基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法与流程

技术特征：

1.基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法，其特征在于：通过基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法处理回波信号，找到一个稳定的特征点，确定超声波信号顺流、逆流的传播时间，进而计算气体流量；这两种方法不仅计算简单，能保证系统具有较高的实时性；同时，能保证气体超声波流量计系统满足较高的测量精度，并且有效地扩大了气体超声波流量计的测量范围。

2.如权利要求1所述的基于回波上升段峰值拟合的气体超声波流量计信号处理方法，其特征在于：分析回波信号包络线的变化规律，建立回波信号上升段包络曲线的数学模型，得出拟合峰值点的范围；其具体的步骤为：

第一步：采用四阶巴特沃斯带通滤波器构成零相位滤波器，对采集的一组回波信号数据进行实时的带通滤波处理，通带范围为120kHz～280kHz；所述的零相位滤波器，即是将回波信号数据顺序、反序通过四阶巴特沃斯带通滤波器，得到滤波前后无相位差的回波信号；

第二步：根据确定的阈值范围Y_min～Y_max，找出回波信号上升阶段的N个峰值点；若设第k(k＝1,2,…,N)个峰值点坐标为(x_k,y_k)，则可计算出拟合直线斜率参数A；

$A=\frac{{\Σ}_{k=1}^N(x_k-\stackrel{\‾}{x})(y_k-\stackrel{\‾}{y})}{{\Σ}_{k=1}^N{(x_k-\stackrel{\‾}{x})}^2}$

再计算出拟合直线截距参数B；

$B=\stackrel{\‾}{y}-A\stackrel{\‾}{x}$

式中，分别表示N个峰值点横坐标和纵坐标的平均值；

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^N{x}_k$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^N{y}_k$

得到拟合直线y＝Ax+B；

第三步：得到该直线与横轴采样点(对应于时间)的交点该交点即为回波信号的特征点，根据该特征点即可计算超声波的顺流、逆流传播时间，进而计算气体流量。

3.如权利要求1所述的基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法，其特征在于：分析回波信号能量包络线的变化规律，建立回波信号上升阶段能量曲线的数学模型，得出能量包络变化率较大的能量值范围；其具体的步骤为：

第一步：采用四阶巴特沃斯带通滤波器构成零相位滤波器，对采集的一组回波信号数据进行实时的带通滤波处理，通带范围为120kHz～280kHz；所述的零相位滤波器，即是将回波信号数据顺序、反序通过四阶巴特沃斯带通滤波器，得到滤波前后无相位差的回波数据；再对回波信号求平方，得到其回波能量数据；

第二步：以最大变化率能量点的能量值0.53为基准，找到离该值最邻近的四个能量峰值点及每个峰值点附近的两个能量点；

第三步：对四个能量峰值点及其附近的两个能量点进行二次拟合，得到二次曲线顶点坐标，作为最终的峰值能量点坐标；以计算其中一个峰值能量点为例，具体的步骤为：

(1)将平方后的采样峰值点的坐标记为(x^k,y^k)，x表示采样点的位置，y表示平方后的采样值；峰值点附近的两个平方后的采样点的坐标，记为(x^k-1,y^k-1)、(x^k+1,y^k+1)(其中有x^k-x^k-1＝1，x^k+1-x^k＝1)；

(2)对这三个点进行二次函数拟合，得到二次函数曲线方程y′＝ax′²+bx′+c的相关参数；

$a=\frac{y^{k+1}+y^{k-1}-2y^k}{2}$

b＝y^k-y^k-1-(2x^k-1+1)*a

c＝y^k-a(x^k)²-bx^k

(3)根据下式可得到二次拟合曲线的顶点坐标(x,y)，将该顶点作为最终的峰值能量点；

$x=-\frac{b}{2a}$

$y=\frac{4ac-b^2}{4a}$

第四步：对第三步求得的四个峰值能量点进行直线拟合，找到最大变化率能量点的能量值0.53在拟合直线上对应的能量点作为特征点；根据该点的横坐标，确定传播时间；具体的步骤为：

(1)设最终的四个峰值能量点的坐标为(x_n,y_n)(n＝1,2,3,4)，可得拟合直线y＝Kx+B，K为拟合直线斜率参数，B为拟合直线截距参数；

$K=\frac{{\Σ}_{n=1}^4(x_n-\stackrel{\‾}{x})(y_n-\stackrel{\‾}{y})}{{\Σ}_{n=1}^4{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2}$

$B=\stackrel{\‾}{y}-A\stackrel{\‾}{x}$

式中，分别表示4个峰值能量点横坐标和纵坐标的平均值；

(2)令Kx+B＝0.53，即可得到拟合直线上能量值0.53对应的能量点的坐标将该点作为特征点；根据该特征点即可计算超声波的顺流、逆流传播时间，进而计算气体流量。