一种高粉尘环境灰库形貌成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高粉尘环境灰库形貌成像系统及方法，该系统包括毫米波雷达，毫米波雷达与智能云台刚性连接，智能云台用于对毫米波雷达进行姿态控制，智能云台安装在灰库顶壁中心处，毫米波雷达电性连接有数据转换模块，数据转换模块和智能云台均电连接中央处理器模块，中央处理器模块通过数据传输模块连接有云计算平台，所述云计算平台连接有显示交互模块，本发明专利技术采用阿基米德螺旋式非均匀扫描路径对灰库粉尘形貌进行扫描，采样点的选取遵循压缩感知稀疏促进算法，在稀疏变换域通过压缩感知稀疏促进算法对灰库形貌监测点进行重建，获得规则化、加密的虚拟样本点，接着对其误差补偿、降噪处理，最后进行斜线距离到高程转换三维成像，成像质量好。成像质量好。成像质量好。

【技术实现步骤摘要】
一种高粉尘环境灰库形貌成像系统及方法


[0001]本专利技术涉及灰库三维成像
，具体为一种高粉尘环境灰库形貌成像系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，火电厂、水泥厂灰库的测量一般选用脉冲雷达物位计进行测量，脉冲雷达物位计天线发射微波脉冲，遇到被测介质表面，部分能量被反射回来；通过发射脉冲与接收脉冲的时间间隔，可以进一步计算出天线到被测介质表面的距离。但是雷达的安装只能定点安装，一般将雷达装在灰库顶部若干位置上，测量范围只有灰库中某点的积灰高度，测量范围太小，不能估计灰库中其他点位的积灰高度，也无法了解当前灰库的积灰情况，不能很好的监测灰库的工作情况。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种高粉尘环境灰库形貌成像系统及方法，旨在解决当前的雷达测量范围小，测量点位单一的问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案进行实现的：一种高粉尘环境灰库形貌成像系统，包括毫米波雷达，所述毫米波雷达与智能云台刚性连接，智能云台用于对毫米波雷达进行姿态控制，智能云台安装在灰库顶壁中心处，毫米波雷达电性连接有数据转换模块，所述数据转换模块和智能云台均电连接中央处理器模块，所述中央处理器模块通过数据传输模块连接有云计算平台，所述云计算平台连接有显示交互模块。
[0005]进一步的方案是，还包括气阀门，所述气阀门安装在智能云台的一侧，用于吹扫附着在毫米波雷达和智能云台上的粉尘。
[0006]进一步的方案是，所述中央处理器模块为可编程逻辑门阵列FPGA、数字信号处理器DSP、ARM处理器、通用处理器GPP中任意一种。
[0007]一种高粉尘环境灰库形貌成像方法，具体包括以下步骤：
[0008]步骤S1、以灰库中心点为原点，毫米波雷达沿顺时针方向作阿基米德式螺旋式扫描，在扫描路径上取非均匀的采样点，获取不完整的灰库形貌数据；
[0009]步骤S2、云计算平台在稀疏变换域通过压缩感知稀疏促进算法对不完整的灰库形貌数据进行重建，获得规则化、加密的原始形貌点向量；
[0010]步骤S3、建立以毫米波雷达为原点的三维平面坐标系，利用样条插值算法对原始形貌点向量进行加密处理，获得更加完整密布的形貌向量点；
[0011]步骤S4、采用最小二乘法对更加完整密布的形貌向量点进行数据拟合，由点拟合成线、再由线拟合成面，得到灰库内部高精度的三维形貌结构图。
[0012]由上述技术方案可见，本专利技术的毫米波雷达采用阿基米德螺旋式非均匀扫描路径对灰库粉尘形貌进行扫描，从原点开始沿顺时针方向作螺旋式扫描，采样点的选取遵循压缩感知稀疏促进算法，在扫描路径上取非均匀的采样点，用较少的采样点加以样条插值算
法辅助，可以还原出整个欲得知的扫描路径讯号；本专利首先在稀疏变换域通过压缩感知稀疏促进算法对灰库形貌监测点进行重建，获得规则化、加密的虚拟样本点，接着对其误差补偿、降噪处理，最后进行斜线距离到高程转换三维成像，成像质量好。
[0013]进一步的方案是，所述步骤S1具体包括：
[0014]中央处理器模块控制智能云台和毫米波雷达以灰库中心点为原点，沿顺时针方向作阿基米德式螺旋式扫描，在扫描路径上取非均匀的采样点，获取不完整的灰库形貌数据其中H是毫米波雷达探测得到的毫米波雷达与扫描点位之间的距离，θ是雷达扫描俯仰角，是雷达扫描方位角，毫米波雷达将毫米波雷达与扫描点位之间的距离H对应的模拟信号发送给数据转换模块，将模拟信号转换为数据信号后反馈给中央处理器模块，中央处理器模块通过数据传输模块将处理得到的雷达到扫描点位的距离H、雷达扫描俯仰角θ和扫描方位角发送给云计算平台。
[0015]进一步的方案是，所述步骤S2具体包括：
[0016]步骤S21、云计算平台设高分辨率、有限、规则的灰库原始形貌分布形貌点向量为E∈R
N
，其中N为灰库均匀扫描点数，R
N
表示N维列向量全体组成的集合，原始形貌点向量E是具有稀疏性的，有：
[0017][0018]||E||0＝k
[0019]其中Φ∈R
M
×
N
(M＜＜N)为测量矩阵，R
M
×
N
表示M
×
N维列向量全体组成的集合，其服从有限等距性质原则，M为实际采样点数，||E||0表示l0范数，k表示向量非零元素个数，所述测量矩阵根据采集到的灰库形貌数据构造；
