专利名称：测量容器中物质高度的雷达探测法的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量容器中物质高度的雷达探测法，其中布置在预期的最高高度上方的天线向装在容器中的物质表面发射电磁波，并接收反射的回波，测量对应于物质表面反射的需要的回波的群延迟的传播时间，并根据传播时间计算物质高度。
现有的这种类型方法中，高度测量是基于测得的传播时间和电磁波的传播速度的乘积，其为天线和物质表面间距离的2倍，因为电磁波在这段距离上传播两次。这样根据已知的天线安装高度和测量确定的距离之间的差值可得出物质高度。
这种测量方法的先决条件是电磁波的传播速度已知，大多数情况下假定电磁波的传播速度为大气中的光速。当电磁波在其中传播的空间的横向尺寸大于电磁波波长时，这种假定是可允许的。由于高度测量的分辨率取决于电磁波的波长，因此通常总是利用微波进行高度测量，以致在涉及较大容器的情况下，上述先决条件一般被满足。
但是当测量是在插入容器中的小管中进行，并且管子的直径小于电磁波的波长时，例如在所谓的脉动管中进行测量时，或者当容器自身的直径相当小时，上述假定不再许可。电磁波在其中传播的管子或小直径容器的作用就象波导管一样。波导管中电磁波的群速取决于波导管的几何形状，并且小于光速，为光速和一个系数(称为降低系数)之积。群速是能量在波导管中的传送速度。当仍然根据反射回波的波幅测量传播时间时，测得的传播时间是群延迟。降低系数一般为0.7～1.0，这样忽略降低系数，即假定降低系数总是等于1，将导致严重的测量误差。因此在高精度测量情况下，精确地知道降低系数尤其重要。
在常规的利用微波测量高度，并将考虑降低系数的方法中，在开始测量之前先进行校准，这包括在容器为空的情况下，或者在已精确知道物质高度的情况下测量传播时间。但是当需要在容器部分充满物质，并且物质的高度不能精确已知的情况下开始测量时，不可能进行这种校准。此外，仅仅进行一次校准不足以确定时间过程中降低系数是否发生变化，或者不足以确定在容器的不同部分中是否存在不同的降低系数。
本发明的目的是提供一种不需要进行单独校准，在操作中就能够精确地确定降低系数的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种测量容器中物质的高度的雷达探测法，其中布置在预期的最高高度上方的天线向装在容器中的物质的表面发射电磁波，并接收反射的回波，测量对应于由物质表面反射的需要的回波的群延迟的传输时间，根据传输时间计算物质的高度，其中为了确定表征由于传播空间几何形状而使电磁波的群速不同于电磁波在自由空间中的传播速度的降低系数，测量不同的物质高度下需要的回波相对于基准振荡的相差及群延迟，并根据作为群延迟函数的相差的变化来确定降低系数。
本发明的方法利用了波导管中电磁波的群速和相速彼此不同，但是彼此之间以相应于降低系数平方的比例相联系的事实。由于电磁波的相位变化产生于相速下，因此可根据在不同高度下测得的相差变化，及在相应的同一高度下测得的群延迟的变化来确定降低系数，确定降低系数的唯一先决条件是需要改变物质的高度，而这在高度测量中是当然的事。
参考附图，根据下面的例证实施例的说明，可理解本发明的其它特征和优点。
图1是基于雷达探测法的高度测量装置的示意方框图；图2说明了根据本发明方法的第一实施例如何确定降低系数；图3说明了根据本发明方法的第二实施例如何确定降低系数。
参见图1，图1是根据脉冲延迟法，在部分充填液体12的容器10中借助微波进行工作，测量高度的装置的方框图。在容器10底部上方的液面14的高度H是要测量的高度。高度测量不是在整个容器中进行的，而是在一个相对较窄的管子16中进行的，管子16插入容器10中，其高度几乎等于容器10的高度，并且底端开口，以便使液体12充入其中，直到高度H为止。
为了测量高度，把天线20布置在预期的最高高度的上方，以便天线20能够向管子16内部发射微波，并接收从物质的表面14反射的回波。发射产生器22连续不断地产生具有要发射微波的频率的高频振荡。发射产生器22的输出端经过门电路24和双工器26和天线20连接。时钟28产生施加给门电路24的控制输入的周期发射时钟脉冲，每个输出时钟脉冲短暂打开门电路，以便持续短暂的发射时间间隔把发射产生器22产生的高频振荡施加给天线20，从而天线20在发射时钟的每个周期中发射短暂的微波脉冲。微波脉冲通过管子16传播到液体12的液面14，从液面14反射的微波作为回波脉冲返回天线20。回波脉冲在每个发射时钟周期中邻近短暂发射时间间隔的接收时间间隔中被接收。
