时差测量（通用3篇）
时差测量 篇1
要测出容器中所装物品的高度，对于小型容器可以目测，或者用简单工具皮尺、标杆等直接测量出，但是对于一些特殊容器，例如大型煤仓、装有毒液体的储罐，密闭容器等，就要使用物位仪表测量。
物位测量仪表是测量液态和粉粒状材料的液面和装载高度的工业自动化仪表。物位测量仪表的种类很多，常用的有直读式液位计、差压式物位仪表、浮力式液位计、电容式物位仪表、超声波物位计、微波物位计和核辐射物位仪表。此外，还有电触点式、翻板式和机械叶轮探测式等物位测量仪表。超声波物位计与微波物位计使用性广，安装方便，精确度高，在现在工业中得到了越来越广泛的应用。
1 超声波时差测量技术
在超声波检测技术中，不管哪种超声波仪器，都必须把电能转换成超声波发射出去，再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波换能器，也称探头。将超声波换能器置于被测液体上方，向下发射超声波，超声波穿过空气介质，在遇到水面时被反射回来，又被换能器所接收并转换为电信号，电子检测部分检测到这一信号后将其变成液位信号进行显示并输出。
物位的计算：L=E-D
L=物位F=量程
E=净距离D=测量距离
T=时间C=速度
BD=盲区SD=全距离
发射器发送超声波，经介质表面反射后，接收器接受反射波，由发射器与反射物(介质表面)之间的距离可计算出物位高度：
由超声波在介质中传播原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中传播速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇到介质表面反射被接收所需要的时间，则可换算出超声波通过的路程，即得到了物位的数据。
要精确计算出物位首先要了解超声波特性，确定声波在某种介质中的传播速度C。
人耳所能听到的声波在20～20000Hz之间，频率超过20000Hz人耳所不能听到的声波称为超声波。超声波是机械波的一种，它的特征是频率高，因而波长短，绕射现象小，最明显的特性就是方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。
要测物位，声波在气体中的传播速度是关键。声音的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度。
声音在气体中的传播速度：
p=静态压力ρ=介质密度
=热容比T=温度
C0=0°C时声速
超声波是有衰减的，它的频率愈低，随着距离的衰减愈小，但是反射效率也小。因此，应根据测量范围、物位表面状况和周围环境条件来决定所使用的超声波传感器。借助不同的发射频率，可以测量的测量范围从4米到70米。
2 超声波物位测量的优点
超声波物位测量有着诸多的优点，非接触式测量，寿命长;不受介质特性的影响它可以准确地区别信号波和噪声，因此，可以在搅拌器工作的情况下测量物位，不受表面泡沫的影响。此外，在高温或吹风时也可检测物位，特别是可以检测高粘度液体和粉状体的物位。
3 安装要求
换能器发射超声波脉冲时，都有一定的发射开角。从换能器下缘到被测介质表面之间，由发射的超声波波束所辐射的区域内，不得有障碍物，因此安装时应尽可能避开罐内设施，如：人梯、限位开关、加热设备、支架等。另外须注意超声波波束不得与加料料流相交。
安装仪表时还要注意：由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离换能器较近的小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能测量其距离值。这个区域称为测量盲区。盲区的大小与超声波物位计的型号有关。安装时最高料位不得进入测量盲区;仪表距罐壁必须保持一定的距离;安装换能器时应使换能器发出的声波垂直于被测物体，使换能器能接收到较多的物体反射回来的声波，使测量更精确。在被测物体与换能器之间不能存在任何物体，以免使声波被遮拦物反射给换能器，造成实测距离为换能器与遮拦物之间的距离。
4 其他应用
微波脉冲测量仪、激光物位测量等，其工作原理与超声波相同。只是探头发射的为微波或者红外线。
由于微波及红外线的速度接近光速，从照射到接收的时间很短，所以利用取样电路扩大成毫微秒数量级，便于信号处理，进行时间的测量。利用微机进行数据处理，变为数字显示物位值的模拟输出信号。这种传感器可应用于钢铁工业连续铸造装置的砂型铁水液位高度测量。还可以应用与狭窄开口容器及高温、高精度的液面测量。
摘要：超声波物位计是一种非接触式的物位传感器, 应用领域十分广泛。其工作时向液面或粉体表面发射一束超声波, 被其反射后, 传感器接收此反射波。设声速一定, 根据声波往返的时间就可以计算出传感器到液面 (粉体表面) 的距离, 即测量出液面 (粉体表面) 位置。
关键词：物位测量,超声波,时差
时差测量 篇2
妈妈带着我和姐姐来到了加拿大温哥华。7月20日我们乘坐广州到香港的.火车，再乘坐香港到台北的飞机， 在台北转机后到达温哥华。台北时间23：00点起飞，机场的免税商店灯火通明，商品琳琅满目。飞行时间11个小时后，到达温哥华。当地时间是7月20日19：00点。哇，一下飞机，凉爽的空气扑面而来，舒服极了。飞行报告地面温度是22度，此时想起广州37度的高温，天天躲在家里叹空调，啥也不想做，来到这美丽舒适的城市，我要好好享受温哥华的假期。温哥华晚上7，8点钟，天空还很亮，机场大厅很多人，非常热闹。请问台北和温哥华时差是几小时?
