DE19501379A1

DE19501379A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bandbreitensyntheseradarpegelmessung

Info

Publication number: DE19501379A1
Application number: DE19501379A
Authority: DE
Inventors: Stephan Schreiner
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1994-02-14
Filing date: 1995-01-18
Publication date: 1995-08-17
Also published as: US5440310A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Messung von Materialien in Tanks und betrifft insbesondere eine Bandbrei tensytheseradarpegelmessung.

Das Messen von Produkten oder Materialien in Tanks oder Silos ist für die Inventarsteuerung und Abgabeüberwachung in vielen Industriezweigen von Bedeutung. Produktpegelüberwachung ist auch beim Füllen von Speichereinrichtungen wichtig, da bei mög licherweise gefährlichen Produkten eine Überfüllung oder ein Überlaufen verhindert werden muß. In gleicher Weise kann die Pegelbeobachtung zum Erkennen von Tankleckstellen eingesetzt werden; zum Beispiel müssen unbeaufsichtigte Öl- oder Gasspei chertanks ständig daraufhin beobachtet werden, ob Stoffe aus sickern, die zu einer Verunreinigung des Erdreichs oder des Grundwassers führen können.

Frühere Pegelmessungen von Speichergefäßen wurden mit einem Stock oder einem Seil durchgeführt, die in das Gefäß einge taucht wurden, bis das entsprechende Produkt berührt wurde. Durch Messen der entsprechenden Länge konnte der Pegel des Produkts oder des Materials in dem Tank bestimmt werden. Dies wurde als "sticking the tank" bezeichnet. Diese Technik wird beispielsweise in Tankstellen angewendet, indem ein kali brierter Stab in den Tank eingeführt wird und dann festge stellt wird, welche Länge des Stabes befeuchtet ist. Ein der artiges Verfahren ist gefährlich und führt zur Belüftung des Tankinhalts, was nicht erwünscht ist. Obwohl viele neuere Meß einrichtungen, die auf dem Stab- oder Seilkonzept beruhen, automatisiert sind und einigermaßen genau arbeiten, erfordern diese Verfahren das körperliche Eindringen in die Speicherum gebung. Eine derartige Einwirkung in den Tank kann zur Ver schmutzung des Tankinhalts führen und, in Abhängigkeit der Kor rosionseigenschaft des Tankinhalts, zur Beeinträchtigung oder Zerstörung der Meßeinrichtung führen.

Seit Anfang der 70er Jahre wurden verschiedene Pegelmeßein richtungen entwickelt, die Radar verwenden und somit ohne ein Berühren des Speichergefäßinhaltes auskommen. Typische Radarpegelmeßeinrichtungen verwenden FM-CW(frequenzmodulier te kontinuierliche)-Wellenformen, bei denen die Fre quenz des übertragenen Signals mit einer konstanten Rate um etwa ein Gigahertz (GHz) um die Mittenfrequenz gewobbelt wird. Das reflektierte Signal weist eine andere Frequenz auf als das momentan übertragene Signal, da es einen Zeitversatz aufweist, der durch die Signalübertragung von dem Übertrager zu dem Speicherinhalt und zum Empfänger zurück von der Oberfläche des Inhalts des Gefäßes bewirkt wird, da die Frequenz inzwischen auf eine andere Frequenz gewobbelt wurde. Der Frequenzunter schied zwischen der Übertragungs- und Empfangsfrequenz stellt einen Indikator dar, wie weit das ursprünglich übertragene Sig nal sich ausbreiten mußte und stellt somit ein Maß für den Ab stand zum Speichergefäßinhalt dar. In derartigen Systemen ist die minimale Auflösung der Messung und die minimale meßbare Distanz direkt mit der Wobbelbreite des Übertragungssignals verbunden. Da das Empfangssignal durch den Chirp moduliert wird, muß die erforderliche Detektionsbandbreite groß sein, was zu einer Abnahme des Signal-Rauschverhältnisses führt und somit den maximalen Bereich einschränkt.

Die FCC (U.S. Federal Communications Commission) und interna tionale Übereinkommen begrenzen die maximale Bandbreite des Übertragungssignals auf 250 MHz. Momentan verwendete Geräte, die feste Wobbelraten und feste Wobbellängen verwenden, können Teile der Rückkehrsignalzyklen auflösen oder filtern. Diese Teile der Zyklen treten auf, wenn die gewobbelte Frequenz, die nicht mit dem Rückkehrsignal synchronisiert ist, sich umkehrt oder zurückgesetzt wird, bevor ein kompletter Zyklus empfangen werde. Daher weisen diese Systeme einen deutlich geringeren Signal-Rauschabstand auf und benötigen zumindest 1 GHz Band breite.