天线20在各个接收时间间隔中接收的全部微波信号经过双工器26被输送给求值电路30。除了含有在液面14被反射的需要的回波脉冲之外，这些微波信号可能还含有噪声信号。在求值电路30的功能块31中，首先识别需要的回波脉冲。这可按照常规方法，依据在整个接收时间间隔内接收的微波信号形成的包络线来完成。包络线表示作为时间函数的接收信号振幅，并构成所谓的回波函数，回波函数可被存储、被数字化。识别需要的回波脉冲是通过按照给定的准则，分析回波函数的振幅轮廓，例如在考虑到随其传播时间而变化的回波信号衰减的情况下，通过确定最大振幅值来完成的。
随后在功能块32中，确定需要的回波脉冲的传播时间。为此，功能块32一方面接收由时钟28提供的发射时钟脉冲，另一方面，从功能块31接收指示收到回波函数中确定的需要的回波脉冲的折点的时刻的信号。折点可能是，例如需要的回波脉冲的峰值，或者信号值从峰值下降给定值，例如下降3dB的点。功能块32测量每个发射时钟周期中，时钟28发射的发射时钟脉冲的产生时刻和需要的回波脉冲的选定折点的接收时刻之间的时间间隔。该时间间隔表示微波从天线20传播到物质表面14，再传播回天线20的传播时间。
功能块32向功能块33提供指示测得的传播时间τ的信号。功能块33首先按照下面的公式，根据测得的传播时间τ计算物质表面14到天线20的距离D。
D=1/2·v·τ (1)其中v是微波的传播速度。因子1/2考虑了微波在距离D上往返两次。根据计算得到的距离D，及在容器10底部上方的天线20的已知安装高度E，随后从关系式H=E-D (2)得到要测量的高度H。
至此说明的求值电路30的部分相应于根据脉冲延迟法，采用微波的高度测量系统的常见结构。在这种系统中，通常总是假定微波在天线20和物质表面14之间的传播速度等于大气中的光速c。
但是如图1中所示，当微波在直径较小的管子中传播时，或者相应地当容器自身的直径较小时，这种假定不再适用。微波在其中传播的小直径管子或容器的作用就象波导管一样。微波在波导管中以群速vGr传播，群速vGr小于大气中的光速c，它为光速c与降低系数FR的乘积vGr=FR·c (3)降低系数FR取决于微波的波长，及波导管的几何形状，在高度测量应用中，其值通常为0.7～1.0。
另一方面，波导管中微波的相速大于大气中的光速c，它为光速c与降低系数FR倒数的乘积vPh=1/FR·c(4)群速vGr是能量在波导管中的传播速度。由于在如图1中所示的求值电路30的功能块32中，测定发射微波和达到预定幅度值之间的时间间隔，测得的时间间隔是相应于在群速vGr下传播的群延迟τGr:
τGr=2D/vGr=2D/c·1/FR(5)于是根据测得的群延迟得到的距离D为
D=1/2·τGr·vGr=1/2·τGr·FR·c(6)这样，为了在功能块33中精确计算高度值，必须知道降低系数FR。
在2倍距离D上产生的相延迟相应地由下述给出τPh=2D/vPh=2D/c·FR(7)构成如图1中所示的求值电路30，以便可在任意时刻，在进行中的操作中确定实际的降低系数FR，并在根据测得的群延迟τGr计算高度时把实际的降低系数FR考虑在内。
为此，求值电路30包含另两个功能决34和35。在功能块34中，测定在群延迟τGr在功能块32中被确定的瞬时，接收的微波信号与基准振荡的相差φ。该瞬时由功能块31的输出信号通知功能块34。基准振荡最好具有和发射的微波完全相同的频率；在如图1中所示的实施例中，发射产生器22产生的高频振荡用作基准振荡，并施加给功能块34。相差φ最高不过为2π的倍数，可对2π求模(模2π)确定相差φ。相差φmod2π的值被通知功能块35，功能决35还从功能块32接收测定的群延迟τGr。测定的群延迟τGr和测得的相差φmod2π的每一对数值对应于特定的传播距离2D，即对应于特定的高度H。当高度H改变时，群延迟τGr及相差φmod2π的测量值改变。在高度测量系统的操作中，在如图1中所示的求值电路30中确定降低系数FR中利用的一个事实是高度H，从而距离D通常经常发生变化。为此在功能块35中计算降低系数FR，并将其提供给功能块33，功能块33用于校正高度计算。借助下面说明的方法之一，根据对应于不同高度的相差φmod2π及群延迟τGr的数值对完成高度计算。
