CN109632048B

CN109632048B - 具有片上雷达系统的雷达物位测量装置

Info

Publication number: CN109632048B
Application number: CN201811167797.9A
Authority: CN
Inventors: 罗兰·韦勒; 斯特芬·瓦尔德
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2038-10-08
Also published as: EP3467450B1; US20220236096A1; US20190107426A1; HUE053290T2; CN109632048A; US11326926B2; EP3467450A1

Abstract

本发明提供一种雷达物位测量装置，其包括具有一个或多个雷达芯片的布置结构和具有多个发射元件和接收元件的天线布置结构，雷达芯片具有多个发射通道和多个接收通道，其中，发射通道多于发射元件，并且/或者接收通道多于接收元件。

Description

具有片上雷达系统的雷达物位测量装置

技术领域

本发明涉及物位测量和容器中的填充材料表面的拓扑的检测。特别地，本发明涉及一种用于物位测量并且/或者用于检测容器中的填充材料表面的拓扑的雷达物位测量装置。

背景技术

如今，雷达物位测量装置用于物位测量和填充材料表面的拓扑检测。与许多其它领域相比，仅在能够通过测量设备的电子装置检测并处理极小的反射信号之后，才实现了物位测量中的雷达技术的突破。

能够检测填充材料的表面的精确形状的现代物位测量装置和拓扑测量装置的特征不仅在于通常在千兆赫范围内(例如，在75GHz至85GHz的范围内)的高发射频率，还在于能够可靠地处理反射信号的高达100dB的范围内的振幅差异。

为了产生并处理79GHz的范围内的高频发射信号，可以设置单片微波集成电路(MMIC)。该器件可以具有多个在本申请中也被称为雷达通道的发射和接收通道，以便能够扫描填充材料表面。

填充材料表面的扫描越精确，就需要越多的发射和接收通道，以便实现高质量的图像，这相应地伴随着高的硬件成本和能量需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量容器中的介质的物位或者检测容器中的介质的拓扑的雷达物位测量装置。

第一方面涉及一种雷达物位测量装置，雷达物位测量装置被设计成用于测量容器中或容器外的介质的物位或者用于检测容器中或容器外的填充材料表面的拓扑。

雷达物位测量装置包括具有一个或多个雷达芯片的布置结构。特别地，这种雷达芯片可以是具有多个发射和/或接收通道的高度集成的片上雷达系统(RSoC)。具有一个或多个雷达芯片的布置结构包括一个或多个均用于在朝向填充材料表面的方向上发射相应发射信号的发射通道和一个或多个用于接收在填充材料表面上反射的相应发射信号的接收通道。接收通道中的一个或多个也能够被设计成组合的发射-接收通道。特别地，雷达芯片可以是微波集成电路，其也可以被称为片上雷达系统。这种片上雷达系统(RSoC)是高度集成的具有用于数字功能的电路组件的微波电路，根据实施例，该微波电路能够将常规雷达系统的用于信号产生、信号处理以及接收信号(即，反射的发射信号)的传输的完整功能以数字化的形式集成在单个雷达芯片上。

每个发射通道能够被配置成用于产生具有千兆赫范围内(例如，在75GHz至85GHz或更高的范围内)的频率的高频发射信号。

布置结构的不同部分(特别是雷达芯片)能够彼此同步。例如，设置有向其它芯片输出同步信号的主芯片。这通过将不同芯片彼此连接的高频线路布置结构来实现。根据一个实施例，高频线路布置结构包括波导，以用于减小功率损耗。

设置有天线布置结构，天线布置结构具有多个发射元件和接收元件。雷达物位测量装置包括多于所设置的发射元件的发射通道和/或多于所设置的接收元件的接收通道。

天线布置结构可以具有至少两个发射元件和/或至少两个接收元件。

说明了如下的用于物位和/或拓扑检测的物位测量装置，该物位测量装置具有至少一个高度集成的雷达芯片，雷达芯片的发射元件仅部分地用于测量并且/或者其接收元件仅部分地用于测量。

根据另一个实施例，雷达物位测量装置被配置成将比设置的发射通道少的发射元件用于物位测量并且/或者将比设置的接收通道少的接收元件用于物位测量。

根据另一个实施例，具有一个或多个雷达芯片的布置结构具有多个雷达芯片，特别地，具有多于4个的雷达芯片。

根据另一个实施例，具有一个或多个雷达芯片的布置结构具有被配置成用于发射并接收发射信号的雷达芯片和被配置成仅用于发射发射信号或者仅用于接收在填充材料表面上反射的发射信号的微波集成电路。

