[发明专利]一种处理导波式雷达物位计回波信号的系统和方法

权利要求书

1.一种处理导波式雷达物位计回波信号的系统，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单片机系统、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单片机系统包括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；关闭系统中断；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所述的系统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。