CN102661773A - 一种处理导波式雷达物位计回波信号的***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物位测量领域，为一种以单片机为核心的导波式雷达物位计回波信号处理***。由用于控制发、收脉冲信号的单片机、脉冲发射电路、导波杆、接收回波信号电路、等效时间采样电路、信号调理电路、MSP430F5418单片机***、液晶显示器和软件组成。分别针对相对介电常数大的物料和相对介电常数小的物料，采用不同的回波信号处理方法，抑制虚假回波干扰，确定和修正真实回波的峰值，再对标定数据进行拟合或者插值，实现物位的测量。
Description
技术领域
本发明涉及物位检测领域，为导波式雷达物位计，特别是一种以单片机为核心的处理导波式雷达物位计回波信号的数字处理***。
背景技术
物位分为液位、料位和相界面位置。把生产过程中罐、塔、槽等容器，以及自然界河道、水库里存放的液体的高度或表面位置定义为液位。把在槽斗、罐、堆场、仓库等场所储存的固体块、颗粒、粉料等的堆积高度或表面位置定义为料位。把液-液、液-固界面位置定义为相界面位置。物位是过程工业中四大被测量之一。例如，在原油集中输送与炼油生产中，要求精确测量大型油罐储量或液位；在水泥厂中，必须检测原料库、生料库、水泥库、磨头仓、煤粉仓、料浆、水、油等块状、粉状、颗粒状固体和液体的物料高度；在油脂填料式脱臭塔中，要求测量脱臭油料高度；在火力发电厂锅炉汽包水位的测量与控制中，要求精确测量水位等。测量物位的仪表种类有很多，按照测量方式可以分为：浮力式、差压式、电容式、磁致伸缩式、超声波式和雷达式。其中，导波式雷达物位计是以脉冲波方式工作的。导波式雷达物位计发射电磁波脉冲，电磁波脉冲沿导波杆传播，在被测物料表面处发生反射,反射的回波信号被接收，并被处理。测量出由发射脉冲与回波脉冲的时间差，再根据电磁波传播的速度，就可以计算出物位。导波体可以由单根的金属杆或缆、两根平行的杆或缆或同轴管构成。
针对导波式雷达物位计，国外几家著名厂家，例如，E+H公司、EmersonRosemount公司和Siemens-Milltronics公司等分别提出了不同的回波信号处理方法。
E+H公司Kenneth L.Perdue,Patrick McCarthy，Donald D.Cummings等提出了在有效回波中确定代表物位位置峰值点的四种方法(“Periodic probe mapping”,U.S Patent:No.6078280,Jun.20,2000)：(1)在采集到的回波信号上，直接寻找最大峰值点；(2)采集到的回波信号进行求导，查找绝对值最大的峰值点相邻的第一个过零点；(3)将采集到的回波信号减去修改后的初始回波信号(初始回波信号指出厂时给出的特性曲线或安装时测量得到的空罐信号)，然后，在减过的回波信号上寻找最大峰值点；(4)对减过的回波信号进行求导，查找绝对值最大的峰值点相邻的第一个过零点。给以上四种方法得到的结果分配一定的权重因子，将结果与权重因子相乘，选择乘积最大的作为反映物位位置的峰值点。
Emerson Rosemount公司
Karsson针对物料表面反射回波非常接近于导波雷达物位计的固定干扰回波(由脉冲发生器和导波杆连接点所致)的情况，提出：根据预先设置的波形、当前采集的回波信号中固定干扰回波的最大幅值及其对应的时间构造补偿信号。测量时，先将采集到的回波信号减去补偿信号，以消除固
定干扰的影响；再进行有效回波的查找(“Near zone detection in radar levelgauge system”,U.S Patent:No.6972712 B1,Dec.6,2005)。该专利的问题是：物料表面反射回波常位于固定干扰回波波形的上升沿，对该处波形的上升速率有一定的影响。因此，直接减去补偿信号虽然可以消除虚假回波、凸显有效回波，但是,会导致物料反射回波位置偏移，产生较大测量误差。
Emerson Rosemount公司Hakan Delin针对物料相对介电常数较小(接近空气的介电常数)、物料界面产生的反射回波能量较小的情况，提出：在物位计导波杆的若干已知位置上安装可以产生标准正弦波形的参考反射器，以此为基础来采集空罐信号；根据现场采集到的回波信号，对比空罐信号找到未浸入物料的最后一个反射器回波A和浸入物料的第一个反射器回波B，将A之前的反射回波部分替代空罐回波的相应部分，得到修改后的空罐回波；将现场采集的回波信号减去修正后的空罐回波，再在减过的回波曲线上查找最大峰值点，从而求出物位(“Method of determining a disturbance echo profile for a radar level gaugesystem”,U.S Patent:No.7924216B2,Apr.12,2011)。该专利存在的问题是：安装多组反射器成本较高；对空罐回波的修改只能保证去除反射器回波A之前的虚假回波，在A与物料表面反射回波之间、物料表面反射回波之后仍有可能存在峰值较大的虚假回波。因此，用最大峰值点所在的回波作为有效回波不够可靠。
Siemens Milltronics过程仪表公司Darcy Bachert等提出：先根据空罐回波曲线确定一条电平曲线，使用三次样条法对该电平曲线进行修正，使得修正后的曲线可以包络回波信号中的虚假回波；然后，将采集到的回波信号减去该电平曲线，确定物位(“Method for echo processing in time-of-flight or level measurementsystems”,U.S Patent:No.6816436B 1,Nov.9,2004)。
