切片，得到所检测的超声波信号。本发明采用广义时频域平均技术，可以克服超声波检测装置在速度场分布的安装效应、管道制造工艺、超声在气体中的能量衰减、声速/流速比值较小所带来的传播路径偏转、气体压力波动导致的信道增益变动、气体调压装置引起的声学干扰等，是超声波的检测精度更高。

权利要求

1.一种超声波抗噪检测方法，其特征是包括如下步骤：（1）设定采样频率和采样点数，记录下多次测量的超声波数据；

（2）分别对多次测量的超声波数据进行时频变换；

（3）将多次测量的超声波数据的时频变换结果进行叠加平均，得到时频信息矩阵，并根据时频信息矩阵生成广义时频域平均图；

（4）利用极值寻找方法，搜索广义时频域平均图的能量中心所对应的时间和频率信息；

（5）在能量中心的最大频率点，沿着时间轴切片，得到最大频率处即为所检测的超声波信号。

2.根据权利要求1所述的一种超声波抗噪检测方法，其特征是：步骤（1）中，采样的超声波数据需依次经过模数转换步骤和预滤波步骤之后，才被记录下。

3.根据权利要求1或2所述的一种超声波抗噪检测方法，其特征是：步骤（2）所述时频变换选用线性、二次和/或自适应时频变换方法。

4.一种超声波抗噪检测系统，其特征是包括如下单元：记录单元，根据设定的采样频率和采样点数，记录下超声波接收器多次测量的超声波数据；

时频变换单元，分别对多次测量的超声波数据进行时频变换；

广义时频域平均单元，将多次测量的超声波数据的时频变换结果进行叠加平均，得到时频信息矩阵，并根据时频信息矩阵生成广义时频域平均图；

极值查找单元，利用极值寻找方法，搜索广义时频域平均图的能量中心所对应的时间和频率信息；

信号确定单元，在能量中心的最大频率点，沿着时间轴切片，得到最大频率处即为所检测的超声波信号。

5.根据权利要求4所述的一种超声波抗噪检测系统，其特征是：还进一步包括模数转换单元和预滤波单元，其中模数转换单元对采样的超声波数据进行模数转换，预滤波单元对模数转换后的数据进行预滤波后送入记录单元进行记录。

6.根据权利要求4或5所述的一种超声波抗噪检测系统，其特征是：所述时频变换单元选用线性、二次和/或自适应时频变换方法对多次测量的超声波数据进行时频变换。

说明书

一种超声波抗噪检测方法和系统

技术领域

[0001] 本发明属于超声波信号检测领域，具体涉及一种超声波抗噪检测方法和系统。

背景技术

[0002] 超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波可在各种不同媒体中传播，并与传播媒质的相互作用适中，易于携带有关超声波传播的媒质状态信息。作为信息载体及能量形式，超声波技术与其他电子技术、光学技术等结合已广泛得到应用，并迅速发展。近年来，基于超声波的各种应用由于其安全性、鲁棒性和满意的精度使其在超声流量测量、距离/壁厚测量以及超声无损检测等领域得到广泛应用。

[0003] 目前，多数超声波应用都是基于估计超声波在媒介中的传输时间（Time of Arrival,TOA）或者飞行时间（Time of Flight,TOF）。然而，上述应用中的超声回波信号由于受噪声或其他信号干扰，造成幅值或波形失真等等问题。超声波信号本身则表现出很强的非平稳、非线性特点。以上因素往往给TOA/TOF检测带来困难，最终导致超声波应用无法实现。到目前为止，已有多种信号处理技术被应用到超声波应用当中，比如互相关方法、匹配追踪、Kalman滤波、基于模型的估计方法、小波变换和经验模式分解等。然而信号中的噪声及其他干扰成分也是导致上述这些技术不能很好检测超声波的主要因素。

[0004] 非平稳信号的瞬时频率和能量一般随时间变化，时频分析的主要目的就是研究信号成分的瞬时频率及其幅值/能量的时变情况。各种时频分析技术可同时提供了信号的时域、频域的信息，但是不同的时频分析方法具有不同的时频分辨率和能量集中性。时频分析技术很好地检测信号中各种特征，但却无法区分有用与无用的信息。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种超声波抗噪检测方法和系统，通过对多次测量的超声波信号，进行广义时频域平均处理，消除信号中噪声等各种干扰的影响，获得有效、可靠地超声波信号。

