专利名称：用于测量距离的磁致伸缩传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量脉冲传播时间的方法/系统。更具体地，本发明涉及一种用于精确地确定脉冲波形到达检测器的时间的方法和系统。更具体地，本发明涉及测量在磁致伸缩传感器中的脉冲传播时间。
背景技术：
需要有一种系统和方法，用于精确和经济地测量脉冲传播时间，特别地需要有一种精确的方法，用于确定脉冲波形到达检测器的时间。需要有一种鲁棒系统和方法，用于精确和经济地在磁致伸缩传感器中测量脉冲传播时间。以磁致伸缩传感器纵向波导的形式的磁致伸缩传感器被用于确定磁性目标沿着其长度方向的位置，其中所述磁致伸缩传感器纵向波导具有波导长度。需要有一种经济可行的方法，用于动态地测量在磁致伸缩传感器波导中的脉冲传播时间，以提供沿着传感器波导长度方向的磁性目标位置的精确测量。
发明概要本发明包括一种测量磁致伸缩传感器脉冲的方法。该方法包括如下步骤为模拟波形检测器提供与模-数转换器相连的数字缓存器电路，用于从磁致伸缩波导接收磁致伸缩脉冲波形，提供了一个模板波形，将返回的磁致伸缩脉冲波形接收到数字缓存器电路中，以及将接收到的脉冲波形与模板波形进行比较，以确定返回的磁致伸缩脉冲波形的到达时间。优选地，提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模拟该磁致伸缩系统的特征磁致伸缩返回脉冲波形。
本发明包括一种磁致伸缩传感器系统，该系统由如下组成磁致伸缩波导，模拟波形检测器，用于从该磁致伸缩波导接收磁致伸缩脉冲波形，具有模板波形的比较相关处理器，用于对接收到的磁致伸缩脉冲波形与模板波形进行比较，以确定返回到磁致伸缩脉冲波形的到达时间。
本发明包括一种测量脉冲传播时间的方法。该方法包括提供一个询问脉冲发生器，提供一个波形检测器，用于接收返回的脉冲波形，以及提供一个模板波形。该方法包括从询问脉冲发生器输出询问脉冲，通过波形检测器接收返回的脉冲波形，以及将接收到的返回脉冲波形与模板波形进行比较，以确定返回脉冲波形的返回到达时间。优选地，该方法包括提供与波形检测器相连的缓存器电路，用于将返回的脉冲波形接收到缓存器电路中。优选地，提供模板波形的步骤包括提供生成的合成返回波形，其用于模拟该脉冲传播测量系统的特征返回脉冲波形。在一个实施例中，将接收到的返回脉冲波形与模板波形进行比较包括使得接收到的返回脉冲波形与模板波形相关，并查找相关函数的最大值。在一个实施例中，将接收到的返回脉冲波形与模板波形进行比较包括计算适于接收到的返回脉冲波形与模板波形之间的最小均方拟合(least mean square fit)。优选地，将接收到的返回脉冲波形与模板波形进行比较包括计算在接收到的返回脉冲波形与模板波形之间何处最大匹配或最小差异。
本发明包括一种测量系统。该测量系统由如下组成询问脉冲发生器，用于输出询问脉冲，具有模板波形和缓存器电路的比较相关处理器，其中该缓存器电路用于存储由波形检测器接收到的数字采样波形，以及波形检测器，用于接收返回的脉冲波形。该波形检测器与比较处理器相连，该波形检测器将返回的脉冲波形传送给比较处理器，该比较处理器将存储在缓存器电路中的数字采样的返回脉冲波形与模板波形进行比较并确定返回的脉冲时间。
本发明包括一种用于测量脉冲到达时间的方法。该方法包括提供一个处理器，该处理器与用于接收脉冲波形的波形检测器进行通信，提供一个模板波形，通过波形检测器接收返回的脉冲波形，以及将接收到的脉冲波形与模板波形进行比较(进行关联)以确定返回的脉冲波形的到达时间。优选地，该方法包括为模拟波形检测器提供与模-数转换器相连的数字缓存器电路，用于接收脉冲波形。优选地，提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模拟测量系统的特征返回脉冲波形。优选地，将接收到的返回脉冲波形与模板波形进行比较包括将接收到的脉冲波形与模板波形进行关联。
本发明包括一种磁致伸缩地测量目标位置的方法。该方法包括提供一个磁致伸缩波导，提供一个磁致伸缩的询问脉冲发生器，用于将询问脉冲输出到所述磁致伸缩波导中去，提供一个波形检测器，用于从所述磁致伸缩波导接收返回的脉冲波形，提供一个比较处理器，提供一个模板波形，从所述询问脉冲发生器中输出询问脉冲，通过该检测器接收返回的脉冲波形，以及将接收到的返回脉冲波形与模板波形进行比较，以确定所返回脉冲波形的返回时间。优选地，该方法包括提供一个与波形检测器相连的缓存器电路，用于存储数字采样的返回脉冲波形。优选地，提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模拟该系统的特征返回脉冲波形。优选地，通过检测器接收返回的脉冲波形包括对脉冲波形进行数字采样并将其存储在缓存器电路中。优选地，该方法包括从返回脉冲传播时间的时间测定中确定沿着波导方向的目标位置，其中所述返回脉冲传播时间被转换为沿着波导的距离。
可以理解的是，上述的一般说明以及下面的详细说明都只是本发明的范例，并且意味着为了理解如本发明所要求的特性和特征提供了一种概述或框架。所包括的附图提供了对于本发明的进一步的理解，并被并入本发明以及构成了本发明的一部分。
了本发明的各种实施例，并且与说明书一块解释了本发明的原理和操作。
详细说明下面将在跟在权利要求以及附图后面的详细说明中阐述本发明的其它特征和优点，并且对于本领域内的技术人员来说，从该说明中可以更容易的理解部分发明，或者通过实现如这里所述的发明来认识包括详细说明在内的部分说明。
现在将对本发明当前的优选实施例进行详细的说明，其例子在附图中进行了说明。本发明包括一种测量磁致伸缩传感器脉冲的方法。该方法包括如下步骤为模拟波形检测器提供与模-数转换器相连的数字缓存器电路，用于从磁致伸缩波导接收磁致伸缩脉冲波形，提供了一个模板波形，将返回的磁致伸缩脉冲波形接收到数字缓存器电路中，以及将接收到的脉冲波形与模板波形进行比较，以确定返回的磁致伸缩脉冲波形的到达时间。优选地，提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模拟该磁致伸缩系统的特征磁致伸缩返回脉冲波形。图1说明了本发明。该测量磁致伸缩传感器脉冲的方法包括为模拟波形检测器24提供与模-数转换器22相连的数字缓存器电路20，用于从磁致伸缩波导40接收磁致伸缩脉冲波形26。该方法包括提供了一个模板波形28，优选地，该模板波形28就是生成的合成返回波形，其用于模拟该磁致伸缩系统30的特征磁致伸缩返回脉冲波形。该方法包括将返回的磁致伸缩脉冲波形26接收到数字缓存器电路20中，以及将该接收到的脉冲波形26与模板波形28进行比较，以确定返回的磁致伸缩脉冲波形26到达波形检测器24的时间。