[实用新型]调频连续波型雷达物位计

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种FMCW型雷达物位计，其用于确定至罐中的物品的表面的距离。

背景技术

对容纳例如液体、气体或颗粒状物品的罐的雷达物位计量已使用了数十年并且一些不同的技术方案在使用中。针对信号生成和信号处理，被称为FMCW(调频连续波)的方法已被广泛用于特别是测量准确度为关键规范点的情况。在大多数FMCW系统中，具有基本上相等的幅度和线性变化频率的发射信号被发射至罐中，并且通过表面被反射。反射信号被接收并且与发射信号进行混频以形成中频信号，其中中频(IF)与从发射器/接收器到反射点(通常是罐中的物品的表面)的距离对应。用其他类型的调频代替线性扫描也可以。

用于物位计量的FMCW系统通常使用如6GHz、10GHz和25GHz的频率以及1GHz或(主要针对25GHz系统)最高达2GHz至3GHz的频率带宽。还已知使用大约78GHz的系统。从电子器件到天线的内部传输路径被保持干净以具有低反射并且特别地罐密封可能有点困难，因为罐还必须经受高压力、各种化学品等。

可以用若干方式表征测量性能，但是常规使用至少以下四种方式。

准确度，涉及测量如何准确可靠。在通过频率合成器生成频率时，能够获得非常高的准确度和长期稳定性。准确度许可通常被称为“密闭输送许可”并且(取决于国家)可以为针对特定使用的强制法律要求。通常在这样的情况下要求的准确度被指定为大约1mm。注意，在大油罐中1mm的物位差可能对应于成千上万美元的价值。

距离分辨率，或者辨别罐中两个可能接近的雷达回波的能力，对于大多数雷达物位计为150mm至200mm或者略微更高。

更新率，是距下一次测量的时间。对存储罐的物位计量通常不苛刻(物位每分钟可能仅改变数cm或者更少)并且每秒1次测量是通常可接受的最小数字。一些应用可能需要计量系统快得多的响应。

灵敏度，是对多么弱的回波能够被检测到并通过信号处理来处理的测量。最大双向路径损耗是测量灵敏度的常用方式，并且FMCW系统通常应当不具有执行测量的大于90dB至100dB的双向路径损耗。不同情况之间的路径损耗变化可以是明显的。

原则上，距离分辨率容量基本被雷达频率带宽限制，但是对于FMCW系统，该限制还加上信号处理并且存在准确度与其他属性如更新率之间的权衡。FMCW系统需要一些通常数字地完成的滤波操作(对频谱加窗)。滤波窗口的类型和宽度可以出于不同目而被优化，因此RF带宽与分辨率之间的相关性弱于脉冲系统的相关性但仍然存在，并且从而带宽应当通常为至少1GHz。

距离分辨率关于距离通常比所要求的准确度大两个量级的事实(100mm与1mm相比)意味着雷达系统特别是FMCW系统对于外部雷达反射和内部雷达反射敏感。如果传输路径例如包含两个反射物(例如打开的天线和与天线不完全匹配的连接器)，则将存在额外两次经过这两个反射物之间距离的更小的信号。如果例如两个反射物具有电压驻波比(VSWR)为2(每个反射物约-10dB)的失配，则在最坏情况下，内部距离可能发生±10mm的偏差(在距离分辨率内)。如果反射物是内部的并且非常稳定，则这可能不是问题(仔细的校准能够确保)；但是如果不期望的初始10mm偏差可能不时改变，则对于较大反射物和在可变罐环境中的反射而言，期望的mm级准确度显然是危险的。

在大多数FMCW系统中，所有微波分量的合理微波匹配(即VSWR＜1.2至1.5)被证明给出了可行的实际解决方案。然而，在非常准确的FMCW系统中，已知严重失配的点是问题的根源。来自罐中障碍物的反射给出了类似的影响并且通过使用窄波束天线被去除，并且基于FMCW的系统通常使用生成笔形束辐射图案的、垂直向下指向表面的天线。

为了进一步提高准确度，基于FMCW的系统有时与以下形式的波导结构一起使用，该波导结构具有50mm至100mm、从天线喇叭延伸通过整个罐的不锈钢管道的形式。大多数情况下，通常针对10GHz的系统使用2英寸或4英寸的管道。这样的“静止管道”是避免可能干扰罐中的回波的非常有效的方式。显然，包括静止管道增加了成本，但是当在管道周围存在许多干扰对象以及表面有时由于混乱的表面具有非常低的反射时，该管道使得能够进行不受干扰的测量。管道、管道的馈送以及用于断开在罐顶之上的零件(以使得零件能够改变)的可能的阀被制成具有非常良好的电匹配以确保准确度。

实用新型内容