CN101201400B - 距离感测装置中校正非理想中频信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

距离感测装置中校正非理想中频信号的方法和装置。在根据FMCW原理进行工作的填充水平测量装置中，传感器信号的、取决于时间的非线性可导致测量不准确性。根据本发明的示例性实施例，根据FMCW原理进行工作的填充水平测量装置包括：校正单元，用于根据在工厂确定的参考相关性进行幅度值的数学校正或者计算扫描幅度值的时间点。通过这种方式，能够获得与理想传感器相同的中频值。

Description

距离感测装置中校正非理想中频信号的方法和装置

相关专利申请的交叉引用 

本申请要求2006年12月13日提交的德国专利申请No.102006058852.5和2006年12月13日提交的美国临时专利申请No.60/874,986的优先权，上述专利申请的公开内容通过引用结合于此。 

技术领域

本发明涉及填充水平测量。本发明尤其涉及根据频率调制连续波(FMCW)原理进行工作的填充水平测量装置，将这种填充水平测量装置用于填充水平测量的用途，以及利用这种填充水平测量装置测量填充水平的方法。 

背景技术

在根据FMCW方法进行工作的填充水平测量装置或填充水平传感器中，使用发送/接收单元，沿待测量媒介的方向发射频率调制信号，该频率调制信号被所述媒介反射，并且通过发送/接收单元在该填充水平测量装置处被接收。 

取决于服务所需的条件不同，可以考虑各种载波以用于填充水平测量技术领域。除声波之外，各种电磁波具有特别的重要性，其中，光波和雷达波的频率范围尤其具有技术相关性。 

图1示出了根据FMCW方法的填充水平测量装置的技术实现。调制装置1产生在理想情况下随时间以线性方式上升的调制信号，该调制信号被发送到压控振荡器(VCO)2。在理想化系统中的VCO 2的输出处，产生线性频率调制的信号，该信号通过发送器/接收器滤波器电路5发送到天线6，并且沿待测量媒介7的方向从所述天线发射。在时间上经过到达馈送物质并且回到传感器所需的传输时间延迟的接收信号在发送器/接收器滤波器电路5中与发送信号分离，并且被馈送到混频器8。在混频器8中，接收信号与相同时间点出现的发送信号进行混频，随后被馈送到模 拟低通滤波装置9，该装置消除不需要的信号分量。这样，产生中频信号(ZF)，其频率与传感器和馈送物质表面之间的距离成比例，其中，该距离为要测量的距离。 

为更加精确地分析上述中频信号，通过模/数转换器(A/D)将该信号进行数字化并且传送到微处理器系统(μP)，以便进一步评估。在微处理器系统(μP)内，利用专用信号处理算法对输入的数据流进行处理。通常，以数字方式读取的中频信号(ZF)通过快速傅里叶变换(FFT)被变换到谱区，在该谱区中，能够精确确定和测量由馈送物质表面引起的频率分量。由μP确定的距离值能够通过通信装置(KE)(未示出)，例如通过4…20mA线提供给上级控制装置或测量值显示器。 

在实际构造的FMCW系统中，在最佳情况下，通过逼近可以达到理想化条件。在这种情况下，产生其频率以线性方式取决于时间的发送信号可能具有问题。根据图1示出的方案，调制装置(MO)和压控振荡器(VCO)两者对发送信号的线性都具有直接的影响。调制装置的线性可以通过相对简单的技术措施来保证。与此相反，输出频率通常与控制电压不具有线性关系的压控振荡器(VCO)的特性曲线可能受到许多不同的影响，其中尤其是要考虑系列散射、工作温度和老化效应。 

这种非线性导致的测量误差可能对系统灵敏度、测量准确度和相邻回波之间的选择性具有负面的影响，其中，随着要测量的距填充水平的距离的增加，相应的不准确性显著增加。 

为了补偿上述非线性和相关的测量准确度，可以使用各种方法。 

在DE 19713967中描述了一种用于校正压控振荡器(VCO)的非线性的方法。根据该方法，在适当的评估单元中，作为实际测量期间出现的特定调制电压的函数来确定VCO的输出频率。基于该特性曲线，针对后续的测量周期，确定与线性函数不同的调制电压u的梯度(gradient)，该梯度适合于补偿VCO的非线性，使得在VCO的输出处出现相对于时间的理想频率梯度。 

