高爐紅外/雷達復合探測系統的設計與實現

曾秀麗，郝勝男，譚長江

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

0 引言

由于鋼廠高爐內部的環境惡劣，直接檢測其料面狀況非常困難，但在高爐運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現場工作人員的經驗，但這種基于經驗的方式有很大的隨意性；后來對于封閉高爐面的監視又采用機械探尺的方法，這種方法雖然能夠較為準確地探測爐內數據，但其具有無法遍歷爐頂料面各點的天生缺點。目前出現一些新的監測手段，如在爐內安裝視頻監測系統，在高溫下可以看見爐內的布料狀態、爐內火焰和爐邊火焰的發展情況，但在光線較暗、料位很低時，看不見爐內的布料情況。也有一些單位單純地采用紅外技術，這在一定程度上彌補了可視探測的不足，優點是可以根據像素值和像素之間的關系構造三維圖像，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技術作為解決爐內料面控制的手段，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，這是毫米波雷達的優勢[2]。這種優勢同樣在一定程度上彌補了紅外探測在低溫區的不足。但將雷達應用在這種探測上，其成像質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。

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

1 復合探測系統的特點與設計

如果采用單純的紅外探測與雷達探測，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熱體表面諸點的紅外輻射能量轉換為電信號，再轉變為視頻信號，通過視頻線輸入到錄像機和監視器上。單純的雷達探測過程為：雷達裝置向高爐料面發出雷達波，并根據回波數據判斷料面是否正確。來源于各個雷達的電信號經數據采集卡送入計算機，計算機根據各自雷達傾斜的角度和高爐參數，推算高爐的料面位置，并計算料面的下降速度，再經過一系列軟件處理算法，產生料面模型，并將此結果實時顯示。本設計采用復合的手段將紅外與雷達的探測結果分別進行處理，但在顯示時采用復合顯示與單獨顯示相配合的方式，這樣極大的彌補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上有效提高探測的精確度。

我們的設計無論是在結構上還是在數據的處理與集成顯示上我們都做了較為合理的復合。在探測結構上紅外系統具有如下特點：紅外CCD攝像機鏡頭視角達1100，不用調焦，沒有機械和電動部件；整個裝置采用球閥和密封套兩道密封，可在生產中維護和更換，簡便快捷。紅外CCD采用非制冷產品減小了維護費用，并用氮氣或凈煤氣氣幕防護，可使CCD在高溫、高壓、高塵、高濕的爐內長期穩定工作。而雷達部件的安裝完全兼顧紅外結構的安裝，在整個安裝系統中將紅外探測裝置與雷達探測裝置安裝在一起，并依據維護方便的原則使安裝具有相對的獨立性。雷達設備安裝在高爐外部的平臺上，法蘭盤封口采用了隔熱材料，確保爐子和雷達設備之間的隔離和密封，雷達設備與爐體沒有直接的機械連接。雷達的發射接收天線深入到套筒內接近爐體處，并在連接法蘭處安排相應的吹除冷卻系統，從而有效保障雷達在粉塵和熱氣流波動的情況下，穩定地采集到所需數據。當紅外與雷達探測系統均探測到爐內的布料狀態及內部火焰的發展時，初始信息就進入主控計算機，利用處理軟件將爐內信息進行輸出。圖1為系統的工作流程圖。

圖1 高爐紅外／雷達復合探測系統工作流程圖

系統的數據采集與數據處理過程為：安裝在高爐頂端的紅外CCD探測系統和雷達發射與接收系統將探測到的爐

料的物理信息轉換為標準的微弱模擬電信號進行輸出，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據采集卡。數據采集卡對數據進行處理，將電流信號轉換為電壓信號，同時對信號進行數字化。系統的硬件采用模塊化、即插即用技術。在數據采集的過程中紅外系統與雷達系統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擾，提高信號的可靠性。獲取到數據后，都不可避免地會在有效數據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，必須在實時性和數據質量上進行平衡[4]。本文的設計中采用加權平均濾波方法對系統的噪聲進行抑制，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探測相復合的方案，因此統一數據的坐標單位對于最終的處理與復合顯示具有重要意義。我們采用的方案是建立一種數據矩陣，利用一些條件信息定位爐內空間的坐標，這樣在編程與顯示的過程中就不會引起混亂。本系統的紅外CCD探測把圖像上各點的灰度值轉化為溫度值，用偽彩圖、數值圖、曲線圖等形式在彩色監視器上顯示料面溫度的分布狀況。而雷達探測系統的成像處理包括坐標變換；波束掃描軌跡校直；掃描行距的均勻化校正；像素內插加密等。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，并可對圖像進行偽著色，使操作人員對料面有完整的了解。

