RU2658558C1 - Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar - Google Patents
Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar Download PDFInfo
- Publication number
- RU2658558C1 RU2658558C1 RU2017123428A RU2017123428A RU2658558C1 RU 2658558 C1 RU2658558 C1 RU 2658558C1 RU 2017123428 A RU2017123428 A RU 2017123428A RU 2017123428 A RU2017123428 A RU 2017123428A RU 2658558 C1 RU2658558 C1 RU 2658558C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- distance
- frequency
- signal
- frequency signal
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000000528 statistical test Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике промышленных уровнемеров, использующих локационный принцип измерения расстояния до контролируемой среды. Волноводный вариант уровнемера служит для измерения уровня жидкой среды. В вертикально установленный волновод среда заходит через соответствующим образом выполненные перфорационные отверстия. Применяется частотная модуляция зондирующего сигнала (ЛЧМ модуляция), измеряемое расстояние определяется по разностной частоте между зондирующим и отраженным сигналами [1].The invention relates to techniques for industrial level gauges using the location principle of measuring the distance to a controlled environment. The waveguide version of the level gauge is used to measure the level of a liquid medium. The medium enters a vertically mounted waveguide through appropriately made perforations. The frequency modulation of the probe signal (chirp modulation) is used, the measured distance is determined by the difference frequency between the probe and reflected signals [1].
Волноводный вариант уровнемера обладает рядом достоинств:The waveguide version of the level gauge has several advantages:
- излучаемый и отраженный сигнал распространяются в замкнутом пространстве волновода, что избавляет от помех за счет отражений от элементов емкости, содержащей контролируемую среду;- the emitted and reflected signal propagate in the enclosed space of the waveguide, which eliminates interference due to reflections from the elements of the capacitance containing the controlled medium;
- отсутствие рассеяния в пространство электромагнитных волн позволяет снизить уровень мощности передающего модуля, что также улучшает помеховую обстановку. Есть и другие достоинства.- the absence of scattering into the space of electromagnetic waves can reduce the power level of the transmitting module, which also improves the noise environment. There are other advantages.
К основным недостаткам волноводных уровнемеров можно отнести:The main disadvantages of waveguide level gauges include:
- зависимость задержки сигнала от частоты (наличие дисперсии), что приводит к изменению разностной частоты, а следовательно, к существенным ошибкам измерения уровня контролируемой среды;- the dependence of the signal delay on the frequency (the presence of dispersion), which leads to a change in the difference frequency, and therefore, to significant errors in the measurement of the level of the controlled medium;
- для многих сред наблюдается налипание на стенки волновода, что также приводит к ошибкам измерения уровня контролируемой среды.- for many media, sticking to the walls of the waveguide is observed, which also leads to errors in measuring the level of the controlled medium.
В данном изобретении рассматривается только влияние дисперсии в предположении, что налипания нет. Ослабление влияния дисперсии возможно путем введения предыскажения в закон частотной модуляции (ЧМ) СВЧ сигнала [2]. Этот метод является аналогом предлагаемого изобретения, однако необходимое предыскажение в [2] зависит от расстояния по волноводу до продукта, поперечного сечения волновода и ряда других факторов. Это приводит к усложнению процедуры излучаемого сигнала, и, кроме того, это будет сопровождаться дополнительными ошибками, так как в реальных условиях выполнить идеальное предыскажение нельзя.This invention only considers the effect of dispersion under the assumption that there is no sticking. The weakening of the dispersion effect is possible by introducing a pre-emphasis into the law of frequency modulation (FM) of a microwave signal [2]. This method is an analogue of the invention, however, the necessary pre-emphasis in [2] depends on the distance along the waveguide to the product, the cross section of the waveguide, and a number of other factors. This leads to a complication of the procedure of the emitted signal, and, in addition, it will be accompanied by additional errors, since in real conditions it is impossible to perform ideal predistortion.
Следовательно, возникает задача создания способа определения расстояния до контролируемой среды в волноводе, свободного от проблемы дисперсии.Therefore, the problem arises of creating a method for determining the distance to a controlled medium in a waveguide free from the dispersion problem.
