CN102047141A - 高灵敏度频率调制雷达物位计系统 - Google Patents

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CN102047141A CN2009801190621A CN200980119062A CN102047141A CN 102047141 A CN102047141 A CN 102047141A CN 2009801190621 A CN2009801190621 A CN 2009801190621A CN 200980119062 A CN200980119062 A CN 200980119062A CN 102047141 A CN102047141 A CN 102047141A
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Abstract

一种用于确定容纳在储罐中产品的填充水平的雷达物位计系统，包括：收发机，用于生成、发射和接收频率调制的电磁信号；发射传播装置，与该收发机电连接，并配置为向容纳在储罐中的产品的表面发射电磁信号；和接收传播装置，与该收发机电连接，并配置为向该收发机返回由发射的电磁信号在阻抗变换部分处受到反射而产生的回波信号，包括由该表面处的反射产生的表面回波信号。发射传播装置与接收传播装置之间的信号隔离至少为30dB，以及，该收发机包括：信号发生器，用于生成具有预定中心频率的频率调制信号；发射机分支，经由第一频率变换器将该信号发生器的输出与发射传播装置连接，该第一频率变换器用于将频率调制信号的频率进行变换，提供发射的电磁信号；接收机分支，与该接收传播装置连接，用于接收表面回波信号；以及混频器，其具有经由变换频率调制信号频率的第二频率变换器连接到信号发生器的第一输入端，以及连接到接收机分支的第二输入端，用于形成表示发射的电磁信号与表面回波信号之间相位差的中频信号。该雷达物位计系统还包括连接到收发机的处理电路，用于根据该中频信号确定所述填充水平。

Description

高灵敏度频率调制雷达物位计系统
技术领域
本发明涉及频率调制雷达物位计(radar level gauge)系统。
背景技术
当前，雷达物位计系统在各种应用领域得到使用，用于精确确定填充水平(filling level)。为了借助于雷达物位计系统来确定产品的填充水平，经常通过天线向产品表面发射和传播电磁信号，其中产品表面反射该信号。被反射的信号由该雷达物位计系统接收，通过时发射信号与反射信号进行比较，确定参考位置和该产品表面之间的距离。基于这个距离能够确定填充水平。
目前市场上的大部分雷达物位计系统或者是基于脉冲发射和接收该脉冲在产品表面的反射之间的时间差来确定到储罐中所包含产品的表面的距离的系统，或者是基于发射的频率调制信号和该信号在表面处的反射之间的相位差来确定到产品表面的距离的系统。后一种类型的系统通常被称为是FMCW(调频连续波)类型。还有介于上述两种类型之间的雷达物位计系统。
不同的雷达物位计系统能够以不同的灵敏度水平确定储罐中包含的产品的填充水平。通常，在具有高灵敏度的雷达物位计系统中，即使发射非常微弱的电磁信号也能够确定储罐中的产品的填充水平。能够启动确定填充水平的最弱的发射信号可用作衡量雷达物位计系统灵敏度的标准。
取决于雷达物位计系统的应用领域以及诸如包含在储罐中的产品的电性能的多种因素，对雷达物位计系统的灵敏度有不同的要求。例如，当储罐中的产品与储罐中的气氛具有相似的信号传播性能时，通常需要高灵敏度以保证可靠确定填充水平。这会在表面导致小的阻抗变换，由此产生一个较弱的回波信号。产生较弱回波信号的产品的例子有液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、石油产品、诸如塑料颗粒或者谷物的固体等。
此外，当雷达物位计系统的操作通常受到政府法规关于诸如发射信号的频率和功率等参数方面的约束时，在敞开或者半敞开的应用中(例如，敞开储罐、浮顶储罐、水库、河流或者湖泊)也通常要求高灵敏度。
鉴于诸如上面所示例的应用要求，目前可用的雷达物位计系统在灵敏度方面经常达不到要求。
