CN114965511A - 基于微波的检测设备及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波的检测设备，该检测设备包括微波模块、天线模块、信号处理模块、数据处理模块。所述天线模块包括发射天线与接收天线，待检样本被设置在发射天线和接收天线之间，所述微波模块，与所述天线模块连接，用于提供微波信号的激励和检波，信号处理模块，与所述微波模块连接，该信号处理模块包括幅度检测电路、幅度衰减检测电路、相移检测电路，数据处理模块，与所述信号处理模块连接，用于对获得的微波检测信号特征值的计算处理，从而获得所述待检样本的检测参数值。

Description

基于微波的检测设备及电路

技术领域

本发明属于检测技术领域，特别涉及一种基于微波检测技术的检测设备及其电路。

背景技术

微波是波长为1mm～1m的高频电磁波，作为一种电磁信号，在不连续界面处传播时会产生反射、散射、透射，而在传播过程中产生的交变电场，又能与介质产生取向极化、原子极化、电子极化、空间电荷极化等互作用，此时微波场的振幅、频率和相位等参数会受到材料介电常数ε、损耗角正切tanδ以及材料的几何形状、尺寸等参数的影响。材料的介电性质是由物质组成、组织结构、均匀性等因素共同决定，而介质的介电特性会对微波场产生影响。因此，电磁波在透射过非金属材料时信号特征会发生一定的变化，且对介质不会产生破坏，故非常适用于对非金属材料进行无损检测。根据微波场的参量变化，可以研究推断被检材料的内部状况。

发明内容

本发明实施例之一，一种多参数微波信号特征检测装置，该检测设备包括微波模块、天线模块、信号处理模块、数据处理模块。

所述天线模块包括发射天线与接收天线，待检样本被设置在发射天线和接收天线之间。所述微波模块与所述天线模块连接，用于提供微波信号的激励和检波。信号处理模块与所述微波模块连接，该信号处理模块包括幅度检测电路、幅度衰减检测电路、相移检测电路。数据处理模块与所述信号处理模块连接，用于对获得的微波检测信号特征值的计算处理，从而获得所述待检样本的检测参数值。

所述天线模块中的发射天线与接收天线，是一对角锥喇叭天线。所述微波模块中包括双通道输出微波源和双通道参考微波源，所述双通道参考微波源用于消除微波信号的波动误差。

本发明实施例的多参数微波信号检测系统的有益效果之一在于，低成本、抗干扰能力强、高精度。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1根据本发明实施例之一的检测电路组成示意图。

图2根据本发明实施例之一的天线校准台结构示意图。

图3根据本发明实施例之一的天线校准台容栅结构示意图。

图4根据本发明实施例之一的检测系统组成示意图。

图5根据本发明实施例之一的信号幅度值-含水率线性拟合示意图。

图6根据本发明实施例之一的信号幅度衰减-含水率线性拟合示意图。

图7根据本发明实施例之一的信号相移-含水率线性拟合示意图。

其中，

10——发射天线，11——接收天线，12——被检木材，13——容栅尺，14——接收天线移动托架，15——被检木材样本移动托架，16——发射天线移动托架，17——容栅尺显示屏，18——移动转轮，19——轨道，20——底座。

具体实施方式

现阶段应用微波法对待检材料进行检测时，由于微波信号的频率较高，微波信号参数的测量都采用矢量网络分析仪、微波功率计等射频测试设备。这些设备通常价格较为昂贵，制约了微波检测技术的发展，导致了这项技术往往只适合在实验室中测量，难以应用于实际检测中。

此外，应用微波法检测时，需要发射到自由空间中与被测试件相互作用后才能携带相关信息，而信号本身的能量较弱，再经发射和接收后能量损失较大，易受到环境噪声信号与温湿度的影响，抗干扰能力差。

同时，部分的检测电路只能适用于频率不是很高的信号检测中，难以发挥出微波信号的优势，且只能检测单一信号参数而导致对微波信号的变化特征不能完全描述，难以全面反映出被测信息，导致检测效果差。

针对现有微波测量法存在的问题，根据一个或者多个实施例，一种测量微波信号幅度值、幅度衰减值、相移三参数的微波检测设备或系统，如图1所示。目的是为降低应用微波技术成本，实现微波信号参数的精准测量，提高微波法的检测范围奠定基础。该系统可在 线实时处理信号值，并将数据结果显示与存储到上位机中。

