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一種用于確定距罐中物品的表面距離的雷達物位計
發布日期:2019/9/23 17:04:14
本文所述的是一種使用電磁波來確定距罐中的物品的表面的距離的雷達物位計
雷達物位計背景技術
自從雷達物位計量在被開發作為商業產品以來,調頻連續波(FMCW)就已成為高精度應用的主導測量原理。FMCW測量包括將在若干GHz量級的
頻率范圍中被掃描的信號發射到罐中。例如,該信號可以處于9GHz至11GHz或24GHz至27GHz的范圍中。所發射的信號被罐中的內容物的表面(或任何其他阻抗過渡( impedancetransition)所反射,并且延退了一定時間的回波信號返回物位計。回波信號與所發射的信號被進行混頻以生成混頻器信號,該混頻器信號具有與所發射的信號在時延期間發生的頻率變化相等的頻率。由于線性掃描,這種差頻(也被稱為中頻(IF))與距反射表面的距離成比例。混頻器信號通常被稱為IF信號
近來,FMCW原理被改進了,并且現在其典型地包括以實際上恒定的幅度來發射具有步進頻率的信號,而不是發射連續掃描。當所發射的信號與所接收的信號被混頻后,每個頻率步進將提供分段恒定的IF信號中的恒定的一段,從而提供IF信號的一個“樣本”。為了確定該分段恒定的F信號的頻率,需要比采樣定理所規定的數目多的多個(N個)頻率。然后,以與傳統的FMCW系統相似的方式使用IF信號的頻率來確定距反射表面的距離。典型值可以是以1000至1500個步進劃分的30米距離處的200至300個F時段。應當注意,還可以對源于連續頻率掃描的連續IF信號進行采樣以使得能夠進行數字處理。
傳統的FMCW系統(連續的以及步進的)盡管高度精確,但是卻相對耗電,使得其較不適合功率受限的應用。這樣的應用的示例包括由兩線接口(例如4mA至20mA環路)供電的現場裝置和由內置電源(例如蓄電池或太陽能電池)供電的無線裝置。
傳統的FMCW系統的相對高的功率需求的原因之一是需要在所發射的電磁波與所接收的電磁波之間進行隔離。也可以例如通過向頻率掃描添加額外的調制來改進隔離從而增加靈度。然而,這樣的調制典型地需要添加的部件,即附加的振蕩器和加法器,并因此將會增加裝置的復雜度和功耗。因此,期望在不增加裝置的復雜度的情況下提高靈敏度以降低功耗。
 
本新型雷達物位計實施內容
鑒于雷達物位計的上述期望特性,本新型的總體目的是通過提高靈敏度來使得能夠改進雷達物位計的性能,并通過使得能夠使用較低的發射功率來降低雷達物位計的能量需求。
本新型基于如下認識:通過將雷達物位計中所包括的電子部件配置成提供通常不期望的作用,這些不期望的作用實際上將提供附加的調制,從而使得能夠增加雷達物位計的靈敏度。
根據本實用新型的一方面,通過如下用于測量距罐中的物品的表面的距離的雷達物位計來實現這些以及其他目的,所述雷達物位計包括:收發器電路,被配置成發射電磁發射信號并且接收從所述表面反射的電磁返回信號,所述收發器電路包括穩頻反饋環路,所述穩頻反饋環路被配置成生成頻率掃描形式的電磁發射信號;第 一混頻器,被配置成將發射信號與返回信號進行混頻以提供第 一中頻信號;信號傳播裝置,被布置成朝向所述表面導引所述發射信號并且將所述返回信號導引至所述收發器電路。所述穩頻反饋環路被有意地配置成生成用于形成頻率掃描的調制的振蕩。所述雷達物位計還包括:第 二混頻器,被配置成將所述第 一中頻信號與正弦調制的頻率的整數倍進行混頻以提供第 二中頻信號;以及處理電路,被配置成基于所述第二中頻信號來確定所述距離。
由反饋環路中的振蕩所形成的調制使得能夠提高靈敏度而無需添加部件,從而不會增加雷達物位計的復雜度。通過提供頻率比一般情況高的中頻信號,實現了提高的靈敏度。根據本新型的中頻信號將包括正弦調制的頻率和該頻率的諧波(即該正弦調制頻率的整數倍)加一般的中頻。中頻信號的較高頻率將抑制來自電子裝置、波導的泄漏,并且還降低與信號傳播裝置鄰近的物體所引起的干擾的影響。增加的靈敏度可以多達10dB至20dB.
