FMCW微波物位計(jì)的工作原理

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

FMCW微波物位計(jì)采用線性的調(diào)制的高頻信號(hào)，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號(hào)。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測(cè)量方法，由頻譜計(jì)算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號(hào)并進(jìn)行掃描，同時(shí)接收返回信號(hào)。發(fā)射微波信號(hào)和返回的微波信號(hào)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(rèn)為被線性調(diào)制的發(fā)射微波信號(hào)的斜率為K,發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的頻率為rf,滯后時(shí)間差為rt,發(fā)射天線到介質(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(diào)頻的微波信號(hào)，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(jù)公式2，我們可以看到，天線到介質(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(hào)處理部分將發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行混合處理，得到混合信號(hào)頻譜，并通過(guò)獨(dú)立的快速傅立葉（FFT）變化來(lái)區(qū)分不同的頻率信號(hào)，最后得到準(zhǔn)確地?cái)?shù)字回波信號(hào)，計(jì)算出天線到介質(zhì)表面的距離。

實(shí)際上，F(xiàn)MCW信號(hào)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(jì)主要以兩種頻率為主：9到10GHz和24.5到25.5GHz。

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

2.2、脈沖

脈沖雷達(dá)物位計(jì)，與超聲波技術(shù)相似，使用時(shí)差原理計(jì)算到介質(zhì)表面的距離。 設(shè)備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號(hào)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(dá)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(jì)的精度和可靠性都不如FMCW微波位計(jì)，但是脈沖物位計(jì)因?yàn)閮r(jià)格較FMCW低很多，因此是目前市場(chǎng)應(yīng)用得最多的微波物位計(jì)。當(dāng)然，很多生產(chǎn)廠商通過(guò)增強(qiáng)回波處理功能等方式大大提高了脈沖雷達(dá)的可靠性。

2.3、導(dǎo)波雷達(dá)

也被稱作時(shí)域反射式雷達(dá)，即TDR。導(dǎo)波雷達(dá)是非接觸式雷達(dá)和導(dǎo)波天線相結(jié)合的產(chǎn)物。它將微波信號(hào)發(fā)射到導(dǎo)波桿或纜上，使微波能量集中在導(dǎo)波桿或纜周圍而不會(huì)“擴(kuò)散”。它一般都是采用脈沖波，但也有采用連續(xù)波的。

這種工作原理的測(cè)量方式使它具有了能夠測(cè)量較低的介電常數(shù)的介質(zhì)、能夠有效的避開(kāi)容器內(nèi)干擾物的影響、不受水蒸汽的影響、可以用于測(cè)量固體等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它像所有的接觸式物位測(cè)量設(shè)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(píng)論

我曾經(jīng)在用戶處，聽(tīng)說(shuō)一種說(shuō)法，采用脈沖技術(shù)比連續(xù)調(diào)頻原理的雷達(dá)要好得多。我覺(jué)得這種說(shuō)法是不科學(xué)。固然，F(xiàn)MCW技術(shù)的雷達(dá)存在著：成本相對(duì)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(hào)的失真度也會(huì)降到最低。因此在一些工況較復(fù)雜的應(yīng)用，依然能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)來(lái)。當(dāng)然，脈沖雷達(dá)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(dá)供應(yīng)商的銷售跟客戶提到，脈沖雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)安裝多臺(tái)雷達(dá)，而信號(hào)不會(huì)相互影響；而FMCW技術(shù)的雷達(dá)就會(huì)有問(wèn)題。但是沒(méi)有解釋因?yàn)槭裁丛?。我?tīng)了之后，覺(jué)得很詫異，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)到這種程度了？其實(shí)，安裝在同一個(gè)倉(cāng)上的雷達(dá)信號(hào)相互影響，恰恰是脈沖雷達(dá)的一個(gè)缺點(diǎn)，由于它的工作狀態(tài)是相當(dāng)于通訊里面“單工”方式，因此容易把其他同規(guī)格雷達(dá)發(fā)出的信號(hào)接受到而產(chǎn)生錯(cuò)誤測(cè)量信號(hào)。因此需要通過(guò)做“同步”功能的設(shè)置來(lái)修正個(gè)問(wèn)題，而大部分脈沖雷達(dá)都具備這個(gè)功能，就相當(dāng)于將多臺(tái)雷達(dá)的工作狀態(tài)協(xié)調(diào)起來(lái)，同時(shí)發(fā)送或同時(shí)接受。而連續(xù)調(diào)頻的雷達(dá)由于采用類似通訊中“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。