CN107076599A - 用于接口确定的脉冲形状改变 - Google Patents

Abstract

一种针对储槽（205）中的第一和第二材料的脉冲雷达界面确定的方法（100），提供（101）界面物位确定模型，界面物位确定模型包括利用针对材料的折射率和第二材料的厚度的传递函数。将至少一个实际雷达脉冲传输（102）到储槽中，并且测量包括界面位置周围的所测量到的（多个）界面脉冲的所得回波曲线部分。利用参考脉冲和初始厚度值模拟（103）界面模型以生成初始模型生成的界面脉冲（初始MGIP）。将所测量到的界面脉冲与初始MGIP脉冲进行逐点比较（104）以确定残差。如果残差之和＞预定阈值，利用使用更新的厚度值生成的更新的界面模型而重复比较（105），所述更新的界面模型提供更新的MGIP脉冲。当残差之和＜预定阈值时，确定厚度（106）。

Description

用于接口确定的脉冲形状改变

对相关申请的交叉引用

本申请要求享有2014年10月23日提交的题为“PULSE SHAPE CHANGE FOR PULSEDRADAR INTERFACE DETERMINATION”的临时申请序列号62/067,502的权益，该临时申请以其整体通过引用并入本文。

技术领域

所公开的实施例涉及用于脉冲雷达的物位发现（level finding）。

背景技术

具有容器或储槽（“储槽”）的工业厂房一般需要定期测量其中的（多种）液体或其它材料（诸如其中的粉末）的物位。存在用于物位测量的若干类型的系统和技术，其一般使用频率调制连续波（FMCW）或时域反射计（TDR），频率调制连续波（FMCW）或时域反射计（TDR）依赖于分析针对脉冲信号的回波以使用飞行时间做出材料物位测量。

对于基于TDR的测量，存在接触式物位测量，在接触式物位测量中系统的部分（诸如探头）接触被测量的材料，以及存在非接触式物位测量，在非接触式物位测量中在不接触要测量的材料的情况下测量物位。非接触式方法包括超声和雷达，超声使用高频音速（声音）波来检测物位。

导波雷达（GWR）是用于测量储槽中的液体或固体物位的特定接触式脉冲雷达方法。GWR通过生成电磁能量脉冲流并且在形成到物位感测探头（或波导）中的传输线向下传播脉冲来工作。探头一般在储槽或其它容器中竖直放置，并且电磁脉冲从探头的顶部向下发射。探头以传播脉冲的电磁场穿透空气直至它们到达材料物位的这种方式，对空气和要感测的（多种）材料开放二者。在该点处，电磁场看到材料的较高介电常数。该较高介电常数导致传播介质阻抗中的降低，从而造成脉冲回波朝向探头的顶部反射回来。脉冲以已知速率行进通过探头的空气介电部分。这允许通过测量脉冲从探头的顶部到物位并且回波回到探头的顶部的往返行进时间来确定探头上的（多个）材料物位。

当使用脉冲雷达传感器（无论是接触式的还是非接触式的）以用于测量储槽中的第一产品材料物位时，如果诸如油之类的具有较低密度的第二材料也在储槽中，则第二材料的层将形成在第一材料（例如水）表面的顶部上，从而创建液体界面。客户一般对知晓第二层的厚度或物位感兴趣，诸如以允许第二层的选择性去除，例如当在水上存在油并且人们可能想要选择性地去除油时。

发明内容

提供本发明内容来以简化的形式引入以下在具体实施方式（包括所提供的附图）中进一步描述的所公开的概念的简要选择。本发明内容不意图限制所要求保护的主题的范围。

所公开的实施例认识到，基于峰值发现算法的常规脉冲雷达物位发现仅能够在顶层至少为大约10cm厚时标识界面，并且大约10cm以下将示出仅一个峰值（组合峰值）。常规脉冲雷达物位感测系统对测量储槽中的＜10cm厚的上层（例如水上的油）的无能为力已经在本文中被标识为与脉冲雷达物位感测电路的脉冲宽度（脉冲宽度越窄提供越好的分辨率）和使用峰值发现的物位确定算法相关联，该峰值发现要求相应峰值可从彼此分辨以标识上层的厚度和界面的存在。

