脈沖毫米波雷達測量結晶器保護渣形態(tài)的研究

摘 要：針對連鑄生產(chǎn)工藝對保護渣厚度和均勻度測量的需求，文章設計了一種結晶器保護渣形態(tài)檢測的方案，利用脈沖毫米波信號的測距原理，對保護渣不同點位的上下表面反射的回波進行分析處理，得到保護渣上下表面高度及厚度數(shù)據(jù)，并合成三維圖像，以達到對保護渣形態(tài)的精確測量的目的。本方案可以在加渣過程中對保護渣厚度和均勻度的調整提供輔助參考，有助于實現(xiàn)連鑄生產(chǎn)中加渣過程的自動化。

關鍵詞：脈沖毫米波雷達；結晶器；脈沖壓縮；保護渣形態(tài)；三維圖像

Research on Measurement of Casting Powder Shape with

Pulse Millimeter-wave Radar

Qiao Zhiye1 Xiao Junsheng1 Liao Lijuan2

（1.School of Information Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou，Inner Mongolia 014010;

2.Inner Mongolia North Heavy Industries Group Corp.，Ltd.，Baotou，Inner Mongolia 014030）

Abstract：In view of the requirements of thickness and uniformity of casting powder in continuous casting production process，this paper designs a scheme of mold casting powder shape detection. By using the ranging principle of pulse millimeter-wave signal，the echoes reflected from the upper and lower surfaces of the casting powder at different point positions are analyzed and processed so that its height and thickness data are obtained，and three-dimensional images are synthesized to achieve the accurate measurement. The scheme can provide an auxiliary reference for the adjustment of the thickness and uniformity of the casting powder in the slagging process，which is helpful to realize the automation of the slagging process in continuous casting production.

Key words：pulse millimeter-wave radar; mold; pulse compression; casting powder shape; three-dimensional image

鋼水在結晶器中凝固成形的過程中為了防止鋼液與空氣直接接觸后發(fā)生二次氧化，需要在鋼水表面覆蓋一層厚度較為均勻的保護渣，保護渣與鋼水表面接觸后形成的熔渣層便能起到隔絕空氣的作用。在加渣過程中，結晶器內保護渣的厚度以及均勻度會嚴重影響鋼坯鑄造的質量。加渣量過大會導致鋼坯表面裂紋增加、夾渣疏松；加渣量過小會出現(xiàn)鋼水氧化、降溫快、結晶器磨損等現(xiàn)象。［1］因此，如何更好地控制結晶器內保護渣厚度和均勻度成為一個亟待解決的難題，即為本文研究測量結晶器保護渣形態(tài)的目的和意義。

結晶器保護渣厚度檢測是連鑄領域一項重要的研究內容。國內研究主要集中在小型結晶器保護渣厚度檢測技術和設備方面。例如，北京科技大學張炯明教授［2］在2008年利用電導率變化來測量保護渣厚度，東北大學謝植教授［3-5］于2010年用機器視覺來獲取保護渣“測溫棒”的溫度分布情況，從而間接測量出保護渣層的厚度。但直接或間接的接觸式測量對傳感器或測量器件性能要求較高，易受鋼水影響。武漢科技大學詹小輝［1］在2017年利用激光測距傳感器來檢測保護渣的厚度并成功繪制三維云圖。而在國外，日本的中森由紀夫［6］在上世紀末提出利用保護渣輻射能檢測保護渣厚度，但在充滿粉塵的熱環(huán)境下，輻射溫度傳感器的壽命和測量精度會受到影響。2018年，日本的山口雄平和佐藤康元［7］利用矢量網(wǎng)絡分析儀對保護渣固態(tài)粉層進行微波時域測量，結果表明方法可行?？偠灾瑖鴥韧庋芯空咴诮Y晶器保護渣檢測領域都取得了重大進展，不斷改進測量方法和技術，以改善檢測精度和靈敏度。

