一种仓储粮食水分含量在线检测装置及其方法

摘要

本发明公开了一种基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置及其方法，包括：雷达模块、驱动模块及监控端。驱动模块接收来自一监控端的一控制信号，并根据该控制信号驱动雷达模块，使该雷达模块在一检测区域的平面移动；当雷达模块位在该检测区域时，雷达模块对该检测区域发送一脉冲信号；雷达模块接收从该检测区域反射的一目标回波，并根据处理后的该目标回波计算相应的介电常数，且将所述介电常数传送至监控端；及监控端根据接收到的介电常数用以与一水分含量对应关系进行对应以产生一检测报告。本发明提高了粮食储运环境的管理效率的技术效果。

权利要求

1.一种基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置，其特征在于，包括：

雷达模块，用以位在一检测区域时发送一脉冲信号，以及从该检测区域接收反射的一目标回波，并且根据处理后的该目标回波计算相应的介电常数以进行传送；

驱动模块，包含导轨、可编程序控制器及步进组件，其中所述导轨平行设置于该检测区域的平面上方；所述可编程序控制器接收一控制信号以驱动导轨上的步进组件使驱动模块与雷达模块连动，并且在步进组件位于导轨端点时停止或返回；所述步进组件的步数与方向由该可编程序控制器进行定位与控制；及监控端，用以传送该控制信号至驱动模块，以及接收来自该雷达模块的介电常数，并且根据所述介电常数与一水分含量对应关系进行对应以产生一检测报告；

所述监控端储存有对应不同粮仓的三维几何框架坐标，该监控端根据所述介电常数、水分含量对应关系及三维几何框架坐标产生仓储粮食水分含量分布表，反应粮仓内部各点的粮食水分含量，所述介电常数、水分含量对应关系来源于相对介电常数与水分含量的函数关系；所述检测报告为水分含量的三维立体分布图。

2.一种采用权利要求1所述的在线检测装置的仓储粮食水分含量在线检测方法，其步骤包括：驱动模块接收来自一监控端的一控制信号，并根据该控制信号驱动雷达模块，使该雷达模块在一检测区域的平面移动；

当雷达模块位在该检测区域时，雷达模块对该检测区域发送一脉冲信号；

雷达模块接收从该检测区域反射的一目标回波，并根据处理后的该目标回波计算相应的介电常数，且将所述介电常数传送至监控端；及监控端根据接收到的介电常数用以与一水分含量对应关系进行对应以产生一检测报告；

所述监控端储存有对应不同粮仓的三维几何框架坐标，该监控端根据所述介电常数、水分含量对应关系及三维几何框架坐标产生仓储粮食水分含量分布表，反应粮仓内部各点的粮食水分含量，所述介电常数、水分含量对应关系来源于相对介电常数与水分含量的函数关系；所述检测报告为水分含量的三维立体分布图。

3.如权利要求2所述的基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测方法，其中该雷达模块在一检测区域的平面移动的步骤为驱动一导轨上的一步进组件使其与该雷达模块连动，并且在步进组件位于导轨端点时停止或返回。

4.如权利要求3所述的基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测方法，其中该步进组件位于导轨端点时还包含产生一警报信号并传送至监控端的步骤。

5.如权利要求2所述的基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测方法，其中该雷达模块对发射天线与接收天线的耦合波、仓壁反射波、表面反射波、杂波进行处理，并对该目标回波参数进行补偿。

说明书

一种仓储粮食水分含量在线检测装置及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及仓储粮食水分检测领域，具体涉及一种基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置及其方法。

背景技术

[0002] 仓储粮食水分含量是粮食安全的关键指标，直接影响粮食的储藏、加工、贸易等过程。如果不及时了解储藏粮食的相关温度、水分信息，必然会影响粮食的储藏周期，导致粮食的过早发霉、变质、腐烂，因此必须时刻在意粮食的水分含量。特别是不同批次入仓的粮食品质有所差别，先期入库的粮食堆积于粮仓底部，存储一段时间后温度、湿度等都有较大的变化，特别是针对这部分粮食的粮情检测尤为重要。

[0003] 近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使得粮情检测技术在硬、软件等方面都有了一定的发展。微波方式检测粮仓水分含量是近期研究的热点，但是该方法也仅限于定点测量，且测量结果也仅能反映微波所经粮食内部路径的平均值，很难直接反映粮堆内部各点的实际粮情。目前，业内紧缺一项能快速、自动了解粮仓内部水分含量立体分布的技术手段。

[0004] 探地雷达(GPR，Ground Penetrating Radar)是一项提出较早的课题。然而只是在高频微电子技术以及计算机数据处理方法迅速开发的近代，这项技术才获得本质性的进展。今天，探地雷达不仅在探测装备上高度集中了现代技术领域的成就而得到了极大的改善，它的应用领域也正在迅速开拓。目前我国也有不少部门，包括地矿、水电、煤炭、铁道等单位正在开展这一技术的试验和应用。

