CN101176015B - 微波脉冲雷达的时钟脉冲控制装置 - Google Patents

微波脉冲雷达的时钟脉冲控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于生成发射时钟脉冲(ts)和采样时钟脉冲(ta；tb；tc)的时钟脉冲控制电路，其中时钟脉冲控制电路包括用于生成第一频率的第一时钟脉冲(ts)的第一振荡器(20)，和用于生成第二频率的彼此在时间上偏移的多个第二时钟脉冲(ta，tb，tc)的第二振荡器(21)。该时钟脉冲控制电路被设计成基于第一时钟脉冲(ts)和多个第二时钟脉冲(ta，tb，tc)可将发射时钟脉冲(ts)提供给发射脉冲发生器(2)，并可将采样时钟脉冲(ta，tb，tc)提供给采样脉冲发生器(6)。

Description

微波脉冲雷达的时钟脉冲控制装置
参考相关申请
本申请主张2005年5月17日提交的美国临时专利申请No.60/681,644和2005年5月17日提交的德国专利申请No.10 2005 022 558.6的提交日的权益，该两份申请的内容通过引用包括在此。
技术领域
本发明涉及时钟脉冲控制装置和用于生成特定发射和采样时钟脉冲的方法，还涉及用于测量距离的距离测量装置。
背景技术
为了连续测量容器内液体和固体的装填水平，利用对电磁波的传输时间的测量，通常将测量装置安装在容器的顶部上或安装在其中，其中所述测量装置连续发射波，这些波在容器内包含的物品的方向上通过波导引导或经由天线发射。该容器内包含的物品所反射的波随后被该测量装置接收。根据所测量的传输时间，可得出传感器和容器内所包含的物品之间的距离，而根据已知的传感器距离容器底部的位置可获得所寻求的装填水平。
已知各种用来执行这些装置的传输时间测量的方法，当波经由天线发射时这些装置叫作雷达装填水平传感器，当波被引导时这些装置经常被称作TDR(time domain reflectrometry，时域反射法)装填水平传感器。两种最常使用的方法是FMCW方法和脉冲雷达方法。在FMCW方法中，通过以线性方式频率调制的被发送和被接收的连续高频信号之间的所测差分频率来获得传输时间。
在脉冲雷达中，发射短高频脉冲，这些脉冲在相应的传输时间后被接收。必须尽可能精确地确定发射和接收之间所经过的时间。由于波几乎以光速传播，所要测量的时间因此很短，从而通常使用一些电路结构：这些电路结构通过顺序采样接收信号，将所述接收信号转换成忠实于原始信号的放慢的像。该方法通常被称作ETS(equivalent time sampling，等效时间采样)方法，在DE3107444中有说明。在上述专利文献和DE029815069U1的说明书中，描述了可实现所期望的时间放慢的电路设计。所使用的采样方法基于采样信号，该采样信号根据发射脉冲所触发的每个接收信号仅生成一个短(brief)采样值。如果相对于发射信号或接收信号控制采样值的时间位置，从而获得发射脉冲之间的采样时间的连续线性增加，则一个接一个的单个采样值形成所期望的放慢的接收信号。在该过程中，采样时间相对于发射脉冲的增加量决定时间扩展的程度。
已知有两种方法可实现采样时间的期望的线性增加。一种方法特征在于具有可调节的下游延时电路的时钟脉冲控制电路或振荡器。该时钟脉冲信号源所生成的脉冲不仅触发发射脉冲的发射，而且还触发采样信号的生成，其中采样信号的生成通过可调节的延时电路延迟。US5563605公开了该方法的一种实现。
第二种用于实现采样时间的线性增加的方法包括频率稍微不同的两个振荡器。从一个振荡器得到用于触发发射脉冲的时钟脉冲波前，而从另一个振荡器获得用于触发采样信号的时钟脉冲波前。由于频率的微小差别，采样时间点相对于发射时间点从一个发射周期到下一个发射周期以线性方式偏移，其中采样重复频率优选地稍低于发射重复频率。只要该两个振荡器的频率差保持不变，就可获得时间偏移的高线性从而获得高测量精确度。为此，将两个振荡器之一设计成可经由控制输入通过频率来改变。该振荡器的频率被调整使得两个振荡器的频率差对应于待指定的期望值。在该设计中，发射重复频率和频率差的比决定了该采样方法的时间扩展因数。
DE10106681公开了通过数字鉴相器形成频率差。通常通过形成该频率差而生成一信号，该信号通常是方波，且其频率对应于两个振荡器频率之差。测量并比较该差与指定的期望值使得可以对振荡器之一进行调整。在简单方法中这可主要由微控制器来处理。这样通过对各种期望值的基于软件的定义，还可设置不同的时间扩展因数来使传感器适应变化的测量条件。然而，频率差设置得越小，对频率差的精确调整越是问题，因为测量差分频率需要对应于完整周期的时间段，例如从方波信号的上升波前到下一个上升波前，从而随着差分频率降低，可进行调整的时间区间变得更大。
