微波雷达物位测量技术研究

摘要

高精度雷达物位计在工业生产中一直扮演着非常重要的角色，随着“十三五”规划及工业4.0的到来，我国物位仪器仪表行业的需求量在不断攀升，传统的压力式物位计、超声波液位计、导波式液位计以及激光测距仪存在测量精度或应用范围的局限性，难以满足工业测量的实际需求。因此本课题主要研究一种小型化、非接触式、测量精度高的线性调频雷达物位测量系统。
　　本课题首先分析了线性FMCW雷达测量基本原理，简单分析了差拍信号的数学模型，设计了英飞凌24GHz雷达收发器BGT24MTR11为系统前端核心和ARM控制器STM32F4为系统基带控制处理部分的雷达物位测量系统方案。雷达信号的发射和接收采用微带天线实现前端模块小型化设计，微带天线的增益及半功率波束角直接决定系统的量程范围，因此本文通过HFSS仿真软件优化天线参数达到最佳的性能指标。随后本文分析了影响雷达物位计测量精度的因素，包括扫频带宽、VCO非线性以及差拍信号频率测量误差等因素，其中增加扫频带宽可以提高测量精度，但同时也导致了扫频非线性；VCO的扫频线性度和稳定度严重影响物位测量精度，因而本文设计了数字化温度补偿及非均匀步进校正方法提高雷达信号扫频线性度和稳定度，并且采用了同步信号的方法滤除扫频信号回扫带来的干扰；而对于信号处理频率测量误差，本文采用了基于 FFT技术的线性调频z变换与谱最大值估计算法结合的方法实现差拍信号频率的快速高精度测量。在关键技术研究的基础上，本课题设计了以ARM控制器为核心的基带硬件电路，包括调制信号产生电路、前置低噪声放大电路、滤波及程控放大电路、信号采集电路等，并利用Keil软件实现系统软件的总体架构设计及算法实现。
　　最后，利用信号源模拟差拍信号来测试基带每个模块的功能及验证软件算法的可靠性，并搭建实验平台对实验装置进行了整体测试及分析。实验调试波形及测试数据表明，设计的雷达物位测量系统具有较好的稳定性，但系统的测量精度有待进一步研究和提高。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 本课题研究的时代背景与意义

1.2 物位仪表的应用现状与发展态势

1.3 本课题主要工作内容及章节安排

第二章 雷达物位测量原理分析及方案设计

2.1 FMCW雷达测量原理

2.2 雷达调制方式分析

2.3 雷达差拍信号分析

2.4 雷达物位测量系统方案设计

2.5 本章小结

第三章 雷达前端设计及VCO非线性校正

3.1 24GHz雷达前端模块设计

3.2 影响物位测量精度的因素分析

3.3 VCO非线性校正

3.4 本章小结

第四章 雷达差拍信号处理方法分析

4.1 扫频信号回扫干扰处理方法

4.2 差拍信号处理算法分析

4.3 CZT算法与谱估计算法结合实现

4.4 本章小结

第五章 物位测量系统基带设计及整体测试

5.1 雷达物位测量系统基带硬件设计

5.2 雷达物位测量系统软件设计

5.3 系统整体调试与测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 课题总结

6.2 展望未来

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果