通過測量靈敏度時間控制濾波函數進行的誤差補償的制作方法
【專利摘要】一種物位測量設備，在物位測量設備正在運行期間或在制造過程中，其通過測量經過接收支路且還經過STC濾波器的參考信號，能夠補償由STC濾波器引起的接收信號的失真。例如，在經過接收支路后，該參考信號能夠被饋送至微處理器，該微處理器能夠據此計算IF信號的修正值。能夠設置開關，該開關能夠在參考信號和IF信號之間切換。
【專利說明】通過測量靈敏度時間控制濾波函數進行的誤差補償

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及物位測量。尤其地，本發(fā)明涉及一種物位測量設備，特別是填充物位雷達，用于補償在確定填充物位期間發(fā)生在物位測量設備的接收支路中的誤差，以及涉及一種方法，用于通過測量物位測量設備的接收支路的濾波函數來進行的誤差補償。

【背景技術】
[0002]因為在同一時間，所有的回波同時在接收機處，所以根據頻率調制連續(xù)波(FMCW)原理工作的物位測量設備應具有相對大的動態(tài)變化(dynamics)。例如，各種回波可以是弱且相對遠的有用的回波，以及來自天線的近距離范圍的相對強的假回波。例如，堆積在天線中或天線上的沉積物、天線前面的固定物或者物位雷達的HF模塊中的雙工器的有限解偶聯能夠引起這些假回波。
[0003]此外，與更遠的且具有極低振幅的回波相反，天線的近距離范圍內的回波一般能夠具有非常聞的振幅。
[0004]為了能夠在中頻通道(IF通道)中處理所有這些回波，于是在這種情況下，例如，被設置在物位測量設備的接收支路中的模擬/數字轉換器的IF動態(tài)變化可能不得不很高。
[0005]被廣泛使用的壓縮動態(tài)變化，即減小動態(tài)范圍的選擇是使用所謂的STC函數。在本文上下文中，“STC”代表“靈敏度時間控制”。STC函數被用于衰減天線的近距離范圍內的大信號，并且在FMCW系統(tǒng)中通過高通濾波器能夠很容易地實現。
[0006]高通濾波器能夠衰減具有相對小的頻率的信號。因為小頻率對應相距天線的短距離，結果能夠衰減或者甚至能夠完全濾除天線的近距離范圍內的干擾大信號，從而減小IF信號的振幅差異。
[0007]然而，測量信號的曲線軌跡還會受到回波信號的距離相關衰減的影響，這于是能夠影響近距離范圍內的傳感器的準確度。


【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的是改善天線的近距離范圍內的測量準確度。
[0009]本發(fā)明提供了一種物位測量設備，用于補償在確定填充物位期間發(fā)生在物位測量設備的接收支路中的誤差，以及一種方法，用于通過根據獨立權利要求的特征測量濾波函數來進行物位測量設備的接收支路中的誤差補償。在從屬權利要求以及以下描述中闡述了本發(fā)明的進化。
[0010]下文所述的實施方式同樣涉及物位測量設備以及方法。換言之，在下面關于物位測量設備記載的特征還能夠被實現為方法的步驟，并且反之亦然。
[0011]根據本發(fā)明的第一個方面，提供了一種物位測量設備，用于補償在確定填充物位期間發(fā)生在物位測量設備的接收支路中的誤差，該設備包括用于提供參考信號的參考信號提供單元(例如具有數據存儲器或信號發(fā)生器的形式)；用于記錄測量信號的接收單元；具有FMCW模塊的接收支路，該FMCW模塊被配置成把測量信號轉化成中頻信號；以及處理器單元，用于使用參考信號計算修正值以修正接收信號。
[0012]參考信號提供單元提供(例如生成)參考信號，并且接收單元記錄測量信號，該測量信號是從天線傳輸來的信號的分量，其已經在填充物或者例如容器固定裝置、容器底座、容器中的塵土或沉積物的其它物體處經過反射，或者已經在天線處經過反射。然后根據記錄的測量信號計算填充物位。
[0013]在根據測量信號計算填充物位之前，該測量信號被轉換成中頻信號并隨后經過信號處理，該信號處理能夠包括例如濾波過程和模擬/數字轉換。下文中，部分或完全處理的中頻信號也被稱為接收信號。