发明内容
本发明的目的是有效地实现时钟脉冲控制。
通过具有根据独立权利要求的特征的一种时钟脉冲控制电路和用于生成发射时钟脉冲和采样时钟脉冲的方法，以及用于测量距离的距离测量装置来实现所述目的。
根据本发明的典型实施例，提供一种用于生成发射时钟脉冲和采样时钟脉冲的时钟脉冲控制电路。该时钟脉冲控制电路包括用于生成第一频率的第一时钟脉冲的第一振荡器和用于生成多个第二频率的第二时钟脉冲的第二振荡器，所述多个第二时钟脉冲在时间上彼此偏移，其中基于所述第一时钟脉冲和所述多个第二时钟脉冲，发射时钟脉冲可被提供给发射脉冲发生器，且采样时钟脉冲可被提供给采样脉冲发生器。
根据本发明另一典型实施例，提供一种用于生成时钟脉冲控制电路的发射时钟脉冲和采样时钟脉冲的方法。在该方法中，第一步例如通过第一振荡器生成第一频率的第一时钟脉冲；第二步例如通过第二振荡器生成第二频率的多个第二时钟脉冲，所述第二时钟脉冲彼此在时间上偏移；第三步，基于第一时钟脉冲和多个第二时钟脉冲，对发射脉冲发生器提供发射时钟脉冲，且对采样脉冲发生器提供采样时钟脉冲。
根据本发明又一典型实施例，提供一种用于通过根据本发明的时钟脉冲控制电路测量距离的距离测量装置。
根据本发明，包括两个振荡器的时钟脉冲控制电路可生成第一时钟脉冲和多个第二时钟脉冲，如果需要，第二时钟脉冲彼此在时间上偏移且包括稍微不同的频率。所述第二时钟脉冲还可彼此在时间上偏移，但是具有相同的频率。随后所生成的第一时钟脉冲作为发射时钟脉冲可触发发射脉冲发生器，且多个第二时钟脉冲之一作为采样时钟脉冲可触发采样脉冲发生器，反之亦然。而且，多个第二时钟脉冲或第一时钟脉冲可排他地或另外地用于调整或控制振荡器自身。
如果脉冲发生器被触发，通过有目的地提供发射时钟脉冲和采样时钟脉冲，时钟脉冲控制电路可控制脉冲发生器使得通过顺序采样方法生成所接收的发射脉冲的输出信号，该输出信号忠实于原始信号并被时间扩展。在进行该操作时，采样脉冲可总是在被时间偏移的时间点采样反射的发射脉冲。由于采样时钟脉冲(从而采样脉冲)的频率可例如低于发射脉冲的频率，采样脉冲以相对于发射脉冲连续增加的时间偏移来采样反射的发射脉冲。由于发射脉冲的传输时间在测量过程(在采样脉冲从一个发射脉冲到下一个发射脉冲采样了完整周期后并再次到达发射脉冲的开始值)中几乎不改变，可获得发射循环周期的像，该像忠实于原始并被时间扩展。
如果调整并控制振荡器，时钟脉冲控制电路通过比较第一时钟脉冲和多个第二时钟脉冲中的一个第二时钟脉冲可设置第一和第二时钟脉冲之间的频率差和/或时间偏移。例如，差分频率可以是该比较的结果。基于该差分频率可通过例如与指定的期望值相比较来调整或控制所述振荡器中的一个(或两个振荡器)。
根据本发明的时钟脉冲控制电路的一个优点是，通过多个采样脉冲可将对接收信号的采样设置到两个发射脉冲之间的整个范围的特定部分范围，且可提高测量频率或采样频率。如果为了节省功率，选择相对低的发射和采样重复频率，那么一般由于所使用的方法，可采样两个发射脉冲之间的整个范围以进行时间扩展，尽管对于装填水平测量，基于所使用的容器，仅对从0到最多几十米的距离范围感兴趣。通过根据本发明的时钟脉冲控制电路，现在可以有目的地生成特定的采样时钟脉冲，通过该采样时钟脉冲，相对应的采样脉冲有目的地采样发射脉冲的特定部分范围，且从而采样特定距离范围。该时钟脉冲控制电路的进一步的优点是在电路的实现中所涉及的电子组件中几乎不出现非线性。通常，相对于线性特性的这种偏离只可通过非常高的电路花费来补救。通过振荡器生成时钟脉冲或时钟脉冲波前，可减小非线性从而减小电路花费。
本发明提供进一步优点，可通过例如微控制器和连接到该微控制器的数模转换器来控制时钟脉冲延时并调整差分频率，且这样可非常灵活地使在接收信号中采样的距离范围和所选择的时间扩展因数适应测量情况。频率差的精确调整对于不失真时间扩展很重要，且从而会导致良好的测量精确度。
根据本发明另一典型实施例，第一振荡器和/或第二振荡器是可调节、可控制或可调整的。这样例如可以可变地设置频率和/或时钟脉冲信号。
根据本发明又一典型实施例，时钟脉冲控制电路还包括至少一个延时元件，用于生成相对彼此在时间上偏移的多个第二时钟脉冲。
