CN108692792B - 用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置，包括雷达液位检测装置、压力传感器和温度传感器，雷达液位检测装置包括雷达发射装置、返回信号接收装置及处理装置，雷达发射装置用于向平台的舱室的液面发射信号，并且返回信号接收装置用于接收液面的返回信号且提供至处理装置；压力传感器，用于测量舱室内的压力数据，并将压力数据提供给处理装置；以及温度传感器，用于监测舱室的温度数据，且将温度数据提供给处理装置，其中处理装置对返回信号、压力数据和温度数据进行处理后，提供给控制站。本公开还提供了用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置的监控方法。通过本公开，可以很好地提高雷达式液控监控系统的稳定性和准确性。

Description

用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置

技术领域

本公开涉及一种用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置及监控方法。

背景技术

对于深水半潜式起重平台，为了保证平台始终能够以正常姿态作业，平台的运营过程中需要通过平台的液位遥测系统进行实时的液位测量和显示，如果液位发生变化而不能准确测量等的情况下，将对人员生命安全和平台的正常运营产生重大的影响。

平台液位遥测系统由雷达式监控子系统、磁力式监控子系统、电压式监控子系统和气泡式监控子系统等构成。各个子系统针对自身的功能特性在平台中发挥作用。

其中雷达式监控系统由于采用了非接触式的测量原理，具有操作简单、维护方便等优点，在各平台和船舶的液控检测中得到了广泛的应用。但是影响雷达液控系统测量结果的因素很多，随着对监控要求的提高，对雷达式液控监控系统的稳定性和准确性等方面提出了更高的要求。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置及监控装置。

根据本公开的一个方面，一种用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置，包括雷达液位检测装置、压力传感器和温度传感器，

雷达液位检测装置包括雷达发射装置、返回信号接收装置及处理装置，雷达发射装置用于向平台的舱室的液面发射信号，并且返回信号接收装置用于接收液面的返回信号且提供至处理装置；

压力传感器，用于测量舱室内的压力数据，并将压力数据提供给处理装置；以及

温度传感器，用于监测舱室的温度数据，且将温度数据提供给处理装置，

其中处理装置对返回信号、压力数据和温度数据进行处理后，提供给控制站。

根据本公开的至少一个实施方式，雷达发射装置包括发射部分包括信号生成装置、频率调节装置及功率分配装置，

信号生成装置用于生成载波频率来产生载波脉冲；

频率调节装置用于通过预定调制频率对信号生成装置产生的脉冲进行调频；以及

功率分配装置将来自频率调节装置的信号引导至雷达发射装置的天线来发射出去，并且接收液面的返回信号。

根据本公开的至少一个实施方式，返回信号接收装置通过功率分配装置接收信号，返回信号接收装置包括第一通路和第二通路，通过第一通路和第二通路的相位差来计算液面的高度。

根据本公开的至少一个实施方式，第一通路包括对从频率调节装置接收的发射信号和从功率分配装置接收的返回信号进行频率混合的第一频率混合器；

第二通路包括对从频率调节装置接收的发射信号和从功率分配装置接收的返回信号进行频率混合的第二频率混合器、以及对发射信号进行移相的移相器。

根据本公开的至少一个实施方式，雷达式监控装置还包括处理电路，处理电路接收第一频率混合器和第二频率混合器的输出信号。

根据本公开的至少一个实施方式，处理电路包括与第一频率混合器和第二频率混合器分别对应的低通滤波器和放大器，用于改进雷达式监控装置的信噪比。

根据本公开的至少一个实施方式，雷达式监控装置还包括相位差计算单元，相位差计算单元根据第一通道和第二通道输出的信号来确定发射信号和返回信号之间的相位差，从而根据相位差来确定液面的高度。

根据本公开的另一方面，一种用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置的监控方法，包括：

生成脉冲信号；

对脉冲信号进行调频；

将调频后的发射信号通过功率分配装置传输至雷达式监控装置的天线，从而进行发送；

将发射信号和液面的返回信号进行频率混合生成第一混合信号，并且将发射信号进行移相后与液面的返回信号进行频率混合生成第二混合信号，

通过第一混合信号和第二混合信号来确定发射信号和返回信号的相位差，从而计算液面的高度。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括对第一混合信号和第二混合信号进行低通滤波和放大处理，用于改进雷达式监控装置的信噪比。

根据本公开的至少一个实施方式，通过预定的数据格式将雷达式监控装置检测的信号传输至控制站。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的至少一个实施方式的雷达式监控装置的整体示意图。

