曾秀麗，郝勝男，譚長(zhǎng)江

（1. 河北理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制學(xué)院，唐山 063009； 2. 唐山建龍實(shí)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(cè)其料面狀況非常困難，但在高爐運(yùn)行過(guò)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(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)，但這種基于經(jīng)驗(yàn)的方式有很大的隨意性；后來(lái)對(duì)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(cè)爐內(nèi)數(shù)據(jù)，但其具有無(wú)法遍歷爐頂料面各點(diǎn)的天生缺點(diǎn)。目前出現(xiàn)一些新的監(jiān)測(cè)手段，如在爐內(nèi)安裝視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在高溫下可以看見(jiàn)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(xiàn)較暗、料位很低時(shí)，看不見(jiàn)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(cè)的不足，優(yōu)點(diǎn)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(cè)精度，其缺點(diǎn)是在低溫區(qū)效果不好[1]。早在九十年代我國(guó)一些鋼廠就開(kāi)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(xiàn)尺寸下，可形成極窄的波束，即在實(shí)孔徑上獲得高的角分辨力，這是毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)[2]。這種優(yōu)勢(shì)同樣在一定程度上彌補(bǔ)了紅外探測(cè)在低溫區(qū)的不足。但將雷達(dá)應(yīng)用在這種探測(cè)上，其成像質(zhì)量與紅外及可視探測(cè)相比差距較大，這是其無(wú)法克服的缺點(diǎn)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(lái)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(cè)中引入數(shù)學(xué)建模思想，并將計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體虛擬技術(shù)引入到高爐檢測(cè)中，將高爐封閉空間轉(zhuǎn)變成可視化的操作過(guò)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(cè)與雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合的概念，同時(shí)在這種復(fù)合探測(cè)的指導(dǎo)思想下建立了基于圖像處理的高爐料面在線(xiàn)檢測(cè)模型，將紅外探測(cè)與雷達(dá)探測(cè)的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合化處理與顯示。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)在探測(cè)的準(zhǔn)確性與全面性上均比單純的紅外探測(cè)或雷達(dá)探測(cè)有較大提高。

1 復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)

如果采用單純的紅外探測(cè)與雷達(dá)探測(cè)，則其工作過(guò)程如下所述：紅外攝像裝置采用的非制冷紅外CCD芯片。通過(guò)紅外線(xiàn)接收器把爐料和煤氣等發(fā)熱體表面諸點(diǎn)的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)，通過(guò)視頻線(xiàn)輸入到錄像機(jī)和監(jiān)視器上。單純的雷達(dá)探測(cè)過(guò)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(lái)源于各個(gè)雷達(dá)的電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)，計(jì)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(jì)算料面的下降速度，再經(jīng)過(guò)一系列軟件處理算法，產(chǎn)生料面模型，并將此結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。本設(shè)計(jì)采用復(fù)合的手段將紅外與雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果分別進(jìn)行處理，但在顯示時(shí)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(cè)方法在爐料探測(cè)過(guò)程中的缺點(diǎn)，可以在全面探測(cè)的基礎(chǔ)上有效提高探測(cè)的精確度。

我們的設(shè)計(jì)無(wú)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(cè)結(jié)構(gòu)上紅外系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：紅外CCD攝像機(jī)鏡頭視角達(dá)1100，不用調(diào)焦，沒(méi)有機(jī)械和電動(dòng)部件；整個(gè)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(jiǎn)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(zhǎng)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(gè)安裝系統(tǒng)中將紅外探測(cè)裝置與雷達(dá)探測(cè)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(duì)的獨(dú)立性。雷達(dá)設(shè)備安裝在高爐外部的平臺(tái)上，法蘭盤(pán)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(méi)有直接的機(jī)械連接。雷達(dá)的發(fā)射接收天線(xiàn)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)均探測(cè)到爐內(nèi)的布料狀態(tài)及內(nèi)部火焰的發(fā)展時(shí)，初始信息就進(jìn)入主控計(jì)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(cè)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(guò)程為：安裝在高爐頂端的紅外CCD探測(cè)系統(tǒng)和雷達(dá)發(fā)射與接收系統(tǒng)將探測(cè)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(hào)進(jìn)行輸出，這些信號(hào)的輸出通過(guò)電纜傳送給位于爐外的探測(cè)模塊中的數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)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(guò)程中紅外系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)采用各自的專(zhuān)用傳輸電纜及專(zhuān)用地線(xiàn)，這樣能夠防止信號(hào)的串?dāng)_，提高信號(hào)的可靠性。獲取到數(shù)據(jù)后，都不可避免地會(huì)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(guò)程中，必須在實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)質(zhì)量上進(jìn)行平衡[4]。本文的設(shè)計(jì)中采用加權(quán)平均濾波方法對(duì)系統(tǒng)的噪聲進(jìn)行抑制，這樣既不會(huì)讓噪聲干擾建模效果，又不會(huì)濾除工作人員所需的真實(shí)信息。

