CN112414511A - 一种雷达液位计 - Google Patents

Abstract

本发明提供的雷达液位计，应用于测控技术领域，该雷达液位计包括集成射频电路、模数转换电路，控制器，且集成射频电路集成信号处理电路、发射天线，以及接收天线。信号处理电路将控制器发送的驱动信号转换为预设频率的发射信号，由发射天线发出，接收天线接收回波信号后，信号处理电路基于发射信号和回波信号生成差频频率信号，并由模数转换电路进行模数转换得到差频数字信号，控制器对所得差频数字信号进行FFT分析，并基于FFT分析结果确定液位高度。本发明采用集成射频电路取代现有技术中分散独立设置的喇叭天线，以及相应的信号发射装置和信号接收装置，有效提高雷达液位计的产品集成度，简化整体的电路布局，从而有效降低硬件成本。

Description

一种雷达液位计

技术领域

本发明涉及测控技术领域，特别涉及一种雷达液位计。

背景技术

雷达液位计是以时域反射原理为基础实现的液位测量设备，雷达液位计的脉冲发射装置发射的电磁脉冲信号以光速传播，当遇到被测介质表面时，雷达液位计的部分脉冲信号被反射而形成回波信号，回波信号沿相同路径返回到脉冲发射装置，由于雷达液位计与被测介质表面的距离同脉冲信号在二者之间的传播时间成正比，基于所得传播时间以及光速，即可计算得出液位高度。

然而，现有技术中的雷达液位计的电路结构复杂，集成度较低，不仅产品自身硬件成本高，而且还导致后期运维成本居高不下。

发明内容

本发明提供一种雷达液位计，简化雷达液位计的电路结构，提高产品集成度，从而降低整体硬件成本以及后期运维成本。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种雷达液位计，包括：集成射频电路、模数转换电路，以及控制器，其中，

所述集成射频电路集成信号处理电路、发射天线，以及接收天线；

所述信号处理电路接收所述控制器发送的驱动信号，并将所述驱动信号转换为预设频率的发射信号；

所述发射天线发送所述发射信号；

所述接收天线接收与所述发射信号对应的回波信号；

所述信号处理电路基于所述发射信号和所述回波信号生成差频频率信号；

所述模数转换电路对所述差频频率信号进行模数转换，得到与所述差频频率信号对应的差频数字信号；

所述控制器对所述差频数字信号进行FFT分析，并基于FFT分析结果确定液位高度。

可选的，本发明提供的雷达液位计，还包括：中频放大电路，其中，

所述中频放大电路放大所述差频频率信号的功率，得到放大后的差频频率信号；

相应的，所述模数转换电路对所述放大后的差频频率信号进行模数转换，得到与所述放大后的差频频率信号对应的差频数字信号。

可选的，所述控制器包括数字摄像头接口，其中，

所述数字摄像头接口用于接收所述差频数字信号。

可选的，所述模数转换电路包括AD9224集成芯片。

可选的，所述控制器还用于分别向所述AD9224集成芯片以及所述数字摄像头接口发送预设频率的驱动脉冲。

可选的，所述控制器还用于向所述数字摄像头接口发送行同步脉冲信号和场同步脉冲信号；

其中，所述行同步脉冲信号和所述场同步脉冲信号用于控制所述数字摄像头接口的工作状态。

可选的，所述驱动信号为幅值在预设范围内变化的三角波信号。

可选的，所述信号处理电路包括：压控振荡器、复制器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器，以及第一混频器，其中，

