CN106104295A

CN106104295A - 用于fmcw填充物位传感器的中频通道的均衡器

Info

Publication number: CN106104295A
Application number: CN201480077345.5A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·菲舍尔; 罗兰·韦勒; 卡尔·格里斯鲍姆
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2016-11-09
Also published as: EP3126865B1; US20170016754A1; EP3126865A1; WO2015149850A1; US10371557B2

Abstract

本发明涉及包括用于对被模数转换器数字化的中频信号进行均衡的均衡器的FMCW填充物位传感器。例如，通过在时间域中利用均衡函数对被数字化的中频信号进行卷积来执行均衡。也可以通过使被数字化的中频信号与具有传递函数G(ω_k)的形式的均衡函数相乘以在频域中形成离散频率来对其进行均衡。还可以使用数字滤波器。以此方式，可以增加确定填充物位的精度。

Description

用于FMCW填充物位传感器的中频通道的均衡器

技术领域

本发明涉及使用调频连续波的填充物位测量技术的领域。本发明尤其涉及FMCW填充物位传感器以及用于均衡FMCW填充物位传感器的中频通道的方法。

背景技术

调频连续波(FMCW：frequency-modulated continuous wave)填充物位测量装置且尤其是FMCW填充物位雷达装置应当是相对动态的。除了处理极小的回波信号的能力之外，填充物位测量装置的接收器不能因非常大的回波信号而被过激励。

在FMCW填充物位测量装置中，经常由远处的物体导致具有非常低的接收功率的回波信号。具有高接收功率的回波信号常常来自填充物位测量装置附近的物体。从待测量的填充物位到填充物位测量装置的天线之间的距离可以从0米到远超过100米。天线能够伸入到填充介质中，使得在开口的号角天线(horn antenna)的情况下，也能够使填充介质处于天线号角中。

为能够处理具有如此高的动态范围的回波信号，可使用能够产生与时间相关的放大控制并由此引起动态压缩的电路。这种类型的方法在雷达技术中被称为灵敏度时间控制(STC：sensitivity time control)。在具有STC功能的接收器中，在接收处理期间例如使放大连续地增加。因此，放大依赖于时间，并相应地也依赖于填充物位传感器与填充介质表面之间的距离。因此，与具有较长传播时间及较低功率的信号相比，具有较短传播时间及相应地较高的接收功率的回波信号以较小的程度被放大。

回波信号的这种与传播相关并由此与距离相关的放大(或衰减)作用能够影响回波曲线的弯曲形状，进而能够影响填充物位传感器的尤其是短范围中(即，针对高填充物位)的精度。

发明内容

本发明的目的在于提高填充物位传感器的在天线的短范围内的测量精度。

提供了根据独立权利要求的特征的FMCW填充物位传感器以及用于均衡FMCW填充物位传感器的中频信号的方法。从属权利要求及下面的说明给出了本发明的进一步拓展。

以下描述的实施例及示例涉及填充物位传感器及方法这两者。换言之，下面说明的关于填充物位传感器的特征也可以被实施成方法中的步骤，并且反之亦然。

根据本发明的第一方面，提供了一种FMCW填充物位传感器。填充物位传感器例如可以是填充物位雷达传感器或超声波传感器。FMCW填充物位传感器包括FMCW模块以及与FMCW模块连接的中频通道。

FMCW模块被用于将由填充物位传感器检测的测量信号转换成中频信号。填充物位传感器还包括天线，天线朝向填充材料表面发射测量信号，并再次记录由填充材料表面及可能的容器底部和/或其它反射物反射的测量信号。然后，FMCW模块将接收的被反射的测量信号转换成中频信号，中频信号被传输到填充物位传感器的中频通道。中频通道用于根据中频信号产生回波曲线。

