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FMCW微波物位計的工作原理

來源:江蘇中科儀表有限公司   2012年06月06日 17:18  
  FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的詞頭的縮寫。FMCW技術(shù)是在雷達物位測量設備中zui早使用的技術(shù)。
  
  FMCW微波物位計采用線性的調(diào)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(shù)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(diào)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(zhì)表面的距離成一定比例關系。
  
  如果我們認為被線性調(diào)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(zhì)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(diào)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(jù)公式2,我們可以看到,天線到介質(zhì)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,zui后得到準確地數(shù)字回波信號,計算出天線到介質(zhì)表面的距離。
  
  實際上,F(xiàn)MCW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(nèi)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(nèi)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(shù)相似,使用時差原理計算到介質(zhì)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(zhì)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zui多的微波物位計。當然,很多生產(chǎn)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(jié)合的產(chǎn)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(shù)的介質(zhì)、能夠有效的避開容器內(nèi)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(shù)評論
  
  我曾經(jīng)在用戶處,聽說一種說法,采用脈沖技術(shù)比連續(xù)調(diào)頻原理的雷達要好得多。我覺得這種說法是不科學。固然,F(xiàn)MCW技術(shù)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zui低。因此在一些工況較復雜的應用,依然能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢來。當然,脈沖雷達技術(shù)經(jīng)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(shù)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(xiàn)在同一個安裝多臺雷達,而信號不會相互影響;而FMCW技術(shù)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(jīng)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(chǎn)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(xié)調(diào)起來,同時發(fā)送或同時接受。而連續(xù)調(diào)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(shù),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(shù)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。的就是的。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。

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