图1 6GHz发射频率的雷达物位计：发射频率非常宽，从不同的表面范围反射信号，受内部安装构件的干扰大

在过去的5年里，雷达物位检测技术有了长足的发展，实现了“更快、更高、更远”的发展目标。然而，选择一个合适的物位计并不是一件容易的事情，需要结合理论知识和实践经验。

雷达物位计是一种复杂的检测仪器,它由高度现代化的微波元器件和复杂的信号分析处理器组成，能够在不同的应用场合中采集填充物物位。新的电子元器件和巧妙的外型设计增强了雷达物位计的性能，开辟了更多的应用领域。几年前，雷达物位计中还没有太多的技术参数，现在它的频率范围满足了许多新的解决方案提出的要求。在雷达物位计的研发设计中需要经验丰富的设计师和高度现代化且有价值的技术，但要求雷达物位计的使用操作和安装应用应尽可能简便。对于雷达物位计的使用者来讲，了解不同技术的优缺点和雷达物位计的最佳使用情况是一件非常难的工作。

有两种方法可以检测到检测仪与充填物表面的距离，即脉冲雷达技术和FMCW雷达技术。在脉冲雷达方法中，微波脉冲的运行时间由专门的扫描设备进行检测；在FMCW雷达技术中则用频率范围内调制信号的持续时间来换算。对于雷达物位计的使用者来讲，这两种方法几乎没有区别，仅仅是在处理FMCW波雷达信号时需要一个FFT（快速傅里叶变换）。它需要性能更好的微处理器，能源费用更高，但检测速度更慢。

在雷达物位计研发的初期，频率范围的选择还与合适的电子元器件的选择有关。因此频率范围一般都使用10GHz的频率。后来，人们主要使用全球认可的频率范围，例如C、K和W频率带宽，出现了6GHz、25GHz和75GHz的频率。每一个频率都有自己的优点和缺点，因此在雷达物位计中没有最佳频率这一概念。究竟选用哪一个频率主要取决于雷达物位计的使用情况。但目前频率范围在25GHz的雷达物位计能够在不同的应用中安全、可靠地运行，这一频率范围的雷达物位计市场占有率高达80%左右。

衡量雷达物位计性能的一个重要指标是系统的灵敏度，即能够接收尽可能大和尽可能小的反射信号。在过去的几年里，人们对雷达物位计灵敏度的研究做了大量的工作，新的微波元器件带来了全新的应用可能性。尤其是对松散物料充填高度进行检测的雷达物位计，灵敏性非常重要，因为一眨眼的功夫，发射出去的雷达波很快被就反射回来。检测松散物料的雷达物位计灵敏度最高可达100dB，表示雷达物位计能够检测的最小信号是发射信号的百亿分之一。若把这一灵敏度换算到机械性检测中，例如载重汽车的地磅，若地磅的重量检测精度与雷达物位计的检测精度相同，那么它就能检测出额定载重量40t货车满载后，车上多一根头发丝与少一根头发丝的重量差异。

图2 25GHz发射频率的雷达物位计：发射频率较窄，不同范围中有很好的平均反射值，受内部安装构件的干扰小

天线系统的选择

为了能够在不同的应用中充分利用雷达物位计的优点，雷达物位计的天线应与其使用情况相匹配。一般情况下，雷达物位计的天线按照3种不同的原理来设计，即基于反射技术的雷达天线，例如：喇叭形天线或者抛物面卫星天线；利用塑料表面计算微波的雷达天线，例如：鞭状天线或者球形天线；通过导电电缆传导PTFE或者陶瓷基板所接收辐射信号的平面天线。从技术上讲，所有的天线都可以与不同的频率范围配套使用，但在频率较低的时候所需的天线面积较大，从而很快受到机械设计技术的限制。

因为雷达天线系统的大小与所使用的频率有密切的关系，所以频率是选择雷达物位计的一个重要参数，高频率的雷达物位计更具优势。例如，雷达物位计的频率加倍，则只需使用原来1/4大小的天线就能够得到相同的信号。另外，高频率的雷达物位计能够有效地减少由安装部件、搅拌机或者容器内部结构件产生的干扰反射波。雷达频率越高，所使用的雷达物位计就越小。

