CN112881480A - 玉米水分无损检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种玉米水分无损检测方法及装置，其中，玉米水分无损检测方法，包括：向待测玉米发送射频信号，并接收反射信号；基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量。避免破坏玉米的苞叶层和玉米籽粒，实现对于苞叶存在下玉米水分含量的无损原位测定。

Description

玉米水分无损检测方法及装置
技术领域
本发明涉及农业生产技术领域，尤其涉及一种玉米水分无损检测方法及装置。
背景技术
水分含量是玉米育种过程中需要获取的重要性状参数，籽粒脱水速率快，收获时玉米穗籽粒含水量较低是玉米育种的重要评价指标，也是耐密宜机收玉米品种选育的重要特征之一。对于生长期苞叶存在下玉米穗籽粒水分的测量，能够实现对玉米穗生理成熟时间的预测，获取生理成熟前玉米穗籽粒的脱水曲线。
目前有研究者采用插针式探针测量玉米籽粒水分，虽然能够有效的检测玉米籽粒水分，但在检测过程中不可避免的会破坏玉米的苞叶层，并且也容易损伤玉米籽粒。
因此，如何提供一种玉米水分无损检测方法及装置，避免破坏玉米的苞叶层和玉米籽粒，实现对于苞叶存在下玉米水分含量的无损原位测定成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种玉米水分无损检测方法及装置。
本发明提供一种玉米水分无损检测方法，包括：
向待测玉米发送射频信号，并接收反射信号；
基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；
根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量。
根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量的步骤之前，方法还包括：
基于所述射频信号和所述反射信号，确定样品玉米的射频阻抗参数；
确定样本玉米的实际水分值；其中，所述样本玉米与所述待测玉米生长状态相同；
基于所述样本玉米的实际水分值和所述样本玉米的射频阻抗参数，确定所述含水量标定公式。
根据本发明提供的玉米水分无损检测装置，所述基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数，具体包括：
基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的测量反射系数；
基于所述待测玉米的测量反射系数和射频误差校准参数，确定待测玉米的负载反射系数；
基于所述待测玉米的负载反射系数和特征阻抗，确定待测玉米的射频阻抗参数。
根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数，具体包括：
基于第一射频信号和第一反射信号，确定待测玉米的第一射频阻抗参数；所述第一射频阻抗参数用于确定待测玉米苞叶层含水量；
基于第二射频信号和第二反射信号，确定待测玉米的第二射频阻抗参数；所述第二射频阻抗参数用于确定待测玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量。
根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量，具体包括：
根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量。
根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，
所述根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量，具体包括：
基于所述第一射频阻抗参数、所述第二射频阻抗参数、玉米苞叶层的厚度和玉米穗籽粒层的厚度，确定待测玉米穗籽粒阻抗参数；
基于所述待测玉米穗籽粒阻抗参数和玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量。
根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，在所述根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量步骤之前，方法还包括：
基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式；其中，所述样本玉米与所述待测玉米生长状态相同。
根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式，具体包括：
基于第三射频信号和第三反射信号，确定样本玉米的第三射频阻抗参数；所述第三射频阻抗参数用于确定样本玉米苞叶层含水量；
基于第四射频信号和第四反射信号，确定样本玉米的第四射频阻抗参数；所述第四射频阻抗参数用于确定样本玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量；
基于所述第三射频阻抗参数、所述第四射频阻抗参数、玉米苞叶层的厚度和玉米穗籽粒层的厚度，确定样本玉米穗籽粒阻抗参数；
确定样本玉米籽粒的实际水分值；
基于所述样本玉米的实际水分值和所述样本玉米穗籽粒阻抗参数，曲线拟合获得所述玉米穗籽粒层含水量标定公式。
本发明还提供一种玉米水分无损检测装置，包括：传感探头和检测模块；