相較于前人的測量方式，本文提出應用脈沖毫米波雷達對結晶器內的保護渣進行形態(tài)檢測。脈沖毫米波雷達具有跟蹤精度高、穿透力強、避免收發(fā)干擾、擅長多目標檢測等優(yōu)勢。本文將介紹如何利用脈沖毫米波技術準確測量渣形態(tài)，并且在短時間內獲得高精度的結果。首先，脈沖毫米波雷達對結晶器內保護渣進行多點位地毯式掃描獲取原始數(shù)據(jù)。其次，對每一點位所獲取的數(shù)據(jù)進行脈沖壓縮處理，分析出對應點位的保護渣上下表面的距離從而得出厚度。最后，將處理的上下表面數(shù)據(jù)進行合成，繪制三維模擬圖像。

1 主要原理

1.1 測量方案

根據(jù)上文可知，保護渣的形態(tài)，即保護渣的厚度和均勻度對連鑄生產(chǎn)有著至關重要的影響。脈沖毫米波雷達對于保護渣形態(tài)的檢測是基于毫米波雷達的測距原理，即發(fā)射一系列短持續(xù)時間的信號脈沖（稱為Chirp，如圖1所示，fc為初始頻率，Tc為脈寬，B為帶寬，S為線性調頻脈沖上升的速率）來探測物體，然后接收反射回來的回波信號，從而測量出物體距離。區(qū)別于雷達基本測距原理的是，本研究是將保護渣的上下表面，即保護渣的上表面和保護渣與鋼水的交界面作為雷達測距的兩個目標。根據(jù)回波數(shù)據(jù)測出保護渣上下表面到雷達的距離，則可得到保護渣的厚度數(shù)據(jù)，根據(jù)保護渣不同厚度的分布情況，即可得知保護渣的均勻度。

定義回波到達的時間tR有兩種，第一種是傳統(tǒng)意義上以回波脈沖的前沿作為到達時刻，如圖2。

第二種是以回波脈沖的中心（或最大值）作為它的到達時刻。如圖3回波脈沖中心估計的原理框圖所示，接收天線接收到的回波信號和本機振蕩器的信號混頻后可得中頻信號，在匹配濾波器中放大，經(jīng)過包絡檢波器后得到中頻信號的信號包絡。和支路（∑）用于檢測目標的有無，原理是信號包絡與門限電壓T0比較輸出脈寬為τ的矩形脈沖，該脈沖作為和支路的輸出；差支路（Δ）由微分電路和過零點檢測器組成，用于確定回波脈沖的中心，原理是微分器的輸出經(jīng)過零值會產(chǎn)生一個窄脈沖，其出現(xiàn)時間為回波脈沖的最大值，通常為回波脈沖的中心。和支路脈沖輸入到零點檢測器，選擇回波峰值對應的窄脈沖，可防止因距離副瓣和噪聲所引起的過零脈沖輸出［8］。

以上即為脈沖毫米波雷達的測距原理，由此可完成最基本的保護渣單點測量，之后可以的得到保護渣層的單點厚度數(shù)據(jù)。當測量點密度足夠合適，通過建模擬合就可以得出保護渣層的形態(tài)結果。若實現(xiàn)對結晶器不同區(qū)域的多點測量，本課題采取的方案是將5塊脈沖毫米波雷達按照直線矩陣排列，在同一平面垂直于雷達矩陣的方向進行掃掠，對整個結晶器進行地毯式分時測量，從而完成對整個結晶器的大部分區(qū)域保護渣的厚度檢測，最后根據(jù)采集的每個點的厚度信息，進行建模，完成對結晶器保護渣的形態(tài)檢測。

1.2 脈沖壓縮

雷達發(fā)射電磁波信號，當電磁波信號遇到目標時會返回部分能量，這種返回的能量就是回波信號。雷達通過對回波信號的處理來獲得距離，方位和速度等信息。隨著雷達技術的發(fā)展，雷達要具有較遠的作用距離和較好的距離分辨力。