所公开的算法替代性地通过比较所测量到的界面脉冲与模型生成的界面脉冲（MGIP）来使用脉冲形状改变以更好地提取物位和第二材料厚度信息，这已被发现减小了使用脉冲雷达物位传感器来测量界面所需要的最小厚度，诸如减小到2cm或更小的上层厚度。

所公开的实施例包括一种针对储槽中的第一和第二材料的脉冲雷达界面确定的方法。提供界面物位确定模型，其包括利用针对材料的折射率和第二材料的厚度的传递函数。将至少一个实际脉冲传输到储槽中，并且测量包括界面位置周围的所测量到的（多个）界面脉冲的所得回波曲线部分。利用参考脉冲和初始厚度值模拟界面模型以生成初始MGIP。将所测量到的界面脉冲与初始MGIP脉冲进行逐点比较以确定残差。如果残差之和＞预定阈值，利用使用更新的厚度值生成的更新的界面模型而重复比较，所述更新的界面模型提供更新的MGIP脉冲。当残差之和≤预定阈值时，确定第二材料的厚度及其物位。

附图说明

图1是根据示例实施例的示出脉冲雷达界面物位确定的示例方法中的步骤的流程图。

图2描绘了根据示例实施例的示例脉冲雷达系统，其被示出为具有脉冲雷达物位量规的导波雷达（GWR）系统，所述脉冲雷达物位量规包括实现在与处理器相关联的存储器的固件中的脉冲雷达界面确定算法。

图3A-3D示出针对水界面上的20cm油、水界面上的10cm油、水界面上的4cm油和水界面上的2cm油的所测量到的回波曲线。

图4示出针对不同油厚度，针对储槽中的水上的油所测量到的回波曲线现场数据。

具体实施方式

参照随附各图来描述所公开的实施例，其中贯穿各图使用相同的参考标记指明类似或等同的元件。各图未按比例绘制，并且它们仅仅为了说明某些所公开的方面而提供。以下参照示例应用来描述若干所公开的方面以用于说明。应当理解的是，阐述众多具体细节、关系和方法以提供所公开的实施例的完整理解。

然而，本领域普通技术人员将容易认识到，本文所公开的主题可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下或者利用其它方法来实践。在其它实例中，并未详细示出公知的结构或操作以避免使某些方面模糊。本公开不受动作或事件的所图示的次序限制，因为一些动作可以以不同次序发生和/或与其它动作或事件并发地发生。另外，并非所有所图示的动作或事件都被要求以实现依照本文所公开的实施例的方法。

而且，如本文在没有进一步限定性条件的情况下所使用的术语“耦合到”或“与……耦合”（等等）意图描述间接或直接的电气连接。因此，如果第一设备“耦合”到第二设备，该连接可以通过直接电气连接，在直接电气连接中在通路中仅存在寄生效应，或者通过经由包括其它设备和连接的居间物项的间接电气连接。对于间接耦合，居间物项一般不修改信号的信息，但是可以调节其电流水平、电压水平和/或功率水平。

图1是根据示例实施例的示出脉冲雷达界面物位确定的示例方法100中的步骤的流程图。步骤101包括提供针对储槽中的第一和第二材料的折射率，第二材料与第一材料相比是较不密实的并且形成与第一材料的界面，以及提供界面物位确定模型（界面模型），该界面物位确定模型包括利用折射率和第二材料的厚度作为参数的传递函数。储槽操作者一般知晓什么材料在储槽内。

