一种基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，该测量方法采用基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置，主要包括以下步骤：根据不同种类谷物的特性设置初始微波扫频信号MSS，微波天线自动对准为基础，去除MSS中对应较大反射系数Γ和驻波比ρ的不良频点，得到优化的扫频信号MSS’；由天线远场条件、含水率测量结果代表性和减小微波空间传输损耗三个条件确定并调整至最佳的测量距离和天线间距离；辐射优化后的扫频信号MSS’与待测谷物相互作用，将微波衰减A、微波相移Φ输入谷物含水率预测模型计算谷物含水率测量结果。本方法不仅用到微波扫频技术，而且对使用的扫频信号进行优化，计算微波衰减时考虑全面，提高谷物含水率测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法
本专利技术涉及农产品品质检测，尤其是涉及一种基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，主要适用于谷物含水率快速无损测量。技术背景含水率是谷物的一个重要特性，对其物理、化学性质有着很大的影响。谷物的含水率影响其收获、存储、运输、加工等各个方面，更是某些粮食谷物质量评判的关键指标。微波检测方法作为一种新兴的物料含水率测量方法，可以实现谷物含水率快速无损测量，其中的微波穿透法允许微波以空间辐射方式穿透待测的物料，不仅可以检测物料外表水，还可以检测物料内部水分，含水率测量结果代表性好，故微波穿透法越来越多地应用到谷物等农产品的含水率测量中。使用微波穿透法测量谷物含水率需要两只微波天线安装在被测谷物的上下两侧，一只天线发射微波，另外一只天线接收微波，微波辐射到测量空间中，穿透被测谷物，接收天线接收透射微波信号，根据微波信号的衰减、相移等参数得到被测谷物的含水率。微波自由空间测量过程中会有多重反射的干扰，多重反射是衰减和相移测量误差的主要来源之一，已有学者提出采用微波扫频信号可以抑制多重反射的影响。但是目前微波扫频信号在基于微波穿透法的含水率测量装置中的应用并不多，使用扫频信号不仅可以抑制多重反射的影响，而且可以更加全面的获得待测物料的水分信息。此外，目前大多数的基于微波穿透法的物料含水率测量系统中在计算微波信号的衰减时，没有考虑反射微波信号的影响，计算出的衰减值比真实衰减值要大，导致测得的含水率结果偏大，CN200910022939.7提出了一种根据微波衰减量变化对织物含水率检测的方法，CN200910085533.3提出了一种双源双探头正交式微波测量含水率方法，根据两路不同频率微波信号在煤层中的衰减得出煤炭含水率，上述两种方法在计算微波信号的衰减时均没有考虑反射微波信号的影响，造成测量误差。注意到目前的基于微波穿透法的物料含水率测量系统中微波收、发天线之间的对准通常是用简单的测量工具结合人眼观察完成的，微波收发天线之间的对准精度差，两天线波束主瓣重合度不高，微波信号传输不完整，而且发射天线到被测物料的测量距离以及微波收、发天线之间的距离设置的都较为随意，当微波天线应用于不同物料的含水率测量时，微波天线灵敏的位置区间并不相同，所以有必要调节发射天线到待测物料的测量距离以及收、发天线间距离至适当的值，因此，亟需一种在考虑天线对准、测量距离及天线间距离合理设置的基础上，使用微波扫频信号抑制多重反射影响的同时更加全面的获得谷物水分信息的谷物含水率测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前的基于微波穿透法的谷物含水率测量装置中的问题，如多重反射对微波衰减和相移测量的干扰；计算微波衰减时没有考虑反射微波信号的影响；微波收发天线之间的对准通常是用简单的测量工具结合人眼观察完成的，微波收发天线之间的对准精度差，两天线波束主瓣重合度不高，微波信号传输不完整；发射天线到被测谷物的测量距离以及微波收发天线之间的距离设置的都较为随意，很难保证测量不同谷物含水率时，微波天线均处于灵敏的位置区间，提供一种在考虑天线对准、测量距离及天线间距离合理设置的基础上，根据被测谷物种类设置扫频信号，根据天线特性优化扫频信号，测量微波衰减时考虑反射微波信号影响的谷物含水率测量方法。