雷达型微波测水仪器的测试方法

摘要

本发明公开了雷达型微波测水仪器的测试方法，包括以下部件：机架底座：用于放置待测物料样品；微波雷达主机：用于发射连续单频微波信号用以透射待测物料样品，并接收信标器发射的信标信号，并将输出数据发送给数据处理终端；信标器：用于接收透射待测物料样品后的微波信号，并将接收到的微波信号进行调制形成信标信号，并将信标信号发射到微波雷达主机；数据处理终端：数据处理终端输出频率选择信号给微波雷达主机，微波雷达主机根据频率选择信号输出相应频率的连续单频微波信号，数据处理终端还用于接收微波雷达主机的输出数据并计算出待测物料样品的含水量。

说明书

技术领域

本发明涉及测水装置，是一种可以在工业、农业和医疗等行业中广泛应 用的雷达型微波测水仪，用来对物料的含水率(物料中水重量与物料总重量的百 分比)进行快速、无接触、精确在线测量。

背景技术

在工业、农业和医疗等行业中，对建筑建材、农作物、谷物、纺织物、医用 原材料等物料的含水率需要进行精确测量和控制，才能更好地控制产品质量。目 前常用的物料含水量测量方法有加热干燥称重法、红外反射率测水法、微波谐振 腔法、微波透射法等等。加热干燥称重法是国标测量方法，精度高，但测量速度 慢，只能对少量样品含水率进行测试，不能用于在线快速测试，并且只反映样品 的含水量，由于物料含水量通常并不均匀，样品含水量与真实物料的平均含水量 可能存在偏差，因此要反映真实物料的平均含水量需要多次取样测量进行统计分 析，测试周期长，效率低。红外反射率测水法是利用不同含水量样品对特定波长 红外线反射率的差异，通过测量红外反射率来反演样品含水量，可以用于在线测 试，但由于红外线主要在物料表面反射，对物料的穿透深度小，因此主要用于测 量物料表层含水量，难以进行物料体含水量的准确测水。微波谐振腔法是将微波 谐振腔放置在含水物料附近，含水物料对谐振腔产生微扰使谐振频率偏移，由于 不同含水量的物料的介电常数差异较大，因此对不同含水量的物料，微波谐振腔 的频率偏移量不同。将微波谐振腔接入微波振荡器回路，根据微波振荡信号频率 与标称值的偏差反演得到物料含水率。微波谐振腔法通常也只反映靠近谐振器的 物料含水量，不能反映物料整体平均含水率情况，并且必须保证物料与谐振腔具 有特定的相对位置关系才能保证测试精度，比如测试过程中物料表面与谐振腔测 试面需始终保持紧密接触，这对物料形态、样品尺寸、运动状态和设备安装位置 均有较高要求，在实际应用中受到较多限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雷达型微波测水仪器的测试方法，具有良好测试 精度和较强通用性的无接触式、快速物料平均体含水率测试技术。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

雷达型微波测水仪器的测试方法，

包括构建雷达型微波测水仪器步骤；包括以下部件：机架底座：用于放置待 测物料样品；微波雷达主机：用于发射连续单频微波信号用以透射待测物料样品， 并接收信标器发射的信标信号，并将输出数据发送给数据处理终端；信标器：用 于接收透射待测物料样品后的微波信号，并将接收到的微波信号进行调制形成信 标信号，并将信标信号发射到微波雷达主机；数据处理终端：数据处理终端输出 频率选择信号给微波雷达主机，微波雷达主机根据频率选择信号输出相应频率的 连续单频微波信号，数据处理终端还用于接收微波雷达主机的输出数据并计算出 待测物料样品的含水量。

根据上述各个装置，本发明的工作原理是：待测物料样品放置在微波雷达主 机和信标器之间，测试时，在数据处理终端控制下，雷达发射依次发射两个频率 的连续单频微波信号，连续单频微波信号透射待测物料样品后，连续单频微波信 号被信标器接收后进行调制形成信标信号，信标器并转发信标信号，信标信号透 射待测物料样品后被微波雷达主机接收，微波雷达主机每次接收到信标信号后， 分别测试信标信号相对于连续单频微波信号的同相分量(I)和正交分量(Q)的 幅度，并将I、Q幅度信息传输到数据处理终端进行处理。

数据处理终端中，基于包含物料介质、水和空气3种成分混合介质的复介电 常数模型和水的介电弛豫模型，利用两个连续单频微波信号频率上的I、Q幅度 信息和预存的系统校准参数，处理得到混合介质中物料介质和水重量比，从而得 到物料体含水量，即水的重量占含水物料重量百分比，测试精度可达0.1％。