所述压控振荡器接收所述驱动信号，并按照预设的电压与信号频率之间的对应关系，将所述驱动信号转换为相应频率的震荡波；

所述复制器将所述震荡波复制为第一震荡波和第二震荡波；

所述第一功率放大器对所述第一震荡波进行功率放大，得到发射信号；

所述第二功率放大器对所述第二震荡波进行功率放大，得到第一参考信号；

所述第三功率放大器对所述回波信号进行功率放大，得到放大后的回波信号；

所述第一混频器基于所述第一参考信号和所述放大后的回波信号生成第一差频频率信号。

可选的，所述信号处理电路还包括：移相器和第二混频器，其中，

所述移相器对所述第一参考信号进行移相处理，得到第二参考信号；

所述第二混频器基于所述第二参考信号和所述放大后的回波信号生成第二差频频率信号。

可选的，所述控制器对目标差频数字信号进行FFT分析，并基于FFT分析结果确定液位高度；

其中，所述目标差频数字信号基于所述第一差频频率信号和所述第二差频频率信号得到。

本发明提供的雷达液位计，包括集成射频电路、模数转换电路，以及控制器，且集成射频电路集成信号处理电路、发射天线，以及接收天线。信号处理电路将控制器发送的驱动信号转换为预设频率的发射信号，并由发射天线发出，在接收天线接收与发射信号对应的回波信号后，信号处理电路基于所得发射信号和回波信号生成差频频率信号，并由模数转换电路对差频频率信号进行模数转换，得到与差频频率信号对应的差频数字信号，最后，控制器对所得差频数字信号进行FFT分析，并基于FFT分析结果确定液位高度。

在本发明提供的雷达液位计中，采用集成射频电路取代现有技术中分散独立设置的喇叭天线，以及相应的信号发射装置和信号接收装置，有效提高了雷达液位计的产品集成度，简化整体的电路布局，从而有效降低硬件成本。

进一步的，发射信号和回波信号都属于高频信号，由集成射频电路完成高频信号的处理，本发明中集成射频电路以外的其他构成部分不再涉及高频信号的处理，可以降低电路的设计难度，以及后期的维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种雷达液位计的结构框图；

图2是本发明实施例提供的雷达液位计的测距原理图；

图3是本发明实施例提供的另一种雷达液位计的结构框图；

图4是本发明实施例提供的集成射频电路的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

可选的，参见图1，图1是本发明实施例提供的一种雷达液位计的结构框图，本发明实施例提供的雷达液位计包括：集成射频电路10、模数转换电路20，以及控制器30，其中，

集成射频电路10具体集成有发射天线110、接收天线120，以及信号处理电路130。如图1所示，控制器30的驱动信号输出端与信号处理电路130的第一输入端相连，信号处理电路130的第一输出端与发射天线110相连。在具体应用时，控制器30向信号处理电路130发送驱动信号，信号处理电路130通过第一输入端接收到控制器30发送的驱动信号之后，将所得驱动信号转换为预设频率的发射信号，并经第一输出端发送给发射天线110，由第一发射天线110发送该发射信号。

可选的，本发明实施例以及后续各个实施例中的控制器30所发送的脉冲信号均为幅值在预设范围内变化的三角波信号，比如幅值在0-3.3V之间变化的三角波信号。可以想到的是，三角波信号是周期性重复的，在每一个周期内，三角波信号的电压幅值均会完成0-3.3V的变化。对于三角波信号的具体形式可以参照现有技术实现，此处不再赘述。

可选的，现有技术中雷达液位计所发生的发射信号大都频率不高，加之使用传统的喇叭天线，使得发射信号的波束角较大，一般在5-7°左右。为解决这一问题，本发明各个实施例提供的雷达液位计中的信号处理电路所生成的发射信号都属于超高频电磁脉冲信号，具体的频率应大于等于预设频率阈值。可以想到的是，对于具体的预设频率阈值的选取，需要结合具体的测量精度需求，以及所选用的具体硬件的硬件参数等来共同确定，比如，可以将预设频率阈值设置为120GHz等。本发明对于发射信号的具体频率，或者说，对于预设频率阈值的具体选取不做限定。

进一步的，信号处理电路130的第二输入端与接收电线120相连，接收天线120接收与前述发射信号对应的回波信号。基于现有技术中的雷达液位计的基本原理可知，雷达液位计发送的发射信号属于电磁脉冲信号，在遇到被测介质表面时会发生反射，从而形成回波信号。在本发明各个实施例提供的雷达液位计中，依然基于上述雷达液位计的基本原理实现。

信号处理电路130在得到回波信号后，进一步基于转换得到的发射信号和所得回波信号生成差频频率信号。对于根据发射信号和回波信号生成差频频率信号的具体算法，可以参照现有技术实现，本发明对此不做限定。

