摘要 超聲波氣體流量檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)流量檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)亮點(diǎn)，從目前在中、 大口徑管道氣體流量計(jì)量中的應(yīng)用情況來(lái)看，超聲波流量計(jì)在計(jì)量精度、可靠性、 壓力損失、維護(hù)費(fèi)用以及制造成本等方面相比其他計(jì)量器具都有自己獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)， 特別是在天然氣輸送領(lǐng)域，超聲波流量計(jì)已有成為最佳選擇的趨勢(shì)。 超聲流量計(jì)量分為氣體與液體兩大領(lǐng)域，兩者的基本原理相同：當(dāng)超聲波在 分別在流動(dòng)與靜止的介質(zhì)中傳播時(shí)，相對(duì)于固定坐標(biāo)系統(tǒng)( 如儀表殼體) ，其傳播 速度是有差異的，傳播速度的變化量與介質(zhì)流速有關(guān)。由此可以根據(jù)超聲波傳播 速度的變化求出介質(zhì)流速，在已知流動(dòng)橫截面積的前提下進(jìn)而求出流量。在液體 流量計(jì)量領(lǐng)域，超聲波流量計(jì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，在測(cè)量精度上完全可以達(dá)到 貿(mào)易計(jì)量的要求。相比而言，氣體的超聲流量計(jì)量技術(shù)只是掌握在少數(shù)幾個(gè)廠家 手中，并且在性能上與液體應(yīng)用也有一定差距。出現(xiàn)這種情況的原因在于氣體流 量計(jì)量中客觀存在的各種不利因素，包括速度場(chǎng)分布的安裝效應(yīng)r i n s t a l l a t i o n e f f e c t ) 、管道制造工藝、超聲在氣體中的能量衰減、聲速一流速比小帶來(lái)的傳播 路徑偏轉(zhuǎn)、氣體壓力波動(dòng)帶來(lái)的信道增益變動(dòng)、氣體調(diào)壓裝置帶來(lái)的聲學(xué)干擾等。 超聲波流量測(cè)量本身是一個(gè)涉及眾多學(xué)科的綜合技術(shù)，論文在前人研究基礎(chǔ) 上，從氣體超聲波流量計(jì)的原理出發(fā)，對(duì)引起計(jì)量誤差的其中兩個(gè)方面：流場(chǎng)適 應(yīng)性( 安裝效應(yīng)) 與渡越時(shí)間測(cè)量( 時(shí)延估計(jì)) 進(jìn)行了一些研究。在一次儀表的 流場(chǎng)適應(yīng)性方面，通過(guò)應(yīng)用c f d 流場(chǎng)仿真技術(shù)，系統(tǒng)地研究了彎曲管道以及粗糙 壁面條件下的流動(dòng)速度場(chǎng)包絡(luò)分布情況，給出了不同的聲道布置方式對(duì)這些典型 流動(dòng)流場(chǎng)的適應(yīng)能力，并給出了一次儀表的設(shè)計(jì)與優(yōu)化思路。在二次儀表信號(hào)處 理算法方面，研究重點(diǎn)放在背景噪聲下的超聲脈沖定位以及自適應(yīng)降噪處理上， 結(jié)合儀表在實(shí)時(shí)性與處理性能上的要求，采用阻l a g u e r r e 濾波為基礎(chǔ)的自適應(yīng)算 法，在滿足脈沖信號(hào)處理精度的前提下最大限度地降低了濾波器階數(shù)，從而在運(yùn) 算量上滿足儀表處理的實(shí)時(shí)性。有關(guān)各章的內(nèi)容分述如下： 論文的第一章以大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，全面論述了流量計(jì)的發(fā)展歷史和 現(xiàn)狀，確定以最有發(fā)展前途的流量計(jì)之一氣體超聲波流量計(jì)為研究?jī)?nèi)容。隨 后對(duì)該流量計(jì)一次儀表和二次儀表方面的研究做了全面介紹。提出了本博士課題 的選題意義、立項(xiàng)依據(jù)，并說(shuō)明了論文的主要研究?jī)?nèi)容。 論文第二章從超聲波流量計(jì)的計(jì)量原理出發(fā)，根據(jù)對(duì)儀表數(shù)學(xué)模型的分析 提出了以導(dǎo)致流量計(jì)量不確定度的流場(chǎng)以及信號(hào)等關(guān)鍵因素為中心內(nèi)容的研究對(duì) 象。 論文第三章首先對(duì)理想流動(dòng)下的流場(chǎng)流動(dòng)情況進(jìn)行了分析然后從流體力學(xué) 原理出發(fā)，對(duì)彎管流動(dòng)流場(chǎng)特性以及粗糙管道流動(dòng)特性方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研 究，從而為超聲波流量計(jì)的安裝效應(yīng)研究提供準(zhǔn)確的流動(dòng)速度場(chǎng)信息。 論文第四章的重點(diǎn)是流量計(jì)的安裝效應(yīng)及其評(píng)估研究，并計(jì)算了若干種典型 聲道布置在特定流場(chǎng)中的流場(chǎng)適應(yīng)能力。流量修正系數(shù)是超聲波流量計(jì)的重要儀 表參數(shù)，通過(guò)對(duì)該參數(shù)的獲取以及多聲道積分模型的建立，本章對(duì)修正系數(shù)及其 在安裝效應(yīng)研究中的作用進(jìn)行了分析。另外還對(duì)安裝效應(yīng)導(dǎo)致的聲時(shí)測(cè)量誤差進(jìn) 行了細(xì)化分析，將之分解為徑向速度影響與速度場(chǎng)非對(duì)稱分布影響兩個(gè)大類進(jìn)行 深入研究。 論文第五章主要集中在二次儀表數(shù)字信號(hào)處理研究上。由于流量計(jì)主要依靠 超聲脈沖在順流和逆流情況下的信號(hào)時(shí)延差分來(lái)獲取流體的流動(dòng)速度信息，因此 時(shí)延估計(jì)的精度也就決定了流量計(jì)能達(dá)到的計(jì)量精度與性能。在超聲信號(hào)的時(shí)延 估計(jì)問(wèn)題中，信道的隨機(jī)時(shí)變、頻變對(duì)接收信號(hào)的影響是導(dǎo)致估計(jì)精度難以提高 的主要原因。高精度時(shí)延估計(jì)通常以信道平穩(wěn)、接收信號(hào)歸一化波形基本不變?yōu)?前提，當(dāng)信道起伏嚴(yán)重、信號(hào)波形畸變嚴(yán)重時(shí)，時(shí)延估計(jì)的精度將迅速下降。本 章對(duì)影響最大的聲學(xué)噪聲信號(hào)問(wèn)題進(jìn)行了針對(duì)性的研究，并提出使用l a g u e r r e 自 適應(yīng)濾波基本消除因?yàn)榱髁?、壓力等測(cè)量環(huán)境參數(shù)變動(dòng)帶來(lái)的幅值變化差異，獲 得整齊劃一的波形。 論文第六章對(duì)超聲波流量計(jì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)了上述技術(shù)的應(yīng)用可 行性。美國(guó)氣體工業(yè)聯(lián)合會(huì)( a m e r i c a n g a s a s s o c i a t i o n ，a ，g a ) 9 號(hào)報(bào)告中已經(jīng) 給出了氣體超聲波流量計(jì)的詳細(xì)檢驗(yàn)流程，并被認(rèn)為是超聲氣體流量計(jì)量領(lǐng)域的 操作標(biāo)準(zhǔn)。本章依據(jù)9 號(hào)報(bào)告中建議的操作流程，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了零流量檢定、實(shí) 流標(biāo)定，并對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了f w m e 修正。