具有改進的距離確定的料位測量的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種確定離散時間信號的頻率分量的方法。此外，本發(fā)明設(shè)及一種通 過FMCW雷達確定到雷達目標的距離的方法，并且設(shè)及用于通過FMCW雷達確定到雷達目標 的距離的距離測量設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)場設(shè)備經(jīng)常應(yīng)用于過程自動化技術(shù)，其用來記錄和/或影響過程變量。運樣的 現(xiàn)場設(shè)備的示例有料位測量設(shè)備、質(zhì)量流量測量設(shè)備、壓力和溫度測量設(shè)備、等等，作為傳 感器分別寄存相應(yīng)的過程變量，料位、流量、壓力和溫度。
[0003] 原則上，稱為現(xiàn)場設(shè)備的所有設(shè)備，被應(yīng)用于過程附近并用于傳遞或處理與過程 相關(guān)的f胃息。
[0004] 大量運樣的現(xiàn)場設(shè)備由恩德萊斯和豪瑟爾公司生產(chǎn)和出售。
[0005] 在很多測量應(yīng)用的情況下，為了能夠確定頻譜中所包含的頻率分量，目標是將時 間信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻譜。
[0006] 例如，為了確定容器或儲槽的料位，可W使用根據(jù)FMCW雷達的原理工作的料位測 量設(shè)備。在運種情況下，頻率調(diào)制雷達傳輸信號被發(fā)射并在液體或散裝貨物的表面被反射 回到料位測量設(shè)備。作為測量的結(jié)果，獲得離散時間信號，其中含有一個或多個頻率分量。 基于離散時間信號中所包含的頻率分量，在容器或儲槽中的料位可W被推導出來。在運種 情況下，用來確定料位的精確度，取決于時間信號中所含有的頻率分量的可確定的精確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 因此，本發(fā)明的目的是W改進的精確度使包含在時間信號中的頻率分量能夠被確 定。
[0008] 運個目的通過權(quán)利要求1、14和15提出的特征實現(xiàn)。
[0009] 本發(fā)明的有利的進一步發(fā)展在從屬權(quán)利要求中提出。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的實施例的形式，確定離散時間信號中的頻率分量的方法，包括通過 快速傅里葉變換將離散時間信號轉(zhuǎn)換到頻域，其中獲得作為頻率采樣值的序列的頻譜。此 夕F，該方法包括檢測頻譜中的峰值、在檢測到的峰值附近引入至少一個額外的頻率支持點、 通過戈澤爾算法在該至少一個額外的頻率支持點處確定頻率幅值、W及通過應(yīng)用由快速傅 里葉變換提供的頻率采樣值W及在該至少一個額外的頻率支持點處的頻率幅值來確定所 檢測峰值的峰值最大值的位置。
[0011] 通過在檢測到的峰值附近引入額外的頻率支持點，頻譜可W被選擇性地進一步在 峰值的附近被劃分。戈澤爾算法使得在至少一個補充引入的頻率支持點的頻率幅值可 相對小的計算量確定。通過在檢測獲得的峰值附近引入額外的頻率支持點，在需要提高頻 率分辨率的地方，也就是峰值附近，頻譜被有選擇地細化。因為由快速傅里葉變換提供的頻 率采樣值W及為確定檢測獲得的峰值的峰值最大值補充引入的頻率支持點處的頻率幅值 都被加w考慮，峰值最大值的位置可ww比w前可能的要明顯更高的精度確定。
[0012] 特別是，該方法可W實現(xiàn)更精確的頻譜中峰值位置的確定，而不增加快速傅里葉 變換使用的時間采樣值的數(shù)量?？焖俑道锶~變換使用的時間采樣值的數(shù)量的增加，使所需 的計算能力和存儲器需求顯著上升。本方法使峰值最大值的確定更精確，而沒有顯著增加 所需的計算能力和所需的存儲器。
[0013] 在運種情況下，當上面描述的方法被用于根據(jù)FMCW雷達原理確定到雷達目標的 距離的雷達測量設(shè)備時尤為有利。
[0014] 當上述方法被用于根據(jù)FMCW雷達原理確定容器或儲槽料位的料位測量設(shè)備時， 尤其有利。在確定頻率分量時精確度的提高意味著，通過運種方法，容器或儲槽的料位可W W亞毫米的范圍內(nèi)的精度加W確定。
[0015] 通過根據(jù)本發(fā)明的實施例的形式的FMCW雷達確定到雷達目標的距離的方法包括 發(fā)射調(diào)頻傳輸信號，接收在至少一個雷達目標上的反射信號，將接收到的信號下混頻到中 頻范圍并數(shù)字化獲得的中頻信號，通過上述方法確定包含在該數(shù)字化的中頻信號中的至少 一個頻率分量的峰值最大值的位置，W及將峰值最大值的位置轉(zhuǎn)換為到雷達目標的距離。
[0016] 對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的實施例的形式的距離測量設(shè)備起通過FMCW雷達確定到雷達 目標距離的作用并包含發(fā)射單元，該發(fā)射單元發(fā)射雷達傳輸信號，接收單元，該接收單元接 收在至少一個雷達目標上反射的雷達接收信號，將該雷達接收信號下混頻到中頻范圍并數(shù) 字化獲得的中頻信號，W及評估單元，該評估單元被設(shè)計為通過上述方法確定包含在數(shù)字 化的中頻信號中的至少一個頻率分量處的峰值最大值的位置。
