專利名稱：使用步進頻率脈沖的雷達液位檢測的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過發射到液面的雷達信號和從液面反射的雷達信號準確確定液體的液位L的基于相位的方法。
本發明還涉及一種通過根據本發明的方法準確確定液體的液位的設備，所述設備至少包括雷達天線，所述雷達天線設置在液體上方，用于向液體發射雷達信號并接收從液面反射的雷達信號；以及根據發射雷達信號和反射雷達信號確定液位的裝置。
背景技術：
雷達(無線電探測和測距)廣泛地用于非接觸式距離測量。一種非常熟知的原理是時差法。根據該方法，雷達天線發射撞擊物體(例如液面)的雷達信號。物體朝雷達天線的方向往回反射發射的雷達信號/雷達波，雷達天線接收反射的雷達信號/雷達波。
雖然能夠使用分開的雷達天線以用于發射的雷達信號和反射的雷達信號，但一般慣例是使用同一雷達天線以用于發射和接收。雷達系統測量發射的雷達信號和接收的雷達信號之間的時間差Δt。如果發射的雷達信號的速度是已知的，那么使用合適的測量手段就能以簡單的方式確定距液體表面的距離。
一種如序言所述的采用上述測量原理的設備經常用于通過雷達信號準確地確定過程工業或煉油廠中的儲罐中的液體(例如水或油)的液位。所使用的雷達信號一般是脈沖雷達信號。
目前已知的方法特別是基于發射的雷達信號和反射的雷達信號之間的相位差。不幸的是，目前使用的雷達接收機不能直接測量實際相位差。由于關于測得的相位差的不可靠性和不確定性，不可能確定明確且可靠的液體的實際液位值。
發明內容
根據本發明的方法的目的是消除上述缺點并提出更準確的測量原理，在所述測量原理中考慮了目前使用的測量方法中的上述不準確性。為了達到該目的，根據本發明的方法包括以下步驟 i)按時序向液面發射具有頻率f1、f2、...和相位
的雷達信號； ii)按時序接收從液面反射的具有頻率f1、f2、...和相位
的雷達信號； iii)確定發射雷達信號和反射雷達信號之間的相位差
iv)部分地根據所確定的相位差推導液位L。
更具體地，根據本發明的方法的特征在于步驟iv)包括以下步驟 v)確定相繼發射的具有頻率f1、f2、...的雷達信號之間的頻率差Δf1-2、...； vi)確定相繼確定的相位差
...之間的相移ΔΨ1-2、...。
根據本發明，然后根據在步驟v和vi中確定的頻率差Δf1-2和相移ΔΨ1-2在步驟vii中推導較不準確的液位值L’。
通過在根據本發明的步驟viii中根據步驟vii中確定的較不準確的液位值L’推導發射雷達信號和反射雷達信號之間的數值k，隨后可以確定實際相位差，根據所述實際相位差，根據步驟viii中確定的數值k和步驟iii中確定的相位差以高準確度確定液體的液位L。
這提供了比用通常的測量方法可能獲得的對實際液位的更準確的描述。基于相位的信號處理方法能夠以小于1mm的誤差容限實現液位測量。本發明利用了不同頻率的雷達信號的相位差。
依照根據本發明的測量方法，液位L由下式確定
其中 v 通過介質的雷達信號的速度； f1 雷達信號的頻率；
具有頻率f1的發射雷達信號和反射雷達信號之間的實際相位差。
根據所述方法，首先實施不準確的液位測量，其中，不準確的液位L’由下式確定 L’＝Ψ12V/(4πΔf12)，其中 v通過介質的雷達信號的速度； Δf12 雷達信號f1和f2之間的頻率差； ΔΨ12 相位差
和
之間的相移。
具有頻率f1的發射的雷達信號和反射的雷達信號之間的實際相位差由下式確定
其中
測量的具有頻率f1的發射雷達信號和反射雷達信號之間 的相位差； k 數值。
通過依照本發明的測量方法根據k＝|2fL′/v|可以確定數值k，在確定數值k后，可以確定具有頻率f1的發射的雷達信號和反射的雷達信號之間的實際相位差，根據所述實際相位差可以獲得實際的液位測量值L。