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，超聲波流量計(jì)一一次 儀表殼體制造上的誤差會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)示值輸出的整體性偏移，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。 使用流量加權(quán)平均誤差系數(shù)法( f l o w w e i g h t m e a ne r r o r ，f w m e ) 對(duì)實(shí)流標(biāo)定結(jié) 果進(jìn)行修正能有效的彌補(bǔ)制造加工以及安裝等造成的偏差。 論文第七章概括了全文的主要研究成果和論文的創(chuàng)新點(diǎn)，并展望了今后需要 進(jìn)步開(kāi)展的工作。 關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)，仿真研究，試驗(yàn)研究，抗干擾，自適應(yīng)濾波，l a g u e r r e 濾波 a b s t r a c t a san e wc o m i n gt e c h n i q u ei nt h eg a sf l o wm e a s u r ea r e a ，u l t r a s o n i cf l o w m e t e r s 哪s f ) a r ej u s tb e c o m i n g t h em o s tf a v o r i t es e l e c t i o n ，s p e c i a lf o rt h en a t u r eg a st r a n s p o r t p r o j e c t d u et ot h ea c c u r a c ns t a b i l i t y , n op r e s s u r el o s e s ，w i d em e a s u r er a n g e ，m a dl o w c o s t ，t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e r sj u s ts h o w i t sc o m p e t i t i o n s u s fc a r lb eu s e dt om e a s u r et h eg a sa n dl i q u i db o t h ，t h e r ea r es a m et h c o d e s ： u l t r a s o n i cf l o wm e t e r sd e t e r m i n et h ef l u i d v e l o c i t yb yt r a n s m i t t i n gp u l s e s t r e a m u p w a r d sa n dd o w n w a r d sa n dm e a s u r i n gt h et r a n s i tt i m e s t h et i m e s a r eu s e di n c a l c u l a t i n gt h es o u n da n df l o wv e l o c i t yo f t h ef l u i d m l e nu l t r a s o n i cw a v et r a n s i t sa t t h es t a n da n dm o v i n gm e d i a ，a c c o r d i n gt h ef i xc o o r d i n a t e s ( s u c ha st h em e t e rb o d y ) ， t h es o u n ds p e e di sd i f f e r e n t a n dt h ed i f ri saf u n c t i o no ft h em e d i a sm o v i n g v e l o c i t y s ow ec a ng e tt h em e d i a sv e l o c i t yb ym e a s u r et h et i m eo f f l i g h to f t h ew a v e t h e n g e t t h ef l o wr a t e t h eu s f su s a g ef o rl i q u i df l o wm e a s u r ei sd e v e l o p e df o ral o n gt i m e a n dg o te x c e l l e n ts u c c e s s b u tt h eu s a g ef o rg a si sj u s tb e g i n n i n gf o ra l m o s tt e ny e a r s ， a n dt h et e c h n i q u ei sg r a s p e d j u s t b y s e v e r a lc o m p a n i e s b e e a u s et h e c o m p l e x i t y o fm e a s u r e m e n te n v i r o n m e n t ，t h e g a s f l o wm e a s u r e a p p l i c a t i o nw i l le n c o u n t e rm o r e f a c t o r sc a u s i n ge r r o r s ：t h ec h a n g e si nv e l o c i t yp r o f i l e s d u et oi n s t a l l a t i o ne f f e c ta n dw a l lr o u g h n e s s ，t h ep r e s s u r ef l a p si nt h e p i p e s ，u l t r a s o n i c n o i s ep r o d u c e db yt h er e g u l a t o re t c i no r d e rt oo v e r c o m et h o s ed e f e c t s ，t h et e c h n i q u e o ff l u i dm e c h a n i c ss i m u l a t i o na n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga r ea p p l i e dt or e s e a r c ho n t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dl a g u e r r ef i l t e rb a s e da d a p t i v em e t h o d s t h em a i nc o n t e n t o f e a c h c h a p t e r i sa sf o l l o w i n g t h e 矗r s t c h a p t e rg e n e r a l l y i n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dt h e a c t u a l i t y o ft h e f l o w m e t e r so nt h eb a s i so fr e l e v a n tp u b l i c a t i o n ss e a r c h o n eo ft h em o s tp r o m i s i n g n o w m e t e r t h e g a su l t r a s o