雷达料位计的制作方法

本发明涉及用于确定距储罐中的产品的表面的距离的雷达料位计和方法。本发明还涉及包括这种雷达料位计的系统、计算机程序产品、计算机可读存储介质和电信号。

背景技术：

自从雷达料位计量在1970年代和1980年代作为商业产品开发以来，频率调制连续波(fmcw)一直是用于高精度应用的主要测量原理。fmcw测量包括：向储罐中发射在几ghz量级的频率范围内扫描的信号。例如，信号可以在24ghz至27ghz或9ghz至11ghz的范围内。所发射的信号被储罐中的产品的表面(或通过任何其他阻抗转换)反射，并且已延迟一定时间的回波信号返回至料位计。对回波信号与发射信号进行混频以生成频率等于在时间延迟期间发生的发射信号的频率变化的混频器(输出)信号。由于线性扫描，因此还被称为中频(if)的该差频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。

然而，可能无法跟踪彼此接近的回波，因为它们未被分辨为两个回波。这可以例如适用于以下情况：移动表面通过储罐中的干扰件。

另外，对于彼此接近的两个回波，由于干扰可能存在测量误差，例如，如果表面靠近储罐的底部。

技术实现要素：

本发明的目的是减轻上述问题，并提供改进的雷达料位计和方法。

根据本发明的第一方面，该目的和其他目的通过一种用于确定距储罐中的产品的表面的距离的雷达料位计来实现，所述雷达料位计包括：收发器，其被配置成经由信号传播装置向所述表面发射具有变化频率的电磁发射信号并接收电磁返回信号；混频器，其适于对所发射的电磁发射信号与所接收的电磁返回信号进行混频，以提供包括关于表面的回波的信息和关于另一回波的信息的混频器输出信号；以及处理电路，其被配置成对混频器输出信号应用算法，该算法提供距离水平速率矩阵，其中，表面的回波和所述另一回波各自按两个维度即距离和水平速率来确定，并且基于如此确定的表面的回波来确定距表面的距离。

本发明基于以下理解：通过应用算法，例如所谓的范围多普勒算法，可以分辨(即区分或分离)雷达料位计量中彼此接近的回波，其中，除了距离之外还确定两个回波的水平速率(例如mm/扫描)。对于相同距离的回波，这提供了提高的测量精度，并且对于彼此接近的两个回波，提供了改进的分辨率。

所述表面可以正在移动，其中，所述另一回波来自所述储罐中的或所述储罐的元件，该元件是静止的或正以与移动表面不同的水平速率移动，并且其中，应用算法的处理电路被配置成分辨移动表面的回波和所述元件的回波(作为两个独立的回波)。即使元件是静止的，在该元件位于移动表面下方的情况下，该元件可以被认为是与表面相比在相反方向上移动，因为电磁信号在不同介质中具有不同速度。这使得将上述算法应用于雷达料位计在技术上是有利的，因为导致相反水平速率的相反方向增加了回波的分离。

元件可以例如是所述储罐中的干扰件，其中，应用算法的处理电路被配置成在移动表面通过所述储罐中的干扰件的情况下分辨移动表面的回波和干扰件的回波。以这种方式可以实现改进的跟踪能力，因为在表面通过具有不同水平速率的干扰件的情况下，可以分辨和跟踪表面。同样，因为表面回波和干扰件回波被分离，所以可以提高表面接近干扰件的情况下的测量精度。干扰件可以例如是储罐内的梁。

在另一示例中，元件是所述储罐的底部。这里，可以提高(移动)表面接近(静止)底部的情况下的测量精度。

电磁发射信号可以包括多个频率扫描。电磁发射信号可以例如是锯齿形的(正向线性调频脉冲(up-chirp))。电磁发射信号可以在例如24ghz至27ghz或9ghz至11ghz的范围内。

在所述多个频率扫描中的每个频率扫描之后可能存在延迟。这可以提高分辨率，而不必增加每单位时间的频率扫描数目。后者可以节省处理能力，这在通常具有有限电流供应(例如4ma至20ma)的雷达料位计中特别有利。它还可以需要更少的内存。延迟可以例如在0.5s至1.5s的范围内，例如延迟为1s。

该处理电路可以被配置成通过以下操作对混频器输出信号应用算法：对于电磁发射信号的多个频率扫描中的至少一些频率扫描中的每个频率扫描，对混频器输出信号执行第一快速傅里叶变换；将所得到的频谱存储在距离时间矩阵中；以及对距离时间矩阵中的每个距离执行第二快速傅里叶变换，从而给出距离水平速率矩阵，其中，表面的回波和所述另一回波各自按两个维度来确定。距离水平速率矩阵可以例如基于32个扫描。另外，每个距离可以是距离箱(bin)。箱可以例如是25mm。可以执行一次2dfft来代替两次(1d)fft。另外，可以使用例如dft(离散傅里叶变换)或goertzel算法来代替fft。

