本发明涉及雷达物位计的技术领域，特别涉及一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统。
背景技术：
雷达物位计因其具有非接触工作方式、实时传感、应对各种复杂环境的优势，被广泛应用于物料物位的测量。根据雷达工作信号的不同，可以将雷达分为脉冲体制雷达和调频连续波体制雷达，与脉冲体制雷达相比，调频连续波体制雷达应用于物位计领域具有明显的优势，可根据待检测的目标信息不同，采取不同调制方式的工作信号，并且以较小的发射功率即可探测到远距离的目标信息，具有功耗低、灵活性高的特点。
然而，现有的调频连续波体制雷达物位计大多是单点测量的工作方式，即测量某一个点的物料高度，而无法同时获取整个料仓物料的三维物位，常规的固体物料表面通常为曲面，对于表面分布不规则的固体料面，单点测量误差大，难以获取其真实的物位高度。实现物料的三维物位图像检测，需要调频连续波雷达的波束具有扫描功能。机械控制雷达波束扫描是调频连续波雷达物位计实现三维物位图像检测的方式之一。该雷达是利用机械手段，通过控制雷达天线的摆动和旋转，实现波束的二维扫描。然而，机械扫描的波束扫描速度慢，机械控制系统的引入增加了物位计的复杂度、功耗、重量和体积，使得物位计抵抗外界机械振动性差，可靠性降低。另一种是通过多发多收通道来实现物料的三维物位信息测量。该雷达物位计的每个发射和接收通道都是集成移相器的有源通道，其中每个接收通道还需要集成混频器，使得系统复杂度高，成本显著增加。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，利用相控阵天线技术，结合单发射和单接收调频连续波雷达系统，实现物料三维物位的测量。为了实现本发明的上述目的和其他优点，提供了一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，包括：
硬件部件及用于控制调整所述硬件部件的软件部件，所述软件部件包括微控制器；
所述硬件部件包括接收通道与发射通道，所述接收通道与所述发射通道均与微控制器信号连接，所述接收通道与所述发射通道通过高速电控开关连接有相控阵收发天线，所述相控阵收发天线包括多条通道，每个所述通道包括电控移相器、与所述电控移相器信号连接的放大器及与所述放大器信号连接的天线单元，其中放大器也可被替换为衰减器。
优选的，所述发射通道包括锁相环、与所述锁相环信号连接的压控振荡器、与所述压控振荡器信号连接的功分器及与所述功分器信号连接的功率放大器，其中功分器也可被替换为耦合器。
优选的，所述接收通道包括a/d转换器、与所述a/d转换器信号连接的可控增益放大器、与所述可控增益放大器信号连接的滤波器、与所述滤波器信号连接的混频器及与所述混频器信号连接的低噪声放大器。
优选的，所述锁相环与压控振荡器用于产生调频连续波信号，所述功分器用于将调频连续波射频信号功分一路信号用以和接收的回波信号混频，以产生中频信号，所述功率放大器用于放大并获得足够功率的射频信号。
优选的，所述a/d转换器用于将输出的中频模拟信号转换成数字信号，所述可控增益放大器用于根据不同探测目标及距离改变相应的增益，输出包含目标信息的中频信号，所述滤波器用于滤掉高频谐波信号得到中频信号，所述混频器用于混合功分的本振信号和接收到的回波信号，获得中频信号，所述低噪声放大器用于放大接收的回波信号。
优选的，所述系统的工作频段为微波、毫米波或太赫兹频段，且所述微控制器用于控制所述接收通道与所述发射通道中的器件且实现雷达数字信号处理，微控制器获取目标位置和目标特征信息。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本发明系统中的单发射通道和单接收通道时分复用一套相控阵天线，由高速电控开关控制其在发射通道和接收通道之间切换，完成波束扫描，实现对料仓物料的三维物位测量，具有系统结构简单和低成本的特点。
(2)本发明系统采用的是调频连续波体制雷达物位计，与脉冲体制雷达物位计相比，它可以根据想要获得的不同目标信息改变它的调制方式，并且以较小的功率就可以探测到远距离的目标信息，具有高灵活性。
(3)该雷达系统只含有一个发射通道和接收通道，发射通道和接收通道时分复用一个相控阵天线，由高速电控开关控制相控阵天线在发射通道与接收通道之间切换，相控阵中每一个通道都由电控移相器、放大器(衰减器)和天线单元组成，电控移相器用来调整馈电通道天线单元的相位，进而控制天线阵列的主辐射波束扫描角度，从方位角和俯仰角两个维度作波束扫描，以覆盖物料的分布区域，完成对物料的检测，本发明提出的基于高速电控开关时分复用一套相控阵天线和单发射/单接收通道的调频连续波雷达系统响应速度，能够满足各种物位监测应用。
附图说明
图1为根据本发明的具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统结构框图。
图中：1.微控制器；2.锁相环；3.压控振荡器；4.功分器(耦合器)；5.功率放大器；6.电控移相器；7.放大器；8.天线单元；9.a/d转换器；10.可控增益放大器；11.滤波器；12.混频器；13.低噪声放大器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，包括：硬件部件及用于控制调整所述硬件部件的软件部件，所述软件部件包括微控制器(microcontrollerunit,mcu)1；