中频通道包括用于将中频信号数字化的模数转换器以及用于对被模数转换器数字化的中频信号进行均衡的均衡器。

均衡器用于借助具有时间函数g(nT)的形式的均衡函数对被数字化的中频信号进行卷积。上述卷积在时域中进行。换言之，均衡器布置在中频通道的直接位于模数转换器下游的区域中，且在将中频信号从时域变换到频域之前。

可选或附加地，均衡器用于使被数字化的中频信号与具有离散频率下的传递函数G(ω_k)的形式的均衡函数相乘。上述相乘在频域中进行，使得相乘发生在将中频信号从时域变换到频域之后。

可选或附加地，均衡器用作具有有限或无限冲激响应的数字滤波器(FIR滤波器或IIR滤波器)，以用于对被数字化的中频信号滤波。在这种情况下，在中频通道的时域中以滤波的形式进行均衡。可选或附加地，均衡器可用于使被数字化的中频信号与具有离散频率下的传递函数G(ω_k)的幅度的形式的均衡函数相乘。

应当注意这一点，均衡器可包含一个以上的单元或电路，每个单元或电路可单独或彼此组合地执行上述的均衡函数中的一个均衡函数。

将填充物位传感器可用于与4至20mA的双线回路的连接，由此在传感器与中央单元之间进行数据交换，并且向传感器提供电力。

根据本发明的实施例，填充物位传感器还包括灵敏度频率控制滤波器(SFC滤波器)，SFC滤波器布置在中频通道中，且位于均衡器的上游，并且时间函数g(nT)是SFC滤波器的传递函数H(ω)的逆函数G(ω_k)在时域中的变换。

SFC滤波器的传递函数H(ω)也可被称作滤波函数，并描述SFC滤波器的取决于经过SFC滤波器的信号的频率的放大(或衰减)。

根据本发明的另一实施例，SFC滤波器布置在中频通道中，且位于均衡器的上游，传递函数G(ω_k)是SFC滤波器的传递函数H(ω)的离散频率ω_k下的逆函数。

根据本发明的另一实施例，中频通道包括加窗模块，加窗模块布置在均衡器的下游，并用于对通过卷积、相乘或由FIR/IIR滤波器执行的滤波获得的中频信号进行加窗。

根据本发明的另一实施例，中频通道包括DFT模块，DFT模块布置在均衡器的上游或下游，且用于中频信号的离散傅里叶变换。

根据本发明的另一实施例，中频通道包括IDFT模块，IDFT模块布置在均衡器的下游，且用于中频信号的离散傅里叶逆变换。

根据本发明的另一实施例，中频通道包括幅度频谱形成模块，幅度频谱形成模块布置在均衡器的上游。幅度频谱形成模块(ABS)用于在频域中计算复中频信号的幅度。

本发明的另一方面提出一种用于均衡来自FMCW填充物位传感器的中频信号的方法，其中，将由填充物位传感器接收的测量信号转换成中频信号，接着使中频信号经历模数转换，并且随后均衡数字化的中频信号，此后，能够根据被均衡的数字化的中频信号产生回波曲线。该回波曲线可以尤其是最终的回波曲线，或可以是仅用于搜索或识别填充物位回波的回波曲线。

通过如下方式实施均衡：借助具有时间函数g(nT)的形式的均衡函数，对被数字化的中频信号进行卷积；使被数字化的所述中频信号与具有离散频率下的传递函数G(ω_k)的形式的均衡函数相乘；对被数字化的中频信号进行数字地滤波；或者使被数字化的中频信号与具有离散频率下的传递函数G(ω_k)的幅度的形式的接收函数相乘。

