對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求享有2014年10月23日提交的題為“pulseshapechangeforpulsedradarinterfacedetermination”的臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)62/067,502的權(quán)益，該臨時(shí)申請(qǐng)以其整體通過(guò)引用并入本文。

所公開(kāi)的實(shí)施例涉及用于脈沖雷達(dá)的物位發(fā)現(xiàn)（levelfinding）。

背景技術(shù)：

具有容器或儲(chǔ)槽（“儲(chǔ)槽”）的工業(yè)廠房一般需要定期測(cè)量其中的（多種）液體或其它材料（諸如其中的粉末）的物位。存在用于物位測(cè)量的若干類型的系統(tǒng)和技術(shù)，其一般使用頻率調(diào)制連續(xù)波（fmcw）或時(shí)域反射計(jì)（tdr），頻率調(diào)制連續(xù)波（fmcw）或時(shí)域反射計(jì)（tdr）依賴于分析針對(duì)脈沖信號(hào)的回波以使用飛行時(shí)間做出材料物位測(cè)量。

對(duì)于基于tdr的測(cè)量，存在接觸式物位測(cè)量，在接觸式物位測(cè)量中系統(tǒng)的部分（諸如探頭）接觸被測(cè)量的材料，以及存在非接觸式物位測(cè)量，在非接觸式物位測(cè)量中在不接觸要測(cè)量的材料的情況下測(cè)量物位。非接觸式方法包括超聲和雷達(dá)，超聲使用高頻音速（聲音）波來(lái)檢測(cè)物位。

導(dǎo)波雷達(dá)（gwr）是用于測(cè)量?jī)?chǔ)槽中的液體或固體物位的特定接觸式脈沖雷達(dá)方法。gwr通過(guò)生成電磁能量脈沖流并且在形成到物位感測(cè)探頭（或波導(dǎo)）中的傳輸線向下傳播脈沖來(lái)工作。探頭一般在儲(chǔ)槽或其它容器中豎直放置，并且電磁脈沖從探頭的頂部向下發(fā)射。探頭以傳播脈沖的電磁場(chǎng)穿透空氣直至它們到達(dá)材料物位的這種方式，對(duì)空氣和要感測(cè)的（多種）材料開(kāi)放二者。在該點(diǎn)處，電磁場(chǎng)看到材料的較高介電常數(shù)。該較高介電常數(shù)導(dǎo)致傳播介質(zhì)阻抗中的降低，從而造成脈沖回波朝向探頭的頂部反射回來(lái)。脈沖以已知速率行進(jìn)通過(guò)探頭的空氣介電部分。這允許通過(guò)測(cè)量脈沖從探頭的頂部到物位并且回波回到探頭的頂部的往返行進(jìn)時(shí)間來(lái)確定探頭上的（多個(gè)）材料物位。

當(dāng)使用脈沖雷達(dá)傳感器（無(wú)論是接觸式的還是非接觸式的）以用于測(cè)量?jī)?chǔ)槽中的第一產(chǎn)品材料物位時(shí)，如果諸如油之類的具有較低密度的第二材料也在儲(chǔ)槽中，則第二材料的層將形成在第一材料（例如水）表面的頂部上，從而創(chuàng)建液體界面?？蛻粢话銓?duì)知曉第二層的厚度或物位感興趣，諸如以允許第二層的選擇性去除，例如當(dāng)在水上存在油并且人們可能想要選擇性地去除油時(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供本發(fā)明內(nèi)容來(lái)以簡(jiǎn)化的形式引入以下在具體實(shí)施方式（包括所提供的附圖）中進(jìn)一步描述的所公開(kāi)的概念的簡(jiǎn)要選擇。本發(fā)明內(nèi)容不意圖限制所要求保護(hù)的主題的范圍。

所公開(kāi)的實(shí)施例認(rèn)識(shí)到，基于峰值發(fā)現(xiàn)算法的常規(guī)脈沖雷達(dá)物位發(fā)現(xiàn)僅能夠在頂層至少為大約10cm厚時(shí)標(biāo)識(shí)界面，并且大約10cm以下將示出僅一個(gè)峰值（組合峰值）。常規(guī)脈沖雷達(dá)物位感測(cè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量?jī)?chǔ)槽中的＜10cm厚的上層（例如水上的油）的無(wú)能為力已經(jīng)在本文中被標(biāo)識(shí)為與脈沖雷達(dá)物位感測(cè)電路的脈沖寬度（脈沖寬度越窄提供越好的分辨率）和使用峰值發(fā)現(xiàn)的物位確定算法相關(guān)聯(lián)，該峰值發(fā)現(xiàn)要求相應(yīng)峰值可從彼此分辨以標(biāo)識(shí)上層的厚度和界面的存在。

