RU2658558C1 - Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar - Google Patents

Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar Download PDF

Info

Publication number
RU2658558C1
RU2658558C1 RU2017123428A RU2017123428A RU2658558C1 RU 2658558 C1 RU2658558 C1 RU 2658558C1 RU 2017123428 A RU2017123428 A RU 2017123428A RU 2017123428 A RU2017123428 A RU 2017123428A RU 2658558 C1 RU2658558 C1 RU 2658558C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
distance
frequency
signal
frequency signal
Prior art date
Application number
RU2017123428A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Иванович Бакулин
Александр Анатольевич Смирнов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority to RU2017123428A priority Critical patent/RU2658558C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2658558C1 publication Critical patent/RU2658558C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to the equipment of industrial level gages using the principle of radiation into a waveguide of a frequency-modulated signal by symmetric triangular law, obtaining a difference frequency signal by mixing reflected and emitted signals. Processing the difference frequency signal includes determining the number of zero values of the difference frequency signal in the half-period of the modulation, determining the radiation frequency corresponding to each zero of the difference frequency signal, for which digital modulation is used. Based on the obtained data, taking into account the size of the waveguide and the modulation parameters according to the above formula, the distance is calculated. In the simplest case, to calculate the distance, is enough to know the number of zeros, radiation frequencies of the first and last zero, and a carrier frequency.
EFFECT: absence of the effect of dispersion of the waveguide on the measured distance and the accompanying simplification of the functional scheme of a meter, reduction of errors arising when applying pre-distortions and potentially other possible methods to counter dispersion.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике промышленных уровнемеров, использующих локационный принцип измерения расстояния до контролируемой среды. Волноводный вариант уровнемера служит для измерения уровня жидкой среды. В вертикально установленный волновод среда заходит через соответствующим образом выполненные перфорационные отверстия. Применяется частотная модуляция зондирующего сигнала (ЛЧМ модуляция), измеряемое расстояние определяется по разностной частоте между зондирующим и отраженным сигналами [1].The invention relates to techniques for industrial level gauges using the location principle of measuring the distance to a controlled environment. The waveguide version of the level gauge is used to measure the level of a liquid medium. The medium enters a vertically mounted waveguide through appropriately made perforations. The frequency modulation of the probe signal (chirp modulation) is used, the measured distance is determined by the difference frequency between the probe and reflected signals [1].

Волноводный вариант уровнемера обладает рядом достоинств:The waveguide version of the level gauge has several advantages:

- излучаемый и отраженный сигнал распространяются в замкнутом пространстве волновода, что избавляет от помех за счет отражений от элементов емкости, содержащей контролируемую среду;- the emitted and reflected signal propagate in the enclosed space of the waveguide, which eliminates interference due to reflections from the elements of the capacitance containing the controlled medium;

- отсутствие рассеяния в пространство электромагнитных волн позволяет снизить уровень мощности передающего модуля, что также улучшает помеховую обстановку. Есть и другие достоинства.- the absence of scattering into the space of electromagnetic waves can reduce the power level of the transmitting module, which also improves the noise environment. There are other advantages.

К основным недостаткам волноводных уровнемеров можно отнести:The main disadvantages of waveguide level gauges include:

- зависимость задержки сигнала от частоты (наличие дисперсии), что приводит к изменению разностной частоты, а следовательно, к существенным ошибкам измерения уровня контролируемой среды;- the dependence of the signal delay on the frequency (the presence of dispersion), which leads to a change in the difference frequency, and therefore, to significant errors in the measurement of the level of the controlled medium;

- для многих сред наблюдается налипание на стенки волновода, что также приводит к ошибкам измерения уровня контролируемой среды.- for many media, sticking to the walls of the waveguide is observed, which also leads to errors in measuring the level of the controlled medium.