如果提供多个延时元件，其可关于第二时钟脉冲串联或并联连接。延时元件可接收任何期望的时钟脉冲并在其输出可发出相对于所接收的时钟脉冲时间偏移的时钟脉冲。在并联连接延时元件的情况下，通过不同地设置延时元件，可生成不同地时间偏移的时钟脉冲。另一方面，在串联布置延时元件的情况下，通过该串联连接，可使用相同设置的延时元件生成不同地时间偏移的时钟脉冲。通过使用具有相同延时的延时元件，可减小成本。
根据本发明的另一典型实施例，至少一个延时元件被设计成可通过控制输入进行可变的调节、控制或调整。这样可以有目的地设置时钟脉冲的时间偏移，从而在改变环境的情况下不需要替换所有延时元件。这样一来时钟脉冲控制电路可用于若干环境条件，例如改变容器的大小。
根据本发明的另一典型实施例，时钟脉冲控制电路还包括至少一个减法单元。该减法单元可接收第一时钟脉冲和多个第二时钟脉冲中的一个，并通过比较形成差分频率。该差分频率可反映发射时钟脉冲和采样时钟脉冲之间的时间偏移和频率差，从而该差分频率可用来控制并调整时钟脉冲控制电路。可对减法单元提供各种方法和组件的使用，例如通过混合频率、使用符合电路或使用数字鉴相器。
根据本发明的另一典型实施例，时钟脉冲控制电路还包括至少一个逻辑门，其中该逻辑门可被设计成接收采样时钟脉冲和提供相互不同的频率。在该设计中，该逻辑门可以是AND门和/或OR门和/或反相器，或者是这些门的组合。这样形成的输出信号包括不同输入时钟脉冲的所有时钟脉冲波前，并可在减法单元中与第一时钟脉冲比较以形成差分频率，该差分频率与该逻辑门的所有输入信号具有相同的时钟脉冲波前。
根据本发明的另一典型实施例，时钟脉冲控制电路还包括控制或调整单元，用来控制或调整第一和/或第二振荡器。在另一典型实施例中，该控制或调整单元可被设计成使得该控制或调整单元比较差分频率和期望值并相应地调整振荡器。在另一典型实施例中，可通过输入将控制或调整单元连接到例如测量过程控制系统、微控制器或处理器，例如从而通过差分频率来控制振荡器。还可设置手动调整。
根据本发明另一典型实施例，时钟脉冲控制电路还包括选择装置，其中该选择装置接收第二时钟脉冲并选择有目的地选择的第二时钟脉冲。第一时钟脉冲和有目的地选择的第二时钟脉冲可随后作为发射脉冲传送到发射脉冲发生器，以及作为采样脉冲传送到采样脉冲发生器。通过有目的地选择第二时钟脉冲，可创建如下选项：采样基于第二时钟脉冲和第一时钟脉冲之间的时间偏移确定的距离范围，以及以指定频率，特别是以升高的频率重复采样特定测量范围。在另一典型实施例中，选择装置可设计成使得通过一控制输入，可连接测量过程控制系统、微控制器或处理器，从而控制第二时钟脉冲的选择。
还可形成若干第一时钟脉冲，随后有目的地选择其中一个第一时钟脉冲作为发射时钟脉冲或采样时钟脉冲。可通过第一时钟脉冲形成发射时钟脉冲，而通过选择的一个第二时钟脉冲形成采样时钟脉冲。作为替选，可通过第一时钟脉冲形成采样时钟脉冲，而通过选择的一个第二时钟脉冲形成发射时钟脉冲。
术语振荡器可指以特定频率(例如4MHz)生成时钟脉冲的时钟脉冲发生器。两个振荡器的频率之间的差分频率例如可以是大约40Hz。
根据该方法的另一典型实施例，例如通过延时元件可生成彼此时间偏移的多个第二时钟脉冲。关于第一时钟脉冲时间偏移的这些第二时钟脉冲可随后优化对时钟脉冲控制电路的振荡器的控制和调整，和/或通过触发采样脉冲发生器，这些第二时钟脉冲可改进距离测量并使之更精确。
根据该方法的另一典型实施例，例如通过减法单元，在各情况可通过比较第一时钟脉冲和相应的一个第二时钟脉冲而形成差分频率。通过这种方式获得的该差分频率可用来控制或调整振荡器。通过使用多个第二时钟脉冲，可形成若干差分频率，从而可更频繁地监控振荡器，如通过需要还可重调节该振荡器。这会带来时钟脉冲控制单元和距离测量的精度和质量的很大改进。
根据本发明的另一典型实施例，例如通过控制和调整单元，可将差分频率与期望值比较，并按照该比较结果调节第一和/或第二时钟脉冲，包括延时和频率。例如，控制和调整单元可连接到微控制器或测量过程控制系统以例如通过振荡器调节时钟脉冲。还可手动调节振荡器。
根据该方法的另一典型实施例，可以例如使用选择装置以有目的的方式选择性地将特定的第一和/或第二时钟脉冲作为发射时钟脉冲提供给发射脉冲发生器，和/或作为采样时钟脉冲提供给采样脉冲发生器。通过这种方式，被延时的特定第二时钟脉冲可作为采样时钟脉冲触发采样脉冲发生器从而通过这种方式改进特定测量范围或测量范围的测量事件。此外，在本发明的另一典型实施例中，可通过处理器、测量过程控制系统、微处理器或手动地控制选择装置，从而可选择第二时钟脉冲。
