一种基于回波信号特征参数的换能器一致性评价方法与流程

本发明属于超声波换能器检测领域，涉及一种基于回波信号特征参数的换能器一致性评价方法。

背景技术：

气体超声流量计作为一种非接触式仪表，具有高精度、低压损、耐磨和宽量程比等特点，应用于天然气、石油化工和民用航空等领域的流量计量。气体超声换能器作为一种实现声电转换的传感器，是气体超声流量计中重要的传感部件，对气体超声流量计性能有着重要作用。

目前对于气体超声换能器的一致性评价一般针对其稳态性能进行研究，并没有在换能器实际工作状态下研究其性能特性。换能器的动态性能描述的是换能器在工作状态也就是在脉冲信号激励情况下的传输特性，主要表现为换能器的灵敏度与波形一致性。对换能器动态性能的分析则是在模拟实际工作状态的情况下分析换能器的回波信号特性。然而，由于换能器的动态分析方法对回波信号采样频率较高，采用相关法分析回波整体波形相似性所需计算量较大不适用于实际应用领域。

技术实现要素：

本发明针对当前技术的不足，提出了基于回波信号特征参数的换能器一致性评价方法，主要步骤如下：

步骤一：回波信号仿真模型确定，回波信号数学模型根据实际回波信号一般可选择高斯模型或者混合指数模型。高斯模型表达式为：

其中：s(θ；t)为换能器的仿真回波信号；t为时间；θ为超声波回波信号的特征参数向量，即θ＝[βατfcf]；β为回波信号的峰值电压，由于超声波在气体介质中衰减严重，因此原始的回波信号幅值一般较小；α为带宽因子，既反映了回波信号的带宽范围，又反映了回波信号在时域中的持续时间；τ为回波信号到达时间；fc为回波信号中心频率，与换能器本身的中心频率以及传输路径的频率特性有关；φ为回波信号初相位，一般取0。

混合指数模型表达式为：

s(θ；t)＝β(t-τ)^me^-(t-τ)/tcos[2πfc(t-τ)+φ](2)

其中：回波特征参数向量θ＝[βtmτfcφ]；m为整数决定了回波信号能量的集中程度，其取值范围一般为[1,3]；t则决定了回波信号的存在时间；初相位一般取0。

步骤二：对鱼群参数初始化，导入回波信号数据并进行归一化处理，其中包括初始人工鱼参数、人工鱼数量、参数上下限、步长、最大迭代次数、目标函数值。

步骤三：根据初始参数随机建立初始鱼群，按照选用的气体超声换能器回波信号的一般特性设置初始人工鱼参数。

步骤四：计算初始鱼群中所有人工鱼的目标函数并得到最优值放入公告牌。为了实现回波特征参数的最优估计需要确定鱼群的目标函数作为优化指标，本发明采用最小二乘法建立目标函数

式中：x(i)为采集的回波数据，n为采集的离散回波信号数量，θ^(k)表示在第k次迭代时的回波参数向量，s(θ^(k))为第k次迭代时的数学模型回波信号，f(θ^(k))表示在第k次迭代时的目标函数值。

步骤五：根据当前环境以及人工鱼群中最优值选择人工鱼群将要执行的行为，包括觅食、追尾、群聚。

觅食行为是假设当前人工鱼状态为xk，在其视野范围内随机选择一个状态xvisual，通过比较两种状态下的目标函数解yk和yvisual确定人工鱼的前进放向。假设求极小值，则当yvisual<yk时则xvisual向方向前进一步。当试探次数达到最大值ntry后随机向某一方向前进一步。其执行模式可由公式表示:

其中rand()表示0到1的随机数，s表示人工鱼的步长。

群聚行为假设当前人工鱼状态为xk，探索当前视野范围内的同伴数量nf和同伴的中心位置xc，当在中心位置人工鱼状态较优且人工鱼数量不拥挤时则人工鱼向中心位置前进一步；否则执行觅食行为。群聚行为可用公式表示为：

