脉冲毫米波雷达测量结晶器保护渣形态的研究

摘 要：针对连铸生产工艺对保护渣厚度和均匀度测量的需求，文章设计了一种结晶器保护渣形态检测的方案，利用脉冲毫米波信号的测距原理，对保护渣不同点位的上下表面反射的回波进行分析处理，得到保护渣上下表面高度及厚度数据，并合成三维图像，以达到对保护渣形态的精确测量的目的。本方案可以在加渣过程中对保护渣厚度和均匀度的调整提供辅助参考，有助于实现连铸生产中加渣过程的自动化。

关键词：脉冲毫米波雷达；结晶器；脉冲压缩；保护渣形态；三维图像

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

钢水在结晶器中凝固成形的过程中为了防止钢液与空气直接接触后发生二次氧化，需要在钢水表面覆盖一层厚度较为均匀的保护渣，保护渣与钢水表面接触后形成的熔渣层便能起到隔绝空气的作用。在加渣过程中，结晶器内保护渣的厚度以及均匀度会严重影响钢坯铸造的质量。加渣量过大会导致钢坯表面裂纹增加、夹渣疏松；加渣量过小会出现钢水氧化、降温快、结晶器磨损等现象。［1］因此，如何更好地控制结晶器内保护渣厚度和均匀度成为一个亟待解决的难题，即为本文研究测量结晶器保护渣形态的目的和意义。

结晶器保护渣厚度检测是连铸领域一项重要的研究内容。国内研究主要集中在小型结晶器保护渣厚度检测技术和设备方面。例如，北京科技大学张炯明教授［2］在2008年利用电导率变化来测量保护渣厚度，东北大学谢植教授［3-5］于2010年用机器视觉来获取保护渣“测温棒”的温度分布情况，从而间接测量出保护渣层的厚度。但直接或间接的接触式测量对传感器或测量器件性能要求较高，易受钢水影响。武汉科技大学詹小辉［1］在2017年利用激光测距传感器来检测保护渣的厚度并成功绘制三维云图。而在国外，日本的中森由纪夫［6］在上世纪末提出利用保护渣辐射能检测保护渣厚度，但在充满粉尘的热环境下，辐射温度传感器的寿命和测量精度会受到影响。2018年，日本的山口雄平和佐藤康元［7］利用矢量网络分析仪对保护渣固态粉层进行微波时域测量，结果表明方法可行。总而言之，国内外研究者在结晶器保护渣检测领域都取得了重大进展，不断改进测量方法和技术，以改善检测精度和灵敏度。

相较于前人的测量方式，本文提出应用脉冲毫米波雷达对结晶器内的保护渣进行形态检测。脉冲毫米波雷达具有跟踪精度高、穿透力强、避免收发干扰、擅长多目标检测等优势。本文将介绍如何利用脉冲毫米波技术准确测量渣形态，并且在短时间内获得高精度的结果。首先，脉冲毫米波雷达对结晶器内保护渣进行多点位地毯式扫描获取原始数据。其次，对每一点位所获取的数据进行脉冲压缩处理，分析出对应点位的保护渣上下表面的距离从而得出厚度。最后，将处理的上下表面数据进行合成，绘制三维模拟图像。

1 主要原理

1.1 测量方案

根据上文可知，保护渣的形态，即保护渣的厚度和均匀度对连铸生产有着至关重要的影响。脉冲毫米波雷达对于保护渣形态的检测是基于毫米波雷达的测距原理，即发射一系列短持续时间的信号脉冲（称为Chirp，如图1所示，fc为初始频率，Tc为脉宽，B为带宽，S为线性调频脉冲上升的速率）来探测物体，然后接收反射回来的回波信号，从而测量出物体距离。区别于雷达基本测距原理的是，本研究是将保护渣的上下表面，即保护渣的上表面和保护渣与钢水的交界面作为雷达测距的两个目标。根据回波数据测出保护渣上下表面到雷达的距离，则可得到保护渣的厚度数据，根据保护渣不同厚度的分布情况，即可得知保护渣的均匀度。