该方法包括提供一个与磁致伸缩波导40耦合的询问脉冲发生器32，从询问脉冲发生器32输出询问脉冲34到磁致伸缩波导40中，其中将脉冲波形26接收到数字缓存器电路20中包括将返回的磁致伸缩脉冲波形26接收到数字缓存器电路20中。优选地，通过比较处理器50将波形检测器24和缓存器电路20与询问脉冲发生器32同步起来。优选地，该磁致伸缩波导波形检测器24由传感线圈38组成。优选地，进行比较以确定返回的磁致伸缩脉冲波形26到达波形检测器24的时间包括在接收到的脉冲波形26中确定一个时间，这时接收到的脉冲波形26与模板波形28之间相关性最大，以使得接收到的脉冲波形26与模板波形28相关，以确定返回的磁致伸缩脉冲波形26的到达特征时间，进而确定磁性目标36沿着波导40方向的位置。优选地，将脉冲波形26接收到缓存器电路20中包括按照周期性的采样率62输入测量到的幅值，优选地该周期性采样率62至少为1MHz，更优选地为大约2MHz，优选地每个脉冲使用至少10次采样，优选地对每个返回的磁致伸缩脉冲波形26的脉冲进行10-30次采样。优选地，从询问脉冲发生器32输出询问脉冲34到磁致伸缩波导40中包括以至少0.5kHz、优选地大约1kHz的速率输出询问脉冲34，并且将脉冲波形26接收到缓存器电路20中包括以至少1MHz、优选约2MHz的周期性采样率62输入测量后的幅值，优选地，每个脉冲使用至少10个采样，优选地对每个脉冲进行10-30次采样。优选地，提供模板波形28包括提供墨西哥帽模板波形48。
该发明包括一个磁致伸缩传感器系统30。该磁致伸缩传感器系统30包括磁致伸缩波导40，模拟波形检测器24，用于从该磁致伸缩波导接收磁致伸缩脉冲波形26，以及具有模板波形48的比较处理器50，用于对接收到的磁致伸缩脉冲波形26与模板波形28进行比较以确定返回的磁致伸缩脉冲波形26到达该磁致伸缩传感器模拟波形检测器24的时间。优选地，该系统由如下组成通过模-数转换器22与模拟波形检测器24相连的数字缓存器电路20，该数字缓存器电路20与比较处理器50进行通信。优选地，该系统30由如下组成磁致伸缩询问脉冲发生器32，用于将查询电流脉冲34输出到磁致伸缩波导40中。优选地，该波形检测器24由传感线圈38组成。
该发明包括一种用于测量脉冲传播时间的方法。该方法包括提供一个询问脉冲发生器32，提供一个波形检测器24，用于接收返回的脉冲波形26，以及提供一个模板波形28。优选地，提供模拟波形检测器24用于接收返回的脉冲波形26包括提供通过A-D转换器22与检测器24相连的缓存器电路20，用以对波形26数据进行数字采样和缓存，从而由比较处理器进行批量处理。可选地，可以由处理器连续地处理该来自波形检测器24的数据，而不在缓存器电路20中缓存。优选地，提供模板波形28包括提供生成的合成返回波形，其用于模拟该系统30的特征返回脉冲波形。该方法包括从询问脉冲发生器32输出询问脉冲34，通过波形检测器24将返回的脉冲波形26接收到缓存器电路20中，以及将接收到的返回脉冲波形26与模板波形28进行比较，以确定返回的脉冲波形26到达波形检测器24的时间。优选地，将接收到的返回脉冲波形26与模板波形28进行比较包括计算在接收到的返回脉冲波形26与模板波形28之间何处最大匹配或最小差异。优选地，将接收到的返回脉冲波形26与模板波形28进行比较包括进行关联并查找接收到的返回脉冲波形26与模板波形28之间的相关函数的最大值。在一个实施例中，将接收到的返回脉冲波形26与模板波形28进行比较包括计算接收到的返回脉冲波形26与模板波形28的最小均方拟合。优选地，进行比较以确定返回的脉冲波形26的返回时间包括在接收到的返回脉冲波形26中确定一个时间，此处接收到的脉冲波形26与模板波形28之间相关性最大。优选地，接收返回的脉冲波形26包括按照周期性的采样率62对返回的脉冲波形26进行缓存，优选地，通过按照周期性的采样率将测量到的幅值60输入到缓存器电路20中。优选地，该方法包括确定被缓存的返回脉冲波形26的幅值极值60(正或负峰值)的采样时间，并且优选地在所确定的采样时间幅值极值60的附近形成一个查找窗口，并且在查找窗口中对小波变换进行估算，在所述窗口中模板波形28与接收到的返回脉冲波形26之间的相关性是最大的。优选地，该方法包括提供一个缓存器电路20以及接收返回的脉冲波形26，这包括优选地通过按照周期性的采样时间输入被采样的电压，将返回的脉冲波形26接收到缓存器电路20中。优选地，该询问脉冲发生器32利用了除了返回的脉冲波形26及其检测器24的能量以外的不同能量域以及能量波速上的差异，其中不同的能量域例如是磁致伸缩波导线40中的与机械扭转波26相对的电子电流脉冲34，其中不同的能量波速例如是固体波导材料中与声速相对的光速。优选地，从发生器32中发出的电子询问脉冲34开启处理器50的时钟，并测量机械扭转波26到达检测器24的时间延迟，以根据波形26的已知速度确定磁性目标36沿着波导方向的位置，因此计算出来的时间也能够被用于计算沿着波导40方向的位置。
本发明包括一种测量系统30。该系统30由如下部分组成询问脉冲发生器32，用于输出询问脉冲34，具有模板波形28的比较相关处理器50，以及波形检测器24，用于接收返回的脉冲波形26。优选地，该系统30包括缓存器电路20，用于存储由波形检测器24接收的数字采样的波形26。该波形检测器24与比较处理器50相连，该波形检测器24将返回的脉冲波形26传送给比较处理器50，该比较处理器50将存储在缓存器电路20中的数字采样的返回脉冲波形26与模板波形28进行比较，并确定波形26到达传感器24的返回脉冲时间。优选地，该波形检测器24是一个模拟检测器，并且该系统包括一个连接波形检测器24以及缓存器电路处理器50的模-数转换器22。优选地，将该波形检测器24以及缓存器电路50与询问脉冲发生器32同步。在一个实施例中，该波形检测器24由传感线圈38组成。优选地，该系统包括一个传感器波导40，其中该询问脉冲发生器32与波导40相连，以将询问脉冲34输出到波导中，并且该波形检测器24与波导相连，以从该波导接收返回的脉冲26，最优选地，该波导40由磁致伸缩传感器波导组成。在一个实施例中，例如图1C中所示，该询问脉冲发生器32是一个光学脉冲发生器70并且该波形检测器24包括光学脉冲检测器72。如图1C所示，该光学脉冲发生器70是一个光脉冲激光发生器，用于向一个光学目标74输出询问脉冲34，以产生由检测器24接收的返回脉冲波形26，该测量系统利用询问脉冲以及返回脉冲波形26的飞行时间来确定目标74的位置和距离特征以及运动，例如通过测距以及各种风速空速应用。
