[發明專利]一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監測方法

在審

• 申請號: 202210310306.1
• 申請日: 2022-03-28
• 公開（公告）號: CN114646649A
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 金心宇;王子源;吳浪;金昀程;李峰;張超杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N22/04
• 分類號: G01N22/04;G01S7/41
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

1.一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監測方法，其特征在于:

將毫米波雷達放置于糧庫的儲糧堆中按五點采樣規則，進行探測采樣獲得每個采樣點的ADC采樣的原始回波數據發送至上位機中進行數據預處理，然后將預處理后的數據Dc輸入至糧食水分含量分類網絡進行分類預測，輸出每個采樣點的水分預測含量并在上位機中顯示和儲存結果；

所述數據預處理為所述ADC采樣的原始回波數據經過調頻脈沖周期均值采樣操作后獲得采樣數據Dt；同時，ADC采樣的原始回波數據經過傅里葉變換頻域特征提取操作后得到頻域特征，再經過調頻脈沖周期均值采樣操作后獲得采樣數據Df；然后將采樣數據Dt和采樣數據Df在調頻脈沖數維上進行數據拼接獲得所述預處理后的數據Dc；

所述糧食水分含量分類網絡包括依次連接的基于TCN時域卷積網絡和多層感知機。

2.根據權利要求1所述的一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監測方法，其特征在于：

所述調頻脈沖周期均值采樣具體為：利用公式(1)計算每16個調頻脈沖周期數同一采樣點的均值：

其中，為每16個調頻脈沖周期的采樣點均值，S_n為每個計算均值的周期內第n個調頻脈沖周期對應采樣點的值；

所述ADC采樣的原始回波數據中每個類別每幀的原始數據維度為256*4*512，經公式(1)后得到16*4*512維度的處理后數據，然后對16*4*512維度的處理后數據在通道維(4)和采樣點維(512)進行拼接和展開操作獲得所述采樣數據Dt。

3.根據權利要求2所述的一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監測方法，其特征在于：

所述傅里葉變換頻域特征提取為對所述ADC采樣的原始回波數據按照公式(2)對512個采樣點進行有限長離散傅里葉變換得到256*4*512維度的處理后數據；

其中，X(m)代表離散傅里葉變換后的數據，x(n)代表ADC采樣的數字信號，N為進行離散傅里葉變換的周期點數。

4.根據權利要求3所述的一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監測方法，其特征在于：

所述糧食水分含量分類網絡的訓練過程為：收集N組水分含量呈等差排列的糧食樣品，采用毫米波雷達采集每組糧食樣品的100幀原始回波數據，將每組的水分含量作為該組的100幀原始回波數據的標簽，從而構建訓練和測試使用的數據集；然后將數據集經過所述數據預處理獲得的所述預處理后的數據Dc，將預處理后的數據Dc按照8:2的比例進行隨機劃分為訓練數據集D_train和測試數據集D_test；

使用訓練數據集D_train對所述糧食水分含量分類網絡進行訓練，損失函數采用均方誤差，網絡參數學習采用Adam優化器；網絡參數學習率Learning_rate設置為0.00025，每個batch輸入16組數據，迭代1000個epoch進行訓練；

每間隔100個epoch在測試數據集D_test上進行測試，使用MSE損失函數來計算預測誤差，若當前測試數據集D_test上計算MSE為歷史最小值，保存當前網絡參數模型文件；完成1000個epoch的訓練以及測試步驟后，取歷史上在測試數據集D_test上計算所得最小MSE值對應的網絡模型參數文件為所述糧食水分含量分類網絡的網絡參數模型文件。

5.根據權利要求4所述的一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監測方法，其特征在于：

所述TCN時域卷積網絡為糧食水分含量分類網絡的第一層，過濾器數為64、每個卷積層的內核大小為3、使用的殘差塊堆棧數為2、擴張列表為[1、2、4、8...2ⁿ]；

所述多層感知機為糧食水分含量分類網絡的第二層至第五層，第二層至第四層均為全連接層，且每層后均跟隨有ReLU激活函數，第二層輸入維度為32*1024，輸出維度為1024；第三層輸入維度為1024，輸出維度為256；第四層輸入維度為256，輸出維度為64；第五層為網絡輸出層，激活函數采用Softmax，輸入維度為64，輸出維度為10。

6.根據權利要求5所述的一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監測方法，其特征在于：

所述毫米波雷達設于玻璃材質的圓筒內，將毫米波雷達的發射天線所在平面朝向圓筒外部的糧食，毫米波雷達與圓筒的四壁均分離；

所述五點采樣規則為將儲糧堆分為上、中、下三個儲糧層，每個儲糧層按50平方米取近似的正方形，分別在正方形的左上、左下、右上、右下以及中間取五個采樣點，將所述毫米波雷達分別設于五個采樣點。