CN116324498A - 角分辨料位测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于雷达的料位测量装置(1)，用于借助于MIMO原理确定三维料位分布(L(α,#))。根据本发明，所述料位测量装置(1)为此目的包括天线组件(11)，其除了主天线阵列之外还包括子天线阵列。由此，使用所述主天线阵列，可以创建高度角分离立体角谱Ai,j(dx,α,#)，但由于较大的分离距离(a，a’>λ/2)，不允许在整个立体角范围(α，#)内立体角(α，#)的明确的分配。为了解决这个问题，根据本发明将这些立体角谱Ai,j(dx,α,#)与所述子天线阵列的立体角谱进行合并。因此，所述子天线阵列被设计成使得其立体角谱Ak,l(dx,α,#)允许在整个立体角范围(α，#)内唯一地分配任何立体角(α，#)。为此目的，对应天线(k，l)布置在中间网格([s；s’])上。这样做的优点是，使用总共非常少的天线或在宽的立体角范围(α，#)内使用相关联的快速评估，可以记录高度角分离料位分布(L(α,#))。

Description

角分辨料位测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于料位测量装置的天线组件，用于确定限定立体角范围内的料位分布，本发明还涉及一种用于操作所述测量装置的方法。
背景技术
在过程自动化中，使用对应现场装置捕获相关的过程参数。为了捕获相应过程参数，因此在对应现场装置中实施合适的测量原理，以便捕获例如料位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位或电导率作为过程参数。Endress+Hauser公司生产和销售各种此类现场装置。
为了测量容器中填充材料的料位，已经建立了非接触式测量方法，因为它们是稳定的并且需要的维护最少。在本发明的范围内，术语“容器”也应理解为指未封闭的容器，例如盆地、湖泊或流动水体。非接触式测量方法的另一个优点在于能够准连续地测量料位。因此，基于雷达的测量方法主要用于连续料位测量领域(在本专利申请的上下文中，“雷达”指频率在0.03GHz与300GHz之间的信号或电磁波)。
已建立的测量方法有FMCW(“调频连续波”)。基本测量原理是基于发射具有调制频率的连续雷达信号。FMCW的特征是发射频率在限定频带内周期性地改变。考虑到监管要求，随着开发进展，广泛使用了标准化中心频率范围内的较高频带。除了6GHz频带、26GHz频带或79GHz频带之外，如今已经同时实施了高于100GHz的频率。高频率的优点在于，在较高频率下，可以使用较大的绝对带宽(例如，100GHz频带中的4GHz)。结果，再次实现了较高分辨率或较高精度的料位测量。
默认情况下，频带内频率随时间的变化是线性的，并且具有锯齿形或三角形形状。原则上，也可以实施正弦变化。在FMCW方法中，基于在测量对象处反射之后当前接收到的雷达信号与测量装置当前发射的雷达信号之间的瞬时频率差来确定距离或料位。例如，在公开的专利申请DE 10 2013 108 490 A1中描述了基于FMCW的料位测量方法。
借助于FMCW方法，可以至少选择性地测量距离或料位。在这种情况下，测量料位的点由发射/接收天线的定向或其波束瓣的方向引导(由于天线的一般互反特性，相应天线的波束瓣的特征或波束角与天线是发射还是接收无关；在本专利申请的上下文中，术语“角”或“波束角”是指波束瓣具有最大发射强度或接收灵敏度的角)。
在料位均匀的液体填充材料的情况下，选择性料位测量就能满足。在这些情况下，料位测量装置定向的方式使得天线的波束瓣大致竖直向下朝向，并且确定到填充材料的距离。在例如砾石或颗粒的固体状填充材料的情况下，例如，由于散装材料堆，料位可能是不均匀的，因此由料位测量装置确定的料位值仅在有限程度上是有意义的。特别是在此类情况下，因此期望能够以二维或三维分布的形式确定距离或料位。
为了实现这一点，料位测量装置必须被设计为能够将入射雷达信号分配给相关立体角。例如，这可以借助于MIMO原理(“多输入多输出”)实现。此原理基于由多个发射和接收天线组成的天线组件。在这种情况下，每个发射天线发射与其他发射天线正交的雷达信号，雷达信号由每个接收天线接收并可选地被数字化，以便随后进行公共雷达信号处理。因此，从N个发射天线和K个接收天线的天线组件中，在数学上创建了具有很大程度上扩大的虚拟孔径的K*N个天线的虚拟天线布置。对应评估单元必须能够数字化在每种情况下通过K个接收天线接收的雷达信号，或者通过信号技术处理它们并通过发射信号的正交性创建对应K*N个测量曲线。结果，基于MIMO的雷达系统与没有实际放大孔径的系统相比提高了空间分辨率能力，并实现了显著提高的抗干扰能力。
