專利名稱：雷達物位計及其信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種雷達物位計及其信號處理方法，特別指一種針對調(diào)頻連續(xù)波FMCff雷達物位計的信號調(diào)變方法。
背景技術(shù)：
在程序自動化(Process Automation)中，有關(guān)量測固體，液體或其混合物的物質(zhì)含量，一般通稱為物位傳感器(Level Sensor)。雷達物位計屬于物位傳感器(LevelSensor)的一種。一般的雷達物位計采用頻率約在3GHz_80 GHz間。雷達物位計通常經(jīng)由天線(Antenna)發(fā)送信號(Transmitting Signal), 一般可以是孔型波(Hone)，桿狀波(Rod),球型波(Spherical)，平面波(planar type)等直接非接觸發(fā)射到待測物質(zhì)的表面；也可以是經(jīng)由波導管(Waveguide),例如桿狀波(rod),纜索狀波(cable),電線或圍繩狀波(wire or rope),與物標相接處作為信號的傳導。公知的雷達物位計兩線式控制(Two Wires Control, 4-20 mA傳輸)，有更新速率太慢的缺點。公知的兩線式雷達物位計，受限于高能量激發(fā)的脈波需求與4-20mA必須維持在低功耗的要求，無法達成快速的數(shù)據(jù)更新速度，因此對于被量測物質(zhì)的位置(Level)變化的響應(yīng)輸出較慢。雷達物位計主要有兩種原理。第一種為時域信號調(diào)節(jié)(TDR , Time DomainReflection),利用微波收發(fā)間的時間差來決定量測體與待物物質(zhì)表面間的距離；第二種為頻域信號調(diào)節(jié)(FMCW , Frequency Modulation Continuous Wave)的方法，利用發(fā)射與反射信號間的頻率差，來鑒別量測體與待物物質(zhì)表面間的距離。總的來說，本發(fā)明為一種基于為波反射原理決定填充水平高度(filling levelheight)的裝置，經(jīng)由一個微波脈沖(microwave pulse)以及模擬信號的處理調(diào)變過程，并經(jīng)過一個混頻器(mixer)轉(zhuǎn)換成為頻率域的計算與數(shù)字化，再依此決定代測物料的位置，得到更精確的位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種雷達物位計，能達到低功耗與高速更新速率的要求。本發(fā)明的另一目的，是在于提供一種雷達物位計信號處理方法，針對調(diào)頻連續(xù)波FMCff雷達物位計的信號調(diào)變方法，可以得到高精確度距離。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雷達物位計，采用雙核心微處理器(MCU，Micro Control Unit)的架構(gòu),此構(gòu)架包含一個高速的微處理器,一個低速的微處理器和一個電源充放電電路。上述高速的微處理器為不完全運作狀態(tài)，在運作時序過程中，處理高頻模擬信號(RF)的收發(fā)與中頻信號(IF)處理，當非運作狀態(tài)時，上述的雷達物位計處于最高充電能力。上述低速的微處理器為完全運作狀態(tài)，負責通訊接口的通訊信號處理與電源管理。上述高頻模擬信號定義為300 MHz-lOOGHz間，可為方波、三角波、弦波或具有周期重復性的任意波型，其包含一個發(fā)射信號與一個接收信號，上述中頻信號定義為〈3 MHz的周期性信號，其可為方波、三角波、弦波或具有周期重復性的任意波型。上述中頻信號的處理，至少包含信號取樣、信號調(diào)變、快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)astFourier Transfer)運算與信號分析。 上述低速的微處理器可負責顯示接口的處理。上述電源充放電電路可以是4_20mA two wires回路,包含超級電容的儲能架構(gòu)。因此本發(fā)明可以克服雷達物位計兩線式控制更新速率太慢的缺點，達到低功耗與高速更新速率的要求。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種調(diào)頻連續(xù)波(FMCW, Frequency ModulatedContinuous Wave)雷達物位計的信號調(diào)變方法,首先
