謝 垚，黃 默，王長元，張圓圓，荊 琛

(1.中國科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

物位測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場景[1]，是生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)重要技術(shù)組成?；谔炀€雷達(dá)的物位測量，作為一種非接觸式物位測量方式，將距離測量轉(zhuǎn)換為對電磁波在場景中傳播時間的測量[2]。因其非接觸性，雷達(dá)物位測量可替代人工作業(yè)[3]，可在高溫、高壓、粉塵場景下實(shí)現(xiàn)對腐蝕性、毒性等高危材料物位進(jìn)行連續(xù)測量[4]。天線雷達(dá)物位測量通過工作體制可將其分為調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位測量和脈沖雷達(dá)物位測量。相對于脈沖雷達(dá)物位測量，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位測量具有高距離分辨率、無近端盲區(qū)、低功耗等優(yōu)勢，受到越來越多的關(guān)注。

由于工業(yè)場景的復(fù)雜性以及儲物料倉結(jié)構(gòu)的特殊性，對料倉內(nèi)物料物位進(jìn)行測量時，強(qiáng)雜波對物位測量的干擾不可避免。現(xiàn)有較為成熟的天線雷達(dá)物位測量，主要依靠設(shè)計(jì)窄波束天線，從硬件角度解決雜波干擾問題[5]。如SRTRANS LR460、SRTIANS LR560[6]、OPTIMAVE 6300C[7]等物位測量產(chǎn)品均使用喇叭口天線，其對應(yīng)的最大3 dB波束寬度分別為11°、4°和10°。窄波束天線可以很好地屏蔽來自料倉側(cè)壁的背景雜波，因此在設(shè)計(jì)物位測量算法時不需要考慮強(qiáng)雜波對物位測量的影響。從成熟的基于快速傅里葉算法(FFT-Based)的物位測量算法[8]，到在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的Zero-Padded FFT[9]、快速頻率估計(jì)算法(Fast Frequency Estimation Algorithm，F(xiàn)FEA)[10]等算法，均可實(shí)現(xiàn)基于窄波束的高精度物位測量。

窄波束雷達(dá)物位計(jì)因設(shè)備體積重量大、價(jià)格高，故其應(yīng)用范圍受到較大限制，所以小型化、低成本的寬波束雷達(dá)物位計(jì)具有更廣泛的應(yīng)用場景。然而，與寬波束物位計(jì)相適配的物位測量算法并不成熟，將現(xiàn)有的高精度物位算法直接應(yīng)用于寬波束雷達(dá)物位測量存在諸多問題。在寬波束雷達(dá)物位測量中，由于天線波束范圍增大導(dǎo)致背景雜波干擾增強(qiáng)，當(dāng)其應(yīng)用在“瘦高型”料倉時，由料倉側(cè)壁和側(cè)壁上的物料掛壁導(dǎo)致的背景雜波干擾更加嚴(yán)重[11]。在密閉型料倉中由物料表面-料倉壁、料倉壁-料倉壁導(dǎo)致的多次反射也將影響物位測量效果。與此同時，當(dāng)被測物料介電常數(shù)較低時，由物料表面直接反射信號強(qiáng)度甚至?xí)陀诒尘半s波的強(qiáng)度。若此時，直接將適用于窄波束雷達(dá)物位計(jì)的測量算法應(yīng)用在寬波束雷達(dá)物位測量中，將會獲取較多的冗余干擾點(diǎn)，導(dǎo)致測量錯誤。因此，提出適用于寬波束雷達(dá)的物位測量算法，可從信號處理算法角度突破雷達(dá)物位計(jì)測量對天線波束寬度的限制，為雷達(dá)物位測量技術(shù)帶來更廣闊的應(yīng)用市場。

綜上，基于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位測量的基本原理，闡明了在寬波束雷達(dá)物位測量中干擾點(diǎn)對物位測量性能的影響。分析了寬波束雷達(dá)物位測量場景中強(qiáng)散射點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理，通過強(qiáng)散射點(diǎn)位置屬性與料倉尺寸的關(guān)系將其進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的寬波束線陣物位測量算法。試驗(yàn)采用77 GHz寬波束調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在實(shí)際料倉中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提改進(jìn)算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位計(jì)測量原理

對于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，通過對發(fā)射信號頻率進(jìn)行線性調(diào)制，產(chǎn)生大時寬帶寬線性調(diào)頻發(fā)射信號?？刂瓢l(fā)射通道和接收通道同時打開實(shí)現(xiàn)無盲距測量，發(fā)射通道在脈沖寬度T內(nèi)發(fā)射的信號so(t)為

so(t)=ξtexp(j2πf0t+jπKt2) ，

(1)