[0005] 与探空或通讯雷达技术相类似，探地雷达也是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体，由于表皮下介质比空气具有强得多的电磁波衰减特性，加之地下介质情况的多样性，波在介质中的传播特性比在空气中要复杂得多。随着仪器信噪比的大大提高和数据处理技术的应用，探地雷达的实际应用范围迅速扩大。

[0006] 随着微电子技术的迅速发展，现在的探地雷达设备早已由庞大、笨重的结构改进为现场适用的轻便工具。探地雷达由于采用了宽频短脉冲和高采样率，使其探测的分辨率高于所有其它地球物理探测手段，又由于采用可程序高次叠加(多达4000次)和多波形处理等信号恢复技术，因而大大改善了信噪比和图像显示性能。基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置及其方法，针对库内水分含量分布不均的粮食自动、全面扫描，提取相关返回脉冲信号，描绘出粮仓内部水分含量的三维立体分布图，提供给粮库相关管理人员直观参考信息，有利于掌握仓储粮情，便于粮食管理。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置及其方法，以解决当前无法直接反映粮仓内部各点的实际粮情的问题。

[0008] 为了解决上述问题，本发明提供了一种基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置，包括：

[0009] 雷达模块，用以位在一检测区域时发送一脉冲信号，以及从该检测区域接收反射的一目标回波，并且根据处理后的该目标回波计算相应的介电常数以进行传送；

[0010] 驱动模块，用以根据一控制信号驱动该雷达模块在该检测区域的平面移动；及[0011] 监控端，用以传送该控制信号至驱动模块，以及接收来自该雷达模块的介电常数，并且根据所述介电常数与一水分含量对应关系进行对应以产生一检测报告。

[0012] 关于本发明的基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测方法，其步骤包括：

[0013] 驱动模块接收来自一监控端的一控制信号，并根据该控制信号驱动雷达模块，使该雷达模块在一检测区域的平面移动；

[0014] 当雷达模块位在该检测区域时，雷达模块对该检测区域发送一脉冲信号；

[0015] 雷达模块接收从该检测区域反射的一目标回波，并根据处理后的该目标回波计算相应的介电常数，且将所述介电常数传送至监控端；及

[0016] 监控端根据接收到的介电常数用以与一水分含量对应关系进行对应以产生一检测报告。

[0017] 与现有技术相比，应用本发明，解决了当前无法直接反映粮仓内部各点的实际粮情的问题，通过探地雷达技术对粮仓内水分含量分布不均的粮食进行扫描，提取相关返回脉冲信号(如目标回波)产生检测报告，从而达到得知在粮仓内的粮食水分含量分布的目的，提高了粮食储运环境的管理效率。

附图说明

[0018] 图1为本发明基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置的系统方块图。

[0019] 图2a及图2b为本发明基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测方法的方法流程图。

[0020] 图3为本发明基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置的实施示意图。

[0021] 图4为本发明雷达模块的示意图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

[0023] 在说明本发明所提供的基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置及其方法之前，先对本发明的原理作说明，众所周知，粮食介电常数的大小，直接反映其水分含量的高低。因此，本发明通过比较不同水分含量粮食的电磁波返回时间的差异即可检测粮仓内部与介电常数相关的粮食所含水分的多少(即水分含量)，并且产生检测报告供使用者浏览。

[0024] 请参阅图1，图1为本发明基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置的系统方块图，包括：雷达模块10、驱动模块20及监控端30。其中，雷达模块10用以位在检测区域时发送脉冲信号，以及从检测区域接收反射的目标回波，并且根据处理后的目标回波计算相应的介电常数以传送至监控端30，所述检测区域就是欲检测的仓储粮食(或称为待测粮堆)的所在区域。另外，脉冲信号为高频电磁脉冲波(或称之为电磁波)，而反射的目标回波则在待测粮堆的水分含量不同时，会导致传输速率存在差异。在实际实施上，雷达模块10可包含雷达发射机、发射天线、雷达接收机、接收天线及控制处理单元。其中，雷达发射机分别与发射天线和控制处理单元电气连接，雷达接收机分别与接收天线、控制处理单元电气连接，发射天线与接收天线相对位置固定，且两天线端口处于同一水平，并保持与检测区域的平面平行，控制处理单元汇总数据，并处理相关数据，如：处理脉冲信号及目标回波、计算相应的介电常数或对发射天线与接收天线的耦合波、仓壁反射波、表面反射波、杂波及对目标回波参数进行补偿处理，对影响检测结果的非目标回波进行补偿，这样有助于提高测试结果的准确度。另外，控制处理单元具备通信接口(如：RS-232、Ethernet、Wi-Fi、GPRS......等)，以便把处理的相关数据传送至监控端30。