本专利技术解决技术问题所采取的技术方案是：一种基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，该测量方法在基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置中实现，所述的基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置包括微波发射端、微波接收端、天线升降平台和控制单元；微波发射端滑动设置在天线升降平台的下半空间，由天线升降平台提供Z轴方向的移动；微波接收端滑动设置在天线升降平台的上半空间，由天线升降平台提供Z轴方向的移动；微波发射端、微波接收端和天线升降平台均由控制单元控制；该测量方法包括以下步骤：(1)设置中心测量频率f0和测量带宽BW：通过控制单元设置测量时使用的中心测量频率f0和测量带宽BW，确定初始的微波扫频信号MSS；(2)天线自动对准：控制单元(4)分两个阶段完成微波接收端与微波发射端(1)的对准，提高微波扫频信号MSS传输的稳定性和完整性；(3)优化扫频信号：控制单元发出初始微波扫频信号MSS，计算出初始微波扫频信号MSS各频点下微波发射端的反射系数Γ和驻波比ρ，去除对应较大反射系数Γ和驻波比ρ的不良频点，得到优化的微波扫频信号MSS’；(4)调节测量距离至最优值：控制单元根据优化的微波扫频信号MSS’的频率区间确定微波工作波长范围，由天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗三个条件确定最佳的测量距离，控制单元改变微波发射端和微波接收端的竖直位置从而调整测量距离至最优值；(5)装载待测谷物并测量谷物厚度h：控制单元测量出待测谷物的厚度；(6)发射优化后的扫频信号：控制单元产生微波扫频信号MSS’，通过微波发射端辐射到待测谷物，与待测谷物相互作用；(7)测量微波的衰减A和相移Φ：控制单元(4)计算出微波扫频信号MSS’各频点下信号的衰减A和相移Φ；(8)计算并显示谷物含水率：控制单元将微波扫频信号MSS’每个测量频点下的衰减A和相移Φ、环境温度T以及谷物厚度h的测量数据输入内置的利用机器学习算法在标定实验数据上训练完成的谷物含水率预测模型计算当前待测谷物的含水率。进一步的，所述微波发射端包括微波发射天线、接收端激光对射传感器、发射天线移动平台、发射端超声波测距传感器，接收端激光对射传感器固定安装在微波发射天线上，发射端超声波测距传感器和微波发射天线安装在发射天线移动平台上；所述微波接收端包括微波接收天线、发射端激光对射传感器、接收天线移动平台、接收端超声波测距传感器，发射端激光对射传感器固定安装在微波接收天线上，接收端超声波测距传感器和微波接收天线安装在接收天线移动平台上；所述控制单元包括嵌入式计算机系统、微控制器、微波信号发生器、隔离器、可变衰减器、第一定向耦合器、环形器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、鉴相器、第一检波器、第二检波器、第三检波器、A/D转换器、温度传感器；嵌入式计算机系统通过总线连接到微控制器，微控制器与微波信号发生器相连，微波信号发生器、隔离器、可变衰减器和第一定向耦合器依次连接，第一定向耦合器的输出端和耦合端分别连接环形器和第二定向耦合器，环形器分别连接第二检波器和所述微波发射天线，第二定向耦合器的输出端和耦合端分别连接第一检波器和鉴相器，第三定向耦合器的输出端和耦合端分别连接第三检波器和鉴相器，鉴相器、第一检波器、第二检波器和第三检波器连接到A/D转换器，A/D转换器和温度传感器连接到微控制器。进一步的，所述步骤(2)具体如下：(2.1)微波天线的初步对准：发射端激光对射传感器向接收端激光对射传感器方向发射低功率激光信号，如果接收端激光对射传感器接收不到该低功率激光信号，接收端激光对射传感器将反馈给微控制器一个低电平信号，微控制器控制接收天线移动平台不断调整微波接收天线的水平位置直至接收端激光对射传感器不再反馈任何信号，此时就完成了微波天线的初步对准；(2.2)微波天线的最终对准：嵌入式计算机系统(401)通过微控制器控制微波信号发生器产生初始功率为P1的微波信号，微波信号通过微波发射天线辐射出去，再由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，其特征在于：该测量方法在基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置中实现，所述的基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置包括微波发射端(1)、微波接收端(2)、天线升降平台(3)和控制单元(4)等；微波发射端(1)滑动设置在天线升降平台(3)的下半空间，由天线升降平台(3)提供Z轴方向的移动；微波接收端(2)滑动设置在天线升降平台(3)的上半空间，由天线升降平台(3)提供Z轴方向的移动；微波发射端(1)、微波接收端(2)和天线升降平台(3)均由控制单元(4)控制；该测量方法包括以下步骤：(1)设置中心测量频率f0和测量带宽BW：通过控制单元(4)设置测量时使用的中心测量频率f0和测量带宽BW，确定初始的微波扫频信号MSS；(2)天线自动对准：控制单元(4)分两个阶段完成微波接收端(2)与微波发射端(1)的对准，提高微波扫频信号MSS传输的稳定性和完整性；(3)优化扫频信号：控制单元(4)发出初始微波扫频信号MSS，计算出初始微波扫频信号MSS各频点下微波发射端(1)的反射系数Γ和驻波比ρ，去除对应较大反射系数Γ和驻波比ρ的不良频点，得到优化的微波扫频信号MSS’；(4)调节测量距离至最优值：控制单元(4)根据优化的微波扫频信号MSS’的频率区间确定微波工作波长范围，由天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗三个条件确定最佳的测量距离，控制单元(4)改变微波发射端(1)和微波接收端(2)的竖直位置从而调整测量距离至最优值；(5)装载待测谷物并测量谷物厚度h：控制单元(4)测量出待测谷物的厚度；(6)发射优化后的扫频信号：控制单元(4)产生微波扫频信号MSS’，通过微波发射端(1)辐射到待测谷物，与待测谷物相互作用；(7)测量微波的衰减A和相移Φ：控制单元(4)计算出微波扫频信号MSS’各频点下信号的衰减A和相移Φ；(8)计算并显示谷物含水率：控制单元(4)将微波扫频信号MSS’每个测量频点下的衰减A和相移Φ、环境温度T以及谷物厚度h的测量数据输入内置的利用机器学习算法在标定实验数据上训练完成的谷物含水率预测模型计算当前待测谷物的含水率。...

【技术特征摘要】
1.一种基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，其特征在于：该测量方法在基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置中实现，所述的基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置包括微波发射端(1)、微波接收端(2)、天线升降平台(3)和控制单元(4)等；微波发射端(1)滑动设置在天线升降平台(3)的下半空间，由天线升降平台(3)提供Z轴方向的移动；微波接收端(2)滑动设置在天线升降平台(3)的上半空间，由天线升降平台(3)提供Z轴方向的移动；微波发射端(1)、微波接收端(2)和天线升降平台(3)均由控制单元(4)控制；该测量方法包括以下步骤：(1)设置中心测量频率f0和测量带宽BW：通过控制单元(4)设置测量时使用的中心测量频率f0和测量带宽BW，确定初始的微波扫频信号MSS；(2)天线自动对准：控制单元(4)分两个阶段完成微波接收端(2)与微波发射端(1)的对准，提高微波扫频信号MSS传输的稳定性和完整性；(3)优化扫频信号：控制单元(4)发出初始微波扫频信号MSS，计算出初始微波扫频信号MSS各频点下微波发射端(1)的反射系数Γ和驻波比ρ，去除对应较大反射系数Γ和驻波比ρ的不良频点，得到优化的微波扫频信号MSS’；(4)调节测量距离至最优值：控制单元(4)根据优化的微波扫频信号MSS’的频率区间确定微波工作波长范围，由天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗三个条件确定最佳的测量距离，控制单元(4)改变微波发射端(1)和微波接收端(2)的竖直位置从而调整测量距离至最优值；(5)装载待测谷物并测量谷物厚度h：控制单元(4)测量出待测谷物的厚度；(6)发射优化后的扫频信号：控制单元(4)产生微波扫频信号MSS’，通过微波发射端(1)辐射到待测谷物，与待测谷物相互作用；(7)测量微波的衰减A和相移Φ：控制单元(4)计算出微波扫频信号MSS’各频点下信号的衰减A和相移Φ；(8)计算并显示谷物含水率：控制单元(4)将微波扫频信号MSS’每个测量频点下的衰减A和相移Φ、环境温度T以及谷物厚度h的测量数据输入内置的利用机器学习算法在标定实验数据上训练完成的谷物含水率预测模型计算当前待测谷物的含水率。2.根据权利要求1所述的基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，其特征在于：所述微波发射端(1)包括微波发射天线(111)、接收端激光对射传感器(112)、发射天线移动平台(12)、发射端超声波测距传感器(129)，接收端激光对射传感器(112)固定安装在微波发射天线(111)上，发射端超声波测距传感器(129)和微波发射天线(111)安装在发射天线移动平台(12)上；所述微波接收端(2)包括微波接收天线(211)、发射端激光对射传感器(212)、接收天线移动平台(22)、接收端超声波测距传感器(229)，发射端激光对射传感器(212)