CN1729386A - 基于雷达的水平测量的方法和设备 - Google Patents
基于雷达的水平测量的方法和设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1729386A CN1729386A CN 200380106970 CN200380106970A CN1729386A CN 1729386 A CN1729386 A CN 1729386A CN 200380106970 CN200380106970 CN 200380106970 CN 200380106970 A CN200380106970 A CN 200380106970A CN 1729386 A CN1729386 A CN 1729386A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- microwave signal
- signal
- polarization
- polarization state
- different
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 128
- 101710195281 Chlorophyll a-b binding protein Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 101710143415 Chlorophyll a-b binding protein 1, chloroplastic Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 101710181042 Chlorophyll a-b binding protein 1A, chloroplastic Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 101710091905 Chlorophyll a-b binding protein 2, chloroplastic Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 101710095244 Chlorophyll a-b binding protein 3, chloroplastic Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 101710127489 Chlorophyll a-b binding protein of LHCII type 1 Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 101710184917 Chlorophyll a-b binding protein of LHCII type I, chloroplastic Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 101710102593 Chlorophyll a-b binding protein, chloroplastic Proteins 0.000 claims abstract description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 32
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 31
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 23
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 23
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 abstract 3
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 9
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 9
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002999 depolarising effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000000700 radioactive tracer Substances 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 210000000779 thoracic wall Anatomy 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
- G01S7/414—Discriminating targets with respect to background clutter
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/284—Electromagnetic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/08—Systems for measuring distance only
