阵列调频雷达实时断面测量装置的制作方法

本实用新型涉及断面测量技术领域，尤其涉及阵列调频雷达实时断面测量装置。

背景技术：

在过程工业，例如钢铁行业中，经常遇到需要测量某一对象的断面。该断面包括复数个介质层堆叠而成。现有的一种断面测量方法是使用接触式的测量方法。即将测量的探头，例如雷达探头，插入被测对象中进行测量。对于某些对象，例如高温、腐蚀等，接触式的测量方法就不大适用。现有的另一种断面测量方法是使用人工的方式使用探针进行测量，其不能进行实时测量。现有的再一种断面测量方法是使用两个或多个雷达测量装置配合使用，其价格昂贵、对安装空间有一定要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的之一是提供阵列调频雷达实时断面测量装置，其能够非接触地、实时地测量断面，集成度高、体积小。

本实用新型的一个方面提供了阵列调频雷达实时断面测量装置，包括：

一天线阵列，其用于发射和接收雷达信号，发射和接收的雷达信号为频率逐渐变化的电磁波脉冲序列；

一芯片，其能够生成并调整天线阵列中每一天线发射的雷达信号，从天线接收被断面的界面反射的雷达信号，将发射的雷达信号和接收的雷达信号进行处理并转换成数字信号存储下来；和

一数据处理和输入输出模块，其能够根据数字信号计算得到断面的界面与天线阵列的天线之间的距离和/或断面的各层的厚度；并且接收用户输入的雷达信号的参数并传输给芯片以生成雷达信号。该阵列调频雷达实时断面测量装置能够非接触地、实时地测量断面，集成度高、体积小。

在阵列调频雷达实时断面测量装置的一种示意性的实施方式中，芯片包括：

一射频信号和本机振荡信号合成器，其能够合成射频的雷达信号和本机振荡信号；

一发射/接收隔离器，其从射频信号和本机振荡信号合成器获得合成的雷达信号并发送给天线阵列，从天线阵列接收反射的雷达信号，并且隔离发送和接收的雷达信号；

一模拟前置低噪声放大器，其从发射/接收隔离器获得接收的雷达信号并放大；

一混频器，其从射频信号和本机振荡信号合成器获得本机振荡信号，从模拟前置低噪声放大器获得放大后的雷达信号，并将本机振荡信号和放大后的雷达信号进行混频得到一中频信号；

一中频信号处理器，其对中频信号进行滤波和放大；

一模数转换器，其将中频信号处理器输出的模拟信号转换为数字信号；

一数字存储器，其能够存储数字信号；和

一控制器，其能够控制芯片中各个器件的协同工作。

该芯片结构简单，集成度高，能够通过发射和接收的雷达信号进行频域的信号混频处理，得到的数字信号便于后续应用中计算界面或界面中的点与天线阵列的天线的距离，进而计算得到被测对象的断面的各层的厚度，绘制被测对象的断面的二维或三维图等。

在阵列调频雷达实时断面测量装置的另一种示意性的实施方式中，数据处理和输入输出模块包括一数据处理和成像单元，其能够从数字存储器中获得数据并计算得到断面的各个界面与天线阵列的天线之间的距离，并形成断面的二维/三维图像。数据处理和成像单元将该断面的二维/三维图像输出给成像设备进行图像的显示(例如显示器、增强现实、虚拟现实等)，更便于用户查看被测对象的断面信息。

在阵列调频雷达实时断面测量装置的再一种示意性的实施方式中，数据处理和输入输出模块还包括至少一接口，其为USB接口、PROFINET接口、无线PLC接口以及4-20mA通讯接口中的一个或多个。多种不同的接口有利于该测量装置与外部设备(例如远程控制中心、用户电脑、工业云)进行通讯。

在阵列调频雷达实时断面测量装置的又一种示意性的实施方式中，数据处理和成像单元还能够接收并存储与被测对象的各个界面相匹配的雷达信号的参数；射频信号和本机振荡信号合成器从数字存储器获得来自数据处理和成像单元的雷达信号的参数以合成射频的雷达信号。用户能够方便地(例如通过接口)向数据处理和成像单元输入雷达信号的参数，每个界面对应雷达信号的一组参数，便于测量时根据被测对象调整雷达信号，使用方便。

