CN105765353B - 提供自动发射脉冲信号控制的多模式脉冲雷达 - Google Patents

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Abstract

用于感测或测量储罐中产品材料的多模式脉冲雷达方法（200）包括为发射到产品材料的脉冲雷达信号提供（201）雷达信号衰减的测量。通过基于雷达信号衰减的测量选择脉冲宽度和脉冲振幅来实施一个或多个所发射的雷达脉冲参数的自动调整（202）。在信号模式2中当雷达信号衰减的测量为相对高时选择较高振幅和/或较宽脉冲，并且在信号模式1中当雷达信号衰减的测量为相对低时选择较低振幅和/或较窄脉冲。使用所选脉冲宽度和脉冲振幅来将雷达脉冲发射（203）到产品材料。处理从产品材料反射或散射（204）的目标信号以确定至少一个参数，诸如产品水平。

Description

提供自动发射脉冲信号控制的多模式脉冲雷达
技术领域
所公开的实施例涉及用于通过使用发射到产品表面的雷达信号且分析从产品表面反射的雷达信号来确定产品在储罐中的水平（level）的系统和方法。
背景技术
标准实践是使用用于存储多种的液体（诸如饮料和石油产品）的大金属储罐。传统大储罐通常由非不锈钢板制成，并且在石油产品的情况下储罐通常由焊接在一起的从1/4英寸（0.63cm）到1/2英寸（1.27cm）厚的钢板制成。传统大储罐的尺寸通常在高为数百英尺（100英尺=30.5米）且直径为数百英尺中变动。
当其它感测方法难以提供可靠和/或准确信息时，非接触电磁检测和感测可以被用来确定对象的存在或特征（对象分类或形状）、或水平或到材料表面的距离。例如，在石油和天然气工业中，不准确或不可靠的罐水平测量可以引起罐水平测定应用中盈利性/收入的重大损失。散装储罐（直径为40-80米）中的1毫米（mm）水平测量的误差可以对应于若干立方米的体积误差。因为原油价格一般是每桶（1桶=42美加仑；159公升）至少$100，所以1mm的误差可以导致贸易和石油输送中包括的一方或多方的数千美元的损失。
无线电检测和测距（雷达）已经被用作一种类型的非接触产品水平测定达几十年。雷达系统包括耦合到位于产品（例如液体或固体）之上的雷达天线的用于将雷达信号发射到产品的发射器和耦合到该天线（或到另一天线）的用于接收从产品表面反射的雷达信号的接收器，以及用于基于所发射的雷达信号和所反射的雷达信号来确定产品水平的信号处理器。根据此方法，由发射电路驱动的天线发射撞击对象或表面（例如液体表面）的雷达信号。对象或表面将所发射的雷达信号/波的一部分在天线的方向上反射回去，该天线接收并耦合到处理所反射的雷达信号/波的接收电路。
广泛使用作为液位测量的无损/非接触传感器的脉冲雷达，因为它们相对便宜并且安装简单。所使用的雷达频率的选择是雷达系统的设计选择。与较低频率脉冲雷达（例如C波段，诸如（4GHz到8GHz））相比，较高频率脉冲雷达可以使用较小的天线，具有较窄的波束宽度并且提供较高准确性。然而，与较低频率脉冲雷达相比，较高频率脉冲雷达（例如，K波段，18到27GHz）并未经受住信号衰减。然而，尽管与较高频率脉冲雷达相比，较低频率脉冲雷达具有差的准确性和较大天线尺寸和宽波束宽度，且较低频率雷达遭受由雷达波束中出现的障碍物引起的不想要的反射的干扰，但是较低频率雷达可以相对较好地承受衰减且保持信噪比（SNR）相对地稳定。
发明内容
提供此发明内容来以简化的形式引入对下面在具体实施方式（包括所提供的附图）中进一步描述的公开概念的简短选择。此发明内容不意图限制要求保护的主题的范围。
所公开的实施例包括脉冲雷达系统和方法，其包括多模式脉冲发射器，该多模式脉冲发射器提供被配置成在高频带（诸如在18和27GHz（K波段）之间变动的微波频率范围中的无线电频谱的一部分中的K波段）中操作的自动发射脉冲信号控制，利用其来自动处理不同测量方案。如这里所使用的“多模式”指的是利用高或低振幅、窄或宽脉冲发射的脉冲雷达信号，可以基于所公开的软件和方法来对其自动切换以对不同应用方案进行响应，包括基于从雷达天线到罐中雷达天线下面的目标材料顶部的距离的信号模式选择。所公开的多模式雷达解决了高频脉冲衰减问题，与已知的雷达系统相比，这使得所公开的脉冲雷达系统能够使用较小的天线，并且能够实现以较高准确性来从较长距离进行测量。
