专利名称：使用调频脉冲波的雷达物位计量的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用电磁波来确定距容器中物品的表面的距离的雷达物位计。
背景技术：
自从二十世纪七十年代和八十年代雷达物位计量被开发为商业产品以来，调频连续波(FMCW)已成为高精度应用的主流测量方法。FMCW测量包括将在大约几GHz的频率范围内扫描的信号发射到容器中。例如，该信号可以在25GHz至27GHz的范围内或9. 5GHz至I IGHz的范围内。所发射的信号被容器中的容纳物的表面反射(或者被任何其他阻抗转变反射)，并且已延迟一定时间的回波信号返回至该物位计。回波信号与所发射的信号混合以生成混合信号，该混合信号具有与所发射的信号在时延期间所发生的频率变化相等的频率。由于线性扫描，该差频(也称为中频(IF))与距反射表面的距离成比例。该混合信号通常被称为IF信号。 最近，FMCW原理已得到改进，现在通常涉及发射具有步进频率且几乎等幅的信号，而不发射连续扫描。在US 5，406，842中公开了这样的步进FMCW的示例。针对多个离散频率，确定相移，并且基于ー组这样的相移获得IF信号，其具有与上述连续的IF信号相同的特性。原则上，这要求频率的数量N大于抽样定理规定的数量。然后，使用IF信号的频率以与传统的FMCW系统中类似的方式来确定距反射表面的距离。典型值可以是以30m的距离分成1000至1500个步长的200至300个IF周期。尽管具有高精度，但是FMCW系统是相当耗电的，从而使其不太适用于功率受限的应用。这样的应用的示例包括通过双线接ロ(诸如，4-20mA环路)供电的现场设备以及由内部电源(例如，电池或太阳能电池)供电的无线设备。

发明内容
本发明的目的是提供一种改进的用于雷达物位计量的方法，该方法与传统的FMCW方法相比具有更低功率需求。根据本发明的第一方面，通过用于测量距保存在容器中的物品的表面的距离的方法来实现这个目的或其他目的。该方法包括朝向表面发射低功率电磁发射信号；接收在表面所反射的电磁返回信号；以及基于初始估计距离以及发射信号与返回信号之间的关系来确定距离。发射信号被形成为具有持续时间大于I微秒且小于100毫秒的不同载波脉冲的脉冲序列，该脉冲序列具有小于50%的平均占空比，每个脉冲具有根据频率规划在预定频率范围内选择的规定中心频率，其中该预定频率范围大于平均中心频率的5%。该方法还包括确定所接收到的每个不同脉冲相对于所发射的每个相应的不同脉冲的实际相位特性；基于初始估计距离来确定所接收到的每个不同脉冲相对于所发射的每个相应的不同脉冲的预期相位特性；以及将实际相位特性与预期相位特性进行关联，以提供距离的更新估计。本发明基于发射ー组载波脉冲，每个载波脉冲均具有在某频率范围内所选择的不同频率。因此，该方法被称为调频脉冲波(FMPW)。不同于上文称为步进FMCW的方法，在ー个测量循环内的不同载波频率的数量不足以提供连续的IF信号，或者甚至不足以提供传统FMCW系统中所使用的IF频率的近似。反而，根据特定频率规划来选择ー组较小的频率，并且针对每个频率确定所接收到的脉冲的相移。这组相移使得可以确定与之前记录的距反射表面的距离相比的变化。在大多数应用中，用户要求为大约毎秒一次的更新率，于是，两次測量之间的物位变化较小。由于这些脉冲被分别地且彼此独立地发射并处理，因此可以降低发射信号的占空比，并且该占空比小于50%。在本发明的一些实施例中，该占空比显著变小，可以为5%或者甚至为1%以下。这意味着可以以相对高的功率发射各个脉冲，而不会增加测量循环的平均功率。这使得本发明在功率不足的情况下尤其有益，诸如在通过エ业电流环路(例如，4-20mA环路)供电的现场单元中或在电池供电(或太阳能供电等)的现场单元中。所述关联可以包括基于每个载波频率的实际相位特性和所述预期相位特性来确 定距离偏移；以及基于初始估计距离和距离偏移来确定距离的更新估计。替选地，所述关联可以包括确定实际相位与载波频率之间的关系。这样的关系可以被表达为曲线图中的直线的斜率，该斜率表示距离。具有不同频率的脉冲的顺序对于距离的确定并不重要，例如，可以将这些脉冲以降序或升序或者任意混合顺序发射。频率规划可以以各种方式设计，并且可以包括将整个频率范围(例如，为GHz级)划分成多个子范围，并针对每个子范围限定离散频率的子集。