CN116500609B - 落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统，包括：信号收发模块，用于发射固频微波信号和连续调频微波信号，及接收多普勒信号和测距回波信号并上传至测量模块；测量模块，用于根据控制模块下发的固定频率信号和连续调频信号生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块，及接收多普勒信号和测距回波信号并上传至控制模块；控制模块，用于交替生成固定频率信号和连续调频信号，及根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息解析出落料状态、物位波动状态和/或物位距离。本申请解决了现有雷达测量系统难以获得高精度物位值和容器的落料状态的问题，不仅能获取精密物位距离，还能识别出落料状态及物位波动状态。

Description

落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统

技术领域

本发明实施例涉及工业测量技术领域，尤其涉及一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统。

背景技术

雷达测量系统兼具安全、高效和环保等诸多优势，因而在容器中物料的物位监测等工业领域中得到了广泛的推广与应用。

但是，在一些监测工况下，物料的物位受搅拌、震动等工艺因素的影响而产生波动甚至是震荡，此时，现有雷达测量系统接收到的物位反射回波信号较为微弱，并且还有大量干扰回波信号会与物位反射回波信号一同被雷达测量系统所接收，这就使得现有雷达测量系统几乎无法有效判别出物位反射回波信号，也就无法根据物位反射回波信号获得高精度物位值。另外，现有雷达测量系统受测量原理等条件的限制，难以识别出容器的落料状态，例如容器中管道的落料状态。

发明内容

本发明实施例提供一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统，以获取精密物位距离，并有效识别出落料状态及物位波动状态。

第一方面，本发明实施例提供了一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统，包括控制模块、测量模块和信号收发模块；

所述信号收发模块，与所述测量模块连接，用于发射固频微波信号和连续调频微波信号；以及，接收多普勒信号和测距回波信号并上传至所述测量模块；

所述测量模块，与所述控制模块连接，用于根据所述控制模块下发的固定频率信号和连续调频信号，生成所述固频微波信号和所述连续调频微波信号并下发至所述信号收发模块；以及，接收所述多普勒信号和所述测距回波信号并上传至所述控制模块；

所述控制模块，用于交替生成所述固定频率信号和所述连续调频信号；以及，根据所述多普勒信号和所述测距回波信号的特征信息，至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种。

可选地，所述管道落料状态包括堵塞状态、放空状态和流动状态；

所述物位距离包括物料距离值和/或搅拌结构的距离值。

可选地，所述多普勒信号的特征信息包括物料的物位变化速度、搅拌结构的转动速度及周期、物位的波动程度或物料的流动状态中的至少一种；

所述测距回波信号的特征信息至少包括经所述物料反射形成的目标回波信号、所述搅拌结构反射形成的扰动回波信号以及干扰物体反射形成的干扰回波信号。

可选地，所述测量模块包括多普勒测量模块和测距模块；

所述多普勒测量模块，连接在所述控制模块和所述信号收发模块之间，用于根据所述控制模块下发的所述固定频率信号，生成所述固频微波信号并下发至所述信号收发模块；以及，接收所述信号收发模块上传的所述多普勒信号并上传至所述控制模块；

所述测距模块，连接在所述控制模块和所述信号收发模块之间，用于根据所述控制模块下发的所述连续调频信号，生成所述连续调频微波信号并下发至所述信号收发模块；以及，接收所述信号收发模块上传的所述测距回波信号并上传至所述控制模块。

可选地，所述信号收发模块包括共用天线结构，所述共用天线结构为所述多普勒测量模块与所述测距模块所共用；

或者，所述信号收发模块包括第一天线结构和第二天线结构；其中，所述第一天线结构，与所述多普勒测量模块连接，用于发射所述固频微波信号，以及接收所述多普勒信号并上传至所述多普勒测量模块；所述第二天线结构，与所述测距模块连接，用于发射所述连续调频微波信号，以及接收所述测距回波信号并上传至所述测距模块。

可选地，所述控制模块包括微控单元、AD采集器、放大器和微波单元；

所述微波单元，分别与所述测量模块、所述微控单元和所述放大器连接，用于根据所述微控单元下发的控制参数，交替生成所述固定频率信号和所述连续调频信号并下发至所述测量模块；以及，接收所述测量模块上传的所述多普勒信号和所述测距回波信号，根据所述多普勒信号生成第一混频信号并根据所述测距回波信号生成第二混频信号后，将所述第一混频信号和所述第二混频信号传输至所述放大器；

所述微控单元，通过所述AD采集器与所述放大器连接，用于根据经所述放大器放大处理，并经所述AD采集器执行信号转换后的所述第一混频信号和所述第二混频信号，获取所述多普勒信号和所述测距回波信号的特征信息，进而至少解析出所述落料状态、所述物位波动状态和所述物位距离中的一种。

可选地，所述微波单元包括混频器和本振电路；

所述本振电路，与所述混频器连接，用于生成本振信号并传输至所述混频器；

所述混频器，连接所述放大器和所述测量模块之间，用于接收所述测量模块上传的所述多普勒信号和所述测距回波信号；以及，对所述本振信号和所述多普勒信号进行混频得到所述第一混频信号，并对所述本振信号和所述测距回波信号进行混频得到所述第二混频信号后，将所述第一混频信号和所述第二混频信号传输至所述放大器。

