[发明专利]雷达物位计及其信号处理方法

说明书

技术领域

 本发明关于一种雷达物位计及其信号处理方法，特别指一种针对调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法。

背景技术

在程序自动化（Process Automation）中, 有关量测固体, 液体或其混合物的物质含量, 一般通称为物位传感器（Level Sensor）。雷达物位计属于物位传感器（Level Sensor） 的一种。一般的雷达物位计采用频率约在3GHz-80 GHz 间。雷达物位计通常经由天线(Antenna)发送信号（Transmitting Signal）, 一般可以是孔型波（Hone）, 杆状波（Rod）, 球型波（Spherical）, 平面波（planar type）等直接非接触发射到待测物质的表面；也可以是经由波导管（Waveguide）, 例如杆状波（rod）, 缆索状波（cable）, 电线或围绳状波（wire or rope）, 与物标相接处作为信号的传导。

 公知的雷达物位计两线式控制(Two Wires Control, 4-20 mA 传输)，有更新速率太慢的缺点。公知的两线式雷达物位计，受限于高能量激发的脉波需求与4-20mA 必须维持在低功耗的要求，无法达成快速的数据更新速度，因此对于被量测物质的位置（Level）变化的响应输出较慢。

雷达物位计主要有两种原理。第一种为时域信号调节(TDR ，Time Domain Reflection), 利用微波收发间的时间差来决定量测体与待物物质表面间的距离；第二种为频域信号调节(FMCW ，Frequency Modulation Continuous Wave) 的方法，利用发射与反射信号间的频率差，来鉴别量测体与待物物质表面间的距离。

总的来说, 本发明为一种基于为波反射原理决定填充水平高度（filling level height）的装置, 经由一个微波脉冲（microwave pulse） 以及模拟信号的处理调变过程，并经过一个混频器（mixer）转换成为频率域的计算与数字化，再依此决定代测物料的位置,得到更精确的位置。

发明内容

本发明目的在于提供一种雷达物位计,能达到低功耗与高速更新速率的要求。

本发明的另一目的，是在于提供一种雷达物位计信号处理方法,针对调频连续波FMCW雷达物位计的信号调变方法，可以得到高精确度距离。

为了实现上述目的，本发明提供了一种雷达物位计，采用双核心微处理器（MCU，Micro Control Unit）的 架构，此构架包含一个高速的微处理器，一个低速的微处理器和一个电源充放电电路。上述高速的微处理器为不完全运作状态，在运作时序过程中，处理高频模拟信号（RF）的收发与中频信号（IF）处理，当非运作状态时，上述的雷达物位计处于最高充电能力。上述低速的微处理器为完全运作状态，负责通讯接口的通讯信号处理与电源管理。

上述高频模拟信号定义为300 MHz-100GHz间，可为方波、三角波、弦波或具有周期重复性的任意波型，其包含一个发射信号与一个接收信号，上述中频信号定义为< 3 MHz的周期性信号，其可为方波、三角 波、弦波或具有周期重复性的任意波型。

上述中频信号的处理，至少包含信号取样、信号调变、快速傅里叶变换（FFT， Fast Fourier Transfer)运算与信号分析。

上述低速的微处理器可负责显示接口的处理。

上述电源充放电电路可以是4-20mA two wires 回路，包含超级电容的储能架构。

因此本发明可以克服雷达物位计两线式控制更新速率太慢的缺点，达到低功耗与高速更新速率的要求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种调频连续波（FMCW，Frequency Modulated Continuous Wave)雷达物位计的信号调变方法，首先

产生一个高频RF差频信号进入一降频混波器，然后上述降频混波器转换上述高频RF信号到中频IF周期信号，接着上述中频IF周期信号经由快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transfer)转换成为频谱特征，得到FFT信号，上述FFT信号经过至少一次的数字滤波变换（DFT ，Digital Filtering Transfer)处理以提高取样的分辨率，取得最终的频率特征后，最后经由计算公式换算成为实质物理距离，即雷达物位计与待测物质表面的距离，即经由物理值换算程序得到物位距（Level Distance）。