探討有關(guān)物位計測量技術(shù)的研究

3.2 脈沖與調頻連續波雷達物位計

微波物位計按使用微波的波形可分為脈沖波和調頻連續波兩大類(lèi)。

3.2.1 脈沖雷達物位計

脈沖雷達的發(fā)射原理比較簡(jiǎn)單，即雷達向距離為 R 的目標發(fā)送一個(gè)高頻脈沖，微波遇到介質(zhì)后被反射回來(lái)，測得發(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(lái)計算數值，因此，需要對事件精確到幾+皮秒(1ps = 10-12s) 。

假設記錄時(shí)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, 即脈沖雷達如果僅靠時(shí)間來(lái)處理數據，其最高精度為15mm 。所以，早期脈沖雷達大都采用時(shí)間拓展的方法來(lái)進(jìn)行時(shí)間的準確測量與記錄，外加多次測量求平均的辦法。但采用拓展時(shí)間以及平均法求值，其最終精度要達到5～10mm具有一定的難度。

3.2.2 調頻連續波雷達物位計

調頻連續波(FMCW)雷達的原理為發(fā)送具有一定帶寬、頻率線(xiàn)性變化的連續信號，再對接收到的連續信號進(jìn)行快速傅里葉變換，通過(guò)發(fā)送與接收信號的頻率差來(lái)計算兩個(gè)信號的時(shí)間差，最后與脈沖波雷達物位計一樣，由時(shí)間差得到對應的距離值。FMCW雷達能夠獲取很高的精度，其精度主要取決于壓控振蕩器的線(xiàn)性度和溫漂。

FMcw 雷達通過(guò)發(fā)射頻率調制的連續波信號，從回波信號中提取目標距離信息。FMcw分為線(xiàn)性調頻和非線(xiàn)性調頻(如正弦波調頻)兩種。使用非線(xiàn)性調頻方式時(shí)，每個(gè)目標產(chǎn)生的差拍頻率不唯一，一般只適用于單目標的場(chǎng)合，如雷達高度計等;線(xiàn)性調頻方式適合于用FFT算法測量頻率，應用最廣。這種方式使每個(gè)目標產(chǎn)生的差拍信號都是單一頻率，但其對線(xiàn)性調頻的線(xiàn)性度要求很高，比較常用的調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 雷達發(fā)射和接收信號的原理如圖2所示。

圖2中，實(shí)線(xiàn)為雷達天線(xiàn)發(fā)送信號ft;虛線(xiàn)為雷達接收信號fr;B為信號的帶寬。發(fā)射信號的調頻周期T要遠大于目標最大回波時(shí)延td，即信號由天線(xiàn)發(fā)送經(jīng)物料反射，再由天線(xiàn)接收所經(jīng)的時(shí)間td比信號期T要小得多。發(fā)送信號和接收信號由于時(shí)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(xiàn)與目標間的距離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。獲得差頻信號fif的值最簡(jiǎn)單的方法是利用傅里葉變換方法，通過(guò)頻譜分析求得。

與脈沖雷達相比，調頻雷達抗干擾能力強，這使得它能夠運用于更多的環(huán)境，但其價(jià)格昂貴雷達的2～2.5倍左右。FMCW 雷達發(fā)射的是連續波脈沖雷達的(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，這對于用于油艙內液位測量系統的安全性非常重要;② 發(fā)射系統便于用固態(tài)器件實(shí)現，從而使得發(fā)射系統尺寸大大減小，可靠性提高;③ FMCW 雷達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，以及較強的抗干擾性。

四、雷達料位計測量技術(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(cháng)。則波長(cháng)λ與頻率f的關(guān)系為: c=λf (3)可以算出它的波長(cháng)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 的微波物位計時(shí)，由式(3)可得波長(cháng)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。從雷達料位計的測量原理可知，雷達料位計是通過(guò)處理雷達波從探頭發(fā)射到介質(zhì)表面，然后返回到探頭的時(shí)間來(lái)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)就成為雷達料位計能否準確測量的關(guān)鍵因素。由于液面波動(dòng)和隨機噪聲等因素的影響，檢測信號中必然混有大量噪聲 ，為了提高檢測的準確度，必須對檢測信號進(jìn)行處理，盡可能消除噪聲。

調頻連續波雷達必須在發(fā)射的同時(shí)進(jìn)行接收，如果采用同一天線(xiàn)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，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)射信號頻率的穩定度和線(xiàn)性度。

五、結束語(yǔ)

近年來(lái)，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?jì)x表產(chǎn)品結構產(chǎn)生了很大變化。電池供電及無(wú)線(xiàn)雷達式物位儀表也開(kāi)始在市場(chǎng)上出現。所有這些技術(shù)上取得的進(jìn)步以及不斷下降的價(jià)格正推動(dòng)著(zhù)雷達式物位儀表的不斷增長(cháng)。