可选地，所述微波单元等间隔生成至少8个所述连续调频信号，所述连续调频信号的调频总时长大于10ms。

可选地，所述微控单元还用于对经所述放大器放大处理，并经所述AD采集器执行信号转换后的至少8个所述第二混频信号进行二维傅里叶变换，以获得多个速度回波曲线。

可选地，所述微控单元根据所述多个速度回波曲线和所述多普勒信号的特征信息，解析出所述物位波动状态和/或所述物位距离。

可选地，所述控制模块根据所述测距回波信号和所述搅拌结构的转动速度及周期，解析出所述物位波动状态和/或所述物位距离。

可选地，所述控制模块根据所述测距回波信号和所述物料的物位的波动程度，解析出所述物位波动状态和/或所述物位距离。

可选地，所述控制模块根据所述测距回波信号和所述物料的流动状态，解析出所述落料状态。

可选地，还包括：

显示模块，与所述控制模块连接，至少用于显示所述落料状态、所述物位波动状态和所述物位距离中的一种；

供电模块，与所述控制模块连接，用于接入外部供电，并将所述外部供电转换为多级工作电压，以维持所述复合微波雷达测量系统的正常工作。

第二方面，本发明实施例还提供了一种落料状态识别方法，采用第一方面所提供的复合微波雷达测量系统执行所述方法，所述方法包括：

所述控制模块交替生成所述固定频率信号和所述连续调频信号并下发至所述测量模块；

所述测量模块根据所述固定频率信号和所述连续调频信号，生成所述固频微波信号和所述连续调频微波信号并下发至所述信号收发模块；

所述信号收发模块发射所述固频微波信号和所述连续调频微波信号，并接收所述多普勒信号和所述测距回波信号；

所述测量模块接收所述信号收发模块上传的所述多普勒信号和所述测距回波信号，并上传至所述控制模块；

所述控制模块根据所述测距回波信号和所述物料的流动状态，解析出所述落料状态。

第三方面，本发明实施例还提供了一种物位距离检测方法，采用第一方面所提供的复合微波雷达测量系统执行所述方法，所述方法包括：

所述控制模块交替生成所述固定频率信号和所述连续调频信号并下发至所述测量模块；

所述测量模块根据所述固定频率信号和所述连续调频信号，生成所述固频微波信号和所述连续调频微波信号并下发至所述信号收发模块；

所述信号收发模块发射所述固频微波信号和所述连续调频微波信号，并接收所述多普勒信号和所述测距回波信号；

所述测量模块接收所述信号收发模块上传的所述多普勒信号和所述测距回波信号，并上传至所述控制模块；

所述控制模块根据所述测距回波信号和所述搅拌结构的转动速度及周期，解析出所述物位距离。

本发明实施例所提供的技术方案，通过控制模块交替生成固定频率信号和连续调频信号；测量模块根据控制模块下发的固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块；信号收发模块发射固频微波信号和连续调频微波信号；信号收发模块接收多普勒信号和测距回波信号并上传至测量模块；测量模块接收多普勒信号和测距回波信号并上传至控制模块；控制模块综合多普勒信号和测距回波信号的特征信息，解析出落料状态、物位波动状态和/或物位距离的手段，解决了现有雷达测量系统无法获得高精度物位值，并且难以识别容器的落料状态的问题，不仅能够根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息获取精密物位距离，还能有效识别出落料状态及物位波动状态。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种落料状态识别方法的流程图；

图6是本发明实施例提供的一种物位波动状态检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明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例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

正如背景技术中提到的现有雷达测量系统受搅拌、震动等工艺因素的影响无法根据物位反射回波信号获得高精度物位值；并且，受限于测量原理等条件，现有雷达测量系统也难以识别出容器的落料状态。发明人经过仔细研究发现，产生上述技术问题的原因在于，容器（比如料罐或料仓）中的物料（比如液态物料或固液混合态物料）受搅拌、震动等工艺因素的影响会产生波动甚至是震荡，且搅拌装置的搅拌杆、搅拌扇叶等也存在容器中，且是不断运动的，在现有雷达测量系统（例如雷达物位计）发出信号进行测量时，不光容器中的波动的物料对信号进行反射形成回波信号，搅拌装置的搅拌扇叶、搅拌杆等也会对信号进行反射形成回波信号，且存在容器中物料反射形成的回波信号较弱，搅拌装置的搅拌扇叶、搅拌杆等反射形成的回波信号较强的情况，众多回波信号一同被雷达物位计所接收，这就导致雷达物位计几乎无法从众多回波信号中有效判别或筛选出物料反射回波信号，也就无法获得高精度物位值。因此从众多的回波信号中识别出用户所需要的回波信号至关重要。

另外，运动的物体会产生多普勒效应，静止的物体不会产生多普勒效应；根据上述原理，现有雷达测量系统（比如多普勒雷达）能够基于多普勒技术对处于运动状态的物料进行识别，但无法辨识出静止的物料。基于此，多普勒雷达仅能识别料流（即正在流动的物料）状态，无法区分落料状态是落料堵塞还是管道放空（若管道落料堵塞，则物料无法经管道流出；若管道放空，则管道中未存有物料；无论是堵塞还是放空，物料均处于静止状态，多普勒雷达无法进行有效判断）。

由此可见，现有雷达测量系统受搅拌、震动等工艺因素的影响无法根据物位反射回波信号获得高精度物位值；同时，受限于测量原理等条件，现有雷达测量系统也难以识别出容器的落料状态。