此外，从EP 1353194中，可以得知通过测量位于测量区域中的回波的宽度和幅度来校正调制电压梯度的方法。根据该发明，为此所使用的调制信号以2次多项式的形式来描述。通过改变该多项式的系数来适应调整调制信号梯度。 

此外，为校正非线性，使用了为信号提供参考分支的方法，该参考分 支集成在传感器中。EP 0848829提出通过SAW线元件(line element)，在参考分支中在预先已知的距离处产生所定义的回波。参考分支中产生的中频存在由扫频的非线性引起的、与测量分支中获得的测量信号的情况相同的不足。如果根据该方法，相对于参考信号的固定定义的相位角来扫描测量信号，则可以消除非线性所引起的误差，使得数字形式的测量信号变得与理想化系统的测量信号相同。 

校正装置的又一实施例结合了上述方法。在WO 98/38525中，利用检测器装置，根据由延迟装置产生的参考信号连续确定期间持续时间，该期间持续时间与预先已知的期望的期间持续时间是可比的。根据得到的偏差，迭代地确定合适的调制电压梯度u(t)，该调制电压梯度则被用于驱动VCO。在校正装置、调制器和VCO的相互作用过程中，以这种方式在VCO的输出处出现如理想化系统中所期望的信号。 

至此所提供的各种校正方法可能在各个方面存在缺点。 

例如，着眼于通过提供适当的非线性调制信号来校正VCO的非线性的方法，在通过单独的硬件单元来产生校正信号的情况下可能导致部件费用增加，或者可替选地，可能导致实际测量过程中处理器负载的增加。考虑到现代双导体传感器的能量资源有限，输出要求的提高可能具有特别负面的影响，尤其是在进行实际测量期间，其原因在于大部分可用能量需要用于产生该系统中所必需的载波。 

此外，各种构思涉及设计专门用于内部校准的第二参考分支。在该参考分支中，通过预先已经定义的延迟元件来产生人工回波。从技术角度来看，需要的延迟时间通常使用集成的SAW部件来实现。除了用于实现参考分支的附加电路费用之外，这些构思还存在尤其是由于SAW部件的强温度依赖性引起的缺点，该温度依赖性则需要使用温度传感器来校正。 

此外，由于在填充水平测量的环境中预计有大量回波，所以可应用如EP 1353194中所提出的对中频频谱的宽度和幅度进行的测量。 

发明内容

根据本发明的示例性实施例，提出了一种根据FMCW原理进行工作的填充水平测量装置，其中该填充水平测量装置包括：存储单元，用于存储在填充水平测量装置的第一参考阶段期间确定的、从填充水平测量装置发射的频率与发射时间之间的第一参考相关性；评估单元，用于确定中频信号的幅度值与发射时间之间的相关性，该相关性在填充水平测量装置的工作阶段期间确定；以及校正单元，用于基于第一参考相关性，数学校正幅度值或计算扫描幅度值的时间点。

换言之，例如在等距时间点进行中频信号的扫描，在这里，真实传感器的测量曲线(该测量曲线在工作阶段期间已被测得)被数学校正。可替选地，扫描不在等距时间点进行，而是在预先计算出的经过适应调整的扫描时间点进行，使得在数字域中显得扫描值是恒定的。 

在每种情况下，对测量信号或扫描时间点的校正基于例如在工厂引入的参考信号来进行。 

根据本发明又一示例性实施例，数学校正的幅度值对应于理想填充水平测量装置的理论幅度值。 

根据本发明又一示例性实施例，幅度值的数学校正涉及插值。例如，校正规则涉及保存在存储装置中的、发射频率与相关时间之间的相关性。因此，存储装置中的中频值对应于理想传感器产生的信号幅度。 

