第2期 陈先中等：高炉雷达料面测量信号处理系统改进 217° 表1不同采样长度用时对比 2.1模拟信号处理 Table Tme consum ing comparison of different sampling lengths 实际情况下，各种噪声以及雷达器件本身的反 采样 时间/(DSP指令周期) 射都会混杂在回波信号中，使得回波信号频谱中出 长度 调频采样 FFT 总时间 现多个波峰，并且在低频段会出现一段幅值较高呈 256 1759771 98117 1857888 递减趋势的信号，称为R觐象0.这些低频干扰 512 3519515 108505 3628020 都可以通过图1所示高通滤波器滤除.信号经过高 1024 7039003 129330 7168333 通滤波器(High-Pass File,rHF后幅值比较低，使 用图2放大和滤波电路滤除高频噪声. 2复杂工况下的综合信号处理方法 MW雷达非常适合短距离精确测量，具有高 -20 的距离分辨能力和测量精度.然而，由式(14)可知， -40 当采样点数N为1024频率步进△为1H附，相 100 应的距离分辨率△R约为0.146？此分辨率不能满 -1004 足高精度测量的要求.传统雷达信号处理方法9是 1 10 10 10 频率Hz 采样滤波以后利用FFT得到信号频谱，然后利用各 R11 R21 种频谱校正方法6)求得信号的真实频率从而算 649 191 C11 C12 C21 C22 出相应的距离. 0.056μF0.027μF 0.47μF0.22μ 本文针对高炉生产环境进行研究，被测料面由 R22 93.1k 1000 铁矿石和焦炭组成其料面坑洼不平，反射系数比较 低，回波信号中包含了大量干扰.同时，由于高炉的 图1高通滤波器的SPE仿真结果及电路图 特殊性，雷达的安装位置不能任意选定，炉体内的十 F 1 PSPICE smukton result and circuit of a high-pass filter 字测温架也可能成为一个很大的干扰源由于信号 未达到料面之前就会有很大一部分能量直接被十字 测温架反射，故在差频信号中体现出一个很强的低 100 频干扰，如果不作处理，会淹没真实信号.其次，高 -20 炉生产过程中，不断的布料、喷水等工艺过程会使得 20 炉体内充满粉尘、水蒸气等气液固三态混合物，这些 -80 300 混合物对雷达信号的吸收、散射等也会加剧信号的 恶化. 10 10 10㎡ 颍率日z 回波信号与发射信号混频后得到原始差频信 I C21 号，再通过低通滤波器(ow-pass filter IPF滤除高 0.33uF 0.0124F 频干扰，就可以得到式(4)低频信号.然而，此低频 R11 R12 R21 R22 806 1.91k 9.31k21k 信号还包含大量干扰，需要进行进一步处理.由于 C12 C22 0.0022HF 0.0022μF 是针对真实的工况进行研究，被测环境的一些参数 己知，利用这些己知参数对信号进行预处理优化，会 图2低通滤波器的SE仿真结果及电路图 大大提高信号质量，降低后续处理的难度.真实的 Fig 2 PSPCE smu la tion result and circuit of a b.pass filter 高炉测量环境中，距离雷达大约6的地方是十字 测温架，而高炉料面一般在十字测温架1m以下，即 2.2数字信号处理 雷达安装位置距离料面约为7m左右.考虑到雷达 差频信号经模拟滤波器后进行模数转换器 的通用性以及软件相对于硬件改动较为容易，在设 (anajog to digital converer ADC)采样及数字信号 计预处理模拟滤波器时，并没有把6m以内的信号 处理.设置采样点数N为1024频率步进为 全部滤除，而只是滤除测量中几乎不可能出现的低 1.6MHz则频率分辨率△R约为0.092四这样的 频干扰一对应于50a以内的信号，其他频段的 分辨率还不能满足高炉生产的要求，必须使用频谱 信号则使用数字信号处理技术处理 校正技术进行校正.