一种获得两组超声换能器接收信号时滞互相关函数峰值的方法与流程

本发明属于涉及信号处理领域，更具体的说涉及一种获得两组超声换能器接收信号时滞互相关函数峰值的方法。

背景技术：

1、在水轮机机组能效评价及其流量测量领域，传统的时差法超声测流技术因其对测量管段的长度、直线性以及流态稳定性具有较高的要求，在实际应用中常受到结构场地限制，特别是在水电站进水口、导流弯道和短流道等复杂水力环境下，难以满足准确高效测量的需求。与此同时，其他流量检测方式如机械式流量计或电磁流量计，尽管在某些场合具备一定的测量能力，但往往存在装置侵入流场、易受杂物影响、需要定期维护或校准、甚至可能导致水头损失等诸多不足，无法充分适应水轮机长期安全高效运行的实际需求。

2、近年来，声学闪烁法（acoustic scintillation method, asm）作为一种新兴、非侵入式的流量测量技术，凭借其无运动部件、不损失水头、抗杂物干扰、免维护和校准等诸多优势，逐渐成为水轮机进水流道流速检测的重要候选方案。该方法主要通过在测量断面的一侧布设两组超声发射器，另一侧对应布设接收器，并利用水流的湍流结构对超声波传递的影响，实现对流速的高精度测量。由于水流湍流会随流速变化实时扰动超声信号，使接收端信号幅值产生复杂、随机的波动，若两条传播路径的间距x足够接近，下游接收端的信号波动趋势与上游基本保持一致，仅存在一个固定时间延迟。通过对上下游接收信号进行互相关分析，可以精准提取该时间延迟t，进一步结合超声声路间距，解析得到水体流速及流量，为水轮机机组能效评估提供关键数据支撑。

3、然而，为获得高精度时延判定，尤其在复杂流道、水流紊乱及多路径回波等噪声条件下，互相关函数主峰定位的稳定性和准确性仍然是实现该技术工程化应用的核心挑战。现有互相关分析算法往往因多径效应、回波能量分散或突发噪声干扰，导致主峰判定存在误差，甚至出现伪峰或主峰漂移，严重制约了流量测量结果的可靠性和实时性。针对上述难题，本发明提出了一种融合自适应窗函数提取、多尺度加权增强、多分辨率递进分析、最小二乘拟合及插值等技术的高精度互相关峰值判定方法，通过智能提取能量集中的回波片段、增强真实峰值、抑制噪声伪峰，并采用动态跟踪和异常校正策略，有效提升了两组超声信号时滞搜索的准确度和稳定性。该方法适用于进水口短流道、渐变弯管等复杂水力环境，可为水轮机机组流量测量和能效评价提供高可靠性数据支持，具有重要的工程推广价值和广泛应用前景。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有声学闪烁法（asm）超声测流过程中，由于复杂流道环境与高噪声背景影响，导致超声信号能量分散、主峰特征不显著、噪声伪峰干扰严重，从而使互相关主峰定位和时延判定精度不足的问题，并针对1mhz高频采集信号体量大、实时处理与存储压力高的技术瓶颈，提出一种自适应窗函数回波提取、多分辨率递进分析、峰值权重增强与动态跟踪相结合的高效信号处理方法，实现对复杂水力工况下超声信号中真实回波的准确识别、主峰的高精度定位及噪声伪峰的有效抑制，同时通过特征提取与数据稀释，确保原始高频数据的高效管理与实时流量测量精度，大幅提升声学闪烁法测流在水轮机复杂进水流道中的实用性和可靠性。

2、为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的方法，包括：

3、自适应窗函数提取与多路径回波分离，对两组换能器接收信号进行初步分析，采用非等长自适应窗函数提取算法，在不同时间段智能筛选出能量集中的回波片段，并有效分离多路径回波；

4、峰值加权增强与噪声抑制，在互相关计算前引入峰值加权，通过计算每个采样点短时能量和统计峰度，动态调整各点权值，实现对真实回波峰值的增强与噪声伪峰的抑制；

5、多分辨率互相关函数递进分析，采用分层递进的多分辨率互相关分析方法，进行粗粒度时间分辨率互相关，快速定位主峰区间；随后逐步缩小分析区间并提升采样精度，通过插值与局部细化算法，动态自适应调整相关窗和分辨率；

6、基于最小二乘拟合与插值优化峰值定位，在确定主峰区间后，对互相关函数局部峰值点采用最小二乘二次曲线拟合与高阶插值优化联合算法，

7、通过采样点周围数值进行非线性拟合，结合信号物理模型特性，进一步提升峰值定位精度；

8、峰值动态跟踪与时间差判别输出，采用动态跟踪算法，实现同批次或连续采样多组信号时滞结果的稳定输出，依据历史峰值分布与噪声统计变化，自主判别异常点并校正输出结果。

9、在一个方案中，所述方法包括：

10、非等长自适应窗函数提取算法，用于对两组换能器接收信号进行初步分析，通过滑动窗口技术实时探测信号局部能量及窗口内方差、窗口内峰度参数，并根据信号瞬时能量变化和统计特性自主调整窗函数宽度与位置；

11、采用自适应方式设定能量阈值，根据全信号能量分布和噪声背景自动更新，并结合窗口内峰度判断局部异常点的显著性，窗口在局部能量及峰度满足预定标准时，自动延展窗口长度，捕捉和覆盖能量集中的回波片段，且设有重叠区域检测机制，对相邻窗口能量及峰度高度相关或信号特征连续时进行窗口合并，实现多路径回波分离。

