大型厂房仓储粮食水分布的电磁波感应理论与方法研究

绪论1.1 课题来源本课题来源于十一五;国家科技支撑计划项目网络化多功能粮情监控集成技术和系统研究开发;，项目编号：2006BAD08B01-0。1.2 课题研究的目的和意义中国是人口大国，同时也是产粮大国和粮食消费大国。中国需要用占全球7%的耕地养活占世界 22%的人口，因此保持一定的粮食产量增长和粮食储藏数量，不仅事关中国的经济发展和社会稳定，而且对世界也会造成重大影响。由于我国粮食供应长期处于紧平衡现实，保持一定的粮食储量，是我国的一项需长期坚持的基本国策。我国的粮食储藏与国外相比具有储量大、储期长的特点，使得粮食储藏安全问题成为粮食安全的一个突出问题。保证粮食储藏安全，要求对粮食的储存现实（简称粮情）能够进行实时有效地监测，其中储粮水分的监测尤为重要[1]。及时准确的水分监测，可以使管理者及时采取通风措施，使粮食水分保持在一个合理水平上，以防粮食生虫霉变。目前我国的储粮水分监测仍大多采用了抽样检测的方法，不能正确反映整仓粮堆的水分分布情况，往往造成储粮的巨大损失[2]。储粮水分的检测技术一直是粮食储藏科技的研究热点，之前的不少研究者做了很多有价值的工作[3-15]，但多数研究都是基于粮食取样或者布置水分传感器来采集数据。粮食取样的缺点是样本有限致使代表性不足，且检测耗费时间长等；布置传感器的缺点是存在线路复杂且易老化或损坏、测量精度漂移等。要想实现便捷、无损、准确的实时监测还需提出新的解决方案。水分监测存在的上述问题，严重影响了我国的粮食储藏安全，也对粮食储藏的信息化建设产生了不利影响甚至阻碍。针对这一问题，本文综合考虑了现有技术水平、我国粮库管理的实际等各方面的因素，提出了基于甚高频电磁波(30MHz～300MHz)探测技术的粮堆水分探测方案。该方案能够在探测粮仓储粮水分含量这一最重要的指标上满足一些传统方法难以满足的要求。本项目前期的大量文献调研[16-21]和实验工作已经证明：运用电磁波探测技术进行储粮水分含量探测不仅是可行的，而且能够解决目前的探测技术存在的各种问题，实际应用的效果将明显优于传统方法。电磁波探测粮堆水分含量面临的主要问题是缺乏相关理论和应用方面的研究，主要是理论方面的研究。通过电磁波探测粮堆实现水分探测是一个新事物，如电磁波在不同结构的粮堆中的传播特性、不同种类粮食的介电特性、粮堆的介电水分模型等都是面临的新问题。解决这些问题需要做大量深入的理论研究。本项目所提出的基于电磁波探测的粮仓储粮水分含量探测技术，不仅融合了电磁波传播理论、雷达技术、信号与信息处理技术、图像处理技术，也兼顾了具体的应用需求和现有粮堆水分探测已取得的成果，很好地解决了粮堆水分探测平台的便捷性、灵活性、低成本性、高效性、高可靠性这些关键问题，为粮堆水分探测的自动化、网络化、信息化开拓了一个新的途径。以下从储粮水分探测技术和电磁波探测水分的技术两个方面来分析目前该领域的研究进展，从而明确研究的内容和方案。1.3 国内外研究概况1.3.1 国内研究概况由于建立战略储备粮是我国一项基本国策，粮堆水分含量是粮食储藏的一个重要指标，因此粮食水分的检测技术在国内得到了深入的研究[10，12，13，15，17-21]。但目前应用较多的储粮水分检测方法仍是抽样检测法，个别粮库在仓内实现了采用布置水分传感器获取数据，通过工业总线（如 485 总线、1-wire 总线等）传输数据，通过上位机处理数据获取粮堆内部不同区域水分信息。但使用水分传感器的问题主要有两个：一是需要多点布置，成本较高。由于粮仓装粮来源和装粮方式不同，造成粮堆中各处密度和水分含量不同，且粮堆是空气不流通的密闭空间，在粮堆中布置的水分传感器，只能探测到传感器附近粮堆水分，无法反映整个粮堆水分含量分布。要想精确反映粮堆内部水分含量分布，就需要增加水分传感器数量。以 21m×60m×6m(注：6m 为国标粮面高度)高大平房仓为例，按照 2002 年的国家粮食行业标准(LS/T 1203-2002),水分传感器每隔 5m×5m 布置，垂直方向布置 4 个，这样需要的传感器为 6×13×4=312 个。