CN105074396A - 用于料位测量的多系统雷达 - Google Patents

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CN105074396A CN201480013053.5A CN201480013053A CN105074396A CN 105074396 A CN105074396 A CN 105074396A CN 201480013053 A CN201480013053 A CN 201480013053A CN 105074396 A CN105074396 A CN 105074396A
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Abstract

本发明涉及一种能够在脉冲和FMCW雷达方法之间切换的料位雷达。例如，雷达设备包含可经由逻辑控制装置选择性地激活的两个单独的前端。在切换至各其他的测量原理之后，也相应地调整评估软件。以此方式可能的是，有针对性地使用两种测量方法的有利特性。

Description

用于料位测量的多系统雷达
技术领域
本发明涉及料位测量。尤其，本发明涉及一种用于料位雷达的电子模块、一种具有这种电子模块的料位雷达、FMCW料位雷达和脉冲料位雷达与切换装置组合的应用、以及一种用于测量料位的方法。
背景技术
这种料位雷达设备分别根据特定的雷达原理工作。市售的设备应用脉冲或FMCW雷达方法。
US7,710,125B2描述了一种脉冲雷达方法，其中使用参考通道。DE19813604A1描述了一种FMCW雷达方法。
所谓的脉冲料位雷达设备产生发射脉冲，所述发射脉冲借助于发射天线朝向物料表面发出。所述脉冲随后(至少部分地)从物料表面并且必要时也从容器底部、不同的填充介质之间的分离层和/或容器组件或干扰部位反射。被反射的发射脉冲随后由接收天线(在此也可以为发射天线)接收并且转换成中频脉冲。此后，进行模拟/数字转换和信号处理，所述信号处理最终应提供期望的测量结果。
另一个料位雷达原理是FMCW原理，所述FMCW原理基于频率调制的、连续的波。FMCW料位雷达设备不发送(离散的)发出信号脉冲，而是更确切地说由天线朝向物料表面的方向发出连续的波，并且更确切地说利用频率扫描或频率斜坡来发出。在此，被反射的信号也由相应的接收天线接收并且转换成中频信号，所述中频信号随后被输送给模/数转换器和跟随其后的信号处理装置。
脉冲和FMCW雷达设备使用在不同的应用中。这两族雷达设备的硬件在此构造非常不同，这尤其涉及高频(HF)前端的构造和其控制。HF前端为雷达设备的下述组件，所述组件直接与发送信号的产生和中频接收信号的产生相关联。
发明内容
本发明的目的是，在借助料位雷达设备进行料位测量时提高测量结果的质量。
该目的通过独立权利要求的特征来解决。本发明的改进方案从从属权利要求和如下说明中得到。
根据本发明的第一方面，提出一种用于料位雷达的电子模块，所述电子模块具有信号产生装置和切换装置。信号产生装置具有第一子组件和第二子组件。
第一子组件构成为用于产生第一FMCW发送信号和用于产生中频(ZF)接收信号，所述第一FMCW发送信号用于通过料位雷达的天线朝向物料表面的方向发出，所述中频接收信号溯源于由天线接收的被反射的第一发送信号。将“产生”ZF接收信号在此和在下文中理解成，雷达设备接收被反射的发送信号并且随后从所接收的信号通过频率变换产生ZF信号。
第二子组件构成为用于产生脉冲式的第二发送信号并且用于产生ZF接收信号，所述脉冲式的第二发送信号用于通过料位雷达的(可能其他的)天线朝向物料表面的方向发出，所述ZF溯源于由天线接收的被反射的第二发送信号。
切换装置构成为用于可选择地(受事件和/或用户控制地)激活第一子组件和第二子组件。
换言之，在特定的时刻，能够分别选择和使用两个子组件中的一个子组件，以便测量料位。
根据本发明的一个实施方式，第一子组件具有第一HF前端以产生第一FMCW发送信号和用于产生相应的ZF接收信号。同样地，第二子组件可以具有第二HF前端以产生脉冲式的第二发送信号和用于产生ZF接收信号。