【附圖說明】
[0017] 本發(fā)明將基于附圖中所示的實施例的大量的示例被更詳細地解釋，附圖示出如 下：
[001引 圖1A為根據(jù)FMCW原理的距離傳感器的框圖；
[0019] 圖1B為根據(jù)時間的發(fā)射和接收信號的頻率；
[0020] 圖2為用于在容器或儲槽中確定料位的料位傳感器；
[0021] 圖3A為根據(jù)時間的數(shù)字化的中頻信號；
[0022] 圖3B為由快速傅立葉變換確定的圖3A所示的中頻信號的頻譜；
[0023] 圖4為用于確定包含在譜中的頻率分量的方法；
[0024] 圖5為通過連續(xù)間隔二等分在峰值附近對由FFT提供的頻率柵格的額外細分；
[00巧]圖6為在拋物線的協(xié)助下用于近似峰值最大值附近的峰值的布倫特方法；W及
[0026] 圖7為依照戈澤爾算法，傳遞預(yù)定頻率處相應(yīng)的頻率幅值的濾波器的圖形化表 /J、- 〇
【具體實施方式】
[0027] 在通過根據(jù)FMCW(調(diào)頻連續(xù)波）原理的雷達測量距離的情況下，調(diào)頻雷達信號被 W連續(xù)波操作方式發(fā)射并在各個目標上反射。反射信號被距離傳感器接收并評估。
[002引圖1A示出根據(jù)FMCW原理工作的距離傳感器的框圖。距離傳感器的發(fā)送支路包括 產(chǎn)生頻率調(diào)制信號的信號發(fā)生器100。信號發(fā)生器100產(chǎn)生的信號通過頻率倍增級101進 入放大器102,在頻率倍增級101中信號頻率被乘W預(yù)定的因數(shù)。在放大器102中，信號被 放大，然后被饋送到發(fā)送端口 103。發(fā)送端口 103發(fā)射調(diào)頻雷達傳輸信號。
[0029] 圖1B示出根據(jù)時間的所產(chǎn)生的傳輸信號113的頻率。應(yīng)該注意，傳輸信號113的 頻率交替地線性增加和減少，因此，作為一個整體形成=角形曲線。在第一調(diào)制周期長度T。 期間，傳輸信號的頻率從頻率f。線性增加到頻率f。+Af。，其中，變量Af。被稱為頻率掃描。 在隨后的第二調(diào)制周期長度T。期間，頻率從Af。線性下降到f。。作為S角曲線的另一 種選擇，傳輸信號的頻率也可W具有銀齒形的頻率曲線。
[0030] 例如，雷達傳輸信號的頻率，在大約20GHz至IjlOOGHz的范圍。例如，頻率掃描Af。 可能具有幾GHz的數(shù)量級。調(diào)制周期長度可W被選擇，例如，從約0. 1毫秒到5毫秒之間的 范圍。運些數(shù)字只是用于說明典型的數(shù)量級。運些范圍W外的方案也是可能的。
[0031] 如圖1A所示，福射出的傳輸信號的一部分由離距離傳感器的距離或范圍為R的目 標104反射回距離傳感器。反射信號被距離傳感器的接收端口 105接收并饋送到接收混頻 器106。在接收混頻器106中，接收到的信號與立刻發(fā)射的傳輸信號混合。雷達信號需要從 發(fā)射端口 103到目標104并回到接收端口 105的路徑的傳播時間T，其可W表示為
[003引
社）
[003引其中，R是目標距離，C是光速。
[0034] 除傳輸信號113夕F，圖1B還示出W傳輸時間T延遲的接收信號114。在雷達信 號所需的傳播時間X中，由信號發(fā)生器產(chǎn)生的傳輸信號113繼續(xù)上升，使得瞬時福射的傳 輸信號的頻率高于接收信號的頻率。作為雷達信號的傳輸時間X的結(jié)果，因此，發(fā)射和接 收信號之間的頻率差的特征為傳輸時間T和到目標的距離。運個頻率差被稱為目標頻率 ftarget。目標頻率ftarget同樣被表示在圖1B中。
[003引 目標頻率ftarge河W從頻率掃描Af。與傳輸信號的調(diào)制周期長度T。和從傳輸時 間X導出。因此，目標頻率fhfg。,等于
[003引
[0037] 由于變量Af。、T。、C是常數(shù)，目標頻率ftarget和相關(guān)距離R之間存在正比例關(guān)系。 由圖1A中接收混頻器106產(chǎn)生的混頻信號107因此包含一個或多個目標的頻率分量，從 中，在每種情況下，可W確定相關(guān)的距離。
[0038] 混頻信號107由抑制高于極限頻率的頻率分量的采樣低通濾波器108濾波。采樣 低通濾波器108限制數(shù)字化之前的混頻信號107的帶寬。此外，通過極限頻率建立最大距 離Rm。、。在低通濾波器濾波后，中頻信號109被模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器110進行采樣并被數(shù)字 化。運樣獲得的數(shù)字化的中頻信號111被饋送到確定中頻信號中所包含的頻率分量的數(shù)字 信號處理單元112W用于評估。優(yōu)選地，數(shù)字信號處理單元110執(zhí)行采樣值的傅里葉變換 (快速傅里葉變換，F(xiàn)FT)，其中，距離可W從傅里葉譜的峰值直接確定。
[0039] 圖1A所示類型的距離傳感器可W被用作，例如，過程測量技術(shù)中的料位測量設(shè) 備，W確定到液體表面或容器中散裝貨物的距離。
[0040] 運樣的料位測量設(shè)備被示出在圖2中。料位測量設(shè)備200被安裝在部分充滿液體 202的容器或儲槽2