但是，较小的天线对雷达增益是不利的，因为某些应用中需要利用雷达的方向性放大信号。面积较大的天线可以接收更多的能量，产生较大的信号。这一点对那些不易反射雷达波的物体检测非常重要，例如在塑料粒料或者稀释剂的检测。

不受使用条件的影响

雷达技术的最大优点是流程设备所采用的工艺技术几乎对这一检测技术不产生影响；对于不同的应用，雷达物位计都有合适的安装方式。

雷达微波的传播几乎与温度无关，只有在被测工作压力高达1MPa以上时被测介质压力对雷达物位计检测结果才会有影响。

一般情况下，雷达微波的传播与被测容器中的气体介质成分无关，但也有例外，例如：氨和氯乙烯。它们对微波有衰减作用，且频率越高衰减也越大。这就意味着在实践中要使用发射频率较低的雷达物位计，尤其是在进行大范围检测时。

图3 75GHz发射频率的雷达物位计：发射频率非常狭窄，仅在较小的范围内采集反射信号，大量的反射波反射到容器壁上，因此接收到的反射信号较少，内部安装构件的干扰较少

特殊工况下的液位检测

一般情况下，对液体介质的液位高度进行检测是一件相对容易的事情，因为一般情况下液体介质的表面是平整的，把雷达物位计发射出来的雷达波直接反射回去。在流程工艺领域中，在搅拌机或有蒸汽的容器中填充物料的检测则是另外一种情况。

因为波动、变化的表面会把一部分雷达信号反射到接收天线接收不到的地方，例如被测介质在搅拌机中上下翻腾时大部分雷达信号都被无规律地反射到容器壁上。在这里增强雷达信号的聚焦反而有害。同时，要求有足够大面积的接收天线，以保证足够的接收信号。

冷凝水和一些喷射状的介质往往会滞留在接收天线上，反射、衰减接收到的微波。这里，滞留沉积的厚度与雷达物位计发射微波的频率成比例。由于高频微波的波长较小，因此滞留、沉积的物质严重影响信号接收的质量。实践证明，1mm厚的沉积物对25GHz频率微波的影响约是6GHz频率微波的3倍、75GHz时大约是10倍。容器内被测介质表面的泡沫对微波的影响更大，频率越高泡沫带来的衰减也就越大。主要原因是因为波长较短和泡沫所带来的信号损失。

在对液体介质的液位进行检测时，一个很好的折衷办法就是使用频率范围为25GHz的雷达微波。这一频率的雷达物位计有很好的信号聚焦性能，而且对天线系统上冷凝水的滞留、沉积非常不敏感。通过过去几年的努力，这一频率雷达物位计的灵敏度得到了大大提高，很快还会推出检测含有泡沫的液体介质液位的检测仪。

松散物料的检测

由于松散物料所形成的倾斜角，部分雷达信号被松散物料表面发射到侧壁上，而且松散物料越细、反射到侧壁上的雷达信号就越多。换言之，颗粒粗大的松散物料比颗粒细密的松散物料更容易检测。一般情况下，总是用松散物料的粒度与雷达物位计的波长或者频率之比表示两者相互关联的衡量尺度。当用频率为75GHz的雷达物位计对某松散物料进行检测时，如果松散物料的粒度细3倍则该物位计得到的反射波相当于25GHz频率物位计的反射波。在实际应用中，对水泥、细面糖或者石英砂进行检测时，人们感觉不到75GHz频率雷达物位计与25GHz雷达物位计有什么区别，因为反射信号的强度基本相同。

采用能够发出特殊增强信号的聚焦天线系统的物位计检测结构件很强的圆形料仓仓壁、或者被检测的料仓壁内有辅助部件和支撑件时效果最好。检测过程中信号重合性好，几乎没有干扰反射，检测软件也非常简单，只需选择回波信号作为正确的信号就可以。松散物料可以作为一个较大的反射斑点，它具有较大的反射波束等优点。当松散物料的粒度较大时，可以反射到许多检查点上，甚至比强聚焦的信号具有更强的反射。另外，在向料仓充填松散物料时很少有均匀对称的堆积漏斗或者锥形堆，此时，信号聚焦性能较低的天线对这种充填物表面的检测非常有利。

