导言
调频接连波（ frequency modulated contin – uous wave,FMCW）雷达是一种经过对接连波进行频率调制来获得间隔与速度信息的雷达体系体系，因为它具有无间隔盲区、高分辨率和低发射功率等长处，近年来受到了人们的广泛重视。
一、物位丈量技能开展
物位丈量技能阅历了结构上从机械式外表向电子式外表开展，以及工作办法上由触摸式向非触摸式开展的阶段。
物位外表的分类如图1所示。
图1中，前4种丈量技能都归于触摸式丈量办法，第5种辐射法为非触摸丈量办法。其间，直视法是指眼睛能够直接观测到介质容量改变的一类办法；测力法是指经过被测介质对指示器或传感器等方针施加外力来丈量的办法；压力法是由被测介质施加在丈量探头而发生压力进行丈量的办法；电特性法是运用被测介质的电特性进行丈量的办法；辐射法选用电磁频谱原理技能。
前4种办法需求丈量仪器的悉数或一部分部件与被测介质（固体或液体物料）相触摸才干抵达丈量的意图。从长时刻来看，物料粘附物及沉积物会对这些机械部件发生附着，当物料为腐蚀性或易发生水锈的介质时，对仪器精度的影响将愈加严峻。在工业生产中，对物位外表最基本的要求是高精度和高可靠性，这就需求有运用规模更大、精度更高的技能呈现。
二、TOF丈量原理
近几年来，开展较快的是行程时刻或传达时刻ToF （ time of flight ）丈量原理，又称回波测距原理。它是运用能量波在空间中的传达时刻来进行衡量的一种办法。能量波在信号源与被测方针之间传递，能量波抵达被测方针后被反射并返回到探头上被接纳，归于非触摸测距。
ToF 丈量技能能够运用的能量波有机械波（声或超声波）、电磁波（一般为K波段或X波段的微波）和激光（一般为红外波段的激光），相应的物位计称为超声波物位计、微波物位计和激光物位计。
天线发射器向间隔为R被丈量物料发射能量波，经被丈量介质反射，由天线的接纳器接纳。能量波来回所经过的时刻用td表明，可得到间隔R与时刻td 的联系为：td=2R/c （l） 式中：c为空气中能量波的传达速度，当以声波为能量源时，c=340m/s;当以电磁波为能量源时，c=3×l08m/s.非触摸丈量办法正是运用式（l）中间隔R与时刻td的联系，以不同的办法经过时刻差td求得间隔R的。
三、雷达物位计分类
虽然辐射法物位计都是选用ToF丈量原理，但所选用的能量波不一起，信号的反射机理及在信号处理等方面都有很大的不同。以现在常用的超声波和微波物位计为例，它们都选用ToF丈量原理，都需求一个信号发生器和一个回波信号接纳器，但两种能量波在频率规模、反射办法以及关于包括间隔信号的反射波的处理上都有比较大的不同。
3.1 超声波物位计与微波物位计
电磁波的波段非常宽，从3kHz~3000GHz ,微波是指频率为300MHz~300CHz的电磁波。在物位检测中，微波运用的频段规定在4~30GHz:之间，典型波段为5.8GHz、10GHz 、24GHz.5.8 GHz 的频率归于C波段微波；10GHz的频率归于X波段微波；24GHz的频率归于K波段微波。
声波是机械波，频率规模为20Hz~20kHz ,因而，当声波的振动频率高于20kHz或低于20kHz时，咱们便听不见了。咱们把频率高于20kHz 的声波称为“超声波”.
