CN111579023A - 一种线性调频连续波系统高炉料面距离的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线性调频连续波系统高炉料面距离的测量方法，其一，本方法依据高炉内料面高度在炼钢使用中的变化范围，计算相应的料面反波与发射信号的混频信号的频率范围，据此相应滤除该频率范围以外的信号，可大幅降低A/D模数转化采样频率，进而显著幅减轻FFT快速傅里叶变换的运算开销。其二，本方法采用的恒虚警门限由后延参考滑窗求和所得，并根据铁矿石粗糙料面情况加入相应数量的保护单元，以避开位于料面上方凹凸不平而形成的料面过渡区。其3，本方法测量的是料面的开始位置，不随铁矿石、焦炭分层交替重叠布料情况而变化，显著优于根据回波信号的峰值位置来探测料面距离的处理方法，能有效提高料面的距离测量精度。

Description

一种线性调频连续波系统高炉料面距离的测量方法

技术领域

本发明针对高炉铁矿石、焦炭分层交替重叠布料的特点，涉及一种线性调频连续波系统高炉料面距离的测量方法。

背景技术

钢铁工业是我国国民经济长期的支柱性产业，是发展其他产业的重要基础，在社会发展和经济建设中发挥着举足轻重的作用。高炉是钢铁生产过程中的关键设备，关系到行业的钢铁产能、能源消耗和环境污染。维持高炉的长期稳定、高效运行，是钢铁行业追求的共同目标。高炉内部料面分布是影响高炉炉况的重要因素之一，对于维持高炉煤气流合理分布、增加料层透气性和高炉优化操作有重要作用。目前高炉料面检测设备主要有机械探尺、十字测温仪、红外扫描仪、红外摄像仪、激光测距仪以及高炉雷达等。针对高炉的密闭性，不能准确、直观检测料面状态的问题，高炉料面测量的雷达探尺技术、高炉料面雷达成像技术被越来越重视，必将得到更加广泛的应用。而高炉料面距离的精确测量是其中的核心技术。

发明内容

本发明的目的：无论是高炉雷达探尺还是高炉雷达料面成像探测系统，料面距离的测量精度是其中的核心指标。高炉布料主要为焦炭和铁矿石，二者分层交替重叠布料，而这两种材料的微波反射特性和穿透特性差异巨大，焦炭和铁矿石的加料厚度以及二者的层叠分布情况严重影响着回波信号幅度峰值大小和峰值位置；换言之，在料面位置相同的情况下，铁矿石上面覆盖一层焦炭与焦炭上面覆盖一层铁矿石，其料面回波信号的峰值位置是不相同的，回波信号幅度峰值处并不总是对应于料面位置，而是随料面下方所处焦炭和铁矿石等材料的不同和分布情况而变换。因此根据料面回波信号的峰值位置来检测料面距离的方法存在着不确定性。本发明的目标是提供一种不随高炉布料材料而变化的高炉料面距离精确检测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种线性调频连续波雷达高炉料面距离的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、线性调频连续波系统通过天线发射信号，遇到物体后将产生反射回波，将回波信号与发射信号混频得到差频信号；

步骤2、差频信号通过带通滤波器，分别虑掉近距离的低频干扰回波信号和设定料面测量距离范围以外的高频干扰回波信号；

步骤3、在扫频周期开始后，在每一个扫频周期内对步骤2处理后的信号进行A/D采样，实现模数变换和数据采样，每个扫频周期获得一组采样数据；

步骤4、从步骤3得到的每一组采样数据中顺序提取2ⁿ长度的数据，其中n为正整数；

步骤5、对步骤4得到的数据组进行FFT快速傅里叶变换，获得2ⁿ个频谱数据；

步骤6、将步骤5得到的2ⁿ个频谱数据一分为二，只保留前半部分的从第0个至第2^{n -1}-1个频谱数据；

步骤7、步骤6得到的频谱数据为复数，设实部为I，虚部为Q，用公式sqrt(I*I+Q*Q)计算出信号幅度A_i，即A_i＝sqrt(I*I+Q*Q)，其中i表示为步骤6得到的第i个频谱数据的幅度；

