超声信号处理方法及其应用的制作方法

专利名称：超声信号处理方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声信号处理方法，特别是用于诸如流量计的超声测量设备的超声信号处理方法。更具体地，公开了一种用于提高工作在噪声环境中的超声测量设备，例如在减压阀附近的超声流量计，的信噪比的信号处理技术。
背景技术：
超声气体流量计借助于超声信号测量气流。为此，超声气体流量计具有一个或多个声通路，在一对超声转换器之间定义每一通路。这样一对转换器的每一个都能够向其它转换器发送信号，以及从其接收信号。在工作时，两个转换器轮流发送和接收，得到沿着-平行或成夹角地-流量计体内声通路顺着流体方向(顺流)和逆着流体方向(逆流)传播的声学信号。两个传输方向上传播时间差与气体速度成比例。为了精确地测量低的气体速度，需要以非常高的精度和高时间分辨率来测量传播时间本身或者传播时间差。
典型地，超声气体流量计使用大量高频信号(例如5周期长)的短脉冲来工作。典型地，超声转换器的工作频率在50kHz与500kHz之间的范围中。由于在超声气体流量计中需要极其精确地测量传播时间差，所以必须非常高清晰度或高分辨率地测量传播时间。通过使用所接收到的脉冲信号的包络不能够实现这一点，即使其是一个短信号。为了获得足够的分辨率，需要该脉冲信号中的零交叉的准确时间。典型地，在脉冲信号中存在多个零交叉，这样就产生了用作传播时间测量参考点的问题。这可以借助于脉冲信号包络的形状得到解决。
在气体管线中，可以从其它各种源发射超声噪声。这样的噪声的频率谱可以延伸至超声转换器工作的频率范围内。这样的噪声可以是流体感应噪声，或者设备感应噪声，诸如由减压阀所发出的噪声。后一种类型的干扰噪声更为严重，特别是当这样的减压阀工作于高压差的时候，例如高于10或20巴。在这些条件下，所耗散的能量的量可以相当的大。即使其只有非常少部分被转换成为声能，但还是可能发出非常大量的噪声。
来自这样阀门的噪声的特性可以是，在离散(低)频率处具有一些主峰，但是更适当地将其描述为宽带噪声。频率谱的包络线典型地在30kHz与80kHz之间的范围中具有最大值。这就表明，即使在该频率范围之外也可能存在大量的超声能量。
已经被设计成为所谓“消声(silent)阀门”的阀门也是相同的。词语“消声”典型地应用于可听范围中的噪声。有时，通过设计修改，将噪声发射移到更高的频率，而实现可听范围中噪声的减少。由于该噪声本来就是宽带，所以其很容易延伸到超声气体流量计的超声转换器可能工作的频率范围中。
由于实践限制，在超声流量计中所使用的信号的功率被限制在某一级。所产生的问题就是，与流量计超声信号的噪声干扰或者流量计的超声信号甚至可能被噪声完全隐埋或掩蔽。结果就不能检测到流量计所使用的超声信号，并且因此仪表可能不能工作。
到目前为止，已经通过各种方式，试图解决超声流量计的问题。
已经试图通过将超声气体流量计与噪声源从空间上分开来解决与超声流量计的信号干扰的声噪声问题。这意味着，通过在仪表与噪声源之间应用长管线，优选地包括弯管和T弯道，将它们两个分开。由于可用空间并不总是允许这种方式，该方法可能不仅昂贵，而且通常也不实用。
也试图移动流量计的工作频率，使其离开超声噪声的频率范围。由于随着频率的增加，流体中超声信号的衰减也增加，所以对于实际应用，可使用的频率范围就限制在大约300至500kHz的最大值。这就限制了通过这种方式可以得到的增益。
已经设计了特别静音设备来将噪声源与超声流量计彼此分开。这种设备的有效性比较有限，因为这些设备本身在较高气体速度时也可以产生噪声(流体感生噪声)，而且可能也需要相当高的成本。
