部，并有：
[0076] 式中ε 、ε和分別是有物料樣品情況下，頻率為匕時(shí)，電磁波傳播路徑上介 質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。
[0077] 根據(jù)已知量X1J1Jjp 以解出α 1:
[0079] 并求得：
， ，
[0082] 設(shè)角度
滿足
U有：
[0084] 叫是某一正整數(shù)。
[0085] 故有：
[0087] 在滿足（式8)條件下，近似可認(rèn)為電磁波在頻率fJPf2上群速相等，電磁波傳輸 時(shí)間也相等，設(shè)二者分別Vg為和τ d:
[0089] (式21)中C是空氣中的光速。
[0090] 當(dāng)滿足條件：
[0092] 時(shí)，（式21)中m取值滿足：
[0094](式22) I ε是含水物料在頻率GSf2上復(fù)介電常數(shù)模值的最大值。根據(jù)（式 23)得到的m代入（式21)求得^后，可得η啲取值為：
[0096](式24)代入（式20)可以求得β i。根據(jù)（式15)，求出ε ci'、ε ci" ：
，
[0099] 設(shè)電磁波傳播空間的空氣、干燥物料和水的體積比分別為p :q :r，p+q+r = 1，則：
，
[0101] 式中ε a、ε d、ε wi分別是空氣、干燥物料和水的介電常數(shù)，ε產(chǎn)l，p+q+r = 1。通 常干燥物料沒有介電損耗，故ed為正實(shí)數(shù)。
[0102] 于是：
，
[0104] 根據(jù)水的介電弛豫模型，水的介電常數(shù)為：
，
[0106] 其中ε 80和ε "~4. 9分別是水的直流和無限高頻率介電常數(shù)。τ是水的 介電弛豫時(shí)間，純水τ~2X10 ns，對(duì)含在不同物料中的水τ具有不同的值。ε"的實(shí)部 和虛部分別為：
[0111] 根據(jù)（式28)實(shí)部和虛部分別相等，并將（式29)、（式32)代入，可得：
[0114]由（式 33)、（式 34)得到：
[0116] 根據(jù)（式35)，消去參數(shù)τ可得：
[0119] 代入到（式35)，求出Mfi τ，并代入（式33)求出r ;r代入（式32)求出 q( εd_l):
[0122] 根據(jù)干燥物料和水的體積比q :r，可得物料含水率w (重量比）為：
，
[0124] (式39)中
對(duì)于特定物料是無量綱常數(shù)，可以通過系統(tǒng)標(biāo)定得到其 數(shù)值。
[0125] 第四步：進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，
[0126] 系統(tǒng)標(biāo)定的具體做法如下：采用一塊含水的物料樣本（含水率不為零，可預(yù)先加 濕），先用本實(shí)用新型所述微波雷達(dá)測水儀進(jìn)行一次測試，由（式37)、（式38)得到r。和
。然后對(duì)該樣品采用水含量標(biāo)準(zhǔn)測試方法（依據(jù)GB/T462-2003《紙和紙板水份的 測定》或GB/T 12087-2008《淀粉水分測定烘箱法》等國家標(biāo)準(zhǔn)測試方法）測得其準(zhǔn)確含水 率W。。根據(jù)（式39)，可解得：
，
[0128] 經(jīng)過標(biāo)定后，微波雷達(dá)測水儀即可以用于該類物料含水率在線測試。其計(jì)算過程 為由（式16)、（式20)計(jì)算a P β i，再由（式25)(式26)計(jì)算ε ci'、ε ci"，之后由（式 36)、（式37)計(jì)算i和r，最后根據(jù)（式39)得到物料含水量。
[0129] 本實(shí)用新型提出的微波雷達(dá)測水?dāng)?shù)據(jù)處理方法是基于包含物料介質(zhì)、水和空氣3 種成分混合介質(zhì)的精確復(fù)介電常數(shù)模型和水的介電弛豫理論模型，具有理論上的精確性。 數(shù)據(jù)處理中唯一可能產(chǎn)生誤差的近似假設(shè)是認(rèn)為在校準(zhǔn)測試頻率fdP丨 2上系統(tǒng)具有相等 的固有損耗因子和傳輸相位。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)匕、&相差通常小于100MHZ，而（fi+f 2)/2-般 采用20GHz以上頻段，相對(duì)工作帶寬小于0. 5%，因此該假設(shè)引入的誤差可以忽略。
[0130] 為了達(dá)到0. 1 %以上的測試精度，雷達(dá)測量的各信號(hào)分量應(yīng)具備1 %以上的幅度 精度。為此，根據(jù)實(shí)際的測試距離R，需要保證雷達(dá)接收到的信標(biāo)信號(hào)具有40dB以上的信 噪比，這可以通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦走_(dá)發(fā)射功率來實(shí)現(xiàn)。一般對(duì)于20GHz工作頻率，測試距離R =lm，接收噪聲系數(shù)3dB，接收機(jī)噪聲帶寬50kHz，為保證該信噪比所需發(fā)射功率小于Iml 同時(shí)，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率應(yīng)具有由于10 5以上準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。
[0131] 用于測水儀器的微波雷達(dá)主機(jī)的工作方法可以采用以下步驟：
[0132] 1、根據(jù)應(yīng)用要求（物料尺寸、測水儀安裝空間等），確定所需的測試距離；
[0133] 2、參考（式8)、（式22)選擇雷達(dá)工作頻率f\、f2，考慮到系統(tǒng)工作帶寬，f\、&般 取Ku頻段以上；選擇信標(biāo)器開關(guān)調(diào)制頻率，其值應(yīng)遠(yuǎn)高于測試環(huán)境下樣品運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普 勒頻率，一般取10~IOOkHz ;
