CN104048729A - 具有信号划分的雷达水平计 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供对距保持在罐中的产品的表面的距离的不受窄带干涉影响的测量的方法，包括：使返回信号与发射信号混合(S3)以提供中频信号，以及基于中频信号确定所述距离。确定所述距离的步骤还包括：将中频信号划分(S4)为多个频率部分，其中，每个频率部分对应于发射信号的频率间隔；将被干扰的频率部分识别(S5)为受窄带干涉影响的频率部分；以及基于未受窄带干涉影响的频率部分确定(S6)所述距离。通过将中频信号划分为对应于发射信号的频率间隔的频率部分，可检测存在窄带干涉的频率间隔。

Description

具有信号划分的雷达水平计
技术领域
本发明涉及一种使用电磁波来确定距罐中的产品的表面的距离的雷达水平计。本发明还涉及一种用于确定距罐中的产品的表面的距离的方法。
背景技术
自从雷达水平计作为商业产品在二十世纪70和80年代中被发展以来，调频连续波(FMCW)已经成为高精度应用的主导测量原理。FMCW测量包括将扫过大约几GHz的范围频率的信号发射到罐中。例如，该信号能够在24-27GHz或9-11GHz的范围内。发射的信号通过罐中的容纳物的表面(或通过任何其他阻抗转变)被反射，并且，已经延迟了一定时间的回波信号被返回到该水平计。回波信号与发射的信号混合以生成混合信号，该混合信号具有与在延时过程中发生的发射信号的频率变化相等的频率。由于该线性扫描，该差频——也称作中频(IF)——与到反射表面的距离成比例。该混合信号常被称为IF信号。
自从FMCW的发展以来，已经研发了其他类型的水平计，在这些其他类型的水平计中，发射信号的频率也在特定范围内变化。虽然这些FMCW型雷达水平计是高度精确的，但其仍然可能受到来自许多源的窄带干涉的影响，例如，受到天线中的微波谐振、导波器的其他部分中的微波谐振、由于要被测量的容纳物的湍流表面导致的低信号振幅、雷达水平计的零件的不正确组装或罐中容纳物对导波器的污染等的影响。
因此，需要提供一种能够适应于至少来自前面提到的源的窄带干涉的雷达水平计。
发明内容
关于上文提到的对雷达水平计的期望的特性，本发明的总体目的是通过限制或消除来自窄带干涉的干扰来提高雷达水平计的性能。
本发明基于以下实现：通过将包括距罐中的表面的距离的信息的信号划分为多个部分，可以产生而不是丢失更具决定性的信息。
根据本发明的第一方面，这些和其他的目的通过一种用于提供对距保持在罐中的产品的表面的距离的不受窄带干涉影响的测量的方法而实现，该方法包括向该表面发射电磁发射信号、接收在该表面反射的电磁返回信号、使返回信号与发射信号混合以提供IF信号、以及基于该IF信号确定距离。确定距离的步骤还包括以下步骤：将IF信号划分为多个频率部分，其中，每个频率部分对应于该发射信号的频率间隔；识别受窄带干涉影响的频率部分；以及基于未受窄带干涉影响的频率部分确定距离。
根据本发明的第二方面，该目的还通过使用一种用于对距保持在罐中的产品的表面的距离进行不受窄带干涉影响的测量的雷达水平计而实现，该雷达水平计包括构造为向该表面发射电磁发射信号的发射器、构造为接收从该表面反射的电磁返回信号的接收器、构造为使发射信号和返回信号混合以提供IF信号的混频器、以及构造为确定该距离的处理电路。处理电路还进一步被设置成：将IF信号划分为多个频率部分，其中，每个频率部分对应于该发射信号的频率间隔；识别受窄带干涉影响的频率部分；以及基于未受窄带干涉影响的频率部分确定距离。
通过将IF信号划分为对应于发射信号的频率间隔的频率部分，可检测存在窄带干涉的频率间隔。通过由频谱的未受影响的部分确定要被测量的距离，可通过从多次测量的平均值中去除错误测量值而提供更为精确和/或可靠的测量。
此外，可能在天线中或导波器的其他部分中产生微波谐振的有缺陷的部分可被识别为是周期性的窄带干扰。如果遇到这种干扰，则可替换整个雷达水平计，这可以节省成本并且还可以节省维修故障跟踪过程中的时间。
而且，如果保持在罐中的将被测距的产品呈现/显示湍流表面，则由于电磁信号在不同于天线的其他方向上被反射，因而返回信号的振幅可能较低。一些频率部分因而可产生相比其他频率部分有所改善的测量结果，因此即便在这些情况下仍然可提供正确的测量距离。在本发明的一个实施方式中，从每个频率部分计算代表性参量并且基于该代表性参量识别被干扰的频率部分。通过对每个频率部分计算参量，可提供对频率部分进行比较的一种简单的方式，因而能够识别包含窄带干涉的频率部分。例如，能够确定与大多数代表性参量的差异大于预定量的偏离的代表性参量，并且被干扰的频率部分能够被识别为是与这些偏离的代表性参量相关联的频率部分。
