通过测量灵敏度时间控制滤波函数进行的误差补偿

摘要

一种物位测量设备，在物位测量设备正在运行期间或在制造过程中，其通过测量经过接收支路且还经过STC滤波器的参考信号，能够补偿由STC滤波器引起的接收信号的失真。例如，在经过接收支路后，该参考信号能够被馈送至微处理器，该微处理器能够据此计算IF信号的修正值。能够设置开关，该开关能够在参考信号和IF信号之间切换。

说明书

技术领域

本发明涉及物位测量。尤其地，本发明涉及一种物位测量设备，特别 是填充物位雷达，用于补偿在确定填充物位期间发生在物位测量设备的接 收支路中的误差，以及涉及一种方法，用于通过测量物位测量设备的接收 支路的滤波函数来进行的误差补偿。

背景技术

因为在同一时间，所有的回波同时在接收机处，所以根据频率调制连 续波(FMCW)原理工作的物位测量设备应具有相对大的动态变化 (dynamics)。例如，各种回波可以是弱且相对远的有用的回波，以及来 自天线的近距离范围的相对强的假回波。例如，堆积在天线中或天线上的 沉积物、天线前面的固定物或者物位雷达的HF模块中的双工器的有限解 偶联能够引起这些假回波。

此外，与更远的且具有极低振幅的回波相反，天线的近距离范围内的 回波一般能够具有非常高的振幅。

为了能够在中频通道(IF通道)中处理所有这些回波，于是在这种 情况下，例如，被设置在物位测量设备的接收支路中的模拟/数字转换器 的IF动态变化可能不得不很高。

被广泛使用的压缩动态变化，即减小动态范围的选择是使用所谓的 STC函数。在本文上下文中，“STC”代表“灵敏度时间控制”。STC函 数被用于衰减天线的近距离范围内的大信号，并且在FMCW系统中通过 高通滤波器能够很容易地实现。

高通滤波器能够衰减具有相对小的频率的信号。因为小频率对应相距 天线的短距离，结果能够衰减或者甚至能够完全滤除天线的近距离范围内 的干扰大信号，从而减小IF信号的振幅差异。

然而，测量信号的曲线轨迹还会受到回波信号的距离相关衰减的影 响，这于是能够影响近距离范围内的传感器的准确度。

发明内容

本发明的目的是改善天线的近距离范围内的测量准确度。

本发明提供了一种物位测量设备，用于补偿在确定填充物位期间发生 在物位测量设备的接收支路中的误差，以及一种方法，用于通过根据独立 权利要求的特征测量滤波函数来进行物位测量设备的接收支路中的误差 补偿。在从属权利要求以及以下描述中阐述了本发明的进化。

下文所述的实施方式同样涉及物位测量设备以及方法。换言之，在下 面关于物位测量设备记载的特征还能够被实现为方法的步骤，并且反之亦 然。

根据本发明的第一个方面，提供了一种物位测量设备，用于补偿在确 定填充物位期间发生在物位测量设备的接收支路中的误差，该设备包括用 于提供参考信号的参考信号提供单元(例如具有数据存储器或信号发生器 的形式)；用于记录测量信号的接收单元；具有FMCW模块的接收支路， 该FMCW模块被配置成把测量信号转化成中频信号；以及处理器单元， 用于使用参考信号计算修正值以修正接收信号。

参考信号提供单元提供(例如生成)参考信号，并且接收单元记录测 量信号，该测量信号是从天线传输来的信号的分量，其已经在填充物或者 例如容器固定装置、容器底座、容器中的尘土或沉积物的其它物体处经过 反射，或者已经在天线处经过反射。然后根据记录的测量信号计算填充物 位。

在根据测量信号计算填充物位之前，该测量信号被转换成中频信号并 随后经过信号处理，该信号处理能够包括例如滤波过程和模拟/数字转换。 下文中，部分或完全处理的中频信号也被称为接收信号。

处理过中频信号之后，能够修正由此得到的信号，以例如补偿接收支 路的STC滤波器的滤波函数。为了计算用于修正所得信号的修正值，能 够使用逆滤波函数，其或者在制造过程中作为参考信号已经被储存在物位 雷达的存储单元中，或者在物位雷达运行期间通过切换至参考信号来生 成。