根据另一个实施例，雷达物位测量装置具有控制电路，控制电路被配置成用于激活雷达物位测量装置的两种操作状态中的一者，其中，在两种操作状态的每者中使用不同数量的发射通道和/或接收通道。

根据另一个实施例，控制电路被配置成用于根据物位激活或者关闭操作状态。

根据另一个实施例，控制电路被配置成用于根据接收信号的振幅激活或者关闭操作状态。

根据另一个实施例，控制电路被配置成用于例如根据之前测量的物位关闭具有一个或多个雷达芯片的布置结构的用于物位测量的部件。

根据另一个实施例，在布置结构的至少一个或全部的雷达芯片上集成有被配置成用于将反射的发射信号转换为数字化的中频信号的模拟/数字转换器，其中，该发射信号源于在填充材料表面上反射的一个或多个发射信号。

根据另一个实施例，至少两个发射通道均具有与其连接的天线。

同样地，至少两个接收通道具有与其连接的天线。

根据另一个实施例，雷达物位测量装置被设计成FMCW雷达物位测量装置，FMCW雷达物位测量装置使用调频连续波信号进行测量，其中，每个测量周期包括例如具有75GHz的起始频率和85GHz的最大频率的频率扫描。

根据另一个实施例，雷达物位测量装置被配置成用于检测容器中的介质的拓扑。

根据另一个实施例，装置的一个或每一个雷达芯片基于BiCMOS技术。根据本发明的另一个实施例，雷达芯片基于SiGe技术。根据本发明的另一个实施例，雷达芯片基于HF-CMOS技术并且具有用于75GHz及以上频率的高频电路部分。

在下文中将参考附图来描述实施例。如果在如下的附图说明中使用同样的参考标记，则其描述相同或者相似的元件。附图中的示意图是示意性的而不是按比例的。

附图说明

图1示出了根据实施例的测量结构。

图2示出了根据实施例的雷达物位测量装置。

图3示出了根据实施例的雷达物位测量装置。

图4示出了根据实施例的雷达物位测量装置。

图5示出了在高且细的料仓中的应用。

图6示出了根据实施例的雷达物位测量装置。

图7示出了根据实施例的雷达物位测量装置。

图8示出了根据实施例的雷达物位测量装置。

图9A到9D示出了根据实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了安装在容器中以检测容器中的填充材料的表面拓扑的雷达物位测量装置101。

雷达物位测量装置具有一个或多个高度集成的雷达芯片(RSoC(Radar System OnChip)，片上雷达系统)102、103，雷达芯片具有多个发射器和接收器。这些雷达芯片也可用于诸如驾驶员辅助系统、交通监控、工厂中的目标监控、无人机等领域以及很多其他领域。多通道雷达芯片的优点在于能够进行某种波束成形。

一些物位测量装置具有一个或多个单片微波集成电路(MMIC)，以用于产生并处理79GHz的范围内的高频信号。作为先前使用的MMIC的替代方案，尤其是在76GHz到81GHz之间的范围内，可以使用组件(RSOC)。为了保持少的组件种类，RSOC可以采用预定的、低成本的具有N个发射元件和M个接收元件的标准构造并且能够大量生产。尽管如此，在实际应用中，也应当在发射和接收通道的数量方面实现高度的可变性。

本申请提出了一种通过使用K个发射天线和L个接收天线来测量物位并且/或者检测填充材料表面的拓扑的物位测量装置。例如，该装置包括至少一个具有N个发射元件和M个接收元件的高度集成的雷达芯片，其中，发射元件的数量N大于用于测量的发射天线的数量K，并且/或者，其中，接收元件的数量M大于接收天线的数量L。

在替代实施例中，发射天线的数量K可以大于或等于2。附加地或者替代地，接收天线的数量L可以大于或等于2。

在很多散装材料测量领域中，用于检测拓扑的物位测量装置明显改进了测量结果，并且因此越来越多地用于可靠并准确地监控散装材料。通过高度集成的雷达芯片(RSOC)的开发，在填充材料测量的领域中，能够简化成像系统组件的雷达传感器并且使其变得便宜。