在阵列调频雷达实时断面测量装置的又一种示意性的实施方式中，还包括一第一PCB板，天线阵列和芯片集成于第一PCB板上。这样，进一步提高了集成度。

在阵列调频雷达实时断面测量装置的又一种示意性的实施方式中，射频信号和本机振荡信号合成器包括：

一射频信号合成器，用于合成射频的雷达信号，射频的雷达信号为三角波或锯齿波；和

一本机振荡信号合成器，用于生成本机振荡信号，本机振荡信号为射频的正弦波信号。

附图说明

下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本实用新型上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明，其中：

图1是本实用新型的一个实施例提供的阵列调频雷达实时断面测量装置结构示意图；

图2是本实用新型的一个实施例提供的使用阵列调频雷达实时断面测量装置测量一被测对象的断面的示意图；

图3是本实用新型的一个实施例提供的使用该装置测量该被测对象的断面的方法流程图。

标号说明：

10被测对象

11第一层

12第二层

13环境介质层

14第一界面

15第二界面

20天线阵列

21天线

30芯片

31射频信号和本机振荡信号合成器

311射频信号合成器

312本机振荡信号合成器

32发射/接收隔离器

33模拟前置低噪声放大器

34混频器

35中频信号处理器

36模数转换器

37数字存储器

38控制器

40数据处理和输入输出模块

41数据处理和成像单元

42USB接口

43PROFINET接口

44无线PLC接口

45 4-20mA通讯接口

50第一PCB板

T1第一发射信号

T2第二发射信号

R1第一反射信号

R2第二反射信号

H1第一界面与天线阵列的天线的距离

H2第二界面与天线阵列的天线的距离

具体实施方式

为了对实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

下面讨论的各图以及被用来描述在该专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅以说明的方式并且无论如何不应该被解释成限制本公开的范围。本领域技术人员将会理解，可以在任何适当布置的设备中实施本公开的原理。将参考示例性非限制实施例来描述本申请的各种创新教导。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地示出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

图1是本实用新型的一个实施例提供的阵列调频雷达实时断面测量装置结构示意图。图2是本实用新型的一个实施例提供的使用阵列调频雷达实时断面测量装置测量一被测对象的断面的示意图。从图1和图2中可以看出，该被测对象10包括堆叠的第一层11和第二层12。该被测对象10的断面包括至少一第一界面14和一第二界面15。第一层11的上方为环境介质层13(例如空气层)。第一层11与环境介质层13的界面为第一界面14，第二层12和第一层11之间的界面为15。第一层11、第二层12和环境介质层13为不同的材料，介电常数相互不同。

该阵列调频雷达实时断面测量装置包括：

一天线阵列20，其用于发射和接收雷达信号，发射和接收的雷达信号为频率逐渐变化的电磁波脉冲序列；

一芯片30，其能够生成并调整天线阵列20中每一天线21发射的雷达信号，从天线21接收被断面的界面(第一界面14或第二界面15)反射的雷达信号，将发射的雷达信号和接收的雷达信号进行处理并转换成数字信号存储下来；和

一数据处理和输入输出模块40，其能够根据数字信号计算得到断面的界面(第一界面14或第二界面15)与天线阵列20的天线21之间的距离和/或断面的各层(第一层11和第二层12)的厚度；并且接收用户输入的雷达信号的参数并传输给芯片30以生成雷达信号。

测量前或测量开始时，用户(例如测量人员)通过数据处理和输入输出模块40设置雷达信号的参数。雷达信号为频率逐渐变化的电磁波脉冲序列。雷达信号的参数包括频率、周期、波形、以及频率变化的斜率等。针对被测对象10的断面的每一界面，用户能够实时地调整该雷达信号参数，使得该雷达信号与该界面相匹配，即该雷达信号在该界面和天线阵列10之间的介质中传输具有最佳的穿透能力。当然，也可以事先做大量实验，获得与被测对象10的断面的界面相匹配的雷达信号的参数的数据库，存储于数据处理和输入输出模块40中。每次测量时，用户手动或该装置自动根据被测对象10的界面选择与之相匹配的雷达信号的参数。

