小管径超声波流量计去噪方法.pdf

2 0 15 年4 月 第 2 期 中国空间科学技术 C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 7 7 小管径超声波流量计去噪方法 文闻1宗光华于洋2孙亮1 ( 1 北京航空航天大学机器人研究所，北京1 0 0 1 9 1 ) ( 2 北京控制T 程研究所北京1 0 0 1 9 0 ) 摘要超声波流量计中存在各种噪声，直接影响流量测量的精度。文章首先分析了小 管径超声波流量计中噪声的来源，从实时性的角度出发，提出了一种直接对测量时间差进 行去噪的方法，避免了对原始超声波信号进行采样、分析带来的实时性差的问题。针对随 机噪声和声学噪声引起的时间差数据中的误差，以硬阈值小波滤波作为第一级滤波、中值 加均值滤波为第二级滤波进行处理。通过流量测量实验，验证了去噪方法的有效性，结果 表明，去噪后流量计的瞬时测量误差小于1 。 关键词超声波流量计；在轨加注；小波滤波；中值加均值滤波；航天器 D O I ：1 0 3 7 8 0 j i s s n 1 0 0 0 7 5 8 X 2 0 1 5 0 2 0 l1 1引言 航天器在轨加注过程中，对推进剂流量的高精度测量有助于延长航天器的有效工作寿命。超声 波流量测量方法相比传统的P V T 法、B K 法，具有较高的测量精度，而且其测量方式属于非浸入 式测量，因此适合用于推进剂流量的测量 1 j 。目前，出现了一些用于航天器推进剂流量测量的小管 径( 管道内径小于或等于1 0m m ) 超声波流量计口一，利用其瞬态流量计量功能，将其安装在被加注 航天器推进系统氧化剂和燃烧剂储箱上游的主干路上，可以实时测定注人氧化剂和燃烧剂的流量， 从而精确地计算加注的推进剂总体积。 超声波流量计的核心任务是测量超声波在管道中的顺、逆流传播时间，获得时间差，进而计算 出流量。流量计的精度主要取决于计时精度和超声波换能器输出信号的信噪比。目前，通过高精度 的计时芯片，计时精度已经可以达到皮秒级一4 ，因此，超声波换能器输出信号中的噪声成为影响流 量计精度的主要因素。 本文通过分析小管径超声波流量计中噪声的来源，提出了一种将小波滤波和平滑滤波相结合的 方法来滤除流量计中的噪声，并将其应用于流量计的数字信号处理模块。通过流量测量试验，验证 了去噪方法的有效性。 2 噪声来源分析 小管径超声波流量计一般采用传播时间差法计算流量，即通过测量发射信号和接收信号之间的 延迟来获得顺流传播时间t 。和逆流传播时间t 。，获得时间差t 。t 。，进而计算出流量Q 。由于管 道直径较小，将换能器安装在测量管道的两端，因此流量计算公式为：1 ： 收稿日期：2 0 1 41 1 2 2 。收修改稿日期：2 0 1 4 - 1 22 1 万方数据 7 8中国空间科学技术2 0 1 5 年4 月 Q 一里掣( 1 ) 2 L 式中s 为管道的横截面积；c 为超声波在水中的传播速度；L 为超声波在水中的传播距离。 因为阈值法电路实现简单，不需要对接收信号进行采样和计算，因此能够保证时间测量的实时性。 但是，当换能器的接收信号中包含噪声时，往往会造成信号幅值的波动，从而导致测量的超声波传播时 间存在误差。对于测量管路长度为1 5c m 的超声波流量计，超声波传播的时间差大约为几十纳秒，而噪 声导致的时间差的测量误差最大可以达到微秒级，这将严重影响超声波流量计的测量精度。 小管径超声波流量计除了含有超声波换能器这种机电转换装置外，其电路既有模拟部分( 用于 驱动换能器) ，又有数字部分( 用于逻辑控制和信号处理) ，因此噪声来源较为复杂，大致可分为电 源噪声、集成电路噪声和声学噪声。电源噪声来自电路的供电模块。电源输出电压的波动往往会降 低输出信号的信噪比，甚至有可能影响数字电路的逻辑关系，造成信号输出紊乱。集成电路噪声来 源于电路中的各个模块，其频谱分布与白噪声类似 5 。