例如，RSOC具有三个彼此独立的发射通道和四个彼此独立的接收通道。现在已证明，不将全部的这些通道用于实际测量对于制造物位测量装置来说是有利的。

测量装置101具有至少一个高度集成的雷达芯片102、103，雷达芯片经由至少一个数字接口105连接至至少一个评估单元104。至少一个可被设计成控制电路或处理器的控制单元106可以经由至少一个数字信号线107来影响雷达芯片102、103的操作过程和配置。至少一个评估单元106能够被配置成用于确定例如物位、拓扑、体积的测量值或从测量值中推导出的值中的至少一者，并根据特定方法以数字和/或模拟的方式将其提供到外部。常规的处理方式包括借助电源装置130来提供与测量值成比例的具有4..20mA电流值108的形式的测量值。通过天线布置结构1130的发射元件109、110、111、112在朝向填充材料表面1140的方向上发射由雷达芯片102、103产生的高频信号。在取决于距离的传播时间之后，在表面114上反射的信号返回到天线布置结构1130，并且被接收元件113至119接收并且传送至雷达芯片102、103的接收电路。

在雷达芯片内处理这些信号，并且作为数字回波信号提供到外部接口105。在天线布置结构1130的本示例中，发射元件109至112和接收元件113至119均以彼此间具有距离dx＝dy的方式布置，该距离小于等于在朝向表面的方向上发射的高频信号的波长的一半。

同时，应当注意的是，天线元件的布置结构和它们之间的距离能够以不同的变型实施。然而，为了说明某个方面，特别地，在说明书的其余部分中使用该布置并特别使用发射元件109至112和接收元件113至119的编号，以作为实际实施方式。

图2是示出了一个实施例。RSOC 102上的用于发射和接收通道的位置的引脚配置由器件制造商预先定义，并且仅在少数情况下匹配系统设计者所要求的发射元件109至112和接收元件113至119的位置。

应当注意，由于芯片102和天线元件109至112、116至119之间的相应连接线应当在高频技术方面被优化(短的线路长度、无交叉、电路板上尽可能没有位置变化)，所以在雷达装置201的实际构造中经常出现的问题是，期望数量和位置的天线不能最优地连接到相应的RSOC。因此，可以通过使至少一个RSOC 102与至少一个纯发射MMIC 202组合来解决该问题。

RSOC 102可以通过相应的连接线203使发射MMIC内的高频信号产生与RSOC内的高频信号产生同步，使得经由天线109至111发射的信号能够在填充材料上反射之后再次被天线116至119接收并且被RSOC102转换成相应的回波信号。

通过使用纯发射MMIC 202，能够在相应的高频电路的布局中获得明显的自由度。可以不将发射器件的所有通道用于测量。能够通过相应的控制信号204来关闭相应的电路级，这可以有助于降低功率消耗并且降低测量装置201的发热。特别地，在这种构造中，可以不将RSOC 102的所有发射电路通道连接到相应的天线元件109至112。

可以经由控制信号107来关闭相应的元件。此外，可以在控制和/或评估电路104、106内实现用于RSOC的操作过程，这由于省略了未连接到天线元件的通道的控制和评估而导致能量优化的且时间优化的测量。可以借助RSOC 102来配置发射MMIC 202，其中，在初始化阶段期间关闭用于信号接收的所有组件。

图3示出了物位雷达装置301的另一实施例。该系统依然包括集成的RSOC 102，在本示例中，RSOC 102连接至纯接收MMIC 302。接收MMIC实现了简化的系统构造，特别地，通过相应地定位接收器件302，可以将高频信号线303设计成尽可能短。接收器件经由至少一条连接线203从主芯片102接收相应的同步信号，以用于使接收器件能够接收由RSOC 102产生并通过天线1130发射的信号，并将其转换成数字形式。可以在芯片302中实现这种接收和转换。也可以使用多个芯片，例如，与至少一个外部模拟数字转换器接合的接收MMIC。

图4示出了物位雷达装置401的另一个特别有利的实施例。该装置在硬件方面包括与图1的设备101相同的组件，但整个系统401具有在控制电路104和评估电路106中被改变的操作过程。在硬件方面，发射元件109至112连接至RSOC 102、103。同样地，接收元件113至119固定地连接至RSOC 102、103的相应的输入端。

在测量装置401的第一操作阶段中，向所有发射元件109至112连续地或者并行地供应合适的发射信号。在通过元件109至112发射信号的同时，在填充材料114上反射的信号被接收元件113至119接收，被数字化，并且被传送到评估电路106。在评估电路内可以提供数字波束成形，数字波束成形使用由元件113至119接收的信号的一部分或者甚至全部来确定预定方向上的反射比率(