作用距離的大小指的是可探測目標距離的遠近。為了使雷達可發(fā)現(xiàn)較遠的目標，則需要雷達發(fā)射大能量的電磁波信號。其中大能量信號大致可分為兩種，一種是時寬較寬峰值較低的信號，而另一種是時寬較窄峰值較高的信號。但一般發(fā)射機和饋線系統(tǒng)等對峰值功率有著嚴格限制，超過限制則無法工作或損傷元件，因此發(fā)射大能量信號一般靠加大信號時寬來實現(xiàn)，即提高平均發(fā)射功率。平均發(fā)射功率關系到雷達接收機的信噪比（SNR），信噪比越高，探測距離越遠。信噪比越低，探測距離越短。

距離分辨力指的是雷達時寬可區(qū)分兩個臨近目標的能力，當兩個目標足夠近且小于時（為光速，為脈沖寬度），雷達會將這兩個目標識別為同一個目標，進而無法區(qū)分這個兩個目標。為了雷達可區(qū)分距離相近的兩個不同的目標，獲得較好的距離分辨力，需要盡可能減小信號的脈沖寬度。

由此雷達信噪比和距離分辨力產(chǎn)生矛盾，為了解決這個問題，讓雷達在增加脈沖寬度的同時也保持適合的距離分辨力，脈沖壓縮技術應運而生。雷達先發(fā)射大時寬的線性調頻信號，再將回波信號壓縮成窄脈沖，獲得較好的距離分辨力。雷達回波信號處理過程如圖4所示。

脈沖雷達方程為

SNR=Ptτ′G2λ2σ（4π）3R4kTeFL（1）

其中，Pt是峰值功率，τ′是脈寬，G是天線增益，σ是目標的雷達散射截面（RCS），R是距離，k是玻爾茲曼常數(shù)，Te是有效噪聲溫度，F(xiàn)是噪聲系數(shù)，L是總的雷達損耗。

脈沖壓縮雷達發(fā)射調制過的長脈沖，然后將回波信號處理成長度非常短的壓縮脈沖。把發(fā)射脈沖看作由占空比為 100%短子脈沖組成的長脈沖，其中每個子脈沖的寬度等于期望壓縮后的脈寬。將壓縮后的脈寬表示為τc，則對于一個單獨的子脈沖，式（1）可以寫成

（SNR）τc=PtτcG2λ2σ（4π）3R4kTeFL（2）

之后，從式（2）可得未壓縮脈沖的信噪比為

SNR=Pt（τ′=nτc）G2λ2σ（4π）3R4kTeFL（3）

式（3）為脈沖壓縮雷達方程，式中的n為子脈沖數(shù)量。

由式（1）和式（3）可知，對于一組給定的雷達參數(shù)，若發(fā)射脈沖不變，無論信號帶寬如何，信噪比SNR都不變。換言之，當脈沖壓縮時，在保持脈寬的同時增加帶寬，可使探測距離不變的同時改善距離分辨力［9］。距離分辨力和信號帶寬成反比，即

ΔR=c/2B（4）

LFM脈沖壓縮在發(fā)射時對長脈沖的頻率進行調制。匹配濾波器的輸出被因子ζ=Bτ′壓縮，其中τ′是脈寬，B是帶寬。所以，使用長脈沖和寬帶LFM調制，可實現(xiàn)大壓縮比［10］。

如圖5展示了一個LFM脈沖壓縮過程。（a）是寬脈沖包絡，（b）是帶寬為B=f2-f1的上調頻LFM信號，（c）是匹配濾波器的時延特性，（d）是壓縮后的脈沖包絡，最后的（e）是匹配濾波器的輸入/輸出波形。

如圖6，以保護渣單點測量為例。圖6（a）是上下表面回波合成的回波信號，兩個目標的回波很明顯發(fā)生重疊，上下表面的回波在時間間隔上無法用來分辨。而經(jīng)過對回波信號的脈沖壓縮后，兩個脈沖被完全分開，即可分辨為兩個不同的目標，如圖6（b）所示，兩個尖峰的橫坐標即分辨為保護渣上下表面到雷達的距離。