所述传感探头包括电极；所述电极包括：激励电极和接地电极；所述激励电极和所述接地电极间隔设置；所述激励电极和接地电极横截面形状相同且中心轴在同一直线上；
所述检测模块包括：射频信号发送接收单元和信号处理单元；
所述射频信号发送单元与所述激励电极和接地电极连接，用于发送射频信号，并接收反射信号；
所述信号处理单元用于根据所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定待测玉米的含水量。
根据本发明提供的玉米水分无损检测装置，所述激励电极为环形激励电极；所述接地电极为环形接地电极；
所述环形激励电极和所述环形接地电极间隔设置；所述环形激励电极和所述环形接地电极直径相等宽度不同且中心轴在同一直线上。
本发明提供的玉米水分无损检测方法及装置，获取射频信号和反射信号，通过待测玉米含水量引起的传感探头阻抗的变化，确定待测玉米的射频阻抗参数，根据射频阻抗参数以及含水量标定公式，进而确定待测玉米的含水量，实现待测玉米含水量的快速、无损检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的玉米水分无损检测方法流程图；
图2为本发明提供的校准端口校准信号流图；
图3为本发明提供的玉米穗苞叶层脱水曲线图；
图4为本发明提供的玉米穗籽粒层脱水曲线图；
图5为本发明提供的玉米水分无损检测装置外观示意图；
图6为本发明提供的玉米水分无损检测装置使用方法示意图；
图7为本发明提供的玉米水分无损检测装置检测原理示意图；
图8为本发明提供的传感探头结构示意图；
图9为本发明提供的检测原理电路结构示意图；
图10为本发明提供的有源反射电桥电路图；
图11为本发明提供的电子设备的实体结构示意图。
附图标记：
110：传感探头； 120：检测模块；
210：第一环形激励电极； 220：环形接地电极；
230：第二环形激励电极； 240：玉米穗苞叶层；
250：玉米穗籽粒层； 260：玉米穗轴。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在田间环境下，对于秸秆上的苞叶存在下玉米穗籽粒水分含量的无损原位测定，受到玉米穗苞叶和玉米穗轴的影响。目前有研究者采用插针式探针测量玉米籽粒水分，不仅不可避免的破坏苞叶层，而且也容易损伤玉米籽粒。因此，需要能够在苞叶存在下感测玉米穗籽粒层水分信息的装置，以及消除苞叶和穗轴(玉米脱粒所剩下的芯)水分含量对玉米穗籽粒层水分含量测定影响的测量方法。
本发明提供的玉米水分无损检测方法及装置，能够对于生长期苞叶存在下玉米穗籽粒水分进行原位无损测量，实现对玉米穗生理成熟时间的预测，获取生理成熟前玉米穗籽粒的脱水曲线。
图1为本发明提供的玉米水分无损检测方法流程图，如图1所示，本发明还提供一种基于上述玉米水分无损检测装置所实现的玉米水分无损检测方法，包括：
步骤S1，向待测玉米发送射频信号，并接收反射信号；
步骤S2，基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；
步骤S3，根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量。
具体的，在步骤S1中，向待测玉米发送射频信号，并接收对应的反射信号。
由于当玉米的含水量不同时，玉米的介电性质也相应的发生变化，进而根据射频信号以及对应的反射信号能够反映出不同的玉米水分含量。
需要说明的是，由于在进行检测时，玉米为圆柱形，检测的深度可以进行调整，可以根据调节发射射频信号接收射频信号的装置调节检测的深度，进而实现对玉米不同部分(例如：玉米穗苞叶层、玉米穗苞叶层及籽粒层，或者完整的玉米)的含水量检测。
在步骤S2中，基于在步骤S1中获得的射频信号和反射信号，计算待测玉米的射频阻抗参数。
计算玉米的射频阻抗参数的方法可以是直接使用网络分析仪，也可以是设置计算程序，对获取的射频信号和反射信号的参数进行计算，具体的计算方法可根据实际情况进行选择，本发明对此不做限定。
在步骤S3中，将在步骤S2中确定的射频阻抗参数代入预先拟合的含水量标定公式(将射频阻抗参数输入预先训练的玉米含水量-阻抗模型)中，确定所述待测玉米的含水量。
需要说明的是，由于玉米的水分含量变化会引起玉米穗复介电常数的变化，进而引起传感探头(如激励电极和接地电极之间)的阻抗发生变化，因此，获取射频信号和反射信号，通过校准传感探头并测量反射系数，计算分解出不同的阻抗参数，可以进一步根据射频阻抗参数和含水量之间的对应关系确定玉米的含水量。射频阻抗参数的物理含义更明确，与玉米含水量的相关性更强，相比于直接使用电压进行相关性拟合，更能反映待测物水分含量变化后，引起的介电参数变化。
可以理解的是，预先根据样本玉米含水量和射频阻抗参数之间的关系，通过数学方法直接拟合曲线公式，或者是构建神经网络模型(玉米含水量-阻抗模型)进行训练，神经网络模型训练后可以无限逼近理想的拟合函数，两种方法实际上均是利用射频阻抗参数和含水量之间的特性关系获得拟合函数(含水量标定公式)，均可以根据待测玉米的射频阻抗参数确定玉米含水量测量值。对此，具体的含水量定标公式对应的表现形式可以根据实际需求进行选择性的替换。
其次，在使用激励电极和接地电极作为传感探头发射射频信号和接收反射信号时，由于激励电极和接地电极之间的距离以及电极的宽度影响检测的最大深度，可以通过调整电极实现对待测玉米不同部位的检测。在根据阻抗参数以及含水量标定公式确定含水量测量值时，需要使用对应检测深度的含水量定标公示。例如：调整电极对用于检测玉米穗苞叶层的含水量，确定阻抗参数后需要根据预先根据样本玉米确定的玉米穗苞叶层含水量定标公示，确定与计算得到的阻抗参数对应的待测玉米玉米穗苞叶层的含水量测量值。为科学地估测玉米收获期、快速选育耐密宜机收的玉米品种提供技术手段。
