[go: up one dir, main page]

RU2334953C2 - Method of radio wave level measurement - Google Patents

Method of radio wave level measurement Download PDF

Info

Publication number
RU2334953C2
RU2334953C2 RU2006136898/28A RU2006136898A RU2334953C2 RU 2334953 C2 RU2334953 C2 RU 2334953C2 RU 2006136898/28 A RU2006136898/28 A RU 2006136898/28A RU 2006136898 A RU2006136898 A RU 2006136898A RU 2334953 C2 RU2334953 C2 RU 2334953C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
frequency
filter
level
fourier transform
Prior art date
Application number
RU2006136898/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006136898A (en
Inventor
Андрей Николаевич Фролов (RU)
Андрей Николаевич Фролов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью Производственное предприятие "Парус"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью Производственное предприятие "Парус" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью Производственное предприятие "Парус"
Priority to RU2006136898/28A priority Critical patent/RU2334953C2/en
Publication of RU2006136898A publication Critical patent/RU2006136898A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2334953C2 publication Critical patent/RU2334953C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention is related to instrumentation for measurement of different substances level. In method of radio wave level measurement, based on linear frequency modulation, which includes generation of microwave signal of alternating frequency, radiated in direction of measured level surface, execution of fast Fourier transform of difference frequency signal of radiated and surface-reflected measured level of signals, detection of distance to the measured level, compared to the known one, signal of fast Fourier transform filter is singled out with maximum amplitude and filter signals lateral from it, by values of measured signals signal of interpolated cubic spline is built with pitch that is less than width of filter of fast Fourier transform of initial signal. Then signal point is detected with frequency that corresponds to maximum frequency of spline filter, based on which distance to measured level is calculated.
EFFECT: reduction of level measurement inaccuracy with preservation of fast action.
2 dwg

Description

Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня различных веществ.The invention relates to techniques for monitoring and measuring the level of various substances.

Известны импульсные радиоволновые способы измерения уровня [1, с.94], при которых зондирующий сигнал представляет собой короткий радиоимпульс, по времени прохождения которого до поверхности среды и обратно производится оценка дальности.Known pulsed radio wave methods of level measurement [1, p. 94], in which the probing signal is a short radio pulse, by the time of passage of which to the surface of the medium and vice versa is estimated range.

Для измерения дальностей, не превышающих нескольких десятков метров (диапазон, характерный для измерения уровня на технологических объектах), необходимы зондирующие импульсы длительностью не более десятых долей наносекунды. При этом резко возрастают требования, предъявляемые к низкочастотным узлам прибора, и применение указанных измерителей не приводит к удовлетворительным результатам по точности.To measure ranges not exceeding several tens of meters (the range characteristic of level measurement at technological objects), probing pulses with a duration of not more than tenths of a nanosecond are required. At the same time, the requirements for low-frequency components of the device sharply increase, and the use of these meters does not lead to satisfactory accuracy results.

Известен способ радиоволнового измерения уровня с использованием линейной частотной модуляции (ЛЧМ) сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала [2], выбранный в качестве прототипа, включающий формирование СВЧ сигнала изменяющейся частоты, излучаемого в направлении поверхности измеряемого уровня, выполнение быстрого преобразования Фурье сигнала разностной частоты излученного и отраженного от поверхности измеряемого уровня сигналов, определение дальности до измеряемого уровня.A known method of radio wave level measurement using linear frequency modulation (LFM) of a microwave signal [2], selected as a prototype, comprising generating a microwave signal of a changing frequency radiated in the direction of the surface of the measured level, performing fast Fourier transform of the signal of the difference frequency of the emitted and reflected from the surface of the measured level of signals, determining the distance to the measured level.

