120 GHz 超寬帶毫米級高精度雷達(dá)液位算法
作者：admin 來源：西安賽譜自動化儀表技術(shù)有限公司 2024-03-20 瀏覽量：69
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120 GHz 超寬帶毫米級高精度雷達(dá)液位算法
近年來 ，石油化工行業(yè)不斷發(fā)展 ，石油 化工 產(chǎn)品的生產(chǎn)和存儲環(huán)境逐漸復(fù)雜，油品具有易燃 易爆的特點(diǎn) ，油品存儲罐容量較大 ，一 般在千噸 級甚至萬噸級 。在油品生產(chǎn)過程中，需要時(shí)刻準(zhǔn) 確掌握油品儲罐的狀態(tài)，若誤差較大會給企業(yè)帶 來較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也容易造成事故安全隱 患 。 因此，罐內(nèi)液位高度的測量精度不但直接影 響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且直接影響企業(yè)的生產(chǎn)安 全。
石油化工行業(yè)一直以來都是采用液 位開關(guān) 來進(jìn)行油品儲罐的液位報(bào)警，其缺點(diǎn)是在運(yùn)行過 程中開關(guān)狀態(tài)難以有效監(jiān)測 ，平時(shí)難以維護(hù) ，而 能夠連續(xù)不間斷地對液位進(jìn)行測量的自動化儀 表則可以對相關(guān)油品儲罐內(nèi)的液位變化情況進(jìn) 行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測并能夠?qū)x表自身的工作狀 態(tài) 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警 ，因此可靠性更高 。但是現(xiàn)有 的液位連續(xù)測量儀表存在一些問題 。例如，靜壓 液位計(jì)精度較差，主要是由于受測量介質(zhì)密度和 溫度的影響較大；磁致伸縮液位計(jì)一直以來在市 場上普及不廣，主要是該液位計(jì)采用與測量介質(zhì) 接觸的測量方式 ，安裝和維護(hù)要求較高 ，而且主要適用于非腐蝕性介質(zhì) 測量，不適用于粘稠性介 質(zhì)； 伺服液位計(jì)同樣有接觸式液位計(jì)的各種弊 端，也不適用于腐蝕性和粘稠性介質(zhì)。
雷達(dá)液位計(jì)因采用非接 觸式測量且 不需要 傳輸媒介， 故能夠應(yīng)用于易揮發(fā)介質(zhì)的液位測 量 ，不受罐內(nèi)介質(zhì)揮發(fā)性氣體的影響 ，并且不受 罐內(nèi)液體介質(zhì)的濃度 、密度等相關(guān)物理特性的影 響 。隨著技術(shù)和工藝的進(jìn)步，其價(jià)格逐步降低，應(yīng) 用范圍越來越廣 。雷達(dá)液位計(jì)能適應(yīng)惡劣的應(yīng)用 環(huán)境，不但抗干擾能力強(qiáng) ，而且測量精度較高 ，所 以在石油化工行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用［1，2］。
近年來，石油化工行業(yè)對雷達(dá)液位計(jì)測量精 度的要求越來越高， 而目前主流的26、80 GHz雷 達(dá)液位計(jì)存在一些測量精度問題 。為此 ，筆者基 于一種新的120 GHz超寬帶雷達(dá)液位計(jì) ，并結(jié)合 高精度Chirp-Z變換算法，從而達(dá)到提高雷達(dá)液位 計(jì)在油品儲罐中液位測距精度的目的 。
1 雷達(dá)液位計(jì)工作原理
雷達(dá)液位計(jì)的天線定向發(fā)射電磁波 ，這些電 磁波經(jīng)過被測液體介質(zhì)表面反射后，被雷達(dá)天線 接收 。雷達(dá)所測距離R的計(jì)算式如下：
R= 4 （1）
式中 F—— 噪聲系數(shù)；
G—— 天線增益；
k—— 玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38× 10-23 J/K； L—— 系統(tǒng)損耗；
Pt—— 發(fā)射功率；
（SNR）0—— 信噪比；
T0—— 標(biāo)準(zhǔn)溫度；
λ—— 波長；
τ—— 傳輸?shù)拿}沖寬度；
σ—— 雷達(dá)散射截面。
罐體內(nèi)介質(zhì) 、介電常數(shù)和溫度都會對探測精 度產(chǎn)生影響 ，需要綜合考慮 。文中只考慮常溫狀 態(tài)，而實(shí)際工況中，除了考慮這些影響外，還需要考慮實(shí)際環(huán)境和測量介質(zhì) 。不同介質(zhì)［3］環(huán)境下，雷達(dá) 信噪比隨雷達(dá)探測距離的變化關(guān)系如圖1所示。
圖1 不同介質(zhì)環(huán)境下信噪比隨雷達(dá)探測距離的變化關(guān)系
由圖1可知，在不同的介質(zhì)環(huán)境下，隨著探測 距離的增加 ， 雷達(dá)探測信號的信噪比隨之降低 ， 表現(xiàn)為探測精度的降低。
線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)［4，5］的發(fā)射頻率帶寬為 4 GHz，距離分辨率3.75 cm，最高發(fā)射功率10 dBm， 探測距離最高達(dá)100 m。發(fā)射波形方程如下：
St（t）=A0cos [2π (f0t+k0t2 ) +φ0 ]，0<t<T （2）
式中 A0—— 幅值；
f0—— 雷達(dá)載頻；
k0—— 調(diào)頻斜率；
T—— 周期；
φ0—— 初相位 。
雷達(dá)信號在經(jīng)過距離為R的傳播后 ， 與回波 信號之間會產(chǎn)生時(shí)延td，則有：SR（t）=A0cos {2π [f0（t-td）+k（t-td）2 ] +φ0 }，td<t<T （3）
回波信號經(jīng)過混頻 、 中頻基帶信號經(jīng)過FFT 后，得到如圖2所示的信號頻域圖 。
圖2 信號頻域圖
由于雷達(dá)測距的精度主要依賴于對 雷達(dá)收 發(fā)信號混頻后所得的差拍信號（頻率與目標(biāo)距離 線性相關(guān)的信號）， 因此可以利用差拍信號的頻 率對目標(biāo)進(jìn)行測距，從而把對測距的精度轉(zhuǎn)換為 對差拍信號進(jìn)行數(shù)字信號處理的問題［6］。傳統(tǒng)的 液位計(jì)測量都是利用FFT處理實(shí)現(xiàn)的 ， 造成頻譜 處理的精度受到柵欄效應(yīng) 、泄漏效應(yīng) 、混疊效應(yīng) 及量化結(jié)果誤差等因素的影響，導(dǎo)致對頻譜的分 析精度不高，并且測距精度很難提高 。量化誤差 和混疊效應(yīng)是在進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換過程中引起的，而泄 漏效應(yīng)與柵欄效應(yīng)是FFT算法進(jìn)行數(shù)字信號處理 時(shí)不可避免的問題，導(dǎo)致頻譜的實(shí)際曲線與理想 曲線之間具有偏差 。如圖3所示 ， 紅色點(diǎn)是進(jìn)行 FFT處理后得到的信號強(qiáng)度點(diǎn) ， 綠色點(diǎn)是因?yàn)闄?柵效應(yīng)而丟失的點(diǎn)，在進(jìn)行FFT處理后不可見，從 而產(chǎn)生ΔR/2的測距誤差，因此雷達(dá)液位計(jì)無法滿 足高精度測量場合的要求 。
圖3 實(shí)際頻譜點(diǎn)與理論頻譜點(diǎn)示意圖
