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船用导波雷达液位计信号处理方法研究

摘要

雷达常用于通信与探测场景中，在近代被引入工业测量领域，基于雷达原理设计的

导波雷达液位计与传统液位计相比，具有精度更高、抗干扰能力更强的特点，被广泛应

用于多个工业领域。船用蒸汽动力装置内液位的准确测量对维持蒸汽发生器稳定高效地

运行具有重要意义，但是传统导波雷达信号处理方法大多基于单一时域特征，并且缺少

船用下测量信号补偿方法的系统性研究，在高温高压蒸汽工况和船用场景下测量误差明

显增大。因此，本文针对船用蒸汽动力装置中导波雷达液位计的测量精度和适应性不足

的问题，提出一种导波雷达信号处理方法和测量信号补偿方法，最终实现在高温、高压、

倾斜摇摆环境下的高精度、高可靠性液位测量。本文研究内容如下：

首先，针对传统导波雷达信号处理方法基于单一时域特征、计算精度不足的问题，

本文根据导波雷达液位测量原理，建立了导波雷达液位回波信号数学模型，并基于互相

关理论提出一种广义互相关-三次样条插值的回波信号处理方法。相关接收方法能实现

输出信噪比的最大化，并且通过三次样条插值细化相关峰波峰后，能有效提高计算精度。

在信号与噪声概率密度函数已知时，本文推导了液位回波信号时延估计的似然方程和克

拉美罗界，并基于最大似然理论提出了一种广义互相关-牛顿迭代的似然方程粗细求解

方法，该方法能够得到统计意义下的最佳估计，同时提高似然方程的求解速度。仿真结

果证明，相比与传统的峰值法和一阶导数法，本文提出的广义互相关-三次样条插值法在

计算精度得到了显著的提高，并且在高信噪比的情况下能够逐步逼近克拉美罗界；而本

文提出的广义互相关-牛顿迭代法能够与克拉美罗界完全贴近，与理论推导相符。在计算

复杂度方面，本文提出的两种方法略微高于传统方法，但属于相同数量级。

其次，针对船用条件下特殊干扰因素导致测量误差增大的问题，本文主要分析蒸汽

介电常数变化对液位测量的影响机理，提出了一种均匀蒸汽情况与非均匀蒸汽情况下的

蒸汽介电常数补偿方法，提高了导波雷达液位计在高温高压蒸汽工况下的测量精度与适

应性。另外，本文根据船用测量环境的特点提出了一种测量筒密度差异补偿方法与船体

倾斜摇摆误差补偿方法，同时，本文针对堆舱的辐射防护问题、船体上的抗冲击、抗振

动问题以及船体上空间约束，设计了一种船用导波雷达测量方案，并简单介绍了导波雷

达液位计软硬件实现方案。

最后，为了验证本文提出的导波雷达信号处理方法与液位补偿方法的有效性和可靠

性，本文开展了实物台架试验，选取工业上典型的液位测量仪表为参考，在冷态、热态

哈尔滨工程大学硕士学位论文

条件下分别开展对照试验。实物台架试验结果表明，本文提出的导波雷达信号处理方法

与测量信号补偿方法可以显著改善导波雷达液位计在船用条件下的测量结果，在冷态和

热态工况下测量精度达到1%，满足工程应用的精度要求。

关键词：导波雷达液位计；回波信号处理；最大似然估计；测量信号补偿

船用导波雷达液位计信号处理方法研究

ABSTRACT

Radariscommonlyusedincommunicationanddetectionscenarios,andhasbeen

introducedintotheindustrialmeasurementfieldinmoderntimes.Comparedwithtraditional

liquidlevelmeters,guidedwaveradarlevelgaugesdesignedbasedonradarprincipleshave

higheraccuracyandstrongeranti-interferencecapabilities,makingthemwidelyusedin

multipleindustrialfields.Accuratemeasurementofliquidlevelinsidemarinesteampower

plantsisofgreatsignificanceformaintainings