根据该方法另一典型实施例，例如通过逻辑门，可通过多个第二时钟脉冲形成共享输出信号。这样可提高测量频率。根据该方法的另一典型实施例，例如减法单元形成从第一时钟脉冲形成的共享差分频率，和从多个第二时钟脉冲形成共享时钟脉冲信号。这样由于例如单个减法单元就足够了，可大幅度减小电路花费。
根据该方法的另一典型实施例，例如通过可变调整的延时元件，可调节第二时钟脉冲的延时，且第二时钟脉冲可作为采样脉冲传送到采样脉冲发生器和/或作为发射脉冲传送到发射脉冲发生器，和/或所述第二时钟脉冲可提供给减法单元以形成差分频率。通过该可变延时元件的可自由调节性，例如可通过处理器、微控制器或手动任意调节第二时钟脉冲的时间偏移。同时时钟脉冲控制电路可被可变地调整以适应改变的情况，因为例如在改变了时间偏移的情况下，不再需要交换延时元件。这样可大大减小在适应新情况中的成本和时间花费。
而且，根据接近传感器的另一典型实施例，除了根据本发明的时钟脉冲控制电路之外，接近传感器还包括发射脉冲发生器、采样脉冲发生器和采样混频器。时钟脉冲控制电路提供用于触发发射脉冲发生器的发射时钟脉冲，以及用于触发采样脉冲发生器的采样时钟脉冲，其中发射脉冲发生器根据发射时钟脉冲生成发射脉冲，且采样脉冲发生器根据采样时钟脉冲生成采样脉冲。在采样混频器中，从容器内所包含的物品的表面所反射的发射脉冲被采样脉冲采样，且在输出提供采样值。
根据距离测量装置的另一典型实施例，在采样混频器的输出可提供反射的发射脉冲的像，该像忠实于原始和/或被时间扩展。这样可以更高精度、准确度来估计并处理距离测量，同时可减小并避免测量误差。
根据距离测量装置的另一典型实施例，该距离测量装置是用于测量容器内的容纳物(例如液体或固体)的装充水平的装填水平计。
根据距离测量装置的另一典型实施例，该距离测量装置是可例如通过利用对电磁波的传输时间的测量来确定距离的微波脉冲雷达装置。
根据本发明的时钟脉冲控制电路还可在显著减小电路花费的同时改进距离的测量准确度。通过使用多个采样时钟脉冲，可以显著提高的发生频率来测量特定测量范围，从而可立即测量任何距离变化，且可显著减小测量误差事件的概率。而且，作为多个采样时钟脉冲的结果，根据本发明的时钟脉冲控制电路可提供显著改进的对第一和第二时钟脉冲的监控和调节选项。
时钟脉冲控制电路的上述实施例还适用于方法、距离测量装置，反之亦然。
附图说明
以下为了进一步说明本发明并提供对本发明更好的理解，参照附图更详细说明本发明的若干实施例：
图1a示出具有振荡器和可调节延时的脉冲雷达的采样电路的框图；
图1b示出关于图1a的信号的时间图；
图2a示出具有两个振荡器和差分频率调整的脉冲雷达的采样电路的框图；
图2b示出关于图2a的信号的时间图；
图3a示出根据本发明用于生成脉冲雷达的发射时钟脉冲和采样时钟脉冲的时钟脉冲控制电路的框图；
图3b示出关于图3a的信号的时间图；
图4示出根据本发明具有串联连接的延时元件的时钟脉冲控制电路的框图；
图5示出根据本发明具有逻辑门的时钟脉冲控制电路的典型实施例；
图6示出根据本发明具有可变调节的延时元件的时钟脉冲控制电路的框图；以及
图7示出根据本发明具有可变调节的延时元件的时钟脉冲控制电路的框图。
具体实施方式
在不同的图中相同或相似的组件具有相同的附图标记。图中的图示仅是概略示出，不按照比例。
图1a以框图形式示出脉冲雷达的采样电路。
振荡器1生成发射时钟脉冲ts，该发射时钟脉冲ts通过触发发射脉冲发生器2来控制发射脉冲的生成。通过定向耦合器3将以这种方式生成的发射脉冲主要传送到天线4，并从天线4在容器内所包含的物品的表面的方向上辐射。在容器内被容器所包含的物品反射的脉冲在对应于该脉冲的传输时间的时间间隔后被接收，通过定向耦合器3作为接收信号被传送到采样混频器5。在采样混频器5处，通过在采样脉冲发生器6中生成的采样脉冲，在限定的短时间段内从该接收信号提取采样值。在输出7，来自各个发射/接收周期的采样值一起形成作为接收信号的放慢(时间扩展)版本的中间频率信号(ZF)。
通过时钟脉冲控制电路8控制采样脉冲的生成，该时钟脉冲控制电路8根据上述发射时钟脉冲生成采样时钟脉冲ta。这经由可控延时元件9来实现，该可控延时元件9在其输出端输出发射时钟脉冲ts的触发波前，该触发波前在该可控延时元件9的输入端存在，并被延迟限定的时间间隔。通过调整装置10确定该时间间隔的量值。所述调整装置10又受通过过程控制系统(未示出)以线性方式改变的期望值11的控制。通过第二输入，调整装置10获得延时的实际值12，该延时的实际值12通过减法单元13根据延时的时钟脉冲ta和未延时的时钟脉冲ts形成。