[0014]處理過中頻信號之后，能夠修正由此得到的信號，以例如補償接收支路的STC濾波器的濾波函數。為了計算用于修正所得信號的修正值，能夠使用逆濾波函數，其或者在制造過程中作為參考信號已經被儲存在物位雷達的存儲單元中，或者在物位雷達運行期間通過切換至參考信號來生成。
[0015]根據本發(fā)明的一個實施方式，參考信號提供單元包括參考信號生成單元以生成參考信號。此外，提供了第一開關單元，其在輸入側連接到FMCW模塊和參考信號生成單元，且在輸出側連接到接收支路的STC濾波器，并且被配置成在中頻信號和參考信號之間切換，使得中頻信號或參考信號能夠被饋送至STC濾波器。
[0016]第一開關單元用于在對應于測量信號的接收信號與參考信號之間切換。處理器單元被配置成計算使用參考信號用于修正接收信號的修正值。
[0017]參考信號提供單元和處理器單元可以是同一個單元(即參考信號能夠由處理器單元生成)。然而，它們也可以是不同的單元或者至少是部分不同的單元。例如，處理器單元能夠控制分立的部件，其根據處理器單元的命令生成參考信號。
[0018]特別地，對應于測量信號的接收信號可以是根據測量信號生成的中頻信號(IF信號)。為此，能夠設置所謂的FMCW前端，下文中也稱作FMCW模塊，其接收來自接收單元(天線)的測量信號并將其轉換成中頻信號。該FMCW模塊還能夠被配置成生成傳輸信號。
[0019]此外，開關單元能夠連接到FMCW模塊，使得把中頻信號從FMCW模塊直接饋送至開關單元。
[0020]然后，開關單元能夠把中頻信號或參考信號傳送至接收支路的與之相連的元件。
[0021]根據本發(fā)明的一個實施方式，處理器單元被配置成修正接收信號的距離誤差，該距離誤差與距離相關衰減相關聯。這些距離誤差能夠由例如接收支路，尤其是STC濾波器的非線性溫度特性引起。然而，也可以由處理器單元修正接收信號的其它誤差，這些誤差是由接收支路中測量信號的處理造成的。
[0022]根據本發(fā)明的另一個實施方式，參考信號生成單元是微處理器。特別地，它可以與上述處理器單元相同。也能夠設置不同的微處理器。
[0023]根據本發(fā)明的另一個實施方式，參考信號生成單元包括壓控振蕩器(VC0)、鎖相環(huán)(PLL)或直接數字合成設備(DDS)。
[0024]該部件可以由處理器單元控制并生成參考信號。
[0025]根據本發(fā)明的另一個實施方式，遍歷(“完全掃描”)參考信號的頻率以記錄物位測量設備的接收支路的參考濾波曲線，然后使用該參考濾波曲線計算修正值。
[0026]例如，從0Hz至最高出現IF頻率地對頻率進行遍歷。也可以從0Hz至低于最高出現IF頻率的頻率地對參考信號進行遍歷。也可以設定從可設置的起始頻率(不等于零)至可以設置的最大頻率地對參考信號進行遍歷。
[0027]根據本發(fā)明的另一個實施方式，在物位測量設備運行期間計算修正值。也可以設定在傳感器調校期間，即例如在激活期間計算一次修正值。
[0028]如果在物位測量設備運行期間計算修正值，例如，該過程可以受當前溫度控制而發(fā)生，和/或能夠例如每10到100次測量執(zhí)行一次該過程，和/或例如每小時一次。如果受溫度控制而計算該修正值，那么為此目的而設置一個或更多個溫度測量傳感器，其檢測物位測量設備中溫度的明顯變化，并且如果合適的話，通過生成參考信號和開動第一開關單元來觸發(fā)修正值的新計算。
[0029]根據本發(fā)明的另一個實施方式，接收支路中設置有模擬/數字轉換器。還設置有第二開關單元，其能夠把參考信號直接饋送至模擬/數字轉換器中。
[0030]以這種方式，能夠在避開設置在接收支路中的Α/D轉換器與天線之間的部件的同時測量參考信號。例如在參考信號的形式未知或者是不充分了解時，這是有利的。
[0031]兩個開關單元可以是例如集成模擬開關或集成電路或繼電器，集成模擬開關例如具有晶體管的形式。
[0032]根據本發(fā)明的另一個實施方式，物位測量設備是FMCW雷達系統(tǒng)。
[0033]根據本發(fā)明的另一個方面，提供了一種方法，用于通過測量接收支路的濾波函數來進行物位測量設備的接收支路中的誤差補償，在該方法中生成參考信號并記錄測量信號。然后在接收支路中，可以在對應于測量信號的接收信號與參考信號之間切換，并且以這種方式，能夠使用參考信號計算出用于修正接收信號的修正值。
