用于测定fmcw测距装置与目标之间距离的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测定FMCW(调频连续波)测距装置与目标之间距离的方法。
【背景技术】
[0002]传统的FMCW测距装置可基于声波或微波测距，常用于工业过程控制、工厂自动化或汽车应用中的距离测量或液位测量。
[0003]此处需对传输信号进行调制，使其周期性扫过预先确定的频率范围。接收到的信号包括来自被测物体和其他障碍物的回波信号部分，该信号与传输信号相混合，获得的频率差信号通过例如快速傅里叶变换(FFT)进行分析以得到频谱，其中回波表现为峰值。该频谱中的回波或峰值(也称为回波波形)可分离，也可重叠。最常用的响应回波识别技术依赖于功率谱密度(PSD)，通常由FFT计算得出，以估算响应频率，作为FFT-PSD频谱中的最大部分所对应的频率。
[0004]接收到的信号以及频域的回波波形，通常不只包括由目标反射引起的所期望的有用频率，也包括不需要的不同频率下的干扰部分，该干扰部分可由电子器件和天线内部反射所引起，也可由外部反射引起，例如在容器底部和容器支撑物上的反射。这些干扰部分使得确定其最邻近范围内的响应频率极其困难。因此，有必要尝试有效地抑制这些干扰部分。
[0005]DE 4327333 Al描述了在FMCW雷达液位装置频谱中消除干扰组分的一种方法。假定在被测液位上所述干扰组分频率恒定且独立。首先，在空容器中进行基准测量，以记录干扰组分。在随后的正常测量中，容器装入液体时，用测得的第一个干扰组分的强度协助校正所述记录的干扰组分，并从获得的单独的频谱中去除所述记录的干扰组分。
[0006]US 6,810,342 BI公开了一种类似的方法，还首先进行基准测量，以在没有目标的情况下记录干扰频率频谱。在随后的正常测量中，混合的所述频率差信号通过一组预先确定的等时间间隔采样点进行采样。记录的频谱的干扰频率用于从采样后的频率差信号中确定复振幅，该复振幅近似于由干扰频率引起的被采样信号的频谱面积。之后，将干扰频率产生的频谱从采样后的频率差信号中去除。
[0007]已知方法基于以下假设，即干扰频率具有几乎恒定、先验已知的频率，不随时间变化，但实践中通常并非如此。实际上，干扰频率可随温度、湿度等环境因素变化，也会随时间的推移而变化(例如由于测距装置的老化)，因此对干扰信号的了解尚且不足。此外，已知方法要求为在空气或空容器中的基准测量提供特殊的装置。
[0008]尤其地，当目标靠近测距装置或其天线时，接收到的信号与目标距离较远时的接收信号相比，存在严重失真，误差性能急剧降低。性能降低的原因之一是距离较短时存在巨大的干扰因子，通常称为衰荡。干扰的来源很复杂，包括测量系统内的强烈反射(RF输出、波导、压力分离、天线)，以及系统传输路径内部的频散。
[0009]已经知晓存在这些干扰，但尚不清楚其特性。当目标距离靠近时，接收到的信号包含与干扰频率相近的所期望的有用频率。这些信号相互混合，使得任何评估算法都难以精确计算目标的距离。因此，接近装置的区域经常形成空白区，规定的测量区域从测距装置天线外围一定距离(例如I米)处开始，否则该距离内的测量公差则会增加。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的目标是从FMCW测距设备的频谱中有效去除这种近距离干扰。
[0011]因此，本发明的主题是测定FMCW测距装置与目标之间距离的方法，包括以下步骤:
[0012]-向所述目标发射传输信号，
[0013]-接收由传输信号的反射引起的接收信号，
[0014]-测定传输信号和接收信号的频率差信号，
[0015]-根据频率差信号计算频域回波波形，
[0016]-将回波波形的低频部分存储为临时干扰波形，
[0017]-若有效干扰波形已经可用，将有效干扰波形从回波波形中去除，
[0018]-分析回波波形或无干扰的回波波形，以测定目标的距离，并且
[0019]-若目标处于测距装置的近程，并且
[0020]-若有效干扰波形可用，
[0021]-返回至第一步，或者
[0022]-若有效干扰波形尚不可用，
[0023]-从回波波形中去除临时干扰波形，
[0024]-分析去除了临时干扰波形的回波波形，以再次测定目标的距离，
