基于时变信号模型和归一化格型陷波器的科氏流量计信号处理方法

　　1　引　言

　　目前,国内外相关研究机构将数字信号处理技术和DSP芯片应用于科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)的信号处理[1~8]。但是,这些研究都是基于信号的频率、幅值和相位不随时间变化这一假定,即基于时不变信号模型。然而,实际上科氏流量计信号由于受到管内流体的流速、密度和流体脉动等因素变化的影响[9,10],其信号特征是随时间变化的。

　　为了更真实地描述科氏流量计的信号的实际特性,文献[11]中提出了以频率、幅值和相位均按照随机游动模型(RandomWalkModel)变化的信号模拟科氏流量计信号,并初步研究了一种采用直接型IIR自适应陷波器和滑动Goertzel算法的信号处理方法,从含有噪声干扰的信号中,准确测得质量流量。文献[12]针对文献[11]中不能实时求得相位差和时间差的这一缺点进行了改进,采用重叠的矩形窗对增强后的信号进行截取,通过冗余计算来去除滑动Goertzel算法收敛过程的影响,实现了两信号之间相位差和时间差的实时计算。但是,文献[11,12]所采用的直接型IIR自适应陷波器计算复杂,并且对参数初始值的选取较为敏感。为此,本文采用计算更为简单的自适应归一化格型陷波器取代直接型自适应IIR陷波器,与滑动Goertzel算法相结合处理科氏流量计的信号,并实现两信号之间相位差和时间差的实时计算。

　　2　信号模型

　　文献[11]中定义如下信号模型来模拟真实的科氏流量计信号:

　　3　自适应归一化格型陷波器

　　归一化格型波器的结构如图1所示[13]。图中

　　由于陷波器在开始工作时并不知道信号的频率,所以它必须首先检测信号的频率并进行跟踪,因此θ1必须能自动的调整,即θ1(n)。由图1可以得到

　　4　相位差及时间差的计算

　　计算相位差和时间差时需要对信号进行截取,为了实现相位差和时间差的实时计算,在截取时使用了重叠的矩形窗。通过大量的仿真,选取窗的宽度为400个采样点,前后两个窗重叠350个采样点,即

　　这里窗的宽度和重叠区宽度的选取充分考虑到计算精度和计算量的均衡。如果窗和重叠区的宽度过大,将导致计算量的显著上升。过小则可能使滑动Goertzel算法还未完全收敛,从而影响最终的计算精度。

　　滑动Goertzel算法[14]如图2所示。

　　其中,^ω(n)为信号频率的估计,fs为采样频率。每个矩形窗的相位差计算结果只保留后50点,前350点被舍弃,从而去除了滑动Goertzel算法收敛过程的影响。