基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法和装置

摘要

本发明提供一种基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法和装置，该方法先采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值，然后根据采集到的有效周期个数确定分组数并采用重叠分组法分组，对每个分组组内的周期值求平均得到各组平均周期值，再对得到的各组平均周期值求二次平均得到二次平均值，用二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值。该方法能够最大程度消除干扰导致的测量误差，提高测量准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及水利水文、城乡防汛、公共设施安全、地质灾害等自动监测技术领域，特别是一种基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法和装置，可以用于减小振弦式传感器数据采集设备的测量误差。

背景技术

在对水利水文、城乡防汛、公共设施安全、地质灾害等的安全监测中，通常采用振弦式传感器等安全监测仪器监测水利水文(或城乡防汛、公共设施安全、地质灾害)的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断水利水文(或城乡防汛、公共设施安全、地质灾害)的安全。一般地，振弦式传感器将被测量转化为相应频率的指数衰减正弦信号。由数据采集设备将该频率信号放大、滤波、过零比较整形后转化为方波信号，再采用等精度脉冲计数方法测量出信号周期，再求反得到频率值。

振弦式传感器输出的频率信号波形如图1所示，由于振弦式传感器输出的频率信号幅度小(约0.5～50mv，有效值)、且需要长距离传输(几百米至上千米)，容易被环境噪声及前端放大滤波电路背景噪声干扰，造成最终获得的方波频率信号的边沿(相位)抖动，从而引入计时差异，导致频率测量误差。

为减小测量误差，常规方法是采集足够多的周期数，采用求平均的方式将测量误差控制在允许的范围内。由于振弦式传感器输出的频率信号呈指数衰减，在振弦式传感器输出信号的未端信号的信噪比急剧恶化，所得方波频率信号的边沿(相位)抖动加大而引入更大的测量误差，从而无法采用求平均的方式进一步减小测量误差。

发明内容

本发明针对现有的振弦式传感器信号周期测量技术存在的缺点和不足，提供一种新型的基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法。通过采集有效的周期值并采用重叠分组法分组，用二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值，该方法能够最大程度消除干扰导致的测量误差，提高测量准确度。本发明还涉及一种基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量装置。

本发明的技术方案如下：

一种基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法，其特征在于，采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值，然后根据采集到的有效周期个数确定分组数并采用重叠分组法分组，对每个分组组内的周期值求平均得到各组平均周期值，再对得到的各组平均周期值求二次平均得到二次平均值，用二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值。

采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值具体是：通过逐周期测量的方式连续记录采集振弦式传感器输出的每个信号周期的启始时刻，由相邻两个周期启始时刻相减得到各个周期值，将测得的多个信号周期依次分为多段，计算每段周期的标准差，当某段周期的标准差大于给定阈值时停止采集信号，得到若干个有效周期值。

根据采集到的有效周期的振弦式传感器输出信号各边沿时间抖动随机过程之间独立同分布特性及每个信号边沿时间抖动随机过程的正态分布特性确定分组数，并采用移动重叠分组法分组且每组具有固定的周期个数；所述移动重叠分组法是在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内从第一个周期起向后移动某位的周期。

确定的分组数的公式为M＝INT((N+1)/3)，其中，INT表示取整数，N为有效周期的个数，M为分组数；采用移动重叠分组法分组且每组具有的周期个数为N-M+1，所述移动重叠分组法是第一个分组组内的第一个周期为采集到的有效周期中的第一个周期，在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内的第二个周期，最后一个分组组内的最后一个周期为采集到的有效周期中的最后一个周期。

根据采集到的有效周期个数确定分组数并采用循环重叠分组法分组，确定的分组数与采集到的有效周期的个数相同，每组具有的周期数为有效周期的个数减1，所述循环重叠分组法是在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内的第二个周期并且周期个数依次循环。

一种基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量装置，其特征在于，包括依次连接的有效周期值获取模块、重叠法分组模块、组内信号数据处理模块和组间信号数据处理模块，所述有效周期值获取模块采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值，所述重叠法分组模块根据有效周期值获取模块采集到的有效周期个数确定分组数并采用重叠分组法分组，所述组内信号数据处理模块对每个分组组内的周期值求平均得到各组平均周期值，再由组间信号数据处理模块对得到的各组平均周期值求二次平均得到二次平均值，用二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值。