Somit besteht ein Bedürfnis nach einem Verfahren an einer Vor richtung, durch die eine sehr genaue Messung von Pegeln eines Produkts in einem Speichertank oder Silo erreicht wird, wobei die FCC- und internationalen Beschränkungen in bezug auf die maximale Bandbreite des Übertragungssignals auf 250 MHz einge halten werden und durch die eng benachbarte Echos aufgelöst werden können und ein gutes Signal-Rauschverhältnis erhalten wird.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen im ein zelnen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Bandbreitensyntheseradar pegelmeßsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungs führungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein genaueres Blockschaltbild eines Bandbreitensynthe seradarpegelmeßsystems gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 ein Diagramm zum Erläutern der Phase des Differenz signals, welches von dem Banbreitensyntheseradarpe gelmeßsystems der Fig. 1 und 2 verarbeitet wird.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der bevorzugten Aus führungsform verwendet ein Mikrowellensignal, das in seiner Frequenz mit einer adaptiv gesteuerten Rate gewobbelt wird. Die Einstellung der Wobbelparameter wird auf einer Wobbel- Zu-Wobbel-Basis gemacht, derart, daß das Frequenzsignal eine ganzzahlige Anzahl von Sinuszyklen pro Wobbelperiode enthält und die Start- und Endphase des Sinussignals Null beträgt. Die Signale (ranging signals) aufeinanderfolgender Wobbelvorgänge werden phasenaddiert, wodurch ein Signal synthetisiert wird, welches in einem Filter verarbeitet werden kann. Dies führt da zu, daß die Einrichtung eine Synthesebandbreite aufweist, die gleich der Anzahl aufeinanderfolgender Wobbelungen mal der aktuellen Wobbelbandbreite (swepbandwidth) ist.

Die Pegelmeßvorrichtung der Fig. 1 kann an einer Dachöffnung oder einem Steigrohr eines Speichertanks oder eines Silos be festigt sein. Die Antenne ist typischerweise von der Dachöff nung oder dem Steigrohr an der Spitze des Speichertanks oder Silos zur obersten Oberfläche des Inhalts gerichtet. Der Über trager/Empfänger und die Signalverarbeitungselektronik kann hinter der Antenne in einem kleinen explosionssicheren Gehäuse untergebracht sein.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Bandbreitesyntheseradar pegelmeßsystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zeigt insbesondere die Gesamtstruk tur der Pegelmeßvorrichtung. Eine Sende/Empfangseinrichtung 1 ist mit einer Antenne 3, einem Wobbelgenerator 35 und einem Zwischenfrequenz(ZF)-Prozessor 36 gekoppelt. Eine Wobbelsteue rung 37 ist sowohl mit dem ZF-Prozessor 36 als auch mit dem Wobbelgenerator 35 gekoppelt. Die Wobbelsteuerung 37 erzeugt ein Ausgangssignal 38.

Die Funkfrequenz-Sende/Empfangseinrichtung 1 der Fig. 1, deren Frequenz durch den Wobbelgenerator 35 gesteuert wird, überträgt ein Übertragungssignal 24 über die Antenne 3 zur Produktober fläche 23. Gemessen werden soll der Abstand von der Antenne 3 zur Produktoberfläche 23. Das Übertragungssignal 24 wird von der Produktoberfläche 23 reflektiert und kehrt zur Antenne 3 als Rückkehr- oder Reflexionssignal 25 zurück. Ein Differenz signal 26, d. h. die Differenz zwischen dem Übertragungssignal 24 und dem reflektierten Signal 25, wird von der Sende/Emp fangseinrichtung 1 ausgegeben. Das Differenzsignal 26 der Sende/Empfangseinrichtung 1 wird dem ZF-Prozessor 36 zugeführt. In dem ZF-Prozessor 36 wird das Differenzsignal 26 gefiltert, verstärkt und dann zur Wobbelsteuerung 37 weitergeleitet. Die Wobbelsteuerung 37 weist zwei Ausgänge auf: ein Wobbeleinstell signal 30, das zum Chirp-Neigungsgenerator 13 weitergeleitet wird, und ein Ausgangssignal 38, welches die Bereichsinforma tion (den Abstand von der Antenne 3 zur Produktoberfläche 23) enthält.

Fig. 2 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des Bandbrei tesynthesradarpegelmeßsystems der Fig. 1. Die Mikrowellen- Sende/Empfangseinrichtung 1 besteht aus einem Wobbelfrequenz generator, der, wenn er durch einen Chirp-Neigungsgenerator 13 betrieben wird, eine Trägerfrequenz erzeugt, die sich über einen Bereich von etwa 200 MHz synchron mit dem Wobbelsignal 27 ändert. Die Sende/Empfangseinrichtung 1 der Fig. 2 weist einen VCO 5 auf, der mit einem Mischer 4 gekoppelt ist, um das Mikrowellenübertragungssignal 24 und das Empfangssignal 25 zu verarbeiten. Der Mischer 4 ist mit der Antenne 3 und dem Rückkehrsignalleistungssensor 10 gekoppelt.

