高爐紅外/雷達(dá)復(fù)合探測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

曾秀麗，郝勝男，譚長江

（1. 河北理工大學(xué) 計算機(jī)與自動控制學(xué)院，唐山 063009； 2. 唐山建龍實業(yè)有限公司，唐山 063009）

0 引言

由于鋼廠高爐內(nèi)部的環(huán)境惡劣，直接檢測其料面狀況非常困難，但在高爐運(yùn)行過程中又必須控制料面形狀。早期這種料面控制主要依據(jù)現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗，但這種基于經(jīng)驗的方式有很大的隨意性；后來對于封閉高爐面的監(jiān)視又采用機(jī)械探尺的方法，這種方法雖然能夠較為準(zhǔn)確地探測爐內(nèi)數(shù)據(jù)，但其具有無法遍歷爐頂料面各點的天生缺點。目前出現(xiàn)一些新的監(jiān)測手段，如在爐內(nèi)安裝視頻監(jiān)測系統(tǒng)，在高溫下可以看見爐內(nèi)的布料狀態(tài)、爐內(nèi)火焰和爐邊火焰的發(fā)展情況，但在光線較暗、料位很低時，看不見爐內(nèi)的布料情況。也有一些單位單純地采用紅外技術(shù)，這在一定程度上彌補(bǔ)了可視探測的不足，優(yōu)點是可以根據(jù)像素值和像素之間的關(guān)系構(gòu)造三維圖像，全面反映爐頂料面形狀，具有較高的探測精度，其缺點是在低溫區(qū)效果不好[1]。早在九十年代我國一些鋼廠就開始探索使用雷達(dá)技術(shù)作為解決爐內(nèi)料面控制的手段，使用毫米波可以獲得很高的分辨力，在合理的天線尺寸下，可形成極窄的波束，即在實孔徑上獲得高的角分辨力，這是毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢[2]。這種優(yōu)勢同樣在一定程度上彌補(bǔ)了紅外探測在低溫區(qū)的不足。但將雷達(dá)應(yīng)用在這種探測上，其成像質(zhì)量與紅外及可視探測相比差距較大，這是其無法克服的缺點之一。

為達(dá)到掌握爐內(nèi)狀況，更好地控制高爐的目的，高爐現(xiàn)象的模擬與解析是人們多年來研究的重要內(nèi)容[3]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，研究者們逐漸在高爐信息檢測中引入數(shù)學(xué)建模思想，并將計算機(jī)技術(shù)、多媒體虛擬技術(shù)引入到高爐檢測中，將高爐封閉空間轉(zhuǎn)變成可視化的操作過程。本文以某鋼廠的高爐為研究背景，創(chuàng)造性地提出了將紅外探測與雷達(dá)探測相結(jié)合的概念，同時在這種復(fù)合探測的指導(dǎo)思想下建立了基于圖像處理的高爐料面在線檢測模型，將紅外探測與雷達(dá)探測的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合化處理與顯示。通過仿真實驗證明該設(shè)計在探測的準(zhǔn)確性與全面性上均比單純的紅外探測或雷達(dá)探測有較大提高。

1 復(fù)合探測系統(tǒng)的特點與設(shè)計

如果采用單純的紅外探測與雷達(dá)探測，則其工作過程如下所述：紅外攝像裝置采用的非制冷紅外CCD芯片。通過紅外線接收器把爐料和煤氣等發(fā)熱體表面諸點的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號，再轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號，通過視頻線輸入到錄像機(jī)和監(jiān)視器上。單純的雷達(dá)探測過程為：雷達(dá)裝置向高爐料面發(fā)出雷達(dá)波，并根據(jù)回波數(shù)據(jù)判斷料面是否正確。來源于各個雷達(dá)的電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)各自雷達(dá)傾斜的角度和高爐參數(shù)，推算高爐的料面位置，并計算料面的下降速度，再經(jīng)過一系列軟件處理算法，產(chǎn)生料面模型，并將此結(jié)果實時顯示。本設(shè)計采用復(fù)合的手段將紅外與雷達(dá)的探測結(jié)果分別進(jìn)行處理，但在顯示時采用復(fù)合顯示與單獨(dú)顯示相配合的方式，這樣極大的彌補(bǔ)了這兩種探測方法在爐料探測過程中的缺點，可以在全面探測的基礎(chǔ)上有效提高探測的精確度。