所述有效周期值获取模块包括相互连接的逐周期测量模块和有效信号段识别模块，所述有效信号段识别模块与重叠法分组模块相连；所述逐周期测量模块通过逐周期测量的方式连续记录采集振弦式传感器输出的每个信号周期的启始时刻，由相邻两个周期启始时刻相减得到各个周期值；所述有效信号段识别模块将测得的多个信号周期依次分为多段，计算每段周期的标准差，当某段周期的标准差大于给定阈值时停止采集信号，得到若干个有效周期值。

所述重叠法分组模块根据采集到的有效周期的振弦式传感器输出信号各边沿时间抖动随机过程之间独立同分布特性及每个信号边沿时间抖动随机过程的正态分布特性确定分组数，确定的分组数的公式为M＝INT((N+1)/3)，其中，INT表示取整，N为有效周期的个数，M为分组数；采用移动重叠分组法分组且每组具有的周期个数为N-M+1，所述移动重叠分组法是第一个分组组内的第一个周期为采集到的有效周期中的第一个周期，在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内的第二个周期，最后一个分组组内的最后一个周期为采集到的有效周期中的最后一个周期。

所述重叠法分组模块根据采集到的有效周期个数确定分组数并采用循环重叠分组法分组，确定的分组数与采集到的有效周期的个数相同，每组具有的周期数为有效周期的个数减1，所述循环重叠分组法是在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内的第二个周期并且周期个数依次循环。

所述组内信号数据处理模块采用算术平均算法计算每个分组组内的信号周期平均值用于组间信号数据处理，所述组间信号数据处理模块采用算术平均算法计算各分组的信号周期平均值得到二次平均值，用所述二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法，先采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值，能够剔除掉振弦式传感器输出信号的末端信噪比急剧恶化的信号段，根据周期值的离散性增大程度确定有效信号段，用于后续的数据处理，充分发掘振弦式传感器输出信号特征，采用合理的信号处理方法，进一步提高振弦式传感器输出信号周期的测量准确度。根据采集到的有效周期个数，利用振弦式传感器信号因干扰导致信号边沿抖动的相关性及正态独立同分布性，确定分组数并采用重叠分组法合理分组，等效于扩充信号样本。对每个分组组内的周期值求平均得到各组平均周期值，再对得到的各组平均周期值求二次平均得到二次平均值。也就是说，经组内信号数据处理及组间信号处理得到二次平均值，用该二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值，能够最大程度消除干扰导致的测量误差，避免了现有技术直接采用求平均的方式会因边沿抖动增大测量误差的问题，可以显著降低估计误差，从而提高测量准确度。

优选通过逐周期测量的方式连续记录采集振弦式传感器输出的每个信号周期的启始时刻，由相邻两个周期启始时刻相减得到各个周期值，以消除累计误差。将测得的多个信号周期依次分为多段，每段可以具有特定数量的周期，计算每段周期的标准差，因振弦式传感器信号随时间以指数形式衰减，信号信噪比(SNR)降低，导致信号段的标准差增大，当某段周期的标准差大于给定阈值时停止采集信号，得到若干个有效周期值，用于后续的数据处理。

本发明还涉及一种基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量装置，包括依次连接的有效周期值获取模块、重叠法分组模块、组内信号数据处理模块和组间信号数据处理模块。先由有效周期值获取模块采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值，通过重叠法分组模块根据有效周期值获取模块采集到的有效周期个数确定分组数并采用重叠分组法分组，再由组内信号数据处理模块和组间信号数据处理模块依次进行数据处理得到二次平均值，用二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值，各模块协同工作，能够最大程度消除干扰导致的测量误差，提高测量准确度。

附图说明

图1为振弦式传感器输出的频率信号波形图。

图2为本发明振弦式传感器输出的理想信号周期和真实信号周期的示意图。

图3为本发明移动重叠分组法的分组示意图。

图4为本发明基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法的分组数与标准差的关系曲线图。

图5为本发明循环重叠分组法的分组示意图。

图6为本发明基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法，实质为一种提高测量准确度的振弦式传感器信号采集及处理方法。步骤为：先采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值，然后根据采集到的有效周期个数确定分组数并采用重叠分组法分组，对每个分组组内的周期值求平均得到各组平均周期值，再对得到的各组平均周期值求二次平均得到二次平均值，用二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值。

