بخشی از مقاله
چکیده
سیگنال های برگشتی از بدنه و سیگنال نشتی در رادار تانک، در پهنای باند های کم قابل تفکیک از سیگنال برگشتی از سطح مایع نیستند و در حوزه ی زمان در هم فرو می روند. در این مقاله پهنای باند بهینه برای سیگنال بسیار پهن باند به نحوی تعیین شده است تا سیگنال برگشتی از سطح مایع به طور کامل از سیگنال های مزاحم و ناخواسته تفکیک گردد. سیگنال استفاده شده در صورتی که پهنای باند کمتری داشته باشد، تفکیک این سیگنال ها دشوار خواهد یود و در صورتی که پهنای باند بیشتر از این مقدار باشد، در نتایج تاثیر چندانی نخواهد داشت.
مقدمه
اندازهگیری سطح مایع نقش مهمی در کنترل فرآیند های شیمیایی دارد. روش های متعددی برای اندازه گیری سطح مایع وجود دارد. بیشتر این روش ها، روشهایی هستند که قسمت مکانیکی با مایع در ارتباط است. به دلیل دقیق نبودن روش های متداول و قدیمی، روش راداری دارای اهمیت خواهد بود. روش های راداری در هر نوع فشار، دما و نوع مایعی عملکرد مناسبی دارند زیرا این روش های غیر تماسی بوده و نیازی به تماس دستگاه اندازه گیری با مایع نمی باشد. روش های مکانیکی به دلیل تماس با مایع به سرعت تخریب شده و نیاز به تعویض دارند. ولی در روش های راداری به دلیل تماس نداشتن با مایع عمر تجهیزات نیز بالا می باشد.
در روش های راداریمعمولاً محاسبه ی تأخیر زمانی از فرستنده به گیرنده برای اندازه گیری فاصله استفاده می شود. سیگنال ارسالی به دلیل متفاوت بودن ضریب دیالکتریک هوا و مایع، از سطح مایع بازتاب خواهد داشت و با دانستن سرعت موج در فضا و عمق تانک، عمق مایع اندازهگیری خواهد شد . سیگنال تابیدهشده به سطح مایعمعمولاً در فرکانسهای 6، 8 ، 10، 24 و 68 گیگاهرتز میباشد. هر چه فرکانس بالاتر باشد، کالیبره کردن دستگاه و ساخت دستگاه سختتر خواهد بود ولی در عوض ابعاد گیرنده و فرستنده کوچکتر خواهد بود و برای تانک هایی با ابعاد کوچکتر مناسب خواهد بود.
در رادار تانک با توجه به نزدیک بودن آنتنها به هم حل مشکل ایزولاسیون بین آنتن ها مسئله ی مهمی می باشد. مشکل سیگنال مسیر مستقیم در این سامانه بایستی برطرف گردد تا سیگنال برگشتی از محیط بتواند مورد استفاده قرار گیرد. دیگر مشکل موجود در این مسئله بازتابهای ثانویه از سطح تانک میباشد که علاوه بر سطح مایع به گیرنده رادار میرسند .
بازتاب ثانویه شامل بازتاب از بدنه و بازتاب از کف تانک میباشد. به دلیل تضعیف شدید سیگنال در داخل مایع، سیگنال بازتابی از کف تانک قابل صرف نظر کردن می باشد. ولی سیگنال برگشتی از بدنه تانک نزدیک به آنتن های فرستنده، غیر قابل انکار است. به همین دلیل رادار بایستی این توانایی را داشته باشد تا سیکنال برکشتی از سطح مایع را شناسایی نموده و برای اندازه گیری عمق مایع استفاده نماید.
یکی از سیگنال هایی که در سال های اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است، سیگنال بسیار پهن باند می باشد. هر چه پهنای باند فرکانسی سیگنال وسیع تر باشد، در حوزه ی زمان سیگنال باریک تر و محدودتر خواهد بود. بنابراین در حوزه ی زمان تفکیک سیگنال های برگشتی از بدنه و سیگنال نشتی از سیگنال سطح مایع راحت تر می باشد.
در این مقاله پهنای باند بهینه برای تفکیک سیگنال های برگشتی از سطح مایع از سیگنال کلاتر و نشتی محاسبه شده و نشان داده شده است در صورتی که پهنای باند بیشتر مورد استفاده قرار گیرد، تاثیر چندانی در تفکیک سیگنال ها نخواهد داشت و اگر پهنای باند مورد استفاده شده کمتر از این مقدار باشد، تفکیک به خوبی صورت نخواهد گرفت. رادار تانک در نرم افزار CST پیاده سازی شده است و داده برداری ها در این نرم فزار صورت گرفته است.
طراحی سیگنال بسیار پهن باند گوسین
سیگنال استفاده در این مقاله، سیگنال گوسین بسیار پهن باند مرتبه ی چهار می باشد. رابطه ی این سیگنال در حوزه ی زمان در رابطه ی 1 آورده شده است. که در آن t بیانگر زمان و m تعیین کننده ی پهنای سیگنال زمانی می باشد. پهنای باند سیگنال زمانی دو برابر مقدار m می باشد. طراحی ها با توجه به ابعاد تانک صورت می گیرد. در این مقاله فاصله ی بین انتن گیرنده و فرستنده 2 سانتی متر می باشد. فاصله ی بدنه ی تانک تا انتن ها هم 4 سانتی متر می باشد. ارتفاع مایع در این تانک تا 8 سانتی متری آنتن بالا می آید. در رابطه ی سیگنال گوسین، مقدار m از رابطه 2 به دست می آید.
شبیه سازی و داده برداری در نرم افزار CST
نرم افزار CST یک نرم افزار الکترومغناطیسی می باشد که توانایی شبیه سازی محیط های گوناگون در داخل این نرم افزار وجو دارد. این نرم افزار برای طراحی آنتن، طراحی فیلتر های مایکرویوی نیز به کار می رود. یکی از مواردی که در سال های اخیر در این نرم افزار صورت می گیرد، طراحی محیط های راداری برد کوتاه می باشد. محیط رادار طراحی شده در این مقاله در شکل 3 آورده شده است.
طراحی ها طبق اطلاعات داده شده در قسمت طراحی سیگنال صورت گرفته است. همانطور که در شکل مشخص می باشد، بدنه ی تانک به رنگ سبز و سطح مایع به رنگ قهوه ای می باشد و جنس مایع نفت و جنس بدنه ی تانک از آهن است. خط سفید رنگ موجود در شکل که در وسط تانک قرار دارد، آنتن فرستنده می باشد. در این شبیه سازی ها از discrete port برای ارسال سیگنال استفاده شده است. هم چنین برای دریافت سیگنال نیز از field probe استفاده شده است. فرکانس شبیه سازی در این جا از 0,5 گیگاهرتز تا 5,5 گیگاهرتز قرار داده شده است. پهنای باند سیگنال طراحی شده بایستی 5 گیگاهرتز باشد.
