CN104568060B - 一种脉冲雷达物位计及其本振功率的调节方法和控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种脉冲雷达物位计及其本振功率的调节方法和控制器，其中，包括一种脉冲雷达物位计的本振功率调节方法，通过采集中频信号并判断其是否为合理范围来对本振功放和发射功放进行连续地自动可调，从而使得中频信号处于合理范围；另外，还包括一种脉冲雷达物位计，其通过控制模块来接收混频检波器输出的中频信号，并进而再对微波发射模块和微波本振模块进行调节，从而达到使中频信号始终处于合理范围的目的；最后本发明还提供用于实现上述方案的控制器。本发明通过对混频输出的中频信号进行分析后来对本振功放和发射功放进行调节，以使获得的中频信号处在较优范围，从而为后续可以更好地计算物料位置。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化领域，更加具体地来讲，特别是涉及一种用于测量罐体内料位高度的导波雷达物位计。
背景技术
脉冲雷达物位计是用于测量物料高度的仪器，通常将其安装在需要测量物料高度的罐体的顶端，脉冲雷达物位计通过天线将电磁波脉冲发射出去，当电磁波遇到被测物质后，部分能量则被反射回来，通过计算电磁波发射脉冲和返回脉冲的时间差即可得到物料到物位计基准面的距离，再根据罐体高度等相关参数即可计算出物料的高度。
由于被测物质介电常数不同，距离不同，回波信号的幅度变化范围通常达到几十个dB。目前工程应用中已经采用了发射功率连续可调技术(见公开号203732131U)。通过选用放大倍数连续可调的功率放大器，脉冲雷达物位计在测量介电常数较小、距离较远的物位时，增大发射功率，避免因回波能量太小而无法检测；在测量介电常数较大、距离较近时，减小发射功率，避免因回波能量太大而无法检测。其目的就是使回波信号的幅度能够被调节到一个较小的变化范围内，便于后级检测电路检测。但是，这种调节仅是针对发射信号的，其虽然能够改善回波信号的幅度，但是其并不能对后续的信号的处理结果做出一个合理的控制调节，存在一定的盲目性和粗略性。
在现有技术中，与回波信号进行检波混频的本振信号采用的是固定发射功率。
对于本领域的技术人员可知，混频器的混频增益依赖于本振信号的功率，为了使混频二极管能够彻底关闭或者打开，本振功率需要被调节到一个合适的功率点上，才能得到最优的混频增益。理论上来讲，采用固定发射功率并调节到合适位置能够满足应用要求，但是实际使用中我们发现，由于电路要在-40℃到80℃之间进行工作，混频二极管在不同温度其特性会发生变化，微波振荡器自身输出功率也会随温度发生变化，因此采用固定发射功率的本振信号，实际上并不能在全温度范围内保证得到最大的混频增益。特别是在检测介电常数低，距离较远的物料时，其回波信号极小，由于系统功耗限制，不可能一直增大发射功率。只能通过调节本振功率使其最优来保证混频器的最大混频增益，使得极小的回波信号能够被检波混频电路检测到，并在中频信号处有一定幅度的输出，便于后级电路检测。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种脉冲雷达物位计及其本振功率的调节方法和控制器，用于解决现有技术中与回波信号进行检波混频的本振信号采用的是固定发射功率，从而导致在不同工况下所得到的中频信号并不理想的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案：
其一
一种脉冲雷达物位计的本振功率调节方法，包括步骤：1)采集由混频检波电路输出的中频信号；2)检测所述中频信号是否处在预设区间：2-1)若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使所述混频检波器输出的中频信号为最优，并依据所述最优的中频信号计算得到物料距离并予以输出；2-2)若是，则根据所述中频信号计算得到物料距离并予以输出。
优选地，在上述脉冲雷达物位计的本振功率调节方法中，在所述步骤2-1)中，将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大的方法为：2-1-1)判断微波发射信号功率放大器中的发射功放是否已调调节至最大：若否，则通过控制模块调整所述微波发射信号功率放大器中的发射功放，并返回步骤2)中，以重新检测所述中频信号是否处在预设区间；若是，则进入调节微波本振信号功率放大器中的本振功放的步骤。
