高炉密闭环境下雷达料面测量电磁特性仿真

DO10.13374f.issnl00i3x.20l.01.012 第33卷第1期 北京科技大学学报 Vo]33 No 1 2011年1月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng Jan 2011 高炉密闭环境下雷达料面测量电磁特性仿真 陈先中12☒ 尹怡欣12》侯庆文12)鲁亿方12》王培元12) 李 敏12) 1)北京科技大学信息工程学院。北京1000832)北京科技大学钢铁流程先进控制教有部重点实验室，北京100①83 区通信作者.Email cx@ust edy a 摘要研究了高炉密闭环境下，雷达测量料面和料层厚度的微波电磁特性.利用电磁计算学和CST仿真方法研究了媒介 层介电常数模型。高炉料面和料层模型的微波透射、反射和吸收特性。高炉布料层数、雷达波入射角度和雷达波频段与炉料 媒介层介电常数重构关系模型.利用雷达波反射和透射电磁特性。结合高炉雷达的分布式雷达传感阵列，并利用焦矿媒介层 存在介电常数差的特征，实现了高炉内料面形状和三层焦矿厚度在线3D重构. 关键词高炉：分布式雷达传感阵列：电磁特性：介电常数：仿真 分类号TF06827 E lectrom agnetic characteristic smulaton of burden sur face radar measurem ents in the BF closed environm ent CHEN X ianong YN Yixi2)HOU Qing wert 2)IU Yi fang 2)WANG P ei-yuan2)LIM2) 1)School of Infma tin Engneering Universit of Science and Technopgy Beijng Beijing 100083 Chna 2)Key Labom oory of theM nistry of Education ofChina for Advanced Con tol for Ion and Steel Process University of Sc ience and Technobgy Beijing Beijng 100083 China Comespanding author Email cx@ust edy c ABSTRACT Microwave electromagnetic characteristics in radar measurem en ts ofburden surfaces and media th ickness of an ore and coke(OC ayerwere researched in the closed enviromment of a bast fimace(BF).Wih electraagnetic calcuatons and CST sin uatpn sofare a dielectric constnt model of the med a ayerwas devepped p study he trans isspn reflectin and absorp tion char acteristics of the burden surface and the(/C ayer in BE Also a reconstruction relationalmodel of the number of distrbu ting(/C lay ers in BE micwave angle and frequency band concemed w ith the dielectric constant of hem ed a layer was established Usng trans. m ission and re flecton electron agnetic characteristics of radar waves combn ngw ith BF radard istrbuted radar sensor aray installaton and the different d electric constants of the (/C ayer n BE the three-din ensional reconstucton magng of buden surfaces and (C ayer thickness n BF was realized on line KEY WORDS bast fumaces distribued radar sensor amay eecuomagneti characteristics die ectric castant smulation 雷达料面测量技术在高炉生产中日益受到重 1模型建立 视.有效利用雷达的电磁测量特性实现恶劣环 境的非接触式测量，已经成为提高监测手段的重要 1.1高炉模型 方法2.密闭高炉中电磁环境复杂，气液固粉多种 本文采用CS彷真理论，研究不同测量环境下 物态共存，料层不断变化。存在温度梯度、介电常数 的电磁传播特性19，提出依据高炉炉料媒介层介电 多样，研究和仿真电磁波在这种环境下的电磁特性 常数有较大突变的特征，采用CS软件建模工具， 有较大的理论研究价值和工程指导意义[？ 通过分析高炉密封环境内的料层分布并作适当简 收稿日期：2010-01-31 基金项目：国家高技术研究发展计划目标导向课题(N2009AA04乙56：东南大学毫米波国家重点实验室资助项目(N9K200801为北京市 教委重点学科资助项目(N9XK100080537)