При измерении уровня зондируют контролируемую поверхность линейной частотно-модулированной электромагнитной волной (ЭВ), одновременно регистрируют закон модуляции ЭВ, сравнивают опорную ЭВ и отраженную ЭВ и выделяют сигнал разностной частоты, определяют максимальную разностную частоту сигнала, по величине и закону модуляции определяют время задержки отраженной ЭВ относительно опорной ЭВ. Дальность до контролируемой поверхности определяют по формуле: α=(сΔt)/2, где с - скорость света. Для увеличения точности определяют дальность до контролируемой поверхности как среднее по результатам 2N измерений за N=10 периодов модуляции ЭВ.When measuring the level, the surface under control is probed with a linear frequency-modulated electromagnetic wave (EM), at the same time the law of modulation of the EM is recorded, the reference EM and the reflected EM are compared and the difference frequency signal is extracted, the maximum difference frequency of the signal is determined, and the delay time of the reflected EM is determined from the magnitude and modulation law relative to the reference EV. The distance to the controlled surface is determined by the formula: α = (сΔt) / 2, where c is the speed of light. To increase accuracy, determine the distance to the surface to be monitored as the average according to the results of 2N measurements for N = 10 periods of modulation of the electromagnetic field.

При использовании быстрого преобразования Фурье (БПФ) точность определения частоты зависит от величины ширины фильтра БПФ, которая в свою очередь обратно пропорциональна времени наблюдения (длительности развертки ЛЧМ в данном случае). Для увеличения точности необходимо уменьшение величины фильтра БПФ, увеличение времени наблюдения. Однако длительность развертки ЛЧМ в этом случае становится слишком большой, что приводит к ухудшению быстродействия.When using the fast Fourier transform (FFT), the accuracy of determining the frequency depends on the width of the FFT filter, which in turn is inversely proportional to the observation time (the duration of the LFM scan in this case). To increase the accuracy, a decrease in the FFT filter and an increase in the observation time are necessary. However, the duration of the chirp scan in this case becomes too long, which leads to poor performance.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения уровня при сохранении быстродействия за счет снижения эквивалентной величины ширины фильтра БПФ.The technical result of the invention is to reduce the error of level measurement while maintaining performance by reducing the equivalent width of the FFT filter.

Технический результат достигается тем, что в способе радиоволнового измерения уровня, основанном на линейной частотной модуляции, включающем формирование СВЧ сигнала изменяющейся частоты, излучаемого в направлении поверхности измеряемого уровня, выполнение быстрого преобразования Фурье сигнала разностной частоты излученного и отраженного от поверхности измеряемого уровня сигналов, определение дальности до измеряемого уровня, в отличие от известного выделяют сигнал фильтра быстрого преобразования Фурье с максимальной амплитудой и боковые от него сигналы фильтра, по величинам измеренных сигналов производят построение сигнала интерполяционного кубического сплайна с шагом менее ширины фильтра быстрого преобразования Фурье исходного сигнала, затем определяют точку сигнала с частотой, соответствующей максимальной частоте фильтра сплайна, по которой вычисляют дальность до измеряемого уровня.The technical result is achieved by the fact that in the method of radio wave level measurement based on linear frequency modulation, which includes generating a microwave signal of varying frequency radiated in the direction of the surface of the measured level, performing fast Fourier transform of the signal of the difference frequency of the signal level emitted and reflected from the surface, determining the range to the measured level, in contrast to the known one, they emit a fast Fourier transform filter signal with a maximum amplitude side away filter the signals from the values of the measured signals produce signal construction cubic spline interpolation with a pitch less than the width of the filter fast Fourier transform of the original signal, then a signal point determined with a frequency corresponding to the maximum frequency filter spline at which calculated distance to the measured level.

Суть изобретения поясняется фиг.1, где приведены:The essence of the invention is illustrated in figure 1, which shows:

На фиг.1a - результаты БПФ с выбором максимального по амплитуде фильтра и нескольких боковых по отношению к нему;On figa - FFT results with the choice of the maximum amplitude filter and several side in relation to it;

на фиг.1б - результаты БПФ с выбором максимального по амплитуде фильтра и нескольких боковых по отношению к нему;on figb - FFT results with the choice of the maximum amplitude of the filter and several side in relation to it;

на фиг.1в - результаты построения интерполяционного кубического сплайна;on figv - the results of constructing an interpolation cubic spline;

на фиг.1г - выбор максимальной величины сплайна и соответствующей ей частоты;in Fig.1d - the choice of the maximum value of the spline and the corresponding frequency;

На фиг.2 - система реализации предлагаемого способа радиоволнового измерения уровня.Figure 2 - implementation system of the proposed method of radio wave level measurement.

