Model-based Filtering of Interfering Signals in Ultrasonic Time Delay Estimations
Creators: name: Bächle, Matthias
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Time Delay Estimation
Analytic Wavelet Packets
Ultrasonic Flow Measurement

description: In dieser Arbeit werden modellbasierte algorithmische Ansätze zur Interferenz-invarianten Zeitverschiebungsschätzung vorgestellt, die speziell für die Schätzung kleiner Zeitverschiebungsdifferenzen mit einer notwendigen Auflösung, die deutlich unterhalb der Abtastzeit liegt, geeignet sind. Daher lassen sich die Verfahren besonders gut auf die Laufzeit-basierte Ultraschalldurchflussmessung anwenden, da hier das Problem der Interferenzsignale besonders ausgeprägt ist. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Frage, wie mehrere Messungen mit unterschiedlichen Zeitverschiebungen oder Prozessparametern zur Unterdrückung der Interferenzsignale in Ultraschalldurchflussmessungen verwendet werden können, wobei eine gute Robustheit gegenüber additivem weißen Gauß'schen Rauschen und eine hohe Auflösung erhalten bleiben sollen. Zu diesem Zweck wird ein Signalmodell angenommen, welches aus stationären Interferenzsignalen, die nicht von wechselnden Zeitverschiebungen abhängig sind, und aus Zielsignalen, die den Messeffekt enthalten, besteht. Zunächst wird das Signalmodell einer Ultraschalldurchflussmessung und sein dynamisches Verhalten bei Temperatur- oder Zeitverschiebungsschwankungen untersucht. Ziel ist es, valide Simulationsdatensätze zu erzeugen, mit denen die entwickelten Methoden sowohl unter der Prämisse, dass die Daten perfekt zum Signalmodell passen, als auch unter der Prämisse, dass Modellfehler vorliegen, getestet werden können. Dabei werden die Eigenschaften der Signalmodellkomponenten, wie Bandbreite, Stationarität und Temperaturabhängigkeit, identifiziert. Zu diesem Zweck wird eine neue Methode zur Modellierung der Temperaturabhängigkeit der Interferenzsignale vorgestellt. Nach der Charakterisierung des gesamten Messsystems wird das Signalmodell -- angepasst an die Ultraschalldurchflussmessung -- als Grundlage für zwei neue Methoden verwendet, deren Ziel es ist, die Auswirkungen der Interferenzsignale zu reduzieren. Die erste vorgeschlagene Technik erweitert die auf der Signaldynamik basierenden Ansätze in der Literatur, indem sie die Voraussetzungen für die erforderliche Varianz der Zeitverschiebungen abschwächt. Zu diesem Zweck wird eine neue Darstellung von mehreren Messsignalen als Punktwolken eingeführt. Die Punktwolken werden dann mithilfe der Hauptkomponentenanalyse und B-Splines verarbeitet, was entweder zu Interferenz-invarianten Zeitverschiebungsschätzungen oder geschätzten Interferenzsignalen führt. In diesem Zusammenhang wird eine neuartige gemeinsame B-Spline- und Registrierungsschätzung entwickelt, um die Robustheit zu erhöhen. Der zweite Ansatz besteht in einer regressionsbasierten Schätzung der Zeitverschiebungsdifferenzen durch das Erlernen angepasster Signalunterräume. Diese Unterräume werden effizient durch die Analytische Wavelet Packet Transformation berechnet, bevor die resultierenden Koeffizienten in Merkmale transformiert werden, die gut mit den Zeitverschiebungssdifferenzen korrelieren. Darüber hinaus wird ein neuartiger, unbeaufsichtigter Unterraum-Trainingsansatz vorgeschlagen und mit den konventionellen Filter- und Wrapper-basierten Merkmalsauswahlmethoden verglichen. Schließlich werden beide Methoden in einem experimentellen Ultraschalldurchflussmesssystem mit einem hohen Maß an vorhandenen Interferenzsignalen getestet, wobei sich zeigt, dass sie in den meisten Fällen den Methoden aus der Literatur überlegen sind. Die Qualität der Methoden wird anhand der Genauigkeit der Zeitverschiebungsschätzung bewertet, da die Grundwahrheit für die Interferenzsignale nicht zuverlässig bestimmt werden kann. Anhand verschiedener Datensätze werden die Abhängigkeiten von den Hyperparametern, den Prozessbedingungen und, im Falle der regressionsbasierten Methode, dem Trainingsdatensatz analysiert.