通过这种方式，提供了借助于合适的均衡来均衡由于SFC滤波器而失真的IF信号的方法。此外，本发明提供了如何根据SFC滤波器的传递函数确定均衡器函数的技术启示。

以下将参照图描述本发明的实施例。

附图说明

图1A示出安装在容器上的填充物位传感器100。

图1B示出SFC滤波函数。

图2示出根据本发明的实施例的填充物位传感器的电路。

图3示出根据本发明的另一实施例的填充物位传感器的电路。

图4示出根据本发明的另一实施例的填充物位传感器的电路。

图5示出根据本发明的另一实施例的填充物位传感器的电路。

图6示出根据本发明的另一实施例的填充物位传感器的电路。

图7示出根据本发明的另一实施例的填充物位传感器的电路。

具体实施方式

附图中的描述是示意性的，且是非等比例的。

在下面的对附图的说明中，在不同附图中使用了相同的附图标记的情况下，这些附图标记表示相同或相似的元件。然而，也可使用不同的附图标记来表示相同或相似的元件。

图1A示出安装在容器上的填充物位传感器100。填充物位传感器100包括天线装置111，天线装置111朝向容器112中存储的填充介质113的表面发射测量信号114。测量信号114被表面及(可能的)容器底部或其它反射物反射，并被送回到天线装置111以作为反射的测量信号115，并且天线装置对反射的测量信号进行记录。

测量信号是调频连续波(FMCW)信号，测量信号在经过填充物位传感器的FMCW模块之后被传输到填充物位传感器的中频通道，中频通道根据测量信号产生回波曲线。

在FMCW填充物位传感器(例如FMCW雷达)中，在目标物和填充物位测量装置之间的距离与由填充物位传感器的FMCW模块产生的中频(IF：intermediate frequency)信号的频率之间通常存在依赖于系统的线性关系。换言之，填充材料表面和填充物位传感器的距离越远，IF信号的频率越高。因此，IF信号中的大振幅通常仅出现在具有较低频率的信号分量中。相应地，IF信号中的小振幅仅出现在具有高频率的信号分量中。

在通过FMCW模块101(例如参见图2)在中频频域中对HF接收信号(其是被填充材料表面反射的测量信号)进行向下混频之后，于是可通过易于实施的高通滤波器来执行一类STC。在此方面，下面参照灵敏度频率控制(SFC：sensitivity frequency control)函数或灵敏度距离控制(SDC：sensitivity distance control)函数而不是参照STC函数进行说明。

图1B示出典型的用于FMCW填充物位传感器的中频通道的SFC高通函数3。水平轴1代表频率，并且垂直轴2代表SFC高通函数的放大。

在高通滤波器的IF放大器中，仅用于较高频率的放大达到其最大值。在填充物位传感器的短范围中，这种与此函数相关的动态压缩能够例如在IF通道中使用较便宜的要求较低量化分辨率(位宽)的模数转换器。

然而，SFC高通滤波器可导致中频信号的振幅及相位失真。特别是这种效应可能出现在SFC高通滤波器在下降的滤波器边缘上的低频率处的非线性相位响应中。特别是在来自填充物位传感器的短范围的回波信号中，IF信号的失真可导致回波振幅的误差以及距离误差。

然而，如果SFC滤波函数(即，与频率相关的失真)是已知的，那么可在模数转换之后对IF信号的相关失真进行逆变换或均衡，从而可消除有关振幅及距离的误差。

例如，可以测量FMCW填充物位传感器的IF通道中的滤波函数。尤其是，例如在填充物位传感器的测量操作期间，可使用参考信号来表征IF通道。于是，可由此计算用于校正IF信号中的误差的校正值。

下面，将说明用于根据SFC滤波器的传递函数或更一般地根据FMCW填充物位传感器中的IF通道来确定合适的均衡器的方法。此外，将说明用于均衡由于SFC滤波器或更一般地由任何种类的非理想传送通道而失真的IF信号的多种方法。

图2示出根据本发明的实施例的填充物位传感器的电路200。电路200包括FMCW模块101，该模块将由信号发生单元110产生的传输信号(测量信号)转换成FMCW测量信号，并将其传送至收发机单元111，收发机单元111朝向液体表面发射测量信号，并接着接收反射的测量信号，并将其传输至FMCW模块101。