第 33卷 第 1期 2011年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.1 Jan.2011 高炉密闭环境下雷达料面测量电磁特性仿真 陈先中 1, 2) 尹怡欣 1, 2) 侯庆文 1, 2) 鲁亿方 1, 2) 王培元 1, 2) 李 敏 1, 2) 1)北京科技大学信息工程学院, 北京 100083 2)北京科技大学钢铁流程先进控制教育部重点实验室, 北京 100083 通信作者, E-mail:cxz@ustb.edu.cn 摘 要 研究了高炉密闭环境下, 雷达测量料面和料层厚度的微波电磁特性.利用电磁计算学和 CST仿真方法, 研究了媒介 层介电常数模型, 高炉料面和料层模型的微波透射、反射和吸收特性, 高炉布料层数、雷达波入射角度和雷达波频段与炉料 媒介层介电常数重构关系模型.利用雷达波反射和透射电磁特性, 结合高炉雷达的分布式雷达传感阵列, 并利用焦矿媒介层 存在介电常数差的特征, 实现了高炉内料面形状和三层焦矿厚度在线 3D重构. 关键词 高炉;分布式雷达传感阵列;电磁特性;介电常数;仿真 分类号 TF068.27 Electromagneticcharacteristicsimulationofburdensurfaceradarmeasurements intheBFclosedenvironment CHENXian-zhong1, 2) , YINYi-xin1, 2) , HOUQing-wen1, 2) , LUYi-fang1, 2) , WANGPei-yuan1, 2) , LIMin1, 2) 1)SchoolofInformationEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2)KeyLaboratoryoftheMinistryofEducationofChinaforAdvancedControlforIronandSteelProcess, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:cxz@ustb.edu.cn ABSTRACT Microwaveelectromagneticcharacteristicsinradarmeasurementsofburdensurfacesandmediathicknessofanoreand coke(O/C)layerwereresearchedintheclosedenvironmentofablastfurnace(BF).WithelectromagneticcalculationsandCSTsim￾ulationsoftware, adielectricconstantmodelofthemedialayerwasdevelopedtostudythetransmission, reflectionandabsorptionchar￾acteristicsoftheburdensurfaceandtheO/ClayerinBF.AlsoareconstructionrelationalmodelofthenumberofdistributingO/Clay￾ersinBF, microwaveangleandfrequencybandconcernedwiththedielectricconstantofthemedialayerwasestablished.Usingtrans￾missionandreflectionelectromagneticcharacteristicsofradarwaves, combiningwithBFradardistributedradarsensorarrayinstallation andthedifferentdielectricconstantsoftheO/ClayerinBF, thethree-dimensionalreconstructionimagingofburdensurfacesandO/C layerthicknessinBFwasrealizedon-line. KEYWORDS blastfurnaces;distributedradarsensorarray;electromagneticcharacteristics;dielectricconstant;simulation 收稿日期:2010-01-31 基金项目:国家高技术研究发展计划目标导向课题(No.2009AA04Z156);东南大学毫米波国家重点实验室资助项目(No.K200801);北京市 教委重点学科资助项目(No.XK100080537) 雷达料面测量技术在高炉生产中日益受到重 视 [ 1] .有效利用雷达的电磁测量特性, 实现恶劣环 境的非接触式测量 ,已经成为提高监测手段的重要 方法 [ 2--3] .密闭高炉中电磁环境复杂,气液固粉多种 物态共存 ,料层不断变化, 存在温度梯度 、介电常数 多样 .研究和仿真电磁波在这种环境下的电磁特性 有较大的理论研究价值和工程指导意义 [ 4--5] . 1 模型建立 1.1 高炉模型 本文采用 CST仿真理论, 研究不同测量环境下 的电磁传播特性 [ 6] ,提出依据高炉炉料媒介层介电 常数有较大突变的特征 , 采用 CST软件建模工具 , 通过分析高炉密封环境内的料层分布并作适当简 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2011 .01 .012

