CN103472447A - 一种基于溜槽位置判断的多点雷达协同成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于溜槽位置判断的多点雷达协同成像装置，包括：高炉炉顶雷达区域安装的多个雷达，检测溜槽位置的多个继电器，CAN总线通信系统，数据采集系统，用于存储距离及标识信息的数据库，成像系统，继电器均匀分布安装在高炉的圆周区域，将高炉分成多个区域，各个继电器实时检测溜槽位置，判断雷达的测量信号是否被溜槽阻挡，测量信号通过CAN通信系统发送到上位机，由数据采集系统接收，并计算出各雷达距离和获得标识信息，然后存入数据库，最后对多个雷达距离进行数据分析处理，修复被溜槽阻挡点的雷达距离，进行3D成像。本发明使用多点雷达测量并配合多点继电器装置，可实时检查溜槽的所在位置，能够克服溜槽对雷达的阻挡问题。

Description

一种基于溜槽位置判断的多点雷达协同成像装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于溜槽位置判断的多点雷达协同成像装置及方法,属于雷达目标跟踪测量领域。

背景技术

高炉炼铁工作在高温、高压、密闭的条件下，内部的工作环境极其复杂和恶劣，其内部情况不易被外界得知，料面分布很难直接检测，这使得高炉操作带有较大的经验性和随意性，不利于炼铁生产的优化实现，因此，高炉料面的监测在高炉炼铁的过程中起着至关重要的作用。传统的料面监视是用机械探尺采集数据，只有2、3个点，不能完全反映高炉料面的实际情况。随着科学技术的迅速发展，人们希望逐步把密闭的、不可窥视的高炉内部“黑箱”变成开放的、可视化的。炼铁行业中，对高炉料面进行测量与优化控制是提高生产效率和节能减排的关键。如何能够有效地获取精确的炉内料面信息，必将有利于保证炉内布料合理，保障炉内煤气流的合理分布，有利于进行布料的优化控制。因此，如何协助炉长控制好炉内料面形状，合理调控布料矩阵，一直都是高炉节能的关键。

针对现有问题，本发明使用多点雷达测量技术，能够更完整的体现高炉内料面的高度信息，还使用了多点继电器装置，可以随时检查溜槽的所在位置，能够很好的克服溜槽对雷达的阻挡问题。国内外代表性的研究成果如下：

1、日本神户制铁所《高炉装入物降下速度测量装置》，实现方式为，单个雷达天线穿过高炉顶部倾斜着沿径向插入炉内，不做旋转扫描；可测量天线下方的料面高度和下降速度，作用类似于机械料尺，不能体现料面整体信息，也不能测量整个料面的形状和沉降动态，而且不利于现在流行的旋转溜槽式布料，雷达信号容易被挡住，距离容易跳变，不利于进行料面的3D建模成像。

2、欧洲专利EP0017664A1公开了一种双天线结构，安装于一圆筒底部，圆筒穿过炉体侧壁沿水平径向插入炉内，旋转圆筒，使得天线波束在炉内形成一维径向扫描；不具备全料面形状的测量能力，且装置较为复杂，测量时间过长，维护困难。

3、公开号为CN1405330A的中国发明专利《高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪》，采用炉外安装方式和外置式二维扫描方式工作，并用毫米波段调频连续波雷达测量料面距离，天线不插入炉内，通过雷达天线在炉外的二维扫描来测量料面形状。

4、公开号为CN101020933A的中国发明专利《高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法》，使用六台雷达在高炉炉顶进行定点扫描，最后使用六台雷达的测量数据进行拟合成像。它避免了机械旋转的弊端，能够整体上显示出料面的沉浮动态。但是它的成像对六点雷达的准确性要求较高，并没有对溜槽的阻挡问题提出解决方案。

通过以上情况可以看出，现代的料面检测方法大致可分为单点雷达定点照射、单点雷达二维扫描照射、多点雷达定点照射这三种方法，单点雷达定点照射的料面区域太小，而通过旋转二维扫描容易产生较大的误差，雷达的斜入射的回波处理方法研究尚未成熟，而且设备难维护。

现阶段大多数高炉都是采用溜槽旋转布料的方式，对于多点阵列雷达，如个别雷达信号被溜槽阻挡，则采用多点雷达测量数据的拟合成像将会失真。对溜槽阻挡雷达信号的问题尚未有人提及，以往的相关发明也没有给出合理的解决办法。