根据本发明又一示例性实施例，在等距时间点确定实际出现的幅度值。 

因而只有幅度值的数学校正可能是必要的。不必适应调整时间戳(即扫描时间)。 

根据本发明又一示例性实施例，数学校正涉及将实际出现的幅度值分配到预先定义的预定扫描时间点。 

根据本发明又一示例性实施例，通过插值来获得幅度的需要但未出现的扫描值。 

根据本发明又一示例性实施例，所计算的扫描幅度值的时间点在工作阶段之前的校准阶段期间被保存在存储单元中。 

因此，例如，实际的扫描时间点是通过执行和评估测试测量而在工厂确定的。一般来讲，计算出的扫描时间点可能不再是等距分布的。 

根据本发明又一示例性实施例，确定与计算出的非等距扫描时间点相关的幅度值，使得这些幅度值对应于具有等距扫描的理想填充水平测量装置的理论幅度值。 

因而，测量信号的扫描不以等距步长进行，而是在校正的、计算出的时间点进行，使得发射时间与频率之间的任何非线性相关性得到补偿。 

根据本发明又一示例性实施例，评估单元包括模/数转换器，用于扫描中频信号的幅度值。 

此外，根据本发明又一示例性实施例，第一参考相关性在工厂通过测量发射频率被确定。 

因而传感器在交付之后即可使用。不需要附加的校准步骤。 

根据本发明又一示例性实施例，评估单元用于评估中频频谱，其中，中频频谱的评估涉及使用快速傅里叶变换将中频信号变换到频率范围。 

此外，根据本发明的示例性实施例，评估单元用于在填充水平测量装置的第二参考阶段期间确定填充水平测量装置的发射频率与发射时间之间的第二参考相关性；其中，第二参考相关性替换存储装置中的第一参考相关性。 

通过这种方式，例如在现场操作中可以重新校准传感器。 

根据本发明又一示例性实施例，以预定时间间隔确定第一参考相关性和第二参考相关性。 

通过这种方式，发射特性可以在所确定的校准时间点定期更新。 

根据本发明又一示例性实施例，第二参考相关性是当发生特定事件时确定的。因此，传感器的重新校准取决于外部或内部的影响因素，因而可根据需要随时间变化。 

根据本发明又一示例性实施例，存储单元用于存储填充水平测量装置发射的频率与温度之间的第三参考相关性。 

此外，可以提供温度传感器，用于测量填充水平测量装置的振荡器的温度，该温度为在发射时间点出现的温度，其中，基于振荡器处出现的温度以及基于第三参考相关性，进行数学校正或扫描幅度值的时间点的计算。 

换言之，在工厂制造期间，另外存储温度对发射的发射频率的影响。通过使用额外集成了传感器的探测器，能够获得压控振荡器的温度(该温度为在发射时间点出现的温度)，并且在随后要执行的处理中，对所记录信号的数学校正能够通过选择发射频率相对于时间的梯度来加以考虑，该梯度与相应的温度相关，并且被保存在存储装置中。 

根据本发明又一示例性实施例，填充水平测量装置是填充水平雷达系统。 

根据本发明又一示例性实施例，提出了填充水平测量装置用于填充水平测量的用途。 

此外，提出一种使用填充水平测量装置测量填充水平的方法，在该方法中，确定由填充水平测量装置发射的频率与发射时间之间的第一参考相关性，该第一参考相关性在填充水平测量装置的第一参考阶段期间确定；确定中频信号的幅度值与发射时间之间的相关性，该相关性在填充水平测量装置的工作阶段期间确定；以及基于第一参考相关性，执行中频信号幅度值的数学校正或计算扫描中频信号幅度值的时间点。 

在从属权利要求中提出了该方法的有利改进。 

在根据本发明的传感器中，例如在该传感器的工厂制造期间，已经执行了相对于时间的发射频率的测量，并且相关性以适当形式保存在传感器的存储单元中。在传感器的工作阶段，由混频器产生的中频信号通过A/D转换器在等距时间点被进行扫描，并且被保存在适当的存储装置中。在完成读取过程之后，通过根据本发明的方法执行对保存的幅度值的数学校正，其中，校正规则利用了发射频率与相关时间之间的相关性，该相关性也保存在传感器的存储装置中。在数学校正完成之后出现在存储装置中的中频值与理想传感器产生的信号幅度相同。中频频谱的后续评估通过算法进行，其中，通常使用所谓的快速傅里叶变换(FFT)将时间信号变换到频率范围。各种方法能够用于回波的后续提取和与填充水平相关的回波的识别，其中，在这里，特别地，也能够使用例如开发用于脉冲距离感测装置中的方法。 

在根据本发明的传感器的可替选实施例中，通过发射频率与相关时间之间的相关性(该相关性保存在存储装置中)的动态时间相关跟踪，可以实现该方法的进一步改进。在这个方案中，发射特性的更新能够在时间等距的所确定的校准时间点进行。可替选地，也可以根据外部或内部影响因素的情况，因而以时间上可变的方式执行传感器的重新校准。 