Der VCO 5 ist über einen Filter 6 und einen D/A-Wandler 7 mit dem Wobbelgenerator 35 gekoppelt (der Filter 6 und der DA- Wandler 7 filtern das Wobbelsignal 27 und wandeln es in ein digitales Signal für den Zähler 12 um). Der Wobbelgenerator 35 der Fig. 2 weist einen Zähler 12 auf, der mit dem Chirp- Neigungsgenerator 13 verbunden ist. Der Zähler 12 ist mit dem D/A-Wandler 7 und der Chirp-Neigungsgenerator 13 mit dem Zähler 12 gekoppelt.

Der ZF-Prozessor 36 der Fig. 2 weist einen auswählbaren Inver ter 8, einen variablen Bandpaßfilter 11 und einen AGC-Ver stärker 16 auf. Der auswählbare Inverter 8 ist mit dem Mischer 4 gekoppelt. Der variable Bandpaßfilter 11 ist zwischen dem auswählbaren Inverter 8 und dem AGC-Verstärker 16 verschaltet.

Die Wobbelsteuerung 37 der Fig. 2 weist einen Distanzumsetzer (translator) 14, einen Datenwandler 15, eine Rückkehrfrequenz nachführung 18, eine Rückkehrphasennachführung 19, eine Wob belerfassungseinheit 21 (sweep acquisition) und eine Abstands berechnungs-RAM-Einheit 22 auf. Der AGC-Verstärker 16 ist mit der Rückkehrfrequenznachführung 18 und der Rückkehrphasennach führung 19 gekoppelt. Der Rückkehrsignalleistungssensor 10 ist sowohl mit dem AGC-Verstärker 16 als auch mit der Wobbeler fassungseinheit 21 verbunden und stellt für diese Einheiten Eingangssignale zur Verfügung.

Der Zähler 12 ist mit der Abstandsberechnungs/RAM-Einheit 22 verbunden. Der Ausgang des Zählers 12 (Taktsignal 28) ist mit dem Distanzübersetzer 14 gekoppelt. Der Chirp-Neigungsgenera tor 13 ist mit dem auswählbaren Inverter 8, der Frequenznach führung 18 und der Wobbelerfassungseinheit 21 verbunden. Der Ausgang der Rückkehrphasennachführung 19 ist mit dem D/A-Wandler 7 gekoppelt, der Ausgang der Distanzberechnungseinheit/RAM ist mit dem Datenwandler 15 gekoppelt. Der Datenwandler 15 er zeugt ein Ausgangssignal 38.

Der Chirp-Anstiegsgenerator 13 der Fig. 2 erzeugt eine lineare Chirp-Funktion (Chirp-Anstiegssignal) mit variablem Anstieg und Größe und steuert die Frequenz der Sende/Empfangseinrichtung 1 über das Wobbelsignal 27. Die Frequenzabweichung der Sende-/ Empfangseinrichtung 1 stellt eine Funktion des Wobbelsignals 27 in bezug auf die Größe dar, und die Frequenzänderungsgeschwin digkeit stellt eine Funktion des Anstiegs des Wobbelsignals 27 dar. Das übertragene Wobbelfrequenzsignal 24 wird von der An tenne 3 abgestrahlt, an dem Produkt 23 reflektiert und wandert zur Antenne 3 als Empfangssignal 25 zurück. Von der Antenne 3 wird das Empfangssignal 25 zur Sende/Empfangseinrichtung 1 wei tergeleitet, wo es mit dem Übertragungssignal gemischt wird, um ein Differenzsignal 26 von dem Mischer 4 zu erhalten. Dieses Differenzsignal 26 wird zum ZF-Prozessor 36 weitergeleitet. In dem ZF-Prozessor 36 wird das Differenzsignal 26 in dem auswähl baren Inverter 8 gemäß dem Chirp-Neigungssignal selektiv inver tiert, um einen auswählbaren Inverterausgang zu erzeugen und wird in dem variablen Bandpaßfilter 11 gefiltert, um ein konti nuierliches ZF-Signal 29 zu erzeugen und wird in dem AGC-Ver stärker 16 verstärkt, um ein verstärktes ZF-Signal 39 zu erzeu gen.

Durch Schmalbandpaßfilter werden andere benachbarte Differen zenfrequenzen unterdrückt, und es werden somit falsche Echos unterdrückt (welche beispielsweise durch Strukturteile in dem Speichergefäß verursacht wurden). Das resultierende kontinuier liche ZF-Signal 29 der Fig. 2 wird zur Wobbelsteuerung 37 wei tergeleitet. In der Wobbelsteuerung 37 wird die Frequenz des Differenzsignals 26 bestimmt. Von der Frequenzbestimmung wird in der Rückkehrfrequenznachführung 18 ein Wobbeleinstellsignal 30 erhalten. Dieses Wobbeleinstellsignal 30 wird an den Chirp- Neigungsgenerator 13 weitergeleitet, wo die Chirp-Neigung und die Chirp-Größe derart eingestellt werden, daß das an den ZF-Prozessor 36 abgegebene Signal eine kontinuierliche Sinus welle darstellt. Die Wobbelsteuerung 37 erzeugt auch einen Aus gang 38, der, nach einer Umwandlung, den Bereich zwischen der Antenne 3 und der Produktoberfläche 23 anzeigt.