图1b示出由该调整产生的两个时钟脉冲之间以线性方式增加的延时。
上面的线以短时间序列示出被延长的停顿中断的发射时钟脉冲ts。下面的线示出在时间上关联的采样时钟脉冲ta。在测量循环的开头，即分别在时间ts1和ta1，两个时钟脉冲信号的波前几乎在时间上同步，因为延时元件9的所设置的延时最小。随后从一个时钟脉冲周期到另一个，延时以线性方式增加，从而波前ta2、ta3一直到tan相对于波前ts2、ts3一直到tsn半连续地向后偏移。在限定的偏移量之后，在时间点ts1’和ta1’的延时分别被复位为开始值，且开始新的测量循环，其中通过感兴趣的接收信号的时间范围给出所述限定的偏移量，且该偏移量决定传感器的测量范围。
使用该方法，通过控制延时，可通过可自由检测的放慢因数来采样任何期望的测量范围。该调整循环需要连续调整到新的期望值，为此，总是需要精确的实际值，这引起提出了关于可获得的线性度以及精确度的问题。
图2a是用于脉冲雷达的时钟脉冲控制电路的另一方法的框图。
图2a的框图与图1a的框图不同之处在于时钟脉冲控制电路8的区域。位于其右边的所有框都与图1a完全对应，因此不再赘述。时钟脉冲控制电路8包括几乎以相同频率振荡的两个振荡器20和21。在这些位置可以使用基于其高质量生成很少频率抖动的振荡器，例如石英振荡器。一个振荡器20的输出信号作为发射时钟脉冲ts触发发射脉冲发生器2，而采样脉冲发生器6的采样脉冲被第二振荡器21的输出信号ta控制。减法单元23根据通过差分频率输出24传送到调整器25的两个时钟脉冲ts和ta形成差分频率。调整器25比较实际测量的差分频率24和指定的期望值26并改变可调振荡器21的振荡频率，从而使调整偏差最小。
在图2b中，以与图1b类似的方式示出对应的时钟脉冲信号。
在时间点ts1等于ta1，两个时钟脉冲在时间上同步。由于振荡器21的较低频率，采样时钟脉冲ta的波前相对于发射时钟脉冲ts的波前连续偏移。在时间tsn＝tan，该两个时钟脉冲完全反相。在时间点ts1’＝ta1’该两个时钟脉冲再次达到同相，从而开始新的循环。图2b的第三条线示出减法单元形成的差分频率信号24。该信号可以各种方式生成，例如使用混频器电路、数字鉴相器或符合电路。这些电路原理为本领域普通技术人员所知，因此在本申请说明书中不再详细讨论。差分频率信号24的频率等于两个时钟脉冲信号的频率差。通过测量差分频率24的周期，即从ta1到ts1’的持续时间，调整器25获得关于待调整的变量的实际值的信息。通过与期望值26进行比较，从而可进行调整。调整器25例如可包括具有用于测量时间的计时器的微控制器；用于输出关于可调振荡器21的控制值的数模转换器；以及用于控制控制器的对应软件。作为上述替选，还可通过通常使用的锁相环(PLL)或频率调整电路来进行调整。如果使用高质量振荡器，在振荡器的任何频率漂移都被及时检测到并调整排除的条件下，可将频率调整设计得非常稳定，且采样线性度以及相应地距离测量准确度良好。
在差分频率24非常低的情况下，测量其周期必然会仅以大的时间间隔返回结果。从而任何调整偏差都要经过一些延时才被检测并调整排除，其结果是明显妨碍测量准确度。
与图1的方法比较，存在如下缺点：采样总是覆盖发射时钟脉冲周期的整个范围，从而总是采样发射重复频率所确定的整个测量范围。这样不可能过早地将采样复位到开始值，例如在检查了感兴趣的测量范围的一部分之后。
图3a示出根据本发明典型实施例，用于生成限定的发射和采样时钟脉冲ts、ta、tb、tc和用于测量距离的时钟脉冲控制电路。
图1a、2a中示出的一些组件也在图3a中示出。在这方面参照上述相对应的说明。
在该设计中，时钟脉冲控制电路除了其它组件外，还包括用于生成第一频率的第一时钟脉冲ts的第一振荡器20、用于生成彼此在时间上偏移的第二频率的多个第二时钟脉冲ta、tb和tc的第二振荡器21。基于第一时钟脉冲和多个第二时钟脉冲，使得发射时钟脉冲ts对发射脉冲发生器2可用，采样时钟脉冲ta或tb或tc对采样脉冲发生器6可用。
图3a示出根据本发明的方法的典型实施例。时钟脉冲控制电路8包括两个振荡器20和21、形成差分频率24的减法单元23以及比较期望值26和差分频率24、34或36的控制和调整单元25。与图2示出的装置比较，图3a的时钟脉冲控制电路8包括至少一个另外的减法单元33或35，至少一个延时元件31或32，以及优选地包括选择装置37。除了根据本发明的时钟脉冲控制电路，位于右侧的组件，即发射脉冲发生器2、采样脉冲发生器6、采样混频器5、定向耦合器3和天线4都根据关于图1a所进行的说明工作，因此不再赘述。
