CN104374446B - 用于雷达物位指示器的雷达波束偏转单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于雷达物位指示器的雷达波束偏转单元，该雷达波束偏转单元用于控制从雷达物位指示器发射的传输信号的主发射方向的偏转，雷达波束偏转单元包括：第一波束偏转元件，第一波束偏转元件用于偏转传输信号的主发射方向；和第一驱动器，第一驱动器用于使第一波束偏转元件绕第一旋转轴线旋转，使得传输信号的在经过第一波束偏转元件之后的主发射方向沿闭合路径行进。本发明还涉及一种包括雷达波束偏转单元的测量仪器、一种该测量仪器确定位于传送带上的散装固体的体积流量的用途、一种该测量仪器确定散装固体的质量的用途以及一种用于确定散装固体的拓扑结构的方法。

Description

用于雷达物位指示器的雷达波束偏转单元
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年8月14日提交的欧洲专利申请No.EP 13 180 386.8的申请日的优先权，该申请的全部公开内容在此通过参引的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及物位测量。特别地，本发明涉及用于雷达物位指示器的雷达波束偏转单元，涉及包括雷达波束偏转单元的测量仪器，涉及此测量仪器确定散装固体的体积流量的用途，涉及此测量仪器确定散装固体的质量的用途，并且涉及用于确定散装固体的拓扑结构的方法。
背景技术
存储在容器中的、位于传送带上的或者放置在废品堆上的散装固体通常具有不规则、不均匀的表面。特别地，散装固体可以形成为圆锥体或者可以形成萃取漏斗形。
在这种情形下，物位指示器在确定物位时常常是不准确的，特别是在物位指示器只测量距离散装材料的表面上的单个点的距离时，亦是如此。为了能够更准确地确定物位，有利的是，使用关于散装材料的表面拓扑结构的信息。
可以通过改变天线的主波束方向来使用雷达物位指示器检测散装材料的表面拓扑结构。通过连续改变主波束方向，可以从不同的角度方向或者从不同的位置来测量介质的表面。所检测到的回波曲线可以用于测量仪器或者用于合适的分析单元以确定表面拓扑结构。
可以通过使天线转动或移位来以机械的形式进行主波束方向的必要的改变。也可以提供从不同的空间方向检测回波曲线的天线阵列。
DE 101 06 176 A1描述了具有可调节检测器头的物位指示器。
DE 689 10 784 T2描述了具有电控偏转系统的天线。
发明内容
本发明的目的是能够使用替代措施来确定散装材料的拓扑结构。
本发明的第一方面限定了用于雷达物位指示器的雷达波束偏转单元，该单元设计成控制从雷达物位指示器发射的传输信号的主发射方向的偏转。雷达波束偏转单元包括用于偏转传输信号的主发射方向的至少一个第一波束偏转元件。例如，该元件是棱镜。此外，设置有第一驱动器，第一驱动器设计成使第一波束偏转元件绕第一旋转轴线旋转，使得第一波束偏转元件的旋转使传输信号在经过第一波束偏转元件之后主发射方向沿闭合路径行进。例如，该闭合路径是圆形路径。
换言之，主发射方向描述了传输信号的主要方向。在偏转之后，波束，即传输信号例如指向散装材料的表面，所述表面可能是不均匀的。当离开发射源时，雷达波束的主发射方向指向雷达波束偏转元件。当经过雷达波束偏转元件时，主发射方向指向散装材料的表面。通过将传输信号的主发射方向定向和/或偏转到散装材料的表面上，可以获得关于散装材料的拓扑结构的信息。
可以通过连续地移动雷达波束偏转元件来连续地调适和/或改变传输信号的主发射方向。因此，可以例如通过驱动器来移动雷达波束，使得可以沿在所述表面上没有中断的闭合线或闭合路径行进。换言之，可以在散装材料的表面上连续地移动或引导轰击点，该轰击点形容了具有明显的主发射方向的激光波束所终结的在散装材料的表面上的点。在这种方式下，可以实现在散装材料的表面上的闭合路径，在所述表面上沿所述闭合路径引导雷达波束。
根据本发明的一个实施方式，除了第一波束偏转元件之外，还设置有用于偏转传输信号的主发射方向的第二波束偏转元件。第二波束偏转元件也可以是棱镜。