如果所有发射和接收天线布置在大致相同的位置或公共基板上，使得它们覆盖相同的立体角范围，则这被称为“共置MIMO”。在一个可能的实施例中，在天线组件内，发射天线布置成列，而接收天线布置成行。因此，发射和接收天线各自沿着直线以限定分离距离布置，其中所述直线彼此大致成直角延伸，并因此跨越具有K*N个点的网格，所述网格表示虚拟天线的位置。为了能够将所得测量曲线分配给各个点或各个天线，已知用于控制发射天线或用于评估接收天线的各种技术。在这方面，优选地实现“TDMA(时分多址)”，根据此技术，按照时分复用方法沿着发射天线的布置一个接一个地激活发射天线。
根据现有技术，实施MIMO原理所需的整个硬件已经可以如此紧凑地集成，使得发射和接收天线作为贴片天线容纳在公共印刷电路板上，或甚至作为与所述半导体部件一起封装的IC(“集成电路”)，半导体部件包括信号生成单元和评估单元。例如，2009年的“MIMO雷达信号处理(MIMO radar signal processing)”(Jian Li)中对基于MIMO的雷达系统进行了更详细的描述。
明确、立体角度相关的料位测量的必要条件是，各个发射和接收天线在天线组件内或以分离距离沿着直线排列，分离距离等于或小于雷达信号波长的一半。否则，除了主发射波瓣，还出现所谓的“光栅瓣”。这些是副波束瓣，与旁瓣相比，副波束瓣的波束强度等于主波束瓣的强度。如果发射或接收天线彼此间隔的距离大于雷达信号波长的一半，则由于立体角范围内的光栅瓣，可能的物体引起雷达回波信号的角度将不再是可明确分配的。
继而，在发射和接收天线的数量受到限制的情况下，例如，由于评估单元具有有限数量的评估信道，则在天线紧密布置的情况下——换句话说，当天线分离距离小于波长的一半时——可能无法实现充分的角分离，这取决于所需立体角范围的宽度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种料位测量装置，利用所述装置，即使在可用的评估信道很少的情况下，也可以在较大立体角范围内捕获具有高角分离的料位分布。
本发明通过用于基于雷达的料位测量装置的对应天线组件实现了这一目的，所述基于雷达的料位测量装置用于确定填充材料在限定立体角范围内的料位分布。为此目的，根据本发明的天线组件包括具有沿着第一直线布置的至少两个发射天线的主天线阵列，借助于所述主天线阵列可以根据MIMO原理在填充材料的方向上发射具有限定波长的雷达信号。由此，主天线阵列的发射天线彼此以限定第一分离距离布置，所述第一分离距离大于雷达信号的波长的一半。除了发射天线之外，主天线阵列还具有沿着第二直线布置的至少两个接收天线，借助于所述接收天线可以接收由填充材料表面反射的雷达信号。因此，接收天线彼此以第二限定分离距离布置，所述第二限定分离距离又大于雷达信号的波长的一半。另外，第二直线与第一直线以特定90°的限定角度布置，使得发射天线和接收天线形成对应网格。
由于在每种情况下，主天线阵列中发射天线与接收天线之间的分离距离分别大于雷达信号的波长的一半，因此主天线阵列可以具有在最大180°或2*π的较大立体角范围上实际实现较高角分离的少量的发射天线和发射天线，但不一定在限定立体角范围内的每个立体角都可以通过主天线阵列被明确地分配。因此，根据本发明，除了主天线阵列之外，天线组件还包括具有至少两个独立发射或接收天线的子天线阵列，所述子天线阵列又被设计成发射雷达信号或在填充材料表面反射后接收雷达信号。
子天线阵列的至少两个独立的接收或发射天线被布置在相对于主天线阵列的网格的中间网格上，其方式为使得至少一个发射天线(或接收天线，如果子天线阵列具有两个或多个发射天线作为独立天线的话)被分配为使得借助于限定立体角范围内的子天线阵列可以明确地分配每个立体角。
子天线阵列的至少一个分配的天线可以是主天线阵列的发射或接收天线中的一个。可替代地或附加地，子天线阵列可以作为分配的天线包括布置在中间网格上的至少一个单独的发射或接收天线。
由于根据本发明的具有两个天线阵列的天线组件的设计，在每种情况下可以根据MIMO原理借助于主天线阵列和子天线阵列分别记录对应测量曲线，并且可以由此创建两个天线阵列中的每一个的单独的立体角谱。根据本发明，这使得可以将主天线阵列和子天线阵列的对应立体角谱组合以形成共轭立体角谱，以便基于共轭立体角谱创建与立体角相关的料位分布。这样做的优点是，由于主天线阵列，共轭立体角谱在达180°的整个立体角范围内具有高角分离，并且由于子天线阵列，可以同时明确地分配共轭立体角谱内的每个立体角。与根据现有技术的仅由一个天线阵列组成且天线以小于或等于λ/2的距离布置的天线组件相比，借助于根据本发明的天线组件，可以以显著减少的天线或评估信道的数量来实现相同的立体角范围和相同的角分离。
