(57)【要約】      （修正有）【課題】連続波レーダ測定によって媒体の充填レベルを特定するための方法と、対応する充填レベル測定装置を提供する。【解決手段】純粋にアナログに構築された受信経路、または純粋にデジタルに構築された受信経路の欠点は、前記相関器が、アナログミキサを有し、前記反射信号と、前記送信信号から導出された信号とが前記アナログミキサによってミキサ出力信号へと混合され、前記相関器が、アナログ／デジタル変換器を有し、前記アナログ／デジタル変換器により、前記ミキサ出力信号がサンプリングされ、デジタルのミキサ出力信号へと量子化され、前記相関器が、デジタル積分器を有し、前記デジタル積分器により、一連の前記デジタルのミキサ出力信号が前記相関結果へとデジタルで積分される、ことによって解決される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続波レーダ測定によって媒体（２）の充填レベルを特定するための方法（１）であって、
符号系列発生器（６）によって符号系列（７）が生成され、前記符号系列（７）によって符号化された送信信号（９）が送信器（８）から送出され、
前記送信信号（９）は、媒体（２）において少なくとも部分的に反射され、受信器（１１）によって反射信号（１０）として受信され、
前記反射信号（１０）と、前記送信信号（９）から導出された信号（１２）と、が相関器（１３）によって相関分析に供されて相関結果がもたらされ、
制御および評価ユニット（１５）が、前記相関結果を用いて、相関されている信号同士の時間オフセットと、そこから媒体の充填レベルと、を特定する、
方法（１）において、
前記相関器（１３）は、アナログミキサ（１６）を有し、前記反射信号（１０）と、前記送信信号（９）から導出された信号（１２）と、が前記アナログミキサ（１６）によってミキサ出力信号へと混合され、
前記相関器（１３）は、アナログ／デジタル変換器（１７）を有し、前記アナログ／デジタル変換器（１７）により、前記ミキサ出力信号がサンプリングされ、デジタルのミキサ出力信号へと量子化され、
前記相関器（１３）は、デジタル積分器（１８）を有し、前記デジタル積分器（１８）により、一連の前記デジタルのミキサ出力信号が前記相関結果へとデジタルで積分される、
ことを特徴とする方法（１）。
【請求項２】
前記相関器（１３）は、アナログローパスフィルタ（１９）を有し、
前記ミキサ出力信号は、前記ローパスフィルタ（１９）によってフィルタリングされ、
ローパスフィルタリングされた前記ミキサ出力信号は、前記アナログ／デジタル変換器（１７）によってサンプリングされ、デジタルのミキサ出力信号へと量子化される、
請求項１記載の方法（１）。
【請求項３】
前記符号系列発生器（６）によって、長さＮｃｏｄｅのバイナリ符号系列（２２）が生成され、
前記送信器（８）は、前記バイナリ符号系列（２２）の、ビット持続時間Ｔｃｈｉｐを有するそれぞれのビットを送出し、
これによって前記送信器（８）は、バイナリ符号系列持続時間Ｔｃｏｄｅ＝Ｎｃｏｄｅ×Ｔｃｈｉｐを有する前記バイナリ符号系列（２２）を送出する、
請求項１または２記載の方法（１）。
【請求項４】
前記ミキサ出力信号、特にローパスフィルタリングされたミキサ出力信号のサンプリングは、ビット周波数１／Ｔｃｈｉｐと符号系列周波数ｆｃｏｄｅ＝１／Ｔｃｏｄｅとの間で、前記アナログ／デジタル変換器（１７）のサンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅによって実施され、
特に、前記アナログ／デジタル変換器（１７）の前記サンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅは、前記符号系列周波数ｆｃｏｄｅの少なくとも２倍に相当し、好ましくは前記符号系列周波数ｆｃｏｄｅの１０を超える倍数に相当する、
請求項３記載の方法（１）。
【請求項５】
前記送信信号（９）から導出される信号（１２）は、前記送信信号（９）から遅延素子（２０）によって生成されるか、または、別の符号系列発生器（２１）によって生成され、
前記別の符号系列発生器（２１）は、前記符号系列発生器（６）と同じ符号系列（７’）を、前記符号系列発生器（６）の前記符号系列（７）に対して時間シフトさせて生成する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法（１）。
【請求項６】
時間遅延は、ビット持続時間Ｔｃｈｉｐの範囲内で、バイナリ符号系列持続時間Ｔｃｏｄｅ＝Ｎｃｏｄｅ×Ｔｃｈｉｐまで順次に経過され、好ましくはそれぞれ前記ビット持続時間Ｔｃｈｉｐの分だけ増分的に増加される、
請求項５記載の方法（１）。
【請求項７】
前記制御および評価ユニット（１５）は、
前記符号系列発生器（６）による前記符号系列（７）の生成と、
前記送信信号（９）から導出される信号（１２）の生成と、
前記ミキサ出力信号のサンプリングまたはローパスフィルタリングされたミキサ出力信号のサンプリングと、
好ましくは、前記デジタル積分器（１８）の積分と、
を少なくとも間接的に同期させて制御し、特に、中間接続されたクロックおよび同期制御装置（２３）を介して少なくとも部分的に間接的に制御し、
前記クロックおよび同期制御装置（２３）は、好ましくはデジタルのタイマクロック（２４）を有する、
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法（１）。
【請求項８】
少なくとも１つの別の相関器（２５）によって、前記反射信号（１０）と、前記送信信号（９）から導出される別の信号（２６）と、が前記別の相関器（２５）によって相関分析に供され、