图2是根据本公开的至少一个实施方式的雷达式监控装置的发射部分的示意图。

图3是根据本公开的至少一个实施方式的雷达式监控装置的接收部分的示意图。

图4是根据本公开的至少一个实施方式的雷达式监控装置的信号调频部分的示意图。

图5是根据本公开的至少一个实施方式的雷达式监控装置的数据发送格式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

图1示出了本公开的雷达式监控装置100，其包括处理电路10、波导管20及喇叭式天线30。处理电路10、波导管20及喇叭式天线30设置于壳体中，并且设置于平台的舱室40的上部，用于测量舱室40中的液面50的高度。

处理电路10通过波导管20连接至喇叭式天线30，通过分析喇叭式天线30向舱室40的液面50发射信号和接收返回信号，从而确定喇叭式天线30的参考位置与液面50之间的距离，进而根据已知舱室40的尺寸来计算液面50的高度。

波导管20为穿过舱室40的顶部设置的导管形式的垂直波导管，底部连接喇叭式天线30。通过波导管20和喇叭式天线30发射的微波信号，被液面50反射后则喇叭式天线30接收反射信号。但是在液面较低的情况下，很难将液面50反射的信号与舱室40底部的反射信号区分开来。因此在本公开的一个优选实施方式中，在舱室40底部与天线30的垂直投影的对应位置处设置一个吸收部60，用于吸收入射到底部的大部分微波能量。该吸收部60由微波能量吸收度很高的材料制成，例如PTFF形式的塑料材料，也可以使用特氟龙材料等。并且吸收部60的表面可以设置成凹凸不平的形状。例如将其设置锯齿形。吸收部60可以直接固定至舱室的底部，例如粘结、螺栓方式等。

处理电路10通过通信部70与控制站相连接。优选地，通信部70通过双线接口方式与控制站连接，该双线接口具有既可以将测量结果发送至控制站又可以接收提供给雷达式监控装置的功率的功能。此外，也可以通过无线方式与控制站相连接。

首先，本公开对雷达式监控装置100的发射部分进行详细地描述。

如图2所示，发射部分包括信号生成装置101、频率调节装置102及功率分配装置103。

信号生成装置101用于生成良好的载波频率来产生载波脉冲，脉冲为雷达脉冲，脉冲的持续时间、占空比及频率由处理电路10来决定。信号生成装置101连接至频率调节装置102。

频率调节装置102用于通过预定调制频率对信号生成装置101产生的脉冲进行调频。在所述预定调制频率的选择期间，相对于脉冲持续时间进行选择，确保完整数量的调制周期包括在每个脉冲中。例如，脉冲长度为毫秒级的情况下，预定调制频率为千赫兹级。这样可以用于改进发射信号的可靠性。

功率分配装置103可以为威尔金森功率分配器(WPD)，将来自频率调节装置102的信号引导至波导管20，进而通过喇叭式天线30发射出去。

下面对雷达式监控装置100的接收部分进行详细地描述。

接收部分包括频率混合器111、频率混合器112、移相器113、处理电路114、相位差计算单元115、及液位计算单元116。

接收部分中使用功率分配装置103接收回波信号。功率分配装置103用于接收自喇叭式天线30的反射信号。该接收部分包括两个通路。第一通路包括对从频率调节装置102接收的发射信号和从功率分配装置103接收的回波信号进行频率混合的频率混合器111。第二通路包括对从频率调节装置102接收的发射信号和从功率分配装置103接收的回波信号进行频率混合的频率混合器112，其中包括移相器113，其将该发射信号进行90°移相。

处理电路114接收频率混合器111和频率混合器112的输出信号。其中处理电路114中包括与频率混合器111和频率混合器112分别对应的低通滤波器和放大器。即频率混合器111的输出连接至处理电路114中的一个低通滤波器，并且该一个低通滤波器的输出连接一个放大器，该一个放大器连接一个积分器；频率混合器112的输出连接至处理电路114中的另一低通滤波器，并且该另一低通滤波器的输出连接另一放大器，另一放大器连接另一积分器。一个积分器和另一积分器的输出将提供给各自的模数转换器。在这里，低通滤波器和放大器用于改进雷达式监控装置的信噪比。这里两路的设置为相同的，下面仅以其中一路为例进行说明。

其中低通滤波器具有与脉冲宽度的倒数对应的带宽。例如，如果脉冲的持续时间为5毫秒，则低通滤波器的带宽为200赫兹。因此可以以平均功率为代价使用更长的脉冲来增加灵敏度(更小的带宽)。