优选地，在上述脉冲雷达物位计的本振功率调节方法中，在所述步骤2-1)中，调节微波本振信号功率放大器中的本振功放的方法为：2-1-2)通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放；2-1-3)重新采集由混频检波电路输出的中频信号，并检测所述中频信号是否为最优，若否，则返回步骤2-1-2)中，若是，则进入依据所述最优的中频信号计算物料距离的步骤。
其二
一种脉冲雷达物位计，包括：微波发射模块，用于产生微波发射信号并对其进行放大后予以输出；天线，用于将所述微波发射信号予以发射出去，并同时接收所述微波发射信号遇到被测物后反射回来的回波信号；微波本振模块，用于产生微波本振信号并对其进行放大后予以输出；混频检波器，用于接收所述回波信号将其与所述微波本振信号进行混频检波以得到中频信号，并予以输出；控制模块，用于采集由混频检波电路输出的中频信号，并检测所述中频信号是否处在预设区间：若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使所述混频检波器输出的中频信号为最优，并依据所述最优的中频信号计算得到物料距离并予以输出；若是，则根据所述中频信号计算得到物料距离并予以输出。
优选地，在上述脉冲雷达物位计中，所述微波发射模块包括：微波发射振荡器，用于产生功率输出稳定的微波发射信号；第一功率放大器，分别连接于所述微波发射振荡器、天线及控制模块，用于根据控制模块对中频信号的判断结果对所述微波发射信号进行调节放大。
优选地，在上述脉冲雷达物位计中，所述微波本振模块包括：微波本振振荡器，用于产生功率输出稳定的微波本振信号；第二功率放大器，分别连接于所述微波本振振荡器、混频检波器及控制模块，用于根据控制模块对中频信号的判断结果对所述微波本振信号进行调节放大。
优选地，在上述脉冲雷达物位计中，所述控制模块包括：发射功放调节模块，用于判断微波发射信号功率放大器中的发射功放是否已调至最大：若否，则通过控制模块调整所述微波发射信号功率放大器中的发射功放，并重新检测所述中频信号是否处在预设区间，若是，则完成对微波发射信号功率放大器中的发射功放的调节；本振功放调节模块，用于通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放，并重新采集由混频检波电路输出的中频信号，检测所述中频信号是否为最优，若否，则再通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放，若是，将所述最优的中频信号予以输出。
在上述脉冲雷达物位计及其优选方案中，所述控制模块还至少包括一数模转换模块，用于将所接收的中频信号转换成数字信号，并予以输出。
其三
一种控制器，包括：采集模块，用于采集由混频检波电路输出的中频信号；调节模块，用于检测所述中频信号是否处在预设区间：若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使所述混频检波器输出的中频信号为最优，并将所述最优的中频信号予以输出，用于计算物料距离；若是，则将所述中频信号予以输出；计算模块，用于接收所述中频信号或者所述最优的中频信号，并据其计算得到物料距离并予以输出。
如上所述，本发明具有以下有益效果：本发明通过利用混频输出的中频信号进行分析后分别对本振功率和发射功率进行连续可调调节，从而来使得混频输出的中频信号为较优的范围，从而为后续可以更好地计算物料位置。
附图说明
图1显示为本发明一种脉冲雷达物位计的原理图。
图2显示为本发明一种脉冲雷达物位计的原理图。
图3为本发明脉冲雷达物位计中控制模块的具体结构原理图。
图4为本发明一种脉冲雷达物位计的本振功率调节方法的执行流程图。
图5本发明一种控制器的原理图。
附图标号说明
10 微波发射模块
101 微波发射振荡器
102 第一功率放大器
20 天线
30 微波本振模块
301 微波本振振荡器
302 第二功率放大器
40 混频检波器
50 控制模块