所公开的实施例包括用于感测或测量储罐中的产品材料的多模式脉冲雷达方法，其包括为发射到产品材料的脉冲雷达系统提供雷达信号衰减的测量。通过基于雷达信号衰减的测量选择脉冲宽度和脉冲振幅中的至少一个来实施一个或多个所发射的雷达脉冲参数的自动调整。在信号模式2中，当雷达信号衰减的测量为相对高时，可以选择较高振幅和/或较宽脉冲，并且当雷达信号衰减的测量为相对低时，可以在信号模式1中使用较低振幅和/或较窄脉冲。使用所选的脉冲宽度和脉冲振幅来将雷达脉冲发射到产品材料。从产品材料反射或散射的目标信号被处理以确定至少一个参数，诸如距离、产品水平和特征。其它所公开的实施例包括用于脉冲雷达系统的多模式脉冲发射器以及由此的脉冲雷达系统。
附图说明
图1是根据示例实施例的包括提供自动发射脉冲信号控制的多模式雷达发射器的示例脉冲雷达系统的框图图示。
图2是根据示例实施例的使用自动发射脉冲信号控制来感测或测量储罐中的产品材料的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图来描述所公开的实施例，其中遍及附图使用相似的参考数字来指代相似或等同的元件。图没有按照比例来绘制并且它们仅仅被提供用来说明某些公开的方面。下面参考用于说明的示例应用来描述若干个公开方面。应该理解的是，许多具体细节、关系和方法被阐述以提供对所公开的实施例的全面理解。
然而，相关领域的普通技术人员将容易地认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下或者利用其它方法来实行这里公开的主题。在其它实例中，没有详细地示出公知的结构或操作以避免使某些方面模糊。此公开不受动作或事件的所图示的顺序的限制，因为某些动作可以以不同的顺序出现和/或与其它动作或事件同时出现。此外，不是所有的所图示的动作或事件都被需要来实施根据这里公开的实施例的方法。
所公开的实施例包括多模式脉冲雷达系统，其提供用于检查其中包括产品材料（诸如液体或固体（例如粉末））的储罐的发射脉冲信号控制和方法。图1是根据示例实施例的包括提供自动发射信号控制的多模式雷达发射器（Tx）190连同接收器（Rx）185的示例脉冲雷达系统100的示例框图图示。Rx 185和Tx 190所公用的块（例如高频振荡器120、和计时控制单元130）没有被示出在Tx 190或Rx 185之内。系统100提供用于应用（包括但不限于距离、产品水平和特征确定）的时域雷达感测和测量。可以分别在集成电路（IC）和分立电路形式两者中实现图1中的相应的块。
图1中示出的Tx 190提供由可编程功率放大器（PA）160实施的可编程发射雷达信号，该可编程功率放大器（PA）160由可变脉冲发生器155来控制。通过来自触发信号发生器150的触发信号来提供可变脉冲发生器155的计时，并且从处理器140通过数模转换器（DAC）115来提供脉冲振幅和宽度信息。处理器140可以包括数字信号处理器（DSP）或微控制器单元（MCU）。
用于系统100的信号模式因此被数字化地控制并且由处理器140自动切换，处理器140通过DAC 115选择用于Tx脉冲的具有其对应脉冲宽度和脉冲振幅的信号模式。该信号模式包括至少二（2）个信号模式，其基于从发射天线175到要被测量的罐中产品材料的距离、罐中产品材料/介质的衰减特性、和可选地还有天线175和产品材料之间的传播介质的介电特性中的至少一个来控制脉冲振幅和宽度。可以通过测量雷达脉冲的返回时间来从先前测量的罐中的目标反射/散射获得（例如预测或跟踪）要被测量的到罐中产品材料的距离，并且一般可以基于信号传播损耗和产品材料的特性（诸如介电常数、表面粗糙度等等）来确定产品材料的衰减特性。可以在实际测量期间通过雷达算法来编辑信号损失的补偿曲线，以自动地生成要被使用的脉冲振幅和脉冲宽度设置。