然后信号将被提供给放大器，放大器将信号放大后提供给积分器，积分器在脉冲长度内对信号进行积分。最后将积分器提供给各自的模数转换器，这样将两路信号转换成两路数字信号输出。

相位差计算单元115根据两个通道输出的数字信号来确定发射脉冲和回波脉冲之间的相位差。这样可以通过已知的方式，根据相位差和已知的舱室的数据来确定液位的情况。

根据本公开的另一个实施方式，可以仅包括第二通路，即仅包括频率混合器112所处的通路，此时将原移相器113替换为延时电路，用于对频率调节装置102产生的脉冲信号进行预定的时间延迟，从而生成参考信号。并且此时的频率混合器112接收该参考信号及回波信号来进行频率混合，然后经过上述的另一低通滤波器、另一放大器、另一积分器和模数转换器的处理。此时将不包括相位差计算单元115。

处理单元基于参考信号与回波信号之间的时间关系来形成时间相关值，并且将相关值及对应的脉冲频率进行存储。然后再次使用至少三种不同的脉冲频率发射及接收，再次形成不同频率下的参考信号与回波信号之间的时间关系来形成时间相关值。基于上述测量的多个时间相关值、及预订的时间延迟、以及脉冲频率来确定液位高度。也就是说可以根据常规技术，通过不同脉冲之间的时间关系及频率来确定液位高度。并且不同频率的脉冲数量越多，则精度也就越高，同时也可以有效地降低噪音。

此外，雷达式测量方法测量液位时，雷达式液位测量装置很容易收到外部环境的影响，例如温度。当温度等外部环境波动较大时，雷达式液位测量装置很难保证测量精度，并且其功能将变得异常。

因此在本公开的一个优选实施方式中，为了解决受外部环境影响时仍能保持测量精度的问题，提出了以下的技术方案。

在图2所示的信号生成装置101及频率调整装置102中，对信号调频的过程中，采用以下方式。

具体方式如图4所示，信号调频主要通过振荡器201、振荡器202、比较器203、计数器204、转换器205、调节器206、变换器207和频率控制器208来实现。

比较器203分别连接振荡器201和振荡器202。计数器204连接至比较器203。计数器204连接至转换器205。转换器205连接至调节器206。调节器206连接至变换器207。变换器207连接至频率控制器208。频率控制器208连接至振荡器202。

振荡器201具有第一振荡频率，并且根据第一振荡频率产生第一脉冲信号。振荡器202具有第二振荡频率，并且根据第二振荡频率产生第二脉冲信号。两个脉冲信号输入到比较器203。比较器203为频率比较器，将两个脉冲信号转换成可调信号，并且将可调信号发送至计数器204。

计数器204具有预定值，并且将可调信号与预定值相比较，从而得到比较结果信号。根据该比较结果信号来调整第二振荡频率，使得第二振荡频率和第一振荡频率具有固定的频率差。调整方式下面将具体描述。

可调信号为多个脉冲信号，预定值为用预先设置的数值。计数器204计算接收到的可调信号的数量，并且与预定值进行数值比较，将比较结果信号发送至转换器205。转换器205为频域至时域转换器。转换器205接收作为频域信号的比较结果信号，将其转换成时域信号。频域时域转换可以采用本领域中通常的转换方式。

调节器206接收上述时域信号，并且输出具有占空比的电压信号至变换器207。变换器207为电压变换器，可以为电压积分电路，用于根据上述时域信号来生成驱动电压信号。并且该驱动电压信号传送至频率控制器208。通过该频率控制器208，为振荡器202提供固定电压信号。振荡器202根据该固定电压信号来调整第二振荡频率。

在本公开的一个优选实施方式中，调节器206输出的控制电压信号可为具有占空比的电压信号。该控制电压信号为计数器204接收到的可调信号的数量成反比。如果可调信号的数量大于预定值，则调节器206输出具有低占空比的信号，例如ON为20％，这样频率控制器208输出较低的固定电压信号至振荡器202。如果可调信号的数量小于预定值，则调节器206输出具有高占空比的信号，例如ON为70％，这样频率控制器208输出较高的固定电压信号至振荡器202。

