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近年來 ，石油化工行業(yè)不斷發(fā)展 ，石油 化工 產(chǎn)品的生產(chǎn)和存儲環(huán)境逐漸復雜，油品具有易燃 易爆的特點 ，油品存儲罐容量較大 ，一 般在千噸 級甚至萬噸級 。在油品生產(chǎn)過程中，需要時刻準 確掌握油品儲罐的狀態(tài)，若誤差較大會給企業(yè)帶 來較大的經(jīng)濟損失，同時也容易造成事故安全隱 患 。 因此，罐內液位高度的測量精度不但直接影 響企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且直接影響企業(yè)的生產(chǎn)安 全。
石油化工行業(yè)一直以來都是采用液 位開關 來進行油品儲罐的液位報警，其缺點是在運行過 程中開關狀態(tài)難以有效監(jiān)測 ，平時難以維護 ，而 能夠連續(xù)不間斷地對液位進行測量的自動化儀 表則可以對相關油品儲罐內的液位變化情況進 行實時動態(tài)監(jiān)測并能夠對儀表自身的工作狀 態(tài) 進行實時監(jiān)測報警 ，因此可靠性更高 。但是現(xiàn)有 的液位連續(xù)測量儀表存在一些問題 。例如，靜壓 液位計精度較差，主要是由于受測量介質密度和 溫度的影響較大；磁致伸縮液位計一直以來在市 場上普及不廣，主要是該液位計采用與測量介質 接觸的測量方式 ，安裝和維護要求較高 ，而且主要適用于非腐蝕性介質 測量，不適用于粘稠性介 質； 伺服液位計同樣有接觸式液位計的各種弊 端，也不適用于腐蝕性和粘稠性介質。
雷達液位計因采用非接 觸式測量且 不需要 傳輸媒介， 故能夠應用于易揮發(fā)介質的液位測 量 ，不受罐內介質揮發(fā)性氣體的影響 ，并且不受 罐內液體介質的濃度 、密度等相關物理特性的影 響 。隨著技術和工藝的進步，其價格逐步降低，應 用范圍越來越廣 。雷達液位計能適應惡劣的應用 環(huán)境，不但抗干擾能力強 ，而且測量精度較高 ，所 以在石油化工行業(yè)得到了廣泛應用［1，2］。
近年來，石油化工行業(yè)對雷達液位計測量精 度的要求越來越高， 而目前主流的26、80 GHz雷 達液位計存在一些測量精度問題 。為此 ，筆者基 于一種新的120 GHz超寬帶雷達液位計 ，并結合 高精度Chirp-Z變換算法，從而達到提高雷達液位 計在油品儲罐中液位測距精度的目的 。
1 雷達液位計工作原理
雷達液位計的天線定向發(fā)射電磁波 ，這些電 磁波經(jīng)過被測液體介質表面反射后，被雷達天線 接收 。雷達所測距離R的計算式如下：
R= 4 （1）
式中 F—— 噪聲系數(shù)；
G—— 天線增益；
k—— 玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38× 10-23 J/K； L—— 系統(tǒng)損耗；
Pt—— 發(fā)射功率；
（SNR）0—— 信噪比；
T0—— 標準溫度；
λ—— 波長；
τ—— 傳輸?shù)拿}沖寬度；
σ—— 雷達散射截面。
罐體內介質 、介電常數(shù)和溫度都會對探測精 度產(chǎn)生影響 ，需要綜合考慮 。文中只考慮常溫狀 態(tài)，而實際工況中，除了考慮這些影響外，還需要考慮實際環(huán)境和測量介質 。不同介質［3］環(huán)境下，雷達 信噪比隨雷達探測距離的變化關系如圖1所示。
圖1 不同介質環(huán)境下信噪比隨雷達探測距離的變化關系
由圖1可知，在不同的介質環(huán)境下，隨著探測 距離的增加 ， 雷達探測信號的信噪比隨之降低 ， 表現(xiàn)為探測精度的降低。
線性調頻連續(xù)波雷達［4，5］的發(fā)射頻率帶寬為 4 GHz，距離分辨率3.75 cm，最高發(fā)射功率10 dBm， 探測距離最高達100 m。發(fā)射波形方程如下：
St（t）=A0cos [2π (f0t+k0t2 ) +φ0 ]，0<t<T （2）
式中 A0—— 幅值；
f0—— 雷達載頻；
k0—— 調頻斜率；
T—— 周期；
φ0—— 初相位 。
雷達信號在經(jīng)過距離為R的傳播后 ， 與回波 信號之間會產(chǎn)生時延td，則有：SR（t）=A0cos {2π [f0（t-td）+k（t-td）2 ] +φ0 }，td<t<T （3）
回波信號經(jīng)過混頻 、 中頻基帶信號經(jīng)過FFT 后，得到如圖2所示的信號頻域圖 。
圖2 信號頻域圖
由于雷達測距的精度主要依賴于對 雷達收 發(fā)信號混頻后所得的差拍信號（頻率與目標距離 線性相關的信號）， 因此可以利用差拍信號的頻 率對目標進行測距，從而把對測距的精度轉換為 對差拍信號進行數(shù)字信號處理的問題［6］。傳統(tǒng)的 液位計測量都是利用FFT處理實現(xiàn)的 ， 造成頻譜 處理的精度受到柵欄效應 、泄漏效應 、混疊效應 及量化結果誤差等因素的影響，導致對頻譜的分 析精度不高，并且測距精度很難提高 。量化誤差 和混疊效應是在進行AD轉換過程中引起的，而泄 漏效應與柵欄效應是FFT算法進行數(shù)字信號處理 時不可避免的問題，導致頻譜的實際曲線與理想 曲線之間具有偏差 。如圖3所示 ， 紅色點是進行 FFT處理后得到的信號強度點 ， 綠色點是因為欄 柵效應而丟失的點，在進行FFT處理后不可見，從 而產(chǎn)生ΔR/2的測距誤差，因此雷達液位計無法滿 足高精度測量場合的要求 。
圖3 實際頻譜點與理論頻譜點示意圖
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