其中：af_prey表示觅食行为，δ为拥挤度因子，中心位置xc可由视野内鱼群位置求得：

追尾行为则是通过搜索视野范围内的人工鱼中的最优值ymin，通过比较当前人工鱼xk的寻优值yk与同伴中的最优值ymin可确定下一步的执行方式。当ymin<yk时，则人工鱼向最优同伴的方向前进一步，否则执行觅食行为，追尾行为可用公式表示为：

步骤六：更新自身状态并比较得到最优值替换进入公告牌中。

步骤七：判断人工鱼群种群大小，若等于n则执行步骤八否则执行步骤五。

步骤八：判断当前迭代数是否满足最大迭代次数或者判断最优值是否满足终止条件即f(θ^(k))<0.3v²，两者全部不满足则执行步骤五。任意满足一种条件则结束循环，取公告牌中为当前回波信号的最优解。

步骤九：通过换能器之间特征参数的欧氏距离的相似性比较实现换能器的一致性评价。基于高斯模型的回波信号特征参数θ＝[βατfcφ]各个分量的量级差距极大且量纲也各不相同。因此在根据回波信号特征参数进行换能器一致性评价之前需要对特征参数进行归一化处理，其表达式为

式中x′i为归一化后的特征参数分量为无量纲；xi为特征参数分量，i＝1,…,n，n表示参与一致性评价的换能器数量；xmin为被测换能器中某一特征参数的最小值；xmax为被测换能器中某一特征参数的最大值。

步骤十：对于归一化处理后的各个换能器回波信号特征参数，本发明采用欧氏距离法进行换能器数值特征的差异的比较，以此评价换能器之间的一致性程度。欧氏距离的求解公式为

式中θ1,θ2分别为不同换能器的特征参数向量，θ1i,θ2i分别为对应换能器的特征参数向量的分量，n为特征参数向量的分量个数。

本发明的有益效果：本发明根据不同环境下回波信号特征参数的差异实现一致性评价，可更为全面、直观、高效地分析换能器之间动态性能差异。本发明对回波信号的采样要求较低且降低了计算复杂度，高效直观地实现换能器动态性能的一致性评价。

附图说明

图1为气体超声换能器常温常压下回波信号；

图2为基于回波信号特征参数的换能器一致性评价方法流程图；

图3为高斯模型仿真回波信号；

图4为混合指数模型仿真回波信号。

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。

本实施例选择某一型号200khz气体超声换能器的回波信号，其在常温常压下的回波采样信号如图1所示。如图2基于回波信号特征参数的换能器一致性评价方法流程图，本方法步骤如下所示：

步骤一：通过对高斯模型和混合指数模型建立仿真信号模型并进行比较，如图3为高斯模型仿真回波信号，图4为混合指数模型仿真回波信号。

基于高斯模型的回波信号仿真模型其上升沿部分与实际回波信号极为接近，下降沿部分则与实际回波信号有着较大差异。但是基于流量计的渡越时间测量原理可知，回波信号上升沿部分的特征决定回波信号到达时间的测量而与回波信号下降沿无关。因此通过提取关于回波信号高斯模型的特征参数可以表征回波信号上述沿部分特征并研究应用于气体超声流量计的换能器一致性评价。

通过人工鱼群实现仿真信号的最优估计并通过目标函数进行比较可知基于高斯模型的回波信号更接近于实际的回波信号，因此本实施例中选用高斯模型进行回波信号的最优估计。

步骤二：人工鱼群算法实现回波信号数学模型的最优估计。人工鱼群算法具有较好的全局寻优能力，能避免陷入局部最优解；对初始参数设定的敏感性较低，允许范围较大。由于样本换能器的参数差异较大且局部极值较多，采用人工鱼群实现气体超声换能器一致性评价较为合适。

