FMCW微波物位計的工作原理

FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的詞頭的縮寫。FMCW 技術(shù)是在雷達(dá)物位測量設(shè)備中最早使用的技術(shù)。

FMCW微波物位計采用線性的調(diào)制的高頻信號，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號并進(jìn)行掃描，同時接收返回信號。發(fā)射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系。

如果我們認(rèn)為被線性調(diào)制的發(fā)射微波信號的斜率為K,發(fā)射信號和反射信號的頻率為rf,滯后時間差為rt,發(fā)射天線到介質(zhì)表面的距離為R，C為光速。

那么我們可以得到：rt = 2R/C

由于采用的是調(diào)頻的微波信號，因此我們可得：rf = K×rt；

兩式合并后，我們得到公式：

R = C× rf/2K （公式2）

根據(jù)公式2，我們可以看到，天線到介質(zhì)表面的距離R與發(fā)射頻率和反射頻率差rf成正比關(guān)系。

信號處理部分將發(fā)射信號和回波信號進(jìn)行混合處理，得到混合信號頻譜，并通過獨立的快速傅立葉（FFT）變化來區(qū)分不同的頻率信號，最后得到準(zhǔn)確地數(shù)字回波信號，計算出天線到介質(zhì)表面的距離。

實際上，F(xiàn)MCW信號是在兩個不同的頻率之間循環(huán)。目前市場上的FMCW微波物位計主要以兩種頻率為主：9到10GHz和24.5到25.5GHz。

采用FMCW原理的微波物位計都具有連續(xù)自校準(zhǔn)的處理功能。被處理的信號與 一個表示已知固定距離的內(nèi)部參照信號進(jìn)行比較。任何差值會自動得 到補償，這樣消除了由溫度波動或變送器內(nèi)部電子部件老化引起的可能的測量漂移。

2.2、脈沖

脈沖雷達(dá)物位計，與超聲波技術(shù)相似，使用時差原理計算到介質(zhì)表面的距離。 設(shè)備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號的傳播時間 直接與到介質(zhì)的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達(dá)使用的是電磁波。它利用好幾萬個脈沖來 “掃描”容器并得到完整的回波圖。

通常，采用脈沖方式的微波物位計的精度和可靠性都不如FMCW微波位計，但是脈沖物位計因為價格較FMCW低很多，因此是目前市場應(yīng)用得最多的微波物位計。當(dāng)然，很多生產(chǎn)廠商通過增強回波處理功能等方式大大提高了脈沖雷達(dá)的可靠性。

2.3、導(dǎo)波雷達(dá)

也被稱作時域反射式雷達(dá)，即TDR。導(dǎo)波雷達(dá)是非接觸式雷達(dá)和導(dǎo)波天線相結(jié)合的產(chǎn)物。它將微波信號發(fā)射到導(dǎo)波桿或纜上，使微波能量集中在導(dǎo)波桿或纜周圍而不會“擴散”。它一般都是采用脈沖波，但也有采用連續(xù)波的。

這種工作原理的測量方式使它具有了能夠測量較低的介電常數(shù)的介質(zhì)、能夠有效的避開容器內(nèi)干擾物的影響、不受水蒸汽的影響、可以用于測量固體等優(yōu)點，但同時它像所有的接觸式物位測量設(shè)備一樣，具有易粘附、易磨損，甚至造成斷纜、受粉塵影響較大的缺點。

2.4、技術(shù)評論

我曾經(jīng)在用戶處，聽說一種說法，采用脈沖技術(shù)比連續(xù)調(diào)頻原理的雷達(dá)要好得多。我覺得這種說法是不科學(xué)。固然，F(xiàn)MCW技術(shù)的雷達(dá)存在著：成本相對較高，功耗較大等缺陷，但是它的工作方式保證了它的可靠性更優(yōu)，信號的失真度也會降到最低。因此在一些工況較復(fù)雜的應(yīng)用，依然能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢來。當(dāng)然，脈沖雷達(dá)技術(shù)經(jīng)過近幾年的大力發(fā)展，也有了巨大的飛躍，克服了很多技術(shù)上的缺陷，可靠性也大大地提高了。

前段時間我們有家代理商跟我說，有某雷達(dá)供應(yīng)商的銷售跟客戶提到，脈沖雷達(dá)可以實現(xiàn)在同一個安裝多臺雷達(dá)，而信號不會相互影響；而FMCW技術(shù)的雷達(dá)就會有問題。但是沒有解釋因為什么原因。我聽了之后，覺得很詫異，市場競爭已經(jīng)到這種程度了？其實，安裝在同一個倉上的雷達(dá)信號相互影響，恰恰是脈沖雷達(dá)的一個缺點，由于它的工作狀態(tài)是相當(dāng)于通訊里面“單工”方式，因此容易把其他同規(guī)格雷達(dá)發(fā)出的信號接受到而產(chǎn)生錯誤測量信號。因此需要通過做“同步”功能的設(shè)置來修正個問題，而大部分脈沖雷達(dá)都具備這個功能，就相當(dāng)于將多臺雷達(dá)的工作狀態(tài)協(xié)調(diào)起來，同時發(fā)送或同時接受。而連續(xù)調(diào)頻的雷達(dá)由于采用類似通訊中“全雙工”的工作方式，就不存在這個問題。

各種不同的技術(shù)，存在就有價值，否則市場就會淘汰它。所以，我的看法是，在市場上能生存的各種技術(shù)也好，品牌也好，都有它的價值，不存在單純意義上的好或者不好，這要看具體用在什么地方，怎么用。最適合的就是最好的。就好比麻將牌，任何一張牌都可能是好牌，也可能是壞牌，就看你怎么打了。