CN102912054B - 一种基于mimo的高炉雷达测量料面的装置 - Google Patents

Abstract

一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，由MIMO雷达及天线阵列，天线保护壳体以及冷却吹扫装置等部分组合成一套系统，利用MIMO雷达稀疏阵列高分辨率特性以及近场高分辨率成像算法来得到高炉内整个料面的三维信息，同时极大降低电控扫描阵列成像雷达的成本，通过抗粉尘抗高温技术提供工业现场恶劣条件下的三维料面在线动态监控能力。

Description

一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置

技术领域

本发明涉及一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，用于工业现场恶劣条件下的三维料面在线动态监控能力。

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，在高炉生产过程中效果不佳，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分集技术的MIMO雷达。采用微波波长较长的特点以及电磁波在空气中传播速度受温度压力影响很小的特点可以在完全黑暗以及充满灰尘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。

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，另一个不足之处是要想获得较为理想的信息必须要有大量的数据，由于激光的聚光性能很好，测得图案就需要很多激光设备。

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，这将导致采集数据的不完整性，从而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钻六个孔，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

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，利用MIMO雷达稀疏阵列高分辨率特性以及近场高分辨率成像算法来得到高炉内整个料面的三维信息，同时极大降低电控扫描阵列成像雷达的成本，通过抗粉尘抗高温技术提供工业现场恶劣条件下的三维料面在线动态监控能力。

本发明技术解决方案：一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，包括：雷达保护套筒、发射天线阵列、接收天线阵列、氮气吹扫装置、馈电网络以及开关矩阵、雷达电子腔、数字总线、套筒后盖、水冷接头、气体密封接头、抗高温自恢复接线端子、水冷套筒和控制室成像处理计算机，其中：

发射天线阵列和接收天线阵列置于雷达保护套筒前端，水冷套筒贴装在发射天线阵列和接收天线阵列外，通过水冷接头提供冷却循环水，对整个天线阵列进行强力冷却，同时起到隔绝炉内直接辐射热的作用，将电子腔工作的温度控制在比较低（30～80°C之间）的水平上。氮气吹扫装置通过气体密封接头引入高压（5～20倍标准大气压）常温氮气，对发射天线阵列和接收天线阵列进行吹扫，防止灰尘粘附以及提供额外的气帘冷却效果。抗高温自恢复接线端子包括温度探头和温度开关，在检测到高温情况下可自动关断系统内电源，保护雷达电子腔内的芯片。雷达电子腔内置于雷达保护套筒中后端。套筒后盖可打开将雷达保护套筒内部所有部件整体抽出进行检修维护。

雷达电子腔内包括：高速跳频源、控制单元、采集及数字信号处理单元、接收机。雷达电子腔是整个基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置的控制核心，通过高速跳频源产生高稳定快扫频的FMCW微波信号，生成的微波信号分为两路，一路通过馈电系统及多路开关馈入发射天线阵列，通过控制单元控制馈电网络以及开关矩阵实现发射天线阵列中天线单元依次发射，一路作为本振参考馈入接收天线阵列的接收机，与接收到的料面反射信号进行混频处理得到IQ信号，通过采集及数字信号处理单元进行近场MIMO三维成像算法处理，将处理得到的结果以及温度数据通过数字总线传输到控制室内部的控制室成像处理计算机，通过高速GPU运算得到实时的可读性强的高炉内料面三维图形及料面各点高度数据。

整个装置安装在高炉炉体顶部适当高炉开孔位置。由于采用了MIMO雷达成像原理，仅利用炉顶一个开孔位置，即可通过后端数字成像算法对整个照射到的料面进行三维成像，同时无需机械扫描装置，全部扫描利用电控开关矩阵进行数字扫描，提供高速，高可靠性以及高分辨率费锐波束扫描覆盖。利用发射宽带信号实现高抗干扰能力以及高距离向分辨率，实现测量装置的高精度。通过综合利用阵列与分集MIMO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，相比于传统阵列雷达，可以得到很多的成像点信息，一次扫描可成像500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。