界面模型可以包括ABCD矩阵、近似的菲涅尔方程或电气阻抗模型。要指出的是，为了是高效的（在处理时间方面），界面模型（例如ABCD矩阵模型、近似的菲涅尔方程或电气阻抗模型）在时域中应用。第一材料和第二材料二者可以包括液体（例如水上的油）或粉末。第二材料与第一材料相比是较不密实的，使得第二材料在储槽中位于第一材料上方。

步骤102包括向储槽中传输至少一个实际雷达脉冲，并且测量所得回波曲线或回波曲线部分，所述回波曲线部分包括在界面位置周围的至少一个所测量到的界面脉冲。在实践中，由于针对发射器的功率限制，将存在多个雷达脉冲，并且回波曲线将是回波曲线部分。针对第一材料和第二材料的峰值可能重叠，特别是如果第二材料的厚度＜10cm的话。

在步骤103中，使用处理器（例如数字信号处理器（DSP）或微控制器单元（MCU））利用作为输入的参考脉冲连同针对厚度的初始值来模拟界面模型，以生成初始MGIP。参考脉冲可以包括通过脉冲（诸如使用收发器中的分路器）或凸缘脉冲。参考脉冲还可以包括从校准获取的物位脉冲（例如当储槽为空时）。参考脉冲一般随时间而更新，诸如在预定时间段之后或者在确定至少一个发射器电路参数中的漂移之后（例如以计及脉冲振幅或脉冲宽度漂移）。

步骤104包括在多个点（例如每个脉冲5或6个）之上逐点比较所测量到的界面脉冲与初始MGIP以确定多个残差。比较可以由软件自动执行，或者由个人执行。非线性最小平方拟合算法可以用于该比较。

在步骤105中，如果残差之和＞预定阈值，通过利用更新的界面模型连同针对厚度的更新的值一起来重复比较以提供更新的MGIP而执行迭代。在一个实施例中，如果残差之和＞预定阈值，利用针对厚度的更新的值重复模拟以生成更新的界面模型和从其更新的MGIP。在另一实施例中，如果残差之和＞预定阈值，更新的MGIP可以从反映针对不同厚度的脉冲的更新的MGIP的存储库获取。

更新的厚度值可以通过扰乱并测量算法自动生成，其中由模型使用的厚度值可以通过小的量进行调节，并且然后测量所得残差。如果残差减小，尝试该方向上的针对厚度的进一步调节，并且如果残差增加，在另一方向上做出对厚度值的进一步调节。

在步骤106中，当残差之和≤预定阈值时，确定厚度。还可以确定第二材料层的物位。

以下示出的ABCD矩阵包括具有参数m₁₁、m₁₂、m₂₁、m₂₂的传递函数，这些参数将具有x和y分量（比方说E^ox、E^oy）（E为电场）的输出（回波曲线）波形与作为输入的参考脉冲进行相关。M是基于相应材料或介质的折射率和厚度及其在储槽中的界面的参数，所述电场传播通过至具有分量Eⁱx、Eⁱy的输入（传输的）脉冲波形：

，其中

ABCD矩阵还可以称为传输矩阵，或者双端口网络的传输参数。例如，储槽中的2接口系统可以包括水上油上空气，使得在该情况下M_i= M_空气具有折射率n_空气，M_i+1 =M_油具有折射率n_油并且M_i+2= M_水具有n_水。应用于在给定光学输入和光学网络的情况下预测针对光学系统的输出的示例ABCD矩阵方案还在教科书Optics，Eugene Hecht，第二版，Addison-WesleyPublishing Company. Inc. 1987，p. 373-378中有描述。

残差（振幅中的差值）然后可以在所测量到的界面脉冲与MGIP之间看到。如以上所描述的，如果残差之和基于预定阈值（幅度）过高，界面模型可以利用不同的厚度值重新应用以生成更新的MGIP，并且当残差之和处于或低于某个预定阈值时，厚度值迭代过程可以停止。