方法A在功能块35中，记录群延迟τGr和相差φmod2π的相关数值对。当作出相差φmod2π对群延迟τGr的关系曲线时，得到如图2中所示的实线。相差φ随着群延迟τGr循环变化，变化周期大致相当于基准频率的倒数。当转变成空间距离时，一个变化周期相当于一个波长，在频率为几千兆赫的情况下，波长为几个厘米。在每个循环之后，相差φ移动2π，在图2所示的曲线中为+π到-π。
在下一步骤中，借助合理的理由消除相移。如果对于传播时间的细微差别，产生巨大的相差差别，这意味着存在相移，相移可通过增加或减去2π或2π的倍数来校正。开始点，即开始相移校正时的物质高度与相移校正没有关系。该过程产生如图2中由G指示的延长直线。
为了避免在相邻两次测量之间相移数目的不确定，最好假定高度变化的最大速率的估计值。相邻两次测量之间的时间间隔Δt必须足够小，以便波长λ除以时间间隔Δt的商大于高度变化的最大速率Vmaxλ/Δt＞＞Vmax(8)当高度改变距离Δx时，群延迟τGr和相差φ分别变化相应的值ΔτGr和Δφ。如果基准频率ωref等于发射频率ωs:
ωref=ωs=ω(9)则存在下述方程式Δx=12·Δφω·c·1FR---(10)]]>Δx=12·ΔτGr·c·FR---(11)]]>联立求解Δx的这两个方程式，得到直线G的斜率mm=ΔφΔτGr=FR2·ω---(12)]]>最好通过统计方法，例如借助最小二乘法来确定直线的斜率。最好把聚点聚集到一起，以便消除统计误差源，当高度在较长的时间内仅发生稍许变化时，这样处理特别有利。
根据直线G的斜率m及频率ω，可如下得到降低系数FRFR=mω=Δφ/ΔτGrω---(13)]]>方法B
和方法A中一样，跟踪高度上的变化，并测量和每个高度相关的群延迟τGr和相差φmod2π的数值对，不过和方法A不同，对于每个测得的相差φ，在功能块35中确定相关的相延迟τPhτPh=φω---(14)]]>同样已知该相延迟也仅是mod2πω。
在本方法中，FR不是根据群延迟τGr和相差φ的相关数值对获得的，而是根据群延迟τGr与群延迟τGr和相延迟τPh之间的差值τGr-τPh的相关数值对获得的。同样差值τGr-τPh也仅为模2π/ω(mod2πω)。由于在距离x上传播两次，因此存在下述方程式τGr=2·xvGr=2·xc·1FR---(15)]]>τPh=2·xvPh=2·xc·FR---(16)]]>(τGr-τPh)mod2πω=[2·xc·(1FR-FR)]mod2πω---(17)]]>作出该差值对群延迟τGr的关系曲线，得到如图3中所示的曲线。除了周期T长得多之外，该曲线具有和图2中根据方法A作出的曲线相同的外形，周期T由下式给出T=1ω·(1-FR2)---(18)]]>几千兆赫兹频率下的周期转变成空间距离大致相当于1米。当以相速传播的信号分量与以群速传播的信号分量之间的延迟差大于基准频率的一个周期时，将始终产生相移。
和方法A中一样，借助合理的考虑消除相移，其结果是直线部分被顺序连接到延长线G中。为了避免连续测量之间的相移数目的不确定，最好假定高度变化的最大速率的估计值。相邻两次测量之间的时间间隔Δt必须足够小，以便波长λ除以时间间隔Δt得到的商大于高度变化的最大速率。
当高度变化距离Δx时，群延迟τGr和相延迟τPh分别变化相应的值ΔτGr和ΔτPhΔτGr=2·Δxc·1FR---(19)]]>ΔτPh=2·Δxc·FR---(20)]]>于是差值ΔτGr-ΔτPh变化ΔτGr-ΔτPh=2·Δxc·(1FR-FR)---(21)]]>如图3中所示的直线G的斜率m为m=ΔτGr-ΔτPhΔτGr=1-FR2---(22)]]>最好通过统计方法，例如借助最小二乘法来确定直线的斜率。最好把聚点聚集到一起，以便消除统计误差源，当高度在较长的时间内仅发生稍许变化时，这样处理特别有利。