微波检测设备组成包括微波模块、天线模块、信号处理模块、数据综合处理模块。

微波模块主要包括：两只双通道微波源、功率分配器、混频器、检波器、PIN开关。

天线模块包括：一对角锥喇叭天线(发射天线与接收天线)、天线校准台。

信号处理模块包括：幅度检测电路、幅度衰减检测电路、相移检测电路。

数据综合处理模块包括：数据综合处理模块、上位机。

其中，微波模块采用两个独立的双通道微波源相互配合，即双通道输出微波源和双通道参考微波源，实现三种微波信号特征值的测量。

双通道输出微波源的主要功能是同时输出两路等幅同相的微波信号，其中一路作为测量系统的输入信号，另一路作为幅度衰减信号的参考信号。而双通道参考微波源的主要功能是产生两路同相微波信号，为相位检测电路提供参考信号。通过双通道参考微波源，提供稳定的参考，这种方法消除了微波信号功率波动和接收天线增益不稳为测量带来的影响，以及环境噪声和实验条件变化对检测的影响。

所述双通道输出微波源的一个输出端，依次连接功率分配器、PIN开关、天线模块、检波器、信号处理模块的幅度检测电路。所述双通道输出微波源的另一个输出端，依次连接第一混频器、信号处理模块的相移检测电路、第二混频器。信号处理模块的幅度衰减检测电路的2个输入端分别来自功率分配器和天线模块。所述双通道参考微波源的2个输出端分别接入第一混频器和第二混频器。

功率分配器的主要功能是将一路微波信号等分为多路，且每一路信号之间存在一定的隔离度，不会相互产生干扰。在本实施例中，可以采用二功分分配器，即将一路微波信号等分为两路。

混频器是一种双输入单输出的微波器件，其主要功能是将两路微波信号进行差频，获得一路频率为两个输入频率之差的低频信号。

微波天线是辐射微波信号到自由空间中与从自由空间中接收微波信号的器件，发射天线与接收天线之间可放置被测试件，微波信号从发射天线发出，穿透后即可携带被测试件的信息，经接收天线接收后进行处理可反应出该信息。

天线移动校准台的主要功能是调整发射天线与接收天线的同轴度、间距的装置，天线固定部分采用吸波材料，底部设有容栅尺，调节精度为0.01mm，如图2、图3所示。

天线校准台包括底座，在底座上设有轨道，通过转轮，支撑接收天线的接收天线移动托架、支撑待检样本的样本移动托架、支撑发射天线的发射天线移动托架得以在轨道上移动。所述天线校准台的底座上设有容栅尺，用于调整所述接收天线移动托架、样本移动托架、发射天线移动托架的移动距离。底座上还设有容栅尺数字显示屏，用于观察移动托架在容栅尺上的移动距离的数值。

PIN开关的主要功能是控制微波信号通断并对微波信号进行调制，可通过0,1数字信号进行控制。

检波器的主要功能是将微波信号中的调制波解调，反映出信号的幅度变化。

幅度检测电路的主要功能是对检波后的信号进行测量，检测出微波信号的幅度值，这里检测的微波幅度为相对值，即通过调制波幅度的反映出微波信号的幅度。

幅度衰减电路的主要功能是对比幅度参考信号与检测信号的幅度变化，检测微波信号的幅度衰减值，这里的幅度衰减为绝对值，即通过微波检测信号的幅度与微波原始信号的幅度进行对数运算后的值。

相位检测电路的主要功能是对比参考信号与检测信号的相位变化，这里的相移为绝对值，即通过测量相位参考信号与检测信号和原始信号分别混频后的低频信号的相位变化得出。

数据综合处理的主要功能是将幅度值、幅度衰减值、相移值三种参数综合用于表征同一待测信息，解决单一参数检测精度不高的问题。

当发射天线和接收天线之间放置待测样本试件时，待测物理量真值为w，系统会同时输出幅度值A、相位相移

幅度衰减值V。幅度值A可反演出一个检测值w₁，相位相移

可反演出一个检测值w₂，幅度衰减值V可反演出一个检测值w₃，该模块根据最小二乘法赋予每一检测值一定的权重k₁、k₂、k₃，再经过运算后即可输出一个综合检测值。

以下给出幅度和相位相移两个参数的综合计算方法，而幅度衰减的综合计算方法因为类似，不再另外举例。

通过试验和仿真研究发现，传输系数S₂₁的幅值A与木材含水率W呈线性关系，相位

与木材含水率W也呈线性关系。由幅值A和相位

确定木材含水率W的经验公式为线性方程写成如式(5-5)所示。

将式(5-5)写为向量的形式，如式(5-6)所示。

木材的种类、测量频率不变，当同一木材有m个不同的含水率的值时，对应的含水率的真值分别为W₁、W₂、W₃...W_m，记W_i为第i个木材的真实含水率，即含水率真值，通过烘干法确定的含水率。A_i为第i个木材测量所得幅值，

