張 敏 冷建偉 杜 寶

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，天津 300384;天津長(zhǎng)飛鑫茂光纜有限公司2，天津 300380)

0 引言

在企業(yè)生產(chǎn)中，用來測(cè)量液位或固體物料容量變化的儀表統(tǒng)稱物位儀表。不恰當(dāng)?shù)奈镂粶y(cè)量會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。利用微波來檢測(cè)物位是軍事工業(yè)特有的雷達(dá)測(cè)量技術(shù)逐步民用化的產(chǎn)物，它具有非接觸和高精度的顯著優(yōu)勢(shì)，目前被越來越多地應(yīng)用于石油和化工等行業(yè)。調(diào)頻連續(xù)波(frequency modulated continuous wave，F(xiàn)MCW)雷達(dá)是一種通過對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來獲得距離與速度信息的雷達(dá)體制系統(tǒng)，由于它具有無距離盲區(qū)、高分辨率和低發(fā)射功率等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了人們的廣泛關(guān)注。

1 物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展

在化工生產(chǎn)中，用來測(cè)量液位、固體料位和兩種不同密度液體界面的儀表分別稱為液位計(jì)、料位計(jì)和界面計(jì)，統(tǒng)稱為物位儀表［1］。物位測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)上從機(jī)械式儀表向電子式儀表發(fā)展，以及工作方式上由接觸式向非接觸式發(fā)展的階段。

物位儀表的分類如圖1所示。

圖1 物位儀表分類Fig.1 Classification of the material level meters

圖1中，前4種測(cè)量技術(shù)都屬于接觸式測(cè)量方法，第5種輻射法為非接觸測(cè)量方法。其中，直視法是指眼睛可以直接觀測(cè)到介質(zhì)容量變化的一類方法;測(cè)力法是指通過被測(cè)介質(zhì)對(duì)指示器或傳感器等目標(biāo)施加外力來測(cè)量的方法;壓力法是由被測(cè)介質(zhì)施加在測(cè)量探頭而產(chǎn)生壓力進(jìn)行測(cè)量的方法;電特性法是利用被測(cè)介質(zhì)的電特性進(jìn)行測(cè)量的方法;輻射法采用電磁頻譜原理技術(shù)。

前4種方法需要測(cè)量?jī)x器的全部或一部分部件與被測(cè)介質(zhì)(固體或液體物料)相接觸才能達(dá)到測(cè)量的目的。從長(zhǎng)期來看，物料粘附物及沉積物會(huì)對(duì)這些機(jī)械部件產(chǎn)生附著，當(dāng)物料為腐蝕性或易產(chǎn)生水銹的介質(zhì)時(shí)，對(duì)儀器精度的影響將更加嚴(yán)重。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)物位儀表最基本的要求是高精度和高可靠性，這就需要有應(yīng)用范圍更大、精度更高的技術(shù)出現(xiàn)［2］。

2 ToF測(cè)量原理

近幾年來，發(fā)展較快的是行程時(shí)間或傳播時(shí)間ToF(time of flight)測(cè)量原理，又稱回波測(cè)距原理。它是利用能量波在空間中的傳播時(shí)間來進(jìn)行度量的一種方法。能量波在信號(hào)源與被測(cè)對(duì)象之間傳遞，能量波到達(dá)被測(cè)對(duì)象后被反射并返回到探頭上被接收，屬于非接觸測(cè)距。

ToF測(cè)量技術(shù)可以利用的能量波有機(jī)械波(聲或超聲波)、電磁波(通常為K波段或X波段的微波)和激光(通常為紅外波段的激光)，相應(yīng)的物位計(jì)稱為超聲波物位計(jì)、微波物位計(jì)和激光物位計(jì)。

天線發(fā)射器向距離為R被測(cè)量物料發(fā)射能量波，經(jīng)被測(cè)量介質(zhì)反射，由天線的接收器接收。能量波來回所經(jīng)過的時(shí)間用td表示，可得到距離R與時(shí)間td的關(guān)系為:

式中:c為空氣中能量波的傳播速度，當(dāng)以聲波為能量源時(shí)，c=340 m/s;當(dāng)以電磁波為能量源時(shí)，c=3×108m/s［3］。非接觸測(cè)量方法正是利用式(1)中距離 R與時(shí)間td的關(guān)系，以不同的方式通過時(shí)間差td求得距離R的。