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
实施例一
参见图1，示出了一种脉冲雷达物位计的原理图，从图来看，所述脉冲雷达物位计包括：微波发射模块，用于产生微波发射信号并对其进行放大后予以输出；天线，用于将所述微波发射信号予以发射出去，并同时接收所述微波发射信号遇到被测物后反射回来的回波信号；微波本振模块，用于产生微波本振信号并对其进行放大后予以输出；混频检波器，用于接收所述回波信号将其与所述微波本振信号进行混频检波以得到中频信号，并予以输出；控制模块，用于采集由混频检波电路输出的中频信号，并检测所述中频信号是否处在预设区间：若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使所述混频检波器输出的中频信号为最优，并依据所述最优的中频信号计算得到物料距离并予以输出；若是，则根据所述中频信号计算得到物料距离并予以输出。
上述脉冲雷达物位计具有根据回波信号和微波本振信号的混频输出的中频信号，来自动反馈调节发射功放和本振功放，从而实现对于本振信号的连续可调，同时控制模块根据被测物质参数、工况参数和采集的中频信号强度，调整微波发射功率，从而使得中频信号的幅度达到合理范围。例如，当微波发射功率已经调节到最大，而中频信号较小时，假设低于总幅度范围的8％时，微处理器根据中频信号强度调节微波本振信号强度，使得混频增益达到最大，便于在检测极小回波信号时，能发挥最大混频增益，使得在中频输出端有后级电路能够识别的信号输出。
具体地，上述方案中所涉及的中频信号的合理范围(或者是最优的预设区间)，是指在满足系统功耗的前提下，调节微波发射功率，使得中频信号的幅度相对较大，但不超总幅度范围的80％。
进一步地，见图2，示出了所述脉冲雷达物位计中微波发射模块和微波本振模块的具体结构原理图，如图所示，在上述脉冲雷达物位计中，所述微波发射模块包括：微波发射振荡器，用于产生功率输出稳定的微波发射信号；第一功率放大器，分别连接于所述微波发射振荡器、天线及控制模块，用于根据控制模块对中频信号的判断结果对所述微波发射信号进行调节放大。
另外，所述微波本振模块包括：微波本振振荡器，用于产生功率输出稳定的微波本振信号；第二功率放大器，分别连接于所述微波本振振荡器、混频检波器及控制模块，用于根据控制模块对中频信号的判断结果对所述微波本振信号进行调节放大。
进一步地，见图3，示出了所述脉冲雷达物位计中控制模块的具体结构原理图，如图所示，在上述脉冲雷达物位计中，所述控制模块包括：
发射功放调节模块，用于判断微波发射信号功率放大器中的发射功放是否已调至最大：若否，则通过控制模块调整所述微波发射信号功率放大器中的发射功放，并重新检测所述中频信号是否处在预设区间，若是，则完成对微波发射信号功率放大器中的发射功放的调节；本振功放调节模块，用于通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放，并重新采集由混频检波电路输出的中频信号，检测所述中频信号是否为最优，若否，则再通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放，若是，将所述最优的中频信号予以输出。
另外，在上述脉冲雷达物位计中，所述控制模块还设有一数模转换模块，用于将所接收的中频信号转换成数字信号，并予以输出。这是因为所述中频信号为模拟信号，如果要进入控制模块中进行处理那么需要将其转换成数字信号。
具体地，所述控制器模块可以采用单片机、ARM等MCU，另外，所述微波发射振荡器和微波本振振荡器选用低噪声、低功耗的GaAs工艺的微波管来予以实现，所述第一功率放大器和第二功率放大器选用低噪声、功率连续可调的功率放大器，所述混频检波器选用低势垒的微波混频二极管来予以实现。
实施例二
进一步地，本发明还提供了一种脉冲雷达物位计的本振功率调节方法，包括：
步骤1，采集由混频检波电路输出的中频信号；
步骤2，检测所述中频信号是否处在预设区间：
步骤2-1，若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使所述混频检波器输出的中频信号为最优，并依据所述最优的中频信号计算得到物料距离并予以输出；
