[发明专利]基于频域信息融合的液位估计方法

摘要

本发明公开一种基于频域信息融合的液位估计方法。现有的测量方法由于麦克风、模数转换器存在的误差以及周围环境影响，导致测量精度差。本发明将导声管垂直于液面插入到的待测液体底部，扬声器发出均匀变化的声波，麦克风采集合成波。对于同一高度的液位连续采集两组数据，分别对两组数据进行傅立叶变换以及频率特征提取，得到的两组共振频率。对两组共振频率序列中的各个共振点设置支持区间和信任区间，同时进行赋值，利用DS组合规则进行融合得到的融合后的共振点序列。利用融合后的共振点序列的差值和液位换取公式得到多个液位测量值，取平均作为最终的液位值。本发明将两组共振点融合，得到的液位测量值比单组数据得到的测量值更加的可靠。

主权项

1.基于频域信息融合的液位估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1.将导声管垂直于液面插入到待测液体的底部，麦克风、扬声器和温度传感器安装在导声管的另一端，并保证麦克风和扬声器平行于液面；步骤2.在时间t内通过控制器输出频率范围为D＝[a,b]Hz的一组随时间均匀变化的正弦声波信号，并通过扬声器发出；频率范围[a,b]Hz的选择保证a＞＞20Hz且保证b‑a>3f₀，f₀为初始的共振频率；扬声器发出的声波遇到液面后，改变路径反射，与扬声器发出的声波叠加形成合成波；合成波由麦克风采集，经过ADC处理为数字信号；步骤3.控制器通过快速傅立叶变换将ADC转换的数字信号由时域转换到频域；步骤4.利用快速频率检测方法提取频域中的共振频率点；步骤5.重复步骤2‑4在同一高度采集两组合成波，提取共振频率点，对每个共振点设置浮动区间，并对区间设置权重，具体步骤如下：步骤5.1.对共振频率点进行了归一化：通过步骤4找出同一高度采集的两组声波的共振频率点，第一组声波的共振点记作P(f_1,1,y_1,1),P(f_1,2,y_1,2),...,P(f_1,M,y_1,M)，第二组声波的共振点记作P(f_2,1,y_2,1),P(f_2,2,y_2,2),...,P(f_2,N,y_2,N)，M和N是两组共振频率点的个数，其中f表示频率，f的下标的第一位是组别数，下标的第二位是在所有共振频率点中的位置；y表示幅值，y的下标的第一位是组别数，下标的第二位是在所有共振频率点中的位置，以P(f_1,2,y_1,2)为例，f_1,2为采集的第一组的第二个共振点，y_1,2为所对应的幅值；分别将这两组数据进行归一化，y′_1,i＝y_1,i/Max₁,i＝1,2,....,M，y′_2,j＝y_2,j/Max₂,j＝1,2,....,N，其中，Max₁是第一组声波共振点中幅值的最大值，Max₂是第二组声波的共振点中幅值的最大值，得到的两组声波的共振点新的坐标为P′(f_1,1,y′_1,1),P′(f_1,2,y′_1,2),...,P′(f_1,M,y′_1,M)和P′(f_2,1,y′_2,1),P′(f_2,2,y′_2,2),...,P′(f_2,N,y′_2,N)；步骤5.2设置频率浮动区间的范围和权重：在每个求得的频率f附近设置一定的区间作为支持区间，设置支持区间的大小为2*r，则区间的范围为[f‑r,f+r]；在每个求得的频率f设置20*r大小的区间作为信任区间，该区间的范围为[f‑10*r,f+10*r]；在步骤5.1得到的归一化的两组声波的共振点新的坐标P′(f_1,1,y′_1,1),P′(f_1,2,y′_1,2),...,P′(f_1,M,y′_1,M)和P′(f_2,1,y′_2,1),P(f_2,2,y′_2,2),...,P′(f_2,N,y′_2,N)；将在步骤5.2中的第一组采集到的频率浮动区间A_i＝[f_1,i‑r,f_1,i+r],区间的权重赋值为m(A_i)＝y′_1,i，区间B_i＝[f_1,i‑10*r,f_1,i+10*r]，区间的权重赋值为m(B_i)＝1‑y′_1,i；第二组采集到的频率浮动区间C_j＝[f_2,j‑r,f_2,j+r]，区间的权重赋值为m(C_j)＝y′_2,j，区间D_j＝[f_2,j‑10*r,f_2,j+10*r]，区间的权重赋值为m(D_j)＝1‑y′_2,j；步骤6.对步骤5中的两组共振频率点的浮动区间权重进行融合：利用下面的公式对两组共振频率点的浮动区间进行融合，其中，X_k∈{A_i,B_i|i＝1,2,...,M}，Y_k∈{C_j,D_j|j＝1,2,...,N}，分别求区间A_i和区间C_j的交集，区间A_i和区间D_j的交集，区间B_i和区间C_j的交集，区间B_i和区间D_j的交集；是两个区间交集的中点，k是融合后的第k个频率点，min(M,N)是指M和N中最小的作为融合后频率点的个数；步骤7.根据步骤6得到了融合后的频率点f(k)，取相邻的两点频率点的间隔为I(n)，其中，当融合后的频率点f(k)为零，则进行舍弃，n为序列I的个数；步骤8.对于步骤7得到n个相邻共振点间隔的序列I(n),根据各个序列得到液位高度：其中，T为环境的温度，L(n)的均值为作为最终液位的高度。