本发明提供的玉米水分无损检测方法，获取射频信号和反射信号，通过待测玉米含水量引起的传感探头阻抗的变化，确定待测玉米的射频阻抗参数，根据射频阻抗参数以及含水量标定公式，进而确定待测玉米的含水量，能够对于秸秆上的苞叶存在下玉米水分含量的测定，实现待测玉米含水量的快速、无损原位检测。
可选的，根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量的步骤之前，方法还包括：
基于所述射频信号和所述反射信号，确定样品玉米的射频阻抗参数；
确定样本玉米的实际水分值；其中，所述样本玉米与所述待测玉米生长状态相同；
基于所述样本玉米的实际水分值和所述样本玉米的射频阻抗参数，确定所述含水量标定公式。
具体的，在根据射频阻抗参数确定待测玉米的含水量之前，还需要根据样本玉米确定含水量标定公式。
选取待测玉米生长状态(品种、生长环境和日龄等)相同的玉米作为样本玉米。样本的数量可根据实际需求进行选择。
使用玉米水分无损检测装置检测样本玉米，通过玉米水分无损检测装置发送射频信号，并获取对应的反射信号，基于所述射频信号和所述反射信号，确定样品玉米的射频阻抗参数。
需要说明的是，玉米水分无损检测装置检测深度可以进行调整，在检测待测玉米对应部位时，对样本玉米进行相同的检测，确定对应匹配的含水量定标公式。例如：检测玉米穗苞叶层的含水量时，确定样本玉米苞叶层的实际含水量，确定玉米穗苞叶层的含水量定标公式。
确定样本玉米的实际水分值，优选的，使用标准烘干法确定样本玉米的实际水分值，能够保证实际水分值的准确性。除此之外，为了方便还可以使用探针检测等方法，本发明对此不做限定。
基于所述样本玉米的实际水分值和所述样本玉米的射频阻抗参数，确定所述含水量标定公式。
需要说明的是，可以根据样本玉米含水量和射频阻抗参数之间的关系，通过数学方法直接拟合曲线公式，或者是构建神经网络模型(玉米含水量-阻抗模型)进行训练，获得训练好的模型，用模型体现含水量标定公式。具体的含水量定标公式对应的表现形式可以根据实际情况进行选择，本发明对此不做限定。
由于根据经验能够确定玉米水分值和射频阻抗参数关系与二次函数十分接近，优选的，用二次函数作为拟合曲线。
Wk＝A*ZL 2+B*ZL+C
其中，Wk为水分值，ZL为射频阻抗参数，A、B、C为标定系数。
利用标准烘干法得到样本玉米的实际水分值，将实际水分值(Wk)和射频阻抗参数(ZL)带入上述公式，通过曲线拟合获取标定系数。
具体的，根据测量部位的不同，标定系数的具体数值也不相同。可以根据实际需求拟合出不同系数的含水量标定公式。通过数学方法直接拟合含水量标定公式，所需要的样本数量少，节省在进行样本检测时的消耗，快速确定含水量标定公式。但其检测的准确性不如使用大量样本训练得到的神经网络模型高。
本发明提供的玉米水分无损检测方法，通过对样本玉米进行和待测玉米相同的检测步骤确定样本玉米的射频阻抗参数，依据样本玉米的射频阻抗参数和样本玉米的实际水分值，确定含水量定标公式，含水量定标公式能够准确地体现射频阻抗参数和水分值之间的关系，进而保证根据待测玉米的射频阻抗参数，能够获得待测玉米的含水量测量值，保证含水量测量值的准确性。
可选的，根据本发明提供的玉米水分无损检测装置，所述基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数，具体包括：
基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的测量反射系数；
基于所述待测玉米的测量反射系数和射频误差校准参数，确定待测玉米的负载反射系数；
基于所述待测玉米的负载反射系数和特征阻抗，确定待测玉米的射频阻抗参数。
具体的，图2为本发明提供的校准端口校准信号流图，如图2所示，在进行检测时，通过开关切换，对检测端口进行开路、短路和匹配负载(OSL法)校准，得到校准参数(Ds，Ms，1+TR)，其中，Ds为方向性误差，Ms为匹配误差，1+TR为系统的频响。
基于所述射频信号和所述反射信号确定测量的反射系数Гm(反射信号电压/射频信号电压)，通过校准参数计算得到校准后的反射系数ГL，计算公式如下：
Figure BDA0002899043640000101
根据校准后的反射系数ΓL计算得到激励电极和接地电极电极对之间的射频阻抗参数ZL，计算公式如下：
Figure BDA0002899043640000102
其中，Z0为特征阻抗。
本发明提供的玉米水分无损检测方法，获取射频信号和反射信号，通过待测玉米含水量引起的传感探头阻抗的变化，确定待测玉米的射频阻抗参数，根据射频阻抗参数以及含水量标定公式，进而确定待测玉米的含水量，实现待测玉米含水量的快速、无损检测。在射频段通过测量环形电极的矢量反射系数实现阻抗测量以减小电导率对玉米水分测量的影响。
可选的，根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数，具体包括：
基于第一射频信号和第一反射信号，确定待测玉米的第一射频阻抗参数；所述第一射频阻抗参数用于确定待测玉米苞叶层含水量；
基于第二射频信号和第二反射信号，确定待测玉米的第二射频阻抗参数；所述第二射频阻抗参数用于确定待测玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量。
