CN105675085B - 一种调频连续波雷达液位计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于线性调频连续波雷达测距技术，涉及一种线性调频连续波雷达液位计。所述的液位计包括天线模块、收发单元、环形器、电源模块、处理单元和显示模块组成，收发单元的频综器产生Ku波段的FMCW信号并上变频到K波段，形成功率不小于5mW的K波段信号，经环行器至天线单元向外辐射，回波信号由天线单元接收经环行器送到接收单元，接收单元对回波信号进行谐波混频、带通滤波、放大后，输出包含距离信息的差频信号，经A/D采样形成数字信号，处理单元接收收发单元的差频数字信号进行FFT处理、杂波抑制、目标检测、频谱估计处理后，得到液位数据。本技术方案提高了液面检测的精度。
Description
技术领域
本发明属于线性调频连续波雷达测距技术，涉及一种线性调频连续波雷达液位计。
背景技术
雷达液位计，是物联网示范工程之一，该项目主要任务是：通过对部队油料油库信息的智能感知、互连互通和信息综合，实现部队油库智能化管理，有效提高部队的综合保障水平。
油库储油罐感知层由温度、压力、流量、液位等信息传感器组成，雷达液位计是储油罐油量的非接触式测量装置，采用发射—反射—接收的工作模式探测液位高度，具有安全可靠、精度高、寿命长、适应各种工作环境的特点，广泛应用于石化、仓储行业，是储油罐的核心传感器。
雷达液位计采用线性调频连续波(FMCW)雷达体制，通过对发射信号和回波信号相参接收，形成与距离成比例关系的差频信号，采用信号处理和高精度频谱估计等技术手段来实现液位的高精度测量；通过现场总线实现与上位机的交联和系统集成。
(1)国外技术产品发展状况、水平和趋势
雷达液位计的发展是从上世纪80年代开始的，雷达液位计主要由调频连续波(FMCW)雷达、脉冲雷达两类。早期的雷达液位计都采用调频连续波方式，虽然其线路结构较复杂，成本较高，但因为微波的行程时间仅为毫微秒数量级，如直接测时间差，测时精度要达微微秒数量级。在当时技术条件下难以低成本实现，调频连续波方式是测发射波与反射波的频差，易于实现。90年代后期，高精度测时技术已很成熟，故这一阶段推出的雷达液位计均采用脉冲法，直接测时，成为微波物位计中主要采用的方式，而调频连续波方式主要用于高精度的高端产品(幕栋.雷达液位计的测量原理、特点与应用，中国化工贸易，2013年第2期)。
脉冲雷达液位计由于受脉冲宽度(目前最小脉冲宽度0.8ns)和高速计时器件(目前记录时间最高精度为50ps)的限制，测量精度一般在(±3m～±10mm)，主要用于过程控制，为中低端雷达液位计。与脉冲雷达相比，FMCW雷达液位计是通过测量发射信号和反射信号的频率差来测量距离的，具有更高的测量精度和分辨率，目前测量精度可达(±0.4m～±3mm)，主要用于计量级和商品交易，此外，FMCW采用的是连续的信号发射及处理而非脉冲雷达的信号发射—等待—接收的间歇式工作方式，也就更适合于过程罐、搅拌罐等液面剧烈的场合，为中高端应用场合使用(1.罗斯蒙特雷达液位股份公司.雷达液位测量.发明专利，专利申请号：CN200710153641.0)。
在现场控制和传感器联网方面，国际上多家智能传感器制造企业联合推出了HART、Profibus、Foundation、Modbus等现场总线标准，并已正式作为国际标准发布。其中HART技术作为一种从模拟信号到全数字信号过渡一种通讯协议，实现4～20mA模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡性标准；而Profibus、Foundation、Modbus等为数字总线标准，针对多种现场总线并存的局面，外国公司生产的雷达液位计都有各种现场总线接口选项，供用户选用。
