一种基于微波多普勒法的机采籽棉产量监测试验平台及监测方法

本发明涉及智能采棉机产量监测领域，特别是一种基于微波多普勒法的机采籽棉产量监测试验平台及监测方法

背景技术：

1、研发具有自主知识产权的机采籽棉产量在线监测技术是确保国家重大战略物资信息安全的基础，同时也是实现国产采棉机智能化作业参数调控的关键。目前国内采棉机的产量监测主要依赖于光电传感器，该方法虽然信号处理简便，但容易受环境温湿度的干扰，尤其是在阴雨天这种湿度较大的田间工作，其测量精度过低，无法满足工作要求。

2、微波法作为一种非接触式方法，无需物理接触籽棉表面，避免了对籽棉的损坏和污染；其次，微波法对不同类型的籽棉都具有良好的适应性，并且由于微波辐射对环境因素的影响较小，微波法的测量结果相对稳定可靠。对微波法所获得的多普勒信号进行时域分析时，信号混叠严重，很难获取信号中的有用信息，而对多普勒信号进行频域分析时，信号频率特征明显，可快速识别信号中的重要信息，如多普勒频率、功率谱密度等，减小了信号分析难度。

3、目前，美国约翰迪尔采棉机已具备成熟的微波测产功能，并进行了实际的应用，但国内采棉机还不具备这项功能，难以满足智能化作业要求。为了提升国产采棉机测产精度，本发明利用微波多普勒法代替传统的光电测量法，提升检测精度与抗干扰能力，更加适用于田间复杂环境，具有良好的市场前景，同时选用频域分析处理获取的多普勒信号，减小了信号处理难度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于微波多普勒法的机采籽棉产量监测试验平台，该平台结构简单，经济实用；目的2是提供一种基于微波多普勒法的机采籽棉产量监测方法，该方法提升了产量监测的检测精度与抗干扰能力，更加适用于田间复杂环境，具有良好的市场前景。

2、本发明的上述技术问题是通过下述方案得以解决的。

3、本发明涉及一种基于微波多普勒法的机采籽棉产量监测试验平台，所述的基于微波多普勒法的机采籽棉产量监测试验平台主要包括输棉管(3)、集棉箱(7)、数据采集仪(8)、计算机(9)、直流电源(10)及微波多普勒传感器(1)；微波多普勒传感器(1)与数据采集仪(8)、计算机(9)通过线路连接，直流电源(10)为微波多普勒传感器(1)供电，输棉管(3)与集棉箱(7)连接；微波多普勒传感器(1)位于输棉管(3)外侧；在该试验台的基础上采用基于微波多普勒法的机采籽棉产量监测方法计算籽棉产量。

4、所述的微波多普勒传感器由平面阵列天线微波模块和信号调理电路组成；信号调理电路由滤波电路与放大电路构成，滤波电路由两个运算放大器和电阻、电容构成，放大电路由一个运算放大器和电阻、电容构成。

5、所述的基于微波多普勒法的机采籽棉产量监测方法主要包括以下步骤：

6、(1)信号采集：设计微波多普勒传感器(1)采集输棉管(3)中籽棉的微波多普勒信号；

7、(2)构建微波损耗模型：测量试验籽棉的含水率，推导衰减系数方程，得到不同含水率对微波的幅值损耗的关系模型，带入试验籽棉含水率到微波损耗模型中，得到微波幅值损耗值，对采集的信号进行补偿；

8、(3)信号时频域转换：通过时域频域转化算法实现补偿后的微波信号时域到频域的转换，获取微波信号的频谱；

9、(4)构建机采棉质量流量模型：采用频谱分析方法对上述频谱进行功率谱密度的估计，通过线性拟合方法，建立机采棉质量流量与功率谱密度的关系模型，获取籽棉产量；

10、(5)误差修正：在机采棉微波测产试验台上进行试验，获取籽棉质量流量模型，将采集的籽棉实际质量与模型计算质量进行误差分析。

11、所述的微波多普勒传感器(1)由发射频率范围为5ghz—27ghz的平面阵列天线微波模块和信号调理电路组成，将多普勒信号以电压形式输出，其中，微波模块用于收发微波，并将多普勒信号转为电压信号，信号调理电路将转换后的电压信号进行滤波放大，便于信号采集与分析。

