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雷達液位計的信號處理辦法以及研究現狀和發展趨勢

作者: 來源: 發布時間:2020-04-17 15:54:07

        隨著經濟結構優化升級,我國的液位計行業變化突飛猛進。我國在液位計行業已經取得了迅猛的成長,并且在野外復雜的環境下雷達液位計對于液位測量的能力是有著其他液位計無法替代的優勢,毫米波雷達液位計作為水利儀表領域的新型產品,一直以來都備受關注。

       根據雷達波能量輻射的特質,在毫米波波段目前工業、農業領域中應用zui多的兩種雷達分別是調頻連續波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)雷達和脈沖(Pulse)雷達[1W2]。脈沖雷達是一種高頻雷達波,通過測量雷達傳感器發射的雷達脈沖與目標接觸,并由目標返回雷達接收器的時間來計算距離。FMCW雷達是頻率被調制的連續波,并且通過測量由發送信號和接收信號產生的差頻信號來進一步測量距離[13]。與脈沖雷達相比,FMCW波雷達具有以下優點:

 
       (1)沒有盲區,雷達發射器和接收器同步工作,在測距期間無需切換。因此雷達理論上沒有盲點;
       (2)距離分辨率高,雷達具有大帶寬信號,決定了它具有較強的距離分辨率;
       (3)信號能量大,帶寬和時間寬度的乘積大。由于FMCW雷達使用大的時間寬度和帶寬信號,調頻連續波的能量遠大于相同帶寬和水平的脈沖信號的能量;
       (4)抗攔截能力強[14]。
幾種測距傳感器方案比較
       蘇聯學者Mantierstam和Babarekxi在早期對FMCW雷達測量技術進行了研究。他們zui初將調頻法運用在無線電高度表上,隨后雷達的調頻測距法得到了普遍的應用,一般將平均頻率計數法應用于調頻雷達測距系統,并由此來提取雷達
波信號中的距離信息。從上世紀八十年代中期以來,隨著射頻硬件和雷達技術的不斷進步,在雷達信號處理中數字信號處理技術被普遍應用,這很大程度上推動了雷達測量技術的發展。毫米波FMCW雷達測距技術與其他測距技術相比具有明顯的優勢,也是目前工業、農業生產中用于液位測量的zui先進的一種技術,常見的非接觸測距方案如表1-1所示。目前國內部分水利行業可實現非接觸測量,并且使用的國外廠家的脈沖雷達較多,但是FMCW雷達在水利行業中仍有較高的應用價值。
 
       雷達液位計工作原理是雷達波由雷達傳感器發射到被測液面,由液面表面反射,zui后接收。從發射到接收信號的時間與被測量的遠近成比例[2G1。雷達的非接觸式液位測量的特點是測量精度特別高,雷達液位計在用于液體的非接觸測量過程中,即使在高壓和極端溫度等惡劣環境下,它也能測量多種類型的液體并且不受積聚或冷凝的影響。非接觸式雷達液位計既可用于簡單液體也可用于腐蝕性液體,同時也適用于衛生要求嚴格的應用環境。雷達液位計對于液位的測量幾乎可在所有工程行業中應用,而且非接觸式的雷達液位計調試簡單、安裝維護方便、運行故障率低,可以為用戶節省安裝時間和降低維護成本。根據現在實際的水利工程需要,研究一款價格實惠,測量精度能滿足遠程計量閘門要求的雷達液位計是很有必要的。
雷達液位計
       毫米波雷達在當前雷達測距領域占據著重要的位置,雷達測距技術己應用于工業、農業和自動化等眾多領域,但是目前毫米波雷達的主要技術掌握在德國海拉、博世集團、VEGA、西門子、科隆、大陸集團、瑞典奧托立夫公司等外國大公司手中,尤其是未來將成為主流的77GHz毫米波雷達,它的核心專利被多家外國公司所把持[23]。例如圖1-2科隆公司生產的VEGAPULS64型雷達液位計,它是一種非接觸式雷達物位計,用于連續測量液體液位的雷達傳感器,量程為0到30m,測量偏差<lmm,過程溫度為-196到+200攝氏度,環境、倉儲和運輸
溫度為-40到+80攝氏度,支持HART通信協議。
 
       相較于國外,國內關于雷達測量技術的研究起步較晚,但是毫米波雷達的研發正處于蓬勃發展的階段,早期只有幾所研究機構和部分的企業在做相關研究。不過近幾年通過科研人員的努力研究,取得了不錯的回報,目前已成功開發出更傳統的24GHz毫米波雷達,并己形成以市場為導向的產品。但其中大部分用于汽車領域,如杭州智博科技有限公司,廈門意行半導體和華宇汽車。目前國內雷達測距還屬于早期階段,24GHz雷達在未來的一段時間在國內依然有一定的市場份額,77GHz毫米波雷達在國內研究機構的研究尚處于技術探索的初級階段。其中較好的一些研究機構和公司己經將77GHz雷達使用在無人駕駛汽車的試驗樣車上,并規劃未來讓77GHz雷達投入量產。
 