[0020]步骤S22、对重构信号添加稀疏约束并通过稀疏促进算法求解，有：
[0021]min||E||0[0022][0023]因l0范数的非凸性，将上式松弛为l0范数优化问题，并将约束问题转换为无约束优化问题，即
[0024][0025]其中λ为正则系数；由此求得原始形貌点向量E。
[0026]进一步的方案是，所述步骤S3具体包括：
[0027]建立以毫米波雷达为原点的三维平面坐标系，利用样条插值算法对原始形貌点向量E进行加密处理；
[0028]有
[0029][0030][0031]z＝Hsinθ
[0032]其中，μ是扫描点位的三维坐标向量，H是雷达到扫描点位的距离，θ是雷达扫描俯
仰角，是雷达扫描方位角，x是扫描点位三维平面坐标系中X坐标值，y是扫描点位三维平面坐标系中Y坐标值，z是扫描点位三维平面坐标系Z坐标值；
[0033]构造二元函数z
i
＝f(x
i
，y
i
)，i＝1，2，...，n，x
i
是第i个扫描点位三维平面坐标系中X坐标值，y
i
是第i个扫描点位三维平面坐标系中Y坐标值，z
i
是第i个扫描点位三维平面坐标系Z坐标值；
[0034]借助该二元函数进行形貌点的插值加密，获得更加完整密布的形貌向量点F。
[0035]进一步的方案是，所述步骤S4之后还包括：
[0036]云计算平台将三维形貌结构图渲染后传输至显示交互模块上显示。
[0037]进一步的方案是，所述数据传输模块为以太网或者4G无线网络。
[0038]进一步的方案是，所述显示交互模块为手机或者电脑或者平板上的应用APP。
[0039]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：为了扫描时间最小化和保证成像质量，本专利技术的毫米波雷达采用阿基米德螺旋式非均匀扫描路径对灰库粉尘形貌进行扫描，从原点开始沿顺时针方向作螺旋式扫描，采样点的选取遵循压缩感知稀疏促进算法，在扫描路径上取非均匀的采样点，用较少的采样点加以样条插值算法辅助，可以还原出整个欲得知的扫描路径讯号；本专利首先在稀疏变换域通过压缩感知稀疏促进算法对灰库形貌监测点进行重建，获得规则化、加密的虚拟样本点，接着对其误差补偿、降噪处理，最后进行斜线距离到高程转换三维成像，成像质量好。
附图说明
[0040]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高粉尘环境灰库形貌成像系统，其特征在于：包括毫米波雷达(1)，所述毫米波雷达(1)与智能云台(2)刚性连接，智能云台(2)用于对毫米波雷达(1)进行姿态控制，智能云台(2)安装在灰库顶壁中心处，毫米波雷达(1)电性连接有数据转换模块(3)，所述数据转换模块(3)和智能云台(2)均电连接中央处理器模块(4)，所述中央处理器模块(4)通过数据传输模块(5)连接有云计算平台(6)，所述云计算平台(6)连接有显示交互模块(7)。2.根据权利要求1所述的一种高粉尘环境灰库形貌成像系统，其特征在于：还包括气阀门(8)，所述气阀门(8)安装在智能云台(2)的一侧，用于吹扫附着在毫米波雷达(1)和智能云台(2)上的粉尘，气阀门(8)和中央处理器模块(4)的输出端电连接。3.根据权利要求1所述的一种高粉尘环境灰库形貌成像系统，其特征在于：所述中央处理器模块(4)为可编程逻辑门阵列FPGA、数字信号处理器DSP、ARM处理器、通用处理器GPP中任意一种。4.一种采用权利要求1所述系统进行高粉尘环境灰库形貌成像的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1、以灰库中心点为原点，毫米波雷达(1)沿顺时针方向作阿基米德式螺旋式扫描，在扫描路径上取非均匀的采样点，获取不完整的灰库形貌数据；步骤S2、云计算平台在稀疏变换域通过压缩感知稀疏促进算法对不完整的灰库形貌数据进行重建，获得规则化、加密的原始形貌点向量；步骤S3、建立以毫米波雷达(1)为原点的三维平面坐标系，利用样条插值算法对原始形貌点向量进行加密处理，获得更加完整密布的形貌向量点；步骤S4、采用最小二乘法对更加完整密布的形貌向量点进行数据拟合，由点拟合成线、再由线拟合成面，得到灰库内部高精度的三维形貌结构图。5.根据权利要求4所述的方法，所述步骤S1具体包括：中央处理器模块(4)控制智能云台(2)和毫米波雷达(1)以灰库中心点为原点，沿顺时针方向作阿基米德式螺旋式扫描，在扫描路径上取非均匀的采样点，获取不完整的灰库形貌数据其中H是毫米波雷达(1)探测得到的毫米波雷达(1)与扫描点位之间的距离，θ是雷达扫描俯仰角，是雷达扫描方位角，毫米波雷达(1)将毫米波雷达(1)与扫描点位之间的距离H对应的模拟信号发送给数据转换模块(3)，将模拟信号转换为数据信号后反馈给中央处理器模块(4)，中央处理器模块(4)通过数据传输模块(5)将处理得到的雷达到扫描点位的距离H、雷达扫描俯仰角θ和扫描方位角...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈根华，李鸿杰，刘玉兴，刘文军，冯祥胜，卢凯璇，曹谨鹏，
申请(专利权)人：南昌工程学院，
类型：发明
国别省市：