CN111765946A - 物位计、测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种物位计，包括天线，该天线包括：至少一个发射天线，用于形成发射波，其中发射波经由对象反射而形成回波；以及两个以上的接收天线，用于接收来自一个对象反射而形成的回波信号，其中两个以上的接收天线的波瓣角度设置为彼此不同，从而基于两个以上的接收天线所接收的回波信号的能量差值、以及回波信号的距离，来确定一个对象的角度。本公开还提供了一种测量方法及系统。

Description

物位计、测量方法及系统

技术领域

本公开涉及一种物位计、测量方法及系统。

背景技术

现有技术中，利用多接收天线所接收信号的距离差或相位差来对罐体内部的干扰物和物位进行区分，但是需要多个接收天线间隔开较远的距离，这样需要在罐体上设置多个开口，但是开口将会受到罐体开口面积的限制。

另外，现场中环境较为复杂，存在有粉尘(固体物料)和波浪(液体物料)等，这样对信号能量的要求很高。

因此，在现有技术中的方案，角度的分辨率差，例如两个接收天线情况下，为了得到较好的角度分辨率需要增加接收天线之间的距离，在10GHz能够分辨90度角的情况下，两个天线的间距要达到0.6m。天线增益和有效信号强度降低，例如，仅简单地增加天线的数量，在开口面积有限的情况下，天线的口径会随着天线数量增加成倍减少，从而降低天线的增益，降低雷达物位计接收信号的幅度，这样会大大降低雷达物位计的测量稳定性和可靠性，这也是多天线雷达物位计没有得到实际使用的原因。另外，天线布置只能测量单一方向的角度，无法测量全方向的物体角度。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种物位计、测量方法及系统。

根据本公开的一个方面，一种物位计，所述物位计包括天线，所述天线包括：

至少一个发射天线，用于形成发射波，其中所述发射波经由对象反射而形成回波；以及

两个以上的接收天线，用于接收来自一个对象反射而形成的回波信号，其中所述两个以上的接收天线的波瓣角度设置为彼此不同，从而基于所述两个以上的接收天线所接收的所述回波信号的能量差值、以及所述回波信号的距离，来确定所述一个对象的角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线同时接收所述回波信号，并且对所述两个以上的接收天线接收的所述回波信号同时进行处理，以得到所述能量差值。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线分时接收所述回波信号，并且对所述两个以上的接收天线接收的所述回波信号分时进行处理，以得到所述能量差值。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线的设置角度不同，而使得所述两个以上的接收天线的主波瓣角度彼此不同。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线为结构彼此不同的天线，而使得所述两个以上的接收天线的主波瓣角度彼此不同。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线为微带天线，并且所述两个以上的接收天线处于同一位置或不同位置，所述两个以上的接收天线的结构尺寸和/或角度不同。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于一条直线上。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线位于所述至少一个发射天线的同一侧或者两侧。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于相交直线上，并且在相交直线的交点或交点附近设置有发射天线。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于两条垂直的直线上。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括微波透镜，所述微波透镜用于会聚所述发射波的波束及所述回波的波束，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于所述微波透镜的一侧，而所述对象位于所述微波透镜的另一侧。

根据本公开的至少一个实施方式，所述微波透镜、与发射天线和接收天线之间不设置圆波导结构。

根据本公开的至少一个实施方式，所述微波透镜为一个微波透镜、或者为多个透镜形成的组合微波透镜。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括壳体，所述壳体与所述微波透镜构成容纳所述天线的防护空间。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线设置在所述微波透镜的焦面上。

根据本公开的至少一个实施方式，当所述两个以上的接收天线处于不同位置时，所述微波透镜能够改变接收天线的主波瓣角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线设置在一个印刷电路板上或者设置在多个印刷电路板上。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线设置在一个印刷电路板上，并且所述两个以上的接收天线的角度不同，或者所述两个以上的接收天线设置在多个印刷电路板上，并且所述多个印刷电路板的角度不同以使得所述两个以上的接收天线的角度不同。

根据本公开的至少一个实施方式，所述印刷电路板上设置有处理电路，所述处理电路基于时间飞行原理得到所述至少一个发射天线的发射波的发射时间与所述两个以上的接收天线接收的回波的接收时间之间的时间差，以便得到所述对象的测量点的信息。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线的发射波的频率为连续调整的频率。

根据本公开的至少一个实施方式，所述处理电路通过比较某时刻所述至少一个发射天线的发射波的频率与所述两个以上的接收天线接收的回波的频率来得到二者的频率差，以便得到所述对象的测量点的信息。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括微波收发处理模块，所述微波收发处理模块包括发射通路及接收通路，所述发射通路用于向所述至少一个发射天线提供发射信号，并且所述接收通路用于接收来自所述两个以上的接收天线的回波信号。

根据本公开的至少一个实施方式，所述发射通路与所述接收通路设置在所述微波收发处理模块的不同侧。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线中包括：与所述至少一个发射天线的极化方向相同的接收天线，以及与所述至少一个发射天线的极化方向相反的接收天线。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括吹扫部，所述吹扫部设置在所述微波透镜的另一侧，用于保持所述微波透镜的另一侧清洁。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括角度测量部，所述角度测量部用于测量所述物位计的倾斜角度，以便基于测量的所述倾斜角度来得到发射波及回波的实际角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线重复地形成发射波，并且两个以上的接收天线重复地接收回波信号，以便对对象的测量点进行实时测量。