与根据本发明的方法相对应，从两个振荡器中的至少一个，在该例子中是从振荡器21，得到具有不同的延时的至少两个输出时钟脉冲，在该设计中是第二时钟脉冲ta、tb或tc。ta表示振荡器21的第一第二时钟脉冲，该第二时钟脉冲与第一时钟脉冲ts不同，生成相对于第二时钟脉冲ta在时间上偏移的时钟脉冲tb，该时钟脉冲tb在延时元件31中偏移指定的持续时间t1。相应地，通过第二延时元件32可生成在时间上偏移的另一时钟脉冲tc。在减法单元23、33和35中使用该另外的时钟信号ta、tb和tc来形成差分频率24、34和36。
这在图3b中更详细示出。从顶部到底部示出以下信号：发射时钟脉冲ts、振荡器21的输出时钟脉冲ta、差分频率24、时间偏移的第二第二时钟脉冲tb、差分频率34、时间偏移的第三第二时钟脉冲tc以及差分频率36。顶部三个信号对应于图2b示出的信号，因此不需要进一步说明。在时间上偏移的第二第二时钟脉冲tb相对于时钟脉冲ta被偏移特定时间，从而在另一个时间点，即点tb1该第二第二时钟脉冲tb与发射时钟脉冲ts同相。因此，相关联的差分频率信号34的信号变化正好在该时间点发生。时钟信号tc和相关联的差分频率信号36在时间点tc1发生相同的情况。就周期而言，所有通过这种方式生成的三个差分频率信号可通过调整单元25测量，并可用作当前实际值以进行调整。由于第二时钟脉冲ta、tb、tc相对于彼此时间偏移，所形成的差分频率24、34和36也相对于彼此以相同的比例偏移。由于当出现差分信号的波前时关于调整偏差的信息总是可用，因此对于调整的目的，存在如下优点：测量和再调节的时间间隔显著变短。
通过选择装置37，还可选择三个不同的第二时钟脉冲ta、tb或tc之一以驱动采样脉冲发生器。通过输入38进行该选择，其中可通过微控制器形式的控制电路来进行该选择。基于当时选择了不同延时的时钟脉冲ta、tb或tc中的哪个，采样雷达传感器的不同距离范围。如果当时仅对特定距离范围感兴趣，那么总是从可用的采样脉冲精确选择采样脉冲ta、tb或tc，该采样脉冲ta、tb或tc在限定的时间段采样该范围。
使用以下例子来对上述过程进行说明：发射时钟脉冲的发射重复频率是2.5MHz。这导致最大测量范围为60米，该范围通过周期400ns除以波基于距离的传输时间6.667ns/m得到。如果在所示的根据本发明的时钟脉冲控制电路8中，选择两个延时元件31和32使得对于tb延时＝133ns，对于tc延时＝267ns，那么在各情况下，总是其差分频率在前面以上升波前的形式显示出相位一致的时钟脉冲可以被转接通过，作为采样时钟脉冲。参照图3b，从时间点ta1，时钟脉冲ta被转接通过且从0米开始，测量范围被采样。在相对于发射时钟脉冲，经过133ns的波前偏移(对应于20米的测量距离)之后，到达时间点tc1，且时钟脉冲tc被转接通过，结果，在0米的距离值再次开始采样过程。如果再次获得20米的距离，则转换到时钟脉冲tb，且第三次采样0米到20米的范围。这样所检查的不是最大测量范围60米，而是感兴趣的范围(在本例子中是0米到20米的范围)可被检查三次。
图4示出根据本发明另一典型实施例的时钟脉冲控制电路，与图3a中的装置相比，不同之处仅在于延时元件31’和32’的排列。在图3a中延时元件31和32被布置成并联，而在图4中采用串联设计。因此，例如，对于所有延时元件可选择相等的延时。
图5示出图4的电路原理的进一步变形，其中仅示出对于解释不同之处来说重要的部分。
在该设计中，矩形采样时钟脉冲的高电平与低电平的比例高度不对称。通过使用逻辑门，优选地使用OR门39，生成具有不同的输入信号的所有波前的输出信号40。在减法单元23中与同样不对称的发射时钟脉冲信号的比较提供了差分频率信号24’，该差分频率信号以放慢的形式包含与输入信号40相同的波前，且因此有利地使得可更频繁地测量期望值，从而可改进调整或控制。与图4所示的实施例形成对比，图5所示的实施例示出单个减法单元。
图6示出根据本发明另一典型实施例的时钟脉冲控制电路，该电路包括可变地可调的延时元件41。通过测量过程控制系统，例如微控制器来控制该延时元件41，从而优选地可逐步改变通过输入42的延时。可选择转换的时间点和可变延时的步幅，从而使得装填水平测量装置的采样总是在之前指定的距离范围内进行，该距离范围仅包括最大可能距离范围的一部分。