主天线阵列和子天线阵列的发射和接收天线的设计在本发明的范围内没有固定地预定义。它们不仅可以被设计成平面的，例如作为对应基板上的贴片天线，还可以被设计成波导天线。
具体地，在本发明的范围内，主天线阵列的网格，即，发射天线之间的相应分离距离和接收天线之间的相应分离距离可以例如被确定尺寸，使得第一分离距离和第二分离距离在每种情况下对应于雷达信号的波长。在这种情况下，子天线阵列的独立发射或接收天线的偏移必须是雷达信号的波长的一半，使得子天线阵列的独立发射或接收天线相对于主天线阵列的网格布置在对应中间网格上。
为了能够映射对称的立体角范围，主天线阵列优选地被设计成使得其具有相同数量的发射天线和接收天线。关于子天线的独立发射或接收天线的数量，根据主天线阵列中的天线数量，如果与主天线阵列相比，子天线阵列具有最多一半、具体是仅三分之一的发射或接收天线，使得两个天线阵列中的天线总数量也可以保持在限制内，则将足够。因此，根据本发明的天线组件也可以由这样的评估单元来评估，所述评估单元只能同时提供有限数量的信道来评估天线。
在根据本发明的天线组件的基础上，可以实现基于雷达的料位测量装置，借助于所述基于雷达的料位测量装置，可以在宽立体角范围内以高角度间隔确定填充材料表面的料位分布。除了根据前述实施例变形中的一个的天线组件之外，料位测量装置相应地包括以下部件：
-信号生成单元，所述信号生成单元被设计成生成具有限定波长的雷达信号，并根据MIMO原理(即，单独编码或基于每个后续发射天线一个接一个的TDMA)将所述雷达信号耦合到主天线阵列和子天线阵列的发射天线中，以及
-评估单元，所述评估单元被设计成
○根据MIMO原理，基于在主天线阵列处接收到的雷达信号捕获对应测量曲线，
○根据MIMO原理，基于在子天线阵列处接收到的雷达信号捕获对应测量曲线，
○以便于基于借助于主天线阵列在测量区域的限定测量点的水平处捕获的测量曲线创建对应立体角谱，
○以便于基于借助于子天线阵列在测量区域的限定测量点的水平处捕获的测量曲线创建对应立体角谱，
○以便于将主天线阵列和子天线阵列的、对应于测量点的立体角谱组合成共轭立体角谱，以及
○以便于基于共轭立体角谱创建与立体角相关的料位分布。
在本发明的范围内，术语“单元”原则上是指被设计成适合于预期目的的任何电子电路。因此，根据需要，它可以是用于生成或处理对应模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是数字电路，例如FPGA，或是与程序交互的存储介质。在这种情况下，程序被设计成执行对应方法步骤或应用相应单元的必要计算操作。在此上下文中，本发明意义上的测量装置的各种电子单元也可以潜在地访问公共物理存储器或借助于同一物理数字电路操作。
在本发明的范围内，没有明确规定必须实施哪种基本雷达的方法来创建单独的测量曲线。原则上，例如，可以使用FMCW或脉冲渡越时间法。在FMCW方法的情况下，料位测量装置的信号生成单元将被设计成使得其能够根据FMCW方法生成具有对应频率斜坡的雷达信号。使用FMCW，评估单元应相应地设计成使得根据FMCW方法通过对接收雷达信号进行傅里叶变换来创建主天线阵列和子天线阵列的测量曲线。在FMCW的情况下，优选地，评估单元还可以借助于窗函数、具体是借助于汉宁窗或切比雪夫窗，来对主天线阵列和子天线阵列的傅里叶变换测量曲线进行加权，以便抑制来自测量范围边缘的干扰回波。
对应于根据本发明的料位测量装置，本发明所基于的目的还通过用于操作料位测量装置的对应测量方法来实现。因此，所述方法至少包括以下方法步骤：
-根据MIMO原理，借助于主天线阵列捕获限定料位测量范围内的对应测量曲线，
-基于借助于主天线阵列捕获的测量曲线，在测量范围的多个限定测量点的水平处创建立体角谱，
-根据MIMO原理，借助于子天线阵列捕获限定料位测量范围内的对应测量曲线，
-基于借助于子天线阵列捕获的测量曲线，在测量范围的多个限定测量点的水平处创建立体角谱，
-将对应于主天线阵列和子天线阵列的测量点的立体角谱组合成共轭立体角谱，以及
-基于共轭立体角谱创建与立体角相关的料位分布。
