CN103328939A - 基于相位的跟踪 - Google Patents

Abstract

对于回声跟踪，重要的是回声到路径的分配。根据本发明的一方面，确定回声的幅度相对于传输信号的对应相对幅度的相对符号或者回声相对于传输信号的对应相位的相对相位，并且基于该确定进行回声分配。

Description

基于相位的跟踪

技术领域

本发明涉及填充水平确定领域。具体来说，本发明涉及用于测量填充水平的填充水平测量装置、测量填充水平的方法、程序元件和计算机可读介质。

背景技术

回声跟踪方法被用于军事应用和民用空域控制、以及汽车应用。回声到正确路径的分配通常基于回声位置、回声宽度、回声幅度、回声形式和回声速度。

但是，已知的分配方法并不总是可靠的。

DE102006006572A1描述了填充水平传感器在脉冲运行时间的成对的中频取样。另外，描述了确定回声相位的方法。

WO2009/037000A2描述了回声提取的方法。

发明内容

在填充水平确定领域可能期望存在一种回声到对应路径的简单可靠的分配。

根据本发明的方面，根据所述权利要求提供用于测量容器内的填充介质的填充水平的填充水平测量装置、对应的测量方法、程序元件和计算机可读介质。根据从属权利要求和下面的描述清楚描述进一步的实施方式。

应当注意，下面关于填充水平测量装置描述的特征还可以实施为对应的方法，并且下面关于该方法描述的特征也可以在填充水平测量装置内实施。

根据本发明的第一方面提供一种用于测量填充水平（例如容器内的填充介质的填充水平）的填充水平测量装置，其中，所述装置包括信号产生单元和信号获取和处理单元。

所述信号产生单元被设计成产生并向填充介质发射传输信号；并且，所述信号获取和处理单元被设计成获取与所述传输信号的反射部分对应的回声曲线。另外，所述信号获取和处理单元还被设计成：识别所述回声曲线的至少一个回声；确定所述回声的幅度值相对于所述传输信号的对应相对幅度值的相对符号，或者确定所述回声相对于所述传输信号的对应相位的相对相位；并且，如果第一回声路径的在先回声中的第一回声的幅度值具有与所述回声曲线的所述回声的幅度值相同的符号，或者如果所述第一回声的相对相位值与所述回声的相对相位值一致，则将所述回声分配到与在先获得的回声曲线的所述在先回声关联的所述第一回声路径。

因而，可以基于回声曲线的回声的确定的相对符号和/或确定的相对相位（下面也称为“极性”）优化测量的回声数据的评估。该在先获得的回声数据的历史的评估也被称为跟踪。

术语“跟踪”指的是追踪移动对象或者至少它们的回声（如同此处的情形）的跟踪方法。被分类为正回声（即具有正相对符号或正相对相位（即正极）的回声）路径的路径不能分配给具有负相对符号或负相对幅度的回声。

根据本发明的示例实施方式，回声的幅度值的符号的确定包括所述回声的平均幅值与预定的参考值的比较。

为了确定回声的平均幅值，可以综合一段时间内的回声的幅度值，并且然后例如除以回升曲线被综合的时间段的宽度。

如果确定的回声的平均值例如大于预定的参考值，则认为幅度值的相对符号是正的，其中，如果确定的回声的平均幅值小于预定的参考值，则认为幅度的相对符号是负的。

根据本发明的另一个示例实施方式，确定所述回声的所述幅度值的相对符号包括将所述回声与预定参考曲线进行比较。

如果例如整个回声或者回声的至少相当一部分在预定参考曲线以上，则确定回声的参考符号是正的，反之亦然。

根据本发明的另一个示例实施方式，确定所述回声的相对相位包括进行相关度计算和/或三角法计算。

在DE102006006572中描述基于三角函数计算的相对相位的计算。

通过进行相关度计算可以将两个信号彼此比较。例如，可以计算传输脉冲和对应回声的关联因子，并且用于量化两个信号的相似性。如果接收到的回声具有与传输脉冲相同的相对相位（见图8的801,802），该两个信号比它们的相对相位不同时更加相似（见图8的803,804）。该相似度通过关联因子表现。因而，通过将关联因子与阈值比较，可以确定回声是否具有与原传输脉冲相同的相对相位或者相反的相对相位。

根据本发明的另一个示例实施方式，通过恒定值表示参考曲线，或者通过过滤在先或当前或获取的回声曲线来获取参考曲线。

根据本发明的另一个示例实施方式，如果所述第一回声路径的所述在先回声中的所述第一回声的幅度值具有与所述回声的幅度值不同的符号，或者如果所述第一回声的所述相对相位值与所述回声的相对相位值不一致，则阻止将所述回声分配到所述第一回声路径。