在工作波段方面，早期的雷达液位计大多工作在C波段(6GHz)和X波段(10GHz)，随着高频微波器件价格下降，这几年提供K波段(26GHz)产品的厂家逐渐增多，这是因为在同样安装条件下，K波段雷达能减小体积重量，并可实现更宽的信号带宽以提高测量精度，因此，雷达液位计发展趋势之一就是向高频段发展。
德国VEGA公司、西门子公司和瑞士E+H公司主要生产脉冲雷达液位计；瑞典SAAB公司、荷兰Enraf公司、德国科隆公司、西门子公司主要生产FMCW雷达液位计。
在FMCW雷达液位计测量精度方面：瑞典的SAAB公司生产的雷达液位计，频段在9.6～10.3GHz的微波信号，精度在；荷兰的Enraf公司的SmartRadar FlexLine智能雷达液位计测量精度，工作在X波段(9.538GHz～10.561GHz)，德国科隆公司的OPTIWAVE 7300C K波段FMCW雷达液位计，精度；德国西门子公司生产的SITRNS LR400K波段FMCW雷达液位计的精度为，只有德国科隆公司公布具有精度为的本安型雷达液位计。(1.罗斯蒙特雷达液位股份公司.两模式雷达液位计系统.发明专利，专利申请号：CN200680038044.7；2.HoneywellEnraf公司，Enraf SmartRadar FlexLine；3.Krohne公司,OPTIWAVE 7300C Non-contactRadar(FMCW)Level meter,www.krohne.com；4.Siemens Company，Level InstrumentsContinuous level measurement-Radar transmitters,Siemens AG2009)
(2)国内技术产品发展状况、水平和趋势
国内在雷达液位计研制方面起步较晚，且对该细分市场未给予足够的重视，只有几家民营企业合资或组装生产雷达液位计，大多为低端产品，技术含量不高。经过多年中国市场的经营，目前几家外国公司占据了国内高精度雷达液位计市场大部分份额，特别是高端雷达液位计更是国外产品占据垄断地位。
从公开的文献可知，高精度FMCW雷达液位计主要被国外几家公司垄断，且较少有高精度本质安全型FMCW雷达液位计。本发明借助国家物联网示范工程为契机，成功研制出本安型和隔爆型高精度FMCW雷达液位计，并在微波暗室实验环境验证了本发明的雷达液位计的测量精度为1mm。
发明内容
本发明的目的为：提供一种精度高、功耗低、质量轻的线性调频连续波雷达液位计。
本发明的技术方案为：所述的液位计包括天线模块、收发单元、环形器、电源模块、处理单元和显示模块组成，收发单元的频综器产生Ku波段的FMCW信号并上变频到K波段，形成功率不小于5mW的K波段信号，经环行器至天线单元向外辐射，回波信号由天线单元接收经环行器送到接收单元，接收单元对回波信号进行谐波混频、带通滤波、放大后，输出包含距离信息的差频信号，经A/D采样形成数字信号，处理单元接收收发单元的差频数字信号进行FFT处理、杂波抑制、目标检测、频谱估计处理后，得到液位数据。
本发明的有益效果为：采用K波段FMCW雷达体制，实现2GHz大带宽信号，为确保了高精度1mm的系统指标奠定了基础，同时，K波段液位计还具有体积小重量轻的优点。通过采用DDS技术和温补晶振使FMCW信号具有高的线性度和频率稳定度，以保证信号测量精度。采用低功耗电路设计，使液位计具有较低的功耗，通过估算，其功耗只有国外同类一半左右。
说明书附图
图1为：雷达液位计总体框图。
具体实施方式
一种高精度FMCW雷达液位计研制，该雷达液位计主要喇叭形天线，收发单元、环形器、电源模块、处理单元、显示模块组成。
液位计采用线性调频连续波(FMCW)雷达体制。收发单元的频综器产生Ku波段的FMCW信号并上变频到K波段，形成功率不小于5mW的K波段信号，经环行器至天线单元向外辐射，回波信号由天线单元接收经环行器送到接收单元，接收单元对回波信号进行谐波混频、带通滤波、放大后，输出包含距离信息的差频信号，经A/D采样形成数字信号，处理单元接收收发单元的差频数字信号进行FFT处理、杂波抑制、目标检测、频谱估计等处理后，得到高精度的液位数据，通过现场总线送到上位机。
