專利名稱：物位計(jì)系統(tǒng)及用于確定距物品表面的距離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用電磁波確定距罐中物品表面的距離的雷達(dá)物位計(jì)。
技術(shù)背景
自從20世紀(jì)70和80年代作為商品開發(fā)了雷達(dá)物位計(jì)以來，調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)已成為用于高精度應(yīng)用的主要測量原理。FMCW測量包括向罐中發(fā)射在幾GHz量級頻率范圍內(nèi)掃描的信號。例如，該信號可以在25 27GHz或9. 5 IlGHz范圍內(nèi)。所發(fā)射的信號被罐中的容納物的表面(或被任何其它阻抗變化)反射，并且向物位計(jì)返回延遲了一定時(shí)間的回波信號。該回波信號與發(fā)射信號混合以生成混頻信號，其中，該混頻信號的頻率與發(fā)射信號在時(shí)間延遲期間發(fā)生的頻率變化相等。由于線性掃描，頻率差(difference frequency) (也稱為中頻(IF))與距反射表面的距離成比例?；祛l信號通常被稱為IF信號。
盡管具有高精度，然而典型的FMCW系統(tǒng)的功耗比較大，這使得FMCW系統(tǒng)不太適于功率有限的應(yīng)用。這種應(yīng)用的示例包括通過雙線接口供電的場器件(諸如4 20mA回路)和由內(nèi)部電源供電的無線器件(例如電池或太陽能電池)。
在同一發(fā)明人的US 12/981 995中，介紹了一種新的且功耗較低的測量原理，包括發(fā)射一系列具有固定的載波頻率的脈沖，每個(gè)脈沖與過渡時(shí)間(transit time)相比是長的(例如，與1/10 μ s量級的過渡時(shí)間相比,脈沖持續(xù)時(shí)間在Ius至IOOms量級)。因此,該方法被稱為多頻脈沖波(MFPW)。
按照所謂的“步進(jìn)的(stuped) ”或“離散的”FMCW系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的方法，測量周期中不同載波頻率的數(shù)量不足以提供連續(xù)的IF信號，或甚至不足以提供IF頻率的近似值，其中，在FMCW系統(tǒng)中，步進(jìn)(step)連續(xù)而不間斷以形成連續(xù)信號。相反，根據(jù)特定頻率方案選擇小的頻率集合，并且針對每個(gè)頻率確定接收到的脈沖的相移。
用于確定距表面的距離的處理包括建立相位隨發(fā)射頻率的變化(見圖1)。線A表示初始距離估計(jì)，而線B表示更新的估計(jì)。理論上，只需要兩個(gè)值(點(diǎn)X)來確定變化率(線 B的斜率)，而實(shí)際上可能需要更多數(shù)量的樣本,例如幾百個(gè)樣本。這樣的一組樣本可以被稱為測量周期并適合用于FMCW掃描。在處理起始期間(當(dāng)不知道近似距離時(shí))需要更多的樣本，并且在更復(fù)雜情況(擾流、干擾、回波等)下也是這樣的情形。作為起始過程，可以使用如更適合傳統(tǒng)的FMCW掃描一樣的樣本。
為了更進(jìn)一步降低功耗，希望僅在需要時(shí)(即表面自前一測量以來發(fā)生變動(dòng)時(shí)) 才執(zhí)行完整的距離測量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，這種雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)使用比過渡時(shí)間長的固定頻率的脈沖，該系統(tǒng)能夠檢測表面的變動(dòng)而不執(zhí)行完整的測量周期。
利用用于確定距罐中保持的物品的表面的距離的方法來實(shí)現(xiàn)該目的及其它目，該方法包括以下步驟向所述表面發(fā)射電磁發(fā)射信號；接收在所述表面處反射的電磁返回信號，其中，所述發(fā)射信號包括至少一對具有相等頻率的、時(shí)間分隔開的區(qū)別載波脈沖，每個(gè) 脈沖具有大于I微秒且小于100毫秒的持續(xù)時(shí)間；確定接收到的每個(gè)區(qū)別脈沖相對于發(fā)射 的每個(gè)相應(yīng)的區(qū)別脈沖的實(shí)際相位特性；確定兩個(gè)脈沖之間實(shí)際的相位變化；將該變化與 閾值比較；以及根據(jù)所述比較步驟的結(jié)果，基于所述發(fā)射信號與所述返回信號之間的關(guān)系 確定距離。
