專利名稱：：一種脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)中的回波處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)中的回波處理方法，所述方法包括步驟發(fā)射能量脈沖到目標(biāo)；接收回波脈沖并將所述回波脈沖轉(zhuǎn)換成模擬回波信號(hào)；以及處理所述回波信號(hào)以識(shí)別來(lái)自于所述目標(biāo)的回波并根據(jù)所述識(shí)別的回波的傳輸時(shí)間確定距離，其中數(shù)字地執(zhí)行該處理的后期(advancedstage)。
背景技術(shù)：
：在水平面測(cè)量應(yīng)用中，脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)，也稱為飛行時(shí)間測(cè)距系統(tǒng)，常用于通過(guò)測(cè)量發(fā)射能量脈沖后多長(zhǎng)時(shí)間接收到反射的脈沖或回波確定與目標(biāo)物體(例如，在容器中的物質(zhì)的反射表面)的距離。這種裝置典型地使用超聲波脈沖或脈沖無(wú)線電波或微波信號(hào)。脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)通常包括用于重復(fù)地發(fā)射能量脈沖的發(fā)射器和接收反射的能量脈沖或回波的接收器。發(fā)射器和接收器可以組合在單個(gè)的単元中。接收器提供模擬回波信號(hào)，該模擬回波信號(hào)包含任何接收的回波，無(wú)論它是來(lái)自于目標(biāo)還是來(lái)自于散射干擾(clutter)或噪聲?；夭ㄐ盘?hào)在被數(shù)字化并且被作為回波輪廓(echoprofile)存儲(chǔ)之前，可以被放大和/或?yàn)V波。信號(hào)處理器識(shí)別存儲(chǔ)的回波輪廓中的感興趣回波并且基于發(fā)射的能量脈沖的發(fā)射時(shí)間和識(shí)別的回波脈沖計(jì)算目標(biāo)的間距或距離。常用的用于在回波輪廓中搜索回波的技術(shù)包括生成時(shí)變閾值(TVT)曲線。時(shí)變閾值(TVT)曲線提供了在回波輪廓上的一條線，該線位于回波輪廓中的噪聲水平之上。有效的回波出現(xiàn)在時(shí)變閾值曲線的上方。為了識(shí)別感興趣回波并且確定它的在時(shí)間軸上的時(shí)間位置，可以使用多種已知的技術(shù)比如相關(guān)或確定回波的前沿(leadingedge)、后沿(trailingedge)、峰值或質(zhì)心。從例如US5,436,580中已知通過(guò)獲得信號(hào)的與時(shí)間相關(guān)的一階導(dǎo)數(shù)并且將信號(hào)與導(dǎo)數(shù)以及與參考閾值比較確定接收的信號(hào)中的回波脈沖的起始點(diǎn)。當(dāng)接收的信號(hào)既超出它的導(dǎo)數(shù)也超出參考閾值時(shí)，即表示回波脈沖的前沿。在脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)中，特別是具有嵌入式微處理器或微計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)中，用于存儲(chǔ)回波輪廓的存儲(chǔ)器是有限的，這限制了能夠被存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)的數(shù)量或它們的大小(即分辨率)。當(dāng)測(cè)量范圍被設(shè)置為它的最大值而這意味著采樣點(diǎn)相距最遠(yuǎn)時(shí)，最壞的情況發(fā)生，因?yàn)楝F(xiàn)在全部范圍必須存入固定大小的存儲(chǔ)器中。
發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的ー個(gè)目的是允許在有限的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)盡可能大的數(shù)量的采樣點(diǎn)而不會(huì)降低分辨率(resolution)并且不會(huì)增加處理的復(fù)雜度。根據(jù)本發(fā)明這個(gè)問(wèn)題通過(guò)在權(quán)利要求I中描述的方法解決，其中數(shù)字化和處理所述回波信號(hào)的步驟還包括中間步驟提供并且存儲(chǔ)以數(shù)字形式的所述整體(whole)回波信號(hào)的ー階導(dǎo)數(shù)，以及數(shù)字地處理所述存儲(chǔ)的回波信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)以識(shí)別來(lái)自于目標(biāo)的回波。