[0025] 驱动模块20用以根据监控端30的控制信号驱动雷达模块10，使雷达模块10在检测区域的平面移动。在实际实施上，驱动模块20可包含导轨、可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)及步进组件。其中，导轨与步进组件机械连接，可编程序控制器接收来自监控端30的控制信号以控制步进组件运作，导轨一端固定于参考坐标原点，另外一端处于开路状态。所述参考坐标原点即为步进组件移动的坐标起始点。接着，雷达模块10绑定于步进组件进而使雷达模块10与驱动模块20连动，控制处理单元与可编程序控制器建立通信，通过通信可以在判断雷达模块10位于检测区域时发送脉冲信号。可编程序控制器根据控制处理单元数据处理情况，决定是否驱动步进组件，带动雷达模块10沿导轨运行，并把雷达模块10的坐标等信息反馈给控制处理单元。稍后将再结合附图对驱动模块20及雷达模块10绑定方式作详细说明。

[0026] 监控端30用以传送控制信号至驱动模块20，以及接收来自雷达模块10的介电常数，并且根据此介电常数与水分含量对应关系进行对应以产生检测报告，所述控制信号是通过位于监控端30的操作人员对监控端30进行操作所产生，用以控制驱动模块20来移动雷达模块10，并且使雷达模块10位于检测区域时发送脉冲信号。前面提到，由于目标回波在待测粮堆的水分含量不同时，会具有不同的传输速率，所以雷达模块10可以根据不同的传输速率来计算介电常数并传送至监控端30，接着监控端30能通过查询预先设置的水分含量对应关系来获得介电常数所代表的水分含量并产生检测报告。在实际实施上，水分含量对应关系来源于相对介电常数与水分含量的函数关系，而检测报告为水分含量的三维立体分布图。另外，监控端30还可储存有对应不同粮仓类型的三维几何框架坐标，监控端30通过所述介电常数、水分含量对应关系及三维几何框架坐标产生仓储粮食水分含量分布表，此仓储粮食水分含量分布表可利用彩色分布形式显示粮仓内部各点的粮食水分含量，譬如颜色深则代表该处粮食水分含量较高，提醒操作人员对该区域粮食引起足够的注意。

[0027] 特别要说明的是，为了有效区分粮食不同水分含量分布情况，可在粮食仓库底端设置金属接地层，也就是说在粮食仓库底端设定短路位置，当脉冲信号遇到短路位置时全部返回。由于微波在空气中的返回时间是已知的，从而可计算出微波反射和返回的时间差并得知介电常数。接着，通过相对介电常数与水分含量的函数关系便能有效根据介电常数来区分粮食水分含量相差不大的分布情况，理论上能区分对应相对介电常数为「1.5」(一般粮食干物质的相对介电常数大于3)的介质相应水分含量。

[0028] 请参阅图2a及图2b，图2a及图2b为本发明基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测方法的方法流程图，其步骤包括：驱动模块20接收来自监控端30的控制信号，并根据此控制信号驱动雷达模块10，使雷达模块10在检测区域的平面移动(步骤210)；当雷达模块10位在检测区域时，雷达模块10对检测区域发送脉冲信号(步骤220)；雷达模块10接收从检测区域反射的目标回波，并根据目标回波计算相应的介电常数，且将所述介电常数传送至监控端30(步骤230)；监控端30根据接收到的介电常数用以与水分含量对应关系进行对应以产生检测报告(步骤240)。通过上述步骤，即可通过脉冲信号扫描粮堆以根据同路径传输速率的差异计算待测粮堆的介电常数，并且根据介电常数及水分含量对应关系显示水分含量分布信息。

[0029] 在实际实施上，步骤210包含驱动导轨上的步进组件使其与雷达模块10连动(步骤211)，并且判断步进组件是否位于导轨端点(步骤212)，若是，则停止或返回(步骤213)，若否，则执行步骤220。除此之外，在步进组件位于导轨端点时还包含产生警报信号并传送至监控端30(步骤214)，所述警报信号能够使位于监控端30的使用者实时得知步进组件已经位于导轨端点。步骤230从检测区域接收反射的目标回波后，还可对发射天线与接收天线的耦合波、仓壁反射波、表面反射波、杂波进行处理，并对此目标回波参数进行补偿(步骤231)。另外，在步骤240之后，监控端30还可根据对应不同粮仓所预先储存的三维几何框架坐标，用以通过所述介电常数、水分含量对应关系及三维几何框架坐标产生仓储粮食水分含量分布表，反应粮仓内部各点的粮食水分含量(步骤241)。