)。在这种操作模式中，可以实现在传感器中所得到的具有非常窄的聚焦的天线波瓣402、501。

图5示出了在高且细的料仓中的相应应用。这种操作模式的缺点在于由于大量数据而产生的巨大工作量和高的能量需求，这是由为了数据检测而采用的大量的发射通道和接收通道决定的。因此，根据某些事件和条件(例如，填充高度、容器形状、表面形状、电子器件和环境温度、工作地的许可条件)，测量装置能够全自动地改变其操作模式。

图4示出了第二操作过程的信号流。基于容器中的填充高度502的先前测量结果，测量装置能够确定所得到的天线波瓣403、503的较宽聚焦足以用于以期望的品质来测量填充材料的表面1140、504。因此，改变操作过程，使得测量装置仅使用发射元件109至112和/或接收元件113至119中的一部分来进行新的测量。在本示例中，在第二操作中，不再将由虚线所示的信号路径404用于测量。由此，能够节省能量，并且节省用于评估信号的测量和计算时间。发射和/或接收通道的关闭通常通过相应的控制信号405、406来实现。在特别有利的实施例中，评估逻辑还可以中断未激活的接收元件113、114、118、119的读取，这可以有助于进一步加速操作模式。

图6示出了另一物位测量装置。测量装置601仍具有能够根据外部影响自动激活的两种操作模式。本示例示出了对于改变的能量预算和/或改变的温度条件的响应。在足够好的能量供应的状态下，测量装置601能够进行与设备101相一致的操作模式，而装置601能够在能量预算减小和/或达到上限温度时自动地切换第二操作模式，在第二操作模式中，仅使用数量减少的RSOC进行测量。在第一操作模式中使用两个雷达芯片102、103并且因此使用多个发射元件或者发射天线109至102和接收元件113至119来检测回波曲线，而控制装置104在第二操作模式中关闭第二RSOC 103。然后，仅通过第一RSOC 102和天线元件110至112、117至119来进行测量。

由此，明显降低系统的能量消耗。在第三操作模式中，可以在连续的测量周期中通过分别与其相连的发射和接收元件交替地控制雷达芯片102、103。通过这种措施，能够针对性地控制并影响电子器件的发热。评估电路106与控制电路104通信，以根据选择的操作模式以适当的方式优化并调整信号的评估。

图7再次示出了物位雷达装置或传感器701的特别有利的实施例。传感器具有两个标准RSOC 102、103，这两个标准RSOC 102、103均具有三个发射通道和四个接收通道。通过使用这种大量生产的标准IC，实现了物位测量装置701的低成本的构造。关于在系统方面被优化的天线布置结构1130，发射和/或接收通道704、705的第一部分可以连接至天线布置结构1130的发射和接收装置。控制装置104、106被配置成关闭雷达芯片102、103的未使用的发射和/或接收通道702、703，即，使它们进入能量优化状态。评估装置106被配置成仅接收由雷达芯片102、103提供的数据的一部分并且/或者仅处理信号的一部分。控制装置104被配置成在测量周期中仅激活雷达芯片中的可被激活的发射通道的一部分。通过这种措施能够节约能量。

图8示出了另一实施例。装置801的特征还在于在运行时间期间切换操作模式和评估模式的能力。可以以距离dy 120来定位发射元件109至112，该距离小于等于所发射的高频信号的波长的一半。另外，可以通过插入相应的补偿结构802、803来使高频信号从雷达芯片102、103到发射元件109至112的传播时间对于所有发射通道来说大致相等。以此方式，可以使测量装置801在第二操作模式下作为发射操作中的实时波束成形器进行操作，以具有作为相控阵(Phased Array)的模拟波束成形。进而，在接收侧仅需要一维数字波束成形。

