用于拓扑检测的雷达测量装置的天线系统的制作方法

1.本发明涉及填充材料表面测量。特别地，本发明涉及被配置为用于检测填充材料表面的拓扑的雷达测量装置的天线系统、具有这种天线系统的雷达测量装置、用于测量填充材料表面的拓扑的方法、程序元件以及计算机可读介质。


背景技术：

2.为了检测填充材料表面的拓扑，可以使用测量信号扫描填充材料表面。为此目的，机械地旋转测量装置或其天线，或者执行电子波束控制。也可以将两种方法混合。为进行电子波束控制，在雷达测量装置中使用辐射元件阵列。在这种情况下，该阵列也被称为阵列天线。
3.然后，可以根据检测的拓扑计算填充材料的物位和体积。
4.用于电子波束控制的硬件费用不可忽视；信号评估所需的计算工作量也可能相当大。出于这个原因，这种测量装置需要相对较大的能量。然而，取决于测量装置的使用地点和连接方式，能量通常是稀缺资源。


技术实现要素：

5.在此背景下，本发明的目的是提供一种雷达测量装置，特别是物位雷达测量装置，其以降低的硬件费用和减小的能量消耗进行使用。
6.该目的通过独立权利要求的特征来实现。本发明的改进示例在从属权利要求和实施例的以下说明中得出。
7.本发明的第一方面涉及一种被配置为用于雷达测量装置的天线系统，该雷达测量装置用于检测填充材料表面的拓扑。特别地，雷达测量装置可以是用于工业环境中的过程自动化的物位雷达测量装置。天线系统包括第一天线装置，该第一天线装置被配置为检测填充材料表面的拓扑。此外，天线系统还包括额外的第二天线装置，该第二天线装置被配置为检测物位。因此，将使用不同的天线装置来进行物位测量和拓扑检测。
8.第一天线装置是阵列天线，其具有围绕第二天线装置布置的辐射元件的阵列。
9.例如，第二天线装置是喇叭天线。
10.第一天线装置的辐射元件也可以是(更小的)喇叭天线。第一天线装置和第二天线装置也可被称为喇叭形辐射器，并且可以填充有电介质。它们也可以是波导孔的形式(填充或未填充)。也可以使用贴片天线、棒状辐射器或其他天线。
11.根据一实施例，第一天线装置的辐射元件的直径或边长(明显)小于第二天线装置的直径或边长。
12.根据另一实施例，第一天线装置的辐射元件的辐射面和第二天线装置的辐射面布置在同一平面上。例如，第二天线装置的“辐射面”是天线喇叭的开口。在喇叭天线的情况下，第一天线装置的辐射元件的辐射面也是各个天线喇叭的开口平面。在平面辐射元件(贴片天线)的情况下，辐射面由平面辐射元件的表面形成。
13.根据另一实施例，第一天线装置的辐射元件的辐射面和/或第二天线装置的辐射面是金属板中的孔。这些孔可以填充有电介质，或者不填充。孔可以具有圆形或有角的横截面。
14.例如，金属板被设计为圆形。
15.例如，第一天线装置的辐射元件形成矩形、六边形或具有分段直线区域的其他多边形形状。
16.根据一实施例，第一天线装置的辐射元件包括(第一)发射元件组和(第二)接收元件组。
17.本发明的另一方面涉及一种雷达测量装置，特别是物位雷达测量装置，其具有上述和下述的天线系统。
18.例如，雷达测量装置被配置为利用第一天线装置发射fmcw雷达信号并利用第二天线装置发射脉冲信号。
19.例如，脉冲信号可以是雷达信号或超声波信号。
20.本发明的另一方面涉及一种用于测量填充材料表面的拓扑的方法，在该方法中，利用第一天线装置检测填充材料表面的拓扑。同时，在此之前或之后，利用第二天线装置检测物位。第一天线装置是阵列天线，该阵列天线具有围绕第二天线装置布置的辐射元件的阵列。
21.本发明的另一方面涉及一种程序元件，当其在物位测量装置的处理器上执行时，该程序元件指示物位测量装置执行上述和下述的步骤。
22.本发明的另一方面涉及一种存储有上述程序元件的计算机可读介质。
23.术语“工业环境中的过程自动化”可以理解为技术的一个子领域，其包含无人工参与的操作机器和设备的所有措施。过程自动化的一个目标是在诸如化学、食品、制药、石油、造纸、水泥、航运或矿业等领域中使工厂的各个部件的交互自动化。为此，可以使用大量的传感器，这些传感器特别适用于过程工业的诸如机械稳定性、对于污染物的不敏感性、极端温度、极端压力等特定要求。通常将这些传感器的测量值传送到控制室，在控制室中可以监测诸如物位、极限物位、流量、压力或密度等过程参数，并且可以手动或自动更改整个工厂的设置。
