用于測量距離的磁致伸縮傳感器的制作方法

專利名稱：用于測量距離的磁致伸縮傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量脈沖傳播時間的方法/系統。更具體地，本發明涉及一種用于精確地確定脈沖波形到達檢測器的時間的方法和系統。更具體地，本發明涉及測量在磁致伸縮傳感器中的脈沖傳播時間。
背景技術：
需要有一種系統和方法，用于精確和經濟地測量脈沖傳播時間，特別地需要有一種精確的方法，用于確定脈沖波形到達檢測器的時間。需要有一種魯棒系統和方法，用于精確和經濟地在磁致伸縮傳感器中測量脈沖傳播時間。以磁致伸縮傳感器縱向波導的形式的磁致伸縮傳感器被用于確定磁性目標沿著其長度方向的位置，其中所述磁致伸縮傳感器縱向波導具有波導長度。需要有一種經濟可行的方法，用于動態地測量在磁致伸縮傳感器波導中的脈沖傳播時間，以提供沿著傳感器波導長度方向的磁性目標位置的精確測量。
發明概要本發明包括一種測量磁致伸縮傳感器脈沖的方法。該方法包括如下步驟為模擬波形檢測器提供與模-數轉換器相連的數字緩存器電路，用于從磁致伸縮波導接收磁致伸縮脈沖波形，提供了一個模板波形，將返回的磁致伸縮脈沖波形接收到數字緩存器電路中，以及將接收到的脈沖波形與模板波形進行比較，以確定返回的磁致伸縮脈沖波形的到達時間。優選地，提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模擬該磁致伸縮系統的特征磁致伸縮返回脈沖波形。
本發明包括一種磁致伸縮傳感器系統，該系統由如下組成磁致伸縮波導，模擬波形檢測器，用于從該磁致伸縮波導接收磁致伸縮脈沖波形，具有模板波形的比較相關處理器，用于對接收到的磁致伸縮脈沖波形與模板波形進行比較，以確定返回到磁致伸縮脈沖波形的到達時間。
本發明包括一種測量脈沖傳播時間的方法。該方法包括提供一個詢問脈沖發生器，提供一個波形檢測器，用于接收返回的脈沖波形，以及提供一個模板波形。該方法包括從詢問脈沖發生器輸出詢問脈沖，通過波形檢測器接收返回的脈沖波形，以及將接收到的返回脈沖波形與模板波形進行比較，以確定返回脈沖波形的返回到達時間。優選地，該方法包括提供與波形檢測器相連的緩存器電路，用于將返回的脈沖波形接收到緩存器電路中。優選地，提供模板波形的步驟包括提供生成的合成返回波形，其用于模擬該脈沖傳播測量系統的特征返回脈沖波形。在一個實施例中，將接收到的返回脈沖波形與模板波形進行比較包括使得接收到的返回脈沖波形與模板波形相關，并查找相關函數的最大值。在一個實施例中，將接收到的返回脈沖波形與模板波形進行比較包括計算適于接收到的返回脈沖波形與模板波形之間的最小均方擬合(least mean square fit)。優選地，將接收到的返回脈沖波形與模板波形進行比較包括計算在接收到的返回脈沖波形與模板波形之間何處最大匹配或最小差異。
本發明包括一種測量系統。該測量系統由如下組成詢問脈沖發生器，用于輸出詢問脈沖，具有模板波形和緩存器電路的比較相關處理器，其中該緩存器電路用于存儲由波形檢測器接收到的數字采樣波形，以及波形檢測器，用于接收返回的脈沖波形。該波形檢測器與比較處理器相連，該波形檢測器將返回的脈沖波形傳送給比較處理器，該比較處理器將存儲在緩存器電路中的數字采樣的返回脈沖波形與模板波形進行比較并確定返回的脈沖時間。
本發明包括一種用于測量脈沖到達時間的方法。該方法包括提供一個處理器，該處理器與用于接收脈沖波形的波形檢測器進行通信，提供一個模板波形，通過波形檢測器接收返回的脈沖波形，以及將接收到的脈沖波形與模板波形進行比較(進行關聯)以確定返回的脈沖波形的到達時間。優選地，該方法包括為模擬波形檢測器提供與模-數轉換器相連的數字緩存器電路，用于接收脈沖波形。優選地，提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模擬測量系統的特征返回脈沖波形。優選地，將接收到的返回脈沖波形與模板波形進行比較包括將接收到的脈沖波形與模板波形進行關聯。
本發明包括一種磁致伸縮地測量目標位置的方法。該方法包括提供一個磁致伸縮波導，提供一個磁致伸縮的詢問脈沖發生器，用于將詢問脈沖輸出到所述磁致伸縮波導中去，提供一個波形檢測器，用于從所述磁致伸縮波導接收返回的脈沖波形，提供一個比較處理器，提供一個模板波形，從所述詢問脈沖發生器中輸出詢問脈沖，通過該檢測器接收返回的脈沖波形，以及將接收到的返回脈沖波形與模板波形進行比較，以確定所返回脈沖波形的返回時間。優選地，該方法包括提供一個與波形檢測器相連的緩存器電路，用于存儲數字采樣的返回脈沖波形。優選地，提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模擬該系統的特征返回脈沖波形。優選地，通過檢測器接收返回的脈沖波形包括對脈沖波形進行數字采樣并將其存儲在緩存器電路中。優選地，該方法包括從返回脈沖傳播時間的時間測定中確定沿著波導方向的目標位置，其中所述返回脈沖傳播時間被轉換為沿著波導的距離。
可以理解的是，上述的一般說明以及下面的詳細說明都只是本發明的范例，并且意味著為了理解如本發明所要求的特性和特征提供了一種概述或框架。所包括的附圖提供了對于本發明的進一步的理解，并被并入本發明以及構成了本發明的一部分。


了本發明的各種實施例，并且與說明書一塊解釋了本發明的原理和操作。
詳細說明下面將在跟在權利要求以及附圖后面的詳細說明中闡述本發明的其它特征和優點，并且對于本領域內的技術人員來說，從該說明中可以更容易的理解部分發明，或者通過實現如這里所述的發明來認識包括詳細說明在內的部分說明。
現在將對本發明當前的優選實施例進行詳細的說明，其例子在附圖中進行了說明。本發明包括一種測量磁致伸縮傳感器脈沖的方法。該方法包括如下步驟為模擬波形檢測器提供與模-數轉換器相連的數字緩存器電路，用于從磁致伸縮波導接收磁致伸縮脈沖波形，提供了一個模板波形，將返回的磁致伸縮脈沖波形接收到數字緩存器電路中，以及將接收到的脈沖波形與模板波形進行比較，以確定返回的磁致伸縮脈沖波形的到達時間。優選地，提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模擬該磁致伸縮系統的特征磁致伸縮返回脈沖波形。圖1說明了本發明。該測量磁致伸縮傳感器脈沖的方法包括為模擬波形檢測器24提供與模-數轉換器22相連的數字緩存器電路20，用于從磁致伸縮波導40接收磁致伸縮脈沖波形26。該方法包括提供了一個模板波形28，優選地，該模板波形28就是生成的合成返回波形，其用于模擬該磁致伸縮系統30的特征磁致伸縮返回脈沖波形。該方法包括將返回的磁致伸縮脈沖波形26接收到數字緩存器電路20中，以及將該接收到的脈沖波形26與模板波形28進行比較，以確定返回的磁致伸縮脈沖波形26到達波形檢測器24的時間。