因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)彼此接近，所以由于回波信號(hào)的給定的帶寬，兩個(gè)相鄰的采樣點(diǎn)之間的最大差異是有限的。因此，通過(guò)存儲(chǔ)它的導(dǎo)數(shù)(derivative)或變化而不是實(shí)際的回波信號(hào)，分辨率可以提高而所需的存儲(chǔ)器不變或者所需的存儲(chǔ)器可以減少。許多回波處理，特別是回波選擇，可以直接在導(dǎo)數(shù)回波信號(hào)上完成，因此通過(guò)存儲(chǔ)它的導(dǎo)數(shù)而不是實(shí)際的回波信號(hào)的事實(shí)，回波處理將不會(huì)變得復(fù)雜。導(dǎo)數(shù)包含了原始的回波輪廓(echoprofile)具有的所有重要信息，因此導(dǎo)數(shù)上的回波處理不會(huì)犧牲距離測(cè)量的精度(在導(dǎo)數(shù)中包含在原始包絡(luò)中的偏移目息丟失了，但是偏移目息(offsetinformation)在距尚測(cè)定中不需要)。此外，原始的回波輪廓可以整體地或在感興趣區(qū)段上通過(guò)簡(jiǎn)單的積分(simpleintegration)恢復(fù)。在為了后續(xù)處理而被數(shù)字化并且存儲(chǔ)之前，模擬回波信號(hào)可以在模擬微分器中被微分。這樣的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)之間的有限的最大差異，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的全部轉(zhuǎn)換范圍都是可用的，因此與原始回波信號(hào)的分辨率相比回波信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的分辨率提高了。可替換地，可以使用大小更小的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(例如4位模數(shù)轉(zhuǎn)換器而不是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。如果優(yōu)選沒(méi)有硬件改變地獲得導(dǎo)數(shù)，則模擬回波信號(hào)可以被數(shù)字化，然后被數(shù)字地微分和存儲(chǔ)。通過(guò)其幅度、位置、運(yùn)動(dòng)和其它計(jì)算的參數(shù)選擇最好的回波可以與在原始包絡(luò)中一樣容易地在導(dǎo)數(shù)中完成。回波信號(hào)以及因此它的導(dǎo)數(shù)可能包含許多回波，這些回波取決于無(wú)線電波或超聲波能量脈沖經(jīng)過(guò)的路徑。在回波信號(hào)中應(yīng)用一些準(zhǔn)則以選擇最合適的回波。最合適的回波的一些例子是最大的回波、第一個(gè)回波和最靠近前一個(gè)測(cè)量回波的回波。同理，一些回波可能需要忽略，即使它們表現(xiàn)為符合一些有效回波的準(zhǔn)則；一些例子是在發(fā)射的波束的旁瓣(lobes)中的已知的干擾或回波、電性地產(chǎn)生的噪聲尖峰、比如來(lái)自于儲(chǔ)罐中(tank)的攪拌器(stirrer)的回波的暫態(tài)回波、以及非常窄的回波。在微分后的信號(hào)中，回波的特征在于它們的變化的累積數(shù)量。如果累積的變化大，則回波出現(xiàn)。因此，通過(guò)泄漏積分(leaky-integrating)回波信號(hào)的導(dǎo)數(shù)、比較獲得的積分值和閾值、并且只考慮超過(guò)閾值的那些積分值，可以識(shí)別出可能的回波。在所述閾值之下的積分值可以設(shè)為零。顯然，固定的閾值尋找到了想要的回波，但是它也尋找到了其它大信號(hào)成分，比如發(fā)射脈沖。因此使用可變閾值是有益的。這種可變閾值的選擇將基于用戶可以應(yīng)用的許多參數(shù)，例如干擾的存在、與時(shí)間相關(guān)的信號(hào)強(qiáng)度、已知的噪聲水平以及更多的參數(shù)。最基礎(chǔ)的可變閾值可以實(shí)現(xiàn)為在查找表(lookup)中的若干個(gè)不同的閾值的值。閾值還可以根據(jù)回波的測(cè)出而調(diào)整，例如，回波被檢測(cè)到之后，它可以快速增大以變得比較不敏感，然后隨著時(shí)間慢慢地衰減。