收到的信标信号的同相分量和正交分量幅度分别为 1/和Q/，类似可得：
[0074] 式中，0 1、ai分别是存在物料样品时频率为fi的电磁波在空间的复传播常数丫i的实部和虚部，并有：
[0075]
[0076] 式中e。/、e。/'和分别是有物料样品情况下，频率为fi时，电磁波传播路径上介 质复介电常数的实部和虚部。
[0077] 根据已知量Xi、yi、Xi和Y巧W解出曰i;
[00間设角度4 1(0《4i< 2 31)满足
则有；
[0087] 在满足（式8)条件下，近似可认为电磁波在频率fi和f2上群速相等，电磁波传输 时间也相等，设二者分别Vg为和Td;
[008引
[0089] (式21)中C是空气中的光速。
[0090] 当满足条件：
[0091]
[009引时，（式21)中m取值满足；
[0093]
[0094] (式22)Ie是含水物料在频率或f2上复介电常数模值的最大值。根据（式 23)得到的m代入（式21)求得Td后，可得ni的取值为：
[00巧]叫二fix(f1Td)，〇2二ni+m(式 24);
[0096](式24)代入（式20)可W求得01。根据（式15)，求出e。/、Eci":
[0099] 设电磁波传播空间的空气、干燥物料和水的体积比分别为p;q;r，p+q+r= 1，则；
[0100] e'ci_je"ci=Pea+qed+rewi(式 27);
[OW] 式中ea、ed、e分别是空气、干燥物料和水的介电常数，el，P+q甘=1。通 常干燥物料没有介电损耗，故Ed为正实数。
[0102]于是：
[010引 e'ci-1-je"ci二q(ed_l)甘（eW-1)(式 28);
[0104] 根据水的介电弛豫模型，水的介电常数为；
[0105]
[0106] 其中80和e4. 9分别是水的直流和无限高频率介电常数。T是水的 介电弛豫时间，纯水T>2X1(TUs，对含在不同物料中的水T具有不同的值。的实部 采n拒奇T 助I At .
[0111]根据（式28)实部和虚部分别相等，并将（式29)、（式32)代入，可得：
[0119] 代入到（式35)，求出23ifiT，并代入（式3如求出r;r代入（式城求出q(e广 1):
[0122] 根据干燥物料和水的体积比q;r，可得物料含水率w(重量比）为：
[0123]
[0124](式39)中
时于特定物料是无量纲常数，可W通过系统标定得到其 数值。
[01巧]第四步：进行系统标定，
[01%]系统标定的具体做法如下；采用一块含水的物料样本（含水率不为零，可预先 加湿），先用本发明所述微波雷达测水仪进行一次测试，由（式37)、（式38)得到r。和 qa(ed-1)。然后对该样品采用水含量标准测试方法（依据GB/T462-2003《纸和纸板水份的 测定》或GB/T12087-2008《淀粉水分测定烘箱法》等国家标准测试方法）测得其准确含水 率W。。根据（式39)，可解得：
[0127]
[0128] 经过标定后，微波雷达测水仪即可W用于该类物料含水率在线测试。其计算过程 为由（式16)、（式20)计算a1、0 1，再由（式城（式26)计算e。/、e。1"，之后由（式 36)、（式37)计算之:和r，最后根据（式39)得到物料含水量。
[0129] 本发明提出的微波雷达测水数据处理方法是基于包含物料介质、水和空气3种成 分混合介质的精确复介电常数模型和水的介电弛豫理论模型，具有理论上的精确性。数据 处理中唯一可能产生误差的近似假设是认为在校准测试频率和f2上系统具有相等的固 有损耗因子和传输相位。在系统设计时fi、f2相差通常小于100MHz，而（fi+f2)/2 -般采用 20GHzW上频段，相对工作带宽小于0. 5%，因此该假设引入的误差可W忽略。