n i c f l o w m e t e ri ss e l e c t e da sr e s e a r c hs u b i e c t t h e l i t e r a t u r ea b o u tp r i m a r yi n s m m a e n ta n ds e c o n d a r yi n s t m m e n to ft h ef l o w m e t e ri s s u m m a r i z e d t h ep r o j e c ts i g n i f i c a n c e ，b a c k g r o u n d ，m a i nr e s e a r c hc o n t e n t si sa l s o p r o v i d e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h em e c h a n i c sp r i n c i p l eo fu s fi si n t r o d u c e d h o wt h e d e f e c t sc a u s em e a s u r ee r r o ri st a l c u l a t e d a n dd r a wac o n c l u s i o n ：t h eu n i d e a lv e l o c i t y p r o f i l ec a u s e sl a r g ee r r o rw h e n t h em e t e rc a l c sf l o wr a t eb yai d e a lm e t e rc o n s t a n t a l s o ，i n m o s tc a s eo ft h eu l t r a s o n i cm e t e r s i g n a lp r o c e s s i n g ，t h ep u l s ep e a k d i s c r i m i n a t i o ni sd o n e b y ar e l a t i v et r i g g e r1 e v e l ，s e tb e t w e e nt w oa d j a c e n tp e a k si nt h e a c o u s t i cp u l s es i g n a l t h ez e r o c r o s s i n ga f t e rt h es e c o n dp o s i t i v ep e a ki st a k e nf l st h e m o m e n tt h ep u l s eh a sb e e nr e c e i v e da n di sc l o c k e db yar u n n i n gc o u n t e r t h eg a sf l o w m e a s u r e m e n t ，c o m p a r e dt ot h o s ef o rl i q u i d ，c h a r a c t e r i z e db yl a r g es i g n a lf l u c t u a t i o n s ， i si n p o o rt r a c k i n g s om o r ea d v a n c e dd e t e c ta l g o r i t h m sa r en e e d e df o rg a s m e t e r a p p l i c a t i o n s t h et h i r dc h a p t e r , ac f ds o f t w a r ef l u e n ti si n t r o d u c e dt oc a l ct h es i n g l ea n d d o u b l eb o w p i p e sv e l o c i t yp r o f i l e s h o wa n dw h y s u c hm e s hi ss e l e c t e di si n t r o d u c e d f o rc o m p a r ep u r p o s e s ，t h el a m i n a ra n dt u r b u l e n c ef l o wa n dr o u g h n e s sf l o wa r ea l s o c a l c u l a t e d i nt h ef o u r t hc h a p t e r , i n t r o d u c e sh o wt h em e t e rc o n s t a n ti sd e f i n e di se x p l a i n e da t t h eb e g i n n i n g w h yt h es e c o n d a r yf l o wa n da s y m m e t r yv e l o c i t yp r o f i l ec a u s e sm e a s u r e e r r o ra r e a n a l y z e d 。f i n a l l y , s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v e a c o u s t i c p a t ha r r a n g e m e n t a r e i n t r o d u c e d t h e i re i t o rc i l r v e si ns i n g l eb o w p i p ea n dr o u g h n e s sp i p e a r ep r e s e n t e da l s o i nt h ef i f mc h a p t e r , w ef a c et h ep r o b l e mo fd e t e r m i n a t i o no f p u l s e t r a n s i tt i m e si n u l t r a s o n i cg a sf l o wm e a s u r e m e n t sa tl o ws n r t h em e t h o di sb a s e do nt h ea p p l i c a t i o n o fa d a p t i v el a g u e r r ef i l t e r f o rt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h em e t h o d as e to f a c o u s t i cs o u r c e si ss y n t h e s i z e db ys u b m i t t i n ga h i g h - 丹e q u e n c yp i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r t ov a r y i n gl e v e l so fe l e c t r i c a ld a m p i n g i n s p i t eo f t h ef a c t st h a t ，b yv i s u a li n s p e c t i o n ， t h es h a p e so ft l l es i g n a l sf r o mt h es y n t h e s i z e ds o u r c e sa r ev e r ys i m i l a rt oo n ea n o t h e r , w h i c hp r o v i d et h ea c c u r a t er e c o g n i t i o no ft h et r a n s i tt i m e sa td i f f e r e n c ef l o wr a t ea n d s n rw h i l ep r o v i d ear e a lt i m ep e r f o