所述输出数据包括参考时钟信号、连续单频微波信号的功率检测信号，还包 括连续单频微波信号与信标信号进行正交混频后输出的中频同相分量，还包括连 续单频微波信号与信标信号进行正交混频后输出的中频正交分量。

从结构上来说：微波雷达主机位于机架底座正上方，信标器位于微波雷达主 机的正下方，信标器设置在机架底座上，微波雷达主机的微波雷达天线面向机架 底座，信标器的信标器天线面向微波雷达主机，数据处理终端的频率选择信号输 出端与微波雷达主机的频率选择信号端连接，微波雷达主机的输出数据端与数据 处理终端的数据输入端连接。

还包括如下测试步骤：

第一步：第一步：测算出微波雷达天线和信标器天线出口面之间的距离为R；

第二步：校准测试得到无量纲系统常数；

校准测试的具体步骤如下：在没有物料样品时，微波雷达主机依次发射的频 率f₁和f₂(f₁<f₂)的微波信号进行校准测试；设频率为f_i(i＝1,2)时，微波雷 达发射功率为P_ti，微波雷达天线的天线增益G_i，信标器天线的天线增益为G_ai， 微波雷达主机收到的信标信号的同相分量和正交分量幅度分别为I_i和Q_i，则有：

I_i＝A_i cosΦ_i   (式1)；

Q_i＝A_i sinΦ_i   (式2)；

其中A_i是接收的信标信号幅度的绝对值，Φ_i是信标信号相对于发射信号的相 位，并有：

$A_i^2=P_{ti}\frac{G_i^2{G}_{ai}^2{\lambda }_{0i}^4}{{\left(4\pi R\right)}^4}{L}_{0i}{Z}_0$   (式3)；

${\Phi }_i={\Phi }_{0i}-\frac{4\pi }{{\lambda }_{0i}}R$   (式4)；

式中，λ_0i是频率为f_i的电磁波的真空波长，L_0i、Φ_0i分别是频率f_i上系统固 有损耗因子和传输相位，Z₀＝50Ω是传输线特性阻抗；

发射信号通过耦合器耦合部分功率，检波产生监测电压V_i为：

$V_i=k_i\sqrt{Z_0{P}_{ti}}$   (式5)；

k_i是比例系数；

于是可得：

$\frac{I_i}{V_i}=\frac{G_i{G}_{ai}{\lambda }_{0i}^2}{k_i{\left(4\pi R\right)}^2}\sqrt{L_{0i}}{\mathrm{cos\Phi }}_i$   (式6)；

$\frac{Q_i}{V_i}=\frac{G_i{G}_{ai}{\lambda }_{0i}^2}{k_i{\left(4\pi R\right)}^2}\sqrt{L_{0i}}{\mathrm{sin\Phi }}_i$   (式7)；

当系统为宽带设计，并且f₁和f₂满足：

$|f_1-f_2|<<\frac{f_1+f_2}{2}$   (式8)；

则近似有k₁＝k₂＝k，L₀₁＝L₀₂＝L₀，Φ₀₁＝Φ₀₂＝Φ₀，

对一般天线有：

$G_i=\frac{4\pi 4}{{\lambda }_{0i}^2}$   (式9)；

$G_{ai}=\frac{4{\mathrm{\pi A}}_a}{{\lambda }_{0i}^2}$   (式10)；

其中，A、A_a分别是雷达天线和信标器天线的有效面积，在系统工作频带内 近似为常量；

故近似有：

$x_i=\frac{I_i}{V_i}=k_0\frac{R^2}{{\lambda }_{0i}^2}cos({\Phi }_0-\frac{4\pi R}{{\lambda }_{0i}})$   (式11)；

$y_i=\frac{Q_i}{V_i}=k_0\frac{R^2}{{\lambda }_{0i}^2}sin({\Phi }_0-\frac{4\pi R}{{\lambda }_{0i}})$   (式12)；

其中$k_0=\frac{\sqrt{L_0}{\mathrm{AA}}_a}{{\mathrm{kR}}^4}$是无量纲系统常数；

第三步：待测物料样品测定；

待测物料样品测定的具体步骤如下：当放置有待测物料样品后，同样在频率 f₁和f₂进行两次测试，在频率f_i时雷达接收到的信标信号的同相分量和正交分量 幅度分别为I_i’和Q_i’，类似可得：

