本發(fā)明屬液體液位觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量方法。

背景技術(shù)：
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目前國(guó)內(nèi)大量程大變率水位測(cè)量的雷達(dá)水位計(jì)主要依賴(lài)進(jìn)口，以德國(guó)品牌為主，且價(jià)格昂貴。國(guó)產(chǎn)雷達(dá)水位計(jì)多從工業(yè)物位計(jì)改裝而來(lái)，其采用的主要方法是脈沖雷達(dá)體制，利用時(shí)差法實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)代雷達(dá)理論，雷達(dá)測(cè)距的分辨率正比于發(fā)送信號(hào)的帶寬或時(shí)寬。由于發(fā)射功率限制，不可能同時(shí)獲得較大的時(shí)寬和帶寬,在大量程和水位變率較大的水位測(cè)量時(shí)，由于反射信號(hào)變得很弱，相位信息會(huì)淹沒(méi)在噪聲中，影響了大量程水位的測(cè)量精度和穩(wěn)定性,其測(cè)量精度大多為1.0cm或2.0cm,不能滿(mǎn)足大量程大變幅水位測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性要求。

為克服上述問(wèn)題，需要進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使國(guó)產(chǎn)雷達(dá)水位計(jì)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性達(dá)到或超過(guò)進(jìn)口雷達(dá)水位計(jì)水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)狀況，設(shè)計(jì)一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量方法，該方法基于連續(xù)調(diào)頻制雷達(dá)調(diào)制方式，采用Chirp-Z+FFT算法結(jié)合自動(dòng)增益控制方法實(shí)現(xiàn)大量程、大變率情況下水位的測(cè)量，具有精度高、穩(wěn)定性高、功耗低的特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用具體技術(shù)方案如下：

一種連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量方法，該水位計(jì)主要包括主控模塊、雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊、兩路雷達(dá)信號(hào)接收模塊、自動(dòng)增益控制模塊和平面微帶天線(xiàn)，兩路雷達(dá)信號(hào)接收模塊設(shè)置形成兩個(gè)接收通道，該方法的主要步驟如下：

(1)系統(tǒng)進(jìn)行水位測(cè)量前，首先設(shè)定自動(dòng)增益控制模塊的設(shè)定兩個(gè)接收通道的一級(jí)和二級(jí)放大器的增益比例因子；

(2)雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)出一段雷達(dá)調(diào)制波信號(hào)A1，通過(guò)平面微帶天線(xiàn)產(chǎn)生檢測(cè)水位的連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號(hào)S1，該連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號(hào)S1經(jīng)待測(cè)水面反射后形成微波回波信號(hào)R1，回波信號(hào)R1被接收后分別輸入到兩路雷達(dá)信號(hào)接收模塊；

(3)經(jīng)雷達(dá)信號(hào)接收單處理后輸出兩組(幅度相同、頻率相等、相位相差90°)正交離 散數(shù)字信號(hào)x₁(nT_s)和x₂(nT_s)給主控模塊；

(4)主控模塊按下式將上述二組離散數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)x(nT_s)形式，然后對(duì)x(nT_s)進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，求出每個(gè)信號(hào)極大頻譜點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值，再經(jīng)求模，剔除無(wú)用的頻譜點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng)的水位距離頻譜數(shù)據(jù)，并得到最大頻譜點(diǎn)；

x(nT_s)＝x₁(nT_s)+j x₂(nT_s)

其中T_s表示采樣周期，n表示采樣點(diǎn)數(shù)，j表示復(fù)數(shù)的虛部；

(5)上述水位距離頻譜數(shù)據(jù)經(jīng)相干累積算法多次累積處理，求出每個(gè)信號(hào)極大頻譜點(diǎn)的水位距離頻譜數(shù)據(jù)平均值；并與門(mén)限比較，剔除小于門(mén)限的壞值，再進(jìn)一步求得最大頻譜點(diǎn)的頻率值；

(6)再通過(guò)Chirp-Z擬合算法圍繞相干累積算法求得的最大頻譜點(diǎn)進(jìn)行Chirp-Z變換并擬合處理求出對(duì)應(yīng)真實(shí)水位的頻率值；

(7)將上述對(duì)應(yīng)真實(shí)的水位值的頻譜值經(jīng)頻譜轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成水位值，該值可作為實(shí)測(cè)值輸出。

