CN104132713A - 一种导波雷达液位计回波信号处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理导波雷达液位计回波信号的方法及一种导波雷达液位计回波信号处理装置,所述方法包括调节基平的步骤、调节放大倍数的步骤和除杂的步骤。所述装置包括微处理器、控制电路、脉冲发射电路、回波接收电路、信号处理电路和A/D转换电路，解决了导波雷达液位计在低介电常数或大量程应用中回波信号弱时检测不到而降低测量稳定性和可靠性及应用范围受限的问题。

Description

一种导波雷达液位计回波信号处理方法及装置

技术领域

本发明属于雷达液位测量技术领域，具体涉及一种回波信号智能处理方法和采用该方法的导波雷达液位计。

背景技术

近几年，由于应用广泛、测量精确度高等特点，雷达这种技术类别的物/液位仪表增长很快，并且随着雷达类型仪表的价格下降及技术升级，雷达已经成为最重要的物/液位测量技术种类之一，尤其在冶金、建材(水泥)、石油、化工等传统工业领域占据越来越重要的地位，它将会更多的取代其它类型的仪表，成为物/液位仪表行业主流产品。

导波雷达液位计是伴随着物位测量技术和雷达技术的发展而产生的一种新的物位测量技术。导波雷达液位计利用时间域反射技术(Time Domain Reflector，简称TDR)来实现对液位的连续测量。其原理是：雷达液位计发送一定能量的电磁脉冲波以光速沿导波杆向被测介质方向传播，当遇到被测介质表面时，部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到导波雷达液位计接收装置，发射装置与被测介质表面的距离与脉冲信号在其间的传播时间成正比，通过微处理器对回波信号进行检测处理，经计算得出液位高度。导波雷达液位计因其受介质特性影响小，测量精度高，耐高压耐高温能力强等因素，成为近几年物位计的发展方向，可广泛应用于过程和储存工业中。

发射波经过液面反射后的幅值可由下式计算得到：

$V_R=V_S\×\mathrm{\ρ}=V_S\×\frac{{(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}}-1)}^2}{{(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}}+1)}^2}---\left(1\right)$

其中V_S为发射波幅度，V_R为液面反射波幅度，ε_γ为液面相对介电常数,ρ为反射系数。

由公式(1)知，被测介质对电磁波的反射能力取决于介质的介电常数。介质的介电常数小，反射的电磁波能量就很弱。现有的导波雷达液位计在测量小介电常数(小于4)介质的液位时，由于介电常数小，电磁波遇到介质表面时反射系数就比较小，在发射脉冲幅度一定情况下，接收到的回波信号幅值就很小，液位计接收电路很难检测到回波信号，当环境噪声比较大时甚至检测不到，给后面的信号处理带来困难，因此使用受到很大限制。另外，电磁波在介质中传输时能量以指数形式吸收衰减，因此大量程应用时，同样会出现“丢波”的情况，对测量的稳定性和可靠性造成了严重的影响。

一般的解决办法是增加发射电磁波信号的功率或者更改导波杆的结构。

通过增强发射功率，可以适当提高反射波的信号强度，但发射功率一般是有限制的，不可能无限地增加。导波雷达液位计一般采用两线制，要求仪表内部具有超低功耗特性；另外，防爆场合应用也对导波雷达液位计的功率提出了严格的限制。

导波雷达液位计探头结构对测量会产生很大的影响，一般根据介质介电常数和量程选择同轴、杆式或者缆绳式导波杆。导波杆选择不当，会引起回波信号弱的问题。专利200720015722.X中介绍的在导波杆上设一个滑动配合的金属浮子且金属浮子上表面为平面形的方式虽然能够增强反射波信号强度，但粘性介质应用时容易发生浮子被“卡死”的现象，且滑动的浮子属可动部件，也会带来现场维护的问题；另外，当现场工况发生改变，如介质类型改变或者期望量程增加时，就需要更改导波杆的结构形式，给现场应用带来了不便。因此，更改导波杆的结构形式也会限制导波雷达液位计的应用范围。