24.工业环境中的过程自动化的一个子领域涉及物流自动化。在物流自动化领域中，借助于距离传感器和角度传感器使建筑物内部或外部或者单个物流设备内的过程自动化。典型的应用是例如用于以下领域的物流自动化系统：机场的办理行李和货物托运处理领域、交通监控领域(收费系统)、贸易领域、包裹配送或还有建筑物安全(访问控制)领域。先前列出的示例的共同点在于，各个应用端都需要将存在检测与对象大小和位置的精确测量结合起来。为此，可以使用借助于激光、led、2d相机或3d相机的基于光学测量方法的传感器，这些传感器根据渡越时间原理(tof：time of flight)检测距离。
25.工业环境中的过程自动化的另一子领域涉及工厂/制造自动化。在诸如汽车制造业、食品制造业、制药业或一般包装行业等许多行业中，都可以见到这种应用示例。工厂自动化的目的是使通过机器、生产线和/或机器人执行的货物生产自动化，即，在没有人工参与的情况下运行。在此使用的传感器以及在检测对象的位置和大小时对于测量精度的特定要求与上述物流自动化示例中的传感器和特定要求相当。
26.下面将参考附图来说明本发明的其它实施例。如果在以下附图说明中使用了相同的附图标记，则它们表示相同或相似的元件。附图中的图示是示意性的，并且未按比例绘制。
附图说明
27.图1a示出了物位雷达测量装置。
28.图1b示出了检测填充材料表面拓扑的雷达测量装置。
29.图2a示出了根据一实施例的雷达测量装置。
30.图2b示出了图2a的产生不同的发射瓣的雷达测量装置。
31.图3a示出了辐射元件。
32.图3b示出了单个辐射元件的天线方向图。
33.图4a示出了辐射元件的一维阵列。
34.图4b示出了图4a的阵列的天线方向图。
35.图4c示出了使用电子波束控制改变的天线方向图。
36.图5a示出了由彼此具有不同间距的辐射元件组成的阵列。
37.图5b示出了图5a的阵列的天线方向图。
38.图6示出了根据一实施例的阵列天线。
39.图7示出了根据一实施例的雷达测量装置。
40.图8a示出了根据一实施例的天线系统d俯视图。
41.图8b从一侧示出了图8a的天线系统。
42.图8c示出了图8a的天线系统的立体图。
43.图9示出了具有不同的辐射元件布置的天线系统。
44.图10示出了根据一实施例的方法的流程图。
具体实施方式
45.图1a示出了安装在容器201中的雷达测量装置100。在容器内装有具有略微不平坦的表面的填充材料202。雷达测量装置100包括喇叭天线形式的天线装置102，天线装置在填充材料表面的方向上发射雷达信号。该雷达信号可以是脉冲状雷达信号并由椭圆203表示。然后，雷达信号在填充材料表面上受到反射并被天线装置102接收，并且在测量装置100中评估接收的雷达信号，以计算物位。
46.在物位雷达技术中，根据使用位置和使用方式，不同类型的天线已被证明是可靠的和有用的。因此，例如针对需要非常高的方向性的应用，使用抛物面镜。这些天线可以在相对较小的安装深度下实现非常高的天线增益。
47.另一种非常成熟的天线结构是喇叭天线。除了高增益之外，这种非常广泛使用的天线还可以以低成本非常稳健地构造。通常，喇叭天线在前部区域中还包含具有各种优点的透镜。一方面，由于电磁波在塑料中的缩短因素，喇叭天线的构造可以更加紧凑。此外，透镜可用于创建相对于过程测量装置(雷达测量装置100)的过程密封。喇叭天线通常由波导供应。
48.喇叭天线通常被设计为圆形或旋转对称。由于过程工业中的容器开口通常是圆形
的，因此旋转对称的天线可以良好地适配于容器。容器开口通常还设置有螺纹，可以将天线拧入到该螺纹中。在此，圆形天线也是有利的。喇叭天线还可以作为车削件低成本地制造。
49.图1b示出了用于检测填充材料表面204的拓扑的雷达物位测量装置105。该雷达物位测量装置被配置为检测松散材料堆202的填充材料表面204的拓扑，或识别容器壁上的粘附物205(参见图2a)。
50.图1b所示的雷达物位测量装置105具有天线装置101(其为具有辐射元件阵列的阵列天线的形式)，并且可以借助于该天线装置进行电子波束控制，以便扫描填充材料表面，从而检测填充材料表面的拓扑。附图标记203表示不同的波束方向。
51.除了机械地旋转天线的系统之外，还可以使用能够以电子方式旋转天线主辐射方向的系统。也可以使用半机械系统，该半机械系统以机械的方式旋转天线主瓣的一个方向并以电子方式旋转另一方向。下面将说明能够以电子方式旋转天线波瓣的天线系统。