定义回波到达的时间tR有两种，第一种是传统意义上以回波脉冲的前沿作为到达时刻，如图2。

第二种是以回波脉冲的中心（或最大值）作为它的到达时刻。如图3回波脉冲中心估计的原理框图所示，接收天线接收到的回波信号和本机振荡器的信号混频后可得中频信号，在匹配滤波器中放大，经过包络检波器后得到中频信号的信号包络。和支路（∑）用于检测目标的有无，原理是信号包络与门限电压T0比较输出脉宽为τ的矩形脉冲，该脉冲作为和支路的输出；差支路（Δ）由微分电路和过零点检测器组成，用于确定回波脉冲的中心，原理是微分器的输出经过零值会产生一个窄脉冲，其出现时间为回波脉冲的最大值，通常为回波脉冲的中心。和支路脉冲输入到零点检测器，选择回波峰值对应的窄脉冲，可防止因距离副瓣和噪声所引起的过零脉冲输出［8］。

以上即为脉冲毫米波雷达的测距原理，由此可完成最基本的保护渣单点测量，之后可以的得到保护渣层的单点厚度数据。当测量点密度足够合适，通过建模拟合就可以得出保护渣层的形态结果。若实现对结晶器不同区域的多点测量，本课题采取的方案是将5块脉冲毫米波雷达按照直线矩阵排列，在同一平面垂直于雷达矩阵的方向进行扫掠，对整个结晶器进行地毯式分时测量，从而完成对整个结晶器的大部分区域保护渣的厚度检测，最后根据采集的每个点的厚度信息，进行建模，完成对结晶器保护渣的形态检测。

1.2 脉冲压缩

雷达发射电磁波信号，当电磁波信号遇到目标时会返回部分能量，这种返回的能量就是回波信号。雷达通过对回波信号的处理来获得距离，方位和速度等信息。随着雷达技术的发展，雷达要具有较远的作用距离和较好的距离分辨力。

作用距离的大小指的是可探测目标距离的远近。为了使雷达可发现较远的目标，则需要雷达发射大能量的电磁波信号。其中大能量信号大致可分为两种，一种是时宽较宽峰值较低的信号，而另一种是时宽较窄峰值较高的信号。但一般发射机和馈线系统等对峰值功率有着严格限制，超过限制则无法工作或损伤元件，因此发射大能量信号一般靠加大信号时宽来实现，即提高平均发射功率。平均发射功率关系到雷达接收机的信噪比（SNR），信噪比越高，探测距离越远。信噪比越低，探测距离越短。

距离分辨力指的是雷达时宽可区分两个临近目标的能力，当两个目标足够近且小于时（为光速，为脉冲宽度），雷达会将这两个目标识别为同一个目标，进而无法区分这个两个目标。为了雷达可区分距离相近的两个不同的目标，获得较好的距离分辨力，需要尽可能减小信号的脉冲宽度。

由此雷达信噪比和距离分辨力产生矛盾，为了解决这个问题，让雷达在增加脉冲宽度的同时也保持适合的距离分辨力，脉冲压缩技术应运而生。雷达先发射大时宽的线性调频信号，再将回波信号压缩成窄脉冲，获得较好的距离分辨力。雷达回波信号处理过程如图4所示。

脉冲雷达方程为

SNR=Ptτ′G2λ2σ（4π）3R4kTeFL（1）

其中，Pt是峰值功率，τ′是脉宽，G是天线增益，σ是目标的雷达散射截面（RCS），R是距离，k是玻尔兹曼常数，Te是有效噪声温度，F是噪声系数，L是总的雷达损耗。

脉冲压缩雷达发射调制过的长脉冲，然后将回波信号处理成长度非常短的压缩脉冲。把发射脉冲看作由占空比为 100%短子脉冲组成的长脉冲，其中每个子脉冲的宽度等于期望压缩后的脉宽。将压缩后的脉宽表示为τc，则对于一个单独的子脉冲，式（1）可以写成