可变脉冲发生器155被示为具有邻近其块的两个示例脉冲，一个脉冲为相对地窄，具有对短距离感测而言实用的相对低的振幅（以及由此较低功率），并且另一脉冲更宽，具有对较长距离感测而言可能更鲁棒和/或处于艰难雷达信号传播条件的更高振幅（以及由此更高功率）。可变脉冲发生器155可以例如包括基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的电路、具有通过几百皮秒到几纳秒的延迟分开的两个相同输入信号的NAND门，其可以通过来自DAC 115的模拟控制信号来控制。通过来自触发信号发生器块150的触发信号来提供可变脉冲发生器155的脉冲计时，并且DAC 115向可变脉冲发生器155提供用于脉冲宽度（从处理器140接收的处于数字形式的脉冲宽度信息）的模拟控制信号。
系统100包括计时控制单元130，其中计时控制单元130被耦合到处理器140。计时控制单元130通常是基于硬件的，但是还可以通过处理器140以软件来实施。通常通过处理器140所运行的处理和控制算法来改善系统100的Tx 190和Rx 185“通道”的计时瞬间之间的同步。计时控制单元130被耦合到可编程PA 160和高频振荡器120，该高频振荡器120被耦合到混频器（mixer）187。计时控制单元130被示为耦合以向Rx 185的采样和保持（S&H）188以及模数转换器（ADC）191提供计时控制和同步信号。
高频振荡器120将其输出提供为用于可编程功率放大器160的输入。高频振荡器120还向Rx 185中的混频器187提供“本地振荡器”信号。为了节省功率，可以与可变脉冲发生器155同步地打开和关闭高频振荡器120。因为经由控制单元130由处理器140来控制可编程功率放大器160的增益，所以通过可变脉冲发生器155和可编程功率放大器160的组合可调整所发射的脉冲宽度和振幅。
Rx 185被示为包括串联组合的示例设备，包括耦合器180、连接到耦合器180的低噪声放大器（LNA）186、混频器187、以及采样单元196，其包括S&H 188、缓冲放大器189、可选增益/偏移控制块192和ADC 191。所示的可选增益/偏移控制块192可以被用于另外的增益调谐和偏移去除，或者仅用于偏移去除。ADC 191的输出被连接到处理器140。如这里所使用的，“LNA”指的是在远程通信系统中使用的特殊类型的电子放大器，其放大天线所捕获的非常微弱的信号。当使用LNA时，电路被配置成使得在放大器的噪声被直接注入到所接收的信号中的同时噪声系数被放大器通过增益降低。
所公开的Rx电路认识到，因为传统低成本ADC不能执行非常短脉冲的基本上瞬时数字转换，所以在ADC执行数字转换的时间期间（转换时间通常约为从数微秒到数十微秒）输入值被保持恒定。S&H 188通常使用电容器存储输入处的模拟电压，然后使用电子开关或门从输入断开电容器来执行此任务。尽管典型的ADC集成电路（IC）包括IC内部的S&H电路，但是用于此类设备的采样时间间隔如此的小（约数皮秒），使得所公开的实施例通常改为使用诸如通过适当的触发电路（例如从计时控制单元130，诸如利用Bi-CMOS电路来实施）在外部触发的外部S&H电路188。
所公开的系统可以使用各种各样的脉冲频率来操作。一个实施例利用在K波段（18GHz到27GHz）的载频，但是载频还可以在其它波段。雷达脉冲可以包括超宽带（UWB）雷达脉冲。如在这里所使用的“UWB”指的是至少0.5千兆赫兹（GHz）的脉冲带宽或中心频率的至少25%的分数带宽（其基于美国国防高级研究计划局的（DARPA的）UWB定义），而频谱中UWB范围可以是在100MHz和300GHz之间的任何地方。
与传统窄带脉冲雷达系统相比，UWB雷达系统跨更宽得多的频率范围发射信号。所发射的UWB信号对其非常轻的功率谱来说是重要的，该非常轻的功率谱通常比政府所允许的用于电子器件的无意辐射发射更低。用于生成UWB信号的大多数常用技术通常是发射具有非常短脉冲持续时间（例如<1ns）的脉冲。UWB脉冲覆盖非常大的频谱，并且随着脉冲宽度变得更窄，频谱变得更大。
如上所述，信号模式被处理器140自动切换和以数字方式控制，该处理器140选择包括要被用于所发射的雷达脉冲的脉冲宽度和脉冲振幅的信号模式。信号模式基于到所测量的罐中产品的距离、以及产品材料的衰减特性中的至少一个。较高功率脉冲（较高振幅和/或较长脉冲宽度）通常被用于较长距离，并且较低功率脉冲（较低振幅和/或较短脉冲宽度）通常被用于较短距离。可以存在对与产品材料的界面处的信号损失的功率调整，例如对于低介电常数产品材料（例如介电常数<1.4）利用向上的功率调整（归因于更多损失），以及对于高介电常数材料（例如介电常数>2）利用向下的功率调整（归因于更多损失）。
