基于相位分析的超声波噪声信号抑制算法

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1、第37卷第1期铁道技术监督研究与交流Vol_37N0．1STUI)YANDCOMMUNI(：ATIONS基于相位分析的超声波噪声信号抑制算法彭瑾，王黎，高晓蓉，王泽勇f西南交通大学理学院．四川成都610031)摘要：针对超声波射频(简称RF)信号的特点，确定了一种基于离散傅立日十变换(简称DFT)加窗的相位分析方法。经过对超声波RF信号相位信息的分析，提取出2路超声波信号相位信息，再解析测量误差。提出解决办法。通过噪声抑制算法应用，给出仿真结果及应用实例i关键词：超声波信号相位差测量；噪声抑制一。-一一中图分类号：0426文献标识码：A文章编号：1006～917

2、8(2009)01一-0034-一-04hbstrael：Inthispaper，inaccordancewiththecharacteristicsofulwasonicRFsigna1．akindofadding-windowPhaseAnalysisMethodbesedonDFTisproposed．Meanwhile，by矗na1，洳gthephaseinfo~,nationofultrasonicRFsignal,apairofultrasonicsignalphaseinformationa蝤extracted．ardthenthemeasurem

3、enterrorisanabzedthesolutionsareproposed．Finally，出eapplication稻rnoisesuppressionalgorithmisdoneandthes．：mlltationre-suitsandapplocationexalmpIesaregivenaswelt．。。誓_。l_00KeyWords：UltrasonicSignal：~PhaseDifferenceMeasurementNoiseSuppressicn-超声波信号具有噪声显著、频率高、周期性定程度上影响了测量精度。因此，为了从采集的信等特点．其

4、噪声显著这一缺点，导致在很多应用号中提取出有用信号，去除噪声，需采用一定的算场合难以分辩有用信号信息。相位差数字测量按法对其进行去噪处理。采用基于相位的方法去噪，实现途径可分为硬件法和软件法。硬件法先通过通过分析超声波RF信号的相位信息，根据提取出硬件电路和微机定时器测量2个信号初相位的时的2路超声波信号的相位信息，进行噪声抑制算法间差，再将时间差变换为相位差。软件法通过对应用。表1是各主要相位检测方法的比较。2个信号瞬时值采样，对采样数据分析处理，得表1主要相位检测方法比较到相位差的估计值，目前主要有过零点法、数字相位检测方法优点缺点相关法、DFT法等。当信号

5、受噪声干扰时．过零过零点法测量分辨率高，线性好．受谐波或噪声干扰时点法的相位差测量误差较大；数字相关法有很好易数字化测量误差较大的抑制噪声能力，但要求对周期信号实行严格整数字相关法抗随机干扰能力强，测量难以消除谐波干扰准确度高周期采样；DFT法一般也需要严格整周期采样．最小二乘法准确度高，适合处理低频数据处理量少，对于否则其精度受频谱泄漏和栅栏效应影响．但其对信号高频信号，相对误差大噪声抵制作用显著。基于加窗131~r实现简单，计算量较小，频谱的泄漏导致产生算法计算速度快，可有效抑制相位测量误差1超声信号特征谐波对基波相位差测量的影响超声波频率高，需要较高采样频

6、率和较大的样本，才易获得较高分辨率和精度的相位差估计值。根据以上综合分析，结合表1中各相位计算方这样用于估计的数据量大，计算延时大。而且，超法特点l1，选取DFF法作为算法。主要是由于声信号的噪声异常显著，无法分辨出伤波信号、回其计算速度快。通过加窗，可以有效抑制谐波对基波信号，对系统检测带来了很大的不利因素，在一波相位差测量的影响．适当增加采样点数．可减小量化误差和噪声影响：通过“软件校正”，可有效收稿日期：2OO8-一09—12消除信号前置通道的传输失真。作者简介：彭瑾，硕士研究生·34·2009年1月(总第267期)铁道技术监督第37卷第1期2算法原理数字

7、化测量相位差。必须先对信号有限化，把无限长的信号限定为有限长，相当于在时域乘一个窗函数。由此产生频漏误差。频漏误差主要来自2个方面，由信号负频分量引入的长范围泄漏和由窗的扇形损失引入的短范围泄漏。提高DFT分析精度的关键在于尽可能减小这2种误差，采用性能优良的窗函数可抑制泄漏。对于周期信号的分析，采用广义余弦窗．可有效抑制谐波对相位差测量的影响。广义余弦窗窗函数在时域一般可表示为W(Ln)=厶ahcos——(Ln=O，1，2⋯1～~-1l)(1)0V=式中．日表示系数的项数，h表示每个分量的系数．ah表示组合窗的系数，n表示序列的项数，Ⅳ图1数据处理流程表示总序

8、列数。较多项数的窗函数能