一、引言

雷達(dá)液位計(jì)在化工、冶金、電力等行業(yè)用得越來(lái)越普遍，主要做連續(xù)物位測(cè)量。但工業(yè)儲(chǔ)罐不是干凈環(huán)境——罐壁、攪拌器、盤管、扶梯這些固定件，還有液面的泡沫、蒸汽、波動(dòng)，都能產(chǎn)生虛假回波。這玩意兒要是處理不好，測(cè)量值就偏了，嚴(yán)重時(shí)控制系統(tǒng)誤動(dòng)作，出安全事故也不是沒(méi)可能。

80GHz雷達(dá)是近年來(lái)的技術(shù)熱點(diǎn)，波束窄、分辨率高，優(yōu)勢(shì)明顯。聲科電子的SK-R800系列就是這一類的產(chǎn)品，用的是FMCW調(diào)頻連續(xù)波，在虛假回波處理上有一套自己的方法。下面就以這個(gè)系列為例，聊聊虛假回波從哪來(lái)、怎么對(duì)付、現(xiàn)場(chǎng)怎么操作。

二、虛假回波的成因與影響

2.1 三個(gè)主要來(lái)源

虛假回波大致分三類。

diyi類是固定構(gòu)件反射。罐里那些金屬件——罐壁、攪拌葉、盤管、人梯——都會(huì)反射雷達(dá)波，形成位置固定的干擾峰。有時(shí)候安裝接管口的毛刺或者法蘭焊縫也能帶來(lái)近場(chǎng)干擾。

第二類是介質(zhì)本身的問(wèn)題。泡沫層會(huì)把雷達(dá)波打散，產(chǎn)生一堆雜七雜八的反射信號(hào)。高溫液體冒出來(lái)的蒸汽、粉塵里的懸浮顆粒，同樣會(huì)散射雷達(dá)波，整出噪聲級(jí)的干擾。

第三類跟安裝有關(guān)。天線歪了超過(guò)3°，主波束就斜著出去了，容易打到罐壁或其他構(gòu)件上。安裝位置離罐壁太近，或者正對(duì)著進(jìn)料口、攪拌器，都會(huì)多出不少干擾。

2.2 會(huì)出什么問(wèn)題

虛假回波搗亂，通常有三種表現(xiàn)。一是儀表把固定干擾峰當(dāng)成液位，數(shù)值卡死不動(dòng)，實(shí)際液位早變了。二是進(jìn)出料快或者液面波動(dòng)大的時(shí)候，真實(shí)信號(hào)弱了，儀表就“丟波”了，數(shù)值亂跳。三是多重反射導(dǎo)致儀表算錯(cuò)高度，誤差翻倍。

三、80GHz雷達(dá)好在哪

跟低頻雷達(dá)比，80GHz有幾個(gè)先天優(yōu)勢(shì)。

波束窄。 SK-R800系列的波束角能做到3°。什么意思呢？就是雷達(dá)波打出去跟激光似的，很集中，直接照到液面上，幾乎不碰罐壁和內(nèi)部構(gòu)件。低頻雷達(dá)的波束角一般10°往上，打出去發(fā)散得厲害，到處碰壁，干擾自然多。

分辨率高。 3.75mm的波長(zhǎng)很短，F(xiàn)MCW下能把靠得很近的兩個(gè)回波區(qū)分開(kāi)，真實(shí)回波和虛假回波在頻譜上各是各的峰，不會(huì)糊在一起。

穿透力強(qiáng)。 蒸汽、泡沫、粉塵這些東西，對(duì)低頻信號(hào)衰減很嚴(yán)重，但80GHz相對(duì)扛得住。SK-R800系列在這種惡劣環(huán)境下還能抓住真實(shí)的液面回波，這是很多低頻表做不到的。

