導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量誤差分析與軟件修正

劉 錚， 魏 萌， 徐科軍

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量誤差分析與軟件修正

劉 錚， 魏 萌， 徐科軍

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

分析了導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，提出軟件修正方法。在硬件方面分析了發(fā)射脈沖寬度和等效時(shí)間采樣間隔的影響；在軟件方面分析了信號(hào)處理過(guò)程產(chǎn)生的粗大誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差?；诂F(xiàn)有的硬件平臺(tái)，提出一整套處理方法以減小測(cè)量誤差，包括結(jié)合回波特征參數(shù)去判斷物位回波，9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波預(yù)處理，選取最小斜率點(diǎn)作為回波定位點(diǎn)，對(duì)計(jì)算值進(jìn)行中位值平均濾波。水位測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在理論誤差為2～4 cm情況下，實(shí)際測(cè)量誤差小于1 cm，這驗(yàn)證了軟件修正方法的有效性。

計(jì)量學(xué)；導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)；測(cè)量誤差分析；軟件修正

1　引 言

導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)作為新型物位測(cè)量?jī)x表，廣泛應(yīng)用于石油、化工領(lǐng)域中水類(lèi)、油類(lèi)和固料類(lèi)等的接觸式測(cè)量［1-3］。由于導(dǎo)波桿對(duì)發(fā)射脈沖的匯聚導(dǎo)向作用，使電磁波能量更大程度地導(dǎo)向測(cè)量介質(zhì)，因此，具有適用于小介電常數(shù)液位測(cè)量、受粉塵和泡沫等影響小的特點(diǎn)。根據(jù)準(zhǔn)確度要求，雷達(dá)物位計(jì)可劃分為過(guò)程控制級(jí)和貿(mào)易結(jié)算級(jí)，導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)屬于過(guò)程控制級(jí)。

目前，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)大都側(cè)重于介紹導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的工作原理和實(shí)際應(yīng)用，研究測(cè)量準(zhǔn)確度問(wèn)題的文獻(xiàn)較少。國(guó)外某些文獻(xiàn)提出了提高測(cè)量準(zhǔn)確度方法，產(chǎn)品的測(cè)量誤差最小可至1 mm，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品測(cè)量誤差最小為1 cm。例如，使用不完全外部介電傳輸探測(cè)器的特制導(dǎo)波桿［4］，結(jié)合參考曲線的熵濾波法［5］，安裝反射器［6］等。然而，國(guó)外的方法需要加裝反射器和特定的導(dǎo)波桿或需要空罐參考曲線。

本文首先從硬件和軟件兩方面分析導(dǎo)播雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量誤差的來(lái)源，然后，從信號(hào)處理方法角度，提出修正導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量誤差的方法，以提高其測(cè)量準(zhǔn)確度。

2　誤差分析

2.1硬件誤差

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)依據(jù)時(shí)域反射原理測(cè)量物位。雷達(dá)主機(jī)的時(shí)基電路產(chǎn)生脈沖波形。該信號(hào)分為兩路。一路經(jīng)前置觸發(fā)電路放大整形，變成幅度較大、前沿較抖的脈沖信號(hào)送至脈沖發(fā)射器；脈沖發(fā)射器通過(guò)發(fā)射天線沿導(dǎo)波桿發(fā)送周期性窄脈沖電磁波；電磁波在不同介質(zhì)的分界面上反射后形成一系列回波信號(hào)，由接收天線接收后送往等效時(shí)間采樣電路。另一路到采樣脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生采樣脈沖，以控制等效時(shí)間采樣電路。等效時(shí)間采樣電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣，再將其變成中低頻信號(hào)，送至單片機(jī)［7］。

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)硬件由脈沖發(fā)射電路、等效時(shí)間采樣電路和信號(hào)處理電路3個(gè)部分組成，如圖1所示。下面分析脈沖發(fā)射電路和等效時(shí)間采樣電路所產(chǎn)生的誤差。