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/024—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using polarisation effects
- G01S7/026—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using polarisation effects involving the transmission of elliptically or circularly polarised waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
一种基于雷达的容器(13)内的物质的水平的测量方法，所述容器具有至少一个干扰结构，例如梁(16a)，搅拌器(16b)或者容器侧壁(16c)，包括以下步骤：向所述物质的表面和所述至少一个干扰结构发送预定的偏振状态(LHCP)的微波信号；分别在两个不同的偏振状态(LHCP，RHCP)下检测由所述物质的表面和所述至少一个干扰结构反射的微波信号(32，33，34)；根据检测的分别在两个不同的偏振状态下在时间上分解的微波信号的信号强度，识别由所述物质的表面反射的检测的微波信号(32)以及根据识别的微波信号的传播时间计算在所述容器内的所述物质的水平。
Description
技术领域
本发明一般涉及水平测量(level gauging)，特别是，本发明涉及基于雷达的水平测量的方法和设备。
背景技术
基于雷达的方法被广泛地用于水平测量，即测量从容器的顶部到在容器内存储的液体的表面或某种粒状固体的表面的距离，其中借助于朝向液体或粒状固体的表面发送微波，接收在所述液体或固体的表面上反射的微波，即表面回波，并由所述发射的和反射的微波的传播时间计算容器中的液体或固体的水平。
在这方面的一个非常普遍的问题是，容器一般包括不同的结构，例如梁、支撑梁、管子、搅拌器、箱子壁等。这些结构也可以反射微波，因而这种回波可能干扰从正被测量其水平的液体或固体的表面反射的微波。如果产生干扰回波的结构距离表面接近于一米的十分之几，即在一米的十分之几以内，则具有比表面回波的信号强度相当低的信号强度的干扰回波将引起测量误差。如果干扰回波比来自表面的回波强，则干扰回波可能被误选为表面回波。已经提出了各种回波推理的方法来减小这种危险，但是在许多容器环境中这仍然是个问题。
因而正确的微波的选择是至关重要的，任何用于识别从液体或固体表面反射的微波信号和从其它结构反射的微波的可能性都是非常有用的。
一般地说，现有技术的雷达水平仪选择最强的回波。
理想的情况是，使用具有相当窄波瓣的天线，所述波瓣位于容器内没有干扰回波接近所述天线波瓣的位置。在这种情况下，即使在由于扰动、泡沫等而引起一些劣化之后，表面回波可以是最强的回波。对于较小的容器，各种容器结构可能接近天线射束，尽管天线必须较小。此外，当来自表面的回波接近干扰回波时，则具有产生大的测量误差的危险。
发明内容
因而，本发明的主要目的在于提供一种用于基于雷达的水平测量的方法和设备，其中可以识别从液体或固体的表面反射的检测的微波和由其它干扰结构反射的检测的微波。
在这个方面，本发明的一个特定的目的在于提供一种这样的方法和这样的设备，其在具有大量的干扰结构的容器中和其中基于雷达的水平测量设备必须安装在存在干扰结构的区域内的容器中是非常有用的。
本发明的另一个目的在于，提供一种这样的方法和这样的设备，其也用于具有大的扰动的表面的水平测量，在所述表面反射的微波是弱的。
本发明的另一个目的在于，提供一种这样的方法和这样的设备，其是可靠的、高效的、精确的和精密的。
其中，这些目的由所附权利要求中提出的方法和设备实现了。
按照本发明的第一方面，提供一种基于雷达的容器内的物质例如液体或粒状固体的水平的测量方法，所述容器具有一个或几个干扰结构例如横梁、支撑梁、搅拌器或容器侧壁。所述方法包括向液体或粒状固体的表面和干扰结构发送预定的偏振状态例如左手圆形偏振的微波信号。检测由液体或粒状固体的表面和干扰结构反射的、并分别在至少两个不同的偏振状态下例如左手和右手圆形偏振下在时间上分解的微波信号。然后，根据检测的在时间上分解的分别在两个不同的偏振状态下的微波信号的信号强度，识别由液体或粒状固体的表面反射的检测的微波信号，最后根据识别的微波信号的传播时间计算在容器内的液体或粒状固体的水平。
本发明的发明人注意到，被液体或粒状固体的表面反射的检测的微波信号可以由具有在两种不同的偏振状态下明显不同的信号强度的装置来识别。只要所述表面是平静的，便是如此。与此相反，被干扰结构的表面反射的检测的微波信号一般在两个不同的偏振状态下具有类似的信号强度。对于微波信号，任何两个优选地正交的偏振将覆盖所有可能的不同组合。不过，在信号处理中，可以形成和使用两个以上的不同的信号。
借助于检测在两个单独的偏振下的微波回波，可以进行进一步处理，其不仅仅限于干扰回波的检测和拒绝，而且使得能够减少接近于表面回波的干扰回波的影响。对于每个回波，可以求出在两个接收的偏振下的信号的线性组合，其中一个回波非常弱，而其它的回波被减小到较小或被减小到更小。假定对于不同的干扰回波使用不同的线性组合，在许多情况下，这使得能够大大改善信号干扰比。使用现有技术的设备，如果干扰回波接近于表面回波并具有可比的强度，则不能避免大的测量误差。
