雷达液位计的信号处理办法及研究现状和发展趋势的分析

 随着经济结构优化升级，我国的液位计行业变化突飞猛进。我国在液位计行业已经取得了迅猛的成长，并且在野外复杂的环境下雷达液位计对于液位测量的能力是有着其他液位计无法替代的优势，毫米波雷达液位计作为水利仪表领域的新型产品，一直以来都备受关注。
       根据雷达波能量辐射的特质，在毫米波波段目前工业、农业领域中应用zui多的两种雷达分别是调频连续波（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ，ＦＭＣＷ）雷达和脉冲（Ｐｕｌｓｅ）雷达［１Ｗ２］。脉冲雷达是一种高频雷达波，通过测量雷达传感器发射的雷达脉冲与目标接触，并由目标返回雷达接收器的时间来计算距离。ＦＭＣＷ雷达是频率被调制的连续波，并且通过测量由发送信号和接收信号产生的差频信号来进一步测量距离［１３］。与脉冲雷达相比，ＦＭＣＷ波雷达具有以下优点：

 
       （１）没有盲区，雷达发射器和接收器同步工作，在测距期间无需切换。因此雷达理论上没有盲点；
       （２）距离分辨率高，雷达具有大带宽信号，决定了它具有较强的距离分辨率；
       （３）信号能量大，带宽和时间宽度的乘积大。由于ＦＭＣＷ雷达使用大的时间宽度和带宽信号，调频连续波的能量远大于相同带宽和水平的脉冲信号的能量；
       （４）抗拦截能力强［１４］。
几种测距传感器方案比较
       苏联学者Ｍａｎｔｉｅｒｓｔａｍ和Ｂａｂａｒｅｋｘｉ在早期对ＦＭＣＷ雷达测量技术进行了研究。他们zui初将调频法运用在无线电高度表上，随后雷达的调频测距法得到了普遍的应用，一般将平均频率计数法应用于调频雷达测距系统，并由此来提取雷达
波信号中的距离信息。从上世纪八十年代中期以来，随着射频硬件和雷达技术的不断进步，在雷达信号处理中数字信号处理技术被普遍应用，这很大程度上推动了雷达测量技术的发展。毫米波ＦＭＣＷ雷达测距技术与其他测距技术相比具有明显的优势，也是目前工业、农业生产中用于液位测量的的一种技术，常见的非接触测距方案如表１－１所示。目前国内部分水利行业可实现非接触测量，并且使用的国外厂家的脉冲雷达较多，但是ＦＭＣＷ雷达在水利行业中仍有较高的应用价值。
 
       雷达液位计工作原理是雷达波由雷达传感器发射到被测液面，由液面表面反射，zui后接收。从发射到接收信号的时间与被测量的远近成比例［２Ｇ１。雷达的非接触式液位测量的特点是测量精度特别高，雷达液位计在用于液体的非接触测量过程中，即使在高压和温度等恶劣环境下，它也能测量多种类型的液体并且不受积聚或冷凝的影响。非接触式雷达液位计既可用于简单液体也可用于腐蚀性液体，同时也适用于卫生要求严格的应用环境。雷达液位计对于液位的测量几乎可在所有工程行业中应用，而且非接触式的雷达液位计调试简单、安装维护方便、运行故障率低，可以为用户节省安装时间和降低维护成本。根据现在实际的水利工程需要，研究一款价格实惠，测量精度能满足远程计量闸门要求的雷达液位计是很有必要的。
 
       毫米波雷达在当前雷达测距领域占据着重要的位置，雷达测距技术己应用于工业、农业和自动化等众多领域，但是目前毫米波雷达的主要技术掌握在德国海拉、博世集团、ＶＥＧＡ、西门子、科隆、大陆集团、瑞典奥托立夫公司等外国大公司手中，尤其是未来将成为主流的７７ＧＨｚ毫米波雷达，它的核心被多家外国公司所把持［２３］。例如图１－２科隆公司生产的ＶＥＧＡＰＵＬＳ６４型雷达液位计，它是一种非接触式雷达物位计，用于连续测量液体液位的雷达传感器，量程为０到３０ｍ，测量偏差＜ｌｍｍ，过程温度为－１９６到＋２００摄氏度，环境、仓储和运输
温度为－４０到＋８０摄氏度，支持ＨＡＲＴ通信协议。
 
       相较于国外，国内关于雷达测量技术的研究起步较晚，但是毫米波雷达的研发正处于蓬勃发展的阶段，早期只有几所研究机构和部分的企业在做相关研究。不过近几年通过科研人员的努力研究，取得了不错的回报，目前已成功开发出更传统的２４ＧＨｚ毫米波雷达，并己形成以市场为导向的产品。但其中大部分用于汽车领域，如杭州智博科技有限公司，厦门意行半导体和华宇汽车。目前国内雷达测距还属于早期阶段，２４ＧＨｚ雷达在未来的一段时间在国内依然有一定的*，７７ＧＨｚ毫米波雷达在国内研究机构的研究尚处于技术探索的初级阶段。其中较好的一些研究机构和公司己经将７７ＧＨｚ雷达使用在无人驾驶汽车的试验样车上，并规划未来让７７ＧＨｚ雷达投入量产。
 
       相比于汽车行业毫米波雷达的风靡云蒸，在传统工业、农业领域因为受其昂贵的价格和其他因素影响，调频连续毫米波雷达液位计并没有大面积的投入使用，这就降低了雷达液位计的*。０前很多的中国ＦＭＣＷ雷达液位计制造商还是以仿制国外产品为主，少部分企业在自行研发，目前市场上大多数国产雷达液位计都是接触式的导波雷达和脉冲式雷达液位计。国内能生产调频连续波雷达液位计的厂家不多，比较有代表性的国内雷达液位计生产商无锡雷华科技有限公司己经开发出了调频连续波测量方式的雷达液位计。该液位计的量程３０ｍ，为要求被测物质介电常数大于１．５，分辨率为ｌｍ，提供ＲＳ４８５接口和４－２０ｍＡ电流输出。