物位计系统及用于确定距物品表面的距离的方法 |
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| 申请号 | CN201110371898.X | 申请日 | 2011-11-10 | 公开(公告)号 | CN103017868B | 公开(公告)日 | 2017-07-11 |
| 申请人 | 罗斯蒙特储罐雷达股份公司; | 发明人 | 奥洛夫·爱德华松; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于确定距罐中物品的表面的距离的物位计系统及其方法。雷达物位计量原理，包括：发射至少两个具有相等载波 频率 的、时间分隔开的载波脉冲；确定与发射 信号 中的具有相等频率的两个脉冲相关联的 相移 变化；将该变化与 阈值 进行比较；根据比较的结果，基于发射信号与返回信号之间的关系确定距离。通过对由于相隔一段时间发射的两个基本上相同的脉冲所产生的实际 相位 进行比较，可以获得对填充物位的变化的指示。然后，可以将该指示用以开始完整的测量周期。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于确定距罐中保持的物品的表面的距离的方法，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 物位计系统及用于确定距物品表面的距离的方法技术领域背景技术[0002] 自从20世纪70和80年代作为商品开发了雷达物位计以来，调频连续波(FMCW)已成为用于高精度应用的主要测量原理。FMCW测量包括：向罐中发射在几GHz量级频率范围内扫描的信号。例如，该信号可以在25～27GHz或9.5～11GHz范围内。所发射的信号被罐中的容纳物的表面(或被任何其它阻抗变化)反射，并且向物位计返回延迟了一定时间的回波信号。该回波信号与发射信号混合以生成混频信号，其中，该混频信号的频率与发射信号在时间延迟期间发生的频率变化相等。由于线性扫描，频率差(difference frequency)(也称为中频(IF))与距反射表面的距离成比例。混频信号通常被称为IF信号。 [0003] 尽管具有高精度，然而典型的FMCW系统的功耗比较大，这使得FMCW系统不太适于功率有限的应用。这种应用的示例包括：通过双线接口供电的场器件(诸如4～20mA回路)和由内部电源供电的无线器件(例如电池或太阳能电池)。 [0004] 在同一发明人的US 12/981 995中，介绍了一种新的且功耗较低的测量原理，包括发射一系列具有固定的载波频率的脉冲，每个脉冲与过渡时间(transit time)相比是长的(例如，与1/10μs量级的过渡时间相比，脉冲持续时间在1us至100ms量级)。因此，该方法被称为多频脉冲波(MFPW)。 [0005] 按照所谓的“步进的(stepped)”或“离散的”FMCW系统中实现的方法，测量周期中不同载波频率的数量不足以提供连续的IF信号，或甚至不足以提供IF频率的近似值，其中，在FMCW系统中，步进(step)连续而不间断以形成连续信号。相反，根据特定频率方案选择小的频率集合，并且针对每个频率确定接收到的脉冲的相移。 [0006] 用于确定距表面的距离的处理包括建立相位随发射频率的变化(见图1)。线A表示初始距离估计，而线B表示更新的估计。理论上，只需要两个值(点x)来确定变化率(线B的斜率)，而实际上可能需要更多数量的样本，例如几百个样本。这样的一组样本可以被称为测量周期并适合用于FMCW扫描。在处理起始期间(当不知道近似距离时)需要更多的样本，并且在更复杂情况(扰流、干扰、回波等)下也是这样的情形。作为起始过程，可以使用如更适合传统的FMCW扫描一样的样本。 [0007] 为了更进一步降低功耗，希望仅在需要时(即表面自前一测量以来发生变动时)才执行完整的距离测量。 