數據處理過程中料面的擬合算法是處理的依據。采用最小二乘法時，產生的擬合數據并不精確通過原始數據點，但是生成的多項式函數能夠被運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據點，但是僅僅能夠在現有的數據之間進行插值，并不能夠生成曲線曲面方程[5]。對紅外與雷達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合來實現。但這兩種算法對于數據點集合都有一定的要求，即需要把數據轉化為符合矩形特征、均勻分布的數據集合。這就需要在曲面擬合算法上做出一定的調整，對于原始數據集合進行坐標投影和修正，使其符合標準算法的要求。

2 復合探測系統的軟件設計及實驗

在完成系統的復合式探測、接收、信號處理及成像系統的設計之后，我們對高爐內的料面成形進行了軟件設計。所設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／雷達復合探測系統操作界面示意圖

1）系統運行狀況，當觸摸該部分時，就會顯示整個紅外探測系統、雷達探測系統以及高爐內部的運行狀況。內容包括系統啟動及關閉、正常運行、警告及警告內容、危險及危險內容等信息。該部分在系統出現問題時會自動在屏幕及內置喇叭中提示消息。

2）實時顯示部分，當觸摸該部分時，就會出現顯示紅外采集圖像、顯示雷達采集圖像、復合顯示紅外與雷達的采集圖像三個按鈕。當按下不同按鈕時，屏幕上將立刻采集當前的紅外、雷達或者兩者的復合圖像。

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，主機將該系統的探測結果以溫度分布切面圖的形式進行顯示，通過切換可以觀察爐內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行。

5）標準對比選項，該部分主要用于將目前的爐內狀況與先前設定的標準進行對比，從而判斷目前的面料面狀況是否正常。

6）數據存儲選項，按下該按鈕則系統會將實時的探測數據進行存儲，以便離線處理。。

對于我們設計的復合探測系統，我們首先進行了基于計算機的仿真，整個系統通過設定的指標檢驗后，將該系統進行了實際的布設，依托某鋼廠的某型號高爐，對系統進行了相關的檢測與實驗。從實驗結果上看本系統完全能夠滿足對于高爐料面的準確探測要求。由于本系統采用的是紅外探測與雷達探測相復合的手段，因此在聯合探測模式下，該系統的探測有效性和準確性均比單獨的紅外探測或雷達探測有較大的提高。本系統完全可以在高爐的料面探測領域進行推廣。

3 結束語

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行了研究，創造性地提出將料面紅外探測與雷達探測相結合的方法，并設計了一套基于圖像處理的高爐料面在線檢測模型。對系統的軟硬件設計進行了深入的探討，尤其是復合探測與復合信號處理及復合顯示問題的研究。通過依托某鋼廠的某高爐進行了相關的實驗。該實驗取得了完全的成功，證明了該方法的合理有效性，這種創新性的方法值得推廣。

[1] 李祖樞.仿人智能控制.北京:國防工業出版社,2001.

[2] 陳先中,丁愛華,吳昀.高爐雷達料面成像系統的設計與實現[J].冶金自動化,2009,33(2):52-55.

[3] 張曉.紅外監視系統在高爐爐頂布料的應用[J].紅外檢測技術,2006,27(6):39-41.

[4] 丁義元,黃順吉.雷達技術應用于高爐料面測量[J].冶金自動化,1991,15(6):23-26.

[5] 馬明建.數據采集與處理技術[M].西安:西安交通大學出版社,2005.

[6] Piegl L.On NURBS:a survey[J].IEEE Computer Graphics and Application.1991.11(1):55-71.