產(chǎn)生一個高頻RF差頻信號進入一降頻混波器，然后上述降頻混波器轉(zhuǎn)換上述高頻RF信號到中頻IF周期信號，接著上述中頻IF周期信號經(jīng)由快速傅里葉變換FFT (FastFourier Transfer)轉(zhuǎn)換成為頻譜特征，得到FFT信號，上述FFT信號經(jīng)過至少一次的數(shù)字濾波變換(DFT，Digital Filtering Transfer)處理以提高取樣的分辨率，取得最終的頻率特征后，最后經(jīng)由計算公式換算成為實質(zhì)物理距離，即雷達物位計與待測物質(zhì)表面的距離，即經(jīng)由物理值換算程序得到物位距(Level Distance)。在本發(fā)明的一實施例中，上述一個RF高頻信號到IF中頻信號的轉(zhuǎn)換程序后，可以更進一步包含一個時域信號調(diào)節(jié)(Time Domain Signal Conditioning)處理程序,其可以是一般公知的濾波處理、信號增益放大處理、波型調(diào)變、噪聲抑制、背景濾除、漢寧窗口(Hanning Windows)板型(Profile)作相關(guān)系數(shù)(Correlation)。在上述得到FFT信號的程序后，可以更進一步包含一個頻域信號調(diào)節(jié)(FrequencyDomain Signal Conditioning)處理程序,其為噪聲抑制，濾波處理(Window Mask)與信號增益放大
在上述頻域信號調(diào)節(jié)處理程序后，可以更進一步包含一個信號特征辨識程序，其可以是操作者輸入或事先定義數(shù)據(jù)庫，其可以是公知的辨識波峰值、辨識波谷值、辨識斜率特征、辨識反曲點特征等公知的模式識別(Pattern Recognition)方法。上述一個以上的數(shù)字濾波變換DFT轉(zhuǎn)換程序，其每一次DFT處理的波門(Window)可以是相同的取樣數(shù)；
上述一個以上的數(shù)字濾波變換DFT轉(zhuǎn)換程序，其每一次DFT處理的波門(Window)可以是不同的取樣數(shù)；
上述物理值換算程序的運算可以為距離R = fK*C*Tm/(2F)，其中上述的R為物位計到待測物質(zhì)表面距離，fE為中頻的中心頻率，C為光速，Tm為掃描取樣時間，F(xiàn)為掃描頻寬；上述物理值換算程序的運算可以更進一步包含溫度效益的影響，距離R = fE(T)*C*Tffl/(2F)，其中上述的R為物位計到待測物質(zhì)表面距離，fK為中頻的中心頻率，C為光速，Tm為掃描取樣時間，F(xiàn)為掃描頻寬，T為溫度。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的操作程序圖。
圖3是本發(fā)明的信號分析流程圖。圖4是本發(fā)明的信號處理流程圖。圖5是本發(fā)明的應(yīng)用示意圖。主要組件符號說明
10送信器11鎖相回路頻率合成器
12功率放大器13可調(diào)整衰減器
14倍頻放大器
20功率分配器21第一功率分配單元
22第二功率分配單元 30輻射天線31數(shù)位介面
32可程控放大器
40受信器41低噪聲放大器
42降頻混波器43濾波器
50后端系統(tǒng)51微處理器
160，165，170, 175中斷請求通訊控制 180電源充電變化
115微型處理器運作(MCU-H Active)時序
125觸發(fā)信號
130 RF發(fā)射信號
135 RF接受信號
145信號調(diào)變
147取樣信號
150 快速傅里葉變換 FFT (Fast Fourier Transfer) 155信號分析 210 RF發(fā)射信號
201，202，203 RF發(fā)射信號取樣。220 RF接收信號
204，205，206 RF接收信號取樣
230發(fā)射信號
240高頻RF接收信號
250周期性波250
251信號前調(diào)變處理 255頻率特征
270調(diào)變信號
275調(diào)變后的頻率特征
280，281，282信號強度特征
291數(shù)字信號291
300高頻RF差頻信號
305中頻周期信號 310 時域時域信號調(diào)節(jié) Time Domain Signal Conditioning 315快速傅里葉變換FFT轉(zhuǎn)換
320 步頁域信號調(diào)節(jié) Frequency Domain Signal Conditioning
