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一种用于确定距罐中物品的表面距离的雷达物位计
发布日期:2019/9/23 17:04:14
本文所述的是一种使用电磁波来确定距罐中的物品的表面的距离的雷达物位计
雷达物位计背景技术
自从雷达物位计量在被开发作为商业产品以来,调频连续波(FMCW)就已成为高精度应用的主导测量原理。FMCW测量包括将在若干GHz量级的
频率范围中被扫描的信号发射到罐中。例如,该信号可以处于9GHz至11GHz或24GHz至27GHz的范围中。所发射的信号被罐中的内容物的表面(或任何其他阻抗过渡( impedancetransition)所反射,并且延退了一定时间的回波信号返回物位计。回波信号与所发射的信号被进行混频以生成混频器信号,该混频器信号具有与所发射的信号在时延期间发生的频率变化相等的频率。由于线性扫描,这种差频(也被称为中频(IF))与距反射表面的距离成比例。混频器信号通常被称为IF信号
近来,FMCW原理被改进了,并且现在其典型地包括以实际上恒定的幅度来发射具有步进频率的信号,而不是发射连续扫描。当所发射的信号与所接收的信号被混频后,每个频率步进将提供分段恒定的IF信号中的恒定的一段,从而提供IF信号的一个“样本”。为了确定该分段恒定的F信号的频率,需要比采样定理所规定的数目多的多个(N个)频率。然后,以与传统的FMCW系统相似的方式使用IF信号的频率来确定距反射表面的距离。典型值可以是以1000至1500个步进划分的30米距离处的200至300个F时段。应当注意,还可以对源于连续频率扫描的连续IF信号进行采样以使得能够进行数字处理。
传统的FMCW系统(连续的以及步进的)尽管高度精确,但是却相对耗电,使得其较不适合功率受限的应用。这样的应用的示例包括由两线接口(例如4mA至20mA环路)供电的现场装置和由内置电源(例如蓄电池或太阳能电池)供电的无线装置。
传统的FMCW系统的相对高的功率需求的原因之一是需要在所发射的电磁波与所接收的电磁波之间进行隔离。也可以例如通过向频率扫描添加额外的调制来改进隔离从而增加灵度。然而,这样的调制典型地需要添加的部件,即附加的振荡器和加法器,并因此将会增加装置的复杂度和功耗。因此,期望在不增加装置的复杂度的情况下提高灵敏度以降低功耗。
 
