基于IWR1443 毫米波雷達傳感器的液位測量方法

劉丁元 楊科鋒* 徐陽揚 陳 明

0 引言

在工業領域，危險液體液位的安全、實時、準確探測在運輸、儲存和使用中具有非常重要的地位[1]。典型的液位探測技術有磁致伸縮式液位計、差壓式液位計和導波雷達液位計[2]，相比于傳統的液位探測方法，基于雷達的非接觸式液位探測器，不受被測介質形態影響，不與被測介質接觸，不僅能夠適用一般應用場景，還能適用于強腐蝕、高溫高壓等惡劣工況。同時還具有安裝維護便利，量程范圍廣等優點。TI 公司的IWR1x 系列傳感器是工作在76～81 GHz 級的超寬帶毫米波雷達芯片，工作帶寬可達4 GHz，最高可達5 GHz。在該工作頻段，處理系統組件特別是天線的尺寸可以很小，另一優勢是準確度高，在該工作頻段，系統能夠檢測小至零點幾毫米的移動，所以探測精度也非常高，在液位探測特別是危險液位探測領域有著較好的應用前景。

1 雷達液位探測的原理

非接觸式雷達液位探測原理如圖1 所示。

電磁波信號由雷達天線端向探測對象發出，發射波接觸被測液體表面后被反射產生回波信號，由接收天線接收。根據時間擴展原理，由發射時間和接收時間差，計算出液體表面距雷達的距離，再根據雷達天線的安裝位置信息，推算出液位值。根據雷達測距原理，液面距雷達的距離由式（1）給出。

圖1 雷達液位探測示意圖

式中c 是電磁波傳播速度，是常數，τ 是發射信號到接收回波的時間延時。

由于雷達天線的位置是固定的，且可精確測得其安裝位置信息，所以測得的液面到雷達的距離精度就決定了液位測量精度。

在液位探測應用領域，某些情況下需要探測裝置能夠及時準確測得液位變化情況，此時就需要探測裝置有高的距離分辨率。對于雷達液位探測計而言，根據雷達原理和傅里葉變換理論，距離分辨率是由雷達信號帶寬決定的，即

式（2）中B 為信號帶寬。對于IWR1x 系列傳感器，工作信號帶寬為最高可達數GHz，將有約為數厘米的距離分辨率，比如帶寬為4 GHz 的情況下理論距離分辨率約為3.75 cm，也就是說液面如果有3.75 厘米以上的變化時，都可被探測裝置測得[3]。這對于工業領域中一些高精度應用需求非常有用。

2 IWR1x 毫米波傳感器

IWR1x 毫米波傳感器是TI（Taxes Instrument 德州儀器）公司推出的橫跨具有完整端到端開發平臺的76-81GHz 傳感器，它具有小于4 厘米的距離分辨率，距離精度低至小于50 微米，范圍達到300 米。借助IWR1x 傳感器，在設計雷達液位探測器時就不用再去處理分立式前端、模數轉換器和處理器件之間的復雜高速數據和通信走線，也不用處理額外尺寸、功率和支持它們的相關物料清單成本。而且這個集成度還簡化了軟件設計過程，極大簡化了器件配置、監控和校準[4]。

在本文的研究中選用該系列中的IWR1443 芯片作為液位探測器的傳感器，該傳感器是TI 公司為工業領域進行距離、速度和角度測量而設計生產的芯片[5]。該芯片是基于FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave 調頻連續波）雷達技術的集成單芯片毫米波傳感器，工作頻率76-81 GHz，信號連續帶寬達4 GHz，采用了TI 公司的45 nm 低功率射頻CMOS 技術，該技術可以使傳感器的尺寸降低到一個前所未有的水平。該芯片包含一個獨立的三通道發四通道收的收發系統和AD轉換器，支持FFT 運算和CFAR 檢測的硬件加速器，此外，還有兩個ARM 處理器分別用于控制和運算，所以，該芯片具有從前端端到信號處理，再到后端結果的完整處理能力。因此在工業應用領域中使用該芯片時只需進行簡單的外圍電路設計并使用TI 公司提供的開發套件進行開發即可實現應用，大大地簡化了工作量并且豐富了它的應用場景。同時TI 公司為進一步方便工程人員使用該芯片還提供了基于該芯片的評估板，有了該評估板在一些簡單的應用場合甚至不需要工程人員進行硬件設計，只需使用TI 公司提供的開發套件進行開發即可在工業領域中進行應用。基于這些優勢，本文使用了該評估板進行雷達液位測量方法的研究。