還通過用于檢測距罐中物品的表面的距離的物位計(jì)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)該目，該系統(tǒng)包 括收發(fā)器，用于發(fā)射電磁發(fā)射信號并接收在所述表面處反射的電磁返回信號，所述收發(fā)器 被布置為發(fā)射包括至少一對具有相等頻率的、時(shí)間分隔開的區(qū)別載波脈沖的信號，其中，每 個(gè)脈沖具有大于I微秒且小于100毫秒的持續(xù)時(shí)間；以及處理電路，其被配置為用于確定接 收到的每個(gè)區(qū)別脈沖相對于發(fā)射的每個(gè)相應(yīng)的區(qū)別脈沖的實(shí)際相位特性、確定兩個(gè)脈沖之 間的相移變化、將該變化與閾值比較，并且根據(jù)該比較的結(jié)果、基于所述發(fā)射信號與所述返 回信號之間的關(guān)系確定距離。
通過對由相隔一段時(shí)間發(fā)射的兩個(gè)基本相同的脈沖所產(chǎn)生的實(shí)際相位進(jìn)行比較， 可以獲得填充物位的變化的指示。然后，該指示可以用來開始完全的測量周期。
“相等頻率”是假定的頻率，這些頻率很相似從而可以將這些頻率的相移相比較并 用作表面變動(dòng)的指示。作為示例，兩個(gè)相等載波頻率之間的偏移可以小于1/1000。可以由 諸如鎖相環(huán)(PLL)的反饋控制回路來提供這樣的精度。
對于在25GHz的范圍內(nèi)工作的物位計(jì)，Imm的物位變化將會(huì)使相位改變大約60度。 對于在IOGHz的范圍內(nèi)工作的物位計(jì)，相應(yīng)的相位變化大約為24度。15 20度的相位差 可以描述成-1OdB的變化，并可以可靠地對其進(jìn)行檢測。因此，對于這兩個(gè)工作頻率，靈敏 度可以分別估計(jì)為大約O. 3_和O. 8_。典型的罐抽吸(填充或排放)可以為每分鐘一厘 米或幾厘米，因此10秒時(shí)間段內(nèi)的物位變化為幾毫米，從而能夠可靠地對其進(jìn)行檢測。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，盡管總是發(fā)射包含足以用于距離檢測的信息的完全發(fā)射信號， 但是，只有在檢測到具有相等頻率的脈沖之間的足夠大的相關(guān)聯(lián)相位變化時(shí)，才執(zhí)行距離 檢測處理。
根據(jù)另一實(shí)施例，物位計(jì)工作在第一模式和第二模式下，其中，在第一工作模式下 確定距離，而在第二工作模式下確定相移變化。根據(jù)比較步驟的結(jié)果選擇第一工作模式。
因此，在第二工作模式下，物位計(jì)可以監(jiān)測表面，并且僅在檢測到變動(dòng)時(shí)才選擇第 一工作模式。
優(yōu)選地，與在第一工作模式下相比，在第二工作模式下平均發(fā)射功率更低。因此， 在監(jiān)測表面期間消耗更少的功率，而更多的功率用于在檢測到變動(dòng)的表面時(shí)確定填充物 位。
在第二工作模式下，發(fā)射信號可以包括多個(gè)時(shí)間分隔開的脈沖組，其中，每個(gè)脈沖 組包括至少兩個(gè)具有不同頻率的脈沖。每個(gè)脈沖組中的至少一個(gè)脈沖具有與前一脈沖組中 的脈沖相等的頻率。因此，可以確定與具有相等頻率的不同脈沖對相關(guān)的多個(gè)相移變化。
因此，根據(jù)該實(shí)施例，可以基于幾對相同脈沖確定物位是否在變動(dòng)，這可以使確定更可靠。
根據(jù)另一實(shí)施例，每個(gè)脈沖組中的至少一個(gè)脈沖具有未包括在前一組中的頻率。 換句話說，從一個(gè)組到另一個(gè)組，可以替換脈沖組中的一個(gè)或幾個(gè)頻率，而保持一個(gè)或幾個(gè)頻率不變。由此，除了不同頻率，可以在每個(gè)脈沖組之后確定相移變化。
可以根據(jù)任何原理進(jìn)行完整的距離測量，該原理包括MFPW、FMCW、步進(jìn)FMCW、脈沖 時(shí)域反射(TDR)等。