一、采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值优选是：通过程序控制测量电路以逐周期测量的方式连续记录采集振弦式传感器输出的每个信号周期的启始时刻，由相邻两个周期启始时刻相减得到各个周期值，将测得的多个信号周期依次分为多段，每段具有特定数量的周期，计算每段周期的标准差，当某段周期的标准差大于给定阈值时停止采集信号，得到若干个有效周期值。具体地：

1、逐周期测量

①本发明由高稳定性温补晶振(16.369MHz，频率稳定性优于±3PPM)提供时间基准，并采用软件方法对晶振初始误差进行率定；

②采用捕获定时(Capture Mode)模式连续记录每个有效信号周期的启始时刻，提供优于100nS的时间分辨力。由相邻两个周期启始时刻相减得到并记录各个周期值，以消除累积误差。

2、有效信号段识别

将测得的多个信号周期分为多段，每段可设置16个周期，计算每段周期的标准差。因振弦式传感器信号随时间以指数形式衰减，信号信噪比(SNR)降低，导致信号段的标准差增大。当某段信号的标准差大于所得到的最小标准差3倍(即上述给定阈值优选为最小标准差3倍)时，停止采集信号，得到N个信号周期值，用于后续的数据处理。

二、根据采集到的有效周期个数确定分组数并采用重叠分组法分组。优选地，根据采集到的有效周期的振弦式传感器输出信号各边沿时间抖动随机过程之间独立同分布特性及每个信号边沿时间抖动随机过程的正态分布特性确定分组数，并采用移动重叠分组法分组且每组具有固定的周期个数；该移动重叠分组法是在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内从第一个周期起向后移动某位的周期。

充分发掘振弦式传感器输出信号特征，采用合理的信号处理方法，可进一步提高振弦式传感器频率信号的测量准确度。振弦式传感器输出的信号具有以下可发掘利用的特点：

A、环境噪声及前端放大滤波电路背景噪声干扰会导致最终获得的方波信号的边沿抖动。

B、信号各边沿时间抖动随机过程δ_t之间独立同分布(期望值相同、标准差相同)。

C、每个信号边沿时间抖动随机过程δ_t满足正态分布(期望值为0，标准差为σ)。

D、信号相邻周期值100％负相关。即前一周期信号后沿时间抖动量(同时也是后一周期信号前沿抖动量)δ_t导致前一周期值增加Δ_T，必然同时导致后一周期值减少Δ_T，如图2所示的振弦式传感器输出的理想信号周期和真实信号周期的示意图。第一个周期(即周期①)T_r1＝T-δ_t1，第二个周期(即周期②)T_r2＝T+δ_t1，第三个周期(即周期③)T_r3＝T+δ_t3，第四个周期(即周期④)T_r2＝T-δ_t3，其中，理想信号周期T，真实信号周期T_r，边沿抖动δ_t1和δ_t3。

E、由M个信号周期构成的信号组，信号组总时长T_group只与第1个周期前沿时间抖动量δ_t0及第M个信号周期后沿抖动量δ_tn相关，与δ_t1～δ_tn-1无关。

F、采集的信号周期数足够多(大于30个周期)时，可以采用正态分布方法估计真实周期值。

移动重叠分组法的理论依据及分析

①移动重叠分组法的分组示意图如图3所示，将N个信号周期(即N为有效周期的个数)采用移动重叠分组方式分为M组，可得到分组数为M、每组包含N-M+1个周期的信号组，N和M均为自然数，可将每组信号当成从总体N个信号周期总体中抽取的一组样本。移动重叠分组法是第一个分组组内的第一个周期为采集到的有效周期中的第一个周期T₀，在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内的第二个周期(即每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内从第一个周期起向后移动一位的周期)，最后一个分组组内的最后一个周期为采集到的有效周期中的最后一个周期T_N-1。即原始值为T₀、T₁、T₂…T_N-M…T_N-2、T_N-1，分组0为T₀、T₁、T₂…T_N-M，分组1为T₁、T₂…T_N-M、T_N-M+1，分组K为T_K、T_K+1…T_N-M+K-1、T_N-M+K，分组M-1为T_M-1、T_M…T_N-2、T_N-1。