该规划还可以包括从每个频率子集中各自随机选择ー个频率。根据本发明的一个实施例，该规划是自适应的，即，其可以根据当前的測量状况而变化。例如，当出现更困难的测量条件时，増加脉冲的数量会是有利的。这样困难的测量条件可以包括被扰乱的或快速移动的表面，并且可以在测量结果中将其本身表现为增加的不确定性(量化为例如方差或标准偏差)。在该情况下，该规划可以包括若干精度等级，每个精度等级均包括不同数量的频率。当使用ー个精度等级获得的測量结果变得太不确定吋，则提高精度等级，并在下ー个循环中使用具有不同频率的更多数量的脉冲。采用线性或步进扫描的传统FMCW将根据容器中的各个距离得到的ー组回波转换成“容器谱(tank spectrum)”。可以将所关注的回波滤出以減少来自容器的其他部分的干扰回波。采用根据本发明的最简单类型的MFPW，这是不可能实现的。为了改进这种情況，有利的是引入载波的调频并且将接收到的信号与调制频率进行混频，以提供对距离的依赖性。这种依赖性可以用于通过低通滤波来消除不期望的回波。发射信号优选地通过适当的频率fm (每个脉冲内的若干完整周期)进行调频，从而提供载波频率在MHz级的频带δ ·范围内的变化。采用这样的调制，可得到以下两个优点I.可以在fm或fm的倍数(而不是DC)附近接收该信号，这将使其对Ι/f噪声和瞬态干扰不太敏感。2.引入了距离依赖性，其可以对于例如将回波竞争限制在最近的±lm内等是有利的。本发明的第二方面涉及ー种用于FMPW的系统，其包括收发器，用于发射低功率电磁发射信号以及接收在表面所反射的电磁返回信号；以及处理电路，用于基于初始估计距离以及发射信号与返回信号之间的关系来确定距离。该收发器被配置成将发射信号形成为具有持续时间大于I微秒且小于100毫秒的不同载波脉冲的脉冲序列，该脉冲序列具有小于50%的平均占空比，每个脉冲均具有根据频率规划在预定频率范围内选择的规定中心频率，该预定频率范围大于平均中心频率的5%。该处理电路被配置成确定所接收到的每个不同脉冲相对于所发射的每个相应的不同脉冲的实际相位特性；基于初始估计距离来确定所接收到的每个不同脉冲相对于所发射的每个相应的不同脉冲的预期相位特性；以及将实际相位特性与预期相位特性进行关联以提供距离的更新估计。为了最小化在多频脉冲波(MFPW)雷达物位计量系统中的能耗，如上所述，已发现使用少量频率来提供对距容器中物品的表面的距离的更新估计是有利的。如所指出的，该原理可以有多种变型。然而，有时，可以插入调频连续波(FMCW)扫频测量以检验或校正通过MFPW距离测量所得到的距离的更新估计。此外，也可以基于这样的FMCW測量或基于距离的更新估计或者基于两者的组合来提供新的初始估计距离。另外，有利地，在依赖于测量状况的不同时间处或以预定的时间间隔插入用于估计距离的FMCW扫频。与从容器接收到的回波有关的测量状况的特征可以为例如静止的表面、缓慢移动的表面、快速移动的表面 以及存在干扰回波(来自容器内部某个位置处的结构)。上述的插入FMCW扫频的过程既可应用于本发明的方法方面也可应用于本发明的系统方面。


将參照附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的当前优选实施例。图I是安装在容器上的雷达物位计的示意框图。图2是根据本发明的第一实施例的图I中的收发器的更详细框图。图3是根据本发明的第二实施例的图I中的收发器的更详细框图。图4是示出了相位与发射频率的关系曲线的图。图5是根据本发明的实施例的方法的流程图。图6示出了载波的调频。图7示出了正弦调制的前五个谐波。图8示出了三角调制的偶次谐波的傅里叶系数。
具体实施例方式在本说明书中，主要參照具有用于辐射和捕获电磁信号的自由传播天线的雷达物位计系统来描述本发明的实施例。应该注意，这并不限制本发明的范围，本发明等同地可应用于其他信号传播设备，包括其他自由传播天线(诸如，棒状天线、贴片天线、固定的或可移动的抛物面天线或锥形天线)以及波导(诸如，静止管、传输线或探针(诸如，单线探针(包括所谓的古博探针)、双线探针或同轴探针))。图I示意性地示出了根据本发明的实施例的雷达物位计系统1，其包括测量电子単元2和信号传播设备(这里为喇叭式天线3)。雷达物位计系统I设置在容器5上，容器5部分地填充有要计量的物品6。