Siemens Milltronics过程仪表公司Steven J.Woodward，Thomas MikeBednarchuk提出了确定反映物位位置的方法，即用回波曲线与基准曲线所包围的区域的中心点表示物位的位置(“Echo detection in pulse-echo ranging system”U.SPatent:No.6169706 B1,Jan.2,2001)。其中，基准曲线是根据空罐回波曲线来确定，并包络回波中宽度过小的峰值。中心位置计算公式为
其中，xi表示回波信号上采样点对应的时间，mi表示回波信号上采样点对应的电压幅值。
国内生产的物位计一般是直接在回波信号上找最大峰值点，然后，结合现场经验对峰值进行判断，确定物位位置。所以，产品的测量精度不够高、测量盲区较大。
发明内容
为了解决现有物位计虚假回波抑制能力弱、测量精度不够高、测量盲区较大的问题，通过对现有技术的改进，本发明提供一种处理导波式雷达物位计回波信号的***和方法。
本发明的技术解决方案如下：
在已有用于控制发、收脉冲信号的单片机、脉冲发射电路、导波杆、接收回波信号电路、等效时间采样电路的基础上，由信号调理电路、MSP430F5418单片机***、液晶显示器和软件组成处理一种导波式雷达物位计回波信号的***。用于控制发、收脉冲信号的单片机控制脉冲的发射和接收；发射脉冲电路发射电磁波脉冲信号至导波杆，脉冲信号沿导波杆传播，到空气和物料表面相对介电常数发生突变处，发生反射；反射回波沿导波杆向上传播到接收回波信号电路；接收回波信号电路接收反射回波信号，送至等效时间采样电路，对反射回波信号进行时间上的放大处理；经等效时间采样电路处理后的回波信号送至信号调理电路，经过分压、偏置和阻抗变换，送至MSP430F5418单片机片内ADC；等效时间采样电路输出的同步接收脉冲信号直接接至MSP430F5418单片机的定时器捕获引脚；当捕获到同步接收脉冲信号的上升沿时，MSP430F5418单片机进入定时器中断服务程序；在中断服务程序中，开启ADC的转换；将ADC转换后的数据，通过DMA传输到RAM中；通过DMA的中断标志位，判断是否采集完800点数据；若采集完成，就关闭ADC的转换；接着关闭DMA和定时器；关闭***中断；对回波信号进行预处理，包括对回波信号进行低通滤波，将滤波后的回波信号与参考信号进行比较，或者对滤波后的回波信号进行修正，再减去参考信号；进行物位计算，包括采用二阶Lagrange插值法对最大峰值点进行修正，得到最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，计算出物位；再由液晶显示显示出来。
导波雷达物位计在实际应用中，会涉及到不同种类的物料，它们的相对介电常数大小不一。根据导波式雷达物位计的测量原理可知，相对介电常数不同，物料反射回波信号的能量会有很大的差别。因此，需要针对不同种类的物料，分别提出不同的回波信号处理方法。
处理相对介电常数较大的物料回波信号的算法和步骤为：(1)构造一条参考曲线；(2)采用低通滤波器对采集到的回波信号进行滤波处理；(3)对滤波后的回波信号求导，再找到由正到负的过零点；这些过零点是回波信号中的一系列峰值点；根据设定的宽度值，排除一些明显的虚假回波的峰值点；(4)比较(3)中的峰值点和对应参考曲线上的点；如果峰值点高出参考曲线预设值范围，就认为该峰值点所在的回波为可能的有效回波，否则，予以剔除；(5)对经过上述筛选后的回波信号中的剩余峰值点，选择最大的结果所对应的回波作为物料反射的真实回波；(6)在真实回波上，寻找最大峰值点，并在该点两侧各取一个相邻的次高峰值点；采用二阶Lagrange插值法对这三个点进行抛物线插值，计算出该抛物线的顶点位置，作为反映物位的回波位置；(7)在同一物位下，重复步骤(2)至步骤(6)多次，例如30～50次，这样就得到30～50个最大峰值点所对应的横坐标位置，即30～50个电磁波从物位计参考点传播到物料表面的时间值；对这30～50个时间值，从小到大排列，取中间的10～20个时间值进行平均，其结果作为该物位下物料反射的真实回波的位置；(8)在测量范围内，选择4～10个物位，按照步骤(7)，确定出真实回波位置，得到4～10个物位与时间之间对应的数据，即标定数据；(9)因为通过标定仅能得到反映物位与时间之间关系的4～10个点的数据，所以，需要根据这些数据拟合出物位与时间之间关系的表达式，或者在这些点之间插值出更密的点，得到相邻标定点之间的物位与时间之间关系的表达式，才能实现物位的测量；根据标定数据的特点，采用不同方法进行处理：①对线性较好的标定数据，采用三次多项式进行拟合，得到物位与时间之间关系的表达；②对线性较差的，采用一阶Lagrange插值法对标定数据进行插值，得到相邻两个标定点之间的物位与时间之间关系的表达式；依次对每两个相邻的标定数据按照这种方法处理，得到相邻两个标定点之间的物位与时间之间关系的表达式系数；(10)将步骤(9)得到的物位与时间关系表达式中的系数写入MSP430F5418单片机程序中，再按照步骤(2)至步骤(7)对物位进行测量，得到每个物位下的最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，就可以计算出物位大小；
