TW201534872A

TW201534872A - 用於位準量測之多系統雷達

Info

Publication number: TW201534872A
Application number: TW103109818A
Authority: TW
Inventors: Christoph Mueller; Daniel Schultheiss; Michael Fischer
Original assignee: Grieshaber Vega Kg
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-09-16
Also published as: TWI652451B

Abstract

本發明係關於一種可在脈衝與FMCW雷達方法之間切換之位準雷達。舉例而言，雷達裝置包括可經由一邏輯控制系統選擇性地啟動之兩個單獨前端。在切換至各別其他量測原理之後，旋即亦相應地調適評估軟體。以此方式，可能以一目標方式使用兩種量測方法之有利性質。

Description

用於位準量測之多系統雷達

本發明係關於位準量測。特定而言，本發明係關於一種用於一位準雷達之電子模組、一種包括此類型之一電子模組之位準雷達、一FMCW位準雷達及一脈衝式位準雷達結合一切換裝置之用途及一種用於量測一填充位準之方法。

當前位準雷達裝置在每一情形中使用一特定雷達原理來工作。可商業購得之裝置使用脈衝或FMCE雷達方法。

US 7,710,125 B2揭示其中使用一參考頻道之一脈衝雷達方法。DE 198 13 604 A1揭示一FMCW雷達方法。

脈衝式位準雷達裝置產生使用一傳輸天線朝向填充材料表面發射之傳輸脈衝。隨後，此等脈衝自填充材料表面以及可能自容器底座、不同填充媒體之間的一分離層及/或容器設備或干擾點被反射(至少部分)。隨後，經反射傳輸脈衝由一接收天線(其亦可係傳輸天線)接收且轉換成一中間頻率脈衝。此後續接著類比/數位轉換及信號處理，此舉應最終遞送所要量測結果。

另一位準雷達原理係基於頻率調變之連續波之FMCW原理。FMCW位準雷達裝置不傳輸(離散)傳輸信號脈衝，而是尤其使用一頻率掃描或一頻率斜坡自天線朝向填充材料表面傳輸連續波。亦在此情形中，經反射信號由一對應接收天線接收且轉換成一中間頻率信號，其隨後饋送至一類比/數位轉換器及下游信號處理。

可在一廣泛範圍之應用中使用脈衝及FMCW雷達裝置。雷達裝置之此兩個家族之硬體在構造(特定而言關於高頻率(HF)前端及其致動之構造)上係極不同的。HF前端由雷達裝置之彼等總成組成，HF前端直接涉及產生傳輸信號及產生中間頻率接收信號。

本發明之一目標係使用位準雷達裝置在位準量測中改良量測結果之品質。

藉由獨立技術方案之特徵來達成此目標。本發明之發展可自獨立技術方案及以下說明獲得。

本發明之一第一態樣規定一種用於一位準雷達之電子模組，該電子模組包括一信號產生裝置及一切換裝置。該信號產生裝置包括一第一子總成及一第二子總成。

該第一子總成經組態以產生將藉由該位準雷達之一天線朝向一填充材料表面發射之一第一FMCW傳輸信號，且經組態以產生一中間頻率(IF)接收信號。此處及在下文中，「產生」一IF接收信號意指，雷達裝置接收該經反射傳輸信號且隨後自該所接收信號藉由頻率轉換產生一IF信號。

該第二子總成經組態以產生將藉由該位準雷達之一天線(可能另一天線)朝向該填充材料表面發射之一第二脈衝形式傳輸信號，且經組態以產生源自由該天線接收之該經反射第二傳輸信號之一IF接收信號。

該切換裝置經組態用於選擇性(事件驅動及/或使用者驅動)啟動該第一子總成及該第二子總成。

換言之，在任何給定時刻，可選擇並使用該兩個子總成中之一者來量測填充位準。

在本發明之一項實施例中，該第一子總成包括用於產生該第一FMCW傳輸信號且用於產生該對應IF接收信號之一第一HF前端。同樣地，該第二子總成可包括用於產生該脈衝形式第二傳輸信號且用於產生該IF接收信號之一第二HF前端。

