CN114993412A - 基于毫米波雷达的液位测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请关于一种基于毫米波雷达的液位测量方法及系统，涉及液位测量技术领域，该方法包括：发送探测信号并接收反馈信号，反馈信号为探测信号与液面接触后反馈的信号；将探测信号以及反馈信号进行混频，得到中频信号；对中频信号进行抽取，得到至少两个采样数据；确定与采样数据对应的功率谱以及目标峰值；基于功率谱以及目标峰值确定与采样数据对应的液位高精度距离；根据每个采样数据对应的液位高精度距离，汇总得到液位距离结果；将液位距离结果发送至计算机设备。利用毫米波雷达具有高穿透性、非接触、安全可靠的优点，结合解算过程当中适配液位距离测量过程的信号选用以及高精度信号处理，使得可以应用毫米波雷达获取稳定、真实、准确的数据。
Description
技术领域
本申请涉及液位测量技术领域，特别涉及一种基于毫米波雷达的液位测量方法及系统。
背景技术
液位是指密封容器（池子）或开口容器（池子）中液体的高度。在饮料、食品、化工、石油等液位自动控制生产系统中，尤其是化工、石油领域内上一些易燃易爆、强腐蚀性的液体，高精度且稳定的液体高度测量保障了液体货物的安全储运和交易。
过去常用的人工测量方法工作量大且危险系数高，浮体式/差压式/超声波液位计的测量效果都较差，而毫米波雷达则具有高穿透性、非接触、安全可靠等优点，且测量精度高，适应各种环境，非常适合液位测量系统。目前比较多采用基于连续调频波的毫米波雷达作为液位的测量工具。在测量过程中，选取回波的峰值进行数据处理，以得到液面高度。
线性调频连续波毫米波雷达的测距精度主要由发射信号的调频带宽影响。由于硬件和软件的各种限制，提高测量精度并不能完全无限制的提高调频带宽，还需要通过其他方法，且存在一定的测量误差。另外，在被测液位工况比较复杂的情况下，比如被测液位存在干扰物，反射面存在多径反射或者容器晃动导致存在虚假回波的情况下，目前仅选取峰值进行检测可能无法稳定获取液面高度的真实、准确的数据。
发明内容
本申请关于一种基于毫米波雷达的液位测量方法及系统，能够使得获取的液面高度数据更为稳定、真实、准确。该技术方案如下：
一方面，提供了一种基于毫米波雷达的液位测量方法，该方法应用于毫米波雷达中，该方法包括：
发送探测信号并接收反馈信号，反馈信号为探测信号与液面接触后反馈的信号；
将探测信号以及反馈信号进行混频，得到中频信号；
对中频信号进行抽取，得到至少两个采样数据；
确定与采样数据对应的功率谱以及目标峰值；
基于功率谱以及目标峰值确定与采样数据对应的液位高精度距离；
根据每个采样数据对应的液位高精度距离，汇总得到液位距离结果，液位距离结果用于指示毫米波雷达与液面之间的间距；
将液位距离结果发送至计算机设备，计算机设备与毫米波雷达通信连接。
另一方面，提供了一种基于毫米波雷达的液位测量系统，该系统包括毫米波雷达以及计算机设备，所述毫米波雷达与所述计算机设备通信连接；
毫米波雷达，用于发送探测信号并接收反馈信号，反馈信号为探测信号与液面接触后反馈的信号；将探测信号以及反馈信号进行混频，得到中频信号；对中频信号进行抽取，得到至少两组采样数据，每组采样数据与一个信号周期对应，信号周期与探测信号的波形关联；确定与采样数据对应的功率谱以及目标峰值；基于功率谱以及目标峰值确定与采样数据对应的液位高精度距离；根据每个采样数据对应的液位高精度距离，汇总得到液位距离结果，液位距离结果用于指示毫米波雷与液面之间的间距；向计算机设备发送液位距离结果；
计算机设备，用于接收液位距离结果；根据液位距离结果生成液位监控记录。
本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
在检测液位的过程中，通过对于探测信号与反馈信号的处理，获取多个采样数据，并对应每个采样数据确定其功率谱以及目标峰值，之后结合毫米波雷达接收到的信号的特性，确定高精度的液位距离，并最终得到准确的毫米波雷达与液面之间的间距。利用毫米波雷达具有高穿透性、非接触、安全可靠的优点，结合解算过程当中适配液位距离测量过程的信号选用以及高精度信号处理，使得获取的液面高度数据更为稳定、真实、准确。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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示出了本申请一个示例性实施例提供的一种基于毫米波雷达的液位检测系统的结构示意图。
