專利名稱：用于優(yōu)化脈沖回波方法中的發(fā)射的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)化使用電磁信號的脈沖回波方法中的發(fā)射的方法和裝置。本發(fā)明特別地涉及用于優(yōu)化在寬帶脈沖雷達方法中的發(fā)射的方法和裝置，所述寬帶脈沖雷達方法諸如使用在用于精確地遠程確定固定及移動目標(biāo)的過程自動化領(lǐng)域中的工業(yè)測量技術(shù)中。
已知的脈沖雷達方法例如連續(xù)確定容器或水池中介質(zhì)的料位。在工業(yè)過程測量技術(shù)中，這種測量是利用脈沖雷達信號執(zhí)行的，該信號從通常位于水池或容器上方的測量儀表(也稱為發(fā)射機)向介質(zhì)發(fā)送。信號從介質(zhì)反射并被測量儀表作為所謂的回波信號而接收。原理上，在這種方法中，利用發(fā)送脈沖序列和脈沖重復(fù)頻率略有不同的掃描脈沖序列生成時間轉(zhuǎn)換的中頻信號。這個中頻信號被放大、解調(diào)并分析以得到對于測量信號的行程時間。從測量信號的行程時間，確定測量儀表和介質(zhì)的距離，由該距離，已知容器或水池的幾何結(jié)構(gòu)，確定被測料位。
有益的是，測量儀表位于介質(zhì)上方以及容器或水池中的介質(zhì)的最高期望料位之上。為此，脈沖雷達信號通?；蛘弑粡臏y量儀表自由地向介質(zhì)發(fā)射或者在延伸入介質(zhì)的波導(dǎo)中被引導(dǎo)。測量儀表的精度依賴于介質(zhì)的介電常數(shù)(也稱為DK值)。
用于所述料位測量的脈沖雷達信號是非常寬帶的并且具有在從幾MHz到GHz量級的范圍中的發(fā)送脈沖頻譜。然而，正是由于這些頻率，在它們的發(fā)射值中存在更多問題，這些發(fā)射值經(jīng)常達到無線電技術(shù)的允許極限值以及其它許可，諸如在所謂的CE符號的情況中。然而，當(dāng)工業(yè)過程測量技術(shù)的測量儀表以脈沖雷達信號工作時，這種儀表的制造者通常對于對這些測量儀表的無線電技術(shù)上的許可是不感興趣的。
為了保持使用脈沖雷達信號的測量儀表的發(fā)射值低于極限值，其中要求無線電技術(shù)上的許可高于該極限值，現(xiàn)在在實踐中的測量措施在使用中降低測量性能或者使用范圍。這里介紹一些用于減少發(fā)射以及與其相關(guān)的限制的措施*發(fā)送電平的降低導(dǎo)致相應(yīng)較小的回波信號。然而，特別是在大測量距離和低介質(zhì)DK值的情況中，獲得明確回波信號的可靠性相應(yīng)降低。
*脈沖重復(fù)率的降低確實降低發(fā)射，但是還降低有效信號的測量速度和/或分辨率。
另一方面，當(dāng)對于工業(yè)環(huán)境所需的發(fā)射極限不足夠時，如果不能夠降低用于料位測量的脈沖雷達信號的發(fā)射，那么相關(guān)測量儀表的操作只在閉合的金屬容器或水池中才是可能的。在非金屬容器的情況中，僅保留使用在波導(dǎo)上引導(dǎo)的脈沖雷達信號的操作，其中波導(dǎo)應(yīng)當(dāng)是同軸探頭。
所述的問題是基本的自然特性，并且對于這一點，許多使用雷達脈沖信號的測量儀表的制造者僅作出了微小的進步。另外，在操作儀器中必須注意與CE規(guī)則相關(guān)的使用條件限制。
對于使用窄帶雷達信號的測量儀表，以經(jīng)發(fā)展了另一種可能，用于限制脈沖雷達信號的發(fā)射值。德國專利文獻DE-4207626-C2說明了用作測量儀表測量信號的窄帶雷達脈沖信號的單一頻率如何能夠在相位調(diào)制的意義上相位偏移弧度π。為此，根據(jù)DE-4207626-C2，雷達波脈沖序列的載波頻率的相位與采樣脈沖序列的相位被相同的偽隨機二進制序列同步調(diào)制。這個方法導(dǎo)致高發(fā)射值的減少；更確切地，通過轉(zhuǎn)換為同樣形式的低頻譜功率密度而導(dǎo)致頻譜線功率的減少。然而，這僅涉及所考慮的頻譜的單一頻率，并且因而不適合寬帶雷達脈沖信號方法，因為它在這種情況中失效。然而，對于工業(yè)測量技術(shù)中的料位測量，使用寬帶雷達脈沖信號，其實際上包含許多單一頻率成分。如果要將DE-4207626-C2的方法應(yīng)用于此，每個頻率成分將必須特別是偏移弧度π，這將導(dǎo)致對于各個成分的不同的時移。因此，DE-4207626-C2的方法不適于使用寬帶脈沖雷達信號的工業(yè)料位測量技術(shù)。