可以修改MFPW型系統(tǒng)中的頻率方案，以使得脈沖串包括以限定的時(shí)段在時(shí)間上 分隔的、具有相等頻率的脈沖。


將參照示出本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的附圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
圖1為示出了相位與發(fā)射頻率的關(guān)系的圖。
圖2為安裝在罐上的雷達(dá)物位計(jì)的示意性框圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的、圖2中的收發(fā)器的更詳細(xì)的框圖。
圖4為圖2中的物位計(jì)的第一工作模式的流程圖。
圖5為圖2中的物位計(jì)的第二工作模式的流程圖。
具體實(shí)施方式
在本說明書中，主要參照具有用于輻射并捕捉電磁信號的自由傳播天線的雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，描述本發(fā)明的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意，這絕不是限制本發(fā)明的范圍，這能夠等同地應(yīng) 用于包括其它自由傳播天線和波導(dǎo)的其它信號傳播裝置，其中，傳播天線為諸如棒狀天線、 貼片天線、固定的或可變動(dòng)的拋物面天線或錐形天線，波導(dǎo)為諸如靜止管、傳輸線或探頭 (諸如單線探頭(包括所謂的古搏探頭(Goubau probe))、雙線探頭、或同軸探頭)。
此外，以下描述的物位計(jì)的工作原理為MFPW，如在美國申請12/981995中所公開 的。然而，認(rèn)識到，用于執(zhí)行物位檢測的工作原理可以是任何類型，包括調(diào)頻連續(xù)波(FMCW) 和使用時(shí)域反射的脈沖物位測量。如技術(shù)人員將認(rèn)識到的，F(xiàn)MCW包括在一定頻率范圍上 發(fā)射頻率掃描，并基于發(fā)射的掃描與反射的掃描之間的關(guān)系來確定距離。脈沖物位測量包 括發(fā)射一串短脈沖，并基于每個(gè)脈沖的行進(jìn)時(shí)間來確定距離。圖2示意性地示出了根據(jù)本 發(fā)明實(shí)施例的雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)1，包括測量電子單元2和信號傳播裝置3 (這里為喇叭天 線)。雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)I設(shè)置在罐5上，罐5部分填充有待計(jì)量的物品6。在圖2示出的情 況下，物品6為諸如谷物或塑料顆粒的固體，已知其表示需要較高測量靈敏度的雷達(dá)物位 計(jì)系統(tǒng)的困難應(yīng)用。通過對由天線3向物品6的表面7輻射的發(fā)射信號St和從表面7傳 送回的回波信號Sk進(jìn)行分析，測量電子單元2可以確定基準(zhǔn)位置與物品6的表面7之間的 距離，從而可以推斷填充物位L。應(yīng)當(dāng)注意，盡管在本文中討論了容納單種物品6的罐5，但 是可以以類似的方式測量距罐5中存在的任何材料界面的距離。
如圖2示意性地示出的，電子單元2包括用于發(fā)射和接收電磁信號的收發(fā)器10， 收發(fā)器10經(jīng)由波導(dǎo)9連接到天線3。單元2還包括處理電路11，處理電路11連接到收發(fā) 器10以控制收發(fā)器并對收發(fā)器所接收到的信號進(jìn)行處理，從而確定罐5中物品6的填充物 位。處理電路11還連接到存儲(chǔ)器12，存儲(chǔ)器12存儲(chǔ)物位計(jì)I的工作所需的任何軟件并且 還提供工作期間使用的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。
處理電路11還能夠經(jīng)由接口 14連接到用于模擬和/或數(shù)字通信的外部通信線 13。例如，可以由雙線接口提供通信接口 14與外部控制站(未示出)之間的通信，雙線接口具有向控制站發(fā)射測量結(jié)果和接收物位計(jì)I的工作功率的組合功能。根據(jù)由處理電路11 確定的測量結(jié)果調(diào)節(jié)線路中的電流。