此外，可以记录信号强度的时间差异，来识别扰动表面反射的微波信号和由固定的干扰结构反射的微波信号。来自扰动表面的回波的时间差异在随机的检测中在大多数情况下可以被描述为Raleigh分布的。这可被用作一个区别特征，用于识别来自扰动表面的回波和来自固定的干扰回波的稳定得多的回波。在本发明的一个实施例中，偏振的多样性和时间差异的测量相结合，以便获得一个对于平静的和扰动的表面都适用的选择准则。
能够产生偏振的微波辐射和能够单独接收两个不同的偏振状态下的反射的微波辐射的收发器设备优选地包括任何功率分配器，特别是Wilkinson功率分配器、定向耦合器、铁氧体循环器或多个天线。
按照本发明的第二方面，提供一种基于雷达的水平测量设备，用于实施按照本发明的第一方面的方法。
利用本发明，可以实现一种用于识别被测量的物质的表面反射的检测的微波信号的非常鲁棒的程序。和现有技术的装置相比，提供本发明用于以较高的精度进行具有较大的干扰的环境中的测量，即，在所述环境中存在更多的干扰回波。例如，在物质的表面反射的微波信号可以被识别，尽管这些信号和由干扰结构反射的微波信号相比较弱或非常弱。
基于雷达的水平仪用于测量容器中的水平，针对本发明的目的，所述容器不仅包括大的贮存器，而且还包括处理设备例如反应器、离心机、混和器、漏斗、分级机、或者热处理炉将类似的装置，它们用于例如食品化学工业、药品化学工业、生物化学、基因化学和石油化学工业中。
由下面给出的本发明的优选实施例的详细说明和附图1-4可以清楚地看出本发明的其它的特征和优点，所述实施例和附图只是说明性的，因而不限制本发明。
附图说明
图1a用侧视图示意地表示按照本发明的优选实施例的用于基于雷达的水平测量的设备；
图1b-c表示不同种类的回波的不同的偏振性能；
图2a-f以侧视图示意地表示在按照本发明的基于雷达的水平测量设备中使用的收发器结构的不同的实施方案；
图3示意地表示由图1的设备获得的接收的反射微波信号的幅值，其对于两个不同的偏振状态是传播时间的函数，表示由被测量的物质表面反射的微波信号和由容器中固定的结构反射的微波信号；以及
图4是一个示意的流程图，表示按照本发明优选实施例的基于雷达的水平测量的方法。
具体实施方式
参照图1a说明本发明的优选实施例，该图以侧视图示意地表示用于基于雷达的水平测量的设备。该设备可以是一种频率调制的连续波(FMCW)雷达设备、脉冲雷达设备、或任何其它类型的测距雷达。
在图1a中由11表示的基于雷达的水平仪被安装在含有液体或粒状固体的容器13或容器的顶12的开口的上方，所述液体或粒状固体的水平14正在被测量。图中只示出了容器13的一部分，其一般具有多个结构，例如支撑梁16a，搅拌器16b，以及箱侧壁16c，它们可能在容器内产生干扰微波反射。当雷达水平仪要被安装时，一个基本的准则是寻找一个这样的位置，在此位置，这种干扰小，但是坚持这个准则的实际可能性一般是小的。
在操作期间，基于雷达的水平仪11朝向容器13中的液体或粒状固体的表面14发射微波信号，并接收由所述表面反射的微波信号，即表面回波。此外，基于雷达的水平仪包括信号处理装置或被连接到信号处理装置(未被明显地示出)，用于对微波信号从基于雷达的水平测量仪11到液体或粒状固体的水平面14再回到基于雷达的水平测量仪11的传播时间进行计算。
在本说明中使用的传播时间这个表述一般用于表示距离计算的结果。已知具有几种类型的用于检测回波和进行距离计算的基于雷达的设备。不同的基于雷达的设备使用不同的方法，因而产生不同的中间结果。不过，在每种情况下，雷达输入信号可被描述为具有不同幅值和与发射的信号相比延迟其各个延迟时间的级阶相位的回波。
一个例子是脉冲的基于雷达的水平测量设备，其中使用采样技术来重新标定或展延所述时间1000-1000000倍。另一个例子是FMCW基于雷达的水平测量设备，其中通常线性频率扫描产生一个频谱，其中传播时间被转换成中频(IF)。在这种情况下，IF信号相应于脉冲情况下的IF信号的傅立叶变换。在两种情况下非常短的时间差(1.5mm的距离相应于0.01ns)将被变换成具有方便得多的处理时间和频率行为的信号，因而信号处理被简化了，并且可以使用成本较低的、消耗电流较小的元件。
按照本发明，基于雷达的水平测量仪11朝向液体或粒状固体的表面14和周围的干扰结构16a-c发射特定的或预定的偏振状态下的微波信号；并检测分别在两种不同的偏振状态下在时间上分解的由所述表面14和周围的干扰结构16a-c反射的微波信号回波。这里的在时间上分解指的是对于回波，记录和发射的信号相比的延迟时间或者取决于所述延迟时间的其它参数值。
优选地，基于雷达的水平测量仪11发射圆形偏振的微波信号，例如左手圆形偏振的LHCP，如图1a所示，或右手圆形偏振的RHCP，并检测在左右手圆形偏振状态LHCP、RHCP两种状态下的微波信号回波。不过，其它的偏振状态也是可能的，例如两个正交的线性偏振状态XLP、YLP。
本发明人发现，在容器环境中的不同的结构不同地改变反射的微波信号的偏振状态。例如，平静的表面14改变入射的微波的偏振状态。假定入射的左手圆形偏振的LHCP微波信号，表面回波将基本上是右手圆形偏振的RHCP，如图1a所示。与此相反，大部分干扰结构则只部分地改变入射的偏振微波信号的偏振状态，因而来自干扰结构的回波在两种不同的圆形偏振状态LHCP、RHCP下一般具有相似的信号强度。图1a中的支撑梁便表示出了这一点。表示这一点的另一个方面是，如果偏振是平行的，或者如果其垂直于例如直的钢梁，则线性偏振的波将具有显著不同的反射。
因而，水平仪11的信号处理装置适用于根据在两种不同的偏振状态下的被单独检测的微波信号回波的显著不同的信号强度来识别表面回波。
根据使用的基于雷达的水平仪，可以只检测不同的幅值，或者可以检测不同的幅值和不同的相位。大部分脉冲系统只利用幅值，而典型的FMCW系统可以使用相位和幅值。
