CN1971221A - 一种用雷达测量液位的方法及使用该方法的雷达液位仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液位测量设备技术领域，具体涉及一种用雷达测量液位的方法及使用该方法的雷达液位仪。本发明为克服现有技术存在的测量结果精度差及成本较高的问题，采用的技术方案是：一种用雷达测量液位的方法，通过公式

，即可得到被测液面的高度；一种使用该方法的雷达液位仪，包括射频组件、发射组件、接收组件和处理单元，射频组件中包括参考时钟源，还包括时钟源，射频组件中的参考时钟源接于时钟源；所述发射组件包括数字上变频器、数模转换器和低通滤波器，所述接收组件包括低通滤波器和数字下变频与数模转换器。

Description

一种用雷达测量液位的方法及使用该方法的雷达液位仪

所属技术领域：

本发明涉及液位测量设备技术领域，具体涉及一种用雷达测量液位的方法及使用该方法的雷达液位仪。

背景技术：

雷达液位仪是众多液位测量方法中的一种，具有无可动部件，不接触被测量物质，测量精度高等优点，可用于海船油槽位测量，储罐液位测量等场合。目前已有的雷达液位仪从雷达体制上分类有线性调频连续波雷达液位仪和脉冲雷达液位仪两种类型。现有的雷达液位仪无论是线性调频连续波雷达液位仪还是脉冲雷达液位仪都是通过发射大带宽信号来实现高精度测量的。但是这种方法存在一个问题，实际上在很多情况下，雷达接收到的回波中混有较强的罐底反射回波，影响液位的测量精度；另一方面大带宽信号的雷达实现比较困难，成本也比较高。

发明内容：

本发明要提供一种用雷达测量液位的方法及使用该方法的雷达液位仪，以克服现有技术存在的测量结果精度差及成本较高的问题。

为了克服现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种用雷达测量液位的方法，其特殊之处是雷达同时发射多个不同频率的单音信号，求得接收到的回波信号的相位差，通过长时间的相干积累就可以获得高的信号噪声功率比，然后通过下面的公式即可得到被测液面的高度，

$L=H-c_1\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{11}}{4\mathrm{\π\Δ}{f}_1},$

其中储液罐高度为H，液位高度为L，电磁波在储液罐中液面之上的传播速度为c1，Δφ₁₁是第一个单音信号的由被测液面反射的回波和第二个单音信号的由被测液面反射的回波的相位差，Δf₁是第一个单音信号和第二个单音信号的频率差。

一种使用该方法的雷达液位仪，包括射频组件8、发射组件、接收组件和处理单元6，射频组件8中包括参考时钟源，其特征在于：还包括时钟源7，射频组件8中的参考时钟源接于时钟源7；所述发射组件包括数字上变频器1、数模转换器2和低通滤波器3，所述接收组件包括低通滤波器4和数字下变频与数模转换器5；时钟源7分别接于数字上变频器1和数字下变频与数模转换器5，所述处理单元6包括数字信号处理器和计算机，数字下变频与数模转换器5与处理单元6中的数字信号处理器相接，数字信号处理器分别接于数字上变频器1和数模转换器2。

上述数字上变频器1以集成块D4为核心，集成块D4的型号为AD6633，数据输入端INDATA0～INDATA19接固定电平，集成块D4的IOUT2～IOUT17和QOUT2～QOUT17接于数模转换器2；

所述数模转换器2以集成块D5为核心，集成块D5的型号为AD9779，集成块D5的P1D_0～P1D_15和P2D_0～P2D_15接于数字上变频器1的IOUT2～IOUT17和QOUT2～QOUT17；集成块D5的IOUT1*和IOUT1_P通过巴仑T2接于低通滤波器3；

所述低通滤波器3包括串联的电感L3和电感L4、电容C32、电容C34、电容C35和C36，经电阻R86阻抗匹配后通过中频接头X3与射频发射组件相连；

所述低通滤波器4包括串联的电感L5和电感L6、电容C39、电容C40、电容C41和电容C42，经电阻R88阻抗匹配后通过巴仑T3接于AD6654的模拟输入端AIN+和AIN-；