r m a n c e i nt h es i x t hc h a p t e r , e x p e r i m e mr e s u l ti sm a d ea c c o r d i n gt h er e c o r n m e n d a t i o no f a g an o 9d o c u m e n t ；b o t hz e r ov e r i f i c a t i o na n dw e tv e r i f i c a t i o na r ep r e s e n t e d a l s o ， t h ef w m e a d j u s tm e t h o di s i n t r o d u c e d a h e ra d j u s t i n g ，t h ed e v i c e sa c c u r a c yi s a l m o s t m e e t i n g t h er e c o m m e n d a t i o n a i ia c h i e v e m e n t sa n dk e yi n n o v a t i o np o i n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r k 也a tw i l lb ed o n ei sp u tf o r w a r di nc h a p t e r7 k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cf l o w m e t e r s ，s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t ，z e r o c r o s s i n gd e t e c t ， a d a p t i v ef i l t e r , l a g u e r r e f i l t e r 第一章導(dǎo)言 第一章導(dǎo)言 1 1 流量計(jì)概述 1 1 1 流量計(jì)發(fā)展歷史和概述 在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域一般把溫度、壓力、流量認(rèn)為是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的三大檢測(cè) 參數(shù)，流量計(jì)在化工、冶金、石油輸送、天然氣輸送、民用水表、民用燃?xì)獾确?面有廣泛的應(yīng)用。無(wú)論在商業(yè)貿(mào)易和工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)流體流量計(jì)量的需求在不斷 增長(zhǎng)j 。流量計(jì)的發(fā)展可以追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)：公元前l(fā) o o o 年左右，古埃及采用堰法測(cè)量尼羅河的流量；在我國(guó)，古代都江堰水利工程應(yīng)用 寶瓶口的水位測(cè)量水量大小。在1 7 世紀(jì)，托里拆利( t o r r i c e l l i ，1 6 0 8 1 6 4 7 ) 奠 定壓差式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測(cè)量發(fā)展史上的里程碑。到了1 8 、1 9 世紀(jì)， 眾多類型的流量測(cè)量?jī)x表雛形開(kāi)始形成，如堰法、示蹤法、皮托管、文丘里管、 容積、渦輪及靶式流量計(jì)等睇j 。2 0 世紀(jì)以來(lái)工業(yè)、能量計(jì)量、城市公服事業(yè)對(duì)流 量計(jì)量需求急劇增長(zhǎng)，促使流量計(jì)快速發(fā)展。在二次世界大戰(zhàn)以后，先進(jìn)的電子 技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的飛躍發(fā)展則極大地推動(dòng)了儀表更新?lián)Q代，同時(shí)也促使各種新型 流量計(jì)的出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域。 根據(jù)計(jì)量的原理，現(xiàn)在的流量計(jì)量手段可以分為傳統(tǒng)原理流量計(jì)和新技術(shù)流 量計(jì)兩大類。傳統(tǒng)原理流量計(jì)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展以及技術(shù)改進(jìn)，計(jì)量誤差可 以做到o 5 以內(nèi)，由于歷史的原因，目前在貿(mào)易計(jì)量上傳統(tǒng)原理流量計(jì)占據(jù)了 較大的市場(chǎng)份額。傳統(tǒng)式流量計(jì)的基本情況如下：孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)以及 文丘里流量計(jì)，其共同的特點(diǎn)就是壓力損失較大，并且測(cè)量范圍很小，測(cè)量上限 和下限的比一般在4 ：1 左右。渦輪流量計(jì)也屬于傳統(tǒng)式流量計(jì)的一種，利用其內(nèi) 部的流體動(dòng)力裝置，其測(cè)量的范圍一般在2 0 ：l 。容積式流量計(jì)是傳統(tǒng)流量計(jì)中 測(cè)量精度高并且量程范圍較大的一種，其最大測(cè)量范圍可以達(dá)到1 0 0 ：1 ，這種流 量計(jì)最大缺陷就是對(duì)磨損非常敏感【2 】。 新技術(shù)流量計(jì)一般都是基于一些新發(fā)現(xiàn)的或者是以前發(fā)現(xiàn)、但是限于當(dāng)時(shí)的 技術(shù)水平而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的一些流體特性。比較典型的就是電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、 流體振動(dòng)型流量計(jì)以及超聲波流量計(jì)口 4 】。這些新技術(shù)流量計(jì)基本都是在相關(guān)科學(xué) 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 技術(shù)發(fā)展到一定程度之后( 如電磁技術(shù)、檢測(cè)和傳感技術(shù)、超聲技術(shù)等) 才可能 應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)合。這些新型流量計(jì)的設(shè)計(jì)具有非接觸式、無(wú)活動(dòng)部件、電子 化和數(shù)字化的特點(diǎn)，在性能上也普遍達(dá)到較高的測(cè)量精度、較寬的量程比、線性 度較好，可靠性以及易維護(hù)性都比較突出，因此正在進(jìn)入各種測(cè)量領(lǐng)域。并且由 于這類新技術(shù)儀表主要是依靠二次儀表進(jìn)行工作，這為儀表的小型化、微型化提 供了便利，更符合現(xiàn)代國(guó)際儀器儀表發(fā)展方向，由于具有眾多優(yōu)點(diǎn)，新技術(shù)流量 計(jì)正在逐漸進(jìn)入由傳統(tǒng)原理流量計(jì)把持的一些領(lǐng)域口】。常見(jiàn)的新技術(shù)流量計(jì)主要 情況如下； 質(zhì)量流量計(jì)，其直接的測(cè)量對(duì)象是質(zhì)量流速，無(wú)需附加的換算工作。