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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于MMO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。
技术介绍
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MMO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，与本专利相关的专利技术专利有如中国专利公开号为CN02121548. O的专利技术专利《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的专利技术专利《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的专利技术专利《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的专利技术专利《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专利技术专利，例如中国专利公开号为CN102382918A的专利技术专利《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。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于MMO的高炉雷达测量料面的装置，利用MMO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。本专利技术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MMO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MMO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 MMO雷达成像原理，仅利用炉顶一本文档来自技高网...
【技术保护点】
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°C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；雷达电子腔内（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；所述雷达电子腔内（6）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。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：许鼎，李志平，武建华，王正鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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