該方法包括提供一個與磁致伸縮波導40耦合的詢問脈沖發生器32，從詢問脈沖發生器32輸出詢問脈沖34到磁致伸縮波導40中，其中將脈沖波形26接收到數字緩存器電路20中包括將返回的磁致伸縮脈沖波形26接收到數字緩存器電路20中。優選地，通過比較處理器50將波形檢測器24和緩存器電路20與詢問脈沖發生器32同步起來。優選地，該磁致伸縮波導波形檢測器24由傳感線圈38組成。優選地，進行比較以確定返回的磁致伸縮脈沖波形26到達波形檢測器24的時間包括在接收到的脈沖波形26中確定一個時間，這時接收到的脈沖波形26與模板波形28之間相關性最大，以使得接收到的脈沖波形26與模板波形28相關，以確定返回的磁致伸縮脈沖波形26的到達特征時間，進而確定磁性目標36沿著波導40方向的位置。優選地，將脈沖波形26接收到緩存器電路20中包括按照周期性的采樣率62輸入測量到的幅值，優選地該周期性采樣率62至少為1MHz，更優選地為大約2MHz，優選地每個脈沖使用至少10次采樣，優選地對每個返回的磁致伸縮脈沖波形26的脈沖進行10-30次采樣。優選地，從詢問脈沖發生器32輸出詢問脈沖34到磁致伸縮波導40中包括以至少0.5kHz、優選地大約1kHz的速率輸出詢問脈沖34，并且將脈沖波形26接收到緩存器電路20中包括以至少1MHz、優選約2MHz的周期性采樣率62輸入測量后的幅值，優選地，每個脈沖使用至少10個采樣，優選地對每個脈沖進行10-30次采樣。優選地，提供模板波形28包括提供墨西哥帽模板波形48。
該發明包括一個磁致伸縮傳感器系統30。該磁致伸縮傳感器系統30包括磁致伸縮波導40，模擬波形檢測器24，用于從該磁致伸縮波導接收磁致伸縮脈沖波形26，以及具有模板波形48的比較處理器50，用于對接收到的磁致伸縮脈沖波形26與模板波形28進行比較以確定返回的磁致伸縮脈沖波形26到達該磁致伸縮傳感器模擬波形檢測器24的時間。優選地，該系統由如下組成通過模-數轉換器22與模擬波形檢測器24相連的數字緩存器電路20，該數字緩存器電路20與比較處理器50進行通信。優選地，該系統30由如下組成磁致伸縮詢問脈沖發生器32，用于將查詢電流脈沖34輸出到磁致伸縮波導40中。優選地，該波形檢測器24由傳感線圈38組成。
該發明包括一種用于測量脈沖傳播時間的方法。該方法包括提供一個詢問脈沖發生器32，提供一個波形檢測器24，用于接收返回的脈沖波形26，以及提供一個模板波形28。優選地，提供模擬波形檢測器24用于接收返回的脈沖波形26包括提供通過A-D轉換器22與檢測器24相連的緩存器電路20，用以對波形26數據進行數字采樣和緩存，從而由比較處理器進行批量處理。可選地，可以由處理器連續地處理該來自波形檢測器24的數據，而不在緩存器電路20中緩存。優選地，提供模板波形28包括提供生成的合成返回波形，其用于模擬該系統30的特征返回脈沖波形。該方法包括從詢問脈沖發生器32輸出詢問脈沖34，通過波形檢測器24將返回的脈沖波形26接收到緩存器電路20中，以及將接收到的返回脈沖波形26與模板波形28進行比較，以確定返回的脈沖波形26到達波形檢測器24的時間。優選地，將接收到的返回脈沖波形26與模板波形28進行比較包括計算在接收到的返回脈沖波形26與模板波形28之間何處最大匹配或最小差異。優選地，將接收到的返回脈沖波形26與模板波形28進行比較包括進行關聯并查找接收到的返回脈沖波形26與模板波形28之間的相關函數的最大值。在一個實施例中，將接收到的返回脈沖波形26與模板波形28進行比較包括計算接收到的返回脈沖波形26與模板波形28的最小均方擬合。優選地，進行比較以確定返回的脈沖波形26的返回時間包括在接收到的返回脈沖波形26中確定一個時間，此處接收到的脈沖波形26與模板波形28之間相關性最大。優選地，接收返回的脈沖波形26包括按照周期性的采樣率62對返回的脈沖波形26進行緩存，優選地，通過按照周期性的采樣率將測量到的幅值60輸入到緩存器電路20中。優選地，該方法包括確定被緩存的返回脈沖波形26的幅值極值60(正或負峰值)的采樣時間，并且優選地在所確定的采樣時間幅值極值60的附近形成一個查找窗口，并且在查找窗口中對小波變換進行估算，在所述窗口中模板波形28與接收到的返回脈沖波形26之間的相關性是最大的。優選地，該方法包括提供一個緩存器電路20以及接收返回的脈沖波形26，這包括優選地通過按照周期性的采樣時間輸入被采樣的電壓，將返回的脈沖波形26接收到緩存器電路20中。優選地，該詢問脈沖發生器32利用了除了返回的脈沖波形26及其檢測器24的能量以外的不同能量域以及能量波速上的差異，其中不同的能量域例如是磁致伸縮波導線40中的與機械扭轉波26相對的電子電流脈沖34，其中不同的能量波速例如是固體波導材料中與聲速相對的光速。優選地，從發生器32中發出的電子詢問脈沖34開啟處理器50的時鐘，并測量機械扭轉波26到達檢測器24的時間延遲，以根據波形26的已知速度確定磁性目標36沿著波導方向的位置，因此計算出來的時間也能夠被用于計算沿著波導40方向的位置。
本發明包括一種測量系統30。該系統30由如下部分組成詢問脈沖發生器32，用于輸出詢問脈沖34，具有模板波形28的比較相關處理器50，以及波形檢測器24，用于接收返回的脈沖波形26。優選地，該系統30包括緩存器電路20，用于存儲由波形檢測器24接收的數字采樣的波形26。該波形檢測器24與比較處理器50相連，該波形檢測器24將返回的脈沖波形26傳送給比較處理器50，該比較處理器50將存儲在緩存器電路20中的數字采樣的返回脈沖波形26與模板波形28進行比較，并確定波形26到達傳感器24的返回脈沖時間。優選地，該波形檢測器24是一個模擬檢測器，并且該系統包括一個連接波形檢測器24以及緩存器電路處理器50的模-數轉換器22。優選地，將該波形檢測器24以及緩存器電路50與詢問脈沖發生器32同步。在一個實施例中，該波形檢測器24由傳感線圈38組成。優選地，該系統包括一個傳感器波導40，其中該詢問脈沖發生器32與波導40相連，以將詢問脈沖34輸出到波導中，并且該波形檢測器24與波導相連，以從該波導接收返回的脈沖26，最優選地，該波導40由磁致伸縮傳感器波導組成。在一個實施例中，例如圖1C中所示，該詢問脈沖發生器32是一個光學脈沖發生器70并且該波形檢測器24包括光學脈沖檢測器72。如圖1C所示，該光學脈沖發生器70是一個光脈沖激光發生器，用于向一個光學目標74輸出詢問脈沖34，以產生由檢測器24接收的返回脈沖波形26，該測量系統利用詢問脈沖以及返回脈沖波形26的飛行時間來確定目標74的位置和距離特征以及運動，例如通過測距以及各種風速空速應用。
