CN111942679A - 一种基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，属于微波毫米波成像技术领域。本发明采用毫米波合成孔径雷达成像原理进行在线检测，检测分辨率高，可以清晰观察烟箱内烟条排列情况及缺条的部位；将毫米波收发前端进行一体化设计，可以有效减少收发前端的体积、成本，并降低复杂前端中可能存在的互相干扰；其主机宽度可以横向调节灵活地适应传送带的宽度，占地空间小；通过复用传送带两侧的毫米波收发前端来实现毫米波反射和透射检测方式的切换，从而实现对有铝箔香烟和无铝箔环保烟的检测，解决了普通微波式检测装置无法对无铝箔环保烟检测的缺陷；通过扫码设备可实现不同品牌烟箱统计及按品牌检测图片与每一烟箱相关联全保存。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波成像技术领域，具体涉及一种基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置。
背景技术
在烟草行业中，条烟在装封箱机封装后，经过传输线输送至成品库。在装封箱机对条烟装箱、成品库出库到商家和消费者过程中，可能由于多种因素偶尔会导致出现烟箱缺条。虽然出现的几率极低，但一旦发生，将造成烟厂、商家和消费者之间不必要的纠纷，均属重大质量事故；各烟厂一直以来都力求在生产封装箱、进出成品库等各环节加强检测环节，确保万无一失。
目前检测烟箱缺条的方法主要有机器视觉检测方式、光子检测方式、称重检测方式、普通微波检测方式等。机器视觉检测方式只能在封箱之前进行检测，箱皮未包，不能避免装封箱过程中漏检的可能性；光子检测方式，本质上还是利用X射线实时扫描和实时密度测量比对的方法进行判断，具有较高的测量准确性，但由于其采用核辐射的方式，给用户使用维护带来极大的不便，不符合绿色环保的理念；称重检测方式，由于成品烟支及包装辅材的重量波动导致一件烟的正常重量波动已超出一条烟的重量，此外，需要对连箱烟进行额外处理确保检测间隔，使用效果不尽如人意；普通微波检测方式，主要是利用烟包内部铝箔纸对微波的反射原理来实现，只能根据信号反射强弱检测有无而无成像显示，并且无法用于无铝箔纸环保烟的检测。
现有的技术和设备在使用维护、检测效果上或多或少的存在这样或那样的问题。因此，急需一种使用维护便利、检测效果良好的检测装置来解决这些问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，解决现有的检测装置在使用维护、检测效果存在的问题，杜绝缺条烟箱流入下一环节，减少不必要的纠纷，提高客户满意度，本装置具有使用维护简便、检测效果直观良好、绿色环保等优点，适用于卷包车间产线或成品库进出库有铝箔纸香烟和无铝箔纸环保烟烟箱缺条的检测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，包括主机、交互控制设备、辅助设备和传送带；
其中，主机，包括微波毫米波模块和信号处理模块；
微波毫米波模块，被配置为用于产生各模块同步工作时钟信号，对外发射步进频毫米波实现一定频带范围内扫频，接收来自待测物体的回波信号并进行下变频及中频处理，然后输出I/Q信号至信号处理模块；
信号处理模块，被配置为用于获取I/Q信号，对I/Q信号进行校准，然后将校准后的信号输出至成像算法单元进行处理，实现待测物体的成像；
信号处理模块主要由信号处理硬件平台、信号校准单元以及成像算法单元组成；信号处理模块硬件平台上的AD接口获得I/Q信号，经信号校准单元计算后输出至成像算法单元进行成像算法处理，最终输出相应的毫米波图像数据；
辅助设备，包括扫码模块、报警剔除模块和电源模块；
扫码模块，被配置为用于扫描烟箱上的条形码或二维码；
报警剔除模块，被配置为用于将存在缺条的成品烟箱在指定的工位剔除；
电源模块；被配置为用于负责给检测装置的各模块提供适配电源；
辅助设备将成像结果送入交互控制设备，由交互控制设备进行识别显示并控制报警剔除模块将存在缺条的成品烟箱在指定的工位剔除；
交互控制设备，被配置为用于控制扫码模块扫描烟箱上的条形码或二维码，准确识别烟箱品牌，实现按品牌统计功能；其还负责人机交互、测试图片存储和与外界通信功能。
传送带，被配置为用于输送成品烟箱；同时在检测装置的前端传送带的两侧设置有限位装置；限位装置，主要是由两侧栏杆组成，呈喇叭口状，按传送方向进口大出口小，用于规整烟箱摆放位置，避免歪斜，影响检测效果。
优选地，该装置采用合成孔径雷达成像原理，通过一维线阵和一维机械扫描的方式获取传送带上与传输方向相同的烟箱两侧横截面上的成像，通过对外发射宽带步进频连续波的方式获取烟箱距离向上的信息，从而获得待测烟箱内部的三维成像效果。
