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CN115077585A - 一种超声波信号的低速采样及信号复原方法 - Google Patents

一种超声波信号的低速采样及信号复原方法 Download PDF

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CN115077585A
CN115077585A CN202210651781.5A CN202210651781A CN115077585A CN 115077585 A CN115077585 A CN 115077585A CN 202210651781 A CN202210651781 A CN 202210651781A CN 115077585 A CN115077585 A CN 115077585A
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马勤勇
蒋洪庆
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周德胜
李涛
罗前刚
于庆
孙世岭
吴科
王祖迅
梁光清
黄橙
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Abstract

本发明涉及一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，属于超声波风速、流速测量技术领域。本发明采用峰值保持电路，实现对信号极大值或极小值在一段时间内的保持；采用过零比较器，能够精确地实现超声波信号时间检测；采用滞回比较器作为触发，实现对信号极值点和过零时刻的采样；再基于超声波信号数学模型，完成信号的复原。其步骤为：滞回比较器的触发信号触发一次AD采样，并将采样值存入数据缓存区，触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区，依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型完成信号的复原。本发明能够不失真地完成极值点采样，同时降低了超声波风速、流速测量装置的整体设计成本及功耗。

Description

一种超声波信号的低速采样及信号复原方法
技术领域
本发明属于超声波风速、流速测量技术领域，涉及一种超声波信号的低速采样及信号复原方法。
背景技术
基于超声波时差法能够实现风速风向、流速流量的测量，具有环境温度影响小，低下限、宽量程、精度高、线性度好、无压损等优点，目前逐渐成为气象、精准计量领域的主流技术。
超声波时差法需要对超声波顺逆流渡越时间进行计算，较为常用的算法有阈值法、可变阈值法、相关法、相位差法，这些方法都需要进行对超声波信号的采样。
根据香农定理，采样频率需要大于被采样信号频率的两倍，但为了更加真实完整地获取信号特征，超声波信号采样频率往往为本身频率的10倍以上，频率的提高会带来成本及功耗的增加，而且由于采样间隔的存在，也可能会造成超声波信号最为重要的特征点——极值点采样的失真。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，不失真地完成极值点采样，同时对采样的超声波信号进行复原。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，采用峰值保持电路，实现超声波信号极值在一段时间内的保持；采用过零比较器将超声波信号转换为方波信号，实现信号的时间检测；采用滞回比较器将超声波信号转换为方波信号，根据需求设定触发信号，实现对信号极值点和过零时刻的采样；
该方法包括以下步骤：
S1、峰值保持电路将超声波信号的极值保持在一定时间内；
S2、滞回比较器的触发信号触发一次AD采样，并将采样值存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一次采集做准备；
S3、计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻，滞回比较器的触发信号触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区；
S4、依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过插值算法完成对采集信号的复原。
进一步，该方法能够采用1倍超声波频率的采样频率进行低速采样，也能够采用2倍超声波频率的采样频率进行低速采样。
进一步，采用1倍超声波频率的采样频率进行低速采样时，信号的采样及复原步骤如下：
S11、峰值保持电路将超声波信号的极大值保持在一定时间内；
S21、滞回比较器的下降沿作为触发信号，触发一次AD采样，此时峰值保持电路处于极大值保持状态，采样值即为超声波信号前一波峰值VPi，将采样值存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一个波峰的采集做准备；
S31、计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻TFi，滞回比较器的触发信号触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区；
S41、依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过插值算法完成(TF1,TFn)区域内的超声波信号复原；
超声波信号数学模型为：
Figure BDA0003686385740000021
超声波信号数学模型包含两部分，A(t)为信号的幅值信息，
Figure BDA0003686385740000022
为信号的相位信息。将A(t)及
Figure BDA0003686385740000023
分别实施插值算法得到：
Figure BDA0003686385740000024
其中，TFi≤t＜TF(i+1),i∈[1,n-1]。
进一步，采用2倍超声波频率的采样频率进行低速采样时，信号的采样及复原步骤如下：
S12、峰值保持电路将超声波信号的极大值和极小值保持在一定时间内；
S22、滞回比较器的上升沿及下降沿都将触发一次AD采样，并将采样值的绝对值|VPi|存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一次采集做准备；
S32、计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻Ti，滞回比较器的上升沿及下降沿都会触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区；
S42、依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过插值算法完成(T1,Tn)区域内的超声波信号复原；