本發明包括一種用于測量脈沖到達時間的方法。該方法包括提供一個處理器50，該處理器與用于接收脈沖波形26的波形檢測器24進行通信。該方法包括提供一個模板波形28和通過該波形檢測器24接收返回的脈沖波形26，以及將接收到的脈沖波形26與模板波形28進行比較以確定返回的脈沖波形26的到達時間。優選地，提供的與波形檢測器24通信的處理器50包括數字緩存器電路20，該電路20通過模數轉換器22與模擬波形檢測器24相連，并且將返回的脈沖波形26接收到該數字緩存器電路中。提供模板波形28優選地包括生成和輸入合成的返回波形到具有生成的模板波形28的處理器中，所述模板波形28模擬了該系統的特征返回脈沖波形。將接收到的脈沖波形26與模板波形28進行比較優選地包括在接收到的脈沖波形中確定一個時間，這時接收到的脈沖波形與模板波形之間的相關性最大。優選地，該方法包括將脈沖波形26接收到緩存器電路20中，優選地通過以周期性的采樣率62將采樣電壓的測量幅值60輸入并緩存到處理器中。優選地，該方法包括確定在數字緩存器電路中接收并被輸入到處理器中的脈沖波形26的幅值極值。優選地，在接收到的脈沖波形26的被確定幅值極值的附近形成一個查找窗口，并且在形成的查找窗口中對小波變換進行估算，在該窗口中模板波形28與接收到的返回脈沖波形26之間的相關性最大。
本發明包括一種測量目標位置的方法，該方法包括提供一個詢問脈沖發生器，用于輸出詢問脈沖，提供一個波形檢測器，用于接收返回的脈沖波形，提供一個比較處理器，提供一個模板波形，從詢問脈沖發生器中輸出詢問脈沖，通過該檢測器接收返回的脈沖波形，以及將接收到的返回脈沖波形與模板波形進行比較，以確定返回的脈沖波形的返回時間，從而從返回時間的時間測定中提供目標位置。本發明包括磁致伸縮地測量目標36的位置的方法。該方法包括提供一個磁致伸縮波導40，提供一個磁致伸縮詢問脈沖發生器32，用于將詢問脈沖34輸出到所述波導40中去，提供一個波形檢測器24，用于從所述磁致伸縮波導40接收返回的脈沖波形26，提供一個比較處理器50，提供一個模板波形28，從詢問脈沖發生器32中輸出詢問脈沖34，通過該檢測器24接收返回的脈沖波形26，以及將接收到的返回脈沖波形26與模板波形28進行比較，以確定返回脈沖波形的返回時間。優選地，提供比較處理器50包括提供與波形檢測器24相連的緩存器電路20，所述緩存器電路用于存儲被數字采樣的返回脈沖波形26。提供模板波形28優選地包括提供生成的合成返回波形，其用于模擬該磁致伸縮系統的特征返回脈沖波形。接收返回的脈沖波形26優選地包括在緩存器電路中數字地采樣和存儲波形。該返回脈沖波形26的經確定的返回時間用于通過返回的脈沖傳播時間來確定目標36沿著磁致伸縮波導40方向的目標位置，其中所述脈沖傳播時間被轉換為沿著波導的距離。
本發明提供了對于脈沖傳播時間間隔的精確及魯棒的測量。當被應用于磁致伸縮位移傳感器時，本發明是比過零檢測器更優的選擇。本發明提供了一種信號處理方法，該方法采用小波來確定與已經被數字采樣的各個脈沖相關的特征時間。
在高溫惡劣環境例如車輛推進系統(例如Joint Strike FighterF-35B Lift Fan Shaft，JSF申請)中，由于被要求接近傳感器的過零檢測電子設備無法在高溫下可靠地運行，因此磁致伸縮位移傳感器系統的應用已經受到了妨礙。本發明通過去除大部分傳感器所需的電子設備而極大地擴展了磁致伸縮傳感器的操作溫度范圍。本發明還提供了一種裝置，該裝置在出現不相關噪音的情況下，顯著地提高了位置測量的精度。進一步，與過零或閾值檢測方案所需的相比，本發明能夠以更低的采樣和時鐘頻率對磁致伸縮傳感器信號進行精確的數字信號處理。
磁致伸縮(MS)傳感器具有特征模擬返回波形。從商業上可行的磁致伸縮位置傳感器以及商業上可行的磁致伸縮位移傳感器中獲得未經加工的試驗性磁致伸縮傳感器響應波形。從該數據中，構建出一組合成的波形模板，其相當精確地代表了未經加工的波形。該合成的波形接著被用于模擬V/STOL固定機翼航天器引擎升力風扇推進系統中MS傳感器的一個典型響應，其中該系統易于與傳感器剛性環失調(misalignment)測量系統相耦合，用于測量與角度調整耦合的推進系統主動軸的角度調整。使用合成的模板波形考慮到與每個返回脈沖波形相關的“特征時間”的確切知識。被估計的特征時間在沒有附加噪音的情況下位于精確時間的0.5納秒之內。當正態分布的噪音被加入到該模擬中時，該定時錯誤也正態分布并且仍舊很小(＜10ns)，驗證了該方法的魯棒性和精確性。
優選地，在脈沖定時的應用中使用本發明測量脈沖傳播時間。在一個優選實施例中，利用本發明，通過磁致伸縮傳感器系統中的磁致伸縮傳感器進行精確的位置測量，從而測量一個目標的位置。具體的實現細節在下面參照Joint Strike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics andHealth Mornitoring application for measuring angular alignment(JSF申請)進行了說明，例如2002年4月23日提出的美國臨時專利60/374,752(Attorney Docket No.IR-3272(MC))(Misalignment Mearuring systemusing magnetostrictive linear sensor)以及2003年4月23日提出的美國專利申請10/421,325(Attorney Docket No.IR-3272)(Aircraft VehicularPropulsion System Monitoring Device and Method)，2004年2月5日公開的美國專利申請公開US 2004/0024499 A1中所述的，這里將它們并入作為參考。
在用于測量目標36的位置的磁致伸縮傳感器系統30的操作中，查詢電流脈沖34被施加到具有詢問脈沖發生器32的傳感器中的磁致伸縮波導40。該電流在波導周圍形成了一個環形磁場。該磁場與由磁性目標36產生的磁場相互影響并在波導內生成扭轉波。這些扭轉波傳播回至發源端處，在這里，它們被波形檢測器24檢測到(優選地，傳感線圈38)，產生返回的脈沖波形26。將為沿著波導40出現的每個不同的磁場檢測單獨的返回波形26。
圖2示出了由波形檢測器24檢測到的一種典型的未經加工模擬返回波形26。由于兩個不同的永磁目標36位于沿著磁致伸縮傳感器波導40方向的不同位置，因此該信號包含兩個不同的脈沖返回波形26。知道了扭轉波形的(恒定)波速，我們就能夠精確地從返回的脈沖波形26的特征時間中估計出目標的絕對或相對位置。