也已经试图应用各种信号处理技术，以提高信噪比，描述为滤波、平均、叠层和相关。
在频率域中使用滤波技术并没有提供较大的改善，因为噪声的频率谱通常与超声流量计的工作频率交叠。典型地，而且超声转换器工作于谐振模式，以得到最高的效率，因此转换器本身用作频率选择设备。因此，使用另外的电子电路或软件来对频率域中的信号进行滤波并不会非常有效。
可以通过延长脉冲信号的持续时间，以增加超声能量，从而提高信噪比。这样所遇到的问题就是，其借助于包络线的形状就变得交叉，或者当使用相位检测技术时会出现模糊，因为所要测量的传播时间表示信号的多个周期，并且相移是2π的多倍。
另一种改善信噪比的已知方法称作为叠层。这意味着将通过反复发送和接收超声信号所得到的信号平均。假定将所接收到的脉冲信号相关，使得多个所接收到的脉冲信号的叠加得到增加的信号，而噪声不被相关，并因此在多个所接收到的信号累加时将被减少。以发射时间作为参考点将所接收到的信号相加，以在将所接收到的脉冲信号相加时，将它们同步。
由于气流中的自然湍流，该方法也有局限性。湍流导致传播时间的变化性(也就是“抖动”)，其结果是所接收到的脉冲信号变得不相关。这就意味着，使用发射时间作为参考点，当所接收到的信号被累加时它们并不精确地一致。因此，平均或叠层技术只对短时标有效相比于湍流现象的周期，时标足够短，足以将传播时间的变化限制到比脉冲信号中频率的一个周期小很多的值。这样就限制了所接收到的、能够被有效地累加的脉冲信号的数目，以增加信噪比。
在上述方法的说明中，已经假定，发射超声脉冲信号和接收相同信号的每一周期在下一周期开始之前结束。因此，新周期只能在声学信号已经沿其声通路传播通过流体之后才开始，传播可能需要几毫秒，特别是对于具有长声通路的大尺寸仪表。这样就将脉冲的数量限制为在特定时间间隔内，即相关，能够发送的数量。
作为该方法的替换形式，声学脉冲的发送和接收过程可以交织或叠加，这就意味着，在先前声学脉冲仍然在传播通过气体时就发射声学脉冲(脉冲信号)。其结果就是，声学脉冲序列将到达接收器。然而，该替换方法的问题是，当脉冲到达时从序列中辨识每一脉冲，因为它们可能被声学噪声严重地变形，或者甚至被声学噪声隐埋或掩蔽。使用脉冲发送的已知重复速率来平均序列中的单个脉冲信号，将帮助从噪声中恢复脉冲，并使得脉冲可以被检测到，但是导致了模糊。这样就意味着，可以在多个时间点恢复脉冲信号，但是却不能检测哪一个真正地表示传播时间。
相关技术是能够应用于各种电子测量的通用信号处理工具。主要应用是检测埋藏在噪声中的信号的存在和位置。信号的波形通常是已知的，例如由声学转换器所传输的信号。相关处理在正在被处理的信号上递增地滑动参考波形，查找匹配信号。与参考波形不相关的信号产生的相关值就为0。如果找到匹配信号，相关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。相关函数的最大值用于两个目的。如果最大值接近1，就存在所想要的信号，并且最大值的位置就是传播延迟(或传播时间)的测量。
将相关函数应用于超声仪表中传播时间的测量具有几个缺点。其计算强度较大(即其需要大量的处理能力)，并且考虑该传播时间测量所需要的时间分辨率非常高，其需要非常高的。

发明内容
考虑到现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种增强信噪比的超声信号处理技术，尤其是在噪声环境中。
本发明进一步的目的是提供一种超声信号处理技术，其允许在所接收到的、表示一系列相继传输的脉冲信号的信号中明确地识别单个超声脉冲信号。