根据本发明的另一个示例实施方式，信号获取和处理单元还被设计成执行下述步骤：如果所述第一回声路径的所述在先回声中的所述第一回声的相对幅度值具有与所述回声的相对幅度值不同的符号，或者如果所述第一回声的所述相对相位值与所述回声的相对相位值不一致，则将所述回声分配到不同的第二路径。

根据本发明的另一个示例实施方式，所述的填充水平测量装置为填充水平雷达或者超声波填充水平测量装置。另外，所述的填充水平测量装置可以适合为使用定向微波测量填充水平。

根据本发明的另一方面，提供一种用于测量填充介质的填充水平的方法，其中，产生并向所述填充介质发射传输信号；获取与所述传输信号的反射部分对应的回声曲线；识别所述回声曲线的至少一个回声；确定所述回声的幅度值相对于所述传输信号的对应幅度值的符号，或者确定所述回声相对于所述传输信号的对应相位的相对相位。另外，如果第一回声路径的在先回声中的第一回声的幅度值具有与所述回声曲线的所述回声的幅度值相同的符号，则将所述回声分配到与在先获得的回声曲线的在先回声关联的所述第一回声路径。

根据本发明的另一方面，提供一种程序元件，当被在填充水平测量装置上的处理器执行时指令所述装置执行上述和下述方法步骤。

根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读介质，其包括计算机程序，当所述计算机程序被在填充水平测量装置的处理器执行时指令所述装置执行上述和下述方法步骤。

下面，参考附图介绍本发明的示例实施方式。

附图说明

图1示出回声信号处理的原理方式。

图2示出根据本发明的示例实施方式的填充水平测量装置。

图3示出回声列表。

图4示出在三个不同时刻获取的三个回声曲线以及对应的回声路径。

图5示出在一个路径列表中的两个路径。

图6示出在定向微波的情况下的回声曲线和参考曲线。

图7示出根据本发明的示例实施方式的流程图。

图8示出在非导引无接触测量情形下的传输和接收信号。

图9示出根据本发明的示例实施方式的回声列表。

图10示出根据本发明的示例实施方式的可信度测试。

具体实施方式

附图中的绘制是示意的而不是成比例的。

在下面对附图的描述中，相同的参考标记用于相同的或相似的元件。

本发明大体涉及用于测量各种填充水平的方法和装置。在根据FMCW方法或者脉冲渡越时间方法运转的填充水平传感器中，在填充水平表面的方向上发射电磁波或者声波。随后，传感器记录由填充的材料和容器内部反射的回声信号，并且从该回声信号中提取各个填充水平。

图1示出在商用填充水平测量装置内的回声信号处理的基本流程。

框“回声曲线处理”101包括提供作为容器内的当前反射情况的图像的回声曲线所需要的所有的硬件单元和软件单元。优选地以数字形式在微处理系统内获得回声曲线，并且使用已知方法研究其中包含的任何回声。

出于这一目的在框“回声提取”102中应用的方法具体包括：来自基于阈值的回声提取领域的方法，或者基于比例的回声提取的方法。在处理回声提取方法后提供数字回声列表，其优选地包括与回声曲线中包含的一个或多个回声的开始、定位和结束关联的细节。

为了进一步增加填充水平测量装置的回声信号处理的可靠性，找到的回声被设置在框“跟踪”103内的历史文本内。在该处理中使用的方法可以源于现有技术。例如，可以使用基于曼克莱斯（Munkres）算法的方法来处理。具体地，在跟踪期间，通过几个独立的读取来跟踪回声位置的行进，并且该收集的信息以路径的形式呈现在存储装置内。能够以路径列表的形式使所收集的若干个回声的历史信息为外部可用。

在框“确定填充水平”104中，平衡当前回声列表的数据和与各个回声的时间进度关联的信息以便使得可以根据已知方法识别与填充水平关联的回声。

为了进一步提高填充水平测量的准确度，确定的填充水平回声的位置可以通过可选的框“填充水平回声的精确测量”105利用计算时间密度的方法例如内插法以高精度进行确定。使得确定的与填充材料的距离外部可用。该提供可以以模拟形式实施（例如通过4..20mA接口）或者以数字形式（例如现场总线）实施。

本发明的优点可以产生于商业填充水平测量装置内回声信号处理所遵从的特定边界条件。

图2示出根据本发明示例实施方式的具有电子模块100的填充水平测量装置201的典型应用。

填充水平测量装置201通过天线202在要测量的介质204的方向上辐射信号203。填充水平测量装置自身可以根据超声原理、雷达原理、激光原理或者定向微波（guided microwave）原理确定到介质的距离。

