CN1894562A - 用于优化脉冲回波方法中的发射的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

至今已知的宽带脉冲回波方法，特别是用于料位测量的工业测量技术中使用的宽带脉冲回波方法的发射值往往达到允许极限值。为了避免相关测量仪表可能的无线电技术上的许可，本发明提供了一种方法和电路，用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射，其中发送脉冲被以预选的脉冲重复频率发送。在本发明的方法和电路中，脉冲的极性被根据随机序列而以脉冲重复频率的每个周期切换，或者个别的脉冲被根据随机序列而以脉冲重复频率的每个周期抑制。

Description

用于优化脉冲回波方法中的发射的方法和装置
本发明涉及一种用于优化使用电磁信号的脉冲回波方法中的发射的方法和装置。本发明特别地涉及用于优化在宽带脉冲雷达方法中的发射的方法和装置，所述宽带脉冲雷达方法诸如使用在用于精确地远程确定固定及移动目标的过程自动化领域中的工业测量技术中。
已知的脉冲雷达方法例如连续确定容器或水池中介质的料位。在工业过程测量技术中，这种测量是利用脉冲雷达信号执行的，该信号从通常位于水池或容器上方的测量仪表(也称为发射机)向介质发送。信号从介质反射并被测量仪表作为所谓的回波信号而接收。原理上，在这种方法中，利用发送脉冲序列和脉冲重复频率略有不同的扫描脉冲序列生成时间转换的中频信号。这个中频信号被放大、解调并分析以得到对于测量信号的行程时间。从测量信号的行程时间，确定测量仪表和介质的距离，由该距离，已知容器或水池的几何结构，确定被测料位。
有益的是，测量仪表位于介质上方以及容器或水池中的介质的最高期望料位之上。为此，脉冲雷达信号通常或者被从测量仪表自由地向介质发射或者在延伸入介质的波导中被引导。测量仪表的精度依赖于介质的介电常数(也称为DK值)。
用于所述料位测量的脉冲雷达信号是非常宽带的并且具有在从几MHz到GHz量级的范围中的发送脉冲频谱。然而，正是由于这些频率，在它们的发射值中存在更多问题，这些发射值经常达到无线电技术的允许极限值以及其它许可，诸如在所谓的CE符号的情况中。然而，当工业过程测量技术的测量仪表以脉冲雷达信号工作时，这种仪表的制造者通常对于对这些测量仪表的无线电技术上的许可是不感兴趣的。
为了保持使用脉冲雷达信号的测量仪表的发射值低于极限值，其中要求无线电技术上的许可高于该极限值，现在在实践中的测量措施在使用中降低测量性能或者使用范围。这里介绍一些用于减少发射以及与其相关的限制的措施：
*发送电平的降低导致相应较小的回波信号。然而，特别是在大测量距离和低介质DK值的情况中，获得明确回波信号的可靠性相应降低。
*脉冲重复率的降低确实降低发射，但是还降低有效信号的测量速度和/或分辨率。
另一方面，当对于工业环境所需的发射极限不足够时，如果不能够降低用于料位测量的脉冲雷达信号的发射，那么相关测量仪表的操作只在闭合的金属容器或水池中才是可能的。在非金属容器的情况中，仅保留使用在波导上引导的脉冲雷达信号的操作，其中波导应当是同轴探头。
所述的问题是基本的自然特性，并且对于这一点，许多使用雷达脉冲信号的测量仪表的制造者仅作出了微小的进步。另外，在操作仪器中必须注意与CE规则相关的使用条件限制。
对于使用窄带雷达信号的测量仪表，以经发展了另一种可能，用于限制脉冲雷达信号的发射值。德国专利文献DE-4207626-C2说明了用作测量仪表测量信号的窄带雷达脉冲信号的单一频率如何能够在相位调制的意义上相位偏移弧度π。为此，根据DE-4207626-C2，雷达波脉冲序列的载波频率的相位与采样脉冲序列的相位被相同的伪随机二进制序列同步调制。这个方法导致高发射值的减少；更确切地，通过转换为同样形式的低频谱功率密度而导致频谱线功率的减少。然而，这仅涉及所考虑的频谱的单一频率，并且因而不适合宽带雷达脉冲信号方法，因为它在这种情况中失效。然而，对于工业测量技术中的料位测量，使用宽带雷达脉冲信号，其实际上包含许多单一频率成分。如果要将DE-4207626-C2的方法应用于此，每个频率成分将必须特别是偏移弧度π，这将导致对于各个成分的不同的时移。因此，DE-4207626-C2的方法不适于使用宽带脉冲雷达信号的工业料位测量技术。