模数转换电路20的输入端与信号处理电路130的第二输出端相连，同时，模数转换电路20的输出端与控制器30的输入端相连。模数转换电路20接收信号处理电路130反馈的差频频率信号，并对差频频率信号进行模数转换，进而得到与所得差频频率信号对应的差频数字信号。

可选的，如前所述，本发明实施例提供的雷达液位计发送的发射信号属于超高频的电磁脉冲信号，基于发射信号得到的差频频率信号同样也属于超高频的信号，进而导致与差频频率信号对应的差频数字信号对带宽的要求较高，为了保证控制器30有效、完整的接收差频数字信号，控制器30可设置数字摄像头接口，利用数字摄像头接口具有足够带宽的特征，完成对差频数字信号的接收。需要说明的是，控制器还可以采用其他能够满足带宽要求的接口接收差频数字信号，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样都属于本发明保护的范围内。

可选的，对于模数转换电路20，具体可以采用AD9224集成芯片实现。相应的，在控制器30设置数字摄像头接口、模数转换电路20采用AD9224集成芯片实现的情况下，控制器30还需要分别向AD9224集成芯片以及数字摄像头接口发送预设频率的驱动脉冲。AD9224集成芯片在实际应用中需要脉冲信号的驱动，每接收到一个驱动脉冲采集一次数据，如果驱动脉冲的频率达到1MHz，则可以控制AD9224集成芯片在1秒钟内采集1M的数据。相应的，如此大的数据传输量，控制器30必须设置有数字摄像头接口才能满足数据传输要求。而数字摄像头接口同样也是需要脉冲驱动的，并且同样是一个驱动脉冲获取一个数据。

进一步的，控制器30还会向数字摄像头接口发送行同步脉冲信号和场同步脉冲信号，通过行同步脉冲信号和场同步脉冲信号控制数字摄像头接口的工作状态，消除与驱动信号相对应的不稳定数据，控制无效的行消隐信号和场消隐信号。对于控制器对于数字摄像头接口的其他控制过程，可以参照现有技术实现，此处不再赘述。

在控制器30得到差频数字信号之后，即可对差频数字信号进行FFT分析，并最终基于FFT分析结果确定液位高度。

可选的，控制器30可以选用带有数字信号处理器DSP的单片机实现，比如，选用型号为STM32F407的单片机。预设有DSP的控制器具有更为强大的数据处理能力，能够有效加快最终的液位高度确定过程，而且不需要设置单独的DSP芯片，有助于提高产品整体的集成度。

基于雷达液位计的基本原理可知，雷达液位计实现距离测量的关键是得到发射信号与接收到发射回波的时间差Δt，Δt乘以光速就是电磁脉冲信号自发射天线至被测介质表面之间往返双程的距离。具体的，参见图2，图2是本发明实施例提供的雷达液位计的测距原理图，对于确定的雷达液位计而言，发射信号的频段和变化时间都是确定的，因此，图1中的发射信号频率曲线和回波信号频率曲线的斜率是可以明确获知的，并且二者是一致的。因此，要得到发射信号与接收到的回波信号之间的时间差Δt，先得到图2所示中某一时刻的频差Δf即可。

基于上述内容，在得到差频数字信号之后，基于现有技术中的FFT分析技术，即可确定上述频差Δf，进而得到发射天线至被测介质表面之间往返双程的距离，该距离的一半，即为雷达液位计发射天线至被测介质表面的距离。

可以想到的是，在实际应用中，雷达液位计距离被测介质底部，即容器底部的总距离是已知的，用总距离减去雷达液位计发射天线至被测介质表面的距离，所得之差即为被测介质的液位高度。

综上所述，本发明提供的雷达液位计，包括集成射频电路、模数转换电路，以及控制器，且集成射频电路集成信号处理电路、发射天线，以及接收天线。信号处理电路将控制器发送的驱动信号转换为预设频率的发射信号，并由发射天线发出，在接收天线接收与发射信号对应的回波信号后，信号处理电路基于所得发射信号和回波信号生成差频频率信号，并由模数转换电路对差频频率信号进行模数转换，得到与差频频率信号对应的差频数字信号，最后，控制器对所得差频数字信号进行FFT分析，并基于FFT分析结果确定液位高度。