所述数字下变频与数模转换器5以集成块D6为核心，集成块D6的型号为AD6654，集成块D6的模拟输入端AIN+和AIN-与低通滤波器4接于巴仑T3，集成块D6的PADATA0～PADATA15接于处理单元6。

上述处理单元6中的数字信号处理器以集成块D7为核心，集成块D7的型号为ADSP-BF537。

上述时钟源7包括集成块D2，压控振荡器G2和集成块D3，其中集成块D2是一个锁相环芯片LMX2306。

本发明中雷达同时发射多个不同频率的单音信号，接收它们的回波信号，求出各单音信号的回波的相位，并计算它们的相位差接收到的各回波信号有相位差，并求得二者之差，通过长时间的相干积累就可以获得高的信号噪声功率比，进而从各回波的相位差求解出液面高度。与现有技术相比，本发明的优点是：1、测量精度高：可以分离出罐底反射引起的回波，消除其对测量精度的影响，因此测量精度高；2、设备简单：由于无需发射大带宽信号，从而大大简化了设备；3、采用数字收发，稳定可靠，参数可根据测量环境灵活设置；4、故障率低：结构简单，因此故障率低；5、应用场合更加广泛。

附图说明：

图1是本发明的测量原理图；

图2是本发明的原理框图；

图3是数字上变频器1、数模转换器2和低通滤波器3的原理图；

图4是低通滤波器4和数字下变频与数模转换器5的原理图；

图5是处理单元6的原理图；

图6是时钟源7的原理图。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

一种用雷达测量液位的方法：

参见图1，一储液罐中储有某种液体，雷达液位仪的天线安装在储液罐的罐顶。储液罐高度为H，液位高度为L。雷达发射的电磁波传播到被测液面并返回所需的时间为t1，设电磁波在储液罐中液面之上的传播速度为c1，则可以得到以下的计算公式：

              L＝H-c₁t₁/2               (1)

由于储液罐高度H是已知的，所以只要求出t₁就可以得到被测液面的高度L。但实际上在很多情况下，雷达接收到的回波中有较强的罐底反射回波，如图一中所示。所以必须把t₂也准确的求出来才能实现真正的液位高精度测量。目前已有的两种雷达液位仪都不具备这种能力，而本发明所采用的方法可以解决这一问题，并且同时具有了现有的两种雷达液位仪的高测量精度。

本方法的具体测量原理是：

多组双频连续波雷达液位仪的测量原理：

雷达同时发射五个频率相差Δf，幅度都为A，初始相位都为0的正弦信号，

$\left\{\begin{array}{cc}{s}_0\left(t\right)=A\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)& \\ s_1\left(t\right)=A\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0+{\mathrm{\Δf}}_1)t\right]& \\ s_2\left(t\right)=A\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{\Δ}{f}_2)t\right]& ---\left(2\right)\\ s_3\left(t\right)=A\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{\Δ}{f}_3)t\right]& \\ s_4\left(t\right)=A\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{\Δ}{f}_4)t\right]& \end{array}\right.$

其中四个差拍频率Δf₁至Δf₄依次增大，且 $\mathrm{\&Delta;}{f}_4<\frac{3}{2}\mathrm{\&Delta;}{f}_1.$