圖1　硬件原理框圖

（1）脈沖發(fā)射電路

根據(jù)雷達(dá)原理中雷達(dá)距離分辨率的定義可知，脈沖式雷達(dá)可分辨兩目標(biāo)間的最小距離為：

式中：ΔR為距離分辨率；c為電磁波在真空中的傳播速度；τ為脈沖收發(fā)單元產(chǎn)生的發(fā)射脈沖的寬度。

可見(jiàn)，脈沖式雷達(dá)能分辨目標(biāo)間的最小距離與發(fā)射脈沖的寬度有關(guān)。例如，某國(guó)產(chǎn)導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)發(fā)射脈沖的寬度為15 ns，若空氣中電磁波傳播速度按光速計(jì)算，則ΔR=2.25 m。即在雷達(dá)脈沖波的傳輸途徑中，間距小于2.25 m的兩目標(biāo)的反射回波將會(huì)產(chǎn)生混疊。接收的反射回波混疊程度越高，則對(duì)目標(biāo)回波的分辨造成的影響也就越大，從而影響了測(cè)量的準(zhǔn)確度。相關(guān)資料表明，德國(guó)E+H公司導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的發(fā)射脈沖寬度僅為0.8 ns。所以，發(fā)射脈沖的寬度會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度［8］。通過(guò)減小發(fā)射脈沖寬度可提高距離分辨率，進(jìn)而減弱回波信號(hào)的混疊程度，有利于測(cè)量準(zhǔn)確度的提高。發(fā)射脈沖寬度越小，所包含的頻率成分越多，因此反射回波波峰越陡，也有利于測(cè)量準(zhǔn)確度的提高。

（2）等效時(shí)間采樣電路

由于在測(cè)量過(guò)程中，脈沖信號(hào)的行程時(shí)間為ns量級(jí)，如果通過(guò)實(shí)時(shí)采樣來(lái)直接測(cè)量時(shí)差，普通的單片機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足要求，所以，一般依據(jù)等效時(shí)間采樣原理先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣［9］，將高速信號(hào)在時(shí)域上放大，擴(kuò)展成低速信號(hào)。等效時(shí)間采樣方法的示意圖如圖2所示。

圖2　等效時(shí)間采樣原理示意圖

設(shè)接收脈沖重復(fù)周期為T(mén)，兩路脈沖間隔微小時(shí)間差為Δt，單片機(jī)采樣頻率為Fs，則等效時(shí)間采樣放大倍數(shù)K為［10］：

單片機(jī)采集經(jīng)過(guò)等效時(shí)間采樣電路轉(zhuǎn)換和放大后的回波信號(hào)，其相鄰采樣點(diǎn)之間所對(duì)應(yīng)的物位距離d為：

可見(jiàn)，提高等效時(shí)間采樣電路的放大倍數(shù)K或者提高單片機(jī)采樣頻率Fs可以提高采樣精度。由式（2）可知，要提高放大倍數(shù)K就要減小延遲時(shí)間Δt。例如，某國(guó)產(chǎn)導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)采用447 kHz的發(fā)射脈沖頻率，Δt為10 ps，F(xiàn)s為50 kHz，所以，

另外，Δt的穩(wěn)定性也會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度。若Δt不夠穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致等效放大倍數(shù)K的變化，從而導(dǎo)致在時(shí)域上拓展的回波波形的傳播時(shí)間發(fā)生變化，這樣會(huì)影響回波時(shí)間的計(jì)算準(zhǔn)確度，從而影響測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.2軟件誤差