步骤2-2，若是，则根据所述中频信号计算得到物料距离并予以输出。
进一步地，在上述脉冲雷达物位计的本振功率调节方法中，在所述步骤2-1中，将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大的方法为：
步骤2-1-1，判断微波发射信号功率放大器中的发射功放是否已调至最大：若否，则通过控制模块调整所述微波发射信号功率放大器中的发射功放，并返回步骤2)中，以重新检测所述中频信号是否处在预设区间；若是，则进入调节微波本振信号功率放大器中的本振功放的步骤。
进一步地，在上述脉冲雷达物位计的本振功率调节方法中，在所述步骤2-1)中，调节微波本振信号功率放大器中的本振功放的方法为：
步骤2-1-2，通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放；
步骤2-1-3，重新采集由混频检波电路输出的中频信号，并检测所述中频信号是否为最优，若否，则返回步骤2-1-2)中，若是，则进入依据所述最优的中频信号计算物料距离的步骤。
简单地来说，上述实施例二的方案可以概括成如图4所示的所述脉冲雷达物位计的本振功率调节方法的执行流程图，如图所示，在脉冲雷达物位计工作后，通过控制模块(也即图4中的未处理器，下文都将简称控制模块)来采集中频信号，接着判断中频信号是否在合适的区间，也即是在实施例一中所指的合理范围，若是则直接根据该中频信号来进行物料位置(图4中简称：料位)的计算，并将结果予以输出后结束；若否，则进一步判断发射功率是否已调至最大，如果不是最大那么将由控制模块来对发射功放进行调整，然后返回至控制模块采集中频信号步骤重新对中频信号和发射功率进行判断，直至发射功率已调最大；接着再由控制模块来对本振功放进行调节，并重新再对中频信号进行采集，判断重新采集的中频信号是否为最优，如果不是最优，那么将返回至由控制模块来对本振功放进行调节步骤，重新对本振功放进行调节并重新对中频信号进行采集和判断，直至控制模块所采集的中频信号为最优为止，才进入下一步骤；如果是最优，那么进入计算料位步骤，也即根据该最优的中频信号来进行物料位置的计算，并将结果予以输出后结束。
实施例三
另外，见图5，示出了一种控制器的原理图，所述控制器用于实现对于回波信号的自动控制，具体地，实施控制器包括：采集模块，用于采集由混频检波电路输出的中频信号；调节模块，用于检测所述中频信号是否处在预设区间：若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使所述混频检波器输出的中频信号为最优，并将所述最优的中频信号予以输出，用于计算物料距离；若是，则将所述中频信号予以输出；计算模块，用于接收所述中频信号或者所述最优的中频信号，并据其计算得到物料距离并予以输出。
具体地，实施采集模块可以选用所述数模转换模块，用于对中频信号进行数字化采集；另外，所述调节模块包括上述实施例二中所述发射功放调节模块和本振功放调节模块，而所述计算模块时现有的根据现场工况参数以及中频信号等所涉及数学计算模型。
综上所述，本发明通过利用混频输出的中频信号进行分析后分别对本振功率和发射功率进行连续可调调节，从而来使得混频输出的中频信号为较优的范围，从而为后续可以更好地计算物料位置。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种脉冲雷达物位计的本振功率调节方法，其特征在于，包括：
1)采集由混频检波电路输出的中频信号；
2)检测所述中频信号是否处在预设区间：
2-1)若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使所述混频检波器输出的中频信号为最优，并依据所述最优的中频信号计算得到物料距离并予以输出；
2-2)若是，则根据所述中频信号计算得到物料距离并予以输出。
2.根据权利要求1所述的脉冲雷达物位计的本振功率调节方法，其特征在于，在所述步骤2-1)中，将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大的方法为：
2-1-1)判断微波发射信号功率放大器中的发射功放是否已调至最大：