可替代地，物位計(jì)可以使用例如無線可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議 (HART)與控制站進(jìn)行無線通信，并且使用帶有電池的本地電源或用于自主工作的、具有凈化型能源的其它裝置。
盡管在圖2中示出為獨(dú)立的塊，然而，可以將收發(fā)器10、處理電路11和存儲(chǔ)器12 中的幾個(gè)設(shè)置在同一電路板上。
圖3示意性地示出了適于實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例的示例性收發(fā)器10。
信號發(fā)生器20用于產(chǎn)生具有良好限定并精確控制的載波頻率的載波脈沖。精度偏差應(yīng)當(dāng)小于1/1000，并且優(yōu)選小于1/10000或更好。這可以利用反饋控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，并且信號發(fā)生器例如可以為鎖相環(huán)PLL。
在本文中所討論的說明示例中，假定脈沖持續(xù)時(shí)間大約為2ms，但是也可以是非常短的脈沖，例如μ s量級的脈沖。應(yīng)當(dāng)注意，在罐計(jì)量背景中，如這里提到的，US或ms量級的脈沖持續(xù)時(shí)間太長而不能利用時(shí)域反射進(jìn)行脈沖距離測量，即，不能接收反射脈沖并確定其行進(jìn)時(shí)間。因此，根據(jù)本發(fā)明的脈沖比傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)物位計(jì)中的脈沖長，傳統(tǒng) 的脈沖雷達(dá)物位計(jì)中的典型的脈沖持續(xù)時(shí)間為ns量級。
脈沖的平均功率可以在nW或μ W范圍內(nèi)。然而，占空比(即脈沖與這些脈沖之間的間隔之間的關(guān)系)應(yīng)當(dāng)被限制為小于50%，并且優(yōu)選非常低，例如5%或甚至1%或更小。 對于1%的占空比，I 50yW范圍內(nèi)的平均功率可以是合理的。與傳統(tǒng)的FMCW相比，這意味著可以用比較高的功率發(fā)射脈沖而不增加測量周期的平均功率。
該脈沖通常為載波頻率在GHz范圍內(nèi)的雷達(dá)脈沖。頻率范圍可以為工作頻率的 10%量級，并可以在例如25和27Hz之間或在9. 5和IlGHz之間?？梢詢?yōu)選基于罐內(nèi)的普遍狀況來確定頻率的數(shù)目N。脈沖的持續(xù)時(shí)間、占空比和PLL的頻率由處理器11 (見圖2) 控制。
信號發(fā)生器20所生成的發(fā)射信號將包括以預(yù)定的時(shí)間段隔開的、具有相等載波頻率的脈沖。這些相等載波頻率可以選自預(yù)先定義的頻率集，并且相同脈沖可以包括在具有不同載波頻率的重疊脈沖中?？商娲兀谙嗤}沖之間不存在發(fā)射的脈沖。
設(shè)置循環(huán)器或諸如威爾金森功率分配器(WPD)的功率分配器22，以將來自信號發(fā)生器20的信號定向到罐5中的天線3并將來自天線3的反射信號定向到收發(fā)器10的接收器部分。
接收器部分包括兩個(gè)信道，同相信道(I)和正交信道(Q)，每個(gè)信道包括混頻器 23a、23b以對接收到的信號進(jìn)行零差混頻。向第一混頻器23a提供直接來自PLL 20的發(fā)射脈沖(I信道)。向第二混頻器23b提供經(jīng)由90度移相器24來自PLL 20的發(fā)射脈沖(Q 信道)。
每個(gè)信道包括低通濾波器25a、25b和放大器26a、26b。濾波器和放大器改進(jìn)了雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)的信噪比。
低通濾波器25a、25b優(yōu)選具有與脈沖寬度的倒數(shù)對應(yīng)的帶寬。換句話說，如果脈沖的持續(xù)時(shí)間為2ms，則適合的濾波器將為500Hz寬。因此，以平均功率或更新率為代價(jià)，可以使用更長的脈沖來提高靈敏度(更小的帶寬)。然而，如果期望低占空比，則為了實(shí)現(xiàn)低的平均功耗，應(yīng)當(dāng)保持脈沖適當(dāng)?shù)亩?，因此，低通濾波器25a、25b的帶寬必須比傳統(tǒng)的FMCW 更寬(靈敏度更差)。
