Rife和Quinn算法用于雷达式油水界面液位的精确检测.pdf

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1、检测与仪表化工自动化及仪表，2010，37(1)：30—33ControlandInstrumentsinChemicalIndustryRife和Quinn算法用于雷达式油水界面液位的精确检测朱磊，董亮，刘树东(齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006)摘要：针对现阶段油水界面液住测量方法的测位精度低、可靠性差等问题，提出雷达测量油水界面液位的方法，介绍了使用雷达测量油水界面液位的原理和设计方案。同时，对信噪比较低时，液位信号的精度不高问题，提出使用Rife结合Quinn的方法估计信号频率。仿真结果表明，该算法的均方根误差较小，估计性能优于传统的Rife法和Qui

2、nn法。关键词：雷达；油水界面；Rife；Quinn；精度中图分类号：TN911．72文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)01-0030-041引言长期以来，油田分离罐中油水界面的测控难题一直没有得到圆满的解决，传统的油水界面的测量方法主要有热敏电阻、射频导纳、超声波⋯等测量方法，但在使用的过程中都存在着各种各样的问题。例如，电阻法随着液体化学性质的改变变得不准；射频导纳法要在罐上打孔，对于大量老化的分离罐，打孔具有一定的危险；而超声波法采用非接触的方式测液位，是近几年发展较快的一种液位测量装置，但是超声波的传播速度受现场的温度、湿度、气压等环境变化的影响较大，从而

3、影响了测位精度。近年来，微波检测技术悼1作为一种非接触、非破坏、非污染、非电量的检测新技术在石油化工领域得到了迅速的发展。使用微波(雷达)检测油水界面液位可以解决储油罐液位检测中存在的问题。由于界面雷达只需探测单一目标、并且作用距离近，不需要大的发射功率，但需要测距精度高、电路简单可靠、体积小、成本低。根据这一特点，界面雷达适宜采用LFMCW信号体制。本文根据原油和水对微波的吸收程度不同，给出雷达测量油水界面液位的设计方案、工作原理；根据LFMCW雷达测位原理，给出了液位信号的处理方法，针对低信噪比或6较小时Rife方法的不足之处，提出了使用Rifep。1结合Quinn旧1的方法来提

4、高测位精度，并使用DSP¨3调试出了液晶显示结果，误差分析和实验结果表明该算法可有效地估计信号频率。2油水界面液位测量原理油水界面的示意图如图1所示。当电磁波垂直入射时，在气／油、油／水、杉金属界面产生了三次反射，在气／油、油／水界面产生了两次透射。当入射波垂直入射时，反射系数尺和透射系数r的表达式为：R：业(1)1叼2+町lr：盟(2)叼2+町1L'T-．式中：，72√詈——介质的特性阻抗；占——介质的介电常数；肛——介质的磁导率。将s水一80，s气=1，占抽=2—2．4，以及相应介质的磁导率代入式(1)、式(2)中可以发现，当微波在水／金属界面发生反射时，其能量衰减很大，几乎淹没

5、在噪声中，可以忽略不计。因此，要想得到天线到油界面的高度Rl，只需滤掉气／油界面的反射波。再将天线到罐底的固定高度彪去掉天线到油界面的高度尉得到水界面的高度昭，从而完成油水界面的液位测量。图1油水界面示意图金属罐底微波液位测量利用了测量微波传播延迟时间的原理。微波在均匀介质中以固定的速度C传播，通过测量微波往返一次的时间t，可以得到天线到界面收稿日期：2009—11-26(修改稿)基金项目；国家自然科学基金资助项目(60872016)第l期朱磊等．Rife和QtIinn算法用于雷达式油水界面液位的精确检测·31·的距离R1为‘21：RI=一c1I(3)从而可以求出液位高度。时间￡就是

6、界面的回波相对于发射信号的延迟，因此液位测量就是要精确测量延迟时间。本文采用LFMCW雷达体制来确定时间，它不是直接测量时间延迟，而是通过发送调频信号，利用回波信号和发送信号的频率差来确定时间t。3LFMCW雷达测量界面液位的方法FMCW雷达调制波有多种形式，如调频等幅波雷达(三角波调频、锯齿波调频、平方率调频、正弦波调频)、伪随机二相码连续波雷达、随机二相码连续波等体制。线性和正弦波调频是过去常用的两种方式，而线性调频(LFMCW)用途最广，在从目标回波提取距离信息时，适合采用FFT算法来处理，是本文讨论的调制方式。线性调频连续波雷达测量油水界面液位的原理框图如图2所示。艟拧振荡器

7、H定向耦合器H环形器信号控制器等掣俞碰t●混频器I!!—i；羽液面A／D转换l信号处理器HPc机图2线性调频连续波雷达测量油水界面液位原理图调制器调制压控振荡器(VCO)产生随时间变化的连续高频等幅波，VCO的输出经环行器后加至天线，天线发射的微波传播到油水界面并产生三次反射、二次透射，回波在微波传播到油水界面并返回天线的这段时间内，由于发射信号的频率受调制信号调制，此时三次反射波的频率较之发射信号频率已经有了变化，由于第三次反射的信号衰减很大，通过限幅滤