CN112985540A - 基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，包括：电子学单元，设置于待测液位的容器外，用于产生发射信号；同轴电缆，与所述电子学单元连接，用于将所述发射信号传输至设置于待测液位的容器内的同轴导波杆；所述同轴导波杆基于频域反射原理产生回波信号返回至所述电子学单元，进而获得待测液位的高度信息。能够实现电子学与雷达探头的异地安装，电子学远离高温高压高辐照容器，提高了设备工作的可靠性；在低频应用中容易实现较大的系统带宽，提高测量精度，同时有利于设备小型化；采用门控开关对发射和接收通道进行控制，实现了较大的系统收发隔离度；采用高通滤波器有效抑制直达波信号，能够防止中频放大器饱和。

Description

基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计

技术领域

本公开涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计。

背景技术

目前核动力装置上的高温高压容器如稳压器、蒸汽发生器的水位均采用压力原理进行接触式测量，受容器内负载的工况影响，差压水位测量存在精度低、可靠性不高的问题，而人工检尺、浮体式等其它接触式液位测量也存在工作量大，操作误差大且危险系数高、量程有限、老化严重等缺点。

雷达式液位计所发射的电磁波在同一介质中传播速度稳定，不受温度、密度、粉尘、压力等的影响，因此可以在复杂环境下稳定、准确地工作，具有精度高、可靠性高的优点，是高温高压容器液位测量的有效手段。传统雷达液位计大多采用一体式结构形式，电子学单元安装在被测容器上，无法应用在强辐照环境中。

由此，如何提供一种能够在高温高压高辐照容器进行液位测量的液位计是一个亟需解决的技术课题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，以缓解现有技术中在高温高压高辐照容器中难以有效的进行液位测量等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，包括：电子学单元，设置于待测液位的容器外，用于产生发射信号；同轴电缆，与所述电子学单元连接，用于将所述发射信号传输至设置于待测液位的容器内的同轴导波杆；所述同轴导波杆基于频域反射原理产生回波信号返回至所述电子学单元，进而获得待测液位的高度信息。

在本公开实施例中，所述电子学单元包括：发射模块，用于产生两路调频连续波信号；开关模块，包括：发射选通开关，用于对一路调频连续波信号进行幅度调制；接收选通开关，与所述发射选通开关处于相反的开关状态，用于间隙性接收所述回波信号；以及收发切换开关，同时与所述发射选通开关和接收选通开关相连，对应所述发射选通开关和接收选通开关的开关状态使电子学单元处于信号发射态或信号接收态；接收模块，用于接收另一路调频连续波信号作为本振信号，进而将所述回波信号处理为数字回波信号；以及信号处理模块，用于发出控制信号控制所述发射模块和开关模块工作，并对数字回波信号进行处理得到液位高度信息。

在本公开实施例中，所述发射模块包括：基带线性调频信号产生模块、锁相环、功分器、以及放大器，其中，所述基带线性调频信号产生模块在信号处理模块的控制下产生20～40MHz线性调频信号并输出到所述锁相环的参考端；所述锁相环将参考端接收的参考信号倍频到频率为1～2GHz的调频连续波信号，并输入功分器；所述的功分器将调频连续波信号分为两路。

在本公开实施例中，所述接收模块包括：混频器、高通滤波器、放大器、低通滤波器、以及ADC；其中，所述混频器用于接收另一路调频连续波信号作为本振信号，使得所述回波信号经接收模块处理后数字化为数字回波信号。

在本公开实施例中，发射信号间隙，发射选通开关导通，收发切换开关处于发射状态，接收选通开关关闭，提高发射时隙内的收发隔离度。

在本公开实施例中，接收信号间隙，发射选通开关关闭，收发切换开关处于接收状态，接收选通开关导通，提高接收时隙内的收发隔离度。

在本公开实施例中，所述电子学单元工作在1～2GHz频段；所述发射模块产生扫描时宽为4ms的两路调频连续波信号。

在本公开实施例中，远端较弱的液位回波信号处于系统响应较大位置时，开关模块门控信号时宽T_p满足

其中，c为电磁波在真空中的传播速度，L_l为电子学单元与导波杆间同轴电缆的物理长度，v_p为电缆中信号的传输速率，L_a为同轴导波杆长度。

在本公开实施例中、根据权利要求8所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，接收模块中低通滤波器将脉冲形式的门控回波滤波成连续信号，其截止频率f_c远小于开关单元的门控信号频率，即：

f_c＜＜1/T_p；

接收模块混频器后引入高通滤波器，能够有效抑制直达波信号，防止后级放大器饱和。

在本公开实施例中，使用补偿函数与回波信号频谱相乘，消除门控产生的雷达系统响应对回波信号幅度的影响，补偿函数H_c(f)表示如下：

其中，B为雷达系统带宽，

为液位回波信号时频变换后得到的信号频率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)能够实现电子学与雷达探头的异地安装，电子学远离高温高压高辐照容器，提高了设备工作的可靠性；