根据本发明的一个实施方式，第一子组件集成到第二子组件中。替选地，第二子组件也可以集成到第一子组件中。
在此，可能的是并且能够提出，第一子组件的特定的构件也可以由第二子组件使用，或者反之。
根据本发明的另一个实施方式，切换装置构成为用于以固定预设的时间顺序选择性地激活第一子组件和/或第二子组件。例如，可以预设的是，周期性地、交替地激活或禁用这两个子组件。
根据本发明的另一个实施方式，切换装置构成为用于根据例如被反射的第一发送信号和/或被反射的第二发送信号的回波信号幅值来激活第一子组件和/或第二子组件。因此，可能的是，回波信号幅值例如在天线的附近区域中上升超过特定的数值，电子模块通过下述方式从FMCW方法切换成脉冲方法：禁用第一子组件而激活第二子组件。
在相反的情况下，当特定的回波(例如料位回波)的回波信号幅值下降到特定的阈值之下或者位于所述阈值之下时，电子模块可以从脉冲方法切换至FMCW方法。
根据本发明的另一个实施方式，切换装置构成为用于根据所测量的料位来激活第一子组件和/或第二子组件。
因此，例如可以提出，当料位相对高时，即物料表面处于天线的附近区域中时，电子模块从第一子组件切换至第二子组件。
在料位低的情况下例如可以提出，电子模块从第二子组件切换至第一子组件。
根据本发明的另一个实施方式，切换装置构成为用于根据在被反射的第二发送信号中多重回波的存在来激活第一子组件。
即如果在脉冲方法之后测量和确定：在被反射的第二发送信号中不存在可相关联的回波、例如多重回波，那么电子模块可以切换至FMCW方法。
这会是有利的，因为在FMCW雷达的情况下多重反射映射于较高的ZF频域中，随后所述多重反射可以被滤除。
根据本发明的另一个实施方式，电子模块具有唯一的数字信号处理装置，以用于对被反射的发送信号进行处理。在所述数字信号处理装置之前，可以设有模/数转换器。
因此，可能的是，FMCW中频信号(测量信号，所述测量信号由被反射的发送信号引起)和ZF脉冲信号通过相同的信号处理装置处理。对此，不仅FMCW系统的HF前端而且脉冲系统的HF前端经由模/数转换器连接于数字信号处理装置。
根据本发明的另一个方面，提出一种具有在上文中和在下文中描述的电子模块的料位雷达。
根据本发明的另一个实施方式，料位雷达具有唯一的天线，信号产生装置连接到所述天线上，并且所述天线构成为用于发出发送信号并且用于接收被反射的发送信号。
替选地，例如可以设有两个分开的发送/接收天线，其中一个发送/接收天线连接于FMCW系统的HF前端并且另一个发送/接收天线连接于脉冲系统的HF前端。
根据本发明的另一个方面，提出FMCW料位雷达和脉冲料位雷达与切换装置组合的应用，以选择性地激活FMCW料位雷达和脉冲料位雷达。
两个料位雷达可以是分开的设备，所述设备例如分别具有自己的天线，以及自己的数字信号处理装置。
也可以提出，两个料位雷达中的每个料位雷达具有其自己的天线，然而，对由两个料位雷达产生的ZF信号的信号处理在共同的数字信号处理装置中进行。
根据本发明的另一个方面，提出一种用于测量料位的方法，其中首先通过料位雷达的信号产生装置的第一子组件产生FMCW发送信号。随后，将FMCW发送信号朝向物料表面的方向通过料位雷达的天线发出。随后，所述信号(此外)在物料表面上反射并且得到的、被反射的发送信号随后由料位雷达接收。随后，从所接收的、被反射的发送信号产生ZF接收信号，所述ZF接收信号溯源于由天线接收的、被反射的第一发送信号。
随后，激活信号产生装置的第二子组件，随后通过第二子组件产生脉冲式的第二发送信号，所述第二发送信号随后朝向物料表面的方向通过料位雷达的天线发出。相应的被反射的发送信号由天线接收并且随后从其产生ZF接收信号。
因此，可能的是，在脉冲雷达方法和FMCW雷达方法之间进行切换。
附图说明
在下文中，参考附图描述本发明的实施例。
图1示出根据本发明的一个实施例的料位雷达的部件。
图2示出根据本发明的另一个实施例的料位雷达的部件。
图3示出根据本发明的另一个实施例的料位雷达的部件。
图4示出根据本发明的另一个实施例的料位雷达的部件。
图5示出根据本发明的另一个实施例的装入到容器中的料位雷达。