为第i个木材测量所得相位。采用令误差平方和最小的方式来确定经验公式的系数。

计算含水率误差平方和的表达式可表示为式(5-7)。

为了使误差平和最小，可令目标表达式对各个系数的偏导等于零，即应满足式(5-8)所示的方程组。

将式(5-7)带入式(5-8)，可得式(5-9)。

式(5-9)可以视为关于经验公式未知系数k₁和k₂的线性方程组，求解该线性方程即可求出k₁、k₂。

上位机软件的主要功能是对三种检测参数进行显示、将电压值转换成含水率的二次综合计算、存储，并对双通道输出微波源频率、调制波信号频率进行设定。

本公开实施例的有益效果包括：

1、实现了微波信号幅度、幅度衰减、相移的低成本测量。本系统采用调制和降频的方法，将难处理的高频信号转化为易处理的低频信号，将1.7GHz～2.6GHz的高频信号的相位差转换为100KHz的低频信号相位差，将1.7GHz～2.6GHz的高频信号幅度转换为1KHz的低频信号的幅度。检测信号的频率降低，处理更为方便，极大地降低了使用微波法的成本，相比于矢量网络分析仪(行业标准微波信号分析设备，型号：Keysight M9374A)在微波信号测量上实现了替代，成本降低了80％。

2、实现了微波信号幅度、幅度衰减、相移的精准测量。对于幅度值，本公开采用调制的方法，调制波的频率和幅度容易精准控制，调制波幅度随载波(微波信号)同步变化，这保证了检波出的信号幅度可以准确反映微波信号的幅度。对于幅度衰减和相移，在本公开中采用了两个双通道微波源的组合，对幅度衰减、相移设置了参考基准信号，当检测环境改变时，测试信号和参考信号会同步变化，这消除了环境温湿度条件对系统的影响。

3、采用天线移动台固定和调节天线的相对位置，避免了天线位置不协调导致对微波信号的影响，使得本公开不受安装和使用条件的限制，进一步提升了本公开实施例的实用性。

4、实现了幅度、幅度衰减、相移的同步测量，系统可同时输出这三个参数值，这使得在对同一对象进行检测时，可输出三个检测值，再通过数据处理模块可将三种信号值通过最小二乘法进行权重赋值并对同一待测物理量进行表征，可以减小外界噪声信号的干扰，去除偶然误差，弥补单一参数检测精度不高的问题，可实现与微波信号特征(如含水率)相关物理量的高精度反演。

下面结合本公开的检测系统在云杉含水率检测中的应用，说明其操作流程和实际检测效果。参照图4，在使用本公开的系统时，检测电路中除上述的器件外，可根据实际使用场景增加微波功率控制器件，包括功率放大器和程控衰减器。

双通道输出微波源一个输出端连接幅度衰减检测电路，另一个输出端依次连接功率分配器1、混频器4、带通滤波器6、相移检测电路。功率分配器1的另一个输出端依次连接微波信号功率/通断控制模块(PIN)、发射天线、接收天线、功率放大器、功率分配器2。功率分配器2的一个输出端经过滤波器连接幅度衰减检测电路，功率分配器2的另一个输出端依次连接功率分配器3、检波器、幅度检测电路。功率分配器3的一个输出端依次连接混频器5、带通滤波器7、相移检测电路。双通道参考信号源的一个输出端连接混频器4，另一个输出端连接混频器5。

电路检测信号流程如下：

双通道输出微波源两路等幅的信号a₁(t)和a₂(t)，a₂(t)连接幅度衰减检测电路，作为幅度衰减检测的基准信号。a₁(t)连接功率分配器1，该信号被功率分配器分为b₁(t)和b₂(t)两路信号。

功率分配器1的一路连接至混频器4，b₁(t)与双通道参考信号源的一路输出信号d₁(t)混频为m₁(t)，m₁(t)经滤波后连接至相移检测电路，作为相移检测的基准信号。另一路信号b₂(t)作为输入信号连接至微波信号功率/通断控制模块。

微波信号功率/通断控制模块包括：功率放大器、程控衰减器、PIN开关、隔离器，将信号进行功率调整与反射隔离后经微波发射天线与接收天线作为微波检测信号，再经功率放大为c(t)。

微波检测信号c(t)连接至功率分配器2被分为c₁(t)和c₂(t)两路信号，其中c₁(t)经滤波后连接至幅度衰减检测电路，作为幅度衰减的检测信号，在幅度衰减检测电路中与a₂(t)的幅度进行对比，即可检测出信号幅度衰减A。另一路c₂(t)连接至功率分配器3。

c₂(t)经功率分配器3后被分为r₁(t)和r₂(t)两路信号，r₁(t)经过检波后连接至幅度检测电路，输出微波信号的幅度相对值V。另一路信号r₂(t)连接至混频器5，与参考信号源输出的d₂(t)混频为m₂(t)，信号m₂(t)经过带通滤波后作为相移的检测信号连接至相移检测电路，在电路中与m₁(t)计算，即可输出微波信号的相移Φ。