Такой способ, прототипом которого служит [3], предлагается в данном изобретении и предполагает расчет расстояния по следующей формуле:This method, the prototype of which is [3], is proposed in this invention and involves calculating the distance according to the following formula:
где k - количество нулей сигнала разностной частоты (СРЧ) на интервале наблюдения, равном полупериоду модуляции; - критическая частота волновода; - несущая частота; - частоты в моменты k-го и первого нулей СРЧ; с - скорость света в вакууме.where k is the number of zeros of the differential frequency signal (RMS) in the observation interval equal to the half-period of modulation; - critical waveguide frequency; - carrier frequency; - the frequencies at the moments of the kth and first zeros of the RMS; c is the speed of light in vacuum.
Следует отметить, что при (свободное пространство) формула (1) переходит в расчетную формулу в [3].It should be noted that with (free space) formula (1) goes into the calculation formula in [3].
Выражение (1) получается на основе следующего анализа.Expression (1) is obtained based on the following analysis.
Сигнал, излучаемый в волновод, имеет вид:The signal emitted into the waveguide has the form:
u(t)=U0cosω(t)t.u (t) = U 0 cosω (t) t.
Сигнал на смесителе при отражении от среды, находящейся на расстоянии R по волноводу, определяется по формуле:The signal at the mixer when reflected from a medium located at a distance R by the waveguide is determined by the formula:
uc(t)=Uc0 cos(ω(t-τЗ)t+ϕ),u c (t) = U c0 cos (ω (t-τ З ) t + ϕ),
где ϕ - некоторый фазовый сдвиг; - время задержки.where ϕ is a certain phase shift; - delay time.
После смесителя СРЧ принимает следующий вид:After the mixer, the RF system takes the following form:
uP(t)=UP0 cos((ω(t)-ω(t-τЗ))t-ϕ).u P (t) = U P0 cos ((ω (t) -ω (t-τ З )) t-ϕ).
При этом разностная частотаIn this case, the difference frequency
где - период симметричной треугольной модуляции; ΔF - диапазон перестройки частоты.Where - period of symmetric triangular modulation; ΔF - frequency tuning range.
Фаза разностной частотыDifferential frequency phase
В тех точках, где СРЧ равняется нулю,At those points where the RMS is zero,
где n=1, 2, …, k, k - число нулей СРЧ на полупериоде модуляции.where n = 1, 2, ..., k, k is the number of zeros of the RMS at the half-period of modulation.
Каждому значению n в (3) соответствует своя пара значений . При линейной ЧМ связь между ними задается формулойEach n value in (3) corresponds to its own pair of values . In linear FM, the relationship between them is given by the formula
С учетом (4) и (3) выражение (2) записывается в видеIn view of (4) and (3), expression (2) is written as
Примем n=1, тогдаWe take n = 1, then
Приняв в (5) n=k и вычитая (6), приходим к (1).Assuming n = k in (5) and subtracting (6), we arrive at (1).
Очевидно, что при определении R расчет можно вести не по крайним нулям СРЧ - (1, k), а по некоторым промежуточным их значениям - (l, n), где 1≤l<n, n≤k. Необходимость такого варианта может быть вызвана помеховой обстановкой.Obviously, when determining R, the calculation can be carried out not by the extreme zeros of the RMS - (1, k), but by some of their intermediate values - (l, n), where 1≤l <n, n≤k. The need for this option may be caused by interference.
В этом более общем случае расчет расстояния до контролируемой среды следует вести по формулеIn this more general case, the calculation of the distance to the controlled environment should be carried out according to the formula
Очевидно, что формула (1) обеспечивает большую точность, чем (7), если сосредоточенная помеха отсутствует.Obviously, formula (1) provides greater accuracy than (7) if there is no concentrated interference.
В соответствии с (1) были проведены расчеты относительной ошибки измерения расстояния , где - измеренное расстояние, для круглого волновода диаметром 25 мм с волной Н11 и симметричной треугольной модуляционной характеристики с периодом модуляции при различных значениях параметров измерителя.In accordance with (1), the relative distance measurement error was calculated where - measured distance, for a circular waveguide with a diameter of 25 mm with a wave of H 11 and a symmetrical triangular modulation characteristic with a modulation period at different values of the parameters of the meter.
При расчетах СРЧ задавался в видеIn the calculations, the RMS was set in the form
где - время задержки отраженного сигнала; ϕ - произвольная фаза; n(tj) - аддитивный белый гауссовский шум.Where - delay time of the reflected signal; ϕ is an arbitrary phase; n (t j ) is the additive white Gaussian noise.