前面的測量系統已經利用了閾值或過零檢測器來確定返回波形的特征時間。該過零檢測電路一般都由模擬電子設備來實現，其中該模擬電子設備在物理上都被置于接近磁致伸縮傳感器本身。只有過零檢測電路的輸出已經被數字表示為邏輯1或0。本發明刪去了過零檢測電路并且采用了具有返回波形檢測器(磁致伸縮返回波形檢測器24)的簡單緩存器電路20。該簡單緩存器電路20能夠忍受Joint Strike FighterLift-Fan Shaft Prognostics and Health Mornitoring System的高溫環境。優選地，對于該發明，該模擬返回信號被信號調節，接著被數字采樣并在位于遠處的處理器50上進行處理，從而確定特征時間。圖1D示出了一個系統，該系統示意了這種使用磁致伸縮傳感器的體系結構。
對于Joint Strike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics and HealthMornitoring申請，每個磁性目標36都具有固定和已知的移動操作范圍，其中該移動操作范圍被轉換至固定和已知的時間窗口，在該窗口中將會出現相關的返回脈沖。如圖3的時序圖所示(對于單個返回脈沖)，只有在已知的時間窗口期間，即固定的時間延遲之后，該A/D轉換器22才被啟動。圖3中也示出了該過零時間作為參考。
圖3中下面的各曲線表示具有高速周期性采樣率62和低速周期性采樣率62的兩個可選擇的數字采樣方案。在第一個例子中，高速采樣處理捕獲了具有相對較高時間分辨率的數據。除了依靠被采樣數據的相對小的完整性以及固有的容易招致噪音子集(即接近過零，例如通過在數據中查找過零而通過根據高速數字采樣的數據確定特征時間)，本發明還具有緩存全部數據的優點。
圖3中下方的曲線表示了使用數字采樣的數據來確定特征時間的優選采樣方法，其中低速地對波形進行采樣，提供粗糙的時間分辨率。優選地，最小采樣率應該滿足對于返回脈沖的Nyquist準則。根據典型的返回波形數據以及來自商業上可行的磁致伸縮裝置的試驗測量，該返回波形可以大致被描述為具有載波頻率，其中由一些有限持續時間包絡來調制該載波頻率，以形成如圖4中所示的合成脈沖。
一般的磁致伸縮載波頻率范圍為從150kHz到350kHz，并且包絡持續時間一般在10μs與20μs之間。對于這種范圍的載波頻率，設計很好的低速周期性采樣率就是2.0MHz，在每個載波頻率的周期內會導致大約6至13個采樣。典型的查詢電流脈沖率為大約1kHz，并且典型的波速為大約10μs/英寸。
圖4中的返回波形脈沖相對于其中心是對稱的。在實際中不需要如包絡對稱所調節的情況。本發明可以處理對稱、反對稱、以及非對稱脈沖。需要注意的是，該包絡在時間上具有有限的擴展，并在該包絡之外，該脈沖被視為零。
來自磁致伸縮傳感器的一般返回脈沖波形具有與小波模板類似之處。適當的小波ψ(t)就是一個具有有限擴展的零平均值連續函數，當在信號處理框架中使用時，它就被尺度參數s放大并且在時間上被τ轉換。
ψτ,s(t)=ψ(t-τs)---(1)]]>
該尺度參數擴展或壓縮該時標，而該轉換參數在時間上偏移該小波。本發明包括將小波應用于測量磁致伸縮傳感器中的絕對或相對脈沖時間，其中通過對接收到的返回脈沖波形26與小波模板波形28進行比較和相關來測量磁致伸縮傳感器中的絕對或相對脈沖時間。優選地，模板波形28與返回的脈沖波形26之間的最大相關被用于確定被返回的脈沖波形的返回到達時間。
優選地，對于本發明，由于該脈沖通常總是具有恒定的載波頻率，因此無法利用變化的尺度參數。可以一直為一個給定的傳感器類型選擇一個恒定的尺度。本發明也不需要使用一個算術上適當的小波，即滿足一個真正小波所有性質特性的小波。圖5示出了四個示例小波的曲線圖，其中這四個例子被用于驗證本發明的精確性和魯棒性。通常，相對于特定傳感器的特征返回波形應當選擇適當的小波模板波形。本發明的方法對于選擇小波模板類型、其幅值和載波頻率、以及未經處理信號本身的幅值變化來說具有高度的魯棒性。當圖5中的每個小波都被用于確定磁致伸縮返回脈沖的特征時間時，它們都會產生非常類似的結果。
Joint Strike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics and HealthMornitoring申請的優選實施例就是以1kHz的速率(1000μs采樣周期)查詢每個磁致伸縮傳感器，以及以大約2MHz的速率(大約0.5μs采樣周期，0.5±0.25μs采樣周期)對該數據進行數字采樣，最優選地為1.548MHz(0.646μs采樣周期)。需要注意的是，如圖2所示，對于該申請來說，每個傳感器有兩個磁性目標，具有兩個返回波形。優選地，按照查詢速率的順序重復下面的步驟步驟1輸出一個查詢電流脈沖34(1μs持續時間)給磁致伸縮傳感器波導40步驟2等待第一個返回的脈沖26(22.5μs或ADC時鐘的大約45個采樣(45±25個采樣)，最優選地大約21個采樣)步驟3啟動該ADC 22并緩存該數據(15μs或ADC時鐘的30個采樣)步驟4等待第二個返回的脈沖26(45μs或ADC時鐘的大約90個采樣(90±45個采樣)，最優選地大約47個采樣)步驟5啟動該ADC 22并緩存該數據(15μs或ADC時鐘的30個采樣)此時，我們具有被數字采樣的數據的兩個單獨緩存器，該數據包括對應于兩個磁性目標的返回脈沖波形。接著我們處理這些緩存器，從而為每個緩存器確定其特征時間。對于每個緩存器步驟6在數據中確定峰值或中心值的標記(采樣數)。
步驟7在步驟6確定的標記附近形成一個查找窗口(2至4個采樣)步驟8在形成的查找窗口中估算該小波模板波形變換時間τ，其中在該形成的查找窗口中，被變換的模板波形與被采樣數據之間的相關性最大。
優選地，這里我們隱含地定義了將成為最優變換時間的特征時間。一旦為兩個緩存器中的每一個都確定了最優小波模板變換時間，就能夠通過知道相對于該詢問脈沖來說何時對該緩存器進行采樣，來計算該脈沖-脈沖(相對)時間或者查詢-脈沖(絕對)時間。
優選地，本發明包括實現步驟8。有多種方式來實現步驟8，以達到所希望的精度和魯棒程度。為了進一步闡明該方法，我們從應用于圖6所示的強力(brute force)方法開始。
圖6中上面的曲線圖表示一個示例的模擬返回波形，其中該波形已經被數字采樣為20個采樣的緩存。對于該例子，選擇一個對稱的余弦調制的余弦小波(參見圖5)來表示被合成的返回模板波形28。如圖6A上面的垂直線CP所示，我們定義了該小波的中間點作為特征時間。需要注意的是，在其中一個采樣時間處通常不會出現該特征時間。
對于該例子，步驟8的目的是僅僅使用20個采樣時間緩存數據作為數據，通過將接收到的返回脈沖波形與小波模板波形進行比較來確定特征時間。定義被數字采樣的返回波形緩存就是r＝[r1…rn…r20]T(2)將步驟6應用于圖6中的示例緩存，我們能夠看出，數據中的峰值出現在采樣數12。根據步驟7，如圖6A的陰影交叉影線區域所示，我們接著可以在該峰值的每一側形成兩個采樣的查找窗口。為了實現步驟8，我們首先選擇一個類似于被采樣返回脈沖波形的小波模板28。對于該例子，選擇了墨西哥帽小波模板。