本发明提出的多点雷达和多点继电器装置，对雷达测量到的距离信号进行合理性判断，能够良好的解决溜槽阻挡的问题，使多点雷达的距离能良好的代表高炉料面的形状。

本发明使用多点雷达定点扫描的协同工作方式，通过多点雷达的交替数据采集，实现对料面径向各个区间上的高度值进行实时检测。本发明采用雷达定点扫射，雷达的照射点尽可能在径向和方位上散开，能最大限度的体现出料面的整体情况。

发明内容

本发明涉及一种基于溜槽位置判断的多点雷达协同成像装置，其包括：高炉炉顶雷达区域安装的多个雷达，检测溜槽位置的多个继电器，CAN总线通信系统，数据采集系统，用于存储距离及标识信息的数据库，成像系统，其中，所述继电器均匀分布安装在高炉的圆周区域，将高炉分成多个区域，各个继电器实时检测溜槽位置，判断雷达的测量信号是否被溜槽阻挡，所述测量信号通过CAN总线通信系统发送到上位机，由数据采集系统接收，并计算出各雷达距离和获得标识信息，然后存入数据库，最后对多个雷达距离进行数据分析处理，修复被溜槽阻挡点的雷达距离，进行3D成像。

其中，所述上位机能够通过CAN总线通信系统向雷达发送控制信息，控制雷达的工作状态。所述雷达为4～7个，所述继电器为6个。所述CAN总线通信系统采用双向传输模式进行数据传输。

本发明还涉及了利用上述成像装置的成像方法，其中，所述继电器用于实时检测溜槽所在位置，判断雷达是否被溜槽阻挡，当溜槽旋转通过溜槽上方时，继电器感知到溜槽的位置，当溜槽转到继电器的下方时，继电器会被触发，得到溜槽所在区域，此时，上位机得到继电器传上来的编码信息，明确此时溜槽所处的位置，并将溜槽位置信息存入数据库，为阻挡判断提供依据。

其中，成像系统分为高炉现场部分和上位机部分，高炉炉顶上安装的雷达用于测量料面的高度，通过模式选择使雷达发出原始AD数据或距离数据，经过CAN总线通信系统传到上位机。

其中，某一雷达接收到上位机的采集命令后，该雷达才开始进行测量工作，该雷达完成测量工作后将AD数据发送给上位机，上位机进行接收工作，当接收异常时，会再次向雷达发送采集请求，如接收正常或超时，上位机对AD数据进行信号处理，计算出雷达的测量值，然后向下一个雷达发送采集请求，如此循环，各个雷达之间协调工作。

其中，成像系统工作于继电器驱动模式时，每次都获取溜槽所在区域的下一个区域的雷达的距离数据，溜槽转动一周后就会得到每一台雷达不被溜槽隔挡的数据。

其中，当成像系统调用距离数据进行成像时，会对所调用距离对应的距离状态进行判断，得出被溜槽阻挡的雷达距离，然后根据料面的空间相关性、料面高度时间上的连续性和先验料面模型规律，用其它雷达的距离数据或被隔挡雷达之前的数据对被隔挡的雷达距离进行补偿修正。

其中，数据采集系统不间断的采集多个雷达的数据并计算出相应距离，存入数据库中的距离信息列中，并在存储时对当前的溜槽位置进行判断，得到有效或无效的距离状态，将其存入数据库的距离状态列，成像系统每次接收到继电器信号会将继电器的开关信息转换成溜槽的位置信号，存入数据库中的溜槽位置列，成像系统按照设定的刷新频率获取距离数据，并根据距离状态标记，对距离特性进行判断，修复被隔挡雷达的距离，进行3D成像。

下面结合成像装置和成像方法的关键技术特征做进一步的描述：

1.本发明采用继电器与多点雷达协同检测的方法，其目的在于去除溜槽隔挡对成像的间隙的干扰，继电器用于检测溜槽所在位置，判断雷达是否被溜槽挡住，当溜槽转到继电器的下方时，继电器会被触发，得到溜槽所在区域，此时，上位机得到继电器传上来的编码信息，明确告诉此时溜槽所处的位置，并将溜槽位置信息存入数据库中，为阻挡判断提供依据。

数据位标记和传输方法如下：

一种是直接传数据，数据格式为每一个雷达点的距离数据，8位，16位或者其他格式，前2位是布矿或者布焦的标识位，最后面的标识位为运动溜槽的位置信息，雷达落到那个区域，就给该区域的雷达数据做一个号称是病态的标记，上位机程序对病态的数据会进行判断，给予特殊的信号处理方法。