发明内容
鉴于现有技术的上述和其他不足，本发明总的目的在于提供一种改进的频率调制雷达物位计系统，特别是一种具有增加的灵敏度的频率调制雷达物位计系统。
根据本发明的第一方面，通过雷达物位计系统实现这些或者其他的目的，以确定储罐中包含的产品的填充水平，该雷达物位计系统包括：收发机，用于生成、发射和接收经频率调制的电磁信号；发射传播装置，其与该收发机电连接，用于向储罐中包含的产品表面传播发射的电磁信号；和接收传播装置，其与该收发机电连接，用于向该收发机返回回波信号，该回波信号由该发射的电磁信号在阻抗转变部分处的反射而产生，包括在该表面处反射而产生的的表面回波信号；其中，该收发机包括：信号发生器，用于产生具有预定中心频率的频率调制信号；发射机分支，其经由第一频率变换器将信号发生器的输出连接至该发射传播装置，该第一频率变换器用于变换该频率调制信号的频率以提供该发射的电磁信号；接收机分支，其连接至该接收传播装置，用于接收该表面回波信号；和混频器，其具有经由第二频率变换器连接到该信号发生器的第一输入端，该第二频率变换器用于变换该频率调制信号的频率，以及连接到该接收机分支的第二输入端，用于形成一个表示发射的电磁信号与表面回波信号之间相位差的中频信号，其中对于发射的电磁信号与回波信号来说，该发射传播装置与该接收传播装置之间的信号隔离至少为30dB，该雷达物位计系统还包括连接到该收发机的处理电路，用于基于该中频信号确定填充水平。
发射传播装置和接收传播装置中的每一个都可以是能够从和朝向该收发机引导电磁信号的任何装置。
该发射传播装置可配置为向自由空间辐射电磁信号，或者沿波导结构引导电磁信号，该接收传播装置可配置为捕获在自由空间传播的电磁信号，或者沿波导结构引导电磁信号。
发射和接收传播装置的实例包括：喇叭天线、拉杆天线、贴片(patch)天线、阵列天线和各种探头，如单线探头、双线探头、同轴探头等。在一些应用中，诸如在所谓的浮顶储罐中，传播装置(一般为天线)通常被称为模式转换器或者模式发生器。
储罐(tank)可以是能够容纳产品的任何容器(container)或者器皿（vessel)，它可以是金属的、部分金属或者完全非金属的，可以是开放、半开放或者封闭的。
在本申请的上下文中，“频率变换器”应理解为能够变换输入电磁信号的频率的装置，使得由该频率变换器输出的电磁信号的频率与输入的电磁信号的频率不同。这种装置对本领域的技术人员来说是常见的，例如可以利用倍频器或者混频器实现。
在频率变换器是倍频器的情况下，其应该理解为能够将输入的电磁信号的频率乘以一个预定的乘法因子的装置，使得由该倍频器输出的电磁信号的频率为输入的电磁信号的频率乘以该乘法因子。
本发明基于的认识是，通过改进雷达物位计系统中的信号隔离能够实现改进的灵敏度。具体地，本发明人认识到应当改进信号隔离，即，对于在接收的回波信号(以及发射的电磁信号)的频率范围之内的电磁信号，应当降低发射机分支与接收机分支之间的泄漏。
通过在收发机中设置根据本发明的第一和第二频率变换器，可显著降低发射和接收的电磁信号频率范围内的电磁信号泄漏通道数，这是因为，除了沿接收分支之外，这些信号仅出现在第一频率变换器和发射传播装置之间以及第二频率变换器和混频器之间。通过将第一和第二频率变换器布置在合适的位置，即，尽可能地分别靠近发射传播装置和混频器，可相当大地降低相关泄漏通道数。相应地，发射机和接收机分支之间的信号隔离能够显著降低，并由此提高雷达物位计系统的灵敏度。
为了更进一步提高根据本发明的雷达物位计系统的灵敏度，发射传播装置和接收传播装置之间的信号隔离可以至少为30dB。随着将发射传播装置和接收传播装置之间的信号隔离更进一步增加到例如50dB，能够实现其中测量灵敏度不受信号隔离的限制、而是受噪声限制的频率调制雷达物位计系统。当达到这种水平时，可采取进一步的描施以提高信噪比。这种措施可以例如包括利用低噪声放大器放大接收的回波信号，提高发射的电磁信号的功率等。
有利地，发射传播装置和接收传播装置可被提供为包括发射机部分和接收机部分的双功能结构。