以上两种办法都是从硬件上解决导波雷达液位计应用范围受限的问题，不具有普适性。

发明内容

针对增加发射电磁波信号功率或者更改导波杆结构存在的缺陷和不足，本发明解决导波雷达液位计在低介电常数或大量程应用中回波信号弱时检测不到而降低测量稳定性和可靠性及应用范围受限的问题。

本发明采用回波信号智能处理方法，通过软件自动调节基平、自动调节放大倍数及自适应调整虚假回波曲线方法，结合回波曲线，计算得出有效值曲线，根据有效值曲线数据实现对回波信号的检测和处理，能够有效消除现有技术方案在低介电常数或大量程应用中受到限制的缺陷。

具体技术方案如下：

一种导波雷达液位计回波信号处理装置,包括微处理器、控制电路、脉冲发射电路、回波接收电路、信号处理电路和A/D转换电路，由微处理器向控制电路、信号处理电路、A/D转换电路发送控制信号，控制电路控制脉冲发射电路和回波接收电路，回波接收电路将收集到的回波信号直接反馈给微处理器或经信号处理电路反馈给微处理器，所述的信号处理电路由依回波信号传输方向依次连接的基平调节电路、增益调节电路、滤波电路构成，所述的基平调节电路通过在回波信号上叠加一个直流偏置调节回波信号的基电平，所述的增益调节电路用于通过平衡差分仪表放大电路将经过基平调节电路的回波信号提取和放大成可变、稳定的信号值，所述的微处理器还用于调节信号处理电路，并去除回波信号的噪声干扰。

本发明还涉及一种处理导波雷达液位计回波信号的方法,包括叠加直流偏置的调节基平的步骤、反射波信号的调节放大倍数的步骤和抑制高频噪声的除杂的步骤。

以及一种利用上文所述的导波雷达液位计回波信号处理装置处理导波雷达液位计回波信号的方法。

与最接近的现有技术相比，采用本发明的技术方案的有益效果如下：

1)在低介电常数或大量程应用中，能够有效检测微弱回波信号，虚假回波曲线处理方法能够提高抗干扰能力，使液位测量更稳定、可靠；

2)发射功率不需要太大，可用于两线制及防爆场合，节能，环保；

3)无可动部件，免维护，使用寿命更长；

4)本方案具有智能处理回波信号的特性，现场调试简单、方便，用户体验好。

附图说明

图1为导波雷达液位计系统原理框图；

图2为基平调节电路；

图3为增益调节电路；

图4为导波雷达液位计回波信号处理步骤示意图；

图5为导波雷达液位计回波信号智能处理方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

导波雷达液位计系统原理如图1所示。在导波雷达液位计中，系统主要参数的选取主要取决于雷达液位计的应用环境，在不同的应用环境下液位计的工作状态会有所不同。所以在设计时，根据其应用环境，选择合适的参数，包括合适的发射波形式、回波采样方式、以及采样回波的信号处理，能够实现系统的最优设计。本发明主要涉及采样回波的信号处理部分。

信号处理电路主要包括基平调节电路、增益调节电路和滤波电路。导波雷达液位计回波信号属于微弱信号，为了便于后级电路及ADC转换处理，需要叠加一个直流偏置，该直流偏置幅值即为回波采样数据的基平值。基平调节电路原理见图2。MCU输出的PWM信号(定时器产生)，调节此信号的占空比可改变采样电路输出信号ECHO_RET的基电平，占空比越大，回波信号基平越大。ECHO_RET信号进入增益调节电路。

由公式(1)知，反射波的幅值变化范围很大，因此需要用可变增益且有稳定增益的放大器，用来将反射波信号放大到微处理器能够识别的幅值范围。本发明采用平衡差分仪表放大电路实现对噪声环境中微弱回波信号的提取和放大，电路原理见图3所示。

