3. 雷达液位测量基本原理

LNG储罐液位雷达的测量精度，首先取决于它所采用的测距体制。工业雷达液位计主流有两条技术路线：调频连续波（FMCW）与脉冲雷达；而时域反射（TDR）技术则是理解脉冲体制与导波雷达的基础。三者本质上都在解决同一个问题——把“电磁波往返时间”换算成“液面距离”，差别在于如何产生、发射和识别这个时间信息。

一、FMCW：用频率差换时间

FMCW雷达连续发射一个频率随时间线性上升的调频信号（扫频），同时接收液面反射回来的回波。由于回波比发射信号晚到一段时间 τ，在同一时刻，接收信号与当前发射信号之间就存在一个频率差 Δf。这个差频与往返时间成正比：

Δf = (B / T) · τ，其中 B 为扫频带宽，T 为扫频周期。

而往返时间 τ = 2d / c（d 为天线到液面的距离，c 为光速）。联立可得：

d = c · T · Δf / (2B)

可见，FMCW把“测极短时间”转化为“测频率差”，而频率测量在电子学上精度很高，因此FMCW在近距离、高精度场合优势明显。以示例参数说明：若 B = 1 GHz、T = 1 ms、测得 Δf = 20 kHz，则 τ = Δf·T/B = 20 kHz × 1 ms / 1 GHz = 2×10⁻⁸ s，对应 d = c·τ/2 ≈ 3.0 m。这组数据为教学假设，用于说明量级关系，并非实测。

二、脉冲雷达与TDR：用时间直接测距

脉冲雷达发射纳秒级窄脉冲，直接测量回波到达时间 τ，再按 d = c·τ/2 计算距离。其难点在于时间极短：1 m 距离对应往返约 6.67 ns，因此需要高速计时与等效采样技术。脉冲体制功耗低、适合大量程，但近距离盲区和分辨率受脉冲宽度限制。

TDR（时域反射）技术则把脉冲送入一根导波杆或缆（导波雷达），电磁波沿杆传播，遇到液面（波阻抗突变处）产生反射。TDR通过分析反射波的到达时间与幅值，既得到液位，也能从反射极性判断介质特性。导波雷达受LNG低介电常数影响较小，信号沿杆集中传播，抗干扰和低介电常数介质测量能力更强，是LNG等低介电常数液体的常用方案。

三、测量公式与坐标约定

无论哪种体制，最终都要把“距离”换算成“液位”。本课程统一约定：H 为罐底（或零液位基准）到雷达参考法兰的安装高度，d 为天线到液面的距离，则液位 L = H − d。若雷达安装在罐顶向下照射，d 增大意味着液位下降，这一符号关系在后续标定与误差分析中必须保持一致，避免正负号混淆。对于导波雷达，还需扣除导波杆顶部死区长度，即有效 d 从杆顶参考点起算。

四、信号处理流程与工程要点

以FMCW为例，回波处理链通常为：混频得到差频信号 → 加窗后做FFT，把频率轴映射为距离轴 → 回波识别（按幅值、回波宽度、历史跟踪筛选真实液面，抑制罐壁、搅拌器、进料流等虚假回波）→ 距离计算 → 液位换算 → 输出4–20 mA或数字信号。其中FFT的频率分辨率决定了距离分辨率，扫频带宽B越大，分辨率越高；扫频周期T影响更新率与最大量程。

在LNG工况下，还需特别注意：LNG介电常数约1.7～1.9，远低于水，回波幅值弱，FMCW需依赖较高增益与回波识别算法；罐内BOG（蒸发气）造成的气相介电常数变化会轻微改变波速，带来系统性偏差；导波雷达因能量集中于杆上，对低介电常数介质更稳健。实际选型与标定时，应结合介质、量程、安装位置与虚假回波环境综合判断，而不是只看单一精度指标。