针对上述技术问题，本发明提出如下解决方案：

图1是本发明实施例提供的一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统的结构示意图，参见图1，落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统包括控制模块110、测量模块120和信号收发模块130。

信号收发模块130，与测量模块120连接，用于发射固频微波信号和连续调频微波信号；以及，接收多普勒信号和测距回波信号并上传至测量模块120；测量模块120，与控制模块110连接，用于根据控制模块110下发的固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块130；以及，接收多普勒信号和测距回波信号并上传至控制模块110；控制模块110，用于交替生成固定频率信号和连续调频信号；以及，根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息，至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种。

其中，固频微波信号是指频率固定的微波信号。另外，连续调频微波信号是指调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW），即频率变化的连续微波信号；连续调频微波信号的调频方式可以有多种，例如可以是三角波调频、锯齿波调频、编码调频或噪声调频等。

可知地，多普勒信号是指固频微波信号经容器中处于运动状态的物料或物体等反射所形成的信号。可以理解的是，固频微波信号的频率和多普勒信号的频率不同，固频微波信号和多普勒信号之间的频率差被称为多普勒频率，多普勒频率的大小可以但不限于表征复合微波雷达测量系统与容器中处于运动状态的物料或物体等之间的相对运动速度。可选地，多普勒信号的特征信息包括物料的物位变化速度、搅拌结构的转动速度及周期、物位的波动程度或物料的流动状态中的至少一种。示例性地，当复合微波雷达测量系统用于检测容器中管道的落料状态时，多普勒信号的特征信息可以仅包括管道内物料的流动状态；当复合微波雷达测量系统用于检测物位波动状态时，多普勒信号的特征信息可以包括物料的物位变化速度、搅拌结构（例如可以是搅拌扇叶）的转动速度及周期或物位的波动程度中的至少一种。

可知地，测距回波信号是指连续调频微波信号经容器中物料或物体等反射所形成的信号。同样地，测距回波信号和连续调频微波信号之间存在差频，该差频可以表征复合微波雷达测量系统与容器中物料或物体等之间的相对距离；通常情况下，前述差频的频率较低，一般为kHz。可选地，测距回波信号的特征信息至少包括经物料反射形成的目标回波信号（也即前述的物位反射回波信号）、搅拌结构反射形成的扰动回波信号以及干扰物体反射形成的干扰回波信号；其中，干扰物体例如可以为容器壁、管道壁以及容器中或管道内的横梁、料流、加热盘管、人梯等。可以理解的是，在一些实施例中，控制模块110可以具体根据前述多普勒频率及差频，至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种。

可选地，落料状态包括堵塞状态、放空状态和流动状态，物位距离包括物料距离值和/或搅拌结构的距离值；其中，以容器中管道的落料状态为例进行说明，则堵塞状态可以是指输送物料用管道已堵塞，放空状态可以是指管道未堵塞且无物料输送，流动状态可以是指管道未堵塞且有物料输送，物料距离值即前述物位值，搅拌结构的距离值能够表征搅拌结构所处的空间位置，物位波动状态可以表征容器中物料波动的剧烈程度。

示例性地，控制模块110可以每隔第一预设时间间隔生成一次固定频率信号或连续调频信号；控制模块110还可以在第二预设时间间隔内生成多次固定频率信号，并在第三预设时间间隔内生成多次连续调频信号，以此类推，以实现交替生成固定频率信号和连续调频信号的技术效果；可以理解的是，第一预设时间间隔、第二预设时间间隔和第三预设时间间隔均可根据复合微波雷达测量系统的实际应用需求进行适应性调整，本发明实施例对此不进行限制。

综上所述，本发明实施例通过控制模块交替生成固定频率信号和连续调频信号；测量模块根据控制模块下发的固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块；信号收发模块发射固频微波信号和连续调频微波信号；信号收发模块接收多普勒信号和测距回波信号并上传至测量模块；测量模块接收多普勒信号和测距回波信号并上传至控制模块；控制模块根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息，至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种的手段，解决了现有雷达测量系统无法获得高精度物位值，并且难以识别容器的落料状态的问题，不仅能够根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息获取精密物位距离，还能有效识别出落料状态及波动物位状态。

需要说明的是，一般情况下，容器大多包括至少一个出料口和至少一个进料口，当进料口和出料口正常进出料时，容器中物料的位置会时刻发生变化，控制模块110可以利用多普勒信号的特征信息至少获知容器中物料位置的变化速度和方向（即上升或是下降），进而根据物料位置的变化速度和方向从测距回波信号中识别出经物料反射形成的目标回波信号，较为精准地确定物料位置。

基于此，在一些实施例中，可选地，控制模块110根据测距回波信号和物料的物位变化速度，解析出物位波动状态和/或物位距离。此时，复合微波雷达测量系统的具体工作流程为：控制模块110交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块120；测量模块120根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块130；信号收发模块130发射固频微波信号和连续调频微波信号，并接收多普勒信号和测距回波信号；测量模块120接收信号收发模块130上传的多普勒信号和测距回波信号，并上传至控制模块110；控制模块110根据测距回波信号和物料的物位变化速度，解析出物位波动状态和/或物位距离。可以理解的是，在获知物料位置的变化速度和方向后，控制模块110能够解析出测距回波信号中目标回波信号在前一次测量基础上所变化的速度及方向，故即便该目标回波信号的能量或幅度变小，甚至远小于其它物体（比如搅拌结构、干扰物体等）反射产生的回波信号（例如前述扰动回波信号和干扰回波信号），控制模块110也能从测距回波信号中有效识别出目标回波信号。

