盧福明臺灣大學：生物產業機電工程學研究所楊宗淇Yang, Tsung-ChiTsung-ChiYang2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52888本研究的目的為運用透地雷達電磁波非破壞性探測系統偵測穀倉內異物之可行性。本研究選用4種不同頻率(900、400、350和100MHz)的雷達天線，以桃園縣蘆竹鄉農會之穀倉為實驗場地，分析的異物種類包括:鐵櫃、木箱和稻殼包。由於鐵櫃跟稻穀之介電常數相差最大，所以雷達接收訊號圖中以鐵櫃之訊號最為明顯，木箱跟稻殼包之訊號雖弱但也能偵測出來。在相同主機量測參數條件下，頻率較低之天線會有較強之訊號反應，其訊號衰減較小。此結果指出本研究所發展的透地雷達電磁波探測系統可以應用在穀倉內異物之偵測作業。The objective of this research was to study the feasibility of applying non-destructive ground penetrating radar system to detect foreign objects in the paddy warehouses. Four types of antennas (frequency: 900, 400, 350, and 100MHz) were adopted to detect foreign objects of iron box, wood box, and rice husk that were buried in paddy warehouse located in Lu-Chu Farmer’s Association, Taoyuan, Taiwan. The difference of dielectric constants among foreign objects and paddy contributed respectively highest, higher and lower radar reflecting signals for iron box, wood box, and rice husk. The ground penetrating radar system developed in this study reveals the potential of detecting foreign objects in the paddy warehouses目錄 誌謝------------------------------------------------------i 摘要-----------------------------------------------------ii Abstract------------------------------------------------iii 目錄-----------------------------------------------------iv 圖目錄---------------------------------------------------vi 表目錄-------------------------------------------------viii 符號說明-------------------------------------------------ix 第一章 前言----------------------------------------------1 1.1 研究背景---------------------------------------------1 1.2 研究目的---------------------------------------------3 第二章 文獻探討------------------------------------------4 2.1 透地雷達的起源與發展---------------------------------4 2.2 透地雷達之相關應用-----------------------------------6 2.3 雷達基本原理-----------------------------------------9 2.4 雷達特性與限制--------------------------------------13 2.5 電磁波特性------------------------------------------15 2.6 電磁波的解析能力------------------------------------18 2.7 電磁波的衰減----------------------------------------21 2.8 介電常數--------------------------------------------23 2.8.1 介電常數------------------------------------------23 2.8.2 介電原理------------------------------------------24 2.8.3 介電常數的量測------------------------------------25 2.9 反射係數--------------------------------------------27 2.10 頻率與速度之關係------------------------------------28 2.10.1 電磁波之波速-------------------------------------28 2.10.2 探測深度之求法-----------------------------------29 第三章 設備與方法---------------------------------------30 3.1 儀器------------------------------------------------30 3.2 試驗規劃--------------------------------------------36 3.3 試驗內容--------------------------------------------40 3.3.1 無異物時之稻穀堆試驗------------------------------40 3.3.2 有異物時之稻穀堆試驗------------------------------42 3.4 分析流程--------------------------------------------49 3.4.1 無異物時之稻穀堆試驗分析流程----------------------49 3.4.2 有異物時之稻穀堆試驗分析流程----------------------49 第四章 結果與討論---------------------------------------51 4.1 無異物時之稻穀堆試驗結果----------------------------51 4.1.1 桃園縣蘆竹鄉試驗----------------------------------51 4.1.2 苗栗縣後龍鎮試驗----------------------------------55 4.2 有異物時之稻穀堆試驗結果----------------------------58 4.2.1 第一階段試驗--------------------------------------58 4.2.2 第二階段試驗--------------------------------------64 第五章 結論---------------------------------------------68 5.1 結論------------------------------------------------68 5.2 建議------------------------------------------------69 參考文獻-------------------------------------------------70 圖目錄 圖2-1 空氣中傳播之平面電磁波----------------------------10 圖2-2 電磁波反射和折射圖--------------------------------16 圖2-3 電磁波的繞射現象圖--------------------------------16 圖2-4 電磁波的解析能力----------------------------------19 圖2-5 電磁波頻率與解析能力、穿透深度(公尺)關係圖--------20 圖2-6 電磁波在不同介電常數下之行進方式------------------24 圖2-7 物質含水率和介電常數之關係------------------------26 圖2-8 電磁波入射與反射關係------------------------------27 圖2-9 電磁波速度與頻率關係圖----------------------------29 圖3-1 雷達主機------------------------------------------30 圖3-2 頻率100MHz雷達天線--------------------------------31 圖3-3 頻率350MHz雷達天線--------------------------------31 圖3-4 頻率400MHz雷達天線--------------------------------32 圖3-5 頻率900MHz雷達天線--------------------------------32 圖3-6 雷達電池------------------------------------------33 圖3-7 雷達轉輸線----------------------------------------33 圖3-8 雷達主機運作流程圖--------------------------------35 圖3-9 試驗規劃操作流程圖--------------------------------38 圖3-10 特徵影像處理流程----------------------------------39 圖3-11 蘆竹鄉農會現場探測圖------------------------------40 圖3-12 後龍鎮倉庫之稻穀堆外觀----------------------------41 圖3-13 天線於斜坡上之放置方式----------------------------41 圖3-14 桃園縣蘆竹郷農會穀倉現場實景----------------------42 圖3-15 鐵櫃之外觀----------------------------------------43 圖3-16 木箱和稻殼堆之外觀--------------------------------44 圖3-17 異物擺放位置立體圖--------------------------------45 圖3-18 穀倉現場施測情形----------------------------------47 圖3-19 稻穀堆之上視圖------------------------------------47 圖4-1 雷達反射波之原始訊號圖----------------------------51 圖4-2 振幅變化分佈圖------------------------------------52 圖4-3 起始點(a)之波型-----------------------------------53 圖4-4 距原點橫向二公尺(b)之波型-------------------------53 圖4-5 距原點橫向五公尺(c)之波型-------------------------54 圖4-6 相位變化分佈圖------------------------------------54 圖4-7 四個不同高度之雷達訊號----------------------------55 圖4-8 高度4.9公尺和3.7公尺之訊號經FFT轉換後之圖形-------56 圖4-9 高度2.9公尺和2.0公尺之訊號經FFT轉換後之圖形-------56 圖4-10 施測路線1雷達訊號圖(雷達主機介電常數設定為4)------59 圖4-11 第二條測線雷達訊號(雷達主機介電常數設定為4)與異物擺放位置之對照圖-------------------------------------------60 圖4-12 雷達主機介電常數設定為6之訊號---------------------62 圖4-13 雷達主機介電常數設定為26之訊號--------------------63 圖4-14 不同高度木箱處之固定點接收訊號圖------------------64 圖4-15 稻殼頻率域最大峰值分析圖--------------------------67 圖4-16 木箱頻率域最大峰值分析圖--------------------------67 圖4-17 鐵櫃頻率域最大峰值分析圖--------------------------67 表目錄 表2-1 不同頻率電磁波在不同介電常數下之波長--------------17 表2-2 透地雷達的適用範圍與探測深度----------------------22 表4-1 四組固定點之頻率域數值分析表----------------------57 表4-2 稻殼之頻率域最大峰值------------------------------66 表4-3 木箱之頻率域最大峰值------------------------------66 表4-4 鐵櫃之頻率域最大峰值------------------------------66958195 bytesapplication/pdfen-US透地雷達穀倉介電常數Ground-penetrating-radarPaddy warehouseDielectric constantthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52888/1/ntu-94-R92631028-1.pdf