发明内容[0008] 本发明的目的是提供一种改进的雷达物位计系统，这种雷达物位计系统使用比过渡时间长的固定频率的脉冲，该系统能够检测表面的变动而不执行完整的测量周期。 [0009] 利用用于确定距罐中保持的物品的表面的距离的方法来实现该目的及其它目，该方法包括以下步骤：向所述表面发射电磁发射信号；接收在所述表面处反射的电磁返回信号，其中，所述发射信号包括至少一对具有相等频率的、时间分隔开的区别载波脉冲，每个脉冲具有大于1微秒且小于100毫秒的持续时间；确定接收到的每个区别脉冲相对于发射的每个相应的区别脉冲的实际相位特性；确定两个脉冲之间实际的相位变化；将该变化与阈值比较；以及根据所述比较步骤的结果，基于所述发射信号与所述返回信号之间的关系确定距离。 [0010] 还通过用于检测距罐中物品的表面的距离的物位计系统来实现该目，该系统包括：收发器，用于发射电磁发射信号并接收在所述表面处反射的电磁返回信号，所述收发器被布置为发射包括至少一对具有相等频率的、时间分隔开的区别载波脉冲的信号，其中，每个脉冲具有大于1微秒且小于100毫秒的持续时间；以及处理电路，其被配置为用于确定接收到的每个区别脉冲相对于发射的每个相应的区别脉冲的实际相位特性、确定两个脉冲之间的相移变化、将该变化与阈值比较，并且根据该比较的结果、基于所述发射信号与所述返回信号之间的关系确定距离。 [0011] 通过对由相隔一段时间发射的两个基本相同的脉冲所产生的实际相位进行比较，可以获得填充物位的变化的指示。然后，该指示可以用来开始完全的测量周期。 [0012] “相等频率”是假定的频率，这些频率很相似从而可以将这些频率的相移相比较并用作表面变动的指示。作为示例，两个相等载波频率之间的偏移可以小于1/1000。可以由诸如锁相环(PLL)的反馈控制回路来提供这样的精度。 [0013] 对于在25GHz的范围内工作的物位计，1mm的物位变化将会使相位改变大约60度。对于在10GHz的范围内工作的物位计，相应的相位变化大约为24度。15～20度的相位差可以描述成-10dB的变化，并可以可靠地对其进行检测。因此，对于这两个工作频率，灵敏度可以分别估计为大约0.3mm和0.8mm。典型的罐抽吸(填充或排放)可以为每分钟一厘米或几厘米，因此10秒时间段内的物位变化为几毫米，从而能够可靠地对其进行检测。 [0014] 根据一个实施例，尽管总是发射包含足以用于距离检测的信息的完全发射信号，但是，只有在检测到具有相等频率的脉冲之间的足够大的相关联相位变化时，才执行距离检测处理。 [0015] 根据另一实施例，物位计工作在第一模式和第二模式下，其中，在第一工作模式下确定距离，而在第二工作模式下确定相移变化。根据比较步骤的结果选择第一工作模式。 [0016] 因此，在第二工作模式下，物位计可以监测表面，并且仅在检测到变动时才选择第一工作模式。 [0017] 优选地，与在第一工作模式下相比，在第二工作模式下平均发射功率更低。因此，在监测表面期间消耗更少的功率，而更多的功率用于在检测到变动的表面时确定填充物位。 [0018] 在第二工作模式下，发射信号可以包括多个时间分隔开的脉冲组，其中，每个脉冲组包括至少两个具有不同频率的脉冲。每个脉冲组中的至少一个脉冲具有与前一脉冲组中的脉冲相等的频率。因此，可以确定与具有相等频率的不同脉冲对相关的多个相移变化。 [0019] 因此，根据该实施例，可以基于几对相同脉冲确定物位是否在变动，这可以使确定更可靠。 [0020] 根据另一实施例，每个脉冲组中的至少一个脉冲具有未包括在前一组中的频率。换句话说，从一个组到另一个组，可以替换脉冲组中的一个或几个频率，而保持一个或几个频率不变。由此，除了不同频率，可以在每个脉冲组之后确定相移变化。 [0021] 可以根据任何原理进行完整的距离测量，该原理包括MFPW、FMCW、步进FMCW、脉冲时域反射(TDR)等。 [0023] 将参照示出本发明的当前优选实施例的附图对本发明进行更详细的描述。 [0024] 图1为示出了相位与发射频率的关系的图。 [0025] 图2为安装在罐上的雷达物位计的示意性框图。 [0026] 图3为根据本发明第一实施例的、图2中的收发器的更详细的框图。 [0027] 图4为图2中的物位计的第一工作模式的流程图。 [0028] 图5为图2中的物位计的第二工作模式的流程图。 具体实施方式[0029] 在本说明书中，主要参照具有用于辐射并捕捉电磁信号的自由传播天线的雷达物位计系统，描述本发明的实施例。应当注意，这绝不是限制本发明的范围，这能够等同地应用于包括其它自由传播天线和波导的其它信号传播装置，其中，传播天线为诸如棒状天线、贴片天线、固定的或可变动的抛物面天线或锥形天线，波导为诸如静止管、传输线或探头(诸如单线探头(包括所谓的古搏探头(Goubau probe))、双线探头、或同轴探头)。 [0030] 此外，以下描述的物位计的工作原理为MFPW，如在美国申请12/981995中所公开的。然而，认识到，用于执行物位检测的工作原理可以是任何类型，包括调频连续波(FMCW)和使用时域反射的脉冲物位测量。如技术人员将认识到的，FMCW包括：在一定频率范围上发射频率扫描，并基于发射的扫描与反射的扫描之间的关系来确定距离。脉冲物位测量包括：发射一串短脉冲，并基于每个脉冲的行进时间来确定距离。图2示意性地示出了根据本发明实施例的雷达物位计系统1，包括：测量电子单元2和信号传播装置3(这里为喇叭天线)。雷达物位计系统1设置在罐5上，罐5部分填充有待计量的物品6。在图2示出的情况下，物品6为诸如谷物或塑料颗粒的固体，已知其表示需要较高测量灵敏度的雷达物位计系统的困难应用。通过对由天线3向物品6的表面7辐射的发射信号ST和从表面7传送回的回波信号SR进行分析，测量电子单元2可以确定基准位置与物品6的表面7之间的距离，从而可以推断填充物位L。应当注意，尽管在本文中讨论了容纳单种物品6的罐5，但是可以以类似的方式测量距罐5中存在的任何材料界面的距离。 [0031] 如图2示意性地示出的，电子单元2包括用于发射和接收电磁信号的收发器10，收发器10经由波导9连接到天线3。单元2还包括处理电路11，处理电路11连接到收发器10以控制收发器并对收发器所接收到的信号进行处理，从而确定罐5中物品6的填充物位。处理电路11还连接到存储器12，存储器12存储物位计1的工作所需的任何软件并且还提供工作期间使用的随机存取存储器(RAM)。 [0032] 处理电路11还能够经由接口14连接到用于模拟和/或数字通信的外部通信线13。例如，可以由双线接口提供通信接口14与外部控制站(未示出)之间的通信，双线接口具有向控制站发射测量结果和接收物位计1的工作功率的组合功能。根据由处理电路11确定的测量结果调节线路中的电流。 [0035] 图3示意性地示出了适于实施本发明实施例的示例性收发器10。 [0036] 信号发生器20用于产生具有良好限定并精确控制的载波频率的载波脉冲。精度偏差应当小于1/1000，并且优选小于1/10000或更好。这可以利用反馈控制系统来实现，并且信号发生器例如可以为锁相环PLL。 [0037] 在本文中所讨论的说明示例中，假定脉冲持续时间大约为2ms，但是也可以是非常短的脉冲，例如μs量级的脉冲。应当注意，在罐计量背景中，如这里提到的，μs或ms量级的脉冲持续时间太长而不能利用时域反射进行脉冲距离测量，即，不能接收反射脉冲并确定其行进时间。因此，根据本发明的脉冲比传统的脉冲雷达物位计中的脉冲长，传统的脉冲雷达物位计中的典型的脉冲持续时间为ns量级。 [0038] 脉冲的平均功率可以在nW或μW范围内。然而，占空比(即脉冲与这些脉冲之间的间隔之间的关系)应当被限制为小于50％，并且优选非常低，例如5％或甚至1％或更小。对于1％的占空比，1～50μW范围内的平均功率可以是合理的。与传统的FMCW相比，这意味着可以用比较高的功率发射脉冲而不增加测量周期的平均功率。 [0039] 该脉冲通常为载波频率在GHz范围内的雷达脉冲。