本发明包括一种用于测量脉冲到达时间的方法。该方法包括提供一个处理器50，该处理器与用于接收脉冲波形26的波形检测器24进行通信。该方法包括提供一个模板波形28和通过该波形检测器24接收返回的脉冲波形26，以及将接收到的脉冲波形26与模板波形28进行比较以确定返回的脉冲波形26的到达时间。优选地，提供的与波形检测器24通信的处理器50包括数字缓存器电路20，该电路20通过模数转换器22与模拟波形检测器24相连，并且将返回的脉冲波形26接收到该数字缓存器电路中。提供模板波形28优选地包括生成和输入合成的返回波形到具有生成的模板波形28的处理器中，所述模板波形28模拟了该系统的特征返回脉冲波形。将接收到的脉冲波形26与模板波形28进行比较优选地包括在接收到的脉冲波形中确定一个时间，这时接收到的脉冲波形与模板波形之间的相关性最大。优选地，该方法包括将脉冲波形26接收到缓存器电路20中，优选地通过以周期性的采样率62将采样电压的测量幅值60输入并缓存到处理器中。优选地，该方法包括确定在数字缓存器电路中接收并被输入到处理器中的脉冲波形26的幅值极值。优选地，在接收到的脉冲波形26的被确定幅值极值的附近形成一个查找窗口，并且在形成的查找窗口中对小波变换进行估算，在该窗口中模板波形28与接收到的返回脉冲波形26之间的相关性最大。
本发明包括一种测量目标位置的方法，该方法包括提供一个询问脉冲发生器，用于输出询问脉冲，提供一个波形检测器，用于接收返回的脉冲波形，提供一个比较处理器，提供一个模板波形，从询问脉冲发生器中输出询问脉冲，通过该检测器接收返回的脉冲波形，以及将接收到的返回脉冲波形与模板波形进行比较，以确定返回的脉冲波形的返回时间，从而从返回时间的时间测定中提供目标位置。本发明包括磁致伸缩地测量目标36的位置的方法。该方法包括提供一个磁致伸缩波导40，提供一个磁致伸缩询问脉冲发生器32，用于将询问脉冲34输出到所述波导40中去，提供一个波形检测器24，用于从所述磁致伸缩波导40接收返回的脉冲波形26，提供一个比较处理器50，提供一个模板波形28，从询问脉冲发生器32中输出询问脉冲34，通过该检测器24接收返回的脉冲波形26，以及将接收到的返回脉冲波形26与模板波形28进行比较，以确定返回脉冲波形的返回时间。优选地，提供比较处理器50包括提供与波形检测器24相连的缓存器电路20，所述缓存器电路用于存储被数字采样的返回脉冲波形26。提供模板波形28优选地包括提供生成的合成返回波形，其用于模拟该磁致伸缩系统的特征返回脉冲波形。接收返回的脉冲波形26优选地包括在缓存器电路中数字地采样和存储波形。该返回脉冲波形26的经确定的返回时间用于通过返回的脉冲传播时间来确定目标36沿着磁致伸缩波导40方向的目标位置，其中所述脉冲传播时间被转换为沿着波导的距离。
本发明提供了对于脉冲传播时间间隔的精确及鲁棒的测量。当被应用于磁致伸缩位移传感器时，本发明是比过零检测器更优的选择。本发明提供了一种信号处理方法，该方法采用小波来确定与已经被数字采样的各个脉冲相关的特征时间。
在高温恶劣环境例如车辆推进系统(例如Joint Strike FighterF-35B Lift Fan Shaft，JSF申请)中，由于被要求接近传感器的过零检测电子设备无法在高温下可靠地运行，因此磁致伸缩位移传感器系统的应用已经受到了妨碍。本发明通过去除大部分传感器所需的电子设备而极大地扩展了磁致伸缩传感器的操作温度范围。本发明还提供了一种装置，该装置在出现不相关噪音的情况下，显著地提高了位置测量的精度。进一步，与过零或阈值检测方案所需的相比，本发明能够以更低的采样和时钟频率对磁致伸缩传感器信号进行精确的数字信号处理。
磁致伸缩(MS)传感器具有特征模拟返回波形。从商业上可行的磁致伸缩位置传感器以及商业上可行的磁致伸缩位移传感器中获得未经加工的试验性磁致伸缩传感器响应波形。从该数据中，构建出一组合成的波形模板，其相当精确地代表了未经加工的波形。该合成的波形接着被用于模拟V/STOL固定机翼航天器引擎升力风扇推进系统中MS传感器的一个典型响应，其中该系统易于与传感器刚性环失调(misalignment)测量系统相耦合，用于测量与角度调整耦合的推进系统主动轴的角度调整。使用合成的模板波形考虑到与每个返回脉冲波形相关的“特征时间”的确切知识。被估计的特征时间在没有附加噪音的情况下位于精确时间的0.5纳秒之内。当正态分布的噪音被加入到该模拟中时，该定时错误也正态分布并且仍旧很小(＜10ns)，验证了该方法的鲁棒性和精确性。
优选地，在脉冲定时的应用中使用本发明测量脉冲传播时间。在一个优选实施例中，利用本发明，通过磁致伸缩传感器系统中的磁致伸缩传感器进行精确的位置测量，从而测量一个目标的位置。具体的实现细节在下面参照Joint Strike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics andHealth Mornitoring application for measuring angular alignment(JSF申请)进行了说明，例如2002年4月23日提出的美国临时专利60/374,752(Attorney Docket No.IR-3272(MC))(Misalignment Mearuring systemusing magnetostrictive linear sensor)以及2003年4月23日提出的美国专利申请10/421,325(Attorney Docket No.IR-3272)(Aircraft VehicularPropulsion System Monitoring Device and Method)，2004年2月5日公开的美国专利申请公开US 2004/0024499 A1中所述的，这里将它们并入作为参考。
在用于测量目标36的位置的磁致伸缩传感器系统30的操作中，查询电流脉冲34被施加到具有询问脉冲发生器32的传感器中的磁致伸缩波导40。该电流在波导周围形成了一个环形磁场。该磁场与由磁性目标36产生的磁场相互影响并在波导内生成扭转波。这些扭转波传播回至发源端处，在这里，它们被波形检测器24检测到(优选地，传感线圈38)，产生返回的脉冲波形26。将为沿着波导40出现的每个不同的磁场检测单独的返回波形26。
图2示出了由波形检测器24检测到的一种典型的未经加工模拟返回波形26。由于两个不同的永磁目标36位于沿着磁致伸缩传感器波导40方向的不同位置，因此该信号包含两个不同的脉冲返回波形26。知道了扭转波形的(恒定)波速，我们就能够精确地从返回的脉冲波形26的特征时间中估计出目标的绝对或相对位置。
前面的测量系统已经利用了阈值或过零检测器来确定返回波形的特征时间。该过零检测电路一般都由模拟电子设备来实现，其中该模拟电子设备在物理上都被置于接近磁致伸缩传感器本身。只有过零检测电路的输出已经被数字表示为逻辑1或0。本发明删去了过零检测电路并且采用了具有返回波形检测器(磁致伸缩返回波形检测器24)的简单缓存器电路20。该简单缓存器电路20能够忍受Joint Strike FighterLift-Fan Shaft Prognostics and Health Mornitoring System的高温环境。优选地，对于该发明，该模拟返回信号被信号调节，接着被数字采样并在位于远处的处理器50上进行处理，从而确定特征时间。图1D示出了一个系统，该系统示意了这种使用磁致伸缩传感器的体系结构。