[0134] 3、根據(jù)安裝使用要求，設(shè)計(jì)雷達(dá)天線和信標(biāo)器天線形式，通常選用喇叭天線，天線 增益10~15dB ;
[0135] 4、根據(jù)步驟2確定的測試距離和步驟3所確定的天線增益，設(shè)計(jì)雷達(dá)發(fā)射功率、接 收噪聲系數(shù)和接收機(jī)噪聲帶寬，保證雷達(dá)接收的信標(biāo)信號(hào)信噪比大于40dB。具體設(shè)計(jì)可參 考雷達(dá)系統(tǒng)方程；
[0136] 5、根據(jù)步驟4所確定的雷達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)，按附圖2所示原理框圖構(gòu)建雷達(dá)主機(jī)；按照 附圖3構(gòu)建信標(biāo)器等部件；
[0137] 6、根據(jù)步驟2所確定的測試距離、測試樣品放置方式和操作顯示要求，設(shè)計(jì)一體 化機(jī)架；
[0138] 7、根據(jù)所述雷達(dá)型微波測水儀的工作原理和（式1)~（式40)的雷達(dá)測試數(shù)據(jù) 處理原理及系統(tǒng)標(biāo)定原理，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理軟件；
[0139] 8、根據(jù)雷達(dá)型微波測水儀操作顯示或測試應(yīng)用自動(dòng)控制要求，設(shè)計(jì)合理的人機(jī)操 作界面和與上位機(jī)及下位機(jī)的接口；
[0140] 9、進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)集成，完成雷達(dá)型微波測水儀系統(tǒng)構(gòu)建。
[0141] 如上所述，則能很好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 用于測水儀器的微波雷達(dá)主機(jī)，其特征在于：包括發(fā)射連續(xù)單頻微波信號(hào)的發(fā)射單 元、連續(xù)單頻微波信號(hào)的功率檢測單元、連續(xù)單頻微波信號(hào)與信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行正交混頻的正 交混頻單元。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測水儀器的微波雷達(dá)主機(jī)，其特征在于：所述發(fā)射單元 包括順次鏈接的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器A、單刀雙擲開關(guān)、定向耦合器A、發(fā)射天線；開關(guān)驅(qū)動(dòng)器A受頻 率選擇信號(hào)的控制，單刀雙擲開關(guān)受開關(guān)驅(qū)動(dòng)器A的控制，定向耦合器A接收單刀雙擲開關(guān) 的輸出信號(hào)生成連續(xù)單頻微波信號(hào)給發(fā)射天線，單刀雙擲開關(guān)還受鎖相頻率源A和鎖相頻 率源B的控制，鎖相頻率源A和鎖相頻率源B都接收晶體振蕩器的振動(dòng)信號(hào)，晶體振蕩器同 時(shí)發(fā)送參考時(shí)鐘信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測水儀器的微波雷達(dá)主機(jī)，其特征在于：功率檢測單元 包括順次鏈接的定向親合器B、檢波器、放大器，定向親合器B接收發(fā)射單元的連續(xù)單頻微 波信號(hào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測水儀器的微波雷達(dá)主機(jī)，其特征在于：正交混頻單元 包括順次鏈接的接收天線、低噪聲放大器、正交混頻器，正交混頻器與發(fā)射單元或功率檢測 單元連接，正交混頻器輸出一路依次連接中頻濾波器A、中頻放大器A，正交混頻器輸出另 一路依次連接中頻濾波器B、中頻放大器B。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了用于測水儀器的微波雷達(dá)主機(jī)，包括發(fā)射連續(xù)單頻微波信號(hào)的發(fā)射單元、連續(xù)單頻微波信號(hào)的功率檢測單元、連續(xù)單頻微波信號(hào)與信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行正交混頻的正交混頻單元。本實(shí)用新型測試過程中待測物料只需處于雷達(dá)波束照射空間范圍內(nèi)即可，無需與測試儀器接觸，對(duì)物料的精確形狀、尺寸及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有特別要求，可作為在各種工業(yè)應(yīng)用場合對(duì)多種物料含水量進(jìn)行測試的通用方法。本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)處理方法是基于包含物料介質(zhì)、水和空氣3種成分混合介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)模型和水的介電弛豫模型，采用雙頻測試并充分利用雷達(dá)信號(hào)的幅度和相位信息，測試誤差可達(dá)0.1％以下，并且測試精度不受物料中空氣含量的影響，對(duì)于纖維、谷物、藥材等疏松物料具有良好的測試精度和一致性。
【IPC分類】G01N22/04
【公開號(hào)】CN204882407
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520424102
【發(fā)明人】陽安源, 張曉東
【申請(qǐng)人】四川萊源科技有限公司
【公開日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月18日