（1）粗大誤差

信號(hào)處理中的粗大誤差來(lái)源于物位回波判斷錯(cuò)誤和失波。前者主要是由信號(hào)處理方法造成，后者由硬件條件、環(huán)境等造成。

物位回波為介質(zhì)表面反射回波。在采集的回波信號(hào)中，除物位回波外，還有由其它因素產(chǎn)生的反射回波，這些統(tǒng)稱(chēng)為噪聲。以物位回波信號(hào)的頻率作為參照，噪聲可分為高頻噪聲和物位回波同頻噪聲兩類(lèi)。其中，高頻噪聲對(duì)應(yīng)于白噪聲的高頻部分；因操作條件、電源干擾、儀器不穩(wěn)定、障礙物產(chǎn)生的尖峰或突變信號(hào)等，被看成信號(hào)同頻噪聲?？梢?jiàn)，若無(wú)法從各類(lèi)噪聲中區(qū)分物位回波，將造成對(duì)真實(shí)回波的誤判，從而導(dǎo)致粗大誤差。

傳統(tǒng)方法以回波峰值點(diǎn)幅值最大［11，12］作為條件進(jìn)行判斷。然而，由于實(shí)際信號(hào)的復(fù)雜性，此方法條件單一，在出現(xiàn)干擾回波幅值較大的情況下會(huì)發(fā)生誤判，造成粗大誤差。

由于射頻電路的不穩(wěn)定、介質(zhì)的強(qiáng)烈揮發(fā)或液面晃動(dòng)等造成反射回波波形特別弱或消失，即所謂的“失波”，將導(dǎo)致無(wú)法確定物位回波或錯(cuò)誤判斷。

（2）隨機(jī)誤差

在導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的信號(hào)處理中可以看出，即使同一液位的測(cè)量值也并不穩(wěn)定，呈現(xiàn)上下波動(dòng)的特點(diǎn)，故存在隨機(jī)誤差。此外，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)鋼尺或米尺讀取標(biāo)準(zhǔn)值，由于鋼尺或米尺的精度限制，使讀數(shù)中不可避免地存在隨機(jī)誤差。

（3）系統(tǒng)誤差

信號(hào)處理中的系統(tǒng)誤差主要存在于傳播時(shí)間計(jì)算過(guò)程中。其中，回波定位點(diǎn)的選取是傳播時(shí)間計(jì)算的關(guān)鍵。物位回波波形類(lèi)似鐘形曲線，具有一定的寬度，有峰值點(diǎn)、上升沿、下降沿。應(yīng)當(dāng)選擇幅度相對(duì)穩(wěn)定且隨距離變化敏感的位置作為回波定位點(diǎn)。通常選擇回波峰值點(diǎn)作為定位點(diǎn)。然而，由于信號(hào)本身分辨率不高，會(huì)導(dǎo)致即使是同一液位，峰值點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)1～2點(diǎn)的波動(dòng)。根據(jù)式（5）可知，將導(dǎo)致1.34～2.68 cm的誤差。此外，實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)平頂峰波形情況，真實(shí)峰值點(diǎn)無(wú)法確定，導(dǎo)致在一段液位內(nèi)確定的峰值點(diǎn)相同，也造成誤差。

標(biāo)準(zhǔn)值若通過(guò)鋼尺或米尺獲得，則測(cè)量環(huán)境的溫度會(huì)對(duì)尺子造成熱脹冷縮，帶來(lái)誤差。此外，讀數(shù)人員的讀數(shù)習(xí)慣也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。

2.3其他因素誤差

電路本身的設(shè)計(jì)和元器件的質(zhì)量對(duì)輸出高頻信號(hào)的信噪比有直接影響。測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)直接影響回波波形。機(jī)械安裝的影響主要在于障礙物干擾，障礙物產(chǎn)生反射信號(hào)，容易導(dǎo)致對(duì)被測(cè)介質(zhì)反射信號(hào)的誤判，從而增大錯(cuò)誤測(cè)量的概率。

3　誤差修正

從軟件修正出發(fā)，研究合適的信號(hào)處理方法，來(lái)提高導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

