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澳门新葡亰平台游戏app的信号处理办法以及研究现状和发展趋势

作者: 来源: 发布时间:2020-04-17 15:54:07

        随着经济结构优化升级,我国的液位计行业变化突飞猛进。我国在液位计行业已经取得了迅猛的成长,并且在野外复杂的环境下澳门新葡亰平台游戏app对于液位测量的能力是有着其他液位计无法替代的优势,毫米波澳门新葡亰平台游戏app作为水利仪表领域的新型产品,一直以来都备受关注。

       根据雷达波能量辐射的特质,在毫米波波段目前工业、农业领域中应用zui多的两种雷达分别是调频连续波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)雷达和脉冲(Pulse)雷达[1W2]。脉冲雷达是一种高频雷达波,通过测量雷达传感器发射的雷达脉冲与目标接触,并由目标返回雷达接收器的时间来计算距离。FMCW雷达是频率被调制的连续波,并且通过测量由发送信号和接收信号产生的差频信号来进一步测量距离[13]。与脉冲雷达相比,FMCW波雷达具有以下优点:

 
       (1)没有盲区,雷达发射器和接收器同步工作,在测距期间无需切换。因此雷达理论上没有盲点;
       (2)距离分辨率高,雷达具有大带宽信号,决定了它具有较强的距离分辨率;
       (3)信号能量大,带宽和时间宽度的乘积大。由于FMCW雷达使用大的时间宽度和带宽信号,调频连续波的能量远大于相同带宽和水平的脉冲信号的能量;
       (4)抗拦截能力强[14]。
几种测距传感器方案比较
       苏联学者Mantierstam和Babarekxi在早期对FMCW雷达测量技术进行了研究。他们zui初将调频法运用在无线电高度表上,随后雷达的调频测距法得到了普遍的应用,一般将平均频率计数法应用于调频雷达测距系统,并由此来提取雷达
波信号中的距离信息。从上世纪八十年代中期以来,随着射频硬件和雷达技术的不断进步,在雷达信号处理中数字信号处理技术被普遍应用,这很大程度上推动了雷达测量技术的发展。毫米波FMCW雷达测距技术与其他测距技术相比具有明显的优势,也是目前工业、农业生产中用于液位测量的zui先进的一种技术,常见的非接触测距方案如表1-1所示。目前国内部分水利行业可实现非接触测量,并且使用的国外厂家的脉冲雷达较多,但是FMCW雷达在水利行业中仍有较高的应用价值。
 
       澳门新葡亰平台游戏app工作原理是雷达波由雷达传感器发射到被测液面,由液面表面反射,zui后接收。从发射到接收信号的时间与被测量的远近成比例[2G1。雷达的非接触式液位测量的特点是测量精度特别高,澳门新葡亰平台游戏app在用于液体的非接触测量过程中,即使在高压和极端温度等恶劣环境下,它也能测量多种类型的液体并且不受积聚或冷凝的影响。非接触式澳门新葡亰平台游戏app既可用于简单液体也可用于腐蚀性液体,同时也适用于卫生要求严格的应用环境。澳门新葡亰平台游戏app对于液位的测量几乎可在所有工程行业中应用,而且非接触式的澳门新葡亰平台游戏app调试简单、安装维护方便、运行故障率低,可以为用户节省安装时间和降低维护成本。根据现在实际的水利工程需要,研究一款价格实惠,测量精度能满足远程计量闸门要求的澳门新葡亰平台游戏app是很有必要的。
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       毫米波雷达在当前雷达测距领域占据着重要的位置,雷达测距技术己应用于工业、农业和自动化等众多领域,但是目前毫米波雷达的主要技术掌握在德国海拉、博世集团、VEGA、西门子、科隆、大陆集团、瑞典奥托立夫公司等外国大公司手中,尤其是未来将成为主流的77GHz毫米波雷达,它的核心专利被多家外国公司所把持[23]。例如图1-2科隆公司生产的VEGAPULS64型澳门新葡亰平台游戏app,它是一种非接触式澳门新葡亰平台游戏app,用于连续测量液体液位的雷达传感器,量程为0到30m,测量偏差<lmm,过程温度为-196到+200摄氏度,环境、仓储和运输
温度为-40到+80摄氏度,支持HART通信协议。
 
       相较于国外,国内关于雷达测量技术的研究起步较晚,但是毫米波雷达的研发正处于蓬勃发展的阶段,早期只有几所研究机构和部分的企业在做相关研究。不过近几年通过科研人员的努力研究,取得了不错的回报,目前已成功开发出更传统的24GHz毫米波雷达,并己形成以市场为导向的产品。但其中大部分用于汽车领域,如杭州智博科技有限公司,厦门意行半导体和华宇汽车。目前国内雷达测距还属于早期阶段,24GHz雷达在未来的一段时间在国内依然有一定的市场份额,77GHz毫米波雷达在国内研究机构的研究尚处于技术探索的初级阶段。其中较好的一些研究机构和公司己经将77GHz雷达使用在无人驾驶汽车的试验样车上,并规划未来让77GHz雷达投入量产。
 