其中，ξt表示發(fā)射信號幅度，f0表示發(fā)射信號起始頻率，K表示調(diào)頻斜率。當(dāng)發(fā)射信號作用在物料表面時，電磁波被其反射回雷達(dá)接收天線，接收信號si(t)為

(2)

其中，ξr表示接收物料表面信號幅度，R表示物料表面與雷達(dá)之間的距離，c表示電磁波傳播速度。將接收信號和發(fā)射信號經(jīng)過混頻、濾波得到差頻信號s(t)為

(3)

其中，ξ表示最終得到的差頻信號幅度。從上式可以看到，差頻信號為單頻信號，測量目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離R與差頻信號頻率成正比。對采樣得到的差拍信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到其頻譜[12]，物位測量值可對頻譜進(jìn)行最大峰值點(diǎn)檢測得到，對應(yīng)的物料表面與雷達(dá)之間的距離R為

(4)

其中，fb表示差頻信號頻率，B表示雷達(dá)帶寬。而在寬波束雷達(dá)物位測量中，由于強(qiáng)背景雜波導(dǎo)致頻譜中存在多個強(qiáng)峰值點(diǎn)，甚至部分背景雜波幅值會超過物料表面直接反射信號的幅值，此時，如果直接使用現(xiàn)有物位測量算法，則會得到錯誤物位測量值。

2 寬波束雷達(dá)物位測量強(qiáng)散射點(diǎn)特征分析

現(xiàn)有大部分物位測量算法原理和工程實(shí)現(xiàn)均相對簡單，可在窄波束情況下實(shí)現(xiàn)物位準(zhǔn)確測量，但對于寬波束雷達(dá)物位測量并不適用。將不同波束寬度雷達(dá)在料倉內(nèi)的物位測量進(jìn)行圖示分析(圖 1)，圖中O表示料倉頂部觀察口即坐標(biāo)系原點(diǎn)，物位計(jì)安裝在觀察口。圖中h表示料倉高度，rD表示料倉水平寬度，rs表示觀察口與料倉一側(cè)的偏移距離，hv表示物料表面與觀察口之間的垂直距離，φ表示雷達(dá)水平向3 dB波束寬度。

圖1 雷達(dá)物位測量示意圖

當(dāng)雷達(dá)波束寬度較窄時(圖 1(a))，主波束全部覆蓋在物料表面，料倉側(cè)壁和側(cè)壁上的物料掛壁不會被主波束覆蓋，對應(yīng)的干擾信號弱。同時，窄波束也使得電磁波在料倉內(nèi)的傳播路徑簡單，減小了多徑效應(yīng)的影響。在“瘦高型”料倉中使用寬波束雷達(dá)物位測量時，除了覆蓋在物料表面的部分主波束外，其余主波束會覆蓋在料倉側(cè)壁和側(cè)壁上的物料掛壁上(圖 1(b))，此時現(xiàn)有窄波束物位測量算法將不再適用。

用集合I表示場景中強(qiáng)散射點(diǎn)集合，對某一強(qiáng)散射點(diǎn)而言，可用斜距、角度、幅值三種屬性惟一確定。文中基于測量場景中回波信號的產(chǎn)生條件，通過場景中的強(qiáng)散射點(diǎn)位置屬性及其與料倉尺寸的關(guān)系，將其分為三類。第Ⅰ類強(qiáng)散射點(diǎn)與雷達(dá)的水平距離小于料倉的寬度，主要包括物料表面直接反射電磁波形成的強(qiáng)散射點(diǎn)(圖 1(b)中實(shí)線)。第Ⅱ類為水平距離等于料倉寬度的強(qiáng)散射點(diǎn)，主要包括電磁波被料倉側(cè)壁或側(cè)壁上物料掛壁直接反射形成的強(qiáng)散射點(diǎn)(圖 1(b)中短線-點(diǎn)線)。第Ⅲ類為水平距離大于料倉寬度的強(qiáng)散射點(diǎn)，主要包括電磁波在料倉內(nèi)被多次反射形成的強(qiáng)散射點(diǎn)(圖 1(b)中虛線)。強(qiáng)散射點(diǎn)分類判決準(zhǔn)則如下。

第Ⅰ類強(qiáng)散射點(diǎn)