本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于：

步驟(5)中，以求得的每個(gè)信號(hào)極大頻譜點(diǎn)的水位距離頻譜數(shù)據(jù)平均值的4倍值作為門(mén)限值。

步驟(5)中，相干累積算法累積次數(shù)設(shè)為100次。

步驟(6)中對(duì)應(yīng)真實(shí)水位的頻譜值通過(guò)以下方式確定：以相干累積算法計(jì)算出的最大頻譜點(diǎn)作為主瓣位置，圍繞主瓣鄰近位置取M個(gè)點(diǎn)進(jìn)行Chirp-Z變換，得到對(duì)應(yīng)各極值點(diǎn)Z_r(r＝0,1，…，M-1)的頻譜X(z_r)；|X(z_r)|的最大值對(duì)應(yīng)的頻率值即對(duì)應(yīng)真實(shí)的水位值。上述M取9，水位的測(cè)量的絕對(duì)誤差小于0.1％。

步驟(7)中，實(shí)測(cè)值輸出設(shè)置累積N次，取平均值作為真正水位值。上述N取100，耗時(shí)大約20s。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的方法連續(xù)調(diào)頻制雷達(dá)調(diào)制方式，采用Chirp-Z+FFT方法結(jié)合自動(dòng)增益控制方法實(shí)現(xiàn)大量程、大變率情況下水位的測(cè)量，具有精度高、穩(wěn)定性高、功耗低、強(qiáng)抗干擾能力及可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2、本發(fā)明可獨(dú)立作為高精度水位測(cè)量使用，傳感器使用，也可和采集終端組成智能一體化監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)水位預(yù)警及無(wú)人值守自動(dòng)化水位監(jiān)測(cè)。

附圖說(shuō)明:

圖1為本發(fā)明的電路原理圖。

圖2為水位計(jì)測(cè)量原理圖。

圖3為本發(fā)明的主控流程圖。

圖4為本發(fā)明中相干累積算法流程圖。

圖5為本發(fā)明中水位轉(zhuǎn)換計(jì)算流程圖。

圖6自動(dòng)增益控制模塊流程圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的控制過(guò)程及硬件結(jié)構(gòu)原理圖進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例一：

如圖1所示，本發(fā)明連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量的硬件設(shè)計(jì)如下：

主要包括主控模塊、雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊、兩路雷達(dá)信號(hào)接收模塊及其自動(dòng)增益控制模塊、平面微帶天線(xiàn)。

雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊包括依次連接的(DDS)三角波發(fā)生器、(MOD)調(diào)制器、(VCO)壓控震蕩器和(DISP)環(huán)形器；雷達(dá)信號(hào)接收模塊包括依次連接的(MIX)高頻混頻器、(AMP)一級(jí)放大器、(LPF)低通濾波器、(AMP)二級(jí)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器；主控模塊采用TMS320F28M35雙核處理器，包括DSP處理器、CPU處理器、FPU浮點(diǎn)運(yùn)算器、程序存儲(chǔ)器FLASH和RAM存儲(chǔ)器。

主控模塊分別與雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊和雷達(dá)信號(hào)接收模塊連接；平面微帶天線(xiàn)的發(fā)射端與雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊的環(huán)形器相連，接收端與雷達(dá)信號(hào)接收模塊的高頻混頻器相連，所述環(huán)形器的輸出端還分別與兩路雷達(dá)信號(hào)接收模塊的高頻混頻器的輸入端相連，每個(gè)雷達(dá)信號(hào)接收模塊配有自動(dòng)增益控制模塊，自動(dòng)增益控制模塊分別一級(jí)、二級(jí)放大器連接。

本發(fā)明中，雷達(dá)信號(hào)接收模塊并行布置兩組，形成兩個(gè)通道。兩組雷達(dá)信號(hào)接收模塊的輸入端分別與平面微帶天線(xiàn)的接收端連接，輸出端分別與主控模塊連接，環(huán)形器的輸出端分別與兩組高頻混頻器連接。兩路輸出幅度相同、頻率相等、相位相差90°的正交信號(hào)。