3.1信號(hào)預(yù)處理

回波信號(hào)中含有高頻噪聲，需要進(jìn)行濾波預(yù)處理。去除高頻噪聲的濾波器有以巴特沃斯低通濾波為代表的頻域?yàn)V波器和以數(shù)字平滑算法為代表的時(shí)域?yàn)V波器，例如：移動(dòng)平均濾波器［13-14］、中值濾波器等。與頻域?yàn)V波器相比，時(shí)域?yàn)V波具有算法簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，因而，特別適合信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。為此，選用時(shí)域?yàn)V波器進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于移動(dòng)平均濾波器，濾波結(jié)果是移動(dòng)窗口內(nèi)數(shù)據(jù)加權(quán)求和的結(jié)果，且所有數(shù)據(jù)分配了相同的加權(quán)因子。不同窗口寬度具有不同的效果：窗口越寬，平滑效果越好，但也會(huì)使波形變化率變小，信號(hào)幅值降低，信號(hào)畸變大，因此，應(yīng)當(dāng)合理選擇移動(dòng)窗口寬度。通常選擇比半峰寬略小的寬度，由于物位回波的寬度不固定，從10點(diǎn)至20點(diǎn)都存在，因此，對(duì)5點(diǎn)、7點(diǎn)、9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波效果進(jìn)行了對(duì)比。

隨機(jī)選擇若干個(gè)液位；隨機(jī)保留各液位下的一組信號(hào)，用來(lái)計(jì)算傳播時(shí)間。其中，傳播時(shí)間的計(jì)算以傳統(tǒng)方法的峰值點(diǎn)為準(zhǔn)。對(duì)液位-傳播時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，并用均方根誤差評(píng)價(jià)其線性度，即作為濾波性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。式中：σ為均方根誤差；Xi為樣本值；為樣本均值；n為樣本數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　不同窗寬移動(dòng)平均濾波比較

經(jīng)過(guò)移動(dòng)平均處理后，均方根誤差明顯減??；5點(diǎn)移動(dòng)平均與9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波效果相近，略低于7點(diǎn)移動(dòng)平均。此外，考慮到越多點(diǎn)數(shù)的移動(dòng)平均濾波改善平頂峰的效果越好，如圖3和4所示，將有利于后續(xù)特征參數(shù)的計(jì)算、回波定位點(diǎn)的確定，因此，選擇9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波。

3.2物位回波識(shí)別

為了避免粗大誤差，對(duì)物位回波識(shí)別方法進(jìn)行改進(jìn)，提出基于多特征參數(shù)識(shí)別的物位回波處理方法，利用回波的多個(gè)參數(shù)，通過(guò)不同方式的結(jié)合構(gòu)成多個(gè)判斷條件，增強(qiáng)了回波判斷的可靠性。

圖3　9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波效果

圖4　平頂峰濾波后效果

基于在實(shí)驗(yàn)室條件下采集的數(shù)據(jù)，對(duì)表征回波特征的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括峰值點(diǎn)幅值、寬度、變化率等，結(jié)果表明，多數(shù)情況下物位回波具有最大幅值，寬度基本穩(wěn)定，但回波疊加會(huì)導(dǎo)致寬度變大；變化率較大，但隨時(shí)間沒(méi)有呈現(xiàn)規(guī)律性變化。不同干擾回波有不同特點(diǎn)，難以通過(guò)單一條件來(lái)確定物位回波。為此，根據(jù)干擾回波的特點(diǎn)將其分類(lèi)，構(gòu)成不同條件進(jìn)行排除。

在回波判斷時(shí)，第一步是通過(guò)設(shè)置回波寬度、變化率、下降比的下限來(lái)排除具有一個(gè)或多個(gè)參數(shù)與物位回波明顯不同的虛假回波。這些回波稱(chēng)之為第一類(lèi)回波，如電子干擾產(chǎn)生的隨機(jī)窄尖峰脈沖、傳感器本身結(jié)構(gòu)反射回波和寬度幅值很小的噪聲。第二步再采用綜合多個(gè)特征參數(shù)計(jì)算置信度的方法予以排除一個(gè)或多個(gè)特征參數(shù)和物位回波較為接近的干擾波，如二次或多次回波、干擾物產(chǎn)生的回波及寬度較大的噪聲。對(duì)特征與真實(shí)回波接近的干擾波特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知：寬度越小、峰值點(diǎn)幅值越大，變化率越大的回波為物位回波的可能性越大。因此，根據(jù)變化率、峰值點(diǎn)幅值、寬度來(lái)設(shè)置一個(gè)置信度來(lái)確定真實(shí)回波，其經(jīng)驗(yàn)公式為：置信度=0.6×變化率+0.1×峰值點(diǎn)幅值-0.3×寬度。其中的0.6、0.1和0.3是權(quán)值，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