②任意的第k组组内每个周期边沿抖动量必然导致该边沿前一个信号周期时长增加δ_kt，同时该边沿后一个信号周期时长减小δ_kt，不影响该组信号总时长T_kgroup。

③任意的第k组组内首个信号周期的前沿抖动量δ_kt0、末个信号周期的后沿抖动量δ_ktn与该组信号总时长T_kgroup相关。由于δ_kt0和δ_ktn具有正态独立同分布特性(具有相同的期望值及标准差)；导致该组信号总时长的抖动量Δ_kgroup依赖于δ_kt0和δ_ktn。即：首个信号周期前沿抖动量的标准差σ_kt0＝σ、末个周期后沿抖动量的标准差σ_ktn＝σ、该组信号总时长T_kgroup的抖动量

④将任意的第k组信号总时长T_kgroup除以组内周期个数，即可得到以下值：

组内平均周期：P_kgroup＝T_kgroup/(N-M+1)

该平均周期P_kgroup的标准差：

⑤由M组信号组可以得到M个平均周期P_0group、P_1group、…、P_M-1group，其标准差σ_0group、σ_1group、…、σ_M-1group皆为且

⑥由于M组信号组具有正态独立同分布特性，因此每组的平均周期P_0group、P_1group、…、P_M-1group也具有正态独立同分布特性。将M个平均周期再次求平均，可得到二次平均周期值P_m，其标准差如图4所示。用二次平均算法所得周期P估计真实周期值，其95％置信度的置信区间为：

⑦当M＝1时，相当于传统求平均算法得到平均周期P₁，其标准差为由平均周期P₁估计真实周期值，其95％置信度的置信区间为(P₁-2.77*σ/N，P₁+2.77*σ/N)，无法进一步改善估计准确度；当M＝N时，二次平均周期P_n的标准差为估计准确度还不如传统求平均算法；将σ_p对M求导得到σ_p′，令σ_p′＝0，可得到当M＝INT((N+1)/3)时，二次平均周期P_m的标准差σ_pm最小，如图4所示的分组数与标准差的关系曲线图。

上面①～⑦可得，对于移动重叠分组法，确定的分组数的公式为M＝INT((N+1)/3)，当无法整除时，M取整数。也就是说，根据测量电路采集到的有效周期数N，由公式M＝INT((N+1)/3)计算得到分组数，按重叠分组法将采集到的信号周期值分成M组。如图4所示，对于N＝256的情况，M＝85，σ_pm值最小。

三、在确定分组数并采用重叠分组法分组后，对每个分组组内的周期值求平均得到各组平均周期值。可采用算术平均算法计算每个分组的信号周期平均值，得到M个分组信号周期平均值，用于后续组间数据处理，如在上述步骤⑤所述的M组信号组可以得到M个平均周期P_0group、P_1group、…、P_M-1group。

四、对得到的各组平均周期值求二次平均得到二次平均值，用二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值。可再次采用算术平均算法计算M个分组平均值的平均值，得到二次平均值，以该值估计振弦式传感器信号的真实值，如在上述步骤⑥所述的将M个平均周期再次求平均，可得到二次平均周期值P_m，经二次平均计算后得到的平均周期P_m的标准差为传统平均算法所得平均周期P₁的标准差的倍。以N＝256为例，可求得M＝85，假设传统求平均算法所得平均周期P₁的95％置信度的置信区间为(P₁-Δ，P₁+Δ)(注：Δ＝1.96*σ)，那么以二次平均算法所得平均周期P_m估算真实值的置信度为95％的置信区间为(P_m-0.16*Δ，P_m+0.16*Δ),明显提高估计准确度，准确度提高6倍。

本发明的基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法，在重叠分组法中除了采用如图3所示的移动重叠分组法外，还可以采用循环重叠分组法。根据采集到的有效周期个数确定分组数并采用循环重叠分组法分组，确定的分组数与采集到的有效周期的个数相同，每组具有的周期数为有效周期的个数减1，循环重叠分组法是在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内的第二个周期并且周期个数依次循环。如图5所示，将N个信号周期采用循环重叠分组方式分为组，每组包含N-1个周期的信号组，可将每组信号当成从总体N个信号周期总体中抽取的一组样本。即原始值为T₀、T₁、T₂…T_N-2、T_N-1，分组0为T₀、T₁、T₂…T_N-2，分组1为T₁、T₂…T_N-2、T_N-1，分组K为T_K、T_K+1…T_N-1、T₀…T_K-2，分组N-1为T_N-1、T₀、T₁、T₂…。

