[發(fā)明專利]一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監(jiān)測方法

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• 申請日: 2022-03-28
• 公開（公告）號: CN114646649A
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 金心宇;王子源;吳浪;金昀程;李峰;張超杰
• 申請（專利權(quán)）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

本發(fā)明公開了一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監(jiān)測方法，將毫米波雷達放置于糧庫的儲糧堆中，按五點采樣規(guī)則進行探測采樣獲得每個采樣點的ADC采樣的原始回波數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機中進行數(shù)據(jù)預處理，然后將預處理后的數(shù)據(jù)Dc輸入至糧食水分含量分類網(wǎng)絡(luò)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(jié)果；糧食水分含量分類網(wǎng)絡(luò)包括依次連接的基于TCN時域卷積網(wǎng)絡(luò)和多層感知機。本發(fā)明利用毫米波雷達傳感器的對水分探測敏感度高的優(yōu)勢應用到實際倉儲的場景中去，克服糧庫實驗室場景下水分檢測時需要分區(qū)域分點進行扦樣以及化驗或者烘干測量的復雜性和人工成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及雷達信號分析和圖像識別領(lǐng)域，具體是一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監(jiān)測方法。

背景技術(shù)

糧食含水量在作物生產(chǎn)、交通運輸和谷倉存儲等環(huán)節(jié)中均為重要的檢測參量。糧食含水量(Moisture Content)是評價作物狀態(tài)的重要指標。農(nóng)作物在存儲的過程中其內(nèi)部過高的水分含量會致使糧食內(nèi)部產(chǎn)生微生物的繁殖，引發(fā)霉變、生蟲等變質(zhì)反應，過低的水分含量則會破壞農(nóng)作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低營養(yǎng)價值。因此在糧食的生產(chǎn)、交通和運輸以及倉存等場景下亟需一種可準確、實時檢測出糧食水分含量的方法來嚴格監(jiān)控其含水量。

現(xiàn)有的糧食水分檢測技術(shù)主要分為電阻法、電容法、近紅外光譜多元標定建模法、核磁共振法等。其中電阻法、電容法等檢測成本較為便宜，但精度較低、穩(wěn)定性差；而近紅外光譜和核磁共振法中的儀器及光路搭建流程復雜、儀器成分昂貴、比較適合實驗室場景下的水分精確測量。

現(xiàn)有研究證明水分子在電磁波場特定頻段(微波及毫米波波段)的極化作用下會表現(xiàn)出對電磁波的敏感性，而毫米波波段電磁波在已有文獻及實驗場景中被證明可以用于食物、農(nóng)作物的水分含量檢測。毫米波雷達的采集的原始回波信號為經(jīng)過載波調(diào)制的高頻正弦發(fā)射信號與接收信號的混頻基帶信號，與時間變化相關(guān)，具有一定的周期性。因而可以采用時域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其進行時域的特征提取及網(wǎng)絡(luò)建模。

時域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Temporal Convolutional Networks，簡稱TCN)是用于卷積序列預測的通用體系結(jié)構(gòu)。TCN作為一個新的序列分析模型，它結(jié)合了RNN和CNN的優(yōu)點，只需更少的內(nèi)存、有更穩(wěn)定的梯度和更靈活的感受野。主要特征有兩個：1)卷積網(wǎng)絡(luò)層層之間是有因果關(guān)系的，意味著從未來到過去沒有信息丟失；2)該體系結(jié)構(gòu)可以伸縮自如的調(diào)整成任何長度，并可以獲取任意長度的序列，將其映射到相同長度的輸出序列。

TCN可以看作為一維的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Fully Convolutional Networks)與因果卷積(Causal Convolution)的結(jié)合；一方面因果卷積的思想可以用來達到“不漏接”的目的，卷積層在t時間的輸出只與當層和前一層的元素做卷積。另一方面一維的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用零填充讓每個輸出層都可以保持和輸入層相同的尺寸，與此同時TCN通過采用膨脹卷積(Dilated Convolution)來解決反向訓練的問題。殘差塊被證明是訓練深層網(wǎng)絡(luò)的有效方法，它使得網(wǎng)絡(luò)可以以跨層的方式傳遞信息。最后TCN構(gòu)建了一個殘差塊來代替一層的卷積，一個殘差塊包含兩層卷積核非線性映射，在每層中還加入了WeightNorm和Dropout來使網(wǎng)絡(luò)參數(shù)更加泛化和正則化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監(jiān)測方法，用以兼顧檢測效率和準確度地進行糧倉糧食水分的在線檢測。。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于毫米波雷達的糧庫糧食在線水分監(jiān)測方法，具體過程為：

將毫米波雷達放置于糧庫的儲糧堆中，按五點采樣規(guī)則進行探測采樣獲得每個采樣點的ADC采樣的原始回波數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機中進行數(shù)據(jù)預處理，然后將預處理后的數(shù)據(jù)Dc輸入至糧食水分含量分類網(wǎng)絡(luò)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(jié)果；