$X_i=\frac{I_i^{\prime }}{V_i}=k_0\frac{R^2}{{\lambda }_{0i}^2}{e}^{-2{\alpha }_{i}R}cos({\Phi }_0-2{\beta }_{i}R)$   (式13)；

$Y=\frac{Q_i^{\prime }}{V_i}=k_0\frac{R^2}{{\lambda }_{0i}^2}{e}^{-2{\alpha }_{i}R}sin({\Phi }_0-2{\beta }_{i}R)$   (式14)；

式中，β_i、α_i分别是存在物料样品时频率为f_i的电磁波在空间的复传播常 数γ_i的实部和虚部，并有：

${\gamma }_i={\beta }_i+{\mathrm{j\alpha }}_i=\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}{({ϵ}_{ci}^{\prime }-{\mathrm{jϵ}}_{ci}^{\prime \prime })}^{\frac{1}{2}}$   (式15)；

式中ε_ci’、ε_ci”和分别是有物料样品情况下，频率为f_i时，电磁波传播路 径上介质复介电常数的实部和虚部；

根据已知量x_i、y_i、X_i和Y_i可以解出α_i：

${\alpha }_i=\frac{1}{2R}ln\frac{x_i^2+y_i^2}{X_i^2+Y_i^2}$   (式16)；

并求得：

$cos(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}-{\beta }_i)2R=\frac{X_i^{\prime }{x}_i+Y_i^{\prime }{y}_i}{x_i^2+y_i^2}$   (式17)；

$sin(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}-{\beta }_i)2R=\frac{Y_i^{\prime }{x}_i-X_i^{\prime }{y}_i}{x_i^2+y_i^2}$   (式18)；

设角度φ_i(0≤φ_i＜2π)满足${\mathrm{cos\phi }}_i=\frac{X_i^{\prime }{x}_i+Y_i^{\prime }{y}_i}{x_i^2+y_i^2}$和${\mathrm{sin\phi }}_i=\frac{Y_i^{\prime }{x}_i-X_i^{\prime }{y}_i}{x_i^2+y_i^2},$则 有：

$(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}-{\beta }_i)2R={\phi }_i-2n_i\pi$   (式19)；

n_i是某一正整数；

故有：

${\beta }_i=\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}+\frac{2n_i\pi -\phi }{2R}$   (式20)；

在满足(式8)条件下，认为电磁波在频率f₁和f₂上群速相等，电磁波传输时 间也相等，设二者分别v_g为和τ_d：

${\tau }_d=\frac{2R}{v_g}=\frac{2R}{v_g}=\frac{R}{\pi }\frac{{\beta }_1-{\beta }_2}{f_1-f_2}=\frac{2R}{C}+\frac{2m\pi +{\phi }_1-{\phi }_2}{2\pi (f_2-f_1)}$   (式21)；

(式21)中C是空气中的光速；

当满足条件：

$|f_1-f_2|<\frac{C}{2R\sqrt{|{ϵ}_c{|}_{max}}}$   (式22)；

时，(式21)中m取值满足：

$m=\left(\begin{array}{cc}0& ({\phi }_1>{\phi }_2)\\ 1& ({\phi }_1\le {\phi }_2)\end{array}\right)$   (式23)；

(式22)中|ε_c|_max是含水物料在频率f₁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τ_d后，可得n_i的取值为：

n₁＝fix(f₁τ_d)，n₂＝n₁+m   (式24)；

(式24)代入(式20)可以求得β_i；根据(式15)，求出ε_ci’、ε_ci”：

${ϵ}_{ci}^{\prime }={\left(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}\right)}^{-2}({\beta }_i^2-{\alpha }_i^2)$   (式25)；

${ϵ}_{ci}^{\prime \prime }=2{\left(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}\right)}^{-2}{\beta }_i{\alpha }_i$   (式26)；

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：

ε'_ci-jε_ci″＝pε_a+qε_d+rε_wi   (式27)；

式中ε_a、ε_d、ε_wi分别是空气、干燥物料和水的介电常数，ε_a＝1，p+q+r＝1； 通常干燥物料没有介电损耗，故ε_d为正实数；

于是：

ε'_ci-1-jε_ci″＝q(ε_d-1)+r(ε_wi-1)   (式28)；

根据水的介电弛豫模型，水的介电常数为：

${ϵ}_{wi}={ϵ}_{wi}^{\prime }-{\mathrm{jϵ}}_{wi}^{\prime \prime }={ϵ}_{\infty }+\frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+j2{\mathrm{\pi f}}_i\tau }$   (式29)；