23-(19-11)=15(小时)
时差测量 篇3
被动定位是声呐、雷达等领域的重要课题。它利用目标自身辐射的信号对其位置进行估计, 测量系统本身不发出任何信号, 有相当强的隐蔽性;同时, 由于它利用目标发出的连续噪声信号进行测量, 可以得到比主动定位更高的取样率, 实现对高速目标运动轨迹更精细的刻画[1,2]。
相对于需要大量运算的匹配场定位 (MFP) 和跟踪速度慢的目标运动分析 (TMA) , 被动定位中的成熟应用是根据信号空间分布差异进行目标位置估计。一般由多个接收基元组成短基线测量基阵, 通过信号到达不同位置的接收基元信号的时间差异 (TDOA) 来估计目标位置[3,4,5]。
用被动方法完成对运动目标的定位跟踪是水声测量中的难题, 特别在浅海复杂多变的物理场和现场测量强干扰条件下, 被动测量获取的TDOA数据往往野值多、离散性大, 给目标定位带来很大困难。
在现有被动测量时延数据精度水平下, 采用主控计算机和微控制器主从结构, 以微控制器为中心实现系统控制、数据采集和数据交换等, 以主控计算机和改进的多点球面内插法为核心实现目标运动轨迹的实时处理和显示。
1 总体方案设计
要实现被动测量中的数据实时处理, 需要解决的问题有:时延数据的采集和存储、时延数据的综合处理、测量平台的姿态修正、定位解算和输出显示。其中, 多通道的时延估计需要在统一节拍控制下实现每秒20次时延解算和输出, 而没有人工参与的实时定位解算也需要对时延数据进行适当的预处理。
根据实际需求, 需要计算机平台实现基于球面内插法和最小二乘估计的定位算法, 对水下目标运动轨迹进行实时处理, 同时存储原始时延数据用于目标运动轨迹事后精细处理与分析。因此, 实时处理平台采用主控计算机和MCU主从控制结构, 由主控计算机实现目标运动轨迹的实时处理和显示并完成人机交互, 而基于MCU的数据采集控制电路根据主控计算机的指令实现对时延信号处理等部分的可靠控制、采集测量数据和向主控计算机传送数据。
2 实时处理平台结构设计
基于上述总体思路, 部署实时处理应用软件的平台由主控计算机 (工控机) , 人机交互设备, 数据采集控制设备, 模拟调试设备和数据转换接口设备等组成。其部署的结构视图如图1所示。
主控计算机作为系统的控制中心, 采用工控计算机以提高强干扰环境下系统工作的可靠性, 用于实现人机交互, 通过键盘鼠标和触摸屏等多种方式, 接收操作者发出的控制指令, 并通过液晶显示屏和声音提示告警向操作者提供系统的运行信息。系统测量计算得到的信息, 如目标位置、轨迹和设备状态信息等都在显示终端上实时显示。主控计算机作为上位机对数据采集控制设备发出控制命令、采集并存储测量数据, 根据获取的测量数据实时处理并显示目标轨迹。通过网络或磁盘交换等手段实现与后置处理计算机的数据交换, 将数据用于事后目标运动轨迹精细处理, 并实现对测量系统任务的管理。
数据采集控制设备由CPU, 通道选择, 总线扩展, 状态指示, 信号接口和调试接口等组成。
数据采集控制设备的CPU采用AVR MEGA16单片机, 与外围相关器件构成了数据采集控制设备的智能中心, 完成对全系统各分机的控制, 包括数据采集和与上位主控计算机的通信传输等。
数据转换接口一方面通过译码通道选择, 确定读取通道的数据内容;另一方面根据工作状态, 选择数据来源是现场测量还是模拟调试数据。
模拟调试电路, 模拟各测量分机的工作过程, 向数据采集控制设备逐点提供测量数据, 以便系统隔离单独调试, 实现故障快速诊断。