在图3中，U202A和U202B构成输入级，U202C构成输出级。U201为可调电阻,可通过MCU调节PB0与PW0之间的脚间电阻R_G。根据输入电压约束条件，跨在脚间电阻R_G上的电压是V_REF-V_ECHO，根据输入电流约束条件，流过电阻R203与流过脚间电阻R_G为相同电流。应用欧姆定律得到：

V₁-V₂＝(2*R₂₀₃+R_G)*(V_REF-V_ECHO)/R_G  (2)

或V₁-V₂＝(1+2*R₂₀₃/R_G)*(V_REF-V_ECHO)  (3)

式(3)可以看出，这个输入级是差分的，也称之为差分输入，或差分输入放大器。输出级也是一个差分放大器，其表达式为

$V_{\mathrm{ECHO}\_\mathrm{AMP}}-V_{\mathrm{REF}}=\frac{R_{209}}{R_{207}}*(V_1-V_2)---\left(4\right)$

将(3)式带入(4)式，得

$V_{\mathrm{ECHO}\_\mathrm{AMP}}-V_{\mathrm{REF}}=\frac{R_{209}}{R_{209}}*(1+2*R_{203}/R_G)*(V_{\mathrm{REF}}-V_{\mathrm{ECHO}})---\left(5\right)$

由式(5)可以看出，输出相对于VREF的增益为

$A=\frac{R_{209}}{R_{207}}*(1+2*R_{203}/R_G)---\left(6\right)$

式(6)说明，仪表放大器的增益取决于外部电阻的比值，所以利用合适阻值的电阻，该放大器的增益可以做到很精确。

滤波电路采用运放构成的二阶有源滤波，实现对高频噪声信号的抑制。

本发明软件处理方法采用图4所示的步骤实现回波信号的智能处理，主要内容是：自动调节基平、自动调节放大倍数及自适应变换虚假回波曲线，然后比较回波曲线与虚假回波曲线数据，计算得出有效值曲线，根据有效值曲线数据实现对回波信号的检测和处理，最终实现液位的测量。

实际应用中，图4处理步骤可作为子程序被导波雷达液位计主程序调用。详细步骤如图5所示：

(101)ADC采集原始回波信号数据，进入(102)；

(102)将(101)中得到的数据进行平滑滤波，得到平滑的回波曲线，进入(103)；

(103)计算(102)中回波曲线基平值，得到实测回波信号基平值，进入(104)；

(104)判断(103)中计算的基平值是否等于设定的基平值，若相等，进入(105)，否则进入(106)；

(105)虚假回波抑制有效，设置相应标志表示能够使用虚假回波抑制功能，进入(108)；

(106)虚假回波抑制无效，设置相应标志表示不能够使用虚假回波抑制功能，进入(107)；

(107)将设定的基平值与(103)中计算的基平值之差作为输入，通过增量式PI算法计算得出基平调节所需的定时器给定值，调节PWM输出使基平计算值趋近于设定值，进入(108)；

(108)在回波曲线中量程范围内搜索幅度最大值，记为Echo_Max，进入(109)；

(109)判断Echo_Max是否大于等于预置的回波阀值，如果是，进入(110)，否则进入(112)；

(110)判断Echo_Max是否等于ADC的满量程值，如果相等，进入(111)，否则进入(113)；

(111)放大倍数减小一级，进入(113)；

(112)放大倍数增大一级，进入(113)；

(113)判断虚假回波抑制是否有效，若有效，进入(114)，否则进入(118)；

(114)判断当前放大倍数是否与虚假回波存储时的放大倍数是否相等，虚假回波是指某种状态下执行(101)、(102)、(103)步骤得出的平滑回波曲线，若相等，进入(116)，否则进入(118)；