如果每个立体角谱是按对数比例缩放的，则通过相加来组合主天线阵列和子天线阵列的对应于测量点的立体角谱。如果每个立体角谱是线性地缩放的，则将需要通过相乘来组合主天线阵列和子天线阵列的对应于测量点的立体角谱。可以基于任何数字波束形成方法(“数字波束形成”)创建立体角谱。
附图说明
下面参考附图更详细地解释本发明。如下所示：
图1：容器上基于雷达的料位测量装置，
图2：根据容器内的立体角变化的检测到的料位的示意图，
图3：根据本发明的料位测量装置的天线组件的示意结构，以及
图4：根据本发明的用于借助于天线组件确定与立体角相关的料位的方法。
具体实施方式
为了理解本发明，图1示出具有填充材料2的容器3，其料位L将以三维料位分布L(α,β)的形式被捕获。为此目的，料位测量装置1在填充材料2上方的已知安装高度h处安装在容器3上。在这种情况下，容器3可以达100m以上，这取决于应用的类型和领域。料位测量装置1与容器3对准并被固定到容器3，其方式为使得其在填充材料2的表面方向上连续地、周期性地或也非周期性地发射具有对应波长λ的雷达信号SHF，这些通过天线组件11进行。在雷达信号SHF在填充材料表面处反射之后，料位测量装置1通过天线组件11接收反射的雷达信号RHF，根据以下公式，反射的雷达信号是料位测量装置1与填充材料表面之间的分离距离d的函数：
d＝h-L
通常，料位测量装置1通过例如“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”的接口连接到上级单元4，例如过程控制系统。以此方式，可以发射料位值L，以便例如在必要时控制容器3的任何流入或流出。然而，也可以传送关于料位测量装置1的一般操作状态的其他信息。
根据现有技术，已经可以借助于对应雷达方法，例如FMCW或脉冲渡越时间法，在理想条件下(高反射的填充材料2、平坦的填充材料表面、在雷达信号SHF的信号路径中没有诸如搅拌器或其他配件之类的障碍物)，以微米以下范围的精度选择性地这样做。即使在粗糙或波浪形填充材料表面或多尘大气中，也可以借助于FMCW方法可靠地测量填充材料表面上某一点的料位L。
然而，当填充材料2的表面(如图1所示)不是平面时，料位L的选择性测量达到其极限。这尤其可能在散装型填充材料2的情况下发生，例如当在容器3的填充期间形成散装堆时发生。另外，当填充材料2被泵出时，在填充材料表面上可能出现圆锥形凹陷。如果料位测量装置1仅在填充材料2的表面上的一个点处选择性地确定料位L，这可能导致对料位L的错误解释。例如，当雷达模块1检测到空容器3时，即使容器内部的边缘处仍然存在填充材料2，仍可能停止排空过程。在相反的情况下，当容器3充满时，即使已经超过填充材料表面上的一个位置处的最大料位，仍可能发生填充过程未被停止，因为料位测量装置1没有检测到这一点。
出于此原因，如图1所示，根据本发明的料位测量装置1能够在限定立体角范围[α；β]内以三维料位分布L(α,β)确定料位L。在这种情况下，彼此垂直延伸的立体角范围[α；β]内的角α、β在每种情况下都与铅垂线有关。因此，相对于极坐标系创建料位分布L(α,β)。为了在笛卡尔坐标系中创建三维料位分布L(α,β)相应角α、β(由于这是已知的，也就是分别相应地测量的距离d(α,β))可以借助于正弦函数进行转换以形成与容器横截面相关的对应横向值x、y。因此，发生从极坐标系到笛卡尔坐标系的对应转换。
图2示意性地示出了从料位测量装置1的角度确定的料位分布L(α,β)。在这种情况下，相对于容器3的壁的料位分布L(α,β)以轮廓线的形式被可视化。因此，根据设计，料位测量装置1可以例如在显示器上呈现料位分布L(α,β)，例如，在当前的每种情况下，显示为具有对应轮廓线的等高线图。与料位分布L(α,β)的任何可视化无关，在本发明的上下文中，这包括数据矩阵，其中料位值L根据两个立体角α、β加以存储。数据矩阵的大小相应地从立体角范围的角分离和宽度导出。
参考图3和4更详细地解释根据本发明的设计和根据本发明的可以借助于其创建具有高度角精确度的料位分布L(α,β)的料位测量装置1的操作模式：
图3以简化的形式示出了根据本发明的料位测量装置1的天线组件11。天线组件11是基于主天线阵列和附加子天线阵列，其中两个天线阵列布置在公共基板110上。因此，主天线阵列和子天线阵列覆盖大致相同的立体角范围[α；β]。因此，立体角范围[α；β]覆盖填充材料2，在料位测量装置1的安装状态下，整个天线组件11被对准为使得基板110的法向矢量以及因此天线i、j、k、l的主发射波瓣大致水平地指向填充材料2。
