一种基于UWB的非接触式纺织物湿度检测方法

本发明属于无线射频信号感知领域，特别涉及一种基于uwb的非接触式纺织物湿度检测方法。

背景技术：

1、随着智能纺织品的快速发展，纺织品湿度传感器在医疗保健、运动监测和工业监测等领域中的应用越来越广泛。然而，传统的湿度传感器通常依赖电容或电阻的变化来检测湿度，但这些接触式方法在检测精度、环境干扰、设备维护等方面都存在诸多不足且易造成样品破坏。当前市场上缺乏一种既能高效感知湿度变化，又能保持纺织品原有特性的检测技术。

2、超宽带(uwb)技术作为一种新兴的无线通信技术，具有高频带宽、低功耗和高精度等优点，在室内定位和无线传感等领域已有广泛应用(专利公开号：cn113038597a，cn113453147a)。但在纺织品湿度检测中的应用仍处于探索阶段。本发明提出了一种基于商用超宽带uwb的细粒度纺织品湿度传感方法。该方法利用纺织品材料的吸湿性对uwb信号的影响，实现对湿度的高精度检测。与现有技术相比，本发明具有无创、高精度、实时检测快速响应等优势。为智能纺织品湿度传感技术的发展提供了新的思路，具有广阔的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的技术目的是提供一种基于uwb的非接触式纺织物湿度检测方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于uwb的非接触式纺织物湿度检测方法，具体如下：

4、步骤一、构建桥接纺织物含水量和无线信号强度的理论模型：

5、1.1、纺织物的介电常数和其含水量的关系用下面的方程表示：

6、ε′r(w)＝β1w3+β2w2+β3w+β4(1)

7、其中ε′r是纺织物相对介电常数的实部，w为水分含量；β1、β2、β3、β4为系数，对于不同的纺织材料，公式格式相同，但系数不同；

8、1.2、基于电磁波传播理论，根据friis透射公式，将电磁波信号的反射模型简化为：

9、

10、其中，|at|和|ar|分别表示发射和接收信号的幅值，gt和gr分别表示发射和接收天线的增益；λ表示uwb信号的波长，d表示天线到目标的距离，r表示目标的反射系数；

11、1.3、分析电磁波在各种物质边界处的反射和折射依赖于对平面方程应用合理的边界条件，推导出反射系数：

12、

13、其中z1和z2分别表示空气和纺织物这两种介质的阻抗；固有阻抗和介电常数满足如下关系:其中z0为自由空间阻抗，z为z1或z2；则可得:

14、

15、其中∈1表示空气的介电常数，其值为1，∈2表示纺织物的介电常数；

16、1.4、将公式(2)-(4)层层代入，并结合公式(1)，建立纺织物材料的湿度水平和信号特性之间的关系方程：

17、

18、其中，sr表示uwb信号接收信号强度，和含水量有关；βi和γ是和纺织物类型相关的常数；根据采集不同纺织物材料的观测数据，利用非线性最小二乘拟合方法来估计式中对应的参数，统计拟合优度采用r平方和均方根误差进行评估；

19、步骤二、鲁棒的无关噪声及依赖消除的信号处理：

20、2.1、无线信号预处理及噪声消除：

21、2.1.1、在检测前事先采集没有纺织物目标存在时的空环境的反射信号，此操作只需要在真正进行纺织物湿度检测前采集一次即可；在之后对纺织物湿度的检测过程中，先将采集纺织物目标存在时的反射信号与事先采集的空环境的反射信号做背景差分算法；由于纺织物存在前后的采集信号中的唯一变量是纺织物，因此除去新引入的纺织物造成的反射信号的变化，环境中其余物体和布局设置的反射信号是不变的；

22、2.1.2、采集一段时间信号后，通过计算天线阵列中不同收发通道接收信号的变异系数来判断不同通道的信号传输质量；选择最稳定的n个收发通道可以避免一些不相干的环境和硬件干扰影响；

23、根据所选收发通道对应天线的空间位置，利用波束赋形技术进一步集中来自目标方向的反射信号，进一步抑制来自其他方向的无关干扰；具体方法如下：

24、目标的反射信号平行入射到天线阵列并被接收天线接收，由于天线的位置不同，导致信号以不同的时间延迟到达每根天线；选用阵列中第一根天线作为基准，并根据天线的空间位置和接收信号的相位差异，构造出如下的权重表达式，来对不同天线的不同时延造成的相位差异进行补偿，