为了确定偏离的代表性参量，代表性参量可按照尺寸进行分类，并且可识别预定数量的最大代表性参量和预定数量的最小代表性参量。在该情形中，可排除偏离程度最大的代表性参量以确保正确的被确定的距离。例如，小于或等于代表性参量的数量的一半的代表性参量可被识别为受到窄带干涉的影响，这可保持足够的信息，同时维持了高测量精度。
通过将每个代表性参量与所有其他的代表性参量进行比较并且识别那些差异大于预定量(例如百分之一)的代表性参量，可提供额外的测量精度。另一种方案是识别与代表性参量的平均值的差异大于百分之一的代表性参量。
可使用多种方式对代表性参量进行比较，例如，可计算并使用每个代表性参量之间的差异，或者也可仅仅相对地比较这些代表性参量。
根据本发明的另一实施方式，多个频率部分中的每一个被处理以从所述多个频率部分中的每一个频率部分提供频谱。然后可从每个频谱中计算出作为能量计量的代表性参量。
通过首先处理每个频率部分以提供频谱以及然后从每个频谱计算出能量，可提供一种识别包含窄带干涉的频率部分的方式。例如，频率部分之间的差异可变得与在频谱之间比较的能量的差异一样地明显。
替代性地，可以对每个频率部分进行处理以计算作为与每个频率部分相关联的距离的计量的代表性参量。
将距离的计量用作代表性参量是有利的，因为能够然后将该距离确定为未受到窄带干涉影响的距离测量的平均值。以未受到窄带干涉影响的多个近似距离的平均值来提供距离可提高测量精度。当然，这在使用不同的代表性参量时也是有用的。
每个频率部分应当具有足够数量的样本以使得能够确定距表面的距离。在一些情形中，两个频率部分是足够的，而其他的应用可能需要四个或者甚至是更多的频率部分。
根据本发明的一个实施方式，发射电磁发射信号的步骤包括将电磁发射信号发射为多个频率间隔。将发射信号划分为多个频率间隔可减轻对于将IF信号划分为多个频率部分(其中每个频率部分对应于发射信号的频率间隔)的需要，因而可提供一种更容易实施的方法。
在研究了所附权利要求以及下文中的说明后，本发明的进一步的特征和优点将变得明显。本领域技术人员应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可以组合以形成下文所描述的实施方式以外的其他实施方式。
附图说明
现在将参照示出本发明的实施方式的附图，更详细地描述本发明的这一方面以及其他方面。
图1为用于实施本发明的雷达水平计的示意性剖视图。
图2为根据本发明的实施方式的、在图1的雷达水平计中的收发器以及处理电路的示意性框图。
图3为根据本发明的实施方式的方法的流程图。
图4为根据本发明的多个实施方式的方法的一部分的流程图。
具体实施方式
在本说明中，主要参考具有用于辐射和捕获电磁信号的自由传播天线的雷达水平计描述本发明的实施方式。应当指出，这绝不是限制本发明的范围，本发明可以同样地应用于其他信号传播设备，包括其他的自由传播天线，例如，杆式天线、贴片天线、固定或可动抛物面天线或锥形天线，以及导波器，例如静止管、输电线或探针，例如单线式探针(包括所谓的Goubau探针)、双线探针或同轴探针。
此外，在下文的说明中，主要参考采用步进频率扫描的FMCW雷达水平计描述本发明的实施方式。应指出，本发明在任何采样的FMCW中都是有利的，例如在采用连续频率扫描的FMCW中是有利的。
图1示意性地描绘了根据本发明的实施方式的雷达水平计1，雷达水平计1包括测量电子单元2和信号传播设备——在此为喇叭天线3。雷达水平计1设置在罐5上，罐5部分地填充有将用水平计测量的产品6。罐中的产品6可为液体、液化气，或者甚至为固体，例如谷物或塑料颗粒。FMCW测量方法提供了雷达水平计的相对较高的测量灵敏度，从而在罐中存在干扰物体时也能够带来可靠的测量结果。通过分析由天线3向产品6的表面7发射的发射信号ST以及从表面7返回的回波信号SR，测量电子单元2能够确定参考位置与产品6的表面7之间的距离，借此能够推断出填充水平L。应当指出，虽然在此讨论的为容纳有单一产品6的罐5，但能够以相似的方式测量出距存在于罐5中的任何材料界面的距离。而且，由天线3向表面7发射的发射信号ST通常包括9至10.6GHz的频谱或24至27GHz的频谱。
