一种新的采用LFM波的超声液位测量技术研究

　　超声是一种成本低廉的测量技术，广泛应用于各种测量场合，是液位测量的主要方法之一. 然而，这种低廉的测量技术因发射信号经常采用单一脉冲方波或单频率调制脉冲波，其发射信号频率低，因此纵向分辨力和测量准确性不高; 除此之外，利用反射回波信号幅度确立返回时间点的方法受到波形变化的影响较大，因此测量准确性不高，特别是在液面波动状态下，测量误差更大. 为此，如何改善超声液位测量方法和提高系统的准确性已成为研究热点.

　　Terzic等[1]以v-SVM分类算法为基础，利用径向基核函数方法补偿由于车辆移动引起的罐内液面波动带来的测量误差; Currie等[2]采用新型超声波换能器来减小单脉冲激励时测量钢水溶液带来的不利影响; Terzic等[3]采用支持向量机的方法研究动态环境中燃油液面距离超声测量情况，但是这些研究前提都是把液体作为刚性体来处理; 黄新建等[4]利用数字采样技术分析和补偿超声波的回波前沿，从而提高超声波测量降雨量的准确性，但是在强降雨时，液面的波动干扰会淹没回波的前沿以至于无法判断; 焦冰等[5]利用IIR滤波器和假设检验方法对回波的起始点进行滤波和识别; 徐沾伟等[6]利用声学自校正原理来消除声速的不确定性对雨量测量带来的影响，同样是把雨水作为刚性体来处理.

　　线性调频波是一种频率线性调制的信号，具有大时宽带宽积的特点，能够在增加作用距离的同时获得好的距离分辨力[7]. 目前超声液位测量系统中假设液体为刚性体，而实际上液体为弹性体[8]，当超声波触碰到液体表面时，由于声压的作用液体表面将偏离原来的位置，造成测量误差. 作者将线性调频波作为超声液位测量系统的发射信号，研究其对系统性能的影响，通过实验确定修正量，并从理论上分析修正量选取的合理性，修正超声渡越时间.

　　1 测量原理

　　线性调频波有三角波和锯齿波两种调制方式[9]，该文中采用锯齿波调制方式. 线性调频波超声发射信号的表达式如下

　　其中: A为发射信号的幅度; fc为线性调频波的载频; K= B/T为调频斜率，B为带宽，T为时宽;为矩形函数，其表达式如下

　　当超声波作用于空气-水这种“十分坚硬”的分界面时将会发生全反射[10]. 超声波的反射回波相对于发射波将产生一个时延τ ，其表达式如下

　　其中: P为超声波回波的幅度; τ=2R/c+td，R为超声波换能器到液体表面的距离，c为超声波传播的速度，td为液体受声压作用引起的渡越时间偏移量.结合线性调频波大时宽带宽积的特点，对回波信号进行脉冲压缩处理[11-12]. 脉冲压缩常用的方法是匹配滤波方法，其有时域和频域两种方式[13]. 根据匹配滤波理论，匹配滤波器的脉冲响应的表达式如下