一种基于曲线拟合的雷达物位计信号处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业测量领域，具体地说是一种基于曲线拟合的雷达物位计信号处理方法。
【背景技术】
[0002]物位是工业生产的重要参数。现有静压法、浮球式、超声波等物位测量仪表，具有各自的特点和应用范围。雷达物位计通过先进的处理技术，具有独特的优势，特别在高温、高压、蒸汽、介质腐蚀性强等恶劣测量条件下显示出其卓越的性能，在工业生产中发挥着越来越重要的作用。
[0003]工业物位、液位计工况复杂，如干扰物、导波杆敷层、泡沫、蒸汽和湍流的测量条件下导致测量精度的问题。典型的算法是检测峰值，算法应用的前提是回波波形足够好。实际应用过程中，波形多径效应往往会有多个回波，例如，壁回波导致不止一个的峰值，还有就是不好确定峰值。
[0004]现有精确定位技术通过对回波进行线性插值实现，峰值与回波后沿易受测量环境和目标对象本身的影响，线性插值难以复合实际波形特性，这使得难以确定正确的回波到达时间，精度提升能力有限。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明将曲线拟合融合到雷达物位计定位算法中，提出了一种基于曲线拟合的雷达物位计信号处理方法。
[0006]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种基于曲线拟合的雷达物位计信号处理方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1:将无目标的初始状态下的反射回波作为噪声本底N ;
[0008]步骤2:将实际测量的反射回波X与噪声本底N进行比较相消，得到相消回波S ;
[0009]步骤3:对相消回波S进行平滑滤波，以滤除微小幅值波动，得到滤波后的回波Sw，计算回波Sw中每个上升沿每点的斜率k，确定上升沿波谷S wtn到波峰S wm的起始时间1311和结束时间ten，即上升沿的持续时间Thn= t en_tsn，如果上升沿持续时间Thn小于最小保持时间Thmin，则该上升沿无效；
[0010]步骤4:在上升沿有效的情况下，以斜率最大的点所在的上升沿作为目标估计位置；
[0011 ] 步骤5:根据目标估计位置的波峰Swm的60 %至90 %区间的数据，利用最小二乘法拟合抛物线；
[0012]步骤6:通过拟合计算得到峰值，以及对应的时间t ;
[0013]步骤7:物位计精确定位R = (t-te)c/2，其中，R为物位距离，c为光速，t。为时钟起始修正时间。
[0014]本发明具有以下有益效果及优点:
[0015]1.本发明针对实际应用过程中多径效应产生多个回波，通过上升沿的特征确定目标回波；
[0016]2.本发明利用最小二乘法拟合抛物线解决峰值与回波后沿易受测量环境和目标对象本身的影响；
[0017]3.本发明利用最小二乘法拟合抛物线提升物位计的定位精度。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的方法流程图；
[0019]图2(a)示出了雷达物位计回波情况I ;
[0020]图2 (b)示出了雷达物位计回波情况2 ；
[0021]图2(c)示出了雷达物位计回波情况3 ；
[0022]图3为本发明曲线拟合示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0024]如图1所示，为本发明流程示意图。首先计算回波上升沿每点的斜率，并判断上升沿持续时间是否满足最小保持时间；然后通过最大斜率确定某上升沿作为目标估计位置；再通过目标估计位置的上升沿波峰的60%至90%区间的数据利用最小二乘法拟合抛物线，计算得到峰值以及对应的时间，最终得到物位计精确定位。具体步骤如下:
[0025]步骤1:将无目标的初始状态下的反射回波作为噪声本底N ;
[0026]步骤2:将实际测量的反射回波X与噪声本底N进行比较相消，得到相消回波S ;
[0027]步骤3:对相消回波S进行平滑滤波，滤除微小幅值波动，得到滤波后的回波Sw，计算回波Sw中第η个上升沿每点的斜率k，确定上升沿波谷S wtn到波峰S ■的起始时间t sn^P结束时间ten，即上升沿的持续时间Thn= t en_tsn，如果上升沿持续时间Thn小于最小保持时间Thmin，将该上升沿无效；
[0028]步骤4:最大斜率kmax为第η个上升沿某点的斜率，则将第η个上升沿作为目标估计位置；
[0029]如图2 (a)所示，雷达物位计回波存在3个上升沿，3个上升沿的持续时间均大于最小保持时间，最大斜率kmax为第2个上升沿某点的斜率，则将第2个上升沿作为目标估计位置；
[0030]如图2(b)所示，雷达物位计回波存在3个上升沿，第3个上升沿的持续时间均小于最小保持时间，则第3个上升沿无效，最大斜率kmax为第2个上升沿某点的斜率，则将第2个上升沿作为目标估计位置；
[0031]如图2(c)所示，雷达物位计回波存在3个上升沿，第3个上升沿的持续时间均小于最小保持时间，则第3个上升沿无效，第3个上升沿某点的斜率为最大斜率kmax，因为第3个上升沿无效，排除掉无效上升沿后，最大斜率kmax为第2个上升沿某点的斜率，则将第2个上升沿作为目标估计位置；
[0032]步骤5:第η个上升沿波峰Swm的60%至90%区间的数据利用最小二乘法拟合抛物线；
[0033]步骤6:通过拟合计算得到峰值，以及对应的时间t ;
[0034]如图3所示，雷达第η个上升沿点A和点B的值为上升沿波峰Swen的60 %和90 %，通过该区间的数据利用最小二乘法拟合抛物线，得到虚线，虚线定点C即为曲线拟合计算得到的峰值，对应的时间为t ;
[0035]步骤7:物位计精确定位R = (t-t。) c/2，其中，R为物位距离，c为光速，t。为时钟起始修正时间。
【主权项】
1.一种基于曲线拟合的雷达物位计信号处理方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:将无目标的初始状态下的反射回波作为噪声本底N ; 步骤2:将实际测量的反射回波X与噪声本底N进行比较相消，得到相消回波S ; 步骤3:对相消回波S进行平滑滤波，以滤除微小幅值波动，得到滤波后的回波Sw，计算回波Sw中每个上升沿每点的斜率k，确定上升沿波谷S wtn到波峰S wm的起始时间t sn和结束时间ten，即上升沿的持续时间Thn= t en-tsn,如果上升沿持续时间Thn小于最小保持时间Thmin，则该上升沿无效； 步骤4:在上升沿有效的情况下，以斜率最大的点所在的上升沿作为目标估计位置；步骤5:根据目标估计位置的波峰Swm的60%至90%区间的数据，利用最小二乘法拟合抛物线； 步骤6:通过拟合计算得到峰值，以及对应的时间t ; 步骤7:物位计精确定位R = (t-t。) c/2，其中，R为物位距离，c为光速，t。为时钟起始修正时间。
【专利摘要】本发明涉及一种基于曲线拟合的雷达物位计信号处理方法。包括以下步骤：首先计算回波上升沿每点的斜率，并判断上升沿持续时间是否满足最小保持时间；然后通过最大斜率确定某上升沿作为目标估计位置；再通过目标估计位置的上升沿波峰的60％至90％区间的数据利用最小二乘法拟合抛物线，计算得到峰值以及对应的时间，最终得到物位计精确定位。本发明有效解决多径多回波的波峰定位问题，消除回波后沿易受测量环境和目标对象本身的影响，提高了定位精度。
【IPC分类】G01S13/08, G01S7/35, G01F23/284
【公开号】CN104913830
【申请号】CN201510252502
【发明人】毕欣, 高洁, 杜劲松, 王伟, 赵越南, 田星, 仝盼盼, 张青石, 李想, 徐洪庆, 丛日刚, 高扬
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年5月15日