脉冲波雷达测距技术探讨

时间：2019-05-26

非接触物位测量中，雷达技术的应用近年来获得速发展。超声波物位计中换能器是眼睛，而雷达物位计中高频头和天线是眼睛，回波处理是物位计的大脑。雷达物位计继承了超声波物位计的回波处理技术。
　　 雷达物位计发出的电磁波碰到被测介质被反射，反射回波的质量反映了物位计应用效果。回波质量定义为小回波幅度(在恶劣条件下回波幅度)比大噪声幅度(虚假回波、多径反射波等的幅度)。回波质量数值越大，物位计应用效果越好。　

　　回波强度主要受以下因素影响

　　传播介质介电常数越稳定越有利于传播。雷达波是电磁波，电磁波在传播过程中不受传播介质稳定程度的影响，只与其介电常数有关。这是雷达技术与超声波技术的重大区别。

　　被测介质表面越平整，其介电常数越大越有利于回波反射。

　　所以考虑现场工况时，应特别注意这两个方面：(1)天线到被测介质间空气介电常数的分布(2)被测介质的表面状态及其介电常数。

　　雷达物位计的优点是：不受空气波动影响，随距离衰减小，穿透力强。
　　雷达的局限性：1)影响雷达的性能是介电常数，理论上在真空中雷达衰减较小，当空气中存在对雷达衰减物质，例如：含高介电性的粉尘粉末(石墨，铁合金等)，水蒸气很大，测量距离和效果要受影响。2)被测介质的挥发气体会在天线上聚集，水蒸汽会在天线上聚结，此时，会影响雷达波发射，严重时雷达波不能发出。3)被测介质的介电常数不能太小。4)尽管温度和压力对雷达影响较小，但雷达天线是由材料做成，雷达可适应温度和压力的范围与使用的材料和密封结构有关。
雷达物位计目前已成为市场上的主流产品，而低频率雷达物位计尽管具有价格相对低廉的优点，但在主要应用领域中，属于逐渐被淘汰的产品。从超声波物位计的应用中得知，要获得比较好的回波，换能器工作频率大约40KHz，波长大约9mm，这时发射波的开角为7°-8°。工作频率越高，其开角越小，但其量程较小。与超声波类比，雷达物位计要获得上述效果的回波，其工作频率应为26GHz，此时，其波长为11mm。当用口径为100mm的喇叭时，可获得7°-8°开角的发射波。若雷达工作频率是6GHz，则相当于超声波的工作频率为10KHz。而工作频率为10kHz的超声波物位计在物位测量中各项指标都很不理想，特别不适于固体料位的测量。与低频率雷达相比，高频雷达有以下优点：
　　1)高频雷达物位计(主要指26GHz和24GHz)具有能量高，波束角小(一般Φ95的喇叭天线的波束角为8o，而6GHz低频脉冲雷达的喇叭天线直径为Φ246时，波束角为15o)，天线尺寸小，精度高等优点。 
　　2)26GHz雷达波长11mm，6GHz雷达波长50mm，雷达测量散装料位时，雷达波反射主要来自料面的漫反射，漫反射的强度与物料大小成正比，与波长成反比，而大部份散装料直径远远小于50mm，这就是为什么目前26GHz雷达是散装料物位测量的佳选择。 
　　3)在一些直径小高度矮的小罐应用中， 6GHz雷达天线长(300-400mm)无形中增大了盲区(大约600mm)，由于6GHz雷达方向性差(开角大)在小罐中会产生多径反射；26GHz雷达频率高频，天线短，方向性好，克服了6GHz雷达的缺点，适用于小罐测量。 
　　4)由于现场环境恶劣，随着时间推移，雷达天线会堆积污物、水汽等，26GHz雷达天线小，加天线罩可大大改善污物、水汽影响；6GHz雷达天线大，加天线罩很困难。且仪表较沉重，清理困难。 
　　5)由于26GHz雷达方向性好，很多恶劣工况，可通过简单隔离，将雷达装在容器外进行测量。 
目前，26GHz雷达物位计的价格已与6GHz雷达物位计价格相当，这更促进了26GHz雷达物位计的应用。 可以预见，6GHz雷达物位计市场占有率会大大降低。随着技术的进步，我们期待更高频率(如：90GHz)、更小开角(如：2°，3°)、更小体积的雷达物位计的面世。我们将在此领域中不懈地努力，将雷达物位测量做到较致。

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