优选地，主机横跨在传送带的两端，其上部横向距离能够根据传送带宽度在一定范围内自由调节。
优选地，微波毫米波模块主要由捷变频信号源、多路选择开关、单刀多掷开关、收发天线、混频器和倍频器组成；捷变频信号源射频信号通路和本振信号通路直接与倍频器相连，其中本振信号通路倍频器与混频器相连，射频信号通路倍频器及本振信号通路的混频器均与多路选择开关相连；多路选择开关与多个单刀多掷开关相连，一个单刀多掷开关与多组收发天线相连。
其中，捷变频信号源的功能包括：1)产生同步时钟；2)产生两路具有固定频差的步进频连续波信号；3)产生一路频率具有倍频器倍频次数乘以固定频差的中频本振信号；
多路选择开关，被配置为用于实现天线阵列进行发射及接收功能切换，进而实现反射和透射工作模式的选择；
单刀多掷开关，被配置为用于切换不同的收发天线，控制改变或更换收发天线对以获得具有不同信息的回波信号；单刀多掷开关设置在射频电路板上；射频电路板采用多层板设计，将模拟电路和数字电路分开布局布线，并采用专门的屏蔽和隔离措施，保证信号完整性；
收发天线，被配置为用于对外发射、接收毫米波信号；
混频器，被配置为用于将两路频率不同的信号进行频率相加或者相减的操作，配合相应的滤波器，即能够获得所需的频率信号；
混频器，被配置为用于进行下变频的目的，将两路具有固定频差的信号进行混频处理，得到频率等于固定频差的信号；
倍频器，被配置为用于将信号的频率进行倍频。
优选地，成像算法单元既能够是FPGA也能够是GPU模块。
优选地，微波毫米波模块及信号处理模块安装在主机的内部，横跨传送带的上部空间。
优选地，装置针对有铝箔香烟烟箱采用反射成像的工作方式，针对无铝箔环保烟箱采用透射成像的工作方式。
优选地，收发天线采用贴片天线形式，实现收发天线和其支撑结构的一体化设计，同时实现具有固定极化特征的发射和接收；天线阵列的形式为线阵。
优选地，人机交互控制设备主要由高性能一体化工控机组成。
优选地，辅助设备能够根据用户实际需求进行增减，能够增加喷码装置、增加外观检测和烟箱倒向机构。
本发明所带来的有益技术效果：
1、本发明的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，采用毫米波合成孔径雷达成像原理进行在线检测，检测分辨率高准确度好，检测结果直观，可以清晰观察烟箱内烟条排列情况及缺条的部位；而原称重式、光子式及普通微波式检测装置均只能输出结果；
2、本发明的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，将毫米波收发前端进行一体化设计，即将天线、混频器等模块进行集成化设计；可以有效减少收发前端的体积、成本，并降低复杂前端中可能存在的互相干扰，提高设计的可靠性；
3、本发明的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其主机宽度可以横向调节灵活地适应传送带的宽度，占地空间小，可以直接替代称重式或光子式检测设备，适用于卷包车间产线或成品库进出库检测；
4、本发明的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，通过复用传送带两侧的毫米波收发前端来实现毫米波反射和透射检测方式的切换，从而实现对有铝箔香烟和无铝箔环保烟的检测，解决了普通微波式检测装置无法对无铝箔环保烟检测的缺陷；
5、本发明的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，通过扫码设备可实现不同品牌烟箱统计及按品牌检测图片与每一烟箱相关联全保存，从而实现对所有烟箱缺条检测的质量追溯。
附图说明
图1为本发明实施例基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置示意图。
图2为反射工作模式下本发明实施例微波毫米波模块原理示意图。
图3为透射工作模式下本发明实施例微波毫米波模块原理示意图。
图4为本发明实施例信号处理模块流程图。
图5、图6均为本发明实施例实际成像效果图。