I1={p∈I|-(rs-δ)≤Rpsinθp≤(rD-rs-δ)} ，

(5)

其中，I1表示第Ⅰ類強(qiáng)散射點(diǎn)集合，Rp和θp分別表示強(qiáng)散射點(diǎn)P的斜距和與陣列法線夾角，δ為考慮到料倉側(cè)壁上的物料掛壁厚度產(chǎn)生的距離松弛項(xiàng)。

第Ⅱ類強(qiáng)散射點(diǎn)

I2={p∈I|0≤rs-|Rpsinθp|≤δ}∪{p∈I|0≤(rD-rs)-|Rpsinθp|≤δ} ，

(6)

其中，I2表示第Ⅱ類強(qiáng)散射點(diǎn)集合。

第Ⅲ類強(qiáng)散射點(diǎn)

I3={p∈I|Rp|sinθp|>rs}∪{p∈I|Rp|sinθp|>(rD-rs)} ，

(7)

其中，I3表示第Ⅲ類強(qiáng)散射點(diǎn)集合。

在寬波束雷達(dá)物位測量時，這些強(qiáng)散射點(diǎn)被分為物位測量有效點(diǎn)和物位測量干擾點(diǎn)。如何從這些強(qiáng)散射點(diǎn)中識別出物位測量有效點(diǎn)，是寬波束雷達(dá)物位測量算法需要解決的問題。

3 寬波束線陣?yán)走_(dá)改進(jìn)物位測量算法

在FFT-Based物位測量算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合雷達(dá)進(jìn)行物位測量時獲取的強(qiáng)散射點(diǎn)特征分析，提出了一種改進(jìn)的寬波束線陣?yán)走_(dá)物位測量算法，可用于寬波束線陣?yán)走_(dá)的物位測量。改進(jìn)算法由兩部分組成，第1部分為強(qiáng)散射點(diǎn)檢測及其參數(shù)估計(jì)，第2部分為強(qiáng)散射點(diǎn)分類及有效點(diǎn)判別。具體處理步驟如圖2所示。圖中Nc表示強(qiáng)點(diǎn)累積次數(shù)。

圖2 寬波束線陣?yán)走_(dá)物位測量算法流程圖

3.1 強(qiáng)散射點(diǎn)檢測及其參數(shù)估計(jì)

對于陣列雷達(dá)，單信源場景下接收到的陣列差拍信號X(t)為

X(t)=A·s(t)+N(t) ，

(8)

其中，A表示陣列流型矩陣，具體表達(dá)形式由雷達(dá)陣列結(jié)構(gòu)決定，N(t)代表服從方差為σ2的加性高斯白噪聲。在多信源場景中，將s(t)以[s1(t)s2(t) …sK(t)]T代替，其中sk(t)表示參考陣元接收到的信源k對應(yīng)的差拍信號，K表示場景中的信源個數(shù)，上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置。對X(t)進(jìn)行采樣，得到陣列差拍信號矩陣。

對X(t)采樣后的信號矩陣各個通道進(jìn)行快速傅里葉變換，得到距離-陣元域矩陣。對于目標(biāo)距離參數(shù)，使用有序統(tǒng)計(jì)恒虛警檢測算法[13]對各個通道沿距離向進(jìn)行強(qiáng)散射點(diǎn)檢測。而后在多通道進(jìn)行一致性檢測，去除由噪聲產(chǎn)生的強(qiáng)散射點(diǎn)，得到強(qiáng)散射點(diǎn)的距離信息。

對于強(qiáng)散射點(diǎn)的角度參數(shù)，文中使用脈沖壓縮后多重信號分類(APC-MUSIC)算法[14]。算法選取距離-陣元域矩陣中強(qiáng)散射點(diǎn)所在距離門的陣元維數(shù)據(jù)，計(jì)算其協(xié)方差矩陣。利用信號子空間和噪聲子空間通過譜峰搜索得到強(qiáng)散射點(diǎn)的角度信息。該算法既可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)到達(dá)角的超分辨估計(jì)，突破自由度的限制，又可避免多重信號分類(MUSIC)算法[15]中需要的目標(biāo)距離、角度配對過程。到達(dá)角θ估計(jì)公式如下：

(9)

其中，上標(biāo)H表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置，UP表示強(qiáng)散射點(diǎn)P所在距離門的陣元維數(shù)據(jù)對應(yīng)的噪聲子空間，a(θ)表示與陣列結(jié)構(gòu)有關(guān)的陣元導(dǎo)向矢量。