其中ε_s＝80和ε_∞＝4.9分别是水的直流和无限高频率介电常数；τ是水的介 电弛豫时间，纯水τ＝2×10^-11s，对含在不同物料中的水τ具有不同的值；ε_wi的实部和虚部分别为：

${ϵ}_{wi}^{\prime }={ϵ}_{\infty }+\frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+{\left(2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \right)}^2}$   (式30)；

${ϵ}_{wi}^{\prime }=\frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+{\left(2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \right)}^2}2{\mathrm{\pi f}}_i\tau$   (式31)；

设

$\overline{ϵ}=q({ϵ}_d-1)+r({ϵ}_{\infty }-1)$   (式32)；

根据(式28)实部和虚部分别相等，并将(式29)、(式32)代入，可得：

${ϵ}_{ci}^{\prime }-1-\overline{ϵ}=r({ϵ}_{wi}^{\prime }-{ϵ}_{\infty })=r\frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+{\left(2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \right)}^2}$   (式33)；

${ϵ}_{ci}^{\prime \prime }={\mathrm{rϵ}}_w^{\prime \prime }=2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+{\left(2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \right)}^2}$   (式34)；

由(式33)、(式34)得到：

$\frac{{ϵ}_{ci}^{\prime }-1-\overline{ϵ}}{{ϵ}_{ci}^{\prime \prime }}=2{\mathrm{\pi f}}_i\tau$   (式35)；

根据(式35)，消去参数τ可得：

$\overline{ϵ}=\frac{{ϵ}_{c1}^{\prime }-{\mathrm{bϵ}}_{c2}^{\prime }}{1-b}-1$   (式36)；

(式36)中$b=\frac{f_1{ϵ}_{c1}^{\prime \prime }}{f_2{ϵ}_{c2}^{\prime \prime }};$

代入到(式35)，求出2πf_iτ，并代入(式33)求出r；r代入(式32)求出 q(ε_d-1)：

$r=\frac{{ϵ}_{ci}^{\prime \prime }-1-\overline{ϵ}}{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}[1+{\left(\frac{{ϵ}_{ci}^{\prime }-1-\overline{ϵ}}{{ϵ}_{ci}^{\prime \prime }}\right)}^2]$   (式37)；

$q({ϵ}_d-1)=\overline{ϵ}-r({ϵ}_{\infty }-1)$   (式38)；

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：

$w=\frac{{\mathrm{r\rho }}_w}{{\mathrm{r\rho }}_w+{\mathrm{q\rho }}_d}=\frac{r}{r+q({ϵ}_d-1)\frac{{\rho }_d}{({ϵ}_d-1){\rho }_w}}=\frac{r}{r+H[\overline{ϵ}-r({ϵ}_{\infty }-1)]}$   (式39)；

(式39)中对于特定物料是无量纲常数，可以通过系统标定 得到其数值；

第四步：进行系统标定，

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r₀和q₀(ε_d-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/T 12087-2008《淀粉水分测定烘箱法》国家标准 测试方法)测得其准确含水率W₀；根据(式39)，可解得：

$H=(\frac{1}{W_0}-1)\frac{r_0}{q_0({ϵ}_d-1)}$   (式40)；

经过标定后，微波雷达测水仪即可以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α_i、β_i，再由(式25)(式26)计算ε_ci’、 ε_ci”，之后由(式36)、(式37)计算和r，最后根据(式39)得到物料含水 量。

在上述结构中，还包括设置在机架底座上的一体化机架，微波雷达主机安装 在一体化机架上，数据处理终端也安装在一体化机架上。

优选的，机架底座开有凹槽，信标器和信标器的信标器天线都设置在凹槽内。

信标器要实现接收透射待测物料样品后的微波信号，并将接收到的微波信号 进行调制形成信标信号，并将信标信号发射到微波雷达主机，因此优选的所述信 标器包括电池、开关驱动器B、方波振荡器、反射式微波单刀单掷开关、匹配负 载，电池均与开关驱动器B、方波振荡器供电连接，开关驱动器B与反射式微波 单刀单掷开关进行驱动连接，方波振荡器与开关驱动器B匹配连接，反射式微波 单刀单掷开关与匹配负载匹配连接，反射式微波单刀单掷开关还与信标器的信标 器天线连接。

优选的，所述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。

优选的，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 参考时钟信号给数据处理终端。

优选的，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。

优选的，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，接收天线接收信标器发送的信标信号，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给数据处理终端，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给数据处理终端。