其中 最典型的就是科里奧利流量計(jì)，其計(jì)量精度較高，缺點(diǎn)就是會(huì)導(dǎo)致很大的壓力損 失：流體振動(dòng)型流量計(jì)，包括渦街流量計(jì)和漩渦進(jìn)動(dòng)流量計(jì)，其內(nèi)部使用不動(dòng) 件來(lái)產(chǎn)生表征流動(dòng)速度的測(cè)量信號(hào)，兩者在結(jié)構(gòu)上和傳統(tǒng)流量計(jì)中的渦輪流量計(jì) 有一定的相似之處，但是在壓力損失的技術(shù)指標(biāo)上要優(yōu)于渦輪流量計(jì)，而且在對(duì) 上下游直管段長(zhǎng)度的要求上亦比較低，目前在各種場(chǎng)合已經(jīng)有較為廣泛的使用。 流體振動(dòng)型流量計(jì)的缺點(diǎn)就在于外界產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)對(duì)其測(cè)量信號(hào)有一定的影 響，而且當(dāng)用于低速流動(dòng)流體測(cè)量時(shí)，由于產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度不足，使得測(cè)量 下限難以獲得突破【i 】；電磁和超聲流量計(jì)是兩類較新穎的流量計(jì)，都是利用了 流體流動(dòng)過(guò)程中對(duì)其內(nèi)部傳播的各種信號(hào)產(chǎn)生影響，并通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的變化來(lái)獲 得流動(dòng)信息。由于內(nèi)部沒(méi)有活動(dòng)部和障礙物，兩者的管道壓力損失基本可以忽略 不計(jì)，在使用與維護(hù)等方面相比傳統(tǒng)流量計(jì)也有很多優(yōu)勢(shì)【6 】。由于測(cè)量對(duì)象為電 信號(hào)，在現(xiàn)有的電子技術(shù)以及微機(jī)計(jì)算能力、信號(hào)檢測(cè)處理技術(shù)飛速發(fā)展的條件 下，可以獲得很高的測(cè)量精度和測(cè)量范圍，這兩類流量計(jì)目前都開(kāi)始進(jìn)入貿(mào)易結(jié) 算等重要場(chǎng)合。這兩類流量計(jì)的不利因素在于其二次儀表獲取的信號(hào)還需要經(jīng)過(guò) 各種換算之后才能推導(dǎo)出最終的流動(dòng)速度和流量，因此其原始信號(hào)質(zhì)量以及內(nèi)部 采用的流動(dòng)模型準(zhǔn)確程度會(huì)影響到整個(gè)測(cè)量精度的高低。 保證量值準(zhǔn)確是計(jì)量工作的根本任務(wù)。隨著科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，計(jì)量 的作用和意義越來(lái)越明顯。如今可以毫不夸張地說(shuō)，任何科學(xué)、任何領(lǐng)域、任何 行業(yè)都直接或者間接地需要計(jì)量。發(fā)明元素周期表的門捷列夫曾經(jīng)指出：“有測(cè) 量，才有科學(xué)”1 7 】，計(jì)量水平的高低已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā) 展程度的重要標(biāo)志之一。現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展水平也成為一個(gè)國(guó)家科技水平和綜 合國(guó)力的總要體現(xiàn)。 1 1 2 超聲波流量計(jì)概述 超聲波流量計(jì)是利用流體流動(dòng)對(duì)超聲波脈沖或者超聲波束的信號(hào)調(diào)制作用 第一章導(dǎo)言 并通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的變化來(lái)獲得體積流量的一種計(jì)量?jī)x表。就測(cè)量原理細(xì)分，超聲 波流量計(jì)又可以分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相關(guān)法以及噪聲法 等類型1 8 ) 。圖1 - 1 中的v 法、x 法以及z 法基本原理都是利用超聲波脈沖順流和 逆流傳播時(shí)速度之差來(lái)反映流體的流速，從而達(dá)到測(cè)量的目的，通稱為傳播速度 差法。圖1 2 還列出了其他的測(cè)量方法：多普勒法利用了聲學(xué)多普勒效應(yīng)，測(cè)量 不均勻流體中散射顆粒產(chǎn)生的多普勒頻移來(lái)確定流量【9 1 ；波束偏移法利用超聲波 受到流體帶動(dòng)之后產(chǎn)生的方向偏移作為測(cè)量的觀測(cè)量；相關(guān)法利用互相關(guān)計(jì)算獲 得信號(hào)的間隔測(cè)量流體流量；噪聲法也稱為聽(tīng)音法，是利用管道中產(chǎn)生的流動(dòng)噪 音和流速的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。此外還存在超聲技術(shù)與其他輔助手段組合進(jìn)行測(cè)量的 方法，包括明渠法【l q 、超聲檢測(cè)渦街 1 2 - 1 4 j 等，有些用于測(cè)量油品流量的超聲波 流量計(jì)還增加了根據(jù)測(cè)量到的介質(zhì)聲速判斷成分的輔助功能【l5 】等。在這些測(cè)量方 法中，以多普勒法和傳播速度差法使用最為普遍。由于技術(shù)上的原因，發(fā)展較晚 的多普勒式超聲波流量計(jì)企業(yè)反而超過(guò)發(fā)展較早的時(shí)差法很多。直到2 0 世紀(jì)9 0 年代后期，由于時(shí)差法氣體超聲波流量計(jì)在天然氣工業(yè)應(yīng)用上獲得了突破性進(jìn)展， 其研究才獲得整個(gè)流量計(jì)行業(yè)的重視【jb j 。 圄鹵國(guó) v 法( 反射法) x 法( 交叉法)z 法( 透過(guò)法) 圖1 - 1 傳播速度差法的三種基本聲道布置方式 匡蓬 多普勒法波束偏移法 尊審 超聲波流量計(jì)研究已經(jīng)有近8 0 年的歷史。1 9 3 1 年r u t t e n 發(fā)表的德國(guó)專利是 關(guān)于利用聲波測(cè)量管道流體流量最早的參考文獻(xiàn)。在1 9 5 7 年左右g r o s s o 作了關(guān) 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 于超聲流量計(jì)發(fā)展的一些評(píng)述。2 0 世紀(jì)3 0 年代首先研制出傳播時(shí)間法中的相位 差超聲波流量計(jì)，但是商品化末獲成功i l7 j ；5 0 年代開(kāi)發(fā)頻差法的m a x s o n 流量 計(jì)，用于測(cè)量航空燃料，標(biāo)志著超聲波流量計(jì)已經(jīng)從研究階段進(jìn)入了應(yīng)用階段。 前蘇聯(lián)在這方面的研究是獨(dú)立進(jìn)行的，其第一臺(tái)超聲波流量計(jì)出現(xiàn)在1 9 5 6 年，設(shè) 計(jì)師是z m s h a f r a n o v s k a i a ，1 9 5 7 1 9 5 9 年間n i b r a h z i k o v 和g i b i r g e r 也進(jìn)行了 這方面的工作n 8 1 。6 0 年代出現(xiàn)了大量有關(guān)超聲波流量計(jì)的專利申請(qǐng)，在6 0 年代 末出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)的超聲波流量計(jì)，進(jìn)入7 0 年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展，流量計(jì) 的性能開(kāi)始目趨完善，開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用階段，理論上的研究也隨著超聲波流量計(jì)的 推廣而逐漸增多1 1 9 , 2 0 。