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的一种基于毫米波雷达的液位测量方法的流程示意图。
图3示出了本申请一个示例性实施例提供的另一种基于毫米波雷达的液位测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
毫米波雷达，是工作在毫米波波段探测的雷达。通常毫米波是指30～300GHz频域(波长为1～10mm)的。毫米波的波长介于微波和厘米波之间，因此毫米波雷达兼有微波雷达和光电雷达的一些优点。同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。本申请即提出一种毫米波雷达在液位检测领域的应用。
图1示出了本申请一个示例性实施例提供的一种基于毫米波雷达的液位检测系统的结构示意图，请参考图1，该基于毫米波雷达的液位检测系统包括毫米波雷达110以及计算机设备120，其中，毫米波雷达110与计算机设备120通信连接，液体位于毫米波雷达的检测范围内。
在本申请实施例中，计算机设备实现为具有数据接收以及数据存储功能的计算机。该计算机设备与毫米波雷达建立有通信连接关系，可以获取毫米波雷达发送的检测数据，并进行数据处理。
在本申请实施例中，毫米波雷达与液位相对，毫米波雷达发送的信号为线性调频波。在一个示例中，毫米波雷达的形式为锯齿波。在线性调频波接触到液面时，即会发生反射，毫米波雷达会接收到反馈信号。在毫米波雷达接收到反馈信号后，在本申请实施例中，毫米波雷达可即对于探测信号以及反馈信号进行混频，以得到中频信号，并经过对于中频信号的抽取以及处理后，最终确定毫米波雷达与液面之间的精确距离。
需要说明的是，在本申请实施例中，毫米波雷达可以根据其发送的线性调频波确定波形，进而由波形确定信号周期，在本申请实施例中，每个信号周期与探测信号中的一个波形的发送时间相对应，也即，信号周期与探测信号的波形相关联。
在本申请实施例中，液面可以实现为密封容器当中的液体表面和开口容器的当中的液体表面的至少一种，本申请对于液面的实际形态不做限定。可选地，毫米波雷达的探测范围仅覆盖液面的一部分，也即，毫米波雷达发出的探测信号无法到达液面之外的目标。
在此情况下，毫米波雷达，用于发送探测信号并接收反馈信号，反馈信号为探测信号与液面接触后反馈的信号；将探测信号以及反馈信号进行混频，得到中频信号；对中频信号进行抽取，得到至少两个采样数据；确定与采样数据对应的功率谱以及目标峰值；基于功率谱以及目标峰值确定与采样数据对应的液位高精度距离；根据每个采样数据对应的液位高精度距离，汇总得到液位距离结果，液位距离结果用于指示毫米波雷与液面之间的间距；向计算机设备发送液位距离结果；
计算机设备，用于接收液位距离结果，根据液位距离结果生成液位监控记录。
综上所述，本申请实施例提供的系统，在检测液位的过程中，通过对于探测信号与反馈信号的处理，获取多个采样数据，并对应每个采样数据确定其功率谱以及目标峰值，之后结合毫米波雷达接收到的信号的特性，确定高精度的液位距离，并最终得到准确的毫米波雷达与液面之间的间距。利用毫米波雷达具有高穿透性、非接触、安全可靠的优点，结合解算过程当中适配液位距离测量过程的信号选用以及高精度信号处理，使得可以应用毫米波雷达获取稳定、真实、准确的数据。
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的一种基于毫米波雷达的液位测量方法的流程示意图，以该方法应用于如图1所示的基于毫米波雷达的液位测试系统当中的毫米波雷达中进行说明，该方法包括：
步骤201，发送探测信号并接收反馈信号。
在本申请实施例中，反馈信号为探测信号与液面接触后反馈的信号。可选地，本申请中选用的探测信号均为线性调频波。在一个示例中，探测信号为连续调频的锯齿波。
步骤202，将探测信号以及反馈信号进行混频，得到中频信号。
该过程即为将探测信号与反馈信号进行混频的过程，由于反馈信号与液面接触，故反馈信号可以表征液面的部分性质，以及液面与毫米波雷达之间的关系。故将反馈信号与探测信号进行混频后得到的中频信号可以同时包含锯齿波本身的特征，以及毫米波雷达的特征。
步骤203，对中频信号进行抽取，得到至少两个采样数据。
在本申请实施例中，该过程即为根据中频信号的时序进行提取，作为采样数据，进行后续的特征提取的过程。可选的，每组采样数据与一个信号周期对应，所述信号周期与所述探测信号的波形关联。
步骤204，确定与采样数据对应的功率谱以及目标峰值。
在本申请实施例中，采样数据的功率谱以及目标峰值为对于采样数据进行峰值提取以及特征提取处理得到的。
