CN102816883B - 一种雷达、视频、激光系统组合的测量高炉料面的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种组合测量高炉料面的系统，由多输入多输出MIMO雷达及天线阵列，可见光或红外光视频摄像头，以及激光测距仪三种设备组合成一套系统。所述装置包括视频监控系统以及激光测距系统，所述多输入多输出MIMO雷达料面测量系统、视频监控系统以及激光测距系统都集成到一个高炉炉顶雷达系统冷却保护罩内；所述装置还包括显示与成像处理系统，在显示与成像处理系统上同时实现三种测量系统的显示与比较，并进行数据融合、数据交换与数据验证；在所述计算机上，根据不同的情况，分别选用一种或几种不同测量组合，实现不同精度、不同成像速度、不同分辨率的料面动态测量需求，提供不同的测量方法。

Description

一种雷达、视频、激光系统组合的测量高炉料面的装置

技术领域

本发明提出一种组合测量高炉料面的系统，由多输入多输出MIMO雷达及天线阵列，可见光或红外光视频摄像头，以及激光测距仪三种设备组合成一套系统，它们相互辅助利用各自测量优势达到监测动态料面及其在线料面显示的功能。

背景技术

高炉内料面的监测在钢铁生产中非常重要，通过料面的观测一方面可以了解到高炉内的炉料的分布情况从而生产人员可以根据料面的分布对下一次的布料进行针对性的控制用来提高生产效率；另一方面，当高炉内料面分布发生异常情况时，现场操作人员可以立即做出相应的处理措施，保障生产的顺利进行，避免发生安全事故。

目前常用的料面测量方法有机械探尺测量法，间接料面判断法，高炉视频监控系统，红外成像技术，激光扫描测量法，微波雷达料面测量技术。下面将这些测量方法优缺点进行描述：

机械探尺法测量料面是采用直接接触测量方式，通常采用2-3个机械探尺采集不同位置料面高度信息，成本较低，测量的数据准确。但是存在测量周期较长，测量点较少不能反映出整个料面的形状，且在开炉布料过程中不能测量。

间接料面判断法是利用十字测温热电偶来监测煤气流温度分布，间接推测出料面大致分布，这并不能测得料面的形状，而且此方法对工人的工作经验要求较高。

高炉视频监控系统由炉内可见光摄像头摄像，在高炉内光线充足时可以直接观察到料面形状，由于高炉内复杂的环境此装置只能在较短的时间内测量，不能实时跟踪料面形状。视频监控测量高炉料面虽然有很多不利因素，但在一定情况（光线充足或料面温度较高时）下，可以直接得到料面的形状，即“是所见即所得”的测量方式，这是其他测量方式所欠缺的优点。

红外成像技术，也是一种间接测量料面的方法，该技术对料面表面的红外图像进行处理，能够检测出高炉内料面的温度分布，并用彩色图像区分出来，主要用以测定原料的分布均匀性；该技术的缺点同样不能得到料面的形状，并且容易受到高炉内粉尘及高温气流的影响。

激光扫描测量法属于非接触式测量方法，其利用在高炉炉顶上装的激光扫描装置对料面进行扫描测点，后将所测数据点进行三维重建得到料面形状。但是该方法极易受到粉尘、水雾等恶劣条件的影响，且其需要机械转台等辅助装置。此方法在开炉状态时有很好的检测效果。

微波雷达测量技术中包括单点雷达、相控阵雷达以及运用通信技术的多输入多输出雷达。采用微波技术可以在完全黑暗的环境下准确测得料面上的信息点，在正常的生产阶段可以克服高炉内部的不利因素影响直接测得所需数据，并且可以跟踪料面变化情况，实时显示高炉料面的三维形状。