相应地，超声波和电磁波都可以被考虑作为信号。介质204把入射波反射回测量装置，该波被测量装置接收和处理。同时，还通过容器内部例如供应管205反射辐射信号。在填充水平测量装置201接收的回声曲线206可以因此不仅包含由填充水平导致的有用的回声208，还包含由内置固定干扰位置207导致的回声，这些回声在下文被称作假回声或者错误回声。

在然后开始的信号处理过程中，对于回声102具体研究回声曲线。

作为回声提取的结果，产生根据图3的图形的回声列表。除了通过供给管产生的伪噪声207（E0）的特征值，回声列表还包含由介质204产生的填充水平回声208（E1）。

当然，回声列表呈现的特征仅仅表示回声列表的特殊实现。在实际应用中，具有回声的其他特征或改变的特征的回声列表也被普遍使用。

如果在填充水平测量装置内实施循环的测量周期，那么这产生如图4所示的一系列的接收的回声曲线。作为示例示出三个独立的测量周期411、412、413，各个情况彼此间隔5分钟。当然，可以代替实施更快的测量周期，例如以一秒彼此间隔的测量周期。

上面描述的场景示出在容器206的清空过程中的情况。为了通过几个这样的测量周期保持各个回声行进的路径，使用被称作“跟踪”的特定算法。在本示例中，通过共同路径407（T0）的方式表示在干扰位置205产生的回声401（E0）、403（E2）和405（E4）的行进。相应地，通过共同路径408（T1）表示由介质204产生的回声402（E1）、404（E3）和406（E5）的行进。在文中描述通过公共反射位置导致的回声的以路径形式表现的行进，且其还在其他领域例如空中搜索中有利地使用。

竖直轴410表示以米为单位的距填充材料表面或者距干扰位置的距离，而纵轴409表示各个测量周期发生的时间。

在跟踪103完成时，以路径列表形式提供找出到的路径。

图5以示例方式示出将从上述系列回声曲线中产生的路径列表。应当再次指出，呈现的路径列表的参数表示潜在回声的可能特性的有益选择。当然，还可以跟踪这样的路径列表内的其他或者改变的特性。

考虑当回声列表的回声不得不分配到对应路径列表的当前路径时跟踪问题可能增加。利用已知方法进行分配可能是错误的。

如同上面已经陈述的，可以视作本发明的一个主题来提供一种以简单地方式提供回声向路径列表的路径的分配以便防止错误分配。这样，可以提高回声分配的可靠性。

许多跟踪方法涉及移动对象的跟踪。例如，可能这样跟踪飞机或汽车的路线。如果呈现多个回声和/或对象，基于可以从回声中提取的特性的确定来向对象分配回声。例如，这样的特性可以是回声位置、回声速度、回声幅度、多普勒频移和回声宽度。

根据本发明的一个方面，在基于渡越时间的填充水平测量装置的情况下，可以考虑另一种回声特性，以便向各个路径分配回声。

图6示出在利用定向微波信号执行填充水平测量的情况下的回声曲线和参考曲线。通过这样的填充水平测量装置获取的回声曲线601可以包括向上或向下的隆起603、604。这些隆起的原因是可以在具有不同密度或介电常数的两种不同介质之间的过渡区域发生的测量装置或者测量环境的阻抗的跳跃或步进。例如，当电磁信号从大阻抗的区域向较小阻抗的区域（例如短路）传输时，可以产生具有与传输信号的相位相反的反射。但是，在从较小阻抗向较大阻抗传输的情况下，反射波具有相同的相位。

图8示出传输信号的相位或幅度可以如何变化。第一信号801和第二信号803表示传输信号。信号802和804以相反方向传输并且是由传输信号801和803的反射分别产生的信号。信号802具有与传输信号801相同的相位，而反射信号804示出180度的相位跳变。因而，传输和接收信号之间的相对相位可以用于确定在信号传输路径上存在哪种阻抗跳变。

例如，图6示出一种在定向微波信号的情况下的回声曲线的典型形式。另外，示出一种限定的参考曲线602（所谓的零线），其使填充水平测量装置确定是否存在正回声（例如隆起603）或负回声（例如隆起604）。另外，基准线602使装置能够确定对应回声的相位的符号。

