用于測定fmcw測距裝置與目標之間距離的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于測定FMCW(調頻連續波)測距裝置與目標之間距離的方法。
【背景技術】
[0002]傳統的FMCW測距裝置可基于聲波或微波測距，常用于工業過程控制、工廠自動化或汽車應用中的距離測量或液位測量。
[0003]此處需對傳輸信號進行調制，使其周期性掃過預先確定的頻率范圍。接收到的信號包括來自被測物體和其他障礙物的回波信號部分，該信號與傳輸信號相混合，獲得的頻率差信號通過例如快速傅里葉變換(FFT)進行分析以得到頻譜，其中回波表現為峰值。該頻譜中的回波或峰值(也稱為回波波形)可分離，也可重疊。最常用的響應回波識別技術依賴于功率譜密度(PSD)，通常由FFT計算得出，以估算響應頻率，作為FFT-PSD頻譜中的最大部分所對應的頻率。
[0004]接收到的信號以及頻域的回波波形，通常不只包括由目標反射引起的所期望的有用頻率，也包括不需要的不同頻率下的干擾部分，該干擾部分可由電子器件和天線內部反射所引起，也可由外部反射引起，例如在容器底部和容器支撐物上的反射。這些干擾部分使得確定其最鄰近范圍內的響應頻率極其困難。因此，有必要嘗試有效地抑制這些干擾部分。
[0005]DE 4327333 Al描述了在FMCW雷達液位裝置頻譜中消除干擾組分的一種方法。假定在被測液位上所述干擾組分頻率恒定且獨立。首先，在空容器中進行基準測量，以記錄干擾組分。在隨后的正常測量中，容器裝入液體時，用測得的第一個干擾組分的強度協助校正所述記錄的干擾組分，并從獲得的單獨的頻譜中去除所述記錄的干擾組分。
[0006]US 6,810,342 BI公開了一種類似的方法，還首先進行基準測量，以在沒有目標的情況下記錄干擾頻率頻譜。在隨后的正常測量中，混合的所述頻率差信號通過一組預先確定的等時間間隔采樣點進行采樣。記錄的頻譜的干擾頻率用于從采樣后的頻率差信號中確定復振幅，該復振幅近似于由干擾頻率引起的被采樣信號的頻譜面積。之后，將干擾頻率產生的頻譜從采樣后的頻率差信號中去除。
[0007]已知方法基于以下假設，即干擾頻率具有幾乎恒定、先驗已知的頻率，不隨時間變化，但實踐中通常并非如此。實際上，干擾頻率可隨溫度、濕度等環境因素變化，也會隨時間的推移而變化(例如由于測距裝置的老化)，因此對干擾信號的了解尚且不足。此外，已知方法要求為在空氣或空容器中的基準測量提供特殊的裝置。
[0008]尤其地，當目標靠近測距裝置或其天線時，接收到的信號與目標距離較遠時的接收信號相比，存在嚴重失真，誤差性能急劇降低。性能降低的原因之一是距離較短時存在巨大的干擾因子，通常稱為衰蕩。干擾的來源很復雜，包括測量系統內的強烈反射(RF輸出、波導、壓力分離、天線)，以及系統傳輸路徑內部的頻散。
[0009]已經知曉存在這些干擾，但尚不清楚其特性。當目標距離靠近時，接收到的信號包含與干擾頻率相近的所期望的有用頻率。這些信號相互混合，使得任何評估算法都難以精確計算目標的距離。因此，接近裝置的區域經常形成空白區，規定的測量區域從測距裝置天線外圍一定距離(例如I米)處開始，否則該距離內的測量公差則會增加。

【發明內容】

[0010]因此，本發明的目標是從FMCW測距設備的頻譜中有效去除這種近距離干擾。
[0011]因此，本發明的主題是測定FMCW測距裝置與目標之間距離的方法，包括以下步驟:
[0012]-向所述目標發射傳輸信號，
[0013]-接收由傳輸信號的反射引起的接收信號，
[0014]-測定傳輸信號和接收信號的頻率差信號，
[0015]-根據頻率差信號計算頻域回波波形，
[0016]-將回波波形的低頻部分存儲為臨時干擾波形，
[0017]-若有效干擾波形已經可用，將有效干擾波形從回波波形中去除，
[0018]-分析回波波形或無干擾的回波波形，以測定目標的距離，并且
[0019]-若目標處于測距裝置的近程，并且
[0020]-若有效干擾波形可用，
[0021]-返回至第一步，或者
[0022]-若有效干擾波形尚不可用，
[0023]-從回波波形中去除臨時干擾波形，
[0024]-分析去除了臨時干擾波形的回波波形，以再次測定目標的距離，