特に、前記導出される別の信号（２６）は、少なくとも２つの並列の相関受信器が実現されるように、前記送信信号（９）および／または前記送信信号（９）から導出された信号（１２）に対して時間シフトされる、
請求項１から７までのいずれか１項記載の方法（１）。
【請求項９】
前記符号系列発生器（６）によって生成された符号系列（７）または前記符号系列（７）によって符号化された送信信号（９）と、前記送信信号（９）から導出された信号（１２）と、は、それぞれ１つのアップミキサ（２７，２８）により、高周波搬送波信号（２９）との混合によってより高い周波数帯域へと混合される、
請求項１から８までのいずれか１項記載の方法（１）。
【請求項１０】
前記符号系列発生器（６）によって生成された符号系列（７）または前記符号系列（７）によって符号化された送信信号（９）は、アップミキサ（２７）により、高周波搬送波信号（２９）との混合によってより高い周波数帯域へと混合され、
受信された前記反射信号（１０）は、２つの別個の直交ミキサ（３０，３１）に供給され、
前記反射信号（１０）は、２つの前記直交ミキサのうちの一方（３０）により、前記高周波搬送波信号との混合によって基底帯域へと戻るように混合され、前記直交ミキサ（３０）の出力部において同相成分として用意され、
前記反射信号（１０）は、２つの前記直交ミキサ（３０，３１）のうちの他方の直交ミキサ（３１）により、９０°時間シフトされた前記高周波搬送波信号（２９）との混合によって基底帯域へと戻るように混合され、前記他方の直交ミキサ（３１）の出力部において直交成分として用意され、
前記同相成分は、前記相関器（１３）の前記アナログミキサ（１６）に供給され、前記直交成分は、別の相関器（２５）のアナログミキサに供給され、
前記送信信号（９）または前記送信信号（９）から導出された信号（１２）は、前記相関器（１３，２５）の前記ミキサに別の混合信号としてそれぞれ同一に供給される、
請求項１から８までのいずれか１項記載の方法（１）。
【請求項１１】
前記媒体（２）上において、例えばフロートの形態の、符号化された反射器（３２）が使用され、
前記反射器（３２）の符号化は、符号化された前記送信信号（９）の前記反射信号（１０）がパルス状となるように選択されており、
パルス状の前記反射信号（１０）は、パルスミキサ（３３）に供給され、前記パルスミキサ（３３）により、パルス発生器（３４）によって生成されたパルスと混合され、順次にサンプリングされ、特に、アナログローパスフィルタによるローパスフィルタリングと、アナログ／デジタル変換器による後続のサンプリングおよび量子化と、デジタル積分器による積分と、によってサンプリングされる、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法（１）。
【請求項１２】
連続波レーダ測定によって媒体（２）の充填レベルを特定するための充填レベル測定装置（３）であって、
前記充填レベル測定装置（３）は、符号系列発生器（６）を有し、前記符号系列発生器（６）によって符号系列（７）が生成され、
前記充填レベル測定装置（３）は、送信器（８）を有し、前記送信器（８）から前記符号系列（７）によって符号化された送信信号（９）が送出され、
前記充填レベル測定装置（３）は、受信器（１１）を有し、前記受信器（１１）は、前記媒体（２）において少なくとも部分的に反射された前記送信信号（９）を反射信号（１０）として受信し、
前記充填レベル測定装置（３）は、相関器（１３）を有し、前記相関器（１３）によって、前記反射信号（１０）と、前記送信信号（９）から導出された信号（１２）と、が相関分析に供されて相関結果がもたらされ、
前記充填レベル測定装置（３）は、制御および評価ユニット（１５）を有し、前記制御および評価ユニット（１５）は、前記相関結果を用いて、相関されている信号同士の時間オフセットと、そこから媒体の充填レベルと、を特定する、
充填レベル測定装置（３）において、
前記相関器（１３）は、アナログミキサ（１６）を有し、前記アナログミキサ（１６）により、前記反射信号（１０）と、前記送信信号（９）から導出された信号（１２）と、がミキサ出力信号へと混合され、
前記相関器（１３）は、アナログ／デジタル変換器（１７）を有し、前記アナログ／デジタル変換器（１７）により、前記ミキサ出力信号がサンプリングされ、デジタルのミキサ出力信号へと量子化され、
前記相関器（１３）は、デジタル積分器（１８）を有し、前記デジタル積分器（１８）により、一連の前記デジタルのミキサ出力信号が前記相関結果へとデジタルで積分される、
ことを特徴とする充填レベル測定装置（３）。
【請求項１３】
前記相関器（１３）は、アナログローパスフィルタ（１９）を有し、
前記ミキサ出力信号は、前記ローパスフィルタ（１９）によってフィルタリングされ、
ローパスフィルタリングされた前記ミキサ出力信号は、前記アナログ／デジタル変換器（１７）によってサンプリングされ、デジタルのミキサ出力信号へと量子化される、
請求項１２記載の充填レベル測定装置（３）。
【請求項１４】
前記符号系列発生器（６）によって、長さＮｃｏｄｅのバイナリ符号系列（２２）が生成され、
前記送信器（８）は、前記バイナリ符号系列（２２）の、ビット持続時間Ｔｃｈｉｐを有するそれぞれのビットを送出し、
これによって前記送信器（８）は、バイナリ符号系列持続時間Ｔｃｏｄｅ＝Ｎｃｏｄｅ×Ｔｃｈｉｐを有する前記バイナリ符号系列（２２）を送出する、
請求項１２または１３記載の充填レベル測定装置（３）。
【請求項１５】
