CN101915789B - 一种粮堆水分含量的电磁波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，该方法首先将粮堆进行虚拟分层，然后用逐层反演算法结合测井法求解介电常数空间分布，再根据介电-水分模型求取粮堆水分分布。采用电磁波检测粮堆介电常数，从而确定粮堆水分含量的方法，不仅避免了使用大量的传感器，而且还容易测量粮堆内部，设备简单，操作方便，由于还采用了测井法，使得测量结果更加精确。

Description

一种粮堆水分含量的电磁波检测方法

技术领域

本发明涉及电磁波检测技术领域，特别是一种粮仓中储粮水分的大规模实时在线检测方法。

背景技术

粮食水分含量对粮食储藏有重要影响。水分含量过高，浪费运力及仓容，促使粮食生命活动旺盛，容易引起发热、霉变、生虫等生化变化。水分含量过低，破坏了粮食的有机质，降低了品质。为此，准确检测粮食中的水分含量至关重要。近年来，粮食水分检测技术不断发展，不断完善。

粮食水分检测的标准方法是通过干燥法或化学法直接去除粮食中的水分来计算出绝对含水量。其中干燥法主要包括电烘箱法、减压法、红外加热法、微波加热法；化学方法主要包括蒸馏法、卡尔·费休法和碳化钙法等。这些方法目前认为测量准确，但只适用于实验室使用，耗时费电，且无法实现快速、在线检测。近年来，随着传感技术和计算机技术的迅速发展，新的粮食水分快速检测方法也出现了。粮食水分快速检测方法是通过对与水分有关的物理量（如电导率、磁导率和介电常数等）的测量，相应地检测出物质的水分含量，易实现快速、在线检测。主要有：电容法、电阻法、中子法、微波法、红外线法、核磁共振法、声学法、电磁波探测等。但也各有局限性，主要问题是需要在粮仓内设置多个传感器，造成布线的困难，而且会造成接触污染，有些方法只能进行粮堆表面探测、探测设备昂贵复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，用以解决现有技术在对粮堆进行含水量检测时传感器数量多，布线困难，造成接触污染，设备昂贵复杂的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，步骤如下： 

一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，其特征在于，步骤如下：

a) 根据所测粮堆深度，将粮堆沿垂直方向从上到下依次分成至少两个虚拟层；基于反演算法和反射折射定律，得出逐层反演公式：

第一层介电常数：

                      （11）

第二层及之后层介电常数：

       （12）

公式（12）中，

是各虚拟层的介电常数，i表示从上到下层数的序号，

是空气介电常数，Ai是各虚拟层的反射回波幅度， ki是各虚拟层的线性误差校准因子，fi是各虚拟层幅度衰减因子；公式（11）中，Am是发射电磁波的幅度，A0是第一虚拟层反射回波幅度，k1是第一虚拟层的线性误差校准因子，f1是第一虚拟层幅度衰减因子；

b) 将探地雷达天线放置在粮堆表面，测量探地雷达天线对应垂直扫描线上各虚拟层的反射回波幅度Ai；

c) 采用测井法进行两次测量确定公式（11）、（12）中的参数f1，k1，fi，ki；采用一个发射天线与两个接收天线，第一次测量时，将接收天线和发射天线分别插入第一虚拟层中，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的电磁波传导模型，确定第一虚拟层介电常数

，并根据探地雷达测得的发射电磁波的幅度Am，空气介电常数

，第一层反射回波幅度A0，结合公式（11），设f1=1，确定k1；第二次测量时，将接收天线和发射天线分别插入第二虚拟层，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的电磁波传导模型，确定第二虚拟层介电常数

，并结合公式（12），设ki=k1，确定幅度衰减校准因子fi；

d) 利用公式（12）迭代计算探地雷达天线对应位置的垂直扫描线上各虚拟层的介电常数；

e) 使探地雷达天线在粮堆上表面做水平直线运动，在该直线上每隔一段距离进步骤b）到步骤d）的测量，从而确定沿运动直线的垂直剖面的介电常数分布；

f) 沿步骤e）中所述运动直线在粮堆表面的垂线，每隔一段距离进行步骤b）到步骤e）的测量，从而获得粮堆介电常数的空间分布；

g) 根据粮堆介电常数的空间分布求得粮堆等效相对介电常数，根据介电常数与介质水分的对应关系，即公式

，确定粮堆中的水分分布，其中，

为粮堆等效相对介电常数，粮食含水量为

，a，b为常数。

采用电磁波检测粮堆介电常数，从而确定粮堆水分含量的方法，不仅避免了使用大量的传感器，而且还容易测量粮堆内部，设备简单，操作方便，由于还采用了测井法，使得测量结果更加精确。具体优点归纳如下：