根据本公开的至少一个实施方式，所述波瓣角度为主波瓣角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述发射天线的数量为三个，所述接收天线的数量为四个，通过所述发射天线和所述接收天线的组合来实现收发，以提高角度分辨率。

根据本公开的至少一个实施方式，所述一个对象为物料容纳装置中存在的干扰物。

根据本公开的至少一个实施方式，至少一个发射天线的发射波经由包括干扰物和物料的对象反射后，通过所述两个以上的接收天线接收反射后的回波信号，通过所述两个以上的接收天线接收的回波信号之间的相位差，来确定回波信号是否为来自所述干扰物的反射后的回波信号。

根据本公开的至少一个实施方式，基于所述回波信号的相位差来确定干扰物的角度范围，并且基于所述回波信号的能量差来确定所述干扰物所处的角度。

根据本公开的另一方面，一种测量系统，包括：

如上所述的物位计；

显示装置，根据所述物位计的测量信息来实时更新所显示的信息；以及

通信装置，用于实现所述物位计与所述显示装置之间的双向通信。

根据本公开的再一方面，一种测量方法，包括：

通过至少一个发射天线形成发射波；

所述发射波经由一个对象反射后形成回波信号；

通过两个以上的接收天线接收所述回波信号，其中所述两个以上的接收天线的主波瓣角度设置为彼此不同；以及

基于所述两个以上的接收天线所接收的所述回波信号的能量差值、以及所述回波信号的距离，来确定所述一个对象所处的角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述一个对象为物料容纳装置中存在的干扰物。

根据本公开的至少一个实施方式，在基于能量差值及距离确定一个对象所处的角度之前，还包括：通过所述两个以上的接收天线接收的回波信号之间的相位差，来确定回波信号是否为来自所述干扰物的反射后的回波信号。

根据本公开的至少一个实施方式，基于所述回波信号的相位差来确定所述干扰物的角度范围，并且基于所述回波信号的能量差来确定所述干扰物所处的角度。

根据本公开的又一方面，一种物位计，所述物位计包括微带天线及微波透镜，所述微带天线包括至少一个发射天线和两个以上的接收天线：

所述至少一个发射天线，用于形成发射波，其中所述发射波经由对象反射而形成回波，

所述两个以上的接收天线，用于接收来自一个对象反射而形成的回波信号，通过所述两个以上的接收天线接收的回波信号之间的相位差，来确定所述回波信号是否为来自作为干扰物的一个对象的反射后的回波信号，

所述微波透镜用于会聚所述发射波的波束及所述回波的波束，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于所述微波透镜的一侧，而所述对象位于所述微波透镜的另一侧。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线同时接收所述回波信号，并且对所述两个以上的接收天线接收的所述回波信号同时进行处理。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线分时接收所述回波信号，并且对所述两个以上的接收天线接收的所述回波信号分时进行处理。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线的设置角度不同。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线为结构彼此不同的天线。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线处于不同位置，所述两个以上的接收天线的结构尺寸和/或角度不同。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于一条直线上。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线位于所述至少一个发射天线的同一侧或者两侧。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于相交直线上，并且在相交直线的交点或交点附近设置有发射天线。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于两条垂直的直线上。

根据本公开的至少一个实施方式，所述微波透镜、与发射天线和接收天线之间不设置圆波导结构。

根据本公开的至少一个实施方式，所述微波透镜为一个微波透镜、或者为多个透镜形成的组合微波透镜。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括壳体，所述壳体与所述微波透镜构成容纳所述微带天线的防护空间。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线设置在所述微波透镜的焦面上。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线设置在一个印刷电路板上或者设置在多个印刷电路板上。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线设置在一个印刷电路板上，并且所述两个以上的接收天线的角度不同，或者所述两个以上的接收天线设置在多个印刷电路板上，并且所述多个印刷电路板的角度不同以使得所述两个以上的接收天线的角度不同。

根据本公开的至少一个实施方式，所述印刷电路板上设置有处理电路，所述处理电路基于时间飞行原理得到所述至少一个发射天线的发射波的发射时间与所述两个以上的接收天线接收的回波的接收时间之间的时间差，以便得到所述对象的测量点的信息。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线的发射波的频率为连续调整的频率。

根据本公开的至少一个实施方式，所述处理电路通过比较某时刻所述至少一个发射天线的发射波的频率与所述两个以上的接收天线接收的回波的频率来得到二者的频率差，以便得到所述对象的测量点的信息。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括微波收发处理模块，所述微波收发处理模块包括发射通路及接收通路，所述发射通路用于向所述至少一个发射天线提供发射信号，并且所述接收通路用于接收来自所述两个以上的接收天线的回波信号。

根据本公开的至少一个实施方式，所述发射通路与所述接收通路设置在所述微波收发处理模块的不同侧。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线中包括：与所述至少一个发射天线的极化方向相同的接收天线，以及与所述至少一个发射天线的极化方向相反的接收天线。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括吹扫部，所述吹扫部设置在所述微波透镜的另一侧，用于保持所述微波透镜的另一侧清洁。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括角度测量部，所述角度测量部用于测量所述物位计的倾斜角度，以便基于测量的所述倾斜角度来得到发射波及回波的实际角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一个发射天线重复地形成发射波，并且两个以上的接收天线重复地接收回波信号，以便对对象的测量点进行实时测量。