分组0、分组1包含2个沿抖动量外，任意的第k组组内包含4个沿抖动量与该组信号总时长T_kgroup相关。由于各沿抖动量具有正态独立同分布特性(具有相同的期望值及标准差)；导致该组信号总时长的抖动量Δ_kgroup依赖于上述抖动量。即：该组信号总时长T_kgroup的抖动量标准差σ_TKgroup<＝2*σ。组内平均周期为：P_kgroup＝T_kgroup/(N-1)，组内平均周期P_kgroup的标准差：σ_PKgroup＝2*σ/(N-1)。将N组个平均周期再次求平均，可得到二次平均周期值P，其标准差

当N<8时，移动重叠分组法效果优于循环重叠分组法，当N>8时，循环重叠分组法效果优于移动重叠分组法。经二次平均计算后得到的平均周期P_m的标准差为传统平均算法所得平均周期P₁的标准差的倍。以N＝256为例，假设传统求平均算法所得平均周期P₁的95％置信度的置信区间为(P₁-Δ，P₁+Δ)(注：Δ＝1.96*σ)，那么以二次平均算法所得平均周期P_m估算真实值的置信度为95％的置信区间为(P_m-0.09*Δ，P_m+0.09*Δ),明显提高估计准确度，准确度提高11倍。

本发明还涉及一种基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量装置，该测量装置与本发明上述基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法相对应，可理解为是实现基于重叠分组的振弦式传感器信号周期测量方法的装置，该周期测量装置的结构如图6所示，包括依次连接的有效周期值获取模块、重叠法分组模块、组内信号数据处理模块和组间信号数据处理模块。其中，有效周期值获取模块采集振弦式传感器输出信号的若干个有效周期值，重叠法分组模块根据有效周期值获取模块采集到的有效周期个数确定分组数并采用重叠分组法分组，组内信号数据处理模块对每个分组组内的周期值求平均得到各组平均周期值，再由组间信号数据处理模块对得到的各组平均周期值求二次平均得到二次平均值，用二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值。

优选地，有效周期值获取模块包括相互连接的逐周期测量模块和有效信号段识别模块，如图6所示，有效信号段识别模块与重叠法分组模块相连；逐周期测量模块通过逐周期测量的方式连续记录采集振弦式传感器输出的每个信号周期的启始时刻，由相邻两个周期启始时刻相减得到各个周期值；有效信号段识别模块将测得的多个信号周期依次分为多段，每段具有特定数量的周期，计算每段周期的标准差，当某段周期的标准差大于给定阈值时停止采集信号，得到若干个有效周期值。

优选地，重叠法分组模块可采用移动重叠分组法或循环重叠分组法，其中，移动重叠分组法根据采集到的有效周期的振弦式传感器输出信号各边沿时间抖动随机过程之间独立同分布特性及每个信号边沿时间抖动随机过程的正态分布特性确定分组数，确定的分组数的公式为M＝INT((N+1)/3)，其中，M为分组数，N为有效周期的个数，INT表示取整数；采用移动重叠分组法分组且每组具有的周期个数为N-M+1，移动重叠分组法是第一个分组组内的第一个周期为采集到的有效周期中的第一个周期，在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内的第二个周期，最后一个分组组内的最后一个周期为采集到的有效周期中的最后一个周期，如图3所示。

重叠法分组模块根据采集到的有效周期个数确定分组数并采用循环重叠分组法分组，确定的分组数与采集到的有效周期的个数相同，每组具有的周期数为有效周期的个数减1，所述循环重叠分组法是在每两两相邻分组中的后面一个分组组内的第一个周期为前一个分组组内的第二个周期并且周期个数依次循环，如图5所示。

组内信号数据处理模块采用算术平均算法计算每个分组组内的信号周期平均值用于组间信号数据处理，组间信号数据处理模块采用算术平均算法计算各分组的信号周期平均值得到二次平均值，用该二次平均值估计振弦式传感器输出的信号周期的真实值。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。