还需要说明的是，当容器中设置有搅拌扇叶等结构，并且物料跟随搅拌扇叶转动时，容器中物料的位置会不断变化、搅拌扇叶转动具有规律性，控制模块110可以利用多普勒信号的特征信息至少计算出搅拌扇叶的转动速度规律、转动周期规律等，进而根据搅拌扇叶的转动速度规律、转动周期规律等从测距回波信号中识别出搅拌扇叶回波信号（也即搅拌结构反射形成的扰动回波信号），确定搅拌扇叶的空间位置，此外，从测距回波信号中识别出了搅拌扇叶回波信号后，即排除了搅拌扇叶回波信号对目标回波信号（即容器中物料形成的回波信号）的干扰，有利于从测距回波信号中识别出目标回波信号，精准地确定物料位置。

有鉴于此，在另一些实施例中，可选地，控制模块110根据测距回波信号和搅拌结构的转动速度及周期，解析出物位波动状态和/或物位距离。此时，复合微波雷达测量系统的具体工作流程为：控制模块110交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块120；测量模块120根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块130；信号收发模块130发射固频微波信号和连续调频微波信号，并接收多普勒信号和测距回波信号；测量模块120接收信号收发模块130上传的多普勒信号和测距回波信号，并上传至控制模块110；控制模块110根据测距回波信号和搅拌结构的转动速度及周期，解析出物位波动状态和/或物位距离。可以理解的是，在获知搅拌扇叶的转动速度规律或转动周期规律后，控制模块110能够解析出测距回波信号中搅拌扇叶回波信号的信号位置，无论该搅拌扇叶回波信号的幅度是高还是低，控制模块110均能跟住该搅拌扇叶回波信号（即可进行搅拌扇叶回波信号的跟随），并从测距回波信号中识别出搅拌扇叶回波信号；识别出搅拌扇叶回波信号后，由于搅拌扇叶处于旋转状态，因而有时搅拌扇叶回波信号的幅度或能量会高于目标回波信号的幅度或能量，控制模块110通过识别搅拌扇叶回波信号，可以进一步排除搅拌扇叶对物料位置的影响，利于精准地确定物料位置。

还需要说明的是，在某些工业场景下，容器本身可能受产品工艺的影响需要不断震荡和晃动以使物料充分混合、溶解、反应等，此外，无论是容器的进出料过程，还是受搅拌扇叶等结构的影响，物料位置均可能产生剧烈波动；控制模块110可以利用多普勒信号的特征信息至少获取物料位置的波动程度，进而根据物料位置的波动程度从测距回波信号中识别出经物料反射形成的目标回波信号，较为精准地确定物料位置。

基于此，在又一些实施例中，可选地，控制模块110根据测距回波信号和物料的物位的波动程度，解析出物位波动状态和/或物位距离。此时，复合微波雷达测量系统的具体工作原理为：控制模块110交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块120；测量模块120根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块130；信号收发模块130发射固频微波信号和连续调频微波信号，并接收多普勒信号和测距回波信号；测量模块120接收信号收发模块130上传的多普勒信号和测距回波信号，并上传至控制模块110；控制模块110根据测距回波信号和物料的物位的波动程度，解析出物位波动状态和/或物位距离。可以理解的是，在获知物料位置的波动程度后，控制模块110能够解析出测距回波信号中目标回波信号在前一次测量基础上的波动范围，并在该波动范围内寻找本次测量的目标回波信号，故即便该目标回波信号的能量或幅度变小，甚至远小于搅拌结构和干扰物体反射产生的回波信号（即前述扰动回波信号和干扰回波信号），控制模块110也能跟住该目标回波信号（即可进行目标回波信号的跟随），从测距回波信号中有效识别出目标回波信号。

还需要说明的是，由于运动的物体会产生多普勒效应，静止的物体不会产生多普勒效应，因此，仅凭多普勒信号只能识别流动状态，而无法区分堵塞状态和放空状态。但是，示例性地，当管道落料堵塞时，管道中存有物料，只是无法经管道流出，此时，测距回波信号中会包含管道中堵塞物料的特征信息；当管道放空时，管道中未存有物料，则测距回波信号中不包含管道中堵塞物料的特征信息；由此可见，基于多普勒信号得到物料处于非流动状态（即堵塞状态和放空状态）时，再结合测距回波信号可以有效区分堵塞状态和放空状态，控制模块110可以有效判别管道落料是堵塞状态，还是放空状态。

有鉴于此，在又一些实施例中，可选地，控制模块110根据测距回波信号和物料的流动状态，解析出落料状态。此时，复合微波雷达测量系统的具体工作原理为：控制模块110交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块120；测量模块120根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块130；信号收发模块130发射固频微波信号和连续调频微波信号，并接收多普勒信号和测距回波信号；测量模块120接收信号收发模块130上传的多普勒信号和测距回波信号，并上传至控制模块110；控制模块110基于多普勒信号获知物料处于非流动状态后，再根据测距回波信号以及获得的物料的流动状态，解析出落料状态。