在本發明之一項實施例中，該第一子總成整合至該第二子總成中。另一選擇係，該第二子總成可整合至該第一子總成中。

在此上下文中，可能且可提供，該第一子總成之特定部分亦由該第二子總成使用或反之亦然。

在本發明之又一實施例中，該切換裝置經組態用於以一固定預定時間序列選擇性地啟動該第一子總成及/或該第二子總成。舉例而言，可提供，該兩個子總成係週期性地交替啟動及停用。

在本發明之又一實施例中，該切換裝置經組態用於依據(舉例而言)該經反射第一傳輸信號及/或該經反射第二傳輸信號之回波信號振幅而啟動該第一子總成及/或該第二子總成。因此可能當(舉例而言)該天線之近場中之該回波信號振幅超過一特定值時，該電子模組自該FMCW方法切換至該脈衝方法，其中停用該第一子總成且啟動該第二子總成。

在相反情形中，當一特定回波(舉例而言，填充位準回波)之該回波信號振幅下降低於一特定臨限值或低於此臨限值時，該電子模組可自該脈衝方法切換至該FMCW方法。

在本發明之又一實施例中，該切換裝置經組態用於依據一經量測填充位準而啟動該第一子總成及/或該第二子總成。

舉例而言，因此可提供，當填充位準相當高時，以使得該填充材料表面在該天線之該近場中之一方式使該電子模組自該第一子總成切換至該第二子總成。

針對低填充位準，可提供(舉例而言)，該電子模組自該第二子總成切換至該第一子總成。

在本發明之又一實施例中，該切換裝置經組態用於依據一多重回波在該經反射第二傳輸信號中之存在而啟動該第一子總成。

若藉由該脈衝方法來實施量測且據證實在該經反射第二傳輸信號中存在不可指派回波(舉例而言，多重回波)，則該電子模組可切換至該FMCW方法。

此可係有利的，此乃因在一FMCW雷達之情形中，多重反射可在較高IF頻率範圍中成像，隨後可將其濾除。

在本發明之又一實施例中，該電子模組包括用於處理該等經反射傳輸信號之一單個數位信號處理裝置。可自此數位信號處理裝置上游提供一類比/數位轉換器。

因此，FMCW中間頻率信號(自該經反射傳輸信號產生之量測信號)及IF脈衝信號兩者皆由相同信號處理裝置處理係可能的。出於此目的，FMCW系統之HF前端及脈衝系統之HF前端兩者皆經由一類比/數位轉換器連接至該數位信號處理裝置。

本發明之又一態樣規定一種包括上文及下文中所揭示之類型之一電子模組之位準雷達。

在本發明之又一實施例中，該位準雷達包括一單個天線，該信號產生裝置連接至該單個天線且該單個天線經組態以傳輸該等傳輸信號且接收該等經反射傳輸信號。

另一選擇係，舉例而言，可提供兩個單獨雙工器，其中一者連接至該FMCW系統之該HF前端且另一者連接至該脈衝系統之該HF前端。

本發明之又一態樣規定一FMCW位準雷達及一脈衝式位準雷達結合用於選擇性地啟動該FMCW位準雷達及該脈衝式位準雷達之一切換裝置之用途。

該兩個位準雷達可係單獨裝置，舉例而言，其各自包括一個別天線及一個別數位信號處理系統。

亦可提供，該兩個位準雷達中之每一者具有一個別天線，但由該兩個位準雷達產生之IF信號係在一共用數位信號處理裝置中處理。

本發明之又一態樣規定一種用於量測一填充位準之方法，其中藉由該位準雷達之一信號產生裝置之一第一子總成最初產生一FMCW傳輸信號。隨後，藉由該位準雷達之一天線朝向一填充材料表面發射該FMCW傳輸信號。隨後將此信號在該填充材料表面(除其他以外)上反射且隨後藉由該位準雷達接收所得經反射傳輸信號。隨後自該所接收經反射第一傳輸信號產生源自藉由該天線接收之該經反射第一傳輸信號之一IF接收信號。