四、聲科電子SK-R800系列怎么處理虛假回波

聲科電子這套方案從三個(gè)層面入手：硬件上堵、算法上算、調(diào)試上教。

4.1 硬件層面

SK-R800系列用的是自研的毫米波芯片，射頻前端專門優(yōu)化過(guò)天線的方向性，能量打得夠集中。旁瓣抑制技術(shù)減少了非目標(biāo)方向的反射信號(hào)被接收回來(lái)的可能。天線的材質(zhì)也講究，耐腐蝕、介電損耗低，本身的反射就小。整機(jī)是全密封的，冷凝水或者粉塵進(jìn)不去，不會(huì)因?yàn)樘炀€上掛了東西而多出虛假信號(hào)。

4.2 算法層面

FMCW體制本身測(cè)距原理是靠發(fā)射和接收信號(hào)的頻率差，這種測(cè)距方式本身就比脈沖雷達(dá)更能抗干擾。

回波識(shí)別上，SK-R800系列內(nèi)置了多維分析和動(dòng)態(tài)濾波的算法，看回波的幅度、頻率、相位這些參數(shù)，判斷哪個(gè)是真的、哪個(gè)是假的。真實(shí)回波一般是又穩(wěn)又高的主峰，虛假回波要么位置固定、要么強(qiáng)度弱。算法能自動(dòng)濾掉粉塵、蒸汽、攪拌產(chǎn)生的那些雜信號(hào)。

特別說(shuō)一下，針對(duì)攪拌槳葉這種轉(zhuǎn)動(dòng)的干擾源，SK-R800系列有回波鎖定功能。通過(guò)算法判斷哪些回波是從動(dòng)的東西上來(lái)的，然后持續(xù)跟蹤真實(shí)的目標(biāo)軌跡。

4.3 調(diào)試層面

算法再好，也得現(xiàn)場(chǎng)教一遍。SK-R800系列在調(diào)試上做得挺方便。

看曲線。 工程師可以通過(guò)面板或者藍(lán)牙APP進(jìn)到回波曲線界面，看看真實(shí)液位那個(gè)位置有沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)定的大峰。聲科的“Radar Me”APP在20米內(nèi)能無(wú)線調(diào)試，實(shí)時(shí)看回波曲線、虛假曲線和歷史曲線，不用爬罐頂。

做學(xué)習(xí)。 空罐或者近空罐的時(shí)候，讓儀表跑一遍虛假回波學(xué)習(xí)。它會(huì)自動(dòng)掃一遍，把罐壁、支架、攪拌器這些固定干擾的回波位置記錄下來(lái)。正常測(cè)量的時(shí)候，這些位置上的信號(hào)自動(dòng)被忽略。如果罐里有攪拌器，建議開(kāi)著攪拌做學(xué)習(xí)，這樣轉(zhuǎn)動(dòng)的干擾也能一并消掉。

設(shè)盲區(qū)和量程。 盲區(qū)設(shè)得合適，可以避開(kāi)安裝接管和法蘭焊縫的近場(chǎng)干擾。量程設(shè)得準(zhǔn)，儀表就不去看有效范圍以外的東西，遠(yuǎn)端多重反射也就進(jìn)不來(lái)了。

另外，SK-R800系列帶了角度傳感器，安裝的時(shí)候能幫著看垂直度。波束就能垂直打到液面上，少走彎路。

五、結(jié)語(yǔ)

虛假回波處理是雷達(dá)液位計(jì)能不能測(cè)準(zhǔn)的關(guān)鍵。80GHz雷達(dá)的窄波束、高分辨率和強(qiáng)穿透力，在硬件上占了不少便宜。聲科電子SK-R800系列把這些物理優(yōu)勢(shì)利用起來(lái)，加上多維回波分析、動(dòng)態(tài)濾波、回波鎖定這些算法，再配合虛假回波學(xué)習(xí)和無(wú)線調(diào)試等現(xiàn)場(chǎng)手段，整個(gè)鏈條是完整的。在化工、冶金、電力這些行業(yè)的復(fù)雜工況下，這套方案證明了自己的可靠性，值得參考。