。88 北京科技大学学报 第33卷 化，建立高炉料面透视模型如图1所示. 层为铁矿石，设其是介电常数为27的无耗介质.取 单雷达垂直入射.两种情况的入射反射图如图2 图3所示. o 入射波（红） 0.5 反射波（绿） 100 200 300 图1高炉CS模拟模型 时间ns Fig 1 CST smuation model of a bast fumace 图2单层反射图 Fg 2 Monoker reflecton diagram 12媒介层介电常数分析 反射界面上下媒介层材料的介电常数与界面的 反射系数R之间存在一定关系-： 1.0 人射波（红） 0.5 6=共袋 反射波（绿） (1) 式中：e,为上层材料的介电常数；e为下层材料的 介电常数：R为反射系数，它是界面反射波幅A与全 1.0 10 20 30 反射波幅A的比，即 时间ns 含R 图3三层反射图 (2) Fg 3 Three_layer reflection diagra 第一次反射时，上层空气介电常数为↓ R会 (1过程分析.雷达波通过单层无耗介质料层 (3) 后到达高炉模型的炉底发生全反射，几乎没有电磁 第二次反射时，由于上层材料的介电常数已求得，同 损耗：增加料层层数后，雷达电磁波在介质分界面上 样可以求出下一层的介电常数.此时， 发生反射.图3为入射信号和反射信号，前四个波 R-令 峰分别为入射波到达各层分界面后的反射信号，后 (4) 面的波峰为杂波信号. 式(4两边乘以反射层的能量损失系数(1一，并 (2仿真结果.仿真的结果接近真实情况.从 化简得 图2、图3可见，随着料层层数的增加，其衰减不断 有=R(1-R) 增加，为提高测量效果，雷达波的发射功率也应增 (5) 加，同时在接收回波时要加入选通滤波电路，提取不 所以可得： 同层数的信号. 2.2无耗介质介电常数影响 -1+R A 对应矿焦介电常数的电磁响应，假设在理想条 A 件下，选取下层料层为焦炭，设其为介电常数3的无 A 耗介质；上层分别是介电常数e1=20或e1=30的 (6) 铁矿石无耗介质.取单雷达垂直入射.两种情况的 依次类推，便可求出不同结构层的介电常数. 入射反射图如图4图5所示. 2电磁模型仿真 (1过程分析.雷达波通过不同介电常数差的 料层时电磁特性是不同的存在透射和反射.介电 2.1无耗介质料层层数影响 常数差别不同，反射强度呈周期性变化 通过对比单层料层与三层料层的电磁响应，分 (2仿真结果.仿真的结果能够反映过程分析. 析不同料层对电磁波的影响. 如图5中1GH附近是透射效应为主，2~5GH生 在理想条件下，选取单层料层为焦炭，设其是介 要是反射，而且介电常数差别越大，反射越强，但变 电常数为3的无耗介质：选取上下两层为焦炭，中间 化程度已经不大，这说明存在一个临界点，即当介电

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 化, 建立高炉料面透视模型如图 1所示 . 图 1 高炉 CST模拟模型 Fig.1 CSTsimulationmodelofablastfurnace 1.2 媒介层介电常数分析 反射界面上下媒介层材料的介电常数与界面的 反射系数 R之间存在一定关系 [ 7--8] : εr2 = εr1 1 +R 1 -R (1) 式中 :εr1为上层材料的介电常数;εr2为下层材料的 介电常数 ;R为反射系数 ,它是界面反射波幅 A与全 反射波幅 Am 的比,即 A Am =R (2) 第一次反射时 ,上层空气介电常数为 1, R0 = A0 Am (3) 第二次反射时 ,由于上层材料的介电常数已求得 ,同 样可以求出下一层的介电常数.此时 , R1 = A1 Am (4) 式(4)两边乘以反射层的能量损失系数 (1 -R 2 0 ), 并 化简得 A1 A0 =R1(1 -R 2 0 ) (5) 所以可得 : εr3 = εr2 1 +R1 1 -R1 = εr2 1 - A0 Am 2 + A1 Am 1 - A0 Am 2 - A1 Am (6) 依次类推 ,便可求出不同结构层的介电常数 . 2 电磁模型仿真 2.1 无耗介质料层层数影响 通过对比单层料层与三层料层的电磁响应, 分 析不同料层对电磁波的影响 . 在理想条件下 ,选取单层料层为焦炭,设其是介 电常数为 3的无耗介质;选取上下两层为焦炭 ,中间 层为铁矿石 ,设其是介电常数为 27的无耗介质.取 单雷达垂直入射.两种情况的入射反射图如图 2、 图 3所示. 图 2 单层反射图 Fig.2 Monolayerreflectiondiagram 图 3 三层反射图 Fig.3 Three-layerreflectiondiagram (1)过程分析 .雷达波通过单层无耗介质料层 后到达高炉模型的炉底发生全反射, 几乎没有电磁 损耗;增加料层层数后 ,雷达电磁波在介质分界面上 发生反射.图 3为入射信号和反射信号 ,前四个波 峰分别为入射波到达各层分界面后的反射信号 ,后 面的波峰为杂波信号 . (2)仿真结果.仿真的结果接近真实情况 .