所公開(kāi)的算法替代性地通過(guò)比較所測(cè)量到的界面脈沖與模型生成的界面脈沖（mgip）來(lái)使用脈沖形狀改變以更好地提取物位和第二材料厚度信息，這已被發(fā)現(xiàn)減小了使用脈沖雷達(dá)物位傳感器來(lái)測(cè)量界面所需要的最小厚度，諸如減小到2cm或更小的上層厚度。

所公開(kāi)的實(shí)施例包括一種針對(duì)儲(chǔ)槽中的第一和第二材料的脈沖雷達(dá)界面確定的方法。提供界面物位確定模型，其包括利用針對(duì)材料的折射率和第二材料的厚度的傳遞函數(shù)。將至少一個(gè)實(shí)際脈沖傳輸?shù)絻?chǔ)槽中，并且測(cè)量包括界面位置周?chē)乃鶞y(cè)量到的（多個(gè)）界面脈沖的所得回波曲線部分。利用參考脈沖和初始厚度值模擬界面模型以生成初始mgip。將所測(cè)量到的界面脈沖與初始mgip脈沖進(jìn)行逐點(diǎn)比較以確定殘差。如果殘差之和＞預(yù)定閾值，利用使用更新的厚度值生成的更新的界面模型而重復(fù)比較，所述更新的界面模型提供更新的mgip脈沖。當(dāng)殘差之和≤預(yù)定閾值時(shí)，確定第二材料的厚度及其物位。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)示例實(shí)施例的示出脈沖雷達(dá)界面物位確定的示例方法中的步驟的流程圖。

圖2描繪了根據(jù)示例實(shí)施例的示例脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，其被示出為具有脈沖雷達(dá)物位量規(guī)的導(dǎo)波雷達(dá)（gwr）系統(tǒng)，所述脈沖雷達(dá)物位量規(guī)包括實(shí)現(xiàn)在與處理器相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器的固件中的脈沖雷達(dá)界面確定算法。

圖3a-3d示出針對(duì)水界面上的20cm油、水界面上的10cm油、水界面上的4cm油和水界面上的2cm油的所測(cè)量到的回波曲線。

圖4示出針對(duì)不同油厚度，針對(duì)儲(chǔ)槽中的水上的油所測(cè)量到的回波曲線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施方式

參照隨附各圖來(lái)描述所公開(kāi)的實(shí)施例，其中貫穿各圖使用相同的參考標(biāo)記指明類似或等同的元件。各圖未按比例繪制，并且它們僅僅為了說(shuō)明某些所公開(kāi)的方面而提供。以下參照示例應(yīng)用來(lái)描述若干所公開(kāi)的方面以用于說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，闡述眾多具體細(xì)節(jié)、關(guān)系和方法以提供所公開(kāi)的實(shí)施例的完整理解。

然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到，本文所公開(kāi)的主題可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)的情況下或者利用其它方法來(lái)實(shí)踐。在其它實(shí)例中，并未詳細(xì)示出公知的結(jié)構(gòu)或操作以避免使某些方面模糊。本公開(kāi)不受動(dòng)作或事件的所圖示的次序限制，因?yàn)橐恍﹦?dòng)作可以以不同次序發(fā)生和/或與其它動(dòng)作或事件并發(fā)地發(fā)生。另外，并非所有所圖示的動(dòng)作或事件都被要求以實(shí)現(xiàn)依照本文所公開(kāi)的實(shí)施例的方法。

而且，如本文在沒(méi)有進(jìn)一步限定性條件的情況下所使用的術(shù)語(yǔ)“耦合到”或“與……耦合”（等等）意圖描述間接或直接的電氣連接。因此，如果第一設(shè)備“耦合”到第二設(shè)備，該連接可以通過(guò)直接電氣連接，在直接電氣連接中在通路中僅存在寄生效應(yīng)，或者通過(guò)經(jīng)由包括其它設(shè)備和連接的居間物項(xiàng)的間接電氣連接。對(duì)于間接耦合，居間物項(xiàng)一般不修改信號(hào)的信息，但是可以調(diào)節(jié)其電流水平、電壓水平和/或功率水平。

圖1是根據(jù)示例實(shí)施例的示出脈沖雷達(dá)界面物位確定的示例方法100中的步驟的流程圖。步驟101包括提供針對(duì)儲(chǔ)槽中的第一和第二材料的折射率，第二材料與第一材料相比是較不密實(shí)的并且形成與第一材料的界面，以及提供界面物位確定模型（界面模型），該界面物位確定模型包括利用折射率和第二材料的厚度作為參數(shù)的傳遞函數(shù)。儲(chǔ)槽操作者一般知曉什么材料在儲(chǔ)槽內(nèi)。