3.2 強(qiáng)散射點(diǎn)分類及有效點(diǎn)識別

時間維積累是提高雷達(dá)檢測性能的重要手段[16]。為了提高檢測性能，在有效點(diǎn)判別前對多次陣列差拍信號中檢測到的強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行積累。積累后強(qiáng)散射點(diǎn)集合為Ic。對于集合Ic中的強(qiáng)散射點(diǎn)P，通過目標(biāo)檢測以及參數(shù)估計(jì)，可得到其距離、角度、幅值信息，點(diǎn)P惟一確定。結(jié)合強(qiáng)散射點(diǎn)產(chǎn)生條件，強(qiáng)散射點(diǎn)中有效點(diǎn)的判別算法由料倉結(jié)構(gòu)判別、波束寬度判別、強(qiáng)散射點(diǎn)幅值判別和距離向聚類判別組成。具體判別算法如下。

(1) 料倉結(jié)構(gòu)判別準(zhǔn)則

對于所有強(qiáng)散射點(diǎn)中有效點(diǎn)的判別問題，可以認(rèn)為是一個假設(shè)檢驗(yàn)問題。對于此問題，以下兩種假設(shè)必有一成立：強(qiáng)散射點(diǎn)為物位測量有效點(diǎn)(H0)，或強(qiáng)散射點(diǎn)為物位測量干擾點(diǎn)(H1)。進(jìn)行物位測量時，可認(rèn)為只有第Ⅰ類強(qiáng)散射點(diǎn)集合中的部分點(diǎn)屬于測量有效點(diǎn)，第Ⅱ類和第Ⅲ類強(qiáng)散射點(diǎn)均屬于物位測量干擾點(diǎn)。通過料倉結(jié)構(gòu)判別準(zhǔn)則將大部分Ⅱ類目標(biāo)點(diǎn)和所有Ⅲ類目標(biāo)點(diǎn)濾除，判別準(zhǔn)則如下：

(10)

(2) 角度判別準(zhǔn)則

通過料倉結(jié)構(gòu)判別后，剩余的強(qiáng)散射點(diǎn)集合中包含有第Ⅰ類強(qiáng)散射點(diǎn)和少量第Ⅱ類強(qiáng)散射點(diǎn)。當(dāng)物料表面與觀察口之間的垂直高度hv≤h-max{rs，rD-rs}·tan(φ/2)時，由側(cè)壁直接反射造成的干擾增大。在寬波束雷達(dá)物位測量時，可以認(rèn)為絕大部分物料表面是由主波束覆蓋的，測量有效點(diǎn)存在于主波束覆蓋的物料表面，所以需要通過一定的角度門限進(jìn)行判別。角度判別門限由波束寬度決定，判別準(zhǔn)則如下：

(11)

(3) 幅值判別準(zhǔn)則

通過料倉結(jié)構(gòu)判別和角度判別后，強(qiáng)散射點(diǎn)集合為IL，集合中元素個數(shù)為NL。雷達(dá)物位計(jì)被安裝于料倉頂部位置，天線主波束正對物料表面，由物料表面導(dǎo)致的測量有效點(diǎn)幅值相對較大。所以在距離維聚類判別之前進(jìn)行幅值判別，濾除弱目標(biāo)點(diǎn)[17]，判別準(zhǔn)則如下：

(12)

其中，EP表示集合IL中強(qiáng)散射點(diǎn)P的幅值。

(4) 距離向聚類判別

對集合I中的強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行多步判別后，剩余強(qiáng)散射點(diǎn)集合IF，主要包括物料表面直接反射形成的測量有效點(diǎn)、多次反射的強(qiáng)散射點(diǎn)、未識別的側(cè)壁掛壁強(qiáng)散射點(diǎn)以及噪聲。結(jié)合聚類的思想，對集合IF中的點(diǎn)跡進(jìn)行垂直距離特征分類。由物料表面直接反射形成的測量有效點(diǎn)滿足以下條件：

(13)