对于Joint Strike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics and HealthMornitoring申请，每个磁性目标36都具有固定和已知的移动操作范围，其中该移动操作范围被转换至固定和已知的时间窗口，在该窗口中将会出现相关的返回脉冲。如图3的时序图所示(对于单个返回脉冲)，只有在已知的时间窗口期间，即固定的时间延迟之后，该A/D转换器22才被启动。图3中也示出了该过零时间作为参考。
图3中下面的各曲线表示具有高速周期性采样率62和低速周期性采样率62的两个可选择的数字采样方案。在第一个例子中，高速采样处理捕获了具有相对较高时间分辨率的数据。除了依靠被采样数据的相对小的完整性以及固有的容易招致噪音子集(即接近过零，例如通过在数据中查找过零而通过根据高速数字采样的数据确定特征时间)，本发明还具有缓存全部数据的优点。
图3中下方的曲线表示了使用数字采样的数据来确定特征时间的优选采样方法，其中低速地对波形进行采样，提供粗糙的时间分辨率。优选地，最小采样率应该满足对于返回脉冲的Nyquist准则。根据典型的返回波形数据以及来自商业上可行的磁致伸缩装置的试验测量，该返回波形可以大致被描述为具有载波频率，其中由一些有限持续时间包络来调制该载波频率，以形成如图4中所示的合成脉冲。
一般的磁致伸缩载波频率范围为从150kHz到350kHz，并且包络持续时间一般在10μs与20μs之间。对于这种范围的载波频率，设计很好的低速周期性采样率就是2.0MHz，在每个载波频率的周期内会导致大约6至13个采样。典型的查询电流脉冲率为大约1kHz，并且典型的波速为大约10μs/英寸。
图4中的返回波形脉冲相对于其中心是对称的。在实际中不需要如包络对称所调节的情况。本发明可以处理对称、反对称、以及非对称脉冲。需要注意的是，该包络在时间上具有有限的扩展，并在该包络之外，该脉冲被视为零。
来自磁致伸缩传感器的一般返回脉冲波形具有与小波模板类似之处。适当的小波ψ(t)就是一个具有有限扩展的零平均值连续函数，当在信号处理框架中使用时，它就被尺度参数s放大并且在时间上被τ转换。
ψτ,s(t)=ψ(t-τs)---(1)]]>
该尺度参数扩展或压缩该时标，而该转换参数在时间上偏移该小波。本发明包括将小波应用于测量磁致伸缩传感器中的绝对或相对脉冲时间，其中通过对接收到的返回脉冲波形26与小波模板波形28进行比较和相关来测量磁致伸缩传感器中的绝对或相对脉冲时间。优选地，模板波形28与返回的脉冲波形26之间的最大相关被用于确定被返回的脉冲波形的返回到达时间。
优选地，对于本发明，由于该脉冲通常总是具有恒定的载波频率，因此无法利用变化的尺度参数。可以一直为一个给定的传感器类型选择一个恒定的尺度。本发明也不需要使用一个算术上适当的小波，即满足一个真正小波所有性质特性的小波。图5示出了四个示例小波的曲线图，其中这四个例子被用于验证本发明的精确性和鲁棒性。通常，相对于特定传感器的特征返回波形应当选择适当的小波模板波形。本发明的方法对于选择小波模板类型、其幅值和载波频率、以及未经处理信号本身的幅值变化来说具有高度的鲁棒性。当图5中的每个小波都被用于确定磁致伸缩返回脉冲的特征时间时，它们都会产生非常类似的结果。
Joint Strike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics and HealthMornitoring申请的优选实施例就是以1kHz的速率(1000μs采样周期)查询每个磁致伸缩传感器，以及以大约2MHz的速率(大约0.5μs采样周期，0.5±0.25μs采样周期)对该数据进行数字采样，最优选地为1.548MHz(0.646μs采样周期)。需要注意的是，如图2所示，对于该申请来说，每个传感器有两个磁性目标，具有两个返回波形。优选地，按照查询速率的顺序重复下面的步骤步骤1输出一个查询电流脉冲34(1μs持续时间)给磁致伸缩传感器波导40步骤2等待第一个返回的脉冲26(22.5μs或ADC时钟的大约45个采样(45±25个采样)，最优选地大约21个采样)步骤3启动该ADC 22并缓存该数据(15μs或ADC时钟的30个采样)步骤4等待第二个返回的脉冲26(45μs或ADC时钟的大约90个采样(90±45个采样)，最优选地大约47个采样)步骤5启动该ADC 22并缓存该数据(15μs或ADC时钟的30个采样)此时，我们具有被数字采样的数据的两个单独缓存器，该数据包括对应于两个磁性目标的返回脉冲波形。接着我们处理这些缓存器，从而为每个缓存器确定其特征时间。对于每个缓存器步骤6在数据中确定峰值或中心值的标记(采样数)。
步骤7在步骤6确定的标记附近形成一个查找窗口(2至4个采样)步骤8在形成的查找窗口中估算该小波模板波形变换时间τ，其中在该形成的查找窗口中，被变换的模板波形与被采样数据之间的相关性最大。
优选地，这里我们隐含地定义了将成为最优变换时间的特征时间。一旦为两个缓存器中的每一个都确定了最优小波模板变换时间，就能够通过知道相对于该询问脉冲来说何时对该缓存器进行采样，来计算该脉冲-脉冲(相对)时间或者查询-脉冲(绝对)时间。
优选地，本发明包括实现步骤8。有多种方式来实现步骤8，以达到所希望的精度和鲁棒程度。为了进一步阐明该方法，我们从应用于图6所示的强力(brute force)方法开始。
图6中上面的曲线图表示一个示例的模拟返回波形，其中该波形已经被数字采样为20个采样的缓存。对于该例子，选择一个对称的余弦调制的余弦小波(参见图5)来表示被合成的返回模板波形28。如图6A上面的垂直线CP所示，我们定义了该小波的中间点作为特征时间。需要注意的是，在其中一个采样时间处通常不会出现该特征时间。
对于该例子，步骤8的目的是仅仅使用20个采样时间缓存数据作为数据，通过将接收到的返回脉冲波形与小波模板波形进行比较来确定特征时间。定义被数字采样的返回波形缓存就是r＝[r1…rn…r20]T(2)将步骤6应用于图6中的示例缓存，我们能够看出，数据中的峰值出现在采样数12。根据步骤7，如图6A的阴影交叉影线区域所示，我们接着可以在该峰值的每一侧形成两个采样的查找窗口。为了实现步骤8，我们首先选择一个类似于被采样返回脉冲波形的小波模板28。对于该例子，选择了墨西哥帽小波模板。
