[发明专利]雷达型微波测水仪器的测试方法

权利要求书

1.雷达型微波测水仪器的测试方法，其特征在于：

包括构建雷达型微波测水仪器步骤；

雷达型微波测水仪器包括以下部件：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；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；

还包括如下测试步骤：

第一步：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；

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的微波信号进行校准测试，f₁<f₂；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：

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：

k_i是比例系数；

于是可得：

当系统为宽带设计，并且f₁和f₂满足：

则近似有k₁＝k₂＝k，L₀₁＝L₀₂＝L₀，Φ₀₁＝Φ₀₂＝Φ₀，

对天线有：

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：

其中是无量纲系统常数；

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’，可得：

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：

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：

并求得：

设角度满足和则有：

n_i是某一正整数；

故有：

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：

(式21)中C是空气中的光速；

当满足条件：

时，(式21)中m取值满足：

(式22)中的|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”：

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：

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：

设

根据(式28)实部和虚部分别相等，并将(式29)、(式32)代入，可得：

由(式33)、(式34)得到：

根据(式35)，消去参数τ可得：

(式36)中

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)：

根据干燥物料和水的体积比q：r，可得物料含水率w为：

(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，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测得其准确含水率W₀；根据(式39)，可解得：

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。