本發(fā)明的控制流程大體如下：

如圖3所示，主控模塊調(diào)用控制線(xiàn)性三角調(diào)制波產(chǎn)生，啟動(dòng)A/D采集完成差頻信號(hào)的采集，采集的周期和頻率可編程；主控模塊CPU調(diào)用FFT模塊對(duì)采集的正交的雙通道差頻信號(hào)作變換處理，求出各個(gè)極大頻譜點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值，調(diào)用求頻譜模塊，剔除無(wú)用目標(biāo)的頻譜點(diǎn)，求得對(duì) 應(yīng)的水位距離譜；實(shí)踐中考慮FFT變換固有的頻譜泄漏效應(yīng)和頻譜疊加效應(yīng)影響以及信號(hào)傳輸過(guò)程中的白噪聲影響，對(duì)應(yīng)最大頻譜的距離譜可能偏離真實(shí)距離值；為減小測(cè)量誤差，提高檢測(cè)精度，本發(fā)明設(shè)計(jì)和采用了水位檢測(cè)相干累積算法和Chirp-Z擬合算法；相干累積算法經(jīng)過(guò)N次累積，提高了信噪比，基本消除了白噪聲的影響；Chirp-Z擬合算法圍繞相干累積算法求得的最大頻譜點(diǎn)進(jìn)行Chirp-Z變換并擬合處理求出對(duì)應(yīng)真實(shí)水位的頻率值；該經(jīng)頻譜轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成水位值，可作為實(shí)測(cè)值輸出。

實(shí)施例二：

雷達(dá)測(cè)位原理如圖2所示，F(xiàn)坐標(biāo)深色線(xiàn)表示三角波發(fā)射信號(hào)，淺色線(xiàn)表示接收器檢波后中頻接收信號(hào)；F_b坐標(biāo)表示的是收發(fā)差頻信號(hào)，可見(jiàn)由于射頻傳播延遲的存在，導(dǎo)致收發(fā)頻率有一個(gè)頻率差F_b，這個(gè)頻率值和目標(biāo)距離正比變化；

如果使用f_bup表示在圖2中三角波掃頻的上升段收發(fā)雷達(dá)信號(hào)的頻率差值(簡(jiǎn)稱(chēng)上掃頻頻差)，f_bdown表示圖2中三角波掃頻的下降段收發(fā)射頻的頻率差值(簡(jiǎn)稱(chēng)下掃頻頻差)；根據(jù)現(xiàn)代雷達(dá)理論可以證明上掃頻頻差f_bup和下掃頻頻差f_bdown有如下關(guān)系:

F_b＝f_bup-f_bdown＝(4μR)/C+(2vμT)/C (1)

式中：T是調(diào)頻周期、μ為調(diào)頻斜率為常數(shù)、C為光速因子也是常量、R是目標(biāo)到雷達(dá)天線(xiàn)平面的距離；式中第一項(xiàng)(4μR)/C表示距離延遲產(chǎn)生的頻率,第二項(xiàng)(2vμT)/C表示在下掃頻段以v速度運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)徑向移動(dòng)了vT的間距,水位變化(小于6m/s)與光速相比是很小的,第二項(xiàng)可以忽略不計(jì)，則得到目標(biāo)距離:

R＝(C/4μ)F_b＝(CT/4B)F_b (2)

其中B標(biāo)識(shí)掃頻的頻帶寬度。

本發(fā)明采用優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，并通過(guò)準(zhǔn)確的檢測(cè)Fb得到準(zhǔn)確的水位測(cè)量值。

實(shí)施例三：

如圖3所示，本發(fā)明連續(xù)調(diào)頻波制雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量方法，該水位計(jì)主要包括主控模塊、雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊、雷達(dá)信號(hào)接收模塊、自動(dòng)增益控制模塊和平面微帶天線(xiàn)，該方法的主要步驟如下：

步驟1)，主控模塊實(shí)際水位測(cè)量前，首先調(diào)用自動(dòng)增益控制模塊(該模塊可采用軟件實(shí)現(xiàn))，按最優(yōu)原則和實(shí)時(shí)性要求設(shè)定跟蹤的次數(shù)(時(shí)間)和跟蹤的步幅，輸出數(shù)字化的增益比例因子；控制兩個(gè)接收通道的一級(jí)和二級(jí)放大器的增益，使得回波信號(hào)小時(shí)，增大增益；信號(hào) 大時(shí)減小增益；在很寬的范圍內(nèi)維持信號(hào)工作在運(yùn)放線(xiàn)性區(qū)和響應(yīng)速度，保證系統(tǒng)水位測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。運(yùn)放的增益設(shè)置好后，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)際的水位監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明中，我們通過(guò)硬件和軟件相結(jié)合的方式在接收模塊中設(shè)計(jì)采用數(shù)字式負(fù)反饋式自動(dòng)增益控制模塊，可以根據(jù)輸入信號(hào)的大小自動(dòng)調(diào)整接收運(yùn)放的增益較好地解決了大量程大變幅高精度水位檢測(cè)問(wèn)題，方法如下：