另外一种方法是一台雷达连续传512点，或者1024点，或者2048点等到结束，传输的数量比较大，方法和前述一样，然后6个雷达顺序传输完全部数据，上位机程序以时间判断此时数据是否有效，并决定提供给料面成像系统参与成像。

2.本发明采用雷达多点数据的CAN总线通信系统为双向传输方式，其结构如图6所示，CAN总线采用CAN转光纤，光纤转CAN的形式。本发明的多点雷达协同成像系统分为高炉现场部分和上位机部分，高炉炉顶上安装的六台雷达用于测量料面的高度，通过模式选择可以使雷达发出原始AD数据或距离数据，经过CAN总线传到上位机，上位机也可以通过CAN总线设置雷达的工作模式和参数等信息。

3.本发明采用上位机控制远程多点雷达协同工作的方式。即雷达接收到上位机的采集命令后，雷达才开始进行测量工作，雷达完成测量工作后将AD数据发送给上位机，上位机进行接收工作，当接收异常时，会再次向雷达发送采集请求，如接收正常或超时，上位机对AD数据进行信号处理，计算出雷达的测量值，然后向下一个雷达发送采集请求，如此循环，各个雷达之间协调工作流程图如图4所示。

4.本发明采用新的多点雷达协同校正算法。本发明提出了3种多点雷达协同补偿算法。算法的原理在于，当成像系统调用距离数据进行成像时，先判断溜槽所在位置，明确某一雷达的信号被溜槽阻挡，然后根据料面的空间相关性、料面高度时间上的连续性和先验料面模型规律等，用其它雷达的距离数据或被隔挡雷达之前的数据对被隔挡的雷达距离进行补偿修正。算法的流程图如图5所示。

5.本发明提出了继电器信号驱动成像程序调取距离数据的工作方式。在系统运行时，成像系统采用雷达距离逐个获取的方式，例如当溜槽在区域时，系统获取

区域内所有雷达的距离数据，在

区域时获取

区域的雷达数据，依次类推，系统每次都获取溜槽所在区域的下一个区域的雷达距离数据。溜槽转动一周后就会得到每一台雷达不被溜槽隔挡的数据。此方法在溜槽正常工作时可以很好的避开了溜槽隔挡的问题，不会在雷达被隔挡时调用雷达的距离数据。

6.本发明采用数据采集系统和成像系统协同工作的方式。如图1中所示，系统运行时，数据采集系统不间断的采集六个雷达的数据并计算出相应距离，存入数据库中的距离信息列中，并在存储时对当前的溜槽位置进行判断，得到有效或无效的距离状态，将其存入数据库的距离状态列。成像系统每次接收到继电器信号也会将继电器的开关信息转换成溜槽的位置信号，存入数据库中的溜槽位置列，成像系统按照设定的刷新频率获取距离文件的数据，并根据距离状态标记，对距离的特性进行判断，修复被隔挡雷达的距离，进行3D成像。

7.本发明还可以不直接读取继电器或者模拟信号判断溜槽位置，而是采用网络读取的方法，由计算机数据库直接给出高炉溜槽的位置信息，进而获知溜槽运动的准确位置，此时溜槽信息与不同点雷达协调工作，其协同判断和成像方法与前述内容相同。

附图说明

图1为高炉多点雷达料面监测系统结构框图。其中，1是高炉多点雷达，2是六点继电器，3是CAN通信系统，4是USB-4711通信系统，5是数据采集系统，6是雷达信号收发模块，7是雷达AD数据文件库，8是信号处理系统，9是信号波形显示系统，10是用于存储距离及标识信息的数据库文件，11是成像系统，12是继电器信号接收系统，13是距离补偿校正系统，14是3D料面成像系统。

图2为高炉炉顶雷达和继电器分布图。其中1、2、3、4、5、6为6台雷达，A～F为6点继电器，

为六点继电器将高炉炉顶分成的六个扇形区域。

图3为本发明的成像系统的程序流程图。

图4为本发明的多点雷达交替工作流程图。

图5为本发明提出的3种补偿算法原理图。

图6为本发明的CAN总线通信系统结构图。

具体实施方式

图1～5为本发明的具体实施方式，如图4所示，每个雷达根据上位机数据采集系统的控制逻辑依次采集AD数据，然后通过如图6所示的线路传输到计算机，并由数据采集系统计算出料面高度，最后由成像系统对料面的高度进行最后处理，进行成像。

如图2所示，假设雷达安装序号1，2，3，4，5，6，在高炉炉顶6个均匀分布的扇形环面上，安装有6个逻辑继电器，假设序号为A，B，C，D，D，F。假设溜槽沿逆时针转动时，在雷达1的前后安装了继电器A和B，当继电器A开关被触发时，表示溜槽进入了