相关工作人员已经在高炉料面监测领域做了大量的工作，与本专利相关的发明专利有：

如中国专利公开号为CN02121548.0的发明专利《一种插入式炉窑摄像仪及图像处理方法》中，采用没有运动部件的微型红外摄像机用机械扫描的方法对炉内料面每一点的温度进行测量，根据红外光强度与被测物体温度之间的相关关系把图像上各点的灰度值转化为温度值，最后以一定的形式在监视器上显示料面的温度或气流的分布状况。但是当高炉炉内炉料温度较低时，其散发的红外光线强度非常低，红外摄像机无法获得较为清晰的料面形状，因此它的使用也存在着很大的局限性。

中国发明专利201010290782《一种基于多源异构数据融合的高炉料面成像系统》，此发明也属于一种组合测量料面形状装置，其特点是将高炉雷达、机械探尺和十字测温热电偶这三处采集的数据通过数据传输设备送入包含机械探尺高度数据、高炉雷达高度数据、十字测温热电偶温度数据、以及炉身热电偶温度数据的系统数据库中，然后通过与炉外的数据融合系统进行比较和数据融合计算结果送入后续的可视化的三维显示系统。此发明考虑机械探尺、高炉雷达、十字测温热电偶方面的因素，合理优化布置高炉雷达的安装位置，进行了多源异构数据融合，最终获得更加准确的料面信息。

在中国专利公开号为CN1877249A的发明专利《炉内信息激光探测装置及方法》，其利用激光在高炉内高粉尘，高烟雾环境下形成激光图案，并通过摄像仪来捕获此图案，基于在高炉装料过程以及料面形状、料线深度不同时炉内激光图案会呈现不同或产生相应的畸变原理分别得出三种信息。由于并不是通过直接测量料面信息得到的数据，因此处理数据得到的料面误差会增大，另一个不足之处是激光无法在灰尘特别大的生产环境下使用，往往在开炉时使用效果好，生产中测量效果很差。

在中国专利公开号为CN102312031A的发明专利《无料钟高炉炉顶料面测量装置及方法》中，其利用高炉内已存在的机械探尺，在上面安装激光测距仪、陀螺仪及无线传输装置组成料面测量系统，其存在的问题首先是它测量的高炉系统为无料钟高炉，这就在应用前提上有了很大的局限性；其次，类似专利CN200610089415.6需要的激光测距仪较多，成本高；最后，测得的数据仅为料面上一条线上的点（测得真实数据数量与激光器的个数有关），安装的激光测距仪数量个数是有限的，这将导致采集数据点很有效，料面大量数据是靠拟合得到，最终料面形状可能与真实料面相差较大。

在中国专利公开号为CN101020933A的发明专利《高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法》中利用雷达测距原理达到监测动态料面的方法，在高炉炉顶沿渐开线开六个孔，分别安装单点雷达及其配套冷却装置采集料面高度信息，再由总线系统将数据传送给上位机进行插值算法等数据处理，最后由三维成像技术将料面的实时动态显示在计算机上。

也有其它对高炉料面测量有关研究的发明专利，例如中国专利公开号为CN102382918A的发明专利《一种在线测量高炉料面的系统和方法》，中国专利公开号为CN200946155的使用新型专利《高炉激光探测仪》均是采用激光测距的原理达到测量料面形状的目的。

发明内容

本发明是在专利CN101020933A基础上，提出一种组合测量料面的方法，利用多输入多输出雷达天线(简称MIMO雷达天线)、摄像头以及激光测距仪三种设备组合安装在一个保护罩内，分别利用它们各自的优势进行料面测量。

本发明的技术方案如下：一种雷达、视频、激光系统组合的测量高炉料面测量装置，包括多输入多输出MIMO雷达料面测量系统，其特征在于：

所述装置还包括视频监控系统以及激光测距系统，所述多输入多输出MIMO雷达料面测量系统、视频监控系统以及激光测距系统都集成到一个高炉炉顶雷达系统冷却保护罩内；

所述装置还包括显示与成像处理系统，在显示与成像处理系统上同时实现三种测量系统的显示与比较，并进行数据融合、数据交换与数据验证；在所述计算机上，根据不同的情况，分别选用一种或几种不同测量组合，实现不同精度、不同成像速度、不同分辨率的料面动态测量需求，提供不同的测量方法。

