一种新型的调频连续波雷达物位计

技术领域

本发明属于物位计量领域，具体涉及一种新型的调频连续波雷达物位计。

背景技术

目前市面上的物位计，通常是通过透镜天线实现的。如一款工作在76-81GHz的调频连续波(FMCW)毫米波雷达产品，产品最大量程可以达到120m,盲区可以做到仅为8cm。由于毫米波天线的发射频率更高，毫米波雷达波长更短，所以尤其适合固体应用，通过透镜发射接收电磁波的工作方式，在高粉尘，恶劣温度环境下具有独特的优势。这种雷达射频架构紧凑，信噪比更高，盲区更小。5GHz工作带宽，使产品拥有更高的测量分辨率与测量精度。很窄的天线波束角，使得安装环境中的干扰对仪表的影响更小；波长更短，在固体表面具有更好的反射特性，因而不需要特别的使用万向法兰来进行瞄准。

但是透镜天线的缺点是结构复杂，除了毫米波电路外，还需要一个毫米波透镜天线；另外，由于透镜天线费用昂贵，导致整个物位计成本高昂。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种新型的调频连续波雷达物位计，用一个微带天线阵来实现透镜天线的功能，从增益、波束宽度上都可以和透镜天线媲美。而且结构简单，成本低廉。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种新型的调频连续波雷达物位计，所述物位计包括微带天线阵，采用微带天线阵进行物位测量。

进一步，所述物位计根据环境温度，自动调整毫米波天线的发射频率，以校正天线指向的偏移。

进一步，所述物位计根据环境温度，查询毫米波雷达物位计的频率指向角度校正表以确定毫米波天线的发射频率，所述毫米波雷达的频率指向角度表预存于所述物位计中。

进一步，所述物位计在环境温度降低时，调高毫米波天线的发射频率；环境温度升高时，调低毫米波天线的发射频率。

进一步，所述物位计包括一温度传感器，通过所述温度传感器测量环境温度。

进一步，所述物位计通过接收环境温度信息获取环境温度。

进一步，所述物位计通过使用动态扫频的方法，从低频扫到高频，然后选取物位计读数最大的那组数据作为实际的物位值。

进一步，所述物位计通过使用动态扫频的方法，从低频扫到高频，根据待测量物的直径，计算读数最大的一个指向偏移范围，结合预存的频率指向角度的校正列表，试着调整频率，计算指向范围的偏移，与实际的测量值的最大值的范围是否对应，若对应，即是待测量物底部的物位值。

进一步，所述物位计通过选择天线指向角对温度不敏感的频段，然后使用此频段作为毫米波天线的发射频率。

进一步，所述对天线指向角对温度不敏感的频段，通过仿真计算先得到一个初值范围，然后通过实际的测量校准得到具体的频段值。

本发明的有益技术效果在于：采用本发明所公开的一种新型的调频连续波雷达物位计，具有结构简单、成本低廉、测量精度高、稳定性好、实用性强的优点，为高精度物位计量奠定可靠基础。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的一种新型的调频连续波雷达物位计的结构示意图；

图2为+85摄氏度、+25摄氏度、-40摄氏度时的天线指向角仿真图；

图3为天线的增益曲线图；

图4为61GHz时的天线方向图曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例一

本发明实施例提供一种新型的调频连续波雷达物位计，所述物位计采用微带天线阵进行物位测量，如图1所示，在本实施例中采用10X10的叶片天线进行物位测量，但微带天线的一个固有缺点是温漂比较大，天线指向会偏离中心点，导致降低物位测量量程。

例如，在一个120米深、直径2米的直筒粮仓里面，在其顶部如果装一个微带天线模块进行物位测量，那么随着温度的变化，如果指向角变化0.5度，那么毫米波雷达在120米处的偏移就会有1.05米，就不会测到粮仓的底部，因为粮仓的半径只有1米。

如图2所示，仿真+85摄氏度、+25(常温)、-40摄氏度时的天线指向，可以看出，随着温度的降低，俯仰方向的天线指向度数越来越大。但同时，随着毫米波天线的发射频率的升高，天线俯仰方向的指向度数越来越小。以63GHz为例，-40度时，其天线指向角为-4.7度；常温+25度时，其天线指向角为-5.2度；+85度时，其天线指向角为-5.9度。