在图一所示的测量环境下雷达接收到的回波信号可以表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}{s}_0\left(t\right)=(A/{\mathrm{\&sigma;}}_1)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-t_1)\right]+(A/{\mathrm{\&sigma;}}_2)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-t_2)\right]& \\ s_1\left(t\right)=(A/{\mathrm{\&sigma;}}_1)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(f_0+\mathrm{\&Delta;}{f}_1)(t-t_1)\right]+(A/{\mathrm{\&sigma;}}_2)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(f_0+\mathrm{\&Delta;}{f}_1)(t-t_2)\right]& \\ s_2\left(t\right)=(A/{\mathrm{\&sigma;}}_1)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(f_0+\mathrm{\&Delta;}{f}_2)(t-t_1)\right]+(A/{\mathrm{\&sigma;}}_2)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(f_0+\mathrm{\&Delta;}{f}_2)(t-t_2)\right]& ---\left(3\right)\\ s_3\left(t\right)=(A/{\mathrm{\&sigma;}}_1)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(f_0+\mathrm{\&Delta;}{f}_3)(t-t_1)\right]+(A/{\mathrm{\&sigma;}}_2)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(f_0+\mathrm{\&Delta;}{f}_3)(t-t_2)\right]& \\ s_4\left(t\right)=(A/{\mathrm{\&sigma;}}_1)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(f_0+\mathrm{\&Delta;}{f}_4)(t-t_1)\right]+(A/{\mathrm{\&sigma;}}_2)\cos \left[2\mathrm{\&pi;}(f_0+\mathrm{\&Delta;}{f}_4)(t-t_2)\right]& \end{array}\right.$

通过正交混频分别将五个回波信号变换到零频率，如下：

为了扩大测量范围，采用差拍信号测量。式中C₀，C₁，C₂，C₃，C₄和₀，₁，₂，₃，₄可直接从回波数据中计算出来。将第1至第4个回波与第0个回波作比相处理，得到Δ₁₀～Δ₄₀：

其中 $C_{10}=\frac{C_1}{C_0},$ $C_{20}=\frac{C_2}{C_0},$ $C_{30}=\frac{C_3}{C_0},$ $C_{40}=\frac{C_4}{C_0};$

Δ₁₀＝₁-₀，Δ₂₀＝₂-₀，Δ₃₀＝₃-₀，Δ₄₀＝₄-₀。 $k_{21}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{f}_2}{\mathrm{\&Delta;}{f}_1},$ $k_{31}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{f}_3}{\mathrm{\&Delta;}{f}_1},$ $k_{41}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{f}_4}{\mathrm{\&Delta;}{f}_1},$ 所以以上方程组中有四个未知量：σ₁，σ₂，Δφ₁₁，Δφ₁₂。因为在选取频率差时已经考虑了不使回波相位发生模糊，所以以上方程组中的四个变量有确定解，利用非线性方程组的牛顿解法可以得到它们的数值解。

并且Δφ₁₁＝2πΔf₁t₁，Δφ₁₂＝2πΔf₁t₂。因为t₁＜t₂，所以取两个相位解中较小的一个就是液面反射雷达信号的相位延迟Δφ₁₁。

$t_1=\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_{11}}{2\mathrm{\&pi;\&Delta;}{f}_1},$ 代入式(1)，就可以得到被测液面的高度：

$L=H-c_1\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_{11}}{4\mathrm{\&pi;\&Delta;}{f}_1}---\left(6\right)$

从上面的原理说明可以看出，本发明的方法就是使雷达同时发射多个不同频率的单音信号，求得接收到的回波信号的相位差，然后通过长时间的相干积累获得高的信号噪声功率比，最终通过上面的公式得到被测液面的高度。本发明所采用的测量方法是雷达中的相位测距法，这一点与现有的其它两种类型的雷达液位仪具有本质不同。相位测距法相比于其它测距方法的优点在于测量精度高，瞬时带宽小。为了在保证设备轻便测量精度高的同时满足测量的范围，采用了双频比相的测距方法。对混有罐底反射回波的回波信号进行分析，回波中有四个未知变量，为了分离被测液面反射的回波和罐底反射的回波，需要求解出这四个未知变量，也就需要得到一个包括四个方程的方程组。于是发射五个不同频率的单音信号，这样就可以从回波中就可以得到四个双频单音信号的比相结果，也就是四个方程，解该方程组就可以得到被测液面高度的高精度测量值。