这样，公开了一种方法和一种填充水平测量装置，其可以改进对FMCW距离感测装置中的非线性的校正。此外，本发明涉及一种处理中频信号的方法，这些中频信号能够以发射信号频率相对于时间的单调上升或单调下降的梯度出现。 

下面参照附图描述本发明的示例性实施例。 

附图说明

图1a示出根据FMCW方法的距离感测装置或填充水平雷达的示意图。 

图1b示出非线性扫频的效果。 

图2示出根据本发明示例性实施例的FMCW测量装置的适当调制信号。 

图3示出理想和实际压控振荡器的频率特征。 

图4示出FMCW测量装置的发射频率相对于时间的理想和实际梯度。 

图5示出根据本发明示例性实施例的FMCW测量装置和校准装置。 

图6a、6b、6c和6d示出在校准根据本发明示例性实施例的FMCW测量装置时用于确定频率特性的方法相关的步骤。 

图7示出根据本发明示例性实施例对修改的时间戳值进行的确定。 

图8示出根据本发明示例性实施例的具有模/数转换器的非同步选择的装置。 

图9示出根据本发明示例性实施例对修改的幅度值进行分配。 

图10示出根据本发明示例性实施例考虑温度时的改进的传感器和相关的校准装置。 

图11示出了根据本发明示例性实施例的具有重新校准装置的传感器。 

具体实施方式

附图中的图示是图解性的，并未按照比例绘制。 

在附图的以下说明中，相同参考符号用于相同或类似的元件。 

图1a示出了根据FMCW方法用于填充水平测量的装置的功能模块图。微波系统的示例性设计包括驱动压控振荡器2(在示出的实施例中为微波振荡器)的调制装置1。取决于调制电压，振荡器在其输出处产生高频频率调制发送信号，该发送信号通过发送器/接收器滤波器电路5和天 线6，沿待测量馈送物质7的方向发射，并且被馈送物质7反射。被反射的信号分量被天线6接收，并且通过发送器/接收器滤波器电路5发送到高频混频器8。在高频混频器中，利用同时出现的部分发送信号转换所接收的信号，该部分发送信号是通过耦合装置4从发送信号路径得到的。在这个过程中出现的混频器信号被馈送到低通滤波装置9，该低通滤波装置9负责消除不需要的信号分量。在低通滤波器的输出处出现的中频信号(ZF)通过模/数转换器10被进行扫描，并且被传送到评估单元11以便进一步处理。 

图1b示出了未使用本发明时非线性扫频的效果的示图。横轴1201表示馈送物质的以米为单位的距离(从0m到40m)，而纵轴1202表示以dB为单位的回波电平(近似为-160dB到-10dB)。 

曲线1203表示理想频谱，而曲线1204表示受非线性干扰的频谱。模拟基于FMCW雷达系统，该FMCW雷达系统具有23.5GHz和24.5GHz之间的扫频，其在24GHz处的扫描曲线偏离理想线61MHz。如果偏差更加显著，则回波图像的空间分辨率和动态特性会受到越来越严重的干扰。回波的精确测量于是将变得几乎不可能。 

图2示出了调制电压u(t)的梯度的示例，该调制电压u(t)可以例如通过利用恒流源对电容器充电而产生(实线203)。横轴201表示时间t。纵轴202表示调制电压u(t)。 

在该图中，锯齿形调制电压203示出了在调制期间以绝对线性方式上升的梯度。通过正确应用根据本发明的方法，也可以使用其它调制信号梯度。由于该方法的固有特性，可能只需要保证发射频率相对于时间的严格单调性。在通常有效的关于系统中包含的压控振荡器(VCO)的特性曲线303的严格单调性的假设下，唯一的限制可能涉及调制电压203，该调制电压在测量周期内须具有相对于时间的严格单调的电压梯度，以及与VCO的特性曲线的梯度倒数不同的结果电压梯度。图2中的虚线204表示任意选择但根据本发明的方法仍然适用的调制信号的示例。 

下面，调制装置产生的上述信号u(t)被用于驱动压控振荡器。 

图3示出了理想构造的VCO的特性曲线303，该特性曲线303与驱动电压直接线性相关。横轴301表示电压。纵轴302表示角频率。 

取决于内部结构和外部影响(例如温度波动)，实际构造的压控振荡器可能明显偏离理想化部件的线性特性曲线。图3中的虚线304示出真实 部件的特性曲线的典型梯度，其中应当注意，示出的曲线可取决于工作温度和VCO的老化而另外发生变化。 