然后，將信號提供給兩個(gè)積分器27a、27b，以在脈沖長度內(nèi)對信號進(jìn)行積分。最后， 布置有兩個(gè)模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器28a、28b以對積分值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并且將數(shù)字輸出 提供給處理器11來存儲(chǔ)和處理。
可選地，PLL 20可以連接到用以對來自PLL 20的脈沖進(jìn)行頻率調(diào)制的調(diào)制器(未 示出)。在美國申請12/981 995中更詳細(xì)地描述了這種調(diào)制，該申請通過引用并入本申請。 利用這種調(diào)制，引入了距離關(guān)系，這將有利于距離確定。
應(yīng)當(dāng)注意，圖3中示出的具有兩個(gè)并行接收器信道(I和Q)的收發(fā)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不 應(yīng)視為對本構(gòu)思的限制。
例如，可以使用順序方法由混頻器23a、23b進(jìn)行射頻(RF)混頻，即交替地提供I 相位值和Q相位值。以增加每次測量的脈沖數(shù)為代價(jià)，這種方法可以減少部件的數(shù)目。
將參照圖4和圖5對圖2和圖3中示出的雷達(dá)物位計(jì)的工作進(jìn)行進(jìn)一步描述，圖 4和圖5示出了兩種不同工作模式的示意性流程圖。圖4示出了如通過引用并入本申請的 美國申請12/981 995中概述的過程，該過程適于追蹤變動(dòng)的表面物位，即適于在罐的填充 或排放期間追蹤表面物位的過程。圖5示出了適于監(jiān)測穩(wěn)定、不變化的表面物位的過程，即 適于監(jiān)測沒有排放或填充罐中容納物的時(shí)段的過程。
參照圖4，在步驟SI中，根據(jù)預(yù)定的過程確定頻率方案。在有利的測量的狀況下 (無擾動(dòng))，方案可以包括10的量級個(gè)頻率。在更困難的狀況下，可能需要包括幾百個(gè)頻 率。頻率范圍可以為工作頻率的10%量級，并且可以在例如25 27GHz之間、或在9. 5 IlGHz之間。
然后，在步驟S2至S4中，利用選定量級內(nèi)的選定頻率執(zhí)行測量周期。對于每個(gè)頻 率，由PLL 20生成具有確定的持續(xù)時(shí)間(例如2ms)的脈沖，并通過天線3將該脈沖作為信 號St發(fā)射到罐中(步驟S2)。
所發(fā)射的電磁信號St在罐5中的阻抗變化處(包括罐5中容納的物品6的表面 7)被反射，并作為回波信號Sk通過天線3返回到收發(fā)器10。所反射的信號Sk被收發(fā)器10 的接收器側(cè)中的兩個(gè)信道(I和Q)接收(步驟S3)。
然后，在步驟S4中，由處理器11使用來自兩個(gè)信道的輸出和傳統(tǒng)的Ι/Q處理來確 定發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的相位差。每個(gè)相移被記錄在存儲(chǔ)器12中(步驟S5)，并且對 于方案中的所有頻率重復(fù)步驟S2 S5。
在步驟S6中，處理器11將每個(gè)相位差值(在O 2 范圍內(nèi))與基于之前檢測 出的距離計(jì)算出的預(yù)期相位差值相互關(guān)聯(lián)。預(yù)期相位與實(shí)際檢測出的相位之間的差與距離 偏移量對應(yīng)。原則上，由單個(gè)頻率產(chǎn)生的一個(gè)這種偏移量足以提供更新的距離檢測。然而， 這種檢測中的不確定性通常很嚴(yán)重而不能提供令人滿意的可靠性，并且通常需要某種統(tǒng)計(jì) 分析。
在步驟S7中，處理器11將獲得的距離測量與之前獲得的測量進(jìn)行比較。在距離在 這些測量期間沒有變化的情形下，確定表面是穩(wěn)定的且未變動(dòng)。然而，當(dāng)然可以根據(jù)應(yīng)用改 變這種確定的標(biāo)準(zhǔn)，例如，可以相互比較在例如I分鐘的時(shí)間內(nèi)獲得的10個(gè)距離測量。如 果所有的這些值在給定的誤差范圍內(nèi)都相等，則可以確定物位是穩(wěn)定的。在做出了這種確定時(shí)，處理器11和收發(fā)器10切換到以下所述的第二工作模式。否則，該處理返回到步驟SI 以開始新的周期。注意，根據(jù)測量的結(jié)果，可以在周期之間更新頻率方案。