另外，已知对于利用宽带雷达脉冲信号的料位测量，在非常短的针状脉冲的情况中，干扰频谱可以在从几MHz到几GHz的多个频率量级上延伸，从而，依赖于信号形式、幅度和脉冲重复频率，可以容易地超过允许的或期望的发射值。为了将发射电平最小化，已经试图调制脉冲重复频率或向其提供相位抖动。然而，特别是在其中脉冲重复频率由石英元件控制的纯数字构成的料位测量仪表的情况中，因为需要模拟部件，所以这增加了复杂度。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于在宽带脉冲雷达方法的情况中优化发射的方法和装置，其避免上述缺点并且能够使用在工业测量技术中常用的石英精确脉冲重复频率。
这个目的通过用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的方法而实现，其中发送脉冲被以预选的脉冲重复频率发送，其中脉冲的极性被根据随机序列而以脉冲重复频率的每个周期切换。
在本发明的方法的特殊实施例中，脉冲重复频率是恒定的。
在本发明的方法的另一实施例中，脉冲重复频率还被抖动。
在本发明的方法的另一实施例中，发送脉冲具有任意的脉冲形状。
上述目的还通过用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的电路的第一变型而实现，其中电路包括不同极性的两个发送信号发生器，依赖于产生的随机序列而在它们的输出信号之间往复切换。
上述目的还通过用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的电路的第二变型而实现，其中电路包括不同极性的两个发送信号发生器，其依赖于产生的随机序列而接通及断开。
最后，上述目的还通过用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的电路的第三变型而实现，其中电路包括极性可切换的发送信号发生器，其被依赖于产生的随机序列而切换。
在本发明的电路的特殊实施例中，随机序列是PN码序列，其由PN码发生器电路产生。
在本发明的电路的另一实施例中，PN码发生器电路包括具有反馈接头的多级移位寄存器。
本发明的电路的另一实施例包括用于反馈接头的XOR门。
基本上，本发明在于认识到宽带信号偏移π正是宽带信号的极性反转或者信号乘以因子-1。根据本发明，安全地实现这种特别是对于工业测量方法的宽带信号的极性反转。特别是使用移位寄存器用于产生随机序列的本发明的电路实施例能够使得发送信号具有精确的周期性并且因而能够保证发射值的可重复的良好效果，其中随机序列控制极性的切换也就是对极性进行编码。使用的移位寄存器的数目越大，重复被优化的发送信号序列所需的时间越长。
本发明的进一步的优点在于以下事实：它允许使用任何信号形式的脉冲雷达信号，因为根据本发明，发送信号的极性的编码与其信号形式无关地进行。
总而言之，应当注意，根据本发明，具有发送脉冲极性编码的宽带脉冲雷达信号的发射值显著减小，尽管发送电平和/或脉冲重复率也可以增加。于是，在测量方法的情况中，特别是在使用脉冲雷达方法的料位测量的情况中，导致测量性能提高，并且还使得对于金属容器或自由场的可应用性的区别更为简单。因此，在玻璃或塑料容器中使用宽带脉冲雷达信号的料位测量也是可能的，由于过强的发射值，它们不能利用现有技术中的宽带脉冲雷达发射信号而执行。而且，间接地改善了信号的抗干扰性，因为与同等条件下在先前测量方法中相比，有效信号即有效回波的电平更大。
另外，由于超距离作用而产生的幻象回波信号得到抑制。
现在参考附图，根据实施例详细解释并说明本发明，附图中：
图1表示现有的宽带脉冲雷达信号的时间特性；
图2表示图1的宽带脉冲雷达信号的频谱；
图3是本发明的PN码发生器的电路的一个实施例；
图4是本发明的用于生成具有编码极性的发送信号的电路第一实施例；
图5是本发明的用于生成具有编码极性的发送信号的电路第二实施例；