В данном изобретении рассматривается только влияние дисперсии в предположении, что налипания нет. Ослабление влияния дисперсии возможно путем введения предыскажения в закон частотной модуляции (ЧМ) СВЧ сигнала [2]. Этот метод является аналогом предлагаемого изобретения, однако необходимое предыскажение в [2] зависит от расстояния по волноводу до продукта, поперечного сечения волновода и ряда других факторов. Это приводит к усложнению процедуры излучаемого сигнала, и, кроме того, это будет сопровождаться дополнительными ошибками, так как в реальных условиях выполнить идеальное предыскажение нельзя.This invention only considers the effect of dispersion under the assumption that there is no sticking. The weakening of the dispersion effect is possible by introducing a pre-emphasis into the law of frequency modulation (FM) of a microwave signal [2]. This method is an analogue of the invention, however, the necessary pre-emphasis in [2] depends on the distance along the waveguide to the product, the cross section of the waveguide, and a number of other factors. This leads to a complication of the procedure of the emitted signal, and, in addition, it will be accompanied by additional errors, since in real conditions it is impossible to perform ideal predistortion.

Следовательно, возникает задача создания способа определения расстояния до контролируемой среды в волноводе, свободного от проблемы дисперсии.Therefore, the problem arises of creating a method for determining the distance to a controlled medium in a waveguide free from the dispersion problem.

Такой способ, прототипом которого служит [3], предлагается в данном изобретении и предполагает расчет расстояния по следующей формуле:This method, the prototype of which is [3], is proposed in this invention and involves calculating the distance according to the following formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где k - количество нулей сигнала разностной частоты (СРЧ) на интервале наблюдения, равном полупериоду модуляции;

Figure 00000002
- критическая частота волновода;
Figure 00000003
- несущая частота;
Figure 00000004
- частоты в моменты k-го и первого нулей СРЧ; с - скорость света в вакууме.where k is the number of zeros of the differential frequency signal (RMS) in the observation interval equal to the half-period of modulation;
Figure 00000002
- critical waveguide frequency;
Figure 00000003
- carrier frequency;
Figure 00000004
- the frequencies at the moments of the kth and first zeros of the RMS; c is the speed of light in vacuum.

Следует отметить, что при

Figure 00000005
(свободное пространство) формула (1) переходит в расчетную формулу в [3].It should be noted that with
Figure 00000005
(free space) formula (1) goes into the calculation formula in [3].

Выражение (1) получается на основе следующего анализа.Expression (1) is obtained based on the following analysis.

Сигнал, излучаемый в волновод, имеет вид:The signal emitted into the waveguide has the form:

u(t)=U0cosω(t)t.u (t) = U 0 cosω (t) t.

Сигнал на смесителе при отражении от среды, находящейся на расстоянии R по волноводу, определяется по формуле:The signal at the mixer when reflected from a medium located at a distance R by the waveguide is determined by the formula:

uc(t)=Uc0 cos(ω(t-τЗ)t+ϕ),u c (t) = U c0 cos (ω (t-τ З ) t + ϕ),

где ϕ - некоторый фазовый сдвиг;

Figure 00000006
- время задержки.where ϕ is a certain phase shift;
Figure 00000006
- delay time.

После смесителя СРЧ принимает следующий вид:After the mixer, the RF system takes the following form:

uP(t)=UP0 cos((ω(t)-ω(t-τЗ))t-ϕ).u P (t) = U P0 cos ((ω (t) -ω (t-τ З )) t-ϕ).

При этом разностная частотаIn this case, the difference frequency

Figure 00000007
Figure 00000007

где

Figure 00000008
- период симметричной треугольной модуляции; ΔF - диапазон перестройки частоты.Where
Figure 00000008
- period of symmetric triangular modulation; ΔF - frequency tuning range.

Фаза разностной частотыDifferential frequency phase

Figure 00000009
Figure 00000009

В тех точках, где СРЧ равняется нулю,At those points where the RMS is zero,

Figure 00000010
Figure 00000010

где n=1, 2, …, k, k - число нулей СРЧ на полупериоде модуляции.where n = 1, 2, ..., k, k is the number of zeros of the RMS at the half-period of modulation.

Каждому значению n в (3) соответствует своя пара значений

Figure 00000011
. При линейной ЧМ связь между ними задается формулойEach n value in (3) corresponds to its own pair of values
Figure 00000011
. In linear FM, the relationship between them is given by the formula

Figure 00000012
Figure 00000012

С учетом (4) и (3) выражение (2) записывается в видеIn view of (4) and (3), expression (2) is written as

Figure 00000013
Figure 00000013

Примем n=1, тогдаWe take n = 1, then

Figure 00000014
Figure 00000014

Приняв в (5) n=k и вычитая (6), приходим к (1).Assuming n = k in (5) and subtracting (6), we arrive at (1).