目前，國(guó)外針對(duì)超聲波氣體流量計(jì)展開(kāi)的研究工作主要集 中在美國(guó)、加拿大、荷蘭等國(guó)家、主要的研究機(jī)構(gòu)包括美國(guó)的西南研究所、d a m l i e l 公司、荷蘭的i n s t r o m e t 公司、德國(guó)的e l s t e r 、k e r h n e 公司等1 2 l j 。 雖然超聲波流量計(jì)的發(fā)展已經(jīng)具有6 0 多年的時(shí)間，但是整體上并沒(méi)有在流量 計(jì)領(lǐng)域占據(jù)多大的份量，行業(yè)的發(fā)展也沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，取而代之的是各個(gè)廠 家的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)。到了2 0 世紀(jì)9 0 年代，超聲波流量計(jì)在氣體計(jì)量領(lǐng)域的迅速發(fā)展 暴露了缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的各種問(wèn)題。面對(duì)這種情況，1 9 9 8 年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織i s o 發(fā)布了i s o t r l 2 7 6 5 用時(shí)問(wèn)傳播法超聲流量計(jì)測(cè)量封閉管道內(nèi)的流體流量，這 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏向液體的流量測(cè)量。與之對(duì)應(yīng)，美國(guó)氣體工業(yè)聯(lián)合會(huì)( a m e r i c a ng a s a s s o c i a t i o n ，a g a ) 1 9 9 8 年頒布了第9 號(hào)報(bào)告用多聲道超聲波流量計(jì)測(cè)量天 然氣流量，總結(jié)了超聲波流量計(jì)在天然氣流量測(cè)量領(lǐng)域的階段性研究成果 2 2 - 2 5 】。 我國(guó)在超聲波流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立上要略晚一些，2 0 0 1 年，我國(guó)參照上述兩個(gè)報(bào)告， 制定了氣體超聲波流量計(jì)用于天然氣流量測(cè)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)g b t1 8 6 0 4 2 0 0 1 用 氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量1 2 6 】。這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布對(duì)于規(guī)范和促進(jìn)超聲波氣 體流量計(jì)的發(fā)展起到了很大的作用。 氣體超聲波流量計(jì)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展之后逐漸進(jìn)入一些關(guān)鍵性的應(yīng)用場(chǎng)合。加 拿大輸氣校驗(yàn)公司的天然氣實(shí)流校驗(yàn)裝置( t c c 裝置) ，它的精度可達(dá)1 5 0 o o ( 公 認(rèn)是2 0 ) 。通過(guò)在天然氣輸氣干線上設(shè)一旁路支管，把天然氣引入實(shí)流校驗(yàn)裝 置，試驗(yàn)后又被送回輸氣干線。該裝置的標(biāo)準(zhǔn)表由6 臺(tái)d n 4 0 0 m m 與2 臺(tái)d n 2 0 0 m m 氣體渦輪流量計(jì)和6 臺(tái)d n 4 0 0 m m 與兩臺(tái)d n 2 0 0 m m 氣體超聲流量計(jì)組成，主要 標(biāo)準(zhǔn)表為氣體渦輪流量計(jì)，次要標(biāo)準(zhǔn)表為i n s t r o m e t 公司的氣體超聲流量計(jì) 2 7 1 。 在我國(guó)的西氣東輸項(xiàng)目上，采用d a n i e l 公司的4 0 臺(tái)高級(jí)氣體超聲波流量計(jì)作為 標(biāo)準(zhǔn)表 2 8 1 。就當(dāng)前情況而吉，多聲道氣體超聲波流量計(jì)已經(jīng)是繼氣體渦輪流量 計(jì)之后被氣體工業(yè)界接受的最重要的流量計(jì)量器具 2 2 ，2 9 1 。目前已經(jīng)有美國(guó)、荷 蘭、英國(guó)等1 2 個(gè)國(guó)家政府機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)它作為貿(mào)易結(jié)算的法定計(jì)量器具，成為繼孔板、 渦輪之后出現(xiàn)的第三類高精度氣體流量計(jì)。 第一章導(dǎo)言 1 2 論文背景和意義 本課題源于浙江天信儀表有限公司的橫向課題，受浙江省自然科學(xué)基金 ( 5 9 9 0 8 6 ) 和教育部博士點(diǎn)基金( 2 0 0 0 0 3 3 5 0 1 ) 的資助，也是基金部分研究成果 的應(yīng)用。論文對(duì)氣體流量測(cè)量中廣泛使用的氣體超聲波流量計(jì)一次儀表設(shè)計(jì)、評(píng) 價(jià)與優(yōu)化、二次儀表中的信號(hào)處理算法選擇與檢驗(yàn)等工程關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了較全面 的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)如何提高超聲波流量計(jì)的穩(wěn)定性、流場(chǎng)適應(yīng)能力等提 出了自己的一些處理方法。 氣體超聲波流量計(jì)在國(guó)際天然氣貿(mào)易計(jì)量領(lǐng)域已經(jīng)獲得了非常成功的應(yīng)用， 同時(shí)也有不少專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)該流量計(jì)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行研究。相比國(guó)內(nèi)的情 況，生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)絕大部分面對(duì)液體測(cè)量，用于氣體計(jì)量的超聲流量計(jì)產(chǎn) 品幾乎沒(méi)有。同濟(jì)大學(xué)是國(guó)內(nèi)進(jìn)行超聲波氣體流量計(jì)研究比較先進(jìn)的研究機(jī)構(gòu)， 在超聲波煤氣流量測(cè)量應(yīng)用上制造了基于單片機(jī)系統(tǒng)的樣機(jī)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 1 3 0 , 3 1 。但總的說(shuō)來(lái)，國(guó)內(nèi)氣體超聲波流量計(jì)的研究現(xiàn)狀并不樂(lè)觀。 氣體的超聲流量測(cè)量存在傳播衰減大、信號(hào)不穩(wěn)定、信噪比提高受制約、聲 透射率不穩(wěn)定、聲學(xué)噪聲干擾嚴(yán)重等問(wèn)題，液體超聲波流量計(jì)中已經(jīng)成熟的信號(hào) 處理方式根本不適于氣體測(cè)量領(lǐng)域1 2 - 。由于以上問(wèn)題的存在，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的 計(jì)量精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性等基本指標(biāo)，制約了產(chǎn)品化的發(fā)展。