管道或管中的fmcw雷達的頻散校正的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雷達測量裝置，其用于確定距管道或管中的介質的表面或距管道 或管中的另外的雷達目標的距離，如此雷達測量裝置限定在權利要求1的前序部分中。此 外，本發明涉及一種用于借助于根據FMCW雷達的原理工作的雷達測量裝置來確定距管道或 管中的介質的表面的距離或距管道或管中的另外的雷達目標的距離的方法。
【背景技術】
[0002] 在過程自動化技術中，常常應用現場裝置，其用于記錄和/或影響過程變量。這樣 的現場裝置的實例是填充水平面測量裝置、質量流量測量裝置、壓力和溫度測量裝置等，其 作為傳感器記錄相應的過程變量:分別地填充水平面、流量、壓力和溫度。
[0003] 原則上，靠近過程應用并且傳遞、或處理過程相關信息的所有裝置被稱為現場裝 置。
[0004] 大量的這樣的現場裝置由Endress和Hauser公司制造和銷售。
[0005] 在基于FMCW雷達的雷達測量裝置的幫助的情況下能夠準確地測量儲存器或容器 中的填充水平面。然而，在管道或管中的雷達測量的情況下，特殊的效果發生，因為管道或 管對于雷達波用作中空導體。雷達波的傳播在中空導體中是不同的。
【發明內容】
[0006] 因此，本發明的目的是借助于管道或管中的雷達以改進距離測量的精度。
[0007] 這個目的通過在權利要求1和16中提出的特征實現。
[0008] 本發明的有利的進一步的演變在從屬權利要求中給出。
[0009] 用于確定距管道或管中的介質的表面的距離或距管道或管中的另外的雷達目標 的距離的雷達測量裝置根據FMCW原理工作并且包括:雷達發送單元，該雷達發送單元被設 計為產生根據FMCW原理頻率調制的雷達發送信號；和雷達接收單元，該雷達接收單元被設 計為接收在管道或管中的介質的表面或其他雷達目標上反射回的雷達接收信號，以將雷達 接收信號通過使其與雷達發送信號或從其得出的信號混合來轉換成中頻信號，并且基于這 樣獲得的中頻信號來確定距管道或管中的介質的表面或距管道或管中的其它雷達目標的 距離。雷達接收單元被設計為將相位校正應用于中頻信號的相位和產生相位校正的中頻信 號，其中相位校正被設計為減少或去除中頻信號的相位中的依賴于頻散的相位部分和添加 不依賴于頻散作用的相位部分。雷達接收單元被設計為基于相位校正的中頻信號來確定中 頻信號中的目標頻率成分和基于目標頻率成分來確定距管道或管中的介質的表面的距離 或距管道或管中的另外的雷達目標的距離。
[0010]通過應用相位校正，作為頻散的結果出現在管道或管中的波傳播的情況下的作用 被減少或消除，而補充地，隨著時間線性地上升的非頻散相位部分被添加相位校正。由于相 位校正，能夠比先前更好地或更準確地評估包含在中頻信號中的目標頻率成分。尤其是，相 位校正防止在中頻信號的頻譜中的不同頻率峰部彼此加寬和遠離。頻率峰部更尖銳并且能 夠被更準確地評估。
【附圖說明】
[0011] 現在將基于附圖中列出的許多實施例的實例更加詳細地解釋本發明，其圖形示出 為如下：
[0012] 圖1A帶有測深管和用于在測深管中執行填充水平面測量的雷達測量裝置的容器；
[0013] 圖1B帶有布置在容器外部的旁路管和用于在旁路管中執行填充水平面測量的雷 達測量裝置的容器；
[0014] 圖2A根據FMCW原理的距離傳感器工作的框圖；
[0015] 圖2B用于發送和接收信號的、作為時間的函數的頻率；
[0016] 圖3作為對于在管道或管中的某些模式的頻率的函數的傳播速度；
[0017] 圖4用于對于在管道或管中的填充水平面測量的迭代頻散校正的第一方法；
[0018] 圖5在頻散校正的應用之前的頻譜與在頻散校正的應用之后的頻譜的比較；
[0019] 圖6用于對于在管或管道中的填充水平面測量的迭代頻散校正的第二方法;并且
[0020] 圖7作為在頻散校正的應用之前和之后的帶通濾波時間信號的函數的相位。
【具體實施方式】
[0021] 借助于雷達在管道或管中的填充水平面測量的原理
[0022] 圖1A示出部分填充有介質101的容器100。所布置在容器100中的是伸入介質101的 豎直的測深管102。介質101能夠是例如液體;然而，其也能夠是可流動的大塊物品。測深管 102在其下端處敞開。而且，測深管102的壁部包括許多窗口 103,使得在測深管102的內部中 的介質101的填充水平面與在測深管102的外部的介質101的填充水平面一致。另一方面，測 深管102提供給在容器100中的安靜的移動的介質101。因此，測深管102用作"碎波器"。而 且，測深管102能夠應用于確定介質101的填充水平面。更早應用于這些的是機械方法，而今 天填充水平面測量借助于雷達在測深管102內執行。為此，雷達測量裝置104放置在測深管 102的上端。雷達測量裝置104包括雷達發送單元，該雷達發送單元產生雷達發送信號并且 經由波導過渡105耦合輸入測深管102。發送的雷達信號在介質101的表面上在測深管102內 反射并且返回到雷達測量裝置104。雷達測量裝置104包括雷達接收單元，該雷達接收單元 接收并且評估反射回的雷達信號。然后基于雷達接收的信號，能夠確定介質101的填充水平 面。