(115)虚假回波曲线变换，变换的方法是将存储的虚假回波曲线对应点幅度值乘以当前放大倍数，然后除以虚假回波存储时的放大倍数，进入(116)；

(116)将回波曲线与虚假回波曲线对应点数据进行比较，若前者幅度较大，将两者之差与回波曲线数据加权之和作为有效值，否则基平值作为有效值，进入(117)；

(117)根据有效值曲线选择液位回波(最大波、首波、最后波、面积最大波等)，并进行回波强度及液位实时距离值计算，进入(119)；

(118)直接根据回波曲线选择液位回波(最大波、首波、最后波、面积最大波等)，并进行回波强度及液位实时距离值计算，进入(119)；

(119)环形结构数组中最早的测量值丢弃，实时测量距离值放入该数组，将该测量值与前面19次历史测量值取算术平均值，该平均值即为液面距离测量结果，通过换算即可得出液位高度，进入(120)；

(120)结束。

本发明的关键点如下：

1)信号处理部分具有自动调节基平功能。其特征在于将设定的基平值与实际计算的基平值之差作为输入，采用增量式PI算法计算得出基平调节所需的定时器给定值，通过MCU调节PWM输出占空比使基平计算值趋近于设定值；

2)信号处理部分具有自动调节放大倍数功能。其特征在于采用平衡差分仪表可调放大电路，根据平滑回波曲线中幅度最大值与预置的回波阀值及ADC的满量程值比较判断的结果来自适应调整信号调理电路的放大倍数；

3)具有虚假回波曲线变换功能。其特征在于变换的方法是将存储的虚假回波曲线对应点幅度值乘以当前放大倍数，然后除以虚假回波存储时的放大倍数；

4)根据有效值曲线数据来计算实测液位距离值。其特征在于有效值曲线数据计算方法是，回波曲线与虚假回波曲线对应采样点数据比较，若前者幅度值较大，两者之差与回波曲线数据加权之和作为该采样点的有效值，否则将基平值作为该采样点的有效值；

5)多种回波选择方式。其特征在于可选择最大波、首波、最后波或面积最大波作为有效的液位回波。

本发明已经用于导波雷达液位计。现场应用证明，采用该发明方法的导波雷达液位计可测小介电常数(小于4)或大量程(大于20米)的液位。

本发明可用于脉冲雷达液位计、超声波液位计等利用时间域反射(TDR)技术来实现液位(或料位)连续测量的物位测量仪表中。

实施例一：

一种导波雷达液位计回波信号处理装置,包括微处理器、控制电路、脉冲发射电路、回波接收电路、信号处理电路和A/D转换电路，由微处理器向控制电路、信号处理电路、A/D转换电路发送控制信号，控制电路控制脉冲发射电路和回波接收电路，回波接收电路将收集到的回波信号直接反馈给微处理器或经信号处理电路反馈给微处理器，所述的信号处理电路由依回波信号传输方向依次连接的基平调节电路、增益调节电路、滤波电路构成，所述的基平调节电路通过在回波信号上叠加一个直流偏置调节回波信号的基电平，所述的增益调节电路用于通过平衡差分仪表放大电路将经过基平调节电路的回波信号提取和放大成可变、稳定的信号值，所述的微处理器还用于调节信号处理电路，并去除回波信号的噪声干扰。

所述的增益调节电路用于通过平衡差分仪表放大电路的MCU调整R_G以增大或减小经基平调节电路处理的回波信号的放大倍数，所述的平衡差分仪表放大电路的MCU由微处理器控制，所述的微处理器通过将回波信号的最大值Echo_Max与预置的回波阀值及A/D转换电路的满量程值进行比较，根据比较结果控制MCU进行调节。

一种利用上文所述的导波雷达液位计回波信号处理装置处理导波雷达液位计回波信号的方法,其特征在于包括调节基平的步骤、调节放大倍数的步骤和除杂的步骤。

所述的调节基平的步骤包括：

步骤一：将经A/D转换的原始回波信号进行平滑滤波；

步骤二：计算经平滑滤波的回波信号的基平值；

步骤三：判断经平滑滤波的回波信号的基平值是否等于设定的基平值，

若不相等将设定的基平值与步骤二中计算的基平值之差作为输入，MCU通过增量式PI算法计算得出基平调节所需的定时器给定值，调节PWM输出至基平调节电路，使输出的基平值等于设定的基平值，进入调节放大倍数的步骤；