幅度检测信号、幅度衰减检测信号和相移检测信号与含水率的关系如图5、6、7所示。图5是幅度值-含水率线性拟合曲线，图6是幅度衰减-含水率线性拟合曲线，图7是相移-含水率线性拟合曲线。

对其进行线性拟合，线性拟合函数f(x)＝0.348x-2.868。线性度R-square＝0.993，幅度衰减对其进行线性拟合f(x)＝7.991x-29，线性度R-square＝0.991，相位的f(x)＝-0.948x-13.6，R-square＝0.985。

即，幅度和含水率线性拟合、相位相移和含水率线性拟合、幅度衰减和含水率进行线性拟合，x为信号值，f(x)为计算出的含水率，线性度为数据拟合能力，表示为检测信号对含水率的解释能力。

通过以上三个关系式，可通过最小二乘的方法求解出k₁＝0.423，k₂＝0.356，k₃＝0.221，综合计算反演的含水率结果如表1所示。

表1综合检测结果

真实值	计算值	绝对误差
			33.20％	32.66％	0.46％
25.60％	25.84％	0.24％
			14.80％	14.57％	0.23％
8.20％	7.82％	0.38％

因此，从表1可以看出，本公开给出的方案检测效果高，也比比矢量网络分析仪检测含水率的检测精度要高

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于微波的检测设备，其特征在于，该检测设备包括微波模块、天线模块、信号处理模块、数据处理模块，

所述天线模块包括发射天线与接收天线，待检样本被设置在发射天线和接收天线之间，

所述微波模块，与所述天线模块连接，用于提供微波信号的激励和检波，

信号处理模块，与所述微波模块连接，该信号处理模块包括幅度检测电路、幅度衰减检测电路、相移检测电路，

数据处理模块，与所述信号处理模块连接，用于对获得的微波检测信号特征值的计算处理，从而获得所述待检样本的检测参数值。

2.根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述天线模块中的发射天线与接收天线，是一对角锥喇叭天线。

3.根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述微波模块中包括双通道输出微波源和双通道参考微波源，所述双通道参考微波源用于消除微波信号的波动误差。

4.根据权利要求3所述的检测设备，其特征在于，所述微波模块还包括功率分配器、第一混频器、第二混频器、检波器、PIN开关，

所述双通道输出微波源的一个输出端，依次连接功率分配器、PIN开关、天线模块、检波器、信号处理模块的幅度检测电路，

所述双通道输出微波源的另一个输出端，依次连接第一混频器、信号处理模块的相移检测电路、第二混频器，

信号处理模块的幅度衰减检测电路的2个输入端分别来自功率分配器和天线模块，

所述双通道参考微波源的2个输出端分别接入第一混频器和第二混频器。

5.根据权利要求2所述的检测设备，其特征在于，所述天线模块的发射天线和接收天线被置于天线校准台，

所述天线校准台包括底座，在底座上设有轨道，通过转轮，支撑接收天线的接收天线移动托架、支撑待检样本的样本移动托架、支撑发射天线的发射天线移动托架得以在轨道上移动。

6.根据权利要求5所述的检测设备，其特征在于，所述天线校准台的轨道上设有容栅尺，用于调整所述接收天线移动托架、样本移动托架、发射天线移动托架的移动距离。

7.根据权利要求6所述的检测设备，其特征在于，所述底座上设有容栅尺数字显示屏。

8.根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，数据处理模块的处理过程包括，

设待测样本的物理量真值为w，接收到的输出信号幅度值A、相移

幅度衰减值V，

由幅度值A反演出一个检测值w₁，相移

反演出一个检测值w₂，幅度衰减值V反演出一个检测值w₃，

分别赋予检测值w₁、检测值w₂、检测值w₃以权重k₁、k₂、k₃，经过综合运算后获得待测样本检测值。

9.根据权利要求8所述的检测设备，其特征在于，所述数据处理模块与上位机进行数据通信，由上位机对所述检测设备进行参数设定。

10.一种基于微波的检测电路，其特征在于，该检测电路包括微波模块、天线模块、信号处理模块、数据处理模块，

所述天线模块包括发射天线与接收天线，待检样本被设置在发射天线和接收天线之间，

所述微波模块，与所述天线模块连接，用于提供微波信号的激励和检波，

信号处理模块，与所述微波模块连接，该信号处理模块包括幅度检测电路、幅度衰减检测电路、相移检测电路，

数据处理模块，与所述信号处理模块连接，用于对获得的微波检测信号特征值的计算处理，从而获得所述待检样本的检测参数值。

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