电磁波与声波发生的原理是不同的，声波是靠物质的振动发生的，在真空中不能传达；而电磁波是靠电子的振动发生的，其自身便是一种物质，传达不需求介质，能在真空中传达。这两种波在经过不同的介质时都会发生折射、反射、绕射和散射及吸收等现象，物位计正是运用这种特性来丈量间隔的。
超声波物位计由声纳技能衍化而来，其装置办法有顶部装置和底部装置两种。前期的超声物位计选用的也是液体导声，超声探头装置在料罐底部外，超声波从底部传入，经被测液体传到达液面，反射后传回探头。超声波传达时刻与液位的凹凸成正比。因为超声波在各种被测介质中传达的声速不同，所以很难做成通用产品；且料罐底部（尤其是液体料罐的底部）装置探头的办法在有用中往往也有困难。因而，在实践工业过程中，运用空气作为导声介质的顶部装置运用越来越广泛。
超声波物位计的声波信号是在不同声阻率（声阻率等于物料密度px声速。）的界面上反射的。因为空气和物料的密度不同很大，所以它们的声阻率相差也很大，声波在空气和物料的分界面上就像在镜面上相同反射，并由接纳器接纳回波信号。可是，因为超声波是机械波，在空气中传达的波长小于17mm ,传达速度受温度影响较大，如当温度为0℃ 时，声速为331.6m/s当温度为20 ℃ 时，声速为 344m/s .因而，有必要进行温度补偿，且在丈量蒸发性液体时，因为空气中含有的蒸发组分不同，声速也不同，也会发生较大的差错。
与超声波物位计比较，雷达物位计的微波信号是在不同介电常数的分界面上反射的。介电常数是表明绝缘才能特性的一个系数，以字母ε表明，单位为F/m ,它一般随温度和介质中传达的电磁波的频率改变而改变。介电常数越大，对电荷的捆绑才能越强；介电常数越小，则绝缘性愈好。某种电介质的介电常数与真空介电常数之比εr称为该电介质的相对介电常数。常见物料的相对介电常数如表1所示。
微波以光速传达，速度简直不受介质特性的影响，传达衰减也很小，约0.2dB/km .回波信号强弱很大程度上取决于被测液面上的反射状况。在被测液面上的反射率除了取决于被测物料的面积和形状外，首要取决于物料的相对介电常数εr.相对介电常数高，反射率也高，得到的回波强度高；相对介电常数低，物料会吸收部分微波能量，回波强度较低。关于普及型的雷达液位计，一般要求被测物料相对介电常数εr 〉4; 关于更低介电常数的物料，要求增设波导管来增强回波信号，或选用较杂乱的雷达，一般丈量下限为εr> 2.关于丈量介电常数高或导电的物料时，有用量程要下降许多，如20m量程的雷达物位计，若用于丈量煤粉，有用量程最多为7m关于丈量介电常数低的塑料粒子等，丈量作用也欠好。
3.2 脉冲与调频接连波雷达物位计
微波物位计按运用微波的波形可分为脉冲波和调频接连波两大类。
3.2.1 脉冲雷达物位计
脉冲雷达的发射原理比较简略，即雷达向间隔为 R 的方针发送一个高频脉冲，微波遇到介质后被反射回来，测得发送与接纳的延迟时刻，运用式（1）即可求得间隔。可是，因为其靠时刻来核算数值，因而，需求对事情精确到几+皮秒（1ps = 10-12s） .