下面將參照圖5描述第二工作模式。
首先，在步驟Sll中，PLL 20生成確定的持續(xù)時(shí)間(例如2ms)的脈沖，并通過天 線3將該脈沖作為信號St發(fā)射到罐中。
在步驟S12中，所發(fā)射的電磁信號St在罐5中的阻抗變化處(包括罐5中容納的 物品6的表面7)被反射，并作為回波信號Sk通過天線3返回到收發(fā)器10。返回的信號Sk 被收發(fā)器10的接收器側(cè)中的兩個(gè)信道(I和Q)接收。
然后，在步驟S13中，由處理器11使用來自兩個(gè)信道的輸出和傳統(tǒng)的Ι/Q處理來 確定發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的相位差。相移被記錄在存儲(chǔ)器12中(步驟S14)，并且在步 驟S15中，將檢測到的相移與先前存儲(chǔ)的相移進(jìn)行比較，其中，先前存儲(chǔ)的相移是針對來自 早前掃描的相等頻率的脈沖的。作為示例，具有相等載波頻率的脈沖之間的時(shí)間間隔可以 為至少5秒或至少10秒。將與這些脈沖相關(guān)聯(lián)的相移的變化與基于特定實(shí)施選定的閾值 (TH)進(jìn)行比較。
如果相移變化比閾值大，這表示表面自早前掃描發(fā)生了變動(dòng)，處理器11和收發(fā)器 10切換到上述第一工作模式，以追蹤表面物位。如果相位變化比閾值小，則確定物位還是 穩(wěn)定的(未變化)，并且處理返回到步驟S11。針對選定數(shù)量的頻率連續(xù)地重復(fù)步驟Sll S15。頻率的數(shù)量通常比執(zhí)行完全的測量所需的頻率數(shù)量小，并且在極端情況下可以僅為 I (這樣，發(fā)射信號只不過為一串相同脈沖)。然而，在第二工作模式下使用至少兩個(gè)或甚至 更多頻率是有利的。這可以使處理對擾動(dòng)的靈敏度降低并使處理更穩(wěn)定。因此，可以分組 發(fā)射脈沖，每組脈沖包括一組頻率，并且連續(xù)掃描具有至少一個(gè)共同頻率以使得能夠進(jìn)行 比較。
還注意，每個(gè)組中所包括的頻率可以不同。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，每個(gè)組包括多個(gè)頻率 (例如兩個(gè)頻率)，并且每隔一個(gè)組替換這些頻率中的至少一個(gè)。因此，例如，第一組可以包 括頻率A和B，第二組可以包括頻率B和C，第三組可以包括頻率C和D，而第四組可以包括 頻率D和A。這樣，可以對于每個(gè)組進(jìn)行相等頻率脈沖的比較，但總是對于不同頻率。
關(guān)于表面正在變動(dòng)的確定可以優(yōu)選基于重復(fù)的比較，以避免不想要的擾動(dòng)，諸如 由于天線而產(chǎn)生的降落(drop)，其中，該降落會(huì)導(dǎo)致不需要的物位檢測。例如，對于具有相 等頻率的脈沖，比較多于兩個(gè)的連續(xù)相移是有利的。如果相移先變化，然后返回到前一值， 則可以認(rèn)定為擾動(dòng)。另一方面，如果兩個(gè)或更多個(gè)比較確認(rèn)了變化的相移，則可能發(fā)生了表 面的實(shí)際變動(dòng)。技術(shù)人員可以預(yù)想到各種其它的統(tǒng)計(jì)處理。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識到本發(fā)明絕不限于上述優(yōu)選實(shí)施例。相反，在所附權(quán)利要 求的范圍內(nèi)可以進(jìn)行許多修改和變化。例如，本發(fā)明的原理不需要Ι/Q處理，但實(shí)際上也可 應(yīng)用于單個(gè)信道系統(tǒng)。此外，在不偏離本發(fā)明構(gòu)思的情況下可以以多種方式來修改收發(fā)器 電路的細(xì)節(jié)。另外，除了第一工作模式和第二工作模式之外，物位計(jì)可以在其它工作模式下工作。
權(quán)利要求