这就造成在仓内要布置大量线缆，造成传感器安装和线缆布置的困难，造成粮仓水分探测成本的增加。二是标定问题。由于需在粮堆中布置大量水分传感器，而湿敏元件参数都存在一定的分散性，无论进口或国产的传感器都需逐支调试标定。大多数传感器在更换湿敏元件后需要重新调试标定，对于测量精度比较高的水分传感器尤其重要。因此用于粮堆中的水分传感器的安装和维护将耗费巨大的人力物力。第 2 章 电磁波在粮堆中的传播特性的研究....................122.1 探仓雷达及其基本参数..................122.2 探仓雷达的粮仓探测方法..................222.3 高频电磁波在粮堆中的传播特性...................26第 3 章 粮堆介电常数的空间三维分布反演....................483.1 介电常数的雷达探测问题.................483.2 粮堆介电常数分布的逐层反演算法................503.3 相位比较法获取精确的初始反演参数................523.4 具体实现步骤...............55第 4 章 粮食电磁特性与介电-水分模型的研究................644.1 粮食的介电特性.................644.2 粮食介电特性的实验室测量.................674.3 粮食介电特性影响因素分析.................70总结本文结合我国粮食产后储备环节中对储粮水分检测的突出需求，开展新的大规模粮堆快速、精准水分检测技术的基础理论研究和技术研究，为建立新的快速、无损、精准水分检测方法提供科学、可靠的依据，为减少我国粮食产后损失，保障储备粮数量和质量安全提供提供技术支撑。本文所做的主要工作和创新性研究成果总结如下：（1）提出了适应粮仓介质体系结构的电磁波传播的正演模型和模型构建方法。研究了小波域内雷达杂波的滤波问题，提出了小波域内融合阈值算法滤除雷达回波中杂波的方法，实验表明，与传统小波滤波方法相比，本文提出的方法能够取得更好的滤波效果。（2）提出了基于逐层反演结合相位比较法获取精确修正因子的介电常数逐层反演模型，解决了粮库储粮内部介电常数空间分布的大范围测定问题。粮库现场测试结果表明，该方法不仅具有能够满足要求的测量精度，而且扩大了测量范围，提高了测量效率，而且更适宜内部深度探测。参考文献[1] 吴子丹.中国的粮情和调控[].粮食经济研究, 2005(1):4-9.[2] 范威.当前中央储备粮仓储工作需解决的几个问题[].粮油仓储科技通讯,2005(6):51-53.[3] Chari V,. andala, R.g.Leffler, S.O. Nelson, .C. Lawrence.http://sblunwen./ccgllw/CapacitanceSensors for Measuring Single ernal Moisture Content in Corn. Transactions of theASABE,30(3):0793-0797,1987.[4] 陆品桢.国内外水分测量技术及水分计发展概况[].分析仪器,1990(1):12.[5] 张仁标.LS 一 411 微量水分分析仪的设计[]．分析仪器．1993(4):26～30.[6] 李昌禧.新型红外线水分仪.自化仪表,1996(7):13～17.[7] 杜民.水分测定仪的综合研究及评述.中国仪器仪表,1996(2):8～10.[8] 滕召胜.水分检测技术及其智能信息处理方法的研究[D]．长沙,湖南大学,1997．[9] 杜民.新型水分快速测定仪的研究[].仪器仪表学报,I997,18(5):486～491．[10] 丁元明.粮食水分测量技术及水分发展概况.分析仪器,1997(2):5.