专利名称：一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及粮食仓储检测技术领域，特别涉及一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统。
背景技术：
粮食问题关系到社会的发展和人民的生活稳定，因此每个人口大国都把粮食问题摆在重要的位置。粮食具有季产年销的属性，这就决定了必需保证相当数量的粮食仓储以备不时之需。粮食在储存过程中，必须保证一定的储藏条件，比如温度、湿度、水分、无虫等条件。在诸多条件中，粮食的水分是一个重要的参数。水分含量不仅是与粮食的重量直接相关，过多的水分含量也是导致粮食霉变的重要原因之一。因此入库的粮食一般是相对低水分含量的粮食。尽管如此，粮食霉变仍然经常发生，原因主要是在储藏过程中，由于粮食来源不同，水分含量高低不均，在粮堆中会形成高水分聚集区，称之为水分凝结。水分凝结部分在粮食中会逐渐变大、延展，一定程度后就会导致凝结区的粮食发生霉变。霉变一旦发生就会扩展到无霉变区域，从而导致大面积粮食霉变，造成重大经济损失。因此，及时发现粮食中的水分凝结区、霉变区，开挖粮堆、去除水分凝结区和霉变区是预防霉变发生和避免霉变继续发展的重要措施。目前实现粮食水分的检测方法主要有电容法、电阻法、微波法、核磁共振法、近红外法、声学法等。但是这些方法都是针对粮食在入库前的检测，多发生在粮食收购阶段，一般是设计用来针对少量样品进行检测，对于粮食储存过程中发生的水分凝结和霉变无能为力。因此，在粮食储存过程中针对水分凝结区和霉变区的探测尤为重要，对保证国家粮食安全有着重要的意义。对粮食中水分凝结区和霉变区的探测属于表层下目标探测问题。表层下目标探测一般有红外、X光、超声、微波等方法。红外探测法易受环境温度影响，且成本较高。X光探测法辐射危害大，需要专门的屏蔽设备。超声探测法需要耦合剂，且在粮食中探测距离很短。以上三种方法都不理想。而微波探测是非接触检测，不需要耦合剂；检测信号为电信号无需进行非电量转换；辐射危害较低，屏蔽设备简单；不易受烟雾、粉尘以及温度等环境影响，适应性强。
发明内容
本发明的目的是公开一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，弥补粮食储存过程中粮食状况检测技术的不足，可对粮食中水分凝结区和霉变区进行探测，对发生粮食储存过程中的粮情进行监测，避免粮食损坏的发生。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，包括天线装置(101)、控制电路 (102)和上位机处理系统(103)，其天线装置(101)和控制电路(102)通过电源线和信号线连接，双向通讯；控制电路(10 和上位机处理系统(10 通过USB线缆连接，双向通讯；天线装置(101)包括发射天线、接收天线，发射天线向粮面下发射500MHz微波信号，接收天线将回波信号传给控制电路(10 处理，通过接收到的回波信号探测粮食中的水分凝结区；控制电路(102)提供信号驱动天线工作，对回波信号数字化处理，并将数字化后的回波信息通过USB线缆传输给上位机处理系统(103)；上位机处理系统(10 接收来自控制电路(10 的数字化后的回波信息，对数据进行采集、处理和实时显示探测波形堆积图，并包括对探测数据的反演和解译。所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其所述发射、接收天线，是中国电波传播研究所的GC500MHz天线，中心频率500MHz，200MHz带宽。所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其所述控制电路(102)，包括电源(201)、数字电路(202)、信号调理电路(203)；数字电路(20 和信号调理电路(20 分别与电源(201)通过电源线相连接，数字电路(202)和信号调理电路(203)之间通过信号线相连接。电源(201)包括150V, _70V，24V，12V, _12V，5V 电压变换模块；数字电路(20 包括模拟数字转换电路(30 ，基于现场可编程逻辑器件(FPGA) 的控制部分(303)，数据传输USB部分(304)；信号调理电路(203)包括延时电路001)，放大电路002)，交直流耦合电路 (403)，限幅电路(404)，电平移动电路(405)，时变增益放大电路(406)。所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其所述上位机处理系统 (103)，包括USB传输控制，数据预处理和探测数据显示三个部分；其中，USB传输控制实现上位机与数据传输USB部分(304)的通信，具体包括上位机到数据传输USB部分(304)的固件下载，原始数据到上位机缓存的传输和存储；数据预处理部分依次对原始数据进行如下处理单道数据多次平均，原始数据到物理数据的转换，时变增益修正，直达波去除，通过电磁波在粮食中传播速度的标定数据对回波绝对位置修正，结合电磁波传输衰减曲线和回波绝对值大小判定水分凝结区，多道数据存储；探测数据显示部分对预处理后的数据进行二维成像显示。所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其所述150V电压变换模块是恒博高压电源厂的HBL-151-10C ；-70V电压变换模块是恒博高压电源厂的HBL-700-10C ； 5V电压变换模块是TI公司的TPS5431。