1，测量范围大。由于测量范围不受仓内结构、布线、测量成本影响，可以进行几乎任何位置的测量，因而可以根据需要得到任意级别上的水分分布，使人们更易了解和掌握仓内水分的分布情况。

2，测量精度高。介电常数对水分含量敏感，如干燥小麦的机电常数为3-5，水的介电常数为81。因而可以获得较高的测量精度。

3，测量成本低，效率高。由于一套测量设备可以用于多个粮库，进行多次测量，无需在每个粮库安置水分传感器等设备，不仅降低了系统维护的费用，而且节省了测量成本。测量时只需记录数据，既可以在线分析，也可以离线分析，因而缩短了测量时间，提高了测量效率。

发射电磁波的幅度Am是通过将探地雷达天线紧贴一个用做反射镜面的金属板，进行测量得到的。步骤c）所述的测井法采用的天线，发射天线连接扫频仪，接收天线连接示波器。步骤f）所述的常数a，b通过实验确定，a=0.128，b=0.205。步骤a）中分层是将粮堆每5cm分为一层，共128层。

附图说明

图1是粮堆分层示意图；

图2是电磁波在粮堆多个虚拟层的等效传播模型；

图3是测井法测量示意图；

图4是沿某方向移动天线的剖面探测示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。具体实施方式如下：

1， 根据所测粮堆深度确定划分的结构层数和探测参数。结构层数目的划分依赖时窗和每扫抽样点数这两个参数。由于是纵深测量，采用发射天线和接收天线一体化的200M天线，或发射天线和接收天线分离的80M天线，将其直接置于粮面上，以减少传播衰减和几何衰减。测量时采用定时触发的工作模式，录取多次垂直方向上的单道回波信号。如采用40ns时窗和每扫128采样点的采集参数，假定电磁波在粮堆中传播的平均速度为6cm/ns（注意电磁波传播速率需采用已知目标深度法事先标定），则数据采集深度为40ns×6cm/ns=240cm。则粮堆中每一虚拟层的深度可定义为240cm/128≈1.875cm。一般在标准的高大平房仓中，按照2002年的国家粮食行业标准（LS/T 1203-2002），粮面距地面高度为6m，因此可将时窗调整为600cm/6cm/s=100ns，每一虚拟层的深度为600cm/128≈5cm。在实际测量中，考虑到介电常数的分辨率一般较低，可将相临虚拟层进行合并，以减少层次划分加快叠代运算时间，但测量精度会相应下降。

2， 确定发射电磁波的幅度Am。由于电磁波在通常的介质表面会发生反射和折射，所以天线从第一层介质接收到的反射回波能量存在损失。为了确定发射电磁波的幅度，可以利用金属板作为反射镜面，并使天线紧贴金属板。这样，发射天线发出的电磁波能量几乎全部被反射回接收天线，而且不存在几何发散造成的能量衰减，所接收到的回波幅度可近似认为发射波的幅度Am。

3，将探地雷达天线放置在粮堆表面，测量探地雷达天线对应垂直剖面上各虚拟层的反射回波幅度Ai；并且进行逐层反演法，详细过程如下，介质分层如图1所示。由于粮堆是散粒体，电磁波在粮堆中传播时会发生散射。接收天线在纵向上接收到的某采样点上的回波，为该采样点对应的虚拟层面上的散射回波的总和，这个散射回波总和可近似看作是该层面的反射回波。该层面上为到达接收天线的散射波和折射波将一并合成该层面的折射波，经过这样的抽象化后，电磁波在粮堆中的传播模型如图2所示。图中忽略了二次以上的多次反射波，分别表示第

个媒质交界面的反射回波幅度和到达时间差。

天线在位置

处发射信号

，所接收信号可以近似看作各层面回波的叠加：

                    （8）

其中L为媒质划分的层数，

和为各层面回波的幅度和时延。由于粮堆媒质各层近似均匀，且媒质中一般无其他目标，且是仓内探测，通过预处理噪声和干扰已经得到了很好的处理和抑制，所以所接收回波可以应用该信息模型。