3 雷達(dá)物位計(jì)分類

盡管輻射法物位計(jì)都是采用ToF測(cè)量原理，但所采用的能量波不同時(shí)，信號(hào)的反射機(jī)理及在信號(hào)處理等方面都有很大的不同。以現(xiàn)在常用的超聲波和微波物位計(jì)為例，它們都采用ToF測(cè)量原理，都需要一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)回波信號(hào)接收器，但兩種能量波在頻率范圍、反射方法以及對(duì)于包含距離信號(hào)的反射波的處理上都有比較大的差別［4］。

3.1 超聲波物位計(jì)與微波物位計(jì)

電磁波的波段非常寬，從3 kHz～3000 GHz，微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波。在物位檢測(cè)中，微波使用的頻段規(guī)定在4～30 GHz之間，典型波段為 5.8 GHz、10 GHz、24 GHz。5.8 GHz的頻率屬于 C波段微波;10 GHz的頻率屬于X波段微波;24 GHz的頻率屬于K波段微波。

聲波是機(jī)械波，頻率范圍為20 Hz～20 kHz，因此，當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率高于20 kHz或低于20 Hz時(shí)，我們便聽不見了。我們把頻率高于20 kHz的聲波稱為“超聲波”。

電磁波與聲波產(chǎn)生的原理是不同的，聲波是靠物質(zhì)的振動(dòng)產(chǎn)生的，在真空中不能傳播;而電磁波是靠電子的振蕩產(chǎn)生的，其本身就是一種物質(zhì)，傳播不需要介質(zhì)，能在真空中傳播。這兩種波在通過不同的介質(zhì)時(shí)都會(huì)發(fā)生折射、反射、繞射和散射及吸收等現(xiàn)象，物位計(jì)正是應(yīng)用這種特性來測(cè)量距離的。

超聲波物位計(jì)由聲納技術(shù)衍化而來，其安裝方式有頂部安裝和底部安裝兩種。早期的超聲物位計(jì)采用的也是液體導(dǎo)聲，超聲探頭安裝在料罐底部外，超聲波從底部傳入，經(jīng)被測(cè)液體傳播到液面，反射后傳回探頭。超聲波傳播時(shí)間與液位的高低成正比。由于超聲波在各種被測(cè)介質(zhì)中傳播的聲速不同，所以很難做成通用產(chǎn)品;且料罐底部(尤其是液體料罐的底部)安裝探頭的方法在實(shí)用中往往也有困難。因此，在實(shí)際工業(yè)過程中，利用空氣作為導(dǎo)聲介質(zhì)的頂部安裝應(yīng)用越來越廣泛。

超聲波物位計(jì)的聲波信號(hào)是在不同聲阻率(聲阻率等于物料密度ρ×聲速c)的界面上反射的。由于空氣和物料的密度差別很大，所以它們的聲阻率相差也很大，聲波在空氣和物料的分界面上就像在鏡面上一樣反射，并由接收器接收回波信號(hào)。但是，由于超聲波是機(jī)械波，在空氣中傳播的波長(zhǎng)小于17 mm，傳播速度受溫度影響較大，如當(dāng)溫度為0℃時(shí)，聲速為331.6 m/s;當(dāng)溫度為20℃時(shí)，聲速為344 m/s。因此，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，且在測(cè)量揮發(fā)性液體時(shí)，由于空氣中含有的揮發(fā)組分不同，聲速也不同，也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

與超聲波物位計(jì)相比，雷達(dá)物位計(jì)的微波信號(hào)是在不同介電常數(shù)的分界面上反射的。介電常數(shù)是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，以字母ε表示，單位為F/m，它通常隨溫度和介質(zhì)中傳播的電磁波的頻率變化而變化。介電常數(shù)越大，對(duì)電荷的束縛能力越強(qiáng);介電常數(shù)越小，則絕緣性愈好。某種電介質(zhì)的介電常數(shù)與真空介電常數(shù)之比εr稱為該電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。常見物料的相對(duì)介電常數(shù)如表1所示。

