物位計(jì)測(cè)量技術(shù)分析及應(yīng)用研究

　　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(gè)高頻脈沖，微波遇到介質(zhì)后被反射回來，測(cè)得發(fā)送與接收的延遲時(shí)間，利用式(1)即可求得距離。但是，由于其靠時(shí)間來計(jì)算數(shù)值，因此，需要對(duì)事件精確到幾+皮秒(1ps = 10-12s) 。

　　假設(shè)記錄時(shí)間的芯片最高精度為 50Ps ，按式(l) 可得到其測(cè)量誤差距離精度為：△R= △t×c=15mm, 即脈沖雷達(dá)如果僅靠時(shí)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(shí)間拓展的方法來進(jìn)行時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量與記錄，外加多次測(cè)量求平均的辦法。但采用拓展時(shí)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(hào)，再對(duì)接收到的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，通過發(fā)送與接收信號(hào)的頻率差來計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差，最后與脈沖波雷達(dá)物位計(jì)一樣，由時(shí)間差得到對(duì)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(hào)，從回波信號(hào)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(shí)，每個(gè)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(chǎng)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(cè)量頻率，應(yīng)用最廣。這種方式使每個(gè)目標(biāo)產(chǎn)生的差拍信號(hào)都是單一頻率，但其對(duì)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(hào)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(hào)ft;虛線為雷達(dá)接收信號(hào)fr;B為信號(hào)的帶寬。發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻周期T要遠(yuǎn)大于目標(biāo)最大回波時(shí)延td，即信號(hào)由天線發(fā)送經(jīng)物料反射，再由天線接收所經(jīng)的時(shí)間td比信號(hào)期T要小得多。發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)由于時(shí)延引起頻率的變換它們的頻率差就是差頻信號(hào)，可用fif表示。顯然差額信號(hào)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(hào)周期，B為信號(hào)帶寬，均為已知參數(shù)。獲得差頻信號(hào)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(jià)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(duì)于用于油艙內(nèi)液位測(cè)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(hào)帶寬使其具有很高的距離分辨率和距離測(cè)量精度，以及較強(qiáng)的抗干擾性。

　　四、雷達(dá)料位計(jì)測(cè)量技術(shù)難點(diǎn)

　　由于固態(tài)物料(如沙石、煤