[实用新型]用于使用电磁脉冲确定离开表面的距离的设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及基于朝向表面发射的和由该表面反射的电磁脉冲的实时采样的距离测量设备的校准。具体地，本实用新型涉及雷达液位计的校准。 

背景技术

测量测量设备或测距设备基于如下原理：朝向表面或物体传送电磁脉冲，并且接收反射的脉冲。随后可以基于脉冲去往表面或物体并且返回的飞行时间来确定距离。该确定可以使用适当的信号处理来执行。理想地，接收到的信号将被简单地采样以便于检测回波峰值。然而，由于电磁波以光速传播，因此回波峰值将典型地具有仅几纳秒量级的时长。传统的采样器是不够快的，不能以高度准确地检测距离的足够的分辨率来捕获该快的脉冲。 

例如在液位计量领域，对该问题的解决方案是已知的。在使用电磁脉冲的液位计(这里被称为雷达液位计RLG，尽管所使用的频率不一定在传统的雷达范围内)中，液位计传送包括具有兆赫兹范围内的重复频率的纳秒脉冲的脉冲串。反射脉冲串与传送信号混合，以便于提供时间扩展脉冲响应。尽管提供了令人满意的结果，但是该处理需要复杂的和相对昂贵的设计。因此努力以足够短的时间尺度来提供实时采样以允许一个单独脉冲的采样或者对尽可能少的脉冲采样，以映射信号范围(例如，5位分辨率的32个脉冲)。 

作为一个替选方案，已提出使用集成在一个硅芯片上的雷达模块。该模块可以允许利用传送信号和接收信号之间的已知时间关系，对具有ns或更小量级的时长的脉冲进行实时采样。 

根据该单芯片雷达模块的一个操作原理，将接收到的脉冲与阈值电平比较，并且由大量的(例如128个)连续的采样器对该脉冲进行采样，其开始于给定的时间点(探测采样)并且结束于另一时间点，使得采样覆盖典型地比脉冲自身长的时间窗口。通过在逐渐增加(扫描)阈值的同时重 复若干次采样，可以恢复接收信号的幅度。这被称为“扫描阈值采样”并且在Hjortland等人的论文“Thresholded samplers for UWB impulse radar”中描述。基于该原理的雷达芯片的示例在商业上可获得自挪威的Novelda公司。 

关于使用一系列片上元件实时地对信号采样的潜在问题是，不存在温度稳定的时钟参考。尽管可以例如利用参考回波来建立采样的开始点，但是采样的准确时长将取决于芯片上的延迟部件。例如，由于芯片中的所有延迟元件具有显著的温度依赖性，因此雷达模块可能呈现大的温度漂移。 

在实验室测量中，已观察到约每10℃为4cm的未经补偿的温度漂移。该问题对于雷达液位计量实现方案是特别相关的。 

实用新型内容

本实用新型的一般目的在于，克服或减轻上文提及的对雷达模块进行实时采样的问题，这是通过提供实现该采样的雷达液位计的校准而实现的。 

根据本实用新型的第一方面，该目的是通过一种用于使用电磁脉冲确定离开表面的距离的设备实现的，其包括：信号传播设备，用于朝向表面传送脉动测量信号并且接收从表面反射的反射信号；脉冲生成器，用于向信号传播设备提供脉动测量信号；实时采样器，用于接收输入信号并且对输入信号采样以提供采样输入信号；处理电路，被连接为从采样器接收采样信号；以及校准单元，具有用于生成具有预先限定的频率的校准信号的信号生成器。在校准模式中，实时采样器从校准单元接收校准信号作为输入信号，并且处理电路被布置为基于采样校准信号和已知的校准频率确定采样器的平均样本时间延迟，并且在测量模式中，实时采样器从传播设备接收反射信号作为输入信号，并且处理电路被布置为基于采样反射信号和平均样本时间延迟来确定距离。 

根据本发明的第二方面，以上目的是通过一种用于校准使用电磁波确定离开表面的距离的设备的方法，该设备包括实时采样器，该方法包括：校准周期，其包括生成具有预先限定的频率的校准信号，在实时采样器中对校准信号采样，以及基于采样校准信号和已知的校准频率来确定采样器的平均样本时间延迟；以及测量周期，其包括朝向表面传送脉动测量信号，接收从表面反射的反射信号，在实时采样器中对反射信号采样，以及基于 采样反射信号和平均样本时间延迟来确定距离。 

通过向采样器提供具有已知频率的校准信号，可以使采样信号与校准信号的周期相关，并且确定平均样本时间延迟。例如，可以确定信号的一个周期中的样本数目，并且因此确定每个样本延迟的平均时长。 

这里实时采样器指的是能够以足以进行准确的时间确定的分辨率对电磁脉冲进行采样的采样器。在典型的距离测量应用中，基于电磁脉冲的反射，这指示纳秒或更小量级的采样时间。作为示例，样本时间延迟(即各个采样元件的延迟)可以小于100皮秒，或者小于50皮秒。在一个实施例中，样本时间延迟约为30皮秒。