[0034]根據本發(fā)明的另一個實施方式，遍歷參考信號的頻率范圍以記錄物位測量設備的接收支路的參考濾波曲線，該參考濾波曲線被用來計算修正值。
[0035]根據本發(fā)明的另一個實施方式，通過把參考信號直接饋送至模擬/數字轉換器中來測量參考信號。
[0036]在下文中，將參照附圖來描述本發(fā)明的實施方式。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1示出了根據本發(fā)明的第一實施方式的物位測量設備的電路。
[0038]圖2示出了根據本發(fā)明的另一實施方式的物位測量設備的電路。
[0039]圖3示出了根據本發(fā)明的另一實施方式的物位測量設備的電路。
[0040]圖4示出了根據本發(fā)明的一個實施方式的方法的流程圖。
[0041]圖5示出了根據本發(fā)明的一個實施方式的物位測量系統(tǒng)。
[0042]圖6示出了 STC濾波器的濾波函數。
[0043]圖7示出了根據本發(fā)明的另一實施方式的物位測量設備的電路。

【具體實施方式】
[0044]圖中的圖示是示意性的，且不是按比例繪制的。
[0045]在以下附圖的描述中，當不同的附圖中使用相同的附圖標記時，它們表示相同或相似的元件。然而，還能用不同的附圖標記來表示相同或相似的元件。
[0046]圖1示出了物位測量設備100，其包括參考生成單元101、接收單元102、第一開關單元103和處理器單元101，在本實施方式中，該處理器單元101與參考生成單元相同。
[0047]處理器單元101，例如微處理器，控制不同的部件并經由第一信號路徑108連接到FMCW前端104。在該FMCW前端104中，生成傳輸信號，然后經由雙向線路116將其發(fā)送至天線102。然后該天線接收經反射的測量信號并經由雙向連接116將其返回至FMCW前端104。在FMCW前端中，該測量信號被轉換成IF接收信號，并經由信號線111被傳輸至第一開關單元103。
[0048]處理器單元101還能夠用作參考信號生成單元，以及生成所需的參考信號，其中也經由數據線109將該參考信號傳輸至第一開關單元103。此外，處理器單元101經由數據線110控制第一開關單元103，使得該開關單元能夠在參考信號和IF接收信號之間切換。
[0049]然后經由信號線112將參考信號或，可選擇地，將IF接收信號從第一開關單元103傳輸到STC濾波器105。然后STC濾波器執(zhí)行例如高通濾波以衰減小頻率處的高振幅(其會引起天線的短距離范圍內的干擾效應)。
[0050]然后經由信號線113將經濾波的信號從STC濾波器傳輸到IF放大器106，該IF放大器106放大所述經濾波的信號。然后經由數據線114將經放大的信號從IF放大器106傳輸到模擬/數字轉換器107，該模擬/數字轉換器107數字化該信號并隨后經由信號線115將其傳輸到處理器單元101，該處理器單元101能夠隨后根據該信號確定填充物位。
[0051]處理器單元101還能夠計算修正值以修正接收信號，其中在經過開關103、STC濾波器105、IF放大器106和模擬/數字轉換器107之后，即在經過整個IF支路之后，該參考信號被饋送至處理器單元101中。
[0052]換言之，安裝在接收機的IF支路中的是轉換開關103，其使得能夠在測量信號與參考信號之間來回切換。該參考信號用于表征STC濾波器或整個IF支路的特性曲線。根據該曲線，能夠計算出修正值，該修正值能夠被用來修正IF采樣值。由此能夠補償因距離相關衰減引起的距離誤差。能夠以通常的方式來進行進一步信號處理。
[0053]下述內容可以被認為是本發(fā)明的核心方面:通過修正STC濾波曲線或物位測量設備的整個IF支路的頻率響應來改善物位測量設備的測量準確度，尤其是天線的近距離范圍內的測量準確度。例如通過將天線和FMCW前端與接收支路斷路(斷開連接)且同時將參考信號連接到接收支路，來實現此方面。該參考信號經過接收支路且特別是經過STC濾波器，并且之后被用來修正接收信號?？蛇x擇地，該用于修正的信號還能夠在制造過程中被存儲在物位測量設備中。最后，因而得到能夠在物位測量設備正在運行期間執(zhí)行的一種校正。