Очевидно, что при определении R расчет можно вести не по крайним нулям СРЧ - (1, k), а по некоторым промежуточным их значениям - (l, n), где 1≤l<n, n≤k. Необходимость такого варианта может быть вызвана помеховой обстановкой.Obviously, when determining R, the calculation can be carried out not by the extreme zeros of the RMS - (1, k), but by some of their intermediate values - (l, n), where 1≤l <n, n≤k. The need for this option may be caused by interference.

В этом более общем случае расчет расстояния до контролируемой среды следует вести по формулеIn this more general case, the calculation of the distance to the controlled environment should be carried out according to the formula

Figure 00000015
Figure 00000015

Очевидно, что формула (1) обеспечивает большую точность, чем (7), если сосредоточенная помеха отсутствует.Obviously, formula (1) provides greater accuracy than (7) if there is no concentrated interference.

В соответствии с (1) были проведены расчеты относительной ошибки измерения расстояния

Figure 00000016
, где
Figure 00000017
- измеренное расстояние, для круглого волновода диаметром 25 мм с волной Н11 и симметричной треугольной модуляционной характеристики с периодом модуляции
Figure 00000018
при различных значениях параметров измерителя.In accordance with (1), the relative distance measurement error was calculated
Figure 00000016
where
Figure 00000017
- measured distance, for a circular waveguide with a diameter of 25 mm with a wave of H 11 and a symmetrical triangular modulation characteristic with a modulation period
Figure 00000018
at different values of the parameters of the meter.

При расчетах СРЧ задавался в видеIn the calculations, the RMS was set in the form

Figure 00000019
Figure 00000019

где

Figure 00000020
Figure 00000021
- время задержки отраженного сигнала; ϕ - произвольная фаза; n(tj) - аддитивный белый гауссовский шум.Where
Figure 00000020
Figure 00000021
- delay time of the reflected signal; ϕ is an arbitrary phase; n (t j ) is the additive white Gaussian noise.

Расчеты проводились методом статистических испытаний при следующих параметрах зондирующего сигнала: число отсчетов СРЧ на интервале анализа

Figure 00000022
N=2000; 4000, несущая частота
Figure 00000023
, критическая частота
Figure 00000024
, девиация частоты ΔF=300; 500; 800 МГц, величина ϕ варьировалась в пределах [0÷π), усреднение в точках осуществлялось по 106 значениям.The calculations were carried out by the method of statistical tests with the following parameters of the probing signal: the number of samples of the RMS in the analysis interval
Figure 00000022
N = 2000; 4000 carrier frequency
Figure 00000023
critical frequency
Figure 00000024
, frequency deviation ΔF = 300; 500; 800 MHz, ϕ varied within [0 ÷ π), averaging at points was carried out over 10 6 values.

Результаты расчетов приведены на Фиг. 1 и Фиг. 2. Зависимости на Фиг. 1 свидетельствуют об отсутствии влияния дисперсии на определение расстояния в соответствии с формулой (1), поскольку величина ER находится в пределах (10-2÷3⋅10-3)% и имеет явно методическую природу, уменьшаясь с ростом N. Зависимости, приведенные на Фиг. 2, не противоречат сделанным выше выводам.The calculation results are shown in FIG. 1 and FIG. 2. The dependencies in FIG. 1 indicate that there is no effect of dispersion on determining the distance in accordance with formula (1), since the value of ER is in the range of (10 -2 ÷ 3⋅10 -3 )% and has a clearly methodological nature, decreasing with increasing N. The dependences given by FIG. 2, do not contradict the conclusions made above.

Предлагаемый способ измерения расстояния в соответствии с (1) и (7) для волноводного ЧМ уровнемера не известен для способов и устройств, из чего следует соответствие его критерию «новизна».The proposed method for measuring distance in accordance with (1) and (7) for a waveguide FM level gauge is not known for methods and devices, which implies compliance with its “novelty” criterion.