然后，FMCW模块101将相应的中频信号x(t)输出到中频通道117。在FMCW填充物位传感器中，首先往往利用矩形函数来在时域中评估中频信号x(t)。由于系统的原因，对于所有FMCW系统来说都是如此，这是因为IF信号仅在施加传输信号时存在，该信号在FMCW模块中也被用作混频器的本地振荡器，并且传输信号具有有限的持续时间。

同时，传输信号(测量信号)的持续时间大约等于(被应用矩形窗的)中频信号x(t)的持续时间。

中频信号x(t)经过SFC高通滤波器102、103，并因此以或多或少的程度发生失真，尤其是在较低频率的域中。在时域中，这代表IF信号x(t)与SFC高通滤波器102的冲激响应h(t)的卷积。模块103表示中频信号x(t)与SFC高通滤波器的冲激响应h(t)的卷积运算。

然后，借助模数转换器104，使用合适的具有采样周期T的采样时钟脉冲t＝nT将经SFC滤波的信号数字化。在下一信号处理步骤中，借助合适的均衡器函数g(nT)105以卷积运算106的形式对IF信号进行均衡，这可被理解为模数转换之后的再滤波。

接着，借助于合适的窗函数w(nT)107，通过相乘算子108对获得的信号进行加窗。在很多情况下，这种进一步的加窗是必须的，这是因为在离散傅里叶变换的计算之后矩形窗在频域中缺少旁瓣抑制，由此导致在频谱中通常不足以检测更远的回波。特别是，较小的回波可能被由矩形窗引起的较大回波的旁瓣屏蔽。

接着，例如，借助于离散傅里叶变换(DFT)109，在频域中执行变换。所产生的离散频谱代表FMCW雷达的回波曲线的节点，并且可用于诸如回波搜索及回波测量(即，距离确定)之类的额外的信号处理。

为了抑制时间信号中的不期望的较高频率分量，也可设置抗混叠滤波器，抗混叠滤波器具有低通特性，并例如在模数转换之前使用。在这种情况下，为简化起见，未示出该滤波器。然而，该滤波器能够例如被整合在SFC滤波器102、103中，使得在这种情况下形成带通特性。模数转换之后的所有信号处理步骤例如可在数字信号处理器116或微控制器中执行。该微控制器也能够提供传输信号的源110。

在图2中的示例中，通过借助于时间函数g(nT)105对被数字化的IF信号进行卷积运算106来执行均衡。函数g(nT)代表均衡滤波器的冲激响应，其在频域中由传递函数G(ω_k)描述。为了实现SFC滤波器的理想均衡，必须将以下等式应用到均衡器：

G (ω_{k}) = \frac{1}{H (ω)} |_{ω = ω_{k}}

G(ω_k)代表SFC滤波器的传递函数H(ω)的离散频率下的反传递函数。

ω_{k} = e^{\frac{j 2 π k}{N}}

因此，对于均衡器105、106的输出处的信号，原始时间信号x(t)在扫描时间nT处的重构是成功的。

如果SFC滤波器的传递函数H(ω)是已知的(可以通过校正填充物位传感器时的一次性测量，通过在填充物位传感器的操作期间进行测量，或者通过早在填充物位传感器的开发阶段利用合适的仿真程序的仿真来得到传递函数H(ω))，那么通过求解H(ω)的离散频率ω_k下的反传递函数来获得传递函数G(ω_k)。通过例如借助离散傅里叶逆变换(IDFT)在时域中变换传递函数g(ω_k)来获得函数g(nT)，其中，借助于函数g(nT)，利用卷积运算在数学上执行图2中的均衡。