步骤8、从信号幅度A_i的数据序列中，找出最先满足公式：

A_i>(A_i-6+A_i-7+A_i-8+A_i-9)的首个位置，即满足条件的i第一个数值；i的取值范围是从10开始到n-1结束；

步骤9、根据步骤8得到的i的数值计算出料面距离；

步骤2包括：对步骤1得到的差频信号，采用通带滤波虑掉无效低频信号分量以及无效的高频信号分量。

步骤3包括：对于步骤2处理后得到的信号，以不小于其最高回波信号频率2倍的频率f进行A/D采样。

步骤4包括：设定最近距离G＝2.2米，料面处于最近距离以外；扫频周期开始以后，电磁波必须经过最近距离的传输延迟T，才能够从步骤3的采样数据中顺序中提取2ⁿ长度的数据进行FFT快速傅里叶变换，传输延迟T计算公式为：

T＝G*2/C

其中，C表示光速。

步骤4包括：根据如下公式计算扫频周期内的A/D数据采样个数N：

N＝B*f，

其中，B表示扫频周期的时间长度，f表示步骤3中进行A/D采样时的A/D采样频率，根据N≥2ⁿ、N≤2ⁿ⁺¹计算出n的最大数，即为步骤4提取的用于FFT快速傅里叶变换的数据长度的值。

步骤5包括：FFT快速傅里叶变换是复数运算，将步骤4得到的数据作为实部输入，虚部输入设为0。

步骤8包括：采用后延参考滑窗，即相对于当前单元，采用其后延的第6、第7、第8以及第9个单元的频谱信号幅度之和作为门限，与当前单元的频谱信号幅度比较，如果当前频谱信号幅度大于门限幅度则判断当前位置为料面起始位置。

步骤8还包括：后延参考滑窗的门限设置6个距离保护单元，即与当前单元间隔了6个单元以后才取样滑窗门限。

步骤8还包括：设定料面局部凹凸起伏不平以及料面颗粒的影响小于6个距离保护单元；当料面局部起伏情况大于6个距离保护单元的大小时，需要增大距离保护单元的大小、或相应增加距离保护单元的个数，使步骤8中公式变为A_i>(A_i-m+A_i-m+A_i-m+A_i-m)，其中m为料面局部凹凸起伏含有距离保护单元的个数，m≥6。

有益效果：本发明可准确提取料面位置。在检测料面位置时通常通过检测回波信号幅度峰值来确定料面位置。高炉布料主要为焦炭和铁矿石，二者分层交替重叠布料，而这两种材料的微波反射特性和穿透特性差异巨大，焦炭和铁矿石的加料厚度以及二者的层叠分布情况严重影响着回波信号幅度峰值大小和峰值位置；换言之，在料面位置相同的情况下，铁矿石上面覆盖一层焦炭与焦炭上面覆盖一层铁矿石，其回波信号的峰值位置是不相同的，根据其回波信号的峰值位置来检测料面位置的方法存在着不确定性，回波信号幅度峰值处并不总是对应于料面位置，而是随料面下方所处焦炭和铁矿石等材料的不同和分布情况而变换。本方法从料面凹凸不平过渡区上方的回波信号中提取比较门限，判断料面的起始位置，所用方法可避免上述问题的发生。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

高炉料面复杂，有矿石、焦炭分层交替重叠布料，高炉料面属矿物、煤气、焦炭多元高温固体、溶体混杂共存的粗糙表面，其电磁反射特征包含非均匀和非平稳气固混合介质的电磁回波信息。为满足料面高精度测量要求，高炉雷达一般采用线性调频连续波体制，采用一种经典的直接数字频率合成(DDS)技术。由于直接数字频率合成(DDS)技术采用全数字化实现，得到顺速发展，目前DDS器件的频率可以高达10GHz，3.5GHz频率的器件被广泛应用，用力促进了线性调频连续波雷达的发展，使其距离分辨率具备了厘米级的潜力，可以很好地满足了高炉料面距离分辨率及测量精度的需要。

如图1所示，本发明提供了一种线性调频连续波系统高炉料面距离的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1、回波信号与发射信号混频得到差频信号。雷达测量采用的是高频信号，在正常测量时线性扫频经过天线发射，发射电磁波到被测量物质高炉料面后反射，经过时间延时，反射波被天线接收后，计算发射频率与反射频率之间的频率差值，与距离成正比，差值越大距离越远，反之亦然。反射信号通常又称为回波信号。反射信号与发射信号混频得到差频信号是连续波雷达探测技术中信号处理的第一步。