此外，发射和接收传播装置可被提供为空间上分离的、独立的传播装置，或者包含在单个传播装置中。在某些应用中，发射传播装置和接收传播装置可提供为单个传播装置，并且发射和接收的信号可以被提供为可相互区分的信号，例如将发射信号作为圆极化信号提供。利用这种具有可相互区别的发射和接收信号的单个天线的雷达物位计系统在US 5 543 720和US 7 106 247中被进一步描述，这两篇文献在此参考引用。
在上述的双功能结构中，发射机和接收机部分例如可以以喇叭天线的形式提供，该天线具有限定发射机部分和接收机部分的隔离部(partition)。
可选择地，双功能结构可以是贴片天线，其中，发射机部分包括可设置在发射机支撑部件上的多个发射机贴片，接收机部分包括可设置在接收机支撑部件上的多个接收机贴片。
通过将双功能结构设置为贴片天线，可实现紧凑和低成本天线方案。
根据一个实施方式，该发射机支撑部件和接收机支撑部件可提供为独立元件，由此可实现发射机部分和接收机部分之间的更高的信号隔离。
根据另一实施方式，该发射机支部件和接收机支撑部件可同时包含在单个支撑部件中。在这种情况下，应当以实现例如发射机贴片和接收机贴片之间至少为30dB的高信号隔离的方式对天线电路进行布局。
例如，这可以通过以当雷达物位计系统工作时发射机贴片和接收机贴片之间无电流通过的方式将发射机贴片和接收机贴片设置在支撑结构上来实现。换句话说，发射机贴片和接收机贴片可相互电流隔离，由此，可以在双功能结构的发射机部分和接收机部分之间实现非常高的信号隔离，通常超过30dB。
此外，有利地，该支撑部件可支撑另外的电路，如收发机电路，以及还可能有用于处理该收发机电路输出的信号的处理电路。
可以有利地以特别适于微波应用的电路板、例如PTFE电路板的形式，来提供任一支撑结构。可选择地，可以以更传统的电路板，例如FR4的形式来提供支撑部件。
附图说明
下面将参考当前本发明优选实施方式的附图，对本发明的这些或者其他方面进行更详细的说明，其中：
图1所示的是安装在包含固体的示例储罐中的根据本发明实施例的雷达物位计系统；
图2所示的是包含在图1的雷达物位计系统中的测量电子单元；
图3所示的是包含在根据本发明的雷达物位计系统的一个实施例中的收发机；
图4a-b所示的是包含在根据本发明的雷达物位计系统实施例中的示例性贴片天线；和
图5所示的是包含在根据本发明的雷达物位计系统的实施例中的示例性喇叭天线。
具体实施方式
在本说明书中，主要参考频率调制连续波(FMCW)类型的雷达物位计系统说明本发明的实施方式，其具有单个贴片天线，用于辐射和捕获电磁信号。需要说明的是，这决不是对本发明保护范围的限制，其同样适用于其他的频率调制雷达物位计系统，例如将脉冲调制在载波上用于确定填充水平的RLG-系统。
此外，本发明的雷达物位计系统可配备任何其他类型的传播装置，例如喇叭天线、拉杆天线、阵列天线，或者探针，如单线探针(包括所谓的Goubau探针)、双线探针或者同轴探针。
图1是根据本发明一个实施方式的雷达物位计系统1的示意图，包括：测量电子单元2，和天线装置3。该雷达物位计系统1设置在储罐5上，储罐5部分地填充有待计量的产品6。在图1所示的情况下，产品6为固体，例如谷物或者塑料颗粒，其众所周知的是表示雷达物位计系统的需要较高测量灵敏度的困难应用。通过分析天线3向产品6的表面7辐射的发射信号ST以及从表面7返回的回波信号SR，测量电子单元2可确定参考位置与产品6的表面7之间的距离，由此可推算出填充水平。需要说明的是，虽然这里讨论的储罐5中容纳单种产品6，但是，以类似的方式可以测量到储罐5中任何物质界面的距离。
如图2所示，该电子单元2包括：收发机10，用于发射和接收电磁信号；处理单元11，其与收发机10连接，用于控制收发机并处理收发机接收的信号，以确定储罐5中产品6的填充水平。
此外，处理单元11还可连接到外部通信线13，用于经由接口12进行模拟和/或数字通信。再者，虽然在图2中没有示出，但是该雷达物位计系统1通常还可连接到外部电源，或者可通过外部通信线13进行供电。可选地，雷达物位计系统1可配置为能够进行无线通信。
虽然在图2中显示为分离的模块，但是，收发机10、处理电路11和接口12中的几个可布置在同一电路板上。