根据本发明的一个实施方式，参考信号提供单元包括参考信号生成单 元以生成参考信号。此外，提供了第一开关单元，其在输入侧连接到 FMCW模块和参考信号生成单元，且在输出侧连接到接收支路的STC滤 波器，并且被配置成在中频信号和参考信号之间切换，使得中频信号或参 考信号能够被馈送至STC滤波器。

第一开关单元用于在对应于测量信号的接收信号与参考信号之间切 换。处理器单元被配置成计算使用参考信号用于修正接收信号的修正值。

参考信号提供单元和处理器单元可以是同一个单元(即参考信号能够 由处理器单元生成)。然而，它们也可以是不同的单元或者至少是部分不 同的单元。例如，处理器单元能够控制分立的部件，其根据处理器单元的 命令生成参考信号。

特别地，对应于测量信号的接收信号可以是根据测量信号生成的中频 信号(IF信号)。为此，能够设置所谓的FMCW前端，下文中也称作FMCW 模块，其接收来自接收单元(天线)的测量信号并将其转换成中频信号。 该FMCW模块还能够被配置成生成传输信号。

此外，开关单元能够连接到FMCW模块，使得把中频信号从FMCW 模块直接馈送至开关单元。

然后，开关单元能够把中频信号或参考信号传送至接收支路的与之相 连的元件。

根据本发明的一个实施方式，处理器单元被配置成修正接收信号的距 离误差，该距离误差与距离相关衰减相关联。这些距离误差能够由例如接 收支路，尤其是STC滤波器的非线性温度特性引起。然而，也可以由处 理器单元修正接收信号的其它误差，这些误差是由接收支路中测量信号的 处理造成的。

根据本发明的另一个实施方式，参考信号生成单元是微处理器。特别 地，它可以与上述处理器单元相同。也能够设置不同的微处理器。

根据本发明的另一个实施方式，参考信号生成单元包括压控振荡器 (VCO)、锁相环(PLL)或直接数字合成设备(DDS)。

该部件可以由处理器单元控制并生成参考信号。

根据本发明的另一个实施方式，遍历(“完全扫描”)参考信号的频率 以记录物位测量设备的接收支路的参考滤波曲线，然后使用该参考滤波曲 线计算修正值。

例如，从0Hz至最高出现IF频率地对频率进行遍历。也可以从0Hz 至低于最高出现IF频率的频率地对参考信号进行遍历。也可以设定从可 设置的起始频率(不等于零)至可以设置的最大频率地对参考信号进行遍 历。

根据本发明的另一个实施方式，在物位测量设备运行期间计算修正 值。也可以设定在传感器调校期间，即例如在激活期间计算一次修正值。

如果在物位测量设备运行期间计算修正值，例如，该过程可以受当前 温度控制而发生，和/或能够例如每10到100次测量执行一次该过程，和 /或例如每小时一次。如果受温度控制而计算该修正值，那么为此目的而 设置一个或更多个温度测量传感器，其检测物位测量设备中温度的明显变 化，并且如果合适的话，通过生成参考信号和开动第一开关单元来触发修 正值的新计算。

根据本发明的另一个实施方式，接收支路中设置有模拟/数字转换器。 还设置有第二开关单元，其能够把参考信号直接馈送至模拟/数字转换器 中。

以这种方式，能够在避开设置在接收支路中的A/D转换器与天线之 间的部件的同时测量参考信号。例如在参考信号的形式未知或者是不充分 了解时，这是有利的。

两个开关单元可以是例如集成模拟开关或集成电路或继电器，集成模 拟开关例如具有晶体管的形式。

根据本发明的另一个实施方式，物位测量设备是FMCW雷达系统。

根据本发明的另一个方面，提供了一种方法，用于通过测量接收支路 的滤波函数来进行物位测量设备的接收支路中的误差补偿，在该方法中生 成参考信号并记录测量信号。然后在接收支路中，可以在对应于测量信号 的接收信号与参考信号之间切换，并且以这种方式，能够使用参考信号计 算出用于修正接收信号的修正值。