325信號特征辨識
340換算實質(zhì)物理距離
410儲倉
400雷達物位計
420固定障礙物
430待測物質(zhì)表面
具體實施例方式請參閱圖1所示，圖1是本發(fā)明測距雷達裝置的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，其包括:
一送信器10，主要是由一鎖相回路頻率合成器11、一功率放大器12、一可調(diào)整衰減器
13、一倍頻放大器14等組成；其中:該鎖相回路頻率合成器11包含一鎖相回路、一壓控震蕩器及一數(shù)字頻率合成控制電路(圖中未示)，用于產(chǎn)生可精確控制數(shù)字調(diào)變頻率的弦波送信信號；又功率放大器12是用于信號放大，增加送信信號強度；該可調(diào)整衰減器13可依照使用上的需求，衰減送信信號強度；該倍頻放大器14，用以將信號頻率加倍且放大其信號強度；
一功率分配器20，是一分為三的功率分配器，具有一匯總端及三個端口 ；其匯總端是與前述倍頻放大器14的連接；
一輻射天線30，是與前述功率分配器20其中一端口連接；
一受信器40，主要是由一低噪聲放大器41、一降頻混波器42、一濾波器43所組成；其中，該低噪聲放大器41、降頻混波器42的輸入端分別與前述功率分配器20的其它兩個端端口連接，又低噪聲放大器41是用以放大微弱的受信信號，該降頻混波器42是用于將送信信號與受信信號進行混波，以取出其頻率差的信號；該濾波器43則用于抑制中頻頻寬外的干擾信號，令中頻頻寬內(nèi)的信號通過；
一數(shù)位介面31,具有一輸入端與一輸出端,其輸入端是與濾波器43的輸出端連接,用以將濾波器43輸出的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式；
一可程控放大器32，是連接于前述數(shù)位介面31的輸出端與一后端系統(tǒng)50的微處理器51之間；該可程控放大器32用以對數(shù)位介面31輸出的信號進行運算放大，再送給微處理器51，以透過頻率、時間運算轉(zhuǎn)換為所需的信息，例如雷達與待測物的間距離等數(shù)據(jù)。參閱圖2所示操作時序圖。圖1的51微處理器單元，本發(fā)明采用雙核心微處理器(MCU,Micro Control Unit)架構(gòu)，由一個高速的微處理器(MCU-H)與一個低速的微處理器(MCU-L)組成。低速的微處理器(MCU-L)負責通訊接口的通訊信號處理與電源管理，在任何時間都處于運作狀態(tài)，以便接收各種中斷請求160，165，170，175等作為通訊控制；180為電源充電變化。高速的微處理器(MCU-H)則做為高頻模擬信號的收發(fā)與中頻信號處理，只有在某一段時序中為運作狀態(tài)，例如115時序，其它時間則處于非運作狀態(tài)，以節(jié)省電源功率消耗，電源充電變化為最大水平。當MCU-H為運作狀態(tài)時，主要在這段時間中，處理觸發(fā)信號125，高頻RF發(fā)射信號130，高頻RF接受信號135，信號調(diào)變145，取樣信號147，快速傅里葉變換FFT (Fast Fourier Transfer) 150與信號分析155。當MCU-H為運作狀態(tài)時，高頻RF發(fā)射信號130，RF接受信號135期間，因消耗功率較大，故180為電源充電處于低水位；當時序移到信號調(diào)變145，取樣信號147，F(xiàn)FT (Fast Fourier Transfer)150與信號分析155階段，則180電源充電水平提高；當MCU-H為非運作狀態(tài)時，則180電源充電達到最大能力，因此較快響應(yīng)對于被量測物質(zhì)的位置(Level)變化的輸出，因此本發(fā)明能達到低功耗與高速更新數(shù)據(jù)速率的要求。參閱圖3所示信號實際的處理流程。雷達物位計首先發(fā)射出一系列隨時間而不同頻率的RF發(fā)射信號210，如并有RF發(fā)射信號取樣201，202，203。同時間同一個天線由20功率分配器傳回RF接收信號220，并有RF接收信號取樣204，205，206。221為掃描頻寬。222Tm稱為掃描時間，通常為兩取樣點間的間隔時間，例如信號取樣202與203間。信號在42降頻混波器的輸入端，會呈現(xiàn)一個230發(fā)射信號與240 RF接收信號隨時間的變化，并在42降頻混波器輸出一個具有周期性波250，并具有頻率特征255。