TWI474028B

TWI474028B - Frequency Leveling of Continuous Wave Radar and Its Measuring Method

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Publication number: TWI474028B
Application number: TW102110024A
Authority: TW
Original assignee: Finetek Co Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2015-02-21
Also published as: TW201437661A

Description

調頻連續波雷達物液位計及其測量方法

本發明係關於一種調頻連續波雷達物液位計，尤指一種調頻連續波雷達物液位計，其可配合對河川等液面具有較高變動性的液位測量，抑制其測量結果的變動幅度。

雷達物液位計通常係用來測量固體或液體的距離(水位)，其主要計算方式可略分成時域反射方式(Time Domain Reflection；以下簡稱TDR)及調頻連續波方式(Frequency Modulation Continuous Wave；以下簡稱FMCW)兩種，其中FMCW的計算方式相較於TDR較為複雜，但其計算的精確度遠較TDR為高。

以下謹先針對現有的調頻連續波雷達物液位計進行介紹，請參閱圖6，現有調頻連續波雷達物液位計70進行物液位測量時主要係周期性執行以下步驟：持續發射一調頻訊號Ts，並持續拉高(或降低)調頻訊號Ts的頻率，且接收該調頻訊號Ts碰到物體表面或液體表面而形成的複數反射訊號Rs(S91)；將發射的調頻訊號與接收的複數反射訊號進行降頻混波，得到調頻訊號與複數反射訊號的頻差，並進行傅立葉轉換後得到調頻訊號與反射訊號的頻差頻譜，如圖7所示；從頻差頻譜中選取特徵頻率fp，係檢知該頻差頻譜訊號強度最高的頻率作為該特徵頻率fp；計算測量結果，係依據該特徵頻率fp計算對應的距離R，，配合參閱圖7，其中C為光速，T為發射該調頻訊號Ts(或接收反射訊號Rs)的總時間，F則為該調頻訊號Ts(或反射訊號Rs)的總頻寬，如以t₀ 到t₂ 為例，總時間T為t₂ -t₀ ，F為t₂ 對應Ts的頻率-t₀ 對應Ts的頻率。

現有的調頻連續波雷達物液位計多係用於測量工業物料槽桶液位之升降，固其測量方式係針對槽桶液位升降的特性而設計，由於桶槽入料及出料時，其液面的變化幅度不高，故調頻連續波雷達物液位計周期性執行上述步驟時，每個周期算出的距離R不會有大幅變動，然而，當水利工程或建築業者以上述調頻連續波雷達物液位計來測量河川的水面高度時，常會因河川流動產生的湧浪，使調頻連續波雷達物液位計每個周期計算出的距離都有大幅度變動，計算結果十分發散，不利於建築師或工程師統計評估水面的平均高度。

再者，由於槽桶屬於半封閉空間，會使調頻訊號Ts產生複數個反射訊號Rs、Rs”，故調頻連續波雷達物液位計執行傅立葉轉換後將得到如圖8所示之頻譜，故挑選特徵頻率的步驟都是從頻譜中挑選強度最高者，此篩選方式對於桶槽測量而言尚為精準，但對於測量河川(開放空間)水面高度而言，挑選強度的頻率值已非精確值，故依上述測量方式並無法測量河川水面的液位。

綜上所述，由於現有的調頻連續波雷達物液位計並非針對河川測量而設計，且幾乎無法用於河川液位之測量，水利工程及各種橋墩的建築工程皆無法使用現有的調頻連續波雷達物液位計，故須針對使用需求進行改良。

有鑑於現有的調頻連續波雷達物液位計用於河川測量時，會有測量數據發散、不利於統計評估之技術缺陷，本發明係提供一種調頻連續波雷達物液位計及其測量方法，其測量方法可抑制測量結果的變動幅度，於測量河川或高速流動的液體之液位時可避免數據發散，以利統計評估其平均數據。

欲達上述目的係令該調頻連續波雷達物液位計的測量方法係預設一前周期計算權重及一小於該前周期計算權重的本周期計算權重，並於至少測得一前周期測量結果後周期性執行以下步驟：持續發射一調頻訊號，並持續改變調頻訊號的頻率，且接收該調頻訊號的複數反射訊號；將發射的調頻訊號與接收的複數反射訊號進行降頻混波，並進行傅立葉轉換後得到調頻訊號與反射訊號的頻差頻譜；自頻差頻譜中挑選出特徵頻率；計算本周期測量結果，係以該前週期測量結果與前周期計算權重之乘積，加上前一步驟所取得的特徵頻率對應之距離與本周期計算權重之乘積，以計算出本周期測量結果，並將本周期測量結果設定為下一周期進行測量時的前周期測量結果。