具体的，由于玉米水分无损检测装置中激励电极和接地电极之间的距离以及电极的宽度影响检测的最大深度，可以通过调整电极实现对待测玉米不同部位的检测，确定射频阻抗参数，代入对应的含水量标定公式中，得到含水量测量值。例如：只检测玉米穗苞叶层的含水量、检测玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层的平均含水量，以及玉米穗苞叶层、玉米穗籽粒层和玉米穗轴的平均含水量。
但上述方法无法直接测定玉米穗籽粒层或玉米穗轴单独的含水量。因此，需要进一步消除外层的结构对内层结构含水量检测的影响。
如图7所示，以单独检测玉米穗籽粒层的方法为例进行说明：
以第一环形激励电极和环形接地电极作为第一检测端口，用于检测玉米穗苞叶层240，第二环形激励电极和环形接地电极作为第二检测端口，用于检测玉米穗苞叶层240和玉米穗籽粒层250。
依照上述射频阻抗参数计算方法，获得对应于第一检测端口的第一校准参数(Ds1，Ms1，1+TR1)，以及对应于第二检测端口第二校准参数(Ds2，Ms2，1+TR2)。
并根据第一校准参数和第二校准参数，确定第一检测端口对应的第一测量反射系数Гm1，以及第二检测端口对应的第二测量反射系数Гm2。根据第一测量反射系数和第二测量反射系数，确定校准后的第一反射系数ΓL1和校准后的第二反射系数ΓL2。
进一步，确定第一环形激励电极和环形接地电极间的第一射频阻抗参数ZL1，和第二环形激励电极和环形接地电极间的第二射频阻抗参数ZL2。
第一射频阻抗参数ZL1用于确定待测玉米苞叶层含水量，第二射频阻抗参数ZL2用于确定待测玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量。
需要说明的是，上述单独检测玉米穗籽粒层的方法仅作为一个具体的例子对本发明进行说明，可以理解的是，同样的方法进行适应性的修改还可以用来确定玉米穗轴的含水量，具体的方法再次不再赘述。
本发明提供的玉米水分无损检测方法，在不去掉苞叶的情况下，实现在体籽粒水分信息的获取，并尽可能减小苞叶层、穗芯层和电导率对在体籽粒水分测量的影响，通过不同宽度和间距的环形电极配置，实现籽粒层和苞叶层水分信息的获取，在射频段通过测量环形电极的矢量反射系数实现阻抗测量以减小电导率对籽粒水分测量的影响。进一步，可以通过建立设射频阻抗参数与玉米穗籽粒层水分含量的数学模型(含水量定标公式)，消除苞叶层和穗轴层对籽粒水分测量的影响，实现苞叶存在下玉米穗在体籽粒水分无损测量。
可选的，根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量，具体包括：
根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量。
具体的，在计算获得第一射频阻抗参数ZL1和第二射频阻抗参数ZL2之后。需要根据第一射频阻抗参数ZL1和第二射频阻抗参数ZL2确定玉米穗籽粒层的射频阻抗参数ZL0。
由于第二射频阻抗参数ZL2实际相当于玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层射频阻抗参数的加权和。可以通过加权的方法确定玉米穗籽粒层的射频阻抗参数ZL0。
除此之外，还可以在检测样本玉米时，剥掉玉米苞叶再次进行检测，根据检测结果确定第一射频阻抗参数ZL1、第二射频阻抗参数ZL2和玉米穗籽粒层的射频阻抗参数ZL0之间的关系，进而在检测待测玉米时，根据第一射频阻抗参数ZL1和第二射频阻抗参数ZL2，确定玉米穗籽粒层的射频阻抗参数ZL0。
具体的，玉米穗籽粒层的射频阻抗参数确定方法可根据实际情况进行选择，本发明对此不做限定。
需要说明的是，在玉米穗成熟前，玉米穗苞叶层的水分占比较高，随着玉米的生长，玉米穗苞叶层水分占比降低，玉米穗籽粒层水分占比升高。本发明提供的水分检测方法能够适用于不同生长状态的玉米。
本发明提供的玉米水分无损检测方法，通过不同宽度和间距的环形电极配置，实现籽粒层和苞叶层水分信息的获取；分别建立玉米穗籽粒层、苞叶层的等效并联阻抗模型；在射频段通过测量环形电极的矢量反射系数实现阻抗测量以减小电导率对籽粒水分测量的影响，通过用于确定待测玉米苞叶层含水量的第一射频阻抗参数，和用于确定待测玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量第二射频阻抗参数，计算得到玉米穗籽粒层的射频阻抗参数，将其代入玉米穗籽粒层含水量标定公式中，获得玉米穗籽粒层含水量测量值。，实现苞叶存在下玉米穗在体籽粒水分无损测量，消除苞叶层和穗轴层对籽粒水分测量的影响。
可选的，根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量，具体包括：
基于所述第一射频阻抗参数、所述第二射频阻抗参数、玉米苞叶层的厚度和玉米穗籽粒层的厚度，确定待测玉米穗籽粒阻抗参数；
基于所述待测玉米穗籽粒阻抗参数和玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量。
具体的，在计算获得第一射频阻抗参数ZL1和第二射频阻抗参数ZL2之后。需要根据第一射频阻抗参数ZL1和第二射频阻抗参数ZL2确定玉米穗籽粒层的射频阻抗参数ZL0。
例如：选择田间生理成熟前一个月的玉米穗，玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层的厚度分别为h1，h2。由于第二射频阻抗参数ZL2实际相当于玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层射频阻抗参数的加权和。
即可确定公式：