[0030] 以下配合图3及图4以实施例的方式进行如下说明，请先参阅图3，图3为本发明基于探地雷达技术的仓储粮食水分含量在线检测装置的实施示意图。前面提到，在实际实施上，驱动模块20可包含导轨21、可编程序控制器22及步进组件23。当欲对粮堆进行检测时，可编程序控制器22将启动设置于导轨21的步进组件23进行移动，使得绑定于步进组件23的雷达模块10同时沿着导轨21移动，其移动与粮堆平面平行。而在移动到待测粮堆(即检测区域)后，可编程序控制器22将驱动雷达模块10产生脉冲信号，接着雷达模块10对检测区域发送脉冲信号后，将从检测区域接收反射的目标回波，并可由雷达模块10的控制处理单元对目标回波进行计算以获得介电常数的数据，可编程序控制器22也会根据雷达模块10的控制处理单元的数据处理情况决定是否驱动步进组件23，例如：当数据处理完毕则驱动步进组件23，反之，则不驱动步进组件23。

[0031] 承上所述，当雷达模块10的控制处理单元获得介电常数的数据后，会将介电常数传送至监控端30，由监控端30根据此介电常数从水分含量对应关系中获得相对介电常数的水分含量，并产生具有水分含量的三维立体分布图的检测报告。另外，在仓库底端设置金属接地层，当电磁波传送到金属接地层时，发生全反射，能够有效区分粮食水分含量相差不大的分布情况。

[0032] 请参阅图4，图4为本发明雷达模块的示意图。在实际实施上，雷达模块10可包含雷达发射机12、发射天线13、雷达接收机14、接收天线15及控制处理单元11。在本发明中，脉冲信号及目标回波皆为脉冲波(或称电磁波)，其差异在于脉冲信号为发射的脉冲波，而目标回波则是反射的脉冲波。一般而言，发送脉冲信号是雷达发射机12利用高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫)以宽频带短脉冲形式，通过发射天线13送入地下，经地下地层或目的体反射后返回粮堆表面，为接收天线15、雷达接收机14所接收，并由控制处理单元11进行数据处理。所述脉冲波行程需时：

[0033]

[0034] 当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的t值(ns)。由上式求出反射体的深度(m)。式中x(m)值为发射天线和接收天线距离的一半，在剖面探测中是固定的；z(m)值为反射点至发射天线13与接收天线15连线的距离；v值(m/ns)可以根据近似算出(当介质的导电率很低时)，其中c为光速(c＝0.3m/ns)，εr为介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。

[0035] 在此实施例中，当电磁波(即脉冲信号)传输到不同水分含量的粮食界面，即发生反射，接收天线15接收到电磁波(即目标回波)，并把从发射到接收到电磁波的时间差t值记录到后端的控制处理单元11，由控制处理单元11计算后得出介质中传输速率v，进而推算出介质的相对介电常数。

[0036] 实际应用中，不同地区的粮食作物具有不同的测量基准值，因此在测试之前，需要根据不同的粮食种类，在不同的状态下建立起标准的数据库，这些数据可以预先存入控制处理单元11中，也可以由用户根据标准现场设定。而采集到的粮食的介电常数值，在控制处理单元11就与标准值进行比较，或遵循相应的回归曲线，得到相应水分含量值，并以彩色图等方式立体显示于监控端30。

[0037] 最后，补充说明的是，前述提到监控端30储存有对应不同粮仓的三维几何框架坐标，其三维几何框架坐标(xi，yi，zi)，主要有两个作用：

[0038] (1)在不同方位考虑发射天线13与接收天线15之间的耦合波、仓壁反射波、表面反射波、杂波及目标回波间的相互关系。之后通过控制处理单元11对影响检测结果的非目标回波进行补偿，这样有助于提高测试结果的准确度。

[0039] (2)为了三维显示水分含量分布图，本发明的检测装置需全面扫描整个仓储的每个区域。定义步进组件23的精度，根据实际情况设定每个脉冲步进度数，即雷达模块10沿导轨21滑行距离r，及导轨21转动角度ω。脉冲数n(步进周期)、雷达模块10滑行距离及导轨21转动角度三者确定雷达模块10在同一平面φ内所能扫描的点(xi，yi)。此方位雷达模块10能扫描到的区域为：φ平面与仓底金属接地层平面φ′之间穿过点(xi，yi)的线型区域。当前方位扫描完成后，监控端30发送命令，可编程序控制器22驱动步进组件23在参考坐标系沿导轨21滑动，并相同坐标系显示三维水分分布图于监控端30。

[0040] 综上所述，可知本发明与现有技术的间的差异在于通过脉冲信号扫描粮堆以根据同路径传输速率的差异计算待测粮堆的介电常数，并且根据介电常数及水分含量对应关系显示水分含量分布信息，借助这一技术手段可以解决现有技术所存在的问题，进而达成提高粮食储运环境的管理效率的技术效果。

[0041] 虽然本发明以前述的实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变更与修改，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求书所界定者为准。