从 图 2、图 3 可见, 随着料层层数的增加 , 其衰减不断 增加,为提高测量效果 , 雷达波的发射功率也应增 加 ,同时在接收回波时要加入选通滤波电路,提取不 同层数的信号. 2.2 无耗介质介电常数影响 对应矿焦介电常数的电磁响应 , 假设在理想条 件下,选取下层料层为焦炭 ,设其为介电常数 3的无 耗介质 ;上层分别是介电常数 ε1 =20或 ε1 =30的 铁矿石无耗介质 .取单雷达垂直入射.两种情况的 入射反射图如图 4、图 5所示. (1)过程分析 .雷达波通过不同介电常数差的 料层时电磁特性是不同的, 存在透射和反射.介电 常数差别不同,反射强度呈周期性变化. (2)仿真结果 .仿真的结果能够反映过程分析 . 如图 5中 1 GHz附近是透射效应为主 , 2 ～ 5 GHz主 要是反射,而且介电常数差别越大 , 反射越强 , 但变 化程度已经不大 ,这说明存在一个临界点 ,即当介电 · 88·

第1期 陈先中等：高炉密闭环境下雷达料面测量电磁特性仿真 89 -0.01 -0.02 -003 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 频率CH? 0.04片 3 4 5 频率GHz 图7与Z轴成8°角入射参数图 Fg7 Parmeter diagran at theg°nc dence ang啡wihZ-xis 图4上层铁矿石毛，=20反射图 Fig 4 R eflection diagra of the upper ore kerwhee=20 lo -10 -0.01 垂直入射（红色） -20 12°角入射（桔黄） 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 频率x -0.03 图8S参数图 2 3 4 5 F8 S Parame ter diagran 類率GHz 图5上层铁矿石，=30反射图 信号量小4~5dB斜入射为12情况下，在0.5~ Fig 5 Refection diagran of the upper ore kverwhee=30 1GH的频率范围内，低频部分反射信号增大，高频 部分的反射量相对于垂直入射减小，特别是在0.9~ 常数差在17时反射强度达到一个极限.这为雷达 1GH交间有一个极低值，不适合雷达料面情况探 料层测量提供了理论基础. 测.若反射的信号量过小，甚至低于雷达的灵敏度， 23无耗介质雷达波入射角度 将很难获得正确的料面信息.结合以上仿真分析以 研究雷达波入射角度对电磁特性的影响，确定 及实际情况，雷达入射角度不应大于12；垂直入射 雷达最佳入射角度范围.仿真模型选取的是三层料 在0.5~1GH附，高频部分反射特性较倾斜入射效 层模型，扫描频段选为0.5~1GHz 果更好. 雷达波垂直于料层入射时沿Z轴入射，仿真 2.4有耗介质电磁特性 得到反射参数图如图6所示：雷达与轴成8角入 与无耗介质不同，有耗介质对电磁波传播特性 射时，仿真后的反射参数图如图7所示：雷达与乙 的影响较为复杂.以铁矿石的有耗介质为例，电磁 轴成12角入射时，仿真后的反射参数图如图8所 波在其传播时的能量衰减，可表示为： 示，并与雷达垂直入射时的反射参数图置于同一图 D=IX T2X ToXB (7) 表内 式中，To、T和To为电磁波通过铁矿石与其他介 质接触面时的能量衰减，需根据实际情况加以设定. 假设上述其他参数均为常量的前提下，设B为变化 量，则表示电磁波在铁矿石中的衰减量，并与电 -10 磁波频率和铁矿石层厚度有关。 铁矿石的介电常数为 .5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 叛率/CHz 61=0十号 (8) 图6垂直入射参数图 式中，σ为电导率. F 6 Parameer diagm of nommal ncdence B=x2是第二次反射波在铁矿石层中传播 仿真分析表明：斜入射为8情况下，在0.5~ 需要记入的衰减量，α称为衰减因子，！是铁矿石层 1CH的频率范围内，低频部分相对高频部分反射的 的厚度.显然衰减因子是频率的函数而衰减量B

第 1期 陈先中等:高炉密闭环境下雷达料面测量电磁特性仿真 图 4 上层铁矿石 ε1 =20反射图 Fig.4 Reflectiondiagramoftheupperorelayerwhenε1 =20 图 5 上层铁矿石 ε1 =30反射图 Fig.5 Reflectiondiagramoftheupperorelayerwhenε1 =30 常数差在 17时反射强度达到一个极限 .这为雷达 料层测量提供了理论基础. 2.3 无耗介质雷达波入射角度 研究雷达波入射角度对电磁特性的影响, 确定 雷达最佳入射角度范围 .仿真模型选取的是三层料 层模型,扫描频段选为 0.5 ～ 1 GHz. 雷达波垂直于料层入射时 (沿 Z轴入射),仿真 得到反射参数图如图 6所示;雷达与 Z轴成 8°角入 射时 ,仿真后的反射参数图如图 7 所示;雷达与 Z 轴成 12°角入射时, 仿真后的反射参数图如图 8 所 示, 并与雷达垂直入射时的反射参数图置于同一图 表内 . 