42降頻混波器輸出周期性波250，一般可以做251信號前調(diào)變處理，例如公知的漢寧窗口濾波(HanningWindow Filtering)或其它技術(shù)，使得信號得到適當?shù)脑鲆娉蔀檎{(diào)變信號270，并具有調(diào)變后的頻率特征275。頻率特征255與調(diào)變后的頻率特征275 —般可以是相同但不限定。調(diào)變信號270再經(jīng)由一般公知的快速傅里葉變換FFT (Fast Fourier Transfer),取得信號強度特征如280，281，282 ;再經(jīng)由數(shù)字濾波變換DFT (Digital Filtering Transfer)針對一個頻率區(qū)間處理并提高取樣的分辨率，得到數(shù)字信號291。DFT可以是重復I次以上的處理，直到精度目標為止。參閱圖4為信號處理流程，首先雷達位位計產(chǎn)生一個300 RF差頻信號，進入42降頻混波器；42降頻混波器再產(chǎn)生305中頻周期信號，通常為Sin或Cos Wave但不限定。再圖4中虛線的方框310時域信號調(diào)節(jié)Time Domain Signal Conditioning, 320頻域信號調(diào)節(jié)Frequency Domain Signal Conditioning與325信號特征辨識，為不依定需要的信號處理流程，但可依必要性加入。其中310 Time Domain Signal Conditioning主要是處理由42降頻混波器輸出的信號，其可以是一般公知的濾波處理、信號增益放大處理、波型調(diào)變、噪聲抑制。處理后的信號再經(jīng)由315 FFT轉(zhuǎn)換成為頻譜特征，若有必要時，再進行 320 Frequency Domain Signal Conditioning,上述的 320 Frequency Domain SignalConditioning，通常為噪聲抑制與信號增益放大。所得到的FFT信號，最后再經(jīng)過至少一次以上的DFT (Digital Filtering Transfer)處理以提高取樣的分辨率，取得最終的頻率特征后，經(jīng)由計算公式340換算成為實質(zhì)物理距離，即雷達物位計與待測物質(zhì)表面的距離，一般稱為物位距(Level Distance)。上述的物理值換算程序，其運算可以為距離R = fK*C*Tm/(2F);上述的R為物位計到待測物質(zhì)表面距離，fK為中頻的中心頻率，C為光速，Tm為掃描取樣時間，F(xiàn)為掃描頻寬。上述的物理值換算程序，其運算可以更進一步包含溫度效益的影響，距離R = fK(T)*C*Tm/(2F)，上述的R為物位計到待測物質(zhì)表面距離，&為中頻的中心頻率，C為光速，Tm為掃描取樣時間，F(xiàn)為掃描頻寬，T為溫度。由此不同于公知雷達物位計所使用的原理，來計算量測體與待物物質(zhì)表面間的距離，本發(fā)明的一種調(diào)頻連續(xù)波(FMCW,Frequency Modulated Continuous Wave)雷達物位計的信號調(diào)變方法，可以得到高精確度距離。圖5顯示本應(yīng)用的場合，在一個儲倉410，安裝有一個雷達物位計400，通常儲倉內(nèi)具有固定障礙物420，例如梯子、加熱管、攪拌器葉片等。400雷達物位計發(fā)射RF信號，并經(jīng)由待測物質(zhì)表面430，得到RF反射信號，再經(jīng)由圖4的流程處理得到換算距離。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種雷達物位計，采用雙核心微處理器MCU，架構(gòu)，其特征在于，其包含: 一個高速的微處理器，為不完全運作狀態(tài)，在運作時序過程中，處理高頻模擬信號RF的收發(fā)與中頻信號IF處理，當非運作狀態(tài)時，上述的雷達物位計處于最高充電能力； 一個低速的微處理器，為完全運作狀態(tài)，負責通訊接口的通訊信號處理與電源管理；以及 一個電源充放電電路。
2.按權(quán)利要求1所述的雷達物位計，其特征在于，上述高頻模擬信號定義為300MHz-100GHz間，可為方波、三角波、弦波或具有周期重復性的任意波型,其包含一個發(fā)射信號與一個接收信號。
3.按權(quán)利要求1所述的雷達物位計，其特征在于，上述中頻信號定義為〈3MHz的周期性信號，其可為方波、三角波、弦波或具有周期重復性的任意波型。