下面，调制器和VCO一起形成单个单元。通过使图2和图3中的特性曲线互连，形成由图1中的信号源3所产生的发送信号。通过将图2的调制信号(该调制信号以线性方式上升)与图3的线性特性曲线连结，产生理想化传感器的发送装置的特性曲线。 

图4示出了所得到的、发射频率相对于时间的梯度。在基区间(baseinterval)内，频率梯度能够通过下式描述： 

                ω_ideal(t)＝μ·t+ω₀

其中，μ表示理想传感器的扫描速率，根据下面的相关性，该扫描速率取决于扫描时间T_S、扫描开始时的发射频率f₀以及扫描结束时的发射频率f₁： 

$\mathrm{\μ}=2\mathrm{\π}\·\frac{f_1-f_0}{T_S}$

图4用虚线404示出了实际构造的FMCW系统的所得到的发射频率相对于时间的梯度的示例。横轴401表示扫描时间t；纵轴402表示角频率。 

发射频率和理想梯度403之间的偏差的出现一方面是由于在调制器中产生驱动信号(图2中的比较非理想驱动函数)时偏离线性梯度，另一方面是由于实际构造的压控振荡器的非线性特征曲线(图3)。通过定义误差函数e(t)，能够在数学上从理想系统的发射频率导出真实FMCW系统的发射频率的梯度。在误差函数e(t)通常未知的情况下，适用下面的关系： 

                 ω_real(t)＝ω_ideal(t)+e(t) 

下面与根据本发明的传感器应用有关的讨论涉及包括单个反射器的测量位置。但是在原理上，所描述的相互关系也可以用于包括若干反射位置的系统。 

通过天线，沿待测量介质的方向发射非理想发送信号404，并且该信号被该介质反射回传感器。所需的信号传输时间τ通过下式，从载波的传播速度c和待测距离a导出： 

$\mathrm{\τ}=\frac{2a}{c}$

经延迟的信号在传感器中通过混频器进行转换。在低通滤波之后，得到取决于延迟时间τ的中频信号，其中所述中频信号的幅度梯度通过近似可描述： 

$s_{\mathrm{ZF}}\left(t\right)=A\·\cos (\mathrm{\μ\τt}+({\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}-\frac{1}{2}{\mathrm{\μ\τ}}^2)+\mathrm{\τ}\·e\left(t\right))$

A表示中频信号的最大幅度，该幅度取决于应用条件和传感器设计。 

在根据本发明示例性实施例的传感器中，校准处理环境下的发射频率相对于时间的梯度已在工厂中获得。为此，首先使用根据图5的测量方案。在校准期间，传感器的天线优选地被同轴线12所替代，同轴线12被选择成尽可能长，该同轴线在其端部包括短路。发送装置产生的信号通过同轴线12，在同轴线12的端部被反射，并且在传感器中通过混频器二极管8被进行转换。布置在下游的低通滤波器501去除任何不需要的混频分量。由于在同轴线12内信号延迟时间延长，所得到的中频基本上只包含较高的频率，这些频率通过现有技术的采样卡13，以及通过商用PC系统14被数字化。 

在PC系统14内，获得中频信号603的跨零时间点604、605、606(参见图6a)，并且确定所得到的角频率值611、612、613，这些值随后被分配给分别相邻的跨零时间点604、605、606之间的时间点(参见图6a、6b)。横轴601表示扫描时间；纵轴602表示中频信号的幅度(参见图6a)；纵轴614表示中频(参见图6b、6c)；并且纵轴617表示发射频率(参见图6d)。 

通过数值近似方法，例如最小二乘近似(least squaresapproximation)，在计算机中根据测量的点计算出足够数量的中间点(图6c的比较曲线615)。随后，精细求解的、角频率相对于时间的梯度被数值积分，并且除以单个延迟时间 

$\mathrm{\τ}=\frac{2\·l_{\mathrm{coaxial\; line}}}{c},$

该延迟时间能够根据同轴线的长度l_{coaxial line}计算出。最终，根据固定测量确定的初始角频率ω₀与积分结果相加，由此得到发射频率相对于时间的梯度(图6d的比较曲线616)。PC将所确定的频率梯度保存在传感器的评估单元中。 