零线602可以具有不同形式。例如，它可以具有表示恒定的幅度值的直线形式，或者是近似回声曲线（例如当前测量的回声曲线）的形式。

直线可以例如基于随机分析例如通过确定幅度的平均值而提取。近似曲线可以通过估计、内插法和/或过滤而被提取。零线限定阈值，基于该阈值可以确定是否存在正回声或隆起或者负回声或隆起。更具体地，如果回声或隆起（或者全部或者至少相当一部分）位于基准线以上，则每个回声或者隆起被分类为正，反之亦然。

另外，如图8所示，可以确定来自无触点填充水平测量装置例如填充水平无线电探测器的反射信号的相位。为了确定在传输脉冲和接收脉冲之间的反射回声信号关联方法的相位，可以使用利用幅度采样值的三角函数方法或其他方法。通过引用结合到本文的DE102006006572A1公开了一种用于确定回声相位的方法。

确定的回声的幅度值的相对标志和/或回声的相对相位可以与跟踪算法一起使用。例如，该信息可以添加到图5描述的路径。

这可以见图9，其示出两个回声路径和其他相对幅度符号或者相对相位信息，从而表征各个回声是否具有正或负“符号”（加号或减号）。

路径T0是回声具有正符号（即正相对相位或者正相对幅度值）符号的路径幅度值，并且因而只有具有该正符号的回声被添加到该路径。另一方面，路径T1是只包括具有负符号的回声的路径，并且因而只有具有该负符号的回声被添加到该路径。

根据本发明的一方面，呈现具有负符号的回声到路径T0的分配以及具有负符号的回声到路径T1的分配。

或者，在一个回声已经被分配到相应的路径后，可以校验该分配并且如果新添加的回声相比已经存在于对应路径内的回声具有其他符号则取消该分配。

还可能存在两个回声列表和两个路径列表或者一个回声列表和两个路径列表，其包括具有一致符号的回声或路径。可以执行两次传统的跟踪，其中，在第一次跟踪期间只考虑具有负符号的回声和路径列表，并且在第二次跟踪期间只考虑具有正符号的回声和路径列表。

图7示出根据本发明的示例实施方式的跟踪的流程图。以回声曲线701开始，回声提取702产生回声列表703。通过引用而被结合到本文的WO2009037000A2描述了回声提取的方法。根据该发明的回声提取除了确定回声的开始还确定回声位置和回声结束，回声的与传输信号的对应相对幅度值关联的幅度值的相对符号，和/或回声的与信号回声的传输信号的对应相位关联的相对相位。

可以在成本矩阵（其包括分配成本或分配几率）的帮助下执行回声到各个路径的分配。

应当注意，通过成本矩阵的元素i和j表示回声i到路径j的分配。

整个跟踪算法708可以分为三个功能块。功能块704执行可信度测试。针对路径列表707的路径连同与回声列表的回声的符号进行分析。无效分配（因为符号不同）在成本矩阵中被标记为无效。功能块705计算剩余的可能分配的绝对成本。为了执行该操作，考虑例如回声位置和/或幅度的变化。应当注意，块705还可以在块704之前执行。

如果成本矩阵是完整的，可以在功能块706确定各个回声到对应回声路径的正确分配。为了执行该操作，可以使用所谓的Munkres算法。

结果，创建完整的路径列表707。

图10示出可信度测试的另一个详细说明。路径列表和回声列表都包括表示各个回声或各个路径的相对符号/相对相位即极性的列。

现在可以借助于路径列表和回声列表执行可信度测试。例如，编号13的回声不能分配到路径11或12。另外，由于路径和回声具有不同极性（符号/相位），路径13不能分配到回声11或12。

如果回声不能被分配给各个路径，则这通过x或者例如相对高的值例如5000来表示。

然后，执行将回声j分配到路径i的成本K_i,j的确定。

该方法因而允许回声-路径-分配的简单且快速的可信度测试。

根据本发明，基于回声的“极性”，可以进行回声是否可以分配给各个路径的硬性判定。

已知的具有宽度例如+/-10mV的宽度的幅度门可以允许具有-2mV的回声到具有+5mV的路径的（错误的）分配。根据本发明的一个方面，无论幅度门的任何宽度，这样的分配将被防止。

尽管在附图和上述说明书中已经对于本发明进行详细说明和描述，但是这样的说明和描述应当被认为是说明和示例而不具有限制性；本发明不限于公开的实施方式。根据对附图、说明书和所附权利要求的研究，本领域技术人员可以理解并实现本公开的实施方式的变形。在权利要求书中，措辞“包括”不排斥其他元件或步骤，并且表述“一”或“一个”不排斥复数。某些测量被在彼此不同的从属权利要求中陈述的不争事实不表示这些测量和结合不能够用来起作用。权利要求书中的任何标号不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于测量填充水平的填充水平测量装置，所述填充水平测量装置包括：