图6示出可在图2、图3或图4的实施例中使用的耦合器的示例。
图7示出根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
图8示出根据本发明的另一个实施例的料位雷达的部件。
图9示出根据本发明的另一个实施例的料位雷达的部件。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的而非按照比例的。
如果在下面的附图描述中在不同的附图中使用相同的附图标记，那么所述附图标记表示相同的或相似的元件。相同的或相似的元件但是也能够通过不同的附图标记表示。
图1示出根据本发明的一个实施例的料位雷达100的部件。料位雷达具有电子模块112、113以及一个或多个天线108或114、115。
料位雷达设备100可以根据应用或外部情况有利地以脉冲或FMCW模式运行。在大的干扰或使用回波的情况下，FMCW雷达方法可能在大信号周围的区域中有问题，因为在此因系统所限，大信号周围的噪声水平增大。由此，FMCW料位雷达在大信号(被反射的发送信号)的直接的周围通常是“瞎”的。在天线的附近区域中由于天线耦合输入处的大的泄露信号同样如此。
脉冲系统不具有所述不利的效应。当然，脉冲系统与FMCW系统相比可以更快地到达其灵敏度极限。刚好在非常小的回波的情况下，FMCW在该方面相对于脉冲系统提供优点。
两个系统的不同之处在多重反射的情况下也是明显的。在脉冲方法的情况下，通常每秒发出数千个单脉冲，所述单脉冲在测量路段b之内可以多次在物料和天线之间往复运行。因此，会出现回波信号(ZF信号)，所述回波信号不会与真正的物体上的反射相关联，因为信号运行时间与相应于最大间距的信号运行时间相比更大。因此，被多重反射的回波可以与随后的脉冲的主反射一起到达天线。
相反地，在FMCW系统中，来自多重反射的信号映射于较高的ZF频率，所述信号随后可以被滤除。
在图1中示出的料位雷达的信号产生装置113具有HF前端103，所述HF前端可以产生FMCW发送信号。设有控制装置，所述控制装置可以借助于控制信号101激活或禁用HF前端103。
同样地，信号产生装置113具有第二HF前端104，所述第二HF前端可以产生脉冲式的发送信号，如这对于脉冲雷达设备而言是常见的。为了激活或禁用第二HF前端104，同样设有控制装置，所述控制装置产生控制信号102。
这样产生的发送信号随后由相应的HF前端103、104经由相应的线路105、106传输到天线108，所述天线朝向物料表面的方向发射发送信号。
信号线路105、106经由HF切换器或耦合器107与天线108连接。
HF切换器例如可以经由控制装置109切换。原则上，因此可能的是，两个前端103、104连续地产生FMCW发送信号或脉冲发送信号，然而根据HF切换器107的设定，仅这两个信号中的一个信号实际上传递到天线108上。
但在许多情况下有意义的是，控制装置101、102在特定的时刻分别仅激活下述HF前端103、104，在所述HF前端上应关于料位测量使用相应的HF前端。
替选地，也可以设有两个天线114、115，其中第一天线114连接到第一HF前端103上并且第二天线115连接到第二HF前端104上。在该情况下，不需要HF切换器或耦合器107。
所发射的发送信号随后可能由物料表面反射并且相应的被反射的发送信号由天线108或114或115接收并且导向产生最初的发送信号的HF前端103、104。相应的HF前端103、104从这样接收的被反射的发送信号中产生中频信号，如在现有技术中已知的那样。两个HF前端经由自己的信号线路110、111连接到具有在上游接入的模/数转换装置的信号处理装置112上。产生的ZF信号因此首先被数字化并且随后经受信号处理，以便最终确定料位。
因此，图1示出具有用于脉冲系统和FMCW系统的完全分开的前端分支的实施例。接通至模/数转换器的分别激活的分支。
两个前端因此可以由控制装置的相应的逻辑信号101、102选择性地激活。用于评估电子装置的接口可以是模/数转换器。在切换到分别不同的测量原理时，除了硬件之外，也调整评估软件。为了进行所述评估软件调整，控制装置109与信号处理装置112连接。