在本发明提供的雷达液位计中，采用集成射频电路取代现有技术中分散独立设置的喇叭天线，以及相应的信号发射装置和信号接收装置，有效提高了雷达液位计的产品集成度，简化整体的电路布局，从而有效降低硬件成本。

进一步的，发射信号和回波信号都属于高频信号，由集成射频电路完成高频信号的处理，本发明中集成射频电路以外的其他构成部分，比如模数转换电路以及控制器等构成部分，不再涉及高频信号的处理，可以降低电路的设计难度，以及后期的维护成本。

可选的，在实际应用中，为了进一步增强数据处理效果，便于模数转换电路对差频频率信号的处理，在信号处理电路生成差频频率信号之后，还可以对所得差频频率信号进行放大处理，确保模数转换电路能够得到更为清晰的差频频率信号。

基于上述内容，参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种雷达液位计的结构框图，在图2所示实施例的基础上，本实施例提供的雷达液位计还包括：中频放大电路40，其中，

中频放大电路40的输入端与信号处理电路130的第二输出端相连，中频放大电路40的输出端与模数转换电路20的输入端相连，中频放大电路40放大所得差频频率信号的功率，进而得到放大后的差频频率信号。

需要说明的是，对于中频放大电路40的具体电路拓扑构成，可以参照现有技术实现，任何能够实现对输入的电磁脉冲信号进行功率放大的电路都是可选的，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样都属于本发明保护的范围内。

相应的，模数转换电路20会对放大后的差频频率信号进行模数转换，得到与放大后的差频频率信号对应的差频数字信号。

还需要说明的是，对于本发明实施例提供的雷达液位计的其他构成部分的作用，以及各个构成部分之间的连接关系，均可以参照图1所示实施例实现，此处不再复述。

下面对上述各个实施例提供的雷达液位计中使用的信号处理电路的可选构成进行介绍。

可选的，参见图4，图4是本发明实施例提供的集成射频电路的结构框图，本发明各实施例述及的集成射频电路包括：压控振荡器1301、复制器1302、第一功率放大器1303、第二功率放大器1304、第三功率放大器1305，以及第一混频器1306，其中，

压控振荡器1301的输入端作为信号处理电路的第一输入端与控制器的输出端相连，接收控制器输出的驱动信号。基于压控振荡器的基本原理可知，压控振荡器属于输出信号的频率与输入电压具有直接对应关系的振荡电路，因此，当控制器的驱动信号为周期发送的三角波信号时，压控振荡器1301能够按照预设的电压与信号频率之间的对应关系，将所得驱动信号转换为相应频率的震荡波。可以想到的是，通过控制器输出的三角波与压控振荡器的配合，本发明提供的雷达液位计是基于调频连续波的方式实现测距的。

压控振荡器1301的输出端与复制器1302的输入端相连，复制器1302将震荡波复制为第一震荡波和第二震荡波，并分别输送至与其相连的第一功率放大器1303和第二功率放大器1304。

第一功率放大器1303的输出端作为信号处理电路的第一输出端，与发射天线110相连。在第一功率放大器1303对第一震荡波进行功率放大后，所得放大后的第一震荡波即作为发射信号经由发射天线110发送出去。

第二功率放大器1304的输出端与第一混频器1306的第一输入端相连，将对第二震荡波进行功率放大后得到的放大后的第二震荡波作为第一参考信号发送给第一混频器1306。

进一步的，第三功率放大器1305的输入端作为信号处理电路的第二输入端与接收天线120相连，在接收到接收天线120反馈的回波信号后，对回波信号进行功率放大，得到放大后的回波信号。

第三功率放大器1305的输出端与第一混频器1306的第二输入端相连，将放大后的回波信号送入第一混频器1306。使得第一混频器1306基于第一参考信号和放大后的回波信号生成第一差频频率信号。

基于上述电路构成，最终得到的第一差频频率信号，即可作为上述各个实施例中用于计算液位高度所使用的差频频率信号。

可选的，在图4所示实施例中，信号处理电路还包括移相器1307和第二混频器1308，其中，

移相器1307的输入端与第二功率放大器1304的输出端相连，移相器1307的输出端与第二混频器1308的第一输入端相连，移相器1307对第一参考信号进行移相处理，比如移相90°，进而得到第二参考信号。