图 6 垂直入射参数图 Fig.6 Parameterdiagramofnormalincidence 仿真分析表明 :斜入射为 8°情况下, 在 0.5 ～ 1 GHz的频率范围内 ,低频部分相对高频部分反射的 图 7 与 Z轴成 8°角入射参数图 Fig.7 Parameterdiagramatthe8°incidenceanglewithZ-axis 图 8 S参数图 Fig.8 Sparameterdiagram 信号量小 4 ～ 5 dB;斜入射为 12°情况下, 在 0.5 ～ 1 GHz的频率范围内 , 低频部分反射信号增大 ,高频 部分的反射量相对于垂直入射减小, 特别是在 0.9 ～ 1 GHz之间有一个极低值 , 不适合雷达料面情况探 测 .若反射的信号量过小 ,甚至低于雷达的灵敏度 , 将很难获得正确的料面信息 .结合以上仿真分析以 及实际情况 ,雷达入射角度不应大于 12°, 垂直入射 在 0.5 ～ 1 GHz时 ,高频部分反射特性较倾斜入射效 果更好 . 2.4 有耗介质电磁特性 与无耗介质不同, 有耗介质对电磁波传播特性 的影响较为复杂.以铁矿石的有耗介质为例 ,电磁 波在其传播时的能量衰减 Γ2 可表示为 [ 7] : Γ2 =T01 ×Γ12 ×T10 ×B (7) 式中, Γ01 、Γ12和 Γ10为电磁波通过铁矿石与其他介 质接触面时的能量衰减,需根据实际情况加以设定 . 假设上述其他参数均为常量的前提下 ,设 B为变化 量 ,则 B表示电磁波在铁矿石中的衰减量, 并与电 磁波频率和铁矿石层厚度有关 . 铁矿石的介电常数为 ε1 =εr1ε0 + σ jω (8) 式中, σ为电导率. B=e -α×2l1是第二次反射波在铁矿石层中传播 需要记入的衰减量, α称为衰减因子 , l1 是铁矿石层 的厚度 .显然, 衰减因子是频率的函数, 而衰减量 B · 89·

。90 北京科技大学学报 第33卷 是频率和铁矿石层厚度的函数.总体来说，频率越 耗介质，还存在大量色散介质，其对电磁波的传播特 高，电磁波在铁矿石中的衰减越快，而铁矿石越厚， 性也有很大的影响.仿真时采用两种常用的色散介 第二次回波的强度就越小.与此同时，铁矿石层与 质模型，分别为Dbe一阶和二阶模型. 其他介质交界面处的反射和透射系数全部与频率 Debe一阶模型的介电系数满足德拜(Debe) 相关. 方程式： 仿真时通过观察电磁波射入不同电导率的铁矿 e(w)=eo[eo十X(w)】= 石介层的电磁响应，分析有耗介质对电磁波传播的 影响.取G为0.10.5和1进行仿真设定料层为 eo6。十eei 1+dto =e0e(ω) (9) 两层，下层是E=3的无耗介质，上层是铁矿石.仿 式中，e和E为静态和无限频率的介电系数，X(ω) 真结果如图9图11所示. 表示角频率对介电常数的影响，τ为弛豫时间 1.0 常数. 人射信号（红） 0.5 反射信号（绿） 当介质模型具有损耗时，其介电系数为： E.-Eoja eo)=c十1+d0a6 (10) 此时的介质模型就变为Dbye二阶模型. 10 仿真时对Debye一阶模型进行参数配置，e和 时向/ms e分别取为26和1弛豫时间为005，S配置如 图9。=01时入射信号和反射信号 Fg 9 Incdent and reflected wave signals fra=0 1 图12所示，仿真结果如图13所示. Dielectric dispersion Disp.model ○User 入射信号（红） 05 反射信号（绿） Debye 1st order 回 Epsilon infinitv: 1 0.5 Epsilon static 26 10 15 Relaxation time 时间ns 0.05 图10c=0.5时入射信号和反射信号 F 10 Incdent and refleced wave sgnals fra=0 5 1.0 入射信号（红） 图12阶模型配置图 0.5 反射信号（绿） Fig 12 Configura tion diagram of the firstodermalel 1.0 入射信号（红） 0.5 10 反射信号（绿） 时间/ns 0 图116=1时入射信号和反射信号 Fg 11 Incient and reflected wave sgnals pra =1 (1仿真过程.随着σ值升高，由于入射信号 10 时间ns 损耗逐渐升高，反射信号逐渐减小，低于雷达接收极 图13 Delye一阶模型时入射信号与反射信号 限时，就无法确定测量结果 Fg 13 Incident and reflected wave signas pr the firstoderDebye (2仿真结论.此时只能增加雷达发射机发射 model 信号功率，以获得合适的接收信号 25色散介质电磁特性 Dbe二阶模型参数配置如图14所示，其中 介质的介电系数或其他本构参数随频率而变 Epsilon infnite和Epsilon sutic分别为无限频率和 化，这种介质称为色散介质.高炉内部不仅存在有 静态的介电系数，Relaxation血e为弛豫时间常数

