CN1632475A - 数字化雷达物位计 - Google Patents

Abstract

本发明数字化雷达物位计，属于自动测量技术领域，采用线性调频雷达测距的方法，解决生产过程中容器、储仓的料位和液位的测量。经过线性调制的微波信号经由天线发射出去，同时天线接受目标物体反射的回波信号，发射信号和回波信号经混频器后得到中频信号。通过对中频信号进行处理可得到物位信息。其特征在于采用一种基于学习的方式对压控振荡器频率非线性进行校正的原理，产生高线性度的线性调频信号，确保了测量精度，适用于各种物位的测量。

Description

数字化雷达物位计

一、技术领域

本发明属于自动测量技术领域，具体来说是一种用于工业生产过程中容器、储仓的料位和液位的非接触测量仪器。

二、技术背景

雷达料位计在料位测量中具有非接触、分辨率高，介质适应性广的优点。常用的测量方法有两种，一种是脉冲式雷达料位计，另一种是连续调频式雷达料位计。脉冲式雷达料位计需要在纳秒级的时间进行频率计数，技术难度大分辨率低，逐渐被线性调频雷达料位计所取代。线性连续波调频雷达系统的理论极限距离分辨率取决于系统信号带宽ΔR＝^C/_2B，其中C代表光速，B是调频带宽。这是建立在系统是完全线性、理想的情况下，实际的应用中会有各种因素引起距离分辨率降低，其中最主要的因素是调频非线性。VCO输出频率与调制电压之间存在比较大的非线性关系，采用完全线性的电压进行频率调制，由于存在频率偏移，混频后的差拍信号不是理想线性调频信号情况下的单频信号，频谱将被展宽，从而导致LFMCW雷达料位计分辨率降低。为了消除非线性，一般采用2种方法：开环校正和闭环校正。开环校正是预先测量VCO的电压频率关系，存储在存储器中，实际使用时按预先存储的数字量由D/A转换器进行扫频电压的输出。这种方法的缺点是每个VCO的特性均不相同，在生产调试过程中工作量很大，不易批量化生产。实际使用过程中受温度影响也很大，难以保证测量精度。闭环校正的方法是采用单独的计数通道对输出的频率信号进行实时测量，然后对产生控制电压的数字量进行修正，以获取满意的线性度，这将增大成本和软件的工作量。

为了解决这个问题，人们采用直接数字合成和数字锁相环的方法对所需要的信号进行数字合成，但由于以下原因不能投入实际的应用。首先采用直接数字合成的方法目前还达不到料位雷达工作的X波段，只能采用倍频或上变频的方法，这种方法一是成本过高，系统复杂，二是经过倍频产生的微波信号有很多谐波分量，相位噪声大，会对测量结果产生负面的影响。此外，利用锁相环改变频率时需要一个过渡过程，因此其频率转换时间较长，而不能满足线性调频波雷达的高速扫频特性的要求。