Figure BDA0002899043640000141
通过上述公式即可计算获得玉米穗籽粒层的射频阻抗参数ZL0。
将玉米穗籽粒层的射频阻抗参数ZL0代入玉米穗籽粒层含水量标定公式中，获得玉米穗籽粒层含水量测量值。
需要说明的是，在玉米穗成熟前，玉米穗苞叶层的水分占比较高，随着玉米的生长，玉米穗苞叶层水分占比降低，玉米穗籽粒层水分占比升高。本发明提供的水分检测方法能够适用于不同生长状态的玉米。
其次，由于玉米品种和生长状态的不同，玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层的厚度也存在差异，可以根据样本玉米的数据确定玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层的厚度。除此之外，还可以根据玉米生长情况进行预测，本发明对此不做限定。
本发明提供的玉米水分无损检测方法，通过不同宽度和间距的环形电极配置，实现籽粒层和苞叶层水分信息的获取；分别建立玉米穗籽粒层、苞叶层的等效并联阻抗模型；在射频段通过测量环形电极的矢量反射系数实现阻抗测量以减小电导率对籽粒水分测量的影响，通过用于确定待测玉米苞叶层含水量的第一射频阻抗参数，和用于确定待测玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量第二射频阻抗参数，计算得到玉米穗籽粒层的射频阻抗参数，将其代入玉米穗籽粒层含水量标定公式中，获得玉米穗籽粒层含水量测量值。实现苞叶存在下玉米穗在体籽粒水分无损测量，消除苞叶层和穗轴层对籽粒水分测量的影响。
可选的，根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，在所述根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量步骤之前，方法还包括：
基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式；其中，所述样本玉米与所述样本玉米生长状态相同。
具体的，在确定所述待测玉米籽粒的含水量步骤之前，还需要先确定玉米穗籽粒层含水量标定公式。
选取待测玉米生长状态(品种、生长环境和日龄等)相同的玉米作为样本玉米。样本的数量可根据实际需求进行选择。
可以直接检测去除苞叶的样本玉米，确定样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数，需要说明的是，射频阻抗参数的计算方法与上文相同，在此不再赘述。
除此之外，对于不去除苞叶的样本玉米，由于样本玉米苞叶层和玉米穗籽粒层射频阻抗参数实际上相当于玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层射频阻抗参数的加权和。可以通过检测样本玉米苞叶层射频阻抗参数，以及样本玉米苞叶层和玉米穗籽粒层射频阻抗参数，通过加权的方法确定样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数。
需要说明的是，样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数的确定方法可以根据实际情况进行选择，本发明对此不做限定。
确定样本玉米籽粒的实际水分值，优选的，使用标准烘干法确定样本玉米籽粒的实际水分值，能够保证实际水分值的准确性。除此之外，为了方便还可以使用探针检测等方法，本发明对此不做限定。
基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式。
需要说明的是，可以根据样本玉米籽粒含水量和射频阻抗参数之间的关系，通过数学方法直接拟合曲线公式，或者是构建神经网络模型(玉米籽粒含水量-阻抗模型)进行训练，获得训练好的模型，用模型体现玉米穗籽粒层含水量标定公式。具体的玉米穗籽粒层含水量标定公式对应的表现形式可以根据实际情况进行选择，本发明对此不做限定。
本发明提供的玉米水分无损检测方法，基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式，利用玉米穗籽粒层含水量标定公式能够有实现待测玉米籽粒水分值的检测，消除苞叶层和穗轴层对籽粒水分测量的影响，实现苞叶存在下玉米穗在体籽粒水分无损测量。
可选的，根据本发明提供的玉米水分无损检测方法，所述基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式，具体包括：
基于第三射频信号和第三反射信号，确定样本玉米的第三射频阻抗参数；所述第三射频阻抗参数用于确定样本玉米苞叶层含水量；
基于第四射频信号和第四反射信号，确定样本玉米的第四射频阻抗参数；所述第四射频阻抗参数用于确定样本玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量；
基于所述第三射频阻抗参数、所述第四射频阻抗参数、玉米苞叶层的厚度和玉米穗籽粒层的厚度，确定样本玉米穗籽粒阻抗参数；
确定样本玉米籽粒的实际水分值；
基于所述样本玉米的实际水分值和所述样本玉米穗籽粒阻抗参数，曲线拟合获得所述玉米穗籽粒层含水量标定公式。
具体的，选取待测玉米生长状态(品种、生长环境和日龄等)相同的玉米作为样本玉米。样本的数量可根据实际需求进行选择。
使用玉米水分无损检测装置检测样本玉米，通过玉米水分无损检测装置发送射频信号，并获取对应的反射信号，基于所述射频信号和所述反射信号，确定样品玉米的第三射频阻抗参数ZL1′和第四射频阻抗参数ZL2′。其中，第三射频阻抗参数ZL1′为样本玉米苞叶层射频阻抗参数；第四射频阻抗参数ZL2′为样本玉米苞叶层和玉米穗籽粒层射频阻抗参数。
