CN203177928U - 回波采样单元及使用该单元的脉冲式雷达物位计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种回波采样单元及使用该单元的脉冲式雷达物位计，回波采样单元包括分别向发射脉冲发生器和参考脉冲发生器提供脉冲信号的脉冲激励模块，发射脉冲发生器的输出接发射天线，参考脉冲发生器的输出接混频器，混频器同时接接收天线，混频器输出经信号放大器、低通滤波器接A/D变换器，A/D变换器的输出接数据处理及时序控制单元中的物面回波识别模块，物面回波识别模块输出经传播延时精确测量模块接物位计算模块，数据处理及时序控制单元还包括向所述脉冲激励模块提供时序信号的时序控制模块。本实用新型能对真实回波进行自动识别，适应各种工作环境，降低了安装要求，并可获得亚采样间隔的时间测量分辨率，提高物位测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及利用雷达对罐体物位进行测量，具体涉及一种回波采样单元及使用该单元的脉冲式雷达物位计。
背景技术
脉冲式雷达物位计将待测物面的高度转化为微波从发射器经物面反射回接收器的传播延时进行测量。它具有非接触、对物面上部空间的气相条件变化不敏感、工作量程大、测量精度高、安装方便的优点，可广泛应用于水利工程、石油化工等领域。由于微波在空气中以光速进行传播，为达到毫米级的物位测量精度，必须对往返延时实现皮秒级的精确测定。
微波传播的往返延时极短，对其进行直接测量，实现成本高、难度大，不适于应用于工业级的雷达物位计。鉴于雷达的脉冲重复频率远高于物位的变化速度，反射回波可认为是一种周期性重复的高频信号。利用略小于脉冲重复频率的采样频率去采集反射回波的等效时间采样法，可实现以较低的采样频率间接测量GHz频段的回波，降低对器件的要求，如文献S Schuster,S Scheiblhofer,R Feger,A Stelzer.Signal Model and Statistical Analysis for the Sequential Sampling Pulse Radar Technique.Radar Conference,2008:1-6.和Wolfgang Weidmann,Dirk Steinbuch.A High Resolution Radar for Short Range Automotive Applications.28th European Microwave Conference Amsterdam1998:590-594.
对回波进行等效时间采样之后，需要进一步判断回波达到的时刻。阈值法是一种简单直接的方法，处理速度快，但阈值的选择受信号幅值和噪声的影响。质心法以信号的质心作为位置特征点，相对于阈值法它具有更高的稳 定性，但测量精度取决于信号形状和窗口大小，见文献“宋建辉.基于时域反射原理的电缆测长若干关键技术研究.哈尔滨工业大学,2010.”。Jacovitti和Scarano通过求取回波信号与参考信号之差的绝对值与平方和最小的位置，判断回波到达的时刻，在高信噪比下能获得较好的精度，见文献“Giovanni Jacovitti,Gaetano Scarano.Discrete Time Techniques for Time Delay Estimation.IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING,1993,41(2):525-533.”。相关法通过求取回波信号与参考信号相关函数最大值的位置亦可得到传播延时，并且能够较好地限制白噪声引入的误差。利用抛物线拟合对峰值点进行精细搜索可以获得亚采样时间的测量精度。但这种方法属于有偏估计，且在峰值位于两采样点中间时误差最大。
当雷达物位计的安装位置靠近储罐侧壁或者罐体内具有平凸部时，侧壁和平凸部会产生虚假回波。罐体内部还常含有管道、梯子、混合搅拌器等障碍物，也会反射回波。同时当罐内物位较高时，微波会在罐顶和物面之间进行多次反射。这些都会形成虚假的物位信号，如不对其进行处理或辨别将会导致错误的测量结果。目前针对这一问题多从雷达物位计的安装方式上进行解决，尽量避免虚假信号的产生。然而某些情况下由于实际安装环境的限制，虚假信号并不能通过调整安装来完全消除，这便需要在雷达物位计的信号处理过程中对真实回波信号进行识别。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供回波采样单元及使用该单元的脉冲式雷达物位计，能辨别测量过程中的各种虚假回波，并对真实回波的到达时刻进行精确判定，从而得到高精度的物位测量结果。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种回波采样单元，包括脉冲激励模块，脉冲激励模块分别向发射脉冲发生器和参考脉冲发生器提供脉冲信号，发射脉冲发生器的输出脉冲接发射天线，参考脉冲发生器的输出脉冲接混频器，混频器同时接接收天线，混频 器的输出接信号放大器，信号放大器的输出接低通滤波器，低通滤波器的输出接A/D变换器，所述脉冲激励模块接一个时序控制模块由其提供时序信号。