我们接着选择一个变换时间τ，使得该小波模板位于查找窗口最左边缘的中央。通过数字地对连续的小波模板进行采样来生成第二数据缓存，以与被返回波形缓存器的时域采样相匹配。将被数字采样的小波模板缓存定义为w(τ)＝[w1…wn…w20]T(3)通过使用这两个缓存器，我们接着计算性能尺度，例如相关函数或二次误差成本函数，从而对接收到的返回脉冲波形与模板波形进行比较。这两个尺度被定义为Jcrrelation(τ)＝w(τ)Tr＝rTw(τ) (4a)Jquadratic(τ)＝(w(τ)-r)T(w(τ)-r)(4b)在相关尺度(4a)的情况下，我们希望确定使尺度最大的变换时间(图6C)，在二次误差尺度的情况下，我们希望使得该尺度最小化(图6D)。如图6C-D所示，两种比较会导致互补的结果。
此时，我们在我们的性能尺度上只有一个简单的点。为了找到该最小值(或最大值)，我们需要计算更多的点。一种这样做的方式就是在很小的离散的时间步长中使得小波模板从查找窗口的最左边缘“滑动”到最右侧边缘，同时在每个变换时间计算该比较性能尺度。用于滑动该小波模板的时间步长应该被选择为与所希望的测量精度具有相同的分辨率。图6B中解释了该小波滑动处理的一个例子。
一旦通过查找窗口计算出了性能尺度，就很容易找到比较极值，即最小值或最大值。只要该查找窗口没有被选择的太大，该极值点就是唯一的。该与极值尺度相关的变换时间就是使得小波与被采样数据之间的相关性最大的特征时间。对于该例子，在图6B中，具有最优变换时间的小波模板被用粗体和标记WT进行高亮显示。
如上面提到的，该强力方法当然会产生所希望的结果，但是会有相当大的计算成本。该成本的很大一部分来自于连续小波函数的直接评估，以生成等式(3)的被采样的小波数据缓存。一个用于降低该成本的可能的装置就是以精确的变换时间分辨率对一组被采样的小波模板进行预计算，但只是将该小波从未加工的波形采样率的一个采样周期滑动到下一个采样周期。算术地，我们可以预计算下面的矩阵W＝[w(kts)w(kts+Δτ)w(kts+2Δτ)…w((k+1)ts)] (5)其中ts为低速采样处理的采样周期，k为低速采样指数，并且Δτ为对于每个步骤的递增变换时间偏移。通过适当的零填充或者通过提取一个适当的数据子集，可以使用该阵列中的数据覆盖变换时间的范围。
另一个计算成本的较大部分来自生成超过一定变换时间范围的性能尺度。除了强力滑动以外，使用对分法来查找最优小波调整就能够实现相当大的计算节省。该对分法需要连续地再划分该查找间隔，直到随后成本函数计算中的变化落入预定的阈值中。图7A为Matlab脚本的例子，用于根据对分法在接收到的返回脉冲波形26的缓存数据(buf1)上滑动小波模板波形28(syncgen)。
该方法被应用于由商业上可行的磁致伸缩传感器产生的实际返回脉冲波形。图7B为来自典型数据集合的例子，该数据集合示出了该对分法如何从该成本函数中查找最小值。在该例中，计算步骤被降低两个数量级(相对于小波的10-15个时域移动)。从图7B中需要注意的是，该对分法并不是一直朝最优方向上步进。因此，可以采用更复杂的算法，以进一步将计算步骤减少一半左右。但是这些一般都要求对于梯度进行更加精密的计算评估，相比较而言该对分法是简单计算。
本发明提供了扩展磁致伸缩探头的温度范围，并且能够在磁致伸缩测量中改进准确度和精度。图8示出了本发明被应用于商业上可行的磁致伸缩传感器40上的数据。在三个温度中的每一个上取三个数据点。y轴相当于如下的时间，该时间是对应于两个磁体36的两个脉冲之间的时间，其中两个磁体36位于沿着磁致伸缩传感器波导探头方向大约分离168mm。在任何给定温度下传播的值小于0.05μs，相当于小于0.15mm。具有温度的数据点的斜率与一般的磁致伸缩波速温度参数相一致，大约为2-3ppm/in/°F。典型的磁致伸缩波导探头具有最大上限温度使用范围不大于100℃，这是因为在温度极值处信号幅值和质量被降低。本发明显示出可以提供100℃以上的有校准价值的结果，并且优选的达到121℃。
图9中示出了磁致伸缩传感器的示意图。磁致伸缩波导线40穿过传感线圈38。将询问脉冲34施加给产生环形磁场的磁致伸缩波导线40。该磁场与目标位置磁体36相互作用，并从磁体36的位置产生沿着波导40的两个方向传播的扭转波。在反射(及反相)该线40的末端之后，扭转波2跟随扭转波1穿过该传感线圈38。图10示出了一个典型的传感线圈输出38。该第一大响应相当于穿过该线圈38的电流询问脉冲34(这里被称为电流噪声)，其后跟随着对应于扭转波1和2的返回波形脉冲26。
当磁性目标36移近线圈38时，波1就开始感应并且最终被掩盖在电流噪声中。对于一种典型的磁致伸缩传感器，这种感应在线圈的2.5英寸内强制产生一个死区。但是，为了时间目的，通过使用波2来代替波1可以大体上减小该死区，尤其是当目标磁体36在线圈38附近时。图11说明了这一点，并且示出了通过使用波导反射波形的一端而使得死区减小。磁体位置x＝0相当于磁体位于距离感应线圈中心大约0.5英寸的位置。因此，就可以看出，使用反射波2允许测量一个距离线圈大约1.0英寸的点，而使用波1只允许距离线圈大于约2.5英寸的合理测量。
对于大致消除磁致伸缩传感器波导探头末端上的死区而言，本发明的模板波形比较信号处理是很有效的。
对于耦合角度失调测量Joint Strike Fighter Lift-Fan ShaftPrognostics and Health Mornitoring申请使用了两个磁性目标36。因此传感器示意图以及相应的线圈输出看上去与图12和13的一样。图12示出了在两个目标磁体36的情况下磁致伸缩传感器40中扭转波的传播。图13示出了来自两个目标磁体36的四个返回波形脉冲。根据上面的讨论，最好使用扭转波2使得传感器死区长度最小化。由于另一个磁体接近于线圈38，因此波3或4也可以使用。因此，可以通过如下的公式来计算两个磁体之间的距离d＝c(t2-t4) (6)其中t2-t4为波4和2之间的相对时间，并且c为材料波速。其他的扭转波(1和3)优选地用于确证该测量。在一个优选实施例中，扭转波1和3用于确定两个目标磁体的位置，这是由于这些接收到的返回脉冲波形具有更大的幅值，例如图12和13中所示。
该查询电流脉冲34的持续时间长度优选地为大约1至2μs，例如1μs±10ns或1.15±0.15μs。例如过零检测的方法具有的问题就是询问脉冲中的可变性，但是本发明的鲁棒性为此提供了大范围的容许度。优选地，该询问脉冲持续时间的范围为大约0.9至2μs。优选地，该询问脉冲具有可变的询问脉冲持续时间，并且该磁致伸缩询问脉冲发生器在脉冲持续时间大约为0.9至2的范围内提供输出。
该模板波形比较的方法利用查找来得到特征时间。对分法是求根方法。由于我们不需要查找过零，因此这不是通过磁致伸缩传感器使用模板小波所必须的。在实际中，我们希望找到模板小波与缓存数据最匹配的时间。这样，这就是相关性，并且我们希望对该相关性进行最大化，以找到最优并且非常精确的特征时间。找到这种相关函数的最大值就是一种一维最大化问题，其中优选地将该最大值包括进来(bracket)。