若否，则通过控制模块调整所述微波发射信号功率放大器中的发射功放，并返回步骤2)中，以重新检测所述中频信号是否处在预设区间；
若是，则进入调节微波本振信号功率放大器中的本振功放的步骤。
3.根据权利要求1所述的脉冲雷达物位计的本振功率调节方法，其特征在于，在所述步骤2-1)中，调节微波本振信号功率放大器中的本振功放的方法为：
2-1-2)通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放；
2-1-3)重新采集由混频检波电路输出的中频信号，并检测所述中频信号是否为最优，若否，则返回步骤2-1-2)中，若是，则进入依据所述最优的中频信号计算物料距离的步骤。
4.一种脉冲雷达物位计，其特征在于，包括：
微波发射模块，用于产生微波发射信号并对其进行放大后予以输出；
天线，用于将所述微波发射信号予以发射出去，并同时接收所述微波发射信号遇到被测物后反射回来的回波信号；
微波本振模块，用于产生微波本振信号并对其进行放大后予以输出；
混频检波器，用于接收所述回波信号将其与所述微波本振信号进行混频检波以得到中频信号，并予以输出；
控制模块，用于采集由混频检波电路输出的中频信号，并检测所述中频信号是否处在预设区间：若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使所述混频检波器输出的中频信号为最优，并依据所述最优的中频信号计算得到物料距离并予以输出；若是，则根据所述中频信号计算得到物料距离并予以输出。
5.根据权利要求4所述的脉冲雷达物位计，其特征在于，所述微波发射模块包括：
微波发射振荡器，用于产生功率输出稳定的微波发射信号；
第一功率放大器，分别连接于所述微波发射振荡器、天线及控制模块，用于根据控制模块对中频信号的判断结果对所述微波发射信号进行调节放大。
6.根据权利要求4所述的脉冲雷达物位计，其特征在于，所述微波本振模块包括：
微波本振振荡器，用于产生功率输出稳定的微波本振信号；
第二功率放大器，分别连接于所述微波本振振荡器、混频检波器及控制模块，用于根据控制模块对中频信号的判断结果对所述微波本振信号进行调节放大。
7.根据权利要求4-6任一项所述的脉冲雷达物位计，其特征在于，所述控制模块包括：
发射功放调节模块，用于判断微波发射信号功率放大器中的发射功放是否已调至最大：若否，则通过控制模块调整所述微波发射信号功率放大器中的发射功放，并重新检测所述中频信号是否处在预设区间，若是，则完成对微波发射信号功率放大器中的发射功放的调节；
本振功放调节模块，用于通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放，并重新采集由混频检波电路输出的中频信号，检测所述中频信号是否为最优，若否，则再通过控制模块调节波本振信号功率放大器中的本振功放，若是，将所述最优的中频信号予以输出。
8.根据权利要求4-6任一项所述的脉冲雷达物位计，其特征在于，所述控制模块还至少包括一数模转换模块，用于将所接收的中频信号转换成数字信号，并予以输出。
9.一种控制器，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集由混频检波电路输出的中频信号；
调节模块，用于检测所述中频信号是否处在预设区间：若否，则将微波发射信号功率放大器中的发射功放调节至最大，并调节微波本振信号功率放大器中的本振功放，以使混频检波器输出的中频信号为最优，并将所述最优的中频信号予以输出，用于计算物料距离；若是，则将所述中频信号予以输出；
计算模块，用于接收所述中频信号或者所述最优的中频信号，并据其计算得到物料距离并予以输出。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 雷达测量技术在低介电常数料位测量中的应用;王进 等;《石油化工自动化》;20131220;第49卷(第6期);第21－24页 * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN104568060A (zh) | 2015-04-29 |
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