劉丁元 楊科鋒* 徐陽揚(yáng) 陳 明

0 引言

在工業(yè)領(lǐng)域，危險(xiǎn)液體液位的安全、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確探測(cè)在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用中具有非常重要的地位[1]。典型的液位探測(cè)技術(shù)有磁致伸縮式液位計(jì)、差壓式液位計(jì)和導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)[2]，相比于傳統(tǒng)的液位探測(cè)方法，基于雷達(dá)的非接觸式液位探測(cè)器，不受被測(cè)介質(zhì)形態(tài)影響，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，不僅能夠適用一般應(yīng)用場(chǎng)景，還能適用于強(qiáng)腐蝕、高溫高壓等惡劣工況。同時(shí)還具有安裝維護(hù)便利，量程范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。TI 公司的IWR1x 系列傳感器是工作在76～81 GHz 級(jí)的超寬帶毫米波雷達(dá)芯片，工作帶寬可達(dá)4 GHz，最高可達(dá)5 GHz。在該工作頻段，處理系統(tǒng)組件特別是天線的尺寸可以很小，另一優(yōu)勢(shì)是準(zhǔn)確度高，在該工作頻段，系統(tǒng)能夠檢測(cè)小至零點(diǎn)幾毫米的移動(dòng)，所以探測(cè)精度也非常高，在液位探測(cè)特別是危險(xiǎn)液位探測(cè)領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。

1 雷達(dá)液位探測(cè)的原理

非接觸式雷達(dá)液位探測(cè)原理如圖1 所示。

電磁波信號(hào)由雷達(dá)天線端向探測(cè)對(duì)象發(fā)出，發(fā)射波接觸被測(cè)液體表面后被反射產(chǎn)生回波信號(hào)，由接收天線接收。根據(jù)時(shí)間擴(kuò)展原理，由發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間差，計(jì)算出液體表面距雷達(dá)的距離，再根據(jù)雷達(dá)天線的安裝位置信息，推算出液位值。根據(jù)雷達(dá)測(cè)距原理，液面距雷達(dá)的距離由式（1）給出。

圖1 雷達(dá)液位探測(cè)示意圖

式中c 是電磁波傳播速度，是常數(shù)，τ 是發(fā)射信號(hào)到接收回波的時(shí)間延時(shí)。

由于雷達(dá)天線的位置是固定的，且可精確測(cè)得其安裝位置信息，所以測(cè)得的液面到雷達(dá)的距離精度就決定了液位測(cè)量精度。

在液位探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，某些情況下需要探測(cè)裝置能夠及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)得液位變化情況，此時(shí)就需要探測(cè)裝置有高的距離分辨率。對(duì)于雷達(dá)液位探測(cè)計(jì)而言，根據(jù)雷達(dá)原理和傅里葉變換理論，距離分辨率是由雷達(dá)信號(hào)帶寬決定的，即

式（2）中B 為信號(hào)帶寬。對(duì)于IWR1x 系列傳感器，工作信號(hào)帶寬為最高可達(dá)數(shù)GHz，將有約為數(shù)厘米的距離分辨率，比如帶寬為4 GHz 的情況下理論距離分辨率約為3.75 cm，也就是說液面如果有3.75 厘米以上的變化時(shí)，都可被探測(cè)裝置測(cè)得[3]。這對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域中一些高精度應(yīng)用需求非常有用。

2 IWR1x 毫米波傳感器

IWR1x 毫米波傳感器是TI（Taxes Instrument 德州儀器）公司推出的橫跨具有完整端到端開發(fā)平臺(tái)的76-81GHz 傳感器，它具有小于4 厘米的距離分辨率，距離精度低至小于50 微米，范圍達(dá)到300 米。借助IWR1x 傳感器，在設(shè)計(jì)雷達(dá)液位探測(cè)器時(shí)就不用再去處理分立式前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器件之間的復(fù)雜高速數(shù)據(jù)和通信走線，也不用處理額外尺寸、功率和支持它們的相關(guān)物料清單成本。而且這個(gè)集成度還簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)過程，極大簡(jiǎn)化了器件配置、監(jiān)控和校準(zhǔn)[4]。

在本文的研究中選用該系列中的IWR1443 芯片作為液位探測(cè)器的傳感器，該傳感器是TI 公司為工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行距離、速度和角度測(cè)量而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的芯片[5]。該芯片是基于FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave 調(diào)頻連續(xù)波）雷達(dá)技術(shù)的集成單芯片毫米波傳感器，工作頻率76-81 GHz，信號(hào)連續(xù)帶寬達(dá)4 GHz，采用了TI 公司的45 nm 低功率射頻CMOS 技術(shù)，該技術(shù)可以使傳感器的尺寸降低到一個(gè)前所未有的水平。該芯片包含一個(gè)獨(dú)立的三通道發(fā)四通道收的收發(fā)系統(tǒng)和AD轉(zhuǎn)換器，支持FFT 運(yùn)算和CFAR 檢測(cè)的硬件加速器，此外，還有兩個(gè)ARM 處理器分別用于控制和運(yùn)算，所以，該芯片具有從前端端到信號(hào)處理，再到后端結(jié)果的完整處理能力。因此在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中使用該芯片時(shí)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的外圍電路設(shè)計(jì)并使用TI 公司提供的開發(fā)套件進(jìn)行開發(fā)即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，大大地簡(jiǎn)化了工作量并且豐富了它的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)TI 公司為進(jìn)一步方便工程人員使用該芯片還提供了基于該芯片的評(píng)估板，有了該評(píng)估板在一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合甚至不需要工程人員進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，只需使用TI 公司提供的開發(fā)套件進(jìn)行開發(fā)即可在工業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用?；谶@些優(yōu)勢(shì)，本文使用了該評(píng)估板進(jìn)行雷達(dá)液位測(cè)量方法的研究。