一种在一维中求一个函数的最小值或最大值的方法就是黄金分割查找。在对分法和黄金分割查找中，优选地将解包括进来。两种方法之间细微的差别就是，在对分法中，当该函数在一对点a和b上具有相反的符号时，解或根被包括在这两个点中间。对于该最小化或最大化问题，不能依赖一个过零或根。而应该优选地定义3个点，a＜b＜c，而使得f(b)＜f(a)并且f(b)＜f(c)。
如果求出该函数的导数，则找到函数的最小值或最大值就能够被简化为一个求根问题。在这种情况下，可以使用对分法作为一个可选对于连续的函数，解并不被处理器浮点精度所限制。泰勒理论给出了f(x)≈f(b)+1/2·f″(b)(x-b)2并理解该等式帮助使所允许的对分总数最小化。用于查找的允许偏差的典型值就是处理器的浮点精度的平方根。
虽然许多对分及黄金分割查找法的求解最终将由于该函数的连续性而受到一些小浮点数的限制，但是本发明的不连续性就隐含着求解受到不连续采样点的限制。图14(对于成本函数J的最小查找)示出了黄金分割查找成本函数J的最小值。
该比较查找方法优选地从选择点1、2和3开始，使得f(3)＜f(2)并且f(3)＜f(1)。接着，在点1和3或3和2之间选择点4。我们发现f(4)＜f(2)，而f(4)＞f(3)。因此，点3仍旧是我们查找的中间点，而外部边缘现在为点1和4。现在在点1和3或点3和4之间选择一个点。我们发现f(5)＜f(3)，并且f(5)＜f(4)，因此这就成为了我们新的中间点。在所有的情况下，新的三点组的中间点就是获得的其坐标为最小值的点。现在，我们必须在点3和5或5和4之间选择一个点。当已经完成了重复查找的预定数(用以限制处理器负担)，或者当最小值已经受到一些关于横坐标的标准的限制，或者内部点之间的距离大于预先计算的小波缓存数目的倒数，则该比较查找被终止。
在该查找中，1，2，3和4可以为浮点数。但是接着该横坐标被离散化为对应于小波缓存数目的基础，由此使用适当的小波评估成本函数。
通过黄金分割查找法选择的点‘x’(如图14中所示)应该为从查找窗口的中点到两个间隔a-b和b-c中较大的那个之间的距离的38.197％(黄金比率)。不管该查找的初始条件如何，只要使用该黄金比例规则来选择连续的点，它就会向按比例尺度的(ratiometric)查找收敛。到最小值的收敛是线性的，但不会象对分法那样好(其使用的比例是50％)。
在Joint Strike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics and HealthMornitoring申请中，我们知道了该系统中磁致伸缩传感器40以及目标磁体36的物理结构，因此我们选择外部括号‘a’和‘c’。这些点就是我们查找窗口的开始和结束采样(如上面的步骤7中所述)。我们为第三点选择了该括号中的点‘b’并随即应用黄金分割查找。在JointStrike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics and Health Mornitoring申请中，由于我们必须计算查找窗口中的峰值，因此我们可以将其用作点‘b’。
还有许多其它数学方法能够用于解决一维最小化问题(以及更多的多维问题)，以对返回脉冲波形26和模板波形28进行比较。例如，Brent的方法比黄金分割查找法更快，但是如果三个被选择的点在一条线上这种方法就会失效。正由于此，在实际中优选地一起采用这两种方法，以根据需要使用逻辑在两者之间切换。
一种在计算上更繁重的方法就是强力法，其中对每个预计算的小波缓存都进行成本函数分析。
不管采用哪种查找方法，该特征时间就是对应于该小波质心的时间，对于该小波质心，成本函数最小(或者相关性函数最大)。
对返回的脉冲波形26和模板波形28进行比较提供了对于飞行时间数据的有益信号处理。优选地，对于飞行时间数据的信号处理包括两个主要步骤(1)对返回脉冲的数字累积，其中该返回脉冲一般出现在超过多次发射(shot)或查询持续时间，并且，(2)识别与所累积的返回脉冲相关的特征时间，优选地返回脉冲波形质心。方法A-C适合步骤(1)。方法A为脉冲累积方法，对于该方法，执行多次发射(查询)并且根据整体原则对该返回脉冲进行累积(平均)。例如，如果执行20次发射并且每次发射都由16k个点组成，则该累积结果就是16k个点。对于该方法，在短时间帧中均为稳定和遍历的零平均噪声将会随着累积数N的变大而消失。对于足够大的N，该方法的分辨率ε一般为ε～±c/2fs其中c为传播速度而fs为采样率。
方法B类似于方法A，但是采用两个特征时间采样周期Ts＝1/fs以及计数器周期To，其中，通常To＝m Ts而m＞1为标量。除了对于每次发射来说A/D被延迟一个计数周期，再次出现了N个发射和累积。该计数器具有低位计数M，使得它在N内翻转N/M次。该结果是Ts/M和N/M个点的有效(累积的)的采样周期，其中N/M个点将在每个有效的采样周期被平均。很清楚的是，随着M的增加，该间隔(interleave)方法对于求解返回脉冲是很有效的。在图15中所示的例子中，N＝8并且M＝4(2位)，使得该有效的采样周期为Ts/4，并且在每个有效采样时间有2个采样。方法B允许使用较低速率的A/D，包括一个非常快(但位数低)的计数器。该方法的分辨率ε一般为ε～±c/2Mfs方法C与方法B类似，不同之处在于A/D的初始时间在时间间隔(0，Ts)之内是随机的。这种方法的目的就是实现方法B的一些优点而不需要高速的计数器。
如方法B和C中所作的，一种改变A/D初始时间的可选方案就是改变查询周期，从该周期中触发该A/D缓存。
与峰值检测方法相比，本发明的小波模板波形比较方法是有益的。对于上述的各种方法，一般试图通过识别与脉冲质心相关的时间来定义累积的返回脉冲的特征时间。这么做的一种方法就是简单地识别与返回信号的峰值相关的时间。如果在累积之后，该被采样的返回脉冲实质上从该噪音层显露出来，则最差情况的准确度将相应于上面定义的分辨率。通过使用小波模板波形比较方法来识别返回脉冲质心，从而提供了改进的准确度。
图16示出了采样信号特征的范围，所述采样信号具有在100MS/s至300MS/s之间变化的采样率并且噪声信号比(用误称SNR来指示)为0、0.1和0.5。使用单位幅值的Hanning窗口生成该信号，并且增加的噪音就是具有SNR的标准偏差的零平均值Gaussian。信号的质心被定义为相应于“实际范围”。脉冲宽度为10ns。
图17对于各种采样率和SNR，比较了信号处理方法A至C。对于方法B，使用M＝5。得出如下结论1.方法B和C与方法A一样好或者更好一点。
2.对于低噪音条件，分析结果与最差情况下的误差预测一致。
3.该三种方法的性能在具有非常差的SNR和较高采样率时变得基本相当。