三、发明内容

本发明数字化雷达物位计目的在于：解决由于调频非线性对测量精度带来的影响的问题，解决目前线性度校正比较难的问题，提供一种便于生产和调试的雷达物位计。

本发明数字化雷达物位计是一种用于物位检测的非接触测量仪器，其特征在于：I.全数字化调整的标准线性调频频率产生单元，该单元产生高线性度的参考频率信号以及控制压控振荡器产生线性频率的激励信号，该信号可供信号处理单元学习；II.采用一种新的基于学习的方式进行VCO频率非线性校正原理，通过学习产生标准线性调频信号的激励信号实现在线和高精度VCO线性度校正；III.采用一种能够通过学习直接得到代表线性调频状态的数字量序列，该数字量序列可经过简单的线性变换用于D/A转换器，避免闭环校正时复杂的数据处理和变换；IV.采用了与其它的开环校正相比不同的在线校正方法，即设备安装到现场以后也能够进行校正，这样避免保存不同工况下的校正参数，而且无须复杂的频率测量和校正参数的计算，具体来讲，本发明主要包括标准线性调频频率产生单元、激励信号学习单元、微波单元、中频信号处理采集单元、线性调频输出控制单元、信号处理逻辑控制单元和显示键盘通讯接口单元1[结构详见图1]，其标准线性调频频率产生单元由晶体振荡器3、直接数字频率合成器4、数字锁相环6、有源滤波器8、模拟电压开关9、缓冲放大器10、缓冲放大器12、压控振荡器13、预分频器18组成，晶体振荡器3输出的频率信号作为直接数字频率合成器4的基准频率信号，通过改变直接数字合成器4的控制字产生锁相环路的参考输入频率，通过数字锁相环6倍频产生高频信号，当输入到直接数字频率合成器4的控制字维持不变时，经过锁相环路的稳定时间后压控振荡器13的输出可以稳定到一个频率点上，如果按照线性递增直接数字频率合成器4的控制字，则标准线性调频频率产生单元可以产生在扫频范围内连续的线性调频信号，压控振荡器13输出频率信号是否稳定在预定的频率点上可通过数字锁相环6的锁定输出来检测，预分频器19的采用主要是考虑到有些数字锁相环的工作频率还达不到雷达物位计工作的频段，采用预分频器19先把工作频率降低，满足数字锁相环6的频率输入要求，有源滤波器8[详见图3]由缓冲放大器25、26和阻容元件组成，一般情况下出于相位噪声和有源器件的电子噪声的考虑，锁相环路大都采用无源滤波器，而且考虑到环路锁定时间的问题，一般采用低阶滤波器，如二阶或三阶滤波回路，但是为了不因为在压控振荡器13之前对其电压进行采样而影响电压的稳定性，采用高阶的有源滤波器，在有源滤波器的输出端增加一级电压缓冲器，主要考虑滤波器输出与模拟开关接口的阻抗匹配问题，进一步加强压控振荡器输入电压的稳定性，提高系统的校正精度；激励信号学习单元由A/D转换器11和与标准线性调频频率产生单元的共用的模拟电压开关9、缓冲放大器10组成，校正过程开始时，先通过模拟电压开关9把缓冲放大器10的电压输入端切换到标准线性调频频率产生单元的有源滤波器8的输出端，由于压控振荡器13输出的频率由其输入端的电压来决定，因此在压控振荡器能够输出线性频率的情况下，其输入端的电压信号就具有完全的参考价值，压控振荡器13的输入实际上接受的是有源滤波器8输出的激励信号，当直接数字频率合成器4输出的参考频率信号不变而且锁相环路达到锁定状态后，该激励信号稳定在一定的电压值上，而该激励电压信号与压控振荡器13的输出频率有确定的对应关系，在数字频率合成器4每一步频率递增并且锁相环路锁定后，通过A/D转换器11获得一个压控振荡器13输入的激励信号电压值对应的数字量，通过改变直接数字合成器4的控制字获得扫频范围内线性调频信号，可获得代表压控振荡器13按线性调频输出频率信号时施加的激励电压信号所对应的数字量序列，并存储到内存中，在校正工作完成后，再通过模拟开关9把缓冲放大器10的电压输入端切换到高速的D/A转换器5，将获得的数字量序列经过简单线性变换后作为正常线性调频过程中D/A转换器5控制量进行输出，即可高速产生高线性度的调频信号，这种校正的过程实际上是一个学习的过程，而且由于不需要借助外部的设备和仪器，这种校正的过程是自校正、在线进行，可以重复进行，即使设备投入运行后也可进行；微波单元由环行器14、发射与接收天线15、耦合器16、混频器17和与标准线性调频频率产生单元共用的压控振荡器13组成，中频信号处理采集单元由滤波器18、数字程控增益放大器20、高速A/D转换器22、先入先出缓冲器23组成，由于不同的物料对微波信号的反射程度不同，以及有浮尘或蒸汽的情况下对电磁波信号产生很大的衰减，为了提高雷达物位计的适用范围，前置放大器采用数字程控增益宽带放大器，对混频后的差频信号进行放大处理，其增益可由数字信号处理和逻辑控制单元进行控制，增益选择范围从-12dB到+30dB，扩大了信号的动态范围；线性调频输出控制单元由高速D/A转换器5、缓冲放大器7和与线性调频输出控制单元共用的模拟电压开关9、缓冲放大器10、缓冲放大器12组成，信号处理和逻辑控制单元由数字信号处理器及相应的存储电路2和可编程逻辑芯片21组成；本发明中采用可编程逻辑器件对输入的逻辑信号进行处理，实现逻辑控制和逻辑输出功能，接受数字信号处理器的控制结合输入的逻辑信号进行逻辑运算，实现高速A/D转换器22、先入先出缓冲器23、直接数字合成器4、数字锁相环6、模拟开关9和数字程控增益放大器20的控制，对直接数字频率合成器4的控制和读写可以采用并行或串行的方式进行，对数字锁相环6的控制一般采用串行方式进行，采集回来的中频信号由数字信号处理器进行数据处理，计算得到真实的料位信号后，经由显示键盘通讯接口单元1利用显示的方式，或通过电流输出给外部的显示仪表，或是通过通信接口与外部的显示仪表进行通信，传输数据。

本发明优点：主要用于工矿企业的各种物位的测量以及可以用于一些距离测量场合。线性调频线性度的校正可以实现在线校正和随时校正，无须外部测量设备；采用数字化的方式校正，校正方式和算法简单，校正后线性度高；仪器的造价低，生产和调试简单，提高生产效率；测量精度高、误差小、抗干扰能力强、适应恶劣工业环境，稳定可靠。