在获得反传递函数期间，传递函数H(ω)中的零会导致问题。在作为反传递函数的传递函数g(ω_k)不存在或者不会产生稳定或可实施的系统的情况下，也可以对其进行估计。这例如能够通过使用数字FIR滤波器或数字IIR滤波器来进行。图3示出为此目的的信号处理链。当使用数字滤波器301进行均衡时，则可另外省略数学上复杂的卷积运算。在这种情况下，将数字滤波器301直接布置在模数转换器104的下游，并且布置在窗函数107的相乘算子108的上游以及DFT模块109的上游。

如图2所示，例如借助于时域中的卷积运算来执行均衡。然而，也可在频域中借助于相乘来执行均衡。为此，图4示出示例性信号处理链。

为此，在经过SFC高通滤波器102、103以及模数转换104之后，借助离散傅里叶变换(DFT)109首先在频域中对IF信号x(t)进行变换，并且接着与均衡器401的传递函数G(ω_k)进行相乘(见相乘模块402)。接着，借助离散傅里叶逆变换(IDFT)在时域中执行逆变换，其中离散傅里叶逆变换(IDFT)由IDFT模块403表示。然后，借助于窗w(nT)107，通过相乘模块108对所获的时间函数进行评估。

接着，借助于DFT模块109在频域中执行再变换。然后，在频域中执行额外的信号处理，例如回波搜索及回波测量(即，距离确定)。

这种在频域中的均衡中，同样规避了卷积运算，且取而代之的是频域中的相乘运算。然而，在一些情况下，由于额外的变换(DFT及IDFT)的原因，用于均衡的数学计算的复杂性增大。

然而，如果在均衡之后省略借助窗函数w(nT)执行的IF信号的再加窗，或打算仅使用一个矩形窗，那么能够简化频域中的均衡。在这种具体情况下，如图5所示，复杂性被降低为：在执行DFT之后，通过相乘模块402执行获得的频谱与均衡器的传递函数G(ω_k)401的相乘运算。

可借助窗函数w(nT)在时域(如图4所示)及频域二者中对被均衡的IF信号进行评估。于是，信号链末端处的两次额外的变换DFT及IDFT也没有在图4中被示出。使经过均衡的频谱(即，相乘模块402的输出信号)与函数W(ω_k)601进行卷积运算来在频域中执行窗函数。图6示出了以上处理。W(ω_k)代表窗函数w(nT)的傅里叶变换。

很多情况下，尤其是在传感器的短范围中，SFC滤波器对频谱中的振幅的影响是明显的，且尤其能够在具有多个回波或杂波的环境中影响对正确填充物位回波的检测。因此，在填充物位回波的识别(回波搜索)之前，应当校正频域中的振幅。如果获得正确的回波，那么能够在没有校正由SFC滤波器引起的失真的情况下以足够的精度进行回波测量(距离测量)。在这种情况下，主要出现的误差比在根据图7测量第一回波曲线704时的误差小。如果考虑到上述认知，那么为了均衡的目的在时域中借助函数g(nT)执行的卷积运算(见图2)可以避免，并且同样如图7所示，进而能够被简化为频域中的简单的相乘运算。

图7示出相关的信号处理链。在对被采样的IF信号进行加窗107、108之后，通过DFT模块403借助离散傅里叶变换在频域中对IF信号进行变换。在借助ABS模块701形成幅度频谱(magnitude spectrum)之后，额外的信号处理分成两个通道704、705。

在第一通道中，被加窗的IF信号的幅度频谱与均衡器|G(ω_k)|702的传递函数的幅度相乘，并因此校正回波振幅。然后，在该通道704中使用合适的算法执行回波搜索。

然而，借助这种振幅校正，可能引入额外的距离误差。在使用幅度频谱中具有放大的主瓣的窗函数w(nT)时(与方形窗相比)尤其如此。

如果发现正确的填充物位回波，那么接着在第二通道705中测量距离，并且实际上没有校正由SFC滤波器102、103引起的失真，且因此也没有来自第一通道的额外的距离误差。