图18比较了两种用于计算累积的返回信号质心的方法峰值检测方法(圆形)以及小波模板波形比较方法(菱形)。对于这些例子，一种半正矢被用作小波。在各种采样率和SNR下使用根据方法A的数据累积。结论如下1.与峰值检测法相比，在除了出现数据混叠(alias)以外的所有情况下，该小波模板波形比较方法提供了更好的精确度。在这种情况下，数据混叠相当于采样率足够低以至于在给定次数的返回脉冲宽度内只进行少于两次采样的情况。或者换句话说，为了防止混叠，Ts＜Tp/2，其中Tp为脉冲宽度。为了防止在方法B的情况下出现混叠，优选地就是使得Ts＜MTp/2。
2.当SNR变得非常差的时候，在非混叠采样率的情况下，峰值检测法以及小波模板波形比较法的性能变得基本相当。
本发明可以应用在当小波到达系统的时间传感器检测器时在时间上要求高度准确和精确的系统中。本发明提供了一种有益的方法，用于确定目标波26到达传感检测器24的时间。在本发明的一个优选实施例中，小波相关性的小波模板波形比较方法被用于对磁感应的应变脉冲波的到达进行计时，其中该应变脉冲波以声速沿着磁致伸缩传感器波导40传播。本发明用于确定磁感应的应变脉冲波的传播时间，其中传播时间是指该磁感应的应变脉冲波从与磁场相互作用(询问脉冲磁场与耦合中心传感器磁性目标环36之间的相互作用)的感应初始点沿着磁致伸缩传感器波导体长40传播到传感器元件检测头传感EM线圈38的传播时间，而所述传播时间能够用于确定传播长度，而该传播长度表示了沿传感器波导体长40的感应初始点的位置以及耦合中心传感器磁性目标环36的位置。除了磁致伸缩系统以外，该发明能够用在测量系统中。该方法优选地包括确定和测量与该波脉冲的单个点相对的波脉冲26的质心，优选地其被用于根据波脉冲的传播时间来确定距离。如图1C中所示，该方法能够被用于确定正在传播的波脉冲26到达检测器24的时间，例如返回EM光脉冲波26到达电光传感器24，例如用在激光测距机或激光多普勒测速仪风速空速测量系统中。在测距机测量中，进行了多个发射(脉冲34被发送至目标74)并且对反射的返回脉冲26进行缓存，从而根据脉冲的传播时间(飞行时间)来确定到目标74的距离，本发明提供了精确和准确的方法，用以测量何时脉冲波26已经返回至检测器24。与在测距机中一样，也执行并缓存了多个发射。但是，对于风速处理，并不对时间数据整体进行累积或平均。而是对所有的数据都进行缓存——这共计M×N个被缓存的点，其中M为记录长度，N为发射次数。在最小值，该记录长度为往返飞行时间乘以采样率，或者M≥2R fs/c其中R为测量范围。该整体可以是带通滤波器，以去除直流部分并用于防止混叠。
接着在缓存的整体上进行总数为N的FFT，并且随即对FFT进行累积或平均(通常的，FFT的幅值就用于此目的)。这就会产生NFFT/2个唯一频率点的频谱，其中NFFT为FFT中的点的数量。一般地，NFFT可以被设置为等于M或者最近的最低的以2为指数的值。
如果目标74(飞尘或悬浮微粒)以恒定的速率移动，则结果产生的频谱将是单调的。接着下一个处理步骤涉及识别频谱内频率峰值的质心。该频率相应于(ωa+ωd)。则风速为ωdλ。可以使用峰值检测法实现质心识别，或除了小波沿着频率轴而不是时间轴出现滑动以外，可以通过如上所述的小波模板波形比较法来实现质心识别。该方法的分辨率主要是由FFT的频率分辨率确定的。对于NFFT个点的FFT，该测量分辨率为
res＝ fsλ/NFFT一般地，FFT点的数量NFFT被采样点的数量M所限制。并且为了使缓存长度最小，M＝2fsR/c。因此对于NFFT＝M，其中M被设为使缓存长度最小，我们得到了res＝cλ/4R——与fs无关。
实例结果地面风速测量值
λ＝1550nm，ωo≈2π(2e14Hz)ωa＝O(107Hz)＝AOM频率ωd＝O(107Hz)＝多普勒频移，ωd＜ωa通过将噪音穿过轻微衰减的二阶系统并接着增加噪音和DC偏移来产生返回信号。通过改变返回信号的SNR以及半功率带宽(2ξω)来调整信号质量。后者等同于调整返回信号的频率带宽。例如悬浮微粒的目标可以显示出速度的分布。分布越广，相应累积的频谱或半功率带宽也就越宽。我们假设所希望的平均速度相应于频谱的质心。图19示出了结果，其中使用了下面的参数并且通过简单峰值检测来确定该FFT频谱质心。
λ＝1540nm，ωa＝30MHz，fs＝100MHz，N＝30，M＝5001，NFFT＝4096，v＝18:0.01:18.2m/s
在图19的结果中，频谱的峰值被识别出来，并且等于平均速度。图20中示出的结果说明了本发明的应用。由于在时间域中定义了一个小波，并没有使用严格意义上的小波，而下面使用的元件是定义和应用在频率域中的模拟实体。除了该差别以外，这些方法是相同的并且该实体将被称为模板波形“小波”(speclets更合适)。
用于下面例子的频率域模板波形小波采用下面的形式如果(1-kξ)<ωωo<(1+kξ)]]>则ψ(ω)=|jωo(ωo2-ω2)+j2ξωoω|]]>否则ψ(ω)＝0其中依此类推，ωo和ξ分别定义了模板波形小波的位置和扩张度。虽然在该例子中研究的所生成的返回信号在半功率带宽中跨越了3个数量级，但是只有具有两个扩张度的两个模板波形小波被应用于这些返回信号。这在下面的图中示出。当返回信号的半功率带宽超过0.002ωo时，就会发生从扩张较大的模板波形小波转换为扩张较小的模板波形小波。在一个实施例中，本发明包括根据给定应用的信号的半功率带宽度的变化进行二维模板波形小波比较处理，其中在位置和扩张的范围中寻找最大相干性。
图20对峰值检测法和模板波形小波法进行了比较，其中对两种半功率带宽方式使用了两个模板波形小波(粗线)。显示出执行该模板波形小波方法比峰值检测法更好。
对于本领域内的技术技术人员来说很清楚的是，在不脱离本发明的精神和范畴的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。这样，本发明就覆盖了由所附权利要求书及其等同物范围所提供的本发明的各种修改和变化。
权利要求
1.一种测量脉冲传播时间的方法，所述方法包括提供询问脉冲发生器，提供用于接收返回的脉冲波形的波形检测器，提供模板波形，从所述询问脉冲发生器输出询问脉冲，接收返回的脉冲波形，以及将所述接收到的返回脉冲波形与所述模板波形进行比较，以确定所述返回脉冲波形的返回时间。
2.如权利要求1的方法，其中进行比较以确定所述返回脉冲波形的所述返回时间包括在接收的返回脉冲波形中确定一个时间，此时在所述接收到的返回脉冲波形与所述模板波形之间的相关性最大。
3.如权利要求1的方法，其中接收返回的脉冲波形包括按照周期性的采样率对所述返回的脉冲波形进行缓存。
4.如权利要求3的方法，所述方法包括确定以周期性采样率缓存返回的脉冲波形的幅值极值的采样时间。