步骤2、差频信号通过带通滤波器，分别虑掉近距离的低频干扰回波信号和设定料面测量距离范围以外的高频干扰回波信号。高炉雷达为了获得高的距离分辨率和良好距离测量精度，一般具备很宽的线性频率调制范围，结果造成回波信号与发射信号的差频变化范围非常宽。由抽样定理可知，进行模数转化时的抽样频率通常为信号频率的2倍以上，差频信号频率越高，A/D数据采样所需的频率就越高，对器件性能的要求就越高。高炉在炼钢时料面高度变动范围有限，设定范围以外更远处的回波信号与料面无关，料面距离测量中也用不到。在高炉上安装的雷达到料面最近距离一般在4米以外，炼钢时雷达到料面的最长距离通常在20米以内，并根据安装情况而适当变化；分别将最近距离和最长距离乘以雷达的扫频系数，得到带通滤波器的低频截止频率和高频截止频率。据此滤除该频率范围以外的无效信号，大幅降度了差频信号的频率，从而可大幅降低A/D数据采样的频率，FFT傅里叶变换的长度随之减小。另外，料面上方存有十字测量架等其它物体，都会产生回波干扰。滤除近距离内物体的回波信号，可避免强反射大信号的饱和失真，有利于料面的准确测量。

步骤3、由于采用数字化技术进行信号处理，首先需要将模拟信号进行A/D数据采样，将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号存储起来，其中采样频率不低于信号频率的2倍，每个扫频周期可获得一组采样数据。

步骤4、从步骤3的每个扫频周期一组采样数据中顺序提取2ⁿ长度的数据，其中n为正整数。根据FFT快速傅里叶变换的要求，其输入数据长度必须为2ⁿ，其中n为正整数。2ⁿ根据如下条件计算：步骤3在每个扫频周期获得的采样数据的长度大于2ⁿ，小于等于2ⁿ⁺¹。

步骤5、对步骤4抽取的长度为2ⁿ的数据进行FFT快速傅里叶变换，从而获得2ⁿ个频谱数据。由于FFT快速傅里叶变换是复数运算，其输入的数据也必须是复数。当采用双路正交A/D采样时，将双路采样数据分别作为复数的实部和虚部输入；当采用单路A/D采样时，则将采样数据作为实部输入，虚部输入设为0。

步骤6、从步骤5的FFT快速傅里叶变换可获得2ⁿ个频谱数据，将其一分为二，只保留前半部分的频谱数据(即从第0个至第2^n-1-1个数据)。这是由于步骤3的A/D数据采样率不低于信号频率的2倍，即差频信号的频率不大于A/D采样频率的一半；而FFT快速傅里叶变换后的频谱范围对应于0～A/D采样频率之间，这样一来差频信号的频谱将分布于FFT快速傅里叶变换频谱范围的前半部分。

步骤7、步骤6的频谱数据为复数，复数频谱包含幅度和相位，幅度代表着频谱的信号大小。设频谱数据实部为I，虚部为Q，用公式sqrt(I*I+Q*Q)计算出频谱信号幅度A_i，其中i表示为来自步骤6的第i个频谱数据的信号幅度。

步骤8、从步骤7的频谱幅度A_i数据序列中，i从设定的高炉料面最近距离(注：大于10)到n-1逐次带入公式

A_i>(A_i-6+A_i-7+A_i-8+A_i-9)

找出最先满足公式的位置(即满足条件的i第一个数值)。雷达料面检测的目的是在干扰情况下检测料面目标回波信号。恒虚警检测的目的是确定在各种环境杂波和干扰情况下的检测阈值，并且将其与雷达采集到的信号进行比较，以得到料面检测的虚警概率。对于高炉雷达，料面以下是高炉炉料，只有料面上方才能用作恒虚警的参考滑窗。所以料面检测的门限由后延参考滑窗求和所得，并根据铁矿石粗糙料面情况加入6个保护单元，以避开位于料面上方由于凹凸不平而形成的料面过渡区。该步骤的特征包括用后延参考滑窗的第6、第7、第8以及第9个单元的信号幅度之和作为门限，与当前信号幅度比较，若信号幅度大于门限幅度则判断当前位置为料面起始位置。