在上述实施例的基础上，图2是本发明实施例提供的另一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统的结构示意图，图3是本发明实施例提供的又一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统的结构示意图。参见图2和图3，可选地，测量模块120包括多普勒测量模块121和测距模块122；多普勒测量模块121，连接在控制模块110和信号收发模块130之间，用于根据控制模块110下发的固定频率信号，生成固频微波信号并下发至信号收发模块130；以及，接收信号收发模块130上传的多普勒信号并上传至控制模块110；测距模块122，连接在控制模块110和信号收发模块130之间，用于根据控制模块110下发的连续调频信号，生成连续调频微波信号并下发至信号收发模块130；以及，接收信号收发模块130上传的测距回波信号并上传至控制模块110。

可选地，信号收发模块130包括共用天线结构131，共用天线结构131为多普勒测量模块121与测距模块122所共用；或者，信号收发模块130包括第一天线结构132和第二天线结构133；其中，第一天线结构132，与多普勒测量模块121连接，用于发射固频微波信号，以及接收多普勒信号并上传至多普勒测量模块121；第二天线结构133，与测距模块122连接，用于发射连续调频微波信号，以及接收测距回波信号并上传至测距模块122。

其中，共用天线结构131、第一天线结构132和第二天线结构133可以是收发一体的天线，或者可以是收发分体的天线；上述天线结构可以但不限于采用双极天线、偶极子天线或微带天线。

示例性地，继续参见图2，假设控制模块110先生成固定频率信号，后生成连续调频信号，则复合微波雷达测量系统的工作流程可以具体如下：

控制模块110生成固定频率信号；多普勒测量模块121根据控制模块110下发的固定频率信号，生成固频微波信号并下发至共用天线结构131；共用天线结构131发射固频微波信号；共用天线结构131接收多普勒信号并上传至多普勒测量模块121；多普勒测量模块121接收共用天线结构131上传的多普勒信号并上传至控制模块110；控制模块110生成连续调频信号；测距模块122根据控制模块110下发的连续调频信号，生成连续调频微波信号并下发至共用天线结构131；共用天线结构131发射连续调频微波信号；共用天线结构131接收测距回波信号并上传至测距模块122；测距模块122接收共用天线结构131上传的测距回波信号并上传至控制模块110；控制模块110根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息，至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种。

示例性地，继续参见图3，假设控制模块110先生成连续调频信号，后生成固定频率信号，则复合微波雷达测量系统的工作流程可以具体如下：

控制模块110生成连续调频信号；测距模块122根据控制模块110下发的连续调频信号，生成连续调频微波信号并下发至第二天线结构133；第二天线结构133发射连续调频微波信号；第二天线结构133接收测距回波信号并上传至测距模块122；测距模块122接收第二天线结构133上传的测距回波信号并上传至控制模块110；控制模块110生成固定频率信号；多普勒测量模块121根据控制模块110下发的固定频率信号，生成固频微波信号并下发至第一天线结构132；第一天线结构132发射固频微波信号；第一天线结构132接收多普勒信号并上传至多普勒测量模块121；多普勒测量模块121接收第一天线结构132上传的多普勒信号并上传至控制模块110；控制模块110根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息，至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种。

综上所述，本发明实施例能够克服现有雷达测量系统无法获得高精度物位值，并且难以识别容器的落料状态的弊端，不仅能够根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息获取精密物位距离，还能有效识别出落料状态及物位波动状态。此外，与包括第一天线结构和第二天线结构的信号收发模块相比，当信号收发模块采用共用天线结构时，本发明实施例能够进一步精简复合微波雷达测量系统的工艺步骤，有利于降低复合微波雷达测量系统的硬件成本。

在上述实施例的基础上，图4是本发明实施例提供的又一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统的结构示意图。参见图4，可选地，控制模块110包括微控单元110、AD采集器113、放大器112和微波单元114；微波单元114，分别与测量模块120、微控单元111和放大器112连接，用于根据微控单元111下发的控制参数，交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块120；以及，接收测量模块120上传的多普勒信号和测距回波信号，根据多普勒信号生成第一混频信号并根据测距回波信号生成第二混频信号后，将第一混频信号和第二混频信号传输至放大器112；微控单元111，通过AD采集器113与放大器112连接，用于根据经放大器112放大处理，并经AD采集器113执行信号转换后的第一混频信号和第二混频信号，获取多普勒信号和测距回波信号的特征信息，进而至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种。

可选地，微波单元114包括混频器114a和本振电路114b；本振电路114b，与混频器114a连接，用于生成本振信号并传输至混频器114a；混频器114a，连接放大器112和测量模块120之间，用于接收测量模块120上传的多普勒信号和测距回波信号；以及，对本振信号和多普勒信号进行混频得到第一混频信号，并对本振信号和测距回波信号进行混频得到第二混频信号后，将第一混频信号和第二混频信号传输至放大器112。

可选地，还包括：

显示模块140，与控制模块110连接，至少用于显示落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种；供电模块150，与控制模块110连接，用于接入外部供电，并将外部供电转换为多级工作电压，以维持复合微波雷达测量系统的正常工作。

其中，放大器112用于对第一混频信号和第二混频信号进行放大处理；AD采集器113用于对放大处理后的第一混频信号和第二混频信号进行信号转换后再上传至微控单元111；微控单元111可以是片上系统、单片机、DSP处理器等；AD采集器113可以采用任一种AD转换电路；放大器112可以是任一种信号放大电路；微控单元111下发的控制参数至少可以包括信号频率信息、信号幅度信息及信号宽度信息；外部供电可以是市电；多级工作电压用于保障微控单元111、AD采集器113、放大器112和微波单元114等的稳态工作，进而维持整个复合微波雷达测量系统的正常工作，示例性地，多级工作电压可以包括3.3V、5V、±12V、±15V或24V等电压等级；显示模块140可以是CRT显示屏、LCD显示屏和LED显示屏等。

