本發明屬于信號處理技術領域，尤其涉及一種基于導波雷達的物位提取方法。
背景技術：
物位是指液體與氣體、液體與液體、固態物質與氣體之間的界面相對于容器底部或某一基準面的高度，是工業生產中的重要參數。測量物位的儀表種類繁多，具有各自的優點及適用范圍。導波雷達物位計是依據時域反射原理(tdr)為基礎的雷達物位計，導波雷達物位計的電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當遇到被測介質表面時，部分脈沖被反射形成回波并沿相同路經返回到脈沖發射裝置，發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，經計算得出物位高度。
導波雷達物位計作為一種新型的物位測量儀表，其信號傳輸集中在導波桿中，能量損耗非常小，測量精度高且在測量過程中不受介質、溫度、壓力、蒸汽、粉塵及泡沫等諸多因素的影響，在工業生產中發揮著越來越重要的作用，具有非常廣闊的市場前景。
在實際應用中，導波雷達物位計會涉及到不同種類、不同狀態的物料以及不同的測量環境，波形多徑效應往往會產生多個回波，且不同物料反射回波信號能量有較大的差別，使得回波波形有好有壞，回波峰值定位不精確。物位回波定位點的選取直接影響傳播時間的計算，常規的峰值檢測算法以峰值點作為物位回波定位點，其準確性較低，且峰值定位不一定精確。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明的目的在于提供一種基于導波雷達的物位提取方法。本發明要解決的技術問題通過以下技術方案實現：
本發明提供了一種基于導波雷達的物位提取方法，包括：
步驟1：利用導波雷達物位計采集不同距離的完整回波信號并記錄實際物位距離r，并將所述回波信號通過低通濾波器進行濾波；
步驟2：將所述濾波后回波信號的頂部回波點作為參考點，對齊不同距離下的回波信號的參考點；
步驟3：進行回波峰值尋找，找出濾波后回波信號中所有波峰值和波谷值；
步驟4：在波峰值點中找到理想回波點，得到理想回波點對應的距離r；
步驟5：通過三次樣條插值方式進行距離插值計算，得到不同距離對應的回波點，以及對應的距離r；
步驟6：將插值計算得到物位距離r與實際物位距離r對比，獲得所述物位提取方法的誤差值。
在本發明的一個實施例中，所述步驟3包括：
步驟31：找出回波信號矩陣x中的信號最小值點xmin，并將回波信號矩陣x中的第一列去除，并將信號最小值xmin添加至回波信號矩陣x的最后一列，重組后得到第一變形矩陣y：
y＝[y1,y2…,yn]＝[x2,x3…,xmin]；
步驟32：將濾波后回波信號x最后一列去除，并將信號最小值xmin加入回波信號矩陣x的最后一列，重組后得到第二變形矩陣z：
z＝[z1,z2…,zn]＝[xmin,x1…,xn-1]；
步驟33：將回波信號矩陣x與第一變形矩陣y中的各元素對應進行比較，得到矩陣a：
a＝[a1,a2…,an]，
其中，
步驟34：將回波信號矩陣x與第二變形矩陣z中的各元素對應進行比較，得到矩陣b:
b＝[b1,b2…,bn]，
其中，
步驟35：將矩陣a和矩陣b中對應位置的元素相乘，獲得新的矩陣m，矩陣m中元素值為1的點即為波峰值點；
步驟36：將回波信號矩陣x與第一變形矩陣y中的各元素對應進行比較，得到矩陣e：
e＝[e1,e2…,en]，
其中，
步驟37：將回波信號矩陣x與第二變形矩陣z中的元素對應進行比較，得到矩陣f:
f＝[f1,f2…,fn]，
其中，
步驟38：將矩陣e和矩陣f中對應位置的元素相乘，獲得新的矩陣n，矩陣n中元素值為1的點即為波谷值點。
在本發明的一個實施例中，所述步驟4包括：
通過實際采樣得到的回波信號數據設定所述波峰值點與所述波谷值點的差值門限，找出唯一的波峰值點作為理想回波點，所述理想回波點對應距離r＝(t-t0)c/2，其中，r為計算獲得的物位距離，c為光速，t0為時鐘起始時間，t為導波雷達物位計自反射脈沖信號至接收回波信號的時間。
與現有技術相比，本發明的有益效果在于：
第一，本發明實施例使用的數據均為實測獲得，在不同物位距離點各采集32次數據取平均作為最后信號處理所使用的數據，系統誤差具有穩健性。
第二，本發明實施例的基于導波雷達的物位提取方法比傳統的峰值尋找算法性能更佳，誤差更小。
第三，本發明實施例的方法可應用于插值算法、擬合算法等常規算法，有利于實際工程化，在實際工程中有較高的應用價值。