假定记载时刻的芯片最高精度为 50Ps ,按式（l） 可得到其丈量差错间隔精度为：△R= △t×c=15mm, 即脉冲雷达假如仅靠时刻来处理数据，其最高精度为15mm .所以，前期脉冲雷达大都选用时刻拓宽的办法来进行时刻的精确丈量与记载，外加屡次丈量求均匀的办法。但选用拓宽时刻以及均匀法求值，其终究精度要抵达5~10mm具有必定的难度。
3.2.2 调频接连波雷达物位计
调频接连波（FMCW）雷达的原理为发送具有必定带宽、频率线性改变的接连信号，再对接纳到的接连信号进行快速傅里叶改换，经过发送与接纳信号的频率差来核算两个信号的时刻差，最终与脉冲波雷达物位计相同，由时刻差得到对应的间隔值。FMCW雷达能够获取很高的精度，其精度首要取决于压控振动器的线性度和温漂。
FMcw 雷达经过发射频率调制的接连波信号，从回波信号中提取方针间隔信息。FMcw分为线性调频和非线性调频（如正弦波调频）两种。运用非线性调频办法时，每个方针发生的差拍频率不仅有，一般只适用于单方针的场合，如雷达高度计等；线性调频办法适合于用FFT算法丈量频率，运用最广。这种办法使每个方针发生的差拍信号都是单一频率，但其对线性调频的线性度要求很高，比较常用的调制波形是三角波和锯齿波，物位外表常用锯齿波高频办法。FMCW 雷达发射和接纳信号的原理如图2所示。
图2中，实线为雷达天线发送信号ft;虚线为雷达接纳信号fr;B为信号的带宽。发射信号的调频周期T要远大于方针最大回波时延td,即信号由天线发送经物料反射，再由天线接纳所经的时刻td比信号期T要小得多。发送信号和接纳信号因为时延引起频率的改换它们的频率差便是差频信号，可用fif表明。明显差额信号fif的巨细正比于天线与方针间的间隔R,即：
式中：c为光速，3×108m/s;T为信号周期，B为信号带宽，均为已知参数。获得差频信号fif的值最简略的办法是运用傅里叶改换办法，经过频谱剖析求得。
与脉冲雷达比较，调频雷达抗搅扰才能强，这使得它能够运用于更多的环境，但其价格昂贵雷达的2~2.5倍左右。FMCW 雷达发射的是接连波脉冲雷达的（峰值）功率小许多。发射功率小具有以下长处：①电源电压大大下降，这关于用于油舱内液位丈量体系的安全性非常重要；② 发射体系便于用固态器材完成，然后使得发射体系尺度大大减小，可靠性前进；③ FMCW 雷达极宽的信号带宽使其具有很高的间隔分辨率和间隔丈量精度，以及较强的抗搅扰性。
四、雷达料位计丈量技能难点
因为固态物料（如沙石、煤炭等）的料面都有必定的安眠角，因而固态料面的丈量基本上是运用波在粗糙外表的漫反射。构成漫反射的条件近似于：颗粒直径〉1/6波长。则波长λ与频率f的联系为： c=λf （3）能够算出它的波长为8.6mm , 对颗粒直径为2mm 以上的物料都可构成杰出的漫反射；而当c为光速3×l08m/s,选用X波段频率为5.8GHz或6GHz 的微波物位计时，由式（3）可得波长约为52mm ,关于粒径较小的颗粒状物位，漫反射作用差，回波信号搅扰严峻。为改进丈量功能，可前进发射信号的频率，选用K波段（24GHz或26GHz），然后得到较好的回波信号。从雷达料位计的丈量原理可知，雷达料位计是经过处理雷达波从探头发射到介质外表，然后返回到探头的时刻来丈量料位的。反射信号中混合有许多搅扰信号，因而，对实在回波的处理和对各种虚伪回波的辨认技能就成为雷达料位计能否精确丈量的关键要素。因为液面动摇和随机噪声等要素的影响，检测信号中必定混有很多噪声 ,为了前进检测的精确度，有必要对检测信号进行处理，尽可能消除噪声。
调频接连波雷达有必要在发射的一起进行接纳，假如选用同一天线进行发射和接纳，有必要有用地避免发射信号直接走漏到接纳体系，因而，可选用环行器阻隔发射接纳信号。为了确保丈量精度的要求，还有必要采纳有用的办法确保发射信号频率的安稳度和线性度。
五、结束语
近年来，微电子技能的进入大大促进了新式物位丈量技能的开展，新的丈量技能促进物位丈量外表产品结构发生了很大改变。电池供电及无线雷达式物位外表也开端在市场上呈现。所有这些技能上获得的前进以及不断下降的价格正推进着雷达式物位外表的不断增加。