本发明的另一目的是提供一种对超声信号的传播时间的精确测量。
还有另一目的是提供一种使用超声测量技术精确地确定流体，诸如气体或液体，的流动特性，例如流体速度，的方法。
本发明还进一步的目的是提供一种能够进行这样的方法和测量的设备。
根据本发明的第一方面，本发明涉及一种在超声测量中提高信噪比的信号处理方法，该方法包括在第一转换器传输多个超声脉冲信号的预定义定时(timed)序列，其中根据非均匀模式(pattern)设置所述序列的相继传输的脉冲信号之间的时间间隔，其中至少一个时间间隔不同于其它时间间隔，以及在第二转换器接收表示超声脉冲信号的所述被传输序列的信号，将所接收到的信号的多个时移副本与所述原始接收到的信号相加，以得到原始接收到的信号与其时移副本之和，其中副本的时移与所述预定义的模式相关，以及根据所述和重构具有改善的信噪比的原始脉冲信号。
根据本发明的信号处理方法包括在相对较短的时间间隔中传输短脉冲信号的序列。在该序列中，可以在前一脉冲已经到达被发射脉冲信号的接收之前传输下一脉冲，可以交叠这样的时间间隔，即其中在接收转换器接收脉冲信号的序列。根据本发明，对应于非均匀模式传输超声脉冲信号。这就意味着，相继传输的超声脉冲信号之间的时间间隔并不恒定。相反，至少一个时间间隔不同于其它时间间隔。
在定义声通路的一对转换器中的一个转换器发射脉冲信号的序列期间，将表示在另一转换器所接收到的脉冲信号序列的信号数字化并存储在存储器中，用于进一步处理。所存储的信号包含与发送时一样完整的脉冲信号序列，虽然乍一看，来自所传输序列的各个脉冲信号可能因为存在的噪声而无法识别。
信号处理方法涉及创建所接收的表示脉冲信号被传输序列的信号的多个时移副本。所接收信号的副本之间的时移与非均匀模式相关，使得能够明确地重构具有改善的信噪比信号的一个或多个脉冲(但是优选地为一个)。作为相加的结果，在得到的和中，获得表示来自原始传输序列的一个信号脉冲的重构放大信号，而表示噪声以及形成初始传输序列的其它信号脉冲的原始接收信号的其余部分被衰减掉或消除。于是，该重构信号的精确传播时间可以被测量，并用于例如计算所传播的距离或流体特性。
在优选实施例中，所述序列相继传输的信号之间的所有时间间隔都不同。在该实施例中，没有时间间隔是相同的，而是将它们设置为不同的值。例如，时间间隔相对于前一时间间隔逐渐地增加。这允许根据所接收到的总信号只重构一个脉冲信号。
在进一步优选的实施例中，副本的数量等于所述序列中脉冲信号的数量减去1，从而要累加的因子的数量，即原始接收到的信号及其副本，等于所传输序列中脉冲信号的总数量。
更优选地，时移与所述时间间隔成比例，最优选地与其相等。这就意味着，以这样一种方式选择非均匀模式，使得在所接收信号的每一时移副本中，整个序列中只有一个脉冲信号与原始接收到的信号中特定的一个一致。将序列的时移副本相加就导致了噪声减少甚至消除，而每次一致的所选择的脉冲信号的幅度增加。通过这种方式，改善了信噪比，并且重构了原始的单个脉冲信号，而没有出现模糊。
重构原始脉冲信号的形状是有利的，因为这允许将至少一个零交叉定义为可以用于例如确定声学信号传播时间的参考。
根据本发明的信号处理方法与上述“平均”或“层叠”方法具有某些相似。然而，在根据本发明的方法中，所传输的脉冲信号序列包含特定的定时信息，其允许根据序列重构特定的采样。该方法也与相关技术有些相似，因为使用原始传输的信号重构所接收到的信号。然而，在相关技术中，相关函数是两个变量的函数，并且结果并不必与原始脉冲信号有任何相似，而在本发明中，使用多个时移副本来重构原始信号形状。所重构的信号然后可以用来将特定的零交叉识别为用于测量声学信号传播时间的参考点，例如在超声流量计中用于确定管道中流体，诸如气体，的流动特性。也可以在超声距离测量设备中使用根据本发明的方法。在超声距离测量系统中，由第一转换器在一个方向发射、并随后由相同的或另一个转换器接收的脉冲信号序列的传播时间足以确定所要测量的距离。