(1)工作频段
选取K(24～26Ghz)波段。目前市场上主要有C波段、X波段、K波段三个工作频段的雷达液位计产品。K波段雷达与其它两个波段的雷达相比主要优点为：在同等安装和开孔条件下，K波段天线具有较小的波束角和较大的增益，雷达微波能量更集中，干扰回波小；在同等波束角要求的情况下，K波段天线具有体积小重量轻的优点，可减小开孔尺寸，易于雷达的安装使用；针对高精度计量级测量的需求，K波段电路更易实现宽带信号形成和处理，以提高测量精度。因此，在本项目中采用K波段是比较合适的选择，符合雷达液位计发展的趋势。
(2)工作体制
液位计采用FMCW雷达体制。雷达液位计的发展是从上世纪80年代开始的，雷达液位计主要由调频连续波(FMCW)雷达、脉冲雷达两类。脉冲雷达受脉冲宽度和高速计时器件的限制，一般测量精度在±3m～±10mm范围，主要用于过程控制。而FMCW雷达通过对发射FMCW信号和接收回波信号相参接收形成的差频信号来检测液位的距离，通过差频接收使宽带信号转换成频率较低的窄带信号，更易于数字化，通过FFT处理、频谱估计和杂波抑制等数字信号处理方法，在技术上更易于实现高精度测量和杂波抑制，目前高端雷达液位计测量精度可达±0.4m，可用于计量级场合。因此选择FMCW体制可以满足本项目高精度测量的要求，并且通过FMCW体制雷达液位计的研制，对培育国产雷达液位计产业，打破国外产品在高端雷达液位计上的垄断局面具有重要的意义。
(3)天线型式
由于雷达液位计辐射功率极小，采用收/发共用一个天线，为圆锥喇叭天的型式，极化方式为线极化，通加环行器进行收发隔离，减少发射泄露对接收通道的影响。
(4)FMCW信号产生
FMCW信号的线性度直接关系到距离测量精度，国外早期雷达液位计大多采用VCO产生FMCW信号，由于VCO是模拟电压控制频率产生，易受模拟电压非线性和温度变化的影响，FMCW信号的线性度不高，要采用复杂的校正控制电路和温度补偿电路。而数字直接频率合成技术(DDS)采用数字方法产生频率，线性度极高且几乎不受温度的影响，在雷达和通信系统中得到了广泛的应用，且芯片价格逐年下降到合理的水平。因此，在本方案中拟采用DDS产生FMCW信号，确保FMCW信号的线性度，另外，采用温补晶振来保证频率的稳定度。
(5)元器件选择考虑
在元器件选择方面，应选择集成度高和低功耗的微波组件、模拟电路和DSP芯片，在考虑元器件成本的前提下，尽量选用国产器件，以保障供货渠道的畅通。
(6)防爆考虑
按照总体要求，雷达液位计安装在0级场所时，应采用本质安全型液位计，防爆等级达到Ex iaIIA T3或更高；安装在其它场所(1级或2级场所)按本质安全型或隔爆型设计，防爆等级达到Ex d IIA T3或更高。为了使液位计具有更好的防爆性能，在方案中防爆形式考虑采用本安型兼容隔爆型，要进行本安型、容隔爆型双重认证。
(7)总线接口
现场总线物理层采用RS485接口，数据链路层采用Modbus通信协议。
Claims (1)
1.一种线性调频连续波雷达液位计，其特征为：所述的液位计包括天线模块、收发单元、环形器、电源模块、处理单元和显示模块组成，收发单元的频综器产生Ku波段的FMCW信号并上变频到K波段，形成功率不小于5mW的K波段信号，经环行器至天线单元向外辐射，回波信号由天线单元接收经环行器送到接收单元，接收单元对回波信号进行谐波混频、带通滤波、放大后，输出包含距离信息的差频信号，经A/D采样形成数字信号，处理单元接收收发单元的差频数字信号进行FFT处理、杂波抑制、目标检测、频谱估计处理后，得到液位数据；
通过数字直接频率合成技术生成FMCW信号。
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