[0006] 为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

[0007] 一种超声波抗噪检测方法，包括如下步骤：

[0008] （1）设定采样频率和采样点数，记录下多次测量的超声波数据；

[0009] （2）分别对多次测量的超声波数据进行时频变换；

[0010] （3）将多次测量的超声波数据的时频变换结果进行叠加平均，得到时频信息矩阵，并根据时频信息矩阵生成广义时频域平均图；

[0011] （4）利用极值寻找方法，搜索广义时频域平均图的能量中心所对应的时间和频率信息；

[0012] （5）在能量中心的最大频率点，沿着时间轴切片，得到最大频率处即为所检测的超声波信号。

[0013] 上述步骤（1）中，采样的超声波数据需依次经过模数转换步骤和预滤波步骤之后，才被记录下。

[0014] 上述步骤（2）所述时频变换选用线性、二次和/或自适应时频变换方法。

[0015] 一种超声波抗噪检测系统，包括如下单元：

[0016] 记录单元，根据设定的采样频率和采样点数，记录下超声波接收器多次测量的超声波数据；

[0017] 时频变换单元，分别对多次测量的超声波数据进行时频变换；

[0018] 广义时频域平均单元，将多次测量的超声波数据的时频变换结果进行叠加平均，得到时频信息矩阵，并根据时频信息矩阵生成广义时频域平均图；

[0019] 极值查找单元，利用极值寻找方法，搜索广义时频域平均图的能量中心所对应的时间和频率信息；

[0020] 信号确定单元，在能量中心的最大频率点，沿着时间轴切片，得到最大频率处即为所检测的超声波信号。

[0021] 上述超声波抗噪检测系统还进一步包括模数转换单元和预滤波单元，其中模数转换单元对采样的超声波数据进行模数转换，预滤波单元对模数转换后的数据进行预滤波后送入记录单元进行记录。

[0022] 上述方案中，所述时频变换单元选用线性、二次和/或自适应时频变换方法对多次测量的超声波数据进行时频变换。

[0023] 本发明基于广义时频域平均技术实现超声波信号检测。第一步对多次测量得到超声波信号进用广义时频域平均分析，获得其时频分析图。第二步识别时频图中能量中心所对应的时间和频率。当在此频率处沿着时间轴切片，得到所检测的超声波信号。

[0024] 与现有技术相比，本发明具有如下特点：

[0025] 1、本发明可以克服超声波检测装置在速度场分布的安装效应、管道制造工艺、超声在气体中的能量衰减、声速/流速比值较小所带来的传播路径偏转、气体压力波动导致的信道增益变动、气体调压装置引起的声学干扰等；

[0026] 2、本发明所检测的超声波时间精度高；

[0027] 3、本发明可为超声流量计、超声波诊断仪等不同种类的超声波应用装置使用，因此，具有的广泛推广应用价值。

附图说明

[0028] 图1为本发明在超声波气体流速测量系统中的安装示意图。

[0029] 图2为采用SPWV、CWT和HHT时的广义时频域平均技术与超声波峰值检测示意图（此示意图只表示同种时频分析的平均技术）。

[0030] 图3（a）-（d）为超声波信号在不同工况下进行时域平均分析结果。

[0031] 图4（a1）-（c1）在P=0psig时超声波信号进行广义时频域平均分析结果，即广义时频域平均图。

[0032] 图4（a2）-（c2）在P=0psig时超声波信号峰值切片图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明具在超声流量计中的实施例的内容作进一步详细说明：

[0034] 超声波流量检测技术是近年来在仪器监测、控制与测量领域发展最快的技术之一。超声流量计分为气体与液体两大领域类型，两者的基本原理相同，均利用超声波分别在流动与静止的介质中传播时，相对于固定坐标系统（如仪表壳体），其传播速度是有差异的，传播速度的变化量与介质流速有关。由此可以根据超声波传播速度的变化求出介质流速，在已知流动横截面积的前提下进而求出流量。然而，由于气体流量计量中客观存在的各种不利因素，包括速度场分布的安装效应、管道制造工艺、超声在气体中的能量衰减、声速/流速比值较小所带来的传播路径偏转、气体压力波动导致的信道增益变动、气体调压装置引起的声学干扰等，使得超声波气体流量检测相比液体要异常困难。