在图I所示的情况下，物品6是固体，诸如谷物或塑料颗粒(plastic pellet)，其被公认为代表要求雷达物位计系统的相对高的測量灵敏度的具有难度的应用。通过分析由天线3朝向物品6的表面7辐射的发射信号St以及从表面7传回的回波信号Sk，測量电子单元2可以确定參考位置与物品6的表面7之间的距离，由此可以推断出填充物位し需要注意的是，尽管此处描述了容纳单个物品6的容器5，但是可以以类似方式测量距存在于容器5内的任何物质的界面的距离。如图I示意性地示出的，电子单元2包括用于发射和接收电磁信号的收发器10，收发器10通过波导9连接至天线3。単元2还包括处理电路11，处理电路11连接至收发器10以控制收发器并处理收发器接收到的信号，从而确定容器5中物品6的填充物位。处理电路11还连接至存储器12，存储器12存储物位计I的操作所需的任意软件并且还提供在操作期间所使用的RAM。该处理电路11还可通过接ロ 14连接至外部通信线13以进行模拟通信和/或数字通信。作为示例，通信接ロ 14与外部控制站(未示出)之间的通信可以由双线接ロ提供，该双线接ロ具有既将测量结果发送到控制站又接收用于操作物位计I的功率的组合功能。根据由处理电路11确定的測量结果来调节线中的电流。 替选地，物位计可以使用例如无线HART协议来与控制站进行无线通信，并且使用具有电池的本地电源或用于自主操作的其他捡拾能量装置。尽管在图I中被示为分离的块，但是收发器10、处理电路11和接ロ 12中的几个可以设置在同一电路板上。图2示意性地示出了适于实施本发明的实施例的示例性收发器10。信号发生器20被配置成以良好定义且精确受控的载波频率产生载波脉冲。精度偏差应该小于1/1000，优选地小于1/10000，或者更佳。这可以通过反馈控制系统来实现，并且信号发生器可以为例如锁相环PLL。在此处讨论的示出示例中，假设脉冲持续时间为大约2ms，但是显著更短的脉冲(例如，为μ s级)也是可以的。需要注意的是，在容器计量的背景下，此处所提到的具有US或ms级的持续时间的脉冲太长而不能实现采用时域反射计的脉冲式距离测量，即，不能接收反射脉冲并确定其飞越时间。因此，根据本发明的脉冲长于典型脉冲持续时间为ns级的传统脉冲式雷达物位计的脉沖。脉冲的平均功率在nW或μ W区域内。然而，占空比(即，脉冲与脉冲间的间隔之间的关系)应该被限制为小于50%，优选地，显著更低，例如为5%或者甚至1%以下。与传统FMCW相比，这意味着脉冲可以以相对高的功率发射，而不增加測量循环的平均功率。脉冲典型地为雷达脉冲，其载波频率在GHz区域内，例如在9. 5GHz至IlGHz或24GHz至26GHz的范围内。脉冲的持续时间、占空比以及PLL的频率由处理器11 (參见图I)控制。可以设置循环器或功率分配器(诸如威尔金森功率分配器(WPD)) 22来将来自信号发生器20的信号引导至容器5中的天线3以及将来自天线3的反射信号引导至收发器10的接收器部分。该接收器部分包括两个信道同相信道(I)和正交信道(Q)，每个信道均包括用于对接收到的信号进行零拍混频的混频器23a、23b。第一混频器23a被提供了直接来自PLL20的发射脉冲(I信道)。第二混频器23b被提供了来自PLL 20的通过了 90度移相器24的发射脉冲(Q信道)。每个信道均包括低通滤波器25a、25b以及放大器26a、26b。滤波器和放大器改进了雷达物位计系统的信噪比。低通滤波器25a和25b优选地具有对应于脉冲宽度的倒数的带宽。换句话说，如果脉冲的持续时间是2ms，则合适的滤波器的带宽应该为500Hz。因此，可以以平均功率为代价使用更长的脉冲来増加灵敏度(更小的带宽)。然而，如果期望低的占空比，为了实现低的平均功耗，脉冲应该保持合理的短，并且低通滤波器25a、25b的带宽必须比传统的FMCW宽(具有较低的灵敏度)。然后，信号被提供给两个积分器27a和27b，以在脉冲长度内对信号进行积分。最后，两个A/D转换器28a和28b被配置为对积分值进行A/D转换，并且数字输出被提供给处理器11以进行存储和处理。图2中的实施例可能对干扰回波敏感，这是因为它不能将反射信号的相关部分滤 出。换句话说，该实施例最适用于表面反射与其他任何反射相比占支配地位的測量条件。图3示出了根据本发明的另ー实施例的收发器，其引入了载波的调制。该调制对于本发明的一般原理来说不是必须的，但是可以用来改进可靠性，如下文所说明的。