2 實驗和仿真

2.1 搭建實驗

本方案采用Acconeer在 2016 年推出的A111傳感器芯片，該芯片是一種優(yōu)化的低功耗、高精度60 GHz雷達，集成基帶、射頻前端和天線的封裝解決方案。對于地毯式覆蓋測量實驗，首先用5塊脈沖毫米波雷達組成直線陣列，之后用以STM32單片機為控制單元的控制線路板對陣列中的5塊脈沖毫米波雷達進行統(tǒng)一集中的連接，最后由PC電腦連接控制板并對雷達陣列發(fā)送分時測量控制的指令，PC電腦對控制板的連接還便于檢測系統(tǒng)根據(jù)不同的場景需要對分時測量的幀率、采樣率、分時間隔等參數(shù)進行實時調整。脈沖毫米波雷達陣列硬件系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

鑒于一般情況下連鑄結晶器中間包的形狀為矩形，若要實現(xiàn)最終對保護渣全面的形態(tài)檢測，需要搭建合適的試驗臺并分區(qū)測量，如圖8所示。制作容80cm*50cm*55cm的玻璃容器模擬結晶器，在容器上沿兩長邊上安裝步進電機、導軌或絲桿以及滑塊，將雷達陣列安裝在兩側滑塊上，以實現(xiàn)脈沖毫米波雷達在結晶器上方的移動測量。對玻璃容器的長寬邊進行8*5定數(shù)等分，即分成40個10cm見方的正方形區(qū)域，本傳感器芯片在加裝喇叭形天線后，在55cm及以上高度覆蓋的測量范圍可完全覆蓋劃分單元。

本實驗的保護渣形態(tài)測量在常溫下進行，先在實驗容器底面鋪設一層1mm鋼板來模擬鋼水，之后在鋼板上覆蓋20～40mm的保護渣。對每個區(qū)域的不均勻保護渣依次進行分時采集樣點厚度數(shù)據(jù)，每個采樣點的采樣率為10Hz，共采30幀數(shù)據(jù)，之后對所有采集的數(shù)據(jù)進行建模分析，可得出保護渣形態(tài)的檢測結果。需要注意的是，最初的保護渣形態(tài)測量實驗，需要把保護渣鋪成較為規(guī)則的坡度較平緩的斜面，以便于試驗出脈沖毫米波雷達對保護渣厚度的分辨范圍。之后對保護渣形態(tài)測量的實驗采取隨機地形的模式，以便于貼近實際情況。

數(shù)據(jù)模型以測量平臺的左下角為原點，以長邊為x軸，以寬邊為y軸，豎直向下方向為z軸，脈沖毫米波直線陣列通過導軌或絲桿上的滑塊負載，5個陣元依次分時測量，5個測量點的數(shù)據(jù)為一組，之后沿x軸方向進行移動，依次測量8組數(shù)據(jù)。由此，完成對保護渣形態(tài)的采樣。

2.2 數(shù)據(jù)處理

在脈沖壓縮中，參考信號是發(fā)射的信號的副本，用于通過比較參考信號和接收到的信號來計算出收到的信號的相對強度。以其中一個點位的數(shù)據(jù)為例，副本的實部和幅度譜分別如圖9（a）和9（b）。它們提供了關于信號的時間和空間特性的信息，從而改善了目標檢測和識別的性能。它們還可以用來提取信號的相關性，以及信號的內部結構，以改善信號的處理性能。目標距離較近，在時間上難以分離完全，目標回波發(fā)生重疊從而無法分辨，如圖9（c）。經(jīng)過脈沖壓縮后，兩個目標完全分離，可認定為兩個獨立目標，如圖9（d）。依照圖9（d）的信息，距離較近的尖峰橫坐標數(shù)值為點該位的保護渣上表面到雷達的距離，距離較遠的尖峰橫坐標數(shù)值則為該點位的保護渣下表面到雷達的距離，其兩尖峰橫坐標數(shù)值之差即為保護渣的厚度。