我們的設(shè)計無論是在結(jié)構(gòu)上還是在數(shù)據(jù)的處理與集成顯示上我們都做了較為合理的復(fù)合。在探測結(jié)構(gòu)上紅外系統(tǒng)具有如下特點：紅外CCD攝像機(jī)鏡頭視角達(dá)1100，不用調(diào)焦，沒有機(jī)械和電動部件；整個裝置采用球閥和密封套兩道密封，可在生產(chǎn)中維護(hù)和更換，簡便快捷。紅外CCD采用非制冷產(chǎn)品減小了維護(hù)費(fèi)用，并用氮?dú)饣騼裘簹鈿饽环雷o(hù)，可使CCD在高溫、高壓、高塵、高濕的爐內(nèi)長期穩(wěn)定工作。而雷達(dá)部件的安裝完全兼顧紅外結(jié)構(gòu)的安裝，在整個安裝系統(tǒng)中將紅外探測裝置與雷達(dá)探測裝置安裝在一起，并依據(jù)維護(hù)方便的原則使安裝具有相對的獨(dú)立性。雷達(dá)設(shè)備安裝在高爐外部的平臺上，法蘭盤封口采用了隔熱材料，確保爐子和雷達(dá)設(shè)備之間的隔離和密封，雷達(dá)設(shè)備與爐體沒有直接的機(jī)械連接。雷達(dá)的發(fā)射接收天線深入到套筒內(nèi)接近爐體處，并在連接法蘭處安排相應(yīng)的吹除冷卻系統(tǒng)，從而有效保障雷達(dá)在粉塵和熱氣流波動的情況下，穩(wěn)定地采集到所需數(shù)據(jù)。當(dāng)紅外與雷達(dá)探測系統(tǒng)均探測到爐內(nèi)的布料狀態(tài)及內(nèi)部火焰的發(fā)展時，初始信息就進(jìn)入主控計算機(jī)，利用處理軟件將爐內(nèi)信息進(jìn)行輸出。圖1為系統(tǒng)的工作流程圖。

圖1 高爐紅外／雷達(dá)復(fù)合探測系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理過程為：安裝在高爐頂端的紅外CCD探測系統(tǒng)和雷達(dá)發(fā)射與接收系統(tǒng)將探測到的爐

料的物理信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的微弱模擬電信號進(jìn)行輸出，這些信號的輸出通過電纜傳送給位于爐外的探測模塊中的數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，同時對信號進(jìn)行數(shù)字化。系統(tǒng)的硬件采用模塊化、即插即用技術(shù)。在數(shù)據(jù)采集的過程中紅外系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)采用各自的專用傳輸電纜及專用地線，這樣能夠防止信號的串?dāng)_，提高信號的可靠性。獲取到數(shù)據(jù)后，都不可避免地會在有效數(shù)據(jù)中混雜不合理的噪聲。在借助各種濾波手段去除噪聲的過程中，必須在實時性和數(shù)據(jù)質(zhì)量上進(jìn)行平衡[4]。本文的設(shè)計中采用加權(quán)平均濾波方法對系統(tǒng)的噪聲進(jìn)行抑制，這樣既不會讓噪聲干擾建模效果，又不會濾除工作人員所需的真實信息。

由于我們采用紅外探測與雷達(dá)探測相復(fù)合的方案，因此統(tǒng)一數(shù)據(jù)的坐標(biāo)單位對于最終的處理與復(fù)合顯示具有重要意義。我們采用的方案是建立一種數(shù)據(jù)矩陣，利用一些條件信息定位爐內(nèi)空間的坐標(biāo)，這樣在編程與顯示的過程中就不會引起混亂。本系統(tǒng)的紅外CCD探測把圖像上各點的灰度值轉(zhuǎn)化為溫度值，用偽彩圖、數(shù)值圖、曲線圖等形式在彩色監(jiān)視器上顯示料面溫度的分布狀況。而雷達(dá)探測系統(tǒng)的成像處理包括坐標(biāo)變換；波束掃描軌跡校直；掃描行距的均勻化校正；像素內(nèi)插加密等。顯示功能中具有料面三維立體圖像的宏顯示；任意角度通過料面中心縱切面及其輪廊線顯示；任意水平高度的橫切面及其等高線顯示；表征料面的五個特征參量顯示，并可對圖像進(jìn)行偽著色，使操作人員對料面有完整的了解。