由于超聲波流量 計(jì)本身的特點(diǎn)，單純依靠提高電路穩(wěn)定性、提高制造精度等傳統(tǒng)流量計(jì)的設(shè)計(jì)思 路已經(jīng)無(wú)法對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行徹底的解決。在一段時(shí)間的資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和討 論后，我們認(rèn)為導(dǎo)致氣體超聲流量計(jì)量問(wèn)題的原因可以歸類到主要兩個(gè)方面：超 聲信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題引起的傳播時(shí)間計(jì)量誤差、由于流場(chǎng)非理想化分布導(dǎo)致計(jì)算模型 出現(xiàn)誤差。本篇論文重點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行針對(duì)性的分析與探討。該兩方面研究 的意義在于：只有通過(guò)對(duì)流場(chǎng)本身進(jìn)行研究才可能提出超聲波流量計(jì)一次儀表 的優(yōu)化聲道布置方案、提高儀表的流場(chǎng)適應(yīng)性。流場(chǎng)分析是流量計(jì)流場(chǎng)適應(yīng)性研 究的理論基礎(chǔ)，具有重要的工程意義。超聲信號(hào)處理技術(shù)是一切超聲應(yīng)用的基 礎(chǔ)，如何提取信號(hào)中的有效信息，降低環(huán)境噪聲、背景噪聲的影響是所有應(yīng)用于 醫(yī)療、無(wú)損檢測(cè)、聲納等超聲設(shè)備的共同問(wèn)題。因此進(jìn)行超聲信號(hào)數(shù)字處理的算 法研究在工程上具有重要的理論意義并具有一定的普適性。 1 3 超聲波氣體流量計(jì)文獻(xiàn)綜述 氣體超聲波流量計(jì)量本身是一個(gè)綜合學(xué)科，與其相關(guān)的領(lǐng)域至少包括： 1 基礎(chǔ)元件設(shè)計(jì)，主要是超聲換能器的材料選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2 信號(hào)檢測(cè)與處理領(lǐng)域。超聲脈沖在氣體中的衰減比在液體中要嚴(yán)重，同 時(shí)由于氣體一般都是壓力輸送，管道中安裝的各種調(diào)壓裝置是最大的超 聲污染源。同時(shí)輸送過(guò)程中的壓力波動(dòng)也是導(dǎo)致信號(hào)幅值不穩(wěn)定的重要 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 因素。在信噪比無(wú)法提高的情況下，環(huán)境中的各種電磁干擾影響相對(duì)而 言就比較嚴(yán)重。核心的時(shí)延估計(jì)處理已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)沿用傳統(tǒng)方式。 3 應(yīng)用流體力學(xué)領(lǐng)域。超聲波流量計(jì)涉及相當(dāng)廣泛的流體力學(xué)背景，管道 的彎曲方式、管道壁面的粗糙程度、接口處安裝的連接法蘭以及管道上 安裝的閥、泵的開(kāi)啟或關(guān)閉動(dòng)作產(chǎn)生的沖擊都會(huì)影響流動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn) 生測(cè)量誤差。在a g a 9 號(hào)報(bào)告中綜合現(xiàn)場(chǎng)條件以及試驗(yàn)的情況，建議在 流量計(jì)前部至少保留1 0 d ，后部保留5 d 直管道。但是即使如此，還是無(wú) 法保證流體到達(dá)流量計(jì)入口段時(shí)達(dá)到充分發(fā)展。因此流量計(jì)必須具有根 據(jù)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的能力，或者在設(shè)計(jì)階段對(duì)因?yàn)榱鲌?chǎng)因素導(dǎo)致 的計(jì)量精度問(wèn)題進(jìn)行估計(jì)從而為聲道設(shè)計(jì)以及流量計(jì)安裝等提供參考。 在本論文中，只考慮信號(hào)以及流體流動(dòng)對(duì)超聲波流量測(cè)量的影響，下文從這 兩個(gè)方面對(duì)氣體超聲波流量計(jì)領(lǐng)域目前的重要研究成就做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。 1 3 1 超聲信號(hào)處理研究綜述 氣體超聲波流量計(jì)獲得的全部流動(dòng)信息都是通過(guò)處理超聲信號(hào)獲得，因此超 聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)關(guān)鍵內(nèi)容之一就是處理每一路超聲信號(hào)，確定信號(hào)質(zhì)量對(duì)于精確 測(cè)量傳播時(shí)闖是否接受，并從中提取流動(dòng)信息1 2 4 。如果超聲信號(hào)本身就存在問(wèn)題， 則傳播時(shí)間測(cè)量和流量測(cè)量都不會(huì)正確，噪聲是影響超聲檢測(cè)系統(tǒng)可靠性和精度 的主要因素p “。超聲能量在不同物質(zhì)界面上的傳播透射率與兩者的聲阻抗有關(guān)， 聲阻抗定義為材料密度和內(nèi)部聲速的乘積。在氣體的輸送過(guò)程中，不可避免地存 在壓力波動(dòng)并引起密度變化，從兩引起聲阻抗以及聲波透射率變化，最明顯的表 現(xiàn)就是波形幅值不穩(wěn)定。另外，氣體輸送過(guò)程中還在管道上安裝了各種調(diào)壓裝置， 由于各種閥門只能通過(guò)把聲能轉(zhuǎn)換到超聲頻段( 2 0 k h z 以上) 上才能獲得聽(tīng)覺(jué)上 的無(wú)噪，因此調(diào)壓裝置成了產(chǎn)生聲學(xué)干擾的主要因素 2 4 1 。b r a s s i e r ( 2 0 0 1 年) 【3 3 】 對(duì)氣體中的聲學(xué)干擾問(wèn)題進(jìn) 亍了詳細(xì)的研究，證明氣載噪聲干擾的強(qiáng)度與流量、 壓力以及選用的調(diào)壓裝置都存在一定的關(guān)系，并且干擾能量在整個(gè)頻率段上的分 布也存在差異，要基本避免超聲聲學(xué)干擾，選用的換能器工作頻率至少要在 5 0 0 k h z 以上。由于氣體中超聲能量的衰減與超聲頻率成正比，為了在接收端保持 一定的信噪比，通常的換自器工作頻率都在5 0 2 0 0 k h z 左右，在此頻段內(nèi)，聲 學(xué)噪聲是無(wú)法回避的闖題。其次，氣體流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致聲波的傳播方向發(fā)生偏移。按 照s n e l l 定律( m o r s e 和i n g a r d ，1 9 8 6 ) 【2 4 j ，聲波以曲線形式在流動(dòng)流體中傳播， 曲線曲率取決于流動(dòng)的雷諾數(shù)和馬赫數(shù)。由于介質(zhì)流動(dòng)的原因，脈沖信號(hào)斜射入 換能器接收面，對(duì)信號(hào)的增益也有很大的影響，與靜止情況下相比信號(hào)幅值的變 化可以達(dá)到1 5 d b 左右。 除了因?yàn)樾诺雷儎?dòng)引起的信號(hào)失真因素，接收端換能器輸出的信號(hào)中還包含 6 第一章導(dǎo)言 電噪聲信號(hào)。電噪音主要是環(huán)境以及電路中的電磁信號(hào)干擾，器件的熱干擾等。 