[0023] 測深管102的使用提供了在容器100中的填充水平面測量的一系列優點。因此，測 深管102的壁部保證，即使在容器100內的介質101的強擾動表面的情況下，在測深管102內 的表面保持比較安靜。而且，當泡沫形成發生在容器內時，泡沫幾乎不影響在測深管102中 的測量。在填充水平面測量應該在比較小的容器內執行的情況下，通常在容器內沒有足夠 的空間可用于雷達測量裝置。相反，對于具有比較小直徑的測深管，有存在的足夠的空間。 然后，雷達測量裝置能夠放置在容器的外部。進一步的優點在于雷達波通過測深管102集中 在比較小的區域上。這樣，獲得更強的反射信號。當介質101是具有比較弱的反射特性的、具 有小的介電常數的液體時，這是特別地有利的。在測深管的應用的情況下，獲得即使對于這 樣的液體的足夠強度的反射的信號。當介質是有毒的或危險的化合物時，測深管的應用也 提供了優點。當雷達測量裝置104必須移除時，測深管102實現密封容器100的附加的球閥的 安裝。在這樣的情況下，容器100不必須在雷達測量裝置104分離之前排空。
[0024]優選地，根據FMCW(頻率調制連續波）原理的雷達測量被執行用于確定填充水平 面。
[0025]圖1B示出實施例的進一步的實例，在其情況下，借助于安裝在容器106外部的旁路 管107確定在容器106中的填充水平面。容器106部分填充有介質108,例如液體或可流動的 大塊物品。旁路管107通過將豎直管布置在容器106的外部形成，該豎直管經由下連接管109 并且經由上連接管110與容器106連接。結果，旁路管107部分填充有介質108,其中在旁路管 107內的介質108的填充水平面與在容器106中的介質108的填充水平面一致。借助于雷達在 旁路管107內執行填充水平面測量。為此，雷達測量裝置111放置在旁路管107的上端上。雷 達測量裝置111包括雷達發送單元，該雷達發送單元產生雷達發送信號并且將其耦合輸入 旁路管107。雷達發送信號在旁路管107內傳播到介質108的表面并且在介質108的表面上反 射回到雷達測量裝置111。雷達測量裝置111包括雷達接收單元，該雷達接收單元接收和評 估在介質108的表面上反射的雷達信號。基于雷達接收的信號，然后能夠確定旁路管107中 的介質108的填充水平面，并且因而也確定容器106中的介質108的填充水平面。
[0026]優選地，根據FMCW(頻率調制的連續波)原理的雷達測量被執行用于確定填充水平 面。
[0027]借助于根據FMCW原理的雷達的距離測量
[0028]在借助于根據FMCW(頻率調制的連續波）的雷達的距離測量的情況下，頻率調制的 雷達信號以連續波操作發送并且在各個目標上反射。反射的信號由距離傳感器接收和評 估。
[0029]圖2A示出根據FMCW原理的距離傳感器工作的框圖。距離傳感器的發送分支包括信 號發生器200,該信號發生器200產生頻率調制的信號。由信號發生器200產生的信號經由信 號的頻率被乘以預定的系數的頻率倍增級201前進到放大器202。那里，信號被放大進而饋 送到發送端口 203。頻率調制的、雷達發送信號經由發送端口 203發射。
[0030] 圖2B示出產生為時間的函數的發送信號213的頻率。應該注意的是，發送信號213 的頻率交替地線性上升進而下降。在第一調制時段長度To期間，發送信號的頻率從頻率fo線 性增加到頻率fo+ A fQ，其中，變量△ fQ被稱作掃頻。在其接著的第二調制時段長度To期間， 頻率能夠從fo+Afo線性下降回fQ，在這樣的情況下，會導致三角的波形。如圖2B所示，對于 三角形曲線替代地，發送信號的頻率也能夠具有鋸齒形的頻率曲線。
[0031] 發送的發送信號213的頻率fs(t)以斜率S作為時間的函數上升：
[0032] fs(t) = fo+S · t (1)
[0033] 斜率S通過掃頻Δ f〇和調制時段長度To固定：
[0035]雷達發送信號的頻率位于例如4GHz到100GHz的范圍中。掃頻Δ fQ能夠是例如許多 GHz。例如，調制時段長度能夠從位于例如在0 . lms和5ms之間的范圍選擇。這些數據僅用于 示出典型的數量級。位于這些范圍外部的解決方案也是可以的。
[0036]如圖2A所示，發射的發送信號的部分被定位在距距離傳感器距離R的目標204反射 回距離傳感器。雷達信號要求傳播時間τ用于從發送端口 203到目標204并且返回到接收端 口 205的路徑。
[0037]反射的信號由距離傳感器的接收端口205接收并且饋送到接收混合器206。在接收 混合器206中，接收的信號與瞬時發送的發送信號混合。這樣產生的混合器信號207被抑制 高于極限頻率的頻率成分的采樣低通濾波器208濾波。采樣低通濾波器208限制在數字化之 前的混合器信號207的帶寬。而且，極限頻率設立最大距離R max。低通濾波的中頻信號209被 模擬-數字轉換器210采樣和數字化。這樣獲得的數字化的中頻信號211包含在其每個情況 下能夠確定關聯的目標距離的一個或多個目標的目標頻率成分。數字化的中頻信號211被 饋送到用于評估的數字信號處理單元212,以確定包含在中頻信號中的頻率成分。
[0038]優選地，數字信號處理單元212執行樣本值的傅里葉變換(快速傅里葉變