但是，保持天线的位置不变，随着频率的变化，其指向角也在变化。例如常温25度时，60GHz的天线指向角是+1.1度，62GHz是-0.8度，63GHz是-5.2度。

在本实施例中通过设置一个温度传感器，根据现场温度的变化，自动改变毫米波天线的发射频率，来校正天线指向的偏移。

可将温度传感器设置于物位计中，也可将温度传感器设置于物位计之外，物位计直接获取环境温度信息。

在本实施例中，通过设置一个温度传感器，实时测量环境温度。根据测量的环境温度，去查毫米波雷达物位计的频率指向角度校正表，选定合适的毫米波天线的发射频率，使得天线指向始终正对着粮仓底部。而这个毫米波雷达的频率指向角度表，是在出厂时校正好的，保存在程序里面，供查找使用。基本的原则是，温度降低时，适当调高毫米波天线的发射频率；温度升高时，适当调低毫米波天线的发射频率。

实施例二

本发明实施例提供一种新型的调频连续波雷达物位计，与实施例一不同的是本发明实施例中不含有温度传感器，但是采用扫频的方法，加上软件算法，也会自动找出最低的物位计量点。

在本发明实施例中，尽管不含有温度传感器，但是使用动态扫频的方法，从低频扫到高频，然后选取物位计读数最大的那组数据作为实际的值。因为例如在粮仓里面，当天线指向偏移时，天线的电磁波会打到粮仓的侧壁反弹回来，因此读数会比底部的读数小。这样，读数最大的那组数据，应该就是粮仓底部的数据。这种想法，还可以根据具体粮仓的直径，算出来读数最大的一个指向偏移范围。根据出厂时的频率指向角度的校正列表，试着调整频率，算出来指向范围的偏移，与实际的测量值的最大值的范围是否对应，对应上了，即是粮仓底部的读数。

例如，在一个120米深、直径2米的直筒粮仓里面，在其顶部如果装一个毫米波雷达模块，当粮食面距离雷达是57.3米时，此时天线指向角即使变化+/-1度，雷达测的目标都是57.3米。那么这时，能准确测量的雷达指向角可变范围就是2度。

如图2所示，在常温下，60GHz的天线指向角是+1.1度，62GHz的天线指向角是-0.8度。那么在常温下，当天线频率变化2GHz时，测的数值都一样，那基本上就可以算出此时物位计是57.3米，可以和实际测量值相互验证。

当温度变化时，例如-40度，当天线频率变化2GHz(60-62GHz)时，测的数值都一样，那基本上就可以算出此时物位计是57.3米，可以和实际测量值相互验证。

当温度变化时，例如+85度，当天线频率变化2GHz(60-62GHz)时，测的数值都一样，那基本上就可以算出此时物位计是57.3米，可以和实际测量值相互验证。

实施例三

本发明实施例提供一种新型的调频连续波雷达物位计，与实施例一不同的是本发明实施例中通过选择一个天线指向角对温度不敏感的频段，然后使用此频段做测量，就基本上不受温度的影响。

例如图2中的61GHz，在-40度时，其天线指向角为+0.1度；在+25度时，其天线指向角为+0.1度；在+80度时，其天线指向角为0度。那么如果选用此频段测量，则在-40度至+85度的环境下，其天线指向角仅仅变化0.1度。

以上述的120米深、直径2米的直筒粮仓为例，最深的时候，0.1度所带来的误差为0.2米，这个误差为直径的10％，还是可以接受的。

天线指向角对温度不敏感的频段，通过仿真先计算得到一个初值范围，然后通过实际的测量校准得到具体的频段值。

如图3所示，根据天线的增益曲线，可以知道天线的增益稳定频段。如图4所示，根据61GHz时的天线方向图曲线可知天线的3dB波束宽度是11.7度。

通过上述实施例可以看出，本发明公开的一种新型的调频连续波雷达物位计，所述物位计包括微带天线阵，采用微带天线阵进行物位测量。用一个微带天线阵来实现传统透镜天线的功能，从增益、波束宽度上都可以和传统透镜天线媲美。并且通过根据环境温度调整毫米波天线的发射频率、通过扫频得到测量最大值以及选择对温度敏感度低的工作频段的方法降低环境温度变化带来的物位测量误差。采用本发明中公开的物位计，具有结构简单、成本低廉、测量精度高、稳定性好、实用性强的优点，为高精度物位计量奠定可靠基础。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。