[0035] 本实施例采用广义时频域平均对超声流量计中的超声波进行检测。

[0036] 本实施例外部超声波信号的采集采用夹装式（clamp-on）超声波气体流量检测系统，其安装结构如图2所示。一对超声发生器和超声波接收器面对面夹装在直径为6英寸（约152.4mm）的管道上。当超声波发送器A由单脉冲触发时会激发出一定频率的幅值逐渐先增大后减小的振荡超声波，该超声波穿透管道后由超声波接收器B接收。虽然，大量实验证明500kHz共振频率能减小噪声的干扰及信号损失。但是由于是夹装式以及气体流量测量的固有影响因素，使得接收到的信号仍存在信噪比低、波形失真等问题。特别是在气体压力较低（比如0psig，1psi=6.89kPa，这里psig为表压，0psig表示内外压力相等，也即1atm或者0.1MPa）且流速较快时信号干扰问题更为严重，这对传统的超声波检测方法带来极大的挑战。

[0037] 气流速度与管道中气体压力P分别由伺服电机频率（Motor Frequency,MF）和流量调节阀来控制。MF数值越大相应系统中气体流速越快，本实施例中伺服电机频率为60Hz（相应流速约为121.6ft/s或者37.06m/s）。另外，气体的温度变化会对测量信号带来影响，因此测试装置配备冷却系统可使温度保持在80℉（约26.7℃）左右。

[0038] 计算机中的超声波抗噪检测系统根据如下步骤对超声波接收器采集到的信号进行处理，即本实施所述超声波抗噪检测方法如图2所示。

[0039] （1）设定采样频率和采样点数，记录下多次测量的超声波数据。

[0040] 在本实施例中，设定采样频率为20MHz，采样点数为2048个点。

[0041] （2）分别对多次测量的超声波数据进行时频变换。在本发明中，对超声波数据进行时频变换可以选用线性、二次和/或自适应时频变换方法。

[0042] 对于信号s(t)，可采用线性时频变换方法有：短时傅里叶变换（STFT）、连续小波变换（CWT）等。

[0043] 若采用短时傅里叶变换，信号s(t)的时频变换为

[0044]

[0045] 其中，g(t)为所加时窗函数。

[0046] 若采用小波变换，则信号s(t)的时频变换为

[0047]

[0048] 其中，ψ为母小波函数。ψ是一个在时间轴上积分为零的函数，对ψ伸缩和平移1/2
后可得小波原子ψτ,a(t)=a ψ((t-τ)/a)，母小波函数选取一维Gabor小波，其表达式为式

[0049]

[0050] 其中，σt表示小波的频带宽度，f0为小波的中心频率。

[0051] 对于信号s(t)，可采用二次时频变换方法有：Cohen类时频分布、光滑Wigner-Ville时频分布（SPWV）等。

[0052] 若采用Cohen类时频分布，则信号s(t)的时频变换为

[0053]

[0054] 其中，K(t,f;υ,τ)称为满足一定条件的核函数。

[0055] 若采用光滑伪Wigner-Ville时频分布，则信号s(t)的时频变换为

[0056]

[0057] 上式中g(t)与h(t)均为加窗函数。光滑伪Wigner-Ville分布可有效抑制交叉项。

[0058] 对于信号s(t)，可采用自适应时频变换方法有：Hilbert-Huang谱（HHS）等。

[0059] 若采用Hilbert-Huang谱，则信号s(t)的时频变换为

[0060]

[0061] 瞬时幅值与瞬时频率所构造的Hilbert-Huang谱（Hilbert-Huang Spectrum，HHS）能够综合反映信号特征信息，时频信息矩阵可由下式得到。

[0062]

[0063] （3）将多次测量的超声波数据的时频变换结果进行叠加平均，得到时频信息矩阵，并根据时频信息矩阵生成广义时频域平均图。上述进行叠加平均的时频变换结果可以是采用同一种时频变换分析方法所获得的时频变换结果，可以是采用不同种时频变换分析方法所获得的时频变换结果。

