一种基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法与流程

本发明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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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，再由微波接收天线接收，接收回来的微波信号传输至第三检波器，第三检波器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，微控制器根据p1和p2的值计算出微波信号经微波发射天线和微波接收天线后的衰减a1，微控制器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，微控制器控制接收天线移动平台微调微波接收天线的水平位置，直到衰减偏差d低于db，此时就完成了微波天线的最终对准。

进一步的，所述步骤()具体如下：

微控制器控制微波信号发生器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、可变衰减器、第一定向耦合器分为两路，其中一路信号经过第二定向耦合器到达第一检波器，另一路信号依次经过环形器、微波发射天线辐射到测量空间，产生的反射微波信号依次经过微波发射天线、环形器到达第二检波器，第一检波器和第二检波器分别测量出微波发射天线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，微控制器根据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’。

进一步的，所述步骤(4)具体如下：

(4.1)连通装置的微波信号通路：

微控制器控制微波信号发生器产生微波信号；微波信号依次经过隔离器、可变衰减器、第一定向耦合器分为两路，其中一路信号经过第二定向耦合器到达第一检波器和鉴相器；另一路信号依次经过环形器、微波发射天线、微波接收天线、第三定向耦合器到达第三检波器和鉴相器；产生的反射微波信号依次经过微波发射天线、环形器到达第二检波器；第一检波器、第二检波器、第三检波器和鉴相器产生的响应信号经过a/d转换器和微控制器的处理后，上传给嵌入式计算机系统，完成装置微波信号通路的连通；

(4.2)根据远场条件确定检测距离的最小值dmin：

天线的辐射远场区是天线实际使用的区域，天线的远场条件为:

式中d是微波发射天线物理口径的最大尺寸，λ是微波的工作波长，r是被测对象距微波发射天线的距离；远场条件要求检测距离的最小值dmin＝rmin＝2d²/λ；嵌入式计算机系统根据当前微波的工作频率f计算微波的工作波长λ，再由远场条件确定检测距离的最小值dmin，记录下dmin的值并传输给微控制器；

(4.3)由含水率检测结果代表性条件确定检测距离的最大值dmax：

大部分被测物料囊括在微波辐射面积内就可以保证含水率检测结果的代表性；根据半功率点波束宽度和待测物料的宽度计算出使得所有的待测物料囊括在微波的辐射面积内时的检测距离，计算公式为:

式中w是待测物料的宽度，hpbw是半功率点波束宽度，d是微波发射天线到待测物料的检测距离；继续增大检测距离，微波会作用到非待测物料而引入噪声，而且会加重微波泄露，所以由式(2)可确定检测距离的最大值dmax；嵌入式计算机系统查询内置的参数表得到当前微波工作频率下微波发射天线的半功率点波束宽度hpbw，再根据式(2)计算检测距离的最大值dmax，记录下dmax的值并传输给微控制器(402)；

(4.4)由减小微波空间传输损耗逐步逼近(dmin,dmax)中的最优检测距离dbest:

微波空间传输损耗的计算需要用到天线理论中的弗里斯(friis)传输公式，具体公式如下：

式中pr是微波接收天线的输出功率，pt是微波发射天线的输入功率，gt是微波发射天线的增益，gr是微波接收天线的增益，r代表传输距离即检测距离的两倍，微控制器根据发射端超声波测距传感器测出的检测距离d，控制天线升降平台去调节微波发射端的竖直位置，直到检测距离达到其最大值dmax；微控制器通过a/d转换器读取第一检波器和第二检波器的测量结果计算出pt，读取第三检波器的测量结果计算出pr，再由pt和pr计算出微波空间传输损耗；微控制器控制天线升降平台带动微波发射端上升，逼近最优检测距离dbest，按上述过程计算出当前检测距离下微波空间传输损耗及其变化率；重复这一过程直至微波空间传输损耗变化率小于1％，认为此时的检测距离是最优检测距离dbest。