根据本发明的另一个实施方式，遍历参考信号的频率范围以记录物位 测量设备的接收支路的参考滤波曲线，该参考滤波曲线被用来计算修正 值。

根据本发明的另一个实施方式，通过把参考信号直接馈送至模拟/数 字转换器中来测量参考信号。

在下文中，将参照附图来描述本发明的实施方式。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一实施方式的物位测量设备的电路。

图2示出了根据本发明的另一实施方式的物位测量设备的电路。

图3示出了根据本发明的另一实施方式的物位测量设备的电路。

图4示出了根据本发明的一个实施方式的方法的流程图。

图5示出了根据本发明的一个实施方式的物位测量系统。

图6示出了STC滤波器的滤波函数。

图7示出了根据本发明的另一实施方式的物位测量设备的电路。

具体实施方式

图中的图示是示意性的，且不是按比例绘制的。

在以下附图的描述中，当不同的附图中使用相同的附图标记时，它们 表示相同或相似的元件。然而，还能用不同的附图标记来表示相同或相似 的元件。

图1示出了物位测量设备100，其包括参考生成单元101、接收单元 102、第一开关单元103和处理器单元101，在本实施方式中，该处理器 单元101与参考生成单元相同。

处理器单元101，例如微处理器，控制不同的部件并经由第一信号路 径108连接到FMCW前端104。在该FMCW前端104中，生成传输信 号，然后经由双向线路116将其发送至天线102。然后该天线接收经反射 的测量信号并经由双向连接116将其返回至FMCW前端104。在FMCW 前端中，该测量信号被转换成IF接收信号，并经由信号线111被传输至 第一开关单元103。

处理器单元101还能够用作参考信号生成单元，以及生成所需的参考 信号，其中也经由数据线109将该参考信号传输至第一开关单元103。此 外，处理器单元101经由数据线110控制第一开关单元103，使得该开关 单元能够在参考信号和IF接收信号之间切换。

然后经由信号线112将参考信号或，可选择地，将IF接收信号从第 一开关单元103传输到STC滤波器105。然后STC滤波器执行例如高通 滤波以衰减小频率处的高振幅(其会引起天线的短距离范围内的干扰效 应)。

然后经由信号线113将经滤波的信号从STC滤波器传输到IF放大器 106，该IF放大器106放大所述经滤波的信号。然后经由数据线114将经 放大的信号从IF放大器106传输到模拟/数字转换器107，该模拟/数字转 换器107数字化该信号并随后经由信号线115将其传输到处理器单元101， 该处理器单元101能够随后根据该信号确定填充物位。

处理器单元101还能够计算修正值以修正接收信号，其中在经过开关 103、STC滤波器105、IF放大器106和模拟/数字转换器107之后，即在 经过整个IF支路之后，该参考信号被馈送至处理器单元101中。

换言之，安装在接收机的IF支路中的是转换开关103，其使得能够 在测量信号与参考信号之间来回切换。该参考信号用于表征STC滤波器 或整个IF支路的特性曲线。根据该曲线，能够计算出修正值，该修正值 能够被用来修正IF采样值。由此能够补偿因距离相关衰减引起的距离误 差。能够以通常的方式来进行进一步信号处理。

下述内容可以被认为是本发明的核心方面：通过修正STC滤波曲线 或物位测量设备的整个IF支路的频率响应来改善物位测量设备的测量准 确度，尤其是天线的近距离范围内的测量准确度。例如通过将天线和 FMCW前端与接收支路断路(断开连接)且同时将参考信号连接到接收 支路，来实现此方面。该参考信号经过接收支路且特别是经过STC滤波 器，并且之后被用来修正接收信号。可选择地，该用于修正的信号还能够 在制造过程中被存储在物位测量设备中。最后，因而得到能够在物位测量 设备正在运行期间执行的一种校正。

布置在IF链(即接收支路的)中FMCW前端104的混频器(mixer) (图中未示出)的下游的是转换开关(“第一开关单元”)103，使用该转 换开关103能够在IF接收信号与例如由处理器单元101生成的参考信号 之间切换。

在这方面，从0Hz至最高出现最大IF频率地对该参考信号进行遍历， 并且记录整个IF链的滤波曲线(具有衰减和相位响应)。例如由处理器单 元101或者与之相连接的存储器单元(未示出)来进行记录。