參照图3，PLL 20连接至调制器30，调制器30被配置成以调制频率fm对来自PLL20的脉冲进行调频。所调制的载波的频率变化如图6所示。应该相对于脉冲持续时间来选择调制频率，以确保完整数量的调制周期(Pnwd)包括在每个脉冲中。在脉冲长度为ms级的本示例中，调制频率应该为kHz级,可以为例如IOkHz。对于μ s级脉冲持续时间,调制频率应该为MHz级。该调制具有为引入载波频率的变化δ f所选择的振幅，其中该载波频率的变化显著小于测量的预定频率范围。如已提到的，频率规划中所使用的预定载波频率范围可以为大约1GHz，于是，该调制δ f可以适当地为MHz级。在该实施例中，来自混频器23a、23b的输出不是DC电平信号，而是包含调制频率fm及其谐波的IF (中频)信号。混频器23a、23b连接至被配置成滤出所期望的频率含量的带通滤波器31a和31b。如下文所讨论的，这典型地是fm的ー个一次谐波。所滤出的信号由放大器32a、32b放大。然后，每个信道均包括第二组混频器33a、33b，第二组混频器33a、33b也接收来自调制器30的且通过了倍増器34的调制频率fm作为输入。倍増器34适于提供与由滤波器31a、31b滤出的谐波相对应的、N倍的调制频率fm。例如，如果选择一次谐波，则N=2。来自混频器33a、33b的输出是DC电平信号，其被馈送至与图2中的元件对应的低通滤波器25a、25b、放大器26a、26b、积分器27a、27b以及A/D转换器28a、28b。根据由调制器30引入的频率调制的类型(正弦、三角等)，混频器25a、25b输出的IF信号将具有距离依赖性，并且将遍布不同的谐波。如果发射的信号具有以调制宽度Sf进行的正弦调制，则在零拍混频之后的接收信号可以由贝塞尔函数描述为fm的谐波，如图5所示。贝塞尔函数的自变量为Χ=2 π h δ f/c，其中h是距反射表面的距离，c是真空中的光速。随着距离h増加(从而X増加)，接收到的信号遍布更多谐波。如果例如调制宽度Sf为15MHz且距离h为10m，则自变量X将会为 2. 0，并且大部分接收到的信号将出现在fm处。Jl (X)(对于小于2的X)的距离依赖性具有与传统FMCW系统中的高通滤波器相同的特征，即，通过使振幅距离依赖性抵消Ι/h依赖性来将动态范围降低 20dB。如果使用了固定的S f，则其将被限制为8-lOMHz以测量多达20-25m，而不会因将功率遍布至过多其他谐波而损失过多振幅。还可以挑选二次谐波2fm，其对于抑制近回波更加有效，并且允许在对20-25m的应用中使用12-15MHZ的调制宽度。注意，在某些情况下，滤波器31a、31b由硬件決定，并且不是可变化的。替代地，改变调制器频率fm、调制宽度Sf和因子N以实现所期望的滤波。正弦调制的替选是具有不同特性的三角频率调制，并且会比正弦调制更有效。图6示出了在三角调制时所得到的偶次谐波(2fm、4fm等)的傅里叶系数。1、3等的系数非常类似于2、4等的系数。峰值均接近1，所以如果最接近的谐波被滤出，则几乎用到全部信号功率。该自变量X与上文相同，所以在三角调制的情况下可以使用较宽的5f。在50MHz的调制宽度下，上述图中的整个轴(0〈X〈20)对应于0-30m的距离。在50MHz的调制宽度下，谱密度可以降低17dB而不降低接收到的信号。对于长脉冲而言，也会保持这种 降低。仅仅针对正弦调制，可以通过可变(数字)滤波器或通过改变fm以使适当的谐波适于固定滤波器来在不同谐波之间改变滤波。以这种方式，该功能将相当接近传统的FMCW系统，该传统的FMCW系统使用滤波器挑选信号以进行精确的差分相位计算。通过选择多个谐波，可以进一歩实现简单的距离估计。基本上，每个谐波均代表给定的距离范围。通过确定在若干这样的范围内的接收功率并将它们互相关联，可以估计距离。这样的距离估计在本领域中是公知的，并且尤其在嘈杂条件下有用，诸如当表面扰动时。现在将參照图4和图5来公开根据本发明的实施例的物位计的操作。图4中的曲线41对应于在初始化阶段(图5中的步骤SI)期间完成的距离测量。该测量可以已通过传统雷达物位计量方法来实现，诸如FMCW (连续的或步进的)或者TDR。该测量也可以已通过可利用的任何其他检测方法来实现，包括压差检测和感应检測。不论该测量是如何完成的，都可以将所检测到的距离转换为任何给定频率的相位差。