步骤205，基于功率谱以及目标峰值确定与采样数据对应的液位高精度距离。
该过程即为对于功率谱以及目标峰值进行进一步解算，得到精度更高的液位距离的过程。可选地，该过程得到的液位高精度距离即为与采样数据对应的，表征液面到毫米波雷达的距离的数值。
步骤206，根据每个采样数据对应的液位高精度距离，汇总得到液位距离结果。
可选地，该过程即为对于每个采样数据的液位距离进行汇总，排除误差值，并基于汇总规则得到液位距离结果的过程。在本申请实施例中，液位距离结果以数值形式进行表现。
步骤207，将液位距离结果发送至计算机设备。
该过程即为将液位距离结果发送至计算机设备的过程。可选地，计算机设备在接收到液位距离结果后，即会对于液位距离结果进行处理。
综上所述，本申请实施例提供的方法，在检测液位的过程中，通过对于探测信号与反馈信号的处理，获取多个采样数据，并对应每个采样数据确定其功率谱以及目标峰值，之后结合毫米波雷达接收到的信号的特性，确定高精度的液位距离，并最终得到准确的毫米波雷达与液面之间的间距。利用毫米波雷达具有高穿透性、非接触、安全可靠的优点，结合解算过程当中适配液位距离测量过程的信号选用以及高精度信号处理，使得可以应用毫米波雷达获取稳定、真实、准确的数据。
图3示出了本申请一个示例性实施例提供的另一种基于毫米波雷达的液位测量方法的流程示意图，以该方法应用于如图1所示的基于毫米波雷达的液位测量系统中为例进行说明，该方法包括：
步骤301，毫米波雷达发送探测信号并接收反馈信号。
该过程与步骤201的过程对应，在此不做赘述。
步骤302，毫米波雷达将探测信号以及反馈信号进行混频，得到中频信号。
该过程与步骤202的过程对应，在此不做赘述。
步骤303，毫米波雷达抽取中频信号中与首个信号周期对应的采样数据，与中位信号周期对应的采样数据，以及与最末周期对应的采样数据。
在本申请实施例中，在中频信号中包括N个采样数据时，对于采样数据的抽取规则是，抽取中频信号中的与三个信号周期对应的采样数据，该三个信号周期分别是首个信号周期、最末个信号周期以及中位信号周期。
步骤304，毫米波雷达对采样数据进行快速傅里叶变换，得到与采样数据对应的功率谱。
在本申请实施例中，功率谱以功率形式对于毫米波雷达到液面的距离特征进行表征。
步骤305，毫米波雷达对功率谱进行峰值搜索，并通过恒虚警检测确定与采样数据对应的目标峰值。
在本申请实施例中，通过恒虚警检测方法对于目标峰值进行提取，在提取目标峰值后，即可将目标峰值表征出的特征作为参考要素之一，用于确定液面与毫米波雷达之间的高精度距离。
步骤306，毫米波雷达分别对目标峰值以及功率谱进行高精度距离结算，得到高精度功率谱。
需要说明的是，在表征毫米波雷达到液面的距离特征时，高精度功率谱的精度大于功率谱的精度。
步骤307，毫米波雷达通过恒虚警检测确定与高精度功率谱对应的高精度目标峰值。
该过程即为对于高精度功率谱再次进行处理，得到高精度目标峰值的过程。
步骤308，毫米波雷达对高精度目标峰值进行结算，得到液位高精度距离。
在本申请实施例中，每个液位高精度距离均与采样数据一一对应。
步骤309，毫米波雷达对每个采样数据对应的液位高精度距离进行平均处理，得到液位距离结果。
在本申请实施例中，毫米波雷达通过平均求和的方式，确定液位距离结果。
步骤310，毫米波雷达对液位高精度距离进行卡尔曼滤波处理。
该过程用于避免虚假目标或者干扰导致的距离错误，也能得到最优的距离估计。
步骤311，毫米波雷达将液位距离结果发送至计算机设备。
该过程与步骤207所示的过程相同，在此不作赘述。
步骤312，计算机设备接收液位距离结果。
步骤313，计算机设备根据液位距离结果生成液位监控记录。
综上所述，本申请实施例提供的方法，在检测液位的过程中，通过对于探测信号与反馈信号的处理，获取多个采样数据，并对应每个采样数据确定其功率谱以及目标峰值，之后结合毫米波雷达接收到的信号的特性，确定高精度的液位距离，并最终得到准确的毫米波雷达与液面之间的间距。利用毫米波雷达具有高穿透性、非接触、安全可靠的优点，结合解算过程当中适配液位距离测量过程的信号选用以及高精度信号处理，使得可以应用毫米波雷达获取稳定、真实、准确的数据。
上述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于毫米波雷达的液位测量方法，其特征在于，所述方法应用于毫米波雷达中，所述方法包括：
发送探测信号并接收反馈信号，所述反馈信号为所述探测信号与液面接触后反馈的信号；
将所述探测信号以及所述反馈信号进行混频，得到中频信号；
