[发明专利]一种调频连续波雷达液位计

说明书

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。

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。