在该处应注意的是，整个控制部件可集成为单个器件。信号101和102可以是简单的逻辑信号，或者也可以包含前端特定的必需的信号，例如时钟信号或电流/电压输送。
图2示出用于料位雷达200的另一个实施例。在前端区域中存在部件，所述部件在两个系统(FMCW系统和脉冲系统)中出现。这例如涉及HF混合器(回波通道)、振荡器或还有耦合器结构。
在图2中示出脉冲系统的布局图，所述布局图通过对FMCW系统进行小的扩展来补充。根据测量原理，随后接通或关断不同的部件。
该实施方案可以在细节上改变。替选的实施例在图3和图4中示出。例如可以设有特定的发送振荡器201，所述发送振荡器可以在脉冲运行和FMCW运行(在该情况下作为VCO)运行。
替选地，可以设有脉冲振荡器201和单独的VCO202，所述脉冲振荡器和单独的VCO可以彼此分开地选择性运行，如这在图3和图4中示出的那样。在图3的实施例，设有切换器501，所述切换器可以在脉冲振荡器201和VCO202之间来回切换。在图4的实施例中，不存在所述切换器。在此，激活分别需要的振荡器201、202并且禁用另一个振荡器202、201。在电路技术方面，两个振荡器的组合经由耦合器204进行，在此取消HF端口203。
最终用户例如可以自己设定料位雷达的测量原理。也可以提出，评估软件由于当前回波关系对于一个或另一个测量原理而言有所不同。
也可以提出，在这两个测量原理之间、即按固定预设的时间顺序往复交替。
信号处理装置也可以可变地构造。测量值确定例如可以为每种系统(FMCW或脉冲)分开进行，或者提出，信号处理装置112(在图2中没有示出)从FMCW模式和脉冲模式中彼此补充地考虑评估结果。
因此，例如可以首先开始FMCW测量并且随后开始脉冲测量。两种测量可以提供不同的结果，所述结果然而在整体评估时全部互为考虑。因此，FMCW测量的测量结果例如尤其可以用于标识多重回波并且使用具有小的幅值的回波，而脉冲测量的结果考虑用于具有大的幅值的其他回波或附近区域。
由脉冲振荡器201(所述脉冲振荡器必要时也作为VCO工作，参见图2)产生的信号导向耦合器204，所述耦合器将信号分配。一部分与发送通道相关联，第二部分在脉冲运行的情况下为参考通道，在FMCW运行的情况下，所述信号作为LO用于回波通道混合器。
耦合器204的输出端(发送通道)经由TX放大器(发送放大器)205通向发送耦合器206，所述发送耦合器的第一输出端连接到HF端口207上。另一个输出端通向天线108，所述天线朝向物料放射发送信号。与天线108连接的回波通道同样具有混合器215，所述混合器一方面经由耦合器206连接到天线108上并且另一方面连接到分裂器212上并且其输出端216输出中频测量信号(即转换成中频信号的被反射的发送信号)。
被反射的发送信号由天线108接收并且随后经由耦合器206传输到混合器215。
在第一耦合器204的第二输出端上连接有另一个耦合器208。另一个耦合器208的第二输入端连接到HF端口209。
在耦合器208的上部的输出端上连接有参考通道混合器。参考信号(仅用于脉冲模式)经由处于所述参考通道中的混合器210产生，所述混合器在一侧供给有脉冲振荡器201的信号，并且在另一侧经由LO放大器213和分裂器212供给有LO脉冲振荡器214的信号。混合器输出端217提供中频参考信号。对于FMCW运行，所述参考信号不是必需的并且不被评估。
最后，还设有LO脉冲振荡器214，所述LO脉冲振荡器的输出信号通过LO放大器(脉冲)213放大并且输送给分裂器212。也将耦合器208的第二输出信号在其通过LO放大器(FMCW)211放大之后输送给分裂器212。
在FMCW测量的情况下，将LO放大器(FMCW)211接通并且将LO放大器(脉冲)213并且还有LO脉冲振荡器214关断。回波通道混合器从发送振荡器202(VCO)或201(组合的脉冲振荡器和VCO)中经由耦合器204、208、从放大器211和分裂器212中得到其LO(本地振荡器)信号。在脉冲测量的情况下，LO放大器的接通/关断相反地进行。在该情况下，也再次接通LO脉冲振荡器214。因此，回波通道混合器现在从LO脉冲振荡器214得到其LO信号，如参考信号混合器210那样。