另外，已知對于利用寬帶雷達脈沖信號的料位測量，在非常短的針狀脈沖的情況中，干擾頻譜可以在從幾MHz到幾GHz的多個頻率量級上延伸，從而，依賴于信號形式、幅度和脈沖重復(fù)頻率，可以容易地超過允許的或期望的發(fā)射值。為了將發(fā)射電平最小化，已經(jīng)試圖調(diào)制脈沖重復(fù)頻率或向其提供相位抖動。然而，特別是在其中脈沖重復(fù)頻率由石英元件控制的純數(shù)字構(gòu)成的料位測量儀表的情況中，因為需要模擬部件，所以這增加了復(fù)雜度。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于在寬帶脈沖雷達方法的情況中優(yōu)化發(fā)射的方法和裝置，其避免上述缺點并且能夠使用在工業(yè)測量技術(shù)中常用的石英精確脈沖重復(fù)頻率。
這個目的通過用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的方法而實現(xiàn)，其中發(fā)送脈沖被以預(yù)選的脈沖重復(fù)頻率發(fā)送，其中脈沖的極性被根據(jù)隨機序列而以脈沖重復(fù)頻率的每個周期切換。
在本發(fā)明的方法的特殊實施例中，脈沖重復(fù)頻率是恒定的。
在本發(fā)明的方法的另一實施例中，脈沖重復(fù)頻率還被抖動。
在本發(fā)明的方法的另一實施例中，發(fā)送脈沖具有任意的脈沖形狀。
上述目的還通過用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的電路的第一變型而實現(xiàn)，其中電路包括不同極性的兩個發(fā)送信號發(fā)生器，依賴于產(chǎn)生的隨機序列而在它們的輸出信號之間往復(fù)切換。
上述目的還通過用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的電路的第二變型而實現(xiàn)，其中電路包括不同極性的兩個發(fā)送信號發(fā)生器，其依賴于產(chǎn)生的隨機序列而接通及斷開。
最后，上述目的還通過用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的電路的第三變型而實現(xiàn)，其中電路包括極性可切換的發(fā)送信號發(fā)生器，其被依賴于產(chǎn)生的隨機序列而切換。
在本發(fā)明的電路的特殊實施例中，隨機序列是PN碼序列，其由PN碼發(fā)生器電路產(chǎn)生。
在本發(fā)明的電路的另一實施例中，PN碼發(fā)生器電路包括具有反饋接頭的多級移位寄存器。
本發(fā)明的電路的另一實施例包括用于反饋接頭的XOR門。
基本上，本發(fā)明在于認(rèn)識到寬帶信號偏移π正是寬帶信號的極性反轉(zhuǎn)或者信號乘以因子-1。根據(jù)本發(fā)明，安全地實現(xiàn)這種特別是對于工業(yè)測量方法的寬帶信號的極性反轉(zhuǎn)。特別是使用移位寄存器用于產(chǎn)生隨機序列的本發(fā)明的電路實施例能夠使得發(fā)送信號具有精確的周期性并且因而能夠保證發(fā)射值的可重復(fù)的良好效果，其中隨機序列控制極性的切換也就是對極性進行編碼。使用的移位寄存器的數(shù)目越大，重復(fù)被優(yōu)化的發(fā)送信號序列所需的時間越長。
本發(fā)明的進一步的優(yōu)點在于以下事實它允許使用任何信號形式的脈沖雷達信號，因為根據(jù)本發(fā)明，發(fā)送信號的極性的編碼與其信號形式無關(guān)地進行。