根据本公开的至少一个实施方式，所述两个以上的接收天线的波瓣角度设置为彼此不同，从而基于所述两个以上的接收天线所接收的所述回波信号的能量差值、所述回波信号的距离、以及基于回波信号之间的相位差得到的角度范围，来确定所述一个对象的角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述波瓣角度为主波瓣角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述发射天线的数量为三个，所述接收天线的数量为四个，通过所述发射天线和所述接收天线的组合来实现收发，以提高角度分辨率。

根据本公开的又一方面，一种测量系统，包括：

如上所述的物位计；

显示装置，根据所述物位计的测量信息来实时更新所显示的信息；以及

通信装置，用于实现所述物位计与所述显示装置之间的双向通信。

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为根据本公开一个实施方式的发射天线和接收天线分布示意图。

图2为根据本公开一个实施方式的发射天线与接收天线分布示意图。

图3为根据本公开一个实施方式的发射天线与接收天线分布示意图。

图4为根据本公开一个实施方式的接收天线回波信号的能量差示意图。

图5为根据本公开一个实施方式的物位计的示意图。

图6为根据本公开一个实施方式的微波透镜的示意图。

图7为根据本公开一个实施方式的物位计的整体示意图。

图8为根据本公开一个实施方式的微波收发处理模块示意图。

图9为根据本公开一个实施方式的微波收发处理模块处理示意图。

图10为根据本公开一个实施方式的相位差处理方式示意图。

图11为根据本公开一个实施方式的相位差处理方式示意图。

图12为根据本公开一个实施方式的测量系统示意图。

图13为根据本公开一个实施方式的测量方法的流程图。

图14为根据本公开一个实施方式的测量方法的流程图。

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的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

为了描述性目的，本公开可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。

这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

根据本公开的第一实施方式，提供了一种物位计，该物位计可以包括至少一个发射天线和两个以上的接收天线。

发射天线用于形成发射波，其中发射波经由对象反射而形成回波。

接收天线，用于接收来自一个对象反射而形成的回波信号，其中两个以上的接收天线的波瓣角度设置为彼此不同，从而基于两个以上的接收天线所接收的回波信号的能量差值、以及回波信号的距离，来确定一个对象的角度。

在本公开的一个实施例中，发射天线的数量可以为一个，接收天线的数量可以为两个。如图1a所示，两个接收天线可以位于发射天线的一侧，如图1b所示，两个接收天线可以位于发射天线的两侧。

在本公开的一个实施例中，发射天线的数量可以为一个，而接收天线的数量可以为四个，并且优选地，如图1c所示，可以在发射天线的两侧各设置两个接收天线。当然，接收天线也可以采用其他方式进行布置。

在本公开的一个优选实施方式中，发射天线的数量可以为三个，并且接收天天线的数量可以为四个。

在本公开中，每个发射天线的发射波所形成的回波均可以由每个接收天线所接收，也就是说，每个发射天线均与每个接收天线形成一个收发天线单元。作为实例，在三个发射天线和四个接收天线的情况下，将会形成12个收发天线单元，例如图2所示。

在罐体应用的情况下，多个接收天线可以在罐体的直径方向上分布。接收天线和发射天线可以设在一排的方向上，这样可以更好地区分相位和角度等。

两个以上的接收天线同时接收回波信号，并且对两个以上的接收天线接收的回波信号同时进行处理，以得到能量差值。

两个以上的接收天线分时接收回波信号，并且对两个以上的接收天线接收的回波信号分时进行处理，以得到能量差值。

例如对于反射情况固定的对象，可以采用分时的方法，在分时方法中，可以分时复用天线及信号处理电路进行计算等。

例如对于反射情况不稳定的对象，例如波动的液体或者移动的物体，这时多个接收天线同时工作，同时接收信号，同时进行信号的放大和采集。

至少一个发射天线与两个以上的接收天线为微带天线，并且两个以上的接收天线处于同一位置或不同位置，两个以上的接收天线的结构尺寸和/或角度不同。

在本公开中，采用一个或多个发射天线以及多个接收天线，可以有效地增强本公开的物位计的角度分辨能力。发射天线和接收天线可以在一条直线上，例如图3a所示，这样可以在该条直线上增强角度分辨能力。发射天线与接收天线位于相交直线上，在相交直线的交点或交点附近可以设置有发射天线，例如图3b所示，这样可以在相交的直线上增强角度分辨能力。其中，该相交的直线可以为相互垂直的直线。

各个接收天线的波瓣角度设置为彼此不同，从而基于两个以上的接收天线所接收的回波信号的能量差值、以及回波信号的距离，来确定一个对象的角度。

在本公开中，优选地，可以将各个接收天线的主波瓣角度设置为彼此不同，但是可以将包括主波瓣和副波瓣的波瓣角度设置为不同，下面将以主波瓣为例进行说明，但是副波瓣的情况也可以是相同的。

将波瓣角度设置为彼此不同可以通过以下方式来实现，例如通过调整接收天线的角度；通过使用不同结构或尺寸的接收天线等。

图3中以两个接收天线为例，示出了两个天线的主波瓣角度设置为不同时，基于两个接收天线所接收的回波信号的能量差值。

将一个接收天线的等能量点连接起来构成等能量曲线，例如图3中所示的0db等能量曲线、5db等能量曲线、10db等能量曲线、15db等能量曲线、20db等能量曲线、25db等能量曲线。该等能量曲线为距离和天线轴角度的函数。一般距离越远能量越弱，角度越偏离中心能量越弱。