5.如权利要求4的方法，所述方法包括在所确定的采样时间幅值极值附近形成一个查找窗口。
6.如权利要求5的方法，所述方法包括在所述形成的查找窗口中估算小波变换，其中在该窗口中模板波形与接收到的返回脉冲波形之间的相关性最大。
7.如权利要求1的方法，包括提供一个缓存器电路，其中接收返回脉冲波形包括将所述返回的脉冲波形接收到所述缓存器电路中。
8.一种测量系统，所述系统由如下部分组成询问脉冲发生器，用于输出询问脉冲，具有模板波形的比较处理器，以及波形检测器，用于接收返回的脉冲波形，所述波形检测器与比较处理器相连，且所述波形检测器将所述返回的脉冲波形传送给所述比较处理器，所述比较处理器用于将所述返回的脉冲波形与所述模板波形进行比较并确定返回脉冲的时间。
9.如权利要求8的测量系统，其中所述波形检测器是模拟检测器，并且所述系统包括与所述波形检测器及所述处理器相连的模-数转换器。
10.如权利要求8的测量系统，其中所述波形检测器以及所述处理器与所述询问脉冲发生器同步。
11.如权利要求9的测量系统，其中所述波形检测器由传感线圈组成。
12.如权利要求8的测量系统，所述系统包括波导，其中所述询问脉冲发生器与所述波导耦合，以将所述询问脉冲输出到所述波导中，并且所述波形检测器与所述波导耦合，以从所述波导接收所述返回脉冲。
13.如权利要求12的测量系统，其中所述波导由磁致伸缩波导组成。
14.如权利要求8的测量系统，其中所述询问脉冲发生器是光学脉冲发生器，并且所述波形检测器由光学脉冲检测器组成。
15.一种用于测量脉冲到达时间的方法，所述方法包括提供处理器，该处理器与用于接收脉冲波形的波形检测器进行通信，提供模板波形，通过所述波形检测器接收脉冲波形，以及将所接收到的脉冲波形与所述模板波形进行比较，以确定所述脉冲波形的到达时间。
16.如权利要求15的方法，其中进行比较包括在所接收的返回脉冲波形中确定一个时间，此时在所接收的返回脉冲波形与所述模板波形之间的相关性最大。
17.如权利要求15的方法，其中接收所述脉冲波形包括按照周期性的采样率输入测量后的幅值。
18.如权利要求17的方法，所述方法包括确定所接收的脉冲波形的幅值极值。
19.如权利要求18的方法，其中所述方法包括在所接收的脉冲波形的所确定的幅值极值附近形成一个查找窗口。
20.如权利要求19的方法，所述方法包括在所形成的查找窗口中估算小波变换，其中在该窗口中模板波形与接收到的返回脉冲波形之间的相关性最大。
21.一种测量磁致伸缩传感器脉冲的方法，所述方法包括下述步骤为模拟波形检测器提供与模-数转换器相连的数字缓存器电路，用于从磁致伸缩波导接收脉冲波形，提供模板波形，将脉冲波形接收到所述数字缓存器电路中，以及将所述接收到的脉冲波形与所述模板波形进行比较，以确定所述脉冲波形的到达时间。
22.如权利要求21的方法，所述方法包括提供与所述磁致伸缩波导相耦合的询问脉冲发生器，从所述询问脉冲发生器向所述磁致伸缩波导输出询问脉冲，其中将所述脉冲波形接收到所述数字缓存器电路中的步骤包括将返回的脉冲波形接收到所述数字缓存器电路中。
23.如权利要求22的方法，其中所述波形检测器以及所述缓存器电路与所述询问脉冲发生器同步。
24.如权利要求21的方法，其中所述波形检测器由传感线圈组成。
25.如权利要求21的方法，其中关于确定所述脉冲波形的所述到达时间包括在接收的返回脉冲波形中确定一个时间，此时在所述接收的脉冲波形与所述模板波形之间的相关性最大。
26.如权利要求21的方法，其中将脉冲波形接收到所述缓存器电路中的步骤包括按照周期性的采样率输入测量后的幅值。
27.如权利要求26的方法，其中所述周期性采样率为至少1MHz。
28.如权利要求23的方法，其中从所述询问脉冲发生器将询问脉冲输出到所述磁致伸缩波导中的步骤包括以至少0.5kHz的速率输出询问脉冲，并且将脉冲波形接收到所述缓存器电路中的步骤包括以至少1MHz的周期性采样率输入测量后的幅值。
29.如权利要求21的方法，其中提供模板波形的步骤包括提供墨西哥帽模板波形。
30.一种磁致伸缩传感器系统，所述磁致伸缩系统包括如下部分磁致伸缩波导，模拟波形检测器，用于从所述磁致伸缩波导接收磁致伸缩脉冲波形，具有模板波形的比较处理器，用于将所述接收到的磁致伸缩脉冲波形与所述模板波形进行比较，以确定所述脉冲波形的到达时间。
31.如权利要求30的系统，所述系统包括数字缓存器电路，该数字缓存器电路通过模-数转换器与所述模拟波形检测器相连，并且该数字缓存器电路与所述比较处理器进行通信。
32.如权利要求30的系统，所述系统包括磁致伸缩询问脉冲发生器，用于将询问脉冲输出到所述磁致伸缩波导中。
33.如权利要求30的系统，其中所述波形检测器包括传感线圈。
34.如权利要求32的系统，其中所述磁致伸缩询问脉冲发生器输出询问脉冲，该询问脉冲的持续时间范围为大约0.9至2μs。
35.如权利要求32的系统，其中所述磁致伸缩询问脉冲发生器输出询问脉冲，该询问脉冲的持续时间是可变化的。
36.一种磁致伸缩地测量目标位置的方法，所述方法包括提供磁致伸缩波导，提供磁致伸缩询问脉冲发生器，用于将询问脉冲输出到所述磁致伸缩波导中，提供波形检测器，用于从所述磁致伸缩波导接收返回的脉冲波形，提供比较处理器，提供模板波形，从所述磁致伸缩脉冲发生器输出询问脉冲，通过所述检测器接收返回的脉冲波形，以及将所接收的返回脉冲波形与所述模板波形进行比较，以确定所述返回脉冲波形的返回时间。
37.如权利要求36的方法，其中所述磁致伸缩询问脉冲发生器输出询问脉冲，该询问脉冲的持续时间范围为大约0.9至2μs。
38.如权利要求36的系统，其中所述磁致伸缩询问脉冲发生器输出询问脉冲，该询问脉冲的持续时间是可变化的。
全文摘要
本发明提供了一种磁致伸缩传感器系统(30)以及测量磁致伸缩传感器脉冲(26)的方法。该测量系统和方法包括为模拟波形检测器提供与模－数转换器相连的数字缓存器电路，用于从磁致伸缩波导接收磁致伸缩脉冲波形。提供模板波形，并将返回的磁致伸缩脉冲波形接收到数字缓存器电路中。将接收到的脉冲波形与模板波形进行比较，以确定返回的磁致伸缩脉冲波形的到达时间。提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模拟该磁致伸缩系统的特征磁致伸缩返回脉冲波形。该磁致伸缩传感器系统包括磁致伸缩波导(40)，模拟波形检测器(24)，用于从该磁致伸缩波导接收磁致伸缩脉冲波形，具有模板波形的比较相关处理器，用于对接收到的磁致伸缩脉冲波形与模板波形进行比较以确定返回的磁致伸缩脉冲波形的到达时间。
文档编号G01B7/02GK1867813SQ200480030161
公开日2006年11月22日 申请日期2004年10月14日 优先权日2003年10月14日
发明者马克·R·乔利, 史蒂夫·C·索斯沃德, 莱斯利·P·福勒, 马修·K·弗格森 申请人:洛德公司