在控制室成像处理计算机上可以实现三维数据实时显示与比较，可以进行数据融合，数据交换与数据验证,同时可融合其余高炉探尺数据进行数据修正和细化。

雷达保护套筒、发射天线阵列、接收天线阵列、氮气吹扫装置的主要部件为金属材质，以提供强度和耐受高温工作，雷达保护套筒前端涂覆抗高温材料。

所述发射天线阵列以及接收天线阵列采用T字形布阵或十字形布阵，或者已知的其余符合MIMO特征的收发分集布阵方式。

所述该雷达装置发射接收微波信号为宽带微波信号，工作频带为X波段或者Ku、K、Ka波段，工作在FMCW（调频连续波）模式下。

所述近场MIMO三维成像算法利用电磁波穿透尘埃能力强以及MIMO雷达成像原理，发射天线阵列、接收天线阵列分置具有天线阵列相乘算法，采用少量N个发射+M个接收个天线通过布阵以及数字信号处理形成N×M个等效虚拟天线阵列，利用近场MIMO成像算法包括非线性近场移相聚焦算法和NUFFT及MIMO虚拟阵列波束形成等算法对高炉内的料面进行高分辨率三维成像，形成真实的三维料面测量数据点云。通过专门的去除噪声和干扰去除连锁系统，可以得到整个照射范围内料面各点的高度信息或者是离零料线的深度信息。

所述数字总线为工业以太网或者现场总线CAN及deviceNet。数字总线物理形式为光纤或屏蔽电缆。

所述金属材质可为不锈钢，铝或铜等材质，抗高温材料为耐火捣打料。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

（1）在一个高炉开孔处安装一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，得到整个料面的三维成像数据，一次扫描成像点数多于500点，远高于单点机械探尺或者单点雷达得到的单点料面数据，其数据覆盖也远高于机械扫描雷达所得到的单条料面线上的数据，对整个高炉生产中料面真正实现了全覆盖；

（2）采用相对波长远大于激光的微波作为传播信号，克服了激光测量料面仪器的波长短，非常容易受到粉尘干扰的特性，能够穿透高粉尘的高炉生产环境，同时采用宽带FMCW雷达体制，在距离向得到厘米级甚至毫米级料面测量精度，可以完全满足料面测量精度需求，第一次实现高炉真正生产中三维全料面实时监控；

（3）采用MIMO雷达成像原理，采用少量N个发射+M个接收个天线通过布阵以及数字信号处理形成N×M个等效虚拟天线阵列，相对于相控阵雷达的实际N*M个天线单元，使用少量阵列探头得到相近的高精度成像数据，极大的降低了雷达成本；

（4）采用通过高速跳频源产生高稳定快扫频的FMCW微波信号及高速GPU运算，使得扫描整个料面成像速度达到秒级，基本达到了准实时三维数据获取分析，对高炉内部炉况以及料面数据达到不间断连续测量；

