[實用新型]調頻連續波型雷達物位計

有效

• 申請號: 201420775787.4
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN204269191U
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: 奧洛夫·愛德華松
• 申請（專利權）人: 羅斯蒙特儲罐雷達股份公司
• 主分類號: G01F23/284
• 分類號: G01F23/284
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 朱勝;江河清

技術領域

本實用新型涉及一種FMCW型雷達物位計，其用于確定至罐中的物品的表面的距離。

背景技術

對容納例如液體、氣體或顆粒狀物品的罐的雷達物位計量已使用了數十年并且一些不同的技術方案在使用中。針對信號生成和信號處理，被稱為FMCW(調頻連續波)的方法已被廣泛用于特別是測量準確度為關鍵規范點的情況。在大多數FMCW系統中，具有基本上相等的幅度和線性變化頻率的發射信號被發射至罐中，并且通過表面被反射。反射信號被接收并且與發射信號進行混頻以形成中頻信號，其中中頻(IF)與從發射器/接收器到反射點(通常是罐中的物品的表面)的距離對應。用其他類型的調頻代替線性掃描也可以。

用于物位計量的FMCW系統通常使用如6GHz、10GHz和25GHz的頻率以及1GHz或(主要針對25GHz系統)最高達2GHz至3GHz的頻率帶寬。還已知使用大約78GHz的系統。從電子器件到天線的內部傳輸路徑被保持干凈以具有低反射并且特別地罐密封可能有點困難，因為罐還必須經受高壓力、各種化學品等。

可以用若干方式表征測量性能，但是常規使用至少以下四種方式。

準確度，涉及測量如何準確可靠。在通過頻率合成器生成頻率時，能夠獲得非常高的準確度和長期穩定性。準確度許可通常被稱為“密閉輸送許可”并且(取決于國家)可以為針對特定使用的強制法律要求。通常在這樣的情況下要求的準確度被指定為大約1mm。注意，在大油罐中1mm的物位差可能對應于成千上萬美元的價值。

距離分辨率，或者辨別罐中兩個可能接近的雷達回波的能力，對于大多數雷達物位計為150mm至200mm或者略微更高。

更新率，是距下一次測量的時間。對存儲罐的物位計量通常不苛刻(物位每分鐘可能僅改變數cm或者更少)并且每秒1次測量是通?？山邮艿淖钚底?。一些應用可能需要計量系統快得多的響應。

靈敏度，是對多么弱的回波能夠被檢測到并通過信號處理來處理的測量。最大雙向路徑損耗是測量靈敏度的常用方式，并且FMCW系統通常應當不具有執行測量的大于90dB至100dB的雙向路徑損耗。不同情況之間的路徑損耗變化可以是明顯的。

原則上，距離分辨率容量基本被雷達頻率帶寬限制，但是對于FMCW系統，該限制還加上信號處理并且存在準確度與其他屬性如更新率之間的權衡。FMCW系統需要一些通常數字地完成的濾波操作(對頻譜加窗)。濾波窗口的類型和寬度可以出于不同目而被優化，因此RF帶寬與分辨率之間的相關性弱于脈沖系統的相關性但仍然存在，并且從而帶寬應當通常為至少1GHz。

距離分辨率關于距離通常比所要求的準確度大兩個量級的事實(100mm與1mm相比)意味著雷達系統特別是FMCW系統對于外部雷達反射和內部雷達反射敏感。如果傳輸路徑例如包含兩個反射物(例如打開的天線和與天線不完全匹配的連接器)，則將存在額外兩次經過這兩個反射物之間距離的更小的信號。如果例如兩個反射物具有電壓駐波比(VSWR)為2(每個反射物約-10dB)的失配，則在最壞情況下，內部距離可能發生±10mm的偏差(在距離分辨率內)。如果反射物是內部的并且非常穩定，則這可能不是問題(仔細的校準能夠確保)；但是如果不期望的初始10mm偏差可能不時改變，則對于較大反射物和在可變罐環境中的反射而言，期望的mm級準確度顯然是危險的。

在大多數FMCW系統中，所有微波分量的合理微波匹配(即VSWR＜1.2至1.5)被證明給出了可行的實際解決方案。然而，在非常準確的FMCW系統中，已知嚴重失配的點是問題的根源。來自罐中障礙物的反射給出了類似的影響并且通過使用窄波束天線被去除，并且基于FMCW的系統通常使用生成筆形束輻射圖案的、垂直向下指向表面的天線。

為了進一步提高準確度，基于FMCW的系統有時與以下形式的波導結構一起使用，該波導結構具有50mm至100mm、從天線喇叭延伸通過整個罐的不銹鋼管道的形式。大多數情況下，通常針對10GHz的系統使用2英寸或4英寸的管道。這樣的“靜止管道”是避免可能干擾罐中的回波的非常有效的方式。顯然，包括靜止管道增加了成本，但是當在管道周圍存在許多干擾對象以及表面有時由于混亂的表面具有非常低的反射時，該管道使得能夠進行不受干擾的測量。管道、管道的饋送以及用于斷開在罐頂之上的零件(以使得零件能夠改變)的可能的閥被制成具有非常良好的電匹配以確保準確度。

實用新型內容