隨後，啟動該信號產生裝置之一第二子總成，由此藉由該第二子總成產生一第二脈衝形式傳輸信號且隨後藉由該位準雷達之一天線朝向該填充材料表面發射。藉由該天線接收該對應經反射傳輸信號且隨後自其產生一IF接收信號。

因此可能在脈衝及FMCW雷達方法之間切換。

在下文中，參考圖式闡述本發明之實施例。

100‧‧‧位準雷達/位準雷達裝置

101‧‧‧致動信號/控制系統/對應邏輯信號/信號/切換裝置

102‧‧‧致動信號/控制系統/對應邏輯信號/信號/切換裝置

103‧‧‧高頻率前端/對應高頻率前端/第一子總成

104‧‧‧第二高頻率前端/高頻率前端/對應高頻率前端/第二子總成

105‧‧‧對應線/信號線

106‧‧‧對應線/信號線

107‧‧‧高頻率切換器或耦合器/高頻率切換器

108‧‧‧天線

109‧‧‧控制系統

110‧‧‧個別信號線

111‧‧‧個別信號線

112‧‧‧電子模組/信號處理裝置/切換裝置/數位信號處理裝置

113‧‧‧電子模組/信號產生裝置

114‧‧‧天線/第一天線

115‧‧‧天線/第二天線

200‧‧‧位準雷達

201‧‧‧特殊傳輸振盪器/脈衝振盪器

202‧‧‧VCO/振盪器

203‧‧‧高頻率終端

204‧‧‧耦合器/第一耦合器

205‧‧‧傳輸放大器

206‧‧‧傳輸耦合器/耦合器

207‧‧‧高頻率終端

208‧‧‧耦合器/天線

209‧‧‧高頻率終端

210‧‧‧混頻器/參考信號混頻器

211‧‧‧本地振盪器放大器/放大器

212‧‧‧分裂器

213‧‧‧本地振盪器放大器

214‧‧‧本地振盪器脈衝振盪器

215‧‧‧混頻器

216‧‧‧輸出

217‧‧‧混頻器輸出

300‧‧‧位準雷達

301‧‧‧容器

302‧‧‧填充材料

303‧‧‧傳輸信號

304‧‧‧傳輸信號

401‧‧‧步驟

402‧‧‧步驟

403‧‧‧步驟

404‧‧‧步驟

405‧‧‧步驟

406‧‧‧步驟

407‧‧‧步驟

408‧‧‧步驟

409‧‧‧步驟

501‧‧‧換向切換器

801‧‧‧本地振盪器耦合器/耦合器

802‧‧‧高頻率終端

圖1展示根據本發明之一實施例之一位準雷達之組件。

圖2展示根據本發明之又一實施例之一位準雷達之組件。

圖3展示根據本發明之又一實施例之一位準雷達之組件。

圖4展示根據本發明之又一實施例之一位準雷達之組件。

圖5展示根據本發明之又一實施例之安裝於一容器中之一位準雷達。

圖6展示可在圖2、圖3及圖4之實施例中使用之耦合器之實例。

圖7係根據本發明之一實施例之一方法之一流程圖。

圖8展示根據本發明之又一實施例之一位準雷達之組件。

圖9展示根據本發明之又一實施例之一位準雷達之組件。

該等圖式係示意性的且未按比例繪製。

在該等圖式之以下說明中，其中相似元件符號用於不同圖式中，其表示相似或類似元件。然而，相似或類似元件亦可由不同元件符號來表示。

圖1展示根據本發明之一實施例之一位準雷達100之組件。位準雷達包括一電子模組112、113及一或多個天線108或114、115。

取決於應用或外部因素，以脈衝模式或以FMCW模式操作位準雷達裝置100可係較有利的。若存在大干擾回波或有用回波，則FMCW雷達方法在某些情形中在大信號周圍之區域中具有問題，此乃因大信號周圍之雜訊位準以取決於系統之一方式增加。因此，FMCW位準雷達通常恰巧在一大信號(經反射傳輸信號)附近係「盲的」。由於天線耦合處之大洩漏信號，因此此亦施加在天線之近場中。

