CN116755088A - 一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法，涉及雷达成像和信号处理技术领域，包括将雷达系统置于粮仓内，发射接收天线平行于粮食表面并匀速运动，获取多组雷达回波数据；对回波数据进行脉冲压缩和积累，获取粮仓的基本结构及深度信息；对数据进行距离徙动校正等，获取粮仓内的二维图像；对图像进行滤波等进一步处理，从图像中可以得知粮仓底部结构以及粮食内是否有异物等信息。本发明利用雷达成像技术对粮仓进行探测与成像，能够有效的解决传统粮仓探测方法速度慢，适应能力差，探测深度较小且结果不够直观的问题，实现对粮仓的快速探测与成像。
Description
技术领域
本发明属于合成孔径雷达信号处理领域，具体涉及一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法。
背景技术
平房仓和浅圆仓是储粮常见的粮仓形状，在对粮堆进行探测的过程中，由于不同粮仓的形状，粮仓壁与底部位置的不同，会对探测结果有一定的影响。传统粮仓探测方法有超声波探测法、光探测法、核探测法和电磁波探测法等。
超声波探测法是利用超声波在介质中沿直线传播，具有良好的指向性这一特点来实现，超声波穿透能力较强而且所用的设备成本低，对人体无害，容易实现自动化的检测。然而由于粮仓中粮食的密度低，粮食之间有大量空隙，超声波在粮堆中的传播衰减较大，故使用此方法进行异物探测的探测深度较小，且探测结果显示不直观，结果不便于保存。
X射线的探测方法是用X射线来实现粮仓的异物探测，X射线的探测方法缺点是探测深度也受到一定的限制，且探测所用的设备非常复杂，难以实现快速的探测，并且探测出来的结果不便于获取和对结果进行二次处理。
核探测法可以实现物体的深度探测，但是核探测法不仅需要解决探测时发射源和检测设备的同步和定向问题，且较强的辐射对人体有害，探测时需要严格的保护措施，故此方法需要复杂的屏蔽设备，耗费的成本高，难以实现多个粮仓的移动检测。
电磁波探测法相比于以上几种探测方法，不但可以实现无损检测，且可以探测粮食及其分层的结构，还可以实现对粮仓整体结构的探测与成像。目前电磁波探测技术发展十分迅速，尤其是受到合成孔径雷达技术与雷达信号处理技术进步的影响，使得电磁波探测技术的理论与设备都有了巨大的发展。由于合成孔径雷达具有很高的探测分辨率以及较高的探测效率，将雷达应用于粮仓探测这一方面，可以有效的探测粮食内部不可见的目标，生成粮仓内部的二维图像，通过图像确定目标的位置以及大小，是一种极为有效的粮仓探测手段。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法，利用雷达系统来获取粮仓的结构信息、二维图像或三维点云，并根据图像或点云信息识别粮食内是否埋藏有异物。本发明可用于各类粮仓内结构与异物的检测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法，包括如下步骤：
步骤1、根据粮仓成像场景、雷达探测深度、信号波形与频率，对雷达参数以及雷达天线结构进行优化设计；
步骤2、对粮仓进行探测并获取雷达回波数据，对雷达回波数据进行脉冲压缩和积累，获取粮仓成像场景的基本结构信息；所述基本结构信息包括粮仓的空间结构、粮仓的总深度；
步骤3、对雷达回波数据进行成像处理与滤波，获得处理后的成像效果良好的雷达图像；
步骤4、对步骤3中处理后的成像效果良好的雷达图像进行图像校正和坐标转换，得到待识别的雷达图像；
步骤5、对步骤4中待识别的雷达图像，结合雷达图像局部语义信息，利用聚类方法，对粮食的深度及粮食内部是否具有异物进行进一步的探测与识别。
进一步地，所述步骤1包括：根据雷达频率、信号带宽及天线结构进行优化设计，同时考虑粮食种类、含水量及粮仓结构。
进一步地，所述优化设计包括使用L波段的雷达系统，在接收回路中加入延迟线，并采用隔离度高的微带天线。
进一步地，所述步骤5包括：基于手动或自动提取待识别的雷达图像内的结构信息，对待识别的雷达图像中包含的各种形状进行分割。