如图1中示意性地描绘的，电子单元2包括用于发射和接收电磁信号的收发器10，收发器10在此通过导波器9连接至天线3。应当指出，可选地，天线3可以直接连接至收发器电路，或者可经由诸如同轴线缆之类的适当的信号介质被连接。单元2还包括处理电路11，处理电路11连接至收发器10，用于收发器的控制以及用于处理由收发器接收的信号，以确定罐5中的产品6的填充水平。处理电路11还连接至存储器12，存储器12存储水平计1的操作所需的任何软件，并且存储器12还提供在操作过程中使用的RAM。
处理电路11还能够进一步经由接口14连接至用于进行模拟和/或数字通信的外部通信线路13。例如，可通过双线接口提供通信接口14与外部控制站(未示出)之间的通信，该双线接口具有发射测量结果至控制站以及接收用于水平计1的操作的功率的组合功能。这种双线接口可提供差不多恒定的功率，并且能够通过采用诸如现场总线协议或HART协议之类的数字协议将测量结果叠加到电源电压上。替代性地，根据当前的测量结果来调节线路中的电流。这种接口的一个示例为4-20mA工业回路，其中，电流根据测量结果在4mA与20mA之间进行调节。替代性地，水平计可通过例如无线HART协议与控制站无线地通信，并且使用具有电池的本地电源(未示出)或其他用于自主操作的吸取能量的装置。
接口14包括功率管理电路，功率管理电路包括用于在微波单元不工作的时期内存储功率的功率存储器件15，因而使得能够在微波单元工作的时期中(即，在扫描过程中)提供较高的功率消耗。通过这种功率管理，可实现较低的平均功率消耗，同时仍然允许短时期的较高功率消耗。功率存储器件15可包括电容器，并且可受到空间要求以及内在的安全要求(适用于水平计1被布置在具有爆炸性或可燃的容纳物的罐中的危险区域中时)的限制。
虽然在图1中以分开的框的形式示出，但收发器10、处理电路11和接口14中的几个也可设置在同一块电路板上，或者甚至可设置在同一个电路中。
现在参照图2，示出了根据本发明的实施方式的图1中的收发器10和处理电路11的更详细的框图。
此处的收发器10包括通过阶梯波发生器22驱动的微波源21，阶梯波发生器22进而由形成处理电路11的一部分的定时电路23控制。微波源21经由功率分配器24连接至天线3。功率分配器24被布置为将来自天线的返回信号连接到混频器(M)25，混频器25也被连接成接收来自微波源21的信号。混频器输出连接至低通滤波器26和放大器27。
除了包括上面提到的定时电路23外，此处的处理电路11还包括适于接收信号并对信号进行采样的采样器31。采样器可包括与模-数(A/D)转换器结合的采样及保持电路，或者，采样器可被实施为西格玛-德尔塔转换器。采样器31被定时电路控制以与测量信号同步。最后，处理电路包括连接至采样器31的水平计算器块34。
虽然收发器10的元件通常以硬件实施，并且形成通常称为微波单元的集成单元的一部分，但该处理电路中的至少一些部分一般通过由嵌入式处理器执行的软件模块实施。本发明不限于该具体的实现方式，并且可构想适于实现在此描述的功能性的任何实施方式。
在操作过程中，定时电路23控制微波源21以输出测量信号，在一个实施方式中为步进频率扫描的形式。该测量信号能够通常以适当的步长从较低频率向较高频率步进。在替代性实施方式中，测量信号可反之从较高频率向较低频率步进，或者，频率步进甚至可以采用任何的顺序。例如，频率扫描可具有大约几GHz(例如，0.2-6GHz)的带宽，以及大约25GHZ或10GHz的平均频率。扫描中的步长数量N可以在100-4000的范围内，通常在200-2000的范围内，并且对于期望的30m的范围，可以约为1000。每个频率步长(Δf)的尺寸因此通常为MHz的量级。对于功率有限的应用而言，扫描的持续时间是有限的，并且通常为大约0-100ms。例如，扫描的持续时间可约为30ms，并且对于1000个频率步长(N＝1000)，这导致每个步长的持续时间大约为30μs，或者为大约30kHz的更新率。
来自微波源的测量信号通过天线3发射到罐5中，并且回波信号经由功率分配器24返回到混频器25，该回波信号在混频器25处与测量信号混合。混合的信号——称作IF信号——在供给到处理电路11之前被滤波器26滤波，并被放大器27放大。IF信号为分段恒定的振荡信号，其具有与到反射表面的距离成比例的频率，并且分段恒定的长度与测量频率的步长相同。典型的频率在kHz的量级，例如，小于100kHz，并且一般小于15kHz。