IWR1443 毫米波傳感器評估板如圖2 所示，它以IWR1443傳感器為核心，集成了必要的外圍設備和電路，并且還提供了收、發天線陣。在一般應用情況下，開發人員無須再設計和使用其他硬件，即可在TI 公司提供的開發環境下進行應用開發，非常便利，這也是本文選擇該評估板作為毫米波雷達液位探測裝置的原因。

圖2 IWR1443 評估板

3 m m Wa ve S DK 軟件工具

TI 為開發人員和終端使用人員提供了開發軟件工具包，該工具包可直接用來使用和開發評估板。它包含了最基本的功能模塊，即使是終端使用人員也可以利用該工具包快速的使用該評估板進行應用[6-7]。為了使用SDK 工具包，除了安裝SDK 工具包以外，還需要配置開發環境所需的外部軟件，這些軟件都可在TI 官網免費下載。經過配置好的開發環境和可視化界面如下圖3 所示。

圖3 可視化配置界面

由于這里只進行高精度的距離測量，因此在配置中采用了最優分辨率的方式，對于速度測量不做要求，所以配置時選擇默認值即可。

4 基于IWR14 4 3 的雷達液位探測器

基于IWR1443 評估板的液位探測器測試連接關系如圖4 所示。

圖4 連接測試圖

它和PC 機通過USB 線連接，PC 機通過USB 接口對它進行控制實現測量，同時測量結果通過USB 傳輸回PC，在對應的可視化界面進行顯示。由于IWR1443 具有完整的數據處理過程，因此對于一般的應用，傳感器傳輸回的數據即可直接應用。但是，如果需要測量更豐富的信息，則需要先采集IWR1443 接收通道ADC 輸出數據，再根據應用需要做進一步的處理，以提取所需的信息，而要進行數據采集則還需要其他外部硬件設備和處理工具。本文由于研究的是一般背景下的測量，所以這里直接使用傳感器傳輸回的數據。在天線的正下方放置了一盆帶有顏色的液體，用來最為被測液面。

根據液位測量的需求，經使用SDK 工具對評估板的功能進行開發，使開發板在PC 機的控制下實現了對盆中液體液位的測量。實際測量結果如圖5 所示。

圖5 測量結果

圖5 （a）為未放置液體時的測量結果，即測量的是地面到天線的距離；圖5（b）為放置液體時的測量結果，即測量的是天線距液面的距離。為了確保結果完整可信，測量時分別選取了零多普勒-距離剖面圖測量結果和熱圖測量結果，以便進行對比分析。測量數據及換算獲得的液面高度如表1 所示。

表1 液面測量數據及計算結果對比

說明：在換算液面高度時已經考慮了盆底厚度（約為2 mm）的因素。

從表1 中可以看出，使用經過開發的IWR1443 傳感器測得液面高度與實際測量結果完全吻合。雖然本文在研究過程中，實驗測試條件簡單，但無論是零多普勒-距離剖面圖還是熱圖的測量數據經換算后得到的液面高度誤差都小于1 cm，測量精度非常高，完全得到了準確的液位值，驗證了本文提出的液位測量方法的有效性和準確性。

5 結論

本文針對工業領域，特別是石油、化工領域儲存、運輸、生產等情況下液位安全準確測量問題，給出了一種基于IWR1443的測量方法和方案。該方法使用TI 公司的IWR1443 毫米波傳感器作為測量裝置的核心，該傳感器具有從前端到終端的完整功能，即包含射頻前端，接收通道，AD 轉換，中頻處理，數據處理，控制單元等，經過開發人員或終端使用人員的開發，其輸出的結果可直接用于液位的測量。最后本文在IWR1443 評估板上進行了開發實驗，驗證了所提方法的有效性和準確性，為工業領域中液位測量，特別是危險液位的非接觸測量提供了一種有效的高精度方法，具有較好的應用前景。