[发明专利]高精度低功耗雷达液位仪系统

说明书

一、技术领域

本发明涉及高精度低功耗雷达测距系统，该系统涵盖了数字信号处理、微波收发系统、超宽带信号产生和低功耗解决方案技术领域，利用TDR原理精确测量发射脉冲和回波脉冲的时间差，得到目标距离。该系统可应用于石油、水利等高精度测距领域。

二、背景技术

雷达液位仪大多数采用传统的雷达体制——线性调频连续波体制，这种体制适用于短距离大功率测距的场合，不需要复杂的数字信号处理，结构简单。目前在国外有一些公司或者国内研究所研制雷达液位仪，如SAAB、KROHNE和HYControl公司。近年来俄罗斯西姆技术创新公司研制并生产了一系列采油井测试仪，其中GA I-1型声波脉冲发生器(回声仪)、SUDOS微型液位2示功仪、SU2DOS微型井下液位仪、SUDOS组合液位2示功仪和SID2DOS自动示功仪在油井液面监测和抽油泵工作状况测试等方面得到广泛的应用和推广，并在辽河油田采油井现场试验应用成功，该仪器是具有世界先进水平的井下测距仪。

雷达液位仪。通常测量的最小距离小于1米，最大的测量距离可达到60米，测量误差为小于5mm，分辨率为±0.1％测量值，提供RS-232和RS-485接口和计算机通信，有两次表显示，使用的频率为10GHz，环境温度为-20度～50度。在国内如北京航天智控工程公司，也一直致力于雷达液位仪的研究，也有自己的产品，这些产品的性能指标相对于国外的雷达液位仪来说差距很大，但是国外的产品价格都很贵，对于一般的民用很难达到普及。在这种背景之下开发高性能、低价格的雷达液位仪是很有意义的。

随着我国石油化工工业的发展，迫切要求将现代化科学技术应用到高压储罐的液位测量中、提高液位测量的精度、测量可靠性及自动化测量水平。当前用于我国液位测量的玻璃板液位仪、磁翻板液位仪、静压液位仪等，其测距精度低、稳定性差，功耗大，并且要求定期维护，超声波液位仪测距精度低，浮子液位仪技术已经老化。而目前进口的雷达价格昂贵，这给国内用户带来很大的经济压力，并且国外的仪表维修困难。综上所述智能雷达液位仪具有很高的研究价值。为了增强我国在液位仪领域的技术水平，开发了智能雷达液位仪，该液位仪设计先进、性能优异，在测距精度、智能化和低功耗方面有所突破，其主要指标达到了国际同类产品先进水平，可以替代同类进口产品，希望该产品能够得到广泛的推广，为我国石油化工工业提供先进的测量仪表，为我国国民经济作出贡献。

三、发明内容

本发明的目的在于实现一部高精度低功耗液位测距系统，其通信接口兼容工业标准的HART协议，系统功耗符合本质安全的工业标准，能够应用于石油工业和水利领域的高精度液位测量中。

为了实现系统低功耗的要求，本发明对系统中采用的器件进行低功耗和高性能的优选，对系统的高精度和低功耗要求进行了综合的考虑，设计了专门的系统控制电路和信号处理机。该系统由三个模块组成：HART协议模块、距离测量模块和测量线，HART模块提供了符合工业标准的HART协议的通信和4-20mA的电流输出信号、与计算机的接口和计算机上的人机交互软件，系统采用两线制的工业标准，达到了本质安全的要求，系统与上位机的通信通过电源线进行。距离测量模块完成距离的精确测量和与上位机的通信。该智能雷达液位仪提供了单缆、双缆、同轴电缆和喇叭天线四种测距形式。

为了达到高精度高分辨率的测距指标，本发明实现了一种基于阶跃恢复二极管和肖特基二极管产生超宽带信号的技术方案，超宽带窄脉冲的宽度小于400pS，幅度为1.5V。超宽带信号的产生是智能雷达液位仪的关键技术之一，脉冲宽度越窄，测距的精度和分辨率越高，阶跃恢复二极管是窄脉冲产生的核心器件，但阶跃恢复二极管产生的窄脉冲波形振铃比较大，电路中用肖特基二极管对窄脉冲信号进行整形，整形输出的信号工整，提高了接收信号的信噪比。

为了实现高精度高分辨率的测距，测距精度为5mm，本发明实现了一种基于双DDS的时间比例放大技术，提出了用双DDS实现精确定时电路，具体的实现方法是控制两路DDS产生频率差为4Hz和100Hz的两路高精度时钟，这两路DDS采用同样的时钟信号，通过预先设置两路DDS相位累加器的初始相位并同时触发两路DDS的相位累加器，可以严格控制两路时钟的起始相位和频率差，为时间比例放大技术提供了条件。