芯片30根据该雷达信号的参数，生成并调整天线阵列20中每一天线21发射的雷达信号。对于被测对象10的每一界面，天线阵列20中的一个天线21发射该雷达信号，该雷达信号在该界面的某个点被反射，该天线21接收该点反射的雷达信号。每一界面对应一匹配的雷达信号。对同一界面进行测量时每一天线21对应发射的雷达信号相同。不同的天线21发射的雷达信号被该同一界面上不同的点反射。在一个示意性的实施方式中，同一天线21接收其自身发射的雷达信号的反射信号。在另一示意性的实施方式中，天线21能够进行排列组合，某一天线发射的雷达信号，由另一天线接收其对应的反射的雷达信号。也即是说，每一天线21发射的雷达信号，被与该雷达信号相匹配的界面的一个相应的点反射，得到反射的雷达信号；同一界面上的每一点对应一发射的雷达信号和一反射的雷达信号。

芯片30将同一界面上的每一点或某一点对应发射的雷达信号和反射的雷达信号进行处理并转换成数字信号存储下来，便于后续的应用处理。

数据处理和输入输出模块40根据芯片30中存储的同一界面上的每一点或某一点对应的数字信号，计算得到该界面的每一点或某一点与天线阵列20的天线21之间的距离。例如，对于第一界面14的一点，可以得到该点与天线阵列20的天线21之间的距离，称为第一距离。对于第一界面14上的多个点，均可以得到每一点与天线阵列20的天线21之间的距离，即第一距离。根据第一界面14上的各个点的第一距离，能够绘制出第一界面14的二维或三维图。类似的，对于第二界面15的一点，可以得到该点与天线阵列20的天线21之间的距离，称为第二距离。对于第二界面15上的多个点，均可以得到每一点与天线阵列20的天线21之间的距离，即第二距离。根据第二界面15上的各个点的第二距离，能够绘制出第二界面15的二维或三维图。根据各个界面与天线阵列20之间的距离，能够得到被测对象断面的各层的厚度。

有上述可知，该阵列调频雷达实时断面测量装置能够非接触地、实时地测量断面，集成度高、体积小，并且具有如下有益效果中的至少一个：

1)采用天线阵列发射并接收雷达信号，为非接触式测量，安全且节约人工；

2)利用多相阵雷达(multiphase array radar)在不同介质层之间的界面具有不同的穿透/反射特性，能够实现同时测量多个参数；

3)使用一个芯片实时地处理多个不同反射状态的的雷达信号，并生成数字信号供后续具体应用使用；

4)能够实现多点测量，进而实现被测对象的断面的二维或三维图像的绘制；

5)对于不同的界面测量，均使用同一单个测量装置，集成度高，高抗干扰性能，成本低，体积小，易于安装。

在一个示意性的实施方式中，芯片30包括：

一射频信号和本机振荡信号合成器31，其能够合成射频的雷达信号和本机振荡信号；

一发射/接收隔离器32，其从射频信号和本机振荡信号合成器31获得合成的雷达信号并发送给天线阵列20，从天线阵列20接收反射的雷达信号，并且隔离发送和接收的雷达信号；

一模拟前置低噪声放大器33，其从发射/接收隔离器32获得接收的雷达信号并放大；

一混频器34，其从射频信号和本机振荡信号合成器31获得本机振荡信号，从模拟前置低噪声放大器33获得放大后的雷达信号，并将本机振荡信号和放大后的雷达信号进行混频得到一中频信号；

一中频信号处理器35，其对中频信号进行滤波和放大；

一模数转换器36，其将中频信号处理器35输出的模拟信号转换为数字信号；

一数字存储器37，其能够存储数字信号；和

一控制器38，其能够控制芯片30中各个器件的协同工作。

数字存储器37能够与数据处理和输入输出模块40进行通信，接收用户输入的雷达信号的参数。

射频信号和本机振荡信号合成器31从数字存储器37获得要发射的雷达信号的参数，合成射频的雷达信号。另外射频信号和本机振荡信号合成器31还生成本机振荡信号。

一个示意性的实施方式中，射频信号和本机振荡信号合成器31包括：

一射频信号合成器311，用于合成射频的雷达信号，射频的雷达信号为三角波或锯齿波；和

一本机振荡信号合成器312，用于生成本机振荡信号，本机振荡信号为射频的正弦波信号。

发射/接收隔离器32向天线阵列20的天线21发送合成的雷达信号并由其发射出去，并且还接收由界面上的一个点反射的雷达信号。发射/接收隔离器32还对发送和接收的雷达信号进行隔离，防止二者相互干扰。