所以，對集合IF中的強(qiáng)散射點(diǎn)在垂直距離進(jìn)行分類，距離門限η=rDsinψ，其中ψ表示物料安息角。垂直距離分類后選取元素個數(shù)最多的類作為最終物位測量有效點(diǎn)集合Iu，其元素個數(shù)為Nu，集合Iu中的強(qiáng)散射點(diǎn)則是由物料表面直接反射形成的強(qiáng)散射點(diǎn)。在測量場景中，當(dāng)物位發(fā)生變化時，強(qiáng)散射點(diǎn)的分布也會發(fā)生變化，但是在積累時間內(nèi)物位只會發(fā)生有限的變化。而使用距離向聚類時，當(dāng)強(qiáng)散射點(diǎn)垂直距離變化不超過分類門限時，均可通過聚類后多個強(qiáng)散射點(diǎn)測量值平均來消除物位變化造成的測量影響。通過對集合Iu中的強(qiáng)散射點(diǎn)垂直距離進(jìn)行平均，可得到物料表面與雷達(dá)物位計(jì)之間的垂直距離hv：

(14)

4 算法驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提改進(jìn)算法的有效性，試驗(yàn)在河南某糧食加工廠中的糧倉進(jìn)行。測量目標(biāo)為低介電常數(shù)物料面粉。在驗(yàn)證階段，使用了起始頻率為77 GHz的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，所用雷達(dá)具體指標(biāo)見表1。

表1 雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)參數(shù)

在觀察口O不同位置的料倉中對低介電常數(shù)物料面粉進(jìn)行物位測量，測試料倉的結(jié)構(gòu)參數(shù)h，rD，rs的定義見表2，表中量尺測量值hv為觀察口正下方位置物料表面處物位實(shí)測值。

表2 實(shí)測料倉參數(shù) m

算法驗(yàn)證由3部分組成：(1) 分析兩個實(shí)測料倉回波，通過實(shí)測數(shù)據(jù)說明寬波束雷達(dá)物位計(jì)測量低介電常數(shù)物料時的難點(diǎn)；(2) 分析單次測量時兩料倉中強(qiáng)散射點(diǎn)二維分布情況，證明改進(jìn)的寬波束線陣?yán)走_(dá)物位測量算法的準(zhǔn)確性。(3) 在實(shí)際料倉中進(jìn)行60次連續(xù)測量，同時與FFT-Based物位測量算法進(jìn)行對比，證明改進(jìn)的寬波束線陣?yán)走_(dá)物位測量算法的穩(wěn)定性，同時還通過多次測量構(gòu)建了兩種場景下的物料表面起伏情況。通過(2)和(3)的驗(yàn)證，說明了所提改進(jìn)的寬波束線陣?yán)走_(dá)物位測量算法的有效性。

4.1 料倉實(shí)測回波分析

圖3為料倉1和料倉2的歸一化距離向回波，圖中近端強(qiáng)散射點(diǎn)是由收發(fā)通道串?dāng)_造成的。圖 3(a)為料倉1回波，在不考慮近端收發(fā)通道串?dāng)_的情況下，圖中共有三處分散的強(qiáng)散射點(diǎn)(橢圓框標(biāo)記)，最強(qiáng)點(diǎn)對應(yīng)的距離為3.1 m，與實(shí)測值10.0 m之間存在較大差異。在料倉1中，物料表面與觀察口之間的實(shí)測距離為10.0 m，而其料倉水平寬度只有3.0 m。在這樣的實(shí)測條件下，對于水平向3 dB波束寬度為56°的雷達(dá)而言，其主波束只有30%直接覆蓋在物料表面，故在料倉1中側(cè)壁將存在大量回波。此時，部分干擾點(diǎn)的幅值超過了物料直接反射回波強(qiáng)度，此時使用FFT-Based物位測量算法將會得到錯誤物位測量值。

(a) 料倉1距離向回波

(a) 料倉1強(qiáng)散射點(diǎn)分布

圖 3(b)為料倉2回波，圖中只有一處強(qiáng)散射點(diǎn)。使用FFT-Based物位測量算法得到的物料表面與觀察口距離為3.2 m，與實(shí)測值吻合。在料倉2中，物料表面與觀察口之間的實(shí)測垂直距離約為3.0 m，料倉水平寬度為4.0 m，觀察口偏移尺寸為3.2 m，對于水平向3 dB波束寬度為56°的雷達(dá)而言，其主波束的77%將直接覆蓋在物料表面，類似窄波束時物位測量情況。故回波信號中由物料表面直接反射形成的信號較強(qiáng)，干擾點(diǎn)回波較弱。

通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看到相比于窄波束雷達(dá)物位測量，寬波束雷達(dá)物位測量時背景雜波干擾更嚴(yán)重，物位測量難度也將更大。

