基于反射法和透射法相结合的储粮水份电磁波检测方法的研究

保持一定数量的粮食储备，直接关系国家安全、社会稳定与经济发展。由于我国粮食需求长期处于紧平衡状态，所需存粮数量大且存储期长。通过仓外检测及时掌握密封粮仓内储粮水份的变化以防储粮的霉变，是国家粮食储备中急需解决的问题。目前储粮水份检测主要是在仓内粮堆中布设大量水份传感器，该方法测量范围小、误差大，维护不易、成本高，尤其是对粮食的进出仓作业带来很大的不便。而在仓外对密封仓内储粮水份的大范围、动态测量的方法研究，国内外都极少展开。本项目针对这些问题，提出基于反射法和透射法相结合的新一代储粮水份电磁波检测方法。通过仓外大范围电磁波探测，采用基于虚拟介质层的层剥反演算法结合透射法获取的精确初始参数，建立电磁波在粮仓中传播的正演模型和粮堆介电常数空间分布模型，并最终实现粮堆水份分布的时空反演。该项目的研究工作，有可能发明新型的储粮水份信息感知和处理的新理论和新技术，必将大大推动我国粮食安全工作的进展。

提出了基于甚高频电磁波(30MHz～300MHz)探测的粮堆水份探测方法。该方法能够在探测粮仓储粮水份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，其具体研究内容和创新性成果如下：.(1)电磁波在储粮粮堆中传播特性的研究。从探地雷达的基本探测理论出发，结合粮仓的实际探测环境，探讨了其参数设置问题。针对电磁波在粮堆中传播的特性，主要研究电磁波在粮仓多层介质结构体系中传播的波动方程和反射折射特性，并在此基础上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。.(2)依据电磁波在介质中的折射和反射原理，提出了一种介电常数分层反演的迭代算法，算法中采用了相位比较法用来获取迭代式中所需的修正因子，使得介电常数测算结果优于土木工程中常用的介电常数测量方法。提出的方法解决了储粮粮堆内部介电常数的分布式测量问题，且测量结果与传统方法相比误差处在允许范围内。.(3)对粮食的介电特性作了深入的研究。以小麦为例，分析了影响小麦介电常数的各种因素，分别从小麦温度、检测频率及小麦水分含量对介电常数的影响三个方面做了深入的研究。结合平房仓储粮粮堆的特点，在大量实验的基础上，提出了两种介电常数和储粮水分关系的模型：小麦介电—水分非线性模型和变Q值法介电－水分线性模型，并着重研究了采用变Q值法得到的小麦介电-水分模型以及基于系统识别的改进的变Q值法介电-水分模型的构建过程。.(4)从电磁波层析成像的基本理论出发，分析研究了电磁波层析成像的走时层析和衰减层析两种模式。针对电磁波层析成像的正演方法，深入研究了基于射线理论的正演方法。讨论了多种射线追踪方法，特别讨论了对其中的波前法的改进——即采用走时方程进行折射点位置校正以提高追踪精度的方法。针对射线追踪应用于地面上粮仓目标测量时边界条件与地下目标不同的情况，利用FDTD仿真，分析电磁波的传播特性，特别是对初至波的判断和提取做了深入地分析。.所提出的基于电磁波探测的粮仓储粮水份含量(粮食水份)探测技术，有可能解决粮堆水份探测平台的便捷性、灵活性、低成本性、高效性、高可靠性这些关键问题，为国有大型粮仓水份探测的自动化、网络化、信息化开拓了一个新的途径，提升我国粮食储藏的科技水平。