前記ミキサ出力信号、特にローパスフィルタリングされたミキサ出力信号のサンプリングは、ビット周波数ｆｃｈｉｐ＝１／Ｔｃｈｉｐと符号系列周波数ｆｃｏｄｅ＝１／Ｔｃｏｄｅとの間で、前記アナログ／デジタル変換器（１７）のサンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅによって実施され、
特に、前記アナログ／デジタル変換器（１７）の前記サンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅは、前記符号系列周波数ｆｃｏｄｅの少なくとも２倍に相当し、好ましくは前記符号系列周波数ｆｃｏｄｅの１０を超える倍数に相当する、
請求項１４記載の充填レベル測定装置（３）。
【請求項１６】
前記充填レベル測定装置（３）には遅延素子（２０）が含まれており、符号化された前記送信信号（９）は、前記遅延素子（２０）の入力側に供給され、前記遅延素子（２０）は、時間遅延された前記符号化された送信信号（９）を、前記送信信号から導出された信号（１２）として出力する、
および／または、
前記充填レベル測定装置（３）には別の符号系列発生器（２１）が含まれており、前記別の符号系列発生器（２１）は、前記符号系列発生器（６）と同じ符号系列（７’）を、前記符号系列発生器（６）の前記符号系列（７）に対して時間シフトさせて、前記送信信号（９）から導出された信号（１２）として出力する、
請求項１２から１５までのいずれか１項記載の充填レベル測定装置（３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続波レーダ測定によって媒体の充填レベルを特定するための方法であって、符号系列発生器によって符号系列が生成され、符号系列によって符号化された送信信号が送信器から送出され、送信信号は、媒体において少なくとも部分的に反射され、受信器によって反射信号として受信され、反射信号と送信信号から導出された信号とが、相関器によって相関分析に供されて相関結果がもたらされ、制御および評価ユニットが、相関結果を用いて、相関されている信号同士の時間オフセットと、そこから媒体の充填レベルと、を特定する、方法に関する。本発明はさらに、連続波レーダ測定によって媒体の充填レベルを特定するための充填レベル測定装置であって、この充填レベル測定装置は、符号系列発生器と、送信器と、受信器と、相関器と、制御および評価ユニットと、を有し、これらは、上記の方法が当該測定装置によって実現されるように使用され、かつ協働する、装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダ測定に基づいた充填レベル測定装置は、長年にわたって工業的に使用されてきた。充填レベル測定装置と、充填レベル測定装置において使用される方法と、に共通することは、充填レベル測定装置において生成された送信信号が、所定の送出位置から媒体の表面に到達して、そこから反射信号として受信器の所定の位置に戻るために要する時間が測定されることであり、この場合、受信器とは、反射信号を物理的に受信する位置（例えば受信アンテナ）だけでなく、反射信号を評価する場所または局所的な領域も意味すると理解される。いずれにしても、経過時間を測定し、電磁波の伝播速度を把握することによって、充填レベル測定装置からの媒体表面の距離を推定することが可能である。
【０００３】
技術的な構成として、実質的に、ケーブル接続された充填レベル測定装置と、自由に放射する充填レベル測定装置と、が区別される。ケーブル接続された装置の場合には、測定されるべき体積の中に垂下されたケーブルに沿って電磁波が伝播するので、このようなレベル測定装置は、比較的干渉耐性を有する。しかしながら、このような充填レベル測定装置は、測定プローブとして使用されるケーブルを、測定されるべき経路内に収容しなければならないという欠点を有する。自由に放射する充填レベル測定装置の場合には、この問題は生じない。なぜなら、電磁波は、アンテナとして構成された送信器を介して、測定されるべき空間に自由空間波として送出されるからである。このような充填レベル測定装置は、例えばハウジング内のハウジング壁または内部構造物に由来する寄生的なエコーの受信に起因して、ある程度の干渉の影響を受けやすい。本明細書において考慮される方法および本明細書において考慮される充填レベル測定装置では、上述のような導波の形式および方式は重要ではない。
【０００４】
本明細書において考慮される方法および本明細書において考慮される充填レベル測定装置の形式にとって重要なのは、連続波レーダ測定の原理が使用されることであり、この連続波レーダ測定では、パルスレーダとは対照的に、測定動作の期間中に送信信号が連続的に送出され、本明細書では、この送信信号に特定の符号化が実施される。この理由から、連続波レーダ測定は、「ＣＷレーダ（continuous wave radar）」とも呼ばれる。送信信号の符号化により、送信信号の期間にわたって送信信号に特徴的な、ひいては識別可能なパターンが加えられ、これによって、送信信号におけるそれぞれの位置が識別可能となる。そうすると原理的に、充填レベル測定装置の相関器において、符号化された送信信号と、（同じ符号化を有する）反射信号と、が相互に比較され、この際、符号化は、送信信号と反射信号との間の時間オフセットを特定することを可能にする。元々の送信信号は、反射信号の到着時にはもはや利用可能ではないので、通常、送信信号から導出される信号が生成され、この導出された信号は、相関器による相関分析を有意義に実施可能にするために、送信信号と同じ符号化を有する。相関結果に基づいて、相関されている信号同士の時間オフセットと、そこから媒体の充填レベルと、を特定することができる。
【０００５】
