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120 GHz 超宽带毫米级高精度雷达液位算法

120 GHz 超宽带毫米级高精度雷达液位算法

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发表时间:2024-02-24 19:28作者:admin来源:西安赛谱自动化仪表技术有限公司网址:http://www.sp-automatic.com

近年来 ,石油化工行业不断发展 ,石油 化工 产品的生产和存储环境逐渐复杂,油品具有易燃 易爆的特点 ,油品存储罐容量较大 ,一 般在千吨 级甚至万吨级 。在油品生产过程中,需要时刻准 确掌握油品储罐的状态,若误差较大会给企业带 来较大的经济损失,同时也容易造成事故安全隐 因此,罐内液位高度的测量精度不但直接影 响企业的经济效益,而且直接影响企业的生产安 全。

石油化工行业一直以来都是采用液 位开关 来进行油品储罐的液位报警,其缺点是在运行过 程中开关状态难以有效监测 ,平时难以维护 ,而 能够连续不间断地对液位进行测量的自动化仪 表则可以对相关油品储罐内的液位变化情况进 行实时动态监测并能够对仪表自身的工作状 进行实时监测报警 ,因此可靠性更高 。但是现有 的液位连续测量仪表存在一些问题 。例如,静压 液位计精度较差,主要是由于受测量介质密度和 温度的影响较大;磁致伸缩液位计一直以来在市 场上普及不广,主要是该液位计采用与测量介质 接触的测量方式 ,安装和维护要求较高 ,而且主要适用于非腐蚀性介质 测量,不适用于粘稠性介 质; 伺服液位计同样有接触式液位计的各种弊 端,也不适用于腐蚀性和粘稠性介质。

雷达液位计因采用非接 触式测量且 不需要 传输媒介 故能够应用于易挥发介质的液位测 ,不受罐内介质挥发性气体的影响 ,并且不受 罐内液体介质的浓度 、密度等相关物理特性的影 。随着技术和工艺的进步,其价格逐步降低,应 用范围越来越广 。雷达液位计能适应恶劣的应用 环境,不但抗干扰能力强 ,而且测量精度较高 ,所 以在石油化工行业得到了广泛应用12

近年来,石油化工行业对雷达液位计测量精 度的要求越来越高 而目前主流的2680 GHz 达液位计存在一些测量精度问题 。为此 ,笔者基 于一种新的120 GHz超宽带雷达液位计 ,并结合 高精度Chirp-Z变换算法,从而达到提高雷达液位 计在油品储罐中液位测距精度的目的

1   雷达液位计工作原理

雷达液位计的天线定向发射电磁波 ,这些电 磁波经过被测液体介质表面反射后,被雷达天线 接收 。雷达所测距离R的计算式如下:

R= 图片1.png4                    1

式中   F 噪声系数;

G 天线增益;

k 玻尔兹曼常数,k=1.38× 10-23 J/K L 系统损耗;

Pt 发射功率;

SNR0 信噪比;

T0 标准温度;

λ 波长;

τ 传输的脉冲宽度;

σ 雷达散射截面。

罐体内介质 、介电常数和温度都会对探测精 度产生影响 ,需要综合考虑 。文中只考虑常温状 态,而实际工况中,除了考虑这些影响外,还需要考虑实际环境和测量介质 。不同介质3环境下,雷达 信噪比随雷达探测距离的变化关系如图1所示。

图片2.png

                                                                 图1   不同介质环境下信噪比随雷达探测距离的变化关系

由图1可知,在不同的介质环境下,随着探测   距离的增加 雷达探测信号的信噪比随之降低 表现为探测精度的降低。

线性调频连续波雷达45的发射频率带宽为   4 GHz,距离分辨率3.75 cm,最高发射功率10 dBm 探测距离最高达100 m。发射波形方程如下:

Stt=A0cos [ (f0t+k0t2 ) 0 ]0<t<T         2

式中   A0 幅值;

f0 雷达载频;

k0 调频斜率;

T 周期;

φ0 初相位

雷达信号在经过距离为R的传播后 与回波 信号之间会产生时延td,则有:SRt=A0cos { [f0t-td+kt-td2 ] 0 }td<t<T    3

回波信号经过混频 中频基带信号经过FFT 后,得到如图2所示的信号频域图

图片3.png

                                                                                                        图2   信号频域图

由于雷达测距的精度主要依赖于对 雷达收 发信号混频后所得的差拍信号(频率与目标距离 线性相关的信号), 因此可以利用差拍信号的频 率对目标进行测距,从而把对测距的精度转换为 对差拍信号进行数字信号处理的问题6。传统的 液位计测量都是利用FFT处理实现的 造成频谱 处理的精度受到栅栏效应 、泄漏效应 、混叠效应 及量化结果误差等因素的影响,导致对频谱的分 析精度不高,并且测距精度很难提高 。量化误差 和混叠效应是在进行AD转换过程中引起的,而泄 漏效应与栅栏效应是FFT算法进行数字信号处理 时不可避免的问题,导致频谱的实际曲线与理想 曲线之间具有偏差 。如图3所示 红色点是进行 FFT处理后得到的信号强度点 绿色点是因为栏 栅效应而丢失的点,在进行FFT处理后不可见,从 而产生ΔR/2的测距误差,因此雷达液位计无法满 足高精度测量场合的要求

图片4.png

                                                                                        图3    实际频谱点与理论频谱点示意图



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