專利名稱：：一種脈沖回波測距系統中的回波處理方法
技術領域：
：本發明涉及一種脈沖回波測距系統中的回波處理方法，所述方法包括步驟發射能量脈沖到目標；接收回波脈沖并將所述回波脈沖轉換成模擬回波信號；以及處理所述回波信號以識別來自于所述目標的回波并根據所述識別的回波的傳輸時間確定距離，其中數字地執行該處理的后期(advancedstage)。
背景技術：
：在水平面測量應用中，脈沖回波測距系統，也稱為飛行時間測距系統，常用于通過測量發射能量脈沖后多長時間接收到反射的脈沖或回波確定與目標物體(例如，在容器中的物質的反射表面)的距離。這種裝置典型地使用超聲波脈沖或脈沖無線電波或微波信號。脈沖回波測距系統通常包括用于重復地發射能量脈沖的發射器和接收反射的能量脈沖或回波的接收器。發射器和接收器可以組合在單個的単元中。接收器提供模擬回波信號，該模擬回波信號包含任何接收的回波，無論它是來自于目標還是來自于散射干擾(clutter)或噪聲。回波信號在被數字化并且被作為回波輪廓(echoprofile)存儲之前，可以被放大和/或濾波。信號處理器識別存儲的回波輪廓中的感興趣回波并且基于發射的能量脈沖的發射時間和識別的回波脈沖計算目標的間距或距離。常用的用于在回波輪廓中搜索回波的技術包括生成時變閾值(TVT)曲線。時變閾值(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。有效的回波出現在時變閾值曲線的上方。為了識別感興趣回波并且確定它的在時間軸上的時間位置，可以使用多種已知的技術比如相關或確定回波的前沿(leadingedge)、后沿(trailingedge)、峰值或質心。從例如US5,436,580中已知通過獲得信號的與時間相關的一階導數并且將信號與導數以及與參考閾值比較確定接收的信號中的回波脈沖的起始點。當接收的信號既超出它的導數也超出參考閾值時，即表示回波脈沖的前沿。在脈沖回波測距系統中，特別是具有嵌入式微處理器或微計算機的系統中，用于存儲回波輪廓的存儲器是有限的，這限制了能夠被存儲的采樣點的數量或它們的大小(即分辨率)。當測量范圍被設置為它的最大值而這意味著采樣點相距最遠時，最壞的情況發生，因為現在全部范圍必須存入固定大小的存儲器中。
發明內容因此本發明的ー個目的是允許在有限的存儲器中存儲盡可能大的數量的采樣點而不會降低分辨率(resolution)并且不會增加處理的復雜度。根據本發明這個問題通過在權利要求I中描述的方法解決，其中數字化和處理所述回波信號的步驟還包括中間步驟提供并且存儲以數字形式的所述整體(whole)回波信號的ー階導數，以及數字地處理所述存儲的回波信號的一階導數以識別來自于目標的回波。因為采樣點彼此接近，所以由于回波信號的給定的帶寬，兩個相鄰的采樣點之間的最大差異是有限的。因此，通過存儲它的導數(derivative)或變化而不是實際的回波信號，分辨率可以提高而所需的存儲器不變或者所需的存儲器可以減少。許多回波處理，特別是回波選擇，可以直接在導數回波信號上完成，因此通過存儲它的導數而不是實際的回波信號的事實，回波處理將不會變得復雜。導數包含了原始的回波輪廓(echoprofile)具有的所有重要信息，因此導數上的回波處理不會犧牲距離測量的精度(在導數中包含在原始包絡中的偏移目息丟失了，但是偏移目息(offsetinformation)在距尚測定中不需要)。此外，原始的回波輪廓可以整體地或在感興趣區段上通過簡單的積分(simpleintegration)恢復。在為了后續處理而被數字化并且存儲之前，模擬回波信號可以在模擬微分器中被微分。這樣的優點是對于兩個相鄰采樣點之間的有限的最大差異，模數轉換器(ADC)的全部轉換范圍都是可用的，因此與原始回波信號的分辨率相比回波信號的導數的分辨率提高了。可替換地，可以使用大小更小的模數轉換器(例如4位模數轉換器而不是8位模數轉換器)。如果優選沒有硬件改變地獲得導數，則模擬回波信號可以被數字化，然后被數字地微分和存儲。通過其幅度、位置、運動和其它計算的參數選擇最好的回波可以與在原始包絡中一樣容易地在導數中完成?；夭ㄐ盘栆约耙虼怂膶悼赡馨S多回波，這些回波取決于無線電波或超聲波能量脈沖經過的路徑。在回波信號中應用一些準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、第一個回波和最靠近前一個測量回波的回波。同理，一些回波可能需要忽略，即使它們表現為符合一些有效回波的準則；一些例子是在發射的波束的旁瓣(lobes)中的已知的干擾或回波、電性地產生的噪聲尖峰、比如來自于儲罐中(tank)的攪拌器(stirrer)的回波的暫態回波、以及非常窄的回波。