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120 GHz 超宽带毫米级高精度雷达液位算法

时间:2024-04-08 13:58:40 点击次数:561
 

     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 患 。 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 态 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 量 ,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 响 。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[1,2]。

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26、80 GHz雷 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= 4                    (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;

(SNR)0—— 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[4,5]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:

St(t)=A0cos [2π (f0t+k0t2 ) +φ0 ],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:SR(t)=A0cos {2π [f0(t-td)+k(t-td)2 ] +φ0 },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3    实际频谱点与理论频谱点示意图


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