根據本發明的設備的特征在于，雷達天線被設置成用于按時序向液面發射具有頻率f1、f2、...和相位
...的雷達信號；以及用于按時序接收從液面反射的具有頻率f1、f2、...和相位
的雷達信號；其中，所述裝置被設置成用于確定發射雷達信號和反射雷達信號之間的相位差
并且部分地根據所確定的相位差推導液位L。
更具體地，所述裝置被設置用于確定相繼發射的具有頻率f1、f2、...的雷達信號之間的頻率差Δf1-2、...，以及確定相繼確定的相位差
...之間的相移ΔΨ1-2、...，其中，所述裝置還設置用于根據所確定的頻率差Δf1-2和相移ΔΨ1-2推導較不準確的液位值L’，且還用于根據較不準確的液位值L’推導發射雷達信號和反射雷達信號之間的數值k。
類似于上文所述的測量方法，根據本發明，所述裝置被設置用于根據所確定的數值k和所確定的相位差來確定液位L。
具體實施例方式 現在將參照附圖更詳細地解釋根據本發明的方法和設備。
如上文已經提出的，本發明涉及一種用于以可靠且非常準確的方式確定液體的液位的基于相位的方法。所述方法使用雷達信號以確定存儲在例如儲罐中的產品的液位，其中，罐中存在的各種障礙物或部件不會干擾該測量方法。
一種熟知的液位測量的原理是使用脈沖雷達信號。
圖1示意地示出根據該已知的測量原理確定罐中的液體的液位的設備。設備10設置在罐1的上部，所述罐1由壁1a、頂部1b和底部1c構成。罐1的高度由字母H表示。
罐1中存有一定量的液體2，液位3的高度由字母L表示。
設備10具有至少一個雷達天線12，其設有用于朝液面3的方向發射雷達信號4a的發射面11。雷達信號4a從液面3部分地反射，反射的雷達信號4b繼而被雷達天線12截獲。當然，也能夠使用向液面發射雷達信號的分立天線和截獲反射的雷達信號的分立接收機。
根據現有技術的設備10也設有用于根據發射的雷達信號4a和反射的雷達信號4b確定液位3(L)的裝置，其中，該測量系統是基于確定發射信號脈沖和接收信號脈沖之間的時間差Δt。因為雷達信號的速度是已知的，所以距測量物體的距離(或者在本情況下是距液面的距離)可由下式確定 L＝H-h＝1/2.v.Δt (1) 其中 H ＝罐的高度(m) L ＝雷達天線和液面之間的距離(m) h ＝液面的高度(m) v ＝通過該介質的雷達波的傳播速度(m/sec) Δt＝發射雷達信號和反射雷達信號之間的時間差(sec) 基于脈沖雷達信號的液位測量的缺點在于發射雷達信號和接收雷達信號之間的時間測量必須非常高。不準確的時間測量會不可避免地導致不準確的液位測量。除其它因素外，基于脈沖雷達信號的測量還取決于雷達信號的脈沖形狀，并且還可能取決于脈沖振幅。除此之外，雷達信號從液面之外的物體的反射也會干擾這種方法。
一種更廣泛的方法通常使用頻率調制(頻率調制連續波(FMCW)雷達)，其中，雷達信號的頻率隨時間改變。所述信號可例如為三角形形狀，如圖3所示。由于在天線和目標表面之間所要經過的距離引起的時間延遲，因此在發射雷達信號4a和反射雷達信號4b之間存在頻率差fbeat。可通過傅里葉變換計算所述頻率差fbeat(見圖4)。從而可針對三角形信號確定距離L 其中 fm ＝調制頻率(Hz) ΔF ＝“掃描(sweep)”頻帶(Hz) fbeat ＝發射雷達信號與接收雷達信號之間的“拍(beat)”頻(Hz) v＝通過介質的雷達波的傳播速度(m/sec) FMCW技術沒有脈沖雷達測量的缺點。更準確的頻數已經代替了時間延遲測量。能夠在數字信號處理中使用快速傅里葉變換(FFT)以獲得功率譜密度(PSD)，其中，在拍頻信號的頻帶內看到的功率分布顯示為單個峰值。如果發生了由物體(障礙物)出現在信號路線而引起的反射，那么所述反射在PSD曲線圖中將表現為多峰值，也如圖4所示。普通的軟件算法可用于確定正確選定的峰值的中頻fbeat，其對應于從液面的反射。