系统的硬件设计采用了抗干扰等技术措施, 确保了在强电磁干扰环境下的工作可靠性。
3 软件设计
在硬件设计基础上, 开发了主控计算机软件和数据采集控制分机软件, 二者之间通过专用数据通信协议实现信息交换。主控计算机软件包括时延数据综合预处理、目标轨迹综合处理及显示、系统管理以及计算机操作系统等;数据采集控制分机软件包括对系统各分机测量控制、控制接口应用、数据采集存储等。
3.1 专用数据通信协议
数据采集控制分机与主控计算机采用标准串行口通信[6], 通信协议主要内容包括通信波特率为38.4 Kbps, 无奇偶校验位, 8位数据位, 1位停止位。二者采用一问一答方式, 数据采集控制分机收到控制命令并确认后, 应答包文序号从0到0x FFH循环。
主控计算机对数据采集控制分机发出的控制命令主要有:自检命令、校准命令、目标轨迹测量、外同步轨迹测量、通信测试、结束运行、上传异常特征码等。在命令间切换时, 先发送停止命令, 再选择新命令。
专用通信协议的采用, 保证了系统控制和数据传输的可靠性, 同时提高了执行效率和响应速度。
3.2 数据采集控制分机软件
数据采集控制分机在主控计算机的控制下, 实现对全系统各分机的管理控制和数据采集存储。其主要功能包括:
接收主控计算机的控制命令;
向主控计算机发送测量数据;
响应按键实现系统重新启动;
根据主控计算机的控制命令, 完成特定状态下的系统控制、数据采集和传输;
系统没有启动工作时定时上传电源异常特征码;
通过状态指示灯提示系统工作状态。
数据采集控制分机的软件可分为初始化和测量采集循环两部分。为了在规定的时间内完成规定的任务, 数据采集控制分机的软件设计成死循环模式, 通过查询50 ms工作周期定时器标志的方式来提高执行的效率。当系统加电或重新启动后, 进行系统初始化设置, 完成后进入硬件看门狗→显示状态→查询定时器标志的死循环。
当定时时间到后, 根据查询的检测命令标志和执行命令标志, 确定系统软件执行的流向。在没有命令需要处理的情况下, 定时上传电源异常特征码。而所有的命令操作, 包括对时延估计分机发送控制字和启动命令、采集测量数据、与主控计算机的串口通信、设备状态显示、没有任务时定时监测上传电源状态等, 都设计成独立的子程序, 根据需要调用。这样, 就可以保证在50 ms的工作周期内, 完成所有必需的操作。
3.3 球面内插法实时定位解算
目标轨迹实时处理的核心是对球面内插法的最小二乘估计。球面内插法SI (Spherical Interpolation) 定位是一种基于TDOA的目标被动定位估计方法[7]。能够直接给出目标位置估计结果, 不需要迭代和搜索, 其效果优于球面交汇法SX (Spherical Intersection) 和平面交汇点法PX (Plane-Intersection) 。它的计算量很小, 而且仅仅涉及一些矩阵的代数运算, 容易实现, 在实时信号处理中有很大的应用价值。
球面内插法没有直接利用测量方程进行计算, 而是用方程差代替一般估计中的测量误差, 将非线性优化问题转变为一个带有非线性约束条件下的线性优化问题;它放弃了非线性约束条件下的线性优化问题中的非线性约束条件, 进一步将问题简化为一个简单的线性优化问题, 从而用加权最小二乘方法求得解答, 简化了问题的求解过程, 使之可以实时实现[8,9]。基本原理如图2所示。
设基阵坐标系原点为O, 被测目标为S, OS=Rs, Oi=Ri, Di=Rs+di, di为程差。