进一步的，所述高炉炉顶雷达系统冷却保护罩采用内部水冷加气冷双重冷却方式，在多输入多输出MIMO雷达天线外部加上水冷套，保证多输入多输出MIMO天线围绕着水冷系统，达到降温目的，内部有氮气吹扫，同时对T形天线，视频监控头进行连续吹扫，达到降温目的，在天线口面出有捣打料等隔热层设计，整体上保证了系统正常工作。

进一步的，在冷却罩和多输入多输出MIMO雷达本体上布置3-4个温度传感器，测量雷达罩口面温度，天线背部温度，以及雷达冷却罩内部任意两点的温度；当任意位置温度超标时，尤其在炉况波动时，系统自动报警，切断电源，提示现场操作人员，保护系统不会因为高温损坏。

进一步的，所述的激光测距系统在停炉或指定情况下自动测量料面某一高度或深度，用以校正雷达的测量值。

进一步的，所述多输入多输出MIMO雷达料面测量系统，即在天线的发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线，通过发射端和和接收端的多个天线传送和接收到的信息，进行近场聚焦成像，从而获得炉内全料面图像。

进一步的，所述多输入多输出MIMO雷达料面成像系统利用不同数量的天线阵列实现电磁波空时信号处理，将空间中分布的多个天线的时间域和空间域结合起来的信息进行信号处理，得到高炉料面电磁波的全部信息，通过专门的去除噪声和干扰去除连锁系统，得到料面各点的高度信息或者是离零料线的深度信息。

进一步的，所述多输入多输出MIMO雷达料面成像系统综合利用阵列与分集技术,引入了远多于实际物理阵元数目的观测通道和自由度,将收发信号进行多通道联合回波数据处理，获得了更为理想的成像聚焦点扩散函数，相比于传统固定安装阵列雷达，可以得到很多的点信息，一般可以2-3秒钟扫描2500点以上，获得的点信息可以构建点云，也为后继目标检测、参数估计、成像识别和料面场景重构，以及和高炉专家系统的配合，留出接口。

进一步的，所述多输入多输出MIMO雷达料面成像系统，利用多输入多输出天线排成一定阵列，例如T型天线阵列，口字型或者十字型等阵列方式，达到多入多出的阵列收发信号方式采集数据，所有信息先在电子腔体内部进行处理，由一根网线就可以把所有信息，包括料面全信息，温度信息，视频和激光校准等综合信息，都从炉顶引下来，在控制室内的计算机上实现料面的三维图像。

进一步的，所述装置采用多输入多输出MIMO天线阵列，将若干个天线紧密排列在一个区域，其发射的微波可以覆盖高炉内料面范围，测得的点越多，处理数据后得到的料面三维图形越精确，分辨率越高。

本发明的有益效果在于：

1、采用多输入多输出MIMO雷达测量方式，对料面进行测量，天线的数

量和排列方式可以自由组合出T字型，口字型或者十字型等方式，可以获得2500点左右的全料面信息。

2、把三种料面测量方法组合起来，兼备测量校准和视频功能，发挥三种方法的各自优势，扬长避短，相辅相成，互为校正，保证了测量结果的准确性。

3、只需要在高炉上开一个孔安装雷达组合测量装置，不需要在高炉上另外

开多个孔，也不需要多套冷却和保护装置，节约了费用，节省了安装空间，也同时减少了施工量。 

2、测量采集到的全部数据先在雷达腔中处理之后全部传送给一台计算机进

行后期处理，包括料面全信息，温度信息，视频和激光校准等综合信息，在计算机上显示最终测量数值的结果，并实时显示料面的三维形状，使操作人员不仅可以直观的看到生产过程中的料面实时工况，也可以看到经过激光校准后的雷达料面测量高度数据，增加了数据的可靠性和直观性。

