CN115096402A - 一种3d料位成像雷达的探测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达探测技术领域，公开了一种3D料位成像雷达的探测装置及方法，所述的3D料位成像雷达的探测装置包括：雷达，设置有多个，且与物料的堆积面距离差呈梯度变化。转动驱动件，其用于驱动雷达周向转动。空间构建模块其用于构建一个空间坐标系。角度定位模块用于对回波信号数据处理计算获得散射强度值；拟合构建模块用于接收散射强度值并基于BP算法的SAR进行成像形成三维模型。质量估算模块用于并通过体积V与物料密度ρ计算或者物料质量。本发明利用先进的SAR成像和多平面相关的曲面拟合算法，实现料仓内料形的3D成像，能够准确、真实、实时、立体的呈现仓内的料位。
Description
技术领域
本发明涉及雷达探测技术领域，具体涉及一种3D料位成像雷达的探测装置和方法。
背景技术
物位的高度、料形和体积是贮存在容器或工业生产设备生成环节中的重要一环，为各行业生产过程的控制提供可靠的依据，如确定仓内容量、仓内料形，实时物料消耗、动态调整物料平衡等。物位的测量通常利用传统雷达物位和料位计完成测量，在仓储加工过程中，涉及很多仓用来储存各种物料，有原料、成品、半成品、副产品，如粉末、粮食、煤粉，以及各种化学成分添加剂等。
现有问题和不足：
为了解决仓内料位测量问题，目前主流的物位测量仍采用传统的单点雷达料位计为主，问题在于只能测定一个点或者一个很小范围内的料位状态，由于物料的工艺特性，单点料位不能代表整个仓的料位情况，物料入仓后会自然堆积有堆积角形成，形成一个或者数个的“小山峰”，由于料型的不规则，单点难以确定料位高度；而物料出仓时，受出料口位置、数量的影响，形成一个或者数个凹陷，因此很难测定物料的最低位置。根据单点连续型料位器安装位置不同，测得的料层高度也不同，而且测得数据是物料高度而非物料体积，以此高度来计算物料体积会有较大误差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种3D料位成像雷达的探测装置，所述的3D料位成像雷达的探测装置包括：
雷达，设置有多个，且与物料的堆积面距离差呈梯度变化；雷达用于对一个预先设置的高度区域进行扫描获得回波信号数据；
转动驱动件，其用于驱动雷达周向转动，使雷达周向转动完成全面扫描；
空间构建模块，其用于构建一个空间坐标系，所述的空间坐标系划分为X、Y、Z的三维网格点；
角度定位模块，其用于对雷达转动角度散射强度计算模块，所述的散射强度计算模块用于接收回波信号数据，用对回波信号数据处理计算获得散射强度值；
拟合构建模块，其用于接收散射强度值并基于BP算法的SAR进行成像形成三维模型；
质量估算模块，用于根据三维模型计算获得物料的体积V，并通过体积V与物料密度ρ计算或者物料质量。
优选的：所述雷达呈圆周设置。
优选的：所述雷达为120GHz毫米波频段雷达。
优选的：所述雷达安装在雷达固定件上，雷达固定件为圆盘结构，且一面上周向固定设置有多个安装耳，雷达固定安装在安装耳上，且雷达安装距离存在差异。
优选的：所述雷达固定件上固定连接有法兰，法兰安装在支撑结构上。
优选的：所述法兰上内沿和外沿上均开设有透孔，内沿的透孔用于雷达固定件的安装，外沿的透孔用于将法兰安装到支撑结构上。
优选的：所述散射强度值计算方法为
，其中
为某雷达在角度θ对应测量点的截面积数据；j为是指数e的复数虚部表示形式；λ为波长；R(θ)为雷达与θ角对应测量点的距离。
优选的：所述三维模型具体步骤包括：每个雷达扫描遍历各自网格平面后，对不同平面i的雷达，相同角度θi雷达测量的R(θ i |x i ，y i ，z i ）的物料进行拟合，提取每个雷达在i网格平面获取数据，采用MLS加权和分段形式构造最小二乘组合，对相邻网格平面节点计算拟合系数Xi，将各网格节点组合得到的拟合系数代入所有平面相同角度下的样本，求取各平面残差平方，从而得出局部拟合目标值，并形成物料的形曲面输出三维模型。
本发明还提供一种3D料位成像雷达的探测方法，应用于上述所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，所述3D料位成像雷达的探测方法包括：
S1、转动驱动件驱动雷达围绕物料周向转动，并标记雷达对应的角度；
S2、构建一个空间坐标系；
S3、雷达对一个预先设置的高度区域进行扫描获得回波信号数据；
S4、对回波信号数据处理计算获得散射强度值；
S5、接收散射强度值并基于BP算法的SAR进行成像形成三维模型；
S6、根据三维模型计算获得物料的体积V，并通过体积V与物料密度ρ计算或者物料质量。
本发明的技术效果和优点：本发明利用先进的SAR成像和多平面相关的曲面拟合算法，实现料仓内料形的3D成像，能够准确、真实、实时、立体的呈现仓内的料位、料形和质量变化情况，运行稳定可靠，而且不受物料性质、仓型、环境的影响，尤其适用于极度恶劣的高粉尘贮存环境的料位测量。通过不同距离进行检测，检测能力强，使成像全面。