4.2 算法有效性驗(yàn)證

圖4顯示的是在料倉1和料倉2中進(jìn)行單次檢測時，有效點(diǎn)判別前后強(qiáng)散射點(diǎn)二維分布。處理中陣列差拍信號積累次數(shù)Nc= 4，判斷強(qiáng)散射點(diǎn)所屬類時，所設(shè)置的距離松弛參數(shù)δ=0.3 m。

料倉1和料倉2中所有強(qiáng)散射點(diǎn)分布如圖 4(a)和(d)所示，所得強(qiáng)散射點(diǎn)個數(shù)分別為44和32。在圖 4(b)和(e)中顯示的是在料倉1和2中對強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行分類的結(jié)果，料倉1和料倉2中第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類強(qiáng)散射點(diǎn)個數(shù)分別為23、7、14和26、6、0。經(jīng)過強(qiáng)散射點(diǎn)中干擾點(diǎn)濾除，識別物位測量有效點(diǎn)(圖 4(c)和(f))，料倉1和料倉2中最終識別到的有效點(diǎn)個數(shù)分別為6和10。統(tǒng)計(jì)最終有效點(diǎn)物位信息，得到實(shí)測料倉1和2中物料表面與觀察口的垂直距離，分別為10.4 m和2.6 m。與量尺實(shí)測值10.0 m和3.0 m相比，實(shí)現(xiàn)了誤差范圍內(nèi)的準(zhǔn)確測量。

(a) 料倉1連續(xù)測量結(jié)果

圖5顯示的是在料倉1和料倉2中進(jìn)行60次連續(xù)測量的結(jié)果。由圖 5(a)可以看到，在料倉1中進(jìn)行的連續(xù)測量中，直接使用FFT-Based物位測量算法無法得到物位的連續(xù)準(zhǔn)確測量，物位測量值出現(xiàn)了跳動。而使用所提改進(jìn)測量算法可以準(zhǔn)確地持續(xù)地測量物位，測量值未出現(xiàn)跳動，在60次連續(xù)測量中，物位測量值方差為0.004 2。而在圖 5(b)中，可以看到使用FFT-Based物位測量算法和所提改進(jìn)的寬波束線陣?yán)走_(dá)物位測量算法都可以得到物位的穩(wěn)定測量，但是改進(jìn)算法之間有一個固有偏差。其原因?yàn)?，使用FFT-Based物位測量算法進(jìn)行測量時，得到的距離是物料表面回波最強(qiáng)點(diǎn)與物位計(jì)之間的斜距，大于實(shí)際的垂直距離。使用改進(jìn)測量算法在料倉2中進(jìn)行的60次連續(xù)測量時，物位測量值方差為0.005 6。

進(jìn)行多次測量的有效強(qiáng)散射點(diǎn)積累后，對這些強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到圖 6所示的兩個料倉中物料表面起伏示意圖。其中料倉1的垂直起伏范圍為10.4 m至10.7 m，料倉2的垂直起伏范圍為2.5 m至3.2 m。從圖6中可以看到，兩個料倉物料表面起伏特性不同，這是由于兩個料倉的進(jìn)料口位置不同導(dǎo)致的。通過使用寬波束雷達(dá)物位計(jì)，結(jié)合所提改進(jìn)算法，得到的物料表面起伏圖可以實(shí)現(xiàn)更精確的物位測量。

圖6 實(shí)地料倉物料表面起伏示意圖

5 總 結(jié)

基于寬波束物位測量時強(qiáng)散射點(diǎn)的分布情況，在FFT-Based物位測量算法的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的寬波束線陣?yán)走_(dá)物位測量算法。首先，通過強(qiáng)散射點(diǎn)檢測及到達(dá)角估計(jì)，得到強(qiáng)散射點(diǎn)的距離、幅值、角度信息；然后，使用強(qiáng)散射點(diǎn)有效點(diǎn)判別算法，通過多步判別準(zhǔn)則將強(qiáng)散射點(diǎn)分為物位測量有效點(diǎn)和物位測量干擾點(diǎn)，基于有效測量點(diǎn)的物位信息得到物料表面與物位計(jì)之間的垂直距離。在某糧倉中使用77 GHz寬波束線陣?yán)走_(dá)進(jìn)行了實(shí)地測試，驗(yàn)證了所提改進(jìn)算法在實(shí)地料倉中對低介電常數(shù)物料物位測量時的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。從算法角度突破了雷達(dá)物位測量時對雷達(dá)波束寬度的限制，對小型化、低成本的寬波束雷達(dá)物位計(jì)的普及應(yīng)用具有重要意義。