可以设有特定的TX振荡器201，所述TX振荡器可以在脉冲运行和FMCW运行中运行(图2)。
在另一个实施方式中，分开地设置并且选择性地运行脉冲振荡器201和VCO202(图3和图4)。
在其他的实施方式中，示出如下系统，所述系统不具有用于脉冲运行的参考通道。耦合器的数量和硬件耗费总体上明显下降。
在示出的实施方式中，示出用于发送信号(TX)和LO信号的放大器，所述放大器在振荡器幅值足够的情况下也可以取消。
在图8和9中示出用于脉冲运行的实施方案，当然也不具有参考通道。
在图8的实施例中，与图2相比取消耦合器208、混合器210和分裂器212。替代分裂器212设有LO耦合器801。耦合器801的第一输入端连接到LO放大器211上，第二输入端连接到LO放大器213上。第一输出端连接到回波通道的混合器215上并且第二输出端连接到HF端口802上。
在图9的实施例中，除了发送耦合器206之外同样设有具有HF端口802的LO耦合器801。LO耦合器801如也在图8中那样连接到LO放大器213上。此外，所述LO耦合器与发送耦合器206连接。在LO耦合器801的第四端子上存在混合器215，所述混合器输出ZF回波信号并且经由发送耦合器206与天线208连接。
图5示出料位雷达300，所述料位雷达装入到容器301中并且所述料位雷达具有带有信号产生装置113和切换装置112的电子模块。电子模块连接到天线108上，所述天线朝向物料302的方向放射发送信号303。所述发送信号随后(至少部分地)被反射并且被反射的发送信号304由天线108接收并且转发给电子模块，在那里其被转换成中频信号、被数字化并且随后经受其他的数字处理。
图6示出耦合器204、206、208、801的四个示例以及分裂器212，其可以在图2、图3、图4、图8或图9的实施例中应用。左上方示出双臂式分支线耦合器(90°混合)，旁边示出用于更大带宽的三臂式分支线耦合器(90°混合)。左下方示出环形耦合器(rat-race，180°混合)并且在旁边示出环形形式的双臂式分支线耦合器(90°混合)。耦合器206也可以通过环形器来替代，在此可以取消HF端口207。
图7示出根据本发明的一个实施例的方法的流程图。在步骤401中，通过料位雷达的信号产生装置的子组件产生脉冲发送信号。所述脉冲发送信号随后在步骤402中朝向物料的方向借助于料位雷达的发送天线放射。在步骤403中，被反射的发送信号由天线接收并且转发给料位雷达的电子模块，在那里其被转换成ZF信号、被数字化并且可以经受随后的信号处理。由于特殊的情况，所述情况例如以最后接收的回波曲线的形式和/或当用户介入和/或由于预先编程的周期顺序出现，那么现在激活信号产生装置的另一个子组件(步骤404)。
在步骤405中，所述第二子组件产生FMCW发送信号，所述FMCW发送信号在步骤406中经由相同的天线朝向物料表面的方向放射、反射并且再次由天线接收。在步骤407中，从所述被反射的并且所接收的发送信号中产生ZF接收信号，所述ZF接收信号溯源于由天线接收的被反射的发送信号。所述接收信号随后被数字化并且在步骤408中经受评估。在步骤409中，将另一个子组件再次禁用并且利用第一子组件继续测量。
补充地，要注意的是，“包括”和“具有”并不排除其他的元件或步骤并且“一”或“一个”并不排除多个。此外，要注意的是，参照上述实施例之一描述的特征或步骤也可以与其他在上文中描述的实施例的特征或步骤组合应用。权利要求中的附图标记不应视为限制。

Claims (13)

1.一种用于料位雷达(100，200，300)的电子模块(112，113)，所述电子模块具有：
信号产生装置(113)，所述信号产生装置具有：
-第一子组件(103)，以用于产生第一FMCW发送信号，所述第一FMCW发送信号用于朝向物料表面的方向通过所述料位雷达(100，200，300)的天线(108，114，115)发出，并且用于产生ZF接收信号，所述ZF接收信号溯源于由所述天线接收的被反射的第一发送信号；和