信号复原：
正半周：
Figure BDA0003686385740000031
负半周：
Figure BDA0003686385740000032
其中Ti≤t＜T(i+1)。
进一步，所述峰值保持电路包括极大值保持电路和极小值保持电路。
进一步，所述极大值保持电路包括运算放大器U1、U2，二极管D1、D2，电阻R1、R2，三极管Q1，以及电容C2；运算放大器U1的正向输入端与极大值保持电路的输入端连接，其输出端与二极管D1的负极以及二极管D2的正极连接，其反向输入端与二极管D1的正极连接，二极管D2的负极与三极管Q1集电极、电容C2的一端以及运算放大器U2的正向输入端连接，电容C2另一端接地，三极管Q1发射极接地，基极与电阻R2连接，运算放大器U2输出端与反向输入端和极大值保持电路输出端连接，运算放大器U1、U2的反向输入端之间连接电阻R1。
进一步，所述极小值保持电路包括运算放大器U3、U4，二极管D3、D4，电阻R3、R4，三极管Q2，以及电容C1；运算放大器U3的正向输入端与极小值保持电路的输入端连接，其输出端与二极管D3的负极以及二极管D4的正极连接，其反向输入端与二极管D4的负极连接，二极管D3的正极与三极管Q2集电极、电容C1的一端以及运算放大器U4的正向输入端连接，电容C1另一端接地，三极管Q2发射极接地，基极与电阻R4连接，运算放大器U4输出端与反向输入端和极小值保持电路输出端连接，运算放大器U3、U4的反向输入端之间连接电阻R3。
本发明的有益效果在于：本发明利用峰值保持电路，采用一倍或两倍超声波频率低速采样，基于一种超声波信号数学模型完成对超声波信号的复原，该方法不仅能够不失真地完成极值点采样，同时降低了超声波风速、流速测量装置的整体设计成本及功耗。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为低速采样技术原理；
图2为低速采样技术逻辑；
图3为超声波信号的采样及复原步骤；
图4为1倍超声波频率采样的原始信号与还原信号对比；
图5为2倍超声波频率采样的原始信号与还原信号对比；
图6为极大值保持电路；
图7为极小值保持电路。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提出一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，采用峰值保持电路，实现对信号的极值在一段时间内的保持，采用过零比较器，能够精确地实现超声波信号时间检测，滞回比较器作为触发，实现对信号极值点和过零时刻的采样，再基于超声波信号数学模型，完成信号的复原。其中过零比较器将超声波信号转换为方波信号，由于噪声干扰，在超声波信号以外区域，比较器可能为不确定状态；滞回比较器在超声波信号区域内输出方波信号，区域外为低电平，如图2所示，可根据需求设定上升沿或下降沿作为触发信号。
本方法具体步骤为：滞回比较器的触发信号触发一次AD采样，并将采样值存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一次采集做准备；计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻，滞回比较器的触发信号触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区；依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过插值算法完成对采集信号的复原，如图1、3所示。
采用1倍超声波频率的低速采样过程：
S101、峰值保持电路将超声波信号的极大值保持在一定时间内；
S102、滞回比较器的下降沿作为触发信号，触发一次AD采样，此时峰值保持电路正处于极大值保持状态，采样值即为超声波信号前一波峰值VPi，并将采样值存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一个波峰的采集做准备。
S103、计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻TFi，滞回比较器的触发信号将计时器最近一次记录时刻数据存入数据缓存区。
S104、依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过(2)式完成(TF1,TFn)区域内的超声波信号复原。
数据缓存区存储的数据如下表所示：
表1 1倍频采样数据缓存区
序号 极大值 过零点时刻
1 V<sub>P1</sub> T<sub>F1</sub>
2 V<sub>P2</sub> T<sub>F2</sub>
3 V<sub>P3</sub> T<sub>F3</sub>
4 V<sub>P4</sub> T<sub>F4</sub>
n V<sub>Pn</sub> T<sub>Fn</sub>
超声波信号数学模型为：
Figure BDA0003686385740000051
超声波信号数学模型包含两部分，A(t)为信号的幅值信息，
Figure BDA0003686385740000052
为信号的相位信息。将A(t)及
Figure BDA0003686385740000053
分别实施插值算法得到：
Figure BDA0003686385740000054
其中，TFi≤t＜TF(i+1),i∈[1,n-1]。此时对超声波信号的复原效果如图4所示。
采用2倍超声波频率的低速采样过程：
S111、峰值保持电路将超声波信号的极大值和极小值保持在一定时间内；
S112、滞回比较器的上升沿及下降沿都将触发一次AD采样，并将采样值的绝对值|VPi|存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一次采集做准备。
S113、计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻Ti，滞回比较器的上升沿及下降沿都将触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区。
S114、依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过(3)、(4)式完成(T1,Tn)区域内的超声波信号复原。
数据缓存区存储的数据如下表所示：
表2 2倍频采样数据缓存区
Figure BDA0003686385740000055
Figure BDA0003686385740000061
信号复原：
正半周：
Figure BDA0003686385740000062
负半周：
Figure BDA0003686385740000063
其中Ti≤t＜T(i+1)。此时对超声波信号的复原效果如图5所示。