従来技術から、連続波を用いた充填レベル測定装置によって充填レベルを特定するために実質的に２つの異なる方法が公知である。第１の方法では、信号処理全体がアナログ回路技術において、すなわち時間的に連続して、サンプリングおよび量子化なしで実施され、すなわち相関器も、アナログ回路技術で構築されている。この場合、反射信号は、符号化された送信信号と、または、符号化された送信信号から導出される送信信号と、混合（乗算）され、直接的に、またはアナログローパスフィルタを介してアナログ積分器に供給される。その場合、積分器およびローパスフィルタも、例えば演算増幅器または他のアナログの半導体回路技術によって実装される。この解決法において問題なのは、高精度の測定を実施するために、すなわち相関積分を計算するために、積分器が既知の積分時間も非常に精確に遵守しなければならないことである。必然的に構成部材の誤差を有し、経年劣化の影響を受け、時にはかなりの温度依存性を有するアナログの回路コンポーネントであるので、このことを保証することは困難である。
【０００６】
別の方法では、信号処理全体が受信チェーンにおいて完全にデジタルに、すなわち時間的に離散して値的にも量子化される。このために、反射信号は、（直接的または順次に）サンプリングされ、続いて、デジタル信号処理においてデジタル相関フィルタが実現される。この方法では、回路的に完全にアナログ技術で実施される信号処理のいくつかの欠点が回避されるが、このために、別の欠点が甘受され、例えば、信号対雑音比が悪化したり、実際には比較的短時間の相関しか関心が持たれないにもかかわらず常に符号系列の全長にわたって延在し得る、反射信号の順次のサンプリングに起因して、測定時間が長くなったりするなどの欠点が甘受される。さらに、高周波の反射信号をサンプリングするための適切なサンプリング回路を実現するための費用は相当なものである。なぜなら、高周波帯域幅全体をカバーする高周波コンポーネントしか使用することができないからである。さらなるデジタル信号処理も、デジタル信号プロセッサが使用されるか、または場合によってＦＰＧＡを用いた解決策が使用されるかに関わらず、技術的に要求が高く、高コストである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、従来技術から公知の解決策の欠点が大幅に回避された、連続波レーダ測定によって媒体の充填レベルを特定するための方法と、これに関連する充填レベル測定装置と、を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題は、冒頭に記載された連続波レーダ測定によって媒体の充填レベルを特定するための方法と、冒頭に記載された充填レベル測定装置と、において、相関器は、アナログミキサを有し、反射信号と送信信号から導出された信号とがアナログミキサによってミキサ出力信号へと混合され、相関器は、アナログ／デジタル変換器を有し、アナログ／デジタル変換器により、ミキサ出力信号がサンプリングされ、デジタルのミキサ出力信号へと量子化され、相関器は、デジタル積分器を有し、デジタル積分器により、一連のデジタルのミキサ出力信号が相関結果へとデジタルで積分される、ことによって解決される。すなわち本提案の解決策は、従来技術とは異なり、受信側の信号処理が、純粋にアナログに（すなわち、時間的に連続して、クロックされていないクロックハードウェア）構築されるのではなく、また、離散的なサンプリングシステムのように純粋にデジタル技術で構築されるのではなく、むしろ、高周波領域においてはアナログ回路技術を使用し、時間的な要件が技術的にさほど要求が厳しくない場合には時間的に離散したデジタルの解決策を使用するという、ハイブリッドな相関受信器が実現される。したがって、相関されるべき信号同士を乗算するミキサは、アナログ回路技術で構築されているので、反射信号と送信信号から導出された信号との混合を時間的に連続して、実質的に任意に高速に実施することが可能となる。後続のアナログ／デジタル変換器は、時間的に連続したアナログの世界と、時間的に離散したデジタルの世界と、の間を仲介し、ここでは、ミキサ出力信号の低周波数スペクトル範囲内に位置するサンプリング周波数が選択される。サンプリング周波数は、送信信号または反射信号の周波数で測定されて非常に小さい。同時に、時間積分を高精度に実施することが可能となる。なぜなら、積分器は、デジタル技術で構築されており、クロッキングのために高精度で非常に安定した発振器が存在しており、低コストで利用可能だからである。
【０００９】
本方法の好ましい実施形態によれば、相関器はさらに、アナログローパスフィルタを有し、ミキサ出力信号は、ローパスフィルタによってフィルタリングされ、ローパスフィルタリングされたミキサ出力信号は、アナログ／デジタル変換器によってサンプリングされ、デジタルのミキサ出力信号へと量子化される。アナログローパスフィルタによって、ミキサ出力信号のプリフィルタリングが実施される。アナログローパスフィルタの主な機能は、ミキサ出力信号を、比較的小さなサンプリング周波数によってきれいにサンプリングおよび量子化され得るようにスペクトル的に制限することである。
【００１０】
好ましくは、符号系列発生器によって、長さＮｃｏｄｅのバイナリ符号系列が生成され、送信器は、バイナリ符号系列の、ビット持続時間Ｔｃｈｉｐを有するそれぞれのビットを送出し、これによって送信器は、バイナリ符号系列持続時間Ｔｃｏｄｅ＝Ｎｃｏｄｅ×Ｔｃｈｉｐを有するバイナリ符号系列を送出する。ビット持続時間Ｔｃｈｉｐは、できるだけ高周波数の送信信号および反射信号を得るためにできるだけ小さく選択される。なぜなら、このことは、空間分解能に対して直接的な影響を及ぼすからである。ここでは、ただ１つの符号セグメントのビット持続時間にＴｃｈｉｐが付されており、これによって、クロッキングがハードウェアによって指定されることが示される。