根据第二方面，本发明涉及一种使用超声测量设备确定管道中流体的流动特性的方法，包括在第一转换器传输多个超声脉冲信号的预定义定时序列，使得根据非均匀模式设置所述序列的相继传输的脉冲信号之间的时间间隔，并且在第二转换器接收表示超声脉冲信号的所述传输序列的信号，将所接收到的信号的多个时移副本相加，以得到原始接收到的信号及其时移副本之和，其中时移副本与所述预定义的模式相关，重构原始脉冲信号，确定所述重构的原始脉冲信号的传播时间，以及使用所述传播时间计算流动特性。因为在根据本发明的该方法中应用了上述根据本发明的超声信号处理方法的原理，所以能够精确地并明确地重构原始脉冲信号，结果是能够精确地计算传播时间，以及与该传播时间相关的流动特性。这种流动特性的范例有流动速度和流通量、诸如天然气的燃料气体的含能量等。
根据本发明的信号处理方法的以上表示的优选实施例同样可以应用于本发明的第二方面。
本发明更进一步的方面涉及一种用于确定管道中流体的流动特性的设备，包括超声传输装置，用于提供预多个超声脉冲信号的定义定时序列，以根据预定义的非均匀模式注入到所述序列的脉冲信号中；超声接收装置，用于接收表示超声脉冲信号的所述序列的信号；以及信号处理装置，用于处理所述信号，以根据所述信号确定流动特性，其中信号处理装置包括装置，用于提供所接收信号的多个时移副本，该副本根据与所述非均匀模式的预定义关系被时移，并用于将所接收信号的多个时移副本与所接收到的信号相加，并用于重构原始脉冲信号，并用于使用所述重构的原始脉冲信号计算流动特性。
在根据本发明的该设备中，以这样的方式设计信号处理装置，使得创建所接收信号的多个时移副本。将这些时移副本与原始接收的信号相加。从和中得到原始发射的脉冲信号，然后从中计算所想要的流动特性。例如，能够从在顺着流体方向上(顺流)传输的脉冲信号的序列与在逆着流体方向上(逆流)传输的脉冲信号的序列的传播时间差中得到流动速度。
优选地，设计该装置，使得该装置允许执行如上所述根据本发明方法的优选实施例。


进一步通过附图描述本发明，其中图1所示为单通路超声流量计的基本元件；图2为根据本发明的超声流量计的方框图；图3所示为根据现有技术的超声流量计所传输和接收的波形；图4所示为根据本发明的被传输和接收的波形；和图5所示为根据本发明的处理后的波形。
具体实施例方式
图1表示用于确定圆柱形管道1中流体流动的流体测量系统的例子的基本元件。从一对转换器2a、2b，其每一个分别通过电气引线4a和4b与信号处理单元连接，信号处理单元整体由附图标记100表示。这样定位转换器2a、2b，使得它们以精确定义的几何尺寸定义询问路径3。图1中所示的询问路径是反射型的中心线路径。然而，也可能是其它的转换器设置和路径配置，例如内接三角形(具有对着管道壁的两个反射)。
图2为根据本发明的超声流量计的方框图。一对转换器2a、2b安装在管道1上，定义询问路径3。转换器2a、2b通过电气引线4a、4b与信号发生器5和信号接收器11连接。由定时和控制单元(TCU)21通过控制和数据总线22控制信号发生器5，以在定义的时间瞬间向一个或多个转换器2a、2b提供超声信号。通过数字信号处理器(DSP)23计算传输信号本身，并通过直接存储器访问(DMA)6将其加载到信号发生器的RAM7中。在TCU21控制下，信号发生器5将存储在RAM 7中的传输信号顺序地移动到数模转换器(DAC)8中。DAC8的输出通过功率放大器9放大。传输复用器10向一个或多个转换器2a、2b提供要传输的超声信号。