若相等则直接进入调节放大倍数的步骤。

所述步骤三中若实测回波信号的基平值等于设定的基平值则设置虚假回波抑制有效的标志；若实测回波信号的基平值不等于设定的基平值则设置虚假回波抑制无效的标志。

所述的调节放大倍数的步骤包括：

步骤一：搜索经A/D转换的原始回波信号的最大值Echo_Max；

步骤二：判断Echo_Max是否大于等于预置的回波阀值，

若小于预置的回波阀值则增大增益调节电路的放大倍数，使Echo_Max增大至大于等于预置的回波阀值？

若大于等于预置的回波阀值则进入步骤三。

步骤三：判断Echo_Max是否大于等于A/D转换电路的满量程值，若是则减小增益调节电路的放大倍数，使Echo_Max减小至小于A/D转换电路的满量程值。

所述的步骤二和步骤三中增大或减小增益调节电路的放大倍数的操作是微处理器通过调节增益调节电路中的脚间电阻R_G实现的。

所述的除杂的步骤包括：

步骤一：判断虚假回波抑制是否有效，若有效则进入步骤二，若无效则直接根据回波信号计算液位实时距离值；

步骤二：判断此时微处理器设置的增益调节电路的放大倍数与虚假回波存储时的放大倍数是否相等，(虚假回波存储是指处理器存储某个特定时刻下的回波信号，具体应用方法为当导波雷达液位计安装完成后，在空罐状态下记录的虚假回波(背景噪声)。虚假回波存储时需要同时存储放大倍数和基平两个参数，作为判断虚假回波是否有效和虚假回波变换的依据。)

若不相等则将虚假回波进行曲线变换后进入步骤三，

若相等则直接进入步骤三；

步骤三：将回波信号的回波曲线与虚假回波曲线进行比较，计算得出有效值曲线。(具体为将回波曲线与虚假回波曲线对应点数据进行比较，若前者幅度较大，将两者之差与回波曲线数据加权之和作为有效值，权系数可根据实际情况调整，如0.5和0.5；否则基平值作为有效值。)

步骤四：根据有效值曲线计算液位实时距离值。这里，根据导波雷达液位计现场应用工况下真实液位回波信号特征对有效值曲线进行最大波、首波、最后波、面积最大波的选择，根据选择的波形计算距离实时值；

距离实时值计算方法是选择的波形(最大波、首波、最后波或面积最大波)位置相对于采样起始位置值乘以一个固定的系数。

所述将虚假回波进行曲线变换的方法为将存储的虚假回波曲线对应点幅度值乘以当前放大倍数，然后除以虚假回波存储时的放大倍数，得到变换后的虚假回波曲线幅度值。(例如：存储虚假回波时的放大倍数是1，虚假回波曲线上某个采样点的幅度是2，后来放大倍数变成3，没有进行虚假回波存储操作，但可通过曲线变换求得放大倍数为3时的虚假回波数据，前例某个采样点的幅度就变换为2×3÷1＝6)；

此处，曲线变换的目的是能够使用存储的虚假回波数据进行除杂。

Claims (10)

1.一种处理导波雷达液位计回波信号的方法,其特征在于：包括叠加直流偏置的调节基平的步骤、反射波信号的调节放大倍数的步骤和抑制高频噪声的除杂的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种处理导波雷达液位计回波信号的方法，其特征在于：所述的调节基平的步骤包括：

步骤一：将经A/D转换的原始回波信号进行平滑滤波；

步骤二：计算经平滑滤波的回波信号的基平值；

步骤三：判断经平滑滤波的回波信号的基平值是否等于设定的基平值，

若不相等将设定的基平值与步骤二中计算的基平值之差作为输入，MCU通过增量式PI算法计算得出基平调节所需的定时器给定值，调节PWM输出至基平调节电路，使输出的基平值等于设定的基平值，进入调节放大倍数的步骤；