在本公开中，可以使用微带天线来作为接收天线，因此两个微带天线之间的距离可以设置为很近，但是两个接收天线的角度不同，这样两个接收天线的等能量曲线会进行相交。

两个接收天线的能量相等的等能量曲线相交，构成c0db点。也就是在该点进行反射时，两个接收天线接收到的能量基本相等。

接收天线2与接收天线1的等能量曲线相交，且接收天线2的等能量曲线比接收天线1的等能量曲线大5db时，构成c5db点。也就是该点反射回来的回波被两个接收天线接收到，接收天线2的能量信号比接收天线1的能量信号大5db。

接收天线2与接收天线1的等能量曲线相交，且接收天线2的等能量曲线比接收天线1的等能量曲线大10db时，构成c10db点。也就是该点反射回来的回波被两个接收天线接收到，接收天线2的能量信号比接收天线1的能量信号大10db。

同理，还可以形成c15db、c20db、c25db点。

下面以接收天线2的能量信号比接收天线1的能量信号大5db时形成c5db点为例进行说明，把所有的c5db点连在一起可以构成一条c5db线。也就是从这条线上的点反射的回波，2个接收天线都会有5db的能量差。

这样如果一个发射天线的发射波经过反射后，两个接收天线得到的回波能量差为5db，那么发射回波的物体的反射点就会处于c5db点的连线上，然后根据回波的距离D以及c5db点的连线，就可以得到发射点的位置，这样可以得到物体的反射点的角度。

其中上面的等能量曲线及能量差连线可以通过天线能量分布仿真得到，虽然在上面给出了主波瓣的等能量曲线，但是同样可以通过仿真得到副波瓣的等能量曲线，这样可以通过主波瓣与副波瓣、副波瓣与副波瓣之间的能量差来得到能量差连线，其原理与主波瓣与主波瓣的情况相同，在此不再赘述。其中，波瓣角度差越大，主波瓣角度越小，幅度区分角度就越明显。在本公开中优选10GHz以上的高频信号。

天线能量增益为天线角度和距离的函数，当两个天线距离非常接近时，可以认为距离相等，因此天线能量增益认为与角度有关。

对于回波距离D的计算，可以基于时间飞行原理得到一个发射天线的发射波的发射时间与两个接收天线接收的回波的接收时间之间的时间差，以便得到物体的测量点的距离。

此外发射天线的发射波的频率为连续调整的频率。通过比较某时刻发射天线的发射波的频率与两个接收天线接收的回波的频率来得到二者的频率差，以便得到物体的测量点的距离。

在本公开的进一步实施例中，例如图5所示，该物位计还包括微波透镜，微波透镜用于会聚发射波的波束及回波的波束，至少一个发射天线与两个以上的接收天线位于微波透镜的一侧，而被测对象位于微波透镜的另一侧。

在本公开的优选实施例中，在微带天线的下方布置该微波透镜，微带天线相对于微波透镜的位置不同，这样微带天线的波瓣就会在微波透镜的折射作用下而改变方向。

通过使用微波透镜可以把波束进行汇聚，将某个方向的反射波汇聚到一点，从而减少微带天线的尺寸。由于微波透镜具有汇聚作用，所以在透镜上方布置多个接收天线，增加微带天线的数量并不降低已经布置的微带天线的增益，从而实现天线增益与数量无关，达到增加天线数量，而不减少增益的目的，同时也可以减小物位计的尺寸。

微波透镜、与发射天线和接收天线之间可以不设置圆波导结构，这样发射天线的发射波直接到达微波透镜，并且回波经微波透镜折射后直接到达接收天线。

微波透镜为一个微波透镜、或者为多个透镜形成的组合微波透镜。

微波透镜设置成能够被微波穿透并且可以改变微波的方向。

微波透镜可以由陶瓷或塑料等材料制成，其介电常数可以是均匀的，也可以为不均匀的。在本公开中，微波透镜的介电常数可以大于1，其可以被微波穿透，并且采用损耗小的材料制成，例如陶瓷或塑料等。

图6示出了微波透镜的几种形式，图6所示的形式仅仅作为示例，本公开并不限定于图6所示的形式。例如，微波透镜可以为中间厚外侧薄的凸透镜的结构、微波透镜可以为外侧厚中间薄的凹透镜的结构，微波透镜可以为一面是曲面而另一面为平面的结构，微波透镜可以为两面都为曲面的结构。曲面可以为球面或椭圆球面，也可以为多个曲面组合的形式。微波透镜可以为实心透镜也可以为空心透镜的形式。

另外，微波透镜可以包括一个微波透镜，也可以是两个以上微波透镜的组合。一个微波透镜和微波透镜组合的目的均是为了使得发射波束和回波波束进行会聚。

多个微带天线设置在微波透镜的焦面上。当在一个微带天线在微波透镜的一侧发射微波波束时，可以通过微波透镜在微波透镜的另一侧形成会聚的微波波束。

处于微波透镜的相应位置处的微带天线所发射的微波波束均可以被微波透镜进行会聚，每个微波透镜所处的位置可以在微波透镜的焦点处，而这些焦点所形成的面可以被称为微波透镜的焦面。