当物料的相对介电常数较小时，物料表面反射的回波能量较小，回波信号的幅值也较小，容易受到噪声的干扰，此时，需要考虑消除空罐回波的影响，回波信号处理方法和步骤为：(1)采集空罐时的回波信号，用低通滤波器对该信号滤波，然后，对滤波后的信号进行修正，将修改后的空罐回波信号定义为参考信号；(2)对回波信号进行修正，在其有效测量范围段内，计算每相邻的两个采样点所在直线的斜率，从有效测量范围段的起始点处开始，以所有计算得到的斜率的相反数为斜率构造一条新的曲线，再将回波信号与构造的曲线相减，实现对回波信号变化趋势的放大；(3)用修正后的回波信号减去参考信号，得到净回波信号；(4)对净回波信号求导，找到由正到负的过零点，这些过零点是回波信号中的一系列峰值点；通过限定宽度值，排除一些明显的虚假回波的峰值点；(5)对经过上述筛选后的净回波信号中剩余的峰值点，选择最大的作为物料反射的真实回波；(6)在找到的真实回波上，寻找最大峰值点，并在该点两侧各取一个相邻的次最大点；采用二阶Lagrange插值法对这三个点进行抛物线插值，计算出该抛物线的顶点位置，作为反映物位的回波位置；(7)同一物位下，重复步骤(2)至步骤(6)多次，例如30～50次，这样就得到30～50个最大峰值点所对应的横坐标位置，即30～50个电磁波从物位计参考点传播到物料表面的时间值；对这30～50个时间值，从小到大排列，取中间的10～20个时间值进行平均，其结果作为该物位下物料反射的真实回波的位置；(8)在测量范围内，选择4～10个物位，按照步骤(7)，确定出真实回波位置，得到4～10个物位与时间之间对应的数据，即标定数据；(9)根据标定数据的特点，采用不同方法进行处理：①对线性较好的标定数据，采用三次多项式进行拟合；②对线性较差的，采用一阶Lagrange插值法进行插值；从而得到物位与时间之间关系的表达式；(10)将步骤(9)得到的物位与时间关系表达式中的系数写入MSP430F5418单片机程序中，再按照步骤(2)至步骤(7)对物位进行测量，得到每个物位下的最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，计算出物位大小。
本发明专利的优点是：与EmersonRosemount公司Karsson的专利(“Near zone detection in radar level gauge system”,U.S Patent:No.6972712B1,Dec.6,2005)相比，本发明专利采用斜率修正法对参考信号中的固定干扰回波进行修正，然后，再进行相减。这样可以克服直接减去补偿信号造成的真实回波最大峰值点偏移的问题。与Emerson Rosemount公司Hakan Delin的专利(“Method ofdetermining a disturbance echo profile for a radar level gauge system”,U.S Patent:No.7924216B2,Apr.12,2011)相比，本发明专利在减去修改后空罐回波的基础上，又采用了多种判据对各回波峰值进行判断，以确定真实回波。这样就克服了只采用最大峰值点所在的回波作为判断真实回波依据的不可靠性问题。此外，本发明专利采用二阶Lagrange插值对真实回波峰值进行修正，进而采用三次多项式拟合对标定数据处理或者采用一阶Lagrange插值法对标定数据处理，提高了测量精度，并减小了测量盲区。
附图说明
图1是导波式雷达物位计***组成框图。
图2是信号调理电路图。
图3是MSP430F5418单片机***硬件电路图。
图4是MSP430F5418单片机***软件总体框图。
图5是MSP430F5418单片机***主监控程序流程图。
图6是二阶Lagrange插值对回波峰值修正示意图。
图7是三次多项式拟合对标定数据处理示意图。
图8是一阶Lagrange插值法对标定数据处理示意图。
图9是空罐回波曲线修正示意图。
图10是回波信号示意图。
图11是回波信号修正前与修正后的示意图。
图12是标定数据图。
图13是测量误差图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
导波雷达物位计***组成框图如图1所示，由用于控制发、收脉冲信号的单片机、脉冲发射电路、导波杆、接收回波信号电路、等效时间采样电路、信号调理电路、MSP430F5418单片机***、液晶显示器和软件组成。用于控制发、收脉冲信号的单片机控制脉冲的发射和接收；发射脉冲电路发射电磁波脉冲信号至导波杆，脉冲信号沿导波杆传播，到空气和物料表面相对介电常数发生突变处，发生反射；反射回波沿导波杆向上传播到接收回波信号电路；接收回波信号电路接收反射回波信号，送至等效时间采样电路，对反射回波信号进行时间上的放大处理；经时间上放大后的回波信号送到信号调理电路，经过调理后，再进入MSP430F5418单片机；与此同时，等效时间采样电路中的同步接收脉冲信号直接接至MSP430F5418单片机。该单片机对回波信号进行处理，得到物位值，再通过液晶显示器显示出来。
信号调理电路如图2所示，由分压电路、直流偏置电路、跟随电路和基准电压产生电路组成。分压电路由运放U1A、电阻R3和R4、电容C3组成；R3与R4的比值决定了分压比。直流偏置电路由运放U2B、电阻R1、R2和R5、电容C1组成；C1起隔直作用，R1与R2的比值决定了放大倍数。跟随电路由运放U2A、电容C2组成。基准电压产生电路由运放U1B、电阻R6和R7、电容C4组成；R6与R7的比值决定输出的参考电压值；运放U1B起跟随和缓冲作用。由于等效时间采样电路输出的回波信号的幅值是0V至4.7V，而MSP430单片机芯片只允许输入0至3.3V的单极性电压，所以，要对等效时间采样电路输出的回波信号进行调理。将等效时间采样电路输出的回波信号接至信号调理电路中电阻R3的左端。回波信号进入分压电路，经过分压，其幅值降至为原幅值的1/3；然后，进入直流偏置电路，被C1隔断了信号中的直流分量，并被电压偏置电路抬升至1.25V(此为MSP430F5418单片机中ADC的基准电压的一半)；经过偏置后的回波信号，进入跟随电路，经过阻抗变换后，再送入MSP430F5418单片机的引脚7，为P7.6/A14，如图3所示。MSP430F5418单片机的引脚7为复用引脚，在此被配置为模拟输入A14-ADC，即将回波信号送至MSP430F5418单片机的片内ADC(注明：以下所述ADC均为MSP430F5418单片机的片内ADC)。图2中的基准电压产生电路的输出Vref接至为直流电压偏置电路的Vref，为直流电压偏置电路提供基准电压。