所述硬件部件包括接收通道与发射通道，所述接收通道与所述发射通道均与微控制器1信号连接，所述接收通道与所述发射通道通过高速电控开关连接有相控阵收发天线，所述相控阵收发天线包括多条通道，每个所述通道包括电控移相器6、与所述电控移相器6信号连接的放大器(衰减器)7及与所述放大器(衰减器)7信号连接的天线单元8，放大器(衰减器)7用来放大(衰减)进入通道的信号功率，电控移相器6用来调整馈电通道天线单元8的相位，进而控制天线阵列的主辐射波束扫描角度，从方位角和俯仰角两个维度作波束扫描，以覆盖物料的分布区域，完成对物料的检测，所有相控阵天线通道通过功率合成器合为一路，一路的相控阵信号通过高速电控开关与雷达的发射/接收通道连接，所述发射通道和接收通道共用一套相控阵收发天线，通过高速电控开关实现相控阵天线与发射通道和接收通道的收发时分复用切换，系统产生的调频连续波信号，经该开关切换至相控阵天线单元8，将信号发送至检测区域，信号遇到目标物体后发生反射，反射信号经相控阵天线单元8接收，此时该开关切换至接收通道，由接收通道的混频器将回波信号与本振信号相混合，获得携带物料位置和目标特性信息的中频信号，且所述接收通道与发射通道共用一个微控制器1，微控制器1用以控制发射通道的压控振荡器3(voltagecontrolledoscillator,vco)和锁相环2(phaselockedloop，pll)产生调频连续波信号，控制接收通道的可控增益放大器10，同时对接收通道输出的数字采样中频信号进行数字信号处理，以获取目标信息。
进一步的，所述发射通道包括锁相环2、与所述锁相环2信号连接的压控振荡器3、与所述压控振荡器3信号连接的功分器(耦合器)4及与所述功分器(耦合器)4信号连接的功率放大器5，所述锁相环2与压控振荡器3用于产生调频连续波信号，所述功分器(耦合器)4用于将调频连续波射频信号功分一路信号用以和接收的回波信号混频，以产生中频信号，所述功率放大器5用于放大并获得足够功率的射频信号，经由相控阵天线发送出去。
进一步的，所述接收通道包括a/d转换器9、与所述a/d转换器9信号连接的可控增益放大器10、与所述可控增益放大器10信号连接的滤波器11、与所述滤波器11信号连接的混频器12及与所述混频器12信号连接的低噪声放大器13，所述a/d转换器9用于将输出的中频模拟信号转换成数字信号，以便于后续进行数字信号处理获取目标信息，可控增益放大器10由微控制器1控制，所述可控增益放大器10用于根据不同探测目标及距离改变相应的增益，输出包含目标信息的中频信号，所述滤波器11用于滤掉高频谐波信号得到中频信号，所述混频器12用于混合功分的本振信号和接收到的回波信号，获得中频信号，所述低噪声放大器13用于放大接收的回波信号。
进一步的，所述系统的工作频段为微波、毫米波或太赫兹频段，且所述微控制器1用于控制所述接收通道与所述发射通道中的器件且实现雷达数字信号处理，微控制器1获取目标位置和目标特征信息。
进一步的，所述系统中的混频器是将系统本身产生的本振信号和目标反射回来的回波信号混合，本振信号频率为ft，接收到的回波信号频率为fr，经过混频器之后获得两个频率ft fr和ft-fr，滤波器滤掉高频谐波之后获得包含目标信息的中频信号ft-fr。
该系统是调频连续波雷达系统，本身可以产生具有一定调制规律的调频连续波信号，该信号经由相控阵天线单元8发射出去后，遇到目标物体会发生反射，携带物料位置和目标特性信息的回波信号经相控阵天线单元8接收，并通过高速电控开关切换至接收通道，通过和本振信号混频，得到中频信号，中频信号经a/d数字采样和数字信号处理，提取出目标物体的位置和目标特性信息。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
1.一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，其特征在于，包括：
硬件部件及用于控制调整所述硬件部件的软件部件，所述软件部件包括微控制器(1)；
所述硬件部件包括接收通道与发射通道，所述接收通道与所述发射通道均与微控制器(1)信号连接，所述接收通道与所述发射通道通过高速电控开关连接有相控阵收发天线，所述相控阵收发天线包括多条通道，每个所述通道包括电控移相器(6)、与所述电控移相器(6)信号连接的放大器(7)及与所述放大器(7)信号连接的天线单元(8)。
2.如权利要求1所述的一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，其特征在于，所述发射通道包括锁相环(2)、与所述锁相环(2)信号连接的压控振荡器(3)、与所述压控振荡器(3)信号连接的功分器(4)及与所述功分器(4)信号连接的功率放大器(5)。
3.如权利要求1所述的一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，其特征在于，所述接收通道包括a/d转换器(9)、与所述a/d转换器(9)信号连接的可控增益放大器(10)、与所述可控增益放大器(10)信号连接的滤波器(11)、与所述滤波器(11)信号连接的混频器(12)及与所述混频器(12)信号连接的低噪声放大器(13)。
4.如权利要求2所述的一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，其特征在于，所述锁相环(2)与压控振荡器(3)用于产生调频连续波信号，所述功分器(4)用于将调频连续波射频信号功分一路信号用以和接收的回波信号混频，以产生中频信号，所述功率放大器(5)用于放大并获得足够功率的射频信号。
5.如权利要求3所述的一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，其特征在于，所述a/d转换器(9)用于将输出的中频模拟信号转换成数字信号，所述可控增益放大器(10)用于根据不同探测目标及距离改变相应的增益，输出包含目标信息的中频信号，所述滤波器(11)用于滤掉高频谐波信号得到中频信号，所述混频器(12)用于混合功分的本振信号和接收到的回波信号，获得中频信号，所述低噪声放大器(13)用于放大接收的回波信号。
6.如权利要求1所述的一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器系统，其特征在于，所述系统的工作频段为微波、毫米波或太赫兹频段，且所述微控制器(1)用于控制所述接收通道与所述发射通道中的器件且实现雷达数字信号处理，微控制器(1)获取目标位置和目标特征信息。
技术总结