继续参见图4，示例性地，复合微波雷达测量系统的工作流程可以具体如下：

供电模块150接入外部供电，并将外部供电转换为多级工作电压，以维持复合微波雷达测量系统的正常工作；微控单元111将控制参数下发至微波单元114；微波单元114根据控制参数交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块120；测量模块120根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块130；信号收发模块130发射固频微波信号和连续调频微波信号；信号收发模块130接收多普勒信号和测距回波信号并上传至测量模块120；本振电路114b生成本振信号并传输至混频器114a，测量模块120接收多普勒信号和测距回波信号并上传至混频器114a；混频器114a对本振信号和多普勒信号进行混频得到第一混频信号，并对本振信号和测距回波信号进行混频得到第二混频信号后，将第一混频信号和第二混频信号传输至放大器112；放大器112对第一混频信号和第二混频信号进行放大处理；AD采集器113对放大处理后的第一混频信号和第二混频信号进行信号转换后再上传至微控单元111；微控单元111根据经放大器112放大处理，并经AD采集器113执行信号转换后的第一混频信号和第二混频信号，获取多普勒信号和测距回波信号的特征信息，进而解析出落料状态、物位波动状态和/或物位距离；显示模块140显示落料状态、物位波动状态和/或物位距离。

示例性地，AD采集器113可以对第一混频信号进行采样，以生成第一AD采样信号，具体来说，AD采集器113可以对第一混频信号进行采集，并将第一混频信号的信号类型由模拟信号转换为离散数字信号，该离散数字信号即为第一AD采样信号；同样地，AD采集器113还可对第二混频信号进行采样，以生成第二AD采样信号，具体而言，AD采集器113可以对第二混频信号进行采集，并将第二混频信号的信号类型由模拟信号转换为离散数字信号，该离散数字信号即为第二AD采样信号。

可知地，本振信号可以是固定频率信号和连续调频信号，本振信号的频率可以随时间线性变化，即线性调频。可以理解的是，本振信号和多普勒信号之间、本振信号和测距回波信号之间的频率均存有差异，基于此，第一混频信号是指能够表征本振信号和多普勒信号之间频率差的信号，第二混频信号是指能够表征本振信号和测距回波信号之间频率差的信号。一般情况下，混频信号的频率较低，因而第一混频信号和第二混频信号对AD采集器的采样率要求偏低，有利于降低复合微波雷达测量系统的硬件成本。

在一些实施例中，微控单元111根据经放大器112放大处理，并经AD采集器113执行信号转换后的第一混频信号和第二混频信号，获取多普勒信号和测距回波信号的特征信息，进而至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种可以包括：微控单元111分别对经放大器112放大处理，并经AD采集器113执行信号转换后的第一混频信号和第二混频信号进行一维傅里叶变换运算，以对应获取多普勒信号和测距回波信号的特征信息，进而至少解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种。

此外，在另一些实施例中，可选地，微波单元114等间隔生成至少8个连续调频信号，连续调频信号的调频总时长大于10ms；微控单元111还用于对经放大器112放大处理，并经AD采集器113执行信号转换后的至少8个第二混频信号进行二维傅里叶变换，以获得多个速度回波曲线；微控单元111根据多个速度回波曲线和多普勒信号的特征信息，解析出物位波动状态和/或物位距离。

具体来说，当微波单元114陆续产生多个连续调频信号时，微波单元114可以等间隔产生多个连续调频信号，多个连续调频信号的调频总时长优选为20ms；多个连续调频信号依次进入测距模块122，由测距模块122通过信号收发模块130向容器中或管道内依次发射多个连续调频微波信号，多个连续调频微波信号依次经物料、搅拌结构等反射形成多个测距回波信号并被测距模块122依次接收，混频器114a对各个测距回波信号及与其对应的连续调频信号进行混频依次得到多个第二混频信号，微控单元111对经放大和AD采样处理的多个第二混频信号进行二维傅里叶变换，得到多个不同速度上的回波曲线（即多个速度回波曲线），据此可得各个测距回波信号的速度信息。然后，微控单元111可以根据多普勒信号的特征信息获得的物位变化的速度以及搅拌扇叶转动的速度规律等，选择对应速度上的回波曲线，从而得到与速度对应的测距回波信号，最后从对应的测距回波信号中筛选识别出目标回波信号、搅拌扇叶回波信号，以此确认物料的位置、搅拌扇叶的位置，即获得精密的物位距离及物位波动状态。

示例性地，二维傅里叶变换过程具体可以为：多个连续调频信号依次进入测距模块122，由测距模块122通过信号收发模块130向容器中或管道内依次发射多个连续调频微波信号，多个连续调频微波信号经物料、搅拌结构等反射依次形成多个测距回波信号并被测距模块122依次接收，混频器114对各个测距回波信号及与其对应的连续调频信号进行混频依次得到多个第二混频信号，依次对多个第二混频信号进行第一方向的一维傅里叶变换可以获得多个回波曲线，然后再将获得的多个回波曲线进行第二方向的一维傅里叶变换就能得到多个不同速度上的回波曲线，据此得出各个测距回波信号的速度信息。

综上所述，本发明实施例能够克服现有雷达测量系统无法获得高精度物位值，并且难以识别容器的落料状态的弊端，不仅能够根据多普勒信号和测距回波信号的特征信息获取精密物位距离，还能有效识别出落料状态及物位波动状态。