欲達上述目的係令該調頻連續波雷達物液位計包含有：一收發天線；一處理單元，係與該收發天線連接，且內建有一測量程序，並設定有一前周期計算權重及一本周期計算權重，該處理單元係測得一前周期測量結果後周期性執行該測量程序，其於周期性執行該測量程序時，係以收發天線持續發射一調頻訊號，並持續改變調頻訊號的頻率，及接收該調頻訊號的複數反射訊號，而將調頻訊號與接收的複數反射訊號進行降頻混波且得到頻差頻譜後，自頻差頻譜中挑選出特徵頻率，再將前週期測量結果與前周期計算權重之乘積，加上特徵頻率對應距離與本周期計算權重之乘積，以計算出本周期測量結果，並將本周期測量結果設定為下一周期進行測量程序時的前周期測量結果。

上述調頻連續波雷達物液位計的測量方法中，每個周期在計算測量結果(即計算特徵頻率對應的距離)時，都必須參酌前一周期的測量結果，並依前周期計算權重及本周期計算權重分別加權前周及測量結果及本周期所測得頻率所對應距離，進而算出本周期測量結果，加上前周期計算權重較大，因此，當測量液面產生大幅變動時，其每周期的測量結果便會因前周期計算權重較大之故而較為接近前一周期的測量結果，即可抑制每個周期測量結果的變動幅度，以利於測量河川等流動水面的液位。

本發明之另一目的，係提供適合河川等開放空間之液位測量的測量方法，係令上述測量方法中挑選特徵頻率之步驟，係自頻差頻譜中挑選出一對應頻率最高之特徵採樣點，將該特徵採樣點的頻率設定為特徵頻率；由於河川液位測量中，幾乎不會有封閉空間造成的多重回波，且河面通常是測量環境中最低處(即與調頻連續波雷達物液位計距離最遠處)，故挑選頻率(及調頻訊號與反射訊號之頻差)最高者，即對應距離最大者，其精準度將遠較挑選強度最高者來的精準，適合用於河川等開放空間的液位測量。

9‧‧‧調頻連續波雷達物液位計

10‧‧‧收發天線

20‧‧‧處理單元

21‧‧‧發信單元

22‧‧‧受信單元

221‧‧‧降頻混波器

23‧‧‧處理器

24‧‧‧操作單元

25‧‧‧電力單元

251‧‧‧耗電流檢測端

26‧‧‧顯示器

27‧‧‧通訊連接埠

70‧‧‧調頻連續波雷達物液位計

100‧‧‧遠端主機

圖1：為本發明調頻連續波雷達物液位計的電路方塊圖。

圖2：為圖1處理器內建的測量程序之流程圖。

圖3：為圖2選取特徵頻率步驟的流程圖。

圖4：為本發明明調頻連續波雷達物液位計取得頻差頻譜之示意圖。

圖5：為本發明調頻連續波雷達物液位計量測河川水位之示意圖。

圖6：為現有調頻連續波雷達物液位計量測槽桶水位之示意圖。

圖7：為現有調頻連續波雷達物液位計調頻訊號與反射訊號與時間之關係圖。

圖8：為現有調頻連續波雷達物液位計取得頻差頻譜之示意圖。

請參閱圖1，本發明調頻連續波雷達物液位計包含有：一收發天線10，係用以發射一調頻訊號Ts及接收複數反射訊號Rs；一處理單元20，係與該收發天線10連接，且內建有一測量程序，並設定有一前周期計算權重Pa及一本周期計算權重Pb，且該前周期計算權重Pa大於本周期計算權重Pb，例如可設定前周期計算權重Pa為0.9；本周期計算權重Pb為0.1。

上述處理單元20包含有：一發信單元21，係與該收發天線10連接，並輸出調頻訊號Ts予收發天線發射；一受信單元22，係與該收發天線10及該發信單元21連接，以自收發天線10接收複數反射訊號Rs，而自發信單元21接收調頻訊號Ts，且該受信單元22具有一降頻混波器221，該降頻混波器221係將調頻訊號Ts及反射訊號Rs進行將頻混波為一頻差訊號後輸出；一處理器23，係與該發信單元21及該受信單元22的降頻混波器221連接，且內建該測量程序及設定該前周期計算權重Pa及本周期計算權重Pb，該測量程序之詳細內容請容後詳述；一操作單元24，係與該處理器23連接，以設定該前周期計算權重Pa及本周期計算權重Pb；一電力單元25，係與該處理器23連接，並供處理器 23調整電力單元25的耗電流，且電力單元25具有一耗電流檢測端251，該耗電流檢測端251係供遠端主機100連接，以檢知電力單元25的耗電流；一顯示器26，係與該處理器23連接，以供顯示該前周期計算權重Pa及本周期計算權重Pb，而由操作員以操作單元設定24之；一通訊連接埠27，係與該處理器23連接，並供外部遠端主機連接，以供遠端主機設定處理器23中的前周期計算權重Pa及本周期計算權重Pb。