數(shù)據(jù)處理過程中料面的擬合算法是處理的依據(jù)。采用最小二乘法時，產(chǎn)生的擬合數(shù)據(jù)并不精確通過原始數(shù)據(jù)點，但是生成的多項式函數(shù)能夠被運(yùn)用在諸如趨勢分析等情況。采用NURBS曲面全局插值方法時，曲線曲面能夠精確通過原始數(shù)據(jù)點，但是僅僅能夠在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行插值，并不能夠生成曲線曲面方程[5]。對紅外與雷達(dá)的探測信息擬合時需要形成光滑的曲面圖像，這就需要將兩種算法結(jié)合來實現(xiàn)。但這兩種算法對于數(shù)據(jù)點集合都有一定的要求，即需要把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合矩形特征、均勻分布的數(shù)據(jù)集合。這就需要在曲面擬合算法上做出一定的調(diào)整，對于原始數(shù)據(jù)集合進(jìn)行坐標(biāo)投影和修正，使其符合標(biāo)準(zhǔn)算法的要求。

2 復(fù)合探測系統(tǒng)的軟件設(shè)計及實驗

在完成系統(tǒng)的復(fù)合式探測、接收、信號處理及成像系統(tǒng)的設(shè)計之后，我們對高爐內(nèi)的料面成形進(jìn)行了軟件設(shè)計。所設(shè)計的圖形控制界面主要包括六個部分。圖2為該觸摸界面的示意圖。

圖2 高爐紅外／雷達(dá)復(fù)合探測系統(tǒng)操作界面示意圖

1）系統(tǒng)運(yùn)行狀況，當(dāng)觸摸該部分時，就會顯示整個紅外探測系統(tǒng)、雷達(dá)探測系統(tǒng)以及高爐內(nèi)部的運(yùn)行狀況。內(nèi)容包括系統(tǒng)啟動及關(guān)閉、正常運(yùn)行、警告及警告內(nèi)容、危險及危險內(nèi)容等信息。該部分在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時會自動在屏幕及內(nèi)置喇叭中提示消息。

2）實時顯示部分，當(dāng)觸摸該部分時，就會出現(xiàn)顯示紅外采集圖像、顯示雷達(dá)采集圖像、復(fù)合顯示紅外與雷達(dá)的采集圖像三個按鈕。當(dāng)按下不同按鈕時，屏幕上將立刻采集當(dāng)前的紅外、雷達(dá)或者兩者的復(fù)合圖像。

3）料面溫度分布圖部分，按下該部分就會啟動紅外

探測系統(tǒng)，主機(jī)將該系統(tǒng)的探測結(jié)果以溫度分布切面圖的形式進(jìn)行顯示，通過切換可以觀察爐內(nèi)不同高度上的切面物料溫度分布狀況。

4）彩色顯示部分，按下該部分可以以定義的彩色圖案顯示料面的分布情況，這種分布按照由紫色到紅色表示料面密度由小到大的定義進(jìn)行。

5）標(biāo)準(zhǔn)對比選項，該部分主要用于將目前的爐內(nèi)狀況與先前設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，從而判斷目前的面料面狀況是否正常。

6）數(shù)據(jù)存儲選項，按下該按鈕則系統(tǒng)會將實時的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便離線處理。。

對于我們設(shè)計的復(fù)合探測系統(tǒng)，我們首先進(jìn)行了基于計算機(jī)的仿真，整個系統(tǒng)通過設(shè)定的指標(biāo)檢驗后，將該系統(tǒng)進(jìn)行了實際的布設(shè)，依托某鋼廠的某型號高爐，對系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的檢測與實驗。從實驗結(jié)果上看本系統(tǒng)完全能夠滿足對于高爐料面的準(zhǔn)確探測要求。由于本系統(tǒng)采用的是紅外探測與雷達(dá)探測相復(fù)合的手段，因此在聯(lián)合探測模式下，該系統(tǒng)的探測有效性和準(zhǔn)確性均比單獨(dú)的紅外探測或雷達(dá)探測有較大的提高。本系統(tǒng)完全可以在高爐的料面探測領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

3 結(jié)束語

本文針對高爐料面探測中各種探測手段的弱點對于探測精度的影響問題進(jìn)行了研究，創(chuàng)造性地提出將料面紅外探測與雷達(dá)探測相結(jié)合的方法，并設(shè)計了一套基于圖像處理的高爐料面在線檢測模型。對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進(jìn)行了深入的探討，尤其是復(fù)合探測與復(fù)合信號處理及復(fù)合顯示問題的研究。通過依托某鋼廠的某高爐進(jìn)行了相關(guān)的實驗。該實驗取得了完全的成功，證明了該方法的合理有效性，這種創(chuàng)新性的方法值得推廣。

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