本發(fā)明的方法的一個(gè)變形中，通過(guò)提供與回波信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的滑動(dòng)平均值成反相比例的可變閾值、比較回波信號(hào)的導(dǎo)數(shù)和閾值、并且只考慮超過(guò)閾值的值，來(lái)識(shí)別出可能的回波。閾值阻隔小的隨機(jī)噪聲但是通行與回波相關(guān)的大的連續(xù)的偏離。本發(fā)明現(xiàn)在將參考以非限制性的實(shí)例的方式顯示在附圖中的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)地描述，其中圖I為脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)的第一實(shí)施例的框圖，其中有利地使用了本發(fā)明的方法，圖2為脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)的第二實(shí)施例的框圖，圖3示出了常規(guī)的數(shù)字化的回波信號(hào)和它的變化或?qū)?shù)的幅度的實(shí)例，圖4圖示說(shuō)明了通過(guò)提供與回波信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的滑動(dòng)平均值成反相比例的可變閾值以識(shí)別可能的回波的方法，圖5圖示說(shuō)明了通過(guò)泄漏積分回波信號(hào)的導(dǎo)數(shù)并且比較獲得的積分值和閾值以識(shí)別可能的回波的方法，圖6示出了具有用于執(zhí)行前述的方法的泄漏積分器和比較器的數(shù)字濾波器，圖7示出了適于每當(dāng)回波被檢測(cè)到時(shí)提高閾值然后隨時(shí)間慢慢地減小閾值的濾波器，以及圖8示出了用以從導(dǎo)數(shù)回波信號(hào)中重建回波信號(hào)或其部分的泄漏積分器。具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖I，聲學(xué)脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)包括超聲換能器I(transducer)，超聲換能器I安裝在容納液體3或其它類型的物質(zhì)并具有由液體3的頂部表面4確定的水平面的儲(chǔ)罐2中。液體3的頂部表面4提供了反射由換能器I產(chǎn)生的超聲波脈沖5的反射表面。換能器I經(jīng)過(guò)發(fā)射器7連接到微處理器6。微處理器6在存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器(ROM)S中的控制程序下運(yùn)行，使用存儲(chǔ)在非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(NVRAM)9中的參數(shù)，并且設(shè)有以隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)IO的形式的工作存儲(chǔ)器。微處理器6控制發(fā)射器7，以激勵(lì)換能器I以在預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)以預(yù)定的頻率和幅度發(fā)射超聲波脈沖5。反射的或回波脈沖11被換能器I接收并且轉(zhuǎn)換成電子回波信號(hào)S，在電子回波信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)13采樣和數(shù)字化之前，回波信號(hào)S可以首先在放大器/濾波器12中被放大和帶通濾波。模數(shù)轉(zhuǎn)換器13為微處理器6提供數(shù)字值，微處理器6然后通過(guò)簡(jiǎn)單的相減或者更精確的使用超過(guò)兩個(gè)值用于濾除過(guò)大的(excessive)噪聲的方法計(jì)算導(dǎo)數(shù)。數(shù)字差分值整體形成整體回波信號(hào)S的一階導(dǎo)數(shù)并且被存儲(chǔ)在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器10中。模數(shù)轉(zhuǎn)換器13是數(shù)字接收器14的輸入部分，數(shù)字接收器14的其它部分以軟件模塊15的形式實(shí)現(xiàn)在微處理器6中。微處理器6對(duì)存儲(chǔ)的回波信號(hào)S的導(dǎo)數(shù)執(zhí)行算法，如將在下文中描述的一祥，以確定回波距離或者飛行時(shí)間以及因此在儲(chǔ)罐2中的液體3的水平面。由微處理器6控制的接ロ16用于水平面相關(guān)的數(shù)據(jù)的輸出和運(yùn)行參數(shù)的輸入。