只考虑一次反射波，基于平面波的折射和反射原理，可以得到介电常数与层面回波的关系式为：

        （9）

其中

代表空气与粮食的交界面。

为第个层面回波的平均衰减，

为第

个媒质层的介电常数，

是空气的介电常数，通常取1。基于上面的关系，可以得到介电常数的递推公式为：

               （10）

通过迭代可以逐层计算出各层的介电常数，但需要初始参数，且初始参数的精度将直接影响到递推精度。准确的初始参数通过校准获得。

逐层反演方法一般假设天线发射平面波，并将粮堆假定为表面光滑、没有损耗和色散的分层媒质，但是在对粮仓这种近场目标测量时，天线所发射电磁波不能简单视为平面波，而且粮堆中的粮食是典型的色散媒质，为提高测量精度，将校准因子引入逐层反演公式：

                     （11）

             （12）

上式中，Am是反演回波幅度校准值，Ai是各层面的反射回波幅度，

是各层媒质的介电常数，i表示媒质的序号。考虑到计算出的是一维介电常数序列，故式中省略了位置x和深度z，二维连续介电常数

简化为

.fi和ki是对应不同层的校准因子，fi用于减少各层媒质的衰减，电磁波的几何扩散等因素的影响，ki是线性误差校准因子，同时又是一个总调节因子，可以减少时延和介电常数估计误差等带来的影响。

4， 该方法是通过迭代计算各层的介电常数，故上面推导出的公式（11）、（12）需要有初始参数。第2步确定能够发射波幅度Am，上一步能够确定测量出第一层媒质的反射波幅度A0，而另外的初始参数需要采用测井法进行两次测量，采用一个发射天线与两个接收天线，第一次测量时，将发射天线和接收天线插入粮堆第一虚拟层中，粮堆水分测量因为测量范围小，属近场工作方式，因此采用了先用平面波模型推导介电常数，然后再进行几何衰减校正的方法。

采用经几何校正的平面波模型，采用测井法推导介电常数的方法原理如下：

将电磁波在地层中的传播近似看成是平面波，即

                 （1）

式中，k为波数。则对于由T-R1-R2组成的单发双收电极系，如图3所示，两个接收天线收到的电场强度的比值为：

                            （2）

则幅度衰减为：

                          （3）

相移为：

                            （4）

由此可以推出：

                       （5）

则介质的介电常数和电导率为：

                         （6）

由于电磁波实际上是一种球面波，将它看作平面波只是一种近似，球面波具有几何衰减，因此需要进行几何衰减校正。定义：

                     （7）

则几何发散校正因子为As=44.65+tp1(1.324+0.184tp1)。

经几何发散校正后的幅度衰减为EATTc=EATT-As，校正后的=（EATT-As）/8.686。

将

代入（6）式，即可算出测点处的介电常数。

运用以上方法进行该步测量时，注意井中天线不要插入过深，以免初始介电常数

计算不准确。

在利用测井法取得了第一层的介电常数，发射电磁波幅度Am和反射波幅度A0后，就可利用（11）式计算介电常数误差校准因子k1。注意：这里假定了f1=1，这是因为：天线采用了屏蔽模式，且与粮面紧耦合，既无回波幅度的衰减，也无几何扩散等因素的影响，散射的回波几乎可以全部被接收天线接收。

再次采用测井法，将接收和发射天线插入到划分的虚拟第二层中，然后测量介电常数，根据插入的深度读取探底探地雷达回波插入点幅度返回值。根据上步得到的线性误差校准因子k和探底探地雷达接收到的回波幅度值，代入递推式(12)，求幅度衰减校准因子f1,考虑到是同一介质，各层衰减相同，可把f1作为各层幅度衰减因子fk，即f1=fk(k=2,…,n)。这样公式（12）的初始值和参数都确定了。

5，上述办法能够测量出一个点的垂直扫描线上的介电常数分布，使天线在粮堆表面沿某一直线（平行与粮堆边界）运动，每隔一段适当的距离就进行一次测量，再使天线垂直于该直流运动，每隔一段适当的距离就进行一次测量，如图4所示，如此由垂直扫描线到垂直剖面，再由垂直剖面到整个空间，即可得出整个粮堆空间范围内的介电常数分布。

6，在测算出粮堆介电常数的空间分布后，根据非线性的介电—水分模型，将介电常数空间分布转化为水分含量的空间分布，即可反演出粮堆内部水分含量的空间分布。

非线性的介电—水分模型如下：粮堆可以看成是由干燥的粮食籽粒、水和空气组成的混合介质。混合介质的介电常数可以由组成介质的介电常数的某种组合来表示。组合有两种方式：线性方式和非线性方式的组合。假定某混合介质由三种介质组成，介电常数分 别为、