进一步的，所述步骤(5)具体如下：

装载待测谷物前接收端超声波测距传感器测量出微波接收端到放样台的距离h并上传微控制器，将待测谷物平整地放置在测量空间中的放样台上，装载待测谷物后接收端超声波测距传感器测量出微波接收端到待测谷物表面的距离h2并上传微控制器，微控制器由h1与h2之差得出谷物厚度h并上传嵌入式计算机系统。

进一步的，所述步骤(6)具体如下：

嵌入式计算机系统通过微控制器控制微波信号发生器产生微波扫频信号mss’；微波扫频信号mss’经过隔离器和可变衰减器到达第一定向耦合器，其中一路信号作为参比信号经过第二定向耦合器到达第一检波器和鉴相器；另一路信号经过环形器和微波发射天线辐射到测量空间，穿过放样台中的待测谷物与待测谷物相互作用，携带待测谷物水分信息的透射微波信号经过微波接收天线和第三定向耦合器到达第三检波器和鉴相器；从微波发射天线返回的部分信号作为反射波信号经过环形器到达第二检波器；由第一检波器、第二检波器、第三检波器和鉴相器产生的响应信号经过a/d转换器上传给微控制器。

进一步的，所述步骤(7)具体如下：

第一检波器、第二检波器和第三检波器分别测量出输入的微波信号功率pin、反射微波信号功率pr和透射微波信号功率pt，并上传给微控制器，微控制器根据式(4)计算微波扫频信号mss’各频点下信号的衰减a：

微控制器在计算微波衰减a时考虑反射微波信号的影响，不考虑反射微波信号影响时的衰减值比真实的微波衰减a要大，导致测量的谷物含水率偏大。输入微波信号和透射微波信号传输至鉴相器，鉴相器对两个微波信号进行相位比较，得到微波的相移φ：

其中vi和vq是鉴相器输出的反映两微波信号相位差的电压信号；vi和vq通过a/d转换器上传给微控制器，微控制器根据式计算出微波的相移φ。微控制器将测量出的微波扫频信号mss’的衰减a和相移φ上传给嵌入式计算机系统。

进一步的，所述步骤(8)具体如下：

对于不同种类的待测谷物进行大量的标定实验，获得待测谷物在不同含水率下，微波扫频信号mss’穿过待测谷物后的衰减a与相移φ、环境温度t和谷物厚度h的测量数据，将微波扫频信号mss’每个测量频点下的衰减a和相移φ与环境温度t和谷物厚度h构成特征矩阵，将谷物含水率作为标签，利用机器学习算法在特征矩阵与标签构成的数据集上训练谷物含水率预测模型，将训练好的谷物含水率预测模型配置在嵌入式计算机系统中，微控制器将微波扫频信号mss’每个测量频点下的衰减a和相移φ、温度传感器测出的环境温度t以及谷物厚度h的测量数据上传给嵌入式计算机系统，嵌入式计算机系统调用内置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，所述步骤(1)使用的测量信号是幅度一定、频率在测量带宽内连续变化的扫频信号，在抑制多重反射影响的同时更加全面地获取谷物水分信息，根据不同种类谷物的特性设置扫频信号的中心测量频率f0与测量带宽bw，确定初始的微波扫频信号。

本发明利用基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置，在完成天线对准、测量距离和天线间距离合理设置的基础上，使用微波扫频信号作为测量信号，根据扫频信号各频点下天线反射系数γ和驻波比ρ的测量结果，去除不良频点，优化扫频信号，在计算微波衰减时考虑微波反射信号的影响，使计算出的衰减值尽可能接近衰减真实值，利用嵌入式计算机系统内置的含水率预测模型得到待测谷物的含水率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的轴测示意图；