然而，FMCW雷達的上述測量方法具有許多顯著的缺點。首先，對頻率“掃描”的斜率的穩定性提出很高要求，其必須高度恒定。其次，難以維持“掃描”形狀的高線性，因此頻帶的中頻是不容易辨認的。再次，利用對拍頻的精確中心進行傅里葉變換而進行的計算非常易受由障礙物造成的反射(在圖1中在4’處表示)的干擾，因此這可導致幾個毫米范圍內的誤差，所述障礙物例如為罐混合器(在圖1中以5表示并設有攪動元件5a)、罐底(1c)、罐壁(1a)、梯子、熱交換器、所述驅動器。
為此，已經發展形成了稱作步進頻率-連續波(SF-CW)的測量技術。SF-CW雷達法以離散頻率發射和接收一系列正弦信號，這些離散頻率填充了測量和控制中所需的頻帶(圖5)。使用SF-CW雷達裝置，通過確定相位-距離關系來確立目標距離，或者
其中
＝參考信號和反射信號之間的相位差 L＝雷達天線和待測物體之間的距離(m) f＝“離散”頻率之一(Hz) v＝通過介質的雷達波的傳播速度(m/sec) 由于相位特征中的相位不確定度2π和不確定的干擾，不能通過雷達儀器直接測量這個實際相位差
測量相位差表示為
通常，相位信號表示為正弦信號，例如表示為
或
由于
k為整數，因此丟失準確信息。因為精確值k是未知的，所以測量也將是不準確的。系數k稱作“包裹(wrapping)”系數，并且該系數k導致相位不確定度，即“包裹”相位
也參見圖6。在離散信號的情況下，該相位表示為
在(4)式中，k是整數，使得
通過將距離L表示為數值k的函數來最佳地說明由數值k引起的不準確性
例如，基于雷達的液位測量設備主要在8-12.5GHz(X波段)的頻帶寬度內操作。10GHz的頻率對應于在真空中等于30mm的波長λ。如果數值k變化1，那么這就對應于15mm的距離變化。因此，數值k對液位距離L的準確測量具有較大的重要性。
在數字化的數據中，可以在頻帶寬度的中心頻率或中頻處計算相位不確定度。用于從
信號確定距離L的常用方法(稱作PSD法，如上所述)是要在如圖7所示的頻率測量期間確定正弦波的周期數。這與PSD法中的傅里葉變換相同。因此，可以推導出適用于所述距離的下式 其中，m是信號的周期數。通過使用基于振幅(PSD)的起始距離LPSD，可根據下式確定數值k的不確定度系數 系數int[...]代表舍入(rounding-off)系數，其使k舍入為最接近的整數。通過如此獲得的不確定度系數(“包裹系數”)k，可類似于(5)式得到標準的基于相位的距離LCONV
然而，如果基于PSD的距離LPSD的誤差大于四分之一波長(即，在10GHz時為7.5mm)，那么這將導致不正確的不確定度系數kPSD，也相應地導致具有若干倍于二分之一波長大小的誤差的不正確的相位距離LCONV。這意味著標準的基于相位的液位的準確度高度取決于基于PSD的液位。通常已知基于PSD的方法易受到各種干擾。如果干擾物體存在于雷達波束的路徑中，在基于PSD的液位測量中可能出現十分之幾毫米大小的誤差。該干擾物體或障礙物可以例如是存儲容器1的壁1a、底部1c等，以及混合器(5-5a)、加熱線圈或梯子。參見圖1。
已經發現，在PSD譜中的峰值附近的百分之幾的誤差已經足夠產生不正確的不確定度系數kPSD。除此之外，如果儲罐中的介質的液位上升到靠近天線的高度，那么來自天線區域附近的干擾也可導致顯著的誤差。通常，常用的PSD方法是非常易受影響的，這導致了不穩定且不準確的計算方法。因此，在該標準的“基于相位”的方法中，誤差包括二分之一波長的“液位跳躍”(level leap)，其在X帶寬中為15mm。這種液位跳躍在一些應用中是很不理想的。
此外，一些已知的基于相位的FMCW和/或SFCW測量方法使用相對相位測量以便校正兩個連續測量之間的距離變化。
LCONV＝LO+ΔL1+ΔL2+..+ΔL1(9) 其中 L0 ＝起始距離(m) ΔL1、ΔL2＝兩個連續測量之間的距離差(m) 應當理解，即使LPSD代表僅僅一次性的不正確的不確定度系數，但是累積誤差可變為很大的誤差。標準的基于相位的距離計算的脆弱性受不正確的基于PSD的方法影響，導致準確度差的性能。