表1 常見物料的相對(duì)介電常數(shù)Tab.1 Relative dielectric constant

微波以光速傳播，速度幾乎不受介質(zhì)特性的影響，傳播衰減也很小，約0.2 dB/km。回波信號(hào)強(qiáng)弱很大程度上取決于被測(cè)液面上的反射情況。在被測(cè)液面上的反射率除了取決于被測(cè)物料的面積和形狀外，主要取決于物料的相對(duì)介電常數(shù)εr。相對(duì)介電常數(shù)高，反射率也高，得到的回波強(qiáng)度高;相對(duì)介電常數(shù)低，物料會(huì)吸收部分微波能量，回波強(qiáng)度較低。對(duì)于普及型的雷達(dá)液位計(jì)，通常要求被測(cè)物料相對(duì)介電常數(shù)εr＞4;對(duì)于更低介電常數(shù)的物料，要求增設(shè)波導(dǎo)管來增強(qiáng)回波信號(hào)，或選用較復(fù)雜的雷達(dá)，通常測(cè)量下限為εr＞2。對(duì)于測(cè)量介電常數(shù)高或?qū)щ姷奈锪蠒r(shí)，有效量程要下降很多，如20 m量程的雷達(dá)物位計(jì)，若用于測(cè)量煤粉，有效量程最多為7 m;對(duì)于測(cè)量介電常數(shù)低的塑料粒子等，測(cè)量效果也不好。

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，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)間來計(jì)算數(shù)值，因此，需要對(duì)事件精確到幾十皮秒(1 ps=10－12s)［5］。

假設(shè)記錄時(shí)間的芯片最高精度為50 ps，按式(1)可得到其測(cè)量誤差距離精度為:ΔR=Δt×c=15 mm，即脈沖雷達(dá)如果僅靠時(shí)間來處理數(shù)據(jù)，其最高精度為15 mm。所以，早期脈沖雷達(dá)大都采用時(shí)間拓展的方法來進(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5～10 mm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，通過發(fā)送與接收信號(hào)的頻率差來計(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［6］，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［7］。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 發(fā)射和接收信號(hào)原理圖Fig.2 Principle of emission and return signals

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)周期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，差頻信號(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，一般為脈沖雷達(dá)的2～2.5倍左右。

FMCW雷達(dá)發(fā)射的是連續(xù)波，發(fā)射(平均)功率比脈沖雷達(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;③FMCW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。

4 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:顆粒直徑波長(zhǎng)。則波長(zhǎng)λ與頻率f的關(guān)系為:

當(dāng)c為聲速344 m/s，選用頻率為40 kHz的超聲物位計(jì)時(shí)，由式(3)可以算出它的波長(zhǎng)為8.6 mm，所以，對(duì)顆粒直徑為2 mm以上的物料都可形成良好的漫反射;而當(dāng) c為光速3×108m/s，采用 X波段頻率為5.8 GHz或6 GHz的微波物位計(jì)時(shí)，由式(3)可得波長(zhǎng)約為52 mm，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)頻率，選用K波段(24 GHz或26 GHz)，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［8］，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。

5 結(jié)束語

近年來，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。電子型物位儀表在品種和產(chǎn)值上都已超過機(jī)械型儀表，成為物位儀表的主流，而非接觸式測(cè)量技術(shù)是發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的一種物位測(cè)量方式。此外，電池供電及無線雷達(dá)式物位儀表也開始在市場(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)。

［1］李競(jìng)武.物位測(cè)量新技術(shù)及我國(guó)的物位儀表行業(yè)概況［J］.中國(guó)儀器儀表，2007(9):21 －26.

［2］姬曉波，涂亞慶，任開春，等.雷達(dá)液位儀測(cè)量原理的分析及應(yīng)用探討［J］.石油化工自動(dòng)化，2005(1):68.

［3］陳淑珍，謝秋洪，肖柏勛.時(shí)間尺度域匹配濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2005，51(1):91 －93.

［4］張賢達(dá)，保錚.非平穩(wěn)信號(hào)分析與處理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998:32 －35.

［5］錢云襄，劉渝.調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別算法研究［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，2005，20(3):272 －276.

［6］鄭偉，陸廣華，陳衛(wèi)東，等.線性度校正的新方法與系統(tǒng)應(yīng)用［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2005，34(4):12 －15.

［7］胡翔，王東進(jìn).一種提高LFMCW雷達(dá)調(diào)頻線性度的新思路［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，31(1):63－67.

［8］張振宇，王緒本，劉艷.基于小波變換的探地雷達(dá)信號(hào)去噪方法［J］.電子元器件應(yīng)用，2009，11(4):68 －70.