优点：采用雷达动态扫描，克服了现有多雷达单点固定测量，利用估计计算，误差大问题；
优点：采用多个雷达，克服单个雷达扫描周期长，处理时间长等问题；
优点：采用先进的SAR成像算法，有效计算单个雷达在特定平面的成像精度；
优点：采用MLS曲线拟合算法，针对料仓，进料和出料过程中，料型发生变化后，提升了D曲面拟合成像精度和稳定性，相比传统固定点多雷达估算方式更加准确、实时。
附图说明
图1为本发明提出的一种3D料位成像雷达的探测装置的立体结构示意图。
图2为本发明提出的一种3D料位成像雷达的探测装置的爆炸结构示意图。
图3为本发明提出的一种3D料位成像雷达的探测方法的流程示意图。
附图标记说明：表头1，法兰2，转动驱动件3，雷达固定件4，雷达5，罩壳6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
参考图1~图2，在本实施例中提出了一种3D料位成像雷达的探测装置，用于对物料堆积进行探测，所述的3D料位成像雷达的探测装置包括：
雷达5，设置有多个，且与物料的堆积面距离差呈梯度变化，堆积面上堆积物料，堆积面一般为平面，当然也可以是料仓的底部。雷达5用于对一个预先设置的高度区域进行扫描获得回波信号数据。雷达5可以发生雷达波，并向堆积面上的物料发射，然后接收散射点的回波叠加，雷达5可以呈线性设置，线性方向可以与物料的堆积面垂直，当然雷达5也可以呈圆周设置，既圆周且相对堆积面距离阶梯变化，从而增加了雷达5的安装空间。所述的雷达5为120GHz毫米波频段雷达，所述的雷达5可以安装在雷达固定件4上，雷达固定件4为圆盘结构，且一面上周向固定设置有多个安装耳，雷达5固定安装在安装耳上，且雷达5安装距离存在差异，具体在此不做赘述。
转动驱动件3，可以与雷达固定件4同轴固定连接，用于驱动雷达5周向转动，使雷达5周向转动完成全面扫描。转动驱动件3可以为电机、电机与皮带轮组合等，具体在此不做赘述。所述的雷达固定件4上固定连接有法兰2，法兰2可以是圆盘结构，法兰2可以安装在支撑结构上，从而完成所述的3D料位成像雷达的探测装置的安装，法兰2上内沿和外沿上均开设有透孔，内沿的透孔用于雷达固定件4的安装，外沿的透孔用于将法兰2安装到支撑结构上，所述的支撑结构可以是支撑基座、可以是通过连接杆连接在料仓上，料仓用于物料的放置，此处的料仓即物料的堆积面上。
空间构建模块，用于构建一个空间坐标系，所述的空间坐标系将物料覆盖在内，即空间坐标系和雷达5的探测范围覆盖料仓和物料，所述的空间坐标系划分为X、Y、Z的三维网格点，X、Y轴可以处于堆积面上；Z轴可以垂直堆积面上，即可以处于料仓的轴心位置，具体在此不做赘述。
角度定位模块，其用于对雷达5转动角度散射强度计算模块，所述的散射强度计算模块用于接收回波信号数据，对回波信号数据处理计算获得散射强度值，所述的散射强度值计算方法为
，其中
为某雷达在角度θ对应测量点的截面积数据；j为是指数e的复数虚部表示形式；λ为120GHz毫米波波长；R(θ)为雷达与θ角对应测量点的距离。针对雷达5的编号为i，对空间坐标系形成的三维网格对应的（xi，yi，zi）点进行回波的相干处理，如上述公式所示，具体方法是:从θ=0开始，计算i的雷达5对应网格点的距离R(θ|xi，yi，zi），将距离R压缩后的回波信号数据，θ对应的回波信号数据乘以补偿相位，如下式所示：
；然后改变“直至雷达5下一个采样位置，进行相同的相位补偿操作并与上一个数据做相干累加，直至e=2π，完成整个圆周的相干处理。法兰2上固定设置有罩壳6，罩壳6可以处于雷达5的外围，从而可对雷达5进行保护，避免了杂物对雷达5进行干扰和损坏，增加了雷达5的保护能力。
对下一个雷达5采样位置对应的平面网格点进行转动，并进行相同的操作直至所有网格点遍历完成。每个雷达5对应的平面，结合料仓高度进行响应角度的配置，使得雷达5覆盖网格点可以有效覆盖料仓内物料有效高度。所以在实际操作时，需要根据情况进行合理的划分，在兼顾成像效果的同时尽量减小算法的运算量。一般情况下，网格大小设置为与相应维度分辨率相当的水平。
拟合构建模块，用于接收散射强度值并基于BP算法的SAR进行成像形成三维模型。所述的三维模型具体步骤包括：每个雷达5扫描遍历各自网格平面后，对不同平面i的雷达5，相同角度θi雷达5测量的R(θ i |x i ，y i ，z i ）的物料进行拟合，提取每个雷达5在i网格平面获取数据，采用MLS加权和分段形式构造最小二乘组合，对相邻网格平面节点计算拟合系数Xi，将各网格节点组合得到的拟合系数代入所有平面相同角度下的样本，求取各平面残差平方，从而得出局部拟合目标值，并形成物料的形曲面输出三维模型。MLS加权、分段形式构造、BP算法、SAR成像为现有技术，具体在此不做赘述。
质量估算模块，用于根据三维模型计算获得物料的体积V，并通过体积V与物料密度ρ计算或者物料质量。
表头1，可以安装在法兰2上，用于显示计算结果，所述的结果可以包括三维模型、体积V、质量M中的一种或者多种组合等，从而可以进行全面显示。