根据直线G的斜率m，可如下计算降低系数FRFR=1-m=1-ΔτGr-ΔτPhΔτGr---(23)]]>如果已知降低系数的近似值FRn，例如根据早先的测量或根据估计已知FRn，则可得到方法B的改型，方法B的改型不使用群延迟τGr和相延迟τPh之间的差值τGr-τPh，而是利用群延迟τGr和相延迟τPh与近似值FRn平方的倒数的乘积之间的差值τGr-τPh·1FRn2---(24)]]>作出该差值对群延迟τGr的关系曲线，得到具有和图3中的曲线类似外形的曲线，只是随着近似值FRn精度的增加，直线段的斜率变得更小。当近似值FRn以系数ε不同于实际值FR时，即FR=FRn·ε (25)则高度变化Δx时，群延迟变化值ΔτGr和相延迟变化值ΔτPh分别为ΔτGr=2·Δxc·1FRn·ϵ---(26)]]>ΔτPh=2·Δxc·FRn·ϵ---(27)]]>这种情况下直线G的斜率m为m=ΔτGr-ΔτPh·1FRn2ΔτGr=2·xc·1FRn·(1ϵ-ϵ)2·Δxc·1FRn·ϵ=1-ϵ2---(28)]]>根据上面的方程式，可如下计算系数εϵ=1-ΔτGr-ΔτPh·1FRnΔτGr---(29)]]>随后根据公式(25)，可从近似值FRn和系数ε得到降低系数FR。
方法B的改型的优点在于可借助实际高度测量的任何情况下都存在的测量数据及程序单元计算降低系数。
当然，图1中表示的实现各种测量和计算的功能块不是由分散的电路构成的，而是通过对微计算机相应编程实现的，这一点尤其适用于接收群延迟τGr和相差φ的测量数值对，并根据所述方法之一分析接收的数值对的功能块35。
说明的每种方法都能够在不知道实际高度的情况下，计算降低系数。另外，能够识别并补偿操作中任意由于诸如结壳之类原因引起的降低系数的改变。此外，也能够确定容器不同部分中的不同降低系数。
在例如德国公开DE4404745C2中说明的时域反射计高度测量中，微波脉冲沿着延伸到容器中的线路(Goubau线路)传播，并在容器中的物质的表面被反射，由于在这种Goubau线路上，微波也是以群速和相速传播，而不是以大气中的光速传播，因此如上所述的方法也可应用于时域反射计高度测量中。
权利要求
1．一种测量容器中物质的高度的雷达探测法，其中布置在预期的最高高度上方的天线向装在容器中的物质表面发射电磁波，接收反射的回波，并测量对应于物质表面反射的需要的回波的群延迟的传播时间，根据传播时间计算物质的高度，其中为了确定表征由于传播空间几何形状而使电磁波的群速不同于电磁波在自由空间中的传播速度的降低系数，测定在不同的高度下需要的回波与基准振荡的相差及群延迟，并根据作为群延迟函数的相差的变化来确定降低系数。
2．按照权利要求1所述的方法，其中根据相差一群延迟函数曲线的斜率计算降低系数。
3．按照权利要求2所述的方法，其中通过似然性考虑(plausibilityconsideration)消除已知仅是模2π的函数值的不定性。
4．按照权利要求1所述的方法，其中根据各个测得的相差，计算相应的相延迟，并根据群延迟和相延迟之间的差值与群延迟的函数曲线的斜率计算降低系数。
5．按照权利要求4所述的方法，其中通过似然性考虑消除已知仅是模2π/ω的函数值的不定性。
6．按照权利要求1所述的方法，其中根据每个测得的相差，计算相应的相延迟，并根据群延迟和乘以降低系数近似值倒数的平方的相延迟之间的差值与群延迟的函数曲线的斜率计算降低系数。
7．按照权利要求6所述的方法，其中通过似然性考虑消除已知仅是模2π/ω的函数值的不定性。
全文摘要
为了借助雷达探测法测量容器中的物质的高度,布置在预期的最高高度上方的天线向装在容器中的物质表面发射电磁波,并接收反射的回波。测量物质表面反射的需要的回波的传播时间,并根据传播时间计算物质的高度。由于传播时间对应于群延迟,为了确定由于传播空间几何形状而使电磁波的群速不同于电磁波在自由空间中的传播速度的降低系数,测定在不同的高度下,需要的回波与基准振荡的相差及群延迟,并根据作为群延迟函数的相差的变化来确定降低系数。
文档编号G01S13/00GK1234509SQ99106338
公开日1999年11月10日 申请日期1999年5月6日 优先权日1998年5月6日
发明者罗伯特·莱拉, 罗兰特·米勒, 迈克尔·辛茨 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司