界面模型可以包括abcd矩陣、近似的菲涅爾方程或電氣阻抗模型。要指出的是，為了是高效的（在處理時(shí)間方面），界面模型（例如abcd矩陣模型、近似的菲涅爾方程或電氣阻抗模型）在時(shí)域中應(yīng)用。第一材料和第二材料二者可以包括液體（例如水上的油）或粉末。第二材料與第一材料相比是較不密實(shí)的，使得第二材料在儲(chǔ)槽中位于第一材料上方。

步驟102包括向儲(chǔ)槽中傳輸至少一個(gè)實(shí)際雷達(dá)脈沖，并且測(cè)量所得回波曲線或回波曲線部分，所述回波曲線部分包括在界面位置周?chē)闹辽僖粋€(gè)所測(cè)量到的界面脈沖。在實(shí)踐中，由于針對(duì)發(fā)射器的功率限制，將存在多個(gè)雷達(dá)脈沖，并且回波曲線將是回波曲線部分。針對(duì)第一材料和第二材料的峰值可能重疊，特別是如果第二材料的厚度＜10cm的話。

在步驟103中，使用處理器（例如數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）或微控制器單元（mcu））利用作為輸入的參考脈沖連同針對(duì)厚度的初始值來(lái)模擬界面模型，以生成初始mgip。參考脈沖可以包括通過(guò)脈沖（諸如使用收發(fā)器中的分路器）或凸緣脈沖。參考脈沖還可以包括從校準(zhǔn)獲取的物位脈沖（例如當(dāng)儲(chǔ)槽為空時(shí)）。參考脈沖一般隨時(shí)間而更新，諸如在預(yù)定時(shí)間段之后或者在確定至少一個(gè)發(fā)射器電路參數(shù)中的漂移之后（例如以計(jì)及脈沖振幅或脈沖寬度漂移）。

步驟104包括在多個(gè)點(diǎn)（例如每個(gè)脈沖5或6個(gè)）之上逐點(diǎn)比較所測(cè)量到的界面脈沖與初始mgip以確定多個(gè)殘差。比較可以由軟件自動(dòng)執(zhí)行，或者由個(gè)人執(zhí)行。非線性最小平方擬合算法可以用于該比較。

在步驟105中，如果殘差之和＞預(yù)定閾值，通過(guò)利用更新的界面模型連同針對(duì)厚度的更新的值一起來(lái)重復(fù)比較以提供更新的mgip而執(zhí)行迭代。在一個(gè)實(shí)施例中，如果殘差之和＞預(yù)定閾值，利用針對(duì)厚度的更新的值重復(fù)模擬以生成更新的界面模型和從其更新的mgip。在另一實(shí)施例中，如果殘差之和＞預(yù)定閾值，更新的mgip可以從反映針對(duì)不同厚度的脈沖的更新的mgip的存儲(chǔ)庫(kù)獲取。

更新的厚度值可以通過(guò)擾亂并測(cè)量算法自動(dòng)生成，其中由模型使用的厚度值可以通過(guò)小的量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且然后測(cè)量所得殘差。如果殘差減小，嘗試該方向上的針對(duì)厚度的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，并且如果殘差增加，在另一方向上做出對(duì)厚度值的進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

在步驟106中，當(dāng)殘差之和≤預(yù)定閾值時(shí)，確定厚度。還可以確定第二材料層的物位。

以下示出的abcd矩陣包括具有參數(shù)m11、m12、m21、m22的傳遞函數(shù)，這些參數(shù)將具有x和y分量（比方說(shuō)e^ox、e^oy）（e為電場(chǎng)）的輸出（回波曲線）波形與作為輸入的參考脈沖進(jìn)行相關(guān)。m是基于相應(yīng)材料或介質(zhì)的折射率和厚度及其在儲(chǔ)槽中的界面的參數(shù)，所述電場(chǎng)傳播通過(guò)至具有分量eⁱx、eⁱy的輸入（傳輸?shù)模┟}沖波形：

，其中

abcd矩陣還可以稱為傳輸矩陣，或者雙端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)。例如，儲(chǔ)槽中的2接口系統(tǒng)可以包括水上油上空氣，使得在該情況下mi=m空氣具有折射率n空氣，mi+1=m油具有折射率n油并且mi+2=m水具有n水。應(yīng)用于在給定光學(xué)輸入和光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的情況下預(yù)測(cè)針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的輸出的示例abcd矩陣方案還在教科書(shū)optics，eugenehecht，第二版，addison-wesleypublishingcompany.inc.1987，p.373-378中有描述。

殘差（振幅中的差值）然后可以在所測(cè)量到的界面脈沖與mgip之間看到。如以上所描述的，如果殘差之和基于預(yù)定閾值（幅度）過(guò)高，界面模型可以利用不同的厚度值重新應(yīng)用以生成更新的mgip，并且當(dāng)殘差之和處于或低于某個(gè)預(yù)定閾值時(shí)，厚度值迭代過(guò)程可以停止。