在第一操作模式中，可以使相同的测量装置801以全数字波束成形进行操作。图9A到9D示出了用于两种操作模式的控制顺序。图9A和图9B的示图901和902示出了评估单元106中的具有全数字波束成形的第一操作模式。控制单元104首先激活雷达芯片103的第一发射通道。由发射单元109发射的信号被与元件113至119连接的雷达芯片的同时操作的接收通道接收，并且以数字形式被传送至评估芯片。在随后的阶段中，激活雷达芯片103中的第二发射通道。被同时接收的信号被再次传送并存储到评估单元106。在第三阶段中，第二雷达芯片102利用发射信号作用于发射元件111。测量数据检测在遍历所有的用于测量的发射通道之后结束。在关闭所有雷达芯片之后，评估单元106使用这些与实际使用的发射和接收元件相关的回波信号以二维形式执行用于数字波束成形的方法。该方法的优点在于，在评估期间能够数字地合成预定角度方向的任意的期望回波曲线。缺点是计算量大并且测量时间长。

因此，可以在第二操作模式中执行模拟发射波束成形。为此，图9C和9D的流程图903、904示出了必要的控制顺序。操作模式的特征在于，相较于前述过程，同时激活与发射元件连接的雷达芯片102、103的至少两个或者优选全部的发射通道。借助存在于雷达芯片中的移相器，能够选择性地调整发射信号的相对彼此的相位偏移，由此，最终的发射信号在预定空间方向上叠加到最大值(模拟波束成形)。为了检测多个空间方向，在连续的测量周期中改变发射通道之间的相位偏移。该方法能够根据待检测的空间方向的范围在时间上延长或缩短。在所有发射阶段期间，激活与接收元件113至119连接的雷达芯片102、103的接收级，并且将检测的数据传送到评估单元。在考虑到发射信号的当前设置的相位预设值，评估单元106对接收信号执行一维数字波束成形，由此在大致与由发射波束成形导致的波束成形的角方向垂直的角方向上的波束成形。

对于补偿结构802、803可替代地或者附加地，可以考虑在控制电路104内设置通过工厂校准检测的用于校准阶段的值。也可以通过在雷达芯片102、103内相应地设置发射放大器来补偿发射信号之间的振幅差异。

另外，应当理解的是，“包括”和“具有”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一”不排除多个。另外，应当理解的是，参照上述实施例说明的特征或步骤也能够与上述其它实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的参考标记不应视为限制。

交叉引用参考

本发明要求于2017年10月6日提交的欧洲专利申请17195233.6的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

Claims

1.一种用于物位测量或者用于检测容器中的填充材料表面的拓扑的雷达物位测量装置(101)，其包括：

包括一个或多个雷达芯片(102、103)的布置结构，所述布置结构具有多个均用于产生发射信号的发射通道和/或多个均用于检测在所述填充材料表面上反射的发射信号的接收通道；

具有多个发射元件(109-112)和多个接收元件(113-119)的天线布置结构(1130)，

其中，所述雷达物位测量装置具有比所述发射元件更多的所述发射通道和/或比所述接收元件更多的所述接收通道；以及

控制电路(104)，其被配置成激活所述雷达物位测量装置的多个操作状态中的一者，

其中，在所述多个操作状态的每者中，使用不同数量的所述发射通道和/或所述接收通道。

2.根据权利要求1所述的雷达物位测量装置(101)，其被配置成将比设置的所述发射通道更少的所述发射元件用于物位测量，并且/或者将比设置的所述接收通道更少的所述接收元件用于物位测量。

3.根据权利要求1或2所述的雷达物位测量装置(101)，其中，所述包括一个或多个雷达芯片(102、103)的布置结构包括多个雷达芯片。

4.根据权利要求1或2所述的雷达物位测量装置(101)，其中，所述包括一个或多个雷达芯片(102、103)的布置结构包括被配置成用于发射并接收发射信号的雷达芯片和被配置成仅用于发射发射信号或者仅用于接收在所述填充材料表面上反射的发射信号的微波集成电路(202)。

5.根据权利要求1所述的雷达物位测量装置(101)，其中，所述控制电路(104)被配置成根据物位来激活并关闭所述多个操作状态中的一者。

6.根据权利要求1所述的雷达物位测量装置(101)，其中，所述控制电路(104)被配置成关闭所述包括一个或多个雷达芯片(102、103)的布置结构的用于物位测量的部件。

7.根据权利要求中1或2的雷达物位测量装置(101)，

其中，在所述包括一个或多个雷达芯片(102、103)的布置结构的雷达芯片上集成有模拟数字转换器。

8.根据权利要求1或2所述的雷达物位测量装置(101)，其被配置成检测所述容器中的介质的拓扑。

9.根据权利要求1或2所述的雷达物位测量装置(101)，其中，所述雷达物位测量装置是FMCW物位测量装置。