图7为本实施例受限于安装空间特殊情况下本检测装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本发明一种基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，主机、交互控制设备、辅助设备和传送带；其中主机主要包括微波毫米波模块，信号处理模块；微波毫米波模块主要功能为产生各模块同步工作时钟信号，对外发射步进频毫米波实现一定频带范围内扫频；接收来自待测物体的回波信号并进行下变频及中频处理，输出I/Q信号至信号处理模块；信号处理模块先获取I/Q信号，再进行信号校准，然后将校准后的信号经过特定的计算芯片实现待测物体的成像。辅助设备主要包括扫码模块、剔除模块和电源模块；成像结果送入交互控制设备，由交互控制设备进行识别显示并控制剔除模块将缺条烟箱在指定的工位剔除；交互控制设备控制扫码模块扫描烟箱上的条形码或二维码，准确识别烟箱品牌，实现按品牌统计功能。电源模块主要负责给检测装置各模块提供适配电源。此外，交互控制设备还负责人机交互、测试图片存储和与外界通信等功能。
如图2、图3所示，本实施例微波毫米波模块原理示意图。根据本装置对微波毫米波功能的需求，微波毫米波模块主要由捷变频源、多路选择开关、单刀多掷开关、天线、混频器、倍频器等组成。其中捷变频源的功能包括：1)产生同步时钟；2)产生两路具有固定频差的步进频连续波信号；3)产生一路频率具有倍频器倍频次数乘以固定频差的中频本振信号。多路选择开关的作用在于实现天线阵列用于发射及接收功能切换，进而实现反射和透射工作模式的选择，从而更好地适应有铝箔香烟烟箱及无铝箔环保烟箱的检测；单刀多掷开关的作用在于切换不同收发天线，控制改变或更换收发天线对以获得具有不同信息的回波信号。收发天线的作用在于对外发射、接收毫米波信号。混频器的作用在于将两路频率不同的信号进行频率相加或者相减的操作，配合相应的滤波器，即可获得所需的频率信号，本装置中使用的混频器主要是起到下变频的目的，将两路具有固定频差的信号进行混频处理，得到频率等于固定频差的信号。倍频器的作用在于将信号的频率进行倍频。因装置的收发天线等单元较多，若不进行一体化设计则会造成互连复杂、稳定性差等问题，一体化设计可以减少收发前端的体积、成本，并有效减少复杂前端中可能存在的互相干扰。收发前端主要包括天线、单刀多掷开关、混频器、倍频器、射频电路等。单刀多掷开关直接在射频电路板上实现；而天线采用贴片天线的形式，实现板载天线和其支撑结构的一体化设计，同时实现具有固定极化特征的发射和接收；射频电路板采用多层板设计，将模拟电路和数字电路分开布局布线，并采用专门的屏蔽和隔离措施，保证信号完整性。天线阵列的形式选定为线阵，通过对副瓣、栅瓣的仿真情况并结合实际使用方式确定天线间隔以及收发天线之间的摆放位置。
如图4所示，本实施信号处理模块工作流程图。信号处理模块的工作流程如下：首先由信号处理模块硬件平台上的AD接口获得I/Q信号，获取信号以后系统信号校准将基于硬件平台进行计算，输出一个校准后的信号，此时进行成像算法处理，最终输出相应的毫米波图像数据。
如图5、图6所示，本实施例实际成像效果图。左右两个显示区域分别为传送带两侧毫米波成像显示图像。当待测烟箱抵达检测区域时，交互控制设备向微波毫米波模块发出工作指令；当待测烟箱离开检测区域后，信号处理模块上传图像数据，交互控制设备对图像数据进行识别检测，图像及检测结果将显示，若检测结果为不合格，则交互控制设备将给报警剔除模块下发处理指令，由报警剔除模块完成处理。
综上，本实施例的一种基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，将毫米波收发前端进行一体化设计，可以有效减少收发前端的体积、成本，降低干扰，提高可靠性；通过实现天线阵列发射及接收功能切换，进而实现反射和透射工作模式的选择，从而更好地适应有铝箔香烟和无铝箔环保的检测；其主机宽度可以横向调节灵活地适应传送带的宽度，占地空间小，可以直接替代称重式或光子式检测设备，适用于卷包车间产线或成品库进出库检测，具有使用维护简便、检测效果直观良好、绿色环保等优点。
特殊情况如图7所示，如果受限于安装空间，本装置还可以采取如下措施满足现场安装需求，将主机中微波毫米波模块中的收发天线单独固定在传送带两侧，将主机与人机交互设备采用一体化标准机柜设计，放置在传送带的一侧；针对部分用户现场特殊需求，比如要求检测装置及传送带可移动，可以在收发天线安装支架及人机交互与主机机柜下部安装可移动的滚轮以满足用户需求。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：包括主机、交互控制设备、辅助设备和传送带；
其中，主机，包括微波毫米波模块和信号处理模块；
微波毫米波模块，被配置为用于产生各模块同步工作时钟信号，对外发射步进频毫米波实现一定频带范围内扫频，接收来自待测物体的回波信号并进行下变频及中频处理，然后输出I/Q信号至信号处理模块；