【００１１】
ミキサ出力信号、特にローパスフィルタリングされたミキサ出力信号のサンプリングは、好ましくは、ビット周波数１／Ｔｃｈｉｐ＝ｆｃｈｉｐと符号系列周波数ｆｃｏｄｅ＝１／Ｔｃｏｄｅとの間で、アナログ／デジタル変換器のサンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅによって実施される。符号長さＮｃｏｄｅが大きく選択されればされるほど、後でより低くサンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅを選択することができるようになる。好ましくは、アナログ／デジタル変換器のサンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅは、符号系列周波数ｆｃｏｄｅの少なくとも２倍に相当し、好ましくは符号系列周波数ｆｃｏｄｅの１０を超える倍数として選択される。符号長さＮｃｏｄｅが大きい場合、サンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅは、ビット周波数ｆｃｈｉｐ＝１／Ｔｃｈｉｐを下回る１０の累乗数を選択することができる（例えばＮｃｏｄｅ＝１０００００の場合、アナログ／デジタル変換器のサンプリング周波数をビット周波数よりも５桁小さく選択することができる）。ミキサ出力信号のローパスフィルタリングは、いずれにせよ有用である。なぜなら、ローパスフィルタは、後続のアナログ／デジタル変換器によってできるだけ小さいサンプリング周波数でデジタル化するためのアンチエイリアシングフィルタとして機能し、このことにより、できるだけ有利なアナログ／デジタル変換器を使用することが可能となるからである。
【００１２】
上で説明した特徴は、連続波法によって充填レベルを測定するための特許請求される方法に対しても、特許請求される充填レベル測定装置に対しても等しく適用される。
【００１３】
詳細には、本発明による方法と、本発明による充填レベル測定システムと、を構成するため、かつ発展させるための種々の可能性が存在する。このために、独立請求項に従属する請求項および図面に関連した好ましい実施例の説明が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】連続波レーダ測定によって媒体の充填レベルを特定するための方法と、充填レベル測定装置と、を示す図であり、ここでは、送信信号から導出される信号が遅延素子によって生成される。
【図２】充填レベル測定装置と、充填レベル測定装置において実施される充填レベルを特定するための方法と、を示す図であり、ここでは、送信信号から導出される信号が別個の符号系列発生器によって生成される。
【図３】時間領域および周波数領域における、方法に従って得られた使用される信号の概略図である。
【図４】２つの並列の相関受信器を有する充填レベル測定装置を示す図である。
【図５】自由に放射する充填レベル測定を実現するための、充填レベル測定装置と、充填レベル測定装置において実施される方法と、を示す図である。
【図６】図５と同様であるが、高周波搬送波信号への変調を伴う図である。
【図７】直交振幅変調を伴う、別の充填レベル測定装置を示す図である。
【図８】冗長的な構造における、充填レベル測定装置と、充填レベル測定装置において実施される方法と、を示す図である。
【図９】符号化された反射器を使用した、充填レベル測定装置と、充填レベル測定装置において実施される方法と、を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１、図２および図４〜図９には一貫して、連続波レーダ測定によって媒体２の充填レベルを特定するための方法１と、対応する充填レベル測定装置３と、が示されている。方法ステップは、上記の図面の構造的な図示から、それぞれの概略ブロック図において使用されているブロックの信号の流れ（時間経過）と、機能的な意味内容と、から明らかとなる。
【００１６】
図１には、まず始めに充填レベル測定装置３の基本的な構造が示されている。右側には、媒体２、ここではバルク材が部分的に充填されているサイロ／タンク４が示されている。図１、図２、図８および図９では、タンク４内にそれぞれ導波管として使用されるケーブル５が突入しており、すなわち、ここではＴＤＲ（time domain reflectometry：時間領域反射）による解決策が実施される。図５〜図７の実施例では、タンク４の自由空間内で連続波レーダビームが伝播する。
【００１７】
符号系列発生器６によって符号系列７が生成され、符号系列７によって符号化された送信信号９が送信器８から送出され、送信信号９は、媒体２において少なくとも部分的に反射され、受信器１１によって反射信号１０として受信される。反射信号１０と送信信号９から導出された信号１２とが、相関器１３によって相関分析に供されて、ここから相関結果がもたらされる。相関結果は、相関分析に供された２つの信号、すなわち反射信号１０と送信信号９から導出された信号１２とが相関しているか否かを示す。相関器は、相関積分を計算し、この相関積分は、相関されている信号同士が完全に一致している場合には正規化された形式で値１を供給し、そうでない場合には一致度に応じて１未満の値を供給する。連続時間領域または離散時間領域における関連する相関積分による相関分析は、それ自体公知である。
【００１８】
