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信号脉冲微波FMCW微波物位计的工作原理

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FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的词头的缩写。FMCW 技术是在雷达物位测量设备中最早使用的技术。

FMCW微波物位计采用线性的调制的高频信号,一般都是采用10GHz或24GHz微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法,由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描,同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。

如果我们认为被线性调制的发射微波信号的斜率为K,发射信号和反射信号的频率为rf,滞后时间差为rt,发射天线到介质表面的距离为R,C为光速。

那么我们可以得到:rt = 2R/C

由于采用的是调频的微波信号,因此我们可得:rf = K×rt;

两式合并后,我们得到公式:

R = C× rf/2K (公式2)

根据公式2,我们可以看到,天线到介质表面的距离R与发射频率和反射频率差rf成正比关系。

信号处理部分将发射信号和回波信号进行混合处理,得到混合信号频谱,并通过独立的快速傅立叶(FFT)变化来区分不同的频率信号,最后得到准确地数字回波信号,计算出天线到介质表面的距离。

实际上,FMCW信号是在两个不同的频率之间循环。目前市场上的FMCW微波物位计主要以两种频率为主:9到10GHz和24.5到25.5GHz。

采用FMCW原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。被处理的信号与 一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。任何差值会自动得 到补偿,这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引起的可能的测量漂移。


2.2、脉冲

脉冲雷达物位计,与超声波技术相似,使用时差原理计算到介质表面的距离。 设备传输固定频率的脉冲,然后接收并建立回波图形。信号的传播时间 直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同,雷达使用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来 “扫描”容器并得到完整的回波图。

通常,采用脉冲方式的微波物位计的精度和可靠性都不如FMCW微波位计,但是脉冲物位计因为价格较FMCW低很多,因此是目前市场应用得最多的微波物位计。当然,很多生产厂商通过增强回波处理功能等方式大大提高了脉冲雷达的可靠性。

2.3、导波雷达

也被称作时域反射式雷达,即TDR。导波雷达是非接触式雷达和导波天线相结合的产物。它将微波信号发射到导波杆或缆上,使微波能量集中在导波杆或缆周围而不会“扩散”。它一般都是采用脉冲波,但也有采用连续波的。

这种工作原理的测量方式使它具有了能够测量较低的介电常数的介质、能够有效的避开容器内干扰物的影响、不受水蒸汽的影响、可以用于测量固体等优点,但同时它像所有的接触式物位测量设备一样,具有易粘附、易磨损,甚至造成断缆、受粉尘影响较大的缺点。

2.4、技术评论

我曾经在用户处,听说一种说法,采用脉冲技术比连续调频原理的雷达要好得多。我觉得这种说法是不科学。固然,FMCW技术的雷达存在着:成本相对较高,功耗较大等缺陷,但是它的工作方式保证了它的可靠性更优,信号的失真度也会降到最低。因此在一些工况较复杂的应用,依然能体现出它的优势来。当然,脉冲雷达技术经过近几年的大力发展,也有了巨大的飞跃,克服了很多技术上的缺陷,可靠性也大大地提高了。

前段时间我们有家代理商跟我说,有某雷达供应商的销售跟客户提到,脉冲雷达可以实现在同一个安装多台雷达,而信号不会相互影响;而FMCW技术的雷达就会有问题。但是没有解释因为什么原因。我听了之后,觉得很诧异,市场竞争已经到这种程度了?其实,安装在同一个仓上的雷达信号相互影响,恰恰是脉冲雷达的一个缺点,由于它的工作状态是相当于通讯里面“单工”方式,因此容易把其他同规格雷达发出的信号接受到而产生错误测量信号。因此需要通过做“同步”功能的设置来修正个问题,而大部分脉冲雷达都具备这个功能,就相当于将多台雷达的工作状态协调起来,同时发送或同时接受。而连续调频的雷达由于采用类似通讯中“全双工”的工作方式,就不存在这个问题。

各种不同的技术,存在就有价值,否则市场就会淘汰它。所以,我的看法是,在市场上能生存的各种技术也好,品牌也好,都有它的价值,不存在单纯意义上的好或者不好,这要看具体用在什么地方,怎么用。最适合的就是最好的。就好比麻将牌,任何一张牌都可能是好牌,也可能是坏牌,就看你怎么打了。


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