In Fig. 2 könnte eine Alternative zur Kombination der Mikrowel lenübertragungsfunktionselemente (Chirp-Neigungsgenerator 13, Zähler 12, D/A-Wandler 7, Filter 6 und VCO 5) dadurch erhalten werden, indem ein Tieffrequenzpräzisionswobbeloszillator ver wendet wird. Beispielsweise könnte ein numerisch gesteuerter Oszillator, dessen Ausgangsfrequenzsignal bis auf die gewünsch te Übertragungsfrequenz 24 multipliziert wurde, verwendet wer den.

Das frequenzmodulierte Signal, welches das von der Antenne 3 abgegebene Übertragungssignal 24 enthält, wird von der Produkt oberfläche 23 zur Antenne 3 zurückreflektiert und von der glei chen Antenne 3 empfangen. Es könnten auch separate Übertra gungs- und Empfangsantennen verwendet werden, jeweils in Ab hängigkeit von der Implementation der Sende/Empfangseinrichtung 1.

Das Empfangssignal der Fig. 2 wird zur Sende/Empfangseinrich tung 1 zurückgeleitet, wo es mit dem Übertragungssignal ge mischt wird. Die beiden gemischten Signale werden, aufgrund der Verzögerung des Rückkehrsignals, eine geringe Frequenz differenz aufweisen. Die exakte Frequenzdifferenz der zwei Signale hängt zum einen von dem Abstand zur Produktoberfläche 23 und zum anderen von der Neigung des Wobbelsignals 27 von dem Chirp-Neigungsgenerator 13 ab (welche sich mit der Über tragungsfrequenz des Übertragungssignals 24 mit einer gesteuer ten Rate ändert). Nachdem die zwei Signale gemischt wurden, wird das resultierende Differenzsignal 26 zum ZF-Prozessor 36 weitergeleitet.

Die Wobbelsteuerung 37 steuert adaptiv den Wobbelgenerator 35, um eine gesteigerte Bandbreite von einer Serie von Wobbelun gen zu synthetisieren. Die ZF-Signalverarbeitungseinheit (ZF- Prozessor 36) und die Wobbelsteuerung 37 führen die folgenden Hauptfunktionen aus.

1. Wobbelungserfassung - die Wobbelerfassungsfunktion 21 stellt kontinuierlich die Chirp-Neigung und die Chirp-Länge ein, bis ein Differenzsignal 26 bei der Zwischenfrequenz detektiert wird;
2. Rückkehrsignalphasennachführung - die Rückkehrphasennach führungsfunktion 19 beaufschlagt den durchschnittlichen DC- Pegel der Wobbelung, bis die Sinuswelle des Differenzsignals 26 an den Durchgangspunkt zu Beginn des Upward-Chirp startet; der obere und mittlere Abschnitt der Fig. 3 zeigt die Einstel lung des Differenzsignals 26 von oben nach unten in die rich tige Position des Durchgangspunktes des Differenzsignals 26, der zu Beginn des Upward-Chirps (Wobbelsignal 27) auftritt;
3. Frequenznachführung - die Differenzsignalnachführungsfunk tion 18 stellt die Neigung des Chirps 27 ein, bis das Diffe renzsignal 26 sich genau bei der fixierten Zwischenfrequenz des Systems befindet. Die Frequenznachführungsfunktion 18 stellt auch die Länge des Chirps ein, bis die maximal mögliche Zahl ganzer Zyklen der Zwischenfrequenz, die während der nach oben und nach unten gerichteten Neigungen des Chirps empfangen wird, erhalten wird;
4. Datenumsetzung - die Datenumsetzungsfunktion 14 wandelt die Wobbelsignalneigung zusammen mit vorher gespeicherten Korrek tur- und Voreinstell-Daten in eine digitale Zahl um, die den Abstand zum Produkt repräsentiert. Diese digitale Zahl wird im Datenumwandler 15 in eine Zahl umgewandelt, die den Abstand zu dem Produkt in Metern angibt.