（5）本发明装置工作时没有机械活动部件，全部扫描利用电控开关矩阵进行数字扫描，系统可靠性大大提高，可以达到免维护效果，大大降低用户后续成本。

附图说明

图1为本发明基于MIMO雷达的三维高炉料面成像装置的剖面侧面示意图；

图2为本发明基于MIMO雷达的三维高炉料面成像装置的整体安装示意图；

图3为本发明基于MIMO雷达的三维高炉料面成像装置的正面视图；

图4为本发明的等效虚拟天线阵列示意图；

图5为本发明的电路原理框图；

图6为本发明一种十字形布阵方式的正面视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实例进行说明。

图1为本发明装置的剖面侧视示意图，其中本发明装置的雷达保护套筒1对MIMO雷达起到整体防护作用，防高温以及灰尘雨水冲击，本发明实施例中雷达套筒采用不锈钢材质制作，套筒前端覆盖耐高温捣打料以隔绝炉内高温，保护套筒。其中MIMO雷达主体包括发射天线阵列2以及接收天线阵列3，发射天线阵列2以及接收天线阵列3通过T型布阵或者十字形布阵形成MIMO阵列，本发明实施例中天线单元采用特制的抗高温粉尘的金属介质天线，天线之间间距小于工作波长的0.6倍，具体在X波段，天线阵列之间单元天线间距小于18mm。馈电网络以及开关矩阵5提供天线阵列的馈电以及电控切换，整个MIMO雷达电子腔6为微波信号产生以及中频信号数字处理部分，其通过电缆及总线7与抗高温自恢复接线端子11与控制室成像处理计算机19相连，将处理后得到的图像信息通过数字总线7传递到控制室。其中数字总线7为工业以太网或者现场总线CAN及deviceNet（器件网）；所述数字总线7的物理形式为光纤或屏蔽电缆。其中雷达防护还包括水冷套筒12，水冷套筒12贴装在发射天线阵列2以及接收天线阵列3外，通过水冷接头9提供冷却循环水，对整个天线阵列进行强力冷却，同时起到隔绝炉内直接辐射热的作用，将电子腔6工作的温度控制在比较低（30～80°C之间）的水平上；氮气吹扫装置4通过气体密封接头10引入5～20倍标准大气压常温氮气，对发射天线阵列2以及接收天线阵列3进行吹扫，防止灰尘粘附以及提供额外的气帘冷却效果。

在发射天线阵列2以及接收天线阵列3、水冷套筒12和MIMO雷达本体电子腔6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几点的温度，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。

本发明装置整体套筒后盖8通过其上提手可以打开，通过后圆孔，整个MIMO成像雷达部分可整体抽出进行检修更换，同时套筒后盖厚度及抗压强度足够承受炉内异常温度和压力峰值，保证本发明整体装置在极端情况下不影响高炉本身生产。

图2是高炉安装本发明装置的整体示意图，其中本发明基于MIMO雷达的三维高炉料面成像装置外套筒1，包括T形MIMO成像雷达，雷达保护冷却罩。高炉炉体13，14为高炉被测料面。通过选取合适的高炉开孔位置使得被测量料面能被本发明装置的成像覆盖范围全部覆盖，具体本发明实施例中本成像覆盖角度为±35度的锥面，可通过选取尽量靠近中心位置并且避开进出料口的位置进行安装，以达到全面覆盖需要。

图3是本发明基于MIMO雷达的三维高炉料面成像装置的正面视图，本发明实施例为T型天线阵列布局，发射天线阵列2以及接收天线阵列3为T形雷达组件，由横竖两组雷达天线阵列组成，分别可以设为一发射阵列一接收阵列，或者其他任意满足MIMO（多输入多输出）形式的收发方式。

图4为本发明基于MIMO雷达的三维高炉料面成像装置的MIMO雷达虚拟等效天线示意图，通过收发天线方向图相乘原理，T型布局的MIMO天线阵列在成像上等效于其右边尺寸缩小一半的虚拟正方形天线阵列,具体在本发明实施例中16收16发的T型天线阵列等效于256个正方形天线阵列，通过少量的N×2实际天线单元达到了N平方的虚拟天线单元效果，极大的降低了成本。

图5为本发明基于MIMO雷达的三维高炉料面成像装置的电路原理框图，通过高速跳频源15产生高稳定快扫频的FMCW微波信号，本例中使用x波段微波信号，带宽达到2～4GHz，也可采用K频段或者Ka频段的微波信号。生成的微波信号分为两路，一路通过馈电系统及多路开关5馈入发射天线阵列2，通过控制单元16控制MIMO发射接收顺序进行依次发射，一路作为本振参考馈入接收天线阵列3的接收机18，与接收到的料面反射信号进行混频处理得到IQ信号，在通过采集及数字信号处理单元17进行近场MIMO三维成像算法处理，将处理得到的结果通过数字总线7传输到控制室内部的图像处理工作站19，通过高速GPU运算得到实时的可读性强的高炉内料面三维图形及各点数据。