附图说明

图1是高炉安装本发明装置的整体示意图，其中1为本发明组合式全料面测量装置，该装置包括T形雷达，激光测距仪和视频监控摄像头等光学成像装置，如摄像头和热成像仪等。12为高炉被测料面，13为高炉炉体。

图2是组合式全料面测量装置的正面视图，其中1为该整体装置的雷达保护套筒，该套筒起到对T形雷达，激光测距仪和光学成像装置进行整体保护，防高温抗冲击。2为激光测距仪安装孔，3为视频监控摄像头等的视频安装孔，4为雷达保护套筒和T形雷达之间的氮气吹扫装置，该装置的作用在于，对T形天线附近的灰尘连续或断续吹扫，起到降温和除尘防粘附的作用。5为T形雷达组件，由横竖两组雷达天线阵列组成，分别可以设为一发一收，或者其他任意满足多输入多输出（多输入多输出MIMO）形式的收发方式。

图3是图2的侧视图，其中1是雷达保护筒，2和3是激光测距仪和视频监控摄像头等光学成像装置的安装与观察孔，4是贴近T形天线的氮气吹扫冷却装置，是环绕T型天线阵列的T型槽保护装置，5是T型天线阵列，6是雷达和其他测量装置的电子腔体部分，也包括周边环境温度的测量传感器等。7是连接各部分传感器及雷达和测量装置的电缆和网线等。8是套筒后盖，打开后盖，可以自由地抽取T形雷达，检查内部状态。9是雷达保护筒的冷却水入水口和进水口，冷却水对内部雷达进行高效冷却，10是氮气入口，对腔体内的电子部分起到氮封防尘，和局部高温处强力降温的作用。11是在雷达口面上，采用捣打料，或者喷涂料，也可以是砌隔热砖等方式，实现隔热降温的目的

具体实施方式

下面结合组合测量装置立体图形来说明本发明的具体实施方式。

本发明装置的具体安装实施过程如下：

首先把传统的在高炉上安装的视频监控系统、激光测距系统，与雷达监控系统一起，都集成到一个高炉炉顶雷达系统冷却保护罩内部。这样整个高炉炉顶，只需要一个大孔，就可以把分散的雷达料面测量系统，视频成像的监控功能以及激光测距系统结合起来，形成一个一体化多功能的检测装置，其中，多功能是指本测量装置可以实现微波料面监测，可见光料面状态监测，红外线料面温度监测以及激光对料面上某一点的距离测量。

其次在高炉炉顶的合适位置根据装置的大小需要钻一个通孔，用来安装组合测量装置如图1所示。

在图2中多输入多输出MIMO雷达的天线设计，我们采用T形阵列天线，当然也可以采用目前已知的任何口子形，或者十字型等多输入多输出阵列形式。

在高炉炉顶的封罩上打孔，固定安装配对法兰，其中天线安装在高炉炉体内部，其所形成的波束指向高炉的炉内料面，天线所在的位置称为天线口面（图2），在天线口面与雷达罩的圆形罩体之间，留有较大的安装空间，在此空间上增加了1-2个视频监控头和一个激光校正装置，这样就完成了光学视频，红外热成像，激光校准以及微波成像的一体化的组合测量装置。

本发明中的视频监控系统，在一定情况下（光线充足或料面温度较高时），可以直接得到料面的形状，即是“所见即所得”的测量方式，弥补了雷达成像无法获得光信号的不足。

本发明中的激光测距系统，利用其测量精度高的优点，弥补微波成像精度和分辨率不足的问题。本发明中利用激光测距仪在停炉或指定情况下自动测量料面某一点的高度或深度，用以校正雷达的测量值，它是一种辅助测量设备，一般在装置里安装一个，就能够实现高精度校准功能。