其中，计数器204、转换器205和调节器206可以是硬件电路也可以是软件电路。

在本公开的一个实施方式中，当温度从20℃增加至50℃时，在这个范围内，雷达式液位测量装置仍然可以保持良好的精度并且其功能正常。

如前所述，通信部70可以通过双线接口方式与控制站连接，也可以通过无线方式与控制站连接。

在已知的技术中，可控电流源和调节变换器沿双线控制回路串联。这样，使用可控电流源将测量信号提供至双线电流总线，该可控电流源可控地控制双线电流回路上的直流电源和/或调制该电流以提供数字数据，且调节变换器将调节后的输入电压转换成用于向现场设备供电的输出电压。其具体的实现方式为：双线控制回路包括可控电流源、转换器和电压调节电路。在雷达式液位测量装置的运行期间，可控电流源由雷达式液位测量装置控制以向双线控制回路提供测量信号。测量信号可以是回路电流(直流电流电平)的形式和/或叠加在回路电流上的交流信号的形式。后种情形的示例可以是根据HART协议在4-20mA电流回路上的通信。在4-20mA电流回路上的通信的情况下，第一转换器具有输入端和输出端，其中输入端与可控电流源串联从而连接到双线电流回路，输出端连接到雷达式液位测量装置以将来自双线电流回路的功率提供给测量设备。电压调节电路监测电流源的电压，并且当回路电压变化时控制转换器的输入电压以使电流源的电压基本上恒定保持在预定值，比如2V。本领域技术人员可以通过各种方式实现上述情况。例如，转换器可以是降压/升压型的开关转换器。

当使用无线传输方式时，可以使用本领域所公知的无线传输设备，但是对于传输方法，例如数据封装等而言，本发明人提供了适合本公开的方法。

在本公开的一个具体实施方式中，数据封装部采用预先定义的格式对数据进行配置。将采集的数据进行数据封装，并且进行发送。如图5所示，预定的数据格式的关键字可以包括：设备ID、重要度、液位数据、其他数据、数据类型、时间、错误信息、结束符。

其中设备ID用于标识子系统。液位数据表示子系统所测量的液位值，其他数据表示子系统所测量的除液位值之外的其他值。数据类型用于表示液位值和/或其他数据的类型，时间表示数据封装的时间。错误信息表示各子系统是否出现故障，如果子系统传输出现故障的指示，则将体现于该错误信息处。

对于关键字中的重要度用于表示所传输的该条数据的重要程度，可以采用高低的形式进行表示。具体而言，用户可以预先设置各个子系统的测量值的阈值范围，当所测量的数据接近阈值范围的边界值时，在进行数据封装时则将重要度设置为高，而在通常情况下则设置为高。如果所测量的数据超出阈值范围的边界值时，则将重要度设置为高，并且将该数据不与其他子系统所检测的数据一起封装，而是将其实时发送至控制站。

并且为了保证无线网络的联通，发送部与控制站还设有网络监测部，该网络检测部定时发送网络心跳信号，用于维持和判断网络的联通状态。

在本公开的雷达式监控装置中除了雷达装置之外，还可以集成有压力传感器、以及温度传感器。雷达装置向平台的舱室液面发送雷达信号并且检测返回信号。压力传感器用于测量舱室内的压力数据，并且压力数据发送至雷达式监控装置的处理器。温度传感器用于测量舱室内的温度数据，并将温度数据发送至雷达式监控装置的处理器。处理器对接收的数据进行处理，并将处理结果发送至平台液位遥测系统的控制系统。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置，其特征在于，包括雷达液位检测装置、压力传感器和温度传感器，

所述雷达液位检测装置包括雷达发射装置、返回信号接收装置及处理装置，所述雷达发射装置用于向平台的舱室的液面发射信号，并且所述返回信号接收装置用于接收所述液面的返回信号且提供至所述处理装置；

其中，所述雷达发射装置包括发射部分，所述雷达发射装置的发射部分包括信号生成装置、频率调节装置及功率分配装置，其中，

所述信号生成装置用于生成载波频率来产生载波脉冲；

所述频率调节装置用于通过预定调制频率对所述信号生成装置产生的脉冲进行调频；以及

所述功率分配装置将来自所述频率调节装置的信号引导至所述雷达发射装置的天线来发射出去，并且接收所述液面的返回信号；

在舱室底部与所述天线的垂直投影的对应位置处设置一个吸收部，用于吸收入射到底部的大部分微波能量；

其中，所述信号生成装置包括：第一振荡器(201)和第二振荡器(202)，所述第一振荡器(201)具有第一振荡频率，并且根据所述第一振荡频率产生第一脉冲信号；所述第二振荡器(202)具有第二振荡频率，并且根据所述第二振荡频率产生第二脉冲信号；

