一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法与流程

本发明属于烟草原材料中水分和杂质探测，具体是指一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法。

背景技术：

1、在收购烟农烟叶时需要完成水分含量和烟梗，木梗等杂质检测，确保两项指标在一个合理的区间，同时在烟叶的加工、储存等阶段也需要控制水分含量，尤其对于打叶复烤企业中，含水率的测量是评价烟草烘烤结束后是否合格的重要指标，因此，烟草原材料中水分含量和杂质的探测至关重要。本发明主要解决烟草公司在大批量收购烟草时对整包烟草内含水量和杂质的快速探测的难题。该方法具有识别精度高，覆盖杂质种类全，测量杂质尺寸精准、定位杂质位置准确，水分含量测量精度高、检测效率高等优点。

2、传统的采用微波技术探测烟草原材料水分含量均采用单点频信号，利用微波透射的工作模式配合机械扫描，完成烟草中水分的测量，该方法由于仅含有回波的幅度信息，对水分含量的测量精度低，速度慢，无法满足实时测量的应用场景，对于烟草原材料中杂质的探测目前尚无相关的技术研究。针对传统的微波探测方法存在的缺点，本发明提出一种基于毫米波线性调频体制的实时水分含量和杂质探测的方法，该方法采用了反射式测量方法，仅需要在传送机构单侧布设一套毫米波雷达收发系统即可。利用毫米波天线阵列在雷达波束指向和高度方向的实时二维电扫探测，配合传动机构提供的高精度位置信息，完成在传送方向上的等间隔位置的三维探测，由此实现对被测量物品的高速回波信号采集，基于合成孔径三维成像算法，完成被测物品的三维成像，并可快速的探测被测物中的杂质，基于回波数据的分析，可实现全方位的含水量测量。

3、目前，烟草原材料中的水分含量的测量都是基于水分相关的物理量，比如电导率，介电常数等来间接反映物质的水分含量，比如：红外测量法，电容法，微波法。红外测量法利用光谱强度会随着物质含水量的大小而变化的特点，通过后期测量和标定达到测量水分的目的，该方法的优点是测量速度快，设备无磨损，但缺点是只能测量物体表面的水分变化，不能测量内部水分含量，同时部分物质对光也有吸收作用，比如烟叶的颜色会影响红外线的吸收，且颜色变化后吸收能力也不用，这会造成测量不准确。电容法是通过改变两电极板之间的电介质来改变电容值大小，进而反映到电信号的变化，通过标定物质含水率和介电常数之间的函数关系，电容式测量的优点是实时在线测量且测量精度较高，但是必须要保证物体表面必须齐平，厚度要在2cm-3cm，经常使用会对测量设备有磨损。微波法是利用微波对水分子有极化现象，水分子的极化会消耗大量的微波能量，通过测量消耗的能量即可得到水分含量的变化。在微波特定频率下水的介电常数相比于其他值要高很多，介电常数发生变化会很真实反映水分含量的变化。此种方法受环境影响小，测量精度高，且是非接触式测量对探头的损坏较少，可长时间工作，不受物料颗粒大小变化和表面是否平整等影响。对于含水量的测量，由于微波法的优势，更具有发展前景，截至目前，国内外尚无烟草中杂质探测技术研究的相关报道。

4、为此，本发明提出一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，目的是解决烟草公司在大批量收购烟草时对整包烟草内含水量和杂质的快速探测，通过一套系统同时实现快速识别和定位烟草原料中杂质和纸包含水量快速测量的技术难题，该方法具有识别精度高，覆盖杂质种类全，测量杂质尺寸精准、定位杂质位置准确，水分含量测量精度高、检测效率高等优点。

2、为了实现上述功能，本发明采取的技术方案如下：一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，包括如下步骤：

3、(一)建立烟草原材料探测系统，由毫米波天线阵列分系统、毫米波信号源分系统、数据采集控制分系统、机械运动控制分系统和三维成像及显示控制分系统组成，其中雷达探测系统由毫米波天线阵列分系统、毫米波信号源分系统以及数据采集控制分系统组成；

4、(二)机械运动控制分系统提供数据采集控制分系统驱动传送带机构运动的高分辨率位置脉冲，并由数据采集控制分系进行计数；

5、(三)被测试物品烟草原材料放置于传送带机构的一端后，通过传送带机构的带动沿着指定方向运动，当红外触发传感器被测试物品烟草原材料遮挡后，雷达探测系统完成天线波束指向和天线阵列排布方向二维回波数据采集；