數(shù)據(jù)可以以顯示、測(cè)距(例如總線)信號(hào)和/或報(bào)警信號(hào)的形式輸出。圖2示出了聲學(xué)脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)的替換的實(shí)例，其與圖I的系統(tǒng)的不同之處在于模擬回波信號(hào)S在微分器17中微分然后被數(shù)字化和存儲(chǔ)。雖然系統(tǒng)以及它的運(yùn)行目前為止是以基于超聲波的脈沖回波聲學(xué)測(cè)距裝置為背景進(jìn)行描述，但是應(yīng)該理解系統(tǒng)也可以是基于無(wú)線電波的。下面的實(shí)例是源自于基于無(wú)線電波的系統(tǒng)或與基于無(wú)線電波的系統(tǒng)相關(guān)。圖3示出了通常的數(shù)字化的回波信號(hào)(回波輪廓)S和它的變化S’的大小(絕對(duì)值)。信號(hào)S被用8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣并且具有大約15至160最低有效位Isb的范圍，該范圍為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的全部動(dòng)態(tài)范圍的大約60%。這容許高于和低于信號(hào)S的一些余量(leeway),用于在信號(hào)強(qiáng)度和本地噪聲(noisefloor)上的變化。信號(hào)S的數(shù)據(jù)點(diǎn)彼此如此接近以至于兩個(gè)相鄰的采樣點(diǎn)之間的最大差異僅僅為+/-5或6最低有效位lsb。對(duì)于8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣范圍是從O至255最低有效位并且不確定度為I最低有效位。用來(lái)存儲(chǔ)信號(hào)S的數(shù)據(jù)數(shù)量不必要高。如果存儲(chǔ)它的導(dǎo)數(shù)S’而不是實(shí)際的信號(hào)S，分辨率可以提高16倍或者所用的存儲(chǔ)器數(shù)量可以減半。通過(guò)用4位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣包絡(luò)的導(dǎo)數(shù)或者僅僅存儲(chǔ)8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的4位，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。因此，在每個(gè)字節(jié)存放兩個(gè)導(dǎo)數(shù)S’的采樣點(diǎn)將僅僅使用正常的信號(hào)S所需的空間的一半而沒(méi)有精度損失。具有±5最低有效位的最大變化的4位采樣點(diǎn)將不會(huì)全部使用O至15最低有效位的4位動(dòng)態(tài)范圍，而是容許很大的(generous)40%的余量,用于噪聲和信號(hào)強(qiáng)度變化。在回波信號(hào)的導(dǎo)數(shù)S’中，回波的特征在于它們的變化的累積數(shù)量。如果累積變化大，則回波存在。如圖4所示，通過(guò)提供與回波信號(hào)的導(dǎo)數(shù)S’的滑動(dòng)平均值成反相比例的可變閾值Th、比較回波信號(hào)S的導(dǎo)數(shù)和閾值Th、并且只考慮超過(guò)閾值Th的值,可能的(potential)回波E被從導(dǎo)數(shù)信號(hào)S’中識(shí)別并提取出。閾值Th阻隔小的隨機(jī)噪聲但是通行與回波相關(guān)的大的連續(xù)的偏離。閾值Th可以由下式定義,,SFThi=±^^唭中Thi是在采樣點(diǎn)i處的閾值的值，SF是適合的比例因子，它本身可以是與時(shí)間相關(guān)的，δ是小噪聲限值，也防止發(fā)生被零除的錯(cuò)誤，MA是滑動(dòng)平均值，MAi=-[^，具有長(zhǎng)度!!。圖5和6示出了另一個(gè)實(shí)例，其中通過(guò)泄漏積分導(dǎo)數(shù)信號(hào)S’、比較獲得的積分值和閾值Th、并且只考慮超過(guò)閾值Th的那些積分值，可能的回波E被識(shí)別。在所述閾值Th之下的積分值設(shè)為零，因此獲得掩蔽信號(hào)S'th(maskedsignal)。為了區(qū)分想要的回波E和其它的大信號(hào)成分，比如發(fā)射脈沖5，閾值Th是可變的并且實(shí)現(xiàn)為在查找表TAB(lookuptable)中的若干個(gè)不同的閾值的值(Th⑴)。