探讨有关物位计测量技术的研究

3.2 脉冲与调频连续波雷达物位计

微波物位计按使用微波的波形可分为脉冲波和调频连续波两大类。

3.2.1 脉冲雷达物位计

脉冲雷达的发射原理比较简单，即雷达向距离为 R 的目标发送一个高频脉冲，微波遇到介质后被反射回来，测得发送与接收的延迟时间，利用式(1)即可求得距离。但是，由于其靠时间来计算数值，因此，需要对事件精确到几+皮秒(1ps = 10-12s) 。

假设记录时间的芯片最高精度为 50Ps ，按式(l) 可得到其测量误差距离精度为：△R= △t×c=15mm, 即脉冲雷达如果仅靠时间来处理数据，其最高精度为15mm 。所以，早期脉冲雷达大都采用时间拓展的方法来进行时间的准确测量与记录，外加多次测量求平均的办法。但采用拓展时间以及平均法求值，其最终精度要达到5～10mm具有一定的难度。

3.2.2 调频连续波雷达物位计

调频连续波(FMCW)雷达的原理为发送具有一定带宽、频率线性变化的连续信号，再对接收到的连续信号进行快速傅里叶变换，通过发送与接收信号的频率差来计算两个信号的时间差，最后与脉冲波雷达物位计一样，由时间差得到对应的距离值。FMCW雷达能够获取很高的精度，其精度主要取决于压控振荡器的线性度和温漂。

FMcw 雷达通过发射频率调制的连续波信号，从回波信号中提取目标距离信息。FMcw分为线性调频和非线性调频(如正弦波调频)两种。使用非线性调频方式时，每个目标产生的差拍频率不唯一，一般只适用于单目标的场合，如雷达高度计等;线性调频方式适合于用FFT算法测量频率，应用最广。这种方式使每个目标产生的差拍信号都是单一频率，但其对线性调频的线性度要求很高，比较常用的调制波形是三角波和锯齿波，物位仪表常用锯齿波高频方式。FMCW 雷达发射和接收信号的原理如图2所示。

图2中，实线为雷达天线发送信号ft;虚线为雷达接收信号fr;B为信号的带宽。发射信号的调频周期T要远大于目标最大回波时延td，即信号由天线发送经物料反射，再由天线接收所经的时间td比信号期T要小得多。发送信号和接收信号由于时延引起频率的变换它们的频率差就是差频信号，可用fif表示。显然差额信号fif的大小正比于天线与目标间的距离R，即：

式中：c为光速，3×108m/s;T为信号周期，B为信号带宽，均为已知参数。获得差频信号fif的值最简单的方法是利用傅里叶变换方法，通过频谱分析求得。

与脉冲雷达相比，调频雷达抗干扰能力强，这使得它能够运用于更多的环境，但其价格昂贵雷达的2～2.5倍左右。FMCW 雷达发射的是连续波脉冲雷达的(峰值)功率小很多。发射功率小具有以下优点：① 电源电压大大降低，这对于用于油舱内液位测量系统的安全性非常重要;② 发射系统便于用固态器件实现，从而使得发射系统尺寸大大减小，可靠性提高;③ FMCW 雷达极宽的信号带宽使其具有很高的距离分辨率和距离测量精度，以及较强的抗干扰性。

四、雷达料位计测量技术难点

由于固态物料(如沙石、煤炭等)的料面都有一定的安息角，因此固态料面的测量基本上是利用波在粗糙表面的漫反射。形成漫反射的条件近似于：颗粒直径〉1/6波长。则波长λ与频率f的关系为: c=λf (3)可以算出它的波长为8.6mm , 对颗粒直径为2mm 以上的物料都可形成良好的漫反射;而当c为光速3×l08m/s,采用X波段频率为5.8GHz或6GHz 的微波物位计时，由式(3)可得波长约为52mm ，对于粒径较小的颗粒状物位，漫反射效果差，回波信号干扰严重。为改善测量性能，可提高发射信号的频率，采用K波段(24GHz或26GHz)，从而得到较好的回波信号。从雷达料位计的测量原理可知，雷达料位计是通过处理雷达波从探头发射到介质表面，然后返回到探头的时间来测量料位的。反射信号中混合有许多干扰信号，因此，对真实回波的处理和对各种虚假回波的识别技术就成为雷达料位计能否准确测量的关键因素。由于液面波动和随机噪声等因素的影响，检测信号中必然混有大量噪声 ，为了提高检测的准确度，必须对检测信号进行处理，尽可能消除噪声。

调频连续波雷达必须在发射的同时进行接收，如果采用同一天线进行发射和接收，必须有效地防止发射信号直接泄漏到接收系统，因此，可采用环行器隔离发射接收信号。为了保证测量精度的要求，还必须采取有效的措施保证发射信号频率的稳定度和线性度。

五、结束语

近年来，微电子技术的渗入大大促进了新型物位测量技术的发展，新的测量技术促使物位测量仪表产品结构产生了很大变化。电池供电及无线雷达式物位仪表也开始在市场上出现。所有这些技术上取得的进步以及不断下降的价格正推动着雷达式物位仪表的不断增长。