我們接著選擇一個變換時間τ，使得該小波模板位于查找窗口最左邊緣的中央。通過數字地對連續的小波模板進行采樣來生成第二數據緩存，以與被返回波形緩存器的時域采樣相匹配。將被數字采樣的小波模板緩存定義為w(τ)＝[w1…wn…w20]T(3)通過使用這兩個緩存器，我們接著計算性能尺度，例如相關函數或二次誤差成本函數，從而對接收到的返回脈沖波形與模板波形進行比較。這兩個尺度被定義為Jcrrelation(τ)＝w(τ)Tr＝rTw(τ) (4a)Jquadratic(τ)＝(w(τ)-r)T(w(τ)-r)(4b)在相關尺度(4a)的情況下，我們希望確定使尺度最大的變換時間(圖6C)，在二次誤差尺度的情況下，我們希望使得該尺度最小化(圖6D)。如圖6C-D所示，兩種比較會導致互補的結果。
此時，我們在我們的性能尺度上只有一個簡單的點。為了找到該最小值(或最大值)，我們需要計算更多的點。一種這樣做的方式就是在很小的離散的時間步長中使得小波模板從查找窗口的最左邊緣“滑動”到最右側邊緣，同時在每個變換時間計算該比較性能尺度。用于滑動該小波模板的時間步長應該被選擇為與所希望的測量精度具有相同的分辨率。圖6B中解釋了該小波滑動處理的一個例子。
一旦通過查找窗口計算出了性能尺度，就很容易找到比較極值，即最小值或最大值。只要該查找窗口沒有被選擇的太大，該極值點就是唯一的。該與極值尺度相關的變換時間就是使得小波與被采樣數據之間的相關性最大的特征時間。對于該例子，在圖6B中，具有最優變換時間的小波模板被用粗體和標記WT進行高亮顯示。
如上面提到的，該強力方法當然會產生所希望的結果，但是會有相當大的計算成本。該成本的很大一部分來自于連續小波函數的直接評估，以生成等式(3)的被采樣的小波數據緩存。一個用于降低該成本的可能的裝置就是以精確的變換時間分辨率對一組被采樣的小波模板進行預計算，但只是將該小波從未加工的波形采樣率的一個采樣周期滑動到下一個采樣周期。算術地，我們可以預計算下面的矩陣W＝[w(kts)w(kts+Δτ)w(kts+2Δτ)…w((k+1)ts)] (5)其中ts為低速采樣處理的采樣周期，k為低速采樣指數，并且Δτ為對于每個步驟的遞增變換時間偏移。通過適當的零填充或者通過提取一個適當的數據子集，可以使用該陣列中的數據覆蓋變換時間的范圍。
另一個計算成本的較大部分來自生成超過一定變換時間范圍的性能尺度。除了強力滑動以外，使用對分法來查找最優小波調整就能夠實現相當大的計算節省。該對分法需要連續地再劃分該查找間隔，直到隨后成本函數計算中的變化落入預定的閾值中。圖7A為Matlab腳本的例子，用于根據對分法在接收到的返回脈沖波形26的緩存數據(buf1)上滑動小波模板波形28(syncgen)。
該方法被應用于由商業上可行的磁致伸縮傳感器產生的實際返回脈沖波形。圖7B為來自典型數據集合的例子，該數據集合示出了該對分法如何從該成本函數中查找最小值。在該例中，計算步驟被降低兩個數量級(相對于小波的10-15個時域移動)。從圖7B中需要注意的是，該對分法并不是一直朝最優方向上步進。因此，可以采用更復雜的算法，以進一步將計算步驟減少一半左右。但是這些一般都要求對于梯度進行更加精密的計算評估，相比較而言該對分法是簡單計算。
本發明提供了擴展磁致伸縮探頭的溫度范圍，并且能夠在磁致伸縮測量中改進準確度和精度。圖8示出了本發明被應用于商業上可行的磁致伸縮傳感器40上的數據。在三個溫度中的每一個上取三個數據點。y軸相當于如下的時間，該時間是對應于兩個磁體36的兩個脈沖之間的時間，其中兩個磁體36位于沿著磁致伸縮傳感器波導探頭方向大約分離168mm。在任何給定溫度下傳播的值小于0.05μs，相當于小于0.15mm。具有溫度的數據點的斜率與一般的磁致伸縮波速溫度參數相一致，大約為2-3ppm/in/°F。典型的磁致伸縮波導探頭具有最大上限溫度使用范圍不大于100℃，這是因為在溫度極值處信號幅值和質量被降低。本發明顯示出可以提供100℃以上的有校準價值的結果，并且優選的達到121℃。
圖9中示出了磁致伸縮傳感器的示意圖。磁致伸縮波導線40穿過傳感線圈38。將詢問脈沖34施加給產生環形磁場的磁致伸縮波導線40。該磁場與目標位置磁體36相互作用，并從磁體36的位置產生沿著波導40的兩個方向傳播的扭轉波。在反射(及反相)該線40的末端之后，扭轉波2跟隨扭轉波1穿過該傳感線圈38。圖10示出了一個典型的傳感線圈輸出38。該第一大響應相當于穿過該線圈38的電流詢問脈沖34(這里被稱為電流噪聲)，其后跟隨著對應于扭轉波1和2的返回波形脈沖26。
當磁性目標36移近線圈38時，波1就開始感應并且最終被掩蓋在電流噪聲中。對于一種典型的磁致伸縮傳感器，這種感應在線圈的2.5英寸內強制產生一個死區。但是，為了時間目的，通過使用波2來代替波1可以大體上減小該死區，尤其是當目標磁體36在線圈38附近時。圖11說明了這一點，并且示出了通過使用波導反射波形的一端而使得死區減小。磁體位置x＝0相當于磁體位于距離感應線圈中心大約0.5英寸的位置。因此，就可以看出，使用反射波2允許測量一個距離線圈大約1.0英寸的點，而使用波1只允許距離線圈大于約2.5英寸的合理測量。
對于大致消除磁致伸縮傳感器波導探頭末端上的死區而言，本發明的模板波形比較信號處理是很有效的。
對于耦合角度失調測量Joint Strike Fighter Lift-Fan ShaftPrognostics and Health Mornitoring申請使用了兩個磁性目標36。因此傳感器示意圖以及相應的線圈輸出看上去與圖12和13的一樣。圖12示出了在兩個目標磁體36的情況下磁致伸縮傳感器40中扭轉波的傳播。圖13示出了來自兩個目標磁體36的四個返回波形脈沖。根據上面的討論，最好使用扭轉波2使得傳感器死區長度最小化。由于另一個磁體接近于線圈38，因此波3或4也可以使用。因此，可以通過如下的公式來計算兩個磁體之間的距離d＝c(t2-t4) (6)其中t2-t4為波4和2之間的相對時間，并且c為材料波速。其他的扭轉波(1和3)優選地用于確證該測量。在一個優選實施例中，扭轉波1和3用于確定兩個目標磁體的位置，這是由于這些接收到的返回脈沖波形具有更大的幅值，例如圖12和13中所示。
該查詢電流脈沖34的持續時間長度優選地為大約1至2μs，例如1μs±10ns或1.15±0.15μs。例如過零檢測的方法具有的問題就是詢問脈沖中的可變性，但是本發明的魯棒性為此提供了大范圍的容許度。優選地，該詢問脈沖持續時間的范圍為大約0.9至2μs。優選地，該詢問脈沖具有可變的詢問脈沖持續時間，并且該磁致伸縮詢問脈沖發生器在脈沖持續時間大約為0.9至2的范圍內提供輸出。