图4中的曲线41对应于一组这样的相位差。现在可以执行根据本发明的实施例的測量循环。首先，在步骤S2中，根据预定义的过程确定频率规划。在一个实施例中，该过程包括从扫描范围内的频率的N个子集中的每个子集中选择ー个频率。该扫描范围可以为操作频率的大约10%，并且可以例如为在25GHz与27GHz之间或者在9. 5GHz与IlGHz之间。频率子集的数量N可以优选地基于容器的现行条件来确定。在有利的条件(缓慢移动的表面、小噪声、没有干扰回波或干扰回波弱)下，少量频率就可以是足够的，并且N可以小于10。在中等难度的条件下，N可以在10到100的范围内，而对于更加困难的条件，N可以大于100。作为比较，传统的步进FMCW测量通常包括大约2000个频率。这N个频率可以从N个子集中随机选择。另外，这些频率不必按照大小排序，所以该频率脉冲可以忽高忽低。在所示出的示例中，该规划包括五个不同的频率,其遍布2GHz的范围。然后，在步骤S3至步骤S5中，以所选择的频率按所选择的顺序执行扫描。对于每个频率，由PLL 20产生具有确定的持续时间(例如，2ms)的脉冲，并且通过天线3将该脉冲作为信号ST发射到容器中(步骤S3)。所发射的电磁信号ST在容器5中的阻抗转变(包括容纳在容器5中的物品6的表面7)处反射，并且作为回波信号SR通过天线3返回到收发器10。通过收发器10的接收侧的两个信道(I和Q)接收反射信号SR (步骤S4)。然后，在步骤S5中，通过处理器11使用两个信道的输出以及 传统的I/Q处理来确定发射脉冲与反射脉冲之间的相位差。将各个相移记录在存储器13中(步骤S6)，并且针对规划中的所有频率重复步骤S3 至 S6。在步骤S7中，将每个相位差值(在O至2pi范围内)与基于所检测到的距离而计算出的预期相位差值进行关联。在图4中，各个相位差42a至42f已绘制在线41的正上方。预期相位与检测到的实际相位之间的差对应于距离偏移。原则上，由单个频率引起的一个这样的偏移足以提供更新的距离检測。然而，这样的检测的不确定性通常会太显著而不能提供令人满意的可靠性，而且通常需要某种统计分析。一种途径是确定平均距离偏移，该平均距离偏移由检测到的实际相位与预期相位之间的平均差来限定。另ー种途径是识别与五个相移值相关(例如，在最小二乗法意义上)的直线(虚线43)。这条直线的斜率可以被转换成检测到的距离。注意，所使用的脉冲数量(不同频率的数量)太少而不能提供由其本身唯一限定的距离测量值。因此，在上述途径中，利用获知先前检测到的距离(直线41)来提供预期相位值，并最終提供距离估计。如果先前的检测是不可利用的或者被认为不是理想的，则可以通过仿真来确定估计的距离。优选地，在根据本发明的雷达物位计量系统启动时，通过使用一次或几次完整的FMCW扫频来确定距表面的初始估计距离。从而，该初始估计距离通过根据FMCW雷达原理或其变型进行估算来确定，其中FMCW雷达原理或其变型均是本领域中公知的。在连续的操作中，物位计量系统根据本发明重复执行MFPW測量。根据测量情况或在某ー时间间隔之后，再次执行一次或多次FMCW扫频，以检验或校正距离的更新估计。具体地，这样的(一次或多次)FMCff扫频在由以下所确定的时间处插入a.在确定初始估计距离之后的ー个或多个预定时间间隔；b.在前一次FMCW扫频之后的ー个或多个预定时间间隔；c.在距离的更新估计相对于初始估计距离变化了ー个或多个预定值时；d.在距离的更新估计相对于基于前一次FMCW扫频所确定的距离变化了一个或多个预定值时。e.通过用户直接地(通过选择时间间隔规划)或间接地(通过选择典型測量状況，诸如缓慢变化、快速变化、储存容器等，其中物位计电路将其转换成时间间隔规划)选择雷达物位计的配置而确定的时间间隔；以及/或者f.由雷达物位计的诊断功能确定的时间间隔，其中该诊断功能产生由雷达物位计感知的容器状况(信号強度、回波数、物位距离的变化速度等)。可以使用以上所列的一个或多个规划，也可以结合未列出的规划，从而增强本发明的方法和系统的距离测量性能。以这种方式，可以相当大地降低与雷达物位计量系统的提供物位测量的部分(測量电路)有关的能耗率(或者平均功耗)，而不会冒任何明显降低性能或可靠性的风险。例如，假设MFPW扫频(其仅包括分段的频率范围)需要完整FMCW扫频(其可以是连续扫频或步进扫频)的能量的百分之一(1%)。