所述A/D变换器的输出接数据处理及时序控制单元中的物面回波识别模块，所述物面回波识别模块的输出接传播延时精确测量模块，传播延时精确测量模块的输出接物位计算模块，所述数据处理及时序控制单元为一个独立处理器。例如STM32F103系列的ARM处理器。
所述物面回波识别模块为数据处理及时序控制单元中的一个功能模块，其利用回波的强度和往返延时等特征对回波进行真实回波相似度评估，从虚假回波中识别出液面回波。
所述传播延时精确测量模块为数据处理及时序控制单元中的一个功能模块，其将实际回波信号与参考信号进行相关，并计算相关函数的Hilbert变换，利用内插方法求出最大值和最小值之间的过零点，得到精确的回波传播时间。
与现有技术相比，本实用新型的优点是：
能够对真实回波进行自动识别，可适应各种工作环境，降低对安装条件的要求。并可以获得亚采样间隔的时间测量分辨率，物位测量精度得到提高。
附图说明
图1为本实用新型脉冲式雷达物位计***结构示意图。
图2为本实用新型物面回波识别模块的工作流程图。
图3为相关函数Hilbert变换过零点法精确求取回波传播延时的原理。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型为脉冲式雷达物位计包括等效时间采样单元和数据处理及时序控制单元，并可通过数据总线与外部通讯。所述等效时间采样单元包括脉冲激励模块，脉冲激励模块分别向发射脉冲发生器和参考脉冲发生器提供脉冲信号，发射脉冲发生器的输出脉冲接发射天线，参考脉冲发 生器的输出脉冲接混频器，混频器同时接接收天线，混频器的输出接信号放大器，信号放大器的输出接低通滤波器，低通滤波器的输出接A/D变换器，所述数据处理及时序控制单元包括物面回波识别模块，物面回波识别模块接所述A/D变换器的输出，物面回波识别模块的输出接传播延时精确测量模块，传播延时精确测量模块的输出接物位计算模块，数据处理及时序控制单元还包括向所述脉冲激励模块提供时序信号的时序控制模块。数据处理及时序控制单元控制物位计各模块的工作时序，同时经过物面回波识别、传播延时精确测量得到物位计算结果。
本实用新型的原理是：
对回波信号进行准确的采集是保证物位测量精度的基础。由于雷达物位计所发射的微波处于GHz频段，现有的A/D变换器还难以直接对其实现不失真采集。所以采用等效时间采样的方法对其进行间接测量。设回波信号的重复周期为T，对其以T+ΔT的时间间隔进行采样，则经过T/ΔT个周期之后，便可得到被展宽的完整波形。
等效时间采样得到的回波信号中既包含了真实的物面回波，也可能含有由罐体底部、侧壁，罐内导管、梯子、搅拌器等障碍物反射的虚假回波以及物面和罐体顶部之间的多重回波。为了得到正确的测量结果，必须从含有各种虚假回波的信号中识别出真实的物面回波。在此，主要依据回波往返延时（RTDT，Round-trip Delay Time）和回波能量进行辨别。通过分析脉冲在罐体内的传播过程，可以得到以下推断：（1）如果某次回波的RTDT不能由之前回波RTDT的整数倍表示，则该回波可能为物面回波或罐体、障碍物的虚假回波（2）如果有回波的RTDT为之前某次回波RTDT的整数倍，则之前的回波可能为物面回波或多重回波（3）障碍物虚假回波的RTDT小于物面回波RTDT。如果某次回波同时满足推断(1)和(2)，便可以确定其为物面回波。考虑到反射回波的强度会随反射次数增加而减小，同时又正比于材料反射率和反射面积，可知真实物面回波强度必大于多重回波，且不会明显弱于罐体、 障碍物的回波强度。如果在所有回波中某一回波强度显著高于其它，则其为物面回波的概率很大。通过综合分析往返延时和回波能量可得到各回波为物面回波的概率，取概率最大者作为真实回波，用于物位计算。
如图2所示，物面回波识别模块的工作流程是：首先对原始采集数据进行阈值比较，检测出采集到的回波信号，并粗略计算其RTDT。如果数据中包含多个回波信号，则进一步计算各回波与物面回波的能量相似度和RTDT相似度，综合二者判断出物面回波。在确定RTDT相似度的过程中所采用的三个推断条件为：（1）物面回波的RTDT不能由之前回波RTDT的整数倍表示（2）当存在回波的RTDT为之前某次回波RTDT的整数倍时，则之前的回波可能为物面回波或多重回波（3）障碍物虚假回波的RTDT小于物面回波RTDT。