在基阵坐标系中, S的矢量为, i的矢量为
将Di=Rs+di代入式 (1) , 得:
由于存在干扰和噪声, 其等式右边不可能为0, 可设为一个误差εi。
这样就可以对半空间6基元测量阵列出5个线性方程:
写成矩阵形式:
其中:
用方程差代替一般估计的测量误差, 它与待估计的参数R和X成线性关系。这样一来, 问题就转化为线性估计问题。从严格的意义上讲, 这里的估计问题应该是一个带有非线性约束条件的线性优化问题, 因为参数R和X必须满足非线性约束条件XTX=R2。这个非线性约束条件的引入将给优化问题带来很多困难。在球面内插算法中, 放弃了这个约束条件, 使问题得到简化。而模拟计算结果表明, 放弃了这个约束条件以后的解答基本上可以近似满足这个约束条件。
利用式 (2) 求解目标坐标可以有很多种方法, 如最大似然和最小二乘方法等, 最大似然方法必须知道误差的概率分布函数, 一般用最小二乘求解, 因为这种估计方法不需要知道误差的概率分布。
采用最小二乘方程差估计定位算法LSEE (Least Square E-quation Error) 求解目标位置时, 仅仅涉及矩阵的代数运算, 比较方便, 容易实现。但是, 在实时测量中, 对每一个测量点都要矩阵求逆运算, 计算量比较大。
另一种求解目标位置的方法是采用两重最小二乘估计算法。它将未知数分为两部分, 分两次使用最小二乘估计方法分别求得其解。
首先, 假设方程中的R已知, 对X求方程差最小二乘解。由最小二乘估计理论知, 要使ε值达到最小, 就要对上述矩阵求导, 令其导数为0, 从而解出Xs。
令 (δ-2R, Rd) =Z, H=2S, 可得:
令其为0, 则HTZ=HTHZs, 可得:
代入式 (3) 得:
令PS1=I-S (STS) -1ST, 其中I为单位矩阵, 而S (STS) -1ST和PS1皆是对称矩阵。式 (5) 化成:
这样令PS1·δ=Z, 2PS1·Rd=H, 得ε=Z-H·Rs。再作一次最小二乘, 得:
代回式 (4) , 可得:
可求得目标得轨迹点的x, y, z坐标值。
式中很多部分与TDOA测量值无关, 可以事先算好;不用进行矩阵求逆运算, 减少计算量, 计算时间要少, 适宜运用在实时处理中。
3.4 坐标方位摇摆修正
利用球面内插法求出的目标坐标值, 都是以测量基阵坐标系为参考的。实际情况基阵是刚性固定在测量船上, 而测量船在海上抛锚时随着风浪、海流俯仰倾斜, 而且其船首在测量过程中也不是在一个固定的方向, 因此, 目标在水平面及大地坐标的位置必须进行补偿。即把相对于测量船的坐标转换成相对于大地的坐标。尤其在风浪较大时, 摇摆更大, 不考虑这个, 甚至会计算出目标出现在海面上的情况。
方位摇摆系统由陀螺仪指示船首方向与正北方向的夹角, 由水平仪提供每组数据中测量船的俯仰角、倾斜角。根据这三个量, 在求出基阵坐标系中每个点的坐标后, 进行实时补偿, 以求出大地坐标系中的目标坐标值。
基阵的X轴是船艏向顺时针旋转45°Y轴是船艏向逆时针转过45°, Z轴指向天, 安装情况如图3所示。方位摇摆系统的坐标系固定在船上, 水平仪的内环轴安装在基阵Y坐标上, 外环轴安装平行于X轴。由基阵坐标系求出的目标坐标XS[0], XS[1], XS[2]可以通过式 (10) 运算, 转换到大地坐标系中。
其中各角度的定义及正负号按照右手螺旋法则, Z轴定义向上为正。
rry为纵摇角或俯仰角, 为基阵Y轴绕X轴旋转的角度, 上翘为正。
