CN103090930B - 雷达物位计及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种雷达物位计及其信号处理方法。该雷达物位计采用双核心微处理器架构，此构架包括一个高速的微处理器，一个低速的微处理器和一个电源充放电电路，能达到低功耗与高速更新速率的要求。该信号处理方法为一种调频连续波雷达物位计的信号调变方法，首先产生一个高频差频信号进入一降频混波器，然后转换上述高频信号到中频周期信号，接着上述中频周期信号经由快速傅里叶变换转换成为频谱特征，得到FFT信号，接着上述FFT信号经过至少一次的数字滤波变换处理，取得最终的频率特征，最后经由物理值换算程序得到物位距，由此得到高精确度距离关系。
Description
技术领域
本发明关于一种雷达物位计及其信号处理方法，特别指一种针对调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法。
背景技术
在程序自动化（ProcessAutomation）中,有关量测固体,液体或其混合物的物质含量,一般通称为物位传感器（LevelSensor）。雷达物位计属于物位传感器（LevelSensor）的一种。一般的雷达物位计采用频率约在3GHz-80GHz间。雷达物位计通常经由天线(Antenna)发送信号（TransmittingSignal）,一般可以是孔型波（Hone）,杆状波（Rod）,球型波（Spherical）,平面波（planartype）等直接非接触发射到待测物质的表面；也可以是经由波导管（Waveguide）,例如杆状波（rod）,缆索状波（cable）,电线或围绳状波（wireorrope）,与物标相接处作为信号的传导。
公知的雷达物位计两线式控制(TwoWiresControl,4-20mA传输)，有更新速率太慢的缺点。公知的两线式雷达物位计，受限于高能量激发的脉波需求与4-20mA必须维持在低功耗的要求，无法达成快速的数据更新速度，因此对于被量测物质的位置（Level）变化的响应输出较慢。
雷达物位计主要有两种原理。第一种为时域信号调节(TDR，TimeDomainReflection),利用微波收发间的时间差来决定量测体与待物物质表面间的距离；第二种为频域信号调节(FMCW，FrequencyModulationContinuousWave)的方法，利用发射与反射信号间的频率差，来鉴别量测体与待物物质表面间的距离。
总的来说,本发明为一种基于为波反射原理决定填充水平高度（fillinglevelheight）的装置,经由一个微波脉冲（microwavepulse）以及模拟信号的处理调变过程，并经过一个混频器（mixer）转换成为频率域的计算与数字化，再依此决定代测物料的位置,得到更精确的位置。
发明内容
本发明目的在于提供一种雷达物位计,能达到低功耗与高速更新速率的要求。
本发明的另一目的，是在于提供一种雷达物位计信号处理方法,针对调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，可以得到高精确度距离。
为了实现上述目的，本发明提供了一种雷达物位计，采用双核心微处理器（MCU，MicroControlUnit）的架构，此构架包含一个高速的微处理器，一个低速的微处理器和一个电源充放电电路。上述高速的微处理器为不完全运作状态，在运作时序过程中，处理高频模拟信号（RF）的收发与中频信号（IF）处理，当非运作状态时，上述的雷达物位计处于最高充电能力。上述低速的微处理器为完全运作状态，负责通讯接口的通讯信号处理与电源管理。
上述高频模拟信号定义为300MHz-100GHz间，可为方波、三角波、弦波或具有周期重复性的任意波型，其包含一个发射信号与一个接收信号，上述中频信号定义为<3MHz的周期性信号，其可为方波、三角波、弦波或具有周期重复性的任意波型。
上述中频信号的处理，至少包含信号取样、信号调变、快速傅里叶变换（FFT，FastFourierTransfer)运算与信号分析。
上述低速的微处理器可负责显示接口的处理。
上述电源充放电电路可以是4-20mAtwowires回路，包含超级电容的储能架构。
因此本发明可以克服雷达物位计两线式控制更新速率太慢的缺点，达到低功耗与高速更新速率的要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种调频连续波（FMCW，FrequencyModulatedContinuousWave)雷达物位计的信号调变方法，首先
产生一个高频RF差频信号进入一降频混波器，然后上述降频混波器转换上述高频RF信号到中频IF周期信号，接着上述中频IF周期信号经由快速傅里叶变换FFT(FastFourierTransfer)转换成为频谱特征，得到FFT信号，上述FFT信号经过至少一次的数字滤波变换（DFT，DigitalFilteringTransfer)处理以提高取样的分辨率，取得最终的频率特征后，最后经由计算公式换算成为实质物理距离，即雷达物位计与待测物质表面的距离，即经由物理值换算程序得到物位距（LevelDistance）。