转换器2a、2b也连接到信号接收器11。信号接收器11包括缓冲器/预放大器12a、12b以及接收复用器13。类似于信号发生器5，通过TCU21控制信号接收器11，以将适当的转换器信号提供给信号放大器14。信号放大器14通过自动增益控制器(AGC)16控制。然后通过信号转换器17将被放大的信号数字化。在TCU21控制下，模数转换器(ADC)18将所采样的信号写到RAM 19中。(DMA)20。数字信号处理单元DSP23根据本发明处理RAM19的被采样数据。能够通过输入/输出单元24使得各个处理阶段的数据出现在用户接口。
图3所示为常规的超声流量计的被传输和接收的波形。
图3a所示为超声转换器的被传输波形的范例，其具有大约200kHz的中心频率和大约40kHz的带宽。转换器2a、2b的脉冲响应(Y轴)被表示为时间(X轴，秒)的函数。
图3b所示为图3a的波形，但是“放大”到触发转换器之前(t＜0)以及之后(t＞0)大约10个周期(200kHz的转换器频率)。
图3c所示为适度信噪比的接收信号。一对转换器之间的信号传播时间为1毫秒(ms)。
图3d所示为图3c的波形，但是“放大”到传播延迟之前以及之后的200kHz转换器频率的大约10个周期。所接收波形表明与所传输波形好的一致性。可以应用各种方法来检测该波形的存在以及传播延迟的估计，包括非常简单的，例如对信号进行阈值限定。
图3e所示为非常低信噪比的接收信号。信号传播时间还是1毫秒(ms)。显然原始被传输信号的波形完全被噪声模糊。于是，不可能检测被传输信号的存在以及传播延迟。
图4所示为根据本发明的被传输和接收的波形。
图4a所示为由8个单独脉冲组成的样本传输波形，其具有的波形类似于图3a和3b的被传输波形。换言之，序列包括8个超声脉冲信号。在本发明的该范例中，即所有的间距都不同。
图4b表示图4a的波形，但是又被“放大”以更详细地显示各个小波或超声脉冲信号以及相关的间距。
图4c所示为非常低信噪比的被接收波形(可以与图3e中所示的信噪比相比较)。传播延迟是1毫秒(ms)。非常类似于图3e中所描述的情况，在所接收到的信号中，被传输的单个小波被噪声模糊了。
图4d所示为图4c的波形，但是“放大”到传播延迟之前以及之后的大约10个周期(200kHz的转换器频率)。
图5所示为根据本发明所处理的波形。
在图5a中，最顶端的轨迹与图4c中所示的被接收波形相同。最顶端轨迹下面的7个轨迹是所接收波形的时移副本。时移与所传输的单个小波(图4a和4b)的间距相同。底部的轨迹是原始接收的信号及其时移副本之和。
图5b所示为与图5a底部轨迹所示相同的处理波形原始接收的信号及其时移副本之和。该处理后的“接收”波形具有从单个小波的传输所得到的被接收波形的全部特征，但是信噪比提高了。
图5c所示为图5b的波形，但是“放大”到传播延迟之前以及之后的大约10个周期(200kHz的转换器频率)。
显然，根据本发明的信号处理方法导致了，从原始传输的序列中重构出脉冲信号，其没有被噪声或来自序列的其它被传输脉冲信号掩蔽、隐埋或模糊。能够精确地确定所重构信号的传播时间。
权利要求
1.一种用于在超声测量中改善信噪比的信号处理方法，所述方法包括在第一转换器传输多个超声脉冲信号的预先规定的定时序列，其中根据非均匀模式设置所述序列的相继传输的脉冲信号之间的时间间隔，其中至少一个时间间隔不同于另一个时间间隔，以及在第二转换器接收表示超声脉冲信号的所述被传输序列的信号，将所接收到的信号的多个时移副本与所述原始接收到的信号相加，以得到所述原始接收到的信号与其时移副本之和，其中副本的所述时移与所述预定义模式相关，以及根据所述和重构具有改善的信噪比的原始脉冲信号。