声学噪声主要是由于流量计管壁对超声波的 反射、流体内部的压力波动以及外界环境中的振动等，导致换能器中的压电晶片受到激励而产生 的。对于采用了压电晶体超声波换能器的超声波流量计而言，声学噪声也是不可避免的。 图1 分别显示了理想的换能器接收信号 6 1 和示波器记录的含噪声的换能器接收信号。从图1 ( b ) 中 可以看到，除了发射信号产生的有用信号外，还掺杂了其他噪声信号。图1 ( b ) 所示的随机噪声主要包 含电源噪声和集成电路噪声，相比声学噪声，随机噪声的幅值往往比较小，但在信号中始终存在。声 学噪声通常出现在换能器理想接收信号之后，持续一段时间后逐渐衰减。在某些情况下( 例如管壁反 射的发射信号能量高于液体中传播的信号能量) ，声学噪声的最大幅值甚至高于换能器正常接收信号 的幅值。 慨亟萝二甄亟假= 四四土四固固四四四雹D6 兰塑幽运T 童熏 燃i 二一一j i 一一一二一j 时1 1 ULls二五互D慧 啊。1 岖 ( a ) 理想换能器接收信号( b ) 含有噪声的真实换能器接收信号 图1理想换能器接收信号与含噪声接收信号对比 F i g 1 I d e a lu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ro u t p u ta n dr e a lo u t p u tw i t hn o i s e 因此，通过数字信号处理的方法滤除噪声，还原真实的流量信息，对提高流量计的精度有着重 要的作用。 3 去噪方法研究 在传统的基于傅里叶变换的信号处理方法中，通常要求信号和噪声的频带重叠部分尽可能地 小，这样才能在频域将信号同噪声区分开。而当二者频谱重叠时，用傅里叶变换来滤波就无能为力 了。图2 分别给出了不包含噪声的换能器( 中心频率为1M H z ) 的理想接收信号S 。的频谱和包含噪 声的接收信号S ，的频谱。可以看出，理想接收信号的频谱完全被噪声频谱所覆盖( 图2 ( b ) 中圈出) ， 因此，想要通过傅立叶变换的方法去除噪声比较困难。 万方数据 2 0 1 5 年4 月 中国空间科学技术 A 。j l。h J 割! 半、1 I 踟! j 爷1 I I ”_ l | ! 总按4 t 信哆的颁i _ l fb ，含噪接收信t 顿i 孥 图2 理想接收信号和含噪声接收信号频谱对比 F i g 2S p e c t r u mo fi d e a lu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ro u t p u ta n dr e a lo u t p u t 小波变换具有多分辨率分析的能力，在时域和频域都能很好地满足信号分析的要求。基于小波 变换的非线性滤波方法非常适合包含随机噪声的非平稳超声波信号的处理。 对于任意函数，( f ) EL ? ( R ) ，它的连续小波变换可以表示为_ 一 1广十+ w T ( n ，6 ) 一车；I 厂( t ) 驴( L ) d t ( 2 ) lnI 。 “ 式中驴( f ) 为基本小波；妒( r ) 为驴( f ) 的复共轭；a 为尺度参数，b 为平移参数。 阈值法小波去噪的原理是对包含噪声的原始信号进行小波分解，对小波系数的细节分量中包含噪 声的部分，用门限阈值进行处理，只保留大于阈值的系数，再通过小波逆变换重构得到去噪后的信 号。对超声波信号的处理中运用小波去噪方法油1 虬的一般流程是：首先对原始接收信号进行采样，然 后利用小波去噪获得理想的接收信号，最后进行传播时间的测量，从而保证时间差测量的精度。 由于超声波流量计对实时性要求较高，对超声波接收信号进行采样、去噪，然后测量传播时间， 这样会耗费大量的系统资源和时间。为了保证流量值输出的实时性，往往需要牺牲去噪效果。本文在 测量传播时间时依旧采用阈值法，将对原始接收信号去噪的问题转化为直接对时间差数据进行去噪。 这样既保证了时间差测量的实时性，又能获得比较好的去噪效果。 