本发明的优点如下：本发明采用的微波雷达透射式测水方案是一种非接触式 测水方案，测试过程中待测物料只需处于雷达波束照射空间范围内即可，无需与 测试仪器接触，对物料的精确形状、尺寸及运动状态没有特别要求，可作为在各 种工业应用场合对多种物料含水量进行测试的通用方法。本发明的数据处理方法 是基于包含物料介质、水和空气3种成分混合介质的复介电常数模型和水的介电 弛豫模型，采用双频测试并充分利用雷达信号的幅度和相位信息，测试误差可达 0.1％以下，并且测试精度不受物料中空气含量的影响，对于纤维、谷物、药材等 疏松物料具有良好的测试精度和一致性。本发明的微波雷达透射式测水方案系统 校准十分简单，对一类物料样品只需进行一次校准测试，对校准测试的样品的形 状、尺寸、密度无特殊要求。本发明微波雷达透射式测水方案，测试结果是被测 物料的平均体含水率(重量比)，与传统的微波谐振腔等测试方法仅测试物料表 层含水率相比，能更准确地反映被测物料含水情况，可适应更广泛的测试应用要 求。本发明测试速度很快，一次测试时间小于1ms，可满足对传送状态下的物料 含水量的快速、实时和在线测试需求。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为微波雷达主机电路框图。

图3为信标器的电路框图。

图中的附图标记分别表示为：1、微波雷达主机，2、微波雷达天线，3、信 标器，4、信标器天线，5、数据处理终端，6、一体化机架，7、机架底座，8、 待测物料样品。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式 不限于此。

实施例1：

如图1所示，雷达型微波测水仪器的测试方法，包括机架底座7、微波雷达 主机1、信标器3、数据处理终端5，

机架底座7：用于放置待测物料样品8；

微波雷达主机1：用于发射连续单频微波信号用以透射待测物料样品8，并 接收信标器3发射的信标信号，并将输出数据发送给数据处理终端5；

信标器3：用于接收透射待测物料样品8后的微波信号，并将接收到的微波 信号进行调制形成信标信号，并将信标信号发射到微波雷达主机1；

数据处理终端：数据处理终端输出频率选择信号给微波雷达主机1，微波雷 达主机1根据频率选择信号输出相应频率的连续单频微波信号，数据处理终端还 用于接收微波雷达主机1的输出数据并计算出待测物料样品的含水量。

所述输出数据包括参考时钟信号、连续单频微波信号的功率检测信号，还包 括连续单频微波信号与信标信号进行正交混频后输出的中频同相分量，还包括连 续单频微波信号与信标信号进行正交混频后输出的中频正交分量。

根据上述各个装置，本发明的工作原理是：待测物料样品放置在微波雷达主 机和信标器之间，测试时，在数据处理终端控制下，雷达发射依次发射两个频率 的连续单频微波信号，连续单频微波信号透射待测物料样品后，连续单频微波信 号被信标器3接收后进行调制形成信标信号，信标器3并转发信标信号，信标信 号透射待测物料样品后被微波雷达主机接收，微波雷达主机每次接收到信标信号 后，分别测试信标信号相对于连续单频微波信号的同相分量(I)和正交分量(Q) 的幅度，并将I、Q幅度信息传输到数据处理终端5进行处理。数据处理终端5 中，基于包含物料介质、水和空气3种成分混合介质的复介电常数模型和水的介 电弛豫模型，利用两个连续单频微波信号频率上的I、Q幅度信息和预存的系统 校准参数，处理得到混合介质中物料介质和水重量比，从而得到物料体含水量， 即水的重量占含水物料重量百分比，测试精度可达0.1％。

如图1所示，从结构上来说：微波雷达主机位于机架底座7正上方，信标器 3位于微波雷达主机的正下方，信标器3设置在机架底座7上，微波雷达主机1 的微波雷达天线2面向机架底座，信标器3的信标器天线4面向微波雷达主机， 数据处理终端5的频率选择信号输出端与微波雷达主机1的频率选择信号端连 接，微波雷达主机1的输出数据端与数据处理终端5的数据输入端连接。在上述 结构中，还包括设置在机架底座7上的一体化机架6，微波雷达主机安装在一体 化机架6上，数据处理终端5也安装在一体化机架6上。优选的，机架底座7 开有凹槽，信标器3和信标器3的信标器天线4都设置在凹槽内。