如上面所指出的，该算法可以是范围多普勒算法。

雷达料位计可以是频率调制连续波雷达料位计(非接触式或gwr(导波雷达))。

根据本发明的第二方面，提供了一种系统，包括：储罐和根据第一方面的雷达料位计。

根据本发明的第三方面，提供了一种确定距储罐中的产品的表面的距离的方法，该方法包括：向所述表面发射具有变化频率的电磁发射信号；接收电磁返回信号；对所发射的电磁发射信号与所接收的电磁返回信号进行混频，以提供包括关于表面的回波的信息和关于另一回波的信息的输出信号；对输出信号应用算法，该算法提供距离水平速率矩阵，其中，表面的回波和所述另一回波各自按两个维度即距离和水平速率来确定；以及基于如此确定的表面的回波来确定距表面的距离。该方面可以呈现与第一方面和/或第二方面相同或相似的特征和技术效果，并且反之亦然。

所述表面可以正在移动，其中，所述另一回波来自所述储罐中的或所述储罐的元件，该元件是静止的或正以与移动表面不同的水平速率移动，并且其中，应用算法包括分辨移动表面的回波和所述元件的回波。

所述元件可以是所述储罐中的干扰件，其中，应用算法包括在移动表面通过所述储罐中的干扰件的情况下分辨移动表面的回波和干扰件的回波。

所述元件可以是所述储罐的底部。

电磁发射信号可以包括多个频率扫描。

在所述多个频率扫描中的每个频率扫描之后可能存在延迟。

对输出信号应用算法可以包括：对于电磁发射信号的多个频率扫描中的至少一些频率扫描中的每个频率扫描，对输出信号执行第一快速傅里叶变换；将所得到的频谱存储在距离时间矩阵中；以及对距离时间矩阵中的每个距离执行第二快速傅里叶变换，从而给出距离水平速率矩阵，其中，表面的回波和所述另一回波各自按两个维度来确定。

该算法可以是范围多普勒算法。

根据本发明的第四方面，提供了一种包括计算机程序代码的计算机程序产品，该计算机程序代码用于在计算机上执行时执行如下步骤：将算法应用于输出信号，该输出信号是通过对向储罐中的产品的表面发射的电磁发射信号与接收的电磁返回信号进行混频而提供的，其中，输出信号包括关于表面的回波的信息和关于另一回波的信息，其中，算法提供距离水平速率矩阵，其中，表面的回波和所述另一回波各自按两个维度即距离和水平速率来确定；以及基于如此确定的表面的回波来确定距表面的距离。该方面可以呈现与第一方面至第三方面中的一个或更多个方面相同或相似的特征和技术效果，并且反之亦然。该计算机程序产品可以作为软件升级添加到现有的雷达料位计。计算机程序产品可以在计算机可读存储介质上实现。

根据本发明的第五方面，提供了一种包括根据第四方面的计算机程序产品的计算机可读存储介质。

根据本发明的第六方面，提供了一种体现在载波上并在电介质上传播的电信号，该电信号包括根据第四方面的计算机程序产品。

附图说明

将参照示出本发明的当前优选实施方式的附图更详细地描述本发明。

图1是适于实现本发明的雷达料位计的示意性截面图。

图2是根据本发明的实施方式的图1的雷达料位计中的收发器的示意性框图。

图3a示出了根据本发明的实施方式的电磁发射信号、电磁返回信号、距离时间矩阵和距离水平速率矩阵。

图3b示出了替选电磁发射信号。

图4a示出了根据本发明的实施方式的距离水平速率矩阵。

图4b是示出图4a的距离水平速率矩阵以及幅度的3d表示。

图4c示出了根据现有技术的频谱。

图5a是根据本发明的实施方式的距离随时间变化的图。

图5b是根据现有技术的距离随时间变化的图。

图6是根据本发明的实施方式的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的雷达料位计10，雷达料位计10用于确定从参考位置到储罐16中的产品14的表面12的距离d。通过确定距离d，可以推导出填充料位l。

雷达料位计10是fmcw(频率调制连续波)雷达料位计。特别地，所示出的雷达料位计10是非接触式fmcw雷达料位计。雷达料位计10和储罐16可以形成系统100的一部分。

在图1中部分填充储罐16的产品14可以是液体、液态气体或者甚至固体，例如颗粒或塑料小球。应当注意的是，尽管在本文中描述了储罐16包括单个产品14，但是可以以类似的方式确定距储罐16中存在的任何材料界面的距离。