以下提到的措辞“包括”及“具有”并未排除任何其它要素或步骤的可能性，并且“一”、“一种”或“一个”也不排除多个的可能性。应进一步指出，参照上述实施例中的一者描述的特征或步骤也可以与以上描述的其它实施例的其它特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被认为是限制性的。

Claims

1.一种FMCW填充物位传感器，其包括：

FMCW模块(101)，其用于将来自填充物位传感器(100)的测量信号转换成中频信号；

中频通道(117)，其用于根据所述中频信号生成回波曲线，

其中，所述中频通道包括：

模数转换器(104)，其用于对所述中频信号进行数字化；

均衡器(105，106，301，401，402，702，703)，其用于对被所述模数转换器数字化的所述中频信号进行均衡；

其中，所述均衡器用于

(a)借助具有时间函数g(nT)的形式的均衡函数，对被数字化的所述中频信号进行卷积，或者

(b)使被数字化的所述中频信号与具有离散频率下的传递函数G(ω_k)的形式的均衡函数相乘，或者

(c)作为具有有限或无限冲激响应的滤波器(FIR/IIR滤波器)(301)，对被数字化的所述中频信号进行滤波，或者

(d)使被数字化的所述中频信号与具有离散频率下的所述传递函数G(ω_k)的幅度的形式的均衡函数相乘。

2.根据权利要求1所述的填充物位传感器，其还包括：

灵敏度频率控制滤波器(SFC滤波器)(102)；

其中，所述SFC滤波器布置在所述中频通道(117)中，并且位于所述均衡器(105，106，301，401，402，702，703)的上游，

其中，所述时间函数g(nT)是所述传递函数G(ω_k)在时域中的变换，其中，G(ω_k)是所述SFC滤波器的传递函数H(ω)的反传递函数。

3.根据权利要求1所述的填充物位传感器，其还包括：

灵敏度频率控制滤波器(SFC滤波器)(102)；

其中，所述传递函数G(ω_k)是所述SFC滤波器的传递函数H(ω)的离散频率ω_k下的反传递函数。

4.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位传感器，所述中频通道(117)还包括：

加窗模块(107，108)，其布置在所述均衡器(105，106，301，401，402，702，703)的下游，并用于对通过卷积、相乘或由所述FIR/IIR滤波器(301)执行的滤波获得的所述中频信号进行加窗。

5.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位传感器，所述中频通道(117)还包括：

DFT模块(109)，其布置在所述均衡器(105，106，301，401，402，702，703)的上游或下游，并用于所述中频信号的离散傅里叶变换。

6.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位传感器，所述中频通道(117)还包括：

IDFT模块(403)，其布置在所述均衡器(105，106，301，401，402，702，703)的下游，并且用于所述中频信号的离散傅里叶逆变换。

7.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位传感器，所述中频通道(117)还包括：

幅度频谱形成模块(701)，其布置在所述均衡器(702，703)的上游。

8.一种用于对FMCW填充物位传感器的中频信号进行均衡的方法，其包括如下步骤：

将来自填充物位传感器(100)的测量信号转换成中频信号；

对所述中频信号进行数字化；

对被数字化的所述中频信号进行均衡；

根据所述中频信号生成回波曲线，

其中，通过如下方式进行均衡

(c)借助具有有限或无限冲激响应的滤波器(FIR/IIR滤波器)，对被数字化的所述中频信号进行滤波，或者

9.根据权利要求8所述的方法，其还包括以下步骤：

对通过卷积、相乘或由所述FIR/IIR滤波器(301)执行的滤波获得的所述中频信号进行加窗。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其还包括以下步骤：

在进行均衡的步骤之前或之后，对所述中频信号进行离散傅里叶变换。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其还包括以下步骤：

在进行均衡的步骤之后，对所述中频信号进行离散傅里叶逆变换。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其还包括以下步骤：

在进行均衡的步骤之前，在频域中形成所述中频信号的幅度频谱。