基于上述数值例子，选择例如0ns、133ns和257ns延时的步幅。首先接通第一阶段0ns，并等待差分信号的上升波前。在该点，距离范围的采样在0米开始。在延时切换到257ns之前，该步骤维持到近似20米的距离范围。因此，由于此时发射时钟脉冲和采样时钟脉冲相位一致，生成差分频率信号的新的波前。同时采样再次在0米测量距离开始。在采样达20米的感兴趣测量范围之后，切换到133ns延时，且获得另一差分频率信号的波前，并对整体测量范围的所选择部分进一步采样。此后，再次切换到0ns延时并开始循环。这样获得与根据图3a的设计相同的优点，但是切换花费更合适，因为仅需要一个减法单元23、一个延时元件41，且不需要切换开关37。
图7旨在示出可与现有技术相同的方式将采样时钟脉冲ta从振荡器21直接传送到采样脉冲发生器。仅传送到减法单元23的信号被可变延时元件41延时。这样，通过在合适的时间点的切换，如上所述，可获得差分频率信号的若干波前，从而获得关于实际调整值的更频繁的信息，这可改进调整。相反，当然还可以仅延时到采样脉冲发生器的时钟脉冲，而不延时到减法单元的时钟脉冲，该方法不能改进调整，但是使得可选择整个范围的仅一部分。该原理当然也适用于图3和4所示的实施例。而且，当然也可以不是延时采样时钟脉冲，而是延时发射时钟脉冲或发射时钟脉冲和采样时钟脉冲二者。
此外，应注意“包括”不排除其它元件或步骤，“一个”不排除多个的情况。而且，应注意已参照以上实施例中的一个说明的特征或步骤还可与上述其它实施例的其它特征或步骤组合使用。权利要求书中的附图标记不应理解为限制性的。

Claims (25)

1.一种时钟脉冲控制电路，用于生成发射时钟脉冲信号(ts)和多个采样时钟脉冲信号(ta；tb；tc)，其中所述时钟脉冲控制电路包括：
第一振荡器(20)，用于生成第一频率的第一时钟脉冲信号(ts)；
第二振荡器(21)，用于生成第二频率的彼此在时间上偏移的多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)；
其中所述时钟脉冲控制电路被适配成基于所述第一时钟脉冲信号(ts)和所述多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)，能够使所述发射时钟脉冲信号(ts)对发射脉冲发生器(2)可用，且能够使所述采样时钟脉冲信号(ta；tb；tc)对采样脉冲发生器(6)可用。
2.根据权利要求1所述的时钟脉冲控制电路，其中所述第一振荡器(20)和/或第二振荡器(21)可调节或可控制。
3.根据权利要求1所述的时钟脉冲控制电路，还包括至少一个延时元件(31；32)，用于生成彼此在时间上偏移的多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)。
4.根据权利要求3所述的时钟脉冲控制电路，其中所述至少一个延时元件被包括在多个延时元件(31；32)中，所述多个延时元件(31；32)中的至少部分彼此串联和/或并联连接。
5.根据权利要求3所述的时钟脉冲控制电路，其中所述至少一个延时元件(41)被设计成可通过控制输入(42)可变地调节或控制。
6.根据权利要求1所述的时钟脉冲控制电路，还包括至少一个减法单元(23；33；35)，以根据所述第一时钟脉冲信号(ts)和根据所述多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)形成至少一个差分频率(24；34；36)。
7.根据权利要求1所述的时钟脉冲控制电路，还包括逻辑门(39)，其中所述逻辑门(39)被设计成接收所述采样时钟脉冲信号(ta；tb；tc)，并提供共同输出信号(40)。
8.根据权利要求1所述的时钟脉冲控制电路，还包括控制单元或调整单元(25)，以控制或调整所述第一振荡器(20)和/或所述第二振荡器(21)。
9.根据权利要求8所述的时钟脉冲控制电路，其中用于比较差分频率(24；34；36)的所述控制单元或调整单元(25)包括期望值。
10.根据权利要求1所述的时钟脉冲控制电路，还包括用于选择所述第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)中的一个的选择装置(37)，其中所述第一时钟脉冲信号(ts)和所选择的第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)中的一个能够作为所述发射时钟脉冲信号(ts)传送到发射脉冲发生器(2)，且所述第一时钟脉冲信号(ts)和所选择的第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)中的另一个能够作为所述采样时钟脉冲信号(ta；tb；tc)传送到采样脉冲发生器(6)。