MSP430F5418单片机***硬件电路如图3所示，由MSP430F5418单片机U3、复位电路U4、液晶显示器(LCD)接口P2和仿真器接口P3组成。选择TI公司MSP430F5418单片机作为核心处理器，是因为它具有超低功耗、强大的处理能力、丰富的***模块等特点，完全适用于导波雷达物位计信号处理的要求，且为导波式雷达物位计的两线制实现提供了可能。
如图3所示，等效时间采样电路输出的同步接收脉冲信号直接接至MSP430F5418单片机引脚26—P2.1/TA1.0。此引脚为复用引脚。在此，该引脚被配置成定时器TimerA3的捕获输入引脚，为上升沿触发。当同步接收脉冲信号的上升沿到来时，MSP430F5418单片机引脚26检测到该事件发生，从而触发定时器中断。然后，进入定时器中断服务程序，开启ADC的转换，跳出中断服务程序，判断800点数据的采样、转换是否完成。在采样过程中，ADC的转换结果通过MSP430F5418单片机DMA控制器直接送到MSP430F5418单片机RAM单元，可以节省数据传输时间。为了保护MSP430F5418单片机，在其引脚26上连接了肖特基二极管D1，对同步接收脉冲信号的幅值进行钳位。
图3中的复位电路，由外部看门狗芯片U4、复位按键S1、退耦电容C12、电阻R12、R13和R14组成，电阻R13和R14的比值确定了***低电平报警的电压设定值。复位电路为MSP430F5418单片机提供手动复位、电压监测和外部看门狗功能。复位电路中外部看门狗芯片U4的引脚7-
经过电阻R32连接至MSP430F5418单片机的引脚76-为MSP430F5418单片机提供复位信号。复位电路U4的引脚5-连接至MSP430F5418单片机的引脚17-P1.0；当供给MSP430F5418单片机的3.3V电压跌至设定值时，由复位电路U4的引脚5输出低电平，通知MSP430F5418单片机进行相应处理。复位电路U4的引脚6-WDI接至MSP430F5418单片机的引脚18-P1.1，由MSP430F5418单片机提供脉冲输入，为复位电路中的看门狗电路进行喂狗。
图3中P2为LCD接口。LCD的
(片选信号)、
(写使能信号)、DATA(数据信号)分别连接至MSP430F5418单片机的引脚80-P6.3、79-P6.2、78-P6.1；由MSP430F5418单片机完成相应的写操作，将物位测量结果显示在LCD上。
图3中的P3是仿真口。用个人计算机，通过此接口，完成对MSP430F5418单片机的内核操作，包括程序调试和烧写等。
图4是MSP430F5418单片机***软件总体框图。***软件采用模块化设计方法，由主监控程序模块、中断模块、初始化模块、回波信号预处理模块、物位计算模块和LCD显示模块组成。
图4中的主监控程序模块是MSP430F5418单片机整个***软件的总调度程序，通过调用各个程序模块，实现本***所要求的功能。图5为MSP430F5418单片机***主监控程序流程图，它是一个循环程序，***上电以后，主监控程序自动运行，整个程序将按设定的方式，对各个子程序进行相应处理。其基本过程为：***上电，立即对MSP430F5418单片机各功能模块以及LCD显示模块变量进行初始化；开启***中断；然后，开启DMA和定时器；等待捕获触发信号；当捕获到等效时间采样电路输出的同步接收脉冲信号的上升沿时，MSP430F5418单片机进入定时器中断服务程序；在中断服务程序中，开启ADC的转换；将ADC转换后的数据，通过DMA传输到RAM中；通过DMA的中断标志位，判断是否采集完800点数据；若采集完成，就关闭ADC的转换；接着，关闭DMA和定时器；关闭***中断；对回波信号进行预处理，包括：对回波信号进行低通滤波，将滤波后的回波信号与参考信号进行比较，或者对滤波后的回波信号进行修正，再减去参考信号；进行物位计算，包括：采用二阶Lagrange插值法对最大峰值点进行修正，得到最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，计算出物位大小。
导波雷达物位计在实际应用中，会涉及到不同种类的物料，它们的相对介电常数大小不一。根据导波式雷达物位计的测量原理可知，相对介电常数不同，物料反射回波信号的能量会有很大的差别。因此，需要针对不同种类的物料，分别提出不同的回波信号处理方法。
1)处理相对介电常数较大的物料回波信号的算法和步骤：
(1)构造一条参考曲线。这条曲线可以是空罐曲线，也可以是较低物料情况下回波曲线中的一段，并根据经验，修改参考曲线，以消除已知的固定干扰；
(2)采用低通滤波器对采集到的回波信号进行滤波处理；二阶巴特沃斯低通滤器的传递函数为：
对于采样序列x(n)(n＝1,2,3…),滤波后的数据为y(n)＝(b2x(n-2)+b1x(n-1)+b0x(n)-a2y(n-2)-a1y(n-1))/a0 (2)
(3)对滤波后的回波信号求导，其求导公式为
slope[n]＝(x[n+1]-x[n])/((n+1)-n)，(n＝1,2,3…) (3)
式中，slope[n]为第n点的前向差分值，用来代表该点的导数值；x[n]为滤波处理后的回波信号中第n点的值。
再找到由正到负的过零点；这些过零点是回波信号中的一系列峰值点。根据设定的宽度值，排除一些明显的虚假回波的峰值点。
(4)比较(3)中的峰值点和对应参考曲线上的点。如果峰值点高出参考曲线预设值范围，就认为该峰值点所在的回波为可能的有效回波，否则，予以剔除。