図示された実施形態では、送信信号９と受信される反射信号１０とは、プロセス側で、すなわちタンク４との接続経路の領域において、単一の物理的な線路を介して往復して導かれる。この実施例では、送信信号９から反射信号１０を分離するために方向性結合器１４が使用され、方向性結合器１４によって、導かれた波の電力成分が信号の伝播方向に応じて他の線路に伝達される。すなわち、この場合には反射信号１０は、方向性結合器１４において受信器１１への線路に供給される。
【００１９】
受信器１１は、図面において複数の場所に部分的に示されており、このことは、実際には、充填レベル測定装置３の複数の異なる部分が反射信号１０の受信に関係しているということによって説明される。
【００２０】
相関器１３の相関結果は、いずれにせよ制御および評価ユニット１５に供給され、制御および評価ユニット１５は、相関結果を用いて、相関されている信号同士の時間オフセットと、ここから媒体の充填レベルと、を特定する。
【００２１】
図面においてそれぞれ見て取れるように、相関器１３は、アナログミキサ１６、すなわち時間的に連続して動作するアナログミキサ１６を有し、反射信号１０と、送信信号から導出された信号１２と、がアナログミキサ１６によってミキサ出力信号へと混合される。ここでの混合は、乗算の形態で実施され、実際には相関積分の被積分関数が形成される。
【００２２】
相関器１３はさらに、アナログ／デジタル変換器１７を有し、アナログ／デジタル変換器１７により、ミキサ出力信号がサンプリングされ、デジタルのミキサ出力信号へと量子化される。
【００２３】
相関器１３はさらに、デジタル積分器１８を有し、デジタル積分器１８により、一連のデジタルのミキサ出力信号が相関結果へとデジタルで積分される。デジタル積分器１８は、ミキサ１６によって計算および出力され、中間ステップにおいてデジタル化された、相関積分の被積分関数の値を積分する。相関積分の計算の正確さのためには、積分期間、すなわち提供された被積分関数の値をデジタル積分器１８が連続的に積分している間の時間を、非常に厳密に遵守することも重要である。このことを、アナログ技術による積分器とは対照的に、デジタル技術によって格段により簡単に非常に高い精度で保証することができる。
【００２４】
図面では、相関器１３を構成する要素、すなわちアナログミキサ１６と、アナログ／デジタル変換器１７と、デジタル積分器１８と、が破線のボックスによって取り囲まれており、この破線のボックスは、受信器のための参照番号１１と、相関器のための参照番号１３と、の両方を支持している。両方の参照符号とも適切であり、相関器１３を構成するアセンブリおよび機能ユニットは、実際には受信経路の最も大きい機能的な部分を構成している。したがって、受信器１１は、相関受信器とも呼ばれる。
【００２５】
この場合に重要なのは、図示された充填レベル測定装置３の受信側が、時間的に連続したアナログの回路技術、すなわちアナログミキサ１１の形態の回路技術を使用しており、それにもかかわらず、時間的に離散した量子化されたデジタル技術も使用していることである。これにより、いわば使用されている構成要素の物理的な挙動において信号処理を実施する高速のアナログ技術が使用され、さほど時間的に重要でない別の領域では、高精度の時間的に離散した電子機器が使用されることが達成される。このような高精度の時間的に離散した電子機器は、例えば、相関積分を計算するための積分時間を非常に厳密に遵守することが可能となることを保証する。このことは、アナログ技術では困難で手間がかかり高価である。したがって、ここに図示されている相関器１３および受信器１１を「ハイブリッドな相関受信器」と呼ぶこともできるであろう。
【００２６】
全ての図面において、相関器１３が、アナログローパスフィルタ１９、すなわち時間的に連続して動作する、ハードウェアで実現されたローパスフィルタ１９を有することが共通しており、ミキサ出力信号は、ローパスフィルタ１９によってフィルタリングされ、ローパスフィルタリングされたミキサ出力信号は、アナログ／デジタル変換器１７によってサンプリングされ、時間的に離散したデジタルのミキサ出力信号へと量子化される。アナログローパスフィルタ１９によってミキサ出力信号が、比較的小さいサンプリング周波数によって、またはそれどころか非常に小さいサンプリング周波数によってきれいにサンプリングおよび量子化され得るようにスペクトル的に制限される。
【００２７】
図１には、送信信号９から導出される信号１２が、送信信号９から遅延素子２０によって生成されることが示されており、したがって、導出された信号は、送信信号９と同じ符号化を有するが、送信信号９に対して時間シフトされている。図２は、これに代わる手順を示し、この手順では、導出される信号１２が、別の符号系列発生器２１によって生成され、別の符号系列発生器２１は、符号系列発生器６と同じ符号系列７’を、ただし符号系列発生器６の符号系列７に対して時間シフトさせて生成する。信号同士のそれぞれ異なる時間シフトに対して相関分析を実施することができるようにするためには、反射信号１０と、導出された信号１２と、の間のそれぞれ異なる時間遅延を、同じ符号化によって設定することが必要である。特定の時間シフトに対して理想的な相関値、またはできるだけ最大の相関値が計算される場合には、この特定の時間シフトは、測定された距離に対する尺度である信号経過時間に対応する。
【００２８】