术语“棱镜”应当被理解为是指下述本体：该本体对传输信号至少部分地透过，该本体具有彼此成一定角度的两个表面，并且传输信号在从雷达物位指示器到散装材料的途中必须经过该本体。因此，在传输信号通过波束偏转元件的途中，信号至少由这两个表面折射一次，使得主发射方向改变。
如果现在第一波束偏转元件或第二波束偏转元件通过所述元件的驱动器而绕其主轴线旋转，则因此传输信号在经过波束偏转元件之后主发射方向描述了闭合路径。
设置有第二驱动器，以用于使第二波束偏转元件旋转。因此，可以激活两个驱动器，由此，两个棱镜沿相同的方向或沿相反的方向旋转。
例如，第一棱镜的旋转轴线和第二棱镜的旋转轴线重合。通过对两个棱镜的面相对于彼此适当地定向和对旋转的速度和方向适当地调节，传输信号的主发射方向可以沿螺旋路径或例如花形路径移动。
根据本发明的另一实施方式，可以设置有第三驱动器，以便使两个棱镜绕垂直于第一旋转轴线和第二旋转轴线的第三旋转轴线旋转。
根据本发明的另一实施方式，第一波束偏转元件具有包括一个角度的第一光学表面和第二光学表面，该角度以对于棱镜而言已知的方式限定传输信号的主发射方向的偏转。
特别地，第一驱动器和第二驱动器可以设计为机械耦接驱动器组件。可以设置有合适的齿轮机构，该齿轮机构设定第一棱镜的旋转频率相对于第二棱镜的旋转频率的比率。
根据本发明的另一实施方式，第一波束偏转元件的旋转频率相对于第二波束偏转元件的旋转频率的比率是可调节的。可以通过预定义波束偏转元件的不同的旋转频率来进行该调节。例如，通过例如将两个驱动器机械耦接在一起来使这两个驱动器适应于使波束偏转元件以预定义的旋转频率移动。可以使用于第一驱动器和第二驱动器的齿轮适应成使得第一波束偏转元件的旋转频率能够相对于第二波束偏转元件的旋转频率可调节。在这种方式下，可以在散装材料的表面上沿具有具体图案的闭合路径行进或者扫描该闭合路径。因此，雷达波束可以连续地扫描散装材料的表面，以便在闭合路径上实现螺旋桨形扫描图案或花形扫描图案。
根据本发明的另一实施方式，波束偏转元件包括至少检测元件的相对位置的编码器。
特别地，也可以确定波束偏转元件的绝对位置。
本发明的另一方面限定了包括如上面和下面所描述的雷达波束偏转单元的测量仪器。
例如，测量仪器可以是脉冲雷达仪器、FMCW测量仪器(FMCW＝调频连续波)、超声测量仪器或激光测量仪器。
例如，棱镜可以由聚四氟乙烯(Teflon)或聚乙烯(PE)制成。然而，也可以是具有不同折射率的材料。棱镜也可以由具有负折射率的被称为超材料的材料制成。在这种情况下，凭借超材料的合适的设计，除了棱镜形状以外的几何结构也可以用于波束偏转单元的实施方式。
根据本发明的另一实施方式，测量仪器包括用于将雷达波束偏转单元附接至测量仪器的附接机构。
此处应当提及的是，例如，如果测量仪器不是雷达物位指示器而是超声测量仪器，则将波束偏转单元设计成不用于偏转雷达波束而用于传输和偏转超声信号。如果辐射源是激光，则明显地将棱镜设计成偏转激光。
特别地，(雷达)波束偏转单元可以附接至测量仪器的壳体和/或测量仪器的天线，从而减少调节所涉及的时间量和精力。
特别地，测量仪器可以设计成确定散装固体的拓扑结构。通过旋转棱镜来用传输信号扫描散装固体的表面来实现此目的。
本发明的另一方面限定了如上面和下面所描述的测量仪器确定位于传送带上的散装固体的体积流量的用途。
本发明的另一方面限定了如上面和下面所描述的测量仪器确定散装固体的质量的用途。在不同情况下使用关于拓扑结构的信息来确定体积流量和质量。
本发明的另一方面限定了用于确定散装固体的拓扑结构的方法，在该方法中，首先，来自物位指示器的传输信号沿天线阵列的主发射方向进行传输。例如，物位指示器是雷达物位指示器、激光测量仪器或超声测量仪器。然后，第一棱镜绕第一旋转轴线旋转使得传输信号在经过棱镜之后主发射方向沿闭合路径行进。此外，第二棱镜可以沿与第一棱镜相同的旋转方向或者沿与第一棱镜相反的旋转方向绕相同旋转轴线旋转。旋转速度可以不同，使得传输信号在经过两个棱镜之后主发射方向沿可以是闭合的诸如螺旋形路径或花形路径之类的复杂路径行进。
传输信号在散装固体的表面进行反射，并且反射信号再次经过棱镜并且然后由物位指示器进行检测。然后可以通过分析所检测到的反射传输信号来计算散装固体的拓扑结构。
下面参考附图描述本发明的实施方式。
附图说明
图1A示出了物位测量装置。
图1B示出了另一物位测量装置。