另外，可以对微波透镜进行设置，使得微波透镜的焦面为一个平面或者为一个曲面。通过将微带天线设置在微波透镜的焦面上，可以使得接收天线所接收的微波反射波束的能量达到最强。

根据本公开的物位计，还可以包括壳体，壳体与微波透镜构成容纳天线的防护空间。

图7示出了根据本公开的一个实施方式的雷达物位计的示意图。

如图7所示，物位计10可以包括微波电路板100、微波透镜200和天线壳体300。

微波电路板100上设置有微带天线。在本公开的一个实施例中，微波电路板设置在微波透镜的焦面上或焦面附近。微波电路板100上设置的微带天线至少包括一个用作发射天线的微带天线和两个用作接收天线的微带天线。

本公开的物位计还包括附加电路板400，附加电路板400至少包括对外部电源输入的电压进行调制的电压调制电路。附加电路板400设置在与天线腔室不同的另一腔室中，并且微波电路板100与附加电路板400电连接。电连接500为导线连接或插接件连接，并且微波电路板100不被灌封，而附加电路板400则被灌封。

由于微波电路板100与附加电路板400位于不同的腔室中，因此可以避免微波电路板100的复杂灌封工艺，而且通过将微波电路板100密封至天线腔室中，也可以省略原有设计中的屏蔽外壳和圆波导设计，这样根据本公开的结构简单并且可靠性高。

本公开中的微带天线可以是在印刷电路板(PCB)上形成的天线。多个微带天线可以形成在一个印刷电路板上，也可以不在一个印刷电路板上。优选地，由下面描述的同一个微波收发处理模块的多个收发天线单元设置在一个印刷电路板上。

其中印刷电路板的形状可以根据微带天线的布置形状来设定，例如可以为平直形状(焦面为平面时)，也可以为弯曲形状(焦面为曲面时)。多个微带天线设置在一个印刷电路板上，并且多个微带天线的角度不同，或者多个微带天线设置在多个印刷电路板上，并且多个印刷电路板的角度不同以使得多个微带天线的角度不同。印刷电路板与设置在该印刷电路板上的微带天线所发射的微波发射波束垂直或接近垂直。

所述印刷电路板可被转动或移动，以便改变所述印刷电路板的微带天线发射的微波发射波束的发射角度或发射位置。所述印刷电路板的转动或移动为周期性的。

根据本公开的物位计，还包括微波收发处理模块，微波收发处理模块包括发射通路及接收通路，发射通路用于向至少一个发射天线提供发射信号，并且接收通路用于接收来自两个以上的接收天线的回波信号。发射通路与接收通路设置在微波收发处理模块的不同侧。

微波收发处理模块基于时间飞行原理得到发射天线的发射波波束的发射时间与接收天线接收回波的接收时间之间的时间差，以便得到对象测量点的信息。

发射天线发射的微波发射波束的频率为连续调整的频率。通过比较某时刻发射天线发射的微波发射波束的频率与接收天线接收的微波反射波束的频率来得到二者的频率差，以便得到对象测量点的信息。

在本公开的优选实施例中，微波收发处理模块为多收多发模块，也就是说一个模块包括多个发射通路及多个接收通路。如图8所示，接收通路与发射通路不设置在微波收发处理模块的同一侧，这样可以增加微波收发处理模块的接收与发送之间的隔离度。

图9示出了三个发射天线和四个接收天线使用一个多发多收微波收发处理模块的情况，通过微波收发处理模块的控制，可以得到发射天线数乘以接收天线数的数量的波束。在图9的示例中，例如测量40度范围内的对象时，通过更多的发射和接收天线的组合，可以有效地提高角度分辨率，这时的角度分辨率可以达到40/12。

本公开的物位计还包括吹扫部，吹扫部设置在微波透镜的另一侧，用于保持微波透镜的另一侧清洁。吹扫部设置在微波透镜的下方，可以通过压缩空气等保持微波透镜的清洁，以免灰尘等的干扰。

本公开的物位计还包括角度测量部，角度测量部用于测量物位计的倾斜角度，以便基于测量的倾斜角度来得到发射波及回波的实际角度。例如，当测量到物位计的倾斜角度后，然后根据每个天线本身相对于物位计的相对角度，从而得到每个天线的实际角度。这样在上面进行能量差的测量时，以及之后的相位差等的测量时可以使用该天线的实际角度。物位计还可以倾斜安装，物位计可以具有倾斜角度，并且通过传感器来测量倾斜角度。也可以由客户输入倾斜角度。测量或输入的倾斜角度之后，可以使用该角度信息更新天线的角度信息，以得到天线的波束目前实际的角度信息。其中测量倾斜角度的传感器可以为陀螺仪或者倾角计。

本公开的物位计中，至少一个发射天线重复地形成发射波，并且两个以上的接收天线重复地接收回波信号，以便对对象的测量点进行实时测量。

在本公开中，上述的对象可以为物料容纳装置(罐体)中存在的干扰物。例如，安装在罐壁上的干扰物等。当然本领域的技术人员应当理解，该对象也可以为某个部位的物料，也可以为其他物体等。下面，将以干扰物为例进行说明。