12、所述的微波损耗模型具体建立过程为：

13、由于输棉管中流动的物质是籽棉、水分和空气构成的复合物，根据式(1)中复合磁导率关系与电磁波传播方程得到衰减系数方程为式(2)；

14、

15、

16、式中，vh,vm,vs分别为混合物、籽棉和水的体积容量，分别为混合物、籽棉和水的相对复合磁导率，在微波频段下，水的介电常数εs≈37；α为衰减系数，β为相移系数，ω为微波发射角频率，θ为水的损耗角，文中tanθ＝0.0125，真空介电常数ε＝8.85×10-12f/m，真空磁导率μ＝4π×10-7h/m；

17、然后由式(3)测量平均籽棉含水率：

18、

19、式中，n为测试籽棉的组数，mi,wet为第i朵干燥前籽棉重量，mi,dry为第i朵干燥后籽棉重量；

20、最后利用式(2)与式(3)得到籽棉含水率进行线性回归拟合，可得到籽棉含水率与微波损耗模型为式(4)。

21、

22、所述的时频转换算法为dit-fft，具体算法为：

23、(1)将微波多普勒传感器(1)所得到的的微波信号转换为离散数字量x(n)，对其进行离散傅里叶变换(dft)：

24、

25、式中，x(n)为离散数字序列，x(k)为x(n)的傅里叶变换值，n为dft变换点数，本文n＝1024，为旋转因子，w(n)为窗函数，本文选取汉宁窗

26、(2)将序列x(n)按n分为奇偶两组：

27、

28、(3)利用旋转因子的可约性，对x(n)进行分段dft，得到前n/2点的dft：

29、

30、(4)利用周期性求x(k)的后n/2点dft：

31、

32、则n点dft的一次时域抽取结果为：

33、

34、(5)对x1(k)与x2(k)进行二次分解得到：

35、

36、依据式(15)继续分解至x(n)进行单点dft为止。

37、所述的频谱分析算法为修正平均周期图法，具体算法为：

38、(1)将x(n)以重叠率α进行分段，每段长度为m，则段数k为：

39、

40、式中，int[]表示取整操作，α为每段数据与相邻数据的重叠率，一般取0＜α＜1，本文选取

41、(2)对第i端数据xi(n)加上汉宁窗w(n)后为：

42、xi(n)＝x[n+(i-1)m]w(n+(i-1)m)                 (12)

43、(3)计算第i段数据xi(n)的功率谱密度：

44、

45、式中，为归一化算子；

46、(4)对各个分段功率谱进行求和并取其平均后得到功率谱密度估计值p(k)：

47、

48、借助机采籽棉产量监测试验平台获取籽棉质量流量及对应功率谱密度，再通过最小二乘法拟合上述的质量流量与对应功率谱密度，获取机采棉质量流量模型。

49、所述的借助机采籽棉产量监测试验平台获取籽棉质量流量及对应功率谱密度的具体流程为：当籽棉在输棉管(3)中运动经过微波多普勒传感器(1)时，微波多普勒传感器(1)输出多普勒信号，经数据采集仪(8)采集并转换，将数模转换后的数字信号送入计算机(9)进行频谱分析，建立籽棉质量流量模型，计算得到籽棉监测质量，最后将落入集棉箱(7)的实际籽棉质量与监测籽棉质量进行误差分析。

50、本发明通过微波传感器发射端发射出微波，微波传感器与籽棉管道内形成测量场，当有籽棉通过时，发射波被籽棉吸收反射，微波信号会衰减，使传感器接收到的微波频率小于发射频率，就会产生信号频率差即多普勒频率，对回波信号的多普勒频率进行功率谱密度估计，建立籽棉质量流量与功率谱密度模型，从而得到籽棉流量。本发明不仅试验台结构简单，经济实用，便于籽棉监测方法的验证，而且所述的监测方法精度高，抗干扰能力强，更加适用于田间复杂环境。经过台架试验验证，产量监测值与产量真实值的相对误差为6.98％，具有良好的市场前景。