步骤9、根据步骤8的i的数值计算料面距离。雷达测量采用的是高频信号，在正常测量时线性扫频，经过天线发射，发射电磁波到被测量物质高炉料面后反射，经过时间延时，反射波被天线接收后，经过步骤1～8的处理，计算出发射频率与高炉料面反射频率之间的频率差值，其与距离成正比，差值越大距离越远，反之亦然。公式为：

料面距离＝光速C/2＊差频频率△f/雷达扫频系数k

许多高炉装有“十”字测温架，炉内料面处于该测温架的下方，而“十”字测温架处于距顶部测量孔2米以外的位置。若线性调频连续波系统安装于炉顶测量孔，则料面的最小距离不会小于2.4米。

本方法采用的检测方法探测的是料面起始位置，不会随铁矿石、焦炭分层交替重叠布料情况的不同而变化，优于根据回波信号的峰值位置来探测高炉料面距离的处理方法，能够有效提高料面距离的测量精度。

本发明提供了一种线性调频连续波系统高炉料面距离的测量方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种线性调频连续波系统高炉料面距离的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、线性调频连续波系统通过天线发射信号，遇到物体后将产生反射回波，将回波信号与发射信号混频得到差频信号；

步骤2、差频信号通过带通滤波器，分别虑掉近距离的低频干扰回波信号和设定料面测量距离范围以外的高频干扰回波信号；

步骤3、在扫频周期开始后，在每一个扫频周期内对步骤2处理后的信号进行A/D采样，实现模数变换和数据采样，每个扫频周期获得一组采样数据；

步骤4、从步骤3得到的每一组采样数据中顺序提取2ⁿ长度的数据，其中n为正整数；

步骤5、对步骤4得到的数据组进行FFT快速傅里叶变换，获得2ⁿ个频谱数据；

步骤6、将步骤5得到的2ⁿ个频谱数据一分为二，只保留前半部分的从第0个至第2^n-1-1个频谱数据；

步骤7、步骤6得到的频谱数据为复数，设实部为I，虚部为Q，用公式sqrt(I*I+Q*Q)计算出信号幅度A_i，即A_i＝sqrt(I*I+Q*Q)，其中i表示为步骤6得到的第i个频谱数据的幅度；

步骤8、从信号幅度A_i的数据序列中，找出最先满足公式：

A_i>(A_i-6+A_i-7+A_i-8+A_i-9)的首个位置，即满足条件的i第一个数值；i的取值范围是从10开始到n-1结束；

步骤9、根据步骤8得到的i的数值计算出料面距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2包括：对步骤1得到的差频信号，采用通带滤波虑掉无效低频信号分量以及无效的高频信号分量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3包括：对于步骤2处理后得到的信号，以不小于其最高回波信号频率2倍的频率f进行A/D采样。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4包括：设定最近距离G，料面处于最近距离以外；扫频周期开始以后，电磁波必须经过最近距离的传输延迟T，才能够从步骤3的采样数据中顺序中提取2ⁿ长度的数据进行FFT快速傅里叶变换，传输延迟T计算公式为：

T＝G*2/C

其中，C表示光速。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4包括：根据如下公式计算扫频周期内的A/D数据采样个数N：

N＝B*f，

其中，B表示扫频周期的时间长度，f表示步骤3中进行A/D采样时的A/D采样频率，根据N≥2ⁿ、N≤2ⁿ⁺¹计算出n的最大数，即为步骤4提取的用于FFT快速傅里叶变换的数据长度的值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5包括：FFT快速傅里叶变换是复数运算，将步骤4得到的数据作为实部输入，虚部输入设为0。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤8包括：采用后延参考滑窗，即相对于当前单元，采用其后延的第6、第7、第8以及第9个单元的频谱信号幅度之和作为门限，与当前单元的频谱信号幅度比较，如果当前频谱信号幅度大于门限幅度则判断当前位置为料面起始位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤8还包括：后延参考滑窗的门限设置6个距离保护单元，即与当前单元间隔了6个单元以后才取样滑窗门限。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤8还包括：设定料面局部凹凸起伏不平以及料面颗粒的影响小于6个距离保护单元；当料面局部起伏情况大于6个距离保护单元的大小时，需要增大距离保护单元的大小、或相应增加距离保护单元的个数，使步骤8中公式变为A_i>(A_i-m+A_i-m+A_i-m+A_i-m)，其中m为料面局部凹凸起伏含有距离保护单元的个数，m≥6。

Images