如图3所示：信标器3要实现接收透射待测物料样品8后的微波信号，并将 接收到的微波信号进行调制形成信标信号，并将信标信号发射到微波雷达主机 1，因此优选的所述信标器3包括电池、开关驱动器B、方波振荡器、反射式微 波单刀单掷开关、匹配负载，电池均与开关驱动器B、方波振荡器供电连接，开 关驱动器B与反射式微波单刀单掷开关进行驱动连接，方波振荡器与开关驱动器 B匹配连接，反射式微波单刀单掷开关与匹配负载匹配连接，反射式微波单刀单 掷开关还与信标器3的信标器天线4连接。

如图2所示，优选的，所述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。优选的，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给数据处理终端。优选的，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。优选的，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，接收天线接收信标器3发送的信标信号，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给数据处理终端，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给数据处理终端。微 波雷达天线2包括上述的接收天线和发射天线。

雷达型微波测水仪器的测试方法的含水量测算方法为：

第一步：测算出微波雷达天线2和信标器天线4出口面之间的距离为R，R 可以准确测定。

第二步：校准测试得到无量纲系统常数。

校准测试的具体步骤如下：

在没有物料样品时，微波雷达主机1依次发射的频率f₁和f₂(f₁<f₂)的微波信 号进行校准测试。设频率为f_i(i＝1,2)时，微波雷达发射功率为P_ti，微波雷达 天线2的天线增益G_i，信标器天线4的天线增益为G_ai，微波雷达收到的信标信号的 同相分量和正交分量幅度分别为I_i和Q_i，则：

I_i＝A_i cosΦ_i   (式1)；

Q_i＝A_i sinΦ_i   (式2)；

其中A_i是接收的信标信号幅度的绝对值，Φ_i是信标信号相对于发射信号的相 位，并有：

$A_i^2=P_{ti}\frac{G_i^2{G}_{ai}^2{\lambda }_{0i}^4}{{\left(4\pi R\right)}^4}{L}_{0i}{Z}_0$   (式3)；

${\Phi }_i={\Phi }_{0i}-\frac{4\pi }{{\lambda }_{0i}}R$   (式4)；

式中，λ_0i是频率为f_i的电磁波的真空波长，L_0i、Φ_0i分别是频率f_i上系统固 有损耗因子和传输相位，Z₀＝50Ω是传输线特性阻抗。

发射信号通过耦合器耦合部分功率，检波产生监测电压V_i为：

$V_i=k_i\sqrt{Z_0{P}_{ti}}$   (式5)；

k_i是比例系数。

于是可得：

$\frac{I_i}{V_i}=\frac{G_i{G}_{ai}{\lambda }_{0i}^2}{k_i{\left(4\pi R\right)}^2}\sqrt{L_{0i}}{\mathrm{cos\Phi }}_i$   (式6)；

$\frac{Q_i}{V_i}=\frac{G_i{G}_{ai}{\lambda }_{0i}^2}{k_i{\left(4\pi R\right)}^2}\sqrt{L_{0i}}{\mathrm{sin\Phi }}_i$   (式7)；

当系统为宽带设计，并且f₁和f₂满足：

$|f_1-f_2|<<\frac{f_1+f_2}{2}$   (式8)；

则近似有k₁＝k₂＝k，L₀₁＝L₀₂＝L₀，Φ₀₁＝Φ₀₂＝Φ₀，

对一般天线有：

$G_i=\frac{4\pi A}{{\lambda }_{0i}^2}$   (式9)；

$G_{ai}=\frac{4{\mathrm{\pi A}}_a}{{\lambda }_{0i}^2}$   (式10)；

其中，A、A_a分别是雷达天线和信标器天线的有效面积，在系统工作频带内 近似为常量。

故近似有：

$x_i=\frac{I_i}{V_i}=k_0\frac{R^2}{{\lambda }_{0i}^2}cos({\Phi }_0-\frac{4\pi R}{{\lambda }_{0i}})$   (式11)；

$y_i=\frac{Q_i}{V_i}=k_0\frac{R^2}{{\lambda }_{0i}^2}sin({\Phi }_0-\frac{4\pi R}{{\lambda }_{0i}})$   (式12)；

其中$k_0=\frac{\sqrt{L_0}{\mathrm{AA}}_a}{{\mathrm{kR}}^4}$是无量纲系统常数。

第三步：待测物料样品测定，求出。

待测物料样品测定的具体步骤如下：当放置有待测物料样品后，同样在频率 f₁和f₂进行两次测试，在频率f_i时雷达接收到的信标信号的同相分量和正交分量 幅度分别为I_i’和Q_i’，类似可得：

$X_i=\frac{I_i^{\prime }}{V_i}=k_0\frac{R^2}{{\lambda }_{0i}^2}{e}^{-2{\alpha }_{i}R}cos({\Phi }_0-2{\beta }_{i}R)$   (式13)；