Система содержит СВЧ генератор 1 с линейной частотной модуляцией, приемник 2 отраженного сигнала, связанные со смесителем 3, который в свою очередь связан с последовательно соединенными блоком 4 быстрого преобразования Фурье, блоком 5 выделения из сигнала гармоники с максимальной амплитудой и боковыми гармониками, блоком 6 построения интерполяционного кубического сплайна по основной и выделенным боковым гармоникам, блоком 7 выделения из сигнала сплайна гармоники с максимальной амплитудой, блоком 8 определения дальности до измеряемого уровня.The system contains a microwave frequency generator 1 with linear frequency modulation, a receiver 2 of the reflected signal associated with a mixer 3, which in turn is connected to a series-connected unit 4 fast Fourier transform, block 5 separation of the harmonic signal with maximum amplitude and side harmonics, block 6 build cubic spline interpolation for the main and selected side harmonics, block 7 extraction from the signal of the spline harmonic with maximum amplitude, block 8 determine the distance to the measured ur vnya.

СВЧ генератор 1 является источником СВЧ колебаний, частота которых изменяется по линейному закону, и может быть выполнен на микросхемах HMC385LP4 Hittite Microwave Corp. В способе радиоволнового измерения уровня с использованием ЛЧМ, при котором СВЧ сигнал излучается через антенно-фидерный тракт, отраженный сигнал поступает на приемник 2, в котором частота отраженного сигнала отличается от частоты сигнала генератора из-за задержки во времени. Измерение дальности сводится к измерению разностной частоты двух сигналов при помощи БПФ (см. фиг.1а) по номеру максимального по величине фильтра. При этом погрешность определения частоты в этом случае составляет до половины ширины фильтра БПФ.Microwave generator 1 is a source of microwave oscillations, the frequency of which varies linearly, and can be performed on HMC385LP4 Hittite Microwave Corp. In the method of radio wave level measurement using LFM, in which the microwave signal is radiated through the antenna-feeder path, the reflected signal is transmitted to the receiver 2, in which the frequency of the reflected signal differs from the frequency of the signal generator due to the time delay. Range measurement is reduced to measuring the difference frequency of two signals using FFT (see figa) by the number of the maximum filter. In this case, the error in determining the frequency in this case is up to half the width of the FFT filter.

Отраженный сигнал поступает в приемник 2 отраженного сигнала, который может быть выполнен на микросхемах NLB-300 RF Micro Devices, смешивается с частью сигнала СВЧ генератора 1 и в смесителе приемника отраженного сигнала 3 выделяется разностная частота, пропорциональная времени задержки отраженного сигнала, несущая информацию о дальности до измеряемого уровня вещества. Сигнал разностной частоты из смесителя 3 поступает в блок 4, в котором производится быстрое преобразование Фурье и который может быть выполнен на микросхемах C8051F124 Silicon Lab. По результатам БПФ в блоке 5, выполненном, например, в виде амплитудного детектора, выделяются фильтр с максимальной амплитудой и несколько боковых от него фильтров (см. фиг.1б), по величинам которых в блоке 6, выполненном, например, в виде нелинейного усилителя, строится интерполяционный кубический сплайн с шагом, более мелким по сравнению с величиной ширины фильтра БПФ (см. фиг.1в), после чего в блоке 7, выполненном, например, в виде амплитудного детектора, производится выделение из сигнала гармоники с частотой, соответствующей максимальной амплитуде сплайна (см. фиг.1г). Количество боковых фильтров БПФ для построения интерполяционного кубического сплайна снизу ограничивается точностью воспроизведения спектра и не может быть менее чем по одному с каждой стороны фильтра с максимальной амплитудой. Количество боковых фильтров БПФ для построения интерполяционного кубического сплайна сверху ограничивается наличием близлежащих спектральных составляющих с частотой, отличной от основной. При включении данных спектральных составляющих в построение интерполяционного кубического сплайна происходит искажение последнего.The reflected signal enters the receiver 2 of the reflected signal, which can be performed on NLB-300 RF Micro Devices, is mixed with a part of the signal of the microwave generator 1, and a difference frequency is allocated in the mixer of the receiver of the reflected signal 3, which is proportional to the delay time of the reflected signal, which carries information about the range to the measured level of the substance. The difference frequency signal from mixer 3 enters block 4, in which a fast Fourier transform is performed and which can be performed on C8051F124 Silicon Lab microcircuits. According to the FFT results, in block 5, made, for example, in the form of an amplitude detector, a filter with a maximum amplitude and several side filters from it are selected (see Fig. 1b), the values of which in block 6, made, for example, in the form of a nonlinear amplifier , an interpolation cubic spline is constructed with a step smaller than the width of the FFT filter (see Fig. 1c), after which, in block 7, made, for example, in the form of an amplitude detector, a harmonic is extracted from the signal with a frequency corresponding to the maximum am litude spline (see. 1D). The number of FFT side filters for constructing an interpolation cubic spline from below is limited by the accuracy of spectrum reproduction and cannot be less than one on each side of the filter with maximum amplitude. The number of FFT side filters for constructing an interpolation cubic spline from above is limited by the presence of nearby spectral components with a frequency different from the main one. When these spectral components are included in the construction of the interpolation cubic spline, the latter is distorted.