(5)对经过上述筛选后的回波信号中的剩余峰值点，选择最大的作为物料反射的真实回波。
(6)在真实回波上，寻找最大峰值点，并在该点两侧各取一个相邻的次高峰值点；采用二阶Lagrange插值法对最大峰值点进行修正，即采用二阶Lagrange插值法对这三个点进行抛物线插值，如图6所示，计算出该抛物线的顶点位置，作为反映物位的回波位置。
由于MSP430F5418单片机的RAM空间限制了采样频率的提高，因此采样得到的回波信号峰值点可能不是真实的峰值点。因此，需要对采集到的回波信号峰值点进行修正。首先在真实回波上找到最大峰值点(x1,y1)，然后在该点两侧各取一个相邻的采样点(x0,y0)和(x2,y2)。假设这三点满足L2(xi)＝yi(i＝0,1,2)的表达式为
L2(x)＝l0(x)y0+l1(x)y1+l2(x)y2 (4)
式中，li(x)(i＝0,1,2)均为二次多项式，且
将这三点代入公式(1)中求得二阶Lagrange插值的表达式，并整理为二次标准式L2(x)＝ax2+bx+c。对该式对应的曲线方程ax2+bx+c＝0求顶点位置x＝-b/(2a)，即为修正后的回波峰值位置。
(7)在同一物位下，重复步骤(2)至步骤(6)多次，例如，30～50次，这样就得到30～50个最大峰值点所对应的横坐标位置，即30～50个电磁波从物位计参考点传播到物料表面的时间值；对这30～50个时间值，从小到大排列，取中间的10～20个时间值进行平均，其结果作为该物位下物料反射的真实回波的位置。
(8)在测量范围内，选择4～10个物位，按照步骤(7)，确定出真实回波位置，得到4～10个物位与时间之间对应的数据，即标定数据。
(9)因为通过标定仅能得到反映物位与时间之间关系的4～10个点的数据，所以，需要根据这些数据拟合出物位与时间之间关系的表达式，或者在这些点之间插值出更密的点，得到相邻标定点之间的物位与时间之间关系的表达式，才能实现物位的测量。根据标定数据的特点，采用不同方法进行处理：
①对线性较好的标定数据，采用三次多项式进行拟合，如图7所示，得到物位与时间之间关系的表达式为：
y(x)＝ax3+bx2+cx+d (6)
注意，在三次多项式拟合中，至少需要4个标定点，才能得到多项式系数。
②对线性较差的，采用一阶Lagrange插值法对标定数据进行插值，如图8所示，得到相邻两个标定点之间的物位与时间之间关系的表达式。设相邻的两个标定点为(x0,y0)和(x1,y1)，其中xi(i＝0,1)表示电磁波从参考点到物料表面的传播时间，yi(i＝0,1)表示与xi对应的物位。那么，满足L1(xi)＝yi(i＝0,1,2)的表达式为
L1(x)＝l0(x)y0+l1(x)y1 (7)
式中，l0(x)和l1(x)都为x的一次函数，分别为：
将它们带入式(7)整理得到形如L1(x)＝ax+b的表达式。
依次对每两个相邻的标定数据按照这种方法处理，得到相邻两个标定点之间的物位与时间之间关系的表达式系数。
(10)将步骤(9)得到的物位与时间关系表达式中的系数写入MSP430F5418单片机程序中，再按照步骤(2)至步骤(7)对物位进行测量，得到每个物位下的最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，就可以计算出物位大小。
2)当物料的相对介电常数较小时，物料表面反射的回波能量较小，回波信号的幅值也较小，容易受到噪声的干扰，此时，需要考虑消除空罐回波的影响。回波信号处理方法和步骤如下：
(1)采集空罐时的回波信号，用低通滤波器对该信号滤波，然后，对滤波后的信号进行修正，如图9所示：①空罐回波曲线前段中的上升沿是由物位计结构反射所造成的，为此，要进行修正。在曲线上升沿起始处和上升沿结束处各选择一点，做一线段，用该线段去替换原空罐回波曲线中相应的部分；②空罐回波曲线尾部的下凹部分是由导波杆末尾造成的，因此，需要修正。在曲线开始下凹处取一点，再在下凹上升至水平段处取一点，将这两点连成条直线，替换原空罐曲线的相应部分。将修改后的空罐回波信号定义为参考信号。
(2)对回波信号进行修正。对回波信号进行滤波后，如图10所示，在其有效测量范围段内，计算每相邻的两个采样点所在直线的斜率，从有效测量范围段的起始点处开始，以所有计算得到的斜率的相反数为斜率构造一条新的曲线，再将回波信号与构造的曲线相减，实现对回波信号变化趋势的放大，如图11所示；
计算斜率的公式为：
slope[n]＝(x[n+1]-x[n])/((n+1)-n) (9)
以相反斜率构造曲线为：
new[n]＝new[n-1]+(-1)*slope[n] (10)
回波信号与构造的曲线相减：
x_amp[n]＝x[n]-new[n] (11)
式中，n从有效测量范围的起始点开始，slope[n]为回波信号上第n点的斜率值，x[n]为回波信号上第n点的值，new[n]为构造曲线上第n点的值，x_amp[n]为回波信号减去构造曲线后第n点的值。
(3)用修正后的回波信号减去参考信号，得到净回波信号。
(4)对净回波信号求导，找到由正到负的过零点，这些过零点是回波信号中的一系列峰值点。通过限定宽度值，排除一些明显的虚假回波的峰值点。
(5)对经过上述筛选后的净回波信号中剩余的峰值点，选择最大的作为物料反射的真实回波。
(6)在找到的真实回波上，寻找最大峰值点，并在该点两侧各取一个相邻的次最大点；采用二阶Lagrange插值法对最大峰值点进行修正，即采用二阶Lagrange插值法对这三个点进行抛物线插值，计算出该抛物线的顶点位置，作为反映物位的回波位置。
(7)同一物位下，重复步骤(2)至步骤(6)多次，例如，30～50次，这样就得到30～50个最大峰值点所对应的横坐标位置，即30～50个电磁波从物位计参考点传播到物料表面的时间值；对这30～50个时间值，从小到大排列，取中间的10～20个时间值进行平均，其结果作为该物位下物料反射的真实回波的位置。