52.电子旋转天线是其主辐射方向和主接收方向(主瓣，英语：main lobe)可以以电子或数字方式旋转的天线。这些天线具有大量的发射信道和/或接收信道。这些雷达测量装置通常被称为多输入多输出(mimo)雷达装置。下面将不会说明在发射侧和接收侧改变主辐射方向和主接收方向的各种可能性。
53.在此，天线元件的位置起着重要作用。天线元件103(例如，参见图6)跨越天线阵列。在此，天线元件103通常具有相同类型，并且在它们的主辐射方向上以相同的方式定向和极化。
54.在多个天线元件包括多于两个天线元件的情况下，已经证明这些天线元件之间具有相同的距离d1是有利的(参见图4a)。如果现在各个辐射元件103同时发射相同的信号，则得到了与图3a中的单独辐射器103的方向特性(参见图3b)不同的整体方向特性(参见图4b)。
55.在尺寸正确的情况下，整体方向特性不仅更高的天线增益，还具有更小的孔径角。如果现在这些传输信号被分配有指定的相移，则可以改变主辐射方向的方向(参见图4c)。这些特性在发射和接收情况下通常具有相同的表现。
56.各个辐射器的天线间距会影响主辐射方向。如果天线间距d2(参见图5a)大于发射信号的半个波长，则会出现所谓的栅瓣。这些栅瓣与主瓣具有几乎相同的天线增益，但方向不同。根据应用，重要的是需要避免这种栅瓣，因为它们会在雷达图像中产生虚假目标。
57.图5b示出了这种栅瓣501。
58.可以通过以下方式避免这种栅瓣：对天线阵列进行设计，使得天线间距≤半个波长，从而不产生栅瓣，或者以逻辑方式屏蔽由栅瓣产生的虚假目标。
59.天线阵列设计中的另一方面是覆盖总面积，该总面积也被称为天线孔径，并且在下文也被称为辐射面积。一般来说，孔径越大，天线孔径角越小。
60.一个目标是实现具有较小孔径角但使栅瓣和旁瓣尽可能少的天线孔径。这可以通过大量的雷达信道来实现，但这反之又会增加成本和提高能耗。在这一点上，重要的是找到一个最佳方案。
61.图4b、图4c和图5b中的天线方向图(antennendiagramm)分别涉及线性天线阵列，即，由成行布置的辐射元件组成的天线组(如图5a所示)。因此，当沿阵列的纵向范围绘制方向性特性时，能获得相应的天线方向图。主瓣现在可以在该方向上旋转。
62.如果主辐射方向现在要在两个空间方向(维度)上旋转，则阵列也必须如图6所示在两个空间方向上延伸。该阵列102现在由四个子阵列组成，每个子阵列具有五个天线元件103，每个天线元件具有线性范围。在此，天线元件103可以是发射器和/或接收器。
63.通过将天线元件相应地作为发射器和/或接收器进行分配并通过相应地控制它们和相关的信号处理，可以用这种阵列操作发射侧和接收侧的波束成形。在这种情况下，天线元件103的一种可能的分配方案是：将水平的天线元件作为发射器进行配置和操作，并将垂直的元件作为接收器进行配置和操作。
64.关于能耗的一个重要方面是后续的计算，特别是数字波束成形中的计算。数字波束成形是一种用于改变接收器阵列的主接收方向或用于从任意方向测量接收的能量的方法。这可以通过快速傅里叶变换(fft)来完成。可以在微型控制器或fpga(现场可编程门阵列)中的数字运算单元中以特别节能的方式计算该数字波束成形。
65.被证明有利的是，要计算的阵列是线性的(参见图4a、图5a)或矩形的(参见图6)，并且在相应的空间方向上具有恒定的天线间距。在一实施例中，空间方向x上的天线间距例如也可以具有与空间方向y不同的间距。因此，这些间距只应在各自的空间方向上是恒定的。
66.为了计算空间维度，只需要一次fft。在其他天线装置(例如，六边形阵列)中，则需要多于一次的fft来计算空间维度，这对于整个装置的能量平衡是不利的，因为在评估测量数据时计算时间会更长。
67.尤其对于在工业环境中的过程自动化中广泛使用的双线接口，能量平衡起着重要的作用。在此，测量装置仅具有非常有限的可用于测量数据检测和评估的功率。通过相应较慢的测量周期，可以将这些预定的能量用于物位测量和拓扑测量。
68.由于填充材料的拓扑通常缓慢变化并且粘附物的形成也是一个缓慢的过程，因此可以接受缓慢的测量周期。然而，原则上，物位测量对于过程工业中的具有高测量周期(如在相对快速的顺序中)的一些领域是很重要的。为了将这两种测量技术结合在一个装置中，在考虑到有限的可用能量的情况下提出了传统物位测量装置和拓扑检测测量装置的组合。