該模板波形比較的方法利用查找來得到特征時間。對分法是求根方法。由于我們不需要查找過零，因此這不是通過磁致伸縮傳感器使用模板小波所必須的。在實際中，我們希望找到模板小波與緩存數據最匹配的時間。這樣，這就是相關性，并且我們希望對該相關性進行最大化，以找到最優并且非常精確的特征時間。找到這種相關函數的最大值就是一種一維最大化問題，其中優選地將該最大值包括進來(bracket)。
一種在一維中求一個函數的最小值或最大值的方法就是黃金分割查找。在對分法和黃金分割查找中，優選地將解包括進來。兩種方法之間細微的差別就是，在對分法中，當該函數在一對點a和b上具有相反的符號時，解或根被包括在這兩個點中間。對于該最小化或最大化問題，不能依賴一個過零或根。而應該優選地定義3個點，a＜b＜c，而使得f(b)＜f(a)并且f(b)＜f(c)。
如果求出該函數的導數，則找到函數的最小值或最大值就能夠被簡化為一個求根問題。在這種情況下，可以使用對分法作為一個可選對于連續的函數，解并不被處理器浮點精度所限制。泰勒理論給出了f(x)≈f(b)+1/2·f″(b)(x-b)2并理解該等式幫助使所允許的對分總數最小化。用于查找的允許偏差的典型值就是處理器的浮點精度的平方根。
雖然許多對分及黃金分割查找法的求解最終將由于該函數的連續性而受到一些小浮點數的限制，但是本發明的不連續性就隱含著求解受到不連續采樣點的限制。圖14(對于成本函數J的最小查找)示出了黃金分割查找成本函數J的最小值。
該比較查找方法優選地從選擇點1、2和3開始，使得f(3)＜f(2)并且f(3)＜f(1)。接著，在點1和3或3和2之間選擇點4。我們發現f(4)＜f(2)，而f(4)＞f(3)。因此，點3仍舊是我們查找的中間點，而外部邊緣現在為點1和4。現在在點1和3或點3和4之間選擇一個點。我們發現f(5)＜f(3)，并且f(5)＜f(4)，因此這就成為了我們新的中間點。在所有的情況下，新的三點組的中間點就是獲得的其坐標為最小值的點。現在，我們必須在點3和5或5和4之間選擇一個點。當已經完成了重復查找的預定數(用以限制處理器負擔)，或者當最小值已經受到一些關于橫坐標的標準的限制，或者內部點之間的距離大于預先計算的小波緩存數目的倒數，則該比較查找被終止。
在該查找中，1，2，3和4可以為浮點數。但是接著該橫坐標被離散化為對應于小波緩存數目的基礎，由此使用適當的小波評估成本函數。
通過黃金分割查找法選擇的點‘x’(如圖14中所示)應該為從查找窗口的中點到兩個間隔a-b和b-c中較大的那個之間的距離的38.197％(黃金比率)。不管該查找的初始條件如何，只要使用該黃金比例規則來選擇連續的點，它就會向按比例尺度的(ratiometric)查找收斂。到最小值的收斂是線性的，但不會象對分法那樣好(其使用的比例是50％)。
在Joint Strike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics and HealthMornitoring申請中，我們知道了該系統中磁致伸縮傳感器40以及目標磁體36的物理結構，因此我們選擇外部括號‘a’和‘c’。這些點就是我們查找窗口的開始和結束采樣(如上面的步驟7中所述)。我們為第三點選擇了該括號中的點‘b’并隨即應用黃金分割查找。在JointStrike Fighter Lift-Fan Shaft Prognostics and Health Mornitoring申請中，由于我們必須計算查找窗口中的峰值，因此我們可以將其用作點‘b’。
還有許多其它數學方法能夠用于解決一維最小化問題(以及更多的多維問題)，以對返回脈沖波形26和模板波形28進行比較。例如，Brent的方法比黃金分割查找法更快，但是如果三個被選擇的點在一條線上這種方法就會失效。正由于此，在實際中優選地一起采用這兩種方法，以根據需要使用邏輯在兩者之間切換。
一種在計算上更繁重的方法就是強力法，其中對每個預計算的小波緩存都進行成本函數分析。
不管采用哪種查找方法，該特征時間就是對應于該小波質心的時間，對于該小波質心，成本函數最小(或者相關性函數最大)。
對返回的脈沖波形26和模板波形28進行比較提供了對于飛行時間數據的有益信號處理。優選地，對于飛行時間數據的信號處理包括兩個主要步驟(1)對返回脈沖的數字累積，其中該返回脈沖一般出現在超過多次發射(shot)或查詢持續時間，并且，(2)識別與所累積的返回脈沖相關的特征時間，優選地返回脈沖波形質心。方法A-C適合步驟(1)。方法A為脈沖累積方法，對于該方法，執行多次發射(查詢)并且根據整體原則對該返回脈沖進行累積(平均)。例如，如果執行20次發射并且每次發射都由16k個點組成，則該累積結果就是16k個點。對于該方法，在短時間幀中均為穩定和遍歷的零平均噪聲將會隨著累積數N的變大而消失。對于足夠大的N，該方法的分辨率ε一般為ε～±c/2fs其中c為傳播速度而fs為采樣率。
方法B類似于方法A，但是采用兩個特征時間采樣周期Ts＝1/fs以及計數器周期To，其中，通常To＝m Ts而m＞1為標量。除了對于每次發射來說A/D被延遲一個計數周期，再次出現了N個發射和累積。該計數器具有低位計數M，使得它在N內翻轉N/M次。該結果是Ts/M和N/M個點的有效(累積的)的采樣周期，其中N/M個點將在每個有效的采樣周期被平均。很清楚的是，隨著M的增加，該間隔(interleave)方法對于求解返回脈沖是很有效的。在圖15中所示的例子中，N＝8并且M＝4(2位)，使得該有效的采樣周期為Ts/4，并且在每個有效采樣時間有2個采樣。方法B允許使用較低速率的A/D，包括一個非常快(但位數低)的計數器。該方法的分辨率ε一般為ε～±c/2Mfs方法C與方法B類似，不同之處在于A/D的初始時間在時間間隔(0，Ts)之內是隨機的。這種方法的目的就是實現方法B的一些優點而不需要高速的計數器。
如方法B和C中所作的，一種改變A/D初始時間的可選方案就是改變查詢周期，從該周期中觸發該A/D緩存。
與峰值檢測方法相比，本發明的小波模板波形比較方法是有益的。對于上述的各種方法，一般試圖通過識別與脈沖質心相關的時間來定義累積的返回脈沖的特征時間。這么做的一種方法就是簡單地識別與返回信號的峰值相關的時間。如果在累積之后，該被采樣的返回脈沖實質上從該噪音層顯露出來，則最差情況的準確度將相應于上面定義的分辨率。通過使用小波模板波形比較方法來識別返回脈沖質心，從而提供了改進的準確度。
圖16示出了采樣信號特征的范圍，所述采樣信號具有在100MS/s至300MS/s之間變化的采樣率并且噪聲信號比(用誤稱SNR來指示)為0、0.1和0.5。使用單位幅值的Hanning窗口生成該信號，并且增加的噪音就是具有SNR的標準偏差的零平均值Gaussian。信號的質心被定義為相應于“實際范圍”。脈沖寬度為10ns。
圖17對于各種采樣率和SNR，比較了信號處理方法A至C。對于方法B，使用M＝5。得出如下結論1.方法B和C與方法A一樣好或者更好一點。
2.對于低噪音條件，分析結果與最差情況下的誤差預測一致。