需要说明的是，射频阻抗参数的计算方法与上文相同，在此不再赘述。
在获得第三射频阻抗参数ZL1′和第四射频阻抗参数ZL2′之后，确定样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数ZL0′。由于第四射频阻抗参数ZL2′实际相当于玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层射频阻抗参数的加权和。可以通过加权的方法确定样本玉米穗籽粒层的射频阻抗参数ZL0′。
即可确定公式：
Figure BDA0002899043640000171
通过上述公式即可计算获得样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数ZL0′。需要说明的是，选取根据玉米穗苞叶层和玉米穗籽粒层射频阻抗参数确定样本玉米穗籽粒层的射频阻抗参数的方法，与对待测玉米进行无损检测时的方法一致，提高含水量定标公式的拟合程度，提高无损检测的准确性。
由于根据经验能够确定玉米籽粒水分值和射频阻抗参数关系与二次函数十分接近，优选的，用二次函数作为拟合曲线，玉米穗籽粒层含水量标定公式如下：
Wk′＝A′*ZL0 2+B′*ZL0+C′
其中，Wk′为籽粒水分值，ZL0为玉米穗籽粒层射频阻抗参数，A′、B′、C′为玉米穗籽粒层含水量标定公式标定系数。
将样本玉米籽粒的实际水分值(对应Wk′)和样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数ZL0′(对应ZL0)带入上述公式，通过曲线拟合获取玉米穗籽粒层含水量标定公式标定系数，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式。
本发明提供的玉米水分无损检测方法，基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式，利用玉米穗籽粒层含水量标定公式能够有实现待测玉米籽粒水分值的检测，消除苞叶层和穗轴层对籽粒水分测量的影响，实现苞叶存在下玉米穗在体籽粒水分无损测量。通过数学方法直接拟合含水量标定公式，所需要的样本数量少，节省在进行样本检测时的消耗，快速确定含水量标定公式。
进一步，图3为本发明提供的玉米穗苞叶层脱水曲线图，图4为本发明提供的玉米穗籽粒层脱水曲线图，如图3和图4所示，可以使用本发明提供的玉米水分无损检测方法及装置，对田间生理成熟前对玉米穗籽粒水分进行连续测量，绘制玉米穗苞叶层脱水曲线图和玉米穗籽粒层脱水曲线图。
根据曲线图对玉米穗生理成熟时间进行预测，科学地估测玉米收获期、快速选育耐密宜机收的玉米品种。
图5为本发明提供的玉米水分无损检测装置外观示意图，如图5所示，本发明提供一种玉米水分无损检测装置，包括：传感探头和检测模块；
所述传感探头包括电极；所述电极包括：激励电极和接地电极；所述激励电极和所述接地电极间隔设置；所述激励电极和接地电极横截面形状相同且中心轴在同一直线上；
所述检测模块包括：射频信号发送接收单元和信号处理单元；
所述射频信号发送单元与所述激励电极和接地电极连接，用于发送射频信号，并接收反射信号；
所述信号处理单元用于根据所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定待测玉米的含水量。
具体的，本发明提供的玉米水分无损检测装置，包括：传感探头和检测模块。其中，传感探头包括电极；电极包括：激励电极和接地电极。检测模块包括：射频信号发送接收单元和信号处理单元。
传感探头中的激励电极和接地电极间隔设置，并且激励电极和接地电极横截面形状相同且中心轴在同一直线上。
需要说明的是，在图5中，传感探头包括圆环形的外壳，激励电极和接地电极均为圆环，并设置于外壳内部，仅作为一个具体的实例对本发明进行说明。除此之外，激励电极和接地电极还可以设置成两个大小相同并且中心轴设置在同一直线上的长方形电极片或圆弧形电极片，具体的形状可根据实际需求进行设置，本发明对此不做限定。
如图5所示，检测模块包括方形外壳，外壳内部设置有电路(射频信号发送接收单元和信号处理单元)，射频信号发送接收单元与激励电极连接和接地电极连接，用于发送射频信号，并接收发送出去的射频信号对应的反射信号。
由于玉米的水分含量变化会引起玉米穗复介电常数的变化，进而引起传感探头的阻抗发生变化，因此，获取射频信号和反射信号，通过校准传感探头并测量反射系数，计算分解出不同的阻抗参数，可以进一步根据射频阻抗参数和含水量之间的对应关系确定玉米的含水量。
信号处理单元用于根据射频信号和反射信号，计算得到待测玉米的射频阻抗参数，根据射频阻抗参数以及含水量标定公式(玉米含水量-阻抗模型)，确定待测玉米的含水量。
需要说明的是，玉米穗根据结构从外到内可以划分为玉米穗苞叶层、玉米穗籽粒层和玉米穗轴，可以通过调节激励电极与接地电极的宽度以及电极之间的间距调整射频信号最大检测深度(相当于激励电极和接地电极之间的间距加上两电极的宽度)，进而实现对玉米穗不同层含水量的检测。
由于玉米的品种以及日龄的不同，各层次的占比也存在一定的区别，检测时最大检测深度可根据实际情况进行调整，可以理解的是，可以设置多个激励电极和接地电极检测不同的深度，本发明对此不做限定。
其次，本发明中含水量标定公式(玉米含水量-阻抗模型)是预先根据样本玉米的含水量以及射频阻抗参数拟合的标定公式(玉米含水量-阻抗模型)，样本玉米的实际含水量检测可以使用标准烘干法或者探针检测等方法确定，本发明对此不做限定。
