应用线性调频信号的智能超声液位仪

　　为了解决问题,本文采用了线性调频(linear frequency modulation,LFM)信号结合匹配滤波应用于液面检测。由于匹配滤波是对于高斯白噪声背景下LFM信号的最优检测器,使得系统具有很好的抗干扰性;同时这种方法的运用缩了盲区的范围,并可提高量程。这一成果将为从外部观测封闭罐中液位的方法推广起着重要作用。

　　1引言

　　近年来,随着电子技术和自动化技术的提高,对各种测量系统要求越来越高,从而超声波作为一项较新的技术被应用于各个领域。目前在实际应用中的超声波液位检测大多采用测量脉冲回波时间加以温度补偿的方法,在测量的量程和盲区方面均有较大局限;在硬件结构上,因为普遍采用单片机控制,这样简单的测量系统已不能满足复杂的工业生产的需求。需要检测封闭液罐通常存在复杂的工业环境中,存在多种工业噪声信号的干扰;同时由于罐内气体及气泡的存在,对测量发射信号造成了散射,影响测量的准确性。为了解决这一问题,本文采用了线性调频信号与匹配滤波器应用于液面检测。线性调频信号是指频率随时间呈线性变化的信号,也是现代雷达中普遍采用的技术,采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率,保证足够大的作用距离。

　　在接收时线性调频信号经匹配滤波器处理后,会产生脉冲压缩现象,即把一个持续时间长的宽脉冲在时间轴上压缩成一个很窄的脉冲,从而可获得比较精细的分辨率。匹配滤波器作为高斯白噪声背景下信号的最优检测器在信号处理中得到广泛的应用,可以有效的降低噪声对检测的干扰,利用匹配滤波器输出峰值位置可以获得目标距离的精确估计。

　　同时系统采用了自动调节发射时间、发射功率和放大倍数。它们之间的匹配是根据液位的高低和反射强度的大小而决定的。这样缩小了盲区的范围,并可提高量程。这一方法的成功运用扩大了从外部测量封闭罐中液位的使用范围。

　　2液位仪总体结构

　　总体结构如图(1)所示,它主要由超声波收发器、收发开关、发射部分、接收部分、信号处理、温度补偿、控制输出和外部终端等组成。其中发射部分包括:自定时器、包络产生器、信号调制、高频放大。接收部分包括:高频放大、信号解调、边带倒置电路、匹配滤波。加权网络。外部终端包括:显示器和键盘。

　　根据匹配滤波理论当噪声的功率谱密度一定时,信号的作用距离取决于发射脉冲的能量,而与信号波形无关。根据波形设计理论,信号的时间和频率取决于信号波形。为了得到最佳的时间和频率联合分辨能力,必须采用大时宽带宽积信号。LFM信号就是这样的一种信号,它能同时提高超声波信号的作用距离和距离分辨率。提高了发射脉冲能量的利用率,提高杂波抑制能力。