区域，标记雷达1的距离状态为被阻挡状态，当继电器开关B被触发时，表示溜槽进入了

区域，雷达1不再被阻挡，雷达2、3被阻挡，以此类推。采用类似逻辑判断的方法，可以判断任意时间雷达是否被溜槽阻挡。

如图1所示，数据采集系统以最快的速度不断的接收雷达的数据，进行信号处理后，将雷达距离存入数据库中的距离列中，在保存时先对当时数据库中的溜槽位置进行读取判断，得出当前的距离状态，存入距离状态中。成像系统通过编码器接收继电器的信号，并将继电器信号转换为溜槽位置信号，存入数据库的溜槽位置列中

对于距离的最终获取，成像系统可工作于以下两种模式：

1.继电器信号驱动模式，在此模式下，系统每接收到继电器被触发的信号，就会判断出溜槽所在区域，假设在

区域，则系统会通过距离文件获取区内雷达的距离数据，以此类推。当溜槽转动一周时，系统就会得到全部雷达的一组距离数据。这组数据是没有被溜槽阻挡的，可进行成像。

2.固定时间刷新模式，在该模式下，系统每隔固定时间就会从数据库获取距离数据，根据保存距离时的距离状态位判断哪个雷达的距离被隔挡，调用补偿算法进行修复和补偿，然后进行成像。

一般情况下，继电器的6点信号，实时通过编码器传输到上位机，上位机接收到信号后，更新每个溜槽位置的标识位。

本发明采用继电器信号驱动和固定时间刷新两种模式协同工作的方式。

当溜槽在正常工作时，其周期在7.5s左右，此时采用继电器信号驱动成像系统成像的工作方式，虽然得到的雷达距离存在一定时间差，但是在这么短的时间内料面的高度值不会产生较大变化。当溜槽运动过慢时，继电器信号驱动模式会使得距离获取的周期过慢，距离无法表示当前料面的情况，这时就采用固定时间刷新模式，如图3所示。在系统中可以根据两次接收继电器信号的时间差计算溜槽的运行周期，然后根据周期选择模式。

在固定时间刷新模式下，本发明提出了3种多点雷达信号的协同补偿算法，算法的结构图如图5所示。

算法1：使用当前雷达没有被阻挡的历史数据建立估计模型，计算出当前雷达对应料面的高度值估计值。当雷达脱离阻挡后，计算出估计系统的误差，然后根据误差对补偿模型的参数重新进行调整。

这种调整包括：料面上升下降速度的斜率修正，料面起始点修正等数学模型的补偿方法，目前共知的多种曲线拟合和补偿方法，均可以使用。

模型的建立，可以使用诸如，最小二乘、神经网络等线性或非线性的模型。

算法步骤如下：

根据雷达在时间轴上被溜槽隔挡的情况，选择输入变量及其个数m，确定数据长度，初始化模型参数，输入信号u_k。

根据模型参数和输入变量预测被隔挡雷达的距离y′_k，还有被隔挡雷达的下一个雷达距离y′_k+1。

等待雷达获取隔挡雷达的下一个雷达真实的距离数据y_k+1。

把误差y_k+1-y′_k+1作为反馈，根据模型特征修改模型的参数。

在程序运行过程中，此算法能根据高炉内，不同点的料面的升降速度，自动调整模型参数，达到自适应模型估计的效果。

算法2：对距离状态为阻挡状态的距离，成像系统不用其距离参与成像。虽然降低了成像精度，但不至于出现明显成像的错误现象。

算法3：被阻挡雷达的距离用前一时刻距离和其相邻且没有被阻挡的雷达的距离变化值进行补偿，虽然其它雷达的值不能准确的代表当前雷达的距离，但是在相同的炉况内，每个雷达照射点的料面升降速度之间具有相关性，可通过相邻雷达在这一时间段内料面的变化情况，推算出被标记雷达料面的变化情况，再根据前一时刻的距离，计算出被溜槽隔挡时刻的距离。

为了能更好地分析雷达回波信号，将雷达的回波信号通过采样得到AD数据发送到上位机，每台雷达计算出一个距离需要1024个AD数据，并且所有雷达都需要将这1024个AD数据发送到上位机。

高炉现场环境复杂，干扰源无处不在，为保证传输数据更有效，本发明采用CAN转光纤，和光纤转CAN的通讯形式。在炉顶，雷达到炉顶控制柜之间使用屏蔽双绞线的CAN传输形式，经过炉顶控制柜的CAN转光纤转换器后，通过光纤传到炉底的控制室，在控制室内再次通过转换器转换成屏蔽双绞线内的电信号，然后经过CAN适配器将CAN信号转换为USB让计算机接收。