本新型雷达物位计实施内容
鉴于雷达物位计的上述期望特性,本新型的总体目的是通过提高灵敏度来使得能够改进雷达物位计的性能,并通过使得能够使用较低的发射功率来降低雷达物位计的能量需求。
本新型基于如下认识:通过将雷达物位计中所包括的电子部件配置成提供通常不期望的作用,这些不期望的作用实际上将提供附加的调制,从而使得能够增加雷达物位计的灵敏度。
根据本实用新型的一方面,通过如下用于测量距罐中的物品的表面的距离的雷达物位计来实现这些以及其他目的,所述雷达物位计包括:收发器电路,被配置成发射电磁发射信号并且接收从所述表面反射的电磁返回信号,所述收发器电路包括稳频反馈环路,所述稳频反馈环路被配置成生成频率扫描形式的电磁发射信号;第 一混频器,被配置成将发射信号与返回信号进行混频以提供第 一中频信号;信号传播装置,被布置成朝向所述表面导引所述发射信号并且将所述返回信号导引至所述收发器电路。所述稳频反馈环路被有意地配置成生成用于形成频率扫描的调制的振荡。所述雷达物位计还包括:第 二混频器,被配置成将所述第 一中频信号与正弦调制的频率的整数倍进行混频以提供第 二中频信号;以及处理电路,被配置成基于所述第二中频信号来确定所述距离。
由反馈环路中的振荡所形成的调制使得能够提高灵敏度而无需添加部件,从而不会增加雷达物位计的复杂度。通过提供频率比一般情況高的中频信号,实现了提高的灵敏度。根据本新型的中频信号将包括正弦调制的频率和该频率的谐波(即该正弦调制频率的整数倍)加一般的中频。中频信号的较高频率将抑制来自电子装置、波导的泄漏,并且还降低与信号传播装置邻近的物体所引起的干扰的影响。增加的灵敏度可以多达10dB至20dB.
将第 一中频信号与正弦调制的频率的整数倍进行混频的第 二混频提供了第 二经调节的中频信号,该第 二经调节的中频信号具有与一般的FMCW雷达物位计中的中频信号可比较的频率。
本新型基于稳频反馈环路的出乎意料的新的使用。传统地,这样的反馈环路用于在通过频率扫描进行步进时确保频率的平滑并且清晰的变化。相应地,尽可能抑制任何振荡行为。然而,根据本新型,稳频反馈环路被有意地配置成使得其在调节至新频率之前引起振荡。通过确保该振荡的持续时间与每个频率步进的步进时间或停留时间可比较,该振荡可被用于提供对频率的基本上为正弦的调制。稳频反馈环路因此还可以被称为“频率振荡反馈环路”。稳频反馈环路包括如下控制参数:在通常情况下这些控制参数将被用于将频率步进设置为尽可能地为线性的并且不包含振荡,即当频率增加时具有清晰的步进。稳频反愦环路带宽将会影响调制的大小(即频率范围),这意味着较大的带宽将允许在通常期望的频率步进之外的较大的正弦调制。另外,带宽还限定控制环路的速度,即在稳频反馈环路实现频率的“锁定”之前的时间,较小的容许带宽将增加在稳频反馈环路实现锁定之前的时间,并且反之亦然,较大的容许带宽将减少在稳频反馈环路实现锁定之前的时间。稳频反馈环路对输入和输出信号进行采样的频率将确定所添加的正弦调制的频率。采样频率与环路带宽之间的关系可以为10倍或更小,或者甚至是小至5倍或更小。这可以通过将采样频率设置成小于10Mz或甚至小于5MHz来完成。在一个示例中,反馈环路的采样频率仅为2MHz。在另一个示例中,反馈环路的采样频率仅为250kHl根据本新型的一个实施例,频率扫描的每个频率步进的步进时间或步进停留时间与振荡的持续时间之间的关系被选择为使得调制在频率扫描中基本上为连续的。由此,在频率扫描的所有部分处均具有高灵敏度是可能的。
另外,通过调节步进停留时间、并且因而调节步进频率,可以经由将比较频率与步进频率之商配置成有理数来生成低于比较频率的调制频率。如果比较频率与步进频率之商为整数,则正弦调制的调制频率将变成等于比较频率。通过将比较频率与步进频率之商配置为分数,调制将以等于比较频率的该分数( fraction)的频率来重复自身。例如,如果比较频率与步进频率之商为6.4,即六又五分之二,则调制模式( modulation pattern)将以作
为比较频率的五分之一的频率重复自身。应当注意,前述数字仅仅是示例,并且原则上在本新型的范围内可以生成任意调制频率。
 
本文所述内容提供了用于确定量距罐中的物品的表面的距离的雷达物位计。所述雷达物位计包括收发器电路,所述收发器电路被配置成发射和接收电磁信号,所述收发器电路包括稳频反馈环路,所述稳频反馈环路被配置成生成频率扫描形式的电磁发射信号。所述稳频反馈环路被配置成生成用于形成频率扫描的正弦调制的振荡。雷达物位计还包括:第 二混频器,被配置成将中颊信号与所述正弦调制的频率的整数倍进行混频以提供经调节的中频信号;以及处理电路,被配置成基于所述经调节的中频信号来确定所述距离。通过提供包括正弦调制的频率扫描,所述雷达物位计实现提高的灵敏度。
 
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