脈衝系統不具有此不利效應。然而，脈衝系統可比FMCW系統更迅速地達到其敏感度限制。特定而言對於極小回波，FMCW系統在此方面具有優於脈衝系統之優點。

兩個系統之間的差異對多重反射而言亦係重要的。在脈衝方法中，通常每秒發射上千個個別脈衝，且該上千個個別脈衝可在量測距離內在填充材料與天線之間來回重複地傳遞。此可導致不能指派至一真實物件上之反射之回波信號(IF信號)，此乃因信號渡越時間大於將對應於最大距離之時間。因此，經多重反射回波可與一後續脈衝之主反射一起到達天線。

相比而言，在FMCW系統中，來自多重反射之信號以較高IF頻率形成，隨後可將其濾除。

圖1中所展示之位準雷達之信號產生裝置113包括可產生一FMCW傳輸信號之一HF前端103。提供可藉助於一致動信號101啟動及停用HF前端103之一控制系統。

信號產生裝置113亦包括可產生一脈衝形式傳輸信號之一第二HF前端104，如脈衝雷達裝置所習用。亦提供用於啟動及停用第二HF前端104且產生致動信號102之一控制系統。

隨後，以此方式產生之傳輸信號自對應HF前端103、104傳輸至天線108，天線108經由對應線105、106朝向填充材料表面發射傳輸信號。

信號線105、106經由一HF切換器或耦合器107連接至天線108。

舉例而言，可經由控制系統109來切換HF切換器因此在原理上兩個HF前端103、104將可能連續地產生FMCW傳輸信號及脈衝傳輸信號，但實際上僅此兩個信號中之一者被傳遞至天線108，此取決於HF切換器107之設定。

然而，在諸多情形中，控制系統101、102僅在一給定時刻啟動每一HF前端103、104將係適宜的，在該給定時刻對應HF前端將用於位準量測。

另一選擇係，亦可能提供兩個天線114、115，第一天線114連接至第一HF前端103且第二天線115連接至第二HF前端104。在此情形中，不需要任何HF切換器或耦合器107。

隨後，除其他以外，所發射傳輸信號由填充材料表面反射，且對應經反射傳輸信號由天線108、114、115接收且饋送至產生原始傳輸信號之HF前端103、104。自以此方式接收之傳輸信號，對應HF前端103、104產生一中間頻率信號，如此項技術中已知。兩個HF前端經由一個別信號線110、111連接至具有上游類比/數位轉換之一信號處理裝置112。因此，所產生IF信號最初被數字化且隨後經受信號處理以便最終判定填充位準。

圖1相應地展示具有用於脈衝系統及FMCW系統之完全分離前端分支之一實施例。個別作用分支連接至類比/數位轉換器。

因此，可藉由來自控制系統之一對應邏輯信號101、102選擇性地啟動兩個前端。用於評估電子器件之介面可係一類比/數位轉換器。在切換至各別其他量測原理後，評估軟體與硬體一樣亦必須旋即被調適。針對此評估軟體調適，控制系統109連接至信號處理裝置112。

在此點處，應注意，控制組件中之所有控制組件可整合至一單個部件中。

信號101及102可係簡單邏輯信號或者含有前端所特有之必需信號，舉例而言，時脈信號或電流/電壓供應。

圖2展示一位準雷達200之又一實施例。在前端區域中，存在兩個系統(FMCW系統及脈衝系統)中皆出現之組件。舉例而言，此施加至HF混頻器(回波頻道)、振盪器以及耦合器結構。