第二混频器1308的第二输入端与第三功率放大器1305的输出端相连，因此，第二混频器1308可以得到第二参考信号和放大后的回波信号，进而基于第二参考信号和放大后的回波信号生成第二差频频率信号。

在集成射频电路能够提供两组差频频率信号，即第一差频频率信号和第二差频频率信号的情况下，控制器需要基于第一差频频率信号和第二差频频率信号确定目标差频频率信号，并对目标差频数字信号进行FFT分析，最终确定液位高度。

可选的，如果第一差频频率信号和第二差频频率信号中有一个信号较强，则可以将信号较强的差频频率信号作为目标差频频率信号；如果第一差频频率信号和第二差频频率信号都很强，则可以将第一差频频率信号和第二差频频率信号的平均值作为目标差频频率信号。当然，不论如何选取目标差频频率信号，基于目标差频频率信号确定液位高度的过程都可参照上述实施例实现，此处不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种雷达液位计，其特征在于，包括：集成射频电路、模数转换电路，以及控制器，其中，

所述集成射频电路集成信号处理电路、发射天线，以及接收天线；

所述信号处理电路接收所述控制器发送的驱动信号，并将所述驱动信号转换为预设频率的发射信号；

所述发射天线发送所述发射信号；

所述接收天线接收与所述发射信号对应的回波信号；

所述信号处理电路基于所述发射信号和所述回波信号生成差频频率信号；

所述模数转换电路对所述差频频率信号进行模数转换，得到与所述差频频率信号对应的差频数字信号；

所述控制器对所述差频数字信号进行FFT分析，并基于FFT分析结果确定液位高度。

2.根据权利要求1所述的雷达液位计，其特征在于，还包括：中频放大电路，其中，

所述中频放大电路放大所述差频频率信号的功率，得到放大后的差频频率信号；

相应的，所述模数转换电路对所述放大后的差频频率信号进行模数转换，得到与所述放大后的差频频率信号对应的差频数字信号。

3.根据权利要求1所述的雷达液位计，其特征在于，所述控制器包括数字摄像头接口，其中，

所述数字摄像头接口用于接收所述差频数字信号。

4.根据权利要求3所述的雷达液位计，其特征在于，所述模数转换电路包括AD9224集成芯片。

5.根据权利要求4所述的雷达液位计，其特征在于，所述控制器还用于分别向所述AD9224集成芯片以及所述数字摄像头接口发送预设频率的驱动脉冲。

6.根据权利要求3所述的雷达液位计，其特征在于，所述控制器还用于向所述数字摄像头接口发送行同步脉冲信号和场同步脉冲信号；

其中，所述行同步脉冲信号和所述场同步脉冲信号用于控制所述数字摄像头接口的工作状态。

7.根据权利要求1-6任一项所述的雷达液位计，其特征在于，所述驱动信号为幅值在预设范围内变化的三角波信号。

8.根据权利要求7所述的雷达液位计，其特征在于，所述信号处理电路包括：压控振荡器、复制器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器，以及第一混频器，其中，

所述压控振荡器接收所述驱动信号，并按照预设的电压与信号频率之间的对应关系，将所述驱动信号转换为相应频率的震荡波；

所述复制器将所述震荡波复制为第一震荡波和第二震荡波；

所述第一功率放大器对所述第一震荡波进行功率放大，得到发射信号；

所述第二功率放大器对所述第二震荡波进行功率放大，得到第一参考信号；

所述第三功率放大器对所述回波信号进行功率放大，得到放大后的回波信号；

所述第一混频器基于所述第一参考信号和所述放大后的回波信号生成第一差频频率信号。

9.根据权利要求8所述的雷达液位计，其特征在于，所述信号处理电路还包括：

移相器和第二混频器，其中，

所述移相器对所述第一参考信号进行移相处理，得到第二参考信号；

所述第二混频器基于所述第二参考信号和所述放大后的回波信号生成第二差频频率信号。

10.根据权利要求9所述的雷达液位计，其特征在于，所述控制器对目标差频数字信号进行FFT分析，并基于FFT分析结果确定液位高度；

其中，所述目标差频数字信号基于所述第一差频频率信号和所述第二差频频率信号得到。

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