在松散物料检测中，粉尘是一个非常重要的影响因素，其中包括粉尘在天线上沉积的影响。一般情况下，空气中的粉尘对雷达发射的微波几乎没有影响，只有在强粉尘环境中，例如压缩空气输送松散物料时产生的强粉尘环境，所产生的信号衰减对高频雷达物位计的信号有明显的影响。

沉积在天线上的粉尘对检测结果有很大影响，高频雷达物位计发射的微波波长越短，粉尘对信号的衰减就越强。换言之，高频雷达物位计受到天线粉尘沉积的影响比低频雷达物位计的要大。当25GHz频率的雷达物位计接收天线覆盖着厚厚的沉积污垢时，75GHz频率的雷达天线就必须利用压缩空气来清除沉积在天线上的粉尘。这样就增加了设备维护保养的费用，从而增加了流程设备使用运行成本。

频率范围的选择

实践证明，雷达物位计的每一个频率范围同时具有优点和缺点。因此在选择雷达物位计时必须考虑它的使用环境，在编写合适的软件算法语言时把丰富的应用经验容纳其中，根据使用条件简单确定雷达物位计的选择原则。在许多情况下信号聚焦较小的25GHz雷达物位计可以代替75GHz的高频物位计。通过简单的物位计与被测充填介质的匹配，使得检测仪器能够根据典型的回波信号进行分析检测，能够在不同的被测介质和不同形状的容器中得出令人满意，且不受污垢影响的可靠结果，保证了流程设备拥有较长的免维修周期。

理想的检测结果与频率无关

雷达检测技术已经有多年的应用经验，但有些用户一直认为雷达技术是一个非常复杂的检测技术。在接受PROCESS记者采访时，Vega Grieshaber公司的雷达和超声波产品经理Jürgen Skowaisa先生介绍说：“雷达检测是一件非常简单的事情。”

PROCESS：Skowaisa先生，在雷达检测技术中常见的错误是什么？

Jürgen Skowaisa：一般来说，如今的现代化雷达物位计已经具备几乎对所有产品进行检验的能力，但必须要求现有的雷达物位计安装使用条件必须合适。很高的支架、直接靠近物位计的灌装充填或者形状不利的料仓、容器结构等都会对雷达物位计的检测效果带来不利的影响。

PROCESS：用户必须知道许多详细的专业知识吗？例如，什么频率能够得到最好的检测结果。

Jürgen Skowaisa：用户首先要进行仪器测试，然后才能回答这样的问题。用户需要的是一个检测方案，他们所使用的料仓、容器和被检测的介质都是已经选定好的，往往在已经建成的现有设备中设计好了安装位置。能够简便地选择一种物位计，快速地安装到位并完成好电气连接。调整、试车也应非常简单，无需具备高深的专业知识就能够完成调试，这才是用户所需要的解决方案。

PROCESS：为什么Vega公司坚持25GHz发射频率的雷达检测技术？

Jürgen Skowaisa：遍布于世界各地有Vega雷达物位计多达250000台正在被使用，我们在这一技术领域中拥有丰富的经验。当然，我们始终都处在涉及这一先进技术利用的最前列，为用户提供这种先进技术的服务。目前，在考虑了天线上冷凝水、粉尘沉积、变动的液体表面或者不同的倾斜角、装卸角以及天线必须的场视角等问题之后，我们发现25GHz频率的物位计是最佳的解决方案。

PROCESS：根据您的经验，哪些因素对检测结果有决定性影响？

Jürgen Skowaisa：雷达物位计需要能够采集到非常微弱的信号，以便对像塑料粒料这样的介质进行检测，因此系统灵敏度是一个非常重要的参数。能够处理不同介质和应用情况的典型信号的软件也是一个非常重要的决定性因素。这一软件需要一些参数（例如介质、应用、容器高度）才能够更好地完成工作，用户很容易就能提供这些参数信息。