圖2展示藉由對一FMCW系統之一小擴展而補充之一脈衝系統之佈局。取決於量測原理，隨後應接通或關斷不同組件。

此實施例之細節可變化。在圖3及圖4中展示替代實施例。舉例而言，可提供可在脈衝操作及FMCW操作兩者中操作之一特殊傳輸振盪器201(在此情形中作為一VCO)。

另一選擇係，可提供可選擇性地彼此單獨操作之一脈衝振盪器201及一單獨VCO 202，如圖3及圖4中所展示。在圖3之實施例中，提供可在脈衝振盪器201與VCO 202之間來回切換之一換向切換器501。在圖4之實施例中未提供此換向切換器。此處，啟動各別需要之振盪器且停用其他振盪器202、201。至於電路，經由耦合器204將兩個振盪器信號聚在一起，且未提供HF終端203。

舉例而言，終端使用者可自身設定位準雷達之量測原理。亦可提供，評估軟體基於電流回波關係而決定一個或其他量測原理。

亦可提供在兩個量測原理之間的來回週期性交替(換言之，以一固定預定時間序列)。

信號處理亦可經組態以係可變的。舉例而言，可針對每一系統(FMCW及脈衝)單獨判定量測值，或提供，考量信號處理裝置(圖2中未展示)自FMCW模式及脈衝模式導出之評估結果以彼此補充。

因此，舉例而言，最初可存在一FMCW量測及隨後一脈衝量測。兩個量測可供應不同結果，但可在一總體評估中一起考量此等。因此，FMCW量測之量測結果可特定而言用於(舉例而言)識別多重回波及低振幅回波，而脈衝量測之結果經考量用於近場或其他高振幅回波。

由脈衝振盪器201(其可視情況亦操作為一VCO，cf，圖2)產生之信號饋送至劃分信號之一耦合器204。在脈衝操作之情形中，一個部分指派至傳輸頻道；第二部分形成參考頻道，且在FMCW操作之情形中，此信號用作用於回波頻道混頻器之一LO。

耦合器204(傳輸頻道)之一輸出經由一TX放大器(傳輸放大器)205引導至一傳輸耦合器206，傳輸耦合器206之第一輸出連接至一HF終端207。其他輸出引導至將傳輸信號發射至填充材料之天線108。連接至天線108之回波頻道同樣包括一混頻器215，混頻器215一方面經由耦合器206連接至天線108且另一方面連接至分裂器212，且混頻器215之輸出216發射中間頻率量測信號(換言之，已轉換成一中間頻率信號之經反射傳輸信號)。

由天線108接收經反射傳輸信號且隨後經由耦合器206將該經反射傳輸信號傳輸至一混頻器215。

又一耦合器208連接至第一耦合器204之第二輸出。又一耦合器 208之第二輸入連接至一HF終端209。

參考頻道混頻器連接至耦合器208之上部輸出。參考信號(僅針對脈衝模式)以定位於此參考頻道中之混頻器210之方式產生，該混頻器在一側上供應有脈衝振盪器201之信號且在另一側上經由LO放大器213及分裂器212供應有LO脈衝振盪器214之信號。混頻器輸出217提供中間頻率參考信號。FMCW操作不需要且不評估此參考波管。

最後，提供一LO脈衝振盪器214，LO脈衝振盪器214之輸出信號由LO放大器(脈衝)213放大且饋送至分裂器212。在由LO放大器(FMCW)211放大之後，耦合器208之第二輸出信號亦饋送至分裂器212。

在一FMCW量測之情形中，接通LO放大器(FMCW)211且關斷LO放大器(脈衝)213以及LO脈衝振盪器214。回波頻道混頻器經由耦合器204、208、放大器211及分裂器212自傳輸振盪器202(VCO)或201(經組合脈衝振盪器及VCO)獲得其LO(本地振盪器)信號。在一脈衝量測之情形中，恰恰相反，接通/關斷LO放大器。在此情形中，再次接通LO脈衝振盪器214。因此，回波頻道混頻器恰如參考信號混頻器210現在自LO脈衝振盪器214獲得其LO信號。

