基于多传感器融合的机制砂含水率检测方法及系统与流程

本发明涉及砂石检测，尤其涉及基于多传感器融合的机制砂含水率检测方法及系统。

背景技术：

1、现有机制砂含水率检测多采用单一传感器检测模式，近红外光谱检测易受石粉结合水信号干扰，无法有效分离自由水与结合水的响应特征，检测结果存在固定偏差；微波频偏检测易受物料孔隙结构与水分分布不均影响，信号稳定性不足，难以精准反映物料真实含水率。

2、单一电容层析成像仅能获取整体介电分布信息，无法解析自由水空间占有率与分布均匀性，石粉吸附作用对介电信号的干扰未得到校正，多源检测信号未实现协同融合与迭代反演，检测精度与检测效率均无法达到机制砂含水率在线检测的技术要求，因此如何提升机制砂含水率的检测效率，成为了亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供基于多传感器融合的机制砂含水率检测方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供的基于多传感器融合的机制砂含水率检测方法，包括：

3、s01、基于近红外光谱中水分子吸收波段处的峰谷比值，将频偏响应序列分离为自由水主导分量与石粉结合水干扰分量；

4、s02、基于机制砂物料的孔隙几何约束与所述自由水主导分量，对电容层析图进行连通域解析，得到自由水的体积占有率与分布均匀性指数；

5、s03、将所述体积占有率与所述分布均匀性指数作为先验约束，对所述石粉结合水干扰分量与所述近红外光谱进行联合迭代反演，得到石粉吸附系数与孔隙水滞留比例；

6、s04、根据所述石粉吸附系数与所述孔隙水滞留比例，生成自由水介电分布，并将加权积分后的自由水介电分布作为所述机制砂物料的含水率。

7、在一个优选的实施方式中，在所述基于近红外光谱中水分子吸收波段处的峰谷比值，将频偏响应序列分离为自由水主导分量与石粉结合水干扰分量之前，还包括：

8、向机制砂物料施加稳定电容激励，得到所述机制砂物料的电容层析图；

9、对所述机制砂物料进行宽频微波扫频检测，并追踪微波频点的偏移变化，得到所述机制砂物料的频偏响应序列；

10、对所述机制砂物料进行吸收峰谷扫描，得到所述机制砂物料的近红外光谱。

11、在一个优选的实施方式中，所述基于近红外光谱中水分子吸收波段处的峰谷比值，将频偏响应序列分离为自由水主导分量与石粉结合水干扰分量，包括：

12、在水分子吸收波段处，提取所述近红外光谱中吸收峰极值与吸收谷极值的幅度比值；

13、基于所述幅度比值，对所述频偏响应序列进行加权介电相位分割，得到所述频偏响应序列的自由水主导分量；

14、对分割后的残余频偏响应序列进行残留谱线陷波滤除，得到所述频偏响应序列的石粉结合水干扰分量，其中陷波中心频率对准石粉吸附水的特征弛豫频点。

15、在一个优选的实施方式中，所述基于所述幅度比值，对所述频偏响应序列进行加权介电相位分割，得到所述频偏响应序列的自由水主导分量，包括：

16、将所述频偏响应序列解调为连续相位轨迹；

17、将所述幅度比值作为乘法加权因子，对所述连续相位轨迹进行相干乘积检波，得到幅度包络信号；

18、基于自由水分子弛豫频点，提取所述幅度包络信号的带通滤波有效分量，并将所述带通滤波有效分量作为自由水主导分量。

19、在一个优选的实施方式中，所述基于机制砂物料的孔隙几何约束与所述自由水主导分量，对电容层析图进行连通域解析，得到自由水的体积占有率与分布均匀性指数，包括：

20、基于水-砂介电常数差异，对所述电容层析图进行二值化划分后，逐像素标记划分后的电容层析图中归属同一水团簇的初始连通域，得到所述电容层析图的原始水团簇图斑；

21、基于所述机制砂物料的颗粒直径，删除所述原始水团簇图斑中小于颗粒间隙尺寸阈值的伪连通域，得到候选自由水连通域；

22、将所述自由水主导分量的空间幅值作为生长优先级，合并所述候选自由水连通域临近的高幅值像素，得到自由水区域图；

23、将所述自由水区域图的像素总面积与检测场域截面总面积的比值作为自由水的体积占有率，对所述自由水区域图中各连通域的质心分布进行空间离散度评估，得到所述自由水的分布均匀性指数。