图6所示为极大值保持电路，包括运算放大器U1、U2，二极管D1、D2，电阻R1、R2，三极管Q1，以及电容C2；运算放大器U1的正向输入端与极大值保持电路的输入端连接，其输出端与二极管D1的负极以及二极管D2的正极连接，其反向输入端与二极管D1的正极连接，二极管D2的负极与三极管Q1集电极、电容C2的一端以及运算放大器U2的正向输入端连接，电容C2另一端接地，三极管Q1发射极接地，基极与电阻R2连接，运算放大器U2输出端与反向输入端以及极大值保持电路输出端连接，运算放大器U1、U2的反向输入端之间连接电阻R1。
图7所示为极小值保持电路，包括运算放大器U3、U4，二极管D3、D4，电阻R3、R4，三极管Q2，以及电容C1；运算放大器U3的正向输入端与极小值保持电路的输入端连接，其输出端与二极管D3的负极以及二极管D4的正极连接，其反向输入端与二极管D4的负极连接，二极管D3的正极与三极管Q2集电极、电容C1的一端以及运算放大器U4的正向输入端连接，电容C1另一端接地，三极管Q2发射极接地，基极与电阻R4连接，运算放大器U4输出端与反向输入端以及极小值保持电路输出端连接，运算放大器U3、U4的反向输入端之间连接电阻R3。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
S1、采用峰值保持电路将超声波信号的极值保持在一定时间内；
S2、采用滞回比较器将超声波信号转换为方波信号，根据需求设定触发信号，实现对信号极值点和过零时刻的采样，具体操作如下：
滞回比较器的触发信号触发一次AD采样，并将采样值存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一次采集做准备；
S3、采用过零比较器将超声波信号转换为方波信号，实现信号的时间检测，具体操作如下：
计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻，滞回比较器的触发信号触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区；
S4、依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过插值算法完成对采集信号的复原。
2.根据权利要求1所述的一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，其特征在于：该方法采用1倍或2倍超声波频率的采样频率进行低速采样。
3.根据权利要求2所述的一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，其特征在于：采用1倍超声波频率的采样频率进行低速采样时，信号的采样及复原步骤如下：
S101、峰值保持电路将超声波信号的极大值保持在一定时间内；
S102、滞回比较器的下降沿作为触发信号，触发一次AD采样，此时峰值保持电路处于极大值保持状态，采样值即为超声波信号前一波峰值VPi，将采样值存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一个波峰的采集做准备；
S103、计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻TFi，滞回比较器的触发信号触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区；
S104、依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过插值算法完成(TF1,TFn)区域内的超声波信号复原；
超声波信号数学模型为：
Figure FDA0003686385730000011
超声波信号数学模型包含两部分，A(t)为信号的幅值信息，
Figure FDA0003686385730000012
为信号的相位信息，将A(t)及
Figure FDA0003686385730000013
分别实施插值算法得到：
Figure FDA0003686385730000021
其中，TFi≤t＜TF(i+1),i∈[1,n-1]。
4.根据权利要求2所述的一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，其特征在于：采用2倍超声波频率的采样频率进行低速采样时，信号的采样及复原步骤如下：
S111、峰值保持电路将超声波信号的极大值和极小值保持在一定时间内；
S112、滞回比较器的上升沿及下降沿都将触发一次AD采样，并将采样值的绝对值|VPi|存入数据缓存区，完成后产生一个复位信号，峰值保持电路复位，为下一次采集做准备；
S113、计时器检测过零比较器的下降沿，并记录下降沿发生时刻Ti，滞回比较器的上升沿及下降沿都会触发计时器将最近一次记录时刻数据存入数据缓存区；
S114、依据当前数据缓存区存储的数据以及超声波信号数学模型，通过插值算法完成(T1,Tn)区域内的超声波信号复原；
信号复原：
正半周：
Figure FDA0003686385730000022
负半周：
Figure FDA0003686385730000023
其中Ti≤t＜T(i+1)。
5.根据权利要求1所述的一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，其特征在于：所述峰值保持电路包括极大值保持电路和极小值保持电路。
6.根据权利要求5所述的一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，其特征在于：所述极大值保持电路包括运算放大器U1、U2，二极管D1、D2，电阻R1、R2，三极管Q1，以及电容C2；运算放大器U1的正向输入端与极大值保持电路的输入端连接，其输出端与二极管D1的负极以及二极管D2的正极连接，其反向输入端与二极管D1的正极连接，二极管D2的负极与三极管Q1集电极、电容C2的一端以及运算放大器U2的正向输入端连接，电容C2另一端接地，三极管Q1发射极接地，基极与电阻R2连接，运算放大器U2输出端与反向输入端和极大值保持电路输出端连接，运算放大器U1、U2的反向输入端之间连接电阻R1。
7.根据权利要求5所述的一种超声波信号的低速采样及信号复原方法，其特征在于：所述极小值保持电路包括运算放大器U3、U4，二极管D3、D4，电阻R3、R4，三极管Q2，以及电容C1；运算放大器U3的正向输入端与极小值保持电路的输入端连接，其输出端与二极管D3的负极以及二极管D4的正极连接，其反向输入端与二极管D4的负极连接，二极管D3的正极与三极管Q2集电极、电容C1的一端以及运算放大器U4的正向输入端连接，电容C1另一端接地，三极管Q2发射极接地，基极与电阻R4连接，运算放大器U4输出端与反向输入端和极小值保持电路输出端连接，运算放大器U3、U4的反向输入端之间连接电阻R3。
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