1.一種用于確定距罐中保持的物品的表面的距離的方法，所述方法包括以下步驟 -向所述表面發(fā)射電磁發(fā)射信號，所述發(fā)射信號包括至少兩個(gè)具有相等載波頻率的、時(shí)間分隔開的載波脈沖，每個(gè)脈沖具有大于I微秒且小于100毫秒的持續(xù)時(shí)間； -接收在所述表面處反射的電磁返回信號； -確定所述發(fā)射信號中的每個(gè)脈沖相對于所述返回信號中的每個(gè)相應(yīng)脈沖的實(shí)際相位特性，所述相位特性包括相移； -確定與所述發(fā)射信號中的具有相等頻率的兩個(gè)脈沖相關(guān)聯(lián)的相移變化； -將所述變化與閾值進(jìn)行比較；以及 -根據(jù)所述比較步驟的結(jié)果，基于所述發(fā)射信號與所述返回信號之間的關(guān)系確定所述距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法包括工作在第一工作模式和第二工作模式下，其中，在所述第一工作模式下確定所述距離，在所述第二工作模式下確定所述相移變化，其中，根據(jù)所述比較步驟的結(jié)果選擇所述第一工作模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第二工作模式下的平均發(fā)射功率比所述第一工作模式下的平均發(fā)射功率低。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述方法包括 在所述第二工作模式下，發(fā)射多個(gè)時(shí)間分隔開的脈沖組，其中，每個(gè)脈沖組包括至少兩個(gè)具有不同頻率的脈沖，每個(gè)脈沖組中的至少一個(gè)脈沖具有與前一脈沖組中的脈沖相等的頻率，以及 確定與具有相等頻率的不同對脈沖相關(guān)的多個(gè)相移變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，每個(gè)脈沖組中的至少一個(gè)脈沖具有未包括在前一脈沖組中的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述方法包括 在所述第一工作模式下，發(fā)射區(qū)別載波脈沖的脈沖串，所述脈沖串具有小于50%的平均占空比，每個(gè)脈沖具有大于I微秒且小于100毫秒的持續(xù)時(shí)間和根據(jù)頻率方案在預(yù)定的頻率范圍內(nèi)選擇的限定中心頻率，所述預(yù)定的頻率范圍比平均中心頻率的5%大；以及通過以下步驟確定所述距離 基于初始估計(jì)的距離計(jì)算每個(gè)接收到的區(qū)別脈沖相對于每個(gè)相應(yīng)的所發(fā)射的區(qū)別脈沖的預(yù)期的相位特性，以及 使所述實(shí)際相位特性與所述預(yù)期的相位特性相互關(guān)聯(lián)以提供所述距離的更新估計(jì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述方法包括在所述第一工作模式下， 發(fā)射一串短脈沖，以及 基于每個(gè)脈沖的行進(jìn)時(shí)間確定所述距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述方法包括在所述第一工作模式下， 發(fā)射一定頻率范圍內(nèi)的頻率掃描，以及 基于發(fā)射的掃描與反射的掃描之間的關(guān)系確定所述距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，具有相等頻率的所述脈沖時(shí)間分隔開至少5秒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在確定所述距離之前確定多個(gè)相移變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在反饋控制回路中控制每個(gè)載波頻率，以提供小于1/1000的頻率精度偏差。