固定安装在微波接收天线(211)上，接收端超声波测距传感器(229)和微波接收天线(211)安装在接收天线移动平台(22)上；所述控制单元(4)包括嵌入式计算机系统(401)、微控制器(402)、微波信号发生器(403)、隔离器(404)、可变衰减器(405)、第一定向耦合器(406)、环形器(407)、第二定向耦合器(408)、第三定向耦合器(409)、鉴相器(410)、第一检波器(411)、第二检波器(412)、第三检波器(413)、A/D转换器(414)、温度传感器(415)；嵌入式计算机系统(401)通过总线连接到微控制器(402)，微控制器(402)与微波信号发生器(403)相连，微波信号发生器(403)、隔离器(404)、可变衰减器(405)和第一定向耦合器(406)依次连接，第一定向耦合器(406)的输出端和耦合端分别连接环形器(407)和第二定向耦合器(408)，环形器(407)分别连接第二检波器(412)和所述微波发射天线(111)，第二定向耦合器(408)的输出端和耦合端分别连接第一检波器(411)和鉴相器(410)，第三定向耦合器(409)的输出端和耦合端分别连接第三检波器(413)和鉴相器(410)，鉴相器(410)、第一检波器(411)、第二检波器(412)和第三检波器(413)连接到A/D转换器(414)，A/D转换器(414)和温度传感器(415)连接到微控制器(402)。3.根据权利要求2所述的基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，其特征在于：所述步骤(2)具体如下：(2.1)微波天线的初步对准：发射端激光对射传感器(212)向接收端激光对射传感器(112)方向发射低功率激光信号，如果接收端激光对射传感器(112)接收不到该低功率激光信号，接收端激光对射传感器(112)将反馈给微控制器(402)一个低电平信号，微控制器(402)控制接收天线移动平台(22)不断调整微波接收天线(211)的水平位置直至接收端激光对射传感器(112)不再反馈任何信号，此时就完成了微波天线的初步对准；(2.2)微波天线的最终对准：嵌入式计算机系统(401)通过微控制器(402)控制微波信号发生器(403)产生初始功率为P1的微波信号，微波信号通过微波发射天线(111)辐射出去，再由微波接收天线(211)接收，接收回来的微波信号传输至第三检波器(413)，第三检波器(413)测量出接收回的微波信号的功率P2并将该值上传给微控制器(402)，微控制器(402)根据P1和P2的值计算出微波信号经微波发射天线(111)和微波接收天线(211)后的衰减A1，微控制器(402)由弗里斯传输公式计算得出微波信号衰减的理论值A2，微控制器(402)根据A1和A2的值计算出微波信号的衰减偏差D，如果衰减偏差D超过3dB，微控制器(402)控制接收天线移动平台(22)微调微波接收天线(211)的水平位置，直到衰减偏差D低于3dB，此时就完成了微波天线的最终对准。4.根据权利要求3所述的基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，其特征在于：所述步骤(3)具体如下：微控制器(402)控制微波信号发生器(403)发出初始的微波扫频信号MSS，微波扫频信号MSS依次经过隔离器(404)、可变衰减器(405)、第一定向耦合器(406)分为两路，其中一路信号经过第二定向耦合器(408)到达第一检波器(411)，另一路信号依次经过环形器(407)、微波发射天线(111)辐射到测量空间，产生的反射微波信号依次经过微波发射天线(111)、环形器(407)到达第二检波器(412)，第一检波器(411)和第二检波器(412)分别测量出微波发射天线(111)的输入微波信号功率Pin和反射微波信号功率Pr并上传给微控制器(402)，微控制器(402)根据Pin和Pr计算各测量频点下微波发射天线(111)的反射系数Γ和驻波比ρ，去除对应较大反射系数Γ和驻波比ρ的测量频点，得到优化的扫频信号MSS’。5.根据权利要求4所述的基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法，其特征在于：所述步骤(4)具体如下：(4.1)连通装置的微波信号通路：微控制器(402)控制微波信号发生器(403)产生微波信号；微波信号依次经过隔离器(404)、可变衰减器(405)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦真博，张津阳，王俊，王永维，程绍明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33