В отличие от известного в предлагаемом способе радиоволнового измерения уровня величина эквивалентной величины ширины фильтра определяется шагом интерполяционного кубического сплайна, которая может быть значительно меньше ширины фильтра исходного БПФ, так как исходный фильтр БПФ разбивается на несколько частей. При разбивке на две части происходит улучшение точности в два раза. Шаг интерполяционного кубического сплайна определяется необходимой точностью измерений и вычислительными возможностями устройства, реализующего способ.In contrast to the known level in the proposed method of radio wave level measurement, the equivalent filter width is determined by the interpolation cubic spline step, which can be significantly less than the filter width of the original FFT, since the original FFT filter is divided into several parts. When divided into two parts, the accuracy is improved twice. The step of the interpolation cubic spline is determined by the necessary measurement accuracy and the computational capabilities of the device that implements the method.

В блоке 8 определения дальности, выполненном, например, в виде перемножителя, вычисляется дальность до измеряемого уровня путем перемножения частоты гармоники сигнала, соответствующей максимальной частоте фильтра сплайна, на константу, величина которой определяется наклоном линейной частотной модуляции и скоростью света.In block 8 determining the range, made, for example, in the form of a multiplier, the range to the measured level is calculated by multiplying the harmonic frequency of the signal corresponding to the maximum frequency of the spline filter by a constant, the value of which is determined by the slope of the linear frequency modulation and the speed of light.

За счет снижения эквивалентной величины ширины фильтра БПФ становится возможным уменьшение погрешности измерения уровня при сохранении быстродействия.By reducing the equivalent magnitude of the FFT filter width, it becomes possible to reduce the level measurement error while maintaining performance.

ЛитератураLiterature

1. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Савлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.99.1. V.A. Viktorov, B.V. Lunkin, A.S. Savlukov. Radio wave measurements of process parameters. - M .: Energoatomizdat, 1989, p. 99.

2. Заявка №93026872, 20.10.1995, МПК: G01F 23/28 - прототип.2. Application No. 93026872, 10.20.1995, IPC: G01F 23/28 - prototype.

Claims (1)