在微分后的信號中，回波的特征在于它們的變化的累積數量。如果累積的變化大，則回波出現。因此，通過泄漏積分(leaky-integrating)回波信號的導數、比較獲得的積分值和閾值、并且只考慮超過閾值的那些積分值，可以識別出可能的回波。在所述閾值之下的積分值可以設為零。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成分，比如發射脈沖。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用的許多參數，例如干擾的存在、與時間相關的信號強度、已知的噪聲水平以及更多的參數。最基礎的可變閾值可以實現為在查找表(lookup)中的若干個不同的閾值的值。閾值還可以根據回波的測出而調整，例如，回波被檢測到之后，它可以快速增大以變得比較不敏感，然后隨著時間慢慢地衰減。本發明的方法的一個變形中，通過提供與回波信號的導數的滑動平均值成反相比例的可變閾值、比較回波信號的導數和閾值、并且只考慮超過閾值的值，來識別出可能的回波。閾值阻隔小的隨機噪聲但是通行與回波相關的大的連續的偏離。本發明現在將參考以非限制性的實例的方式顯示在附圖中的優選實施例進行更詳細地描述，其中圖I為脈沖回波測距系統的第一實施例的框圖，其中有利地使用了本發明的方法，圖2為脈沖回波測距系統的第二實施例的框圖，圖3示出了常規的數字化的回波信號和它的變化或導數的幅度的實例，圖4圖示說明了通過提供與回波信號的導數的滑動平均值成反相比例的可變閾值以識別可能的回波的方法，圖5圖示說明了通過泄漏積分回波信號的導數并且比較獲得的積分值和閾值以識別可能的回波的方法，圖6示出了具有用于執行前述的方法的泄漏積分器和比較器的數字濾波器，圖7示出了適于每當回波被檢測到時提高閾值然后隨時間慢慢地減小閾值的濾波器，以及圖8示出了用以從導數回波信號中重建回波信號或其部分的泄漏積分器。具體實施例方式參見圖I，聲學脈沖回波測距系統包括超聲換能器I(transducer)，超聲換能器I安裝在容納液體3或其它類型的物質并具有由液體3的頂部表面4確定的水平面的儲罐2中。液體3的頂部表面4提供了反射由換能器I產生的超聲波脈沖5的反射表面。換能器I經過發射器7連接到微處理器6。微處理器6在存儲在只讀存儲器(ROM)S中的控制程序下運行，使用存儲在非易失性隨機存取存儲器(NVRAM)9中的參數，并且設有以隨機存取存儲器(RAM)IO的形式的工作存儲器。微處理器6控制發射器7，以激勵換能器I以在預定的時間點以預定的頻率和幅度發射超聲波脈沖5。反射的或回波脈沖11被換能器I接收并且轉換成電子回波信號S，在電子回波信號被模數轉換器(ADC)13采樣和數字化之前，回波信號S可以首先在放大器/濾波器12中被放大和帶通濾波。模數轉換器13為微處理器6提供數字值，微處理器6然后通過簡單的相減或者更精確的使用超過兩個值用于濾除過大的(excessive)噪聲的方法計算導數。數字差分值整體形成整體回波信號S的一階導數并且被存儲在隨機存取存儲器10中。模數轉換器13是數字接收器14的輸入部分，數字接收器14的其它部分以軟件模塊15的形式實現在微處理器6中。微處理器6對存儲的回波信號S的導數執行算法，如將在下文中描述的一祥，以確定回波距離或者飛行時間以及因此在儲罐2中的液體3的水平面。由微處理器6控制的接ロ16用于水平面相關的數據的輸出和運行參數的輸入。數據可以以顯示、測距(例如總線)信號和/或報警信號的形式輸出。圖2示出了聲學脈沖回波測距系統的替換的實例，其與圖I的系統的不同之處在于模擬回波信號S在微分器17中微分然后被數字化和存儲。雖然系統以及它的運行目前為止是以基于超聲波的脈沖回波聲學測距裝置為背景進行描述，但是應該理解系統也可以是基于無線電波的。下面的實例是源自于基于無線電波的系統或與基于無線電波的系統相關。圖3示出了通常的數字化的回波信號(回波輪廓)S和它的變化S’的大小(絕對值)。信號S被用8位模數轉換器采樣并且具有大約15至160最低有效位Isb的范圍，該范圍為模數轉換器的全部動態范圍的大約60%。這容許高于和低于信號S的一些余量(leeway),用于在信號強度和本地噪聲(noisefloor)上的變化。信號S的數據點彼此如此接近以至于兩個相鄰的采樣點之間的最大差異僅僅為+/-5或6最低有效位lsb。對于8位模數轉換器，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。用來存儲信號S的數據數量不必要高。