69.图7示出了根据本发明的一实施例的雷达测量装置100。雷达测量装置100可以是物位雷达测量装置并包括天线系统105。该天线系统105具有用于物位测量的天线装置705和用于拓扑检测的发射和接收天线阵列706a、706b、706c、706d、706e、706f。
70.用于物位测量的天线装置705可被设计为具有透镜的喇叭天线并且布置在天线系统的面向过程的一侧的中心。物位天线705的天线增益大于拓扑检测阵列706a至706f的单个辐射器的天线增益。
71.物位天线705也可以被设计为用于与拓扑测量天线阵列不同的频率范围。例如，天线阵列可以被设计为用于80ghz的频率，而物位天线可以被设计为用于180ghz的频率。
72.例如，阵列天线的天线元件706a至706f可被设计为波导孔或喇叭形辐射器，或可被设计为填充有电介质的波导孔或喇叭形辐射器。贴片天线、棒状辐射器或其他天线也是可能的。
73.在一实施例中，喇叭阵列天线的开口以及物位喇叭天线的开口凹陷地形成在金属板802中的一个层上(参见图8a、图8b和图8c)。该金属板802例如被设计为圆形，并且适合于穿过dn 100或dn 80过程连接件。因此，天线系统具有比处理容器的开口更小的直径。因此，
可以穿过该过程连接件将整个天线插入到容器中。
74.此外，阵列的天线706a至706f的布置与物位天线705有关。例如，拓扑检测天线装置的发射和接收阵列均具有线性设计。在此，发射天线装置可以包括一行或多行。同样，接收天线装置可以包括一行或多行。在该示例性实施例中，发射行和接收行彼此正交。
75.在一实施例中，物位喇叭天线102位于天线系统105的中心并且被拓扑检测天线装置101的发射和接收行天线包围。由于拓扑检测阵列天线的矩形天线阵列布置，可以使用节能的波束成形算法。然后，也可以将物位天线设计为尽可能大。
76.根据另一实施例，阵列的天线103布置为六边形(参见图9)。由此，阵列可以更好地利用可用空间。也可以将物位天线更大地设计。
77.根据另一实施例，发射天线元件的数量不等于接收天线元件的数量。
78.根据另一实施例，天线系统105具有一个或多个防粘附装置。在此，示例包括天线罩、吹除空气或由柔性ptfe材料制成的袋或盖。
79.根据另一实施例，物位测量和拓扑检测测量使用不同的测量原理，特别是不同的雷达测量原理。例如，物位测量可以作为脉冲雷达方法进行，而拓扑检测测量可以作为fmcw方法进行。
80.此外，相对于阵列天线，物位天线的极化可以是不同的，以抑制干扰反射。
81.这些测量也可以并行或顺序地运行。在同时测量的情况下，有利地选择雷达方法或雷达频率，使得两个测量不相互干扰。
82.物位测量也可以基于不同的测量原理，例如基于超声波的物位测量或光学物位测量。
83.根据另一实施例，物位天线被设计为矩形喇叭天线。因此，在与矩形天线阵列相结合的情况下，矩形喇叭天线可以最佳地利用天线阵列内的跨越区域，并且可以实现最大增益。
84.天线系统包括单个物位天线和独立的用于拓扑检测的天线阵列。天线系统的直径通常小于容器开口。物位天线被天线阵列包围。不同的子阵列可以以相同的方式相互对齐。例如，如图6所示，线性子阵列可以具有相同的朝向。tx发射天线在x方向上对齐，而rx接收天线在y方向上对齐。
85.子阵列也可以与物位天线以相同的方式对齐。物位天线和阵列天线可以使用不同的频率范围。可以设置有公共的防粘附装置。特别地，可以在物位测量和拓扑测量中使用不同的雷达方法。也可以应用物位天线和阵列天线的不同极化。
86.图10示出了根据一实施例的方法的流程图。在步骤1001中，使用第一天线装置检测填充材料表面的拓扑。在步骤1002中，使用第二天线装置检测物位。在步骤1003中，将两个测量值都用于计算填充材料的体积，并且在步骤1004中输出物位或体积。在此，应注意的是，这两种测量方法也可以相互独立地进行。物位检测可以独立于拓扑进行。物位测量可以比拓扑测量具有更高的测量速率。拓扑测量可以独立于物位测量进行。物位测量的测量数据可用于提高测量可靠性并检查拓扑检测的测量数据的合理性，但这绝不是必须的。
87.还应注意，“包括”或“具有”不排除其他元件和步骤，“一”或“一个”不排除多个。此外，应注意，已经参考其中一个上述示例性实施例说明的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应被解释为限制性的。