超声波液位计自动校正液位的探讨  二十九

5.3 回波识别及液位计算模块

回波识别和计算模块是系统的核心所在。系统通过一定的规则辨别出反射块回波和液面回波并减小或去除噪声影响，以及通过计算得到高精度的测量结果。

5.3.1 反射块回波和液面回波的识别

当提高换能器的灵敏度则必然在接收超声回波的时候会收到二次回波，尤其当液面处于反射块附近时受到赫姆霍兹吸声影响，系统将会把二次回波作为一次回波对待从而产生较大误差。因此回波识别工作显得非常重要。

对于液面回波和二次回波在反射块附近位置时的状态，从近到远可以将回波所处位置分为14 种情况，但是真正需要引起注意的只有几处。

5.3.2 液面高度初步计算

从数据存储地址计算出各回波到来时刻，根据读取到的各个回波到来时刻值，计算出液面距离Li，在同一个液位点上连续重复五次发射和计算Li，由识别算法剔除错误的测量次数，将正确的结果最后平均之.

在实际应用中发现，由于反射块1 2 3 P、P、P所在区域的温度梯度并不大，因此噪声对改进方法的影响不可忽视，随机噪声的影响已经掩盖了声速梯度变化的趋势。

5.3.3 声速估计函数的卡尔曼滤波

卡尔曼滤波不需要过去全部的观测值，它是根据前一个估计值和最近一个观测值来估计信号的当前值，它是用状态方程和递推方法进行估计的，因而卡尔曼滤波对信号的平稳性和时不变性不做要求。

为抑制噪声，采用卡尔曼滤波方法处理声速梯度估计值。卡尔曼滤波属于最优估计滤波，它可以在含有噪声的信号中估计出系统真实的状态来。但是卡尔曼滤波只有在建立较准确的系统模型和观测模型的情况下才是最佳的，当系统的滤波模型与实际不匹配，会使滤波精度下降，严重会导致滤波发散。对于温度梯度这种稳态缓变的对象可以使用常速滤波模型。

采用卡尔曼滤波方法预测未放置校正块区域的声速梯度分布，实现了一种与测量量程无关的改进校正方法，有效的提高了超声波液位测量仪器的一致性。实验表明，基于改进的声速校正方式，在液介式超声波液位测量装置上实现了高精度液位测量，其绝对误差在1500mm 量程内小于±1mm，解决了仪器一致性和测量精度之间的矛盾。

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