信号产生单元，被设计成产生并向填充介质发射传输信号；

信号获取和处理单元，被设计成获取与所述传输信号的反射部分对应的回声曲线；

其中，所述信号获取和处理单元还被设计成执行下述步骤：

识别所述回声曲线的至少一个回声；

确定所述回声的幅度值相对于所述传输信号的对应相对幅度值的相对符号，或者确定所述回声相对于所述传输信号的对应相位的相对相位；

如果第一回声路径的在先回声中的第一回声的幅度值具有与所述回声曲线的所述回声的幅度值相同的符号，或者如果所述第一回声的相对相位值与所述回声的相对相位值一致，则将所述回声分配到与在先获得的回声曲线的所述在先回声关联的所述第一回声路径。

2.如权利要求1所述的填充水平测量装置，

其中确定所述回声的所述幅度值的相对符号包括将所述回声的平均幅值与预定的参考值进行比较。

3.如权利要求1所述的填充水平测量装置，

其中确定所述回声的所述幅度值的相对符号包括将所述回声与预定参考曲线进行比较。

4.如权利要求1所述的填充水平测量装置，

其中确定所述回声的相对相位包括进行相关度计算。

5.如权利要求1或4所述的填充水平测量装置，

其中确定所述回声的相对相位包括进行三角法计算。

6.如权利要求3所述的填充水平测量装置，

其中用定值表示所述参考曲线。

7.如权利要求3所述的填充水平测量装置，

其中通过过滤在先或当前获取的回声曲线来获取所述参考曲线。

8.如前述任一项权利要求所述的填充水平测量装置，

其中，如果所述第一回声路径的所述在先回声中的所述第一回声的幅度值具有与所述回声不同的符号，或者如果所述第一回声的相对相位值与所述回声的相对相位值不一致，则阻止将所述回声分配到所述第一回声路径。

9.如前述任一项权利要求所述的填充水平测量装置，

其中，所述信号获取和处理单元还被设计成执行下述步骤：

如果所述第一回声路径的所述在先回声中的所述第一回声的相对幅度值具有与所述回声的相对幅度值不同的符号，或者如果所述第一回声的相对相位值与所述回声的相对相位值不一致，则将所述回声分配到不同的第二路径。

10.如前述任一项权利要求所述的填充水平测量装置，

被配置为填充水平雷达。

11.如权利要求1至7任一项所述的填充水平测量装置，

被配置为超声波填充水平测量装置。

12.如权利要求1至7任一项所述的填充水平测量装置，

被配置为使用定向微波来测量填充水平。

13.一种用于测量填充介质的填充水平的方法，所述方法包括下述步骤：

产生并向所述填充介质发射传输信号；

获取与所述传输信号的反射部分对应的回声曲线；

识别所述回声曲线的至少一个回声；

确定所述回声的幅度值相对于所述传输信号的对应幅度值的符号，或者确定所述回声相对于所述传输信号的对应相位的相对相位；

如果第一回声路径的在先回声中的第一回声的幅度值具有与所述回声曲线的所述回声的幅度值相同的符号，则将所述回声分配到与在先获得的回声曲线的在先回声关联的所述第一回声路径。

14.一种程序元件，当被在填充水平测量装置上的处理器执行时指令所述装置执行下述步骤：

产生并向填充介质发射传输信号；

获取与所述传输信号的反射部分对应的回声曲线；

识别所述回声曲线的至少一个回声；

确定所述回声的幅度值相对于所述传输信号的对应幅度值的符号，或者确定所述回声相对于所述传输信号的对应相位的相对相位；

如果第一回声路径的在先回声中的第一回声的幅度值具有与所述回声曲线的所述回声的幅度值相同的符号，则将所述回声分配到与在先获得的回声曲线的在先回声关联的所述第一回声路径。

15.一种计算机可读介质，其包括计算机程序，当所述计算机程序被在填充水平测量装置的处理器执行时指令所述装置执行下述步骤：

产生并向填充介质发射传输信号；

获取与所述传输信号的反射部分对应的回声曲线；

识别所述回声曲线的至少一个回声；

确定所述回声的幅度值相对于所述传输信号的对应幅度值的符号，或者确定所述回声相对于所述传输信号的对应相位的相对相位；

如果第一回声路径的在先回声中的第一回声的幅度值具有与所述回声曲线的所述回声的幅度值相同的符号，则将所述回声分配到与在先获得的回声曲线的在先回声关联的所述第一回声路径。

Images