[0130] 为了达到0. 1 %W上的测试精度，雷达测量的各信号分量应具备1 %W上的幅度 精度。为此，根据实际的测试距离R，需要保证雷达接收到的信标信号具有40地W上的信 噪比，该可W通过设计适当的雷达发射功率来实现。一般对于20GHz工作频率，测试距离R =Im，接收噪声系数3地，接收机噪声带宽50曲Z，为保证该信噪比所需发射功率小于ImW。 同时，雷达发射信号频率应具有由于1(T5W上准确度和稳定度。
[0131] 用于雷达型微波测水仪器的微波雷达主机的工作方法可W采用W下步骤：
[0132] 1、根据应用要求（物料尺寸、测水仪安装空间等），确定所需的测试距离；
[0133] 2、参考（式8)、（式22)选择雷达工作频率fl、f2,考虑到系统工作带宽，fl、f2般 取Ku频段W上；选择信标器开关调制频率，其值应远高于测试环境下样品运动产生的多普 勒频率，一般取10~100曲Z;
[0134] 3、根据安装使用要求，设计雷达天线和信标器天线形式，通常选用卿趴天线，天线 增益10~15地；
[01巧]4、根据步骤2确定的测试距离和步骤3所确定的天线增益，设计雷达发射功率、接 收噪声系数和接收机噪声带宽，保证雷达接收的信标信号信噪比大于40地。具体设计可参 考雷达系统方程；
[0136] 5、根据步骤4所确定的雷达设计参数，按附图2所示原理框图构建雷达主机；按照 附图3构建信标器等部件；
[0137] 6、根据步骤2所确定的测试距离、测试样品放置方式和操作显示要求，设计一体 化机架；
[0138] 7、根据所述雷达型微波测水仪的工作原理和（式1)~（式40)的雷达测试数据 处理原理及系统标定原理，设计数据处理软件；
[0139] 8、根据雷达型微波测水仪操作显示或测试应用自动控制要求，设计合理的人机操 作界面和与上位机及下位机的接口；
[0140] 9、进行软硬件系统集成，完成雷达型微波测水仪系统构建。
[0141] 如上所述，则能很好的实现本发明。
【主权项】
1. 用于雷达型微波测水仪器的微波雷达主机，其特征在于：包括发射连续单频微波信 号的发射单元、连续单频微波信号的功率检测单元、连续单频微波信号与信标信号进行正 交混频的正交混频单元。2. 根据权利要求1所述的用于雷达型微波测水仪器的微波雷达主机，其特征在于：所 述发射单元包括顺次链接的开关驱动器A、单刀双掷开关、定向耦合器A、发射天线；开关驱 动器A受频率选择信号的控制，单刀双掷开关受开关驱动器A的控制，定向耦合器A接收单 刀双掷开关的输出信号生成连续单频微波信号给发射天线，单刀双掷开关还受锁相频率源 A和锁相频率源B的控制，锁相频率源A和锁相频率源B都接收晶体振荡器的振动信号，晶 体振荡器同时发送参考时钟信号。3. 根据权利要求1所述的用于雷达型微波测水仪器的微波雷达主机，其特征在于：功 率检测单元包括顺次链接的定向耦合器B、检波器、放大器，定向耦合器B接收发射单元的 连续单频微波信号。4. 根据权利要求1所述的用于雷达型微波测水仪器的微波雷达主机，其特征在于：正 交混频单元包括顺次链接的接收天线、低噪声放大器、正交混频器，正交混频器接收发射单 元的连续单频微波信号或接收功率检测单元的连续单频微波信号，接收天线接收信标信 号，信标信号经过低噪声放大器的放大后通过正交混频器与连续单频微波信号进行正交混 频，正交混频器输出2路正交混频信号，一路正交混频信号输出到中频滤波器A、再经过中 频放大器A输出中频同相分量信号，另一路正交混频信号输出到中频滤波器B、再经过中频 放大器B输出中频正交分量信号。
【专利摘要】本发明公开了用于雷达型微波测水仪器的微波雷达主机，包括发射连续单频微波信号的发射单元、连续单频微波信号的功率检测单元、连续单频微波信号与信标信号进行正交混频的正交混频单元。
【IPC分类】G01N22/04
【公开号】CN104964991
【申请号】CN201510340847
【发明人】阳安源, 张晓东
【申请人】四川莱源科技有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月18日