$Y=\frac{Q_i^{\prime }}{V_i}=k_0\frac{R^2}{{\lambda }_{0i}^2}{e}^{-2{\alpha }_{i}R}sin({\Phi }_0-2{\beta }_{i}R)$   (式14)；

式中，β_i、α_i分别是存在物料样品时频率为f_i的电磁波在空间的复传播常 数γ_i的实部和虚部，并有：

${\gamma }_i={\beta }_i+{\mathrm{j\alpha }}_i=\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}{({ϵ}_{ci}^{\prime }-{\mathrm{jϵ}}_{ci}^{\prime \prime })}^{\frac{1}{2}}$   (式15)；

式中ε_ci’、ε_ci”和分别是有物料样品情况下，频率为f_i时，电磁波传播路 径上介质复介电常数的实部和虚部。

根据已知量x_i、y_i、X_i和Y_i可以解出α_i：

${\alpha }_i=\frac{1}{2R}ln\frac{x_i^2+y_i^2}{X_i^2+Y_i^2}$   (式16)；

并求得：

$cos(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}-{\beta }_i)2R=\frac{X_i^{\prime }{x}_i+Y_i^{\prime }{y}_i}{x_i^2+y_i^2}$   (式17)；

$sin(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}-{\beta }_i)2R=\frac{Y_i^{\prime }{x}_i-X_i^{\prime }{y}_i}{x_i^2+y_i^2}$   (式18)；

设角度φ_i(0≤φ_i＜2π)满足${\mathrm{cos\phi }}_i=\frac{X_i^{\prime }{x}_i+Y_i^{\prime }{y}_i}{x_i^2+y_i^2}$和${\mathrm{sin\phi }}_i=\frac{Y_i^{\prime }{x}_i-X_i^{\prime }{y}_i}{x_i^2+y_i^2},$则 有：

$(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}-{\beta }_i)2R={\phi }_i-2n_i\pi$   (式19)；

n_i是某一正整数。

故有：

${\beta }_i=\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}+\frac{2n_i\pi -\phi }{2R}$   (式20)；

在满足(式8)条件下，近似可认为电磁波在频率f₁和f₂上群速相等，电磁波 传输时间也相等，设二者分别v_g为和τ_d：

${\tau }_d=\frac{2R}{v_g}=\frac{2R}{v_g}=\frac{R}{\pi }\frac{{\beta }_1-{\beta }_2}{f_1-f_2}=\frac{2R}{C}+\frac{2m\pi +{\phi }_1-{\phi }_2}{2\pi (f_2-f_1)}$   (式21)；

(式21)中C是空气中的光速。

当满足条件：

$|f_1-f_2|<\frac{C}{2R\sqrt{|{ϵ}_c{|}_{max}}}$   (式22)；

时，(式21)中m取值满足：

$m=\left(\begin{array}{cc}0& ({\phi }_1>{\phi }_2)\\ 1& ({\phi }_1\le {\phi }_2)\end{array}\right)$   (式23)；

(式22)中|ε_c|_max是含水物料在频率f₁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τ_d后，可得n_i的取值为：

n₁＝fix(f₁τ_d)，n₂＝n₁+m   (式24)；

(式24)代入(式20)可以求得β_i。根据(式15)，求出ε_ci’、ε_ci”：

${ϵ}_{ci}^{\prime }={\left(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}\right)}^{-2}({\beta }_i^2-{\alpha }_i^2)$   (式25)；

${ϵ}_{ci}^{\prime \prime }=2{\left(\frac{2\pi }{{\lambda }_{0i}}\right)}^{-2}{{\beta }_i\alpha }_i$   (式26)；

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：

ε'_ci-jε_ci″＝pε_a+qε_d+rε_wi   (式27)；

式中ε_a、ε_d、ε_wi分别是空气、干燥物料和水的介电常数，ε_a＝1，p+q+r＝1。 通常干燥物料没有介电损耗，故ε_d为正实数。

于是：

ε'_ci-1-jε_ci″＝q(ε_d-1)+r(ε_wi-1)   (式28)；

根据水的介电弛豫模型，水的介电常数为：

${ϵ}_{wi}={ϵ}_{wi}^{\prime }-{\mathrm{jϵ}}_{wi}^{\prime \prime }={ϵ}_{\infty }+\frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+j2{\mathrm{\pi f}}_i\tau }$   (式29)；