[0054]布置在IF鏈(即接收支路的)中FMCW前端104的混頻器(mixer)(圖中未示出)的下游的是轉換開關(“第一開關單元”)103，使用該轉換開關103能夠在IF接收信號與例如由處理器單元101生成的參考信號之間切換。
[0055]在這方面，從0Hz至最高出現最大IF頻率地對該參考信號進行遍歷，并且記錄整個IF鏈的濾波曲線(具有衰減和相位響應)。例如由處理器單元101或者與之相連接的存儲器單元(未示出)來進行記錄。
[0056]根據此數據，接著能夠計算出逆濾波函數，其能夠用于修正中頻信號的采樣值。
[0057]然后能夠以這種方式對經修正的IF曲線進行距離評估。
[0058]能夠在物位測量設備運行期間定期測量濾波曲線(即參考信號)，或者能夠在調校物位測量設備時測量一次該濾波曲線。在物位測量設備運行期間測量濾波曲線的優(yōu)勢是，在這種情況下，能夠檢測到溫度相關性。為此目的，設置了一個或更多個溫度傳感器117，其也被連接到處理器單元101。
[0059]圖2示出了物位測量設備，除圖1的測量設備包含的部件以外，該物位測量設備允許在沒有IF支路的情況下測量參考信號。為此目的設置了第二開關單元201，其被安置在IF放大器106與模擬/數字轉換器107之間。處理器單元101經由控制信號線203控制該開關單元，并且該開關單元能夠在接收支路的部件(STC濾波器105、IF放大器106)與來自處理器單元101的參考信號之間來回切換。為此目的，頻率信號支路109不僅連接到第一開關單元103，還經由線路202連接到第二開關單元201。
[0060]例如，如果未準確了解參考信號，那么可以以此方式直接地測量該參考信號。
[0061]如圖3中所示，參考信號還可以來自不同的源。不同的源可以是例如VCO、DDS或者PPL 301。根據參考信號的質量，在沒有IF鏈的情況下，還能夠將該參考信號直接地饋送至模擬/數字轉換器107以用于特性表征。為了這個目的，在Α/D轉換器和IF放大器106之間需要另一個轉換開關201。處理器單元101負責控制第一開關單元103和第二開關單元 201。
[0062]圖4示出了根據本發(fā)明的一個實施方式的方法的流程圖。在步驟401，在物位測量設備中生成發(fā)送信號，并經由天線朝著填充料的方向發(fā)射該發(fā)送信號。在步驟402，記錄相應的測量信號并將其轉換成中頻信號。在步驟403，生成在頻率上經過遍歷的參考信號，以及在步驟404，在接收支路中執(zhí)行從IF接收信號到參考信號的切換，參考信號則通過IF支路，然后在步驟405被處理器單元記錄。在步驟406中，根據該參考信號計算修正值，然后在步驟407中，這些修正值被用來修正接收信號。為此，開關能夠再次切換回來，以使得新測量信號能夠通過IF支路，然后在微處理器中修正該新測量信號。
[0063]圖5示出了包括容器501的物位測量系統(tǒng)，該容器501容納填充介質504。連接在容器的頂部的是物位測量設備100，其沿著填充料表面的方向發(fā)射發(fā)送信號502。然后由雙工器102接收反射的測量信號503，并將其饋送至FMCW前端。
[0064]如上所述的那樣來進行進一步信號處理。
[0065]圖6是STC濾波器的濾波函數的示意圖。信號603在中頻信號的頻率601下經受衰減。該衰減例如是針對低頻率的20dB。對于高頻率來說，忽略該衰減。圖6中所示的濾波函數被配置成相對強地衰減對應于天線的近距離范圍的中頻信號的部分604，以衰減天線的近距離范圍內的中頻信號的高信號振幅。
[0066]能夠使用參考信號測量STC濾波器的濾波函數、模擬/數字轉換器的濾波函數、和/或位于FMCW前端104 (參見圖1)下游的部分接收支路的濾波函數。
[0067]通過如此確定的濾波函數，能夠計算出用于中頻信號的修正值，例如通過對經過測量而獲得的濾波函數求逆，并隨后將該“逆”濾波函數應用于處理器單元101中存在的經處理的中頻信號，以通過計算來補償該濾波函數。
[0068]不同于測量STC濾波器、模擬/數字轉換器和/或FMCW前端下游的整個接收支路的濾波函數，STC濾波器、模擬/數字轉換器和/或FMCW前端下游的接收支路的逆濾波函數或實際濾波函數能夠在制造過程中被存儲在處理器中或存儲在與之相連的存儲器701 (參見圖7)中。在這種情況下，不需要參考信號生成單元和開關單元，因為能夠根據已經存儲的參考信號直接地計算修正值。