此外，在图2中，收发机10被示为与储罐5的内部是分离的，并经由导体14连接到贴片天线3，其中，该导体14穿过储罐壁上的导孔15。应当理解的是，这种情况不是必需的，并且至少收发机10可布置在储罐5的内部。例如，至少收发机10与贴片天线3可布置在同一电路板上。
图3是包含在根据本发明一个实施方式的雷达物位计中的示例性收发机20的示意图。
图3中的收发机20包括：连接到功率划分电路(这里是Wilkinson功率划分器(WPD)22)的信号发生器21。此外，收发机20具有发射机分支23，其通过WPD 22和第一倍频器25将信号发生器21与发射传播装置24相连接，其中该第一倍频器25配置为将由信号发生器21生成的电磁信号SG的频率与预定的乘法因子N相乘，由此形成要通过发射传播装置24发射的信号ST。
发射的电磁信号ST在储罐5中的阻抗变换部分(包括容纳在储罐5中的产品6的表面7)处被反射，并由接收传播装置26作为回波信号SR返回到收发机20。
在被接收传播装置26捕获后，回波信号SR遵循接收机分支27，在图3所示的典型实施方式中，沿着该分支27，信号SR由低噪声放大器28进行放大，以改善雷达物位计系统的信噪比。
接收机分支27与混频器29连接，在混频器29处将接收的回波信号SR与来自信号发生器21的信号进行混频，其中来自信号发生器21的信号在第二倍频器30处与预定乘法因子N相乘，由此形成表示发射电磁信号ST与接收回波信号SR之间频率差的中频信号SIF。
然后，根据这个中频信号SIF可确定到容纳在储罐5中的产品6的表面7的距离。
对本领域的技术人员来说，根据中频信号SIF确定到表面7的距离是众所周知的。
如图3明显所示的，根据本发明的第一和第二频率变换器的设置，这里是倍频器25、30，使得出现在发射的电磁信号ST(和接收的回波信号SR)的频率处的信号可保持最小。如果第一倍频器25布置在发射传播装置24附近而第二倍频器30布置在混频器29附近则尤其是这种情况。
应当说明的是，发射信号ST以及经由第二倍频器30提供给混频器29的信号都来自同一信号发生器21。因此，如果可以实现发射的信号ST和接收的回波信号SR之间足够高的信号隔离，那么在测量较短距离时，可抵消生成的信号SG中的相位噪声或者抖动，这可进一步改善测量灵敏度。因此，如图3所示，与按照使得发射传播装置24和接收传播装置26之间具有高信号隔离的方式提供这二者相结合，使用单个信号发生器21经由第一倍频器向发射传播装置24馈送信号以及经由第二倍频器30向混频器29馈送信号是特别有利的。现在将对发射传播装置24与接收传播装置26的适当布置的示例进行说明。
下面将参考图4a-b，对包含在根据本发明的雷达物位计系统实施方式中进一步提高测量灵敏度的示例性贴片天线进行说明。
图4a是第一示例性贴片天线40的示意图，其包括以打叉方框表示的一组发射机贴片41，以及以空方框表示的一组接收机贴片42(为了附图的清楚，图4a中仅对各自一个贴片用附图标记指明)。通过以相互之间电流隔离的方式布置发射机贴片41和接收机贴片42，即，当雷达物位计系统工作时，发射机贴片41与接收机贴片42之间无电流通过，则可实现具有很高的信号隔离的紧凑、低成本的天线装置40，这可有利地与图3中的收发机20结合使用，以实现具有很高测量灵敏度的频率调制雷达物位计系统。
图4b是第二示例性贴片天线45的示意图，其包括一组发射机贴片41和一组接收机贴片42。图4b中的天线装置45与图4a中的天线装置40之间的不同之处在于发射机贴片41和接收机贴片42在图4b中的天线装置45中是交叉布置的。
应当理解的是，其他多种贴片天线配置也是可行的并且可以由相关领域的技术人员实现而无需创造性的劳动。
最后，将参照图5对另一种示例性天线装置进行描述，该天线装置是喇叭天线50的形式，适于与图3中的收发机20一起使用。
图5是包括发射机部分51和接收机部分52的喇叭天线50的示意图。发射机部分51和接收机部分52被隔离部53分开，后者将喇叭天线的内部一分为二。
此外，图5中的天线装置50具有发射机连接器54和接收机连接器55，使得天线装置50与收发机20能够连接。
本领域的技术人员可知，本发明决不受上述优选实施方式的限制。例如，可使用其他类型的频率变换器而不是倍频器。此外，在本发明的雷达物位计系统中，也可有利地使用很多其他类型的天线布置，例如抛物面天线、探针等。

