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雷達液位計的信號處理技術

發布:2021/8/9 18:28:12人氣:245
目前國內外雷達液位計制造商的產品主要基于兩種測距技術實現對液位的測量,即單脈沖技術和調頻連續波法測距技術。
單脈沖技術型雷達液位計:其通過測量回波脈沖相對于發射脈沖的延遲T來求得液位距離R的。單脈沖雷達液位計的工作模式是通過天線周期性的發射電磁脈沖信號,再對回波進行分析和處理。其精度可以達到±3mm,要達到更高的精度需要優化發射脈沖寬度,為了提高測量的分辨率需要更窄的發射脈沖寬度。
同時如果要探測更遠處的液位目標,理論上就需要更大電磁脈沖發射功率,但在防爆安全限制的條件下這幾乎是不可能的。如此只能通過軟件算法處理來提高精度。
調頻連續波技術型雷達液位計:其通過對發射信號進行頻率調制,可以將距離信號轉換為線性頻率信號來達到測距目的。調頻連續波雷達液位計的工作模式是通過天線發射出線性調制頻率的連續電磁波,而后目標會反射相應調制電磁波,回波頻率跟發射頻率相比是一固定差值。然后利用回波信號和發射信號的頻率差來計算液位距離。這種方式的設計要比較復雜,成本也較高,如何成功濾除外界干擾回波是系統精度計算的關鍵。
由此不難看出無論是單脈沖型雷達液位計還是調頻連續波型雷達液位計,其信號處理算法都會對測量系統的穩定性、可靠性和精確性產生至關重要的作用。完整可靠的回波處理算法不僅決定了雷達液位計測量精度是厘米級還是毫米級,還包括在適當的條件下可靠地真實液位目標的識別。
 
1.信號處理流程
雷達液位計信號處理流程見圖1:
雷達液位計信號處理流程主要分為四個步驟,首先要對進行處理的數據進行足夠的前期處理,主要是為了消除毛刺和不必要的干擾;然后通過特點的回波信息描述找出可能會存在真實液位反射的回波信號接下來需要根據工業現場的具體工況條件篩選出適合工況的回波信號;zui后根據回波信號的特性選擇適當的距離計算方法來將液位精確的計算出來。以上就是所有雷達液位計都會經歷的信號處理流程,它同時決定了雷達測量的精確度和對各種工況條件的適用性。
 
2.前期處理技術
前期處理技術的分為采樣和濾波兩個部分。
針對雷達液位計的工程應用中,天線所接收的信號被T/R組件接收后經下變頻變為零中頻信號,再通過低通濾波器得到較為平坦的回波信號,zui后通過AD接收,存儲成為有效的接收數字序列。在整個采樣過程中,為了不對后期的信號處理產生過多的干擾,雷達液位計通常只針對實際工況的測量范圍進行采樣。
這一時域結果的宏觀表現即為設置的量程范圍。
接下來需要對數據進行一系列的處理:
2.1缺失數據處理
目前zui常用到的方法是使用zui可能得值填充缺失值,比如可以用回歸、貝葉斯形式化方法工具或是判定數歸納等確實缺失值。這類方法依靠現有的數據信息來推測缺失值,使缺失值有更大的機會保持與其他屬性之間的聯系。還有其他一些方法來處理缺失值,如用一個全局常量替換缺失值、使用屬性的平均值填充缺失值或將所有屬性分類,然后用同一類屬性中的平均值填充缺失值。
2.2噪聲數據處理
噪聲是一個測量變量中的隨機錯誤或偏差,包括錯誤的值或偏離期望的孤立點值。目前zui廣泛的應用數據平滑技術處理,即均值值平滑處理,如下圖2所示。
在實際工程應用中預處理需要根據硬件系統的特點來設定結合數據本身的可塑性才能達到非常好的回波特性.
 
3.回波信號提取技術
要在復雜多變的現代工業環境下識別有效的液位信號,除了目標特征自身具有一定的抗噪聲能力外,提取方法也非常重要。然而,傳統的識別方法有一個共同的特點,那就是目標狀態和目標類型是被當做2個孤立的問題來加以研究的,單獨、分別處理這兩類問題具有簡單,易于實現的優點。但是,目標狀態與目標類型從根本上說是相互聯系的。
今年來,不少文獻上開始研究目標狀態與目標類型的聯合處理方法,即在一個統一的框架內同時研究解決目標狀態與目標類型識別的問題。
目前能有效進行回波信號提取的技術算法有很多,例如:
小波提取算法一一利用小波變換分解特征向量為小波金字塔式結構,對其歸一化進行閾值算法處理。
回波特征提取算法一一利用信號的時域特性,使用自適應算術平均法進行信號處理。
相對于傳統的閾值提取算法,針對單脈沖型雷達回波信號的優缺點,工程中習慣使用極值法對信號進行有效處理。極值法的基本思想是把雷達液位計的回波信號中的極值點一次性的都提取出來,再在極大值點中分離出有效目標反射電磁波。
 
4.工況篩選技術
在實際的工業現場環境中,提取的回波信號往往會含義諸多的現場因素,如波動的液位、分層的液位、介電常數大的液位、蒸汽粉塵環境等等。根據現場環境來篩選到真實的回波,需要建立完整的區分流程。
目前,在實際的工程應用中主要有以下兩種區分方法:
4.1綜合評判分析
理論上講綜合評判分析主要是基于電磁波時域反射的特性而來,但在實際的工程應用中會有諸多因素共同作用的結果,為此需要建立一整套比較完善的實驗分析數據庫,對每種工業條件進行數據量化。以下是綜合評判分析的一般步驟:首先,采用綜合評判分析的前提是對每種工況的數據收集、整理、量化與檢驗。然后,根據不同的工況條件對各種參數進行加權。zui后,根據工況設置,對整個測量回波結果進行加權評分。將zui高評分得分的回波進行診別和監控,以便進行接下來的距離計算
4.2動態分析
綜合評判分析主要依據實際工況經驗的技術積累,這種方法的難度在與長時間的實驗和對不同工況的液位分析研究。與綜合評判分析比較,近年來工程應用中越來越多的采用基于卡爾曼濾波算法的動態分析方法。動態分析方法的主要思想是將不斷變化的液位信號作為研究對象,使用了軍事雷達方面的動態目標跟蹤技術與zui優化自回歸數據處理算法相結合,zui終找到符合實際符合工業現場的回波液位。
 
5.距離計算技術
經過篩選的液位信號想要轉化為距離信息輸出還要需要距離計算算法處理。按測距結點選取方式的不同,目前比較流行的液位距離計算方法主要有
5.1上升沿取樣式
如圖3所示,即在有效雷達回波上升沿附近處作為觸發點,參與距離計算
5.2下降沿取樣式
如圖3所示,即在有效雷達回波下降沿附近處作為觸發點,參與距離計算
5.3脈寬中值取樣式
如圖3所示,即在有效雷達回波脈沖中值點附近作為觸發點,參與距離計算。這種方法較前兩種方法復雜,需要進行中值計算修正反映出回波真實位置。

 
6.結束語
雷達液位計信號處理流程的四個步驟,前期處理、回波信號提取、工況篩選和距離計算是一套完整的系統工程,它們之間有很緊密的聯系。雷達液位計都會經歷的信號處理流程,它同時決定了雷達測量的精確度和對各種工況條件的適用性,是未來雷達液位計發展的重要方向。
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