(8)在测量范围内，选择4～10个物位，按照步骤(7)，确定出真实回波位置，得到4～10个物位与时间之间对应的数据，即标定数据。
(9)根据标定数据的特点，采用不同方法进行处理：①对线性较好的标定数据，采用三次多项式进行拟合；②对线性较差的，采用一阶Lagrange插值法进行插值；从而得到物位与时间之间关系的表达式。
(10)将步骤(9)得到的物位与时间关系表达式中的系数写入MSP430F5418单片机程序中，再按照步骤(2)至步骤(7)对物位进行测量，得到每个物位下的最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，计算出物位大小。
下面分别给出水位测量实例和表面喷漆板模拟物位测量实例。
在某公司技术中心进行了水位测量实验，其步骤为：(1)采用低通滤波器对回波信号进行滤波处理；(2)对滤波后的回波信号，在有效测量范围段内，找到液面反射对应的真实回波；(3)在真实回波上，寻找最大峰值点，并在该点两侧各取一个相邻的次高峰值点；(4)采用二阶Lagrange插值法对最大峰值点进行修正，即采用二阶Lagrange插值法对(3)中的三个点进行抛物线插值，计算出该抛物线的顶点位置，作为反映物位的回波位置；(5)同一物位下，重复步骤(1)～步骤(4)50次，对计算得到的50个最大峰值点所对应的横坐标位置，从小到大排列，取中间10个数进行平均，其结果作为该物位下物料反射的真实回波峰值的位置；(6)在测量范围内，选择20个物位，按照上述步骤，确定出真实回波位置，得到一系列物位与最大峰值点之间对应的数据，即标定数据；(7)根据标定数据的特点，采用不同方法进行处理：(i)对线性较好的标定数据，采用三次多项式拟合；(ii)对线性较差的，采用一阶Lagrange插值法插值；从而得到物位与时间之间的关系表达式；(8)将此关系表达式系数写入MSP430F5418单片机程序中，再按照步骤(1)～步骤(7)对物位进行测量，得到每个物位下最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入此关系表达式，就可以计算出物位大小。
实验所用导波杆长72.4cm，MSP430F5418单片机片内ADC采样频率为50KHz。定义从法兰下表面到液面的距离为水位。标定数据如表1和图12所示。
表1标定数据
| 水位(cm) | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28 | 30 |
| 最大峰值点 | 65.18 | 65.69 | 65.9 | 65.67 | 65.76 | 66.12 | 66.89 | 67.69 | 68.94 | 71.05 |
| 水位(cm) | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 62 | 64 | 66 | 68 |
| 最大峰值点 | 74.37 | 77.18 | 80.93 | 84.53 | 87 | 89.43 | 90.83 | 92.98 | 95.44 | 97.14 |
可见，该标定数据在测量范围段(20cm～70cm)内线性较差，因此，采用一阶Lagrange插值对相邻两个标定点进行分段线性插值，计算出每段的插值系数(斜率、截距)，如表2所示，将其写入MSP430F5418单片机程序中，然后进行水位测量，测量结果如表3所示。测量误差如图13所示。测量结果表明，与原导波式雷达物位计相比，本发明专利将测量范围从30cm～57cm拓宽到20cm～72cm，测量误差从±1cm减小到±0.5cm以内。
表2一阶Lagrange插值系数
表3测量结果
| 标准值(cm) | 20.10 | 21.00 | 23.00 | 25.00 | 27.00 | 29.70 | 32.10 | 33.90 |
| 测量值(cm) | 19.68 | 20.64 | 22.93 | 24.95 | 26.87 | 29.79 | 32.03 | 34.08 |
| 标准值(cm) | 35.70 | 38.40 | 41.60 | 43.80 | 46.00 | 48.50 | 52.10 | 54.70 |
| 测量值(cm) | 36.08 | 38.64 | 41.91 | 43.88 | 46.22 | 48.87 | 52.34 | 54.82 |
| 标准值(cm) | 58.10 | 61.90 | 63.80 | 66.40 | 69.20 | 70.80 | 71.70 | |
| 测量值(cm) | 58.00 | 61.92 | 63.88 | 66.58 | 69.27 | 70.44 | 71.48 |