对鱼群参数初始化并导入回波信号数据。根据本发明实例选用的气体超声换能器性能确定人工鱼群各项初始参数包括初始人工鱼参数、人工鱼数量、参数上下限、步长、最大迭代次数、目标函数值。实际回波信号峰峰值电压范围为[2v,3v]，根据实际的仿真分析可知，当带宽因子超过[2.5×10³(hz)²,1×10³(hz)²]这一范围时基于高斯模型的仿真回波信号明显偏离实际的回波信号。本实施例所选用的气体超声波换能器谐振频率范围为[194khz,208khz]，因此可设置其估计范围为[190khz,212khz]。回波信号到达时间τ受到环境以及声程影响波动范围较大因此其范围为[5×10^-6s,2×10^-2s]。鱼群大小为10，最大迭代次数为300，目标函数值为0.3v²。人工鱼的感知范围v＝[0.5v2.5×10³(hz)²5×10^-5s10khz]，人工鱼移动的最大步长s＝[1v1×10²(hz)²1×10^-5s1khz]

步骤三：根据初始参数随机建立初始鱼群，按照气体超声换能器回波信号的一般特性设置初始人工鱼参数为x＝[1v2.5×10³(hz)²1×10^-5s200khz]；

步骤四：计算初始鱼群中所有人工鱼的目标函数并得到最优值放入公告牌，引入基于最小二乘法的目标函数其公式为：

式中：x(i)为采集的回波数据，n为采集的离散回波信号数量，θ^(k)表示在第k次迭代时的回波参数向量，s(θ^(k))为第k次迭代时的高斯模型回波信号，f(θ^(k))表示在第k次迭代时的目标函数值。

步骤五：根据当前环境以及人工鱼群中最优值选择人工鱼群将要执行的行为，包括觅食、追尾、群聚。觅食行为根据当前人工鱼状态随机选择一个状态，通过目标函数确定人工鱼的前进方向，其表达式为：

群聚行为假设当前人工鱼状态为，探索当前视野范围内的同伴数量nf和同伴的中心位置，当在中心位置人工鱼状态较优且人工鱼数量不拥挤时则人工鱼向中心位置前进一步

追尾行为则是通过搜索视野范围内的人工鱼中的最优值ymin，并比较当前人工鱼的寻优值yk确定下一步的执行方式。当ymin<yk时，则人工鱼向最优同伴的方向前进一步，否则执行觅食行为。

步骤六：更新自身状态并比较得到最优值替换进入公告牌中。

步骤七：判断人工鱼群种群大小，若等于n则执行步骤七否则执行步骤四。

步骤八：判断当前迭代数是否满足最大迭代次数或者判断最优值是否满足终止条件，两者全部不满足则执行步骤四，任意满足一种条件则结束循环，取公告牌中为当前回波信号的最优解。

步骤九：通过换能器之间特征参数的欧氏距离的相似性比较实现换能器的一致性评价。基于高斯模型的回波信号特征参数θ＝[βατfcφ]各个分量的量级差距极大且量纲也各不相同。因此在根据回波信号特征参数进行换能器一致性评价之前需要对特征参数进行归一化处理，其表达式为

式中x′i为归一化后的特征参数分量为无量纲；xi为特征参数分量，i＝1,…,n，n表示参与一致性评价的换能器数量；xmin为被测换能器中某一特征参数的最小值；xmax为被测换能器中某一特征参数的最大值。

步骤十：对于归一化处理后的各个换能器回波信号特征参数，本发明采用欧氏距离法进行换能器数值特征的差异的比较，以此评价换能器之间的一致性程度。欧氏距离的求解公式为

式中θ1,θ2分别为不同换能器的特征参数向量；θ1i,θ2i分别为对应换能器的特征参数向量的分量；n为特征参数向量的分量个数，当只考虑换能器在常温常压下的性能则n＝5。

考虑换能器在不同环境下的回波信号的变化，因此需要对换能器不同环境下的回波信号进行特征参数提取以及一致性评价。本实施例选用的气体超声换能器选择-20℃、40℃、70℃三个温度点以及101kpa、300kpa、500kpa三个压力点分别采集回波信号。则回波信号总体特征参数向量组θ＝[θ1θ2θ3θ4θ5θ6]。