可提供可在脈衝及FMCW操作兩者中操作之一特殊TX振盪器201(圖2)。

在又一實施例中，單獨地提供且選擇性地操作一脈衝振盪器201及一VCO 202(圖3或圖4)。

在其他實施例中，圖解說明不具有用於脈衝操作之一參考頻道之系統。耦合器之數目及硬體複雜度總體上顯著地減少。

儘管在所展示實施例中展示用於傳輸信號(TX)及LO信號之放大器，但若振盪器振幅充分，則亦可不提供該等放大器。

圖8及圖9展示用於脈衝操作但不具有一參考頻道之實施例。

在圖8之實施例中，不同於圖2中，不提供耦合器208、混頻器210及分裂器212。替代分裂器212，提供一LO耦合器801。耦合器801之第一輸入連接至LO放大器211且第二輸入連接至LO放大器213。第一輸出連接至回波頻道之混頻器215且第二輸出連接至一HF終端802。

在圖9之實施例中，亦提供具有HF終端802之一LO耦合器801以及傳輸耦合器206。如在圖8中，LO耦合器801連接至LO放大器213。其進一步連接至傳輸耦合器206。發射IF回波信號且經由傳輸耦合器206連接至天線208之混頻器215定位於LO耦合器801之第四端子處。

圖5展示安裝於一容器301中且包括具有一信號產生裝置113及一切換裝置112之一電子模組之一位準雷達300。電子模組連接至朝向填充材料302發射傳輸信號303之一天線108。此傳輸信號隨後被反射(至少部分)，且經反射傳輸信號304由天線108接收且傳遞至電子模組，在電子模組處其轉換成一中間頻率信號、被數位化且隨後經受進一步信號處理。

圖6展示耦合器204、206、208、801之四個實例及可用於圖2、圖3、圖4、圖8及圖9中之分裂器212。一雙臂式分支線耦合器(90°混合)經展示在左頂部處，且沿其側具有用於較大頻寬之一個三臂式分支線耦合器(90°混合)。一環耦合器(鼠徑，180°混合)展示為在左底部處，且沿其側具有呈一環形式之一雙臂式分支線耦合器(90°混合)。亦可用一環形器來替代耦合器206，在此情形中不需要提供HF終端207。

圖7係根據本發明之一實施例之一方法之一流程圖。在步驟401中，藉由一位準雷達之一信號產生裝置之一子總成產生一脈衝傳輸信號。隨後，在步驟402中，藉助於位準雷達之一傳輸天線朝向填充材料發射此脈衝傳輸信號。在步驟403中，藉由天線接收經反射傳輸信號且將該經反射傳輸信號傳遞至電子模組，在該電子模組處可將其轉換成一IF信號、數位化及使其經受後續信號處理。基於特定環境(舉例而言，以大多數最近所接收回波曲線之形式及/或當使用者介入發生及/或作為一預先程式化週期性順序之一結果而發生)，現在啟動信號產生裝置之一不同子總成(步驟404)。

在步驟405中，此第二子總成產生一FMCW傳輸信號，在步驟406中經由該天線朝向填充材料表面發射該FMCW傳輸信號，該FMCW傳輸信號被反射且由該天線再次接收。在步驟407中，自此經反射及所接收傳輸信號產生源自由天線接收之經反射傳輸信號之一IF接收信號。在步驟408中隨後將此接收信號數位化且使其經受一評估。在步驟409中，再次停用另一子總成且使用第一子總成來繼續量測。

出於完整性，應注意，「包括(comprising)」及「具有(having)」不排除其他元件或步驟之可能性，且「一(an)」或「一(a)」不排除複數個之可能性。應進一步注意，已參考上文實施例中之一者揭示之特徵或步驟亦可結合其他上文所揭示之實施例之其他特徵或步驟而使用。申請專利範圍中之元件符號不應視為限制性。