本发明利用先进的SAR成像和多平面相关的曲面拟合算法，实现料仓内料形的3D成像，能够准确、真实、实时、立体的呈现仓内的料位、料形和质量变化情况，运行稳定可靠，而且不受物料性质、仓型、环境的影响，尤其适用于极度恶劣的高粉尘贮存环境的料位测量。通过不同距离进行检测，检测能力强，使成像全面。
优点1：采用雷达5动态扫描，克服了现有多雷达5单点固定测量，利用估计计算，误差大问题；
优点2：采用多个雷达5，克服单个雷达5扫描周期长，处理时间长等问题；
优点3：采用先进的SAR成像算法，有效计算单个雷达5在特定平面的成像精度；
优点4：采用MLS曲线拟合算法，针对料仓，进料和出料过程中，料型发生变化后，提升了3D曲面拟合成像精度和稳定性，相比传统固定点多雷达5估算方式更加准确、实时。
实施例2
参考图3，本发明提供一种3D料位成像雷达的探测方法，所述的3D料位成像雷达的探测方法包括：
S1、转动驱动件3驱动雷达5围绕物料周向转动，并标记雷达5对应的角度。
S2、构建一个空间坐标系。
S3、雷达5对一个预先设置的高度区域进行扫描获得回波信号数据。
S4、接收回波信号数据，用对回波信号数据处理计算获得散射强度值。
S5、接收散射强度值并基于BP算法的SAR进行成像形成三维模型。
S6、根据三维模型计算获得物料的体积V，并通过体积V与物料密度ρ计算或者物料质量。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (9)
1.一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述的3D料位成像雷达的探测装置包括：
雷达，设置有多个，且与物料的堆积面距离差呈梯度变化；雷达用于对一个预先设置的高度区域进行扫描获得回波信号数据；
转动驱动件，其用于驱动雷达周向转动，使雷达周向转动完成全面扫描；
空间构建模块，其用于构建一个空间坐标系，所述的空间坐标系划分为X、Y、Z的三维网格点；
角度定位模块，其用于对雷达转动角度散射强度计算模块，所述的散射强度计算模块用于接收回波信号数据，用对回波信号数据处理计算获得散射强度值；
拟合构建模块，其用于接收散射强度值并基于BP算法的SAR进行成像形成三维模型；
质量估算模块，用于根据三维模型计算获得物料的体积V，并通过体积V与物料密度ρ计算或者物料质量。
2.根据权利要求1所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述雷达呈圆周设置。
3.根据权利要求1所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述雷达为120GHz毫米波频段雷达。
4.根据权利要求1所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述雷达安装在雷达固定件上，雷达固定件为圆盘结构，且一面上周向固定设置有多个安装耳，雷达固定安装在安装耳上，且雷达安装距离存在差异。
5.根据权利要求4所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述雷达固定件上固定连接有法兰，法兰安装在支撑结构上。
6.根据权利要求1所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述法兰上内沿和外沿上均开设有透孔，内沿的透孔用于雷达固定件的安装，外沿的透孔用于将法兰安装到支撑结构上。
7.根据权利要求1所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述散射强度值计算方法为
，其中
为雷达在角度θ对应测量点的截面积数据；j为是指数e的复数虚部表示形式；λ为波长；R(θ)为雷达与θ角对应测量点的距离。
8.根据权利要求7所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述三维模型具体步骤包括：每个雷达扫描遍历各自网格平面后，对不同平面i的雷达，相同角度θi雷达测量的R(θ i |x i ，y i ，z i ）的物料进行拟合，提取每个雷达在i网格平面获取数据，采用MLS加权和分段形式构造最小二乘组合，对相邻网格平面节点计算拟合系数Xi，将各网格节点组合得到的拟合系数代入所有平面相同角度下的样本，求取各平面残差平方，从而得出局部拟合目标值，并形成物料的形曲面输出三维模型。
9.一种3D料位成像雷达的探测方法，应用于权利要求1-8任一项所述的一种3D料位成像雷达的探测装置，其特征在于，所述3D料位成像雷达的探测方法包括：
S1、转动驱动件驱动雷达围绕物料周向转动，并标记雷达对应的角度；
S2、构建一个空间坐标系；
S3、雷达对一个预先设置的高度区域进行扫描获得回波信号数据；
S4、对回波信号数据处理计算获得散射强度值；
S5、接收散射强度值并基于BP算法的SAR进行成像形成三维模型；
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