完成对真实回波的识别之后，需要对其传播延时进行精确测量。取真实回波信号r(n)与理想回波信号f(n)的相关函数为
则相关函数Crf(k)的峰值点可用作精确判断回波到达时刻的参考点。直接采用抛物线内插的方法求取相关函数Crf(k)峰值点位置是一种有偏估计，存在***偏差。由于相关函数Hilbert变换最大最小值之间的过零点恰好与其峰值点相对应。因此，可以将对相关函数Crf(k)峰值点的搜索转化为对其Hilbert变换H[Crf(k)]过零点的搜索，如图3所示。利用傅立叶变换可以得到相关函数Hilbert变换的快速算法：
H[Crf(k)]=FFT-1[jsign(f)FFT[r(k)]FFT[f(k)]*]
得到相关函数的Hilbert变换H[Crf(k)]后，首先寻找其最大值与最小值点，然后利用拟合的方法，得到过零点的精确位置，从而确定回波的传播延时。这样便可以实现亚采样周期的传播延时测量精度，且测时精度会随着回波信号信噪比的改善而提升。
本实用新型的工作过程是：
利用本实用新型脉冲式物位计进行等效时间采样时，首先由脉冲激励 模块产生周期为T和T+ΔT的两路时钟信号，分别用于激励发射脉冲和参考脉冲。两路时钟信号的产生可通过两个频率接近的晶振所组成的晶振对或者在一路时钟信号中加入延时单元来实现。发送脉冲由发射天线发出，经过反射后被接收天线所接收，与参考脉冲在混频器内相乘，再通过信号放大和低通滤波便可以得到被展宽的回波信号，对此可使用常用A/D变换器进行采集。
等效时间采样得到的原始采集数据中既包含了物面回波，也可能含有各种虚假回波，需要采用图2所示的方法对物面回波进行识别。首先对采集数据进行阈值比较，检出其中的回波信号，并用阈值法粗略计算相应的RTDT。若仅采集到单一回波，则可立刻确定其为物面回波。否则需要进一步从能量角度进行判断。计算出各回波能量后，对其进行排序。如果回波能量呈现单峰现象，即最强回波的能量明显高于其他回波，则可确定最强回波为物面回波。否则需要根据能量排序i得到各回波能量的相似度PE(i)。由于一般情况下物面回波的能量应大于虚假回波，应令PE(i)随i增加而减小。而后根据RTDT进行进一步判断。首先考察推断条件(1)，若不满足，即回波RTDT为之前某次回波RTDT的整数倍，则该回波应为多重回波，将其与物面回波的RTDT相似度设定为低。若满足，则回波可能为物面回波或由罐体、障碍物反射的虚假回波，需利用推断(2)进行进一步判断，即当存在回波的RTDT为之前某次回波RTDT的整数倍时，则之前的回波可能为物面回波或多重回波。若回波同时满足推断(1)和(2)的条件，则可以肯定其为物面回波，将其RTDT相似度设为高。若不满足推断(2)的条件，则不能确定回波是物面回波，还是由罐体、障碍物反射的虚假回波，需根据推断(3)障碍物虚假回波的RTDT小于物面回波RTDT，调整回波的RTDT相似度。最后综合回波的能量和RTDT相似度，判断出最可能的物面回波。
确定物面回波之后，需要进一步精确计算其往返延时RTDT。首先， 计算回波信号r(n)与理想回波信号f(n)相关函数的Hilbert变换：
H[Crf(k)]=FFT-1[jsign(f)FFT[r(k)]FFT[f(k)]*]
然后寻找最大值点和最小值点的位置，目标过零点位于二者之间。利用过零点附近的数据通过多项式拟合的方法，求出其精确位置kt。根据等效时间采样的放大率T/ΔT和A/D采样的周期Ts确定回波的往返延时为：TRD=kt×ΔT/T×Ts。最后，由此计算出物位高度，并通过数据总线进行输出。
Claims (2)
1.一种回波采样单元，其特征在于，包括脉冲激励模块，脉冲激励模块分别向发射脉冲发生器和参考脉冲发生器提供脉冲信号，发射脉冲发生器的输出脉冲接发射天线，参考脉冲发生器的输出脉冲接混频器，混频器同时接接收天线，混频器的输出接信号放大器，信号放大器的输出接低通滤波器，低通滤波器的输出接A/D变换器，所述脉冲激励模块接一个时序控制模块由其提供时序信号。
2.一种使用权利要求1所述回波采样单元的脉冲式雷达物位计，其特征在于，所述A/D变换器的输出接数据处理及时序控制单元中的物面回波识别模块，所述物面回波识别模块的输出接传播延时精确测量模块，传播延时精确测量模块的输出接物位计算模块，所述数据处理及时序控制单元为一个独立处理器。
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