频率范围可以为工作频率的10％量级，并可以在例如25和27Hz之间或在9.5和11GHz之间。可以优选基于罐内的普遍状况来确定频率的数目N。脉冲的持续时间、占空比和PLL的频率由处理器11(见图2)控制。 [0040] 信号发生器20所生成的发射信号将包括以预定的时间段隔开的、具有相等载波频率的脉冲。这些相等载波频率可以选自预先定义的频率集，并且相同脉冲可以包括在具有不同载波频率的重叠脉冲中。可替代地，在相同脉冲之间不存在发射的脉冲。 [0041] 设置循环器或诸如威尔金森功率分配器(WPD)的功率分配器22，以将来自信号发生器20的信号定向到罐5中的天线3并将来自天线3的反射信号定向到收发器10的接收器部分。 [0042] 接收器部分包括两个信道，同相信道(I)和正交信道(Q)，每个信道包括混频器23a、23b以对接收到的信号进行零差混频。向第一混频器23a提供直接来自PLL 20的发射脉冲(I信道)。向第二混频器23b提供经由90度移相器24来自PLL 20的发射脉冲(Q信道)。 [0044] 低通滤波器25a、25b优选具有与脉冲宽度的倒数对应的带宽。换句话说，如果脉冲的持续时间为2ms，则适合的滤波器将为500Hz宽。因此，以平均功率或更新率为代价，可以使用更长的脉冲来提高灵敏度(更小的带宽)。然而，如果期望低占空比，则为了实现低的平均功耗，应当保持脉冲适当的短，因此，低通滤波器25a、25b的带宽必须比传统的FMCW更宽(灵敏度更差)。 [0045] 然后，将信号提供给两个积分器27a、27b，以在脉冲长度内对信号进行积分。最后，布置有两个模拟/数字(A/D)转换器28a、28b以对积分值进行A/D转换，并且将数字输出提供给处理器11来存储和处理。 [0046] 可选地，PLL 20可以连接到用以对来自PLL 20的脉冲进行频率调制的调制器(未示出)。在美国申请12/981 995中更详细地描述了这种调制，该申请通过引用并入本申请。利用这种调制，引入了距离关系，这将有利于距离确定。 [0047] 应当注意，图3中示出的具有两个并行接收器信道(I和Q)的收发器拓扑结构不应视为对本构思的限制。 [0048] 例如，可以使用顺序方法由混频器23a、23b进行射频(RF)混频，即交替地提供I相位值和Q相位值。以增加每次测量的脉冲数为代价，这种方法可以减少部件的数目。 [0049] 将参照图4和图5对图2和图3中示出的雷达物位计的工作进行进一步描述，图4和图5示出了两种不同工作模式的示意性流程图。图4示出了如通过引用并入本申请的美国申请12/981 995中概述的过程，该过程适于追踪变动的表面物位，即适于在罐的填充或排放期间追踪表面物位的过程。图5示出了适于监测稳定、不变化的表面物位的过程，即适于监测没有排放或填充罐中容纳物的时段的过程。 [0050] 参照图4，在步骤S1中，根据预定的过程确定频率方案。在有利的测量的状况下(无扰动)，方案可以包括10的量级个频率。在更困难的状况下，可能需要包括几百个频率。频率范围可以为工作频率的10％量级，并且可以在例如25～27GHz之间、或在9.5～11GHz之间。 [0051] 然后，在步骤S2至S4中，利用选定量级内的选定频率执行测量周期。对于每个频率，由PLL 20生成具有确定的持续时间(例如2ms)的脉冲，并通过天线3将该脉冲作为信号ST发射到罐中(步骤S2)。 [0052] 所发射的电磁信号ST在罐5中的阻抗变化处(包括罐5中容纳的物品6的表面7)被反射，并作为回波信号SR通过天线3返回到收发器10。所反射的信号SR被收发器10的接收器侧中的两个信道(I和Q)接收(步骤S3)。 [0053] 然后，在步骤S4中，由处理器11使用来自两个信道的输出和传统的I/Q处理来确定发射脉冲与反射脉冲之间的相位差。每个相移被记录在存储器12中(步骤S5)，并且对于方案中的所有频率重复步骤S2～S5。 [0054] 在步骤S6中，处理器11将每个相位差值(在0～2π范围内)与基于之前检测出的距离计算出的预期相位差值相互关联。预期相位与实际检测出的相位之间的差与距离偏移量对应。原则上，由单个频率产生的一个这种偏移量足以提供更新的距离检测。然而，这种检测中的不确定性通常很严重而不能提供令人满意的可靠性，并且通常需要某种统计分析。 [0055] 在步骤S7中，处理器11将获得的距离测量与之前获得的测量进行比较。在距离在这些测量期间没有变化的情形下，确定表面是稳定的且未变动。然而，当然可以根据应用改变这种确定的标准，例如，可以相互比较在例如1分钟的时间内获得的10个距离测量。如果所有的这些值在给定的误差范围内都相等，则可以确定物位是稳定的。在做出了这种确定时，处理器11和收发器10切换到以下所述的第二工作模式。否则，该处理返回到步骤S1以开始新的周期。注意，根据测量的结果，可以在周期之间更新频率方案。 [0056] 下面将参照图5描述第二工作模式。 [0057] 首先，在步骤S11中，PLL 20生成确定的持续时间(例如2ms)的脉冲，并通过天线3将该脉冲作为信号ST发射到罐中。 [0058] 在步骤S12中，所发射的电磁信号ST在罐5中的阻抗变化处(包括罐5中容纳的物品6的表面7)被反射，并作为回波信号SR通过天线3返回到收发器10。返回的信号SR被收发器10的接收器侧中的两个信道(I和Q)接收。 [0059] 然后，在步骤S13中，由处理器11使用来自两个信道的输出和传统的I/Q处理来确定发射脉冲与反射脉冲之间的相位差。相移被记录在存储器12中(步骤S14)，并且在步骤S15中，将检测到的相移与先前存储的相移进行比较，其中，先前存储的相移是针对来自早前扫描的相等频率的脉冲的。作为示例，具有相等载波频率的脉冲之间的时间间隔可以为至少5秒或至少10秒。将与这些脉冲相关联的相移的变化与基于特定实施选定的阈值(TH)进行比较。 [0060] 如果相移变化比阈值大，这表示表面自早前扫描发生了变动，处理器11和收发器10切换到上述第一工作模式，以追踪表面物位。如果相位变化比阈值小，则确定物位还是稳定的(未变化)，并且处理返回到步骤S11。针对选定数量的频率连续地重复步骤S11～S15。 频率的数量通常比执行完全的测量所需的频率数量小，并且在极端情况下可以仅为1(这样，发射信号只不过为一串相同脉冲)。然而，在第二工作模式下使用至少两个或甚至更多频率是有利的。这可以使处理对扰动的灵敏度降低并使处理更稳定。因此，可以分组发射脉冲，每组脉冲包括一组频率，并且连续扫描具有至少一个共同频率以使得能够进行比较。 [0061] 还注意，每个组中所包括的频率可以不同。根据一个实施例，每个组包括多个频率(例如两个频率)，并且每隔一个组替换这些频率中的至少一个。因此，例如，第一组可以包括频率A和B，第二组可以包括频率B和C，第三组可以包括频率C和D，而第四组可以包括频率D和A。这样，可以对于每个组进行相等频率脉冲的比较，但总是对于不同频率。 [0062] 关于表面正在变动的确定可以优选基于重复的比较，以避免不想要的扰动，诸如由于天线而产生的降落(drop)，其中，该降落会导致不需要的物位检测。例如，对于具有相等频率的脉冲，比较多于两个的连续相移是有利的。如果相移先变化，然后返回到前一值，则可以认定为扰动。另一方面，如果两个或更多个比较确认了变化的相移，则可能发生了表面的实际变动。技术人员可以预想到各种其它的统计处理。 [0063] 本领域的技术人员认识到本发明绝不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变化。例如，本发明的原理不需要I/Q处理，但实际上也可应用于单个信道系统。此外，在不偏离本发明构思的情况下可以以多种方式来修改收发器电路的细节。另外，除了第一工作模式和第二工作模式之外，物位计可以在其它工作模式下工作。 |
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