在本发明的一实施例中，上述一个RF高频信号到IF中频信号的转换程序后，可以更进一步包含一个时域信号调节（TimeDomainSignalConditioning）处理程序，其可以是一般公知的滤波处理、信号增益放大处理、波型调变、噪声抑制、背景滤除、汉宁窗口（HanningWindows）板型（Profile）作相关系数（Correlation）。
在上述得到FFT信号的程序后，可以更进一步包含一个频域信号调节（FrequencyDomainSignalConditioning）处理程序，其为噪声抑制，滤波处理（WindowMask）与信号增益放大
在上述频域信号调节处理程序后，可以更进一步包含一个信号特征辨识程序，其可以是操作者输入或事先定义数据库，其可以是公知的辨识波峰值、辨识波谷值、辨识斜率特征、辨识反曲点特征等公知的模式识别（PatternRecognition）方法。
上述一个以上的数字滤波变换DFT转换程序，其每一次DFT处理的波门（Window）可以是相同的取样数；
上述一个以上的数字滤波变换DFT转换程序，其每一次DFT处理的波门（Window）可以是不同的取样数；
上述物理值换算程序的运算可以为距离R=fR*C*Tm/(2F)，其中上述的R为物位计到待测物质表面距离，fR为中频的中心频率，C为光速，Tm为扫描取样时间，F为扫描频宽；
上述物理值换算程序的运算可以更进一步包含温度效益的影响，距离R=fR(T)*C*Tm/(2F)，其中上述的R为物位计到待测物质表面距离，fR为中频的中心频率，C为光速，Tm为扫描取样时间，F为扫描频宽，T为温度。
附图说明
图1是本发明的系统架构示意图。
图2是本发明的操作程序图。
图3是本发明的信号分析流程图。
图4是本发明的信号处理流程图。
图5是本发明的应用示意图。
【主要组件符号说明】
10送信器11锁相回路频率合成器
12功率放大器13可调整衰减器
14倍频放大器
20功率分配器21第一功率分配单元
22第二功率分配单元
30辐射天线31数位介面
32可程控放大器
40受信器41低噪声放大器
42降频混波器43滤波器
50后端系统51微处理器
160,165,170,175中断请求通讯控制
180电源充电变化
115微型处理器运作（MCU-HActive）时序
125触发信号
130RF发射信号
135RF接受信号
145信号调变
147取样信号
150快速傅里叶变换FFT(FastFourierTransfer)
155信号分析
210RF发射信号
201,202,203RF发射信号取样。
220RF接收信号
204,205,206RF接收信号取样
230发射信号
240高频RF接收信号
250周期性波250
251信号前调变处理
255频率特征
270调变信号
275调变后的频率特征
280,281,282信号强度特征
291数字信号291
300高频RF差频信号
305中频周期信号
310时域时域信号调节TimeDomainSignalConditioning
315快速傅里叶变换FFT转换
320频域信号调节FrequencyDomainSignalConditioning
325信号特征辨识
340换算实质物理距离
410储仓
400雷达物位计
420固定障碍物
430待测物质表面
具体实施方式
请参阅图1所示，图1是本发明测距雷达装置的系统架构示意图，其包括：
一送信器10，主要是由一锁相回路频率合成器11、一功率放大器12、一可调整衰减器13、一倍频放大器14等组成；其中：该锁相回路频率合成器11包含一锁相回路、一压控震荡器及一数字频率合成控制电路(图中未示)，用于产生可精确控制数字调变频率的弦波送信信号；又功率放大器12是用于信号放大，增加送信信号强度；该可调整衰减器13可依照使用上的需求，衰减送信信号强度；该倍频放大器14，用以将信号频率加倍且放大其信号强度；
一功率分配器20，是一分为三的功率分配器，具有一汇总端及三个端口；其汇总端是与前述倍频放大器14的连接；
一辐射天线30，是与前述功率分配器20其中一端口连接；
一受信器40，主要是由一低噪声放大器41、一降频混波器42、一滤波器43所组成；其中，该低噪声放大器41、降频混波器42的输入端分别与前述功率分配器20的其它两个端端口连接，又低噪声放大器41是用以放大微弱的受信信号，该降频混波器42是用于将送信信号与受信信号进行混波，以取出其频率差的信号；该滤波器43则用于抑制中频频宽外的干扰信号，令中频频宽内的信号通过；
一数位介面31，具有一输入端与一输出端，其输入端是与滤波器43的输出端连接，用以将滤波器43输出的信号转换成数字形式；
一可程控放大器32，是连接于前述数位介面31的输出端与一后端系统50的微处理器51之间；该可程控放大器32用以对数位介面31输出的信号进行运算放大，再送给微处理器51，以透过频率、时间运算转换为所需的信息，例如雷达与待测物的间距离等数据。