實(shí)際水位測(cè)量前，調(diào)用自動(dòng)增益控制模塊，按最優(yōu)原則和實(shí)時(shí)性要求設(shè)定跟蹤的最大次數(shù)Nmax(時(shí)間)和運(yùn)放允許輸出的最大幅值Vomax，自動(dòng)增益控制模塊允許的最大數(shù)字增益值Kmax，跟蹤的步幅Step＝Kmax/Nmax，輸出數(shù)字化的增益比例因子K；

如圖6所示，初始化，首先接收通道的回波信號(hào)經(jīng)ADC采樣，接著調(diào)用FFT算法估算出初步的水位值，并將其轉(zhuǎn)換成運(yùn)放的輸出值Vo，其幅值反映了水位的大小。當(dāng)信號(hào)小時(shí)，即運(yùn)放輸出Vo小于最大幅值Vomax時(shí)，依據(jù)最大數(shù)字增益值和跟蹤的步幅，增大一級(jí)和/或二級(jí)放大器的增益；當(dāng)信號(hào)太大時(shí)，即運(yùn)放輸出大于最大幅值Vomax時(shí)，依據(jù)最大數(shù)字增益值和跟蹤的步幅，減小一級(jí)和/或二級(jí)放大器的增益；如此確定合適增益比例因子。在很寬的范圍內(nèi)維持信號(hào)工作在運(yùn)放線(xiàn)性區(qū)和響應(yīng)速度，保證系統(tǒng)水位測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。

這種方法可實(shí)現(xiàn)0-35m變幅的水位監(jiān)測(cè)，誤差小于2mm；水位變率大于40cm/min小于100cm/min時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)水位穩(wěn)定的測(cè)量。

步驟2)，雷達(dá)調(diào)制波發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)出一段(周期和幅度可調(diào))雷達(dá)調(diào)制波信號(hào)A1，通過(guò)平面微帶天線(xiàn)產(chǎn)生檢測(cè)水位的連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號(hào)S1，該連續(xù)調(diào)頻波掃頻信號(hào)S1經(jīng)待測(cè)水面反射后形成微波回波信號(hào)R1，微波回波信號(hào)R1被接收后輸入到雷達(dá)信號(hào)接收模塊；

步驟3)，經(jīng)兩路雷達(dá)信號(hào)接收模塊處理，處理過(guò)程包括混頻檢波、移相處理后消除高頻載波，送出正交的兩路差頻模擬信號(hào)IQ和IF，差頻信號(hào)IQ和IF是幅度相同、頻率相等、相位相差90°的正交信號(hào)，自然構(gòu)成后繼DFT變換所需復(fù)數(shù)信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)頻譜的快速的運(yùn)算。IQ和IF經(jīng)一級(jí)運(yùn)算放大器、低通濾波器、二級(jí)運(yùn)算放大器處理后送到后級(jí)的AD轉(zhuǎn)換器，兩路差頻模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后分別輸出離散數(shù)字信號(hào)x₁(nT_s)和x₂(nT_s)給主控模塊；

其中，n表示采樣序列數(shù)(0,1……N-1)，T_s表示采樣周期；N表示最大采樣點(diǎn)數(shù)，本例中取2048點(diǎn)。

步驟4)，主控模塊將上述兩組離散數(shù)字信號(hào)x₁(nT_s)和x₂(nT_s)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)形式x(nT_s)，然后對(duì)x(nT_s)進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，求出每個(gè)信號(hào)極大頻譜點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值，再經(jīng)頻譜模塊，剔除無(wú)用目標(biāo)的頻譜點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng)頻譜數(shù)據(jù)，并得最大頻譜點(diǎn)；

主控模塊將其轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)即：x(nT_s)＝x₁(nT_s)+j x₂(nT_s)。

其中，T_s表示采樣周期，n表示采樣序列數(shù)(0,1……N-1)，j代表復(fù)數(shù)的虛部；

離散數(shù)字信號(hào)x(nT_s)，對(duì)T_s作歸一化處理后設(shè)為1，由傅里葉變換理論可知，離散序列x(n)的傅里葉(DFT)變換可表示為：