最后，当得到表面回波时，可以由表面回波的传播时间计算液体或粒状固体的水平。
接收的信号可以由曲线来描述，其中接收的信号的去偏振被表示为扰动的程度的函数。扰动的程度可以用不同的方式来确定，不过其是一种和时间有关的度量，并且可以被规定为幅值除以幅值的平均值的标准偏差。一个替代的公式是，最大幅值和最小幅值之间的差除以平均幅值。在图1b中，对于来自平静的表面的回波，扰动的程度假定接近于0，而对于来自扰动表面的回波，则接近于1。同样，去偏振可以用不同的方式确定，不过在图1b中，假定1接近于光滑的表面，此处发射的LHCP信号被作为全部RHCP信号(或者RHCP作为LHCP)接收，而0.5意味着一半的接收功率作为LHCP被接收，而另一半则作为RHCP接收(这是对于扰动表面的情况)。圆形偏振波(LHCP或RHCP)的一个典型的特性是，借助于反射，偏振的方向被颠倒(LHCP到RHCP)。
当表面是扰动表面时，表面回波不完全改变偏振状态，这由图1b可以看出，其中示出了当从水平仪发射左手圆形偏振的LHCP微波时作为相对的扰动程度的函数的右手圆形偏振的RHCP微波的相对信号强度。表面回波区域由17表示，其中在区域17的上部获得来自平静表面的回波，即高的相对RHCP信号强度和低的相对扰动程度，而在区域17的下部则获得来自高度扰动的表面的回波，即相对的RHCP信号强度接近于0.5和高的相对扰动程度。来自容器中的干扰结构的典型的回波的区域由18表示，即具有相对RHCP信号强度接近于0.5和低的相对扰动程度的回波。因而，借助于重复地发射和检测，可以测量不同回波的信号强度的时间差异。借助于搜寻具有显著的时间差异的检测的回波，可以识别扰动表面的回波和来自固定的结构的回波。因而，时间相关性和偏振二者单独都不能识别固定的回波和表面回波，但是当以合适的方式组合时，便获得一种用于识别的非常有效的工具。
在一些环境中，上述的选择步骤可能不能以高的可靠性选择正确的表面回波。在这种情况下，可以由在两个圆形偏振状态下检测的微波信号形成处于两个不同的最好是正交的线性偏振的偏振状态XLP、YLP的信号，用于选择正确的表面回波的步骤也可以被在所形成的处于两个不同的线性偏振的偏振状态的信号上使用。
来自至少平静的表面的表面回波对于两个不同的正交的线性偏振XLP，YLP状态具有近似的强度，而干扰回波在两个不同的线性偏振下具有显著不同的信号强度。这被示于图1c中，该图表示作为水平线性偏振的XLP微波的相对信号强度的函数的垂直线性偏振的YLP微波的相对信号强度。大部分表面回波在19表示的区域内获得，而大部分干扰回波则在由20表示的任意一个区域内获得。
因而，为了简化正确的表面回波的选择，可以进行回波的分类，但是这可以被看作只是第一步。提取在两个偏振下接收的两个信号通道使得能够形成信号的任意的线性组合，并通过这种线性组合的合适的选择，一般能够改善信号干扰比。利用按照本发明的回波选择处理，能够检测和识别信号强度比干扰回波的信号强度低得多的表面回波。
除去信号强度之外，雷达信号的相位也是重要的。一个信号的幅值和相位被称为复数幅值。根据在基于雷达的水平测量设备的细节，可以只测量幅值或者测量幅值和相位。
下面参照图2a-f说明在本发明的设备中的微波的发射和接收。注意虽然下面只明确地给出了几个例子，但是本发明不限于这些例子，而是可以由能够发射特定的偏振状态下的微波并能够单独地接收在两个不同的偏振状态下的微波的任何结构来实现。不过，和其它的雷达设备相比，雷达水平仪是一种低成本的仪器，因而使用的天线结构最好是简单而成本低的。
在一个典型的实施例中，雷达发射器和一个圆形偏振的天线相连，同时接收器(下面称为主接收通道)以相反的方向和圆形偏振的天线相连。借助于这种在偏振上的差异，可以在一个物理天线中包括两个天线功能，而在它们之间没有耦合(理想地)。这样，使用圆形偏振，在旋转对称的目标的情况下，可以取消一个发射/接收开关。第二接收器通道(下文称为辅助接收通道)通过定向耦合器相连，并接收具有和发射的信号相同的偏振的反射的信号。两个接收通道包括混频器和IF(中频)放大器，但是根据雷达的类型，可以使用不同的LO(本地振荡器)信号。用于这种用途的一个典型的FMCW系统具有和作为LO信号的具有合适的延迟的发送器信号的一部分的零差混和，而一个典型的脉冲信号使用单独的脉冲振荡器，所述振荡器在这种情况下对于两个接收通道应当是相同的。
图2a中示出了一种发送器结构，包括基于波导OMT(正交模变换器)的天线21，其通过具有终端24的定向耦合器和发送器部分22相连。两个接收器通道RHCP和LHCP通过定向耦合器23a并通过90度的混和电路25和天线相连。按上述形成的微波信号被送到两个混频器26，所述混频器后面具有用于中频的两个放大器27。标号28表示本地振荡器。其精确的实施方案可以依照雷达的类型(FMCW，脉冲)而不同，并且在某些情况下，可能在微波侧需要低噪声放大器，以便得到足够的敏感度。不过，本领域技术人员在阅读本说明之后，这种实施的细节是容易想出的。
在图2a中，定向耦合器23作为发送/接收连接装置，其在功能上是大多数雷达系统的一部分，尤其是这些雷达系统，其中对于发送器和接收器使用同一个天线。所述发送/接收装置可以是不同类型的。在图2b中示出了使用铁氧体循环器23b代替定向耦合器(图2a中的23a)的解决方案。铁氧体循环器23b具有3个连接，并以给定的次序在一个输出中把输入的信号引向下一个输出。铁氧体循环器23b比定向耦合器更加复杂，但是在雷达发射功率预算中节省一些分贝。
图2c表示另一种解决方案，其中使用Wilkinson功率分配器23c代替定向耦合器，并仍然保持在发送部分和接收部分之间的隔离-在这种情况下，和理想的循环器相比具有2×3分贝的进一步损失。
