具有改进的距离确定的料位测量的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种确定离散时间信号的频率分量的方法。此外，本发明设及一种通 过FMCW雷达确定到雷达目标的距离的方法，并且设及用于通过FMCW雷达确定到雷达目标 的距离的距离测量设备。
【背景技术】
[0002] 现场设备经常应用于过程自动化技术，其用来记录和/或影响过程变量。运样的 现场设备的示例有料位测量设备、质量流量测量设备、压力和溫度测量设备、等等，作为传 感器分别寄存相应的过程变量，料位、流量、压力和溫度。
[0003] 原则上，称为现场设备的所有设备，被应用于过程附近并用于传递或处理与过程 相关的f胃息。
[0004] 大量运样的现场设备由恩德莱斯和豪瑟尔公司生产和出售。
[0005] 在很多测量应用的情况下，为了能够确定频谱中所包含的频率分量，目标是将时 间信号转换成相应的频谱。
[0006] 例如，为了确定容器或储槽的料位，可W使用根据FMCW雷达的原理工作的料位测 量设备。在运种情况下，频率调制雷达传输信号被发射并在液体或散装货物的表面被反射 回到料位测量设备。作为测量的结果，获得离散时间信号，其中含有一个或多个频率分量。 基于离散时间信号中所包含的频率分量，在容器或储槽中的料位可W被推导出来。在运种 情况下，用来确定料位的精确度，取决于时间信号中所含有的频率分量的可确定的精确度。
【发明内容】
[0007] 因此，本发明的目的是W改进的精确度使包含在时间信号中的频率分量能够被确 定。
[0008] 运个目的通过权利要求1、14和15提出的特征实现。
[0009] 本发明的有利的进一步发展在从属权利要求中提出。
[0010] 根据本发明的实施例的形式，确定离散时间信号中的频率分量的方法，包括通过 快速傅里叶变换将离散时间信号转换到频域，其中获得作为频率采样值的序列的频谱。此 夕F，该方法包括检测频谱中的峰值、在检测到的峰值附近引入至少一个额外的频率支持点、 通过戈泽尔算法在该至少一个额外的频率支持点处确定频率幅值、W及通过应用由快速傅 里叶变换提供的频率采样值W及在该至少一个额外的频率支持点处的频率幅值来确定所 检测峰值的峰值最大值的位置。
[0011] 通过在检测到的峰值附近引入额外的频率支持点，频谱可W被选择性地进一步在 峰值的附近被划分。戈泽尔算法使得在至少一个补充引入的频率支持点的频率幅值可 相对小的计算量确定。通过在检测获得的峰值附近引入额外的频率支持点，在需要提高频 率分辨率的地方，也就是峰值附近，频谱被有选择地细化。因为由快速傅里叶变换提供的频 率采样值W及为确定检测获得的峰值的峰值最大值补充引入的频率支持点处的频率幅值 都被加w考虑，峰值最大值的位置可ww比w前可能的要明显更高的精度确定。
[0012] 特别是，该方法可W实现更精确的频谱中峰值位置的确定，而不增加快速傅里叶 变换使用的时间采样值的数量。快速傅里叶变换使用的时间采样值的数量的增加，使所需 的计算能力和存储器需求显著上升。本方法使峰值最大值的确定更精确，而没有显著增加 所需的计算能力和所需的存储器。
[0013] 在运种情况下，当上面描述的方法被用于根据FMCW雷达原理确定到雷达目标的 距离的雷达测量设备时尤为有利。
[0014] 当上述方法被用于根据FMCW雷达原理确定容器或储槽料位的料位测量设备时， 尤其有利。在确定频率分量时精确度的提高意味着，通过运种方法，容器或储槽的料位可W W亚毫米的范围内的精度加W确定。
[0015] 通过根据本发明的实施例的形式的FMCW雷达确定到雷达目标的距离的方法包括 发射调频传输信号，接收在至少一个雷达目标上的反射信号，将接收到的信号下混频到中 频范围并数字化获得的中频信号，通过上述方法确定包含在该数字化的中频信号中的至少 一个频率分量的峰值最大值的位置，W及将峰值最大值的位置转换为到雷达目标的距离。
[0016] 对应于根据本发明的实施例的形式的距离测量设备起通过FMCW雷达确定到雷达 目标距离的作用并包含发射单元，该发射单元发射雷达传输信号，接收单元，该接收单元接 收在至少一个雷达目标上反射的雷达接收信号，将该雷达接收信号下混频到中频范围并数 字化获得的中频信号，W及评估单元，该评估单元被设计为通过上述方法确定包含在数字 化的中频信号中的至少一个频率分量处的峰值最大值的位置。
【附图说明】
[0017] 本发明将基于附图中所示的实施例的大量的示例被更详细地解释，附图示出如 下：