不同策略可以用于最小化处理时间以发现界面厚度和物位。如以上指出的，基于表格的库可以提供有不同的脉冲形状或传递函数，使得可以并行运行残差计算。

所公开的方法可以由各种脉冲雷达物位传感器系统利用。图2描绘了根据示例实施例的示出为GWR系统200的示例脉冲雷达或超声物位发现系统，其包括示出为脉冲雷达物位量规（PRG）260的脉冲雷达量规，脉冲雷达物位量规（PRG）260包括示出实现在与处理器215相关联的存储器210的固件中的所公开的脉冲雷达界面确定算法210a。存储器210可以是相对于处理器215在芯片上或在芯片外。还示出的是收发器220和同轴连接器225，同轴连接器225在储槽205的顶部上。由收发器220提供的发射器和接收器可以实现为分离的块。相应地，如本文所使用的收发器包括这些布置二者。

在传输方向上，处理器215向连接到脉冲生成器（PGen）块221的输入的数字到模拟转换器（DAC）222提供数字信号电平，所述脉冲生成器（PGen）块221耦合到收发器220的发射器。在接收方向上，收发器220的接收器接收通过传感器226换能的反射回波信号，其中来自传感器226的输出信号耦合到模拟到数字转换器（ADC）227，其将来自传感器226的模拟信号转换成供处理器215处理的数字信号，处理器215充当信号分析器。生成许多脉冲，并且ADC227生成包括通过时钟电路同步的许多离散电压值的波形。

凸缘（未示出）还可以存在于储槽上。波导（或探头）被示出为240。如以上所指出的，尽管一般针对GWR应用进行描述，但是所公开的物位发现还可以应用于超声和非接触式雷达。

图3A-3D示出针对水界面上的20cm油、水界面上的10cm油、水界面上的4cm油和水界面上的2cm油而使用已知物位发现算法所测量到的回波曲线。这些图中的每一个中的最左脉冲是凸缘脉冲。在图3A（20cm油）和图3B（10cm油）中，示出油脉冲和水脉冲二者。然而，在图3C（4cm油）和图3D（2cm油）中，仅示出有一个脉冲（没有分离的油和水脉冲/峰值的证据）。所公开的实施例认识到，尽管在图3C和3D中仅单个峰值位于靠近假定界面，但是脉冲形状是油的厚度的函数，使得油的厚度可以从脉冲形状确定，诸如使用方法100。

示例

通过以下具体示例来进一步说明所公开的实施例，以下具体示例不应当解释为以任何方式限制本公开的范围或内容。

图4示出从类似于图2中所示的GWR系统200的GWR系统取得的示例现场数据，该GWR系统具有安装在储槽205的顶部上的凸缘上的PRG 260，储槽205具有水上的D95（油）之上的空气。因而存在2个界面，在油和空气之间1个界面，以及在水和油之间1个界面。回波脉冲可以与凸缘、D95和水相关联地看到和标识。在嵌入的数据表格中，第一条目是以厘米计的水厚度，并且第二条目是以厘米计的D95厚度。

虽然以上已经描述了各种所公开的实施例，但是应当理解的是，它们仅通过示例而不是限制的方式呈现。可以依照本公开而做出对本文所公开的主题的众多改变而不脱离本公开的精神或范围。此外，虽然可能已经关于若干实现方式中的仅一个实现方式公开了特定特征，但是这样的特征可以如可能针对任何给定或特定应用而言所期望和有利的那样与其它实现方式的一个或多个其它特征组合。

Claims (12)

1.一种脉冲雷达界面确定的方法（100），包括：

提供（101）针对储槽（205）中的第一材料和第二材料的折射率，所述第二材料与所述第一材料相比是较不密实的并且形成与所述第一材料的界面，以及提供界面物位确定模型（界面模型），所述界面物位确定模型包括利用所述折射率和所述第二材料的厚度作为参数的传递函数；