該方法可以排除虛假回波，準(zhǔn)確判斷幅值較小的物位回波，分別以不同液位（15 cm和76 cm）的水的回波信號(hào)為例，說(shuō)明該方法的有效性，如圖5和6所示。圖中，一組△和○對(duì)應(yīng)一個(gè)經(jīng)過(guò)去除第一類(lèi)回波后的剩余回波。其中，△代表起點(diǎn)，○代表結(jié)束點(diǎn)；豎直虛線之間標(biāo)記了經(jīng)過(guò)置信度計(jì)算后最終確定的物位回波范圍。在圖5中，干擾波的特征與回波明顯不同，通過(guò)判斷回波寬度、變化率和下降比等特征就能將其排除，確定出真實(shí)物位回波。在圖6中，經(jīng)過(guò)第一步判斷，可以找到3個(gè)波，即圖中箭頭所指的物位回波和兩個(gè)干擾回波。其中，第一個(gè)干擾回波比物位回波幅值略高，變化率小，寬度大；第二個(gè)干擾回波比物位回波幅值低，變化率小，寬度大。將這3個(gè)波的特征參數(shù)（幅值、變化率、寬度）代入上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各自置信度，物位回波的置信度最大，從而確定其為真實(shí)回波。

圖5　15 cm水位回波信號(hào)

3.3回波定位點(diǎn)選擇

經(jīng)過(guò)研究，回波的特征點(diǎn)有峰值點(diǎn)、起點(diǎn)、終點(diǎn)、最大斜率點(diǎn)、最小斜率點(diǎn)等，其中，起點(diǎn)和終點(diǎn)往往變動(dòng)較大，已經(jīng)不能真實(shí)反映回波隨液位變化情況，可不考慮。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，選用5種回波定位點(diǎn)進(jìn)行比較，分別是：峰值點(diǎn)［15］、經(jīng)2階Lagrange插值的峰值點(diǎn)、最大斜率點(diǎn)、最小斜率點(diǎn)，以及以這兩點(diǎn)作為邊界的區(qū)域中心點(diǎn)進(jìn)行了比較。中心點(diǎn)計(jì)算公式為：

圖6　76 cm水位回波信號(hào)

式中：xmid為區(qū)域中心點(diǎn)橫坐標(biāo)；xL為左邊界點(diǎn)；xR為右邊界點(diǎn)；y為回波曲線；x為橫坐標(biāo)。

先對(duì)20～100 cm液位范圍內(nèi)隨機(jī)抽取了27個(gè)液位，并在各個(gè)液位分別采集一組信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波預(yù)處理后，分別用峰值點(diǎn)、峰值點(diǎn)2階Lagrange插值點(diǎn)、最大斜率點(diǎn)、最小斜率點(diǎn)、中心點(diǎn)作為回波定位點(diǎn)，以各回波定位點(diǎn)確定的（物位-時(shí)間）線性模型均方根誤差作為衡量指標(biāo)，如表2所示。

表2　不同回波定位點(diǎn)比較

由表2數(shù)據(jù)可知，用最小斜率點(diǎn)作為回波定位點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合的均方根誤差最小，即線性度最好，用于計(jì)算物位的準(zhǔn)確度最高。

3.4計(jì)算結(jié)果后處理

在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)中，由于各種干擾的存在，即使物位恒定，傳播時(shí)間計(jì)算值仍不斷變化。在同一液位，連續(xù)采集5 000組的傳播時(shí)間計(jì)算值，如圖7所示?？傻脗鞑r(shí)間的波動(dòng)區(qū)間為［233.441 9，234.605 9］，最大偏差為1.164 0 ns，對(duì)應(yīng)換算成距離為1.560 9 cm，即同一物位測(cè)量值的最大偏差為1.560 9 cm。