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 是频率和铁矿石层厚度的函数.总体来说, 频率越 高, 电磁波在铁矿石中的衰减越快 ,而铁矿石越厚, 第二次回波的强度就越小.与此同时, 铁矿石层与 其他介质交界面处的反射和透射系数全部与频率 相关 . 仿真时通过观察电磁波射入不同电导率的铁矿 石介层的电磁响应 ,分析有耗介质对电磁波传播的 影响 .取 σ为 0.1, 0.5和 1 进行仿真, 设定料层为 两层 ,下层是 ε=3的无耗介质, 上层是铁矿石 .仿 真结果如图 9 ～图 11所示. 图 9 σ=0.1时入射信号和反射信号 Fig.9 Incidentandreflectedwavesignalsforσ=0.1 图 10 σ=0.5时入射信号和反射信号 Fig.10 Incidentandreflectedwavesignalsforσ=0.5 图 11 σ=1时入射信号和反射信号 Fig.11 Incidentandreflectedwavesignalsforσ=1 (1)仿真过程.随着 σ值升高 , 由于入射信号 损耗逐渐升高 ,反射信号逐渐减小 ,低于雷达接收极 限时 ,就无法确定测量结果. (2)仿真结论.此时只能增加雷达发射机发射 信号功率 ,以获得合适的接收信号 . 2.5 色散介质电磁特性 介质的介电系数或其他本构参数随频率而变 化, 这种介质称为色散介质 .高炉内部不仅存在有 耗介质 ,还存在大量色散介质, 其对电磁波的传播特 性也有很大的影响.仿真时采用两种常用的色散介 质模型 ,分别为 Debye一阶和二阶模型 . Debye一阶模型的介电系数满足德拜 (Debye) 方程式 : ε(ω)=ε0 [ ε∞ +χ(ω)] = ε0 ε∞ + εs -ε∞ 1 +jωτ0 =ε0 ε(ω) (9) 式中, εs和 ε∞为静态和无限频率的介电系数 , χ(ω) 表示角频率对介电常数的影响, τ0 为弛豫时间 常数. 当介质模型具有损耗时,其介电系数为: ε(ω)=ε∞ + εs -ε∞ 1 +jωτ0 -j σ ωε0 (10) 此时的介质模型就变为 Debye二阶模型. 仿真时对 Debye一阶模型进行参数配置 , εs和 ε∞ 分别取为 26 和 1, 弛豫时间为 0.05 s, 配置如 图 12所示 ,仿真结果如图 13所示. 图 12 一阶模型配置图 Fig.12 Configurationdiagramofthefirst-ordermodel 图 13 Debye一阶模型时入射信号与反射信号 Fig.13 Incidentandreflectedwavesignalsforthefirst-orderDebye model Debye二阶模型参数配置如图 14所示, 其中 Epsiloninfinite和 Epsilonstatic分别为无限频率和 静态的介电系数 , Relaxationtime为弛豫时间常数 , · 90·

第1期 陈先中等：高炉密闭环境下雷达料面测量电磁特性仿真 。91 仿真结果如图15所示. Dielectric dispersion ⊙Disp.model ○User -0.01 Debye 2nd order 回 0.02 Epsilon infinitv: 1.0 Epsilon static 1: 0.031 4 24 频率GHz Epsilon static 2: 图16无耗介质参数图 26 Fg 16 Parameter dingram of bssless media Relaxation time 1: 0.05 Relaxation time 2. 0.1 图14二阶模型配置图 -3 F 14 Configiration digmm of the secondodermodel 0 4 入射信号（红） 频率GHz 0.5 反射信号（绿） 图17有耗介质参数图 Fg 17 Parameter digrm of pssy media 0.5 10 10 15 时间ns 目-0.01 图15Db二阶模型时入射信号与反射信号 Fg 15 hcident and refec ed wave sgnals pr he second order De 0-02 bye male】 -0.03 3 4 仿真结果表明，随着德拜模型阶数的提高，也就 车GH 是损耗的增加，上层反射信号增强，反射系数增大， 图18色散介质参数图 但波的透射能力降低较难深入到色散介质层内部. Fg 18 Parameer diagmm of dispersivemeda 26入射雷达波频段影响 为进一步研究不同频段对电磁波的影响，现将 3实际建模 雷达信号频段改为1~6GHz并与05~1GH频段 图19.图20为炉料界面模型，是依据高炉实际 进行频响比较.仿真时均采用单雷达垂直入射，选 形状进行的模拟.整个模型实现了以下两种主要 取单层料层，料层介质分别为无耗介质、有耗介质和 功能 色散介质三类，色散介质选择的是De二阶介质 (1)单一雷达波单点电磁反射特性模型.采用 模型.三种介质的频响反射参数图如图16~图18 单一雷达实现了基本料面的监测仿真尤其是仿真 所示 高炉内部关键点的连续监测.仿真结果还发现，当 仿真结果表明，有耗介质相比于无耗介质，在 频率范围在6GH到26GH2料面几乎全反射，因此 1~6GH频段上信号的反射系数降低与较低频段 高频信号无法获得料面和料层的微波透射回波. 处更为严重，反射系数下降，这说明电磁波在介质中 (2分布式雷达传感阵列模型.设计和仿真了 传播时具有频率选择效应.相比于无耗介质和有耗 六台雷达的阵列效果，分别为ABCD和F阵 介质，色散介质的介质反射系数增大，同时由于频率 列布置如图19所示，在高炉密封条件下，根据媒介 选择效应，使得在低频段大概1GH处达到一个最 层的反射特性，在计算机屏幕上仿真出炉内料面和 大反射峰值，可在测量时加以应用. 3~5层料层厚度的3D形状.通过分布式雷达传感