信号处理模块，被配置为用于获取I/Q信号，对I/Q信号进行校准，然后将校准后的信号输出至成像算法单元进行处理，实现待测物体的成像；
信号处理模块主要由信号处理硬件平台、信号校准单元以及成像算法单元组成；信号处理模块硬件平台上的AD接口获得I/Q信号，经信号校准单元计算后输出至成像算法单元进行成像算法处理，最终输出相应的毫米波图像数据；
辅助设备，包括扫码模块、报警剔除模块和电源模块；
扫码模块，被配置为用于扫描烟箱上的条形码或二维码；
报警剔除模块，被配置为用于将存在缺条的成品烟箱在指定的工位剔除；
电源模块；被配置为用于负责给检测装置的各模块提供适配电源；
辅助设备将成像结果送入交互控制设备，由交互控制设备进行识别显示并控制报警剔除模块将存在缺条的成品烟箱在指定的工位剔除；
交互控制设备，被配置为用于控制扫码模块扫描烟箱上的条形码或二维码，准确识别烟箱品牌，实现按品牌统计功能；其还负责人机交互、测试图片存储和与外界通信功能。
传送带，被配置为用于输送成品烟箱；同时在检测装置的前端传送带的两侧设置有限位装置；限位装置，主要是由两侧栏杆组成，呈喇叭口状，按传送方向进口大出口小，用于规整烟箱摆放位置，避免歪斜，影响检测效果。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：该装置采用合成孔径雷达成像原理，通过一维线阵和一维机械扫描的方式获取传送带上与传输方向相同的烟箱两侧横截面上的成像，通过对外发射宽带步进频连续波的方式获取烟箱距离向上的信息，从而获得待测烟箱内部的三维成像效果。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：主机横跨在传送带的两端，其上部横向距离能够根据传送带宽度在一定范围内自由调节。
4.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：微波毫米波模块主要由捷变频信号源、多路选择开关、单刀多掷开关、收发天线、混频器和倍频器组成；捷变频信号源射频信号通路和本振信号通路直接与倍频器相连，其中本振信号通路倍频器与混频器相连，射频信号通路倍频器及本振信号通路的混频器均与多路选择开关相连；多路选择开关与多个单刀多掷开关相连，一个单刀多掷开关与多组收发天线相连。
其中，捷变频信号源的功能包括：1)产生同步时钟；2)产生两路具有固定频差的步进频连续波信号；3)产生一路频率具有倍频器倍频次数乘以固定频差的中频本振信号；
多路选择开关，被配置为用于实现天线阵列进行发射及接收功能切换，进而实现反射和透射工作模式的选择；
单刀多掷开关，被配置为用于切换不同的收发天线，控制改变或更换收发天线对以获得具有不同信息的回波信号；单刀多掷开关设置在射频电路板上；射频电路板采用多层板设计，将模拟电路和数字电路分开布局布线，并采用专门的屏蔽和隔离措施，保证信号完整性；
收发天线，被配置为用于对外发射、接收毫米波信号；
混频器，被配置为用于将两路频率不同的信号进行频率相加或者相减的操作，配合相应的滤波器，即能够获得所需的频率信号；
混频器，被配置为用于进行下变频的目的，将两路具有固定频差的信号进行混频处理，得到频率等于固定频差的信号；
倍频器，被配置为用于将信号的频率进行倍频。
5.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：成像算法单元既能够是FPGA也能够是GPU模块。
6.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：微波毫米波模块及信号处理模块安装在主机的内部，横跨传送带的上部空间。
7.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：装置针对有铝箔香烟烟箱采用反射成像的工作方式，针对无铝箔环保烟箱采用透射成像的工作方式。
8.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：收发天线采用贴片天线形式，实现收发天线和其支撑结构的一体化设计，同时实现具有固定极化特征的发射和接收；天线阵列的形式为线阵。
9.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：人机交互控制设备主要由高性能一体化工控机组成。
10.根据权利要求1所述的基于毫米波成像技术的烟箱缺条检测装置，其特征在于：辅助设备能够根据用户实际需求进行增减，能够增加喷码装置、增加外观检测和烟箱倒向机构。
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