根据雷达精度理论分析，这种测量方式的测距精度(测量值的均方差)是：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{c_1}{16\mathrm{\&pi;\&Delta;}{f}_1\left(\mathrm{SNR}\right)M}(1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{f}_2^2}{\mathrm{\&Delta;}{f}_1^2}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{f}_3^2}{\mathrm{\&Delta;}{f}_1^2}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{f}_4^2}{\mathrm{\&Delta;}{f}_1^2})---\left(7\right)$

式中SNR代表接收到的信号噪声功率比，M代表观测数据的个数，可见只要提高回波的采样率并延长观测时间就可以得到足够高的测量值。

参见图2～6，一种使用该方法的雷达液位仪，包括射频组件8、发射组件、接收组件、处理单元6和时钟源7。所说的射频组件8为公知的内容，其中包括两套混频器和微带天线组件以及射频放大器，低噪声放大器和功率放大器，射频滤波器，射频本振，参考时钟源等。

所说的发射组件包括数字上变频器1、数模转换器2和低通滤波器3，所说的接收组件包括低通滤波器4和数字下变频与数模转换器5；时钟源7分别接于数字上变频器1和数字下变频与数模转换器5，所述处理单元6包括数字信号处理器和计算机，数字下变频与数模转换器5与处理单元6中的数字信号处理器相接，数字信号处理器分别接于数字上变频器1和数模转换器2。所说的射频组件8中的参考时钟源接于时钟源7。

所说的数字上变频器1以集成块D4(AD6633)为核心，由A、B两个部分组成，由于系统发射的是无调制正弦信号，数据输入端INDATA0～INDATA19接固定电平，集成块D4的IOUT2～IOUT17和QOUT2～QOUT17接于数模转换器2。本系统只用其中五个发射五个不同频率的正弦信号，所输出的是五个不同频率的数字正弦信号的叠加，这些数据被送入数模转换器2中。

所说数模转换器2以集成块D5(AD9779)为核心。集成块D5的P1D_0～P1D_15和P2D_0～P2D_15接于数字上变频器1的IOUT2～IOUT17和QOUT2～QOUT17；集成块D5的IOUT1*和IOUT1_P通过巴仑T2接于低通滤波器3。集成块D5采用了一个高速数模转换器，它输出了五个不同频率的模拟正弦信号到低通滤波器3中。

所说的低通滤波器3包括串联的电感L3和电感L4、电容C32、电容C34、电容C35和C36。模拟正弦信号经电阻R86阻抗匹配后通过中频信号接头X3与射频发射组件相连；射频接收组件的输出信号通过中频信号接头X4与数控衰减器N1相连，经过N1调整功率后的模拟中频信号送至低通滤波器4的输入端。

所说的低通滤波器4包括串联的电感L5和电感？L6、电容C39、电容C40、电容C41和电容C42。模拟中频信号经电阻R88阻抗匹配后通过巴仑T3接于数字下变频与数模转换器5。

所说的数字下变频与数模转换器5以集成块D6(AD6654)为核心，由A、B两个部分组成，集成块D6的模拟输入端AIN+和AIN-与低通滤波器4中的巴仑T3相接，集成块D6的PADATA0～PADATA15接于处理单元6。集成块D6上集成有一个高速模拟数字转换器和六个数字下变频通道。高速模拟数字转换器将回波信号从模拟中频转换到数字中频，然后在五个数字下变频通道中将五个不同频率的回波信号分离，并把它们各自变为复数直流信号，然后这些复数直流信号被送入处理单元6中的数字信号处理器中进行处理。

所说的处理单元6中的数字信号处理器以集成块D7(ADSP-BF537)核心，由A、B两个部分组成。其外围的集成块D10(max7256)为一片可编程逻辑器件，用于时序处理；集成块D8(max708)用于完成集成块D7的复位操作；集成块D9(AT45DB161)是一片只读存储器，存放用于集成块D7中运行的程序。集成块D7主要完成两个功能，其一是根据上位机下发的配置参数对集成块D2，集成块D4，集成块D5和集成块D6的寄存器进行配置；其二是利用集成块D6送来的五组复直流信号解出被测的液位高度，并将结果通过网口上报至上位机中。