在申请人实验室用表面喷漆板模拟物料界面进行物位测量实验。与水的介电常数相比，表面喷漆板的介电常数较小，因此，要考虑消除空罐回波的影响。测量实验的步骤为：(1)采集空罐回波信号，用低通滤波器对该信号滤波；然后，对滤波后的信号进行修正，在曲线开始下凹处取一点，再在下凹上升至水平段处取一点，将这两点连成条直线，替换原空罐曲线的相应部分；(2)对回波信号进行滤波，用滤波后的回波信号减去修正后的空罐回波信号，得到净回波信号；(3)在净回波信号的测量范围段内，找到反映界面反射的真实回波，并在其中寻找最大峰值点，然后在该点两侧各取一个相邻的次高峰值点；(4)采用二阶Lagrange插值法对最大峰值点进行修正，即采用二阶Lagrange插值法对(3)中的三个点进行抛物线插值，计算出该抛物线的顶点位置，作为反映物位的回波峰值位置；(5)同一物位下，重复步骤(2)～步骤(4)50次，对计算得到的50个最大峰值点所对应的横坐标位置，从小到大排列，取中间10个数进行平均，其结果作为该物位下物料反射的真实回波的位置；(6)在测量范围内，选择12个物位，按照上述步骤，确定出真实回波位置，得到一系列物位与最大峰值点之间对应的数据，即标定数据；(7)根据标定数据的特点，采用不同方法进行处理：(i)对线性较好的标定数据，采用三次多项式拟合；(ii)对线性较差的，采用一阶Lagrange插值法进行插值；从而得到物位与时间之间的关系表达式；(8)将关系表达式系数写入MSP430F5418单片机程序中，再按照步骤(2)～步骤(7)对物位进行测量，得到每个物位下的最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入关系表达式，计算出物位大小。
实验所用导波杆长为250cm，MSP430F5418单片机采样频率为50KHz。按照上述实验步骤选择若干个物位进行标定，标定结果如表4所示。
表422cm～200cm段标定结果
由表4可见，标定数据在30cm～200cm范围内线性关系较好，因此采用多项式拟合方法处理；而20cm～30cm段线性关系较差，需进一步对该段内的物位进行标定，如表5所示，并采用一阶Lagrange插值法对该段数据进行处理。
表520cm～30cm段标定结果
| 距离(cm) | 20.00 | 22.00 | 24.00 | 26.00 | 28.00 | 30.00 |
| 最大峰值点 | 64.25 | 65.16 | 66.16 | 66.95 | 67.86 | 68.90 |
表6测量结果
| 标准值(cm) | 22.00 | 23.00 | 25.00 | 27.00 | 28.00 | 30.00 | 32.00 | 34.00 |
| 测量值(cm) | 21.54 | 22.64 | 24.54 | 26.59 | 27.58 | 29.84 | 32.44 | 34.48 |
| 标准值(cm) | 36.00 | 38.00 | 40.00 | 43.00 | 48.00 | 50.00 | 51.00 | 54.00 |
| 测量值(cm) | 36.23 | 37.59 | 40.46 | 43.41 | 47.68 | 49.63 | 50.64 | 53.72 |
| 标准值(cm) | 57.00 | 63.00 | 67.00 | 70.00 | 72.00 | 75.00 | 78.00 | 83.00 |
| 测量值(cm) | 56.57 | 62.51 | 66.59 | 69.53 | 71.67 | 74.61 | 77.82 | 82.51 |
| 标准值(cm) | 86.00 | 89.00 | 90.00 | 94.00 | 97.00 | 103.00 | 105.00 | 108.00 |
| 测量值(cm) | 85.60 | 88.56 | 89.63 | 93.58 | 97.10 | 103.12 | 104.78 | 107.55 |
| 标准值(cm) | 110.00 | 112.00 | 114.00 | 119.00 | 123.00 | 128.00 | 130.00 | 132.00 |
| 测量值(cm) | 109.59 | 111.65 | 113.55 | 119.42 | 123.22 | 127.50 | 130.38 | 132.43 |
| 标准值(cm) | 134.00 | 137.00 | 142.00 | 145.00 | 147.00 | 150.00 | 153.00 | 155.00 |
| 测量值(cm) | 134.30 | 136.85 | 141.82 | 145.18 | 147.32 | 150.44 | 153.47 | 154.58 |
| 标准值(cm) | 158.00 | 161.00 | 164.00 | 166.00 | 170.00 | 173.00 | 175.00 | 178.00 |
| 测量值(cm) | 157.69 | 161.31 | 164.47 | 166.35 | 170.44 | 172.56 | 174.65 | 178.23 |
| 标准值(cm) | 182.00 | 183.00 | 186.00 | 190.00 | 205.00 | 219.00 | 231.00 | 240.00 |
| 测量值(cm) | 182.44 | 183.45 | 185.59 | 190.47 | 205.14 | 218.60 | 231.45 | 239.72 |
测量结果如6所示，其结果表明，导波雷达物位计测量范围为法兰下表面20cm到导波杆末端处，测量盲区明显减小；测量误差从±1cm减小到±0.5cm。
Claims (2)