在传感器的实际工作阶段期间，在第一阶段中，处理与现有技术中的处理相比没有变化。信号源产生的信号通过天线发射；被待测量介质反射；在传感器中利用在当时出现的时间点处产生的传送信号而被混频；并且通 过模/数转换器而变得可用于评估单元。在评估单元内，在又一步骤中，为保存的幅度值指定相关时间戳，该时间戳描述属于相应扫描值的扫描时间点。 

根据本发明的第一实施例变型，在根据本发明的评估步骤中(该评估步骤在频率分析之前执行)，改变保存的幅度值的时间戳。 

图7说明了改变时间戳的方法，该方法须针对每个保存的值来应用。横轴701表示时间；纵轴702表示信号的频率。 

从实际输入的时间戳值t_i，alt703开始，根据下面的等式，计算属于这个时间点、并且已由以线性方式理想工作的信号源产生的发射频率： 

                 ω_ideal(t)＝ω₀+μ·t 

基于所确定的理想频率值706，找到时间点t_i，neu 704，在该时间点处，由该装置产生的实际发射频率705确切对应于值707。这个确定基于实际发射频率705的保存在存储装置中的梯度。接着用所确定的时间点t_i，neu 704替代实际幅度值的时间戳项t_i，alt703。 

当完成时间戳校正时，一般而言，评估单元包含中频信号的、在时间上不再等距分布的扫描值。原则上，现在可以对这个信号进行直接频率分析。由于既定的数字频率分析方法通常基于待检查信号的、在时间上等距分布的值，在时间戳的校正之后，进行扫描值的插值。 

为此，在又一有利的方法相关的步骤中，基于模/数转换器的扫描频率，定义在时间上等距分布的扫描筛(scanning screen)。在基于此的计算中，确定与等距分布的扫描时间点相关的幅度值。根据包括校正的时间戳的幅度值，在该处理中使用的方法对属于所需时间点的幅度值进行插值。取决于可用的计算能力，对于这个方法相关的步骤，能够使用来自最接近邻居分配、线性插值、多项式插值、样条插值领域的方法，或一些其它插值方法。在计算完成时，等距分布的信号包括如同在理想FMCW测量装置内通过模/数转换将会出现的扫描值。后续的频率分析和回波信号的评估能够根据现有技术的已知方法执行。 

在根据本发明方法的进一步变型中，在工厂的校准期间已计算出的不是所确定的发射频率的梯度，而是未以等距方式分布的时间戳，并且时间戳通过常量保存在存储装置中，以便被固定下来。这个变型尤其适用于其扫描频率被设置成终身固定的传感器。这里，有利的是不再需要在传感器中执行时间戳校正的处理步骤。 

假定时间戳已经在校准期间以固定方式保存，则在根据本发明的传感器的进一步变型中，可以使用如图8的设计。与迄今为止所使用的装置相比，主要区别包括由评估单元11直接驱动15模/数转换器10。根据又一有利的实施例变型，扫描时间点未被设置成等距的，而是通过保存在存储装置中的经校正的时间戳对其进行限定。通过这个非等距扫描读取到存储装置的信号直接对应于由理想传感器读入的信号，并且能够被传送到已经提及的频率分析和回波评估方法，而不用任何进一步的计算步骤。这个实施例变型提供的特殊优点在于不再需要用于恢复扫描值的等距的插值。 

根据本发明的第二实施例变型，在根据本发明的校正步骤(该校正步骤在频率分析之前进行)中，评估单元中保存的幅度值是通过如下所述方法，从传感器中出现的非理想幅度值中直接提取的。图9说明了用于此的方法，该方法针对评估单元所需的每个扫描值单独实现。横轴901表示时间；纵轴902表示频率。 

从代表评估单元所需扫描值的时间戳t_n903开始，利用存储装置中保存的频率特性905，确定在所需扫描时间点的频率ω_n906，该频率实际已经被发射。随后，从该频率开始，确定时间点t_Amp907，在该时间点，属于所需时间戳t_n的信号幅度实际上已经通过模/数转换器获得。理想幅度的时间点基于下面的等式计算： 

$t_{\mathrm{Amp}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_n-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\μ}}$