上面的方式中，通过波瓣角度设置不同的多个接收天线所接收的回波能量差来得到干扰物的角度。但是在实际的使用中，可以在使用能量差确定角度之前，可以预先得知干扰物大体所处的角度范围，从而判断回波信号处于哪个波瓣中，这样通过得知处于哪个波瓣中。例如以两个接收天线的情况为例进行说明。如果判断干扰物处于第一和第二接收天线的主波瓣中，则使用仿真得到等能量曲线和能量差连线来得到干扰物所处的角度，如果判断干扰物处于第一接收天线的主波瓣和第二接收天线的某个副波瓣中，则通过仿真得到的两个波瓣的等能量曲线和能量差连线来得到干扰物所处的角度，等等。这样可以避免在进行干扰物的角度判断时，使用错误的波瓣信息。

作为判断干扰物所处的角度范围的一种方式是采用相位法的方式，在该方式中，多个微带接收天线处于上述物位计中的不同位置，例如，当沿直线排列时，处于直线上的不同位置。

当发射天线形成发射波后，达到对象后经对象反射而形成回波，并且由不同的接收天线接收到。由于接收天线的位置不同，经由不同传播长度的回波信号将具有相位差，并且相位差与对象所处的方位角有关。因此通过相位差的判断来得到对象所处的角度范围。

在本公开中，至少一个发射天线的发射波经由包括干扰物和物料的对象反射后，干扰物所反射的回波被两个接收天线接收后，其相位差的差别明显大于物料所反射的回波被两个接收天线接收后的回波信号的相位差。通常，干扰物回波的相位差明显，而物料回波的相位差则基本不变。这样通过两个以上的接收天线接收反射后的回波信号，通过两个以上的接收天线接收的回波信号之间的相位差，来确定回波信号是否为来自干扰物的反射后的回波信号。从而基于回波信号的相位差来确定干扰物的角度范围，并且基于回波信号的能量差来确定干扰物所处的角度。

图10示出了一个发射天线及两个接收天线对干扰物的回波进行处理的情况，对于一个发射天线的发射波经由干扰物反射后形成的回波被两个接收天线接收到，接收天线一和接收天线二的回波的相位差如图10所示。当相位差明显时，可以判定为干扰物的回波，并且可以判断出干扰物所处的角度范围。

基于所判断出的角度范围，然后结合上面描述的能量差方式，可以准确地得到干扰物所处的具体角度。从而，根据本公开的方式，不仅可以区别出物料回波和干扰物回波，还可以准确地判断出干扰物的位置。

作为判断干扰物所处的角度范围的另一种方式可以利用接收天线的极化方向不同的方式。在该方式中，两个以上的接收天线中包括：与至少一个发射天线的极化方向相同的接收天线，以及与至少一个发射天线的极化方向相反的接收天线。

例如，图11示出了本公开的一种方式。发射天线和接收天线采用圆极化天线，例如发射天线为右旋极化，一个接收天线为左旋极化，而另一接收天线为右旋极化。右旋极化的发射天线的发射波为右旋极化，经过干扰物的反射后形成左旋极化的反射波，左旋极化的反射波经过罐壁反射后形成右旋极化的回波。如果经过物料反射时，则经过物料反射则形成左旋极化的回波。

左旋接收天线可以接收到很强信号的物料面反射回波，也能够接收到直接由干扰物形成的左旋回波，而右旋接收天线则能接收到很强的干扰物及罐壁的反射回波。

这样，通过极化方向不同的接收天线可以很好地区分物料面回波及干扰物回波，并且得到干扰物所处的角度范围(大致角度)。基于所判断出的角度范围，然后结合上面描述的能量差方式，可以准确地得到干扰物所处的具体角度。从而，根据本公开的方式，不仅可以区别出物料回波和干扰物回波，还可以准确地判断出干扰物的位置。

上面以圆极化天线进行了说明，但是本领域的技术人员应当理解，也可以采用垂直极化和水平极化的天线来得到相同的效果。

根据本公开的第二实施方式，提供了一种测量系统。

该测量系统包括上述的物位计、处理单元、中控单元，还可以包括供电单元、通讯单元、显示单元。

如图12所示，微波收发处理单元可以为微波收发处理模块，其可以是本振或VCO、混频器、功率放大器、低噪放大器等器件的集合。其可以提供微波发射用的信号源和微波接收信号的混频与放大，得到反射信息的回波模拟信号。

本振可以将本振信号分出一路信号来生成收发天线单元的反射信号，并且分出另一路信号提供至混频器，混频器还接收反射信号，并混频形成用于确定物位距离的混频信号。放大器用于对混频信号进行放大。

处理单元可以为数字计算模块的形式，其可以对混频信号进行AD采样，对采样后的数字信号进行FFT等运算得到频谱信息，通过频谱分析计算得到发射波束与物料面接触点的距离信息。

一个处理单元可以对应一个微波收发处理单元，也可以对应多个微波收发处理单元。即，一个处理单元可以计算一个点的距离，也可以计算多个点的距离。

基于时间飞行原理得到发射天线发射微波发射波束的发射时间与接收天线接收微波反射波束的接收时间之间的时间差，以便得到物料测量点的信息。

还包括运算单元或者处理单元作为运算单元，运算单元根据时间差来得到物料测量点的信息。

发射天线发射的微波发射波束的频率为连续调整的频率，通过比较某时刻发射天线发射的微波发射波束的频率与接收天线接收的微波反射波束的频率来得到二者的频率差，以便得到物料测量点的信息。运算单元根据频率差来得到物料测量点的信息。