所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其所述模拟数字转换电路 (302)是TI公司的ADS1271 ；基于现场可编程逻辑器件(FPGA)的控制部分(30 是Altera 公司的 EP3C25Q240 ；数据传输 USB 部分(304)是 Cypress 公司的 CY7C68013A-100。所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其所述延时电路G01)由两级延时模块串联组成；延时模块采用DALLAS公司的DS1023S-25和DS1023S-100，实现256 级0. 25ns延时和Ins延时的任意组合，拓宽探测范围。所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其所述放大电路(402)是TI 公司的SN7407 ；时变增益放大电路(406)是BURR BROWN公司的PGA206。
所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其工作流程为a)在粮食入库后，粮食在储藏过程中进行粮食水分凝结的检测；b)将天线装置(101)在粮面上平行移动，发射天线向粮面下探测区域发射500MHz 微波，接收天线同时接收反射回波，以在此方向上获得不同位置的粮面下回波数据；c)如果在粮面下有水分凝结区或霉变区，则会有明显强回波信号，如无，则只有背景噪声信号； d)将此方向上的数据堆积在一起，获得整个切面的回波堆积图，经过上位机处理系统(103)处理，就能直观判断粮面下介电常数异变区，即水分凝结区。所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其还包括立体温度传感网络，立体温度传感网络设于储粮区域，因为霉变区是高温高湿区，获取粮库水分分布情况后，参照立体温度传感网络判断高水分分布区是否是高温区，以判断霉变区的存在。本发明的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，成本低廉，可以应用于粮食仓储的日常检测，使用简单，可及时发现水分凝结，避免粮食损失，对于安全储粮具有重大的意义。
图1是本发明的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统工作原理示意图；图2是本发明的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统结构示意图；图3是本发明中控制电路结构示意图；图4是本发明中数字电路结构示意图；图5是本发明中信号调理电路结构示意图；图6是本发明中上位机处理系统示意图；图7是本发明在应用中得到的实验结果。
具体实施例方式使用微波技术进行表层下目标探测的主要原理是利用电磁波在介质分层处的反射特性，在表层上通过连续接受不同位置处的回波，从而判断表层下的目标特性。正常的粮库中存储的粮食分布均勻，较为干燥，基本具有统一的介电常数，而粮食水分凝结区和霉变区均是高水分区域，和干燥粮食区域有非常明显的介电性质差异。根据电磁波在介质中的传输特性，微波传输到二者分界处会有明显的反射回波，通过对回波时延、强度及频谱特性等参数的检测即可解译出目标深度、形状及性质，从而达到对粮食水分凝结区和霉变区的探测目的。参见图2、3、4、5，是一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，由天线装置 101、控制电路102和上位机处理系统103三部分组成。其中天线装置101，由发射天线和接收天线组成，负责微波信号的产生，发射和接收。控制电路102，由电源201、数字电路202、信号调理电路203构成。负责提供天线装置电源、触发信号和采样信号，调理天线的接收回波信号，回波信号的模拟-数字转换， 探测数据的处理和至上位机系统的数据传输。电源201，分别提供数字电路、信号调理电路和天线装置的电源，由150V，-70V,24V, 12V，-12V，5V电压转换电路组成。数字电路202，组成部分有板上电源转换电路301，模拟数字转换电路302，基于 FPGA的控制部分303，数据传输USB部分304。板上电源转换电路301，负责提供给数字电路上所有芯片需要的各种类型的电源， 包括 5V，3. 3V,2. 5V, 1. 2V 等。模拟数字转换电路302，负责将调理好的模拟信号转换成数字信号，并输入到 FPGA0基于FPGA的控制部分303，连接模拟数字转换电路302、数据传输USB部分304和接插件，负责信号生成，AD控制，信号处理，时序控制，数据传输。数据传输USB部分304，负责将FPGA处理后的数据传输到上位机系统。信号调理电路203，由延时电路401，放大电路402，交直流耦合电路403，限幅电路 404，电平移动电路405，时变增益放大电路406组成。负责发射信号和接收信号的信号调理，以满足天线和控制电路的需要。延时电路401，放大电路402和交直流耦合电路403负责将FPGA输出的天线触发信号和采样信号依次延时、放大，并和高压直流信号耦合输出到天线装置，使天线工作。限幅电路404，电平移动电路405和时变增益放大电路406负责将回波信号依次限幅，电平移动，并时变增益放大至AD输入电压范围内。