第 1期 陈先中等:高炉密闭环境下雷达料面测量电磁特性仿真 仿真结果如图 15所示. 图 14 二阶模型配置图 Fig.14 Configurationdiagramofthesecond-ordermodel 图 15 Debye二阶模型时入射信号与反射信号 Fig.15 Incidentandreflectedwavesignalsforthesecond-orderDe￾byemodel 仿真结果表明 ,随着德拜模型阶数的提高,也就 是损耗的增加 ,上层反射信号增强 ,反射系数增大, 但波的透射能力降低,较难深入到色散介质层内部. 2.6 入射雷达波频段影响 为进一步研究不同频段对电磁波的影响, 现将 雷达信号频段改为 1 ～ 6 GHz,并与 0.5 ～ 1 GHz频段 进行频响比较 .仿真时均采用单雷达垂直入射, 选 取单层料层,料层介质分别为无耗介质 、有耗介质和 色散介质三类 ,色散介质选择的是 Debye二阶介质 模型 .三种介质的频响反射参数图如图 16 ～图 18 所示 . 仿真结果表明, 有耗介质相比于无耗介质 , 在 1 ～ 6 GHz频段上信号的反射系数降低, 与较低频段 处更为严重,反射系数下降, 这说明电磁波在介质中 传播时具有频率选择效应.相比于无耗介质和有耗 介质 ,色散介质的介质反射系数增大,同时由于频率 选择效应 ,使得在低频段大概 1 GHz处达到一个最 大反射峰值,可在测量时加以应用 . 图 16 无耗介质参数图 Fig.16 Parameterdiagramoflosslessmedia 图 17 有耗介质参数图 Fig.17 Parameterdiagramoflossymedia 图 18 色散介质参数图 Fig.18 Parameterdiagramofdispersivemedia 3 实际建模 图 19、图 20为炉料界面模型, 是依据高炉实际 形状进行的模拟 .整个模型实现了以下两种主要 功能. (1)单一雷达波单点电磁反射特性模型.采用 单一雷达实现了基本料面的监测仿真, 尤其是仿真 高炉内部关键点的连续监测 .仿真结果还发现 ,当 频率范围在 6 GHz到 26 GHz,料面几乎全反射 ,因此 高频信号无法获得料面和料层的微波透射回波 . (2)分布式雷达传感阵列模型 .设计和仿真了 六台雷达的阵列效果, 分别为 A、B、C、D、E和 F,阵 列布置如图 19所示 ,在高炉密封条件下, 根据媒介 层的反射特性,在计算机屏幕上仿真出炉内料面和 3 ～ 5层料层厚度的 3D形状.通过分布式雷达传感 · 91·

。92。 北京科技大学学报 第33卷 D 达传感阵列的设计，得到了在高炉密闭环境下雷达 测量的仿真料面.同时也仿真了电磁波在不同的布 料层数、不同的雷达入射角度、不同的介质模型以及 不同的雷达频段的传播特性下一种新的通过矿焦媒 介层变介电常数重构3D立体料面和料层的方法. 参考文献 【刂Woals G S MaskellD L.MahcneyMV A high.accucy micn. wave mngng system for industrial applications EEE Trans In strum Meas199342(4):812 [2 Zhang S J Yu A B Zulli P et al Numerical smulation ofsolids fow in a blast fumace//The Seoond Intemational Conference on 图19高炉分布式雷达传感阵列的料面仿真图 CFD n the Mnemals and Pooess Industries CSRO Melboume F 19 Burden surace smula tion digmm of BFwih distributed ra dar sensor amay 1999411 [3 HouQW Chen X Z WangX P etal mproved phase-difference agorithm with we ghed oompensation and correc tion for PVCM sgna]Chin J Sci hstum 2010 31(4):721 候庆文，陈先中，王小攀，等.改进的MW信号加权补偿校 正相位差法.仪器仪表学报。201031(4：721) [4 ChenX Z DngAH Wu J Desgn and mplmentatin of rdar burden maging stm n blast fumace Met ll hd Aurn 200 33(2:52 (陈先中，丁爱华吴昀.高炉雷达料面成像系统的设计与实 现.治金自动化。200933(2)：52) 【习Jn-ichio Y HiroshiN ChuM Numerical aapysis onbhstu nace perfmance by multi-dm ensonal tansient smuhor based 图20高炉分布式雷达传感阵列料层仿真效果图 on multi-fuud theory/The Third htema tional Con ference on CFD Fg20 Smuhto知n effect diagem of the O/C layern BF w通ds in theMinera and Proces Industries CSRO Meboume 200 tributed mdar sensor array 441 阵列的回波特性，仿真出矿焦料面的径向分布，通过 [6 ZhangM User Manual of CST Chengdy University of Elec 设定矿焦的不同颜色，可以区分出矿焦的实时分布 tonic Scence and Technobgy Press 2004 G张敏.CS微波工作室用户全书.