上述的多雷达信号协同分析与CAN通讯的数据传输系统，相对传统的6点雷达专利，采用CAN总线和光纤传输数据，传输的信息量大，可以研究料面的多种回波信息，进而对应发现各种溜槽阻挡，料流轨迹阻挡等情况，而不是仅仅传递一个4-20mA的电流信号对应高度信息。

上述方法不仅仅局限于所述内容，其采用CAN加光纤的多点雷达数据的协同判断方法，以及公知的数据位系统传输格式，均可以有多种变化，均落入本发明的保护之中。

对于协同成像中溜槽位置的判断方法，可以是来自于炉顶PLC的溜槽开关信号，模拟信号，也可以是来自于任意其他数据库的溜槽位置信号，只要运用到溜槽位置与雷达多点的协同判断与成像，均落入本专利的保护范围。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于溜槽位置判断的多点雷达协同成像装置，其特征在于，该装置包括：高炉炉顶雷达区域安装的多个雷达，检测溜槽位置的多个继电器，CAN总线通信系统，数据采集系统，用于存储距离及标识信息的数据库，成像系统，其中，所述继电器均匀分布安装在高炉的圆周区域，将高炉分成多个区域，各个继电器实时检测溜槽位置，判断雷达的测量信号是否被溜槽阻挡，所述测量信号通过CAN总线通信系统发送到上位机，由数据采集系统接收，并计算出各雷达距离和获得标识信息，然后存入数据库，最后对多个雷达距离进行数据分析处理，修复被溜槽阻挡点的雷达距离，进行3D成像。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述上位机能够通过CAN总线通信系统向雷达发送控制信息，控制雷达的工作状态。

3.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述雷达为4~7个，所述继电器为6个。

4.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述CAN总线通信系统采用双向传输模式进行数据传输。

5.根据权利要求1-4之一所述的成像装置的成像方法，其特征在于，其中，所述继电器用于实时检测溜槽所在位置，判断雷达是否被溜槽阻挡，当溜槽转到继电器的下方时，继电器会被触发，得到溜槽所在区域，此时，上位机得到继电器传上来的编码信息，明确此时溜槽所处的位置，并将溜槽位置信息存入所述数据库中，为阻挡判断提供依据。

6.根据权利要求1-4之一所述的成像装置的成像方法，其特征在于，其中，所述成像系统分为高炉现场部分和上位机部分，高炉炉顶上安装的雷达用于测量料面的高度，通过模式选择使雷达发出原始AD数据或距离数据，经过所述CAN总线通信系统传到所述上位机。

7.根据权利要求1-4之一所述的成像装置的成像方法，其特征在于，其中，某一雷达接收到上位机的采集命令后，该雷达才开始进行测量工作，该雷达完成测量工作后将AD数据发送给上位机，上位机进行接收工作，当接收异常时，会再次向该雷达发送采集请求，如接收正常或超时，上位机对AD数据进行信号处理，计算出该雷达的测量值，然后向下一个雷达发送采集请求，如此循环，各个雷达之间协调工作。

8.根据权利要求1-4之一所述的成像装置的成像方法，其特征在于，其中，所述成像系统工作于继电器驱动模式时，每次都获取溜槽所在区域的下一个区域的雷达的距离数据，溜槽转动一周后就会得到每一台雷达不被溜槽隔挡的数据。

9.根据权利要求1-4之一所述的成像装置的成像方法，其特征在于，其中，当成像系统调用距离数据进行成像时，会对所调用距离对应的距离状态进行判断，得出被溜槽阻挡的雷达距离，然后根据料面的空间相关性、料面高度时间上的连续性和先验料面模型规律，用其它雷达的距离数据或被隔挡雷达之前的数据对被隔挡的雷达距离进行补偿修正。

10.根据权利要求1-4之一所述的成像装置的成像方法，其中，所述数据采集系统不间断的采集多个雷达的数据并计算出相应距离，存入数据库中的距离信息列中，并在存储时对当前的溜槽位置进行判断，得到有效或无效的距离状态，将其存入数据库的距离状态列，成像系统每次接收到继电器信号会将继电器的开关信息转换成溜槽的位置信号，存入数据库中的溜槽位置列，成像系统按照设定的刷新频率获取距离数据，并根据距离状态标记，对距离特性进行判断，修复被隔挡雷达的距离，进行3D成像。

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