[001引 图1A为根据FMCW原理的距离传感器的框图；
[0019] 图1B为根据时间的发射和接收信号的频率；
[0020] 图2为用于在容器或储槽中确定料位的料位传感器；
[0021] 图3A为根据时间的数字化的中频信号；
[0022] 图3B为由快速傅立叶变换确定的图3A所示的中频信号的频谱；
[0023] 图4为用于确定包含在谱中的频率分量的方法；
[0024] 图5为通过连续间隔二等分在峰值附近对由FFT提供的频率栅格的额外细分；
[00巧]图6为在抛物线的协助下用于近似峰值最大值附近的峰值的布伦特方法；W及
[0026] 图7为依照戈泽尔算法，传递预定频率处相应的频率幅值的滤波器的图形化表 /J、- 〇
【具体实施方式】
[0027] 在通过根据FMCW(调频连续波）原理的雷达测量距离的情况下，调频雷达信号被 W连续波操作方式发射并在各个目标上反射。反射信号被距离传感器接收并评估。
[002引图1A示出根据FMCW原理工作的距离传感器的框图。距离传感器的发送支路包括 产生频率调制信号的信号发生器100。信号发生器100产生的信号通过频率倍增级101进 入放大器102,在频率倍增级101中信号频率被乘W预定的因数。在放大器102中，信号被 放大，然后被馈送到发送端口 103。发送端口 103发射调频雷达传输信号。
[0029] 图1B示出根据时间的所产生的传输信号113的频率。应该注意，传输信号113的 频率交替地线性增加和减少，因此，作为一个整体形成=角形曲线。在第一调制周期长度T。 期间，传输信号的频率从频率f。线性增加到频率f。+Af。，其中，变量Af。被称为频率扫描。 在随后的第二调制周期长度T。期间，频率从Af。线性下降到f。。作为S角曲线的另一 种选择，传输信号的频率也可W具有银齿形的频率曲线。
[0030] 例如，雷达传输信号的频率，在大约20GHz至IjlOOGHz的范围。例如，频率扫描Af。 可能具有几GHz的数量级。调制周期长度可W被选择，例如，从约0. 1毫秒到5毫秒之间的 范围。运些数字只是用于说明典型的数量级。运些范围W外的方案也是可能的。
[0031] 如图1A所示，福射出的传输信号的一部分由离距离传感器的距离或范围为R的目 标104反射回距离传感器。反射信号被距离传感器的接收端口 105接收并馈送到接收混频 器106。在接收混频器106中，接收到的信号与立刻发射的传输信号混合。雷达信号需要从 发射端口 103到目标104并回到接收端口 105的路径的传播时间T，其可W表示为
[003引
社）
[003引其中，R是目标距离，C是光速。
[0034] 除传输信号113夕F，图1B还示出W传输时间T延迟的接收信号114。在雷达信 号所需的传播时间X中，由信号发生器产生的传输信号113继续上升，使得瞬时福射的传 输信号的频率高于接收信号的频率。作为雷达信号的传输时间X的结果，因此，发射和接 收信号之间的频率差的特征为传输时间T和到目标的距离。运个频率差被称为目标频率 ftarget。目标频率ftarget同样被表示在图1B中。
[003引 目标频率ftarge河W从频率扫描Af。与传输信号的调制周期长度T。和从传输时 间X导出。因此，目标频率fhfg。,等于
[003引
[0037] 由于变量Af。、T。、C是常数，目标频率ftarget和相关距离R之间存在正比例关系。 由图1A中接收混频器106产生的混频信号107因此包含一个或多个目标的频率分量，从 中，在每种情况下，可W确定相关的距离。
[0038] 混频信号107由抑制高于极限频率的频率分量的采样低通滤波器108滤波。采样 低通滤波器108限制数字化之前的混频信号107的带宽。此外，通过极限频率建立最大距 离Rm。、。在低通滤波器滤波后，中频信号109被模拟到数字转换器110进行采样并被数字 化。运样获得的数字化的中频信号111被馈送到确定中频信号中所包含的频率分量的数字 信号处理单元112W用于评估。优选地，数字信号处理单元110执行采样值的傅里叶变换 (快速傅里叶变换，FFT)，其中，距离可W从傅里叶谱的峰值直接确定。
[0039] 图1A所示类型的距离传感器可W被用作，例如，过程测量技术中的料位测量设 备，W确定到液体表面或容器中散装货物的距离。
[0040] 运样的料位测量设备被示出在图2中。料位测量设备200被安装在部分充满液体 202的容器或储槽2