图2是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的发射天线单元的轴测示意图；

图3是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的发射天线移动平台的轴测示意图；

图4是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的微波发射端的轴测示意图；

图5是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的微波发射端的左视示意图；

图6是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的微波接收端的轴测示意图；

图7是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的微波接收端的左视示意图；

图8是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的天线升降平台的轴测示意图；

图9是微波发射端和微波接收端与天线升降平台相配合的轴测示意图；

图10是基于扫频微波穿透法的谷物含水率测量装置的结构框图；

图11是基于微波扫频技术的谷物含水率测量方法的流程图；

图中，微波发射端1、微波接收端2、天线升降平台3、控制单元4、发射天线单元11、发射天线移动平台12、微波发射天线111、接收端激光对射传感器112、第一支架113、发射端x向导轨121、发射端x向滑块122、发射端x向框架123、发射端x向电动推杆124、发射端y向导轨125、发射端y向滑块126、发射端y向框架127、发射端y向电动推杆128、发射端超声波测距传感器129、接收天线单元21、接收天线移动平台22、微波接收天线211、发射端激光对射传感器212、第二支架213、接收端x向导轨221、接收端x向滑块222、接收端x向框架223、接收端x向电动推杆224、接收端y向导轨225、接收端y向滑块226、接收端y向框架227、接收端y向电动推杆228、接收端超声波测距传感器229、机架31、z向导轨32、z向滑块33、放样台34、放样台卡板35、发射端升降推杆36、接收端升降推杆37、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。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，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1、微波接收端2、天线升降平台3和控制单元4；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；

如图2-5所示，微波发射端1包括发射天线单元11和发射天线移动平台12，发射天线单元11安装在发射天线移动平台12上，由发射天线移动平台12提供xy两个方向的移动。发射天线单元11包括微波发射天线111、接收端激光对射传感器112和第一传感器支架113，第一传感器支架113通过天线法兰固定到微波发射天线111的两侧，两个接收端激光对射传感器112分别安装到两只第一传感器支架113上，微波发射天线111与接收端激光对射传感器112组合成了一个整体，接收端激光对射传感器112可以反映微波发射天线111的位置。

发射天线移动平台12包括发射端x向导轨121、发射端x向滑块122、发射端x向框架123、发射端x向电动推杆124、发射端y向导轨125、发射端y向滑块126、发射端y向框架127、发射端y向电动推杆128和发射端超声波测距传感器129，发射天线移动平台12从空间上可分为发射端x层和发射端y层，两层之间的距离为43mm。

发射端x向导轨121、发射端x向滑块122、发射端x向框架123和发射端x向电动推杆124构成发射端x层，第一传感器支架113固定在发射端x向滑块122上，发射端x向滑块122滑动套接在发射端x向导轨121上，发射端x向导轨121和发射端x向电动推杆124固定在发射端x向框架123，发射端x向电动推杆124的伸出端驱动发射天线单元11沿发射端x向导轨121滑动；

发射端y向导轨125、发射端y向滑块126、发射端y向框架127和发射端y向电动推杆128构成发射端y层，发射端x向框架123固定在发射端y向滑块126上，发射端y向滑块126滑动套接在发射端y向导轨125，发射端y向导轨125和发射端y向电动推杆128固定在发射端y向框架127上，发射端y向电动推杆128的伸出端与发射端x向框架123固定连接，通过发射端y向电动推杆128的伸缩实现发射天线单元11沿发射端y向导轨125滑动。

通过发射天线移动平台12允许安装在其上的发射天线单元11在一个2d平面内移动，可以灵活的调整发射天线单元11的水平位置，便于进行天线对准。

如图6-7所示，微波接收端2包括接收天线单元21和接收天线移动平台22，接收天线单元21安装在接收天线移动平台22上，由接收天线移动平台22提供xy两个方向的移动。接收天线单元21包括微波接收天线211、发射端激光对射传感器212和第二传感器支架213，第二传感器支架213通过天线法兰固定到微波接收天线211的两侧，两个发射端激光对射传感器212分别安装到微波接收天线211两侧的第二传感器支架213上，微波接收天线211与发射端激光对射传感器212组合成了一个整体，发射端激光对射传感器212可以反映微波接收天线211的位置。