图1C示出了另一物位测量装置。
图1D示出了根据本发明的实施方式的物位测量装置。
图2示出了根据本发明的另一实施方式的物位测量装置。
图3A示出了根据本发明的另一实施方式的物位测量装置。
图3B和图3C示出了根据本发明的另一实施方式的物位测量装置。
图4示出了传输信号能够扫描的可能的扫描区域。
图5A至图5F示出了各种轨迹或路径，传输信号的主发射方向在经过棱镜之后可以沿所述各种轨迹或路径移动。
图6示出了根据本发明的实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
附图中的描绘是示意性的并且不是按比例绘制的。
在下面的附图描述中，在不同的附图中所使用的相同的附图标记表示相同或类似的元件。然而，也可以由不同的附图标记表示相同或类似的元件。
本发明特别用于物位指示器领域，虽然也可以在目标监测或质量流量测量领域中使用本发明。本发明的核心方面可以被认为是，以可以检测表面的拓扑结构的方式扩宽了仅确定距散装材料表面上的单个点的距离的物位测量方法。这特别是在散装固体应用中可以实现更好的测量结果，而不论什么器件将在另外的计算步骤中用于分析拓扑结构数据。
存在为实现传输信号的主发射方向的变化的机械解决方案、光学解决方案和电学解决方案，所述变化是确定拓扑结构所必需的。
例如，如图1A中所示，可以使用能够作为整个单元行进的行进天线或物位指示器来实现机械解决方案。然而，在现有容器中加装此测量装置通常不能通过现有的容器开口，并且需要等于测量区域的用于天线的较大行进距离。
就例如呈喇叭天线或抛物面天线102的形式的雷达系统而言，例如是雷达物位指示器、超声测量仪器或激光测量仪器的测量仪器101包括传输信号发射设备。传输信号103朝向散装材料表面111进行发射并且在此处至少部分被反射。
例如可以是散装固体的散装材料105通常位于容器104中或者位于传送带上。然后，由测量仪器借助于天线102检测从散装固体105的散装固体表面111反射的传输信号并对该传输信号进行分析。
在图1A中的示例中，测量仪器101可以沿水平导引件106移动，使得可以至少在一个维度上扫描散装固体表面。
如图1B中所示，用于扫描散装材料表面的另一选择是以机械的方式枢转以其他方式固定在适当位置的天线。然而，在这种情况下，电力供给和信号传输所需要的天线线缆上的机械应力因需要天线快速旋转而会遇到问题。
可以通过将波束产生与主波束方向的机械偏转分离来避免此问题，这可以例如由固定的天线和合适的枢转镜110来实现。图1C中示出了此示例。镜的横向布置使得不能具有紧凑构型并且对于安装来说，不可能配合通过测量例如仅为六英寸的容器开口。
例如，可以使用贴片阵列天线来实现纯电动波束偏转系统。然而，这与昂贵且复杂的电路相关联。此外，例如，在这种情况下可以实现的波束质量(重点包括旁瓣)远差于使用卡塞格伦天线(Cassegrain antenna)能够实现的波束质量。
根据本发明的一个方面，在保留紧凑设计的同时将波束生成与主波束方向的机械偏转分离。
图1D和图2示出了本发明的两个实施方式。这些实施方式涉及用于物位指示器101(例如，雷达物位指示器)的装置，用于物位指示器101的装置具有天线(A)102以及位于天线102的主波束方向201上的例如呈棱镜形式的至少一个波束偏转元件(P1)107、108。
棱镜在两个折射面204、205之间具有角度α1并且由诸如PTFE(聚四氟乙烯)之类的至少一种材料(M1)制成。通过使用具有与M1不同的性能的其他材料来进行例如表面处理，可以影响其他性能例如波束偏转元件的反射性能和传输性能或者色像差。
合适的驱动器可以用于使波束偏转元件P1沿主波束方向相对于天线102倾斜，并且因此根据波束偏转元件中的不同长度的光学路径将其主波束方向偏转到圆锥体的表面上。此时，圆锥角取决于棱镜角α1。
图4示出了可以通过此器件实现的扫描区域。图4中可以看出的是，方位角Ψ可以是0度至360度。例如，取决于选择制成棱镜的材料和α1和α2，螺旋角Θ可以等于0度至50度。
棱镜107、108可以位于安置在测量仪器101的壳体及其天线102之上的共用壳体109中。由此，波束偏转单元100可以直接附接至测量仪器101的壳体和/或其天线102。特别地，测量仪器101的壳体设计成与波束偏转单元100的壳体109集成为一体。