雷达料位计10可以被布置在储罐16的顶部处。雷达料位计10通常是静止的。雷达料位计10通常瞄准一个方向(向下)。雷达料位计10包括收发器18，收发器18被配置成经由雷达料位计10的信号传播装置向表面12发射具有变化频率的电磁发射信号st并且接收从表面12返回的电磁返回信号sr。通常，电磁发射信号st和电磁返回信号sr垂直于表面12行进。

这里，信号传播装置是连接至收发器18的天线20。天线20可以经由波导连接至收发器18。要注意的是，天线20可以可选地直接连接至收发器18，或者经由合适的信号介质例如同轴电缆连接至收发器18。天线20可以是用于辐射和捕获电磁信号的自由传播天线。天线20可以是例如锥形天线、杆状天线或抛物面天线。可替选地，信号传播装置可以是探测器(gwr)。

雷达料位计10还包括连接至收发器18的处理电路22。处理电路22通常可以被配置成控制收发器18，并基于来自收发器18的信号来确定或推导填充料位l。处理电路22可以例如是armcortexm4处理器。

处理电路22还可以连接至雷达料位计10的存储器24，该存储器24可以存储雷达料位计10的操作所需的任何软件(计算机程序产品)26。存储器24还可以提供在操作期间使用的ram。

处理电路22还可以经由雷达料位计10的接口30连接至用于模拟和/或数字通信的外部通信线路28。例如，接口30与外部控制站(未示出)之间的通信可以通过双线接口提供，双线接口具有以下组合功能：将测量结果发送至控制站并接收用于雷达料位计10的操作的电力。这样的双线接口可以提供或多或少的恒定功率，并且可以使用数字协议例如现场总线基金会或hart将测量结果叠加在电力电压上。可替选地，根据主要的测量结果来调节外部通信线路28中的电流。这样的接口的一个示例是4ma至20ma工业回路，其中，根据测量结果，在4ma至20ma之间调节电流。可替选地，雷达料位计10可以使用例如无线hart协议与外部控制站进行无线通信，并且使用具有电池或其他提取能量的装置的本地电源(未示出)来进行自主操作。

进一步参照图2，收发器18可以包括微波源32。微波源32可以生成电磁发射信号st。电磁发射信号st可以例如在24ghz至27ghz或9ghz至11ghz的范围内。对于gwr，电磁发射信号st可以在1ghz至2ghz的范围内。微波源32可以由处理电路22的定时器或定时电路(未示出)控制。微波源32经由功率分配器34连接至天线20，并且还连接至雷达料位计10的(收发器18的)混频器36。功率分配器34被布置成将来自天线20的电磁返回信号sr连接至混频器36，以使得混频器36能够对来自微波源32的电磁发射信号st与电磁返回信号sr进行混频，并且提供(混频器)输出信号，(混频器)输出信号还被称为中频信号。混频器36还可以连接至带通滤波器38，带通滤波器38继而可以连接至放大器40。

虽然收发器18的元件通常以硬件实现，并且形成通常被称为微波单元的集成单元的一部分，但是处理电路22的至少一些部分通常通过由嵌入式处理器执行的软件模块来实现。本发明不限于该特定实现，并且可以预期适于实现本文中所描述的功能的任何实现。

混频器36的输出信号不仅可以包括关于表面12的回波的信息，而且还包括关于另一回波的信息。另一回波可以来自元件，例如储罐16中的干扰件46或储罐16的底部48。然而，如本申请的背景技术部分所指出的，利用现有的解决方案，可能无法跟踪彼此接近的回波，因为它们未被分辨为两个回波。这可以例如适用于以下情况：表面12正在向上/向下移动并且通过干扰件46或者移动表面12靠近储罐16的底部48。

为此，该处理电路22可以被配置成将通常是范围多普勒算法的算法应用于混频器输出信号，以针对两个维度(距离和水平速率)来确定上述回波，并基于如此确定的表面12的回波来确定距表面12的距离d。本文中的维度距离对应于距离d(值)。

进一步参考图3a至图3b，电磁发射信号st可以包括多个相同的频率扫描50。电磁发射信号可以例如是锯齿形的(正向线性调频脉冲)。每个频率扫描50可以例如具有8ms的长度和3ghz的带宽。在图3a中，频率扫描50在彼此之后立即发生。可替选地，如图3b所示，在每个频率扫描50之后可以存在延迟tdelay。延迟tdelay可以例如是1s。延迟tdelay可以提高分辨率，使得雷达料位计10可以分辨在水平速率上紧密间隔的回波，因为延迟tdelay延长了雷达料位计10查看表面12和元件46的总时间tf。