若相等则直接进入调节放大倍数的步骤。

3.根据权利要求2所述的一种处理导波雷达液位计回波信号的方法，其特征在于：所述步骤三中若实测回波信号的基平值等于设定的基平值则设置虚假回波抑制有效的标志；若实测回波信号的基平值不等于设定的基平值则设置虚假回波抑制无效的标志。

4.根据权利要求1所述的一种处理导波雷达液位计回波信号的方法，其特征在于：所述的调节放大倍数的步骤包括：

步骤一：搜索经A/D转换的原始回波信号的最大值Echo_Max；

步骤二：判断Echo_Max是否大于等于预置的回波阀值，

若小于预置的回波阀值则增大增益调节电路的放大倍数，使Echo_Max增大至大于等于预置的回波阀值,

若大于等于预置的回波阀值则进入步骤三；

步骤三：判断Echo_Max是否大于等于A/D转换电路的满量程值，若是则减小增益调节电路的放大倍数，使Echo_Max减小至小于A/D转换电路的满量程值。

5.根据权利要求4所述的一种处理导波雷达液位计回波信号的方法，其特征在于：所述的步骤二和步骤三中增大或减小增益调节电路的放大倍数的操作，是微处理器通过调节增益调节电路中的脚间电阻R_G实现的。

6.根据权利要求1所述的一种处理导波雷达液位计回波信号的方法,其特征在于：所述的除杂的步骤包括：

步骤一：判断虚假回波抑制是否有效，若有效则进入步骤二，若无效则直接根据回波信号计算液位实时距离值；

步骤二：判断此时增益调节电路的放大倍数与虚假回波存储时的放大倍数是否相等，

若不相等则将虚假回波进行曲线变换后进入步骤三，

若相等则直接进入步骤三；

步骤三：将回波信号的回波曲线与虚假回波曲线进行比较，计算得出有效值曲线。

步骤四：根据有效值曲线计算液位实时距离值。

7.根据权利要求6所述的一种处理导波雷达液位计回波信号的方法,其特征在于：所述将虚假回波进行曲线变换的方法为将存储的虚假回波曲线对应点幅度值乘以当前放大倍数，然后除以虚假回波存储时的放大倍数，得到变换后的虚假回波曲线幅度值。

8.一种导波雷达液位计回波信号处理装置,包括：微处理器、控制电路、脉冲发射电路、回波接收电路、信号处理电路和A/D转换电路；

所述微处理器向控制电路、信号处理电路、A/D转换电路发送控制信号，所述控制电路控制脉冲发射电路和回波接收电路，所述回波接收电路将收集到的回波信号直接反馈给微处理器或经信号处理电路反馈给微处理器；

其特征在于：所述的信号处理电路含有按回波信号传输方向依次连接的基平调节电路、增益调节电路、滤波电路；

所述的基平调节电路通过在回波信号上叠加一个直流偏置调节回波信号的基电平，所述的增益调节电路用于通过平衡差分仪表放大电路将经过基平调节电路的回波信号提取和放大成可变、稳定的信号值；

所述的微处理器还用于调节信号处理电路，并抑制回波信号的高频噪声干扰。

9.根据权利要求8所述的一种导波雷达液位计回波信号处理装置,其特征在于：所述的增益调节电路用于通过平衡差分仪表放大电路的MCU调整脚间电阻R_G以增大或减小经基平调节电路处理的回波信号的放大倍数，所述的平衡差分仪表放大电路的MCU由微处理器控制，所述的微处理器通过将回波信号的最大值Echo_Max与预置的回波阀值及A/D转换电路的满量程值进行比较，根据比较结果控制MCU进行调节。

10.一种利用权利要求8或9所述的导波雷达液位计回波信号处理装置处理导波雷达液位计回波信号的方法,其特征在于包括调节基平的步骤、调节放大倍数的步骤和除杂的步骤。