Изобретательский уровень определяется основным свойством предлагаемого способа - он свободен от влияния дисперсии на ошибку определения расстояния до контролируемой среды, которая при наличии дисперсии может составлять десятки процентов, что является неприемлемым. Отсутствие влияния дисперсии избавляет от необходимости нейтрализовывать ее с помощью с помощью специальных методов, например, введением предыскажений в зондирующий сигнал, что приводит к усложнению функциональной схемы измерителя и возникновению дополнительных ошибок. Отсутствие влияния дисперсии сохраняется при изменении девиации частоты и длине волновода (Фиг. 1). Это свидетельствует об общности предлагаемого способа.The inventive step is determined by the main property of the proposed method - it is free from the influence of dispersion on the error in determining the distance to a controlled environment, which in the presence of dispersion can be tens of percent, which is unacceptable. The absence of the dispersion effect eliminates the need to neutralize it with the help of special methods, for example, by introducing predistortions into the probe signal, which complicates the meter’s functional circuitry and leads to additional errors. The absence of dispersion effect persists when the frequency deviation and the waveguide length change (Fig. 1). This indicates the generality of the proposed method.

На основании сказанного можно утверждать, что заявляемый способ отвечает критерию «изобретательский уровень».Based on the foregoing, it can be argued that the inventive method meets the criterion of "inventive step".

Возможная структурная схема реализации предлагаемого способа приведена на Фиг. 3. Обозначенные блоки выполняют следующие функции: 1 - волновод; 2 - циркулятор; 3 - цифровой синтезатор частот; 4 - приемопередающий СВЧ модуль; 5 - задающий генератор; 6 - микропроцессор; 7 - блок аналоговой обработки СРЧ (усиление, фильтрация, ограничение); 8 - блок выходной.A possible structural diagram of the implementation of the proposed method is shown in FIG. 3. The designated blocks perform the following functions: 1 - waveguide; 2 - circulator; 3 - digital frequency synthesizer; 4 - microwave transceiver module; 5 - master oscillator; 6 - microprocessor; 7 - block analog processing RMS (amplification, filtering, limitation); 8 - output unit.

Библиографические данныеBibliographic data

1. Б.А. Атаянц, В.М. Давыдочкин и др. Прецизионные системы ближней частотной радиолокации промышленного применения. М.: Радиотехника. 2012.1. B.A. Atayants, V.M. Davydochkin et al. Precision short-range frequency radar systems for industrial applications. M .: Radio engineering. 2012.

2. Б.А. Атаянц, В.М. Давыдочкин, В.В. Езерский. Точность измерения уровня волноводным частотно-модулированным уровнемером. // Радиотехника. 2015. №5, С. 73-78.2. B.A. Atayants, V.M. Davydochkin, V.V. Jezersky. Accuracy of level measurement by a waveguide frequency-modulated level gauge. // Radio engineering. 2015. No. 5, S. 73-78.

3. Патент РФ №2436117, МКИ G01S 13/34. Опубл. 10.12.2011. Бюл. №34.3. RF patent No. 2436117, MKI G01S 13/34. Publ. 12/10/2011. Bull. Number 34.

Claims (3)

Способ измерения расстояния до контролируемой среды, включающий излучение в полый волновод, погруженный в жидкую среду, ЧМ сигнала, модулированного по частоте по периодическому симметричному треугольному закону, реализуемому цифровым синтезатором частот, прием отраженного от среды сигнала, получение сигнала разностной частоты путем смешивания принятого и излучаемого сигналов, измерение числа нулевых значений k сигнала разностной частоты на каждом полупериоде модуляции, расчет частот
Figure 00000025
Figure 00000026
соответствующих выбранным нулевым значениям сигнала разностной частоты, отличающийся тем, что измеряемое расстояние определяется по формуле:
A method of measuring the distance to a controlled medium, including radiation in a hollow waveguide immersed in a liquid medium, an FM signal modulated in frequency according to a periodic symmetric triangular law implemented by a digital frequency synthesizer, receiving a signal reflected from the medium, receiving a difference frequency signal by mixing the received and emitted signals, measurement of the number of zero values of k signal of the differential frequency at each half-period of modulation, calculation of frequencies
Figure 00000025
Figure 00000026
corresponding to the selected zero values of the differential frequency signal, characterized in that the measured distance is determined by the formula:
Figure 00000027
Figure 00000027
где
Figure 00000028
- критическая частота волновода;
Figure 00000029
- несущая частота;
Figure 00000030
- частоты, соответствующие выбранным нулевым точкам, 1≤l<n, n≤k; с - скорость света в вакууме.
Where
Figure 00000028
- critical waveguide frequency;
Figure 00000029
- carrier frequency;
Figure 00000030
- frequencies corresponding to the selected zero points, 1≤l <n, n≤k; c is the speed of light in vacuum.
RU2017123428A 2017-07-03 2017-07-03 Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar RU2658558C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017123428A RU2658558C1 (en) 2017-07-03 2017-07-03 Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017123428A RU2658558C1 (en) 2017-07-03 2017-07-03 Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2658558C1 true RU2658558C1 (en) 2018-06-21