IWR1443 毫米波傳感器評(píng)估板如圖2 所示，它以IWR1443傳感器為核心，集成了必要的外圍設(shè)備和電路，并且還提供了收、發(fā)天線陣。在一般應(yīng)用情況下，開發(fā)人員無須再設(shè)計(jì)和使用其他硬件，即可在TI 公司提供的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，非常便利，這也是本文選擇該評(píng)估板作為毫米波雷達(dá)液位探測(cè)裝置的原因。

圖2 IWR1443 評(píng)估板

3 m m Wa ve S DK 軟件工具

TI 為開發(fā)人員和終端使用人員提供了開發(fā)軟件工具包，該工具包可直接用來使用和開發(fā)評(píng)估板。它包含了最基本的功能模塊，即使是終端使用人員也可以利用該工具包快速的使用該評(píng)估板進(jìn)行應(yīng)用[6-7]。為了使用SDK 工具包，除了安裝SDK 工具包以外，還需要配置開發(fā)環(huán)境所需的外部軟件，這些軟件都可在TI 官網(wǎng)免費(fèi)下載。經(jīng)過配置好的開發(fā)環(huán)境和可視化界面如下圖3 所示。

圖3 可視化配置界面

由于這里只進(jìn)行高精度的距離測(cè)量，因此在配置中采用了最優(yōu)分辨率的方式，對(duì)于速度測(cè)量不做要求，所以配置時(shí)選擇默認(rèn)值即可。

4 基于IWR14 4 3 的雷達(dá)液位探測(cè)器

基于IWR1443 評(píng)估板的液位探測(cè)器測(cè)試連接關(guān)系如圖4 所示。

圖4 連接測(cè)試圖

它和PC 機(jī)通過USB 線連接，PC 機(jī)通過USB 接口對(duì)它進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)測(cè)量，同時(shí)測(cè)量結(jié)果通過USB 傳輸回PC，在對(duì)應(yīng)的可視化界面進(jìn)行顯示。由于IWR1443 具有完整的數(shù)據(jù)處理過程，因此對(duì)于一般的應(yīng)用，傳感器傳輸回的數(shù)據(jù)即可直接應(yīng)用。但是，如果需要測(cè)量更豐富的信息，則需要先采集IWR1443 接收通道ADC 輸出數(shù)據(jù)，再根據(jù)應(yīng)用需要做進(jìn)一步的處理，以提取所需的信息，而要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集則還需要其他外部硬件設(shè)備和處理工具。本文由于研究的是一般背景下的測(cè)量，所以這里直接使用傳感器傳輸回的數(shù)據(jù)。在天線的正下方放置了一盆帶有顏色的液體，用來最為被測(cè)液面。

根據(jù)液位測(cè)量的需求，經(jīng)使用SDK 工具對(duì)評(píng)估板的功能進(jìn)行開發(fā)，使開發(fā)板在PC 機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)了對(duì)盆中液體液位的測(cè)量。實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。

圖5 測(cè)量結(jié)果

圖5 （a）為未放置液體時(shí)的測(cè)量結(jié)果，即測(cè)量的是地面到天線的距離；圖5（b）為放置液體時(shí)的測(cè)量結(jié)果，即測(cè)量的是天線距液面的距離。為了確保結(jié)果完整可信，測(cè)量時(shí)分別選取了零多普勒-距離剖面圖測(cè)量結(jié)果和熱圖測(cè)量結(jié)果，以便進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)量數(shù)據(jù)及換算獲得的液面高度如表1 所示。

表1 液面測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果對(duì)比

說明：在換算液面高度時(shí)已經(jīng)考慮了盆底厚度（約為2 mm）的因素。

從表1 中可以看出，使用經(jīng)過開發(fā)的IWR1443 傳感器測(cè)得液面高度與實(shí)際測(cè)量結(jié)果完全吻合。雖然本文在研究過程中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件簡(jiǎn)單，但無論是零多普勒-距離剖面圖還是熱圖的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)換算后得到的液面高度誤差都小于1 cm，測(cè)量精度非常高，完全得到了準(zhǔn)確的液位值，驗(yàn)證了本文提出的液位測(cè)量方法的有效性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域，特別是石油、化工領(lǐng)域儲(chǔ)存、運(yùn)輸、生產(chǎn)等情況下液位安全準(zhǔn)確測(cè)量問題，給出了一種基于IWR1443的測(cè)量方法和方案。該方法使用TI 公司的IWR1443 毫米波傳感器作為測(cè)量裝置的核心，該傳感器具有從前端到終端的完整功能，即包含射頻前端，接收通道，AD 轉(zhuǎn)換，中頻處理，數(shù)據(jù)處理，控制單元等，經(jīng)過開發(fā)人員或終端使用人員的開發(fā)，其輸出的結(jié)果可直接用于液位的測(cè)量。最后本文在IWR1443 評(píng)估板上進(jìn)行了開發(fā)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性和準(zhǔn)確性，為工業(yè)領(lǐng)域中液位測(cè)量，特別是危險(xiǎn)液位的非接觸測(cè)量提供了一種有效的高精度方法，具有較好的應(yīng)用前景。