有益效果：
本发明针对粮仓内部结构复杂，粮食这一介质导致信号的衰减较大，难以用传统手段进行探测的特点，利用雷达成像技术对粮仓进行探测与成像，能够有效的解决传统粮仓探测方法速度慢，适应能力差，探测深度较小且结果不够直观的问题，实现对粮仓的快速探测与成像。并通过实际雷达系统试验验证了此探测方法的有效性。
附图说明
图1为粮仓内雷达系统与天线结构示意图；
图2为雷达系统对粮仓结构与异物探测示意图；
图3为本发明实施例的雷达位于无金属球位置的回波脉冲压缩结果图；
图4为本发明实施例的雷达位于有金属球位置的回波脉冲压缩并进行脉冲积累的结果图；
图5为本发明实施例的雷达运动时的回波经过脉冲压缩后各目标峰值位置变化图；
图6为本发明的一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为说明的目的，而不是对本发明的限制。
如图6所示，本发明的一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法，利用合成孔径雷达与微带天线，结合雷达二维成像技术、三维点云重建技术，获取粮仓内的结构信息与粮食内的二维图像、三维点云，具体包括以下步骤：
步骤1、根据粮仓成像场景、雷达探测深度、信号波形与频率等因素，对雷达参数以及雷达天线结构进行优化设计；
所述优化设计适用于粮仓结构的雷达二维成像与三维重建信号处理；由于雷达频率、信号带宽等参数及天线结构设计等因素影响探测及成像结果，需要考虑粮食种类，含水量及粮仓本身的结构，保证最优成像性能。
雷达的最大探测深度与发射的电磁波的波长有关。电磁波在多层结构介质中会发生衰减。雷达发射的波长越短，衰减越大，能够穿透的深度越小。可以采用修正的雷达方程来估算最大探测深度：
；
式中，、/>是接受天线的增益和发射天线的增益；/>、/>是雷达的最小和最大探测信号的功率；/>是目标物体的散射截面积；/>、/>是介质表面的传播损失；是雷达最大探测深度；/>是介质中电磁波的衰减系数；/>是介质的深度。电磁波在有损介质中传播的波长/>如下式所示：
；
其中，c表示空气中电磁波的传播速度；、/>分别表示相对介电常数和磁导率；表示雷达的发射频率。由以上两个公式可知，雷达的最大探测深度随电磁波频率增大而减小。
另外为了保证雷达对异物的分辨能力，考虑到雷达发射的波长越长，距离分辨率越差，且需要更大的天线结构。为了平衡探测精度及探测深度的矛盾，且将雷达和天线的体积限制在一定的范围内，雷达系统采用L波段，天线采用微带天线配合接收延迟线，可以有效降低系统体积。
步骤2、对粮仓进行探测并获取雷达回波数据，对雷达回波数据进行脉冲压缩和积累，获取粮仓成像场景的基本结构信息，包括粮仓的空间结构，粮仓的总深度等。
步骤3、对雷达回波数据进行成像处理与滤波，获得处理后成像效果良好的雷达图像；
步骤4、对步骤3中处理后的雷达图像，进行图像校正和坐标转换，得到待识别的雷达图像，此雷达图像满足对粮食介质内结构探测识别的要求；
步骤5、对步骤4中待识别的雷达图像，结合雷达图像局部语义信息，利用聚类方法，对粮食的深度及粮食内部是否具有异物进行进一步的探测与识别。本发明适用于粮仓内部结构及粮食介质的雷达二维图像与三维点云的处理与识别；基于手动或自动提取雷达图像或点云的结构信息，对图像中包含的各种形状进行分割。
本发明以L波段雷达系统，带宽400MHz为例，来描述其实施例。
1.雷达参数及系统优化设计：
针对粮仓这一应用环境，需要对雷达系统的参数与天线进行优化设计。由于粮食中具有很大的空隙，随着雷达探测频率的增加，电磁波的穿透性能下降，探测深度变小。但选择较低的雷达频率又会增加雷达天线的体积，同时降低探测的分辨率。故经过综合考虑，选择使用L波段的雷达系统，既能保证对粮食结构的穿透性，同时保证对粮食内的异物进行有效的探测与成像。