(2)采用收发切换开关代替传统FMCW雷达液位计中的环形器，在低频应用中容易实现较大的系统带宽，提高测量精度，同时有利于设备小型化；

(3)采用门控开关对发射和接收通道进行控制，实现了较大的系统收发隔离度；

(4)采用高通滤波器有效抑制直达波信号，能够防止中频放大器饱和；

(5)使用补偿函数消除了门控开关对回波信号频谱的衰减影响，还原得到信号频谱的真实幅度。

(6)能够工作在低频段，降低射频连接电缆损耗，以较小的发射功率实现较远容器的液位测量。

附图说明

图1为本公开实施例的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计系统组成示意图。

图2为本公开实施例的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计的更具体的系统组成示意图。

图3为本公开实施例的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计中各信号形式示意图。

图4为本公开实施例的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计的系统响应曲线示意图。

图5为本公开实施例的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计的同轴导波杆的回波信号示意图。

图6为本公开实施例的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计的测量结果示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，采用分体式结构，电子学安装在环境条件较好的二次仪表舱内，容易满足辐照和温度等指标要求。所述雷达采用射频开关和门控调频连续波技术实现收发控制，相对于传统使用环形器的液位计，减少了环形器的使用，具有频带宽、集成化程度高、结构简单、成本低等优点，能够以较大带宽工作在低频波段，较好地解决了电子学与导波杆间信号远距离传输、发射机与接收模块隔离的问题，实现了对核动力装置中的高温高压容器的液位进行测量。

在实现本公开的过程中发明人发现，现有为数不多的分体式液位计或采用时域脉冲体制，或为工作在较高频段的FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)雷达。其中基于时域反射(TDR)原理的脉冲雷达，发射脉宽极窄的高频脉冲信号，回波信噪比较低，由于天线探头与电子学间长线缆的损耗和带宽限制，会进一步降低本不富裕的信噪比，并引起脉冲信号的波形失真，最终影响液位的测量距离和测量精度。而高频段的FMCW雷达同样面临较大的线缆损耗，无法应用到高温高压高辐照容器液位测量技术领域。由此，本公开提出一种基于门控调频连续波(GFMCW，Gated Frequency ModulatedContinuous Wave)的分体式导波雷达液位计，用以实现在高温高压高辐照容器进行液位测量。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，结合图1和图2所示，所述基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，包括：

电子学单元，设置于待测液位的容器外，用于产生发射信号；

同轴电缆，与所述电子学单元连接，用于将所述发射信号发射至设置于待测液位的容器内的同轴导波杆；所述同轴导波杆基于频域反射原理产生回波信号返回至所述电子学单元，进而获得待测液位的高度信息。

在本公开实施例中，所述电子学单元包括：

发射模块，用于产生两路调频连续波信号；

开关模块，包括：

发射选通开关，用于对一路调频连续波信号进行幅度调制；

接收选通开关，与所述发射选通开关处于相反的开关状态，用于间隙性接收所述回波信号；以及

收发切换开关，同时与所述发射选通开关和接收选通开关相连，对应所述发射选通开关和接收选通开关的开关状态使电子学单元处于信号发射态或信号接收态；

接收模块，用于接收另一路调频连续波信号作为本振信号，进而将所述回波信号处理为数字回波信号；

信号处理模块，用于发出控制信号控制所述发射模块和开关模块工作，并对数字回波信号进行处理得到液位高度信息。

所述电子学单元还包括测量结果输出模块，用于将液位高度信息输出；

所述电子学单元还包括电源模块，用于为电子学单元供电；

在本公开实施例中，所述导波杆与所述电子学单元内的开关模块相连；所述开关模块与所述发射模块和所述接收模块分别相连；所述发射模块和所述接收模块相连；所述信号处理模块与发射模块、接收模块、开关模块、测量结果输出模块均有连接。

在本公开实施例中，所述电子学单元工作在1～2GHz频段；

在本公开实施例中，所述发射模块产生扫描时宽为4ms的两路FMCW信号，并将一路输出信号作为接收本振信号，另一路输出信号经开关模块实现发射；

在本公开实施例中，所述发射模块包括：基带线性调频信号产生模块、锁相环、功分器、以及放大器，其中，所述基带线性调频信号产生模块在信号处理模块的控制下产生20～40MHz线性调频信号并输出到所述锁相环的参考端，所述锁相环将参考端接收的参考信号x50倍频到频率为1～2GHz的射频FMCW信号，并输入功分器；所述的功分器将FMCW信号分为两路，一路FMCW信号信号直接输入至接收模块中的混频器，作为接收本振信号；将另一路FMCW信号输出至开关模块处理后，再通过同轴电缆输送至同轴导波杆。