rrx为横摇角或倾斜角, 为基阵X轴绕Y轴旋转的角度, X轴下沉为正。
rrz为方位角, 当船首与正北方重合为0°, 与正东方向重合为90°。
3.5 时延数据预处理
在数据实时处理过程中, 通过记忆滤波、稳健技术、自适应技术[10], 及时准确剔出野值, 实现了对时延数据的实时综合预处理。
记忆滤波根据时延数据和定位计算获得的目标距离的变化快慢, 采用单极点滤波、最小二乘法、卡尔曼滤波和最大似然估计等记忆处理;稳健技术包括处理离散异常点的中值滤波、处理非高斯数据的L型滤波、处理复杂数据的迭代加权拟合等, 在出现异常时仍具有较好性能;自适应技术是根据实时获取数据的变化, 自动调整数据处理的相应参数, 包括对通道的自适应加权、进行时间窗口自适应变化。
采取上述措施, 使后续处理的目标轨迹既能保证连续性, 也能满测量精度要求。避免了因起始段距离远、误差大导致的计算结果过于离散, 无法显示准确方位的问题, 实时处理效果较好。
4 应用情况
利用模拟调试电路提供的预设螺旋线目标轨迹数据对系统进行考核, 对被动测量数据实现实时处理, 与预设理论轨迹完全一致, 系统的数据采集交换正确可靠, 轨迹处理和显示实时性好。
应用上述处理方法, 对某水下高速运动目标被动测量数据进行实时处理, 实时处理显示目标轨迹截如图4所示。
其中, 左图显示目标在第二象限由远及近向第三象限运动, 过靶规避向右回转;右图显示目标回转再搜索后过靶, 向第四象限运动的轨迹。由图4可以看出, 水下目标由远及近追踪位于第三象限的声源, 经100米左右的回转半径后第二次追踪目标。从运动轨迹的离散特点也可以看出, 朝测量阵径向运动时运动轨迹离散度小于回转时, 远距离轨迹离散程度大于近距离, 符合被动测量对方向的估计较距离估计更精确的规律。利用数据综合预处理和球面内插法, 由被动测量时延数据实时处理的目标轨迹离散度小, 连续性高, 可以清楚地掌握目标在水下运动的现场状况, 目标的回转、机动等动作趋势明显, 最终停止的方位基本准确。同时, 通过与内测数据和事后精细处理的轨迹比对, 一致性好, 充分证明了球面内插法实时处理的目标轨迹准确、可信。
5 结语
水下高速运动目标的被动测量和测量的实时性是测量设备的难点所在。针对被动测量的实时性需求, 采用高速同步数据处理控制电路, 在主控计算机的调度下自主实现节拍式时延数据采集、传输和处理。采用高性能工控机, 对时差法被动测量时延数据实时综合预处理, 利用球面内插法定位解算实现了轨迹的实时处理并显示, 提高了水下运动目标轨迹测量数据的实时处理精度。
采用时差法被动测量数据实时处理, 已成功保障ХХ装备海上定型试验任务。试验结果证明:系统设计合理, 功能完善, 具有良好的通用性和海上适应性, 并可推广应用于舰船、潜艇等其它水中运动目标的被动测量定位跟踪, 具有明显的军事、经济效益。
摘要：为实现时差法被动测量数据的实时处理, 采用主控计算机和微控制器主从结构及其相关软件功能设计和实现一个实时处理系统。该系统的核心处理软件采用改进的多点球面内插法, 结合数据的综合预处理步骤, 实现了对高速运动水下目标测量数据的轨迹实时处理与显示。实际使用验证, 该系统实时处理结果离散度小、与事后处理结果一致性好、通用性和海上适应性良好, 具有明显的军事和经济效益。
关键词：被动测量,球面内插法,实时处理,时差法
参考文献
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