式中X(k)表示差頻信號(hào)的頻譜，W_N＝e^-j2π/N表示碟形因子；k表示采樣點(diǎn)，k＝0,1,…,N/2；對(duì)(3)式利用快速FFT變換求得頻譜；

根據(jù)下式求得頻譜A(k)：

A(k)＝¹/_N(ReX(k)²+ImX(k)²) (4)

式(4)中，A(k)是采樣點(diǎn)k的頻譜函數(shù)；N表示最大采樣點(diǎn)數(shù)；

根據(jù)f_k＝kf_s/N，求得對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)k＝0,1,…,N/2各點(diǎn)的頻率；

其中f_s是采樣頻率，與T_s是采樣周期相對(duì)應(yīng)，N是最大采樣點(diǎn)數(shù)；

由現(xiàn)代雷達(dá)理論可知，頻譜的最大值處即f_k＝F_b點(diǎn)對(duì)應(yīng)目標(biāo)的距離點(diǎn)，根據(jù)(2)式可以直接計(jì)算得一個(gè)最大頻譜對(duì)應(yīng)的水位值R。

R＝(C/4μ)F_b＝(CT/4B)F_b (2)

步驟5)，頻譜數(shù)據(jù)經(jīng)相干累積算法多次累積處理，基本消除FFT變換固有的頻譜泄漏效應(yīng)和信號(hào)傳輸過(guò)程中的白噪聲影響。

圖4所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)了水位檢測(cè)相干累積算法，以減小噪聲對(duì)水位檢測(cè)精度的影響，相干累積算法本質(zhì)上是對(duì)式(4)作N/2點(diǎn)抽樣得到頻譜的樣值A(chǔ)(k)(k＝0,1…N/2-1)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)k點(diǎn)值累加M次，累加后求出平均值，其結(jié)果提高了信號(hào)的信噪比。具體實(shí)現(xiàn)如下：

模塊先初始化累積數(shù)N＝0，頻譜累積量L(k)＝0，模塊對(duì)每一個(gè)頻譜樣點(diǎn)累加M次，M的取值可據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，本項(xiàng)目取M＝100，模塊判斷累積過(guò)程是否完成，模塊對(duì)累加完成的各點(diǎn)頻譜值計(jì)算平均功率，并設(shè)4倍的平均功率作為判決門(mén)限值，判決距離目標(biāo)是否存在或是否超出了檢測(cè)范圍。根據(jù)判決門(mén)限值剔除小于門(mén)限的壞值，對(duì)累積的頻譜求得的最大頻譜點(diǎn)的頻率值，該頻率值其信噪比提高了M倍，噪聲引入的測(cè)量誤差減小了M倍。

步驟6)，再通過(guò)Chirp-Z擬合算法圍繞上述最大頻譜點(diǎn)作M點(diǎn)Chirp-Z變換并擬合處理求出對(duì)應(yīng)更精確水位的頻率值；

本發(fā)明針對(duì)FFT變換固有的頻譜泄漏效應(yīng)和頻譜疊加效應(yīng)影響造成的頻率測(cè)量誤差設(shè)計(jì) 和采用Chirp-Z變換軟件算法，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

用FFT方式獲取的頻譜(即距離譜)為數(shù)字譜，表現(xiàn)為在距離軸上有固定的距離采樣間隔。通過(guò)增大采樣點(diǎn)數(shù)N，可以使距離間隔減小，提高水位測(cè)量精度；受實(shí)際數(shù)字信號(hào)處理水平和運(yùn)算速度的限制，N的值不可能太大，因此實(shí)際的雷達(dá)距離譜上總是有一定的采樣間隔。由于FFT的“柵欄效應(yīng)”和頻譜疊加效應(yīng)，使得直接采用FFT所獲得的頻譜有固定的采樣間隔△f，對(duì)應(yīng)在距離域有固定的采樣間隔ΔR，從而可能產(chǎn)生最大ΔR/2的測(cè)距誤差。

為提高頻率估計(jì)精度進(jìn)而提高水位檢測(cè)精度，本發(fā)明設(shè)計(jì)采用Chirp--Z變換算法。該方法能夠在FFT點(diǎn)數(shù)不必增加很大的情況下，顯著提高水位的檢測(cè)精度而不影響檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)算速度。

其步驟為：根據(jù)相干累積算法計(jì)算出的最大頻譜點(diǎn)即主瓣位置，圍繞主瓣鄰近位置取M個(gè)點(diǎn)進(jìn)行Chirp-Z變換，其算法如下式：