参阅图2所示操作时序图。图1的51微处理器单元，本发明采用双核心微处理器（MCU，MicroControlUnit）架构，由一个高速的微处理器(MCU-H)与一个低速的微处理器(MCU-L)组成。低速的微处理器(MCU-L)负责通讯接口的通讯信号处理与电源管理，在任何时间都处于运作状态,以便接收各种中断请求160,165,170,175等作为通讯控制；180为电源充电变化。高速的微处理器(MCU-H)则做为高频模拟信号的收发与中频信号处理，只有在某一段时序中为运作状态,例如115时序，其它时间则处于非运作状态,以节省电源功率消耗，电源充电变化为最大水平。当MCU-H为运作状态时，主要在这段时间中，处理触发信号125,高频RF发射信号130,高频RF接受信号135，信号调变145,取样信号147,快速傅里叶变换FFT(FastFourierTransfer)150与信号分析155。当MCU-H为运作状态时，高频RF发射信号130,RF接受信号135期间，因消耗功率较大，故180为电源充电处于低水位；当时序移到信号调变145,取样信号147,FFT(FastFourierTransfer)150与信号分析155阶段，则180电源充电水平提高；当MCU-H为非运作状态时,则180电源充电达到最大能力，因此较快响应对于被量测物质的位置（Level）变化的输出，因此本发明能达到低功耗与高速更新数据速率的要求。
参阅图3所示信号实际的处理流程。雷达物位计首先发射出一系列随时间而不同频率的RF发射信号210，如并有RF发射信号取样201,202,203。同时间同一个天线由20功率分配器传回RF接收信号220,并有RF接收信号取样204,205,206。221为扫描频宽。222Tm称为扫描时间，通常为两取样点间的间隔时间，例如信号取样202与203间。信号在42降频混波器的输入端，会呈现一个230发射信号与240RF接收信号随时间的变化，并在42降频混波器输出一个具有周期性波250，并具有频率特征255。42降频混波器输出周期性波250，一般可以做251信号前调变处理，例如公知的汉宁窗口滤波（HanningWindowFiltering）或其它技术，使得信号得到适当的增益成为调变信号270，并具有调变后的频率特征275。频率特征255与调变后的频率特征275一般可以是相同但不限定。调变信号270再经由一般公知的快速傅里叶变换FFT(FastFourierTransfer)，取得信号强度特征如280,281,282；再经由数字滤波变换DFT(DigitalFilteringTransfer)针对一个频率区间处理并提高取样的分辨率，得到数字信号291。DFT可以是重复1次以上的处理，直到精度目标为止。
参阅图4为信号处理流程，首先雷达位位计产生一个300RF差频信号，进入42降频混波器；42降频混波器再产生305中频周期信号，通常为Sin或CosWave但不限定。再图4中虚线的方框310时域信号调节TimeDomainSignalConditioning,320频域信号调节FrequencyDomainSignalConditioning与325信号特征辨识，为不依定需要的信号处理流程，但可依必要性加入。其中310TimeDomainSignalConditioning主要是处理由42降频混波器输出的信号，其可以是一般公知的滤波处理、信号增益放大处理、波型调变、噪声抑制。处理后的信号再经由315FFT转换成为频谱特征，若有必要时，再进行320FrequencyDomainSignalConditioning，上述的320FrequencyDomainSignalConditioning，通常为噪声抑制与信号增益放大。所得到的FFT信号，最后再经过至少一次以上的DFT(DigitalFilteringTransfer)处理以提高取样的分辨率，取得最终的频率特征后，经由计算公式340换算成为实质物理距离，即雷达物位计与待测物质表面的距离，一般称为物位距（LevelDistance）。上述的物理值换算程序，其运算可以为距离R=fR*C*Tm/(2F)；上述的R为物位计到待测物质表面距离，fR为中频的中心频率，C为光速，Tm为扫描取样时间，F为扫描频宽。上述的物理值换算程序，其运算可以更进一步包含温度效益的影响，距离R=fR(T)*C*Tm/(2F)，上述的R为物位计到待测物质表面距离，fR为中频的中心频率，C为光速，Tm为扫描取样时间，F为扫描频宽，T为温度。
由此不同于公知雷达物位计所使用的原理，来计算量测体与待物物质表面间的距离，本发明的一种调频连续波（FMCW，FrequencyModulatedContinuousWave)雷达物位计的信号调变方法，可以得到高精确度距离。