由于我們采用紅外探測(cè)與雷達(dá)探測(cè)相復(fù)合的方案，因此統(tǒng)一數(shù)據(jù)的坐標(biāo)單位對(duì)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(guò)程中就不會(huì)引起混亂。本系統(tǒng)的紅外CCD探測(cè)把圖像上各點(diǎn)的灰度值轉(zhuǎn)化為溫度值，用偽彩圖、數(shù)值圖、曲線(xiàn)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(cè)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(guò)料面中心縱切面及其輪廊線(xiàn)顯示；任意水平高度的橫切面及其等高線(xiàn)顯示；表征料面的五個(gè)特征參量顯示，并可對(duì)圖像進(jìn)行偽著色，使操作人員對(duì)料面有完整的了解。

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中料面的擬合算法是處理的依據(jù)。采用最小二乘法時(shí)，產(chǎn)生的擬合數(shù)據(jù)并不精確通過(guò)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，但是生成的多項(xiàng)式函數(shù)能夠被運(yùn)用在諸如趨勢(shì)分析等情況。采用NURBS曲面全局插值方法時(shí)，曲線(xiàn)曲面能夠精確通過(guò)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(xiàn)曲面方程[5]。對(duì)紅外與雷達(dá)的探測(cè)信息擬合時(shí)需要形成光滑的曲面圖像，這就需要將兩種算法結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。但這兩種算法對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)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(duì)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(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

在完成系統(tǒng)的復(fù)合式探測(cè)、接收、信號(hào)處理及成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后，我們對(duì)高爐內(nèi)的料面成形進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的圖形控制界面主要包括六個(gè)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(cè)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(shí)，就會(huì)顯示整個(gè)紅外探測(cè)系統(tǒng)、雷達(dá)探測(cè)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(dòng)及關(guān)閉、正常運(yùn)行、警告及警告內(nèi)容、危險(xiǎn)及危險(xiǎn)內(nèi)容等信息。該部分在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)會(huì)自動(dòng)在屏幕及內(nèi)置喇叭中提示消息。

2）實(shí)時(shí)顯示部分，當(dāng)觸摸該部分時(shí)，就會(huì)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(gè)按鈕。當(dāng)按下不同按鈕時(shí)，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(huì)啟動(dòng)紅外

探測(cè)系統(tǒng)，主機(jī)將該系統(tǒng)的探測(cè)結(jié)果以溫度分布切面圖的形式進(jìn)行顯示，通過(guò)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(duì)比選項(xiàng)，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(duì)比，從而判斷目前的面料面狀況是否正常。

6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選項(xiàng)，按下該按鈕則系統(tǒng)會(huì)將實(shí)時(shí)的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便離線(xiàn)處理。。

對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)，我們首先進(jìn)行了基于計(jì)算機(jī)的仿真，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定的指標(biāo)檢驗(yàn)后，將該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的布設(shè)，依托某鋼廠的某型號(hào)高爐，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看本系統(tǒng)完全能夠滿(mǎn)足對(duì)于高爐料面的準(zhǔn)確探測(cè)要求。由于本系統(tǒng)采用的是紅外探測(cè)與雷達(dá)探測(cè)相復(fù)合的手段，因此在聯(lián)合探測(cè)模式下，該系統(tǒng)的探測(cè)有效性和準(zhǔn)確性均比單獨(dú)的紅外探測(cè)或雷達(dá)探測(cè)有較大的提高。本系統(tǒng)完全可以在高爐的料面探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高爐料面探測(cè)中各種探測(cè)手段的弱點(diǎn)對(duì)于探測(cè)精度的影響問(wèn)題進(jìn)行了研究，創(chuàng)造性地提出將料面紅外探測(cè)與雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合的方法，并設(shè)計(jì)了一套基于圖像處理的高爐料面在線(xiàn)檢測(cè)模型。對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探討，尤其是復(fù)合探測(cè)與復(fù)合信號(hào)處理及復(fù)合顯示問(wèn)題的研究。通過(guò)依托某鋼廠的某高爐進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)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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