[0069]另外，需要指出的是:術語“包括” (“comprising”)和“具有” (“having”)不排斥任何其它元件或步驟，且“一” (“a”)或“一” (“an”)不排斥多個。還需指出:參照上述實施方式之一的已描述的特征或步驟還能夠與上述其它實施方式的其它特征或步驟相結合使用。權利要求中的附圖標記不應該被理解為限制該權利要求的范圍。
【權利要求】
1.一種物位雷達，用于補償在確定所述填充物位期間發(fā)生在所述物位雷達的接收支路中的誤差，包括: 參考信號提供單元(701，101，301)，用于提供參考信號或修正值； 接收單元(102)，用于記錄測量信號； 接收支路，具有被配置成把所述測量信號轉換成中頻信號的FMCW模塊(104)； 處理器單元(101)，用于使用所述參考信號計算修正值，或者用于使用由所述參考信號提供單元提供的所述修正值，來修正所述中頻信號。
2.根據權利要求1所述的物位雷達， 其中所述參考信號提供單元(701，101，301)包括用于生成參考信號的參考信號生成單元(101)； 所述物位雷達包括第一開關單元(103)，其在輸入側連接到所述FMCW模塊(104)和所述參考信號生成單元(101)，且在輸出側連接到所述接收支路的STC濾波器，并且被配置成在來自所述FMCW模塊的所述中頻信號與來自所述參考信號提供單元的所述參考信號之間切換，使得所述中頻信號或所述參考信號被饋送至所述STC濾波器。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的物位雷達， 其中所述處理器單元(101)被配置成修正所述中頻信號的距離誤差，所述距離誤差與依賴于距離的衰減相關聯。
4.根據權利要求2或權利要求3所述的物位雷達， 其中所述參考信號生成單元(101)是微處理器。
5.根據權利要求2或權利要求3所述的物位雷達， 其中所述參考信號生成單元(101)是壓控振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)或直接數字合成設備(DDS)。
6.根據任一前述權利要求所述的物位雷達， 其中所述參考信號生成單元(101)被配置成使所述參考信號的頻率通過，使得所述處理器單元(101)能夠記錄所述物位雷達的所述接收支路的參考濾波曲線，所述參考濾波曲線被用來計算所述修正值。
7.根據任一前述權利要求所述的物位雷達， 其中所述處理器單元(101)被配置成在所述物位雷達運行期間計算所述修正值。
8.根據任一前述權利要求所述的物位雷達，還包括: A/D轉換器(107)，位于所述接收支路中； 第二開關單元(201)，用于把所述參考信號直接地饋送至所述A/D轉換器(107)中。
9.一種方法，用于通過測量物位測量設備(100)的接收支路的濾波函數來進行所述物位測量設備的所述接收支路中的誤差補償，包括以下步驟: 提供參考信號或修正值； 記錄測量信號； 把所述測量信號轉換成中頻信號； 使用所述參考信號計算修正值，或者使用由參考信號提供單元提供的所述修正值來修正所述中頻信號。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括步驟: 在所述接收支路中，在對應于所述測量信號的接收信號與所述參考信號之間切換。
11.根據權利要求9或權利要求10所述的方法，還包括步驟: 使所述參考信號的頻率通過以記錄所述物位測量設備的所述接收支路的參考濾波曲線，所述參考濾波曲線被用來計算所述修正值。
12.根據權利要求9至11的任一權利要求所述的方法，還包括步驟: 通過把所述參考信號直接饋送至A/D轉換器(107)中來測量所述參考信號。
【文檔編號】G01F23/284GK104272065SQ201380023312
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權日:2012年5月3日
【發(fā)明者】丹尼爾·舒爾特海斯 申請人:Vega格里沙貝兩合公司