-第二子组件(104)，以用于产生脉冲式的第二发送信号，所述第二发送信号用于朝向所述物料表面的方向通过所述料位雷达(100，200，300)的天线(108，115，114)发出，并且用于产生ZF接收信号，所述ZF接收信号溯源于由所述天线接收的被反射的第二发送信号；
切换装置(101，102，112)，以用于选择性地激活所述第一子组件和所述第二子组件。
2.根据权利要求1所述的电子模块(112，113)，
其中所述第一子组件(103)具有第一HF前端，以用于产生所述第一FMCW发送信号并且用于产生所述ZF接收信号；
其中所述第二子组件(104)具有第二HF前端，以用于产生脉冲式的所述第二发送信号并且用于产生所述ZF接收信号。
3.根据上述权利要求中任一项所述的电子模块(112，113)，
其中所述第一子组件集成到所述第二子组件中。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电子模块(112，113)，
其中所述切换装置(101，102，112)构成为用于以固定预设的时间顺序选择性地激活所述第一子组件和所述第二子组件。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电子模块(112，113)，
其中所述切换装置(101，102，112)构成为用于根据被反射的所述第一发送信号或第二发送信号的回波信号幅值来激活所述第一子组件或所述第二子组件。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电子模块(112，113)，
其中所述切换装置(101，102，112)构成为用于根据所测量的料位来激活所述第一子组件或所述第二子组件。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电子模块(112，113)，
其中所述切换装置(101，102，112)构成为用于根据在被反射的所述第二发送信号中多重回波的存在来激活所述第一子组件。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电子模块(112，113)，
其中切换装置(101，102，112)构成为用于根据出现的噪声水平或声音特性来激活所述第一子组件或第二子组件。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电子模块(112，113)，所述电子模块还具有：
数字信号处理装置(112)，以用于处理被反射的发送信号。
10.一种料位雷达(300)，所述料位雷达具有根据权利要求1至9中任一项所述的电子模块。
11.根据权利要求10所述的料位雷达(300)，
其中所述料位雷达具有唯一的天线(108)，所述信号产生装置(113)连接到所述天线上，并且所述天线构成为用于发出发送信号并且用于接收被反射的所述发送信号。
12.FMCW料位雷达和脉冲料位雷达与切换装置(101，102，112)组合的应用，以用于选择性地激活所述FMCW料位雷达和所述脉冲料位雷达。
13.一种用于测量料位的方法，具有下述步骤：
通过料位雷达(100，200，300)的信号产生装置(113)的第一子组件(103)产生第一FMCW发送信号；
通过所述料位雷达(100，200，300)的天线(108，114，115)朝向物料表面的方向发送所述第一FMCW发送信号；
接收在所述物料表面上被反射的第一发送信号；
产生ZF接收信号，所述ZF接收信号溯源于由所述天线接收的被反射的所述第一发送信号；
激活所述信号产生装置(113)的第二子组件(104)；
通过所述第二子组件产生脉冲式的第二发送信号；
通过所述料位雷达(100，200，300)的天线(108，115，114)朝向所述物料表面的方向发出所述第二发送信号；
产生ZF接收信号，所述ZF接收信号溯源于由所述天线接收的被反射的所述第二发送信号。
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