（SNR）τc=PtτcG2λ2σ（4π）3R4kTeFL（2）

之后，从式（2）可得未压缩脉冲的信噪比为

SNR=Pt（τ′=nτc）G2λ2σ（4π）3R4kTeFL（3）

式（3）为脉冲压缩雷达方程，式中的n为子脉冲数量。

由式（1）和式（3）可知，对于一组给定的雷达参数，若发射脉冲不变，无论信号带宽如何，信噪比SNR都不变。换言之，当脉冲压缩时，在保持脉宽的同时增加带宽，可使探测距离不变的同时改善距离分辨力［9］。距离分辨力和信号带宽成反比，即

ΔR=c/2B（4）

LFM脉冲压缩在发射时对长脉冲的频率进行调制。匹配滤波器的输出被因子ζ=Bτ′压缩，其中τ′是脉宽，B是带宽。所以，使用长脉冲和宽带LFM调制，可实现大压缩比［10］。

如图5展示了一个LFM脉冲压缩过程。（a）是宽脉冲包络，（b）是带宽为B=f2-f1的上调频LFM信号，（c）是匹配滤波器的时延特性，（d）是压缩后的脉冲包络，最后的（e）是匹配滤波器的输入/输出波形。

如图6，以保护渣单点测量为例。图6（a）是上下表面回波合成的回波信号，两个目标的回波很明显发生重叠，上下表面的回波在时间间隔上无法用来分辨。而经过对回波信号的脉冲压缩后，两个脉冲被完全分开，即可分辨为两个不同的目标，如图6（b）所示，两个尖峰的横坐标即分辨为保护渣上下表面到雷达的距离。

2 实验和仿真

2.1 搭建实验

本方案采用Acconeer在 2016 年推出的A111传感器芯片，该芯片是一种优化的低功耗、高精度60 GHz雷达，集成基带、射频前端和天线的封装解决方案。对于地毯式覆盖测量实验，首先用5块脉冲毫米波雷达组成直线阵列，之后用以STM32单片机为控制单元的控制线路板对阵列中的5块脉冲毫米波雷达进行统一集中的连接，最后由PC电脑连接控制板并对雷达阵列发送分时测量控制的指令，PC电脑对控制板的连接还便于检测系统根据不同的场景需要对分时测量的帧率、采样率、分时间隔等参数进行实时调整。脉冲毫米波雷达阵列硬件系统示意图如图7所示。

鉴于一般情况下连铸结晶器中间包的形状为矩形，若要实现最终对保护渣全面的形态检测，需要搭建合适的试验台并分区测量，如图8所示。制作容80cm*50cm*55cm的玻璃容器模拟结晶器，在容器上沿两长边上安装步进电机、导轨或丝杆以及滑块，将雷达阵列安装在两侧滑块上，以实现脉冲毫米波雷达在结晶器上方的移动测量。对玻璃容器的长宽边进行8*5定数等分，即分成40个10cm见方的正方形区域，本传感器芯片在加装喇叭形天线后，在55cm及以上高度覆盖的测量范围可完全覆盖划分单元。

本实验的保护渣形态测量在常温下进行，先在实验容器底面铺设一层1mm钢板来模拟钢水，之后在钢板上覆盖20～40mm的保护渣。对每个区域的不均匀保护渣依次进行分时采集样点厚度数据，每个采样点的采样率为10Hz，共采30帧数据，之后对所有采集的数据进行建模分析，可得出保护渣形态的检测结果。需要注意的是，最初的保护渣形态测量实验，需要把保护渣铺成较为规则的坡度较平缓的斜面，以便于试验出脉冲毫米波雷达对保护渣厚度的分辨范围。之后对保护渣形态测量的实验采取随机地形的模式，以便于贴近实际情况。