這類干擾是持續(xù)隨機(jī)量，最常見(jiàn)的是自噪音。另外還有沖擊噪音，這類噪音非隨 機(jī)產(chǎn)生，一般是在元器件動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)。剔除些干擾的基本思路是利用各種干擾與 正?；夭ㄔ谛盘?hào)特征上的差別，并在此基礎(chǔ)上使用程控增益抑制、自動(dòng)時(shí)間衰減 抑制、數(shù)字濾波和異值剔除等幾種抑制干擾的方法。 超聲波流量計(jì)使用的信號(hào)處理技術(shù)按照時(shí)域處理和頻域處理分為兩大類，時(shí) 域上主要是各種過(guò)零檢測(cè)技術(shù)，而在頻域上主要是基于相關(guān)運(yùn)算。過(guò)零檢測(cè)技術(shù) 在液體超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)中已經(jīng)有非常成熟的應(yīng)用【3 “，因此在后來(lái)發(fā)展的氣體 超聲流量測(cè)量的設(shè)計(jì)中也延用了這一技術(shù)，并且在應(yīng)用中有很多的改進(jìn)，過(guò)零檢 測(cè)技術(shù)是超聲脈沖波形定位的基本方法。在實(shí)現(xiàn)手段上，過(guò)零檢測(cè)也從最初的模 擬器件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。在實(shí)際的操作過(guò)程中，過(guò)零檢測(cè)一般需 要和信號(hào)閾值法配合使用，當(dāng)信號(hào)達(dá)至0 閩值之后，才啟動(dòng)過(guò)零檢測(cè)定位波形，以 避免受到噪聲的影響。雖然這種檢測(cè)方法的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是對(duì)其獲取的 時(shí)延數(shù)據(jù)精度如何是有爭(zhēng)論的，特別是當(dāng)信號(hào)采集自低信噪比場(chǎng)合的情況【3 5 】。在 實(shí)際應(yīng)用中客觀存在各種不確定因素，并沒(méi)有非常理想的波形可以用于分析和定 位脈沖波形。幾乎在所有的超聲檢測(cè)相關(guān)的領(lǐng)域，都存在信號(hào)處理的問(wèn)題，主要 的目的也都是提高信噪比，提高系統(tǒng)的抗干擾能力以及魯棒性。 由于閩值法過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)具有不確定因素，也有提出采用信號(hào)自相關(guān)運(yùn)算消噪 的算法，對(duì)于消除各種隨機(jī)噪音信號(hào)具有良好的表現(xiàn)，而且在小流量情況下如果 不考慮數(shù)值截?cái)嗾`差因素可以獲得比直接用時(shí)差法更精確的測(cè)量結(jié)果口6 l 。王智慧 等人( 2 0 0 0 年) 3 。7 j 對(duì)相關(guān)流量計(jì)進(jìn)行了研究，認(rèn)為使用相關(guān)算法可以顯著增加時(shí) 間計(jì)量精度，并且不受流體性質(zhì)以及流體聲速變化的影響。曹茂永等人( 2 0 0 2 年) 3 8 1 通過(guò)對(duì)高噪聲背景下的超聲信號(hào)進(jìn)行f o u r i e r 頻譜分析和成分分析，并據(jù)此判 斷頻率濾波范圍，并提出采用自相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高嗓背景下的超聲回波信號(hào)識(shí)別方 法。這種方法出分析是在頻率域進(jìn)行的，在分析過(guò)程中并沒(méi)有考慮信號(hào)的時(shí)域信 息以及相位信息，因此無(wú)法完全重構(gòu)原始信號(hào)波形。采用相關(guān)算法回避了信號(hào)重 構(gòu)需要保留的相位信息，而且在運(yùn)算上還存在快速算法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是如果接 收到的回波信號(hào)中存在相關(guān)噪音，例如聲學(xué)干擾信號(hào)，那么在處理中也會(huì)被保留 下來(lái)，形成誤判。在本文中，主要考慮和過(guò)零檢測(cè)相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理算法。由 于過(guò)零檢測(cè)是在時(shí)域進(jìn)行，因此主要的研究手段是利用各種濾波手段實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào) 的降噪處理，以期獲得的信號(hào)能夠滿足過(guò)零檢測(cè)的要求。 為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的噪聲抑制，很多的理論迅速發(fā)展起來(lái)，其中最主要的成果 就是結(jié)合信號(hào)處理理論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科。 濾波器是信號(hào)處理系統(tǒng)中最常用的組成部分，它可以認(rèn)為是信號(hào)的通道，并 且在信號(hào)通過(guò)時(shí)，能達(dá)到所希望的信號(hào)變換過(guò)程，常見(jiàn)的作用是抑制信號(hào)中的干 擾成分，突出有效成分。作為濾波，最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何確定或者設(shè)計(jì)濾波系數(shù)。 7 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 維納( w i e n e r ) 在2 0 世紀(jì)4 0 年代初，首先將統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)引入到信息傳輸和控 制領(lǐng)域，從理論方面揭示了信息傳輸和處理過(guò)程的統(tǒng)計(jì)本質(zhì)，為現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)檢測(cè)和 估計(jì)理論奠定了基礎(chǔ)1 3 9 1 。維納濾波將對(duì)象視為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，已知相關(guān)函數(shù)，在 白噪聲假設(shè)條件下，確立了最優(yōu)傳輸函數(shù)應(yīng)滿足維納一和甫( w i e n e r - - h o p d 方 程的理論，為設(shè)計(jì)濾波器提供了一種頻域的方法。為了衡量濾波器輸出和目標(biāo)信 號(hào)的接近程度，通常采用最小平方標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)方法，即濾波器的實(shí)際輸出和希 望輸出之間的均方差為最小。維納濾波的濾波系數(shù)通過(guò)輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)以 及輸入和目標(biāo)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)，并使兩者滿足最小平方準(zhǔn)則。對(duì)存在 結(jié)構(gòu)化的噪音的場(chǎng)合，采用維納濾波器也是提高信噪比的有效手段。但是傳統(tǒng)的 維納濾波器在超聲波測(cè)量上并不適用，超聲信號(hào)具有兩個(gè)重要特點(diǎn)：超聲檢測(cè)信 號(hào)只持續(xù)有限的時(shí)間、由于傳播過(guò)