图6为本发明基于MIMO雷达的三维高炉料面成像装置的一种十字形布阵方式的正面视图，本实施例中采用15收15发阵列组合，其中中心点天线单元需要进行收发复用。

其余各种满足MIMO体制的阵列形式均可采用在本发明装置中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，其特征在包括：雷达保护套筒（1）、发射天线阵列（2）、接收天线阵列（3）、氮气吹扫装置（4）、馈电网络以及开关矩阵（5）、雷达电子腔（6）、数字总线（7）、套筒后盖（8）、水冷接头（9）、气体密封接头（10）、抗高温自恢复接线端子（11）、水冷套筒（12）和控制室成像处理计算机（19），其中：

发射天线阵列（2）和接收天线阵列（3）置于雷达保护套筒（1）前端，水冷套筒（12）贴装在发射天线阵列（2）和接收天线阵列（3）外，通过水冷接头（9）提供冷却循环水，对整个天线阵列进行强力冷却，同时起到隔绝高炉炉体内直接辐射热的作用，将电子腔（6）工作的温度控制在30～80℃之间；氮气吹扫装置（4）通过气体密封接头（10）引入5～20倍标准大气压常温氮气，对发射天线阵列（2）和接收天线阵列（3）进行吹扫，防止灰尘粘附以及提供额外的气帘冷却效果；抗高温自恢复接线端子（11）包括温度探头和温度开关，在检测到高温情况下能够自动关断电源，保护雷达电子腔（6）内的芯片；雷达电子腔（6）置于雷达保护套筒（1）中后端；套筒后盖（8）能够打开将雷达保护套筒（1）内部所有部件整体抽出进行检修维护；

所述雷达电子腔（6）内包括：高速跳频源（15）、控制单元（16）、采集及数字信号处理单元（17）、接收机（18）；通过高速跳频源（15）产生高稳定快扫频的FMCW，即调频连续波微波信号，生成的微波信号分为两路，一路通过馈电系统及开关矩阵（5）馈入发射天线阵列（2），通过控制单元（16）控制馈电网络以及开关矩阵（5）实现发射天线阵列（2）中天线单元依次扫描发射，一路作为本振参考馈入接收天线阵列（3）的接收机（18），控制单元（16）同时控制接收天线阵列（3）进行信号同步接收，将接收到的料面反射信号在接收机（18）内进行混频处理得到IQ信号，通过采集及数字信号处理单元（17）进行近场MIMO三维成像算法处理，对高炉内的料面进行三维成像，形成真实的三维料面测量数据点云，再将处理得到的结果数据通过数字总线（7）传输到控制室内部的控制室成像处理计算机（19），通过高速GPU运算得到实时的高炉内料面三维图形及料面各点高度数据。

2.根据权利要求1所述的基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，其特征在于：整个装置在使用时安装在高炉炉体（13）顶部适当高炉开孔（20）的位置。

3.根据权利要求1所述的基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，其特征在于：所述雷达保护套筒（1）、发射天线阵列（2）、接收天线阵列（3）和氮气吹扫装置（4）的材质均为金属材料，且雷达保护套筒（1）前端涂覆抗高温材料。

4.根据权利要求1所述的基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，其特征在于：所述发射天线阵列（2）和接收天线阵列（3）采用T字形布阵或十字形布阵，或者符合MIMO特征的收发分集布阵方式。

5.根据权利要求1所述的基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置,其特征在于：所述整个装置的发射接收微波信号为宽带微波信号，工作频带为X波段或者Ku、K、Ka波段，工作在FMCW即调频连续波模式下。

6.根据权利要求1所述的基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，其特征在于：所述近场MIMO三维成像算法包括非线性近场移相聚焦算法和不等间隔快速傅立叶变换NUFFT及MIMO虚拟阵列波束形成算法。

7.根据权利要求1所述的基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置，其特征在于：所述数字总线（7）为工业以太网或者现场总线CAN及deviceNet；所述数字总线（7）的物理形式为光纤或屏蔽电缆。

8.根据权利要求3所述的基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置,其特征在于：所述金属材料为不锈钢，铝或铜。

9.根据权利要求3所述的基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置,其特征在于：所述抗高温材料为耐火捣打料。