在本公开实施例中，所述接收模块包括：混频器、高通滤波器、放大器、低通滤波器、以及ADC；回波信号经所述接收模块处理后数字化为数字回波信号，并将数字回波信号输出给信号处理模块，例如在本公开实施例中所述信号处理模块为数字信号处理器。

在本公开实施例中，所述发射选通开关对一路调频连续波信号实现幅度调制，产生GFMCW信号；

所述接收选通开关在发射选通开关断开时导通，实现间隙性接收；收发切换开关在发射选通开关导通、接收选通开关断开时处于发射状态，在发射选通开关断开、接收选通开关导通时处于接收状态；所述发射选通开关、接收选通开关和收发切换开关在数字信号处理器的控制下，同步完成切换动作。

所述信号处理模块控制发射模块产生数字基带线性调频信号；所述信号处理模块控制开关模块状态切换；所述信号处理模块将接收到的数字回波信号进行处理得到液位高度；并控制测量结果输出模块输出4～20mA信号。

在本公开实施例中，所述同轴导波杆安装在待测液位的高温高压高辐照的容器侧壁上；所述同轴导波杆通过其内外导体间填充液体引起特性阻抗变化，其长度和被测容器高度相当。所述同轴导波杆特性阻抗为39Ω，长度为4米。所述同轴电缆特性阻抗为50Ω，长度为30米。所述电子学单元远离具有强辐照的高温高压待测液位的容器，安装在辐照条件较好的仪表舱内。所述电子学单元将所述回波信号进行频谱分析，获得液位的高度信息。

调频连续波技术测量物位是将传播时间转换成频差的方式，通过测量频率代替直接测量时差，来计算目标距离。液位计通过同轴导波杆向容器中发射频率被调制的信号。在液面处，导波杆的特性阻抗发生变化，产生回波信号。接收的回波频率信号和一部分发射频率信号混频，产生的差频信号被滤波及放大，然后进行快速傅利叶变换(FFT)分析，产生一个频谱，在此频谱上处理回波并计算距离。

根据雷达理论，发射模块(相当于FMCW雷达)的发射信号v_T(t)和回波信号v_R(t)可分别表示成式(1)和式(2)：

其中，A_T为发射信号幅度，T_s为发射信号扫频时宽；t为时间变量；ω₀为信号中心频率；k为调频斜率；τ为回波延迟时间。

结合图3所示，电子学单元(相当于GFMCW雷达)将发射信号用发射选通序列g(t)进行幅度调制后作为发射信号，同时，接收信号使用接收选通序列(1-g(t))进行幅度调制，则进入混频器的回波信号可表示成下式：

将幅度调制前的发射信号的耦合信号作为本振信号，与幅度调制后的接收信号混频，混频输出经过低通滤波后的信号v_B(t)可表示为：

通过对发射信号与接收信号进行选通控制，GFMCW雷达回波能量的距离响应函数被人为地乘上了发射门控与接收门控的卷积，乘性因子M(τ)为式(5)，系统响应曲线如图4所示。

液位计(液位雷达)进行收发选通控制后，直耦波及同轴电缆近距离不匹配点的反射回波得到有效抑制，而远距离液位回波能量与FMCW雷达回波相当。

远端较弱的液位回波处于系统响应较大位置，开关模块门控信号时宽T_p满足

其中，c为电磁波在真空中的传播速度，L_l为电子学单元与导波杆间同轴电缆的物理长度，v_p为电缆中信号的传输速率，L_a为同轴导波杆长度。在本公开实施例T_p＝1.3us。

在进一步的实施方案中，接收模块中低通滤波器将脉冲形式的门控回波滤波成连续信号，其截止频率f_c远小于开关单元的门控信号频率，即：

f_c＜＜1/T_p；

在进一步的实施方案中，接收模块混频器后引入高通滤波器，有效抑制直达波信号，防止后级放大器饱和。

使用补偿函数与回波信号频谱相乘，消除门控产生的雷达系统响应对回波信号幅度的影响，补偿函数表示如下：

其中，B为雷达系统带宽，

为液位回波信号时频变换后得到的信号频率。

进一步地，接收模块中低通滤波器将脉冲形式的门控回波滤波成连续信号，其截止频率f_c远小于开关模块的门控信号频率，在本公开实施例中，低通滤波器截止频率为100kHz。

进一步地，本公开实施例中，为防止收发直耦信号饱和中频放大电路，接收模块中高通滤波器特性为-50dBc@6kHz。

进一步地，本公开实施例中，在所述信号处理模块使用补偿函数与回波信号频谱相乘，消除门控产生的雷达系统响应对回波信号幅度的影响，进而可利用回波强度反演被测液体的电磁特性，补偿函数表示如下：

