FMCW微波物位計的工作原理介紹

FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的詞頭的縮寫(xiě)。FMCW 技術(shù)是在雷達物位測量設備中最早使用的技術(shù)。

FMCW微波物位計采用線(xiàn)性的調制的高頻信號，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號。它是一種基于復雜數學(xué)公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離。天線(xiàn)發(fā)射出被線(xiàn)性調制的連續高頻微波信號并進(jìn)行掃描，同時(shí)接收返回信號。發(fā)射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系。

如果我們認為被線(xiàn)性調制的發(fā)射微波信號的斜率為K,發(fā)射信號和反射信號的頻率為rf,滯后時(shí)間差為rt,發(fā)射天線(xiàn)到介質(zhì)表面的距離為R，C為光速。

那么我們可以得到：rt = 2R/C

由于采用的是調頻的微波信號，因此我們可得：rf = K×rt；

兩式合并后，我們得到公式：

R = C× rf/2K （公式2）

根據公式2，我們可以看到，天線(xiàn)到介質(zhì)表面的距離R與發(fā)射頻率和反射頻率差rf成正比關(guān)系。

信號處理部分將發(fā)射信號和回波信號進(jìn)行混合處理，得到混合信號頻譜，并通過(guò)獨立的快速傅立葉（FFT）變化來(lái)區分不同的頻率信號，最后得到準確地數字回波信號，計算出天線(xiàn)到介質(zhì)表面的距離。

實(shí)際上，FMCW信號是在兩個(gè)不同的頻率之間循環(huán)。目前市場(chǎng)上的FMCW微波物位計主要以?xún)煞N頻率為主：9到10GHz和24.5到25.5GHz。

采用FMCW原理的微波物位計都具有連續自校準的處理功能。被處理的信號與 一個(gè)表示已知固定距離的內部參照信號進(jìn)行比較。任何差值會(huì )自動(dòng)得 到補償，這樣消除了由溫度波動(dòng)或變送器內部電子部件老化引起的可能的測量漂移。

2.2、脈沖

脈沖雷達物位計，與超聲波技術(shù)相似，使用時(shí)差原理計算到介質(zhì)表面的距離。 設備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號的傳播時(shí)間 直接與到介質(zhì)的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達使用的是電磁波。它利用好幾萬(wàn)個(gè)脈沖來(lái) “掃描”容器并得到完整的回波圖。

通常，采用脈沖方式的微波物位計的精度和可靠性都不如FMCW微波位計，但是脈沖物位計因為價(jià)格較FMCW低很多，因此是目前市場(chǎng)應用得最多的微波物位計。當然，很多生產(chǎn)廠(chǎng)商通過(guò)增強回波處理功能等方式大大提高了脈沖雷達的可靠性。

2.3、導波雷達

也被稱(chēng)作時(shí)域反射式雷達，即TDR。導波雷達是非接觸式雷達和導波天線(xiàn)相結合的產(chǎn)物。它將微波信號發(fā)射到導波桿或纜上，使微波能量集中在導波桿或纜周?chē)粫?huì )“擴散”。它一般都是采用脈沖波，但也有采用連續波的。

這種工作原理的測量方式使它具有了能夠測量較低的介電常數的介質(zhì)、能夠有效的避開(kāi)容器內干擾物的影響、不受水蒸汽的影響、可以用于測量固體等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它像所有的接觸式物位測量設備一樣，具有易粘附、易磨損，甚至造成斷纜、受粉塵影響較大的缺點(diǎn)。

2.4、技術(shù)評論

我曾經(jīng)在用戶(hù)處，聽(tīng)說(shuō)一種說(shuō)法，采用脈沖技術(shù)比連續調頻原理的雷達要好得多。我覺(jué)得這種說(shuō)法是不科學(xué)。固然，FMCW技術(shù)的雷達存在著(zhù)：成本相對較高，功耗較大等缺陷，但是它的工作方式保證了它的可靠性更優(yōu)，信號的失真度也會(huì )降到最低。因此在一些工況較復雜的應用，依然能體現出它的優(yōu)勢來(lái)。當然，脈沖雷達技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾年的大力發(fā)展，也有了巨大的飛躍，克服了很多技術(shù)上的缺陷，可靠性也大大地提高了。

前段時(shí)間我們有家代理商跟我說(shuō)，有某雷達供應商的銷(xiāo)售跟客戶(hù)提到，脈沖雷達可以實(shí)現在同一個(gè)安裝多臺雷達，而信號不會(huì )相互影響；而FMCW技術(shù)的雷達就會(huì )有問(wèn)題。但是沒(méi)有解釋因為什么原因。我聽(tīng)了之后，覺(jué)得很詫異，市場(chǎng)競爭已經(jīng)到這種程度了？其實(shí)，安裝在同一個(gè)倉上的雷達信號相互影響，恰恰是脈沖雷達的一個(gè)缺點(diǎn)，由于它的工作狀態(tài)是相當于通訊里面“單工”方式，因此容易把其他同規格雷達發(fā)出的信號接受到而產(chǎn)生錯誤測量信號。因此需要通過(guò)做“同步”功能的設置來(lái)修正個(gè)問(wèn)題，而大部分脈沖雷達都具備這個(gè)功能，就相當于將多臺雷達的工作狀態(tài)協(xié)調起來(lái)，同時(shí)發(fā)送或同時(shí)接受。而連續調頻的雷達由于采用類(lèi)似通訊中“全雙工”的工作方式，就不存在這個(gè)問(wèn)題。

各種不同的技術(shù)，存在就有價(jià)值，否則市場(chǎng)就會(huì )淘汰它。所以，我的看法是，在市場(chǎng)上能生存的各種技術(shù)也好，品牌也好，都有它的價(jià)值，不存在單純意義上的好或者不好，這要看具體用在什么地方，怎么用。最適合的就是最好的。就好比麻將牌，任何一張牌都可能是好牌，也可能是壞牌，就看你怎么打了。