四、附图说明

图1是本发明实现形式1的结构图

图2是本发明实现形式2的结构图

图3是有源滤波器结构图

图4是本发明实现形式3的结构图

图中标号

1、   显示键盘通信接口            2、   数字信号处理器及相应的存储电路

3、   晶体振荡器                  4、   直接数字频率合成器

5、   高速D/A转换器               6、   数字锁相环

7、   缓冲放大器                  8、   有源滤波器

9、   模拟电压开关                10、  缓冲放大器

11、  高精度A/D转换器             12、  缓冲放大器

13、  压控振荡器                  14、  环形器

15、  天线                        16、  耦合器

17、  混频器                      18、  滤波器

19、  预分频器                    20、  数字程控增益放大器

21、  可编程逻辑器件                22、  高速A/D转换器

23、  先入先出缓冲器                24、  模拟电压开关

25、  缓冲放大器                    26、  缓冲放大器

27、  模拟电压开关

五、具体实施方式

实施方式1：如图1所示，图1中除天线15以外其它的部件可以组装在一个金属壳体内部，天线15可以采用喇叭天线或棒状天线，也可采用波导管，在校正状态时通过切换模拟开关9使压控振荡器13接受锁相环回路的控制，通过改变直接数字频率合成器4的频率控制字在调频范围内逐步产生线性调频信号，通过高精度的A/D转换器11采集压控振荡器13的激励电压信号，数字信号处理器2进行转换和存储记忆，校正完成后，切换模拟开关9使压控振荡器13接受D/A转换器5的控制，进行实时线性调频。此时数字信号处理器2利用高速A/D转换器22对中频信号进行采集，对采集的数字序列进行FFT运算、频谱分析得到被监测目标的物位，物位可在雷达物位计本身的显示器上显示，也可利用数字通信的方式、模拟电流信号远传到其它的监视仪表、记录装置或上位计算机。图1中A/D转换器11应采用高精度的A/D转换器，例如16位的A/D转换器可以获得1/65536的分辨率，显然精度完全能够满足实际应用的要求。由于频率可以稳定在线性调频范围内的任一点上，对A/D转换的速度并没有太高的要求，因此还可以采用更高精度的∑-△型A/D转换器，分辨率可以达到20位或更高，而A/D接口方式的选择可以是并行的或是串行的，因为用于校正信号的采样，速率的要求不高，所以串行的可以优先考虑，接口简单，并且节省能有效降低电路板的面积。

实施方式2：如图2所示，取消了A/D转换器11，将图1中缓冲放大器10的输出连接到另一个模拟开关24[详见图2]，这样可利用一片A/D转换器完成校正和测量，为了表示方便，图中画出了两个模拟电压开关9和24，在校正学习工作状态时，模拟电压开关9接受的是有源滤波器8输出的激励信号，模拟开关24接受的是缓冲放大器10输出的激励信号；在正常工作状态时模拟电压开关9接受的是D/A转换器5经缓冲放大器7输出的扫频信号，模拟开关24接受的是经过数字程控增益放大器20放大后的中频信号。因此，这两个模拟电压开关9和24是两个独立的芯片。

实施方式3：其它同实施方式2，仅两个模拟电压开关9和24是一个包含两套或多套同样组件的芯片，例如双刀双掷的模拟电压开关27[详见图4]。模拟电压开关的功能也可由继电器来取代。

Claims (1)