第 2期 陈先中等:高炉雷达料面测量信号处理系统改进 表 1 不同采样长度用时对比 Table1 Timeconsumingcomparisonofdifferentsamplinglengths 采样 长度 时间 /( DSP指令周期 ) 调频采样 FFT 总时间 256 1 759 771 98 117 1 857 888 512 3 519 515 108 505 3 628 020 1 024 7 039 003 129 330 7 168 333 2 复杂工况下的综合信号处理方法 FMCW雷达非常适合短距离精确测量, 具有高 的距离分辨能力和测量精度.然而, 由式 ( 14)可知, 当采样点数 N为 1 024, 频率步进 Δf为 1 MHz时, 相 应的距离分辨率 ΔR约为 0.146 m, 此分辨率不能满 足高精度测量的要求 .传统雷达信号处理方法 [ 5]是 采样滤波以后利用 FFT得到信号频谱, 然后利用各 种频谱校正方法 [ 6--9] 求得信号的真实频率, 从而算 出相应的距离. 本文针对高炉生产环境进行研究, 被测料面由 铁矿石和焦炭组成, 其料面坑洼不平, 反射系数比较 低, 回波信号中包含了大量干扰 .同时, 由于高炉的 特殊性, 雷达的安装位置不能任意选定, 炉体内的十 字测温架也可能成为一个很大的干扰源, 由于信号 未达到料面之前就会有很大一部分能量直接被十字 测温架反射, 故在差频信号中体现出一个很强的低 频干扰, 如果不作处理, 会淹没真实信号.其次, 高 炉生产过程中, 不断的布料 、喷水等工艺过程会使得 炉体内充满粉尘 、水蒸气等气液固三态混合物, 这些 混合物对雷达信号的吸收 、散射等也会加剧信号的 恶化. 回波信号与发射信号混频后得到原始差频信 号, 再通过低通滤波器 ( low-passfilter, LPF)滤除高 频干扰, 就可以得到式 ( 4)低频信号.然而, 此低频 信号还包含大量干扰, 需要进行进一步处理.由于 是针对真实的工况进行研究, 被测环境的一些参数 已知, 利用这些已知参数对信号进行预处理优化, 会 大大提高信号质量, 降低后续处理的难度.真实的 高炉测量环境中, 距离雷达大约 6 m的地方是十字 测温架, 而高炉料面一般在十字测温架 1 m以下, 即 雷达安装位置距离料面约为 7 m左右.考虑到雷达 的通用性以及软件相对于硬件改动较为容易, 在设 计预处理模拟滤波器时, 并没有把 6 m以内的信号 全部滤除, 而只是滤除测量中几乎不可能出现的低 频干扰 ———对应于 50 cm以内的信号, 其他频段的 信号则使用数字信号处理技术处理. 2.1 模拟信号处理 实际情况下, 各种噪声以及雷达器件本身的反 射都会混杂在回波信号中, 使得回波信号频谱中出 现多个波峰, 并且在低频段会出现一段幅值较高呈 递减趋势的信号, 称为 Ring现象 [ 10] .这些低频干扰 都可以通过图 1所示高通滤波器滤除.信号经过高 通滤波器 ( High-PassFilter, HPF)后幅值比较低, 使 用图 2放大和滤波电路滤除高频噪声. 图 1 高通滤波器的 PSPICE仿真结果及电路图 Fig.1 PSPICEsimulationresultandcircuitofahigh-passfilter 图 2 低通滤波器的 PSPICE仿真结果及电路图 Fig.2 PSPICEsimulationresultandcircuitofalow-passfilter 2.2 数字信号处理 差频信号经模拟滤波器后进行模数转换器 ( analog-to-digitalconverter, ADC)采样及数字信号 处理.设 置采样 点数 N为 1 024, 频率步 进为 1.6 MHz, 则频率分辨率 ΔR约为 0.092 m.这样的 分辨率还不能满足高炉生产的要求, 必须使用频谱 校正技术进行校正 . · 217·