中控单元负责控制各个处理单元和微波处理模块工作，并且收集处理单元的距离计算结果，然后根据预先设置的罐体信息、物料测量装置的安装位置信息、以及进出料口的位置信息、以及每个收发天线对应的波束的角度信息来计算干扰物位置信息、物料的形状、平均高度、以及物料总体积等信息。

供电单元负责给测量系统提供各种电压。通讯单元将中控单元的信息对外输出以及外部设置信息的输入。其中通讯单元可以通过有线方式也可以通过无线方式进行通讯。显示单元根据各个微波反射波束的信息来实时更新所显示的物料的信息。

测量系统还包括存储部，用于将多个所述微波反射波束的信息进行存储。

在上述的实施方式或实施例中，微带天线的位置为固定的。但是在本公开中，微带天线也可以是移动的。

根据本公开的第三实施方式，还提供了一种测量方法。例如参照图13，该测量方法可以包括步骤S10至步骤S40。其中该测量方法中发射天线与接收天线的设置测量方式等、微波透镜等均可以参照上面描述的物位计中的内容，物位计及测量系统的内容可以被全部引用，在此不再赘述。

在步骤S10中，通过至少一个发射天线形成发射波；

在步骤S20中，发射波经由一个对象反射后形成回波信号；

在步骤S30中，通过两个以上的接收天线接收回波信号，其中两个以上的接收天线的主波瓣角度设置为彼此不同。其中如上所述，也可以是波瓣角度的不同。

在步骤S40中，基于两个以上的接收天线所接收的回波信号的能量差值、以及回波信号的距离，来确定一个对象所处的角度。

在测量障碍物时，一个对象为物料容纳装置中存在的干扰物。

如图14所示，在基于能量差值及距离确定一个对象所处的角度之前，还包括步骤S31：通过两个以上的接收天线接收的回波信号之间的相位差，来确定回波信号是否为来自干扰物的反射后的回波信号。

在本方法中，可以基于回波信号的相位差来确定干扰物的角度范围，并且基于回波信号的能量差来确定干扰物所处的角度。通过这种方式，可以准确地得到对象的角度位置信息。

根据本公开的第四实施方式，为了对物位回波及干扰物进行区分，本公开提供了一种物位计，物位计包括微带天线及微波透镜，微带天线包括至少一个发射天线和两个以上的接收天线，至少一个发射天线，用于形成发射波，其中发射波经由对象反射而形成回波，两个以上的接收天线，用于接收来自一个对象反射而形成的回波信号，通过两个以上的接收天线接收的回波信号之间的相位差，来确定回波信号是否为来自作为干扰物的一个对象的反射后的回波信号，微波透镜用于会聚发射波的波束及回波的波束，至少一个发射天线与两个以上的接收天线位于微波透镜的一侧，而对象位于微波透镜的另一侧。

其中，该第四实施方式的物位计可以参照图5。在该实施方式中，可以利用不同位置的接收天线所接收的对象反射回波的相位差，可以判断出反射回波的对象角度，从而达到区分物位及干扰物的效果。并且在实际应用中，由于干扰物多位于罐体上，因此二者发射的回波相位并不相同，利用这种相位的不同来进行区分。

其中，关于发射天线与接收天线的内容可以参照本公开的第一实施方式中的描述，在该实施方式中相应地引用第一实施方式的具体内容。

可选地，两个以上的接收天线可以同时接收回波信号，并且对两个以上的接收天线接收的回波信号同时进行处理。两个以上的接收天线也可以分时接收回波信号，并且对两个以上的接收天线接收的回波信号分时进行处理。

在一个示例中，两个以上的接收天线的设置角度可以不同。

可选地，两个以上的接收天线可以为结构彼此不同的天线。两个以上的接收天线可以处于不同位置，两个以上的接收天线的结构尺寸和/或角度可以不同。

可选地，至少一个发射天线与两个以上的接收天线可以位于一条直线上。两个以上的接收天线可以位于至少一个发射天线的同一侧或者两侧。至少一个发射天线与两个以上的接收天线可以位于相交直线上，并且在相交直线的交点或交点附近可以设置有发射天线。至少一个发射天线与两个以上的接收天线可以位于两条垂直的直线上。

可选地，微波透镜、与发射天线和接收天线之间不设置圆波导结构。在圆波导结构的加工过程中精度要求过高，通过本公开的设置方式，可以在省略圆波导结构的情况下也能达到相应的效果，因此可以有效地降低成本等。

可选地，微波透镜可以为一个微波透镜、或者为多个透镜形成的组合微波透镜。还可以包括壳体，壳体与微波透镜天线构成容纳微带天线的防护空间。

可选地，至少一个发射天线与两个以上的接收天线天线设置在微波透镜的焦面上。

可选地，两个以上的接收天线可以设置在一个印刷电路板上或者设置在多个印刷电路板上。两个以上的接收天线可以设置在一个印刷电路板上，并且两个以上的接收天线的角度不同，或者两个以上的接收天线可以设置在多个印刷电路板上，并且多个印刷电路板的角度可以不同以使得两个以上的接收天线的角度不同。