[0064] 通过广义时频平均处理，获得噪声消除后的时频图。即

[0065] 若si(t)为N组测量信号中一组时域信号， 为此si(t)信号的时频变换结果，T表示所采用的某一时频变换，它可以是线性、二次以及自适应时频分析方法。对于N组信号而言，时频域平均后得到的时频信息矩阵 为

[0066]

[0067] 若时频变换所采用的是光滑伪Wigner-Ville分布时，广义时频域平均的结果可用 表示。若时频变换所采用的是SPWV、Scalogram或HHS中的某一时频运算时，相应地广义时频域平均的结果可分别简记为 与 若时频变换采用小波变换与二次时频分布两种时频方法分析信号s(t)，此时将得到与式相似的广义时频域平均技术为

[0068]

[0069] 其中：Ξ∪Ω表示联合时频操作。

[0070] （4）利用极值寻找方法，搜索广义时频域平均图的能量中心所对应的时间和频率信息；

[0071] （5）在能量中心的最大频率点，沿着时间轴切片，得到最大频率处即为所检测的超声波信号。

[0072] 以下通过具体数据验证上述方法的有效性：

[0073] 在MF=60Hz及P=0psig（0.1Mpa），5psig（0.134Mpa），15psig（0.203Mpa）或50psig（约0.445Mpa）情况下，顺流（即图2中超声波发生器A→B方向）与逆流（B→A方向）分别采集80组数据。所有数据经A/D转换和预滤波（500kHz附近）后存储到计算机中。

[0074] 随着气体压力的增大，顺流与逆流采集信号的信噪比均得到增强，顺流时采集信号受外界干扰的影响要小于逆流时的信号。因此，在低压（如P=0psig和5psig）、逆流方向信号受外界的干扰较大，信噪比较低。对上述每种工况下所采集的80组数据的时域平均技术（TDA）分析结果如图3所示，可以看出在P=0psig和5psig时，TDA检测效果也不是特别理想，原因是TDA技术在处理波形失真或者存在较强干扰成分的信号时能力有限。因此，本实施例主要针对上述P=0psig和5psig两种工况，采用广义时频域平均技术（ETFDA）技术进行分析，来验证方法的有效性。

[0075] 在p=0psig时AVSPWV、AVSG与AVHHS分析结果分别如图4(a1)、(b1)、(c1)所示，从中可以明显看出三种ETFDA技术在500kHz工作频率（或尺度50）处成功地检测出顺流与逆流方向的超声波信号（图中箭头所指）。图4(a2)、(b2)、(c2)显示对应三个时频图的500kHz频率处切片，顺流（实线）与逆流（虚线）方向超声波均有效地检测出来。此种情况下，对应AVSPWV、AVSG与AVHHS技术检测出顺流与逆流方向的超声波时刻点（图4(a2)、(b2)、(c2)中虚线表示）分别为611与868、611与869、609与862。因此，即使信号存在强烈干扰成分时三种ETFDA技术还是成功检测出信号中的超声波，并且时间基本一致，时间差约为12.85us（257/20M）。

[0076] 根据上述方法所设计的一种超声波抗噪检测系统，包括如下单元：

[0077] 模数转换单元，对采样的超声波数据进行模数转换。

[0078] 预滤波单元，预滤波单元对模数转换后的数据进行预滤波后送入记录单元进行记录。

[0079] 记录单元，根据设定的采样频率和采样点数，记录下超声波接收器多次测量的超声波数据。

[0080] 时频变换单元，分别对多次测量的超声波数据进行时频变换。所述时频变换单元选用线性、二次和/或自适应时频变换方法对多次测量的超声波信号进行时频变换。

[0081] 广义时频域平均单元，将多次测量的超声波数据的时频变换结果进行叠加平均，得到时频信息矩阵，并根据时频信息矩阵生成广义时频域平均图。

[0082] 极值查找单元，利用极值寻找方法，搜索广义时频域平均图的能量中心所对应的时间和频率信息。

[0083] 信号确定单元，在能量中心的最大频率点，沿着时间轴切片，得到最大频率处即为所检测的超声波信号。

[0084] 上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。