图2示出了天线设计为抛物面天线102的实施方式。附图标记201指示传输信号在刚刚离开天线之后的主发射方向。该主发射方向位于第一棱镜的主轴线203上。如果传输信号入射到第一棱镜107的第一光学表面204上，则该传输信号被折射成偏离第一棱镜107的主轴线203。然后该传输信号入射到棱镜的第二光学表面205上并且再次被折射成偏离棱镜的主轴线203(参见波束方向202)。
棱镜107可以通过例如可以是力矩马达的驱动单元206来绕主轴线203旋转。与图1D中所示出的类似，图3A示出了两个棱镜107、108的布置。第一棱镜107的光学表面204——该表面面向天线102——与两个棱镜的旋转轴线203成不等于90度的角度α1，使得传输信号在其经过第一表面204时折射成偏离光学轴线203。另一方面，第一棱镜的第二、后表面205定向成与旋转轴线203垂直，如第二棱镜108的第一表面306一样，该第一表面306与此第二、后表面相对。因此总之，当传输信号从第一棱镜行进到第二棱镜中时，特别是在两个棱镜之间的距离足够小时，传输信号的主发射方向不改变。
第二棱镜108的后第二光学表面307与两个棱镜的主轴线203成角度α2，使得在传输信号离开第二棱镜时，主发射方向再次发生变化。
两个棱镜可以具有能够以彼此独立的方式进行控制和操作的不同的驱动器206、301。然而，第二棱镜也可以例如通过齿轮机构耦接至第一棱镜的驱动器，从而预先固定两个棱镜的旋转频率的比率。
此外，可以设置有第三驱动单元303，其使两个棱镜能够绕垂直于主轴线203的轴线302旋转(参见箭头309)。在这种情况下，可以生成非径向对称的扫描图案。
例如，使两个棱镜绕主轴线203旋转造成经过两个棱镜之后的主发射方向202沿圆形路径308移动。在两个棱镜沿同一方向以相同旋转频率旋转时，情况也是如此。
然而，两个棱镜也可以沿彼此相反的方向和/或以不同频率旋转。图3B和图3C中示出了棱镜以及所产生的波束偏转的两个极限位置的示例。
在图3B中示出的情况——在该情况中，第一棱镜的第一表面204与第二棱镜的第二表面307之间的角度是α1+α2并且不等于0度——下，传输信号经历了沿方向202偏离主轴线203的最大折射。
另一方面，在图3C中示出的情况下，第一棱镜的顶面204和第二棱镜的顶面307彼此平行布置。两个另外的面205、306同样彼此平行布置，这在图1D、图3A和图3B中的实施方式中也是如此。
这导致传输信号的在通过两个棱镜之后的方向202相对于两个棱镜的主轴线203平行行进但形成偏移。
可以通过与第二个这种棱镜(P2)组合来获得另一偏转自由度(参见图3A)。图3B示出了最大可能的偏转。在这种情况下，两个波束偏转元件具有相同的取向，也就是说，两个波束偏转元件相对彼此旋转经过了0度。如果两个波束偏转元件彼此面对(参见图3C)，那么这简单地导致天线A的主波束方向的不具有角偏转的平行波束偏移。
例如，可以通过可以借助于行星齿轮机构实现的两个棱镜的耦合旋转来实现螺旋扫描。此处通过齿轮机构的传动比来设定精确的扫描形式。当面向天线的棱镜P1旋转m1次时，棱镜P2进行m2次旋转。这给出齿轮机构的传动比m＝m1/m2。
如图5A和图5B中的极坐标图中所示，小有理数比产生螺旋扫描图案。在这种情况下，按照方位角Ψ(也被称为偏航角)绘制波束的从主波束方向偏转的螺旋角Θ。整数比产生螺旋桨形扫描图(参见图5C和图5D)，反之，接近1的有理数比产生花形扫描图案(参见图5E和图5F)。
然而，此外，也可以提供任何其他传动比或者甚至两个波束偏转元件的分离式移动。花形扫描图案在此处可以是有利的，因为花形图案用测量点相对均匀地覆盖了研究中的表面。
图6示出了根据本发明的实施方式的方法的流程图。
在步骤601中，由测量仪器将传输信号朝向散装材料表面传送。在步骤602中，传输信号经过至少一个棱镜，该至少一个棱镜绕其主轴线旋转使得传输信号的主发射方向周期地偏转。然后，传输信号被散装材料表面反射，在其返回至物位指示器的途中再次经过至少一个棱镜。在步骤603中，由物位指示器检测并分析所反射的传输信号，以便在步骤604中根据所反射的传输信号确定散装材料表面的拓扑结构。