總而言之，應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本發(fā)明，具有發(fā)送脈沖極性編碼的寬帶脈沖雷達信號的發(fā)射值顯著減小，盡管發(fā)送電平和/或脈沖重復(fù)率也可以增加。于是，在測量方法的情況中，特別是在使用脈沖雷達方法的料位測量的情況中，導(dǎo)致測量性能提高，并且還使得對于金屬容器或自由場的可應(yīng)用性的區(qū)別更為簡單。因此，在玻璃或塑料容器中使用寬帶脈沖雷達信號的料位測量也是可能的，由于過強的發(fā)射值，它們不能利用現(xiàn)有技術(shù)中的寬帶脈沖雷達發(fā)射信號而執(zhí)行。而且，間接地改善了信號的抗干擾性，因為與同等條件下在先前測量方法中相比，有效信號即有效回波的電平更大。
另外，由于超距離作用而產(chǎn)生的幻象回波信號得到抑制。
現(xiàn)在參考附圖，根據(jù)實施例詳細(xì)解釋并說明本發(fā)明，附圖中

圖1表示現(xiàn)有的寬帶脈沖雷達信號的時間特性；圖2表示圖1的寬帶脈沖雷達信號的頻譜；圖3是本發(fā)明的PN碼發(fā)生器的電路的一個實施例；圖4是本發(fā)明的用于生成具有編碼極性的發(fā)送信號的電路第一實施例；圖5是本發(fā)明的用于生成具有編碼極性的發(fā)送信號的電路第二實施例；圖6是本發(fā)明的用于生成具有編碼極性的發(fā)送信號的電路第三實施例；圖7表示編碼的寬帶脈沖雷達信號的時間特性；圖8表現(xiàn)圖7的編碼的寬帶脈沖雷達信號的頻譜；圖9表示根據(jù)本發(fā)明的極性編碼的寬帶脈沖雷達信號的時間特性，與圖7所示的信號相比，該信號具有改進的編碼；和圖10表示圖9的寬帶極性編碼的脈沖雷達信號的頻譜。
下面根據(jù)用于工業(yè)測量技術(shù)的TDR料位測量的電路和方法的實施例而說明本發(fā)明，而不對本發(fā)明的基本概念進行限制。除了這些例子，本發(fā)明適用于用化在不同的寬帶脈沖雷達方法中的發(fā)射。
所謂的TDR測量方法是脈沖回波方法，其中從料位測量儀表發(fā)送在微波范圍內(nèi)的帶寬極其寬的發(fā)送脈沖信號。波導(dǎo)通常為此延伸進入容器或水池中料位待測的介質(zhì)，該波導(dǎo)與其中生成并處理發(fā)送信號的料位測量儀表相連。發(fā)送脈沖信號在波導(dǎo)上被引導(dǎo)至介質(zhì)，在該介質(zhì)的上表面被反射然后作為有效回波信號而在波導(dǎo)上返回測量儀表。盡管大部分信號能量保留在波導(dǎo)上作為有效信號并且被作為有效回波信號而取回，但是一定部分的能量被輻射掉。依賴于信號形式、幅度和脈沖重復(fù)頻率(PRF)，在這種情況中發(fā)射值可以非常迅速地超過預(yù)定的或允許的極限值，并且引起不同類型的干擾。由于在TDR測量方法中迄今為止已經(jīng)發(fā)送了非常短的正的針狀脈沖，正如例如在圖1中所示的，干擾頻譜在從幾MHz直至幾GHz的多個頻率量級上延伸。通常產(chǎn)生的頻譜由頻譜線組成，例如在這種針狀脈沖序列的情況中，這些頻譜線的高度在較高頻率的方向上降低，如圖2所示。利用脈沖重復(fù)率，即所謂的脈沖重復(fù)頻率(PRF)確定各個相鄰頻譜線的間隔。
要注意，在圖1、7和9中，繪出信號幅度A相對于時間t的時間特性。在相關(guān)的圖2、8和10中，顯示了分別屬于圖1、7和9的信號的頻譜，即，相對于頻率f以dB繪出信號的數(shù)值。
如上所述，本發(fā)明用于優(yōu)化寬帶發(fā)送脈沖信號，例如TDR發(fā)送脈沖，其被以脈沖重復(fù)頻率PRF發(fā)送。為此，發(fā)送脈沖的極性被依賴于隨機序列而以每個PRF周期切換。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有統(tǒng)計上的相同分布值的隨機序列最為有效。最廣為所知的這種能簡單地數(shù)字化實現(xiàn)的隨機序列是所謂的PN碼。PN代表偽噪聲，其表示數(shù)字0、1值的隨機序列，它們被稱為PN值，在統(tǒng)計上相等分布地但是具有周期性地發(fā)出。原理上，這是數(shù)字生成的噪聲，具有可精確調(diào)節(jié)的周期性。