模拟前置低噪声放大器33对接收的雷达信号进行放大，其能够抑制来自环境、天线21、放大器33等自身的噪声，信噪比大。

对于被测对象10的断面的一界面的一个点，天线21发射的雷达信号被该点反射。发射和接收的雷达信号为频率逐渐变化的电磁波脉冲序列。例如发射的雷达信号为100MHZ成直线增加至200MHZ的电磁波脉冲序列，该直线的斜率例如为1。接收的雷达信号也为100MHZ成直线增加至200MHZ的电磁波脉冲序列，该直线的斜率页为1。当接收到100MHZ的雷达信号时，发射的雷达信号的频率为150MHZ。那么芯片30中的混频器34将本机振荡信号和接收的雷达信号相乘，和差化积后，得到中频信号，该中频信号包括差频信息。

该中频信号经过中频信号处理器35和模数转换器36后得到的数字信号存储于数字存储器37中以供在后续应用中使用。

该芯片结构简单，集成度高，能够通过发射和接收的雷达信号进行频域的信号混频处理，得到的数字信号便于后续应用中计算界面或界面中的点与天线阵列的天线的距离，进而计算得到被测对象的断面的各层的厚度，绘制被测对象的断面的二维或三维图等。

在一个示意性的实施方式中，数据处理和输入输出模块40包括一数据处理和成像单元41，其能够从数字存储器37中获得数据并计算得到断面的各个界面与天线阵列20的天线21之间的距离，并形成断面的二维/三维图像。例如，数据处理和成像单元41从数字存储器37中获得包括差频信息的数字信号，计算出第一界面14中的各个点与天线阵列20中对应的天线的距离(即第一距离)以及第二界面15中的各个点与天线阵列中对应的天线的距离(即第二距离)，这样就能够绘制出断面的二维/三维图像。另外，还能够根据第一界面14中的各个点与天线阵列中对应的天线的距离(即第一距离)以及第二界面15中的各个点与天线阵列中对应的天线的距离(即第二距离)计算出第一界面14和第二界面15之间的第一层1在各个点处的厚度。数据处理和成像单元41将该断面的二维/三维图像输出给成像设备进行图像的显示(例如显示器、增强现实、虚拟现实等)，更便于用户查看被测对象的断面信息。

该测试装置的芯片30中集成了射频的雷达信号发射/接收隔离器32、模拟前置低噪声放大器33以及数字存储器37等，其允许实时地进行配置雷达信号，芯片30与数据处理和成像单元41之间的快速通讯使得测量速度很快，时间很短。数据处理和成像单元41形成的该断面的二维/三维图像的刷新频率高，达到每秒几十帧，满足实时测量的需求。

在一个示意性的实施方式中，数据处理和输入输出模块40还包括至少一接口，其为USB接口42、PROFINET接口43、无线PLC接口44以及4-20mA通讯接口45中的一个或多个。多种不同的接口有利于该测量装置与外部设备(例如远程控制中心、用户电脑、工业云)进行通讯。

在一个示意性的实施方式中，数据处理和成像单元41还能够接收并存储与被测对象10的各个界面相匹配的雷达信号的参数；射频信号和本机振荡信号合成器31从数字存储器37获得来自数据处理和成像单元41的雷达信号的参数以合成射频的雷达信号。用户能够方便地(例如通过接口)向数据处理和成像单元41输入雷达信号的参数，每个界面对应雷达信号的一组参数，便于测量时根据被测对象调整雷达信号，使用方便。

在一个示意性的实施方式中，该测试装置还包括一第一PCB板50，天线阵列20和芯片30集成于第一PCB板50上。这样，进一步提高了集成度。另外，该数据处理和输入输出模块40还包括一第二PCB板(未画图)，数据处理和成像单元41和接口均安装于第二PCB板。

图3是本实用新型的一个实施例提供的使用该装置测量该被测对象的断面的方法流程图。使用该装置测量该被测对象10的断面的方法，包括：

S100，数据处理和输入输出模块40接收用户输入的雷达信号的参数并传输给芯片20以生成雷达信号，雷达信号包括一第一发射信号T1，与第一界面14匹配，和一第二发射信号T2，与第二界面15匹配。