Um ein Differenzsignal 26 gemäß der Fig. 2 zu erhalten, welches aus einer kontinuierlichen Sinuswelle besteht und die geeignete Frequenz für die Verarbeitung im variablen Bandpaßfilter 11 aufweist, muß das Übertragungssignal 24 gemäß einer genau defi nierten Wobbelneigung gewobbelt werden. Die richtige Wobbelnei gung hängt vom Abstand zum Produkt ab. Da der Abstand anfangs nicht bekannt ist, wird eine ungefähre Abschätzung gemacht, indem das Empfangssignal 25 durch den Rückkehrsignalleistungs sender 10 gemessen wird. Dann wird eine Chirp-Neigungswobbelung durch die Wobbelerfassungsfunktion 21 injiziert, die durch ihren Wobbelerfassungsausgang in kontinuierlicher Weise die Neigung des Wobbelsignals 27 und dabei das Differenzsignal 26 ändert, bis dieses in das Durchgangsband des variablen Bandpaß filters 11 fällt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Chirp-Neigungs wobbelung gestoppt, wodurch die Neigung des Wobbelsignals 27 bei seiner momentanen Steilheit eingefroren wird und durch die Rückkehrphasennachführungsfunktion 19 wird die Phase des ver stärkten ZF-Signals 39 (welche das Differenzfrequenzsignal 26 enthält) während der Tieffrequenzwobbelsignalumkehrung 27, die den DC-Off-set des Wobbelsignals 27 (d. h. die Einstellung eines Wobbel-Offsets) einstellt, abgetastet.

Da das Beaufschlagen des Wobbelsignals 27 zur Veränderung der Hauptträgerfrequenz des Chirp-Übertagungssignals 24 führt, wird die Phase des Differenzsignals 26 sich verändern, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Diese Operation wird über mehrere Chirps ausgeführt und führt zur allmählichen Einstellung der Phase des Differenzsignals 29, bis dieses beim Nulldurchgang beginnt. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Wobbelsignalneigung, welche den entscheidenden Faktor für die Frequenz des Differenzsignals 26 darstellt, in etwa dem Abstand zur Produktoberfläche 23 der Fig. 2. Von dieser Abstandsanzeige bestimmt die Abstandsberech nungs/RAM-Einheit 22, wieviele komplette Zyklen des Differenz signals 26 in einen Chirp passen. Diese Anzahl wird in dem Zähler 12 voreingestellt und begrenzt die Länge des Wobbel signals 27.

Beim Nulldurchgang des letzten Zyklus des Differenzsignals 26 wird der Zähler 12 der Fig. 2 in einen Abzählmode umgeschal tet, was bewirkt, daß sich das Wobbelsignal 27 umkehrt. Zur gleichen Zeit wird der auswählbare Inverter 8 veranlaßt, das Differenzsignal 26 zu invertieren. Dieser Prozeß erzeugt eine kontinuierliche ZF-Signalsinuswelle 29 am variablen Bandpaß filter 11 und am AGC-Verstärker 16 der Fig. 2. Die Frequenz des kontinuierlichen ZF-Signals 29 wird mit der des Präzi sionsquarzoszillators durch die Rückkehrfrequenznachführung 18 verglichen. Die resultierende gesetzte Wobbeltaktfrequenz 30 stellt den Chirp-Neigungsgenerator 13 fein ein, so daß das Differenzsignal 26 sich genau an der Mittenfrequenz be findet (die Wobbeltaktfrequenz wird gesetzt). Wenn das Diffe renzsignal 26 zu groß ist, ist die Steigung des Wobbelsignals 27 zu steil, was bedeutet, daß das Übertragungssignal 24 sich zu viel geändert hat, bevor das Rückkehrsignal 25 sich zum und vom Produkt 23 ausgebreitet hat. Das Gegenteil ist der Fall, wenn das Differenzsignal 26 zu gering ist.

Wenn das Differenzsignal 26 bei der richtigen Phase beginnt, d. h. wenn es die Null-Linie genau zum Zeitpunkt überschrei tet, zu dem das Wobbelsignal 27 seinen geringsten Wert auf weist (wie in Fig. 3 gezeigt), wird der variable Bandpaß filter 13 der Fig. 2 geschmälert, um das Signalrauschver hältnis zu erhöhen und um benachbarte falsche Echos zu un terdrücken. Wenn alle diese Einstellungen gemacht worden sind, stellt die Steigung des Wobbelsignals 27 eine genaue Wiedergabe des Abstandes von der reflektierenden Oberfläche 23 dar. In vielen Fällen wird dieser Abstand jedoch nicht den Abstand zum realen Produkt darstellen. Der Abstand könnte eine Reflexion von anderen Störungen innerhalb des Speichertanks oder Silos sein, wie beispielsweise auf grund von Querverstrebungen oder Rührblättern (agitator blades). Aus diesem Grund werden der erhaltene Abstand und die Signalstärke des Differenzsignals 26 in dem Signalpro zessor-RAM-Abschnitt der Distanzberechnungs/RAM-Einheit 22 gespeichert, und der Chirp setzt die Wobbelung entlang der Neigung fort, um nach Signalen in einem erweiterten Bereich (increased range) zu suchen. Die Abstandsberech nungs/RAM-Einheit setzt die Anzahl der Zyklen pro Wobbe lung und den Wobbelerfassungsausgang (sweep acquisition output). Wenn andere Differenzsignale 26 bei anderen Ab ständen detektiert werden, wird das Verriegelungsverfahren (locking process) wiederholt, und die neuen Abstände und ihre entsprechenden Signal stärken werden wiederum im RAM gespeichert.