本发明提供的玉米水分无损检测装置，获取射频信号和反射信号，通过待测玉米含水量引起的传感探头阻抗的变化，确定待测玉米的射频阻抗参数，根据射频阻抗参数以及含水量标定公式，进而确定待测玉米的含水量，实现待测玉米含水量的快速、无损检测。
可选的，根据本发明提供的玉米水分无损检测装置，所述激励电极为环形激励电极；所述接地电极为环形接地电极；
所述环形激励电极和所述环形接地电极间隔设置；所述环形激励电极和所述环形接地电极直径相等宽度不同且中心轴在同一直线上。
具体的，激励电极为环形激励电极；接地电极为环形接地电极，环形激励电极和环形接地电极间隔设置；环形激励电极和环形接地电极直径相等宽度不同且中心轴在同一直线上。
本发明提供的玉米水分无损检测装置，获取射频信号和反射信号，通过待测玉米含水量引起的传感探头阻抗的变化，确定待测玉米的射频阻抗参数，根据射频阻抗参数以及含水量标定公式，进而确定待测玉米的含水量，实现待测玉米含水量的快速、无损检测。将激励电极设置为环形激励电极，接地电极设置为环形接地电极能够在检测时反应待测玉米穗四周的含水量特点，保证检测结果的均衡，避免由于出现玉米发育不匀称、病虫害等问题导致的含水量检测结果存在偶然性、检测误差大的问题。
图10为本发明提供的玉米水分无损检测装置使用方法示意图，如图5和图10所示，传感探头包括外壳，环形激励电极和环形接地电极设置在外壳的内部，在进行检测时，将环形的传感探头套设于玉米穗上。
以设置两个环形激励电极(第一环形激励电极210和第二环形激励电极230)，一个环形接地电极220为例，对本发明提供的玉米水分无损检测装置进行说明。
图7为本发明提供的玉米水分无损检测装置检测原理示意图，图8为本发明提供的传感探头结构示意图，如图7和图8所示，传感探头中包括三个环形电极，分别为：第一环形激励电极、第二环形激励电极和环形接地电极，三个电极由低介损的基底(低损耗材料，例如：聚四氟乙烯)支撑固定，保证三个电极之间不相互接触，保持中心轴在同一直线上。其中，基底的介电损耗为能够测量的水分值的下限。
图9为本发明提供的检测原理电路结构示意图，图10为本发明提供的有源反射电桥电路图，如图9和图10所示，检测模块外壳内设置有检测电路，其中，传感探头中的环形电极通过SMA同轴接头和连接板进行馈电，环形激励电极和环形接地电极构成一个检测端口。
由于本示例中，设置有两个环形激励电极和一个环形接地电极，第一环形激励电极和环形接地电极，第二环形激励电极和环形接地电极分别构成检测端口，通过开关切换实现不同电极环的反射系数测量。
检测电路中反射系数测量电路由开关、DDS信号源电路、反射电桥电路、幅值和相位检波器和AD转换电路构成。DDS信号源电路由DDS信号源、椭圆低通滤波器和功分器组成。反射电桥电路为有源反射电桥，由高速运算放大器、电阻组成。其中，R12＝R25＝2Z0，
Figure BDA0002899043640000211
特征阻抗Z0＝50Ω，保证Port3端仅接收反射信号。
具体检测时，传感探头的环形电极在玉米穗部与玉米穗表面接触，将电极和玉米穗部耦合。如图7所示，玉米穗分为：玉米穗苞叶层240、玉米穗籽粒层250和玉米穗轴260，第一环形激励电极和环形接地电极用于检测玉米穗苞叶层240，第二环形激励电极和环形接地电极用于检测玉米穗苞叶层240和玉米穗籽粒层250。
MCU微控制器控制DDS信号源生成射频信号(有源反射电桥电路Port1端进入)，经过椭圆滤波器滤掉高次谐波后，由功分器分成两路信号：一路信号作为参考信号，经过衰减器进入幅值和相位检波器的参考端；另一路信号作为激励信号即发送的射频信号(有源反射电桥电路Port2端发送)，经过反射电桥，去激励传感探头。
激励传感探头的环形电极由MCU微控制器控制开关进行选通，传感探头的反射信号(有源反射电桥电路Port3端接收)经开关、反射电桥、衰减器，进入幅值和相位检波器的测量端。
需要说明的是，上述方案仅作为一个具体的例子对本发明提供的玉米水分无损检测装置进行解释说明，具体的装置内部使用的电路结构、设置的电极的个数和间距以及控制方法(例如：设置一个接地电极和一个可平行移动的激励电极)等，均可以根据实际情况进行设置，还可增设按键、液晶显示屏和喇叭等元件，本发明对此不做限定。
进一步，信号处理单元(例如：MCU微控制器)根据获取的射频信号和反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数，根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定待测玉米的含水量。具体的实现步骤参照前文玉米水分无损检测方法的相关步骤，在此不做过多说明。
图11为本发明提供的电子设备的实体结构示意图，如图11所示，所述电子设备可以包括：处理器(processor)111、通信接口(communication interface)112、存储器(memory)113和通信总线(bus)114，其中，处理器111，通信接口112，存储器113通过通信总线114完成相互间的通信。处理器111可以调用存储器113中的逻辑指令，以执行上述玉米水分无损检测方法，包括：向待测玉米发送射频信号，并接收反射信号；基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量。
此外，上述的存储器113中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的玉米水分无损检测方法，该方法包括：向待测玉米发送射频信号，并接收反射信号；基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量。