在图3中，为了简化说明，主天线阵列仅包括三个发射天线i，每个发射天线沿着第一直线111以限定第一分离距离a>λ/2被布置。在这种情况下，主天线阵列的发射天线i用于在填充材料2的方向上发射雷达信号SHF。主天线阵列的发射天线i由料位测量装置1的信号生成单元10控制。如果将FMCW被实施为雷达方法，则发射天线i将被控制为使得其根据具有FMCW的锯齿调制频率f特征的下式发射雷达信号SHF：
f＝c*λ-1
为此目的，信号生成单元10可以例如基于相位控制的控制回路(也称为PLL，“锁相环”)。为了实施MIMO原理，此外，信号生成单元10还必须将对应编码的雷达信号SHF馈送到主天线阵列的发射天线i，或在时间延迟之后根据布置序列i＝1、2、…的TDMA原理进行馈送。
为了在填充材料表面处反射后接收反射的雷达信号RHF，图3中的简化图示中的主天线阵列包括四个接收天线j，它们依次布置在第二直线112上。在这种情况下，第一直线111和第二直线112彼此成90°角布置，并且具有同一原点114。主天线阵列的接收天线j也以第二限定分离距离a’彼此均匀地布置在第二直线112上，其中第二分离距离a’又大于雷达信号SHF的波长λ的一半。在100GHz的雷达信号SHF、RHF的频率f下，根据下式
c＝λ*f
的相邻发射天线i或相邻接收天线j之间的分离距离a、a’对应于大致1.5mm(这里c是真空中的光速)。
作为两条直线111、112的矩形布置的结果，主天线阵列的三个发射天线i和四个接收天线j形成图3的示例性示例中具有3*4＝12个网格点的网格[a；a’]，网格点反映了根据MIMO原理的主天线阵列的虚拟孔径。实际上，例如，主天线阵列可以在每种情况下包括24个发射天线i和24个接收天线j，使得主天线阵列具有24*24个信道用于评估。在此上下文中，应提及，不仅以两条直线111、112彼此成90°的角形成对应网格，而且理论上以小于180°的任何角形成对应网格。因此，在本发明的范围内，两条直线111、112之间的角不必规定为90°，而是实际上也可以在30°与150°之间。然而，在这种情况下，主天线阵列的所得的立体角范围[α；β]不是自动对称的。
由于根据本发明，主天线阵列中的发射天线i或接收天线j的分离距离a、a’大于雷达信号SHF的波长λ的一半，因此即使在整个角度范围内只有少数发射和接收天线i、j时，也可以借助于主天线阵列实现测得的距离或料位值的高度角分离。然而，并非每个立体角α、β都可以在立体角范围[α；β]内被明确地分配。根据本发明，这通过子天线阵列来克服，因为借助于子天线阵列，在整个立体角范围[α；β]内，每个立体角α、β都可以被明确地分配。为此目的，图3中的简化实施例变形包括两个独立的接收天线k。相对于主天线阵列的网格[a；a’]，子天线阵列的接收天线k布置在中间网格[s；s’]上。在本发明的上下文中，基板上的每个位置被定义为中间网格[s；s’]，
-其在第一直线111的方向上移位了偏移s
Figure BDA0004126494090000121
或从主天线阵列的发射天线i之一或接收天线j之一移位了其整数倍，和/或
-任何位置，所述位置又在第二直线112的方向上移位了偏移s’
Figure BDA0004126494090000122
或从主天线阵列的接收天线j之一或发射天线i之一移位了其整数倍。
如“阵列和相控阵列天线基础知识(Array and Phased Array Antenna Basics)”(Hubregt J.Visser，2005年)中等式4.21所描述，中间网格区域[s；s’]之间的偏移s、s’还必须根据以下公式确定尺寸
Figure BDA0004126494090000123
以防止子天线阵列形成任何光栅瓣，并相应地使每个立体角α、β能够借助于子天线阵列在限定立体角范围[α；β]内被明确地分配。例如，如果主天线阵列中的发射天线i之间的分离距离a和接收天线j之间的分离距离a’对应于雷达信号SHF的波长λ，并且如果子天线阵列的发射或接收天线k、l的偏移s、s’对应于雷达信号SHF的波长λ的一半，则此公式和根据本发明所要求的子天线阵列的接收天线k的定位都得以满足。
在图3所示的根据本发明的天线组件11的实施例变形中，除了两个接收天线k之外，子天线阵列还包括独立的发射天线l，其与接收天线k类似，依次布置在中间网格[s；s’]上。替代地或除了一个或多个独立的发射天线l之外，在本发明的意义内，还可以设想将主天线阵列的一个或多个选定发射天线i和/或接收天线j分配给子天线阵列。在这种情况下，还要选择或定位从主天线阵列分配的这些天线i，j，再次考虑子天线阵列的纯接收和发射天线k，l的中间网格位置[s；s’]，其方式为使得借助于子天线阵列，可以在限定立体角范围[α；β]内唯一地分配每个立体角α、β。在这方面，例如，基于MatLab，可以借助于子天线阵列中的天线i、j、k、l产生的子天线阵列的群因子的对应模拟来找到或优化子天线阵列的天线i、j、k、l的对应数量和位置。