Family

ID=62713438

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017123428A RU2658558C1 (en) 2017-07-03 2017-07-03 Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2658558C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2693032C1 (en) * 2018-07-23 2019-07-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of reducing deviation of frequency of a waveguide level gage with a lfm signal

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504490A (en) * 1994-04-05 1996-04-02 Thomson-Csf Radar method and device for the measurement of distance
RU2234108C1 (en) * 2002-12-18 2004-08-10 ООО "Предприятие "Контакт-1" Method for range measurement (modifications)
RU2410650C2 (en) * 2008-11-01 2011-01-27 ООО "Предприятие "Контакт-1" Method to measure level of material in reservoir
RU2436117C1 (en) * 2010-06-24 2011-12-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of measuring distance from radiator to controlled medium
RU2504739C1 (en) * 2012-06-08 2014-01-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Device for determining fluid level in container

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504490A (en) * 1994-04-05 1996-04-02 Thomson-Csf Radar method and device for the measurement of distance
RU2234108C1 (en) * 2002-12-18 2004-08-10 ООО "Предприятие "Контакт-1" Method for range measurement (modifications)
RU2410650C2 (en) * 2008-11-01 2011-01-27 ООО "Предприятие "Контакт-1" Method to measure level of material in reservoir
RU2436117C1 (en) * 2010-06-24 2011-12-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of measuring distance from radiator to controlled medium
RU2504739C1 (en) * 2012-06-08 2014-01-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Device for determining fluid level in container

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2693032C1 (en) * 2018-07-23 2019-07-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of reducing deviation of frequency of a waveguide level gage with a lfm signal

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7823446B2 (en) Pulsed radar level gauging with relative phase detection
EP2902799B1 (en) Doppler radar test system
EP3023807B1 (en) A method for determining a distance between an FMCW ranging device and a target
US7852091B2 (en) Microwave determination of location and speed of an object inside a pipe
JP5932746B2 (en) Media boundary position measurement system
RU2658558C1 (en) Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar
RU2504739C1 (en) Device for determining fluid level in container
RU2504740C1 (en) Method of measurement of fluid level in container
RU2620774C1 (en) Method for measuring mass liquid medium flow rate
RU2551260C1 (en) Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir
RU2528131C1 (en) Contactless radiowave device to measure thickness of dielectric materials
RU2620779C1 (en) Device for measuring mass liquid medium flow
RU2654215C1 (en) Method of measuring distance by range finder with frequency modulation
RU2521729C1 (en) Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir
JP7396630B2 (en) Distance measuring device and method
RU2655746C1 (en) Method of level measurement and radio range station with frequency modulation
RU2693032C1 (en) Method of reducing deviation of frequency of a waveguide level gage with a lfm signal
RU2650611C1 (en) Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir
RU2611333C1 (en) Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir
EP4116737A1 (en) Distance measuring device, distance measuring method, and program
RU2626386C1 (en) Method of measuring liquid level and loose medium in capacity
RU2649665C1 (en) Non-contacting radio wave level gauge
RU2558631C1 (en) Non-contact radio wave device to determine fluid level in tank
RU2569039C2 (en) Method for non-destructive inspection of defects using surface acoustic waves
Guo et al. A Fast High-Precision Ranging Algorithm of LFMCW Radar

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190704