高炉料位测量雷达系统的设计与仿真

　　1引言

　　高炉料位检测，是目前工业检测的一个重要环节，传统的接触式测量存在明显的不足，近年来，一些非接触式测量方式相继被采用，如压力式料位测量系统简单易行且成本低廉，但是测量精度和应用场合有限;超声波料位测量仪精度高但是设备复杂，安装麻烦;激光测距系统不适用于高温高粉尘的环境。采用调频连续波(FMCW)雷达技术研制的微波料位测量系统采用非接触测量方式，不受测量环境的限制。此外 FMCW 雷达具有优良的距离分辨率和测距精度，而且没有距离盲区，在高精度近距离测量上比其他体制的雷达具有更为明显的优点。使用FMCW雷达测量距离时，根据调频连续波测量原理，为了测得距离信息，需要测出接受信号与发射信号混频输出的差频信号的频率。

　　2 FMCW料位测量系统

　　调频连续波微波料位测量系统框图如图1所示。调制器调制压控振荡器(VCO)产生频率随时间变化的连续高频等幅波，VCO的输出经环行器后加至天线，天线发射的微波传播到目标上并产生回波，目标回波通过环行器后与VCO直接耦合过来的信号加到混频器内，在微波传播到目标并返回天线的这段时间内，由于发射信号的频率受调制信号调制，此时发射信号频率较之回波频率已经有了变化，因此在混频器输出端便出现了差频信号(零中频信号)，差频信号的频率与目标距离有关，通过滤波放大和信号处理测出差频信号的频率就可以直接推导出目标距离。根据调频连续波测量原理，在调频带宽B和扫频周期T一定的条件下，差频信号的频率f与距离R成正比，测得差频频率即可计算出距离。对于料位测量系统，在测量变化速率很低的料位高度时，料位可以近似为单一的静止测量目标，差频信号为单一频率正弦波，所以FMCW料位测量可以归结为单一频率正弦波频率的测量，信号处理的关键任务就是找到这一差频信号的频率。

　　3数字信号处理算法

　　(AHPE算法)由于DSP技术的发展以及信号处理技术的不断提高，使得雷达的测量精度得到不断地提高。目前国内外从频域角度进行雷达信号的频谱分析方法很多，如相位差校正法、Rife 和 Jain等提出的比值校正法、对多段平均功率谱直接进行校正的能量重心校正法、频谱细化分析等均为建立在离散傅里叶变换(DFT)基础上的常用经典算法。

　　复调制ZOOM-FFT算法是频谱细化方法中典型的一种，在保留细化窄带中所有频率分量且不产生频谱混叠的前提下，对原信号进行降采样率处理，以提高分辨率。但是，在高精度要求下复调制ZOOM-FFT算法的运算量大，为此，我们所以考虑使用AHPE算法，算法流程如图2所示。通过一次FFT，将幅值最大和次大的谱线之间确定为的频率细化范围，然后用比值法对细化范围进行修正，得到一个更为精确的细化频谱区间，在此频谱范围内用自适应抽取ZOOM-FFT算法估算出频率值。这样既满足系统运算速度的要求，也进一步提高了精度。