可选地，印刷电路板上可以设置有处理电路，处理电路基于时间飞行原理得到至少一个发射天线的发射波的发射时间与两个以上的接收天线接收的回波的接收时间之间的时间差，以便得到对象的测量点的信息。

可选地，至少一个发射天线的发射波的频率为连续调整的频率。

可选地，处理电路可以通过比较某时刻至少一个发射天线的发射波的频率与两个以上的接收天线接收的回波的频率来得到二者的频率差，以便得到对象的测量点的信息。

可选地，还可以包括微波收发处理模块，微波收发处理模块包括发射通路及接收通路，发射通路用于向至少一个发射天线提供发射信号，并且接收通路用于接收来自两个以上的接收天线的回波信号。

可选地，发射通路与接收通路可以设置在微波收发处理模块的不同侧。

可选地，两个以上的接收天线中包括：与至少一个发射天线的极化方向相同的接收天线，以及与至少一个发射天线的极化方向相反的接收天线。

可选地，还包括吹扫部，吹扫部设置在微波透镜的另一侧，用于保持微波透镜的另一侧清洁。

可选地，还包括角度测量部，角度测量部用于测量物位计的倾斜角度，以便基于测量的倾斜角度来得到发射波及回波的实际角度。

可选地，至少一个发射天线重复地形成发射波，并且两个以上的接收天线重复地接收回波信号，以便对对象的测量点进行实时测量。

可选地，两个以上的接收天线的波瓣角度设置为彼此不同，从而基于两个以上的接收天线所接收的回波信号的能量差值、回波信号的距离、以及基于回波信号之间的相位差得到的角度范围，来确定一个对象的角度。这样通过相位差判断回回波信号处于哪个波瓣，通过模拟仿真得到的相关波瓣能量信息来基于能量差值得到准确的角度。

可选地，波瓣角度为主波瓣角度。如上所述，也可以为副波瓣的角度，其中可以通过主波瓣与主波瓣的等能量曲线、可以通过副波瓣与副波瓣的等能量曲线、还可以通过主波瓣与副波瓣的等能量曲线。在本公开中不做限定。优选地通过主波瓣与主波瓣的等能量曲线。

可选地，发射天线的数量为三个，接收天线的数量为四个，通过发射天线和接收天线的组合来实现收发，以提高角度分辨率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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 (10)

1.一种物位计，其特征在于，所述物位计包括天线，所述天线包括：

至少一个发射天线，用于形成发射波，其中所述发射波经由对象反射而形成回波；以及

两个以上的接收天线，用于接收来自一个对象反射而形成的回波信号，其中所述两个以上的接收天线的波瓣角度设置为彼此不同，从而基于所述两个以上的接收天线所接收的所述回波信号的能量差值、以及所述回波信号的距离，来确定所述一个对象的角度。

2.如权利要求1所述的物位计，其特征在于，所述两个以上的接收天线同时接收所述回波信号，并且对所述两个以上的接收天线接收的所述回波信号同时进行处理，以得到所述能量差值。

3.如权利要求1所述的物位计，其特征在于，所述两个以上的接收天线分时接收所述回波信号，并且对所述两个以上的接收天线接收的所述回波信号分时进行处理，以得到所述能量差值。

4.如权利要求1所述的物位计，其特征在于，所述两个以上的接收天线的设置角度不同，而使得所述两个以上的接收天线的主波瓣角度彼此不同。

5.如权利要求1所述的物位计，其特征在于，所述两个以上的接收天线为结构彼此不同的天线，而使得所述两个以上的接收天线的主波瓣角度彼此不同。

6.一种测量系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至5中任一项所述的物位计；

显示装置，根据所述物位计的测量信息来实时更新所显示的信息；以及

通信装置，用于实现所述物位计与所述显示装置之间的双向通信。

7.一种测量方法，其特征在于，包括：

通过至少一个发射天线形成发射波；

所述发射波经由一个对象反射后形成回波信号；

通过两个以上的接收天线接收所述回波信号，其中所述两个以上的接收天线的主波瓣角度设置为彼此不同；以及

基于所述两个以上的接收天线所接收的所述回波信号的能量差值、以及所述回波信号的距离，来确定所述一个对象所处的角度。

8.一种物位计，其特征在于，所述物位计包括微带天线及微波透镜，所述微带天线包括至少一个发射天线和两个以上的接收天线：

所述至少一个发射天线，用于形成发射波，其中所述发射波经由对象反射而形成回波，

所述两个以上的接收天线，用于接收来自一个对象反射而形成的回波信号，通过所述两个以上的接收天线接收的回波信号之间的相位差，来确定所述回波信号是否为来自作为干扰物的一个对象的反射后的回波信号，

所述微波透镜用于会聚所述发射波的波束及所述回波的波束，所述至少一个发射天线与所述两个以上的接收天线位于所述微波透镜的一侧，而所述对象位于所述微波透镜的另一侧。

9.如权利要求8所述的物位计，其特征在于，所述两个以上的接收天线的波瓣角度设置为彼此不同，从而基于所述两个以上的接收天线所接收的所述回波信号的能量差值、所述回波信号的距离、以及基于回波信号之间的相位差得到的角度范围，来确定所述一个对象的角度。

10.一种测量系统，其特征在于，包括：

如权利要求8或9所述的物位计；

显示装置，根据所述物位计的测量信息来实时更新所显示的信息；以及

通信装置，用于实现所述物位计与所述显示装置之间的双向通信。

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