本发明属于流量检测技术领域，涉及一种针对超声波流量计回波信号特征峰识别方法。
背景技术：
超声波流量计相比于其他类型的流量计有着高精度、低压损、双向测量等优点。而信号处理则是超声波流量计的核心技术。国内的超声波流量计主要通过门限电平法测量超声波回波信号的飞行时间。当超声波回波信号超过设置的门限电压后，对回波信号进行过零检测，从而测量超声波信号的飞行时间。所设置的门限电平称为阈值，将第一个超过阈值的波峰称为特征峰，测量特征峰后某一固定过零点的时间作为回波信号的飞行时间，从而保证每次测量的准确性。
门限电平法抗干扰能力差，当回波信号变化较大时，特征峰的幅值发生变化，导致系统特征峰识别错误，使得测量的过零点不同，影响测量的准确性，这种现象称为“跳波”。传统的门限电平法过程一般是固定阈值，再根据阈值所在位置判定特征波，这种识别方法有一定局限性，容易出现跳波现象。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于自适应阈值的超声波回波信号特征峰识别方法。
本发明主要步骤如下：
步骤一：将换能器接收到的回波信号进行滤波放大，然后利用峰值检测电路得到回波信号的峰值电压信号。选择最大峰值与所设定目标幅值最接近的m个回波数据作为回波信号数据处理的参照。根据比较记录的m个回波信号，设定初始阈值Th0。
步骤二：回波峰值信号的台阶识别。首先选取回波峰值信号的最大值，再确定各个峰值台阶电压大小。设置分辨力D，即当相邻两个采样点幅值之差小于分辨力D时认为两个采样点在同一峰值台阶上，反之当相邻两个采样点幅值的差大于分辨力时则认为出现了下一个峰值台阶。由峰值台阶识别结果，得到台阶数组A＝[A1,A2…Ak]。其中k代表对应的峰值台阶总数，其中A1为第一峰值台阶，Ak为峰值台阶最大值。通过数组A中的各个元素除以Ak，得到比例数组R＝[R1,R2…1]。
阈值选取一方面在从各个峰值台阶中选择幅值差最大的两个峰值台阶并将峰值台阶电压值的中点作为阈值，提高阈值选取的容错性；另一方面阈值要尽量靠近回波的参考过零点，减小整体幅值波动的影响。
步骤三：按先进先出原则存储N个回波信号，得到N个台阶数组Ai＝[A1i,A2i,…,Aki]，i∈[1,N]，k为回波信号的峰值台阶总数；同时得到N个比例数组Ri＝[R1i,R2i,…,1]，i∈[1,N]，其中R1i、R2i、R3i分别为第i个回波的第一峰值台阶与最大峰值的比值、第二峰值台阶与最大峰值的比值、第三峰值台阶与最大峰值的比值。由此得到峰值台阶的电压平均值j∈[1,k]：
同时得到各峰值台阶的比例平均值
针对当前采集回波的台阶数组，按先后顺序比较得到首个大于阈值的元素Ap，p∈[1,k]。
当p＝1且判断得到第一峰值台阶丢失，则取作为第一峰值台阶。
当p＝2时，则认为成功识别第一峰值台阶。
取采集回波的第一峰值台阶和第二峰值台阶的中值作为阈值，则由此可得自适应阈值为：
以先进先出的原则不断更新存储回波信号数组，使得阈值能够根据实际的回波信号进行自适应调整以得到实时阈值的最优值。
进一步说，该方法还包括针对第一峰值台阶识别及补偿后的回波数据进行跳波识别，设R1(N+1)、R2(N+1)、R3(N+1)分别表示当前测得的回波信号的第一、第二、第三峰值台阶与最大峰值台阶的比值。
当时，则当前阈值在第一、第二峰值台阶之间，无跳波。
当时，则当前阈值在第一峰值台阶与参考台阶之间，过零点前移一个周期，则将过零点往后延迟一个周期作为真实的回波达到时间。
当时，则当前阈值在第二、第三峰值台阶之间，过零点会整体延后一个周期，则将过零点往前一个周期作为真实的回波到达时间。
与现有技术相比，本发明则采用自适应阈值的超声波回波信号特征峰识别方法，根据识别的特征波峰值设定阈值。自适应阈值不仅可以根据回波信号幅值的变化进行调整，而且当当前回波信号特征峰出现变化，自适应阈值也可以实时调整，这使得自适应阈值相比固定阈值法有着更强的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例中使用的超声波流量计电路原理图；