根據本發明的方法的目的在于消除這種測量誤差。從上述等式(3)已經確定，如果在一個或多個頻率處的實際相位是已知的，那么距目標的絕對距離(L)可以根據下式確定
數字控制的SF-CW雷達技術的已知特征在于所產生的每個步進頻率是已知的。根據本發明，所述方法使用不同頻率處的相位變化來解決半波長的相位不確定性問題，從而準確地確定絕對距離L。根據本發明的方法涉及使用在兩個不同頻率處測得或形成的相位以根據下式確定粗略距離 其中，Δf＝f1-f2，
隨后根據下式可以通過粗略的液位測量Lcoarse確定整數k 在該情況中，系數int[..]也表示舍入系數，其使k舍入為最接近的整數。因此，相位和數值可用來確定發射雷達信號和反射雷達信號之間的絕對相位，也從而確定絕對的、非常準確的液位距離LINV
根據本發明的測量方法的特征在于一種獨立的基于相位的信號處理方法。使用上述方法，即使在復雜的測量條件下也能實現±1mm或更好的非常可靠且可重復的準確度。
因此，根據本發明的方法不使用已知的、較不準確的PSD作為相位不確定度的參考。相比于已知方法，根據本發明的方法不采用影響當前距離的相對于先前測量的相對相位距離變化。所述方法在每次測量中計算絕對相位和距離，這給出了對當前目標距離的絕對度量。因此，使用本方法完全避免了來自先前測量的相位誤差累積。
根據本發明，圖1所示的設備10的液位確定裝置13還包括信息處理單元13a，按照根據本發明的方法的步驟，所述信息處理單元13a設置成用于確定發射信號4a和反射雷達信號4b之間的相位差
并且部分地根據所確定的相位差來推導液位L。
在圖8、9和10中示出一些試驗結果或測量數據。障礙物試驗示于圖8a-8b-8c中。
在液位測量中實施這個所謂的障礙物試驗，以確定在目標測量期間將出現在雷達波束中的不期望的物體的存在。所述不期望的物體可以是所謂的罐混合器5-5a、梯子、加熱線圈、罐底1c、罐壁1a等(見圖1)。這些不期望的物體或障礙物可電磁地干擾正常的目標探測和目標測量。
為了說明這點，圖8a-8c示出用確定儲罐中的液位的不同的測量方法獲得的試驗結果，這些不同的方法是已知的、基于振幅的方法(圖8a，稱為“使用PSD-振幅方法時的液位LPSD誤差”)；基于相位的方法(圖8b，稱為“使用標準的相位方法時的液位LCONV誤差”)；以及根據本發明的方法(圖8c，稱為“使用根據本發明的方法時的液位LINV誤差”)。顯然，如本專利申請所述的新的相位無關的新方法的準確度和可重復性比用已知的基于相位和/或基于PSD的方法獲得的準確度和可重復性更高。本發明方法的準確度比用已知方法獲得的準確度高大約50倍。
在圖9a“LINV-新方法”中示出針對罐壁效應、障礙物和附近效應(near effect)的試驗，其中，根據本發明的方法的準確度與標準的基于PSD的方法(圖9b，稱為“LPSD-已知的傅里葉FMCW方法”)相比較。本發明方法的準確度比用常用方法獲得的準確度高大約55倍。
在圖10(稱為“靠近底部的障礙物(加熱元件)”)中示出所實施的用以確定底部對測量的影響的試驗結果。用化學液體填充空罐。底部反射對通過已知方法實施的液位測量具有大的影響，而對通過根據本發明的方法實施的液位測量的影響較少。
權利要求
1.一種通過發射到液面的雷達信號和從液面反射的雷達信號準確確定液體的液位L的方法，所述方法包括下列步驟
i)按時序向液面發射具有頻率f1、f2、...和相位
...的雷達信號；
ii)按時序接收從液面反射的具有頻率f1、f2、...和相位
的雷達信號；
iii)確定發射雷達信號和反射雷達信號之間的相位差
iv)部分地根據所確定的相位差推導液位L。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟iv)包括下列步驟