在上述实施例的基础上，图5是本发明实施例提供的一种落料状态识别方法的流程图。本实施例可适用于各种型号容器的落料状态测量场景，该方法可以由本发明实施例中的落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统执行，该落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统可以由软件和/或硬件来实现。如图5所示，该方法具体包括如下步骤：

S501、控制模块交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块。

S502、测量模块根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块。

S503、信号收发模块发射固频微波信号和连续调频微波信号，并接收多普勒信号和测距回波信号。

S504、测量模块接收信号收发模块上传的多普勒信号和测距回波信号，并上传至控制模块。

S505、控制模块根据测距回波信号和物料的流动状态，解析出落料状态。

可以理解的是，由于运动的物体会产生多普勒效应，静止的物体不会产生多普勒效应，因此，仅凭多普勒信号只能识别流动状态，而无法区分堵塞状态和放空状态。但是，示例性地，当管道落料堵塞时，管道中存有物料，只是无法经管道流出，此时，测距回波信号中会包含管道中堵塞物料的特征信息；当管道放空时，管道中未存有物料，则测距回波信号中不包含管道中堵塞物料的特征信息；由此可见，控制模块可以通过测距回波信号有效判别管道落料是堵塞状态，还是放空状态，即根据多普勒信号和测距回波信号可以识别出管道落料是否处于堵塞状态、放空状态或流动状态。

综上，本发明实施例通过控制模块交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块；测量模块根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块；信号收发模块发射固频微波信号和连续调频微波信号，并接收多普勒信号和测距回波信号；测量模块接收信号收发模块上传的多普勒信号和测距回波信号，并上传至控制模块；控制模块根据测距回波信号和物料的流动状态，解析出落料状态的手段，解决了现有雷达测量系统难以识别容器的落料状态的问题，能够有效识别出落料状态。

在上述实施例的基础上，图6是本发明实施例提供的一种物位距离检测方法的流程图。本实施例可适用于各种型号容器中处于旋转、波动或震荡等状态的物料的高精度物位测量场景，该方法可以由本发明实施例中的落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统执行，该落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统可以由软件和/或硬件来实现。如图6所示，该方法具体包括如下步骤：

S601、控制模块交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块。

S602、测量模块根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块。

S603、信号收发模块发射固频微波信号和连续调频微波信号，并接收多普勒信号和测距回波信号。

S604、测量模块接收信号收发模块上传的多普勒信号和测距回波信号，并上传至控制模块。

S605、控制模块根据测距回波信号和搅拌结构的转动速度及周期，解析出物位距离。

可以理解的是，当容器中设置有扇叶等搅拌结构，并且物料跟随搅拌结构转动时，容器中物料的位置会不断变化、搅拌扇叶转动具有规律性，控制模块可以利用多普勒信号的特征信息至少计算出搅拌结构的转动速度规律、转动周期规律等，进而根据搅拌结构的转动速度规律、转动周期规律等从测距回波信号中识别出搅拌结构回波信号（也即搅拌结构反射形成的扰动回波信号），确定搅拌结构的空间位置；此外，从测距回波信号中识别出了搅拌扇叶回波信号后，即排除了搅拌扇叶回波信号对目标回波信号（即容器中物料形成的回波信号）的干扰，有利于从测距回波信号中识别出目标回波信号，精准地确定物料位置，即物位距离。

综上所述，本发明实施例通过控制模块交替生成固定频率信号和连续调频信号并下发至测量模块；测量模块根据固定频率信号和连续调频信号，生成固频微波信号和连续调频微波信号并下发至信号收发模块；信号收发模块发射固频微波信号和连续调频微波信号，并接收多普勒信号和测距回波信号；测量模块接收信号收发模块上传的多普勒信号和测距回波信号，并上传至控制模块；控制模块根据测距回波信号和搅拌结构的转动速度及周期，解析出物位距离的手段，解决了现有雷达测量系统无法获得高精度物位值的问题，能够根据搅拌结构的转动速度及周期和测距回波信号获取精密的物位距离。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (15)

1.一种落料状态及物位波动状态检测用复合微波雷达测量系统，其特征在于，包括控制模块、测量模块和信号收发模块；

所述信号收发模块，与所述测量模块连接，用于发射固频微波信号和连续调频微波信号；以及，接收多普勒信号和测距回波信号并上传至所述测量模块；

所述测量模块，与所述控制模块连接，用于根据所述控制模块下发的固定频率信号和连续调频信号，生成所述固频微波信号和所述连续调频微波信号并下发至所述信号收发模块；以及，接收所述多普勒信号和所述测距回波信号并上传至所述控制模块；

所述控制模块，用于交替生成所述固定频率信号和所述连续调频信号；以及，根据所述多普勒信号的特征信息和所述测距回波信号的特征信息，解析出落料状态、物位波动状态和物位距离中的一种；

其中，所述多普勒信号的特征信息包括物料的物位变化速度、搅拌结构的转动速度及周期、物位的波动程度或物料的流动状态；

所述测距回波信号的特征信息至少包括经所述物料反射形成的目标回波信号、所述搅拌结构反射形成的扰动回波信号以及干扰物体反射形成的干扰回波信号；

所述信号收发模块包括共用天线结构，所述共用天线结构为多普勒测量模块与测距模块所共用；或者，所述信号收发模块包括第一天线结构和第二天线结构。

2.根据权利要求1所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述落料状态包括堵塞状态、放空状态和流动状态；