成都：电子科技大学出版 情况，并仿真出矿焦比. 社，2004) 4结论 I7 LnW G Theory ofE kectromagnetic F eH Beijng Posts&Tele comn Press 1996 (林为干.电磁场理论.北京：人民邮电出版社.1996) 本文研究了高炉密闭条件下炉料电磁透射、反 I8 Kuzogu M Mitt R Frequency dependerce of the constiutive 射和吸收特性，使用CS仿真软件建立了高炉料面 parme ters ofcausal pe rectlym atched an isotrop ic absorbers EEE 和料层的电磁仿真特性模型，并利用高炉分布式雷 Micowave GuidelWave Let 1996 6(12):8121

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 19 高炉分布式雷达传感阵列的料面仿真图 Fig.19 BurdensurfacesimulationdiagramofBFwithdistributedra￾darsensorarray 图 20 高炉分布式雷达传感阵列料层仿真效果图 Fig.20 SimulationeffectdiagramoftheO/ClayerinBFwithdis￾tributedradarsensorarray 阵列的回波特性,仿真出矿焦料面的径向分布,通过 设定矿焦的不同颜色 ,可以区分出矿焦的实时分布 情况 ,并仿真出矿焦比. 4 结论 本文研究了高炉密闭条件下炉料电磁透射、反 射和吸收特性 ,使用 CST仿真软件建立了高炉料面 和料层的电磁仿真特性模型, 并利用高炉分布式雷 达传感阵列的设计, 得到了在高炉密闭环境下雷达 测量的仿真料面 .同时也仿真了电磁波在不同的布 料层数 、不同的雷达入射角度、不同的介质模型以及 不同的雷达频段的传播特性下一种新的通过矿焦媒 介层变介电常数重构 3D立体料面和料层的方法 . 参 考 文 献 [ 1] WoodsGS, MaskellDL, MahoneyMV.Ahigh-accuracymicro￾waverangingsystemforindustrialapplications.IEEETransIn￾strumMeas, 1993, 42(4):812 [ 2] ZhangSJ, YuAB, ZulliP, etal.Numericalsimulationofsolids flowinablastfurnace∥TheSecondInternationalConferenceon CFDintheMineralsandProcessIndustriesCSIRO.Melbourne, 1999:411 [ 3] HouQW, ChenXZ, WangXP, etal.Improvedphase-difference algorithmwithweightedcompensationandcorrectionforFWCM signal.ChinJSciInstrum, 2010, 31(4):721 (侯庆文, 陈先中, 王小攀, 等.改进的 FMCW信号加权补偿校 正相位差法.仪器仪表学报, 2010, 31(4):721) [ 4] ChenXZ, DingAH, WuJ.Designandimplementationofradar burdenimagingsysteminblastfurnace.MetallIndAutom, 2009, 33(2):52 (陈先中, 丁爱华, 吴昀.高炉雷达料面成像系统的设计与实 现.冶金自动化, 2009, 33(2):52) [ 5] Jun-ichiroY, HiroshiN, ChuM.Numericalanalysisonblastfur￾naceperformancebymulti-dimensionaltransientsimulatorbased onmulti-fluidtheory∥TheThirdInternationalConferenceonCFD intheMineralsandProcessIndustriesCSIRO.Melbourne, 2003: 441 [ 6] ZhangM.Users' ManualofCST.Chengdu:UniversityofElec￾tronicScienceandTechnologyPress, 2004 (张敏.CST微波工作室用户全书.成都:电子科技大学出版 社, 2004) [ 7] LinWG.TheoryofElectromagneticField.Beijing:Posts＆ Tele￾comPress, 1996 (林为干.电磁场理论.北京:人民邮电出版社, 1996) [ 8] KuzuogluM, MittraR.Frequencydependenceoftheconstitutive parametersofcausalperfectlymatchedanisotropicabsorbers.IEEE MicrowaveGuidedWaveLett, 1996, 6(12):8121 · 92·