根據(jù)概率密度的計(jì)算方法，將該液位下傳播時(shí)間的樣本波動(dòng)區(qū)間分為30段，對(duì)樣本進(jìn)行排序后計(jì)算在區(qū)間上的概率密度，如圖8所示。

圖7　傳播時(shí)間樣本序列

圖8　傳播時(shí)間樣本概率密度函數(shù)

由圖8可知，傳播時(shí)間樣本的概率密度函數(shù)不滿(mǎn)足高斯分布。故對(duì)傳播時(shí)間采用平均值濾波的方法不能有效減小噪聲。為此，選擇中值濾波［16］。對(duì)傳播時(shí)間的樣本序列進(jìn)行中值濾波后再計(jì)算概率密度函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行高斯擬合，其結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9　傳播時(shí)間樣本概率密度函數(shù)高斯擬合

由圖9可看出，經(jīng)中值濾波后的樣本概率密度符合高斯分布，將濾波后的樣本再進(jìn)行平均濾波，可以有效減小隨機(jī)誤差。隨機(jī)選擇30組液位記錄液位和對(duì)應(yīng)傳播時(shí)間計(jì)算值，所得數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘擬合確定均方根誤差，如表3所示。通過(guò)對(duì)比表2和表3可知，進(jìn)行兩級(jí)濾波有助于減小誤差，提高計(jì)算準(zhǔn)確度。

表3　兩級(jí)濾波后物位-傳播時(shí)間模型的均方根誤差

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水位測(cè)量實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)波桿長(zhǎng)103 cm，采樣頻率為50 kHz。分別以峰值點(diǎn)的2階Lagrange插值點(diǎn)和最小斜率點(diǎn)作為回波定位點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為了考核的嚴(yán)格性，選取能夠反映最大測(cè)量誤差的部分測(cè)量結(jié)果，如表4所示。

表4　測(cè)量結(jié)果比較cm

可見(jiàn)，以峰值點(diǎn)的2階Lagrange插值點(diǎn)為回波定位點(diǎn)的測(cè)量誤差大于1 cm，以最小斜率點(diǎn)為回波定位點(diǎn)的測(cè)量誤差在1 cm以?xún)?nèi)，與理論誤差相比均有較大減小。

5　結(jié) 論

為了提高導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度，從硬件和軟件兩方面對(duì)其誤差來(lái)源進(jìn)行分析，在信號(hào)處理方法上對(duì)影響準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行修正。

（1）在硬件方面，發(fā)射脈沖寬度大、等效時(shí)間采樣電路的時(shí)間間隔大、單片機(jī)的采樣頻率低是導(dǎo)致導(dǎo)波式雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度不高的原因。需要改進(jìn)硬件平臺(tái)，如減小發(fā)射脈沖寬度、提高采樣頻率、減小等效時(shí)間采樣電路的時(shí)間間隔等，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

（2）在信號(hào)處理過(guò)程中，僅根據(jù)最大峰值來(lái)判斷有效回波信號(hào)是造成導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量不可靠、測(cè)量盲區(qū)大的主要原因之一。為此，基于現(xiàn)有硬件條件的限制，提出結(jié)合回波特征參數(shù)，構(gòu)成多個(gè)條件來(lái)排除虛假回波、確定物位回波的方法，提高物位回波判斷的可靠性，有效地排除干擾，減小粗大誤差。

（3）針對(duì)不可避免的噪聲干擾導(dǎo)致信號(hào)抖動(dòng)、毛刺現(xiàn)象等，提出采用9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以及將最小斜率點(diǎn)作為回波定位點(diǎn)進(jìn)行傳播時(shí)間計(jì)算；針對(duì)計(jì)算值的波動(dòng)問(wèn)題，根據(jù)其不符合高斯分布的特點(diǎn)，提出采用中位值平均濾波減小隨機(jī)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在理論誤差為2～4 cm的情況下，實(shí)際測(cè)量誤差小于1 cm，有效地提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。

［1］ Cataldo A，Tarricone L，Attivissimo F，et al.A TDR method for real-time monitoring of liquids［J］.IEEE Trans Instrum Meas，2007，56（5）：1616-1625.