在将范围多普勒算法应用于混频器输出信号时，处理电路22可以：对于电磁发射信号st的多个频率扫描50中的每个频率扫描50，对混频器输出信号执行第一快速傅里叶变换fft1。每个fft1产生一个频谱。处理电路22将所得到的连续频谱存储在距离时间矩阵51中，其中，每个距离可以是例如25mm的距离箱52。这里的“距离”是距离d，可替选地可以被称为“范围”。另外，处理电路22对距离时间矩阵51中的每个距离(距离箱52)执行第二快速傅里叶变换fft2，从而给出距离水平速率矩阵54，其中，表面的回波56和前述另一回波58各自按上述两个维度(距离和水平速率)来确定，另外参见图4a至图4b。可替选地，距离水平速率矩阵54可以被称为二维频谱。

因此，例如在表面12正在移动(通常向上或向下)并且例如干扰件46是静止的(或具有与移动表面12不同的水平速率)的情况下，应用范围多普勒算法的处理电路22分辨移动表面的回波56和干扰件回波58。在图4a至图4b中，两个回波处于大约10米的相同距离处，但是它们被分辨为两个单独的回波56和58。因此，处理电路22可以基于回波56来确定距表面12的距离d。图4a至图4b示出了多个频率扫描50中的特定频率扫描50的情况，并且如图4a至图4b所示的距离水平速率矩阵54可以例如基于32个(图3b中的n)前述频率扫描50。另外在图4a至图4b中，移动表面的回波56具有1mm/扫描的水平速率，并且干扰件的回波58具有-0.3mm/扫描的水平速率。为了比较，图4c示出了类似的但未使用范围多普勒算法的情况，因而回波56、58未被分辨(分离)。

在图5a所示的特定示例中，随着产品14从储罐16中移出，表面12移动。由处理电路22确定的不同频率扫描下的表面12的回波被绘制并用实线60表示，并且由处理电路22确定的不同频率扫描下的干扰件46(静止的)的回波被绘制并用虚线62表示。如图5a所示，应用范围多普勒算法的处理电路22在移动表面12通过干扰件46的情况下，也能分辨移动表面的回波和干扰件的回波。另一方面，在不使用范围多普勒算法的情况下，可能无法分辨表面的回波，并且在移动表面通过干扰件的情况下，可能丢失距表面的距离的确定，如图5b所示，其中，表面的回波用+表示，干扰件的回波用x表示。

例如在图5a中还可以注意到，即使干扰件46是静止的，在干扰件46位于移动表面12下方并因此浸没在产品14中的情况下，与表面12相比干扰件在相反方向上“移动”。这通过图5a中的虚线62的在与实线60的交点左侧的倾斜部分示出。这还通过图4a至图4b中的干扰件回波58的负水平速率示出。干扰件46的这种感知运动的原因是：信号st和sr的速度取决于介质。

图6是根据本发明的实施方式的方法的流程图。方法可以由雷达料位计10执行。也就是说，方法的步骤可以在雷达料位计10的操作期间执行。方法包括：向表面12发射(s1)具有变化频率的电磁发射信号st；接收(s2)电磁返回信号sr；对所发射的电磁发射信号st与所接收的电磁返回信号sr进行混频(s3)，以提供包括关于表面的回波56的信息和关于另一回波58的信息的输出信号；对输出信号应用(s4)算法，算法提供距离水平速率矩阵54，其中，表面的回波56和另一回波58各自按两个维度即距离和水平速率来确定；以及基于如此确定的表面12的回波56来确定(s5)距表面12的距离d。对输出信号应用算法可以包括：对于电磁发射信号st的多个频率扫描50中的每个频率扫描50，对输出信号执行(s41)第一快速傅里叶变换fft1；将所得到的连续频谱存储(s42)在距离时间矩阵51中；以及对距离时间矩阵51中的每个距离52执行(s43)第二快速傅里叶变换fft2，从而给出距离水平速率矩阵54，其中，表面的回波56和另一回波58各自按上述两个维度来确定。

本领域技术人员认识到，本发明决不限于上述优选实施方式。相反，可以在所附权利要求的范围内进行许多修改和变化。

例如，可以分辨两个以上的回波，例如，表面12的回波、干扰件46的回波和底部48的回波。

另外，代替如图3a中的两次(1d)fft，可以执行一次2dfft。另外，可以使用例如dft(离散傅里叶变换)或goertzel算法来代替fft。

另外，代替添加延迟tdelay，可以通过将更多的频率扫描添加至电磁发射信号st来扩展总时间tf，其中，频率扫描在彼此之后立即发生，例如使用64个频率扫描而不是32个，并且然后仅对于频率扫描中的一些频率扫描，例如每隔一个频率扫描，来执行fft1。