v)確定相繼發射的具有頻率f1、f2、...的雷達信號之間的頻率差Δf1-2、...；
vi)確定相繼確定的相位差
...之間的相移ΔΨ1-2、...。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于在步驟vii)中，根據在步驟v和vi中確定的頻率差Δf1-2和相移ΔΨ1-2推導較不準確的液位值L’。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于在步驟viii)中，根據步驟vii中確定的較不準確的液位值L’推導發射雷達信號和反射雷達信號之間的數值k。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于所述相位被過濾以推導所述數值k。
6.根據權利要求4或5所述的方法，其特征在于在步驟ix)中，根據在步驟viii中確定的數值k和步驟iii中確定的相位差確定液位L。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述液位L由下式確定
其中
v通過介質的雷達信號的速度；
f1 雷達信號的頻率；
具有頻率f1的發射雷達信號和反射雷達信號之間的實際相位差。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，不準確的液位L’由下式確定
L′＝Δψ12v/(4пΔf12)，其中
v 通過介質的雷達信號的速度；
Δf12 雷達信號f1和f2之間的頻率差；
ΔΨ12 相位差
和
之間的相移。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其特征在于，實際相位差由下式確定
其中
測量的具有頻率f1的發射雷達信號和反射雷達信號之間的相位差；
k 數值。
10.根據權利要求7-9中任一項所述的方法，其特征在于數值k由下式確定
k＝|2fL′/v|
11.一種通過根據本發明的方法準確確定液體的液位的設備，所述設備至少包括雷達天線，所述雷達天線設置在液體上方，用于向液體發射雷達信號并接收從液面反射的雷達信號；以及根據發射雷達信號和反射雷達信號確定液位的裝置，其特征在于所述雷達天線設置成用于按時序向液面發射具有頻率f1、f2、...和相位
...的雷達信號；以及用于按時序接收從液面反射的具有頻率f1、f2、...和相位
的雷達信號；其中，所述裝置設置成用于確定發射雷達信號和反射雷達信號之間的相位差
...，并且部分地根據所確定的相位差推導液位L。
12.根據權利要求11所述的設備，其特征在于所述裝置設置成用于確定相繼發射的具有頻率f1、f2、...的雷達信號之間的頻率差Δf1-2、...并確定相繼確定的相位差
...之間的相移ΔΨ1-2、...。
13.根據權利要求12所述的設備，其特征在于所述裝置還設置成用于根據所確定的頻率差Δf1-2和相移ΔΨ1-2推導較不準確的液位值L’，還用于根據所述較不準確的液位值L’推導發射雷達信號和反射雷達信號之間的數值k。
14.根據權利要求13所述設備，其特征在于所述裝置設置成用于根據所確定的數值k和所確定的相位差來確定液位L。
全文摘要
本發明涉及一種通過發射到液面的雷達信號和從液面反射的雷達信號準確確定液位L的方法。本發明還涉及一種通過根據本發明的方法準確確定液位的設備，所述設備至少包括雷達天線，所述雷達天線設置在液體上方，用于向液體發射雷達信號并接收從液面反射的雷達信號；以及根據發射雷達信號和反射雷達信號確定液位的裝置。
文檔編號G01F23/284GK101389935SQ200780006510
公開日2009年3月18日 申請日期2007年2月19日 優先權日2006年2月22日
發明者B·賽 申請人:恩拉夫股份有限公司