图2d中示出了一种更普通的天线结构，具有一个发送器部分TX和两个接收部分RX1，RX2，其中每个都使用基本上正交的偏振，并具有和发射天线的合理的隔离。例如具有在同一个表面上的双偏振的许多平面天线设计都是熟知的，并被广泛地使用(在移动电话基站天线领域中一点也不使用)。
对于一种脉冲系统，发送/接收装置可以使用一个开关。
在图2e中示出了如何从利用图2a所示的装置获得的两个正交的圆形偏振信号获得两个正交的线性信号XLP，YLP。
在被包括在基于雷达的水平仪11中的或者和所述水平仪相关的信号处理中执行回波选择程序。
所述程序可以包括对于每个偏振状态单独产生接收的反射微波信号的幅值，其是直到被接收之前的传播时间的函数。应当注意，被测量的液体或粒状固体的平静的表面将给出在每个偏振状态下显著不同的幅值的回波，而在容器中的许多干扰障碍物则给出在不同的偏振状态下的相似幅值的回波。在理想情况下，如果左手圆形偏振微波信号朝向平静的表面反射，则在反射时其偏振状态改变为右手圆形偏振。
由干扰回波所引起的两个可能的问题是不正确的回波选择(其中干扰回波或许比表面回波较强，可能被选作表面回波)，以及干扰误差，其中干扰回波引起测量回波(即使其大大小于表面回波)。一般只有当表面回波接近干扰回波时才发生误差(零点几米)。上述的类型的接收器和上述的处理将大大减小不正确的回波选择的危险，而要减少干扰误差则需要其它的方法。仍然可以使用两个接收器通道，并使用图2f所示的处理，可以大大抑制干扰回波，其改善信号对干扰的比。雷达装置的类型必须是这样一种装置，例如通常使用的FMCW基于雷达的水平仪，其测量相位和幅值。对于主接收器通道和辅助接收器通道(例如由图2a的装置获得的)，相位和幅值可以借助于用于放大和相位延迟的各个装置29a-b在控制装置29c的控制下分别地被改变。然后，两个通道被混和，借以使干扰回波可以被或多或少地抵消。对于不同的干扰回波，用于获得所述抵消的因数是不同的，不过它们大约都在一个特定的干扰回波附近。
图3示意地表示接收的反射微波信号的幅值的图，对于两个正交的圆形偏振，例如图1a所示，所述幅值是传播时间的函数。假定是左手圆形偏振的发射微波。虚线的曲线31a表示在左手圆形偏振的条件下接收的信号，实线曲线31b表示在右手圆形偏振的条件下接收的信号。
3个微波信号回波32，33，34是清楚可见的。借助于分析回波的幅值，可以确定，回波32是从被测的液体或粒状固体的平静表面反射的回波，而回波33，34是从容器的固定的结构例如梁、搅拌器或容器侧壁反射的微波。利用合适的逻辑，即使表面回波不是最强的回波，也能进行正确的表面回波选择。
因而，一种基于雷达的容器内的物质的水平的测量方法可以参照图4所示的示意的流程图进行说明。在步41，发送左手圆形偏振微波信号，在步42，分别接收和检测在左右手圆形偏振状态下的朝向被测物质的表面反射的以及朝向任何干扰结构反射的微波信号。然后，在步43，对于两个偏振状态的每一个，计算作为传播时间的函数的检测的反射微波信号的幅值。在步44，通过比较图3所示的两个函数，识别由表面反射的微波信号32。最后，在步45和46，确定由表面反射的微波信号32的传播时间，并由所述传播时间计算物质的水平。
应当理解，对于若干个距离单元即被测物质的表面的水平间隔，并对于每种不同的偏振状态，作为传播的时间的函数的接收的反射的微波信号的幅值可被存储在数据库中。然后可以随时采集特定的容器内的干扰结构的位置和干扰回波的知识。一旦具有一个数据库，当计算测量的水平时便可以参考该数据库。
还应当理解，上面说明的任何方法或方法步骤都可以和使用波瓣分集相结合，以便获得在各种条件下识别表面回波的能力。在这方面，可以参考我们的共同未决的欧洲专利申请，其名称为“Method andapparatus for radar-based level gauging”(发明人：Kurt-OlovEdvardsson)，该专利申请是和本申请同一天提交的。
还应当理解，在本发明可以通过使用两个不同偏振的发射通道和一个偏振的接收通道来实现的意义上，具有一个偏振的发射通道和两个不同偏振的接收通道的本发明的构思是完全可以互易的。
为了实现这种构思，发射通道必须被相继地操作，以便分别检测从每个发射通道接收的回波信号。
因而，基于雷达的用于测量具有至少一个干扰结构的容器中的物质的水平的方法包括以下步骤：(i)相继地朝向所述物质的表面14以及所述至少一个干扰结构发射两个不同的偏振状态下的微波信号；对于每个发射的微波信号，分别检测在时间上分解的处于预定偏振状态下的由所述物质的表面反射的以及由所述至少一个干扰结构反射的微波信号(32，33)；根据检测的在时间上分解的微波信号的信号强度，识别被所述物质的表面反射的所述检测的微波信号(32)；以及根据识别的微波信号的传播时间计算容器内的所述物质的水平。
如果发射的信号的两个偏振状态是左右手圆形偏振，则接收通道一般被设置用于接收和检测左手或右手圆形偏振的微波中的任何一个。
因而，对于两个发射偏振，表面回波将具有非常不同的信号强度，而去偏振的干扰结构将对于两个发射偏振产生具有相似的信号强度的回波。
Claims (26)
1.一种基于雷达的容器(13)内的物质的水平的测量方法，所述容器具有至少一个干扰结构(16a-c)，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-向所述物质的表面(14)和所述至少一个干扰结构发送预定的偏振状态(LHCP)的微波信号；
