0 引言

    在超声波流量计中最常用的脉冲定位办法是过零检测。因为接收幅值的改变、波形变更或者噪声，都可能导致脉冲损掉或者零位缺点，从而在传播时光的计量上出现误差[1]。为此，国表里的研究者做了年夜量的工作。Brassier等人[2]经由过程进步换能器的工作频率避开年夜部分气载噪声频段，并应用相干技巧来清除旌旗灯号中存在的白噪声影响。应用相干算法可以避开对波形本身出现的问题，但假如存在相干噪声，就可能造成误判。Castagnede等人[3]经由过程在原始旌旗灯号的采样点之间做内插，并应用低通滤波清除内插导致的频移。这种处理在后果上与增长采样率类似。Roosnek采取了最小二乘法对脉冲的相位进行检测，因为当波形出现2π的相移时，这种办法可能造成波形误判[4]。张等人[5]采取匹配小波滤波，并结合门限法，在小波域对不合种类噪声进行克制。小波分析计算量年夜量增长，很难包管及时性。

    Laguerre滤波同时具备有限长单位冲激响应（FIR）滤波的线性相位以及无穷长单位冲激响应（IIR）滤波阶数较小的特点，被认为是一种异常合实用于实现递归最小二乘（RLS）的自适应算法[6-7]。

    本研究在气体超声波流量计的旌旗灯号处理中采取这一技巧，实现一种异常简洁的抗干扰手段，获得整洁、清楚且不畸变的波形，为流量计实现精确的波形定位和时差计算供给优胜的旌旗灯号基本。

    1 旌旗灯号干扰身分分析

    超声脉冲在传输的各个环节中，弗成避免地要受到各类干扰而产生某种程度的畸变。当旌旗灯号中载有高电平噪声时，会导致脉冲的传播时光难以计量。

    情况中存在的电噪声干扰是最广泛的噪声旌旗灯号。常见的电噪声是白噪声，可以采取平均技巧来清除这类旌旗灯号的影响。旌旗灯号中可能还存在因为电源污染而产生的冲击旌旗灯号。超声波换能器的高频鼓励旌旗灯号须要由仪表自身产生，在鼓励脉冲产生的时刻，一般会在电路中产生冲击脉冲旌旗灯号，可以经由过程设置盲区进行克服。

    在气体传输过程中，还有气载噪声的存在，这些被带入到旌旗灯号检测体系的气载噪声在频域上都处于换能器自振频率邻近，会严重干扰换能器的工作，无法应用平日的滤波技巧加以处理。是以这些声学噪声旌旗灯号成了导致计量误差的重要身分。

    当对旌旗灯号与噪声的混淆波形进行过零检测时，必定因为零点波动导致波形定位不准。理论上可经由过程多次测量并平均处理减小误差，但这须要年夜量数据平均之后才能获得，因为仪表刷新率的限制，实际可以反复的测量次数异常有限。其次，采取反复测量还将导致体系响应变慢。为了避免前后脉冲的干扰，一般在两次脉冲发射之间还须要增长一小段时延，并且超声旌旗灯号在空间传播也须要必定的时光。以当前DSP体系的计算才能（以仪表范畴常见的低功耗TI54x系列为例，为100MIPS～160MIPS），对旌旗灯号进行前置处理并不会对仪表响应速度带来明显影响，而优胜的旌旗灯号质量对提升脉冲波形定位精度却有着极年夜的好处。

    最常见的启动过零检测的办法是阈值法。然则实际检测到的超声波旌旗灯号幅值会跟着流速的增年夜而减小，从而导致肇端计时点后移（如图2所示）；气体压力波动也会导致其声阻抗变更，从而使超声波换能器与媒质之间的声强透射系数产生变更，影响实际的超声发射和吸见效力，引起接收端旌旗灯号幅值的波动。假如无法取得恒定的旌旗灯号幅值，阈值法的应用本身已经带入了误差。

    2 构造RLSLaguerre滤波器

    2.1 根本模型

    M阶Laguerre变换如下所示：

    个中，Lk（z）=L0（z）[L（z）]k，并且存在如下关系：

    个中，a知足0<|a|<1。滤波器的横向构造如图3所示，由图中根本构造可知，全部体系的顶点地位都由系数a决定，当a为0时，Laguerre滤波器退化为FIR滤波器。一般而言，a越接近单位圆，滤波器所需的阶数越少，然则其线性相位将弗成保持，还会影响体系的稳定性。对于实现雷同的滤波后果，FIR滤波器的阶数N与Laguerre滤波器阶数M存在以下关系[7]：