3.該三種方法的性能在具有非常差的SNR和較高采樣率時變得基本相當。
圖18比較了兩種用于計算累積的返回信號質心的方法峰值檢測方法(圓形)以及小波模板波形比較方法(菱形)。對于這些例子，一種半正矢被用作小波。在各種采樣率和SNR下使用根據方法A的數據累積。結論如下1.與峰值檢測法相比，在除了出現數據混疊(alias)以外的所有情況下，該小波模板波形比較方法提供了更好的精確度。在這種情況下，數據混疊相當于采樣率足夠低以至于在給定次數的返回脈沖寬度內只進行少于兩次采樣的情況。或者換句話說，為了防止混疊，Ts＜Tp/2，其中Tp為脈沖寬度。為了防止在方法B的情況下出現混疊，優選地就是使得Ts＜MTp/2。
2.當SNR變得非常差的時候，在非混疊采樣率的情況下，峰值檢測法以及小波模板波形比較法的性能變得基本相當。
本發明可以應用在當小波到達系統的時間傳感器檢測器時在時間上要求高度準確和精確的系統中。本發明提供了一種有益的方法，用于確定目標波26到達傳感檢測器24的時間。在本發明的一個優選實施例中，小波相關性的小波模板波形比較方法被用于對磁感應的應變脈沖波的到達進行計時，其中該應變脈沖波以聲速沿著磁致伸縮傳感器波導40傳播。本發明用于確定磁感應的應變脈沖波的傳播時間，其中傳播時間是指該磁感應的應變脈沖波從與磁場相互作用(詢問脈沖磁場與耦合中心傳感器磁性目標環36之間的相互作用)的感應初始點沿著磁致伸縮傳感器波導體長40傳播到傳感器元件檢測頭傳感EM線圈38的傳播時間，而所述傳播時間能夠用于確定傳播長度，而該傳播長度表示了沿傳感器波導體長40的感應初始點的位置以及耦合中心傳感器磁性目標環36的位置。除了磁致伸縮系統以外，該發明能夠用在測量系統中。該方法優選地包括確定和測量與該波脈沖的單個點相對的波脈沖26的質心，優選地其被用于根據波脈沖的傳播時間來確定距離。如圖1C中所示，該方法能夠被用于確定正在傳播的波脈沖26到達檢測器24的時間，例如返回EM光脈沖波26到達電光傳感器24，例如用在激光測距機或激光多普勒測速儀風速空速測量系統中。在測距機測量中，進行了多個發射(脈沖34被發送至目標74)并且對反射的返回脈沖26進行緩存，從而根據脈沖的傳播時間(飛行時間)來確定到目標74的距離，本發明提供了精確和準確的方法，用以測量何時脈沖波26已經返回至檢測器24。與在測距機中一樣，也執行并緩存了多個發射。但是，對于風速處理，并不對時間數據整體進行累積或平均。而是對所有的數據都進行緩存——這共計M×N個被緩存的點，其中M為記錄長度，N為發射次數。在最小值，該記錄長度為往返飛行時間乘以采樣率，或者M≥2R fs/c其中R為測量范圍。該整體可以是帶通濾波器，以去除直流部分并用于防止混疊。
接著在緩存的整體上進行總數為N的FFT，并且隨即對FFT進行累積或平均(通常的，FFT的幅值就用于此目的)。這就會產生NFFT/2個唯一頻率點的頻譜，其中NFFT為FFT中的點的數量。一般地，NFFT可以被設置為等于M或者最近的最低的以2為指數的值。
如果目標74(飛塵或懸浮微粒)以恒定的速率移動，則結果產生的頻譜將是單調的。接著下一個處理步驟涉及識別頻譜內頻率峰值的質心。該頻率相應于(ωa+ωd)。則風速為ωdλ。可以使用峰值檢測法實現質心識別，或除了小波沿著頻率軸而不是時間軸出現滑動以外，可以通過如上所述的小波模板波形比較法來實現質心識別。該方法的分辨率主要是由FFT的頻率分辨率確定的。對于NFFT個點的FFT，該測量分辨率為
res＝ fsλ/NFFT一般地，FFT點的數量NFFT被采樣點的數量M所限制。并且為了使緩存長度最小，M＝2fsR/c。因此對于NFFT＝M，其中M被設為使緩存長度最小，我們得到了res＝cλ/4R——與fs無關。
實例結果地面風速測量值
λ＝1550nm，ωo≈2π(2e14Hz)ωa＝O(107Hz)＝AOM頻率ωd＝O(107Hz)＝多普勒頻移，ωd＜ωa通過將噪音穿過輕微衰減的二階系統并接著增加噪音和DC偏移來產生返回信號。通過改變返回信號的SNR以及半功率帶寬(2ξω)來調整信號質量。后者等同于調整返回信號的頻率帶寬。例如懸浮微粒的目標可以顯示出速度的分布。分布越廣，相應累積的頻譜或半功率帶寬也就越寬。我們假設所希望的平均速度相應于頻譜的質心。圖19示出了結果，其中使用了下面的參數并且通過簡單峰值檢測來確定該FFT頻譜質心。
λ＝1540nm，ωa＝30MHz，fs＝100MHz，N＝30，M＝5001，NFFT＝4096，v＝18:0.01:18.2m/s
在圖19的結果中，頻譜的峰值被識別出來，并且等于平均速度。圖20中示出的結果說明了本發明的應用。由于在時間域中定義了一個小波，并沒有使用嚴格意義上的小波，而下面使用的元件是定義和應用在頻率域中的模擬實體。除了該差別以外，這些方法是相同的并且該實體將被稱為模板波形“小波”(speclets更合適)。
用于下面例子的頻率域模板波形小波采用下面的形式如果(1-kξ)<ωωo<(1+kξ)]]>則ψ(ω)=|jωo(ωo2-ω2)+j2ξωoω|]]>否則ψ(ω)＝0其中依此類推，ωo和ξ分別定義了模板波形小波的位置和擴張度。雖然在該例子中研究的所生成的返回信號在半功率帶寬中跨越了3個數量級，但是只有具有兩個擴張度的兩個模板波形小波被應用于這些返回信號。這在下面的圖中示出。當返回信號的半功率帶寬超過0.002ωo時，就會發生從擴張較大的模板波形小波轉換為擴張較小的模板波形小波。在一個實施例中，本發明包括根據給定應用的信號的半功率帶寬度的變化進行二維模板波形小波比較處理，其中在位置和擴張的范圍中尋找最大相干性。
圖20對峰值檢測法和模板波形小波法進行了比較，其中對兩種半功率帶寬方式使用了兩個模板波形小波(粗線)。顯示出執行該模板波形小波方法比峰值檢測法更好。
對于本領域內的技術技術人員來說很清楚的是，在不脫離本發明的精神和范疇的情況下，可以對本發明進行各種修改和變化。這樣，本發明就覆蓋了由所附權利要求書及其等同物范圍所提供的本發明的各種修改和變化。
權利要求
1.一種測量脈沖傳播時間的方法，所述方法包括提供詢問脈沖發生器，提供用于接收返回的脈沖波形的波形檢測器，提供模板波形，從所述詢問脈沖發生器輸出詢問脈沖，接收返回的脈沖波形，以及將所述接收到的返回脈沖波形與所述模板波形進行比較，以確定所述返回脈沖波形的返回時間。
2.如權利要求1的方法，其中進行比較以確定所述返回脈沖波形的所述返回時間包括在接收的返回脈沖波形中確定一個時間，此時在所述接收到的返回脈沖波形與所述模板波形之間的相關性最大。
3.如權利要求1的方法，其中接收返回的脈沖波形包括按照周期性的采樣率對所述返回的脈沖波形進行緩存。
4.如權利要求3的方法，所述方法包括確定以周期性采樣率緩存返回的脈沖波形的幅值極值的采樣時間。