其中n＝0,1，…，N-1 (6)

式中A、W為相關(guān)復(fù)數(shù)參量，CZT表示Chirp-Z變換，θ₀是起始幅角φ₀＝2π/N為幅角增量。

本例中取A₀＝W₀＝1時(shí)，上式的Chirp-Z變換的X(z_r)即為Z平面單位圓上對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)Z_r(r＝0,1，…，M-1)的頻譜；|X(z_r)|的最大值對(duì)應(yīng)的更精確頻率值，即對(duì)應(yīng)真實(shí)的水位值。仿真試驗(yàn)表明取適當(dāng)?shù)腗值，兼顧實(shí)時(shí)性和檢測(cè)精度要求，取適當(dāng)?shù)腗值，可使檢測(cè)精度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。本發(fā)明取M＝9使得水位檢測(cè)的絕對(duì)誤差小于0.1％。

步驟7)，利用求得的頻率值利用水位轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成精確的水位值，如圖5所示。水位值以數(shù)字形式通過(guò)RS485輸出，同時(shí)以模擬量形式輸出4-20mA的水位信號(hào)。

圖5是水位轉(zhuǎn)換模塊算法流程，這個(gè)模塊利用上述|X(z_r)|最大值對(duì)應(yīng)的頻率值作為精確頻率值，利用式(2)將頻率轉(zhuǎn)換成水位值，該值可作為實(shí)測(cè)值。

實(shí)際應(yīng)用中，為考慮波浪或水面漂浮物對(duì)測(cè)量的影響，也可通過(guò)距離的均值算法消除這些影響。模塊完成一定時(shí)間測(cè)距值累加，可以根據(jù)需要設(shè)置累積次數(shù)N值。水位轉(zhuǎn)換模塊計(jì)算距離N點(diǎn)均值作為需測(cè)的真正水位值，將實(shí)測(cè)的水位值通過(guò)RS485通信接口輸出到用戶(hù)端。R＝(C/4μ)F_b＝(CT/4B)F_b (2)

本發(fā)明取N＝100次，大約耗時(shí)20秒，經(jīng)仿真驗(yàn)證基本消除了波浪和水面漂浮物對(duì)水位檢測(cè)的影響。

測(cè)試實(shí)例一:

本發(fā)明中工程樣機(jī)的測(cè)試方法，及測(cè)試波形和檢測(cè)數(shù)據(jù)表如下：利用安裝在可移動(dòng)的標(biāo)尺上的面目標(biāo)模擬水位，以激光測(cè)距儀測(cè)量數(shù)據(jù)作為真值。多次重復(fù)測(cè)試，分辨力檢測(cè)時(shí)，在5m、10m、20m、30m不同水位+0.4m范圍分別按步距50mm移動(dòng)面目標(biāo)，這里選列出10m、20m重復(fù)5次的測(cè)量數(shù)據(jù)，求得最大絕對(duì)誤差和平均誤差。量程變化范圍0～20m、水位變率1m/min條件下進(jìn)行準(zhǔn)確度檢測(cè)。

圖2中上方為調(diào)制三角波，三角波的上升沿為上掃頻波，下降沿為下掃頻波；圖2下方為上掃頻和下掃頻接收差頻波。

表1水位10m步距50mm的五次檢測(cè)表

表2水位20m步距50mm的五次檢測(cè)表

多次檢測(cè)結(jié)果表明，0～20m范圍時(shí)最大絕對(duì)誤差為2mm，平均誤差不大于1mm，分辨力優(yōu)于1mm。

本發(fā)明主要性能和技術(shù)指標(biāo)：

(1)信號(hào)輸出：RS485+4-20mA輸出。

(2)量程范圍：0.8～35m。

(3)穩(wěn)定性：<0.2％FS/年。

(4)綜合誤差(包括：線(xiàn)性、遲滯、重復(fù)性)：0.2％FS。

(5)測(cè)量精度：±3mm(0.8—35m)

(6)測(cè)量時(shí)間：20s

(7)波束角≤10°

(8)電源：9-16VDC

(9)功耗：5mA

(10)環(huán)境溫度：-25°--+60°

(11)環(huán)境濕度：0-90H

(12)絕緣強(qiáng)度：UDC 500V≥200MΩ

(13)防護(hù)等級(jí)：IP55。