圖3顯示了本發(fā)明的這種PN碼發(fā)生器10的電路的實施例，利用它實現(xiàn)本發(fā)明的用于優(yōu)化寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的方法。PN碼發(fā)生器10被構(gòu)造為n級的移位寄存器Q，其具有經(jīng)由XOR門12的反饋接頭。各個級Q1～Qn，優(yōu)選地至少兩個級，形成n比特移位寄存器，其使用移位寄存器時鐘信號，在每個時鐘信號TAKT將數(shù)據(jù)輸入端D的輸入值移位一個寄存器位置。在這種情況中，TAKT代表石英控制的脈沖重復(fù)頻率，其同樣在輸入端CLK被施加至移位寄存器Q。通過在至少兩個移位寄存器的輸出端經(jīng)由XOR門12的反饋，獲得數(shù)據(jù)輸入值D。在PN碼發(fā)生器10的輸出側(cè)產(chǎn)生的是隨機序列PNCode，其用作根據(jù)本發(fā)明的電路的控制信號以及代碼，用于生成圖4、5和6的電路中的發(fā)送信號，其中，依賴于隨機序列PNCode，切換發(fā)送信號的極性。
這里要記住的一個基本概念是，隨機序列重復(fù)的周期性依賴于移位寄存器的長度。移位寄存器Q1～Qn的數(shù)目越大，隨機序列重復(fù)所需的時間越長。然而，對于圖3中所示的PN碼發(fā)生器10，對于多數(shù)應(yīng)用情況，級Q1～Qn的數(shù)目以及因此移位寄存器的長度可以被這樣選擇，使得得到的隨機序列可以被認(rèn)為是非周期序列。具有例如高斯分布的隨機序列或者其它統(tǒng)計學(xué)不等分布的序列確實是可以的，但是它們不如此有效。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別有效的是比特寬度為9比特，即具有九個寄存器級Q1～Q9的移位寄存器Q，利用它可以生成隨機序列PNCode，其具有長度為511的近似相等分布的0、1脈沖254個正值，255個負(fù)值。
本發(fā)明的用于生成寬帶發(fā)送信號的實際電路可以以不同方式實現(xiàn)，其中寬帶發(fā)送信號具有由在PN碼發(fā)生器10(見圖3)中生成的隨機序列PNCode編碼的極性。對此的實施例在圖4、5和6中顯示。為此使用兩個發(fā)送信號發(fā)生器Sender A和Sender B，它們各自生成不同極性的發(fā)送信號；或者使用具有可切換極性的單個發(fā)送信號發(fā)生器Sender C。
在圖4所示的電路的情況中，使用開關(guān)14實現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，該開關(guān)依賴于施加于它的極性碼PNCode而在兩個發(fā)送信號發(fā)生器Sender A和Sender B的輸出端之間往復(fù)切換。在發(fā)送信號發(fā)生器Sender A和SenderB的輸入側(cè)上施加的是脈沖重復(fù)頻率TAKT。
在圖6所示的電路的情況中，開關(guān)16連接至發(fā)送信號發(fā)生器SenderA和Sender B的輸入端。開關(guān)16依賴于施加于它的極性碼PNCode而在兩個發(fā)送信號發(fā)生器Sender A和Sender B的輸入端之間往復(fù)切換。
圖5中示出的電路情況不同。這里極性碼PNCode被直接施加于極性可切換的發(fā)送信號發(fā)生器Sender C的輸入端。
圖7～10顯示了本發(fā)明生成的極性編碼的寬帶發(fā)送信號的發(fā)射值的顯著減少。在PN碼發(fā)生器10(關(guān)于這一點，參見圖3)生成的隨機序列PNCode的PN值為1的情況中，在圖4～6的電路的輸出側(cè)發(fā)出正的發(fā)送脈沖；在PN值為0的情況中發(fā)出脈沖形狀相同但是為負(fù)極性的脈沖。圖9中顯示了這種情況。
然而，也可以不僅以編碼的方式反轉(zhuǎn)發(fā)射信號的極性，而且也可以相應(yīng)于隨機序列PNCode而抑制脈沖。這種方法的特殊效果也可以由圖7所示的作為發(fā)送信號的針狀脈沖序列的例子而顯示。與圖1中現(xiàn)有的未編碼的針狀脈沖序列以及圖2所示的發(fā)射頻譜相比，圖8中所示的用于圖7的編碼針狀脈沖序列的數(shù)值或發(fā)射頻譜已經(jīng)顯示了發(fā)射值的明顯減小。
更為顯著的是圖9和10中發(fā)射值的優(yōu)化效果，圖9和10顯示了本發(fā)明的極性編碼的脈沖序列。這里顯示的信號是利用圖3的具有7比特移位寄存器的PN碼發(fā)生器10生成的。在圖9中，可以清楚地看到極性編碼的脈沖序列的正負(fù)脈沖。圖10的相關(guān)大小或發(fā)射頻譜顯示，發(fā)射的絕對電平已經(jīng)顯著降低。