最终，搜索存储装置中保存的非理想信号，以便提取在时间点t_Amp907处的幅度值。在经校正的中频向量中输入所确定的幅度值，而不是第n个扫描值。 

一般而言，时间点t_Amp处的幅度并未由存储装置中保存的任何时间戳-幅度对所确切描述。因此，一般而言，基于现有的时间戳和幅度值，通过适当的插值方法计算与时间点t_Amp有关的中间幅度值。取决于可用计算能力，对于这个步骤，能够使用来自最接近邻居分配、线性插值、多项式插值、样条插值领域的方法，或一些其它插值方法。在幅度值校正完成之后，在所描述的第二实施例变型中，幅度值准备好进行进一步的评估，使用理想FMCW测量装置将会出现这样的幅度值。因而，信号的进一步评估能够根据已知的现有技术来执行。 

图10所示的用于距离感测的装置与图1示出的变型的不同之处在于，在压控振荡器的区域中额外合并了温度传感器16。示出的传感器使得能 够执行也与VCO的特性曲线中由温度引起的变化相关的增强补偿。 

图10还示出了适于结合所提出的变型来使用的校准装置。所示出的设计与图5的校准装置的设计类似，但是不同之处在于由内置温度传感器16确定的VCO温度通过A/D转换器卡被PC读入。在校准处理期间，传感器本身处于温度柜17中，其温度也由外部PC来控制。现在，根据与图5相关的说明来进行传感器本身的校准，除了该校准是关于预先定义的各个温度进行的之外。根据所提出的实施例变型，现在可以在传感器中存储发射信号频率的针对每个温度的梯度，或者把与相应的温度相关的时间戳通过常量以固定方式保存在传感器的存储装置中。 

在传感器的工作阶段期间，通过图10所示的温度传感器16连续测量VCO的温度，使得在非线性补偿中考虑VCO的温度。如果测量到的工作温度未与工厂校准期间测量到的任何温度符合，则根据该方法的实施例，通过对照已被结合用来确定校准数据的相邻温度的值来进行偏置，能够对频率特性的梯度或时间戳中保存的时间值进行插值。 

当然，为将温度考虑在内，示出的方法也可以与根据图8的中频信号的非等距扫描相结合。 

除至此示出的非线性因素之外，根据本发明示例性实施例的装置的扩展版本还可以考虑所使用部件的老化效应。为此，可以使用根据图11的装置。从在工厂的任选的初始校准开始，如所描述的那样，改进的装置可以使得能够以规则间隔在传感器的转变(transit)时间期间获得信号源的频率特性，并且更新该频率特性。 

对此，在将单独执行的重新校准处理期间，信号源产生的高频信号通过适当的开关18馈送到集成在传感器中的参考路径19，该参考路径产生所定义的回波。传感器内的参考路径可以以SAW部件、同轴线或其它延迟元件的形式实现。在校准周期期间，结合在传感器中的评估单元(该评估单元通过适当校准块来扩展)须执行原来在工厂的校准装置中执行的步骤，用于确定随时间的发射频率。校准结果最终被保存在评估单元的存储装置中，并且在后续测量周期中用于校正信号源的非线性。 

重新校准装置的所述实现代表所述方法的示例性实施例。当然，根据现有技术可用的任何方法可以用于在可替选实现中获得随时间的发射频率。 

传感器的所述重新校准可以根据各种因素来发起。所想到的各种构思 在预先已经定义的时间间隔之后提供重新校准，使得能够相应考虑到部件的老化效应。此外，进一步的可替选方案提供时间上灵活的重新校准周期，例如，这些重新校准周期在压控振荡器的温度有任何变化时开始。 

在可替选方案中，还可以不是在工厂处执行的校准内获得发射频率的梯度，而是利用上述重新校准装置之一，在初始化期间启动传感器时执行该任务。 

另外，应当指出，“包括”并不排除其它元素或步骤，而且“一”或“一个”并不排除多个。此外应当指出，参照上述示例性实施例之一描述的特性或步骤也可以结合上述其它示例性实施例的其它特性或步骤来使用。权利要求中的参考符号不应被解释为限制。 

Claims (37)

1.一种根据频率调制连续波(FMCW)原理进行工作的填充水平测量装置，其中，所述填充水平测量装置包括：

存储单元，用于存储从所述填充水平测量装置发射的频率与发射时间之间的第一参考相关性，该第一参考相关性在所述填充水平测量装置的第一参考阶段期间确定；

评估单元，用于确定中频信号的幅度值与发射时间之间的相关性，该相关性在所述填充水平测量装置的工作阶段期间确定；

校正单元，用于根据所述第一参考相关性，数学校正所述幅度值或者计算扫描所述幅度值的时间点。

2.根据权利要求1所述的填充水平测量装置，

其中，数学校正的幅度值对应于理想填充水平测量装置的理论幅度值。

3.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，所述幅度值的数学校正涉及插值。

4.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，在等距时间点确定实际出现的幅度值。

5.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，所述数学校正涉及将实际出现的幅度值分配给预先定义的预定扫描时间点。