       相比于汽车行业毫米波雷达的风靡云蒸,在传统工业、农业领域因为受其昂贵的价格和其他因素影响,调频连续毫米波澳门新葡亰平台游戏app并没有大面积的投入使用,这就降低了澳门新葡亰平台游戏app的市场占有率。0前很多的中国FMCW澳门新葡亰平台游戏app制造商还是以仿制国外产品为主,少部分企业在自行研发,目前市场上大多数国产澳门新葡亰平台游戏app都是接触式的导波雷达和脉冲式澳门新葡亰平台游戏app。国内能生产调频连续波澳门新葡亰平台游戏app的厂家不多,比较有代表性的国内澳门新葡亰平台游戏app生产商无锡雷华科技有限公司己经开发出了调频连续波测量方式的澳门新葡亰平台游戏app。该液位计的量程30m,为要求被测物质介电常数大于1.5,分辨率为lm,提供RS485接口和4-20mA电流输出。
 
1.2.3雷达信号处理算法
       国内外对于雷达差频信号处理的算法有很多种,雷达信号在频域上获取频率信息要比在时域上采用测平均频率的方法具有更强的抗噪声性能。利用多信号分类算法、AR模型算法、线性预测法和zui大似然估计算法等现代谱估计的方法,能对差频信号进行比较准确的测算,但是这些算法运算时间长,不能实现对信号的实时处理。ANN算法和WT算法等频谱数据处理的算法计算量同样也很大,直接使用FFT对信号分析会出现频谱泄露和栅栏现象,这是因为其频率的分辨率受采样数据长度和采样频率的限制,不能满足高精度频率测量的要求。提高谱分析精度的频谱校正方法很多,其中比较有代表性的是以下几种:
 
       (1)能量重心校正法是利用了主瓣内的多条谱线来提升频率的估计精度。这是一种有效提升信号精准测量的手段,它可以很好的改善离散频谱的分析精度。此方法具有计算速度快、算法简单等特点,适用于对称窗函数的频谱分析,校正的精度与窗函数有着密切的关系,但是不迠川于频率过于密集或者连续的频谱。
       (2)Rife-Jane频率法是利用zui大谱线和第二谱线之间的幅度之比估计实际fiVJ频率的真实值。但是快速傅里叶变换之后的敁大谱线值和信号的真实值相差+大时,对于第二谱线方向的判断会因此发I铅误,使得频率的差值出现很大的误差,这大大限制了Rifc-Jane频率算法的粘度[气
       (3)Quinn法是利用信号FFT主瓣内幅度次大谱线与zui大谱线的FFT系数U数模位之比进行差值,找到M大频涪的位置以及和在它两侧zui近的次大频谱位竹,计算zui大频谱与左右两个次火频谱的模比值来确定频率偏差,在频率偏差M化频谱附近吋测距精度不高,但在itt化频谱中间吋,测距精度却很高|3<WI1。
       (4)FFT+FT连续细化法足将快速傅!丨1叶变换和连续傅里叶变换相结介,在不增加采样长度的前提下增加频率的分辨率,提升相位的精度。在对频谱进行分析时,可以得到主要频率的成份频率和幅位等信号参数,提高了频率分辨力,对瞬态及恒定采样长度信号的频率细化分析十分苻效1321。
       (5)Zoom-FFT称为细化的快速傅立叶变换,又称为选带快速傅立叶变换。ZOOM-FFT的功能是对信号的频率进行局部细化放大,可以提高某一特定频带的频率分辨率。实现FFT细化功能的算法有几种,如频移法、相位补偿法和zui大熵谱法等,目前应用zui多的是频移法。Zoom-FFT在应用时需要配置数字滤波器,其细化频带两端附近的频谱幅度容易受到滤波器性能的影响,并且在存放中间数据所需要的内存空间大,频率调整复杂,使zui大细化倍数和精度受到一定限制]。
       (6)jacobsen法是利用FFT频谱zui大的3根谱线来对频率估计进行校正,在低信噪比和FFT点数较少时能得到较好的结果,但分析信号时的精度仍然不高,因此Jacobsen法更多的是应用在需要快速测频时
       (7)Chirp-Z变换法是直接在放大细化的频谱里致密取值,增加频率点数,并计算出相应的频谱值,频谱放大细化的处理过程简单,细化倍数选择灵活、运算效率高,可使整个细化频带取得较好的细化效果,在雷达差频信号频谱分析时能有效的减少栅栏效果,适用于澳门新葡亰平台游戏app的复杂信号频域分析,本文采用此算法对雷达差频信号进行分析。

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