图6是本发明的用于生成具有编码极性的发送信号的电路第三实施例；
图7表示编码的宽带脉冲雷达信号的时间特性；
图8表现图7的编码的宽带脉冲雷达信号的频谱；
图9表示根据本发明的极性编码的宽带脉冲雷达信号的时间特性，与图7所示的信号相比，该信号具有改进的编码；和
图10表示图9的宽带极性编码的脉冲雷达信号的频谱。
下面根据用于工业测量技术的TDR料位测量的电路和方法的实施例而说明本发明，而不对本发明的基本概念进行限制。除了这些例子，本发明适用于用化在不同的宽带脉冲雷达方法中的发射。
所谓的TDR测量方法是脉冲回波方法，其中从料位测量仪表发送在微波范围内的带宽极其宽的发送脉冲信号。波导通常为此延伸进入容器或水池中料位待测的介质，该波导与其中生成并处理发送信号的料位测量仪表相连。发送脉冲信号在波导上被引导至介质，在该介质的上表面被反射然后作为有效回波信号而在波导上返回测量仪表。尽管大部分信号能量保留在波导上作为有效信号并且被作为有效回波信号而取回，但是一定部分的能量被辐射掉。依赖于信号形式、幅度和脉冲重复频率(PRF)，在这种情况中发射值可以非常迅速地超过预定的或允许的极限值，并且引起不同类型的干扰。由于在TDR测量方法中迄今为止已经发送了非常短的正的针状脉冲，正如例如在图1中所示的，干扰频谱在从几MHz直至几GHz的多个频率量级上延伸。通常产生的频谱由频谱线组成，例如在这种针状脉冲序列的情况中，这些频谱线的高度在较高频率的方向上降低，如图2所示。利用脉冲重复率，即所谓的脉冲重复频率(PRF)确定各个相邻频谱线的间隔。
要注意，在图1、7和9中，绘出信号幅度A相对于时间t的时间特性。在相关的图2、8和10中，显示了分别属于图1、7和9的信号的频谱，即，相对于频率f以dB绘出信号的数值。
如上所述，本发明用于优化宽带发送脉冲信号，例如TDR发送脉冲，其被以脉冲重复频率PRF发送。为此，发送脉冲的极性被依赖于随机序列而以每个PRF周期切换。已经发现，具有统计上的相同分布值的随机序列最为有效。最广为所知的这种能简单地数字化实现的随机序列是所谓的PN码。PN代表伪噪声，其表示数字0、1值的随机序列，它们被称为PN值，在统计上相等分布地但是具有周期性地发出。原理上，这是数字生成的噪声，具有可精确调节的周期性。
图3显示了本发明的这种PN码发生器10的电路的实施例，利用它实现本发明的用于优化宽带发送脉冲的发射的方法。PN码发生器10被构造为n级的移位寄存器Q，其具有经由XOR门12的反馈接头。各个级Q1～Qn，优选地至少两个级，形成n比特移位寄存器，其使用移位寄存器时钟信号，在每个时钟信号TAKT将数据输入端D的输入值移位一个寄存器位置。在这种情况中，TAKT代表石英控制的脉冲重复频率，其同样在输入端CLK被施加至移位寄存器Q。通过在至少两个移位寄存器的输出端经由XOR门12的反馈，获得数据输入值D。在PN码发生器10的输出侧产生的是随机序列PNCode，其用作根据本发明的电路的控制信号以及代码，用于生成图4、5和6的电路中的发送信号，其中，依赖于随机序列PNCode，切换发送信号的极性。
这里要记住的一个基本概念是，随机序列重复的周期性依赖于移位寄存器的长度。移位寄存器Q1～Qn的数目越大，随机序列重复所需的时间越长。然而，对于图3中所示的PN码发生器10，对于多数应用情况，级Q1～Qn的数目以及因此移位寄存器的长度可以被这样选择，使得得到的随机序列可以被认为是非周期序列。具有例如高斯分布的随机序列或者其它统计学不等分布的序列确实是可以的，但是它们不如此有效。然而，已经发现特别有效的是比特宽度为9比特，即具有九个寄存器级Q1～Q9的移位寄存器Q，利用它可以生成随机序列PNCode，其具有长度为511的近似相等分布的0、1脉冲：254个正值，255个负值。
本发明的用于生成宽带发送信号的实际电路可以以不同方式实现，其中宽带发送信号具有由在PN码发生器10(见图3)中生成的随机序列PNCode编码的极性。对此的实施例在图4、5和6中显示。为此使用两个发送信号发生器Sender A和Sender B，它们各自生成不同极性的发送信号；或者使用具有可切换极性的单个发送信号发生器Sender C。