6.根据权利要求5所述的填充水平测量装置，

其中，通过插值来获得幅度的需要但未出现的扫描值。

7.根据权利要求1所述的填充水平测量装置，

其中，在所述工作阶段之前的校准阶段期间，所计算的扫描所述幅度值的时间点被保存在所述存储单元中。

8.根据权利要求1或7所述的填充水平测量装置，

其中，确定与所计算的非等距扫描时间点有关的幅度值，使得这些幅度值对应于等距扫描的理想填充水平测量装置的理论幅度值。

9.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，所述评估单元包括模/数转换器，用于扫描所述中频信号的幅度值。

10.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，所述第一参考相关性是通过测量所述发射频率在工厂被确定的。

11.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，所述评估单元用于评估中频频谱；

其中，所述中频频谱的评估涉及使用快速傅里叶变换将所述中频信号从时域变换到频域。

12.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，所述评估单元用于在所述填充水平测量装置的第二参考阶段期间确定由所述填充水平测量装置发射的频率与发射时间之间的第二参考相关性；

其中，所述第二参考相关性替换所述存储装置中的所述第一参考相关性。

13.根据权利要求12所述的填充水平测量装置，

其中，所述第一参考相关性和所述第二参考相关性以预定时间间隔确定。

14.根据权利要求12所述的填充水平测量装置，

其中，所述第二参考相关性在发生特定事件时确定。

15.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，所述存储单元用于存储由所述填充水平测量装置发射的频率与温度之间的第三参考相关性。

16.根据权利要求15所述的填充水平测量装置，还包括：

温度传感器，用于测量所述填充水平测量装置的振荡器的温度，该温度为在发射时间点出现的温度；

其中，数学校正或扫描所述幅度值的时间点的计算基于所述振荡器处出现的温度以及基于所述第三参考相关性来进行。

17.根据权利要求1或2所述的填充水平测量装置，

其中，所述填充水平测量装置是填充水平雷达系统。

18.一种根据权利要求1-2和7中任一项所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

19.一种根据权利要求3所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

20.一种根据权利要求4所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

21.一种根据权利要求5所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

22.一种根据权利要求6所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

23.一种根据权利要求8所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

24.一种根据权利要求9所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

25.一种根据权利要求10所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

26.一种根据权利要求11所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

27.一种根据权利要求12所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

28.一种根据权利要求13所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

29.一种根据权利要求14所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

30.一种根据权利要求15所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

31.一种根据权利要求16所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

32.一种根据权利要求17所述的填充水平测量装置的用途，用于填充水平测量。

33.一种通过填充水平测量装置测量填充水平的方法，该方法包括步骤：

存储由所述填充水平测量装置发射的频率与发射时间之间的第一参考相关性，该第一参考相关性在所述填充水平测量装置的第一参考阶段期间确定；

确定中频信号的幅度值与发射时间之间的相关性，该相关性在所述填充水平测量装置的工作阶段期间确定；

根据所述第一参考相关性，执行所述幅度值的数学校正或扫描所述幅度值的时间点的计算。

34.根据权利要求33所述的方法，

其中，所述幅度值在等距时间点处确定。

35.根据权利要求33或34所述的方法，还包括步骤：

通过测量发射频率，在工厂确定所述第一参考相关性。

36.根据权利要求33到34中的任何一项权利要求所述的方法，还包括步骤：

在所述填充水平测量装置的第二参考阶段期间确定由所述填充水平测量装置发射的频率与发射时间之间的第二参考相关性；

其中，所述第二参考相关性替换所述存储装置中的所述第一参考相关性。

37.根据权利要求33到34中的任何一项权利要求所述的方法，还包括步骤：

测量所述填充水平测量装置的振荡器的温度，该温度为发射时间点处的温度；

存储由所述填充水平测量装置发射的频率与所述温度之间的第三参考相关性；

其中，所述数学校正基于所述振荡器处的温度以及基于所述第三参考相关性进行。

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