80 GHz 雷达物位测量

OPTIWAVE 系列所采用的 80 GHz 高频雷达波，是当前新一代的物位测量技术。当测量范围相同时，与低频雷达相比，高频雷达发射的波束更为聚焦，发散的直径更小，是粉尘环境和低反射率介质的理想选择。更小的测量盲区和聚焦的波束角，适用于狭长的容器。

为何 80 GHz 技术如此通用？

为了解答该问题，我们需要知道 80 GHz 技术是基于 FMCW 原理的，这是目前各大工业过程仪表制造商所青睐的技术。FMCW 是调频连续波的英文缩写。FMCW 雷达所连续发射的雷达波，其频率在某个带宽范围内调制，并接收反射波。它测量发射波和反射波之间的频率差，频率差与反射表面的距离成正比。

因此，采用雷达测量物位，其基础就是从测量装置（安装在容器顶部）到被测介质表面的非接触式距离测量。通过输入容器的几何形状和介质的属性（如密度），该仪表还可以计算物位、体积或质量。与超声波不同，雷达波不受到压力和温度的影响；此外，粘度、密度也不影响测量。

虽然 FMCW 对工况条件不敏感，但仍有一些因素会对测量造成影响。80 GHz 技术，是当下克服这些影响的前沿技术。

信号动态与带宽

当每一个发射频率被反射，并被雷达接收时，就会产生一个很大的频谱。然而，雷达波不仅被介质表面反射，也会被容器内部的所有表面反射，例如容器的内部结构件。只能通过高动态信号，才能分辨雷达所接收到的所有反射信号，这也被称之为高测量灵敏度：接收到目标的反射信号越多，就会在频谱中体现得比噪音信号更高更清晰，也因此更容易被识别。

当雷达的带宽变宽时，频谱的分辨率就会增加，单个目标的峰值就会更窄更精确：调频的带宽，决定了从一个目标反射的不同信号的数量。24 GHz雷达的调制频率一般在 24 至 26 GHz 之间，带宽为 2 GHz；而80 GHz雷达的调制频率一般在 78 至 82 GHz 之间，因此带宽为 4 GHz。以 4 GHz 为例，它可以区分相距仅 10 cm/4" 的目标。而对于 2 GHz，在相同的条件下则无法区分。

聚焦和天线尺寸

在很长一段时间里，带宽受到微芯片性能的限制。今天，带宽受到用来传输频谱的天线及其设计的限制。雷达波不像激光信号那样以点聚焦的方式传播，而是以波瓣或波束的形式传播。

有两种可能的方式，可以影响波束的开角或聚焦。首先是雷达波的频率：频率越高，波长越短，所以波束角越小。在 10 m/ 33 ft 的距离上，4 GHz 带宽的 80 GHz 雷达的波束角为（0.5 m/ 1.6 ft），2 GHz 带宽的 24 GHz 雷达的波束角为（1.75m/ 5.7 ft）；80 GHz 雷达的波束角宽度仅为 24 GHz 雷达的 30%（0.5 = 1.75 x 30%）。第二种是天线直径：直径越大，波束角的聚焦越好。

对于过程行业而言，可以很容易地将此转移到可能的应用领域：在狭长的筒仓中，雷达波束不应该接触筒仓壁或其中的结构件，因为这两者都不应该被测量。因此，雷达波束角必须聚焦并尽可能地保持狭窄，而配备大尺寸天线的 80 GHz 雷达正是如此。

反射率和频率

除了波束角以外，被测介质表面的属性，也决定了反射多少雷达信号及其被接收的方式：反射率或介电常数越高，反射信号的幅值越高。

通常，液体介质对信号的反射较好，而散装固体的信号反射较差；Er 值约为 1.4，是能够可靠、安全地测量的最低值。对于平坦的液体表面，反射系数不随频率的变化而变化；但是，小颗粒散装固体（颗粒、粉末）的反向散射随着频率的提高而显著增加。

因此，80 GHz 雷达是此类应用的首选；因为高动态，它能够清楚地显示物位，即使在扬尘严重的工况下（例如，灌装过程中的筒仓或料堆）。由于 4 GHz 带宽的分辨率更优，将有助于区分干扰信号和介质信号，即使干扰和介质的间距很近。

总结

80 GHz 是高聚焦的频率，因此适用于各种尺寸的容器，以避免干扰反射。此外，波长短的雷达波，被反射得更好；这尤其对于散装固体颗粒有利，即使是细小的颗粒、粉末和/或严重扬尘的应用。另一个优点是，高信号聚焦的设计，无须再使用大口径天线帮助聚焦：通常选用平面塑料（PEEK）透镜天线的 OPTIWAVE 系列雷达，就能胜任对于此类固体物位测量的应用。由于尺寸小，可以采用螺纹连接，而无需使用法兰，这将有利于节约成本。此外，80 GHz 雷达的测量范围大且盲区小，因此容器中物位几乎可以填充至雷达所在处。

80 GHz 雷达物位测量

为何 80 GHz 技术如此通用？

信号动态与带宽

聚焦和天线尺寸

反射率和频率

总结

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