Расчеты проводились методом статистических испытаний при следующих параметрах зондирующего сигнала: число отсчетов СРЧ на интервале анализа N=2000; 4000, несущая частота , критическая частота , девиация частоты ΔF=300; 500; 800 МГц, величина ϕ варьировалась в пределах [0÷π), усреднение в точках осуществлялось по 106 значениям.The calculations were carried out by the method of statistical tests with the following parameters of the probing signal: the number of samples of the RMS in the analysis interval N = 2000; 4000 carrier frequency critical frequency , frequency deviation ΔF = 300; 500; 800 MHz, ϕ varied within [0 ÷ π), averaging at points was carried out over 10 6 values.
Результаты расчетов приведены на Фиг. 1 и Фиг. 2. Зависимости на Фиг. 1 свидетельствуют об отсутствии влияния дисперсии на определение расстояния в соответствии с формулой (1), поскольку величина ER находится в пределах (10-2÷3⋅10-3)% и имеет явно методическую природу, уменьшаясь с ростом N. Зависимости, приведенные на Фиг. 2, не противоречат сделанным выше выводам.The calculation results are shown in FIG. 1 and FIG. 2. The dependencies in FIG. 1 indicate that there is no effect of dispersion on determining the distance in accordance with formula (1), since the value of ER is in the range of (10 -2 ÷ 3⋅10 -3 )% and has a clearly methodological nature, decreasing with increasing N. The dependences given by FIG. 2, do not contradict the conclusions made above.
Предлагаемый способ измерения расстояния в соответствии с (1) и (7) для волноводного ЧМ уровнемера не известен для способов и устройств, из чего следует соответствие его критерию «новизна».The proposed method for measuring distance in accordance with (1) and (7) for a waveguide FM level gauge is not known for methods and devices, which implies compliance with its “novelty” criterion.
Изобретательский уровень определяется основным свойством предлагаемого способа - он свободен от влияния дисперсии на ошибку определения расстояния до контролируемой среды, которая при наличии дисперсии может составлять десятки процентов, что является неприемлемым. Отсутствие влияния дисперсии избавляет от необходимости нейтрализовывать ее с помощью с помощью специальных методов, например, введением предыскажений в зондирующий сигнал, что приводит к усложнению функциональной схемы измерителя и возникновению дополнительных ошибок. Отсутствие влияния дисперсии сохраняется при изменении девиации частоты и длине волновода (Фиг. 1). Это свидетельствует об общности предлагаемого способа.The inventive step is determined by the main property of the proposed method - it is free from the influence of dispersion on the error in determining the distance to a controlled environment, which in the presence of dispersion can be tens of percent, which is unacceptable. The absence of the dispersion effect eliminates the need to neutralize it with the help of special methods, for example, by introducing predistortions into the probe signal, which complicates the meter’s functional circuitry and leads to additional errors. The absence of dispersion effect persists when the frequency deviation and the waveguide length change (Fig. 1). This indicates the generality of the proposed method.
На основании сказанного можно утверждать, что заявляемый способ отвечает критерию «изобретательский уровень».Based on the foregoing, it can be argued that the inventive method meets the criterion of "inventive step".
Возможная структурная схема реализации предлагаемого способа приведена на Фиг. 3. Обозначенные блоки выполняют следующие функции: 1 - волновод; 2 - циркулятор; 3 - цифровой синтезатор частот; 4 - приемопередающий СВЧ модуль; 5 - задающий генератор; 6 - микропроцессор; 7 - блок аналоговой обработки СРЧ (усиление, фильтрация, ограничение); 8 - блок выходной.A possible structural diagram of the implementation of the proposed method is shown in FIG. 3. The designated blocks perform the following functions: 1 - waveguide; 2 - circulator; 3 - digital frequency synthesizer; 4 - microwave transceiver module; 5 - master oscillator; 6 - microprocessor; 7 - block analog processing RMS (amplification, filtering, limitation); 8 - output unit.
Библиографические данныеBibliographic data
1. Б.А. Атаянц, В.М. Давыдочкин и др. Прецизионные системы ближней частотной радиолокации промышленного применения. М.: Радиотехника. 2012.1. B.A. Atayants, V.M. Davydochkin et al. Precision short-range frequency radar systems for industrial applications. M .: Radio engineering. 2012.