6、(四)在传动带机构上从左至右设置好采样位置1至位置n，雷达工作位置从最左端采样位置1运到最右端位置n，完成烟草原材料的三维空间扫描；

7、(五)在扫描过程中，数据采集控制分系统将采集的回波数据进行相关处理后按照一定规律回传至三维成像及显示控制分系统，三维成像及显示控制分系统完成回波信号的合成孔径三维成像，并对成像结果进行识别和分析；

8、(六)校准板则提供水分测量使用的回波测量信号以及毫米波天线阵列系统多通道的幅度和相位校准。

9、进一步地，所述步骤(一)中的天线阵列分系统由多个天线阵列模块拼接构成，每个天线阵列模块是由开关组合和收发天线辐射单元构成，毫米波信号源分系统负责产生宽带线性调频信号和接收回波信号的下变频处理，数据采集控制分系统负责毫米波信号源的信号产生控制，使其产生宽带线性调频信号，同时负责控制天线阵列分系统的不同收发通道切换，负责接收机械运动扫描分系统的位置脉冲，负责回波数据的采集和将数据处理后上传至三维成像及显示控制终端分系统，机械运动控制分系统负责驱动传送带机构沿着指定方向均匀移动。

10、进一步地，所述步骤(一)中的雷达探测系统布设在传送带机构的单侧位置。

11、进一步地，所述步骤(四)中的采样位置1至位置n为等间距设置。

12、进一步地，所述步骤(六)中的校准板采用表面平整的金属板。

13、本发明采取上述结构取得有益效果如下：本发明提供的一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，不仅可以实现对烟草原材料中杂质的三维成像，而且基于宽带回波信号的幅度和相位，可实现对烟草中水分含量的测量。相对于单点频测量水分，采用宽带信号测量具有更高的测量精度。本发明基于毫米波频段宽带线性调频信号对不同目标的雷达透射和反射特性原理，通过高速线性调频信号产生和高速切换天线阵列收发通道，完成二维方向(波束指向和天线阵列收发通道排布方向)高速电扫，同时配合一维机械运动和位置信息实时反馈，完成传送机构运动方向的快速机械扫描，从而可以在2-3秒内完成烟草原料的快速三维空间扫描，通过对烟草原料的目标三维回波数据的三维空间重构和回波幅度相位比对，完成纸包中目标的三维成像和水分含量的快速测量，通过一套系统同时实现快速识别和定位烟草原料中杂质和纸包含水量快速测量的技术难题，具有识别精度高，覆盖杂质种类全，测量杂质尺寸精准、定位杂质位置准确，水分含量测量精度高、检测效率高等优点。。

技术特征：

1.一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，其特征在于，所述步骤(一)中的天线阵列分系统由多个天线阵列模块拼接构成，每个天线阵列模块是由开关组合和收发天线辐射单元构成，毫米波信号源分系统负责产生宽带线性调频信号和接收回波信号的下变频处理，数据采集控制分系统负责毫米波信号源的信号产生控制，使其产生宽带线性调频信号，同时负责控制天线阵列分系统的不同收发通道切换，负责接收机械运动扫描分系统的位置脉冲，负责回波数据的采集和将数据处理后上传至三维成像及显示控制终端分系统，机械运动控制分系统负责驱动传送带机构沿着指定方向均匀移动。

3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，其特征在于，所述步骤(一)中的雷达探测系统布设在传送带机构的单侧位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，其特征在于，所述步骤(四)中的采样位置1至位置n为等间距设置。

5.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，其特征在于，所述步骤(六)中的校准板采用表面平整的金属板。

技术总结
本发明公开了一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法，包括如下步骤：建立烟草原材料探测系统，机械运动控制分系统提供数据采集控制分系统驱动传送带机构运动的高分辨率位置脉冲，并由数据采集控制分系进行计数，被测试物品烟草原材料放置于传送带机构，沿着指定方向运动，当红外触发传感器被测试物品烟草原材料遮挡后，雷达探测系统完成天线波束指向和天线阵列排布方向二维回波数据采集。本发明属于烟草原材料中水分和杂质探测技术领域，具体是指一种基于毫米波的烟草原材料中水分和杂质的探测方法。

技术研发人员：郭威,陈立杰
受保护的技术使用者：上海透微科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27