和

，则混合介质介电常数线性模型为：

                    （13）

非线性模型为：

                （14）

分别为三种介质所占的比例。

对于粮堆来说，设粮食含水量为

，粮食颗粒占空比为，则粮食堆非线性介电模型为

                    （15）

其中

为粮堆等效相对介电常数，

为干燥粮食颗粒介电常数，为水的介电常数。则粮堆介电水分非线性模型为

                           （16）

若以小麦粮堆为例，用电容法测量干燥小麦颗粒介电常数，并考虑小麦正常存储条件下的容重，上式可以化简为：

                            （17）

其中a、b为常数，确定常数a，b的实验在室内进行，介电常数采用电容法测定，粮食含水量采用烘干法测定。经过大量实验确定a、b值后，小麦堆介电-水分模型为：

                        （18）

将

带入上式，便能求出粮堆水分分布P。

Claims (5)

1.一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，其特征在于，步骤如下：

a）根据所测粮堆深度，将粮堆沿垂直方向从上到下依次分成至少两个虚拟层；基于反演算法和反射折射定律，得出逐层反演公式：

第一层介电常数：

$\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}=k_1\·\frac{1+f_1\frac{A_0}{A_m}}{1-f_1\frac{A_0}{A_m}}---\left(11\right)$

第二层及之后层介电常数：

$\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i}=k_i\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{i-1}}\·\frac{\frac{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{i-2}{\mathrm{\ϵ}}_{i-1}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{i-2}-{\mathrm{\ϵ}}_{i-1}}-f_i\frac{A_{i-1}}{A_{i-2}}}{\frac{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{i-2}{\mathrm{\ϵ}}_{i-1}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{i-2}-{\mathrm{\ϵ}}_{i-1}}+f_i\frac{A_{i-1}}{A_{i-2}}},i=\mathrm{2,3},...N---\left(12\right)$

公式（12）中，ε_i是各虚拟层的介电常数，i表示从上到下层数的序号，ε₀是空气介电常数，A_i是各虚拟层的反射回波幅度，k_i是各虚拟层的线性误差校准因子，f_i是各虚拟层幅度衰减因子；公式（11）中，A_m是发射电磁波的幅度，A₀是第一虚拟层反射回波幅度，k₁是第一虚拟层的线性误差校准因子，f₁是第一虚拟层幅度衰减因子；

b）将探地雷达天线放置在粮堆表面，测量探地雷达天线对应垂直扫描线上各虚拟层的反射回波幅度A_i；

c）采用测井法进行两次测量确定公式（11）、（12）中的参数f₁，k₁，f_i，k_i；采用一个发射天线与两个接收天线，第一次测量时，将接收天线和发射天线分别插入第一虚拟层中，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的电磁波传导模型，确定第一虚拟层介电常数，并根据探地雷达测得的发射电磁波的幅度A_m，空气介电常数ε₀，第一层反射回波幅度A₀，结合公式（11），设f₁=1，确定k₁；第二次测量时，将接收天线和发射天线分别插入第二虚拟层，根据测量的电磁波幅度衰减和相移，并结合经几何衰减校正的电磁波传导模型，确定第二虚拟层介电常数，并结合公式（12），设k_i=k₁，确定幅度衰减因子f_i；

d）利用公式（12）迭代计算探地雷达天线对应位置的垂直扫描线上各虚拟层的介电常数；

e）使探地雷达天线在粮堆上表面做水平直线运动，在该直线上每隔一段距离进步骤b）到步骤d）的测量，从而确定沿运动直线的垂直剖面的介电常数分布；

f)沿步骤e）中所述运动直线在粮堆表面的垂线，每隔一段距离进行步骤b）到步骤e）的测量，从而获得粮堆介电常数的空间分布；

g）根据粮堆介电常数的空间分布求得粮堆等效相对介电常数，根据介电常数与介质水分的对应关系，即公式确定粮堆中的水分分布，其中ε_p为粮堆等效相对介电常数，粮食含水量为p，a，b为常数。

2.根据权利要求1所述的一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，其特征在于，发射电磁波的幅度A_m是通过将探地雷达天线紧贴一个用做反射镜面的金属板，进行测量得到的。

3.根据权利要求1所述的一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，其特征在于，步骤c）所述的测井法采用的天线，发射天线连接扫频仪，接收天线连接示波器。

4.根据权利要求1所述的一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，其特征在于，步骤f）所述的常数a，b通过实验确定，a=0.128，b=0.205。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种粮堆水分含量的电磁波检测方法，其特征在于，步骤a）中分层是将粮堆每5cm分为一层，共128层。

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