该步骤中，天线阵列10发射的雷达信号是根据用户输入的参数，由芯片20生成的。对于每一界面而言，该界面与天线阵列10之间的介质是特定的，不同的界面与天线阵列10之间的介质是不同的。第一界面14与天线阵列10之间的介质是环境介质层13，第二界面15与天线阵列10之间的介质是层叠的环境介质层13和第一层11。第一发射信号T1与第一界面14匹配，即第一发射信号T1在第一界面14和天线阵列10之间的介质(环境介质层13)中传输具有最佳的穿透能力。第二发射信号T2与第二界面15匹配，即第二发射信号T2在第二界面15和天线阵列10之间的介质(环境介质层13和第一层11)中传输具有最佳的穿透能力。

在一个示意性的实施方式中，用户(例如测量人员)在针对每一个被测对象的断面构成，在测量开始时输入雷达信号的参数。在另一个示意性的实施方式中，事先做大量实验，获得与被测对象10的断面的界面相匹配的雷达信号的参数的数据库，存储于数据处理和输入输出模块40中。测量时，用户手动或该装置自动根据选择分别与第一界面14和第二界面15相匹配的第一发射信号T1和第二发射信号T2的参数。

S200，使用天线阵列20的天线21向被测对象10发射第一发射信号T1并接收一第一反射信号R1，第一反射信号R1为第一发射信号T1被第一界面14反射的信号。

同一天线21即发射第一发射信号T1，又接收从对应的第一界面14的点反射的第一反射信号R1。

S300，芯片30从天线21接收第一反射信号R1，将第一发射信号T1和第一反射信号R1进行处理并转换成一第一数字信号存储下来。

该第一数字信号包含第一反射信号R1和第一发射信号T1的差频信息，可以用于后续计算该第一界面14中发射第一发射信号T1的点与该天线之间的距离。对应第一界面14的各个点与天线21之间的距离的第一数字信号均可以通过相同的方法获得。

S400，使用天线阵列20的天线21向被测对象10发射第二发射信号T2并接收一第二反射信号R2，第二反射信号R2为第二发射信号T2被第二界面15反射的信号；

同一天线21即发射第二发射信号T2，又接收从对应的第二界面15的点反射的第二反射信号R2。

S500，芯片30从天线21接收第二反射信号R2，将第二发射信号T2和第二反射信号R2进行处理并转换成一第二数字信号存储下来。

该第二数字信号包含第二反射信号R2和第二发射信号T2的差频信息，可以用于后续计算该第二界面15中发射第二发射信号T2的点与该天线之间的距离。对应第二界面15的各个点与天线21之间的距离的第二数字信号均可以通过相同的方法获得。

类似的，对于每个界面的均可以重复执行步骤S200和S300得到对应的数字信号，其包含该界面的一点反射的反射信号和对应的发射信号的差频信息。

S600，数据处理和输入输出模块40根据第一数字信号计算得到第一距离H1，根据第二数字信号计算得到第二距离H2，然后根据第一距离H1和第二距离H2得到第一界面14和第二界面15之间的距离，第一距离H1为第一界面14与天线阵列20的天线21的距离，第二距离H2为第二界面15与天线阵列20的天线14的距离。

该方法对每一界面进行扫描，发射与该界面相匹配的雷达信号(即发射信号)，并接收对应反射的雷达信号(即反射信号)，进而获得该界面的每个点与对应天线的距离，进而获得相邻界面之间的距离，简单方便，速度快，能够实现实时测量。

在该方法的一个示意性的实施方式中，天线阵列20中各个天线21同时/逐个/协同发射第一发射信号T1，以获得第一界面14上复数个点与天线阵列20中对应天线21的第一距离H1；

天线阵列21中各个天线21同时/逐个/协同发射第二发射信号T2，以获得第二界面15上复数个点与天线阵列20中对应天线21的第二距离H2，

数据处理和输入输出模块40根据第一界面14上复数个点与天线阵列20中对应天线21的第一距离H1和第二界面15上复数个点与天线阵列20中对应天线21的第二距离H2生成被测对象10的断面的二维/三维图。

该方法能够方便、准确、实时地获得被测对象断面的二维/三维图。

在一个示意性的实施方式中，被测对象为下列中的一个：钢铁行业中的结晶器保护渣、中间包覆盖剂、钢包钢渣、电炉钢渣、平炉钢渣、转炉钢渣，造纸行业中的纸、纸堆，石油化工行业中的罐中物质，化工行业中的罐中的化学物质，废水处理行业中的罐中的化学物质，食品行业中的罐中的化学物质，煤场和矿场中的存放物质，传送带上的固体物质等。该测量装置的工作频率很宽，例如10MHZ-20GHZ。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。