所说的时钟源7包括集成块D2，压控振荡器G2和集成块D3，其中集成块D2是一个锁相环芯片LMX2306，其参考时钟源通过时钟接头X1从射频组件8引入，为一高稳定度的10MHz时钟源；压控振荡器G2的振荡频率为80MHz，集成块D3是一个低噪声的时钟分配器MC100。这部分电路为本实用新型提供时钟信号。

Claims (5)

1、一种用雷达测量液位的方法，其特征是雷达同时发射多个不同频率的单音信号，求得接收到的回波信号的相位差，通过长时间的相干积累就可以获得高的信号噪声功率比，然后通过下面的公式即可得到被测液面的高度，

$L=H-c_1\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_{11}}{4\mathrm{\&pi;\&Delta;}{f}_1},$

其中储液罐高度为H，液位高度为L，电磁波在储液罐中液面之上的传播速度为c1，Δφ₁₁是第一个单音信号的由被测液面反射的回波和第二个单音信号的由被测液面反射的回波的相位差，Δf₁是第一个单音信号和第二个单音信号的频率差。

2、使用如权利要求1所述方法的雷达液位仪，包括射频组件(8)、发射组件、接收组件和处理单元(6)，射频组件(8)中包括参考时钟源，其特征在于：还包括时钟源(7)，射频组件(8)中的参考时钟源接于时钟源(7)；所述发射组件包括数字上变频器(1)、数模转换器(2)和低通滤波器(3)，所述接收组件包括低通滤波器(4)和数字下变频与数模转换器(5)；时钟源(7)分别接于数字上变频器(1)和数字下变频与数模转换器(5)，所述处理单元(6)包括数字信号处理器和计算机，数字下变频与数模转换器(5)与处理单元(6)中的数字信号处理器相接，数字信号处理器分别接于数字上变频器(1)和数模转换器(2)。

3、如权利要求2所述的雷达液位仪，其特征在于：所述数字上变频器(1)以集成块D4为核心，集成块D4的型号为AD6633，数据输入端INDATA0～INDATA19接固定电平，集成块D4的IOUT2～IOUT17和QOUT2～QOUT17接于数模转换器(2)；

所述数模转换器(2)以集成块D5为核心，集成块D5的型号为AD9779，集成块D5的P1D_0～P1D_15和P2D_0～P2D_15接于数字上变频器(1)的IOUT2～IOUT17和QOUT2～QOUT17；集成块D5的IOUT1*和IOUT1_P通过巴仑T2接于低通滤波器(3)；

所述低通滤波器(3)包括串联的电感L3和电感L4、电容C32、电容C34、电容C35和C36，经电阻R86阻抗匹配后通过中频接头X3与射频发射组件相连；

所述低通滤波器(4)包括串联的电感L5和电感L6、电容C39、电容C40、电容C41和电容C42，经电阻R88阻抗匹配后通过巴仑T3接于AD6654的模拟输入端AIN+和AIN-；

所述数字下变频与数模转换器(5)以集成块D6为核心，集成块D6的型号为AD6654，集成块D6的模拟输入端AIN+和AIN-与低通滤波器4接于巴仑T3，集成块D6的PADATA0～PADATA15接于处理单元(6)。

4、如权利要求3所述的雷达液位仪，其特征在于：所述处理单元(6)中的数字信号处理器以集成块D7为核心，集成块D7的型号为ADSP-BF537。

5、如权利要求4所述的雷达液位仪，其特征在于：所述时钟源(7)包括集成块D2，压控振荡器G2和集成块D3，其中集成块D2是一个锁相环芯片LMX2306。

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