信号模式还可以包括三（3）个信号模式。例如，信号模式1可以包括用于具有基本上标称衰减的产品材料的用于较短距离（例如<20m）的低相对功率模式，其中对于高相对衰减产品材料，利用信号模式1的最大距离可选择地降低。在信号模式1中，例如可以利用小于0.5ns的脉冲宽度和可以基于超短脉冲的物理极限的低振幅（例如<1V）来创建脉冲。如在这里使用的“物理极限”指的是脉冲越短越难以生成高振幅脉冲。所得到的用于信号模式1操作的范围准确性通常为高。
例如，信号模式2可以包括用于较长距离（例如，>50m）的较高相对功率模式，其中对于高相对衰减产品材料，信号模式2的最小距离可选择地增加。在信号模式2中，例如可以利用大于1ns（例如1.2至2nsec）的脉冲宽度和比信号模式1中的脉冲振幅更高的脉冲振幅（例如10V）来创建脉冲。信号模式2的准确性相当高，因为SNR归因于比在信号模式1中使用的更高的振幅和更长的脉冲宽度集成而是高的。
例如，信号模式3可以包括用于中间距离（例如20m到50m）的中间相对功率模式，其中对于高相对衰减产品材料，20m的最小距离可选择地增加，并且对于高相对衰减产品材料，50m的最大距离被降低。可以通过处理器140自动地调整脉冲振幅和脉冲宽度，以为了良好性能在方案1和2之间选择它们相应的值，诸如在0.5和1ns之间的脉冲宽度，和在大约20dB的范围中可调整的脉冲振幅。
图2是根据示例实施例用于使用自动发射脉冲信号控制来感测或测量储罐中产品材料的示例多模式脉冲雷达方法200的流程图。步骤201包括为发射到产品材料的脉冲雷达信号提供雷达信号衰减的测量。步骤202包括通过基于雷达信号衰减的测量为所发射的雷达脉冲选择脉冲宽度和脉冲振幅中的至少一个来自动调整一个或多个所发射的雷达脉冲参数。在信号模式2中，当雷达信号衰减的测量为相对高时，通常选择较高振幅和/或较宽脉冲，并且在信号模式1中，当雷达信号衰减的测量为相对低时，选择较窄脉冲和/或较低振幅脉冲。在步骤203中，使用所选脉冲宽度和脉冲振幅来将雷达脉冲发射到产品材料。步骤204包括处理从产品材料反射或散射的目标信号以确定至少一个参数，诸如产品水平。
尽管上文已经描述了各种公开的实施例，但是应该理解的是，已仅作为示例来呈现它们，并且没有限制。在不偏离本公开的精神或范围的情况下，可以根据本公开对这里公开的主题作出许多改变。此外，尽管可能已经关于若干实施方式中的仅一个公开了特定特征，但是如针对任何给定或特定应用而言可能期望且有利的那样，此类特征可以与其它实施方式的一个或多个其它特征组合。

Claims (12)

1.一种用于感测或测量储罐中产品材料的多模式脉冲雷达方法（200），其包括：
为发射到所述产品材料的脉冲雷达信号提供（201）雷达信号衰减的测量；
通过基于雷达信号衰减的所述测量自动选择脉冲宽度和脉冲振幅来实施（202）一个或多个所发射的雷达脉冲参数的自动调整，其中在信号模式2中，当雷达信号衰减的所述测量为相对高时选择较高振幅和/或较宽脉冲，并且当雷达信号衰减的所述测量为相对低时，在信号模式1中选择较低振幅和/或较窄脉冲，
使用所述脉冲宽度和所述脉冲振幅来将雷达脉冲发射（203）到所述产品材料，以及
处理（204）从所述产品材料反射或散射的目标信号以确定至少一个参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中雷达信号衰减的所述测量包括从发射天线到所述储罐中所述产品材料的距离和所述产品材料的介电特性。
3.根据权利要求2所述的方法，其中雷达信号衰减的所述测量包括所述距离、所述产品材料的所述介电特性，以及所述天线和所述产品材料之间的传播介质的介电特性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述雷达脉冲包括超宽带（UWB）雷达脉冲。
5.根据权利要求1所述的方法，其中以至少18GHz的频率来发射所述雷达脉冲，并且当在所述信号模式1和所述信号模式2之间切换时所述频率保持恒定。