激光校正系统布置到保护罩里面固定安装，平时雷达在生产时处于工作状态，激光停止工作，被保护罩保护起来，只有当停炉或者指定情况下，激光测距系统才打开并开始工作。在停炉以后，激光系统自动开始对料面某一高度或者深度的测量，把激光测量值与雷达测量值进行比较，从而校正雷达测量数值。

对组合装置的冷却采用内部走水冷加气冷方式，在T形天线外部加上水冷套，保证T形天线围绕着水冷系统，达到降温目的，内部有氮气吹扫，同时对T形天线，视频监控头进行连续吹扫。

在冷却罩和多输入多输出雷达本体上布置3-4个温度传感器，方便测量雷达罩口面温度，天线背部温度，以及雷达冷却罩内部任意两点的温度，当任意位置温度超标时，系统自动报警，切断电源，提示现场操作人员，保护系统不受高温影响。

Claims (5)

1.一种雷达、视频、激光系统组合的测量高炉料面测量装置，包括多输入多输出MIMO雷达料面测量系统，其特征在于：

所述装置还包括视频监控系统以及激光测距系统，所述多输入多输出MIMO雷达料面测量系统、视频监控系统以及激光测距系统都集成到一个高炉炉顶雷达系统冷却保护罩内；

所述装置还包括显示与成像处理系统，在显示与成像处理系统上同时实现三种测量系统的显示与比较，并进行数据融合、数据交换与数据验证；在计算机上，根据不同的情况，分别选用一种或几种不同测量组合，实现不同精度、不同成像速度、不同分辨率的料面动态测量需求，提供不同的测量方法；

所述高炉炉顶雷达系统冷却保护罩采用内部水冷加气冷双重冷却方式，在T形天线外部加上水冷套，保证T形天线围绕着水冷系统，达到降温目的，内部有氮气吹扫，同时对T形天线，视频监控头进行连续吹扫，达到降温目的，在天线口面处有捣打料隔热层设计，整体上保证了系统正常工作；

在冷却罩和多输入多输出MIMO雷达本体上布置3-4个温度传感器，测量雷达罩口面温度，天线背部温度，以及雷达冷却罩内部任意两点的温度；当任意位置温度超标时，系统自动报警，切断电源，提示现场操作人员，保护系统不会因为高温损坏；

所述装置采用T型天线阵列，将若干个天线紧密排列在一个区域，其发射的微波可以覆盖高炉内料面范围，测得的点越多，处理数据后得到的料面三维图形越精确，分辨率越高；

所述的激光测距系统在停炉或指定情况下自动测量料面某一高度或深度，用以校正雷达的测量值。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述多输入多输出MIMO雷达料面测量系统，即在天线的发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线，通过发射端和和接收端的多个天线传送和接收到的信息，进行近场聚焦成像，从而获得炉内全料面图像。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述多输入多输出MIMO雷达料面成像系统利用不同数量的天线阵列实现电磁波空时信号处理，将空间中分布的多个天线的时间域和空间域结合起来的信息进行信号处理，得到高炉料面电磁波的全部信息，通过专门的去除噪声和干扰去除连锁系统，得到料面各点的高度信息或者是离零料线的深度信息。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述多输入多输出MIMO雷达料面成像系统综合利用阵列与分集技术,引入了远多于实际物理阵元数目的观测通道和自由度,将收发信号进行多通道联合回波数据处理，获得了更为理想的成像聚焦点扩散函数，相比于传统固定阵列雷达，可以得到很多的点信息，一般可以2-3秒钟扫描2500点以上，获得的点信息可以构建点云，也为后继目标检测、参数估计、成像识别和料面场景重构，以及和高炉专家系统的配合，留出接口。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述多输入多输出MIMO雷达料面成像系统利用天线排成一定阵列，达到多入多出的信号方式采集数据，所有信息先在电子腔体内部进行处理，由一根网线就可以把所有信息，包括料面全信息，温度信息，视频和激光校准综合信息，都从炉顶引下来，在控制室内的计算机上实现料面的三维图像。

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