[0025]-若兩次測定距離的結果之差在規定的公差內，將臨時干擾波形存儲為有效干擾波形，并且
[0026]-返回至第一步;或者
[0027]-若目標并不處于測距裝置的近程，并且
[0028]-若有效干擾波形可用，
[0029]-使用臨時干擾波形更新有效干擾波形，并且
[0030]-返回至第一步，或者
[0031 ]-若有效干擾波形尚不可用，
[0032]-將臨時干擾波形存儲為有效干擾波形，并且
[0033]-返回至第一步。
[0034]根據本發明提出的方法基于這樣的理解，即近程干擾或衰蕩(盡管頻率非恒定)反而穩定或變化緩慢，并且可以及時跟蹤。若掌握了該衰蕩模式，就可將其從真實信號中移除，留下無干擾的信號，提高近程測距的性能。
[0035]從回波波形中提取干擾，而該回波波形獲取自定時測量發射，并由傳輸信號和接收信號的頻率差信號計算得到。干擾只集中于近程，對FMCW測距裝置而言，對應低頻范圍。因此在頻域計算回波波形，優選通過FFT，從而得到與頻率對應的復值的數組。因此，可使用相同的FFT算法獲取干擾波形并處理常規的回波波形。由于只有頻域的低頻前段部分包含干擾，因此存儲干擾波形所需的內存很小，可以忽略不計。例如，如果所考慮的測距裝置使用4K個FFT采樣點存儲回波波形，可能只需20個采樣點存儲干擾波形。
[0036]—旦確定了有效干擾波形，該波形便將從定時測量發射得到的回波波形中移除，之后對去除了干擾后的回波波形進行分析以確定目標的距離。分析回波波形以識別出被測物體的響應回波的方法不同。由于回波波形優選使用FFT算法計算，可以計算出回波波形的功率譜密度(PSD)，以將響應回波的頻率估算為功率譜密度最大部分所對應的頻率，并根據響應頻率計算目標距離。
[0037]為確定有效干擾波形，將定時測量發射獲取的每個干擾波形臨時存儲，并分析回波波形以測定目標的距離。若測定的距離遠離測距裝置，則可將臨時存儲的干擾波形存儲為有效干擾波形，或者可更新已確定的有效干擾波形。有效干擾波形可直接更新為最新的臨時存儲的干擾波形，或者可通過濾波臨時干擾波形來更新，例如，通過計算有效干擾波形和臨時干擾波形的加權平均數。如果測量環境如預期迅速變化，而干擾隨之迅速變化，則優選第一種實施方法。若環境變化緩慢，則第二種實現方法可提供更穩定的有效干擾波形，而且會獲得時間取均值的好處。
[0038]測量開始時，若目標處于測距裝置的近程，并且有效干擾波形尚未獲得，如果臨時干擾波形的品質可以接受，則可將其存儲為有效干擾波形。如果回波波形去除臨時干擾波形后計算出的目標距離與用原先的回波波形計算出的距離相同，且位于規定的公差內，則適用此操作。
[0039]根據本發明的方法可用于各種基于雷達或超聲波的不同測距離應用，但優選用于基于雷達的液位測量，其中目標是容器或載體(例如大宗材料傳送機)內材料的表面。
【附圖說明】
[0040]下面將參考附圖，其中通過舉例示出了現有發明的優選實施方式，其中:
[0041 ]圖1為FMCW測距裝置的示意圖，
[0042]圖2和圖3分別示出了頻域的回波波形的同相信號部分和正交信號部分，
[0043]圖4為示出本發明的方法的示例實施方式的步驟流程圖，
[0044]圖5為圖4的流程圖的子程序的流程圖，以及
[0045]圖6為使用和未使用根據本發明的方法而獲得的回波波形的功率譜示例。
【具體實施方式】
[0046]圖1示出了基于雷達的FMCW測距裝置I的原理框圖，該測距裝置用于測量容器3中材料2的目標填充高度。裝置I包含函數發生器4，該函數發生器驅動電壓控制的微波振蕩器
5。振蕩器5產生微波信號6，該信號根據線性(例如三角形或鋸齒形)調制函數7進行頻率調制，函數7由函數發生器4周期性生成。微波信號6通過環行器或定向耦合器8供應至天線9，天線9將該信號作為傳輸信號傳送到容器3中材料2的目標表面10上。傳送的信號6由表面10反射，經過一段與裝置I或者其天線和表面10之間的距離成正比的傳播時間后，被天線9接收為反射信號11。接收到的信號11由環行器或定向耦合器8引導進入混頻器12，在混頻器中信號11與微波信號6混合，用于解調。之后將混合的信號13送入評估單元14，優選地在濾波之后(未示出)，以消除高頻干擾部分。
[0047]在接收信號11的傳