12.一種用于確定距罐中物品的表面的距離的物位計(jì)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 收發(fā)器，用于發(fā)射電磁發(fā)射信號并接收在所述表面處反射的電磁返回信號，所述收發(fā)器被布置為用于發(fā)射包括至少兩個(gè)具有相等頻率的、時(shí)間分隔開的載波脈沖的信號，每個(gè)脈沖具有大于I微秒且小于100毫秒的持續(xù)時(shí)間； 處理電路，被配置為用于 確定所述發(fā)射信號中的每個(gè)脈沖相對于所述返回信號中的每個(gè) 相應(yīng)脈沖的實(shí)際相位特性，所述相位特性包括相移， 確定與所述發(fā)射信號中的具有相等頻率的兩個(gè)脈沖相關(guān)聯(lián)的相移變化， 將所述變化與閾值進(jìn)行比較，以及 根據(jù)所述比較的結(jié)果、基于所述發(fā)射信號與所述返回信號之間的關(guān)系確定所述距離。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述收發(fā)器電路和所述處理電路適于工作在第一工作模式和第二工作模式下，其中，在所述第一工作模式下確定所述距離，在所述第二工作模式下確定所述相移變化，以及 其中，所述處理電路被配置為根據(jù)所述比較的結(jié)果選擇所述第一工作模式。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述收發(fā)器電路適于在所述第二工作模式下發(fā)射比所述第一工作模式下低的平均發(fā)射功率。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述收發(fā)器電路在所述第一工作模式下適于發(fā)射區(qū)別載波脈沖的脈沖串，所述脈沖串具有小于50%的平均占空比，每個(gè)脈沖具有大于I微秒且小于100毫秒的持續(xù)時(shí)間和根據(jù)頻率方案在預(yù)定的頻率范圍內(nèi)選擇的限定中心頻率，所述預(yù)定的頻率范圍比平均中心頻率的5%大；以及 其中，所述處理電路在所述第一工作模式下適于通過如下方式確定所述距離 基于初始估計(jì)距離來計(jì)算每個(gè)接收到的區(qū)別脈沖相對于每個(gè)相應(yīng)的發(fā)射的區(qū)別脈沖的預(yù)期的相位特性，以及 使所述實(shí)際相位特性與所述預(yù)期的相位特性相互關(guān)聯(lián)以提供所述距離的更新估計(jì)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述收發(fā)器電路在所述第一工作模式下適于發(fā)射一串短脈沖，并且所述處理電路適于基于每個(gè)脈沖的行進(jìn)時(shí)間確定所述距離。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述收發(fā)器電路在所述第一工作模式下適于發(fā)射一定頻率范圍內(nèi)的頻率掃描，并且所述處理電路適于基于所發(fā)射的掃描與所反射的掃描之間的關(guān)系確定所述距離。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括反饋控制回路，所述反饋控制回路用于控制每個(gè)載波頻率以提供小于1/1000的頻率精度偏差。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，具有相等頻率的脈沖之間的時(shí)間間隔為至少5秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定距罐中物品的表面的距離的物位計(jì)系統(tǒng)及其方法。雷達(dá)物位計(jì)量原理，包括發(fā)射至少兩個(gè)具有相等載波頻率的、時(shí)間分隔開的載波脈沖；確定與發(fā)射信號中的具有相等頻率的兩個(gè)脈沖相關(guān)聯(lián)的相移變化；將該變化與閾值進(jìn)行比較；根據(jù)比較的結(jié)果，基于發(fā)射信號與返回信號之間的關(guān)系確定距離。通過對由于相隔一段時(shí)間發(fā)射的兩個(gè)基本上相同的脈沖所產(chǎn)生的實(shí)際相位進(jìn)行比較，可以獲得對填充物位的變化的指示。然后，可以將該指示用以開始完整的測量周期。
文檔編號G01F23/284GK103017868SQ201110371898
公開日2013年4月3日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者奧洛夫·愛德華松 申請人:羅斯蒙特儲(chǔ)罐雷達(dá)股份公司