基于多模型融合的导波雷达物位计回波信号处理方法及应用研究

摘要

随着工业现代化进程的推进，物位测量设备与环境交互也在快速增加。导波雷达物位计作为新型物位测量仪器，以其耐高温、高压、真空以及受温度粉尘影响小等优点，广泛应用于工业领域。将导波雷达物位计与现场总线结合进行测量物位，能够解决传统意义上的4～20mA回路只能传输单一参数的问题，也保留了对原来的4～20mA模拟回路的兼容性。但测量物位计中存在传感器自身结构产生的回波、二次回波叠加、随机尖峰脉冲及噪声等，导致物位回波中存在虚假回波干扰。本文针对高温、粘稠等恶劣工业应用环境，在HART通信协议与物位测量方法研究基础上，完成了回波信号的采样，对现场回波信号进行识别，得到真实物位回波;采取相应去噪方法消除物位回波中的噪声干扰;利用粒子群方法对测量的物位值样本分析，使得物位值更加可靠。论文在数据处理的基础上完成了软硬件设计，研制出了一套高精度的物位计。
　　论文的工作内容主要体现在以下几个方面:
　　(1)利用现有设备对高频回波信号进行采样时，难以获取信号的全部特征，导致信号采集不完整。为此，基于回波信号的周期性特点，提出了采用等效采样原理对雷达回波信号处理，将高频信号进行重复采样，在不断增加采样周期的情况下，完成对高频回波信号的时间间隔检测，同时根据RAM与基准时钟提出的混合等效采样完成对信号时间的检测;利用多普勒效应原理进行混频分析，识别多参数物位回波，在MATLAB环境下，得到了含有杂波与不含杂波的信号频谱，对不同的雷达回波信号进行了识别仿真，进而确定出了物位回波。
　　(2)针对回波信号中的各种噪声信号干扰，通过自适应最小均方误差算法(Least MeanSquare，LMS)对物位回波信号进行前端处理，利用系统迭代权矢量进行权系数更新，实现LMS滤波;提出利用小波变换处理回波信号，在MATLAB环境下，分析了Sy4、Sy8和Haar小波基处理回波信号的优缺点，利用去相关检验原理确定最优分解层数，提出了改进后的小波变换进行阈值去噪，并且对比了几种小波基对信号的去噪性能;利用粒子群优化方法对测量的物位值样本分析，进行粒子建模，并且提出改进的盲均衡算法，利用MATLAB仿真验证算法的有效性。
　　(3)设计了一套新的远程物位测量系统，该系统分为回波信号采集模块和远程手操器两个部分。回波信号采集部分采用基于ARM7的STM32为处理器进行数据处理，在MDK-ARM软件环境下利用C语言进行了模块化编程。HART通讯部分由A5191型芯片与AD5421转换器组成，手操器采用S3C2416作为核心控制的MCU，并在VS2010环境下开发了基于智能设备的MFC软件界面。远程手操器作为便携式设备在工业现场可以实现参数查询、参数设置和标定等功能。
　　系统测试与实验表明:物位测量精度可达到1.6％F.S，与现有去噪方法相比，提出的去噪方法在抑制噪声的同时，较好地保留了信号奇异性特征，避免了伪吉布斯振荡;通过优化后的物位值更加可靠、收敛速度较快且稳态误差较小。测量系统具备参数设置、查询和标定等功能，智能化程度较高，本文研究成果已应用于实际工业自动化过程中的物位测量。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 雷达物位计及回波信号处理研究

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文的结构安排

2 物位计测量原理及软硬件实现

2．1 物位计结构及测量方法

2．2 整体硬件设计

2．3 仪表板核心电路设计

2．4 手操器硬件设计

2．5 整体软件环境搭建及其上位机设计

2．5．1 界面设计

2．5．2 总体设计流程与编程

3 回波信号采集与真实回波识别

3．1 信号采集

3．1．1 差拍等效时间采样

3．1．2 顺序等效时间采样

3．1．3 混合等效时间采样

3．2 多普勒效应识别真实物位回波

3．3 回波识别结果仿真分析

3．3．1 回波识别参数仿真分析

3．3．2 雷达回波等高线图仿真分析

3．3．3 回波识别定量实验分析

4 多模型融合处理方案处理回波信号

4．1 自适应LMS处理回波信号处理

4．1．1 自适应LMS算法去噪过程原理

4．1．2 LMS算法仿真分析

4．2 小波变换处理回波信号

4．2．1 小波变换方法原理

4．2．2 仿真结果与讨论

4．2．3 利用改进小波变换方法处理回波信号研究

4．2．4 仿真分析与讨论

5 融合粒子群优化测量物位

5．1 粒子群优化算法的原理

5．2 仿真实验

5．3 基于PSO-GMA的优化方法概述

5．4 盲均衡仿真实验分析与讨论

6 现场测试结果验证与参数对比分析

6．1 测量背景及条件

6．2 产品整体调试实验

6．3 现场测量试验验证

6．4 测试结果与对比分析

6．4．1 定量测试结果与对比分析

6．4．2 分组测试结果与对比分析

6．4．3 不同物位计测试结果与对比分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果