基于时变信号模型和格型陷波器的科氏流量计信号处理方法

　　1　引　　言

　　科里奥利质量流量计(以下简称为科氏流量计)要求其信号处理电路精确地测量出来自两个流量传感器信号的相位差。目前,国内外正在采用数字信号处理技术来解决这个问题[1 4]。但是,均是以频率、幅值和相位不随时间变化的信号模型作为研究对象,而实际的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[5 6],这些特征是随时间变　　化的。

　　为了更为真实地描述科氏流量计信号的实际特性,文献[7]提出以频率、幅值和相位均按照随机游动模型(Random Walk Model)变化的信号模拟科氏流量计信号,并初步研究一种新的信号处理方法,从含有噪声干扰的信号中,准确测得质量流量。文献[9]针对文献[8]中不能实时求得相位差和时间差的这一缺陷进行了改进,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。然而,文献[8 9]所采用的直接型IIR自适应陷波器计算复杂,且对参数初始值的选取较为敏感。文中采用计算更为简单的自适应格型陷波器取代原先使用的直接型自适应IIR陷波器,并通过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。为检验方法的有效性,首先采用Matlab进行计算机仿真,然后在以ADSP21065LDSP为处理核心的测试平台上对算法进行测试。

　　2　信号模型

　　文献[8]中按式(1)所描述的模型来模拟真实的科氏流量计信号:

　　式中:e(n)是零均值、方差为1的白噪声。幅值A(n)、归一化频率ω(n)和相位(n)按照随机游动模型变化,即:

　　3　自适应格型陷波器

　　图1为一种级联的全极点和全零点格型陷波器,其传递函数为:

　　k0在经过一段时间自适应后应该收敛到-cosω,ω是信号u(n)的归一化频率。α决定着陷阱的带宽。其自适应算法如下[7,10 11]:

　　4　相位差及时间差的计算

　　为实现相位差和时间差的实时计算,在对数据进行截取时要使用重叠的矩形窗。经过大量的仿真确定每个窗的宽度为400个采样点,前后两个相邻窗重叠350个采样点,即

　　式中:W(n)表示窗中的第n点,k表示窗口号。窗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。过小则可能使得滑动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[12]如图2所示。