又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的以执行玉米水分无损检测方法，该方法包括：向待测玉米发送射频信号，并接收反射信号；基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种玉米水分无损检测方法，其特征在于，包括：
向待测玉米发送射频信号，并接收反射信号；
基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；
根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量。
2.根据权利要求1所述的玉米水分无损检测方法，其特征在于，所述根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量的步骤之前，方法还包括：
基于所述射频信号和所述反射信号，确定样品玉米的射频阻抗参数；
确定样本玉米的实际水分值；其中，所述样本玉米与所述待测玉米生长状态相同；
基于所述样本玉米的实际水分值和所述样本玉米的射频阻抗参数，确定所述含水量标定公式。
3.根据权利要求2所述的玉米水分无损检测装置，其特征在于，所述基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数，具体包括：
基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的测量反射系数；
基于所述待测玉米的测量反射系数和射频误差校准参数，确定待测玉米的负载反射系数；
基于所述待测玉米的负载反射系数和特征阻抗，确定待测玉米的射频阻抗参数。
4.根据权利要求2或3所述的玉米水分无损检测方法，其特征在于，所述基于所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数，具体包括：
基于第一射频信号和第一反射信号，确定待测玉米的第一射频阻抗参数；所述第一射频阻抗参数用于确定待测玉米苞叶层含水量；
基于第二射频信号和第二反射信号，确定待测玉米的第二射频阻抗参数；所述第二射频阻抗参数用于确定待测玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量。
5.根据权利要求4所述的玉米水分无损检测方法，其特征在于，所述根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定所述待测玉米的含水量，具体包括：
根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量。
6.根据权利要求5所述的玉米水分无损检测方法，其特征在于，所述根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量，具体包括：
基于所述第一射频阻抗参数、所述第二射频阻抗参数、玉米苞叶层的厚度和玉米穗籽粒层的厚度，确定待测玉米穗籽粒阻抗参数；
基于所述待测玉米穗籽粒阻抗参数和玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量。
7.根据权利要求5所述的玉米水分无损检测方法，其特征在于，在所述根据所述第一射频阻抗参数和所述第二射频阻抗参数以及玉米穗籽粒层含水量标定公式，确定所述待测玉米籽粒的含水量步骤之前，方法还包括：
基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式；其中，所述样本玉米与所述待测玉米生长状态相同。
8.根据权利要求7所述的玉米水分无损检测方法，其特征在于，所述基于样本玉米穗籽粒层射频阻抗参数以及样本玉米籽粒的实际水分值，确定玉米穗籽粒层含水量标定公式，具体包括：
基于第三射频信号和第三反射信号，确定样本玉米的第三射频阻抗参数；所述第三射频阻抗参数用于确定样本玉米苞叶层含水量；
基于第四射频信号和第四反射信号，确定样本玉米的第四射频阻抗参数；所述第四射频阻抗参数用于确定样本玉米苞叶层和玉米穗籽粒层含水量；
基于所述第三射频阻抗参数、所述第四射频阻抗参数、玉米苞叶层的厚度和玉米穗籽粒层的厚度，确定样本玉米穗籽粒阻抗参数；
确定样本玉米籽粒的实际水分值；
基于所述样本玉米的实际水分值和所述样本玉米穗籽粒阻抗参数，曲线拟合获得所述玉米穗籽粒层含水量标定公式。
9.一种玉米水分无损检测装置，其特征在于，包括：传感探头和检测模块；
所述传感探头包括电极；所述电极包括：激励电极和接地电极；所述激励电极和所述接地电极间隔设置；所述激励电极和接地电极横截面形状相同且中心轴在同一直线上；
所述检测模块包括：射频信号发送接收单元和信号处理单元；
所述射频信号发送单元与所述激励电极和接地电极连接，用于发送射频信号，并接收反射信号；
所述信号处理单元用于根据所述射频信号和所述反射信号，确定待测玉米的射频阻抗参数；根据所述射频阻抗参数以及含水量标定公式，确定待测玉米的含水量。
10.根据权利要求9所述的玉米水分无损检测装置，其特征在于，所述激励电极为环形激励电极；所述接地电极为环形接地电极；
所述环形激励电极和所述环形接地电极间隔设置；所述环形激励电极和所述环形接地电极直径相等宽度不同且中心轴在同一直线上。
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