在图4所示的电路的情况中，使用开关14实现极性反转，该开关依赖于施加于它的极性码PNCode而在两个发送信号发生器Sender A和Sender B的输出端之间往复切换。在发送信号发生器Sender A和SenderB的输入侧上施加的是脉冲重复频率TAKT。
在图6所示的电路的情况中，开关16连接至发送信号发生器SenderA和Sender B的输入端。开关16依赖于施加于它的极性码PNCode而在两个发送信号发生器Sender A和Sender B的输入端之间往复切换。
图5中示出的电路情况不同。这里极性码PNCode被直接施加于极性可切换的发送信号发生器Sender C的输入端。
图7～10显示了本发明生成的极性编码的宽带发送信号的发射值的显著减少。在PN码发生器10(关于这一点，参见图3)生成的随机序列PNCode的PN值为1的情况中，在图4～6的电路的输出侧发出正的发送脉冲；在PN值为0的情况中发出脉冲形状相同但是为负极性的脉冲。图9中显示了这种情况。
然而，也可以不仅以编码的方式反转发射信号的极性，而且也可以相应于随机序列PNCode而抑制脉冲。这种方法的特殊效果也可以由图7所示的作为发送信号的针状脉冲序列的例子而显示。与图1中现有的未编码的针状脉冲序列以及图2所示的发射频谱相比，图8中所示的用于图7的编码针状脉冲序列的数值或发射频谱已经显示了发射值的明显减小。
更为显著的是图9和10中发射值的优化效果，图9和10显示了本发明的极性编码的脉冲序列。这里显示的信号是利用图3的具有7比特移位寄存器的PN码发生器10生成的。在图9中，可以清楚地看到极性编码的脉冲序列的正负脉冲。图10的相关大小或发射频谱显示，发射的绝对电平已经显著降低。
对于所有所述的发送信号，已经发现，当脉冲重复频率TAKT是恒定的或者附加抖动的，将是有利的。

Claims (11)

1.用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的方法，其中发送脉冲被以预选的脉冲重复频率(TAKT)发送，其特征在于，脉冲的极性被根据随机序列(PNCode)而以脉冲重复频率(TAKT)的每个周期切换。
2.用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的方法，其中发送脉冲被以预选的脉冲重复频率(TAKT)发送，其特征在于，个别的脉冲被根据随机序列(PNCode)而以脉冲重复频率(TAKT)的每个周期抑制。
3.根据权利要求1或2的方法，其中脉冲重复频率(TAKT)是恒定的。
4.根据权利要求1或2的方法，其中脉冲重复频率(TAKT)还被抖动。
5.根据权利要求1、2、3或4的方法，其中发送脉冲的脉冲形状是任意的。
6.用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的电路，其特征在于，电路包括不同极性的两个发送信号发生器(Sender A，B)，依赖于产生的随机序列(PNCode)而在它们的输出信号之间往复切换。
7.用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的电路，其特征在于，电路包括不同极性的两个发送信号发生器(Sender A，B)，它们被依赖于产生的随机序列(PNCode)而接通或断开。
8.用于优化脉冲回波方法的宽带发送脉冲的发射的电路，其特征在于，电路包括极性可切换的发送信号发生器(Sender C)，其被依赖于产生的随机序列(PNCode)而切换。
9.根据权利要求6、7或8的电路，其中随机序列(PNCode)是PN码序列，其由PN码发生器电路(10)产生。
10.根据权利要求9的电路，其中PN码发生器电路(10)包括具有反馈接头的多级移位寄存器(Q1～Qn)。
11.根据权利要求10的电路，其中包括用于反馈接头的XOR门。
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