探討有關(guān)物位計(jì)測量技術(shù)的研究

3.2 脈沖與調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位計(jì)

微波物位計(jì)按使用微波的波形可分為脈沖波和調(diào)頻連續(xù)波兩大類。

3.2.1 脈沖雷達(dá)物位計(jì)

脈沖雷達(dá)的發(fā)射原理比較簡單，即雷達(dá)向距離為 R 的目標(biāo)發(fā)送一個高頻脈沖，微波遇到介質(zhì)后被反射回來，測得發(fā)送與接收的延遲時間，利用式(1)即可求得距離。但是，由于其靠時間來計(jì)算數(shù)值，因此，需要對事件精確到幾+皮秒(1ps = 10-12s) 。

假設(shè)記錄時間的芯片最高精度為 50Ps ，按式(l) 可得到其測量誤差距離精度為：△R= △t×c=15mm, 即脈沖雷達(dá)如果僅靠時間來處理數(shù)據(jù)，其最高精度為15mm 。所以，早期脈沖雷達(dá)大都采用時間拓展的方法來進(jìn)行時間的準(zhǔn)確測量與記錄，外加多次測量求平均的辦法。但采用拓展時間以及平均法求值，其最終精度要達(dá)到5～10mm具有一定的難度。

3.2.2 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位計(jì)

調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)的原理為發(fā)送具有一定帶寬、頻率線性變化的連續(xù)信號，再對接收到的連續(xù)信號進(jìn)行快速傅里葉變換，通過發(fā)送與接收信號的頻率差來計(jì)算兩個信號的時間差，最后與脈沖波雷達(dá)物位計(jì)一樣，由時間差得到對應(yīng)的距離值。FMCW雷達(dá)能夠獲取很高的精度，其精度主要取決于壓控振蕩器的線性度和溫漂。

FMcw 雷達(dá)通過發(fā)射頻率調(diào)制的連續(xù)波信號，從回波信號中提取目標(biāo)距離信息。FMcw分為線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻(如正弦波調(diào)頻)兩種。使用非線性調(diào)頻方式時，每個目標(biāo)產(chǎn)生的差拍頻率不唯一，一般只適用于單目標(biāo)的場合，如雷達(dá)高度計(jì)等;線性調(diào)頻方式適合于用FFT算法測量頻率，應(yīng)用最廣。這種方式使每個目標(biāo)產(chǎn)生的差拍信號都是單一頻率，但其對線性調(diào)頻的線性度要求很高，比較常用的調(diào)制波形是三角波和鋸齒波，物位儀表常用鋸齒波高頻方式。FMCW 雷達(dá)發(fā)射和接收信號的原理如圖2所示。

圖2中，實(shí)線為雷達(dá)天線發(fā)送信號ft;虛線為雷達(dá)接收信號fr;B為信號的帶寬。發(fā)射信號的調(diào)頻周期T要遠(yuǎn)大于目標(biāo)最大回波時延td，即信號由天線發(fā)送經(jīng)物料反射，再由天線接收所經(jīng)的時間td比信號期T要小得多。發(fā)送信號和接收信號由于時延引起頻率的變換它們的頻率差就是差頻信號，可用fif表示。顯然差額信號fif的大小正比于天線與目標(biāo)間的距離R，即：

式中：c為光速，3×108m/s;T為信號周期，B為信號帶寬，均為已知參數(shù)。獲得差頻信號fif的值最簡單的方法是利用傅里葉變換方法，通過頻譜分析求得。

與脈沖雷達(dá)相比，調(diào)頻雷達(dá)抗干擾能力強(qiáng)，這使得它能夠運(yùn)用于更多的環(huán)境，但其價格昂貴雷達(dá)的2～2.5倍左右。FMCW 雷達(dá)發(fā)射的是連續(xù)波脈沖雷達(dá)的(峰值)功率小很多。發(fā)射功率小具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 電源電壓大大降低，這對于用于油艙內(nèi)液位測量系統(tǒng)的安全性非常重要;② 發(fā)射系統(tǒng)便于用固態(tài)器件實(shí)現(xiàn)，從而使得發(fā)射系統(tǒng)尺寸大大減小，可靠性提高;③ FMCW 雷達(dá)極寬的信號帶寬使其具有很高的距離分辨率和距離測量精度，以及較強(qiáng)的抗干擾性。

四、雷達(dá)料位計(jì)測量技術(shù)難點(diǎn)

由于固態(tài)物料(如沙石、煤炭等)的料面都有一定的安息角，因此固態(tài)料面的測量基本上是利用波在粗糙表面的漫反射。形成漫反射的條件近似于：顆粒直徑〉1/6波長。則波長λ與頻率f的關(guān)系為: c=λf (3)可以算出它的波長為8.6mm , 對顆粒直徑為2mm 以上的物料都可形成良好的漫反射;而當(dāng)c為光速3×l08m/s,采用X波段頻率為5.8GHz或6GHz 的微波物位計(jì)時，由式(3)可得波長約為52mm ，對于粒徑較小的顆粒狀物位，漫反射效果差，回波信號干擾嚴(yán)重。為改善測量性能，可提高發(fā)射信號的頻率，采用K波段(24GHz或26GHz)，從而得到較好的回波信號。從雷達(dá)料位計(jì)的測量原理可知，雷達(dá)料位計(jì)是通過處理雷達(dá)波從探頭發(fā)射到介質(zhì)表面，然后返回到探頭的時間來測量料位的。反射信號中混合有許多干擾信號，因此，對真實(shí)回波的處理和對各種虛假回波的識別技術(shù)就成為雷達(dá)料位計(jì)能否準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵因素。由于液面波動和隨機(jī)噪聲等因素的影響，檢測信號中必然混有大量噪聲 ，為了提高檢測的準(zhǔn)確度，必須對檢測信號進(jìn)行處理，盡可能消除噪聲。

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)必須在發(fā)射的同時進(jìn)行接收，如果采用同一天線進(jìn)行發(fā)射和接收，必須有效地防止發(fā)射信號直接泄漏到接收系統(tǒng)，因此，可采用環(huán)行器隔離發(fā)射接收信號。為了保證測量精度的要求，還必須采取有效的措施保證發(fā)射信號頻率的穩(wěn)定度和線性度。

五、結(jié)束語

近年來，微電子技術(shù)的滲入大大促進(jìn)了新型物位測量技術(shù)的發(fā)展，新的測量技術(shù)促使物位測量儀表產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大變化。電池供電及無線雷達(dá)式物位儀表也開始在市場上出現(xiàn)。所有這些技術(shù)上取得的進(jìn)步以及不斷下降的價格正推動著雷達(dá)式物位儀表的不斷增長。