由于所需的子天线阵列的角分离不必与主天线阵列的角分离一样高，因此，如果子天线阵列仅具有主天线阵列中天线数量的三分之一，则在本发明的范围内就足够了，而与图3所示的实施例变形无关。以此方式，可以根据本发明以总的少量天线i、j、k、l和对应地低的计算工作量来确定料位分布L(α,β)。
图4更详细地示出根据本发明借助于天线组件11的料位测量装置1的对应设计的评估单元12如何能够确定料位分布L(α,β)。根据MIMO原理，基于接收到的雷达信号RHF，分别为主天线阵列和子天线阵列生成对应测量曲线Ai,j(d)、Ak,l(d)。在本发明的上下文中，术语“测量曲线”通常表示根据到水平测量装置1的距离d的反射的雷达信号RHF的信号幅度A(可能以dB为单位)。在FMCW原理的情况下，对应测量曲线Ai,j(d)、Ak,l(d)具体地表示根据通过对应发射天线i输出的雷达信号SHF与在相应接收天线j、k处输入的雷达信号RHF之间的频率差的信号幅度A。由此，频率差原则上相对于距离d是线性的，且因此在FMCW的情况下表示相同的内容。
由于两个天线阵列的激活是借助于MIMO原理进行的，因此评估单元12在每种情况下都为主天线阵列的每个接收天线j以及主天线阵列的每个发射天线i以及为主天线阵列的每个接收天线k以及主天线阵列的每个发射天线i生成测量曲线Ai,j(d)、Ak,l(d)。为了分配发射天线i、l的目的，信号生成单元10为此目的根据(线性)序列i、k＝1、2…的TDMA方法，在时间上偏移地逐个控制发射天线i、l。对于图3中所示的天线组件11的简化子天线阵列，这种控制是不相关的，因为为了清楚起见，子天线阵列仅包括单个发射天线l。对于图3中所示的天线组件11，这还意味着借助于主天线阵列捕获3*4＝12个测量曲线Ai,j(d)；评估单元借助于子天线阵列相应地捕获1*2+1*1＝3个测量曲线Ak,l(d)。
基于借助于主天线阵列捕获的测量曲线Ai,j(d)，然后，评估单元12生成测量范围d的限定测量点dx的对应立体角谱Ai,j(dx,α,β)。同样地，基于借助于子天线阵列捕获的那些测量曲线Ak,l(d)，创建测量范围d的相应相同测量点dx的水平处的附加立体角谱Ak,l(dx,α,β)。由此，在本发明的范围内，根据两个立体角α、β，“立体角谱”二维地再现限定距离dx的水平处反射的雷达信号RHF的信号幅度A或信号强度。使用“数字波束形成”创建立体角谱Ai,j(dx,α,β)、Ak,l(dx,α,β)。为此目的，例如，可以在评估单元12内实施合适的“数字波束形成处理器”体系结构。对于更多的测量点dx，创建立体角谱Ai,j(dx,α,β)、Ak,l(dx,α,β)，或者测量点dx彼此越接近，所产生的料位分布L(α,β)的潜在距离精度就越高。
为了获得料位分布L(α,β)，根据本发明，首先将与测量点dx相对应的主天线阵列和子天线阵列的立体角谱Ai,j(dx,α,β)、Ak,l(dx,α,β)在每种情况下组合成共轭立体角谱(dx,α,β)。在这种情况下，评估单元12根据信号幅度A的比例(线性或对数)，通过在相应立体角α、β处幅度值的相加和相乘来组合立体角谱Ai,j(dx,α,β)、Ak,l(dx,α,β)。
根据本发明的优点反映在共轭立体角谱A(dx,α,β)中，即使用主天线阵列和子天线阵列：反射的雷达信号RHF的信号幅度A可以在宽的立体角范围[α，β]内以高度角分离在共轭立体角谱A(dx,α,β)中被成像，尽管天线i、j、k、l的总体数量小，或者尽管所需的评估信道较少。因此，评估单元12也可以以高度角分离在对应立体角范围[α，β]内创建料位分布L(α,β)。
可以例如基于所得共轭立体角谱A(dx,α,β)，通过针对每个立体角α、β，评估在测量范围d的哪个测量点dx处或在哪个对应共轭立体角谱A(dx,α,β)处信号幅度A处于最大值，来创建料位分布L(α,β)。距离dx可以根据下式被转换为对应料位值L(α,β)，
dx，max(α，β)＝h-L(α，β)
如果料位测量装置1的安装高度h存储在评估单元12中的话。最后，可以将料位分布L(α,β)发射到上级单元4和/或在料位测量装置1的显示器上例如以轮廓线的形式可视化。
附图标记列表
1 料位测量装置
2 填充材料
3 容器
4 上级单元