进ー步假设根据本发明的雷达物位计具有两赫兹(2Hz)的扫描重复频率，并且测量状况要求每隔六十秒(60s) —次完整FMCW扫频，而在剩余时间内足以进行MFPW扫频。为了比较，对于表面移动以中等速度或更低速度发生的很多测量状况，这是合理的假设。于是，本发明的雷达物位计的测量电路的能耗近似地变为传统FMCW雷达物位计的测量电路的能耗的(1+119*0. 01)/120=0. 018=1. 8%。当然，除此之外，根据测量状况，节能可能偏离该数字。为了实现显著的功率节省，距离的更新估计优选地平均以相对于调频连续波(FMCW)扫频距离测量的如下比率来提供，其中该比率大于选自包括2: I、10:1、50: I、100: I、500:1和1000:1的组的比率。该平均可以被理解为在某个时间段内取得的平均，该时间段选自包括以下的组一秒、一分钟、一小时、一星期、一月、一年、应用了本发明的方法和系统 的处理的典型循环时间以及向本发明的系统供电的本地电源的寿命。本发明的技术人员认识到，本发明并不受限于上述优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内可以进行很多修改和变型。例如，可以以多种可替选的方式执行频率的选择。另外，在不背离本发明的构思的情况下可以以多种方式修改收发器电路的细节。
权利要求
1.ー种提供对距保存在容器中的物品的表面的距离的低功率多频脉冲波测量的方法，所述方法包括-朝向所述表面发射(步骤S3)低功率电磁发射信号，-接收(步骤S4)在所述表面所反射的电磁返回信号，-基于初始估计距离以及所述发射信号与所述返回信号之间的关系来确定所述距离，-将所述发射信号形成为具有持续时间大于I微秒且小于100毫秒的不同载波脉冲的脉冲序列，-所述脉冲序列具有小于50%的平均占空比，-每个脉冲具有根据频率规划在预定频率范围内选择的规定中心频率，-所述预定频率范围大于平均中心频率的5%，-确定(步骤S5)所接收到的每个不同脉冲相对于所发射的每个相应的不同脉冲的实际相位特性，-基于所述初始估计距离来确定所接收到的每个不同脉冲相对于所发射的每个相应的不同脉冲的预期相位特性，以及-将所述实际相位特性与所述预期相位特性进行关联(步骤S7)，以提供所述距离的更新估计。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，通过初始物位测量获得所述初始估计距离(步骤SI)。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，所述关联包括基于所述实际相位特性和所述预期相位特性来确定所述距离的距离偏移，以及基于所述初始估计距离和所述距离偏移来确定所述距离的所述更新估计。
4.根据权利要求I或2所述的方法，其中，所述关联包括确定实际相位与载波频率之间的关系。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括在第一信道(I信道)中将所述返回信号与所述发射信号进行零拍混频，并在第二信道(Q信道)中将所述返回信号与经90°相移的发射信号进行零拍混频，以提供两个幅值，以及基于所述幅值来计算所接收到的每个不同脉冲的所述相位特性。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括确定所述更新估计的方差，以及如果所述变化超过预定方差阈值，则更新所述频率规划以包含更多数量的频率。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括以调制频率对每个载波脉冲进行调频。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在第一信道(I信道)中将所述返回信号与所述发射信号进行零拍混频，并在第二信道(Q信道)中将所述返回信号与经90°相移的发射信号进行零拍混频，以提供两个IF (中频)信号，对所述IF信号进行滤波，以提供与所述调制频率的所选谐波相对应的滤波信号，将每个信道的滤波信号与所述调制频率的所选谐波进行混频，以提供两个幅值(I和Q)，以及基于所述幅值来计算所接收到的每个不同脉冲的所述相位特性。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述频率调制是正弦调制和三角调制之一。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述调制频率在IOkHz至IOOkHz的范围内。
