物位計測量技術分析及應用研究

　　脈沖雷達的發(fā)射原理比較簡單，即雷達向距離為 R 的目標發(fā)送一個高頻脈沖，微波遇到介質后被反射回來，測得發(fā)送與接收的延遲時間，利用式(1)即可求得距離。但是，由于其靠時間來計算數(shù)值，因此，需要對事件精確到幾+皮秒(1ps = 10-12s) 。

　　假設記錄時間的芯片最高精度為 50Ps ，按式(l) 可得到其測量誤差距離精度為：△R= △t×c=15mm, 即脈沖雷達如果僅靠時間來處理數(shù)據(jù)，其最高精度為15mm 。所以，早期脈沖雷達大都采用時間拓展的方法來進行時間的準確測量與記錄，外加多次測量求平均的辦法。但采用拓展時間以及平均法求值，其最終精度要達到5～10mm具有一定的難度。

　　3.2.2 調頻連續(xù)波雷達物位計

　　調頻連續(xù)波(FMCW)雷達的原理為發(fā)送具有一定帶寬、頻率線性變化的連續(xù)信號，再對接收到的連續(xù)信號進行快速傅里葉變換，通過發(fā)送與接收信號的頻率差來計算兩個信號的時間差，最后與脈沖波雷達物位計一樣，由時間差得到對應的距離值。FMCW雷達能夠獲取很高的精度，其精度主要取決于壓控振蕩器的線性度和溫漂。

　　FMcw 雷達通過發(fā)射頻率調制的連續(xù)波信號，從回波信號中提取目標距離信息。FMcw分為線性調頻和非線性調頻(如正弦波調頻)兩種。使用非線性調頻方式時，每個目標產(chǎn)生的差拍頻率不唯一，一般只適用于單目標的場合，如雷達高度計等;線性調頻方式適合于用FFT算法測量頻率，應用最廣。這種方式使每個目標產(chǎn)生的差拍信號都是單一頻率，但其對線性調頻的線性度要求很高，比較常用的調制波形是三角波和鋸齒波，物位儀表常用鋸齒波高頻方式。FMCW 雷達發(fā)射和接收信號的原理如圖2所示。

　　圖2中，實線為雷達天線發(fā)送信號ft;虛線為雷達接收信號fr;B為信號的帶寬。發(fā)射信號的調頻周期T要遠大于目標最大回波時延td，即信號由天線發(fā)送經(jīng)物料反射，再由天線接收所經(jīng)的時間td比信號期T要小得多。發(fā)送信號和接收信號由于時延引起頻率的變換它們的頻率差就是差頻信號，可用fif表示。顯然差額信號fif的大小正比于天線與目標間的距離R，即：

　　式中：c為光速，3×108m/s;T為信號周期，B為信號帶寬，均為已知參數(shù)。獲得差頻信號fif的值最簡單的方法是利用傅里葉變換方法，通過頻譜分析求得。

　　與脈沖雷達相比，調頻雷達抗干擾能力強，這使得它能夠運用于更多的環(huán)境，但其價格昂貴雷達的2～2.5倍左右。FMCW 雷達發(fā)射的是連續(xù)波脈沖雷達的(峰值)功率小很多。發(fā)射功率小具有以下優(yōu)點：① 電源電壓大大降低，這對于用于油艙內(nèi)液位測量系統(tǒng)的安全性非常重要;② 發(fā)射系統(tǒng)便于用固態(tài)器件實現(xiàn)，從而使得發(fā)射系統(tǒng)尺寸大大減小，可靠性提高;③ FMCW 雷達極寬的信號帶寬使其具有很高的距離分辨率和距離測量精度，以及較強的抗干擾性。

　　四、雷達料位計測量技術難點

　　由于固態(tài)物料(如沙石、煤