對于所有所述的發(fā)送信號，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率TAKT是恒定的或者附加抖動的，將是有利的。
權(quán)利要求
1.用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的方法，其中發(fā)送脈沖被以預(yù)選的脈沖重復(fù)頻率(TAKT)發(fā)送，其特征在于，脈沖的極性被根據(jù)隨機序列(PNCode)而以脈沖重復(fù)頻率(TAKT)的每個周期切換。
2.用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的方法，其中發(fā)送脈沖被以預(yù)選的脈沖重復(fù)頻率(TAKT)發(fā)送，其特征在于，個別的脈沖被根據(jù)隨機序列(PNCode)而以脈沖重復(fù)頻率(TAKT)的每個周期抑制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中脈沖重復(fù)頻率(TAKT)是恒定的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中脈沖重復(fù)頻率(TAKT)還被抖動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的方法，其中發(fā)送脈沖的脈沖形狀是任意的。
6.用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的電路，其特征在于，電路包括不同極性的兩個發(fā)送信號發(fā)生器(Sender A，B)，依賴于產(chǎn)生的隨機序列(PNCode)而在它們的輸出信號之間往復(fù)切換。
7.用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的電路，其特征在于，電路包括不同極性的兩個發(fā)送信號發(fā)生器(Sender A，B)，它們被依賴于產(chǎn)生的隨機序列(PNCode)而接通或斷開。
8.用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射的電路，其特征在于，電路包括極性可切換的發(fā)送信號發(fā)生器(Sender C)，其被依賴于產(chǎn)生的隨機序列(PNCode)而切換。
9.根據(jù)權(quán)利要求6、7或8的電路，其中隨機序列(PNCode)是PN碼序列，其由PN碼發(fā)生器電路(10)產(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電路，其中PN碼發(fā)生器電路(10)包括具有反饋接頭的多級移位寄存器(Q1～Qn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的電路，其中包括用于反饋接頭的XOR門。
全文摘要
至今已知的寬帶脈沖回波方法，特別是用于料位測量的工業(yè)測量技術(shù)中使用的寬帶脈沖回波方法的發(fā)射值往往達到允許極限值。為了避免相關(guān)測量儀表可能的無線電技術(shù)上的許可，本發(fā)明提供了一種方法和電路，用于優(yōu)化脈沖回波方法的寬帶發(fā)送脈沖的發(fā)射，其中發(fā)送脈沖被以預(yù)選的脈沖重復(fù)頻率發(fā)送。在本發(fā)明的方法和電路中，脈沖的極性被根據(jù)隨機序列而以脈沖重復(fù)頻率的每個周期切換，或者個別的脈沖被根據(jù)隨機序列而以脈沖重復(fù)頻率的每個周期抑制。
文檔編號G01S13/00GK1894562SQ200480037597
公開日2007年1月10日 申請日期2004年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
發(fā)明者伯恩哈德·米哈爾斯基 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司