上位机处理系统103负责对探测数据进行特定算法处理，解译出水分凝结区的位置，大小及相对水分分布，并进行成像显示。下面结合附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明图1是本发明一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统的工作原理示意图。具体工作原理为发射天线向粮面下探测区域发射500MHz微波，接收天线则同时接收反射回波，将天线装置在粮面上平行移动，则可以在此方向上获得不同位置的粮面下回波数据。如果在粮面下有水分凝结区或霉变区，则会有明显强回波信号，如无，则只有背景噪声信号。将此方向上的数据堆积在一起，即可获得整个切面的回波堆积图，经过处理就可以直观判断粮面下介电常数异变区即水分凝结区。图2是本发明一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统的结构示意图。探测系统由天线装置101、控制电路102和上位机处理系统103三部分组成。天线装置和控制电路由电缆连接，控制电路和上位机系统由USB连接。天线装置101负责对粮面下进行微波信号的收发，控制电路102采集天线的接收数据，进行相应的信号调理、模拟-数字转换和信号处理，并将数据通过USB传输给上位机处理系统103。控制电路102还负责对触发脉冲适当调理供天线使用。控制电路102还负责提供给天线电源。上位机处理系统103由便携式计算机和上位机软件构成，通过编写相应的上位机软件，接收来自控制电路102的采集数据，实时显示探测结果。图3是本发明中控制电路的结构示意图。电源201提供给天线装置、数字电路和信号调理电路所需要的各种类型的电源，包括150V，-70V，MV，12V，-12V，5V，使各个电路正常工作。信号调理电路203包括两个功能，一个是将提供给天线装置的触发脉冲和采样脉冲延时、放大和耦合，使天线正常工作，向粮面下发射微波；另一个是将天线的回波信号调理到合适模拟-数字转换的电压范围，便于处理。图4是本发明中数字电路的结构示意图。回波信号经过信号调理后，进入AD转换器，转换为数字信号并由FPGA读取入内部RAM，在对数据进行适当运算和格式编排后，按帧送往USB内部FIFO。数据传输USB部分304将FPGA处理后发来的数据通过USB总线送往上位机系统103。同时，FPGA生成两路一定周期和占空比的方波信号送往信号调理电路 203，用作触发脉冲和采样脉冲。图5是本发明中信号调理电路的结构示意图。天线装置101需要的触发脉冲和采样脉冲必须具有高的幅度值和小的上升沿时间，而且，针对选用的500MHz天线，采用等效采样数据采集方式，需对采样脉冲依次延时， 从而对超宽带回波信号进行有效采集。因此，对触发脉冲只进行脉冲放大和交直流耦合处理，对采样脉冲则进行依次延时0. 25ns、脉冲放大和交直流耦合处理。交直流耦合是将脉冲信号和高压直流信号耦合。高压直流信号用来提供给天线装置偏压。根据回波信号特点，对天线装置101输出的回波信号进行限幅、电平移动和时变增益处理。限幅和电平移动可以将回波信号调理到AD的输入电压范围内，以保护AD并充分利用AD的量程。时变增益在回波信号的不同位置对信号进行不同的增益放大处理，从而使得小幅度的远处回波得到有效放大，信号细节得到保留。图6是本发明中上位机处理系统示意图。上位机处理系统(103)中的应用软件是基于VC++6自主开发，根据粮食中电磁波传输特性进行特定算法处理，解译出粮食内部水分凝结区的位置，大小及相对水分分布，并进行成像显示。上位机处理系统(103)，包括USB 传输控制，数据预处理和探测数据显示三个部分。电磁波的传输特性与粮食种类和仓储条件密切相关，在探测实验之前，首先通过标定实验获取当次实验条件下的电磁波在粮食中的传播速度和衰减曲线。USB传输控制实现上位机到数据传输USB部分(304)的固件下载，并将原始数据从数据传输USB部分(304)传输和存储上位机的缓存中。数据预处理部分包括的多个软件模块依次对原始数据进行单道数据多次平均降噪处理，原始二进制数据到物理数据的转换，时变增益系数修正获得标准数据，直达波去除提高对比度，通过速度标定数据对回波绝对位置修正，结合电磁波传输衰减曲线和回波绝对值大小判定水分凝结区，多道数据存储。探测数据显示部分对预处理后的数据进行二维成像显示。图7是本发明在应用中得到的实验结果，其中横轴代表水平相对距离，纵轴代表垂直相对距离，均无量纲。实验的目标物人为设置，用一瓶水模拟水分凝结区。可以看到回波明显，探测结果良好。
权利要求
1.一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，包括天线装置(101)、控制电路(102) 和上位机处理系统(103)，其特征在于天线装置(101)和控制电路(102)通过电源线和信号线连接，双向通讯；控制电路 (102)和上位机处理系统(103)通过USB线缆连接，双向通讯；天线装置(101)包括发射天线、接收天线，发射天线向粮面下发射500MHz微波信号，接收天线将回波信号传给控制电路(10 处理，通过接收到的回波信号探测粮食中的水分凝结区；控制电路(102)提供信号驱动天线工作，对回波信号数字化处理，并将数字化后的回波信息通过USB线缆传输给上位机处理系统(103)；上位机处理系统(10 接收来自控制电路(102)的数字化后的回波信息，对数据进行采集、处理和实时显示探测波形堆积图，并包括对探测数据的反演和解译。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于 所述发射、接收天线，是中国电波传播研究所的GC500MHZ天线，中心频率500MHz，200MHz带觅ο