以下將結合附圖及實施例對本發明做進一步詳細說明。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的一種基于導波雷達的物位提取方法的流程圖；
圖2是本發明實施例提供的導波雷達物位計實際測試距離記錄圖；
圖3是本發明實施例所提供的原始回波信號的時域采樣圖；
圖4是將圖3的原始回波信號通過低通濾波器進行平滑處理后所得的時域采樣圖；
圖5示例性地示出了本發明實施例所提供的多組原始回波信號對齊前的波形圖；
圖6是圖5的多組原始回波信號對齊前的波形圖；
圖7是本發明實施例使用峰值檢測算法后不同回波信號的距離與時間的對應圖；
圖8是本發明實施例進行數據插值后回波信號的插值曲線圖；
圖9至圖16是本發明實施例進行數據插值后在不同距離處測試檢測結果圖。
具體實施方式
為了使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。有關本發明的前述及其他技術內容、特點及功效，在以下配合附圖的具體實施方式詳細說明中即可清楚地呈現。通過具體實施方式的說明，可對本發明為達成預定目的所采取的技術手段及功效進行更加深入且具體地了解，然而所附附圖僅是提供參考與說明之用，并非用來對本發明的技術方案加以限制。
請參見圖1，圖1是本發明實施例提供的一種基于導波雷達的物位提取方法的流程圖。
所述物位提取方法包括：
步驟1：利用導波雷達物位計采集不同距離的完整回波信號并記錄實際物位距離r，并將所述回波信號通過低通濾波器進行濾波；
具體地，請參見圖2，圖2是本發明實施例提供的的導波雷達物位計實際測試距離記錄圖。在本實施例中，利用導波雷達物位計采集不同距離的完整回波信號并記錄實際物位距離r，為了減少誤差的影響，每個距離r采集32次回波信號取平均值作為該物位距離r處的回波信號。在圖2中，選取多個不同物位距離采集相應的回波信號，第一個“0”代表無檢測目標狀態下的測試結果，第二個“0”代表在有檢測目標狀態下在距離為0處的測試結果。
獲得濾波后回波信號，將所述濾波后回波信號表達成回波信號矩陣x＝[x1,x2…,xn]，其中，x1,x2…,xn為導波雷達物位計回波的實測數據；
步驟2：將所述濾波后回波信號的頂部回波點作為參考點，對齊不同距離下的回波信號的參考點；
需要說明的是，頂部回波點是導波雷達物位計內部電纜與導波桿的連接點，產生頂部回波，因其特征明顯，便于識別，故將其作為對齊不同位置下的回波信號的參考點，以便進行回波峰值查找，頂部回波點已在圖3中進行標注。
步驟3：進行回波峰值尋找，找出濾波后回波信號中所有波峰值和波谷值；
具體地，首先找出回波信號矩陣x中的信號最小值點xmin，并將回波信號矩陣x中的第一列去除，并將信號最小值xmin添加至回波信號矩陣x的最后一列，重組后得到第一變形矩陣y：
y＝[y1,y2…,yn]＝[x2,x3…,xmin]；
將濾波后回波信號x最后一列去除，并將信號最小值xmin加入回波信號矩陣x的最后一列，重組后得到第二變形矩陣z：
z＝[z1,z2…,zn]＝[xmin,x1…,xn-1]。
接著，將回波信號矩陣x與第一變形矩陣y中的各元素對應進行比較，得到矩陣a：
a＝[a1,a2…,an]，
其中，
也就是說，x1與y1進行比較，x2與y2進行比較，依次類推。當x1<y1時，矩陣a的第一個元素a1＝0，當x1>y1時，矩陣a的第一個元素a1＝1，矩陣a的其他元素以相同的比較方式獲得。
同理，將回波信號矩陣x與第二變形矩陣z中的各元素對應進行比較，得到矩陣b:
b＝[b1,b2…,bn]，
其中，
也就是說，x1與z1進行比較，x2與z2進行比較，依次類推。當x1<z1時，矩陣b的第一個元素b1＝0，當x1>z1時，矩陣b的第一個元素b1＝1，矩陣b的其他元素以相同的比較方式獲得。
隨后，將矩陣a和矩陣b中對應位置的元素相乘，獲得新的矩陣m，矩陣m中元素值為1的點即為波峰值點。
接著，將回波信號矩陣x與第一變形矩陣y中的各元素對應進行比較，得到矩陣e：
e＝[e1,e2…,en]，
其中，
也就是說，x1與y1進行比較，x2與y2進行比較，依次類推。當x1<y1時，矩陣e的第一個元素a1＝1，當x1>y1時，矩陣e的第一個元素a1＝0，矩陣e的其他元素以相同的比較方式獲得。
同理，將回波信號矩陣x與第二變形矩陣z中的元素對應進行比較，得到矩陣f:
f＝[f1,f2…,fn]，
其中，
也就是說，x1與z1進行比較，x2與z2進行比較，依次類推。當x1<z1時，矩陣f的第一個元素b1＝1，當x1>z1時，矩陣f的第一個元素b1＝0，矩陣f的其他元素以相同的比較方式獲得。
隨后，將矩陣e和矩陣f中對應位置的元素相乘，獲得新的矩陣n，矩陣n中元素值為1的點即為波谷值點。
步驟4：在波峰值點中找到理想回波點，得到理想回波點對應的距離r；
具體地，通過實際采樣得到的數據設定波峰值點和波谷值點的差值門限，找出唯一的波峰值點作為理想回波點。假設波峰值點對應的幅值減去波谷值點對應的幅值小于差值門限，則將該波峰值點當成理想回波點，差值門限的值并不固定，可根據實際情況具體設置。理想回波點對應距離r＝(t-t0)c/2，其中，r為物位距離，c為光速，t0為時鐘起始時間，t為導波雷達物位計自反射脈沖信號至接收回波信號的時間。
步驟5：通過三次樣條插值方式進行距離插值計算，得到不同距離對應的回波點，以及對應的距離r；
具體地，根據圖2中導波雷達物位計實際測試的距離記錄，對未測試的距離由插值得到，本實施例可由matlab軟件直接生成插值結果。
步驟6：將插值計算得到物位距離r與實際物位距離r對比，獲得所述物位提取方法的誤差值，驗證本發明實施例方法的性能。
以下通過仿真實現驗證本發明實施例的基于波導雷達的物位提取方法的效果。
(一)仿真條件、內容與結果
仿真1：將導波雷達物位計采集的原始回波信號通過低通濾波器進行平滑處理并對齊參考點；
仿真條件分別為：導波雷達實測回波數據，其中，采樣頻率為2.5mhz，采樣點數為10k個點。
請參見圖3和圖4，圖3是本發明實施例所提供的原始回波信號的時域采樣圖，圖中數據鋸齒偏大，需要使用fir濾波器將波形整理平滑，圖4是將圖3的原始回波信號通過低通濾波器進行平滑處理后所得的波形圖。
請參見圖5和圖6，圖5示例性地示出了本發明實施例所提供的多組原始回波信號對齊前的波形圖；圖6是圖5的多組原始回波信號對齊前的波形圖，其中，進行對齊的參考點為波信號的“頂部回波”點。
仿真2：進行峰值檢測算法后獲得距離與回波時間的對應關系。
仿真條件分別為：處理并對齊參考點后的導波雷達回波信號數據。
請參見圖7和圖8，圖7是本發明實施例使用峰值檢測算法后不同回波信號的距離與時間的對應圖，圖8是本發明實施例進行數據插值后回波信號的插值曲線圖；圖9-圖16是進行數據插值后在不同距離處測試檢測結果圖，其中，
圖9是使用插值距離后在35mm處測試檢測結果圖，圖中計算得到的距離為34mm，實際檢測距離為35mm。誤差-1mm；
圖10是使用插值距離后在45mm處測試檢測結果圖，圖中計算得到的距離為48mm，實際檢測距離為45mm。誤差-3mm；
圖11是使用插值距離后在55mm處測試檢測結果圖，圖中計算得到的距離為56mm，實際檢測距離為55mm。誤差1mm；
圖12是使用插值距離后在65mm處測試檢測結果圖，圖中計算得到的距離為68mm，實際檢測距離為65mm。誤差3mm；
圖13是使用插值距離后在330mm處測試檢測結果圖，圖中計算得到的距離為332mm，實際檢測距離為330mm。誤差2mm；
圖14是使用插值距離后在370mm處測試檢測結果圖，圖中計算得到的距離為383mm，實際檢測距離為370mm。誤差13mm；
圖15是使用插值距離后在420mm處測試檢測結果圖，圖中計算得到的距離為419mm，實際檢測距離為420mm。誤差-1mm；
圖16是使用插值距離后在480mm處測試檢測結果圖，圖中計算得到的距離為480mm，實際檢測距離為480mm。誤差0mm。
綜上所述，仿真實驗驗證了本發明實施例的基于導波雷達的物位提取方法的正確性、有效性和可靠性。
本發明實施例的基于導波雷達的物位提取方法比傳統的峰值尋找算法性能更佳，誤差更?。槐景l明實施例使用的數據均為實測獲得，在不同物位距離點各采集32次數據取平均作為最后信號處理所使用的數據，系統誤差具有穩健性；本發明實施例的方法可應用于插值算法、擬合算法等常規算法，有利于實際工程化，在實際工程中有較高的應用價值。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍；這樣，倘若本發明的這些改動和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。