所述接收天线移动平台22包括接收端x向导轨221、接收端x向滑块222、接收端x向框架223、接收端x向电动推杆224、接收端y向导轨225、接收端y向滑块226、接收端y向框架227、接收端y向电动推杆228和接收端超声波测距传感器229，接收天线移动平台22从空间上可分为接收端x层和接收端y层，两层之间的距离为43mm。

接收端x向导轨221、接收端x向滑块222、接收端x向框架223和接收端x向电动推杆224构成接收端x层，第二传感器支架213固定在接收端x向滑块222上，接收端x向滑块222滑动套接在接收端x向导轨221上，接收端x向导轨221和接收端x向电动推杆224固定在接收端x向框架223，接收端x向电动推杆224的伸出端驱动接收天线单元21沿接收端x向导轨221滑动；

接收端y向导轨225、接收端y向滑块226、接收端y向框架227和接收端y向电动推杆228构成接收端y层，接收端x向框架223固定在接收端y向滑块226上，接收端y向滑块226滑动套接在接收端y向导轨225，接收端y向导轨225和接收端y向电动推杆228固定在接收端y向框架227上，接收端y向电动推杆228的伸出端与接收端x向框架223固定连接，通过接收端y向电动推杆228的伸缩实现接收天线单元21沿接收端y向导轨225滑动。

通过接收天线移动平台22允许接收天线单元21在一个2d平面内移动，可以灵活的调整接收天线单元21的水平位置，便于进行天线对准。

如图8所示，天线升降平台3包括机架31、z向导轨32、z向滑块33、放样台34、放样台卡板35、发射端升降推杆36和接收端升降推杆37。机架31是天线升降平台3的基础，其是由铝合金型材和连接件组成的立体框架，长宽高尺寸为780*380*1250mm；四支z向导轨32安装在机架31高边的内侧，两两相对，其上的八个z向滑块33分别与微波发射端1和微波接收端2相配合，允许微波发射端1和微波接收端2在z向导轨32上升降运动；放样台34位于微波发射端1和微波接收端2之间的测量空间，由四块侧板和一块放样板组成，可放置500mm*500mm*120mm体积的待测样品，其四周与安装在机架31高边的放样台卡板35相配合；四支发射端升降推杆36安装在机架31的上部，其固定端固连在机架31高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波发射端1中发射天线移动平台12的角点，伸出端伸出时带动发射天线移动平台12沿z向导轨32向下运动，微波发射端1下降，伸出端缩回时带动发射天线移动平台12沿z向导轨32向上运动，微波发射端1上升，四支发射端升降推杆36的行程均达到500mm，满足微波发射端1升降运动的要求；四支接收端升降推杆37安装在机架31的下部，其固定端固连在机架31高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波接收端2中接收天线移动平台22的角点，伸出端伸出时带动接收天线移动平台22沿z向导轨32向上运动，微波接收端2上升，伸出端缩回时带动接收天线移动平台22沿z向导轨32向下运动，微波接收端2下降，四支接收端升降推杆37的行程均达到500mm，满足微波接收端2升降运动的要求；为避免发射端升降推杆36和接收端升降推杆37的运动之间发生干涉，发射端升降推杆36和接收端升降推杆37的固定端安装在机架31高边不同平面的外侧，相互错开。

如图9所示，展示了微波发射端1和微波接收端2与天线升降平台3的连接方式和相对位置，微波发射端1与微波接收端2之间形成了一个测量空间，被测物料就放置在这个测量空间中，微波发射端1通过z向滑块33和z向导轨32连接到天线升降平台3，位于天线升降平台3的下半空间，微波发射天线111口径面朝向上方的待测样品；微波接收端2通过z向滑块33和z向导轨32连接到天线升降平台3，位于天线升降平台3的上半空间，微波接收天线211口径面朝向下方的待测样品；四支发射端升降推杆36安装在机架31的上部，其固定端固连在机架31高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波发射端1中发射天线移动平台12的角点，带动发射端1升降运动；四支接收端升降推杆37安装在机架31的下部，其固定端固连在机架31高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波接收端2中接收天线移动平台22的角点，带动微波接收端2升降运动；通过发射端升降推杆36和接收端升降推杆37可以调整微波发射天线111到被测物料的检测距离以及微波发射天线111与微波接收天线211之间的距离。