5.如權利要求4的方法，所述方法包括在所確定的采樣時間幅值極值附近形成一個查找窗口。
6.如權利要求5的方法，所述方法包括在所述形成的查找窗口中估算小波變換，其中在該窗口中模板波形與接收到的返回脈沖波形之間的相關性最大。
7.如權利要求1的方法，包括提供一個緩存器電路，其中接收返回脈沖波形包括將所述返回的脈沖波形接收到所述緩存器電路中。
8.一種測量系統，所述系統由如下部分組成詢問脈沖發生器，用于輸出詢問脈沖，具有模板波形的比較處理器，以及波形檢測器，用于接收返回的脈沖波形，所述波形檢測器與比較處理器相連，且所述波形檢測器將所述返回的脈沖波形傳送給所述比較處理器，所述比較處理器用于將所述返回的脈沖波形與所述模板波形進行比較并確定返回脈沖的時間。
9.如權利要求8的測量系統，其中所述波形檢測器是模擬檢測器，并且所述系統包括與所述波形檢測器及所述處理器相連的模-數轉換器。
10.如權利要求8的測量系統，其中所述波形檢測器以及所述處理器與所述詢問脈沖發生器同步。
11.如權利要求9的測量系統，其中所述波形檢測器由傳感線圈組成。
12.如權利要求8的測量系統，所述系統包括波導，其中所述詢問脈沖發生器與所述波導耦合，以將所述詢問脈沖輸出到所述波導中，并且所述波形檢測器與所述波導耦合，以從所述波導接收所述返回脈沖。
13.如權利要求12的測量系統，其中所述波導由磁致伸縮波導組成。
14.如權利要求8的測量系統，其中所述詢問脈沖發生器是光學脈沖發生器，并且所述波形檢測器由光學脈沖檢測器組成。
15.一種用于測量脈沖到達時間的方法，所述方法包括提供處理器，該處理器與用于接收脈沖波形的波形檢測器進行通信，提供模板波形，通過所述波形檢測器接收脈沖波形，以及將所接收到的脈沖波形與所述模板波形進行比較，以確定所述脈沖波形的到達時間。
16.如權利要求15的方法，其中進行比較包括在所接收的返回脈沖波形中確定一個時間，此時在所接收的返回脈沖波形與所述模板波形之間的相關性最大。
17.如權利要求15的方法，其中接收所述脈沖波形包括按照周期性的采樣率輸入測量后的幅值。
18.如權利要求17的方法，所述方法包括確定所接收的脈沖波形的幅值極值。
19.如權利要求18的方法，其中所述方法包括在所接收的脈沖波形的所確定的幅值極值附近形成一個查找窗口。
20.如權利要求19的方法，所述方法包括在所形成的查找窗口中估算小波變換，其中在該窗口中模板波形與接收到的返回脈沖波形之間的相關性最大。
21.一種測量磁致伸縮傳感器脈沖的方法，所述方法包括下述步驟為模擬波形檢測器提供與模-數轉換器相連的數字緩存器電路，用于從磁致伸縮波導接收脈沖波形，提供模板波形，將脈沖波形接收到所述數字緩存器電路中，以及將所述接收到的脈沖波形與所述模板波形進行比較，以確定所述脈沖波形的到達時間。
22.如權利要求21的方法，所述方法包括提供與所述磁致伸縮波導相耦合的詢問脈沖發生器，從所述詢問脈沖發生器向所述磁致伸縮波導輸出詢問脈沖，其中將所述脈沖波形接收到所述數字緩存器電路中的步驟包括將返回的脈沖波形接收到所述數字緩存器電路中。
23.如權利要求22的方法，其中所述波形檢測器以及所述緩存器電路與所述詢問脈沖發生器同步。
24.如權利要求21的方法，其中所述波形檢測器由傳感線圈組成。
25.如權利要求21的方法，其中關于確定所述脈沖波形的所述到達時間包括在接收的返回脈沖波形中確定一個時間，此時在所述接收的脈沖波形與所述模板波形之間的相關性最大。
26.如權利要求21的方法，其中將脈沖波形接收到所述緩存器電路中的步驟包括按照周期性的采樣率輸入測量后的幅值。
27.如權利要求26的方法，其中所述周期性采樣率為至少1MHz。
28.如權利要求23的方法，其中從所述詢問脈沖發生器將詢問脈沖輸出到所述磁致伸縮波導中的步驟包括以至少0.5kHz的速率輸出詢問脈沖，并且將脈沖波形接收到所述緩存器電路中的步驟包括以至少1MHz的周期性采樣率輸入測量后的幅值。
29.如權利要求21的方法，其中提供模板波形的步驟包括提供墨西哥帽模板波形。
30.一種磁致伸縮傳感器系統，所述磁致伸縮系統包括如下部分磁致伸縮波導，模擬波形檢測器，用于從所述磁致伸縮波導接收磁致伸縮脈沖波形，具有模板波形的比較處理器，用于將所述接收到的磁致伸縮脈沖波形與所述模板波形進行比較，以確定所述脈沖波形的到達時間。
31.如權利要求30的系統，所述系統包括數字緩存器電路，該數字緩存器電路通過模-數轉換器與所述模擬波形檢測器相連，并且該數字緩存器電路與所述比較處理器進行通信。
32.如權利要求30的系統，所述系統包括磁致伸縮詢問脈沖發生器，用于將詢問脈沖輸出到所述磁致伸縮波導中。
33.如權利要求30的系統，其中所述波形檢測器包括傳感線圈。
34.如權利要求32的系統，其中所述磁致伸縮詢問脈沖發生器輸出詢問脈沖，該詢問脈沖的持續時間范圍為大約0.9至2μs。
35.如權利要求32的系統，其中所述磁致伸縮詢問脈沖發生器輸出詢問脈沖，該詢問脈沖的持續時間是可變化的。
36.一種磁致伸縮地測量目標位置的方法，所述方法包括提供磁致伸縮波導，提供磁致伸縮詢問脈沖發生器，用于將詢問脈沖輸出到所述磁致伸縮波導中，提供波形檢測器，用于從所述磁致伸縮波導接收返回的脈沖波形，提供比較處理器，提供模板波形，從所述磁致伸縮脈沖發生器輸出詢問脈沖，通過所述檢測器接收返回的脈沖波形，以及將所接收的返回脈沖波形與所述模板波形進行比較，以確定所述返回脈沖波形的返回時間。
37.如權利要求36的方法，其中所述磁致伸縮詢問脈沖發生器輸出詢問脈沖，該詢問脈沖的持續時間范圍為大約0.9至2μs。
38.如權利要求36的系統，其中所述磁致伸縮詢問脈沖發生器輸出詢問脈沖，該詢問脈沖的持續時間是可變化的。
全文摘要
本發明提供了一種磁致伸縮傳感器系統(30)以及測量磁致伸縮傳感器脈沖(26)的方法。該測量系統和方法包括為模擬波形檢測器提供與模－數轉換器相連的數字緩存器電路，用于從磁致伸縮波導接收磁致伸縮脈沖波形。提供模板波形，并將返回的磁致伸縮脈沖波形接收到數字緩存器電路中。將接收到的脈沖波形與模板波形進行比較，以確定返回的磁致伸縮脈沖波形的到達時間。提供模板波形包括提供生成的合成返回波形，其用于模擬該磁致伸縮系統的特征磁致伸縮返回脈沖波形。該磁致伸縮傳感器系統包括磁致伸縮波導(40)，模擬波形檢測器(24)，用于從該磁致伸縮波導接收磁致伸縮脈沖波形，具有模板波形的比較相關處理器，用于對接收到的磁致伸縮脈沖波形與模板波形進行比較以確定返回的磁致伸縮脈沖波形的到達時間。
文檔編號G01B7/02GK1867813SQ200480030161
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月14日 優先權日2003年10月14日
發明者馬克·R·喬利, 史蒂夫·C·索斯沃德, 萊斯利·P·福勒, 馬修·K·弗格森 申請人:洛德公司