図３には、生成された信号（図３ａ）が時間領域において例示されており、受信側の挙動が周波数領域（図３ｂ）において例示されている。図３ａは、符号系列発生器６によって生成された、長さＮｃｏｄｅのバイナリ符号系列２２，ｘｂ（ｔ）を示す。次いで、送信器８は、バイナリ符号系列２２の、ビット持続時間Ｔｃｈｉｐを有するそれぞれのビットを送出する。これによって送信器８は、バイナリ符号系列持続時間Ｔｃｏｄｅ＝Ｎｃｏｄｅ×Ｔｃｈｉｐを有するバイナリ符号系列２２を送出する。図３ｂには、ビット周波数ｆｃｈｉｐ＝１／Ｔｃｈｉｐが、充填レベル測定装置における最高周波数のプロセスであることが、周波数軸にわたる概略的な振幅線図で示されている。バイナリ符号系列２２，ｘｂ（ｔ）の振幅スペクトルａｂｓ（Ｘｂ（ｆ））は、極めて広帯域である。デジタルフィルタの伝達関数は、サンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅにわたって実線で示されており、対応するエイリアシングは、破線で示されている。ミキサ出力信号、ここではローパスフィルタリングされたミキサ出力信号のサンプリングは、アナログ／デジタル変換器（１７）のサンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅによって実施される。このサンプリングは、ビット周波数１／Ｔｃｈｉｐと符号系列周波数ｆｃｏｄｅ＝１／Ｔｃｏｄｅとの間で実施され、特に、アナログ／デジタル変換器１７のサンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅは、符号系列周波数ｆｃｏｄｅの少なくとも２倍に相当する。例示的な値は、ここでは、ビット周波数ｆｃｈｉｐ＝２ＧＨｚに対するものである。符号系列の長さに関してＮｃｏｄｅ＝１０００００が設定される場合、符号系列周波数は、わずか２０ｋＨｚである。すなわち、その場合にはサンプリングは、例えばｆｓａｍｐｌｅ＝１００ｋＨｚの周波数によって容易に成功する。アナログローパスフィルタ１９は、後続のアナログ／デジタル変換器１７によってできるだけ小さいサンプリング周波数でデジタル化するためのアンチエイリアシングフィルタとして機能するように設定されている。すなわち、ローパスフィルタの伝達関数ａｂｓ（ＨＴＰ（ｆ））も破線で示されており、ローパスフィルタは、サンプリング周波数ｆｓａｍｐｌｅの約半分を上回っている全ての周波数を抑制する。
【００２９】
図１および図２に関して、送信信号９から導出された信号１２は、送信信号９と同じ符号化を有するが、時間シフトされているということを説明した。このことは、他の図面において図示された他の実施形態にも当てはまる。図示された実施形態では、時間遅延は、ビット持続時間Ｔｃｈｉｐの範囲内で、最大でバイナリ符号系列持続時間Ｔｃｏｄｅ＝Ｎｃｏｄｅ×Ｔｃｈｉｐまで順次に経過され、時間遅延は、それぞれの経過においてそれぞれビット持続時間Ｔｃｈｉｐの分だけ増分的に増加される。このようにして、充填レベル情報を最良の空間分解能で特定することが可能となる。時間遅延をバイナリ符号系列持続時間Ｔｃｏｄｅまで経過させることは必ずしも必要ではなく、むしろ、時間遅延を格段により小さい値Ｔｃｏｄｅにおいて、すなわち既存の最大の測定範囲、ひいては所要の一意性範囲に相当する値において終了させることが有利であり得る。それ以上の経過時間のエコーには関心が持たれず、したがって、Ｔｃｏｄｅよりも短い時間に制限することによって測定時間を節約することが可能となる。
【００３０】
説明から分かるように、複数の異なる信号の生成が相互にどのくらい良好に同調されているかに、測定の正確さが大きく依存している。この理由から、制御および評価ユニット１５は、符号系列発生器６による符号系列７の生成と、送信信号９から導出される信号１２の生成と、ミキサ出力信号のサンプリング、およびローパスフィルタリングされたミキサ出力信号のサンプリングと、好ましくは、デジタル積分器１８の積分と、を少なくとも間接的に同期させて制御し、このことは、図面における対応するブロック間の接続によって図示されている。図示された充填レベル測定装置では、この制御は、クロックおよび同期制御装置２３を介して間接的に制御されるように実施され、クロックおよび同期制御装置２３は、好ましくはデジタルの高精度のタイマクロック２４を有する。この制御は、制御および評価ユニット１５がクロックおよび同期制御装置２３において中央集中的に新しい測定を要求するように実現されており、その場合、クロックおよび同期制御装置２３は、接続されている位置で、すなわち例えば符号系列発生器６，２１およびアナログ／デジタル変換器１７で、対応するプロセスを開始する。
【００３１】
図４に図示された充填レベル測定装置３、または図４に図示された充填レベル測定装置３を動作させるための方法１は、少なくとも１つの別の相関器２５によって、反射信号１０と、送信信号９から導出される別の信号２６と、が当該別の相関器２５によって相関分析に供され、導出される別の信号２６は、少なくとも２つの並列の相関受信器が実現されるように、送信信号９および送信信号９から導出された信号１２とに対して時間シフトされる、ことを特徴とする。このようにして、並列の測定信号処理を実施する相関器バンクが実現される。明瞭性を得るために、補足されるべき機能ブロックは図示において合理的に省略されている。もちろん、制御および評価ユニット１５の両方の相関器１３，２５の相関結果が送信される。
【００３２】
図５は、充填レベル測定装置３と、充填レベルを特定するための関連する方法１と、を示し、この方法は、充填レベル測定が、ケーブルを介して導かれたレーダによって動作するのではなく、自由に放射されたレーダによって動作するという点のみにおいて図２に図示された実施例とは異なっている。
【００３３】