    2.2 RLS实现

    根据RLS算法的准则，任何时刻n都使猜测误差e（i|n）=d（i）-X′M（i）WM（n）在时光上的积聚平方和为最小[8]，即：

    式中λ―遗忘系数，一般取介于0.95～0.9995之间的值。

    因为RLS算法是以递归的方法求最小二乘解，超声波流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的仪器，是以有滤波器系数更新递归表达式：

    RLS算法的每一次迭代所得的系数都包管到今朝时刻的误差平方和最小，即在任何时刻所获得的解都是精确的最小二乘方解，是以在RLS在收敛速度上要优于最小均方（LMS）等自适应算法，RLS算法的计算量较年夜，而Laguerre滤波较低的阶数刚好可以抵消RLS计算量年夜、难以包管及时性的难题。实现RLS算法之后，新的构造如图4所示。

    因为对测量精度影响最年夜的气载噪声在管道中不合的地位只有相位和幅值的差别，而根本的频谱特点不变，是以在采取多声道构造的超声波流量计中，可以应用临时处于余暇状况的声道换能器作为参考旌旗灯号（d（n））的采样通道。

    因为超声脉冲的持续时光很短，属于非安稳情况。为了包管自适应滤波快速达到收敛状况，在实际应用之前还须要用幻想序列对其进行练习。

    3 超声脉冲旌旗灯号处理应用

    经由过程上述的自适应滤波算法，超声脉冲旌旗灯号中常见的一些噪声旌旗灯号，只要其序列特点能在参考通道中获得，都可以获得有效的克制，是以对于旌旗灯号中存在的相干旌旗灯号的场合也可以获得优胜的应用。

    为了检测以上消噪算法的有效性，烟气分析仪广泛适用于各种工业燃烧设备的维护与监测，本研究在气体调压装配后侧管道上安装了一台超声波流量计，并在不合的管道平均流速下对旌旗灯号进行了采样处理，如图5所示。

    由图5可以看出，跟着流速升高，波形幅值快速降低。在高流速的情况下，气载噪声强度的增长以及脉冲旌旗灯号幅值的衰减更增长了过零检测的难度。

    在经由降噪处理以及幅值归一化之后，用于过零检测的旌旗灯号在被考验的几种流动情况下都获得了优胜的波形（如图6所示），清除了因为流动而导致的旌旗灯号波形差别，从而避免了因波形掉真导致的误触发、脉冲定位掉误以及零位缺点。

    4 停止语

    经由过程上述的实验研究，可以得出以下的结论：

    （1）在气体超声波流量计中，对测量影响最严重的气载噪声可以经由过程自适应滤波算法获得有效的克制。

    （2）经由旌旗灯号的前置处理，清除了不合流速下脉冲幅值的差别以及波形掉真，为后继的过零检测定位脉冲供给了优胜的波形前提。减小了因为旌旗灯号问题而导致的计量误差。

    （3）应用气体超声波流量计的余暇声道或者专门安排的采样声道作为参考旌旗灯号的输入通道。

    本气体超声波流量计已经经由过程浙江省计量科学研究院考验，并达到了2级标准。

    参考文献（References）：

    [1]AmericanGasAssociation。MeasurementofGasbyMul2tipathUltrasonicMeters[M]。2nded。AmericanGasAsso2ciation，2007。
    [2]BRASSIERP，HOSTENB，VULOVICF。High2frequencytransducersandcorrelationmethodtoenhanceultrasonicgasflowmetering[J]。FlowMeasurementandInstrumenta2tion，2001，12（3）：201-211。
    [3]CASTAGNEDEB，ROUXJ，HOSTENB。Correlationmeth2odfornormalmodetrackinginanisotropicmediausinganultrasonicimmersionsystem[J]。Ultrasonics，1989，27（5）：280-287。
    [4]ROOSNEKN。Noveldigitalsignalprocessingtechniquesforultrasonicgasflowmeasurements[J]。FlowMeasurementandInstrumentation，2000，11（2）：89-99。
    [5]张，兰从庆。匹配小波滤波在超声旌旗灯号处理中的应用[J]。无损检测，热像仪具有多功能,高清晰度及高性能的特点，2002，24（12）：507-511。
    [6]MERCHEDR，SAYEDAH。ExtendedfastfixedorderRLSadaptivefilters[C]//The2001IEEEInternationalSymposi2umonCircuitsandSystem，2001：665-668。
    [7]MASNADI2SHIRAZIMA，GHASEMIM。AdaptiveLaguerrenetworkrealization[J]。SignalProcessing，2000，80（10）：2169-2186。
    [8]陈尚勤，李晓峰。快速自适应信息处理[M]。北京：国民邮电出版社，1993。