2.3 數(shù)據(jù)合成

在如圖9單點位數(shù)據(jù)處理方法的基礎上，再對其進一步平滑處理，讓圖像更加美觀和容易辨識。以此為例，對實驗模型的40個點位進行相同的處理得出40個上下表面位置圖，如圖10所示。

由于40點的厚度測量數(shù)據(jù)依然非常抽象，并且存在定位困難的弊端，因此在本實驗的數(shù)據(jù)基礎上，對數(shù)據(jù)進行進一步的提取和處理，讓每一個區(qū)域上下表面的高度更加直觀和明顯，因此三維建模作為相對直接的一種方式變得更加必要，保護渣上下表面的三維圖像如圖11所示。

由此，可以進行最終的保護渣形態(tài)分析以及給出保護渣覆蓋均勻度的參考依據(jù)。從而極大避免在連鑄生產(chǎn)的過程中，因結晶器內保護渣的厚度和均勻度不達標的問題而影響鋼坯鑄造的質量。所以，研究結晶器內保護渣形態(tài)檢測的意義在于：

對保護渣的形態(tài)進行精確檢測，可以在為結晶器添加保護渣時對保護渣的厚度和均勻度提供輔助參考，以避免因添加的保護渣在厚度和均勻度上達不到要求而影響連鑄質量，為達到生成優(yōu)質鋼鐵的要求奠定基礎。

通過對保護渣形態(tài)的連續(xù)測量，有助于實現(xiàn)連鑄過程中的加渣自動化，一定程度上解決了一部分現(xiàn)有加渣技術的缺陷，節(jié)約了損耗成本，保護了工人的健康。

3 結語

本研究表明，脈沖毫米波雷達可以有效地測量保護渣的形態(tài)，并可以提供準確的形態(tài)結果。比起其他的測量方法，它可以更有效地提高保護渣的利用效率，在加渣時為操作員及時提供保護渣厚度參考，提升鋼坯鑄造良率，有利于實現(xiàn)加渣自動化。因此，我們希望本研究可以為實際生產(chǎn)提供一種方案參考，并通過仿真證明了本設計的有效性與可行性。

參考文獻：

［1］詹小輝，陳新元. 結晶器渣厚參數(shù)自整定模糊控制系統(tǒng)設計 ［J］. 機械設計與制造，2019（2）： 138 - 141.

［2］ 張炯明，保護渣液渣層厚度的新型測量方法的研究 ［J］，鋼鐵研究學報，2008，10 （2）： 133-137.

［3］劉軍，胡振偉，雷劍斌，等. 一種新的連鑄中間包鋼水液位測量方法［J］. 電子報，2010（5）： 1196-1200.

［4］Hu Z，Xie Z，Ying C，et al. Molten Steel Level Measuring Method by Thermal Image Analysis in Tundish ［M］ Recent Advances in Computer Science and Information Engineering. Springer Berlin Heidelberg，2012：361-367.

［5］Zhang D，Xie Z，Liu J. Research on molten steel level measurement in continuous casting tundish ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument，2010.

［6］中森由紀夫. 連鑄保護渣膜厚度和保護渣熔池厚度的測量系統(tǒng) ［J］.武鋼技術，1990，20 （3）：39-40.

［7］Yuhei Yamaguchi，Yasumoto Sato and Yuichi Inoue. Microwave Time Domain Measurements for Measuring Thicknesses of Mold Powder Layers ［J］. 鉄と鋼 Tetsu-to-Hagané，2018，104 （10）： 43-52.

［8］沙晶晶，孔德慶，施滸立. 測距功能的軟硬件實現(xiàn) ［J］. 機電工程，2007 （1） ：31-34.

［9］呂博群，沈永健，周云生. 基于矩特征的雷達信號脈內調制樣式識別方法研究 ［J］. 遙測遙控，2017，38 （4）： 32-37.

［10］梁藝. 基于FPGA的數(shù)字中頻接收機和脈沖壓縮的研究及實現(xiàn) ［D］. 武漢：湖北大學，2012.

（責任編輯 郭曉勇）