11.根据权利要求107所述的方法，其中，所述调制引入了载波频率在IMHz至IOOMHz范围内的变化。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述频率规划通过以下步骤确定在预定频率范围内限定N个频率子集，并且从每个子集中随机选择ー个频率。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在反馈控制环中控制每个载波频率，从而提供小于1/1000的频率精度偏差。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预定频率范围大于平均中心频率的10%。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述占空比小于5%。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用调频连续波(FMCW)扫频距离測量来检验或校正距所述物品的所述距离的所述更新估计。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用调频连续波(FMCW)扫频距离測量来提供距所述物品的新的初始估计距离。
18.根据权利要求16至17中任一项所述的方法，其中，所述距离的所述更新估计平均比所述调频连续波(FMCW)扫频距离测量更频繁地来提供。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述距离的所述更新估计平均以相对于所述调频连续波(FMCW)扫频距离测量的如下比率来提供所述比率大于选自包括 10:1、50:1、100:1、500:1 和 1000:1 的组的比率。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，每个所述调频连续波(FMCW)扫频距离測量在由以下所确定的时间处插入a.在确定所述初始估计距离之后的ー个或多个预定时间间隔；b.在前一次FMCW扫频之后的ー个或多个预定时间间隔；c.在所述距离的更新估计相对于初始估计距离变化了ー个或多个预定值时；d.在所述距离的更新估计相对于基于前一次FMCW扫频所确定的距离变化了一个或多个预定值时；e.通过用户直接地(通过选择时间间隔规划)或间接地(通过选择典型測量状况，诸如缓慢变化、快速变化、储存容器等，其中物位计电路将所述典型測量状况转换成时间间隔规划)选择雷达物位计的配置而确定的时间间隔；以及/或者f.由所述雷达物位计的诊断功能确定的时间间隔，其中所述诊断功能产生由所述雷达物位计感知的容器状况。
21.ー种多频脉冲波雷达物位计量系统，用于检测距容器中物品的表面的距离，所述系统包括收发器(10)，用于发射低功率电磁发射信号以及接收在所述表面所反射的电磁返回信号，以及处理电路(11)，用于基于初始估计距离以及所述发射信号与所述返回信号之间的关系来确定所述距离，所述收发器被配置成将所述发射信号形成为具有持续时间大于I微秒且小于100毫秒的不同载波脉冲的脉冲序列，所述脉冲序列具有小于50%的平均占空比，每个脉冲均具有根据频率规划在预定频率范围内选择的规定中心频率，所述预定频率范围大于平均中心频率的5%，所述处理电路被配置成确定所接收到的每个不同脉冲相对于所发射的每个相应的不同脉冲的实际相位特性，基于所述初始估计距离来确定所接收到的每个不同脉冲相对于所发射的每个相应的不同脉冲的预期相位特性，以及将所述实际相位特性与所述预期相位特性进行关联，以提供所述距离的更新估计。
22.根据权利要求21所述的系统，还包括第一混频器(23a)，用于在第一信道(I信道)中将所述返回信号与所述发射信号进行零拍混频，以提供第一幅值，以及第二混频器(23b)，用于在第二信道(Q信道)中将所述返回信号与经90°相移的发射信号进行零拍混频，以提供第二幅值，其中，所述处理电路(10)还被配置成基于所述第一幅值和所述第二幅值来计算所接收到的每个不同脉冲的所述相位特性。
