脉冲雷达物位计测量原理
时间:2013-05-21 阅读:174
脉冲雷达物位计雷达信号是一种特殊形式的电磁波,其物理特性与可见光相似,它可以穿透空间,传播速度相当于光速。按照电磁波的包络波形,雷达可分为两大类,即脉冲雷达和连续波雷达。雷达技术起初仅用于军事,后来发展到用于监控民用飞机,现在这种技术被广泛的用于其他行业,而雷达物位计是20世纪60年代中期从油轮液位测量基础上发展起来的。以前由于雷达传感器的信号分析处理要求*,价格较贵,影响了雷达式传感器在物位测量仪表中的应用。自上个世纪九十年代以来,雷达物位计由于测量精度高、具有耐高温和高压的特性,以及非接触式测量原理,十分适合石化、冶金等复杂工业过程物位测量要求,成为重要物位测量的仪表之一。与一般雷达(军用、气象、导航)相比,物位雷达测距短(10~100m)所以对测量精度提出了较高的要求。雷达信号是否可以被反射,主要取决于两个因素:被测介质的导电性和介电常数。所有导电介质都能很好地反射雷达信号,即使介质的导电性不是很好,也能被准确地测量。雷达传感器一般可以测量所有介电常数大于1.5的介质,介质的导电性越好或介电常数越大,回波信号的射效果越好。
测量原理
作为一种新型的物位测量技术,现在广泛使用的雷达物位计有以下3种类型:脉冲雷达物位计、调频连续波(Fre-quency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达物位计和导波雷达(Guided Wave Radar,GWR)物位计。
脉冲雷达采用高频、窄脉冲对微波源信号进行调制,以波束的形式发射固定频率(即载波频率)的脉冲波,在介质表面反射后由接收器接收,脉冲的时间行程决定了由发射天线至介质表面的距离。由于t的数值极小,因此这种方法不适合近距离的高精度测量。
脉冲雷达也能测量界面,只要上层介质的介电常数低于下层介质。雷达波遇到低介电常数介质会将一定强度的波反射,其余波继续在介质中传播,直至遇到高介电常数介质界面后再反射,通过测量该回波的时间差即可实现界面测量。
大多数经济型的脉冲微波物位计都采用5.8GHz或6.3GHz的微波频率,其辐射角较大(约30°),容易在容器壁或内部构件上产生干扰回波。虽然加大喇叭天线尺寸可稍微减少发射角度,但体积增大,使用不便。
调频连续波雷达物位计
与脉冲雷达相比,调频连续波雷达天线发射的微波是频率波线性调制的连续波,当回波被天线接收到时,天线发射频率已经改变,于是通过测量雷达波往返信号的频谱而非雷达波的往返时间进行物位测量。 调频连续波雷达的基本测量原理,雷达物位计探头同时进行雷达波的发射和接收,由于回波信号频率的滞后,使得反射频率与发射信号频率之间有频差,而该频差△f与雷达物位计测量的距离H呈正比关系,即H越大,△f也越大。因此,通过对锯齿波的频差检测即可得到一个高精度的物位信号。为了排除干扰信号,雷达物位计的信号处理电路通常测量混合信号频谱,用快速傅立叶变换(FFT)来计算混合信号,从中对混合信号频谱进行分析,排除掉干扰信号,然后确定天线到反射界面的距离。信号频谱由于采用了FMCW的测量原理,使雷达波能够*的“射”向测量介质,使其抗*力加强,“失波”的可能性降到zui低,从而提高了它的可靠性,从而完成测量。
早期的调频连续雷达是采用平均频率计数的方式,对回波中频信号进行处理以获取回波中的距离信息。该方法结构简单,精度较高,但只能适用于单目标的场合。20世纪80年代以后,随着计算机技术的飞速发展,调频连续雷达回波中频的处理普遍采用数字信号处理的方法获取回波中频的距离谱,根据其zui大值点所处距离位置来测量距离。这种方法主要是进行FFT运算,计算出回波在距离轴上的功率谱曲线,可充分利用调频连续雷达的高距离分辨率和高测距精度的特点,适用于更为复杂的目标环境,是近距离微波测距的重要手段。调频连续波雷达与脉冲雷达相比,连续波不仅能够消除距离盲区,而且采用大的带宽能够获得高的距离分辨率和测距精度,在高精度近距离测量领域得到广泛应用。
导波雷达物位计
脉冲雷达液位测量仪表天线的辐射能约为1mW,是一种微弱的信号,当这种信号发射进入空气中传播时,能量减弱的非常快,当信号到达液面并反射击回来时,自液面反射的信号强度与液面的介电常数有直接关系,介电常数非常低的非导电类介质反射回来的信号非常小,这种被削弱的信号在返回至安装于罐顶部接收天线的途中,能量又被进一步削弱,这会导致雷达液位计所接收到的返回信号能量小于它所发出信号能量的1%;当液面出现波动和泡沫时,情况就变得更复杂,它将信号散射脱离传播途径或吸收大部分能量,从而使返回到雷达液面计接受天线的信号更加弱小或无信号返回;另外,当储罐中有搅拌器、管道等障碍物时,这些障碍物也会反射电磁波信号,从而产生虚假的液位信号。
为了弥补脉冲雷达液位计的这些缺陷,导波雷达液位仪表应运而生,导波雷达的工作原理与常规通过空间传播电磁波的雷达非常相似,导播雷达物位计的基础是电磁波的时域反射(Time Domain Refectory TDR)原理,采用该原理可以发现埋地电缆和墙内埋高电缆的断头,测电缆断头时,TDR发生器发出的电磁脉冲信号沿电缆传播,遇到断头时,就会产生测量反射脉冲;同时,在接收器中预先设定好的与电缆总长度相应的阻抗变化也引发一个基本脉冲,将反射脉冲与基本脉冲相比较,可测出断头的位置。将该原理用于物位测量时,微波脉冲不是在空间传播,而是通过一根(或两根)从罐顶伸入、直达罐底的导波体传播。导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳。TDR发生器每秒中产生约20万个能量脉冲,当这些脉冲遇到波导体与液体表面的接触处时,由于波导体在气体中和在液体中的导电性能大不相同,这种波导体导电性的改变使波导体的阻抗发生骤然变化,从而产生一个液位反射原始脉冲,同时在波导体的顶部具有一个预先设定的阻抗,该阻抗产生一个可靠的基本脉冲,该脉冲又称为基线反射脉冲。雷达液位计检测到液位反射原始脉冲,并与基线反射脉冲相比较,从而计算出介质的液位高度,由于高导电性介质液位产生较强的反射脉冲,而低导电性介质产生的反射较弱。低导电性介质使得某些电磁波能沿着波导体穿过液面继续向下传播,直至*消失或被一种较高导电性的介质反射回来,因此可以采用导播雷达测量两种液体界面(如油/水界面等),只要界面下的液体介电常数远远高于界面上液体的介电常数。本文来源:电磁流量计http://www.china-jtyb.com孔板流量计http://www.jsjhjt.net