120 GHz 超寬帶毫米級(jí)高精度雷達(dá)液位算法

近年來(lái) ，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(chǔ)環(huán)境逐漸復(fù)雜，油品具有易燃 易爆的特點(diǎn) ，油品存儲(chǔ)罐容量較大 ，一 般在千噸 級(jí)甚至萬(wàn)噸級(jí) 。在油品生產(chǎn)過(guò)程中，需要時(shí)刻準(zhǔn) 確掌握油品儲(chǔ)罐的狀態(tài)，若誤差較大會(huì)給企業(yè)帶 來(lái)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(cè)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(lái)都是采用液 位開(kāi)關(guān) 來(lái)進(jìn)行油品儲(chǔ)罐的液位報(bào)警，其缺點(diǎn)是在運(yùn)行過(guò) 程中開(kāi)關(guān)狀態(tài)難以有效監(jiān)測(cè) ，平時(shí)難以維護(hù) ，而 能夠連續(xù)不間斷地對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量的自動(dòng)化儀 表則可以對(duì)相關(guān)油品儲(chǔ)罐內(nèi)的液位變化情況進(jìn) 行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并能夠?qū)x表自身的工作狀 態(tài) 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警 ，因此可靠性更高 。但是現(xiàn)有 的液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表存在一些問(wèn)題 。例如，靜壓 液位計(jì)精度較差，主要是由于受測(cè)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(lái)在市 場(chǎng)上普及不廣，主要是該液位計(jì)采用與測(cè)量介質(zhì) 接觸的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè) 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(lái)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(cè)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(lái)，石油化工行業(yè)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量精 度的要求越來(lái)越高， 而目前主流的26、80 GHz雷 達(dá)液位計(jì)存在一些測(cè)量精度問(wèn)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(chǔ)罐中液位測(cè)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(xiàn)定向發(fā)射電磁波 ，這些電 磁波經(jīng)過(guò)被測(cè)液體介質(zhì)表面反射后，被雷達(dá)天線(xiàn) 接收 。雷達(dá)所測(cè)距離R的計(jì)算式如下：

R= 4                    （1）

式中   F—— 噪聲系數(shù)；

G—— 天線(xiàn)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(zhǎng)；

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(huì)對(duì)探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)   距離的增加 ， 雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的信噪比隨之降低 ， 表現(xiàn)為探測(cè)精度的降低。

線(xiàn)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(cè)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(hào)在經(jīng)過(guò)距離為R的傳播后 ， 與回波 信號(hào)之間會(huì)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(hào)經(jīng)過(guò)混頻 、 中頻基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT 后，得到如圖2所示的信號(hào)頻域圖 。



                                                                                                        圖2   信號(hào)頻域圖

由于雷達(dá)測(cè)距的精度主要依賴(lài)于對(duì) 雷達(dá)收 發(fā)信號(hào)混頻后所得的差拍信號(hào)（頻率與目標(biāo)距離 線(xiàn)性相關(guān)的信號(hào)）， 因此可以利用差拍信號(hào)的頻 率對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，從而把對(duì)測(cè)距的精度轉(zhuǎn)換為 對(duì)差拍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的問(wèn)題［6］。傳統(tǒng)的 液位計(jì)測(cè)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(duì)頻譜的分 析精度不高，并且測(cè)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(guò)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(hào)處理 時(shí)不可避免的問(wèn)題，導(dǎo)致頻譜的實(shí)際曲線(xiàn)與理想 曲線(xiàn)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(hào)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(jiàn)，從 而產(chǎn)生ΔR/2的測(cè)距誤差，因此雷達(dá)液位計(jì)無(wú)法滿(mǎn) 足高精度測(cè)量場(chǎng)合的要求 。



                                                                                        圖3    實(shí)際頻譜點(diǎn)與理論頻譜點(diǎn)示意圖