2. Б.А. Атаянц, В.М. Давыдочкин, В.В. Езерский. Точность измерения уровня волноводным частотно-модулированным уровнемером. // Радиотехника. 2015. №5, С. 73-78.2. B.A. Atayants, V.M. Davydochkin, V.V. Jezersky. Accuracy of level measurement by a waveguide frequency-modulated level gauge. // Radio engineering. 2015. No. 5, S. 73-78.
3. Патент РФ №2436117, МКИ G01S 13/34. Опубл. 10.12.2011. Бюл. №34.3. RF patent No. 2436117, MKI G01S 13/34. Publ. 12/10/2011. Bull. Number 34.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017123428A RU2658558C1 (en) | 2017-07-03 | 2017-07-03 | Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017123428A RU2658558C1 (en) | 2017-07-03 | 2017-07-03 | Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2658558C1 true RU2658558C1 (en) | 2018-06-21 |
Family
ID=62713438
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017123428A RU2658558C1 (en) | 2017-07-03 | 2017-07-03 | Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2658558C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2693032C1 (en) * | 2018-07-23 | 2019-07-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method of reducing deviation of frequency of a waveguide level gage with a lfm signal |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5504490A (en) * | 1994-04-05 | 1996-04-02 | Thomson-Csf | Radar method and device for the measurement of distance |
RU2234108C1 (en) * | 2002-12-18 | 2004-08-10 | ООО "Предприятие "Контакт-1" | Method for range measurement (modifications) |
RU2410650C2 (en) * | 2008-11-01 | 2011-01-27 | ООО "Предприятие "Контакт-1" | Method to measure level of material in reservoir |
RU2436117C1 (en) * | 2010-06-24 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method of measuring distance from radiator to controlled medium |
RU2504739C1 (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Device for determining fluid level in container |
-
2017
- 2017-07-03 RU RU2017123428A patent/RU2658558C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5504490A (en) * | 1994-04-05 | 1996-04-02 | Thomson-Csf | Radar method and device for the measurement of distance |
RU2234108C1 (en) * | 2002-12-18 | 2004-08-10 | ООО "Предприятие "Контакт-1" | Method for range measurement (modifications) |
RU2410650C2 (en) * | 2008-11-01 | 2011-01-27 | ООО "Предприятие "Контакт-1" | Method to measure level of material in reservoir |
RU2436117C1 (en) * | 2010-06-24 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method of measuring distance from radiator to controlled medium |
RU2504739C1 (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Device for determining fluid level in container |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2693032C1 (en) * | 2018-07-23 | 2019-07-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method of reducing deviation of frequency of a waveguide level gage with a lfm signal |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7823446B2 (en) | Pulsed radar level gauging with relative phase detection | |
EP2902799B1 (en) | Doppler radar test system | |
CN105607051B (en) | Method for measuring distance between FMCW range units and target | |
US20090085582A1 (en) | Microwave determination of location and speed of an object inside a pipe | |
JP2008516213A5 (en) | ||
JP5932746B2 (en) | Media boundary position measurement system | |
RU2658558C1 (en) | Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar | |
RU2504739C1 (en) | Device for determining fluid level in container | |
RU2504740C1 (en) | Method of measurement of fluid level in container | |
RU2528131C1 (en) | Contactless radiowave device to measure thickness of dielectric materials | |
RU2551260C1 (en) | Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir | |
RU2620774C1 (en) | Method for measuring mass liquid medium flow rate | |
RU2521729C1 (en) | Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir | |
RU2654215C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation | |
RU2620779C1 (en) | Device for measuring mass liquid medium flow | |
JP7396630B2 (en) | Distance measuring device and method | |
RU2655746C1 (en) | Method of level measurement and radio range station with frequency modulation | |
RU2693032C1 (en) | Method of reducing deviation of frequency of a waveguide level gage with a lfm signal | |
RU2650611C1 (en) | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir | |
RU2446407C1 (en) | Method to detect area of power transmission and communication lines damage and device for its realisation | |
RU2611333C1 (en) | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir | |
EP4116737A1 (en) | Distance measuring device, distance measuring method, and program | |
Guo et al. | A fast high-precision ranging algorithm of lfmcw radar | |
RU2558631C1 (en) | Non-contact radio wave device to determine fluid level in tank | |
RU2569039C2 (en) | Method for non-destructive inspection of defects using surface acoustic waves |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190704 |