11.根据权利要求10所述的时钟脉冲控制电路，其中可通过控制输入(38)来控制所述选择装置(37)。
12.一种用于为时钟脉冲控制电路生成发射时钟脉冲信号(ts)和多个采样时钟脉冲信号(ta；tb；tc)的方法，其中所述方法包括以下步骤：
生成第一频率的第一时钟脉冲信号(ts)；
生成第二频率的多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)，所述多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)彼此在时间上偏移；
基于所述第一时钟脉冲信号(ts)和所述多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)，对发射脉冲发生器(2)提供所述发射时钟脉冲信号(ts)，并对采样脉冲发生器(6)提供所述采样时钟脉冲信号(ta；tb；tc)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中通过延时生成彼此在时间上偏移的所述多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)。
14.根据权利要求12所述的方法，其中在每种情况下，通过比较所述第一时钟脉冲信号(ts)和相应的一个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)形成差分频率(24；34；36)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述差分频率(24；34；36)与期望值(26)进行比较，且根据比较，调节所述第一和第二时钟脉冲信号(ts；ta；tb；tc)中的一个的频率。
16.根据权利要求12所述的方法，其中通过选择第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)中的一个，使得所述发射时钟脉冲信号对所述发射脉冲发生器(2)可用，或所述采样时钟脉冲信号对所述采样脉冲发生器(6)可用。
17.根据权利要求16所述的方法，其中基于测量过程控制系统来控制所述选择。
18.根据权利要求12所述的方法，其中通过逻辑运算(39)，根据所述多个第二时钟脉冲信号(ta；tb；tc)形成输出信号(40)。
19.根据权利要求18所述的方法，其中通过减法单元(23)，根据所述输出信号(40)和根据所述第一时钟脉冲信号(ts)形成差分频率(24’)。
20.根据权利要求12所述的方法，其中通过测量过程控制系统来设置时钟脉冲信号(ts；ta；tb；tc)的延时，且其中时钟脉冲信号(ts，ta；tb；tc)触发采样脉冲发生器(6)和/或发射脉冲发生器(2)，和/或使得时钟脉冲信号(ts，ta；tb；tc)对减法单元(23)可用，以形成差分频率(24；34；36)。
21.一种用于测量距离的距离测量装置，
-包括根据权利要求1～11中任一项所述的时钟脉冲控制电路(8)。
22.根据权利要求21所述的距离测量装置，
-包括所述发射脉冲发生器(2)；
-包括所述采样脉冲发生器(6)；
-包括采样混频器(5)；
其中通过所述时钟脉冲控制电路，能够提供所述发射时钟脉冲信号(ts)来触发所述发射脉冲发生器(2)，并能够提供所述采样时钟脉冲信号(ta；tb；tc)来触发所述采样脉冲发生器(6)；
其中所述发射脉冲发生器(2)被设计成根据所述发射时钟脉冲信号(ts)生成发射脉冲，并传送该发射脉冲以通过天线(4)发射；
其中所述采样脉冲发生器(6)被设计成根据所述采样时钟脉冲信号(ts)生成采样脉冲，并将所述采样脉冲传送至所述采样混频器(5)；以及
其中在所述采样混频器(5)中，通过所述采样脉冲，可对容器内包含的物品的表面所反射的发射脉冲的值进行采样，并使得对输出(7)可用。
23.根据权利要求22所述的距离测量装置，其中所述采样混频器(5)在输出提供所反射的发射脉冲的像，该像忠实于原始，和/或该像已被在时间上扩展。
24.根据权利要求21所述的距离测量装置，其中所述距离测量装置是装填水平计。
25.根据权利要求21所述的距离测量装置，其中所述距离测量装置是微波脉冲雷达装置。
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