根据此数据，接着能够计算出逆滤波函数，其能够用于修正中频信号 的采样值。

然后能够以这种方式对经修正的IF曲线进行距离评估。

能够在物位测量设备运行期间定期测量滤波曲线(即参考信号)，或 者能够在调校物位测量设备时测量一次该滤波曲线。在物位测量设备运行 期间测量滤波曲线的优势是，在这种情况下，能够检测到温度相关性。为 此目的，设置了一个或更多个温度传感器117，其也被连接到处理器单元 101。

图2示出了物位测量设备，除图1的测量设备包含的部件以外，该物 位测量设备允许在没有IF支路的情况下测量参考信号。为此目的设置了 第二开关单元201，其被安置在IF放大器106与模拟/数字转换器107之 间。处理器单元101经由控制信号线203控制该开关单元，并且该开关单 元能够在接收支路的部件(STC滤波器105、IF放大器106)与来自处理 器单元101的参考信号之间来回切换。为此目的，频率信号支路109不仅 连接到第一开关单元103，还经由线路202连接到第二开关单元201。

例如，如果未准确了解参考信号，那么可以以此方式直接地测量该参 考信号。

如图3中所示，参考信号还可以来自不同的源。不同的源可以是例如 VCO、DDS或者PPL 301。根据参考信号的质量，在没有IF链的情况下， 还能够将该参考信号直接地馈送至模拟/数字转换器107以用于特性表征。 为了这个目的，在A/D转换器和IF放大器106之间需要另一个转换开关 201。处理器单元101负责控制第一开关单元103和第二开关单元201。

图4示出了根据本发明的一个实施方式的方法的流程图。在步骤401， 在物位测量设备中生成发送信号，并经由天线朝着填充料的方向发射该发 送信号。在步骤402，记录相应的测量信号并将其转换成中频信号。在步 骤403，生成在频率上经过遍历的参考信号，以及在步骤404，在接收支 路中执行从IF接收信号到参考信号的切换，参考信号则通过IF支路，然 后在步骤405被处理器单元记录。在步骤406中，根据该参考信号计算修 正值，然后在步骤407中，这些修正值被用来修正接收信号。为此，开关 能够再次切换回来，以使得新测量信号能够通过IF支路，然后在微处理 器中修正该新测量信号。

图5示出了包括容器501的物位测量系统，该容器501容纳填充介质 504。连接在容器的顶部的是物位测量设备100，其沿着填充料表面的方 向发射发送信号502。然后由双工器102接收反射的测量信号503，并将 其馈送至FMCW前端。

如上所述的那样来进行进一步信号处理。

图6是STC滤波器的滤波函数的示意图。信号603在中频信号的频 率601下经受衰减。该衰减例如是针对低频率的20dB。对于高频率来说， 忽略该衰减。图6中所示的滤波函数被配置成相对强地衰减对应于天线的 近距离范围的中频信号的部分604，以衰减天线的近距离范围内的中频信 号的高信号振幅。

能够使用参考信号测量STC滤波器的滤波函数、模拟/数字转换器的 滤波函数、和/或位于FMCW前端104(参见图1)下游的部分接收支路 的滤波函数。

通过如此确定的滤波函数，能够计算出用于中频信号的修正值，例如 通过对经过测量而获得的滤波函数求逆，并随后将该“逆”滤波函数应用 于处理器单元101中存在的经处理的中频信号，以通过计算来补偿该滤波 函数。

不同于测量STC滤波器、模拟/数字转换器和/或FMCW前端下游的 整个接收支路的滤波函数，STC滤波器、模拟/数字转换器和/或FMCW 前端下游的接收支路的逆滤波函数或实际滤波函数能够在制造过程中被 存储在处理器中或存储在与之相连的存储器701(参见图7)中。在这种 情况下，不需要参考信号生成单元和开关单元，因为能够根据已经存储的 参考信号直接地计算修正值。

另外，需要指出的是：术语“包括”(“comprising”)和“具有” (“having”)不排斥任何其它元件或步骤，且“一”(“a”)或“一”(“an”) 不排斥多个。还需指出：参照上述实施方式之一的已描述的特征或步骤还 能够与上述其它实施方式的其它特征或步骤相结合使用。权利要求中的附 图标记不应该被理解为限制该权利要求的范围。