数据模型以测量平台的左下角为原点，以长边为x轴，以宽边为y轴，竖直向下方向为z轴，脉冲毫米波直线阵列通过导轨或丝杆上的滑块负载，5个阵元依次分时测量，5个测量点的数据为一组，之后沿x轴方向进行移动，依次测量8组数据。由此，完成对保护渣形态的采样。

2.2 数据处理

在脉冲压缩中，参考信号是发射的信号的副本，用于通过比较参考信号和接收到的信号来计算出收到的信号的相对强度。以其中一个点位的数据为例，副本的实部和幅度谱分别如图9（a）和9（b）。它们提供了关于信号的时间和空间特性的信息，从而改善了目标检测和识别的性能。它们还可以用来提取信号的相关性，以及信号的内部结构，以改善信号的处理性能。目标距离较近，在时间上难以分离完全，目标回波发生重叠从而无法分辨，如图9（c）。经过脉冲压缩后，两个目标完全分离，可认定为两个独立目标，如图9（d）。依照图9（d）的信息，距离较近的尖峰横坐标数值为点该位的保护渣上表面到雷达的距离，距离较远的尖峰横坐标数值则为该点位的保护渣下表面到雷达的距离，其两尖峰横坐标数值之差即为保护渣的厚度。

2.3 数据合成

在如图9单点位数据处理方法的基础上，再对其进一步平滑处理，让图像更加美观和容易辨识。以此为例，对实验模型的40个点位进行相同的处理得出40个上下表面位置图，如图10所示。

由于40点的厚度测量数据依然非常抽象，并且存在定位困难的弊端，因此在本实验的数据基础上，对数据进行进一步的提取和处理，让每一个区域上下表面的高度更加直观和明显，因此三维建模作为相对直接的一种方式变得更加必要，保护渣上下表面的三维图像如图11所示。

由此，可以进行最终的保护渣形态分析以及给出保护渣覆盖均匀度的参考依据。从而极大避免在连铸生产的过程中，因结晶器内保护渣的厚度和均匀度不达标的问题而影响钢坯铸造的质量。所以，研究结晶器内保护渣形态检测的意义在于：

对保护渣的形态进行精确检测，可以在为结晶器添加保护渣时对保护渣的厚度和均匀度提供辅助参考，以避免因添加的保护渣在厚度和均匀度上达不到要求而影响连铸质量，为达到生成优质钢铁的要求奠定基础。

通过对保护渣形态的连续测量，有助于实现连铸过程中的加渣自动化，一定程度上解决了一部分现有加渣技术的缺陷，节约了损耗成本，保护了工人的健康。

3 结语

本研究表明，脉冲毫米波雷达可以有效地测量保护渣的形态，并可以提供准确的形态结果。比起其他的测量方法，它可以更有效地提高保护渣的利用效率，在加渣时为操作员及时提供保护渣厚度参考，提升钢坯铸造良率，有利于实现加渣自动化。因此，我们希望本研究可以为实际生产提供一种方案参考，并通过仿真证明了本设计的有效性与可行性。

参考文献：

［1］詹小辉，陈新元. 结晶器渣厚参数自整定模糊控制系统设计 ［J］. 机械设计与制造，2019（2）： 138 - 141.

［2］ 张炯明，保护渣液渣层厚度的新型测量方法的研究 ［J］，钢铁研究学报，2008，10 （2）： 133-137.

［3］刘军，胡振伟，雷剑斌，等. 一种新的连铸中间包钢水液位测量方法［J］. 电子报，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］中森由纪夫. 连铸保护渣膜厚度和保护渣熔池厚度的测量系统 ［J］.武钢技术，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，孔德庆，施浒立. 测距功能的软硬件实现 ［J］. 机电工程，2007 （1） ：31-34.

［9］吕博群，沈永健，周云生. 基于矩特征的雷达信号脉内调制样式识别方法研究 ［J］. 遥测遥控，2017，38 （4）： 32-37.

［10］梁艺. 基于FPGA的数字中频接收机和脉冲压缩的研究及实现 ［D］. 武汉：湖北大学，2012.

（责任编辑 郭晓勇）