4.按權(quán)利要求1所述的 雷達物位計，其特征在于，上述中頻信號的處理，至少包含信號取樣、信號調(diào)變、快速傅里葉變換FFT運算與信號分析。
5.按權(quán)利要求1所述的雷達物位計，其特征在于，上述低速的微處理器可負責顯示接口的處理。
6.按權(quán)利要求1所述的雷達物位計，其特征在于，上述電源充放電電路可以是4-20mAtwo wires回路,包含超級電容的儲能架構(gòu)。
7.一種雷達物位計的信號處理方法，特別是一種調(diào)頻連續(xù)波FMCW雷達物位計的信號調(diào)變方法，其特征在于，其步驟包含: 產(chǎn)生一個高頻RF差頻信號進入一降頻混波器； 上述降頻混波器轉(zhuǎn)換上述高頻RF信號到中頻IF周期信號； 上述中頻IF周期信號經(jīng)由快速傅里葉變換FFT轉(zhuǎn)換成為頻譜特征，得到FFT信號； 上述FFT信號經(jīng)過至少一次的數(shù)字濾波變換DFT處理，取得最終的頻率特征；以及 經(jīng)由物理值換算程序得到物位距。
8.按權(quán)利要求7所述的調(diào)頻連續(xù)波雷達物位計的信號調(diào)變方法，其特征在于，可以更進一步包含一個時域信號調(diào)節(jié)處理程序，其可以是一般公知的濾波處理、信號增益放大處理、波型調(diào)變、噪聲抑制、背景濾除、漢寧窗口板型作相關(guān)系數(shù)。
9.按權(quán)利要求7所述的調(diào)頻連續(xù)波雷達物位計的信號調(diào)變方法，其特征在于，可以更進一步包含一個頻域信號調(diào)節(jié)處理程序，其為噪聲抑制，濾波處理與信號增益放大。
10.按權(quán)利要求7所述的調(diào)頻連續(xù)波雷達物位計的信號調(diào)變方法，其特征在于，可以更進一步包含一個信號特征辨識程序，其可以是操作者輸入或事先定義數(shù)據(jù)庫，其可以是公知的辨識波峰值、辨識波谷值、辨識斜率特征、辨識反曲點特征等公知的模式識別方法。
11.按權(quán)利要求7所述的調(diào)頻連續(xù)波雷達物位計的信號調(diào)變方法，其特征在于，一個以上的上述數(shù)字濾波變換DFT轉(zhuǎn)換程序，其每一次DFT處理的波門可以是相同的取樣數(shù)。
12.按權(quán)利要求7所述的調(diào)頻連續(xù)波雷達物位計的信號調(diào)變方法，其特征在于，一個以上的上述數(shù)字濾波變換DFT轉(zhuǎn)換程序，其每一次DFT處理的波門可以是不同的取樣數(shù)。
13.按權(quán)利要求7所述的調(diào)頻連續(xù)波雷達物位計的信號調(diào)變方法，其特征在于，上述物理值換算程序的運算可以為距離R = fK*C*Tm/(2F)，其中上述的R為物位計到待測物質(zhì)表面距離，fE為中頻的中心頻率，C為光速，Tm為掃描取樣時間，F(xiàn)為掃描頻寬。
14.按權(quán)利要求7所述的調(diào)頻連續(xù)波雷達物位計的信號調(diào)變方法，其特征在于，上述物理值換算程序的運算可以更進一步包含溫度效益的影響，距離R = fK(T)*C*Tm/(2F)，其中上述的R為物位計到待測物質(zhì)表面距離，fE為中頻的中心頻率，C為光速，Tm為掃描取樣時間，F(xiàn)為掃描頻寬，T 為溫度。
全文摘要
一種雷達物位計及其信號處理方法。該雷達物位計采用雙核心微處理器架構(gòu)，此構(gòu)架包括一個高速的微處理器，一個低速的微處理器和一個電源充放電電路，能達到低功耗與高速更新速率的要求。該信號處理方法為一種調(diào)頻連續(xù)波雷達物位計的信號調(diào)變方法，首先產(chǎn)生一個高頻差頻信號進入一降頻混波器，然后轉(zhuǎn)換上述高頻信號到中頻周期信號，接著上述中頻周期信號經(jīng)由快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換成為頻譜特征，得到FFT信號，接著上述FFT信號經(jīng)過至少一次的數(shù)字濾波變換處理，取得最終的頻率特征，最后經(jīng)由物理值換算程序得到物位距，由此得到高精確度距離關(guān)系。
文檔編號G01F23/284GK103090930SQ201110334080
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者吳定國 申請人:上海凡宜科技電子有限公司, 桓達科技股份有限公司