11 天线组件
110 基板
111 第一直线
112 第二直线
113 直线原点
A 信号幅度
a,a′ 主天线阵列的天线之间的距离
Ai,j(d) 测量曲线
Ai,j(dx,α,β) 立体角谱
b 容器横截面
D 天线距离
d 距离，分离距离
f 发射信号的频率
h 安装高度
i 主天线阵列的发射天线
j 主天线阵列的接收天线
k 子天线阵列的接收天线
l 子天线阵列的发射天线
L(α,β) 料位分布
RHF 反射的雷达信号
SHF 雷达信号
s,s' 偏移
α,β 立体角
λ 雷达信号的波长

Claims (14)

1.一种用于基于雷达的料位测量装置(1)的天线组件(11)，用于确定填充材料(2)在限定立体角范围(α；β)内的料位分布(L(α,β))，所述天线组件包括以下部件：
-主天线阵列，所述主天线阵列包括：
○沿着第一直线(111)布置的至少两个发射天线(i)，借助于所述至少两个发射天线，能够在所述填充材料(2)的方向上发射具有限定波长(λ)的雷达信号(SHF)，其中所述发射天线(i)
相对于彼此以大于所述雷达信号(SHF)的波长(λ)的一半的限定第一分离距离(a)布置，
○沿着第二直线(112)布置的至少两个接收天线(j)，借助于所述至少两个接收天线，能够接收由填充材料表面反射的雷达信号(RHF)，其中所述接收天线(j)相对于彼此以大于所述雷达信号(SHF)的波长(λ)的一半的第二限定分离距离(a’)布置，
并且其中，所述第二直线(112)以至所述第一直线(111)的限定角度被布置，使得所述发射天线(i)和所述接收天线(j)形成网格(a；a’)，
-具有至少两个接收天线(k)的子天线阵列，所述子天线阵列被设计成在所述填充材料表面处的反射之后接收所述雷达信号(RHF)，
其中，所述子天线阵列的两个接收天线(k)相对于所述主天线阵列的所述网格([a；a’])布置在中间网格([s，s’])上并且至少一个发射天线(i，l)被分配给所述子天线阵列，使得借助于所述子天线阵列能够在所述限定立体角范围(α；β)内唯一地分配每个立体角(α，β)。
2.根据权利要求1所述的天线组件，其中，所述子天线阵列的至少一个分配的发射天线(i，l)是所述主天线阵列的发射天线(i)中的一个，和/或其中，作为相关联发射天线，所述子天线阵列包括布置在所述中间网格([s，s’])上的至少一个发射天线(i)。
3.一种用于基于雷达的料位测量装置(1)的天线组件(11)，用于确定填充材料(2)在限定立体角范围(α；β)内的料位分布(L(α,β))，所述天线组件包括以下部件：
-主天线阵列，所述主天线阵列包括：
○沿着第一直线(111)布置的至少两个发射天线(i)，借助于所述至少两个发射天线，能够在所述填充材料(2)的方向上发射具有限定波长(λ)的雷达信号(SHF)，其中所述发射天线(i)相对于彼此以大于所述雷达信号(SHF)的波长(λ)的一半的限定第一分离距离(a)布置，
○沿着第二直线(112)布置的至少两个接收天线(j)，借助于所述至少两个接收天线，能够接收由填充材料表面反射的雷达信号(RHF)，其中所述接收天线(j)相对于彼此以大于所述雷达信号(SHF)的波长(λ)的一半的第二分离距离(a’)布置，
并且其中，所述第二直线(112)以至所述第一直线(111)的限定角度被布置，
-具有至少两个发射天线(l)的子天线阵列，所述子天线阵列被设计成向所述填充材料(2)发射所述雷达信号(RHF)，
其中，所述子天线阵列的两个发射天线(l)被布置在相对于所述主天线阵列的网格([a；a’])的中间网格([s，s’])上并且至少一个接收天线(j，k)被分配给所述子天线阵列，使得借助于所述子天线阵列能够在所述限定立体角范围(α；β)内唯一地分配每个立体角(α，β)。
4.根据权利要求3所述的天线组件，其中，所述子天线阵列的至少一个分配的接收天线(j，k)是所述主天线阵列的接收天线(j)中的一个，和/或其中，作为分配的接收天线，所述子天线阵列包括布置在所述中间网格([s，s’])上的至少一个接收天线(k)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的天线组件，其中，所述第一直线和所述第二直线彼此以90°角被布置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的天线组件，其中，所述主天线阵列中的所述发射天线(i)之间的分离距离(a)和所述接收天线(j)之间的分离距离(a’)对应于所述雷达信号(SHF)的波长(λ)，和/或