6.一种用于感测或测量储罐中产品材料的脉冲雷达系统（100）的多模式脉冲发射器，其包括：
处理器，所述处理器的相应的输出被耦合以控制数模转换器（DAC）（115）、触发信号发生器（150）和计时控制单元（130）；
可变脉冲发生器（155），其具有耦合到所述DAC的输出和所述触发信号发生器的输出的相应的输入，其中基于到所述储罐中所述产品材料的距离和所述产品材料的衰减特性中的至少一个通过所述DAC由来自所述触发信号发生器的触发信号以及来自所述处理器的脉冲振幅和脉冲宽度信息来提供用于所述可变脉冲发生器的计时，以及
可编程功率放大器（160），其具有被耦合且由所述可变脉冲发生器和所述计时控制单元控制的输入、耦合到天线的所述可编程功率放大器的输出；
其中由所述处理器（140）经由所述控制单元来控制所述可编程功率放大器的增益，以及
其中所述可编程功率放大器至少提供具有对一个或多个所发射的雷达脉冲参数的所选调整的第一信号模式和第二信号模式，其中基于到所述产品材料的所述距离和所述产品材料的所述衰减特性中的至少一个来为雷达脉冲自动选择脉冲宽度和脉冲振幅，并且其中在信号模式2中，当雷达信号衰减的测量为相对高时选择较高振幅和/或较宽脉冲，并且当雷达信号衰减的所述测量为相对低时，在信号模式1中选择较低振幅和/或较窄脉冲。
7.根据权利要求6所述的多模式脉冲发射器，其中雷达信号衰减的所述测量包括从发射天线到所述储罐中所述产品材料的距离以及所述产品材料的介电特性。
8.根据权利要求6所述的多模式脉冲发射器，其中所述雷达脉冲包括超宽带（UWB）雷达脉冲。
9.一种多模式脉冲雷达系统（100），其包括：
发射器（Tx）（190），其包括：
处理器（140），所述处理器的相应的输出被耦合以控制数模转换器（DAC）（115）、触发信号发生器（150）和计时控制单元（130）；
可变脉冲发生器（155），其具有耦合到所述DAC的输出和所述触发信号发生器的输出的相应的输入，其中基于到储罐中产品材料的距离和所述产品材料的衰减特性中的至少一个通过所述DAC由来自所述触发信号发生器的触发信号以及来自所述处理器的脉冲振幅和脉冲宽度信息来提供用于所述可变脉冲发生器155的计时，以及
可编程功率放大器（160），其具有被耦合且由所述可变脉冲发生器和所述计时控制单元控制的输入、以及耦合到天线（175）的输出；
其中由所述处理器经由所述控制单元来控制所述可编程功率放大器的增益，以及
其中所述可编程功率放大器至少提供具有对一个或多个所发射的雷达脉冲参数的所选调整的信号模式1和信号模式2，其中基于到所述产品材料的所述距离和所述产品材料的所述衰减特性中的至少一个来为雷达脉冲自动选择脉冲宽度和脉冲振幅，其中在信号模式2中，当雷达信号衰减的测量为相对高时选择较高振幅和/或较宽脉冲，并且当雷达信号衰减的所述测量为相对低时，在信号模式1中选择较低振幅和/或较窄脉冲；
接收器（185），其包括：
连接到所述天线或另一天线的低噪声放大器（LNA）（186）、包括由所述计时控制单元控制的模数转换器（ADC）（191）和采样和保持（S&H）（188）的采样单元（196），其中所述ADC的输出被连接到所述处理器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中雷达信号衰减的所述测量包括从所述天线到所述储罐中所述产品材料的距离、所述产品材料的介电特性以及所述天线和所述产品材料之间的传播介质的介电特性。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述雷达脉冲包括超宽带（UWB）雷达脉冲。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述处理器实施功率调整以补偿在与所述产品材料的界面处的信号损失，包括对于低于预定较低介电常数的介电常数材料的所述雷达脉冲的向上功率调整，以及对于低于预定较高介电常数的介电材料的所述雷达脉冲的向下功率调整。
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