-检测由所述物质的表面和所述至少一个干扰结构反射的、在时间上分解的分别在两个不同的偏振状态(LHCP，RHCP)下的微波信号(32，33，34)；
-根据检测的在时间上分解的分别在两个不同的偏振状态下的微波信号的信号强度，识别由所述物质的表面反射的检测的微波信号(32)以及
-根据识别的微波信号的传播时间计算在所述容器内的所述物质的水平。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预定的偏振状态是圆形偏振的偏振状态(LHCP)。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述两个不同的偏振状态是两个实质上正交的圆形偏振的偏振状态(LHCP，RHCP)。
4.如权利要求3所述的方法，其中被所述物质的表面反射的检测的微波信号由具有在所述两个不同的偏振状态下显著不同的信号强度的装置来识别(17；31a-b，32)。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中
-由在所述两个实质上正交的圆形偏振的偏振状态下的微波信号形成一个在两个不同的线性偏振的偏振状态(XLP，YLP)下的信号；以及
-所述识别步骤还基于所述在两个不同的线性偏振的偏振状态下的信号。
6.如权利要求5所述的方法，其中由所述物质的表面反射的检测的微波信号由具有在所述两个不同的线性偏振的偏振状态下相似的信号强度的装置来识别(19)。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述预定的偏振状态是线性偏振的偏振状态；所述两个不同的偏振状态是两个实质上正交的线性偏振的偏振状态。
8.如权利要求1-7任何一个所述的方法，其中
-在所述检测步骤中，对于在所述两个不同的偏振状态(LHCP，RHCP)的每个偏振状态下的每个反射的微波信号，获得作为传播时间的函数的信号强度(31a-b)；以及
-由所述物质的表面反射的检测的微波信号借助于比较所述函数来识别(31a-b)。
9.如权利要求8所述的方法，其中在所述检测步骤中对于在所述两个不同的偏振状态的每个偏振状态下的每个反射的微波信号获得的作为传播时间的函数的信号强度被存储在一个数据库中。
10.如权利要求1-9任何一个所述的方法，其中
-所述发射和检测的步骤被重复；以及
-所述识别步骤还基于被检测的微波信号的信号强度的变化。
11.如权利要求1-10任何一个所述的方法，其中所述物质是液体或粒状固体。
12.如权利要求1-11任何一个所述的方法，其中所述至少一个干扰结构是梁(16a)、搅拌器(16b)、或者容器侧壁(16c)中的任何一种结构。
13.如权利要求1-12任何一个所述的方法，其中所述检测的步骤由包括功率分配器，特别是Wilkinson功率分配器、定向耦合器、铁氧体循环器、或多个天线的任何一个的装置进行。
14.如权利要求1-13任何一个所述的方法，其中测量每个所述检测的微波信号的相位。
15.如权利要求1-14任何一个所述的方法，其中所述在时间上分解的并分别在两个不同的偏振状态下的检测的微波信号被混和，优选地在其各自的幅值和选择的相位改变之后，以便形成其中由所述至少一个干扰结构反射的微波信号被抑制的微波信号。
16.一种基于雷达的容器(13)内的物质的水平的测量设备，所述容器具有至少一个干扰结构(16a-c)，其特征在于所述设备包括：
-发射器，用于向所述物质的表面(14)和所述至少一个干扰结构发送在一个预定的偏振状态(LHCP)的微波信号；
-检测器，用于检测由所述物质的表面和所述至少一个干扰结构反射的、在时间上分解的分别在两个不同的偏振状态(LHCP，RHCP)下的微波信号(32，33，34)；以及
-处理装置，用于根据检测的在时间上分解的分别在两个不同的偏振状态下的微波信号的信号强度，识别由所述物质的表面反射的检测的微波信号(32)，并用于根据识别的微波信号的传播时间计算在所述容器内的所述物质的水平。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述预定的偏振状态是圆形偏振的偏振状态(LHCP)。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述两个不同的偏振状态是两个实质上正交的圆形偏振的偏振状态(LHCP，RHCP)。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述处理装置适用于由具有在所述两个不同的偏振状态下显著不同的信号强度的装置，来识别被所述物质的表面反射的检测的微波信号(17；31a-b，32)。
20.如权利要求18或19所述的设备，其中所述处理装置适用于由在所述两个实质上正交的圆形偏振的偏振状态下的微波信号形成一个在两个不同的线性偏振的偏振状态(XLP，YLP)下的信号；并适用于还基于所述在两个不同的线性偏振的偏振状态下的信号进行所述识别。
21.如权利要求16-20任何一个所述的设备，其中所述处理装置适用于对于在所述两个不同的偏振状态(LHCP，RHCP)的每个偏振状态下的每个检测的反射的微波信号形成一个作为传播时间的函数的信号强度(31a-b)，并借助于比较所述函数来识别由所述物质的表面反射的检测的微波信号(31a-b)。
22.如权利要求16-21任何一个所述的设备，其中
-所述发射器和所述接收器分别适用于重复地发射和检测，并且
-所述处理装置适用于还基于检测的微波信号的信号强度的改变进行所述识别。
23.如权利要求16-22任何一个所述的设备，其中所述物质是液体或粒状固体。