12、在一个方案中，所述峰值加权增强与噪声抑制，在自适应窗函数提取输出后，于互相关计算前对每个采样点通过计算短时能量和局部统计峰度等物理特征赋予动态权值，所述权值由能量和峰度的综合函数确定，经过归一化，使权值最大不超过1；

13、通过权值修正后的序列替代原始信号参与互相关函数计算，提升真实回波峰值，抑制噪声伪峰；

14、所述峰值加权增强与噪声抑制机制包括局部自适应平滑，对权重序列采用滑动平均或中值滤波操作，削弱噪声尖峰，并可对权值序列进行上下限剪切，防止权值溢出或放大异常点；

15、采用局部统计自适应调整，根据采样点所属片段统计特性与全局特性差异动态调节权重，设置局部优先级因子，增强能量较弱的多径回波，防止其被全局分布掩盖。

16、在一个方案中，所述的多分辨率互相关函数递进分析，包括：采用分层递进的多分辨率互相关分析方法，在峰值加权增强基础上，以权重处理后的信号序列为输入，先进行粗粒度时间分辨率互相关，快速定位主峰区间，再逐步缩小分析区间并提升采样精度，通过插值与局部细化算法动态自适应调整相关窗和分辨率；

17、所述多分辨率互相关函数递进分析步骤以递进方式逐步逼近主峰所在位置，采用动态区间调整和分辨率缩放策略，多次迭代收缩主峰区间、减小相关步长，通过插值与拟合优化，实现主峰定位；

18、结合主峰宽度、对称性、能量分布判别指标，过滤异常伪峰，并在多分辨率层级产生多主峰候选点，通过主峰集合间时域分布规律、主峰能量分布和信号统计特性协同度进行筛选和校准，最终获得可信主峰延时点。

19、在一个方案中，所述的基于最小二乘拟合与插值优化峰值定位，包括：在确定主峰区间后，对互相关函数局部峰值点采用最小二乘二次曲线拟合与高阶插值优化联合算法，通过主峰附近的若干采样点进行二次多项式拟合，得到局部拟合曲线，并以拟合曲线极值点作为亚采样级主峰定位结果；

20、引入高阶插值优化，对拟合区间内相关函数采用三次样条插值或多项式插值，获得连续型相关函数，并在插值结果上搜索极值点，实现更高精度的峰值定位，二次拟合与高阶插值并行，所得两个峰值位置选取拟合残差最小者作为最终判定。

21、在一个方案中，所述的峰值动态跟踪与时间差判别输出，包括：通过分析峰值延时序列的时序结构、统计分布和噪声干扰规律，采用统计滤波与趋势建模，构建基准时滞序列并以滑动窗口宽度自适应调节，缓解突发噪声影响，兼容时滞趋势变化，剔除极端离群点；

22、进一步自适应异常判别与校正，通过偏差分析和噪声容差阈值判定异常点，采用插值，异常点回归窗口趋势，正常点保持原位，并记录异常标记，对于复杂噪声背景，结合峰值能量、局部形态和相关信号统计参数加权选取主峰延时点，并采用历史主峰概率模型和时序漂移趋势，优先选择统计稳定主峰点。

23、在一个方案中，所述窗口调整策略包括窗口自收缩机制，窗口末端局部能量及峰度急剧下降时自动收缩窗宽，结合局部变化率控制窗宽变化速率；利用时序聚类机制，对所有提取窗口中心时刻及窗口内相关性进行聚类分组，判别多路径回波并分别存储，为后续高精度互相关分析提供能量集中的有效回波片段。

24、在一个方案中，采用多窗口递进策略，在不同尺度的回波窗口分别计算短时能量、峰度和局部统计量，进行权值组合，实现多尺度权值叠加，提升主峰辨识能力和对不同时间尺度回波与噪声的适应性。

25、在一个方案中，所述的基于最小二乘拟合与插值优化峰值定位，依据主峰能量集聚和对称性特性实现区间宽度与插值阶数自适应调整，针对多主峰区间分别进行拟合和插值，数组化存储多组延时候选点。

26、本发明有益效果：

27、本发明通过引入非等长自适应窗函数提取、多路径回波分离、峰值加权增强及噪声抑制、多分辨率互相关函数递进分析、最小二乘拟合与插值优化峰值定位，以及峰值动态跟踪与异常判别校正等多环节协同算法，实现了对复杂水电机组环境下超声换能器接收信号的高精度时滞提取。

28、本发明通过融合自适应窗函数回波提取、多分辨率递进分析、峰值权重增强与动态跟踪等创新信号处理技术，显著提升了声学闪烁法在复杂水力环境下超声信号主峰捕获的准确性和鲁棒性，有效解决了噪声伪峰干扰与时延判定误差问题，实现了对水流真实流速的高精度、稳定测量。

29、与此同时，通过针对1mhz高频采集信号的特征提取与数据稀释，有效减轻了数据处理与存储压力，提高了系统的实时响应能力和工程适用性。整体来看，本发明不仅具备无水头损失、非侵入式、抗杂物干扰、免维护校准等优点，还大幅提升了声学闪烁法测流的精度与可靠性，为水轮机复杂进水流道的高效能流量测量与机组能效评价提供了坚实技术保障，具有广泛的工程推广前景和显著的经济社会价值。