FMCW微波物位計的工作原理介紹

FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的詞頭的縮寫。FMCW 技術是在雷達物位測量設備中最早使用的技術。

FMCW微波物位計采用線性的調制的高頻信號，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號。它是一種基于復雜數學公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調制的連續(xù)高頻微波信號并進行掃描，同時接收返回信號。發(fā)射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質表面的距離成一定比例關系。

如果我們認為被線性調制的發(fā)射微波信號的斜率為K,發(fā)射信號和反射信號的頻率為rf,滯后時間差為rt,發(fā)射天線到介質表面的距離為R，C為光速。

那么我們可以得到：rt = 2R/C

由于采用的是調頻的微波信號，因此我們可得：rf = K×rt；

兩式合并后，我們得到公式：

R = C× rf/2K （公式2）

根據公式2，我們可以看到，天線到介質表面的距離R與發(fā)射頻率和反射頻率差rf成正比關系。

信號處理部分將發(fā)射信號和回波信號進行混合處理，得到混合信號頻譜，并通過獨立的快速傅立葉（FFT）變化來區(qū)分不同的頻率信號，最后得到準確地數字回波信號，計算出天線到介質表面的距離。

實際上，FMCW信號是在兩個不同的頻率之間循環(huán)。目前市場上的FMCW微波物位計主要以兩種頻率為主：9到10GHz和24.5到25.5GHz。

采用FMCW原理的微波物位計都具有連續(xù)自校準的處理功能。被處理的信號與 一個表示已知固定距離的內部參照信號進行比較。任何差值會自動得 到補償，這樣消除了由溫度波動或變送器內部電子部件老化引起的可能的測量漂移。

2.2、脈沖

脈沖雷達物位計，與超聲波技術相似，使用時差原理計算到介質表面的距離。 設備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號的傳播時間 直接與到介質的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達使用的是電磁波。它利用好幾萬個脈沖來 “掃描”容器并得到完整的回波圖。

通常，采用脈沖方式的微波物位計的精度和可靠性都不如FMCW微波位計，但是脈沖物位計因為價格較FMCW低很多，因此是目前市場應用得最多的微波物位計。當然，很多生產廠商通過增強回波處理功能等方式大大提高了脈沖雷達的可靠性。

2.3、導波雷達

也被稱作時域反射式雷達，即TDR。導波雷達是非接觸式雷達和導波天線相結合的產物。它將微波信號發(fā)射到導波桿或纜上，使微波能量集中在導波桿或纜周圍而不會“擴散”。它一般都是采用脈沖波，但也有采用連續(xù)波的。

這種工作原理的測量方式使它具有了能夠測量較低的介電常數的介質、能夠有效的避開容器內干擾物的影響、不受水蒸汽的影響、可以用于測量固體等優(yōu)點，但同時它像所有的接觸式物位測量設備一樣，具有易粘附、易磨損，甚至造成斷纜、受粉塵影響較大的缺點。

2.4、技術評論

我曾經在用戶處，聽說一種說法，采用脈沖技術比連續(xù)調頻原理的雷達要好得多。我覺得這種說法是不科學。固然，FMCW技術的雷達存在著：成本相對較高，功耗較大等缺陷，但是它的工作方式保證了它的可靠性更優(yōu)，信號的失真度也會降到最低。因此在一些工況較復雜的應用，依然能體現出它的優(yōu)勢來。當然，脈沖雷達技術經過近幾年的大力發(fā)展，也有了巨大的飛躍，克服了很多技術上的缺陷，可靠性也大大地提高了。

前段時間我們有家代理商跟我說，有某雷達供應商的銷售跟客戶提到，脈沖雷達可以實現在同一個安裝多臺雷達，而信號不會相互影響；而FMCW技術的雷達就會有問題。但是沒有解釋因為什么原因。我聽了之后，覺得很詫異，市場競爭已經到這種程度了？其實，安裝在同一個倉上的雷達信號相互影響，恰恰是脈沖雷達的一個缺點，由于它的工作狀態(tài)是相當于通訊里面“單工”方式，因此容易把其他同規(guī)格雷達發(fā)出的信號接受到而產生錯誤測量信號。因此需要通過做“同步”功能的設置來修正個問題，而大部分脈沖雷達都具備這個功能，就相當于將多臺雷達的工作狀態(tài)協調起來，同時發(fā)送或同時接受。而連續(xù)調頻的雷達由于采用類似通訊中“全雙工”的工作方式，就不存在這個問題。

各種不同的技術，存在就有價值，否則市場就會淘汰它。所以，我的看法是，在市場上能生存的各種技術也好，品牌也好，都有它的價值，不存在單純意義上的好或者不好，這要看具體用在什么地方，怎么用。最適合的就是最好的。就好比麻將牌，任何一張牌都可能是好牌，也可能是壞牌，就看你怎么打了。