此外，应当提及的是，术语“包括”和“具有”不排除任何其他元件或步骤，并且“一(a)”或“一个(an)”不排除大于一个。还应当指出的是，已参考上面的实施方式中的一个实施方式描述的特征或步骤也可以用于与上面描述的其他实施方式的其他特征或步骤进行组合。权利要求中的附图标记不应被视为具有限制作用。

Claims (12)

1.一种用于雷达物位指示器(101)的雷达波束偏转单元(100)，所述雷达波束偏转单元(100)用于控制从所述雷达物位指示器发射的传输信号的主发射方向的偏转，所述雷达波束偏转单元(100)包括：
第一波束偏转元件(107)，所述第一波束偏转元件(107)用于偏转所述传输信号的所述主发射方向；
第一驱动器(206)，所述第一驱动器(206)用于使所述第一波束偏转元件(107)绕第一旋转轴线旋转；
第二波束偏转元件(108)，所述第二波束偏转元件(108)用于偏转所述传输信号的所述主发射方向；
第二驱动器(301)，所述第二驱动器(301)用于使所述第二波束偏转元件(108)绕第二旋转轴线旋转；
其中，所述传输信号配置成从所述第一波束偏转元件(107)行进至所述第二波束偏转元件(108)中；
其中，所述第一波束偏转元件(107)的旋转频率相对于所述第二波束偏转元件(108)的旋转频率的比率是可调节的；以及
其中，通过由所述第一驱动器(206)和所述第二驱动器(301)连续地移动所述第一波束偏转元件(107)和所述第二波束偏转元件(108)来连续地调适和/或改变所述传输信号的所述主发射方向，使得所述传输信号所终结的在散装固体表面上的点形成闭合路径，并且所述传输信号沿所述闭合路径连续地扫描所述散装固体表面。
2.根据权利要求1所述的雷达波束偏转单元(100)，
其中，所述第一波束偏转元件(107)的旋转轴线与所述第二波束偏转元件(108)的旋转轴线重合。
3.根据权利要求2所述的雷达波束偏转单元(100)，还包括：
第三驱动器(303)，所述第三驱动器(303)用于使所述第一波束偏转元件(107)和/或所述第二波束偏转元件(108)绕与所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线垂直的第三旋转轴线旋转。
4.根据权利要求1或2所述的雷达波束偏转单元(100)，
其中，所述第一波束偏转元件(107)具有第一光学表面(204)和第二光学表面(205)，所述第一光学表面(204)和所述第二光学表面(205)包括限定所述主发射方向的偏转的角度。
5.根据权利要求2或3所述的雷达波束偏转单元(100)，
其中，所述第一驱动器(206)和所述第二驱动器(301)设计为机械耦接驱动器。
6.一种测量仪器(101)，包括根据权利要求1至5中的任一项所述的雷达波束偏转单元(100)。
7.根据权利要求6所述的测量仪器(101)，包括：
附接机构(109)，所述附接机构(109)用于将所述雷达波束偏转单元(100)附接至所述测量仪器。
8.根据权利要求6所述的测量仪器(101)，
其中，所述测量仪器实施为脉冲雷达仪器或调频连续波测量仪器。
9.根据权利要求6所述的测量仪器(101)，所述测量仪器(101)用于确定散装固体的拓扑结构。
10.一种根据权利要求6至9中的任一项所述的测量仪器确定位于传送带上的散装固体的体积流量的用途。
11.根据权利要求6至9中的任一项所述的测量仪器确定散装固体的质量的用途。
12.一种用于确定散装固体的拓扑结构的方法，包括下述步骤：
从雷达物位指示器沿天线阵列的主发射方向发送传输信号；
偏转所述传输信号的主发射方向；
使第一波束偏转元件绕第一旋转轴旋转；
使第二波束偏转元件绕第二旋转轴旋转；
将所述传输信号从所述第一波束偏转元件引导到所述第二波束偏转元件中；
调节所述第一波束偏转元件的旋转频率相对于所述第二波束偏转元件的旋转频率的比率；
通过连续地移动所述第一波束偏转元件和所述第二波束偏转元件来连续地调适和/或改变所述传输信号的所述主发射方向，使得所述传输信号所终结的在散装固体表面上的点形成闭合路径，并且所述传输信号沿所述闭合路径连续地扫描所述散装固体表面；以及
通过对所述散装固体表面处反射的所述传输信号进行分析来确定所述散装固体的拓扑结构。
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