3.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于 所述控制电路(102)，包括电源001)、数字电路002)、信号调理电路(203)；数字电路(20 和信号调理电路(20 分别与电源O01)通过电源线相连接，数字电路(202)和信号调理电路(203)之间通过信号线相连接；电源(201)包括 150V, -70V,24V, 12V，-12V，5V 电压变换模块；数字电路(20 包括模拟数字转换电路(302)，基于现场可编程逻辑器件(FPGA)的控制部分(303)，数据传输USB部分(304)；信号调理电路(20 包括延时电路001)，放大电路002)，交直流耦合电路003)，限幅电路(404)，电平移动电路(405)，时变增益放大电路(406)。
4.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于 所述上位机处理系统(103)，包括USB传输控制，数据预处理和探测数据显示三个部分；其中，USB传输控制实现上位机与数据传输USB部分(304)的通信，具体包括上位机到数据传输USB部分(304)的固件下载，原始数据到上位机缓存的传输和存储；数据预处理部分依次对原始数据进行如下处理单道数据多次平均，原始数据到物理数据的转换，时变增益修正，直达波去除，通过电磁波在粮食中传播速度的标定数据对回波绝对位置修正，结合电磁波传输衰减曲线和回波绝对值大小判定水分凝结区，多道数据存储；探测数据显示部分对预处理后的数据进行二维成像显示。
5.根据权利要求3所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于 所述150V电压变换模块是恒博高压电源厂的HBL-151-10C ；-70V电压变换模块是恒博高压电源厂的HBL-700-10C ；5V电压变换模块是TI公司的TPS5431。
6.根据权利要求3所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于 所述模拟数字转换电路(30 是TI公司的ADS1271 ；基于FPGA的控制部分(30 是Altera 公司的 EP3C25QM0 ；数据传输 USB 部分(304)是 Cypress 公司的 CY7C68013A-100。
7.根据权利要求3所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于所述延时电路G01)由两级延时模块串联组成；延时模块采用DALLAS公司的DS1023S-25 和DS1023S-100，实现256级0. 25ns延时和Ins延时的任意组合，拓宽探测范围。
8.根据权利要求3所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于 所述放大电路(402)是TI公司的SN7407 ；时变增益放大电路(406)是BURR BROWN公司的 PGA206。
9.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于 其工作流程为a)在粮食入库后，粮食在储藏过程中进行粮食水分凝结的检测；b)将天线装置(101)在粮面上平行移动，发射天线向粮面下探测区域发射500MHz微波，接收天线同时接收反射回波，以在此方向上获得不同位置的粮面下回波数据；c)如果在粮面下有水分凝结区，则会有明显强回波信号，如无，则只有背景噪声信号；d)将此方向上的数据堆积在一起，获得整个切面的回波堆积图，经过上位机处理系统 (103)处理，就能直观判断粮面下介电常数异变区，即水分凝结区。
10.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，其特征在于 还包括立体温度传感网络，立体温度传感网络设于储粮区域，因为霉变区是高温高湿区，获取粮库水分分布情况后，参照立体温度传感网络判断高水分分布区是否是高温区，以判断霉变区的存在。
全文摘要
本发明公开了一种基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，涉及粮食仓储检测技术，包括天线装置、控制电路和上位机处理系统三部分。天线装置向粮面下发射和接收微波，控制电路提供系统需要的电源和脉冲信号，并将接收信号数字化处理和传输，上位机处理系统接收来自控制电路的数据并实时显示探测结果。本发明的基于微波技术的粮食水分凝结探测系统，可对粮仓中存储的粮食内部的水分凝结区进行探测，应用在粮食仓储的日常检测中，及时发现水分凝结，避免粮食损失，对于安全储粮具有重大的意义。
文档编号G01N22/00GK102401803SQ20101027777
公开日2012年4月4日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者任仁, 夏善红, 赵龙凤, 陈贤祥 申请人:中国科学院电子学研究所