請進一步參閱圖2，上述處理單元20中的處理器23，其於取得一前周期測量結果Rn-1後，周期性執行測量程序，由於前周期測量結果之測量方式不限，於此便不加贅述，該測量程序則包含以下步驟：由處理器23控制該發信單元21持續輸出調頻訊號Ts，以透過該收發天線10發射，並持續升高(或降低)調頻訊號Ts的頻率，且以該受信單元22透過收發天線10接收該調頻訊號的複數反射訊號Rs(S10)；透過受信單元22的降頻混波器221將發信單元21輸出的調頻訊號Ts與受信單元22所接收的反射訊號Rs進行降頻混波後，由處理器23取得該頻差訊號並進行傅立葉轉換後得到調頻訊號Ts與複數反射訊號Rs的頻差頻譜(S20)，於本實施例中，該處理器23係將頻差訊號先經過快速傅立葉轉換，再經過離散傅立葉轉換後(Chirp-Z transform)，得到調頻訊號Ts與反射訊號Rs的頻差頻譜；由處理器23自頻差頻譜中選取特徵頻率S30，其詳細內容於後說明；由處理器23計算本周期測量結果S40，係以該前週期測量結果Rn-1與前周期計算權重Pa之乘積，加上前一步驟所取得的特徵頻率對應之距離R與本周期計算權重Pb之乘積，以計算出本周期測量結果Rn，即Rn=(Pa×Rn-1)+(Pb×R)，並將本周期測量結果Rn設定為下一周期進行測量程序時的前周期測量結果Rn-1，於本實施例中，該處理器23計算出本周期測量結果Rn後，係依據本周期測量結果Rn控制電力單元25的耗電流，使遠端主機100透過耗電流檢測端251檢測電力單元25的耗電流，以得知處理器23每周期計算出的本周期測量結果Rn。

請進一步參閱圖3及圖4，為使本發明調頻連續波雷達物液位計適合用來測量河川等開放空間的液位，故上述自頻差頻譜中選取特徵頻率之步驟S30係自頻差頻譜中挑選出一對應最高頻率的特徵採樣點，並將該特徵採樣點的頻率設為特徵頻率，其詳細步驟係包含：特徵採樣點讀取步驟S31，係自頻差頻譜中頻率最高的採樣點往頻率低的採樣點依序讀取，於本實施例中，係預設一讀取最高頻率值，於此步驟開始讀取採樣點時，係從該最高頻率值開始往低頻讀取，每次依序讀取三個採樣點fn-1、fn、fn+1之強度值dn-1、dn、dn+1後，進入下一步驟；特徵採樣點判定步驟，係判斷該三個採樣點中，順序第一、二個採樣點之強度差(dn-1-dn)與第二、三個採樣點之強度差(dn-dn+1)的總合是否大於一設定臨界值ds (S32)，若是，則判定該第二個派波對應的頻率fn為特徵頻率S33；若否，則回到上一步驟S31，繼續往低頻進行讀取。

上述設定臨界值ds可由使用者設定，或可設定為每次判定時第二個派波強度值dn的固定比例，如設定為第二個波強度值dn的0.5倍，即判斷(dn-1-dn)+(dn-dn+1)是否大於0.5dn；如此，以圖4為例，上述選取特徵頻率之步驟將選到頻率最高，且強度明顯突出的採樣點f₄ ，特徵頻率即為f₄ ；明顯與現有調頻連續波雷達物液位計不同處，即現有調頻連續波雷達物液位計將會採用f₈ (強度最高者)來計算距離，但請進一步參閱圖5，對於河川開放空間的測量環境而言，水面高度必定比其他地面來的低窪，因此，水面位置必定離調頻連續波雷達物液位計9最遠，故挑選最長距離者相較於訊號最強者來的正確，特徵頻率f₄ 的精確度遠高於選擇強度最高的頻率f₈ 。

以上述調頻連續波雷達物液位計用於河川測量，若河川水面產生湧浪等大幅度的高低起伏變化時，則由於處理器23於每個周期計算測量結果時，令前週期測量結果Rn-1有較大的權重，本周期中算出特徵頻率對應之距離R之乘積的占較小的權重，以0.9比上0.1為例，每週期的測量結果將為0.9Rn-1+0.1R，故即使R與前周期測量結果差異大，經過加權計算後，仍可縮小本周期測量結果Rn與前周期測量結果Rn-1之差距，進而使每周期的測量結果趨於收斂，以利使用者統計評估；再者，本發明的選取特徵頻率之步驟又可針對河川等開放空間之特性，選出最精確的特徵頻率，由於河川等開放空間中，河川的水面的高度最低，故選擇頻率最高者(距離最長)正確度高，相較於傳統的調頻連續波雷達物液位計，本發明的測量方法對於開放空間的物液位測量之精確度較高。

綜上所述，本發明調頻連續波雷達物液位計，其測量方法可使每個周期的測量結果收斂，且針對河川等開放空間之物液位測量，本發明的測量方法具有較高的精確度。