对所述中频信号进行抽取，得到至少两组采样数据，每组采样数据与一个信号周期对应，所述信号周期与所述探测信号的波形关联；
确定与所述采样数据对应的功率谱以及目标峰值；
基于所述功率谱以及所述目标峰值确定与所述采样数据对应的液位高精度距离；
根据每个所述采样数据对应的所述液位高精度距离，汇总得到液位距离结果，所述液位距离结果用于指示所述毫米波雷达与所述液面之间的间距；
将所述液位距离结果发送至计算机设备，所述计算机设备与所述毫米波雷达通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的液位测量方法，其特征在于，所述探测信号为线性调频波。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的液位测量方法，其特征在于，所述采样数据的数量为三组；
所述对所述中频信号进行抽取，得到至少两组采样数据，包括：
抽取所述中频信号中与首个信号周期对应的采样数据，与中位信号周期对应的采样数据，以及与最末周期对应的采样数据。
4.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的液位测量方法，其特征在于，所述确定与所述采样数据对应的功率谱以及目标峰值，包括：
对所述采样数据进行快速傅里叶变换，得到与所述采样数据对应的所述功率谱，所述功率谱用于表征所述毫米波雷达到所述液面的距离特征；
对所述功率谱进行峰值搜索，并通过恒虚警检测确定与所述采样数据对应的所述目标峰值。
5.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的液位测量方法，其特征在于，所述基于所述功率谱以及所述目标峰值确定与所述采样数据对应的液位高精度距离，包括：
分别对所述目标峰值以及所述功率谱进行高精度距离结算，得到高精度功率谱，在表征所述毫米波雷达到所述液面的距离特征时，所述高精度功率谱的精度大于所述功率谱的精度；
通过恒虚警检测确定与所述高精度功率谱对应的高精度目标峰值；
对所述高精度目标峰值进行结算，得到所述液位高精度距离。
6.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的液位测量方法，其特征在于，所述根据每个所述采样数据对应的所述液位高精度距离，汇总得到液位距离结果，包括：
对每个所述采样数据对应的液位高精度距离进行平均处理，得到所述液位距离结果。
7.根据权利要求6所述的基于毫米波雷达的液位检测方法，其特征在于，所述对每个所述采样数据对应的液位高精度距离进行处理之后，还包括：
对所述液位高精度距离进行卡尔曼滤波处理。
8.一种基于毫米波雷达的液位测量系统，其特征在于，所述基于毫米波雷达的液位测量系统包括毫米波雷达以及计算机设备，所述毫米波雷达与所述计算机设备通信连接；
所述毫米波雷达，用于发送探测信号并接收反馈信号，所述反馈信号为所述探测信号与液面接触后反馈的信号；将所述探测信号以及所述反馈信号进行混频，得到中频信号；对所述中频信号进行抽取，得到至少两组采样数据，每组采样数据与一个信号周期对应，所述信号周期与所述探测信号的波形关联；确定与所述采样数据对应的功率谱以及目标峰值；基于所述功率谱以及所述目标峰值确定与所述采样数据对应的液位高精度距离；根据每个所述采样数据对应的所述液位高精度距离，汇总得到液位距离结果，所述液位距离结果用于指示所述毫米波雷与所述液面之间的间距；向所述计算机设备发送所述液位距离结果；
所述计算机设备，用于接收所述液位距离结果；根据所述液位距离结果生成液位监控记录。
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Cited By (1)
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| CN118129864A (zh) * | 2024-05-07 | 2024-06-04 | 铭沣工业自动化（上海）有限公司 | 一种基于毫米波雷达的液位测量方法及系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118129864A (zh) * | 2024-05-07 | 2024-06-04 | 铭沣工业自动化（上海）有限公司 | 一种基于毫米波雷达的液位测量方法及系统 |
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