24.如权利要求16-23任何一个所述的设备，其中所述至少一个干扰结构是梁(16a)、搅拌器(16b)、或者容器侧壁(16c)中的任何一种结构。
25.如权利要求16-24任何一个所述的设备，其中所述检测步骤由包括功率分配器，特别是Wilkinson功率分配器、定向耦合器、铁氧体循环器、或多个天线的任何一个的装置进行。
26.一种基于雷达的用于测量具有至少一个干扰结构(16a-c)的容器(13)内的物质的水平的方法，其特征在于包括以下步骤：
-相继地向所述物质的表面(14)以及所述至少一个干扰结构发射两个不同的预定偏振状态下的微波信号；
-对于每个发射的微波信号，分别检测在时间上分解的处于一个预定偏振状态下的、由所述物质的表面反射的以及由所述至少一个干扰结构反射的微波信号(32，33)；
-根据检测的在时间上分解的微波信号的信号强度，识别被所述物质的表面反射的所述检测的微波信号(32)；以及
-根据识别的微波信号的传播时间计算所述容器内的所述物质的水平。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/327,426 | 2002-12-20 | ||
| EP02445190.8 | 2002-12-20 | ||
| EP02445190.8A EP1431723B1 (en) | 2002-12-20 | 2002-12-20 | Method and apparatus for radar-based level gauging |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1729386A true CN1729386A (zh) | 2006-02-01 |
| CN100367011C CN100367011C (zh) | 2008-02-06 |
Family
ID=32338252
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB200380106970XA Expired - Fee Related CN100367011C (zh) | 2002-12-20 | 2003-12-18 | 基于雷达的料位测量的方法和设备 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1431723B1 (zh) |
| CN (1) | CN100367011C (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005031667A1 (de) * | 2005-07-05 | 2007-01-18 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach der Laufzeitmessmethode |
| CN102589640B (zh) * | 2012-03-17 | 2013-10-16 | 鞍钢集团矿业公司 | 大型球磨机钢球充填率检测装置及检测方法 |
| DE102012007979A1 (de) * | 2012-04-24 | 2013-10-24 | Krohne Messtechnik Gmbh | Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums und entsprechende Vorrichtung |
| DE102013104699A1 (de) * | 2013-05-07 | 2014-11-13 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes mittels einer Helixantenne |
| CN105841774B (zh) * | 2016-04-08 | 2022-05-20 | 深圳市沃维斯环保科技有限公司 | 用于液位检测的消泡机构、液位检测装置及蒸发装置 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3210400C2 (de) * | 1982-03-20 | 1993-12-16 | Sel Alcatel Ag | Radargerät, von dem impulsförmige Signale abgestrahlt werden |
| DE3731559A1 (de) * | 1987-09-19 | 1989-04-06 | Licentia Gmbh | Verfahren und anordnung zur radarzielentdeckung und -klassifizierung |
| SE504682C2 (sv) * | 1991-07-04 | 1997-04-07 | Saab Marine Electronics | Anordning för mätning av nivån av ett i en behållare befintligt medium |
| FR2692681B1 (fr) * | 1992-06-19 | 1994-09-02 | Thomson Csf | Procédé de discrimination d'obstacles à partir d'un radar, et applications. |