1.一种处理导波式雷达物位计回波信号的***，包括用于控制发、收脉冲信号的单片机、脉冲发射电路、导波杆、接收回波信号电路、等效时间采样电路；用于控制发、收脉冲信号的单片机控制脉冲的发射和接收；发射脉冲电路发射电磁波脉冲信号至导波杆，脉冲信号沿导波杆传播，到空气和物料表面相对介电常数发生突变处，发生反射；反射回波沿导波杆向上传播到接收回波信号电路；接收回波信号电路接收反射回波信号，送至等效时间采样电路，对反射回波信号进行时间上的放大处理；其特征在于：还设有信号调理电路、MSP430F5418单片机***、液晶显示器和软件；信号调理电路包括分压电路、直流偏置电路、跟随电路和基准电压产生电路；MSP430F5418单片机***包括MSP430F5418单片机、复位电路、液晶显示器接口和仿真器接口；软件包括主监控程序模块、中断模块、初始化模块、回波信号预处理模块、物位计算模块和液晶显示器显示模块；经等效时间采样电路处理后的回波信号送至信号调理电路，经过分压、偏置和阻抗变换，送至MSP430F5418单片机片内ADC；等效时间采样电路输出的同步接收脉冲信号直接接至MSP430F5418单片机的定时器捕获引脚；当捕获到同步接收脉冲信号的上升沿时，MSP430F5418单片机进入定时器中断服务程序；在中断服务程序中，开启ADC的转换；将ADC转换后的数据，通过DMA传输到RAM中；通过DMA的中断标志位，判断是否采集完800点数据；若采集完成，就关闭ADC的转换；接着关闭DMA和定时器；关闭***中断；对回波信号进行预处理，包括对回波信号进行低通滤波，将滤波后的回波信号与参考信号进行比较，或者对滤波后的回波信号进行修正，再减去参考信号；进行物位计算，包括采用二阶Lagrange插值法对最大峰值点进行修正，得到最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，计算出物位；再由液晶显示显示出来。
2.用权利要求1所述的***处理导波式雷达物位计回波信号的方法，其特征在于：处理相对介电常数较大的物料回波信号的算法和步骤为：(1)构造一条参考曲线；(2)采用低通滤波器对采集到的回波信号进行滤波处理；(3)对滤波后的回波信号求导，再找到由正到负的过零点；这些过零点是回波信号中的一系列峰值点；根据设定的宽度值，排除一些明显的虚假回波的峰值点；(4)比较(3)中的峰值点和对应参考曲线上的点；如果峰值点高出参考曲线预设值范围，就认为该峰值点所在的回波为可能的有效回波，否则，予以剔除；(5)对经过上述筛选后的回波信号中的剩余峰值点，选择最大的所对应的回波作为物料反射的真实回波；(6)在真实回波上，寻找最大峰值点，并在该点两侧各取一个相邻的次高峰值点；采用二阶Lagrange插值法对这三个点进行抛物线插值，计算出该抛物线的顶点位置，作为反映物位的回波位置；(7)在同一物位下，重复步骤(2)至步骤(6)30～50次，这样就得到30～50个最大峰值点所对应的横坐标位置，即30～50个电磁波从物位计参考点传播到物料表面的时间值；对这30～50个时间值，从小到大排列，取中间的10～20个时间值进行平均，其结果作为该物位下物料反射的真实回波的位置；(8)在测量范围内，选择4～10个物位，按照步骤(7)，确定出真实回波位置，得到4～10个物位与时间之间对应的数据，即标定数据；(9)因为通过标定仅能得到反映物位与时间之间关系的4～10个点的数据，所以，需要根据这些数据拟合出物位与时间之间关系的表达式，或者在这些点之间插值出更密的点，得到相邻标定点之间的物位与时间之间关系的表达式，才能实现物位的测量；根据标定数据的特点，采用不同方法进行处理：①对线性较好的标定数据，采用三次多项式进行拟合，得到物位与时间之间关系的表达；②对线性较差的，采用一阶Lagrange插值法对标定数据进行插值，得到相邻两个标定点之间的物位与时间之间关系的表达式；依次对每两个相邻的标定数据按照这种方法处理，得到相邻两个标定点之间的物位与时间之间关系的表达式系数；(10)将步骤(9)得到的物位与时间关系表达式中的系数写入MSP430F5418单片机程序中，再按照步骤(2)至步骤(7)对物位进行测量，得到每个物位下的最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，就可以计算出物位大小；当物料的相对介电常数较小时，物料表面反射的回波能量较小，回波信号的幅值也较小，容易受到噪声的干扰，此时，需要考虑消除空罐回波的影响，回波信号处理方法和步骤为：(1)采集空罐时的回波信号，用低通滤波器对该信号滤波，然后，对滤波后的信号进行修正，将修改后的空罐回波信号定义为参考信号；(2)对回波信号进行修正，在其有效测量范围段内，计算每相邻的两个采样点所在直线的斜率，从有效测量范围段的起始点处开始，以所有计算得到的斜率的相反数为斜率构造一条新的曲线，再将回波信号与构造的曲线相减，实现对回波信号变化趋势的放大；(3)用修正后的回波信号减去参考信号，得到净回波信号；(4)对净回波信号求导，找到由正到负的过零点，这些过零点是回波信号中的一系列峰值点；通过限定宽度值，排除一些明显的虚假回波的峰值点；(5)对经过上述筛选后的净回波信号中剩余的峰值点，选择最大的作为物料反射的真实回波；(6)在找到的真实回波上，寻找最大峰值点，并在该点两侧各取一个相邻的次最大点；采用二阶Lagrange插值法对这三个点进行抛物线插值，计算出该抛物线的顶点位置，作为反映物位的回波位置；(7)同一物位下，重复步骤(2)至步骤(6)30～50次，这样就得到30～50个最大峰值点所对应的横坐标位置，即30～50个电磁波从物位计参考点传播到物料表面的时间值；对这30～50个时间值，从小到大排列，取中间的10～20个时间值进行平均，其结果作为该物位下物料反射的真实回波的位置；(8)在测量范围内，选择4～10个物位，按照步骤(7)，确定出真实回波位置，得到4～10个物位与时间之间对应的数据，即标定数据；(9)根据标定数据的特点，采用不同方法进行处理：①对线性较好的标定数据，采用三次多项式进行拟合；②对线性较差的，采用一阶Lagrange插值法进行插值；从而得到物位与时间之间关系的表达式；(10)将步骤(9)得到的物位与时间关系表达式中的系数写入MSP430F5418单片机程序中，再按照步骤(2)至步骤(7)对物位进行测量，得到每个物位下的最大峰值点所对应的时间，将该时间值代入物位与时间的函数关系式，计算出物位大小。
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