如图10所示，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和温度传感器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；微波信号发生器403产生装置测量时的微波扫频信号；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和第三定向耦合器409是构成微波通路的微波器件；第一检波器411、第二检波器412和第三检波器413测量微波信号的衰减，鉴相器410测量微波信号的相移。嵌入式计算机系统可以采用waveshare公司am3358型号的产品，但不限于此；微控制器可以采用st公司nucleo型号的产品，但不限于此；微波信号发生器可以采用dsinstruments公司sg24000h型号的产品，但不限于此。

如图10-11所示，一种基于微波扫频技术的谷物含水率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：通过嵌入式计算机系统401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，为s11；

(2)天线自动对准：微控制器402分两个阶段完成微波接收天线211与微波发射天线111的对准，提高微波扫频信号mss传输的稳定性和完整性，为s12；

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。

(3)优化扫频信号：

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，为s13；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，为s14；微控制器402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’，为s15；

(4)调节测量距离至最优值：微控制器402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和天线间距离，为s16；微控制器402改变微波发射端1的竖直位置从而调整测量距离直至最优值，为s17；微控制器402调节微波接收端2的竖直位置，使微波发射天线111和微波接收天线211对称布置在待测谷物的上下两侧，为s18；

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、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和鉴相器410；另一路信号依次经过环形器407、微波发射天线111、微波接收天线211、第三定向耦合器409到达第三检波器413和鉴相器410；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、第二检波器412、第三检波器413和鉴相器410产生的响应信号经过a/d转换器414和微控制器402的处理后，上传给嵌入式计算机系统401，完成装置微波信号通路的连通；

(4.2)根据远场条件确定检测距离的最小值dmin：

天线的辐射远场区是天线实际使用的区域，天线的远场条件为:

式中d是微波发射天线111物理口径的最大尺寸，λ是微波的工作波长，r是被测对象距微波发射天线111的距离；远场条件要求检测距离的最小值dmin＝rmin＝2d²/λ；嵌入式计算机系统401根据当前微波的工作频率f计算微波的工作波长λ，再由远场条件确定检测距离的最小值dmin，记录下dmin的值并传输给微控制器402；

(4.3)由含水率检测结果代表性条件确定检测距离的最大值dmax：

大部分被测物料囊括在微波辐射面积内就可以保证含水率检测结果的代表性；根据半功率点波束宽度和待测物料的宽度计算出使得所有的待测物料囊括在微波的辐射面积内时的检测距离，计算公式为:

式中w是待测物料的宽度，hpbw是半功率点波束宽度，d是微波发射天线111到待测物料的检测距离；继续增大检测距离，微波会作用到非待测物料而引入噪声，而且会加重微波泄露，所以由式(2)可确定检测距离的最大值dmax；嵌入式计算机系统401查询内置的参数表得到当前微波工作频率下微波发射天线111的半功率点波束宽度hpbw，再根据式(2)计算检测距离的最大值dmax，记录下dmax的值并传输给微控制器402；

(4.4)由减小微波空间传输损耗逐步逼近(dmin,dmax)中的最优检测距离dbest:

微波空间传输损耗的计算需要用到天线理论中的弗里斯(friis)传输公式，具体公式如下：

式中pr是微波接收天线211的输出功率，pt是微波发射天线111的输入功率，gt是微波发射天线111的增益，gr是微波接收天线211的增益，r代表传输距离即检测距离的两倍，微控制器402根据发射端超声波测距传感器129测出的检测距离d，控制天线升降平台3去调节微波发射端1的竖直位置，直到检测距离达到其最大值dmax；微控制器402通过a/d转换器414读取第一检波器411和第二检波器412的测量结果计算出pt，读取第三检波器413的测量结果计算出pr，再由pt和pr计算出微波空间传输损耗；微控制器402控制天线升降平台3带动微波发射端1上升，逼近最优检测距离dbest，按上述过程计算出当前检测距离下微波空间传输损耗及其变化率；重复这一过程直至微波空间传输损耗变化率小于1％，认为此时的检测距离是最优检测距离dbest。需要说明的是在检测距离调节过程中，微控制器402同时控制发射端升降推杆36和接收端升降推杆37，调节微波发射端1和微波接收端2的竖直位置，使二者对称布置在待测物料的上下两侧。

(5)装载待测谷物并测量谷物厚度h：

装载待测谷物前接收端超声波测距传感器229测量出微波接收端2到放样台34的距离h1并上传微控制器402，将待测谷物平整地放置在测量空间中的放样台34上，装载待测谷物后接收端超声波测距传感器229测量出微波接收端2到待测谷物表面的距离h2并上传微控制器402，微控制器402由h1与h2之差得出谷物厚度h并上传嵌入式计算机系统401，为s19；

(6)发射优化后的扫频信号：

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产生微波扫频信号mss’；微波扫频信号mss’经过隔离器404和可变衰减器405到达第一定向耦合器406，其中一路信号作为参比信号经过第二定向耦合器408到达第一检波器411和鉴相器410；另一路信号经过环形器407和微波发射天线111辐射到测量空间，穿过放样台34中的待测谷物与待测谷物相互作用，携带待测谷物水分信息的透射微波信号经过微波接收天线211和第三定向耦合器409到达第三检波器413和鉴相器410；从微波发射天线111返回的部分信号作为反射波信号经过环形器407到达第二检波器412；由第一检波器411、第二检波器412、第三检波器413和鉴相器410产生的响应信号经过a/d转换器414上传给微控制器402，为s20；

(7)测量微波的衰减a和相移φ：

第一检波器411、第二检波器412和第三检波器413分别测量出输入的微波信号功率pin、反射微波信号功率pr和透射微波信号功率pt，并上传给微控制器402，微控制器402根据式(4)计算微波扫频信号mss’各频点下信号的衰减a：

微控制器402在计算微波衰减a时考虑反射微波信号的影响，不考虑反射微波信号影响时的衰减值比真实的微波衰减a要大，导致测量的谷物含水率偏大。输入微波信号和透射微波信号传输至鉴相器410，鉴相器410对两个微波信号进行相位比较，得到微波的相移φ：

其中vi和vq是鉴相器410输出的反映两微波信号相位差的电压信号；vi和vq通过a/d转换器414上传给微控制器402，微控制器402根据式(5)计算出微波的相移φ。微控制器402将测量出的微波扫频信号mss’的衰减a和相移φ上传给嵌入式计算机系统401，为s21；

(8)计算并显示谷物含水率：

对于不同种类的待测谷物进行大量的标定实验，获得待测谷物在不同含水率下，微波扫频信号mss’穿过待测谷物后的衰减a与相移φ、环境温度t和谷物厚度h的测量数据，将微波扫频信号mss’每个测量频点下的衰减a和相移φ与环境温度t和谷物厚度h构成特征矩阵，将谷物含水率作为标签，利用机器学习算法在特征矩阵与标签构成的数据集上训练谷物含水率预测模型，将训练好的谷物含水率预测模型配置在嵌入式计算机系统401中，微控制器402将微波扫频信号mss’每个测量频点下的衰减a和相移φ、温度传感器415测出的环境温度t以及谷物厚度h的测量数据上传给嵌入式计算机系统401，嵌入式计算机系统401调用内置的谷物含水率预测模型计算当前待测谷物的含水率，为s23。