如果存儲它的導數S’而不是實際的信號S，分辨率可以提高16倍或者所用的存儲器數量可以減半。通過用4位模數轉換器采樣包絡的導數或者僅僅存儲8位模數轉換器的4位，可以實現數據壓縮。因此，在每個字節存放兩個導數S’的采樣點將僅僅使用正常的信號S所需的空間的一半而沒有精度損失。具有±5最低有效位的最大變化的4位采樣點將不會全部使用O至15最低有效位的4位動態范圍，而是容許很大的(generous)40%的余量,用于噪聲和信號強度變化。在回波信號的導數S’中，回波的特征在于它們的變化的累積數量。如果累積變化大，則回波存在。如圖4所示，通過提供與回波信號的導數S’的滑動平均值成反相比例的可變閾值Th、比較回波信號S的導數和閾值Th、并且只考慮超過閾值Th的值,可能的(potential)回波E被從導數信號S’中識別并提取出。閾值Th阻隔小的隨機噪聲但是通行與回波相關的大的連續的偏離。閾值Th可以由下式定義,,SFThi=±^^唭中Thi是在采樣點i處的閾值的值，SF是適合的比例因子，它本身可以是與時間相關的，δ是小噪聲限值，也防止發生被零除的錯誤，MA是滑動平均值，MAi=-[^，具有長度!!。圖5和6示出了另一個實例，其中通過泄漏積分導數信號S’、比較獲得的積分值和閾值Th、并且只考慮超過閾值Th的那些積分值，可能的回波E被識別。在所述閾值Th之下的積分值設為零，因此獲得掩蔽信號S'th(maskedsignal)。為了區分想要的回波E和其它的大信號成分，比如發射脈沖5，閾值Th是可變的并且實現為在查找表TAB(lookuptable)中的若干個不同的閾值的值(Th⑴)。適合的閾值的值的選擇是基于用戶可以應用的許多參數的，例如干擾(0bs(i))的存在、與時間相關的信號強度、已知的噪聲水平以及更多的參數。在圖7的實例中，每當回波E被檢測到，閾值Th稍微地增加數量b，并且在所有其它時間隨著時間(dl<I)慢慢地衰減。為了實現已知的和有效的方法，回波信號(回波輪廓)的感興趣區段可以從存儲的導數S’中被重建。圖8示出了以泄漏積分器(Wl<I)的形式的單個第一階重建器。為了提高精度或者為了減少輸出信號的噪聲，可以提供更高階的濾波器。權利要求1.一種脈沖回波測距系統中的回波處理方法，所述方法包括步驟發射能量脈沖(5)到目標(4)，接收回波脈沖(11)并且將所述回波脈沖轉換成模擬回波信號(S)，以及處理所述回波信號⑶以識別來自于所述目標⑷的回波并且根據所述識別的回波的傳播時間確定距離，其中數字地執行所述處理的后期，其特征在于處理所述回波信號(S)的所述步驟還包括中間步驟提供并且存儲以數字的形式的所述整體回波信號的一階導數(S’)，以及數字地處理所述存儲的所述回波信號的一階導數(S’)以識別來自于所述目標(4)的所述回波。2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于將所述模擬回波信號(S)在微分器(17)中微分并且接著數字化和存儲所述模擬回波信號(S)。3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于將所述模擬回波信號(S)數字化并且提供和存儲所述數字化的回波信號的所述導數(S’)。4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于通過泄漏積分所述回波信號的所述導數(S’)、比較獲得的積分值和閾值(Th)以及只考慮超過所述閾值的所述積分值，來識別可能相關的回波。5.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于通過提供與所述回波信號的所述導數(S’)的滑動平均值成反相比例的可變閾值(Th)、比較所述回波信號的所述導數(s’)和所述閾值(Th)以及只考慮超過所述閾值(Th)的值，來識別可能的回波。全文摘要本發明涉及一種脈沖回波測距系統中的回波處理方法。在脈沖回波測距系統中將能量脈沖(5)發射到目標(4)，接收回波脈沖(11)并且將回波脈沖轉換成回波信號(S)，處理回波信號(S)以識別來自于所述目標(4)的回波并且根據所述識別的回波的傳播時間來確定距離。數字地執行該處理的后期。為了允許在有限的存儲器(10)中存儲盡可能大的數量的采樣點而不降低分辨率并且不使處理變得復雜，將整體回波信號的一階導數(S’)以數字的形式存儲然后處理，而不是存儲和處理回波信號(S)。文檔編號G01S7/295GK102621529SQ20121000776公開日2012年8月1日申請日期2012年1月11日優先權日2011年1月11日發明者喬治·奎內頓·萊昂申請人:西門子公司