其中ε_s＝80和ε_∞＝4.9分别是水的直流和无限高频率介电常数。τ是水的介 电弛豫时间，纯水τ＝2×10^-11s，对含在不同物料中的水τ具有不同的值。ε_wi的实部和虚部分别为：

${ϵ}_{wi}^{\prime }={ϵ}_{\infty }+\frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+{\left(2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \right)}^2}$   (式30)；

${ϵ}_{wi}^{\prime \prime }=\frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+{\left(2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \right)}^2}2{\mathrm{\pi f}}_i\tau$   (式31)；

设

$\overline{ϵ}=q({ϵ}_d-1)+r({ϵ}_{\infty }-1)$   (式32)；

根据(式28)实部和虚部分别相等，并将(式29)、(式32)代入，可得：

${ϵ}_{ci}^{\prime }-1-\overline{ϵ}=r({ϵ}_{wi}^{\prime }-{ϵ}_{\infty })=r\frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+{\left(2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \right)}^2}$   (式33)；

${ϵ}_{ci}^{\prime \prime }={\mathrm{rϵ}}_w^{\prime \prime }=2{\mathrm{\pi rf}}_i\tau \frac{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}{1+{\left(2{\mathrm{\pi f}}_i\tau \right)}^2}$   (式34)；

由(式33)、(式34)得到：

$\frac{{ϵ}_{ci}^{\prime }-1-\overline{ϵ}}{{ϵ}_{ci}^{\prime \prime }}=2{\mathrm{\pi f}}_i\tau$   (式35)；

根据(式35)，消去参数τ可得：

$\overline{ϵ}=\frac{{ϵ}_{c1}^{\prime }-{\mathrm{bϵ}}_{c2}}{1-b}-1$   (式36)；

(式36)中$b=\frac{f_1{ϵ}_{c1}^{\prime \prime }}{f_2{ϵ}_{c2}^{\prime \prime }}.$

代入到(式35)，求出2πf_iτ，并代入(式33)求出r；r代入(式32)求出 q(ε_d-1)：

$r=\frac{{ϵ}_{ci}^{\prime \prime }-1-\overline{ϵ}}{{ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }}[1+{\left(\frac{{ϵ}_{ci}^{\prime }-1-\overline{ϵ}}{{ϵ}_{ci}^{\prime \prime }}\right)}^2]$   (式37)；

$q({ϵ}_d-1)=\overline{ϵ}-r({ϵ}_{\infty }-1)$   (式38)；

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：

$w=\frac{{\mathrm{r\rho }}_w}{{\mathrm{r\rho }}_w+{\mathrm{q\rho }}_d}=\frac{r}{r+q({ϵ}_d-1)\frac{{\rho }_d}{({ϵ}_d-1){\rho }_w}}=\frac{r}{r+H[\overline{ϵ}-r({ϵ}_{\infty }-1)]}$   (式39)；

(式39)中对于特定物料是无量纲常数，可以通过系统标定 得到其数值。

第四步：进行系统标定，

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r₀和q₀(ε_d-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/T 12087-2008《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W₀。根据(式39)，可解得：

$H=(\frac{1}{W_0}-1)\frac{r_0}{q_0({ϵ}_d-1)}$   (式40)；

经过标定后，微波雷达测水仪即可以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α_i、β_i，再由(式25)(式26)计算ε_ci’、ε_ci”， 之后由(式36)、(式37)计算和r，最后根据(式39)得到物料含水量。

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f₁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f₁、f₂相差通常小于 100MHz，而(f₁+f₂)/2一般采用20GHz以上频段，相对工作带宽小于0.5％，因此 该假设引入的误差可以忽略。

为了达到0.1％以上的测试精度，雷达测量的各信号分量应具备1％以上的幅度 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40dB 以上的信噪比，这可以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＝1m，接收噪声系数3dB,接收机噪声带宽50kHz，为保证该信 噪比所需发射功率小于1mW。同时，雷达发射信号频率应具有由于10^-5以上准确度 和稳定度。

雷达型微波测水仪器的测试方法的工作方法可以采用以下步骤：

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；

2、参考(式8)、(式22)选择雷达工作频率f₁、f₂，考虑到系统工作带 宽，f₁、f₂般取Ku频段以上；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10～100kHz；

3、根据安装使用要求，设计雷达天线和信标器天线形式，通常选用喇 叭天线，天线增益10～15dB；

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 40dB。具体设计可参考雷达系统方程；

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；

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；

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；

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；

9、进行软硬件系统集成，完成雷达型微波测水仪系统构建。

如上所述，则能很好的实现本发明。