其中，所述子天线阵列中的发射和接收天线(k)的偏移(s，s’)对应于所述雷达信号(SHF)的波长(λ)的一半。
7.根据前述权利要求中任一项所述的天线组件，其中，所述主天线阵列具有相同数量的发射天线(i)和接收天线(j)。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的天线组件，其中，与所述主天线阵列相比，所述子天线阵列具有最多一半、特别是三分之一的发射或接收天线(k)。
9.一种用于确定填充材料(2)在限定立体角范围(α；β)内的料位分布(L(α,β))的基于雷达的料位测量装置，包括以下部件：
-根据前述权利要求中任一项所述的天线组件(11)，
-信号生成单元(10)，所述信号生成单元(10)被设计成生成具有限定波长(λ)的雷达信号(SHF)，并将所述雷达信号耦合到主天线阵列和子天线阵列的发射天线(i，k),
-评估单元，所述评估单元被设计成
○根据MIMO原理，基于在所述主天线阵列处接收到的雷达信号(RHF)捕获对应测量曲线(Ai,j(d))，
○根据MIMO原理，基于在所述子天线阵列处接收到的雷达信号(RHF)捕获对应测量曲线(Ak,l(d))，
○以便于基于借助于所述主天线阵列在测量区域(d)的限定测量点(dx)的水平处捕获的测量曲线(Ai,j(d))创建对应立体角谱(Ai,j(dx,α,β))，
○以便于基于借助于所述子天线阵列在测量区域(d)的限定测量点(dx)的水平处捕获的测量曲线(Ak,l(d))创建对应立体角谱(Ak,l(dx,α,β))，
○以便于将所述主天线阵列和所述子天线阵列的、对应于所述测量点(dx)的立体角谱(dx,α,β)组合成共轭立体角谱(A(dx,α,β))，以及
○以便于基于所述共轭立体角谱(A(dx,α,β))创建与立体角相关的料位分布(L(α,β))。
10.根据权利要求9所述的料位测量装置，其中，所述信号生成单元(10)被配置成根据FMCW方法生成所述雷达信号(SHF)，并且其中，所述评估单元被设计成根据FMCW方法计算所述主天线阵列和所述子天线阵列的测量曲线(Ai,j(d)，Ak,l(d))。
11.根据权利要求10所述的料位测量装置，其中，所述评估单元被配置成借助于窗函数、特别是借助于汉宁窗或切比雪夫窗，来计算所述主天线阵列和所述子天线阵列的测量曲线(Ai,j(d)，Ak,l(d))。
12.一种用于借助于根据权利要求9至11中任一项所述的料位测量装置(1)进行限定立体角范围(α；β)内的料位分布(L(α,β))的基于雷达的确定的方法，所述方法包括以下方法步骤：
-根据MIMO原理，借助于主天线阵列捕获限定料位测量范围(d)内的对应测量曲线(Ai,j(d))，
-基于借助于所述主天线阵列捕获的测量曲线(Ai,j(d))，在所述测量范围(d)的多个限定测量点(dx)的水平处创建立体角谱(Ai,j(dx,α,β))，
-根据MIMO原理，借助于所述子天线阵列捕获限定料位测量范围(d)内的对应测量曲线(Ak,l(d))，
-基于借助于所述子天线阵列捕获的测量曲线(Ak,l(d))，在所述测量范围(d)的限定测量点(dx)的水平处创建立体角谱(Ak,l(dx,α,β))，
-将对应于所述主天线阵列(i，j)和所述子天线阵列的测量点(dx)的立体角谱(Ai,j(dx,α,β)，Ak,l(dx,α,β))组合成共轭立体角谱(A(dx,α,β))，以及
-基于所述共轭立体角谱(A(dx,α,β))创建与立体角相关的料位分布(L(α,β))。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述立体角谱(Ai,j(dx,α,β)，Ak,l(dx,α,β))在每种情况下按对数被缩放的前提下，借助于相加来组合对应于所述主天线阵列和所述子天线阵列的测量点(dx)的立体角谱(Ai,j(dx,α,β)，Ak,l(dx,α,β))，或
其中，在所述立体角谱(Ai,j(dx,α,β)，Ak,l(dx,α,β))在每种情况下线性地被缩放的前提下，借助于相乘来组合对应于所述主天线阵列和所述子天线阵列的测量点(dx)的立体角谱(Ai,j(dx,α,β)，Ak,l(dx,α,β))。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述立体角谱(Ai,j(dx,α,β))是基于数字波束形成方法创建的。
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