25、

26、其中，i＝1,2,…,n，其中，n表示阵列中天线的数量，δφi(θ)表示天线的空间位置对应的接收信号的相位差异，θ表示目标的方位角，λ为信号的波长,l为阵列中相邻天线之间的长度；

27、然后得到阵列中不同天线的波束赋形权值，记为j表示虚数单位；基于上述权值可以对选中的通道组成的阵列进行波束赋形，

28、

29、其中，n的是稳定通道的个数，ωi是权重向量，xi是所选通道的信号向量；波束赋形结果降低了非感兴趣方向反射信号的影响，使水分测量更加精确；

30、最后采用小波去噪方法对环境噪声进行滤除来避免对纺织物的弱反射信号产生影响；小波去噪主要分为以下三个步骤：特征提取：指定小波分解级别k，并对信号进行小波分解得到不同级别的频率成分及其对应的小波系数；低通滤波器：对小波分解得到的每一级系数选择合适的阈值，抑制高频区域的噪声；信号重构：将经过阈值处理的频率成分应用小波逆变换将信号重构回来，得到的去噪后的有效信号；

31、2.2、无关依赖消除：

32、2.2.1、无线信号接收信号强度和传播距离密切相关，为了使所提出的系统具有实用性，应消除距离依赖的限制；射频信号的传播损耗用friis自由空间损耗方程来表示:

33、

34、其中，st和sr是发射信号的接收信号强度，和为发射和接收天线在db域的增益；

35、距离估计：首先在增加了设备的采样点，使得设备在原本相同时间内多增加一倍采样点，获得更精细的range-bin划分；然后对获得的目标所在bin的信号使用三次样条插值来进一步提高精度；

36、2.2.2、进行基准实验来分析不同纺织物的特性对反射信号的影响，包括材质、尺寸、形状和厚度；严格控制变量对这四个特性进行对应实验，结果显示，在非极端情况尺寸和形状对反射信号的影响是微小的；而对于材质因素，由于组成成品的化学材质不同，虽然不同材质在相同湿度时展现出不同的介电性能，但整体随着湿度水平增加所展现出的介电能力的变化趋势是相同的，因此对于不同材质只需要实现进行对应参数的估计完成校准即可；对于厚度因素，厚度越大介电性能越强；如果将厚度变化抽象为不从层数单位厚度纺织品的叠加，就可以将问题简化为多层反射问题，表现在反射系数r的增加，所以在模型中为r添加一个相关系数η，得到最终模型

37、本发明的有益效果：

38、1)通过本发明提供的基于uwb的非接触式纺织物湿度检测方法，可以实现非接触无创的高精度、高响应的纺织物湿度检测；

39、2)提供了全新的桥接纺织物含水量和无线信号之间的理论模型，从中能够探究纺织物含水量的变化对无线信号产生影响的底层物理原理；

40、3)精细信号处理方法，解决纺织物由于弱极性而对信号影响较弱的问题，消除环境中无关物体反射的干扰，利用天线阵列聚焦增强特定方向的信号反射，消除环境带来的高频噪声影响；

41、4)软件层面提升设备测距精度，同时消除固定距离的限制，实现灵活的检测需求。

技术特征：

1.一种基于uwb的非接触式纺织物湿度检测方法，其特征在于，具体如下：

技术总结
本发明提出了一种基于UWB的非接触式纺织物湿度检测方法。该系统利用超宽带(UWB)信号进行传感,引入了一套创新的信号处理方法来应对织物反射信号微弱且易受噪声干扰的挑战。为减少对大量数据集的依赖，发明采用了模型驱动的方法。寻找纺织物湿度对射频信号产生影响的底层物理联系，建立了桥接射频信号特性与织物水分含量的理论模型。基于该模型,通过精细的信号处理和参数校准,系统成功消除了目标距离和目标属性等干扰因素的影响。本发明实现了高精度的织物水分测量，可广泛应用于智能服装、伤口护理和纺织品制造等领域。

技术研发人员：林驰,王兆赫
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5