不同策略可以用于最小化處理時(shí)間以發(fā)現(xiàn)界面厚度和物位。如以上指出的，基于表格的庫(kù)可以提供有不同的脈沖形狀或傳遞函數(shù)，使得可以并行運(yùn)行殘差計(jì)算。

所公開(kāi)的方法可以由各種脈沖雷達(dá)物位傳感器系統(tǒng)利用。圖2描繪了根據(jù)示例實(shí)施例的示出為gwr系統(tǒng)200的示例脈沖雷達(dá)或超聲物位發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，其包括示出為脈沖雷達(dá)物位量規(guī)（prg）260的脈沖雷達(dá)量規(guī)，脈沖雷達(dá)物位量規(guī)（prg）260包括示出實(shí)現(xiàn)在與處理器215相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器210的固件中的所公開(kāi)的脈沖雷達(dá)界面確定算法210a。存儲(chǔ)器210可以是相對(duì)于處理器215在芯片上或在芯片外。還示出的是收發(fā)器220和同軸連接器225，同軸連接器225在儲(chǔ)槽205的頂部上。由收發(fā)器220提供的發(fā)射器和接收器可以實(shí)現(xiàn)為分離的塊。相應(yīng)地，如本文所使用的收發(fā)器包括這些布置二者。

在傳輸方向上，處理器215向連接到脈沖生成器（pgen）塊221的輸入的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器（dac）222提供數(shù)字信號(hào)電平，所述脈沖生成器（pgen）塊221耦合到收發(fā)器220的發(fā)射器。在接收方向上，收發(fā)器220的接收器接收通過(guò)傳感器226換能的反射回波信號(hào)，其中來(lái)自傳感器226的輸出信號(hào)耦合到模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（adc）227，其將來(lái)自傳感器226的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成供處理器215處理的數(shù)字信號(hào)，處理器215充當(dāng)信號(hào)分析器。生成許多脈沖，并且adc227生成包括通過(guò)時(shí)鐘電路同步的許多離散電壓值的波形。

凸緣（未示出）還可以存在于儲(chǔ)槽上。波導(dǎo)（或探頭）被示出為240。如以上所指出的，盡管一般針對(duì)gwr應(yīng)用進(jìn)行描述，但是所公開(kāi)的物位發(fā)現(xiàn)還可以應(yīng)用于超聲和非接觸式雷達(dá)。

圖3a-3d示出針對(duì)水界面上的20cm油、水界面上的10cm油、水界面上的4cm油和水界面上的2cm油而使用已知物位發(fā)現(xiàn)算法所測(cè)量到的回波曲線。這些圖中的每一個(gè)中的最左脈沖是凸緣脈沖。在圖3a（20cm油）和圖3b（10cm油）中，示出油脈沖和水脈沖二者。然而，在圖3c（4cm油）和圖3d（2cm油）中，僅示出有一個(gè)脈沖（沒(méi)有分離的油和水脈沖/峰值的證據(jù)）。所公開(kāi)的實(shí)施例認(rèn)識(shí)到，盡管在圖3c和3d中僅單個(gè)峰值位于靠近假定界面，但是脈沖形狀是油的厚度的函數(shù)，使得油的厚度可以從脈沖形狀確定，諸如使用方法100。

示例

通過(guò)以下具體示例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明所公開(kāi)的實(shí)施例，以下具體示例不應(yīng)當(dāng)解釋為以任何方式限制本公開(kāi)的范圍或內(nèi)容。

圖4示出從類似于圖2中所示的gwr系統(tǒng)200的gwr系統(tǒng)取得的示例現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，該gwr系統(tǒng)具有安裝在儲(chǔ)槽205的頂部上的凸緣上的prg260，儲(chǔ)槽205具有水上的d95（油）之上的空氣。因而存在2個(gè)界面，在油和空氣之間1個(gè)界面，以及在水和油之間1個(gè)界面?；夭}沖可以與凸緣、d95和水相關(guān)聯(lián)地看到和標(biāo)識(shí)。在嵌入的數(shù)據(jù)表格中，第一條目是以厘米計(jì)的水厚度，并且第二條目是以厘米計(jì)的d95厚度。

雖然以上已經(jīng)描述了各種所公開(kāi)的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，它們僅通過(guò)示例而不是限制的方式呈現(xiàn)?？梢砸勒毡竟_(kāi)而做出對(duì)本文所公開(kāi)的主題的眾多改變而不脫離本公開(kāi)的精神或范圍。此外，雖然可能已經(jīng)關(guān)于若干實(shí)現(xiàn)方式中的僅一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式公開(kāi)了特定特征，但是這樣的特征可以如可能針對(duì)任何給定或特定應(yīng)用而言所期望和有利的那樣與其它實(shí)現(xiàn)方式的一個(gè)或多個(gè)其它特征組合。