所述物位距离包括物料距离值和/或搅拌结构的距离值。

3.根据权利要求1所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述测量模块包括所述多普勒测量模块和所述测距模块；

所述多普勒测量模块，连接在所述控制模块和所述信号收发模块之间，用于根据所述控制模块下发的所述固定频率信号，生成所述固频微波信号并下发至所述信号收发模块；以及，接收所述信号收发模块上传的所述多普勒信号并上传至所述控制模块；

所述测距模块，连接在所述控制模块和所述信号收发模块之间，用于根据所述控制模块下发的所述连续调频信号，生成所述连续调频微波信号并下发至所述信号收发模块；以及，接收所述信号收发模块上传的所述测距回波信号并上传至所述控制模块。

4.根据权利要求3所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述第一天线结构，与所述多普勒测量模块连接，用于发射所述固频微波信号，以及接收所述多普勒信号并上传至所述多普勒测量模块；所述第二天线结构，与所述测距模块连接，用于发射所述连续调频微波信号，以及接收所述测距回波信号并上传至所述测距模块。

5.根据权利要求1所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述控制模块包括微控单元、AD采集器、放大器和微波单元；

所述微波单元，分别与所述测量模块、所述微控单元和所述放大器连接，用于根据所述微控单元下发的控制参数，交替生成所述固定频率信号和所述连续调频信号并下发至所述测量模块；以及，接收所述测量模块上传的所述多普勒信号和所述测距回波信号，根据所述多普勒信号生成第一混频信号并根据所述测距回波信号生成第二混频信号后，将所述第一混频信号和所述第二混频信号传输至所述放大器；

所述微控单元，通过所述AD采集器与所述放大器连接，用于根据经所述放大器放大处理，并经所述AD采集器执行信号转换后的所述第一混频信号和所述第二混频信号，获取所述多普勒信号和所述测距回波信号的特征信息，进而至少解析出所述落料状态、所述物位波动状态和所述物位距离中的一种。

6.根据权利要求5所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述微波单元包括混频器和本振电路；

所述本振电路，与所述混频器连接，用于生成本振信号并传输至所述混频器；

所述混频器，连接所述放大器和所述测量模块之间，用于接收所述测量模块上传的所述多普勒信号和所述测距回波信号；以及，对所述本振信号和所述多普勒信号进行混频得到所述第一混频信号，并对所述本振信号和所述测距回波信号进行混频得到所述第二混频信号后，将所述第一混频信号和所述第二混频信号传输至所述放大器。

7.根据权利要求5所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述微波单元等间隔生成至少8个所述连续调频信号，所述连续调频信号的调频总时长大于10ms。

8.根据权利要求7所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述微控单元还用于对经所述放大器放大处理，并经所述AD采集器执行信号转换后的至少8个所述第二混频信号进行二维傅里叶变换，以获得多个速度回波曲线。

9.根据权利要求8所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述微控单元根据所述多个速度回波曲线和所述多普勒信号的特征信息，解析出所述物位波动状态和/或所述物位距离。

10.根据权利要求1所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述控制模块根据所述测距回波信号和所述搅拌结构的转动速度及周期，解析出所述物位波动状态和/或所述物位距离。

11.根据权利要求1所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述控制模块根据所述测距回波信号和所述物料的物位的波动程度，解析出所述物位波动状态和/或所述物位距离。

12.根据权利要求1所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，所述控制模块根据所述测距回波信号和所述物料的流动状态，解析出所述落料状态。

13.根据权利要求1所述的复合微波雷达测量系统，其特征在于，还包括：

显示模块，与所述控制模块连接，至少用于显示所述落料状态、所述物位波动状态和所述物位距离中的一种；

供电模块，与所述控制模块连接，用于接入外部供电，并将所述外部供电转换为多级工作电压，以维持所述复合微波雷达测量系统的正常工作。

14.一种落料状态识别方法，其特征在于，采用权利要求12所述的复合微波雷达测量系统执行所述方法，所述方法包括：

所述控制模块交替生成所述固定频率信号和所述连续调频信号并下发至所述测量模块；

所述测量模块根据所述固定频率信号和所述连续调频信号，生成所述固频微波信号和所述连续调频微波信号并下发至所述信号收发模块；

所述信号收发模块发射所述固频微波信号和所述连续调频微波信号，并接收所述多普勒信号和所述测距回波信号；

所述测量模块接收所述信号收发模块上传的所述多普勒信号和所述测距回波信号，并上传至所述控制模块；

所述控制模块根据所述测距回波信号和所述物料的流动状态，解析出所述落料状态。

15.一种物位距离检测方法，其特征在于，采用权利要求10所述的复合微波雷达测量系统执行所述方法，所述方法包括：

所述控制模块交替生成所述固定频率信号和所述连续调频信号并下发至所述测量模块；

所述测量模块根据所述固定频率信号和所述连续调频信号，生成所述固频微波信号和所述连续调频微波信号并下发至所述信号收发模块；

所述信号收发模块发射所述固频微波信号和所述连续调频微波信号，并接收所述多普勒信号和所述测距回波信号；

所述测量模块接收所述信号收发模块上传的所述多普勒信号和所述测距回波信号，并上传至所述控制模块；

所述控制模块根据所述测距回波信号和所述搅拌结构的转动速度及周期，解析出所述物位距离。