图5为发射功率为-40dBm时测量得到的同轴导波杆回波信号。可见，导波杆的始端和末端反射信号远远强于收发直耦信号和同轴电缆近端不匹配点的反射回波，说明本公开涉及的门控调制和中频接收模块高通滤波能够有效抑制近端的反射信号。图6为发射功率为-40dBm时不同高度液位测量结果与真实高度的比对，表明基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计能够对液位进行有效测量。

本公开将现有的调频连续波雷达液位计的收发环形器替换为收发切换开关，克服了环形器工作在较低频段时的带宽限制，增加了收发隔离度，并有效降低设备体积，使雷达液位计能以较大带宽工作在低频段，降低同轴电缆对信号的传输损耗，增加电子学的安装距离。同时，本公开在发射模块链路和接收模块链路分别引入发射选通开关和接收选通开关，进一步增加系统的收发隔离度。另外，本公开在接收模块中频电路引入高通滤波器，可以有效抑制收发直耦信号，防止中频放大电路饱和。经过试验验证，表明该方法能够以较小的发射功率实现远距离的液位探测，并有效地降低收发直耦信号的影响。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，采用分体式结构，电子学安装在环境条件较好的二次仪表舱内，容易满足辐照和温度等指标要求。所述雷达采用射频开关和门控调频连续波技术实现收发控制，相对于传统使用环形器的液位计，减少了环形器的使用，具有频带宽、集成化程度高、结构简单、成本低等优点，能够以较大带宽工作在低频波段，较好地解决了电子学与导波杆间信号远距离传输、发射机与接收模块隔离的问题。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各模块件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，包括：

电子学单元，设置于待测液位的容器外，用于产生发射信号；

同轴电缆，与所述电子学单元连接，用于将所述发射信号传输至设置于待测液位的容器内的同轴导波杆；所述同轴导波杆基于频域反射原理产生回波信号返回至所述电子学单元，进而获得待测液位的高度信息。

2.根据权利要求1所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，所述电子学单元包括：

发射模块，用于产生两路调频连续波信号；

开关模块，包括：

发射选通开关，用于对一路调频连续波信号进行幅度调制；

接收选通开关，与所述发射选通开关处于相反的开关状态，用于间隙性接收所述回波信号；以及

收发切换开关，同时与所述发射选通开关和接收选通开关相连，对应所述发射选通开关和接收选通开关的开关状态使电子学单元处于信号发射态或信号接收态；

接收模块，用于接收另一路调频连续波信号作为本振信号，进而将所述回波信号处理为数字回波信号；以及

信号处理模块，用于发出控制信号控制所述发射模块和开关模块工作，并对数字回波信号进行处理得到液位高度信息。

3.根据权利要求2所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，所述发射模块包括：基带线性调频信号产生模块、锁相环、功分器、以及放大器，其中，所述基带线性调频信号产生模块在信号处理模块的控制下产生20～40MHz线性调频信号并输出到所述锁相环的参考端；所述锁相环将参考端接收的参考信号倍频到频率为1～2GHz的调频连续波信号，并输入功分器；所述的功分器将调频连续波信号分为两路。

4.根据权利要求2所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，所述接收模块包括：混频器、高通滤波器、放大器、低通滤波器、以及ADC；其中，所述混频器用于接收另一路调频连续波信号作为本振信号，使得所述回波信号经接收模块处理后数字化为数字回波信号。

5.根据权利要求2所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，发射信号间隙，发射选通开关导通，收发切换开关处于发射状态，接收选通开关关闭，提高发射时隙内的收发隔离度。

6.根据权利要求2所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，接收信号间隙，发射选通开关关闭，收发切换开关处于接收状态，接收选通开关导通，提高接收时隙内的收发隔离度。

7.根据权利要求2所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，所述电子学单元工作在1～2GHz频段；所述发射模块产生扫描时宽为4ms的两路调频连续波信号。

8.根据权利要求2所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，远端较弱的液位回波信号处于系统响应较大位置时，开关模块门控信号时宽T_p满足

其中，c为电磁波在真空中的传播速度，L_l为电子学单元与导波杆间同轴电缆的物理长度，v_p为电缆中信号的传输速率，L_a为同轴导波杆长度。

9.根据权利要求8所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，接收模块中低通滤波器将脉冲形式的门控回波滤波成连续信号，其截止频率f_c远小于开关单元的门控信号频率，即：

f_c＜＜1/T_p；

接收模块混频器后引入高通滤波器，能够有效抑制直达波信号，防止后级放大器饱和。

10.根据权利要求9所述的基于门控调频连续波的分体式导波雷达液位计，使用补偿函数与回波信号频谱相乘，消除门控产生的雷达系统响应对回波信号幅度的影响，补偿函数H_c(f)表示如下：

其中，B为雷达系统带宽，

为液位回波信号时频变换后得到的信号频率。

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