1.本发明数字化雷达物位计是一种用于物位检测的非接触测量仪器，其特征在于：I.是全数字化调整的标准线性调频频率产生单元，该单元产生高线性度的参考频率信号以及控制压控振荡器产生线性频率的激励信号，该信号可供信号处理单元学习；II.采用一种新的基于学习的方式进行VCO频率非线性校正原理，通过学习产生标准线性调频信号的激励信号实现在线和高精度VCO线性度校正；III.采用一种能够通过学习直接得到代表线性调频状态的数字量序列，该数字量序列可经过简单的线性变换用于D/A转换器，避免闭环校正时复杂的数据处理和变换；IV.采用了与其它的开环校正相比不同的在线校正方法，即设备安装到现场以后也能够进行校正，这样避免保存不同工况下的校正参数，而且无须复杂的频率测量和校正参数的计算，具体来讲，本发明主要包括标准线性调频频率产生单元、激励信号学习单元、微波单元、中频信号处理采集单元、线性调频输出控制单元、信号处理逻辑控制单元和显示键盘通讯接口单元(1)，其标准线性调频频率产生单元由晶体振荡器(3)、直接数字频率合成器(4)、数字锁相环(6)、有源滤波器(8)、模拟电压开关(9)、缓冲放大器(10)、缓冲放大器(12)、压控振荡器(13)、预分频器(19)组成，晶体振荡器(3)输出的频率信号作为直接数字频率合成器(4)的基准频率信号，通过改变直接数字合成器(4)的控制字产生锁相环路的参考输入频率，通过数字锁相环(6)倍频产生高频信号，当输入到直接数字频率合成器(4)的控制字维持不变时，经过锁相环路的稳定时间后压控振荡器(13)的输出可以稳定到一个频率点上，按照线性递增直接数字频率合成器(4)的控制字，则标准线性调频频率产生单元产生在扫频范围内连续的线性调频信号，压控振荡器(13)输出频率信号是否稳定在预定的频率点上通过数字锁相环(6)的锁定输出来检测，预分频器(19)的采用主要是考虑到有些数字锁相环的工作频率还达不到雷达物位计工作的频段，采用预分频器(19)先把工作频率降低，满足数字锁相环(6)的频率输入要求，有源滤波器(8)由缓冲放大器(25)、(26)和阻容元件组成，在缓冲放大器(12)之前对其电压进行采样不影响压控振荡器(13)输入控制电压的稳定性，采用高阶的有源滤波器，在有源滤波器的输出端增加一级电压缓冲器，主要考虑滤波器输出与模拟开关接口的阻抗匹配问题；激励信号学习单元由A/D转换器(11)和与标准线性调频频率产生单元的共用的模拟电压开关(9)、缓冲放大器(10)组成，校正过程开始时，先通过模拟电压开关(9)把缓冲放大器(10)的电压输入端切换到标准线性调频频率产生单元的有源滤波器(8)的输出端，由于压控振荡器(13)输出的频率由其输入端的电压来决定，因此在压控振荡器(13)能够输出线性频率的情况下，其输入端的电压信号就具有完全的参考价值，当直接数字频率合成器(4)输出的参考频率信号不变而且锁相环路达到锁定状态后，压控振荡器(13)的输入实际上接受的是有源滤波器(8)输出的激励信号，该激励信号稳定在一定的电压值上，而该激励电压信号与压控振荡器(13)的输出频率有确定的对应关系，在数字频率合成器(4)每一步频率递增并且锁相环路锁定后，通过A/D转换器(11)获得一个压控振荡器(13)输入的激励信号电压值对应的数字量，通过改变直接数字合成器(4)的控制字获得扫频范围内线性调频信号，可获得代表压控振荡器(13)按线性调频输出频率信号时施加的激励电压信号所对应的数字量序列，并存储到内存中，在校正工作完成后，再通过模拟开关(9)把缓冲放大器(10)的电压输入端切换到高速的D/A转换器(5)，将获得的数字量序列经过简单线性变换后作为正常线性调频过程中D/A转换器(5)控制量进行输出，即可高速产生高线性度的调频信号，这种校正的过程实际上是一个学习的过程，而且不需要借助外部的设备和仪器，这种校正的过程为自校正、在线、重复进行，即使设备投入运行后也可进行；微波单元由环行器(14)、发射与接收天线(15)、耦合器(16)、混频器(17)和与标准线性调频频率产生单元共用的压控振荡器(13)组成，中频信号处理采集单元由滤波器(18)、数字程控增益放大器(20)、高速A/D转换器(22)、先入先出缓冲器(23)组成，由于不同的物料对微波信号的反射程度不同，以及有浮尘或蒸汽的情况下对电磁波信号产生很大的衰减，为了提高雷达物位计的适用范围，前置放大器采用数字程控增益宽带放大器，对混频后的差频信号进行放大处理，其增益可由数字信号处理和逻辑控制单元进行控制，增益选择范围从-12dB到+30dB，扩大了信号的动态范围；线性调频输出控制单元由高速D/A转换器(5)、缓冲放大器(7)和与线性调频输出控制单元共用的模拟电压开关(9)、缓冲放大器(10)、缓冲放大器(12)组成，信号处理和逻辑控制单元由数字信号处理器及相应的存储电路(2)和可编程逻辑芯片(21)组成；采用可编程逻辑器件对输入的逻辑信号进行处理，实现逻辑控制和逻辑输出功能，接受数字信号处理器的控制结合输入的逻辑信号进行逻辑运算，实现高速A/D转换器(22)、先入先出缓冲器(23)、直接数字合成器(4)、数字锁相环(6)、模拟开关(9)和数字程控增益放大器(20)的控制，对直接数字频率合成器(4)的控制和读写可以采用并行或串行的方式进行，对数字锁相环(6)的控制一般采用串行方式进行，采集回来的中频信号由数字信号处理器进行数据处理，计算得到真实的料位信号后，经由显示键盘通讯接口单元(1)利用显示的方式，或通过电流输出给外部的显示仪表，或是通过通信接口与外部的显示仪表进行通信，传输数据。