Wenn der maximale Abstand erreicht wurde, werden alle ge speicherten Daten nach dem besten Verhältnis-Abstand/Sig nalstärke verglichen. Die zu erwartende Signalstärke für einen gegebenen Abstand ist gut vorhersagbar, da der Reflexions koeffizient des Produkts bekannt ist. Typischerweise ist eine unerwünschte Reflexion von einem Querträger oder von Rührblättern für einen gegebenen Abstand schwächer als das Rückkehrsignal von einem gut definierten Material oder einer Flüssigkeit. Somit kann, wenn alle erhaltenen Signale verglichen werden, der richtige Abstand mit gutem Ergebnis bestimmt werden. Mittels einer digitalen Signalverarbeitung kann das kontinuierliche ZF-Signal 29 auf seine Frequenz komponenten hin analysiert werden, wodurch falsche Echos erkannt werden. Wenn das beste Verhältnis ("best fit") für einen bestimmten Abstand bestimmt wurde, wird die für die sen Abstand erhaltene Wobbelrampenneigung (sweep ramp slope) und Länge gesetzt, und das System wird sich dann auf das rich tige Rückkehrsignal einstellen (to lock). Der Abstandsüberset zer 14 empfängt das Taktsignal 28 und den Ausgang der Abstandsberechnungs/RAM-Einheit 22 und erzeugt daraus ein Ab standssignal. Der Datenwandler 15 empfängt das Abstandssignal und erzeugt das Ausgangssignals 38.

Das oben beschriebene Verfahren muß normalerweise nur nach Anschalten des Systems oder nach einem Fehler ausgeführt wer den. Sobald das System in dieser Weise eingestellt ist, wird es in kontinuierlicher Weise steigende oder fallende Produkt pegel verfolgen, indem die Steigung der Rampe eingestellt wird und, falls erforderlich, die Rampe gestreckt oder verkürzt wird, um andere Zyklen des Differenzsignals 26 mit einzu schließen oder auszuschließen.

Alle vorher gespeicherten Abstands/Signalstärkeneingänge wer den in dem RAM gehalten, um bei der Bestimmung eines richtigen Signals zu helfen, wenn der Pegel des Produkts auf den glei chen Pegel steigt oder fällt, der für eine falsche Reflexion erhalten wurde. Der Distanzübersetzer 14 wandelt die Taktfre quenz in eine digitale Zahl, die in dem Datenwandler 15 auf das erforderliche Busprotokoll gewandelt wird und dann als Abstand oder Pegel angezeigt wird und/oder zu einem entfern ten Platz als Ausgangssignal 38 übertragen wird.

Wie oben gezeigt wurde, stellt diese Implementation ein kon tinuierliches Sinuswellenradarrückkehrsignal mit einzelner Frequenz zur Verfügung, anstelle eines Breitbandfrequenzspek trums, das mit Übertragungsfrequenzwobbelung moduliert ist. Die Verwendung mehrfacher Wobbelungen synthetisiert notwendi gerweise eine erhöhte Bandbreite. Die kontinuierliche Sinus welle mit einzelner Frequenz kann leicht gefiltert werden, was zu einer hohen Zurückweisung falscher Echos und somit zu einem verbesserten Signal führt.

Die vorliegende Erfindung weist bedeutende Vorteile auf. Das Verfahren und die Vorrichtung verwenden eine Wellenform, die kostengünstig erzeugt werden kann und die allen FCC-(begren zte Bandbreite) und internationalen Anforderungen genügt. Die vollständige digitale Verarbeitung nach dem ersten Empfangs verstärker minimiert Meßfehleranteile und reduziert die erfor derliche Zahl von Teilen.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine bandbreitensynthetisierte Radarpegel messung zur Verfügung gestellt, die alle obengenannten Ziele erfüllen und alle genannten Vorteile aufweisen. Mögliche Ab wandlungen der oben beschriebenen Ausführungsform könnten ande re Distanzmeßinstrumentarien aufweisen einschließlich Pegel messung, Altimeter, Antikollisionsradar etc.