23.根据权利要求21或22所述的系统，还包括用于以调制频率对每个载波脉冲进行调频的调制器(30)。
24.根据权利要求23所述的系统，还包括第一混频器(23a)，用于在第一信道(I信道)中的将所述返回信号与所述发射信号进行零拍混频，以提供第一 IF (中频)信号，以及第二混频器(23b)，用于在第二信道(Q信道)中将所述返回信号与经90°相移的发射信号进行零拍混频，以提供第二 IF (中频)信号，滤波器(31a、32b)，用于对所述第一 IF信号和所述第二 IF信号进行滤波，以提供与所述调制频率的所选谐波相对应的滤波信号，以及混频器(33a、33b)，用于将每个信道的滤波信号与所述调制频率的所选谐波进行混频，以提供两个幅值(I和Q)，以及其中，所述处理电路(10 )还被配置成基于所述幅值来计算所接收到的每个不同脉冲的所述相位特性。
25.根据权利要求23所述的系统，其中，所述调制器(30)被配置成提供正弦调制和三角调制之一。
26.根据权利要求23所述的系统，其中，所述调制器(30)被配置成提供在IOkHz到IOOkHz范围内的调制频率。
27.根据权利要求23所述的系统，其中，所述调制器(30)被配置成引入所述载波频率在IMHz至IOOMHz范围内的变化。
28.根据权利要求21至27中任一项所述的系统，还包括用于控制每个载波频率以提供小于1/1000的频率精度偏差的反馈控制环(20)。
29.根据权利要求21至27中任一项所述的系统，其中，所述预定频率范围大于平均中心频率的10%。
30.根据权利要求21至27中任一项所述的系统，其中，所述占空比小于5%。
31.根据权利要求21至30中任一项所述的系统，其中，使用调频连续波(FMCW)扫频距离测量来检验或校正距所述物品的所述距离的所述更新估计。
32.根据权利要求21至30中任一项所述的系统，其中，使用调频连续波(FMCW)扫频距离测量来提供距所述物品的新的初始估计距离。
33.根据权利要求31至32中任一项所述的方法，其中，所述距离的所述更新估计平均比所述调频连续波(FMCW)扫频距离测量更频繁地来提供。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的方法，其中，所述距离的所述更新估计平均以相对于所述调频连续波(FMCW)扫频距离测量的如下比率来提供所述比率大于选自包括 10:1、50:1、100:1、500:1 和 1000:1 的组的比率。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的方法，其中，每个所述调频连续波(FMCW)扫频距离測量在由以下所确定的时间处插入a.在确定所述初始估计距离之后的ー个或多个预定时间间隔；b.在前一次FMCW扫频之后的ー个或多个预定时间间隔；c.在所述距离的更新估计相对于初始估计距离变化了ー个或多个预定值时；d.在所述距离的更新估计相对于基于前一次FMCW扫频所确定的距离变化了一个或多个预定值时；e.通过用户直接地(通过选择时间间隔规划)或间接地(通过选择典型測量状况，诸如缓慢变化、快速变化、储存容器等，其中物位计电路将所述典型測量状况转换成时间间隔规划)选择雷达物位计的配置而确定的时间间隔；以及/或者f.由所述雷达物位计的诊断功能确定的时间间隔，其中所述诊断功能产生由所述雷达物位计感知的容器状况。
全文摘要
一种用于测量距保存在容器中的物品的表面的距离的方法。该方法包括发射具有持续时间大于1微秒且小于100毫秒的不同载波脉冲的脉冲序列，该脉冲序列具有小于50%的平均占空比，每个脉冲均具有根据频率规划在预定频率范围内选择的规定中心频率，该预定频率范围大于平均中心频率的5%。该方法还包括将接收到的脉冲的实际相位特性与预期相位特性进行关联以提供距离的更新估计。本发明基于发射一组载波脉冲，每个载波脉冲均具有在频率范围内所选择的不同频率。因此，该方法被称为调频脉冲波(FMPW)。
文档编号G01F23/284GK102822643SQ201180014994
公开日2012年12月12日 申请日期2011年12月29日 优先权日2010年12月30日
发明者奥洛夫·爱德华松, 安德斯·伊尔斯格, 扬·韦斯特林 申请人:罗斯蒙特储罐雷达股份公司