被放大的IF信号被处理电路11接收，该信号在处理电路11中被采样器31采样并进行A/D转换。A/D转换器30的采样频率有利地充分接近测量信号的更新率，以便对测量信号的每个步长进行一次且仅仅一次的采样。
由采样产生的样本矢量被供给至水平高度计算器块34，水平高度计算器块34基于样本矢量确定IF信号的频率，并且然后基于IF信号频率确定距反射表面的距离(并且随后确定罐中的产品的填充水平)。
图3描绘了能够如何实施本发明的实施方式的流程图。
首先，在步骤S1中，由天线3向表面7发射电磁发射信号ST。然后，在步骤S2中，由天线3接收从表面7返回的返回信号SR并且将该返回信号SR沿着导波器9发送至收发器10。在步骤S3中，通过包含混频器25的收发器10使返回信号SR与发射信号ST混合以提供中频信号(IF信号)。
然后，在步骤S4-S6中，基于本发明的实施方式确定距离。其中在步骤S4中，IF信号首先被处理电路11划分为多个频率部分，其中每个频率步骤对应于发射的信号的频率间隔。例如，被收发器10接收的包括9.0至10.6GHz的频率的信号SR将与发射的信号ST混合，并且产生的IF信号可被划分为对应于9.0-9.4GHz、9.4-9.8GHz、9.8-10.2GHz和10.2-10.6GHz的四个部分。
提供多个频率部分允许了处理电路11在接下来的步骤S5中识别已经受到窄带干涉影响的干扰的频率部分。
因此，最后在步骤S6中，使用未受到窄带干涉影响的频率部分来对每个频率部分确定距反射表面的距离。能够将距反射表面的最终距离确定为从已经被识别为未受窄带干涉影响的每个频率部分得出的距离的平均值。
现在参照图4，为多个实施方式具体阐明了用以实现受到窄带干涉的影响和干扰的频率部分的检测和识别的步骤。在步骤S25中，由处理电路11处理每个频率部分以计算代表性参量。一个示例是应用诸如快速傅立叶变换(FFT)之类的信号处理算法和/或相位计算。信号处理算法与发射的信号ST和接收的信号SR之间的关系一起将提供基于频域的频谱。接着在步骤S26中，将来自每个频率部分的代表性参量与所有其他的代表性参量进行比较。根据上文的示例，接着将使用来自每个频率部分的频谱以计算能量计量，来自受到窄带干涉的干扰的频率部分的被处理的频谱将显示与未受到窄带干涉影响的频率部分相比不同的能量计量。接着在步骤S27中，因此将识别出受到窄带干涉的干扰的频率部分，这将使得处理电路11能够从每个未受到窄带干涉影响的频率部分确定距离。
如之前提到的，步骤S25中对频率部分进行处理以计算代表性参量并不局限于信号处理算法，代表性参量也可为从每个频率部分得到的距离或者为来自每个频率部分的信号振幅或者例如为从每个频率部分获得的样本的数量。
而且，前面在步骤S26中描述的比较也应当在本申请的情形下被理解为也可以对可被计算和使用的每个代表性参量之间的差异进行比较、或者可以仅仅相对地比较这些代表性参量。通过计算并使用每个代表性参量，可以设定预定量，并且将在步骤S27中将差异较大的代表性参量识别为受到了窄带干涉的干扰。可以按照尺寸相对地对代表性参量进行分类，并且在步骤S27中，预定数量的最大和最小代表性参量将被识别为受到了窄带干涉的干扰，或者，可计算出代表性参量的平均值，并且在步骤S27中，差异大于特定的百分比(例如，1％)的代表性参量将被识别为受到了窄带干涉的干扰。
虽然附图可能示出了方法步骤的具体顺序，但步骤的顺序可以与被描述的顺序不同。而且，可以同步地或部分同步地执行两个或更多个步骤。这种变型将取决于软件和硬件的选择以及设计者的选择。所有的这种变型都在本公开的范围之内。同样地，可通过具有基于规则的逻辑或其他逻辑的标准编程技术来完成软件的实现以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决定步骤。另外，虽然已经参考本发明的具体的示例性实施方式对其进行了描述，但许多不同的变化、修改等对本领域技术人员而言都将是显而易见的。通过研究附图、公开内容以及所附权利要求，熟练的技术人员能够在实施请求保护的本发明的过程中理解并实现对公开的实施方式的变型。此外，在权利要求中，用词“包括”不排除其他的元件或步骤，并且，未指明单数或复数的名词不排除复数的情况。