图2为基于自适应阈值的超声波回波信号特征峰识别方法的流程图；
图3为本发明实施例中原始回波信号与峰值台阶；
图4为本发明实施例中峰值电压幅值图；
图5为本发明中回波信号跳波数据处理原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的详细描述。
本实施例中使用的超声波流量计电路原理如图1所示，主要由8个部分组成：单片机、开关切换电路、换能器(A、B)、回波信号预处理电路、过零检测电路、峰值检测电路、信号采集模块。其中回波信号处理电路起到对超声波回波信号滤波放大的作用。
如图2所示为基于自适应阈值的超声波回波信号特征峰识别方法流程图，本方法步骤如下所示：
步骤一：将换能器接收到的回波信号进行滤波放大，然后利用峰值检测电路得到回波信号的峰值电压信号，如图3所示为本实施例中原始回波信号与峰值台阶。选择最大峰值与所设定目标幅值最接近的m个回波数据作为回波信号数据处理的参照。本实施例中回波信号数据存储个数m＝100，通过实验观察设定初始阈值Th0＝1.65V。
步骤二：回波峰值信号的台阶识别，首先选取回波峰值信号的最大值，再通过峰值台阶的电压值确定各个峰值台阶电压大小。设置分辨力D，如图4峰值电压幅值图可知本实施例中峰值电压幅值波动范围为0.02V，因此设置分辨力D＝0.03V，即当相邻两个采样点幅值之差小于分辨力D＝0.03V时认为两个采样点在同一峰值台阶上，反之当相邻两个采样点幅值的差大于分辨力时则认为出现了下一个峰值台阶。
由峰值台阶识别结果，得到台阶数组A＝[A1,A2…Ak]。其中k代表对应的峰值台阶总数，其中A1为第一峰值台阶，Ak为峰值台阶最大值。通过数组A中的各个元素除以Ak，得到比例数组R＝[R1,R2…1]。
阈值选取一方面在从各个峰值台阶中选择幅值差最大的两个峰值台阶并将峰值台阶电压值的中点作为阈值，提高阈值选取的容错性；另一方面阈值要尽量靠近回波的参考过零点，减小整体幅值波动的影响。
步骤三：按先进先出原则存储N个回波信号，本实施例中取N＝10，得到10个台阶数组Ai＝[A1i,A2i,…,Aki]，i∈[1,10]，k为回波信号的峰值台阶总数；同时得到10个比例数组Ri＝[R1i,R2i,…,1]，i∈[1,10]，其中R1i、R2i、R3i分别为第i个回波的第一峰值台阶与最大峰值的比值、第二峰值台阶与最大峰值的比值、第三峰值台阶与最大峰值的比值。由此得到各个峰值台阶的电压平均值j∈[1,k]：
同时得到各峰值台阶的比例平均值
针对当前采集回波的台阶数组，按先后顺序比较得到首个大于阈值的元素Ap，p∈[1,k]。
当p＝1且判断得到第一峰值台阶丢失，则取作为第一峰值台阶。
当p＝2时，则认为成功识别第一峰值台阶。
取采集回波的第一峰值台阶和第二峰值台阶的中值作为阈值，则由此可得自适应阈值为：
以先进先出的原则不断更新存储回波信号数组，使得阈值能够根据实际的回波信号进行自适应调整以得到实时阈值的最优值。
步骤四：针对第一峰值台阶识别及补偿后的回波数据进行跳波识别，设R1(N+1)、R2(N+1)、R3(N+1)分别表示当前测得的回波信号的第一、第二、第三峰值台阶与最大峰值台阶的比值。
当时，则当前阈值在第一、第二峰值台阶之间，无跳波。
当时，则当前阈值在第一峰值台阶与参考台阶之间，过零点前移一个周期，则将过零点往后延迟一个周期作为真实的回波达到时间。
当时，则当前阈值在第二、第三峰值台阶之间，过零点会整体延后一个周期，则将过零点往前一个周期作为真实的回波到达时间。
本实施例中的时间测量模块采用DTC-GP22，在计算超声波回波信号到达时间过程中可以同时测量连续的3个回波周期；如图5跳波数据处理原理图可得三个过零点t1、t2、t3，当无跳波即在阈值2的情况下，t2为回波到达时间，将t0＝(t1+t2+t3)/3作为回波到达时间以提高测量的稳定性；
当出现阈值1情况时，将t3作为真实回波到达时间；
当出现阈值3情况时，则将t1作为真实回波到达时间。