24、在一个优选的实施方式中，所述对所述自由水区域图中各连通域的质心分布进行空间离散度评估，得到所述自由水的分布均匀性指数，包括：

25、定位所述自由水区域图中每个连通域的质心坐标点；

26、基于所有质心坐标点，求取全场域质心汇聚中心；

27、对所述质心坐标点与所述全场域质心汇聚中心之间的欧氏距离进行偏差累加，对累加后的数值取倒数并归一化，得到所述自由水的分布均匀性指数。

28、在一个优选的实施方式中，所述将所述体积占有率与所述分布均匀性指数作为先验约束，对所述石粉结合水干扰分量与所述近红外光谱进行联合迭代反演，得到石粉吸附系数与孔隙水滞留比例，包括：

29、基于所述体积占有率，从近红外光谱中剥离水分子吸收基线漂移，得到石粉响应净光谱；

30、依据弛豫时间差异，从所述石粉结合水干扰分量中分离出特征主峰，并对所述特征主峰进行弛豫幅值追踪，得到所述特征主峰的弛豫衰减向量；

31、基于所述弛豫衰减向量的维度数目，对所述石粉响应净光谱进行等间距重采样坐标投影，得到所述石粉响应净光谱的极化响应向量；

32、将所述分布均匀性指数作为迭代投影系数，对所述极化响应向量与所述弛豫衰减向量进行正则化迭代匹配，并记录匹配误差的范数变化，当范数变化率低于预设收敛阈值时，结束迭代；

33、对最终收敛的耦合参数集进行物理解耦分离，得到石粉吸附系数与孔隙水滞留比例。

34、在一个优选的实施方式中，所述对所述极化响应向量与所述弛豫衰减向量进行正则化迭代匹配，并记录匹配残差向量的范数变化，当范数变化率低于预设收敛阈值时，结束迭代，包括：

35、计算迭代步长：

36、；

37、式中，为所述迭代步长，为所述分布均匀性指数，为第次匹配的匹配残差向量，为欧几里得范数，为当前迭代次数，为第次匹配的匹配残差向量，为上一次迭代次数，初始迭代残差预设为1；

38、对当前投影方向向量与所述迭代步长进行乘积累加，得到更新后投影系数；

39、基于所述更新后投影系数，对所述弛豫衰减向量进行系数加权重构，得到所述弛豫衰减向量的投影重构向量；

40、提取所述极化响应向量与所述投影重构向量的匹配残差向量，并记录所述匹配残差向量的范数变化率；

41、当所述范数变化率低于预设收敛阈值时，终止迭代。

42、在一个优选的实施方式中，所述根据所述石粉吸附系数与所述孔隙水滞留比例，生成自由水介电分布，并将加权积分后的自由水介电分布作为所述机制砂物料的含水率，包括：

43、基于所述石粉吸附系数，逐像素线性扣减所述电容层析图的介电幅值，得到校正电容响应场；

44、基于所述孔隙水滞留比例，对所述校正电容响应场进行空间加权补偿，得到自由水介电分布；

45、对所述自由水介电分布进行归一化积分，并代入预设的介电常数-含水率转换表，得到所述机制砂物料的含水率。

46、为了解决上述问题，本发明还提供基于多传感器融合的机制砂含水率检测系统，所述系统包括：

47、水分分离模块，用于基于近红外光谱中水分子吸收波段处的峰谷比值，将频偏响应序列分离为自由水主导分量与石粉结合水干扰分量；

48、分布解析模块，用于基于机制砂物料的孔隙几何约束与所述自由水主导分量，对电容层析图进行连通域解析，得到自由水的体积占有率与分布均匀性指数；

49、吸附反演模块，用于将所述体积占有率与所述分布均匀性指数作为先验约束，对所述石粉结合水干扰分量与所述近红外光谱进行联合迭代反演，得到石粉吸附系数与孔隙水滞留比例；

50、含水率解算模块，用于根据所述石粉吸附系数与所述孔隙水滞留比例，生成自由水介电分布，并将加权积分后的自由水介电分布作为所述机制砂物料的含水率。

51、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

52、1.本发明依托近红外光谱与频偏响应序列的协同处理，可精准分离自由水主导分量与石粉结合水干扰分量，结合机制砂孔隙几何约束完成电容层析图连通域解析，稳定获取自由水体积占有率与分布均匀性指数，为含水率检测构建精准的先验约束基础，让检测数据更贴合物料真实水分状态。

53、2.本发明以自由水分布参数为约束开展联合迭代反演，能准确解算石粉吸附系数与孔隙水滞留比例，据此生成真实的自由水介电分布并完成加权积分解算，直接输出机制砂含水率，简化多传感器数据融合的处理流程，显著提升检测效率，同时消除石粉吸附与孔隙结构带来的检测干扰，保障含水率检测结果的稳定性与可靠性。