適合的閾值的值的選擇是基于用戶可以應(yīng)用的許多參數(shù)的，例如干擾(0bs(i))的存在、與時(shí)間相關(guān)的信號(hào)強(qiáng)度、已知的噪聲水平以及更多的參數(shù)。在圖7的實(shí)例中，每當(dāng)回波E被檢測(cè)到，閾值Th稍微地增加數(shù)量b，并且在所有其它時(shí)間隨著時(shí)間(dl<I)慢慢地衰減。為了實(shí)現(xiàn)已知的和有效的方法，回波信號(hào)(回波輪廓)的感興趣區(qū)段可以從存儲(chǔ)的導(dǎo)數(shù)S’中被重建。圖8示出了以泄漏積分器(Wl<I)的形式的單個(gè)第一階重建器。為了提高精度或者為了減少輸出信號(hào)的噪聲，可以提供更高階的濾波器。權(quán)利要求1.一種脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)中的回波處理方法，所述方法包括步驟發(fā)射能量脈沖(5)到目標(biāo)(4)，接收回波脈沖(11)并且將所述回波脈沖轉(zhuǎn)換成模擬回波信號(hào)(S)，以及處理所述回波信號(hào)⑶以識(shí)別來(lái)自于所述目標(biāo)⑷的回波并且根據(jù)所述識(shí)別的回波的傳播時(shí)間確定距離，其中數(shù)字地執(zhí)行所述處理的后期，其特征在于處理所述回波信號(hào)(S)的所述步驟還包括中間步驟提供并且存儲(chǔ)以數(shù)字的形式的所述整體回波信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)(S’)，以及數(shù)字地處理所述存儲(chǔ)的所述回波信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)(S’)以識(shí)別來(lái)自于所述目標(biāo)(4)的所述回波。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于將所述模擬回波信號(hào)(S)在微分器(17)中微分并且接著數(shù)字化和存儲(chǔ)所述模擬回波信號(hào)(S)。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于將所述模擬回波信號(hào)(S)數(shù)字化并且提供和存儲(chǔ)所述數(shù)字化的回波信號(hào)的所述導(dǎo)數(shù)(S’)。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于通過(guò)泄漏積分所述回波信號(hào)的所述導(dǎo)數(shù)(S’)、比較獲得的積分值和閾值(Th)以及只考慮超過(guò)所述閾值的所述積分值，來(lái)識(shí)別可能相關(guān)的回波。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于通過(guò)提供與所述回波信號(hào)的所述導(dǎo)數(shù)(S’)的滑動(dòng)平均值成反相比例的可變閾值(Th)、比較所述回波信號(hào)的所述導(dǎo)數(shù)(s’)和所述閾值(Th)以及只考慮超過(guò)所述閾值(Th)的值，來(lái)識(shí)別可能的回波。全文摘要本發(fā)明涉及一種脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)中的回波處理方法。在脈沖回波測(cè)距系統(tǒng)中將能量脈沖(5)發(fā)射到目標(biāo)(4)，接收回波脈沖(11)并且將回波脈沖轉(zhuǎn)換成回波信號(hào)(S)，處理回波信號(hào)(S)以識(shí)別來(lái)自于所述目標(biāo)(4)的回波并且根據(jù)所述識(shí)別的回波的傳播時(shí)間來(lái)確定距離。數(shù)字地執(zhí)行該處理的后期。為了允許在有限的存儲(chǔ)器(10)中存儲(chǔ)盡可能大的數(shù)量的采樣點(diǎn)而不降低分辨率并且不使處理變得復(fù)雜，將整體回波信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)(S’)以數(shù)字的形式存儲(chǔ)然后處理，而不是存儲(chǔ)和處理回波信號(hào)(S)。文檔編號(hào)G01S7/295GK102621529SQ20121000776公開(kāi)日2012年8月1日申請(qǐng)日期2012年1月11日優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日發(fā)明者喬治·奎內(nèi)頓·萊昂申請(qǐng)人:西門(mén)子公司