Способ радиоволнового измерения уровня, основанный на линейной частотной модуляции, включающий формирование СВЧ-сигнала изменяющейся частоты, излучаемого в направлении поверхности измеряемого уровня, выполнение быстрого преобразования Фурье сигнала разностной частоты излученного и отраженного от поверхности измеряемого уровня сигналов, определение дальности до измеряемого уровня, отличающийся тем, что выделяют сигнал фильтра быстрого преобразования Фурье с максимальной амплитудой и боковые от него фильтры сигнала, по величинам измеренных фильтров сигнала производят построение сигнала интерполяционного кубического сплайна с шагом менее ширины фильтра быстрого преобразования Фурье исходного сигнала, затем определяют сигнал с частотой, соответствующей максимальной частоте фильтра сплайна, по которой вычисляют дальность до измеряемого уровня.A method of radio wave level measurement based on linear frequency modulation, including generating a microwave signal of varying frequency radiated in the direction of the surface of the measured level, performing fast Fourier transform of the signal of the difference frequency of the signal level emitted and reflected from the surface of the measured level, determining the range to the measured level, characterized in that emit the signal of the filter of the fast Fourier transform with maximum amplitude and the side signal filters from it, in terms of and Merenii signal filters produce building signal cubic spline interpolation with a pitch less than the width of the filter fast Fourier transform of the original signal, then determining the signal with a frequency corresponding to the maximum frequency filter spline at which calculated distance to the measured level.
RU2006136898/28A 2006-10-19 2006-10-19 Method of radio wave level measurement RU2334953C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006136898/28A RU2334953C2 (en) 2006-10-19 2006-10-19 Method of radio wave level measurement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006136898/28A RU2334953C2 (en) 2006-10-19 2006-10-19 Method of radio wave level measurement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006136898A RU2006136898A (en) 2008-04-27
RU2334953C2 true RU2334953C2 (en) 2008-09-27

Family

ID=39452659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006136898/28A RU2334953C2 (en) 2006-10-19 2006-10-19 Method of radio wave level measurement

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2334953C2 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2144203C1 (en) * 1999-01-11 2000-01-10 Растопов Станислав Федорович Method and device for measurement of distance to object
RU2206101C1 (en) * 2002-09-06 2003-06-10 Рембовский Анатолий Маркович Method detecting electromagnetic radiation sources within limits of monitored zone and device for its realization

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2144203C1 (en) * 1999-01-11 2000-01-10 Растопов Станислав Федорович Method and device for measurement of distance to object
RU2206101C1 (en) * 2002-09-06 2003-06-10 Рембовский Анатолий Маркович Method detecting electromagnetic radiation sources within limits of monitored zone and device for its realization

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ШИРМАН Я.Д., МАНЖОС В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981. ШЕВЧЕНКО В.Н. Оценивание углового положения источников когерентных сигналов на основе методов регуляризации. - Радиотехника, 2003, №9. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006136898A (en) 2008-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11125879B2 (en) Method for processing a signal arising from coherent lidar and associated lidar system
US10852408B2 (en) Frequency-modulated continuous-wave (FMCW)
CN104246534B (en) Method and apparatus for determining the spacing and radial velocity of object by radar signal
JP4313198B2 (en) Ultra-wideband pulse dispersion spectroscopy method and multi-component composition analyzer
US9310476B2 (en) Method for detecting a distance, a radar system and a computer program product
US8676543B2 (en) Determining the resonance parameters for mechanical oscillators
CN103076611B (en) Method and device for measuring speed and distance by coherent detecting laser
RU2008112680A (en) DISTANCE MEASUREMENT DEVICE AND METHOD OF DISTANCE MEASUREMENT
US20230236152A1 (en) Acoustic resonance fluid flow measurement device and method
US9726590B2 (en) Suspended sediment meter
CN101788671B (en) Multicycle modulation method applied to laser ranging device using chirp amplitude modulation based on heterodyne detection
RU2410650C2 (en) Method to measure level of material in reservoir
RU2334953C2 (en) Method of radio wave level measurement
US7254493B1 (en) Pressure transducer based fluid velocity sensor
JPWO2016208048A1 (en) Gas analyzer
RU2350901C1 (en) Method for detection of dielectric coat thickness
JPH11287859A (en) Laser range finder
RU2521729C1 (en) Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir
CN102236092A (en) Doppler signal period distribution demodulation method of laser Doppler velocimeter
RU2654215C1 (en) Method of measuring distance by range finder with frequency modulation
RU2350899C1 (en) Method for detection of dielectric coat thickness
RU2644628C1 (en) Measurement of reference spectra of marine surface exploration
RU2658558C1 (en) Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar
RU2569039C2 (en) Method for non-destructive inspection of defects using surface acoustic waves
Battaglini et al. Frequency modulated continuous wave ultrasonic radar