图5显示本应用的场合，在一个储仓410,安装有一个雷达物位计400,通常储仓内具有固定障碍物420,例如梯子、加热管、搅拌器叶片等。400雷达物位计发射RF信号，并经由待测物质表面430,得到RF反射信号，再经由图4的流程处理得到换算距离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (12)
1.一种雷达物位计，其特征在于，采用双核心微处理器架构，包含：
一个高速的微处理器，为不完全运作状态，在运作时序过程中，处理高频模拟信号RF的收发与中频信号IF处理，当非运作状态时，上述的雷达物位计处于最高充电能力;
一个低速的微处理器，为完全运作状态，负责通讯接口的通讯信号处理与电源管理；以及
一个电源充放电电路；所述电源充放电电路是4-20mA两线式（twowires）回路，包含超级电容的储能架构；
所述高速的微处理器只有在微型处理器运作（MCU-HActive）时序中为运作状态,其它时间则处于非运作状态,电源充电变化为最大水平；
所述高速的微处理器的运作状态至少包含处理触发信号（125）,高频RF发射信号(130),高频RF接受信号(135)，信号调变(145),取样信号(147),快速傅里叶变换FFT(150)与信号分析（155）；
所述中频信号的处理，至少包含信号取样、信号调变、快速傅里叶变换FFT运算与信号分析；
其中，高频RF发射信号（130）,高频RF接受信号（135）期间，电源充电处于低水平；当时序移到信号调变（145）,取样信号（147）,快速傅里叶变换FFT（150）与信号分析（155）阶段，电源充电水平提高；
上述高频模拟信号定义为300MHz-100GHz间，上述中频信号定义为<3MHz的周期性信号。
2.如权利要求1所述的雷达物位计，其特征在于，上述高频模拟信号为具有周期重复性的任意波型，其包含一个发射信号与一个接收信号。
3.如权利要求1所述的雷达物位计，其特征在于，上述中频信号定义为具有周期重复性的任意波型。
4.如权利要求1所述的雷达物位计，其特征在于，上述低速的微处理器负责显示接口的处理。
5.一种用于权利要求1所述雷达物位计的雷达物位计的信号处理方法，其是一种调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，其特征在于，其步骤包含：
产生一个高频RF差频信号进入一降频混波器；
上述降频混波器转换上述高频RF信号到中频IF周期信号；
上述中频IF周期信号经由快速傅里叶变换FFT转换成为频谱特征，得到FFT信号；
上述FFT信号经过至少一次的数字滤波变换DFT处理，取得最终的频率特征；以及
经由物理值换算程序得到物位距；
上述高频模拟信号定义为300MHz-100GHz间，上述中频信号定义为<3MHz的周期性信号。
6.如权利要求5所述的调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，其特征在于，更进一步包含一个时域信号调节处理程序，其是一般公知的滤波处理、和/或信号增益放大处理、和/或波型调变、和/或噪声抑制、和/或背景滤除。
7.如权利要求5所述的调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，其特征在于，更进一步包含一个频域信号调节处理程序，其为噪声抑制，滤波处理与信号增益放大。
8.如权利要求5所述的调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，其特征在于，更进一步包含一个信号特征辨识程序，其是操作者输入或事先定义的数据库，或是公知的辨识波峰值、或辨识波谷值、或辨识斜率特征、或辨识反曲点特征的模式识别方法。
9.如权利要求5所述的调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，其特征在于，一个以上的上述数字滤波变换DFT处理，其每一次DFT处理的波门是相同的取样数。
10.如权利要求5所述的调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，其特征在于，一个以上的上述数字滤波变换DFT处理，其每一次DFT处理的波门是不同的取样数。
11.如权利要求5所述的调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，其特征在于，上述物理值换算程序的运算为距离R=fR*C*Tm/(2F)，其中上述的R为物位计到待测物质表面距离，fR为中频的中心频率，C为光速，Tm为扫描取样时间，F为扫描频宽。
12.如权利要求5所述的调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，其特征在于，上述物理值换算程序的运算更进一步包含温度效益的影响，距离R=fR(T)*C*Tm/(2F)，其中上述的R为物位计到待测物质表面距离，fR为中频的中心频率，C为光速，Tm为扫描取样时间，F为扫描频宽，T为温度。
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