所述频率调节装置包括：比较器(203)、计数器(204)、转换器(205)、调节器(206)、变换器(207)和频率控制器(208)；

所述比较器(203)分别连接所述第一振荡器(201)、所述第二振荡器(202)和所述计数器(204)，所述计数器(204)连接至所述转换器(205)，所述转换器(205)连接至所述调节器(206)，所述调节器(206)连接至所述变换器(207)，所述变换器(207)连接至所述频率控制器(208)，所述频率控制器(208)连接至所述第二振荡器(202)；

所述比较器(203)，用于将所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号转换成可调信号，并且将所述可调信号发送至所述计数器(204)；

所述计数器(204)具有预定值，并且用于将所述可调信号中脉冲的数量与预定值相比较得到比较结果信号；

所述转换器(205)为频域至时域转换器，所述转换器(205)接收作为频域信号的所述比较结果信号，将所述比较结果信号转换成时域信号；

所述调节器(206)接收所述时域信号，并且输出具有占空比的电压信号至所述变换器(207)；其中，如果所述可调信号中脉冲的数量大于所述预定值，所述调节器(206)输出具有低占空比的信号，如果所述可调信号中脉冲的数量小于所述预定值，所述调节器(206)输出具有高占空比的信号；

所述变换器(207)为电压变换器，用于根据所述时域信号生成驱动电压信号，并将所述驱动电压信号传送至所述频率控制器(208)；

所述频率控制器(208)，用于为所述第二振荡器(202)提供固定电压信号，所述第二振荡器(202)根据所述固定电压信号调整所述第二振荡频率，使得所述第二振荡频率和所述第一振荡频率具有固定的频率差；

所述压力传感器，用于测量舱室内的压力数据，并将所述压力数据提供给所述处理装置；以及

所述温度传感器，用于监测舱室的温度数据，且将所述温度数据提供给所述处理装置，

其中所述处理装置对所述返回信号、所述压力数据和所述温度数据进行处理后，提供给控制站。

2.如权利要求1所述的雷达式监控装置，其特征在于，所述返回信号接收装置通过所述功率分配装置接收信号，所述返回信号接收装置包括第一通路和第二通路，通过所述第一通路和所述第二通路的相位差来计算所述液面的高度。

3.如权利要求2所述的雷达式监控装置，其特征在于，

所述第一通路包括对从所述频率调节装置接收的发射信号和从所述功率分配装置接收的返回信号进行频率混合的第一频率混合器；

第二通路包括对从所述频率调节装置接收的发射信号和从所述功率分配装置接收的返回信号进行频率混合的第二频率混合器、以及对所述发射信号进行移相的移相器。

4.如权利要求3所述的雷达式监控装置，其特征在于，所述雷达式监控装置还包括处理电路，所述处理电路接收所述第一频率混合器和所述第二频率混合器的输出信号。

5.如权利要求4所述的雷达式监控装置，其特征在于，所述处理电路包括与所述第一频率混合器和所述第二频率混合器分别对应的低通滤波器和放大器，用于改进雷达式监控装置的信噪比。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的雷达式监控装置，其特征在于，所述雷达式监控装置还包括相位差计算单元，所述相位差计算单元根据所述第一通路和所述第二通路输出的信号来确定发射信号和返回信号之间的相位差，从而根据所述相位差来确定所述液面的高度。

7.一种用于平台液位遥测系统的雷达式监控装置的监控方法，所述方法应用于权利要求1-6任一所述的装置中，其特征在于，包括：

生成脉冲信号；

对所述脉冲信号进行调频；

将调频后的发射信号通过功率分配装置传输至雷达式监控装置的天线，从而进行发送；

将所述发射信号和液面的返回信号进行频率混合生成第一混合信号，并且将所述发射信号进行移相后与所述液面的返回信号进行频率混合生成第二混合信号，

通过所述第一混合信号和所述第二混合信号来确定发射信号和返回信号的相位差，从而计算所述液面的高度；其中，

所述生成脉冲信号，包括：

第一振荡器根据第一振荡频率产生第一脉冲信号；第二振荡器根据第二振荡频率产生第二脉冲信号；

对所述脉冲信号进行调频，包括：

比较器将所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号转换成可调信号，并且将所述可调信号发送至计数器；

计数器将可调信号中脉冲的数量与预定值相比较得到比较结果信号，以使根据所述比较结果信号调整所述第二振荡频率，使得所述第二振荡频率和所述第一振荡频率具有固定的频率差。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括对所述第一混合信号和所述第二混合信号进行低通滤波和放大处理，用于改进雷达式监控装置的信噪比。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过预定的数据格式将所述雷达式监控装置检测的信号传输至控制站。

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