| US6198424B1 (en) * | 1999-01-21 | 2001-03-06 | Rosemount Inc. | Multiple process product interface detection for a low power radar level transmitter |
| CN1264033A (zh) * | 2000-01-21 | 2000-08-23 | 曾征 | 高精度储仓料位雷达监测系统 |
| JP2002243845A (ja) * | 2001-02-14 | 2002-08-28 | Shinko Mex Co Ltd | レーダ装置およびレーダ装置による距離測定方法 |
-
2002
- 2002-12-20 EP EP02445190.8A patent/EP1431723B1/en not_active Expired - Lifetime
-
2003
- 2003-12-18 CN CNB200380106970XA patent/CN100367011C/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN100367011C (zh) | 2008-02-06 |
| EP1431723A1 (en) | 2004-06-23 |
| EP1431723B1 (en) | 2016-03-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6759976B1 (en) | Method and apparatus for radar-based level gauging | |
| EP2283382B1 (en) | High sensitivity frequency modulated radar level gauge system | |
| US7355546B2 (en) | Polarization and frequency diverse radar system for complete polarimetric characterization of scatterers with increased scanning speed | |
| US10775221B2 (en) | Adaptive echo threshold | |
| CN101087996A (zh) | 雷达水准仪系统 | |
| EP0344147A1 (en) | Adaptive radar for reducing background clutter | |
| EP2182375A1 (en) | A combined direction finder and radar system, method and computer program product | |
| CN1613018A (zh) | 用于车辆接近速度传感器的前端传感器 | |
| KR20070086633A (ko) | 레이더 레벨 게이지 시스템 | |
| DE102005044884A1 (de) | Radarsystem | |
| US10816385B2 (en) | Radar level gauge | |
| CN1800876A (zh) | 双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达 | |
| CN112740071A (zh) | 用于车辆的雷达系统 | |
| RU2285939C1 (ru) | Способ контроля воздушного пространства, облучаемого внешними источниками излучения, и радиолокационная станция для его реализации | |
| CN100367011C (zh) | 基于雷达的料位测量的方法和设备 | |
| EP1431724B1 (en) | Method and apparatus for radar-based level gauging using a plurality of differently directed radiation lobes | |
| Kafedziski et al. | Implementation of a high resolution stepped frequency radar on a USRP | |
| JP5925264B2 (ja) | レーダ装置 | |
| US20080007449A1 (en) | Radar Sensor | |
| EP4220223A1 (en) | Radar device | |
| CN114993412A (zh) | 基于毫米波雷达的液位测量方法及系统 | |
| RU2276334C1 (ru) | Радиоволновый измеритель уровня | |
| EP3688421B1 (en) | Radar level gauging with wait state | |
| RU2282178C1 (ru) | Радиоинтроскоп | |
| EP4160163A1 (en) | Radar level gauge system and method with improved filling level determination |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080206 Termination date: 20181218 |