向所述储槽中传输（102）至少一个实际雷达脉冲并且测量所得回波曲线或回波曲线部分，所述回波曲线部分包括所述界面位置周围的至少一个所测量到的界面脉冲；

使用由处理器（215）运行的所述界面模型利用作为输入的参考脉冲连同针对所述厚度的初始值进行模拟（103），以生成初始模型生成的界面脉冲（初始MGIP）；

在多个点之上逐点比较（104）所述所测量到的界面脉冲与所述初始MGIP以确定多个残差；

其中如果所述残差之和（残差之和）＞预定阈值，通过利用从利用针对所述厚度的更新的值更新所述界面模型所生成的更新的界面模型来重复所述比较（105）而进行迭代，所述更新的界面模型提供更新的MGIP；并且

其中当所述残差之和≤所述预定阈值时，确定（106）所述厚度。

2.权利要求1所述的方法，其中如果所述残差之和＞所述预定阈值，利用针对所述厚度的所述更新的值重复所述模拟，以生成所述更新的界面模型和来自所述更新的界面模型的所述更新的MGIP。

3.权利要求1所述的方法，其中如果所述残差之和＞所述预定阈值，从所述更新的MGIP的库获取所述更新的MGIP。

4.权利要求1所述的方法，还包括在预定时间段之后或在确定至少一个发射器电路参数中的漂移之后更新所述参考脉冲。

5.权利要求1所述的方法，其中所述界面模型包括ABCD矩阵。

6.权利要求1所述的方法，其中所测量到的界面脉冲是单个界面脉冲，其中针对所述第一材料和所述第二材料的峰值重叠。

7.权利要求1所述的方法，其中所述更新的值通过扰乱并测量算法自动生成。

8.一种脉冲雷达物位量规（260），包括：

处理器（215），其具有存储脉冲雷达界面确定算法（210a）的相关联的存储器（210），所述脉冲雷达界面确定算法包括具有传递函数的界面物位确定模型（界面模型），所述传递函数利用针对储槽（205）中的第一和第二材料的折射率和所述第二材料的厚度作为参数，所述第二材料与所述第一材料相比是较不密实的并且形成与所述第一材料的界面；

脉冲宽度生成器（PGen）块（221），其耦合成接收源自所述处理器的控制信号；

用于耦合到所述储槽中的探头的收发器（220），包括耦合到所述PGen块的输出以用于传输雷达脉冲的输入，和通过传感器（226）耦合到所述处理器的输入以用于处理响应于所述雷达脉冲而接收的回波信号的输出；

所述脉冲雷达界面确定算法在由所述处理器（215）实现时导致：

使用由所述处理器运行的所述界面模型利用作为输入的参考脉冲连同针对所述厚度的初始值进行模拟，以生成初始模型生成的界面脉冲（初始MGIP）；

在多个点之上逐点对响应于所述收发器（220）将至少一个实际雷达脉冲传输到所述储槽（205）中并且测量所得回波曲线或回波曲线部分而获取的所测量到的界面脉冲与所述初始MGIP进行比较以确定多个残差，所述回波曲线部分包括所述界面位置周围的所述界面脉冲；

其中如果所述残差之和（残差之和）＞预定阈值，通过利用从利用针对所述厚度的更新的值更新所述界面模型所生成的更新的界面模型来重复所述比较而进行迭代，所述更新的界面模型提供更新的MGIP；并且

其中当所述残差之和≤所述预定阈值时，确定所述厚度。

9.权利要求8所述的脉冲雷达物位量规，其中所述脉冲雷达物位量规实现导波雷达（GWR）（200）。

10.权利要求8所述的脉冲雷达物位量规，其中如果所述残差之和＞所述预定阈值，利用针对所述厚度的所述更新的值重复所述模拟，以生成所述更新的界面模型和来自所述更新的界面模型的所述更新的MGIP。

11.权利要求8所述的脉冲雷达物位量规，其中如果所述残差之和＞所述预定阈值，从所述更新的MGIP的库获取所述更新的MGIP。

12.权利要求8所述的脉冲雷达物位量规，其中所述界面模型包括ABCD矩阵。