Claims

1. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem mit:
einer Sende/Empfangseinheit zum Erzeugen eines Übertragungs signals und eines Wobbelsignals;
einer Antenne, die mit der Sende/Empfangseinrichtung gekoppelt ist, wobei die Antenne zum Senden des übertragenen Signals zu einem Pegel dient, der einer Produktoberfläche entspricht und weiterhin zum Empfangen eines entsprechenden Reflexionssignals dient;
einem Wobbelgenerator, der mit der Sende/Empfangseinrichtung gekoppelt ist zum Empfangen des Wobbelsignals und zum Erzeugen eines Chirp-Neigungssignals in Antwort dazu;
einem Zwischenfrequenz(ZF)-Prozessor, der zwischen dem Wobbel generator und der Sende/Empfangseinrichtung gekoppelt ist und der zum Empfangen des Chirp-Neigungssignals und eines Diffe renzsignals sowie zum Erzeugen eines verstärkten ZF-Signals dient; und
einer Wobbelsteuerung, die mit dem Wobbelgenerator und dem ZF- Prozessor gekoppelt ist, wobei die Wobbelsteuerung zum Emp fangen des ZF-Signals dient, um den Wobbelgenerator adaptiv mit einem Wobbeleinstellsignals zu steuern und um ein Ausgangs signal zu erzeugen, das einen Abstand von der Antenne zu dem der Produktoberfläche korrespondierenden Pegel enthält.

2. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 1, wo bei die Sende/Empfangseinrichtung aufweist:
einen VCO zum Erzeugen des Wobbelsignals; und
einen Mischer, der mit dem VCO gekoppelt ist, um das übertra gene Signal mit dem reflektierten Signal zu mischen, um ein Differenzsignal zu erhalten.

3. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 1, bei dem der Wobbelgenerator aufweist:
einen Zähler zum Empfangen des Wobbelsignals und zum Erzeugen eines Taktsignals; und
einen Chirp-Neigungsgenerator (chirp slope generator), welcher mit dem Zähler gekoppelt ist und der zum Empfangen des Takt signals und zum Erzeugen des Chirp-Neigungssignals dient.

4. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 3, bei dem der ZF-Prozessor einen auswählbaren Inverter aufweist zum Empfangen des Chirp-Neigungssignals und des Differenzsignals und zum Erzeugen eines auswählbaren Inverterausgangs.

5. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 4, bei dem der ZF-Prozessor weiterhin einen variablen Bandpaßfilter aufweist, der mit dem auswählbaren Inverter gekoppelt ist und zum Empfangen des auswählbaren Inverterausgangs und zum Erzeu gen eines kontinuierlichen ZF-Signals dient.

6. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 5, bei dem der ZF-Prozessor weiterhin einen AGC-Verstärker aufweist, der mit dem variablen Bandpaßfilter gekoppelt ist und zum Emp fangen des kontinuierlichen ZF-Signals und zum Erzeugen des verstärkten ZF-Signals dient.

7. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 4, wei terhin aufweisend:
einen Filter, der mit dem VCO gekoppelt ist;
einen D/A-Wandler, der mit dem Filter und mit dem Zähler ge koppelt ist, so daß das Wobbelsignal den Filter und den D/A- Wandler durchläuft, bevor es zum Zähler gelangt.

8. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 6, wei terhin aufweisend einen Rückkehrsignalleistungssensor, der mit dem Mischer gekoppelt ist, um das empfangene Signal zu beobach ten.

9. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 8, bei dem die Wobbelsteuerung eine Rückkehrfrequenznachführung auf weist, die mit dem Chirp-Neigungsgenerator und dem AGC-Ver stärker gekoppelt ist und zum Empfangen des verstärkten ZF- Signals und zum Setzen einer Wobbeltaktfrequenz in dem Chirp- Neigungsgenerator dient.

10. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 9, bei dem die Wobbelsteuerung weiterhin eine Rückkehrphasennachfüh rung aufweist, die mit dem AGC-Verstärker und mit dem D/A- Wandler verbunden ist, und zum Empfangen des verstärkten ZF- Signals und zum Setzen eines Wobbeloffsets in den D/A-Wandler dient.

11. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 10, bei dem die Wobbelsteuerung weiterhin eine Wobbelerfassung (sweep acquisition) aufweist, die mit dem Rückkehrsignallei stungssensor und mit dem Chirp-Neigungsgenerator verbunden ist und zum Steuern des Chirp-Neigungsgenerators in Antwort auf das empfangene Signal und zum Erzeugen eines Wobbeler fassungsausgangs dient.

12. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 11, bei dem die Wobbelsteuerung weiterhin eine Distanszberech nungs/RAM-Einheit aufweist, die mit dem Zähler und mit der Wobbelerfassung verbunden ist und zum Setzen einer Zahl von Zyklen pro Wobbelung und des Wobbelerfassungsausgangs sowie zum Erzeugen einer Distanzberechnung davon dient.

13. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 12, wobei die Wobbelsteuerung weiterhin einen Abstandsübersetzer aufweist, der mit dem Zähler und der Distanzberechnungs/RAM- Einheit verbunden ist und zum Empfangen des Taktsignals und der Distanzberechnung sowie zum Erzeugen eines Abstandssig nals davon dient.