2.根据权利要求1的信号处理方法，其特征在于所述序列的相继传输的信号之间的所有时间间隔都是不同的。
3.根据权利要求1或2的信号处理方法，其特征在于副本的数量等于所述序列中脉冲信号的数量减去1。
4.根据前述权利要求之一的信号处理方法，其特征在于所述时移与所述时间间隔成比例。
5.根据前述权利要求之一的信号处理方法，其特征在于重构单个脉冲信号。
6.根据前述权利要求之一的信号处理方法，其特征在于重构原始脉冲信号的形状。
7.根据前述权利要求之一的信号处理方法，其特征在于确定所重构的原始脉冲信号的传播时间。
8.一种使用超声测量设备确定管道中流体的流动特性的方法，包括在第一转换器传输多个超声脉冲信号的预先规定的定时序列，从而根据非均匀模式设置所述序列的相继传输的脉冲信号之间的时间间隔，以及在第二转换器接收表示超声脉冲信号的所述序列的信号，将所接收信号的多个时移副本相加，以得到所述原始接收到的信号及其时移副本之和，其中所述时移版与所述预定义模式相关，重构原始脉冲信号，确定所述重构的原始脉冲信号的传播时间，以及使用所述传播时间计算所述流动特性。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于所述序列的相继传输的信号之间的所有时间间隔都是不同的。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于副本的数量等于所述序列中脉冲信号的数量减去1。
11.根据前述权利要求8-10其中一个的方法，其特征在于所述时移与所述时间间隔成比例。
12.根据前述权利要求8-11其中一个的方法，其特征在于重构单个脉冲信号。
13.根据前述权利要求8-12其中一个的方法，其特征在于重构原始脉冲信号的形状。
14.根据前述权利要求8-13其中一个的方法，其特征在于来自所述重构的脉冲信号的零交叉被规定为用于确定所述重构的脉冲信号传播时间的参考。
15.根据前述权利要求8-14其中一个的方法，其特征在于确定所述流体的流动速度。
16.用于确定管道中流体的流动特性的设备，包括超声传输装置，用于提供多个超声脉冲信号的预先规定的定时序列，以注入到所述流体中；定时装置，用于根据预先规定的非均匀模式设定所述序列的每一脉冲信号的传输时间；超声接收装置，用于接收表示超声脉冲信号的所述序列的信号；以及信号处理装置，用于处理所述信号，以根据所述信号确定流动特性，其中所述信号处理装置包括装置，用于提供所接收到的信号的多个时移副本，所述副本根据与所述非均匀模式的预先规定的关系被时移，并用于将所接收到的信号的多个时移副本与所接收到的信号相加，并用于重构原始脉冲信号，并用于使用所述重构的原始脉冲信号计算流动特性。
全文摘要
本发明提供了一种在超声测量中用于提高信噪比的信号处理方法，包括在第一转换器传输多个超声脉冲信号的预定义定时序列，以及在第二转换器接收表示超声脉冲信号的所述传输序列的信号。通过将所接收到的信号的多个时移副本与所述原始接收到的信号相加，以得到该原始接收到的信号与其时移副本之和。从该和重构具有提高的信噪比的原始脉冲信号。
文档编号G01S7/527GK1695046SQ02829952
公开日2005年11月9日 申请日期2002年11月25日 优先权日2002年11月25日
发明者爱德华德·约翰尼斯·博特尔 申请人:因斯楚梅特超音波有限公司