Claims (13)

1.一种雷达物位计系统(1)，用于确定包含在储罐(5)中的产品(6)的填充水平，所述的雷达物位计系统(1)包括：
收发机(10；20)，用于生成、发射和接收频率调制的电磁信号；
发射传播装置(3；24；40；45；50)，与所述收发机(10；20)电连接，并设置为向包含在储罐(5)中的产品(6)的表面(7)传播发射的电磁信号；和
接收传播装置(3；26；40；45；50)，与所述收发机(10；20)电连接，并设置为向所述收发机(10)返回由发射的电磁信号在阻抗变换部分处受到反射而产生的回波信号，包括由所述表面处的反射产生的表面回波信号，
其中，所述收发机(10；20)包括：
信号发生器(21)，用于生成具有预定中心频率的频率调制信号(SG)；
发射机分支(23)，经由第一频率变换器(25)将所述信号发生器(21)的输出端与所述发射传播装置(24)连接，所述第一频率变换器(25)用于对所述频率调制信号(SG)的频率进行变换，以提供所述发射的电磁信号(ST)；
接收机分支(27)，与所述接收传播置(26)连接，用于接收所述表面回波信号(SR)；以及
混频器(29)，具有经由用于变换所述频率调制信号(SG)的频率的第二频率变换器(30)连接到所述信号发生器(21)的第一输入端，以及连接到所述接收机分支(27)的第二输入端，用于形成表示所述发射的电磁信号(ST)与所述表面回波信号(SR)之间的相位差的中频信号(SIF)，以及
其中，对所述发射的电磁信号与所述回波信号，所述发射传播装置与所述接收传播装置之间的信号隔离至少为30dB，
所述雷达物位计系统(1)还包括连接到所述收发机(10)的处理电路(11)，用于根据所述中频信号(SIF)确定所述填充水平。
2.根据权利要求1的雷达物位计系统(1)，其中，所述发射传播装置和所述接收传播装置被提供为包含发射机部分(41；51)和接收机部分(42；52)的双功能结构(3；40；45；50)。
3.根据权利要求2的雷达物位计系统(1)，其中所述双功能结构是贴片天线装置(3；40；45)，所述发射机部分包括多个发射机贴片(41)，以及所述接收机部分包括多个接收机贴片(42)。
4.根据权利要求3的雷达物位计系统(1)，其中所述发射机贴片(41)和所述接收机贴片(42)设置在单个支撑部件上。
5.根据权利要求4的雷达物位计系统(1)，其中所述发射机贴片(41)和所述接收机贴片(42)以当所述雷达物位计系统工作时发射机贴片与接收机贴片之间无电流通过的方式被设置在所述支撑部件上。
6.根据权利要求4或者5的雷达物位计系统(1)，其中所述收发机(10)被额外设置在所述支撑部件上。
7.根据权利要求2的雷达物位计系统(1)，其中所述双功能结构为被分成发射机喇叭(51)和接收机喇叭(52)的喇叭天线(50)。
8.根据权利要求1的雷达物位计系统(1)，其中所述发射传播装置与所述接收传播装置在空间上是分开的。
9.根据权利要求8的雷达物位计系统(1)，其中所述发射传播装置和所述接收传播装置中的每一个为喇叭天线、抛物面天线、贴片天线和拉杆天线的任一种。
10.根据前述任一权利要求的雷达物位计系统(1)，其中所述第一频率变换器(25)为具有第一预定乘法因子(N)的第一倍频器，以及所述第二频率变换器(30)为具有第二预定乘法因子(N)的第二倍频器。
11.根据权利要求10的雷达物位计系统(1)，其中所述第二乘法因子基本与所述第一乘法因子相等。
12.根据前述任一权利要求的雷达物位计系统(1)，还包括设置在接收机分支(27)上的低噪声放大器(28)，以放大所述接收的回波信号(SR)。
13.根据前述任一权利要求的雷达物位计系统(1)，其中，所述发射传播结构(3；24；40；45；50)是发射机天线，设置为向包含在储罐(5)中的产品(6)的表面(7)辐射发射的电磁信号(ST)，以及所述接收传播装置(3；26；40；45；50)是接收机天线，设置为捕获由所述发射的电磁信号(ST)在阻抗变换部分处受到反射而产生的回波信号(SR)。
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