探討有關(guān)物位計(jì)測(cè)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(jiǎn)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(lái)，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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)發(fā)送與接收信號(hào)的頻率差來(lái)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(guò)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(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(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、煤炭等)的料面都有一定的安息角，因此固態(tài)料面的測(cè)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(zhǎng)。則波長(zhǎng)λ與頻率f的關(guān)系為: c=λf (3)可以算出它的波長(zhǎng)為8.6mm , 對(duì)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(shí)，由式(3)可得波長(zhǎng)約為52mm ，對(duì)于粒徑較小的顆粒狀物位，漫反射效果差，回波信號(hào)干擾嚴(yán)重。為改善測(cè)量性能，可提高發(fā)射信號(hào)的頻率，采用K波段(24GHz或26GHz)，從而得到較好的回波信號(hào)。從雷達(dá)料位計(jì)的測(cè)量原理可知，雷達(dá)料位計(jì)是通過(guò)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(shí)間來(lái)測(cè)量料位的。反射信號(hào)中混合有許多干擾信號(hào)，因此，對(duì)真實(shí)回波的處理和對(duì)各種虛假回波的識(shí)別技術(shù)就成為雷達(dá)料位計(jì)能否準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵因素。由于液面波動(dòng)和隨機(jī)噪聲等因素的影響，檢測(cè)信號(hào)中必然混有大量噪聲 ，為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，必須對(duì)檢測(cè)信號(hào)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(shí)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(hào)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(hào)。為了保證測(cè)量精度的要求，還必須采取有效的措施保證發(fā)射信號(hào)頻率的穩(wěn)定度和線性度。

五、結(jié)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(cè)量技術(shù)的發(fā)展，新的測(cè)量技術(shù)促使物位測(cè)量?jī)x表產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大變化。電池供電及無(wú)線雷達(dá)式物位儀表也開(kāi)始在市場(chǎng)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(jià)格正推動(dòng)著雷達(dá)式物位儀表的不斷增長(zhǎng)。