当流量计中的液体流速不变时，超声波流量计的时 间测量模块输出的时间差为一固定值，图3 显示了时间 测量模块输出的原始时间差数据( 60 0 0 个测量点，时间 长为6 0s ) 。可见直接用阈值法测量出的时间差存在很大 的噪声。图3 中的噪声主要有两种：一种是出现频率较 高，幅值较小的噪声；另一种是出现频率较低，但幅值 较大的噪声。前者主要由接收信号中的随机噪声引起， 而后者来自于接收信号中的声学噪声。对时间差数据进 行去噪处理的目标是获得变化平稳且与流量变化保持一 致的数据。本文采用了小波滤波和中值加均值滤波相结 合的方法对原始的时间差信号进行去噪处理。以小波滤 波为一级滤波，中值加均值滤波为二级滤波。滤波流程 如图4 所示。 时间s 图3 原始时间差数据 F i g 3O r i g i n a ld a t ao ft r a n s i t t i m ed i f f e r e n c e 万方数据 8 0 中国空间科学技术 2 0 15 年4 月 一级滤波主要针对随机噪声带来的时间差波 动。经过小波变换后，有用信号的能量在小波域集 中在一些比较大的小波系数中，而随机噪声能量则 分布在整个小波域内。在滤波方式的选择上，采用 了硬阈值函数处理小波系数。硬阈值函数将绝对值 小于阈值的小波系数置为0 ，只保留绝对值大于阈 值的小波系数。南于原始时间差数据包含大量的随 机噪声，采用硬阈值小波滤波能够获得更彻底的去 噪效果。硬阈值函数可以表示为 一级滤波二级滤波 ，1r 。L 掣臌H 中值滤波H 均值滤波单 图4 一缴滤波和二级滤波流程 F i g 4 P r o c e s so ft h ef i r s ta n dt h e s e c o n dl e v e lf i l t e r i n g 谚一w ，W Wj ( 3 ) 1 0 ，1wI A 式中w 为小波变换后的小波系数；w 为经阈值处理后得到的小波系数；A 为全局统一阈值，计算 公式为 A 一盯以西 ( 4 ) 式中盯为噪声标准差；N 为信号采样点数。 二级滤波主要以平滑滤波为主，由于流体在正常流动过程中，流速变化平稳，不会出现突变， 因此对时间差数据进行平滑滤波能获得光滑的时间差曲线，符合流量变化趋势。由于声学噪声往往 带来比较大的时间差波动，采用中值滤波和均值滤波相结合的方法，能够有效去除声学噪声带来的 影响。 中值滤波的原理是，把信号序列中某一点的值用以该点为中心的窗口内各点的中值来代替。设 窗E l 长度为硼，S ，表示中心在z 点、长度为叫的窗口，则中值滤波可以表示为 g ( a - ) 一F n e d i a n 厂( f ) ) ，t S ， ( 5 ) 式中 g ( a c ) 和厂( f ) 分别为处理后的和原始信号。 均值滤波的原理是，把信号序列中某一点的值用以该点为中心的窗口内各点的平均值来代替， 中值滤波可表示为 g ( z ) 一去m ) ( 6 ) t ES 3 理论上，中值和均值滤波的窗口越大，平滑效果越好；但在实际中，当窗V I 继续增大时，一方 面加大了硬件资源的消耗，同时对精度提高不明显，另一方面也会舍弃更多的时间差细节信息。本 文将中值滤波和均值滤波的窗口长度设为1 0 0 ，就已经可以达到很好的平滑效果，而且不会对流量 计测量的实时性产生太大的影响。 4 去噪效果的试验验证 考虑到小波滤波和中值加均值滤波对硬件资源要求较高，开发了以F P G A ( V i r t e x - 4X C 4 S X 5 5 ) 为 核心的数字信号处理模块。该模块从时间测量模块中读取时间差数据，完成滤波和流量计算。原始时 间差信号的测量间隔为1 0m s ，时间差数据经过处理模块去噪后的延迟时间为2 6 0 个时钟周期。对于 F P G A 而言，时钟周期最小可以达到1 0n s ，因此完全可以保证流量输出的实时性。流量计测量管道内 径为1 0 m i T t ，两个超声波换能器之间的距离为1 5c m ，式( 1 ) 中的声速c 由管道上