［2］ 張寧，黃楊，李建雙.關(guān)于物位計(jì)測(cè)量方法的研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29（z1）：104-106.

［3］ 張寧，黃楊.關(guān)于雷達(dá)物位計(jì)實(shí)際應(yīng)用及其測(cè)量方法的探討［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2009，30（z1）：111-114.

［4］ 羅斯蒙特儲(chǔ)罐雷達(dá)股份公司.通過(guò)多模式傳播的具有介電常數(shù)補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)：中國(guó)，CN201120366374.7［P］.2012-06-06.

［5］ Wall G D.Method for an entropy filter echo processing in time-of-flightorlevelmeasurementsystems：U.S，6935177B2［P］.2005.

［6］ Delin H，Edvardsson O.System and method for filling level determination：U.S，7525476 B1［P］.2009.

［7］ 蘭茂亮，趙輝，劉偉佳.導(dǎo)波雷達(dá)液位回波信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)量技術(shù)，2010，（10）：14-17.

［8］ 張龍浩，祝懷標(biāo)，譙艷.CPLD和MSP430單片機(jī)在導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，（21）：141-144.

［9］ 劉偉佳，趙輝，唐美芹.一種導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與儀表，2009，（11）：14-17.

［10］ 姜波，陰麗娟，陳祥光，等.等效時(shí)間采樣在雷達(dá)液位儀中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005，（6）：50-54.

［11］ 趙建文，侯媛彬.信號(hào)距離度模型及其波形復(fù)雜信號(hào)辨識(shí)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27（6）：485-491.

［12］ 李存龍，陳偉民，章鵬.正弦調(diào)制型微波測(cè)距系統(tǒng)的不確定度分析［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35（1）：23 -29.

［13］ 王穎，金志軍.常用數(shù)字濾波算法［J］.中國(guó)計(jì)量，2012，（3）：99-100.

［14］ 李聚剛.雷達(dá)物位計(jì)的應(yīng)用研究及算法改進(jìn)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［15］ 馬遠(yuǎn)，魏萌，徐科軍.基于反向回波的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)信號(hào)處理方法［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2013，（12）：1473-1476.

［16］ 李建安，楊學(xué)志，高雋，等.兩類(lèi)自適應(yīng)非線性濾波器設(shè)計(jì)方法研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（8）：374-377.

Measurement Error Analysis and Software Correction of Guided Wave Radar Level Gauge

LIU Zheng， WEI Meng， XU Ke-Jun
（School of Electrical and Automation Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009，China）

The causes of the error of the guided wave radar level gauge（GWRLG）are analyzed，and a software correction method is proposed.The impacts of transmit pulse width and equivalent time sampling interval are studied in hardware.The gross error，the random error and the systematic error generated in the signal processing are researched in software.Based on the existing hardware platform，a set of signal processing method is put forward to reduce the measurement error，i.e.，combining feature parameters to recognize the actual level echo，performing 9 point moving average to preprocess the signal，selecting the minimum slope point as the echo positing point，and conducting median average filtering for the calculated values.The experimental results of water level measurement show that the actual measurement error is reduced to within 1 cm when the theoretical error is 2～4 cm，which validates the effectiveness of the proposed software correction method.

metrology；guided wave radar level gauge；measurement error analysis；software correction

TB938.1

A

1000-1158（2015）05-0506-07

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.05.13

2014-08-27；

2015-03-16

劉錚（1990-），男，陜西西安人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。292231698@qq.com徐科軍為通訊作者。dsplab@hfut.edu.cn