Claims (15)

1.一种用于提供对距保持在罐中的产品的表面的距离的不受窄带干涉影响的测量的方法，所述方法包括：
向所述表面发射电磁发射信号；
接收在所述表面反射的电磁返回信号；
使所述返回信号与所述发射信号混合以提供中频信号；
基于所述中频信号确定所述距离；
其中，确定所述距离的步骤还包括以下步骤：
将所述中频信号划分为多个频率部分，其中，每个频率部分对应于所述发射信号的频率间隔；
将被干扰的频率部分识别为受窄带干涉影响的频率部分；
基于未受窄带干涉影响的频率部分确定所述距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，识别被干扰的频率部分的步骤包括：
计算与每个频率部分相关联的代表性参量；以及
基于所述代表性参量识别被干扰的频率部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，识别被干扰的频率部分的步骤包括：
将每个代表性参量与所有其他的代表性参量进行比较；以及
确定与所述代表性参量中的大多数的差异大于预定量的偏离的代表性参量；
将被干扰的频率部分识别为与所述偏离的代表性参量相关联的频率部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定偏离的代表性参量的步骤包括：
按照尺寸对代表性参量进行分类；以及
识别预定数量的最大代表性参量和预定数量的最小代表性参量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定数量为至少两个，或者，所述预定数量小于或等于代表性参量的数量的一半。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，确定偏离的代表性参量的步骤还包括：
识别与所述代表性参量的平均值的差异大于百分之一的代表性参量。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，计算代表性参量的步骤包括：
对每个频率部分进行处理以提供频谱；
从每个频谱计算作为能量计量的所述代表性参量。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，计算代表性参量的步骤还包括：
对每个频率部分进行处理以计算作为与每个频率部分相关联的所述距离的计量的所述代表性参量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述距离被确定为与未受窄带干涉影响的频率部分相关联的距离的平均值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电磁发射信号包括9GHz至10.6GHz的频谱。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电磁发射信号包括25GHz至27GHz的频谱
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述中频信号被划分为至少两个频率部分。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，发射所述电磁发射信号的步骤包括：
将所述电磁发射信号发射为多个频率间隔。
14.一种雷达水平计，用于对距保持在罐中的产品的表面的距离进行不受窄带干涉影响的测量，所述雷达水平计包括：
发射器，所述发射器构造为向所述表面发射电磁发射信号；
接收器，所述接收器构造为接收从所述表面反射的电磁返回信号；
混频器，所述混频器构造为使所述发射信号与所述返回信号混合以提供中频信号；
处理电路，所述处理电路构造为确定所述距离；
所述处理电路被设置成：
将所述中频信号划分为多个频率部分，其中每个频率部分对应于所述发射信号的频率间隔；
识别受窄带干涉影响的频率部分；
从未受窄带干涉影响的频率部分确定所述距离。
15.根据权利要求14所述的雷达水平计，其中，所述处理电路另外被构造为：
计算与每个频率部分相关联的代表性参量；以及
基于所述代表性参量识别被干扰的频率部分。
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