       相比于汽車行業毫米波雷達的風靡云蒸,在傳統工業、農業領域因為受其昂貴的價格和其他因素影響,調頻連續毫米波雷達液位計并沒有大面積的投入使用,這就降低了雷達液位計的市場占有率。0前很多的中國FMCW雷達液位計制造商還是以仿制國外產品為主,少部分企業在自行研發,目前市場上大多數國產雷達液位計都是接觸式的導波雷達和脈沖式雷達液位計。國內能生產調頻連續波雷達液位計的廠家不多,比較有代表性的國內雷達液位計生產商無錫雷華科技有限公司己經開發出了調頻連續波測量方式的雷達液位計。該液位計的量程30m,為要求被測物質介電常數大于1.5,分辨率為lm,提供RS485接口和4-20mA電流輸出。
 
1.2.3雷達信號處理算法
       國內外對于雷達差頻信號處理的算法有很多種,雷達信號在頻域上獲取頻率信息要比在時域上采用測平均頻率的方法具有更強的抗噪聲性能。利用多信號分類算法、AR模型算法、線性預測法和zui大似然估計算法等現代譜估計的方法,能對差頻信號進行比較準確的測算,但是這些算法運算時間長,不能實現對信號的實時處理。ANN算法和WT算法等頻譜數據處理的算法計算量同樣也很大,直接使用FFT對信號分析會出現頻譜泄露和柵欄現象,這是因為其頻率的分辨率受采樣數據長度和采樣頻率的限制,不能滿足高精度頻率測量的要求。提高譜分析精度的頻譜校正方法很多,其中比較有代表性的是以下幾種:
 
       (1)能量重心校正法是利用了主瓣內的多條譜線來提升頻率的估計精度。這是一種有效提升信號精準測量的手段,它可以很好的改善離散頻譜的分析精度。此方法具有計算速度快、算法簡單等特點,適用于對稱窗函數的頻譜分析,校正的精度與窗函數有著密切的關系,但是不迠川于頻率過于密集或者連續的頻譜。
       (2)Rife-Jane頻率法是利用zui大譜線和第二譜線之間的幅度之比估計實際fiVJ頻率的真實值。但是快速傅里葉變換之后的敁大譜線值和信號的真實值相差+大時,對于第二譜線方向的判斷會因此發I鉛誤,使得頻率的差值出現很大的誤差,這大大限制了Rifc-Jane頻率算法的粘度[氣
       (3)Quinn法是利用信號FFT主瓣內幅度次大譜線與zui大譜線的FFT系數U數模位之比進行差值,找到M大頻涪的位置以及和在它兩側zui近的次大頻譜位竹,計算zui大頻譜與左右兩個次火頻譜的模比值來確定頻率偏差,在頻率偏差M化頻譜附近吋測距精度不高,但在itt化頻譜中間吋,測距精度卻很高|3<WI1。
       (4)FFT+FT連續細化法足將快速傅!丨1葉變換和連續傅里葉變換相結介,在不增加采樣長度的前提下增加頻率的分辨率,提升相位的精度。在對頻譜進行分析時,可以得到主要頻率的成份頻率和幅位等信號參數,提高了頻率分辨力,對瞬態及恒定采樣長度信號的頻率細化分析十分苻效1321。
       (5)Zoom-FFT稱為細化的快速傅立葉變換,又稱為選帶快速傅立葉變換。ZOOM-FFT的功能是對信號的頻率進行局部細化放大,可以提高某一特定頻帶的頻率分辨率。實現FFT細化功能的算法有幾種,如頻移法、相位補償法和zui大熵譜法等,目前應用zui多的是頻移法。Zoom-FFT在應用時需要配置數字濾波器,其細化頻帶兩端附近的頻譜幅度容易受到濾波器性能的影響,并且在存放中間數據所需要的內存空間大,頻率調整復雜,使zui大細化倍數和精度受到一定限制]。
       (6)jacobsen法是利用FFT頻譜zui大的3根譜線來對頻率估計進行校正,在低信噪比和FFT點數較少時能得到較好的結果,但分析信號時的精度仍然不高,因此Jacobsen法更多的是應用在需要快速測頻時
       (7)Chirp-Z變換法是直接在放大細化的頻譜里致密取值,增加頻率點數,并計算出相應的頻譜值,頻譜放大細化的處理過程簡單,細化倍數選擇靈活、運算效率高,可使整個細化頻帶取得較好的細化效果,在雷達差頻信號頻譜分析時能有效的減少柵欄效果,適用于雷達液位計的復雜信號頻域分析,本文采用此算法對雷達差頻信號進行分析。

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