如图1与图2所示，与一般雷达系统远达几公里的应用场景不同，粮仓内普遍空间较小，雷达天线的作用距离较近，脉冲压缩后得到的目标峰值对应的频率很低，在此频率范围内有很强的噪声与干扰，十分不利于雷达系统进行接收和处理。本发明通过在接收回路中加入延迟线，并采用隔离度较好的微带天线等方法，可以有效的减小低频噪声，直达波谐波等干扰因素，提高探测能力。
图1为粮仓内雷达系统与天线结构示意图，粮仓的顶部铺设有人行通道，人行通道的两侧与下方为粮食区域，用于存储粮食。进行探测时，雷达系统放置于雷达平台车上，沿人行通道的方向进行匀速直线运动，为获取更多探测信息以及减小干扰，雷达系统使用多个微带天线构成雷达天线组，天线组通过天线支撑杆延伸至粮食上方，并使天线尽量贴近粮食表面。
图2为雷达系统对粮仓结构与异物探测示意图，以其中一组收发天线为例，在雷达系统沿人行通道移动的过程中，发射天线发射电磁波信号，穿过粮食上方的空气、到达粮食表面，部分信号被粮食表面反射直接进入接收天线，部分信号穿过粮食内部，被粮仓底部反射后进入接收天线。通过雷达信号在粮食表面与粮仓底部产生的两个回波峰值通过信号处理与显示部件进行处理，即可获得粮仓内粮食存储的深度信息。若粮食中埋藏有其他异物，也会反射电磁波信号产生雷达回波，被雷达系统接收到后经过信号处理与显示成像，即可准确的探测出异物的形状大小以及在粮仓中所处的位置。
2.雷达数据接收与处理：
在真实粮仓环境下对雷达进行实地测试，并对雷达接收到的数据进行处理分析，测试分为三种情况：一、探测粮食内未埋藏金属球；二、探测粮食内埋藏金属球；三、雷达处于运动状态，且经过金属球位置。通过对回波数据进行脉冲压缩与积累，得到的结果如图3，图4，图5所示，从三次测试得到的结果图可以看出，L波段雷达系统可以有效的对粮仓及粮食内的异物进行探测，获取包括粮仓深度、异物位置等信息，验证了电磁波对粮食结构的穿透能力，雷达对粮仓异物探测的可行性。
另外要说明的是，图3，图4，图5的结果受到天线间距与直达波的影响，同时考虑到粮食介质与含水量等因素导致距离结果存在一定的误差，需要进行进一步的测试与校正。
3.雷达二维图像成像与异物识别：
在上一步的基础上，对雷达的接收数据进行二维成像，包括脉冲压缩，距离徙动校正，方位压缩等步骤。获取到的雷达图像还包含因噪声干扰而产生的噪点，需要进一步进行滤波处理，最后对图像中显示的异物进行识别与检测。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据粮仓成像场景、雷达探测深度、信号波形与频率，对雷达参数以及雷达天线结构进行优化设计；
步骤2、对粮仓进行探测并获取雷达回波数据，对雷达回波数据进行脉冲压缩和积累，获取粮仓成像场景的基本结构信息；所述基本结构信息包括粮仓的空间结构、粮仓的总深度；
步骤3、对雷达回波数据进行成像处理与滤波，获得处理后的成像效果良好的雷达图像；
步骤4、对步骤3中处理后的成像效果良好的雷达图像进行图像校正和坐标转换，得到待识别的雷达图像；
步骤5、对步骤4中待识别的雷达图像，结合雷达图像局部语义信息，利用聚类方法，对粮食的深度及粮食内部是否具有异物进行进一步的探测与识别。
2.根据权利要求1所述的一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法，其特征在于，所述步骤1包括：根据雷达频率、信号带宽及天线结构进行优化设计，同时考虑粮食种类、含水量及粮仓结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法，其特征在于，所述优化设计包括使用L波段的雷达系统，在接收回路中加入延迟线，并采用隔离度高的微带天线。
4.根据权利要求2所述的一种基于雷达的粮仓深度与异物的探测与成像方法，其特征在于，所述步骤5包括：基于手动或自动提取待识别的雷达图像内的结构信息，对待识别的雷达图像中包含的各种形状进行分割。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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