[0025]-若两次测定距离的结果之差在规定的公差内，将临时干扰波形存储为有效干扰波形，并且
[0026]-返回至第一步;或者
[0027]-若目标并不处于测距装置的近程，并且
[0028]-若有效干扰波形可用，
[0029]-使用临时干扰波形更新有效干扰波形，并且
[0030]-返回至第一步，或者
[0031 ]-若有效干扰波形尚不可用，
[0032]-将临时干扰波形存储为有效干扰波形，并且
[0033]-返回至第一步。
[0034]根据本发明提出的方法基于这样的理解，即近程干扰或衰荡(尽管频率非恒定)反而稳定或变化缓慢，并且可以及时跟踪。若掌握了该衰荡模式，就可将其从真实信号中移除，留下无干扰的信号，提高近程测距的性能。
[0035]从回波波形中提取干扰，而该回波波形获取自定时测量发射，并由传输信号和接收信号的频率差信号计算得到。干扰只集中于近程，对FMCW测距装置而言，对应低频范围。因此在频域计算回波波形，优选通过FFT，从而得到与频率对应的复值的数组。因此，可使用相同的FFT算法获取干扰波形并处理常规的回波波形。由于只有频域的低频前段部分包含干扰，因此存储干扰波形所需的内存很小，可以忽略不计。例如，如果所考虑的测距装置使用4K个FFT采样点存储回波波形，可能只需20个采样点存储干扰波形。
[0036]—旦确定了有效干扰波形，该波形便将从定时测量发射得到的回波波形中移除，之后对去除了干扰后的回波波形进行分析以确定目标的距离。分析回波波形以识别出被测物体的响应回波的方法不同。由于回波波形优选使用FFT算法计算，可以计算出回波波形的功率谱密度(PSD)，以将响应回波的频率估算为功率谱密度最大部分所对应的频率，并根据响应频率计算目标距离。
[0037]为确定有效干扰波形，将定时测量发射获取的每个干扰波形临时存储，并分析回波波形以测定目标的距离。若测定的距离远离测距装置，则可将临时存储的干扰波形存储为有效干扰波形，或者可更新已确定的有效干扰波形。有效干扰波形可直接更新为最新的临时存储的干扰波形，或者可通过滤波临时干扰波形来更新，例如，通过计算有效干扰波形和临时干扰波形的加权平均数。如果测量环境如预期迅速变化，而干扰随之迅速变化，则优选第一种实施方法。若环境变化缓慢，则第二种实现方法可提供更稳定的有效干扰波形，而且会获得时间取均值的好处。
[0038]测量开始时，若目标处于测距装置的近程，并且有效干扰波形尚未获得，如果临时干扰波形的品质可以接受，则可将其存储为有效干扰波形。如果回波波形去除临时干扰波形后计算出的目标距离与用原先的回波波形计算出的距离相同，且位于规定的公差内，则适用此操作。
[0039]根据本发明的方法可用于各种基于雷达或超声波的不同测距离应用，但优选用于基于雷达的液位测量，其中目标是容器或载体(例如大宗材料传送机)内材料的表面。
【附图说明】
[0040]下面将参考附图，其中通过举例示出了现有发明的优选实施方式，其中:
[0041 ]图1为FMCW测距装置的示意图，
[0042]图2和图3分别示出了频域的回波波形的同相信号部分和正交信号部分，
[0043]图4为示出本发明的方法的示例实施方式的步骤流程图，
[0044]图5为图4的流程图的子程序的流程图，以及
[0045]图6为使用和未使用根据本发明的方法而获得的回波波形的功率谱示例。
【具体实施方式】
[0046]图1示出了基于雷达的FMCW测距装置I的原理框图，该测距装置用于测量容器3中材料2的目标填充高度。装置I包含函数发生器4，该函数发生器驱动电压控制的微波振荡器
5。振荡器5产生微波信号6，该信号根据线性(例如三角形或锯齿形)调制函数7进行频率调制，函数7由函数发生器4周期性生成。微波信号6通过环行器或定向耦合器8供应至天线9，天线9将该信号作为传输信号传送到容器3中材料2的目标表面10上。传送的信号6由表面10反射，经过一段与装置I或者其天线和表面10之间的距离成正比的传播时间后，被天线9接收为反射信号11。接收到的信号11由环行器或定向耦合器8引导进入混频器12，在混频器中信号11与微波信号6混合，用于解调。之后将混合的信号13送入评估单元14，优选地在滤波之后(未示出)，以消除高频干扰部分。
[0047]在接收信号11的传