14. Bandbreitensyntheseradarpegelmeßsystem nach Anspruch 13, bei dem die Wobbelsteuerung weiterhin einen Datenwandler, der mit dem Distanzübersetzer verbunden ist, aufweist, wobei die ser Datenumwandler zum Empfangen des Distanzsignals und zum Erzeugen eines Ausgangssignals davon dient.

15. Verfahren zur Bandbreitensyntheseradarpegelmessung mit folgenden Schritten:
Erzeugen eines Übertragungssignals und eines Wobbelsignals in einer Sende/Empfangseinrichtung;
Senden des Übertragungssignals von einer Antenne zu einem Pegel, der einer Produktoberfläche entspricht, wobei dies unter Verwendung einer Antenne erfolgt;
Empfangen eines Reflexionssignals von dem Pegel, der der Produktoberfläche entspricht;
Mischen des Übertragungssignals und des Reflexionssignals, um ein Differenzsignal zu bilden;
Empfangen des Wobbelsignals in einem Wobbelgenerator;
Erzeugen eines Chirp-Neigungssignals in Antwort auf das Wob belsignal;
Empfangen des Chirp-Neigungssignals und des Differenzsignals in einem ZF-Prozessor;
Erzeugen eines verstärkten ZF-Signals von dem ZF-Prozessor;
Empfangen des verstärkten ZF-Signals in einer Wobbelsteuerung;
Adaptives Steuern des Wobbelgenerators in der Wobbelsteuerung; und
Erzeugen eines Ausgangssignals von dem ZF-Prozessor, welches eine Distanz von der Antenne zum Pegel, der der Produktober fläche entspricht, enthält.

16. Verfahren zur Bandbreitensyntheseradarpegelmessung ent sprechend Anspruch 15, weiterhin aufweisend den Schritt des Mischens des Übertragungssignals und des Empfangssignals in einem Mischer, um ein Differenzsignal zu erzeugen.

17. Verfahren zur Bandbreitensyntheseradarpegelmessung gemäß Anspruch 15, weiterhin aufweisend folgende Schritte:
Empfangen des Wobbelsignals in einem Takt;
Erzeugen eines Taktsignals von dem Takt;
Empfangen des Taktsignals in einem Chirp-Neigungsgenerator; und
Erzeugen eines Chirp-Neigungssignals von dem Chirp-Neigungs generator.

18. Verfahren zur Bandbreitensyntheseradarpegelmessung gemäß Anspruch 17, weiterhin aufweisend folgende Schritte:
Empfangen des Chirp-Neigungssignals und des Differenzsignals in einem auswählbaren Inverter;
Erzeugen eines auswählbaren Inverterausgangs von dem auswählba ren Inverter;
Empfangen des auswählbaren Inverterausgangs in einem variablen Bandpaßfilter;
Erzeugen eines kontinuierlichen ZF-Signals von dem variablen Bandpaßfilter;
Empfangen des kontinuierlichen ZF-Signals in einem AGC-Ver stärker; und
Erzeugen des verstärkten ZF-Signals von dem AGC-Verstärker.

19. Verfahren zur Bandbreitensyntheseradarpegelmessung gemäß Anspruch 18, weiterhin aufweisend folgende Schritte:
Weiterleiten des Wobbelsignals durch einen Filter und einen D/A-Wandler, bevor es einem Zähler zugeführt wird; und
Beobachten des Empfangssignals in einem Rückkehrsignallei stungssensor.

20. Verfahren zur Bandbreitensyntheseradarpegelmessung nach Anspruch 19, weiterhin aufweisend folgende Schritte:
Empfangen des verstärkten ZF-Signals in einer Rückkehrfre quenznachführung;
Setzen der Wobbeltaktfrequenz in einem Chirp-Neigungsgenerator;
Empfangen des verstärkten ZF-Signals in einer Rückkehrphasen nachführung; und
Setzen eines Wobbeloffsets in einem D/A-Wandler.

21. Verfahren zur Bandbreitensyntheseradarpegelmessung nach Anspruch 20, weiterhin aufweisend folgende Schritte:
Steuern des Chirp-Neigungsgenerators in Antwort auf das Emp fangssignal in einer Wobbelerfassung;
Erzeugen eines Wobbelerfassungsausgangs von der Wobbeler fassung;
Setzen einer Anzahl von Zyklen pro Wobbelung und des Wobbel erfassungsausgangs in einer Abstandsberechungs/RAM-Einheit;
Erzeugen einer Distanzberechnung von der Distanzberechnungs/ RAM-Einheit;
Empfangen des Taktsignals und der Distanzberechnung in einem Abstandsübersetzer;
Erzeugen eines Abstandssignals von dem Abstandsübersetzer;
Empfangen des Abstandssignals in einem Datenwandler;
Erzeugen des Ausgangssignals von dem Datenwandler.