將第 一中頻信號與正弦調制的頻率的整數倍進行混頻的第 二混頻提供了第 二經調節的中頻信號,該第 二經調節的中頻信號具有與一般的FMCW雷達物位計中的中頻信號可比較的頻率。
本新型基于穩頻反饋環路的出乎意料的新的使用。傳統地,這樣的反饋環路用于在通過頻率掃描進行步進時確保頻率的平滑并且清晰的變化。相應地,盡可能抑制任何振蕩行為。然而,根據本新型,穩頻反饋環路被有意地配置成使得其在調節至新頻率之前引起振蕩。通過確保該振蕩的持續時間與每個頻率步進的步進時間或停留時間可比較,該振蕩可被用于提供對頻率的基本上為正弦的調制。穩頻反饋環路因此還可以被稱為“頻率振蕩反饋環路”。穩頻反饋環路包括如下控制參數:在通常情況下這些控制參數將被用于將頻率步進設置為盡可能地為線性的并且不包含振蕩,即當頻率增加時具有清晰的步進。穩頻反憒環路帶寬將會影響調制的大小(即頻率范圍),這意味著較大的帶寬將允許在通常期望的頻率步進之外的較大的正弦調制。另外,帶寬還限定控制環路的速度,即在穩頻反饋環路實現頻率的“鎖定”之前的時間,較小的容許帶寬將增加在穩頻反饋環路實現鎖定之前的時間,并且反之亦然,較大的容許帶寬將減少在穩頻反饋環路實現鎖定之前的時間。穩頻反饋環路對輸入和輸出信號進行采樣的頻率將確定所添加的正弦調制的頻率。采樣頻率與環路帶寬之間的關系可以為10倍或更小,或者甚至是小至5倍或更小。這可以通過將采樣頻率設置成小于10Mz或甚至小于5MHz來完成。在一個示例中,反饋環路的采樣頻率僅為2MHz。在另一個示例中,反饋環路的采樣頻率僅為250kHl根據本新型的一個實施例,頻率掃描的每個頻率步進的步進時間或步進停留時間與振蕩的持續時間之間的關系被選擇為使得調制在頻率掃描中基本上為連續的。由此,在頻率掃描的所有部分處均具有高靈敏度是可能的。
另外,通過調節步進停留時間、并且因而調節步進頻率,可以經由將比較頻率與步進頻率之商配置成有理數來生成低于比較頻率的調制頻率。如果比較頻率與步進頻率之商為整數,則正弦調制的調制頻率將變成等于比較頻率。通過將比較頻率與步進頻率之商配置為分數,調制將以等于比較頻率的該分數( fraction)的頻率來重復自身。例如,如果比較頻率與步進頻率之商為6.4,即六又五分之二,則調制模式( modulation pattern)將以作
為比較頻率的五分之一的頻率重復自身。應當注意,前述數字僅僅是示例,并且原則上在本新型的范圍內可以生成任意調制頻率。
 
本文所述內容提供了用于確定量距罐中的物品的表面的距離的雷達物位計。所述雷達物位計包括收發器電路,所述收發器電路被配置成發射和接收電磁信號,所述收發器電路包括穩頻反饋環路,所述穩頻反饋環路被配置成生成頻率掃描形式的電磁發射信號。所述穩頻反饋環路被配置成生成用于形成頻率掃描的正弦調制的振蕩。雷達物位計還包括:第 二混頻器,被配置成將中頰信號與所述正弦調制的頻率的整數倍進行混頻以提供經調節的中頻信號;以及處理電路,被配置成基于所述經調節的中頻信號來確定所述距離。通過提供包括正弦調制的頻率掃描,所述雷達物位計實現提高的靈敏度。