図６の実施形態にも、自由に放射されたレーダによって動作されることが当てはまり、符号系列発生器６によって生成された符号系列７、または符号系列７によって符号化された送信信号９と、送信信号９から導出された信号１２と、は、それぞれ１つのアップミキサ２７，２８により、高周波搬送波信号２９との混合によってより高い周波数帯域へと混合される。２つの相関させるべき信号によるアップミキシングを実施することが重要であり、これらの信号は、ミキサ１６において乗算される。
【００３４】
図７は、充填レベル測定装置３と、充填レベルを特定するための関連する方法１と、を示し、この方法は、符号系列発生器６によって生成された符号系列７、または符号系列７によって符号化された送信信号９が、アップミキサ２７により、高周波搬送波信号２９との混合によってより高い周波数帯へと混合され、受信された反射信号１０が、２つの別個の直交ミキサ３０，３１に供給され、反射信号１０が、２つの直交ミキサのうちの一方３０により、高周波搬送波信号との混合によって基底帯域へと戻るように混合され、直交ミキサ３０の出力部において同相成分として用意され、反射信号１０が、２つの直交ミキサ３０，３１のうちの他方の直交ミキサ３１により、９０°時間シフトされた高周波搬送波信号２９との混合によって基底帯域へと戻るように混合され、他方の直交ミキサ３１の出力部において直交成分として用意され、同相成分は、相関器１３のアナログミキサ１６に供給され、直交成分は、別の相関器２５のアナログミキサに供給され、送信信号９、または送信信号９から導出された信号１２が、相関器１３，２５のミキサに別の混合信号としてそれぞれ同一に供給される、ことを特徴とする。
【００３５】
このようにして実現された直交振幅復調は、基底帯域信号の同相成分および直交成分をもたらし、これらの成分は、２つの別個の信号処理経路（１３，２５）において並列に処理される。これにより、図４の相関器バンクと同様の信号処理経路の並列性が得られるが、ここでは、同相成分および直交成分の制御およびパルス圧縮が、同一の別の符号系列発生器（２１）によって実施される。
【００３６】
図８は、セーフティクリティカルな用途にとって有利であるような、例えばＳＩＬ規格（ＳＩＬ：Safety Integrity Level）に準拠した、複数の並列の充填レベル測定装置を有する冗長的に構成されたシステムを示す。冗長的に、２つ（または場合によっては３つ以上も）の充填レベル測定システム３，３’が使用され、これらの充填レベル測定システム３，３’は、それぞれ相互に独立してタンク／サイロ４内の媒体２の充填レベルを測定する。好ましくはこのために、２つの充填レベル測定装置３，３’は、１つの共通の結合器（送信器８）を有する同一のＴＤＲ測定プローブに接続される。２つの充填レベル測定装置３，３’の相互の影響（干渉）と、ひいては誤った測定と、を符号化されたバイナリ信号（符号系列）の使用によって有利かつ簡単に阻止することができ、または大幅に低減することができる。
【００３７】
このために、２つの異なる充填レベル測定装置における符号系列発生器６は、生成された２つの信号の相互相関関数ができるだけゼロに近くなるように、すなわち２つのバイナリ信号ができるだけ相互に直交するように、それぞれ異なる符号系列を生成するよう設計される。この前提の下では、第１の充填レベル測定装置３の送信信号９と、第２の充填レベル測定装置３’の送信信号９と、が第２の充填レベル測定装置３’内のＴＤＲターゲットの誤った検出をもたらさないこと、およびその逆のこと（符号分割）が保証されている。
【００３８】
図９には、最後に以下のような特徴を有する方法１および充填レベル測定装置３が示されており、すなわち、この方法１および充填レベル測定装置３は、媒体２上において、例えばフロートの形態の、符号化された反射器３２が使用され、反射器３２の符号化が、符号化された送信信号９の反射信号１０がパルス状となるように選択されており、パルス状の反射信号１０が、パルスミキサ３３に供給され、パルスミキサ３３により、パルス発生器３４によって生成されたパルスと混合され、順次にサンプリングされ、すなわち、アナログローパスフィルタによるローパスフィルタリングと、アナログ／デジタル変換器による後続のサンプリングおよび量子化と、デジタル積分器による積分と、によってサンプリングされる、ことを特徴とする。このようにして、２つの異なる測定方法（パルス測定）と、拡散された信号の測定と、を実現することができ、これによってまたしても、２つの並列の信号経路を介した測定同士を比較することにより、自己監視の可能性が与えられている。
【符号の説明】
【００３９】
１  充填レベルを特定するための方法
２  媒体
３  充填レベル測定装置
４  タンク、サイロ、容器
５  ＴＤＲケーブル
６  符号系列発生器
７  符号系列
７’  符号系列７と同様であるが、時間シフトされている
８  送信器
９  符号化された送信信号
１０  反射信号
１１  受信器
１２  送信信号から導出された信号
１３  相関器
１４  方向性結合器
１５  制御および評価ユニット
１６  アナログミキサ
１７  アナログ／デジタル変換器
１８  デジタル積分器
１９  ローパスフィルタ
２０  遅延素子
２１  別の符号系列発生器
２２  バイナリ符号系列
２３  クロックおよび同期制御装置
２４  タイマクロック
２５  別の相関器
２６  送信信号９から導出される別の信号
２７，２８  アップミキサ
２９  高周波搬送波信号
３０，３１  直交ミキサ
３２  符号化された反射器
３３  パルスミキサ
３４  パルス発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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