雷达式液位测量在船舶行业的应用

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The Application of TankRadar Gauge in M aritime IndustryXu Jun， Zhou Jian(Commercial M arine Products Division，China Shipping Technology Co.，LTD，Shanghai 200135，China)Abstract.-The application of radar-level gauging in the maritime industry is studied.The principle，characteristic and applica-tion of radar-level gauging is described in detail.The prospect of radar-level gauging systems in maritime industry is reviewed。

Key words：radar；level-gauging；FMCW -J- - - U 日IJ 舌21世纪以来，我国已从中等造船国家步人了世界造船大国行列。2000年我国造船年产量只有 1 000多万 t，至 2010年底已达到约6 000万 t。尽管造船产量取得了跨越式的发展，但在船舶配套方面则进步缓慢，与世界造船强国相比差距较大，特别体现在船舶自动化方面。

以船舶液位测量系统为例 ，目前 国内的液位测量系统主要还是采用气 电式 、压 电式测量，这两种测量方式存在如精度不高、适用性不强、传感器使用寿命短等弊端。因此，国产船舶液位测量系统目前大部分应用于-些小型散货船、简易工程船等技术要求相对较低的船舶。随着我国造船工业的发展，船厂建造的船型越来越多，建造工艺越来越复杂，人们对船舶液位测量系统的精度要求也越来越高。在某些船型上，气电式、压电式液位测量系统已经无法满足技术要求，因而开始探索雷达式液位测量系统。雷达式液位测量系统以其独特的高精度、低功耗 的特点受到关注。

1 雷达式液位测量的工作原理雷达式液位测量是微波发生器通过雷达天线发射雷达微波经被测对象表面反射后，从天线引导到雷达头。被测介质反射的微波经信号处理单元进行频差处理，计算出空高和液位后，通过通信单元传送到工作站，以此来实现对液位的实时监测及报警。

高性能雷达式液位测量系统采用调频连续波(Frequency Modulated Continuous wave，FMCW)技术，该技术-般采用 10GHz或者 24GHz微波信号。天线发射出线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同收稿 日期 ：2012-06-06作者简介 ：徐 俊(1984- )，上海人 ，助理工程师 ，主要从事雷达式液位测量 系统研究 。

86 上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报 2013年第 2期时接受返回信号。发射微波信号和返回微波信号之间的频率差与雷达天线到被测介质表面的距离成-定比例关系。这是-种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出雷达天线与液位的距离。

由图 1可知，雷达的发射信号频率随着时间线性增加，增加的斜率为 k，当发射的连续波遇到液面反射回至雷达时，反射回的信号比发射信号滞后了-定时间r。根据微波传播原理可知：r- 2R/C (1)式(1)中：C为微波在空间中的传播速度(m/s)；R为被测液面和雷达探头之间的距离(ram)；r为时间差值(s)。

由于反射回的频率时间滞后，使得反射频率与发射频率之间的差频f- kr (2)将式(1)、式(2)合并后可以得到：R - C×f/2k (3)显然R与厂是成正比的(走为斜率)，反射液面离雷达的距离越远所产生的差频频率厂越大，可计算雷达到反射面的距离。

Raderfrequency图 1 调频连续波式雷达测距原理示意 图2 雷达式液位测量值的计算通常情况下船舶运输的液态物品经济价值较高，液货数据的准确度直接影响到公司的经济利益，所以除了利用雷达测量液货高度值，还会用手动测量装置再测量-遍验证液货的准确高度值。

由于测深位置的差异，船舶纵横倾等因素都会导致手动测深的数据与雷达测深数据存在误差。这就需要对雷达测得的数据做进-步修正得出舱室准确的液位高度值。当船舶处于水平位置时(见图 2)，B值是雷达天线测得的舱室空高值，舱室高度为已知参数，减去雷达测深的距离，加甲板面雷达和测深口之间的高度差值，最终可得到液位的实际高度值。

TankRad mrence poimB图 2 雷达安装 示意 图十... ... 88 上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报 2013年第 2期我国造船实力的不断提升，将来承接高附加值船舶的机会不断增加，因此雷达式液位测量系统在造船行业中运用率将会越来越高 。

以某船厂建造的 300 000 DWT VLCC系列船为例，该船的所有液货舱均使用雷达式液位测量系统，船总长为 333 m，型宽为 6O rn，型深为 29.8 m，设计吃水为 20.5 m，手动测深点均安装在雷达位置的两侧 ，离各雷达横倾距离约为±1 m(纵倾和雷达为同-位置，为左倾和后倾，-为右倾和前倾)，与雷达的高度差值在0.1900.210 m之间。表 1是某次测量时手动测深与雷达探测的数据对照表，该次测量是在船舶相对比较平稳的状态下进行的。

表 1 300 ooo DWT VLCC系列船手动测量与雷达测量对照表NTS 300 000 DW T VLCCFirst Sounding Second SoundingN0. T.No Q.C T.Height/mA.D/m D.13I/m ACC./ A.D/m D.D/m ACC./1 N0.1(P) 10.012 10.016 0.020 18.983 l8.988 0.025 OK 20.0472 N0.1(S) 10.035 10.040 0.025 18.903 18.900 0.015 0K 20.0523 NO.2(P) 10.112 10.107 0.025 18.683 18.681 0.010 OK 20.0464 N0.2(S) 10.332 10.337 0.O25 l8.583 18.578 0.025 0K 20.0585 N0.3(P) 10.243 10.240 0.015 l8.382 l8.380 0.010 0K 20，0426 N0.3(S) 10.512 10.516 0.020 18.553 18.549 0.020 OK 20.0537 NO.4(P) 10.314 10.309 0.O25 18.381 18.381 0.000 OK 20.0448 NO.4(S) 10.332 10.334 0.010 18，643 18.647 0.020 OK 2O.O519 N0.5(P) 10.018 10.015 0.015 18.283 18.28O 0.015 oK 20.0481O N0.5(S) 10.052 10.047 0.O25 18.582 18.581 0.O05 K 20.05811 NO.6(P) 10.431 10.434 0.015 18.437 18.442 0.025 0K 20.06512 N0.6(S) 10.045 10.040 0.025 18.034 l8.036 0.010 0K 2O.068表 1中A.D”为实际测量的货舱液位高度，D.D”为雷达测量补偿后显示的货舱液位高度，ACC.”为计算精度。由表 1可知，雷达式液位测量系统在测量 20 m的液货舱时，精度均≤0.025%，由此可知雷达液位测量的高精度性 。

5 结 语雷达式液位测量是非接触式测量，其不受被测介质的密度、环境温度和压力的影响，具有较高的雷达精度和超高的灵敏度，而且可将被测介质的环境温度和压力的测量集成于-体，非常适用于密闭容器内的参数测量 。因此雷达式液位测量系统将是未来船舶行业液位测量系统 的主流 ，对雷达式液位测量系统 的研究 、对我国 Lt后开发和发展该项技术具有深远的意义。